KR20190096151A - 수평축 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 벤츄리효과와 기압의 변위 차이를 이용하여 발전 효율을 높이는 수평축 풍력발전장치에 관한 것이다.
본 발명의 수평축 풍력발전장치는 바닥에 세워지는 고정 포스트와, 고정 포스트의 상측에서 바람의 방향에 따라 회동가능하게 설치되는 회동 포스트와, 회동 포스트의 상단에 고정된 벤츄리부를 가진 벤츄리관과, 벤츄리관의 출구관체의 내부에 설치된 발전 날개를 구비하는 발전부를 포함한다.
벤츄리관에 따라 벤츄리 효과를 극대화하여 풍속이 낮은 곳에서도 유효한 발전효율이 가능하고, 바람의 방향에 따라 벤츄리관이 회동함에 따라 휴지기간을 줄일 수 있고, 특수코팅에 따라 열 및 전기전도성이 낮고 내열성 및 내마모성이 높으며 염수에 강하여 지역에 관계없이 설치하여 사용할 수 있다는 효과가 있다.

Description

수평축 풍력발전장치{Wind force generator having horizontal shaft}

본 발명은 수평축 풍력발전장치에 관한 것으로서, 상세하게는 벤츄리효과와 기압의 변위 차이를 이용하여 발전 효율을 높이는 수평축 풍력발전장치에 관한 것이다.

신재생에너지 중의 하나인 풍력발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 풍력발전 분야는 최근 화석연료에 대한 대체에너지로 부각되며 고성장세를 지속하는 산업이다.

풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 비교하여 뒤떨어지지 않는 매우 유용한 발전 방법이다. 다만, 에너지의 밀도가 낮아 바람이 희박할 경우 발전이 불가능하므로 특정 지역에 한정되어 설치하여야 하며, 정량의 바람이 있을 경우에만 발전이 가능하므로 안정적 전기공급을 위해서는 저장장치 등의 설치가 필요하고, 최근 풍력발전기의 대형화로 인해 소음 발생 문제가 있으며, 초기 투자비용이 많이 든다는 단점이 있다.

일반적인 풍력발전장치는 풍력에 의해 회전되는 블레이드의 회전력을 전달 받아 발전기를 이용하여 전력을 생산하는 구성으로 되어 있으며, 최근에는 한국공개특허 제2010-0036524호나 한국공개특허 제2013-0026802호과 같이 풍력과 압전체를 이용하여 전력을 생산하는 풍력압전 발전장치가 제시되어 있다. 또한, 한국등록특허 제10-0796441호나 한국공개특허 제2016-0092655호와 같이 기압 차이를 이용한 풍력발전장치가 제시되어 있다.

풍력발전기는 회전축의 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 나뉜다. 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기에 편리하고 발전 효율이 높지만, 바람의 방향에 영향을 많이 받는다는 단점이 있다. 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 설치하여 이용 가능하지만, 소재가 비싸고 수평축 발전기에 비해 발전 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 한국등록특허 제10-0796441호나 한국공개특허 제2016-0092655호는 수직축 발전기에 해당한다.

한국등록특허 제10-0796441호(등록일: 2008.01.15.) 한국공개특허 제10-2016-0092655호(공개일: 2016.08.05.)

본 발명은 벤츄리 효과와 기압의 변위 차이 및 특수코팅을 이용하여 발전 효율을 더욱 높이는 수평축 풍력발전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수평축 풍력발전장치는 바닥에 세워지는 고정 포스트와, 고정 포스트의 상측에서 바람의 방향에 따라 회동가능하게 설치되는 회동 포스트와, 회동 포스트의 상단에 고정된 벤츄리부를 가진 벤츄리관과, 벤츄리관의 출구관체의 내부에 설치된 발전 날개를 구비하는 발전부를 포함한다.

벤츄리관의 벤츄리부는 금속재로 형성되고, 벤츄리부의 양측에 형성된 입구관체부와 출구관체부는 엔지니어링 플라스틱재로 형성된다.

벤츄리관의 내면이나 외면에는 세라믹 코팅층이 형성된다.

벤츄리관의 내면에는 벤츄리 효과에 의한 공기의 흡입력과 회전력을 높이는 나선형의 안내유로가 형성된다.

벤츄리관의 출구관체의 외부에는 바람의 방향에 따라 회동 포스트와 함께 벤츄리관을 회동시키는 바람방향키가 구비되고, 바람방향키는 출구관체의 길이방향을 따라 세워진 격판과, 격판의 양측면에서 입구관체의 방향으로 트이게 형성되어 바람의 압력에 받아 벤츄리관이 회전되게 하는 바람받이부를 포함한다.

본 발명에 의한 수평축 풍력발전장치에 의하면, 벤츄리관에 따라 벤츄리 효과를 극대화하여 풍속이 낮은 곳에서도 유효한 발전효율이 가능하고, 바람의 방향에 따라 벤츄리관이 회동함에 따라 휴지기간을 줄일 수 있고, 특수코팅에 따라 열 및 전기전도성이 낮고 내열성 및 내마모성이 높으며 염수에 강하여 지역에 관계없이 설치하여 사용할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 수평축 풍력발전장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1의 벤츄리관을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 수평축 풍력발전장치를 발전부측에서 바라본 사시도이다.
도 4는 도 3의 발전부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 수평축 풍력발전장치의 전체 작용 상태도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 바람방향키의 작용 상태도이다.
도 7는 본 발명의 제2실시예에 의한 수평축 풍력발전장치의 벤츄리관을 나타내는 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 의한 수평축 풍력발전장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1의 벤츄리관을 나타내는 단면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 제1실시에에 의한 수평축 풍력발전장치(100)는 고정 포스트(110)와, 회동 포스트(120)와, 벤츄리관(130)과, 바람방향키(140)와, 발전부(150)를 포함한다.

고정 포스트(110)는 지면이나 건물의 옥상 등의 바닥에 고정되어 세워지는 지주이다.

회동 포스트(120)는 고정 포스트(110)의 상측에서 회전링(121)에 의해 회전가능하게 설치되어, 후술하는 바람방향키에 의해 가압되는 바람의 방향에 따라 회동하게 되어 있다. 회전링(121)은 0도~ 250도 내지 300도 범위에서 회동하게 되어 있는 것이 바람직하다. 회동 포스트(120)의 상단은 마운팅판(122)을 매개로 벤츄리관(130)의 후술하는 벤츄리부의 외면에 고정된다.

벤츄리관(130)은 회동 포스트(120)의 상단에 수평으로 설치 고정되며, 벤츄리부(131)와, 벤츄리부(131)의 일측에 일체로 형성된 입구관체부(132)와, 벤츄리부(131)의 타측에 일체로 형성된 출구관체부(133)로 이루어진다.

벤츄리부(131)는 입구관체부(132)와 출구관체부(133)보다 강성이 높은 알루미늄합금재나 티타늄합금재 등의 금속재로 되어 중앙부의 공기 흐름이 빠른 곳에서 강성을 높이고, 입구관체부(132)와 출구관체부(133)는 엔지니어링 플라스틱재로 형성되어 공기 흐름에 따른 유연성을 높인다.

벤츄리부(131)는 원통으로 되어 있고, 입구관체부(132)와 출구관체부(133)는 벤츄리부(131)에서 멀어질수록 내직경이 커지게 경사된 후 그 단부에서 수평을 이루는 원통으로 되어 있다. 경사된 부분이 수평 부분과 이어지는 경계부는 라운딩되어, 공기저항을 줄여 공기(바람)가 원활하게 흐르게 되어 있다.

벤츄리관(130)의 벤츄리부(131)와 입구관체부(132) 및 출구관체부(133)의 모든 내면과 외면에는 세라믹 코팅층(130a, 130b)이 형성된다. 세라믹 코팅층(130a, 130b)는 열전도성와 전기전도성을 낮추고, 절연성 및 내열성을 높이며, 내마모성을 높이고 염수에 의한 부식을 방지하는 효과가 있다.

바람방향키(140)는 벤츄리관(130)의 출구관체(133)의 외부에 설치되어, 바람의 방향에 따라 회동 포스트(120)와 함께 벤츄리관(130)을 회동시킨다. 바람방향키(140)는 출구관체(133)의 수평부의 길이방향을 따라 세워진 격판(141)과, 격판(140)의 양측면에서 입구관체(131)의 방향으로 트이게 형성되어 바람의 압력에 받아 벤츄리관(130)이 회전되게 하는 바람받이부(142a, 142b)를 포함한다.

격판(141)은 입구관체 방향에서 단부로 갈수로 차츰 높아지는 지느러미 형태로 형성되어, 바람에 의한 저항을 줄인다. 격판(141)의 양측에 형성된 바람받이부(142a, 142b)는 바람의 방향에 따라 가압되어 벤츄리관(130)이 회동 포스트(120)를 회전중심으로 하여 회전되게 한다.

발전부(150)는 벤츄리관(130)의 출구관체(133)의 내부에 설치되며, 복수의 발전 날개(151a, 151b)와, 메인 샤프트(152)와, 증속기(153)와, 발전기(154)와, 지지대(155)를 구비한다. 도 3은 도 1의 수평축 풍력발전장치를 발전부측에서 바라본 사시도이고, 도 4는 도 3의 발전부를 나타내는 사시도이다.

발전 날개(151a, 151b)는 복수의 프로펠러 또는 블레이드로 되어 있으며, 공기 흐름에 따라 회전력이 발생하게 한다. 발전 날개(151a, 151b)는 벤츄리부(131)의 출구에서부터 메인 샤프트(152)의 길이방향을 따라 복수개가 설치되어 공기 흐름에 따른 회전력을 높이게 되어 있다.

메인 샤프트(152)는 발전 날개(151)에 의해 회전하는 축이다. 증속기(153)는 메인 샤프트(152)의 회전 속도를 높이기 위한 복수의 기어군으로 되어 있다. 발전기(154)는 증속기(153)의 출력축에 수평으로 연결되어 증속기(153)를 통해 전달된 회전력으로부터 전력을 생산하게 된다. 지지대(155)는 증속기(153)를 지지하며 출구관체(133)에 고정된다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 수평축 풍력발전장치의 전체 작용 상태도이고, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 바람방향키의 작용 상태도이다.

도 5에 도시한 바와 같이 벤츄리관(130)의 입구관체부(132)를 통해 유입되는 바람(공기, W)는 통과 단면적이 좁은 벤츄리부(131)를 통과하면서 베르누이 법칙에 따라 압력이 낮아지는 대신 유속이 빨라진다. 따라서, 벤츄리부(131)에 가깝게 설치된 발전 날개(151a)의 회전력을 높이게 되어 발전 출력을 증가시키게 된다.

한편, 도 6a에 도시한 바와 같이, 바람방향키(140)의 격판(141)의 좌측에서 비스듬하게 바람이 불게 되면(A방향), 격판(141)의 좌측 바람받이부(142a) 내부에 유량이 모여 가압하게 됨에 따라 벤츄리관(130)은 회동 포스트(120)를 중심으로 시계방향으로 회동하여 벤츄리관(130)이 바람의 방향(A방향)과 평행하게 위치된다.

그리고, 도 6b에 도시한 바와 같이, 바람방향키(140)의 격판(141)의 우측에서 비스듬하게 바람이 불게 되면(B방향), 격판(141)의 우측 바람받이부(142b) 내부에 유량이 모여 가압하게 됨에 따라 벤츄리관(130)은 회동 포스트(120)를 중심으로 반시계방향으로 회동하여 벤츄리관(130)이 바람의 방향(B방향)과 평행하게 위치된다.

이와 같은 바람방향키(140)의 작용에 따라 바람의 방향이 바뀌더라도 항상 벤츄리관(130) 내부로 많은 공기가 유입되게 하므로, 휴지기간을 현저히 줄여 발전량을 높일 수 있게 된다.

발전 날개(151a, 151b)의 회전에 따라 발생된 메인샤프트(152)의 회전력은 증속기(153)를 거쳐 증속된 후 발전기(154)에서 전기 에너지의 전력으로 바뀐다. 발전기(154)에서 발전된 전력은 발전케이블(GC)을 통해 회동 포스트(120) 및 고정 포스트(110)의 내부를 거쳐 필요한 곳으로 송전된다.

이와 같은 본 발명의 수평축 풍력발전장치(100)에 의하면, 종래 일반적인 수평축 풍력발전장치가 풍속 4.5 ~ 5 m/s에서 유효한 발전이 시작되는 것에 비해, 풍속 2.5 m/s에서도 유효한 발전이 시작될 수 있으므로, 풍속이 낮은 지역에도 설치가 가능하며, 벤츄리관(130)의 세라믹 코팅에 따라 열 및 전기전도성이 낮고 내열성 및 내마모성이 높으며 염수에 강하여 지역에 관계없이 설치하여 사용할 수 있다.

도 7는 본 발명의 제2실시예에 의한 수평축 풍력발전장치의 벤츄리관을 나타내는 단면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 의한 수평축 풍력발전장치(200)는 벤츄리관(230)의 벤츄리부(231)와 입구관체부(232) 및 출구관체부(233)의 내면에는 벤츄리 효과에 의한 공기의 흡입력과 회전력을 높이는 나선형의 안내유로(230c)가 형성되며, 벤츄리부(231)의 원주면에는 복수의 공기 유입구(231a)가 형성된다.

나선형의 안내유로(230c)의 기울기는 벤츄리관(230)의 길이방향 축선에 대해 35도 내지 55도로 되어 있는 것이 바람직하다.

공기 유입구(231a)는 원주방향 및 길이방향을 따라 복수개가 형성되며, 벤츄리부(231)의 내부를 통과하는 공기의 유속이 높아짐에 따라 낮아지는 압력강하로 인해 외부의 공기가 더욱 많이 유입되게 한다. 이에 따라 벤츄리부(231)의 외부와 내부의 기압 차이에 따라 공기 유입구(231a)를 통해 많은 공기가 유입되어 유량을 증가시키게 되어 발전 효율을 더욱 높이게 된다.

세라믹 코팅층(230a, 230b)을 포함하는 벤츄리관(230)을 가지는 제2실시예의 수평축 풍력발생장치(200)의 나머지 구성은 제1실시예의 수평축 풍력발생장치(100)의 구성과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

100, 200 : 수평축 풍력발전장치
110 : 고정 포스트 120 : 회동 포스트
121 : 회전링 122 : 마운팅판
130 : 벤츄리관 131 : 벤츄리부
132 : 입구관체부 133 : 출구관체부
140 : 바람방향키 141 : 격판
142a, 142b : 바람받이부 150 : 발전부
151 : 발전 날개 152 : 메인 샤프트
153 : 증속기 154 : 발전기
155 : 지지대
GC : 발전 케이블

Claims (5)

1. 바닥에 세워지는 고정 포스트와,
   상기 고정 포스트의 상측에서 바람의 방향에 따라 회동가능하게 설치되는 회동 포스트와,
   상기 회동 포스트의 상단에 고정된 벤츄리부를 가진 벤츄리관과,
   상기 벤츄리관의 출구관체의 내부에 설치된 발전 날개를 구비하는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 벤츄리관의 벤츄리부는 금속재로 형성되고,
   상기 벤츄리부의 양측에 형성된 입구관체부와 출구관체부는 엔지니어링 플라스틱재로 형성되는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 벤츄리관의 내면이나 외면에는 세라믹 코팅층이 형성되는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 벤츄리관의 내면에는 벤츄리 효과에 의한 공기의 흡입력과 회전력을 높이는 나선형의 안내유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 벤츄리관의 출구관체의 외부에는 바람의 방향에 따라 상기 회동 포스트와 함께 상기 벤츄리관을 회동시키는 바람방향키가 구비되고,
   상기 바람방향키는
   상기 출구관체의 길이방향을 따라 세워진 격판과,
   상기 격판의 양측면에서 상기 벤츄리관의 입구관체의 방향으로 트이게 형성되어 바람의 압력에 받아 상기 벤츄리관이 회전되게 하는 바람받이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전장치.

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