KR101939322B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 지면에 수직하게 배치되는 회전축과; 풍력에 의해 상기 회전축과 함께 회전되도록 상기 회전축에 결합되는 블레이드부와; 상기 회전축이 회전가능하도록 상기 회전축의 상부와 하부를 함께 지지하는 축상하지지프레임과; 상기 회전축과 상기 축상하지지프레임의 상하 결합영역에 각각 구비되며, 상기 블레이드부의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 한 쌍의 발전기와; 상기 발전기 내부에 구비되어 풍력에 의해 상기 회전축이 상기 축상하지지프레임에 대해 회전될 수 있도록 지지하는 한 쌍의 베어링을 포함하되, 상기 축상하지지프레임은, 상기 회전축의 하부에 수평하게 결합되는 하부지지프레임과; 상기 회전축의 상부에 수평하게 결합되는 상부지지프레임과; 상기 하부지지프레임과 상기 상부지지프레임을 서로 연결하는 수직프레임이 구비되며, 상기 하부지지프레임, 상부지지프레임 및 상기 수직프레임 중 어느 하나에는 고정부재가 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전장치{WIND GENERATOR}
본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로서, 보다 자세히는 한 쌍의 발전기를 회전축의 상하에 구비하여 블레이드 회전시 발생되는 진동을 감소시킬 수 있는 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전장치는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생산한다. 풍력발전장치의 일례가 미국특허 제7997876호, 미국특허 제8006552호 등에 개시된 바 있다.
도 1은 종래 수직축 타입 풍력발전장치(10)의 일례를 도시한 예시도이다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 종래 풍력발전장치(10)는 지면에 수직하게 배치된 축(11)과, 축(11)과 함께 회전가능하게 결합되며 바람에 의해 회전되는 블레이드(13)와, 블레이드(13)의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 발전기(15)를 포함한다.
종래 수직축 타입 풍력발전장치(10)는 발전기(15)가 블레이드(13)의 하부, 즉 축(11)의 하부에 구비된다. 이에 의해 축(11)의 아래 부분만 발전기(15)에 의해 구속되기 때문에 고속으로 회전될 때 축(11)의 상부에는 진동(V)이 발생된다.
축(11)의 상부에 진동이 발생되면 축(11)을 회전가능하게 지지하는 발전기(15) 내부의 베어링(미도시)이 손상되어 내구성이 급격이 낮아지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 축(11)의 상부에도 베어링을 설치하기도 하지만, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 발전기(15)와 상부 베어링 사이에 발생하는 토크차로 축(11)에 비틀림 응력에 의한 피로가 증가되는 추가 문제가 발생된다(T1>T2).
본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 블레이드의 회전시 회전축의 상부에 발생되는 진동을 줄여 회전축의 피로도를 경감시킬 수 있는 풍력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복수개의 발전기를 채용하여 비상상황에서도 전원을 원활하게 공급할 수 있는 풍력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
본 발명의 목적은 풍력발전장치에 의해 달성될 수 있다. 본 발명의 풍력발전장치는, 지면에 수직하게 배치되는 회전축과; 풍력에 의해 상기 회전축과 함께 회전되도록 상기 회전축에 결합되는 블레이드부와; 상기 회전축이 회전가능하도록 상기 회전축의 상부와 하부를 함께 지지하는 축상하지지프레임과; 상기 회전축과 상기 축상하지지프레임의 상하 결합영역에 각각 구비되며, 상기 블레이드부의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 한 쌍의 발전기와; 상기 발전기 내부에 구비되어 풍력에 의해 상기 회전축이 상기 축상하지지프레임에 대해 회전될 수 있도록 지지하는 한 쌍의 베어링을 포함하되, 상기 축상하지지프레임은, 상기 회전축의 하부에 수평하게 결합되는 하부지지프레임과; 상기 회전축의 상부에 수평하게 결합되는 상부지지프레임과; 상기 하부지지프레임과 상기 상부지지프레임을 서로 연결하는 수직프레임이 구비되며, 상기 하부지지프레임, 상부지지프레임 및 상기 수직프레임 중 어느 하나에는 고정부재가 결합되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따르면, 상기 블레이드부는, 상기 회전축의 상부와 하부에 각각 결합되는 한 쌍의 축결합판과; 상기 한 쌍의 축결합판에 방사상으로 일정 각도 간격으로 연장되는 복수개의 블레이드프레임과; 상기 복수개의 블레이드프레임에 수직하게 결합되는 복수개의 블레이드를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 한 쌍의 발전기는 전력용량이 서로 상이하게 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 풍력발전장치는 회전축의 상부와 하부에 한 쌍의 발전기가 구비된다. 이에 의해 블레이드의 회전시 회전축의 상부의 진동발생을 최소화하고, 회전축의 상부와 하부의 토크차를 없애서 비틀림에 의한 샤프트의 피로를 경감시켜 내구성을 증대시킬 수 있다.
또한, 두 개의 발전기가 구비되므로, 하나의 발전기가 고정이 나더라도 나머지 하나가 전원을 지속할 수 있는 장점이 있다.
또한, 두 개의 발전기의 용량을 서로 다르게 설치할 경우, 전압 및 전력이 다른 전원을 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 축상하지지프레임이 "ㄷ"자 형태로 형성되므로, 상부, 하부, 측면 등 다양한 위치에 고정부재를 결합하여 벽면, 지면 등에 자유롭게 풍력발전장치를 설치할 수 있다.
도 1은 종래 풍력발전장치의 구조를 도시한 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 구조를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 측면구조를 도시한 측면도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치(100)의 구성을 도시한 사시도이고, 도 3은 풍력발전장치(100)의 측면구성을 도시한 측면도이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 풍력발전장치(100)는 회전축(110)과, 회전축(110)에 결합되어 회전축(110)과 함께 회전되는 블레이드부(120)와, 회전축(110)과 블레이드부(120) 사이에 구비되어 회전축(110)의 회전운동을 전기에너지로 생산하는 한 쌍의 발전기(130,130a)와, 회전축(110)의 상부와 하부를 회전가능하게 지지하여 블레이드부(120)의 고속회전시 진동발생을 억제시키는 축상하지지프레임(140)을 포함한다.
회전축(110)은 지면에 대해 수직하게 구비된다. 회전축(110)은 상부발전기(130a) 및 하부발전기(130)와 결합된다. 이에 의해 회전축(110)의 회전에 의해 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)도 함께 회전된다.
블레이드부(120)는 회전축(110)에 결합되어 풍력에 의해 회전축(110)이 회전되도록 한다. 블레이드부(120)는 회전축(110)의 상부와 하부에 결합되는 한 쌍의 축결합판(121)과, 한 쌍의 축결합판(121)에 방사상으로 연장형성되는 복수개의 블레이드프레임(123)과, 상하에 대응되게 위치된 블레이드프레임(123)에 수직하게 결합되는 복수개의 블레이드(125)를 포함한다.
축결합판(121)은 도 2에 도시된 바와 같이 원판 형태로 형성된다. 원판의 중심으로 발전기(130, 130a)가 외부로 돌출되어 축상하지지프레임(140)에 결합된다.
축결합판(121)의 외주연을 따라 방사상으로 복수개의 블레이드프레임(123)이 일정 각도 간격으로 배치된다. 복수개의 블레이드(125)는 상하에 대응되게 배치된 한 쌍의 블레이드프레임(123)의 단부에 수직하게 결합된다.
복수개의 블레이드(125)의 단면형상은 바람에 의해 회전이 용이할 수 있는 형상으로 구비된다.
상부발전기(130a)와 하부발전기(130)는 블레이드(125)가 풍력의 영향을 받아 회전하면 블레이드(125)의 운동에너지를 전기에너지로 변환한다. 도면에는 도시되지 않았으나 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)에는 변속장치가 결합될 수 있다. 변속장치는 블레이드의 회전수를 높인다.
상부발전기(130a)와 하부발전기(130)의 내부에는 각각 상부베어링(미도시) 및 하부베어링(미도시)에 결합된다. 이에 의해 상부베어링(미도시)과 하부베어링(미도시)에 의해 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)는 축상하지지프레임(140)에 대해 회전될 수 있다.
여기서, 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)는 서로 동일한 전력용량으로 구비되거나, 상이한 전력용량으로 구비될 수 있다. 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)가 각각 회전축(110)의 양단에 구비되므로, 어느 하나의 발전기가 고장나더라도 나머지 하나가 전원을 공급할 수 있어 비상용 전원 공급에 적합할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)가 서로 다른 전력용량으로 구비되는 경우, 전압 및 전력이 상이한 전원을 공급할 수 있는 장점이 있다
또한, 상부발전기(130a)와 하부발전기(130) 내부에 각각 상부베어링(미도시)과 하부베어링(미도시)이 수용되므로, 회전축(110)의 상하 양단에 발생되는 토크차를 없애서 비틀림에 의한 회전축의 피로를 경감시켜 내구성을 증대시킬 수 있다.
축상하지지프레임(140)은 회전축(110)의 상단과 하단을 함께 지지하여 블레이드부(120)의 회전시 발생되는 진동을 감소시킨다. 축상하지지프레임(140)은 하부발전기(130)에 수평하게 결합되는 하부프레임(141)과, 상부발전기(130a)에 수평하게 결합되는 상부프레임(143)과, 상부프레임(143)과 하부프레임(141)을 서로 연결하는 수직프레임(145)을 포함한다.
여기서, 하부프레임(141)과 상부프레임(143) 및 수직프레임(145)은 전체적으로 "ㄷ"자 형상으로 구비되며, 경우에 따라 일체로 형성될 수 있다.
상부발전기(130a)와 하부발전기(130)가 축상하지지프레임(140)에 위치가 구속되므로 도 1에 도시된 바와 같이 축(11)이 오픈되어 있는 상태에서 회전되는 종래 풍력발전장치(10)의 구조와 비교할 때 블레이드부(120)의 고속 회전시 발생되는 진동이 현저하게 줄어들 수 있다.
한편, 축상하지지프레임(140)이 "ㄷ"자 형태로 형성되므로, 풍력발전장치(100)를 벽면 또는 지면 등에 다양하게 결합시킬 수 있다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력발전장치(100)는 하부프레임(141)과 상부프레임(143)의 일측 단부에 하부고정부재(141a)와 상부고정부재(143a)가 구비되어 지면에 일정 높이 이격되게 풍력발전장치(100)가 설치될 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명에 따른 풍력발전장치(100)의 동작과정을 도 2 와 도 3을 참조하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 풍력발전장치(100)는 회전축(110)의 상부와 하부에 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)가 결합된다. 회전축(110)은 상부발전기(130a)와 하부발전기(130) 내부에 구비된 상부베어링(미도시)과 하부베어링(미도시)에 의해 회전가능하게 축상하지지프레임(140)에 결합된다.
한편, 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)의 외측에는 블레이드부(120)가 결합된다. 블레이드부(120)의 축결합판(121)은 체결부재(a)에 의해 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)에 고정결합된다.
블레이드부(120)가 풍력에 의해 회전되면, 회전축(110)이 함께 회전하게 된다. 이 과정에서 상부발전기(130a)와 하부발전기(130)는 블레이드부(120)의 회전운동을 전기에너지로 변환하게 된다
한편, 블레이드부(120)가 회전할 때, 회전축(110)의 상부와 하부가 축상하지지프레임(140)에 회전가능하게 결합되어 있으므로, 회전시 발생되는 진동이 최소화된다. 이에 따라 상부베어링 및 하부베어링과 이들을 수용하는 상부발전기 및 하부발전기의 피로를 감소시켜 내구성을 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 풍력발전장치(100)는 회전축(110)에 대해 블레이드부(120)가 수직하게 결합된 수직축 방식을 채용하고 있다. 그리고, 블레이드부(120)가 크로스플로형 풍차 형태를 갖고 있다. 그러나, 이는 일례일 뿐이고, 수직축 방식에 대해 상하로 한 쌍의 발전기(130,130a)가 채용될 수 있는 한, 블레이드부는 S형 로터방식, 다류스형 풍차, 패들형 풍차, 나선형 블레이드 등 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 풍력발전장치는 회전축의 상부와 하부에 한 쌍의 발전기가 구비된다. 이에 의해 블레이드의 회전시 회전축의 상부의 진동발생을 최소화하고, 회전축의 상부와 하부의 토크차를 없애서 비틀림에 의한 샤프트의 피로를 경감시켜 내구성을 증대시킬 수 있다.
또한, 두 개의 발전기가 구비되므로, 하나의 발전기가 고정이 나더라도 나머지 하나가 전원을 지속할 수 있는 장점이 있다.
또한, 두 개의 발전기의 용량을 서로 다르게 설치할 경우, 전압 및 전력이 다른 전원을 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 축상하지지프레임이 "ㄷ"자 형태로 형성되므로, 상부, 하부, 측면 등 다양한 위치에 고정부재를 결합하여 벽면, 지면 등에 자유롭게 풍력발전장치를 설치할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 풍력발전장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 풍력발전장치 110 : 회전축
120 : 블레이드부 121 : 축결합판
123 : 블레이드프레임 125 : 블레이드
130 : 하부발전기 130a : 상부발전기
140 : 축상하지지프레임 141 : 하부프레임
141a : 하부고정부재 143 : 상부프레임
143a : 상부고정부재 145 : 수직프레임

Claims (3)

  1. 지면에 수직하게 배치되는 회전축과;
    풍력에 의해 상기 회전축과 함께 회전되도록 상기 회전축에 결합되는 블레이드부와;
    상기 회전축이 회전가능하도록 상기 회전축의 상부와 하부를 함께 지지하는 축상하지지프레임과;
    상기 회전축과 상기 축상하지지프레임의 상하 결합영역에 각각 구비되며, 상기 블레이드부의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 한 쌍의 발전기와;
    상기 발전기 내부에 구비되어 풍력에 의해 상기 회전축이 상기 축상하지지프레임에 대해 회전될 수 있도록 지지하는 한 쌍의 베어링을 포함하되,
    상기 블레이드부는,
    상기 회전축의 상부와 하부에 각각 결합되는 한 쌍의 축결합판과;
    상기 한 쌍의 축결합판에 방사상으로 일정 각도 간격으로 연장되는 복수개의 블레이드프레임과;
    상기 복수개의 블레이드프레임에 수직하게 결합되는 복수개의 블레이드를 포함하고,
    상기 한 쌍의 축결합판은 각각 원판 형태로 형성되어 원판의 중심으로 한 쌍의 발전기가 외부로 돌출되어 상기 축상하지지프레임에 결합되며, 상기 한 쌍의 발전기는 상기 축상하지지프레임에 위치가 구속되고,
    상기 축상하지지프레임은,
    상기 회전축의 하부에서 하부발전기에 수평하게 결합되는 하부지지프레임과;
    상기 회전축의 상부에서 상부발전기에 수평하게 결합되는 상부지지프레임과;
    상기 하부지지프레임과 상기 상부지지프레임을 서로 연결하는 수직프레임과
    상기 하부지지프레임, 상기 상부지지프레임 및 상기 수직프레임 중 어느 하나 이상에 결합되는 고정부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 발전기는 전력용량이 서로 상이하게 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
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