KR100915676B1 - 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 풍속을 감지하는 풍속센서와, 바람과의 저항에 의해 회전하는 다수개의 회전날개와, 상기 풍속센서의 감지데이터값에 의해 회전날개의 펴짐각도를 조절함에 따라 풍속의 변화에 따른 회전날개의 회전력이 일정하게 유지될 수 있도록 형성되는 풍력발전기에 관한 것이다.

이를 위해 본 발명은 풍력에 의해 수평회전 하게 되는 회전날개를 가지는 날개부와; 상기 날개부의 수평회전이 회전축에 수직회전으로 변환되어지며 날개부를 지지하게 되는 지지부와; 상기 지지부와 결합되어 지지부가 회전함에 따라 회전력이 전력으로 변환되는 발전부;를 포함하여 이루어지는 풍력발전기에 있어서,

상기 날개부는 풍속을 감지하는 풍속센서와, 바람과의 저항에 의해 회전하는 다수개의 회전날개와, 상기 풍속센서의 감지데이터값에 의해 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단과 상기 조절수단에 의해 풍속의 변화에 따른 회전날개의 회전력이 일정하게 유지되도록 한다.

발전기, 회전날개, BLDC 모터

Description

풍력발전기{Wind power generator}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기를 발췌한 사시도.

도 2는 본 발명 풍력 발전기의 날개부의 닫혀진 상태의 평면도.

도 3은 본 발명 풍력 발전기의 날개부의 열려진 상태의 평면도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 날개부의 열려진 상태의 평면도.

도 5는 본 발명 풍력 발전기의 회전날개의 단면도.

도 6는 도 3의 A부분의 확대 단면도.

도 7은 본 발명 풍력 발전기의 수직회전축과 BLDC모터의 결합 사시도.

도 8은 본 발명 풍력 발전기의 발전부 계통도.

도 9은 본 발명 풍력 발전기의 이동형의 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 날개부 101 : 풍속센서

102 : 회전날개 103 : 회전축 프레임

104 : 회전날개 사각프레임 105 : 각도조절 프레임

106 : 각도조절모터 107 : 케이스

108 : 환형돌부 109 : 회전톱니

110 : 브라켓 200 : 지지부

201 : 회전축 202 : 유니버설 조인트

203 : 지지대 204 : 전자 브레이크

300 : 발전부 301 : 풍력에너지

302 : 변속기 303 : 정속기

304 : BLDC 모터 305 : 배터리

306 : 인버터 307 : 전력

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍속의 변화에 따라 날개부의 수평 회전 날개의 각도가 변화되어 상기 회전날개가 풍속의 변화에 따른 바람 저항을 달리하여 일정한 회전력을 유지하게 되는 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로, 현재 세계적으로 지구상의 화학에너지의 고갈과 무공해청정에너지를 추구하려는 활발한 움직임이 일어나고 있으며 국내에서는 전기사용량의 증가, 도서지역 및 기타지역의 무전력가구의 해소, 지구상의 화학연료 고갈에 대한 대비책 등으로 대체에너지의 개발이 절대적으로 필요하게 되고 있다. 이에 대체 에너지로 자연을 이용한 발전에는 태양열발전, 조력발전, 지열발전 그리고 풍력발전이 있다. 우리나라와 같이 3면이 바다로 둘러싸이고, 또 산이 많은 관계로 바람이 많은 지형의 특성에 의해 풍력발전이 효과적이라고 할 수 있다.

풍력발전은 바람을 받아 회전하는 날개를 갖고, 이 날개의 회전력을 동력전달장치를 통해 발전기를 가동시켜 전기를 얻는 것으로, 날개가 풍차와 같은 구조를 갖거나 날개가 수직으로 설치된 회전축을 축으로 회전되는 구조로 된 것들이 있다.

그러나 이러한 종래의 풍력발전기는 설치 장소에서의 연평균 풍량의 변화와 상태에 대한 면밀한 검토가 있어야하며 그에 가장 맞는 회전자 및 기타 시스템을 구성하여야 하며 생산되는 가변적 전기에너지를 직, 간접 또는 기타 방법으로 송전하여 실수용가의 부하 및 피크를 맞추어야 하는 매우 난해한 고도의 기술을 필요로 하며 같은 용량의 풍력발전기를 설치하였다 하더라도 설치장소와 풍황에 따라 생산비와 경제성이 차이가 나는 단점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 장소에 따른 시설과 설치가 용이하며 풍속의 변화를 풍속센서를 이용하여 측정된 데이터값에 따라 날개부의 날개의 각도를 달리하여 일정한 회전력을 유지하게 되어 일정한 출력의 전력을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

풍력에 의해 수평회전 하게 되는 회전날개를 가지는 날개부와; 상기 날개부의 수평회전이 회전축에 수직회전으로 변환되어지며 날개부를 지지하게 되는 지지부와; 상기 지지부와 결합되어 지지부가 회전함에 따라 회전력이 전력으로 변환되는 발전부;를 포함하여 이루어지는 풍력발전기에 있어서, 상기 날개부는 풍속을 감 지하는 풍속센서와, 바람과의 저항에 의해 회전하는 다수개의 회전날개와, 상기 풍속센서의 측정데이터값에 의해 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단과 상기 조절수단에 의해 풍속의 변화에 따른 회전날개의 회전력이 일정하게 유지되도록 한다.

또한 상기 회전날개는 수직회전축을 중심으로 원형으로 배열되며 상기 풍속센서의 제어신호의 변화에 따라 회전날개와 수직회전축 사이에 결합되어진 각도조절프레임의 길이의 변화에 따라 회전날개의 양단이 일측은 수직회전축에서 멀어지며 타측은 회전축에서 가까워지는 형상으로 펴지며 상기 제어신호의 계속적인 변화에 따라 회전축을 중심으로 펴졌다 닫혔다를 반복하게 된다.

아울러 상기 회전날개의 각각의 날개는 4개가 바람직하며 상기 4개의 회전날개는 수직 회전축에 고정되어진 십자형 프레임과 회전날개를 지지하는 사각프레임의 중심과 힌지결합형식으로 결합되며 상기 회전날개와 수직회전축 사이에 회전날개의 각도를 조절하기 위해 결합되어 길이가 변화되도록 각도조절프레임을 가지게 되며 상기 각도조절프레임은 일측은 회전날개의 사각프레임 일단에 힌지결합되어지며 타측의 단부에는 일정간격의 환형돌부가 형성되어지며 상기 환형돌부는 풍속센서에 의해 구동되어지는 각도조절모터의 회전톱니와 치형결합되어지며 상기 회전톱니의 회전에 따라 각도조절프레임의 환형돌부가 맞물려 돌아가게되어 각도조절프레임의 길이가 변화되어진다.

또한 본 발명의 다른 실시예로 각도조절프레임이 일측은 회전날개의 사각프레임 일단에 힌지결합되어지며 타측은 풍속센서에 의해 구동되어지는 각도조절모터 의 브라켓과 힌지결합되며 각도조절모터의 회전에 따라 고정결합되어진 브라켓의 회전으로 양단이 힌지결합되어진 각도조절프레임이 회전날개를 당기거나 밀게 되어 회전날개의 각도를 조절할 수 있다.

한편 상기 회전날개의 형상은 그 수직단면이 타원형 또는 반원형태로 이루어져 바람의 저항의 최대한 증대시키고, 수평단면은 일정 사잇각을 가지는 원호의 형상으로 형성되어 상기 펴짐수단에 의해 내측으로 완전히 오므려 진 경우 다수개의 회전날개가 하나의 원을 형성하도록 구성되어진다.

또한 본 풍력발전기는 풍향에 관계없이 회전날개는 일방향만으로만 회전하게 된다.

한편 지지부의 회전축은 회전축의 흔들림과 중심축 변환에 대한 충격을 완화시키기 위한 유니버설 조인트가 결합되어진다.

또한 상기 발전부는 풍력에너지를 BLDC모터 원리를 역으로 응용하여 만든 발전기로 발전된 전압은 DC전압으로 변환되어 상기 출력되는 DC전압은 배터리에 저장되어 자체 전력을 사용하게 되는 독립형으로 이용가능하며 다수의 풍력발전기의 상기 배터리를 통한 DC출력을 인버터를 통해 AC출력으로 변환하여 연계형으로 전력으로 이용하게 된다.

한편 상기 지지부 하부에는 풍력발전기가 목적하는 위치로 이동하여 작동될 수 있도록 이동수단이 더 포함되어 상기 지지부가 이동수단 상에 고정결합되어 이동할 수도 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 풍력발전기에 대해 첨부되어진 도면과 함께 상세 하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명은 일실시예에 따른 풍력 발전기의 전체를 발췌한 사시도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 크게 풍력에 의해 회전하게 되는 날개부(100)와, 상기 날개부를 지지하며 회전력을 전달하게 되는 지지부(200)와, 상기 지지부의 회전력을 전력으로 이용할 수 있도록 변환시켜주는 발전부(300)로 구성되어 진다.

여기서 상기 날개부(100)는 하나 이상의 회전날개(102)를 가지며 도 5에 도시된 바와 같이 날개의 형상은 그 수직단면이 반타원형 또는 반원형상으로 이루어져 바람의 저항의 최대한 증대시키고, 수평단면은 일정 사잇각(102a)을 가지는 원호의 형상으로 형성되어 후술될 펴짐수단에 의해 내측으로 완전히 오므려 진 경우 다수개의 회전날개(102)가 하나의 원을 형성(도 2참조)하도록 구성된다.

이에 따라 회전날개(102)가 3개인 경우 회전날개의 수평단면의 형상은 원호의 형상으로 형성되되 그 사잇각(102a)이 120°보다 조금 작은 119°내지 100°로 형성됨이 바람직할 것이며, 회전날개(102)가 4개인 경우 89°내지 70°로 형성됨이 바람직할 것이다.

이러한 회전날개(102)의 구조는 풍속의 세기에 상관없이 효율적으로 풍속에 따라 지지부(200)의 회전량을 일정하게 할 수 있는 최적의 형태이다.

또한 각각의 회전날개는 지지부(200)의 수직회전축(201)을 중심으로 원형으로 배열되며 상기 회전날개의 날개는 4개가 바람직하며 4개의 회전날개는 회전날개 에 고정되어 회전날개를 지지하는 사각프레임(104)과 상기 사각프레임(104)의 중심에 힌지결합되며 수직회전축과는 고정결합되는 십자형 프레임(103)으로 구성되어지며, 또한 상기 십자형 프레임(103)은 도 1에 도시된 바와 같이 상하 2개로 수직회전축과 회전날개에 결합되어진다.

또한 회전날개를 지지하는 사각프레임(104)의 일단면에 힌지결합되어 상기 회전날개의 각도를 조절하기 위한 각도조절프레임(105)이 구성되어진다.

상기 각도조절프레임(105)은 수직회전축의 상단부에 마련되어 풍향을 감지하는 풍속센서(101)와 상기 풍속센서의 제어값에 의해 제어되어 회전을 하게 되는 각도조절모터(106)와 결합되어 상기 각도조절모터의 회전에 따라 상기 각도조절프레임(105)의 길이가 변화되어 회전날개의 사각프레임(104)과 십자형 프레임(103)의 힌지결합 중심을 기점으로 회전날개의 각도가 변화되게 된다.

아울러 회전날개의 각도의 변화는 도 2와 도 3에 예시된 바와 같이 각도조절프레임(105)의 길이변화에 따라 상기 회전날개는 회전날개의 사각프레임(104)과 십자형 프레임(103)의 힌지결합 중심을 기점으로 각도가 변화된다.

여기서 도 6을 참조하여 각도조절프레임(105)과 각도조절모터(106)의 결합관계를 자세히 설명하도록 한다.

도 6은 도 3의 A부분의 확대 단면도이다.

도면을 참조하여 상기 각도조절프레임은 일측은 회전날개의 사각프레임(104)의 일측면에 힌지결합되며 타측의 단부는 일정간격의 환형돌부(108)가 형성되어 상기 환형돌부는 각도조절모터(106) 상단부에 결합된 회전톱니(109)와 치형결합되며, 한편 상기 각도조절모터와 각도조절프레임의 단부는 케이스(107) 내부에 구성되어진다.

따라서 상기 각도조절모터(106)의 회전에 따라 상단부에 결합된 회전톱니(109)와 맞물려진 환형돌부(108)에 의해 각도조절프레임이 상기 각도조절모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 각도조절프레임(105)의 길이를 변화함에 따라 상기 각도조절프레임의 회전날개쪽 사각프레임(104)의 힌지결합지점과 회전톱니(109)와의 길이가 변하게 된다.

즉 풍속센서(101)의 데이터 값에 의해 각도조절모터(106)의 회전방향과 회전수가 결정되어 각도조절프레임(105)의 길이가 변하게 되는 것이다.

일예로 날개의 펼침율을 0%(원형, 도 2 참조), 100%(도 3 참조)라 하면 태풍 등으로 풍속이 굉장히 높으면 펼침율은 0%에 가깝게 하여 회전속도 저하와 바람의 저항을 최소화하여 날개의 파손을 방지하고, 풍속이 아주 낮은 미풍일때는 펼침율을 최대 100%로 하여 바람의 저항을 많이하여 회전을 일정한 속도로 유지시킨다. 따라서 풍속에 따라 날개의 펼침율을 자동적으로 조절하여 회전속도를 일정하게 유지시킨다.

한편 상기 각도조절프레임은 도 6에 예시된 것과 같이 하나의 각도조절프레임(105a)를 기준으로 서로 간섭되지않게 높이차를 가지게 된다.

상기 지지부(200)는 수직회전축(201)과 날개부를 지지하는 지지대(203)로 구성되어진다.

상기 수직회전축(201)은 날개부(100)와 결합되어지며 회전날개의 수평회전력 이 수직회전력으로 바뀌게 된다.

또한 상기 지지대(203)는 지면에 고정되어 질 수 있으며 후술되어질 이동수단(400)에 고정되어서 이동되어 질 수도 있다.

한편 상기 수직회전축 가운데 지점에 축 흔들림과 중심축 변환에 대한 충격을 완화시키기 위한 유니버설 조인트(202)가 구성된다.

또한 상기 수직회전축과 발전부의 증속기 사이에는 바람의 저항이 강할 때 회전력을 잡아주는 전자 브레이크(204)가 마련되어진다.

상기 발전부(300)는 도 7과 도 8에서 예시되듯이 날개부의 회전날개의 수평회전력이 지지부(200)의 수직회전축(201)에 의해 수직회전력으로 변환되어진 풍력에너지(301)를 평기어와 베벨기어로 구성되어진 변속기(302)를 통하여 변속한 후 정속기(303)에 의해 정규속도를 유지하여 BLDC모터(304)에 전달되어진 회전력을 이용하여 DC전압출력을 생성시켜며 상기 DC전압출력을 배터리(305)에 저장하고 인버터(306)를 통하여 각가정에 AC전압을 독립형 혹은 여러 개의 동일 발전기의 출력을 병렬로 연결하여 연계형으로 많은 전력(307)의 AC전압을 공급하게 된다.

한편 상기 수직회전축과 BLDC모터와의 결합되어진 변속기(302)의 증속비율은 일예로 1:2, 1:3, 1:4 등으로 증속할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전기를 나타내는 도면이다

본 발명의 다른 실시예는 풍력에 의해 수평회전 하게 되는 회전날개를 가지는 날개부와; 상기 날개부의 수평회전이 회전축에 수직회전으로 변환되어지며 날개 부를 지지하게 되는 지지부와; 상기 지지부와 결합되어 지지부가 회전함에 따라 회전력이 전력으로 변환되는 발전부;를 포함하여 이루어지는 풍력발전기의 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단에 있어서, 상기 각도조절프레임(105)이 일측은 회전날개의 사각프레임(104)의 일측면에 힌지결합되며 타측은 각도조절모터(106)와 고정결합되어진 브라켓(110)과 힌지결합되어진다.

따라서 상기 풍속센서(101)의 데이터값에 의해 각도조절모터의 브라켓(110)이 회전하게 되며 상기 브라켓의 회전으로 양단이 힌지결합되어진 각도조절프레임(105)이 브라켓의 회전방향으로 당겨지게 되어 이로 말미암아 회전날개(102)의 각도가 변하게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 풍력발전기는 풍속을 감지하는 풍속센서와, 바람과의 저항에 의해 회전하는 다수개의 회전날개와, 상기 풍속센서의 감지데이터값에 의해 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단과 상기 조절수단에 의해 풍속의 변화에 따른 회전날개의 회전력이 일정하게 유지되는 풍력발전기로써 기존의 풍력발전기의 경우 연계형으로만 사용가능하나 상기 풍력발전기는 배터리에 저장된 DC출력을 인버터를 통하여 AC를 독립형으로 산, 레이더기지, 농촌주택단지 등에 쓰여질 수 있으며 혹은 여러 개의 동일 발전기의 출력을 병렬로 연결하여 연계형으로 쓰여질 수 있다.

아울러 상기 풍력발전기는 도 9에 예시된 바와 같이 이동형으로 야외 관람장, 농촌비닐하우스 단지와 같이 고정형으로 하기에 비능률적인 지역에 이동수단(400)을 이용하여 이동형으로 전력을 공급해 줄 수 있다.

상기 전술된 일실시예와 다른 실시예에서와 같이 풍력발전기의 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단은 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 풍력발전기에 의하면, 풍속을 감지하는 풍속센서와, 바람과의 저항에 의해 회전하는 다수개의 회전날개와, 상기 풍속센서의 감지데이터값에 의해 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단과 상기 조절수단에 의해 풍속의 변화에 따른 회전날개의 회전력이 일정하게 유지될 수 있으므로 우리 나라와 같이 풍향이 일정하지 않은 지역에 적합하며 또한 미풍에서도 정격전압이 발생하게 되며 회전 날개가 풍향에 관계없이 일방향으로만 회전하게 되므로 공장지, 해안, 내륙, 대규모주택단지, 하우스, 농가 등 어디든 설치 장소 선정이 매우 용이하다.

그리고 상기 풍력발전기는 타워높이가 10m - 12m 이내로 설치될 수 있으며 장소에 따라 이동형으로 제작될 수 있으므로 기존 풍력발전기에 비해 공사기간이 짧으며 설치비가 효율적으로 저렴하게 된다.

Claims (8)

1. 풍력에 의해 수평회전 하게 되는 회전날개를 가지는 날개부와;

   상기 날개부의 수평회전이 회전축에 수직회전으로 변환되어지며 날개부를 지지하게 되는 지지부와;

   상기 지지부와 결합되어 지지부가 회전함에 따라 회전력이 전력으로 변환되는 발전부;를 포함하여 이루어지는 풍력발전기에 있어서,

   상기 날개부는 풍속을 감지하는 풍속센서와, 바람과의 저항에 의해 회전하는 다수개의 회전날개와, 상기 풍속센서의 측정데이터값에 의해 회전날개의 펴짐각도를 조절하는 조절수단과 상기 조절수단에 의해 풍속의 변화에 따른 회전날개의 회전력이 일정하게 유지되도록 제어되며,

   상기 회전날개는 수직회전축을 중심으로 원형으로 배열되며 상기 풍속센서의 제어신호의 변화에 따라 회전날개와 수직회전축 사이에 결합되어진 각도조절프레임의 길이의 변화에 따라 회전날개의 양단이 일측은 수직회전축에서 멀어지며 타측은 회전축에서 가까워지는 형상으로 펴지며 상기 제어신호의 계속적인 변화에 따라 회전축을 중심으로 펴졌다 닫혔다를 반복하게 되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 회전날개의 각각의 날개는 4개가 바람직하며 상기 4개의 회전날개는 수직 회전축에 고정되어진 십자형 프레임과 회전날개를 지지하는 사각프레임의 중심과 힌지결합형식으로 결합되며 상기 회전날개와 수직회전축 사이에 회전날개의 각도를 조절하기 위해 결합되어 길이가 변화되도록 각도조절프레임을 가지게 되며 상기 각도조절프레임은 일측은 회전날개의 사각프레임 일단에 힌지결합되어지며 타측의 단부에는 일정간격의 환형돌부가 형성되어지며 상기 환형돌부는 풍속센서에 의해 구동되어지는 각도조절모터의 회전톱니와 치형결합되어지며 상기 회전톱니의 회전에 따라 각도조절프레임의 환형돌부가 맞물려 돌아가게되어 각도조절프레임의 길이가 변화되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회전날개의 각각의 날개는 4개가 바람직하며 상기 4개의 회전날개는 수직 회전축에 고정되어진 십자형 프레임과 회전날개를 지지하는 사각프레임의 중심과 힌지결합형식으로 결합되며 상기 회전날개와 수직회전축 사이에 회전날개의 각도를 조절하기 위해 결합되어 길이가 변화되도록 각도조절프레임을 가지게 되며 상기 각도조절프레임은 일측은 회전날개의 사각프레임 일단에 힌지결합되어지며 타측은 풍속센서에 의해 구동되어지는 각도조절모터의 브라켓과 힌지결합되며 각도조절모터의 회전에 따라 고정결합되어진 브라켓의 회전으로 양단이 힌지결합되어진 각도조절프레임이 회전날개를 당기거나 밀게 되어 회전날개의 각도를 조절하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 회전날개의 형상은 그 수직단면이 반타원형으로 이루어져 바람의 저항의 최대한 증대시키고, 수평단면은 일정 사잇각을 가지는 원호의 형상으로 형성되어 상기 펴짐수단에 의해 내측으로 완전히 오므려 진 경우 다수개의 회전날개가 하나의 원을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제 1항에 있어서,

   풍향에 관계없이 일방향만으로만 회전하게 되는 회전날개를 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 지지부의 회전축은 회전축의 흔들림과 중심축 변환에 대한 충격을 완화시키기 위한 유니버설 조인트가 결합되어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 발전부는 풍력에너지를 BLDC모터를 통해 DC전압출력으로 변환되어 상기 DC전압출력이 배터리에 저장되어 자체 전력을 사용하게 되는 독립형으로 이용가능하며 다수의 풍력발전기의 상기 배터리를 통한 DC전압출력을 인버터를 통해 AC전압출력으로 변환하여 연계형으로 전력으로 이용되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
8. 삭제

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