KR100610346B1 - 소형 풍력발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 소형 풍력발전기에 관한 것으로, 상호 소정거리 이격되며, 내부에 코일을 구비하는 두 발전기 고정자와, 상기 두 발전기 고정자의 중앙 통공에 삽입되며, 각각의 발전기 고정자의 내측에서 회전하는 자석을 포함하는 발전기 회전자와, 상기 두 발전기 고정자의 각각의 일측 외주면에 연결되어, 그 발전기 고정자를 설치 면에 고정시키는 고정자 고정기재와, 상기 베어링을 포함하여 발전기 회전자의 양단을 회전 가능한 상태로 설치 면에 고정하는 회전자 고정기재와, 상기 두 발전기 고정자의 이격된 부분에 노출되는 발전기 회전자의 일부에 결속부재에 의해 결속되며, 상기 두 발전기 고정자의 고정자 고정기재의 접합면에 인접한 영역까지 연장되는 원통형의 구조를 가지며, 외주면에는 상기 발전기 회전자와 평행한 방향으로 연장된 다수의 날개를 가지는 프로펠러로 구성된다. 이와 같은 구성에 의하여 본 발명은 프로펠러의 회전력이 직접 발전기 회전자에 전달되도록 함으로써, 에너지의 변환과정에서의 손실을 최소화하여 그 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
Description
도 1 내지 도 4는 차량에 적용되는 종래 소형 풍력발전기의 구성도.
도 5는 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 단면구성도.
도 6은 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 투영 사시도.
도 7은 도 5에 있어서, 결속부재의 일실시 구성도.
도 8은 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 설치 상태를 도시한 일실시 단면 구성도.
도 9는 도 5에 있어서, 프로펠러의 다른 실시예의 사시도.
도 10은 도 5에 있어서, 결속부재의 다른 실시예도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1:발전기 고정자 2:발전기 회전자
3:고정자 고정기재 4:프로펠러
5:회전자 고정기재 6:베어링
7:결속부재 8:외부 케이스
9:공기 유입구
본 발명은 소형 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 풍력을 전기적인 에너지로 변환하는 풍력발전기에서 기계적인 구조를 단순화하여 발전효율을 높이며, 부피를 줄여 전기 장치에 적용이 용이하도록 한 소형 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 소형의 풍력발전기는 전기로 구동되는 자동차, 스쿠터 또는 자전거 등에 적용할 수 있다. 또한 바람이 많은 지역에서는 가정에 설치하여 보조적인 역할로 적용할 수 있다.
일반적으로 풍력발전기는 풍력을 기계적인 회전력으로 변환하는 에너지 변환기재와, 그 에너지 변환기재의 회전력을 전달하는 전달기재, 그 전달기재에 의해 전달되는 회전력을 전기적인 에너지로 변환하는 발전기재로 구성되어 있다.
상기 에너지 변환기재, 전달기재 및 발전기재의 특성에 따라 풍력을 전기적으로 변환하는 효율이 결정된다.
종래 소형 풍력발전기는 상기 에너지 변환기재의 형상을 특징화하여 적은 바람에도 많은 회전력을 얻거나, 전달기재의 효율을 높이거나, 발전기재의 특성을 향상시키는 방향으로 발전하였으나, 소형 풍력발전기를 이용한 발전에는 한계가 있어 그 응용이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
상기와 같은 소형 풍력발전기의 예로는 등록특허공보 10-0371218호에 기재되어 있으며, 이를 참조하여 종래 소형 풍력발전기와 그 소형 풍력발전기가 가지는 문제점을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 4는 차량에 적용되는 종래 소형 풍력발전기의 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 긴 축봉(30)과, 상기 긴축봉의 전/후방의 끝단에 장착된 임펠러부(10)와, 상기 임펠러부는 일축을 중심으로 고정되고 긴축봉과 평행하게 연장되는 깃의 끝단에 깃각을 주도록 장착한 깃부(20)를 포함한 회전수단부(110)와; 상기 회전수단부를 차량의 하단에 진행방향으로 좌/우/중앙 회전수단부(80,90,100)를 설치하고, 상기 각 회전수단부의 긴 축봉(30)에 벨트(50) 또는 체인으로 연결하도록 구성하고, 상기 중앙 회전수단부(90)의 긴 축봉(30)과 체인 또는 벨트로 발전기(70)에 연결하도록 구성하고, 상기 차체하단에 외부물질에 의한 임펠러의 손상을 방지하도록 바퀴가 달린 안전지지봉(150)을 구성한 특징이 있다.
상기 회전수단부(110)는 차량의 하단에 좌/우/중앙 회전수단부(80,90,100)를 3개 장착하거나 4개를 설치할 수 있으며 차종에 따라 그 수를 늘리거나 줄일 수 있도록 하였다.
또한, 회전수단부(110)는 긴 축봉(30)의 전/후방에 임펠러부(10,40)를 장착하고, 그 긴 축봉의 일면에는 이탈방지턱(60)을 형성하여 벨트(50)와 체인의 이탈을 방지하도록 구성된다.
다음, 상기 임펠러부(10,40)는 지렛대의 원리를 이용하여 긴 축봉(30)에 일부를 고정하고 바람에 힘을 얻는 부분을 깃부(20)를 고정한 중심에서 먼 위치의 깃부 끝단에 각을 줌으로 써 힘과 거리에 비례하도록 구성하였다.
한편, 상기 좌/우/중앙 회전수단부(80,90,100)를 벨트(50)로 연결 구성하고 중앙 회전수단부(90)와는 별도로 벨트(50) 또는 체인으로 연결하여 각 회전수단부를 합한 회전력을 발전기에 공급하므로 전기에너지를 얻을 수 있도록 하였다.
도 4에 도시한 본 발명의 안전지지봉(150)은 회전수단부를 보호하기 위하여 차량의 하단에 외부물질에 의한 임펠러부(10,40)의 손상을 방지하도록 바퀴가 달린 안전지지봉(150)을 4군데 장착하고 필요에 의해 그 수를 늘리거나 줄일 수 있도록 구성하였다.즉, 차량의 바닦 저면에 바퀴가 달린 안전지지봉(150)을 설치하여 주행시 노면의 돌맹이나 차륜에 의해 바닥 내측으로 팅겨지거나 유입되면 다수 설치된 안전지지봉(150)과 부딪쳐 임펠러(10,40)와의 충돌이나 접촉을 방지하여 임펠러(10,40)를 회전을 방해할 수 있는 물체나 물질로부터 보호하는데 있다. 그리고 도면에는 작도상 4곳에만 표시하고 있지만 여기에 한정되지 않고 필요한 부위에 수량에 관계없이 다수 설치하므로서 노면과의 접촉이나 도로상에 낙하한 돌조각 기타 파편, 또는 물, 흙등 물질로 부터 보호할 수 있게 하고 있다.
이에, 상기 차량의 휠(140)에 진행시에 발생되는 회전력을 이용하여 휠내측부에 날개부(130)를 설치하여 바람을 일으키게 하여 그 바람에 의해 임펠러부 (10,40)가 회전하는데 도움을 주도록 구성하였다.
이와 같은 구성에 의하여 자동차가 질주할 때, 차 밑으로 지나가는 바람과 휠(Wheel)에서 발생되는 바람과 합해지는 위치에 회전수단부(110)를 설치하고, 차량의 밑은 지면과 공간이 적고 한정되어 있음으로 지름이 작은 임펠러부를 여러 개 설치하여 에너지를 얻도록 설치하였다.
또한, 차(車)제조과정에서 임펠러부를 부착시키게 끔 설계하고, 차체와 지면 의 높이를 5cm 만 높여도 임펠러부를 그 만큼 크게 해서 에너지의 효율을 높일 수 있다.
다음 휠부(140)는 타이어에 약간의 장치 또는 휠의 측면에 날개부(130)를 부착하면 그 만큼 강한 바람을 얻을 수 있다. 이는 차량의 주행으로 저면을 통과하는 정면바람에 의해 임펠러(10,40)의 회전을 유도하면서도 차륜의 회전으로 날개부(130)에 의해 발생한 와류형의 측면바람과 부딪치게 되므로서 좀더 큰 와류 발생을 유도해서 임펠러(10,40)의 회전력 증대를 도모한다.
상기 임펠러부(10,40)는 지렛대 원리를 이용하였으며 더욱 자세하게는 임펠러부의 깃부는 가로길이를 세로의 2배, 3배 길게 하여 바람을 맞는 중심을 원심대의 끝부분을 때리게 한다. 이때, 임펠러의 깃부(20)의 각도는 75°정도로 하여 바람이 잘지나가게 하여 바람의 저항을 줄일 수 있도록 하고 임펠러의 깃의 끝부분을 5cm 정도 역으로 꾸부려 바람을 맞는 강도를 최대로 높였다.
다음, 일예로 임펠러부(10,40)의 날개 직경을 25cm로 하면 날개 뒤로는 30cm로 하여 각도를 75°안팎으로 하여 바람이 잘지나가게 하면서, 원심에서 가장 먼 곳에 달게 뒤로의 끝부분에 강타하게 하여 강한 회전력을 얻도록 하였다.
그러나 상기와 같은 종래 소형 풍력 발전기는 다수의 축봉에 연결되어 차량의 진행에 따라 발생하는 풍력을 기계적인 회전력으로 변환하는 임펠러를 구비하며, 그 축봉들 간에 벨트나 체인을 연결하여 회전력을 향상시키는 회전력 전달 수단을 마련하고 있으며, 특히 발전기에 축봉의 회전력을 전달하기 위하여 발전기의 회전자와 하나의 축봉을 벨트 또는 체인으로 연결한 것으로, 에너지의 전달과정에 서 회전운동에너지가 열에너지로 변환되어 손실됨으로써 에너지의 손실이 커 전체적인 풍력발전기의 효율이 낮은 문제점이 있었다.
또한, 상기와 같은 종래 소형 풍력발전기는 전체적으로 차량의 저면 전체의 영역에 설치되는 넓고 큰 구조이며, 그 설치위치가 차량의 저면에만 국한되는 문제점이 있었다.
그리고 상기 종래 소형 풍력발전기는 차량의 저면에 설치됨으로써 차량이 요철을 통과하거나 비포장도로를 주행할 때 파손의 위험이 대단히 높아 실제 제품에 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 풍력을 회전력으로 변환한 후 이를 발전기의 회전자에 전달하는 기계적인 구조를 최소화하여 에너지의 손실을 줄여 발전효율을 높일 수 있는 소형 풍력발전기를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 소형의 구조로서 설치 위치에 제한되지 않으며, 차량이나, 전기 스쿠터 또는 전기 자전거 등에도 용이하게 적용할 수 있는 소형 풍력 발전기를 제공함에 다른 목적이 있다.
그리고 본 발명의 또 다른 목적은 기계적인 파손의 염려가 없으며, 프로펠러 내에 발전기를 위치시켜 그 크기를 최소화한 소형 풍력 발전기를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 상호 소정거리 이격되며, 내부에 코일을 구비하는 두 발전기 고정자와, 상기 두 발전기 고정자의 중앙 통공에 삽입되며, 각각의 발전기 고정자의 내측에서 회전하는 자석을 포함하는 발전기 회전 자와, 상기 두 발전기 고정자의 각각의 일측 외주면에 연결되어, 그 발전기 고정자를 설치 면에 고정시키는 고정자 고정기재와, 상기 베어링을 포함하여 발전기 회전자의 양단을 회전 가능한 상태로 설치 면에 고정하는 회전자 고정기재와, 상기 두 발전기 고정자의 이격된 부분에 노출되는 발전기 회전자의 일부에 결속부재에 의해 결속되며, 상기 두 발전기 고정자의 고정자 고정기재의 접합면에 인접한 영역까지 연장되는 원통형의 구조를 가지며, 외주면에는 상기 발전기 회전자와 평행한 방향으로 연장된 다수의 날개를 가지는 프로펠러로 구성함에 그 특징이 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 단면 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 투영 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 상호 소정거리 이격되며, 내부에 코일을 구비하는 두 발전기 고정자(1,1')와, 상기 두 발전기 고정자(1,1')의 중앙 통공에 삽입되며, 각각의 발전기 고정자(1,1')의 내측에서 회전하는 자석을 포함하는 발전기 회전자(2)와, 상기 발전기 고정자(1,1')의 각각의 일측 외주면에 연결되어, 그 발전기 고정자(1,1')를 고정시키는 고정자 고정기재(3)와, 상기 발전기 회전자(2)의 양단을 회전 가능한 상태로 고정하는 베어링(6)을 포함하는 회전자 고정기재(5)와, 상기 두 발전기 고정자(1,1')의 이격된 부분에 노출되는 발전기 회전자(2)의 일부에 결속부재(7)에 의해 결속되며, 상기 두 발전기 고정자(1,1')의 고정자 고정기재(3)의 접합면에 인접한 영역까지 연장되는 원통형의 구조를 가지며, 외주면에는 상기 발전기 회전자(2)와 평행한 방향으로 연장된 날개를 가지는 프로펠러(4)로 구성된다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 구조와 그 동작을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명은 하나의 발전기 회전자(2)를 공유하는 상호 소정거리 이격된 발전기 고정자(1,1')를 사용한다.
일반적으로 발전기 고정자(1,1')는 중앙일부에 통공을 가지는 원통형의 금속 케이스 내주면에 코일이 감겨 있으며, 그 케이스의 통공에 삽입되어 그 코일의 중심부에 자석이 마련된 발전기 회전자(2)가 회전하면서 전류를 발생시키게 된다.
본 발명은 상기와 같은 구성의 발전기에 전달되는 회전운동에너지의 손실을 최소화하여 전달하기 위한 것이며, 발전기 자체의 효율은 자석, 코일의 특성에 따라 영향을 받는 것이므로, 본 발명에서는 그 상세한 구성과 작용의 설명은 생략한다.
상기 발전기 회전자(2)는 그 양측단이 발전기 고정자(1,1')의 외측 양단으로 외부로 노출되어 있으며, 또한 발전기 고정자(1,1')의 사이에서도 외부로 노출된다.
상기 발전기 회전자(2)는 상기 발전기 고정자(1,1')의 내측에 삽입된 영역에만 자석이 마련된다.
상기 발전기 고정자(1,1')의 사이에 노출된 발전기 회전자(2)에는 결속부재(7)가 결속된다.
도 7은 결속부재(7)의 일실시 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 중앙부에 상기 회전자(2)가 지나는 통공이 마련되며, 통공과 인접한 영역은 그 주변부보다 단차가 높으며, 그 단차가 높은 영역의 측면에는 상기 통공에 삽입된 회전자(2)와 나사결합이 가능한 결합공이 마련되며, 가장 외측의 외주면에는 프로펠러(4)와 나사결합이 가능한 결합공이 마련된다.
이와 같은 결속부재(7)의 구성은 일실시예이며, 상기 프로펠러(4)와 발전기 회전자(2)를 견고하게 결합할 수 있는 구성이면 용이하게 대체하여 사용할 수 있다.
상기 프로펠러(4)는 원통형의 본체에 그 길이 방향으로의 날개가 다수로 돌출된 것이다.
상기 프로펠러(4)의 원통형 본체에는 상기 결속부재(7)와의 나사 결합을 위한 결합공이 마련된다.
상기 다수의 날개는 풍력을 회전력으로 보다 손실 없이 변환할 수 있도록 그 본체와는 소정의 각도로 경사진 구성을 갖도록 할 수 있다.
상기 프로펠러(4)의 길이는 본 발명의 구조가 허용하는 한에서 가장 길게 한다.
프로펠러(4)의 길이가 길수록 그 날개의 면적은 증가하게 되며, 이에 따라 손실을 최소화하여 풍력을 회전운동으로 변환할 수 있다.
상기 프로펠러(4)의 길이는 두 발전기 고정자(1,1')를 고정하는 고정자 고정기재(3)에 의해 제한되며, 그 고정기재(3)를 두 발전기 고정자(1,1')의 서로 인접 하지 않은 끝단의 외주면에 설치함으로써, 그 프로펠러(4)의 길이를 최대한 길게 설치가 가능하게 된다.
상기 고정자 고정기재(3)는 상기 설명한 발전기 고정자(1,1') 각각의 양측단과 본 발명에 따르는 소형 풍력 발전기가 설치되는 면에 결속되어, 그 발전기 고정자(1,1')가 설치 면으로부터 충분히 이격되어 고정되도록 한다.
또한, 상기 발전기 회전자(2) 또한 그 양단을 설치 면으로부터 이격된 상태로 고정할 필요가 있다.
이는 보다 안정적인 구조 및 동작을 위한 것이며, 일단에 회전 베어링(6)을 가지는 회전자 고정기재(5)을 사용하여, 그 회전 베어링(6)의 내측에 회전자(2)의 양단을 삽입 고정하고, 회전자 고정기재(5)의 타단을 설치 면에 고정함으로써, 회전자(2)가 보다 안정된 상태로 회전할 수 있게 된다.
상기 설치면은 주행하는 차량의 전면부에 설치할 수 있으며, 통기구를 구비하는 엔진룸 내에 설치할 수 있다.
또한 전기 구동 스쿠터의 윈드 쉴드 하측에 공간을 마련하여 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기를 설치함으로써, 통기공을 통해 유입되는 바람에 의하여 상기 프로펠러(4)가 회전할 수 있도록 할 수 있다.
즉, 본 발명은 종래 소형 풍력발전기에 비하여 현저히 작은 부피로 설계가 가능하며 이에 따라 적용할 수 있는 제품의 종류를 다양화 하고, 해당 제품의 설치 위치에도 제한을 받지 않게 된다.
본 발명에 따르는 소형 풍력발전기는 풍력을 회전운동으로 변환하는 프로펠 러(4)를 직접 발전기의 회전자(2)에 고정함으로써, 그 에너지의 전달과정을 단순화하여 에너지의 손실을 최소화한 구조이며, 이에 따라 에너지의 변환효율이 높은 특징이 있다.
즉, 보다 낮은 풍력을 이용하여 보다 높은 전류를 발생시킬 수 있게 된다.
도 8은 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기의 설치 상태를 도시한 일실시 단면 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 소형 풍력발전기가 설치되는 공간은 외부 케이스(8)에 의해 보호되며, 그 외부 케이스(8)에는 공기 유입구(9)가 마련된다.
특히 공기 유입구(9)는 외측의 면적이 넓으며, 내측의 면적은 보다 좁도록 구성하여 유입되는 공기의 속도를 보다 빠르게 하여 상기 프로펠러(4)가 더욱 빠르게 회전할 수 있도록 구성한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기는 유속을 증가시킨 유입 공기에 의해 빠른 속도로 프로펠러(4)가 회전하게 되며, 그 프로펠러(4)의 회전력을 에너지의 손실이 적도록 직접 인가받은 발전기 회전자(2)의 회전에 의하여 발전기 고정자(1,1')의 코일에 전류가 유도된다.
이와 같이 유도된 전류는 변환기 등을 통해 축전지로 인가되어 축전지를 충전하거나, 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기가 설치된 기기의 일부 장치의 전원으로 사용할 수 있다.
도 9는 상기 프로펠러(4)의 다른 실시예의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 프로펠러(4)의 상하측에는 상기 발전기 고정자(1)에 닿지 않고, 그 발전기 고정자(1)에 연결되는 전선이 외부로 유출될 수 있도록 중앙에 통공이 마련되는 덮개가 마련될 수 있다.
이와 같은 덮개는 프로펠러(4)의 내측으로 공기가 유입되는 것을 최대한 방지하여 프로펠러(4)의 회전속도를 보다 향상시킬 수 있다.
그리고 도 10은 상기 결속부재(7)를 기어(G1, G2)로 대체한 실시예의 모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 프로펠러(4)의 내면에 골을 형성하고, 그 골에 물려 회전하는 기어(G1,G2)를 발전기 회전자(2)를 중심으로 상호 대칭되게 배치하여 그 프로펠러(4)의 회전력이 발전기 회전자(2)에 전달될 수 있도록 한다.
이때, 상기 기어(G1,G2)는 발전기 고정자(1,1')의 마주하는 일면에 고정된 축에 의해 고정될 수 있으며, 그 기어(G1,G2)와 발전기 회전자(2)의 기어비를 선택하여 프로펠러(4)의 회전수 이상으로 발전기 회전자(2)를 회전시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예들을 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기는 프로펠러의 회전력이 직접 발전기 회전자에 전달되도록 함으로써, 에너지의 변환과정에서의 손실을 최소화하여 그 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르는 소형 풍력발전기는 발전기가 프로펠러의 내측에 위치하는 구조를 사용하여 그 부피를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같이 본 발명은 소형 풍력발전기의 부피를 최소화함에 따라 적용할 수 있는 범위를 확장시키며, 그 설치위치에 제한을 받지 않아 설치가 용이하고, 적용 대상을 확대할 수 있는 효과가 있다.
Claims (4)
- 상호 소정거리 이격되며, 내부에 코일을 구비하는 두 발전기 고정자;상기 두 발전기 고정자의 중앙 통공에 삽입되며, 각각의 발전기 고정자의 내측에서 회전하는 자석을 포함하는 발전기 회전자;상기 두 발전기 고정자의 각각의 일측 외주면에 연결되어, 그 발전기 고정자를 설치 면에 고정시키는 고정자 고정기재;베어링을 포함하여 상기 발전기 회전자의 양단을 회전 가능한 상태로 설치면에 고정하는 회전자 고정기재;원판형의 외형 중앙부에 상기 회전자가 지나는 통공이 마련되며, 상기 통공과 인접한 영역은 그 주변부보다 상하면의 단차가 높으며, 그 단차가 높은 영역의 측면에는 상기 통공에 삽입된 회전자와 나사결합이 가능한 결합공이 마련되며, 원판의 외주면에는 결합공을 구비하는 결속부재;상기 결속부재의 결합공을 통해 고정되며, 상기 두 발전기 고정자의 고정자 고정기재의 접합면에 인접한 영역까지 연장되는 원통형의 구조를 가지며, 외주면에는 상기 발전기 회전자와 평행한 방향으로 연장된 다수의 날개를 가지는 프로펠러; 및상기 프로펠러의 양단 개방면에 설치되어 중앙부에 발전기 고정자와 그 발전기 고정자의 배선이 외부로 노출될 수 있도록 중앙부에 통공을 가지는 원판형의 덮개로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 결속부재는 발전기 고정자의 외면에서 돌출된 회전축에 의해 고정되며, 프로펠러의 내면에 구비된 다수의 홈과 발전기 회전자 사이에 위치하여 프로펠러의 구동력을 발전기 회전자에 전달하는 하나 이상의 기어인 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기.
- 삭제
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