KR101732931B1 - 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낮은 풍속에서도 출력 회수가 가능하도록 한 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치에 관한 것인데, 지주의 상단부에 막대(bar)를 연결하여 일체로 만든 고정프레임이 지주를 중심으로 방사상으로 고정 설치되고, 상기 고정프레임이 지주에 대하여 회전 가능하도록 설치되는 터빈고정부; 블레이드와 발전기를 구비하여 상기 각 고정프레임의 선단(先端)에 고정 설치되는 터빈부; 원통기둥을 중심축을 따라 절개하여 길이방향 일측이 개방되고 양단(兩端)이 폐쇄된 형상이며, 개방된 부분의 길이방향 가장자리가 상기 고정프레임에 고정되도록 설치되어, 지주와 터빈부 사이에 위치하면서 개방된 부분을 통해 바람을 받게 되어 상기 고정프레임을 밀어서 회전시키는 힘을 발생시키게 되는 컵(cup)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치{High efficient wind power generator for low speed wind conditions using drag type structure}

본 발명은 저풍황 고효율 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 선단(先端)에 블레이드가 설치된 고정프레임에 항력형 컵을 장착하여 낮은 풍속에서 터빈고정부를 회전시킴으로써, 풍속을 높여 주게 되어 블레이드가 가속화되면서 낮은 풍속에서도 출력 회수가 가능한, 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력발전은 다양한 형태의 회전날개를 이용하여 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 발전방식으로, 풍력발전의 출력은 공기밀도와 수풍(受風)면적(swept area) 및 풍속에 따라 달라지므로(P = ½ρAV³), 출력을 높이기 위해서는 수풍면적(A)을 높이고 회전속도(V)를 높여야 한다. 이와 같이 풍력발전의 출력을 좌우하는 인자들 중에서 수풍면적만이 공학적 인자이고 나머지는 모두 자연적 여건들인데, 출력을 높이기 위해 가장 중요한 것은 인위적으로라도 회전속도를 높여 주는 것이다.

한편, 풍력발전에서 빼놓을 수 없는 요소가 풍황인데, '풍황'이란 풍력자원 현황의 줄임말로, 풍황을 나타낼 때에는 연평균풍속, 풍력에너지 밀도, 주풍향, 풍속분포 등을 표시하고, 풍력발전기를 설치하는데 적절한 지역 선택과, 특정 장소에 적합한 발전기의 용량 선정시 중요한 자료로 사용되고 있다. 우리나라에서 설치되고 있는 풍력발전의 90% 이상이 낮은 풍황지역임을 고려할 때, 저풍황에서도 출력회수가 가능한 풍력발전을 위한 기술의 출현이 절실하다고 하겠다.

본 발명의 출원인(발명자)은 저풍황 지역에 설치되는 풍력발전의 효율을 높이기 위해 특허등록 제1565466호 "저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치"를 개발하여 특허받았다. 상기 특허는 기둥에 블레이드 회전자를 직접 장착하여 기둥을 회전축 대용으로 사용함으로써, 블레이드의 회전반경은 적고 길이를 확장하기 위하여 기둥의 높이를 높게 해서 회전직경은 적고 높이가 높은 블레이드 장착이 가능하게 하여 저풍황에서도 고효율 발전으로 높은 출력을 얻을 수 있도록 한 기술이다. 하지만, 바람의 속도가 3m/sec 이하로 매우 낮은 경우에는 블레이드의 회전 자체가 어렵기 때문에 발전을 할 수 없다는 문제가 있다.

따라서 우리나라와 같이 바람의 연평균 속도가 3∼4m/sec인 경우가 대부분인 지역에서, 낮은 풍속에서도 출력 회수가 가능한 풍력발전 기술의 출현이 절실히 요구된다고 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 지주 상단에 방사상으로 설치된 터빈고정부의 고정프레임에 항력형 컵을 장착하여, 바람의 힘과 바람으로부터 컵이 받는 항력에 의해 낮은 풍속에서도 고정프레임을 회전시킬 수 있게 되어, 터빈고정부의 선단(先端)에 설치된 블레이드가 가속화되면서 풍속도 높아지게 되어 블레이드를 회전시키게 됨으로써 낮은 풍속에서도 출력 회수가 가능한, 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치는, 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole); 상기 지주의 상단부에 막대(bar)를 연결하여 일체로 만든 고정프레임이 지주를 중심으로 방사상으로 고정 설치되고, 상기 고정프레임이 지주에 대하여 회전 가능하도록 설치되는 터빈고정부; 블레이드와 발전기를 구비하여 상기 각 고정프레임의 선단(先端)에 고정 설치되는 터빈부; 원통기둥을 중심축을 따라 절개하여 길이방향 일측이 개방되고 양단(兩端)이 폐쇄된 형상이며, 원통기둥의 개방된 부분의 길이방향 가장자리가 상기 고정프레임에 각각 고정되도록 설치되어, 지주와 터빈부 사이에 위치하면서 개방된 부분을 통해 바람을 받게 되어 상기 고정프레임을 밀어서 회전시키는 힘을 발생시키게 되는 컵(cup)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 터빈부는, 고정프레임의 선단에 고정 설치되며 내부에 발전기를 구비하고 있는 본체와, 본체를 중심으로 방사상으로 설치되는 블레이드를 포함하여 구성되어, 블레이드가 배치되면서 이루는 면과 고정프레임이 이루게 되는 면이 서로 평행이 되도록 배치되어 구성된다.

바람직하게는, 터빈부는, 고정프레임의 선단(先端)이 상부와 하부로 분리되어 있고, 분리된 고정프레임 선단의 상부와 하부 사이에 수직방향으로 고정 설치되는 샤프트; 샤프트의 하단부분에 고정 설치되는 발전기; 샤프트에 방사상으로 설치되며, 상단부분과 하단부분에서 각각 방사상으로 설치되면서 서로 쌍을 이루게 되는 아암(arm); 아암의 단부(端部)에 수직방향으로 배치되며, 서로 쌍을 이루는 상단부분과 하단부분에 각각 고정되어 설치되는 블레이드를 구비하여 구성된다.

본 발명에 따른 저풍황 고효율 풍력발전장치는, 수직으로 설치된 지주의 상단에 방사상으로 설치된 터빈고정부의 고정프레임에 항력형 컵을 장착하고, 고정프레임의 선단에 블레이드를 설치한 구조이기 때문에 블레이드에는 바람의 힘과 바람으로부터 컵이 받는 항력이 동시에 작용하게 되므로 낮은 풍속에서도 고정프레임이 회전하면서 블레이드를 회전시킬 수 있게 된다. 따라서 바람의 힘(속도)만으로는 블레이드를 회전시키기 어려울 정도의 낮은 풍속에서도 발전이 가능하여 출력 회수가 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 지주와 터빈고정부의 결합 관계의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 터빈부를 확대하여 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 저풍황 고효율 풍력발전장치의 가장 큰 기술적 특징은, 터빈고정부의 고정프레임에 항력형 컵을 장착함으로써, 바람의 힘과 바람으로부터 컵이 받는 항력이 동시에 작용하게 되어 낮은 풍속에서도 고정프레임을 회전시키면서 블레이드도 회전시킬 수 있게 하여 낮은 풍속에서도 출력 회수가 가능하게 했다는 점이다.

본 발명에 따른 풍력발전장치는, 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole)(10)와, 지주(10)의 상단에 방사상으로 설치되는 터빈고정부(20)와, 블레이드(31)와 발전기를 구비하여 각 터빈고정부(20)의 선단(先端)에 설치되는 터빈부(30)를 기본적인 구성으로 구비한다,

터빈고정부(20)는 고정프레임(21)의 선단에 설치되는 터빈부(30)를 고정시키기 위한 부분이다. 고정프레임(21)은 지주(10)의 상단부에 막대(bar) 형상을 서로 용접하여 연결시켜 일체로 만든 구성으로, 지주(10)를 중심으로 방사상으로 고정 설치되고, 지주(10)에 대하여 회전 가능하도록 설치된다. 고정프레임(21)이 지주(10)에 대하여 수직으로 돌출되게 설치되고 선단에 터빈부(30)가 장착되기 때문에 고정프레임(21)이 지주(10)와 연결되는 부분에는 강도 보강을 위해 경사진 방향으로 막대(bar) 형상을 용접하여 보강부(211)를 설치해 주는 것이 바람직하다(도 1 참조).

컵(cup)(23)은 바람을 받아 바람의 힘에 의해 고정프레임(21)을 회전시켜 주기 위한 구성으로, 중공(中空)의 원통기둥을 중심축을 따라 절반으로 절개하여 길이방향을 따라 일측이 개방되고, 타면은 원주를 따르는 곡면이며, 길이방향의 양단(兩端)은 폐쇄된 형상이다. 컵(23)은 지주(10)와 터빈부(30) 사이에 위치하도록 설치되는데, 개방된 부분의 원통기둥의 길이방향 가장자리가 용접 등에 의해 고정프레임(21)의 막대 형상에 각각 고정되도록 설치되며, 개방된 부분을 통해 바람을 받게 되어 바람의 힘으로 고정프레임(21)을 밀어서 회전시키는 힘을 발생시키게 된다.

고정프레임(21)이 지주(10)에 대하여 회전하는 구성에 대하여 간략히 설명하면, 지주(10)의 상단부분에 슬리브(sleeve)(11)를 고정 설치하고, 슬리브(11)의 상단부와 하단부 외주면에 베어링(13)을 설치하여 구성되며, 미설명 부호 12는 베어링 커버이다(도 2 참조). 이와 같이 설치된 고정프레임(21)은, 바람의 속도에 의해 받는 힘과 바람이 불어 컵(23)의 개방된 부분을 통해 바람을 받으면서 항력(drag force)에 의해 미는 힘이 동시에 작용하게 되어, 특히 풍속이 낮은 저풍황에서 블레이드의 회전수가 가중되어 발전할 수 있게 된다.

터빈부(30)는 블레이드(31)와 발전기(본체 내부에 위치하므로 미도시)를 구비하여 각 고정프레임(21)의 선단(先端)에 고정 설치되어, 블레이드(31)의 회전에 의해 발전을 하는 부분으로, 수평축 풍력발전 타입 또는 수직축 풍력발전 타입으로 터빈부(30)가 배치된다.

도 1은 수평축 풍력발전 타입으로 블레이드가 배치된 실시예인데, 터빈부(30)는, 고정프레임(21)의 선단에 고정 설치되고 내부에 발전기를 구비하고 있는 본체(32)와, 본체(32)를 중심으로 방사상으로 설치되는 블레이드(31)를 구비하여 구성되고, 블레이드(31)가 배치되면서 이루게 되는 면과 고정프레임(21)이 이루게 되는 면이 서로 평행이 되도록 배치되게 된다.

도 3은 수직축 풍력발전 타입으로 블레이드가 배치된 실시예인데, 터빈부(30')는, 샤프트(33')를 중심으로 방사상으로 아암(34')이 배치되며, 아암(34')의 단부(端部)에 블레이드(31')가 설치되어 구성된다.

고정프레임(21')의 선단(先端)이 상부와 하부로 분리되어 있고, 분리된 고정프레임(21') 선단의 상부와 하부 사이에 수직방향으로 샤프트(33')가 배치되어, 샤프트(33')의 상단과 하단이 고정구(36')에 의해 고정 설치되게 된다. 고정구(36')는 샤프트(33')를 고정프레임(21')에 고정시킬 수 있는 구성이면 어떤 것이든 상관없다.

샤프트(33')의 하단부분에는 발전기(35')가 고정 설치되어 블레이드(31')의 회전에 따라 발전하게 된다. 아암(arm)(34')은 샤프트(33')를 중심으로 방사상으로 설치되는데, 샤프트(33')의 상단부분과 하단부분에서 각각 방사상으로 설치되면서 서로 대응하여 쌍을 이루게 설치되며, 블레이드(31')가 아암(34')의 단부(端部)에 수직방향으로 배치되면서 서로 쌍을 이루는 아암(34')의 상단부분과 하단부분에 각각 고정되어 설치되게 된다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 지주 11 : 슬리브(sleeve)
12 : 베어링커버 13 : 베어링
20,20' : 터빈고정부 21, 21' : 고정프레임
211 : 보강부 23 : 컵
30, 30' : 터빈부 31, 31' : 블레이드
32 : 본체 33' : 샤프트
34' : 아암(arm) 35' : 발전기
36' : 고정구

Claims (3)

1. 삭제
2. 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole);
   상기 지주의 상단부에 막대(bar)를 연결하여 일체로 만든 고정프레임이 지주를 중심으로 방사상으로 고정 설치되고, 상기 고정프레임이 지주에 대하여 회전 가능하도록 설치되는 터빈고정부;
   블레이드와 발전기를 구비하여 상기 각 고정프레임의 선단(先端)에 고정 설치되는 터빈부;
   원통기둥을 중심축을 따라 절개하여 길이방향 일측이 개방되고 양단(兩端)이 폐쇄된 형상이며, 개방된 부분의 길이방향 가장자리 각각이 상기 고정프레임에 고정되도록 설치되어, 지주와 터빈부 사이에 위치하면서 원통기둥의 개방된 부분을 통해 바람을 받게 되어 상기 고정프레임을 밀어서 회전시키는 힘을 발생시키게 되는 컵(cup);
   을 포함하여 구성되고, 상기 터빈부는,
   상기 고정프레임의 선단에 고정 설치되며, 내부에 발전기를 구비하고 있는 본체;
   상기 본체를 중심으로 방사상으로 설치되는 블레이드;
   를 포함하여 구성되어, 상기 블레이드가 배치되면서 이루는 면과 고정프레임이 이루게 되는 면이 서로 평행이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치.
   
3. 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole);
   상기 지주의 상단부에 막대(bar)를 연결하여 일체로 만든 고정프레임이 지주를 중심으로 방사상으로 고정 설치되고, 상기 고정프레임이 지주에 대하여 회전 가능하도록 설치되는 터빈고정부;
   블레이드와 발전기를 구비하여 상기 각 고정프레임의 선단(先端)에 고정 설치되는 터빈부;
   원통기둥을 중심축을 따라 절개하여 길이방향 일측이 개방되고 양단(兩端)이 폐쇄된 형상이며, 개방된 부분의 길이방향 가장자리 각각이 상기 고정프레임에 고정되도록 설치되어, 지주와 터빈부 사이에 위치하면서 원통기둥의 개방된 부분을 통해 바람을 받게 되어 상기 고정프레임을 밀어서 회전시키는 힘을 발생시키게 되는 컵(cup);
   을 포함하여 구성되고, 상기 터빈부는,
   상기 고정프레임의 선단(先端)이 상부와 하부로 분리되어 있고, 분리된 고정프레임 선단의 상부와 하부 사이에 수직방향으로 고정 설치되는 샤프트;
   상기 샤프트의 하단부분에 고정 설치되는 발전기;
   상기 샤프트에 방사상으로 설치되며, 샤프트의 상단부분과 하단부분에서 각각 방사상으로 설치되면서 서로 쌍을 이루게 되는 아암(arm);
   상기 아암의 단부(端部)에 수직방향으로 배치되며, 서로 쌍을 이루는 상단부분과 하단부분에 각각 고정되어 설치되는 블레이드;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 항력형 구조를 이용한 저풍황 고효율 풍력발전장치.

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