KR20100118622A - 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연에서 불어오는 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력 발전장치에 관한 것으로 수소(H)개스를 주입한 다수개의 대형풍선을 서로 다른 높이로 각각 연결하여 높은 고도의 위치에 띄우고 Y자 형상의 찬넬에 장착한 발전기를 회전시켜 전기를 생산하고 불어오는 바람의 풍압과 풍력의 차이로 인하여 수시로 발생되는 풍선들의 고도 차이를 인장력으로 변환하고 연장로프에 연결된 V자형태의 크랭크로드를 연동하게 하여서 인장력과 부력이 교차하며 시소(Seesaw)와같이 좌우 상하운동을 반복하도록 하여서 중심축과 연결된 스퍼어 기어의 회전에 따라 발전기 측의 피니언기어를 고속 회전하도록 치차비율을 구성하여서 여기서 발생한 운동에너지로 발전기를 회전 시켜서 전기를 생산할 수 있도록 구성한 것으로서

풍차 와 같은 일반적으로 보편화된 방법으로 회전 블레이드를 바람에 부딪혀 회전되는 에너지로 발전하되 대형풍선을 이용하여 높은 고도에 위치시켜 발전하는 것과, 다수개의 대형 풍선들을 각기 다른 높이로 공중에 띄우고 지면에서 높게 띄운 풍선들과 지면과 가깝게 띄운 각각의 풍선의 고도차에서 발생하는 기류이용방법과, 서로 다른 풍압과 풍력으로 인하여 발생되는 부력과 인장력을 사용한 인장 에너지 이용방법, 크랭크로드를 연동시켜 좌우 두 개의 발전기를 번갈아가며 회전시키는 발전방법, 등으로 하여 계절의 변화나 낮과 밤의 기류 변화를 이용하여 3개의 발전기로부터 효율적으로 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치에 관한 것이다.

대형풍선 , 로프 , 훅크 , 크랭크로드 , 써포트 , 발전기

Description

풍력 발전 장치 { Wind Power Turbines }

본 발명은 자연에서 불어오는 바람과 바람의 이동에 의하여 나타나는 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 풍력장치에 관한 것으로 공기의 유동이 가진 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환하고 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술로서 바람 에너지를 날개를 이용해서 전기에너지로 바꾸는데 이때 날개의 이론상 바람 에너지 중 60％만이 전기에너지로 바뀔 수 있는데 이것도 날개형상의 효율, 기계적 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실제적으로 20∼40％ 만이 전기 에너지로 이용 가능하다.

과거 약 50년 전에 최초의 풍력발전기가 등장한 이후에 70년대의 오일 쇼크 이후에 설계기술은 비약적 발전을 보였고 유럽을 중심으로 대형 발전장치가 개발되면서 대용량 풍력발전이 본격화되었으며 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고 날개(Blade)와 허브(Hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속 하는 증속장치(Gear box), 전기를 생산하는 발전기(Generator) 각종 안전장치를 제어하는 제어장치 와 전력 제어장치 등으로 구성되어있다.

재생에너지 자원 중에서 대표적인 풍력발전 의 특징은 설치장소의 풍력 자원량 과 특성에 따라 설비의 사양이나 경제성이 심하게 변화할 수 있다는 단점과 초기 투자비용이 많이 소요된다는 점 등 이 있으나 지구온난화 방지를 위한 국제적 환경 보호규제에 대한 가장 적극적인 대처방안으로 공해의 배출이 전혀 없어서 청정성과 친환경성이 매우 탁월한 잇점이 있다.

그러나 바람을 이용하는 풍력발전 기술은 다양한 구성품을 최적의 조건에 맞추어 알고리즘을 결합시켜 시스템의 성능과 하중을 고려한 시공 기술 등을 접목한 안전성을 고려해야만 한다.

국내의 경우 풍력 발전시스템의 개발역사가 짧고 자체 개발된 시스템에 대한 운용과 기초 데이터가 부족한 상태이기 때문에 주로 해외에서 수입하거나 해외 전문 업체에 위탁하여 조립생산하고 있으며 일부 소수의 기업들이 초보적인 수준에서 연구되고 있는 실정이다.

풍력발전의 대표적인 수단인 풍차방식의 회전날개는 에너지 밀도가 낮기 때문에 바람이 희박할 경우 발전이 불가능함과 적정량의 바람이 있어야 발전이 가능 하므로 설치장소의 지리적 조건이 대단히 중요하다고 할 수 있으며 발전장치의 규모는 초소형, 소형, 중형, 대형, 초대형으로 다양하게 나뉘고 용도별로는 자가발전용과 상업 발전용으로 구분되고 현재에는 가격 경쟁력이 높고 해상에 설치하여 거대한 발전용량을 기대 할 수 있는 것으로 수십 Mw에 달하는 매우 거대한 풍력발전 시스템으로 발전하였으며 국내에서는 1970년대 오일파동 이후 신 제생 에너지원의 필요성과 주로 낙도 와 같은 독립전원용으로 연구가 시작되어 1980년대에 들어오면 서 회전자 설계 및 풍동실험 등 의 요소기술 개발에 주력하여 왔으나 체계적이고 연속적인 연구개발이 진행돼오지 못하고 있는 실정으로 이어 오다가 최근에 들어오면서 다시 활기를 띄고 연구개발이 진행되고 있다.

＜ 발명이 이루고자 하는 기술적 과제 ＞

이러한 조건에서의 풍력발전은 우리나라의 지형과 환경을 적극 고려하여 적절하게 발전 시켜야 할 과제로서 동쪽해안 지방이나 강원도 일부 산간지방을 제외하고 풍량 과 풍속이 양호한 지역은 많지 않은 상태이다.

그러나 기존의 철 기둥 위에 방식에서 벗어나 대형풍선(Balloon)을 이용하여 지상에서 높은 고도의 위치에 띄우고 Y자형상의 찬넬에 장착한 발전기를 회전시켜 전기를 생산하고 기류가 형성되는 바람의 이동을 에너지 화 하는데 본 발명의 주안점을 두었으며 발전장치를 단독으로 설치하든가 혹은 대용량의 단지건설이 가능하며 용량과 크기별로 제작 가능하다.

본 발명의 발전 장치뿐만 아니라 대부분의 발전장치의 출력은 그 지역의 바람속도에 매우 민감하기 때문에 풍력발전의 최종 결과물인 최적의 출력상태를 결정하는 가장 필수적인 풍력자원 조사분석 및 예측기술 이므로 바람지도(Wind map)구축을 위한 풍속, 바람의 분포 등의 신뢰성 있는 데이터를 근거로 하여 세부요소들이 복합되어야 하는데 특히 본 발명 의 대형풍선의 설정 높이와 간격을 결정하는데 대단히 중요한 해답을 얻을 수 있는 것이다.

상온에서의 온도변화나 기후변화로 바람이 불거나 해안지역의 경우 낮에는 태양빛으로 인한 지면의 온도 상승으로 시원한 바다쪽으로 향하여 바람이 불고 일몰 후 야간에는 항상 일정한 온도를 유지하던 해수면의 온도가 태양빛의 소멸됨과 함께 떨어진 지면의 낮은 온도 때문에 해풍이 육지 쪽으로 불어오며 바람의방향이 바뀌게 된다.

본 발명 에서는 대형풍선을 이용하여 발전기를 높은 고도에 위치시켜 발전하는 것과 온도의 지형에서 고도의 차이에 따라서 다른 기류가 형성 되는 것을 이용하고 대형풍선의 부력을 적절히 활용하여 인장력을 발생시켜 이것을 시소(Seesaw)와같이 연동운동시킨 다음 증속 하여서 발전하는 방식을 제공하는 것으로 기존의 방식과 같이 철기둥 위에 설치되어 가동하는 방식에 비하여 대단히 높은 고도에서의 기류가 형성되는 지점에서의 발전이 가능하도록 구성하였다

그러나 풍력발전에 필요한 일정한 풍량을 기대하려면 적정량의 바람이 있어야 하므로 바람이 많이 부는 특정지역을 선정해야만 하며 우리나라의 경우 제주도와 대관령 지역이 가장 유리한 장소라고 판단된다.

그러나 주말에 등산을 하기 위하여 등선을 따라 올라가다보면 지상에서 몇 미터씩 올라 갈 때마다 풍량과 풍속이 달라지며 더욱더 풍부해짐을 알 수 있다.

따라서 일정한 같은 장소에서도 높이에 따라서 서로 다르게 나타나는 기류를 풍력 발전의 포인트로 하여 전기 생산 에너지로 접근 하고 활용 하는 것으로 지상에는 바람이 불지 않더라도 높은 고도에서의 상승기류와 대형풍선의 부력을 적절히 활용하는데 그 목적을 두고 있다.

＜ 발명의 구성 및 작용 ＞

각각의 다른 높이로 한쪽은 높게 반대편 은 낮게 다수개의 대형풍선을 공중에 띄어 비교적 높은 고도에 띄우고 찬넬에 장착한 발전기를 회전시켜 전기를 생산하며, 상공에 흐르는 기류에 따라서 혹은 바람의 방향에 따라서 자유자재로 대형풍선들이 떠오르거나 내려와 반복 적으로 불규칙한 상하운동을 하며 발생하는 인장력과 부력을 와이어로프와 연결된 V자형태의 크랭크를 움직이도록 하여서 중심축과 연결된 스퍼어 기어를 회전시켜 작은 피니언 기어와 연접된 발전기를 고속회전 하는 방법으로 전기를 생산하여서 효율적인 성능을 기대할 수 있도록 설계되었다.

첨부도면 제 1 도 에서는 본 발명의 설치 상태를 알기 쉽게 설명하기 위하여 나타낸 전체 사시도이다.

도면에서 와 같이 다수개의 대형풍선(1)을 서로 다른 높이로 공중에 띄우고 와이어로프(2)는 중앙에 발전기(30)를 장착한 Y자형상의 찬넬(38)과 전력선 및 연장선(3)과 훅크(4)로 연결하였으며 전력선 및 연장선(3)의 길이를 적절히 가감하여 적당한 높이로 조절할 수 있도록 하고 좌우로 움직이는 크랭크로드(5) 에 고정 되어 있는 구조를 나타내 보이고 있다.

그리고 지면에 고정된 베이스(9)상에 2개의 좌/우측 발전기(7)(10)는 V자형태의 크랭크로드(5)와 치합되어 상기의 대형풍선(1)의 움직임에 따라서 크랭크로드(5)가 천천히 좌측으로 내려 갔다가 우측으로 내려오는 반복적인 상하운동을 반복하도록 구성되어있다.

그러나 다수개의 대형풍선(1)의 서로간의 간격과 고도 차이는 설치 장소와 그날의 기상상태에 따라서 적절히 변화를 주는 것이 바람직하며 바람이 거의 불지 않고 고요한 날씨에는 대형풍선(1)의 고도를 충분하게 높이 띄우거나 양단간의 고도차를 많이 두고 과도하게 비바람이 불거나 기상상태가 대단히 불량한 날씨에는 풍선의 고도를 아주 낮게 조정하거나 심한경우에는 지면에 고정시켜야 하는 상태가 발생하기도 한다.

다라서 본 발명의 풍력 발전장치의 규모를 거대하게 구성하거나 집단적으로 운용 하는 경우에는 장치의 감시 및 진단기술이 필요로 하게되며 이와 관련한 모니터링 기법 등 이 병행 실시되어야 하며 첨단센서와 알고리즘을 통한 통합 시스템으로 개발되어야 하는 것으로 이미 실용화 되어 사용되거나 업그레이드되어 개발된 기법 등 다양한 구상을 접목하여 병행실시하고 있다.

첨부 도면 제 2 도 에서는 본 발명 중 부양발전기의 설치상태를 나타낸 것으로서 Y자형상의 찬넬(38) 중앙에는 3개의 블레이드(35)가 조합된 부양발전기(30)와 방향타(34)가 일체로 구비되고 각각의 연결고리(36)에 로프(2)를 체결하였으며 생산된 전기는 전력선 및 연장선(3)으로 연결되어 수전 측으로 내려 보내며 고공에 부양한 상태로 불어오는 방향에 따라서 움직이며 발전하도록 되어 있는 구조를 나타내고 있다.

첨부도면 제 3 도 에서는 상기의 부양발전기의 측면을 나타낸 것으로 로프(2)에 연결된 부양발전기(30)와 방향타(34)의 좌우대칭이 되는 수평을 유지하고 있는 것으로 기류의 영향에 의하여 대형풍선(1)이 상하 좌우로 움직여도 항상 수평상태를 유지하기 위한 적절한 무게중심에 주안점을 두고 있다.

첨부도면 제 4 도 에서는 본 발명 중 크랭크로드와 발전기의 조합 상태를 알기 쉽게 설명하기 위하여 나타낸 것으로 크랭크로드(5) 중앙에 양측으로 직교된 중심축(15)은 지면에 설치한 베이스(9) 중앙에 양측으로 직립 고정된 좌/우측가이드(8)(18)와 연접한 좌/우측 써포트(6)(16)에 삽입되어 있으며 상기의 크랭크로드(5)의 일측은 대형풍선(1)의 부력과 같은 무게의 다 수개의 추(19)가 고정볼트(24)에 조립 되어있으며 중심축(15)과 연접된 스퍼어 기어(spur gear)는 베이스(9)하단 양측에 설치된 좌/우측 발전기(7)(10)와 고정된 좌/우측 피니언기어(17)(20)와 치합된 구조를 나타내 보이고 있다.

그리고 각각 다른 고도와 방향으로 띄어 놓은 다수개의 대형풍선(1)이 기류와 부력에 따라서 올라가거나 내려오면서 인장력이 발생하여 전력선 및 연장선(3)과 묶여 후크(4)로 고정된 크랭크로드(5)의 일 측을 당기면 올라갔다가 추(19)의 무게로 반등되어 내려오면서 시소 와 같이 좌우로 상하운동을 반복하고 중심축(15)을 중심으로 크랭크로드(5)의 움직임에 따라서 스퍼어 기어(12)는 좌회전 하거나 우회전 하면서 좌/우측 피니언 기어(17)(20)를 회전시켜 좌/우측 발전기(7)(10)를 고속회전 하여 전기가 생산 되도록 구성하였다.

상기 대형풍선(1)의 움직임에 따라서 크랭크로드(5)의 일측 하단이 지면과 닿을 정도로 운동량이 크게 작용하거나 혹은 운동량이 작게 작용하여 상승과 하강을 반복하는 연속 동작이 일어날 때마다 스퍼어 기어(12)와 좌/우측 피니언기어(17)(20)는 치차비율을 최소 10:1 이상으로 구성하여 증속 되도록 하여 스퍼어 기어(12)의 작은 회전비율 에서도 좌/우측 피니언기어(17)(20)는 고속 회전되도록 하 였고 세부적 으로는 주축을 비롯한 커플링, 주축베어링, 고속축, 등으로 구성하여 이와 관련한 구동계 부품구성은 하나의 시스템으로 구성 실시되고 있는 종래의 복합기술로 구성되었다.

또한 2개의 좌/우측 발전기(7)(10)는 서로 반대방향으로 회전 하는 것으로서 이와 관련한 전기 제어방법과 연계하여 권선형 유도 발전기의 전기제어 방식을 적용하였고 특히 전력 제어장치에서 요구하는 전류의 극성, 전위차, 주파수 또는 전력저장기술 등의 전력 변환 기술은 기존의 모듈화 된 하이브리드 기술 및 자동전압 제어장치로 가능 하도록 구성하였다.

한편 첨부도면 제 5 도 에서는 본 발명의 풍력 발전기의 측면 구조를 알기 쉽게 설명하기 위하여 나타낸 것으로 크랭크로드(5)는 중심축(15)과 동일 축 상에 삽입 되어 좌/우측 서포트(6)(16)와 나란히 연결 되었으며 지면과 고정된 베이스(9)위에 설치된우측발전기(10)와 스퍼어 기어(12) 및 피니언기어(20)로 연접된 구조를 나타내 보이고 있다.

이와 같이 구성한 본 발명의 풍력 발전장치는 풍력의 이용조건이 적합 하지 않은 내륙지방이나 농토벽지 등 의 바람이 거세게 불지 않는 지형조건 에서도 능률적이고 경제적인 전기 생산이 가능 하도록 된 것은 물론 지리적 조건상 바람 에너지밀도가 높은 산간지방과 고지대 혹은 해안가 섬 지역 등 에 설치하여 자연친화적인 청정에너지를 공급 하는 것으로서 기존의 풍력설비와 비교하여 비교적 단순한 구조와 저렴한 제작비용으로 설치 가능한 풍력 발전장치에 관한 것이다.

제 1 도 는 본 발명의 전체 사시도

제 2 도 는 본 발명 중 부양발전기 의 사시도

제 3 도 는 본 발명 중 부양발전기 의 측면도

제 4 도 는 크랭크로드와 발전기의 정면도

제 5 도 는 크랭크로드와 발전기의 측면도

Claims (1)

1. 다수 개의 대형풍선(1)을 서로 다른 높이로 공중에 띄우고 와이어 로프(2)와 전력선 및 연장선(3)과 연결되어 부양된 Y자형태의 찬넬 중앙에는 부양발전기(30)가 설치되고 각각의 연결고리(36)와 훅크(4)로 연결하고 전력선 및 연장선(3)의 길이를 가감하여 적당한 높이로 조절할 수 있도록 하여서 일 측을 풍선의 인장력에 따라서 움직이되 상대측은 풍선(1)의 부력과 같은 무게의 추(19)를 조립하여 구성한 크랭크로드(5)와 연결하고 양측으로 직교된 중심축(15)은 지면에 설치한 베이스(9)의 중앙에 양측으로 직립하여 고정한 좌/우측 가이드(8)(18)와 연접한 좌/우측 서포트(6)(16)에 삽입되어 있으며 상기 크랭크로드(5)와 연접된 스퍼어기어(12)는 좌/우측 발전기(7)(10)에 고정된 좌/우측 피니언기어 (17)(20)와 치합된 구조를 특징으로 하는 풍력 발전장치.

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