KR20130016791A

KR20130016791A - 수직축 풍력발전기

Info

Publication number: KR20130016791A
Application number: KR1020110078909A
Authority: KR
Inventors: 조성구
Original assignee: 조성구
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2013-02-19
Also published as: KR101357974B1

Abstract

본 발명은 수직방향을 축으로 회전하는 수직형 풍력발전기에 있어서 회전기둥의 결합을 단순하고 편리하게 할 수 있으며, 대형 풍력발전기에도 용이하게 결합할 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 수직 방향의 회전기둥; 상기 회전기둥의 측면에 연결되어 바람의 압력에 의하여 상기 회전기둥을 회전시키는 회전날개; 베어링에 의해 상기 회전기둥을 지지하는 지지대; 및 상기 베어링 내부에 삽입되며 링기어를 포함하며, 상기 링기어의 상부에는 상기 회전기둥이 결합되는 수직축 풍력발전기를 제공한다.
따라서, 본 발명에 의하면 수직축 발전기를 간단한 구조로 설치할 수 있어 설치비용이 절감되며 용이하게 제작할 수 있다.

Description

수직축 풍력발전기{Vertical axis wind generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것이며, 구체적으로 수직방향을 축으로 회전하는 수직형 풍력발전기에 있어서 회전기둥의 결합을 단순하고 편리하게 할 수 있으며, 대형 풍력발전기에도 용이하게 결합할 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

최근 전 세계적으로 탄소발생에 의한 지구온난화가 문제가 되고 있는 가운데 탄소의 발생을 저감시킬 수 있는 녹색기술에 대한 관심이 커지고 있다. 이에 발맞추어 발전방식에 있어서도 전통적인 화력발전을 대체하여 공해를 저감시킬 수 있는 태양광발전, 조력발전 및 풍력발전이 매우 중요한 기술로 여겨진다.

이 중 풍력발전은 바람의 압력을 이용하여 회전기둥을 돌리고, 기어 등을 이용하여 회전속도를 높여 전기를 생산하는 방식이나, 생산설비가 매우 고가이고 설치가 어려운 문제점이 있다. 즉, 원하는 전기를 생산하기 위해서는 날개길이 70~80미터, 지지대 높이 100미터 정도 되는 엄청난 크기로 설치되어야 하므로 실제 설치과정이 매우 어렵고 설치장비도 매우 고가이다.

더욱 문제점은 이러한 엄청난 크기 때문에 육지에 대규모로 설치하기가 어렵다는 것이다.

도 1을 참조하여, 종래의 수직축 풍력발전기의 구조에 대하여 설명하면 다음과 같다.

종래의 수직축 풍력발전기는 회전축부(11)에 블레이드(12)가 연결되어 바람의 압력을 받아 블레이드(12)가 회전함으로써 회전축부(11)를 회전시키도록 구성된다. 또한, 상기 회전축부(11)의 하부는 하우징(15)에 다수의 베어링(13,14,16)을 통하여 지지된다. 그리고, 상기 회전축부(11)의 끝단에는 별도의 기어(20,21)가 설치되어 발전기(30)를 가동시킨다.

하지만, 이러한 구조의 수직축 풍력발전기는 그 구조가 너무 복잡하여 제작하기가 매우 어렵고 제작비용이 상승하게 된다. 또한, 하나의 회전축부(11)당 하나의 발전기(30)가 연결될 수 밖에 없어 발전효율의 향상을 꾀하기가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 수직축 풍력발전기의 구조를 개선하여 설치비용을 획기적으로 절감하는 동시에 제작이 용이한 수직축 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수직 방향의 회전기둥; 상기 회전기둥의 측면에 연결되어 바람의 압력에 의하여 상기 회전기둥을 회전시키는 회전날개; 베어링에 의해 상기 회전기둥을 지지하는 지지대; 및 상기 베어링 내부에 삽입되며 링기어를 포함하며, 상기 링기어의 상부에는 상기 회전기둥이 결합되는 수직축 풍력발전기를 제공한다.

상기 링기어의 상부에는 결합돌기가 형성되고, 상기 회전기둥의 하부에는 상기 결합돌기에 대응하는 결합공이 형성되어 상기 링기어와 회전기둥이 결합되는 것이 바람직하다.

상기 링기어는 기어 이가 형성된 기어블럭 및 상기 기어블럭이 삽입되어 결합되는 삽입홈이 형성된 원형빔을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 기어블럭 및 원형빔에는 나사구멍이 형성되고 상기 기어블럭 및 원형빔은 나사결합될 수 있다.

본 발명에 의하면 수직축 발전기를 간단한 구조로 설치할 수 있어 설치비용이 절감되며 용이하게 제작할 수 있다.

또한, 하나의 회전기둥에 여러 대의 발전기를 손쉽게 연결할 수 있어 에너지 효율이 획기적으로 향상된다.

도 1은 종래기술에 따른 풍력발전기를 나타내는 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기를 나타내는 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 회전방지부를 설명하기 위한 확대도;
도 4는 본 발명에 따른 와이어를 설명하기 위한 구성도;
도 5는 본 발명에 따른 브레이크와이어를 설명하기 위한 구성도;
도 6은 회전기둥의 설치과정을 나타내기 위한 분해사시도;
도 7은 회전둥의 설치구성을 나타내는 단면도;
도 8은 링기어와 피니언의 맞물림을 설명하기 위한 설명도;
도 9는 본 발명에 따른 조립형 링기어를 나타내는 평면도;
도 10은 기어블럭과 원형빔이 결합된 상태를 나타내는 부분사시도;
도 11은 본 발명에 따른 기어블럭을 나타내는 평면도;
도 12는 본 발명에 따른 원형빔을 나타내는 부분사시도.

본 발명의 실시예의 구성 및 작용에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 풍력발전기는 회전기둥(100), 프레임(110,120,130,140), 날개면(200) 및 원형레일(400)을 포함한다.

상기 회전기둥(100)은 하부에 기어 등을 통하여 발전기(미도시)와 연결되어 회전력에 의해 전기를 생산할 수 있는 동력을 제공하는 역할을 한다.

상기 회전기둥(100)에는 반지름 방향으로 회전날개가 설치된다. 상기 회전날개는 바람의 압력을 직접 받아 상기 회전기둥(100)을 회전시키는 역할을 한다. 즉, 상기 회전날개는 회전기둥(100)에 고정 설치되어 일체로 회전하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 회전날개는 효율을 극대화하기 위하여 상기 회전기둥(100)에 복수 개가 설치되는 것이 바람직하다.

본 실시예에 의한 회전날개는 프레임(110,120,130,140) 및 날개면(200)을 포함하여 구성된다.

상기 프레임은 회전기둥(100)의 상부에 연결된 상부프레임(110), 회전기둥(100)의 하부에 연결된 하부프레임(120), 상기 상부프레임(110)과 하부프레임(120)을 연결하는 엣지프레임(130) 및 날개면(200) 사이에 설치된 중간프레임(140)을 포함한다. 한편, 상기 프레임은 원형 또는 사각형 단면을 가지는 철제 프레임으로 제작될 수 있다.

상기 상부프레임(110)은 회전기둥(100)의 상부에 결합되며, 용접, 나사, 볼트 등으로 고정이 된다. 상기 하부프레임(120)은 회전기둥(100)의 하부에 결합되며, 역시 상부프레임(110)과 동일한 방법으로 결합되는 것이 바람직하다. 상기 엣지프레임(130)은 상기 상부프레임(110)과 하부프레임(120)을 연결하며, 상부프레임(110)과 하부프레임(120)의 끝단에 연결되는 것이 바람직하다.

상기 상부프레임(110)과 하부프레임(120)에는 상기 엣지프레임(130)보다 반지름 방향으로 내부에 중간프레임(140)이 설치된다. 즉, 상기 중간프레임(140)은 일단이 상부프레임(110)의 중간에 연결되고 타단이 하부프레임(120)의 중간에 연결된다.

한편, 상기 상부프레임(110)에는 날개면(200)이 회동가능하게 결합된다. 즉, 날개면(200)은 상부프레임(110)에 베어링(150)을 통하여 결합되어 바람에 의하여 회전될 수 있는 상태로 된다. 상기 베어링(150)은 힌지등 회동가능한 통상의 구조로 대체될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 날개면(200)은 상부프레임(110)에 결합된 베어링(150)에 의하여 회전하는데, 상기 중간프레임(140) 및 하부프레임(120)에는 내부로 돌출된 회전방지부(112)가 구비되어 있다.

상기 회전방지부(112)는 상기 프레임의 두께보다 얇게 구비되는 것이 바람직하며, 상기 날개면(200)은 상기 회전방지부(112)에 의하여 더 이상 회전되는 것이 방지된다. 즉, 상기 날개면(200)은 회전방지부(112)에 의하여 프레임에 밀착되어 넓은 면적으로 바람의 압력을 받아 회전하게 된다. 상기 회전방지부(112)에는 소음 및 충격을 방지하기 위하여 고무와 같은 탄성부재를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 날개면(200)은 상기 상부프레임(110)을 회전축으로 하여 회전하고 상기 회전기둥을 중심으로 양쪽 상부프레임에 연결된 각 날개면은 상기 상부프레임 및 하부프레임을 중심으로 서로 반대면에서 회전하여, 한쪽은 바람에 의하여 상기 프레임을 막고 다른쪽은 열리게 된다.

상기 날개면(200)은 회전기둥의 회전력을 증가시키기 위하여 측면으로 복수 개가 설치되는 것이 바람직하다. 그러면, 회전기둥을 중심으로 한쪽에 있는 날개면은 바람의 압력에 의하여 닫히게 되고, 다른쪽에 있는 날개면은 열리게 된다. 이때, 닫히는 날개면은 회전방지부에 의해 더 이상 회전이 방지되고, 열리는 날개면은 바람의 압력뿐만 아니라 관성력에 의해서도 열리게 된다. 즉, 회전기둥에서 멀리 있는 날개면의 속도변화가 더 높으므로 회전기둥에서 가까이 있는 날개면보다 회전기둥에서 멀리 있는 날개면이 관성력을 더 받게 된다. 따라서, 도 1과 같이 회전기둥에서 지름방향으로 멀어질수록 날개면이 열리는 각도는 더욱 커지게 된다.

이렇게 날개면의 위치에 따라 열리는 각도가 제각각 달라지면 날개면이 열리고 닫힐 때의 소음이 더욱 크게 발생하게 되고 발전효율도 떨어진다.

따라서, 본 실시예에서는 도 4와 같이 하나의 날개면과 그 측면에 있는 날개면을 와이어로 연결한다. 이러한 와아어에 의하여 측면에 있는 날개면끼리 서로 잡아당기게 되어 날개면이 열리는 각도차이가 줄어들어 소음발생이 현격하게 줄어들고 발전효율도 높아진다.

한편, 도 5를 참조하면 회전기둥의 내부에는 모터(300) 및 와이어롤러(310)가 설치되고 일단이 날개면에 연결된 브레이크와이어(320)는 타단이 상기 와이어롤러(310)에 감겨 있다. 따라서, 상기 와이어롤러(310)에 감겨 있는 와이어의 길이에 의하여 날개면은 열리는 각도가 제한된다.

바람이 너무 세게 불어 회전날개의 회전속도를 감속해야할 필요가 있는 경우에 상기 와이어롤러(310)를 이용하여 브레이크와이어의 길이를 제어하면 회전날개의 회전속도를 제어할 수 있는 브레이크 역할을 할 수 있다.

한편, 상기 회전날개의 아래에는 상기 회전날개를 지지하며, 회전날개의 회전을 원활하게 하기 위한 원형레일(400)이 구비된다. 또한, 상기 회전날개의 하부프레임(120)에는 상기 원형레일(400)위에서 원활하게 회전하는 롤러(122)가 구비되어 상기 원형레일(400)을 따라 움직인다. 상기 원형레일(400)은 복수 개의 지지다리에 의해 지면으로부터 지지된다.

상기 원형레일(400)에 의하여 회전력을 강화하기 위하여 날개면이 측면으로 복수 개가 설치될 때 회전날개가 안정적으로 지지될 수 있다.

그리고, 상기 원형레일(400)의 상면에는 가운데에 상기 롤러(122)가 삽입되는 홈(410)이 형성된다. 상기 롤러(122)는 홈에 의하여 안정적으로 회전할 수가 있다.

도 6 및 도 7을 참조하여, 상기 회전기둥(100)과 지지대(600)의 결합관계를 설명한다.

상기 원형레일(400)의 내부에 위치한 상기 지지대(600)에는 베어링(550)을 매개로 하여 링기어(500)가 설치된다. 본 실시예에서 상기 링기어(500)는 내주에 기어이빨(510)이 형성되어 있으나, 베어링에 따라 외주에 기어이빨을 형성할 수도 있다.

상기 링기어(500)의 상부에는 결합돌기(520)가 형성되고, 상기 회전기둥(100)의 하부에는 상기 결합돌기(520)에 대응하는 결합공이 형성되어 상기 링기어(500)와 회전기둥(100)이 결합된다. 이 밖에, 결합을 더욱 공고히 하기 위하여 통상의 여러가지 결합구들이 사용될 수도 있다.

따라서, 상기 회전기둥(100)은 링기어(500) 및 원형레일(400) 양쪽에서 지지되어 회전한다.

도 8을 참조하면, 상기 링기어(500)에는 피니언(750)이 맞물려 있어, 상기 링기어(500)의 회전구동력이 상기 피니언(750)에 전달된다. 또한, 상기 지지대(600) 아래에는 발전기(700)가 설치되고, 상기 발전기(700)는 상기 피니언의 구동에 의하여 동력을 받아 전기를 생산한다.

한편, 상기 링기어(500)는 전문생산업체에서 완성품 형태로 제작되어 풍력발전기 생산현장으로 이송되는 것이 일반적이나, 크기가 직경 10m 정도로 커지는 경우 링기어를 제작하기도 어려울 뿐더러 제작된 링기어를 이송하기도 매우 어렵고 이송과정에서 제품손상의 우려도 크다.

본 실시예에서는 도 9 및 도 10을 참조하면, 링기어는 기어 이가 형성된 기어블럭(800) 및 원형빔(900)을 포함한 조립형 링기어를 제공한다.

도 11을 참조하면, 상기 기어블럭(800)은 주물로 제작될 수 있으며, 사각형 형상의 본체(830) 및 상기 본체에서 연장되어 형성되는 기어 이(810)를 포함한다. 또한, 상기 본체(830)에는 원형빔(900)과의 결합을 위한 나사구멍(820)이 형성된다.

도 12를 참조하면, 상기 원형빔(900)은 상기 기어블럭(800)이 끼워져 결합되는 원형의 빔으로서, 예를들어 H빔을 벤딩하여 형성될 수 있다.

상기 원형빔(900)에는 측면에 삽입홈(910)이 형성되어 상기 기어블럭(800)이 삽입된다. 이때, 상기 원형빔(900)은 H빔을 이용하면 별도의 삽입홈을 형성할 필요없이 기어블럭(800)이 삽입될 수 있다.

상기 기어블럭(800)의 두께는 상기 삽입홈(910)에 끼워들어갈 정도로 제작되는 것이 바람직하며, 상기 원형빔(900)에는 나사구멍(920)이 형성되어 상기 기어블럭(800)과 나사(950)결합할 수 있게 구성된다.

이러한 방식으로 상기 링기어는 풍력발전기 제작 현장에서 조립하여 용이하게 제작할 수 있으며, 특히 직경 10m 정도 되는 크기의 링기어도 용이하게 제작될 수 있다.

이하, 본 실시예에 의한 풍력발전기의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

도 2에서 화살표 방향으로 바람이 불면 회전기둥을 중심으로 바람이 불어오는 방향에 설치된 날개면이 닫히면서 바람의 압력을 받아 회전기둥이 회전하게 된다. 즉, 도 2에서 회전기둥은 위에서 보아 시계반대방향으로 회전하게 된다. 이때, 회전기둥을 중심으로 반대쪽에 설치된 날개면은 위로 들려 열리면서 회전에 미치는 영향을 줄이게 된다. 계속하여 회전기둥이 회전하게 되면, 위로 들어올려진 날개면은 자체 무게 때문에 다시 닫히면서 바람의 압력을 받게 된다. 이러한 구조로 날개면을 다시 닫기 위한 별도의 구조가 필요 없게 되어 생산성이 향상될 수 있다.

이러한 과정이 반복되면서 회전기둥이 회전하게 되고, 상기 회전기둥에 결합되어 있는 링기어가 함께 회전하게 된다. 이때, 상기 링기어에 맞물린 피니언에 회전구동력이 전달되고, 상기 피니언의 회전력에 의하여 발전기(700)가 가동되어 전기가 생산된다.

100 : 회전기둥 110 : 상부프레임
120 : 하부프레임 130 : 엣지프레임
140 : 중간프레임 150 : 베어링
200 : 날개면 400 : 원형레일
500 : 링기어 600 : 지지대
700 : 발전기 800 : 기어블럭
900 : 원형빔

Claims

수직 방향의 회전기둥;
상기 회전기둥의 측면에 연결되어 바람의 압력에 의하여 상기 회전기둥을 회전시키는 회전날개;
베어링에 의해 상기 회전기둥을 지지하는 지지대; 및
상기 베어링 내부에 삽입되며 링기어를 포함하며, 상기 링기어의 상부에는 상기 회전기둥이 결합되는 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 링기어의 상부에는 결합돌기가 형성되고, 상기 회전기둥의 하부에는 상기 결합돌기에 대응하는 결합공이 형성되어 상기 링기어와 회전기둥이 결합되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 링기어는 기어 이가 형성된 기어블럭 및 상기 기어블럭이 삽입되어 결합되는 삽입홈이 형성된 원형빔을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
제3항에 있어서,
상기 기어블럭 및 원형빔에는 나사구멍이 형성되고 상기 기어블럭 및 원형빔은 나사결합되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.