KR20130070485A - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 풍력발전기에 관한 것으로서, 중심축에 일정간격으로 부착된 반원통형 날개에 의해 회전력을 극대화시켜 발전량을 증가시킴과 더불어 간단한 구조로서 제작 및 시설비용을 절감할 수 있는 등, 고유가 시대의 대체에너지로 활용할 수 있도록 하기 위해 본 고안은, 풍력발전기에 있어서, 콘크리트로 제조된 기초구조물과; 상기 기초구조물의 상부에 볼트로 체결되는 프레임과; 상기 프레임의 내측 중앙에 장치되는 중심축이 지지대에 결합된 양측 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 상기 중심축에는 오목하게 요입부를 가지는 반 원형의 날개가 방사상으로 6∼12개로 부착되어서, 상기 날개에 작용하는 풍력에 의해 회전력을 발생시키는 풍차와; 상기 기초구조물의 내부공간에 수납되며, 축 회전운동에 의해 전기를 발생시키는 발전기와; 상기 중심축과 발전기 축을 연결할 수 있게 서로 맞물려 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단으로 구성됨 특징으로 하는 풍력발전기를 제안한다.

Description

풍력발전기{An aerogenerator}

본 고안은 풍력발전기에 관한 것으로서, 중심축에 일정간격으로 부착된 반원통형 날개에 의해 회전력을 극대화시켜 발전량을 증가시킴과 더불어 간단한 구조로서 제작 및 시설비용을 절감할 수 있는 등, 고유가 시대의 대체에너지로 활용할 수 있는 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력발전기(風力發電機)는 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 풍력에 의한 날개의 회전력으로 발전기를 구동시켜 전기를 생산하게 되며, 변속기 등이 구비된다.

상기의 풍력발전기는 바람이 잘 불어오는 해안가 고지대, 고층 아파트나 고층건물의 옥상, 높은 산봉우리 인근에 건설하기에 적합하지만, 풍량(風量)이 충분한 도서-산간지역이나 고지대 등에는 풍력발전시설을 건설하기가 난해할 뿐만 아니라 건설비용이 막대하게 소요된다.

한편, 우리나라는 삼면이 바다와 산이 많이 있어 천연의 자연적인 조건이 풍족한데 자원을 이용하지 못하고 수력, 화력, 원자력 태양발전에만 천문학적인 비용을 투자하고 있는 실정이다.

종래의 기술에 따라 현재 지구촌 곳곳에 건설되고 있는 풍력발전기는 세 개의 날개에 정면으로 강한 바람이 불어오면 날개가 회전하면서 발전이 이루어지는데, 일정한 풍속 이하에서는 풍력발전기가 작동하지 않고 있다. 예컨대 인근 지역의 해안가에 설치되어 있는 풍력발전기를 살펴보면 바람이 불고 있는데도 날개가 회전하지 않음을 쉽게 목격할 수 있다.

현재 전기를 사용하는 수력발전 내지 화력발전, 원자력발전, 태양열발전 등은 건설에 오랜 기간이 소요되며, 입지조건이 까다롭고 건설이 난해한 문제점들이 있었다.

또한 아래와 같은 종래의 선행기술문헌(특허문헌)으로 공개된 바에 있고, 이는 국내공개특허 제10-2009-0132706호(2009.12.31.) 또는 국내공개특허 제10-1998-0074542호(1998.11.05.)등, 이외에도 다수가 이미 공지된 바에 있으며, 구체적인 설명은 생략한다. 그런데 종래의 선행기술은 그 구성이 복잡할 뿐만 아니라 제작이 난해하고 성능이 저하되며, 제작비용이 과다하게 소요되고 유지관리가 까다롭고 비효율적이며 비경제적인 문제점이 있었다.

-국내공개특허 제10-2009-0132706호(2009.12.31.) -국내공개특허 제10-1998-0074542호(1998.11.05.)

본 고안의 목적은 에너지자원이 나지 아니하고 고유가와 이산화탄소 가스공해를 해결하며, 도서 산간지역에 풍력발전기를 설치하여 충분한 전기를 공급할 수 있으며, 친환경적이고 매우 경제적인 무공해 전기의 발전효율을 극대화하여 공업, 상업, 농업, 어업, 이상생활에 편리하고 깨끗한 전기문화를 제공하는데에 있다.

본 고안의 다른 목적은 프레임에 덕트를 구비하여 바람을 모아주고 바람을 풍차로 안내하여 날개에 작용하는 풍력을 증가시키고, 발전효율을 향상시키는 데 있다.

이를 위해 본 고안은, 풍력발전기에 있어서, 콘크리트로 제조된 기초구조물과; 상기 기초구조물의 상부에 볼트로 체결되는 프레임과; 상기 프레임의 내측 중앙에 장치되는 중심축이 지지대에 결합된 양측 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되며, 상기 중심축에는 오목하게 요입부를 가지는 6∼12개의 날개가 방사상으로 부착되어서, 상기 날개에 작용하는 풍력에 의해 회전력을 발생시키는 풍차와; 상기 기초구조물의 내부공간에 수납되며, 축 회전운동에 의해 전기를 발생시키는 발전기와; 상기 중심축과 발전기 축을 연결할 수 있게 서로 맞물려 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단으로 구성됨 특징으로 하는 풍력발전기를 제안한다.

본 고안은 상기 동력전달수단은 기어, 벨트/풀리, 체인/스프로킷 중에서 선택된 하나의 것으로 구성됨을 특징으로 한다.

본 고안은 상기 프레임에 고정되는 덕트가 상기 풍차의 둘레에 측방으로 개통되고 양측 입구는 외측으로 갈수록 확장된 것을 특징으로 한다.

본 고안은 간단한 구성으로 제작이 용이하고 제작 및 설치비용이 저렴하며, 도서 산간지역은 물론 아파트 옥상이나 다양한 고지대에 바람이 부는 곳이면 어디든 설치가 간편하여 전력보급률을 높일 수 있고 매우 실용적일 뿐만 아니라 수리보수 및 유지관리가 용이하고 반영구적으로 풍력을 이용하므로 매우 경제적이며, 무엇보다 환경오염을 방지할 수 있는 친환경적인 효과를 제공한다. 또한, 풍력발전기가 하부 기초구조물이 안정적으로 중심을 유지할 수 있으며, 한편 앵커볼트 등으로 바닥면에 단단히 고정하여 전도되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 고안의 바람직한 실시 예에 의한 풍력발전기의 사시도
도 2는 본 고안에 따른 풍력발전기를 부분 단면으로 도시한 정면도
도 3은 본 고안에 따흔 풍력발전기의 풍차를 횡단면으로 나타낸 평면도
도 4는 본 고안의 다른 실시 예에 따른 풍력발전기를 부분적인 단면으로 나타낸 정면도

이하 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하며, 본 고안의 실시 예는 당업자가 본 고안을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 제공되는 것이다. 또한 본 고안을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 고안의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략한다.

상기의 도면에 따르면 본 고안은, 풍력발전기에 있어서, 콘크리트로 제조된 기초구조물(10)과; 상기 기초구조물(10)의 상부에 볼트(15)로 체결되는 프레임(12)과; 상기 프레임(12)의 내측 중앙에 장치되는 중심축(24)이 지지대(14)에 결합된 양측 베어링(26)에 의해 회전 가능하게 지지되며, 상기 중심축(24)에는 오목하게 요입부(23)를 가지는 6∼12개의 날개(22)가 방사상으로 부착되어서, 상기 날개(22)에 작용하는 풍력에 의해 회전력을 발생시키는 풍차(20)와; 상기 기초구조물(10)의 내부공간에 수납되며, 축 회전운동에 의해 전기를 발생시키는 발전기(30)와; 상기 중심축(24)과 발전기 축을 연결할 수 있게 서로 맞물려 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단으로 구성됨 특징으로 한다.

위를 더욱더 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안의 바람직한 실시 예에 따른 풍력발전기는 풍차(10)에 작용하는 풍력(風力)에 의해 발전기(30)가 작동하면서 발전이 이루어지게 되는 것으로, 기초구조물(10)의 상부에 프레임(12)을 설치하여 풍차(20)를 회전 가능하게 지지하며, 상기 기초구조물(10)의 내부에 발전기(30)가 안치되어 있고, 상기 발전기가 풍차의 회전운동에 의해 작동하면서 전기를 발생시킨다.

상기 기초구조물(10)은 일정한 형틀 속에서 콘크리트로 성형하여 제조된 것으로 내부에는 개폐가능한 수납공간을 마련된다.

상기 프레임(12)은 하부 베이스(13)의 가장자리부를 볼트(15)/너트 등의 고정구로 기조구조물에 고정하며, 상부와 하부에는 지지대(14)를 설치하여 중앙부의 풍차 베어링(26)이 결합된다.

상기 풍차(20)는 세로방향의 중심축(24)에 6∼12개의 날개(22)가 일정한 간격을 두고 방사상으로 부착되고, 상부와 하부에 베어링(26)이 결합하여 회전 가능하게 지지되며, 하단부는 기초구조물(10) 내부로 연장된다.

여기서, 상기 날개(22)는 오목하게 한쪽 방향으로 오목하게 요입부(23)를 형성함에 따라, 바람이 날개와 접촉시 접촉면적 및 접촉시간이 확장된 요입부(23)의 곡면을 타고 흐르면서 저항력이 증가함은 물론 풍차의 회전력을 향상시키게 된다. 이때 상기의 날개(22)는 사각의 반원통형으로, 바람직하게는 도면에서처럼 직사각형으로 오목한 반원통형으로 구성되며, 이로써 풍력을 모으는데 효과적이며, 날개 및 요입부는 유선형으로 오목하게 이루어져 풍력에 의한 회전력을 향상시킨다.

상기의 동력전달수단은 풍차의 회전운동을 발전기로 전달하기 위한 것으로, 기어(28,29), 벨트/풀리(28a,29a), 체인/스프로킷 중에서 선택된 하나의 것으로 구성됨을 특징으로 한다. 이에 상기 중심축(24)의 하단부에 조립된 제1기어(28)가 발전기(30) 축의 제2기어(29)와 맞물려 풍차의 회전력을 전달하게 된다. 상기의 제1, 제2기어를 연결하는 아이들(Idle)기어 또는 변속가능한 기어박스를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 본 고안은 상기 제1기어(28)가 제2기어(29) 보다 큰 기어비로 구성된다. 즉 상기 풍차가 일회 회전할 때 발전기 축은 적어도 일회 이상이 회전함으로 발전량을 증가시킬 수 있도록 하는 것이다. 이때 제1기어(28)와 제2기어(29)의 기어비는 1:0.4∼1:0.8 이내의 범위로 구성하는 것이 바람직하다. 또한 상기 기어박스에는 풍량(풍속)의 변화에 따라 발전량을 조절할 수 있도록 변속기어를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 고안은 상기 프레임(12)에 고정되는 덕트(18)가 상기 풍차(20)의 둘레에 측방으로 개통되고 양측 입구는 외측으로 갈수록 확장된 것을 특징으로 한다. 즉 상기 풍차(20)의 둘레에 측방으로 개통된 덕트(18; Duct)가 설치되고, 상기 덕트(18)는 입구가 외측으로 확장되어 바람을 모아줌으로 풍속(풍량)을 증가시키며, 이와 함께 입구 안쪽에는 풍향 유도가이드를 구비하여서 덕트 입구측의 통로를 절반정도를 가려서 바람을 풍차가 회전하는 방향 즉, 날개의 요입부 쪽으로 모이도록 구성하는 것이 바람직하다.

다시 말해, 상기 덕트(18)는 바람의 방향에 따라 양측으로 개통되어 있는 나팔형식 입구의 어느 한쪽으로 바람이 모이면서 유입되며, 상기의 도 3에서처럼 풍향이 좌측에서 우측으로 진행하면 상기 풍차(30)의 윗부분에 보이는 날개의 요입부(23)에 풍력이 작용하면서 시계방향으로 강하게 회전시킨 후, 반대방향으로 진출하게 된다. 역으로 풍향이 우측에서 좌측으로 작용할 때도 바람이 아랫부분 날개의 요입부(23)에 작용하면서 풍차를 정회전시키게 된다. 즉 바람이 어느 방향으로 불더라도 풍차의 회전방향은 일정하게 시계방향으로 정 회전하게 되는 것이다.

이후, 상기 풍차의 회전력이 기어(28,29)를 거쳐 발전기를 구동시키게 되며, 상기 발전기(30)에서 생산된 전기는 송전선(32)을 통해 소정의 축전지(도면에 미도시)에 저장하게 되며, 또는 상기 기초구조물 내부에 구비된 축전지에 임시저장하였다가 송전선을 통해 공급할 수도 있다.

한편, 본 고안의 다른 실시 예에 따른 풍력발전기는 가로방향의 수평형으로 구성되며, 도 4를 참조하면, 기초구조물(10)의 상부에 풍차(24) 및 프레임(12)이 가로방향으로 설치되고, 하부 베이스판(13)을 고정하며, 상기 중심축(24)과 발전기를 벨트/풀리(28a,29) 또는, 체인/스프로킷(도면에는 미도시)를 통해 연결하여 연동하도록 구성함으로써, 상기의 풍차(20)가 가로방향으로 횡설된 채로 회전하는 것이다. 이때 상기 중심축의 제1풀리(제1스프로킷)이 발전기 축의 제2풀리(제2스프로킷)과 동일하거나 또는 크게 구성하는 것이 바람직하며, 이는 위에서처럼, 상기 풍차가 일 회전할 때 발전기 축을 적어도 일 회 이상이 회전시켜 발전량을 증가시킬 수 있도록 하는 것이다.

더불어, 본 고안의 풍력발전기는 외딴섬이나 깊은 산골에 건설하기 용이하며, 상공업, 농어업, 일상생활에 유용하며, 자동차, 선박, 조선, 기계장치 등, 광범위한 산업분야에 공해가 없이 친환경 전기문화생활을 공유할 수 있게 된다.

10:기초구조물 12:프레임 13:베이스판 14:지지대
15:볼트 18:덕트 20:풍차 22:날개
23:요입부 24:중심축 26:베어링 28,29:기어
28a,29a:벨트/풀리 30:발전기 32:송전선

Claims (3)

1. 풍력발전기에 있어서,
   콘크리트로 제조된 기초구조물(10)과;
   상기 기초구조물(10)의 상부에 볼트(15)로 체결되는 프레임(12)과;
   상기 프레임(12)의 내측 중앙에 장치되는 중심축(24)이 지지대(14)에 결합된 양측 베어링(26)에 의해 회전 가능하게 지지되며, 상기 중심축(24)에는 오목하게 요입부(23)를 가지는 6∼12개의 날개(22)가 방사상으로 부착되어서, 상기 날개(22)에 작용하는 풍력에 의해 회전력을 발생시키는 풍차(20)와;
   상기 기초구조물(10)의 내부공간에 수납되며, 축 회전운동에 의해 전기를 발생시키는 발전기(30)와;
   상기 중심축(24)과 발전기 축을 연결할 수 있게 서로 맞물려 회전력을 전달하기 위한 동력전달수단으로 구성됨 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 동력전달수단은 기어(28,29), 벨트/풀리(28a,29a), 체인/스프로킷 중에서 선택된 하나의 것으로 구성됨을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프레임(12)에 고정되는 덕트(18)가 상기 풍차(20)의 둘레에 측방으로 개통되고 양측 입구는 외측으로 갈수록 확장된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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