KR20110007071A - 발전효율을 향상시킨 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력을 이용하여 발전을 이룩하는 풍력발전장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 바람이 회전체에 작용하는 비율을 향상시키는 등 최대한의 효율을 얻을 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 수직으로 회전축이 구성되고 회전축에는 방사상의 방향으로 날개를 구성하되 날개는 불어오는 바람을 잘 받을 수 있도록 반원형의 바람받이가 연속되는 형태로 구성하며, 회전체의 주변에는 바람이 불어오는 방향에 관계없이 향상 회전체의 회전방향으로 바람이 작용할 수 있도록 유도함과 동시에 회전체를 지지하는 역할과 회전체의 회전을 안정적으로 가이드하는 지지유도체를 구성함을 특징으로 한다.

Description

발전효율을 향상시킨 풍력발전장치{Wind generator that improve generation efficiency}

본 발명은 풍력을 이용하여 발전을 이룩하는 풍력발전장치에 관한 것으로, 바람이 가지고 있는 에너지를 최대한 날개의 회전에 적용 가능케 하며, 안정적인 회전과 최대한의 발전효율을 갖도록 하는 풍력발전장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 연료를 사용하지 않고 동력을 얻을 수 있는 방법으로 수력, 조력, 태양전지, 풍력 등 여러 가지가 있으나, 그 중에서 풍력발전은 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 에너지원이 무한한 청정에너지이고 인프라 구축에 소요되는 시간이 짧으면서 소요 면적이 작은 장점이 있는 것으로, 이에 대한 많은 연구가 이어져 오고 있다.

그러나 풍력발전은 상기와 같은 장점이 있지만, 반대로 풍량과 풍향의 균일성이 충족되지 못하므로 근본적인 문제로 남아 있는 것이 효율성에 관한 문제이다.

기존의 풍력발전기는 전격이 초속 12m/s를 기준으로 제작 및 시공되고 있는데, 우리나라의 2009년 추풍령지역 평균 풍속을 보면, 1~3m/s 일 때가 1년(365일) 중에 241일, 3~5m/s 일 때가 1년 중 100일, 5~6m/s 일 때가 1년 중 24일로서, 정격 풍속에는 크게 미치지 못하므로 풍력발전기의 성능에 비하여 원하는 발전력을 얻을 수 없음을 알 수 있다.

따라서 평균 3~4m/s 에 적합한 풍력발전기가 요구되는 것이며, 특히 3~4m/s의 바람이더라도 5~6m/s의 바람과 같은 풍력을 얻을 수 있도록 하여야 상업적인 발전이 가능함은 당연할 것이다.

한편, 풍력발전기의 구조적인 면에서 살펴보면, 일반적인 풍력발전장치의 구분으로는 수평축과 수직축으로 구분되는데, 마치 일반적인 선풍기의 날개와 같이 회전축이 수평으로 설치되고 회전축의 끝에 날개가 형성된 것이 수평축형이고, 회전축이 수직형으로 높인 상태에서 회전축의 주변에 여러 개의 날개가 구성된 것이 수직축형 풍력발전기이다.

상기 수평축형은 바람 방향의 영향을 많이 받는 단점이 있고, 수직축의 경우는 바람의 방향에 영향을 덜 받지만, 중심이 되는 회전축이 하부만 지지되는 형태이므로 구조상 불안전한 단점이 있으므로 회전축의 상부를 지지하여 안정성을 확보하려면 축을 지지하기 위한 기둥에 의해 바람이 간섭을 받는 문제가 있으며, 측면에서 볼 때 수직으로 구성된 회전체의 절반 면적에만 바람이 작용하여 회전을 하며, 그 나머지 절반의 면적은 바람이 저항으로 작용하므로 차단시켜야 하기 때문에 수직형의 풍력발전장치는 항상 회전체를 향해 불어오는 바람의 1/2정도 만을 활용할 수밖에 없는 단점을 갖는다.

본 발명은 풍력발전에 있어서, 기존 수직형의 발전장치와 유사한 형태의 회전체를 구성하면서 바람의 방향에 관계없이 최대한의 바람이 회전체의 회전에 적용되도록 하며, 회전체의 회전도 매우 안정적으로 이루어지면서 소음과 마모를 줄이고 수명이 길게 발전작용이 이어질 수 있도록 함을 목적으로 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 수직으로 회전축이 구성되고 회전축에는 방사상의 방향으로 날개를 구성하되 날개는 불어오는 바람을 잘 받을 수 있도록 반원형의 바람받이가 연속되는 형태로 구성하며, 회전체의 주변에는 바람이 불어오는 방향에 관계없이 향상 회전체의 회전방향으로 바람이 작용할 수 있도록 유도함과 동시에 회전체를 지지하는 역할과 회전체의 회전을 안정적으로 가이드하는 지지유도체를 구성함을 특징으로 한다.

아울러 회전체의 안정적인 지지가 이루어질 수 있도록 하는 가이드장치와 회전을 중지시킬 수 있는 브레이크장치를 적절한 위치에 설치하는 것도 특징의 하나이다.

이러한 본 발명에 의하면 기존 수직형 풍력발전기가 갖는 단점인 회전축의 불안정한 설치를 해결하면서 또 다른 문제점인 바람이 회전체에 작용하는 비율도 크게 향상시킬 수 있게 되며, 특히 회전체를 향해 불어오는 바람의 대부분을 회전체에 작용토록 하여 효율을 향상시킬 수 있게 되었다.

또한 회전체의 회전이 안정적으로 이루어질 수 있게 되어 고장과 소음 및 마모 등을 억제하고 수명을 연장할 수 있으며, 과도한 회전을 방지하고 수리시 회전체의 회전을 효과적으로 중지시킬 수도 있는 등 풍력발전의 기술 수준을 크게 향상시킨 발명이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 풍력발전장치의 사시도
도 2는 도 1의 분해사시도
도 3은 도 2의 단면도
도 4는 도 3의 A-A선 단면도
도 5는 본 발명의 평면도로서 4개 방향에서 바람이 불어올 때의 작용상태도

이하 본 발명을 구현하기 위한 바람직한 구성실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세히 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 풍력발전장치는 하단부에 발전기와 동력전달장치, 제어장치 등 발전설비에 필요한 구성요소들이 설치되는 베이스(1)가 구성되고 베이스(1)로부터 상부로 세워진 형태의 회전체(10)와 회전체(10) 가장자리를 둘러싸는 형태로 설치되는 지지유도체(20)로 구성된다.

회전체(10)는 중심축(11)이 세워진 형태로 설치되어 중심축(11)의 하단이 베이스(1) 내부의 발전기와 연결되어 회전동력을 전달토록 구성되며, 중심축(11)에는 방사상의 방향으로 균일한 각도로 설치된 5개의 날개(12)가 구성되는데, 날개(12)는 중심축(11)의 상부 및 하부와 연결된 상부 지지체(13) 및 하부 지지체(13')의 사이를 >형으로 된 바람받이(14)가 균일한 간격을 두고 연속되는 형태로 구성된다.

상부 및 하부의 지지체(13)(13')는 가장자리에 원형의 테(13")가 구성되고 테(13")와 중심축(11)의 사이에 연결대(13-1)가 연결되고, 상하부의 연결대(13-1) 사이에 바람받이(14)가 세워지는 형태로 구성된다.

지지유도체(20)는 상기 회전체(10)를 감싸는 형태로 외부에 구성되는데, 상하부 지지판(21)의 사이에 유도판(22)들이 각각 일정한 간격으로 5개 내지 20개가 경사지게 세워지는 형태이며, 유도판(22)의 숫자는 회전체(10)의 직경에 따라 그 숫자가 증가함이 적절하다.

유도판(22)의 경사각(a)은 중심축(11)으로부터 이어지는 방사상의 직선으로부터 유도판(22)의 내부 측이 회전체(10)가 회전하는 방향으로 20도 내지 40도 경사지도록 구성한 것이며, 유도판(22)의 폭(b)은 회전체(10)의 직경대비 10% 내지 20%가 되도록 하였다.

그리고 상기 유도판(22)의 상하부 즉, 회전체(10)의 상하부 지지체(13)(13')가 위치하는 높이에는 수평테(23)를 구성한 다음 수평테(23)를 이용하여 지지체(13)(13')를 상하부에서 감싸면서 베어링으로 지지하는 가이드부(24)를 형성하였으며, 또한 수평테(23)를 이용하여 지지체(13)(13')를 압박하여 회전체(10)의 회전을 중지시킬 수 있는 브레이크장치(25)를 번갈아 설치하였다.

이러한 구성으로 된 본 발명의 작용에 대하여 살펴본다.

본 발명에 의하면, 도 5와 같이 어느 방향에서 바람이 불어오더라도 회전체의 회전방향으로 적절한 각도로 경사진 유도판(22)에 의해 균일한 풍력이 회전체(10)에 작용하여 바람의 방향에 관계없이 안정적이고 효율적인 발전이 가능하게 되었다.

즉, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 유도판(22)이 회전체의 회전방향으로 바람이 유도되도록 경사지게 구성되었으므로 유도판(22)을 포함한 전체 직경의 70% 이상의 바람이 유도판(22)을 통해서 회전체(10)를 회전시키는데 사용되므로 매우 높은 활용 비율을 얻을 수 있는 것이며, 이러한 바람이 회전체(10)의 회전에 적용되는 비율이 높은 것과 아울러 회전에 큰 도움이 되는 이유의 하나는 유도판(22)의 각도에 의해 유도판(22)을 통한 바람의 100%에 가까운 비율이 회전체(10)의 회전에 적용되고 바람이 날개(12)에 부딪히는 각도가 최대한 90도에 근접하기 때문이다.

또한 회전체(10)의 날개(12)는 >형의 바람받이(14)가 일정한 간격으로 형성된 것이기 때문에 효과적으로 회전체(10)를 회전시키게 되는데, 바람이 유입되는 방향이 날개에 직각(90도)이 아니더라도 >형 바람받이(14)에 의해 그 힘을 모아 회전에 적용되는 것이며, 날개(12)가 회전하면서 뒤쪽의 공기에 의해 저항을 받는 현상도 바람받이(14)가 간격을 두고 형성되어 있으므로 날개(12)가 회전을 하면 뒤쪽의 바람이 바람받이(14) 사이 공간으로 공기가 통과하므로 저항도 최소화되는 것이다.

그리고 본 발명에 의하면 회전체(10)의 상부와 하부 지지체(13)(13')에 가이드장치(24)와 브레이크장치(25)를 설치하였는데, 이러한 가이드장치(24)는 회전체(10)의 상하부를 지지하면서 회전을 가이드하여 수평상태가 유지되면서 회전하도록 하고, 회전체(10)가 고속으로 회전할 때 마치 자동차의 타이어와 같이 정밀한 발란스 부족으로 회전체(10)가 떨리는 현상을 방지하면서 안정적인 회전이 유지되도록 하는 것이며, 아울러 이러한 떨림의 방지로 인하여 소음이나 마모도 방지하면서 안정적이면서 원활하고 효율성이 유지되는 발전을 계속할 수 있게 되는 것이다.

브레이크장치(25)는 회전체(10)의 회전을 중지시키고자 할 때 작용하는 것으로서, 강한 태풍이 불어 과도한 회전이 일어나 회전체(10)를 포함한 발전장치의 손상이 예상되거나 또는 정비나 보수를 위해 회전체(10)를 중지시킬 필요가 있을 때 사용된다.

1: 베이스
10: 회전체
11: 중심축
12: 날개
13, 13': 지지체
13": 테
13-1: 연결대
14: 바람받이
20: 지지유도체
21: 지지판
22: 유도판
23: 수평테
24: 가이드장치
25: 브레이크장치

Claims (3)

1. 하단부에 발전기와 동력전달장치, 제어장치 등 발전설비에 필요한 구성요소들이 설치되는 베이스(1)가 구성되고,
   베이스(1)로부터 중심축이 상부로 세워진 형태이면서 다수개의 날개를 가진 회전체(10)와, 회전체(10) 가장자리를 둘러싸는 형태로 설치되는 지지유도체(20)로 구성되며,
   지지유도체(20)는 상기 회전체(10)를 감싸도록 외부에 구성되는데, 상하부 지지판(21)의 사이에 유도판(22)들이 일정한 간격으로 경사지게 세워지면서 회전체의 직경에 따라서 5개 내지 20개의 범위 내에서 설치되며,
   유도판(22)의 경사각(a)은 중심축(11)으로부터 이어지는 방사상의 직선으로부터 유도판(22)의 내부 측이 회전체(10)가 회전하는 방향으로 20도 내지 40도 경사지도록 구성하고, 유도판(22)의 폭(b)은 회전체(10)의 직경 대비 10% 내지 20%가 되도록 함을 특징으로 하는 발전효율을 향상시킨 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   회전체(10)는 중심축(11)이 세워진 형태로 설치되어 중심축(11)의 하단이 베이스(1) 내부의 발전기와 연결되어 회전동력을 전달토록 구성되며,
   중심축(11)에는 방사상의 방향으로 균일한 각도로 설치된 5개의 날개(12)를 구성하되, 날개(12)는 중심축(11)의 상부 및 하부와 연결된 상부 지지체(13) 및 하부 지지체(13')의 사이를 >형으로 된 바람받이(14)가 균일한 간격을 두고 연속되는 형태로 구성됨을 특징으로 하는 발전효율을 향상시킨 풍력발전장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 유도판(22)의 상하부 즉, 회전체(10)의 상하부 지지체(13)(13')가 설치된 위치에는 지지체(13)(13')를 상하부에서 감싸면서 베어링을 지지하는 가이드부(24)와, 지지체(13)(13')를 압박하여 회전체(10)의 회전을 중지시키는 브레이크장치(25)를 번갈아 설치하는 것을 특징으로 하는 발전효율을 향상시킨 풍력발전장치.

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