KR102016471B1 - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기는 공동주택의 수직덕트와 결합하여 배기풍이 이동하는 본체와, 상기 본체의 상단과 결합하여 외기풍 또는 배기풍에 의해 회전하는 외부 회전체와, 상기 외부 회전체와 일단이 결합되는 회전축과, 상기 본체의 내부에 구비되며 상기 회전축의 타단에 결합되어 배기풍에 의해 회전하는 내부 회전체와, 상기 회전축의 회전력을 통해 자가발전을 하는 발전기와, 상기 외부 회전체의 내측에 구비되며 상기 회전축과 상기 발전기를 지지하여 상기 발전기의 고속회전 시 상기 발전기에 발생하는 흔들림을 방지하는 고정부재와, 상기 본체와 상기 고정부재 사이에 구비되어 진동에 따른 파손 및 소음 발생을 방지하는 진동흡수 패드를 구비한다.

Description

풍력발전기{wind power generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건물의 수직덕트에 설치되어 외기풍과 배기풍에 의해 고속회전이 가능한 풍력발전기에 관한 것이다.

수직형 또는 수평형 풍력발전기로 정의되는 종래 소형 풍력발전기는 대지위에 독립형으로 지표면에서 5~10m 이상의 지지구조물 상부에 시공되었다. 상기의 소형 풍력발전기는 10m 이내의 지표면 외기풍에 100% 의존하기 때문에 발전효율이 낮은 한계가 있다.

그리고 5~10m 내외에서의 설치를 위한 작업은 높이가 높아 크레인과 같은 추가적 장비의 적용을 통한 작업이 필요하며, 이는 향후 유지관리 시 유지관리 편리성이나 경제성 측면에서 용이하지 못하다는 문제점이 있다.

또한, 풍력발전기는 통상 블레이드+발전기+지지구조물로 구성되는 신 재생에너지기술로서 상대적으로 고가에 속한다.

한편, 독립형 풍력발전기는 블레이드의 지름이 3m 이상임과 동시에 발전기 무게를 포함할 경우, 전체 무게가 60~70kg에 달해 큰 사이즈의 블레이드가 고속으로 작동시 발생하는 소음과 진동 등의 민원 발생 요인들은 풍력발전기의 도심 적용을 방해하는 걸림돌이 되고 있다. 또한, 블레이드 제작이 복잡하여 금형제작에 적지 않은 비용이 소요되어 전체적인 비용상승의 원인이 되고 있다.

이러한 문제점 때문에 건물의 수직덕트에 설치되는 벤틸레이터를 이용하여 풍력발전을 하고자 하는 움직임이 나타나고 있다. 그러나 건물의 옥상에 설치되는 벤틸레이터를 풍력발전기로 이용하는 경우, 고속 회전시 롤링현상이 발생하게 되고, 이에 따라 건물이 흔들리게 되는 문제점이 있었다. 특히 기존의 벤틸레이터 또는 이를 기반으로 하는 풍력발전기는 블레이드의 고정이 통상 외부로 120도의 각도를 유지하는 3개의 구불어진 고정철물을 이용함으로 회전에 따른 구조적 안정성 확보가 어려웠고, 이에 따라 중심축이 어긋날 경우 작동이 어려운 경우도 있었다.

또한, 발전기 무게로 인하여 내부 지지구조물의 구조가 불안정하게 되는 문제점이 있었다.

또한, 벤틸레이터 배기팬의 배기날개는 배기에 맞게 설계되어 있으므로 공력이 크며, 항력이 낮아 발전 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허 제10-1604909호(2016.03.14)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 건물 옥상에서 부는 외기풍과 건물 내부에서 건물 외부로 배기되는 배기풍을 동시에 이용할 수 있는 풍력발전기를 제공한다.

또한, 구조적으로 안정하여 고속 회전시에 발생되는 롤링현상을 줄일 수 있는 풍력발전기를 제공한다.

또한, 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 풍력발전기를 제공한다.

또한, 외기풍에 의한 풍력발전 효율을 높일 수 있는 풍력발전기를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 측면에 따른 풍력발전기는 공동주택의 수직덕트와 결합하여 배기풍이 이동하는 본체와, 상기 본체의 상단과 결합하여 외기풍 또는 배기풍에 의해 회전하는 외부 회전체와, 상기 외부 회전체와 일단이 결합되는 회전축과, 상기 본체의 내부에 구비되며 상기 회전축의 타단에 결합되어 배기풍에 의해 회전하는 내부 회전체와, 상기 회전축의 회전력을 통해 자가발전을 하는 발전기와, 상기 외부 회전체의 내측에 구비되며 상기 회전축과 상기 발전기를 지지하여 상기 발전기의 고속회전 시 상기 발전기에 발생하는 흔들림을 방지하는 고정부재와, 상기 본체와 상기 고정부재 사이에 구비되어 진동에 따른 파손 및 소음 발생을 방지하는 진동흡수 패드를 구비할 수 있다.

또한, 상기 고정부재는 상기 회전축의 상단을 상기 본체에 지지하기 위해 경사지게 설치되는 경사 지지대와, 일단은 상기 경사 지지대의 하단을 지지하면서 상기 본체에 결합되며 타단은 상기 발전기와 결합되는 하부 지지대를 구비할 수 있다.

또한, 상기 하부 지지대의 보강을 위하여 상기 하부 지지대의 단부를 서로 연결하는 보강대를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 경사 지지대의 단부에 구비되어 상기 회전축의 상단을 회전 가능하도록 지지하는 제 1베어링을 구비할 수 있다.

또한, 상기 발전기의 상단에 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하도록 지지하는 제 2베어링과, 상기 발전기의 하단에 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하도록 지지하는 제 3베어링을 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 고정부재는 최소 3개의 경사 지지대 및 하부 지지대를 구비할 수 있다.

또한, 상기 진동흡수 패드는 상기 본체 측에 결합되는 경질고무와 상기 고정부재 측에 결합되는 연질고무를 구비할 수 있다.

또한, 상기 외부 회전체는 복수개의 회전 날개를 구비하며, 상기 회전 날개의 개수는 8개 이하로 형성될 수 있다.

또한, 일측 상기 회전 날개의 단부와 이웃하는 타측 상기 회전 날개의 단부는 서로 이격되어 설치되어 설치될 수 있다.

또한, 상기 회전 날개의 형상은 항공기 날개의 단면과 같이 중앙이 볼록한 단면 형상이다.

본 발명의 따른 풍력발전기에 의하면, 건물의 수직덕트에 설치되는 벤틸레이터를 이용하여 건물 옥상에서 부는 외기풍과 건물 내부에서 건물 외부로 배기되는 배기풍을 동시에 이용할 수 있어 풍력발전기의 발전효율을 높일 수 있다.

또한, 외부 고정부재를 제거하고, 내부 고정부재를 적용함으로써 안정적인 구조를 가져 고속 회전시에 발생하는 롤링현상을 줄일 수 있음과 동시에 발전효율을 높일 수 있다.

또한, 진동이 집중되는 고정부재에 진동흡수 패드를 설치하여 진동에 따른 파손 및 소음 발생의 빈도를 낮출 수 있다.

또한, 외부 회전체의 회전 날개의 형상을 공기 역학적인 형상으로 변경함으로써 풍력발전기의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기에서 사용되는 고정부재의 사시도.
도 4는 도 2에 도시된 진동흡수 패드가 설치되는 A부분의 확대도.
도 5는 도 2에 도시된 제 1베어링이 설치되는 B부분의 확대도.
도 6은 도 1에 도시된 풍력발전기에서 외부 회전체의 평단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기에서 동작을 나타낸 단면도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기는 공동주택의 수직덕트(10)와 결합하여 배기풍이 이동하는 본체(100)를 구비한다.

본체(100)는 공동주택의 수직덕트(10)와 실질적으로 결합하는 곳으로서 수직덕트(10)의 형상에 따라 원형을 비롯한 다각형의 기둥형상으로 제작될 수 있고, 도면에는 도시하지 않았지만, 배기풍의 흐름을 집중시키기 위해 상부로 갈수록 단면적의 크기가 작아지는 형태의 기둥형상으로 제작될 수 있다.

본체(100)에는 본체(100)의 상단과 결합하여 외기풍 또는 배기풍에 의해 회전하는 외부 회전체(200)와, 본체(100)의 내부에 구비되며 실내측에서 실외측으로 배기되는 배기풍에 의해 회전하는 내부 회전체(300)를 구비한다. 외부 회전체(200)와 내부 회전체(300)는 회전축(110)에 의해 서로 연결되어 같이 회전하게 된다.

이와 같이 하나의 회전축(110)을 사용하되, 외부 회전체(200)는 외기풍 또는 배기풍에 의해 회전하고, 내부 회전체(300)는 배기풍에 의해 회전함으로써, 회전축(110)의 회전력을 증대시킬 수 있다.

이와 같은 회전축(110)에는 회전축(110)의 회전력을 통해 자가발전을 하는 발전기(400)가 결합된다. 발전기(400)는 역학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 자치로, 중심의 회전자(410)와 외부를 감싸는 고정자(420)에 의해 자기장을 형성하면서 전기를 생산하게 된다. 회전축(110)은 발전기(400)의 회전자(410)와 결합되어 풍력에 의한 에너지로 회전자(410)를 회전시켜 전기 에너지를 생산하게 된다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기는 외부 회전체(200)와 내부 회전체(300)를 동시에 사용하여 회전축(110)을 회전시키기 때문에 회전축(110) 및 회전축(110)과 일체화된 발전기(400)의 회전자(410)가 고속으로 회전할 수 있다. 이와 같이 발전기(400)가 고속으로 회전할 때 발전기(400)에 발생하는 흔들림을 방지하는 고정부재(500)를 구비한다.

고정부재(500)는 회전축(110)의 상단을 본체(100)에 지지하기 위해 경사지게 설치되는 경사 지지대(510)와, 일단은 상기 경사 지지대(510)의 하단을 지지하면서 본체(100)에 결합되며 타단은 상기 발전기(400)와 결합되는 하부 지지대(520)를 구비한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기에서 사용되는 고정부재의 사시도이다. 이하에서는 도 3을 참조하여 고정부재에 대해 보다 상세히 설명한다.

도 3을 참고하면, 본 실시예에서는 고정부재(500)는 3개의 경사 지지대(510)와 3개의 하부 지지대(520)로 형성되는 것을 보였다. 따라서, 고정부재(500)는 전체적으로 4면체형상을 가진다. 3개의 경사 지지대(510) 끼리는 120도의 각도를 유지하고, 3개의 하부 지지대(520) 끼리도 120도의 각도를 유지하게 된다. 도형 중에서 삼각형 구조가 가장 안정적이므로 3개의 경사 지지대(510)와 3개의 하부 지지대(520)는 서로 균형을 맞추면서 발전기(400)를 본체(100)에 안정적으로 고정시킬 수 있다. 따라서 발전기(400)의 고속 회전시에 발생하는 롤링현상을 줄일 수 있음과 동시에 발전효율을 높일 수 있다. 본 실시예에서는 고정부재(500)는 3개의 경사 지지대(510)와 3개의 하부 지지대(520)로 형성되는 것을 보였으나, 고정부재(500)의 갯수는 이에 한정되지 않고, 4개 이상으로 형성될 수도 있을 것이다. 그리고, 하부 지지대(520)의 보강을 위하여 하부 지지대(520)의 단부를 서로 연결하는 보강대(530)가 더 구비될 수 있다. 보강대(530)는 삼각 형상을 가져 하부 지지대(520)를 안정적으로 지지하게 된다.

한편, 발전기(400)의 고속 회전시 발전기(400)에서 발생하는 진동을 흡수하여 본체(100) 측으로 전달되는 것을 방지하기 위해, 본체(400)와 발전기(400) 사이에는 진동흡수 패드(600)가 구비된다.

도 4는 도 2에 도시된 진동흡수 패드가 설치되는 A부분의 확대도이다.

도 4를 참고하면, 진동흡수 패드(600)는 탄성을 가지는 고무재질로 형성될 수 있다. 구체적으로 진동흡수 패드(600)는 본체(100) 측에 결합되는 경질고무(610)와 고정부재(500) 측에 결합되는 연질고무(620)를 구비할 수 있다. 진동흡수 패드(600)는 본체(100) 측에 결합되는 경질고무(610)를 가짐으로써 진동흡수 패드(600)가 본체(100)에 단단하게 결합될 수 있도록 하였으며, 고정부재(600) 측에 연질고무(620)가 결합됨으로써 발전기(400)에서 발생하는 진동을 흡수할 수 있도록 하였다. 이와 같이 진동흡수 패드(600)를 구비함으로써 진동을 흡수하여 발전기(400)에서 발생된 진동이 건물의 구조물 측으로 전달되거나 소음이 건물 측으로 전달되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 외부 회전체(200)와 내부 회전체(300)가 동시에 회전하게 되면 회전축(110)은 고속으로 회전하게 되는데, 회전축(110)이 고속으로 회전할 때 안정적으로 지지할 수 있도록 복수개의 베어링(710,720,730)을 구비한다.

도 5는 도 2에 도시된 제 1베어링이 설치되는 B부분의 확대도이다.

도 5를 참고하면, 제 1베어링(710)은 경사 지지대(510)의 단부에 구비되어 회전축(110)의 상단을 회전 가능하도록 지지한다. 회전축(110)의 상단은 외부 회전체(200)와 일체화되어 회전하게 된다.

다시 도 2를 참고하면, 발전기(400)의 상단에 구비되어 회전축(110)을 회전 가능하도록 지지하는 제 2베어링(720)과, 발전기(400)의 하단에 구비되어 회전축(110)을 회전 가능하도록 지지하는 제 3베어링(730)을 구비한다.

발전기(400)는 고정부재(500)의 하부 지지대(520)에 단단히 고정되고, 제 2베어링(720)과, 제 3베어링(730)은 발전기(400)의 상단과 하단에 각각 구비되어 회전축(110)을 회전 가능하도록 지지하게 된다.

이렇듯, 회전축(110)이 서로 이격되어진 제 1, 2, 3베어링(710,720,730)에 지지되면서 회전하게 되므로 회전축(110)이 고속으로 회전할 때 회전축(110)이 안정적으로 회전할 수 있게 되므로 진동과 소음을 줄일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 다른 풍력발전기에서 외부 회전체(200)는 종래와 다른 구조를 가진다.

도 6은 도 1에 도시된 풍력발전기에서 외부 회전체의 평단면도이다.

도 6을 참고하면, 외부 회전체(200)는 복수개의 회전 날개(210)를 구비하며, 회전 날개(210)의 개수는 8개 이하로 형성된다. 이와 같이 회전 날개(210)의 갯수가 기존 외부 회전체에 구비되는 회전 날개의 갯수에 비해 훨씬 적게 된다. 이에 따라 일측 회전 날개(210)의 단부와 이웃하는 타측 회전 날개(210)의 단부는 서로 이격되어 설치된다. 이에 따라 서로 이웃하는 회전 날개(210) 사이에 공기가 유입되는 공간(S)이 형성된다. 기존의 벤틸레이터의 외부 회전체는 날개의 갯수가 많고 날개가 서로 겹치는 구조를 가지고 있으므로, 외부 회전체의 내측으로 외기풍이 유입될 수 없는 구조였으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기의 외부 회전체(200)에서는 외기풍이 외부 회전체(200) 내부로 유입된 후 다시 외부 회전체(200) 외부로 유출되는 구조를 가지기 때문에 외부 회전체(200)를 회전시키는 풍력을 높일 수 있어 발전기의 효율을 높일 수 있다.

한편, 외부 회전체(200)를 형성하는 회전 날개(210)의 형상은 항공기 날개의 단면과 같이 중앙이 볼록한 형상의 단면을 가진다. 기존 외부 회전체에 구비되는 회전 날개는 두께가 일정하게 유지되는데, 이에 따르면 공기역학적으로 공력이 항력보다 증가되는 구조이기 때문에 풍력발전용으로 불리한 구조였다. 이에 반해, 외부 회전체(200)를 형성하는 회전 날개(210)의 형상이 항공기 날개의 단면과 같이 중앙이 볼록한 단면 형상을 가지므로, 공력보다는 항력이 증가되므로 발전기의 효율을 높일 수 있다.

이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기의 구조에 대해 설명하였다. 이하에서는 상술한 실시 예에 따른 풍력발전기의 동작에 대해 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기에서 동작을 나타낸 단면도이다.

도 7을 참고하면, 건물 옥상에서 발생된 외기풍에 의해 외부 회전체(200)가 회전하게 된다. 이때 외기풍은 외부 회전체(200)의 내부로 유입되면서 외부 회전체(200)를 회전시키고, 외부 회전체(200) 내부로 유입된 외기풍은 외부 회전체(200)의 외부로 유출되면서 외부 회전체(200)를 다시 한번 회전시키게 된다.

또한, 실내에서 발생한 배기풍에 의해 내부 회전체(300)가 회전하게 된다. 내부 회전체(300)를 회전시킨 배기풍은 다시 외부 회전체(200)를 회전시키면서 외부 회전체(200) 외부로 유출된다.

이와 같이 외부 회전체(200) 및 내부 회전체(300)가 외기풍 및 배기풍에 의해 받는 힘은 회전축(110)으로 전달되고, 회전축(110)은 발전기(400)의 회전자(410)를 회전시킴으로써 발전기(400)는 전기를 생산하게 된다. 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기는 상술한 구조를 가짐으로써 발전 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 발전기(400)를 안정적으로 지지할 수 있으므로 진동 및 소음을 줄일 수 있는 효과도 가진다.

이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기에 대해 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 그리고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10: 수직덕트 100: 본체
110: 회전축 200: 외부 회전체
210: 회전 날개 300: 내부 회전체
400: 발전기 500: 고정부재
600: 진동흡수 패드

Claims (10)

1. 공동주택의 수직덕트와 결합하여 배기풍이 이동하는 본체와,
   상기 본체의 상단과 결합하여 외기풍 또는 배기풍에 의해 회전하는 외부 회전체와,
   상기 외부 회전체와 일단이 결합되는 회전축과,
   상기 본체의 내부에 구비되며 상기 회전축의 타단에 결합되어 배기풍에 의해 회전하는 내부 회전체와,
   상기 회전축의 회전력을 통해 자가발전을 하는 발전기와,
   상기 외부 회전체의 내측에 구비되며 상기 회전축과 상기 발전기를 지지하여 상기 발전기의 고속회전 시 상기 발전기에 발생하는 흔들림을 방지하는 고정부재와,
   상기 본체와 상기 고정부재 사이에 구비되어 진동에 따른 파손 및 소음 발생을 방지하는 진동흡수 패드를 구비하고,
   상기 고정부재는 상기 회전축의 상단을 상기 본체에 지지하기 위해 경사지게 설치되는 경사 지지대와, 일단은 상기 경사 지지대의 하단을 지지하면서 상기 본체에 결합되며 타단은 상기 발전기와 결합되는 하부 지지대를 구비하고,
   상기 하부 지지대의 보강을 위하여 상기 하부 지지대의 단부를 서로 연결하는 보강대를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 경사 지지대의 단부에 구비되어 상기 회전축의 상단을 회전 가능하도록 지지하는 제 1베어링을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 발전기의 상단에 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하도록 지지하는 제 2베어링과,
   상기 발전기의 하단에 구비되어 상기 회전축을 회전 가능하도록 지지하는 제 3베어링을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 고정부재는 최소 3개의 경사 지지대 및 하부 지지대를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 진동흡수 패드는 상기 본체 측에 결합되는 경질고무와 상기 고정부재 측에 결합되는 연질고무를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 외부 회전체는 복수개의 회전 날개를 구비하며,
   상기 회전 날개의 개수는 8개 이하인 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
9. 제 8항에 있어서,
   일측 상기 회전 날개의 단부와 이웃하는 타측 상기 회전 날개의 단부는 서로 이격되어 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
10. 제 8항에 있어서,
    상기 회전 날개의 형상은 항공기 날개의 단면과 같이 중앙이 볼록한 단면 형상인 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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