KR20030009144A - 정출력 수직축 풍차 동력장치 - Google Patents

정출력 수직축 풍차 동력장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍속의 강약에 무관하게 출력을 일정하게 유지할 수 있는 정출력 수직축 풍차 동력장치에 관한 것이다. 본 발명은 중공의 수직회전축, 상기 회전축의 상단부에 고정된 수평 지지판, 그리고 상기 수평지지판의 양 단부에 고정된 수직날개를 구비하고 발전기능을 갖는 적어도 하나 이상의 주풍차와; 중공의 수직회전축, 상기 회전축의 상단부에 고정된 수평 지지판, 그리고 상기 수평지지판의 양 단부에 고정된 수직날개를 구비하고 공기압축기능을 갖는 종풍차; 및 압축 공기 탱크를 포함하며, 상기 주풍차와 종풍차, 그리고 압축 공기 탱크는 도관에 의하여 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

정출력 수직축 풍차 동력장치{STEADY OUTPUT VERTICAL AXIS WIND TURBINE POWER SYSTEM}
본 발명은 풍차 동력장치에 관한 것으로, 특히 풍력 발전장치의 불규칙 출력을 개선함으로써 항상 일정한 출력을 보장하고 풍력발전장치의 효율을 높이며 급배전을 안정 용이하게 하는 정출력 수직축 풍차 동력장치에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력 에너지를 전기에너지로 전환하는 풍차는 이미 여러 가지가 개발되어 있으나, 일반적으로 실용화되어 있는 풍차는 프로펠러형(수평축형)과 수직축형 풍차로 대별된다.
이들 중에서 프로펠러형 풍차가 가장 널리 사용되고 있으나, 발전기, 기어 박스 등 중량물 장치를 프로펠러 샤프트와 같은 높이에 설치하게 되어, 높은 곳에 무거운 설비를 설치하는 어려움이 있고, 또한 항상 프로펠러 회전면이 바람의 방향과 일치하도록 하는 요 시스템(YAW SYSTEM)이 필수적인 단점이 있다. 반면, 수직축형 풍차는 전방위성이며 풍향에 의하여 영항을 받지 않고, 발전기, 기아박스 등 중량물 장치를 기반부(地上)에 설치할 수 있어서, 프로펠러형 풍차에 비하여 기본적 구성이 단순하고 설치가 용이하다는 장점이 있는 것이다.
풍차 발전설비가 세계적으로 광범위하게 확산 증설되고 있으며, 이런 가운데 가장 큰 단점은 출력이 일정하지 못하고 바람의 강약에 따라 불규칙한 출력이 불가피하여 급배전이 불안정하고 기술적으로 어려운 점이 많다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결코자 하는 것으로, 특히 풍속의 강약과 무관하게 출력을 항시 일정하게 유지할 수 있는 정출력 수직축 풍차 동력장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정출력 수직축 풍차 동력장치의 소규모 풍력단지(WIND FARM)를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 주풍차 및 종풍차의 주요부분을 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 2의 주풍차 및 종풍차의 압축공기 주입장치 및 공기 흐름을 나타내는 단면도이다.
도 4는 풍속의 강약에 따라 수직날개의 조절위치를 표시하는 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수직날개를 구동시키는 구동수단을 도시한 사시도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 주풍차20 : 종풍차
30 : 압축공기 저장탱크40 : 공기 압축기
110,210 : 타워112,212 : 회전축
114,214 : 수평지지판114a,214a : 슬라이더
116,216 : 수직날개116a,216a : 샤프트
116b,216b : 기어118,218 : 압축공기 분출구
120,220 : 공기통로132,232 : 도관
134,234 : 조절밸브기구136,236 : 동력전달기구
138 : 발전기238 : 공기 압축기
140,240 : 풀리142,242 : 베이스
144,244 : 너트링146,246 : 고정볼트
300,400 : 구동수단310,410 : 스텝모터
312,412 : 피니언기어314,414 : 랙기어
500 : 제어부
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 중공의 회전축, 상기 회전축의 상단부에 고정된 수평지지판, 그리고 상기 수평지지판의 양 단부에 고정된 수직날개를 구비하고 발전기능을 갖는 적어도 하나 이상의 주풍차와; 중공의 회전축, 상기 회전축의 상단부에 고정된 수평지지판, 그리고 상기 수평지지판의 양 단부에 고정된 수직날개를 구비하고 공기 압축기능을 갖는 종풍차; 및 압축 공기 탱크를 포함하며, 상기 주풍차와 종풍차, 그리고 압축 공기 탱크는 도관에 의하여 상호 연결되어 있는 정출력 수직축 풍차 동력장치가 제공된다.
상기 주풍차와 종풍차의 회전축은 중공체(中空體)이며, 상기 수평지지판은중공 회전축의 내부와 연통되도록 그 내부에 형성된 압축 공기 통로와, 길이방향 측면의 양 단부에 형성된 압축공기 분출구를 구비한다.
상기 주풍차는 도관을 통해 압축 공기 저장 탱크와 연결된 조절 밸브 기구, 회전축에 장착된 풀리, 발전기, 및 상기 발전기와 풀리 사이에 배치된 동력 전달 기구를 구비한다.
상기 종풍차는 도관을 통해 압축 공기 저장 탱크와 연결된 조절 밸브 기구, 회전축에 장착된 풀리, 공기 압축기, 상기 공기 압축기와 풀리 사이에 배치된 동력 전달 기구를 구비한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축형 풍차 동력장치를 이용한 소규모 풍력단지(WIND FARM)를 개략적 도시하는 개략도이다. 본 발명에 따른 풍차 동력장치는 주풍차(10), 종풍차(20), 압축공기 저장탱크(30), 그리고 내연 기관으로 작동하는 공기 압축기(40)를 포함하며, 전술한 구성 요소들은 모두 도관으로 연결되어 있다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 압축공기 저장탱크(30)에 주풍차(10), 종풍차(20), 공기 압축기(40)가 도관(132)으로서 연결되어서, 내연 기관으로 작동하는 공기 압축기(40)에서 발생된 압축공기가 도관(132)을 통해 압축공기 저장탱크(30)로 유입되어 저장되고, 압축공기 저장탱크(30)는 저장된 압축공기를 풍속에 따라 도관(132)을 통해 주풍차(10) 및 종풍차(20)에 공급하게 된다.
한편, 상기한 압축공기 저장탱크(30)와 종풍차(20)간에는 복수개의도관(132)이 연결되어서 구비되는 바, 이는 압축공기 저장탱크(30)에 저장된 압축공기가 일측의 도관(132)을 통해 종풍차(20)로 공급되고, 종풍차(20)에서 발생된 압축공기는 타측의 도관(132)을 통해서 압축공기 저장탱크(30)로 유입되어 저장되도록 한 것이다.
한편, 본 발명의 풍차 동력장치는 주풍차(10)의 정격 출력(RATED OUTPUT)을 1MW라 가정할 때 3대의 주풍차(10)와 1대의 종풍차(20), 1대의 내연 기관 공기 압축기(40)로서 항상 3MW의 정격 출력을 가능케 한다. 풍력 단지를 생각할 때 단지 규모, 풍향(風況) 지형 등의 조건에 따라서 융통성 있는 조합(組合), 즉 주풍차(10)의 개수, 종풍차(20)의 개수, 내연 기관 공기 압축기(40)의 개수 등을 선택 구성할 수 있다.
도 2는 주풍차 및 종풍차의 주요부분을 도시하는 개략도로서, 주풍차(10)와 종풍차(20)의 구성을 동시에 설명한다. 본 발명에 따른 주풍차(10) 및 종풍차(20)는 크게 중공의 타워(110,210)와, 상기 타워(110,210) 내부에 장착되어서 그 상단부가 타워(110,210) 외측으로 돌출되는 수직의 중공 회전축(112,212)과, 상기 중공 회전축(112,212)의 상단부에 일체로 형성되어서 회전축(112,212)에 수직하게 구비된 수평지지판(114,214)과, 상기 수평지지판(114,214)의 양 단부에 수직하게 구비되어서 회전가능한 수직날개(WING BLADE : )로 대별되어 이루어진다.
상기 수평지지판(114,214)은 중공 회전축(112,212)의 내부와 연통되도록 구성되어 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 수평지지판(114,214)은 그 내부에 회전축(112,212)의 내부와 연통되도록 형성된 압축공기통로(120,220)와, 이 압축공기통로(120,220)의 양단부에 수직하게 연장되어서 수평지지판(114,214)의 일측면으로 관통된 압축공기 분출구(118,218)가 형성된다. 또한, 상기 압축공기 분출구(118,218)는 수직날개(116,216)의 꼬리 부분이 향하는 방향으로 형성되고, 양편의 분출구(118,218)가 서로 대칭되게 구비된다.
또한, 상기한 수평지지판(114,214)의 양 단부에 수직하게 구비된 수직날개(116,216)는 수평지지판(114,214)상에서 회전가능하게 구비되는 바, 상기한 수직날개(116,216)는 첨부도면 도 5에 도시된 바와 같이 상부의 수직날개와 하부의 수직날개가 샤프트(116a,216a)로서 연결되며, 이 샤프트(116a,216a)는 수평지지판(114,214)의 두께에 대응한 길이로서 수평지지판(114,214)에 삽입되어서 수직날개(116,216)를 수평지지판(114,214)상에서 회전가능토록 구비한다.
한편, 상기한 수직날개(116,216)는 풍속에 따라서 이의 각도를 조절할 수 있도록 구비되는 바, 이는 제어부(500)에 의해서 제어되는 구동수단(300,400)에 의해 조절된다.
상기한 구동수단(300,400)은 회전축(112,212)의 상단부에 구비된 스텝모터(310,410)와, 스텝모터(310,410)의 일단부에 연동되도록 구비되어 회전축(112,212)의 상부에 내장되면서 그 일측이 회전축(112,212) 외부로 노출되도록 돌출된 피니언기어(312,412)와, 피니언기어(312,412)의 양측단에 각각 치합되어 수평지지판(114,214)의 상면에서 슬라이드 이동되도록 구비된 랙기어(314,414)와, 랙기어(314,414)의 일측에는 상부의 수직날개와 샤프트(116a,216a) 사이에 형성된 기어(116b,216b)가 치합되어 구성된다.
상기한 스텝모터(310,410)는 이의 작동이 제어부(500)에 의해서 제어되며, 이의 구동시는 피니언기어(312,412)가 소정의 각도로 회전되는 바, 통상적으로 0.9도씩 회전하게 된다.
또한, 상기한 랙기어(314,414)는 수평지지판(114,214)의 상면상에서 좌,우로 슬라이드 이동되는 바, 이 랙기어(314,414)는 수평지지판(114,214)의 상면에 돌출.형성된 슬라이더(114a,214a)상에 구비되어서 가이드된다.
타워(110,210)는 그 내부에 도관(132)을 통해 압축공기 저장탱크(30)와 연결되어서 제어부(500)에 의해 제어되어 압축공기 저장탱크(30)로부터 분출되는 압축공기의 양을 조절하도록 된 조절밸브기구(134,234)가 구비되고, 이 조절밸브기구(134,234)의 일측에는 회전축(112,212)을 지지하는 베이스(142,242)가 도관(132)을 통해서 조절밸브기구(134,234)와 연통되게 연결되어서 압축공기를 회전축(112,212)내로 유입시키게 되며, 회전축(112,212)의 외주면 하단부에는 풀리(140,240)가 회전축(112,212)과 같이 연동되도록 구비되고, 풀리(140,240)의 일측에는 동력전달기구(136,236)가 구비되며, 이 동력전달기구(136,236)의 일측에는 발전되는 발전기(138)가 구비된다.
여기서, 상기한 발전기(138)는 주풍차(10)에만 구성되고, 종풍차(20)에는 발전기(138) 대신에 공기 압축기(238)가 구성된다.
회전축(112,212)은 도관(132)을 통해서 압축공기 저장탱크(30)와 연통되어 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전축(112,212)은 베이스(142,242)의 공기통로와 연통하도록 장착되어 있으며, 상기 베이스(142,242)의 공기통로는도관(132)과 연결되어 있다. 회전축(112,212)은 이 회전축(112,212)을 베이스(142,242)에 대하여 회전 가능하게 장착할 수 있도록 회전축(112,212)의 중공부 내부에 설치된 너트링(144,244)과, 상기 너트링(144,244)을 베이스(142,242)에 고정하기 위한 고정볼트(146,246)를 구비한다. 상기 고정볼트(146,246)는 회전축(112,212)과 베이스(142,242)를 연통시키기 위하여 중공체로 구성되어 있으며, 그 헤드부에는 배기공이 형성되어 있다. 따라서, 상기 압축공기 저장탱크(30)의 압축공기는 도관(132)을 통하여 고정볼트(146,246)를 거쳐서 압축공기통로(120,220)를 통하여 압축공기 분출구(118,218)로 분출되면서 풍차에 회전력이 생기도록 한 것이다.
전술한 주풍차(10)의 구성에 의하면, 회전축(112,212)이 수평지지판(114,214)의 회전에 의하여 회전하면, 그 회전력은 동력전달기구(136,236)를 통해 발전기(138)를 작동시킬 수 있다.
또한, 종풍차(20)는 발전기(138) 대신에 공기 압축기(238)가 구성되어서 회전축(112,212)이 수평지지판(114,214)의 회전에 의하여 회전하면, 그 회전력은 동력전달기구(136,236)를 통해 공기 압축기(238)를 작동시킬 수 있다.
전술한 구성에 의하면, 풍속이 풍차를 정격 출력할 수 없을 정도로 약할 경우에는, 압축 공기를 수평지지판(114,214)으로부터 토출시켜 수직날개(116,216)의 회전을 가속시킬 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 수직날개(116,216)가 수평지지판(114,214) 상에서 구동수단(300,400)에 의해 그 각도가 변화될 수 있도록 설치되어 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 통상 운전 상태, 즉 풍속이 풍차의 정격 출력에 적합한 경우 또는 풍속이 약하여 압축공기 분출의 도움이 필요할 때, 수직날개(116,216)는 회전축(112,212)의 종축과 평행으로 배치되어 있다(도 4a 참조). 그러나, 강풍으로 인하여 회전축(112,212)이 정격 출력 이상으로 회전하는 경우에, 수직날개(116,216)를 도 4b에 도시된 바와 같이 회전축(112,212)의 종축에 대하여 소정 각도를 갖도록 바깥쪽으로 회전시켜, 풍차의 회전을 줄임으로써 풍차의 정격출력으로 계속 유지할 수 있다. 이때, 상기 수직날개(116,216)의 각도변화는 바람의 강도에 따라 변하는데, 바람의 강도가 약하면 수평지지판(114,214)의 회전축(112,212) 종축에 대한 수직날개(116,216)의 회전각도는 적고, 바람의 강도가 강하면 상기 수직날개(116,216)의 회전각도는 커진다. 또한, 초강풍으로 인하여 회전축(112,212)의 회전이 초고속으로 회전하여 풍차의 파괴가 예상되는 경우에, 풍차를 정지시키기 위하여 수직날개(116,216)를 도 4c에 도시된 바와 같이 회전축(112,212)에 대하여 직각 방향으로 회전시켜, 풍차의 작동을 정지시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 풍속이 약할 경우에는 종풍차에 의하여 압축된 압축 공기로 주풍차를 작동시키고, 풍속이 강할 경우에는 수직날개의 각도를 조절하여 풍차의 출력을 정격 상태로 일정하게 유지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 압축공기를 발생시키도록 구비된 공기압축기(40)와;
    상기 공기압축기(40)에 도관(132)으로서 연통되게 연결되어 구비된 압축공기 저장탱크(30)와;
    상기 압축공기 저장탱크(30)와 이격된 일측에 중공으로 이루어진 타워(110)가 구비되고, 상기 타워(110)내의 하부 일측에는 압축공기 저장탱크(30)와 도관(132)으로서 연통되게 연결되어 압축공기 저장탱크(30)로부터 분출되는 압축공기의 양을 조절하도록 된 조절밸브기구(134)가 구비되며, 상기 조절밸브기구(134)와 이격된 일측에는 도관(132)으로서 연통되게 연결된 베이스(142)가 구비되고, 상기 베이스(142)의 상부에는 그 일단이 회전가능하게 연결된 중공의 회전축(112)이 타워(110) 외측으로 돌출되게 구비되며, 상기 회전축(112)의 외주면에 일체로 형성되어서 연동되도록 된 풀리(140)가 구비되고, 상기 풀리(140)에 동력전달기구(136)를 매개로 연결되어서 발전되는 발전기(138)가 구비되며, 상기 회전축(112)의 상단부에 수직하게 일체로 형성되어서 그 내부에 회전축(112)과 연통되는 공기통로(120)와, 이에 수직하게 연장되는 분출구(118)가 관통.형성된 수평지지판(114)이 구비되고, 상기 수평지지판(114)의 양측단에는 회전가능하게 힌지된 수직날개(116)가 구비되며, 상기 수직날개(116)를 회전시킴과 아울러 이의 회전각도를 제어하도록 된 구동수단(300)이 수평지지판(114)상에 구비되어 이루어진 적어도 하나 이상의 주풍차(10)와;
    상기 주풍차(10)와 이격된 일측에 중공으로 이루어진 타워(210)가 구비되고, 상기 타워(210)내의 하부 일측에는 압축공기 저장탱크(30)와 도관(132)으로서 연통되게 연결되어 압축공기 저장탱크(30)로부터 분출되는 압축공기의 양을 조절하도록 된 조절밸브기구(234)가 구비되며, 상기 조절밸브기구(234)와 이격된 일측에는 도관(132)으로서 연통되게 연결된 베이스(242)가 구비되고, 상기 베이스(242)의 상부에는 그 일단이 회전가능하게 연결된 중공의 회전축(212)이 타워(210) 외측으로 돌출되게 구비되며, 상기 회전축(212)의 외주면에 일체로 형성되어서 연동되도록 된 풀리(240)가 구비되고, 상기 풀리(240)에 동력전달기구(236)를 매개로 연결되어서 압축공기를 발생시키는 공기 압축기(238)가 구비되며, 상기 회전축(212)의 상단부에 수직하게 일체로 형성되어서 그 내부에 회전축(212)과 연통되는 공기통로(220)와, 이에 수직하게 연장되는 분출구(218)가 관통.형성된 수평지지판(214)이 구비되고, 상기 수평지지판(214)의 양측단에는 회전가능하게 힌지된 수직날개(216)가 구비되며, 상기 수직날개(216)를 회전시킴과 아울러 이의 회전각도를 제어하도록 된 구동수단(400)이 수평지지판(214)상에 구비되어 이루어진 종풍차(20);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정출력 수직축 풍차 동력장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동수단(300,400)은 회전축(112,212)의 상단부에 구비되어서 제어되는 스텝모터(310,410)와;
    상기 스텝모터(310,410)의 일단부에 연동되도록 구비되어서 회전축(112,212)의 상부에 내장된 피니언기어(312,412)와;
    상기 피니언기어(312,412)의 양측단에 각각 치합되어 수평지지판(114,214)의 상면에서 슬라이드 이동되도록 구비된 랙기어(314,414)와;
    상기 수평지지판(114,214)의 양단부상에 상,하의 수직날개(116,216)를 연결하는 샤프트(116a,216a)가 삽입되어 회전가능하게 구비되되, 이 샤프트(116a,216a)와 상부의 수직날개 사이에는 랙기어(314,414)에 치합되도록 형성된 기어(116b,216b);를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 정출력 수직축 풍차 동력장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축공기 분출구(118,218)는 수직날개(116,216)의 꼬리 부분이 향하는 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 정출력 수직축 풍차 동력장치.
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