KR102437234B1 - 고효율 수직형 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 기계식 증속기를 태양광을 이용한 비접촉 방식의 증속기로 대체하고 블레이드의 개량을 통해 블레이드의 회전 속도를 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 수직형 풍력발전장치에 관한 것으로, 하부가 지면에 고정되는 지주; 상기 지주의 일측에 구비되되 비접촉식 증속기가 일체로 결합되어 있으며, 하우징과, 상기 지주에 고정된 고정축과, 상기 고정축에 고정 설치된 고정코일과, 상기 고정축의 상단부에 베어링을 매개로 결합되되 상, 하부 수평부와 수직부를 포함하는 로터와, 상기 로터의 상, 하부 수평부 내측면에 구비된 제1, 제2 회전자석을 포함하는 비접촉식 증속기 일체형 발전기; 상기 로터의 상부 수평부 외측면에 고정 결합되는 회전축; 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 블레이드; 및 상기 지주의 다른 일측에 설치되되 태양광을 이용하여 보조 전기를 생산하는 태양광설비;를 포함하고, 상기 태양광설비에서 생산된 보조 전기는 상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기의 비접촉식 증속기로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 수직형 풍력발전장치{High efficiency vertical type wind power generating apparatus}
본 발명은 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 블레이드가 개량되고 태양광을 이용한 비접촉 방식의 증속기가 일체로 결합된 발전기가 구비된 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전은 바람에 의해 블레이드가 회전하면서 발생하는 기계에너지를 발전기를 통해 전기에너지로 변환하는 발전 방식이고, 블레이드의 회전축 방향에 따라 수평형과 수직형 풍력발전기로 나뉘어진다.
일반적으로 풍력발전기는 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 블레이드의 회전력을 증대시키기 위한 기어박스 형태의 증속기와, 증속기로부터 전달받은 기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기 등을 포함하여 구성된다.
상기 수직형 풍력발전기는 수평형 풍력발전기에 비해 속도가 낮아 효율은 떨어지나, 상대적으로 건설 비용이 저렴하고 유지 보수 및 점검이 용이하며 낮은 속도의 바람이 부는 환경이나 바람 방향의 변화가 많은 도시 지역에 설치될 수 있다는 장점이 있다.
이에 더하여 대표적인 재생에너지인 태양광을 결합한 형태의 수직형 풍력발전기가 개발되고 있다.
일예로, 아래의 특허문헌 1에 이러한 수직형 풍력발전기가 개시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 수직형 풍력발전기는 태양광 발전부(10)를 포함하는데, 상기 태양광 발전부(10)는 발전기(51)의 피니언기어(52)가 링기어부재(47)에 결합되거나 분리되는데 필요한 전원을 얻도록 한다.
즉, 상기 태양광 발전부(10)는 상기 링기어부재(47)와 맞물려 회전력이 상기 발전부(50)로 전달 또는 단속되도록 하는 피니언 기어(52)의 이동을 단속 및 제어하는 전원을 공급되게 한다.
상기 수직형 풍력발전기는 피니언 기어(52)의 이동 단속 및 제어에 필요한 전원을 태양광을 이용해 해결할 수 있으나, 링기어부재(47)의 회전 속도만으로 충분한 발전이 어려워 다수의 발전기(51)를 구비해야 하고, 낮은 속도로 인하여 각 발전기(51)의 발전 효율이 낮아질 수밖에 없는 문제가 있다.
또한, 아래의 특허문헌 2에는 고효율 수직형 풍력발전기가 개시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고효율 수직형 풍력발전기는 발전기 지지부(30)가 수직형 풍력 발전기가 위치하는 장소에 따라 상판(31)의 형태를 선택할 수 있으며, 상기 상판(31)의 상부와 케이스(10)의 외부면에 태양전지판을 부착함으로써 바람이 없는 상태에서도 최소한의 전력을 발생시킬 수 있다.
상기 고효율 수직형 풍력발전기는 풍력발전 외에 태양광발전을 도모하고 있으나 최소한의 전력 발생이라는 표현에서 알 수 있듯이 태양광을 통한 발전량은 저조할 수밖에 없고, 태양광설비 설치 비용을 고려할 때 이는 바람직한 조합이라고 보기 어렵다.
등록특허공보 제10-1924375호(2018. 12. 04. 공고) 등록특허공보 제10-0986155호(2010. 10. 07. 공고)
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 기존의 기계식 증속기를 태양광을 이용한 비접촉 방식의 증속기로 대체하고 블레이드의 개량을 통해 블레이드의 회전 속도를 증가시킴으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있는 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치는, 하부가 지면에 고정되는 지주; 상기 지주의 일측에 구비되되 비접촉식 증속기가 일체로 결합되어 있으며, 하우징과, 상기 지주에 고정된 고정축과, 상기 고정축에 고정 설치된 고정코일과, 상기 고정축의 상단부에 베어링을 매개로 결합되되 상,하부 수평부와 수직부를 포함하는 로터와, 상기 로터의 상, 하부 수평부 내측면에 구비된 제1, 제2 회전자석을 포함하는 비접촉식 증속기 일체형 발전기; 상기 로터의 상부 수평부 외측면에 고정 결합되는 회전축; 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 블레이드; 및 상기 지주의 다른 일측에 설치되되 태양광을 이용하여 보조 전기를 생산하는 태양광설비;를 포함하고, 상기 태양광설비에서 생산된 보조 전기는 상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기의 비접촉식 증속기로 공급된다.
본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치는, 상기 비접촉식 증속기가 상기 하우징의 수직벽면에 고정 설치된 트리거 코일과, 상기 로터의 수직부 외측면에 구비된 영구자석으로 이루어진다.
본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치는, 상기 블레이드가 에어포일의 단면상 최대 두께(t)가 되는 부분까지의 앞전을 수직 방향으로 소정 길이만큼 연장하여 판 형상의 슬롯을 구성하고, 평균캠버선을 수직 방향으로 소정 길이만큼 연장하되 슬롯의 후면 중심단부에 이격 설치되는 유도판을 구성하며, 상기 슬롯과 유도판은 연결브래킷으로 결합된다.
본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치는, 상기 유도판의 일측 방향에서 슬롯 내부로 유입된 공기는 정체되지 않고 상기 유도판의 타측 방향으로 빠져 나갈 수 있다.
본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치는, 상기 슬롯의 중심부 후방으로 이격판을 더 형성하여 상기 슬롯과 이격판 사이에 에어 충진부가 형성되도록 한다.
본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치는, 상기 태양광설비가 배터리에 저장된 전기를 상기 트리거 코일에 공급하는 펄스회로를 포함하여 구성된다.
본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치에 의하면, 기존의 기계식 증속기를 태양광을 이용한 비접촉 방식의 증속수단으로 대체함으로써 기계적인 전달장치를 통한 에너지 소비를 차단할 수 있으므로 풍력 발전 효율이 향상된다.
또한 본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치에 의하면, 블레이드의 개량을 통해 블레이드의 회전 속도를 증가시킴으로써 풍력 발전 효율이 향상된다.
또한 본 발명의 고효율 고효율 수직형 풍력발전장치에 의하면, 기존의 수직형 풍력발전기에 비해 효율적인 운용이 가능하여 장치의 실용성 및 효용성이 증대된다.
도 1은 종래기술에 따른 수직형 풍력발전기의 사시도이다.
도 2는 종래기술에 따른 고효율 수직형 풍력발전기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 수직형 풍력발전장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고효율 수직형 풍력발전장치의 비접촉식 증속기 일체형 발전기의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고효율 수직형 풍력발전장치의 블레이드를설명하기 위한 에어포일 단면 모양(a)과 블레이드의 분해 사시도(b)이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 수직형 풍력발전장치에서 연결브래킷의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 수직형 풍력발전장치의 블레이드에서 바람의 유동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 고효율 수직형 풍력발전장치에서 블레이드의 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 고효율 수직형 풍력발전장치는 지주(100), 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200), 회전축(300), 블레이드(400) 및 태양광설비(500)를 포함하고, 상기 태양광설비(500)에서 생산된 보조 전기가 상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200)의 비접촉식 증속기로 공급되는 것을 특징으로 한다.
이하, 각 구성별로 본 발명의 구체적인 내용을 설명한다.
상기 지주(100)는 본 발명의 고효율 수직형 풍력발전장치를 지면에 고정하기 위한 구성으로서, 하부는 앵커볼트와 같은 고정부재에 의해 지면에 고정된다.
상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200)는 지주(100)의 일측에 구비되되 비접촉식 증속기가 일체로 결합되어 있는 발전기로서, 일반적인 풍력발전기와는 구조가 상이하다.
구체적으로, 상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 하우징(210)과, 상기 하우징(210)의 수직벽면(212)에 고정 설치된 트리거 코일(220)과, 상기 지주(100)에 고정된 고정축(230)과, 상기 고정축(230)에 고정 설치된 고정코일(240)과, 상기 고정축(230)의 상단부에 베어링을 매개로 결합되되 상, 하부 수평부(252, 252')와 수직부(254)를 포함하는 로터(250)와, 상기 로터(250)의 수직부(254) 외측면에 구비된 영구자석(260)과, 상기 로터(250)의 상, 하부 수평부(252, 252') 내측면에 구비된 제1, 제2 회전자석(270, 270')을 포함한다.
이때, 상기 제1 회전자석(270)과 제2 회전자석(270')은 서로 다른 극성으로 배치되도록 한다.
여기서, 상기 트리거 코일(220)과 상기 로터(250)의 수직부(254) 외측면에 구비된 영구자석(260)은 비접촉식 증속기로서 기능하게 된다.
즉, 상기 트리거 코일(220)에는 배터리(560)에 저장된 전기가 펄스회로(580)를 거쳐 공급되는바, 상기 트리거 코일(220)은 회전하는 영구자석(260)이 접근한 후 멀어질 때 회전방향으로 영구자석(260)을 밀어내게 되므로, 상기 트리거 코일(220)과 영구자석(260)은 로터(250)를 증속시키는 기능을 하게 된다.
상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200)는 상기 로터(250)의 회전으로 제1, 제2 회전자석(270, 270')이 회전하고, 이는 고정코일(240)에 유도기전력을 발생시키게 됨으로써 전기가 생산된다.
그리고 이렇게 생산된 전기는 각종 부하에 사용하게 된다.
상기 회전축(300)은 상기 로터(250)의 상부 수평부(252) 외측면에 고정 결합되는바, 바람이 갖는 운동에너지가 블레이드(400)에 작용하여 이에 의해 회전축(300)이 회전하게 된다.
이와 같이 회전축(300)이 회전하게 되면 일체로 결합된 로터(250)가 회전하게 되고 이로 인해 상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200)에서 전기가 생산되는 것이다.
또한, 상기 회전축(300)에는 고정브래킷(320)을 통해 복수의 지지암(340)이 결합되어 있다.
상기 지지암(340)은 중공 구조로 이루어지되, 일측은 후술하는 연결브래킷(460)에 고정되고 타측은 고정브래킷(320)에 고정된다.
상기 블레이드(400)는 회전축(300)을 중심으로 방사상으로 각 지지암(340)의 단부에 고정되고 평면도상 에어포일과 유사한 형상으로 이루어진다.
구체적으로, 상기 블레이드(400)는 도 5에 도시된 바와 같이 에어포일의 단면상 최대 두께(t)가 되는 부분까지의 앞전(leading edge, e)을 수직 방향으로 소정 길이(ℓ1)만큼 연장한 곡면판 형상의 슬롯(420)을 구성하고, 평균캠버선(mean camber line, c)을 수직 방향으로 소정 길이(ℓ2)만큼 연장하되 슬롯(420)의 후면 중심단부에 이격 설치되는 유도판(440)을 구성하며, 상기 슬롯(420)과 유도판(440)은 연결브래킷(460)으로 결합하여 구성된다.
상기 슬롯(420)의 전면에는 강도 보강을 위한 밴드가 더 구비될 수 있다.
상기 연결브래킷(460)에는 지지암(340)과의 결합을 위한 다수의 체결공(462)이 형성되어 있고, 공기 유동을 위한 복수의 통공(464)이 형성되어 있다.
또한, 상기 연결브래킷(460)은 결합편(466)이나 결합지지대를 통하여 각각 슬롯(420)과 유도판(440)에 고정 결합된다.
한편, 상기 연결브래킷(460)은 무게 감소를 위해 도 6에 도시된 바와 같이 연결판(461')을 중심으로 대칭되는 판상의 전개 연결브래킷(460')을 일체로 제작한 후 이를 절곡하여 구성할 수도 있다.
상기 전개 연결브래킷(460')에는 쌍으로 구비되는 복수의 체결공(462')과 통공(464')이 형성되고, 절곡 결합을 용이하게 하기 위해 결합부(468a, 468b)와 연장 결합부(468'a, 468'b)를 더 구비하여 연장 결합부(468'a, 468'b)의 일부를 절곡하여 결합부(468a, 468b)에 고정하도록 한다.
또한, 상기 연결판(461')은 그 길이를 앞선 실시예에서의 연결브래킷(460)의 두께로 구성한다.
상기 슬롯(420)은 상단 및 하단이 커버(425)로 막혀있고, 이로 인해 유도판(440)을 통해 슬롯(420)으로 유입된 공기가 슬롯(420)에 작용하는 힘이 증가된다.
본 발명의 블레이드 구조는 어느 방향에서 바람이 불어도 슬롯(420) 내부에서 바람이 정체되지 않고, 초기 기동시 바람을 순간적으로 모을 수 있고 회전 각도가 틀어지면 바람은 반대 방향으로 빠져 나갈 수 있으므로 초기 기동이 매우 원활히 이루어지게 된다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 유도판(440)의 일측(m) 또는 타측(n) 방향에서 슬롯(420) 내부로 유입된 바람은 유도판(440)의 타측(m') 또는 일측(n') 방향으로 빠져 나갈 수 있어 슬롯(420) 내부에서 바람이 정체되지 않으므로 블레이드의 고속 회전이 가능해진다.
본 발명은 다른 실시예로서 도 8에 도시된 바와 같이 슬롯(420)의 중심부 후방으로 이격판(429)을 더 형성하여 상기 슬롯(420)과 이격판(429) 사이에 에어 충진부(430)가 형성되도록 할 수 있고, 이로 인해 블레이드 회전시 가속력을 향상시킬 수 있다.
상기 태양광설비(500)는 지주(100)의 다른 일측에 설치되되 태양광을 이용하여 보조 전기를 생산하는 구성으로서, 태양전지판(520), 태양광 충전기(540), 배터리(560) 및 펄스회로(580)를 포함하여 구성된다.
상기 태양광 충전기(540)는 태양전지판(520)에서 생산된 전기를 충전하고, 상기 태양광 충전기(540)에서 충전된 전기는 상기 배터리(560)에 저장하며, 상기 펄스회로(580)는 상기 배터리(560)에 저장된 전기를 상기 트리거 코일(220)에 공급한다.
이와 같이 본 발명에서는 태양광설비(500)에서 생산된 보조 전기를 트리거 코일(220)의 전원 공급용으로만 사용한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
100: 지주
200: 비접촉식 증속기 일체형 발전기
210: 하우징 220: 트리거 코일 230: 고정축 240: 고정코일
250: 로터 260: 영구자석 270, 270': 제1, 제2 회전자석
300: 회전축
320: 고정브래킷 340: 지지암
400: 블레이드
420: 슬롯 440: 유도판 460, 460': 연결브래킷
500: 태양광설비
520: 태양전지판 540: 태양광 충전기 560: 배터리 580: 펄스회로

Claims (6)

  1. 하부가 지면에 고정되는 지주(100);
    상기 지주(100)의 일측에 구비되되 비접촉식 증속기가 일체로 결합되어 있으며, 하우징(210)과, 상기 지주(100)에 고정된 고정축(230)과, 상기 고정축(230)에 고정 설치된 고정코일(240)과, 상기 고정축(230)의 상단부에 베어링을 매개로 결합되되 상, 하부 수평부(252, 252')와 수직부(254)를 포함하는 로터(250)와, 상기 로터(250)의 상, 하부 수평부(252, 252') 내측면에 구비된 제1, 제2 회전자석(270, 270')을 포함하는 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200);
    상기 로터(250)의 상부 수평부(252) 외측면에 고정 결합되는 회전축(300);
    상기 회전축(300)을 중심으로 방사상으로 배치되는 복수의 블레이드(400); 및
    상기 지주(100)의 다른 일측에 설치되되 태양광을 이용하여 보조 전기를 생산하는 태양광설비(500);
    를 포함하고,
    상기 태양광설비(500)에서 생산된 보조 전기는 상기 비접촉식 증속기 일체형 발전기(200)의 비접촉식 증속기로 공급되며,
    상기 비접촉식 증속기는
    상기 하우징(210)의 수직벽면(212)에 고정 설치된 트리거 코일(220)과, 상기 로터(250)의 수직부(254) 외측면에 구비된 영구자석(260)으로 이루어지고,
    상기 블레이드(400)는
    에어포일의 단면상 최대 두께(t)가 되는 부분까지의 앞전을 수직 방향으로 소정 길이(ℓ1)만큼 연장하여 곡면판 형상의 슬롯(420)을 구성하고, 평균캠버선을 수직 방향으로 소정 길이(ℓ2)만큼 연장하되 슬롯(420)의 후면 중심단부에 이격 설치되는 유도판(440)을 구성하며, 상기 슬롯(420)과 유도판(440)은 연결브래킷(460)으로 결합되고,
    상기 슬롯(420)은 상단 및 하단이 커버(425)로 막혀있으며,
    상기 연결브래킷(460)에는 지지암(340)과의 결합을 위한 다수의 체결공(462)이 형성되고 공기 유동을 위한 복수의 통공(464)이 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 수직형 풍력발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 슬롯(420)의 중심부 후방으로 이격판(429)을 더 형성하여 상기 슬롯(420)과 이격판(429) 사이에 에어 충진부(430)가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 수직형 풍력발전장치.
  6. 삭제
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