KR20090094964A - 풍력발전장치 - Google Patents

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KR20090094964A
KR20090094964A KR1020080019992A KR20080019992A KR20090094964A KR 20090094964 A KR20090094964 A KR 20090094964A KR 1020080019992 A KR1020080019992 A KR 1020080019992A KR 20080019992 A KR20080019992 A KR 20080019992A KR 20090094964 A KR20090094964 A KR 20090094964A
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주성준
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Abstract

본 발명에 따른 풍력발전장치는 풍력에 의하여 회전되는 회전축과, 회전축을 자기력으로 부상시키는 적어도 하나의 자석을 포함하여 구성됨으로써, 회전축과 회전축을 지지하는 지지부와의 사이의 마찰을 줄여, 에너지의 손실을 막고 부품의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
풍력발전, 자석, 자기부상

Description

풍력발전장치 {WIND TURBINE GENERATION APPARATUS}
본 발명은 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전장치는 풍력을 이용하여 날개 또는 프로펠러를 회전시키고, 그 회전력을 기어기구 등을 통하여 발전기로 전달하여 전력을 생산하는 장치로, 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원 중 경제성이 뛰어난 풍력을 이용하므로 전세계적으로 그 사용이 점차 증대되고 있으며, 이에 대한 연구개발이 활발히 수행되고 있다.
풍력발전장치는 프로펠러가 설치된 방향에 따라 수평축 풍력발전장치와 수직축 풍력발전장치로 구분된다.
수직축 풍력발전장치는 지지부에 수직으로 회동이 가능하게 설치되고 그 길이방향을 따라 다수개의 날개가 구비되는 회전축과, 회전축과 연결되어 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기로 구성된다.
이와 같은 수직축 풍력발전장치는 기구적으로 간단하고, 바람의 방향과 관계없이 소정의 회전력을 유지할 수 있으며, 회전축의 요잉(yawing)동작을 요구하지 않는다는 장점이 있다. 그러나, 수직축 풍력발전장치는 회전축이 수직으로 배치된 구조상, 날개를 포함한 하중이 회전축의 하부에 집중되므로, 지지부와 회전축의 사이에 아무리 우수한 베어링을 설치하더라도 지지부와 회전축의 사이에 큰 마찰이 발생하게 되며, 이와 같은 마찰에 의하여 회전축의 회전속도가 저하되는 등 에너지 손실이 크게 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 지지부와 회전축의 사이의 마찰에 의하여 베어링이 마모되어 파손되므로, 베어링의 교체에 큰 비용이 발생하고, 이로 인하여 풍력발전장치를 대형화시키는 데에 한계가 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 자석의 반발력, 흡인력 또는 그들 모두를 이용하여 회전축을 지지부로부터 부상시켜 회전축과 지지부와의 사이의 마찰을 줄임으로써, 마찰로 인한 회전에너지 손실을 방지하여 발전성능을 향상시킬 수 있고, 부품의 마모 또는 파손을 줄여 관리비용을 절감할 수 있는 풍력발전장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전장치는 지지부상에 회전이 가능하게 배치되고 그 길이방향을 따라 다수개의 날개가 구비되어 풍력에 의하여 회전되는 회전축과, 회전축의 외주면에 설치되는 제1자석과, 지지부와 제1자석의 사이에서 제1자석으로부터 소정의 간격으로 갖도록 배치되고 지지부에 고정되는 제2자석을 포함하고, 제1자석과 제2자석의 사이에 반발력이 발생할 수 있도록, 제1자석과 제2자석의 서로 대향하는 측은 동일한 극성을 갖도록 구성된다.
바람직하게는, 지지부와 제2자석의 사이에서 회전축에 고정되고, 제2자석에 부착되려는 성질을 갖는 자성부재가 더 포함될 수 있다.
한편, 제1자석 또는 제2자석은 영구자석, 전자석 또는 초전도자석 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전장치는 지지부상에 회전이 가능하게 배치되고 그 길이방향을 따라 다수개의 날개가 구비되어 풍 력에 의하여 회전되는 회전축과, 회전축의 외주면으로부터 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는 자석과, 지지부와 자석과의 사이에서 회전축에 고정되고, 자석에 부착되려는 성질을 갖는 자성부재를 포함하여 구성된다.
여기에서, 자석 또는 자성부재는 영구자석, 전자석 또는 초전도자석 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
한편, 지지부와 회전축의 사이에는 베어링이 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 풍력발전장치는 자기력을 이용하여 회전축에 걸리는 하중을 자기부상의 형태로 공중으로 띄우거나 또는 베어링에 걸리는 하중을 감소시킴으로써 결과적으로 마찰력을 크게 줄이고 베어링의 수명을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍력발전장치의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치는 지면 또는 기초상에 설치되는 지지부(110)와, 지지부(110)의 상부에 수직으로 배치되며 그 길이방향을 따라 다수개의 날개(미도시)가 구비되는 회전축(120)과, 회전축(120)과 연결되어 회전축(120)의 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생 산하는 발전기(미도시)와, 회전축(120)의 외주면에 설치되는 제1자석(131)과, 제1자석(131)의 하측에서 제1자석(131)으로부터 소정의 간격으로 이격되고 회전축(120)의 외주면으로부터 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는 제2자석(132)과, 지지부(110)에 고정되어 제2자석(132)을 고정하는 고정부재(140)를 포함하여 구성된다.
회전축(120)과 발전기는 서로 직접적으로 연결될 수 있으며, 벨트와 풀리로 구성된 기구 또는 복수의 기어로 구성된 기구 등 다양한 메커니즘을 통하여 연결될 수 있다.
제1자석(131) 또는 제2자석(132)은 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제1자석(131) 및 제2자석(132)이 전자석으로 구성되는 풍력발전장치를 제시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1자석(131)과 제2자석(132)은 회전축(120)의 둘레방향을 따라 서로 일정한 간격으로 배치되는 것이 회전축(120)의 자력에 의한 상승 시의 틸팅현상을 방지하는 데에 바람직하다. 또한, 제1자석(131) 또는 제2자석(232)은 원통형으로 형성될 수 있다.
제1자석(131)은 회전축(120)의 외주면에 결합되어 회전축(120)과 함께 회전되며, 제2자석(132)은 제1자석(131)과 지지부(110)와의 사이에서 고정부재(140)를 통하여 지지부(110)에 지지되므로 그 위치가 고정된다.
제1자석(131)과 제2자석(132)의 사이에 반발력이 발생할 수 있도록, 제1자석(131)과 제2자석(132)의 서로 대향하는 측은 동일한 극성을 갖도록 구성된다.
따라서, 제2자석(132)은 고정부재(140)에 지지되어 그 위치가 고정되는 반면에 제1자석(131)은 회전축(120)에 지지되어 회전축(120)과 함께 회전축(120)의 축방향으로 이동이 가능하므로, 제1자석(131)과 제2자석(132)과의 사이의 반발력에 의하여 제1자석(131)이 제2자석(132)으로부터 이격되면서 회전축(120)이 상승한다. 이에 따라, 지지부(110)와 회전축(120)과의 사이에는 소정의 간격이 발생되므로, 지지부(110)와 회전축(120)과의 사이에서 마찰이 방지된다.
한편, 풍력발전장치가 대형화되는 경우에는 제1자석(131)과 제2자석(132)의 반발력에 의하여도 회전축(120)이 지지부(110)로부터 완전히 부상되지 못하는 경우가 발생할 수 있는데, 이와 같은 경우에는 회전축(120)이 지지부(110)의 상부에 회전이 가능하게 지지되도록 지지부(110)와 회전축(120)의 사이에는 베어링(160)이 설치되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1자석(131)과 제2자석(132)의 반발력 및 베어링(160)에 의하여 지지부(110)와 회전축(120)의 사이의 마찰을 줄일 수 있다. 여기에서, 베어링(160)은 회전축(120)의 축방향 하중을 지지할 수 있도록 스러스트베어링으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치는 회전축(120)에 설치되는 제1자석(131)과 지지부(110)에 고정부재(140)를 통하여 고정되는 제2자석(132)과의 사이의 반발력을 이용하여 회전축(120)을 부상시킴으로써, 지지부(110)와 회전축(120)의 사이의 마찰을 방지하거나 저감시킬 수 있으므로, 회전축(120)의 회전력을 발전기로 전달하는 과정에서의 회전에너지의 손실을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치는, 지지부(110)와 회전축(120)의 사이의 마찰을 방지하거나 줄일 수 있으므로, 지지부(110)와 회전축(120)이 서로 접촉되는 부분의 마찰에 의한 손상을 방지할 수 있으며, 지지부(110)와 회전축(120)의 사이에 베어링(160)이 구비되는 경우에는 베어링(160)의 수명을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 회전축(120)이 자력에 의하여 부상된 경우 회전축(120)이 그 자세를 일정하게 유지하지 못하고 일측으로 기울어지는 틸팅현상이 발생할 수 있는데, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치는, 제1자석(131)이 회전축(120)의 외주면의 둘레에 설치되고, 제2자석(132)이 회전축(120)의 둘레에서 소정의 간격을 갖도록 배치됨으로써, 회전축(120)에 그 축방향으로 균일한 힘이 작용될 수 있으므로, 회전축(120)의 자력에 의한 자기부상 후에 회전축(120)이 일측으로 기울어지는 틸팅현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치에 대하여 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치는 지면 또는 기초상에 설치되는 지지부(210)와, 지지부(210)의 상부에 수직으로 배치되며 그 길이방향을 따라 다수개의 날개(미도시)가 구비되는 회전축(220)과, 회전축(220)과 연결되어 회전축(220)의 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기(미도시)와, 회전축(220)의 외주면에 설치되는 제1자석(231)과, 제1자석(231)의 하측에서 제1자석(231)으로부터 소정의 간격으로 이격되고 회전 축(220)의 외주면으로부터 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는 제2자석(232)과, 지지부(210)에 고정되어 제2자석(232)을 지지하는 고정부재(240)와, 회전축(220)의 하측에서 제2자석(232)과 소정의 간격으로 이격되도록 고정되는 자성부재(250)를 포함하여 구성된다.
제1자석(231) 또는 제2자석(232)은 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성되고, 제1자석(231)과 제2자석(232)의 사이에 반발력이 발생할 수 있도록, 제1자석(131)과 제2자석(132)은 서로 대향하는 측이 동일한 극성을 갖도록 구성된다.
제2자석(232)은 제1자석(231)과 지지부(210)의 사이에 배치되고 고정부재(240)에 의하여 그 위치가 고정된다. 따라서, 제1자석(231)과 제2자석(232)과의 사이의 반발력에 의하여 회전축(220)이 소정의 높이로 상승한다.
자성부재(250)는 제2자석(232)과 지지부(210)의 사이에서 제2자석(232)으로부터 소정의 간격을 갖도록 배치되며, 회전축(220)에 고정되는 별도의 부재로 구성되거나 회전축(220)과 일체로 형성될 수 있다.
자성부재(250)는 제2자석(232)에 부착되려는 성질을 갖는 금속 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 아니하고, 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성될 수 있다. 자성부재(250)가 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성되는 경우에는 제2자석(232)과 자성부재(250)와의 사이에 흡인력이 발생할 수 있도록, 제2자석(232)과 자성부재(250)의 서로 대향하는 측은 서로 다른 극성을 갖도록 구성된다. 자성부재(250)의 제2자석(232)에 부착되려는 힘에 의하여 자성부재(250)가 고정된 회전축(220)이 소정의 높이로 상승한다.
풍력이 날개에 작용하는 힘에 의하여 회전축(220)이 회전되는 경우, 제1자석(231)과 제2자석(232)과의 사이의 반발력 및 자성부재(250)가 제2자석(232)에 부착되려는 힘에 의하여 회전축(220)에는 상측방향으로의 힘이 작용되며, 이에 따라, 회전축(220)은 지지부(210)로부터 소정의 간격을 갖도록 부상한다. 따라서, 지지부(210)와 회전축(220)과의 사이에서 마찰이 발생되는 것이 방지된다.
한편, 지지부(210)와 회전축(220)의 사이에는 베어링(260)이 설치되는 것이 바람직하며, 베어링(260)은 스러스트베어링으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치는 제1자석(231)과 제2자석(232)과의 사이의 반발력과 자성부재(250)가 제2자석(232)에 부착되려는 힘을 함께 이용하므로 회전축(220)을 부상시키는 힘을 크게 할 수 있으며, 이에 따라, 회전축(220)의 회전력을 발전기로 전달하는 과정에서의 회전에너지의 손실을 방지할 수 있고, 대형화된 풍력발전장치에 보다 효과적으로 대응할 수 있다.
또한, 제1자석(231) 및 제2자석(232)은 회전축(220)의 외주면을 둘러싸도록 배치되므로, 회전축(220)의 자력에 의한 자기부상 후에 회전축(220)이 일측으로 기울어지는 틸팅현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치에 대하여 설명한다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치는 지면상에 설치되는 지지부(310)와, 지지부(310)의 상부에 수직으로 배치되며 그 길이방향을 따라 다수개의 날개(미도시)가 구비되는 회전축(320)과, 회전 축(320)과 연결되어 회전축(320)의 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 발전기(미도시)와, 회전축(320)의 외주면으로부터 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는 자석(330)과, 지지부(310)에 고정되어 자석(330)을 지지하는 고정부재(340)와, 회전축(320)의 하측에서 자석(330)과 소정의 간격으로 이격되도록 고정되는 자성부재(350)를 포함하여 구성된다.
자석(330)은 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성될 수 있으며, 고정부재(340)에 의하여 그 위치가 고정된다.
자성부재(350)는 자석(330)과 지지부(310)의 사이에서 자석(330)으로부터 소정의 간격을 갖도록 배치되며, 회전축(320)에 고정되는 별도의 부재로 구성되거나 회전축(320)과 일체로 형성될 수 있다.
자성부재(350)는 자석(330)에 부착되려는 성질을 갖는 금속 등의 재질로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 아니하고, 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성될 수 있다. 자성부재(350)가 영구자석, 전자석 또는 초전도자석으로 구성되는 경우에는 자성부재(350)와 자석(330)과의 사이에 흡인력이 발생할 수 있도록, 자성부재(350)와 자석(330)의 서로 대향하는 측은 서로 다른 극성을 갖도록 구성된다. 자성부재(350)가 자석(330)에 부착되려는 힘에 의하여 자성부재(350)가 고정된 회전축(320)이 소정의 높이로 상승한다.
풍력이 날개에 작용하는 힘에 의하여 회전축(320)이 회전되며, 회전축(320)의 회전력은 발전기로 전달되어 회전에너지가 전기에너지로 변환되면서 전력이 생산된다. 이때, 자성부재(350)가 자석(330)에 부착되려는 힘에 의하여 회전축(320) 에는 상측방향으로의 힘이 작용되며, 이에 따라, 회전축(320)은 지지부(310)로부터 소정의 간격을 갖도록 부상한다. 따라서, 지지부(310)와 회전축(320)과의 사이에서 마찰이 발생되는 것이 방지된다.
한편, 지지부(310)와 회전축(320)의 사이에는 베어링(360)이 설치되는 것이 바람직하며, 베어링(360)은 스러스트베어링으로 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치는 회전축(320)에 자석을 별도로 설치하지 않으므로, 회전축(320)의 축방향하중을 줄일 수 있고, 부품의 수를 줄여 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 자석(330)이 회전축(320)의 외주면을 둘러싸도록 배치되므로, 회전축(320)의 자력에 의한 자기부상 후에 회전축(320)이 일측으로 기울어지는 틸팅현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전장치는 풍력에 의하여 회전되는 회전축과, 적어도 하나의 자석을 포함하여 구성됨으로써, 자력에 의하여 발생하는 반발력, 흡인력 또는 그들 모두를 이용하여 회전축을 소정의 높이로 상승시켜 회전축과 회전축을 지지하는 지지부와의 사이의 마찰을 방지하거나 저감시킬 수 있으므로, 회전축의 회전에너지의 손실을 방지할 수 있고, 부품의 손상 내지 파손을 방지할 수 있으며, 대형화된 풍력발전장치에 효율적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 풍력발전장치는 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용이 가능하며 상기한 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 상기한 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범 위를 한정하고자 하는 목적은 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 상기한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등한 범위를 포함하여 판단되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치가 도시된 단면도이다.
도 2는 도 1의 회전축이 도시된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치가 도시된 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치가 도시된 단면도이다.
도 5는 도 4의 회전축이 도시된 사시도이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
110, 210, 310: 지지부 120, 220, 320: 회전축
131, 231: 제1자석 132, 232: 제2자석
330: 자석 140, 240, 340: 고정부재
250, 350: 자성부재 160, 260, 360: 베어링

Claims (7)

  1. 지지부상에 회전이 가능하게 배치되고 풍력에 의하여 회전되는 회전축;
    상기 회전축의 외주면에 설치되는 제1자석; 및
    상기 지지부와 상기 제1자석의 사이에서 상기 제1자석으로부터 소정의 간격으로 갖도록 배치되고, 상기 지지부에 고정되는 제2자석을 포함하고,
    상기 제1자석과 상기 제2자석의 사이에 반발력이 발생할 수 있도록, 상기 제1자석과 상기 제2자석의 서로 대향하는 측은 동일한 극성을 갖도록 구성되는 풍력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 제2자석의 사이에서 상기 회전축에 고정되고, 상기 제2자석에 부착되려는 성질을 갖는 자성부재를 더 포함하는 풍력발전장치.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1자석 또는 상기 제2자석은 영구자석, 전자석 또는 초전도자석 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  4. 지지부상에 회전이 가능하게 배치되고 풍력에 의하여 회전되는 회전축;
    상기 회전축의 외주면으로부터 소정의 간격으로 이격되도록 배치되는 자석; 및
    상기 지지부와 상기 자석과의 사이에서 상기 회전축에 고정되고, 상기 자석에 부착되려는 성질을 갖는 자성부재를 포함하는 풍력발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자석은 영구자석, 전자석 또는 초전도자석 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  6. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 자성부재는 영구자석, 전자석 또는 초전도자석 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 지지부와 상기 회전축의 사이에는 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101285794B1 (ko) * 2010-11-16 2013-07-18 임채근 공기압을 이용한 풍력발전장치
KR101357632B1 (ko) * 2012-02-03 2014-02-05 삼성중공업 주식회사 초전도 풍력발전장치

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