KR200221659Y1 - 상반회전날개를 갖는 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 풍력발전기의 회전자와 고정자에 각각 상반된 회전방향을 갖는 정회전날개 및 역회전날개를 부착하여 발전효율을 높이고, 중량을 감소시킴으로써 초기 기동시 정회전날개 및 역회전날개에 걸리는 부하를 줄일 수 있도록 한 상반회전날개를 갖는 풍력발전기에 관한 것으로, 날개의 비틀림각이 각각 정부(正負) 방향으로 설정되어 서로 상반된 회전방향을 갖는 정회전날개(50)와 역회전날개(60)를 지지체(80)에 의해 회전안내되는 정회전체(30)와 역회전체(40)를 매개로 고정자(20)와 회전자(24)에 각각 설치하여 고정자(20)와 회전자(24)가 서로 상반회전되도록 구성한 것이다.

Description

상반회전날개를 갖는 풍력발전기{wind mill generator with reciprocal rotating propeller}

본 고안은 상반회전날개를 갖는 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 회전자와 고정자에 각각 상반된 회전방향을 갖는 정회전날개 및 역회전날개를 부착하여 발전효율을 높이고, 중량을 감소시킴으로써 초기 기동시 정회전날개 및 역회전날개에 걸리는 부하를 줄일 수 있도록 한 상반회전날개를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 전기에너지는 석유나 석탄을 원료로 하는 화력발전, 수위차를 이용한 수력발전, 우라늄이나 플루토늄을 이용한 원자력발전 등에 의해 거의 대부분의 전력을 충당받고 있다.

이와 같은 화력발전은 증기터빈으로 공급되는 고압의 증기를 발생시키기 위해 석유나 석탄을 연소시키게 되는데, 이때 막대한 양의 매연이 발생되면서 대기를 오염시키게 되었으며, 수력발전은 다른 발전방식에 비해서 대기를 오염시키지는 않으나 상류지역의 침수비해, 생태계 파괴 등의 부작용을 발생시키게 되었고, 원자력발전은 방사능 폐기물에 의한 방사능오염, 방사능누출사고에 의한 대형 인명피해 등이 염려되었다.

이에 따라 환경친화적인 대체에너지를 개발하기 위하여 많은 연구가 이루어지고 있는데, 그 일예로 조수간만의 차를 이용한 조력발전, 파고 차를 이용한 파력발전, 바람을 이용한 풍력발전, 태양열을 이용한 태양열발전, 태양광을 이용한 태양전지발전, 연료로부터 직접 전기에너지를 얻어내는 연료전지발전 등이 있다.

이중 바람을 이용한 풍력발전은 회전날개를 교류나 직류발전기의 회전자에 연결하고, 고정자는 지주 위에 고정하여 바람의 힘에 의해 회전자를 회전시켜서 발전하도록 된 것이었다.

그러나, 이와 같은 일반화된 풍력발전기는 회전날개를 통과한 바람에는 아직 여분의 풍력이 존재함에도 불구하고, 그대로 통과시키는 구조로 되어 있었기 때문에 에너지 변환효율이 현저하게 떨어지는 문제점이 있었다.

이와 같은 에너지 변환효율에 대한 문제점을 해결하기 위하여 종래에 회전자의 축에 여러 개의 회전날개를 설치하여 발전효율을 높이기 위한 풍력발전기가 고안되었으나 회전날개가 모두 일체로 되어 동시에 회전되는 구조로 되어 있었기 때문에 전체적인 중량이 증대되어 정지된 상태에서 기동하는 초기 기동부하가 크게 되고, 이에 따라 다소 약한 바람에는 회전날개가 아예 움직이지 않게 되는 문제점이 있었다.

또한, 다소 강한 바람이 불더라도 초기 회전시 선두에 있게 되는 회전날개에 전달되는 풍력에 의해 뒤에 있는 회전날개들이 모두 동일방향으로 회전되는 구조로 되어 있었기 때문에 뒤에 있는 회전날개에 미처 바람이 부딪치지 못하고 지나치는 현상이 발생되면서 전체적으로는 회전력을 저하시키고, 오히려 발전효율을 떨어뜨리게 되는 문제점을 가지고 있었다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 풍력발전시 발전효율을 보다 높일 수 있고, 회전날개 수량의 증대에 따른 중량의 증대를 최소화할 수 있는 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 제공함에 있다.

이러한 본 고안의 목적을 달성하기 위하여 날개의 비틀림각이 각각 정부(正負) 방향으로 설정되어 서로 상반된 회전방향을 갖는 정회전날개와 역회전날개를 지지체에 의해 회전안내되는 정회전체와 역회전체를 매개로 고정자와 회전자에 각각 설치하여 고정자와 회전자가 서로 상반회전되도록 구성하여 상반회전날개를 갖는 풍력발전기가 제공된다.

도 1 은 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수평형에 적용한 실시예를 나타낸 사시도

도 2 는 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수평형에 적용한 실시예를 나타낸 분해사시도

도 3 은 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수평형에 적용한 실시예를 나타낸 단면도

도 4 는 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수평형에 적용한 실시예에서 도3의 요부를 확대한 단면도

도 5 는 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수직형에 적용한 실시예를 나타낸 사시도

도 6 은 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수직형에 적용한 실시예를 나타낸 분해사시도

도 7 은 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수직형에 적용한 실시예를 나타낸 단면도

도 8 은 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기를 수직형에 적용한 실시예에서 도7의 요부를 확대한 단면도

도 9 는 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

20 : 고정자 24 : 회전자

30 : 정회전체 40 : 역회전체

50 : 정회전날개 60 : 역회전날개

55,65 : 컵 80 : 지지체

이하 본 고안에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도1 내지 도4는 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기가 수평형에 적용된 실시예를 나타낸 것으로, 이에 도시된 바와 같이 날개의 비틀림각이 각각 정부(正負) 방향으로 설정되어 서로 상반된 회전방향을 갖는 정회전날개(50)와 역회전날개(60)를 지지체(80)에 의해 회전안내되는 정회전체(30)와 역회전체(40)를 매개로 고정자(20)와 회전자(24)에 각각 설치하여 고정자(20)와 회전자(24)가 서로 상반회전되도록 구성하였다.

여기서 고정자(20)는 역회전체(40)와 함께 회전되는 것이며, 일반적인 직류나 교류발전기에서 칭하는 '고정자'이며, 회전자(24) 또한 정회전체(30)와 함께 회전되고, 일반적인 직류나 교류발전기에서 칭하는 '회전자'를 지칭하는 것이다.

상기 정회전체(30)는 플랜지볼트(31)에 의해 결합되는 축(32)과, 회전반(34)으로 구성되며, 여기서 축(32)은 지지체(80)를 구성하고 있는 하우징(82)의 중심에서 축의 직각방향으로의 운동에 구속을 받으면서 회전되도록 설치되어 역회전체(40)와 동일한 회전중심을 갖고 회전될 수 있도록 구성하였다.

또한, 정회전체(30)의 앞부분은 상기 축(32)에 형성된 플랜지부(33)에 고정되어 있는 회전반(34)에 의해 지지되며, 이 회전반(34)과 역회전체(40) 사이에는 전방측 드러스트베어링(70)과 전방측 레이디얼베어링(72)이 개재되어 역회전체(40)의 축방향운동과 축의 직각방향운동을 구속하면서 회전되도록 구성하였다.

상기 지지체(80)는 지상이나 건물 등에 수직으로 고정되는 지주(83)와, 이 지주(83)의 상단부에 용접되는 헤드(84), 고정볼트(86)에 의해 헤드(84)의 앞부분에 고정되는 하우징(82)으로 구성되며, 이 하우징(82)의 앞부분에는 후방측 드러스트베어링(76)과 후방측 레이디얼베어링(78)에 의해 역회전체(40)가 축방향과 축의 직각방향으로의 운동에 구속을 받으면서 회전되도록 구름결합되어 있다.

상기 정회전날개(50)는 와셔(26)와 너트(27)에 의해 정회전체(30)를 구성하고 있는 축(32)의 선단부에 고정되며, 역회전날개(60)는 역회전체(40)의 외주면에 고정된다.

또한, 정회전날개(50) 및 역회전날개(60)는 서로의 비틀림각이 반대방향으로 설정되어 있기 때문에 동일방향으로 부는 바람에 놓이는 경우 서로 반대방향으로 회전되며, 각각은 발전기의 정회전체(30)와 역회전체(40)에 고정되어 있기 때문에 서로 상반된 회전을 하기 때문에 발전기의 속도는 배가되면서 발전효율이 증대된다.

또, 정회전날개(50)와 역회전날개(60)의 날개수는 예를 들어서, 각각 4개가 되도록 구성하였으나 꼭 이러한 날개의 개수에 한정하지 않으며, 3개 이상의 복수의 날개로 구성할 수 있으며, 에너지 변환효율을 향상시키기 위하여 정회전날개(50)와 역회전날개(60)의 개수를 서로 차이가 나도록 구성할 수도 있고, 회전반경을 서로 다르게 구성할 수도 있다.

상기 축(32)의 선단에는 전방측에서 불어오는 바람을 날개쪽으로 유도하기 위한 콘(35)에 설치되어 있으며, 그 중간에는 회전자(24)가 설치되고, 역회전체(40)에는 이 회전자(24)와 일정한 간극을 이루는 고정자(20)가 설치되어 서로 상반회전된다.

그리고, 상기 전방측 드러스트베어링(70)과 후방측 드러스트베어링(72)은 각각 역회전체(40)의 전후면으로의 밀착을 위해 전방측 베어링커버(74)와 후방측 베어링커버(79)에 의해 밀착되며, 이들 전방측 베어링커버(74)와 후방측 베어링커버(79)는 렌치볼트(71)(77)에 의해 역회전체(40)의 전후면에 고정된다.

상기 샤프트베어링(37)은 커버볼트(89)에 의해 상기 하우징(82)의 후면에 밀착되는 베어링커버(88)에 의해 고정되며, 헤드(84)의 중심을 통과한 축(32)의 끝부분은 스크류(87)에 의해 헤드(84)의 내측 후면에 고정되는 내측커버(81)에 의해 보호되고, 헤드(84)의 외측 후면에는 외측커버(85)가 씌워져서 먼지나 기타 이물질이 헤드(84) 내부로 유입되는 것을 방지하였다.

상기 전방측 레이디얼베어링(72)과 후방측 레이디얼베어링(78)은 상기 역회전체(40)의 전후면에 형성된 걸림턱과, 하우징(82)의 전면과 역회전체(40)의 후면에 각각 형성된 걸림턱에 의해 내륜과 외륜이 지지되면서 축방향과 축의 직각방향으로의 움직임에 구속을 받으면서 회전되도록 구성하였다.

도면중 부호 100은 상기 축(32)에 설치된 정류자를 나타낸 것이고, 120은 이 정류자(100)에 접촉하여 회전자(24)에서 발생된 전력을 외부로 인출하기 위한 브러쉬를 나타낸 것이며, 32a는 축(32)의 선단부에 형성되어 콘(35)을 고정하기 위한 나사부를 나타낸 것이고,

첨부도면 도5 내지 도8은 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기가 수직형에 적용된 실시예를 나타낸 것으로, 이에 도시된 바와 같이 수평형과 발전기내부구조는 동일하나 발전기를 지주(70) 위에 수직으로 설치하고, 정회전날개(50)와 역회전날개(60)를 비틀림형이 아닌 끝부분에 반구형의 컵(55)(65)을 서로 반대방향으로 향하도록 설치하고, 회전중심을 수직으로 둔 것이 다르며, 지주(83)의 상단부와 헤드(84)의 하단부에 가각 플랜지(152)(154)를 용접하고, 이들을 다수의 볼트(150)와 너트(156)에 의해 플랜지이음한 점이 다르다.

첨부도면 도9는 본 고안에 따른 상반회전날개를 갖는 풍력발전기의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 회전자(24)를 구성하고 있는 축(32)이 지주(83) 위의 헤드(84)를 관통하여 후방측으로 연장되며, 정회전날개(50)가 이 축(32)의 후단부에 고정되고, 역회전날개(60)는 역회전체(40)에 고정되는 구조로 구성하였다.

한편, 상기 정ㆍ역회전체(30)(40)와 정ㆍ역회전날개(50)(60) 사이에 변속장치(도시 않됨)를 구비하여 정회전날개(50)와 역회전날개(60)로부터 발생되는 회전력이 가속되거나 감속되어 회전자(24)와 고정자(20)로 전달될 수 있도록 구성할 수 있으며, 이는 일반적인 변속장치를 부착하는 것으로, 구성이 가능하다.

이하 본 고안에 따른 작용을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도1 내지 도4에 도시된 바와 같이 도면중 화살표방향으로 바람이 불어서 앞쪽에 위치한 정회전날개(50)에 부딪치게 되면, 이 정회전날개(50)가 풍력에 의해 정방향으로 회전되고, 이에 연결되어 있는 정회전체(30)가 동일방향인 정방향으로 회전된다.

즉, 정회전체(30)를 구성하고 있는 축(32)과, 회전반(34)이 회전되면서 동시에 콘(35)과 정회전날개(50), 회전자(24)가 모두 함께 정방향으로 회전된다.

그리고, 앞쪽에 위치한 정회전날개(50)를 지나친 바람이 뒤쪽에 있는 역회전날개(60)에 부딪치게 되면, 이 역회전날개(60)가 풍력에 의해 역방향으로 회전되고, 이에 연결되어 있는 역회전체(40)와 고정자(20)가 모두 역방향으로 회전된다.

즉, 앞쪽과 뒤쪽에 있는 정회전날개(50) 및 역회전날개(50)가 서로 상반회전되면서 이들에 각각 연결되어 있는 정회전체(30)와 역회전체(40) 그리고 회전자(24)와 고정자(20)가 서로 상반된 방향으로 회전되면서 그 속도가 배가되고 발전효율이 증대된다.

이때 역회전체(40)와 회전반(34) 사이에 개재되어 있는 전방측 드러스트베어링(70)과 전방측 레이디얼베어링(72)은 서로에 대한 축방향움직임과 축의 직각방향에 대한 움직임을 구속하면서 부드럽게 회전될 수 있도록 안내하는 작용을 하게 되며, 역회전체(40)와 하우징(82)의 사이에 개재되어 있는 후방측 드러스트베어링(76)과 후방측 레이디얼베어링(78)도 역회전체(40)의 축방향 움직임과 축의 직각방향에 대한 움직임을 구속하면서 회전될 수 있도록 안내하는 작용을 하게 된다.

한편, 첨부도면 도5 내지 도8에 도시된 바와 같이 정회전날개(50)와 역회전날개(60)의 상반회전에 의해 정회전체(30)와 역회전체(40)가 서로 상반회전되면서 회전자(24)와 고정자(20)가 서로 반대방향으로 회전되어 발전되는 원리는 수평형과 동일하며, 다만 바람에 의해 풍력을 받아서 서로 반대방향으로 회전되는 정회전날개(50)와 역회전날개(60)에 달린 컵(55)(65)이 서로 반대방향으로 설치되어 있기 때문에 풍향이 수시로 변화되는 경우 정회전날개(50)와 역회전날개(60)가 교번회전되거나 동시에 서로 다른 방향으로 회전되어 발전효율을 높이게 된다.

그리고, 도9에 도시된 또 다른 실시예에서는 기본적인 발전원리는 앞서 설명한 수평형과 동일하며, 다만 정회전날개(50)가 후미에 위치된 점이 다르다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 고안은 정회전체와 역회전체에 설치된 정회전날개 및 역회전날개가 서로 상반된 방향으로 회전되도록 분리되어 있고, 날개의 비틀림각이 서로 반대방향으로 설정되어 있기 때문에 회전체의 중량이 감소되어 초기 기동시 정회전날개 및 역회전날개에 걸리는 부하가 줄어들어 다소 약한 바람에도 효과적으로 발전이 가능하게 되며, 선두에 있는 정회전날개를 통과한 바람이 다시 뒤쪽에 있는 역회전날개에 부딪치면서 풍력을 전달하는 구조로 되어 있고, 정회전날개 및 역회전날개가 서로 반대방향으로 회전되도록 구성되어 있기 때문에 발전효율을 보다 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 풍력에 의해 고정자(20)와 회전자(24)의 상대운동으로 발전하는 풍력발전기에 있어서, 날개의 비틀림각이 각각 정부(正負) 방향으로 설정되어 서로 상반된 회전방향을 갖는 정회전날개(50)와 역회전날개(60)를 지지체(80)에 의해 회전안내되는 정회전체(30)와 역회전체(40)를 매개로 고정자(20)와 회전자(24)에 각각 설치하여 고정자(20)와 회전자(24)가 서로 상반회전되도록 구성한 것을 특징으로 하는 상반회전날개를 갖는 풍력발전기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 정회전날개(50)와 역회전날개(60)에는 반구형의 컵(55)(65)이 서로 반대방향을 설치되고, 회전중심이 수직인 것을 특징으로 하는 상반회전날개를 갖는 풍력발전기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 정ㆍ역회전체(30)(40)와 정ㆍ역회전날개(50)(60) 사이에 변속장치가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 상반회전날개를 갖는 풍력발전기.