KR20130052836A - 태양광 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기 - Google Patents

Abstract

태양전지를 이용한 무 블레이드 풍력 발전기를 개시한다. 상기 태양전지를 이용한 무 블레이드 풍력 발전기는 풍속에 따라 회전하며, 외부로부터 공기를 흡입하는 몸체부; 상기 몸체부 상단에 연결되며, 상기 몸체부로부터 흡입된 공기를 배출시켜 배출부 표면에 제트기류를 형성하는 고리 형상의 날개부; 변속기어와 체결된 복수 개의 회전인자를 구비하며, 상기 날개부로부터 배출되는 바람 및 상기 날개부를 관통하여 유입되는 바람의 세기를 통해 상기 복수 개의 회전인자로부터 중심축 회전력을 생성한 후, 상기 회전력에 따른 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 변속 발전부; 및 상기 몸체부에 태양 광 전원을 공급하는 태양 전지부를 포함한다.

Description

태양광 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기{Hybrid Electric Power Generation System Using Photovoltaics and Wind Power}

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 태양광과 풍력을 모두 이용하는 발전기로서 평상시 태양광을 통해 나오는 전력과 바람을 통해 얻는 전력 모두를 이용할 수 있는 태양전지 및 풍력을 이용한 하이브리드 발생기에 관한 것이다.

일반적으로, 석유 및 석탄, 원자력에너지는 공해문제 및 자원고갈로 인하여 대체할 수 있는 에너지원이 요구되었다.

풍력발전기는 기존의 석유나 석탄, 원자력발전에 비해서 자연적인 에너지를 이용하므로, 발전단가가 저렴하여 차세대대체 에너지로 각광받고 있으나, 초기의 설치비용과 주기적으로 내습하는 내풍으로 인하여 아직까지 실험적인 단계를 벗어나지 못하는 실정이다.

기존의 풍력발전기는 설비의 경제성과 발전의 효율성을 감안하여 대규모의 것으로 제조되고, 윈드터빈을 내장한 것이 통상적이다.

윈드터빈은 일반적인 발전기의 구성을 가지는 대부분이고, 윈드블레이드의 회전력을 증속하여 내측의 터빈을 회전하는 구성을 갖는다.

상기한 일반적 구성의 풍력발전기는 경사지등에 다수개 병설되어 전체적인 고출력을 발생하도록 안출되어 있으나 그 제조비용 및 설치비가 대단히 높아 널리 보급되지 못하고 있는 실정이다.

특히, 구릉지가 많고 해안선의 길이가 긴 지역에서의 전력공급이 원활하지 못한 도서지방이 많은 우리나라에서는 그 적용성이 높음에도 불구하고 경제성이 낮은 문제점을 갖고 있었다.

이를 해결하기 위한 선행기술로는 국내 특허공개번호 제 99-74991호 "저출력 풍력발전기"에 선출원되고, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다수개의 블레이드를 구비하고 직립한 설치 지주상에 장착되는 발전설비를 구비하는 풍력발전기에 있어서; 직립장착용의 직립폴에 대하여 회전자유롭게 회동접속하는 회동플랜지 및 회동플랜지에 연결되고 수직직립 또는 수평직립의 회전샤프트를 구비하고, 회전샤프트상의 스테이터코일 및 회전샤프트 양단의 샤프트 베어링에 그 양단부 내방이 끼움개재되는 회전케이지를 가지며, 회전케이지는 내방 내주연의 회전코어 및 외방의 다수개의 블레이드를 더 가짐으로서, 회전케이지(60)의 회동과 일체로 회전코어가 스테이터코일 에 대하여 상대회전하게 된 것이다.

이러한 구성의 종래 기술은 강풍을 동반하는 태풍의 내습시 블레이드가 부서져 버리므로 다수개의 블레이드들을 설치할 수 없는 단점과, 이로인해 단위면적당 많은 량의 전력을 생산할 수 없는 단점이 있었다.

또한, 풍력이 발생되지 않을 때에는 자연으로부터 에너지를 사용할 수 없는 단점이 있으므로, 지속적이고 규칙적인 전원이 요구되는 곳에서는 사용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양 광 발전기의 시간적 제약 및 풍력에 따른 세기 및 위치에 따른 풍력 발전기의 위치적 제약에 국한없이 태양광 및 풍력을 통해 시간적 및 위치적 제약을 극복할 수 있는 하이브리드 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양광과 풍력을 동시에 에너지원으로 하여 발전할 수 있는 발전기로서, 구성이 단순하고 효율적이어서 단위면적당 발전량을 극대화 할 수 있는 하이브리드 발전기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기는 풍속에 따라 회전하며, 외부로부터 공기를 흡입하는 몸체부; 상기 몸체부 상단에 연결되며, 상기 몸체부로부터 흡입된 공기를 배출시켜 배출부 표면에 제트기류를 형성하는 고리 형상의 날개부; 변속기어와 체결된 복수 개의 회전인자를 구비하며, 상기 날개부로부터 배출되는 바람 및 상기 날개부를 관통하여 유입되는 바람의 세기를 통해 상기 복수 개의 회전인자로부터 중심축 회전력을 생성한 후, 상기 회전력에 따른 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 변속 발전부; 및 상기 몸체부에 태양광 전원을 공급하는 태양 전지부를 포함한다.

상기 몸체부는, 원통형으로 형성되며, 표면에 일정한 간격으로 복수 개의 공기 흡입구가 구비되 하우징; 외부로부터 상기 공기 흡입구를 통해 공기를 유입하는 공기 흡입모터; 및 상기 공기 흡입모터로부터 흡입된 공기를 상기 날개부 내로 배출시키는 배출구를 포함한다.

상기 몸체부는, 상기 태양전지로부터 전기 에너지를 공급받아 풍속에 따라 회전하는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전부는, 풍속 감지 센서를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 날개부는, 공기 흡입 모터부로부터 배출되는 공기를 공기 유동부; 및 공기 유동부로부터 공기를 배출하는 공기 배출부를 포함하며, 상기 날개부의 단면은 비행기 날개의 단면과 동일한 모양으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 변속 발전부는, 복수 개의 회전자를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 태양이 떠있고 바람이 분다면 태양전지를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있고, 태양이 없는 밤이나 흐린날에는 풍력 만을 이용하고 또한 태양은 있는데 바람이 불지 않는다면 태양광을 통해 얻는 에너지로 제트모터를 구동시켜 바람을 일으켜 풍력을 통해 변환에너지를 얻을 수 있는 효과를 가지고 있다.

또한, 상기 날개부의 동력원을 태양광으로 통해 이용함으로써 외부의 동력의 제공없이 자체적으로 동작 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과는 날씨의 기후변화에 관계없이 항상 일정한 전원을 발생 및 공급할 수 있도록 함과 아울러, 풍력 발전시 바람의 방향에 따라 가변조정할 수 있도록 그 구조가 개선된 것인바, 이에 따르면 본 발명은 자연에너지를 규칙적이고 일정하게 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 강풍에 의한 부품 파손을 예방할 수 있으므로, 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 가로등이나 철탑등과 같이 지속적으로 에너지를 공급하여주어야하는 시설물의 상부에 간단하게 조립하여 설치함으로서 기존에 설치되어진 가로등이나 철탑에 설치하여 사용가능함은 물론 새로이 설치되는 가로등이나 철탑에도 용이하게 설치하여 사용가능한 매우 우수한 효과를 제공한다.

도 1은 가로등에 설치된 풍력 발전기의 예시도이다.
도 2는 철탑에 설치된 풍력 발전기의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기를 나타낸 예시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 날개부의 단면을 나타낸 예시도이다.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합하나 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 발전기를 나타낸 예시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 날개부의 단면을 나타낸 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 발전기(100)는 몸체부(10), 날개부(20), 변속 발전부(50) 및 태양전지부(40)를 포함한다.

상기 몸체부(10)는 바람의 방향에 따라 구동되는 회전부(12)가 더 구비될 수 있으며, 상기 회전부(12)는 바람을 감지하는 풍속 감지센서(미도시)를 포함하도록 형성된다. 또한 몸체부(10)의 표면에는 외부로부터 공기를 흡입할 수 있는 일정한 크기의 공기 흡입구(11)가 형성되도록 설계된다.

또한, 상기 회전부(12)는 상기 태양전지부(40)로부터 전원을 공급받아 구동될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 몸체부(10)는 하우징(12), 상기 하우징(12) 표면에 형성된 복수 개의 공기 흡입구(11), 상기 공기 흡입구(11)를 통해 공기를 일정한 압으로 흡입하는 공기 흡입 모터 및 배출구를 포함한다.

상기 하우징(12)은 원통형 또는 각관 형태로 형성될 수 있으며, 표면에 일정한 간격으로 형성된 복수 개의 공기 흡입구(11)가 구비되도록 형성된다.

상기 공기 흡입모터(미도시)는 외부로부터 유입되는 공기를 상기 공기 흡입구를 통해 날개부 내로 유입시키는 역할을 수행하는 모터일 수 있다.

상기 배출구(미도시)는 상기 공기 흡입모터로부터 흡입된 공기를 상기 날개부 내로 배출시키되, 제트엔진의 원리를 이용하여 배출하도록 형성된다.

참고로, 제트엔진의 원리는 열을 발생시켜 일로 바꾸는 장치인 열 기관의 한 종류로서 열기관 내부로 흡입된 공기와 연료가 섞여 연소하면 고온의 기체가 발생하며 이 기체가 외부로 분출되면 분출 기체의 반작용으로 추진력을 얻는 원리이다.

도 2는 도 1에 도시된 날개부의 단면을 나타낸 예시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 날개부(40)는 상기 몸체부(10) 상단에 연결되며, 상기 몸체부(10)로부터 흡입된 공기를 배출시켜 표면에 제트기류를 형성하도록 고리 형상으로 형성된다.

보다 상세하게, 상기 날개부(20)는 유선형의 튜브 관으로 형성된 공기 유동관(A) 및 상기 공기 유동관(A)를 거쳐 공기를 배출하는 공기 배출구(B)로 구성된다.

상기 날개부(20)의 단면은 비행기의 단면과 동일한 구조로 형성될 수 있으며, 이러한 단면은 베르누이의 원리 및 제트엔진의 원리가 적용되어 상기 공기 배출구로 배출되는 공기의 흐름을 제트기류로 변형시킬 수 있는 구조면 모두다 가능할 수 있다.

이러한 제트기류로 형성된 공기는 날개부를 통과하는 풍속의 바람에 최고 15배의 풍속으로 상기 변속 발전부(50)로 유입된다.

참고로, 베르누이 원리는 유체의 속력에 따라 압력이 달라지는 현상으로, 이상 유체(ideal fluid)에 대하여, 유체에 가해지는 일이 없는 경우에 대해, 유체의 속도와 압력, 위치 에너지 사이의 관계를 나타낸 원리이다. 이 원리는 1738년 다니엘 베르누이가 그의 저서 "유체역학" Hydrodynamica에서 발표하였다.

상기 변속 발전부(50)는 변속기어와 체결된 복수 개의 회전인자(예컨대, 블레이드)를 구비하며, 상기 날개부(20)로부터 배출되는 바람 및 상기 날개부(20)를 관통하여 유입되는 바람의 세기를 통해 상기 복수 개의 회전인자(예컨대, 블레이드)로부터 중심축 회전력인 기계에너지를 전기에너지로 변환한다.

상기 태양전지부(40)는 상기 날개부(20) 상부 표면에 구비되며, 복수 개의 솔라 셀로 구성된 태양전지판으로 형성되며, 상기 몸체부(10) 내에 구비된 회전부(12)에 전기 에너지를 공급한다.

따라서, 본 발명은 태양광과 풍력을 모두 이용하는 발전기의 형태로서, 평상시 태양광을 통해 나오는 전력과 바람을 통해 얻는 전력 모두를 이용할 수 있다.

즉, 태양이 떠있고 바람이 분다면 태양전지를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있고, 태양이 없는 밤이나 흐린날에는 풍력 만을 이용하고 또한 태양은 있는데 바람이 불지 않는다면 태양광을 통해 얻는 에너지로 제트모터를 구동시켜 바람을 일으켜 풍력을 통해 변환에너지를 얻을 수 있는 효과를 가지고 있다.

또한, 본 발명은 종래의 자연환경으로부터 생성된 바람의 힘을 기계에너지에서 전기에너지로 변환시키는 방법은 동일하나, 인위적인 바람을 생성하도록 설계하여 기존의 풍력 발전소의 위치적 제약을 극복할 수 있고, 바람의 세기에 따라 전기에너지로 환원되는 에너지의 양을 극대화시킬 수 있고, 일정한 풍력을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 발명일 수 있다.

또한, 상기 몸체부(10)의 동력원을 태양광으로 통해 이용함으로써 외부의 동력의 제공없이 자체적으로 동작 가능할 수 있고, 필요에 따라 태양광 또는 풍력을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 다른 효과는 날씨의 기후변화에 관계없이 항상 일정한 전원을 발생 및 공급할 수 있도록 함과 아울러, 풍력 발전시 바람의 방향에 따라 가변조정할 수 있도록 그 구조가 개선된 것인바, 이에 따르면 본 발명은 자연에너지를 규칙적이고 일정하게 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 강풍에 의한 부품 파손을 예방할 수 있으므로, 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 가로등이나 철탑등과 같이 지속적으로 에너지를 공급하여주어야하는 시설물의 상부에 간단하게 조립하여 설치함으로서 기존에 설치되어진 가로등이나 철탑에 설치하여 사용가능함은 물론 새로이 설치되는 가로등이나 철탑에도 용이하게 설치하여 사용가능한 매우 우수한 효과를 제공한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 차동의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10: 몸체부 11: 공기 유입구
12: 회전부 20: 날개부
40: 태양전지부

Claims (5)

1. 태양광과 풍력을 이용한 하이브리드 발전기에 있어서,
   풍속에 따라 회전하며, 외부로부터 공기를 흡입하는 몸체부;
   상기 몸체부 상단에 연결되며, 상기 몸체부로부터 흡입된 공기를 배출시켜 배출부 표면에 제트기류를 형성하는 고리 형상의 날개부;
   변속기어와 체결된 복수 개의 회전인자를 구비하며, 상기 날개부로부터 배출되는 바람 및 상기 날개부를 관통하여 유입되는 바람의 세기를 통해 상기 복수 개의 회전인자로부터 중심축 회전력을 생성한 후, 상기 회전력에 따른 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 변속 발전부; 및
   상기 몸체부에 상부 표면에 구비된 태양광을 공급하는 태양 전지부를 포함하는 태양전지 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 몸체부는,
   원통형으로 형성되며, 표면에 일정한 간격으로 복수 개의 공기 흡입구가 구비되 원통형 하우징;
   상기 원통형 하우징 내부에 구비되며, 외부로부터 상기 공기 흡입구를 통해 공기를 유입하는 공기 흡입모터; 및
   상기 공기 흡입모터로부터 흡입된 공기를 상기 날개부 내로 배출시키는 배출구를 포함하는 태양전지 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 몸체부는,
   상기 태양전지로부터 공급된 전력을 통해 회전하는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 몸체부는,
   외부 표면에 복수 개의 풍속 감지 센서를 구비하여 풍속의 변화에 따라 상기 회전부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 날개부는,
   공기 흡입 모터부로부터 배출되는 공기를 공기 유동부; 및
   공기 유동부로부터 공기를 배출하는 공기 배출부를 포함하며,
   상기 날개부의 단면은 비행기 날개의 단면과 동일한 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 및 풍력을 이용한 하이브리드 발전기.
   

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