KR20110024040A - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 많은 바람을 유입하고, 유입된 바람을 하나의 바람 안내통로로 흘려보내며, 안내통로에 다수의 회전체를 독립적으로 설치하여 바람을 이용한 발전을 극대화할 수 있는 풍력발전기에 관한 것으로서, 다수의 바람 유입통로와, 상기 다수의 바람 유입통로의 일단과 연결되어 유입통로들을 통해 유입된 바람을 안내하는 안내통로와, 상기 유입통로 및 안내통로에 개별적으로 설치되어 다수의 회전체들 각각을 지지하는 회전축과, 상기 회전축과 일체로 형성되어 다수의 회전체 각각들에 연결되는 알터네이터로 구성된다.

Description

풍력발전기{Wind power generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 특히 풍력을 최대한으로 이용할 수 있도록 다수의 바람 유입통로와 하나의 바람배출통로로 구성되고, 배출경로에 다수의 유동날개가 방사상으로 장착된 회전체를 구성하고, 각 회전체 마다 하나의 발전기를 제공하여 발전효율을 극대화한 풍력발전기에 관한 것이다.

화석연료를 대표하는 석유, 석탄 등의 지하자원들을 지속적으로 사용함에 따라 향후 몇 십년 이내에 완전히 고갈될 것이다. 이러한, 화석연료의 대안으로, 수력발전, 지열발전, 조력발전. 원자력발전 등으로 생산한 전기가 고려되고 있다. 그러나, 수력발전의 경우에 자연의 훼손이라는 문제점과 적절한 장소의 선택이 어렵다는 문제점이 있고, 지열발전의 경우에는 화산대 지역에서 가능하다는 단점과 아직까지 확실하게 검증되지 않은 문제점이 있고, 조력발전의 경우도 조수간만이 큰 지역에서만 가능하고, 그 기술이 아직 확실하게 검증되지 않았고 연구개발 중이며 또한 비용인 많이 소모될 뿐만 아니라 자연훼손이라는 문제점이 있다. 한편, 원자력발전의 경우에는, 다른 기술들과는 달리 기술적으로 검증된 발전이나 가장 치명적인 방사능 물질을 사용한다는 단점과 사용후 방사능 물질의 처리문제 등이 있어 서, 선진국에서는 점차로 원자력을 이용한 발전을 줄여나가는 추세이다.

상기와 같은 자연훼손이라는 단점을 해결하기 위해, 풍력발전, 태양열발전 등이 연구개발되고 있고 또한 가동중에 있다. 그러나, 태양열 발전의 경우에는, 태양열발전에 사용되는 실리콘의, 태양에너지를 전기로 변환하는 효율이 아직 낮고 또한 설치비용이 많이 든다는 단점이 있다. 한편, 풍력발전은 바람이 많이 부는 산정상이나 또는 해안가에 적합한 발전방식이다. 현재, 산정상에 설치되는 풍력발전기나 또는 해안가에 설치되는 풍력발전기 대부분은 상당한 규모의 크기는 갖는 것으로서, 설치에 비용이 많이 들고 또한 설치의 어려움이 있으며, 이외에도 유지관리에 많이 어려움이 있다는 단점이 있다. 또한, 소규모로 적용할 수 있는 풍력발전도 지금 현재까지는 그리 많지는 않다. 또한, 대부분의 풍력발전의 하나의 발전용 날개만을 이용하여 발전을 행하고 있고, 또한 효율적인 바람의 유도를 행할 수 있는 기구가 없고, 발전용 날개를 지난 바람을 다시 이용할 수 없어, 궁극적으로 바람을 효율적으로 이용할 수 없었다.

따라서, 효율적으로 바람을 유도할 수 있고 또한 바람의 최대한으로 이용할 수 있으며, 소규모로 적용할 수 있는 풍력발전기가 제공되면 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 많은 바람을 바람 유입통로를 통해 유입하고, 유입된 바람을 하나의 바람 안내통로로 흘려보내며, 안내통로에 다수의 유동날개가 방사상으로 장착된 회전체를 독립적으로 설치하여 바람을 이용한 발전을 극대화할 수 있는 풍 력발전기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전기는 다수의 바람 유입통로와, 상기 다수의 바람 유입통로가 집합된 일단과 연결되어 유입통로들을 통해 유입된 바람을 안내하는 안내통로와, 상기 유입통로 및 안내통로에 개별적으로 설치되어 다수의 유동날개가 방사상으로 장착된 각각의 회전체들을 지지하는 각각의 회전축과, 타단에 연결 장착되는 알터네이터로 구성된다.

본 발명에 따라, 상기 유입통로는 두 개 이상으로 구성되고, 다수의 유입통로의 타단은 안내통로와 연결되게 하나로 집약시켜서, 안내통로 내측에서 회전풍을 형성하도록 안내통로에 연결된다. 또한, 안내통로는 하나의 몸체로 형성될 수 있거나 또는 다수의 개별적인 몸체를 체결하여 형성할 수 있다.

본 발명에 따라, 다수의 회전체 각각들은 개별적인 회전축과 일체가 되고, 각각의 회전축에는 회전체의 회전에 따라 전기를 발생시키기 위한 알터네이터가 일체로 각각 설치된다. 또한 알터네이터의 외주면에는 방사상으로 다수의 지지봉들의 일단이 고정되고, 지지봉들의 타단은 유입통로 또는 안내통로의 내측면에 고정되어 알터네이터가 지지봉에 의해 고정되게 유지되고, 또한 이 알터네이터와 회전축으로 연결된 회전체도 흔들림이 없이 위치하게 된다.

본 발명에 따라, 강한바람의 압력에도 견딜 수 있도록 각각의 회전체에 설치된 각각의 날개마다 탄성체(스프링)을 결합하여 줌으로해서 바람의 압력에 의하여 회전체에 설치된 각각의 날개의 각도가 유입통로 및 안내통로 내측으로 조절되어서 날개를 개방시켜주므로 회전체 및 기구전체를 보호할 수 있다.

다수의 바람 유입통로와 하나의 바람 안내통로로 구성하고, 유입통로와 안내통로에 다수의 회전체가 독립적으로 회전할 수 있도록 구성하고, 각 회전체 마다 알터네이터를 제공함으로써, 바람의 이용을 극대화시켜 풍력발전기의 발전효율을 극대화하는 효과가 있게 된다.

회전체의 날개 폭을 지지축 간의 간격보다 크게 하여 날개와 날개 간에 공간이 없도록 하고, 수십에서 수백 개의 날개로 회전체를 형성하게 함으로써, 미풍에도 회전체를 회전시켜 발전할 수 있게 됨으로써 발전효율을 높이게 되는 효과가 있다.

또한, 회전체 외측링과 내측링 사이에 다수의 지지축과 날개를 설치함에 있어 외측링과 날개 사이에 탄성수단을 사용하여 강한바람의 압력에서는 날개의 각이 열리어 강한바람의 압력으로부터 회전체와 기구 전체를 보호하고 바람의 압력이 탄성수단의 탄성력보다 약해지면 날개의 각이 원상태로 돌아와 회전체의 회전속도를 조절하여 전기발전을 원활히 할 수 있다.

또한, 도 6 및 7에서와 같이 방향타의 사용으로, 바람이 바뀌더라도 풍력발전기가 재빨리 바람의 방향을 향하도록 함으로써 풍력발전의 효율을 높이게 되는 효과가 있다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 투시사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 안내통로 전체를 구성하는 개별적인 안내통로의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 정면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기의 측투시도이고, 도 5는 도 4의 A부분인 알터네이터의 확대 단면도이고, 도 6는 본 발명의 다른 실시예의 투시사시도이고, 도 7은 도 6의 측투시도이고, 도 8은 본 발명의 풍력발전기에 사용되는 회전체의 정면도이고, 도 9는 도 8의 일부를 절개한 부분확대도이며, 도 10, 11 및 12는 본 발명에 따른 풍력발전기의 적용예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하여 보면, 본 발명에 따른 풍력발전기(100)는 두 개 이상의 바람 유입통로(10)와, 상기 바람 유입통로를 통해 유입된 바람을 안내하는 안내통로(20)와, 바람 유입통로와 안내통로에 각각에 설치되는 다수의 회전체(30)와, 다수의 회전체를 지지하는 각각의 회전축(31)과 일체를 이루는 알터네이터(40)로 이루어진다. 상기 바람 유입통로(10)는 개별적으로 이루어지지만, 유입통로의 일단은 하나로 집약되어 안내통로의 일단에서 합쳐지게 된다. 또한, 유입통로에도 회전체가 설치되고, 안내통로(20)에도 회전체가 설치된다. 도면에서는 유입통로에 회전체가 하나만 설치된 것으로 도시되어 있지만, 필요에 따라 유입통로에도 회전체를 복수 개 설치할 수 있다.

상기 안내통로(20)는 다수의 개별적 안내통로(20'1 - 20'6)로 구성할 수 있다. 즉, 개별적인 안내통로들을 소정의 체결수단을 통해 연결하여 하나의 안내통로로 형성할 수 있다. 그리고 개별적인 안내통로마다 하나의 회전체와 일체를 이룬 일터네이터(40)가 구성된다. 상기 회전체(30)는 그 회전축(31)을 통해 알터네이터(40)에 회전가능하게 연결되고, 상기 알터네이터는 그 외면에 방사형으로 설치되어 유입통로와 안내통로의 내벽에 고정되는 지지봉(41)에 의해 고정되게 지지된다. 하지만, 안내통로를 하나의 몸체로서도 형성할 수 있다.

안내통로 전체를 구성하게 되는 개별적인 안내통로의 사시도인 도 2를 참조하여 보면, 개별적인 안내통로(20'1)는 다른 개별적인 안내통로들과의 체결을 위해 양단에 돌출되게 형성되는 플랜지(f)와, 회전체(30)와, 회전체를 지지하는 회전축과 회전축과 일체를 이룬 알터네이터와 알터네이터를 고정하기 위한 지지봉(41)으로 이루어진다. 지지봉의 일단은 알터네티어의 외주면에 방사형으로 설치고정시키고, 타단은 안내통로의 내벽에 고정시켜 줌으로써, 알터네이터가 안내통로 내측에서 고정되게 된다. 한편, 알터네이터의 회전축(31)에는 회전체(30)가 연결된다. 따라서, 지지봉에 의해 안내통로 내측에 고정된 알터네이터와 회전축으로 연결된 회전체는 제 위치에서 흔들림이 없이 회전할 수 있게 된다. 플랜지(f)에는 다수의 체결통공(h)이 형성되고, 이 체결통공에 나사수단과 같은 체결수단을 끼워넣어 조임으로서 다수의 안내통로들을 직렬로 연결할 수 있게 된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 바람유입통로(10)들을 설치할 때 바람유입통로의 바람 배출구 쪽의 높이가 서로 다르게 형성하고 안내통로에 연결되는 부분들은 동일한 높이로 형성되게 하거나 또는 바람의 경로가 꼬이는 형상으로 유입통로들을 구성함으로써, 결국 바람유입통로를 통해 유입된 바람들은 서로 안내통로 입구에서 서로 부딪힘이 없이 합쳐져 회오리형태로 합쳐져 바람의 흐름을 효율 적으로 진행하게 한다.

회전체(30)는 다수의 날개(30')들과 날개들을 지지할 수 있는 회전체의 외측링(32)과 내측링(32'1) 그리고 내측링과 외측링을 고정하며 날개를 끼울 수 있는 지지축(34)으로 구성되고, 날개의 폭은 회전체에 설치되는 지지축들 간의 간격보다 크게 형성되어, 정면에서 보았을 때 날개들 사이로 보이는 공간이 없게 된다. 특히 본 발명은 회전체의 크기와 날개의 수를 조절 증가함에 따라 미풍에서도 회전체가 잘 반응하여 회전하게 되어 회전체의 회전효율을 높이게 된다. 이때 회전체에 날개수가 증가할수록 바람의 저항이 많아 회전체와 기구의 파손을 방지하기 위하여 회전체 외측링과 날개 사이에 탄성수단(스프링)을 이용하여 바람저항의 크기에 따라 날개의 각을 열어준다.

본 발명에 따른 풍력발전기의 측투시도인 도 4에 도시되어 있듯이, 다수의 개별적인 안내통로(20)들을 나사와 볼트 같은 체결수단으로 직렬로 연결하여 하나의 안내통로를 형성하고, 안내통로로 유입되는 바람을 회오리바람 같이 유입하도록 구성되는 유입통로(10)들을 안내통로 일단에 연결하고, 안내통로와 유입통로 내측에 설치되는 회전체(30)들은 회전축(31)에 의해 고정되고 회전축과 일체가 되어 있는 알터네이터(40)는 지지봉(41)으로 바람유입통로(덕트) 내측에 고정한다. 따라서, 유입통로들을 통해 유입되는 바람들은 먼저 유입통로에 설치된 회전체를 회전시킨 다음에, 안내통로에 회오리바람 형태로 유입되어 안내통로에 설치된 회전체들을 회전시키게 된다. 이 경우에, 유입통로에 설치된 회전체와 안내통로 초입에 설치된 회전체는 빠르게 회전하지만, 안내통로의 회전체들을 지남에 따라 바람들이 그 에너지를 잃어 안내통로 뒤쪽으로 갈수록 회전체의 회전속도가 느려지게 된다. 그렇지만, 각 회전체마다 일체형으로 알터네이터를 설치함으로써 각 회전체와 일체로 되어 있는 알터네이터를 통해서 전기를 얻을 수 있게 된다. 즉, 기존에 하나의 회전체를 사용하는 풍력발전과는 달리 바람을 최대한으로 이용할 수 있게 되어 같은 바람을 사용하더라도 더 많은 전기생산을 달성할 수 있게 된다. 상기 회전체와 일체로 되어 있는 알터네이터 각각 마다 생산된 전기는 도선(L)을 통해 제어장치(인버터)로 보내지고 인버터에서 전압과 전류를 각 부하에 적합하게 조절하여 각각의 부하처로 보내고 쓰고 남은 잉여 전기는 배터리에 저장되게 된다. 풍력발전을 통해 얻어진 전기에너지를 제어장치(인버터)를 이용하여 부하처로 보내거나 배터리(B)에 저장하는 기술은 널리 공지되었기 때문에 자세히 도시하지 않고 또한 이에 대한 설명은 생략한다.

도 6 및 7은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 풍력발전기(100')의 전방은 직경이 크고 후방으로 갈수록 직경이 작아진 하나의 안내통로(20) 양단에 각각의 회전체(30)를 설치하고, 회전체는 공통의 회전축(31'1)을 이용하며 , 회전축은 알터네이터(40)와 일체를 이루고 알터네이터는 지지봉(41)에 의해 외부 덕트 내에 고정되어 지지된다. 그리고, 바람이 유출되는 곳에는 바람의 흐름을 안내하여 발전기가 항상 최적의 상태로 바람을 향해 있도록 해주는 방향타(50)가 설치된다. 그리고, 풍력발전기(100')는 지지타워(T)에 의해 회전이 자유롭도록 지지되고, 풍력발전기에서 발전된 전기는 지지타워 내측으로 연장하는 도선을 통해 외부의 제어장치(인버터)로 보내 전압과 전류를 조정하여 각 부하처로 보내고 쓰고 남은 잉여 전기는 배터리수단이나 전기저장수단으로 가게 된다. 상기와 같은 구성에서는, 하나의 알터네이터에 두 개의 회전체를 사용함으로써 바람의 이용효율을 높일 뿐만 아니라 구조가 간단해지고, 방향타의 사용으로, 바람의 방향이 바뀌더라도 발전기가 재빨리 바람을 향해 위치할 수 있도록 해줌으로써 바람의 이용과 발전효율늘 높이게 된다.

이상에서 설명한 풍력발전기에서는, 회전축에 회전체를 고정되게 하는 것으로 설명하였다. 따라서, 만일 태풍과 같은 큰 바람이 있는 경우에는 회전체에 엄청난 풍압이 가해져 회전체가 손상되거나 또는 풍력발전기 자체가 손상될 수 있다. 그러므로, 풍력발전기의 회전체를 풍압에 견딜수 있도록, 회전체(30)의 외측링(32)에 날개(30')를 회전 가능하게 부착시 회전체의 외측링(32)과 날개 사이에 탄성수단(스프링)을 도 9와 같이 탄성체(33)의 한쪽 끝(33'2)은 외측링(32)에 고정하고 다른 쪽 끝(33'1)은 날개에 고정하므로해서 각각의 날개(30')와 지지축(34)을 기점으로 유동할 수 있도록 하여 풍압의 크기에 따라 날개의 각도가 조절되어 태풍과 같은 큰 바람의 압력에서 발전기를 보호할 수 있다.

도 8과 도 9에 도시되어 있듯이, 회전체는 외측링(32)과 내측링(32'1)과 사이에 날개를 끼워 지지할 수 있는 다수의 지지축(34)과 다수의 날개(30'), 그리고 날개의 각도를 조절할 수 있는 다수의 스프링(33)으로 구성하여 바람이 미풍일 때는 회전체에 날개와 날개 사이에 공간이 없고 강풍일 때는 날개 각각이 지지축을 기점으로 유동되어 날개와 날개 사이에 공간이 넓어짐으로 강한바람이 통과시 저항을 최소화하여 기구를 보호하도록 하여 바람의 크기에 관계없이 원활하게 발전기를 가동 전기를 생산할 수 있다.

상기에서 설명한 풍력발전기는, 일반적인 풍력발전 이외에도, 도 10, 11 및 12에 도시된 바와 같이, 차량이나, 기차 또는 터널 등에 적용할 수 있다. 차량에 적용하는 경우에는 차량의 주행으로 발생하는 바람을 낭비하는 일이 없이 전기에너지로 전환할 수 있기 때문에, 전기자동차나 하이브리드 차량 등에 적용하면 화석에너지 의존도를 줄일 수 있을 것이다. 또한, 기차, 전철 등 모든 동체에 적용하게 되면, 풍력발전기로 발전한 전기를 이용하게 되어 기차, 전철 등의 모든 동체의 전기설비에 이용할 수 있게 되고, 터널 등에 적용하게 되면, 터널을 통과하는 바람 또는 차량이나 기차 및 전철 등의 터널 통과시에 발생하는 바람을 이용하게 되어 효율적인 에너지의 생성이 이루어지게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기의 투시사시도.

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 안내통로 전체를 구성하는 개별적인 안내통로의 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 풍력발전기의 정면도.

도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기의 측투시도.

도 5는 도 4의 A부분인 알터네이터의 확대 단면도.

도 6는 본 발명의 다른 실시예의 투시사시도.

도 7은 도 6의 측투시도.

도 8은 본 발명의 풍력발전기에 사용되는 회전체의 정면도.

도 9는 도 8의 일부 절개한 부분확대도.

도 10, 11 및 12는 본 발명에 따른 풍력발전기의 적용예를 도시한 도면.

Claims (6)

1. 두 개 이상의 바람 유입통로(10)와, 상기 바람 유입통로를 통해 유입된 바람을 안내하는 안내통로(20)와, 바람 유입통로와 안내통로에 설치되는 다수의 회전체(30)와, 다수의 회전체를 지지하는 회전축(31)과, 회전축과 일체를 이룬 다수의 알터네이터(40)와 알터네이터 외면에 방사형으로 설치되어 일단은 알터네이터의 외면에 고정되고 타단은 유입통로와 안내통로의 내벽에 고정되어 알터네이터를 고정하는 지지봉(41)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 안내통로(20)는 다수의 개별적 안내통로(20'1 - 20'6)로 구성되고, 개별적인 안내통로(20'1)는 다른 개별적인 안내통로들과의 체결을 위해 양단에 돌출되게 형성되는 플랜지(f)와, 회전체(30)와, 회전체를 지지하는 회전축과, 회전축과 일체를 이룬 알터네이터와 알터네이터를 고정되게 하는 지지봉(41)으로 이루어지고, 상기 플랜지(f)에는 다수의 체결통공(h)이 형성되어 나사수단과 같은 체결수단을 끼워넣어 조임으로써 다수의 안내통로들을 직렬로 연결할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서, 바람유입통로의 바람 유입구들은 정면에서 보았을 때 앞쪽이 서로 높이가 다르게 형성되고 안내통로에 연결되는 부분들은 동일한 높이로 형성되거나 또는 바람의 경로가 꼬이는 형상으로 구성함으로써, 바람유입통로를 통해 유입된 바람들은 안내통로 입구에서 합쳐져 회오리형태의 유입 바람을 형성하게 되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전체(30)는 다수의 날개(30')들로 구성되고, 날개의 폭은 회전체외측링(32)에 고정되는 지지축(34)들 간의 간격보다 크게 형성되어 정면에서 보았을 때 날개들 사이로 보이는 공간이 없이 구성되어, 회전날개가 미풍에도 회전하게 되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제4항에 있어서, 상기 회전체(30)들은 원형의 외측링(32)과 원형의 내측링(32'1)과 외측링과 내측링을 고정하며 날개를 끼울 수 있는 다수의 지지축(34)과 다수의 날개(30')들과 날개들에 각도를 조절할 수 있는 탄성수단(33)으로 구성하며, 탄성수단(스프링)은 회전체 외측링(32)에 한쪽 끝(33'2)을 고정하고 다른 끝(33'1)은 날개(30')에 고정하여 날개의 각도를 바람의 강약에 의하여 조정될 수 있도록 구성하여 탄성수단의 탄성력을 넘어서는 풍압이 작용하게 되면 날개가 각을 벌려 날개들 간에 틈이 발생하여 이 틈을 통해 바람이 통과하여 회전체에 미치는 풍압이 낮아지도록 하며, 풍압이 탄성수단의 탄성력보다 약해지면 탄성수단의 복원력에 의해 각각의 날개들이 최초의 위치로 복귀하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 제4항 및 제5항에 있어서, 회전체를 회전축 앞뒤 양단에 각각 설치하고 회전 체가 앞뒤로 설치된 회전축 중앙 위치에 알터네이터를 일체하고 그 알터네이터는 방사형의 지지봉(41)으로 발전기 몸체 내면에 고정하여 지지되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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