KR20150082130A

KR20150082130A - 휴대용, 인력에 의한 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR20150082130A
Application number: KR1020150077616A
Authority: KR
Inventors: 박광
Original assignee: 박광
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2015-07-15

Abstract

본 발명은, 쥐불놀이 회전방식을 이용해 인력에 의한 풍력 발전으로 외부 상용 전원을 공급받을 수 없는 곳에서 휴대용 전자기기의 배터리를 충전하거나, 충전용 배터리를 사용하지 않는 전자기기에도 부하에서 필요로 하는 전압과 전류를 공급할 수 있게 하며
또한 스마트폰의 경우 배터리를 제거한 후 본 발명의 본체와 리드선을 통해 전기적으로 연결된 스마트폰을 실시간 사용할 수 있게 해 주므로, 방전된 스마트폰도 급하게 사용할 수 있게 하여 배터리 충전 시간을 기다릴 필요가 없게 된다.
또한 작은 힘으로도 발전을 위해 장시간 반복 동작을 할 수 있기에 지속성 또한 뛰어나 전력망이 구축되지 않은 저개발국 등 산간 오지에서도 편리하게 휴대용 전자기기를 사용할 수 있게 한다
또한 전원레벨가변부에서 전원을 승압시킬 수 있기 때문에, 비교적 낮은 전압과 전류로 소량의 물을 끓일 수 있는 온수기를 이용해 겨울산행이나 고산등반과 캠핑 등에서 물을 끓여 커피나 분말수프(soup), 컵라면 등을 간단히 취식할 수 있게 하여, 사용자에게 최소한의 열량(cal)을 공급하여 피로 회복을 도울 수 있고,
또한 전기보온팩을 이용하면 저체온증 등으로 인한 사고방지 및 따뜻하고 안전하게 보낼 수 있으며, 불을 사용하지 않아 산불 염려를 하지 않고 산행을 더욱 더 즐길 수 있게 구현하였다.

Description

휴대용, 인력에 의한 풍력 발전 장치{PORTABLE WIND GENERATOR USING HUMAN POWER}

본 발명은 휴대용 인력 자가 발전 및 충전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 전원을 공급받지 않고 인력에 의한 풍력 발전 장치로 휴대용 전자기기의 이차 전지를 충전시키거나, 휴대용 발전 장치와 휴대용 전자기기를 직접 전기적으로 연결하여 전원을 공급하므로 충전 배터리를 사용하지 않는 휴대용 전자기기까지 가동시킬 수 있게 하는, 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

과거에 비해 IT 산업의 발전으로 유비쿼터스 시대에 접어들며, 개인 휴대용 전자기기가 스마트폰, 디지털카메라, 캠코더, 노트북, 게임기 등과 군용 전자 장비까지 그 종류도 다양해지고 있다.

그래서 전원이 공급되지 않는 곳에서 외부 활동 시간이 길어져도 장시간 사용할 수 있는 대용량 휴대용 전원장치의 필요성에 의해, 단위 부피당 에너지 밀도가 큰 전원장치가 개발되었으나 기존의 전지로는 에너지 집적화에 한계에 다다르고 있다.

하여 한 번 쓰고 버리는 1회용이 아니라 충전이 가능한 이차 전지가 개발되어 고효율 충전지로 각광 받고 있는 리튬계 배터리 등이 있으나, 이것 또한 전원을 공급받을 수 없는 곳에서 외부 활동 시간이 길어지거나 하면 배터리에 충전할 수 없게 되는 문제점이 있다.

그래서 휴대용 인력 자가 발전 및 충전 장치가 일반인 뿐만 아니라 군용 전자 장비에도 필요하여, 휴대용 발전 장치가 다방면으로 연구되고 있고, 시제품까지 만들어지고 있다.

최근의 군사전은 정보전이 큰 비중을 차지하고 있으므로 지휘부와 여러 작전지와 네트워킹이 중요시 되고 있다.

또한 군의 휴대용 전자 장비가 많아지며 전원 공급 수단에도 문제점이 제기되고 있다.

휴대 전자 장비에 따라 기본 배터리와 여분에 배터리까지 갖추어야 하며, 또 장비의 가지수가 많아지면 여분의 배터리 수도 많아지기 때문에 이동시 부하가 크며 기동력에 영향을 줄 수 있다.

또한 일반 전자기기 및 군용 장비는 다양한 레벨의 부하를 필요로 할 수 있으므로 휴대용 발전 및 충전 전원 공급 레벨을 다양화 할 필요가 있으나, 기존 휴대용 자가 발전 및 충전 장치는 그렇지 못하여 선택의 폭이 넓지 못하다.

휴대용 전원 공급 수단의 중요성이 부각되며, 이미 1970년대부터 미군에 의해 개발되기 시작하였다고 한다.

인력에 의해 구동되는 기존 방식은 기어증속, 발전기, 정류기, 충전기로 구성되는 4단계 과정을 벗어나지 못하고 있고, 그외 에너지 하베스트 소자인 태양전지, 압전소자, 열전소자 발전 장치 등이 있으나, 휴대용으로는 생산되는 전원의 품질이 낮아 효율적 충전이 어려운 실정이다.

즉 전압과 전류의 잦은 변화와, 또한 생산되는 전원의 전압과 전류가 너무 낮아 충전 시간이 길어지므로 인력 발전의 경우 피로도가 높아져 발전 지속 시간이 짧아지며 효율성이 떨어지는 것이다.

인력을 이용한 발전은, 환경조건에 크게 구애받지 않으므로 기타 방식에 비해 효율성이 높지만, 효율성을 살리지 못하고 상용화 시키지 못한 이유는, 모터형 발전기의 특성상 기어를 이용한 증속 구동 방식을 채택함에 있어서, 발전의 편의성과 지속성보다 출력이 적정 레벨에 도달해야 하므로 증속비를 높이는 것에 치중하였기 때문에 단점으로 작용되었다.

KR 10-0721137, KR 10-0646513, KR 10-0772988

KR 20-0317509, KR 20-0318808, KR 20-0272187

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 모터형 발전기를 이용해 발전을 하지만, 기어를 사용하지 않고서도 발전에 필요한 고속회전을 가능하게 하여 높은 출력이 가능하게 한다.

발전기의 출력을 키우기 위해서는, 발전기의 직경(내경/m)을 키우거나 길이(권선의 유효길이/m)를 길게하거나 속도(RPM)를 높이는 것이다.

이 세 가지 요인 중 어느 한 가지만 키워도 발전기의 출력을 높일 수 있기에 주어진 여건에 맞게 합리적 구조를 갖도록 설계하는 것이 기본이다.

그러나 기존 선행기술에서 인력 자가 발전 및 충전 장치를 살펴보면, 회전 속도를 높이기 위해 기어의 증속 비율에 치중한 나머지 기어의 크기나 갯수를 늘리다보니 발전기의 토크보다 기어의 토크가 더 커져 에너지 손실이 많아 비효율적인 것이다.

또한 기어가 많아지며 차지하는 공간이 크다보니 휴대용으로 적절한 한정된 부피에서 상대적으로 발전기가 차지할 수 있는 공간이 좁아져, 기존 인력 자가 발전 및 충전 장치에서 사용되는 발전기의 대부분은 초소형화되어 발전기 용량 자체가 작아질 수밖에 없지만,

본 발명에서는 발전기를 수용하는 공간에 기어를 사용하지 않고서도 고속회전이 가능하게 하므로 공간 활용도를 최대로 높여 발전기의 용량도 최대치로 높일 수 있게 하며, 출력의 증대 요인 세 가지(직경, 권선길이, 속도) 모두를 키울 수 있게 하고자 하는 것이다.

본 발명에서의 발전 방식은, 쥐불놀이 회전 방식을 채택하여 기본적으로는 기어를 사용하지 않기에 불필요한 장치들을 최소화하여, 인력으로 입력되는 에너지 전체를 고스란히 발전에너지로 돌릴 수 있게 하였으며

발전기의 크기(중량)를 기존 휴대용 인력 자가 발전 및 충전 장치보다 더 크게 키울 수 있으므로 다극 발전기를 이용하면, 좀더 저속회전을 가능하게 하므로 피로도를 줄이고 피로 회복률을 높일 수 있기에 발전기 용량을 더 크게 키울 수 있다.

즉 인간의 피로 회복률은 65%이기 때문에 어떤 일에 대해 사용하는 에너지 총량이 같을 경우 빠르게 움직이는 것보다, 천천히 움직이는 것이 피로 회복률에 의해 힘이 적게드는 것처럼 피로도가 작아지기 때문이다.

기존 휴대용 인력 자가 발전 및 충전 장치의 경우 기어증속 방식을 사용해도 속도를 무한대로 늘릴 수 없으므로, 팔 동작을 이용해 초당 2~3회 빠르기로 터닝(turning) 및 폴링(pulling) 또는 악력(握力) 등을 사용해야 하므로, 출력에 비해 소모되는 에너지가 커 인간의 피로 회복률이 따라가지 못해 쉽게 지치게 되어, 발전의 편의성과 지속성이 낮아 발전 지속 시간이 대체로 20~30분 정도로 작지만

본 발명에서는 1~2시간도 그리 어렵지 않게 지속 가능하게 하며, 생산되는 전압 및 전류의 크기가 높고 발전량이 많아 부하에서 요구되는 여러 레벨의 전원을 공급하게 하는, 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에서의 쥐불놀이 회전 방식 기술 장치를 통해 구동 방식은, 서 있거나 또 걷거나 달리면서도 그저 손목을 가볍게 까닥 까닥 거리는 정도로써 발전이 가능하므로 휴대용 인력 자가 발전 및 전원 공급 장치에 있어서 신개념의 원천기술을 제공하고자 하는 목적이 있다.

또한 세계적인 거대 IT 기업들이 지구상 곳곳에 드론이나 기구(풍선), 인공위성 등으로 인터넷 망을 연결하여 세계 곳곳에서 스마트폰이나 인터넷 망을 이용할 수 있게 한다고 최근 발표하였다.

그러나 아직 세계 곳곳에는 상용 전력망이 구축되지 않았거나 미비한 곳이 부지기수 이므로 그 활용도는 낮을 수 밖에 없다.

이때 본 발명의 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치를 통해 인터넷 망 활용도를 최대한 끌어 올리고자 하는 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명을 통해 휴대용 전자기기들의 배터리를 충전하며, 본 발명의 장치와 외부 부하를 직접 전기적으로 연결시켜 부하에서 요구되는 전원의 레벨에 따라 전원을 공급하므로, 충전용 배터리를 사용하지 않는 휴대용 전자기기까지 가동시킬 수 있게 하는 특징의 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치에 있어서;

상기 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치의 본체는 손잡이와 회전체가 분리되어 있는 외형을 가지며;

또한 외부 부하와 전기적으로 연결시켜 주는 분리 독립되는 리드선(lead wire)이 포함되며;

상기 리드선의 한쪽 끝은 본 발명의 손잡이에 있는 단자(포트)와 결합되어 전기적으로 연결되는 잭(jack)이 구비되고, 다른 한쪽은 외부 충전 배터리와 연결되는 커넥터(connection)와 악어이빨클립(clip)이 구성되는 특징이 있다.

상기 손잡이와 회전체는 서로 입력에너지 변환 수단인 중공견인줄에 의해 원심력에 의한 인장력을 견딜 수 있게 연결되고.

중공견인줄 내부로는 전선이 삽입되어 손잡이와 회전체를 전기적으로 연결시켜 주는 특징에, 튜브 형식의 고무 또는 비닐류나 섬유 복합 재질로 만들어진 중공견인줄과;

상기 손잡이와 분리되어 있는 회전체를 이루는 하우징 내부에는, 발전부와 정류부와 정전압제어부로 구성되는 특징의 회전체와;

상기 손잡이를 한 손 또는 두 손으로 잡고 쥐불놀이 회전 방식으로 회전체를 일정 속도로 회전시키면 회전체는 손잡이를 중심으로 등속 원운동을 하게 된다.

이때 발전기의 축에 고정되어 있으며, 유체역학에 의해 회전체의 각속도(angular velocity, rad/s)에 따라 발전기의 회전수를 높이며 발전하게 하는 임펠러(impeller)와;

배터리의 충전 및 전원 공급을 위해 회전체와 연결되는 손잡이의 하우징 내부에는, 전원레벨가변부와 충전보호제어부와 충전 배터리와 고휘도 LED 조명부와 출력단자와 입력단자와 결속잭캡을 포함하는 손잡이가 구비되는 특징이 있다.

또한 본 발명의 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치의 정전압제어부에 정전압 및 과전압 표시 LED 램프와 충전보호제어부에 과충전과 과방전 표시 LED 램프를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명은, 쥐불놀이 회전 방식을 이용해 인력에 의한 풍력 발전으로 외부 상용 전원을 공급받을 수 없는 곳에서 휴대용 전자기기의 배터리 전원이 완전 방전되었을 때, 배터리를 충전시키거나 직접 연결하여 전원을 공급할 수 있게 하므로 보다 실용적인 효과가 있다.

더 자세하게는 충전용 배터리를 사용하지 않는 전자기기에도 부하에서 필요로 하는 전압과 전류를 직접 연결하여 공급하므로 대부분의 휴대용 전자기기를 사용할 수 있게 하며,

또한 본 발명은, 스마트폰의 경우 배터리를 떼어낸 상태에서도 바로 사용할 수 있게 본체의 충전 배터리 전원이 공급되며, 발전 용량이 큰 것은 한쪽 손으로 발전을 하는 와중에 발전기 본체와 리드선을 통해 전기적으로 연결된 스마트폰을 실시간 사용할 수 있게 해 주므로, 급하게 사용해야 할 시 배터리 충전 시간을 기다릴 필요가 없게 된다.

본 발명은 기본 발전 용량도 커지만 전원레벨가변부에서 전원을 일정 전압과 전류로 승압시킬 수 있기 때문에, 차량 내부의 전원 잭에 연결해 커피를 끓이는 것처럼 비교적 낮은 전압과 전류로 소량의 물을 끓일 수 있는 커피 포터식 온수기를 이용한다면,

겨울산행이나 고산등반 등 캠핑 시에 본 발명의 휴대용 발전기로 물을 끓여 커피나 분말수프(soup), 컵라면 등을 간단히 취식할 수 있게 하여 피로 회복을 도울 수 있고,

또한 전기 보온팩을 이용하면 저체온증 등으로 인한 사고 등도 방지할 수 있게 하므로 더욱 따뜻하게 보낼 수 있으며, 불을 사용하지 않아 산불 염려를 하지 않고 산행을 더욱 더 즐길 수 있게 한다.

도 1.은 본 발명의 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치 본체를 나타낸 사시도
도 2.는 본 발명에서 회전체의 구성과 조립 과정을 나타낸 사시도
도 3.은 본 발명에서 손잡이 부분의 구성과 조립 과정을 나타낸 사시도
도 4.는 도 3의 렌즈 보호캡과 LED 조명 보호캡의 절단면을 나타낸 A-A 단면도
도 5.는 도 3의 결속잭캡의 절단면을 나타낸 B-B 단면도
도 6.은 본 발명에 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치의 회전 구동 방식을 나타낸 사시도
도 7.은 본 발명의 시스템 구성을 나타낸 블록도

기어 증속 방식으로 일반적인 사람이 한 손으로 터닝(turning) 방식으로 구동하여 전달할 수 있는 힘은 최대 30W를 넘기지 못하고 양손을 동시에 패달링(Pedaling) 방식을 이용해서는 약 50W 정도라고 알려져 있는데,

인력으로 전달할 수 있는 동력이 50W라고 해도 기존 기어 증속 방식으로는 에너지 변환 효율이 떨어져 100% 출력으로 바꿀 수 없게 된다.

본 발명에서 제시하는 쥐불놀이 회전 방식의 경우 에너지 변환 효율은, 기어 증속 방식 총량(휴대용 발전 장치의 전체 부피 및 무게에 따른 총 발전량) 대비 최소 배 이상 출력을 낼 수 있다.

에너지 변환 효율 증대의 실질적인 메카니즘은.

첫째 단 한 개의 기어를 사용하지 않고서도 발전기를 고속회전시킬 수 있기 때문이다. 또 기어를 사용하드라도 최소한으로 할 수 있다.

기존 기어 증속 방식에서는 발전기의 고속회전을 위해 증속비가 1:20을 넘어서고 여러개의 기어가 치합되기 때문에, 실질적인 발전기 토크보다 기어 토크가 더 크게 작용하여 에너지 손실이 많은 이유다.

두 번째로 쥐불놀이 회전 방식은 원심력이 작용하기 때문에 질량이 너무 큰 회전체는 회전시키기 힘들겠지만, 휴대용 발전기로서의 적정 부피나 질량 정도는 충분한 회전력을 얻을 수 있으며,

회전 운동은 회전체가 중심축을 기준으로 등속 운동을 하기 때문에 단위 시간당 회전체의 회전수가 정해진 상태에서는, 회전 반지름을 키우는 것으로 발전기의 회전 속도(출력)를 높일 수 있고.

또 회전 속도와 회전 반지름이 정해진 상태라면, 발전기의 용량(질량)을 높이는 것으로 출력을 키울 수 있고

또 발전기의 용량과 회전 반지름이 정해진 상태에서는 단순히 손으로 가할 수 있는 힘, 회전력(각속도)에 따라 출력을 높일 수 있으며 회전체에 장착된 임펠러의 지름 크기로도 출력을 키울 수 있으므로 다양한 방법이 있지만,

증속비가 정해진 기어 증속 방식은 출력을 높이기 위해 손으로 더욱 빠르게 돌리는 방법 뿐이라, 출력 증대에 있어서 선택의 폭이 좁고 에너지 변환 효율이 쥐불놀이 방식보다 떨어질 수밖에 없다.

여기서 말하는 쥐불놀이 회전 방식이란.

본 발명의 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치는 본체가 손잡이와 회전체로 분리되어 있으며, 그 둘은 서로 중공견인줄을 통해 전기적으로 연결되어 있는 구조이므로 회전체와 일정 거리로 연결된 손잡이를 잡고 쥐불놀이 회전 방식으로 휘휘 돌려 주면, 손잡이를 중심축으로 회전체가 회전하게 하는 방식을 쥐불놀이 회전 방식이라 하며,

이때 어깨를 중심으로 팔 전체를 돌리는 것이 아니라, 팔꿈치는 옆구리 쪽으로 당긴 상태에서 손잡이를 잡은 손목을 까닥 거리는 방식으로 회전시켜 회전의 중심이 손잡이가 될 수 있게 한다.

이때 회전체의 초당 회전 가속도(단위 시간당 회전거리)는 임펠러에 가해지는 풍속이 된다.

이해를 돕기 위해 예시를 들어본다.

회전체의 임펠러가 중심축(손잡이)으로부터 반경 0.8m 거리에 있을 때 회전체의 회전 속도가 3초 동안 6회전 하였다면, 6회전의 전체 원주는 약 30m(0.8×0.8×3.14×6=30)가 된다.

즉 회전거리가 약 30m이면 회전체의 속도는 10m/sec로 진행하기 때문에 임펠러의 입장에서는 임펠러에 가해지는 풍력으로 변환되어 풍속이 10m/sec가 되는 것이다.

이때 회전체의 회전거리와 회전체에 의해 회전하는 임펠러의 회전거리는 서로 비례하기 때문에 임펠러 축의 마찰저항을 무시하면, 회전체의 회전거리(원주)와 임펠러의 회전거리(원주)는 항상 같게 된다.

그래서 만약 회전체의 원주보다 임펠러의 원주가

크기라면, 회전체가 1회전 할 때 임펠러는 10회전 하게 되며, 이때 원주가 5m인 회전체가 초당 2회전 하였다면 회전체가 움직인 거리는 10m가 되며, 속도는 초속 10m가 되는 것이다.

그때 회전체에 붙어 있는 임펠러는 20회전하게 되며, 임펠러의 회전거리는 회전체와 같이 10m이며, 속도도 초속 10m가 되는 것이다.

즉 회전체의 속도가 임펠러가 맞이하는 풍속과 같고, 회전체의 이동(회전)거리와 임펠러의 이동거리가 같으며, 임펠러(발전기)의 회전수는 임펠러의 원주로 회전체의 이동거리를 나눈 것이 된다.

하여 아래 수학식에 의해 임펠러의 회전수(발전기의 회전수)가 계산된다.

만약 회전체의 평균 회전수가 2~3회/sec이며 3초 동안 회전하였을 때, 이때 회전체의 회전 반경이 0.8m(지름 1.6m)이며 임펠러의 지름은 5cm일 때, 발전기의 회전수 계산은 아래와 같다.

- 수학식 -

이다.

t: 시간(sec)

h: 회전체의 원주(m)

r: 회전체의 회전수

m: 임펠러의 원주(m)

= 약 62/sec회, RPM 3720~5640회가 가능하게 된다.

이때 임펠러의 회전속도(풍속)는 10~15m/sec가 된다.

발전기의 회전수(출력)를 늘리거나 줄이는 방법은.

상기에서 밝혔듯이 회전체의 회전 반지름과 질량과 각속도(운동체를 하나의 기준점에서 관측할 때 그 점에 대한 운동체의 회전 속도를 나타내는 양, rad/s)이 세 가지 모두가 정해진 상태에서는, 발전기의 임펠러 지름으로 또 조절할 수 있다.

즉 회전체의 회전 속도가 발전기의 자속에 의한 토크 저항을 무시할 수 있는 가속도에서는, 회전체의 회전거리와 임펠러의 회전거리가 항상 같기 때문에 임펠러(발전기)의 회전 속도를 높이거나 줄이려면, 임펠러의 지름을 줄이거나 늘이면 된다.

만약 회전수를 높이려고 임펠러의 지름을 줄여 회전 토크가 너무 약해졌을 때는, 임펠러의 축길이 방향으로 날개의 면적을 넓혀 임펠러의 지름과 상관없이 바람을 맞이하는 면적을 늘리면, 풍력의 힘을 크게 받을 수 있어서 회전 토크가 늘어난다.

회전체의 회전 방법으로는.

서 있거나 걷는 등 움직이는 동작에서 손을 바꾸어 가며 앞과 왼쪽 오른쪽 옆에서 지상과 수직으로 회전시키는 방법과, 머리 위로 올려 지상과 수평으로 회전하는 방법과,

손잡이를 한 손 또는 두 손으로 잡고 사용자의 정면을 향하여 누워있는 숫자 팔(∞)자 형식을 거리며, 좌우로 흔들어주는 방식 등 다양한 방식이 가능하다.

본 발명에서의 특징 중 하나가 단 한 개의 기어를 사용하지 않고서도 고속회전이 가능하게 하는 것이지만, 그렇지 않은 경우도 있다.

발전기 회전체의 중량이 그리 크지 않은 것은 관계 없으나, 일정 중량 이상 커지면 손목으로 고속회전시키는 것은 피로 회복률이 떨어지므로 더 힘들게 된다.

이때는 발전기의 극수를 늘리든지 기어를 이용해 증속하는 방법으로 손으로 돌리는 회전수를 낮추는 것이 유리하다.

즉 중량이 무거워 한 손으로 돌리기 힘든 것은 두 손으로 잡고 돌릴 수도 있으며, 무엇보다 회전수를 줄이는 것이 바람직하다.

만약 발전기의 축과 임펠러의 축을 분리하여 기어가 치합되게 각각 기어 1개씩을 설치하여 1:2 비율로 증속시킨다면, 손으로 돌리는 회전수를 절반(기본 회전수 2~3회/sec에서 1~1.5회/sec로)으로 줄일 수 있기 때문에, 용량이 큰 발전기 회전체를 사용할 때는 회전체의 중량을 줄일 수 없으니 최소한의 기어를 사용하여 중량 대비 회전 속도를 줄이는 것이 힘이 덜 들게 되므로 효율을 높일 수 있다.

본 발명의 쥐불놀이 회전 방식은, 손잡이를 잡고 중공견인줄로 연결된 회전체를 회전시키는 것이므로 이때 작용하는 힘은 원심력에 의한 인장력이 중공견인줄에 발생하며, 원심력은 회전하는 물체가 중심에서 멀어지려는 힘이다.

하여 중공견인줄에 발생하는 인장력을 충분히 견딜 수 있는 강도로 중공견인줄이 제작되어야 한다.

이러한 원심력의 크기는 아래 수학식에 의해 결정된다.

- 수학식 -

F = gmr²

원심력(F) = 회전체의 질량(g) × 중심축과의 거리(m) × 각속도(rad/sec)

회전체의 중량이 한 손으로 빠르게 회전시킬 수 있는 일정 한계 수치를 넘어설 때는, 원심력을 낮추기 위해 손으로 회전시키는 회전력(각속도)을 낮추어야 힘이 적게 든다.

회전력을 낮추면 회전체는 단위 시간당 이동거리가 짧아지고 풍속이 낮아져, 발전기의 임펠러 회전수와 회전 토크가 낮아지게 되므로, 낮은 증속비를 갖는 기어를 1개 이상 설치해 발전기 회전수를 적정수로 높이며, 임펠러의 크기도 키워 발전기 용량에 따른 토크도 높이는 것이다.

즉 회전체(발전기 용량)가 커져 무거워질수록 임펠러의 직경이나 면적을 키워 회전 속도를 낮추는 만큼 회전 토크를 키워, 기어 1쌍을 설치하여 회전체의 속도는 줄이되 발전기의 속도는 줄이지 않는 것이다.

또한 본 발명에서는 발전기의 용량(크기)을 기존 휴대용 인력 자가 발전 및 충전 장치보다 더 크게 키울 수 있으므로, 다극 발전기를 이용하면 기어 증속을 하지 않고 좀더 저속회전을 가능하게 하여, 피로도를 낮추고 피로 회복률은 높일 수 있기에 발전기 용량을 더 크게 키울 수 있다.

즉 인간의 피로 회복률은 65%이기 때문에 어떤 일에 대해 사용하는 에너지의 총량이 같을 경우 빠르게 움직이는 것보다, 천천히 움직이는 것이 피로 회복률에 의해 힘이 적게 드는 것처럼 피로도가 작아지기 때문이다.

1990년대 초반 리튬이온 전지가 상용화되며, 보편적으로 채택하던 정전류-정전압(cc-cv) 방식 뿐만 아니라 발전 방식의 다변화로 충전 방식에 있어서 부스트 충전법, 전류 감쇠 충전법, 다단계 정전류 충전법, 펄스 충전법, 균등 충전법 등 여러 방법들이 제안되어 왔다.

본 발명에서는 다양한 충전 방식이나 그에 따른 회로 설계에 제한을 두지 않으며, 다만 발전 방식과 장치에 있어서 기존 휴대용 인력 자가 발전 및 충전 장치와는 차이점이 있는 쥐불놀이 회전 방식을 채택하여 새로운 기술을 제공함에 있어서

본 발명의 정류부, 정전압제어부, 전원레벨가변부, 충전보호제어부, 조명부 등의 회로는 이미 보편화되어 있는 기술이며, 관련 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 구현할 수 있는 것이므로 블록도로 대신하며 회로 설계도는 생략한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면을 통해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치⑩의 본체를 나타낸 것으로써, 전체의 구성이 손잡이

와 회전체

그리고 리드선⑫으로 이루어진 것을 특징으로 하며,

리드선⑫의 한쪽은 본체의 손잡이

와 연결되는 잭이 구비되고, 다른 한쪽은 스마트폰의 배터리를 충전시킬 수 있게 전기적으로 연결되는 커넥터⑬와, 각종 휴대용 전자기기와 전기적으로 연결시킬 수 있는 악어이빨 클립⑭이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 발전 장치는, 손잡이

를 한 손으로 잡고 회전체

를 회전시키면, 발전기의 축에 고정되어 회전체

끝에 장착되어 있는 임펠러

는 회전체

의 회전 속도에 의해 발생하는 풍력으로 인해 회전되며.

AC/DC 발전기의 축에 고정되어 있는 임펠러

에 의해 발전하게 되는 것이 특징이며, 이때 발생되는 AC/DC 기전력은 도 7에서와 같이 정류부를 거치며 AC-DC 또는 DC-DC 전원으로 정류되어 평활 콘덴서를 통해 평활화 된 전류가 출력된다.

이때 정류과정에서 발생하는 열에 의해 전압이 낮아질 수 있으므로 열을 낮추기 위해 공랭식 냉각법을 이용한다.

정류 회로가 설계된 PCB 기판을 회전체에 구비하고, 회전체 내부로 연결되는 공기 통로를 갖추어 발전기에서 발생되는 열까지 낮출 수 있게 하는 것을 특징으로 한다.

정전압제어부에는, 사용자가 회전체를 회전시키는 힘이 어느정도가 적절한지 파악할 수 있도록 발생 전압의 적정 여부를 검출해 표시하는 LED 램프 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 발생 전압 적정 여부를 표시하는 표시 LED 램프

를 통하여 회전체

의 회전 속도를 어느 정도로 해야할지 눈으로 확인 가능하여, 고속회전으로 인한 기기 손상이나 필요 이상 체력을 낭비하지 않으며, 저속회전으로 인한 발전량 부족도 방지할 수 있게 한다.

정류부에서 출력된 DC 전원은 정전압제어부로 입력되며, 정전압제어부에서는 DC 전압을 일정 레벨로 유지시켜 공급 가능하게 한다.

상기와 같이 일정 레벨로 유지된 전원은 회전체

에서 중공견인줄

를 통해 전기적으로 손잡이

와 연결되어 손잡이

내부의 전원레벨가변부와 충전보호제어부와 충전 배터리

로 입력되며, 충전 배터리

에서 LED 조명부로 연결된다.

이때 전원레벨 가변부는, 승-강압 컨버터(buck-boost conrer-ter) 회로가 설계되며, 승-강압 컨버터는 발전된 전원으로 부하에서 요구되는 전압 및 전류를 높이거나 낮출 수 있게 제어하는 전원 가변 장치(도시되지 않았음)와 출력단자

를 통해 외부 휴대용 전자기기에 전원을 공급하고.

충전 배터리를 사용하지 않는 전자기기의 부하에도 요구되는 레벨의 전원을 공급할 수 있게 하여, 전원 공급 활용 범위를 넓이는 특징이 있다.

또한 출력단자

를 통해 전원레벨가변부에서 승압된 전압과 전류로 충전 시간을 일반적인 저전압 저전류보다 단축할 수 있게 하는 특징이 있으며, 이때 일반 전원을 공급할 때와 충전용 전원을 공급할 때는 전극의 극성 방향이 틀리기 때문에, 커넥터를 이용하거나 출력제어스위치

를 통해 충전모드와 전원공급모드를 사용자가 제어할 수 있게 하는 특징이 있다.

전원레벨가변부의 전원은, 발전 전원을 정전압제어부를 통해 바로 받거나 충전 배터리의 전원을 사용할 수 있다.

충전보호제어부에서는 과충전, 과방전, 역전류 방지 회로를 포함한다.

리튬폴리머 배터리의 경우 과충전하면 폭발의 위험이 있고, 배터리가 과방전할 경우에는 음극이 손상되어 성능을 저하시키거나 충전 불능 상태로 만들기 때문에 보호 회로가 필요하다.

하여 충전용 배터리의 전압이나 전류를 검출하여 과전류와 과충전과 과방전인 경우 제어 신호를 출력하는 전압 전류 검출칩과, 출력된 신호로 작동하는 스위칭칩을 포함하는 충전보호회로에는 발전기가 가동하지 않을 때, 내부 충전 배터리

에서 역전류가 흐르지 않도록 역전류 방지 회로가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때 LED 램프

를 통해 충전 중에는 녹색램프가 켜지게 하고, 완충되면 적색램프가 켜지게 하여 사용자가 충전 상태를 눈으로 파악할 수 있게 하는 것이 바람직하다.

충전용 배터리의 전압은 4.2V로 하며, 2~3개를 직렬 연결하여 8.4V~12.6V 전압을 사용하게 한다.

입력단자

에 DC 아답터를 접속해 상용 전원을 공급받아 자체 배터리에 충전할 수 있게 한다

LED 조명부에는, 고휘도 LED 램프 1개 이상이 설치되며 본 발명에서는 4개가 설치된다.

상기 LED 조명램프

는 2개씩 각각 직렬로 연결하여 고휘도 불빛을 필요로 하지 않는 곳에서는 2개의 램프만 작동하게 하고, 보다 밝은 빛이 필요할 때는 4개 모두 작동될 수 있도록 선택적 스위치인 LED 조명제어스위치

를 구비하는 것이 에너지 절약에 바람직하다.

도 2는, 회전체

의 구성과 조립 과정을 나타낸 도면으로서 회전체

를 구성하는 것 중 발전기

외에는 모두 가볍고 튼튼한 재질의 금속류 또는 프라스틱류로 구성하여, 회전체의 무게를 필요 이상으로 높이지 않는 것을 특징으로 한다.

임펠러 보호대

는 회전체 하우징

과 접속되는 링 부분을 도면과 같이 끊어 놓아 지름이 더 큰 임펠러

를 씌워 보호할 수 있게 한다.

회전체

에 장착되는 임펠러

의 구조나 형태는, 유체역학적 상황을 고려하여 최적 조건에 맞게 설계되어야 한다.

임펠러

는 발전기의 용량에 따라, 가로의 회전 반경(임펠러의 지름)을 키우거나 줄이며, 또 세로의 축 방향 폭을 키워 날개의 면적을 넓이거나 줄여 토크의 힘을 키우거나 줄일 수 있도록 한다.

본 발명의 전자 제어 회로들은 회전체

와 손잡이

에 나누어 배치되며, 배치 기준은 발전기 용량과 회전체

의 상황을 고려하여 최적 조건에 맞추어 배치되고, 본 발명에서는 회전체 하우징

내부에 정류부와 정전압제어부 회로가 설계된 2개의 PCB 기판

이 설치되었다.

도 2에서 표시된 중공견인줄

은 회전체

와 접속되는 부분에 있어서, 도면에서와 같이 결속이 강하게 될 수 있도록 하여 중공견인줄

과 회전체

가 원심력에 의해 분리되어 파손되지 않도록 한다.

이때의 중공견인줄

은 고무류나 비닐류 또는 섬유 복합 재질로 만들어지며, 3가지 재질에 한정되는 것이 아니라 본 발명의 특성에 적합한 견인줄로 재작될 수 있는 재질이면 가능하다.

또한 중공견인줄

은 튜브형 중공견인줄

이며, 튜브 속으로 전기적 연결이 가능하도록 전선이 삽입된 구조의 특징을 가진다.

도 3은, 본 발명에서 손잡이

부분의 구성과 조립 과정을 나타낸 사시도이며, 손잡이

는 손전등과 결합된 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

렌즈 보호캡

과 LED 조명 보호캡

은 서로 암나사와 수나사 형태로 결합되도록 하며, 또 LED 조명 보호캡

은 손잡이 하우징

과 나사 결속 방식으로 결합되는 특징을 가지며, LED 조명 스위치

에 의해 LED 조명을 선택적으로 온/오프 할 수 있게 한다.

손잡이

내부에는 충전 배터리

가 2~3개 직렬로 연결되며, 또한 전원레벨가변부와 충전보호제어부와 LED 조명부와 결속잭캡

이 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때 손잡이

에는 충전보호제어 회로가 설계된 PCB 기판

과, 도시되지 않은 전원레벨가변부 회로가 설계된 PCB 기판과 전원 가변 장치와 승압 트랜스

가 포함된다.

또한 전원레벨가변부에서 가변된 전원을 제어하는 출력제어스위치

와 출력단자

와 LED 램프

가 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한 결속잭캡

에는 결속잭

과 입력단자

와 LED 램프

와 견인줄 보호장치

를 포함하는 것을 특징으로 하며, 결속잭캡

은 필요에 따라 손잡이

와 연결된 중공견인줄

를 분리시킬 수 있게 나사 결속 방식으로 결합된다.

이때 결속잭캡

에 장치된 견인줄 보호장치

는 사용자가 손잡이

을 잡고 회전체

를 구동할 시에 중공견인줄

은 손잡이

와 직각으로 굽은 상태에서 회전하며, 원심력에 의한 인장력의 영향을 받으므로 중공견인줄

이 굽혀짐에 대한 피로와 인장력을 충분히 견딜 수 있게 탄력성이 우수한 고무류 또는 섬유 복합 재질로 이루어진 견인줄 보호장치

를 구비한다.

도 4는, 도 3의 렌즈 보호캡

과 LED 조명 보호캡

의 절단면을 나타낸 A-A 단면도이며, 렌즈 보호캡

은 렌즈

를 쉽게 끼우거나 분리해 탈착할 수 있게 하며, 렌즈

의 형태는 반볼록렌즈로 하는 것을 특징으로 한다.

반볼록렌즈는, 렌즈

의 양면 중 한쪽 면은 평면이며 다른 한쪽 면은 볼록렌즈인 렌즈

로서 볼록면을 밖으로 향하게 끼우면 LED 조명의 빛이 확산되어 가까운 거리를 넓게 비추기 때문에 야간 조명 등으로 활용 가능하며,

반대로 평면을 밖으로 향하게 끼우면, LED 조명의 빛이 확산되지 않고 모아져 일정 부분이 더 멀리까지 비춰지게 하는 특징이 있다.

또한 렌즈 보호캡

은, LED 조명 보호캡

과 나사 결속 방식으로 결합되어 LED 조명 보호캡

내부에는 고휘도 LED 램프 4개와 반사판

이 구비되며 반사판

은 곡면 반사판인 것을 특징으로 한다

도 5는, 도 3의 결속잭캡

의 절단면을 나타낸 B-B 단면도이며, 결속잭

은 결속잭캡

이 손잡이와 나사 결속 방법으로 결합될 때 손잡이

끝에 설치되는 포트와 결합되어 전기적으로 연결되는 방식의 특징이 있다.

도 6은, 본 발명의 회전 구동 방식을 나타낸 사시도이며, 구동 방식은 손잡이

를 잡고 원심력에 의해 등속운동을 할 수 있도록 최소한의 힘으로 회전시켜 주는 것이다.

이때 회전 속도에 의한 발전량이 표시되는 LED 램프

는, 적정 속도에 다다랐을 때 녹색 램프가 켜지고 과속일 때는 적색램프가 켜지도록 하여, 사용자가 회전 속도를 눈으로 확인하고 조절할 수 있게 하여 적절한 발전이 가능하게 한다.

도 7은, 본 발명의 전기적 시스템 구성을 나타낸 블록도이며, 각 회로의 역활에 대해서는 상기에서 이미 설명되었기에 생략한다.

점선으로 A. B. C 구역으로 나누어져 있는 것에 대해서는 아래와 같다.

A 구역은, 회전체

에 구비되는 전기적 시스템의 블록을 표시한 것이고, B 구역은, 손잡이

에 구비되는 전기적 시스템의 블록을 표시한 것이며, C 구역은, 외부 시스템의 블록을 표시한 것이다.

<실시예>

본 발명을 실시하는데 있어서

손잡이를 회전체와 분리하여 들고 다니며 야간에 손전등으로 활용하거나 잭으로 연결되는 리드선을 이용해 외부 배터리를 충전 시킬 수 있으며, 충전용 배터리를 사용하지 않는 전자기기들도 부하의 전원 레벨에 맞추어 리드선의 악어이빨클립으로 전원을 직접 공급하여 작동시킬 수 있게 한다.

또한 상용 전원을 공급 받을 수 없는 곳에서는 회전체와 손잡이를 연결하여 적정 속도로 회전시키면 발전이 가능하게 되며, 자체 충전 배터리 전원 또는 발전하는 전원을 전원레벨가변부를 통해 외부 부하와 연결하여 충전시키거나 또는 충전없이 실시간 전원을 공급하여, 전자기기를 작동시킬 수 있게 된다.

또한 전기 보온팩, 전기 온수기 등을 이용해 사용자가 최소한의 열량을 공급받을 수 있게 하는 것이다.

⑩ 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치 본체.
⑫ 리드선

LED 조명 보호캡
⑬ 커넥터

손잡이 하우징
⑭ 악어이빨클립

LED 조명제어스위치

회전체

출력단자

임펠러 보호대

출력제어스위치

임펠러

트랜스

회전체 하우징

결속잭

충전용 배터리

입력단자

PCB 기판

결속잭캡

중공견인줄

견인줄 보호장치

발전기

LED 조명램프

손잡이

렌즈

렌즈 보호캡

LED 램프

반사판

LED 램프

Claims

본 발명을 통해 휴대용 전자기기들의 배터리를 충전할 때, 쥐불놀이 회전 방식으로 인력에 의한 풍력을 일으켜 임펠러
의 회전동력에 의한 발전으로 외부 부하와 직접 전기적으로 연결시켜, 부하에서 요구되는 전원의 레벨에 따라 충전시키거나 전원을 공급하므로, 충전용 배터리를 사용하지 않는 휴대용 전자기기까지 가동시킬 수 있게 하는 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치에 있어서,
상기 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치의 본체⑩는 손잡이
와 회전체
가 분리되어 있는 외형을 가지며, 또한 외부 부하와 전기적으로 연결시켜 주는 분리 독립되는 리드선⑫을 포함하여 구성되는 것과,
상기 리드선⑫의 한쪽 끝은 본 발명의 손잡이에 있는 출력단자
와 결합되어 전기적으로 연결되는 잭이 구비되고, 다른 한쪽은 외부 충전용 배터리와 연결되는 커넥터⑬와, 외부 전자기기와 전기적 연결을 가능하게 하는 악어이빨클립⑭이 구성되는 것과,
상기 손잡이
와 회전체
를 전기적으로 연결 가능하게 내부에 전선이 삽입되어 있는 튜브 형식의 중공견인줄
과
상기 회전체
를 이루는 회전체 하우징
내부에는 발전부와, AC-DC/DC-DC 전원으로 변환하여 전류를 평활화시키는 회로가 설계된 정류부와, 평활화 된 전압을 일정 레벨로 평준화하는 회로가 설계되며, 정전압 및 과전압을 표시하는 LED 램프
가 구비되어 눈으로 확인 가능하게 하는 정전압제어부로 구성되며,
발전부는 AC/DC 발전기와 발전기 축에 고정되어 인력에 의한 풍력에 의해 회전 가능하게 하는 임펠러
가 포함되며,
상기 손잡이
를 이루는 손잡이 하우징
내부에는 승-강압 컨버터 회로가 설계되어 부하에서 요구되는 레벨의 전원을 공급 가능하게 하며, 충전시에는 승압된 전원을 이용해 일반적인 저전압 저전류 충전보다 충전 시간을 단축할 수 있게 하는 전원레벨가변부와,
과충전, 과방전, 역전류 방지 회로가 설계되고 LED 램프
가 구비되어 과충전 과방전을 눈으로 확인 가능하게 하는 충전보호제어부와,
LED 조명부, 충전용 배터리, 출력단자
, 입력단자
, 결속잭캡
을 포함한 손잡이
가 구비되는 것을 특징으로 하는 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"
본 발명에 휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치의 구동 방식에 있어서,
손잡이
를 잡고 중공견인줄
로 연결된 회전체
를 쥐불놀이 회전 방식으로 원심력에 의한 등속 회전이 가능하게 하며,
이때 회전체에는 인력에 의한 풍력으로 회전되는 임펠러
의 회전 동력으로 발전하게 하는 특징의 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"
제1항에 있어서, 상기 LED 조명부는,
렌즈 보호캡
에 장치되는 렌즈
의 형태가 한쪽 면은 평면 구조이며, 다른 한쪽 면은 볼록구조로 된 반볼록렌즈로서 렌즈 보호캡
에서 탈착이 가능하게 하는 특징의 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"
제1항에 있어서,
상기 LED 조명부의 LED 조명램프
는 4개가 설치되며, 각 2개씩 직렬 연결하여 필요에 따라 2개 또는 4개를 선택적으로 작동 가능하게 하는 특징의 LED 조명램프
와 LED 조명제어스위치
를 포함한 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"
제1항에 있어서,
결속잭캡
에는 결속잭
과 입력단자
와 LED 램프
가 구비되고, 손잡이
와 나사 결속 방식으로 결합 또는 분리될 수 있으며, 결속잭
에 의해 손잡이
와 회전체
가 전기적으로 연결되는 특징의 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"
본 발명에 있어서,
회전체
에는 회전체 내부로 연결되는 공기 유통 통로를 갖추어 발전기와 정류부에서 발생하는 열을 공랭식 냉각 장치로 활용하는 특징의 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"
본 발명에 있어서,
본 발명의 발전기 축과 임펠러
의 축을 분리하여 기어를 장착해 1개 이상의 기어가 치합되게 하여, 발전기의 회전수는 높이고 회전체
의 회전수는 낮추게 하는 쥐불놀이 회전 방식과 기어증속 방식을 혼합한 특징의 "휴대용 인력에 의한 풍력 발전 장치"