KR20130073322A - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 프로펠러로부터 공급되는 구동력으로 발전기의 고정자와 회전자를 역방향으로 가동하여 전력 생산성을 향상시킬 수 있도록 함에 있어서, 프로펠러의 구동력을 더욱 강력하게 제공할 수 있게 한 풍력 발전기를 제공코자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 발전기의 회전자가 일단에 결합된 구동축을 지지체에 자유회전 되도록 베어링을 매개로 축 설치하고, 구동축의 선단으로 보조구동축을 베어링을 매개로 지지되도록 설치하고, 보조구동축에는 내측과 외측에 각각 내측블레이드와 외측블레이드가 형성되어 있는 제1프로펠러를 설치하고, 구동축에는 제1프로펠러의 내측블레이드로부터 제공되는 바람으로 구동되는 제2프로펠러를 설치하며 아울러, 제1프로펠러의 외측블레이드로부터 제공되는 회전력을 제1프로펠러 몸체와 제2프로펠러의 외주연에 각각 형성되어 있는 내접기어와 외접기어 및 이들 사이에 위치하도록 제1프로펠러 몸체에 축 설치한 유성기어를 포함하는 유성기어유닛에 의해 제공되게 하여 강력한 구동력이 발생되게 한 것이다.
그리고 축지부에는 베르누이 원리가 제공될 수 있도록 축지부 양측으로 점차 넓어지는 장고형의 유로를 형성하고, 제2프로펠러 반대측에는 제2프로펠러와 역방향으로 회전하는 제3프로펠러를 장고형의 유로 내측에 단부가 내입되도록 구동축에 베어링을 매개로 지지되도록 설치하고, 제3프로펠러의 회전력을 구동축의 선단에 결합되어 있는 회전자와 대응하는 고정자에 전달될 수 있게 구성한 것이다.

Description

풍력발전기{wind power generator}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 프로펠러로부터 공급되는 구동력으로 발전기의 고정자와 회전자를 역방향으로 가동하여 전력 생산성을 향상시킬 수 있도록 함에 있어서, 프로펠러의 구동력을 더욱 강력하게 제공할 수 있게 한 풍력발전기를 제공코자 하는 것이다.

공기와 물(이하에서 '유체'라 함)의 유속을 이용하는 다양한 발전기가 제공되고 있으며, 이들의 경우 발전기 혹은 발전기와 연결되는 기어박스를 구동하기 위한 수단으로 프로펠러를 사용하고 있다.

유체를 이용하여 프로펠러를 구동하는 기술들은 다양하게 제공되고 있다.

대표적인 기술로는 일본 공개특허 2002-285948호, 미국 공개특허 2004/0183310호, 2008/238105호 등이 있다.

상기에서 언급한 선행기술들은 발전기 축에 결합된 프로펠러의 구동력을 향상시킬 목적으로 나팔관형상의 유도관을 설치하고, 유도관 내측으로 나선을 형성하여 공급되는 유체의 속도와 압력을 증가시킨 상태에서 프로펠러를 구동하는 기술이다.

이러한 기술들은 프로펠러의 구동력을 향상시키는데 효과가 있기는 하나, 기대만큼의 효과는 없으며, 프로펠러의 회전 효율성을 높이기 위해서는 유도관의 크기를 키워야 하는 등의 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 수단으로 본 발명자는 발전기 축을 회전시키는 구동 효율성을 개선할 수 있게 하며, 또한 발전기 구동축과 하우징을 각각 정 방향과 역방향으로 구동할 수 있게 한 발전기용 프로펠러를 특허등록(10-1027792호(2011.04.08.))한 바 있다.

선등록 발명의 경우 풍력발전기의 구동축에 제1회전체를 결합하고, 제1회전체의 전방으로 제1회전체에 제2회전체를 일방향 베어링을 매개로 결합함으로 해서 제2회전체의 회전력이 제1회전체에 전달되고, 제2회전체의 내측을 통과하면서 유속과 유압이 증가된 유체가 제1회전체에 전달되게 하여 구동축의 회전력을 높일 수 있게 하였다.

또한 발전기축에 제1회전체를 결합하고, 제1회전체의 전방으로 제1회전체에 제2회전체를 베어링을 매개로 결합하되, 제2회전체를 베어링을 매개로 내측부재와 외측부재로 분리하여 내측부재는 제1회전체와 동일한 방향으로 구동되게 하고, 외측부재는 발전기몸체와 결합된 상태에서 제1회전체와 역방향으로 회전되게 하여 발전 효율성을 높일 수 있도록 하였다.

JP 2002285948 A US 20040183310 A US 2008238105 A KR 101027792 B1

본 발명은 상기와 같이 본 발명자가 출원 등록한 발전기용 프로펠러의 성능을 더욱 업그레이드 하여 발전 효율성을 더욱 향상되게 개량 발명한 것으로서, 본 발명에서는 프로펠러로부터 공급되는 구동력으로 발전기의 고정자와 회전자를 역방향으로 가동하여 전력 생산성을 향상시킬 수 있도록 함에 있어서, 프로펠러의 구동력을 더욱 강력하게 제공할 수 있게 한 풍력발전기를 제공함에 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

과제 해결수단으로 본 발명에서는 발전기의 회전자가 일단에 결합된 구동축을 지지체에 자유회전 되도록 베어링을 매개로 축 설치하고, 구동축의 선단으로 보조구동축을 베어링을 매개로 지지되도록 설치하고, 보조구동축에는 내측과 외측에 각각 내측블레이드와 외측블레이드가 형성되어 있는 제1프로펠러를 설치하고, 구동축에는 제1프로펠러의 내측블레이드로부터 제공되는 바람으로 구동되는 제2프로펠러를 설치하며 아울러, 제1프로펠러의 외측블레이드로부터 제공되는 회전력을 제1프로펠러 몸체와 제2프로펠러의 외주연에 각각 형성되어 있는 내접기어와 외접기어 및 이들 사이에 위치하도록 제1프로펠러 몸체에 축 설치한 유성기어를 포함하는 유성기어유닛에 의해 제공되게 하여 강력한 구동력이 발생되게 하였다.

그리고 축지부에는 베르누이 원리가 제공될 수 있도록 축지부 양측으로 점차 넓어지는 장고형의 유로를 형성하고, 제2프로펠러 반대측에는 제2프로펠러와 역방향으로 회전하는 제3프로펠러를 장고형의 유로 내측에 단부가 내입되도록 구동축에 베어링을 매개로 지지되도록 설치하고, 제3프로펠러의 회전력을 구동축의 선단에 결합되어 있는 회전자와 대응하는 고정자에 전달될 수 있게 구성하였다.

본 발명에서 제공하는 풍력발전기에 의하면 발전기의 고정자와 회전자를 역방향으로 구동되게 함으로 해서 발전효율을 극대화 할 수 있는 것이다.

또한 본 발명은 제1프로펠러의 외측에 설치되어 있는 블레이드의 회전력을 유성기어유닛을 통해서 제2프로펠러에 제공될 수 있게 구성되어 있어 강력한 구동력을 제공할 수 있으므로 프로펠러의 크기를 최소화 하면서도 강력한 구동력을 제공할 수 있는 것으로 풍력발전기 제작비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 일 실시예를 보인 외형 사시도
도 2는 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 분해사시도
도 3은 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 측면도
도 4는 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 측단면도
도 5는 본 발명에 적용된 유성기어유닛의 구성도
도 6은 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 다른 예를 보인 단면도

이하에서 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 실시예를 첨부 도면에 의거하여 설명한다.

도 1은 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 일 실시예를 보인 외형 사시도를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 분해사시도, 도 3은 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 측면도 등을 도시한 것이다.

본 발명에서 제공하는 풍력발전기(1)는 도시된 바와 같이 제1,2,3프로펠러(10)(20)(30)를 적절하게 배치 조합하여 발전기(40)의 고정자(41)와 회전자(42)를 역방향으로 강력하게 구동할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

이를 위해서 본 발명에서는 지상에서 일정 높이의 천고를 가지도록 지지체(2)를 설치하고 지지체(2)의 상단에는 구동축(4)을 설치할 수 있는 축지부(3)를 마련하고, 축지부(3)에는 발전기(40)의 회전자(42)가 일단에 결합된 구동축(4)을 자유회전 되도록 베어링(5)을 매개로 축 설치한다.

상기 구동축(4)의 선단에는 베어링(7)을 매개로 지지되도록 보조구동축(6)을 설치하여 구동축(4)과는 별개로 자유회전 될 수 있게 구성한다.

보조구동축(6)에는 제1프로펠러(10)가 함께 회전할 수 있도록 축 설치되며, 제1프로펠러(10)의 구성은 몸체(11) 내측과 외측에 각각 내측블레이드(12)와 외측블레이드(13)를 형성하되, 내측블레이드(12)의 중심에는 보조구동축(6)에 축 결합되는 축지부(14)를 구비하여 제1프로펠러(10)가 보조구동축(6)에 결합된 상태에서 함께 회전될 수 있게 한다.

상기 외측블레이드(13)는 기존 널리 사용하고 있는 풍력발전기의 블레이드의 형상 등 다양한 구성으로 설계 제공될 수 있음은 당연하다.

상기 구동축(4)에는 제1프로펠러(10)의 내측블레이드(12) 후방에 위치하도록 제2프로펠러(20)를 축 설치하여 구동축(4)과 함께 구동될 수 있게 한다. 이때 제2프로펠러(20)는 제1프로펠러(10)와 역방향으로 회전될 수 있게 외부연에는 제1프로펠러(10)에 형성된 블레이드들과 반대방향으로 블레이드(21)를 형성토록 하며, 제1프로펠러(10)에 형성된 내측블레이드(12) 직경과 같거나 조금 큰 치수로 설계토록 하여 내측블레이드를 통해서 공급되는 유체의 허실을 최소화 할 수 있게 하여 제2프로펠러(20)의 구동이 원활하게 이루어지게 한다.

본 발명에서는 상기 제1프로펠러(10)의 구동력은 제2프로펠러(20)에 함께 제공될 수 있도록 설계되어 있다. 이를 위해서 동력 전달수단을 사용하였으며, 본 발명에서는 동력 전달수단으로 유성기어유닛(50)을 사용하였다.

본 발명에 적용되는 유성기어유닛(50)은 도 5에 도시된 바와 같이 제1프로펠러(10)의 몸체(11) 후방으로 내접링기어(51)를 형성하고, 제2프로펠러(20)의 블레이드(21) 외주연에 외접링기어(52)를 일체로 형성하며, 이들 내접링기어(51)와 외접링기어(52) 사이에는 복수의 유성기어(53)를 결합한다.

상기 유성기어(53)들은 제1프로펠러(10)의 몸체(11)에 결합되는 핀(54)에 자유 회전되도록 설치한다. 또한 유성기어(53)들은 최소 3개 이상 설치되며, 내접링기어(51) 및 외접링기어(52)의 직경에 따라 그 개수가 증가할 수 있음은 당연하며, 본 발명에서는 4개의 유성기어(53)를 적용한 예를 도시하였다.

상기와 같이 구성되는 유성기어유닛(50)을 사용할 경우 제1프로펠러(10)에 일체 형성되어 있는 내접링기어(51)가 시계방향으로 회전할 때 유성기어(53)를 매개로 제2프로펠러(20)에 일체 형성되어 있는 외접링기어(52)가 반시계방향으로 구동되는 것으로, 제2프로펠러(20)의 출력토크를 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

본 발명에서는 구동축(4)이 설치되어 있는 지지체(2) 상단의 축지부(3) 바깥쪽에 수개의 연결편(3a)에 의해 지지되도록 동심으로 가이드관(8)을 형성하여 제2프로펠러(20)에서 배출되는 바람이 가이드관(8)에 의해 형성된 유로(9)를 통해서 후방으로 유도 배출할 수 있게 한다.

이때 가이드관(8)의 내부에 형성된 유로(9)는 베르누이 원리가 제공될 수 있도록 축지부(3) 양측으로 점차 넓어지는 장고형으로 형성하여 제2프로펠러(20)에서 공급되는 유체(바람)가 장고형의 유로(9)의 잘록한 축지부(3) 부분을 통과하면서 유속이 빨라진 상태로 배출되게 한다.

그리고 지지체(2)의 후방으로는 구동축(4)의 말미에 위치하도록 베어링(32)에 지지되도록 제3프로펠러(30)를 설치하며, 제3프로펠러(30)에 제2프로펠러(20)와 역방향으로 회전될 수 있게 외부연에 블레이드(31)를 형성토록 한다.

상기 제3프로펠러(30)의 선단은 가이드관(8)에 의해 형성되는 장고형의 유로(9) 내측으로 내입되도록 설치하여 유로(9)를 통해서 이동하는 유체에 의해 제3프로펠러(30)가 강력하게 구동될 수 있게 한다.

제3프로펠러(30)는 발전기(40)의 고정자(41)와 결합되도록 하여 상기 구동축(4)에 설치되는 회전자(42)와 반대방향으로 회전되게 구성한다.

상기 발전기(40)는 도시된 바와 같이 제3프로펠러(30) 내부에 내장 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성은 풍력발전기(1)의 외형을 간소화 시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 다른 예를 보인 단면도를 도시한 것으로서, 이는 발전기(40)를 외부에 별도로 마련하고, 지지체(2)에 지지되도록 한 것이다.

도면 중 미설명 부호 60은 지지체(2)에 하단이 고정된 상태로 상단을 제1프로펠러(10)가 결합된 보조구동축(6)이 자유 회전되게 베어링 지지되는 지지브래킷을 도시한 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 바람을 이용하여 발전하는 풍력발전기로 사용되는 것으로, 이하에서 본 발명의 작용을 설명한다.

본 발명을 설치한 상태에서 바람이 불면 먼저 전방에 위치하는 제1프로펠러(10)가 회전하게 된다.

이때 제1프로펠러(10)는 내측과 외측에 각각 내측블레이드(12)와 외측블레이드(13)가 형성되어 있으므로 제1프로펠러(10)가 회전할 때 중앙에 위치하는 내측블레이드(12)를 통해서 유체가 제2프로펠러(20)쪽으로 공급되어 제2프로펠러(20)를 회전시키게 된다.

이때 제2프로펠러(20)는 제1프로펠러(10)와 반대방향으로 회전되며, 아울러 제1프로펠러(10)의 구동력이 상기에서 살펴본 바와 같이 유성기어유닛(50)을 통해서 제2프로펠러(20)의 구동방향으로 변환됨과 아울러 증속된 상태로 제공되어 제2프로펠러(20)의 회전력을 증강시키게 되고, 제2프로펠러(20)와 함께 구동축(4)이 구동되어 발전기(40)의 회전자(42)를 회전시키게 된다.

상기에서와 같이 제2프로펠러(20)를 구동시킨 유체는 가이드관(8)의 내부에 형성되어 있는 유로(9)를 통해서 제3프로펠러(30)쪽으로 공급되는데, 이때 유로(9)가 축지부(3)를 기준으로 점차 넓어지는 장고형으로 형성되는 바, 베르누이 원리가 제공되어 유로(9)를 통과하면서 유속이 급격히 빨라지게 되고, 빨라진 유체에 의해 제2프로펠러(20)와 반대방향으로 제3프로펠러(30)가 고속으로 회전하면서, 제3프로펠러(30)에 결합되어 있는 게 발전기(40)의 고정자(41)를 함께 회전시키게 된다.

이와 같이 본 발명은 제2프로펠러(20)에 의해 회전하는 회전자(42)와 제3프로펠러(30)에 의해 회전하는 고정자(41)가 서로 반대방향으로 고속 회전되는 것으로 발전 효율을 극대화 할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하고 있으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 보호 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1:풍력발전기 2:지지체
3:축지부 3a:연결편
4:구동축 5:베어링
6:보조구동축 7:베어링
8:가이드관 9:유로
10:제1프로펠러 11:몸체
12:내측블레이드 13:외측블레이드
14:축지부 20:제2프로펠러
21:블레이드 30:제3프로펠러
31:블레이드 40:발전기
41:고정자 42:회전자
50:유성기어유닛 51:내접링기어
52:외접링기어 53:유성기어
54:핀

Claims (3)

1. 발전기(40)의 고정자(41)와 회전자(42)를 역방향으로 구동할 수 있게 한 풍력발전기(1)에 있어서;
   지상에서 일정 높이의 천고를 가지도록 설치한 지지체(2)와;
   지지체(2)의 상단에 마련된 축지부(3)에 자유 회전되도록 설치한 구동축(4)과;
   구동축(4)의 선단에 베어링(7)으로 지지되도록 설치한 보조구동축(6)과;
   몸체(11) 내측과 외측에 각각 내측블레이드(12)와 외측블레이드(13)가 형성되고 내측블레이드(12)의 중심으로 축지부(14)를 형성하여 보조구동축(6)에 축 결합하는 제1프로펠러(10)와;
   제1프로펠러(10)의 내측블레이드(12) 후방에 위치하도록 구동축(4)에 설치되어 제1프로펠러와 반대방향으로 회전하는 제2프로펠러(20)와;
   제1프로펠러(10)의 구동력을 제2프로펠러(20)에 제공하도록 제1프로펠러(10)의 몸체(11) 후방으로 형성한 내접링기어(51)와 제2프로펠러(20)의 블레이드(21) 외주연에 일체로 형성한 외접링기어(52)와, 내접링기어(51)와 외접링기어(52) 사이에 위치하도록 제1프로펠러(10)의 몸체(11)에 결합되는 핀(54)에 자유 회전되도록 설치한 복수의 유성기어(53)를 조합한 유성기어유닛(50)과;
   지지체(2) 상단의 축지부(3) 바깥쪽에 유로(9)가 형성되게 수개의 연결편(3a)에 의해 지지되도록 동심으로 형성한 가이드관(8)과;
   지지체(2)의 후방으로 구동축(4)의 말미에 위치하되 자유 회전되도록 설치되며 제2프로펠러(20)와 반대방향으로 회전하는 제3프로펠러(30)를 포함하며,
   상기 구동축(4)과 제3프로펠러(30)에는 각각 발전기(40)의 회전자(42)와 고정자(41)를 결합한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
   
2. 청구항 1에 있어서;
   상기 발전기(40)의 회전자(42)와 고정자(41)는 제3프로펠러(30)에 내장 설치한 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
   
3. 청구항 1에 있어서;
   상기 가이드관(8) 내측으로 형성된 유로(9)는 베르누이 원리가 제공되도록 축지부(3)를 기준으로 점차 넓어지는 장고형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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