KR20110010341U - 풍력 발전용 풍차 - Google Patents

Abstract

본 고안은 풍력발전의 주체가 되는 풍차에 대한 고안이다. 현행 풍차 중에 프로펠러 형식의 풍차가 가장 성능이 우수한 것으로 알려져 있고 우리나라에도 수입되어 활용하고 있은 실정이다.

프로펠러 식 풍차의 성능이 우수한 이유를 살펴보면 긴 날개(프로펠러)가 비람을 정면으로 맞는 데 있다. 바람을 정면으로 맞으려니 수평축일 수밖에 없고, 수평축이다보니 바람의 방향이 바뀌면 회전을 멈추는 단점이 있다. 또 하나의 단점은 날개가 상하로 회전하기 때문에 하나의 타워에 여러 대의 풍차를 설치할 수 없는 것도 결점이다. 따라서 본 고안에서는 이 결점들을 수정 보완하여 보다 효율적인 풍차를 제공하고자 한다.

바람 에너지를 기계 에너지로 전환하는 방법을 개선하고자 지금까지 많은 고안과 개선책들이 창출되었고 누적되어 왔다. 그 누적된 연구들을 살펴보면 여러 형식으로 연구되었음을 볼 수 있다.

현재 세계에서 널리 활용되고 있는 프로펠러 식 풍차의 결점인 수평축을 수직 축으로 개선하여 바람을 타지 않고, 하나의 타워에 여러 대의 풍차를 설치 할 수 있다면 금상첨화일 것으로 생각하였다.

본 고안에서는 이 문제들을 해결하여 하나의 타워에 여러 대의 풍차를 설치하여 발전 원가를 낮추고자 한다. 실행 방법은 설명의 중복을 피하고자 도안 설명에서 상세히 설명 하도록 한다.

유동 날개 식 풍차, 날게 축, 정지 축, 유동 날개 식 풍차= 날개 자체가 열고 닫치면서 회전력을 창출하는 풍차. 날개 축= 날개를 고정하지 않고 회전하도록 세운 지지대. 정지 축= 회전력에 의하여 회전선 밖으로 달아나려는 날개를 제지하는 축(받침대).

Description

풍력 발전용 풍차{wind wheel for a power plant}

발전용 풍차의 역할은 바람 에너지를 기계 에너지로 전환하여 그 힘을 전기 생산에 공여하는 것이 목적이다.

현재 가장 우수한 풍차로 알려진 프로펠러 식 풍차의 단점을 보완 개선하여 보다 우수한 풍차를 제공 하고자 프로펠러 식 풍차의 모형을 만들어 실험을 통해 허(虛)와 실(實)을 찾아 보완하였다. 그 결과를 다음 네 가지로 요약할 수 있다.

첫째 프로펠러 식 풍차의 수평축을 수직 축으로 바꿔 보았다. 수평축인 때 상하(上下)로 회전하던 날개(프로펠러)를 휭(橫)으로 회전 시키니 회전 속도가 1/2 이하로 줄어든다. 그 원인을 살펴보니 날개에 받는 바람의 면적이 줄었기 때문이다. 이의 보강책으로 유동(流動)날개를 고안하여 바람을 받는 면적을 넓혔다. 따라서 날개의 길이를 프로펠러보다 짧게 하면서도 그 면적을 넓힐 수 있음을 발견하였다.

둘째. 풍차의 축을 수평에서 수직으로 바꿈에 따라 바람의 방향이 바뀌면 회전이 중단 되던 결점이 개선되었다.

셋째, 풍차의 날개를 횡(옆)으로 회전시키니 하나의 타워에 여러 대의 풍차를 설치할 수가 있다.

넷째, 바람은 고도에 따라 속도가 다르기 때문에 하나의 타워에 여러 대의 풍차를 설치하더라도 회전축은 풍치의 단위별로 설치하여야 한다. (회전축을 하나로 연결하면 상층의 날개가 불어질 염려가 있다.)

실행에 유념해야할 것은 높은 타워에서 가동되는 풍차이니 지나친 강풍이나 수리 시에는 풍차의 회전을 정지 시켜야 하니 방풍 장치가 필요하다. 이 장치는 바람의 힘에 의한 자동 장치와 수리 시 등에는 수동으로 조작되도록 고안 되어야 한다.

이렇게 되면 풍차의 단지 조성에 넓은 땅을 점유할 필요가 없어지고, 바람이 있는 곳에 위치한 전력 수요가는 주차장의 공터에 타워를 설치하여 필요한 전기를 자체적으로 조달할 수가 있으니 전력비용을 크게 절감할 수 있다.(공해를 수반하지 않는 발전이다.)

[도면1] 하나의 타워에 수직 축(垂直軸) 풍차 여러 대를 설치한 계략적 측면도이다. 하나의 타워에 층별로 풍차 여러 대를 설치하여 생산성을 높인다. 도면 해설(1)번은 타워의 기둥이다, (2)번은 층별로 설치한 풍차이다. (3)번은 회전축에 고정된 기아이다. (4)번은 발전기이다. (5)번은 회전축인데 층별로 분리 설치하였다. (6)번은 발전기를 고정한 타워의 도리이다.

층별로 분리 설치된 풍차에서 생산된 전기는 한 곳으로 모아서 활용한다.

[도면2] 유동성 날개가 회전하는 원리에 대한 계략적 평면도이다.

풍차는 바람의 방향을 향하여 좌측에서 우측으로 회전한다. 해설(1)번, 날개가 B지점에 도달하면 날개는 풍압에 의하여 자동으로 (5)번의 정지 축 쪽으로 눕게 된다. 누운 날개는 바람의 압력을 받아 회전력이 발생한다. 날개가 C와 A지점을 통과할 때는 정지 축 (4)번에 제지 되어 더 넘어가지 못하고 제지된 채로 회전한다. 이 때의 날개는 바람과 평행이 되어 저항 없이 회전한다. (이 정지 축(4)이 없으면 날개는 회전력에 의하여 회전선 밖으로 펼쳐져 회전이 정지된다.)

프로펠러 식 풍차의 날개(프로펠러)에 부딪는 바람의 양(면적)을 산출하고자 날개(프로펠러)의 길이를 40m 폭을 50cm로 가정하였다. 이때 프로펠러에 부딪는 바람의 면적은 40X3X0.50=60㎡이다. 유동 날개 식 풍차에도 60㎡의 바람을 맞게 하려면 날개의 폭 2m 길이 10m로 하면 2X3X10=60㎡가 된다. 수치상으로는 프로펠러 식 풍차의 날개가 40m이던 것을 유동 날개 식 풍차에는 10m로, 즉 1/4로 줄일 수가 있다. (유동 날개 하나를 10m로 할 수 없으니 2m의 날개 5개를 연결한다.)

유동 날개 식의 경우는 바람의 저항을 전액 수용하지만 프로펠러 식 날개는 각도에 의하여 바람의 항력 일부만 수용하니 실재는 유동 날개 식 풍차가 더 강한 힘을 발휘할 것이다.

이는 풍차의 시동 풍속에서도 알 수가 있다. 즉 프로펠러 식 풍차의 시동 풍속은 초속 3m로 알려져 있다. 이에 비하여 유동 날개 식의 풍차의 경우는 초속 0,9m에서 시동이 된다. 이로 미루어 보아도 유동 날개 식 풍차가 바람의 항력을 더 많이 받음을 알 수 있다. 그런 반면 유동 날개 식 풍차에는 소음이 발생하는 단점이 있다. 이 소음은 시동 시 날개가 접힐 때와 열릴 때 정지 축에 날개가 부딪는 소음이다. 그러나 이 솜이 계속되는 것은 아니다. 바람이 초속3m 이상이 되면 날개는 접혀지지 않고 편 채로 회전한다. 이때의 회전력은 정지 축에 재지 된 유동 날 개의 각에 의하여 회전력이 생기지만 유동 날개가 B지점을 지나 C지점에 이르는 동안은 바람의 항력을 전액 수용하게 된다. 프로펠러 식 풍차의 날개는 전 구간을 각에 의한 바람의 항력을 받는 것과는 다르다. 이때부터는 소음이 없을 뿐만이 아니고 회전 속도는 더욱 빨라진다.

[도면3] 풍차의 회전력이 발전기에 전달되는 경로를 표시한 개략적 측면도이다

풍차의 날개와 기아는 회전축에 고정하고 발전기는 타원의 도리에 고정한다. 회전력을 발전기에 전달은 기아로 연결한다. 해설(3)번은 회전축에서 발생한 동력을 기아로 발전기에 전달한다.

[도면4] 유동성 날개의 동작 과정을 나타낸 개략적 측면도이다.

유동 날개가 B지점에 도달하면 풍압을 받아 정지 축 5에 의하여 정지되어 바람의 압력을 받아 C지점에 이르기 까지 회전력을 창출하다가 C지점을 자나면서부터는 앞에서 오는 바람을 통과시키며 바람의 저항 없이 회전하면서 A지점에 이르러 회전을 반복한다, 그러다가 바람이 초속 3m 이상이 되면 회전력에 의하여 유동성 날개는 닫치지 않고 열린 채로 정지 축 5에 제지되어 회전한다.

풍치의 날개는 삼익(三翼)으로 설정하였다. 이는 앞날개에서 발생한 바람의 소용돌이를 피하고자 함이다.

[도면5] 유동성 날개 여러 쪽을 연결한 계략적 측면도 이다. 프로펠러 식 풍차의 날개에 부딪는 바람의 면적이 약 60㎥이다. 유동 날개 식 풍차에도 60㎡의 바람을 맞으려면 날개의 폭을 2m로 가정하면 10m 길이의 날개가 필요하다. 그런데 유 동성 날개 하나를 10m로 만들면 접고 펴는데 지장이 있다. (유동 날개는 하나의 길이를 2m 이상으로 하면 회전이 여일치 못하고 회전 시 날개에 떨림이 생기고, 날개의 축에도 무리가 따를 것이니 2m의 날개 5개를 연결하여 10m의 날개를 고안하였다.

[도면6] 날개(고정과 유동)의 구조에 대한 개략적 평면도이다. 유동 날개는 풍압을 받는 위치를 회전할 때는 바람에 순응하지만 고정 날개는 유동성이 없으니 바람의 저항을 받게 된다. 이를 최소화하고자 고정 날개의 폭을 좁게 설정하였다.

고정날개를 부착하는 이유는 회전 날개가 풍압을 받을 때 바람을 모아 밀도를 높이고, 회전 틀의 안정성을 고려함이다. 도면 설명 (1)번은 날개축이다,(2)번은 유동 날개이고 (3)번은 고정 날개 내익(內翼)이고 (4)번은 고정날개 외익(外翼)이다.(3)번 고정 날개의 폭은 유동 날개의 1/2로 하고 外翼(4)는 內翼(3)의 1/2의 넓이로 한다.

[도면7] 유동 날개의 동작 과정과 동작 후 바람이 모아지는 계략적 평면도이다.

유동 날개가 풍압을 받는 지점에 이르면 풍압에 의하여 화살표시 방향으로 눕게 된다. 유동날개가 누우면 內翼과 外翼이 양쪽에 벽이 된다. 이때는 ㄷ자를 세워놓은 형상이 된다. 이 ㄷ자 안에 몰린 바람은 밀도가 높아져 풍차의 회전을 촉진할 것이다.

[도면8] 방풍장치로 설치할 風量計에 관한 개략적 평면도이다. 높은 타워에 설치한 풍차이니 풍향계를 설치하여 풍속에 따라 풍차를 작동을 조정할 장치가 필 요하다. 도면 해설(1)번은 풍압을 받는 판[風壓台]이다. 이 판이 풍압에 의하여 뒤로 물러나면 모터의 스위치가 접속되도록 한 고안이다. 풍속이 초속 20m가 넘으면 방풍벽이 작동되고 바람이 약해져 風壓台가 본 위치를 회복되면 방풍벽이 열리도록 설치한다.

[도면9] 방풍벽의 구조에 관한 계략적 평면도이다. 도면 해설의 (1)번은 지지대이고 (2)번은 방풍용 날개이다. (3)번은 방풍벽을 연결할 고리이다. 이 고리로 방풍벽을 연결하여 한쪽을 당기면 전체가 작동하여, 닫히기도 하고 열리기도 한다.

본 발명이 속하는 기술은 유동 날개 식 발전용 풍차이며 수직 축 형식의 풍차이다.

종래의 기술을 살펴보면 풍차에 대한 연구의 역사가 오래된 만큼 창안된 고안들도 많고 다양하다. 그 다양한 고안들을 크게 분류하면 수평식, 수직식, 프로펠러 식으로 대별할 수가 있다. 그중 수평식 풍차는 바람이 일정한 방향으로 부는 넓은 평야지대에 적합한 형식으로 알려져 있다. 우리나라처럼 산이 많고 지형이 고저와 굴곡이 많은 곳에는 난기류가 형성됨에 따라 이를 피하자면 고공에 설치할 필요가 있다. 지금까지의 연구된 것으로는 프로펠러 식 풍차가 비교적 높은 곳의 바람을 이용하고 있으나 수평축이기 때문에 바람을 타는 결점이 있고, 하나의 타워에 하나 밖에 설치할 수 없는 두 가지 결점이 있다. 우리나라에서 생산에 임하고 있는 풍차는 프로펠러 식이다. 프로펠러 식 충차보다 이 보다 우수한 풍차 연구에는 사고의 전환이 필요하다고 생각하였다.

우리나라의 기류에 맞고 생산성 높은 풍차가 될 것으로 생각한다. 배경 기술에 대해서는 본인의 출원(미심사. 출원 번호 20-2008-0006788 [실용신안 등록출원, 풍력 발전용 풍차] )에서 충분히 설명하였기에 여기서는 생략한다. 본 고안은 앞의 고안을 바탕으로 개량된 고안이니 본 건도 위의 고안과 함께 심사하면 일손이 줄어들 것이라고 생각한다.

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[도면1] 하나의 타워에 수직 축(垂直軸) 풍차 여러 대를 설치한 개략적 측면도이다

[도면2] 유동성 날개가 회전하는 원리에 대한 계략적 평면도이다.

[도면3] 풍차의 회전력이 발전기에 전달되는 경로를 표시한 개략적 측면도이다

[도면4] 유동성 날개의 동작 과정을 나타낸 개략적 측면도이다

[도면5] 유동성 날개를 길게 만들고자 여러 쪽을 연결한 계략적 측면도이다

[도면6] 날개(고정과 유동)의 구조에 대한 개략적 평면도이다.

[도면7] 유동 날개 의 동작 과정과 동작 후 바람이 모아지는 계략적 평면도이다

[도면8] 방풍장치로 설치할 風量計에 관한 개략적 평면도이다.

[도면9] 방풍벽의 구조에 관한 계략적 평면도이다.

Claims (2)

1. 풍력 발전용 풍차로서,

   프로펠러 식 풍차의 수평축을 수직식으로 개선한 유동 날게 식 풍차로서 바람의 방향을 타지 않도록 고안 한 것을 특징으로 하는 풍력풍차 이다.
2. 하나의 타워에 여러 대의 풍차를 설치한 것과 회전축을 풍차의 단위별로 분리하여 독립적으로 설정한 것과 유동날개의 부착점에서 수직 정상 90∼110도의 지점에 정지축을 설정한 것을 특징으로 하는 풍차 이다.

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