KR102171670B1 - 풍력발전기의 날개 및 이를 이용한 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 풍력발전기에 사용되고, 전면이 바람에 부딪혀 회전하여 풍력발전기의 수평회전축을 회전시키며, 회전에 의해 생산되는 회전력을 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 소정의 가로 폭을 갖고, 일정 각으로 이격되어 상기 수평회전축의 좌우측단부에 연결되는 복수의 메인프레임;
상기 메인프레임의 좌우측면 선단부에 일측부가 고정되고, 상기 메인프레임의 길이방향으로 일정간격 이격되어 구비되는 경첩; 및
상기 경첩의 타측부에 연결되어 상기 메인프레임의 좌우측에 위치하고, 바람에 의해 메인프레임의 좌우 양측으로 펼쳐지거나 상기 메인프레임의 전방으로 포개지는 날개편;을 포함한다.

Description

풍력발전기의 날개 및 이를 이용한 풍력발전기{Blade for wind power generator and wind power generator using the same}
본 발명은 풍력에 의해 회전하는 풍력발전기의 날개 및 상기 날개를 이용한 풍력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전기는 풍력에 의해 회전하는 날개의 회전에너지를 전기에너지로 전환하여 각 수요자에게 전기를 공급하는 것으로, 축의 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력발전기와, 자이로밀형, 다리우스형과 같은 수직축 풍력발전기 시스템 및 수직-수평축 통합형 풍력발전기 시스템 등으로 구별되며, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.
이러한 종래 풍력발전기는 도 8에 도시된 바와 같이, 타워의 상부에 회전 가능하게 설치된 동체와, 상기 동체의 선단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 상기 블레이드의 회전력을 증속시키기 위한 증속기 등의 기어박스 및, 상기 기어박스에서 종속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다.
그러나 상기 수평축 풍력발전기는 블레이드에서 발전기까지 회전토크 전달 경로가 짧아 전달 효율이 좋은 이점은 있으나, 동체 내부에 발전기 등이 탑재되어 무거워짐에 따라 풍향에 따라 신속한 요(yaw) 동작이 어렵고, 동체가 일정횟수 이상 회전하면 풍력발전기가 동작이 정지함과 동시에 꼬인 케이블을 원래 위치로 풀어주어야 하는 문제가 있다.
또한, 상기 동체 내부에 발전기가 탑재되어 냉각 및 유지보수 등이 불편하고, 강풍 등으로 인한 비상시 발전기의 과부하 등 시스템 보호를 위해 날개부의 피치제어를 통한 완전 정지로 발전이 불가능한 문제가 있었다.
그리고 수직-수평축 통합형 풍력발전기(듀얼 로터방식)는 메인 블레이드의 중앙부분을 통과하는 풍력을 보조블레이드에서 토크 발생에 이용함으로써, 단면적 당 풍력의 이용률이 향상되는 이점은 있으나, 메인 블레이드 및 보조 블레이드의 회전방향이 반대이므로 이에 따른 블레이드 제작이 어렵고, 메인 블레이드 및 보조 블레이드의 토크가 일정하게 합성되도록 각각의 피치제어가 정밀하게 이루어져야 하지만 실질적으로 완벽한 제어가 어렵다.
대한민국 공개특허 제2003-0014776호
본 발명은 상기와 같은 종래 풍력발전기의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 날개의 전면에서 불어오는 바람에 의해 날개편이 펼쳐져 바람의 힘을 전달받고, 날개가 이면이 될 때는 날개편이 접혀 회전이 안정적으로 이루어질 수 있는 풍력발전기의 날개를 제공함에 그 주된 목적이 있다.
또한, 태풍 또는 강풍이 불어올 경우, 바람이 부는 방향으로 날개편이 접히도록 하여 날개를 보호할 수 있고, 이로 인해 풍력발전기의 파손을 예방하여 내구성을 극대화하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수평회전축을 갖는 풍력발전기에 사용되고, 전면이 바람에 부딪혀 회전되도록 수평회전축에 연결되며, 회전에 의해 생산되는 회전력을 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 있어서,
상기 날개는,
소정의 가로 폭을 갖고, 일정 각으로 이격되어 상기 수평회전축의 좌우측단부에 연결되는 복수의 메인프레임;
상기 메인프레임의 좌우측면 선단부에 일측부가 고정되고, 상기 메인프레임의 길이방향으로 일정간격 이격되어 구비되는 경첩; 및
상기 경첩의 타측부에 연결되어 상기 메인프레임의 좌우 양측부에 구비되고, 바람에 의해 메인프레임의 좌우 양측으로 펼쳐지거나 상기 메인프레임의 전방으로 포개지는 날개편;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 날개는, 상기 메인프레임의 후면에 일측부가 고정되고, 타단부는 탄성에 의해 메인프레임의 좌우 양측면에 밀착하며, 상기 경첩의 일측부가 타측부에 연결되고, 상기 탄성보다 큰 힘의 바람(외력)에 의해 타단부가 상기 메인프레임에서 벌어지면서 상기 날개편이 메인프레임의 후방으로 젖혀지도록 하는 탄성지지체;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 날개를 이용한 풍력발전기는, 날개; 상기 날개가 연결되는 수열회전축; 및 상기 수평회전축의 회전력을 이용하여 발전하는 발전부;를 포함한다.
본 발명에 따른 풍력발전기의 날개는, 상승 회전하면서 전방에서 불어오는 바람에 의해 펼쳐지고, 전면이 바람에 부딪쳐 회전하며, 하강 회전에 의해 이면이 될 때는 접혀져 공기의 저항을 최소화하여 회전력이 감소되지 않고, 전면에 부딪히는 적은 힘의 바람에 의해서도 회전이 쉽고 안정적으로 이루어지는 현저한 효과가 있다.
또한, 돌풍 또는 태풍과 같은 강한 바람이 불 때는, 날개편이 바람이 이동하는 방향으로 젖혀지도록 함으로써, 날개의 파손을 예방하여 내구성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 풍력발전기는, 날개를 쉽게 제작할 수 있고, 생산 및 조립이 쉽고 간단하며, 저렴한 비용으로 대량 생산할 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개가 사용되는 풍력발전기의 개략도
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 날개의 개략도, 메인프레임의 사시도 및 정면도
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 날개의 작동상태를 나타낸 사용상태도
도 6 및 도 7은 강풍에 의해 날개편이 뒤로 젖혀지는 모습을 나타낸 사용상태도
도 8 은 종래 풍력발전기의 개략도
우선, 본 발명의 실시예는 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세하게 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 나타내었고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략됨에 유의하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍력발전기의 날개를 바람직한 실시예를 통해 자세히 설명한다.
본 발명은, 도 1 내지 도 5b에 도시된 바와 같이, 풍력발전기에 사용되고, 전면이 바람에 부딪혀 회전하여 풍력발전기의 수평회전축(30)을 회전시키며, 회전에 의해 생산되는 회전력을 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개(10)에 있어서, 상기 날개(10)는, 소정의 가로 폭을 갖고, 일정 각으로 이격되어 상기 수평회전축(30)의 좌우측에 연결되는 복수의 메인프레임(11); 상기 메인프레임(11)의 좌우측면에 일측부가 연결되고, 상기 메인프레임(11)의 길이방향으로 일정간격 이격되어 구비되는 경첩(13); 상기 경첩(13)의 타측부에 연결되어 상기 메인프레임(11)의 좌우 양측부에 구비되고, 바람에 의해 메인프레임(11)의 좌우 양측으로 펼쳐지거나 상기 메인프레임(11)의 전방으로 포개지는 날개편(15);을 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 경첩(13)에 구비되고, 상기 날개편(15)이 펼쳐진 상태에서 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀지지 않도록 지지하는 지지체(14);를 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 메인프레임(11)의 후면에 일측부가 고정되고, 타측부는 절고되어서 탄성에 의해 메인프레임(11)의 좌우측면으로 향하며, 상기 경첩(13)의 일측부와 지지체(14)가 타측부에 결합하고, 상기 탄성보다 큰 풍력에 의해 타단부가 상기 메인프레임(11)에서 이격되면서 상기 날개편(15)을 상기 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀지게 하는 탄성체(12);를 더 포함한다.
본 발명의 날개(10)는, 풍력발전기의 수평회전축(30)의 좌우측에 4개의 메인프레임(11)이 구비되는데, 상기 메임프레임(11)은 일측부는 상기 수평회전축(30)에 고정되고, 타측부는 상기 수평회전축(30)을 중심으로 90°의 간격으로 벌어져 이격된다. 그리고 상기 메인프레임(11)의 좌우측면에는 소정 너비의 날개편(15)이 경첩(13)에 의해 접철 가능하도록 설치된다.
상기 메인프레임(11)은, 소정의 폭을 갖는 사각파이프 또는 사각봉 형태로 형성되고, 풍력발전기의 수평회전축(30)의 좌우측단부에 연결 및 고정되며, 날개편(15)의 의해 회전에 의해 회전되면서 상기 수평회전축(30)을 회전시키는 것이다.
상기 메인프레임(11)은 사각, 삼각 또는 원형 등 다양한 형태의 프레임으로 형성될 수 있다.
상기 수평회전축(30)은, 풍력발전기의 발전부(20) 내부에 구비되는 발전모듈(미도시) 또는 발전기에 연결되고, 좌우 양측부는 날개(10)의 메인프레임(11)에 연결되며, 상기 메인프레임(11)의 회전에 의해 회전하여서 날개(10)의 회전력을 발전부(20)에 전달하는 것이다.
상기 메인프레임(11)은 수평회전축(30)에 용접 등에 의해 고정될 수 있고, 일단부에 링 형태의 체결구를 형성하여서 상기 수평회전축(30)이 상기 체결구에 끼워져 고정될 수 있으며, 다양한 방법에 의해 수평회전축(30)에 고정될 수 있다.
그리고 상기 메인프레임(11)의 좌우측면 선단부(도면 2 내지 도 4에서는 메인프레임의 좌우측면 상부)에는 경첩(13)이 길이방향으로 일정 간격 이격되어 장착되고, 상기 경첩(13)의 타측부는 날개편(15)이 장착된다.
즉, 상기 경첩(13)은 메인프레임(11) 좌우측면에 일측부가 고정되고, 상기 경첩(13)의 타측부에는 날개편(15)이 연결되어서 상기 메인프레임(11)의 좌우 양측에 날개편(15)이 위치하며, 상기 날개편(15)이 경첩(13)에 의해 메인프레임(11)의 좌우 양측으로 펼쳐지거나 상기 메인프레임(11)의 전방으로 포개지는 것이다.
상기 날개편(15)은 외측 테두리부 또는 외주연부가 전방으로 절곡되는 절곡편이 형성되고, 이로 인해 바람의 힘이 날개편(15)에 잘 전달될 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 경첩(13)의 일측부에는, 상기 날개편(15)이 후면을 지지하고, 상기 날개편(15)이 메인프레임(11)의 후방(도 2 내지 도 4에서는 하측)으로 젖혀지지 않도록 지지하는 지지체(14);가 구비된다.
따라서 수평회전축(30)의 상측에서 12시 방향에 위치하는 날개(10)의 날개편(15)은 전방에서 불어오는 바람에 의해 메인프레임(11)의 좌우 양측으로 완전히 펼쳐지고, 날개편(15)의 후면이 상기 지지체(14)에 의해 지지되면서 바람에 저항하며, 이로 인해 날개(10)가 연속적으로 회전하는 것이다.
도 1, 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 날개가 회전하는 실시예를 도시한 것으로, 본 발명의 날개(10)는 수평회전축(30)의 일단부에 4개의 메인프레임(11)이 90°의 간격으로 이격되어 설치되고, 도 5a는 날개가 수평회전축(30)의 전방의 9시 방향에서 상측의 12시 방향으로 회전하는 상태도로, 수평회전축(30)의 전방 9시 방향의 날개(10)는 12시 방향으로 회전하면서 전방에서 불어오는 바람에 의해 날개편(15)이 점점 펼쳐지고, 수평회전축(30)의 상측 12시 방향에 도달하게 되면, 상기 날개편(15)이 완전히 펼쳐지며, 지지체(14)에 의해 더 이상 펼쳐지지 않도록 지지된다.
그리고 도 5b에 도시된 바와 같이, 수평회전축(30)의 상측 12시방향에서 3시 방향으로 회전할 때는, 날개편(15)이 메인프레임(11) 방향으로 접히게 되며, 이로 인해 날개편(15)의 회전에 따른 저항이 감소되어 날개(10)의 회전이 안정적이면서 효과적으로 이루어지는 효과가 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 날개가 강풍에 의해 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀지는 모습을 나타낸 것으로, 상기 메인프레임(11)의 후면에 일측부가 고정되고, 타측부는 절곡되어 탄성력에 의해 메인프레임(11)의 좌우측면에 밀착하며, 상기 경첩(13)의 일측부와 지지체(14)가 타측부에 고정되고, 상기 탄성력보다 큰 힘의 풍력에 의해 타단부가 상기 메인프레임(11)에서 벌어지면서 상기 날개편(15)이 상기 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀지도록 하는 탄성체(12);를 더 포함하다.
상기 탄성체(12)는, 대략 2개의 "L"자 형태 또는 하나의 "U"자 형태로 형성되고, 메인프레임(11)의 후면을 감싸는 바닥면은 메인프레임(11)의 후면에 볼트 등의 체결수단으로 고정되며, 측면은 바닥면에서 상측으로 절곡되어서 메인프레임(11)의 좌우 측면을 감싸며, 상기 경첩(13) 및 지지체(14)가 측면에 결합 및 고정된다.
상기 탄성체(12)는 탄성력에 의해 측면이 메인프레임(10)에서 벌어짐으로써, 상기 날개편(10)이 강풍에 의해 파손되는 것을 예방하는 것으로, 탄성체(12)의 탄성력보다 강한 힘의 바람 또는 태풍 등이 불어올 때, 날개편(15)이 바람에 저항하지 않고 바람이 부는 방향으로 탄성체(12)에 의해 젖혀지며, 이로 인해 상기 날개편(15)을 보호할 수 있는 효과가 있다.
즉, 상기 날개편(15)이 수평회전축(30)의 상측, 12시 방향에서, 펼쳐진 상태에서, 탄성체(12)의 탄성력보다 강한 힘의 바람(외력)이 날개편(15)의 전면에 전달될 때, 상기 날개편(15)에 전달되는 힘에 의해 상기 탄성체(12)의 측면이 상기 메인프레임(11)의 좌우 측면에서 벌어지고, 이로 인해 날개편(15)이 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀져 상기 날개편(15)이 파손되지 않고 보호되는 것이다.
일 예로, 바람이 초속 15m/s 이내 일 경우, 날개(10)가 정상으로 회전하고, 바람이 초속 15m/s 이상일 경우에는 탄성체(12)가 날개편(15)에 전달되는 바람의 힘에 의해 메인프레임(11)에서 벌어져 상기 날개편(15)이 메인프레임의 후방으로 젖혀지게 된다.
한편, 본 발명의 날개(10)를 이용한 풍력발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 날개(10); 상기 날개(10)가 좌우 좌우 양측부에 연결되는 수평회전축(30); 및 상기 수평회전축(30)의 회전력을 통해 전기를 생산하는 발전부(20);를 포함한다.
상기 날개(10)는, 소정의 길이를 갖고, 일단부는 상기 수평회전축(30)의 좌우측에 연결되며, 타단부는 일정 각으로 이격되어 구비되는 복수의 메인프레임(11); 일측부가 상기 메인프레임(11)의 좌우 측면에 구비되는 경첩(13); 및 상기 경첩(13)의 타측부에 연결되어 상기 메인프레임(11)의 좌우측에 위치하고, 메인프레임(11)의 좌우 양측으로 펼쳐지거나 상기 메인프레임(11)의 전방으로 포개지는 날개편(15);을 포함한다.
또한, 상기 날개(10)는, 상기 경첩(13)에 구비되고, 상기 날개편(15)의 후면을 지지하여서 상기 날개편(15)이 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀지지 않도록 하는 지지체(14);를 포함한다.
또한, 상기 날개(10)는, 전면이 바람에 부딪혀 연속적으로 회전되는 것으로, 상기 수평회전축(30)의 좌우측에 4개씩 90°로 벌어지게 구비됨이 바람직하고, 각각의 날개(10)의 각도를 서로 엇갈리도록 형성할 수 있으며, 바람직하게는 4개의 날개(10)가 45°정도로 비껴서 마주보도록 배치할 수 있다.
상기 발전부(20)는, 수평회전축(30)의 회전력으로부터 에너지 또는 전기를 생산하는 발전모듈(미도시)이 내부에 구비되고, 외면에는 방향타 및/또는 피뢰침이 구비될 수 있으며, 바람의 방향에 따라 회전 가능하게 설계할 수 있다.
또한, 상기 발전부(20)의 상면에는 빗물 또는 먼지 등이 내부로 유입되는 것을 차단하기 위한 덮개가 씌워진다.
상기 방향타(50)는 바람이 불어오는 방향으로 상기 회전체(20)를 회전시키기 위한 것으로, 꼬리부분에 형성되는 2개의 수직판을 약 30°~ 35°정도로 벌어지도록 형성하여 바람에 의한 회전능력을 극대화되도록 하며, 바람이 너무 강하여 본 발명의 풍력발전기를 정지하고자 할 경우에는 상기 방향타(50)의 수직판의 일면이 지면과 마주하도록 회전시키거나 분리하여 바람에 의해 상기 발전부(20)가 회전되지 않도록 할 수도 있다.
따라서 본 발명의 풍력발전기는, 수평회전축(30)의 전방의 9시 방향에서 상측의 12시 방향으로 회전하는 날개(10)의 날개편(15)이 바람에 의해 메인프레임(11)의 좌우측으로 펼쳐져 바람의 힘을 전달받고, 수평회전축(30)의 상측 12시 방향에서 하측으로 회전하는 날개(10)의 날개편(15)은 접히며, 이로 인해 회전에 따른 공기의 저항이 감소하여 날개(10)가 안정적으로 회전하는 효과가 있고, 강풍이 불어올 경우, 탄성체(12)의 일측부가 메인프레임(11)에서 벌어지면서 날개편(15)이 바람이 이동하는 방향으로 젖혀져 날개(10)를 보호할 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 날개 11 : 메인프레임
12 : 탄성체 13 : 경첩
14 : 지지체 15 : 날개편
20 : 발전부 25 : 피뢰침
30 : 수평회전축 50 : 방향타

Claims (4)

  1. 풍력발전기에 사용되고, 전면이 바람에 부딪혀 회전하며, 풍력발전기의 수평회전축(30)을 회전시켜 풍력발전기가 발전하도록 하는 풍력발전기의 날개(10)에 있어서,
    상기 날개(10)는,
    소정의 길이를 갖고, 일단부는 상기 수평회전축(30)의 좌우측에 연결되며, 타단부는 일정 각으로 이격되어 구비되는 복수의 메인프레임(11);
    일측부가 상기 메인프레임(11)의 좌우 측면에 구비되는 경첩(13);
    상기 경첩(13)의 타측부에 연결되어 상기 메인프레임(11)의 좌우측에 위치하고, 메인프레임(11)의 좌우 양측으로 펼쳐지거나 상기 메인프레임(11)의 전방으로 포개지는 날개편(15);
    상기 경첩(13)에 구비되고, 상기 날개편(15)의 후면을 지지하는 지지체(14); 및
    상기 메인프레임(11)의 후면에 일측부가 고정되고, 타측부는 탄성력에 의해 메인프레임(11)의 좌우측면으로 향하며, 상기 경첩(13)의 일측부와 지지체(14)가 타측부에 고정되고, 상기 탄성력보다 큰 힘의 바람에 의해 타단부가 상기 메인프레임(11)에서 이격되면서 상기 날개편(15)를 메인프레임(11)의 후방으로 젖혀지게 하는 탄성체(12);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
  2. 제1항의 날개(10)가 수평회전축(30)에 연결되어 발전하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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