KR101587737B1 - 수직축형 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직축형 풍력 발전 장치에 관한 것으로서, 바람에 의해 지면과 수평방향으로 회전운동하며 회전동력을 전달하도록 중앙을 관통하는 상부회전축과 결합되는 회전 날개부;
상기 상부회전축를 포함하며 원기어의 회전 운동을 통해 회전력을 증가시키는 증속부; 및
상기 증속부의 원기어를 통해 회전동력을 전달받도록 상부에 중앙회전축을 포함하며 회전동력을 통해 전기를 생산하는 발전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 지면의 수평방향으로 날개를 장착하여 제작 및 설치가 용이하고 유지보수가 쉽게 이루어지는 효과가 있으며 풍량, 풍속, 풍향이 일정하지 않은 상황에서도 날개에 역풍이 작용하지 않도록 막아주는 역할을 하고 날개에서 전달되는 회전속도를 원기어와 연결기어 및 중심기어를 통해 증속시켜 고속으로 발전부를 구동시킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 많은 전기를 생산할 수 있는 효과가 있다.

Description

수직축형 풍력 발전 장치{Vertical axis wind generator}

본 발명은 수직축형 풍력 발전 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지면의 수평방향으로 위치하는 날개가 바람에 의해 회전하며 이로써 전달되는 회전동력을 증속부에서 다수개의 기어의 회전운동을 통해 고속으로 구동시켜 발전부로 전달하여 전기를 생산하도록 한 수직축형 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

최근 들어 전기를 생산하는 종래의 발전기술이 환경오염에 미치는 영향과 지구 환경의 보전에 대한 관심이 증가하면서 대체 무한 에너지 중 하나인 풍력을 이용한 풍력발전장치의 개발과 보급이 증가하고 있다.

이러한 풍력발전장치는 바람개비의 형태와 유사하며 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 것으로, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 장점이 있다.

이러한 이점이 있는 상기 풍력발전장치는 샤프트 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력 발전시스템(HAWT:horizontal axis wind turbine)과 자이로밀(GYROMILL)형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력 발전시스템(VAWT:vertical axis wind turbine) 등으로 구분된다.

그리고 종래의 풍력발전장치는 타워의 상부에 좌우 방향으로 회전 가능하게 설치된 동체와, 상기 동체의 선단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 날개와, 상기 날개의 회전력을 증속시키기 위한 증속기와, 상기 증속기에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다.

그러나 종래의 풍력발전장치를 구성하는 증속기는 날개의 통한 큰 동력의 전달시 동력을 전달하는 기어와 회전축을 지지하는 베어링 등의 쉽게 손상됨에 따라 안정적인 동력을 전달하기 어렵고 부품을 자주 교체해야하는 문제점이 있으며, 종래의 풍력발전장치를 구성하는 증속기는 구조가 복잡함에 따라 부품의 교체 또는 파손에 따른 교체작업이 어렵고 유지보수에 많은 시간과 비용이 소비되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 수직축 풍력발전기는 풍량, 풍속, 풍향이 일정하지 않고 불규칙적으로 반복되기 때문에 풍력이용 효율이 적은 문제점이 있다. 즉, 역방향으로 회전력이 작용하여 정방향의 에너지가 감소하기 때문이다. 또한, 공기를 포집하여 날려 보내는 날개의 모양이 원형, 직사각형, 타원형 등 다양한 모양 등이 있으나 날개의 모양, 형태에 따라 효율차이가 많은 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 바람의 방향에 따라 수평바람막이판과 수직바람막이판의 위치를 변환시켜 줌으로써 날개의 정방향 풍력에너지를 높이고 역풍을 방지하며 날개에 발생하는 와류현상을 제거할 수 있는 수직축형 풍력 발전 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

또한 날개에서 전달되는 회전속도를 원기어와 연결기어 및 중심기어를 통해 증속시켜 고속으로 발전기를 구동시킬 수 있도록 하며 원기어와 중심기어의 사이에 치합결합되는 연결기어를 간격을 두고 세 개 이상장착하여 안정적으로 회전력을 전달할 수 있는 수직축형 풍력 발전 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 바람에 의해 지면과 수평방향으로 회전운동하며 회전동력을 전달하도록 중앙을 관통하는 상부회전축과 결합되는 날개와 상기 회전 날개부의 중앙을 관통하는 상부회전축를 포함하며 원기어의 회전 운동을 통해 회전력을 증가시키는 증속부 및 상기 증속부의 원기어를 통해 회전동력을 전달받도록 상부에 중앙회전축을 포함하며 회전동력을 통해 전기를 생산하는 발전부를 포함하는 수직축형 풍력 발전 장치를 특징으로 한다.

또한 상기 회전 날개부는 상기 증속부의 상부회전축을 중심으로 결합되는 하우징 부스, 하우징 부스 내측에 위치한 베어링, 하우징 부스의 외주면에서 역풍을 차단하기 위해 수평방향으로 120˚~ 180˚의 원호 형태로 확장된 수평바람막이판, 수평바람막이판 외측에서 수직방향으로 연장된 수직바람막이판, 상기 하우징 부스의 일측에 수평방향으로 연장된 풍향 프레임, 상기 풍향프레임과 체결되어 바람의 방향에 의해 회전운동하는 풍향판, 하우징 부스의 상단에 상부회전축을 중심으로 결합되는 날개지지대, 및 날개지지대의 외측에 수평 방향으로 확장되며 수직바람막이판(140)의 내경 내에서 바람에 의해 회전운동을 하는 다수개의 날개(180)를 포함하는 수직축형 풍력 발전 장치를 특징으로 한다.

또한 증속부는, 원판 형상으로 상부면과 하부면의 중앙에 각각 형성되는 축 결합홈 및 하부면에서 중심을 기준으로 외측으로 동일한 각도 간격으로 다수 형성된 상부 기어 결합홈 을 포함하는 고정판과 상기 고정판의 상부면의 축 결합홈에 장착되고 바람에 의해 회전 동작하는 날개에서 전달되는 회전력을 공급받아 전달하는 상부회전축, 상기 고정판의 하부면의 축 결합홈에 장착되고 공급되는 회전력을 발전부에 전달하는 하부회전축, 상기 상부회전축에서 전달되는 회전력을 공급받아 증속시켜 상기 하부회전축에 전달하도록 하부가 개방되는 원통 형상으로 상부 중앙에 상부회전축과 결합되는 축 연결부가 형성되고 내면에는 기어부가 형성되는 원기어, 상기 하부회전축과 결합되는 중심기어, 및 상기 기어 결합홈에 설치되면서 상기 원기어와 상기 중심기어 사이에 치합되고 상기 중심기어 보다 작은 지름을 가지며 120°간격으로 배치되어 형성되는 연결기어로 구성되는 기어 수단, 상기 연결기어와 연결기어 사이에 장착되는 결합판 및 원통형상으로 하부가 개방되고 상기 원기어와 간격을 두고 형성되며 중앙에는 상기 상부회전축이 관통하는 상부축관통공이 형성된 상부커버, 및 상기 상부커버의 하부와 결합하며 중앙에는 상기 중앙회전축이 관통하는 하부축관통공이 형성되고 상부에는 연결기어의 회전동작을 위한 축과 대응하는 부분에는 하부 기어 결합홈이 형성된 하부판으로 구성되고, 내부에 상기 고정판과 상기 기어 수단을 포함하며, 상기 상부커버의 상부로는 상부회전축이 돌출되고, 상기 하부판의 하부로 상기 중앙회전축이 삽입되는 케이스를 포함하는 수직축형 풍력 발전 장치를 특징으로 한다.

또한 회전 날개부는, 날개지지대에서 수평방향으로 확장된 각각의 날개에 일정각도로 좁아지는 포집면, 상기 날개의 포집면에 수평방향을 따라 공기가 빠져 나갈 수 있도록 형성된 관통 공간부 및 각각의 날개마다 날개의 좌우측면과 중앙부에 수직방향으로 형성된 다수의 격막을 포함하는 수직축형 풍력 발전 장치를 특징으로 한다.

또한 중앙회전축의 상부에는 중앙회전축의 길이방향으로 다수의 톱니가 형성되고, 상기 중심기어의 중앙에는 상기 톱니에 대응하는 톱니형태의 삽입부가 형성되어 있는 수직축형 풍력 발전 장치를 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 지면의 수평방향으로 날개를 장착하여 제작 및 설치가 용이하고, 공간과 장소를 적게 차지하며, 회전마찰에 의한 부품소모수명을 연장시키고, 유지보수가 쉽게 이루어지는 효과가 있다.

또한 풍향판 및 풍향프레임에 의해 바람의 방향에 따라 수평바람막이판 및 수직바람막이판을 회전하게 하므로 풍량, 풍속, 풍향이 일정하지 않은 상황에서도 날개에 역풍이 작용하지 않도록 막아주는 역할을 함에 따라 날개에 가해지는 풍력 에너지의 손실을 최소화시켜 날개의 회전운동을 원활하게 하는 효과가 있다.

또한 날개에서 전달되는 회전속도를 원기어와 연결기어 및 중심기어를 통해 증속시켜 고속으로 발전부를 구동시킬 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 많은 전기를 생산할 수 있는 효과가 있다.

상기 연결기어 및 중심기어를 포함하는 기어부의 상단에는 고정판이 형성되어 각 기어의 축의 수직방향으로 삽입 및 고정되고 기어부가 회전운동을 할 시 위치 이탈이 생기지 않도록 하여 기어부의 수명 연장 및 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한 원기어와 중심기어의 사이에 치합결합되는 연결기어를 간격을 두고 세 개 이상장착하여 안정적으로 회전력을 전달할 수 있을 뿐만 아니라 기어 및 베어링의 손상을 방지하고 유지보수 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 예시도,
도 2은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 정면도,
도 3은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 평면도,
도 4은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 증속부 부분 확대수직 단면도,
도 5은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 증속부 부분 확대수평 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 회전 날개부 부분 수직 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 회전 날개부 날개의 사용 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치의 회전 날개부의 회전 운동 을 나타낸 평면 예시도

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다향한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 시시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치는 지면의 수평 방향으로 설치되어 풍력을 이용해 회전 동력을 생산하는 회전 날개부(100), 회전 날개부(100)로부터 전달된 회전 동력을 다수개의 기어의 회전 운동을 통해 증속시키는 증속부(200), 및 고속으로 증속된 회전운동을 중앙회전축(310)을 통해 전달받아 전기를 생산하는 발전부(300)를 포함한다.

상기 회전 날개부(100)는 재질에 특별한 제한은 없으나 회전 날개부(100)를 이루는 각 부품마다 알맞은 강도와 무게의 금속 소재로 만들어지는 것이 바람직하며, 회전 날개부(100)의 중앙에는 회전 밸런스를 맞춰주는 하우징 부스(110), 상기 하우징 부스(110)의 내측에서 회전 운동을 원활하게 하는 베어링(120), 상기 하우징 부스(110)의 외주면에서 원호 형태로 확장된 수평바람막이판(130), 수평바람막이판(130) 외측에서 수직방향으로 연장된 수직바람막이판(140), 상기 하우징 부스(110)의 일측에 수평방향으로 연장된 풍향프레임(150), 상기 풍향프레임(150)의 말단과 체결되는 풍향판(160), 하우징 부스(110)의 상단에 위치하며 베어링(120)과 맞닿아 회전하는 날개지지대(170), 및 날개지지대(170)의 외측에 수평 방향으로 확장되며 수직바람막이판(140)의 내경 내에서 회전운동을 하는 다수개의 날개(180)를 포함한다.

도 6에 예시된 바와 같이 하우징 부스(110), 베어링(120), 및 날개지지대(170)의 중앙에는 상기 증속부(200)의 상부회전축(220)이 관통하여 고정되어 회전하도록 발명되었다.

먼저 상기 하우징 부스(110)는 제작에 특별한 제한은 없으나 바람직하게는 내부가 관통된 원통형 금속 주물로 제작될 수도 있으며 관통된 내부에는 회전운동이 잘 전달될 수 있도록 마찰력을 줄이는 표면처리를 할 수도 있으며 상부회전축(220)과 베어링(120)이 내측에 삽입 될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징 부스(110)의 내측에 삽입되는 베어링(120)은 상기 날개지지대(170)와 날개(180)가 풍력으로 인해 회전하게 될때 마찰력을 최소화하여 회전 동력의 손실을 막아주는 역할을 하기 위해 설치하는 것이 바람직하며, 일반적인 금속 재질의 구조를 포함하는 베어링(120)을 사용할 수도 있다.

또한 하우징 부스(110)의 외주면에서 수평방향으로 120˚~ 180˚의 원호 형태로 확장된 수평바람막이판(130)은 재질에 특별한 제한은 없으나 형태에 변형이 없는 금속 재질로 제작하는 것이 바람직하며 풍력으로 인해 상기 날개(180)의 회전이 이루어질때 날개(180)의 하부로 유입되어 일률적인 회전 운동에 악영향을 미칠수 있는 역풍을 차단하는 역할을 할 수 있다.

상기 수평바람막이판(130)의 외측에서 수직방향으로 연장된 수직바람막이판(140)은 수평바람막이판(130)과 같은 재질로 제작되는 것이 바람직하며 날개(180)를 등지고 부는 바람은 통과시키되 정면으로 부는 바람은 차단하는 역할을 한다.

좀더 자세히 설명하면 도 1 및 도 8에서와 같이 상기 수평바람막이판(130)과 수직바람막이판(140)은 다량의 바람이 날개(180)를 등지는 방향의 포집면(183)으로 흘러들어가 한번에 상기 날개(180)에 강한 풍력이 가해지게 한다.

상기 날개(180)가 지면과 수평방향으로 회전하는 것을 감안하면 날개(180)을 등지고 불어오던 바람도 날개(180)가 회전하고 나면 정면으로 부딪히는 바람이 되므로 이 때문에 회전이 방해받지 않도록 날개(180)를 등지고 부는 방향의 바람은 통과시키고 날개(180)가 회전하는 정면으로 부는 바람을 효과적으로 막아주는 역할을 하며, 강한 풍력으로인해 점차 날개(180)의 회전속도가 증가하면 유체의 유속이 증가할 시 압력이 감소하는 베르누이의 원리와 같이 강한 풍력이 가해진 날개(180)와 다음 순서로 회전하는 날개(180)사이에 낮아진 압력을 채우기 위해 공기가 보충될 수 있도록 하부로의 공기 유입을 차단시켜 풍력이 증가되어 더욱 빠른 회전 속도를 확보할 수 있게 된다.

또한 상기 하우징 부스(110)의 일측에 수평방향으로 연장된 풍향프레임(150)이 형성되어 있으며 재질이나 형태에 특별한 제한이 없으며 상기 하우징 부스(110)에서부터 풍향프레임(150)의 말단까지의 길이는 상기 날개(180)의 회전 반경을 고려하여 날개(180)보다 긴 막대형태로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 풍향프레임(150)은 말단에 체결되어 바람의 방향에 의해 회전운동하는 풍향판(160)을 포함하며 하우징 부스(110)로부터 연장된 수평바람막이판(130)과 수직바람막이판(140)이 효과적으로 역풍을 차단하도록 하기 위한 회전 운동 방향의 가이드라인 역할을 한다.

또한 풍향프레임(150)의 말단에 체결되어 있는 풍향판(160)은 풍향에 민감하게 반응해야하므로 가벼운 재질로 제작되는 것이 바람직하며, 적은 풍력으로도 하우징 부스(110), 수평바람막이판(130) 및 수직바람막이판(140)의 무게를 고려하여 회전시킬수 있어야 하므로 일정 크기 이상으로 제작되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 하우징 부스(110)의 상단에 위치하며 베어링(120)과 맞닿아 회전하는 날개지지대(170)는 중심부가 관통된 원통형태로써 도 6과 같이 상기 증속부(200)의 상부회전축(220)에 삽입 및 고정되어 회전하므로 상기 날개(180)의 회전운동을 상기 상부회전축(220)을 통해 전달하는 역할을 한다.

상기 날개지지대(170)의 외측에 수평 방향으로 확장되며 수직바람막이판(140)의 내경 내에서 바람에 의해 회전운동을 하는 다수개의 날개(180)는 풍력에 의해 변형이 일어나지 않도록 제작되는 것이 바람직하다.

상기 날개(180)는 도 7에 예시된 바와 같이 바람을 효과적으로 포집할 수 있도록 풍력에 의한 회전 진행 방향에는 '<' 형태의 포집면(183)을 포함하며, 날개(180)에 모아지는 정방향의 풍력이 흩어지지 않도록 가두는 격막(181), 및 날개(180)의 포집면(183)에 발생하는 와류현상을 제거하기 위해 날개(180)의 회전 방향으로 일정양의 공기를 배출시키는 관통공간부(182)를 포함하고 있다.

이로써 회전 날개부(100)는 포집면(183), 격막(181), 및 관통공간부(182)를 포함하는 날개(180)로 형성되어 회전의 정방향으로 가해지는 풍력을 효과적으로 모음과 동시에 풍향판(160), 수평바람막이판(130), 및 수직바람막이판(140)을 포함하여 불규칙하게 유입되는 풍력을 차단하고 효율적인 회전 운동을 확보할 수 있으며 하우징 부스(110), 베어링(120), 및 날개지지대(170)를 통해 상기 증속부(200)의 상부회전축(220)으로 회전 동력을 전달하는 역할을 한다.

다음으로 상기 회전 날개부(100)로부터 회전 동력을 전달받는 증속부(200)는 고정판(210), 상기 고정판(210) 상부면에 장착되고 회전력을 공급받아 전달하는 상부회전축(220), 상기 고정판(210)의 하부면에 장착되고 공급되는 회전력을 발전부(300)에 전달하는 하부회전축(230), 상기 상부회전축(220)으로부터 회전력을 전달받아 기어 운동을 통해 하부회전축(230)으로 전달하는 원기어(240), 상기 하부회전축(230)과 결합되는 중심기어(250), 상기 고정판(210)의 다수개의 상부 기어 결합홈(212)에 설치되는 연결기어(260)로 구성되는 기어 수단(261), 상기 연결기어(260)와 상기 연결기어(260) 사이에 장착되는 결합판(270), 상기 원기어(240)와 간격을 두고 형성되며 원통형상을 이루는 상부커버(280), 상기 상부커버(280)의 하부와 결합하는 하부판(290), 및 내부에 상기 고정판(210)과 상기 기어 수단(261)이 설치되는 케이스(200b)를 포함하도록 발명되었다.

상기 고정판(210)은 소정의 지름과 두께를 가지며, 중앙에는 축 결합홈(211a, 211b)이 각각 형성되고, 상기 기어 수단(261)을 구성하는 연결 기어(260)와 대응하는 부분에는 상부 기어 결합홈(212)이 각각 형성된다.

여기서 상기 고정판(210)은 원판 형상으로 상부 중앙에 상부회전축(220)과 결합되는 축 결합홈(211a)이 형성되고, 하부 중앙에는 하부회전축(230)과 결합되는 축 결합홈(211b)이 형성되며, 하부 둘레에는 상부 기어 결합홈(212)이 각각 형성된다.

상기 고정판(210)의 상부에 장착되는 상부회전축(220)은 소정의 길이와 지름을 가지며 회전 날개부(100)와 결합된다.

이를 좀더 보충설명하면, 상기 상부회전축(220)은 바람에 의해 회전작동하는 날개(180)와 결합되어 상기 날개(180)에서 전달되는 회전력을 상기 기어 수단(261)에 전달하게 되는 것이며 이와 같은 배치와 구성을 포함하였을 시 장시간의 기어운동에도 진동, 유격 및 이탈을 방지할 수 있고 견고하게 고정되므로 고장률을 현저히 낮출 수 있다.

이때 상기 고정판(210)의 축 결합홈(211a)에 삽입되는 상부회전축(220)의 끝단에는 원활한 회전작동 및 지지를 위하여 소형 베어링(B)이 장착된다.

상기 고정판(210)의 하부에 장착되는 하부회전축(230)은 소정의 길이와 지름을 가지며 발전부(300)의 중앙회전축(310)과 결합된다.

이를 좀더 보충설명하면, 상기 하부회전축(230)은 일 측 끝단이 고정판(210)에 결합되고 반대 측이 발전부(300)의 중앙회전축(310)과 맞닿아있어, 상기 하부회전축(230)과 기어 수단(261)을 통해 전달되는 회전력을 공급받아 상기 발전부(300)에 전달하게 되는 것이다.

상기 상부회전축(220)에서 전달되는 회전력을 공급받아 증속시켜 하부회전축(230)에 전달하는 기어 수단(261)은 하부가 개방되는 원통 형상으로 상부 중앙에 상부회전축(220)과 결합되는 축 연결부(241)가 형성되고 내면에는 기어부(200a)가 형성되는 원기어(240)와, 상기 하부회전축(230)과 결합되는 중심기어(250)와, 상기 원기어(240)와 중심기어(250)의 사이에 간격을 두고 설치되면서 치합되는 연결기어(260)로 구성된다.

즉 상기 기어 수단(261)은 원기어(240)를 통해 전달되는 회전력이 연결기어(260)를 거쳐 중심기어(250)에 전달되도록 한 것이다.

여기서 원기어(240)는 상부커버(280)와 유사한 형태이면서도, 연결기어(260)와 접하는 내부면에는 기어부(200a)가 형성되어 있어서, 원기어(240)의 회전력이 연결기어(260)로 전달될 수 있도록 하였다.

그리고 상기 기어 수단(261)을 구성하는 중심기어(250)와 연결기어(260)의 지름은 회전력의 증속과 함께 안전한 지지 등을 위하여 도시된 도 5과 같이 상기 연결기어(260)가 중심기어(250)의 지름보다 작게 형성되거나 또는 상기 연결기어(260)와 중심기어(250)가 동일하게 형성될 수 있으며, 이들 사이의 지름을 조절함으로서 증속기에 의해 종속되는 속도를 조절할 수 있다.

여기서 상기 기어 수단(261)을 구성하는 연결기어(260)는 안정적인 회전작동 및 고속회전작동을 위하여 상기 중심기어(250)의 지름보다 작게 형성되면서 120°간격으로 배치되는 예를 들어 설명하기로 한다.

이를 좀더 보충설명하면, 상기 연결기어(260)는 원기어(240)와 치합되어 상기 원기어(240)가 한 번 회전할 때 여러 번 회전작동함으로써 더 많은 회전력을 상기 중심기어(250)에 전달함과 동시에 120°간격으로 배치되어 안정적으로 회전작동할 수 있도록 한 것이다.

이때 상기 연결기어(260)의 중심에는 회전작동을 위한 결합축(213)이 장착되고 끝단은 원활한 회전작동 및 지지를 위하여 소형 베어링(B)에 장착된다.

그리고 상기 연결기어(260)와 연결기어(260)의 사이에는 무게 또는 위치 배열을 통해 기어 수단(261)이 안정적으로 회전작동할 수 있도록 결합판(270)이 장착된다.

즉 상기 결합판(270)은 연결기어(260)와 연결기어(260)의 사이에 배치되면서 양측 끝단이 고정판(210)과 케이스(200b)에 각각 결합되어 상기 기어 수단(261)의 작동시 무게 중심을 유지함과 동시에 회전에 따른 편심력이 발생하는 것을 최소화할 수 있게 되는 것이다. 또한 결합판(270)은 고정판(210)과 케이스(200b)에 각각 결합하게 되어서 증속부(200)의 기계적인 결합력을 증대시키고, 회전에 의한 진동이나 떨림에 의해 각각의 부품들이 지속적으로 흔들리는 것을 최소화시켜서 증속부(200)의 수명을 극대화시킬 수 있다.

또한 상기 결합축(213)과 결합되는 기어수단(261)은 슬립을 방지할 수 있도록 편심 축이나 기어 구조로 형성될 수 있다.

이를 좀더 구체적으로 살펴보면, 상기 상부회전축(220) 및 원기어(240)와 상기 하부회전축(230) 및 중심기어(250)의 결합부분에는 회전 작동시 슬립을 방지할 수 있도록 편심 축을 장착하거나 또는 상기 상부회전축(220) 및 원기어(240)와 상기 하부회전축(230) 및 중심기어(250)의 결합부분을 기어 구조로 형성하여 슬립을 방지할 수 있도록 구성될 수 있음을 밝힌다.

상기 고정판(210)과 기어 수단(261)을 감싸는 케이스(200b)는 원통 형상으로 하부가 개방되고 상기 고정판(210)과 기어 수단(261)을 감싸는 상부커버(280)와 상기 상부커버(280)의 하부와 결합되는 하부판(290)으로 구성된다.

즉 상기 케이스(200b)는 상부커버(280)를 이용하여 고정판(210)과 기어 수단(261)을 감싸며 하부판(290)으로 마감할 수 있도록 한 것이다.

그리고 상기 하부판(290)의 상부에는 기어 수단(261)의 결합축(213)과 대응되는 부분에는 하부 기어 결합홈(292)이 각각 형성된다.

상기 상부커버(280)의 중앙에는 상부회전축(220)이 관통하는 상부축관통공(281)이 형성되며 하부판(290)의 중앙에는 하부회전축(230)이 관통하는 하부축관통공(291)이 형성된다.

상기 하부회전축(230)이 관통하는 하부축관통공(291)에는 하부회전축(230)이 중심기어(250)를 관통하고 고정판(210)에 완전히 밀착되어 삽입된 후 발전부(300) 중앙으로부터 돌출된 중앙회전축(310)이 삽입된다.

좀더 상세히 설명하면 발전부(300)의 중앙회전축(310)은 지면의 수직방향으로 소정의 두께와 길이로 형성되어 있으며, 앞서 설명한 여타 기어류 및 축류의 상관관계와 마찬가지로 슬립을 방지하기위해 축의 길이방향으로 편심축 또는 기어형상을 포함할 수도 있고 상기 하부축관통공(291)을 통해 중심기어(250) 내면으로 삽입되는 중앙회전축(310)은 하부회전축(230)의 말단과 중심기어(250)의 내면에 밀착되어 회전동력을 전달받는다.

이로써 증속부(200)를 거치며 증속된 회전 동력이 중심기어(250)와 중심기어(250)의 중앙에 삽입된 하부회전축(230)을 통해 발전부(300)의 중앙회전축(310)으로 전달되어 전기를 생산하게된다.

다음으로 본 발명의 바람직한 사용예시를 설명하면, 먼저 상기 회전 날개부(100); 증속부(200); 및 발전부(300)로 이루어진 수직축형 풍력 발전 장치가 지면의 수직 방향으로 설치되고 설치된 장소에 어느 한 방향으로 바람이 불기 시작하면 회전 날개부(100)의 풍향프레임(150)과 결합하는 풍향판(160)이 바람이 불어 지나가는 방향으로 회전하게된다.

상기 풍향프레임(150)과 연결 및 고정되어 있는 하우징 부스(110) 역시 동일 방향으로 회전하게되며 이 때 하우징 부스(110)의 외주면 일측에 원호 형태로 형성되어있는 수평바람막이판(130)과 수평바람막이판(130)의 말단에 수직방향으로 연장되어있는 수직바람막이판(140)도 풍향판의 회전 방향으로 회전하게 된다.

더욱 상세하게 설명하자면 상기 풍향판(160)이 바람이 불어 지나가는 방향으로 정렬되는 과정에는 회전하지만 정확히 바람이 지나가는 방향으로 향할 경우에는 그대로 정지하며 풍향판(160)과 연결된 풍향프레임(150), 풍향프레임과 결합된 하우징 부스(110), 하우징 부스(110)의 외주면 일측으로 형성된 수평바람막이판(130) 및 수직바람막이판(140) 역시 상기 풍향판(160)이 향하는 방향에 따라 회전 및 정지한다.

이때 하우징 부스(110)의 개방된 부분으로만 바람이 통과하며 개방된 부분을 제외한 수평바람막이판(130)과 수직바람막이판(14)으로 막힌 부분으로는 바람이 통과할 수 없다.

이로써 상기 회전 날개부(100)의 날개지지대(170)와 날개(180)가 하우징 부스(110)의 개방된 부분으로 불어오는 바람을 등지고 풍력을 얻어 회전하게 되며, 개방된 부분을 돌아 수평바람막이판(130)과 수직바람막이판(140)의 내경으로 진입하면 상기 수평바람막이판(130)과 수직바람막이판(140)이 날개(180)의 회전 운동을 방해할 수 있는 바람을 차단하게 된다.

상기 수평바람막이판(130)과 수직바람막이판(140)의 역풍 차단 효과를 통해 날개(180)는 빠른 속도로 회전하게되며 날개(180)의 회전 속도가 빨라질수록 날개(180) 사이의 공기도 유속이 증가하게되고 유속이 증가하면 날개(180)사이의 공기압이 낮아져 외부의 공기가 빨려들어옴에 따라 더욱 빠른 회전 운동을 확보할 수 있게 된다.

상기 날개(180)가 회전 운동을 할때 날개지지대(170)의 중심에 삽입되어 있는 상부회전축(220)은 날개(180)가 회전하는 속도와 동일하게 회전하며 이 때 발생하는 회전 운동을 상부회전축(220)의 하부측에 고정되어있는 상기 증속부(200)의 원기어(240)로 전달한다.

원기어(240)로 전달된 회전 운동은 원기어(240)의 내측으로 맞물려있는 다수개의 연결기어(260)로 전달된다.

더욱 상세하게 설명하면 원기어(240)가 1회 회전하면 원기어(240)의 내측으로 맞물려있고 직경이 작은 다수개의 연결기어(260)가 수회 회전하며 이와 같은 과정으로 증속이 이루어진 회전 운동을 상기 증속부(200)의 중앙에 위치하는 중심기어(250)에 전달되며 이로써 중심기어(250)의 중앙에 삽입되고 고정되는 하부회전축(230)으로 증속된 회전 운동이 전달된다.

상기 연결기어(260) 및 중심기어(250)를 포함하는 기어부(200a)의 상단에는 고정판(210)이 형성되어 각 기어의 축의 수직방향으로 삽입 및 고정되고 기어부(200a)가 회전운동을 할 시 위치 이탈이 생기지 않도록 하여 기어부(200a)의 수명 연장 및 안전성을 확보할 수 있다.

또한 중심기어(250)의 중앙에 삽입된 하부회전축(230)과 톱니형태로 결합되어 함께 회전하는 발전부(300)의 중앙회전축(310)은 상기 증속부(200)를 거치면서 증속된 회전운동을 중심기어(250)로부터 전달받고 발전부(300)에서는 상기와 같이 증속된 회전운동을 통해 전기를 생산해낸다.

100 : 회전 날개부 110 : 하우징 부스
120 : 베어링 130 : 수평바람막이판
140 : 수직바람막이판 150 : 풍향프레임
160 : 풍향판 170 : 날개지지대
180 : 날개 181 : 격막
182 : 관통공간부 183 : 포집면
200 : 증속부 200a : 기어부
200b : 케이스 210 : 고정판 211 : 축 결합홈 212 : 상부 기어 결합홈 213 : 결합축 220 : 상부회전축 230 : 하부회전축 240 : 원기어 241 : 축연결부 250 : 중심기어 260 : 연결기어 261 : 기어 수단 270 : 결합판 280 : 상부커버
281 : 상부축관통공 290 : 하부판
291 : 하부축관통공 292 : 하부 기어 결합홈
300 : 발전부 310 : 중앙회전축
B : 소형 베어링

Claims (4)

1. 바람에 의해 지면과 수평방향으로 회전운동하며 회전동력을 전달하도록 중앙을 관통하는 상부회전축(220)과 결합되는 회전 날개부(100);
   상기 상부회전축(220)를 포함하며 원기어(240)의 회전 운동을 통해 회전력을 증가시키는 증속부(200); 및
   상기 증속부(200)의 원기어(240)를 통해 회전동력을 전달받도록 상부에 중앙회전축(310)을 포함하며 회전동력을 통해 전기를 생산하는 발전부(300)를 포함하는 수직축형 풍력발전장치로서,
   상기 회전 날개부(100)는;
   상기 증속부(200)의 상부회전축(220)을 중심으로 결합되는 하우징 부스(110), 하우징 부스(110) 내측에 위치한 베어링(120), 하우징 부스(110)의 외주면에서 역풍을 차단하기 위해 수평방향으로 120˚~ 180˚의 원호 형태로 확장된 수평바람막이판(130), 수평바람막이판(130) 외측에서 수직방향으로 연장된 수직바람막이판(140), 상기 하우징 부스(110)의 일측에 수평방향으로 연장된 풍향프레임(150), 상기 풍향프레임(150)과 체결되어 바람의 방향에 의해 회전운동하는 풍향판(160), 하우징 부스(110)의 상단에 상부회전축(220)을 중심으로 결합되는 날개지지대(170), 및 날개지지대(170)의 외측에 수평 방향으로 확장되며 수직바람막이판(140)의 내경 내에서 바람에 의해 회전운동을 하는 다수개의 날개(180)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
2. 제 1항에 있어서, 증속부(200)는,
   원판 형상으로 상부면과 하부면의 중앙에 각각 형성되는 축 결합홈(211a, 211b) 및 하부면에서 중심을 기준으로 외측으로 동일한 각도 간격으로 다수 형성된 상부 기어 결합홈(212) 을 포함하는 고정판(210);
   상기 고정판(210)의 상부면의 축 결합홈(211a)(211)에 장착되고 바람에 의해 회전 동작하는 날개(180)에서 전달되는 회전력을 공급받아 전달하는 상부회전축(220);
   상기 고정판(210)의 하부면의 축 결합홈(211a)에 장착되고 공급되는 회전력을 발전부(300)에 전달하는 하부회전축(230);
   상기 상부회전축(220)에서 전달되는 회전력을 공급받아 증속시켜 상기 하부회전축(230)에 전달하도록 하부가 개방되는 원통 형상으로 상부 중앙에 상부회전축(220)과 결합되는 축 연결부(241)가 형성되고 내면에는 기어부(200a)가 형성되는 원기어(240), 상기 하부회전축(230)과 결합되는 중심기어(250), 및 상기 기어 결합홈에 설치되면서 상기 원기어(240)와 상기 중심기어(250) 사이에 치합되고 상기 중심기어(250) 보다 작은 지름을 가지며 120°간격으로 배치되어 형성되는 연결기어(260)로, 구성되는 기어 수단(261);
   상기 연결기어(260)와 상기 연결기어(260) 사이에 장착되는 결합판(270); 및
   원통형상으로 하부가 개방되고 상기 원기어(240)와 간격을 두고 형성되며 중앙에는 상기 상부회전축(220)이 관통하는 상부축관통공(281)이 형성된 상부커버(280), 및 상기 상부커버(280)의 하부와 결합하며 중앙에는 상기 중앙회전축(310)이 관통하는 하부축관통공(291)이 형성되고 상부에는 연결기어(260)의 회전동작을 위한 축과 대응하는 부분에는 하부 기어 결합홈(292)이 형성된 하부판(290)으로 구성되고, 내부에 상기 고정판(210)과 상기 기어 수단(261)을 포함하며, 상기 상부커버(280)의 상부로는 상부회전축(220)이 돌출되고, 상기 하부판(290)의 하부로 상기 중앙회전축(310)이 삽입되는 케이스(200b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
3. 제 1항에 있어서, 회전 날개부(100)는,
   날개지지대(170)에서 수평방향으로 확장된 각각의 날개(180)에 일정각도로 좁아지는 포집면(183);
   상기 날개(180)의 포집면(183)에 수평방향을 따라 공기가 빠져 나갈 수 있도록 형성된 관통공간부(182) 및;
   각각의 날개(180)마다 날개(180)의 좌우측면과 중앙부에 수직방향으로 형성된 격막(181)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
4. 제 2항에 있어서,
   중앙회전축(310)의 상부에는 중앙회전축(310)의 길이방향으로 다수의 톱니가 형성되고, 상기 중심기어(250)의 중앙에는 상기 톱니에 대응하는 톱니형태의 삽입부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.

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