KR20130087724A - 태양전지와 외 측 프레임이 회전하는 풍력 발전기 혼합방식의 독립전원장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양 광 및 풍력발전의 하비브리드 방식의 독립 전원 장치에 관한 것으로, 세워진 기둥 위쪽에 태양 광 발전기를 고정하고, 기둥 위쪽 끝에 수직으로 세워진 발전기의 외 측 프레임이 회전하는 수직축 풍력 발전기를 사용하여, 가로등 및 교통 신호등 그리고 비상용 전기장치를 사용하는데 충분한 전력을 공급할 수 있도록 함에 있다.
발전기의 외 측 프레임에 직각 방향으로 ㄷ 형 날개 2개 이상 고정하며, 각각의 날개 끝에 위치한 ㄷ 형 날개 수직 방향의 변을 60도로 벌어진 사각형 판형 경첩의 판과 판 사이의 60도 안쪽 중앙에 고정한다.
경첩의 판과 판이 만나는 경첩 회전축 쪽의 뾰족한 끝은 같은 회전 방향에서 같은 방향을 향하도록 구성하고, 하늘 쪽에서 보았을 때 날개 끝에 고정된 V형태의 경첩에 의해서 한쪽은 바람의 저항이 매우 큰 형태이고, 다른 쪽은 바람의 저항이 적은 유선형으로 되어 있어서 미풍에도 회전력이 발생하는 특징이 있다.

Description

태양전지와 외 측 프레임이 회전하는 풍력 발전기 혼합방식의 독립전원장치 {Independent power source by hybrid method of solar cell and wind power generator rotated external frame}

배전선로와 멀리 떨어진 전기장치는 배전선로에서 배전시키는 것이 비경제적이므로 전기장치의 부대설비로 발전 장치를 갖는 것이 필요하며, 가로등 및 신호 등이 독립전원장치를 갖는다면 편리성이 증대되고 에너지 절약에 도움이 된다.

태양 광 발전기의 발전량은 면적에 비례하므로 가로등과 신호등의 독립전원장치로 사용하기에는 전지 셀의 면적이 너무 넓어지므로 부적절하여 범용적으로 보급되지 못하였다.

발전량이 면적에 비례하는 태양 광 발전기의 면적을 적당한 형태로 유지하면서, 태양 광 발전기와 풍력 발전기의 혼합방식 독립전원을 일부에서 적용하려 시도하고 있으나 풍력 발전기의 성능이 부족하여, 아직은 보편적으로 사용되지 못하고 있다.

본 발명에서는 태양 광 발전기와 풍력 발전기 혼합방식의 독립전원장치에서 외 측 프레임이 회전하는 풍력 발전기를 개발하여 성능을 개선하고자 한다.

풍력 발전기는 수평축 발전기와 수직축 발전기로 구분되는데, 수평축 발전기는 주로 대형 발전기 건설에 사용되고 있고, 수직축 발전기는 다양한 형태로 개발되어서 주로 소형 발전기 분야에 적용되고 있다.

수직축 발전기는 자기 기동성의 부족과 발전 효율이 떨어진다는 이유로 크게 관심을 받지 못하고 있으나, 자기 기동 특성이 좋아지고 발전 효율이 증가한다면, 범용적 보급이 될 수 있다고 판단된다.

태양 및 풍력 에너지를 사용한 독립전원의 발생전력은 전기장치들에게 상시 전력을 공급해야하고, 날씨에 따른 비 발전에서도 3일 정도 사용의 예비전력을 비축해야 한다.

LED 교통신호등 그리고 HID(High Intensity Discharge) 램프 가로등도 단위 시간당 전력 사용량이 많이 줄어들어, 자기 기동 특성이 좋아지고 발전 효율이 높아진 풍력 발전기와 태양 광 발전기의 하이브리드 방식을 사용한다면 독립전원 방식으로 가능할 것으로 판단한다.

특히 풍력과 태양 광이 충분한 도심지역 이외의 지역은 일반적으로 배전선로와 멀리 떨어져 있으므로, 아주 효과적으로 사용할 수 있다.

또한 농업용 하우스 재배에서 겨울철 난방에 화석연료를 대부분 사용하고 있으나, 겨울철에 많이 불어오는 풍력을 전기로 변환하여 난방에 사용하면, 농가들의 어려움도 해결될 수 있다고 판단된다.

본 발명은 도심지역 또는 도심지역 이외의 풍력과 태양 광이 충분한 곳에 설치된 전기장치의 부대설비로 발전 장치를 갖추게 함에 있다.

고정 평판 식 태양 광 발전기의 하루 평균 발전시간이 3.8시간 정도이며, 지역에 따라 편차가 많은 년 평균 풍속은 해안가에서 4[m/sec] 이상 그리고 산간 지역에서는 2~3 [m/sec] 이며, 산에 둘러싸여 있는 지역은 1~2[m/sec] 이다.

풍력 발전기가 4[m/sec]에서 발전이 수행되기 시작한다면, 해안가에서는 24시간의 발전 효과를, 산간지역에서는 12시간 그리고 산에 둘러싸여 있는 지역에서는 6시간의 발전을 할 수 있는 조건이 형성될 수 있다.

이와 같이, 지역에 따르는 발전시간은 산에 둘러싸여 있는 지역 이외에서는 10시간 이상이 가능하므로, 태양 광 발전기보다 풍력 발전이 투자 대비 매우 유리한 조건을 갖추게 된다.

재생에너지를 이용하는 독립전원장치는 날씨의 변화 때문에 혼용방식이 반드시 필요하며, 미풍에서도 발전에 가능하고 바람 이용률을 높이는 것이 필요하다.

본 발명에서는 수직축 풍력 발전기의 자기 기동성 및 바람의 이용률을 높여서, 태양 광 발전기와의 하이브리드 방식에 의해 전기장치의 부대설비로 충분히 사용될 수 있는 발전기의 개발이 해결하고자 하는 과제이다.

세워진 기둥 위쪽 끝에 발전기의 중심축을 지면과 수직으로 방향으로 세워서 고정하고, 발전기 외 측 프레임에 ㄷ 형 날개의 평행한 두 변의 뾰족한 끝을 풍력발전기 외 측 프레임 표면에 표면과 직각으로 고정하고, ㄷ 형의 세 변 중에서 수직 방향의 변을 날개 끝에 위치하게 한다.

날개 끝에 위치한 수직 방향의 변은 60도로 벌어진 사각형 판형 경첩의 판과 판 사이의 60도 안쪽 중앙에 위치하게 하며, ㄷ 형 날개 각각에 한 개씩 고정된 2개 이상의 경첩을 하늘에서 보게 될 때에, 경첩의 판과 판이 만나는 경첩 회전축 쪽의 뾰족한 끝은 같은 회전 방향에서 같은 방향을 향하도록 구성한다.

발전기 외 측 프레임의 날개 끝에는 하늘에서 볼 때 V형태의 경첩이 고정되어 있어서, 한쪽은 바람의 저항이 매우 큰 형태이고 다른 쪽은 바람의 저항이 적은 유선형이다.

이와 같은 특징을 갖는 수직축 풍력 발전기와 태양 광 발전기의 혼합형 사용에 의하여, 전기장치의 부대설비로 충분한 용량의 전력을 발생하는 발전기 개발에 있다.

태양 광 발전기의 발전량은 셀의 면적에 비례하므로 가로등과 신호등의 독립전원장치로 사용하기는 셀의 면적이 너무 넓어지므로 부적절하여 범용적으로 보급되지 못하고 있다.

태양 광 발전기의 단점을 극복하는 방식으로, 태양 광과 풍력발전의 하이브리드 방식을 시도하고 있으나 풍력 발전기의 바람 이용률을 높이는 것이 과제이다.

본 발명은 많은 자극을 갖는 발전기의 외 측 프레임에 직접 고정된 날개에 의해서 증 속기에 의한 기계적인 손실을 줄이고, 날개 끝에 바람 저항이 큰 경첩의 부착에 의해서 미풍에서도 발전 가능하도록 함에 있다.

이러한 특징으로 발전시간이 늘어나게 되어, 햇볕이 비추고 사방이 트인 곳이라면, 하이브리드 방식에 의해 독립전원의 사용이 가능하다.

우리나라에 설치되어 있는 가로등 및 교통신호등의 숫자를 약 200만개라 추정하면, 1개당 100[W]만 잡아도 20만[Kw] 전력이 필요하고, 절반이 독립전원을 사용한다면, 10만[Kw] 전력이 절약될 수 있다.

농업용 하우스 재배에서 겨울철에 많이 불어오는 풍력을 전기로 변환하여 난방에 사용하면, 농가들의 어려움도 해결될 수 있다고 판단된다.

높은 신뢰성이 요구되는 곳에는 상용전원과 독립전원을 병행해서 사용할 수 있으며, 이는 더 많은 독립전원의 설치에 의해 많은 량의 전기에너지가 절약될 수 있다고 판단된다.

이와 같은 결과로, 본 발명은 독립전원으로서의 범용적인 보급 시발점이 되어서, 에너지 수급에 기여하리라 생각된다.

도 1은 본 발명에 따르는 태양전지와 외 측 프레임이 회전하는 풍력 발전기 혼합방식의 독립전원장치에 대한 사시 도이다.

본 발명은 태양 광 및 풍력발전의 하이브리드 방식 독립 전원 장치에 관한 것으로, 세워진 기둥 위쪽에 태양 광 발전기를 고정하고, 같은 기둥 위쪽 끝에 수직으로 세워진 발전기의 외 측 프레임이 회전하는 수직축 풍력 발전기를 사용하여, 가로등 및 교통 신호등 그리고 비상용 전기장치를 사용하는데 충분한 전력을 공급할 수 있도록 함에 있다.

발전기의 외 측 프레임 표면에 직각 방향으로 ㄷ 형 날개 2개 이상을 고정하며, 각각의 날개 끝에 위치한 ㄷ 형 날개 수직 방향의 변을 사각형 판형 경첩의 판과 판 사이의 60도로 벌어진 안쪽의 중앙에 고정한다.

하늘 쪽에서 보았을 때, 경첩의 판과 판이 만나는 경첩 V모양의 뾰족한 끝은 발전기 회전시에 같은 회전 방향에서 같은 방향을 향하도록 구성하고, V형태의 경첩에 의해서 한쪽은 바람의 저항이 매우 큰 형태이고, 다른 쪽은 바람의 저항이 적은 유선형으로 되어 있어서 미풍에도 회전력이 발생하게 된다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

재생에너지 재생 방식의 독립전원은 별도의 배전을 하지 않아도 되며, 우천시 누전 등에 의한 재해를 사전에 방지하게 되고, 범용적인 보급이 된다면 많은 에너지를 절약시킬 수 있다.

지면에 수직 방향으로 기둥(20)을 세워 놓고, 기둥의 위쪽에 태양을 향하도록 고정된 태양전지(19)에 의한 태양 광 발전기와 태양전지가 고정된 기둥(20)의 위쪽 끝에 지면과는 수직 방향으로 세워진 발전기 중심축(5)이 고정된다.

중심축(5)이 고정된 발전기(18) 외 측 프레임의 표면에 직각 방향으로 ㄷ 형의 날개(6) 2개 이상이 일정 간격으로 부착된다.

발전기(18) 외 측 프레임의 표면에 수직으로 세워진 ㄷ 형의 날개(6)의 세 변 중에서 평행한 두 변의 뾰족한 끝은 풍력발전기의 외 측 프레임 표면에 직각 방향으로 고정된다.

발전기 중심축(5)과 평행한 ㄷ 형의 날개(6) 세 변 중에서 날개 끝에 위치한 변은 60도로 벌어진 사각형태의 판형 경첩의 판(3)과 판 사이의 60도 안쪽 중앙에 고정하게 된다.

한 개의 ㄷ 형 날개(6)에 경첩을 한 개씩 고정하게 되고, 날개에 고정된 경첩을 경첩 회전축의 위쪽(4)에서 볼 때 V모양으로 보인다.

2개 이상의 날개에서 경첩의 판(3)과 판이 만나는 2개 이상의 V모양의 뾰족한 끝은 발전기가 회전할 때에 같은 회전 방향에서 같은 방향을 향하게 구성한다.

경첩 회전축 위쪽(7)과 아래쪽(8) 각각의 끝은 발전기 중심축과 평행한 ㄷ 형 날개의 변과는 일정한 간격을 띄우고, 경첩 회전축 위쪽(7)과 아래쪽(8) 각각의 끝은 ㄷ 형 날개의 수직 방향의 변과 직각 방향으로 고정된 일정길이의 쇠 편(9) 끝에 용접하여 각각 고정한다.

경첩의 판(3)과 판 사이가 벌어져야 바람의 저항이 커지므로, 경첩을 60도로 벌어지게 하는 힘이 작용하도록 하는 것이 필요하다.

경첩의 60도 각도의 반대편인 300도 쪽의 경첩 판(3)의 표면 쪽에서, 경첩 회전축(2)의 중앙 점(10)과 수평으로 양쪽 판 끝에 각각 고정되어 있는 쇠고리(11)에 스프링(12)을 판 각각이 연결한다.

스프링(12)을 고정하는 양쪽 판 끝의 쇠고리(11) 바로 위에 각각이 구멍(13)을 내고, 60도 각도 쪽으로 양쪽 구멍(13)에 한 개의 철 와이어(14)를 통과시켜 팽팽한 일직선이 되게 철 와이어의 양쪽을 고정한다.

철 와이어가 고정된 한쪽을 모터(15)의 회전에 의해 감고 그리고 풀어서 경첩의 양쪽 판(3) 사이의 각도를 조절하게 된다.

경첩의 회전축(2)과 평행하고, 경첩 회전축의 반대편에 위치한 경첩 판의 한쪽 변인 직선 부분(17)에 직선 길이와 같은 직사각형의 좁은 판을 60도 쪽으로 조금 기울어지게 경첩 판 각각에 부착한다.

정격발전 이상의 초 강풍 시에 모터에 의해 철 와이어(14) 길이를 최대한 짧게 하면, 직사각형 좁은 판의 외 측 한쪽 변(16)들이 아주 가깝게 되고, 바람 받는 경첩의 벌어진 각도가 최소가 되는 특징을 갖추고 있다.

이와 같은 특징의 풍력 발전기는 회전 반경을 적당한 선에서 크게 하고, 날개 끝 부분에 바람 받는 면적을 넓게 한다면, 미풍에서도 회전 토오크가 발생하게 되어 전력이 발생하는 시간이 늘어나게 된다.

발전기의 N S극의 자력 발생에는 영구자석 또는 전자석을 사용할 수 있으며, 전자석을 사용하게 될 경우에는 자석의 세기를 조절할 수가 있으므로 미풍에서도 일정한 회전수의 일정한 전압 크기의 전력을 발생시킬 수가 있다.

자석은 발전기의 외 측 프레임 안쪽 면에 구성되며, 경첩에는 아주 작은 풍력 발전기를 별도로 부착하여, 모터와 전자석의 전원으로 사용될 수 있다.

국가적으로, 세계적으로 자연에 존재하는 에너지를 우리가 사용할 수 있는 에너지로 변환하는 기술의 급속한 발전이 필요로 하는 시점에 와있다.

본 발명의 변형 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상적 지식을 가진자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항 범위 내에 있는 것으로 간주한다.

1. 하늘.
2. 경첩 회전축의 고정 쇠.
3. 경첩의 사각형 형태의 판.
4. 경첩 회전축인 고정 쇠의 하늘 쪽 방향.
5. 발전기의 중심축.
6. 발전기의 외 측 프레임에 부착된 ㄷ 형의 날개.
7. 경첩 회전축인 고정 쇠의 위쪽 끝.
8. 경첩 회전축인 고정 쇠의 아래쪽 끝.
9. 쇠 편.
10. 경첩 회전축의 중앙 부분.
11. 스프링 고정용의 쇠 고리.
12. 스프링.
13. 철 와이어를 통과시키는 구멍.
14. 철 와이어.
15. 모터.
16. 직사각형의 좁은 판 끝 부분.
17. 경첩 판 한쪽 변의 직선 부분.
18. 발전기.
19. 태양 전지판.
20. 기둥.

Claims (1)

1. 가로등 또는 교통신호등 또는 배전선로와 멀리 떨어진 전기장치는 발전장치를 자신의 부대설비로 설치하여, 발전기의 발생전력을 배터리에 저장하여 공급받거나 발생전력을 직접 공급받는 것이 필요한바,
   지면에 수직으로 세워진 기둥의 위쪽 부분에 태양을 향하도록 고정된 태양전지에 의한 태양 광 발전기와, 태양전지가 고정된 기둥의 위쪽 끝에 지면과 수직 방향으로 세워진 발전기 회전의 중심축을 고정하고 그리고 발전기의 외 측 프레임 표면과 직각 방향으로 세워진 ㄷ 형 날개 2개 이상이 일정 간격으로 부착된 풍력발전기, 즉 태양 광 발전기와 외 측 프레임이 회전하는 풍력발전기의 2종류를 사용하는 혼합방식의 독립전원장치에 관한 것으로,
   상기 직각 방향으로 세워진 ㄷ 형 날개의 세 변 중에서 평행한 두 변의 뾰족한 끝이 풍력발전기의 외 측 프레임 표면에 직각 방향으로 고정되고, ㄷ 형 날개의 세 변 중에서 발전기 중심축과 평행한 변은 한 개의 사각형태 판형 경첩의 판과 판 사이가 60도로 벌어진 60도의 안쪽 중앙에 위치하게 되는데,
   상기 ㄷ 형 날개들에 각각이 고정된 경첩들을 하늘에서 본다면, 경첩의 판과 판이 만나는 V모양의 뾰족한 끝들은 경첩의 회전시에 같은 회전 방향에서 같은 방향을 향하도록 구성하며,
   상기 경첩 회전축 위쪽과 아래쪽 각각의 끝은 발전기 중심축과 평행한 ㄷ 형 날개 변과는 일정한 간격을 띄워서, 띄워진 일정한 간격은 간격의 길이와 같은 쇠 편을 용접하여 각 각을 고정하고,
   상기 경첩의 판과 판 사이가 60도로 벌어지게 하는 힘이 작용하도록 하기 위해, 60도 각도의 반대편인 300도 쪽의 경첩 판의 표면 쪽에서, 경첩 회전축의 중앙 점과 수평으로 양쪽 판 끝에 각각 고정되어 있는 쇠고리에 스프링을 판 각각이 연결하며,
   상기 스프링을 고정하는 양쪽 판 끝의 쇠고리 바로 위에 각각이 구멍을 내고, 60도 각도 쪽으로 양쪽 구멍에 한 개의 철 와이어를 통과시켜 팽팽한 일직선이 되게 철 와이어의 양쪽을 고정하며, 철 와이어가 고정된 한쪽을 모터의 회전에 의해 감고 그리고 풀어서 경첩의 양쪽 판 사이의 각도를 조절할 수 있고,
   경첩의 회전축과 평행하고, 회전축의 반대편에 위치한 경첩 판의 한쪽 변인 직선 부분에 직선 길이와 같은 직사각형의 좁은 판을 60도 쪽으로 조금 기울어지게 경첩 판 각각에 부착하고, 정격발전 이상의 초 강풍 시에 모터에 의해 철 와이어 길이를 최대한 짧게 하면, 바람 받는 경첩의 벌어진 각도가 최소가 되는 특징을 갖는 태양전지와 외 측 프레임이 회전하는 풍력 발전기 혼합방식의 독립전원장치.

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