KR20240063357A

KR20240063357A - 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치

Info

Publication number: KR20240063357A
Application number: KR1020220144909A
Authority: KR
Inventors: 김재봉
Original assignee: 원광밸브주식회사
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2024-05-10

Abstract

본 발명은 태양광 패널을 풍력발전기의 블레이드로 활용하여 태양광 발전과 풍력발전을 병행하도록 하는 태양광부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치에 관한 것이다.
이를 구현하기 위한 본 발명은, 태양광발전과 풍력발전을 병행할 수 있도록 된 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치에 있어서, 타워의 상부에 수직방향으로 설치되는 축커플러; 상기 축커플러의 상부에 축결합되는 제네레이터; 상기 제네레이터의 상단에 타워와 동심축으로 설치되는 회전축; 상기 회전축의 상단에 설치되는 상부 아암 고정브라켓; 상기 상부 고정축에 태양광 패널 블레이드의 배면 상부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 설치되는 복수의 상부 아암; 상기 제네레이터의 하부에 태양광 패널 블레이드의 배면 하부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 설치되는 복수의 하부 아암; 상기 상부 아암과 상기 하부 아암에 고정되되, 상기 상부 아암의 길이가 상기 하부 아암의 길이 보다 소정길이 만큼 짧아서 소정각도 상향 경사면을 갖게 설치되는 태양광 패널 블레이드; 및 상기 태양광 패널 블레이드의 외향면을 형성하여 태양광 발전을 하는 태양광 패널;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치{HYBRID POWER GENERATION DEVICE WITH SOLAR PANELS ATTACHED TO BLADES FOR WIND POWER GENERATION}

본 발명은 풍력, 태양광 및 에너지 저장장치를 활용한 태양광부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 셀을 풍력발전기의 블레이드로 활용하도록 하는 태양광부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치에 관한 것이다.

최근 섬, 해변가, 공업단지, 주차장, 도로주변 갓길, 도로가, 유휴부지 등을 활용하여 신재생에너지를 생산하는 시스템은 녹색 성장, 지속가능한 발전의 핵심메카로써 미래지향형 에너지 전환계획에 있어 상당한 부분을 차지하고 있다.

그러나 기존의 대형 육상, 해상 풍력발전시설이나 태양광발전시설은 초기 투자비용의 부담이 크고, 산림, 논, 밭 등을 훼손해야 하며, 유지보수비용이 비싸고 추가 신설지 부지 매입이 어려울 뿐만 아니라 단위면적당 발전량이 비효율적인 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 태양광발전과 풍력발전을 겸용으로 수행하는 소규모 태양광-풍력 발전장치가 제안되어 있으나, 발전효율이 낮고 풍력 발전의 회전 매체인 블레이드를 태양광 패널로 대체하지 않고 블레이드 본체에 태양광 셀을 부착하여 이루어져 제조원가가 상승되는 문제점이 있다.

국내 공개특허공보 제10-2011-0130950호 (2011.12.06. 공개) 국내 특허등록공보 제10-1898180호 (2018.09.06. 등록)

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 태양광 패널로 수직축 풍력발전용 태양광 패널 블레이드를 형성하여 태양광 발전과 수직축 풍력발전을 동시에 수행할 수 있도록 하되, 특히 태양광 패널 블레이드에서 태양광 패널이 설치되는 면의 반대측 배면을 유선형으로 형성함으로써 바람방향의 방향에 영향을 받지않고 단위면적당 발전효율을 높일 수 있도록 된 태양광부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치를 제공하고자 함에 있다.

지상에 수직으로 설치되는 타워에 태양광 패널 블레이드가 회전가능하게 설치되어, 태양광발전과 풍력발전을 병행할 수 있도록 된 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치에 있어서, 상기 타워의 상부에 수직방향으로 설치되는 축커플러; 상기 축커플러의 상부에 축결합되는 제네레이터; 상기 제네레이터의 상단에 타워와 동심축으로 설치되는 회전축; 상기 회전축의 상단에 설치되는 상부 아암 고정브라켓; 상기 상부 고정축에 태양광 패널 블레이드의 배면 상부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 설치되는 복수의 상부 아암; 상기 제네레이터의 하부에 태양광 패널 블레이드의 배면 하부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 설치되는 복수의 하부 아암; 상기 상부 아암과 상기 하부 아암에 고정되되, 상기 상부 아암의 길이가 상기 하부 아암의 길이 보다 소정길이 만큼 짧아서 소정각도 상향 경사면을 갖게 설치되는 태양광 패널 블레이드; 및 상기 태양광 패널 블레이드의 외향면을 형성하여 태양광 발전을 하는 태양광 패널;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 태양광 패널이 이루는 상향 경사면의 소정각도는 태양광 패널이 설칠되는 위도를 고려하여 설치됨을 특징으로 한다.

상기 태양광 패널 블레이드는 회전축을 향하는 배면이 유선형으로 이루어지고 외측방향을 향하는 태양광 패널이 평면형으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 태양광 패널과 상기 제네레이터에서 발전된 전원을 충전하는 ESS와 충전을 제어하는 충전 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다

상기 타워에는 조명등이 설치되어 상기 ESS로부터 전력을 공급받아 점등될 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명은 태양광 에너지와 비교했을 때 풍력-태양광 발전시설은 출력단위 면적이 1/3로 줄어들어 공간활용도를 높이고 발전단가를 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 기존 풍력발전시설과 비교할 때 소형 풍력이기에 유지보수가 용이할 뿐만 아니라, 소음도 줄어들고 비교적 저주파 방출이 감소되며 바람 방향에 영향이 적은 무지향성 발전장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 설치장소에 구애받지 않고 옥상, 주차장, 유휴부지, 대형선박, 해변가, 캠핑카, 단독/농가주택, 가로등, 보안등 등 다양한 분야에서 보조발전 역할을 할 수 있고, 이에 따라 종래 대형 풍력/태양광 발전시설에 비해 산림, 논, 밭 등을 훼손하지 않아도 되며, 추가 신설시 부지를 매입하여야 하는 등의 부담이 줄어드는 장점이 있다.

나아가, 본 발명은 단일 전력원에서 얻을 수 있는 것보다 각각의 운여 특성을 적저리 활용하여 더 높은 신재생 에너지 효율의 달성이 가능한 장점이 있다.

예컨대 발전용량이 350W인 설비를 설치하기 위한 예를 비교해 보면, 기존 태양광 발전의 경우 1.5평의 설치면적이 필요하면서 이의 평균발전시간을 3.6시간으로 보았을 때 일일발전량은 1.26KWh가 되고, 기존 풍력발전의 경우 1평의 설치면적이 필요하면서 이의 평균발전시간을 7시간으로 보았을 때 일일발전량은 2.45KWh가 되지만, 본 발명에 따른 풍력-태양광 발전의 경우 150W급 태양광 발전과 200W급 풍력 발전의 경우 0.6평의 설치면적이 필요하면서 이의 평균발전시간을 태양광발전 4.0시간, 풍력발전 7.0시간으로 보았을 때 일일발전량은 태양광발전 0.6KWh, 풍력발전 1.4KWh 로서 총 2.00.6KWh가 되어, 350W 발전시설 기준기존으로 태양광발전시설 대비 일일발전량은 약 1.5배 증가하면서 설치면적은 1/2로 축소되고, 기존 풍력발전시설 대비 설치면적은 1/2로 축소가능하여, 설치면적과 설치비용면에서 현저한 효과를 거둘수 있다.

도 1은 본 발명의 구성도,
도 2는 본 발명의 요부 확대 분해사시도,
도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 발전장치의 제어회로도,

본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치의 구성도를 나타내고, 도 2는 도 1의 발전부에 대한 확대 일부 분해도를 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 지면에 수직하게 설치되는 타워(10)와 상기 타워(10)에 회전가능하게 설치되면서 태양광 및 풍력을 이용하여 발전하는 회전형 발전부(20)를 포함하여 이루어져 있다.

상기 타워(10)는 지상에 수직으로 고정되어 상단에 상기 태양광 패널 블레이드(20)를 회전가능하게 지지하기 위한 것으로, 이를 위해 상기 타워(10)의 상측면에 고정브라켓(11)과 축커플러(12)가 볼트(13) 및 너트(14)로 고정되어 있다.

아울러, 상기 타워(10)의 일측에 예컨대 조명등(30)과 같은 전기 부하가 설치될 수 있고 또 상기 회전형 발전부(20)에서 발전되는 전력을 저장하는 에너지 저장장치인 ESS(40)가 설치될 수 있다. 상기 ESS(40)는 안정적 전압 및 효율을 확보할 수 있도록 안정적인 Fullerene 인산철 리튬배터리를 바람직하다.

상기 회전형 발전부(20)에서 발전되는 전력은 타워(10) 내측으로 배치되는 전선을 통하여 조명등(30)과 ESS(40)에 각각 공급될 수 있다.

상기 회전형 발전부(20)는 상기 타워(10)에 회전가능하게 지지되는 것으로, 이를 위해 중심의 회전축(21) 하부에는 제네레이터(22)의 고정자축이 상기 타워(10)의 축커플러(12)에 축결합되어 상기 회전형 발전부(20) 전체가 회전가능하게 지지된다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 상기 제네레이터(22) 몸체의 상단에는 회전축(21)이 수직방향으로 고정되어 있다.

상기 상부 아암 고정브라켓(26)에 태양광 패널 블레이드 배면(23a) 상부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 복수의 상부 아암(24)이 설치되어 있고, 상기 제네레이터(22)의 하부에 태양광 패널 블레이드 배면(23a) 하부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 복수의 하부 아암(25)이 설치되어 있다.

상기 상부 아암(24)은 회전축(21)의 상부에 설치되는 상부 아암 고정브라켓(26)에 고정되는 것으로 설명되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고 상기 회전축(21)의 상부에 직접 설치될 수도 있다.

이와 같이 상기 회전축(21)은 상기 제네레이터(22)의 회전자가 결합되어 있는 몸체와 함께 회전되도록 축커플러(12)에 설치되어 있음으로써 상기 상부 아암(24)과 상기 하부 아암(25)을 통해 상기 회전축(21)에 고정되는 태양광 패널 블레이드(23)는 풍력을 받게 되면 축커플러(12)를 중심으로 회전가능하게 된다.

이 뿐만 아니라 상기 상부 아암(24)과 상기 하부 아암(25)은 태양광 패널 블레이드(23)의 전면에 설치되는 태양광 패널(27)이 태양을 향하여 설치될 수 있도록 상기 상부 아암(24)의 길이가 상기 하부 아암(25)의 길이 보다 소정길이 만큼 짧게 설치되어 있다. 상기와 같은 상부 아암(24)과 하부 아암(25)의 길이차는 본 발명에 따른 하이브리드 발전장치를 설치할 지역을 고려하여 태양광 패널(27)이 태양광을 잘 받아들일 수 있는 경사각도의 산출에 따라 결정된다.

한편, 태양광 패널 블레이드(23)는 태양광 패널(27)이 부착되는 외향면은 평면으로 이루어져 있고, 태양광 패널(27)이 부착되는 외향면의 반대측인 배면(23a)은 유선형으로 이루어져 있다. 이에 따라 평면 형태 구조의 태양광 패널(27)의 설치가 용이하면서 보다 많은 태양광을 받아 들일 수 있게 설치할 수 있고, 태양광 패널 블레이드의 배면(23a)이 유선형으로 설치되어 바람의 영향을 적게 받음으로써 태양광 패널 블레이드(23)는 최적의 조건으로 회전되면서 풍력발전을 극대화 할 수 있고 아울러 태양광 발전도 병행하면서 수행할 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 발전장치의 제어회로도를 나타낸 것으로, 상기 태양광 패널(27)에 의해 발전된 전력과 상기 태양광 패널 블레이드(23)의 회전에 따라 제네레이터(22)에서 발전된 전력을 ESS(40)에 충전함과 아울러 충전된 전력을 DC 전기 부하(61) 또는 AC 전기 부하(62)로의 출력을 제어하기 위한 충전 제어기(50)를 추가로 구비할 수도 있다. 또한 ESS(40)에 충전된 전력을 AC 전기 부하(62)에 공급할 때에는 DC-AC 컨버터(63)를 구비하여 직류를 교류로 변환한 다음 공급하도록 이루어진다.

10 -- 타워, 11 -- 고정브라켓,
12 -- 축커플러, 20 -- 회전형 발전부,
21 -- 회전축, 22 -- 제네레이터,
23 -- 태양광 패널 블레이드, 23a -- 태양광 패널 블레이드 배면,
24 -- 상부 아암, 25 -- 하부 아암,
26 -- 상부 아암 고정브라켓, 26 -- 상부 아암 고정브라켓,
27 -- 태양광 패널, 30 -- 조명등,
40 -- ESS, 50 -- 충전 제어기,
61 -- DC 전기 부하, 62 -- AC 전기 부하,
63 -- DC-AC 컨버터.

Claims

지상에 수직으로 설치되는 타워에 태양광 패널 블레이드가 회전가능하게 설치되어, 태양광발전과 풍력발전을 병행할 수 있도록 된 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치에 있어서,
상기 타워의 상부에 수직방향으로 설치되는 축커플러;
상기 축커플러의 상부에 축결합되는 제네레이터;
상기 제네레이터의 상단에 타워와 동심축으로 설치되는 회전축;
상기 회전축의 상단에 설치되는 상부 아암 고정브라켓;
상기 상부 고정축에 태양광 패널 블레이드의 배면 상부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 설치되는 복수의 상부 아암;
상기 제네레이터의 하부에 태양광 패널 블레이드의 배면 하부를 고정할 수 있도록 수평방향으로 설치되는 복수의 하부 아암;
상기 상부 아암과 상기 하부 아암에 고정되되, 상기 상부 아암의 길이가 상기 하부 아암의 길이 보다 소정길이 만큼 짧아서 소정각도 상향 경사면을 갖게 설치되는 태양광 패널 블레이드; 및
상기 태양광 패널 블레이드의 외향면을 형성하여 태양광 발전을 하는 태양광 패널;을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 태양광 패널이 이루는 상향 경사면의 소정각도는 태양광 패널이 설칠되는 위도를 고려하여 설치됨을 특징으로 하는 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 태양광 패널 블레이드는 회전축을 향하는 배면이 유선형으로 이루어지고 외측방향을 향하는 태양광 패널이 평면형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 태양광 패널과 상기 제네레이터에서 발전된 전원을 충전하는 ESS와 충전을 제어하는 충전 제어기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 타워에는 조명등이 설치되어 상기 ESS로부터 전력을 공급받아 점등될 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는 태양광 패널 부착 풍력발전 날개를 갖춘 하이브리드 발전장치.