KR20100008643A

KR20100008643A - 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치

Info

Publication number: KR20100008643A
Application number: KR1020080069213A
Authority: KR
Inventors: 안승혁; 안원모
Original assignee: 안승혁
Priority date: 2008-07-16
Filing date: 2008-07-16
Publication date: 2010-01-26

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기의 회전체에 사용되는 베어링 장치에 관한 것으로, 특히 대용량 수직축 풍력발전기의 회전체의 하중 지지를 겸한 베어링 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 베어링 장치는 발전기의 상부에 수직축으로 회전하는 블레이드가 구비된 회전체와, 일측에 형성된 방향타부에 의하여 바람의 방향에 따라 회전체를 감싸며 회동하는 덕트하우징이 포함된 수직축 풍력발전기의 베어링 장치에 있어서, 발전기를 중심으로 형성되는 원형인 제1유조와, 블레이드의 하부에 구비되어 제1유조에 담긴 액체에 띄워져 회전체의 하중을 지지하는 제1부력체가 구비된다.

이로써, 회전체의 하중을 떠받치는 부력체는 마찰이 적은 액체 위에서 회전체의 하중을 전부 또는 일부 지지하며 회전하는 등 수직축 풍력발전기의 회전 또는 회동이 이루어지는 부분에 대한 하중이 원만하게 지지되며, 마찰에 의한 소모를 줄여 대형으로 제작되는 수직축 풍력발전기에 사용되는 베어링 장치의 수명이 길어지는 효과를 갖는다.

수직축, 풍력발전기, 부력, 베어링

Description

수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치{The floating-bearing apparatus for vertical-type wind turbine device}

친환경적인 에너지 발생 장치로 비약적인 기술이 발전이 이루어지고 있는 풍력발전은 바람의 힘을 이용하여 블레이드를 회전시키며, 이때 얻어진 회전력을 이용하여 발전기를 가동, 전력을 얻는 방식이 사용된다.

이때, 블레이드의 타입에 따라 프로펠러형 풍력 발전기와 수직축 풍력 발전기로 크게 나누어 볼 수 있는데, 프로펠러형 발전기는 한정된 바람에서 비교적 높은 효율을 얻을 수 있어 평균 풍력이 약한 곳에서도 활용될 수 있는 장점을 가진다.

하지만, 프로펠러형 풍력 발전기로 대용량의 전력을 얻기 위해서는 발전기 효율의 향상 및 회전력의 전달효율의 향상과 더불어 프로펠러를 대형화하여 회전력을 크게 얻을 필요가 있다. 즉, 발전기와 회전력 전달효율을 높이기 위한 기술의 발전은 매우 더디게 이루어지며, 그나마 비약적 발전이 이루어지지 못하고 있어 대부분 큰 발전용량을 얻기 위하여 프로펠러의 대형화를 꾀하고 있는 것이다.

이러한 대형 프로펠러는 현재 기술수준에서 3000kW 발전용량을 위하여 반경 80m 정도의 블레이드를 구비하여야 하는 것으로, 하중을 최대한 줄이기 위하여 고가의 특수 재질을 사용하여야 하므로 초기 설치비용이 막대하게 소요되는 것이다.

또한, 프로펠러형 풍력 발전기의 블레이드가 점차 대형화되면서, 낙뢰에 의한 블레이드의 피해가 속출하고 있다. 이는 전체 풍력 발전기에서 항상 블레이드가 제일 높은 곳에 위치됨으로써 낙뢰와 접촉되는 경우가 잦으며, 블레이드를 비전도체로 제작하는 경우라 하여도 낙뢰와 접촉함으로써 블레이드에 충격이 가해지는 것이다.

이러한 충격으로 블레이드에 상처가 생긴 경우에는 공기저항의 증가 또는 무게의 불균형으로 인하여 회동축에 진동이 발생하여 전체적인 수명이 줄어들게 되는 문제가 있는 것이다.

한편, 갑작스런 돌풍에 의하여 블레이드가 그 충격을 견디지 못하고 파손되는 문제가 있으며, 전술된 바와 같이 무겁고 고가인 블레이드를 쉽게 교체, 수리하기도 어려운 실정이다.

한편, 전술된 문제를 해결하기 위하여, 본 출원인 선출원한 대한민국 특허출원 제10-2008-0049676호 “수직축 풍력 발전 장치”에는, 도 6 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 발전기와 연결된 수직된 출력축(121)이 구비되어 하우징(110) 내에서 회전하는 회전체(120)가 포함된 풍력 발전 장치(100)에 있어서, 하우징(110)의 일측에서부터 바람과 접하는 하우징(110)의 정면을 향하도록 하우징(110)의 둘레에 따라 이격되게 구비되어, 외주면으로 들어오는 바람의 방향을 바꾸어 회전력을 증대시키도록 회전체(120) 내로 유입시키는 둘레덕트부(130)와, 둘레덕트부(130)가 결합된 하우징(110)의 반대편에는 둘레덕트부(130)가 바람에 맞서도록 하우징(110)을 회전시키는 방향타부(140)가 구비된 수직축 발전기를 제시하였다.

이러한 수직축 발전기는 대용량으로 제작할 때에, 큰 회전력을 얻기 위하여 대형으로 제작되는 회전체(120)의 큰 하중을 지지하는 출력축(121)의 베어링의 내구성이 문제된다.

기존의 베어링은 회전축 방향과 수직 방향으로 큰 하중을 지지할 수 있으나, 회전축 방향과 동일한 방향에 대한 하중의 지지는 크게 떨어지는 특성이 있어 회전체의 하중을 충분히 지지하지 못하는 것이다.

또한, 특수 베어링을 제작하여 회전체의 하중을 지지하는 베어링을 제작하더라도 회전체의 불균일한 회전 속도에 의하여 베어링의 수명이 단축되어, 잦은 베어링의 교체로 발전기의 운행 시간이 줄어드는 문제가 있다.

더하여, 회전체의 대형화로 인하여 이 회전체의 하중을 지지하는 베어링의 교체 작업의 난이도가 상승하여 유지 보수 비용이 많이 소요되는 것이다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 수직형 풍력발전기의 블레이드가 구비된 회전체의 하중을 지지하면서, 회전 저항을 낮추어 회전이 원활하게 이루어지게 하는 목적을 갖는다.

또한, 회전체의 하중 전체 또는 일부를 부력을 이용하여 지지하게 하는 목적을 갖는다.

또한, 회전체의 회전이 안정적으로 이루어지게 하는 목적을 갖는다.

또한, 유조의 액체를 관리하기 용이하며, 동절기에도 계속적인 가동이 가능케 하는 목적을 갖는다.

한편, 바람을 이용하여 회전체의 회전이 원활하게 이루어지도록 저항을 낮추는 목적을 갖는다.

구체적으로 유조의 액체를 회전 순환을 바람의 힘을 이용하여 이루어지게 하는 목적을 갖는다.

나아가, 풍력으로 회전체의 회전속도를 더욱 증가시키는 목적을 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 발전기의 상부에 수직축으로 회전하는 블레이드가 구비된 회전체와, 일측에 형성된 방향타부에 의하여 바 람의 방향에 따라 상기 회전체를 감싸며 회동하는 덕트하우징이 포함된 수직축 풍력발전기의 베어링 장치에 있어서, 상기 발전기를 중심으로 형성되는 원형인 제1유조와, 상기 블레이드의 하부에 구비되어 상기 제1유조에 담긴 액체에 띄워져 상기 회전체의 하중을 지지하는 제1부력체가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 제1유조의 단면은 “V”자 형상이고, 상기 제1부력체는 단면이 하단이 상부로 오목한 “V”자 형상으로, 상기 블레이드의 하부 외측에 고정되는 원형 지지판의 하부에 고정되는 도우넛형 튜브인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 회전체의 출력축 상부를 지지하도록, 하부는 상기 제1유조에 고정되고, 상부는 상기 출력축 상부를 감싸는 베어링이 구비되는 구속하우징이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 액체는 결빙을 방지하고, 상온에서 증발량이 적은 오일인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 액체를 상기 회전체의 회전 방향에 따라 흐르게 하도록, 풍력을 이용하여 상기 액체를 회전시키는 회전수단이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 회전수단에는 상기 제1유조에 등각도로 배치된 스크류, 상기 발전기의 하부에 위치한 보조풍차 및 상기 보조풍차의 회전축과 상기 스크류를 연계하여 동력을 전달하는 베벨기어를 구비한 동력전달축이 포함되는 것을 특징으로 하 는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 제1부력체의 바닥면에는, 상기 스크류에서 밀려난 상기 액체가 유입되어 가압하여 상기 회전체의 회전을 돕도록, 함몰된 가압홈이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 보조풍차는 상기 제1유조의 하부 외주면을 따라 형성되는 보조유조에 담긴 액체에 띄워지는 보조부력체에 의하여 하중이 지지되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

또한, 상기 제1유조의 외주면에 따라 제2유조가 구비되고, 상기 덕트하우징의 하부에 결합되어 상기 제2유조에 담긴 액체에 띄워져 상기 덕트하우징의 하중을 지지하는 제2부력체가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 제시한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치에 따르면, 회전체의 하중을 떠받치는 제1부력체는 마찰이 적은 액체 위에서 회전하므로 마찰에 의한 마모가 극히 적어 부력 베어링 장치는 반영구적인 사용이 가능한 효과를 갖는다.

또한, 종래와 같이 회전체의 출력축에 직접 결합되는 베어링과 같이 사용되는 경우에도 회전체의 하중 대부분이 제1부력체에 의하여 지지됨으로써 상기 베어링의 하중 지지부담을 덜어 위 베어링의 수명이 증대되는 효과를 갖는다.

또한, 제1부력체가 “V”자형 단면을 가지는 경우에는 마찰저항을 낮추어 원활한 회전이 이루어져 발전 효율이 증가하고, 도우넛형으로 회전체의 하부 전체에 형성되는 경우에는 제1부력체가 제1유조 속의 액체에 잠기는 전체 체적을 크게 할 수 있으로, 큰 부력으로 회전체의 하중을 지지하게 되는 효과를 갖는다.

또한, 구속하우징이 더 구비되는 경우에는 액체에 떠 있는 회전체가 바람에 의하여 후방으로 밀리지 않게 되어 제1부력체의 측면과 제1유조의 내벽이 서로 닿아 마찰이 일어나는 것을 방지하고, 제1유조에 담긴 액체의 출렁임 등에 의한 출력축의 진동이 억제되어 회전체의 회전이 안정으로 이루어지는 효과를 갖는다.

한편, 제1유조에 담기는 액체가 오일인 경우에는 결빙의 염려 없이 낮은 기온에서도 지속적인 발전이 가능하며, 특히 증발량이 적어 액체를 수시 보충할 필요가 없어 유지 보수가 간편해지는 효과를 갖는다.

한편, 회전수단이 더 구비되는 경우에는 회전체의 회전에 있어 가장 큰 손실이 발생하는 액체와 제1부력체간의 마찰 저항이 크게 낮아져 회전체의 회전이 원활하게 이루어지고, 더불어 발전효율이 크게 향상되는 효과를 갖는다. 더하여, 회전수단이 풍력을 회전력으로 전환하여 이루어지는 경우에는 발전기 등의 전력을 소비하지 아니하므로, 그만큼 발전량이 증대되는 효과를 갖는다.

구체적으로 보조풍차와 제1유조 속의 스크류를 베벨기어가 구비된 동력전달축으로 연결한 경우에는, 회전수단을 수직축 풍력발전기와 독립적인 회전수단으로 형성할 수 있으며, 보조풍차의 크기 또는 베벨기어 비를 조절하여 액체의 회전력을 용이하게 조절할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 제1부력체의 바닥면에 가압홈이 더 형성되는 경우에는 스크류에 의하여 밀려난 액체가 제1부력체를 직접 회전시키게 되어, 회전체의 회전력이 더 증가되고, 그에 따라 발전효율이 상승하는 효과를 갖는다.

더하여, 보조풍차의 하중을 보조부력체에 의하여 지지하는 경우에는 보조풍차의 하중이 분산 지지되어 베어링 장치의 수명이 증가되는 효과를 갖는다.

또한, 덕트하우징의 하부에도 제2부력체가 구비됨에 따라 덕트하우지의 하중지지와 원활한 회동이 이루어지게 되는 효과를 갖는다.

이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 A를 확대한 단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치(100)에는 발전기(210)의 상부에 수직축으로 회전하는 블레이드(221)가 구비된 회전체(220)와, 일측에 형성된 방향타부(232)에 의하여 바람의 방향에 따라 상기 회전체(220)를 감싸며 회동하는 덕트하우징(230)이 포함된 수직축 풍력발전기(200)의 베어링 장치에 있어서, 상기 발전기(210)를 중심으로 형성되는 원형인 제1유조(110)와, 상기 블레이드(221)의 하부에 구비되어 상기 제1유조(110)에 담긴 액 체(L)에 띄워져 상기 회전체(220)의 하중을 지지하는 제1부력체(120)가 구비된다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기(200)를 설명하면, 수직축 풍력발전기(200)에는 대략 납작한 원통형인 발전기(210), 회전체(220), 덕트하우징(230)이 구비된다.

즉, 회전체(220)는 발전기(210)의 상부에 위치하여 회전체(220)의 회전 중심인 출력축(223)이 발전기(210)와 연결되고, 회전체(220)의 회전력이 출력축(223)와 연결된 발전기(210)에 인가되어 전기를 생산하는 것이다. 이때, 회전체(220)는 출력축(223)을 중심으로 하는 원통형 골조(222)와, 이 골조의 외주면에 구비된 블레이드(221)로 이루어진다. 이로써, 외부에서 불어오는 바람이 블레이드과 접하면서 회전체를 회전시켜 발전이 이루어진다.

한편, 덕트하우징(230)은 원통형 철골 구조물로 내부에는 상기 회전체(220)가 자유롭게 회전되도록 결합되고, 덕트하우징(230)의 외부에는 둘레덕트부(231)와 방향타부(232)가 더 결합된다.

이때, 둘레덕트부(231)는 회전체가 발전을 위하여 회전하는 방향(이하 “정방향”이라 한다)의 회전에 장애가 되는 바람을 차단하고, 둘레덕트부(231)에 접하는 바람의 방향을 전환하여 회전체(220)의 회전을 돕는 역할을 한다. 구체적으로 둘레덕트부(231)는 바람이 유입되는 덕트하우징(230)의 전방 일측 둘레에 구비되어, 전방의 일측으로 불어오는 바람을 유입 받아 바람의 방향을 전환하여 회전 체(220)를 정방향으로 회전시키는 것이다.

이를 위하여 둘레덕트부(231)는 덕트하우징(230)의 둘레를 따라 이격되며 덕트하우징(230)을 감싸는 형상으로 구비되며, 원형인 덕트하우징의 원주에서 대략 4분의 1을 따라 형성된다.

즉, 둘레덕트부(231)는 회전체(220)의 정방향 회전에 의하여 블레이드(221)가 진행하는 방향이 수직형 풍력발전기(200)를 향하여 불어오는 바람과 맞서게 되는 부분에 형성되어 바람을 차단한다. 나아가, 둘레덕트부의 외주면을 향하여 불어오는 바람을 외부에 형성된 유입구(231a)를 통하여 둘레덕트부의 내부로 유입하고, 내부에는 바람의 방향을 전환할 수 있도록 휘어진 공기통로를 통하여 유입된 바람이 회전체의 정회전을 돕도록 바람의 방향을 전환, 회전체의 블레이드로 유출되게 한다.

한편, 방향타부(232)는 덕트하우징(230)의 후방 중간에 고정되어, 둘레덕트부(231)가 바람에 맞서도록 덕트하우징(230)을 회전시키게 된다. 이를 위한 방향타부는 바람의 방향이 바뀌었을 때, 측면판(232a)의 저항으로 덕트하우징을 회전시키는 구성을 갖는다.

이러한 구성을 가지는 수직축 풍력발전기(200)에는 정방향으로 회전하는 회전체(220)와, 바람의 방향에 따라 회동하는 덕트하우징(230)이 구비되는 것으로, 수직축 풍력발전기의 발전용량을 늘리기 위해서는 각 규모가 커지는 것이고, 따라 서 그 하중도 증대되는 것이다.

이상의 구성 요소 외에 기타 부가적인 구성 요소 및 작용 관계에 대한 설명은 추후 설명되는 내용과 배치되지 않는 한 본 출원인이 선출원한 대한민국특허출원 제10-2008-0049676호 “수직축 풍력 발전 장치”에 기재된 내용에 따른다.

한편, 도 3 내지 도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 분해한 단면 사시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 부력 베어링 장치(100)에는, 회전체의 하부에 구비된 발전기(210)를 중심으로 형성되는 원형의 제1유조(110)와, 회전체(220)에 구비된 블레이드(221)의 하부에 구비되어 제1유조(110)에 담긴 액체(L)에 띄워지는 제1부력체(120)가 포함된다.

즉, 제1부력체(120)는 상부가 블레이드(221)에 고정되고, 일부 하부가 액체(L)에 잠긴 상태가 되어, 제1부력체(120)가 액체(L)에 잠긴 체적에 따른 부력으로 회전체(220)의 하중을 지지하는 것이다.

이때, 제1유조(110)는 블레이드(221)의 회전 궤적을 따라 원형으로 형성되며, 상부가 개방됨으로써 내부에 액체가 채워질 수 있게 형성된다. 또한, 제1유조(110)는 견고한 철근 콘크리트로 세워지며, 내면에는 방수를 위한 우레탄 등의 코팅이 더 이루어지는 것이 바람직하다.

이 경우, 회전체(220)의 하중을 떠받치는 제1부력체(120)는 마찰이 작은 액 체(L) 위에서 회전하므로 표면의 마모가 극히 적어 부력 베어링 장치는 반영구적인 수명을 갖는다.

또한, 종래와 같이 회전체의 출력축에 직접 결합되는 베어링과 함께 사용되는 경우에도 회전체(220)의 하중 대부분이 제1부력체(120)에 의하여 지지 됨으로써 상기 베어링의 하중 지지부담을 덜어 위 베어링의 수명이 증대되는 것이다.

한편, 제1유조(110)의 단면은, 도 1에 도시된 바와 같이, “V”자 형상이고, 제1부력체(120)는 단면이 하단이 상부로 오목한 바닥면(121)을 가지는 대략 “V”자 형상으로, 상기 블레이드(221)의 하부 외측에 고정되는 원형 지지판(224)의 하부에 고정되는 도우넛형 튜브일 수 있다.

즉, 제1유조(110)의 단면은 양 측벽(111)이 경사지게 형성되고, 제1부력체(120)의 단면 역시 제1유조의 단면에 따라 역삼각형 형상인 것이다.

이 경우, 제1유조(110)에 담기는 액체(L)의 부피를 최소화하여 경제적이며, 제1부력체(120)의 회전시 액체(L)와의 마찰을 줄여 풍력의 손실을 최소화할 수 있는 것이다. 또한, 제1부력체(120)의 하부가 점차 좁게 형성됨으로써 액체 내에서 회전시 부력에 의하여 제1부력체(120)가 상부로 밀려 올라가게 되고, 그에 따라 제1부력체가 액체 속에 잠긴 체적이 줄어들게 되어 회전 속도가 증가될수록 액체와 제1부력체간의 마찰저항이 줄어드는 효과를 갖는다.

또한, 제1부력체(120)는 상기 블레이드(221)의 하부 외측에 고정되는 원형 지지판(224)의 하부에 고정되는 도우넛형 튜브로 이루어질 수 있다.

즉, 수직축 풍력발전기(200)가 대형화될수록 각 블레이드(221)도 대형화됨에 따라 각 블레이드의 상부 또는 하부 외측 끝단을 서로 원형 지지판(224)으로 연결하여 블레이드를 비틀림에서 보호하게 된다.

이때, 블레이드의 하부 외측 끝단에 설치되는 지지판(224)의 하면에 고정되는 제1부력체는 다수로 나뉘어져 지지판의 하면 일부에만 등각도로 구비될 수도 있고, 지지판(224)의 하면 전체를 따라 도우넛 형상을 가진 원형으로 형성될 수 있다.

이 경우, 원형으로 형성되는 제1부력체(120)는 제1유조(110) 속의 액체(L)에 잠기는 용적이 커져, 큰 부력으로 회전체(220)의 하중을 지지할 수 있게 된다.

또한, 제1부력체(120)는 액체에 비하여 낮은 비중을 가짐으로써, 액체에 띄워지는 것으로, 일례로 스티로폼으로 이루어지는 부구 또는 기체를 유입시켜 확장시키는 튜브로 이루어질 수 있다.

이때, 튜브는 불활성 가스 등을 주입함으로써 쉽게 제1부력체가 되고, 연질인 고무 재질로 가벼우며 값싸게 형성할 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 지지판(224)과 제1부력체(120)의 하부에는 제1유조(110)의 개방된 상부를 덮는 방오덮개(C)가 더 구비될 수 있다. 이러한 방오덮개(C)는 지지판과 제1부력체의 사이에 개재되거나, 지지판(224)의 내, 외측에서 연장형성되어, 제1유 조(110)에 빗물 또는 기타 이물질이 들어가지 못하도록 제1유조의 개방된 상부를 덮는 형상을 갖는다.

이러한 방오덮개가 더 구비됨으로써, 제1유조의 액체에 이물질로 인한 제1부력체의 회전저항의 증가를 방지하고, 특히 우천시 빗물의 유입으로 인한 제1유조 내의 액체 수위의 상승을 방지하여 회전체가 지나치게 높게 위치되는 것을 방지하게 된다.

한편, 회전체(220)의 출력축(223) 상부를 구속하도록, 하부는 상기 제1유조(110)에 고정되고, 상부는 상기 회전체(220)의 출력축(223) 상부를 감싸는 베어링(241)이 구비되는 구속하우징(240)이 더 구비되는 것이 바람직하다.

이때, 구속하우징(240)은 회전체(220)와 덕트하우징(230) 사이에 구비되는, 철골로 이루어진 대략 원통 형상의 구조물이다. 따라서 외부에서 불어온 바람이 덕트하우징(230)과 구속하우징(240)을 통과하여 회전체(220)의 블레이드(221)까지 도달함으로써 회전체(220)가 회전하는데 있어서 구속하우징(240)이 장애가 되지 아니하는 것이다.

이러한 구속하우징(240)의 세로프레임(242)의 하부는 제1유조(110)의 바깥 측벽 상단에 견고하게 고정되고, 상부에 형성되는 가로프레임(243)의 중심에는 통상의 베어링(241)이 구비되어 상기 회전체의 출력축(223)을 감싸게 된다.

이로써, 회전체(220)의 출력축(223) 상부는 구속하우징(240)의 상부에 구비된 베어링(241)에 의하여 흔들림이 억제되므로, 외부에서 불어오는 바람에 의하여 액체에 떠 있는 회전체가 후방으로 밀리지 아니하게 하며, 액체의 출렁임 등에 의한 출력축의 진동이 방지되어 회전체의 안정된 회전이 이루어지는 것이다.

한편, 제1유조(110)에 채워지는 액체(L)는 결빙을 방지하고, 상온에서 증발량이 적은 오일인 것이 바람직하다.

유조에 채워지는 액체(L)는 제1부력체 작은 체적으로 잠기면서도 큰 하중을 지지할 수 있도록 비중이 클수록 유리한 것이나, 회전체의 회전시를 고려하면 제1부력체와의 마찰저항이 작아 풍력의 낭비를 줄이고, 상온에서 증발량이 적어 수시로 보충할 필요가 없는 것이 바람직하다. 나아가 겨울철의 혹한기 중에 얼어붙지 아니하여 회전체의 회전이 가능해야 하는 것이다.

이러한 조건을 만족하는 액체로 액체의 결빙과 연중 결빙이 일어나지 아니하는 오일 재질이 가장 바람직한 것이다. 일예로 점성을 낮추기 위한 계면활성제가 포함된 광유 또는 재활용된 엔진오일 오일이 사용될 수 있는 것이다.

이 경우, 오일이 채워짐에 따라 사계절의 변화에도 계속적인 발전이 가능하며, 특히 증발량이 적어 오일을 수시로 보충할 필요가 없어 유지 보수가 간편해지는 것이다.

한편, 제1유조(110)에는 액체(L)를 회전체(220)의 회전 방향에 따라 흐르게 하는 회전수단(170)이 더 구비되는 것이 바람직하다.

이를 위한 회전수단은, 도시되지 아니하였으나, 제1유조의 액체 속에 구비되 어 액체를 정방향으로 회전시키는 수중펌프 또는 스크류가 구비된 수중모터가 될 수 있는 것이다. 이러한 회전수단(170)은 제1유조(110)의 바닥과, 오목하게 형성하게 형성된 제1부력체(120)의 바닥면(121) 사이의 공간 내에 위치되어, 이 회전수단이 제1부력체(120)의 회전에 방해가 되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이 경우, 제1유조(110)의 액체(L)를 별도의 회전수단을 통하여 회전체의 정방향 회전에 따라 회전시킴으로써 부력 베어링 장치(100)에서 풍력의 손실이 발생하는 액체(L)와 제1부력체(120)간의 회전 저항을 낮추고 발전효율을 크게 향상시킬 수 있는 것이다.

이때, 회전수단의 작동은 발전기가 작동하여 전력을 생산할 때는 생산된 전력을 사용하고, 발전기의 작동이 멈춘 경우에는 배터리에 저장되었던 전력을 사용하는 펌프 또는 모터 등으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 대형 회전체의 초기 회전시에 액체가 미리 충분한 속도로 회전하고 있으므로, 회전체의 초기 회전 저항이 크게 낮아지는 것이다. 따라서 약한 바람에 의한 대형 회전체의 초기 회전이 보다 원활하게 이루어지는 효과가 있다.

한편, 회전수단(170)은 풍력을 이용하여 상기 제1유조의 액체를 회전시킬 수 있다. 수직축 풍력발전기(200)는 바람이 평균적으로 센 장소에 설치되므로 이러한 바람의 풍력을 이용하는 것이다. 이 경우, 발전기를 거쳐 일단 발생된 전력을 사용하는 전술된 방식에 비하여, 발전기에서 생산된 전력의 소비가 없는 장점을 가지는 것이다.

이렇게 풍력을 이용한 회전수단(170)의 구체적인 실시예로, 제1유조(110)에 등각도로 배치된 스크류(171)와, 발전기(210)의 하부에 위치한 보조풍차(172) 및 보조풍차(172)의 회전축(172a)과 스크류(171)를 연계하여 동력을 전달하는 베벨기어(173a)를 구비한 동력전달축(173)이 포함되어 이루어질 수 있다.

이때, 보조풍차(172)는 발전기(210)의 하부에 위치하며, 곡면 단면을 가지는 블레이드(172b)를 구비하여 바람에 의하여 일 방향으로 회전된다.

한편, 제1유조(110)의 바닥에는 등각도로 복수의 스크류(171)가 배치되고, 이 스크류(171)를 회전시키는 동력전달축(173)은 제1유조(110)의 안쪽 측벽을 관통하고, 보조풍차(172)의 회전축(172a)을 향하여, 원형인 제1유조(110)의 중심으로 연장된다. 이때, 동력전달축(173)이 관통한 제1유조(110)의 안쪽 측면에는 누수를 방지하기 위한 통상의 씰링이 이루어진다.

또한, 보조풍차의 회전축(172a)과 수직된 동력전달축(173)은 이 회전축과 베벨기어(173a)를 통하여 결합됨으로써, 보조풍차의 회전이 동력전달축과 스크류로 차례로 전달되어 제1유조 내의 액체를 회전시킬 수 있게 된다.

이 경우, 보조풍차의 회전력을 스크류에 전달하여 액체를 회전시킴에 따라, 회전체와 회전수단을 독립되게 구성할 수 있게 되어, 수직축 풍력발전기의 발전 효율을 저하시키지 아니하게 된다.

또한, 보조풍차의 크기 및 보초풍차의 회전축에 구비되는 베벨기어와 동력전달축에 구비되는 베벨기어의 기어비를 조절하여 스크류의 회전속도를 조정할 수 있다.

한편, 도 5는 도 4에 도시된 B-B선에 따른 제2부력체의 단면도이다.

제1유조(110)내에 스크류(171)가 구비되어 회전체의 회전을 돕는 경우, 제1부력체(120)의 바닥면에는 상기 스크류(171)에서 밀려난 상기 액체가 유입되어 가압하여 상기 회전체(220)의 회전을 돕도록, 함몰된 가압홈(122)이 더 형성될 수 있다.

즉, 보조풍차(172)에 의하여 제1유조(110)의 액체가 회전할 때, 스크류(171)로 밀려난 액체가 직접 제1부력체(120)의 회전을 도울 수 있도록, 제1부력체(120)의 하부에 스크류에서 밀려난 액체가 가압할 수 있는 가압홈(122)이 구비되는 것이다.

이때, 가압홈(122)은 제1부력체(120)의 정회전시 액체의 저항을 정면에서 받지 아니하도록 제1부력체(120) 하부에서 외부로 돌출되지 아니하고, 함몰되게 형성된다. 이로써, 액체의 회전 속도보다 제1부력체의 회전 속도가 빠른 경우에 가압홈이 외부로 돌출되지 아니함에 따라 제1부력체의 회전 저항이 증가되는 것을 방지는 것이다.

한편, 가압홈(122)은 스크류(171)에서 밀려난 액체의 속도가 제1부력체(120)의 회전속도보다 빠른 경우, 스크류에 의하여 정방향으로 밀려난 액체가 제1부력체의 하부에 형성된 가압홈(122)으로 자연스럽게 유입되도록 완만한 경사를 지닌 경사유입면(122a)과, 밀려난 액체가 직접 닿으면서 제1부력체를 정방향으로 미는 가 압면(122b)으로 이루어진다.

이때, 경사유입면(122a)과 가압면(122b)은, 액체의 이동에 따른 와류형성을 방지하기 위하여, 부드러운 곡면으로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 보조풍차(172)는 제1유조(110)의 바깥 측벽의 하부 외주면을 따라 형성되는 보조유조(150)에 담긴 액체에 띄워지는 보조부력체(160)에 의하여 하중이 지지될 수 있다.

즉, 수직축 풍력발전기(200)의 규모가 커지는 경우에는 제1유조(110)도 따라 커지고, 많은 양의 액체를 원활하게 회전시키기 위하여 스크류(171)의 회전속도와, 토크를 증대시킬 필요가 있다. 이러한 스크류(171)의 토크의 증가는 보조풍차(172)를 크게 제작하여 해결될 수 있는 것이고, 그에 따른 보조풍차(172)의 큰 하중은 전술된 바를 응용한 부력 베어링 장치로 지지될 수 있다.

즉, 보조풍차(172)는 제1유조(110)의 하부 외주면을 따라 형성되는 보조유조(150)에 담긴 액체에 띄워지는 보조부력체(160)에 의하여 하중이 지지될 수 있는 것이다.

이때, 보조유조(150)는 제1유조(110)의 바깥 측벽의 하부에서 외부로 돌출되게 연장형성되고, 이 보조유조에는 전술된 제1유조와 동일한 액체가 채워진다.

또한, 보조유조(150)에 담긴 액체에는 도우넛형인 보조부력체(160)가 띄워지고, 이 보조부력체는 적어도 둘 이상이 대칭되게 구비되는 연결프레임(172c)으로 보조풍차(172)의 상부에 고정된다.

즉, 연결프레임(172c)의 일단은 보조부력체(160)의 상부에 고정되고, 보조유조(150) 및 추후 설명되는 제2유조(130)와 접하지 아니하도록 다수 회 절곡된 후 타단이 보조풍차(172)의 상부에 고정되어, 보조풍차(172)의 하중 전부 또는 일부가 보조부력체(160)에 의하여 지지되는 것이다.

한편, 바람의 방향에 따라 회동이 이루어지는 덕트하우징(230)의 하중을 지지하기 위하여, 제1유조(110)의 바깥 측벽의 상부 외주면에 따라 제2유조(130)가 구비되고, 상기 덕트하우징(230)의 하부에 결합되며 상기 제2유조(130)에 담긴 액체에 띄워져 상기 덕트하우징(230)의 하중을 지지하는 제2부력체(140)가 더 구비될 수 있다.

전술된 바와 같이, 덕트하우징(230)은 회전체의 출력축(223)을 회전축으로 하여 바람의 방향에 따라 간헐적으로 회동되는 것으로, 덕트하우징(230)의 하중을 받치면서 회동이 원활하게 이루어지도록, 제2유조(130)에 띄워지는 제2부력체(140)가 구비되는 것이다.

이때, 제2유조(130)는 제1유조(110)의 외측벽 상부에서 외부 방향으로 연장 형성된다. 이때, 제2유조(130)의 단면은 반원통형, 직사각형 등 상부가 개방된 다양한 형상을 가질 수 있는 것이다. 다만, 전술된 보조유조(150)가 구비되는 경우에는 제2유조(130)의 하부로 연결프레임(172c)이 통과할 수 있어야 하므로, 제2부력체가 잠길 충분한 체적을 확보하기 위해서는 깊이보다 넓은 폭을 가지는 것이 유리한 것이다.

한편, 제2부력체(140)는 제2유조(130)의 단면에 대응하는 단면으로 형성되는 것으로, 재질, 형상은 전술된 제1부력체(120)와 동일하여, 중복된 설명은 생략한다.

한편, 덕트하우징(230)은 어느 한 방향(예를 들어 회전체의 정방향)으로만 회동되는 것이 아니므로 전술된 회전수단은 구비하지 않는 것이 바람직하다.

더하여, 덕트하우징(230)의 상부 중심은, 회전체의 회전과 독립적으로 회동가능하도록 베어링(234)이 개재된 상태로 회전체의 출력축(223)을 감싼다. 또한 덕트하우징(230)의 내부에는 구속하우징(240)의 외주면(244)을 지지하도록 내부를 향하여 돌출된 측면베어링(233)이 더 구비되어 상기 베어링(234)과 함께 덕트하우징이 바람에 의하여 후방으로 밀려나가지 않게 되는 것이다.

또한, 전술된 각 유조(110,130,150)와 보조풍차(172)의 하부에는 경사진 비탈면 등의 지면에 대하여 수직축 풍력발전기를 수평으로 안치될 수 있게 하며, 수직축 풍력발전기의 설치 고도를 바람이 세게 부는 위치인 높은 고도로 올릴 수 있도록 복수의 기둥(250)이 더 결합 된다.

이때, 보조풍차의 하부에 구비되는 기둥(250)에는 보조풍차의 회전축의 진동을 방지하기 위한 베어링이 개재되는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치의 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 A를 확대한 단면도.

도 3 내지 도 4는 도 1에 도시된 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치를 분해한 단면 사시도.

도 5는 도 4에 도시된 B-B선에 따른 제2부력체의 단면도.

도 6은 종래의 기술은 나타낸 사시도.

도 7은 도 6에 도시된 종래의 기술의 평면 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 베어링 장치 110 : 제1유조

111 : 측벽 120 : 제1부력체

121 : 바닥면 122 : 가압홈

122a : 경사유입면 122b : 가압면

130 : 제2유조 140 : 제2부력체

150 : 보조유조 160 : 보조부력체

C : 방오덮개 L : 액체

170 : 회전수단 171 : 스크류

172 : 보조풍차 172a : 회전축

172b : 블레이드 172c : 연결프레임

173 : 동력전달축 173a : 베벨기어

200 : 풍력발전기 210 : 발전기

220 : 회전체 221 : 블레이드

222 : 골조 223 : 출력축

224 : 지지판 230 : 덕트하우징

231 : 둘레덕트부 231a : 유입구

232 : 방향타부 232a : 측면판

233 : 측면베어링 234 : 베어링

240 : 구속하우징 241 : 베어링

242 : 세로프레임 243 : 가로프레임

244 : 외주면

Claims

발전기(210)의 상부에 수직축으로 회전하는 블레이드(221)가 구비된 회전체(220)와, 일측에 형성된 방향타부(232)에 의하여 바람의 방향에 따라 상기 회전체(220)를 감싸며 회동하는 덕트하우징(230)이 포함된 수직축 풍력발전기(200)의 베어링 장치에 있어서,

상기 발전기(210)를 중심으로 형성되는 원형인 제1유조(110)와, 상기 블레이드(221)의 하부에 구비되어 상기 제1유조(110)에 담긴 액체(L)에 띄워져 상기 회전체(220)의 하중을 지지하는 제1부력체(120)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제1항에서,

상기 제1유조(110)의 단면은 “V”자 형상이고,

상기 제1부력체(120)는 단면이 하단이 상부로 오목한 “V”자 형상으로, 상기 블레이드(221)의 하부 외측에 고정되는 원형 지지판(224)의 하부에 고정되는 도우넛형 튜브인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제2항에서,

상기 회전체(220)의 출력축(223) 상부를 지지하도록, 하부는 상기 제1유조(110)에 고정되고, 상부는 상기 출력축(223) 상부를 감싸는 베어링(241)이 구비 되는 구속하우징(240)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제1항에서,

상기 액체(L)는 결빙을 방지하고, 상온에서 증발량이 적은 오일인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제1항에서,

상기 액체(L)를 상기 회전체(220)의 회전 방향에 따라 흐르게 하도록, 풍력을 이용하여 상기 액체(L)를 회전시키는 회전수단(170)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제5항에서,

상기 회전수단(170)에는

상기 제1유조(110)에 등각도로 배치된 스크류(171);

상기 발전기(210)의 하부에 위치한 보조풍차(172); 및

상기 보조풍차(172)의 회전축(172a)과 상기 스크류(171)를 연계하여 동력을 전달하는 베벨기어(173a)를 구비한 동력전달축(173)이 포함되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제6항에서,

상기 제1부력체(120)의 바닥면(121)에는,

상기 스크류(171)에서 밀려난 상기 액체(L)가 유입되어 가압하여 상기 회전체(220)의 회전을 돕도록, 함몰된 가압홈(122)이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제6항에서,

상기 보조풍차(172)는

상기 제1유조(110)의 하부 외주면을 따라 형성되는 보조유조(150)에 담긴 액체에 띄워지는 보조부력체(160)에 의하여 하중이 지지되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.
제5항에서,

상기 제1유조(110)의 상부 외주면에 따라 제2유조(130)가 구비되고,

상기 덕트하우징(230)의 하부에 결합되어 상기 제2유조(130)에 담긴 액체에 띄워져 상기 덕트하우징(230)의 하중을 지지하는 제2부력체(140)가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 부력 베어링 장치.