KR20110069221A - 팬의 길이가 자동 조절되는 풍력발전기의 회전체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도면 11에서 C'D'ABC의 회전력일 때는 팬의 길이를 가장 길어지고 CDA'B'C'의 저항력일 때는 팬의 길이가 가장 짧아지는 풍력등 유체의 흐름을 이용하여 발전을 하는 회전체의 축과 팬에 관한 것으로써, 주축인 1차축(1)의 양쪽으로 구조물의 형태로 1차팬(2,2')이 고정되고 그 구조물의 일정 지점에 2차축(3,3')과 2차팬(4,4')을 설치하고 2차팬의 회전을 제한하는 지지대(5,5')를 큰 동심원과 작은 동심원에 고정하고 2차팬의 큰 동심원쪽 지지대를 향하는 면(7)끼리 로우프(6,6')로 연결하여 팽팽하게 고정하고 2차팬의 작은 동심원쪽 지지대를 향하는 면(7')끼리 로우프로 연결하여 팽팽하게 고정하면 풍력에 대한 1차팬의 위치의 변화에 따라서 로우프로 연결되어 풍력을 교환하는 2차팬(4,4')은 회전력으로 작용하는 위치인 C'D'ABC에서는 가장 길어지고 단면적도 커지고 저항으로 작용하는 위치인 CDA'B'C'에서는 가장 짧아지고 단면적도 작아져서 풍력의 효율이 커지는데 이러한 과정이 이미 생산된 에너지를 이용하거나 생산되어야 할 일부 에너지를 이용하는 하는 방식이 아니라 저항력으로 작용하는 힘을 회전력으로 작용하도록 2차팬의 위치를 이동하는 힘으로 작용하도록 하는 역학적으로 당연한 결과의 힘을 이용하는 발전을 위한 회전체이다.

자동컨트롤러를 이용하여 저속과 고속인 풍력발전기를 따로 제작하는 것이 아니라 단순한 조작에 의하여 같은 풍력발전기로 저속일 때도 큰 효율의 발전이 가능하고 강풍에서 발생하는 발전기의 용량을 초과하는 비효율적인 정격회전 이상의 회전을 방지하고 충격에 의한 기계적 마모도 줄일 수 있다.

현대 건축공학, 기계공학, 재료공학, 전자공학을 종합하여 제작하면 고층의 건물형태의 풍력발전도 가능하여 토지 이용도를 높일 수 있고 높은 공중의 풍력도 발전을 위해 이용할 수 있다.

1차축과 1차팬, 2차축과 2차팬, 큰 원의 지지대와 작은 원의 지지대, 큰 원의 지지대의 2차팬의 면끼리 연결하는 로우프와 작은 원의 지지대의 2차팬의 면끼리 연결하는 로우프,

Description

팬의 길이가 자동 조절되는 풍력발전기의 회전체{aerogenerator with automatic controlled length of a fan}

본 발명은 풍력 등을 이용하여 발전에 필요한 규칙적인 운동인 회전력을 얻는데 있어서 가장 중요한 요소인 축과 팬에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 등 유체를 이용하는 발전시스템에서는 도면 9의 (가)와 같이 축을 중심으로 같은 동심원상에 팬이 부착되어 있고 풍력을 받아들이는 팬의 단면적은 동일하다.

즉, 축을 중심으로 풍력과 동일한 방향으로 움직이는 팬의 단면적과 길이가 풍력과 반대 방향으로 움직이는 팬의 단면적과 팬의 길이가 같지만 도면 9의 (가)와 같이 유체역학상 전후 또는 좌우의 유체의 흐름에 대한 저항력의 차이를 이용하여 회전력을 얻기 때문에 그 기술을 획기적으로 발전시켜서 풍력을 얻어내는데 어려움이 있다.

그 기술적 한계를 극복하기 위하여 풍력발전기의 팬의 크기를 대형화하고 또한 연을 날려 발전하는 방법을 고안하는 등의 획기적 연구가 이루어지지만 그에 따른 기술적, 경제적 어려움 등으로 실제적으로 주변에 풍부하게 존재하는 풍력을 효 과적이고 효율적으로 이용하는 풍력발전기의 출현은 우리의 욕구를 충족시켜주지 못하고 있다.

도면 9의 (가)처럼 축으로부터 대칭으로 길이와 크기가 동일할 때의 팬의 전후 또는 좌우의 단순한 저항력의 차이만을 이용하여 회전력을 얻는 종래의 방식은 유체역학상 획기적인 저항력의 차이를 찾기가 힘들어서 팬의 길이를 길게 제작하여 대형화가 되면서 팬의 무게를 지탱해야 하는 어려움과 기술적 어려움이 있다.

축으로부터 멀수록 큰 힘으로 작용하는 원리를 이용하여 풍력이 팬의 회전력으로 작용할 때 팬의 위치가 축으로부터 가장 멀고 단면적이 가장 크도록 배열되고 풍력이 팬의 저항력으로 작용할 때 팬의 위치가 축으로부터 되도록 가깝고 단면적이 가장 작도록 반복 배열되도록 하는데 있고 그에 따른 중심축으로부터의 양 축의 길이만큼의 회전력의 더 많이 생산하는데 있다.

이 때 길이가 반복되고 계속되게 하는 에너지를 이미 회전력으로 생산된 힘이나 또 다른 에너지를 이용하는 방식이 아니라 회전력으로 작용하는 팬과 저항력으로 작용하는 쪽의 팬이 서로 상호작용에 의해 힘을 교환하면서 풍력에 대하여 반응하여 스스로 팬의 길이를 조절하면서 최대 풍압으로 회전력을 높이도록 배열되고 동시에 반대편의 팬은 최소 저항력으로 배열되도록 하는데 목적이 있다.

또한 단순히 팬의 수가 많거나 팬의 크기가 크면 풍력을 맞는 단면적과 양이 많아서 축이 회전하는데 방해하는 힘으로 작용하고, 회전하는 날개의 무게에 의한 회전력 저하와 전후 또는 좌우 날개 사이에 존재하는 저항력이 오히려 회전력을 방해하기 때문에 저속의 풍력과 고속의 풍력에 각기 달리 적용하여 제작하여야 하지만, 필요에 따라서 하나의 풍력발전기로써 저속의 풍력과 고속의 풍력에 단순한 조작에 의해 적용하여 효율적인 회전력을 얻고자 하는데 목적이 있고, 회전체의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 발전기를 이루는 핵심부품인 코일과 전자석의 크기에 따라 달리 적용되는 용량에 따라서 각기 적용을 달리하면서 가장 효율적인 회전인 정격회전에 되도록 근접하게 회전하도록 하여 비효율을 제거하는데 목적이 있다.

상술한 문제를 해결하기 위하여, 도 1과 그 이하의 도면에서와 같이 발전에 직접 관여하며 회전하는 제 주축인 1차축(1)에 서로 반대 방향으로 고정된 주팬인 1차팬(2,2')의 동일한 양 지점에 보조팬인 2차팬(4,4')이 90도 회전 왕복운동하는 보조축인 2차축(3,3')을 설치한다.

다음, 도면 1과 도면 5에서와 같이 그 2차축(3,3')을 기준으로 2차팬(4,4')의 회전을 제한하는 지지대(5,5')를 설치하는데 주축인 1차축으로부터 한쪽의 지지대(5')는 가깝게 또 다른 한 쪽의 지지대(5)는 멀게 되도록 90도의 각도를 유지하여 (90도가 정답은 아니지만 90도일때 가장 효과가 큼) 설치하는데 지지대(5,5')가 1차축을 기준으로 반 바퀴, 즉 180회전하면 동일하게 배열되도록 양 1차팬(2,2')의 지점에 1차축(1)에 대칭되게 설치한다

다음, 1차축으로부터 먼 쪽의 지지대를 향하는 2차팬의 면(7)의 양지점을 로 우프(6)로 팽팽하게 연결 고정하고 또 1차축으로부터 가까운 쪽을 향하는 2차팬의 면(7')의 양 지점을 로우프(6')로 팽팽하게 연결 고정한다.

상기 설명은 도면 1처럼 1차축(1)에 대해 1차팬(2,2')이 서로 대치되는 방식으로 날개가 두 개 있을 경우인 2팬형 풍력발전시스템의 경우이고 도면 5와 같이 날개가 세 개인 3팬형의 경우는 위와 같은 방식이 나머지 두 개의 날개에 2팬형에 적용되는 방식이 교차로 이루어지고 도면 3와 같이 4개의 날개를 가진 4팬형의 짝수형 날개의 시스템과 도면 10과 같이 다수의 짝수형 날개를 가지는 시스템은 2팬형을 서로 360도를 기준으로 서로 대칭되게 여러 개 배치하여 고정하는데 날개가 세 개인 3팬형이나 날개가 4개인 4팬형이 주로 이용된다.

이 시스템은 수직축이 대세이기는 하지만 기존 3팬형 수평축의 풍력발전기가 풍향이 변할 때 컨트롤러에 의하여 유압에 의한 방식의 장치로써 풍향을 따라서 방향을 바꾸면서 회전하면서 최상의 풍력발전을 하듯이 이 시스템도 같은 방식을 적용하여 수평축 발전을 함으로써 기존 수평축 풍력발전보다 효율적인 발전 시스템을 제작할 수 있다.

도 8과 도 10처럼 풍력등 유체의 힘이 360도 사방 일정 지점에서 가해지면 일단 주축인 1차축(1)과 주팬인 1차팬(1,1')은 움직이지 않고 있다가 보조팬인 2차팬(4,4')이 풍력등의 힘에 의해 1차축(1)을 기준으로 회전력으로 작용하는 2차팬(4)은 큰 동심원의 지지대(5)로 회전 이동하고 반대쪽의 2차팬(4')은 작은 동심원의 지지대(5')로 이동하여 도면 3의 (가), 도면 4, 도면 5, 도면7의 위치로 배열된 다음에 2차팬(4,4')에 충돌하는 풍력의 힘이 1차팬(2,2')으로 전달되어서 1차축(1)이 회전하게 된다.

큰 동심원의 지지대(5)에 기댄 2차팬(4)과 1차팬(2)이 합한 길이와 표면적과 작은 동심원의 지지대(5')에 기댄 2차팬(4')과 1차팬(2')의 합한 길이와 표면적과의 차이에 의해서 1차축(1)이 회전하게 되는데 일정한 풍향에 대해서 360도를 회전하는 1차팬(2,2')의 위치에 따른 2차팬(4,4')의 배열은 언제나 일정하다.

1차팬(2,2')과 로우프(6,6')로 연결된 2차팬(4,4')이 풍력에 대하여 각각 언제나 동일한 위치와 배열에 의하여 회전력을 얻고 동일하게 반응하는데 서로 팽팽하게 연결한 로우프(6,6')로 주고 받는 2차팬(4,4') 사이의 힘의 견제와 균형에 의한 배열이 1차팬의 위치에 따라서 언제나 동일하기 때문이다.

도면 4처럼 풍력에 회전력으로 작용하는 1차팬(2)과 2차팬(4)의 길이의 합이 가장 길고 단면적도 가장 크고 반대편의 1차팬(2')과 2차팬(4')의 길이의 합이 가장 짧고 단면적도 가장 적어서 회전력은 극대화되고 저항력은 극소화되어 회전력을 극대화할 수 있고, 또한 원추형, 반원형, 반원통형등의 기존의 방식인 전후 좌우의 저항력의 차이의 방식과 결합하면 회전력을 더 극대화할 수 있다.

도면 8과 도면 10처럼 풍향이 갑자기 바뀌면 일단 양쪽의 2차팬(4,4')에 부딪히는 풍력을 로우프(6,6')로 주고 받으면서 이동하여 배열되면서 2차팬이 지지대(5,5')에 기대게 되고 그 힘이 1차팬(2,2')으로 전달되어서 1차축(1)이 이전과 동일한 방향으로 계속 회전하는데 회전방향이 언제나 일정한 이유는 지지대(5,5')가 고정되어지는 방향에 따라서 회전방향이 한쪽으로 결정되기 때문이다.

도면 4처럼 발전에 이용되는 1차팬(2) 위에 2차축(3,3')을 회전하는 2차팬(4,4')을 좌우로 연속 나열하고 상하로 연속 나열함으로써 풍력을 회전력으로 극대화할 수 있는데 저속의 풍력이 존재하는 곳에서 유용하고 또한 필요에 따라서 2차팬(4,4')의 배열을 조정하는 것으로 고속의 풍력에 대응하도록 제작할 수도 있고 고속과 저속의 풍속에 동시에 적응하는 시스템을 기존 풍력발전에서 이용하는 컨트롤러 방식을 이용하여 제작할 수도 있다.

이 풍력발전기의 특징은 로우프(6,6')를 통하여 1차팬(2,2')과 2차팬(4,4')의 힘의 견제와 균형으로써 길이가 자동 조절되는 저항력의 힘을 이용하는 방식이다.

회전을 방해하는 저항력으로 작용하는 2차팬(4')의 힘과 회전력으로 작용하는 2차팬(4)의 힘을 로우프(6,6')가 연결되어서 균형을 맞추고 견제하면서 로우프(6,6')를 통해 힘을 적절하게 자동으로 배분하고 조절함으로써 저항력을 회전하는 힘으로 이용한다.

로우프(6,6')가 아닌 기계적 방식이나 유압방식에 의해서 양쪽에 배치된 2차팬의 힘을 교환하면서 2차팬의 위치를 이동하게 하는 방식으로 로우프 방식과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이 풍력발전 시스템에서는 예전에 회전을 방해하며 저항력으로만 작용하던 풍력이 로우프(6,6')를 통한 이차팬(4,4') 상호간의 힘의 교환과 배분으로써, 회전을 위한 힘으로 변하거나 또한 자체로 스스로 최소 저항력이 되기 위한 위치로 이동하면서 반대편 회전하는 힘으로 작용하는 2차팬의 길이는 가장 길어지는 위치로 이동하기 때문이다.

본 발명을 개략적으로 요약한 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명품을 형성하는 가장 기본이면서 가장 간단하고 중요한 형태인 주축로써, 1차축(1)을 기준으로 양쪽으로 팬(2,2')이 고정된 2팬형의 시스템이다.

주축인 1차축(1)을 기준으로 대칭되게 양쪽으로 주팬인 1차팬(2,2')이 고정되어 있고 1차팬(2,2')의 일정지점에 대칭되게 한 쌍 이상의 보조축인 2차축(3,3')을 배치 고정하고 2차축(3,3')에 고정되어 회전하는 평면형 또는 반원형 또는 반원통형의 보조팬인 2차팬(4,4')을 고정한다.

양쪽의 1차팬(2,2')의 한 지점에 2차축(3,3')을 설치하고 2차팬(4,4')의 회전운동을 제한하기 위하여 지지대(5,5')를 고정 설치하는데 1차축(1)을 기준으로 작은 동심원상에 위치하는 지지대(5')와 큰 동심원상에 위치하는 지지대(5)를 풍력의 흐름을 방해하지 않는 형태로 설치하는데 도면에서와 같이 2차팬(4,4')이 풍향에 대한 1차팬(2,2')의 위치에 따라서 규칙적으로 배열되면서 수없이 반복운동을 하며 기대어도 튼튼하다면 풍력의 흐름이 잘 유지되는 한 모양과 위치는 자유롭다.

그 다음에 1차축(1)을 기준으로 한쪽의 2차팬(4)은 큰 동심원의 지지대(5)에 다른 반대편의 2차팬(4')은 작은 동심원의 지지대(5')에 기대어 두고 2개의 2차팬(4,4')에서 큰 동심원의 지지대(5)에 기대는 면끼리 로우프(6)를 연결하고 또한 작은 동심원의 지지대(5')에 지지되는 면끼리 로우프(6')를 연결하여 팽팽하게 조율 하여 고정한다.

도면에서의 모양과 형태, 즉 풍력에 정면으로 마주보고 서 있을 때 1차축(1)을 기준으로 한쪽의 2차팬(4)의 길이가 가장 길고 단면적도 가장 크고 다른 반대편의 2차팬(4')의 길이와 단면적이 가장 적기 때문에 길이와 단면적의 차이만큼 회전력이 강하게 되는데 이러한 과정이 풍력의 흐름에 대하여 로우프에 의하여 자동으로 이루어짐으로써 최대 회전 효과를 얻을 수 있고, 반원통형 반원추형등 저항을 이용하여 회전력을 얻는 예전의 방식과 결합하여 최대 회전효과를 얻을 수 있다.

물론 2차팬(4,4')이 고정되는 1차팬(2,2') 자체도 기존 풍력발전기처럼 유체역학적으로 회전이 잘되도록 제작되어야 한다.

도 2는 2팬형 시스템의 한 형태를 정면도 윗면도 좌우측면도이다.

로우프(6,6')를 팽팽하지 않고 느슨하게 그린 이유는 로우프(6,6')임을 강조하기 위함이고 원래는 정면도의 아래쪽과 같이 로우프가 팽팽하면서 2차팬(4,4')을 부딪히는 풍력을 한 쌍의 로우프(6,6')가 서로 힘을 교환하고 균형 보완하면서 자동으로 위치를 잡는다.

풍력등 유체의 힘이 가해지면 1차축(1)에 고정된 1차팬(2,2')위의 2차팬(4,4')은 풍력의 힘으로 한쪽은 큰 동심원의 지지대(5,5') 쪽으로 반대편의 다른 한 쪽은 작은 동심원의 지지대로 로우프(6,6')에 의해 조정되어 이동한다.

물론 지지대(5,5')에 기대기 전에도 전체 팬의 길이(1차팬+2차팬)의 차이에 의해서 회전하지만 큰 동심원의 지지대(5)에 기대는 2차팬이 풍력의 힘을 직접 1차팬에 전할 때 가장 큰 힘이 전달된다.

두 이차팬(4,4')은 한쪽은 큰 동심원의 지지대(5)와 작은 동심원의 지지대(5')를 서로 반대되는 방향으로 로우프(6,6')에 의해 힘을 교환하면서 서로 적응하면서 배열 이동한다.

도면에서 보는 것처럼 한쪽의 2차팬(4)의 단면적과 길이는 최대이고 반대편의 2차팬(4')은 길이와 단면적이 최소인 상태로 회전하므로 길이와 단면적의 차이만큼 회전력이 극대화된다.

도면은 1차팬(2,2') 위에 고정된 2차축(3,3')을 회전하는 2차팬(4,4')이 풍력에 대해 로우프(6,6')로 규칙적인 힘을 자동으로 주고받는 시스템이기 때문에 유압시스템과 기계적 방식의 시스템도 가능하다.

도 3는 2팬형을 직각으로 교차해 놓은 4팬형 풍력발전 시스템을 위쪽은 정면도와 윗면도이고, 아래쪽은 위쪽의 풍력발전기가 풍력에 의하여 회전 이동했을 때의 모습의 정면도와 밑면도이다.

풍력에 의하여 윗면도와 밑면도의 모습이 서로 교대로 반복되면서 회전하게 된다

풍력발전기에 외부의 힘, 즉 풍력등 유체의 힘이 가해지면 1차축(1)과 1차팬(2,2')은 서로 균형을 이룬 상태에서 2차팬(4,4')은 풍력에 의해 한쪽은 큰 동심원의 지지대(5) 쪽으로 반대편의 다른 한 쪽은 낮은 동심원의 지지대(5')로 이동하여 기댄다.

물론 지지대(5,5')에 기대기 전에도 전체 팬의 길이(1차팬 +2차팬)의 길이의 차이만큼 회전하지만 지지대(5,5')에 한 쪽은 큰 동심원의 지지대(5)에 기대고 그 반대편은 작은 동심원의 지지대(5')에 기댈 때 큰 회전력을 얻을 수 있다.

도 4는 윗면도에서 보는 것처럼 한쪽의 2차팬(4)의 단면적과 길이는 크고 반대편의 2차팬(4')은 길이와 단면적이 작아서 풍력에 의한 회전 효율이 크다.

풍력에 의하여 윗면도의 A의 2차팬(4)이 큰 동심원의 지지대(5)에 기대고 그 반대쪽인 A'의 위치에서의 2차팬(4') 작은 동심원의 지지대(5')에 기대게 되어 풍력이 2차팬(4,4')에 부딪히는 힘이 서로 많은 차이가 나게 되고 그 차이만큼 회전하게 된다.

풍향에 대한 1차팬(2,2')의 위치에 따라 2차팬(4,4')은 언제나 똑 같은 배열로 2차축(3,3')에 의해 이동하고 2차팬(4,4')이 로우프(6,6')에 의하여 2차축(3,3')을 회전하면서 풍력의 힘으로 1차팬(2,2')으로 힘이 전달되면서 1차팬(2,2')과 2차팬(4,4')의 길이의 합의 차이만큼 1차축(1)이 회전한다

도면은 로우프(6,6')에 의한 힘의 교환이지만 서로 평형관계를 이루는 규칙적으로 힘을 주고 받는 시스템이고 회전력과 저항력으로 상호작용하는 풍력을 이용하는 시스템이기 때문에 유압시스템을 적용하는 것도 가능하다. 2팬형의 풍력발전기의 판형이나 원통형 2차팬(4,4')이 주축인 1차축(1)을 기준으로 배열되었을 때 양쪽의 주팬인 1차팬(2,2')과 보조팬인 2차팬(4,4')이 배열과 단면적 그리고 1차팬과 2차팬의 길이를 도시하여 양 쪽의 비교를 쉽게 하였다.

윗면도의 실선과 점선으로 보여주는 팬의 단면적의 차이와 길이의 차이에 의해 회전력이 향상된다.

앞의 도면에서 팬이 지지대에 밀접하게 지지되는 모습을 명확하게 도시하지 못했기 때문에 지지대(5,5')와 2차팬(4,4')이 스프링에 의해서 밀접하게 지지되는 모습을 도시하였지만 실제로 제작할 때는 이보다 더 간단한 방법으로 2차팬과 지지대가 지지되어 힘을 전달하는 풍력발전기를 제작할 수 있다.

도면에서 2(4,4')차팬이 좌우로 이단계 상하로 이단계로 이루어져 있는데 하나의 1차축(1)에 고정된 1차팬(2,2')에 2차축(3,3')과 2차팬(4,4')을 상하 좌우 여러 개로 작게 나눠서 배열하여 1차축(1)과 1차축에 고정된 1차팬(2,2')과 그 이하 부속물을 구조적으로 튼튼하게 제작하면 큰 규모의 풍력 발전기로써 강력한 풍력에도 안전하게 전기를 생산할 수 있다.

그리고 필요에 따라서 현재 많이 이용되고 있는 3팬형 수평형 풍력발전기에서 풍향에 따라서 유압 등의 방식으로 팬의 방향을 풍향에 따라서 조정하듯이 자동 컨트롤러에 의해 여러개로 나뉘어진 2(3,3')차축과 2차팬(4,4')에서 풍력의 세기에 따라서 낮은 풍속일 때는 많은 수의 2차팬을 배열하고 높은 풍속일 때는 적은 수의 2차팬을 배열하는 방식으로 회전수를 조절한다면 낮은 풍속에서는 많은 풍속을 이용할 수 있고 높은 풍속에서는 정격 풍속 이상에서 회전하는 비효율을 방지하고 정격회전으로 회전함으로써 발전기의 마모나 고장을 줄일 수 있어서 좋고 강풍으로부터의 전체 발전기의 안전을 도모할 수 있어서 효율적이다

도 5는 3팬형의 풍력발전기의 윗면도 1차축(1)을 중심으로 회전하는 1차팬(2)의 모습과 1차팬의 위치에 따라 2차축(3)과 2차팬(4)이 로우프(6,6')에 의해 힘을 주고받으면서 풍력에 대해 배열을 달리하는 것을 보여준다.

여기서 특징은 2팬형이나 4팬형이나 그 이상의 짝수의 1차팬을 가진 풍력발 전기는 한 쌍의 로우프(6,6')를 이용하는 2팬형을 겹쳐놓는 방법으로 쉽게 이루어지지만 홀수인 경우에는 대칭되는 점을 모두 찾아서 로우프를 필요에 따라 도면처럼 한 쌍이 아닌 복수개의 쌍으로 연결해주어야만 회전력과 저항력이 2차팬에 의하여 힘의 평형을 이루면서 동시에 1차팬과 이차팬의 길이의 합의 차이에 의하여 회전할 수 있다.

도 6는 이전의 도면은 풍력발전기가 회전하는 이유의 부분만을 강조하다 보니까 전체 구조적인 튼튼함을 무시한 것 같지만 도면처럼 4팬형등의 풍력발전기의 안정성과 튼튼함이 부수적인 문제로 현대의 소재기술과 건축 기술에 의해 아주 간단하게 해결된다.

도 7은 4팬형 풍력발전기이고 그 사이에는 이동중 궤적을 그린 도면으로써 1차축(1)과 1차팬(2,2') 그리고 2차축(3,3')과 2차팬(4,4') 그리고 2차팬을 지지하는 두 개의 지지대(5,5')를 이해를 돕기 위하여 아주 간략하게 도시하였다.

가와 나를 비교하고 다와 라를 비교하면 풍력에 대하여 작은 동심원 쪽 지지대(5')와 큰 동심원 쪽 지지대(5)의 배열된 방향에 따라서 회전방향이 정해지는데 언제나 큰 동심원 쪽의 지지대(5)의 방향으로 회전한다는 것을 알 수 있다.

가와 나와 다와 라의 도면처럼 지지대(5,5')가 큰 동심원과 작은 동심원에 의해 2차팬(4,4')을 지지할 때만 풍향과 1차팬의 위치에 따라서 2차팬의 배열이 서로 반복하여 계속 바뀌어서 전체 1차팬과 2차팬의 길이의 합의 차이가 발생하여 회전력이 발생하지만 마의 경우처럼 두 개의 지지대가 같은 동심원상에 있으면 서로의 힘이 평형을 이루기 때문에 회전을 할 수 없다.

도 8은 도면 6의 풍향이 갑자기 반대로 바뀌었을 때이거나 혹은 도면 6의 배열과 풍력이 정지하였다가 다시 부는 경우에 정 반대되는 형태로 2차팬이 배열되어 있을 때 2차팬의 변화와 1차팬의 변화를 설명이다.

풍향이 갑자기 바뀌면 도면처럼 일단 2차팬이 지지대에 기대어 힘을 전달할 수 있는 위치로 양 2차팬이 로우프에 의해 힘을 견제하며 균형을 맞추면서 이동한다.

2차팬이 풍력을 지지대에 전달할 수 있도록 기대어지면 1차팬과 2차팬으로 부딪히는 풍력의 힘이 1차축에 전달되어 회전하게 된다.

도 9은 위쪽의 도면 (가)는 축에 팬이 고정되어진 반원형 또는 반원통형의 4팬형 수직축 풍력발전기가 회전할 때 큰 동심원과 작은 동심원의 동일한 궤적을 간단하게 도시하였고 아래쪽의 도면 (나)는 1차축(1)에 1차팬(2,2')이 고정되고 1차팬의 동일 거리의 양지점에 2차팬(4,4')이 2차축(3,3')에 고정된 모습과 풍력 방향에 따라 1차축(1)에 대한 1차팬(2, 2')의 위치에 따라서 로우프(6,6')로 상호 힘을 교환하면서 2차팬(4,4')이 변화하는 모습과 궤적을 지지대를 생략한 체 도시하였다.

도면에서 위쪽인 (가)는 언제나 같은 동심원의 위치를 고수하면서 단지 팬의 앞뒤의 저항력의 차이만을 이용하여 회전력을 얻는 회전체이지만, 아래쪽 (나)는 풍력에 대하여 회전력을 얻는 팬의 길이는 가장 길고 저항력으로 작용하는 팬의 길이는 가장 짧을 뿐만 아니라 저항력일 때의 2차팬(4')의 일부 힘은 회전력으로 작용하는 2차팬(4)의 힘으로 일부는 이전한다.

도10 도면 9의 (나)가 풍향이 갑자기 반대 방향으로 바뀌었을 때 1차팬(2,2')과 2차팬(4,4')의 위치와 변화를 나타낸 것이다

풍향이 갑자기 바뀌면 일단 각 1차팬(2,2')이 배열된 위치에 따라서 풍력에 의해 2차팬(4')이 풍향과 동일하려는 힘이 로우프(6,6')에 의해 반대쪽의 2차팬(4)에 전달되어서 가장 길어진 1차팬(2,2')과 2차팬(4,4')의 합의 길이로 회전하는 하는 과정인데 적정한 힘을 교환하면서 풍향에 맞는 배열을 하게 되고 1차팬(2,2')의 위치에 따른 2차팬(4,4')의 배열은 도면 8과 도면 11의 내부 쪽의 도면으로써 풍향에 대한 1차팬(2,2')의 위치의 변화에 따라 2차팬(4,4')의 배열은 언제나 동일하다.

결국 풍향에 대하여 짧은 순간이지만 일단 2차팬(4,4')의 배열이 화살표 방향으로 이동하여 도면 8의 위치로 배열되고 2차(4,4')팬으로 부터 전달받은 풍력 에너지는 1차팬(2,2')과 1차축(1)으로 전달되어 회전하는 힘으로 이용한다.

도 11은 도면 7과 도면 8의 4팬형 풍력발전기의 주축인 1차축(1)과 1차팬(2,2')과 2차축(3,3')과 2차팬(4,4')이 풍력에 의해 변화하는 모습을 그린 것으로써 바깥쪽의 동심원상의 2차팬(4,4')의 변화는 도면 7의 상세한 설명이고 내부 쪽의 2차팬의 변화는 도면 8의 상세한 설명인데 로우프는 이해를 돕기 위하여 필요상 생략하였다.

이 도면에서 보면 풍력의 방향인 풍향에 대하여 1차축(1)을 중심으로 회전하는 1차팬(2,2')의 풍향에 대한 위치에 따라 2차팬(4,4')이 2차축(3,3')을 기준으로 회전하여 배열되는 모습을 알 수 있고 지지대(5,5')의 힘의 전달과정을 이해할 수 있다.

도면에서 A∼C와 이에 대칭점에 있는 A'∼C'가 풍향에 대하여 2차축(3,3')을 회전하는 2차팬(4,4')이 지지대(5,5')에 기대면서 1차팬(2,2')에 풍력을 전달하는 과정을 이해한다 하더라도, C∼A'와 이에 대칭점에 있는 C'∼A의 변화는 이해하기 쉽지 않다.

A∼C의 큰 동심원에 위치하는 지지대(5)에 기대는 2차팬과 작은 동심원에 위치하는 지지대(5')에 기대는 A'∼C'의 2차팬과 비교하면 A∼C의 길이가 더 길고 단면적이 더 큰 상태로 지지대에 기대어 풍력을 받아 높은 효율로 1차축을 회전하게 하던 1차팬 위의 2차팬은 C 지점 이후에는 풍력에 대하여 풍향과 일치하려는 운동성으로 인하여 지지대에서 분리되어지는데 1차축과는 분리되어 2차팬이 2차축을 중심으로 풍력에 의해 배열된다

즉 C∼A'의 2차팬의 위치는 언제나 풍향과 동일한 방향으로 배열된다.

A'∼C'의 작은 동심원의 지지대에 기대어서 가장 짧은 길이와 가장 작은 단면적으로 바람의 저항을 가장 적게 받으면서 회전하던 2차팬이 C' 지점에 이르면서 C'∼A 사이에서는 풍향과는 역방향으로 스스로 배열되는데 그 이유는 대칭점에 있는 C∼A'에서의 2차팬이 풍향에 대하여 일치하여 배열하려는 힘이 로우프에 의해 전달되기 때문이다.

그 힘의 전달과정도 C∼D와 C'∼D'의 힘의 전달과 2차팬의 배열과정이 D∼A'와 D'∼A의 힘의 전달과 2차팬의 배열과정이 약간 다른데 나눠서 설명하면, C∼D와 C'∼D'는 로우프에 의해 팽팽하게 서로 풍력의 힘을 조정하면서 큰 동심원 상에 위 치하는 C∼D의 2차팬이 풍향의 방향과 일치하려는 힘이 작은 동심원의 위치에 있는 C'∼D'의 2차팬이 풍향과 역행하여 일어나려는 힘보다 더 크기 때문에 로우프로 연결되어 조정되는 C'∼D'의 2차팬의 배열은 C∼D의 2차팬의 풍향과 일치하려는 힘에 따르게 되어 풍향과 역방향으로 회전 이동하여 큰 동심원의 지지대 쪽으로 이동 배열된다

D'∼A의 이차팬의 동심원은 D∼A'의 동심원보다 클 뿐만 아니라 2차팬의 배열이 풍향을 맞아 순응하면서 큰 동심원 상에 위치하는 지지대쪽으로 이동 배열하고 또한 D'∼A가 위치하는 2차팬을 포함하는 1차팬의 길이가 D∼A'가 위치하는 2차팬을 포함하는 1차팬의 길이보다 큰 만큼 회전력으로 작용하게 된다.

또 달리 설명하면, 1차축을 중심으로 양쪽으로 흐르는 풍력은 동일하기 때문에 회전력과 저항력은 같은 크기이지만 C∼D의 1차팬은 풍력에 역행하고 C'∼D'의 1차팬은 풍력에 순응하기 때문에 C∼D의 2차팬의 풍력에 일치하려는 힘이 더 크고 그 힘을 로우프에 의해 강제로 전달하기 때문에 C'∼D'의 2차팬이 풍력에 역행하면서 동심원이 큰 지지대 쪽으로 자동 배열하면서 이동하게 된다. 여기서 우리는 예전에는 저항력으로만 작용해서 회전을 방해하던 힘이 오히려 회전력의 일부의 힘으로 작용한다는 것을 알 수 있다.

이러한 1차팬의 위치의 변화와 2차팬의 배열과정이 풍향에 대하여 규칙적으로 배열되면서 1차팬과 2차팬의 합의 길이가 크면서 단면적이 넓어진 상태에서의 회전력과 1차팬과 2차팬의 길이의 합이 작으면서 단면적이 작아진 상태에서의 저항력의 차이만큼 회전 효율이 높은 회전체를 얻을 수 있고 저항력이 오히려 회전력을 증대하는 힘으로 작용하는 고효율의 발전을 할 수가 있다.

이 도면은 2팬형 풍력발전 3팬형 풍력발전 4팬형 풍력발전에서 풍향에 대한 1차축과 2차축의 변화도이기도 하지만 또한 도면 자체로 풍력발전기를 제작하면 효율의 문제는 또 다른 문제로써 자체가 다팬형 풍력발전기가 될 수 있다.

또 하나 특징적인 것은 회전력으로 작용하는 쪽의 풍력과 저항력으로 작용하는 풍력이 서로 공존해야만 하는 시스템이어서 회전력을 높이기 위하여 1차축을 중심으로 저항력이 작용하는 1차팬 방향으로 풍력의 진행을 방해하기 위해 저항력을 최소화하기 위한 어떠한 구조물도 설치해서는 안되는 것도 장점이다.

이 시스템에서는 저항력 쪽으로 작용하는 쪽의 풍력이 저항력으로만 작용하는 것이 아니라 일부는 회전력의 일부 힘으로 작용하는 예비적인 힘이나 잠재적인 힘으로 작용한다는 것은 상술하였는바(C∼D와 C'∼D', D∼A'와 D'∼A), 반드시 1차축을 중심으로 양 방향으로 같은 크기의 풍력이 존재해야 서로 1차축을 기준으로 대칭되는 양 방향의 두 2차팬이 풍력에 의해 서로의 힘을 자동 조절하면서 균형 배열되면서 양 팬의 길이와 단면적이 차이가 생기고 그 차이에 의하여 고효율의 회전력을 생산한다.

도면에서 알 수 있듯이 A∼C 와 A'∼C' 사이에서는 1차팬과 2차팬의 움직임이 1차축을 중심으로 함께 움직이지만 C∼A'와 C'∼A 사이의 2차팬은 1차팬의 1차축에 대한 움직임과 달리 독립하여 2차축을 중심으로 움직인다

도면에서 바깥쪽의 2차팬의 배열과 안쪽의 2차팬의 배열의 차이를 보면 안쪽의 2차팬의 배열은 일단 바깥쪽의 2차팬의 배열의 형태로 회전 이전하여 배열되어 야만 2차팬이 풍력을 받는 에너지를 지지대와 연결된 1차팬에 전달하고 1차축을 회전하게 한다

도 12는 바깥쪽의 2차팬은 로우프로 연결되었고 안쪽의 2차팬은 로우프로 연결되지 않은 상태를 가정하여 비교 도시하였다

바깥쪽은 1차축을 기준으로 대칭되는 양 방향의 2차팬이 로우프에 의해 저항력조차 힘의 팽팽한 균형과 조정과 견제로써 회전력으로 작용하지만 안쪽의 2차팬의 배열은 로우프에 의해 연결되지 않았기 때문에 대칭되는 2차팬이 서로 독립적으로 풍력에 대응하면서 회전하기 때문에 도면에서 알 수 있듯이 A 지점을 지나면서 2차팬만의 자체 회전력으로 소모되는 풍력등을 계산하면 B 지점 가까이 이르러서야 회전력으로 작용하는 힘으로 작용하기 때문에 실질적으로 로우프에 의해 연결되지 않으면 회전력으로 작용하는 풍력은 B∼C 정도의 구간이다.

도 1은 1차팬에 반상자형 2차팬과 반원형의 2차팬이 병렬로 고정된 팬의 길이가 자동 조절되는 풍력등 유체의 흐름에 의한 회전체의 정면도와 윗면도

도 2는 판형의 2차팬이 고정된 회전체의 정면도와 윗면도와 우측면도와 좌측면도

도 3는 판형의 2팬형 회전체 두 개가 직각으로 하나의 1차축으로 고정된 4팬형 회전체의 정면도 윗면도 그리고 풍력에 의하여 1차팬의 이동과 2차팬의 변화된 배열

도 4는 판형의 2차팬과 원통형의 2차팬이 좌우로 두 개 위 아래로 두 개 연속 배열된 2팬형 회전체의 정면도와 윗면도

도 5는 판형의 3팬형 회전체의 윗면도와 로우프의 연결상태 그리고 회전 후의 1차팬의 이동과 2차팬의 배열의 변화

도 6은 4팬형 회전체가 튼튼하게 고정된 상태의 정면도와 윗면도 밑면도

도 7은 4팬형 회전체의 지지대가 서 있는 여러 모습과 2차팬의 변화 모습과 풍력에 대하여 한바퀴 회전할 때의 1차팬과 2차팬의 변화 모습

도 8은 도 7의 4팬형 회전체가 반대 방향의 풍력에 대응하는 1차팬과 2차팬의 배열을 보여주는 윗면도

도 9는 동심원상 4팬형 회전체와 로우프에 의한 1차팬과 2차팬의 길이가 변화하는 회전체의 윗면도

도 10은 도 9의 회전체의 반대방향의 풍향에 대한 1차팬의 위치와 2차팬의 변화

도 11은 2팬형 3팬형 4팬등의 회전체 또는 도면의 회전체 자체가 1회전하는데 풍력에 대한 1차팬의 위치변화와 2차팬의 배열의 변화와 팬의 길이의 변화

도 12는 도 11의 로우프로 풍력에 의한 에너지를 교환하는 회전체의 1회전을 보여주는 바깥쪽의 도면과 로우프가 없는 상태에서의 회전체를 보여주는 안 쪽의 도면

* 도면의 중요부분에 대한 명칭 *

1 : 1차축

2 : 긴 쪽의 1차팬 2' : 짧은 쪽의 1차팬

3 : 긴 쪽의 2차축 3' : 짧은 쪽의 2차축

4 : 긴 쪽의 2차팬 4' : 짧은 쪽의 2차팬

5 : 큰 원의 지지대 5' : 작은 원의 지지대

6 : 큰 원의 지지대를 향하는 2차팬의 면끼리 연결한 로우프

6' : 작은 원의 지지대를 향하는 2차팬의 면끼리 연결한 로우프

7 : 2차팬에서 큰 원의 지지대를 향하는 면

7' : 2차팬에서 작은 원의 지지대를 향하는 면

8, 8' : 도르레

10 : 베어링

11 : 골격 상판

12 : 골격 기둥

Claims (6)

1. 풍력등 유체의 흐름을 이용하여 회전하는 축과 팬에 관한 것으로,

   주축인 1차축에 구조물의 형태로 1차팬이 양쪽으로 고정되고 1차팬의 양쪽의 한 지점에 2차축이 고정되고 2차축을 중심으로 회전하는 2차팬이 고정된 다음 2차축을 기준으로 큰 동심원과 작은 동심원에 될 수 있으면 90도의 각을 이루도록 하여 2차팬의 회전력을 제한하는 지지대를 설치하고 2차팬 중 한 쪽은 큰 동심원 쪽 지지대에 기대게 하고 다른 한 쪽은 작은 동심원 쪽 지지대에 기대게 한 다음, 지지대에 기댄 양 쪽의 2차팬에서 큰 쪽 동심원을 향하는 면끼리 또 작은 쪽 동심원을 향하는 면끼리 서로 로우프를 이용하여 연결하여 팽팽하게 고정한 풍력등 유체의 흐름을 발전에 이용되는 회전체
2. 청구항 1에서 2차축에 고정된 2차팬이 풍력에 의하여 관성에 의한 계속적 회전을 방지하기 위하여 작은 동심원과 큰 동심원에 지지대를 설치함으로써 짧은 길이의 팬과 긴 길이의 팬으로 구성되는 풍력등 유체의 흐름을 발전에 이용되는 회전체
3. 청구항 1에서 팬이 세 개이어서 2팬형의 회전체와는 달리 하나의 팬에서 다른 두 개의 팬에 한 쌍씩 모두 두쌍의 로우프를 이용하여 팽팽하게 2차팬을 연결한 풍력등 유체의 흐름을 발전에 이용되는 3팬형 회전체와 기타 다른 홀수 개의 팬을 갖는 회전체
4. 청구항 1에서 팬이 수가 짝수로써 4팬형 회전체를 서로 직각으로 배열하여 동일한 간격을 유지하게 하는 풍력등 유체의 흐름을 이용하는 4팬형 회전체와 같이 2팬형 회전체를 서로 같은 각을 이루도록 배열하여 고정하여 이루어지는 2의 배수의 팬을 로우프를 이용하여 팽팽하게 연결한 풍력등 유체의 흐름을 발전에 이용되는 회전체
5. 1차축을 기준으로 회전하는 1차팬의 위치에 따라 다른 양의 풍력을 받아들이는 2차팬이 로우프에 의해 힘을 교환하는 방식이 아닌 유압방식으로 교환하는 풍력등 유체의 흐름을 발전에 이용되는 회전체
6. 1차축을 기준으로 회전하는 1차팬의 위치에 따라 다른 양의 풍력을 받아들이는 2차팬이 로우프가 아니고 유압 방식이 아닌 기계적 방식으로 2차팬 서로의 힘을 교환하는 풍력등 유체를 이용하는 발전에 이용되는 회전체

Images