KR20020072471A - 풍력발전기의 날개 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 날개에 관한 것으로서, 특히 바람이 정방향일 때에는 직립하여 최대한의 바람을 맞고, 역방향일 때에는 그 방향으로 회전하여 바람의 저항을 최소화하도록 하는 구조의 비늘날개들로서 날개를 이루어 풍력의 효율을 극대화시키고, 또 날개는 하부에 무게 중심을 위치시키면서 회동가능하게 설치하여 태풍과 같이 강한 바람을 맞을 때에는 바람이 부는 방향으로 회동하여 바람의 저항을 최소화함로써 풍력발전기의 날개의 파손을 방지하도록 한 풍력발전기의 날개에 관한 것이다.

종래의 풍력 발전기에 적용되는 날개는 프로펠러 또는 풍차와 같은 구조를 갖거나 수직축의 둘레로 전면이 오목한 형상의 날개가 세로로 다수개 구성되는 임펠러형의 구조들이 있다.

그러나 프로펠러 또는 풍력발전기와 같은 구조의 날개는 경사면으로 바람이 지나가면서 날개를 밀어 회전시키기 때문에 바람의 손실량이 많은 단점이 있고, 또 임펠러형의 날개는 바람을 맞을 때에는 날개가 오목하게 형성되어 많은 양의 바람을 받을 수 있어 효율적이지만 바람을 등질 때에는 날개 여전히 저항을 많이 받아 바람에너지가 손실되는 문제점이 있었다.

또한 각 날개들은 축에 고정된 형상이기 때문에 태풍과 같이 강한 바람이 불 때에는 그 힘을 이기지 못해 쉽게 파손될 우려가 있다.

따라서 본 발명은 수직으로 세워진 축(10)의 상부에 방사형으로 횡설된 복수개의 횡축(11)을 갖고, 상기 횡축(11)들의 단부에 수직의 날개(20)를 설치하여 풍력에 의해 회전시 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 있어서, 상기 날개(20)는 횡축(11)단 상하로 회동가능하게 축결합되면서 무게중심이 하부에 위치하도록 하고, 상기 날개(20) 내에는 프레임의 상하부에 다수개의 샤프트(22)를 설치하여 이에 샤프트(22)의 간격보다 긴 길이의 비늘날개(23)를 회동가능하게 다수개 설치하여 구성한 것이다.

Description

풍력발전기의 날개{A fan for a wind-dynamotor}

본 발명은 풍력발전기의 날개에 관한 것으로서, 특히 바람이 정방향일 때에는 직립하여 최대한의 바람을 맞고, 역방향일 때에는 그 방향으로 회전하여 바람의 저항을 최소화하도록 하는 구조의 비늘날개들로서 날개를 이루어 풍력의 효율을 극대화시키고, 또 날개는 하부에 무게 중심을 위치시키면서 회동가능하게 설치하여 태풍과 같이 강한 바람을 맞을 때에는 바람이 부는 방향으로 회동하여 바람의 저항을 최소화함로써 풍력발전기의 날개의 파손을 방지하도록 한 풍력발전기의 날개에 관한 것이다.

일반적으로, 화석연료의 고갈과 화석연료로 인한 심각한 환경오염의 따른 대처 방안으로 그 자원이 무한하고 또 공해가 전혀 없는 자연에너지 즉, 태양열발전과 조력발전 그리고 풍력발전 등을 확보하기 위한 노력들을 하고 있다.

우리나라는 일조량이 풍부하고 또 조수간만의 차가 심한 자연조건을 가지고 있기 때문에 태양열발전이나 조력발전을 실시하기에 양호한 조건을 가지고 있음은 물론 계절에 따라 부는 풍부한 바람을 가지고 있기 때문에 풍력발전 또한 효과적이라고 할 수 있다.

풍력발전은 바람을 받아 회전하는 날개의 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시켜 전기를 얻는 것으로, 그 효율을 극대화하기 위해서는 바람의 힘을 에너지 손실없이 최대한 활용할 수 있도록 해야하므로 그에 맞는 날개의 구조를 갖는 것이 가장 중요하다 할 것이다.

종래의 풍력 발전기에 적용되는 날개는 프로펠러 또는 풍차와 같은 구조를갖거나 수직축의 둘레로 전면이 오목한 형상의 날개가 세로로 다수개 구성되는 임펠러형의 구조들이 있다.

그러나 프로펠러 또는 풍력발전기와 같은 구조의 날개는 경사면으로 바람이 지나가면서 날개를 밀어 회전시키기 때문에 바람의 손실량이 많은 단점이 있고, 또 임펠러형의 날개는 바람을 맞을 때에는 날개가 오목하게 형성되어 많은 양의 바람을 받을 수 있어 효율적이지만 바람을 맞는 방향으로 복귀하기 위해 바람을 등질 때에는 여전히 바람의 저항을 많이 받아 회저력을 저하시키게 되는 문제점이 있었다.

또한 이러한 풍력발전기 날개들은 축에 고정된 형상이기 때문에 태풍과 같이 강한 바람이 불 때 그 힘을 이기지 못해 쉽게 파손될 우려가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 폐단을 해소하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 바람이 정방향일 때에는 직립하여 최대한의 바람을 맞고, 역방향일 때에는 바름에 순응하는 방향으로 회전하여 바람의 저항을 최소화하도록 하는 비늘날개들을 다수개 구성하여 날개를 이루어 풍력의 효율을 극대화시키고, 또 날개는 하부에 무게 중심을 위치시키면서 회동가능하게 설치하여 태풍과 같이 한계 이상의 강한 바람을 맞을 때에는 바람에 순응하는 방향으로 회동하여 바람의 저항을 최소화함로써 풍력발전기의 날개의 파손을 방지하도록 한 풍력발전기의 날개를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 풍력발전기 날개 사시도

도 2a,2b는 도 1 날개의 비늘날개 작동상태도

도 3은 본 발명의 날개 작동상태도.

도 4a,4b는 본 발명의 날개에 설치된 스토퍼의 구조도

도 5는 본 발명의 날개가 레일에 지지되는 상태의 구조도

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10 - 축 11 - 횡축 12 - 'U'형 지지프레임

20 - 날개 21 - 날개프레임 22 - 샤프트

23 - 비늘날개 30 - 스토퍼 31 - 브래킷

32 - 작동구 33 - 스프링 34 - 복귀스프링

40 - 레일 41 - 지지롤러 42 - 소형 발전기

43 - 전선

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전기의 날개는,

수직으로 세워진 축의 상부에 방사형으로 횡설된 복수개의 횡축을 갖고, 상기 횡축들의 단부에 수직의 날개를 설치하여 풍력에 의해 회전시 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 있어서,

상기 날개는 횡축단 상하로 회동가능하게 축결합되면서 무게중심이 하부에 위치하도록 하고,

상기 날개의 내부에는 프레임의 상하부에 다수개의 샤프트를 설치하여 이에 샤프트의 간격보다 긴 길이의 비늘날개를 회동가능하게 다수개 설치하여 구성된다.

이러한 풍력발전 날개는 그 내부에 다수개 설치된 비늘날개들이 정방향의 바람일 때에는 수직으로 세워져 바람을 최대한 받도록하고, 역방향의 바람일 때에는 바람에 순응하는 방향으로 회전하여 바람 에너지의 효율을 극대화함과 아울러 태풍과 같이 한계 이상의 강한 바람일 경우에는 날개자체가 바람에 순응하는 방향으로 회동하여 바람의 저항을 최소화함으로써 풍력발전기의 파손 피해를 줄이도록 한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 풍력발전기 날개 사시도이고, 도 2a,2b는 도 1 날개의 비늘날개 작동상태도이며, 도 3은 본 발명의 날개 작동상태도이다.

수직으로 세워진 축(10)의 상부에 방사형으로 횡설된 복수개의 횡축(11)을 갖고, 상기 횡축(11)들의 단부에 수직의 날개(20)를 설치하여 풍력에 의해 회전시 그 회전력으로 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기에 있어서,

날개(20)는 횡축(11)의 단부를 'U'자형으로 연장 및 절곡하여 'U'형 지지프레임(12)을 형성하고, 이에 상하 회전가능하게 축결합된다. 그리고 날개(20)는 무게중심이 하부에 위치하도록 하여 큰 힘이 가해지지 않는 이상 항상 수직상태를 이루도록 설치된다. 필요에 따라서는 태풍과 같이 강풍이 불 때에만 회전되도록 하는 스토퍼(30)가 'U'형 지지프레임(12)에 설치할 수 있다.

상술한 날개(20)는 둘레에 날개(20)형상의 날개프레임(21)과, 이 날개프레임(21)의 내측 상하부에 일정한 간격으로 설치된 다수개의 샤프트(22)와, 각 샤프트(22)에 회동가능하게 설치된 비늘날개(23)들로 구성된다.

비늘날개(23)들은 상하 샤프트(22)의 간격보다 긴 길이를 가지며, 물고기의 비늘과 같이 각 샤프트(22)에 회동가능하게 배열된다. 이는 바람을 효율적으로 받기 위한 것으로 각 비늘날개(23)의 자유단은 하부의 샤프트(22)의 전방에 위치하도록 전방으로의 회전이 가능하지만 그 역방향으로는 샤프트(22)에 걸려 회전되지 않는 구조로 되어 있다.

이러한 구조의 본 발명 풍력발전기 날개(20)는 바람이 불게되면 바람이 부는 방향을 향한 날개(20)에 설치된 비늘날개(23)는 하단이 하부의 샤프트(22)에 지지되어 고정되므로 도 2a와 같이 수직으로 직립된 상태를 유지하기 때문에 바람의 저항을 최대한 받게 된다.

반대로 바람을 맞는 위치로 복귀하는 반대편 날개(20)에 설치된 비늘날개(23)는 도 2b와 같이 바람에 순응하는 방향으로 회전하게 되므로 바람의 저항을 최소로 받게 되므로 결국 복귀력이 높아진다.

이러한 작동에 의해 풍력발전기의 날개(20)는 바람의 힘을 최대한 이용할 수 있음과 아울러 바람을 맞는 쪽으로 복귀하는 날개(20)에는 바람의 저항이 최소화되기 때문에 미풍에도 민감하게 반응하여 회전하게 되는 등 풍력 에너지 효율을 극대화시킬 수 있게 된다. 이는 곧 발전량을 증가시킬 수 있게되는 것이다.

만일 태풍과 같은 강한 바람이 불 경우에는 바람에 순응하여 도 3과 같이 날개(20)가 후측으로 회동하게 되어 많은 양의 바람을 그냥 흘려버려 저항을 줄여준다. 따라서 무리한 힘이 날개(20)에 작용하지 않기 때문에 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 유지되는 효과가 있다.

한편, 날개(20)가 강풍에도 안전하게 유지될 수 있으면서 바람의 이용율을 높이기 위해 스토퍼(30)를 부가적으로 설치할 수 있다.

스토퍼(30)는 'U'자형 지지프레임(12)의 하단에 브래킷(31)을 설치하고, 이에 날개(20)의 후측부까지 돌출되면서 회동이 자유롭게 축설된 작동구(32)와, 브래킷(31)에 탄력설치되어 작동구(32)가 한계이상의 힘이 가해지기 전까지는 후측으로 회동하지 않도록 탄성력을 가하는 스프링(33) 및 전방으로의 회전시 원위치로 복귀시키는 복귀스프링(34)으로 구성되어 있다. 이때 스프링은 미리 풍력에 따른 각 부분의 강도를 예측하여 그 강도에 적당하도록 텐션이 조절되어 있고, 또 복귀 스프링(34)은 단순히 작동구(32)를 복귀시킬 수 있을 정도의 약한 텐션을 갖도록 되어 있다.

이러한 구조에 의해 한계 이상으로 강풍(즉, 설정된 스프링(33)의 텐션 이상의 풍속)이 불 경우에는 날개(20)의 회전력에 의해 스토퍼(30)가 후측으로 젖혀지게 되므로 날개(20)는 바람의 방향으로 회전하여 저항을 최대한 줄여주게 된다. 따라서 과도하게 날개(20)가 회전함에 따른 손상 또는 파손을 방지할 수가 있다.

하지만 한계 이하의 풍속일 경우에는 조금도 회전하지 않기 때문에 대부분의 바람을 날개(20)의 회전력으로 변환시킬 수가 있다.

이러한 복잡한 구조의 스토퍼(30)를 단순하게 자석으로 구성할 수도 있다.

한편, 날개(20)는 대형화할수록 토크가 높아지기 때문에 발전효율을 높일 수가 있다. 하지만 날개(20)가 대형화되면 이와 비례하여 하중이 높아지게 되므로 각 날개(20) 프레임이나 횡축(11) 등과 같은 부분을 강도를 높여야 한다. 하지만 이는 하중의 증가를 초래하게 되므로 회전력의 손실을 가져오게 된다.

또 날개(20)의 크기를 대형화하면 다른 부분의 강도가 떨어지기 때문에 이를 보강해 주어야만 안전하게 원하는 토크를 얻을 수가 있다.

이를 가능하게 하기 위해 도 5와 같이 지면에 날개(20)의 회전궤도와 일치하는 레일(40)(26)을 형성하고, 'U'자형 지지프레임(12)의 하부에 레일(40)에 지지되는 지지롤러(41)를 설치하여 하중을 지지하도록 한다.

이러한 구조에 의해 날개(20)가 레일(40)에 지지되어 회전되기 때문에 날개(20)의 크기가 커지더라도 그 하중을 레일(40)이 지지하기 때문에 날개프레임(21)이나 횡축(11) 등 힘을 받는 부분을 날개(20)에 비례하여 강도를 보강할 필요가 없으므로 자중의 감소에 의해 큰 토크를 얻을 수 있다.

한편, 'U'자형 지지프레임(12)의 하부에 지지롤러(41)의 회전력을 전달받아회전 작동하는 소형 발전기(42)를 설치하게 되면 더욱더 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이때의 소형 발전기(42)의 전기는 레일(40)에 전선(43)을 설치하여 발전된 전기를 전선(43)을 통해 회수할 수가 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 풍력발전기의 날개에 의하면, 날개 내에 설치된 다수개의 비늘날개들이 바람이 정방향일 때에는 직립하여 최대한의 바람을 맞고, 역방향일 때에는 바람에 순응하는 방향으로 회전하여 바람의 저항을 최소화하기 때문에 풍력의 이용효율을 극대화할 수 있는 장점이 있고, 또 날개가 하부에 무게 중심이 있도록 설치되어 있고 보조적으로 한계이상의 힘이 가해질 때에는 회동하는 스토퍼가 장치되어 있어 태풍과 같이 강한 바람을 맞을 때에는 스토퍼를 벗어나 바람에 순응하는 방향으로 회동하여 바람의 저항을 최소화함로써 과도한 힘에 의한 풍력발전기의 날개가 파손되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 수직으로 세워진 축(10)의 상부에 방사형으로 횡설된 복수개의 횡축(11)을 갖고, 상기 횡축(11)들의 단부에 수직의 날개(20)를 설치하여 풍력에 의해 회전시 그 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시키는 풍력발전기의 날개에 있어서,

   상기 날개(20)는 횡축(11)단 상하로 회동가능하게 축결합되면서 무게중심이 하부에 위치하도록 하고,

   상기 날개(20) 내에는 날개프레임(21)의 상하부에 다수개의 샤프트(22)를 설치하여 이에 샤프트(22)의 간격보다 긴 길이의 비늘날개(23)를 회동가능하게 다수개 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 횡축(11)의 단부에 날개(20)를 지지하는 'U'자형 지지프레임(12)을 설치하고, 이 'U'자형 지지프레임(12) 내에 상기 날개(20)를 상하 회동가능하게 설치한 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
3. 제 1 항에 있어서, 지면에 상기 날개(20)의 회전궤도와 일치하는 레일(40)을 형성하고, 상기 날개(20)를 지지하는 'U'자형 지지프레임의 하부에 레일(40)에 지지되는 지지롤러(41)를 설치한 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 'U'자형 지지프레임(12)의 하부에 지지롤러(41)의 회전력을 전달받아 회전 작동하는 소형 발전기(42)를 설치한 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 날개(20)의 하부와 'U'자형 지지프레임(12)의 사이에 한계이상의 강풍이 불게 되면 날개(20)를 자유롭게 해주는 스토퍼(30)가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 스토퍼(30)는 자석인 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 날개.