KR20110010241A - 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치에 관한 것으로, 본 발명은 풍력을 받아 회전하는 블레이드(200)와, 상기 블레이드(200) 회전에 따라 회전하는 회전축(130)과, 상기 회전축(130)의 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단(120)과, 상기 회전축(130)으로부터 전달된 회전력에 의해 전력을 생산하기 위한 발전기(110)를 포함한다. 본 발명은 회전축(130)이 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)으로 구성되고, 상기 외륜중심축(131)을 기준으로 회전궤적에 따라 외륜(10)이 형성됨과 아울러 상기 내륜중심축(132)을 기준으로 회전궤적에 따라 내륜(20)이 형성될 때, 상기 외륜(10) 내부에 내륜(20)이 편심되게 형성되며, 상기 외륜중심축(131)을 기준으로 상호 편심된 외륜(10) 및 내륜(20) 상에 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)로 구성된 블레이드(200)가 일정 간격을 두고 다수개 배치됨으로써, 불어오는 바람에 의해서 외륜(10) 및 내륜(20) 상에서 각각 쌍을 이루는 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(200)가 동일방향 및 동일 회전속도로 회전하게 됨에 따라 두 개의 사이클로이드 곡선(1,2)이 구현되도록 된 것이다.

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Description

편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치{Wind power generator has eccentric an axis multi cycloid system}

본 발명은 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템(EMCS : eccentric an axis multi cycloid system)을 구현하는 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전반경이 서로 다른 외륜과 내륜 각각의 중심축이 동일선상에서 편심되게 배치되고, 외륜과 내륜을 따라 동일한 회전속도로 회전하도록 외륜과 내륜 각각의 중심에서 동일한 각도 지점에 각각 다수의 블레이드가 순차적으로 배치되며, 상기 동일한 각도 지점에 배치된 블레이드가 이루는 회전궤적을 따라서 복수의 사이클로이드 곡선이 구현됨으로써, 상기 외륜과 내륜의 블레이드 사이에 최단거리 및 최장거리가 형성되는 과정에서 풍력을 받는 표면적이 배가되고 풍압의 집적효과가 있어 회전 토오크의 시너지 효과가 발생하게 됨에 따라 회전 토오크와 회전속도의 증대를 통해서 발전효율을 증대시킬 수 있도록 된 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치에 관한 것이다.

주지하는 바와 같이 최근 인류의 환경과 에너지에 대한 관심은 그 어느 때 보다도 높다고 할 수 있다.

대표적으로 대두되고 있는 문제로는 온실가스 배출과 화석연료의 고갈이라고 할 수 있다.

이 시점에서 풍력에너지는 위에서 언급한 전 세계의 문제를 해결할 수 있는 신재생에너지원 중 하나로서 각광 받고 있으며 매우 큰 잠재력을 가진 것으로 판단되고 있다.

이러한 풍력에너지는 주로 발전 분야에 많이 도입되고 있지만 펌핑 및 열변환 등의 분야에도 이용되고 있는 에너지원이다.

1990년대 이후 기후변화 협약으로 인해 온실가스 감축이 발등에 떨어진 급박한 과제로 등장하면서 풍력발전은 화력이나 원자력 발전에 대응한 대안 중의 하나로 국내의 활용 가능성이 높게 인식되는 계기가 되었고, 현재는 매우 빠른 속도로 발전하는 단계에 있다.

최근에는 기존의 발전 전원과의 경쟁을 하여도 무방할 정도의 경쟁력을 확보할 가능성을 보여주고 있을 뿐만 아니라 풍력 발전의 경우에는 발전 단지의 면적 중에서 실제로 이용되는 면적은 풍력 발전기의 기초부와 도로, 계측 및 중앙 제어실 등으로 전체 단지 면적의 1%에 불과하며, 나머지 99%의 면적은 목축과, 농업 등의 다른 용도로 이용할 수 있는 장점을 지닌다.

특히, 풍력 발전은 공해 물질 저감 효과도 매우 커서 200kW급 풍력 발전기 1대가 1년간 운전하여 400,000kWh의 전력을 생산한다면 약 120~200톤의 석탄을 대체하게 되며, 줄어드는 공해 물질의 배출량은 연간 SO₂ 2~3.2톤, NOx 1.2~2.4톤, CO₂ 300~500톤, 슬래그(slag)와 분진(ash) 16~28톤에 달하며, 부유 물질은 연간 약 160~280kg 정도 배출이 억제되는 효과가 있는 것으로 연구되고 있다.

상기와 같은 장점을 갖는 풍력 발전은 통상적으로 풍차(windmill)라고 불리우는 풍력 발전장치를 사용하게 되며, 풍력 발전은 바람의 운동에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 기술이다.

공기가 익형 위를 지날 때 양력과 항력이 발생되는 공기역학적(aerodynamic) 특성을 통해 회전자(rotor)가 회전하게 되는데, 이때 발생되는 기계적 회전 에너지가 발전기를 통해 전기 에너지로 변환되게 되는 것이다.

이처럼 풍력의 동력변환 장치인 풍차는 공기역학적 항력(drag)에 의한 것과 공기역학적 양력(lift)에 의한 것으로 분류된다.

특히, 풍력 발전장치는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치로서, 로터의 회전축이 놓인 방향에 따라 구분하면 수평축 풍력 발전장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축형 풍력 발전장치(vertical axis wind turbine)가 있는데, 수직축 발전장치는 수평축에 비해 블레이드 면적이 크고 거추장스럽기 때문에 현재 풍력 발전장치 시장에서 수평축 풍력 발전장치가 주류를 이룬다.

그런데, 수평축 풍력 발전장치는 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다.

따라서, 수평축 풍력 발전장치는 해안지대처럼 항상 일정한 방향의 바람이 부는 곳에서는 효과적이지만, 바람의 방향이 자주 바뀌는 곳에서는 효율적이지 못하다.

또한 수평축 풍력 발전장치는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터의 축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터의 축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평 회전력을 수직 회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다.

그런데, 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는 수평 회전력을 수직 회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다.

따라서, 수평축 풍력 발전장치는 로터의 반경에 비례해서 탑의 높이도 높아져야 하기에 도심이나 민가에 가까이에서 설치하기 어려운 점이 있어서, 대체적으로 거주지에서 떨어진 한적한 곳에서 집단적으로 설치되어지고 있다.

우리나라는 산지가 많고 해양에 인접한 지형을 갖추고 있으며 계절풍의 영향을 받는 주기적인 기후대에 놓여 있으면서도 지역별로 풍향이 수시로 변화하는 편이므로, 우리나라에 시설되는 풍력 발전장치는 풍향의 급격한 변화에 무관하게 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 수행할 수 있는 구조를 갖출 필요가 있다.

상술한 바와 같이 풍향이 일정한 지형에 적합한 수평축 풍력 발전장치는 풍향이 변화가 많은 경우 풍향 적응 장치를 부가하는 방식을 취하고 있으나 설계가 어렵고 시설비용이 높아진다.

상기와 같은 문제점을 보완하고자 안출된 것으로서, 수직축 구조를 적용하여 발전설비의 효율화를 도모하는 수직축형 풍력 발전장치를 들 수 있다.

수직축형 풍력 발전장치는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스(Darrius Rotor)형 풍차와, 바람의 항력을 이용하는 사보니우스(Savonius Rotor)형 풍차가 있다.

1920년대에 프랑스 기술자가 발명한 다리우스(Darrieus)형 풍차는 곡선형의 대칭날개로 구성되어 있으며, 바람방향에 관계없이 작동시킬 수 있고, 기어박스, 발전기 등을 지상에 설치할 수 있는 장점이 있다.

그러나 각 회전수에서 회전력의 변화가 심하고, 자기 시동 능력이 없으며, 높은 풍속에서 속도제어의 선택이 한정되는 등의 결점이 있다.

사보니우스 형 풍차는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.

이러한 수직축형 풍차는 1970년대에서 1980년대에 걸쳐 상업적으로 개발되었으며, 4,200kW 규모의 대형 수직축형 풍력발전시설(ECOLEC)이 캐나다에서 설치된 바 있다. 그러나 현재 수직축형 풍력발전기의 연구개발은 거의 없는 실정이다.

한편, 현재 사용되고 있는 대부분의 풍력 발전장치는 고유속 상태의 유체를 동력화하기 위한 장치로써, 일정 이상의 고유속을 형성하지 않으면 동력 발생은 미약하다는 문제점이 있었다.

즉, 현재 풍력을 이용한 대표적인 풍차 형식은 전술한 프로펠러식 풍차(혹은 로터)로, 저 풍속을 최대로 이용하기 위해서 프로펠라 직경을 크게 하고 있는 실정인 것이다.

예를 들어, 발전량 100 KW/h 일때, 직경은 무려 30m 이상으로, 동체의 높이를 그 이상 높여야만 하고, 그에 따른 건설 비용 및 유지/보수에 많은 비용이 발생하게 되는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 상기한 로터의 구조상 최소 풍속이 5~6m/sec 이상이 되어야만 발전이 가능할 뿐만 아니라, 송풍방향에 따라 로터의 방향을 수동으로 조절해주어야만 하므로, 바람이 비교적 약하고 풍향이 자주 변화는 지형에서는 만족할 만한 발전 효율을 기대할 수 없으며, 더욱이 태풍이나 돌풍 시에는 부품들의 파손을 방지하기 위해 운전을 멈춰야만 하는 문제점이 있었다.

이에 상기와 같이 문제점을 고려하여 저속 상태에서도 발전 효율을 높일 수 있는 방안이 강구할 필요성에 따라 다양한 연구를 통해 다양한 형태의 발전장치가 개시되고 있는 실정이다.

그 대표적인 예로써, 대한민국 공개실용신안 공개번호 제1987-15026호(1987. 10. 22, 공개)에 개시된 "창날개 풍력발전기"와, 대한민국 공개특허 공개번호 제2002-21962호(2002. 3. 23, 공개)에 개시된 "저유속 유체를 이용한 풍,수력차"와, 대한민국 공개특허 공개번호 제2005-30565호(2005. 3. 30, 공개)에 개시된 "풍력 발전기"와, 대한민국 등록특허 등록번호 제620948호(2006.8.30, 등록)에 개시된 "풍력 발전기" 등을 들 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 다양한 형태를 연구 개발되고 있는 풍력 발전장치에서 보여주는 바와 같이 신재생에너지로써 각광받고 있는 풍력을 보다 효율적으로 사용할 수 있는 새로운 형태의 풍력 발전장치의 필요성에 따라 연구 개발된 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 외륜과 내륜의 블레이드 사이에 최단거리 및 최장거리가 형성되는 과정에서 풍력을 받는 표면적이 배가되고 풍압의 집적효과가 있어 회전 토오크의 시너지 효과가 발생하게 됨에 따라 회전 토오크와 회전속도의 증대를 통해서 발전효율을 증대시킬 수 있도록 된 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 새로운 형태의 풍력발전장치를 제공하는 데 있다.

특히, 본 발명은 수직축형 풍력발전기의 거의 모든 블레이드 형상에 적용이 가능하며, 설치장소와 설치 유형에 구애받지 않음은 물론, 시동 시와 저속에서는 블레이드에 작용하는 회전항력(추력)을 배가시켜 미풍에서도 시동 회전이 용이하며, 고속에서는 유해 항력은 감소시키며 추력을 증폭시킬 수 있는 새로운 형태의 풍력발전장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 풍력을 받아 회전하는 블레이드와, 상기 블레이드 회전에 따라 회전하는 회전축과, 상기 회전축의 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단과, 상기 회전축으로부터 전달된 회전력에 의해 전력을 생산하기 위한 발전기를 포함하는 풍력발전장치에 있어서, 상기 회전축이 외륜중심축과 내륜중심축으로 구성되고, 상기 외륜중심축을 기준으로 회전궤적에 따라 외륜이 형성됨과 아울러 상기 내륜중심축을 기준으로 회전궤적에 따라 내륜이 형성될 때, 상기 외륜 내부에 내륜이 편심되게 형성되며, 상기 외륜중심축을 기준으로 상호 편심된 외륜 및 내륜 상에 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드 및 내륜블레이드로 구성된 블레이드가 일정 간격을 두고 다수개 배치됨으로써, 불어오는 바람에 의해서 외륜 및 내륜 상에서 각각 쌍을 이루는 외륜블레이드 및 내륜블레이드가 동일방향 및 동일 회전속도로 회전하게 됨에 따라 더블 사이클로이드 곡선이 구현되도록 된 풍력발전장치를 제공함에 그 특징을 갖는다.

여기서, 상기 회전축이 끼움 안착되는 설치공을 중심으로 상기 블레이드 전체를 내장할 수 있는 공간을 갖추고, 선미에서 후미 쪽으로 삼각 형상을 갖는 평판이 상하 대칭되는 구조를 가지면서 선미에 유선형의 방향성 에어포일이 구비됨과 동시에 후미 양쪽에 좌우측으로 유체 흐름을 안내하는 방향성 에어포일이 각각 구비되며, 상기 후미 일측 방향성 에어포일은 힌지면을 중심으로 풍압에 의해 약간씩 회동 가능하도록 방향성 에어포일 후면에 힌지면을 가로질러 고정브라켓을 통해 탄성 복원력을 제공하는 스프링이 구비된 방향성하우징을 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 동력전달수단은 외륜중심축에 연결된 외륜기어와, 내륜중심축에 연결된 내륜기어와, 상기 외륜기어와 내륜기어에 맞물린 아이들기어를 포함함으로써, 상기 외륜중심축과 내륜중심축의 회전력을 발전기로 전달할 수 있는 구조를 갖추는 것이 바람직하다.

이때, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 상기 외륜블레이드와 내륜블레이드는 각각 비행기날개와 같은 유선형 형상을 갖으면서 회전축과 나란하게 수직 배치되어 각각 외륜로터 및 내륜로터를 통해서 각각 외륜중심축과 내륜중심축에 연결됨과 동시에 상기 외륜블레이드의 상하 높이가 상대적으로 내륜블레이드의 상하 높이보다 더 큰 구조를 갖으며, 상기 외륜블레이드의 선단과 끝단이 외륜의 원주에서 벗어나지 않고 원주와 동일라인으로 회전하도록 상기 외륜로터에서 방사형으로 연장된 외륜블레이드고정축에 고정점을 통해서 일체로 고정 연결되고, 상기 내륜블레이드의 선단은 내륜의 원주 상에서 외측방향으로 벗어나고 내륜블레이드의 끝단은 내륜의 원주 상에서 내측방향으로 벗어난 구조로 내륜로터에서 방사형으로 연장된 내륜블레이드고정축에 힌지점을 통해서 일정각도 힌지 회동이 가능하게 연결되는 구조를 갖는다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따르면, 상기 외륜블레이드와 내륜블레이드는 회전 중 상호 간섭이 일어나지 않도록 각각 외륜로터 및 내륜로터를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축과 내륜중심축에 연결됨과 동시에 내륜블레이드 외측에 외륜블레이드가 배치되고, 상기 외륜블레이드와 내륜블레이드는 서로 동일한 형상구조로 상기 회전축에 대해서 경사진 곡선구조를 가짐과 동시에 블레이드 자체가 지그재그로 절곡된 구조를 가짐으로써, 다리우스형 블레이드 형상구조를 갖는다.

또한, 본 발명의 제3실시예에 따르면, 상기 외륜블레이드는 비행기날개와 같은 유선형 형상을 갖고 상기 내륜블레이드는 선단면에 상기 외륜블레이드를 감싸 포함할 수 있는 곡선면을 갖으면서 각각 회전축과 나란하게 수직 배치되어 각각 외륜로터 및 내륜로터를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축과 내륜중심축에 연결됨과 동시에 상기 외륜블레이드의 상하 높이가 상대적으로 내륜블레이드의 상하 높이보다 더 긴 구조를 갖으며, 상기 외륜블레이드의 선단과 끝단이 외륜의 원주에서 벗어나지 않고 원주와 동일라인으로 회전하도록 상기 외륜로터에서 방사형으로 연장된 외륜블레이드고정축에 고정점을 통해서 일체로 고정 연결되고, 상기 내륜블레이드의 선단은 내륜의 원주 상에서 외측방향으로 벗어나고 내륜블레이드의 끝단은 내륜의 원주 상에서 내측방향으로 벗어난 구조로 내륜로터에서 방사형으로 연장된 내륜블레이드고정축에 힌지점을 통해서 일정각도 힌지 회동이 가능하게 연결되는 구조를 갖는다.

또한, 본 발명의 제4실시예에 따르면, 상기 외륜블레이드와 내륜블레이드는 각각 바람방향에 대해서 수직한 블레이드면이 원호 형상의 곡면으로 형성된 블레이드로써, 이러한 블레이드가 연속적으로 다수개 원형으로 배치된 크로스 플로우형 블레이드이고, 상기 외륜블레이드의 내측에 내륜블레이드가 상호 간섭없이 편심 배치되며, 상기 외륜블레이드의 상하단 및 내륜블레이드 상하단을 감싸는 하우징커버를 갖춘 풍력발전장치를 제공한다.

또, 본 발명의 제5실시예에 따르면, 상기 회전축과 직각되게 배치되는 메인회전축 상에 프로펠러형 블레이드를 갖는 공지의 수평축형 풍력발전장치가 결합되고, 상기 메인회전축과 회전축이 교차하는 지점에 각각의 회전축의 회전력을 통합하기 위한 기어박스 형태의 동력전달수단이 구비되며, 상기 동력전달수단에 연결되 어 발전기가 구비되는 풍력발전장치를 제공한다.

또, 본 발명의 제6실시예에 따르면, 상기 내륜중심축을 따라 회전하는 내륜블레이드의 회전궤적 보다 작은 회전궤적으로 회전하면서 내륜블레이드와 상호 간섭없는 상태로 제3의 사이클로이드 곡선을 구현하도록 상기 외륜중심축 및 내륜중심축의 동일선상에서 외륜중심축에 편심되게 배치되는 제2내륜중심축이 구비되고, 상기 제2내륜중심축을 중심으로 회전하는 다수개의 제2내륜블레이드가 제2내륜로터를 매개로 일정간격을 두고 제2내륜중심축에 연결 배치되며, 상기 제2블레이드가 형성하는 제2내륜이 상기 내륜 내부에 포함되는 풍력발전장치를 제공한다.

여기서, 상기 제2내륜블레이드는 항력을 이용하는 사보니우스형 블레이드를 기본 패턴으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 새로운 형태의 풍력발전장치를 제공함으로써, 외륜중심축 및 내륜중심축을 기준으로 회전궤적에 따라 형성되는 외륜과 내륜의 블레이드 사이에 최단거리 및 최장거리가 형성되는 과정에서 풍력을 받는 표면적이 배가되고 풍압의 집적효과가 있어 회전 토오크의 시너지 효과가 발생하게 됨에 따라 회전 토오크와 회전속도의 증대를 통해서 발전효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 수직축형 풍력발전기의 거의 모든 블레이드 형상에 적용이 가능하며, 설치장소와 설치 유형에 구애받지 않음은 물론, 시동 시와 저속에서는 회전항력(추력)을 배가시켜 미풍에서도 시동 회전이 용이하며, 고속에서는 유해 항 력은 감소시키며 회전 항력(추력)을 증폭시킬 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명에 따르면, 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선에 나타나는 각각의 자취(궤적)가 상호 간의 간섭을 받지 않고 각각의 자유회전하게 되는 바, 이처럼 자유회전 함에 따라 상기 자취의 상호 간에 부담, 또는 상반되는 별개의 운동 형태가 없는 구조로써, 수시 변화하는 바람에 대해서 회전력이 기존 제품보다 원활하고, 안정적이게 된다는 장점을 갖는다.

또, 본 발명의 다양한 실시예에서 보여주는 바와 같이, 다른 유형의 풍력발전장치와도 통합적으로 결합 제작이 용이할 뿐만 아니라 다양한 블레이드 형상 간의 복합적인 머지(merger)가 용이하며, 이로서 새로운 많은 블레이드 형상으로 설계 및 제작하여 풍력발전장치에 적용할 수 있다는 장점을 갖는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명과 관련하여 사이클로이드 곡선이 형성되는 원리를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치가 사이클로이드 곡선을 구현하기 위해 배치되는 기본적인 개념을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 도 2에 도시된 기본적인 개념에 따라 블레이드가 배치된 상태를 보여주는 도면이다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제1실시예를 도시한 것으로써, 도 4a는 제1실시예에 따른 풍력발전장치의 전체적 구성을 보여주는 사시도 이고, 도 4b는 블레이드 배치 관계를 보여주는 부분 사시도이며, 도 4c는 블레이드 와 회전축과의 연결 관계를 보여주는 도면이다.

이때, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 풍향하우징의 작동 상태를 예시적으로 보여주는 도면이다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제2실시예를 도시한 것으로써, 다리우스형 블레이드를 적용한 예를 보여주는 도면이고, 도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제3실시예를 도시한 것으로써, 내륜블레이드가 외륜블레이드를 포함하는 형태를 보여주고 있는 예시도면이며, 도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제4실시예를 도시한 것으로써, 크로스 플로우형 블레이드를 적용한 상태를 보여주는 예시도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제4실시예를 도시한 것으로써, 수직축형 풍력발전장치에 수평축형 풍력발전장치를 결합한 형태를 예시적으로 보여주는 도면이다.

또한, 도 10은 본 발명의 제6실시예와 관련하여 멀티 사이클로이드 곡선이 형성되는 원리를 보여주는 도면이고, 도 11a 및 도 11b는 도 10에 도시된 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하기 위한 블레이드 배치 관계를 예시적으로 보여주는 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전장치는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템 원리를 응용한 것으로써, 내부에 동일 지름선상에서 일정한 거리를 두고 중심축(11,21)이 편심된 한 원(이하 내륜(10)이라 한다)을 포함하는 또 다른 한 원(이하 외륜(10)이라 한다)의 구조에서 있어서, 상기 두 원(즉, 외륜(10), 내륜(20))은 하나의 동력으로 동일한 회전하게 되는 구조 를 갖는 것이다.

이때, 상기 사이클로이드란 한 원이 일직선 위를 굴러 갈 때, 이 원의 원둘레 위의 한 점이 그리는 자취를 말하는 수학적으로 정의된 용어이다.

즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 사이클로이드 곡선(1,2)은 정점에 도달하기 위해서 곡선 상의 어떤 점에서 출발하더라도 도달하는 데 걸리는 시간이 같게 되는 성질을 갖는다는 "등시곡선"과, 사이클로이드 위에서는 가속도에 의해 보다 빨리 속도가 증가하므로 사이클로이드가 거리는 더 길지만 더 빠른 시간에 도착하게 된다는 어떤 다른 궤적보다 최하단에 빨리 도달하게 되는 "최단강하곡선"이라는 특징을 가지고 있다.

여기서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명은 사이클로이드 곡선(1, 2; 도 1 참조)을 구현하도록 배치된 동일 지름선상에서 일정한 거리를 두고 중심축(11,21)이 편심된 외륜(10)과 내륜(20)은 각각의 중심축(11,21)에서 동일한 각도의 일측편(A지점)에 위치한 각각의 한 점들(12,22) 사이의 거리는 최대로 근접하고, 그 타측편(B지점)의 각각의 한 점들(12,22) 사이의 거리는 최대로 멀어지는 구조를 갖게 된다.

이와 같은 방식으로 원주 측에서는 각각의 한 점들(12,22) 사이가 상호간 진퇴와 근접, 이탈의 변화를 이루면서 회전하여 원점으로 돌아오게 되며, 상기 외륜(10)과 내륜(20)의 위치한 각각의 한 점들(12,22) 사이에 거리 차와 각각의 한 점들(12,22)을 잇는 선분의 실질적 각도의 차, 그리고 진퇴의 차이를 발생하며 회전하는 특성을 갖게 되는 것이다.

즉, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 외륜(10)과 내륜(20)의 회전 시 생성된 편심축을 가진 더블 사이클로이드 곡선(1,2)에서 최하단에 해당하는 두 점(12,22)에서 서로 최대로 근접하게 되고, 편심축을 가진 더블 사이클로이드 곡선(1,2)에서 최상단에 해당하는 두 점(12,22)에서 서로 최대로 멀어지게 되는 바, 이렇게 외륜(10)에 포함되는 내륜(20)이 편심된 상태에서 회전할 때 서로 상응하는 두 점(12,22)간에는 거리의 차가 발생하게 된다.

이러한 거리의 차는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 외륜(10)과 내륜(20) 상에서 서로 대응하는 두 점(12,22) 위치에 각각 블레이드(13,23)를 일정 간격으로 두고 다수개 배치할 경우, 일정한 방향으로 불어오는 바람에 대한 각각의 지점에서 블레이드(13,23)에 작용하는 회전 항력(추력)에 차이로 나타나게 되는 것이다.

본 발명은 이와 같이 편심축을 가진 더블 사이클로이드 곡선(1,2)을 구현하도록 중심축(11,21)이 편심된 외륜(10) 및 내륜(20) 상에 서로 쌍을 이루는 복수의 블레이드(13,23)을 일정 간격을 두고 다수개 배치하되; 일정방향의 바람에 의해 상기 각 쌍을 이루는 블레이드(13,23)에 작용하는 회전 항력(추력)의 변화를 이용할 수 있도록 도 3에 도시된 바와 같이 회전하는 과정에서 서로 쌍을 이루는 블레이드(13,23) 사이에 적절한 배치 각도가 형성되도록 설계하고 있는 것이다.

즉, 본 발명은 상기 외륜(10)과 내륜(20)에 각각 배치된 한 쌍의 블레이드(13,23)들 사이에 최대 근접거리에서 블레이드의 선단이 서로 모아지는 각도로 배치하고, 한 쌍의 블레이드(13,23)들 사이에 최대 이탈거리에서 블레이드(13,23) 선단이 서로 벌어지는 각도로 배치함으로써, 한 쌍의 블레이드(13,23)와 이에 대응 하는 반대편에 위치한 한 쌍의 블레이드(13,23)에 대해서 일정방향의 바람(풍력)이 작용할 때, 각각 작용하는 풍력에 대한 회전 항력(추력)에 차이가 발생하게 되고, 특히, 일측편에 위치한 한 쌍의 블레이드(13,23)에서 풍력을 받는 표면적이 배가되고 풍압의 집적효과가 있어서 회전 토오크의 시너지 효과가 발생하게 됨에 따라 회전 토오크와 회전속도의 증대를 통해서 발전효율을 증대시킬 수 있도록 된 풍력발전장치를 제공함에 그 특징이 있다.

이와 같은 블레이드(13,23)의 배치 구조를 통해서 본 발명은 시동 시와 저속에서는 바람에 의한 블레이드(13,23)에 작용하는 회전 항력(추력)을 배가시켜 미풍에서도 시동 회전이 용이하며, 고속에서는 바람 방향에 대한 유해 항력을 감소시키면서 양력을 증폭시킬 수 있는 풍력발전장치를 제공하게 된다.

즉, 본 발명은 회전효율이 낮아 실용화가 활발히 이루어지지 않고 있는 수직축 풍력발전기 분야에서 새로운 형태를 갖는 수직축 풍력발전장치를 제시하고 있는 바, 서로 쌍을 이루는 블레이드(13,23)가 편심된 두 개의 중심축(11,21)을 중심으로 일측편(B지점)에 위치한 한 쌍의 블레이드(13,23)에 유해 항력이 작게 작용하고, 그 반대편(A지점)에 위치한 한 쌍의 블레이드(13,23)에 회전 항력(추력)이 크게 작용하도록 함으로써, 각각의 중심축(11,21)을 중심으로 한 쌍을 이루는 블레이드(13,23)가 서로 반대 방향의 위치에 있을 때 일정방향의 풍력에 대하여 중심축(11,21)을 중심으로 회전토오크가 최대로 되도록 한 것이다.

이와 같이 본 발명은 편심축을 가진 더블 사이클로이드 곡선을 구현하도록 배치된 한 쌍을 이루는 블레이드(13,23)간 거리의 차 및 한 쌍을 이루는 블레이 드(13,23)를 연결하는 선분에 의한 실질적인 각도의 차를 이용하여 일정 방향의 풍력에 대한 각 쌍을 이루는 블레이드(13,23)들에 작용하는 회전 항력(혹은 추력)의 차이를 이용하는 수직축형 풍력발전장치를 제공하게 된다.

이처럼 본 발명에 따른 풍력발전장치는 수직축형 풍력발전장치의 일종으로써, 통상적인 수직축형 풍력발전장치가 갖추어야 할 기본적인 구성인 블레이드(200), 회전축(130), 동력전달수단(120), 발전기(110) 등을 포함하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해서 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

(제1실시예)

본 발명에 따른 제1실시예는 편심축을 가진 더블 사이클로이드 곡선 상에 외륜 및 내륜 블레이드를 각각 장착한 기본적인 구조로써, 내륜중심축(132)이 외륜중심축(131)의 동일선상에서 도면상 좌측에 위치한 형태를 가짐에 따라 복합적으로 회전 항력(혹은 추력)을 극대화하여 회전 항력(혹은 추력)의 시너지효과를 달성할 수 있도록 배치된 기본적 구조를 보여주는 것이다.

즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 풍력발전장치는, 풍력을 받아 회전하는 블레이드(200)와, 상기 블레이드(200) 회전에 따라 회전하는 회전축(130)과, 상기 회전축(130)의 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단(120)과, 상기 회전축(130)으로부터 전달된 회전력에 의해 전력을 생산하기 위한 발전기(110)와, 상기 블레이드(200)로 풍향을 안내하는 풍향하우징(300)을 포함하는 구성을 갖는다.

그리고, 상기와 같은 구성을 갖는 풍력발전장치에서 상기 동력전달수단(120) 및 발전기(110) 등의 중요 구성부품들은 외부에 그대로 노출되는 않도록 베이스(100) 내부에 배치하는 것은 통상적인 기술 사항으로 공지된 것에 불과하다.

이처럼 상기 베이스(100)는 풍력발전장치를 구성하는 데 있어서 매우 일반적이고 보편적인 기술 사항에 불과한 것으로, 그 구체적인 설명을 생략할 뿐만 아니라 도 4a를 제외한 다른 첨부도면에서는 도시하지 않고 있음을 이해할 수 있을 것이다.

한편, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(200)는 일정간격을 두고 배치된 비행기날개와 유사한 유선형 형상을 갖는 다수의 외륜블레이드(210)와, 상기 각 외륜블레이드(210)에 일대일 대응하면서 외륜블레이드(210)의 내측에 위치하면서 비행기 날개와 유사한 유선형 형상을 갖는 내륜블레이드(220)로 구성된다.

즉, 상기 외륜블레이드(210)의 상하 높이가 상대적으로 내륜블레이드(220)의 상하 높이보다 큰 구조를 갖는다.

이때, 상기 블레이드(200)는 풍력을 받아 회전하면서 회전력을 제공하게 되는 것으로써, 상기 제1실시예에 따른 블레이드(200)들은 수직방향으로 사각단면 형상을 가지며, 수평방향(즉, 회전방향)으로 비행기날개와 유사한 유선형 단면 형상을 갖으면서 임의의 동일 원주 상에 일정간격을 두고 다수개 배열 설치되는 구조를 갖는다.

상기와 같이 회전 진행방향에 대해서 유선형 단면 형상을 갖는 것은 유체의 흐름에 따른 회전 저항을 줄일 수 있도록 하기 위한 것으로 이는 보편화된 기술이라 할 수 있다.

또한, 상기 블레이드(200)의 크기 및 설치 갯수 등은 필요로 하는 회전력과 기타 다양한 설계 조건에 따라 다양하게 변형 설계될 수 있음은 물론이다.

그리고, 본 발명에서는 상기 외륜블레이드(210)와 일대일 대응되는 내륜블레이드(220)가 하나의 쌍을 이루면서 서로 동일한 회전속도로 회전하도록 배치되게 된다.

이때, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 상하 일정폭을 가지고 수직하게 배치되는 회전축(130)과 나란하게 배치됨으로써, 전형적인 수직축형 풍향발전장치의 블레이드 배치 구조를 갖는다.

도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 회전축(130)은 내륜중심축(132)과 외륜중심축(131)으로 구성되는 바, 상기 내륜중심축(132)은 내륜블레이드(220)의 회전축이고, 상기 외륜중심축(131)은 외륜블레이드(210)의 회전축에 해당한다.

이때, 상기 내륜중심축(132)을 중심으로 회전하는 내륜블레이드(220)에 의해 형성되는 내륜(20, 도 3 참조)은 상기 외륜중심축(131)을 중심으로 회전하는 외륜블레이드(210)에 의해 형성되는 외륜(10, 도 3 참조)의 내부에 포함되는 구조를 갖고 있는 바, 상기 내륜중심축(132)은 동일선상에서 외륜중심축(131)에 편심된 상태로 배치되어 상기 외륜(10)의 내부에서 내륜(20)이 편심된 구조로 회전 궤적을 갖도록 되어 있다.

여기서, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 서로 쌍을 이룬 체 상기 외륜(10)과 내륜(20)의 회전궤적을 따라 회전하면서 일정방향의 풍력에 대해서 동일방향 및 동일한 회전속도로 회전하도록 각각 외륜 및 내륜로터(213, 223)를 매개로 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 각각 연결되어 있다.

상기 외륜로터(213)는 외륜블레이드(210)의 상하단 높이와 동일한 높이로 상하 복수개 구비되는 바, 중심에 외륜중심축(131)이 배치된 원판형 구조에서 외륜블레이드(210)에 일대일 대응되는 갯수 만큼의 외륜블레이드고정축(212)이 방사형으로 연장 형성되어 있는 구조를 갖는다.

즉, 상기 외륜블레이드(210)의 선단과 끝단이 외륜(10)의 원주에서 벗어나지 않고 원주와 동일라인으로 회전하도록 상기 외륜로터(213)에서 방사형으로 연장된 외륜블레이드고정축(212)에 고정점(211)을 통해서 일체로 고정 연결되어 있다.

전체적으로 외륜블레이드(210)는 외륜로터(213)를 통해서 고정 배치되어 회전시 원통형 구조를 갖도록 되어 있다.

그리고, 상기 내륜로터(223)는 상기 외륜로터(213)의 내측에 위치하면서 내륜블레이드(220)의 상하단을 연결 지지하도록 되어 있다.

이는 상기한 바와 같이 외륜블레이드(210)의 상하 높이가 상대적으로 내륜블레이드(220)의 상하 높이보다 크게 설계됨을 의미한다.

이때, 상기 내륜로터(223)는, 상기 외륜로터(213)와 마찬가지로, 상기 내륜블레이드(220)의 상하단 높이와 동일한 높이로 상하 복수개 구비되는 바, 중심에 내륜중심축(132)이 배치된 원판형 구조에서 내륜블레이드(220)에 일대일 대응되는 갯수 만큼의 내륜블레이드고정축(222)이 방사형으로 연장 형성되어 있는 구조를 갖 는다.

즉, 상기 내륜블레이드(220)의 선단은 내륜(20)의 원주 상에서 외측방향으로 벗어나고 내륜블레이드(220)의 끝단은 내륜(20)의 원주 상에서 내측방향으로 벗어난 구조로 내륜로터(223)에서 방사형으로 연장된 내륜블레이드고정축(222)에 힌지점(221)을 통해서 약간의 힌지 회동이 가능하게 연결되어 있다.

따라서, 상기 내륜블레이드(220)는 힌지점(221)을 중심으로 약간씩 회동이 가능한 바, 이는 내륜블레이드(220)에 작용하는 풍력의 크기(저속 회전 및 고속 회전)에 따라 적절한 각도를 갖도록 하여 내륜블레이드(220)의 원활한 회전을 유도하기 위함이다.

즉, 상기 내륜블레이드(220)의 회전각도는 제어되며, 평상시에는 도시되지 않은 스프링 등에 의해 안쪽으로 항상 압박을 받는 구조로 되어 있다.

이를 통해서 저속에서 고속으로의 속도 변화 시(도 4b에서 도 4c로 변화될 때) 바람에 의한 유해 항력을 감소시키고 양력을 증대시키기 위해 상기 내륜브레이드(220)에서의 바람과의 접촉각을 인위적으로 해결하지 않고 바람에 의해서 자연적으로 약간씩 회동하여 자동 조절됨에 따라 강한 풍력에 적응되도록 구성하고 있는 것이다.

이처럼, 상기 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)는 상기 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)의 상 하단에 각각 연결되고, 일정방향의 풍력을 받아 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)가 회전하게 될 때, 상기 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)는 각각 일체로 회전하게 됨은 물론, 각각의 외륜중심축(131)과 내륜중심 축(132)과도 일체로 회전하게 된다.

그리고, 이렇게 외륜로터(213)와 내륜로터(223)와 일체로 회전되는 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)의 회전은 상기 동력전달수단(120)을 통해서 발전기(110)로 전달되게 된다.

상기 동력전달수단(120)은 외륜중심축(131) 상에 연결 배치된 외륜기어(121)와, 상기 내륜중심축(132) 상에 연결 배치된 내륜기어(122) 및 상기 외륜기어(121)와 내륜기어(122)를 상호 연결하여 발전기(110)의 축 상에 연결 배치된 아이들기어(123)로 구성되어 있다.

물론, 상기 동력전달수단(120)은 상기와 같이 외륜기어(121), 내륜기어(122), 아이들기어(123)만의 구성으로 한정되는 것은 아니며, 회전축(130)의 회전력을 증속시키는 기어구조를 가질 수 있음은 물론, 다양한 형태로 설계 변형이 가능하며, 이러한 기술은 당해 분야에서 일반적으로 공지되고 보편화 된 기술을 누구나 쉽게 채용할 수 있는 수준일 것이다.

한편, 본 발명에 따른 풍력발전장치의 효율적인 작동을 위해서는 상기 풍향하우징(300)을 필요로 하게 된다.

즉, 상기 풍향하우징(300)은 상기 블레이드(200)에 풍력을 안내하여 저유속 상태의 유체 흐름(바람) 속에서 블레이드(200)의 초기 회전을 원활하게 도와주거나, 과회전 상태가 발생하지 않도록 풍량을 집중시키거나 분산되게 안내하는 역할을 하는 것이다.

도 4a와 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 풍향하우징(300)은 선미 에서 후미 쪽으로 삼각 형상을 갖는 평판(310)이 상하 대칭되는 구조를 가지고, 선미에 유선형의 방향성 에어포일(301)이 구비됨과 동시에 후미 양쪽에 좌우측으로 유체 흐름을 안내하는 방향성 에어포일(302,303)이 각각 구비되며, 그 내부에 회전축(130)이 끼움 안착되는 설치공(320)을 중심으로 상기 블레이드(200) 전체를 내장할 수 있는 공간을 갖춘 형상 구조로 되어 있다.

이때, 상기 풍향하우징(300)의 후미 일측에 형성된 방향성 에어포일(302)은 힌지면을 중심으로 풍압에 의해 약간씩 회동 가능한 구조를 갖추고 있고, 이 방향성 에어포일(302) 후면에는 힌지면을 가로질러 고정브라켓(304)을 통해 탄성 복원력을 제공하는 스프링(305)이 구비되어 있는 바, 상기 방향성 에어포일(302)에 작용하던 풍압이 제거된 경우, 상기 스프링(305)의 복원력에 의해 방향성 에어포일(302)이 원상태로 복원되는 구조를 갖추고 있다.

물론, 상기 스프링(305)은 저속 혹은 고속과 같은 정상적인 블레이드(200) 회전속도를 발생시키는 풍력보다는 강한 스프링력으로 방향성 에어포일(302)을 지지하도록 되어 있으나, 블레이드(200)의 회전속도가 설정된 정상속도 이상의 과속 회전을 일으킬 수 있는 정도의 강한 바람이나 폭풍에 의한 풍력보다는 작은 스프링력을 갖도록 설계되어 있다.

따라서, 상기 풍향하우징(300)은 기본적으로 평상시에는 풍향에 적응하고 또한 고속, 강풍에서는 내부에 설치된 블레이드(200)를 보호하도록 항상 풍압에 맞서 필요한 각도를 유지하도록 되어 있다.

특히, 강풍이나 폭풍에 의한 풍속, 풍압에 대해서는 일측 방향성 에어포 일(302)을 타측으로 젖혀서 풍속, 풍압의 실속(失速), 실압(失壓)을 유도하여 블레이드(200)에 반 회전방향의 항력을 발생시켜 돌풍, 강풍에서 블레이드(200)의 고속회전을 억제하는 기능을 수행하게 되는 것이다.

즉, 상기 풍향하우징(300)은 강풍 혹은 폭풍에 의한 과속 회전이 발생할 우려가 있을 때, 도 5b에 도시된 바와 같이 강한 바람이 풍향하우징(300)의 후미 방향성 에어포일(302, 303)의 작용하게 되고, 일측의 방향성 에어포일(302, 도면 상 우측)에 작용하는 바람이 스프링(305)에 의해 지지되는 힘보다 커지면서 방향성 에어포일(302)이 힌지면을 기준으로 꺾여서 약간 회전하게 되며, 이는 결과적으로 반대편 방향상 에어포일(303, 도면상 좌측)에 보다 적은 풍력이 작용하는 결과로 나타나면서 방향하우징(300)의 선미가 시계방향으로 약간 회전하게 된다.

다시 말해, 저속 혹은 고속과 같이 평상시에는 도 5a에 도시된 상태로 풍향하우징(300) 선미의 방향성 에어포일(301)이 바람 방향과 나란하게 배치되어 바람이 좌우측으로 동일하게 안내되어 풍향하우징(300) 내부의 블레이드(200)를 회전시키는 데 비해서, 과속 회전시에는 도 5b에 도시된 상태로 풍향하우징(300) 선미의 방향성 에어포일(301)이 바람 방향에 대해서 약간 비스듬하게 위치하게 됨에 따라 선미의 방향성 에어포일(301)을 통해서 풍향하우징(300) 내부의 블레이드(200)로 안내 공급되는 풍력이 선미의 방향성 에어포일(301)을 기준으로 좌우측이 달라지게 되고, 이는 결과적으로 블레이드(200)의 회전방향과 반대되는 풍력이 풍향하우징(300) 내부로 보다 많이 안내되기 때문에 블레이드(200)의 회전이 평상시(도 5a 상태) 보다 상대적으로 더 제한되면서 과속 회전이 최대한 방지되게 되는 것이다.

이처럼, 풍향하우징(300)은 강풍 혹은 폭풍과 같은 강한 바람이 불 때 바람 방향에 대해서 자연적으로 자동 적응하도록 하여 블레이드의 과속 회전을 최대한 방지할 수 있도록 된 것이다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전장치는, 다수개의 블레이드(200)들이 유체의 흐름(바람)과의 상대적인 위치관계에 따라 중심의 회전축(130)을 기준으로 반복적인 회전을 통해 풍압을 받아 회전축(130)에 회전력을 제공하게 된다.

예를 들어, 풍력이 각각의 블레이드(200)에 작용하면, 각 블레이드(200)에 작용하는 풍력에 의해 발생되는 회전력의 총합이 회전축(130)에 그대로 전달되어 회전축(130)이 회전하게 되고, 이에 따라서 각 블레이드(200)들의 상대적 위치가 풍향에 대해서 가변되게 된다.

즉, 각 블레이드(200)들의 배열 위치에 따라서 블레이드(200)에 미치는 풍력이 서로 다르게 나타나는 바, 각 블레이드(200)에서의 풍력으로 인해 발생되는 회전력은 블레이드(200)의 회전방향에 대한 접선 분력으로 나타나게 된다.

다시 말해, 각 블레이드(200)들은 회전축(130)을 기준으로 반복적인 회전을 하는 가운데 풍향을 마주함에 따라 블레이드(200)의 경사도가 발생하여 풍압을 받게 되고, 이 풍압은 벡터(Vector)의 접선 분력(회전력)으로 전환되는 것이다.

예를 들어, 하나의 블레이드(200)를 기준으로 살펴보면, 블레이드(200)가 바람방향에 대해서 직각되게 배열되는 위치에 놓일 때에는 최대의 풍력을 받게 되고, 그때 발생하는 회전력이 최대가 되고, 상기 블레이드(200)가 바람방향에 대해서 나란하게 배열되는 위치에 놓일 때에는 최소의 풍력을 받게 된다.

상기와 같이 동작하게 되는 블레이드(200) 작동 과정에서 본 발명은, 더블 사이클로이드 곡선 특성을 따라 회전궤적을 갖는 한 쌍의 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)의 작용에 의해 일측편(A지점)에서는 풍력을 받는 표면적이 배가되고 풍압의 집적효과가 있어 바람 방향에 대한 블레이드(200)에 적용하는 회전 항력(추력)이 배가되고 그 반대편(B지점)에서는 블레이드(200)에 작용하는 유해 항력이 감소됨에 따라 회전 토오크의 시너지 효과가 발생하게 되어 회전 토오크와 회전속도의 증대를 통해서 발전효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

특히, 도 4a 및 도 4b는 시동 및 저속 회전시에 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)가 도시된 바와 같은 유기적인 배치 구조를 가지고 회전하는 상태를 보여주는 것이고, 도 4c는 고속 회전시에 내륜블레이드(220)가 힌지점(221)를 중심으로 뒤쪽이 원심력에 의해 외측으로 회전되어 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220) 각각의 선단 및 끝단이 외륜(10) 및 내륜(20)의 원주라인을 따라서 회전함으로써 유해 항력을 줄이고 양력을 증대시키는 구조를 보여주는 것이다.

(제2실시예)

한편, 도 6a 및 도 6b에는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전장치가 도시되어 있다.

본 발명의 제2실시예는 상기한 제1실시예에 도시된 풍력발정장치에 비교할 때, 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 형상 구조에 차이가 있을 뿐, 그 밖 의 구성은 동일하다.

즉, 제1실시예는 수직축형 풍력발전장치의 종류 중 주로 회전 항력에 의한 회전력을 얻는 사보니스형 풍력발전장치 쪽에 가깝고, 제2실시예는 수직축형 풍력발전장치의 종류 중 주로 양력에 의한 회전력을 얻는 다리우스형 풍력발전장치 쪽에 가깝다.

물론, 상기와 같이 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 형상 차이로 인해 블레이드(200)를 회전축(130)에 연결하는 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)의 위치 관계가 다소 차이가 있으나, 그 역할 및 동작과정은 제1실시예의 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)와 동일함은 물론이다.

즉, 본 발명의 제2실시예는, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 회전 중 상호 간섭이 일어나지 않도록 각각 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 연결됨과 동시에 내륜블레이드(220) 외측에 외륜블레이드(210)가 배치된다.

그리고, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 서로 동일한 형상구조를 갖고, 상기 회전축(130)인 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 대해서 경사진 곡선구조를 갖는 다리우스형 블레이드 배치구조를 갖고 있다.

즉, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 복합적인 양력을 극대화시켜 발전 효율을 증대시킬 수 있도록 하고 있다.

특히, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 형상 자체가 지그재그로 절곡된 구조를 갖는 것이 바람직한 바, 이는 양력을 극대화시키는 과정에서 독 수리와 같은 맹금류의 강하시 양력에 적응하는 구조를 응용한 형상 구조인 것이다.

이와 같이 제1실시예와 구별되는 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)를 갖는 제2실시예에 따른 풍력발전장치 역시 상기한 풍향하우징(300)을 구비하는 것이 바람직하며, 상기 풍향하우징(300)의 자세한 설명은 제1실시예에서 이미 설명하고 있는 관계로 생략하기로 한다.

그리고, 도 6a에 도시되고 미 설명된 부호 214는 외륜중심축과 내륜중심축의 상하 양단에 배치되어 두 축의 편심 간격을 유지함은 물론, 외륜중심축과 내륜중심축을 지지 고정하는 고정판(214)이고, 111은 발전기 하단에 부착된 브레이크(111)로써, 블레이드가 과속 회전하는 것을 방지하기 위해 마련되는 통상적인 풍력발전장치에 구비되는 요소를 개략적으로 도시한 것이다.

물론, 제1실시예를 도시한 풍력발전장치에서는 제2실시예에서 보여주는 브레이크를 도시하지 않았지만, 통상적인 풍력발전장치에 구비되는 요소로써 과속 회전 방지를 위해 별도의 브레이크를 장착할 수 있음은 물론이다.

한편, 제2실시예에 따른 풍력발전장치의 동작과정은 제1실시예에 따른 풍력발전장치와 동일함으로, 제1실시예를 참조하면 그 동작과정을 충분히 이해 할 수 있을 것임으로, 그 자세한 설명은 생략한다.

(제3실시예)

한편, 도 7a 내지 도 7c에는 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전장치가 도시되어 있다.

본 발명의 제3실시예는 상기한 제1실시예에 도시된 풍력발정장치에 비교할 때, 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 형상 구조 및 배치관계에 약간의 차이가 있을 뿐, 그 밖의 구성은 동일하다.

따라서, 도면에 도시된 회전축(130)과 연결되는 발전기(110), 동력전달수단(120) 등의 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

즉, 제3실시예는 제1실시예에서와 마찬가지로 수직축형 풍력발전장치의 종류 중 주로 항력에 의한 회전력을 얻는 사보니스형 풍력발전장치 쪽에 가깝고, 내륜블레이드(220)가 외륜블레이드(210)를 감싸는(포함하는) 형태를 취함으로써, 복합적으로 회전 항력(혹은 추력)을 극대화 하여 항력 및 양력의 시너지 효과를 달성하고자 하는 구조인 것이다.

다시 말해, 도면에 도시된 바와 같이 상기 외륜블레이드(210)는 비행기날개와 같은 유선형 형상을 갖고, 상기 내륜블레이드(220)는 선단면에 상기 외륜블레이드(210)를 감싸 포함할 수 있는 곡선면(220a)을 갖으면서 각각 회전축(130)과 나란하게 수직 배치되는 구조를 갖는다.

여기서, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 도시되지 않았지만, 제1실시예에서 보여주는 바와 마찬가지로, 각각 외륜로터(213, 도 4a 참조) 및 내륜로터(223, 도 4a 참조)를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 연결됨과 동시에 상기 외륜블레이드(210)의 상하 높이가 상대적으로 내륜블레이드(220)의 상하 높이보다 더 긴 구조를 갖는다.

그리고, 상기 외륜블레이드(210)의 선단과 끝단이 외륜(10)의 원주에서 벗어나지 않고 원주와 동일라인으로 회전하도록 상기 외륜로터(213)에서 방사형으로 연 장된 외륜블레이드고정축(212)에 고정점(211)을 통해서 일체로 고정 연결되고, 상기 내륜블레이드(220)의 선단은 내륜(20)의 원주 상에서 외측방향으로 벗어나고 내륜블레이드(220)의 끝단은 내륜(20)의 원주 상에서 내측방향으로 벗어난 구조로 내륜로터(223)에서 방사형으로 연장된 내륜블레이드고정축(222)에 힌지점(221)을 통해서 일정각도 힌지 회동이 가능하게 연결되는 구조를 갖는다.

이와 같이 내륜블레이드(220)가 힌지점(221)을 통해서 일정각도 힌지 회동 가능하도록 연결되는 구조 역시 제1실시예에서 설명하는 구조와 동일한 것임으로 상세한 설명은 생략한다.

특히, 도 7a 및 도 7b는 시동 및 저속 회전시에 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)가 도시된 바와 같은 유기적인 배치 구조를 가지고 회전하는 상태를 보여주는 것이고, 도 7c는 고속 회전 시에 내륜블레이드(220)가 힌지점(221)을 중심으로 뒤쪽이 원심력에 의해 외측으로 회전되어 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220) 각각의 선단 및 끝단이 외륜(10) 및 내륜(20)의 원주라인을 따라서 회전함으로써 유해 항력을 줄이고 양력을 증대시키는 구조를 보여주는 것이다.

이와 같이 제1실시예와 구별되는 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)를 갖는 제3실시예에 따른 풍력발전장치 역시 상기한 풍향하우징(300)을 구비하는 것이 바람직하며, 상기 풍향하우징(300)의 자세한 설명은 제1실시예에서 이미 설명하고 있는 관계로 생략하기로 한다.

한편, 제3실시예에 따른 풍력발전장치의 동작과정은 제1실시예에 따른 풍력 발전장치와 동일함으로, 제1실시예를 참조하면 그 동작과정을 충분히 이해할 수 있을 것임으로, 그 자세한 설명은 생략한다.

(제4실시예)

한편, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제4시예에 따른 풍력발전장치가 도시한 것으로, 크로스 플로우형 블레이드를 적용한 상태를 보여주는 실시예이다.

즉, 본 발명의 제4실시예는 본 발명의 기본적인 기술사상인 내륜중심축(132)이 외륜중심축(131)의 동일선상에서 편심되게 배치되어 외륜(10) 내부에 내륜(20)이 편심되는 회전궤적을 가지고, 동일방향 및 동일 회전속도로 회전하는 외륜블레이드와 내륜블레이드를 갖는 구조를 충실히 따르고 있다.

다만, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)가 도면에 도시된 바와 같이 바람방향에 대해 수평하게 회전하는 통상의 환풍장치의 회전날개와 유사한 크로스 플로우형 블레이드 구조를 갖는다는데, 다른 하나의 실시예로써 특징을 갖는다.

즉, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 각각 바람방향에 대해서 수직한 블레이드면이 원호 형상의 곡면으로 형성된 블레이드로써, 이러한 블레이드가 연속적으로 다수개 원형으로 배치된 크로스 플로우형 블레이드이다.

따라서, 상기 크로스 플로우형 블레이드의 특징인 블레이드 표면적의 연장 효과로 인해 회전 항력(추력)을 극대화시킬 수 있다는 장점을 갖는다.

물론, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 각각이 형성하는 회전궤적이 상호 간섭하지 않으면서 서로 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)을 기준으 로 편심되게 배치되어 있는 관계로, 일측편에는 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)가 최대한 근접하고, 그 반대편에서는 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)가 최대로 멀어지는 배치 구조를 갖는 것은 제1실시예 내지 제3실시예와 동일하다.

다만, 제4실시예에 따른 풍력발전장치는 제1실시예 내지 제3실시예에서 보여주는 바와 같은 풍향하우징(300)이 불필요하고, 다만, 외륜블레이드(210)의 상하단 및 내륜블레이드(220) 상하단을 감싸면서 각각 외륜중심축(131) 및 내륜중심축(132)을 지지 고정함으로써, 상기 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)를 보호할 수 있는 하우징커버(330,331)가 구비된다는 차이점을 갖는다.

물론, 상기 하우징커버(330,331)의 일측(주로 하단쪽)으로 연장되는 외륜중심축(131) 및 내륜중심축(132)에는 전술한 바와 동일한 동력전달수단(120)인 외륜기어, 내륜기어 및 아이들기어가 연결됨은 물론, 발전기(110)가 연결되게 된다.

이처럼, 본 발명의 제4실시예는 상기한 제1실시예 내지 제3실시예에 도시된 풍력발전장치에 비교할 때, 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 형상 구조에서 확연하게 차이가 나는 크로스 플로우형 블레이드를 채용했다는 점에 그 특징이 있을 뿐, 바람에 대한 블레이드(200)에 작용하는 회전 항력(추력)을 극대화하여 발전효율을 증대한다는 작용효과는 동일하다.

따라서, 제4실시예에 따른 풍력발전장치의 동작과정은 제1실시예 내지 제3실시예에 따른 풍력발전장치와 유사하게 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)가 바람에 의한 풍력을 받아 외륜중심축(210)과 내륜중심축(220)을 회전시킨다는 점에서 그 작동과정이 동일하다 할 수 있고, 다만, 제4실시예는 크로스 플로우형 블레이드가 갖는 표면적의 연장 효과를 통해서 회전 항력(추력)을 극대화시키는 외륜 및 내륜블레이드(210,220)의 배치구조를 갖는다는 데 그 장점이 인정된다 할 것이다.

(제5실시예)

한편, 도 9에는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제5실시예를 도시되어 있는 바, 제5실시예에 따른 풍력발전장치는, 본 발명에 도시된 수직축형 풍력발전장치에 수평축형 풍력발전장치를 결합한 형태를 예시적으로 보여주고 있다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1실시예에 나타난 풍력발전장치에 프로펠러형 블레이드를 갖는 수평형 풍력발전장치를 추가 연결하여 하나의 풍력발전장치를 구성할 수 있음을 예시적으로 보여주고 있다.

도 9에는 제1실시예에 나타난 두 개의 풍력발전장치를 상하로 수직하게 배치하고, 그 사이에 프로펠러형 블레이드(400)를 갖는 수평축형 풍력발전장치를 기어박스 형태로 구성된 동력전달수단(120)을 매개로 상호 연결한 다음, 메인회전축(410)을 통해 발전기(110)로 연결되는 구성을 보여주고 있다.

이처럼, 본 발명의 제5실시예에서는 본 발명에 따른 수직축형 풍력발전장치와 공지된 통상의 수평축형 풍력발전장치를 하나도 통합하여 결합함으로써, 양력 및 회전 항력(추력)을 극대화시킬 수 있음을 예시적으로 보여주고 있는 것이다.

따라서, 제5실시예는 본 발명에 따른 수직축형 풍력발전장치로써 제1실시예에 나타난 풍력발전장치을 한정하는 것은 아니며, 제2실시예 및 제3실시예에 나타 난 풍력발전장치도 제5실시예를 구성하는 풍력발전장치로 적용 가능함은 당연하다.

또한, 수직축형 풍력발전장치를 상하 두개로 한정 배치하는 것은 아니며, 본 발명에 따른 하나의 수직축형 풍력발전장치와 공지의 수평축형 풍력발전장치를 상호 통합하여 구성할 수도 있음은 물론이다.

이때, 수직축형 풍력발전장치와 수평축형 풍력발전장치에서 각각 발생하는 회전력을 발전기(110)로 통합하여 보내기 위해서는 도 9에 도시된 바와 같이 동력전달수단(120)으로 기어박스를 채용할 수 있으며, 상기 기어박스 내에는 수직축형 풍력발전장치와 수평축형 풍력발전장치가 상호 배치 관계에 따라 다양한 기어 조합이 이루어질 수 있을 것이다.

예를 들어, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수직축형 풍력발전장치와 공지의 수평축형 풍력발전장치가 90ㅀ의 배치 구조를 갖는다면, 90ㅀ를 유지하는 두 개의 회전축을 상호 연결하여 각각의 회전축의 회전력을 하나의 메인회전축(410)으로 통합 전달할 수 있도록 동력전달수단(120)의 기어박스 내에서 베벨기어와 같은 기어 조합을 통해서 간단하게 달성할 수 있음은 물론, 이러한 다양한 배치구조에 따른 동력전달수단(120)의 기어조합은 당해 분야에 이미 주지 관용되는 공지의 기술을 참고로 다양하게 변형 실시할 수 있음은 자명하다.

(제6실시예)

한편, 본 발명에 따른 제6실시예와 관련한 기본 개념 및 풍력발전장치의 예시도면이 도 10 내지 도 11b에 도시되어 있다.

즉, 도 10은 본 발명의 제6실시예와 관련하여 편심축을 가진 멀티 사이클로 이드 곡선 시스템이 형성되는 원리를 보여주는 도면이고, 도 11a 및 도 11b는 도 10에 도시된 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하기 위한 블레이드 배치 관계를 예시적으로 보여주는 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제6실시예는 3개의 사이클로이드 곡선(1,2,3) 시스템을 구현할 수 있는 풍력발전장치와 관련되어 있다.

즉, 도 10에 도시된 제3 사이클로이드 곡선(3)은 도 1 및 도 2에 도시된 두 개의 사이클로이드 곡선(1,2)을 구현하는 기본적인 원리를 응용한 것으로, 2개 이상의 원의 중심축(11,12,13)이 동일선상에서 편심된 경우에 형성되는 멀티 사이클로이드 곡선(1,2,3)을 보여주고 있다.

이러한 멀티 사이클로이드 곡선(1,2,3)을 구현할 수 있도록 예시적으로 도시한 도 11a 및 도 11b를 참조하여 본 발명의 제6실시예를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 제6실시예에 따른 풍력발전장치는, 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에 각각 도시된 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)으로 구성된 회전축(130)에 제2내륜중심축(133)을 더 포함하는 구성을 갖는다.

즉, 제6실시예에 따른 풍력발전장치는, 도 10 내지 도 11b에 도시된 바와 같이, 상기 내륜중심축(132)을 따라 회전하는 내륜블레이드(220)의 회전궤적보다 작은 회전궤적으로 회전하면서 내륜블레이드(220)와 상호 간섭없는 상태로 제3의 사이클로이드 곡선(3)을 구현하도록 상기 외륜중심축(131) 및 내륜중심축(132)의 동일선상에서 외륜중심축(131)에 편심되게 배치되는 제2내륜중심축(133)이 구비되고, 상기 제2내륜중심축(133)을 중심으로 회전하는 다수개의 제2내륜블레이드(230)가 제2내륜로터(233)를 매개로 일정간격을 두고 제2내륜중심축(133)에 연결 배치되며, 상기 제2블레이드(230)가 형성하는 제2내륜(30)이 상기 내륜(20) 내부에 포함되는 구조를 갖는 것이다.

물론, 상기와 같은 구성을 갖는 제6실시예에 따른 풍력발전장치는, 도 11a 및 도 11b에는 도시되지 않고 생략되었지만, 본 발명의 제1실시예 내지 제3실시예에서 보여주는 바와 같은 풍향하우징(300)이 구비되는 것이 바람직하다.

다만, 본 발명의 제6실시예에서는 도면 상에서 생략 도시한 것처럼, 이미 제1실시예에서 풍향하우징에 대해서 자세히 설명한 관계로, 여기서는 생략하기로 한다.

여기서, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 본 발명의 제6실시예에 따른 상기 제2내륜블레이드(230)로 사용되는 블레이드는 회전 항력(추력)을 이용하는 사보니우스형 블레이드를 기본 패턴으로 사용하는 것이 바람직하다.

즉, 곡선형 평판블레이드를 이루어진 다수개의 제2내륜블레이드(230)를 제2내륜로터(233)를 매개로 상기 제2내륜중심축(133)에 일정간격을 두고 연결 배치함으로써, 바람에 의해 제2내륜블레이드(230)에 작용하는 회전 항력(추력)을 이용하여 하나의 회전궤적인 제2내륜(30)을 형성하면서 회전하도록 배치하게 되는 것이다.

그리고, 이렇게 제2내륜블레이드(230)가 회전하여 제2내륜중심축(133)이 회전하게 되면, 이 회전력은 제2내륜중심축(133)에 연결된 제2내륜기어(124)를 통해 서 외륜기어(121), 내륜기어(122) 및 아이들기어(123)를 포함하는 상기 동력전달수단(120)에서 전체 회전력이 합쳐진 후 발전기(110, 제6실시예의 첨부도면에서는 도시 생략됨)로 전달되게 되는 것이다.

특히, 도 11a 및 도 11b에는 예시적으로, 본 발명의 제3실시예에서 설명하고 있는 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)가 도시되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 제1실시예에 도시된 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)가 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제6실시예는 제1실시예 및 제3실시예에서 보여주는 바와 같이 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)의 회전 항력(추력) 및 양력의 상호 시너지 효과와 더불어, 제2내륜블레이드(230)를 통한 회전 항력(추력)의 극대화를 꾀함으로써, 보다 증대되는 발전효율을 기대할 수 있도록 하고 있는 것이다.

여기서, 본 발명의 제6실시예에 따른 풍력발전장치의 동작과정은 상기한 제1실시예 및 제3실시예 등을 참조할 때, 그 설명을 생략하더라도 당해분야의 통상의 지식을 가진 자가 충분히 이해하고 유추할 수 있는 정도이기 때문에 여기서는 그 구체적인 과정을 생략하기로 한다.

한편, 본 발명은 예시한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 특허청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명과 관련하여 두 개의 사이클로이드 곡선이 형성되는 원리를 보여주는 도면,

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치가 사이클로이드 곡선을 구현하기 위해 배치되는 기본적인 개념을 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 도 2에 도시된 기본적인 개념에 따라 블레이드가 배치된 상태를 보여주는 도면,

도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제1실시예를 도시한 것으로써, 도 4a는 제1실시예에 따른 풍력발전장치의 전체적 구성을 보여주는 사시도 이고, 도 4b는 블레이드 배치 관계를 보여주는 부분 사시도이며, 도 4c는 블레이드와 회전축과의 연결 관계를 보여주는 도면이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 풍향하우징의 작동 상태를 예시적으로 보여주는 도면,

도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제2실시예를 도시한 것으로써, 다리우스형 블레이드를 적용한 예를 보여주는 도면이다.

도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제3실시예를 도시한 것으로써, 내륜블레이드가 외륜블레이드를 포함하는 형태를 보여주고 있는 예시도면이다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제4실시예를 도시한 것으로써, 크로스 플로우형 블레이드를 적용한 상태를 보여주는 예시도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제5실시예를 도시한 것으로써, 수직축형 풍력발전장치에 수평축형 풍력발전장치를 결합한 형태를 예시적으로 보여주는 도면,

도 10은 본 발명의 제6실시예와 관련하여 멀티 사이클로이드 곡선이 형성되는 원리를 보여주는 도면,

도 11a 및 도 11b는 도 10에 도시된 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선시스템을 구현하기 위한 블레이드 배치 관계를 예시적으로 보여주는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1,2,3 : 사이클로이드 곡선 10 : 외륜

11, 21 : 중심축 12, 22 : 점

13, 23 : 블레이드 20 : 내륜

30 : 제2내륜 100 : 베이스

110 : 발전기 111 : 브레이크

120 : 동력전달수단 121 : 외륜기어

122 : 내륜기어 123 : 아이들기어

124 : 제2내륜기어 130 : 회전축

131 : 외륜중심축 132 : 내륜중심축

200 : 블레이드 210 : 외륜블레이드

211 : 고정점 212 : 외륜블레이드고정축

213 : 외륜로터 220 : 내륜블레이드

221 : 힌지점 222 : 내륜블레이드고정축

223 : 내륜로터 230 : 제2내륜중심축

233 : 제2내륜로터 300 : 풍향하우징

301,302,303 : 방향성 에어포일 304 : 고정브라켓

305 : 스프링

Claims (12)

1. 풍력을 받아 회전하는 블레이드(200)와, 상기 블레이드(200) 회전에 따라 회전하는 회전축(130)과, 상기 회전축(130)의 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단(120)과, 상기 회전축(130)으로부터 전달된 회전력에 의해 전력을 생산하기 위한 발전기(110)를 포함하는 풍력발전장치에 있어서,

   상기 회전축(130)이 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)으로 구성되고, 상기 외륜중심축(131)을 기준으로 회전궤적에 따라 외륜(10)이 형성됨과 아울러 상기 내륜중심축(132)을 기준으로 회전궤적에 따라 내륜(20)이 형성될 때, 상기 외륜(10) 내부에 내륜(20)이 편심되게 형성되며, 상기 외륜중심축(131)을 기준으로 상호 편심된 외륜(10) 및 내륜(20) 상에 서로 쌍을 이루는 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)로 구성된 블레이드(200)가 일정 간격을 두고 다수개 배치됨으로써, 불어오는 바람에 의해서 외륜(10) 및 내륜(20) 상에서 각각 쌍을 이루는 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(200)가 동일방향 및 동일 회전속도로 회전하게 됨에 따라 두 개의 사이클로이드 곡선(1,2)이 구현되도록 된 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 회전축(130)이 끼움 안착되는 설치공(320)을 중심으로 상기 블레이드(200) 전체를 내장할 수 있는 공간을 갖추고, 선미에서 후미 쪽으로 삼각 형상을 갖는 평판(310)이 상하 대칭되는 구조를 가지면서 선미에 유선형의 방향성 에어포일(301)이 구비됨과 동시에 후미 양쪽에 좌우측으로 유체 흐름을 안내하는 방향성 에어포일(302,303)이 각각 구비되며, 상기 후미 일측 방향성 에어포일(302)은 힌지면을 중심으로 풍압에 의해 약간씩 회동 가능하도록 방향성 에어포일(302) 후면에 힌지면을 가로질러 고정브라켓(304)을 통해 탄성 복원력을 제공하는 스프링(305)이 구비된 방향성하우징(300)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 동력전달수단(120)은 외륜중심축(131)에 연결된 외륜기어(121)와, 내륜중심축(132)에 연결된 내륜기어(122)와, 상기 외륜기어(121)와 내륜기어(122)에 맞물린 아이들기어(123)를 포함함으로써, 상기 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)의 회전력을 발전기(110)로 전달할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 각각 비행기날개와 같은 유선형 형상을 갖으면서 회전축(130)과 나란하게 수직 배치되어 각각 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 연결됨과 동시에 상기 외륜블레이드(210)의 상하 높이가 상대적으로 내 륜블레이드(220)의 상하 높이보다 더 긴 구조를 갖으며, 상기 외륜블레이드(210)의 선단과 끝단이 외륜(10)의 원주에서 벗어나지 않고 원주와 동일라인으로 회전하도록 상기 외륜로터(213)에서 방사형으로 연장된 외륜블레이드고정축(212)에 고정점(211)을 통해서 일체로 고정 연결되고, 상기 내륜블레이드(220)의 선단은 내륜(20)의 원주상에서 외측방향으로 벗어나고 내륜블레이드(220)의 끝단은 내륜(20)의 원주상에서 내측방향으로 벗어난 구조로 내륜로터(223)에서 방사형으로 연장된 내륜블레이드고정축(222)에 힌지점(221)을 통해서 일정각도 힌지 회동이 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 회전 중 상호 간섭이 일어나지 않도록 각각 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 연결됨과 동시에 내륜블레이드(220) 외측에 외륜블레이드(210)가 배치되고, 상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 서로 동일한 형상구조를 갖고 상기 회전축(130)에 대해서 경사진 곡선구조를 갖는 다리우스형 블레이드 형상구조로 형성된 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 블레이드 자체가 지그재그로 절곡된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 외륜블레이드(210)는 비행기날개와 같은 유선형 형상을 갖고 상기 내륜블레이드(220)는 선단면에 상기 외륜블레이드(210)를 감싸 포함할 수 있는 곡선면(220a)을 갖으면서 각각 회전축(130)과 나란하게 수직 배치되어 각각 외륜로터(213) 및 내륜로터(223)를 통해서 상하단이 고정된 체 각각 외륜중심축(131)과 내륜중심축(132)에 연결됨과 동시에 상기 외륜블레이드(210)의 상하 높이가 상대적으로 내륜블레이드(220)의 상하 높이보다 더 긴 구조를 갖으며, 상기 외륜블레이드(210)의 선단과 끝단이 외륜(10)의 원주에서 벗어나지 않고 원주와 동일라인으로 회전하도록 상기 외륜로터(213)에서 방사형으로 연장된 외륜블레이드고정축(212)에 고정점(211)을 통해서 일체로 고정 연결되고, 상기 내륜블레이드(220)의 선단은 내륜(20)의 원주 상에서 외측방향으로 벗어나고 내륜블레이드(220)의 끝단은 내륜(20)의 원주 상에서 내측방향으로 벗어난 구조로 내륜로터(223)에서 방사형으로 연장된 내륜블레이드고정축(222)에 힌지점(221)을 통해서 일정각도 힌지 회동이 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
8. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 외륜블레이드(210)와 내륜블레이드(220)는 각각 바람방향에 대해서 수직한 블레이드면이 원호 형상의 곡면으로 형성된 블레이드로써, 이 블레이드가 연속적으로 다수개 원형으로 배치된 크로스 플로우형 블레이드이고, 상기 외륜블레이드(210)의 내측에 내륜블레이드(220)가 상호 간섭없이 편심 배치되며, 상기 외륜블레이드(210) 및 내륜블레이드(220)의 상하단을 감싸는 하우징커버(330,331)를 갖춘 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 회전축(130)과 직각되게 배치되는 메인회전축(410) 상에 프로펠러형 블레이드(400)를 갖는 공지의 수평축형 풍력발전장치가 결합되고, 상기 메인회전축(410)과 회전축(130)이 교차하는 지점에 각각의 회전축의 회전력을 통합하기 위한 기어박스 형태의 동력전달수단(120)이 구비되며, 상기 동력전달수단(120)에 연결되어 발전기(110)가 구비되는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
10. 제1항에 있어서,

    상기 내륜중심축(132)을 따라 회전하는 내륜블레이드(220)의 회전궤적보다 작은 회전궤적으로 회전하면서 내륜블레이드(220)와 상호 간섭없는 상태로 제3의 사이클로이드 곡선(3)을 구현하도록 상기 외륜중심축(131) 및 내륜중심축(132)의 동일선상에서 외륜중심축(131)에 편심되게 배치되는 제2내륜중심축(133)이 구비되고, 상기 제2내륜중심축(133)을 중심으로 회전하는 다수개의 제2내륜블레이드(230)가 제2내륜로터(233)를 매개로 일정간격을 두고 제2내륜중심축(133)에 연결 배치되며, 상기 제2블레이드(230)가 형성하는 제2내륜(30)이 상기 내륜(20) 내부에 포함되는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 회전축(130)이 끼움 안착되는 설치공(320)을 중심으로 상기 블레이드(200) 전체를 내장할 수 있는 공간을 갖추고, 선미에서 후미 쪽으로 삼각 형상을 갖는 평판(310)이 상하 대칭되는 구조를 가지면서 선미에 유선형의 방향성 에어포일(301)이 구비됨과 동시에 후미 양쪽에 좌우측으로 유체 흐름을 안내하는 방향성 에어포일(302,303)이 각각 구비되며, 상기 후미 일측 방향성 에어포일(302)은 힌지면을 중심으로 풍압에 의해 약간씩 회동 가능하도록 방향성 에어포일(302) 후면에 힌지면을 가로질러 고정브라켓(304)을 통해 탄성 복원력을 제공하는 스프링(305)이 구비된 방향성하우징(300)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서,

    상기 제2내륜블레이드(230)는 항력을 이용하는 사보니우스형 블레이드를 기본 패턴으로 하는 것을 특징으로 하는 편심축을 가진 멀티 사이클로이드 곡선 시스템을 구현하는 풍력발전장치.

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