KR102180515B1

KR102180515B1 - 하이브리드 수차형 풍력발전장치

Info

Publication number: KR102180515B1
Application number: KR1020200091734A
Authority: KR
Inventors: 윤성현; 김육봉
Original assignee: 올컴에너지 주식회사; 김육봉; 윤성현
Priority date: 2020-07-23
Filing date: 2020-07-23
Publication date: 2020-11-25

Abstract

본 발명은 복수개의 버킷이 설치된 수차에 풍력이 전달되어 풍력발전이 이루어지도록 함과 아울러 펌프에 의해 양수시킨 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시키는 수단으로 수력발전이 이루어지도록 한 구성으로 저풍속시에도 안정된 회전동력으로 발전 효율을 높일 수 있도록 한 하이브리드 수차형 풍력발전장치에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 지지대에 회전 가능하게 설치되어 발전기에 회전동력을 전달할 수 있도록 한 회전축을 기준으로 방사상으로 배열된 복수개의 버킷을 각각 구비하는 수차와, 상기 수차의 일측부에 설치되어 불어오는 바람을 집속시킨 다음 상향 회전되는 위치에 있는 버킷에 풍력이 전달되도록 하는 바람유도부재와, 상기 수차의 상측부에 설치되어 버킷을 통과한 바람이 배출되도록 하는 바람배출부재와, 상기 수차의 하부에 설치되어 낙하되는 물이 집수되도록 하는 저수탱크와, 상기 저수탱크에 설치되어 수차의 상부로 물을 양수시켜 급수관을 통해 버킷으로 물이 낙하되도록 하는 양수펌프와, 상기 수차의 버킷이 하향 회전되는 위치에 있는 수차의 외주면과 근접된 간극으로 설치되어 물이 수차의 외측으로 벗어나지 않도록 차단하는 커버부재와, 상기 복수개의 버킷이 서로 연통되게 설치되어 버킷에 담겨지는 물이 일정 수위에 도달하게 되면 오버플로우되어 그 하단부에 위치한 버킷에 물이 담겨지도록 하는 오버플로우관으로 이루어진 하이브리드 수차형 풍력발전장치를 특징으로 한다.

Description

하이브리드 수차형 풍력발전장치 {High Capacity Hybrid Power Generation Device}

본 발명은 하이브리드 수차형 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 복수개의 버킷이 설치된 수차에 풍력이 전달되어 풍력발전이 이루어지도록 함과 아울러 펌프에 의해 양수시킨 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시키는 수단으로 수력발전이 이루어지도록 한 구성으로 저풍속시에도 안정된 회전동력으로 발전 효율을 높일 수 있도록 한 하이브리드 수차형 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전장치는 바람의 힘으로 기계적 에너지를 만들어내고 이를 다시 전기적 에너지로 변환함으로써 전력을 발전하는 장치이다. 바람에 의한 풍력에너지는 무한하면서도 청정하기 때문에 대체 에너지로서 가치를 인정받고 있다.

이와 같이 새로운 대체 에너지 발전장치로서 풍력발전장치는 충분한 가능성을 갖고 있으나, 풍속은 순간적으로 바뀌는 가변성이 많을 뿐만 아니라 풍속이 약한 경우(예컨대, 2~6m/sec 정도)에는 블레이드를 움직이기 어려워 기존 풍력장치로는 발전의 효율성이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 특허 제10-1206701호에는 저풍속에도 발전할 수 있는 풍력발전기가 제시되어 있다. 이러한 풍력발전기는 중심 샤프트를 기준으로 오버랩 영역을 성하여 같은 회전방향으로 배치고정되는 항력블레이드에 양력을 발생시키는 에어포일형 윈드캡쳐를 구비하여 바람의 항력과 양력을 동시에 이용할 수 있도록 함으로써 풍력발전의 출력계수를 가속화하여 작은 바람에도 풍력발전을 할 수 있도록 한 바 있다.

그러나 저풍속에서도 발전이 이루어지도록 하는 상기와 같은 선행기술을 포함하는 종래의 풍력발전장치는 주로 블레이드의 형태 및 배치 등에 의해 바람을 최대한 집속시켜 블레이드의 회전동력을 증대시킬 수 있도록 한 것 이기 때문에 순간적으로 풍속이 2/sec 이하로 가변되는 경우에는 블레이드의 회전이 급속히 저하되어 발전효율성이 저하되었을 뿐만 아니라 태풍과 같은 강한 바람에는 블레이드가 과도하게 회전하여 블레이드 및 회전동력 전달축 등의 손상이나 고장이 발생하게 되었다.

이를 감안하여 본 발명자에 의해 개시된 특허 제10-1810871호의 풍력발전장치에서는 수평으로 설치되는 회전축부와, 상기 회전축부의 둘레에 설치되어 상하방향으로 회전되는 회전자와, 상기 회전자의 외주면에 등간격으로 복수개의 블레이드가 설치된 구성으로 이루어지되 상기 회전자의 내부에 분할 구획되어 있는 복수개의 무게편심 작용실과, 상기 무게편심 작용실에 내입되어 무게편심 작용실의 내측단과 외측단으로 유동될 수 있도록 되어 있는 중량수와, 상기 복수개의 무게편심 작용실은 회전자의 하향회전 방향으로는 무게편심 작용실의 외측단으로 중량수가 집수되고, 반대편 상향회전 방향으로는 무게편심 작용실의 내측단으로 중량수가 집수되게 한 구성으로 회전자의 무게중심 이동에 의한 중량 편차에 의해 회전동력을 발생시킬 수있도록 하였다

또, 본 발명자의 특허 제10-1891469호에서는 풍력발전장치의 수차에 복수개의 무게편심 작동자 및 블레이드가 각각 설치된 구성으로 이루어지되 상기 무게편심 작동자의 내측에 형성되는 중공관로에 중량수가 내입되고 무게편심 작동자의 내측단 또는 외측으로 중량수가 유동되어 무게편심 작동자에 의해 수차의 무게편심 작용이 이루어지도록 한 구성과, 상기 중공관로는 이중으로 분할된 이동통로부가 형성되고 무게편심 작동자의 내측단 및 외측단에 위치한 중공관로에 선회공간부가 형성된 구성에 의해 풍속이 약한 경우에도 강한 회전 모멘트 작용으로 회전동력을 발생시킬 수 있도록 하였다.

또, 본 발명자에 의해 특허 제10-2129225호로 개시된 대용량 하이브리드 발전장치는 중량물로 구비된 수차에 설치된 블레이드에 의해 풍력발전이 이루어지도록 함과 아울러 상기 수차에 중량수가 내입된 무게편심 작동자가 구비되어 중량수가 이동하면서 발생되는 중량편차에 의한 수차의 무게편심으로 회전동력을 발생시킬 수 있도록 하되 수차가 최적의 무게편심작용을 하는 회전위치에서 펌프에 의한 펌핑작용으로 무게편심 작동자내의 중량수를 펌핑 이송시킬 수 있도록 한 구성으로 부하발생을 최소화하면서 풍속이 약한 경우에도 강한 회전 모멘트 작용으로 회전동력을 발생시켜 발전 효율을 높일 수 있도록 하였다.

본 발명은 상기와 같이 저풍속에서도 발전이 이루어지도록 하는 풍력발전이 이루어지도록 하되 복수개의 버킷이 설치된 수차를 이용하여 풍력발전이 이루어지도록 함과 아울러 펌프에 의해 양수시킨 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시키는 수단으로 수력발전이 이루어지도록 한 수단으로 항상 안정된 회전동력으로 발전효율을 높일 수 있도록 한 또 다른 형태의 하이브리드 발전장치를 제공함에 있다.

KR 제10-0828234호 KR 제10-1206701호 KR 제10-1239077호 KR 제10-1810871호 KR 제10-1891469호 KR 제10-2129225호

본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치는, 복수개의 버킷이 설치된 수차의 일측부에 바람유도부재를 설치하여 바람유도부재에 의해 바람을 집속시켜 버킷에 풍력이 전달되어 수차를 회전시키는 수단으로 풍력발전이 이루어지도록 함과 아울러 수차의 하부에 저수탱크를 구비한 다음 저수탱크에 양수펌프를 설치하여 수차의 상부로 양수시키는 물이 버킷에 낙하되는 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시키는 수단으로 수력발전이 이루어지도록 한 발전장치에 의해 저풍속시에도 안정된 회전동력으로 발전 효율을 높일 수 있도록 함에 있다.

또, 본 발명은 바람유도부재에 유입되는 풍속에 따라 양수펌프가 중단 또는 가동되게 하되 저풍속시에는 풍력뿐만 아니라 양수펌프의 펌핑 작용에 의해 수력발전이 함께 이루어지는 경우에도 수차의 회전동력에 따라 양수펌프의 펌핑 회전수를 조절하여 양수펌프에 의해 양수되는 물의 양을 조절하도록 한 수단으로 양수펌프의 공급전원을 절감할 수 있도록 되어 있다.

또, 본 발명은 수차에 설치된 복수개의 버킷은 오버플로우관으로 서로 연결되어 양수펌프를 통해 양수되어 버킷에 담겨지는 물이 일정 수위에 도달하게 되면 그 하단부에 위치한 버킷에 순차적으로 담겨지면서 버킷에 담겨지는 물의 하중이 증대되게 한 수단으로 양수펌프의 초기 가동에 의한 수차 회전시에 강한 토크를 발생시킬 수 있도록 되어 있다.

본 발명은 지지대에 회전 가능하게 설치되어 발전기에 회전동력을 전달할 수 있도록 한 회전축을 기준으로 방사상으로 배열된 복수개의 버킷을 각각 구비하는 수차와, 상기 수차의 일측부에 설치되어 불어오는 바람을 집속시킨 다음 상향 회전되는 위치에 있는 버킷에 풍력이 전달되도록 하는 바람유도부재와, 상기 수차의 상측부에 설치되어 버킷을 통과한 바람이 배출되도록 하는 바람배출부재와, 상기 수차의 하부에 설치되어 낙하되는 물이 집수되도록 하는 저수탱크와, 상기 저수탱크에 설치되어 수차의 상부로 물을 양수시켜 급수관을 통해 버킷으로 물이 낙하되도록 하는 양수펌프와, 상기 수차의 버킷이 하향 회전되는 위치에 있는 수차의 외주면과 근접된 간극으로 설치되어 물이 수차의 외측으로 벗어나지 않도록 차단하는 커버부재와, 상기 복수개의 버킷이 서로 연통되게 설치되어 버킷에 담겨지는 물이 일정 수위에 도달하게 되면 오버플로우되어 그 하단부에 위치한 버킷에 물이 담겨지도록 하는 오버플로우관으로 이루어진 하이브리드 수차형 풍력발전장치를 특징으로 한다.

상기 수차는 회전반경 내측에 원호상으로 내부차단판이 설치되고 내부차단판의 외측에 방사상으로 버킷이 일정간격을 두고 설치된 구성으로 이루어지되 상기 버킷은 수차가 회전 진행되는 3시방향에서 "U"형으로 구비되고, 수차가 회전 진행되는 9시방향에서는 역"U"형으로 구비되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 바람유도부재는 통형의 바람통로가 구비되어 수차의 일측부에 위치하는 지지대에 수평으로 설치되되 바람통로의 입구는 넓고 점차적으로 바닥면은 점차적으로 상향되는 경사면으로 형성되면서 출구는 폭이 좁아지며, 수차가 상향 회전되는 위치에 있는 버킷에 바람이 측상방으로 불어주도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 바람배출부재는 통형의 배출통로가 구비되어 수차의 상측부에 위치하는 지지대에 수직으로 설치되어 상향 또는 측방향의 출구를 통해 배출되게 하고, 바람배출부재의 입구와 바람유도부재의 출구 사이에 위치하는 수차의 외주면에는 바람안내판이 근접되게 지지대에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 양수펌프는 저수탱크에 저수되어 있는 물을 펌핑 작용으로 급수관을 통해 수차 상부로 양수시키되 급수관의 출구는 수차의 회전진행 방향에 위치하는 12시에서 2시 사이에 위치하는 버킷으로 물이 담겨지도록 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 양수펌프는 인버터에 의해 펌핑 회전수가 조절되되 수차의 회전동력에 따라 양수펌프의 펌핑 회전수가 조절되어 급수관으로 양수되는 물의 양을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치는 수차의 버킷을 이용하여 풍력발전을 할 수 있게 됨과 아울러 저풍속시에는 수력발전을 동시에 수행할 수 있도록 한 구성으로 안정된 회전동력으로 발전 효율을 크게 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치의 구성을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치를 이용하여 풍력발전이 이루어지는 것을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치를 이용하여 풍력발전이 이루어지는 것을 나타낸 일부 확대 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치를 이용하여 수력발전이 이루어지는 것을 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치에서 수차의 정지 또는 저속회전시에 급수관에 의해 최상층 버킷에 담겨지는 물이 오버플로우관에 의해 오버플로워되어 그 하단부 버킷에 순차적으로 담겨지는 상태를 확대 단면도.
도 6은 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치에서 복수개의 버킷이 오버플로우관으로 서로 연통되게 한 구성을 나타낸 확대 단면도.
도 7은 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치에서 수차를 다단으로 설치한 실시예를 나타낸 사시도
도 8은 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치에서 수차를 다단으로 설치한 실시예를 나타낸 단면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 하이브리드 수차형 풍력발전장치는, 복수개의 버킷(20)이 설치된 수차(10)의 일측에 바람유도부재(30)를 설치하여 바람유도부재(30)에 의해 바람을 집속시켜 버킷(20)에 풍력이 전달되도록 한 구성으로 풍력발전이 이루어지고, 상기 수차(10)의 하부에 저수탱크(50)를 구비한 다음 저수탱크(50)에 설치한 양수펌프(60)를 통해 수차(10)의 상부로 양수되는 물이 버킷(20)에 낙하되도록 한 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시키는 수단으로 수력발전이 이루어지도록 한 발전장치로서, 상기 수차(10)의 버킷(20)은 풍력발전시의 블레이드 기능도 겸용하고, 상기 수차(10)의 일측에 설치되는 바람유도부재(30)에 유입되는 풍속에 따라 양수펌프(60)의 가동이 중단되거나 가동시에도 회전속도가 가감되어 양수되는 물의 양을 조절하도록 하여 저풍속시에도 안정된 회전동력으로 발전 효율을 높일 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 지지대(12)에 회전 가능하게 설치되어 발전기(미도시)에 회전동력을 전달할 수 있도록 한 회전축(14)을 기준으로 방사상으로 배열된 복수개의 버킷(20)을 각각 구비하는 수차(10)와, 상기 수차(10)의 일측부에 설치되어 불어오는 바람을 집속시킨 다음 상향 회전되는 위치에 있는 버킷(20)에 풍력이 전달되도록 하는 바람유도부재(30)와, 상기 수차(10)의 상측부에 설치되어 버킷(20)을 통과한 바람이 배출되도록 하는 바람배출부재(40)와, 상기 수차(10)의 하부에 설치되어 낙하되는 물이 집수되도록 하는 저수탱크(50)와, 상기 저수탱크(50)에 설치되어 수차(10)의 상부로 물을 양수시켜 급수관(62)을 통해 버킷(20)으로 물이 낙하되도록 하는 양수펌프(60)와, 상기 수차(10)의 버킷(20)이 하향 회전되는 위치에 있는 수차(10)의 외주면과 근접된 간극으로 설치되어 물이 수차(10)의 외측으로 벗어나지 않도록 차단하는 커버부재(70)와, 상기 복수개의 버킷(20)이 서로 연통되게 설치되어 버킷(20)에 담겨지는 물이 일정 수위에 도달하게 되면 오버플로우되어 그 하단부에 위치한 버킷(20)에 물이 담겨지도록 하는 오버플로우관(80)으로 이루어져 있다.

상기 수차(10)는 지지대(12)에 수평으로 설치된 회전축(14)을 따라 회전하여 발생되는 회전동력을 발전기에 인가하여 발전이 이루어지도록 하되 수차(10)의 회전반경 내측에 원호상으로 내부차단판(16)이 설치되고 내부차단판(16)의 외측에 방사상으로 버킷(20)이 일정간격을 두고 설치된 구성으로 이루어지되 상기 버킷(20)은 회전 진행되는 3시방향에서 "U"형으로 구비되도록 한 구성으로 12시에서 2시방향 사이에 설치되는 급수관(62)의 출구를 통해 낙하되는 물이 버킷(20)으로 담겨지도록 하며, 수차(10)가 회전 진행되는 9시방향에서는 역"U"형으로 구비되도록 한 구성으로 10시에서 12시방향 사이에서 바람유도부재(30)의 출구를 통해 유입되는 바람으로 버킷(20)에 풍력이 전달될 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 바람유도부재(30)는 통형의 바람통로(32)가 구비되어 수차(10)의 일측부에 위치하는 지지대(12)에 수평으로 설치되되 바람통로(32)의 입구는 넓고 점차적으로 바닥면은 점차적으로 상향되는 경사면(34)으로 형성되면서 출구는 폭이 좁아지는 구성으로 바람을 집속시킨 다음 상향 회전되는 위치에 있는 버킷(20)에 바람이 측상방으로 불어주도록 하는 수단으로 풍력발전기의 블레이드와 같은 기능을 하도록 한 수차(10)의 버킷(20)을 이용하여 풍력발전이 이루어지도록 되어 있다.

상기 바람배출부재(40)는 통형의 배출통로(42)가 구비되어 수차(10)의 상측부에 위치하는 지지대(12)에 수직으로 설치되어 상향 또는 측방향의 출구를 통해 배출되게 하고, 바람배출부재(40)의 입구와 바람유도부재(30)의 출구 사이에 위치하는 수차(10)의 외주면에는 바람안내판(44)이 근접되게 지지대(12)에 설치되어 바람안내판(44)에 의해 바람유도부재(30)에 의해 유입되는 바람이 소실되지 않고 버킷(20)에 전달된 다음 바람배출부재(40)를 통해 배출이 이루어지도록함이 바람직하다.

상기 저수탱크(50)는 수차(10)의 하부에 설치되어 수차(10)를 회전시킨 다음 낙하되는 물이 집수되도록 한 다음 저수탱크(50)의 물을 수차(10)의 상측부로 양수시켜 수차(10)의 버킷(20)에 낙하되는 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시킬 수 있도록 함에 있다.

상기 양수펌프(60)는 저수탱크(50)에 저수되어 있는 물을 급수관(62)을 통해 수차(10) 상부로 양수시키는 급수관(62)의 출구는 수차(10)의 회전진행 방향에 위치하는 12시에서 2시방향 사이에 설치되는 급수관(62)의 출구를 통해 낙하되는 물이 버킷(20)으로 담겨지도록 되어 있다.

또, 양수펌프(60)는 인버터에 의해 펌핑 회전수가 조절되는 것으로, 이는 바람유도부재(30)에 유입되는 바람에 의해 버킷(20)에 전달되는 풍력으로 수차(10)가 충분한 회전동력을 발생시키는 경우에는 수차(10)의 회전동력을 감지하는 감지센서(미도시)에 의해 양수펌프(60)은 작동은 중단되게 하고, 수차(10)를 회전시키기 위한 풍속이 약하여 수차(10)의 회전동력이 설정된 범위 이하인 경우에는 수차(10)의 회전동력을 감지하는 감지센서에 의해 양수펌프(60)의 가동이 이루어지되 양수펌프(60)의 가동시에도 풍속에 따라 양수펌프(60)의 펌핑 회전수가 조절되어 급수관(62)으로 양수되는 물의 양을 조절할 수 있도록 하는 수단으로 양수펌프(60)를 작동시키는 공급전원을 절감할 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 커버부재(70)는 급수관(62)의 출구를 통해 물이 낙하되어 버킷(20)에 담겨지면서 수차(10)의 회전진행방향을 따라 하향 회전되는 시작지점에서 수차(10)의 버킷(20)에 담겨진 물이 직하방의 저수탱크(50)로 낙하될 수 있는 지점에 이르는 부분의 수차(10)의 외주면과 근접되게 지지대(12)에 설치되어 버킷(20)이 담겨지는 물이 수차(10)의 회전과정에서 회전반경 외측으로 벗어나지 않고 버킷(20)에 물이 담겨진 상태로 저수탱크(50)로 낙하될 수 있도록 함에 있다.

상기 오버플로우관(80)은 복수개의 버킷(20)이 서로 연통되게 설치되되 오버플로우관(80)의 상단은 버킷(20)의 상단 내측에 설치되어 버킷(20)에 일정 수위에 도달하게 되는 경우에 오버플로우관(80)을 통해 오버플로워되는 물이 그 하부에 위치한 버킷(20)에 물이 순차적으로 담겨지도록 한 것이다.

이러한 오버플로우관(80)은 수차(10)가 정지되거나 정지상태에 가까운 저속회전 상태에서 수차(10)의 상부에서 급수관(62)을 통해 버킷(20)에 물이 담겨지는 초기(시동시)에 수차(10)의 상측부에 위치하는 버킷(20)에만 낙하되는 물의 중력을 이용하여 수차를 회전시킬 수 있는 토크를 발생시킬 수 없으므로, 최상부의 버킷(20)에 담겨지는 물이 일정 수위에 도달하게 되면 수차(10)가 회전되지 않더라도 그 하부에 위치한 버킷(20)에 물이 오버플로워되는 물이 순차적으로 담겨지는 수단에 의해 하향회전되는 위치에 있는 복수개의 버킷(20)에 물이 담겨지면서 물의 하중이 증대되게 한 수단으로 강한 토크를 발생시켜 수차(10)를 회전시킬 수 있도록 함에 있다.

한편, 본 발명에 의한 수차(10)는 지지대(12)에 다단으로 배치시켜 발전이 이루어지도록 하되 최상단에 위치하는 바람배출부재(40)의 출구는 상향 또는 측방향으로 바람이 배출될 수 있는 구성될 수 있으나, 최상단 수차(10)의 하부에 위치하는 수차(10)에 설치되는 바람배출부재(40)의 출구는 측방향으로 바람이 배출되도록 한 구성하여 상부 수차(10)에 영향을 받지 않도록 함이 바람직하다.

이와 같이 된 본 발명의 하이브리드 수차형 풍력발전장치에 의한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치는 수차(10)의 일측에 설치된 바람유도부재(30)를 통해 불어오는 바람을 집속시킨 다음 상향 회전되는 위치에 있는 버킷(20)에 풍력이 전달되도록 하는 수단으로 풍력발전이 이루어지게 되고, 풍속이 적은 경우에는 저수탱크(50)의 물을 양수펌프(60)에 의해 수차(10)의 상부로 양수시킨 다음 양수된 물을 급수관(62)을 통해 버킷(20)에 낙하시키는 물의 중력을 이용한 수력발전이 이루어지게 된다.

상기 수차(10)를 이용한 풍력발전시에는 도 2 및 도 3과 같이 수차(10)의 일측에 설치된 바람유도부재(30)는 불어오는 바람을 집속시켜 수차(10)가 회전되는 10시에서 12시 방향 사이에 위치하는 버킷(20)에 풍력을 전달시킨 다음 약 12시 방향의 상측에 위치하는 바람배출부재(40)를 통해 배촐되는 과정으로 수차(10)에 회전동력을 발생시키게 된다.

즉, 본 발명은 수차(10)의 상측에서 급수관(62)의 출구를 통해 낙하되는 담겨지는 수차(10)의 회전진행 방향 12시에서 2시 사이에 위치하는 버킷(20)에 물이 담겨진 다음 회전하여 약 6시 사이에 위치에 있는 버킷(20)에서는 저수탱크(50)로 물이 낙하되어 버킷(20)에는 물이 비워진 상태에서 회전하여 수차(10)의 회전진행 방향 10시에서 12시 사이에 위치하는 버킷(20)에는 바람이 전달되어 풍력을 발생시키게 되는 것으로, 이는 물이 담겨지는 버킷(20)의 영향을 받지 않고 수차(10)의 회전진행 방향 10시에서 12시 사이에 위치하는 버킷(20)은 풍력발전장치의 블레이드 기능을 수행하게 된다.

그리고, 상기 수차(10)를 이용한 수력발전시에는 바람유도부재(30)에 유입되는 바람이 저풍속인 경우에 풍력과 함께 수력발정을 함께 하도록 한 것으로, 수차(10)의 하부에 설치되는 저수탱크(50)의 물을 양수펌프(60)를 통해 수차(10)의 상측에 위치한 급수관(62)으로 양수시켜 급수관(62)을 출구를 통해 수차(10)의 회전진행 방향 12시에서 2시 사이에 위치하는 버킷(20)에 물을 낙하시켜 수차(10)를 회전시키게 된다.

상기 수차(10)를 이용한 수력발전을 하게 될 때 수차(10)가 정지되거나 정지상태에 가까운 저속회전 상태에서 수차(10)의 상부에서 급수관(62)을 통해 낙하되는 물이 12시에서 2시 사이에 위치하는 최상층 버킷(20)에만 물이 담겨지는 초기에는 수차(10)를 회전시키는 회전동력을 충분히 발휘하지 못하게 되는바, 본 발명에서는 수차(10)가 정지 또는 정지상태에 가까운 저속회전 상태인 경우에는 수차(10)의 상측에 위치한 급수관(62)을 통해 최상층의 버킷(20)에 물이 담겨지는 초기에 오버플로우관(80)을 통해 수차(10)의 회전진행 방향 12시에서 6시에 위치한 다단의 버킷(20)에 순차적으로 물이 담겨지면서 물의 하중이 증대되도록 하는 수단으로 수차(10)를 회전시키는 강한 토크를 발생시킬 수 있게 된다.

즉, 본 발명은 도 5 및 도 6과 같이 수차(10)가 정지 또는 정지상태에 가까운 저속회전 상태인 경우에는 수차(10)의 상측에 위치한 급수관(62)을 통해 최상층의 버킷(20)에 담겨지게 되는 물은 일정 수위에 도달하게 되면 오버플로우관(80)을 통해 회전진행에 위치한 그 하부에 위치한 2단계의 버킷(20)에 담겨지게 됨과 아울러 2단계에 위치한 버킷(20)에서도 일정 수위의 도달시에 3단계의 버킷(20)에 담겨지는 과정으로 다단계의 버킷(20)에 순차적으로 물이 담겨지면서 점차적으로 수차(10)를 회전시키기 위한 물의 하중이 점차적으로 증대되는 것으로, 이는 수차(10)가 일정 속도 이상으로 회전하는 회전동력이 발생되는 경우에는 오버플로우관(80)을 이용한 오버플로워 기능은 상실하고 대신에 버킷(20)에 낙하되는 물에 의해서 수차(10)를 회전시키게 된다.

한편, 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치는 바람유도부재(30)의해 수차(10)의 버킷(20)에 풍력이 전달되도록 하는 수단으로 풍력발전이 이루어지도록 함과 아울러 저풍속시에는 양수펌프(60)의 펌핑 작용으로 저수탱크(50)의 물을 수차(10)의 상부로 양수시켜 급수관(62)을 통해 버킷(20)에 물이 담겨지도록 하는 수단으로 수력발전도 함께 이루어지도록 한다.

이때, 저풍속시에는 풍력뿐만 아니라 양수펌프(60)의 펌핑 작용에 의해 수력발전이 함께 이루어지는 경우에도 수차(10)의 회전동력에 따라 양수펌프(60)의 펌핑 회전수를 조절하여 양수펌프(60)에 의해 급수관(62)으로 공급되는 물의 양을 조절하여 수력발전량을 조절하도록 함으로써 양수펌프(60)를 가동하는 공급전원을 절감할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 하이브리드 수차형 풍력발전장치는 수차(10)의 버킷(20)을 이용하여 풍력발전 및 수력발전을 동시에 수행할 수 있도록 한 구성으로 저풍속시에도 안정된 회전동력으로 발전 효율을 높일 수 있게 된다.

이상에서 본 발명은 상기 실시예를 참고하여 설명하였지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다.

10 : 수차 12 : 지지대
14 : 회전축 16 : 내부차단판
20 : 버킷 30 : 바람유도부재
32 : 바람통로 34 : 경사면
40 : 바람배출부재 42 : 배출통로
44: 바람안내판 50 : 저수탱크
60 : 양수펌프 62 : 급수관
70 : 커버부재 80 : 오버플로우관

Claims

지지대(12)에 회전 가능하게 설치되어 발전기에 회전동력을 전달할 수 있도록 한 회전축(14)을 기준으로 방사상으로 배열된 복수개의 버킷(20)을 각각 구비하는 수차(10)와,
상기 수차(10)의 일측부에 설치되어 불어오는 바람을 집속시킨 다음 상향 회전되는 위치에 있는 버킷(20)에 풍력이 전달되도록 하는 바람유도부재(30)와,
상기 수차(10)의 상측부에 설치되어 버킷(20)을 통과한 바람이 배출되도록 하는 바람배출부재(40)와,
상기 수차(10)의 하부에 설치되어 낙하되는 물이 집수되도록 하는 저수탱크(50)와,
상기 저수탱크(50)에 설치되어 수차(10)의 상부로 물을 양수시켜 급수관(62)을 통해 버킷(20)으로 물이 낙하되도록 하는 양수펌프(60)와,
상기 수차(10)의 버킷(20)이 하향 회전되는 위치에 있는 수차(10)의 외주면과 근접된 간극으로 설치되어 물이 수차(10)의 외측으로 벗어나지 않도록 차단하는 커버부재(70)와,
상기 복수개의 버킷(20)이 서로 연통되게 설치되어 버킷(20)에 담겨지는 물이 일정 수위에 도달하게 되면 오버플로우되어 그 하단부에 위치한 버킷(20)에 물이 담겨지도록 하는 오버플로우관(80)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 수차형 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 수차(10)는 회전반경 내측에 원호상으로 내부차단판(16)이 설치되고 내부차단판(16)의 외측에 방사상으로 버킷(20)이 일정간격을 두고 설치된 구성으로 이루어지되 상기 버킷(20)은 수차(10)가 회전 진행되는 3시방향에서 "U"형으로 구비되고, 수차(10)가 회전 진행되는 9시방향에서는 역"U"형으로 구비되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 수차형 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 바람유도부재(30)는 통형의 바람통로(32)가 구비되어 수차(10)의 일측부에 위치하는 지지대(12)에 수평으로 설치되되 바람통로(32)의 입구는 넓고 점차적으로 바닥면은 점차적으로 상향되는 경사면(34)으로 형성되면서 출구는 폭이 좁아지며, 수차(10)가 상향 회전되는 위치에 있는 버킷(20)에 바람이 측상방으로 불어주도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 수차형 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 바람배출부재(40)는 통형의 배출통로(42)가 구비되어 수차(10)의 상측부에 위치하는 지지대(12)에 수직으로 설치되어 상향 또는 측방향의 출구를 통해 배출되게 하고, 바람배출부재(40)의 입구와 바람유도부재(30)의 출구 사이에 위치하는 수차(10)의 외주면에는 바람안내판(44)이 근접되게 지지대(12)에 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수차형 풍력발전장치.
제 1항에 있어서,
상기 양수펌프(60)는 저수탱크(50)에 저수되어 있는 물을 펌핑 작용으로 급수관(62)을 통해 수차(10) 상부로 양수시키되 급수관(62)의 출구는 수차(10)의 회전진행 방향에 위치하는 12시에서 2시 사이에 위치하는 버킷(20)으로 물이 담겨지도록 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 수차형 풍력발전장치.
제 5항에 있어서,
상기 양수펌프(60)는 인버터에 의해 펌핑 회전수가 조절되되 수차(10)의 회전동력에 따라 양수펌프(60)의 펌핑 회전수가 조절되어 급수관(62)으로 양수되는 물의 양을 조절할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 수차형 풍력발전장치.