KR200163686Y1 - 풍력이용률이향상되는풍차 - Google Patents

Abstract

목적: 본 고안은 풍차의 날개부 외벽에서 발생되는 미끄럼 손실과, 날개 회전방향의 반대로 작용하려는 역방향 손실을 줄일 수 있게 됨에 따라, 풍력 이용률이 향상되도록 된 풍차를 제공함에 그 목적이 있다.

구성: 회전축에 다수의 풍차 날개가 연결/고정되고 이 풍차 날개가 바람을 받아 회전축을 회전시켜 동력을 얻는 풍차에 있어서, 상기 풍차 날개에 회전축과 평행한 다수의 칸막이가 설치되고, 이 풍차 날개가 내부로 장착될 수 있는 케이싱, 이 케이싱과 연통된 나팔관 및 방향조정이 가능한 수직꼬리날개로 구성되어 있다.

효과: 종래의 풍차에서 발생되던 풍차 날개의 외벽에서의 미끄럼 손실이 발생되지 않게 되므로 풍차의 출력이 증가될 수 있고, 케이싱이 역방향 손실 부위를 없애게 되어 이 역방향 손실 크기만큼 풍차의 출력이 증가되며, 나팔관의 단면을 풍차 날개가 받는 바람면적보다 수배로 증가할 수 있게 되어 풍차 날개가 받는 풍력 에너지를 자연풍력 에너지 이상으로 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

풍력 이용률이 향상되는 풍차{Wind-mill to increase a wind pressure efficency}

본 고안은 풍력 이용률이 향상되는 풍차에 관한 것으로, 특히 날개부 외벽에서 발생되는 미끄럼 손실과, 날개 회전방향의 반대로 작용하려는 역방향 손실을 줄일 수 있게 됨에 따라, 풍력 이용률이 향상되도록 된 풍차에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 풍차는 자연 바람을 이용하여 동력을 얻는 장치로서, 종래에는 도 7에 도시된 것과 같이, 회전축(11)에 다수개의 풍차 날개(22; blade)가 일정한 각도를 유지하면서 부착되는 구조로 되어 있다. 여기서, 상기 풍차 날개(22)의 크기인 폭과 넓이는 용도에 따라 변경함이 가능한데, 풍차 날개(22)의 폭과 넓이가 클수록 큰 동력을 얻을 수 있다.

한편, 상기와 같은 풍차의 구조는 풍차 날개(22)가 바람의 방향과 90°가 되기전까지는 바람이 풍차 날개(22)면에서 축의 중심방향으로 미끄러지게 되고, 풍차 날개(22)가 바람의 방향과 90° 이상이 되어 바람의 방향과 일치하기 전까지는 바람이 풍차 날개(22)표면에서 축의 중심 반대방향으로 미끄러지게 된다.

즉, 바람의 방향이 좌측이고 풍차의 날개(22)가 회전축(11)을 중심으로 시계방향으로 회전되는 구조라 할 때, A위치(도 7)의 날개가 C위치에 도달할 때까지 바람은 날개(22)면에서 회전축(11)의 중심방향으로 미끄러져 미끄럼 손실이 발생하게 되고, 이와 같이 축의 중심방향으로 미끄러지는 기류는 전부 미끄러짐 손실로 나타나게 되는 문제점이 발생하였다. 이에 상기와 같은 문제점을 조금이나마 해소하기 위해, 풍차의 날개 끝이 바람을 모을 수 있는 포켓구조로 제안되었으나, 이는 축회전에는 도움을 줄 수 있으나 바람의 이용 면에서 효율이 낮은 소수(대략 2~3개)의 날개로 구성된 풍차에만 국한되어 있고 다수(4개 이상)의 날개로 구성된 풍차에 있어서는 바람의 방향과 날개의 각도에 따라 미끄럼 손실이 여전히 발생할 수밖에 없었다.

또한, 바람이 부는 방향에서 풍차를 바라 볼 때, 축의 중심선을 기준으로 하여 좌측이 동력을 발생시키는 지역이라면 우측은 항상 동력을 방해하게 되는 역방향 저항 손실지역이라 할 수 있다. 그리고, 날개 전체를 그대로 노출시켜 사용하기 때문에 풍차 날개가 받는 풍력 에너지를 자연풍력 에너지 이상으로 높일 수가 없으며 동력발생에 이용되는 풍차 날개의 이용범위는 90° 이하 일 수밖에 없었다.

더욱 상세하게 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 바람의 방향이 좌측이고 풍차에 도달되는 바람의 유입구역을 알파지역(도 8; α)과 베타지역(도 8; β)으로 구분하여 보았을 때, 풍차가 A방향으로 회전하는 구조일 경우 알파지역의 바람은 동력을 발생시키지만, 베타지역의 바람은 풍차 회전방향의 반대방향으로 작용하고 있기 때문에 풍차의 회전력을 저하시키게 되는 역방향 손실이 된다.

따라서, 종래의 풍차에는 날개 외벽에서 발생되는 미끄럼 손실과, 베타지역(도 8; β)에서 발생되는 역방향 손실로 인하여, 풍차에서 발생되는 풍력 에너지가 극히 작을 수밖에 없는 심각한 문제점이 있었다.

이에 본 고안은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 풍차 날개 면에 다수개의 칸막이를 설치하고, 역방향 손실지역에 풍차케이싱과 나팔관을 설치함에 따라, 바람이 풍차 날개 면에서 축의 중심방향으로 미끄러지는 미끄럼 손실이 방지되고, 회전방향으로 유선형인 풍차 날개가 역방향 저항 손실 없이 가동될 수 있음은 물론, 풍차 날개가 받는 풍력 에너지를 자연풍력 에너지보다 높일 수 있고 동력발생에 이용되는 풍차 날개의 이용범위가 확장되어 풍력 이용률이 향상되는 풍차를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 유입된 바람이 부딪히는 풍차 날개의 면에다 축과 평행하게 다수의 칸막이 벽을 형성시켜, 바람이 풍차 날개의 면에 경사지게 유입되더라도 바람이 축의 중심방향으로 이동이 불가능하여 미끄럼손실이 발생되지 않도록 하였으며, 풍차 날개의 기계적 강도를 높이기 위해 풍차 날개가 축에 고정된 반대측 타단의 상부와 하부를 외부프레임으로 일체로 형성하였으며 외부프레임과 축사이의 내부프레임은 풍차 날개의 크기 및 특성에 따라 채용유무를 결정할 수 있을 것이다.

여기서, 케이싱은 회전축을 중심으로 360도로 자유롭게 축회전할 수 있는 원통형 구조로서 흡입구, 배출구, 지지부, 제1, 제2 외벽을 갖추고서, 방향 조절키의 조정에 의해 바람의 방향에 대한 케이싱의 위치가 도 3과 같이 될 때, 제1 외벽이 B지역(90°)에서 바람이 유입되는 것을 방지할 수 있어 역방향 손실이 발생되지 않도록 하였다.

상기 케이싱의 흡입구에는 나팔관을 연결하되, 나팔관의 모양은 많은 양의 바람을 흡입구내로 유입될 수 있게 형성하여, 밀도 높은 많은 양의 바람이 풍차 날개에 도달하게 되어 풍차 날개에서 받는 풍력 에너지가 자연풍력 에너지 이상으로 높아지도록 하였다. 특히 흡입구와 연결되는 나팔관 일측에 유도돌기를 부착하여 나팔관의 내벽을 따라 흘러 들어오는 바람이 풍차 날개에 유효하게 작용하도록 하였다. 또한, 케이싱의 제1 외벽을 원주각도 100도 정도의 범위로 형성하고 흡입구의 유입각도를 100도 정도로 하여 회전축에 직접 도달하는 무용한 바람을 억제하고, 유용한 바람의 유입각도가 확장되도록 하였다.

또한, 제1 외벽의 배출구쪽 단부에서 풍차 회전방향으로의 원주각도가 90°인 지점과 회전축의 중심을 직선으로 연결하여 연장하고 이 연장선상 위 지지부 상부에 방향 조절키의 수직안정판을 부착하되, 이 수직안정판이 힌지를 매개로 방향타와 연결되도록 하였으며, 상기 힌지속에 끼워진 볼트, 너트에 의해 수직안정판에 방향타를 임의의 방향으로 고정할 수 있도록 하였다.

도 1a는 본 고안에 따른 풍차의 평면조립단면도,

도 1b는 본 고안에 따른 풍차의 정면조립단면도,

도 2a는 본 고안에 따른 풍차 날개부의 사시도,

도 2b는 본 고안에 따른 풍차 날개부의 평면도,

도 2c는 본 고안에 따른 풍차 날개의 상세 정면도,

도 2d는 본 고안에 따른 도 2c에 도시된 풍차 날개의 사시도,

도 3은 본 고안에 따른 풍차의 작동을 설명하기 위한 평면도,

도 4a는 본 고안에 따른 풍차의 작동을 설명하기 위한 상세 평면도,

도 4b는 본 고안에 따른 도 4a의 A부를 확대하여 도시한 상세도,

도 4c는 본 고안에 따른 풍차의 작동을 설명하기 위한 상세 정면도,

도 5a는 본 고안에 따른 풍차의 평면도,

도 5b는 본 고안에 따른 풍차의 정면도,

도 6a는 본 고안에 따른 도 5b의 A-A선 단면도,

도 6b는 본 고안에 따른 도 5a의 B-B선 단면도,

도 6c는 본 고안에 따른 도 6b중 바닥부의 상세 평면도,

도 7은 종래의 기술로서, 풍차 날개의 미끄럼 손실을 설명하기 위한 날개부의 평면도,

도 8은 종래의 기술로서, 풍차의 저항 손실을 설명하기 위한 날개부의 평면도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 - 회전축, 2 - 풍차 날개,

2a - 칸막이, 2b - 외부프레임,

2c - 내부프레임, 2d - 날개부,

3 - 케이싱, 3a - 흡입구,

3b - 배출구, 3c - 지지부,

3d - 제1 외벽, 3e - 제2 외벽,

4 - 홀, 5 - 나팔관,

5a, 5b, 5b' - 유도돌기, 6 - 방향 조절키,

6a - 수직안정판, 6b - 방향타,

6c - 힌지, 6d - 볼트, 너트,

7 - 베어링부, 7a - 상부베어링,

7a' - 하부베어링.

이하, 본 고안을 첨부한 예시도면을 참조로 하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1a는 본 고안에 따른 풍차의 평면 조립단면도이고, 도 1b는 본 고안에 따른 풍차의 정면 조립단면도인데, 본 고안은 회전축에 다수의 풍차 날개가 연결/고정되고 이 풍차 날개가 바람을 받아 회전축을 회전시켜 동력을 얻는 풍차에 있어서, 상기 풍차 날개(2)의 날개부(2d)에 회전축(1)과 평행한 다수의 칸막이(2a)가 설치되고, 이 풍차 날개(2)가 내부로 장착될 수 있는 케이싱(3)이 장착되어 있으며, 상기 칸막이(2a)는 도 2a, 2b, 2c, 2d에 자세하게 도시된 것과 같이, 풍차 날개의 내부에 장착되는 다수개의 판재로서, 강한 바람에도 견딜 수 있음은 물론 날개부(2d)에다 용이하게 부착될 수 있는 재료로 제작되어진다.

또한, 상기 날개부(2d)의 내측과 외측이 외부프레임(2b)과 내부프레임(2c)으로 이루어져, 기계적 강도에 있어 견고한 구조로 되는데, 내부프레임(2c)은 풍차 날개(2)의 크기 및 특성에 따라 채용하지 않을 수도 있다.

여기서, 상기 케이싱(3)은 도 4a, 4c에 도시된 것과 같이, 바람이 유입되는 흡입구(3a), 유입된 바람이 외부로 방출되는 배출구(3b), 케이싱(3)의 상부면과 하부면을 지지, 연결하는 지지부(3c), 역방향 바람의 유입이 방지되는 제1 외벽(3d), 제2 외벽(3e)으로 갖추어지되, 상기 흡입구(3a)에 나팔관(5)이 연결되고 이 나팔관(5)은 많은 바람이 유입될 수 있도록 유출단면보다 유입단면이 크게 형성된 나팔모양의 관형상으로 되어 있다. 또한, 상기 케이싱(3)은 원통형으로 형성되고, 이 케이싱(3)의 중심부로 상부베어링(7a)과 하부베어링(7a')으로 이루어진 베어링부(7)가 위치되어, 케이싱(3)이 베어링부(7)를 매개로 회전축(1)에 대해 회전이 가능하게 된다. 여기서, 상기 하부베어링부(7a')는 도 6c에 도시된 것과 같이, 다수개의 홀(4)이 형성되어 케이싱(3)내부로 유입된 이물질들이 아래로 용이하게 배출되도록 되어 있다.

한편, 상기 케이싱(3)의 지지부(3c)에 수직안정판(6a), 방향타(6b), 힌지(6c)로 이루어진 방향 조절키(6)가 부착되고, 상기 힌지(6c)는 볼트, 너트(6d)가 갖추어져 풍차의 풍향각을 조절할 경우, 수직안정판(6a)과 방향타(6b)의 각도가 설정된 후, 이 설정각으로의 잠금 및 해제가 용이하게 이루어지도록 되어 있다.

그리고, 도 4a, 4b, 4c에 도시된 바와 같이, 상기 나팔관(5)과 흡입구(3a)의 경계선상에 유도돌기(5a, 5b, 5b')가 형성되어 나팔관(5)의 내벽을 따라 흘러 들어오는 밀도 높은 바람이 풍차 날개(2)에 유효하게 작용되도록 되어 있다.

한편, 풍차 날개(2)는 회전축(1)과 함께 회전을 할 수 있을 정도로 케이싱(3)과 적당한 간격을 유지하고 있음은 물론이고, 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 흡입구(3a)의 개구된 원주각도를 100도로 하여 바람의 유입범위를 최대한 넓힐 수 있게 된다.

본 고안의 작동관계를 도 3, 4, 5에 의거 아래와 같이 설명하기로 한다.

풍차에 일정한 방향의 바람이 불게 되면, 풍차의 각도가 방향 조절키(6)에 의해 일정한 각도로 멈추게 되는데, 이때 수직안정판(6a)이 바람의 방향과 일치하도록 방향타(6b)를 조정한 다음, 볼트, 너트(6d)로 방향타(6b)를 고정하게 되면, 풍속과 풍향에 관계없이 항상 수직안정판(6a)은 바람의 방향과 일치하게 된다. 이어, 나팔관(5)내로 바람이 유입되게 되면, 이 바람은 흡입구(3a)를 통과하면서 풍차 날개(2)에 부딪히게 되는데, 이때 유입된 바람은 칸막이(2a)에 의해 미끄럼 손실이 없이 풍차 날개(2)를 밀치게 되고, 이어 풍차 날개(2)가 회전함에 따라 회전축(1)이 동시에 회전하게 되면서, 상기 유입된 바람은 케이싱(3)의 배출구(3b)를 통하여 외부로 방출되게 된다. 이 동작은 반복적으로 일어나게 되어 풍차는 연속적으로 회전을 하게 되므로 기계적 에너지를 얻을 수 있게 된다.

여기서, 상기 나팔관(5)은 많은 양의 바람을 흡입구(3a)로 안내하고 개구각도가 100도인 흡입구(3a) 및 유도돌기(5a, 5b, 5c)에 의해 흡입된 바람이 풍차 날개에 유효하게 작용할 수 있게 되며, 도 3에 도시된 것과 같이, A지역에서 바람이 흡입구(3a)를 통하여 유입되고 B지역에서는 제1 외벽(3d)에 의해 역방향으로 작용하려는 바람의 유입이 차단되어 종래에 발생되던 역방향 손실이 발생되지 않게 된다.

이상과 같이 설명한 본 고안에 의하면, 풍차 날개에 칸막이가 갖추어져 종래의 풍차에서 발생되던 풍차 날개에서의 미끄럼 손실이 발생되지 않게 되므로 풍차의 출력이 증가되고, 케이싱에 의해 역방향 손실이 일어나는 부위를 막을 수 있게 되어 이 역방향 손실 크기만큼 풍차의 출력이 증가되며, 나팔관의 단면을 풍차 날개가 받는 바람면적보다 수배로 증가할 수 있게 되어 풍차 날개가 받는 풍력 에너지를 자연풍력 에너지 이상으로 높일 수 있게 된다. 즉, 한번 유입된 바람은 손실 없이 풍차 날개에 유효하게 작용할 수 있게 되어 날개면적이 같은 종래의 풍차에 비하여 수배의 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 회전축에 다수의 풍차 날개가 연결/고정되고 이 풍차 날개가 바람을 받아 회전축을 회전시켜 동력을 얻는 풍차에 있어서,

   상기 풍차 날개(2)의 날개부(2d)에 회전축(1)과 평행한 다수의 칸막이(2a)가 설치되고, 이 풍차 날개(2)가 내부로 장착될 수 있는 케이싱(3)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 날개부(2d)의 내측과 외측이 외부프레임(2b)과 내부프레임(2c)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 칸막이(2a)는 다각형 내지는 반타원 형상으로 된 판상의 견고한 재료로 제작된 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 케이싱(3)은 바람이 유입되는 흡입구(3a), 유입된 바람이 외부로 방출되는 배출구(3b), 케이싱의 상부면과 하부면을 지지, 연결하는 지지부(3c), 역방향 바람의 유입을 방지하는 제1 외벽(3d), 제2 외벽을 갖춘 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 흡입구(3a)의 개구된 원주각도가 100°인 것을 특징으로 하는 풍차.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 흡입구(3a)에 유출단면보다 유입단면이 크게 제작된 나팔관(5)이 연결된 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 나팔관(5)과 흡입구(3a)의 경계선상에 유도돌기(5a, 5b, 5b')가 형성되어 유입되는 바람의 방향을 변경하는 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
8. 제 4 항에 있어서, 상기 지지부(3c)에 수직안정판(6a), 방향타(6b), 힌지(6c)로 이루어진 방향 조절키(6)가 부착된 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 힌지(6c)는 볼트, 너트(6d)로 이루어져 잠금과 해제가 용이하게 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 이용률이 향상되는 풍차.