KR20180024847A - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 풍력 발전기는, 지면에 설치되는 타워; 상기 타워에 회전가능하게 설치되며 발전기가 구비된 나셀; 상기 나셀에 설치되는 실린더 케이스; 및 상기 실린더 케이스의 내부에 배치되는 버킷 블레이드 터빈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 나선형 블레이드로 이루어진 버킷 블레이드 터빈에 의해 미풍을 빠른 회전운동으로 변환하여 터빈의 회전효율을 극대화시킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

풍력 발전기{WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 지상으로부터 일정한 높이에 블레이드를 설치하고, 바람의 운동에너지에 의해 블레이드가 회전시 발생하는 기계적 에너지를 사용하여 발전기를 구동시켜 전기를 발생시키는 장치로서, 자연친화적이면서 풍력자원의 거대한 잠재성으로 인하여 세계 각국에서 대체 에너지원의 일환으로 폭넓게 개발되어 사용되고있다.

그러나, 대부분의 풍력발전기에 설치되는 블레이드는 소형일 경우 그 길이가 대략 3~10m 정도이고, 일반적인 풍력발전기의 경우에는 그 길이가 12~18m에 해당하며, 대형 풍력발전기의 경우에는 블레이드의 길이만 60m에 해당할 정도로 매우 크고 길게 형성된다.

즉 풍력발전기의 용량이 증가할수록 블레이드의 회전반경이 확장되어 넓은 면적의 공간을 차지함에 따라 풍속이 강한 지역의 면적이 좁은 환경에는 부적합하므로 블레이드가 나선형으로 형성된 직립형 풍력발전기의 수요가 증가하고 있는 추세이다.

이에 종래에 개시된 주요 풍력발전기를 살펴보면, 특허공개번호 10-2006-0126784호에서 나선형 블레이드의 표면의 적어도 일부를 따르는 적어도 하나의 돌출부와 나선부를 포함하는 터빈 블레이드를 구비하여 발전효율이 향상되도록 하고 있다.

또한, 특허등록번호 제10-0853350호에서 난류와 풍향의 급격한 변화에도 기기의 손상을 방지한 상태로 에너지를 생산할 수 있으며, 블레이드에 비틀림 각을 주어 풍력을 보다 효율적으로 이용할 수 있도록 하며, 바람의 저항력을 높여 발전효율을 향상시키도록 하며, 또한 정격출력이상의 RPM의 풍속에서도 발전이 되도록 브레이킹장치를 구비하여 초강력 풍속에서도 안정적인 발전이 가능하며, 직결구조로 별도의 동력변환장치를 구비하지 않아 에너지 변환효율이 향상되도록 하고 있다.

그러나, 상기 개시된 풍력발전기들은 좁은 공간에서 발전효율을 향상시키려는데 목적이 있지만, 미풍인 경우에는 충분한 회전력을 얻기 어려운 문제점이 있었다.

따라서, 블레이드 터빈의 회전효율을 향상시키도록 개선된 형태의 풍력 발전기의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 미풍인 경우에도 빠른 회전운동으로 변환하도록 블레이드 터빈을 개선하여 블레이드 터빈의 회전효율을 극대화시킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력 발전기는, 지면에 설치되는 타워; 상기 타워에 회전가능하게 설치되며 발전기가 구비된 나셀; 상기 나셀에 설치되는 실린더 케이스; 및 상기 실린더 케이스의 내부에 배치되는 버킷 블레이드 터빈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 버킷 블레이드 터빈은 발전기와 축 결합하는 회전축과, 상기 회전축의 외주면을 따라 일정한 간격의 피치를 갖도록 나선형으로 형성된 블레이드로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블레이드에는 호형으로 형성된 브레이드 엣지가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 브레이드 엣지에는 바람이 불어오는 방향과 대면하도록 수용부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 블레이드 엣지의 테두리를 따라 보강부재가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 나선형으로 형성된 블레이드는 상기 회전축의 길이방향을 따라 그 지름이 증가하도록 형성된 것을 특징으로 한다,

또한, 상기 실린더 케이스는 블레이드와 동일하게 축 방향인 입구부터 출구를 따라 그 지름이 증가하도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실린더 케이스의 입구에는 깔때기 형태의 바람 유도구가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실린더 케이스에는 꼬리 날개가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전축의 양측에는 허브가 형성되며, 상기 나셀에는 허브가 결합되는 허브홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 허브와 허브홈은 전자석으로 형성되며, 서로 결합되는 상기 허브와 허브홈은 척력이 발생하도록 동일 극성으로 구성되어 자기부상이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력 발전기에 따르면, 나선형 블레이드로 이루어진 버킷 블레이드 터빈에 의해 미풍을 빠른 회전운동으로 변환하여 터빈의 회전효율을 극대화시킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 버킷 블레이드 터빈과 발전기는 풍향에 따라 회전 가능하여 풍향의 방향이 변하더라도 풍력의 힘을 모두 이용할 수 있다.

또한, 수용부에 의해 풍력의 운동에너지에 의한 가압력을 효율적·계속적으로 공급받도록 구성함으로써 회전에너지 발생효율을 극대화시킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 미풍에서도 높은 회전력이 발생되면서 발전효율이 향상된다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전기를 분해 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.

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

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전기를 분해 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합상태를 도시한 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전기(A)는, 지면에 설치되는 타워(100)와, 상기 타워(100)에 회전가능하게 설치되며 발전기(210)가 구비된 나셀(200)과, 상기 나셀(acelle, 200)에 설치되는 실린더 케이스(300) 및 상기 실린더 케이스(300)의 내부에 배치되는 버킷 블레이드 터빈(400)으로 구성된다.

타워(100)는 본 발명의 풍력 발전기(A)가 설치되는 지면에 기계적인 구성 요소들에 의해 견고하게 고정한다. 즉, 강풍 등의 외부 요인으로부터 풍력 발전기를 지면에 고정된 상태를 유지하며 발전을 하기 위함이다.

나셀(200)은 타워(100)에 대해 회전하도록 설치되며, 그 후단으로 발전기(210) 회전되지 않도록 고정 설치된다.

이에 따라, 나셀(200)은 풍향에 따라 지면에 대해 수평회전이 이루어지게 된다.

즉, 나셀(200)은 풍향에 따라서 지면에 대해 수평 회전이 이루어지게 되어 풍향이 변경되어도 계속적인 발전이 가능하게 된다.

실린더 케이스(300)는 도면에는 도시하진 않았지만 나셀(200)에 고정설치되어 나셀(200)과 동일하게 지면에 대해 수평 회전이 이루어지게 된다.

버킷 블레이드 터빈(400)은 발전기(210)와 축 결합하는 회전축(410)과, 상기 회전축(410)의 외주면을 따라 일정한 간격의 피치를 갖도록 나선형으로 형성된 블레이드(420)로 구성된다.

또한, 블레이드(420)에는 호형으로 형성된 브레이드 엣지(421)가 형성되며,상기 브레이드 엣지(421)의 내측으로 바람이 불어오는 방향과 대면하도록 수용부(422)가 형성된다.

이에 따라, 호형의 블레이드 엣지(421)와 수용부(422)에 의해 블레이드(420)의 내측으로 진입한 바람은 나선형인 블레이드(420)의 내측을 따라 전방에서 후방으로 이동하며 버킷 블레이드 터빈(400)을 회전시키게 된다.

즉, 블레이드(420)의 전방으로 진입한 바람은 블레이드(420)에서 벗어나지 않으며 블레이드(420)의 후방으로 이동하며, 블레이드(420)의 전방으로 계속적 또는 추가 유입된 바람은 블레이드(420)의 내부로 계속적으로 진입하여 블레이드(120) 내부에서 흐르는 바람의 유속은 누적되며 빨라지게 된다.

더욱이, 블레이드(420)의 블레이드 엣지(421)를 제외한 부분은 완만한 호형으로 그 형태가 유선형으로 형성된다.

블레이드(420)의 전체적인 형상은 익형(airfoil)의 단면 중 앞전(리딩 엣지, leading edge)과 윗면(어퍼 서페이스, upper surface)를 지나 뒷전(트레일링 엣지, trailing edge)까지의 형태와 동일 또는 유사하다.

이에 따라, 바람은 호형으로 형성된 블레이드 엣지(421)와 완만한 호형을 이루는 블레이드(420)를 지나면서 유속이 빨라지며 압력은 낮아지게 된다. 반면, 수용부(422)로는 유속이 감소하고 압력은 증가하게 된다.

즉, 수용부(422)로의 압력이 증가하여 블레이드(420)는 작은 유속으로도 회전이 이루어지게 된다. 이는, 베르누이의 원리(Bernoulli principle)가 적용되기에 상세한 설명은 생략한다.

한편, 상기 나선형으로 형성된 블레이드(420)는 상기 회전축(410)의 길이방향을 따라 그 지름이 증가하도록 형성되어 있어 전방의 블레이드(420)의 내측으로 진입하지 않은 바람은 후방의 블레이드(120)의 내부로 진입하게 된다. 즉, 버킷 블레이드 터빈(100)은 풍속이 낮은 바람에서도 발전이 가능하다.

더욱이, 호형의 블레이드 엣지(421)와 수용부(422)에 의해 블레이드(420)의 후방으로 갈수록 바람은 합쳐지고, 지름이 커지도록 형성된 블레이드(420)에 의해 전방에서 블레이드(420)를 지나친 바람은 블레이드(420)의 후방에서 추가되며 더해지어 풍속대비 더 빠르게 버킷 블레이드 터빈(400)은 회전하게 된다.

그리고, 상기 블레이드 엣지(421)의 테두리를 따라 보강부재(423)가 더 구비되어 강한 바람에서도 블레이드(420)가 꺽이거나 파손되는 것을 억제하게 된다.

뿐만 아니라, 보강부재(423)는 그 자체가 무게추의 역할을 담당하고 있어 버킷 블레이드 터빈(400)이 회전하면 보강부재(423)에 의한 원심력이 발생하여 블레이드(420)에 회전력을 더하게 된다.

한편, 상기 실린더 케이스(300)는 블레이드(420)와 동일하게 축 방향인 입구부터 출구를 따라 그 지름이 증가하도록 형성된다. 즉, 실린더 케이스(300)와 블레이드(420)의 사이는 균일한 이격 거리를 가지게 된다.

이에 따라, 실린더 케이스(300)로 유입된 바람은 블레이드(420)와 직접 접촉하도록 안내되어 실린더 케이스(300)로 유입된 바람은 에너지의 손실 없이 발전에 사용된다.

또한, 실린더 케이스(300)의 입구에는 깔때기 형태의 바람 유도구(310)가 더 구비된다. 바람 유도구(310)의 출구는 실린더 케이스(300)의 입구와 동일한 지름을 가지며 바람 유도구(310)의 입구는 출구보다 지름이 크게 형성되어 바람을 실린더 케이스(300)의 입구로 안내하게 된다.

뿐만 아니라, 상기 바람 유도구(310)의 중심은 실린더 케이스(300)의 입구의 중심과 편심되도록 설치된다.

그리고, 상기 바람 유도구(310)의 일부는 개폐구조를 가짐에 따라 풍속에 따라 바람 유입을 조정한다.

그리고, 상기 실린더 케이스(300)에는 꼬리 날개(320)가 더 구비되어 바람의 방향에 따라 실린더 케이스(300)의 입구를 이동시키게 된다.

한편, 상기 회전축(410)의 양측에는 허브(411)가 형성되며, 상기 나셀(200)에는 허브(411)가 결합되는 허브홈(201)이 형성된다.

마지막으로, 상기 허브(411)와 허브홈(201)은 전자석으로 형성되며, 서로 결합되는 상기 허브(411)와 허브홈(201)은 척력이 발생하도록 동일 극성으로 구성된다. 허브(411)는 회전축(410)을 포함하여 막대자석 형태를 취하며, 허브홈(201)은'u'자형 연결부를 포함하여 말굽자석의 형태를 취한다

허브(411)와 회전축(410)은 코일이 감긴 상태로 발전기(210)와 연결되며 막대 자석 형태로 양측의 허브(411)가 다른 극성을 가지며, 상기 양측의 허브홈(201)은 상호 연결된 상태로 발전기(210)와 열결되어 양측의 허브홈(201)은 다른 극성을 가지게 형성된다.

한편, 본 발명의 풍력 발전기(A)는 허브(411)와 회전축(410), 허브홈(201)을 제외한 구성은 비자성체로 구성된다.

즉, 척력에 의해 회전축(410)은 자기 부상상태에서 회전하여 나셀(200)과 마찰 없이 회전하여 마찰 손실을 줄여주게 된다. 종래와 같이 베어링을 사용하지 않기 때문에 베어링 파손에 대한 유지보수 횟수 및 비용이 줄어든다.

본 발명에 따르면, 나선형 블레이드(420)로 이루어진 버킷 블레이드 터빈(400)에 의해 미풍을 빠른 회전운동으로 변환하여 터빈의 회전효율을 극대화시킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 버킷 블레이드 터빈(400)과 발전기(210)는 풍향에 따라 회전 가능하여 풍향의 방향이 변하더라도 풍력의 힘을 모두 이용할 수 있다.

또한, 수용부(422)에 의해 풍력의 운동에너지에 의한 가압력을 블레이드로 효율적·계속적으로 공급받도록 구성됨으로써 회전에너지 발생효율을 극대화시킴으로써, 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다. 특히, 미풍에서도 높은 회전력이 발생되면서 발전효율이 향상된다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 이때, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 고려해야 할 것이다.

A - 풍력 발전기 100 - 지주
200 - 나셀 300 - 실린더 케이스
400 - 버킷 블레이드 터빈

Claims (11)

1. 지면에 설치되는 타워;
   상기 타워에 회전가능하게 설치되며 발전기가 구비된 나셀;
   상기 나셀에 설치되는 실린더 케이스; 및
   상기 실린더 케이스의 내부에 배치되는 버킷 블레이드 터빈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 버킷 블레이드 터빈은 발전기와 축 결합하는 회전축과, 상기 회전축의 외주면을 따라 일정한 간격의 피치를 갖도록 나선형으로 형성된 블레이드로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 블레이드에는 호형으로 형성된 브레이드 엣지가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 브레이드 엣지에는 바람이 불어오는 방향과 대면하도록 수용부가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 블레이드 엣지의 테두리를 따라 보강부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
6. 제 2항에 있어서,
   상기 나선형으로 형성된 블레이드는 상기 회전축의 길이방향을 따라 그 지름이 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
7. 제 2항에 있어서,
   상기 실린더 케이스는 블레이드와 동일하게 축 방향인 입구부터 출구를 따라 그 지름이 증가하도록 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 실린더 케이스의 입구에는 깔때기 형태의 바람 유도구가 더 구비된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 실린더 케이스에는 꼬리 날개가 더 구비된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
10. 제 2항에 있어서,
    상기 회전축의 양측에는 허브가 형성되며, 상기 나셀에는 허브가 결합되는 허브홈이 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 허브와 허브홈은 전자석으로 형성되며, 서로 결합되는 상기 허브와 허브홈은 척력이 발생하도록 동일 극성으로 구성되어 자기부상이 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
    

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