KR101936084B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

풍력발전장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 풍력발전장치는: 코어 챔버에 배치되고, 발전부와 연결되는 프로펠러부; 프로펠러부의 원주방향을 따라 복수 개가 배치되고, 프로펠러부 측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성되는 공기유입 콘부; 공기유입 콘부의 내부에 배치되고, 유입 공기가 보텍스를 형성하면서 프로펠러부 측으로 유동되도록 나선형으로 형성되는 유입 보텍스 스크루; 공기유입 콘부 사이에 배치되고, 프로펠러부 측에서 외측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성되는 공기토출 콘부; 및 공기토출 콘부의 내부에 배치되고, 코어 챔버에서 토출되는 공기가 보텍스를 형성하면서 프로펠러부의 외측으로 토출되도록 나선형으로 형성되는 토출 보텍스 스크루를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전장치{WIND POWER GENERATOR FOR AIRCRAFT WARNING INDICATION}
본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력 발전 효율을 향상시킬 수 있는 풍력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력 송전 또는 통신을 위한 송전선은 지면으로부터 매우 높은 높이로 설치된 다수의 송전탑들 사이에서 고공 상태로 연결된다. 송전선이나 높은 건물 등은 저공으로 비행하는 비행기 또는 헬리콥터 등의 항공기에게 위험요소이다.
항공 장애물 표시장치는 비행 중인 조종사에게 장애물의 존재를 알리기 위하여 60미터 이상인 경우에 사용된다. 항공 장애물 표시장치에는 주간장애표지와 항공장애등이 있는데, 주간장애표지는 주로 낮시간에 비행기 조종사에게 송전선로 및 철탑의 존재를 알리기 위해 송전선로 상에 설치된다. 항공장애등은 고광도, 중광도, 저광도 등 세 종류가 있으며 섬광을 발산하는데, 주간장애표지 기능도 일부 수행하지만 주로 흐린 날이나 밤에 비행조종사가 쉽게 식별 가능하도록 송전철탑과 높은 건축물 등에 설치된다. 주간장애표지는 원거리에서도 식별할 수 있도록 60-80cm 크기이며, 황색, 백색 구형 몸체로 이루어진다. 항공장애등은 60미터 이상일 경우 저광도를, 105미터에서 150미터 이상 철탑에서 중광도와 고광도를 사용한다. 저광도는 광도가 32cd(칸델라) 이고, 중광도는 2,000cd, 고광도는 100,000cd로 많은 전기 에너지가 필요하다.
항공장애등에는 현재 태양광 발전방식을 사용하고 있다. 태양광 발전기는 태양광을 주 에너지로 사용하고 있으며, 낮시간에 배터리에 충전 후 밤시간에 이를 이용하여 점등하는 충, 방전 사이클로 이루어진다. 이러한 태양광 발전은 날씨의 영향을 크게 받아 눈이 오거나 흐린 날은 발전효율이 저조하고, 장마철 등 비가 오는 날이 계속되면 발전을 전혀 할 수 없는 근본적인 문제점을 안고 있다. 현재 기술로는 태양광발전 효율은 30% 이하 정도로 보고 있다. 특히 태양광발전방식 사용시 날씨가 흐리거나 비 오는 날이 계속되면 배터리가 방전종지전압 이하로 저하되고, 그로 인하여 배터리가 고유의 특성을 잃게 되며, 이후 날씨가 좋아져 태양광발전을 하더라도 배터리에 더 이상 전기 에너지를 축적할 수 없게 된다. 배터리의 고장으로 인하여 항공장애등이 고장이 아니어도 섬광을 발산할 수 없는 고장상태가 된다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 태양광발전방식을 보조하거나 대체 할 수 있는 풍력발전장치를 대안으로 제시하고자 한다. 풍력발전방식은 비가 오거나 눈이 오거나 햇빛이 없더라도, 바람만 불어준다면 언제든지 24시간 하루종일 발전이 가능하다.
특히, 송전철탑이나 높은 건물은 기류에 의해 바람이 계속적으로 영향을 미친다. 따라서, 송전철탑이나 높은 건물에 풍력발전장치가 설치되어 풍력발전에 의해 생산된 전기가 항공장애등이나 다른 설비에도 이용될 수 있다. 이러한 풍력발전기의 풍력 발전 효율을 향상시키는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 등록특허공보 제10-0898576호(2009.05.13 등록, 발명의 명칭: 가공송전선로용 항공 장애 표시구)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 풍력 발전 효율을 향상시킬 수 있는 풍력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 풍력발전장치는: 코어 챔버에 배치되고, 발전부와 연결되는 프로펠러부; 상기 프로펠러부의 원주방향을 따라 복수 개가 배치되고, 상기 프로펠러부 측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성되는 공기유입 콘부; 상기 공기유입 콘부의 내부에 배치되고, 유입 공기가 보텍스를 형성하면서 상기 프로펠러부 측으로 유동되도록 나선형으로 형성되는 유입 보텍스 스크루; 상기 공기유입 콘부 사이에 배치되고, 상기 프로펠러부 측에서 외측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성되는 공기토출 콘부; 및 상기 공기토출 콘부의 내부에 배치되고, 상기 코어 챔버에서 토출되는 공기가 보텍스를 형성하면서 상기 프로펠러부의 외측으로 토출되도록 나선형으로 형성되는 토출 보텍스 스크루를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 공기유입 콘부는 상기 프로펠러부의 회전축 중심과 상기 공기유입 콘부의 제1 토출단부의 중심을 연결한 가상선에서 상기 공기유입 콘부의 제1 유입단부의 중심이 일측으로 벗어나도록 형성될 수 있다.
복수의 상기 공기유입 콘부의 상기 제1 토출단부는 상기 프로펠러부의 회전축에서 동일한 반경에 배치되고, 복수의 상기 공기유입 콘부의 상기 제1 유입단부는 상기 프로펠러부의 반경에 수직한 직선과 비스듬하게 형성될 수 있다.
상기 공기유입 콘부는 배수 가능하도록 상기 공기유입 콘부의 상기 제1 유입단부의 하부가 상기 제1 토출단부의 하부보다 하측에 배치될 수 있다.
상기 공기토출 콘부는 상기 프로펠러부의 회전축 중심과 상기 공기토출 콘부의 제2 유입단부의 중심을 연결한 가상선에서 상기 공기토출 콘부의 제2 토출단부의 중심이 일측으로 벗어나도록 형성될 수 있다.
복수의 상기 공기토출 콘부의 상기 제2 유입단부는 상기 프로펠러부의 회전축에서 동일한 반경에 배치될 수 있다.
상기 유입 보텍스 스크루의 중심부에는 유입 통로부가 형성되고, 상기 유입 보텍스 스크루는 상기 공기유입 콘부의 내측면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다.
상기 유입 보텍스 스크루의 제1 외경측 단부와 제1 내경측 단부 사이의 폭은 상기 프로펠러부 측으로 갈수록 감소될 수 있다.
상기 토출 보텍스 스크루의 중심부에는 토출 통로부가 형성되고, 상기 토출 보텍스 스크루는 상기 공기토출 콘부의 내측면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다.
상기 토출 보텍스 스크루의 제2 외경측 단부와 제2 내경측 단부 사이의 폭은 상기 공기토출 콘부의 외측으로 갈수록 감소될 수 있다.
상기 프로펠러부는 상기 프로펠러부의 원주방향을 따라 배치되는 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드는 상기 프로펠러부의 회전축에 수직한 평면에 대하여 경사지게 형성될 수 있다.
상기 블레이드는 상기 공기유입 콘부의 내측 단부에 대하여 오목하게 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 유입 보텍스 스크루가 공기유입 콘부의 내부에 나선형으로 설치되므로, 공기유입 콘부에서 공기가 유동되면서 회오리 형태의 보텍스를 형성한다. 따라서, 공기유입 콘부에서는 강력한 회오리 형태의 보텍스가 프로펠러부 측으로 토출되므로, 프로펠러부의 회전속도가 상대적으로 증가될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 토출 보텍스 스크루가 공기토출 콘부의 내측면을 따라 나선형으로 배치되므로, 공기토출 콘부에서는 강력한 회오리 형태의 보텍스가 외측으로 토출된다. 따라서, 공기토출 성능이 향상되므로, 반사적으로 공기유입 콘부에서 공기의 유입 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치가 철탑에 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치를 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부와 공기토출 콘부를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부와 공기토출 콘부를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부와 프로펠러부를 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부가 하측으로 경사지게 설치된 상태를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 유입 보텍스 스크루와 토출 보텍스 스크루를 도시한 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 유입 보텍스 스크루와 토출 보텍스 스크루에서 공기의 유동 상태를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부의 일 예를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부가 회전축에 복수 개 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부가 회전축에 복수 개 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 13은 자유소용돌이에서 공기의 속도와 압력, 유동축으로부터의 거리와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 14는 강제소용돌이에서 공기의 속도와 압력, 유동축으로부터 거리와의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 풍력발전장치의 일 실시예를 설명한다. 풍력발전장치를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치가 철탑에 설치된 상태를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치를 도시한 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부와 공기토출 콘부를 도시한 사시도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부와 공기토출 콘부를 도시한 구성도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부와 프로펠러부를 도시한 구성도이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 공기유입 콘부가 하측으로 경사지게 설치된 상태를 도시한 구성도이다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 유입 보텍스 스크루와 토출 보텍스 스크루를 도시한 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 유입 보텍스 스크루와 토출 보텍스 스크루에서 공기의 유동 상태를 도시한 사시도이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치는 프로펠러부(120), 공기유입 콘부(130), 유입 보텍스 스크루(140), 공기토출 콘부(150) 및 토출 보텍스 스크루(160)를 포함한다.
풍력발전장치(100)는 철탑, 가공지선, 고층 건물 등 다양한 곳에 설치된다. 풍력발전장치(100)는 지상에서 60m 이상의 높이에 설치되며, 바람이 계속적으로 불기 때문에 지속적인 발전이 가능하다.
풍력발전장치(100)의 상측에는 비나 눈 등이 공기유입 콘부(130)와 공기토출 콘부(150)를 통해 풍력발전장치(100)의 내부로 유입되는 것을 차단하도록 차단 커버(103)가 설치될 수 있다. 차단 커버(103)는 풍력발전장치(100)의 상측을 커버하는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 풍력발전장치(100)의 하우징(101) 하측에는 풍력발전장치(100)의 내부로 유입된 눈이나 비 등을 배수하도록 배수홀부(105)가 형성된다. 배수홀부(105)의 크기 및 개수는 풍력발전장치(100)의 크기나 형태에 따라 다양하게 형성될 수 있다.
프로펠러부(120)는 코어 챔버(110)에 배치되고, 발전부(125)와 연결된다. 발전부(125)는 전선 등에 의해 항공장애등(미도시)과 같은 다양한 장치에 전원을 공급할 수 있다. 발전부(125)는 프로펠러부(120)의 회전 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 발전부(125)에서 발전된 전력은 항공장애등에 전달되고, 항공장애등은 섬광을 발산한다.
발전부(125)는 황화카드뮴(CADMIUM SULFIDE, CDS)을 사용하여 낮에는 꺼지고 밤에는 켜지도록 하는 광전변환소자를 포함할 수 있다.
발전부(125)는 바람이 풍력발전을 하지 못할 정도로 불 때를 대비하여 전력을 저장할 수 있도록 배터리(미도시)를 더 포함할 수 있다. 배터리에 충전된 전기에너지는 프로펠러부(120)가 회전되지 않을 때에 항공장애등(미도시)에 공급될 수 있다.
프로펠러부(120)가 철탑(10)의 내부에 설치되는 경우, 작업자가 가공전선이나 애자 등을 수리할 때에 프로펠러부(120)의 회전에 의해 작업자가 부상을 입을 수 있다. 따라서, 프로펠러부(120)를 둘러싸도록 하우징(101)이 설치되어 작업자의 안정성을 확보할 수 있다.
프로펠러부(120)의 둘레부에 하우징(101)이 설치되는 경우, 바람이 하우징(101)을 통과하여 프로펠러부(120)에 공급되도록 공기유입 콘부(130)가 설치되고, 하우징(101) 내부의 바람이 하우징(101)의 외부로 공급되도록 공기토출 콘부(150)가 설치된다.
또한, 공기유입 콘부(130)을 통과하는 바람의 풍속을 증가시키기 위해 공기유입 콘부(130)의 내부에 유입 보텍스 스크루(140)가 설치된다. 공기토출 콘부(150)를 통해 하우징(101) 내부의 바람이 하우징(101)의 외부로 원활하게 토출되도록 공기토출 콘부(150)의 내부에 토출 보텍스 스크루(160)를 설치한다. 공기유입 콘부(130)와 공기토출 콘부(150)가 바람의 풍속에 의해 파손되는 것을 방지하도록 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)와 공기토출 콘부(150)의 제2 토출단부(153)가 하우징(101)에 의해 지지된다. 하우징(101)은 지지체(11: 도 4 참조)에 의해 철탑(10)의 프레임에 지지된다. 하우징(101)은 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)와 공기토출 콘부(150)의 제2 토출단부(153)가 배치되지 않은 영역을 외부로부터 차폐시킨다.
풍력발전장치(100)가 철탑(10)에 직렬로 복수 개 설치되면 전기 에너지의 출력이 상승될 수 있지만, 풍력발전장치(100)의 하중이나 풍압에 의한 철탑(10)의 하중이 증가된다. 따라서, 풍력발전장치(100)의 설치 개수를 증가시키면 철탑(10)의 안전율도 고려해야 한다.
풍력발전장치(100)의 둘레에는 그물(미도시)을 씌워 작은 새나 날짐승 등의 작은 동물이 풍력발전장치(100)의 내부로 침입하는 것을 방지할 수 있다. 그물에 의해 풍력발전장치(100)나 철탑(10)에 풍압이 거의 증가되지 않도록 섬유사 같은 가는 그물이 적용될 수 있다.
프로펠러부(120)의 구조에 관해서는 아래에서 상세히 설명하기로 한다.
공기유입 콘부(130)는 프로펠러부(120)의 원주방향을 따라 복수 개가 배치되고, 프로펠러부(120) 측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성된다. 공기유입 콘부(130)는 복수의 층이 적층된 형태로 형성될 수 있다. 또한, 공기유입 콘부(130)는 주위 구조물의 형태나 지형에 따라 다양한 형태로 배치될 수 있다.
공기유입 콘부(130)의 각도를 조절하여 풍속의 속도 상승을 통한 발전부(125)의 출력 상승이 가능하다. 예를 들면, 공기유입 콘부(130)에서 제1 유입단부(131)의 직경이 제1 토출단부(133)의 직경의 비율이 증가됨에 따라 공기유입 콘부(130)에 유입되는 풍량을 증가시켜 발전부(125)의 출력을 증가시킬 수 있다. 공기유입 콘부(130)에서 제1 유입단부(131) 직경과 제1 토출단부(133) 직경의 비율은 발전부(125)의 목표 출력에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
복수의 공기유입 콘부(130)는 하우징(101)에 위치하고 하우징(101)에 고정된다. 하우징(101)은 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)를 연결하도록 설치될 수 있다. 공기유입 콘부(130)는 하우징(101)의 내부에 한 층 또는 복수 층으로 설치될 수 있다. 공기유입 콘부(130)가 복수의 층으로 배치되는 경우, 공기유입 콘부(130)의 층마다 하나씩의 프로펠러부(120)가 배치된다. 공기유입 콘부(130)가 프로펠러부(120)의 원주방향을 따라 복수 개가 배치되므로, 바람이 다양한 방향에서 불어오더라도 공기유입 콘부(130)에 유입될 수 있다.
공기유입 콘부(130)는 프로펠러부(120) 측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성된다. 공기유입 콘부(130)의 단면적이 프로펠러부(120) 측으로 갈수록 작아지게 되므로, 공기가 공기유입 콘부(130)를 따라 유동됨으로써 유속이 점차적으로 빨라지게 된다. 따라서, 프로펠러부(120)에 보다 빠르고 압력이 높은 공기가 공급되어 프로펠러부(120)의 회전 속도를 증가시킬 수 있다.
공기유입 콘부(130)는 프로펠러부(120)의 회전축 중심과 공기유입 콘부(130)의 제1 토출단부(133)의 중심을 연결한 가상선에서 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)의 중심이 일측으로 벗어나도록 형성된다. 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)는 프로펠러부(120)의 회전축(121)의 중심에서 동일한 반경상에 배치될 수 있다. 공기유입 콘부(130)는 프로펠러부(120)의 반경에 대하여 경사지게 배치된다. 이때, 공기유입 콘부(130)의 길이방향 단면은 사다리꼴 형태로 형성된다. 공기유입 콘부(130)의 제1 토출단부(133)는 블레이드(123)에 대향된다. 따라서, 공기유입 콘부(130)에서 토출되는 공기가 블레이드(123)에 직접 충돌되므로, 프로펠러부(120)의 회전토크와 회전속도를 증가시킬 수 있다.
복수의 공기유입 콘부(130)의 제1 토출단부(133)는 프로펠러부(120)의 회전축(121)에서 동일한 반경 상에 배치되고, 복수의 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)는 프로펠러부(120)의 반경에 수직한 직선과 비스듬하게 형성된다. 프로펠러부(120)의 제1 유입단부(131)를 연결하는 가상선이 프로펠러부(120)의 반경에 수직한 직선과 예각(A3: 도 5 참조)을 형성하므로, 바람의 방향과 경사지게 배치되는 공기유입 콘부(130)에 보다 많은 바람이 유입될 수 있다.
공기유입 콘부(130)는 배수 가능하도록 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131) 하부가 제1 토출단부(133) 하부보다 하측에 배치된다. 공기유입 콘부(130)의 하측면이 배수 가능하도록 아래로 일정 각도(A4: 도 6 참조) 경사지게 형성된다. 예를 들면, 공기유입 콘부(130)는 외측면 하측이 아래로 대략 2ㅀ 이상의 경사를 이루도록 형성될 수 있다. 이때, 공기유입 콘부(130)의 내측면 하측은 유입 보텍스 스크루(140)의 하측과 약간 이격될 수 있다. 따라서, 공기유입 콘부(130)에 빗물 등이 유입되더라도 자연적으로 배수가 되므로, 공기유입 콘부(130)의 내부에서 빗물 등이 유로 저항으로 작용하는 것을 방지할 수 있다.
유입 보텍스 스크루(140)는 공기유입 콘부(130)의 내부에 배치되고, 유입 공기가 보텍스를 형성하면서 프로펠러부(120) 측으로 유동되도록 나선형으로 형성된다. 유입 보텍스 스크루(140)가 나선형으로 형성되므로, 공기유입 콘부(130)에서 공기가 유동되면서 회오리 형태(spiral type)의 보텍스(vortex)를 형성한다.
공기와 물의 물리학적 성질을 비교하면, 물은 거의 비압축성에 가깝고, 공기는 물에 비해 압축성 크다. 또한, 공기의 점성도 물에 비해 현저히 작다. 그러므로, 유입 보텍스 스크루(140)를 이용하여 공기를 압축하면, 보텍스(소용돌이)로 인하여 공기의 밀도가 증가되므로, 프로펠러부(120)에 가해지는 공기의 충격력 내지 충격량을 증가시킴에 따라 더 많은 발전 전력이 생산될 수 있다.
유입 보텍스 스크루(140)의 중심부에는 직선형의 유입 통로부(미도시)가 형성되고, 유입 보텍스 스크루(140)는 공기유입 콘부(130)의 내측면을 따라 나선형으로 형성된다. 유입 보텍스 스크루(140)를 따라 유동되는 공기는 회전력을 갖게 되고, 직선형의 유입 통로부를 통과하는 공기는 전진하는 풍력(힘)을 갖게 된다. 따라서, 공기유입 콘부(130)에서는 강력한 회오리 형태의 보텍스가 프로펠러부(120) 측으로 토출되므로, 프로펠러부(120)의 회전속도가 상대적으로 증가될 수 있다. 따라서, 발전 효율의 향상을 꾀할 수 있다.
유입 보텍스 스크루(140)의 제1 외경측 단부(143)와 제1 내경측 단부(145) 사이의 폭(W1,W2)은 프로펠러부(120) 측으로 갈수록 감소된다(W1＞W2). 또한, 직선형 통로부의 직경은 프로펠러부(120) 측으로 갈수록 감소될 수 있다. 유입 보텍스 스크루(140)의 폭(W1,W2)이 프로펠러부(120) 측으로 갈수록 감소되므로(W1＞W2), 공기유입 콘부(130)의 직경이 토출측으로 갈수록 작아지더라도 유입 보텍스 스크루(140)의 폭(W1,W2)과 직선형 통로부의 비율을 적절하게 유지할 수 있다.
공기토출 콘부(150)는 공기유입 콘부(130) 사이에 배치되고, 프로펠러부(120) 측에서 외측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성된다. 공기토출 콘부(150)는 공기유입 콘부(130)와 교번으로 배치된다. 공기토출 콘부(150)의 단면적은 제2 유입단부(151)에서 제2 토출단부(153)로 갈수록 점차적으로 감소된다.
공기토출 콘부(150)는 프로펠러부(120)의 회전축(121)의 중심과 공기토출 콘부(150)의 제2 유입단부(151)의 중심을 연결한 가상선에서 공기토출 콘부(150)의 제2 토출단부(153)의 중심이 일측으로 벗어나도록 형성된다. 즉, 공기토출 콘부(150)는 프로펠러부(120)의 반경에 대하여 일측으로 일정 각도(A2: 도 4 참조) 경사지게 배치된다. 이때, 공기토출 콘부(150)의 제2 유입단부(151)가 프로펠러부(120)에 대향되게 배치되고, 프로펠러부(120)에서 토출되는 공기는 프로펠러부(120)의 반경방향에 대하여 경사지게 유동된다. 따라서, 프로펠러부(120)에서 토출되는 공기가 공기토출 콘부(150)에 보다 많이 유입되므로, 코어 챔버(110)에서 공기의 토출 성능을 향상시킴에 따라 발전 효율이 증가될 수 있다.
복수의 공기토출 콘부(150)의 제2 유입단부(151)는 프로펠러부(120)의 회전축(121)에서 동일한 반경에 배치된다. 따라서, 코어 챔버(110)의 원주방향을 따라 공기의 토출 성능이 균일해질 수 있다.
토출 보텍스 스크루(160)는 공기토출 콘부(150)의 내부에 배치되고, 코어 챔버(110)에서 토출되는 공기가 보텍스를 형성하면서 프로펠러부(120)의 외측으로 토출되도록 나선형으로 형성된다. 토출 보텍스 스크루(160)의 중심부에는 직선형의 토출 통로부(미도시)가 형성되고, 토출 보텍스 스크루(160)는 공기토출 콘부(150)의 내측면을 따라 나선형으로 배치된다. 토출 보텍스 스크루(160)를 따라 유동되는 공기는 회전력을 갖게 되고, 토출 통로부를 통과하는 공기는 전진하는 풍력을 갖게 된다. 따라서, 공기토출 콘부(150)에서는 강력한 회오리 형태의 보텍스가 토출되므로, 반사적으로 공기유입 콘부(130)에서 공기의 유입 성능이 향상될 수 있다.
토출 보텍스 스크루(160)의 제2 외경측 단부(163)와 제2 내경측 단부(165) 사이의 폭(W3,W4)은 프로펠러부(120)에서 외측으로 갈수록 감소된다(W3＞W4). 또한, 토출 통로부의 직경은 공기토출 콘부(150)의 외측으로 갈수록 감소될 수 있다. 토출 보텍스 스크루(160)의 폭(W3,W4)이 외측으로 갈수록 감소되므로, 공기토출 콘부(150)의 직경이 외측으로 갈수록 작아지더라도 토출 보텍스 스크루(160)의 폭(W3,W4)과 토출 통로부의 비율을 적절하게 유지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부의 일 예를 도시한 사시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부가 회전축에 복수 개 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 프로펠러부(120)는 발전부(125)에 한 개가 연결되거나 복수 개가 연결된다. 프로펠러부(120)가 복수 개 연결되는 경우, 발전부(125)의 일측에는 코어 챔버(110)가 배치되고, 코어 챔버(110)의 내부에 프로펠러부(120)가 설치되며, 복수의 프로펠러부(120)의 회전축(121)이 연결되어 하나의 축을 형성한다.
프로펠러부(120)는 코어 챔버(110)의 중심부에 설치되는 회전축(121)과, 회전축에 방사상으로 연결되는 연결로드(122)에 결합되고, 프로펠러부(120)의 원주방향을 따라 배치되는 복수의 블레이드(123)를 포함한다. 블레이드(123)는 프로펠러부(120)의 회전축(121)과 수직한 평면에 대하여 소정 각도(B1) 경사지게 형성된다.
블레이드(123)는 공기유입 콘부(130)의 내측 단부에 대하여 오목하게 형성된다. 이때, 블레이드(123)는 중심부가 점차적으로 좁아지는 형태로 형성된다. 블레이드 4면은 대략 삼각형 형태로 형성될 수 있다. 블레이드(123)가 오목하게 형성되므로, 블레이드(123)가 평평하게 형성되는 구조에 비해 상대적으로 많은 양의 공기를 수용할 수 있어 유입된 공기의 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 블레이드(123)가 상대적으로 많은 양의 공기를 수용하므로, 프로펠러부(120)의 회전속도를 증가시켜 회전 운동에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서, 동일한 풍속의 바람을 이용하더라도 풍력 발전량을 증가시킬 수 있다.
상기한 풍력발전장치에는 다양한 형태의 프로펠러부가 적용될 수 있다. 프로펠러부의 다른 예를 설명하면 다음과 같다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부의 다른 예를 도시한 사시도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치에서 프로펠러부가 회전축에 복수 개 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 프로펠러부(170)는 회전축(171)과 블레이드(173)를 포함한다.
회전축(171)은 블레이드(173)의 회전 중심을 이룬다. 블레이드(173)는 회전축(171)에 대하여 일정 각도(B2) 경사지게 형성되고, 중심부가 오목하게 형성된다. 블레이드(173)의 오목한 중심부는 공기유입 콘부(130)의 제1 토출단부(133)에 대향된다.
블레이드(173)의 오목한 부분이 공기유입 콘부(130)의 제1 토출단부(133)에 대향되므로, 블레이드(173)가 평평하게 형성되는 구조에 비해 상대적으로 많은 양의 공기를 받을 수 있고, 공기의 이탈을 방지할 수 있다. 또한, 블레이드(173)가 상대적으로 많은 양의 공기를 수용하므로, 프로펠러부(170)이 회전속도를 증가시켜 회전 운동에너지를 증가시킬 수 있다. 따라서, 동일한 풍속의 바람을 이용하더라도 풍력 발전량을 증가시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치의 작동에 관해 설명하기로 한다.
바람이 공기유입 콘부(130)에 유입되면, 직선형 유입 통로부를 통과하는 공기는 전진하는 풍력을 갖게 되고, 유입 보텍스 스크루(140)를 따라 나선형으로 유동하는 공기는 회전력을 갖게 된다. 따라서, 공기유입 콘부(130)에서는 강력한 회오리 형태의 보텍스가 토출되므로, 프로펠러부(120)의 회전속도가 상대적으로 증가될 수 있다. 이에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
Figure 112017051463528-pat00001
여기서,
Figure 112017051463528-pat00002
는 공기유입 콘부(130)를 통해 유입되거나 토출되는 공기의 유량을 의미하고,
Figure 112017051463528-pat00003
은 공기유입 콘부(130)의 제1 유입단부(131)의 단면적,
Figure 112017051463528-pat00004
는 공기유입 콘부(130)의 제1 토출단부(133)의 단면적,
Figure 112017051463528-pat00005
은 제1 유입단부(131)에서 공기의 유입 속도,
Figure 112017051463528-pat00006
는 제1 토출단부(133)에서 공기의 토출 속도를 의미한다.
공기유입 콘부(130)의 토출측 단면적이 공기유입 콘부(130)의 유입측 단면적보다 작게 형성되므로, 공기의 토출 속도가 공기의 유입 속도보다 증가된다. 따라서, 프로펠러부(120)의 타격력이 증가되므로, 프로펠러부(120)의 회전 운동에너지를 증가시킬 수 있다.
또한, 프로펠러부(120)에서 토출되는 공기가 공기토출 콘부(150)에 유입되면, 직선형의 토출 통로부를 통과하는 공기는 전진하는 풍력을 갖게 되고, 토출 보텍스 스크루(160)를 따라 나선형으로 유동하는 공기는 회전력을 갖게 된다. 따라서, 공기토출 콘부(150)에서는 강력한 회오리 형태의 보텍스가 토출되므로, 공기의 토출 성능이 향상될 수 있다. 공기의 토출 성능이 향상되면 반사적으로 공기의 유입 성능이 향상되므로, 프로펠러부(120)의 회전 운동에너지를 증가시킬 수 있다. 이에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
Figure 112017051463528-pat00007
여기서
Figure 112017051463528-pat00008
는 공기토출 콘부(150)를 통해 유입되거나 토출되는 공기의 유량을 의미하고,
Figure 112017051463528-pat00009
은 공기토출 콘부(150)의 유입측 단면적,
Figure 112017051463528-pat00010
는 공기토출 콘부(150)의 토출측 단면적,
Figure 112017051463528-pat00011
은 공기토출 콘부(150)의 제2 유입단부(151)에서 공기의 유입 속도,
Figure 112017051463528-pat00012
는 공기토출 콘부(150)의 제2 토출단부(153)에서 공기의 토출 속도를 의미한다.
공기토출 콘부(150)의 토출측 단면적이 공기토출 콘부(150)의 유입측 단면적보다 작아 공기의 토출 속도가 공기의 유입 속도보다 증가되므로, 프로펠러부(120) 측에서 토출되는 공기의 토출 성능을 향상시킬 수 있다. 유체의 특성상 공기의 토출 성능이 향상되면, 반사적으로 공기의 유입 성능이 향상된다.
공기가 공기유입 콘부(130)에서 토출되어 프로펠러부(120)에 타격하고, 프로펠러부(120)에서 토출되는 공기는 공기토출 콘부(150)를 통해 외부로 토출된다. 이러한 공기의 유동에 의해 프로펠러부(120)가 회전됨에 따라 발전부(125)에서 전기에너지가 생산된다.
발전부(125)에서 발전되는 전기에너지는 배터리에 충전되거나 항공장애등에 공급될 수 있다. 항공장애등이 전기에너지를 공급받아 섬광을 발산함에 따라 비행기 조종사는 항공장애물을 용이하게 식별할 수 있다.
도 13은 자유소용돌이에서 공기의 속도와 압력, 유동축으로부터의 거리와의 관계를 도시한 그래프이고, 도 14는 강제소용돌이에서 공기의 속도와 압력, 유동축으로부터 거리와의 관계를 도시한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 공기의 유동축 둘레에 회전운동(나선운동)을 하는 공기의 흐름을 소용돌이라고 한다. 소용돌이의 각속도를 ω라고 하고, u와 v를 x축 및 y축 방향의 속도 성분이라고 할 때에, 각속도
Figure 112017051463528-pat00013
로 표시된다. 소용돌이를 가진 유체 부분의 흐름을 협의의 소용돌이라고 한다. 소용돌이의 전형적인 예로서 자유소용돌이와 강제소용돌이로 구분된다. 자유소용돌이는 도체에 소용돌이의 각속도가 ω=0 이므로, 원주방향 속도(회전속도)
Figure 112017051463528-pat00014
와 유동축으로 부터의 거리 r과 사이에는
Figure 112017051463528-pat00015
(일정)의 관계에 있으며, 압력은
Figure 112017051463528-pat00016
이 된다. 즉, 소용돌이가 유동축과 일정 거리 이상 떨어지면 소용돌이의 압력은 일정해진다. 여기서,
Figure 112017051463528-pat00017
는 유체의 밀도이다.
도 14를 참조하면, 강제소용돌이는 공기의 유동축 둘레를 강체와 같이 회전하는 소용돌이로서, 소용돌이의 속도는
Figure 112017051463528-pat00018
의 관계에 있으며, 소용돌이의 압력은
Figure 112017051463528-pat00019
가 된다.
강제소용돌이의 경우 속도가 산술급수적으로 증가할수록 압력이 기하급수적 또는 지수함수적으로 증가된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 유입 보텍스 스크루(140)에서 발생되는 소용돌이에서는 공기의 유속이 산술급수적으로 증가되면 공기의 압력은 기하급수적 또는 지수함수적으로 증가되므로, 공기의 유속이 증가할수록 프로펠러부(120)의 충격량이 기하급수적 또는 지수함수적으로 증가될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 철탑 11: 지지체
100: 풍력발전장치 101: 하우징
103: 차단 커버 105: 배수홀부
110: 코어 챔버 120: 프로펠러부
121: 회전축 122: 연결로드
123: 블레이드 125: 발전부
130: 공기유입 콘부 131: 제1 유입단부
133: 제1 토출단부 140: 유입 보텍스 스크루
143: 제1 외경측 단부 145: 제1 내경측 단부
150: 공기토출 콘부 151: 제2 유입단부
153: 제2 토출단부 160: 토출 보텍스 스크루
163: 제2 외경측 단부 165: 제2 내경측 단부
170: 프로펠러부 171: 회전축
173: 블레이드

Claims (12)

  1. 코어 챔버에 배치되고, 발전부와 연결되는 프로펠러부;
    상기 프로펠러부의 원주방향을 따라 복수 개가 배치되고, 상기 프로펠러부 측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성되는 공기유입 콘부;
    상기 공기유입 콘부의 내부에 배치되고, 유입 공기가 보텍스를 형성하면서 상기 프로펠러부 측으로 유동되도록 나선형으로 형성되는 유입 보텍스 스크루;
    상기 공기유입 콘부 사이에 배치되고, 상기 프로펠러부 측에서 외측으로 갈수록 내경이 감소되는 형태로 형성되는 공기토출 콘부; 및
    상기 공기토출 콘부의 내부에 배치되고, 상기 코어 챔버에서 토출되는 공기가 보텍스를 형성하면서 상기 프로펠러부의 외측으로 토출되도록 나선형으로 형성되는 토출 보텍스 스크루를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 공기유입 콘부는 상기 프로펠러부의 회전축 중심과 상기 공기유입 콘부의 제1 토출단부의 중심을 연결한 가상선에서 상기 공기유입 콘부의 제1 유입단부의 중심이 일측으로 벗어나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    복수의 상기 공기유입 콘부의 상기 제1 토출단부는 상기 프로펠러부의 회전축에서 동일한 반경에 배치되고,
    복수의 상기 공기유입 콘부의 상기 제1 유입단부는 상기 프로펠러부의 반경에 수직한 직선과 비스듬하게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 공기유입 콘부는 배수 가능하도록 상기 공기유입 콘부의 상기 제1 유입단부의 하부가 상기 제1 토출단부의 하부보다 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 공기토출 콘부는 상기 프로펠러부의 회전축 중심과 상기 공기토출 콘부의 제2 유입단부의 중심을 연결한 가상선에서 상기 공기토출 콘부의 제2 토출단부의 중심이 일측으로 벗어나도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    복수의 상기 공기토출 콘부의 상기 제2 유입단부는 상기 프로펠러부의 회전축에서 동일한 반경에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 유입 보텍스 스크루의 중심부에는 유입 통로부가 형성되고, 상기 유입 보텍스 스크루는 상기 공기유입 콘부의 내측면을 따라 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 유입 보텍스 스크루의 제1 외경측 단부와 제1 내경측 단부 사이의 폭은 상기 프로펠러부 측으로 갈수록 감소되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 토출 보텍스 스크루의 중심부에는 토출 통로부가 형성되고, 상기 토출 보텍스 스크루는 상기 공기토출 콘부의 내측면을 따라 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 토출 보텍스 스크루의 제2 외경측 단부와 제2 내경측 단부 사이의 폭은 상기 공기토출 콘부의 제2 토출단부 측으로 갈수록 감소되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 프로펠러부는 상기 프로펠러부의 원주방향을 따라 배치되는 복수의 블레이드를 포함하고,
    상기 블레이드는 상기 프로펠러부의 회전축에 수직한 평면에 대하여 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 공기유입 콘부의 내측 단부에 대하여 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
KR1020170066686A 2017-05-30 2017-05-30 풍력발전장치 KR101936084B1 (ko)

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