KR20100024298A

KR20100024298A - 풍력발전기

Info

Publication number: KR20100024298A
Application number: KR1020080083091A
Authority: KR
Inventors: 유형주; 유성권
Original assignee: 유형주
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2010-03-05
Also published as: KR101028007B1

Abstract

본 발명은 풍력발전기, 특히, 프로펠러형의 회전날개(축류팬)를 가지는 풍력발전기에 관한 것이다. 본 발명은 회전날개, 기준축, 지지대, 발전기 및 회전날개와 결합되고, 회전중심 측으로 오는 바람을 회전날개 측으로 유도하도록 앞 측의 단면적이 뒤 측의 단면적보다 좁게 형성되는 회전기를 포함하는 풍력발전기를 제공한다. 본 발명에 의하면, 회전날개의 앞 측에 구비되는 회전기에 의해 회전날개의 회전중심 측으로 오는 바람이 회전날개 측으로 모아짐으로써, 회전날개가 더욱 강하게 회전하여 풍력발전기의 발전효율을 극대화 시킬 수 있다는 효과가 있다.

풍력발전기, 터보

Description

풍력발전기{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력발전기, 특히, 프로펠러형의 회전날개(축류팬)를 가지는 풍력발전기에 관한 것이다.

풍력발전기는 바람에 의해 회전날개를 회전시켜 전기에너지를 생산하는 장치이다.

풍력발전기는, 대개의 경우, 회전축이 바람의 방향과 수평하게 구비된 축류팬이나 회전축이 바람의 방향에 수직하게 구비된 원심팬에 의해 회전동력을 얻고, 팬에 의해 얻어진 회전동력으로 발전기를 구동시켜 전기에너지를 생산하는 방식을 취한다.

축류팬에 의해 회전동력을 얻는 풍력발전기는 대한민국 등록실용신안 제20-0365582호(고안의 명칭 : 풍력발전기용 프로펠라) 등에 개시되어 있고, 원심팬에 의해 회전동력을 얻는 풍력발전기의 예로는 대한민국 공개특허 제10-2008-0021859호(발명의 명칭 : 차세대 풍력발전 시스템) 등에 개시되어 있다.

한편, 바람은 그 세기나 방향이 일정치 않아서, 풍력발전기에서 해결하고자 하는 가장 큰 연구 과제는 바람을 어떻게 하여 최대로 활용할 수 있는 가에 있다.

최대한 바람을 활용하기 위해, 바람과 회전날개의 마찰을 증폭시킬 수 있도록 회전날개의 형상을 변형하는 기술, 바람을 회전날개 측으로 보낼 수 있는 기술, 바람의 방향에 상관없이 바람을 이용하여 회전날개를 회전시킬 수 있는 기술, 회전날개에 의해 얻어진 회전동력이 발전기까지 전달되는 과정에서 발생하는 기계적인 마찰력을 감소시킬 수 있는 기술 등이 지속적으로 연구되고 있다.

본 발명은, 축류팬을 이용하는 풍력발전기에서, 바람을 회전날개 측으로 보낼 수 있는 기술에 관계한다.

도1은 본 발명의 발명자에 의해 선출원(출원번호 제10-2008-0051711호, 발명의 명칭 : 풍력발전기)된 풍력발전기(선행모델)에 대한 사시도이다.

도1을 참조하면, 선행모델에 따른 풍력발전기(10)는 회전기(12), 기준축(14), 지지대(16), 발전기 등을 포함하여 구성된다.

회전기(12)는 회전 가능한 축류팬으로 적용되고 있으며, 도1에 도시된 바와 같이, 결합체(12a)와 3개의 회전날개(12b)로 구성된다.

결합체(12a)는 기준축(14)에 회전 가능하게 결합되어 있으며, 내부에는 발전기가 배치될 수 있는 배치공간을 가진다.

3개의 회전날개(12b)는 기준축(14)에 수직한 반경 방향으로 길게 뻗어있으며, 결합체(12a)의 외면에 결합체(12a)와 일체로 결합되어 바람과의 마찰에 의해 풍력을 회전기(12)의 회전력으로 전환시키는 역할을 수행한다. 그리고 이러한 회전기(12)의 회전날개(12b)는 바람을 맞이하는 측이 기준축(14)과 지지대(16)가 결합 되는 지점(C)을 바라보도록 되어 있다.

기준축(14)은 바람의 방향에는 대체로 수평하고 회전기(12)의 회전면(날개의 회전면)에는 수직하게 구비되며, 회전기(12)의 회전중심을 제공한다. 그리고 앞 측은 뾰족한 원뿔형상으로 회전날개(12b)의 회전중심 측으로 오는 바람을 회전중심의 외측으로 유도하여 회전날개(12b)를 회전시키는 역할을 수행한다.

지지대(16)는 기준축(14)과 90도의 각도로 지면에 수직하게 설치되며, 회전기(12) 및 기준축(14)을 지면으로부터 일정 높이 이상 위치될 수 있도록 지지하는 역할을 한다. 그리고 이러한 지지대(16)에는 기준축(14)이 회전 가능하게 결합된다.

발전기는 결합체(12a)의 내부, 즉, 배치 공간상에 배치된다.

위와 같은 구성을 가지는 풍력발전기(10)는 바람이 임의의 방향으로 불면, 바람의 저항이 강한 회전날개(12b)가 바람이 불어오는 방향에 반대 측에 위치되게 된다. 따라서 바람이 화살표 방향으로 불 때, 회전기(12)가 뒤 측에 위치하게 된다. 즉, 회전날개(12b)를 포함한 회전기(12)의 바람에 대한 저항이 크기 때문에, 바람이 불어오는 방향에 맞서지 않고 바람이 불어오는 방향의 뒤 측으로 위치되려 하고, 이에 따라 회전날개(12b)의 바람을 맞이하는 측이 바람이 불어오는 쪽을 향하도록 기준축(14)이 회전하게 됨으로써 회전기(12)가 뒤 측에 위치되게 된다. 따라서 어느 방향에서 바람이 불어오더라도, 회전날개(12b)의 바람을 맞이하는 측이 바람이 불어오는 방향을 향하게 되어서 풍향과 관계없이 회전기(12)를 회전시켜 전력을 생산해 낼 수 있게 된다.

본 발명은, 축류팬을 이용한 풍력발전기에서, 동일한 바람의 양에도 선행모델에 따른 풍력발전기보다 회전날개의 회전력을 향상시킬 수 있는 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 풍력을 회전력으로 전환시키는 축류형 복수의 회전날개; 상기 복수의 회전날개가 결합되는 결합체; 상기 복수의 회전날개의 회전면에 수직하게 구비되며, 상기 복수의 회전날개의 회전중심을 제공하는 기준축; 상기 기준축과 0도 보다는 크고 180도 보다는 작은 각도 범위 내에서 지면에 수직하게 설치되고, 상기 복수의 회전날개, 결합체 및 기준축이 지면으로부터 일정 높이 이상 위치되도록 지지하는 지지대;. 및 상기 복수의 회전날개의 회전동력을 전기에너지로 변환하는 발전기; 를 포함하며, 상기 기준축은, 상기 지지대에 회전 가능하게 결합되고, 상기 복수의 회전날개는 바람을 맞이하는 측 -"바람을 맞이하는 측"은 바람을 맞아 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 형상된 회전날개가 의도된 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 하기 위해 바람이 불어오는 방향으로 향하도록 한 측으로 정의 함- 이 상기 기준축과 지지대가 결합되는 지점을 바라보도록 되어 있으며, 상기 회전중심 측으로 오는 바람을 상기 복수의 회전날개 측으로 유도하도록 앞 측의 단면적이 뒤 측의 단면적보다 좁게 형성되는 터보; -"앞"은 바람 이 입력되는 방향으로 정의하고, "뒤"는 바람이 출력되는 방향으로 정의 함- 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 제공한다.

한편, 상기 터보의 뒤 측은, 상기 복수의 회전날개 중 적어도 하나의 회전날개에 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 제공한다.

그리고 상기 결합체와 터보는, 일체로 형성되어 상기 복수의 회전날개가 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 제공한다.

또한, 상기 일체로 형성된 결합체와 터보에는, 적어도 하나의 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 제공한다.

한편, 무게 중심을 맞추기 위해서, 지지대의 앞 측으로 돌출된 기준축의 내부 일부분이 특정물질로 채워진 것을 특징으로 하는 풍력발전기를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 회전날개의 앞 측에 구비되는 회전기에 의해 회전날개의 회전중심 측으로 오는 바람이 회전날개 측으로 모아짐으로써, 회전날개가 더욱 강하게 회전하여 풍력발전기의 발전효율을 극대화 시킬 수 있다는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소 들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

<제1실시예>

도2와 도3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 사시도이다.

도2와 도3에서 참조되는 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력발전기(100)는 회전날개(110), 결합체(120), 기준축(140), 지지대(160), 발전기(170), 터보(180) 등을 포함하여 구성된다.

회전날개(110)는 3개로 구성된 축류팬으로 기준축(140)에 수직한 반경 방향으로 길게 뻗어있으며, 결합체(120)의 외면에 결합체(120)와 일체로 결합되어 바람과의 마찰에 의해 풍력을 회전력으로 전환시키는 역할을 수행한다. 물론, 회전날개(110)의 개수는 실시하기에 따라서, 2개 이상, 즉, 복수 개이면 족하다. 그리고 이러한 회전날개(110)는 바람을 맞이하는 측이 기준축(140)과 지지대(160)가 결합되는 지점(C)을 바라보도록 되어 있다.

여기서, "회전날개(110)의 바람을 맞이하는 측"이라 함은 바람을 맞아 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 형상된 회전날개(110)가 의도된 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 하기 위해 바람이 불어오는 방향으로 향하도록 한 측을 말한다.

결합체(120)는 회전날개(110)와 일체로 결합되고, 기준축(140)에 회전 가능 하게 결합되며, 내부에는 발전기(170)가 배치될 수 있는 배치공간을 가진다.

이하 본 발명의 실시예에서는 회전날개(110)와 결합체(120)가 일체로 결합된 것을 회전기(130)로 통칭하여 설명하기로 한다.

기준축(140)은 바람의 방향에는 대체로 수평하고, 회전면(날개의 회전면)에는 수직하게 구비되며, 회전기(130)의 회전중심(O, 도4 참조)을 제공한다. 그리고 기준축(140)에 슬립링(142)이 구비되어 회전날개(110)의 회전을 용이하도록 한다. 또한, 앞 측에는 뾰족한 원뿔형상의 유도체(144)가 구비되어 회전날개(110)의 회전중심(O) 측으로 오는 바람을 회전중심(O)의 외측으로 유도하여 회전날개(110)를 회전시키는 역할을 수행한다.

한편, 기준축(140)의 뒤 측에 배치되는 회전기(130)로 인해 무게 중심이 뒤 측에 위치하므로, 기준축(140)을 기준으로 양 측으로 무게를 분산시켜서 안정성을 확보하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 기준축(140)의 앞 측 내부를 특정물질(시멘트 등)로 채우거나 기준축(140)의 앞 측 일부분이 특정부재(콘크리트, 철근 구조물 등)로 형성되는 것이 바람직하다.

지지대(160)는 기준축(140)과 90도의 각도로 지면에 수직하게 설치되며, 회전기(130), 회전날개(110) 및 기준축(140)을 지면으로부터 일정 높이 이상 위치될 수 있도록 지지하는 역할을 한다. 그리고 이러한 지지대(160)에는 기준축(140)이 회전 가능하게 결합된다. 물론, 실시하기에 따라서는 지지대(160)와 기준축(140)이 90도 보다 더 큰 각도로 유지될 수도 있으며, 그 반대로 지지대(160)와 기준축(140)이 90도 보다 더 작은 각도로 유지될 수도 있다. 즉, 기준축(140)과 지지 대(160)는 여타 구성의 상호 간섭이 없는 한도 내에서 0도 보다는 크고 180도 보다는 작은 각도 범위를 가지도록 구성하면 족하다.

발전기(170)는 결합체(120)의 내부, 즉, 배치 공간상에 배치된다.

터보(180)는 앞 측의 단면적이 뒤 측의 단면적보다 더 좁은 원뿔대의 형상으로, 회전날개(110)의 앞 측에 구비되고, 회전날개(110)의 회전중심(O, 도4 참조) 측으로 오는 바람을 회전날개(124)의 끝측으로 유도하는 역할을 수행한다. 여기서, "앞"은 바람이 입력되는 방향으로 정의하고, "뒤"는 바람이 출력되는 방향으로 정의한다. 그리고 터보(180)의 앞 측에서 뒤 측으로 기준축(140)이 관통하고, 뒤 측은 회전날개(110)에 결합되어 회전기(130)가 회전함에 따라 같이 회전한다.

이때, 터보(180)가 회전하면서 기준축(140)과 상호 간섭이 없도록 터보(180)와 기준축(140) 사이에는 소정의 간격이 형성되고, 터보(180)의 앞뒤는 개방된 통 형상으로 무게를 경량화하여 회전날개(124)의 회전력을 높여주는 것이 바람직하다.

다음은 위와 같은 구성을 가지는 풍력발전기(100)의 작동에 대하여 도4를 참조하여 설명한다.

바람이 임의의 방향으로 불면, 바람의 저항이 강한 회전날개(110)가 바람이 불어오는 방향에 반대 측에 위치되게 된다. 따라서, 바람이 도4에서와 같이 화살표 방향으로 불 때, 터보(180)가 앞 측에 위치하고 회전날개(110)가 뒤 측에 위치하게 된다.

즉, 회전날개(110)의 바람에 대한 저항이 크기 때문에, 바람이 불어오는 방향에 맞서지 않고 바람이 불어오는 방향의 뒤 측으로 위치되려 하고, 이에 따라 회 전날개(110)의 바람을 맞이하는 측이 바람이 불어오는 쪽을 향하도록 기준축(140)이 회전하게 됨으로써 터보(180)가 앞 측에 위치되고 회전날개(110)가 뒤 측에 위치되게 된다. 따라서, 어느 방향에서 바람이 불어오더라도, 회전날개(110)의 바람을 맞이하는 측이 바람이 불어오는 방향을 향하게 되어서 풍향과 관계없이 회전기(130)를 회전시켜 전력을 생산해 낼 수 있게 된다.

한편, 회전날개(110)의 회전중심(O) 측으로 오는 바람은 회전날개(110)의 앞 측이면서 회전날개(110)의 회전중심(O)에 배치되는 유도체(144)와 터보(180)에 의해 회전중심(O)의 외측으로 출력될 수 있는데, 유도체(144)와 터보(180)가 회전날개(110)의 회전중심(O) 측으로 향하던 바람을 회전날개(110) 측으로 유도 및 집중시킨다.

즉, 바람이 기준축(140)의 유도체(144)에 의해 기준축(140)의 외측 길이방향을 따라 이동하고, 이동하는 바람은 터보(180)에 의해 회전날개(110)의 끝측으로 모아지게 된다. 따라서, 모아진 바람은 모아진 만큼 비례하여 풍속이 강해진 상태로 회전날개(110)에 부딪히고, 바람에 대한 토크(TORQUE)가 극대화되는 것이다.

여기서, 토크는 동일한 중심을 가지며 동일한 속도로 회전하는 질량에 대하여 회전하는 방향으로 작용하고, 상기 중심으로부터의 거리에 비례하여 증가되므로, 끝점에서 제일 큰 토크를 갖게 된다. 이에 따라, 풍력발전기(100)의 전력은 토크에 정비례하게 되고, 최적의 발전효율을 제공할 수 있는 것이다.

즉, 유도체(144)로 인하여 회전날개(110) 측으로 모아지는(유도되는) 바람에 비해서 터보(180)가 회전날개(110)의 회전중심(O) 측에 형성됨으로 인해서 회전날 개(110) 측으로 모아지는(유도되는) 바람의 양이 많고, 극대화된 토크로 회전날개(110)의 회전력이 높아진다. 따라서, 회전날개(110)가 더욱 강하게 회전하여 바람의 이용효율을 극대화 시키게 된다(화살표 참조).

<제2실시예>

도5와 도6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 사시도이다.

도5와 도6에서 참조되는 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력발전기(200)는 터보결합체(230), 회전날개(210), 기준축(240), 지지대(260), 발전기(270) 등을 포함하여 구성된다.

터보결합체(230)는 제1실시예에서의 결합체(120)와 터보(180)가 일체화되는 형태로, 외면에 회전날개(210)가 결합된다.

더욱 상세하게 살펴보면, 터보결합체(230)는 앞 측의 단면적이 뒤 측의 단면적보다 더 좁은 원뿔대 형상으로, 적어도 하나 이상의 홀이 형성되며, 내부에는 발전기(270)가 배치된다. 여기서, "앞"은 바람이 입력되는 방향으로 정의하고, "뒤"는 바람이 출력되는 방향으로 정의한다. 그리고 터보결합체(230)의 앞 측에서 뒤 측으로 기준축(240)이 관통하고, 터보결합체(230)가 회전하면서 기준축(240)과 상호 간섭이 없도록 터보결합체(230)와 기준축(240) 사이에는 소정의 간격이 형성된다.

그리고 터보결합체(230)의 내부는 발전기(270)가 공기와 직접 맞닿도록 하기 위해서 내부공간이 빈 상태로 형성되고, 터보결합체(230)에 형성된 홀에 의해 회전 날개(210)가 회전하면서 발전기(270)에서 발생되는 열이 공랭식(공기를 사용하여 냉각)으로 배출된다.

즉, 터보결합체(230)의 측면에 형성된 홀로 바람이 터보결합체(230)의 내부로 들어가고, 뒷면에 형성된 홀로 바람이 빠져나오면서 터보결합체(230)의 내부가 통풍이 잘 되고, 이에 따라 발전기(270)가 과열되는 것을 막아주는 것이다(화살표 참조).

이때, 터보결합체(230)에 형성되는 홀은 터보결합체(230)의 내부로 입력되는 바람이 효과적으로 출력될 수 있는 구조 및 형태로 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 터보결합체(230)가 회전하면서 발생되는 소음이 터보결합체(230)에 형성된 홀을 통해 들어가고, 터보결합체(230)내에서 상기 소음이 흡수됨에 따라, 상기 소음이 최소화될 수 있다는 이점이 있다.

한편, 회전날개(210)와 결합되는 터보결합체(230)에 의해 회전날개(210)의 회전중심(O, 도4 참조) 측으로 오는 바람이 회전날개(210) 측으로 모아지거나 유도됨으로써, 회전날개(210)가 더욱 강하게 회전하여 풍력발전기(200)의 발전효율을 극대화 시킬 수 있으며, 이에 대한 기능 및 역할은 제1실시예에서의 터보(180)와 동일하므로 생략하도록 한다.

또한, 기준축(240), 지지대(260), 발전기(270)는 제1실시예에서의 기준축(140), 지지대(160), 발전기(170)와 동일한 기능을 하는 동일한 형태이므로 이에 대한 설명도 생략한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으 로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도1은 선행모델에 따른 풍력발전기에 대한 사시도이다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 사시도이다.

도3은 도2의 풍력발전기를 뒤 측에서 바라본 사시도이다.

도4는 도2의 풍력발전기의 작동상태를 설명하기 위한 참조도이다.

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기에 대한 사시도이다.

도6은 도5의 풍력발전기를 뒤 측에서 바라본 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 100 : 풍력발전기 12, 120, 220 : 회전기

12a, 122 : 결합체 12b, 124, 224 : 회전날개

14, 140 : 기준축 142 : 슬립링

144 : 유도체 16, 160 : 지지대

170 : 발전기 180 : 터보

Claims

풍력을 회전력으로 전환시키는 축류형 복수의 회전날개;

상기 복수의 회전날개가 결합되는 결합체;

상기 복수의 회전날개의 회전면에 수직하게 구비되며, 상기 복수의 회전날개의 회전중심을 제공하는 기준축;

상기 기준축과 0도 보다는 크고 180도 보다는 작은 각도 범위 내에서 지면에 수직하게 설치되고, 상기 복수의 회전날개, 결합체 및 기준축이 지면으로부터 일정 높이 이상 위치되도록 지지하는 지지대; 및

상기 복수의 회전날개의 회전동력을 전기에너지로 변환하는 발전기; 를 포함하며,

상기 기준축은, 상기 지지대에 회전 가능하게 결합되고, 상기 복수의 회전날개는 바람을 맞이하는 측 -"바람을 맞이하는 측"은 바람을 맞아 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 형상된 회전날개가 의도된 최대의 회전력을 얻을 수 있도록 하기 위해 바람이 불어오는 방향으로 향하도록 한 측으로 정의 함- 이 상기 기준축과 지지대가 결합되는 지점을 바라보도록 되어 있으며,

상기 회전중심 측으로 오는 바람을 상기 복수의 회전날개 측으로 유도하도록 앞 측의 단면적이 뒤 측의 단면적보다 좁게 형성되는 터보; -"앞"은 바람이 입력되는 방향으로 정의하고, "뒤"는 바람이 출력되는 방향으로 정의 함- 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
제1항에 있어서,

상기 터보의 뒤 측은, 상기 복수의 회전날개 중 적어도 하나의 회전날개에 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
제1항에 있어서,

상기 결합체와 터보는, 일체로 형성되어 상기 복수의 회전날개가 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
제3항에 있어서,

상기 일체로 형성된 결합체와 터보에는, 적어도 하나의 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
제1항에 있어서,

무게 중심을 맞추기 위해서, 지지대의 앞 측으로 돌출된 기준축의 내부 일부분이 특정물질로 채워진 것을 특징으로 하는 풍력발전기.