KR20100031449A

KR20100031449A - 풍력 발전기용 배풍기

Info

Publication number: KR20100031449A
Application number: KR1020090043106A
Authority: KR
Inventors: 강철
Original assignee: 강철
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-03-22

Abstract

본 발명은 연도(굴뚝)의 꼭대기에 설치되어 풍력에 의해 건물의 내부에서 발생된 오염된 공기를 외부로 배출하는 배풍기에 관한 것으로, 배풍기의 구조를 획기적으로 개선하여 풍력에 의해 회전익체를 지지하는 회전축이 회전함에 따라 발생된 동력을 이용하여 지속적으로 전기를 생산할 수 있도록 한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 배풍기(20)를 건물에 설치하여 바람의 힘에 의해 복수개의 배풍날개(32)로 이루어진 회전익체(28)가 회전함에 따라 실내의 오염된 공기를 외부로 배출하도록 된 것에 있어서, 상기 배풍기(20)가 안치되는 좌대(22)의 일 측에 종동부재(29)를 갖는 발전기(27)를 설치하고 회전축(21)에는 구동부재(26)를 고정하여 상기 구동부재(26)의 회전력이 동력전달수단에 의해 발전기(27)의 종동부재(29)에 전달됨에 따라 발전기(27)로부터 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

배풍기, 회전익체, 회전축, 구동부재, 종동부재, 동력전달수단, 발전기

Description

풍력 발전기용 배풍기{Ventilator for a wind power generator}

본 발명은 연도(굴뚝)의 꼭대기에 설치되어 풍력에 의해 건물의 내부에서 발생된 오염된 공기를 외부로 배출하는 로타리식 배풍기에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 배풍기의 구조를 획기적으로 개선하여 풍력에 의해 회전익체를 지지하는 회전축이 회전함에 따라 발생된 동력을 이용하여 지속적으로 전기를 생산할 수 있도록 하는 풍력 발전기용 배풍기에 관한 것이다.

일반적으로 아파트, 공장 및 일반건물 등 건축물에서는 실내에서 발생된 오염된 공기를 외부로 배출하도록 지붕까지 이어진 연도를 만들던가, 외부의 바람에 의해 작동하는 배풍기를 연도의 꼭대기나 지붕의 환기구에 설치하여 공기배출을 더욱 효율적으로 실시하고 있다.

예를 들어, 공동주택인 고층의 아파트 등에서는 냄새발생의 진원지인 주방 및 화장실이 각 층마다 동일한 지점에 수직으로 위치되게 건축되므로, 상기 장소에서 발생되는 오염된 공기를 외부로 배출하도록 이들이 위치하는 수직한 방향을 따 라 굴뚝(Air Duct)을 만들어 상기 굴뚝을 통해 오염된 실내공기가 외부로 배출되도록 하고 있다.

이 때, 고층 건물의 굴뚝은 길음에 따라 각층에서 발생된 오염 공기가 굴뚝을 통하여 자연스럽게 배출되는데 한계가 있어 굴뚝의 꼭대기에 풍력을 이용하여 회전하면서 오염된 공기를 강제로 배출하는 배풍기(排風機 : ventilator)를 설치하고 있다.

도 1은 종래 배풍기의 일 실시예를 일부 절결하여 나타낸 사시도이고 도 2는 도 1의 종단면도로서, 건물의 천장 외부에 설치되어 실내를 환기시키는 배풍기(1)는 바람에 의해 회전축(2)을 중심으로 회전하는 회전익체(3)와, 굴뚝의 구조물(도시는 생략함)에 고정되어 회전익체가 설치된 회전축(2)을 회전 가능하게 지지하는 좌대(4)로 구성되어 있다.

상기 회전익체(3)는 복수개의 배풍날개(5)가 일정간격이 유지되도록 상부 프레임(6) 및 하부 프레임(7)에 설치된 형태로, 각 배풍날개(5)의 사이로 공기가 유입됨에 따라 회전익체(3)가 회전하는 구조이다.

"+"자 형태의 지지간(4a)을 갖는 좌대(4)가 건물의 상부에 고정 지지되어 있고 상기 좌대(4)의 지지간(4a)에는 회전축(3)의 하부가 지지되어 있다.

그리고 지지간(4a)에 하단이 지지된 회전축(2)에는 회전익체(3)의 하부를 지지하는 하부 프레임(5) 및 회전익체(3)의 상부를 지지하는 상부 프레임(6)이 각각 베어링(8)(9)으로 결합되어 있는데, 상기 하부 프레임(7)에는 베어링(9)이 결합되는 지지간(7a)이 일체로 형성되어 있다.

또한, 배풍기(1)에 보호대를 구비한 경우, 회전축(2)은 보호대의 상부까지 연장하여 베어링(8)에 의해 지지되어 있어 강풍이나 돌출에서 좌대(4)에 연결한 회전익체(3)를 보호하고 회전익체의 원활한 회전을 돕게 된다.

따라서 상기 배풍기(1)가 건물의 천장 외부에 설치된 상태에서 바람이 불어 배풍날개(5)에 부딪치면 바람이 각 배풍날개(5)의 사이로 유입되면서 회전익체(3)를 회전 운동시킨 다음 회전익체(3)의 내부로 유입된 공기는 다시 원심력으로 반대 편에 위치하는 배풍날개(5)의 사이로 배출된다.

상기 회전익체(3)의 회전에 따른 원심력에 의해 회전익체(3)의 내부에 회오리가 발생되어 회전익체의 내부 압력이 상승하면 굴뚝 내에 머물고 있던 평상 압력의 오염된 공기에 상승기류가 발생되므로 오염된 공기가 회전익체(3)가 있는 배풍기(1) 측으로 빨려 올라가 외부로 방출된다.

상기 배풍기(1)는 바람의 방향, 즉 풍향에 관계없이 원통형상의 회전익체(3)를 회전시키며 실내의 오염된 공기를 배풍시키는 역할을 하게 되는 것이다.

이러한 역할을 하는 배풍기(1)에서 좌대(4) 및 회전익체(3)의 직경은 건물(아파트 등)의 높이를 15 ~ 20층을 기준으로 할 때 주방 레인지용 굴뚝구조물의 규격을 60㎝×60㎝ 정도로 건축하므로 인해 대략 60㎝ 내외로 설계된다.

이에 따라, 회전운동을 하는 회전익체(3)를 축바퀴로 보면 회전익체의 중심은 회전하는 지레의 받침점 구실을 하는 회전축(2)이고, 배풍날개(5)는 지레의 바깥부분에 해당하는 바퀴에 해당하므로 축바퀴의 원리와 같이 회전익체(3)는 1회 주기 운동길이가 60㎝ㅇπ로 움직이는 거리가 길어지지만, 대신에 회전할 때 소요되 는 힘은 적게 들고 회전축(2)은 상대적으로 움직이는 거리가 짧지만 힘은 더 강력해진 상태로 회전하게 된다.

주지된 바와 같이 수력, 화력, 풍력 등의 힘을 이용하는 설비에 의해 전기를 생산하려면 자석 내에 코일이 교차되도록 회전시켜 사인파(sine wave)교류로 유도전압을 발생시켜야만 된다.

전술한 바와 같은 배풍기를 이용한 발전기로는 실용신안등록 제248330호가 알려져 있다.

도 3은 종래의 풍력 발전기용 배풍기를 나타낸 종단면도로서, 회전축(10)이 회전익체(11)를 보호하는 회전익체 보호대(12)의 구멍을 관통하여 상부로 돌출되게 연장되어 설치되어 있고, 이와 같은 연장된 회전축(10)에는 베어링(13)에 지지되면서 회전익체 보호대(12)의 상부에 노출되어 발전기(14)가 설치되어 있다.

따라서 바람에 의해 회전익체(11)가 고정된 회전축(10)이 회전하면 회전익체 보호대(12)의 상부로 노출된 회전축(10)에 발전기(14)가 설치되어 있어 발전을 하게 되므로 얻어진 전기가 축전지(15)에 축전된다.

그러나 이러한 종래의 발전기는 풍력발전기에서 회전자에 해당하는 배풍기의 회전축에 직결한 수직축의 기어리스형 발전기를 제안한 것으로, 발전기는 바람에 힘에 의해 회전익이 회전할 때 풍량이 적거나, 풍속이 대략 4 ~ 5 m/sec로 느리면 회전익에 고정된 회전축의 회전속도가 느려져 발전기의 자석 내 코일의 주파수가 적어(한전의 발전 기준 주파수 61Hz) 사인파 교류의 발생 빈도가 떨어지므로 발전효율이 현저히 저하되는 치명적인 결함이 있어 실제 적용되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 종래의 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 배풍기에 설치되는 발전기의 구성을 획기적으로 개선하여 풍량이 적어 회전익체가 고정된 회전축의 회전수가 떨어지더라도 발전 기준 주파수를 초과하는 사인파 교류를 지속적으로 발생시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 배풍기를 건물에 설치하여 바람의 힘에 의해 복수개의 배풍날개로 이루어진 회전익체가 회전함에 따라 실내의 오염된 공기를 외부로 배출하도록 된 것에 있어서, 상기 배풍기가 안치되는 좌대의 일 측에 코일바퀴를 갖는 발전기를 설치하고 회전축에는 회전부재를 고정하여 상기 회전부재의 회전력이 동력전달수단에 의해 발전기의 코일바퀴에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기가 제공된다.

본 발명은 회전익체가 바람의 세기 및 속도에 따라 회전속도를 달리하며 회전하더라도 회전익체의 회전속도를 증폭시켜 발전기의 자석 내 코일 주파수를 종래 의 배풍기와 동일한 조건에서도 현저하게 높일 수 있게 되므로 항상 발전효율을 향상시킬 수 있게 되는 장점을 얻게 된다.

또한, 회전익체를 구성하는 배풍날개에 회전동력을 배가하는 저항날개를 더 구비할 경우에는 회전익체의 회전수를 증대시킬 수 있게 되므로 발전효율을 더욱 향상시킬 수 있게 되는 장점도 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 각 실시예로 도시한 첨부도면 도 4 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 풍력 발전기용 배풍기에서 보호대를 제외하고 일부 절결하여 나타낸 사시도로서, 본 발명의 배풍기(20)는 종래의 로타리식 배풍기와는 달리 회전축(21)이 좌대(22)의 하단까지 기다랗게 연장된 타입으로 이루어져 회전축(21)의 중간부위가 하부 프레임(23)의 지지간(23a)에 베어링(24)으로 지지되어 있고 회전축(21)의 하단은 좌대(22)의 지지간(22a)에 베어링(25)으로 지지되어 있으며 상기 지지간(22a)(23a)의 사이에 위치하는 회전축(21)에는 외경이 큰 구동부재(26)가 고정 설치되어 있다.

본 발명에 적용된 발전기(27)는 회전익체(28)의 중심에 수직되게 위치하는 회전축(21)을 원동력으로 하여 발전을 하게 된다.

통상의 풍력발전기는 회전축(21)의 설치상태에 따라 수평축 또는 수직축 풍력시스템으로 구분하는데, 본 발명에서 수직으로 설치된 회전축(21)을 원동력으로 사용하는 수직축 발전시스템으로 볼 때 회전익체(28)가 설치되는 좌대(22)의 내부에 발전기(27)를 구비하는 것이 바람직하다.

하지만, 상기와 같이 회전축(21)의 하단에 발전기(27)를 직결하여 기어리스형의 발전기 장치를 구비하면 발전기(27)가 굴뚝 내 배출통로를 폐쇄하는 결과를 초래하게 되므로 배풍기(20)의 배풍효율을 떨어뜨리는 문제점이 발생된다.

이러한 현상을 방지할 목적으로 본 발명에서는 발전기(27)를 회전축(21)으로부터 편심된 좌대(22)의 일 측에 위치되도록 설치하여 회전축(21)에 고정된 구동부재(26)의 회전수가 동력전달수단에 의해 증폭되어 종동부재(29)에 전달되도록 구성하였다.

이와 같이 원동력인 직립한 회전축(21)과 분리된 발전기의 종동부재(29)는 회전축(21)의 회전수가 동력전달수단에 의해 증폭되어 회전하는 구조로 이루어져 있다.

상기 발전기(27) 측으로 동력전달이 본 발명의 일 실시예로 나타낸 도 4 내지 도 6에서는 회전축(21)에 고정되는 구동부재(26)를 외경이 큰 풀리로 하고 종동부재(29)는 외경이 작은 풀리로 하며 동력전달수단은 이들 구동부재 및 종동부재에 감기는 벨트(30) 또는 체인(도시는 생략함)으로 하여 회전축(21)의 동력이 발전기(27)로 전달되도록 구성하였다.

그러나 발전기(27) 측으로 동력전달이 회전축(21)에 고정되는 구동부재(26)를 대형기어로 하고 발전기(27)를 작동시키는 종동부재(29)는 소형기어로 하여 동력전달수단이 기어의 맞물림에 의해 직접적으로 이루어지도록 할 수도 있다.

이 때, 상기 구동부재(26)를 내접기어로 하고 종동부재(29)를 내접기어에 맞물리는 스퍼어기어로 하여도 되지만, 구동부재(26) 및 종동부재(27)를 상호 맞물리게 설치되는 스퍼어기어로 적용하여도 무방하다.

이에 따라, 풍력에 의해 회전익체(28)가 회전할 때 회전축(21)에 고정된 큰 직경의 구동부재(26)가 동시에 회전하면 벨트(30) 또는 체인으로 연결된 작은 직경의 종동부재(29)는 구동부재(26)의 직경에 비례하여 회전속도가 빨라지게 되므로 종동부재(29)에 의한 발전기(27)의 파형 주기시간이 짧아져 사인파 교류인 유도전류를 발생시키게 되므로 유도발생 전압의 고 효율화를 꾀할 수 있게 된다.

상기 구동부재(26)는 중심부인 보스(boss) 그리고 보스 및 휠(wheel)을 이어주는 3-4개 정도의 리브(rib)를 제외한 나머지부위가 관통되어 있어 구동부재(26)의 자체하중을 최소화하게 됨은 물론이고 회전축(21)이 회전할 때 부하를 최소화하며 굴뚝내 공기가 관통된 부위를 통해 외부로 배출되도록 하는 역할을 겸하게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 요부 사시도로서, 상기 회전축(21)에 복수개의 구동부재(26)가 고정되어 있고 좌대(22)에는 종동부재(29)를 갖는 발전기(27)가 상호 어긋나게 배치되어 있어 회전축(21)의 회전력이 각각의 구동부재(26) 및 동력전달수단을 통해 종동부재(29)에 전달됨에 따라 각각의 발전기(27)로부터 발전이 이루어지게 된다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예를 나타내는 사시도로서, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 풍량이 적거나, 바람의 속도가 느리더라도 발전기(27)에서 원하는 전기를 얻을 수 있게 회전익체(28)가 회전할 수 있도록 상기 회전익체(28)에 저항날개(31)를 더 구비한 것을 나타낸 것이다.

상기 저항날개(31)를 도 6과 같이 각 배풍날개(32)의 가장자리에 직접 형성하거나, 상부 프레임(33)의 상면에 회전익체(28)의 회전이 원활히 이루어질 수 있도록 별도로 형성하여 설치할 수도 있음은 이해 가능한 것이다.

이하에서 배풍기(20)에 의한 발전장치에 대하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 지붕의 굴뚝 등에 본 발명이 설치된 상태에서 외부의 풍력에 의해 배풍기(20)를 구성하는 회전익체(28)가 회전하면 상기 회전익체의 중심에 위치하는 회전축(21)이 회전하게 되므로 상기 회전축(21)에 고정된 구동부재(26)가 함께 회전하게 된다.

이 때, 상기 회전익체(28)를 구성하는 배풍날개(32)의 가장자리 또는 회전익체(32)의 상부에 저항날개(31)를 더 구비하면 풍량이 적거나, 바람의 속도가 느리더라도 회전익체(28)가 충분한 회전수로 회전하게 된다.

이와 같이 회전익체(28)의 회전으로 회전축(21)에 고정된 구동부재(26)가 일정 속도로 회전하면 상기 구동부재의 회전력이 동력전달수단인 벨트(30) 또는 체인을 통해 종동부재(29)로 전달되어 종동부재(29)를 빠른 속도로 회전시키게 된다.

이 때, 상기 종동부재(29)의 회전수는 구동부재(26) 및 종동부재(29)의 외경의 비율에 따라 결정되므로 배풍기의 용량 및 배풍기가 설치되는 지역의 기후(풍량 및 바람의 속도 등)을 고려하여 구동부재(26) 및 종동부재(29)의 외경을 결정하는 것이 보다 바람직하다.

전술한 바와 같은 동작에 의해 발전기(27)의 축에 고정된 종동부재(29)가 빠른 속도로 회전하면 공지의 발전기(27)에서 전기를 생산하게 되는데, 이 때 교류발전을 할 때 사용하는 집전자를 정류자로 바꾸면 직류발전이 가능하게 됨은 이해 가능한 것이다.

상기와 같은 동작에 의해 생산된 전기는 송전되어 변압기나 축전지 등의 전기 장비를 통해 전기기기로 공급됨은 물론이다.

도 1은 종래 배풍기의 일 실시예를 일부 절결하여 나타낸 사시도

도 2는 도 1의 종단면도

도 3은 종래의 풍력 발전기용 배풍기를 나타낸 종단면도

도 4는 본 발명의 풍력 발전기용 배풍기에서 보호대를 제외하고 일부 절결하여 나타낸 사시도

도 5는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 요부 사시도

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예를 나타내는 사시도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

20 : 배풍기 21 : 회전축

22 : 좌대 23 : 하부 프레임

26 : 구동부재 27 : 발전기

28 : 회전익체 29 : 종동부재

30 : 벨트 31 : 저항날개

32 : 배풍날개 33 : 상부 프레임

Claims

배풍기(20)를 건물에 설치하여 바람의 힘에 의해 복수개의 배풍날개(32)로 이루어진 회전익체(28)가 회전함에 따라 실내의 오염된 공기를 외부로 배출하도록 된 것에 있어서, 상기 배풍기(20)가 안치되는 좌대(22)의 일 측에 종동부재(29)를 갖는 발전기(27)를 설치하고 회전축(21)에는 구동부재(26)를 고정하여 상기 구동부재(26)의 회전력이 동력전달수단에 의해 발전기(27)의 종동부재(29)에 전달됨에 따라 발전기(27)로부터 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 1에 있어서,

상기 구동부재(26)는 외경이 큰 풀리로 하고 종동부재(29)는 외경이 작은 풀리로 하며 동력전달수단은 이들 구동부재 및 종동부재에 감기는 벨트(30) 또는 체인으로 하여 회전축(21)의 동력이 발전기(27)로 전달되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 1에 있어서,

상기 구동부재(26)는 대형기어로 하고 종동부재(29)는 소형기어로 하여 동력 전달수단이 기어의 맞물림에 의해 직접적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 3에 있어서,

상기 구동부재(26)가 내접기어이고 종동부재(29)는 내접기어에 맞물리는 스퍼어기어인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 3에 있어서,

상기 구동부재(26) 및 종동부재(29)가 상호 맞물리게 설치된 스퍼어기어인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 1에 있어서,

상기 회전축(21)에 복수개의 구동부재(26)를 고정하고 좌대(22)에는 종동부재(29)를 갖는 발전기(27)를 상호 어긋나게 배치하여 회전축의 회전력이 각각의 구동부재(26) 및 동력전달수단을 통해 종동부재(29)에 전달됨에 따라 각각의 발전기(27)로부터 발전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 1에 있어서,

상기 회전익체(28)에 저항날개(31)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 7에 있어서,

상기 저항날개(31)를 배풍날개(32)의 가장자리에 형성한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.
청구항 7에 있어서,

상기 저항날개(31)를 상부 프레임(33)의 상면에 형성한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 배풍기.