KR20090045747A - 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전장치를 개시한다.

본 발명의 풍력 발전장치는 회전 가능하게 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 일단에 결합되어 일체로 회전되는 것으로 방사상으로 등각 배치되면서 회전축에 대하여 정방향 접힘되는 베인을 구비한 상부 팬과, 상기 상부 팬의 일측에 회전축 상에 구비되어 반대 방향으로 위치되는 것으로 방사상으로 등각 배치되면서 역방향 접힘되는 베인을 구비한 하부 팬과, 상기 회전축의 외주연과 하부 팬의 내주연에 각각 결합되어 상호 반대 방향으로 회전되는 전기자 및 계자로 된 발전수단을 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성되는 본 발명은, 풍향에 관계없이 상부 팬과 하부 팬이 서로 반대되는 방향으로 회전되고, 이들 상부 팬과 하부 팬에 각각 연결된 발전요소인 전기자와 계자 역시 서로 반대되는 방향으로 회전하는 것에 의해 회전속도가 배가되어 결과적으로 풍량에 따른 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

풍력, 발전, 발전장치, 날개, 효율

Description

풍력 발전장치{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력을 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 상·하 수직 방향으로 복수개의 팬을 구성하고 이들 각 팬이 풍향에 관계없이 상호 반대 방향으로 회전할 수 있도록 하고 각 팬과 발전요소인 전기자와 계자를 연동되게 하는 것에 의해 풍량이 적은 곳에서도 안정적인 발전을 실시할 수 있도록 한 풍력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 전력을 생산하는 방법으로는 화력발전, 원자력발전, 수력발전, 태양열발전, 조력발전, 풍력 발전 등이 있으며, 상기 화력발전 및 원자력발전은 열에 의해 발생된 증기로 발전장치 내의 터빈(turbine)을 회전시켜 전기를 발생하는 것이고, 수력 발전은 댐에 저장된 저수된 물의 낙차에 의해 터빈을 회전시켜 전기를 발생하는 것이다.

그러나, 상기 화력발전은 화석연료 즉, 석탄·석유를 에너지원으로 사용함에 따라 발전소의 건설비가 상대적으로 저렴하긴 하나 화석연료의 고갈의 단점과 환경 을 오염시키는 문제점이 있으며, 상기 원자력 발전은 우라늄 등의 방사능 물질을 핵분열시킬 때 발생되는 막대한 양의 열을 에너지원으로 사용하는 것으로 상기 화력발전에 비해 발전용량은 크나 방사능에 의한 환경오염이 심각한 문제점이 있다. 또한, 수력발전은 댐에 의해 저수된 물의 위치 에너지를 낙차시켜 얻는 회전에너지로 변환시키는 것으로 발전원가가 낮으나 일정한 발전효율을 기대하기 어려울 뿐만 아니라 발전소가 건설되는 지역이 제한적이고 넓은 면적의 땅이 수몰되어야 하는 문제점이 있다.

따라서, 화력발전·원자력 발전 및 수력발전을 대체할 대체에너지에 대한 관심과 그 이용에 대한 실질적인 장치의 개발을 위한 연구개발이 시급한 실정이다.

최근 들어 청정 대체에너지로서 주목받고 있는 에너지원으로는 태양에너지(solar energy), 조류력(조류)(current energy), 조력에너지(tidal energy), 지열에너지(geo-thermal energy), 생화학에너지(bio-chemical energy) 및 풍력에너지(wind nergy) 등이 있으며, 그 중에서 효율성이 우수하고 비교적 설치지역에 대한 제약이 적은 풍력 발전장치에 대한 관심과 개발이 집중되고 있는 실정이다.

상기 풍력 발전장치는 날개의 회전축이 놓인 방향에 따라 수평축 발전장치와 수직축 발전장치로 구부되며, 상기 수직축 발전장치는 땅 위에 세워진 기둥 주위에 볼록한 형태의 큰 날개가 붙어서 서서히 도는 형태를 하고 있는 것으로 상기 수평축 발전장치에 비해 효율이 떨어지기 때문에, 현재 풍력 발전장치 시장에서 판매되는 것은 거의 대부분 수평축 발전장치이다.

이러한 풍력 발전장치는 지면에서 적정 높이로 고정 설치된 지주의 상단에 바람 방향에 따라 회동하는 본체를 설치하고, 상기 본체내에 설치된 발전 요소인 구성하는 전기자 또는 계자를 풍력에 의해 구동력을 발생하는 날개가 회전시켜 줌으로써 발전을 하게 된다.

그러나, 대부분의 풍력 발전장치는 충분한 풍력이 작용하지 않는 경우에는 발전효율이 낮은 단점이 있으며, 이를 해소하기 위해서는 날개의 위치 높이를 높게 하여야 할 뿐만 아니라 날개의 크기를 증대시켜야 하므로 그에 따른 여러 기술적인 문제점들과 설치 지역에 대한 선정의 어려움이 큰 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 상·하 이격 배치된 상태에서 상호 반대되는 방향으로 회전하는 적어도 한쌍의 팬에 발전요소를 구성하는 전기자와 계자를 연동 회전하도록 발전효율을 높일 수 있는 풍력 발전장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 상·하로 배치된 복수의 팬이 별도의 변속수단과 같은 부가장치 없이도 상호 반대되는 방향으로 회전할 수 있도록 하여 구성의 간소화와 그에 따른 정비성 및 발전효율을 높일 수 있는 풍력 발전장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전장치는, 회전 가능하게 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 일단에 결합되어 일체로 회전되는 것으로 방사상으로 등각 배치되면서 회전축에 대하여 정방향 접힘되는 베인을 구비한 상부 팬과, 상기 상부 팬의 일측에 회전축 상에 구비되어 반대 방향으로 위치되는 것으로 방사상으로 등각 배치되면서 역방향 접힘되는 베인을 구비한 하부 팬과, 상기 회전축의 외주연과 하부 팬의 내주연에 각각 결합되어 상호 반대방향으로 회전되는 전기자 및 계자로 된 발전수단을 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징으로서, 상기 상부 팬의 베인과 하부 팬의 베인은 서로 반대되는 방향으로 곡면을 갖는 곡면판으로 형성되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징으로서, 상기 하부 팬은 그 하면이 상기 회전축에 결합된 스러스트 베어링의 지지를 받아 회전되게 설치되는 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 상부 팬과 하부 팬은 각각 수직하는 방향으로 관통된 관형상을 갖는 축관부와, 상기 축관부의 외주면에 방사상으로 등각 배치되는 힌지 브라켓트와, 상기 회전축에 수직하는 베인의 일측면에 일체로 구비되어 상기 힌지 브라켓트에 힌지결합되는 힌지부를 포함하여 구성되는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징으로서, 상기 힌지 브라켓트 또는 힌지부 중 적어도 어느 하나에는 상기 베인의 회전방향을 제한하는 회전 제한편이 구비되는 것에 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 풍력 발전장치는, 풍향에 관계없이 상부 팬과 하부 팬이 서로 반대되는 방향으로 회전되고, 이들 상부 팬과 하부 팬에 각각 연결된 발전요소인 전기자와 계자 역시 서로 반대되는 방향으로 회전하는 것에 의해 회전속도가 배가되어 결과적으로 풍량에 따른 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

특히, 전기를 생산하기 위한 발전요소인 전기자와 계자기가 별도의 변속수단 없이도 상호 반대 방향으로 회전하므로 구성이 간소하여 유지보수가 용이할 뿐만 아니라 경제적인 보급이 가능하고, 아울러 베인이 원심팬 형태로 배치됨에 따라 크기를 대폭적으로 슬림화시킬 수 있어 결과적으로 주거지역의 옥탑이나 가로등 등 설치 대상 지역에 대한 제약을 해소할 수 있는 유용한 효과가 기대된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍력 발전장치를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전장치를 외관을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 요부 구성을 나타낸 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 결합 구성을 설명하기 위한 횡단면도이다.

그리고, 도 4는 본 발명의 풍력 발전장치가 동작하지 않는 상태를 나타낸 것으로 (a)는 상부 팬을 개략적으로 나타낸 평면도이고, (b)는 하부 팬을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

끝으로, 도 5는 본 발명의 풍력 발전장치의 동작 상태를 나타낸 것으로 (a)는 상부 팬을 개략적으로 나타낸 평면도이고, (b)는 하부 팬을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

이에 나타내 보인 바와 같이, 본 발명의 풍력 발전장치(1)는 크게 지면에 설치되어 본 발명을 구성하는 각종 요소가 설치 장착되는 지주(3)와, 상기 지주(3)에 회전 가능하게 설치되는 회전축(5)과, 상기 회전축(5)의 일단에 결합되는 상부 팬(10)과, 이 상부 팬(10)에 대하여 반대방향으로 회전되는 하부 팬(30)과, 상기 상부 팬(10)과 하부 팬(30)에 각각 구비되어 상호작용에 의해 전기를 생산하는 발전수단(20)으로 구성된다.

지주(3)는 상부 팬(10)과 하부 팬(30) 및 발전수단(20)을 지지하는 요소로서 지면 또는 구조물에 견고하게 고정 설치된다. 이러한 지주(3)는 상부 팬(10)과 하부 팬(30)의 크기 또는 발전수단(20)의 발전효율을 고려하여 적절한 크기로 구비되 며 그 형태 또한 다양하게 변형 실시될 수 있다.

이러한 지주(3)는 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 상세한 설명은 생략한다.

회전축(5)은 상기 지주(3)에 수직하게 설치되는 길이재의 부재로서 복수개의 베어링에 의해 회전 가능하게 구비되며, 도면에서 보는 바와 같이 상부 팬(10)과 하부 팬(30)이 회전될 수 있게 지지하는 역할을 한다.

이러한 회전축(5)은 상단부 외주연에 상부 팬(10)이 일체로 회전될 수 있게 결합 구비되고, 이 상부 팬(10)의 하측 외주연에는 발전수단(20)을 구성하는 계자(23)가 일체로 결합 구비된다.

상부 팬(10)은 바람의 방향과 관계없이 풍압이 작용하면 상기 회전축(5)과 함께 일방향 회전되도록 구성된 것으로서 도면에서 보는 바와 같이 복수개의 상 베인(15)과, 이들 상 베인(15)의 상·하측에 구비되는 판재형의 커버판(10p)을 포함하는 구성이다.

이러한, 상기 상부 팬(10)은 도면에서 보는 바와 같이 상기 회전축(5)의 외주면에 일체로 결합되도록 수직하는 방향으로 관통된 관형상을 갖는 축관부(11)를 구비하며, 상기 축관부(11)의 외주면으로는 방사상으로 등각 배치되는 힌지 브라켓트(13)가 일체로 구비된다.

그리고, 상기 상 베인(15)은 상기 힌지 브라켓트(13)에 힌지 결합될 수 있게 상기 회전축(5)에 수직하는 일측면에 힌지부(16)가 일체로 형성된다. 여기서, 상기 힌지 브라켓트(13)와 힌지부(16)는 상기 축관부(11)를 기준으로 상 베인(15)이 회전될 수 있도록 하는 특징을 갖는다면 다양한 형태로 변형 실시되어도 무방하다.

한편, 본 발명은 상기 상 베인(15)이 일방향 접힘될 수 있도록 하기 위하여 접힘 방향을 제한하는 회전 제한편(17)이 부가 설치된다. 즉, 본 발명에서는 상기 상 베인(15)이 반시계 방향으로 회전될 수 있게 소정의 곡률을 갖는 곡면판 형태로 제공되는데, 풍압이 작용하는 진행 방향으로 접혀지는 것이 방지될 수 있게 회전 제한편(17)이 설치된다.

이러한 회전 제한편(17)은 풍압이 작용하는 위치에서는 상 베인(15)이 펼쳐진 상태를 유지하게 하고 풍압이 제거된 위치에서는 상부 팬(10)의 회전에 의해 상 베인(15)이 접힘될 수 있게 하여 공기저항을 최소화하기 위한 것이다.

발전수단(20)은 상기 상부 팬(10)과 하부 팬(30)에 각각 일체로 연결되는 것에 의해 상호 반대 방향으로 회전되는 전기자(21)와 계자(23)를 포함하여 구성되는 것으로서, 공지의 기술에 의해 실시되어도 무방하므로 동작 및 그 세부 구성은 생략한다.

하부 팬(30)은 전술한 상부 팬(10)과 대동 소이한 구성으로 구비되며, 다만 상기 회전축(5)에 일체로 결합되지 않도록 구성되면서 상기 상 베인(15)에 대하여 반대되는 곡률을 갖는 곡면판 형태를 갖는 것에 의해 동일한 풍향에 대하여 반대되 는 방향으로 풍압이 작용하도록 한 복수개의 하 베인(35)을 구비하는 특징을 가지며, 이들 하 베인(35)의 상·하측에는 판재형의 커버판(30p)로 커버되는 구성이다.

즉, 상기 하부 팬(30)은 도면에서 보는 바와 같이 상기 상부 팬(10)의 하측으로 소정의 간격을 두고 이격 배치되며 스러스트 베어링(b)에 상기 회전축(5)상에서 회전 가능하게 축지지된다.

이러한 하부 팬(30)은 수직하는 방향으로 관통된 관 형상을 중공의 축관부(31)를 구비하며, 상기 축관부(31)의 외주면으로는 방사상으로 등각 배치되는 힌지 브라켓트(33)가 일체로 구비된다.

그리고, 상기 하 베인(35)은 상기 힌지 브라켓트(33)에 힌지 결합될 수 있게 상기 회전축(5)에 대하여 수직하는 일측면에 힌지부(36)가 일체로 형성된다. 여기서, 상기 힌지 브라켓트(33)와 힌지부(36)는 상기 축관부(31)를 기준으로 하 베인(35)이 회전될 수 있도록 하는 특징을 갖는다면 다양한 형태로 변형 실시되어도 무방하다.

한편, 본 발명은 상기 하 베인(35)이 상술한 상 베인(15)에 대하여 반대되는 방향 즉, 역 방향 접힘될 수 있도록 하기 위하여 접힘 방향을 제한하는 회전 제한편(37)이 부가 설치되는 것을 제안하며, 이때의 상기 회전 제한편(37)은 상술한 상부 팬(10)에서의 회전 제한편(17)과 마찬가지로 동일한 역할을 수행한다. 즉, 본 발명에서는 상기 하 베인(35)이 시계 방향으로 회전될 수 있게 소정의 곡률을 갖는 곡면판 형태로 제공되는데, 풍압이 작용하는 진행 방향으로 접혀지는 것이 방지될 수 있게 회전 제한편(37)이 설치된다.

이러한 회전 제한편(37)은 풍압이 작용하는 위치에서는 상 베인(35)이 펼쳐진 상태를 유지하게 하고 풍압이 제거된 위치에서는 하부 팬(30)의 회전에 의해 상 베인(35)이 접힘될 수 있게 하여 공기저항을 최소화하기 위한 것이다.

이와 같은 구성의 하부 팬(30)은 상기 축관부(31)의 내주면에 상기 발전수단(20)을 구성하는 전기자(21) 또는 계자(23)가 선택적으로 설치되어 일체로 연동 회전되는 구성이다.

즉, 상기 하부 팬(30)의 축관부(31)의 내주면에 전기자가 설치되는 경우에는 이에 대응되는 상기 회전축(5)의 외주면에 계자가 일체로 회전될 수 있게 결합 구비되고, 상기 하부 팬(30)의 축관부(31)의 내주면에 계자가 설치되는 경우에는 이에 대응되는 상기 회전축(5)의 외주면에는 전기자가 일체로 회전될 수 있게 구성된다.

한편, 본 발명의 도면에서는 상기 회전축(5)의 일단 외주면에 계자(23) 일체로 회전 설치된 것을 도시하였고, 이에 대응되는 하부 팬(30)의 축관부(31) 내주면에는 전기자(21)가 설치된 것을 도시하였으나, 이에 한정하지 않고 상기 회전축(5)의 외주면에 전기자를 일체로 구성하고, 이에 대응되는 상기 하부 팬(30)의 축관부(31) 내주면에 계자를 구성하는 것도 가능할 것이다.

또한, 상기 하부 팬(30)과 상부 팬(10)은 서로 반대 방향으로 회전되는 특징 즉, 상기 상 베인(15)과 하 베인(35)이 서로 반대 방향의 곡률을 갖는 곡면판으로 형성되는 특징을 갖는다면 그 크기나 형상은 다양하게 변형 실시되어도 무방하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 동작을 도 4 및 도 5를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상부 팬(10)과 하부 팬(30)이 회전하지 않은 상태에서는 도 4에서 보는 같이 상 베인(15)과 하 베인(35)이 펼쳐진 상태로 위치되며, 이와 같은 상태에서 도 5에서 보는 바와 같이 화살표 방향으로 바람이 불게 되면, 상기 상부 팬(10)과 하부 팬(30)은 각각의 상 베인(15)과 하 베인(35)이 갖는 곡률에 의해 서로 반대되는 방향으로 회전하게 된다.

즉, 상기 상부 팬(10)은 회전축(5)에 일체로 결합되는 구성이므로, 상기 회전축(5)이 연동 회전하게 되며, 그에 따라 상기 회전축(5)의 일단 외주면에 결합된 발전수단(20)을 구성하는 계자(23)가 함께 회전하게 된다.

또한, 상기 하부 팬(30)은 상기 회전축(5)과 공극을 두고 스러스트 베어링(b)에 의해 회전 가능하게 축지지된 상태에서 하 베인(35)이 갖는 곡률정도에 의해 상기 상부 팬(10)과 반대되는 방향으로 회전하게 되고, 이때, 상기 하부 팬(30)의 축관부(31)의 내주면에 일체로 결합된 전기자(21)가 함께 회전하게 된다.

따라서, 상기 발전수단(20)을 구성하는 계자(23)와 전기자(21)는 서로 반대방향으로 회전함에 따라 발전효율의 극대화가 가능하게 된다.

한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전장치를 외관을 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 요부 구성을 나타낸 분해 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 풍력 발전장치의 결합 구성을 설명하기 위한 횡단면도,

도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전장치에서 상·하부 팬을 나타낸 평면도,

도 5는 본 발명에 따른 풍력 발전장치에서 상·하부 팬의 동작을 설명하기 위한 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 풍력 발전장치 3 : 지주

5 : 회전축 10 : 상부 팬

20 : 발전수단 21 : 전기자

23 : 계자 30 : 하부 팬

11.31 : 축관부 13,33 : 힌지 브라켓트

15,35 : 상·하부 베인 16,36 : 힌지부

17,37 : 회전 제한편 b : 스러스트 베어링

Claims (5)

1. 회전 가능하게 설치되는 회전축과;

   상기 회전축의 일단에 결합되어 일체로 회전되는 것으로 방사상으로 등각 배치되면서 회전축에 대하여 정방향 접힘되는 베인을 구비한 상부 팬과;

   상기 상부 팬의 일측에 회전축 상에 구비되어 반대 방향으로 위치되는 것으로 방사상으로 등각 배치되면서 역방향 접힘되는 베인을 구비한 하부 팬과;

   상기 하부 팬의 내주연과 이에 대응되는 회전축의 외주면에 각각 결합되어 상호 반대방향으로 회전되는 전기자와 계자로 된 발전수단;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상부 팬의 베인과 하부 팬의 베인은 서로 반대되는 방향으로 곡면을 갖는 곡면판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 하부 팬은 그 하면이 상기 회전축에 결합된 스러스트 베어링의 지지를 받아 회전되게 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 상부 팬과 하부 팬은 각각 수직하는 방향으로 관통된 관형상을 갖는 축관부와;

   상기 축관부의 외주면에 방사상으로 등각 배치되는 힌지 브라켓트와;

   상기 회전축에 수직하는 베인의 일측면에 일체로 구비되어 상기 힌지 브라켓트에 힌지 결합되는 힌지부;

   상기 상·하부 베인의 각 상·하측에 구비되는 커버판;

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 힌지 브라켓트 또는 힌지부 중 적어도 어느 하나에는 상기 베인의 회전방향을 제한하는 회전 제한편이 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.

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