KR102484941B1

KR102484941B1 - 수직형 풍력발전기

Info

Publication number: KR102484941B1
Application number: KR1020220146893A
Authority: KR
Inventors: 정양전; 정도영; 김에스겔
Original assignee: 정양전; 정도영; 김에스겔
Priority date: 2022-11-07
Filing date: 2022-11-07
Publication date: 2023-01-09

Abstract

본 발명은 절첩 가능한 날개로 이루어져 풍속에 따라 날개의 각도를 조절하여 풍력 저항을 조절함으로써 날개의 손상을 방지하고 안정적이고 지속적으로 발전이 이루어질 수 있게 한 수직형 풍력발전기에 관한 것으로 특히, 적어도 어느 한 방향으로 회동되어 날개들 사이의 각도가 조절될 수 있게 함으로써 날개가 받는 풍력이 조절되어 순풍은 물론 태풍 등의 강풍이 발생하였을 때에도 일정한 속도로 회전이 이루어지게 함으로써 에너지 변환이 중단되지 않고 지속적으로 이루어져 발전효율을 높일 수 있고 안정적인 운전이 가능한 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

수직형 풍력발전기{A vertical wind generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로 상세하게는 절첩 가능한 날개로 이루어져 풍속에 따라 날개의 각도를 조절하여 풍력 저항을 조절함에 따라 날개와 발전기의 손상을 방지하고 지속적으로 고효율 발전이 이루어질 수 있게 한 풍력발전기에 관한 것이다.

화석연료의 고갈과, 화석연료의 과도한 사용에 따른 환경오염 문제가 대두되면서 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

신재생에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 강수, 생물유기체 등을 포함하여 재생이 가능한 에너지로 변환시켜 이용하는 에너지로, 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력 등이 있고, 신에너지에는 연료전지, 수소에너지 등이 있다.

이러한 신재생에너지를 얻기 위한 기술 중에는 풍력발전 기술이 있으며, 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력 발전기의 날개를 회전시켜 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산한다.

풍력발전기와 관련된 기술에는 다양한 것이 있고, 이러한 풍력발전기는 바람 에너지를 보다 효율적으로 전환할 수 있어야 하고, 이를 위해 다양한 날개가 개발되어 있으며, 이 풍력발전기용 날개와 관련된 기술에는 특허문헌 1내지 3이 있다.

특허문헌 1은 풍력발전장치에 있어서 그 풍력발전장치에 날개를 설치하여 풍력에 의해 회전시 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 있어서, 풍력발전기의 날개는, 날개프레임과, 날개판이 닫힐 때 날개판을 지지해주는 제2날개판 스토퍼가 날개프레임에 형성되고, 날개판의 개폐가 가능할 수 있도록 베어링축이 결합될 수 있는 베어링이 날개프레임의 일측 끝단에 서로 상하로 대칭적으로 형성된 4개의 날개프레임부와; 풍력에 의해 풍력발전기의 날개가 회전될 수 있도록 하는 날개판과, 날개판이 베어링축에 의해 회전시 회전각도의 범위가 90도를 초과하지 않도록 그 회전을 제어하기 위해 형성된 제1날개판 스토퍼와, 날개프레임의 일측 끝단에 서로 상하로 대칭하여 형성된 베어링에 결합되어 날개판의 개폐가 가능하도록 하는 베어링축 으로 구성된 4개의 날개부와; 4개의 날개프레임부와 날개부가 결합되어, 회전되는 회전력을 동력전달장치에 전달하기 위한 회전기둥으로 이루어진 본체부에 상호 90°의 간격으로 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개이고,

특허문헌 2는 유체의 흐름에 의해 회전하는 회전체에 있어서, 회전체는 수직으로 설치되는 회전축;과 회전축의 상단과 하단에서 서로 대응되게 설치되는 다수 쌍의 수평봉;과 한 쌍의 수평봉 사이에 축결합되어 일면이 유체와 접하며 회전체를 회전시키는 수직날개;와 한 쌍의 수평봉 사이에 축결합되어 유체의 이동방향에 따라 회전하는 방향날개;를 포함하되, 수직날개에는 수직날개기어가 결합되고, 방향날개에는 수직날개기어와 연계되는 방향날개기어가 결합되어, 방향날개가 유체의 이동방향으로 회전하며 수직날개의 설치각을 조절함으로써, 회전체의 회전력을 극대화할 수 있는 유체의 이동방향에 따라 수직날개의 설치각이 조절되는 발전기 회전체이며,

특허문헌 3은 프레임에 장착된 그물과, 그물의 한쪽 면에 그물 구멍을 열고 닫을 수 있도록 상단부만 부착된 다수의 바람막이 천 부재와, 프레임 다수가 방사형으로 부착된 수직 회전축과, 회전축의 회전을 자유롭게 하며 지지하는 로터를 포함하는 수직 풍력터빈에 있어서, 바람막이 천들이 터빈의 회전축에 대해 균일하게 한 방향으로만 열리게 배치함으로써, 프레임이 바람의 역방향으로 회전하는 위치에서는 바람막이 천이 열려 바람을 통과시키고 바람의 순방향으로 회전하는 위치에서는 바람막이 천이 닫혀 바람을 막아, 바람으로 부터 받는 항력에 의해 터빈의 회전축에 모멘트를 발생시키는 가변 바람막이 그물을 가지는 수직 풍력 터빈이다.

이와 같이 보다 효율적으로 풍력에너지를 전기에너지로 전환하기 위한 풍력발전기용 날개와 관련된 기술들이 개발되어 있으나, 기후에 따라 다양하게 변화하는 풍력에 능동적으로 대응하지 못하는 단점이 있다.

즉, 순풍시에는 정상적으로 풍력을 받아 날개가 작동되지만, 역풍이나 태풍이 발생하면 날개가 회전을 하지 못하여 충분한 에너지 변환이 이루어지지 못하고, 지나치게 높은 속도로 회전할 경우에는 장치가 날개의 회전력을 감당하지 못하고 손상 또는 파괴되는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0013150호 대한민국 공개특허 제10-2012-0136998호 대한민국 공개특허 제10-2010-0070266호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 절첩 가능한 날개로 이루어져 풍속에 따라 날개의 각도를 조절하여 풍력 저항을 조절함에 따라 날개와 발전기의 손상을 방지하고 지속적으로 발전이 이루어질 수 있게 한 수직형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히 본 발명은 적어도 어느 한 방향으로 회동되어 날개들 사이의 각도가 조절될 수 있게 함에 따라 날개가 받는 풍력이 조절되어 순풍은 물론 태풍 등의 강풍이 발생하였을 때에도 일정한 속도로 회전이 이루어지게 함으로써 일정한 에너지 변환이 이루어져 발전효율을 높일 수 있고 안정적 운전을 가능케 한 수직형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 동력전달수단(700)을 구동스프로킷(710)에 고정된 체인(730)과 종동스프로킷(720)으로 구성하여 동력전달수단(700)의 손상시에도 블레이드(100) 부분을 축으로부터 해체하지 않고 간단히 수리 및 보수를 할 수 있게 한 수직형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 수직으로 설치된 회전축(300)의 상단에 방사상으로 다수의 블레이드(100)를 구비한 수직형 풍력발전기에 있어서, 상기 블레이드(100)는 상기 회전축(300)에 일단이 고정된 수평축(200)을 중심으로 상하에 각각 대칭을 이루도록 설치된 블레이드(100u)와 블레이드(100d)로 이루어지고, 상기 블레이드(100)는 상기 수평축(200)에 힌지 결합된 두 개의 내부패널지지틀(110); 각 내부패널지지틀(110)의 내부에 힌지핀(111)에 의해 회동 가능하게 설치되어 풍압을 받는 내부패널(120); 일단은 상기 내부패널(120)의 일단에 연결되고, 타단은 상기 수평축(200)에 고정된 패널스프링고정바(131)에 연결되어 되어 내부패널(120)의 일단을 탄성적으로 지지함에 의해 풍속에 따라 내부패널(120)의 각도가 가변되게 하는 패널스프링(130); 일단은 상기 내부패널지지틀(110)의 일단에 연결되고, 타단은 상기 수평축(200)에 고정된 블레이드스프링고정바(141)에 연결되어 내부패널지지틀(110)을 탄성적으로 지지함에 의해 풍속에 따라 상·하부블레이드(100u, 100d)의 각도가 가변되게 하는 블레이드스프링(140);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

두 개의 내부패널지지틀(110)은 상기 수평축(200)을 중심으로 예각을 이루는 것이 바람직하다. 그리고 내부패널지지틀(110)은 일정 각도 이상 벌어지지 않도록 스프링 내부에 스토퍼용 와이어를 설치하는 것이 바람직하다.

상·하부블레이드(100u, 100d)로 이루어진 블레이드(100)는 회전축(300)을 중심으로 하고 방사상으로 수평축(200) 위에 3-4개의 블레이드(100)를 설치하는 것이 바람직하다. 나아가 고효율 발전을 위해서는 120°간격을 이루면서 방사상으로 3개의 블레이드(100)를 설치하는 것이 효율적이다.

상기 내부패널(120)에 형성된 힌지핀(111)은 내부패널(120)의 상기 수평축(200)으로부터 길이 방향에서 먼 부분인 3/4 내지 2/3 지점에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 수평축(200)과 내부패널지지틀(110) 사이에는 체크패널(150)이 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 내부패널지지틀(110)과 내부패널(120)을 포함하는 블레이드(100)를 상하로 2단 이상 설치할 수 있고, 수평방향으로도 복수개를 설치할 수 있다.

상기 회전축(300)과 수평축(200) 사이에는 블레이드(100)를 지지할 수 있도록 보강와이어(160)가 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 회전축(300)은 상, 하단에 각각 베어링(320b)이 설치된 지지축(320)의 내부에 설치되고, 상기 지지축(320)은 중공축의 내부에 설치되며, 상기 중공축의 상단에 설치된 고정판(330)에 회전축(300)의 회전속도를 변속하여 발전기(600)에 전달하는 변속기(400)를 설치하는 것이 바람직하다. 그리고 회전축(300)의 최하단에는 축과 블레이드(100)를 포함하는 모든 중량을 받아주며 회전하는 스러스트 베어링(320b)을 설치하는 것이 바람직하다.

상기 고정판(330)에는 디스크 브레이크(500)가 더 설치되는 것이 바람직하다.

상기 변속기(400)와 회전축(300)사이에는 동력전달수단(700)이 더 설치되고, 상기 동력전달수단(700)은 회전축(300)에 설치된 구동스프로킷(710); 변속기(400)측의 회전축에 설치된 종동스프로킷(720); 및 구동스프로킷(710)의 외주에 형성된 체인기어에 결합된 체인(730)으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 회전축(300)의 최상부에는 수직형 풍력발전기의 수리를 위해 회전축(300)을 들어 올릴 수 있도록 훅을 걸 수 있는 걸이용 고리를 추가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 수직형 풍력발전기는 상·하부의 2개의 블레이드(100)의 각도를 풍속에 따라 조절할 수 있게 함에 따라 풍속에 맞추어 최적의 에너지 변환 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

즉, 기 설정된 풍속인 순풍시에는 블레이드(100u)는 바람압력과 스프링 당김 작용으로 위로 벌어지고 블레이드(100d)는 바람압력과 중력으로 아래로 벌어져 넓은 면적으로 바람은 받게 됨에 따라 충분한 회전력이 발생하여 발전효율을 유지시키고, 역풍시에는 블레이드(100u)는 중력과 바람의 작은 압력으로 아래로 접혀지고, 블레이드(100d)는 스프링 당김 작용과 바람의 작은 압력으로 위로 이동하여 바람의 부하를 줄여줌에 따라 블레이드(100)의 손상은 줄이면서 충분한 회전력이 발생하여 발전효율을 유지시킬 수 있게 하는 효과가 있다.

그리고 체크패널(150)에 의해 역풍 시의 바람의 부하를 줄임으로써 블레이드(100)의 회전력이 저감되지 않도록 하는 효과가 있다.

또한, 태풍 등의 강풍 시에는 순풍시와 동일하게 상부블레이드(100u)와 블레이드(100d)의 각도를 유지한 상태에서 내부패널(120)에 연결된 패널스프링(130)이 신장되어 상·하부 내부패널(120)이 개방되어 바람을 통과시킴으로써 과도한 풍압을 해소시켜 늘 필요한 일정한 풍압만 받게 되어 태풍 등의 강풍 시에도 안정적이고 지속적인 발전이 이루어질 수 있게 하는 효과가 있다.

그리고 동력전달수단(700)인 체인(730)이 마모되면 회전축(300)을 분해하거나 분리할 필요가 없이 마모된 체인(730)만 제거 후 재설치하여 바로 수직형 풍력발전기를 가동시킬 수 있으므로 유지 보수 측면에서 시간 절약과 빠르고 쉬운 보수 작업으로 인해 수직형 풍력발전기의 작동 시간을 증가시키며 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 일예의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 위에서 바라 본 평면상 구성도
도 3은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 블레이드의 작동상태 측면도
도 4는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치를 구성하는 상부블레이드의 일예의 사시도
도 5는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치를 구성하는 블레이드의 정면도
도 6은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치를 구성하는 체크패널의 일예의 사시도
도 7은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치를 구성하는 회전축과 그 지지축을의 분해 단면도
도 8은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치를 구성하는 동력전달수단의 사시도
도 9는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 다른 일예의 구성도
도 10은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 3-4개의 블레이드 중 2개의 블레이드의 작동 상태를 보여주는 사시도

본 발명은 다양한 변경을 가하여 실시할 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 블레이드(100)를 구성하는 두 개의 내부패널(120)의 각도를 풍속이나 풍향에 따라 조절할 수 있게 함에 따라 풍속이나 풍향에 맞추어 최적의 에너지 변환 효율을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 풍력발전기는 통상의 풍력발전기와 유사하게 수직으로 설치된 회전축(300)의 상단에 방사상으로 다수의 블레이드(100)를 구비하고 있으며, 특히 상기 블레이드(100)는 상·하방향으로 적어도 2단 이상으로 설치된다.

본 발명의 요지가 되는 기술은 도 1에 도시한 바와 같이, 수평축(200)을 중심으로 상하에 각각 상부블레이드(100u)과 하부블레이드(100d)를 설치하고, 이들의 각도가 풍압에 따라 변경될 수 있게 한 것이다.

이를 위한 본 발명의 풍력발전기를 구성하는 상기 블레이드(100)는 상기한 바와 같이 상부블레이드(100u)와 하부블레이드(100d)가 한쌍을 이루어 구성된 것으로 이들은 상기 수평축(200)을 중심으로 서로 대칭을 이루고 있으며, 이하에서는 어느 일측의 블레이드(100)만을 설명할 것이다.

상기 블레이드(100)는 상기 수평축(200)에 힌지 결합된 두 개의 내부패널지지틀(110); 각 내부패널지지틀(110)의 내부에 힌지핀(111)에 의해 회동 가능하게 설치되어 풍압을 받는 내부패널(120); 일단은 상기 내부패널(120)의 일단에 연결되고, 타단은 상기 수평축(200)에 고정된 패널스프링고정바(131)에 연결되어 되어 내부패널(120)의 일단을 탄성적으로 지지함에 의해 풍속에 따라 내부패널(120)의 각도가 가변되게 하는 패널스프링(130); 일단은 상기 내부패널지지틀(110)의 일단에 연결되고, 타단은 상기 수평축(200)에 고정된 블레이드스프링고정바(141)에 연결되어 내부패널지지틀(110)을 탄성적으로 지지함에 의해 풍속에 따라 블레이드(100u)의 각도가 가변되게 하는 블레이드스프링(140);을 포함한다. 블레이드(100d)도 블레이드(100u)와 마찬가지로 수평축(200)에 연결된 바에 블레이드스프링(140)으로 연결되어 내부패널지지틀(110)을 탄성적으로 지지하고 풍속에 따라 블레이드(100d)의 각도를 가변되게 한다.

상기 내부패널지지틀(110)은 내부패널(120)를 회전축(300)에 연결시키는 구조물로 도시한 바와 같이 회전축(300)에 결합된 수평축(200)을 중심으로 상하에 각각 설치되어 있으며, 각 내부패널지지틀(110)의 내부에는 상기 내부패널(120)이 회동가능하게 설치되어 있다.

상기 내부패널지지틀(110)은 상하부의 내부패널지지틀(110) 사이의 각도가 조절될 수 있게 설치되어 있으며, 이를 위해 수평축(200)에 힌지 결합되어 수평축(200)을 중심으로 두 내부패널지지틀(110) 사이의 각도가 조절될 수 있다.

또한 상기 내부패널지지틀(110)은 회전축(300)으로부터 소정 간격(예를 들면 1~2m)으로 이격된 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 이렇게 설치하는 이유는 회전축(300) 주변과 각 블레이드(100)사이의 근접공간에 와류가 발생할 경우 회전축(300)과 블레이드(100)를 포함하는 구조물이 변형되거나 파손되는 것을 방지하기 위해 바람이 빠져나갈 수 있는 공간을 확보하기 위한 것이다.

상기 내부패널지지틀(110)은 다양한 소재로 만들어질 수 있으나, 가벼운 것이 바람직하고, 이를 위해 고강도 알루미늄 합금 등을 소재로 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 내부패널지지틀(110)은 도 3에 도시한 바와 같이 풍압이나 바람의 방향에 따라 둘 사이의 각도가 변경될 수 있어야 하고, 이렇게 둘 사이의 각도가 변경되되 원상태로 복위할 수 있도록 지지할 수 있어야 하며, 이를 위해 블레이드스프링(140)을 구비하고 있다.

상기 블레이드스프링(140)은 도 3에 도시한 바와 같이 일측 단부가 내부패널지지틀(110)의 단부 즉, 수평축(200)으로부터 멀리 위치한 단부에 연결되고 타단은 블레이드스프링고정바(141)에 연결되어 풍속에 따라 신축한다.

상기 패널스프링(130)은 환경에 따라 다른 탄성을 갖는 것을 사용할 수 있으나 우리나라의 환경을 고려할 때 풍속 10m/s의 속도에 반응하여 신장되는 것을 사용할 수 있다. 그리고 풍속 10m/s, 15m/s, 20m/s에 따라서 신장되는 정도를 달리하여 내부패널(120)이 개방되는 정도를 조절하도록 함으로써 태풍 등의 강풍 시에도 블레이드(100)가 적정 회전속도로 안정적이고 지속적으로 회전할 수 있도록 한다.

상기 블레이드(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 평상시(도 3(a)), 순풍시(도 3(b)), 역풍시(도 3(c )), 및 강풍(태풍)(도 3(d))에 모두 작용하여 그 각도가 변형된다.

이러한 바람의 강도나 방향에 따른 블레이드(100)의 작동에 대하여는 아래에서 상세하게 설명한다.

상기 내부패널지지틀(110)의 내부에는 상기 내부패널(120)이 회동가능하게 설치되어 있다.

상기 내부패널(120)은 바람의 힘을 회전축(300)에 전달하기 위한 수단으로, 힌지핀(111)에 의해 상기 내부패널지지틀(110)의 내부에 회동 가능하게 설치된다.

상기 내부패널(120)이 패널스프링(130)의 탄성과 바람의 힘에 의해 원활하게 회동되게 하기 위해 상기 힌지핀(111)은 상기 수평축(200)으로부터 내부패널(120)의 길이방향으로 먼 부부인 3/4 내지 2/3 지점에 설치되는 것이 바람직하다. 내부패널(120)의 길이방향의 정 중간 부분에 힌지핀(111)을 설치하면 내부패널(120)이 상하로 동일한 풍압을 받아 열리지 않을 수도 있으므로 이러한 상황을 방지하기 위하여 대략 3/4이나 2/3지점에 힌지핀(111)을 설치하도록 한다.

상기 내부패널(120)은 판체로 이루어지고, 이러한 판체를 내부패널지지틀(110)의 내부에 회동 가능하게 설치하기 위해서는 판의 가장자리에 프레임을 설치할 수 있다.

상기 내부패널(120)은 내구성이 우수한 소재로 제작하는 것이 바람직하고, 그 예로는 알루미늄, FRP, 합성수지, 실리콘수지나 아크릴 계열 사용될 수 있다.

상기 내부패널지지틀(110)과 내부패널(120)를 포함하는 블레이드(100)는 수직으로 설치되는 것보다는 예각을 갖도록 설치하는 것이 바람직하다. 그리고 내부패널지지틀(110)은 회동축(112)을 중심으로 풍압과 스프링력 사이의 관계에 따라 적절하게 예각을 이루도록 회동한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 수평축(200)을 중심으로 상하에 설치되는 내부패널지지틀(110) 사이에 180° 이하의 각을 갖도록 설치하고 각각의 내부패널지지틀(110) 내부에 내부패널(120)을 설치하는 것이다.

상기 패널스프링(130)은 풍속에 따라 내부패널(120)의 각도가 조절되게 하기 위한 것으로, 내부패널(120)의 수평축(200)과 대향되는 단부 및 상기 수평축(200)에 설치된 패널스프링고정바(131) 사이에 연결되어 있다.

또한, 내부패널지지틀(110)이 일정 각도 이상 벌어지지 않도록 하부블레이드스프링의 내부에는 스토퍼용 와이어 설치를 설치할 수 있고, 블레이드(100u)에는 별도의 스토퍼용 와이어를 설치할 수 있다. 그리고 스프링의 탄성력은 블레이드(100)의 크기와 풍력 환경에 따라 달라질 수 있는 것으로 이에 대하여 한정하지는 않는다.

또한 본 발명의 풍력발전기는 도 1 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 수평축(200)과 상·하부 내부패널지지틀(110) 사이에는 상·하부 체크패널(150)을 더 설치할 수 있다.

상기 체크패널(150)(40)은 순풍 시는 닫혀 상대적으로 바람의 영향을 많이 받게 하고, 역풍 시에만 열려서 풍속 저항을 감소시키는 기능을 한다(도 3 (c )참조).

또한, 상기 체크패널(150)(40)은 도 6에 도시한 바와 같이 양단에 힌지홀이 형성되어 수평축(200)과 내부패널지지틀(110) 사이의 체크공간에 회동가능하게 설치된다.

또한 본 발명의 풍력발전기는 회전축(300)을 안정적으로 지지할 수 있도록 축 지지구조를 갖추고 있으며, 이 회전축(300) 지지구조는 도 7에 도시한 바와 같이, 중공축(310)의 내부에 설치되고, 상, 하단에 각각 베어링(320b)이 설치된 지지축(320)으로 이루어질 수 있고, 상기 지지축(320)과 중공축(310)의 상단에는 회전축(300)에 설치된 고정판(330)(530)이 위치되도록 설치한다. 그리고 회전축(300) 하단의 베어링(320b)은 축과 블레이드(100)의 모든 하중을 받아주며 회전을 유지할 수 있도록 하는 스러스트 베어링(320b)을 설치한다.

상기 고정판(330)에는 회전축(300)의 회전속도를 증속하여 발전기(600)에 전달하는 변속기(400)가 설치되어 있다. 상기 변속기(400)은 회전축(300)의 회전속도를 증속하여 발전기(600)에 전달하는 역할을 한다.

또한 상기 고정판(330)에는 디스크형 브레이크(500)가 더 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명의 수직형 풍력발전기는 장시간 사용 시 유지 보수가 필요하고, 유지 보수 과정에서 블레이드(100)를 정지시킬 필요가 있으며, 이를 위해 상기한 디스크형 브레이크(500)가 설치되어 있다. 디스크형 브레이크(500)는 버튼을 눌러 정지시키거나 페달을 밟음으로써 정지시킬 수 있도록 한다.

또한 상기 변속기(400)와 회전축(300) 사이에는 동력전달수단(700)이 더 설치되어 있다.

상기 동력전달수단(700)은 도 8에 도시한 바와 같이, 회전축(300)에 설치된 구동스프로킷(710); 변속기(400)측의 회전축에 설치된 종동스프로킷(720); 및 두 스프로킷을 연결하는 체인(730)으로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 체인(730)은 구동스프로킷(710)의 외주에 형성된 체인기어에 결합되어 구동스프로킷(710)과 종동스프로킷(720)이 체인(730)을 매개로 결합된 구동방식으로 형성된다.

종래의 동력전달수단은 기어들의 결합으로 이루어진 동력전달수단을 채용함으로써 빠른 풍속이나 장시간 사용 시 발생하는 기어부분 파손과, 파손된 기어를 교체하기 위해 회전축(300)을 분리하거나 분해하여야 하는 문제점이 있으나, 본 발명의 동력전달수단(700)은 장시간 회전에 의해 마모되는 부분이 체인(730) 부분이므로 마모된 체인(730)만을 제거 후 재설치함으로써 유지 보수를 위해 회전축(300)을 분리하거나 분해할 필요가 없다는 점에서 유지보수가 용이하고 시간이 절약되며 그에 따라 풍력발전기의 작동시간을 늘릴 수 있다는 장점이 있다.

상기 변속기(400)는 증속용을 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 수직형 풍력발전기는 해당 지역의 풍속에 따른 블레이드(100)에 의한 회전속도를 고려하여 설계되고, 이렇게 설계되었을 경우 풍속이 약하면 발전기(600)가 구동되기에 회전력이 부족할 수 있는 경우가 더 많고 이러한 점을 고려하여 변속기(400)로는 증속기를 사용하고, 증속 비율이 최대 20배 이상의 것을 사용할 수 있다.

또한 본 발명의 수직형 풍력발전기는 도 9와 같이 내부패널지지틀(110)과 내부패널(120)을 포함하는 블레이드(100)를 상하로 2단 이상 설치할 수 있고, 수평방향으로도 복수개를 설치할 수 있다.

이와 같이 블레이드(100)의 수평방향 길이가 길어질 경우 블레이드(100)의 단부가 처질 수 있음에 따라 보강와이어(160)를 더 설치하여 블레이드(100) 단부의 처짐을 방지하는 것이 바람직하다.

상기 보강와이어(160)는 상기 회전축(300)과 수평축(200) 사이에 설치될 수 있다.

도 10은 본 발명의 3~4개의 블레이드를 가지는 수직형 풍력발전기에서 블레이드의 작동 상태를 2개의 블레이드를 통해 간략히 보여주는 사시도이다. 도 10에서 예각을 이루는 상·하부블레이드(100u, 100d)가 바람을 정면으로 마주할 때에는 그 각도가 벌어지고 바람을 등질 때에는 그 각도가 줄어드는 상태를 2개의 블레이드를 통해 보여주고 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 수직형 풍력발전기는 도시한 바와 같이 풍속에 따라 수평축(200)을 중심으로 하는 상·하부블레이드(100u, 100d)의 각도가 달라진다.

즉, 평상시에는 도 3의 (a)에 도시한 바와 같은 각도를 유지하고 있고, 순풍 시에는 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 상부 블레이드는 바람 압력과 스프링 당김 작용으로 위로 벌어지고 하부 블레이드는 풍압과 중력으로 아래로 벌어지고, 체크패널(150)은 닫혀 평상시보다 넓은 면적으로 바람을 받게 되고, 역풍 시에는 도 3의 (c )에 도시한 바와 같이, 상부 블레이드는 중력과 바람의 작은 압력으로 아래로 접히고, 하부 블레이드는 스프링 당김 작용과 바람의 작은 압력으로 위로 이동하고, 체크패널(150)이 바람 압력에 의해 열려 블레이드(100) 전체에 걸리는 풍압이 상대적으로 줄어 바람에 의해 장치가 회전 저항을 덜 받게 된다.

한편, 태풍 등의 강풍 시에는 도 3 (d)에 도시한 바와 같이, 일정 압력으로 내부패널(120)을 잡아주던 패널스프링(130)의 탄성력을 넘는 풍압에 의해 내부패널(120)이 열려 바람이 통과됨으로써 과속을 방지하여 상·하부블레이드(100u, 100d)를 포함하는 풍력발전장치가 태풍 등의 강풍에 의해 손상되거나 변형되는 것을 방지할 수 있다.

50: 중공축 고정와이어
100: 블레이드
100u: 상부블레이드 100d: 하부블레이드
110: 내부패널지지틀 111: 힌지핀 112: 회동축
120: 내부패널
130: 패널스프링 131: 패널스프링고정바
140: 블레이드스프링 141: 블레이드스프링고정바
150: 체크패널
160: 보강와이어
200: 수평축
300: 회전축
310: 중공축
320: 지지축 320b: 베어링
330: 고정판
400: 변속기
500: 브레이크
600: 발전기
700: 동력전달수단
710: 구동스프로킷 720: 종동스프로킷 730: 체인

Claims

수직으로 설치된 회전축(300)의 상단에 방사상으로 다수의 블레이드(100)(100)를 구비한 수직형 풍력발전기에 있어서,
상기 블레이드(100)는 상기 회전축(300)에 일단이 고정된 수평축(200)을 중심으로 상하에 각각 대칭을 이루도록 설치된 상부블레이드(100u)와 하부블레이드(100d)로 이루어지고,
상기 블레이드(100)는 상기 수평축(200)에 힌지 결합된 두 개의 내부패널지지틀(110);
각 내부패널지지틀(110)의 내부에 힌지핀(111)에 의해 회동 가능하게 설치되어 풍압을 받는 내부패널(120);
일단은 상기 내부패널(120)의 일단에 연결되고, 타단은 상기 수평축(200)에 고정된 패널스프링고정바(131)에 연결되어 되어 내부패널(120)의 일단을 탄성적으로 지지함으로써 풍속에 따라 내부패널(120)이 개방되게 하는 패널스프링(130);
일단은 상기 내부패널지지틀(110)의 일단에 연결되고, 타단은 상기 수평축
(200)에 고정된 블레이드스프링고정바(141)에 연결되어 내부패널지지틀(110)을 탄성적으로 지지함으로써 풍속에 따라 상부 및 블레이드(100d)의 각도가 가변되게 하는 블레이드스프링(140);을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제1항에 있어서, 블레이드(100)의 상·하부에 설치된 두 개의 내부패널지지틀(110)은 상기 수평축(200)을 중심으로 예각을 이루는 것을 특징으로 하는 수직형풍력발전기.
제1항에 있어서, 상기 힌지핀(111)은 상기 수평축(200)으로부터 내부패널(120)의 길이방향으로 먼 부분인 3/4 내지 2/3 지점에 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제1항에 있어서, 상기 수평축(200)과 내부패널지지틀(110) 사이에는 체크패널(150)이 더 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제1항에 있어서, 상기 회전축(300)과 수평축(200) 사이에는 보강와이어(160)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제1항에 있어서, 상기 회전축(300)은 상, 하단에 각각 베어링(320b)이 설치된 지지축(320)의 내부에 설치되고, 상기 지지축(320)은 중공축(310)의 내부에 설치되며, 상기 중공축(310)의 상단에 설치된 고정판(330)에 회전축(300)의 회전속도를 증속하여 발전기(600)에 전달하는 변속기(400)가 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제6항에 있어서, 상기 고정판(330)에는 디스크형 브레이크(500)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제6항에 있어서, 상기 변속기(400)와 회전축(300)사이에는 동력전달수단(700)이 더 설치되고, 상기 동력전달수단(700)은 회전축(300)에 설치된 구동스프로킷(710); 변속기(400)측의 회전축에 설치된 종동스프로킷(720); 및 두 스프로킷을 연결하는 체인(730)으로 구성되며, 상기 체인(730)은 구동스프로킷(710)의 외주에 형성된 체인기어에 결합되어 구동스프로킷(710)과 종동스프로킷(720)이 체인(730)을 매개로 결합된 구동방식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
제1항에 있어서, 상기 내부패널지지틀(110)과 내부패널(120)을 포함하는 블레이드(100)를 상하로 2단 이상 설치하고, 수평방향으로도 다수를 설치하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.