KR102018204B1 - 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 제1권상기, 제2권상기에 고중량체를 현수시켜 상호 교호로 구동시키되, 고중량체의 견인은 각 권상기의 모터와 구동기어박스를 통한 견인시 전격 소비전력을 사용하고, 고중량체의 자유낙하시에는 낙하에너지에 따른 발전축을 회전시켜 변속기와 발전기를 통한 발전이 이루어지도록 함으로써, 하나가 아닌 다수의 세트개념으로 설비시 모터의 사용 소비전력 대비 높은 고효율의 발전량을 친환경적으로 생산해 낼 수 있고 저소음으로도 운영할 수 있어 환경에 영향을 주지 않는 설비 시스템을 구축하여 도심, 도외지는 물론, 전기공급이 어려운 섬 등에 유용하게 시설하여 필요로 하는 사용 전기에너지를 제공할 수 있다.

Description

권상기의 제어기능을 이용한 발전장치{Generating device using control function of traction machine}

본 발명은 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 호이스트(Hoist)와 같은 권상기(捲上機, traction machine)를 이용하여 고중량체(weight)를 교호로 승강 구동하는 방식으로 발전기 축을 회전시켜 구동에 소비되는 전력대비 발전기로부터 높은 효율의 전기 에너지를 얻을 수 있도록 한 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 기존의 화석에너지 자원이 점차 고갈되고, 환경 문제가 대두 됨에 따라, 이미 오래전부터 청정 대체 에너지 특히, 수력 및 조력이나 파력, 화력, 등에서 얻어지는 부하 에너지나, 풍력에서 발생하는 부하 에너지를 효과적으로 이용하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.

대표적으로, 댐을 이용한 수력발전 방법이나, 달의 중력에 의하여 생기는 바닷물의 밀물과 썰물을 이용한 조력발전 장치나, 파도의 위아래 움직임을 활용한 파력 발전 장치들이 있다.

또한, 풍력을 이용하는 수평축 풍력발전 장치와 수직축 풍력발전 장치가 있으며, 전 세계는 이와 같은 장치들을 이용한 청정에너지를 효과적으로 활용하고 있으나, 개선되어야 할 분야는 무궁하다 볼 수 있다.

이와 같이 수력이나 조력 및 파력 에너지를 이용한 발전 기술 연구는 활발하게 추진되고 있으나, 조력의 문제로는 변화하는 부하 방향 및 부하의 높낮이 따른 어려움 및, 만을 막는 방식의 건설에 따른 엄청난 투자비용과 생태계 파괴 등의 문제들이 있으며, 또한 파력에 있어서 불규칙한 파도의 부하를 활용하는 파력 발전의 기본적 원리는 오래전에 연구되었으나, 변화가 심한 바다에서의 지지구조물 설치의 어려움 등, 여러 가지 기술적인 어려움으로 인하여 아직은 시험적 단계에 있는 것이 현 실정이다.

또한, 수력발전은 이미 오랜 전부터 활용하고 있으나, 추가 수력발전 건설 장소의 한계와 엄청난 비용 등의 어려움으로 최근에는 강이나 하천에 보를 막아 건설하는 소 수력 및, 초 소 수력 등이 있으나 물길을 막는 방법은 물고기의 이동을 차단하는 등에 생태계 파괴로 이어지는 환경적 문제를 안고 있다.

한편, 풍력에 가장 보편적인 수평축 풍력 발전 장치는, 양력을 이용하는 효율 높은 구조이나 가장 큰 문제점은 바람의 방향에 따라 방향을 바꾸어야 하기에 일정한 방향에 지속적으로 불어주는 풍질이 좋은 설치장소의 한계점 등과, 또한 일정 이하의 풍속을 갖는 바람에서는 양력발생이 어려워지고 일정 이상에 강풍에서는 기기의 보호를 위하여 정지시켜야 하며, 또한 높은 위치의 지주에 무거운 발전기 등을 설치하여야 하는 등에 문제들이 있어 이를 보완하는 장치들로 인한 고가의 설치 비용이 소요되는 등 어려움이 있다,

이와 함께 바람의 방향에 관계없는 수직축 풍력 발전 장치 경우, 어느 방향에서 작용 되는 부하에도 중심 축을 기준 하여 작용과 반작용의 부하가 작용함으로 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 저속 바람에서 효율적인 항력식과, 고속 바람에서 효율적인 양력식으로 나누어져 있으나 효율이 낮은 구조로서 대형 발전에는 어려움이 있는 실정이다.

상기 화력 발전의 경우, 폐유 등과 같은 화석에너지를 이용하여 도심지의 지역난방, 전기에너지를 생성하고 있으나, 이 또한 주로 폐유지만 화석에너지를 사용한다는 점으로 수입에 한계가 있고, 이는 자원에도 영향을 주며, 연소에 따른 주변 환경오염문제 등이 발생하는 것으로 지적되고 있다.

한편, 중량체를 이용한 발전장치에 대한 선원기술을 살피면, 대한민국 등록특허 제10-1610248호(명칭: 하중을 처리하기 위한 장치 내에서 에너지를 회수하기 위한 시스템, 등록일자: 2016년 04월 01일, 이하 '특허문헌'이라 함)이 개시되어 있다.

상기 특허문헌은 리프트(lift), 화물용 호이스트(hoist) 및 유사 장치와 같이 하중을 처리하기 위한 장치 또는 크레인(crane)과 같은 리프팅 장치에서 에너지를 회수(recovery)하기 위한 시스템에 관한 것이며, 이는 하중의 작동상태에 따라 미리 설정된 값보다 크거나 작은 레벨의 전기에너지를 흡수하는 전기모터 수단에 의해 하중이 수직으로 이동하는 하중을 처리하기 위해 전기모터 수단에 의해 순간적으로 흡수되는 전기에너지의 양을 감지하기 위한 감지수단 및 상기 전기모터 수단의 출력 축의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 적어도 한 개의 전기 발전기를 포함하고, 감지수단은 전기모터 수단에 의해 흡수된 전기에너지가 미리 정해진 값보다 작을 때 적어도 한 개의 전기 발전기의 작동을 유도하며 전기모터 수단에 의해 흡수된 전기에너지가 미리 정해진 값보다 클 때 상기 적어도 한 개의 전기발전기의 작동중지를 유도하도록 한 것이 기술의 특징이다.

상기와 같은 특허문헌의 기술은 상술한 바와 같이 리프트나, 화물용 호이스트 및 크레인과 같은 장비를 통해 전기모터 수단에 의해 흡수된 전기에너지가 미리 정해진 값보다 작을 때 적어도 한 개의 전기 발전기의 작동을 유도하며 전기모터 수단에 의해 흡수된 전기에너지가 미리 정해진 값보다 클 때 상기 적어도 한 개의 전기발전기의 작동중지가 이루어져 전기에너지를 얻도록 한 점은 발전의 연속성이 없을 뿐만 아니라, 소비전력 대비 많은 발전량을 얻을 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 제반되는 종래의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 호이스트(Hoist)와 같은 권상기(捲上機, traction machine)를 이용하여 고중량체(weight)를 교호로 승강 구동하는 방식으로 발전기 축을 회전시켜 구동에 소비되는 전력대비 발전기로부터 높은 효율의 전기 에너지를 얻을 수 있도록 한 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 권상기의 권상 능력을 이용한 발전장치는,

지면으로부터 마련되는 받침대상에 수직으로 설치되는 수직 지지대 및 수직 지지대의 상단에 수평으로 설치되는 수평 지지대로서 구축되는 지지구조물과; 상기 지지구조물의 수평 지지대와 평행하게 양단이 회전 가능하게 설치되는 발전축과; 상기 수평 지지대에 각각 고정 설치되고, 발전축상에 횡으로 설치되는 제1권상기 및 제2권상기와; 상기 제1권상기에 권선된 와이어 종단에 연결되어 승강하는 제1고중량체 및 제2권상기에 권선된 와이어 종단에 연결되어 승강하는 제2고중량체와; 상기 받침대와 수평 지지대 사이에 수직 설치되며, 길이방향 상, 하부 측에 제1고중량체 및 제2고중량체의 승강구간을 제어하는 스위치가 구비된 가이드레일과; 상기 수평 지지대측 제1권상기 및 제2권상기가 설치된 발전축에 연결 설치되는 변속기와; 상기 수평 지지대에 설치되며, 변속기의 출력축에 연결 설치되는 발전기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제1권상기 및 제2권상기는,

수평 지지대에 고정 설치되는 고정부가 마련된 본체와, 상기 본체 내에 설치되는 모터와, 상기 모터의 회전축에 설치되어 회전속도를 제어하는 구동기어박스와, 상기 구동기어박스의 출력축에 구비되는 일방향회전부재 및 구동기어와, 상기 본체에 관통하는 발전축 상에 회전 가능하게 설치되어 와이어를 권선하며, 발전축이 관통하는 양측에 일방향회전부재가 축 결합되고, 일면에는 상기 구동기어와 치합되는 종동기어가 부착된 드럼을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 일방향회전부재는, 일방향으로는 동력을 전달하고 반대방향으로는 슬립이 발생되는 일방향 베어링인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제1고중량체 및 제2고중량체는, 하부 중앙에 안내공이 형성되고, 안내공 내에는 링 형상의 마그네트가 교호로 안내 설치되며, 상기 받침대의 상부에는 상기 마그네트에 대해 전기 자기장 발생으로 와전류가 가해져 제1고중량체 및 제2고중량체를 저속으로 받침대에 안착 유도하는 브레이크축이 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 제1고중량체 및 제2고중량체의 외부에는 가이드레일을 따라 안내되는 가이드롤러가 구비되고, 일측에 상기 스위치를 접점 온/오프시키기 위한 간섭돌부가 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 스위치는 리미트 스위치인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치는, 제1권상기, 제2권상기에 고중량체를 현수시켜 상호 교호로 구동시키되, 고중량체의 견인은 각 권상기의 모터와 구동기어박스를 통한 견인시 전격 소비전력을 사용하고, 고중량체의 자유낙하시에는 낙하에너지에 따른 발전축을 회전시켜 변속기와 발전기를 통한 발전이 이루어지도록 함으로써, 하나가 아닌 다수의 세트개념으로 설비시 모터의 사용 소비전력 대비 높은 고효율의 발전량을 친환경적으로 생산해 낼 수 있고 저소음으로도 운영할 수 있어 환경에 영향을 주지 않는 설비 시스템을 구축하여 도심, 도외지는 물론, 전기공급이 어려운 섬 등에 유용하게 시설하여 필요로 하는 사용 전기에너지를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명인 발전장치를 개략적으로 도시한 정면도,
도 2는 본 발명에 따른 발전장치를 개략적으로 도시한 평면도,
도 3은 본 발명에 따른 발전장치의 제1권상기 및 제2권상기를 발췌하여 도시한 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 발전장치의 제1 및 제2고중량체를 발췌하여 도시한 구성도,
도 5 내지 도 9는 본 발명에 따른 발전장치의 작동상태 1사이클을 순차적으로 도시한 정면도이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 의한 권상기를 이용한 발전장치(100)를 첨부된 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 발전장치는, 지면으로부터 마련되는 받침대(111)상에 수직으로 설치되는 수직 지지대(112) 및 수직 지지대(112)의 상단에 수평으로 설치되는 수평 지지대(113)로서 구축되는 지지구조물(110)과; 상기 지지구조물(110)의 수평 지지대(113)와 평행하게 양단이 회전 가능하게 설치되는 발전축(120)과; 상기 수평 지지대(113)에 각각 고정 설치되고, 발전축(120)상에 횡으로 설치되는 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)와; 상기 제1권상기(130)에 권선된 와이어(W) 종단에 연결되어 승강하는 제1고중량체(150) 및 제2권상기(140)에 권선된 와이어(W) 종단에 연결되어 승강하는 제2고중량체(160)와; 상기 받침대(111)와 수평 지지대(113) 사이에 수직 설치되며, 길이방향 상, 하부 측에 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)의 승강구간을 제어하는 스위치(S1~S7)가 구비된 가이드레일(170)과; 상기 수평 지지대(113)측 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)가 설치된 발전축(120)에 연결 설치되는 변속기(180)와; 상기 수평 지지대(113)에 설치되며, 변속기(180)의 출력축에 연결 설치되는 발전기(190);를 포함하여 구성된다.

첨부된 도 2에서와 같이, 본 발명의 발전장치는 지지구조물을 연속되게 구축하여 한 세트가 아닌 여러 세트를 배열 시설함으로써, 효율적인 발전장치를 구축할 수 있도록 한다.

첨부된 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)의 구조를 살피면, 일반적으로 사용하는 호이스트와는 차별화 한 것으로, 통상 호이스트에 구비되는 전기브레이크를 생략한 구조의 권상기를 제공하는 것이며, 상기 발전축(120)은 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)에 있어, 각각 이들에 마련되는 드럼(136,146)을 관통 결합하여 발전축을 회전시키는 구조로서, 상기 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)는 한 조로 이루어진다.

상기 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)는 수평 지지대(113)에 고정 설치되는 고정부(131a,141a)가 마련된 본체(131,141)와, 상기 본체(131,141) 내에 설치되는 모터(132,142)와, 상기 모터(132,142)의 회전축에 설치되어 회전속도를 제어하는 구동기어박스(133,143)와, 상기 구동기어박스(133,143)의 출력축에 구비되는 일방향회전부재(B1) 및 구동기어(134,144)와, 상기 본체(131,141)에 관통하는 발전축(120) 상에 회전 가능하게 설치되어 와이어(W)를 권선하며, 발전축(120)이 관통하는 양측에 일방향회전부재(B2)가 축 결합되고, 일면에는 상기 구동기어(134,144)와 치합되는 종동기어(135,145)가 부착된 드럼(136,146)을 포함하여 구성된다.

상기 고정부(131a,141a)는 볼트와 너트(도면에서 생략함)로 체결 고정될수 있는 결합공이 형성된 플랜지부분이 일체로 형성된 것이다.

한편, 상기 일방향회전부재(B1,B2)는 일방향으로는 동력을 전달하고 반대방향으로는 슬립이 발생되는 일방향 베어링이 사용된다.

첨부된 도 4에서 도시된 상기 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)는 지지구조물, 후술하는 발전기 및 변속기에 따라 적어도 각각 1톤(ton) 이상 5톤(ton) 이하의 중량이 사용되며, 동일 무게의 중량체를 상기 와이어(W)에 매달아 승강할 수 있도록 한다.

상기 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)는, 하부 중앙에 안내공(151,161)이 형성되고, 안내공(151,161) 내에는 링 형상의 마그네트(M1,M2)가 교호로 안내되어 고정 설치된다.

상기 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)에 대하여 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)가 위치하는 하부방향측 상기 받침대(111)의 상부에는 상기 마그네트(M1,M2)에 대해 전기 자기장 발생으로 와전류가 가해져 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)를 저속으로 받침대에 안착 유도하기 위한 브레이크축(111a)이 설치된다.

상기 브레이크축(111a)은 제1 및 제2고중량체(150,160)가 하방향으로 낙하하는 최종 단계에서 받침대(111)에 가해지는 충돌을 방지할 수 있도록 한 것이다.

상기 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)의 외부에는 가이드레일(170)을 따라 안내되는 가이드롤러(150a,160a)가 구비되고, 일측에 상기 스위치(S1~S4, S5~S7)를 접점 온/오프시키기 위한 간섭돌부(150b,160b)가 구비된다.

한편, 상기 가이드레일에 설치되는 상기 스위치(S1~S7)는 리미트 스위치이며, 이들은 상기 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)의 승강을 교호로 제어하기 위한 수단으로 미도시된 제어부를 통해 상기 제1권상기 및 제2권상기의 모터의 구동(권선)을 제어하고, 주어진 높이에서 승강을 제어하도록 한다.

이와 같이 구성된 본 발명인 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치의 운영상에 따른 작용을 기술하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 발전장치의 각 구성부분에 대한 동작상태를 설명하면, 제어부의 설정된 프로그램에 의해 제1권상기(130)에 따른 제1고중량체(150), 제2권상기(140)에 따른 제2고중량체(160)를 승강 제어 구동함에 있어, 상향 견인시에는 각각의 권상기에 마련된 모터(132,142)의 구동으로 구동기어박스(133,143)를 통해 드럼(136,146)을 회전시켜 와이어(W)를 드럼에 권선 시킴으로써, 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)를 들어 올려준다.

상기와 같이 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)를 들어 올려지는 과정에서 상기 제1권상기(130), 제2권상기(140)의 각 드럼(136,146)을 관통하는 발전축(120)은 저속회전하면서 드럼을 회전시켜 와이어(W)를 리와인딩(권선)시켜 준다.

상기 드럼(136,146)에 있어 각각 드럼에 마련된 종동기어(135,145)는 구동기어박스측으로부터 설치된 구동기어(134,144)와 치합 회전으로서, 와이어(W)를 권선시켜 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)를 상향 견인시킬 수 있는 것이며, 이때 구동기어박스의 출력축 측의 일방향회전부재(B1) 및 드럼(136, 146)의 양측에 구비되어 발전축(120)과 결합된 일방향회전부재(B2)는 슬립형태로 작동된다.

즉, 상기와 같이 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)가 상향 견인시에는 발전축(120)에 변속기(180) 및 발전기(190)에 동력이 전달되지 않는 상태로서 견인이 이루어진다.

참고로, 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 견인되는 높이는 제1고중량체(150), 제2고중량체(160)의 중량과 이를 허용하는 제1권상기(130), 제2권상기(140)의 사용범위에 따라 그 높이는 달라지며, 이에 따라 지지구조물(110)의 구축 높이 또한 달라진다.

한편, 상기와 반대로 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 낙하시에는 상기 모터(132,142)의 구동은 정지된 상태에서 와이어(W)에 매달린 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)는 자유낙하를 하고, 자유낙하에 따라 발전축(120)은 이와 접한 일방향회전부재(B1,B2)의 일방향 회전으로써 회전이 이루어져 발전축(120)을 통한 변속기에서 회전을 증속시켜 발전기에서 요구하는 발전량을 얻게된다.

상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 낙하시에는 드럼(136,146) 측의 종속기어(135,145), 구동기어(134,144), 구동기어박스(133,143)를 통해 저항을 주면서 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 하강이 이루어진다.

한편, 지지구조물(110)의 받침대(111)로 하강하는 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)는 상기 받침대(111)는 가이드레일(170)을 따라 수직으로 하강하며, 여기서 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 외측에 구비된 가이드롤러(150a,160a)는 수직하강을 돕는다.

상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)가 지지구조물(110)의 받침대(111)로 최종 하강된 상태는 첨부된 도 1과 같은 상태이며, 여기서 상기 받침대(111)에 마련된 브레이크축(111a)에 대해 하강속도를 최종 완화시켜 받침대(111)와의 충돌을 방지하도록 한다.

상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)는 첨부된 도 4에서 도시한 바와 같이, 하부 중앙에 마련된 안내공(151,161)에 링형의 마그네트(M1,M2)가 삽입 설치된 것으로, 브레이크축(111)에 상기 마그네트(M1,M2)가 진입되면서 자기장에 의한 와전류를 발생시켜 전기브레이크와 같은 역할로써 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 최종 하강 속도를 부드럽게 정지시킬 수 있게 된다.

상술한 바와 같이 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 승강 동작 및 그 제어는 상기 가이드레일(170)의 상, 하부 측에 마련된 스위치(S1~S7)를 접점시키거나 단락시키는 신호로써, 상기 제1권상기(130), 제2권상기(140)의 리와인딩 동작구현으로써 승강이 제어되며, 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 승강은 교호로 이루어진다.

상기 스위치(S1~S7)들은 상기 제1고중량체(150) 또는 제2고중량체(160)의 외부에 마련된 간섭돌부(150b,160b)에 의해 접점상태를 온 또는 오프시키는 신호를 제어부에 전달하여 상기와 같은 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)의 모터(132,142) 구동을 제어할 수 있도록 한 것이다.

상기와 같은 각 구성부분의 사용부분에 대해 본 발명 발전장치의 작동상태를 첨부된 도 5 내지 도 9를 통해 설명하면 다음과 같다.

참고로, 통상적인 권상기(호이스트)의 기계적인 구성에는 권선의 에너지를 공급하기 위한 모터부와 권선하는 힘을 증가시키기 위한 기어부, 와이어를 감을 수 있는 와이어 드럼으로 크게 볼 수 있는 것으로, 동작을 제어하기 위해서 기계식 브레이크와 전기 브레이크, 전기적 신호를 제어하기 위한 제어부가 있어 중량물에 대한 상하 동작이 이루어진다.

상기 권상기의 동작에 대해 간단히 설명하자면 상향시키는 신호가 왔을 때 제어부에 의해 모터가 구동하고 기어부를 통해 동력이 전달되면 와이어 드럼에 와이어가 감기면서 상향의 동작되고, 상향 신호가 멈추게 되면 기계식 브레이크가 작동되어 와이어 드럼은 정지상태를 유지하며, 하향 신호가 오게 되면 기계식 브레이크가 풀리면서 와이어드럼이 상향 동작 때와는 반대로 회전하고 전기 브레이크가 작동하여 자유낙하가 아닌 전기적 마찰에 의하여 저속으로 하향 동작되는 것이다.

이에 본 발명은 상기의 작동원리를 갖는 권상기에 있어서, 전기 브레이크 부분을 없애므로 자유낙하하는 에너지를 이용하는 원리이다.

아울러 본 발명의 발전장치에 있어, 제1권상기(130)와 제2권상기(140)의 작동을 제어하기 위한 스위치(S1~S7)의 연관 관계를 설명하면 다음과 같다.

상기 제1권상기(130)가 위치한 가이드레일(170) 상의 스위치(S1~S4)와 상기 제2권상기(140)가 위치한 가이드레일(170) 상의 스위치(S5~S7)는 제어부를 통해 제1고중량체(150), 제2고중량체(160)의 승강제어가 이루어지도록 한 것으로,

상기 스위치(S1)는 제1권상기의 구동기어박스를 통한 제1고중량체의 상승 신호를 정지하고, 상기 스위치(S2)는 제2권상기(140) 및 스위치(S5,S6,S7)에 전원공급을 최초 구동시에 인가하기 위한 것이며, 상기 스위치(S3)는 제2권상기(140)를 통한 제2고중량체의 하강신호를, 상기 스위치(S4)는 제1권상기를 통한 제1고중량체 상승신호를, 상기 스위치(S5)는 제2권상기를 통한 제2고중량체를 상승된 상태를 정지신호를, 상기 스위치(S6)는 제1권상기를 통한 제1고중량체의 하강신호를, 상기 스위치(S7)는 제2권상기를 통한 제2고중량체의 상승신호를 발생하여 제1고중량체 및 제2고중량체의 상호 엇갈린 형태로 작동이 연속 반복되도록 하는 것이다.

먼저, 첨부된 도 1과 같은 상태는 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)의 모터(132,142)와 스위치(S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7)의 전원은 모두 오프(OFF) 상태에서 시작되는 것이며 도 1과 같이 정지상태가 발전이 시작되기 이전의 준비상태가 된다.

상기 준비상태에서 제어부의 전원을 온(ON)하게 되면 1차적으로 제1권상기(130),스위치(S1,S2,S3,S4)에 우선적으로 전원이 공급되고 제1고중량체(150)가 동작하여 스위치(S2)를 접점시 제2권상기(140), 스위치(S5,S6,S7)에 2차적으로 전원이 공급된다.

이는 준비상태에서 첫 작동시에만 적용하고 상기 스위치(S2)는 처음 접점상태에서 이후에는 모든 전원이 오프(OFF) 될 때까지 상태를 유지한다.

상기와 같은 초기 발전준비가 이루어진 상태에서 첨부된 도 5는 제어부의 전원이 온(ON)이 되어 제1권상기(130)측 스위치(S1,S2,S3,S4)에 전원이 공급 시작된 후 이미 접점상태가 되어 있는 스위치(S4)의 신호가 제어부를 통해 제1고중량체(150)을 상승시키고 간섭돌부(150b)가 스위치(S2)를 접점시켜 이때 발생된 전기신호는 제어부를 통해 제2권상기(140)측 스위치(S5,S6,S7)에 전원을 공급하게 된다.

상기 전원이 공급된 제2권상기(140)측 스위치(S5,S6,S7)에서 접점상태인 스위치(S6)의 신호로 제1권상기(130)의 제1고중량체(150)은 자체 중량으로 하강하게 되고 접점상태인 스위치(S7)의 신호로 제2권상기(140)의 제2고중량체(160)은 상승하게 된다.

한편, 첨부된 도 6은 상기 신호 받은 바와 같이 동작되는 상태로, 제2고중량체(160)는 제2권상기(140)에 의해 상승이 이루어지고 제1고중량체(150)는 반대로 하강을 하며, 이때 발전축(120)은 제1고중량체(150)의 하강 동작으로 인한 회전동력을 변속기(180) 및 발전기(190)에 전달하는 상태이다.

상기 제1고중량체(150)가 하강하여 스위치(S3)을 접점 시키면, 상기 제2권상기(140)에 하향신호를 보내 제2고중량체(160)가 하강하게 된다.

첨부된 도 7은 하강한 제1고중량체(150)가 스위치(S4)를 접점시켜 제1권상기(130)에 상향신호를 보내고, 여기서 제1고중량체(150)에 대한 상승이 다시 이루어진다.

첨부된 도 8은 제1고중량체(150)가 안착되어 발생하는 전기적인 신호는 다시 제1권상기(130)측의 모터(132)를 구동하여 제1고중량체(150)를 상승시키고, 이와 반대로 제2권상기(140)측 와이어(W)에 매달린 제2고중량체(160)는 하강신호를 전달받아 하강하는 상태가 된다.

도 9는 상기 제2고중량체(160)의 하강에 따라 제1고중량체(150)가 다시 역으로 상승된 상태를 보여주는 것으로서, 이는 첨부된 도 5에와 같은 동일한 상태가 되어 발전 1사이클의 동작이 재차 반복되어 발전을 실시할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이, 싸이클을 반복하는 상태에서 스위치(S1)과 스위치(S5)는 발전기(190)에 부하가 많이 걸린 상태로 상기 제1고중량체(150),제2고중량체(160)의 상승 속도가 하강속도 보다 빠를 때 설비를 보호하기 위해 접점 시 스위치(S1)은 제1권상기(130)에 구동기어박스가 작동하는 상향 정지 신호를 보내고, 상기 스위치(S5)는 제2권상기(140)에 구동기어박스가 작동하는 상향 정지 신호를 보내는 형태로 작동이 이루어진다.

상기와 같이 본 발명의 발전장치는 제1고중량체(150)와 제2고중량체(160)가 교호로 엇갈리게 승강되는 것으로써, 상기와 같이 자유낙하 함에 있어, 상기 받침대(111)상의 브레이크축(111a)에 도달할 때는 제1고중량체(150)와 제2고중량체(160)의 하부 중앙측 안내공(15a,161)에 구비된 링형의 마그네트(M1,M2)와의 상호 자기장작용으로 와전류를 발생시키면서 서서히 안착되는 동작을 구현한다.

상기와 같이 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)가 상승할 때는 제1권상기(130)의 모터(132), 제2권상기(140)의 모터(142)에 의해 와이어(W)로서 견인이 이루어지고, 반대로 각각 교호로 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)가 하강하는 상태에서 발전축(120)을 연속구동하여 변속기(180)를 발전축(120)의 회전속도를 증속시켜 발전기(190)로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 발전장치는 도 2에서와 같이 하나가 아닌 다수의 세트(Set)로 연속 설치하여 제1권상기 및 제2권상기의 모터를 구동하는 소비전력에 대비하여 낙하에너지에 의한 전력을 대량으로 생산해 낼 수 있다.

상기와 같이 고중량체의 낙하 에너지를 이용한 발전장치는 아래 표 1에서와 같이 고중량체를 각각 1,2,3 및 5톤을 가정하였을 때에 모터 구동에 따른 소비전력과 권상속도 즉, 상승높이에 대한 제원을 구할 수 있다.

중량(Kg)	1000	2000	3000	5000
모터 소비전력(w)	2200	3700	5500	5500
권상속도(m/min)	12	10	9	5.6
드럼직경(mm)	160	200	200	250

상기와 같은 제원을 통해 각 중량에 따른 출력은 아래 표 2에서와 같은 수치를 구할 수 있다.

중량(kg)	1000	2000	3000	5000
드럼 반지름(mm)	80	100	100	125
분당상승높이(m)	12	10	9	5.6
와이어 드럼둘레(mm)	502	628	628	785
바닥에 닿을 때까지의 드럼 회전수	23.9	15.9	14.3	7.1
낙하시간(sec)	1.565	1.429	1.355	1,069

상기 표 2에서는 각 중량별로 갖는 출력 수치는 1분당 고중량체의 권상속도를 기준한 것으로,

T(토크), rpm(회전수), r(와이어드럼 반지름 mm), F(힘), g(중력가속도), kg(무게), 높이(m)를 토대로 한 공식을 대입하면 다음과 같다.

w = t x rpm,

w = r x F x rpm,

w = r x g x m x rpm,

w = r x g x m x rpm / 낙하시간을 대합하여 각 중량별로 출력량을 구하면,

1ton = 0.08 x 9.8 x 1000 x 23.9 / 1.565 = 11973w,

2ton = 0.1 x 9.8 x 2000 x 15.9 / 1.429 = 21808w,

3ton = 0.1 x 9.8 x 3000 x 14.3 / 1.355 = 31027w,

5ton = 0.125 x 9.8 x 5000 x 7.1 / 1.069 = 40680w의 출력량을 얻을 수 있게 된다.

통상 발전기에 따른 효율, 즉 발전기의 사용상에 따른 손실에 대한 발전능력을 최대 80% 내지 60%로 가정하였을 아래 표 3에서와 같이 각 고중량체의 중량별에 따라 얻어질 수 있는 발전량은 달라짐을 알 수 있다.

중량(kg)	1000	2000	3000	5000
60%일 때 w	7183.8	13084.8	18616.2	24408
70%일 때 w	8381.1	15265.6	21718.9	28476
80%일 때 w	9578.3	17446.4	24821.6	32544

따라서 본 발명에 따른 발전장치는 각 권상기를 이용한 중량에 대한 효율(발전에서 얻어지는 전력(w)은 아래 표 4와 같다.

중량(kg)	1000	2000	3000	5000
발전량(w) - 소비전력(w)	9578.3 - 2200 = 7378.3	17446.4 - 3700 = 13746.4	24821.6 - 5500 = 19321.6	32544 - 5500 = 27044

상기 표 4는 권상기를 이용한 고중량체의 상승속도시간은 고중량체의 자유낙하에 의한 하강속도보다 작으며, 이에 따라 얻어진 발전량은 모터의 소비전력을 제외한 나머지 1톤을 가정하였을 때 고중량체를 권상시키는데 사용한 소비전력 2200w를 제외하고 7378.3w의 높은 효율의 전기에너지를 생산할 수 있다.

참고로 아래 표 5는 각 중량별로 발전장치를 설비하였을 때 차지하는 전용면적을 나타낸 것이다.

중량(kg)	1000	2000	3000	5000
넓이(mm)	2800 x 500	3000 x 500	3100 x 600	3500 x 700

상기와 같이 차지하는 공간은 축구장 넓이(68000 x 105000mm)를 가정하였을 때 본 발명의 발전장치 설비는 유지보수할 수 있는 공간, 통행로를 포함할 경우, 1톤은 2784세트를 구축할 수 있다는 점에서 주거환경에 영향을 미치지 않고 설치가 가능하다. 따라서 도심이나 도외지 혹은 전기 공급이 용이하지 못한 섬 등에 충분히 시설, 운영할 수 있으며, 친환경적이고, 공간활용이 매우 좋으며, 외벽설치시 저소음으로 발전설비를 갖추어 운영할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 지지구조물 111: 받침대
111a: 브레이크축 112: 수직 지지대
113: 수평 지지대 120: 발전축
130: 제1권상기 140: 제2권상기
131a,141a: 고정부 131,141: 본체
132,142: 모터 133,143: 구동기어박스
134,144: 구동기어 135,145: 종동기어
136,146: 드럼 150: 제1고중량체
160: 제2고중량체 150a,160a: 가이드롤러
150b,160b: 간섭돌부 151,161: 안내공
170: 가이드레일 180: 변속기
190: 발전기 B1,B2: 일방향회전부재
M1,M2: 마그네트 S1~S7: 스위치
W: 와이어

Claims (6)

1. 지면으로부터 마련되는 받침대(111)상에 수직으로 설치되는 수직 지지대(112) 및 수직 지지대(112)의 상단에 수평으로 설치되는 수평 지지대(113)로서 구축되는 지지구조물(110)과;
   상기 지지구조물(110)의 수평 지지대(113)와 평행하게 양단이 회전 가능하게 설치되는 발전축(120)과;
   상기 수평 지지대(113)에 각각 고정 설치되고, 발전축(120)상에 횡으로 설치되는 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)와;
   상기 제1권상기(130)에 권선된 와이어(W) 종단에 연결되어 승강하는 제1고중량체(150) 및 제2권상기(140)에 권선된 와이어(W) 종단에 연결되어 승강하는 제2고중량체(160)와;
   상기 받침대(111)와 수평 지지대(113) 사이에 수직 설치되며, 길이방향 상, 하부 측에 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)의 승강구간을 제어하는 스위치(S1~S7)가 구비된 가이드레일(170)과;
   상기 수평 지지대(113)측 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)가 설치된 발전축(120)에 연결 설치되는 변속기(180)와;
   상기 수평 지지대(113)에 설치되며, 변속기(180)의 출력축에 연결 설치되는 발전기(190);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1권상기(130) 및 제2권상기(140)는,
   수평 지지대(113)에 고정 설치되는 고정부(131a,141a)가 마련된 본체(131,141)와,
   상기 본체(131,141) 내에 설치되는 모터(132,142)와,
   상기 모터(132,142)의 회전축에 설치되어 회전속도를 제어하는 구동기어박스(133,143)와,
   상기 구동기어박스(133,143)의 출력축에 구비되는 일방향회전부재(B1) 및 구동기어(134,144)와,
   상기 본체(131,141)에 관통하는 발전축(120) 상에 회전 가능하게 설치되어 와이어(W)를 권선하며, 발전축(120)이 관통하는 양측에 일방향회전부재(B2)가 축 결합되고, 일면에는 상기 구동기어(134,144)와 치합되는 종동기어(135,145)가 부착된 드럼(136,146)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 일방향회전부재(B1,B2)는 일방향으로는 동력을 전달하고 반대방향으로는 슬립이 발생되는 일방향 베어링인 것을 특징으로 하는 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)는 하부 중앙에 안내공(151,161)이 형성되고, 안내공(151,161) 내에는 링 형상의 마그네트(M1,M2)가 교호로 안내 설치되며, 상기 받침대(111)의 상부에는 상기 마그네트(M1,M2)에 대해 전기 자기장 발생으로 와전류가 가해져 제1고중량체(150) 및 제2고중량체(160)를 저속으로 받침대(111)에 안착 유도하는 브레이크축(111a)이 구비된 것을 특징으로 하는 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 스위치(S1~S7)는 리미트 스위치인 것을 특징으로 하는 권상기의 제어기능을 이용한 발전장치.

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