KR20110041857A - 수직형 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것으로서, 방사상으로 연장되는 다수개의 상부 연결축 및 하부 연결축; 상기 상부 연결축과 하부 연결축 사이에 자전운동이 가능한 상태로 설치되는 임펠러; 상기 임펠러의 회전축 상부에 설치되어 풍향정보를 제공하는 풍향계; 상기 풍향계의 풍향각도에 연동되어 임펠러의 자전 회전각이 조정되도록 하는 날개 정면각 조정장치; 상기 하부 연결축의 중심에 축 결합되어 회전력을 전달받아 발전이 이루어지는 자석발전기; 및 상기 자석발전기의 하부를 지지하여 지상에 수직하게 설치되는 메인 샤프트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 따른 본 발명은 저지대에서의 미풍으로도 발전이 가능하여 설치장소에 구애됨이 없고, 소형화로 인해 설치가 간편하고, 설치비용이 저렴하여 경제적인 효과를 갖는다.

Description

수직형 풍력발전기{wind power generator}
본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저지대 및 미풍조건에서도 발전이 가능한 소형화 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 수직형 풍력발전기는 메인 샤프트(1)의 하단에 발전기(2)가 연결되고, 상기 메인 샤프트(1)에서 방사상으로 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)이 연장되며, 상기 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5) 사이에 임펠러(11)가 각각 장착되고, 상기 임펠러(11)가 날개 정면각 조정장치(31)를 통해 풍향계(7)와 연결되는 구성으로 이루어져 있다.
상기 종래기술의 풍력발전기는 메인 샤프트(1)가 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)를 관통하여 일체로 형성되고, 그 하단이 지면에 설치된 발전기(2)로 연장됨에 따라, 임펠러(11), 상부 연결축(3), 하부 연결축(5), 날개 정면각 조정장치(31), 풍향계(7), 메인 샤프트(1)로 이루어진 회전체의 중량이 무겁고, 이로 인해 회전체의 초기 구동에 많은 에너지가 소요되는 문제가 있었다.
이와 같은 종래기술의 풍력발전기는 풍량이 적은 경우 회전체를 회전시킬 수 없어 발전 자체가 어렵기 때문에, 발전기의 설치장소가 제한되는 문제가 있었다.
이러한 이유로 인해, 대부분의 풍력발전기가 강한 기류가 형성되는 고지대에 설치되고 있고, 메인 샤프트(1)를 지상으로 연장시켜 더욱 많은 바람을 맞도록 하고 있다.
이와 같은 종래기술의 풍력발전기는 대형화 및 고지대 설치의 제한적인 문제가 있어, 도시 및 근교의 자립형 시설의 소형발전에는 적용되지 못하는 문제가 있었다.
상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 저지대의 미풍으로도 발전이 가능하여 설치장소에 구애됨이 없고, 소형화로 인해 설치가 간편하고, 설치비용이 저렴한 수직형 풍력발전기를 제공함에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 수직형 풍력발전기는 방사상으로 연장되는 다수개의 상부 연결축 및 하부 연결축; 상기 상부 연결축과 하부 연결축 사이에 자전운동이 가능한 상태로 설치되는 임펠러; 상기 임펠러의 회전축 상부에 설치되어 풍향정보를 제공하는 풍향계; 상기 풍향계의 풍향각도에 연동되어 임펠러의 자전 회전각이 조정되도록 하는 날개 정면각 조정장치; 상기 하부 연결축의 중심에 축 결합되어 회전력을 전달받아 발전이 이루어지는 자석발전기; 및 상기 자석발전기의 하부를 지지하여 지상에 수직하게 설치되는 메인 샤프트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 상부 연결축과 하부 연결축의 중심이 상호 이격된 상태로 설치되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 임펠러는 "工" 자 형상의 프레임에 돛이 장착되고, 상기 프레임의 상부 수평부가 연결부재에 의해 날개 정면각 조정장치에 연결되고, 상기 프레임의 하부 수평부에 연결된 볼이 하부 연결축에 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 날개 정면각 조정장치는, 상단에 풍향계가 장착되는 상부 샤프트와 하부 샤프트가 치차 감속기에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 임펠러의 원주운동과 자전 비율이 2:1이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 자석발전기는 복수개의 마그네트가 요크의 내주에 일정 간격으로 배열 고정되어 있는 회전자와, 코어의 직경방향 돌출부 주위로 코일이 감겨져 구성된 발전자를 포함하며, 상기 발전자는 하우징에 고정된 상태이며, 상기 발전자 중심에 회전자가 설치되고, 상기 회전자의 회전중심에 설치된 회전축의 상, 하단이 각각 베어링 결합되어 지지되며, 상기 하우징이 메인 샤프트의 상부에 고정되는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 따른 본 발명은 저지대에서의 미풍으로도 발전이 가능하여 설치장소에 구애됨이 없고, 소형화로 인해 설치가 간편하고, 설치비용이 저렴하여 경제적인 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기를 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기를 설명하기 위한 요부 확대도이다.
도면의 설명에 앞서 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 설명하기로 한다.
동 도면에서 보는 바와 같은 본 발명의 수직형 풍력발전기는 방사상으로 연장되는 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)와, 상기 상부 연결축(3)과 하부 연결축(5) 사이에 자전운동이 가능한 상태로 설치되는 임펠러(11)와, 상기 임펠러(11)의 회전축 상부에 설치되어 풍향정보를 제공하는 풍향계(7)와, 상기 풍향계(7)의 풍향각도에 연동되어 임펠러(11)의 자전 회전각이 조정되도록 하는 날개 정면각 조정장치(30)와, 상기 하부 연결축(5)의 중심에 축 결합되어 회전력을 전달받아 발전이 이루어지는 자석발전기(40)와, 상기 자석발전기(40)의 하부를 지지하여 지상에 수직하게 설치되는 메인 샤프트(1)로 구성되고 있다.
상기 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5)의 형상은 다수의 연결바가 방사상으 로 연장된 형상으로 이루어져 있다.
이때, 상기 상부 연결축(3)과 하부 연결축(5)의 중심은 종래기술에서와 달리 메인 샤프트(1)를 이용해 서로 연결하지 않고 떨어진 상태로 제작하는 것을 특징으로 하고 있다. 이는 상부 연결축(3), 하부 연결축(5), 임펠러(11), 풍향계(7), 날개 정면각 조정장치(30)를 포함하는 회전체(A)의 무게를 경량화 하는데 기여하게 된다.
그리고, 상기 임펠러(11)는 "工" 자 형상의 프레임(13)에 돛 (15)이 장착되고, 상기 프레임(13)의 상부 수평부(13a)가 연결부재(17)에 의해 날개 정면각 조정장치(30)에 연결되고, 상기 프레임(13)의 하부 수평부(13b)에 연결된 볼(19)이 하부 연결축(5)에 회전 가능하게 장착되고 있다.
이때, 상기 연결부재(17)는 키이(key)에 의해 하부 샤프트(41)와 결합되고 하단이 임펠러(11)의 상부 수평부(13a)에 연결된 상태이다.
여기서, 상기 회전체(A)를 구성하고 있는 임펠러(11)는 풍향계(7)의 작동에 연동되어 공전 및 자전운동이 동시에 이루어지게 되는데, 이에 대한 작동원리에 대해 도 4를 참조하여 자세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기의 풍향계와 임펠러의 작동관계를 설명하기 위한 평면도이다.
먼저, 풍향계(7)는 항상 바람이 불어오는 방향으로 일직선으로 정렬되고 있다. 즉, 바람이 X축 방향으로 분다고 가정하면, 회전체(A)에 설치된 모든 풍향 계(7)는 언제나 X축 방향으로 정렬하게 된다.
상기 풍향계(7)와 연동되도록 설치된 임펠러(11) 또한, 바람부는 방향에 대해 일정한 각을 갖도록 정렬하게 된다.
이때, 임펠러(11)는 바람을 최대한 포용할 수 있는 최적의 각으로 정렬되며, 바람에 의해 메인 샤프트(1)를 축으로 하여 시계방향으로 원주운동을 시작하게 된다. 즉, 회전체(A)의 회전이 시작된다.
상기 회전체(A)가 회전됨에 따라 풍향계(7)의 상대위치와 정렬각도의 변화가 발생하게 되는데, 풍향계(7)는 X축 방향으로의 정렬상태를 유지하기 위해 자전하게 되며, 이때 회전력은 연동되어 있는 임펠러(11)에 전달되어 임펠러(11)를 자전시키게 된다.
이때, 임펠러(11)의 자전 각은 바람을 최대한 포용할 수 있는 최적의 각도를 유지하게 된다.
즉, a 위치에서 풍향계(7)와 임펠러(11a)가 X축 방향을 향하고, 상기 임펠러가 원주운동(공전)을 하여 b 위치에 위치하게 되면, 바람의 방향과 일치되도록 풍향계(7)가 회전하고, 상기 풍향계(7)의 회전각만큼 날개 정면각 조정장치(30)에 의해 임펠러(11b)는 X축에 대해 ??45도 방향으로 경사지게 배치되고, 상기 임펠러가 메인 샤프트(1)를 축으로 하여 더 회전하여 c 위치에 도달하면, 풍향계(7)가 바람의 방향과 일치되도록 회전되므로서, 날개 정면각 조정장치(15)가 상기 풍향계(7)의 회전각을 임펠러(11c)로 전달하여 임펠러(11c)가 ??90도 회전하여 바람의 방향에 대해 수직하게 배치되고, d 위치에서 풍향계(7) 및 날개 정면각 조정장치(30)에 의해 임펠러(11d)는 바람의 방향에 대해 ??125도 경사지게 배치된다.
따라서, 풍향계(7)의 각회전을 임펠러(11)로 전달하는 날개 정면각 조정장치(30)에 의해 임펠러가 항상 바람을 안고 회전 모멘트가 큰 어느 한 방향으로 원주운동을 하게 되며 임펠러(11)의 원주운동에 의해 발생되는 운동에너지는 하부 연결축(5)에 결합된 자석발전기(40)의 구동시켜 발전이 이루어지게 된다.
위의 설명을 통해, 바람이 0도 방향으로 불었을 때를 예로 들고 있지만, 바람이 어느 방향으로 불어도 풍향계(7)가 항상 바람이 불어오는 방향으로 일직선으로 정렬되기 때문에 임펠러(11)는 위에서 예시한 위치로 배치된다.
또한, 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 상기 임펠러(11)의 원주운동과 자전 비율은 2:1이 가장 바람직하다.
위에서 설명한 바와 같은 풍향계(7)와 임펠러(11)의 연동관계는 날개 정면각 조정장치(30)에 의해 가능하게 된다.
상기 날개 정면각 조정장치(30)에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 날개 정면각 조정장치(30)는 상단에 풍향계(7)가 장착되는 상부 샤프트(31)와 하부 샤프트(41)가 치차 감속기(35)에 의해 서로 연결되고 있다.
이때, 상기 치차 감속기(35)는 소위 유성기어장치로 일컬어지는 것으로서, 상부 샤프트(31)의 하단에 유성기어(35a)가 장착되고, 상기 유성기어(35a)와 맞물 려 연동하는 선기어(35b)가 설치되고 있다.
상기 선기어(35b)는 상부 커플링(37)과 볼트(B) 결합되어 있고, 상부 커플링(37)은 하부 샤프트(41)와 연결되어 상부 샤프트(31)의 회전이 하부 샤프트(41)로 전달되도록 한다.
여기서, 상부 커플링(37)는 서포트부재(38)에 의해 베어링 지지되어 있고, 상기 서포트부재(38)는 날개 정면각 조정장치(30)의 케이스를 형성하는 베어링 캡(36)에 지지되는 구조로 이루어져 있다.
이와 같은 구성의 날개 정면각 조정장치(30)의 작용에 대해 살펴보면, 풍향계(7)가 바람의 방향과 일직선이 되기 위해 각 회전됨에 따라, 이와 연동하여 상부 샤프트(31) 및 유성기어(35a)가 회전하게 되고, 상기 유성기어(35a)에 맞물린 선기어(35b)가 회전함으로써, 선기어(35b)에 연결된 하부 샤프트(41)가 상기 선기어(35b)의 각회전 값만큼 회전하게 되어 상기 하부 샤프트(41)의 하단에 장착된 연결부재(17)에 연결된 임펠러(11)가 각 회전을 하게 된다.
즉, 위에서 설명한 바와 같이, b지점에서 바람에 의해 풍향계(7)가 45도 회전하여 바람과 일직선으로 배치될 때 연결부재(17)에 의해 상기 하부 샤프트(41)에 연결된 임펠러(11)가 각 회전을 하게 됨으로써, X축에 대해 ??45도 방향으로 경사지게 배치되고, 상기 임펠러(11)가 바람에 의해 b 지점에서 c 지점으로 원주운동을 하고, c지점에서 d지점으로 원주운동을 할 때에도 위에서 설명한 원리가 적용되어 임펠러(11)가 c 위치에서 바람이 불어오는 방향에 대해 정면으로 배치될 수 있다.
상기 임펠러(11)의 원주운동과 자전 비율은 2:1이 되도록 하기 위해서는 상기 치차 감속기(35)의 유성기어(35a)와 선기어(35b)의 기어비를 2:1이 되도록 한다.
그리고, 본 발명에 따른 자석발전기(40)는 복수개의 마그네트가 요크(yoke)의 내주에 일정 간격으로 배열 고정되어 있는 회전자(45)와, 코어의 직경방향 돌출부 주위로 코일이 감겨져 구성된 발전자(43)를 포함하며, 상기 회전자(45)가 회전체(A)와 축 결합되어 회전력을 전달받아 발전자(43)의 주위를 회전함에 따라 발전자(43)의 자극에 배열된 코일에서 기전력이 유기되어 발전이 이루어지게 된다.
상기 발전자(43)는 하우징(41)에 고정된 상태이며, 상기 발전자(43) 중심에 회전자(45)가 설치되고, 상기 회전자(45)의 회전중심에 설치된 회전축(46)의 상, 하단이 각각 베어링(47)(48) 결합되어 지지되고 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명은 회전체(A)와 자석발전기(40) 사이에 마찰저항 요소가 거의 작용하지 않기 때문에 적은 운동에너지에서도 초기 구동이 가능한 이점을 갖게 된다.
또한, 본 발명은 저지대에서의 미풍으로도 발전이 가능하기 때문에 설치장소에 구애됨이 없고, 소형화 제작이 가능하기 때문에 설치작업이 간편하고, 설치비용이 저렴하여 경제적인 이점을 갖게 된다.
도 1은 종래기술에 따른 수직형 풍력발전기를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기를 도시한 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기를 설명하기 위한 요부 확대도.
도 4는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전기의 풍향계와 임펠러의 작동관계를 설명하기 위한 평면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 메인 샤프트 3: 상부 연결축
5: 하부 연결축 7: 풍향계
11: 임펠러 13: 프레임
13a: 상부 수평축 13b: 하부 수평축
15: 돛 17: 연결부재
19: 볼 30: 날개 정면각 조정장치
31: 상부 샤프트 33: 하부 샤프트
35: 치차 감속기 35a: 유성기어
35b: 선기어 36: 베어링캡
37: 상부커플링 38: 서포트부재
40: 자석 발전기 41: 하우징
43: 발전자 45: 회전자
46: 회전축 47, 48: 베어링
A: 회전체 B: 볼트

Claims (6)

  1. 방사상으로 연장되는 다수개의 상부 연결축(3) 및 하부 연결축(5);
    상기 상부 연결축(3)과 하부 연결축(5) 사이에 자전운동이 가능한 상태로 설치되는 임펠러(11);
    상기 임펠러(11)의 회전축 상부에 설치되어 풍향정보를 제공하는 풍향계(7);
    상기 풍향계(7)의 풍향각도에 연동되어 임펠러(11)의 자전 회전각이 조정되도록 하는 날개 정면각 조정장치(30);
    상기 하부 연결축(5)의 중심에 축 결합되어 회전력을 전달받아 발전이 이루어지는 자석발전기(40); 및
    상기 자석발전기(40)의 하부를 지지하여 지상에 수직하게 설치되는 메인 샤프트(1);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 연결축(3)과 하부 연결축(5)의 중심이 상호 이격된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 임펠러(11)는 "工" 자 형상의 프레임(13)에 돛(15)이 장착되고, 상기 프레임(13)의 상부 수평부(13a)가 연결부재(17)에 의해 날개 정면각 조정장치(30)에 연결되고, 상기 프레임(13)의 하부 수평부(13b)에 연결된 볼(19)이 하부 연결축(5)에 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 날개 정면각 조정장치(30)는, 상단에 풍향계(7)가 장착되는 상부 샤프트(31)와 하부 샤프트(41)가 치차 감속기(35)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 임펠러(11)의 원주운동과 자전 비율이 2:1이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자석발전기(40)는 복수개의 마그네트가 요크의 내주에 일정 간격으로 배열 고정되어 있는 회전자(45)와, 코어의 직경방향 돌출부 주위로 코일이 감겨져 구성된 발전자(43)를 포함하며, 상기 발전자(43)는 하우징(41)에 고정된 상태이며, 상기 발전자(43) 중심에 회전자(45)가 설치되고, 상기 회전자(45)의 회전중심에 설치된 회전축(46)의 상, 하단이 각각 베어링(47)(48) 결합되어 지지되며, 상기 하우징(41)이 메인 샤프트(1)의 상부에 고정되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
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