KR20040089420A - 플라이휠을 이용한 에너지 극대화 발전기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터와 발전기와 플라이휠과 제어회로에 관한 것으로 특히 플라이휠 장치의 관성에 법칙과 원심력을 이용하여, 양질의 전기에너지인 발전효율을 높이는데 주안점을 두었다.

본 발명은, 전기적 에너지를 회전체의 플라이휠에 운동에너지를 발전기를 통하여 다시 전기에너지로 변환하여 사용할 수있도록 하는 플라이휠 에너지 발전장치에 관한 것이다.

교류/직류전동기와 교류/직류발전기를 동일한 이론을 적용하는 것은 물론 구조에 있어서도 교류/직류 전동기와 같게 하므로서, 전동기/발전기를 플라이휠 에너지 발전장치에서 회전축을 설치하는 구조를 채택함으로써, 상기 에너지 의 발생효과를 극대화시키고 전기를 생산하는데 있어 대용량화를 용이하며, 플라이휠 회전축 반경 방향으로의 안정성이뛰어나 회전축 또한 본 발명에서 제시된 수평축 플라이휠 에너지 저장장치를 대용량화할 경우, 대용량 플라이휠 에너지 설비의 안전성 확보가 용이하고 조립 설치 공정이 쉬워 건설비가 상대적으로 저렴하게 들며, 또한 기존 설비에 적절한 플라이휠과 베어링, 전동/발전기를 1/1수평 방향으로 연결하는 방법으로 쉽게 할 수 있어 안전성 및 경제성을갖는 것이다. 본 발명품은 현재 사용중인 소형모터에서 대형모터까지의 원리를 이용하여 전력을 발생시키는 것에 착안하여 플라이휠에 원심력과 무동력으로 저속에서 고속까지 최저전력등 무한대까지 전력을 발생할 수 있는 원리이다.

현지 국내에서 사용중인 모든전력을 동력을 이용하여 각가정, 산업체, 사무실, 각분야에 사용함으로 국가적으로 많은 외화가 낭비되고 에너지 손실이 막대한 것으로 생각됩니다.

현존하는 물리학의 에너지 보존의 법칙에 있어서는, 외부에서 에너지 공급없이 자체의 힘으로 일을 계속하는 영구기관은 불가능하다는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한, 본 발명인 에너지 발전장치는 에너지(energy)보존의 법칙에서 있을 수 없다는 물리학 개념을 바꿀 수 있는 것으로서, 인간이 소망하는 전기에너지를 극대화 시킬수 있는 발전장치를 발명하고자 하는 것이다.

본 발명은 외부에서 에너지를 100을 인가해 주었을때 출력단자를 통하여 150이상 전력을 생산할수 있는 발전시스템으로 효율이 150%이상 됨으로 대체에너지로써의 소비수요가 크다.

이 발명품은 환경문제를 일으키지 않으며, 우리에게 필요한 에너지를 장기간 얻을 수 있다. 특히 구조가 간단하고, 저용량 일경우 소형으로 만들 수 있으며, 휴대용 발전기, 전기전자제품, 조명, 통신...기타등등에 이용할수 있는 발명품이다.

본 발명은 소비한 에너지에 상당한 에너지를 재창출할 수 있는 발전기 장치를 만들고 나아가서는 1이라는 힘을 사용하여그 이상의 힘을 창출 할 수 있는 획기적인 발전기를 만드는데 있다.

종래의 발전기에 있어서는 전동기의 반대원리를 하는 발전장치의 회전자와 고정자의 어느한쪽에 영구자석이나 혹은 코일을 효율에 따라 선택적으로 내장케 하고 발전기의 회전자를 외부 힘인 증기터빈이나 내연기관으로 강제순환 시켜 영구자석이 코일의 주변을 돌면서 코일에서 전류를 얻는데 있다. 그런데 많은량의 전력을 얻기 위해서는 발전기 회전자에 코일이나 영구자석을 선택적으로 만이 내장하여야 하고 그에따라 발전기 회전자의 무게가 상대적으로 무거워져야 하고 그 회전자를 강제 구동케하는 원동력도 상대적으로 커져야 하는데 그 원동력이 구동됨에 있어 원동력 자체마찰과 발전기 회전자의 무게와 그에 따른 마찰력등에 불필요한 원동력의 에너지를 낭비하여 본래 목적인 순수한 발전에 사용하지 못하는 단점등이 있어 소비한 에너지에 비해 효율이 상대적으로 낮을수 밖에 없었다. 그러한 단점을 해소하고 더 나아가서는 소비한 에너지 이상의 에너지를 재창출 할 수 있는 발전기를 만드는 것이 본 발명의 목적이다. 회전자의 최대 회전력에 정격 무게를 가진 플라이휠에 대한 최고의 회전력으로 전환케하고 모터의 입력측 전압을 정속회전수 이하로 떨어질때까지 일시적으로 전압을 공급을 차단시켜 플라이휠속에 저장된 운동에너지가 계속적으로 돌려고 하기 때문에 발전기의 회전자는 플라이휠에 의해서 계속적으로 회전축이 회전함으로 외부에서 에너지 공급없이도 에너지 창출이 계속적으로 이어간다.

모터의 회전자 부분에 있는 회전속도를 감지하는 센서를 통하여서 정속이하의 모터의 회전속도가 떨어지면 모터 입력측 전압 회로부에서 스위치가 ON으로 작동하게 한다. 모터 입력측에서 회로제어를 통한 전압을OFF로한상태의 시간만큼 플라이휠에 운동으로 전기에너지를 그 이상의 전류에너지를 창출 하는 것이며, 반복적인 사이클로 작동하게됨으로 입력에 의한 소비되는 에너지보다 출력에 대한 에너지 극대화 효과가 발생된다.

Description

플라이휠을 이용한 에너지 극대화 발전기 시스템{Energy maximizing system that uses flywheel}

본 발명은, 전기적 에너지를 회전체의 운동에너지로 변환하여 저장하고 필요할 때 다시 전기에너지로 변환하여 사용할 수있도록 하는 장치에 관한 것이다.

전력 저장의 필요성은 전력의 공급을 수요에 정확히 맞추는 것이 어렵고 비경제적이라는 사실에서 발생한다. 전력의 공급은, 화력 발전·원자력 발전과 같이 열을 발생시켜 발전하는 방식의 경우 일정한 적정 출력을 유지하는 것이 가장 경제적이고, 수력 발전·풍력 발전·태양광 발전과 같이 자연력을 이용하여 발전하는 방식의 경우 계절과 같은 자연환경에 의해출력이 좌우되는 반면, 전력의 수요는 낮과 밤, 계절의 변화 등 자연환경의 변화, 대규모 공장의 가동, 송전사고 등 다양한 요소에 의해 변한다. 소비와 공급이 동시에 일어나는 전력에너지의 특성상, 전력 설비를 최대수요량에 맞추기 위해 많은 비용이 들고, 출력을 수요에 따라 가·감발하기 위해 제어에 필요한 설비와 인력이 필요하고, 출력 변동 과정에서 발전설비 수명이 단축되고, 수요량과 공급량의 미소한 불일치가 전력의 질적 저하를 가져오는 등 많은 문제가 야기된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 여러 방식의 전력 저장기술이 개발되었다.

종래의 에너지 저장기술로 현재 사용 중이거나 개발 중인 기술로는 양수발전기술, 압축공기 저장 가스 터빈 기술, 전지 에너지 저장기술, 초전도 자기 에너지 저장기술, 플라이휠 에너지 저장기술 등이 있다.

이들 기술로 구현한 설비 중 플라이휠 에너지 저장장치는 다양한 용량으로 설치할 수 있고, 수명이 반영구적이며, 축·방전 시간이 가변적이며, 부지 확보가용이하고, 건설 기간이 짧고, 환경 친화적이며, 사고의 중대성이 낮은 등 많은 장점을 가져, 다양한 조건하에서 이용될수 있다.

한편, 이러한 플라이휠 에너지 발전장치는 전기에너지를 플라이휠의 회전에 따른 운동에너지의 형태로 저장하므로 각종마찰에 의한 에너지 손실을 실용적인 수준으로 줄이는 것이 기술 개발의 관건이 되었다. 마찰에 의한 에너지 손실은 크게공기 마찰 손실, 베어링 마찰 손실, 전자기 손실로 나눌 수가 있는 데, 이 중 공기 마찰손실을 줄이고 플라이휠의 고속회전을 가능하게 하기 위해 특수 볼베어링을 이용하고 , 회로제어를 통해 플라이휠을 이용한 에너지 극대화 발전시스템이 개발되었다.

플라이휠 에너지 발전장치의 대용량화를 위해서는 플라이휠의 회전속도를 증가시키거나 회전관성을 증가시켜야 한다. 회전속도는 플라이휠 소재의 재료적인 한계에 의해 결정되므로, 플라이휠 설비의 대용량화는 플라이휠의 회전관성을 증가시켜 용이하게 이루어질 수 있어야 한다. 플라이휠의 회전관성을 증가시키기 위해 휠의 반경을 증가시키는 방법 또한 휠 소재의 인장강도라는 한계에 부딪히므로, 플라이휠 에너지 발생장치의 대용량화는 휠과 베어링들을 직렬 연결하는 방법이 가장 효율적이라고 볼 수 있다.

발전기에 부하가 걸린 경우 발생하는 역율 감소를 50%로 가정한다 하더라도이 시스템은 충분한 가치창출 효과가 있다. 본 발명은 발전식 극대화 에너지 발생장치에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 하우징과, 자력과 중량추의 상호 작용에 의해 회전력을 발생시키는 회전력발생부와, 상기 회전을 일정회전속도까지 증속하는 회전력변환부및, 상기 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기로 구성되어 소량의 전력소비에 의해 발전을 수행할수 있도록 했다.

일반적으로 동력발생장치는, 연료를 사용하는 엔진의 힘이나 풍력,수력,조력등의 자연력및 인력등을 이용하여 회전자와고정자로 이루어 지는 발전기를 회전시킴으로써 일정량의 전기를 생산하게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 플라이휠을 이용한 극대화 에너지 발생장치는 내부 진공을 유지해 공기 저항 손실을 줄이고 만일의 사고 발생시 내부 구성물 이탈을 방지하기 위해 제작된다.

이와같은 문제점을 개선하기 위하여 본 발명에서는 플라이휠, 전동/발전기를 설치하는 구조를 채택함으로써, 상기 에너지 발생장치의 안정성과 효율을 향상시킴과 동시에, 플라이휠과 베어링들의 직렬 연결에 의한 대용량화를 용이하게 할 수 있는 플라이휠 에너지 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다. 이를 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 소량의 전력소비에 의해 발전을 수행할수 있도록 하며, 발전량을 신축성 있게 조절할수 있도록 하고, 오염물질의 배출이 없이 발전할수 있도록 하며, 전력을 필요로 하는 장치에 직접연결하거나 전원을 충전할수 있도록 하고, 발전식 에너지 발생장치를 제공하는데 있다. 모터로부터 구동되는 회전자는 최대 회전력에 정량 무게를 가진 플라이휠에 대한 최고의 회전력으로 전환케하고 발전기의 회전속도를 감지하여, 모터 입력측에서 회로제어를 통한 전압을 펄스신호를 이용해 스위치를 ON/OFF로 작동하게 한다. 모터의 입력측 전압이 ON으로할때 플라이휠과 그 회전측의 제네레이터까지 회전하기시작함으로 발전기에서 전기에너지를 얻게된다. 플라이휠과-제네레이터가 정속이상 관성력에의한 속도가 붙으면 모터 입력측에서 IC회로제어 펄스신호를이용해 입력측 전압을 OFF로 한다. 이어서 플라이휠에 관성력에 의해서 계속적으로 플라이휠은 짧은 시간동안 무동력(무전원)으로 전기에너지를 그 이상의 전류 에너지를 창출하는 것이다. 플라이휠 회전축이 계속회전하다가 일정한 속도이하로 떨어지게되면 회로제어에서 입력전압이 모터로 인가됨으로 플라이휠과 회전축이 정속으로 속도가회복한다. 계속적으로 입력전압-제어회로-모터-플라이휠-발전기-회전수감지 사이클로 반복 작동하게된다.

도1은 조립 단면도

도2는 조립완성도

도3은 오실로스코프 본 입력전압파형

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 회전체의 주 회전 관성을 제공하는 플라이휠

120 : 특수볼베어링을 포함한 동력을 전달하는 회전자

130 : 고속 회전시 마찰을 줄여주는 특수볼베어링

140 : 고속 회전시 마찰을 줄여주는 특수베어링 고정자

150 : 모터회전시 속도감지 센서

160 : 전동기의 역할을 하는 모터

170 : 발전기의 역할을하는 발전장치

180 : 진공을 유지하고 플라이휠 이탈 사고에 대비하여 안전성을 확보하기 위한 진공/안전용기

190 : 모터의 입력전압을 ON/OFF 회전속도에 맞게 작동되는 제어하는 IC회로도

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 전기적 에너지를 하나 또는 플라이휠의 회전 운동에너지의 형태로 저장하는 플라이휠 에너지 극대화발전장치로서 상기 플라이휠을 설치 지지하는 회전축은 중력 방향에 수평축을 사용하고, 회전자의 특수볼베어링을 설치하여 회전체의 하중을 지탱하도록 구성됨을 특징으로 한다. 상기 회전체는 플라이휠에 직접적으로 부착시키않고, 베어링 부분과 상기 플라이휠을 축으로만 연결시켜 플라이휠 형상을 다양하게 변형 가능하도록 하며, 회전체의 회전 관성을 증가시켜 대용량화 하도록 한다.

또한 상기 수평 회전축에는 회전체의 회전 관성을 증가시키기 뿐만아니라 그 시스템을 본 발명은 플라이휠과 다수의 특수베어링을 사용하고 전동/발전기를 축에연결 설치하여 진공/안전용기 외부의 전력 변환설비와 제어회로에 연결한다. 이와같은 플라이휠 에너지 극대화발전장치의 대용량화를 위해서는 다수의 특수 베어링들을 회전축에 축설하여 회전관성을 증가시킨다.

이하 본 발명에서 제시한 개념에 따른 플라이휠을 이용한 에너지극대화 발전기 시스템 구성예를 도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 구성 예로서 하나의 플라이휠을 이용한 에너지극대화 발전기 시스템 특수볼베어링을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 발전장치의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.

본 발명에 있어 관성작용을 하는 플라이휠(110)과, 회전체를 지지하는 특수볼베어링(130), 전동/발전기(160,170)가 중력 방향과는 서로수직인 방향으로 설치된 회전축(120)에 의하여 진공/안전용기(180) 내부에 설치된다.

상기 특수 베어링(130)은 베어링 고정자(140)을 포함한 회전자(120)로 구성되고 ,상기 플라이휠(110)은 높은 에너지 저장밀도를 위한 고속회전에 견딜 수 있는 재질과 형태로 제작되며, 상기 진공/안전용기(180)는 내부 진공을 유지해 공기 저항 손실을 줄이고 만일의 사고 발생시 내부 구성물 이탈을 방지하기 위해 제작된다.

상기 전동/발전기(160,170)플라이휠(110)는 내부의 공기를 없애 마찰을 없애고 회전시 전자기적 손실을 줄일 수 있도록 설계 제작되어 외부의 제어설비에 연결된다.

본 발명의 또 다른 실시예의 구성을 도시한 것으로서 플라이휠을 이용한 에너지 극대화 발전기시스템을 이용한 수평축 플라이휠 에너지 발전장치를 여러 모양의 형태로 플라이휠(110)을 구성함으로써 대용량화한 경우를 도시한 것이다.

상기 실시예에서는 전동/발전기(160,170)를 회전축의 말단에 설치한 예를 보였으나, 다른 실시예로서 실제 역학적 측면을 고려하여 가동시 처음시동시 모터(160) 회전축에 걸리는 부하를 고려하여 발전기보다 1.5배정도 가량 대용량을 사용할수있도록하고, 혹은 다수를 적절한 위치에 축설할 수 있다.

종래 기술에 비해 그 안정성과 확장성을 향상시키고 제작,건설비용을 줄인 것이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 첨부된 도1은 본 고안의 조립 단면도를 나타낸 것으로, 하우징(190)의 내측에 회전체(120)를 설치하고, 이 회전체(120)에 최초 회전력을 전달하는 시동모터(160)와, 상기 시동모터(160)에 의해 회동하는 회전체(120)의 회전력을 증속시켜 제너레이터(170)에 전달하는 증속수단(120) 그리고, 상기 제너레이터(170)로 부터로 공급되는 일부 전력에 의해 구동하며 상기 회전체(120)의 연속적인 회동이 가능하도록 하는 구동모터(160)로 구성되어 있다.

상기 하우징(190)은 베이스판(20)의 상면에 두개의 측벽(140)이 입설되고, 이 측벽(140) 사이에 회전체(120)에의해 회동 가능하게 설치 장착된다.

상기 회전체(120)는 최소 플라이휠(110)정량체로 구성되어 관성이 유지되도록 하며, 상기 주축(120)에는 플라이휠(110)이 설치되어 상기 증속수단발전기로(170)에 회전력을 전달한다.

상기 제너레이터(170)는 발전량에 따라 그 용량을 선택적으로 사용하며, 필요에 따라서는 다른 형식의 발전기가 사용될수 있다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명은 시동모터(160)를 동작시켜 회전력을 플라이휠에 전달하고(120) 제어회로에 의해서 모터의 입력전압 IC회로에의해 차단함으로 무전원으로 플라이휠이 관성으로 인해 운동에너지가 제너레이터(170)에 전달하는 것으로 발전이 이루어지도록 하는 것이다.

먼저 상기 시동모터(160)에 외부 전원을 연결하여 회전시키면 플라이휠이 회동하며 회전체(120)를 회전시킨다.

이때 주축(120)에 장착된 플라이휠(110)의 회전과 동시에 회동하며 그 회전력을 증속수단의 회전축(120)에 장착된 플라이휠(110)에 전달하고, 그에 따라 회전축(120)이 회동한다.

회전축의 회전과 동시에 각 가 순차적으로 회전하며, 이때 시동모터(160)가 처음회전력을 구현하기때문에 부하가 크게 걸리게됨으로 시동모터의 회전속도를 점차적으로 관성에 따라 회전속도가 증속되며, 증속된 회전속도는 플라이휠(110)에 의해 제너레이터(170)에 전달되어 발전이 이루어진다.

제너레이터(170)로 부터 발전된 전력은 배터리에 충전되면서 사용할수 있으며, 그중 일부는 구동모터와 제어회로(400)에 공급되어 모터를 구동시키고 회로를 제어한다.

한편 상기 시동모터(160)는 플라이휠과 회전체(120)가 정속이상 회전수(RPM)를 갖게되면 제어회로에 의해서 즉 모터 입력 전력을 OFF로 전환되면서 무전원으로 제너레이터(170)에서 발전이 계속된다. 정속 이하의 속도가 떨어지면 센서(150)에 의해서 감지되고 제어회로부에서 모터의 입력측으로 전압을 공급받으므로 다시 모터는 정속 이상에 회전수를 갇고, 동력을 플라이휠에 전달함으로 회전체가 가지는중량에의해 연속적으로 회동하며 플라이휠(110)에 회전력이 제너레이터(170)에 갖게됨으로 일정량의 이상의 발전이 이루어지고 따라서, 플라이휠의 증량(110)에 의한 관성에법칙과 원심력을 증가시키게 됨으로 플라이휠을 이용한 에너지극대화 발전기 시스템 구성의 한 사이클이 된다. 이후 회전체(200)는 제너레이터(500)에서 발전된 전력은 밧데리(800)를 충전시키고, 사용하는 동시에 상기 구동모터에 전력을 공급하여 구동모터(160)를 구동시킴으로써, 연속적인 회전체(120)의 회동이 가능하도록 한다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 신 개념의 에너지가 아닌 기존의 에너지를 보다 모터의 회로제어와 플라이휠를효율적으로 이용함으로서 모든 시설과 가정, 회사, 전기자동차등에서의 전기 사용량을 감소케 하여 경제적 효과를 얻을 수 있을 뿐 아니라 범 국가적 인 에너지 절약 차원에서 기존의 발전량을 줄임으로서 화석연료 사용으로 인한 대기오염을 줄이고 일반 최종 사용자의 화석 에너지 사용을 억제하고 전기에너지를 사용케 함으로서 보다 양질의 삶을 부여하게 되는 이점이 있다. 이러한 장점을 볼 때, 본 발명에서 제시한 바 플라이휠을 이용한 발전시스템의 에너지 발전장치의 구성개념은 안전성 경제성 측면에서 큰 향상을 가져다주는 매우 유용한 기술인 것이다.

이상과 같이 본 발명은 최초 시동모터에 의해 회전체를 회동시키고, 그 회전력을 플라이휠에 의해서 증속시켜 제너레이터를 발전시키며, 제너레이터에서 발전된 전력을 회전체의 주축과 연결된 구동모터에 공급하여 연속적인 발전이 가능하도록 하는 것으로, 발전에 필요한 에너지의 소비를 극소화시키고, 환경 오염을 줄이며, 일반 가정, 선박, 각종 건축물 등에서 사용이 가능한 에너지 극대화 효과를 가져 올것이다.

또한 발전기에 부하가 걸린 경우 발생하는 역율감소를 50%로 가정한다 하더라도 이 시스템은 충분한 가치 창출 효과가 있다.

이와같이 본 고안에 의하면, 소량의 전력소비에 의해 발전을 수행할수 있으며, 중량추의 무게변경및 자속의 세기변경에의해 발전량을 신축성 있게 조절하고, 화석연료등의 주입없이 발전이 가능하여 오염물질의 배출이 없이 발전을 수행하며, 전원을 필요로 하는 장치에 직접연결하거나 전원을 충전할수 있고,

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 발명특허 청구범위에 의해 제공되는 본 발명의정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을가진자는 극히 용이하게 알수 있음을 밝혀 두고자 한다.

Claims (2)

1. 본 발명의 입력된 전기적 에너지를 플라이휠의 회전 운동에너지의 형태로 저장하고, 플라이휠 에너지 극대화 발전장치에 있어서, 상기 플라이휠을 설치 지지하는 회전축은 중력 방향에 수직방향과 수평축을 사용하고, 시동모터의 전압을 제어하는 IC회로를 통해 ON/OFF의스위치를 작동시켜 펄스전압을 공급하게되고 전압이공급되지 않는 타임만큼 일시적인 입력측의 무전원상태로 에너지를 창출하는 플라이휠을 이용한 에너지 극대화발전장치
2. 제 1항에 있어서, 상기 플라이휠를 이용한 극대화 발전장치는 플라이휠 무게/플라이휠 모양/발전기/전동기등 상대적으로 여러형태의 조립과 제작이 가능하고 극대화 효율에 따라 선택적으로 조립내장케 하며 여러형태로 제작할수있도록한 플라이휠을 이용한 에너지 극대화발전장치는 입력전압-제어IC회로-모터-플라이휠(무전원)-발전기-센서에의한 회전수감지-모터로 입력된 전압제어 IC회로-스위치ON/OFF-계속적인 반복사이클로 작동하는 플라이휠을 이용한 에너지 극대화발전장치.