KR20110004113A - 수력 또는 풍력 발전기의 수직회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직회전자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수력 또는 풍력에 의해 회전되는 회전자의 회전날개를 회동부에 대해 유선형으로 형성하는 한편 그 단면을 반원의 오목형상으로 형성하여 회전날개의 내부에서는 수력이나 풍력에 의한 저항이 극대화되도록 하고, 외부는 저항이 최소화되도록 하여 회전자의 회전 효율을 극대화할 수 있도록 한 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자를 제공한다.

수직회전자, 풍차, 수차, 회전날개

Description

수력 또는 풍력 발전기의 수직회전자{perpendicular rotator of hydraulic generator or aerogenerator}

본 발명은 수직회전자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수력 또는 풍력에 의해 회전되는 회전자의 회전날개를 회동부에 대해 유선형으로 형성하는 한편 그 단면을 반원의 오목형상으로 형성하여 회전날개의 내부에서는 수력이나 풍력에 의한 저항이 극대화되도록 하고, 외부는 저항이 최소화되도록 하여 회전자의 회전 효율을 극대화한 수력 또는 풍력 발전기의 수직회전자에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력 발전기 또는 수력 발전기 그리고 파력 발전기는 공기 또는 파도의 유동시 운동 에너지의 공기역학적 또는 유체역학적 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시키는 과정에서 기계적 에너지로 변환시켜 전력을 얻는 장치로, 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류된다.

상기와 같이 회전축의 방향에 따라 수평형 또는 수직형으로 분류되는 발전장치 중 풍력 발전장치는 유한한 에너지 자원의 고갈에 따라 새로운 무공해 환경 에너지원으로 각광받고 있는 것으로, 전형적인 풍력 발전장치의 구성은 대형 구조물 로서 타워형 지지축에 프로펠러형 회전 날개를 설치하여 회전력을 얻는 방식으로 이루어져 있다.

구체적으로, 상술한 각종 풍력 발전장치의 주요 구성 요소로는 날개와 허브로 구성된 회전자와, 상기 회전자의 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속 장치, 발전기 및 각종 안전 장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등으로 구성된다.

여기에 풍향 유도 날개를 설치하여 풍향을 추적하는 기능을 부가한 구성도 존재하지만, 대형 구조물 형태의 풍력 발전장치로서는 시시각각 변화하는 풍향을 순간적으로 추적하는데 무리가 있었고, 단순 구조의 프로펠러형 회전 날개는 풍력에 따른 충분한 회전 효율을 얻기가 곤한할 뿐 아니라, 장치의 대형화에 따른 설치상의 문제와 고비용이 소요되는 등의 결점이 있었다.

이를 보완하기 위해, 대형 풍력 발전장치를 중소형의 것으로 축소하고 풍향 추적 기능을 갖는 풍력 발전 장치가 개시된 바 있으나, 이러한 구성은 단순한 풍향 추적 기능을 갖추고 있을 뿐, 회전풍의 편향 유도, 회전 저항의 감소를 위한 별도의 구성을 구비하지 않고 있어서, 회전 날개의 발전 효율을 극대화시키는 데 한계가 있었다.

또한, 상기 회전자의 회전에 의해 풍력 발전하는 과정에서 회전자는 날개의 형상이나 풍향 등의 이유로 인해 풍력의 손실이 발생되므로 회전력이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 기술적 목적은 수력 또는 풍력에 의해 회전하게되는 회전자의 회전날개를 회동부에 대해 유선형으로 형성하는 한편, 각 회전날개의 단면을 반원의 오목형상으로 형성하여 회전날개의 내부는 수력이나 풍력에 의한 저항이 극대화되도록 하고 외부는 저항이 최소화되도록 함으로써, 회전자의 회전률은 배가시키고 회전날개의 회전저항은 감소시킬 수 있는 발전기의 수직회전자를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적 및 장점들은 이하 더욱 상세히 설명될 것이며, 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 수단 및 이들의 조합에 의해 실현될 수 있다.

상술한 바와 같은 문제를 해소하기 위해, 본원발명에 따른 발전기의 수직회전자는 수력 또는 풍력발전기의 회전자에 있어서, 원통형으로 형성되며 상하부가 관통된 원통축 및 상기 원통축 내부에 상하방향으로 관통되게 위치되는 중심축으로 이루어진 회동부와, 일단이 상기 원통축의 외주면에 유선형으로 결합되고 타단에 "ㄱ"형상으로 절곡되는 보조날개가 구비된 것으로, 일측이 오목하게 형성되고 타측이 둥근형태로 형성되며, 상기 오목하게 형성된 일측에 다수개의 가로막이 등간격으로 형성된 회전날개와, 상기 원통축과 중심축을 연결하는 것으로, 일단이 상기 원통축에 연결되고 타단이 중심축에 연결되되, 일측이 하방향으로 경사지게 설치되어 회동부의 회전시 중심축과 원통축 사이의 물이나 공기를 하방향으로 향하도록 함으로써, 하중을 극복하도록 한 회전지지부재를 포함하는 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자를 제공 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 회전지지부재는 상기 중심축에 고정결합되어 중심축과 동일하게 회전되는 고정부와, 일단이 상기 고정부에 결합되고, 타단이 상기 원통축의 내주면에 고정결합되는 것으로, 상기 중심축과 원통출 사이에 일방향으로 기울어지게 결합되는 다수의 날개부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 원통축의 외주면에 유선형으로 설치되는 회전날개 후방에 상기 회전날개를 지지하는 동시에 유속 또는 풍속의 저항을 최소화할 수 있도록 한 지지판이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본원발명에 따른 발전기의 수직회전자는 수력, 파력 및 풍력에 의해 회전자가 원활히 회전하여 전기에너지를 생산할 수 있도록 한 것으로, 회동부에 날개를 유선형으로 형성하고 이회전날개의 단면을 반원의 오목형상으로 형성하여 마치 바가지 형상으로 형성함으로써, 회전날개의 내부는 수력이나 풍력에 의한 저항이 극대화되도록 하고 외부는 저항이 최소화되도록 하여 회전률을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.

이하 본 발명에 따른 발전기의 수직회전자의 구성 및 작용효과를 바람직한 실시예와 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자가 사용되는 발전장치의 개략도이며, 도 3 은 도 1 의 측면도이고, 도 4 는 본 발명에 따른 수직회전자의 회동부과 회전날개를 분해한 모습을 개략적으로 도시한 분해사시도이며, 도 5 는 본 발명에 따른 수직회전자에 사용된 회전지지부재를 개략적으로 도시한 사시도이다.

일반적으로 수력 또는 풍력발전기(100)는 도 1 에 도시된 바와 같이, 증속기(10), 발전기(20), 수직회전자(100)를 포함하여 설계되며, 상기 증속기(10)는 고정풀리(12)와 벨트(14)를 통해 상기 수직회전자(100)와 연결되어 수직회전자(100)의 회전력을 발전기(20)에 전달하는 역할을 하며, 발전기(20)는 상기 증속기(10)를 통해 전달받은 회전력(동력)을 전기에너지로 변환시키는 역할을 한다.

구체적으로, 상기 수직회전자(100)와 증속기(10)를 고정풀리(12)와 벨트(14)를 통해 연결하여 수직회전자(100)의 회전력을 증속기(10)를 통해 발전기(20)에 필요로 하는 만큼 회전을 증속하도록 한 후, 상기 증속기(10)에서 증속된 동력을 발전기(20)에서 발전을 행하도록 구성되어 있다.

본 발명의 명세서에서는 수력 및 풍력발전을 행하기 위한 기본적인 구성에 대하여 언급하도록 하고 있으나, 이에 해당하는 각 구성품(증속기(10), 발전기(20))은 이미 공지된 기술에 해당한다는 점에서, 본 발명의 명세서에서는 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 수직회전자를 도시한 사시도로서, 본 발명에 따른 수직회전자(100)는 바람 또는 물에 의해 완활하게 회전하여 상기 증속기(10) 및 발전기(20)에 기계적 에너지를 제공하여 전기적 에너지를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 것으로, 크게 회동부(110), 회전날개(120), 회전지지부재(130)를 포함한다.

회동부(110)는 원통형으로 형성되며 상하부가 관통된 원통축(112)과, 상기 원통축(112) 내부에 상하방향으로 관통하는 중심축(114)이 마련된다. 이때, 상기 회동부(110)는 물 또는 바람을 용이하게 포집할 수 있도록 일정 길이를 갖도록 원통축(112)을 설계하고, 상기 원통축(112) 내에 수직방향으로 관통되도록 위치되어 상기 원통축(112)과 동일하게 회전되는 중심축(114)이 마련된 구조로서, 상기 원통축(112)의 외주면에는 회전날개(120)가 유선형으로 설치되고, 상부에는 중심축(114)과 연결되어 상기 중심축(114)과 동일하게 회전할 수 있도록 하는 한편, 원통축(112)과 중심축(114) 사이의 물이나 공기를 하방향으로 향하도록 하여 수차나 풍차의 하중을 극복하도록 한 회전지지부재(130)가 설치된다.

구체적으로 도 3 내지 도 5 에 도시된 바와 같이, 회동부는 원통형으로 형성된 원통축(112)과, 상기 원통축(112) 내에 수직하게 관통되도록 위치되는 중심축(114)이 회전지지부재(130)에 의해 결합된 구조로서, 수직방향으로 일정한 길이를 갖도록 형성하여 자체 중량이 있도록 하여 수력이나 풍력이 작용하면 원통형 자체 무게로 인한 원심력으로 회전력이 지속되도록 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 원통축(112)의 외주면에 형성되는 회전날개(120)는 원통축(112)의 원주방향을 따라 유선형으로 다수개가 형성되는 것으로, 수력 또는 풍력의 유속 또는 풍속을 보다 빠르게 할 수 있도록 원통축(112)의 외주면에 유선형태로 형성되도록 하되, 그 단면이 반원형태로 만곡지게 형성되며 오목하게 형성된 내측은 수력이나 풍력에 의한 저항이 극대화 되도록 하고, 둥근형태로 형성된 외측은 수력이나 풍력의 저항이 최소화되도록하여 원활히 회전할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명에 따른 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자(100)의 회전날개(120)는 수력 또는 풍력의 유동에 의한 흐름을 발전에 반영하도록 하고 있는 바, 유속 또는 풍속에 의한 흐름을 보다 정확히 반영하도록 하기 위해 상기 회전날개(120)를 마치 바가지 형상으로 형성하도록 하여 상기 회전날개(120)의 그 형상적 특징으로 인하여, 물 또는 바람의 유동에 의한 흐름을 보다 정확히 회전날개(120)에 반영할 수 있다는 기술적 장점이 있다.

그리고, 도 4 에 도시된 바와 같이, 상기 원통축(112)에 방사형으로 회전날개(120)가 형성된 형태로 형성되도록 하되, 반원의 오목한 날개 말단은 일자형 또는 "ㄱ"형상으로 절곡되는 보조날개(122)를 구비하여 풍력이나 수력을 반원형태의 오목하게 형성된 날개 내측으로 수력이나 풍력이 집중하여 안쪽으로 모아주는 역할을 수행할 수 있도록 한다.

또한, 상기 회전날개(120)는 원통축(112)과 동일하게 수직방향으로 일정한 길이를 갖도록 형성되는 것으로, 오목하게 형성된 내측에는 길이방향으로 다수개의 가로막(124)을 등간격으로 설치하여 개별챔버를 이루도록 함으로써, 미약한 풍력 또는 유속에도 상기 회전자가 회전할 수 있도록 하는 동시에 수력이나 풍력의 흩어짐을 방지할 수 있도록 함으로써, 수직회전자(100)의 회전력이 집중될 수 있도록 한다.

덧붙여, 상기 회전날개(120)는 수력 또는 풍력이 어느방향에서 작용하여도 이를 통해 회동부(110)가 회전할 수 있도록 유선형태로 원통축(112)에 일률적으로 배열구성하여 회전 효율을 높이는 한편, 둥근형태로 형성된 회전날개(120)의 후방에는 상기 회전날개(120)를 지지하는 동시에, 풍력의 저항을 분산하는 역할을 하는 지지판(124)을 설치하여 회동부(110)에 대해 회전날개(120)가 견고히 결합될 수 있도록 함으로써, 안전성을 향상시킬 수 있도록 한다.

한편, 상기 회동부(110)의 원통축(112)과 중심축(114)을 연결하는 회전지지부재(130)는 도 5 에 도시된 바와 같이, 상기 중심축(114)에 고정결합되는 고정부(132)와, 상기 고정부(132)에 일방향으로 기울어지게 결합되는 날개부(134)로 이루어져, 중심축(114)과 원통축(112) 사이의 물이나 공기를 하방향으로 향하도록 하여 수차나 풍차에 작용할 수 있는 하중을 극복하도록 형성되어 있다.

구체적으로, 상기 고정부(132)는 회동부(110)의 중심축(114)에 중앙부가 고정결합되어 상기 중심축(114)과 동일하게 회전되며, 날개부(134)는 일단이 상기 중심축(114)에 일정한 경사각을 갖도록 하방향으로 경사지게 결합되고, 타단이 상기 원통축(112)에 고정결합된다. 이때, 상기 날개부(134)는 도면에 도시된 바와 같이, 다수의 날개가 구비되며 각 날개가 일방향으로 기울어지게 결합되어 회동부(110)의 회전시 수력 또는 풍력에 의해 회동부(110)에 발생하게 되는 하중을 하방향으로 분산시켜 회동부(110)에 무리가 가지 않도록 한 구조이다.

따라서, 본 발명에 따른 수직회전자(100)는 다수의 회전날개(120)가 회동부(110)의 원통축(112) 외주면에 유선형으로 형성되어 수력이나 풍력이 어느방향에서 작용하더라도 이를 포집하여 회전할 수 있는 동시에 각 회전날개(120)를 반원형태로 오목하게 형성하고 그 내측에 다수의 가로막(124)을 형성시켜 수력이나 풍력이 흩어지지 않도록 함으로써, 회전력을 집중시켜 미약한 수력이나 풍력에 의해서 도 회전이 가능함은 물록 안정적인 회전을 도모할 수 있는 것이다.

아울러, 상기 회동부(110)의 원통축(112)과 중심축(114) 사이에 수력 또는 풍력에 의해 상기 회동부(110)에 발생할 수 있는 하중을 하방향으로 분산시킬 수 있는 회전지지부재(130)를 설치하여 하중을 극복하도록 함으로써, 본 발명에 따른 수직회전자(100)가 안전한 상태로 유지될 수 있게 되는 것이다.

지금까지, 본 발명의 실시예를 기준으로 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적인 균등범위까지 포함된다 할 것이다.

또한, 상기 설명에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 수력 또는 풍력 발전기의 수직회전자의 기술은 매우 단순하나, 그 기술적 효과는 매우 크다는 점에서도 본 발명의 기술적 장점은 매우 명확하다 할 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 수력 또는 풍력발전기의 수평회전자가 사용되는 발전장치의 개략도;

도 2 는 본 발명에 따른 발전기의 수직회전자를 도시한 사시도;

도 3 은 도 1 의 측면도;

도 4 는 본 발명에 따른 수직회전자의 회동부와 회전날개를 분해한 모습을 개략적으로 도시한 분해사시도;

도 5 는 본 발명에 따른 수직회전자에 사용된 회전지지부재를 개략적으로 도시한 사시도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 증속기 12 : 고정풀리

14 : 벨트 20 : 발전기

100 : 수직회전자 110 : 회동부

112 : 원통축 114 : 중심축

120 : 회전날개 122 : 보조날개

124 : 가로막 126 : 지지판

130 : 회전지지부재 132 : 고정부

134 : 날개부

Claims (3)

1. 수력 또는 풍력발전기의 회전자에 있어서,

   원통형으로 형성되며 상하부가 관통된 원통축 및 상기 원통축 내부에 상하방향으로 관통되게 위치되는 중심축으로 이루어진 회동부;

   일단이 상기 원통축의 외주면에 유선형으로 결합되고 타단에 "ㄱ"형상으로 절곡되는 보조날개가 구비된 것으로, 일측이 오목하게 형성되고 타측이 둥근형태로 형성되며, 상기 오목하게 형성된 일측에 다수개의 가로막이 등간격으로 형성된 회전날개;

   상기 원통축과 중심축을 연결하는 것으로, 일단이 상기 원통축에 연결되고 타단이 중심축에 연결되되, 일측이 하방향으로 경사지게 설치되어 회동부의 회전시 중심축과 원통축 사이의 물이나 공기를 하방향으로 향하도록 함으로써, 하중을 극복하도록 한 회전지지부재를 포함하는 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자.
2. 청구항 1 에 있어서, 상기 회전지지부재는:

   상기 중심축에 고정결합되어 중심축과 동일하게 회전되는 고정부와,

   일단이 상기 고정부에 결합되고, 타단이 상기 원통축의 내주면에 고정결합되는 것으로, 상기 중심축과 원통출 사이에 일방향으로 기울어지게 결합되는 다수의 날개부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자.
3. 청구항 1에 있어서

   상기 원통축의 외주면에 유선형으로 설치되는 회전날개 후방에 상기 회전날개를 지지하는 동시에 유속 또는 풍속의 저항을 최소화할 수 있도록 한 지지판이 설치되는 것을 특징으로 하는 수력 또는 풍력발전기의 수직회전자.

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