KR102647340B1 - 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치는, 바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체와, 상기 회전체의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기를 구비하는 발전장치 본체; 및 상기 발전장치 본체(100)의 상부에 구비되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공하되, 발전장치 본체(100)의 상부 후방으로 경사지게 기립되어 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함한다.
이로써, 본 발명은 부력체에 의해 발전장치 본체가 공중으로 부양되고, 바람 부는 방향으로 방향이 자연스럽게 전환됨과 동시에 수평한 자세를 유지하므로, 방향 전환이나 자세 유지를 위한 별도의 구조 및 제어장치가 필요치 않아 구조가 단순하며, 고공에서 발전을 위한 자세를 안정적으로 확보할 수 있는 공중 풍력발전장치를 제공할 수 있다.

Description

방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치{Aerial Aerogenerator}
본 발명은 공중 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공중 부양을 위한 부력체가 상부에 구비되고, 지면의 리와인더와 연결되어 일정한 고도를 유지하며, 상기 부력체는 발전장치 본체의 상부에 후방으로 기울어진 자세로 기립되게 구비되어, 발전장치 본체를 공중 부양시키고, 바람 부는 방향으로 방향을 전환시키며, 수평한 자세를 유지하도록 이루어진 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치에 관한 것이다.
친환경 산업에 대한 관심이 증대됨에 따라 종래의 화석연료에서 벗어나 태양광이나 바람, 해수 등을 이용한 신재생 에너지의 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 이중 바람을 이용하는 풍력발전기는 자연의 바람을 에너지로 하여 전기를 생산하는 것으로, 짧은 기간에 설치가 가능하고, 바람만 분다면 밤낮 구분 없이 발전이 가능한 장점을 갖고 있다.
가장 일반적인 형태의 풍력발전기는 수직한 기둥의 형태로 이루어지는 타워의 상단부에 발전기가 내장된 나셀(Nacelle)이 구성되고, 상기 나셀의 전방에 허브 및 복수의 블레이드로 이루어진 로터가 구비된 것으로 이루어지며, 이러한 풍력발전기는 로터의 크기를 증가시킴으로써 단위면적당 출력을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나, 로터의 크기에 비례하여 소음이 증가하기 때문에 주변 거주 환경에 악영향을 미치며, 풍력발전기의 원활한 작동을 위해서는 약 5㎧ 이상의 바람이 필요할 뿐만 아니라, 이러한 바람이 지속적으로 불어주어야만 하지만, 국내에서 이 정도의 풍속을 안정적으로 얻을 수 있는 장소는 산간지역과 해상지역의 일부를 제외하고는 거의 없어 설치 장소에 제약이 따르는 문제점이 있다.
한편, 높은 고도에서는 풍력발전기의 원활한 작동을 위한 고속의 바람을 육상보다 안정적으로 얻을 수 있다는 점에 주목하여, 풍력발전기를 고공에 위치시키는 공중 풍력발전기술이 새로운 개념의 재생에너지 기술로 대두되고 있다.
이러한 공중 풍력발전기와 관련된 선행기술문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2010-0033086호(2010.03.29. 공개, 이하 '선행기술문헌 1'이라 한다)가 제안된 바 있다. 선행기술문헌 1에 따른 공중 풍력발전기는 도 1a에 도시된 바와 같이 수평방향으로 바람이 통과되는 바람터널(1a)을 가진 터널부재(1), 상기 바람터널(1a)에 설치된 풍력회전체(2), 상기 풍력회전체(2)로부터 출력되는 회동력을 전달받아 작동하는 발전기 및 상기 터널부재(1)의 양측에 설치되어 터널부재(1)를 공중 부양시키는 공중부양튜브(3)를 포함하는 것으로 이루어진다.
상기와 같은 선행기술문헌 1의 공중 풍력발전기는 설치 및 철수를 쉽고 용이하게 할 수 있고, 바람터널(1a)로 유입되는 바람의 직진성 및 증속을 통해 풍력회전체(2)의 회전효율을 상승시킴으로써, 강한 바람뿐만 아니라 약한 바람에서도 원활한 발전을 도모하고자 하였다.
한편, 선행기술문헌 1의 공중 풍력발전기는 바람터널(1a)이 바람의 방향과 평행한 상태를 유지할 때만 유효한 발전이 가능한 것으로, 비록 방향익(4) 및 와이어회전수단을 포함하여 바람의 방향 변화에 대응하여 공중 풍력발전기의 방향 전환이 이루어질 수 있도록 하였으나, 공중부양튜브(3)의 후미 상부에 수직한 자세로 구비된 방향익(4)만으로는 바람의 변화로 인해 전후방향으로 흔들리는 공중 풍력발전기의 자세를 안정화시키기 어려운 문제점이 있다.
다른 선행기술문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0933514호(2009.12.15. 등록, 이하 '선행기술문헌 2'라 한다)가 제안된 바 있다. 선행기술문헌 2의 풍력 발전 시스템은 도 1b에 도시된 바와 같이 비행선(5)의 하부에 풍력발전장치(6)가 설치된 것으로, 상기 비행선(5)에는 바람이 불어오는 방향을 향하여 수평 자세를 유지하기 위한 자세 제어수단이 구비되어, 풍력에 의한 발전 효율 향상을 도모하고자 하였다.
그러나, 선행기술문헌 2는 풍향 및 풍속계(7)와 자동항법장치에 의해 비행선(5)의 방향 및 자세가 조절되는 방식으로, 수평제어팬장치(8a) 및 수평제어익(8b) 그리고 수직제어팬장치(9a) 및 수직제어익(9b) 등 방향 및 자세를 조절하기 위한 구조 및 제어가 매우 복잡할 뿐만 아니라, 바람의 방향 변화에 대응하여 비행선의 올바른 자세 유지를 위하여 오히려 에너지가 소모되는 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2010-0033086호(2010. 03. 29. 공개) 등록특허공보 제10-0933514호(2009. 12. 15. 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 공중 풍력발전장치를 공중으로 부양시키는 부력체에 의해 바람 부는 방향으로 방향이 자연스럽게 전환됨과 동시에 수평한 자세를 유지하여 바람과 정면으로 마주할 수 있으므로 원활한 발전이 가능한 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 풍력 에너지를 기계적 에너지로 전환하는 한 쌍의 회전체를 포함하되, 한 쌍의 회전체는 수직한 중심축의 주위에 다수의 블레이드가 구비되고, 서로 다른 방향으로 회전하도록 이루어져, 어느 한 회전체의 회전 관성이 다른 한 회전체의 회전 관성에 의해 상쇄됨으로써, 고공에서 요잉 현상을 방지하고, 안정된 자세를 유지할 수 있는 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 회전체의 항력에 의해 발전효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 문제점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치는, 바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체(110)와, 상기 회전체(110)의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기(120)를 구비하는 발전장치 본체(100); 및 상기 발전장치 본체(100)의 상면으로부터 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되도록 지지축(201)이 구비되고, 상기 지지축(201)에는 벌룬(202)이 설치되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공함으로써 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함하되, 세 개의 벌룬(202)이 지지축(201)을 중심으로 삼각구조를 이루고, 세 벌룬(202)의 삼각구조가 지지축(201)의 길이방향으로 반복되도록 다수의 벌룬(202)이 지지축(201)의 주변에 설치되는 것을 특징으로 한다.
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다른 실시예에 의하면, 바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체(110)와, 상기 회전체(110)의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기(120)를 구비하는 발전장치 본체(100); 및 상기 발전장치 본체(100)의 상면으로부터 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되도록 지지축(201)이 구비되고, 상기 지지축(201)에는 벌룬(202)이 설치되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공함으로써 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함하되, 상기 지지축(201)은 중공 파이프로 이루어지고, 상기 벌룬(202)과 지관 파이프(203)를 통해 연결되어 지지축(201)으로 공급되는 헬륨가스가 지관 파이프(203)를 통해 벌룬(202)으로 주입되도록 구성될 수 있다.
또한, 바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체(110)와, 상기 회전체(110)의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기(120)를 구비하는 발전장치 본체(100); 및 상기 발전장치 본체(100)의 상면으로부터 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되도록 지지축(201)이 구비되고, 상기 지지축(201)에는 벌룬(202)이 설치되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공함으로써 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함하되, 상기 지지축(201)은 수평한 힌지축(211)을 구비하는 힌지 유니트(210)에 의해 발전장치 본체(100)에 힌지 결합되어 전후방향으로 회전 가능하며, 상기 힌지 유니트(210)에는 지지축(201)의 회전을 특정 위치에서 구속하는 록킹수단(212)이 선택적으로 조립될 수 있다.
그리고, 상기 발전장치 본체(100)는, 수직한 중심축(111)의 주위에 다수의 블레이드(112)가 구비되어 풍력에 의해 회전하면서 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환하되, 수평방향으로 인접하여 서로 다른 방향으로 회전하는 한 쌍의 회전체(110); 상기 한 쌍의 회전체(110)에 구비되는 각각의 중심축(111)과 베벨기어부(140)를 매개로 연결되어 한 쌍의 회전체(110)로부터 전달되는 회전력에 의해 회전하는 로터(121)와, 회전하는 로터(121)에 반응하여 전기를 생산하는 스테이터(122)를 구비하는 발전기(120); 및 상기 회전체(110) 및 발전기(120)를 지지하며, 각 회전체(110)의 회전 시 바람에 저항하여 항력을 발생시키는 절반부를 감싸는 한 쌍의 항력 저항부(133)를 구비하는 프레임(130);을 포함할 수 있다.
본 발명의 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치에 의하면, 부력체에 의해 발전장치 본체가 공중으로 부양되고, 바람 부는 방향으로 방향이 자연스럽게 전환됨과 동시에 수평한 자세를 유지하므로, 방향 전환이나 자세 유지를 위한 별도의 구조 및 제어장치가 필요치 않아 구조가 단순하며, 고공에서 발전을 위한 자세를 안정적으로 확보할 수 있는 공중 풍력발전장치를 제공할 수 있다.
특히, 다수의 벌룬으로 부력체를 형성하여 부력체의 안전성을 향상시킬 수 있고, 다수의 벌룬을 지지하기 위한 지지축을 포함하여 부력체의 구조 안정성을 향상시킬 수 있으며, 상기 지지축을 중공 파이프로 형성하고, 지관 파이프를 통해 지지축과 각각의 벌룬을 연결함으로써, 다수의 벌룬에 헬륨가스를 용이하게 주입 및 보충할 수 있다.
나아가, 발전장치 본체에 힌지 결합된 지지축에 의하면, 헬륨가스 주입이나 벌룬의 유지보수 작업 시, 부력체를 눕힌 상태에서 작업을 실시할 수 있으므로, 작업의 편의성과 효율성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 발전장치 본체에 구비되는 2개의 회전체가 서로 다른 방향으로 회전하면서 서로의 회전 관성을 상쇄시키게 되므로, 별도 자세 제어장치를 사용하지 않고도 요잉 현상 없이 고공에서 안정된 자세를 유지할 수 있다.
또한, 회전체의 항력 발생부분을 항력 저항부로 감싸 회전체의 항력을 감소킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 선행기술문헌들에 따른 공중 풍력발전장치의 구조도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전장치의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전장치가 지상의 리와인더와 연결되어 일정 고도에 위치한 상태를 보인 측면도,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치 본체의 내부 구조를 보인 사시도,
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전장치 본체의 내부 구조를 보인 정면도,
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 한 쌍의 회전체가 발전장치 본체의 내부에 구비된 상태를 보인 평면도,
도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기가 발전장치 본체의 내부에 구비된 상태를 보인 측면도,
도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전장치 본체의 사시도,
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전장치 본체의 평면도,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체의 구조를 보인 평면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체에 구비되는 지지축이 힌지 유니트에 의해 발전장치 본체에 설치된 상태를 보인 측면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체가 눕혀진 상태를 보인 측면도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부력체가 구비된 공중 풍력발전장치의 사시도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 부력체가 수직한 자세로 기립된 상태를 보인 측면도.
이하에서는 도면에 도시된 사항을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하되, 관련된 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치는 강한 바람이 부는 고공에 위치하기 위한 부양력을 제공하는 부력체(200)를 포함하되, 상기 부력체(200)에 의해 바람 부는 방향으로 방향이 자동으로 전환되고, 고공에서 안정된 자세를 유지할 수 있는 특징을 갖는 것으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 발전장치 본체(100) 및 부력체(200)를 포함한다.
상기 발전장치 본체(100)는, 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 회전체(110), 상기 회전체(110)로부터 회전력을 전달받아 전기를 생산하는 발전기(120) 및 상기 회전체(110)와 발전기(120)를 지지하며 부력체(200)와 연결되는 프레임(130)을 포함한다.
상기 회전체(110)는 수직한 자세의 중심축(111)과 상기 중심축(111)의 주위에 방사상의 구조로 배치된 복수의 블레이드(112)를 포함하며, 상기 블레이드(112)는 수직한 자세의 반원통형 구조체로 이루어지되, 오목한 내면(112a)을 통해 풍력 에너지를 받아 중심축(111)과 함께 회전하도록 중심축(111)의 주위에 설치된다.
이러한 회전체(110)는 발전장치 본체(100)의 내측에 한 쌍이 구비되며, 한 쌍의 회전체(110)는 발전장치 본체(100)의 수평방향으로 서로 인접하되, 서로 다른 방향으로 회전하도록 좌우 대칭구조로 구비된다. 예컨대 어느 한 회전체(110)가 발전장치 본체(100)로 유입되는 바람에 의해 시계방향으로 회전하는 경우, 다른 한 회전체(110)는 같은 바람에 의해 반시계방향으로 회전하도록 구비된다.
상기 발전기(120)는 한 쌍의 회전체(110)로부터 전달되는 회전력에 의해 회전하며 영구자석으로 이루어지는 로터(121)와, 상기 로터(121)를 감싸며 발전장치 본체(100)에 고정 설치된 코일로 이루어지는 스테이터(122)를 포함하여 로터(121)의 회전 시 전기를 생산하게 된다. 이때 상기 로터(121)는 회전체(110)의 상부 또는 하부에서 수평한 자세로 연장되면서 스테이터(122)를 관통하고, 양 단부에는 회전체(110)의 중심축(111)과 연결되어 회전력을 전달받기 위한 베벨기어부(140)가 구비되며, 상기 베벨기어부(140)는 중심축(111)의 회전 속도를 증가시켜 로터(121)로 전달하도록 구성될 수 있다.
이와 같이 상기 발전기(120)는 한 쌍의 회전체(110)로부터 회전력을 전달받아 작동하면서 전기를 생산하게 되므로, 발전량을 증가시킬 수 있고, 약한 바람에서도 효과적인 발전이 가능하다.
상기 프레임(130)은 한 쌍의 회전체(110) 및 발전기(120)를 내부에 수용하도록 이루어지되, 전면에는 한 쌍의 회전체(110) 사이로 바람이 유입되도록 하는 공기 유입구(131)가 형성되고, 배면에는 한 쌍의 회전체(110)를 지난 바람이 배출되도록 하는 공기 배출구(132)가 형성된다.
이와 같은 프레임(130)에는 회전체(110)의 항력을 감소시키는 한 쌍의 항력 저항부(133)가 구비되며, 각 항력 저항부(133)는 회전 시 바람에 저항하여 항력을 발생시키는 회전체(110)의 외측 절반부를 감싸도록 형성된다. 이러한 한 쌍의 항력 저항부(133)는 프레임(130)의 양 측벽을 형성하고 각 회전체(110)의 외측 절반부를 감싸며 상기 공기 유입구(131)와 공기 배출구(132)를 형성하도록 프레임(130)의 좌우로 서로 이격되게 구비된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전장치 본체는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 회전체(110), 발전기(120) 및 프레임(130)을 포함하되, 상기 회전체(110)는 바깥쪽에 위치하는 블레이드(112)가 풍력 에너지를 받아 회전하도록 이루어지고, 상기 발전기(120)는 수직한 자세로 구비되어 한 쌍의 회전체(110)로부터 전달되는 회전력을 베벨기어부(140)를 통해 전달받아 작동하면서 전기를 생산하도록 구비되며, 상기 프레임(130)은 다수의 알루미늄 프로파일이 입체적인 구조를 형성하도록 서로 연결된 것으로 이루어진다.
보다 구체적으로, 발전장치 본체의 내측에 구비되는 한 쌍의 회전체(110)는 중심축(111)의 주위에 복수의 블레이드(112)가 방사상의 구조로 배치된 것으로 이루어지되, 프레임(130)의 좌우측 단부에 근접하여 바깥쪽에 위치하는 블레이드(112)가 풍력 에너지를 받아 회전하도록 이루어진다.
상기 발전기(120)는 한 쌍의 회전체(110)로부터 베벨기어부(140)를 통해 전달되는 회전력에 의해 회전하는 로터가 발전기(120)의 몸통을 구성하고, 상기 프레임(130)에 고정되는 스테이터가 상기 로터의 중심부에 위치하여, 회전체(110)의 회전 시 전기를 생산하도록 이루어진다.
상기 프레임(130)은 바 형태로 이루어지는 다수의 알루미늄 프로파일을 입체적인 형태로 결합시킨 것으로 이루어져, 한 쌍의 회전체(110) 및 발전기(120)를 지지하게 된다. 이처럼 알루미늄 프로파일에 의해 형성되는 프레임(130)의 중앙부에는 한 쌍의 항력 저항부(133)가 구비되며, 각 항력 저항부(133)는 회전체의 회전 시 바람에 저항하여 항력을 발생시키는 회전체(110)의 내측 절반부를 감싸도록 형성된다.
상기 부력체(200)는, 도 2에 도시된 바와 같이 발전장치 본체(100)의 상부 후방으로 기립되고, 발전장치 본체(100)의 후방으로 경사지며, 바람 부는 방향으로 발전장치 본체(100)와 함께 방향이 전환되도록 발전장치 본체(100)에 설치된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부력체(200)는, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이 발전장치 본체(100)의 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되는 지지축(201) 및 상기 지지축(201)에 설치되어 부양력을 형성하는 다수의 벌룬(202)으로 구성된다. 이때 지지축(201)에 설치되는 벌룬(202)은 지지축(201)을 중심으로 복수 개가 배치되어 다각구조를 형성하고, 복수 개의 벌룬(202)이 형성하는 다각구조가 지지축(201)의 길이방향으로 반복되어 형성될 수 있다.
다만, 전방과 후방의 방향성을 확보하기 위하여, 세 개의 벌룬(202)이 지지축(201)을 중심으로 삼각구조를 형성하고, 세 개의 벌룬(202)이 형성하는 삼각구조가 지지축(201)의 길이방향으로 반복되며, 삼각구조를 형성하는 세 개의 벌룬(202) 중 하나는 발전장치 본체(100)의 전방측에 위치하고 나머지 두 벌룬(202)은 발전장치 본체(100)의 후방측에 위치하도록 다수의 벌룬(202)이 지지축(201)의 주변에 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같이 지지축(201)과 다수의 벌룬(202)으로 이루어지는 부력체(200)에 있어서, 상기 지지축(201)은 중공 파이프로 이루어지고, 지관 파이프(203)를 통해 각각의 벌룬(202)과 연결되어 지지축(201)으로 공급되는 헬륨가스가 지관 파이프(203)를 통해 각각의 벌룬(202)으로 공급될 수 있도록 함으로써, 다수의 벌룬(202)으로 헬륨가스를 충전하거나 보충하는 작업의 편의성을 향상시킬 수 있다.
특히, 일부 벌룬(202)에 온도의 변화에 따라 부피가 감소하거나 부력체(200)에 충전된 가스의 유출이 발생하더라도 나머지 벌룬(202)과 리와인더(220)를 이용하여 전체적인 부양력을 유지시킬 수 있는 이점이 발휘된다.
이에 더하여, 상기 지지축(201)이 힌지 유니트(210)에 의해 발전장치 본체(100)에 힌지 결합되어 헬륨가스의 충전이나 유지보수 시 부력체(200)를 눕힌 자세로 전환시킬 수 있도록 함으로써, 부력체(200)와 관련된 작업의 편의성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이때 상기 힌지 유니트(210)는 발전장치 본체(100)에 고정되고, 수평한 자세의 힌지축(211)에 의해 지지축(201)의 하단부와 결합되어 지지축(201)을 전후방향으로 회전 가능한 구조로 지지하도록 이루어지되, 상기 지지축(201)의 회전을 특정 위치에서 선택적으로 제한하도록 조립되는 록킹수단(212)을 구비한다.
상기 록킹수단(212)은 힌지축(211)의 인접한 곳에서 힌지축(211)과 평행한 구조로 힌지 유니트(210)에 조립되어 지지축(201)의 회전 시 지지축(201)과 간섭되면서 지지축(201)의 회전을 억제할 수 있으며, 일 실시예로, 상기 록킹수단(212)은 지지축(201)의 전후방 회전을 모두 억제하도록 한 쌍으로 핀으로 구성되어, 지지축(201)의 전후에 각각 위치하도록 힌지 유니트(210)에 조립될 수 있다.
이와 같은 힌지 유니트(210)에 의하면, 헬륨가스의 충전 또는 부력체(200)의 유지보수 작업을 실시하고자 할 경우, 부력체(200)를 발전장치 본체(100)의 전방이나 후방으로 눕힘으로써, 부력체(200)로 쉽고 안전하게 접근할 수 있게 되어 작업의 편의성과 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있으며, 헬륨가스의 충전이나 유지보수 작업이 완료된 이후에는, 록킹수단(212)을 힌지 유니트(210)에 조립하여 부력체(200)를 원래의 자세로 경사지게 고정하게 된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 부력체(200)는, 도 9에 도시된 바와 같이 전체적으로 상부 후방을 향하여 길게 형성되는 하나의 유선형 벌룬(202)으로 형성될 수 있다. 상기 벌룬(202)은 발전장치 본체(100)의 후방 상단에 설치되어 발전장치 본체(100)의 후방으로 상향 경사진 자세로 길게 연장되고, 발전장치 본체(100)와 함께 방향이 전환되도록 발전장치 본체(100)에 하단부가 고정된다. 이처럼 부력체(200)를 구성하는 벌룬(202)의 내부에는 헬륨가스가 충전되어 발전장치 본체(100)의 공중 부양을 위한 부양력을 제공하게 된다. 또한, 상기 벌룬(202)의 횡단면도 유선형을 지니도록 형성되어 보다 안정적으로 전후방의 방향성이 확보되도록 함이 바람직하다.
상기와 같은 부력체(200)에 의해 공중 부양되는 발전장치 본체(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이 지상의 리와인더(220)와 와이어(223)를 통해 연결되며, 상기 리와인더(220)는 발전장치 본체(100)로 연결되는 와이어(223)가 권취되는 드럼(221) 및 상기 드럼(221)을 회전시키는 모터(222)를 포함할 수 있으며, 온도의 변화 또는 부력체(200)에 충전된 가스량의 변화 등으로 인하여 발전장치 본체(100)의 고도가 낮아지는 경우, 와이어(223)를 감아주는 방식으로 와이어(223)의 텐션을 일정하게 유지시킬 수 있다. 이를 위하여 발전장치 본체(100)에 고도계가 설치되거나, 와이어(223)의 장력을 감지하기 위한 센서나 감지장치 및 제어기가 리와인더(220)에 구비될 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치는 부력체(200)가 제공하는 부양력에 의해 발전장치 본체(100)가 공중 부양됨에 따라 한 쌍의 회전체(110)를 고공에 위치시킬 수 있다.
한편, 바람이 불지 않은 경우, 도 10에 도시된 바와 같이 부력체(200)는 수직한 자세를 유지하고, 이때 발전장치 본체(100)는 전방으로 기울어진 상태를 유지하게 되므로, 발전장치 본체(100)로 유입된 우수 등 이물질의 자연 배출을 유도할 수 있다.
반면, 바람이 부는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 부력체(200)는 바람에 밀려 기울어지면서 경사지게 된다. 이러한 부력체(200)의 움직임으로 인하여 발전장치 본체(100)가 수평한 자세로 전환되고, 발전장치 본체(100)의 공기 유입구(131)를 통해 바람이 유입되면서 한 쌍의 회전체(110)가 회전하게 되며, 한 쌍의 회전체(110)가 회전하여 발생하는 회전력이 발전기(120)로 전달됨에 따라 전기를 생산하게 된다. 이처럼 발전기(120)에서 생산되는 전기는 와이어(223)를 따라 연장되는 전선을 통해 지상의 에너지 저장 시스템(230)으로 공급되어 축전될 수 있다.
상기와 같이 바람에 의해 경사지고, 유선형 또는 삼각구조의 횡단면을 갖는 부력체(200)는 별도의 제어 없이도 바람 부는 방향과 나란하게 배치되므로, 발전장치 본체(100)의 전면은 항상 바람과 마주할 수 있게 되어 방향성의 확보가 용이하다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 발전장치 본체 110: 회전체
110: 회전체 111: 중심축
112: 블레이드 120: 발전기
121: 로터 122: 스테이터
130: 프레임 131: 공기 유입구
132: 공기 배출구 133: 항력 저항부
140: 베벨기어부 200: 부력체
201: 지지축 202: 벌룬
203: 지관 파이프 210: 힌지 유니트
211: 힌지축 212: 록킹수단

Claims (7)

  1. 공중으로 부양되고, 풍력을 이용하여 전기를 만드는 공중 풍력발전장치에 관한 것으로,
    바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체(110)와, 상기 회전체(110)의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기(120)를 구비하는 발전장치 본체(100); 및
    상기 발전장치 본체(100)에는 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되도록 지지축(201)이 구비되고, 상기 지지축(201)에는 벌룬(202)이 설치되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공함으로써 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함하되,
    세 개의 벌룬(202)이 지지축(201)을 중심으로 삼각구조를 이루고, 세 벌룬(202)의 삼각구조가 지지축(201)의 길이방향으로 반복되도록 다수의 벌룬(202)이 지지축(201)의 주변에 설치되는 것을 특징으로 하는 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 공중으로 부양되고, 풍력을 이용하여 전기를 만드는 공중 풍력발전장치에 관한 것으로,
    바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체(110)와, 상기 회전체(110)의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기(120)를 구비하는 발전장치 본체(100); 및
    상기 발전장치 본체(100)에는 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되도록 지지축(201)이 구비되고, 상기 지지축(201)에는 벌룬(202)이 설치되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공함으로써 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함하되,
    상기 지지축(201)은 중공 파이프로 이루어지고, 상기 벌룬(202)과 지관 파이프(203)를 통해 연결되어 지지축(201)으로 공급되는 헬륨가스가 지관 파이프(203)를 통해 벌룬(202)으로 주입되는 것을 특징으로 하는 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치.
  6. 공중으로 부양되고, 풍력을 이용하여 전기를 만드는 공중 풍력발전장치에 관한 것으로,
    바람에 의해 회전하는 하나 이상의 회전체(110)와, 상기 회전체(110)의 회전력을 전달받아 동작하면서 전기를 생산하는 발전기(120)를 구비하는 발전장치 본체(100); 및
    상기 발전장치 본체(100)에는 후방으로 상향 경사진 자세로 기립되도록 지지축(201)이 구비되고, 상기 지지축(201)에는 벌룬(202)이 설치되어 공중 부양을 위한 부양력을 제공함으로써 발전장치 본체(100)의 전면이 바람이 부는 방향을 향하도록 발전장치 본체(100)와 일체로 거동하는 부력체(200);를 포함하되,
    상기 지지축(201)은 수평한 힌지축(211)을 구비하는 힌지 유니트(210)에 의해 발전장치 본체(100)에 힌지 결합되어 전후방향으로 회전 가능하며, 상기 힌지 유니트(210)에는 지지축(201)의 회전을 특정 위치에서 구속하는 록킹수단(212)이 선택적으로 조립되는 것을 특징으로 하는 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치.
  7. 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전장치 본체(100)는,
    수직한 중심축(111)의 주위에 다수의 블레이드(112)가 구비되어 풍력에 의해 회전하면서 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환하되, 수평방향으로 인접하여 서로 다른 방향으로 회전하는 한 쌍의 회전체(110);
    상기 한 쌍의 회전체(110)에 구비되는 각각의 중심축(111)과 베벨기어부(140)를 매개로 연결되어 한 쌍의 회전체(110)로부터 전달되는 회전력에 의해 회전하는 로터(121)와, 회전하는 로터(121)에 반응하여 전기를 생산하는 스테이터(122)를 구비하는 발전기(120); 및
    상기 회전체(110) 및 발전기(120)를 지지하며, 각 회전체(110)의 회전 시 바람에 저항하여 항력을 발생시키는 절반부를 감싸는 한 쌍의 항력 저항부(133)를 구비하는 프레임(130);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방향성 확보가 용이한 공중 풍력발전장치.
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