KR102172890B1 - 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 예상치 못한 강풍이나 돌풍이 부는 경우에도 복수의 블레이드가 구비되는 회전체가 안정적으로 회전할 수 있으며 발전기의 안정적인 구동을 유도할 수 있고 회전체의 멈춤 현상을 방지하여 일정 속도로 회전할 수 있도록 하여 풍력 발전의 효율 저하를 방지할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공한다.

Description

풍력 발전 장치 {wind power generating apparatus}

본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 강풍이나 돌풍이 불더라도 블레이드의 안정적인 회전을 유도하여 블레이드에 직결되는 발전기의 포손을 방지함은 물론 풍력 발전을 장기간 안정적으로 유지할 수 있는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

기존의 화석에너지 자원은 점차 고갈 되어갈 뿐만 아니라 지구환경을 오염시키기 때문에 오래전부터 인류는 고갈되지 않고 환경을 오염시키지 않는 청정대체에너지 이용장치 개발을 위하여 많은 노력을 기울여 왔다. 이러한 청정대체에너지로는 태양에너지(solar energy), 풍력에너지(wind energy), 조류에너지(current energy), 조력에너지(tidal energy), 지열에너지(geo-thermal energy), 생화학에너지(bio-thermal energy) 등이 있다.

한편 3면이 바다로 둘러싸인 우리 나라는 바람의 힘을 이용한 풍력 발전에 유리한 지형이며, 이러한 지형에서 적용하는 풍력발전기는 통상 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 풍력발전기와, 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 풍력발전기로 구분된다.

수평축 풍력발전기는 가장 일반적인 형태로 높은 발전효율을 구현할 수 있는 장점이 있으나 바람의 방향이 자주 바뀌는 지역에서는 원활한 전기 발전이 어려운 반면, 수직축 풍력발전기는 소형으로 제작 가능한 것으로 바람의 방향에 관계없이 전기 발전이 가능하며 증속기 및 발전기 등의 주요부품들이 지상에 설치되므로 유지보수가 용이한 장점으로 인해 많은 연구가 진행되고 있다.

특히 수직축 풍력발전기는 수직하게 배치된 회전축이나 원통형 구조물의 주위에 다수개의 블레이드들이 설치되며, 이때 각각의 블레이드는 바람이 부는 방향에 따른 상대적인 위치나 바람의 세기에 따라 접혀지거나 회전하도록 구성되어 제한된 조건에서 풍력을 최대한 활용할 수 있도록 하고 있다.

이와 같은 수직축 풍력발전기의 일 예로 등록특허 제10-1352599호(참고문헌 1)는 풍력발전기용 블레이드에 관한 것으로, 발전날개상에는 발전날개와 함께 회전되는 회전자와 상기 회전자의 회전에 의하여 자속이 절단되면서 전기가 발생되는 발전기가 배치되어 있으며, 상기 발전기의 하부에는 상기 발전기를 지지하며 저면에는 원형판부가 형성된 지지파이프가 설치되는 구조가 제안되어 있다.

그런데 이러한 구조는 발전기의 회전축에 회전자가 직접 결합되어 회전자의 하중이 집중되는 구조여서 예상치 못한 강풍이나 돌풍이 부는 경우 회전자의 하부에 직결되는 회전축의 흔들리며 회전자의 회전을 방해할 뿐만 아니라 발전기의 안정적인 구동 역시 방해하는 원인이 된다.

한편, 또 다른 선행기술로서 등록특허 제10-146891호(참고문헌 2)가 제안된 바 있다. 이는 풍력발전기용 블레이드에 관한 것으로, 전단이 내측으로 절곡 형성되어 내측으로 안내된 바람이 모이는 바람막이부가 형성되고, 상기 바람막이부의 후단에는 외부의 바람이 유입되면 상기 바람막이부로 안내하는 날개부가 연장 형성되는 풍력발전기용 블레이드에 있어서, 상기 날개부에는 공기 유입공이 관통 형성되고, 상기 날개부의 내측면에는 상기 공기 유입공으로 유입되는 바람을 상기 바람막이부로 안내하는 안내판부가 구비되며, 이러한 구성에 따르면 블레이드의 외면에 풍압이 가해지는 경우 날개부에 형성된 공기 유입공을 통해 공기가 유입되면 안내판부에 의해 바람막이부로 안내되어 다음 블레이드의 외면에 가해지는 풍압을 낮추어 블레이드를 좀 더 원활히 회전하게 되어 풍력 발전 효율을 높일 수 있다.

그런데 상기 참고문헌 2의 블레이드는 강풍이 일정한 경우에는 블레이드의 원활한 회전이 유도되지만 역풍, 회오리 바람 또는 돌풍이 부는 경우 풍압이 블레이드 후면에 가해지면서 회전 저항이 커지게 되어 허브가 일정 속도로 돌지 못하고 멈춤 현상이 발생하는 문제가 있으며 이는 허브의 불연속적인 회전을 야기시켜 풍력 발전 효율이 저하되는 문제가 있다. 아울러 이러한 구조는 역풍, 회오리 바람 또는 돌풍이 부는 경우 여전히 블레이드 후단이 풍압을 이기지 못하고 후단부의 상하단 모서리가 휘거나 꺾일 수 있어 블레이드의 안정적인 회전이 방해된다.

참고문헌 1 : 등록특허 제10-1352599호 참고문헌 2 : 등록특허 제10-1468913호

따라서 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 예상치 못한 강풍이나 돌풍이 부는 경우에도 복수의 블레이드가 구비되는 회전체가 안정적으로 회전할 수 있으며 발전기의 안정적인 구동을 유도할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는데 목적이 있다.

그리고 본 발명은 풍력발전기의 블레이드에 강풍이 부는 경우는 물론 역풍이나 회오리 바람 또는 돌풍이 불더라도 회전체가 멈춤 현상없이 안정적으로 회전할 수 있도록 하여 풍력 발전의 효율 저하를 방지할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는데에도 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

허브를 중심으로 복수의 블레이드가 대칭으로 구비되는 회전체와, 상기 회전체의 회전에 따라 전력을 생성하는 발전기와, 상기 발전기를 지면에 지지하는 지주로 구성되는 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 발전기의 중심축은 상기 지주에 고정되고 상기 회전체는 상기 발전기의 하우징에 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치를 제공한다.

이때, 상기 허브는 제1 축공이 상하로 형성되는 상측 허브와 제2 축공이 상하로 형성되는 하측 허브로 이루어지고 상기 상측 및 하측 허브 사이에 상기 발전기가 구비되되, 상기 상측 허브의 하부에 형성된 하측 플랜지는 발전기의 하우징 상부면에 밀착되어 체결수단에 의해 일체로 고정되고, 상기 하측 허브의 상부에 형성된 상측 플랜지는 발전기의 하우징 하부면에 밀착되어 체결수단에 의해 일체로 고정되고, 상기 발전기는 중심축이 하단으로 돌출되어 상기 지주의 상단에 결합되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 발전기의 하우징 상부 중앙에 상측 허브의 제1 축공에 끼워지는 상측 끼움돌부가 구비되고, 상기 하우징의 하부 중앙에는 하측 허브의 제2 축공에 끼워지는 하측 끼움돌부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 지주의 상부는 상기 하측 허브의 제2 축공에 삽입되어 상기 하측 허브가 지주를 감싸며, 상기 하측 허브의 제2 축공 내주면에는 중심부를 향해 돌출되도록 복수의 볼롤러가 일정간격을 유지하며 배치되어 상기 볼롤러의 볼이 상기 지주의 외주면에 접촉되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블레이드는 판형상으로 이루어져 바람을 안내하는 날개부와, 상기 날개부의 일단에는 상기 날개부의 전면 방향으로 절곡 형성되어 상기 날개부의 전면으로 안내된 바람이 모이는 전방 바람막이부가 형성되고, 상기 날개부의 표면에는 공기 유입공이 관통 형성되고, 상기 날개부의 전면에는 상기 공기 유입공을 통해 날개부의 후면에서 유입되는 바람을 상기 전방 바람막이부로 안내하는 안내판부가 구비되며, 상기 전방 바람막이부의 상단과 하단에는 제1 상부 및 하부 마감판부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 상측 허브의 상단과 블레이드의 상단을 연결하는 상측 지지대는 보강리브가 길이방향으로 형성되고, 상기 하측 허브의 하단과 블레이드의 하단을 연결하는 하측 지지대는 보강리브가 길이방향으로 형성되고, 상기 제1 상부 및 하부 마감판부 사이에도 하나 이상의 중간판부가 더 구비되며, 상기 블레이드와 허브 사이에는 복수의 중간 지지대가 더 연결되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 블레이드는 날개부의 타단에 상기 날개부의 후면 방향으로 절곡 형성되어 상기 날개부의 후면으로 안내된 바람이 모이는 후방 바람막이부가 더 형성되되고, 상기 후방 바람막이부의 상단과 하단에는 제2 상부 및 하부 마감판부가 일체로 결합되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 풍력 발전 장치는 타워형 프레임에 복수가 상하로 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 발전기의 중심축은 상기 지주에 고정되고 블레이드를 포함하는 회전체는 상기 발전기의 하우징에 일체로 고정되어 블레이드가 회전시 발전기의 중심축은 고정된 상태이므로 흔들임이 없어 회전체가 안정적으로 회전할 수 있다.

특히 본 발명은 발전기가 상측 및 하측 허브 사이에 구비되며 하측 하브는 지주의 상부를 감싸며 내부에 볼롤러로 지주의 외주면을 지지함으로서 예상치 못한 강풍이나 돌풍이 부는 경우에도 복수의 블레이드가 구비되는 회전체가 회전저항 없이 안정적으로 회전함에 따라 발전기의 안정적인 구동 및 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.

아울러 본 발명에 따르면 블레이드의 날개부 양단에 전방 및 후방 바람막이부를 구비하여 날개부의 후면에 가해지는 바람은 후방 바람막이부를 통해 날개부의 공기 유입공을 통해 안내판부를 통해 전방 바람막이부로 안내됨으로서 다음 블레이드의 외면에 가해지는 풍압을 낮추어 블레이드를 원활히 회전하게 되어 풍력 발전 효율을 높일 수 있다. 특히 본 발명은 날개부의 타단에 후방 바람막이부를 구비하여 날개부 후면에서의 역풍(맞바람), 회오리 바람, 돌풍(풍향이 급변하는 거센바람) 등에도 풍력발전기가 안정적으로 작동할 수 있다.

아울러 본 발명에 따르면 전방 바람막이부의 상단과 하단에는 제1 상부 및 하부 마감판부가 일체로 결합되면서도 후방 바람막이부의 상단과 하단 역시 제2 상부 및 하부 마감판부가 일체로 결합됨으로서 전방 및 후방 바람막이부가 견고한 고정 상태를 유지하므로 강풍이나 돌풍 등에 의한 블레이드의 형상 변형 및 파손을 방지하고 장기간 블레이드의 변형을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 요부를 도시한 정단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 요부를 도시한 평단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 풍력 발전 장치의 요부를 도시한 정단면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다.

이하 본 발명에 따른 풍력 발전 장치를 첨부된 도면들을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예들에 의해 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로해석되지 않는다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 설명하기 위해 도시한 도면들이다. 이에 의하면 본 발명의 풍력 발전 장치(1)는 허브(110)를 중심으로 복수의 블레이드(120)가 대칭으로 구비되는 회전체(100)와, 상기 회전체(100)의 회전에 따라 전력을 생성하는 발전기(200)와, 상기 발전기(200)를 지면에 지지하는 지주(300)로 구성된다.

이때 발전기(200)의 중심축(210)은 상기 지주(300)에 고정되고 상기 회전체(100)는 상기 발전기(200)의 하우징(202)에 고정된다.

이하 본 발명의 각부 구성을 구체적으로 설명한다.

상기 회전체(100)는 허브(110)를 중심으로 복수의 블레이드(120)가 대칭으로 구비되는 구조로서, 상기 허브(110)는 상측 및 하측 허브(112,114)로 이루어지며 상기 상측 및 하측 허브(112,114) 사이에 발전기(200)가 위치하게 된다.

이때 상기 상측 허브(112)는 제1 축공(112a)이 상하로 관통 형성되고, 상기 하측 허브(114)는 제2 축공(114a)이 상하로 관통 형성된다.

이러한 상측 및 하측허브(112,114)에는 블레이드(120)의 상단과 하단이 상측 및 하측 지지대(130,140)에 의해 연결된다. 좀 더 구체적으로 설명하면 상기 상측 허브(112)의 상단과 블레이드(120)의 상단이 하나 이상의 상측 지지대(130)로 연결되고, 상기 하측 허브(114)의 하단과 블레이드(120)의 하단이 하나 이상의 하측 지지대(140)로 연결된다. 이때 상측 및 하측 지지대(130,140)의 양단은 볼트 등의 등의 체결수단(132,142)으로 블레이드(120)와 허브(110)에 고정된다.

한편, 상기 블레이드(120)는 단면이 전체적으로 익형(翼型)으로 이루어지는 것으로, 판형상으로 이루어져 바람을 안내하는 날개부(121)와, 상기 날개부(121)의 일단에는 상기 날개부(121)의 전면 방향으로 절곡 형성되어 상기 날개부(121)의 전면으로 안내된 바람이 모이는 전방 바람막이부(122)가 형성된다.

이때, 상기 날개부(121)는 판형상으로 이루어져 수직으로 세워지도록 배치되는 것으로, 날개부(121)의 표면에는 공기 유입공(123)이 관통 형성되고, 상기 날개부(121)의 전면에는 상기 공기 유입공(123)을 통해 날개부(121)의 후면에서 유입되는 바람을 상기 전방 바람막이부(122)로 안내하는 안내판부(124)가 구비된다.

상기 날개부(121)에 형성되는 공기 유입공(123)은 상하로 긴 직사각형으로 이루어짐이 바람직하지만, 정사각형이나 그 이외의 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 이러한 블레이드(120)는 다양한 금속 재질로 제작 가능하나 무게를 가볍게 하기 위해 알루미늄재로 제작함이 바람직하다.

그리고, 상기 안내판부(124)는 별도로 도시하지는 않았지만 상기 공기 유입공(124)을 형성시 날개부(121)의 일부를 재단하고, 나머지는 날개부(121)의 전면방향으로 절곡하여 날개부(121)의 일단에 연장 형성되는 전방 바람막이부(122) 방향으로 바람을 안내하도록 간단히 제작할 수도 있으며, 이 경우 상기 안내판부(124)는 일단부가 상기 공기 유입공(123)의 가장자리에 연결된 구조로, 상기 안내판부(124)는 날개부(121) 전면 타측에서 일측으로 설정 각도(예를 들어 5 ~ 10°) 벌어짐이 바람직하다. 즉 안내판부(124)는 전방 바람막이부(122) 방향으로 개구된 구조로 이루어진다.

한편, 상기 안내판부(124)는 공기 유입공(123)의 타측에 상기 안내판부(124)의 타단부에 경첩(124a)이 일체로 구비되어 안내판부(124)의 일단부가 날개부(121)의 전방으로 회동 가능하다. 이를 통해 블레이드(120)가 바람에 의한 항력에 의해 회전시 공기 유입공(123)이 안내판부(124)에 의해 폐쇄되어 날개부(121)의 전면으로 안내되는 바람이 공기 유입공(123)을 통해 날개부(121)의 후면 방향으로 빠져 나가 블레이드(120)의 회전력이 저하되는 것을 막을 수 있다.

그리고 상기 전방 바람막이부(122)는 상기 날개부(121)의 전단에 날개부(121)의 전면 방향으로 단면이 반원 형태로 절곡되게 연장 형성되어 전면으로 안내된 바람이 모인다.

아울러, 상기 전방 바람막이부(122)의 상단과 하단에는 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126)가 일체로 결합된다. 이러한 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126)는 전방 바람막이부(122)의 상단과 하단 테두리를 따라 용접 등에 의해 일체로 고정한다. 이때 상기 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126)에 제1 및 제2 관통공(125a,126a)이 형성됨에 따라, 블레이드(120)가 회전된 이후 공기가 신속하게 상기 제1 및 제2 관통공(125a,126a)으로 빠져나갈 수 있도록 하여 전방 바람막이부(122) 내에서의 와류 발생을 최소화하여 원활한 회전이 이루어지며, 겨울철에 눈이 쌓이는 것을 최소화하여 눈 무게로 인해 블레이드(120)의 회전이 더뎌지는 것을 막고, 눈녹은 물이나 빗물의 신속한 배출을 유도할 수 있다.

이러한 제1 상부 마감판부(125)에는 상측 지지대(130)의 일단부가 고정되고 상기 상측 지지대(130)의 타단부는 상기 상측 허브(112)의 상부에 형성된 상측 플랜지(112b)에 고정되며, 상기 제1 하부 마감판부(126)에는 하측 지지대(140)의 일단부가 고정되고 상기 하측 지지대(140)의 타단부는 상기 하측 허브(114)의 하부에 형성된 하측 플랜지(114c)에 고정된다. 이때 상기 상측 지지대(130)의 양단은 볼트 등의 체결수단(132)으로 상기 제1 상부 마감판부(125)와 상측 허브(112)의 상측 플랜지(112b)에 결합 고정되고, 상기 하측 지지대(140)의 양단은 볼트 등의 체결수단(142)으로 제1 하부 마감판부(126)와 하측 허브(114)의 하측 플랜지(114c)에 결합 고정된다.

그리고 상기 발전기(200)는 하우징(202)의 내부에 전력 발생을 위한 회전자와 고정자가 구비되는 공지(公知)의 구조로서 발전기(200)의 중심축(210)이 하단으로 돌출된 구조로 이루어진다. 이때, 상기 발전기(200) 하우징(202)의 상부 중앙에는 상측 허브(112)의 제1 축공(112a)에 끼워지는 상측 끼움돌부(204)가 구비되고, 상기 하우징(202)의 하부 중앙에는 하측 허브(114)의 제2 축공(114a)에 끼워지는 하측 끼움돌부(205)가 구비된다. 물론 상기 발전기(200)의 중심축(210)은 상기 하측 끼움돌부(205)의 중앙 하부로 돌출된 구조이다.

특히 상기 상측 허브(112)의 하부에 형성된 하측 플랜지(112c)는 발전기(200)의 하우징(202) 상부면에 밀착되어 나사 등의 체결수단(202a)에 의해 일체로 고정되고, 상기 하측 허브(114)의 상부에 형성된 상측 플랜지(114b)는 발전기(200)의 하우징(202) 하부면에 밀착되어 나사 등의 체결수단(202b)에 의해 일체로 고정된다.

한편, 상기 발전기(200)의 중심축(210)은 지면에 고정되는 지주(300)에 일체로 결합된다. 이때 상기 지주(300)의 상단에는 상기 중심축(210)의 하부가 결합되는 축지지공(310)이 형성된다.

그리고 상기 지주(300)의 상부는 상기 하측 허브(114)의 제2 축공(114a)에 삽입되어 상기 하측 허브(114)가 지주(300)를 이격되어 감싸는 구조이다. 이때, 하측 허브(114)의 제2 축공(114a) 내주면에는 중심부를 향해 돌출되도록 복수의 볼롤러(116)가 일정간격을 유지하며 배치된다. 이러한 볼롤러(116)는 전단에 볼(116a)이 회전이 자류롭게 구비되며 후방의 볼트부(116b)가 하측 허브(114)에 나사결합되는 구조로서 볼(116a)이 지주(300)의 외주면에 접촉된 구조를 이루게 된다.

이때 상기 볼롤러(116)는 하측 허브(114)의 제2 축공(114a) 내주면을 따라 6개 이상 일정간격을 배치할 수 있다. 일 예로 도시된 바와 같이 제2 축공(114a)의 중심에서 45°의 등간격으로 8개를 배치할 수 있으나, 전체적인 회전체(100) 및 발전기(200)의 사이즈에 따라 볼롤러(116)의 수량을 조절할 수 있다. 이러한 구조에 의하면 전체적으로 바람에 의해 회전체(100)가 회전시에 볼롤러(116)의 볼(116a)이 지주(300)의 외주면에 접촉된 상태를 유지하게 되어 구름저항이 최소화되면서 하측 허브(114)가 원활하게 회전할 수 있다. 특히 이러한 구롬저항을 최소화하고 안정적인 회전을 유도하기 위해 전체적으로 제2 축공(114a) 내부에 지주(300)를 감싸며 지지되는 링 형태의 볼베어링을 사용하지 않아도 되어 제작 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 지주(300)을 하측 허브(114)의 제2 축공(114a)에 삽입 지지하는 것도 용이하다.

한편, 상기 지주(300)는 상기 중심축(210)을 통해 발전기(200)의 내부와 전기적으로 연결되어 전력을 전송하기 위한 전선(220)을 설치할 수 있도록 중공 형상으로 이루어짐이 바람닉하다.

이와 같은 구조에 의하면 바람에 의해 회전체(100)가 일방형으로 회전하면서 회전체(100)의 허브(110)에 일체로 결합되는 발전기(200)의 하우징(202)도 중심축(210)을 중심으로 함께 회전하게 된다. 이때 발전기(200)의 중심축(210)은 지주(300)에 결합되어 있고 하측 허브(114)의 제2 축공(114a)에 구비된 볼롤러(116)의 볼(116a)이 지주(300)의 외주면에 접촉된 상태를 유지함에 따라 하측 허브(114)가 흔들림없이 원활하게 회전할 수 있다.

이에 강풍이나 돌풍이 불더라도 발전기(200)는 안정적으로 전력을 생성하며 축전지 등에 충전된다. 물론 이러한 축전지의 충전전원은 인버터 등을 통해 교류전원으로 변환하여 다양한 용도로 사용될 수 있다.

한편, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 설명하기 위해 도시한 도면이다. 이에 의하면 본 발명의 풍력 발전 장치(1)의 회전체(100)를 구성하는 블레이드(120)는 상하로 긴 형태의 제작이 가능하다.

이 경우 상기 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126) 사이에도 하나 이상의 중간판부(127)를 더 구비하며, 이 경우 상기 중간판부(127)는 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126)와 동일한 형상으로 이루어지는 것을 사용함도 가능하다.

이때 상기 상측 허브(112)의 상단과 블레이드(120)의 상단을 연결하는 상측 지지대(130)는 보강리브(131)가 길이방향으로 형성되고, 상기 하측 허브(114)의 하단과 블레이드(120)의 하단을 연결하는 하측 지지대(140)는 보강리브(141)가 길이방향으로 형성된다. 이로 인해 상측 및 하측 지지대(130,140)의 강도를 향상시켜 강풍 등에 의한 뒤틀림을 억제할 수 있다.

아울러 이와 같은 블레이드(120)와 허브(110) 사이에는 복수의 중간 지지대(150)를 더 연결함으로서 더욱 견고한 상태를 유지할 수 있다. 이때 상기 중간 지지대(150)는 각봉 형상으로 이루어진 것을 사용하며, 이는 도시된 바와 같이 단면이 "

" 형상, "

" 형상으로 이루어질 수 있으며 이외에도 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 물론 이러한 중공 형상의 중간 지지대(150)의 양단은 상기 블레이드(120)와 허브(110) 사이에 용접 등의 방식으로 일체로 결합함이 바람직하다.

또한, 도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다. 이에 의하면 블레이드(120)는 날개부(121)의 타단에 상기 날개부(121)의 후면 방향으로 절곡 형성되어 상기 날개부(121)의 후면으로 안내된 바람이 모이는 후방 바람막이부(128)가 더 형성된다.

이러한 후방 바람막이부(128)는 상기 날개부(121)의 후단에 날개부(121)의 후면 방향으로 단면이 반원 형태로 절곡 형성되어 날개부(121)의 후면으로 안내된 바람을 상기 공기 유입공(123)으로 안내한다. 물론 상기 공기 유입공(123)을 통해 안내된 바람은 날개부(121) 전단에 연장된 전방 바람막이부(122)로 안내된다.

이 경우 상기 전방 바람막이부(122)의 면적은 후방 바람막이부(128)의 면적에 비해 약 2배 정도 크게 형성함이 바람직하다. 이는 날개부(121)의 후면 방향에서 유입되는 공기의 흐름이 정면에 비해 약함은 물론 블레이드(120)의 회전 저항을 줄여주기 위함이다.

그리고, 상기 후방 바람막이부(128)의 상단과 하단에는 제2 상부 및 하부 마감판부(129a,129b)가 일체로 결합된다. 이러한 제2 상부 및 하부 마감판부(129a,129b)는 후방 바람막이부(128)의 상단과 하단 테두리를 따라 용접 등에 의해 일체로 고정되며, 제2 상부 및 하부 마감판부(129a,129b)에 의해 후방 바람막이부(128)로 안내된 바람이 후방 바람막이부(128)의 상단 및 하단으로 빠져나가는 것을 막아 신속하게 날개부(121)의 공기 유입공(123)을 통해 날개부(121) 전단에 연장된 전방 바람막이부(122)로 안내하여 블레이드(120)의 회전력을 더욱 높일 수 있다.

이때, 상기 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126)는 날개부(121)의 타단까지 연장되게 결합하고, 제2 상부 및 하부 마감판부(129a,129b)는 날개부(121)의 일단까지 연장되게 결합하여 강한 바람이나 돌풍에도 블레이드(120)가 뒤틀리는 것을 방지할 수 있고 이로 인해 안정적인 회전을 유도할 수 있다.

이와 같은 구조에 의하면 바람이 불어 블레이드(120)에 풍압이 가해져 허브(110)가 회전시 복수의 블레이드(120)가 일방형으로 회전하면서 앞선 블레이드(120)가 바람에 의한 항력에 의해 회전하면서 연이어 다음 블레이드(120)가 회전하는데 이때 다음 블레이드(120)의 정면 방향으로 공기가 유입되면 전방 바람막이부(122)로 안내되며, 블레이드(120) 사이의 틈새를 통한 강풍 유입이나 돌풍 또는 회오리 발생시 날개부 후면의 공기는 후방 바람막이부(128)를 거쳐 날개부(121)의 공기 유입공(123)을 통해 유입되어 안내판부(124)를 통해 전방 바람막이부(122)로 안내되어 다음 블레이드(120)의 외면에 가해지는 풍압을 낮춰주게 되어 허브(110)의 멈춤 현상을 방지하고 블레이드(120)가 원활한 회전이 가능하다.

다음으로, 도 6 내지 도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 풍력 발전 장치를 도시한 도면들이다. 이에 의하면 본 발명의 풍력 발전 장치(1)는 타워형 프레임(2)에 복수가 상하로 연속적으로 배치될 수 있다. 이러한 타워형 구조체(2)는 I 또는 H형강 등으로 이루어지는 복수의 분할 프레임(2a)으로 구획되며 분할 프레임(2a)의 중심에는 지주(300)가 구비되어 풍력 발전 장치(1)의 발전기(200)의 중심축(210)이 지지되는 구조로 이루어진다.

도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 복수의 풍력 발전 장치(1)를 수직으로 안정적으로 배치 및 지지할 수 있도록 타워형 구조체(2)는 3개의 지지축(2b)으로 이루어지는 삼각 구조물의 구조를 채용할 수 있다.

물론 도 9에 도시된 본 발명의 제5 실시 예에 따른 풍력 발전 장치에서와 같이 타워형 구조체(2)는 4개의 지지축(2b)으로 이루어지는 사각 구조물의 구조도 가능하며, 이러한 타워형 구조체(2)의 구조는 전체적으로 풍력 발전 장치(1)의 사이즈 및 배치 수량 등에 따라 달라질 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

1: 풍력 발전 장치 2: 타워형 프레임
100: 회전체 110: 허브
112: 상측 허브 114: 하측 허브
120: 블레이드 130: 상측 지지대
140: 하측 지지대 150: 중간 지지대
200: 발전기 202: 하우징
210: 중심축 300: 지주

Claims (8)

1. 허브(110)를 중심으로 복수의 블레이드(120)가 대칭으로 구비되는 회전체(100)와, 상기 회전체(100)의 회전에 따라 전력을 생성하는 발전기(200)와, 상기 발전기(200)를 지면에 지지하는 지주(300)로 구성되는 풍력 발전 장치(1)에 있어서,
   상기 발전기(200)의 중심축(210)은 상기 지주(300)에 고정되고 상기 회전체(100)는 상기 발전기(200)의 하우징(202)에 고정되고;
   상기 허브(110)는 제1 축공(112a)이 상하로 형성되는 상측 허브(112)와 제2 축공(114a)이 상하로 형성되는 하측 허브(114)로 이루어지고 상기 상측 및 하측 허브(112,114) 사이에 상기 발전기(200)가 구비되고, 상기 상측 허브(112)의 하부에 형성된 하측 플랜지(112c)는 발전기(200)의 하우징(202) 상부면에 밀착되어 체결수단(202a)에 의해 일체로 고정되고, 상기 하측 허브(114)의 상부에 형성된 상측 플랜지(114b)는 발전기(200)의 하우징(202) 하부면에 밀착되어 체결수단(202b)에 의해 일체로 고정되고, 상기 발전기(200)는 중심축(210)이 하단으로 돌출되어 상기 지주(300)의 상단에 결합되며;
   상기 발전기(200)의 하우징(202) 상부 중앙에 상측 허브(112)의 제1 축공(112a)에 끼워지는 상측 끼움돌부(204)가 구비되고, 상기 하우징(202)의 하부 중앙에는 하측 허브(114)의 제2 축공(114a)에 끼워지는 하측 끼움돌부(205)가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 지주(300)의 상부는 상기 하측 허브(114)의 제2 축공(114a)에 삽입되어 상기 하측 허브(114)가 지주(300)를 감싸며,
   상기 하측 허브(114)의 제2 축공(114a) 내주면에는 중심부를 향해 돌출되도록 복수의 볼롤러(116)가 일정간격을 유지하며 배치되어 상기 볼롤러(116)의 볼(116a)이 상기 지주(300)의 외주면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 블레이드(120)는 판형상으로 이루어져 바람을 안내하는 날개부(121)와, 상기 날개부(121)의 일단에는 상기 날개부(121)의 전면 방향으로 절곡 형성되어 상기 날개부(121)의 전면으로 안내된 바람이 모이는 전방 바람막이부(122)가 형성되고,
   상기 날개부(121)의 표면에는 공기 유입공(123)이 관통 형성되고, 상기 날개부(121)의 전면에는 상기 공기 유입공(123)을 통해 날개부(121)의 후면에서 유입되는 바람을 상기 전방 바람막이부(122)로 안내하는 안내판부(124)가 구비되며,
   상기 전방 바람막이부(122)의 상단과 하단에는 제1 상부 및 하부 마감판부(125,126)가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 블레이드(120)는 날개부(121)의 타단에 상기 날개부(121)의 후면 방향으로 절곡 형성되어 상기 날개부(121)의 후면으로 안내된 바람이 모이는 후방 바람막이부(128)가 더 형성되되고, 상기 후방 바람막이부(128)의 상단과 하단에는 제2 상부 및 하부 마감판부(129a,129b)가 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 풍력 발전 장치(1)는 타워형 프레임(2)에 복수가 상하로 연속적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
   
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