WO2018199583A1 - 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

양력을 이용한 풍력 발전 전기 자동차에 적용되는 풍력 발전 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 양력을 이용한 풍력 발전 전기 자동차에 적용되는 풍력 발전 장치는 자동차 앞범퍼 하단의 공기 유입구(10)에 길이방향으로 나란하게 설치되는 것으로 자동차가 우측에서 좌측으로 주행하여 주행풍이 좌측에서 우측으로 형성된다할 때, 차량의 전면에서 바라볼 때 가로 방향으로 기다랗게 형성된 공기 유입구(10)의 상측에 그 공기 유입구(10)와 평행하게 위치하도록 설치되는 회전축(12)과, 상기 회전축(12)의 적어도 일단에 결합되는 발전기(14), 및 회전축(12)에 나란하도록 기다랗게 고정되고 상기 회전축(12)에 서로 90도의 각도를 이루는 것으로 리딩 에지가 회전축(12)의 바깥쪽을 향하고 트레일링 에지는 회전축(12)을 향하도록 배치되며 회전 방향으로 두께가 두껍게 이루어지는 4 개의 블레이드(16)를 포함하고, 상기 회전축(12) 및 4 개의 블레이드(16)는 한 쌍의 휠하우스 안쪽에 배치되며, 블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도를 α라 할 때, α값은 6도 내지 10도로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치

본 발명은 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 항력이 아닌 항공기 날개에서 적용되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

현재 우리 인간생활의 필수품이 되어버린 자동차는 휘발유나 경유와 같은 화석연료를 사용하고 있으나 지구에 매장되어 있는 화석연료는 그 매장량이 한정적이어서 이대로 계속 사용한다면 머지않아 고갈되고 말 것이다. 또한, 이러한 화석연료의 남용으로 인한 결과로 우리는 지금 지구온난화라는 심각한 문제에 직면하고 있으며 온 지구촌은 이 문제의 해결을 위한 대책마련에 심혈을 기울이고 있다.

전통적인 에너지의 수급 불안이나 유해환경에 대한 범세계적 규제에 따라 국가마다 새로운 에너지원이 절실한 당면과제로 되고 있다. 국내의 관련법에 따르면 신재생에너지는 "기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 강수, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지"를 의미하며 재생에너지 8개 분야와 신에너지 3 개 분야를 포함하여 총 11개 분야로 분류된다. 풍력발전기의 터빈 또는 날개에 작용하는 바람의 운동에너지가 기어박스에서 기계적 회전력으로 증폭된 다음 전기에너지로 변환되고, 전력변환장치(inverter)에서 직류(DC)를 교류(AC)로 변환시켜 수용가에 전력을 공급한다. 따라서 화석연료의 사용으로 인한 오염을 감소시키고 지구환경을 보호할 수 있는 자연친화적 대체에너지가 개발되어야 할 것이며, 그 종류로 물, 지열, 햇빛, 바람 등이 있으나 그 중에서도 바람이 가장 무한하고 지속적이며 자연친화적 대체에너지라고 할 수 있다.

대한민국 공개특허 10-2010-0138678호에는 풍력 발전부를 구비한 하이브리드 자동차가 개시되어 있다. 상기 공개 특허에 따르면 자동차가 주행하게 되면 블레이드가 회전하게 되고, 그 내부에 풍력 발전기를 내장하여, 그 발전자 회전축에 블레이드를 축설하여 블레이드가 유도관으로 유입되는 바람에 의하여 회전되게 구성하고, 발전기에서 생산된 전기는 축전지로 보내져 동력 에너지로 활용이 가능케 한다. 이로써, 자동차가 주행할 때 받는 바람으로 자가발전한 전기를 충전하여 에너지로 활용하며, 이와 같이 생산된 에너지는 화석연료 내연기관을 가진 자동차와도 함께 사용할 수 있고, 전기자동차와 결합하여 사용할 수도 있도록 구성한다.

또한, 대한민국 공개 특허 10-2011-0023297호에는 자동차용 풍력 발전 장치가 개시되어 있다. 상기 공개 특허에 따르면 차량이 주행할 때 공기가 차량의 전방에서 후방으로 이동하는 작용으로 발생하는 풍력에 의해 발전용 풍익을 고속 회전시켜 주므로서 풍일축에 연결된 회전기어와 치합되어 증속 회전되는 증속 기어의 회전축과 연결된 발전기에 의해 전기가 발생되게 구성하며, 바람유입구는 직경을 크게하고 바람배출구는 직경을 작게한 나팔형태의 본체내에 발전장치를 설치하고, 직경이 작은 바람배출구에 연장구성된 바람유통로에 원통형풍익을 베어링에 지지된 회전축을 기점으로 회전토록하고 그 회전축 상단에는 회전기어를 장착하여 증속기어와 치합 회전케된 증속회전축의 상단에 발전기를 설치하여 이루어진다.

하지만 상기와 같은 풍력 발전 장치들은 항력을 이용한 통상의 풍력 발전을 이용한 것으로 실제 바람의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율이 낮다는 문제점이 있다.

이와 같은 풍력발전기 중 수직축 발전기는 풍향이 수시로 변화하는 환경에서 유리한 반면 저 풍속에서의 기동이 효율이 낮은 단점이 있다.

일예로, 등록실용신안 제0387339호의 "풍력발전기용 수직축 풍차구조"에 의하면 풍차의 전면에서 불어오는 바람을 수집해서 풍차의 전면 일 측으로 가이드하여 풍차의 베인에 충돌시켜서 풍차를 회전시킴과 동시에, 풍차의 전면상부에서 불어오는 바람을 수집해서 풍차의 배면 타 측 베인의 전면에 충돌시켜서 풍차를 회전시켜 풍차의 회전 효율을 향상한다. 한국공개특허 제2007-0037622호의 "수직축 풍력 발전기"에 의하면 거의 수직인 블레이드가 고정된 중앙 회전 타워를 포함하는 수직 경로의 풍력 발전기로서, 상기 블레이드는 회전이 가능하며, 중앙 타워에 대하여 방사상으로 이동되며, 각각의 블레이드의 이동은 풍력 발전기의 전체 성능을 최적화하도록 매 순간 처리되는 조건에 따라 자율적으로 제어된다.

그러나 상기한 구조에 의하면 일정 범위 내에서 바람의 세기에 연동하여 발전량을 조절하거나 안정성을 강화하는 측면은 기대되지만 저속 풍에서 고속 풍까지 커버하는 범위가 미흡할 뿐 아니라 장치의 구성이 투박해지는 만큼 에너지 효율을 저하시키는 요인이 된다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1710974호에는 수평축 풍력터빈 블레이드 익형이 개시되어 있다. 상기 등록 특허에 따르면 수평축 풍력터빈 블레이드 익형에 있어서, 상기 블레이드의 끝단 부근에 사용되는 익형이며, 상기 익형은 윗면에서 아랫면까지의 최대두께(t)와 앞전과 뒷전을 잇는 직선인 코드의 코드길이(c)의 비율인 최대두께비(t/c)가 16.32%인 것을 특징으로 하여 첫째, 블레이드의 끝단(tip) 부근에 사용되는 단면 익형에서 최대두께비를 16.32%를 형성함으로써 구조적 강성을 유지하면서도, 높은 양항비를 갖도록 하여, 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 출력 성능을 높일 수 있는 효과가 있고, 국내에서는 풍속이 강하지 않은 지역에서도 풍력발전기의 설치가 이루어지고 있는데, 최대 양항비 99∼105 를 갖도록 하여 이러한 저풍속 지대에서도 효율적으로 힘을 얻을 수 있어 활용도가 높다는 장점이 있다.

하지만 상기와 같은 풍력 터빈은 수직축 방식으로 자동차의 앞범퍼 하단에 장착할 수 없는 구조이다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기 자동차에 장착될 수 있는 것으로 주행풍에 의하여 전력을 발전함에 있어 발전 효율을 극대화할 수 있도록 양력을 이용한 풍력 발전 장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치는 차량의 주행 중의 주행풍에 의해 전기에너지를 발전하여 배터리에 충전하되 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치로서,

자동차 앞범퍼 하단의 공기 유입구(10)에 길이방향으로 나란하게 설치되는 것으로 자동차가 우측에서 좌측으로 주행하여 주행풍이 좌측에서 우측으로 형성된다할 때,

차량의 전면에서 바라볼 때 가로 방향으로 기다랗게 형성된 공기 유입구(10)의 상측에 그 공기 유입구(10)와 실질적으로 평행하게 위치하도록 설치되는 회전축(12)과,

상기 회전축(12)의 적어도 일단에 결합되는 발전기(14), 및

상기 회전축(12)에 나란하도록 기다랗게 고정되고 상기 회전축(12)에 대하여 90도의 각도를 이루는 것으로 리딩 에지가 회전축(12)의 바깥쪽을 향하고 트레일링 에지는 회전축(12)을 향하도록 배치되며 회전 방향의 두께가 회전 방향 반대측의 두께보다 두껍게 이루어지는 4 개의 블레이드(16)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전축(12) 및 4 개의 블레이드(16)는 한 쌍의 휠하우스 안쪽에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도를 α라 할 때, α값은 6도 내지 10도로 이루어진 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 양력을 이용한 풍력 발전 전기 자동차에 적용되는 풍력 발전 장치는 주행풍에 의하여 전력을 발전함에 있어 발전 효율을 극대화하였다.

도 1은 본 발명에 따른 양력을 이용한 풍력발전 전기 자동차에 장착되는 풍력 발전 장치의 구조를 나타낸 사시도,

도 2는 도 1의 풍력 발전 장치가 차량에 장착된 상태를 휠하우스 뒷쪽에서 바라본 상태를 나타낸 부분 사시도,

도 3은 도 1의 풍력 발전 장치가 차량에 장착된 상태를 라디에이터 공기유입구 측에서 바라본 상태를 나타낸 부분 사시도,

도 4는 도 1의 풍력 발전 장치가 차량에 장착된 상태를 차량 측면에서 바라본 상태를 나타낸 부분 사시도,

도 5는 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드에 주행풍에 의해 양력이 발생하는 원리를 설명하기 위한 개념도,

도 6은 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드에 주행풍에 의해 양력이 발생하는 작용 효과를 설명하기 위한 단면도,

도 7은 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조를 설명하기 위한 도면, 및

도 8은 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조에서 블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도에 따른 파워 계수를 실험한 결과를 나타낸 그래프.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

바람은 공기의 흐름이기 때문에 속도 V의 공기가 면적 A를 통과할 때 바람의 파워는 아래의 수학식 1과 같이 나타내어진다.

이 식에 의해 바람의 파워는 공기밀도와 로터의 통과투과 면적 A에 비례하고 풍속의 3승에 비례한다는 것을 알 수 있다. 이 풍속의 3승에 비례하는 것을 이해하기 위해서는 바람의 파워를 단위 시간 내에 면적 A를 통과하는 질량 m의 공기운동 에너지로 생각하면 된다.

이 공기의 질량 유량 m이 속도에 비례해서 다음 식으로 주어지기 때문에 단위 시간의 운동에너지로써의 파워는 다음 식과 같이 된다.

바람이 가지고 있는 파워는 공기의 질량의 속도를 감속시키는 것에 의해서 풍력터빈로터의 기계적인 에너지로 변환하게 된다. 하지만, 바람이 가지고 있는 파워를 풍력터빈에 의해 전부 뽑아내는 것은 불가능하다. 이것은 공기의 흐름을 로터의 면적 A의 가운데서 완전히 정지시키지 않으면 안 되기나 실제로는 이것이 불가능하기 때문이고 흐르고 있는 공기를 단면 A에 무리하게 집어넣는 것과 같은 것으로 된다. 한편, 공기의 흐름이 면적A를 통과할 때에 전체 속도를 감속시키지 않는다고 하면 바람으로부터 어떠한 에너지도 뽑아 내지 않는 것으로 된다.

이것을 두 가지의 극단적인 경우 사이에서 바람의 속도를 감소시키는 것에 의해서 바람의 파워를 이용하기 위해서 체적인 상태가 존재할 수밖에 없다. 1915년에 영국의 FW 란체스터 그리고 1920년에 독일의 A.베츠는 자유흐름 중의 놓여있는 풍력터빈은 유입하는 풍속의 원이 풍력터빈 후류에서,

로 감소했을 때에 최대의 파워를 낼 수 있다는 것을 명확하게 했다.

도 1에는 본 발명에 따른 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치의 구조를 사시도로써 나타내었으며, 도 2에는 도 1의 풍력 발전 장치가 차량에 장착된 상태를 휠하우스 뒷쪽에서 바라본 상태를 부분 사시도로써 나타내었다. 또한, 도 3에는 도 1의 풍력 발전 장치가 차량에 장착된 상태를 라디에이터 공기유입구 측에서 바라본 상태를 부분 사시도로써 나타내었다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 양력을 이용한 풍력 발전 장치는 차량의 주행 중의 주행풍에 의해 전기에너지를 발전하여 상기 전기 자동차의 배터리에 충전하는 풍력 발전 전기 자동차로서 자동차 앞범퍼 하단의 공기 유입구(10)에 길이방향으로 나란하게 설치되는 것으로 자동차가 우측에서 좌측으로 주행하여 주행풍이 좌측에서 우측으로 형성된다할 때, 차량의 전면에서 바라볼 때 가로 방향으로 기다랗게 형성된 공기 유입구(10)의 상측에 그 공기 유입구(10)와 평행하게 위치하도록 회전축(12)이 구비되고, 상기 회전축(12)의 적어도 일단에 결합되는 발전기(14)가 구비된다.

회전축(12)에는 4 개의 블레이드(16)가 회전축(12)에 나란하도록 기다랗게 고정되고 상기 회전축(12)에 서로 90도의 각도를 이룬다. 또한, 리딩 에지는 회전축(12)의 바깥쪽을 향하고 트레일링 에지는 회전축(12)을 향하도록 배치되고, 회전 방향으로 두께가 두껍게 이루어진다.

도 4에는 도 1의 풍력 발전 장치가 차량에 장착된 상태를 차량 측면에서 바라본 상태를 부분 사시도로써 나타내었다. 도 4를 참조하면, 차량이 주행하면서 발생한 주행풍은 본네트 하단의 공기 유입 상부(22)와 라디에이터측 공기 유입 하부(20)의 사이로 밀려 들어오며 베르누이 효과에 의하여 그 속도가 빠르게 증가한다. 속도가 빨라진 주행풍은 블레이드(16)의 리딩 에지측에 도달하고 발생한 양력에 의하여 블레이드의 두께가 두꺼운 방향으로 신속하게 회전을 개시하고, 블레이드(16)에 가장 가까이 접근하였을때의 위치로부터 하측으로 볼록하게 형성되는 가이드부(30)에 의하여 블레이드(16)의 리딩 에지가 가이드부(30)에 도달하였을 때 가장 빠른 유속을 나타내고 회전을 계속하게 된다.

공기 유입구(10)를 통하여 유입된 공기는 차량의 구조상 앞범퍼가 고정되는 전면 범퍼 고정부(40)에서는 공기의 저항이 발생하고 그 전면 범퍼 고정부(40)의 하단을 통하여 빠져 나가게 된다. 따라서, 회전축(12)은 전면 범퍼 고정부(40)의 하단에서 일정 간격만큼 상측에 위치하는 것이 바람직하다.

도 5에는 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 블레이드에 주행풍에 의해 양력이 발생하는 원리를 설명하기 위한 개념도를 나타내었다. 도 5를 참조하면, 주행풍(ω)이 불어오면 리딩 에지측의 두께가 두꺼운 방향으로 양력(L)이 발생하여 부상하게 된다. 본 발명에 따르면, 회전축(12)에 나란하도록 기다랗게 고정되고 상기 회전축(12)에 서로 90도의 각도를 이루는 것으로 리딩 에지가 회전축(12)의 바깥쪽을 향하고 트레일링 에지는 회전축(12)을 향하도록 배치되며 회전 방향으로 두께가 두껍게 이루어지는 4 개의 블레이드(16)에 의하여 양력에 의한 회전이 이루어진다는 것이 핵심적인 구조라 할 것이다.

도 6에는 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 블레이드에 주행풍에 의해 양력이 발생하는 작용 효과를 설명하기 위한 단면도를 나타내었다. 도 6을 참조하면, 가이드부(30)를 따라 가속된 주행풍은 블레이드의 최상단부가 주행풍(ω) 방향에 평행하게 되는 위치에 도달하면서 양력이 발생하면서 회전을 시작하게 되고 도 4를 참조하여 설명한 바와 같이 블레이드(16)가 가이드부(30)에 가장 가까이 접근하였을때의 위치로부터 하측으로 볼록하게 형성되는 가이드부(30)에 의하여 블레이드(16)의 리딩 에지가 가이드부(30)에 도달하였을 때 가장 빠른 유속을 나타내고 지속적인 회전이 이루어진다.

도 7에는 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조를 설명하기 위한 도면을 나타내었다. 도 7을 참조하면 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조에서는 블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도를 α라 할 때 α값을 6도 내지 10도로 설계한다. 도 8에는 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조에서 블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도에 따른 파워 계수를 실험한 결과를 그래프로써 나타내었다. 도 8을 참조하면, 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조에서는 블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도를 α라 할 때, α값이 15도를 초과하면 항력 계수가 급증하는 바 본 발명에 적용된 풍력 발전 장치의 블레이드 구조에서 각도 α값은 15도 미만으로 이루어지며, 가장 바람직하게는 6도 내지 10도로 이루어진다. 각도 α값을 6도 미만으로 구현하면 양력이 부족하여 발전기의 발전 용량이 높을 경우에 회전 개시의 불량 빈도가 증가하였고, 10도를 초과하여 구현하면 회전축 부근에서 프로펠러의 지지축 변형이 발생되었다. 블레이드의 익형과 관련하여 최대의 발전 효율을 얻기 위한 다양한 변형이 있을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치는 주행풍에 의하여 전력을 발전함에 있어 발전 효율을 극대화하였다.

Claims (1)

1. 양력을 이용한 풍력 발전 장치에 있어서,

   자동차 앞범퍼 하단의 공기 유입구(10)에 길이방향으로 나란하게 설치되는 것으로 자동차가 우측에서 좌측으로 주행하여 주행풍이 좌측에서 우측으로 형성된다할 때,

   차량의 전면에서 바라볼 때 가로 방향으로 기다랗게 형성된 공기 유입구(10)의 상측에 그 공기 유입구(10)와 실질적으로 평행하게 위치하도록 설치되고, 공기 유입구(10)를 통하여 유입된 공기는 앞범퍼가 고정되는 전면 범퍼 고정부(40)의 하단을 통하여 빠져 나가게 이루어질 때 전면 범퍼 고정부(40)의 하단에서 일정 간격만큼 상측에 위치하는 회전축(12);

   상기 회전축(12)의 적어도 일단에 결합되는 발전기(14); 및

   상기 회전축(12)에 나란하도록 기다랗게 고정되고 상기 회전축(12)에 대하여 90도의 각도를 이루는 것으로 리딩 에지가 회전축(12)의 바깥쪽을 향하고 트레일링 에지는 회전축(12)을 향하도록 배치되며 회전 방향의 두께가 회전 방향 반대측의 두께보다 두껍게 이루어지는 4 개의 블레이드(16);를 포함하고,

   상기 회전축(12) 및 4 개의 블레이드(16)는 한 쌍의 휠하우스 안쪽에 배치되며,

   블레이드의 후미측에서 바라볼 때 회전 반대 방향의 평평한 면과 회전 방향의 두꺼운 면이 이루는 각도를 α라 할 때, α값은 6도 내지 10도로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기 자동차에 장착되는 양력을 이용한 풍력 발전 장치.

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