KR20120117282A - 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력에 의한 운동에너지로부터 전기에너지를 생산하기 위한 풍력 발전용 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전기의 스테이터축에 코일체을 배치하고, 상기 스테이터축의 주변으로 자석체를 갖는 로터하우징을 형성하며, 상기 로터하우징을 이용하여 방사상으로 회전날개를 고정 형성하고, 상기 스테이터축의 상,하측에는 연결플랜지를 갖는 중심축을 고정 형성하되, 상기 중심축의 내측으로 스테이터축의 코일체가 배선되도록 구성함으로써,
수직으로 연속하여 적층 가능하므로 최소의 점유 면적으로도 대규모의 발전 시설이나 발전 타운의 구축이 가능한 것이고, 단일 개체의 지주 상에 다수의 종축형 터빈이 장착되어 있으므로 발전량 역시 비례적으로 증가하여 매우 효율적인 것이며, 상하 대칭형의 구조로 인해 조립성 및 제작성이 우수하면서도 시공성이 탁월한 장점을 갖고 있으면서도 각종 전력선이나 코일선 등이 외부로 전혀 드러나지 아니하므로 구조적인 안정성은 물론 외관 품질 역시 매우 우수한 특징을 연출하게 되는 것이다.

Description

수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈 {Vertical axis wind turbine which is vertically stackable}

본 발명은 풍력에 의한 운동에너지로부터 전기에너지를 생산하기 위한 풍력 발전용 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전날개와 발전기가 일체화 결합되면서도 발전기의 로터하우징을 이용하여 상,하의 중심축을 고정 형성함에 따라, 상기 중심축을 이용한 종축형 터빈의 수직 적층이 가능하여 이들 종축형 터빈의 수직 적층으로 인해 최소화된 면적으로도 대규모의 발전 설비 및 발전 타운 등의 구축이 가능하여 천연자원을 이용한 전기에너지의 효율적 생산이 가능한 것이다.

일반적으로 발전용 터빈이라 함은 바람에 의해 작동하는 회전체의 운동에너지를 전기에너지로 전환시키는 것을 지칭하는 것으로서, 회전체에 작용하는 운동에너지를 발전장치(이하, 발전기)의 회전운동으로 전달함에 따라 발전장치의 회전운동으로부터 전기를 생산하도록 한 것이다.

여기서, 상기의 발전기는 통상적으로 자성체를 갖는 로터와 코일체를 갖는 스테이터(특성에 따라 자성체와 코일체가 반대로 적용될 수도 있음)로 이루어져 있어 로터의 회전에 따라 스테이터의 코일체로 전하가 유기됨에 따라 전기의 생산이 이루어지게 되는 것이다.

이와 같은 발전용 터빈은 통상적으로 횡축형 터빈이 가장 보편적이면서도 널리 사용되는 것인데, 횡축형 터빈의 경우 지면으로부터 수직으로 세워 설치되는 지주의 선단에 횡방향으로의 중심축을 결합 형성하고, 상기 중심축의 일측 끝단에는 다수의 회전날개를 결합 형성함으로써, 바람의 저항에 의해 상기의 회전날개가 구동을 시작하게 되면 회전날개가 장착된 중심축의 회전운동력이 발전기로 전달되게 하여 전기를 생산할 수 있도록 하고 있는 것이다.

그러나, 상기와 같은 횡축형 터빈은 회전날개가 지주의 선단으로부터 편향 설치되어 있으므로 바람의 방향이 바뀌는 경우에는 신속하고 효과적인 방향 전환이 이루어지지 못하는 문제점을 갖고 있는 것이고, 바람이 약하게 부는 경우에는 비교적 대형인 회전날개를 구동시키지 못하는 것이며, 바람이 강하게 부는 경우에는 회전날개에 작용하는 저항력이 지나치게 커져 내부 구성품에 대한 상호 간의 연결부 및 발전기와 지주에 상당한 무리가 발생하게 되므로 잦은 고장 및 사용수명의 저하에 대한 원인으로 작용하게 되는 것이다.

또한, 상기의 회전날개는 지주의 선단으로부터 일측으로 편향 결합되어 있으므로 지주에 작용하는 편심 하중으로 인해 지주의 내구성에 악영향을 끼치게 되므로 상기의 지주는 과도한 굵기와 강성을 갖도록 설계되어야 하는 것이고, 지주에 대한 직경이나 강성을 과대 설계함에 따라 상기의 횡축형 터빈은 매우 대형일 수밖에 없어 도심이나 산업지대 등에는 설치되지 못하고 산악이나 바닷가와 같이 한정된 장소에만 제한적으로 설치되므로 이를 이용한 전기에너지의 효율적인 사용이 이루어질 수 없는 것이다.

이에 따라 근자에 들어서는 상기와 같은 횡축형 터빈이 갖고 있는 제반의 문제점을 극복하고자 중심축이 수직으로 위치하는 종축형 터빈이 개발되어 실제 응용되고 있는 추세인 것으로서, 상기의 종축형 터빈은 도 1의 도시와 같이 수직으로 세워 설치되는 지주(100)의 상단으로부터 회전 가능한 수직의 중심축(110)을 구비하고, 상기 중심축(110)으로부터 사방으로 이격 고정 설치되는 복수의 회전날개(120)(120')를 구비하여 이루어지는 것이며, 상기의 회전날개(120)(120')가 바람의 영향으로 회전함과 동시에 중심축(110)을 회전시키게 되면 중심축과 연결된 발전기의 로터가 회전을 하며 전기를 생산하게 되는 것이다.

이와 같은 종축형 발전 터빈은 수직의 중심축선 상에 지주 및 회전축이 구비되어 있으므로 구조상 안정감이 뛰어나면서도 바람의 방향과 관계없이 지속적인 회전 및 전기의 생산이 가능한 장점을 갖고 있는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종축형 터빈은 수직 방향으로의 적층이 불가능하여 점유 면적에 비하여 생산되는 발전량은 기대에 못 미치는 것이 사실이다.

즉, 상기와 같은 종축형 터빈은 회전날개가 결합 고정되는 중심축이 모두 회전하는 형태를 갖고 있는 것이고, 상기와 같이 회전 상태인 중심축을 발전기에 연결하여 전기를 생산하는 구조를 갖고 있으므로 회전구조의 중심축으로 인해 종축형 터빈은 적층이 불가능한 구조로 여겨지고 있는 것이다.

따라서, 상기와 같이 수직 적층이 불가능함에 따라 종축형 터빈은 효율적인 발전량을 얻기 위해 이를 대형으로 제작하기도 하는데 이와 같은 경우에는 약한 바람에는 대형의 터빈이 회전운동을 하지 못하게 되므로 설치 장소에 대한 제약이 뒤따르게 되는 것이고, 소형으로 제작하는 경우에는 약한 바람에도 발전이 이루어지는 장점을 갖고 있으나 매우 넓은 면적에 대하여 많은 수의 종축형 터빈을 나열 설치하여야 하므로 역시 구축 장소에 대한 제약이 뒤따르는 문제점을 갖고 있는 것이다.

이에, 상기와 같은 종축형 터빈은 횡축형 터빈이 갖고 있는 제반의 문제점을 극복하는 장점을 갖고 있으나, 이를 이용하여 대규모의 발전 설비나 발전 타운 등을 구축하기 위해서는 횡방향으로 단독 나열 설치될 수밖에 없는 구조적인 특성으로 인해 대단위의 시공 면적이 필요하여 지극히 비경제적인 것이다.

또한, 근자에 들어서는 종축형 터빈을 수직으로 적층하여 효율성을 꾀하고자 시도하고 있는 것인데, 도 2의 도시와 같이 발전기의 로터에 회전날개를 장착하여 된 터빈(210)(210')을 수직으로 연속하여 적층 구성하되, 이들 터빈(210)(210')은 상기의 발전기를 연결하는 별도의 구조물(200)을 이용하여 수직 방향으로 고정되는 것이다.

이때, 상기의 구조물(200)은 종축형 터빈(210)(210')보다 크고 넓은 면적을 차지하는 프레임 구조로 이루어져 있는 것이고, 상기의 구조물(200)은 각각의 터빈(210)(210')을 개별 층에서 모두 지지하여 결합 설치하는 방식을 갖고 있는 것으므로 종축형 터빈의 수직 방향 적층을 통해 발전 효율의 향상 및 공간상의 잇점을 꾀하고자 하는 것이다.

그러나, 상기와 같은 수직 적층 구조의 종축형 터빈은 종축형 터빈 자체를 수직방향으로 적층하여 설치한 것이 아니라 각각의 종축형 터빈을 구조물의 상부에 수직 순차적으로 올려놓아 만들어진 것이므로 구조물을 구축하거나 설치하는데 과도한 시간 및 비용이 발생하는 문제점을 갖고 있는 것이다.

또한, 상기와 같은 각종 구조물은 구조적으로 매우 복잡할 뿐만 아니라 각각의 종축형 터빈으로부터 인출되는 전선이나 코일 등이 외부로 노출되는 등 외관상으로도 지극히 불합리한 요소를 다수 내포하고 있어 실질적으로 적용 및 운용하는데에는 아직도 많은 연구와 개발이 절실한 상태인 것이고, 상기의 구조물로 인해 바람이 온전하게 회전날개에 전달되지 못하므로 발전 효율이 저하되는 것은 물론 강풍에 의해서 구조물이 파손되거나 붕괴되는 등의 구조적 안정감 역시 떨어지는 폐단을 갖고 있는 것이다.

본 발명은 전기한 바와 같은 문제점을 개선한 것으로서, 발전기의 스테이터축에 코일체을 배치하고, 상기 스테이터축의 주변으로 자석체를 갖는 로터하우징을 형성하며, 상기 로터하우징을 이용하여 방사상으로 회전날개를 고정 형성하고, 상기 스테이터축의 상,하측에는 연결플랜지를 갖는 중심축을 고정 형성하되, 상기 중심축의 내측으로 스테이터축의 코일체가 배선되도록 구성함으로써,

비회전체인 중심축을 이용하여 수직 방향으로 연속하여 종축형 터빈을 적층할 수 있도록 하면서도, 역시 비회전체인 스테이터축에 코일체가 배치되므로 각종 배선을 중심축과 스테이터축의 내부를 이용할 수 있어 외관이 매우 간결하고 깔끔한 것이며, 수직 방향으로 연속하여 적층이 가능하므로 최소의 면적으로도 대규모의 발전 시설이나 발전 타운을 구축할 수 있도록 한 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외면에 방사상으로 코일체가 배치된 스테이터축과 내면에 방사상으로 자석체가 형성된 로터하우징으로 된 발전기를 구비하고, 상기 스테이터축의 상단 및 하단에는 별도의 중심축을 고정 형성하며, 상기 로터하우징에는 별도의 지지대를 고정하여 상기 지지대를 이용하여 별도의 수직형 회전날개를 고정 형성하여 된 종축형 터빈을 형성하되,

상기 중심축의 끝단에는 체결공을 갖는 플랜지부를 형성하고, 상기 스테이터축에는 배선공을 횡방향으로 관통 형성하여, 상기의 종축형 터빈은 중심축의 플랜지부를 이용하여 수직으로 적층 결합되게 하고, 스테이터축의 코일체는 배선공을 통해 중심축의 내부를 따라 배선되도록 구성하여 이루어지는 것이다.

본 발명은, 수직으로 연속하여 적층 가능하므로 최소의 점유 면적으로도 대규모의 발전 시설이나 발전 타운의 구축이 가능한 것이고, 단일 개체의 지주 상에 다수의 종축형 터빈이 장착되어 있으므로 발전량 역시 비례적으로 증가하여 매우 효율적인 것이며, 상하 대칭형의 구조로 인해 조립성 및 제작성이 우수하면서도 시공성이 탁월한 장점을 갖고 있으면서도 각종 전력선이나 코일선 등이 외부로 전혀 드러나지 아니하므로 구조적인 안정성은 물론 외관 품질 역시 매우 우수한 특징을 연출하게 되는 것이다.

도 1은 일반적인 종축형 터빈이 설치된 전체도
도 2는 종래의 종축형 터빈을 적층한 상태의 전체도
도 3은 본 발명에 따른 종축형 터빈의 분리 사시도
도 4는 본 발명에 따른 종축형 터빈의 전체 단면도
도 5는 본 발명에 따른 종축형 터빈의 요부 확대 단면도
도 6은 본 발명에 따른 종축형 터빈의 적층 설치예시도
도 7은 본 발명에 따른 종축형 터빈의 적층 결합부 확대 단면도

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 종축형 터빈의 분리 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 종축형 터빈의 전체 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 종축형 터빈의 요부 확대 단면도, 도 6은 본 발명에 따른 종축형 터빈의 적층 설치예시도, 도 7은 본 발명에 따른 종축형 터빈의 적층 결합부 확대 단면도이다.

도시와 같이 본 발명에 따른 적층 가능한 종축형 터빈은 발전기(10)와 중심축(20)(20') 및 지지대(30)(30')와 회전날개(40)(40')가 서로 일체화 결합되어 이루어진 것으로서, 상기의 발전기(10)는 보통의 발전기와 마찬가지로 스테이터와 로터로 이루어져 있으나, 내측으로부터 수직 위치한 중공 형태의 샤프트인 스테이터축(12)의 외면에 방사상으로 코일체(11)를 배치 형성하되 상기의 스테이터축(12)은 비회전체인 것이고, 상기 스테이터축(12)의 외측으로는 스테이터축(12)으로부터 회전 가능한 로터하우징(14)을 결합 형성한 것으로서 로터하우징(14)의 내면에는 상기의 코일체(11)와 대응하는 자석체(13)를 방사상으로 고정 형성한 것이다.

이때, 상기의 로터하우징(14)은 스테이터축(12)과 베어링(17)에 의해 결합 고정되어 있어 로터하우징(14)이 스테이터축(12)으로부터 자유로운 회전이 가능한 상태가 되는 것이고, 상기 로터하우징(14)의 회전 작용에 따라 로터하우징(14) 내 자석체(13)로부터 코일체(11)를 향하여 전하가 유기되면서 코일체(11)에 의한 전기의 생산이 이루어지게 된다.

또한, 상기 스테이터축(12)에는 코일체(11)를 향하는 횡방향의 배선공(15)이 형성되어 있으므로 상기 코일체(11)를 연결하는 코일선 또는 전선이 상기 배선공(15)을 통해 스테이터축(12)의 내측으로 인출될 수 있는 것이다.

특히, 상기와 같은 스테이터축(12)의 상단과 하단에는 별도의 중심축(20)(20')이 결합 고정되는 것으로서, 스테이터축(12)의 상단과 하단에는 각기 확장플랜지부(16)(16')를 형성하고 이들 확장플랜지부(16)(16')를 이용하여 결합되는 중심축(20)(20')의 대향 끝단을 포함한 양측 끝단에는 역시 대응하는 플랜지부(22)(22')를 형성함에 따라 이들 확장플랜지부(16)(16')와 플랜지부(22)(22')의 밀착 및 방사상의 체결공(21)을 통해 볼트 및 너트의 체결 방식을 통해 이들을 서로 견고하게 결합 고정하면 되는 것이다.

이때의 중심축(20)(20')은 서로 동일 크기와 형태를 갖고 있도록 스테이터축(12)의 상,하로부터 배치되는 것이 바람직할 것이고, 이는 본 발명에 따른 종축형 터빈에 대한 상,하로의 방향성을 한정하지 않도록 하기 위함이다.

이와 같은 스테이터축(12)에 회전 가능하도록 결합된 로터하우징(14)에는 별도의 지지대(30)(30')의 일측 끝단을 결합 고정하고, 상기 지지대(30)(30')의 타측 끝단을 이용하여 다양한 형태로 된 회전날개(40)(40')를 수직 방사상으로 결합 고정함에 따라 본 발명의 종축형 터빈이 완성되는 것인데, 상기의 회전날개(40)(40')는 적어도 2방향 이상으로 구분 배치될 것이고 필요에 따라 곡면체로 이루어질 수 있을 것이며, 회전날개(40)(40')에 별도의 보조날개 또는 바람유도날개 등을 장착할 수 있을 것이다.

이에 따라 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 종축형 터빈은 바람의 영향으로 회전날개(40)(40')에 대한 저항력이 발생하면서 상기의 회전날개(40)(40')가 바람의 방향을 따라 회전을 하게 되는 것이고 회전날개(40)(40')의 회전력은 지지대(30)(30')를 통해 발전기(10)의 로터하우징(14)을 회전시키게 되므로 상응하는 전력을 생산할 수 있게 된다.

이때, 상기와 같은 본 발명의 종축형 터빈은 발전기(10)로부터 상,하의 중심축(20)(20')을 구비하고 있으므로 이들 중심축(20)(20')을 이용하여 수직 방향으로 연속적인 적층 설치가 가능한 것인데, 상기의 중심축(20)(20')을 갖는 다수의 종축형 터빈(50)(50')을 구비한 상태에서 이들 종축형 터빈(50)(50')의 중심축(20)(20')이 수직방향으로 일치하도록 적층한 상태에서 이들 중심축(20)(20')으로부터 상호 대응하는 플랜지부(22)(22')를 서로 견고히 체결하면 각각의 종축형 터빈(50)(50')은 상호 견고한 결합이 이루어지면서도 수직의 중심축(20)(20')을 축점으로 하여 회전날개(40)(40') 및 로터하우징(14)이 동시에 회전을 하며 비례적으로 많은 량의 전력을 생산할 수 있게 된다.

특히, 상기와 같은 스테이터축(12)에 장착되는 중심축(20)(20')의 끝단에 대하여 각기 서로 대응하는 형태의 삽입부(23)와 안치부(24)를 형성함에 따라 제1의 종축형 터빈(50) 상에 제2의 종축형 터빈(50')이 적층되는 경우 제1의 종축형 터빈(50) 내 중심축(20)(20') 선단의 안치부(24)로 제2의 종축형 터빈(50') 내 중심축(20)(20') 하단의 삽입부(23)가 삽입 고정되게 함에 따라 수직으로 연속하여 적층 결합되는 종축형 터빈(50)(50')은 돌출 상태인 삽입부(23)가 홈 형태로 된 안치부(24)에 정확하게 유도 삽입됨에 따라 이들 종축형 터빈(50)(50')은 수직 방향으로 일직선상의 중심선을 확보할 수 있게 되므로 구조적 안정성이 매우 뛰어나면서도 적층 시공상의 편리함이 매우 뛰어나도록 할 수 있는 것이다.

이에 따라 본 발명의 수직 적층이 가능한 종축형 터빈은 별도의 구조물이나 프레임 등이 없는 상태에서 자체의 중심축(20)(20')을 이용하여 수직 방향으로의 연속적인 적층 설치가 가능한 것이고, 고정된 중심축(20)(20')으로부터 발전기(10)의 로터하우징(14)과 회전날개(40)(40')가 함께 회전하는 구조를 갖고 있으므로 구조적인 강성과 안정성이 허용되는 범위 내에서 수직 방향으로 연속적인 적층이 가능하여 전력 생산량을 극대화시킬 수 있는 것이다.

또한, 발전기(10)의 코일체(11)와 연결되는 각종 전선이나 케이블 등은 상기 중심축(20)(20')의 내부 공간을 이용하여 배선할 수 있으므로 이들 전선이나 케이블 등이 외부로 전혀 노출되지 아니하여 매우 간결하면서도 미려한 외장을 연출할 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명의 종축형 터빈은 수직 방향으로의 연속적인 적층 시공이 가능하므로 최소의 점유면적으로도 많은 수의 종축형 발전 터빈을 시공할 수 있으므로 대규모의 발전 설비나 발전 타운 등을 구축할 수 있어 천연자원을 이용한 합리적이고 효율적인 전기에너지의 생산이 가능한 것이다.

이상과 같은 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

10 : 발전기 11 : 코일체
12 : 스테이터축 13 : 자석체
14 : 로터하우징 15 : 배선공
16,16' : 확장플랜지부 17 : 베어링
20,20' : 중심축 21 : 체결공
22,22' : 플랜지부 23 : 삽입부
24 : 안치부
30,30' : 지지대
40,40' : 회전날개
50,50' : 종축형 터빈

Claims (5)

1. 외면에 방사상으로 코일체(11)가 배치된 스테이터축(12)과 내면에 방사상으로 자석체(13)가 형성된 로터하우징(14)으로 된 발전기(10)를 구비하고, 상기 스테이터축(12)의 상단 및 하단에는 별도의 중심축(20)(20')을 고정 형성하며, 상기 로터하우징(14)에는 별도의 지지대(30)(30')를 고정하여 상기 지지대(30)(30')를 이용하여 별도의 수직형 회전날개(40)(40')를 고정 형성하여 된 종축형 터빈(50)(50')을 형성하되,
   상기 중심축(20)(20')의 끝단에는 체결공(21)을 갖는 플랜지부(22)(22')를 형성하고, 상기 스테이터축(12)에는 배선공(15)을 횡방향으로 관통 형성하여, 상기의 종축형 터빈(50)(50')은 중심축(20)(20')의 플랜지부(22)(22')를 이용하여 수직으로 적층 결합되게 하고, 스테이터축(12)의 코일체(11)는 배선공(15)을 통해 중심축(20)(20')의 내부를 따라 배선되도록 구성하여 됨을 특징으로 하는 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈.
   
2. 제 1항에 있어서,
   스테이터축(12)은 상단과 하단에 중심축(20)(20')의 플랜지부(22)(22')와 체결되도록 한 확장플랜지부(16)(16')를 형성하여 됨을 특징으로 하는 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈.
   
3. 제 1항에 있어서,
   스테이터축(12)은 외면에 베어링(17)을 결합 형성하고, 로터하우징(14)의 내면은 상기 베어링(17)과 결합되도록 함에 따라 로터하우징(14)은 스테이터축(12)으로부터 원활한 회전이 이루어지도록 구성하여 됨을 특징으로 하는 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈.
   
4. 제 1항에 있어서,
   스테이터축(12)은 회전날개(40)(40')의 중앙부에 위치되게 하고, 스테이터축(12)에 체결되는 상,하의 중심축(20)(20')은 서로 동일 길이와 크기를 갖고 대칭 형성됨에 따라 종축형 터빈(50)(50')에 대한 상하 방향의 구분없이 연속적으로 수직 적층되도록 구성함을 특징으로 하는 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈.
   
5. 제 1항에 있어서,
   스테이터축(12)의 상부에 위치하는 중심축(20)은 상부면에 삽입부(23)를 돌출 형성하고, 스테이터축(12)의 하부에 위치하는 중심축(20')은 저면에 안치부(24)를 형성하여, 상하로 적층되는 종축형 터빈(50)(50')이 상호 대응하는 삽입부(23)와 안치부(24)에 의해 수직으로 일정하게 체결되도록 구성함을 특징으로 하는 수직 적층이 가능한 풍력 발전용 종축형 터빈.

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