KR102372242B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직으로 입설된 긴 지주 상부의 하우징에 임펠러를 수용하고, 임펠러는 지주 내부에서 상하로 길게 연장된 샤프트에 연결되며, 하우징의 상면에는 바람의 방향에 따라 내부에 설치된 방향지시 샤프트를 중심축 삼아 회전하는 방향지시 구조물을 설치하고, 방향지시 샤프트의 상단은 베어링에 수용되고, 하단은 하우징의 상부 내부까지 연장되어 방향지시 구조물이 회전하면 이와 결합된 하우징이 회전하여 공기 흡입구가 바람이 불어오는 방향과 대향하도록 하여 유입 공기량을 늘린, 풍력 발전기를 제공한다.

Description

풍력 발전기{Wind power generator}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 풍향에 따라 보다 많은 공기를 유입할 수 있도록 회전되며, 유입된 공기로 임펠러를 고속 회전시켜 효율적으로 전력을 생산할 수 있는 풍력 발전기에 관한 것이다.

녹색 청정 기술로 오랜 동안 풍력 발전기가 이용되어 왔다. 풍력 발전기는 바람의 힘으로 임펠러의 블레이드를 회전시켜 이 회전력으로 전기를 생산하는 발전기이다. 풍력 발전기는 회전축을 기준으로 수직축과 수평축의 유형이 있으며, 출력 제어는 블레이드의 경사각 조절로 출력을 능동적으로 제어하거나 공기 유입 경로를 변경시키는 공기 역학적 방식에 의하고 있다. 풍력 발전기의 발전 효율은 블레이드 길이의 제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다.

증속기형 풍력 발전 시스템이 초기 개발 단계부터 현재까지 많이 개발되었는데, 유도형 발전기에 구비된 회전자의 증속을 위하여 기어장치가 장착된 것이 대부분이다. 기어가 없는 유형도 개발되고 있으나 고가이고 크기가 큰 단점이 있다. 풍력 발전기의 설치 장소는 바람이 강한 장소라면 지상은 물론 해안도 가능하다. 풍력 발전기의 상용화가 성공하기 위해서는 전력 효율을 증가시켜 경제성을 높이고 상용 전원과의 전력 수급 네트워크가 정밀하게 구축되고 유지 보수가 편리해야 하는 문제를 꾸준히 점검하고 해결해야 한다.

풍력 발전기에 관한 선행 특허 문헌을 살펴보면, 특허 제10-2130094호는 타워의 내부에 발전기가 설치된 나셀과, 나셀에 회전 가능하게 설치된 제1 허브와 제1 허브에 결합된 제1 블레이드와 제2 블레이드를 포함하는 제1 로터 및 제2 블레이드에 회전 가능하게 결합된 제2 로터를 포함하는 풍력 발전기를 개시하고 있다.

특허 제10-2129096호는 복수의 블레이드와 결합되는 허브-회전축에 기어 박스를 연결하고, 기어 박스에 내부 온도, 최대 진동 크기 및 최대 음향 크기를 측정하는 센서 각각을 설치하고 2개 이상의 센서에서 이상이 감지되면 내부를 자동으로 촬상하는 풍력 발전기를 개시하고 있다.

특허 제10-2102774호는 지상에서 일정 높이로 설치되는 메인컬럼을 둘러싸는 형태로 복층으로 개별 풍력발전기를 구성하고, 각각의 풍력발전기가 날개와, 날개의 중심부에 설치되어 회전하는 샤프트와, 샤프트의 상부와 하부에 설치되는 베어링과, 샤프트의 하부에 설치되어 회전하는 발전기로 이루어지며, 하나의 샤프트 회전에 의해 2개의 발전기를 구동시키는 타워형 풍력발전기를 개시하고 있다.

특허 공개 제10-2020-0030307호는 내부에 바람이 이동하는 체적 공간이 형성된 하우징에 있어서, 유도판으로 내부를 상부 영역과 하부 영역으로 구분하고 각각의 영역에 구조가 다른 블레이드를 설치하고 회전축을 각각의 영역에 설치한 풍력 발전기를 개시하고 있다.

본 출원의 발명자는 이들 선행 기술을 고려하고 선행 기술의 단점을 개선하기 위하여, 임펠러를 수용하는 본체가 풍향에 따라 회전 가능한, 컴팩트하고 발전 효율이 우수하며 견고하고 내구성이 우수한 풍력 발전기를 고안하게 되었다.

따라서, 본 발명은 유입 공기량을 증가시키고 유입 공기를 균등하게 배분하여 가속함으로써 전력 발전 효율을 상승시킬 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 견고하며 회전이 원활하고 강한 바람에도 불구하고 흔들리지 않으며 유지 보수가 편리한 풍력 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 풍력 발전기로서, 상기 풍력 발전기는, 수직으로 입설된 긴 지주 상부의 하우징에 임펠러를 수용하고, 임펠러는 지주 내부에서 상하로 길게 연장된 샤프트에 연결되며, 하우징의 상면에는 바람의 방향에 따라 내부에 설치된 방향지시 샤프트를 중심축 삼아 회전하는 방향지시 구조물을 설치하고, 방향지시 샤프트의 상단은 베어링에 수용되고, 하단은 하우징의 상부 내부까지 연장되어 방향지시 구조물이 회전하면 이와 결합된 하우징이 회전하여 공기 흡입구가 바람이 불어오는 방향과 대향하도록 하여 유입 공기량을 늘린, 풍력 발전기를 제공한다.

하우징의 전방에는 공기흡입구가 위치하고, 공기 흡입구를 지나 임펠러와 인접한 전방에는, 평면에서 보아 정점을 가지며, 정점을 중심으로 전후로 하향 경사지고, 임펠러와 접하는 경사진 부분은 임펠러의 외주 형상에 맞추어 폭이 일정한 연속된 공기 채널을 제공하도록 곡면 형상으로 형성된 가이드 구조를 설치하여 공기의 유속을 증대시킬 수 있다.

하우징의 후방에는 공기배출구가 위치하고, 가이드 구조와 대각선으로 대면한 위치에서 공기배출구에 이르기까지는 배출가이드 구조를 설치하고, 상기 배출가이드 구조는 유입 공기에 대하여 균일한 흐름을 제공하고 배출 공기의 흐름을 가속하도록, 적어도 임펠러와 대면하는 부분은, 폭이 일정한 연속된 공기 채널을 제공하도록 곡면 형상으로 형성될 수 있다.

공기 흡입구의 내부 또는 공기 흡입구에 인접하는 하우징의 전방에는 수평 방향으로 복수의 칸막이를 설치하여 유입 공기를 균등하게 나누어 임펠러로 공급할 수 있다.

임펠러가 설치된 하우징의 챔버에는 수평 방향으로 연장된 복수의 옆판을 균등 간격으로 설치하고, 임펠러에는 돌기부를 설치하고 돌기부를 옆판의 홈에 끼워 삽입하고 용접하여 임펠러를 고정할 수 있다.

하우징의 전면에는 메쉬 또는 망사 구조의 철망을 설치하여 외부의 이물질 또는 새 또는 곤충의 유입을 방지할 수 있다.

지주와 샤프트의 간극 사이에는 샤프트의 회전을 지지하는 복수의 베어링을 설치하고, 임펠러의 회전을 지지하도록 하우징의 상부와 하부에 추가로 베어링을 더 설치할 수 있다.

본 발명에 따르면, 임펠러를 수용한 하우징이 바람의 방향에 맞추어 자동으로 회전하므로 유입 공기량을 늘릴 수 있고 가이드 구조에 의하여 유입 공기 유속을 증가시킬 수 있으므로 발전 효율을 높일 수 있다는 효과를 발휘한다.

또, 본 발명은 임펠러와 하우징을 견고히 용접 결합하고, 회전이 원활하도록 샤프트등의 회전부재에 베어링을 설치하였으므로 고장이 없으며 내구성이 우수하고 유지 보수가 간편하다는 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명의 풍력 발전기를 전방에서 바라 본 전면도;
도 2는 본 발명의 풍력 발전기의 측단면도;
도 3은 도 2를 AA방향에서 바라 본 단면도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러의 평면도;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 임펠러의 평면도; 그리고
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 임펠러의 평면도이다

본 항목에서 기술하는 실시예는 바람직한 일례를 제시한 것이며, 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 취지는 아님을 유의해야 한다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍력 발전기의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 풍력 발전기(1)를 전방에서 바라 본 전면도이다. 수직으로 입설된 긴 지주(2) 상부의 하우징(50)에는 임펠러(102)가 수용된다. 임펠러(102)는 지주(2) 내부에서 상하로 길게 연장된 샤프트(10)에 연결된다. 하우징(50)의 전면에는 메쉬 또는 망사 구조의 철망(30)이 설치된다. 철망(30)은 외부의 이물질 또는 새나 곤충이 공기와 같이 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다. 바람은 철망(30)을 통과하여 공기 유입구로 흘러 들어간다.

지주(2)와 샤프트(10)의 간극 사이에는 샤프트(10)의 회전을 지지하도록 위에서부터 차례로 3개의 베어링(12)이 설치된다. 또, 임펠러(102)의 회전을 지지하도록 하우징(50)의 상부와 하부에는 다른 베어링(16)이 설치된다.

본 발명의 풍력 발전기(1)는 하우징(50)의 상면에 방향지시 구조물(20)을 별도로 설치하고 있다. 방향지시 구조물(20)은 풍향계와 같이 바람의 방향에 따라 내부에 설치된 방향지시 샤프트(22)를 중심축 삼아 회전한다. 방향지시 샤프트(22)의 상단은 방향지시 구조물(20) 내부의 베어링(14)에 수용되고, 하단은 하우징(50)의 상부 내부까지 연장된다. 하우징(50)의 회전과, 그 내부에 설치된 임펠러(102)의 회전이 간섭하거나 충돌하지 않도록 샤프트(10)와 방향지시 샤프트(22)는 기능적으로 서로 단절되어 독립하는 것이 바람직하다. 방향지시 구조물(20)이 회전하면 이와 결합된 하우징(50)이 회전하여 공기 유입구가 바람이 불어오는 방향과 자동으로 정대향하므로 유입 공기량을 크게 늘릴 수 있다.

풍력 발전기(1)는 당업자에게 알려진 것과 같이, 최소 4m/sec풍속 이상의 공기 유입이 가능한 장소에 설치되는 것이 좋다.

샤트프(10)의 하단에는 기어장치(6)가 설치되고, 기어장치(6)는 발전 유닛(4)과 연결된다. 임펠러(102)의 회전으로 샤프트(10)가 회전하면 기어장치(6)가 회전하고 이 회전력은 발전유닛(4)에 의하여 전기로 변환되어 도시하지 않은 상용 전원 또는 배터리로 공급된다.

도 2는 본 발명의 풍력 발전기(1)의 측단면도이다. 임펠러(102)는 챔버(104) 내부에 길게 장착된다. 하우징(50)의 전방(도 2의 오른쪽)에 공기 흡입구(70)가, 후방에는 공기 배출구(80)가 위치한다. 공기 흡입구(70)의 내부 또는 공기 흡입구(70)에 인접하는 하우징(50)의 전방에는 수평 방향으로 복수의 칸막이(54)가 설치되어 있다. 칸막이(54)는 유입 공기를 균등하게 나누어 임펠러(102)로 공급하는 역할을 한다.

방향지시 구조물(20)은 전방이 가늘고 후방으로 갈수록 두터워지도록 테이퍼진 경사부가 있는 유선형으로 설계되므로, 바람의 방향에 맞추어 효율적으로 적절히 선회할 수 있다.

도 3은 도 2를 AA방향에서 바라 본 단면도이다. 두 도면을 같이 참조하면, 수평 방향으로 연장된 복수의 옆판(52)이 균등 간격으로 설치되어 있다. 임펠러(102)는 강한 바람에도 흔들리지 않으며 견고하게 제 위치를 유지할 수 있다. 도 3의 전면에서 보아 챔버(104)의 절반 정도를 차지하는 왼쪽 부분에는 가이드 구조(A)가 설치된다. 후술하는 것과 같이 가이드 구조(A)는 유입 공기가 통과하는 단면적을 줄여 베르누이의 법칙에 의하여 공기의 유속이 빨라지게 하기 위한 것이다.

이상 설명한 실시예에서, 베어링, 샤프트, 방향지시 구조물, 칸막이 등 풍력발전기(1)를 구성하는 부품의 형상, 위치 및 숫자는 바람직한 일례를 제시한 것이며 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러(102)의 평면도이다. 임펠러(102)는 하우징(50)의 챔버(104)내에 수용된다. 임펠러(102)의 중앙에는 보스(110)가 설치되어 샤프트(10)와 연결된다. 공기 흡입구(70)를 지나 임펠러(102)와 인접한 전방에는 전술한 것과 같이 가이드 구조(A)가 설치된다. 가이드 구조(A)의 정점은 평면에서 보아 공기 통과 면적의 절반 정도를 차지하는 위치에 형성되며, 정점을 중심으로 전후로 하향 경사진다. 임펠러(102)와 접하는 경사부는 임펠러(102)의 외주 형상에 맞추어 폭이 일정한 연속된 공기 채널을 제공하도록 곡면 형상으로 형성되고 따라서 정점은 뾰족한 형상이다. 가이드 구조(A)에 의하여 유입 공기 통과 단면적이 절반으로 축소되므로, 공기 흡입구(70)를 통과한 공기는 유속이 급속히 증가한 상태로 임펠러(102)에 공급된다.

풍력 발전기의 효율은 풍속의 세제곱에 비례하므로 가이드 구조(A)는 풍력 발전기의 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.

본 발명은 가이드 구조(A)와 대각선으로 대면한 위치에서 공기배출구(80)에 이르기까지는 배출가이드 구조(B)를 설치하고 있다. 배출가이드 구조(B)는 가이드 구조(A)와 동일한 형상일 필요는 없으나, 유입되는 공기에 대하여 균일한 흐름을 제공하고 배출 공기의 흐름을 가속하도록, 적어도 임펠러(102)와 대면하는 부분은, 가이드 구조(A)와 마찬가지로 폭이 일정한 연속된 공기 채널을 제공하도록 곡면 형상으로 형성되는 것이 좋다.

본 발명의 임펠러(102)의 형상과 구조는 특히 제한되지 않는다. 도 4에 도시한 것과 같은 원판형의 디스크 로터는 물론, 도 5에 도시한 것과 같이 임펠러(102)의 내부 및 외부 원주부 사이에 일정 방향으로 휘어진 블레이드를 복수 설치한 것 또는 도 6에 도시한 것과 같이 외면으로부터 바깥으로 일정 방향으로 휘어진 노출 블레이드를 복수 설치한 것 등을 사용할 수 있다. 이 경우에도 본 발명의 이상 설명한 작용 효과를 기대할 수 있음은 물론이다.

이상은 임펠러를 하나 설치하는 경우를 설명하였으나 임펠러를 복수 개 적층하고 공통의 샤프트를 이용하도록 변경하는 것도 가능하다. 또 당업자라면 수직 구조뿐만 아니라 동일한 원리의 수평 구조 발전기도 구축할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.

Claims (7)

1. 풍력 발전기로서, 상기 풍력 발전기는, 수직으로 입설된 긴 지주 상부의 하우징에 임펠러를 수용하고, 임펠러는 지주 내부에서 상하로 길게 연장된 샤프트에 연결되며, 하우징의 상면에는 바람의 방향에 따라 내부에 설치된 방향지시 샤프트를 중심축 삼아 회전하는 방향지시 구조물을 설치하고, 방향지시 샤프트의 상단은 베어링에 수용되고, 하단은 하우징의 상부 내부까지 연장되어 방향지시 구조물이 회전하면 이와 결합된 하우징이 회전하여 공기 흡입구가 바람이 불어오는 방향과 대향하도록 하여 유입 공기량을 늘리고,
   하우징의 전방에는 공기흡입구가 위치하고, 공기 흡입구를 지나 임펠러와 인접한 전방에는, 평면에서 보아 정점을 가지며, 정점을 중심으로 전후로 하향 경사지고, 임펠러와 접하는 경사진 부분은 임펠러의 외주 형상에 맞추어 폭이 일정한 연속된 공기 채널을 제공하도록 곡면 형상으로 형성된 가이드 구조를 설치하여 공기의 유속을 증대시키며,
   가이드 구조의 정점은 평면에서 보아 공기 통과 면적의 절반을 차지하는 위치에 형성되며,
   하우징의 후방에는 공기배출구가 위치하고, 가이드 구조와 대각선으로 대면한 위치에서 공기배출구에 이르기까지는 배출가이드 구조를 설치하고, 상기 배출가이드 구조는 유입 공기에 대하여 균일한 흐름을 제공하고 배출 공기의 흐름을 가속하도록, 적어도 임펠러와 대면하는 부분은, 폭이 일정한 연속된 공기 채널을 제공하도록 곡면 형상으로 형성되고
   공기 흡입구의 내부 또는 공기 흡입구에 인접하는 하우징의 전방에는 수평 방향으로 복수의 칸막이를 설치하여 유입 공기를 균등하게 나누어 임펠러로 공급하며,
   하우징의 전면에는 메쉬 또는 망사 구조의 철망을 설치하여 외부의 이물질 또는 새 또는 곤충의 유입을 방지하고,
   지주와 샤프트의 간극 사이에는 샤프트의 회전을 지지하는 복수의 베어링을 설치하고, 임펠러의 회전을 지지하도록 하우징의 상부와 하부에 추가로 베어링을 더 설치한, 풍력 발전기.
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