KR20130107464A - 비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람 영향이 불규칙한 육상에서의 가동률을 증대시키기 위하여 순차기동을 할 수 있는 풍차날개와 이 기동력을 받아 가속력을 제공하는 토오크가속기 및 관성디스크를 개량하여 효율성을 높일 수 있도록 한 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치를 개시한다.
본 발명은 본체 상부에 장착되면서 항력을 이용하여 저 풍속에서 기동력을 제공하는 사보니우스 풍차와, 주력 출력날개로 양력을 이용하여 출력을 향상시키는 상기 자이로밀 풍차로 이루어지는 하이브리드 수직축풍차; 상기 하이브리드 수직축풍차의 각 날개 회전 시 자중에 의한 마찰 및 회전저항이 발생할 때 동력을 전달받는 회전축과 풍차날개의 자중을 감소시켜 효율을 증대시키도록 척력을 이용하는 자기부상기; 상기 회전축의 동력을 강풍이나 돌풍 때 단절 또는 정상상태에는 연결하는 클러치장치; 상기 회전축의 회전방향을 전환시키고 동력축으로 동력을 전달하는 기어장치; 상기 동력축에 회전력을 부가하기 위하여 자석의 보자력을 이용하는 자력선응용 토오크가속기; 및 상기 동력축의 각속도를 균일하게 하기 위하여 유체 및 유체 통로를 갖는 관성디스크를 포함하여 이루어지는 것을 기술 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치{Asym-metric Windmill device using Torque Accelerator with the variation of magnet flux}

본 발명은 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 바람 영향이 불규칙한 육상에서의 가동률을 증대시키기 위하여 순차기동을 할 수 있는 풍차날개와 이 기동력을 받아 가속력을 제공하는 토오크가속기 및 관성디스크를 개량하여 효율성을 높일 수 있도록 한 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력발전에서 풍속과 풍향은 무한한 청정에너지원이지만 이는 불안정하고 가변적인 바람의 특성으로 한정적인 대체에너지일 뿐이다.

일반적으로 풍차는 바람을 이용하여 동력을 발생시키는 장치로서, 풍차의 회전축에 발전기를 연결하면 전기를 생산할 수도 있고, 발전기 대신에 동력기를 연결하면 동력장치로 활용하게 된다.

그리고 풍력발전장치에 적용되는 풍차의 종류는 회전축방향에 따라 수평축형과 수직축형으로 분류될 수 있다.

또한, 수평축 풍력발전으로는 프로펠러형과 수직축 풍력발전으로는 다리우스형, 자이로밀형, 사보니우스형으로 풍차날개의 형상이 대표적인 풍차날개이다.

상기 수평축 풍력발전에서 프로펠러형은 회전 시 양력을 이용하는 것으로서 작은 기동토오크에서도 운전이 가능하고 출력효율이 우수하나 바람이 바뀔 때마다 출력변동이 심하고 이에 대한 복잡한 설비 등으로 비용이 많이 들어가는 단점이 있다.

상기 수직축 풍력발전은 풍향과 무관하고 터빈축이 수직축으로 발전기 기어박스 등 무거운 부품을 지상 표면에 설치할 수 있는 장점으로 초기건설 비용과 유지보수 비용이 적게 드나 출력효율이 낮은 것이 단점이다.

또한, 풍력발전의 연구개발 동향은 대형 풍력발전으로서는 프로펠러형이 해상풍력으로 연구개발되고 있는 실정이다. 또한 중소형 풍력발전으로 도시형 풍력발전을 모델로 하여 수직축 풍력발전을 개발하고 있다. 수직축 풍력발전의 특징은 강점으로 유지보수가 쉽고 초기 비용이 적게 들고 시동풍속이 낮은 풍력발전이고, 약점으로는 효율성이 낮으므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다.

한편, 풍력발전의 주요 연구 분야는 풍차날개의 개발이 주류를 이루고 있으나 효율을 결정짓는 요인이 풍속과 풍향에 의한 환경요건에 따라 결정되는 것으로 풍차날개의 개발만으로는 기술의 한계성에 봉착할 수밖에 없다.

따라서 풍력발전의 연구개발은 풍속에 대한 풍차날개의 기구적 구조 외에 풍차의 회전력으로 발전기 내부의 자속 저항값을 넘어서는 구동력을 나타내야 하는 문제점이 있다.

종래의 풍력발전 기술을 살펴보면 원활한 회전력을 얻어 발전 가능하도록 자기부상 풍력발전기가 제안되었으며, 이들 기술은 국내 등록특허 제10-0351719호(등록일자 2002.08.24.) "자기부상 풍력발전기"와, 등록특허 제10-0522615호(등록일자 2005.10.12.) "풍력발전장치"와 등록특허 제10-0833631호(등록일자 2008.06.26.) "풍력 및 자력을 이용한 발전장치" 및 등록특허 제10-0942831호(등록일자 2010.02.09.) "풍력 발전 장치"들이 있다.

상기 선행의 기술들은 미풍 또는 간헐적인 바람이 있어도 원활하게 회전하여 발전 가능한 회전력과 회전속도를 제공할 수 있도록 자기력 부상을 통해 기계적 마찰력에 의한 부하를 최소화하였으나 공회전시에는 회전이 원활하여도 발전기 부하가 작용하면 급속한 부하제동으로 인하여 속도 및 회전력 저하를 나타내므로 발전이 불가능하고 재기동이 어려운 문제점이 발생하였다.

즉 자기부상에 따른 자중 감소기술은 수직축 자중을 감소하는 기술로서 효율성 문제를 해결하는 기술로서 만족할 만한 수준에 이르지 못하고 있다.

그리고 자력을 이용한 풍차기술에 있어서는 토오크의 효율성을 해결하기 위해서는 상기의 자기부상기에 의한 수직축 하중 감소뿐만 아니라 수평축 자력선응용기술을 개발할 필요성이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0351719호(등록일자 2002.08.24.) 대한민국 등록특허 제10-0522615호(등록일자 2005.10.12.) 대한민국 등록특허 제10-0833631호(등록일자 2008.06.26.) 대한민국 등록특허 제10-0942831호(등록일자 2010.02.09.)

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기동토오크 개선을 위한 하이브리드 풍차날개의 순차기동과 동력축에 토오크를 부가하는 토오크가속기 장치를 장착하여 효율을 증대시키는 비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치는 본체 상부에 장착되면서 항력을 이용하여 저 풍속에서 기동력을 제공하는 사보니우스 풍차와, 주력 출력날개로 양력을 이용하여 출력을 향상시키는 상기 자이로밀 풍차로 이루어지는 하이브리드 수직축풍차; 상기 하이브리드 수직축풍차의 각 날개 회전 시 자중에 의한 마찰 및 회전저항이 발생할 때 동력을 전달받는 회전축과 풍차날개의 자중을 감소시켜 효율을 증대시키도록 척력을 이용하는 자기부상기; 상기 회전축의 동력을 강풍이나 돌풍 때 단절 또는 정상상태에는 연결하는 클러치장치; 상기 회전축의 회전방향을 전환시키고 동력축으로 동력을 전달하는 기어장치; 상기 동력축에 회전력을 부가하기 위하여 자석의 보자력을 이용하는 자력선응용 토오크가속기; 및 상기 동력축의 각속도를 균일하게 하기 위하여 유체 및 유체 통로를 갖는 관성디스크를 포함하여 이루어지는 것을 기술적 구성상의 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 이상과 같이 새로운 융합기술의 결합으로 하이브리드 수직축풍차와 자기부상기 조합으로 기동토오크 개선이 가능하며, 토오크가속기를 이용한 토오크 효율향상 그리고 유체를 이용하는 관성디스크를 통해 더욱 발전 효율을 증대할 수 있는 것이다.

즉, 하이브리드 수직축풍차는 2종의 하이브리드 풍차날개로 구성되면서 내측은 사보니우스 풍차로서 저속풍력으로 항력을 이용하고, 외측은 자이로밀 풍차 형태로 구성하여 양력을 이용하는 수직축 풍차를 구성하되 양력형 자이로밀 풍차의 부족되는 기동토오크를 보강하기 위하여 유격 기능이 있는 회전축을 개량함으로써 저속풍속 기동이 용이한 사보니우스 풍차를 우선 기동시켜서 자이로밀 풍차의 기동토오크를 보강할 수 있으므로 기동력 증대 효과를 갖으며, 상기 자이로밀 풍차에 중간에 형성된 공력배출공간으로 사보니우스 풍차 회전 시 발생하는 와류현상으로 인한 공력감소를 방지하므로 기동력의 감소를 방지할 수 있는 것이다.

또한, 자기부상기는 풍차날개 및 회전축 자중을 감소시킨 상태에서 회전력이 발생하도록 하고, 회전축에 클러치를 구성하여 관성력이 생성된 후 발전기에 연결된 동력축과 연결되도록 하여 전반적인 기동토오크 문제점을 해결하였다.

또한, 토오크가속기는 고정자 8개, 회전자 3개로 배치하여 구조적으로 비대칭 구조이고, 마주하는 두 자석 간에서 고정자 자석의 입사각과 출사각의 편차 그리고 회전자의 동력축에 설치되는 지지바의 원주면에 빗각으로 고정되는 비대칭 구조로서 회전자와 고정자 자석 간에 발생하는 척력이 공극의 차이로 인하여 자력선 세기가 달라지게 되고 또한 관성력에 의한 힘이 가장 크게 작용되므로 부스터(Booster)의 기능으로서 토오크로 발생되어 일 방향 회전력을 부가하는 기능을 통해 동력축에 토오크를 향상시키는 효과를 갖는다.

그리고 토오크가속기에서 토오크의 조정은 고정자를 힌지로 구성하여 입사각과 출사각을 조정하여 공극의 변화로서 척력의 세기를 변화시켜 토오크의 출력을 제어할 수 있는 장점이 있다.

또한, 회전축의 동력을 동력축에 전달하는 기어장치는 동력축을 일방향으로 회전시킴으로 일 방향 회전력이 필요한 토오크가속기의 원활한 작동이 가능하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 것이다.

또한, 관성디스크는 동력축의 각속도 △-t 성분을 균일하게 하는 플라이휠의 기능을 수행하면서 유체가 회전시 원심력과 관성력에 의한 균일회전력을 구성하므로 발전기와 연결가동시 고품질의 전력을 생산하도록 회전력을 제공할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치를 나타내는 구성도.
도 2는 도 1의 종단면도.
도 3은 도 2의 요부 확대 종단면도.
도 4 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 하이브리드 수직축풍차와 회전축의 결합상태를 나타낸 개략도.
도 5는 도 4의 A-A선 확대 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 사보니우스 풍차를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 자이로밀 풍차를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 사보니우스 풍차와 자이로밀 풍차가 결합되어 이루어지는 하이브리드 풍차날개의 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 자이로밀 풍차의 나타낸 사시도.
도 10은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 자기부상기를 나타낸 개략도.
도 11은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 클러치장치를 나타낸 단면도.
도 12는 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 동력축 회전방향 변환 기어장치를 나타낸 단면도 및 평면도.
도 13은 본 발명에 따른 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치의 토오크가속기를 나타낸 단면도 및 실물사진.
도 14는 도 13의 일부 분리하고 확대하여 나타낸 단면도.
도 15는 도 13의 회전자를 확대하여 나타낸 단면도.
도 16은 도 13의 토오크가속기의 자력선 작용을 설명하기 위한 단면도.
도 17은 도 16의 일부를 확대하여 자력선 작용을 설명하기 위한 단면도.
도 18은 본 발명에 따른 토오크가속기의 작동상태를 순차적으로 나열한 단면도.
도 19는 본 발명에 따른 관성디스크를 나타낸 사시도 및 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

먼저, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 전체 구성을 개략적으로 살피면, 2종 구조의 하이브리드 날개로 형성된 수직축풍차(100), 자기부상기(200), 클러치장치(300), 기어장치(400), 토오크가속기(500), 관성디스크(600), 발전기(700), 본체(800) 및 지지판(900)으로 구성된다.

한편, 도 3을 참조하여 본 발명의 기본 동작을 살펴보면, 자기부상기(200)가 수직축풍차(100)의 자중을 감소한 상태에서 수직축풍차(100)의 유격기능이 있는 회전축(130)이 수직축풍차(100)로부터 전달되는 토오크를 통해 회전하고 그 하단에 결합 구성된 클러치장치(300)을 통하여 동력이 연결 전달되며 이어서 그 하단에 구성된 기어장치(400)를 통하여 동력축(150)으로 회전력이 전달되도록 이루어진다.

상기 클러치(300)는 강풍이나 돌풍으로 인한 수직축풍차(100)의 과도한 회전으로 동력축(150)에 구성된 토오크가속기(500) 및 발전기(700)가 손상될 수 있으므로 풍속보호수단으로서 구성된다.

또한, 저속풍속에서는 클러치(300)로 회전축(130)을 분리시키면 발전기부하도 분리하게 되어 공회전이 용이하게 되고 따라서 관성력이 커진 후에 회전축(130)을 결합시키면 즉 일정속도 이상에서만 동력연결이 구성되도록 하여 불용한 전기생산과 기기의 사용 낭비를 줄이도록 이루어진다.

한편, 상기 기어장치(400)로부터 회전력을 전달받은 동력축(150)은 토오크가속기(500)에 동력을 전달하게 되고, 상기 동력축(150)의 하측에 장착된 관성디스크(600)를 동시에 회전시키면서 동력축(150)의 하단은 발전기(700)의 축에 회전력을 전달하여 전기를 생산하도록 구성된다.

따라서 본 발명은 풍력을 이용하는 기술구성 중 핵심기술인 상기 수직축풍차(100), 관성디스크(600) 및 자기부상기(400) 그리고 토오크가속기(500)를 통해 효율적인 발전이 가능하도록 개량한 것으로 이하 상세하게 살펴본다.

그리고 도 3 및 도 4에서와 같이 풍속으로 인한 날개의 회전으로 수직축풍차(100)가 회전하게 되면, 상기 수직축풍차(100)의 회전력은 자기부상기(200)와 클러치장치(300)에 연결된 회전축(130)을 회전시킨다. 그리고 클러치장치(300)의 연결커플링(320)을 통해 회전축(130)의 회전동력을 동력축(150)으로 전달하거나 분리하게 된다.

상기 수직축풍차(100)의 기동 토오크 개선방법으로는 도 3 및 도 10에서와 같이 자기부상기(200)를 이용하게 된다. 상기 자기부상기(200)는 마주하는 2개의 원판디스크가 동일 자극(N극-N극)으로 척력이 작용하도록 구성한다. 이는 마주하는 자석끼리 척력작용으로 자기부상이 되는데, 가동디스크(211)는 회전축(130)에 결합 구성되고, 고정디스크(231)는 본체(800)에 고정 결합된다. 상기 자기부상기(200)의 척력 작용은 회전축(130)에 결합된 수직축풍차(100)의 하중을 감소시켜 회전저항이 작아지게 하여 기동토오크를 향상시키게 된다.

즉, 자기부상기(200) 특징은 일반적인 자기부상기와 다른 점은 자기디스크가 수직면으로 다층으로 구성되어, 척력을 크게 발생시켜 회전체에 대한 자중 감소를 시킬 수 있는 장치이다.

한편, 클러치 하단에 기어장치(400)를 구성하는 것은 토오크가속기(500)에 동력을 전달하기 위한 일 방향 회전장치의 구성으로서, 토오크가속기(500)는 일 방향으로만 회전시켜야만 효율성이 있는 구조적인 특징이 있다. 따라서 풍향이 역풍일 경우 풍차의 회전축(130)도 반대방향으로 회전을 하게 되어 회전축(130)의 회전방향을 바꾸어 주기 위한 것이다.

따라서 상기 수직축풍차(100)에서부터 기어장치(400)까지는 회전축(130)으로 동력이 전달되고, 기어장치(400)의 하단은 동력축(150)으로 동력이 전달되고 그 동력은 토오크가속기(500), 관성디스크(600), 발전기(700)로 연결된다.

다음은 첨부된 도 4 내지 도 10을 통해 수직축풍차(100)에서 기어장치(400)까지 회전축(130)과 연결되어 동력을 전달되는 토오크의 발생에 대하여 구성을 살펴본다.

일반적인 모터는 인위적인 동력공급장치로서, 초기 기동 시에 많은 전력이 소비된 후 정상운전 시에는 전력 소비가 줄어드는 장치이지만, 풍력발전은 자연풍속 상태에서 초기 기동시 회전 토오크가 정상 회전시보다 3배 정도의 기동 토오크가 있어야 회전을 시작하게 되므로 풍속발전에서 순풍 시에 기동 토오크는 얻는 것은 용이하지 않다.

그러므로 본 발명에서는 회전축(130)의 순차 기동으로서 이러한 문제점을 해결하게 된다. 즉, 도 4 및 도 5에서와 같이 회전축(130)은 사보니우스 풍차(120) 날개와 연결되는 내축(131), 자이로밀 풍차(110) 날개와 연결되는 외축(132)로 구성되고, 내축(131)과 외축(132)이 결합하여 하나의 회전체가 된다. 즉, 상기 회전축(130)은 사보니우스 풍차(120)의 관성력을 이용하여 주력 풍차 날개인 자이로밀 풍차(110)의 기동을 용이하도록 2종의 풍차 날개가 결합된 구성으로서 동력전달 축이 기계적으로 각각 분리되고 역학적으로는 합치되는 구조로서 순차 기동이 되는 구조이다.

상기 회전축(130)을 구성하는 외축(132)에는 유격홈(134)이 1/4 원호 형태로서 대응하게 2개소에 구성된다. 또한, 상기 유격홈(134)에는 핀(131')이 삽입 구성되고, 핀(131')의 유격각도는 최대 90°로 회전유격이 가능하도록 이루어진다.

상기 사보니우스 풍차(120)가 미풍에 우선 기동을 하면 내축(131)이 회전을 하고 따라서 유격홈(134)에 삽입 구성된 핀(131')도 힘을 받아 회전하게 되고, 상기 핀(131')은 유격홈(134)의 일측에 접촉되면서 회전력을 외축(132)에 전달하게 된다. 이때 외축(132)에 연결대(117)에 의해 고정된 상기 자이로밀 풍차(110)는 풍속과 내축(131)의 핀(131')으로부터 전달된 사보니우스풍차(120)의 회전력이 더하여져 기동이 쉽게 이루어지는 것이다.

즉, 사보니우스 풍차(120)가 항력을 의한 동작이 용이하므로 유격홈(134)의 유격만큼 이동을 하면서 유격홈(134)에 삽입 구성된 핀(131')도 따라서 회전을 하면서 자이로밀 풍차(110)의 외축(132)에 힘을 전달하게 되면, 외축(132)은 자이로밀 풍차(110)가 받는 자체 힘과 유격홈(134)을 통해 얻어지는 사보니우스 풍차(120)의 힘이 합력으로 나타나서 기동이 용이하게 이루어져 회전축(130)을 구동시키게 된다.

또한, 상기 사보니우스 풍차(120)는 주로 항력을 이용하는 것으로서 풍향에 무관하므로 도 6에서와 같이 내축(131)에 원호 형상 또는 반원 형상 중 어느 하나를 사용하여 2개소에 대응하도록 장착되어 이루어진다. 상기 사보니우스 풍차(120) 날개가 반원 형상으로 형성된 경우는 원호보다 바깥쪽면(123B) 볼록한 면이 길이가 짧기 때문에 공기의 유동으로 양력이 작용하는 부분이 작게 되므로 공력 효율 측면에서 원호 형상이 유리하다. 그리고 안쪽 면(123A)은 오목한 면으로 항력을 받는 부분으로서 항력을 받는 것과 동시에 뒤이어 오는 공기와 섞이는 새로운 풍압과 섞이게 되면 와류현상이 발생하므로 효과적으로 항력을 이용할 수 없는 단점이 있다. 따라서 풍차의 날개는 날개면과 부딪쳐서 발생되는 공력과 연이어 오는 풍속을 고려하여 효율적인 공력의 흐름을 고려하고 주속비가 우수하며 저속 풍속에서 동작이 유리한 원호 형상이 우수한 사보니우스 풍차(120) 날개 형상이 되는 것이다.

한편, 사보니우스 풍차(120) 날개가 반원 형상의 경우 원호 형상보다 양력계수는 작고 항력계수는 큰 형상으로서 풍력발전에서는 양력계수를 우선으로 하기에 양력계수가 큰 형상을 선택하는 것이 바람직하다.

다음은 도 7 내지 도 9를 통해 본 발명의 핵심 기술중 하나인 하이브리드 수직축풍차(100)를 구성하고 있는 사보니우스 풍차(120) 및 자이로밀 풍차(110)에 대하여 살펴본다. 상기 하이브리드 수직축풍차(100) 날개를 구성하되, 항력을 이용하는 저속풍속에서는 기동이 용이한 사보니우스 풍차(120)를 이용하고, 정속 풍속에서는 효율성이 좋은 자이로밀 풍차(110)를 이용하게 되는데 풍차 날개의 기동 토오크의 문제점을 도 4와 도 5를 통해 앞서 설명한 바와 같이 유격기능이 있는 회전축(130)의 내축(131)과 외축(132)의 순차기동으로 가능하게 된다.

상기 자이로밀 풍차(110)는 회전축(130)의 외축(132)에 수평연결대(117)를 통해 날개가 상호 결합되는 것으로, 그 날개의 형태는 익형으로 구성된 날개 4개가 사방으로 배치되고 수직방향으로 분할되면서 수직연결대(116)로 연결 구성한다. 상기 익형 날개에 대한 것은 항공기의 날개에 적용되는 것으로서 주지된 사실이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고 항력을 이용하는 사보니우스 풍차(120) 날개는 풍향에 무관하나, 양력을 이용하는 다리우스 또는 자이로밀 풍차(110) 날개는 풍향에 공기저항으로 모멘트의 차이가 발생하게 된다.

한편, 풍력발전에서 회전력을 나타내는 출력계수는 양력과 항력이 있는데, 양력을 이용하는 것이 대부분의 추세이다. 따라서 도시형 풍력발전에 있어서는 2종으로 이루어지는 수직축 풍차 날개를 혼합하여 사용하는 형태로서 하이브리드 수직축풍차(100) 날개를 구성하여 사용하고 있는데, 이는 초기 기동이 문제점으로 나타내고 있다. 상세하게는 하이브리드 수직축 풍차(100) 날개는 내측에 구성된 풍차가 회전 시 와류현상으로 인한 공력저항이 문제점으로 나타난다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 도 8 및 도 9에서와 같이 외축(132)에 장착된 자이로밀 풍차(110)를 상하로 분할되는 2단 구성으로 하고 그 중간에 공력배출공간(114)을 구성하여 와류를 배출하는 구조를 가지는 한편, 익형으로 구성된 자이로밀 풍차(110)날개를 교정 결합할 수 있는 구조로 구성하여 지역에 따라 풍향이 바뀌는 조건에 대응할 수 있는 구조로 구성하게 된다.

도 9의 (가)에서는 일 방향 풍향일 경우에 적용되는 것으로서 자이로밀 풍차(110)의 익형 풍차날개(112a, 113a)는 끝점이 서로 같은 방향으로 구성하게 되고. 2단의 자이로밀 풍차(110) 날개를 수직연결대(116)로 구성하여 그 사이 공간으로 사보니우스 풍차(120) 날개의 회전시 발생하는 와류를 배출하는 공력배출공간(114)을 마련하게 된다. 상기 공력배출공간(114)으로 와류 공력배출은 사보니우스 풍차(120) 날개의 연속적인 항력을 이용하는 한편, 자이로밀 풍차(110) 날개 회전시에 발생하는 공력저항이 감소되므로 정상 출력이 될 수 있는 조건을 가지게 되는 것이다.

도 9의 (나)에서는 익형의 풍차날개(112a, 113a)는 끝점이 서로 반대방향으로 구성하였다. 자이로밀 풍차(110)날개에서 풍향이 일정한 경우에는 문제점이 없지만, 풍향이 바뀌게 되면 양력을 이용하는 자이로밀 풍차(110)의 익형 형상의 날개의 공력저항으로 양력계수가 줄어들게 되어 출력이 감소한다. 이에 대한 보정수단으로 풍차날개(112a)와 풍차날개(113a)를 서로 반대방향으로 구성하는 양방향성 자이로밀 풍차(110)를 구성하였는데, 이는 풍향이 자주 바뀌는 지역에서 역풍일 경우에 공력저항을 적게 받도록 조정하는 풍차 날개의 구성이다.

다음으로 도 10에 있어서 자기부상기(200)는 하이브리드 수직축풍차(100)의 하측에 위치하는 회전축(130)에 장착되어 자중 감소에 의한 풍차 날개 무게 저항을 감소시켜 회전시 회전 마찰저항을 최소화시키는 장치이다.

상기 자기부상기(400)는 영구자석이 동일 극이 작용하도록 자기디스크에 마주 배치하여 척력에 의해 회전축(130) 상에 탑재되는 상기 수직축풍차(100)를 부상시켜 자중을 감소시키는 기능을 하게 된다.

또한, 자기부상기(400)의 자기디스크는 가동디스크(211) 및 고정디스크(231)로 구성되고 마주하는 같은 동일 극성의 자석 원판을 통해 척력을 발생시키게 되고, 자기디스크는 다수의 자석과 다층으로 배열하는 것이 바람직하다. 상기 고정디스크(231)는 본체(800)에 고정되고, 가동디스크는 회전축(130)에 고정되어 상하로 유격을 나타내게 되는데, 이러한 회전축(130)이 클러치(300)에서 기계적으로 분리되고, 동력 상으로는 연결커플링(320) 에 의해 결합 및 분리되는 구조로 이루어진다.

따라서 자기부상기(200)는 하중을 부상 상태로 작용하는 힘이 수직방향으로 위로 나타나게 되어 수직축풍차(100)는 자중이 감소된 상태에서 풍속으로 회전을 하게되므로 에너지 소모를 줄일 수 있어 회전축(130)의 원활한 기동 및 회전력을 얻을 수 있게 된다.

또한, 자기부상기(200)는 다층구조로 구성할 수 있는 장치로서, 종래의 자기부상기와 다르게 수직축으로 다층 구조로 구성하여 한정적 면적에서 자기부상력을 크게 나타낼 수 있는 장점이 있다.

다음으로 클러치장치(300)는 도 2 및 도 11에서와 같이 강풍이나 돌풍으로 인한 수직축풍차(100)의 과도한 회전으로 자체 및 회전축(130), 동력축(150)에 연결된 장치들의 손상을 방지하기 위하여 동력을 접속 및 단절시켜 수직축풍차(100)를 공회전시키는 방법으로 보호수단의 하나인 안전장치이다.

상기 클러치장치(300)는 저속 풍속에서는 회전축(130)을 분리시키면 발전기부하도 분리하게 되어 공회전이 용이하게 되고 관성력이 커진 후에 회전축(130)을 연결시키는 것으로서 일정속도 이상에서만 동력연결이 이루어지도록 단속하여 불용한 전기생산과 기기의 사용 낭비를 줄이도록 하였다.

상기 클러치장치(300)의 상세한 구성을 도 11을 통해 살펴보면, 상측부를 회전축(130)으로 하고 하측부를 출력축(150)로 하면서 그 연결부분을 연결커플링(320)이 결합되도록 이루어진다.

즉, 클러치장치(300)는 솔레노이드(360)를 이용하여 레버(310)를 구동하여 회전축(130)의 동력을 동력축(150) 전달 및 단락하도록 이루어진다. 이 동작은 레버(310)와 솔레노이드(360)를 통해 수동 및 자동으로 작동하도록 구성하는데, 자동 작동은 회전축(130)에 장착된 회전속도계(370)에 의해 검출되어 송출된 신호가 솔레노이드(360)를 동작시키고 솔레노이드(360)는 레버(310)를 동작시키고 레버(310)는 힌지(315)를 통해 연결커플링(320)을 동작시켜 회전축(130)의 동력을 분리 또는 연결하도록 이루어진다.

또한, 회전속도계(370)는 풍차의 회전속도를 측정한 검출신호로 출력은 솔레노이드(360)를 작동하는 신호로 사용된다. 이에 따라, 풍력이 약하거나 강한 것으로 판단되면 회전축(130)을 분리하여 공회전으로 작동을 중지시킨다.

상기와 같은 동작은 풍속보호수단으로 사용하게 되는데, 자기부상기(200)의 부상력 도움으로 수직형풍차(100)가 원활하게 회전하여 회전축(130)을 통해 발생된 회전력은 회전속도계(370)에서 회전속도를 감지하여 필요 이상의 초과 회전이 발생하면 동력축(150)에 장착된 미도시된 브레이크를 작동시키거나 클러치장치(300)에서 회전축(130)을 연결 또는 분리하여 강풍 등으로 부터 발생하는 피해를 방지하게 된다.

상기 클러치장치(300)의 회전 속도계(370), 솔레로이드(360) 및 미도시된 브레이크 등은 동 분야에서 널리 사용되는 동력 단속장치이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다음은 방향전환 기어장치(400)를 도 12를 통해 살펴본다. 기어장치(400)는 동력축(150) 상에 장착되어 역풍으로 풍향 변환시에도 토오크가속기(500)가 장착된 동력축(150) 회전방향을 일 방향으로만 회전하도록 하여 토오크가속기(500) 효율을 유지 및 향상시키기 위한 역할을 하게 된다. 즉, 기어장치(400)는 토오크가속기(500)가 항상 일 방향으로만 회전할 수 있도록 수직축풍차(100)의 회전에서 풍향이 바뀔 때는 회전축(130)의 회전방향이 바꿔도 일 방향으로 토오크가속기(500)를 회전시켜는 역할을 하게 된다. 그리고 기어장치(400)는 증속이 이루어지는 기어 배열을 통해 효용성이 있는 장치로 구성될 수 있다.

상기 방향전환 기어장치(400)는 방향센서(475), 솔레노이드(472), 동력기어(410), 방향전환기어(421.422), 동력전달기어(430)가 배열되어 이루어진다. 상기 방향전환기어(421.422)는 굴절링크(435)에 의하여 동력기어(410)와 동력전달기어(430) 간 동력 전달각도를 조정하게 되는데, 방향전환기어(421)만을 사용하거나 방향전환기어(421) 및 방향전환기어(422)를 모두 사용하여 회전방향이 전환되어 동력전달기어(430)를 통하여 일정한 방향의 회전력을 동력축(150)을 통해 토오크가속기(500)에 전달할 수 있도록 이루어진다.

상기 동력전달 기어장치(400)의 구동방향을 전환시키기 위해 솔레노이드밸브(472)를 작동시키면, 굴절링크(435)가 굴절되면서 도 12에서와 같이, 방향전환기어(421, 422)가 동력기어(410)와 동력전달기어(430)와 사이에서 맞물려서 기어의 구동방향이 전환된다. 상세한 방향전환 동작을 설명하면 동력기어(410)가 순방향으로 회전하고 솔레노이드밸브(472) 동작으로 굴절링크(435)에 의하여 동력기어(410)와 동력전달기어(430) 간 동력 전달각도를 조정하는 동력전달기어(422)가 동작 시에는 순방향 회전으로 동력이 전달되고, 동력기어(410)가 역방향 회전시 굴절링크(435)가 동작을 하고 이 동작으로 방향전환기어(421,422)가 동시에 회전을 하게 되면 동력전달기어(430)는 순방향 회전을 하는 것이다.

따라서 회전축이 역회전할 시에는 상기와 같은 동작으로 토오크가속기(500)에 전달되는 회전축이 일정한 방향으로 회전하는 동력이 전달되게 된다.

상기 기어장치(400)의 동력전달 과정에 사용되는 풀리(450), 연결체인(460), 굴절링크(435), 방향쎈서(475)의 동작은 일반적인 기구 동작에 의하여 이루어지므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다음은 도 13 내지 도 18을 통해 본 발명의 핵심 기술중 하나인 토오크가속기(500)의 구조와 동작을 살펴본다.

상기 토오크가속기(500)는 도 13 및 도 14에서와 같이 고정몸체(510)에 장착되는 고정자(520)와, 동력축(150)에 장착되는 회전자(540)로 구성된다. 상기 고정자(520)는 힌지(532) 축으로 회동할 수 있는 구조로서 각도를 조정할 수 있도록 이루어지고, 상기 회전자(540)는 지지바(541)를 통해 고정축(545)의 원주면 회전방향의 일 측면에 장착되고, 상기 고정자(520) 및 회전자(540)는 척력이 작용하도록 각각 고정자자석(571) 및 회전자자석(561)을 부착하여 이루어진다.

그리고 토오크가속기(500)의 고정자(520)는 고정몸체(510)의 내면 원주를 8각 균등 분할하여 고정자(520)를 설치하되 도 14에서와 같이 원통형 고정몸체(510) 중심축을 향하여 설치 구성되고, 고정자자석(571)이 원호의 바깥 면이 중심축을 향하도록 결합 되며, 고정바(530)는 일측면이 힌지(532)로 구성되고 또 타측면에는 가동 구조로서 조정축(534) 일단이 회전가능하도록 결합되며, 이 조정축(534) 타단에 형성된 나사산(535)은 고정몸체(510)에 형성된 나사구멍(519)에 체결되도록 이루어진다. 즉, 고정자(520)은 조정축(534)의 회전에 따라 위치이동될 때 조정축(534)에 결합된 고정바(530)가 힌지(532)를 축으로 회전하여 빗각의 각도를 조정하도록 이루어진다.

또한, 회전자(540)를 도 13 및 도 15를 통해 살펴보면, 고정축(545) 외경을 4등분하여 원호 절단면의 수평선 수직선을 교차하는 수평선상에서 2분할하는 외측 내에 지지바(541)가 고정축(545)을 중심으로 원주면에 3개소에 장착되고, 상기 지지바(541)에는 회전자자석(561)이 원호 바깥 면이 외측을 향하도록 결합되며, 상기 고정축(545) 원주면에는 무게균형추(581)가 3개소에 장착되어 이루어진다.

한편, 상기 고정자자석(571) 및 회전자자석(561)의 형상은 "C형으로서 원호 형상으로 구성하는 이유는 도 16에서 나타낸 바와 같이 마주하는 각 자석의 종단면에서 발생하는 자력선의 간섭현상을 줄이고자 이격거리를 크게 하여 그 영향을 최소화하기 위한 것이다.

상기 고정자자석(571)을 갖는 고정자(520) 및 회전자자석(561)을 갖는 회전자(540)에서 발생하는 동력은 자석 간 척력(미는힘)을 이용하는 것으로서 마주하는 자석 간 극성배치가 동일 극성(N극-N극)이 나타내도록 배열 구성하게 된다. 좀더 상세하게는 고정자(520)와 회전자(540)는 통상적인 모터의 회전자와 같은 형태로서, 고정자 (520)는 8개로 구성하고 회전자(540)는 3개로 구성하여 비대칭구조로 구성하게 된다.

상기 고정자(520)과 회전자(540)가 비대칭으로 배치하는 의미는 회전자(540)는 3개로서 홀수이고 고정자(520)는 짝수로서 8개가 구성되어 회전체에서 마주하는 구조가 고정축(545) 및 동력축(150)을 중심으로 대칭되지 않고, 고정자자석(571)과 회전자자석(561) 사이에서 발생하는 자력선이 회전자(540) 중심으로 대칭되게 구성되지 않고 각 지지바(541)가 원주면 바깥쪽 회전방향으로 힘이 작용되도록 이루어지는 것이다. 통상의 모터와 발전기는 고정자와 회전자의 개수가 동일 수량으로 짝수이나, 본 발명에서는 회전자(540)의 수가 홀수이고, 고정자(520)는 회전자(540)보다 많은 짝수의 배수로서 구성되므로 상호 반발하기 위하여 대응하는 위치가 부족할 수가 있는 경우가 발생된다. 즉, 구조적으로 비대칭 구조이므로 발생하는 힘도 비대칭적으로 작용 힘이 나타나게 되어 동력축(150)을 도움을 통해 회전되면서 원심력을 부가시키게 된다.

상기 토오크가속기(500)를 더 구체적으로 설명하면, 그 상세한 구조는 도 13과 도 14에서와 같이 고정몸체(510)에 회전자(520)를 구성하게 되고, 고정몸체(510)의 바깥 원주면에는 조절몸체(511)가 장착되며, 이 조절몸체(511)에는 나사구멍(519)을 형성하여 조정축(534)의 일단에 형성된 나사산(535)이 체결된다.

그리고 상기 조정축(534)의 타단은 고정바(530)의 자유단에 결합되고, 이 고정바(530) 일 측면의 힌지(532)는 고정몸체(510)에 형성된 힌지축(531)에 결합 구성된다. 상기 고정바(530)에는 원호 형태의 고정자자석(571)이 장착된다. 따라서 조정축(534)의 회전방향에 따라 고정바(530)의 일 측면이 힌지(532)를 축으로 하여 상하 이동을 하게 되어 각도를 조정할 수 있게 된다.

상기와 같은 형태의 고정자(520)는 고정몸체(510)에 8개소에 장착하였으나, 이에 한정하는 것은 아니고 4개소 또는 16개소에 장착하여 배열할 수도 있으며 짝수의 배수로 구성되고, 또한 회전자(540)는 반드시 홀수로 구성된다는 것을 분명히 밝혀둔다.

또한, 상기 고정바(530)에는 원호형태의 고정자(520)자석이 구성되고 마주하는 하단에 회전자(540)자석이 원호형태로 구성되는데, 이때 자석의 배열은 같은 극 끼리(N극-N극) 마주하도록 구성하여 척력이 발생되도록 구성한다.

한편, 회전자(540)는 도 13에서 나타낸 바와 같이 동력축(150)에 고정되는 고정축(545)의 일 측면 3개소에 장착된다. 상기 회전자(540)는 수직축풍차(100)으로부터 발생한 풍차의 회전력을 전달받은 동력축(150)이 회전할 때 고정되어 있던 고정축(545)이 회전하면서 함께 회전하게 되고, 상기 회전자(540)는 회전을 하면서 고정자석(571)과 회전자자석(561) 간 비대칭으로 구성되면서 고정자자석(571)과 회전자자석(561)의 공극의 차이로 인한 자력선의 세기 차이가 나도록 하여 고정자(520)의 정적 상태의 자력선 작용 보다는 동적 상태의 회전자(540)에 작용하는 관성력을 더 크게 작용하도록 이루어진다.

상기 회전자(540)의 회전시 발생하는 자력선의 동작설명을 도 16과 도 17을 통해 살펴보면, 마주하는 고정자자석(571)과 회전자자석(561) 사이에 발생하는 힘은 아래 쿨롱의 법칙에 의하여 그 세기가 결정된다. 이에 대한 공식은 아래와 같다.

상기공식은 도 16에서 나타낸 바와 같이 고정자자석(571)과 회전자자석(561)이 원호 형태로 된 자석 간 마주하는 상태에서 자석의 크기, 공극을 예시로 주어 발생되는 토오크를 계산한 공식이다.

상기 공식으로 보자력을 가진 두 물체 사이에 작용하는 자력선은 두 물체의 자석의 세기에 비례하고 두 물체 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 것을 산출할 수 있다.

따라서 고정자(520)의 고정자자석(571)은 8개이고, 마주하는 회전자(540)의 회전자자석(561)은 3개이므로 마주하는 면은 비대칭 구조에 의해 자력선이 발생하게 되므로 상호 작용 힘이 연이어 작동되어 회전력을 증대시키게 된다.

한편, 도 16에서와 같이 수직축으로 기준선 h1을 설정하고, 우측으로는 기준선 L1과 L2를 입사각(K1), 좌측으로는 기준선 L3과 L4를 출사각(k2)로 설정하면 입사각(k1)은 30°로 하였고, 출사각(k2)은 10°로 하였다.

상기 입사각(k1)과 출사각(k2)은 고정자(520)와 회전자(540)간 마주하는 자석 간 공극을 나타내는 것으로서 상기 쿨롱의 법칙에 의거 자석의 작용 힘은 공극의 거리의 제곱에 반비례하는 세기로 나타나게 되어, 출사각(k2) 측면의 자력선 작용이 더 커지게 된다.

또한, 도 17에서와 같이 기준선(h1)을 설정하고 좌측은 S1, 우측은 S2로 설정하고, 고정자자석(571)이 빗각으로 30° 기울기로 설치되어 회전자자석(561)이 고정축(545)을 기준으로 회전운동을 할 S1구간에서 공극이 더 가깝게 되므로 자력선 작용 힘이 더 크게 나타나는 것이다.

즉, 마주하는 자석 간 배열에서 척력을 사용하고 입사각(k1)과 출사각(k2)은 고정자(520)와 회전자(540)간 마주하는 자석 간 공극을 사용하는 수단으로 자석의 작용 힘을 살펴보면 입사각(K1) 구간 보다 출사각(K2) 구간의 힘이 더 세지는 것을 이용하는 것이다.

또한, 이러한 작용으로 고정자자석(571)과 회전자석(561) 사이에 발생하는 힘은 회전자(540)의 지지바(541)가 고정자(520)와 비대칭으로 배치됨으로 회전자의 원주면에 빗사각으로 구성되어 원주면으로 작용 힘이 나타나게 되어 회전력으로 나타나게 되고 일 방향으로 힘이 쏠리게 하는 것으로서 회전토오크가 발생되게 하는 것이다.

다음은 상기 고정자(520)와 회전자(540)의 작동상태를 세분화하여 도 18을 통해 살펴보면, 동작그림-1은 풍차의 회전력이 회전축(130)에 전달되지 않은 정지상태를 나타낸 그림으로서, 지지바(541)에는 자력선의 작용은 없고 지지바(541')에는 역방향과 정방향 척력이 작용하고, 지지바(541")에는 역방향 척력이 존재한다. 이 상태에서 지지바(541')와 지지바(541")가 척력 평형을 이루는 상태로서 회전자(540)는 정지상태를 나타낸다.

다음으로, 동작그림-2는 풍차의 회전력이 투입되어 초기 기동을 나타내는 그림으로서, 지지바(541)에서 회전자자석(561)과 고정자자석(571) 사이에는 역방향 자력선이 작용이 없다. 지지바(541')에서 회전자자석(561) 자석과 고정자자석(571)자석과 사이에는 척력이 작용된 후로서 정방향 힘이 작용한다. 지지바(541")에서는 대응되는 상태로서 작용하는 힘은 상기 설명에서와 같이 회전 원주면으로 정방향의 힘이 작용한다.

다음으로, 동작그림-3은 활성화상태를 나타낸 그림으로서, 지지바(541)에서는 대응되는 상태로서 작용하는 힘은 상기 설명에서와 같이 회전 원주면으로 정방향의 힘이 작용하게 되고. 지지바(541')는 회전자자석(561)로부터 정방향 척력을 작용 받으면서 고정자자석(571)로부터 역방향 척력을 받은 상태로서 평형상태를 이루고, 지지바(541")는 고정자자석(571)로부터 정방향 척력을 받아 활성화 상태로서 관성력으로 회전을 하게 된다.

다음으로, 동작그림-4에서부터 동작그림-6까지의 동작상태는 앞서 설명한 동작그림-1부터 동작그림-3의 동작과 동일하다.

그리고 상기 고정자(520)와 회전자(520)에 대한 상호 작용 힘의 기준선은 동작그림-2에서 나타낸 L1~L7 기준선을 참조하면 동작그림-3에서와 같이 그 작용상태가 항상 동일함을 알 수 있다.

상기 고정자(520)와 회전자(540)의 회전동작을 도 16을 통해 더 상세하게 살펴보면, 회전자자석(561)이 고정자석(571)과 대응하는 면은 척력이 가장 크게 작용하는 상태로서, 그 힘의 작용 방향이 고정축(545)의 원주면을 바깥쪽으로 그 밀어내는 힘이 가장 세게 나타난다. 그리고 고정자자석(571)과 마주하는 나머지 회전자자석(561) 2개는 정회전 또는 역회전 방향으로 작용 힘이 나타난다.

즉, 상기 회전자(540)가 입사각(k1) 대비 출사각(k2) 구간에서 작용 힘이 더 세게 나타나고, 비대칭으로 구성된 회전자(540)가 고정자(520)와 정면으로 작용할 때의 최대가 되는 작용 힘은 회전방향으로 힘이 나타나고, 다른 2개의 회전자(540)는 평형 또는 불평형이 상태이지만 입사각(k1) 대비 출사각(k2)의 힘의 세기가 불평형으로 차이가 나고, 또 다른 작용 힘으로 고정축(545)을 통하여 동력축(150)으로 풍차의 회전력이 전달되므로 관성력에 의한 회전토오크가 가속되는 것이다.

한편, 회전자(540)를 살펴보면 회전자(540)의 지지바(541)가 3개이고 그 사이에 무게균형추(581)가 구성되는데, 이는 자력선이 비대칭적으로 구성되고 지지바(541)가 동력축(150)에 고정된 고정축(545)의 외주면으로 작용 힘이 나타나도록 구성되어 있고, 고정자자석(571)과 회전자자석(561) 사이에서 발생하는 힘이 약간씩 차이가 있을 수가 있으므로 회전시 유동을 방지하기 위하여 조정하는 균형무게추(581)를 마련하는 것이 바람직하다.

상기 균형무게추(581)는 원호 형상이 바람직하고 고정축(545)에 용접 또는 나사결합 등으로 고정시키되 삽입되도록 미도시 결합홈을 구성할 수 있고, 균형을 조정하여 휠 밸런스 할 수 있도록 결합 또는 분리될 수 있는 구조로 경하하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 특히 특징적으로 작용 힘이 나타나는 것은 회전자(540)의 지지바(541)이다. 즉, 지지바(541)가 중심축을 향하지 아니하고 동력축(150) 외주면을 향하도록 구성하는 것이 특징이다. 비대칭 구조의 회전자(540)의 지지바(541)는 원주면에 연결 결합되게 되는데, 지지바(541)의 작용하는 힘의 축이 중심축을 향하지 않고 원주면의 바깥 면을 향하게 구조되어 있어 비대칭 구조로서 그 힘이 작용하여 일 방향 토오크로 회전을 가능하게 하는 것이다. 따라서 회전시 회전자(540)의 작용 힘은 동력축(150) 외주면을 펌핑하는 힘의 작용으로 이루어지는 것이다.

그러므로 토오크가속기(500)의 고정자(520)와 회전자(540)의 상호 작용에 의해 얻어지는 회전력 분석에서 자력선의 동적 상태에서 토오크의 발생보다 관성력에 의한 힘을 더 크게 나타내도록 비대칭으로 구조하였기에 토오크가속기(500)가 가속 기능을 수행하는 것이다.

한편, 운동량의 법칙에서 추진에너지는 아래 공식에 의해 관성의 힘을 크게 나타는 것이 중요하다.

Ek = ½ m ( V1 + V2 )²

다음으로 관성디스크(600)를 도 19를 통해 살펴보면, 관성디스크(600)는 풍차의 회전력이 공력에 의한 것으로서, 바람이라는 에너지원은 공기의 밀도와 압축성으로 풍속이 불안정하여 또한 발생하는 회전력이 불안정하게 된다. 즉, 회전축의 -t의 각속도를 균일하게 하기 위한 장치로서 원통형의 내부에 유체(640)를 채워서 유체의 회전시 원심력과 관성력에 의한 균일 회전력을 얻어 발전기(700)와 연동 결합시 고품질의 전력을 생산할 수 있는 회전력을 제공하기 위한 것이다.

상기 관성디스크(600)는 외통(611)과 내통(612)으로 구조되고 구분은 격벽(620)으로 나누어지고, 이 관성디스크(600)의 회전은 곧 내부에 수용되어 있던 유체(640)가 원심력 작용에 의해 격벽(620)의 유체통로(630)를 통하여 내통(612)에 모여 있던 유체(640)가 격벽(620)의 외통(611)로 이동하도록 이루어진다.

그리고 관성디스크(600) 내에 채워진 유체(640)는 액상의 물질로서 형태가 없으므로 관성을 잘 나타내는 특성이 있어 이를 이용하는 것이고, 관성디스크(600) 내면에 담긴 유체(640)는 회전시 그 형태가 흐트러지게 되므로 이를 보정할 필요가 있어 내면에 유체통로(630)가 천공된 격벽(620)을 통해 이중 원통으로 구성하여 유체(640)가 흐트러지는 것을 방지하고 균일한 원심력이 외통(611) 내측에 작용하도록 구성하게 된다.

한편, 상기 외통(611)의 바닥면은 격벽(620)을 향하여 경사지게 구성되어 있는데, 이는 정지 시에는 유체(640)가 내통(512)로 모이고 회전 시에는 원심력에 의해 외통(611)로 분출되게 하는 것으로서, 이는 초기 기동시 회전 토오크가 적게 들도록 하기 위함이다. 상기 격벽(620)을 사용하는 유체(640)는 흐트러짐을 방지할 수 있는 상태가 되어 균일한 원심력이 원통 둘레면 내측에 작용되므로 안정적인 동력축(150)의 회전과 관성력이 작용하게 된다.

또한, 상기 관성디스크(600)의 회전으로 안정된 회전이 이루어지면 발전기(700)에 적합한 속도 및 회전력을 제공하게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 따른 비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치는 구조물 자체의 하중을 감소하고자 자석의 척력을 이용한 자기부상기(200)와, 정격 회전력이 이루어질 때 회전력을 전달하는 클러치장치(300), 풍향의 방향의 변화에 의해 회전축(130)의 회전 방향이 변경하여도 항상 일정 방향으로 회전력을 전달하는 기어장치(400)들의 작용으로 발전 효율을 향상할 수 있으며, 그 외의 기술인 수직축풍차(100)와 토오크가속기(500) 그리고 관성디스크(600)가 핵심적 역할을 하여 발전 효율성을 높이게 된다.

즉, 수직축풍차(100)는 항력을 이용하는 저속풍속에서는 기동이 용이한 사보니우스 풍차(120)를 내측에 장착하여 초기 기동력을 발생시키고, 정속 풍속에서는 효율성이 좋은 자이로밀 풍차(110)를 외측에 장착하되 중간에 공력배출공간(114)을 마련하여 상기 사보니우스 풍차(120)의 작동이 원활하도록 도우면서 작동함으로써 풍차 날개의 기동 토오크의 문제점을 해결하였다.

또한, 토오크가속기(500)는 8개의 고정자(520)와 3개의 회전자(540)가 비대칭적으로 배치되어 회전시 비대칭 자력선을 이용하는 것으로 수직풍차(100)의 회전력을 입력 토오크로 사용하고 이를 통하여 상기 고정자(520) 및 회전자(540)의 고정자자석(571)과 회전자자석(561)의 척력으로 발생되는 토오크는 고정체(545)를 통해 동력축(15)으로 전달되어 회전 관성력을 증대시키는 역할을 하므로 발전의 효율을 증대시킬 수 있는 것이다.

또한, 관성디스크(600)는 유체통로(630)를 천공한 격벽(620)을 기준으로 외통(611)과 내통(612)으로 구분하여 유체(640)가 관성력으로 외통(611) 원활하게 이동하여 균일한 원심력이 동력축(150)에 전달하게 되므로 발전 효율을 증대시킬 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 상기 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에 한정하는 것은 아니다. 따라서 상기 실시 예를 적절히 변형 및 수정 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있으므로 적절한 변경 및 수정과 균등물들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주하여야 할 것이다.

100: 수직축풍차 200: 자기부상기
300: 풍속보호수단 400: 기어장치
500: 토오크가속기 600: 관성디스크
700: 발전기 800: 본체

Claims (10)

1. 본체(800) 상부에 장착되면서 자이로밀 풍차(110)와 사보니우스 풍차(120)가 결합된 하이브리드 수직축풍차(100);
   상기 하이브리드 수직축풍차(100)의 각 날개로부터 동력을 전달받는 회전축(130);
   상기 회전축(130)의 자중을 감소하는 자기부상기(200);
   상기 회전축(130)의 동력을 단절 또는 연결하는 클러치장치(300);
   상기 회전축(130)의 회전방향을 전환시키고 동력축(150)으로 동력을 전달하는 기어장치(400);
   상기 동력축(150)에 회전력을 부가하는 자력선응용 토오크가속기(500); 및
   상기 동력축(150)의 각속도를 균일하게 하는 관성디스크(60)가 장착된 비대칭 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 회전축(130)은 사보니우스 풍차(120)를 장착하고 핀(131')을 축설한 내축(131)과, 자이로밀 풍차(110)를 장착하고 상기 내축(131)을 내부에 배치하면서 내축(131)과 핀(131')이 유동할 수 있는 공간을 제공하는 유격홈(134)을 형성한 외축(132)으로 구성하여 이루어지고, 상기 유격홈(134)의 공간으로 내축(131)의 핀(131')이 우선 회동한 후 유격홈(134)에 접촉되어 외축(132)에 회전력을 전달하도록 한 것을 특징으로 하는 비대칭 자력선 응용 토오크가속기(500)를 이용한 풍력발전장치.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 자이로밀 풍차(110)를 상하 2단으로 분리 구성하여 수직연결대(116)로 연결하고, 이 연결대(116) 사이가 상기 사보니우스 풍차(120)의 회전으로 인한 공력저항을 배출하는 공력배출공간(114)이 되도록 한 것을 특징으로 하는 비대칭 자력선 응용 토오크가속기(500)를 이용한 풍력발전장치.
   
4. 제 1항에 있어서, 동일 자석 극성으로 마주하는 가동디스크(211)와 고정디스크(231) 간의 척력작용을 이용하는 다층구조의 자기부상기(200)가 풍차날개 회전축(130) 및 본체(800)에 장착되는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기의 클러치장치(300)는 돌풍 발생 시 풍차날개(100)를 공회전시킬 수 있도록 회전속도계(370) 및 솔레노이드(360)와 연동하여 동력을 단속하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 토오크가속기(500)는 본체(800)에 장착되는 고정자(520)를 짝수로 배열하고, 회전자(540)는 상기 고정자(520)보다 작은 숫자의 홀수로 구성하여 고정자(520)와 회전자(540)가 마주하는 면체가 비대칭으로 구성하고, 상기 고정자(520)에 부착되는 고정자자석(571)과 회전자에 부착되는 회전자자석(561)은 원호형으로 동일 자석 극성으로 마주하도록 부착되는 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
7. 제 6항에 있어서, 상기 고정자자석(571)을 장착한 고정자(520)는 고정몸체(510)의 원주 내면에 8각 균등 분할로 원통형 중심축을 향하여 각각 배치되고, 상기 고정자자석(571) 원호의 바깥 면 역시 원통형 중심축을 향하도록 하며, 상기 고정자(520)의 고정바(530) 일측은 힌지(532)로 구성되어 고정몸체(510)의 힌지축(531)을 기준으로 회동하도록 하고 타측은 수나사(535)가 형성된 조정축(534)이 결합되도록 하고, 상기 조정축(534)의 나사산(535)이 체결되도록 고정몸체(510)에 나사구멍(519)을 형성하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
8. 제 6항에 있어서, 상기 회전자(540)는 원을 4등분하여 원호 절단면의 수평선 수직선을 교차하는 수평선상에서 2등분 분할하는 외측 내에 지지바(541)를 형성하고, 상기 지지바((541)는 동력축(150)을 중심으로 원주면에 3개소에 배치하며, 상기 지지바(541)에는 회전자자석(561)이 원호 바깥 면이 외측을 향하도록 결합하고, 상기 동력축(150) 원주면에는 무게균형추(581)가 지지바((541)의 사이사이에 장착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
9. 제 1항에 있어서, 상기 기어장치(400)는 동력축(150)이 일 방향 회전을 할 수 있도록 동력기어(410), 방향전환기어(421,422), 동력전달기어(430), 굴절링크(435)가 연동할 수 있도록 장착하고, 상기 굴절링크(435)는 방향센서(375)와 연동으로 동작하여 동력을 토오크가속기(500)에 전달하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.
   
10. 제 1항에 있어서, 상기 관성디스크(600)는 균형있는 원심력을 얻기 위하여 유체의 흐름이 원활하도록 내면 원통형의 구조로서 외통(611)과 내통(612)로 구분되며, 상기 외통(611)과 내통(612)을 구분하는 격벽(620)이 구획하여 이루어지고, 상기 격벽(620)에 유체통로(630)가 천공되며, 상기 외통(611)의 바닥면이 경사바닥면(614)으로 이루어지면서 격벽(620)을 향하여 빗각의 경사면을 이루는 것을 특징으로 하는 자력선 응용 토오크가속기를 이용한 풍력발전장치.

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