KR20110007118U - 풍력 발전기 - Google Patents

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델 모럴 엔젤 수아레즈
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Abstract

본 고안은 바람을 이용하여 전기를 발생시키는 풍력 발전기에 관한 것으로, 본 고안에 따른 풍력 발전기는, 발전기와 연결되어 지면으로부터 수직으로 연장된 로터축과, 상기 로터축의 상부와 하부에 서로 대향하여 횡향으로 설치되는 복수개의 로터 아암과, 상기 로터 아암 사이에 연결되어 상기 로터 아암을 견고하게 유지시키는 복수개의 수직 회전축과, 상기 수직 회전축에 일단이 연결되는 날개를 포함하며, 상기 날개는 수직 회전축에 분절적으로 연결되어 어떠한 방향에서 바람이 불어와도 상기 수직 회전축에 대하여 조정가능하고, 상기 로터 아암은, 각각의 날개 또는 모든 날개를 선택적으로 고정시키거나 풀어줄 수 있는 스토퍼 요소를 구비하는 것을 구성적 특징으로 한다.

Description

풍력 발전기{WIND-POWERED GENERATOR}
본 고안은 재생 가능한 자연 에너지, 보다 상세하게는, 풍력을 이용하기 위한 장치의 제조에 관한 것으로, 전기를 발생시키기 위한 화석 연료 이용을 대체하는 기술에 관한 것이다.
프로펠러를 구비하고 풍력에 의해 전기를 발생하는 발전기는 공지의 기술인데, 그들 중 대부분은 수평 축을 지닌다. 일부의 경우, 수직 축을 지닌 모델들이 있으며, 프로펠러 아암(arms)들은 조인트된 날개(blades)들의 홀더(holder)로서, 날개들은 바람이 불어오는 방향에 관계없이, 바람의 에너지를 이용하기 위해 그들 스스로 자동으로 위치한다.
본 출원인의 스페인 실용 모델 번호 제 U9902530 및 특허 제 EP1091118 에는, 상기 언급된 형태의 완성된 풍력 발전기가 기술되어 있는데, 상기 풍력 발전기의 로터(rotor)는, 아암들 각각에 설치되어, 바람의 추력(thrust)을 받아서 로터의 스핀 축으로 전달하는 날개 홀더로 구성된다.
공지된 발전기의 대부분은, 바람의 힘 모두를 이용하기 어렵다. 왜냐하면 항상 움직이는 공기의 방향으로 날개가 면하게 되는 방향을 충분히 조정할 수 없기 때문이다. 이로 인해 변환 장치의 디자인 및 크기에 비하여, 비교적 낮은 성능이 얻어진다.
또한, 미국 특허 제 US-A-5,844,323 에는, 스핀축을 지닌 일련의 롤링 프로펠러가 구비된 머신으로 형성된 타입의 풍력 발전기가 기술되어 있는데, 여기에는, 다양한 아암들상에 조인트된 날개들이 공급되며, 상기 날개들은 서로에 대해 움직여 질 수가 있다.
때때로, 날개들을 잡고 있는 아암들에 날개들을 고정하는 것이 바람직한 경우가 있는데, 예를들면, 발전기의 작동을 중단시키거나, 발전기가 시동이 안 되도록 하거나 또는 어떤 이유로 운전을 변경할 필요가 있는 경우이다. 그러나 이는, 지금까지 알려진 버전(versions)들에서는 실용적이지 못했다.
본 고안은 상기의 문제해결을 위하여 안출된 것으로, 본 고안의 목적은, 풍력을 이용하기 위한 장치의 제조에 관한 것으로, 날개들을 선택적으로 회전시킬 수 있도록 로터 아암에 스토퍼 요소를 구비하여 날씨에 관계없이 발전기를 멈출 수 있어 장치의 보수작업 및 유지관리를 용이하게 할 수 있으며, 스토퍼 요소의 일부만 활성화 시킬 수 있어 더 적은 양의 모터 토크를 얻을 수 있는 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위해 본고안에 따른 풍력 발전기는, 발전기와 연결되어 지면으로부터 수직으로 연장된 로터축(rotor axis); 상기 로터축의 상부와 하부에 서로 대향하여 횡향으로 설치되는 복수개의 로터 아암(rotor arms); 상기 로터 아암 사이에 연결되어 상기 로터 아암을 견고하게 유지시키는 복수개의 수직축(vertical spin axes); 상기 수직축에 일단이 연결되는 날개(articulated blade) 를 포함하며, 상기 날개는 수직축에 분절적으로 연결되어 어떠한 방향에서 바람이 불어와도 상기 수직축에 대하여 조정가능하고, 상기 로터 아암은, 각각의 날개 또는 모든 날개를 선택적으로 고정시키거나 풀어줄 수 있는 스토퍼 요소를 구비하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 각각의 날개는 장방형이며, 날개의 수직 가장자리는 수직 회전축에 분절적으로 연결되어 자유롭게 회전하며, 스토퍼 요소는 로터 아암의 상부 수평바 및 하부 수평바에는 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
상기와 같은 특징을 갖는 본고안에 따른 풍력 발전기는, 스토퍼 요소를 구비하여 사용자가 선택적으로 날개를 활성화시키고 비활성화 시킬 수 있어서 보다 용이하게 장치의 보수작업 및 유지관리를 할 수 있으며, 또한 스토퍼 요소로 일부 날개만 활성화시킬 수 있어 사용자가 원하는 모터 토크를 얻을 수 있다.
도 1은 날개 유지 요소들이 활성화되고 각 한쌍의 평행한 아암들 사이에 두개의 날개들을 가지는 형태로 기술된 발전기 로터의 측면도 및 평면도이다.
도 2는 도 1의 날개 유지 요소들이 비활성화되어 있는 발전기 로터의 측면도 및 평면도이다.
도 3은 각 한 쌍의 평행한 아암들 사이에 4개의 날개들을 가진 새로운 발전기의 로터를 보여주는 평면도이다.
도 4는 도3 의 버전에서, 설치를 용이하게 하고, 고정자로서, 장치의 로터 회전을 허용하는 지지 프레임에 장착되어 있는 새로운 발전기의 사시도이다.
본 고안에 따른 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다.
도면에서 참조번호로 표기된 구성요소들은 아래에 표기된 참조번호와 상응한다.
본 고안에 따른 풍력에 의해 발생되는 기계적 에너지를 이용하기 위한 풍력 발전기(wind-powered generator)는, 발전기와 연결되어 지면으로부터 수직으로 연장된 로터축(rotor axis,2); 상기 로터축(2)의 상부와 하부에 서로 대향하여 횡향으로 설치되는 복수개의 로터 아암(rotor arms,4); 상기 로터 아암(4) 사이에 연결되어 상기 로터 아암을 견고하게 유지시키는 복수개의 수직 회전축(vertical spin axes,6); 상기 수직 회전축에 일단이 연결되는 날개(articulated blade,5)를 포함하며, 상기 날개(5)는 수직 회전축(6)에 분절적으로 연결되어 어떠한 방향에서 바람이 불어와도 상기 수직 회전축에 대하여 조정가능하고, 상기 로터 아암(4)은, 각각의 날개(5) 또는 모든 날개(5)를 선택적으로 고정시키거나 풀어줄 수 있는 스토퍼 요소(7)를 구비한다.
상기 로터 아암(4)은 상부 수평바와 하부 수평바로 구성되어 지면과 평행을 이루고, 상기 로터 축(2)의 일단은, 예컨대 로터 축의 하단은 발전기와 연결된다. 로터 아암(4)에는, 날개들이 상기 로터 아암에 대해 움직이지 못하게 고정되도록 설계된 스토퍼 요소(stopper elements,7)가 제공되는데, 상기 스토퍼 요소(7)는, 사용자가 날개(5)의 위치를 유지하기 위해 활성화되거나 날개의 위치를 풀어주기 위해 비활성화 될 수 있다.
상기 수직 회전축(6)은 로터 아암(4)의 상부 수평바 및 하부 수평바 사이에 연결 설치되고, 수직 회전축(6)에는 날개(5)의 수직 가장자리가 분절적으로 연결되며, 상기 날개(5)는 수직 회전축(6)에 대해 자유롭게 회전할 수 있다. 상기 날개(5)는 장방형이며, 복수개로 구성되는 것이 바람직하다.
도 1은 스토퍼 요소(7)들이 활성화된 것을 나타내며, 이 경우 날개(5)들은 로터 아암(4)에 평행하게 유지되며, 바람이 불어올 때(화살표 1 방향) 로터 아암(4)은 화살표(3) 방향으로 회전한다.
도 2는 스토퍼 요소(7)들이 비활성화된 상태를 나타내며, 이 경우 날개(5)들은 로터 아암(4)들에 대하여 자유롭게 회전할 수 있게 된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 상기 스토퍼 요소(7)들은 로터 아암(4)의 상부 수평바 및 하부 수평바의 에 설치되는데, 화살표(1) 방향에서 바람이 불어올 때 스토퍼 요소(7)를 활성화 시키면, 즉 로터 아암(4)의 상부 수평바 및 하부 수평바에 사이로 (상부 수평바의 스토퍼 요소는 하방으로, 하부 수평바의 스토퍼 요소는 상상방으로) 스토퍼 요소(7)를 밀어 넣어 돌출시키면, 날개(5)가 로터 아암(4)에 유지되어 바람에 접촉됨으로써 로터 축(2)이 회전하여 발전기(미도시)가 작동된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 좌측에 도시된 로터 아암(4)의 스토퍼요소(7)에는 날개가 유지(고정)되어 바람과 접촉하게되고, 우측의 로터 아암(4)의 스토퍼 요소(7)에는 날개가 유지되지 못하여 날개(5)가 수직 회전축(6)에서 회전하게되므로 바람이 통과하게 된다. 상기의 작동으로 발전기와 연결된 로터 축(2)은 화살표(3) 방향으로 회전하게 된다. 또한 사용자가 적은 양의 모터 토크를 얻고자 할 때에는 스토퍼 요소(7)를 일부만 활성화 시키면 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 로터 아암(4)의 상부 수평바 및 하부 수평바의 바깥쪽으로 스토퍼 요소(7)를 밀어 돌출시키면(상부 수평바의 스토퍼 요소는 상방으로 하부 수평바의 스토퍼 요소는 하방으로) 날개(5)가 로터 아암(4)에 유지되지 못하고 수직 회전축(6)에서 자유롭게 회전하게 되므로, 화살표(1) 방향에서 바람이 불어도 바람은 날개(5)에 접촉되지 않고 통과하게 된다. 따라서 로터 축(2)은 회전하지 않아 발전기는 작동되지 않는다. 즉 날개(5)가 로터 아암(4)에 유지되지 않고 수직 회전축(6)을 중심으로 자유롭게 회전하게 된다. 상기와 같이 날개(5)가 로터 아암(4)에 유지되지 않고 자유롭게 되면, 날개(5)의 방향이 바람과 일치되기 때문에, 날개와 결합된 로터 아암(4)이 작동하지 않게되어, 풍력 발전기가 멈추게 된다.
본 고안에 따른 도면에서는 일 방향의(화살표 1 방향)에서 불어오는 바람에만 적용하고 있으나, 바람의 방향에 관계없이 상기 작동은 동일하게 적용된다.
즉, 날개(5) 각각은, 바람의 방향에 따라서 자동 조정되며, 날개가 로터 아암(4)들에 대하여 0도 및 90도 사이에서 회전하여서, 상기 바람의 방향에 대해 평행 위치 및 수직 위치에 대응하는 위치를 채택할 수 있다.
상기 기술된 스토퍼 요소(7)로 인해, 필요시 발전기가 작동 안되게 할 수 있으며, 이는 작업자가 날씨에 관계없이 기계의 보수작업 및 유지관리 등을 위해 유용하게 이용할 수 있다. 만약 발전기의 회전이 멈추기를 원하면, 도 2에 따라 스토퍼 요소(7)만 비활성화 하면 된다. 이로 인해 모터 토크(torque)가 작용되지 않게 된다.
상기에 기술된 바와 같이 스토퍼 요소(7)들은 선택적으로 날개(5)를 로터 아암(4)에 유지할 수 있는 잠금 수단으로서, 적어도 두가지 위치를 채택할 수 있는 핀들로 구성되는데, 상기 핀들은, 예컨대, 로터 아암(4)에 날개들을 유지하기 위해 돌출될 수 있으며, 다른 하나는, 날개들을 자유롭게 회전하도록 풀어질 수 있다. 상기 스토퍼 요소(7)들의 활성화 및 비활성화는 수동 또는 제어장치(미도시)와 연결되어 자동으로 조정될 수 있다.
도 3 및 도 4는 풍력 발전기의 다른 실시예인데, 풍력 발전기 프레임은, 기본적으로 하부 부분이 수평 아암(10) 상에 지지되며 상부 부분이 별 모양으로 형성된 수평 아암(9)들의 홀더인 수직 스탠드(8)로 구성되어 있으며, 양 별모양의 중간 지점들에는 축(2)의 단부의 회전을 위해 베어링이 포함된다.
축(2)의 헤드(11), 또는 선택적으로 축의 베이스는, 다양한 용도로 사용될 수 있는 전기, 기계 또는 유압 에너지를 얻기 위해서, 트랜스듀서(transducer, converter) 커플링으로 사용될 수 있다.
본 고안에 의한 발전기의 개념은, 로터 날개들에 관련된 날개들이 완전히 자유롭게 움직일 수 있어서, 지배적인 바람의 방향, 속도 및 세기에 따라, 날개들의 수직 회전축에 대해 회전할 수 있는 아이디어로 부터 나온 것이다.
전술한 고안은, 날개 자체가 자동적으로 방향 전환되므로, 방향 메커니즘의 이용이 필요치 않다. 실제로, 날개가 발전기의 리드 영역(lead area)에 있고, 바람의 방향으로 정렬되어 있을 때, 날개들은, 반대 방향의 저항을 받지 않으면서 바람의 최대 저항을 활용할 수 있게끔 위치를 정한다.
본 고안의 발전기의 경우에 있어서는, 수평축 발전기에 있어 필수적인 지지 타워(support tower)가 요구되지 않아, 생략될 수 있으며, 낮은 레벨들에서 순환하는 공기 흐름도 이용할 수 있기 때문에, 거의 지면상 임의의 높이에 설치될 수 있다.
로터의 회전축이 수직으로 설치됨으로써, 바람의 직접적인 힘을 이용할 수 있으며, 작동하지 않을 때에는 회전하는 날개들의 리턴 저항(resistance of return)이 없으므로, 물리학적 법칙에 의해 부과된 이론적 제한치인 0.59베츠(Betz)에 가까운 매우 높은 동력효율(coefficient of power)을 얻을 수 있다.
새로운 풍력 발전기를 가지고 얻을 수 있는 동력은 수평 또는 수직 축을 가지며 유사한 규모의 종래의 발전기를 이용하는 것보다 현저하게 높다. 새로운 기계를 가지고 상당한 기계적 에너지 레벨들을 얻을 수 있으며, 이 에너지는 직류 또는 교류 발전기에 의한 전기적 에너지, 액체를 상승시키거나 추진시키는 에너지 등의 다른 종류의 에너지로 전환될 수 있다.
이상의 설명은 본 고안의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며,본 고안이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 고안의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 고안에 게시된 실시예들은 본 고안의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 고안의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 고안의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 고안의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
2.로터 축 4.로터 아암
5.날개 6.수직 회전축
7.스토퍼 요소

Claims (3)

  1. 풍력에 의해 발생되는 기계적 에너지를 이용하기 위한 풍력 발전기(wind-powered generator)에 있어서, 상기 풍력 발전기는,
    발전기와 연결되어 지면으로부터 수직으로 연장된 로터축;
    상기 로터축의 상부와 하부에 서로 대향하여 횡향으로 설치되는 복수개의 로터 아암;
    상기 로터 아암 사이에 연결되어 상기 로터 아암을 견고하게 유지시키는 복수개의 수직 회전축;
    상기 수직 회전축에 일단이 연결되는 날개;
    를 포함하며, 상기 날개는 수직 회전축에 분절적으로 연결되어 어떠한 방향에서 바람이 불어와도 상기 수직 회전축에 대하여 조정가능하고, 상기 로터 아암은, 각각의 날개 또는 모든 날개를 선택적으로 고정시키거나 풀어줄 수 있는 스토퍼 요소를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    각각의 날개는 장방형이며, 날개의 수직 가장자리는 수직 회전축에 분절적으로 연결되어 자유롭게 회전하며, 스토퍼 요소는 로터 아암의 상부 수평바 및 하부 수평바에는 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    각각의 날개는, 바람의 방향에 따라서 자동 조정되며, 날개가 아암들에 대하여 0도 및 90도 사이에서 회전하여서, 각각 바람의 방향에 대해 평행 위치 및 수직 위치에 대응하는 위치를 채택하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.

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