KR890002804B1 - 발전용 풍차장치 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

발전용 풍차장치
제1도는 본 발명의 정면도.
제2도는 제1도의 평면도.
제3도는 본 발명의 날개부와 회전축부의 부분절개사시도.
제4도는 제2도의 A-A선 단면도.
제5도는 제3도의 B-B선 평단면도.
제6도는 본 발명의 기어부를 도시하는 분해사시도.
제7도는 제5도의 결합상태를 도시하는 C-C선 단면도.
제8도는 제6도의 D-D선 단면도.
본 발명은 기상조건의 변화가 심한 우리나라와 같은 지역에서 풍력에너지를 보다 간편하고 보다 효율적으로 활용하기 위한 발전용 풍차장치에 관한 것이다.
종래부터 풍력에너지를 우리 생활에 활용하기 위해 여러가지 풍차들이 개발되어 사용되어 왔으며, 그 대표적인 것들로는 사보니우스(SAVONIUS)식 풍차들이 있는바, 사보니우스식 풍차는 그 구조가 간단하면서도 견고하고 자체기동이 가능하며, 풍향의 제한을 받지 않고, 저 풍속에서도 회전력이 크게 되는 장점이 있는 반면, 그 구조적인 제한때문에 회전속도가 고속이 될수 없으므로 발전용 풍차에 사용되기에 매우 곤란한 단점이 있다. 다리우스식 풍차는 기계적 강도가 비교적 강하고 풍향의 제한을 받지 않으며 입력에너지에 비례하여 고회전하게되므로 발전용 풍차에 사용되기에 적합한 반면 저풍속일때 회전토크(TORQUE)가 약하여 스스로 기동할 수 없기 때문에 별도의 기동장치가 부가되어야 하는 단점이 있다. 한편, 프로펠라식 풍차는 저풍속에서도 자체기동할수 있을뿐아니라 고풍속에서는 이에 상응하여 고속회전을 하여 줌으로 풍력에너지를 활용함에 있어서 매우 이상적인 것이라고 할수 있는데 반하여 기계적 강도가 매우 취약한 단점을 가지고 있기 때문에 우리나라와 같이 풍향 및 풍속의 변화가 심한 지리적 여건하에서는 사용될 수 없다.
이외에도 상기 다리우스식 풍차의 자체기동문제를 해결해주기 위하여 다리우스식 풍차의 중앙부에 시보니우스식 풍차를 결합시킨 혼합형 풍차등 여러가지들이 알려져 왔으나 아직까지 우리나라의 실정에 부합되는 효율적인 풍차가 개발되지 못하였기 때문에 바람이 비교적 많은 우리나라에서 풍력에너지를 제대로 이용하지 못하였다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 다리우스식 풍차의 단점은 사보니우스식 풍차의 장점으로 보완하면서 사보니우스식 풍차의 단점은 다리우스식 풍차의 장점으로 상호 보완한 그 목적을 기술하면 첫째, 제작이 용이하고 기계적 강도가 견고한 발전용 풍차를 제공하기 위한 것이고, 둘째, 비교적 고속회전을 얻을 수 있도록 함으로써 발전에 적합한 발전용 풍차를 제공하기 위한 것이며, 셋째, 저속의 바람에도 자체기동이 용이할뿐아니라 고속의 바람에도 상응하여 회전속도가 빨라질 수 있도록 하여 풍력에너지를 보다 효율적으로 이용할 수 있도록 한 발전용 풍차를 제공하기 위한 것이다.
이하, 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 바람을 받아 회전하는 날개부(100), 상기 날개부의 중심부에 결합되는 회전축부(200), 상기 날개부의 회전을 변속시켜주는 기어부(300) 및 상기 날개부와 상기 기어부를 지지해주는 지지틀부(400)로 구성된다.
본 발명의 날개부(100)는 종래 다리우스식 풍차와 사보니우스식 풍차의 혼합형을 채택하고 있으나 그 강도를 보다 증대시키고 보다 고속형에 적합해질 수 있도록 개량된 형태를 취하고 있는 구조부로서 내부날개(110) 및 외부날개(120)으로 구성된다. 내부날개(110)는 바람의 저항을 최소로 하기 위한 타원형을 변형한 곡선면의 형상을 가지는 외주면(111), 풍력을 충분히 수용할 수 있는 타원형상의 내부공간(112) 및 상기 내부공간(112)의 중심부에서 적당한 간격을 유지하면서 곡면형상의 풍압유도곡면(113)이 적당한 길이로 내주면(114)을 따라 용착되는 것으로 구성한다. 여기에서 , 상기 내부날개(110)는 중심부에서 상호 적당한 간격을 유지하면서 외주면(111)의 형상으로 볼때 상호 상대적인 방향으로 포개어져 결합된 것이고, 내외주면(114)(111) 및 내부공간(112)의 형상 및 구조는 충분한 수풍면적을 고려한 것이고, 풍압유도곡면(113)를 내주면(114)에 용착시킨 이유는 내부공간(112)으로 유도된 풍압이 내주면(114)에 부딪혀지면서 날개부(100)를 회전시킬때, 첨부도면에 제5도에서 도시하는 화살방향과 같이 상기 풍압유도곡면(113)에 의하여 유도된 풍압을 반대편의 내주면(114)에 용착된 풍압유도곡면(113)으로 부딪히게 함으로써 동일 회전방향으로 풍압을 작용시킴으로써 자체 기동이 원활하고 저풍속에서도 회전력이 크게되도록 신중을 기하여 형성토록 한것이다.
외부날개(120)는 상기 내부날개(110)의 연부에 직교적으로 용착되어 있으며, 상기 내부날개(110)에 의해서 자체기동이 시작되면 상기 내부날개(110)의 팔길이에 의해서 회전토르크가 증가되며 외부날개(120)의 상대풍속에 따라 점차적으로 고회전하게 되므로 발전용에 적합토록 하기 위한 것이다. 여기에서, 내부날개(110)의 연부에 외부날개(120)가 용착된 이유를 설명하면 다음과 같다. 중심축의 회전토르크는 풍력과 길이에 비례하며, 풍력은 백터가속도와 질량에 비례하므로 상기 길이와 질량에 의하여 외부날개(120)는 회전력을 증속시켜 전체적인 날개부(100)의 회전력을 증속시키는 기능을 수행하는 것이다. 그리고, 외부날개(120)는 항공기의 날개인 NACA 0012날개로서, 이미 알고 있는 다리우스식 날개의 회전이론을 적용한 것이다.
회전축부(200)는 상기 날개부(100)의 중심부에 결합되어 기어부에 결합됨으로써 상기 기어부를 회동시키는 축으로, 제1회전축(210) 및 제2회전축(220)으로 구성한다. 제1회전축(210)에는 날개부(100)가 결합되고, 제2회전축(220)에는 날개부(100)의 내부날개(110)만 결합되는 것으로, 본 발명의 실시예에서는 상, 하부에 각각 상기 결합구조를 결합하여 수풍면적을 크게하여 입력되는 에너지를 향상시킨다. 제1회전축(210)은 제2회전축(220)의 내경에 결합되고, 상기 제1, 2회전축(210)(220)은 상기 제1회전축(210)의 날개부(100)및 제2회전축(220)의 날개부(100)에 해당되는 내부날개(110)에 의해서 각각 상호 반대방향으로 원활이 회동되는 것이다. 여기에서, 제1회전축(210)에 결합된 상기 날개부(100)와 제2회전축(220)에 결합될 상기 날개부(100)의 내부날개(110) 결합상태는 상대적인 방향으로 결합되는 것으로, 즉 상기 제1회전축(210)이 시계방향으로 회전되도록 상기 날개부(100)를 결합시키면, 상기 제2회전축(220)은 시계방향으로 회전되도록 상기 날개부(100)의 내부날개(110)를 결합시킨다. 그 이유는 제1회전축(210)이 회전될때 기어부(300)의 출력이 제2회전축(220)의 회전에 의해서 상기 기어부(300)의 출력을 고속으로 증속시키기 위한 것이다.
기어부(300)는 제1입력축(310), 유성치차결합틀(320), 유성치차(330)(331)(332), 제2입력축(350), 태양치차(360), 고속출력축(370) 및 케이스(380)로 구성한다.
상기 기어부(300)는 제1입력축(310)에 일체로된 유성치차결합틀(320)에 결합되어 있는 유성치차(330)(331)(332)가 제2입력축(340)에 일체로된 내치차(350)와 결합되어 있고 그들은 중심부위에 형성되는 태양치차(360)에 상호치합되어 회동하는 것이고, 상기 내치차(350)가 원활히 회동되도록 하는 적당한 간격으로 케이스(380)가 형성되는 구조로 한다. 여기에서, 상기 회전축부(200)의 제1회전축(210)는 상기 기어부(300)의 제1입력축(310)에 결합되고, 제2회전축(220)은 제2입력축(340)에 결합되며, 고속출력축(370)은 발전기에 형성된 축에 연결되는 것이다. 그러므로, 기어부(300)의 작동상태를 살펴보면 제1입력축(310)과 제2입력축(240)을 첨부도면 제7도에서와 같이 상호 반대방향으로 회전되면 제1입력축(310)에 일체로된 유성치차 결합틀(320)에 설치된 유성치차(330)(331)(332)와 제2입력축(340)에 일체된 내치차(350)와는 각각의 상호 반대방향의 회전을 하며 그 각각의 회전이 일정한 증속은 후술되는 공식에 의거함으로써 태양치차(360)에 전달되어 증속되어 회전된다.
부연하면, 제2입력축(340)을 고정시키고, 제1입력축(310)만을 첨부도면 제7도에서와 같이 시계방향으로 회전시킨다면 제1입력축(310)에 일체된 유성치차결합틀(320)에 결합된 유성치차(330)(331)(332)가 내치차(350)과 맞물려 있기에 시계반대방향으로 회전되고 상기 유성치차(330)(331)(332)에 치합된 태양치차(360)는 상기 유성치차(330)(331)(332)와의 반대방향으로 종속회전하게 된다. 이때, 제1입력축(310)은 그대로 시계방향으로 회전토록 하고 제2입력축(340)을 제1입력축(310)과 반대방향인 시계반대방향으로 회전시키면 내치차(350)는 시계반대방향으로 회전되면서, 상기 내치차(350)에 치합되어 있는 유성치차(330)(331)(332)를 더욱 종속시켜 그만큼 태양치차(360)는 가속되어 고속출력출(370)은 고속으로 회전되기 때문에 제1단증속치차만으로 제2단증속치차를 결합한 결과와 같은 증속효과를 발휘하는 본 발명의 풍차장치는 발전용으로 충분한 구동장치를 갖추게 되는 것이다. 이해를 돕고져 본 발명의 증속장치의 회전비를 기술하면 다음과 같다.
여기에서 [고속출력축(370)의 태양치차(360)의 치수 : ZS]
제2입력축(340)의 내치차(350)의 치수 : ZR
제1입력축(310)의 각 유성치차(330)(331)(332)의 치수 : ZP
고속출력축(370)의 회전수 : N0
제1입력축(340)의 회전수 : N1
제2입력축(340)의 회전수 : N2
라고 한다면, 먼저 제2입력축(340)을 고정시키고 제1입력축(310)을 회전시켰을때 고속출력축(370)의 회전수와 회전비는 다음과 같다.
N0=((ZS+ZR)/ZS)×N1--------------------------------------(1)
회전비는 (ZS+ZR)/ZS=1+ZR/ZS이고 제1입력축(310)을 고정시키고 제2입력축(340)을 회전시켰을때의 고속출력축(370)과 회전수와 회전비는 다음과 같다.
N0=-(ZR/ZS)×N2------------------------------------------(2)
회전비는 ZR/ZS이다.
이때 "-"부호는 입력회전방향과 반대방향회전을 표시하는 것이고 제1, 2입력축(310)(340)을 동시에 상호반대방향으로 회전시켰을때의 고속출력축(370)의 회전수는 식(1)과 식(2)을 더하여
N0=N1×((ZS+ZR)/ZS)+N2×(ZR/ZS)---------------------------(3)
이 되는데 상기식(3)에서 N1=N2라고 하면 회전수는
N0=1+2ZR/ZS로 정리된다.------------------------------------(4)
그러므로 저풍속일때의 저회전에서도 종합출력은 고회전 고출력으로 나타나게 되는 것이다.
지지틀부(400)는 종지지틀(410)과 횡지지특(420)로 구성한다.
종지지틀(410)은 지반에 견고히 종설되고,상기 종지지틀(410)의 적당한 높이에서 견고히 횡설되는 횡지지틀(420)에 날개부(100)와 기어부(300)가 설치되는 것으로 본 발명의 실시예에서는 종지지틀(410)를 지지해주는 버팀지지틀(411)이 종설되어 있고 두개의 횡지지틀(420)사이에 기어부(300)와 발전부(500)가 설치되고 상, 하부의 횡지지틀(420)에 각각 상, 하부날개부(100)가 설치되어 있다.
이와같이, 내부날개(110)와 외부날개(120)가 상호 일체로 되는 날개부(100)가 내, 외주면의 곡면형상으로 수풍면적을 충분하면서 바람의 저항을 최소로하여 자체기동의 원활하고 회전력을 높히는 반면 상기,날개부(100)와 상대적인 방향으로 회전하는 날개부(100)의 내부날개(110)이 상호 설치되어 상호 회전력에 의해서 더욱 회전을 높이므로 발전용 풍차장치에 만전을 기하고 있으며, 상기 날개부(100)와 내부날개(110)의 상대적인 회전에 상응하는 기어부(300)에 의해서 입력되는 회전력을 고속회전력의 출력으로 변환시키기때문에 바람의 변화가 심하고 저풍속에서도 발전용으로 사용할 수 있는 구동장치를 갖춘 발전용 풍차장치는 효과면에서 지대한 발명인 것이다.

Claims (4)

  1. 중심부에서 적당한 간격으로 상호 상대적인 방향으로 포개어져 일체로하며 내, 외주면을 곡면의 타원형상으로 하는 내부날개(11)의 연부에 용착된 외부날개(120)를 일체로 하여 바람을 받아 회전하는 날개부(100), 상기 날개부(100)의 중심부에 종설고정되는 회전축부(200), 상기 회전축부에 결합되면서 상기 날개부의 회전을 변속시키는 기어부(300) 및 상기 날개부와 상기 기어부를 지지해주는 지지틀부(400)로 구성하여 수풍력을 증대시키기 위해서 상기 지지틀부에 상기 날개부를 복수로 병성토록 함을 특징으로 하는 발전용 풍차장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 회전축부(200)는 제1, 2회전축(210)(220)으로 구성하여 제1회전축(210)에 날개부(100), 제2회전축(220)에 내부날개(110)가 고정되어 제2회전축(220)의 내경에 회동이 원활토록 제1회전축(210)이 삽설되도록 함을 특징으로 하는 발전용 풍차장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 날개부(100)와 상기 내부날개(110)는 상호 상대적인 방향으로 회전되도록 회전축부(200)에 설치됨을 특징으로 하는 발전용 풍차장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기기어부(300)는 제1입력축(310)에 일체로된 유성치차결합틀(320)에 결합되어 있는 다수 유성치차(330)(331)(332)가 제2입력축(340)에 일체로된 내치차(35)와 치합되고 상기 유성치차결합틀(320)에 결합되어 있지 않고 태양치차(360)에 상호 치합되면서, 상기 태양치차(360)는 고속출력축(370)이 일체로 되어 있고, 상기 내치차(350)가 적당한 간격에서 회동되는 케이스(380)로 구성되는 구동장치로 함을 특징으로 하는 발전용 풍차장치.
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