KR20110085619A - 수직축 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로써, 풍차와 발전기 사이에 설치되는 증속기의 기어 배열을 수직축으로 구성하여 기어 배열을 수평축으로 구성하는 것에 비하여 증속기에서 발전기로 보내는 힘의 전달시 저항력을 최소화하고, 전달 동력 토크를 최대화한 소용량 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명의 구성은, 수직회전축을 갖는 풍차와, 상기 수직회전축에 축결합되어 상기 풍차의 회전력을 증속시키는 증속기와, 상기 증속기와 축결합되어 증속된 회전력(운동에너지)을 전달받아 전기에너지로 변환시키는 발전기를 포함하며, 상기 증속기는, 상기 수직회전축의 수직 축선과 동일 축선을 이루며 기어가 축결합된 회전축과, 상기 회전축의 수직 축선과 평행한 축선을 가지며 적어도 하나의 기어가 축결합된 복수 개의 회전축을 포함하여 구성된다.

Description

수직축 풍력발전기{VERTICAL WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍차와 발전기 사이에 설치되는 증속기의 기어 배열을 수직축으로 구성하여 증속기에서 발전기로 보내는 힘의 전달시 저항력을 최소화하고, 전달 동력 토크를 최대화한 소용량 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전은 자연의 바람으로 풍차를 돌리고, 이것을 기어 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리는 발전 방식을 말한다. 이때, 날개의 이론상 바람의 에너지 중 59.3%만이 전기에너지로 바뀔 수 있는데 이것도 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20 ~ 40%만이 전기에너지로 이용될 수 있다.
근래에 유럽국가들에서는 풍력발전기 설치 보급이 급속히 증가함에 따라 2020년에는 풍력발전이 전 유럽국가 발전량의 10%에 이를 것으로 전망하고 있으며, 현재까지 분석된 자료에 의하면 풍력시스템은 그 기술력이 확립되어 발전단가가 낮아져 전력생산 단가에서도 화석 연료와 경쟁이 가능하며, 더욱이 생산된 에너지는 친환경 무공해 에너지임을 고려할 때 전세계적으로 보급이 급속도로 확대될 것으로 판단된다.
한편, 풍력발전기는 풍차날개의 설치형상에 따라 수평형과 수직형으로 구분된다. 우리 나라의 경우 강풍이 장시간 동안 일정하게 부는 지역이 별로 없기 때문에, 작은 풍압을 이용하여 풍차를 회전시키는 데에 적합한 수직형 풍력발전기를 사용하는 것이 효율적이며, 수직형 풍력발전기는 풍차 설치가 간단하므로 주택옥상 또는 저수조 상부에도 설치할 수가 있어 공간활용이 용이하고, 강풍이 많은 해안가의 주택이나 등대에도 설치하기 적합하며, 수직축 풍력발전기에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 주된 목적은 수직축 풍력발전기의 증속기 기어의 배열을 수직축으로 하여 증속기에서 발전기로 힘의 전달시 저항력을 최소화하고, 전달 동력 토크를 최대화한 수직축 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 대용량의 풍력발전기가 아닌 일반적으로 널리 상용화할 수 있는 소용량의 수직축 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 수직축 풍력발전기는, 수직회전축을 갖는 풍차와, 상기 수직회전축에 축결합되어 상기 풍차의 회전력을 증속시키는 증속기와, 상기 증속기와 축결합되어 증속된 회전력(운동에너지)을 전달받아 전기에너지로 변환시키는 발전기를 포함하며, 상기 증속기는, 상기 수직회전축의 수직 축선과 동일 축선을 이루며 기어가 축결합된 회전축과, 상기 회전축의 수직 축선과 평행한 축선을 가지며 적어도 하나의 기어가 축결합된 복수 개의 회전축을 포함하여 구성됨으로써 달성된다.
이때, 상기 수직회전축에 축결합되며, 제1원동기어가 축결합된 제1회전축; 상기 제1원동기어에 치합되어 상기 제1회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제1종동기어와 제2원동기어가 축결합된 제2회전축; 상기 제2원동기어에 치합되어 상기 제2회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제2종동기어와 제3원동기어가 축결합된 제3회전축; 상기 제3원동기어에 치합되어 상기 제3회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제3종동기어가 축결합됨과 동시에 회전축의 일단부가 발전기에 결합된 제4회전축; 및 상기 제1회전축, 상기 제2회전축, 상기 제3회전축 및 상기 제4회전축이 내설되는 하우징;을 포함하며, 상기 제1원동기어에서 상기 제3원동기어로 갈수록 직경이 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하우징에는 상부 일측에 상기 하우징 내부로 윤활유를 주입하기 위한 윤활유주입구와 하부 일측에 상기 하우징 내부로 주입된 윤활유를 배출하기 위한 윤활유배출구와 윤활유 주입시 상기 하우징 내부의 공기를 배출하는 공기배출구가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1원동기어의 직경은 248㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 62개이고, 상기 제2원동기어의 직경은 232㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 116개이며, 상기 제3원동기어의 직경은 148㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 74개이고, 상기 제1종동기어의 직경은 80㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 20개이며, 상기 제2종동기어의 직경은 36㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 18개이고, 상기 제3종동기어의 직경은 50㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 25개인 것을 특징으로 한다.
이상에서 상술한 본 발명에 따르면, 증속기의 기어의 배열을 수직축으로 형성하여 증속기에서 발전기로의 힘의 전달시 기어의 수평배열에 비하여 저항력을 최소화하고, 전달 동력 토크를 최대화할 수 있으며, 시장에 상용화되어 널리 퍼져있는 수평축 풍력발전기를 대체하여 전기 발생효율이 높고, 조립 및 수리가 간편한 수직축 풍력발전기의 개발이 시급한 시점에서 소용량의 수직축 풍력발전기를 보급하여 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 일실시예에 의한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 일실시예에 의한 하우징 내부의 기어의 배열상태를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 일실시예에 의한 하우징 내부의 기어의 배열상태를 나타낸 또 다른 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명인 수직축 풍력발전기는 수직회전축(11)을 갖는 풍차(10)와, 상기 수직회전축(11)에 축결합되어 상기 풍차(10)의 회전력을 증속시키는 증속기와, 상기 증속기와 축결합되어 증속된 회전력(운동에너지)을 전달받아 전기에너지로 변환시키는 발전기(20)를 포함하여 구성되며, 이때, 상기 증속기는 상기 수직회전축(11)의 수직 축선과 동일 축선을 이루며 기어가 축결합된 회전축과, 상기 회전축의 수직 축선과 평행한 축선을 가지며 적어도 하나의 기어가 축결합된 복수 개의 회전축을 포함하여 구성된다.
즉, 상기 증속기는 풍차(10)의 수직회전축(11) 및 발전기(20) 사이에 결합되어, 상기 풍차(10)의 회전에 따른 회전수를 증속시켜 상기 발전기(20)로 전달하고, 상기 발전기(20)에서 생성된 전기에너지를 축전하는 것으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 풍차(10)의 수직회전축(11) 하단부에는 하우징(500)의 상단부 일측으로 돌출형성된 제1회전축(100)의 상단부가 축결합되고, 상기 제1회전축(100)의 하단부는 상기 하우징(500)에 회전가능하도록 내설되되 제1원동기어(110)가 축결합되어 구성된다.
또한, 상기 풍차(10)의 회전에 따른 상기 수직회전축(11)의 회전에 따라 상기 제1회전축(100)이 회전하며, 상기 제1원동기어(110)에 치합되어 연동회전하는 제1종동기어(220)가 하단부에 결합되고, 상단부에 상기 제1원동기어(110)보다 작은 반경을 갖는 제2원동기어(210)가 축결합된 제2회전축(200)이 상기 하우징(500)에 회전가능하게 내설된다.
또한, 상기 제2원동기어(210)에 치합되어 상기 제2회전축(200)의 회전시 연동되어 회전하는 제2종동기어(320)가 상단부에 형성되고, 하단부에 상기 제2원동기어(210)보다 작은 반경을 갖는 제3원동기어(310)가 축결합된 제3회전축(300)이 상기 하우징(500)에 회전가능하게 내설된다.
또한, 상기 제3원동기어(310)에 치합되어 상기 제3회전축(300)의 회전시 연동되어 회전하는 제3종동기어(410)가 축결합됨과 동시에 상기 하우징(500)에 회전가능하게 결합되고, 회전축의 하단부가 상기 하우징(500)의 하부 타측으로 돌출형성된 제4회전축(400)은 발전기에 결합된다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 기어(110, 210, 220, 310, 320, 410)의 배열은 수평축이 아닌 수직축으로 형성된며, 상기 기어들은 평기어를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1회전축(100), 상기 제2회전축(200), 상기 제3회전축(300) 및 상기 제4회전축(400)의 축 중심은 동일선상에 위치되도록 설치하는 것이 바람직하다.
한편, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(500)에는 상부 일측에 상기 기어들의 회전시 마찰로 인한 저항을 줄이기 위하여 상기 하우징(500) 내부로 윤활유를 주입하기 위한 윤활유주입구(510)와 상기 하우징(500) 내부의 공기를 배출하기 위한 공기배출구(530) 및 상기 하우징(500)의 하부 일측에 상기 하우징(500) 내부로 주입된 윤활유를 배출하기 위한 윤활유배출구(520)가 형성된다.
따라서, 본 발명인 증속기의 작동시 상기 윤활유주입구(510)로 윤활유를 주입하여 사용하게 되며, 상기 윤활유주입구(510)에는 상기 하우징(500) 내부의 윤활유의 양을 계측하기 위한 윤활유게이지가 함께 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(500)의 상부는 나사 등의 결합수단으로 결합되어 있으며, 상기 증속기의 점검시 상기 윤활유배출구(520)를 통해 상기 하우징(500) 내부의 윤활유를 배출시킨 후, 상기 나사 등을 분리하여 증속기 내부를 점검하게 된다.
한편, 상기 제1원동기어(110)의 직경은 248㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 62개이고, 상기 제2원동기어(210)의 직경은 232㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 116개이며, 상기 제3원동기어(310)의 직경은 148㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 74개이고, 상기 제1종동기어(220)의 직경은 80㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 20개이며, 상기 제2종동기어(320)의 직경은 36㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 18개이고, 상기 제3종동기어(410)의 직경은 50㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 25개로 구성하는 것이 바람직하며, 상기와 같은 구성으로 증속기를 제작하여 작동상태를 시험한 결과는 다음과 같다.
▶ 입력 측 회전수 대 출력 측 회전수 비율
구분 입력 회전수(RPM) 출력 회전수(RPM) 비고


무부하시 시험

 1 60
접촉식 RPM측정기로 측정
2 120
3 181
4 242
5 301
증속기의 제작 완료 후 입력 측에 부하를 걸지 않을 시에 증속기의 작동상태를 점검하였으며, 증속기의 작동상태는 윤활유의 주입에 약간의 저항성을 나타냈지만 전반적인 작동상태는 정상적으로 동작하였다.
또한, 증속기를 1㎾급 풍력발전기에 적용하여 작동 상태를 시험하였고, 풍력발전기에 적용하여 전체적인 발전상태에 따른 이상 유무를 시험하였으며, 이에 대한 측정 결과는 다음과 같다.
▶ 과부하시 부하비율 시험
구분 풍속(m/s) 입력회전수
(RPM)		 출력회전수
(RPM)		 순간 전기
발생량(㎾/h)		 비고


1㎾급 풍력발전기에 적용
 1.5 0.5 27 0.15
2.4 1 61 0.87
3.2 2 122 1.32
4.4 3 187 1.35
5.8 6 363 1.38
풍력발전기의 전체 회전수(RPM)가 풍속에 따라 변화하였을 시, 이에 따르는 증속기의 회전수의 변화 및 전기 발생량을 측정하였다.
이상에서 본 발명을 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예를 한정하지 아니하며, 실용신안등록청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
10 : 풍차 11 : 수직회전축
20 : 발전기
100 : 제1회전축 110 : 제1원동기어
200 : 제2회전축 210 : 제2원동기어
220 : 제1종동기어
300 : 제3회전축 310 : 제3원동기어
320 : 제2종동기어
400 : 제4회전축 410 : 제3종동기어
500 : 하우징 510 : 윤활유주입구
520 : 윤활유배출구 530 : 공기배출구

Claims (4)

  1. 수직회전축을 갖는 풍차와,
    상기 수직회전축에 축결합되어 상기 풍차의 회전력을 증속시키는 증속기와,
    상기 증속기와 축결합되어 증속된 회전력(운동에너지)을 전달받아 전기에너지로 변환시키는 발전기를 포함하며, 상기 증속기는,
    상기 수직회전축의 수직 축선과 동일 축선을 이루며 기어가 축결합된 회전축과, 상기 회전축의 수직 축선과 평행한 축선을 가지며 적어도 하나의 기어가 축결합된 복수 개의 회전축을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증속기는,
    상기 수직회전축에 축결합되며, 제1원동기어가 축결합된 제1회전축;
    상기 제1원동기어에 치합되어 상기 제1회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제1종동기어와 제2원동기어가 축결합된 제2회전축;
    상기 제2원동기어에 치합되어 상기 제2회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제2종동기어와 제3원동기어가 축결합된 제3회전축;
    상기 제3원동기어에 치합되어 상기 제3회전축의 회전시 연동되어 회전하는 제3종동기어가 축결합됨과 동시에 회전축의 일단부가 발전기에 결합된 제4회전축; 및
    상기 제1회전축, 상기 제2회전축, 상기 제3회전축 및 상기 제4회전축이 내설되는 하우징;
    을 포함하여 구성되되, 상기 제1원동기어에서 상기 제3원동기어로 갈수록 직경이 작게 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하우징에는,
    상부 일측에 상기 하우징 내부로 윤활유를 주입하기 위한 윤활유주입구와 하부 일측에 상기 하우징 내부로 주입된 윤활유를 배출하기 위한 윤활유배출구와 윤활유 주입시 상기 하우징 내부의 공기를 배출하는 공기배출구가 더 구비된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1원동기어의 직경은 248㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 62개이고, 상기 제2원동기어의 직경은 232㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 116개이며, 상기 제3원동기어의 직경은 148㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 74개이고, 상기 제1종동기어의 직경은 80㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 20개이며, 상기 제2종동기어의 직경은 36㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 18개이고, 상기 제3종동기어의 직경은 50㎜, 압력각은 20도, 톱니수는 25개인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
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