KR200387389Y1 - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 길이가 다른 회전날개를 4개 설치하여 소량의 바람에도 큰 회전력을 생성하고 발전기의 자극과 전기자를 서로 역방향으로 회전하도록 한 풍력발전장치에 관한 것으로, 회전축 양단부에 각각 2개씩 총 2개의 날개(10,12,14,16); 제2, 제3 날개(12,14)의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하기 위한 제1 동력전달기구; 제1, 제4 날개(10,16)의 회전운동을 발전기(100)의 자극(120)에 전달하기 위한 제2 동력전달기구; 및 제1, 제2 동력전달기구를 통해 상기 날개(10,12,14,16)의 회전운동을 받아 전기자(110)와 자극(120)이 서로 반대방향으로 회전하면서 전기를 생산하는 발전기(100)를 포함한다.

Description

풍력발전장치{An electric generation device using a windmill}

본 고안은 풍력발전장치에 관한 것으로, 구체적으로는 길이가 다른 회전날개를 4개 설치하여 소량의 바람에도 큰 회전력을 생성하고 발전기의 자극과 전기자를 서로 역방향으로 회전하도록 한 풍력발전장치에 관한 것이다.

종래에도 다양한 구성의 풍력발전장치들이 있었는바, 본원과 관련된 종래의 기술로는 2000-76789호 풍차를 이용한 발전장치가 있다.

이 장치는 하우징내에 동심축상으로 배치되고 전방에 서로 역방향 회전하는 제1, 2 회전날개부가 설치되고 이들 회전력으로 전기를 생성하는 제1, 제2 발전기로 이루어져 있지만, 이 구성에 의하면 풍력발전장치는 하나의 하우징에 2개의 제1, 제2 회전날개부가 설치되고, 제1, 2 발전기를 이용해 발전량을 배가하는 장점은 있으나, 복수개의 발전기가 설치되어야 하므로 설치비가 증가되고 유지관리가 어려운 문제점이 있었다.

또, 2002년 3월 11일 출원된 특허출원 2002-12965호의 풍력발전장치가 있는데, 이 장치는 2개의 날개의 회전력을 1개의 발전기의 자극과 전기자에 서로 역방향으로 전달하도록 함으로써 발전효율을 배가시키면서도 유지관리를 용이하게 하도록 하고 있다. 풍차를 이용한 발전장치의 경우, 항상 풍차, 즉 회전날개의 방향이 바람의 방향을 마주보도록 해야 하지만, 상기 특허출원과 같은 종래의 구성에서는 방향타를 설치하는 경우가 많은데, 이 경우 바람의 방향을 정면으로 마주보도록 적극적으로 회전날개의 방향을 조정하기가 어려웠고, 또한 2개의 회전날개로는 미풍일 경우 회전력이 발생하지 않는 문제가 있었다.

본 고안은 종래의 이와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 회전날개를 순차적으로 길게 하여 4개 설치함으로써 미풍에도 쉽게 초기회전이 발생토록 함은 물론 4개의 회전날개의 회전방향을 서로 정반대로 하여 회전력이 발전기의 자극과 전기자에 서로 반대방향으로 전달되도록 함으로써 발전효율도 극대화하는 풍력발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 이와 같은 목적은, 바람의 방향을 따라 회전하도록 지지기둥(1) 상단에 설치된 하우징(3)에 설치된 회전축 단부에 설치된 날개에 의한 회전운동을 이용해 발전하는 풍차발전장치에 있어서:

상기 회전축의 전단부에 설치된 가장 짧은 길이의 제1 날개(10);

상기 제1 날개(10)의 뒷쪽에 일정 간격을 두고 제1 날개와 반대방향으로 회전하도록 회전축에 설치되며, 제1 날개(10)보다 긴 제2 날개(12);

상기 하우징(3)을 사이에 두고 제2 날개(12) 반대쪽으로 제2 날개(12)와 동일한 방향으로 회전하도록 회전축에 설치되며, 제2 날개(12)보다 긴 제3 날개(14);

상기 제3 날개(14)의 후방에 일정 간격을 두고 제3 날개(14)와 반대방향으로 회전하도록 회전축에 설치되며, 제3 날개(14)보다 긴 제4 날개(16);

상기 제2, 제3 날개(12,14)의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하기 위한 제1 동력전달기구;

상기 제1, 제4 날개(10,16)의 회전운동을 발전기(100)의 자극(120)에 전달하기 위한 제2 동력전달기구; 및

상기 제1, 제2 동력전달기구를 통해 상기 날개(10,12,14,16)의 회전운동을 받아 전기자(110)와 자극(120)이 서로 반대방향으로 회전하면서 전기를 생산하는 발전기(100);를 포함하는 풍력발전장치에 의해 달성된다.

본 고안에 따른 풍력발전장치에 있어서, 제1 내지 제4 날개(10,12,14,15)의 각각의 날개 길이(l₁,l₂,l₃,l₄)의 비가 1 : 1.2 : 3.8 : 4인 것이 바람직하다.

또, 상기 제1 동력전달기구는 지지기둥(1)의 내벽면에 베어링에 의해 회전 가능하게 장착된 아이들기어(G1), 제2 날개(12)의 회전축(S2)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 아이들기어(G1)와 맞물리는 기어(G2), 제3 날개(14)의 회전축(S3)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 기어(G2)와 반대쪽에서 아이들기어(G1)와 맞물리는 기어(G3), 상기 아이들기어(G1)의 하부에서 아이들기어에 맞물려 회전하는 피동기어(G4), 및 피동기어(G4) 중심에 설치되어 피동기어의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하는 회전축(S4)으로 구성되고;

상기 제2 동력전달기구(30)는 아이들기어(G1)와 동심으로 베어링에 의해 지지축에 회전가능하게 장착된 제2 아이들기어(G5), 제1, 제4 날개(10,16)의 회전축(S1)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 아이들기어(G5)와 맞물리는 기어(G6), 상기 아이들기어(G5)의 하부에서 아이들기어에 맞물려 회전하는 피동기어(G7), 및 피동기어(G7) 중심에 설치되어 피동기어의 회전운동을 발전기(100)의 자극(120)에 전달하는 회전축(S5)으로 구성되어;

발전기(100)의 전기자(110)와 자극(120)이 제1 및 제2 동력전달기구에 의해 서로 반대방향으로 회전하는 것이 더 바람직하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 고안에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 풍력발전장치의 개략도이다.

종래의 풍차발전장치와 마찬가지로, 바람의 방향을 따라 회전하도록 지지기둥(1) 상단에 하우징(3)이 설치되고, 이 하우징에 회전날개의 회전축과 기타 동력전달기구가 설치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 고안의 풍력발전장치는 하우징(3)을 중심으로 전방에 2개의 날개(10,12), 후방에 2개의 날개(14,16)가 각각 설치된다. 이들 4개의 날개는 전방에서 후방으로 갈수록 점점 길어지는데, 그 길이에 대한 자세한 설명은 후술한다. 즉, 최전방의 제1 날개(10)보다 후방의 제2 날개(12)가 더 길고, 제2 날개(12)보다 제3 날개(14)가 더 길며, 제4 날개(16)가 가장 길다.

이와 같이 길이가 점점 길어지는 4개의 회전날개를 순차적으로 회전축에 설치하면, 날개의 길이가 짧아 바람에 대한 저항이 작은 날개로부터 저항이 큰 날개가 순차적으로 배치된다. 이렇게 날개를 배치하면, 미풍에도 저항이 작은 제1 날개(10)가 회전하게 되어 저항이 큰 후방 날개의 회전의 시동을 하는데 큰 도움이 된다.

일반적으로, 풍력발전장치는 바람이 많은 도서지방이나 산악지방에 설치하는 것이 일반적이다. 또한, 동일한 풍력에 대해 큰 회전력을 얻으려면 날개의 길이를 가능한한 크게 해야만 한다. 그러나, 풍력발전장치가 설치되는 곳이 기본적으로 접근이 곤란하고 험악한 산악지방이나 도서지방이므로 길이가 아주 긴 대형날개는 그 운반과 설치에 많은 비용이 들고 곤란할 수 밖에 없다. 따라서, 동일한 회전력을 얻을 수 있으면서도 가능한한 회전날개의 길이를 짧게 할 수 있으면 운반이 쉽고 설치가 용이하여 바람직할 것이다. 이 문제를 해결하기 위해, 본원고안은 풍차의 날개를 4개로 한 것이다. 또한, 종래와 같이 하우징을 중심으로 한쪽에 무게가 많이 나가는 대형 날개를 설치하면, 그 중량을 지지하기 위해 지지기둥도 더 보강해야 되고 편심하중이 작용하는 문제가 생긴다. 그러나, 본원과 같이 하우징을 중심으로 날개를 양쪽에 배치하면 편심하중 문제도 어느정도 해소할 수 있다.

또, 제1 날개와 제4 날개(10,16)는 동일한 방향으로 회전하고, 제2 날개와 제3 날개(12,14)는 반대방향으로 회전하도록 설치된다. 즉, 제1, 제4 날개(10,16)가 시계방향으로 회전하면, 제2, 제3 날개(12,14)는 반시계방향으로 회전한다. 이런 날개의 회전방향은 날개 블레이드의 각도를 서로 반대로 하면 간단히 이루어지므로, 이에 대한 설명은 생략한다. 이를 위해, 제1, 제4 날개(10,16)는 가급적 그 회전축을 공유하는 것이 바람직하다. 또, 제1, 제4 날개의 회전축과 제2, 제3 날개의 회전축은 동심으로 배치된다.

또, 제3, 제4 날개는 회전력을 생성함은 물론, 종래의 풍차의 방향타 역할도 한다. 즉, 제3, 제4 날개가 존재하기 때문에 항상 풍차는 바람의 방향에 정면을 향하게 된다.

한편, 제1, 제2 날개(10,12) 사이의 간격과 제3, 제4 날개(14,16) 사이의 간격은 전방의 날개에 의해 후방에 생긴 와류가 후방의 날개의 회전에 도움을 줄 정도의 간격을 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 제1 날개(10)에서 생긴 와류는 제2 날개(12)를 제1 날개와는 반대방향으로 회전시키는 영향을 주므로, 구조적으로 제1 날개와 반대방향으로 회전하는 제2 날개의 회전력을 상승시키게 된다. 물론, 이런 와류의 영향은 제3, 제4 날개(14,16) 사이에도 동일하게 미치게 된다.

도 2는 이와 같은 날개의 길이관계를 나타낸 도면이다.

제1 날개 내지 제4 날개(10,12,14,16)의 회전축부터의 길이를 각각 l₁, l₂, l₃,l₄라 하자. 본 고안자의 수많은 실험에 의하면, 이들 길이의 비는 l₁, : l₂ : l₃ : l₄ = 1 : 1.2 : 3.8 : 4인 것이 가장 바람직하다. 길이비를 이렇게 할 경우, 전술한 앞쪽 날개에서 생긴 와류가 뒷쪽 날개의 회전에 미치는 영향이 최적화됨을 알 수 있었다.

다음, 도 3을 참조하여 회전날개의 동력전달구조에 대해 자세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 회전날개는 제1, 제4 날개(10,16)와 제2, 제3 날개(12,14)가 서로 역방향으로 회전하므로, 이들 각각의 회전전달구조를 제1 동력전달기구와 제2 동력전달기구로 구분하여 설명한다.

제1 동력전달기구는 제2, 제3 날개(12,14)의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하기 위한 것이고, 제2 동력전달기구는 제1, 제4 날개(10,16)의 회전운동을 발전기(100)의 자극(120)에 전달하기 위한 것이다. 물론, 그 역도 가능하다.

제1 동력전달기구는 지지기둥(1)의 내벽면에 베어링에 의해 회전 가능하게 장착된 아이들기어(G1), 제2 날개(12)의 회전축(S2)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 아이들기어(G1)와 맞물리는 기어(G2), 제3 날개(14)의 회전축(S3)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 기어(G2)와 반대쪽에서 아이들기어(G1)와 맞물리는 기어(G3), 상기 아이들기어(G1)의 하부에서 아이들기어에 맞물려 회전하는 피동기어(G4), 및 피동기어(G4) 중심에 설치되어 피동기어의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하는 회전축(S4)으로 구성된다. 이와 같이, 제2, 제3 날개의 회전력이 양쪽의 기어(G2,G3)에 의해 동일한 아이들기어(G1)에 전달되므로 아이들기어(G1)를 양쪽에서 동일한 방향으로 회전시키는 효과가 생기게 되어 회전력 전달효과가 상승된다.

제2 동력전달기구는 아이들기어(G1)와 동심으로 베어링에 의해 지지축에 회전가능하게 장착된 제2 아이들기어(G5), 제1, 제4 날개(10,16)의 회전축(S1)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 아이들기어(G5)와 맞물리는 기어(G6), 상기 아이들기어(G5)의 하부에서 아이들기어에 맞물려 회전하는 피동기어(G7), 및 피동기어(G7) 중심에 설치되어 피동기어의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(120)에 전달하는 회전축(S5)으로 구성된다.

설명의 편의상, 도면에는 여러 회전축을 회전지지하기 위한 베어링 구조는 당업자라면 알 수 있는 것이므로 생략하였다. 또, 전술한 기어구조는 베벨기어가 바람직하다. 또, 전기자와 자극의 회전구조도 당업자라면 잘 알 수 있으므로, 그 자세한 설명은 생략한다.

이와 같이, 발전기(100)의 전기자(110)와 자극(120)은 제1 및 제2 동력전달기구에 의해 서로 반대방향으로 회전하면서 전기를 발생하게 된다.

예컨대, 전기자만 회전하여 발전하는 발전기에서 전기자가 초당 10회 회전하여 발생하는 전기가 1kw라고 가정하면, 본원고안의 발전기의 경우 전기자가 시계방향으로 초당 10회 회전하고 자극이 반시계방향으로 초당 10회 회전하게 되어 총 20kw를 발전하게 된다.

따라서, 동일한 구조에서 발전량을 배가할 수 있고, 동일 발전량을 생산할 경우 발전기의 용량을 줄일 수 있어 풍차에 걸리는 부하를 줄일 수 있다.

이와 같이 구성된 본 고안에 의하면, 지지기둥을 중심으로 양쪽에 2개씩 총 4개의 회전날개를 배치하게 되므로, 종래에 비해 회전날개의 각각의 길이와 중량을 경감할 수 있어, 험난한 지형까지 운반하기가 쉽고 설치도 용이하다. 또한, 지지기둥 양쪽에 회전날개를 배치하므로, 편심에 의해 생기는 문제를 상당히 경감할 수 있다.

또, 전기자와 자극을 서로 역방향으로 회전시킬 수 있어, 회전수의 배가에 의한 발전효율의 극대화를 구현할 수 있다.

도 1은 본 고안에 따른 풍력발전장치의 개략도;

도 2는 본 고안에 따른 풍력발전장치의 회전날개의 길이관계를 보여주는 개략도;

도 3은 풍력발전장치의 회전력을 발전기에 전달하는 동력전달기구의 상세도.

Claims (3)

1. 바람의 방향을 따라 회전하도록 지지기둥(1) 상단에 설치된 하우징(3)에 설치된 회전축 단부에 설치된 날개에 의한 회전운동을 이용해 발전하는 풍차발전장치에 있어서:

   상기 회전축의 전단부에 설치된 가장 짧은 길이의 제1 날개(10);

   상기 제1 날개(10)의 뒷쪽에 일정 간격을 두고 제1 날개와 반대방향으로 회전하도록 회전축에 설치되며, 제1 날개(10)보다 긴 제2 날개(12);

   상기 하우징(3)을 사이에 두고 제2 날개(12) 반대쪽으로 제2 날개(12)와 동일한 방향으로 회전하도록 회전축에 설치되며, 제2 날개(12)보다 긴 제3 날개(14);

   상기 제3 날개(14)의 후방에 일정 간격을 두고 제3 날개(14)와 반대방향으로 회전하도록 회전축에 설치되며, 제3 날개(14)보다 긴 제4 날개(16);

   상기 제2, 제3 날개(12,14)의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하기 위한 제1 동력전달기구;

   상기 제1, 제4 날개(10,16)의 회전운동을 발전기(100)의 자극(120)에 전달하기 위한 제2 동력전달기구; 및

   상기 제1, 제2 동력전달기구를 통해 상기 날개(10,12,14,16)의 회전운동을 받아 전기자(110)와 자극(120)이 서로 반대방향으로 회전하면서 전기를 생산하는 발전기(100);를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 내지 제4 날개(10,12,14,15)의 각각의 날개 길이(l₁,l₂,l₃,l₄)의 비가 1 : 1.2 : 3.8 : 4인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 제1 동력전달기구는 지지기둥(1)의 내벽면에 베어링에 의해 회전 가능하게 장착된 아이들기어(G1), 제2 날개(12)의 회전축(S2)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 아이들기어(G1)와 맞물리는 기어(G2), 제3 날개(14)의 회전축(S3)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 기어(G2)와 반대쪽에서 아이들기어(G1)와 맞물리는 기어(G3), 상기 아이들기어(G1)의 하부에서 아이들기어에 맞물려 회전하는 피동기어(G4), 및 피동기어(G4) 중심에 설치되어 피동기어의 회전운동을 발전기(100)의 전기자(110)에 전달하는 회전축(S4)으로 구성되고;

   상기 제2 동력전달기구는 아이들기어(G1)와 동심으로 베어링에 의해 지지축에 회전가능하게 장착된 제2 아이들기어(G5), 제1, 제4 날개(10,16)의 회전축(S1)에 이 회전축과 함께 회전하도록 장착되어 아이들기어(G5)와 맞물리는 기어(G6), 상기 아이들기어(G5)의 하부에서 아이들기어에 맞물려 회전하는 피동기어(G7), 및 피동기어(G7) 중심에 설치되어 피동기어의 회전운동을 발전기(100)의 자극(120)에 전달하는 회전축(S5)으로 구성되어;

   상기 발전기(100)의 전기자(110)와 자극(120)이 제1 및 제2 동력전달기구에 의해 서로 반대방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.