KR20110127346A - 자기부상 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기부상 풍력발전기에 관한 것으로서 보다 상세하게는 자석의 (N, S극) 반발력에 의해 회전되는 마그네트에 경사면과 무게추를 설치하여 작은 힘으로도 회전토오크가 증대되도록 한 자기부상 풍력발전기에 관한 것인바 본 발명은 두 마그네틱수단의 반발력에 의해 부상되도록 설치되고 풍력에 의해 회전날개가 회전하여 전기를 생성시키는 자기부상 풍력발전기에 있어서, 상하로 마주보게 설치되는 두 마그네틱수단에는 마주보는 면에 경사각을 갖도록 경사면을 형성하고 상기 마그네트수단의 경사면 일측에 무게추를 설치한 것에 그 특징이 있다.

Description

자기부상 풍력발전기{Magnetic levitation Wind Turbine}
본 발명은 자기부상 풍력발전기에 관한 것으로서 보다 상세하게는 자력의 (N, S극) 반발력에 의해 회전되는 자석에 경사면과 무게추를 설치하여 작은 힘으로도 회전이 가능하도록 한 자기부상 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전은 크게 수평날개 구조를 이용하는 수평식 풍력발전과 수직날개를 이용한 수직형 풍력발전으로 구분되는데, 이 중 수평날개를 이용하는 방식은 수평의 3개의 커다란 날개를 회전시킴으로써 발전을 하는 것으로, 바람의 세기가 강한 지역에서만 정격발전(10m/s 이상)이 가능하게 된다.
또한 비교적 저속의 바람에서도 풍력발전이 가능한 수직형 풍력발전의 경우 바람을 접촉하는 날개의 구조가 수평식 풍력발전에 비해 넓은 분포도를 가지며 다익인 관계로 과도한 날개의 무게로 말미암아 기계적 마찰로 인한 에너지 손실을 피할 수 없는 등의 단점도 있으나, 바람은 이용할 수 있는 에너지의 양이 막대하고, 공해를 유발하지 않는 등의 장점이 있어 우리나라를 비롯하여 입지조건이 우수한 환경을 갖춘 나라들에서는 미래의 대체에너지원으로 크게 각광받고 있다.
특히 수직형 풍력발전의 경우 바람의 세기가 수평형에 비해 상대적으로 저속에서의 회전임에도 불구하고, 과도한 날개와 이를 구성하는 몸체의 무게로 인해 기계적 마찰손실을 줄이려 날개의 재질을 폴리카보네이트 등의 가벼운 플라스틱 계열의 재료를 사용하여 첨부도면 도 1에 도시된 바와 같이 자력의 반발력에 의해 부상되도록 설치되는 한 쌍의 자석으로 이루어진 제1자기부상수단(100) 및 제2자기부상수단(200)이 각각 내부에 공간부를 갖는 외통체(300)의 상·하부에 제1자기부상수단(100) 및 제2자기부상수단(200)이 연결설치된다.
한편 상기 외통체(300) 내측에는 상·하부에 설치된 제1 및 제2자기부상수단(100)(200)과 연결 설치되며 상단부에는 단일체의 날개로 이루어진 회전날개(500)가 연결 설치되는 연결부(410)가 구비된 내통체(400)가 설치된다.
상기한 종래 자기부상 풍력발전기는 자력(N, S극)의 반발력에 의해 회전되는 자석이 서로 마주보게 설치되어 있어 반발력(척력)은 크게 작동되어 부상의 효과는 높다고 할 수 있으나 작은 힘으로 충분한 동력을 이끌어내는데 문제점을 드러내고 있다. 또한 회전날개가 단일체 또는 일체형으로 이루어져 있어 강한 바람을 맞을 때에는 회전날개가 파손되는 문제점도 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 감안하여 안출한 것으로서 본 발명의 목적은 작은 풍력으로도 회전력 및 회전토오크가 증대되어 발전이 용이하게 이루어지며 장시간 자석을 사용할 수 있으며, 소음 및 마찰력이 감소되는 등의 이점이 있는 자기부상 풍력발전기를 제공하는데 있다.
또한 상기 회전날개가 2개 이상으로 분할되고 분할된 회전날개는 탄성이 있는 연결부재에 의해 연결되어 강풍에 의해 일정한 각도로 꺽여 회전되다가 작은 바람에 의해 수평상태를 유지하도록 함으로서 회전날개가 파손되는 것을 방지하는 등의 이점이 있는 자기부상 풍력발전기를 제공하는데 있다.
상기한 본 발명의 목적은 자기부상 풍력발전기에 있어서, 자력의 반발력에 의해 부상되도록 설치되는 한 쌍의 자석으로 이루어진 제1 및 제2자기부상수단과; 상·하부에 설치된 상기 제1 및 제2자기부상수단과 연결되는 외통체와; 상기 외통체 내측에 설치되며 상·하부에 설치된 상기 제1 및 제2자기부상수단과 연결 설치되는 상단부에 회전날개가 연결 설치되는 연결부가 구비된 내통체와; 상기 외통체와 내통체 사이에 설치되되 제1수평자석은 외통체의 내측에 제2수평자석은 내통체의 외측에 고정 설치되어 자력의 반발력에 의해 회전 토크를 증대 시키는 토크증대수단과; 상기 내통체를 관통하는 회전축과; 상기 연결부에 날개편이 2개 이상으로 분할되고 분할된 날개편은 탄성이 있는 연결부재에 의해 연결되어 강풍에 의해 일정한 각도로 꺽여 회전되다가 작은 바람에 의해 수평상태를 유지하도록 한 회전날개를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 제1수평자석과 제2수평자석이 마주보는 면에 경사면을 형성한 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 제1수평자석과 제2수평자석에는 무게추가 서로 대각선 방향에 대향되게 설치된 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 무게추가 비철금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 무게추가 납으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 회전날개를 2단 이상 설치한 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 외통체와 내통체가 서로 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
상기 회전축과 연결된 구동모터를 충전된 배터리를 이용하여 작동하는 보조동력수단 및 상기 회전축이 초기구동하지 않는 동안 상기 보조동력수단의 배터리의 전원을 한시적으로 인가하는 알고리즘을 추가로 구비하는 모터제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기에 의하여 달성된다.
이와 같은 본 발명은 작은 풍력으로도 회전력 및 회전토오크가 증대되어 발전이 용이하게 이루어지며 장시간 자석을 사용할 수 있고 소음 및 마찰력이 감소되는 등의 이점이 있으며, 또한 상기 회전날개가 2개 이상으로 분할되고 분할된 회전날개의 날개편은 탄성이 있는 연결부재에 의해 연결되어 강풍에 의해 일정한 각도로 꺽여 회전되다가 작은 바람에 의해 수평상태를 유지하도록 함으로서 회전날개가 파손되는 것을 방지하는 등의 이점이 있는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 일반적인 자기부상 풍력발전기의 자기부상 구조 및 회전날개의 구조를 보여주는 개략도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 자기부상 풍력발전기의 구조를 보여주는 개략도.
도 3은 본 발명인 자기부상 풍력발전기의 자기부상 구조를 보여주는 단면도.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명인 자기부상 풍력발전기의 회전날개의 구조를 보여주는 정면도 및 평면도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 예시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부도면 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 자기부상 풍력발전기의 구조를 보여주는 개략도로서 이에 따르면 본 발명의 자기부상 풍력발전기(1)는 자력의 반발력에 의해 부상되도록 설치되는 한 쌍의 자석으로 이루어진 제1자기부상수단(10) 및 제2자기부상수단(20)이 각각 내부에 공간부를 갖는 외통체(30)의 상·하부에 제1 및 제2자기부상수단(10)(20)이 연결설치된다.
한편, 상기 외통체(30) 내측에는 상·하부에 설치된 상기 제1 및 제2자기부상수단(10)(20)과 연결 설치되며 상단부에는 회전날개(50)가 연결 설치되는 연결부(41)가 구비된 내통체(40)가 설치된다.
상기 외통체(30) 및 내통체(40)에 설치된 제1 및 제2자기부상수단(10)(20)의 구조는 원판형태의 자석이 적층형태로 설치되되 두 자석이 일정한 거리를 유지할 수 있도록 이격되게 설치되며 서로 마주보는 면은 극성이 같은 자력에 의해 척력이 발생되게 설치되어 있다.
상기 외통체(30)와 내통체(40) 사이에는 제1수평자석(61)은 외통체(30)의 내측에 제2수평자석(62)은 내통체(40)의 외측에 고정 설치되어 자력의 반발력에 의해 회전 토크를 증대시키는 토크증대수단(60)이 설치되며, 상기 내통체(40)를 관통하는 회전축(70)이 설치된다.
상기 연결부(41)에는 회전날개(50)가 2개 이상으로 분할되고 분할된 날개편(51)(52)은 탄성이 있는 연결부재(53)에 의해 연결되어 강풍에 의해 일정한 각도로 꺽여 회전되다가 작은 바람에 의해 수평상태를 유지하도록 한 회전날개를 포함하여 이루어진 구조이다.
한편, 상기 제1수평자석(61)과 제2수평자석(62)의 구조는 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같이 마주보는 면에 경사면(61a)(62a)을 형성하며, 상기 제1수평자석(61)과 제2수평자석(62)에는 무게추(80)가 서로 대각선 방향에 대향되게 설치되어 있으며, 상기 무게추(80)는 비철금속으로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.
첨부도면 도 5에 도시된 바와 같이 상기 회전날개(50)를 병렬로 2단 이상 설치하면 전력 생산량을 높일 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 작동을 살펴보면 외통체(30)와 내통체(40)에 연결 설치된 제1 및 제2자기부상수단(10)(20)에 의하여 외통체(30) 내부에서 내통체(40)가 자기부상하게 된다.
이때 바람이 불어 회전날개(50)를 회전시키면 내통체(40)는 자기부상된 상태에서 회전하게 된다. 상기 내통체(40)의 회전력이 증대되는 이유는 상기 제1수평자석(61)은 외통체(30)의 내측에 제2수평자석(62)은 내통체(40)의 외측에 고정 설치되어 자력의 반발력에 의해 서로 밀어내기 때문에 회전방향이 서로 반대가 되므로 내통체(40)의 회전 토크가 증대된다.
상기 토크증대수단(60)의 작동을 구체적으로 살펴보면 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같이 먼저 제1수평자석(61)과 제2수평자석(62)의 자력에 의하여 서로 밀어내려는 힘(척력:斥力)이 발생된다.
상기 제1수평자석(61)과 제2수평자석(62)에 가상의 수평중심선 "0"을 그어 놓고 볼 때 제2수평자석(62)의 중심은 상부방향으로 "O1" 지점에 L1 거리만큼 치우쳐 위치하게 되고 제1수평자석(61)의 중심은 하부방향으로 "02" 지점에 "L2" 거리만큼 치우치게 위치하게 되어 있어 자석의 성질인 같은 극 끼리 밀어내려는 힘(척력:斥力)이 항상 작용 되고 있기 때문에 가상의 중심선 "0"을 중심으로 회전하려고 하는 힘 F가 항상 작용하게 된다.
한편, 상기 척력이 발생하고 있는 제1수평자석(61) 및 제2수평자석(62)의 회전력을 극대화시키기 위하여 내통체 내부를 진공상태로 만들어 각 자석의 회전시 공기저항을 최소로 하는 것이 바람직하다.
상기 수평상태로 마주보게 설치되는 토크증대수단(60)의 제1수평자석(61) 및 제2수평자석(62)이 마주보는 면에 경사각을 갖는 경사면(61a)(62a)을 형성하도록 구성되어 있기 때문에 작은 힘으로도 마주보게 설치된 제1수평자석(61)이 용이하게 회전되게 되며, 더욱이 상기 제1수평자석의 경사면(61a)에 일측에 무게추(80)를 설치하면 회전력 및 회전토오크를 증대시킬 수 있게 된다.
더욱이 상기 무게추(80)는 자력의 영향을 받지 않는 비철금속으로 설치하는 것이 바람직하다.
상기 무게추(80)를 서로 대향되게 설치하는 것은 회전 밸런스(balance)를 유지시키기 위함이며 무게추(60)의 재질이 비철금속, 특히 납으로 이루어지는 경우에는 자석일부분의 자력을 차단하게 되어 상기 제1수평자석(61)과 제2수평자석(62)간의 척력의 균형이 깨어져 약한 바람에 의해서도 초기 구동이 쉬워지는 효과를 부여할 수 있다.
또한, 상기 회전날개(50)를 2개 이상으로 분할하고 분할된 회전날개(51)(52)를 탄성이 있는 연결부재(53)에 의해 연결하면 첨부도면 도 4a에 도시된 바와 같이 미풍이 불 때에는 통상의 회전날개(50)와 같이 날개가 수평상태를 유지하면서 바람을 받아 회전한다.
그러나 첨부도면 도 4b에 도시된 바와 같이 강풍이 회전날개(50)에 붙딪히면 강풍에 의해 회전날개(50)에 전단응력이 발생하게 되어 회전날개(50)가 파손된다. 따라서 상기 회전날개(50)를 2개 이상으로 분할하고 분할된 회전날개(51)(52)를 탄성이 있는 연결부재(53)에 의해 연결하면 회전축(40)을 중심으로 안쪽에 위치한 분할된 회전날개(51)는 변형되지 않으나 연결부재(53)에 의해 연결된 바깥쪽 회전날개(52)가 바람이 부는 방향으로 꺾여 파손이 방지된다.
이때 회전축(70)을 중심으로 안쪽에 위치한 날개편(51)보다 바깥쪽 날개편(52)의 길이가 길게 형성되는 것이 바람직하다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 회전날개(50)가 2개 이상으로 분할되고 분할된 날개편(51)(52)은 탄성이 있는 연결부재(53)에 의해 연결되어 강풍에 의해 일정한 각도로 꺽여 회전되다가 작은 바람에 의해 수평상태를 유지하도록 한 가변형 날개를 형성하여 회전날개(50)가 파손되는 것을 방지하게 된다.
한편, 첨부도면 도 5는 본 발명의 다른 실시예를 보여주는 예시도로서 본 발명의 풍력발전기에서 회전날개를 2단 이상 설치하면 바람직한데, 특히 도 6과 같이 상기 외통체와 내통체가 서로 반대 방향으로 회전하도록 외통체와 내통체에 형성된 날개편을 반대방향으로 형성하여 소량의 풍량에 의해서도 전력 생산량을 높일 수 있다.
이와 같이 2단 이상의 회전날개가 형성된 경우 바람이 불어 회전날개(52)를 회전시키면 외통체(30)는 자기부상된 상태에서 회전하게 된다. 또한, 상기 외통체(30)에 형성된 회전날개와 반대방향으로 내통체(40)에 형성된 회전날개(57)가 회전함에 따라 내통체(40)가 상기 외통체(30)과 반대방향으로 회전하게 된다. 풍력이 약한 경우에도 상기 토크증대수단(60)에 의하여 외통체(30)는 내통체(40)의 회전 반대방향으로 용이하게 회전하게 된다.
그 이유는 상기 제1수평자석(61)은 외통체(30)의 내측에 제2수평자석(62)은 내통체(40)와 고정결합된 회전축(70)의 외측에 고정 설치되어 자력의 반발력에 의해 서로 밀어내기 때문에 회전방향이 서로 반대가 되므로 회전 토크가 증대되기 때문이다.
한편, 제1수평자석(61) 및 제2수평자석(62)의 경사면(61a)(62a) 일측에 무게추(80)를 각각 설치하되 외통체(30)와 내통체(40)가 회전 가능하도록 설치하면 회전력 및 회전토오크를 더욱더 증대시킬 수 있게 된다.
도면상에는 미도시되어 있지만 상기 외통체(30)와 내통체(40)에는 코일과 전자석이 연결 설치되어 기전력을 발생되도록 연결 설치되어 있다.
또한, 본 발명의 풍력발전기에서 상기 회전축(70)과 연결된 구동모터를 충전된 배터리를 이용하여 작동하는 보조동력수단 및 상기 회전축이 초기구동하지 않는 동안 상기 보조동력수단의 배터리의 전원을 한시적으로 인가하는 알고리즘을 추가로 구비하는 모터제어기를 추가로 포함하여 회정날개를 초기구동하는데 필요한 풍속에 미치지 못하는 경우에 상기 회전날개를 초기구동할 수 있다.
10,20 : 마그네틱수단 30,40 : 회전축
50 : 회전날개 51,52 : 날개편
53 : 연결부재 60 : 무게추
70 : 회전축

Claims (8)

  1. 자기부상 풍력발전기에 있어서
    자력의 반발력에 의해 부상되도록 설치되는 한 쌍의 자석으로 이루어진 제1 및 제2자기부상수단과;
    상·하부에 설치된 상기 제1 및 제2자기부상수단과 연결되는 외통체와;
    상기 외통체 내측에 설치되며 상·하부에 설치된 상기 제1 및 제2자기부상수단과 연결 설치되는 상단부에 회전날개가 연결 설치되는 연결부가 구비된 내통체와;
    상기 외통체와 내통체 사이에 설치되되 제1수평자석은 외통체의 내측에 제2수평자석은 내통체의 외측에 고정 설치되어 자력의 반발력에 의해 회전 토크를 증대시키는 토크증대수단과;
    상기 내통체를 관통하는 회전축과;
    상기 연결부에 날개편이 2개 이상으로 분할되고 분할된 날개편은 탄성이 있는 연결부재에 의해 연결되어 강풍에 의해 일정한 각도로 꺽여 회전되다가 작은 바람에 의해 수평상태를 유지하도록 한 회전날개를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1수평자석과 제2수평자석이 마주보는 면에 경사면을 형성한 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1수평자석과 제2수평자석에는 무게추가 서로 대각선 방향에 대향되게 설치된 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 무게추가 비철금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 무게추가 납으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전날개를 2단 이상 설치한 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 외통체와 내통체가 서로 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 회전축과 연결된 구동모터를 충전된 배터리를 이용하여 작동하는 보조동력수단 및 상기 회전축이 초기구동하지 않는 동안 상기 보조동력수단의 배터리의 전원을 한시적으로 인가하는 알고리즘을 추가로 구비하는 모터제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상 풍력발전기.
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