KR101945990B1

KR101945990B1 - 풍력 발전용 회전 유닛 및 이를 구비한 풍력 발전 시스템

Info

Publication number: KR101945990B1
Application number: KR1020170015691A
Authority: KR
Inventors: 이영근
Original assignee: 이영근
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2019-02-08
Also published as: KR20180090611A

Abstract

본 발명의 목적은 수직으로 세워진 구동축을 구비하는 회전 유닛의 장점을 구비하고 동시에 바람의 이용 효율을 극대화 할 수 있는 풍력 발전용 회전 유닛과, 이 풍력 발전용 회전 유닛을 사용하여 구현되는 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 수직 방향으로 연장된 구동축; 및 상기 구동축에 대해 측방향으로 연장된 것으로 상기 구동축에 대해 서로 동일한 각도를 이루면서 배치된 복수의 회전 날개부를 포함하는 것으로, 상기 회전 날개부는, 상기 구동축에 대해 교차하는 방향으로 연장된 한 쌍의 측방향 프레임; 상기 한 쌍의 측방향 프레임 사이에 상기 구동축과 평행하게 연장된 회동축에 의해 회동 가능하게 지지된 베인; 및 상기 측방향 프레임에 대한 상기 베인의 자유로운 회전을 제한하거나 허용할 수 있는 스토퍼를 구비하는 풍력 발전용 회전 유닛과, 이 풍력 발전용 회전 유닛과 풍향 가이드를 구비한 풍력 발전 시스템을 제공한다.

Description

풍력 발전용 회전 유닛 및 이를 구비한 풍력 발전 시스템{Rotating unit for wind power generation and wind power generation system having the same}

본 발명은 풍력 발전용 회전 유닛 및 이를 구비한 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직으로 세워진 구동축을 구비하면서도 바람의 이용 효율을 극대화 할 수 있는 풍력 발전용 회전 유닛과, 이 풍력 발전용 회전 유닛을 사용하여 구현되는 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

풍력발전을 위한 회전 유닛(풍차)의 형태는 프로펠러형으로 대표되는 수평축형과 다리우스형 등의 수직축형으로 대별된다. 풍차는 여러 가지 제약으로 인하여 일방향의 풍력을 회전력으로 전환하는데 있어 그 효율성은 제한될 수밖에 없다.

현재 가장 보편적으로 이용되는 프로펠러형은 여러 장점에도 불구하고 그 구조상 한계가 있다. 프로펠러와 그 회전축이 높은 지지대위에 설치되며 중량의 프로펠러와 발전기 구조체가 높은 지지대 위에서 풍향에 따라 회전하도록 하여야 하는 등 많은 단점도 가지고 있다.

수직축형은 그 구조가 안정되고 대형풍차를 제작 관리하는데 효용성이 더 큼에도 불구하고 세계적으로 프로펠러형이 풍력발전기의 대부분을 차지하고 있는 것은 수직축형 풍차가 회전 시 역풍을 받을 때의 역회전저항을 최소화하는 적합한 수단을 아직 찾지 못하고 있기 때문이다. 또한 보다 큰 동력을 얻기 위해 풍차의 날개를 대형화할 경우 태풍 등 강한 폭풍우에 대한 대책이 필요한데 이에 대한 적합한 수단을 찾지 못하고 있다.

수직형 풍차의 날개가 바람 방향으로 회전할 때 역회전 저항을 줄이기 위하여 최근까지도 많은 연구와 기술이 제안되어 왔다. 한 가지 예로서 풍차의 회전과 풍향계를 이용하여 날개를 회전시키거나 모양을 변형하여 역회전 저항을 최소화하려는 많은 시도가 있어 왔고 상당한 효율성의 향상을 가져온 것도 사실이다. 그러나 풍차의 회전에 따라 기계적 계통에 의해 풍차의 날개를 회전시키는 방법에는 기계적 계통을 구동시키기 위한 동력손실 및 날개를 역방향의 풍향과 완전히 일치시킬 수 없다는 한계를 극복하기 어려운 점이 있다. 또한 대부분의 수직형 풍차에 대한 연구와 기술은 테풍 등 강한 폭풍우에 대한 대비책이 부족하여 실용적으로 사용하기 어려운 점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0062051호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 수직으로 세워진 구동축을 구비하는 회전 유닛의 장점을 구비하고 동시에 바람의 이용 효율을 극대화 할 수 있는 풍력 발전용 회전 유닛을 제공하는 것이다. 또한, 이러한 풍력 발전용 회전 유닛을 사용하여 저풍속에서부터 강풍에 이르기까지 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 수직 방향으로 연장된 구동축; 및

상기 구동축에 대해 측방향으로 연장된 것으로 상기 구동축에 대해 서로 동일한 각도를 이루면서 배치된 복수의 회전 날개부를 포함하는 것으로,

상기 회전 날개부는,

상기 구동축에 대해 교차하는 방향으로 연장된 한 쌍의 측방향 프레임;

상기 한 쌍의 측방향 프레임 사이에 상기 구동축과 평행하게 연장된 회동축에 의해 회동 가능하게 지지된 베인; 및

상기 측방향 프레임에 대한 상기 베인의 자유로운 회전을 제한하는 개폐 가능한 스토퍼를 구비하는 풍력 발전용 회전 유닛을 제공한다.

여기서, 상기 스토퍼는 상기 측방향 프레임에 대해 상대 이동 또는 상재적인 자세의 변화에 의해 상기 베인의 상기 측방향 프레임에 대한 상대적인 회전을 제한하거나 또는 회전을 허용하는 것일 수 있다.

여기서, 상기 측방향 프레임은 상기 구동축에 대해 교차하는 세 개 이상이 연장되고,

각각의 측방향 프레임 사이에는 상기 측방향 프레임에 회동 가능하게 지지된 베인이 설치되고,

상기 측방향 프레임에는 각각의 베인의 자유로운 회전을 제한하는 스토퍼를 구비하며, 상기 각각의 스토퍼의 회전 제한 여부를 각각 제어 가능한 것일 수 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 바람의 방향이 변하는 경우에도 바람을 맞는 방향이 일정하게 유지되는 가동 베이스;

상기 가동 베이스 상에 배치되고, 위에서 본 평면 형상이 V자형을 이루는 부분을 구비하며, V자형의 하단의 뾰족한 부분이 바람이 불어오는 방향을 가리키도록 위치하여서 뾰족한 단부를 기준으로 불어오는 바람을 양측으로 안내하고, 중앙부분의 후방으로는 직접 바람이 불지 않도록 바람을 막는 풍향 가이드; 및

수직 방향으로 연장된 구동축과 상기 구동축에 대해 측방향으로 연장된 복수의 날개부를 구비한 풍력 발전용 회전 유닛을 구비하고,

상기 풍력 발전용 회전 유닛은 두 개가 상기 풍향 가이드의 후방에 배치되고, 풍향 가이드가 양측방향으로 안내한 바람은 상기 두 개의 풍력 발전용 회전 유닛 중 하나씩을 각각 구동하며, 각각의 풍력 발전용 회전 유닛에서 각각의 구동축들의 일측에 위치하는 날개 유닛으로만 직접 바람이 불어서 상기 구동축의 타측에 위치하는 날개부가 직접 바람을 맞는 것이 차단되는 풍력 발전 시스템을 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 날개부는, 상기 구동축에 대해 교차하는 방향으로 연장된 한 쌍의 측방향 프레임;

상기 측방향 프레임에 대한 상기 베인의 자유로운 회전을 제한하는 개폐 가능한 스토퍼를 구비하는 것일 수 있다.

여기서, 상기 스토퍼는 상기 측방향 프레임에 대해 상대 이동을 하여 상기 베인의 상기 측방향 프레임에 대한 상대적인 회전을 제한하는 위치 또는 회전을 허용하는 위치의 두 위치 사이에서 이동 가능하게 배치되는 것일 수 있다.

여기서, 상기 가동 베이스는 수면 상에 부유하는 부유 구조체이고,

상기 부유 구조체는 수면 아래로 늘어 뜨려진 닻에 의해 바람이 불어도 떠내려가지 않도록 고정되어 있고, 바람의 방향이 바뀌어도 상기 부유 구조체 위의 풍향 가이드의 뾰족한 단부로부터 바람을 맞도록 닻이 고정된 지점을 중심으로 바람에 의해 이동할 수 있는 것일 수 있다.

본 발명에 의하면, 저속의 풍력에서도 발전이 가능하고, 대규모 발전기를 위한 대형의 회전 유닛을 제작할 수도 있다. 또한, 대형의 회전 유닛의 경우에는 폭풍우나 태풍에 취약할 수밖에 없는데, 본 발명에서와 같이, 스토퍼를 개방하여 베인을 바람에 평행하게 하여 풍력발전시스템을 보호할 수 있으므로 결과적으로 풍력발전시스템 유지보수비용을 절감할 수 있다. 즉, 스토퍼가 개폐 가능한 특징은 본 발명의 중요한 작용효과를 실현 가능하게 하는 중요한 구성이라고 할 수 있다. 또한 날개부의 베인을 스토퍼로 제어하여 바람을 받을 수 있는 베인의 개수를 조절하여 풍력의 변화에 따라 바람을 받는 면적을 조절할 수도 있다. 이에 따라 풍력에 따라 바람받이의 크기를 조절함으로서 안정된 발전이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면 역풍에 의한 회전저항을 최소화할 수 있다.

또한, 풍향 가이드를 사용하여 순방향 베인에 작용하는 풍력을 배가하고 베인에 작용하는 역방향 힘의 크기를 최소화하여 회전 효율을 증대시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛에서 하나의 날개부만을 도시하여 개략적인 구성을 보여주는 도면.
도 2는 측방향 프레임에 교차하는 방향으로 움직이는 스토퍼의 실시예를 보여주는 평면도.
도 3은 측방향 프레임에 교차하는 방향으로 움직이는 스토퍼의 실시예를 보여주는 측면도.
도 4는 측방향 프레임에 힌지 고정되어 회전하는 스토퍼의 실시예를 보여주는 평면도.
도 5는 측방향 프레임에 힌지 고정되어 회전하는 스토퍼의 실시예를 보여주는 측면도.
도 6은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛에 6개의 날개부가 배치된 경우의 작동 상태를 보여주는 도면.
도 7은 도 6에 도시된 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛의 스토퍼를 개방하여 모든 베인의 가동 중단 상태를 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 회전 유닛으로서, 하나의 날개부에 복수 개의 베인을 설치된 실시예를 보여주는 도면.
도 9는 풍향 가이드를 사용하여 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛의 효율성을 향상시킨 풍력 발전 시스템의 실시예를 보여주는 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 특징을 먼저 간략히 살펴보면 다음과 같다. 지지대상(지면 등)에 회전동력을 얻기 위한 회전축(구동축)을 설치하고 그 회전축에 실질적으로 수직인 수평 방향으로 측방향 프레임을 설치하며, 측방향 프레임에 회동축에 의해 연결된 바람받이(베인)를 설치한다. 이 바람받이는 회동축을 기준으로 내측이 외측보다 길게 형성되고, 측방향 프레임을 기준으로 회전하여 측방향 프레임에 설치한 스토퍼를 넘어 회전할 수 없도록 한다. 여기서 바람받이가 밖으로 일정각도 이상 회전하는 것을 제한하기 위한 장치를 측방향 프레임의 끝단에 설치할 수 있다. 바람받이는 바람이 불어오는 방향의 반대편에 스토퍼가 있게 되는 바람받이의 위치에서는 바람받이가 측방향 프레임과 밀착하여 회전축을 회전시킨다. 바람이 불어오는 방향에 대해 스토퍼가 더 앞에 놓이게 되는 바람받이의 위치에서는, 바람받이는 측방향 프레임의 회동축을 중심으로 측방향 프레임에 대해 회전하여 바람이 부는 방향과 나란한 자세가 된다. 이와 같이 간결한 장치로서 바람받이는 역방향의 풍력에 최소한의 저항을 받으면서 회전하고 순방향의 풍력을 최대한 회전 동력화 할 수 있게 된다. 한 개의 측방향 프레임 상에 바람받이를 2개 이상으로 개별적으로 작동하도록 또는 함께 작동하도록 분리하여 설치할 수도 있다.

도 1에는 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛의 개략적인 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

본 발명의 회전 유닛에서는 날개부가 복수 개 설치되는 것이 바람직하지만, 도 1에서는 날개부의 구성을 상세히 보여주기 위해 하나의 날개부가 설치된 것을 도시하였다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)은, 수직 방향으로 연장된 구동축(110)과, 상기 구동축(110)에 대해 측방향으로 연장된 것으로 상기 구동축(110)에 대해 서로 동일한 각도를 이루면서 배치된 복수의 회전 날개부를 포함한다.

상기 구동축(110)은 외력에 의해 회전하면서 이에 연결된 도시되지 않은 발전기의 회전축에 연결된다.

상기 회전 날개부는, 상기 구동축(110)에 대해 교차하는 방향으로 연장된 한 쌍의 측방향 프레임(120); 상기 한 쌍의 측방향 프레임(120) 사이에 상기 구동축(110)과 평행하게 연장된 회동축(130)에 의해 회동 가능하게 지지된 베인(140)(vane); 및 상기 측방향 프레임(120)에 대한 상기 베인(140)의 자유로운 회전을 제한하는 스토퍼(150)를 구비한다.

상기 베인(140)은 바람을 받는 면적이 확보되는 평판 형상일 수 있지만, 도 1에 도시된 것과 같이 그 수평 방향으로 자른 단면이 유선형인 것이 더욱 바람직하다. 이는 이후에 도 7을 참조하여 설명하는 풍력 발전용 회전 유닛이 회전하지 않는 상태에서 바람의 저항을 줄여서 태풍과 같은 강풍이 불 때에 풍력 발전용 회전 유닛을 보호할 수 있다는 점에서 더욱 바람직하다. 또한, 상기 베인(140)의 수평 방향 단면에서 길이 방향의 폭이 넓은 부위에 회동축(130)과 연결되어서 구조적인 안정성을 더할 수 있다.

한편, 상기 베인(140)에서 상기 회동축(130)이 연결되는 부분은 상기 베인(140)의 수평 방향 단면을 기분으로 그 길이를 1.5대 1 내지 2.5대 1로 나누는 지점인 것이 바람직하다. 이 비율은 회동축(130)이 연결된 지점을 기준으로 긴 부분과 짧은 부분의 길이 비율로서 가장 작은 비율은 1대 1이 된다. 1.5대 1보다 더 비율이 작은 경우, 예컨대 1대 1에 가까운 경우에는 도 7에 도시된 상태에서 베인(140)이 바람 방향과 나란한 상태를 유지하지 못하고 회전하게 될 수도 있어서 바람직하지 않다. 2.5대 1보다 더 비율이 큰 경우에는 회동축(130)으로부터 스토퍼(150)까지의 거리가 길어지면서 정상 작동 중의 스토퍼(150)와 베인(140)이 맞닿게 될 때의 충격이 커지는 단점이 있을 수 있다. 반대로 2.5대 1이하의 비율인 경우에는 충격을 완화할 수 있는 장점이 있다. 도 1에 도시된 것과 같이, 회동축(130)이 연결된 지점을 중심으로 베인(140)의 수평 단면 길이를 2대 1로 나누는 것이 가장 바람직하다.

상기 스토퍼(150)는 상기 베인(140)의 회전을 제한하는 것이 반드시 필요하지만, 도 7에 도시된 상태가 가능하도록 하기 위해서는 베인(140)의 회전을 자유롭게 허용하기 위해 개폐 가능한 것이 바람직하다. 상기 스토퍼(150)의 표면에는 상기 스토퍼(150)에 베인(140)이 부딪힐 때의 충격을 완충하기 위해 스폰지나 고무 등의 완충부재를 부착할 수 있다. 이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 스토퍼(150)가 개폐 가능하게 되는 구성의 실시예를 설명한다.

도 2 및 도 3에는 측방향 프레임에 교차하는 방향으로 움직이는 스토퍼의 실시예를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 4 및 도 5에는 측방향 프레임에 힌지로 고정된 형태의 스토퍼의 실시예를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 2의 평면도와 도 3의 측면도에 도시된 것과 같이, 상기 스토퍼(150)는 상기 측방향 프레임(120)에 대해 교차하는 방향(도2 및 3에서는 직교하는 방향)으로 이동이 가능하게 배치된다. 상기 스토퍼(150)는 통해 상기 베인(140)의 상기 측방향 프레임(120)에 대한 상대적인 회전을 제한하는 위치와 회전을 허용하는 위치의 두 위치 사이에서 이동 가능하다. 상기 스토퍼(150)는 상기 측방향 프레임(120)의 길이 방향에 대해 교차하는 방향으로 연장된 스토퍼 본체와, 상기 스토퍼 본체가 상기 측방향 프레임(120)에 대해 상기 스토퍼(150) 본체의 길이 방향으로 이동 가능하게 구동하는 구동부를 구비할 수 있다. 상기 측방향 프레임(120)에는 스토퍼 가이드(155)가 상기 측방향 프레임(120)과 교차하는 방향으로 연장되어 고정될 수 있다. 상기 스토퍼 가이드(155)는 상기 스토퍼 본체를 이동 가능하게 수용한다. 이에 따라, 상기 스토퍼 본체는 상기 스토퍼 가이드(155)를 따라 도 3의 상하 방향으로 상기 측방향 프레임(120) 및 상기 스토퍼 가이드(155)에 대해 상대 이동이 가능하도록 배치하는 것이다.

상기 구동부는 모터(156)와 상기 모터(156)의 축에 연결된 구동 기어(157), 상기 구동 기어(157)에 치합되고 상기 스토퍼 본체에 고정된 기어 랙(rack)(151)을 구비한다. 이때 상기 모터(156)의 회전을 조절하면 상기 스토퍼 본체가 그 길이 방향으로 상기 스토퍼 가이드를 따라 이동 가능하고 그 위치를 조절할 수 있다.

다른 실시예로 도 4의 평면도와 도 5의 측면도에 도시된 것과 같이, 스토퍼 본체(250)는 상기 측방향 프레임(120)에 대해 힌지에 의해 회동 가능하게 고정되고, 상기 스토퍼 본체(250)를 스토퍼 본체에 형성된 종동 기어(251)를 거쳐 모터(256) 및 구동 기어(257)에 의해 회동하도록 함으로써, 상기 스토퍼 본체(250)가 상기 베인(140)의 회전을 제한하는 기능을 하는 자세와 상기 베인(140)이 자유롭게 회전 가능하게 하는 자세 사이에서 자세를 변화로 하도록 할 수 있다. 여기서 상기 스토퍼 본체(250)에 형성된 기어(251)는 그 회전 중심이 상기 스토퍼 본체(250)의 회동 중심과 일치한다.

도 6에는 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)의 작동 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)의 가동 중단 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 6 및 도 7에서 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)은 총 6개의 날개부를 구비한다. 날개부의 개수는 이에 한정되는 것은 아니지만 6개가 설치되는 경우가 균형 있는 회전을 위해 바람직하며 각 위치에서의 각 베인의 작동상태를 보여주기 위하여 6개의 날개부를 표시하였다. 도 6에 도시된 것과 같이, 바람이 불어올 때 바람이 불어오는 방향을 바라보고 오른 쪽에 위치하는 1번, 2번 및 3번 날개부의 베인(140)들은 스토퍼(150)에 의해 측방향 프레임(120)의 길이 방향에 나란한 상태로 유지되어서 바람에 의해 시계방향으로 회전하게 된다. 바람이 불어올 때 바람이 불어오는 방향을 바라보고 왼쪽에 위치하는 나머지 4번 5번 및 6번 날개부의 베인(140)들은 바람을 맞으면 스토퍼(150)에 의해 움직임이 제한되지 않아서 바람 방향에 나란하게 회전된다. 4번 날개부의 경우 스토퍼(150)에 밀착된 베인(140)이 순간적으로 바람 방향에 나란한 자세로 회전하는 것이 아니라 어느 정도 시간차를 두고 회전하게 된다는 것을 보여주는 도면이다. 4번, 5번 및 6번 날개부의 베인(140)이 바람 방향에 나란한 자세를 유지하면서 측방향 프레임(120)이 회전하게 되면 수직축 둘레로의 시계방향 회전을 막는 힘이 작용하는 것을 크게 감소 시켜서 풍력에 의한 회전 효율을 크게 향상 시킬 수 있다.

한편, 풍력 발전의 경우 향상 바람이 강하게 부는 경우에 발전에 유리한 것은 아니고 설계 풍속 이상의 풍속에서는 구동축(110)에 무리가 갈 수 있기 때문에 풍력 발전기를 보호하기 위해 발전기의 작동을 조절할 필요가 있다. 이를 위해 도 7에 도시된 경우와 같이 날개부의 스토퍼(150)들을 개방하여 베인(140)들이 모두 바람 방향에 나란한 자세로 유지되어서 구동축(110)에 회전력이 발생되는 것이 차단되도록 할 수 있다.

도 8에는 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)의 다른 실시예를 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 8은 본 발명에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)에 있어서 날개부가 대형인 경우 발생할 수 있는 구조적 취약성을 보완하고, 풍력에 따라 가동 베인 수를 조절할 수 있게 하는 실시예이다.

도 8에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전용 회전 유닛(100)은 구동축(110)과 상기 구동축(110) 둘레에 배치된 복수의 날개부를 구비한다. 도 8에서는 두 개의 날개부만을 도시하였으나, 구성을 알아보기 쉽게 하기 위한 것으로 날개부의 개수는 두 개에 한정되지 않고, 각각의 날개부들은 상기 구동축(110)을 기준으로 대칭적으로 배치된다. 즉, 인접한 날개부의 측방향 프레임들이 구동축의 회전 중심점에 대해 이루는 각은 서로 동일하고, 도면과 같이 6개의 날개부가 도시된 경우에는 60도를 이루게 된다. 각각의 날개부들은 세 개 이상의 서로 평행한 측방향 프레임(120)을 구비하고, 각각의 측방향 프레임(120) 사이에는 하나 이상의 베인(140)이 설치된다. 상기 베인(140)들은 상기 측방향 프레임(120)들에 각각 회동축(130)에 의해 회동 가능하게 배치된다. 도면에 도시된 것과 같이 측방향 프레임(120)의 길이 방향으로도 복수 개의 베인(140)들이 배치될 수 있다. 측방향 프레임(120)의 길이 방향으로 배치된 베인(140)들 사이에는 상하의 측방향 프레임(120)을 연결하는 보조 프레임이 설치될 수 있다. 보조 프레임은 모든 베인(140)들 사이에 배치될 수도 있고, 필요에 따라 각각의 베인들 사이에 선택적으로 배치될 수 있다. 각각의 베인(140)들은 측방향 프레임(120)에 배치된 스토퍼(150)에 의해 그 회전이 제한되거나 자유롭게 허용될 수 있다. 스토퍼(150)들 중 일부는 개방하고 일부는 베인(140)이 측방향 프레임(120)에 나란한 자세로 유지하도록 선택적으로 제어하여 구동축(110)에 가해지는 회전력을 제어하는 것도 가능하다.

도 9에는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템(300)의 외부 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다. 도 9에 도시된 실시예는 풍력발전용 회전 유닛의 효율성을 향상시킨 풍력 발전 시스템의 실시예이다.

도 9에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템(300)은 베이스, 풍향 가이드(320) 및 풍력 발전용 회전 유닛을 포함한다.

상기 베이스는 바람의 방향이 변하는 경우에도 바람을 맞는 방향이 일정하게 유지되는 것으로, 육상에 설치되는 경우와 해상에 설치되는 경우가 다르게 구성될 수 있다. 예를 들어, 육상에 설치되는 경우에는 하부의 고정부가 있고, 상기 가동 베이스(330)는 그 위에서 상기 고정부에 대해 회전 가능하게 배치되는 것일 수 있다.

다른 예로서 해상에 설치되는 경우에는, 상기 가동 베이스(330)는 수면 상에 부유하는 부유 구조체일 수 있다. 이 경우 상기 부유 구조체는 수면 아래로 늘어 뜨려진 닻에 의해 바람이 불어도 떠내려가지 않도록 고정되어 있고, 바람의 방향이 바뀌면 닻이 해저에 지지된 지점과 상기 부유 구조체를 잇는 선이 바람이 불어오는 방향에 나란하게 되는 위치로 이동하게 된다. 즉, 상기 부유 구조체는 바람이 부는 방향이 바뀌면 상기 부유 구조체 위의 풍향 가이드(320)의 뾰족한 단부로부터 바람을 맞도록 닻이 고정된 지점을 잇는 선이 바람이 부는 방향에 나란하게 되도록 이동할 수 있다.

상기 풍향 가이드(320)는, 상기 가동 베이스(330) 상에 배치되고, 위에서 본 평면 형상이 V자형을 이루는 부분을 구비하며, V자형의 하단의 뾰족한 부분이 바람이 불어오는 방향을 가리키도록 위치하여서 뾰족한 단부를 기준으로 불어오는 바람을 양측으로 안내하고, 중앙부분의 후방으로는 직접 바람이 불지 않도록 바람을 막는다.

여기서, V자형을 구비한다는 의미는 예를 들어 삼각형과 같이 두 개의 변만을 취하면 V자형이 있다고 볼 수 있는 경우도 포함하는 의미로 사용된다. 또한, "직접"이라고 표현하는 것은 와류가 형성되는 등으로 내측에 위치하는 날개부에 바람이 부는 경우와 같이 내측으로 바람이 간접적으로 유입되는 것을 제외한다는 의미이다.

상기 풍향 가이드(320)는 강체 등으로 만들어질 수도 있으나, 돛과 같은 형태로 만들어지는 것도 가능하다. 예를 들어, V자형의 프레임에 범포를 부착하였다가 태풍 등 강풍 시 범포를 접어 들여 전체 시스템의 손상을 방지하는 것도 가능하다.

상기 풍력 발전용 회전 유닛(100)은 수직 방향으로 연장된 구동축(110)과 상기 구동축(110)에 대해 측방향으로 연장된 복수의 날개부를 구비하는 것으로, 앞서 설명한 것과 동일한 구성을 가지는 것일 수 있다.

특히, 상기 풍력 발전용 회전 유닛(100)은 두 개가 상기 풍향 가이드(320)의 후방에 배치되고, 풍향 가이드(320)가 양측방향으로 안내한 바람은 상기 두 개의 풍력 발전용 회전 유닛(100) 중 하나씩을 각각 구동하도록 할 수 있다. 이 경우, 각각의 풍력 발전용 회전 유닛(100)에서 각각의 구동축(110)들의 일측에 위치하는 베인으로만 직접 바람이 불어서 상기 구동축(110)의 타측에 위치하는 날개부가 직접 바람을 맞는 것이 차단되어 풍력 발전을 위한 바람의 활용 효율이 극대화된다.

도 8에 도시된 실시예의 풍력 발전 유닛도 도 9에 도시된 풍력 발전 시스템(300)에 적용될 수 있음은 당연하다.

본 발명을 설명함에 있어서, 풍력 발전에 널리 사용되는 회전축을 회전시켜 전력을 생산하는 발전기 등과 상기 발전기의 회전축에 본 발명의 풍력 발전용 회전 유닛의 구동축(110)의 회전력이 전달되는 구성에 관하여는 자세한 설명을 생략하였는데, 이는 풍력 발전 분야에 있어서 알려진 기술을 적용하면 되는 문제이고 당업자에게 자명한 기술이기 때문에 설명을 생략한 것이다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해짐이 자명하다.

100: 풍력 발전용 회전 유닛 110: 구동축
120: 측방향 프레임 130: 회동축
140: 베인 150: 스토퍼
151: 기어 랙 155: 스토퍼 가이드
156: 모터 157: 구동 기어
250: 스토퍼 251: 종동 기어
256: 모터 257: 구동 기어
300: 풍력 발전 시스템 310: 가동 베이스의 회전축
320: 풍향 가이드 330: 가동 베이스

Claims

수직 방향으로 연장된 구동축(110); 및
상기 구동축(110)에 대해 측방향으로 연장된 것으로 상기 구동축(110)에 대해 서로 동일한 각도를 이루면서 배치된 복수의 회전 날개부를 포함하는 것으로,
상기 회전 날개부는,
상기 구동축(110)에 대해 교차하는 방향으로 연장되고 서로 평행한 세 개 이상의 측방향 프레임(120);
각각의 측방향 프레임(120) 사이에 상기 구동축(110)과 평행하게 연장된 회동축(130)에 의해 회동 가능하게 지지된 복수개의 베인(140); 및
상기 측방향 프레임(120)에 대한 각각의 베인(140)의 자유로운 회전을 제한하거나 가능하게 하는 스토퍼(150)를 구비하고,
상기 각각의 스토퍼(150)의 회전 제한 여부를 각각 제어 가능하며,
상기 스토퍼(150)는,
상기 측방향 프레임(120)에 대해 상대 이동을 하여 상기 베인(140)의 상기 측방향 프레임(120)에 대한 상대적인 회전을 제한하는 자세로부터 회전을 허용하는 자세의 두 자세 사이에서 자세의 변화가 가능하게 배치되는 것으로서,
상기 측방향 프레임에 교차하는 방향으로 설치된 가이드;
상기 가이드를 따라 이동하는 것으로 표면에 기어 랙이 형성된 스토퍼 본체;
상기 스토퍼 본체에 형성된 기어 랙과 치합되는 구동 기어; 및
상기 구동 기어를 구동하는 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 회전 유닛(100).
삭제
삭제
삭제
삭제
바람의 방향이 변하는 경우에도 바람을 맞는 방향이 일정하게 유지되는 가동 베이스(330);
상기 가동 베이스(330) 상에 배치되고, 위에서 본 평면 형상이 V자형을 이루는 부분을 구비하며, V자형의 하단의 뾰족한 부분이 바람이 불어오는 방향을 가리키도록 위치하여서 뾰족한 단부를 기준으로 불어오는 바람을 양측으로 안내하고, 중앙부분의 후방으로는 직접 바람이 불지 않도록 바람을 막는 풍향 가이드(320); 및
수직 방향으로 연장된 구동축(110)과 상기 구동축(110)에 대해 측방향으로 연장된 복수의 날개부를 구비한 풍력 발전용 회전 유닛(100)을 구비하고,
상기 풍력 발전용 회전 유닛(100)은 두 개가 상기 풍향 가이드(320)의 후방에 배치되고, 풍향 가이드(320)가 양측방향으로 안내한 바람은 상기 두 개의 풍력 발전용 회전 유닛(100) 중 하나씩을 각각 구동하며, 각각의 풍력 발전용 회전 유닛(100)에서 각각의 구동축(110)들의 일측에 위치하는 베인으로만 직접 바람이 불어서 상기 구동축(110)의 타측에 위치하는 날개부가 직접 바람을 맞는 것이 차단되며,
상기 구동축(110)에 대해 교차하는 방향으로 연장되고 서로 평행한 세 개 이상의 측방향 프레임(120);
각각의 측방향 프레임(120) 사이에 상기 구동축(110)과 평행하게 연장된 회동축(130)에 의해 회동 가능하게 지지된 복수개의 베인(140); 및
상기 측방향 프레임(120)에 대한 각각의 베인(140)의 자유로운 회전을 제한하거나 가능하게 하는 스토퍼(150)를 구비하고,
상기 각각의 스토퍼(150)의 회전 제한 여부를 각각 제어 가능하며,
상기 스토퍼(150)는,
상기 측방향 프레임(120)에 대해 상대 이동을 하여 상기 베인(140)의 상기 측방향 프레임(120)에 대한 상대적인 회전을 제한하는 자세로부터 회전을 허용하는 자세의 두 자세 사이에서 자세의 변화가 가능하게 배치되는 것으로서,
상기 측방향 프레임에 교차하는 방향으로 설치된 가이드;
상기 가이드를 따라 이동하는 것으로 표면에 기어 랙이 형성된 스토퍼 본체;
상기 스토퍼 본체에 형성된 기어 랙과 치합되는 구동 기어; 및
상기 구동 기어를 구동하는 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템(300).
삭제
삭제
삭제
청구항 6에 있어서,
상기 가동 베이스(330)는 수면 상에 부유하는 부유 구조체이고,
상기 부유 구조체는 수면 아래로 늘어 뜨려진 닻에 의해 바람이 불어도 떠내려가지 않도록 고정되어 있고, 바람의 방향이 바뀌어도 상기 부유 구조체 위의 풍향 가이드(320)의 뾰족한 단부로부터 바람을 맞도록 닻이 고정된 지점을 중심으로 바람에 의해 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템(300).