KR20130048544A - 풍력 발전기 - Google Patents

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KR20130048544A KR1020110113438A KR20110113438A KR20130048544A KR 20130048544 A KR20130048544 A KR 20130048544A KR 1020110113438 A KR1020110113438 A KR 1020110113438A KR 20110113438 A KR20110113438 A KR 20110113438A KR 20130048544 A KR20130048544 A KR 20130048544A
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윈드로즈(주)
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Abstract

바람을 이용해 발전을 하는 풍력발전기가 개시된다. 풍력발전기는, 지면에 대해서 수직으로 설치된 회전축과, 상기 회전축을 감싸도록 설치된 발전기의 스테이터와, 상기 스테이터를 감싸며, 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 설치된 허브와, 상기 허브의 내주면에 설치되어 상기 스테이터를 마주보고 설치되는 발전기의 로터와, 상기 허브의 외주면에서 방사상으로 뻗은 복수의 블레이드 지지암과, 상기 블레이드 지지암의 끝단에 설치된 블레이드를 포함한다. 상기 블레이드는, 외면이 익형으로 형성되어, 제 1 방향에서 불어오는 바람에 의해 양력이 발생하며, 상기 양력에 의해 상기 허브를 제 1회전방향으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 상기 블레이드 지지암에 설치되고, 내면은 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향에서 불어오는 바람에 의해 항력이 발생하도록 형성되며, 상기 항력에 의해 상기 허브를 상기 제 1 회전방향으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 형성된다. 따라서, 풍속의 변화가 심하며, 바람의 방향이 일정하지 않는 장소에서도 효율적으로 발전을 할 수 있도록 한다.

Description

풍력 발전기{Wind power generator}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력을 이용하여 효율적으로 전기를 발전할 수 있는 풍력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 발전기는 기계적에너지인 외력을 전기적에너지로 변환하는 장치로서, 여러 분야에서 이용되고 있다. 특히 발전기는 화석연료의 고갈에 따른 에너지 위기 및 환경오염의 심각성이 대두됨에 따라, 청정에너지인 풍력이나 조력을 이용하여 전력을 생산하기 위해 세계 각국에서 기술 개발되고 있다.
이러한 발전기의 발전과정을 풍력을 기준으로 살펴보면, 바람을 받아서 회전력을 일으키는 블레이드에 구동축이 연결되고, 상기 구동축의 회전속도를 증속시켜 발전기에 연결하는 증속기어가 구비된다. 발전기는 증속기어에 연결된 로터(rotor, 회전체)가 회전되게 하여, 로터와 스테이터(stator,고정체) 간 전자기유도작용으로 기전력을 발생시킨다.
즉, 종래의 발전기는 풍력과 같이 저속의 회전력을 이용하기 위해서 반드시 증속기어가 구비되어야 하며, 발전기도 별도의 공간을 구비하여야 하므로, 대용량 발전을 위해서는 많은 부피를 차지하게 된다. 또한, 증속기어를 거치면서 동력의 손실이 발생한다는 문제점도 있다.
그리고, 블레이드는, 프로펠라 형상이 많이 사용되었다. 이러한, 프로펠라 형상의 블레이드는 속도가 12-15m/sec 고속에서 일정한 방향으로 일정하게 부는 바람에는 유리하나, 우리나라와 같이 바람의 방향이 일정하지 않고, 풍속의 세기 또한 일정하지 않는 지형에서는 적응이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 풍속의 변화가 심하며, 바람의 방향이 일정하지 않는 장소에서도 효율적으로 발전을 할 수 있는 풍력 발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예는 상기와 같은 과제를 해결하고자, 지면에 대해서 수직으로 설치된 회전축; 상기 회전축을 감싸도록 설치된 발전기의 스테이터; 상기 스테이터를 감싸며, 상기 회전축을 중심으로 회전하도록 설치된 허브; 상기 허브의 내주면에 설치되어 상기 스테이터를 마주보고 설치되는 발전기의 로터; 상기 허브의 외주면에서 방사상으로 뻗은 복수의 블레이드 지지암; 및 상기 블레이드 지지암의 끝단에 설치된 블레이드;를 포함하고, 상기 블레이드는, 외면이 익형으로 형성되어, 제 1 방향에서 불어오는 바람에 의해 양력이 발생하며, 상기 양력에 의해 상기 허브를 제 1회전방향으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 상기 블레이드 지지암에 설치되고, 내면은 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향에서 불어오는 바람에 의해 항력이 발생하도록 형성되며, 상기 항력에 의해 상기 허브를 상기 제 1 회전방향으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기를 제공한다.
상기 블레이드는, 상기 제 1 회전방향을 기준으로 앞서 회전하는 선단부의 상기 내면이 오목하게 형성되며, 상기 선단부에서 후방으로 뻗은 바람막이부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 스테이터 및 상기 로터 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며, 상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 허브의 원주방향으로 번갈아 배치된다.
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명의 과제해결 수단에 의하면 다음과 같은 사항을 포함하는 다양한 효과를 기대할 수 있다. 다만, 본 발명이 하기와 같은 효과를 모두 발휘해야 성립되는 것은 아니다.
상기와 같이, 본원 발명의 일실시예의 발전기는 모든 방향의 바람에 대해서 발전 할 수 있어, 수시로 바람의 방향이 바뀌는 위치에서 효과적으로 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 초기의 저속에서는 항력으로 발전을 하고, 고속에서는 양력으로 발전을 할 수 있어, 저속과 고속에서 모두 효과적으로 발전할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 증속기가 불필요하여 발전 효율을 보다 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 풍력발전기의 사시도
도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도
도 3은 도 2의 스테이터 및 로터 장착부의 확대 단면도
도 4는 도 3의 발전 개념도
도 5는 도 1의 블레이드의 사시도
도 6은 도 5의 절단선 Ⅵ-Ⅵ에 따른 단면도
도 7은 도 2에 바람이 제 1 방향으로 불 때를 도시한 평면도
도 8은 블레이드의 결합위치가 변경된 변형예를 도시한 평면도
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예의 풍력발전기의 사시도, 도 2는 도 1의 절단선 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 풍력발전기는, 지면에 대해서 수직으로 설치된 회전축(100), 상기 회전축(100)을 감싸도록 설치된 발전기의 스테이터(210)와, 상기 스테이터(210)를 감싸며, 상기 회전축(100)을 중심으로 회전하도록 설치된 허브(220)와, 상기 허브(220)의 내주면에 설치되어 상기 스테이터(210)를 마주보고 설치되는 발전기의 로터(230)와, 상기 허브(220)의 외주면에서 방사상으로 뻗은 복수의 블레이드 지지암(300)과, 상기 블레이드 지지암(300)의 끝단에 설치된 블레이드(400)를 포함한다.
회전축(100)은 풍향의 바람에 상관없이 모든 방향의 바람을 수용할 수 있도록 도 1과 같이, 지면에 대해서 수직으로 설치된다. 즉, 종래의 프로펠러의 경우, 회전축이 수평방향으로 형성되어, 바람을 받아들이는 방향이 일방향으로 한정되어 있어, 주로 바람이 많이 방향으로 고정되어 있거나, 제어장치를 사용하여 프로펠러가 바라보는 방향을 바람이 부는 방향으로 전환하여 주어야 한다. 이에 반해, 본원 발명의 일실시예는 회전축(100)이 지면에 대해서 수직으로 형성되어, 바람을 수평의 모든 방향으로부터 받아들여 발전을 할 수 있다. 수직의 의미는 수학적으로 엄밀한 90도를 의미하는 것은 아니며, 통상의 건설현장에서 중력 방향과 실질적으로 일치하는 정도를 의미한다.
도 3은 도 2의 스테이터 및 로터 장착부의 확대 단면도, 도 4는 도 3의 발전 개념도이다.
상기 스테이터(210) 및 상기 로터(230) 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며, 상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 허브(220)의 원주방향으로 번갈아 배치된다. 본 발명에서는 스테이터(210)가 코일 조립체이며, 로터가 영구자석인 것을 예시로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 반대로 형성되어도 무방하다.
즉, 스테이터(210)는 회전축(100)의 외주면에 복수개의 코일이 권선되어 형성되며, 로터(230)는 허브(220)의 내주면에 원주방향으로 극성이 변화하도록 설치된다.
로터(230)에 설치된 영구자석은 서로 다른 극성이 번갈아 설치됨으로써, 로터(230)가 블레이드와 함께 회전하는 경우, 스테이터(210)에 자기장 변화를 일으켜, 발전을 할 수 있다. 또한, 인접한 영구자석 사이에 자기장이 주로 발생하도록 함으로써, 종래와 같이 대각선에 위치한 영구자석 사이에 발생하는 자기장으로 발전을 하는 방식에 비해 스테이터 및 로터의 직경을 키울 수 있다. 그 결과, 별도의 증속기 없이도, 로터(230)와 스테이터(210)의 직경을 키움으로써 발전을 효율적으로 할 수 있다.
도 5는 도 1의 블레이드의 사시도, 도 6은 도 5의 절단선 Ⅵ-Ⅵ에 따른 단면도이다.
상기 블레이드(400)는, 외면(410)이 익형으로 형성되어, 제 1 방향(W1)에서 불어오는 바람에 의해 양력(F1)이 발생하며, 상기 양력에 의해 상기 허브(220)를 제 1회전방향(T1)으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 상기 블레이드 지지암(300)에 설치되고, 내면(420)은 상기 제 1 방향(W1)과 반대 방향인 제 2 방향(W2)에서 불어오는 바람에 의해 항력(F2)이 발생하도록 형성되며, 상기 항력(F2)에 의해 상기 허브(220)를 상기 제 1 회전방향(T1)으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 형성된다.
즉, 블레이드(400)는 상기 제 1 회전방향(T1)을 기준으로 앞서 회전하는 선단부(440)의 상기 내면이 오목하게 형성되며, 상기 선단부에서 후방으로 뻗은 바람막이부(430) 및 블레이드(400)의 형상을 지지하도록 내면(420)에 고정된 지지리브(450)를 포함한다.
블레이드의 형상을 보다 자세히 설명하면, 외면의 형상은 비행기의 날개의 형상과 유사하게 형성되어, 제 1 방향(W1)에서 불어오는 바람에 의해 발생되는 압력차로 인해 양력(F1)이 발생한다. 이때 양력(F1)은 블레이드(400)의 전면적에 걸쳐서 발생하게 되며, 블레이드 지지암(300)이 블레이드(400)에 비스듬하게 결합되어, 결과적으로 양력(F1)에 의해서 발생하는 회전력이 제 1 회전방향(T1)이 되도록 한다. 즉, 블레이드 지지암(300)과 양력(F1)이 일직선이 되지 않으며, 양력(F1)의 방향이 블레이드 지지암(300)의 연장선상에서 선단(440) 측으로 기울어 지도록 배치되어, 양력(F1)에 의해 제 1 회전방향(T1)으로 회전력이 발생하도록 한다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 8과 같이, 블레이드(400)가 블레이드 지지암(300)에 수직으로 결합되어도, 블레이드 지지암(300)이 선단쪽에 가깝게 결합됨으로써, 블레이드에 가해지는 양력(F1)에 의해 제 1 회전방향(T1)과 동일한 방향(T2)으로 회전력이 발생하도록 할 수 있다.
바람이 제 1 방향(W1)과 반대방향인 제 2 방향(W2)에서 불어오는 경우, 오목하게 형성된 선단부(440)의 내면과, 바람막이부(430)에 바람이 부딪혀 항력(F2)이 발생하여, 제 1 회전방향(T1)으로 회전력이 발생한다.
도 7은 도 2에 바람이 제 1 방향으로 불 때를 도시한 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 방향(W1)으로 불어오는 바람을 마주보고 있는 제 1 블레이드(400a)는 양력(F1)에 의해 허브(220)를 제 1 회전방향(T1)으로 회전력을 발생시키며, 제 2 블레이드(400b)는 항력(F2)에 의해 허브(220)를 제 1 회전방향(T1)으로 회전력을 발생시킨다. 제 3 블레이드(400c) 및 제 4 블레이드(400d)는 회전에 실질적으로 영향을 미치지 않는다.
상기와 같이, 본원 발명의 일실시예의 발전기는 모든 방향의 바람에 대해서 발전을 일으킬 수 있어, 수시로 바람의 방향이 바뀌는 위치에서 효과적으로 발전을 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 초기의 저속에서는 항력으로 발전을 하고, 고속에서는 양력으로 발전을 할 수 있어, 저속과 고속에서 모두 효과적으로 발전할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 증속기가 불필요하여 발전 효율을 보다 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100: 회전축 210: 스테이터
220: 허브 230: 로터
300: 블레이드 지지암 400: 블레이드
220: 허브 T1: 제 1회전방향
W1: 제 1 방향 W2: 제 2 방향
F1: 양력 F2: 항력
440: 선단부 430: 바람막이부

Claims (3)

  1. 지면에 대해서 수직으로 설치된 회전축(100);
    상기 회전축(100)을 감싸도록 설치된 발전기의 스테이터(210);
    상기 스테이터(210)를 감싸며, 상기 회전축(100)을 중심으로 회전하도록 설치된 허브(220);
    상기 허브(220)의 내주면에 설치되어 상기 스테이터(210)를 마주보고 설치되는 발전기의 로터(230);
    상기 허브(220)의 외주면에서 방사상으로 뻗은 복수의 블레이드 지지암(300); 및
    상기 블레이드 지지암(300)의 끝단에 설치된 블레이드(400);
    를 포함하고,
    상기 블레이드(400)는,
    외면이 익형으로 형성되어, 제 1 방향에서 불어오는 바람에 의해 양력이 발생하며, 상기 양력에 의해 상기 허브(220)를 제 1회전방향으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 상기 블레이드 지지암(300)에 설치되고,
    내면은 상기 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향에서 불어오는 바람에 의해 항력이 발생하도록 형성되며, 상기 항력에 의해 상기 허브(220)를 상기 제 1 회전방향으로 회전시키는 회전력을 발생시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드(400)는, 상기 제 1 회전방향을 기준으로 앞서 회전하는 선단부(440)의 상기 내면이 오목하게 형성되며,
    상기 선단부에서 후방으로 뻗은 바람막이부(430);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이터(210) 및 상기 로터(230) 중 적어도 어느 하나는 코일조립체이며, 나머지는 영구자석조립체이며,
    상기 영구자석조립체는 서로 다른 극성의 영구자석이 상기 허브(220)의 원주방향으로 번갈아 배치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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