KR102506367B1

KR102506367B1 - 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR102506367B1
Application number: KR1020210081632A
Authority: KR
Inventors: 이순선
Original assignee: 이순선
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2023-03-03
Also published as: KR20220170602A

Abstract

본 발명은 공기 유동에 의한 요동 운동을 회전 운동으로 전환하여 발전하는 장치에 관한 것으로, 지지 프레임과, 상기 지지 프레임의 하측에서 상기 지지 프레임에 대해 하나의 지지점을 기준으로 요동 운동 가능하게 설치된 요동판과, 상기 지지 프레임의 상측에서 수평한 회전축을 중심으로 상기 지지 프레임에 대해 회전 가능하게 설치되고, 외력에 의해 회전함에 따라 발전하는 회전 발전부와, 상기 요동판과 회전 발전부 사이에 결합되어 상기 요동판의 요동 운동을 상기 회전 발전부의 회전 운동으로 전환하여 전달하는 동력 전달부를 포함할 수 있다.

Description

풍력 발전 장치 {APPARATUS FOR GENERATING ELECTRICITY USING WIND}

본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 공기 유동에 의한 요동 운동을 회전 운동으로 전환하여 발전하는 장치에 관한 것이다.

알려져 있는 풍력 발전기들은 모두 바람에 의해 회전할 수 있는 로터를 구비하며, 로터의 회전력을 이용하여 발전하는 원리를 공유하고 있다. 이들 풍력 발전기는 로터의 회전축 방향에 따라 수평축 타입과 수직축 타입으로 구분할 수 있는데, 수평축 타입은 구조가 간단하고 발전 효율이 상대적으로 높지만, 바뀌는 풍향에 대응할 수 있도록 요잉 기구가 필요하며, 수직축 타입은 풍향에 관계없이 회전할 수 있어서 요잉 기구가 불필요하지만, 발전 효율은 상대적으로 떨어진다.

그러나 어느 타입의 풍력 발전기이든 일정 정도 이상의 풍속에서만 발전이 가능하며, 풍속이 낮거나, 풍향이 수시로 바뀌는 경우에 발전 효율이 떨어지거나 발전이 중단되는 경우가 생기므로, 공기 유동을 온전히 활용하지 못한다는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 한계를 넘어서서, 미약한 공기 유동 속에서도 전기를 생산할 수 있는 새로운 형식의 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 지지 프레임과, 상기 지지 프레임의 하측에서 상기 지지 프레임에 대해 하나의 지지점을 기준으로 요동 운동 가능하게 설치된 요동판과, 상기 지지 프레임의 상측에서 수평한 회전축을 중심으로 상기 지지 프레임에 대해 회전 가능하게 설치되고, 외력에 의해 회전함에 따라 발전하는 회전 발전부와, 상기 요동판과 회전 발전부 사이에 결합되어 상기 요동판의 요동 운동을 상기 회전 발전부의 회전 운동으로 전환하여 전달하는 동력 전달부를 포함할 수 있다. 여기서 상기 동력 전달부는, 상기 회전 발전부의 회전축으로부터 반경방향으로 돌출 형성된 레버와, 일측이 상기 레버의 반경방향 외측 단부와 힌지 결합되고 상기 지지 프레임에 대해 상하방향으로 승강되도록 설치되며 타측이 상기 지지 프레임을 관통하여 하방으로 노출되도록 배치된 승강 링크와, 상기 요동판의 상단에 고정되어 상기 승강 링크와 접할 수 있도록 배치되고 상기 지지 프레임에 대해 피벗 결합된 푸시 블럭을 포함할 수 있으며, 상기 승강 링크를 하방으로 탄력지지하는 스프링을 더 포함할 수도 있다. 또한, 상기 승강 링크와 접하는 상기 푸시 블럭의 상단면은 원형 또는 링형 평면을 포함하고, 상기 푸시 블럭과 접하는 상기 승강 링크의 하단면은 상기 푸시 블럭의 원형 평면과 접할 수 있는 원형 또는 링형 평면을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전 장치에 있어서, 상기 회전 발전부는, 회전축과, 상기 회전축 둘레에 고정된 복수의 압전 발전 소자와, 상기 복수의 압전 발전 소자의 외측면에 각각 고정된 복수의 관성체를 포함할 수 있다. 이때 상기 복수의 관성체는 각각 공기 저항이 큰 형상을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 상기 레버와 상기 회전 발전부의 회전축 사이에 배치된 일방향 클러치를 더 포함할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 상기 레버와 상기 회전 발전부의 회전축 사이에 배치되어 상기 레버로부터 전달된 회전 동력을 저장하는 동력 저장부를 더 포함할 수 있다. 여기서 상기 동력 저장부는, 태엽과, 상기 태엽과 상기 레버 사이, 상기 태엽과 상기 회전 발전부의 회전축 사이에 각각 설치된 한 쌍의 일방향 클러치를 포함하고, 상기 한 쌍의 일방향 클러치는 각각 상기 레버가 회동될 때 상기 태엽을 감는 방향으로만 동력을 전달하고, 상기 태엽이 풀리는 힘은 상기 회전 발전부의 회전축을 회전시키도록만 설치될 수 있다. 또한 상기 태엽은, 상기 회전 발전부의 회전축을 단속적으로 회전시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 지속적인 바람 뿐만 아니라 미약한 공기 유동에도 요동판이 움직일 수 있으며, 이 움직임으로부터 발전할 수 있으므로 어떤 형태의 공기 유동이든 효율적으로 활용할 수 있다.

또한, 회전 발전부를 관성체와 압전 발전 소자로 구성함으로써 미세한 움직임으로부터도 발전할 수 있으며, 동력 저장부를 구비하는 경우 공기 유동에 따른 동력을 일시적으로 저장할 수 있어서 공기 유동이 중단되는 경우에도 지속적으로 발전을 수행할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 일실시예의 사시도이다.
도 2는 도 1의 실시예의 회전 발전부의 부분 확대 사시도이다.
도 3은 도 1의 실시예의 회전 발전부를 그 회전축으로부터 바라본 도면이다.
도 4는 도 3의 관성체 중 어느 하나의 부분 확대도이다.
도 5는 도 1의 실시예의 동력 전달부의 일 작동 상태의 단면도이다.
도 6은 도 5의 다른 작동 상태의 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙인다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우 뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

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

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 일실시예의 사시도이다.

본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 회전 발전부(100), 요동판(200), 동력 전달부(300), 그리고 이들을 지지하기 위한 지지 프레임(400)을 포함할 수 있다. 도 1에는 2개의 회전 발전부(100)와 각각 6개의 동력 전달부(300) 및 6개의 요동판(200)으로 이루어진 구성이 예시되어 있으나, 하나의 회전 발전부(100)에 복수의 동력 전달부(300) 및 요동판(200)이 설치될 수 있으며, 그 수는 필요에 따라 달라질 수 있다. 또한 도 1에서는 이해를 돕기 위해 지지 프레임(400)은 투명한 것으로 도시되어 있다.

회전 발전부(100)는 회전축(110)의 회전을 통해 전기 에너지를 발생시키기 위한 것으로, 고정자 및 이에 대해 회전하는 회전자를 구비하며 자기장 내에서 코일을 상대적으로 회전시킴으로써 발전하는 통상적인 것으로 이루어질 수도 있으나, 회전축의 미세한 움직으로부터도 발전을 하기 위해 다음과 같은 구성을 가질 수 있다.

도 2는 회전 발전부(100)의 일례의 부분 사시도이고, 도 3은 도 2의 회전 발전부(100)를 그 회전축(110)으로부터 바라본 도면이다. 회전 발전부(100)는 외력에 의해 회전하여 전기 에너지를 생성하기 위한 것으로, 수평하게 설치된 회전축(110)을 중심으로 회전할 수 있다. 회전축(110)은 지지 프레임(400)에 대해 회전가능하게 설치되어 있으며, 그 외주면에 복수의 압전 발전 소자(120)가 부착되어 있다. 각각의 압전 발전 소자(120)의 외측면에는 관성체(130)가 고정된다. 관성체(130)는 회전축(110)이 일방향으로 회전을 시작할 때 관성력에 의해 그 자리에 머무르려고 하며, 이에 따라 도 4에 예시한 바와 같이 회전축(110)의 회전 방향(A)에 대해 반대 방향(B)으로 젖혀지면서 그 하단에 부착된 압전 발전 소자(120)를 변형시킨 뒤 다시 복귀하고, 이 과정에서 압전 발전 소자(120)가 전기 에너지를 생성할 수 있다. 관성체(130)는 이와 같이 관성력이 크게 작용하도록 하기 위해 큰 중량을 가지게 하거나, 공기 저항이 큰 형상을 가지도록 할 수 있다. 관성체(130)가 예컨대 도시한 바와 같이 부채 형상과 같이 공기 저항이 큰 형상을 가지면, 회전축(110)이 회전을 시작할 때 관성력에 더하여 공기 저항력이 작용하므로 관성체(130)가 회전축(110)의 회전 방향(A)의 반대 방향(B)으로 더욱 잘 젖혀질 수 있다. 이에 더하여 또는 이를 대체하여, 도 3에 잘 드러난 바와 같이, 관성체(130)의 반경 방향 외측에 중공 원통 형상의 케이싱(140)을 고정적으로 설치하고, 그 내주면에 접촉 돌기(141)를 형성하여 관성체(130)외 반경 방향 끝단과 접촉할 수 있도록 하면, 회전축(110)이 회전할 때 케이싱(140)은 회전하지 않으면서 접촉 돌기(141)가 관성체(130)의 끝단과 접촉하여 밀어냄으로써 관성체(130)가 B방향으로 회전축(110)에 대해 젖혀지게 할 수도 있다.

요동판(200)은 지지 프레임(400)의 하방에서 지지 프레임(400)에 대해 요동 가능하게 설치될 수 있다. 예컨대, 요동판(200)은 지지 프레임(400)에 대해 상단의 한 지지점을 기준으로 요동 운동하도록 매달려 설치될 수 있다. 여기서 '요동 운동'은 진자 운동을 포함한 모든 형태의 흔들림 운동을 포함한다. 요동판(200)은 평판 형상일 수 있으며, 예컨대 도시된 바와 같이 직사각형 평판 형상일 수 있으나, 공기 유동에 따라 흔들릴 수 있는 것이라면 다른 형태의 평판 혹은 곡면판의 형상을 가질 수도 있다.

동력 전달부(300)는 요동판(200)의 요동 운동을 회전 발전부(100)의 회전 운동으로 변환하여 전달하기 위한 것으로, 도 2의 부분 사시도 및 도 5의 부분 단면도에 예시된 바와 같이, 레버(310), 승강 링크(320) 및 푸시 블럭(330)을 포함할 수 있다.

레버(310)는 회전 발전부(100)의 회전축(110)으로부터 반경방향으로 돌출되어 형성되며, 회전축(110)과 함께 회전하거나, 또는 회전축(110)과 레버(310) 사이에 프리휠과 같은 일방향 클러치를 설치하여 특정한 한 방향으로만 회전축(110)으로 회전력을 전달하도록 할 수 있다. 레버(310)가 회전축(110)와 함께 회전하는 경우, 아래에서 설명하는 푸시 블럭(330)의 요동에 따라 레버(310)가 시계 방향 및 반시계 방향으로 회전할 때 회전축(110)도 동일하게 단속적인 회전을 하게 되며, 레버(310)와 회전축(110) 사이에 일방향 클러치가 배치된 경우에는 레버(310)의 시계 방향 및 반시계 방향 회전 중 특정한 한 방향으로의 회전에만 회전축(110)이 추동할 수 있다.

승강 링크(320)는 일단이 레버(310)의 반경 방향 외측단에 힌지 결합되며 지지 프레임(400)에 대해 상하 방향으로 슬라이드 되도록 설치될 수 있다. 도 2 및 도 5에서 특히 승강 링크(320)가 힌지핀(322)에 의해 레버(310)에 결합되어 있으며, 레버(310)에는 힌지핀(322)이 삽입되어 회전 및 레버(310)의 반경 방향을 따라 슬라이딩되도록 해주는 슬라이딩 홀(311)이 형성된 것을 알 수 있는데, 이는 레버(310)는 회전 운동하고 승강 링크(320)는 상하 방향 슬라이딩 운동을 하므로 양자간 반경 방향의 상대 이동을 수용하기 위한 것이다. 승강 링크(320)의 타단은 지지 프레임(400)을 관통하여 하방으로 노출되어 푸시 블럭(330)과 접할 수 있다.

푸시 블럭(330)은 요동판(200)의 상단에 고정되어 그 상단이 지지 프레임(400)에 피벗 결합될 수 있다. 이 피벗 결합은 볼조인트와 같은 것으로 이루어질 수도 있으며, 도 5 및 도 6에서는 각각 도시 생략된 링 형상 부재가 지지 프레임(400)의 구멍(401)과 푸시 블럭(330)의 구멍(331)에 각각 삽입되어 양자를 결합하는 것으로 예시되어 있다.

또한 푸시 블럭(330)의 상단 외주연은 승강 링크(320)의 타단과 접촉할 수 있다. 이 상태에서 요동판(200)의 공기 유동에 따라 요동하면, 도 6에 예시한 상태와 같이 푸시 블럭(330)이 피벗 결합점을 중심으로 예컨대 반시계 방향으로 회동하게 되고, 푸시 블럭(330)의 상단 외주연이 승강 링크(320)의 타단을 밀어 올리게 된다. 푸시 블럭(330)이 도 6과 반대로 시계 방향으로 요동하더라도 승강 링크(320)가 상승하게 됨은 자명하게 할 수 있다. 이와 같이 승강 링크(320)가 지지 프레임(400)에 대해 상승하면서 레버(310)를 회전시키며, 결과적으로 회전 발전부(100)의 회전축이 회전하게 된다. 승강 링크(320)의 하강은 스프링(321)의 복원력에 의해 이루어질 수 있다.

이와 같이 푸시 블럭(330)의 요동 운동이 승강 링크(320)의 상하방향 슬라이딩 운동으로 원활히 전환되도록, 푸시 블럭(330)의 상면은 원형 또는 링형 평면을 포함할 수 있다. 아울러 승강 링크(320)의 타단 역시 원형 또는 링형 평면을 포함하여 이들 원형 또는 링형 평면이 언제든 적어도 일부가 접하는 상태를 유지하도록 할 수 있다.

푸시 블럭(330)의 요동 운동은 승강 링크(320)를 상승시키는 방향으로만 힘을 가할 수 있으므로, 승강 링크(320)의 하강 운동을 위해 승강 링크(320)를 지지 프레임(400)에 대해 하방으로 탄력적으로 지지하기 위한 스프링(321)이 더 구비될 수 있다.

한편, 요동판(200)이 항상 요동 운동할 수는 없으며, 정지해 있는 동안에는 회전축(110)이 회전하지 않는다. 이를 보상하기 위해 동력 저장부(500)가 구비될 수 있다. 동력 저장부(500)는 요동판(200)의 움직임이 활발할 때 동력 에너지를 저장하였다가 요동판(200)의 움직임이 없는 동안에도 회전축(110)에 회전력을 전달하기 위한 것으로, 도 5에 예시한 바와 같이 레버(310)와 회전축(110) 사이에 설치된 태엽(500)으로 구성될 수 있다. 태엽의 원활한 작동을 위해 태엽과 레버(310) 사이, 태엽과 회전축(110) 사이에 각각 또는 적어도 한 군데에 일방향 클러치가 배치될 수 있다. 이들 일방향 클러치들은 레버(310)가 회동될 때 태엽을 감는 방향으로만 동력을 전달하고, 태엽이 풀리는 힘은 회전 발전부(100)의 회전축(110)을 회전시키도록 작동할 수 있다. 나아가서, 태엽이 풀릴 때 회전축(110)이 단속적으로 회전할 수 있도록 이스케이프먼트(escapement) 기구가 적용될 수도 있다.

이상에서 프레임(400)은 설명을 위해 투명한 평판 형태인 것으로 예시하였으나, 투명해야할 필요는 없으며 다른 구성들을 지지하기 위한 용도 내에서라면 다른 형상을 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 앞서 언급한 바와 같이 하나의 회전 발전부(100)에 여러 개의 요동판(200)을 설치할 수 있으며, 하나의 프레임(400)에 복수의 회전 발전부를 설치할 수도 있고, 이런 프레임을 또한 높이 방향으로 적층할 수도 있다. 따라서 통상 넓은 개활지를 필요로 하는 종래의 수평축 타입이나 수직축 타입 풍력 발전기와는 달리, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치를 도심의 다층 건물 내부에 층별로 설치하고 건물 내로 공기가 유동할 수 있도록만 하면 해당 건물을 발전소로 변모시키는 것도 가능하다. 또한, 지속적인 바람이 부는 경우 요동판(200)이 무작위적으로 요동하게 되므로 발전하는 것이 가능하며, 통상적인 풍력 발전기가 발전을 할 수 없는 미풍이거나, 도심의 고층 건물들 사이에서 수시로 풍향이 바뀌는 바람에 대해서도 요동판만 요동할 수 있다면 발전이 가능하다는 장점이 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예들은, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

지지 프레임과,
상기 지지 프레임의 하측에서 상기 지지 프레임에 대해 하나의 지지점을 기준으로 요동 운동 가능하게 설치된 요동판과,
상기 지지 프레임의 상측에서 수평한 회전축을 중심으로 상기 지지 프레임에 대해 회전 가능하게 설치되고, 외력에 의해 회전함에 따라 발전하는 회전 발전부와,
상기 요동판과 회전 발전부 사이에 결합되어 상기 요동판의 요동 운동을 상기 회전 발전부의 회전 운동으로 전환하여 전달하는 동력 전달부를 포함하고,
상기 동력 전달부는,
상기 회전 발전부의 회전축으로부터 반경방향으로 돌출 형성된 레버와,
일측이 상기 레버의 반경방향 외측 단부와 힌지 결합되고 상기 지지 프레임에 대해 상하방향으로 승강되도록 설치되며 타측이 상기 지지 프레임을 관통하여 하방으로 노출되도록 배치된 승강 링크와,
상기 요동판의 상단에 고정되어 상기 승강 링크와 접할 수 있도록 배치되고 상기 지지 프레임에 대해 피벗 결합된 푸시 블럭을 포함하는 풍력 발전 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 동력 전달부는,
상기 승강 링크를 하방으로 탄력지지하는 스프링을 더 포함하는 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 승강 링크와 접하는 상기 푸시 블럭의 상단면은 원형 또는 링형 평면을 포함하고,
상기 푸시 블럭과 접하는 상기 승강 링크의 하단면은 상기 푸시 블럭의 원형 평면과 접할 수 있는 원형 또는 링형 평면을 포함하는 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서, 상기 회전 발전부는,
회전축과,
상기 회전축 둘레에 고정된 복수의 압전 발전 소자와,
상기 복수의 압전 발전 소자의 외측면에 각각 고정된 복수의 관성체를 포함하는 풍력 발전 장치.
제5항에 있어서,
상기 복수의 관성체는 각각 공기 저항이 큰 형상을 가지는 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 레버와 상기 회전 발전부의 회전축 사이에 배치된 일방향 클러치를 더 포함하는 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 레버와 상기 회전 발전부의 회전축 사이에 배치되어 상기 레버로부터 전달된 회전 동력을 저장하는 동력 저장부를 더 포함하는 풍력 발전 장치.
제8항에 있어서, 상기 동력 저장부는,
태엽과,
상기 태엽과 상기 레버 사이, 상기 태엽과 상기 회전 발전부의 회전축 사이에 각각 설치된 한 쌍의 일방향 클러치를 포함하고,
상기 한 쌍의 일방향 클러치는 각각 상기 레버가 회동될 때 상기 태엽을 감는 방향으로만 동력을 전달하고, 상기 태엽이 풀리는 힘은 상기 회전 발전부의 회전축을 회전시키도록만 설치된 풍력 발전 장치.
제9항에 있어서, 상기 태엽은,
상기 회전 발전부의 회전축을 단속적으로 회전시키는 풍력 발전 장치.