WO2010147257A1 - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 지면에 대해 수직하게 설치되는 축; 상기 축의 회전력을 통해 전기를 발생시키는 발전부; 상기 축에 설치되어, 맞바람에 의해 제1방향으로 회전되도록 제1날개들이 배치된 제1날개부; 및 상기 축 또는 상기 제1날개부에 설치되고, 풍속에 관계없이 상기 제1날개부를 일정한 속도로 회전시키기 위해, 맞바람에 대해 상기 제1방향과 또는 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 회전되도록 제2날개들이 배치된 제2날개부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전장치

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍속에 관계없이 풍력발전용 날개가 일정한 속도로 회전할 수 있는 풍력발전장치에 관한 것이다.

탄소가스 배출로 인한 지구온난화에 따라, 최근 들어 탄소배출 규제와 더불어 화석화연료를 대체할 청정에너지에 대한 연구와 개발이 꾸준히 이루어지고 있다.

풍력발전기 또는 풍력발전장치는 이러한 요청에 의한 것으로서, 기존 화석화연료를 사용하는 발전장치에 비해 오염물질의 배출이 현저하게 낮을 뿐만 아니라, 수력발전장치에 비해 환경파괴의 영향이 크지 않으므로, 최근 들어 크게 각광받고 있다.

이러한 풍력발전기 또는 풍력발전장치는 크게 2가지 형태로 나뉜다. 하나는 발전축이 지면과 수평으로 이루는 형태(이하 수평형 풍력발전기라고 함)이고, 다른 하나는 발전축이 지면과 수직을 이루는 형태(이하 수직형 풍력발전기라고 함)이다.

전자는 유럽에서 오랫동안 사용되고 발전된 형태로서, 발전효율이 수직형 풍력발전기에 비해 높으나, 풍향에 큰 영향을 크게 받으므로 설치장소에 제약이 많고 소형화가 어렵다.

반면, 후자는 발전효율이 수직형 풍력발전기에 비해 상대적으로 낮으나, 풍향에 큰 형향을 받지 않으므로, 설치장소에 제약없고 소형화가 비교적 용이하다. 따라서, 이러한 수직형 풍력발전기는 소형 공장이나 주택과 같은 소규모단지의 설치를 통해 탄소가스의 배출을 감소시키고, 청정에너지의 사용을 넓리 확대하는데 크게 기여할 수 있다.

한편, 수직형 풍력발전기는 풍속에 따라 회전 날개의 속도가 크게 변동되기 쉽고 이에 따라 발전기에서 발전하는 전력 및 전류의 크기가 일정하지 않는 단점이 있으므로, 통상적으로 브레이크 장치를 구비하고 있다.

그런데, 이러한 브레이크 장치는 상당히 고가일뿐만 아니라 풍력발전기의 고장수리를 매우 어렵게 하므로, 이를 대체하거나 풍속에 관계없이 전기발전을 일정하게 할 수 있는 수직형 풍력발전기의 개발이 적실히 요청된다.

본 발명은 위와 같은 요청에 의해 개발된 것으로서, 풍속에 따라 발전기를 가동시키는 날개의 회전속도가 자연스럽게 조절되어 별도의 브레이크 장치가 필요없는 풍력발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따르면, 지면에 대해 수직하게 설치되는 축; 상기 축의 회전력을 통해 전기를 발생시키는 발전부; 상기 축에 설치되고, 맞바람에 의해 제1방향으로 회전되도록 제1날개들이 배치된 제1날개부; 및 상기 축 또는 상기 제1날개부에 설치되어, 풍속에 관계없이 상기 제1날개부를 일정한 속도로 회전시키기 위해, 맞바람에 대해 상기 제1방향과 또는 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 회전되도록 제2날개들이 배치된 제2날개부;를 포함하는 풍력발전장치가 제공된다.

바람직하게는, 상기 제1날개부는 한 쌍의 원판; 상기 한 쌍의 원판 사이에서 상기 원판의 중앙에 고정 배치되는 복수의 고정날개들; 및 상기 한 쌍의 원판 사이에서 상기 원판의 가장자리에 배치되고 제1고정 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 복수의 회전날개들을 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 제2날개들은 각각의 제2고정 축을 중심으로 피치각이 변경가능하도록 설치되고, 상기 풍력발전장치는 풍속을 측정하는 센서와 상기 센서의 의해 측정된 풍속의 크기에 비례하여 상기 제2날개들의 피치각을 조정하는 조정수단을 더 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 조정수단은 상기 제2고정 축에 각각 설치되는 제1유성기어들; 상기 제1유성기어들과 직접 또는 상기 제1유성기어들과 각각 맞물린 하나 이상의 제2유성기어들을 통해 맞물리는 태양기어; 및 상기 센서를 통해 측정된 풍속 크기에 비례하여 상기 태양기어의 회전시키는 모터를 포함하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 풍력발전장치는 풍속의 크기에 따라 회전하는 날개의 회전속도가 자연적으로 조절되므로, 고가의 브레이크 장치가 필요없으며, 또한 풍속에 따른 날개의 급작스러운 회전속도 변화에 의한 발전부의 고장율을 현저하게 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 풍력발전장치의 개념도이고,

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 풍력발전장치의 제1날개부와 제2날개부의 날개 배치를 각각 나타낸 평면도이고,

도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 풍력발전장치의 개념도이고,

도 5는 도 4에 도시된 제1날개부의 주요구성을 나타낸 부분 분리사시도이고,

도 6은 도 5에 도시된 제1날개부의 작동상태를 나타낸 평면도이고,

도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 풍력발전장치의 개념도이고,

도 8은 도 7에 도시된 제2날개부와 조정수단의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100: 풍력발전장치 10: 축

20: 발전부 30: 제1날개부

32: 원판 34: (고정형) 제1날개

36: (회전형) 제1날개 38: 제1고정축

40: 제2날개부 42: 제고정축

44: 제2날개 50: 센서

60: (제2날개 피치) 조정수단

62: 제1유성기어 64: 제2유성기어

66: 태양기어 68: 모터

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 풍력발전장치의 개념도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 풍력발전장치의 제1날개부와 제2날개부의 날개 배치를 각각 나타낸 평면도이고, 도 4는 본 발명의 제2실시 예에 따른 풍력발전장치의 개념도이고, 도 5는 도 4에 도시된 제1날개부의 주요구성을 나타낸 부분 분리사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 제1날개부의 작동상태를 나타낸 평면도이고, 도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 풍력발전장치의 개념이고, 도 8은 도 7에 도시된 제2날개부와 조정수단의 주요 구성을 개략적으로 나타낸 평면도이다.

(제1실시 예)

본 발명의 제1실시 예에 따른 풍력발전장치(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 축(10), 발전부(20), 제1날개부(30), 제2날개부(40)를 포함한다.

축(10)은 지면에 대해 수직하게 설치되며, 발전부(20)에 구비된다. 축(10)은 발전부(20)를 이루는 발전기의 회전 축이거나 회전 축과 연결된 형태일 수 있다.

발전부(20)는 축(10)에 회전에 의해 발생된 자기력을 전류로 변환하는 수단으로서, 일반적인 발전기에 사용되는 구조와 형태를 취한다. 따라서 본 발명에서는 이에 대한 상세한 구조를 설명하지 않겠다.

제1날개부(30)는 축(10)에 단단히 고정 설치되어, 축(10)을 제1방향으로 회전시키는 구실을 하며, 이를 위해 제1날개부(30)는 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 (고정형) 날개(34)를 포함한다. 즉, 제1날개부(30)는 바람이 불면 바람과 부딪히는 복수의 날개(34)에 의해 축(10)을 회전시키고, 발전부(20)는 축(10)의 회전운동에 의해 전류를 생산하는 발전을 한다. 참고로, 제1날개부(30)는 공지된 다니우스 형태의 구조일 수 있다.

제2날개부(40)는 축(10) 또는 제1날개부(30)에 고정 설치되어, 축(10)을 제2방향(제1방향과 반대방향)으로 회전시키는 구실을 한다. 즉 제2날개부(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 제1날개부(30)의 날개들(34)과 반대방향으로 배치된 복수의 날개들(44)을 구비한다. 따라서 제2날개부(40)는 바람이 불면 제1날개부(30)와 반대방향으로 회전시키는 힘을 축(10)에 작용한다.

이와 같이 이루어진 제1실시 예의 풍력발전장치(100)는 바람에 의한 제1날개부(30)와 제2날개부(40)의 회전방향이 기본적으로 상이하다. 특히, 이러한 힘의 편차는 바람이 강하게 불때 더욱더 현저하게 나타나므로, 풍속이 급격하게 변동될 때 제1날개부(30)가 비교적 일정한 속도로 회전되도록 도와준다.

따라서 본 실시 예에 따르면, 풍속의 급격한 증대로 인한 제1날개부(30)의 고속회전에 의해 발전부(20)의 전류생성부품이 타거나 고장나는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

(제2실시 예)

본 실시 예는 제1날개부(30)의 구성에 있어서 제1실시 예와 상이하다. 참고로, 제1실시 예와 동일한 구성요소는 제1실시 예와 동일한 도면부호를 사용하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제2실시 예에 따른 풍력발전장치(100)는 제1날개부(30)가 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 한 쌍의 원판(32), 다수의 고정형 날개(34), 다수의 회전형 날개(36)를 포함한다. 도면부호 39는 회전형 날개(36)의 회전을 제한하는 멈춤쇠이다.

한 쌍의 원판(32)은 제1날개부(30)의 날개들(34, 36)을 지지하는 부재로서, 상하 일정간격을 두고 배치된 형태로 축(10)에 설치된다. 참고로, 본 실시 예에서는 다수의 날개들(34, 36)을 지지하는 부재로 원판(32)이 도시되었으나, 경우에 따라 수레바퀴와 같이 원형 틀에 복수의 살이 결합된 형태로 변경될 수 있다.

고정형 날개(34)는 원판(32)의 중앙 부분에 일정간격으로 배치되어, 제1날개부(30)로 불어오는 바람의 크기에 따라 제1날개부(30)가 원활하게 회전하도록 도와주는 구실을 한다. 바람직하게는 바람에 의해 힘을 받을 수 있는 고정형 날개들(34)의 면적은 회전형 날개(36)의 면적보다 작은 것이 좋다. 아울러, 고정형 날개들(34)은 필요에 따라 생략될 수도 있다.

회전형 날개(36)는 원판(32)의 가장자리에 제1고정축(38)을 매개로 회전 가능하게 설치된다. 회전형 날개(36)의 각각의 면적은 앞서 언급한 바와 같이 고정형 날개(34)보다 크며, 바람에 의해 제1날개부(30)가 회전하는데 주된 힘을 제공한다. 한편, 회전형 날개(36)는 제1날개부(30)의 회전운동 시 도 6에 도시된 바와 같이 원판(32)에서의 위치에서 마다 각각 다른 형태로 회전되어 바람과 부딪혀, 바람에 의한 힘을 축(10)에 전달한다.

위와 같이 이루어진 본 실시 예에 따른 풍력발전장치(100)는 제1날개부(30)의 주된 회전력을 이끌어내는 회전형 날개들(36)이 제1고정축(38)을 기준으로 자전하며 바람과 부딪히므로, 제1실시 예의 제1날개부(30)의 날개들(34)과 달리 바람에 의한 힘을 제1날개부(30) 또는 축(10)에 모두 전달하지 않는다.

따라서 본 실시 예에 따르면 제2날개부(40)뿐만 아니라 제1날개부(30)가 풍속에 대해 브레이크 구실을 하므로, 풍력발전장치(100)의 기준 값을 넘는 풍속에 대해서는 제1날개부(30)의 회전속도를 더욱더 일정하게 유지할 수 있는 효과가 있다.

(제3실시 예)

본 실시 예는 제2날개부(40)의 구성에 있어서 제1실시 예 및 제2실시 예와 상이하다. 참고로, 제1실시 예와 동일한 구성요소는 제1실시 예와 동일한 도면부호를 사용하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

제3실시 예에 따른 풍력발전장치(100)는 제2날개부(40)가 제1날개부(30)의 제1방향 회전에 대해 더욱더 큰 힘으로 제1날개부(30)이 회전을 방해하도록 구성되어 있다.

즉, 본 실시 예의 풍력발전장치(100)는 풍속을 감지하는 센서(50)를 더 포함하고, 제2날개부(40)가 풍속에 따라 날개들(44)의 피치가 가변될 수 있도록, 제2고정축(42), 제2고정축(42)에 회전 가능하게 설치되는 다수의 제2날개(44), 그리고 제2날개(44)의 피치를 조정할 수 있는 조정수단(60)을 포함한다.

풍속감지용 센서(50)는 축(20)의 상단 또는 제2날개부(40)의 위쪽에 설치되어, 현재의 풍속을 조정수단(60)에 수시로 전달한다(도 7 참조).

제2날개부(40)에서, 제2고정축(42)은 한 쌍의 원판(도시되지 않음) 또는 기타 고정틀(예를 들어 제1날개부(30)의 상부면)에 회전 가능하게 설치되며, 제2날개들(44)은 제2고정축(42)과 함께 회전할 수 있도록 설치된다. 여기서 제2날개들44)은 제2날개들(44)을 향해 불어도는 맞바람에 대해 항력을 발생시킬 수 있도록 비행기의 날개와 같은 단면을 갖는다(도 8 참조).

조정수단(60)은 도 8에 도시된 바와 같이 다수의 유성기어(62, 64)와 태양기어(66) 그리고 모터(68)를 포함한다. 제1유성기어(62)는 제2고정축(42)과 함께 회전할 수 있도록 설치되고, 제2유성기어(64)는 태양기어(66)와 제1유성기어(62)가 서로 맞물려서 회전할 수 있도록 매개체 구실을 하고(필요에 따라 생략될 수 있다), 태양기어(66)는 모터(68)의 구동력을 제1유성기어(62)에 전달하는 구실을 한다. 그리고 모터(68)는 풍속감지용 센서(50)에서 측정된 값을 토대로 제2날개들(44)의 피치를 조절한다(예를 들어 풍속이 빠르면 제2날개들(44)에 의한 항력이 커지도록 제2날개들(44)을 회전시키고, 풍속이 느리면 제2날개들(44)에 의한 항력이 작아지거나 발생하지 않도록 제2날개들(44)을 회전시킨다).

위와 같이 이루어진 풍력발전장치(100)는 센서(50)를 통해 감지된 풍속이 설정된 풍속보다 작으면, 제1날개부(30)와 제2날개부(40)가 동일방향으로 회전하며 발전부(20)를 가동시키나, 선세(50)를 통해 감지된 풍속이 설정된 풍속보다 크면, 제2날개부(40)의 날개들(44)에 의한 항력이 풍속에 비례하여 증가되도록 조정수단(60)이 구동된다.

따라서 본 실시 예에 따르면 풍속에 따라 제2날개부(40)에 의한 제1날개부(30)의 회전속도를 더욱더 직접적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.

참고로, 위 설명에서는 제3실시 예가 제1실시 예의 형태에서 변형된 것으로 설명하였으나, 필요에 따라 제2실시 예의 형태에서 변형된 것일 수도 있다.

본 발명은 이상에서 설명되는 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것이다.

Claims (4)

1. 지면에 대해 수직하게 설치되는 축;

   상기 축의 회전력을 통해 전기를 발생시키는 발전부;

   상기 축에 설치되고, 맞바람에 의해 제1방향으로 회전되도록 제1날개들이 배치된 제1날개부; 및

   상기 축 또는 상기 제1날개부에 설치되어, 풍속에 관계없이 상기 제1날개부를 일정한 속도로 회전시키기 위해, 맞바람에 대해 상기 제1방향과 또는 상기 제1방향과 반대인 제2방향으로 회전되도록 제2날개들이 배치된 제2날개부;를 포함하는 풍력발전장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1날개부는 한 쌍의 원판;

   상기 한 쌍의 원판 사이에서 상기 원판의 중앙에 고정 배치되는 복수의 고정날개들; 및

   상기 한 쌍의 원판 사이에서 상기 원판의 가장자리에 배치되고 제1고정 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 복수의 회전날개들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 제2날개들은 각각의 제2고정 축을 중심으로 피치각이 변경가능하도록 설치되고,

   상기 풍력발전장치는 풍속을 측정하는 센서와 상기 센서의 의해 측정된 풍속의 크기에 비례하여 상기 제2날개들의 피치각을 조정하는 조정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 조정수단은 상기 제2고정 축에 각각 설치되는 제1유성기어들;

   상기 제1유성기어들과 직접 또는 상기 제1유성기어들과 각각 맞물린 하나 이상의 제2유성기어들을 통해 맞물리는 태양기어; 및

   상기 센서를 통해 측정된 풍속 크기에 비례하여 상기 태양기어의 회전시키는 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.

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