KR101325395B1 - 발전기의 외 측 프레임에 풍력날개가 부착된 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

수평축 풍력발전기의 이상적 효율은 50[%] 이상이 되어야 하나, 실제의 효율은 15[%] 내외인 것으로 알려져 있어서, 효율의 개선과 더불어 최대 전력을 생산할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
발전기의 회전하는 외 측 프레임에 풍력 팬 1세트 이상을 설치하므로, 바람 이용률은 종래의 풍력 발전기보다 크게 상승하는 효과가 발생한다.
또한 회전 중심축에서 멀리 떨어진 곳에 전자석이 설치되므로 전자석에 의한 브레이크 작용이 커지며, 브레이크 작용과 풍력에 의한 구동력의 균형을 높은 풍속에 대응시킴에 의하여, 종래의 비 발전 영역의 풍속을 발전 영역으로 만든다.
따라서 풍력 발전기의 최적 최대의 전력발생 조건을 만들 수 있고, 바람의 이용률 증대에 의한 범용적인 보급 조건이 갖추어져 청정 에너지 생산에 기여하는 효과가 있을 것으로 판단한다.

Description

발전기의 외 측 프레임에 풍력날개가 부착된 풍력 발전기{The wind power generator with fixed wind fan on the external frame of generator}

우리가 사용하고 있는 에너지에서 재생 에너지의 점유율이 높아질수록 청정에너지 점유율이 높아지는바, 계속적인 발전과 개발에 의해 새로운 형태 및 구조가 개발되어야만 한다.

재생할 수 있는 에너지 중에서 풍력을 전기로 재생시키는 풍력 발전기는 수평축과 수직축 발전기로 구분되어 지며, 수평축 발전기가 주로 보급되고 있다.

수평축 발전기는 초기에 소음 등의 문제가 있으나 기술의 발전에 의해서 문제점의 많은 부분이 해결되었지만, 대용량과 집단화에 의해서 자연 및 자연경관을 훼손하는 단점 때문에 육지 설치에는 여러 문제점이 따른다.

근래에는 육지와 가까운 해상에 설치하려는 시도를 하고 있으나, 바다 아래의 기초 작업에 의한 시설 비용의 증대로 설치 비용이 만만치 않아서 주로 해변 가가 설치 대상이 되고 있다.

생활의 모든 분야에서의 전력 사용량은 매년 증가하고 있고, 삼면이 바다인 우리나라 해안가의 풍속은 풍력발전 조건을 만족하고 있으므로, 풍력발전 기술을 더욱 발전시켜서 전체 에너지에서의 점유율을 점진적으로 높여야만 한다.

우리나라에서의 바람 부는 방향은 계절 그리고 밤과 낮에 따라 달라지고, 풍속도 수시로 변화하게 되기 때문에, 바람 방향에 대한 최대 전력 생산의 자동추적 방식과 강풍 시의 비 발전 영역을 발전 영역을 넓이는 기술이 요구되고 있다.

또한 종래의 수평축 풍력발전기의 이상적 효율은 50[%] 이상이 되어야 하나, 실제의 효율은 15[%] 내외인 것으로 알려져 있어서, 효율의 개선과 더불어 최대 전력을 생산할 수 있는 기술 개발이 필요하며, 최근에 풍력발전기 효율 증대를 위해 다수개의 풍력날개를 갖는 ‘소용량용 수직축 풍력발전장치 ’(등록번호/일자:1008139240000/2008.03.10)가 대한민국 특허청에 등록되어 있다.

사실 기계적인 힘을 쓰지 않는 발전기는 전동기와는 다르게 무게가 많이 나가는 것이 필요하지 않으므로 발전기 자체의 중량을 줄이는 것이 필요하며, 풍력을 최대로 이용하여 최적 최대의 전력을 발생하는 풍력 발전기의 구조가 필요하다.

또한 무거운 증 속 기어를 사용하지 않고도 필요한 전력 주파수를 발생하고, 대용량 발전기로도 적합하고 중 또는 소형 발전기 형태로도 적합한 발전기 개발이 요구되는 시점이라 판단되다.

속이 비어 있는 내외 원통을 전기자 권 선의 지지 프레임과 자석의 지지 프레임으로 각각 사용하여 무게를 줄인다.

또한 발전기의 외 측 프레임에 풍력 팬을 한 세트 이상 설치하고, 외 측 프레임이 회전하는 특징을 갖추게 된다.

그리고 지름이 큰 원통을 사용하여 자석 지지 프레임에 2극 이상의 많은 개수를 설치하므로, 증 속기 없이도 필요한 주파수를 발생시키고, 전자석으로 사용하는 경우에는 자석의 세기 조절에 의하여 회전수 및 전력 발생량을 조절한다.

발전기의 외 측 프레임에 풍력 팬 1세트 이상을 설치하므로, 바람 이용률은 종래의 풍력 발전기보다 크게 상승하고, 지름이 큰 원통 사용에 의해 많은 수의 N S 자극을 설치하므로 증 속기를 사용하지 않아도 되는 효과가 있다.

또한 회전 중심축에서 멀리 떨어진 곳에 전자석이 설치되므로 전자력에 의한 브레이크 작용이 커지며, 브레이크 작용과 풍력에 의한 구동력의 균형을 높은 풍속에 대응시킴에 의하여, 종래의 비 발전 영역의 풍속을 발전 영역으로 만든다.

따라서 풍력 발전기의 최적 최대의 전력발생 조건을 만들 수 있고, 바람의 이용률 증대에 의한 범용적인 보급 조건이 갖추어져 청정 에너지 생산에 기여하는 효과가 있을 것으로 판단한다.

도 1은 본 발명에 따르는 발전기의 외 측 프레임에 풍력날개가 부착된 풍력 발전기의 사시 도이다.

세계적으로 나라마다 전력 사용량이 매년 증가하고 있는 이때, 우리나라는 삼면이 바다인 관계로 해안가 풍속은 대체로 풍력발전 조건을 만족하고 있으므로, 풍력 발전 기술을 더욱 발전시켜서, 전체에서의 청정 에너지 점유율을 점진적으로 높여야만 한다.

본 발명의 풍력 발전기는 여러 세트의 풍력 팬이 발전기의 외 측 프레임에 직접 부착되어 바람의 이용률을 높이고, 많은 자극 설치에 의해 증 속 기는 사용하지 않으며, 발전기의 계 자 권선 지지용 계 철과 전기자 권선 지지용의 전기자 프레임은 지름이 큰 속이 비어 있는 원통을 사용한다.

지름이 크고 속이 비어 있는 원통형을 사용하는 이유는 프레임의 견고성에 영향을 주지 않는 범위 내에서 발전기의 중량을 줄이고, 많은 자극의 개수를 설치할 수 있도록 자극 설치 공간을 확보하기 위함이다.

또한 회전의 중심에서 멀리 떨어진 원통 표면에 부착된 많은 개수의 전자석 자력들에 의한 제동력과 풍력 팬의 구동력 관계에 의해 풍속 70[m/sec] 이상에서도 발전 가능하도록 설계하게 되며, 풍력 팬의 1회전 시에 많이 설치된 자극에 의해 필요한 주파수의 전력이 발생하게 된다.

중요한 것은 대용량에도 적합하고 중소 용량의 발전설비에도 적합한 구조를 갖추고, 용량대비 투자비도 범용적으로 보급될 수 있는 저렴한 특징을 갖추어, 범용적 보급에 의한 청정 에너지 생산에 기여할 것으로 판단된다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

윗변은 원형 봉(1)이고, 양쪽의 두 변(2)과 밑변(3)은 사각 파이프로의 철제로 구성된 직사각형의 구조물(4)을 지면과 수직 방향으로 공중에 세운다.

직사각형 밑변(3)의 중심(5)에 지면과 수직으로 용접된 일정 길이의 일자형 원형 봉(6)은 지면에 설치된 지지대(16)와 베어링(17)으로 연결되어, 베어링(17) 윗쪽의 직사각형 구조물 (4)은 자유롭게 회전할 수 있다.

직사각형 구조물(4)의 윗변 원형 봉(1)에는 내측에 작은 원통(8)과 외 측에 큰 원통(7)으로 구성되어 있는 두 개의 원통이 끼워져 진다.

두 개의 원통이 윗변 원형 봉(1)에 끼워지는 방식으로 작은 원통(8)의 양쪽 원판 중심에 원형 봉이 끼워져 고정(9)되고, 큰 원통(7)의 양쪽 원판 중심에 각각이 부착된 베어링(10)의 중심에 윗변 원형 봉(1) 끼워져서, 큰 원통(7)은 직사각형 윗변 원형 봉(1)을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있게 된다.

큰 원통(7)의 외 측 표면에는 풍력 발전기 날개(11)가 한 세트 이상 부착 고정되며, 여기서 한 세트는 큰 원통(7)의 같은 원 둘레에 부착되는 여러 개의 날개를 말하며, 여러 세트의 날개를 부착하여 바람의 이용률을 높이게 된다.

또한 큰 원통(7)의 내측 표면에는 영구자석 또는 전자석(12)에 의한 N극 S극으로 구성된 2극 이상의 자극들이 작은 원통(8)의 외 측 표면을 향하게 설치하며, 전자석으로 설치할 경우에는 큰 원통(7)의 비어 있는 공간에 계 자 전류 공급장치 그리고 계 자 전류용 제어기와 제어기에 공급할 전원용 배터리가 수납되고, 전기자 권선에서 발생하는 전력의 일부가 슬립 링과 접촉자를 통하여 큰 원통(7) 쪽으로 공급되어, 배터리 충전 및 계 자 전류로 사용된다.

작은 원통(8)의 외 측 표면에는 전기자 권 선(13)이 배열되어 있어, 바람에 의해서 풍력 발전기 날개(11)가 회전할 때에 전기자 권 선(13)에서는 전력이 발생하게 된다.

바람이 불때 풍력 날개(11)가 최대 구동력의 방향을 향할 수 있도록, 바람이 불어 오는 방향의 큰 원통의 일 측 원판을 V형의 깔때기(14)의 크게 벌어진 쪽이 감싸며, 이는 바람이 불어오는 방향을 유선형으로 하기 위함이고, 깔때기(14)의 사용은 원통 지름이 비교적 작은 전력 발생용의 발전기에 사용하게 된다.

중대 전력용의 발전기는 원통의 지름이 큰 것을 사용하므로 깔때기(14)를 사용하지 않고, 두 개의 원통 양쪽 원판들에 바람이 통과되는 구멍을 만들어 작은 원통(8)의 내측과 직사각형 윗변의 봉(1) 사이로 대기중의 바람이 통과되게 한다.

그리고 평판을 V형(15)으로 접어서 접어진 일자형의 선을 직사각형의 양쪽 변 중에서 V형 깔때기가 부착되지 않은 큰 원통 타 측 원판 아래쪽의 한 변(2)에 용접에 의해서 결합시켜서, 깔때기(14)와 V형 평판 (15)의 유선형의 방향은 같다.

이와 같은 V형 평판(15)에 의해 발전기의 날개는 최대 구동력을 발생할 수 있도록 바람이 불어 오는 방향을 항상 향하게 되는 특징을 갖춘다.

본 발명은 속이 비어 있는 지름이 큰 원통을 사용하여, 회전 중심에서 멀리 떨어진 많은 개수의 전자석의 자력에 의한 제동력을 증가시키고, 중대형 발전기의 경우에 원통 지름을 크게 설계했을 경우 작은 원통의 내측으로 바람이 통과하는 특징을 갖추며, 이에 따라 무게가 감소하는 특징을 갖추게 된다.

또한 본 발명은 발전기의 외 측 프레임인 큰 원통의 외 측 표면에 여러 세트의 풍력 날개를 직접 부착시켜서, 바람의 이용률을 극대화하는 특징을 갖추고 있다.

본 발명의 변형 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상적 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항 범위 내에 있는 것으로 간주한다.

1. 직사각형의 윗변인 일자형 철제 원형 봉.
2. 직사각형의 양쪽 변.
3. 직사각형의 밑변.
4. 직각사각형 구조물
5. 직사각형의 밑변의 중심점.
6. 직각사각형 밑변 중심에 지면과 수직으로 고정되는 원형 봉.
7. 큰 원통.
8. 작은 원통.
9. 작은 원통이 일자형의 철제 원형 봉과 고정되는 부위.
10. 큰 원통 양쪽 원판의 중심에 고정된 베어링.
11. 풍력 날개.
12. N극과 S극으로 구성되는 자극.
13. 전기자 권선.
14. V자 모양의 깔때기.
15. V자 모양으로 접혀진 평판.
16. 지지대.
17. 지지대에 붙은 베어링.

Claims (1)

1. 윗변은 원형 봉 그리고 양쪽의 두 변과 밑변이 사각 파이프로 구성된 직사각형의 구조물을 공중에 지면과 수직 방향으로 세우고,
   직사각형 밑변의 중심에 지면과 수직으로 용접된 일정 길이의 일자형 원형 봉은 지면에 설치된 지지대와 베어링으로 연결되며,
   직사각형 윗변의 원형 봉에는 큰 원통 안에 작은 원통이 들어 있는 두 개의 원통이 끼워져 있으며,
   상기 직사각형 윗변의 원형 봉에 두 개의 원통이 끼워지는 방식으로, 작은 원통의 양쪽 원판 중심에 원형 봉이 각각 끼워져 고정되고, 큰 원통의 양쪽 원판 중심에 각각이 부착된 베어링의 중심에 원형 봉에 끼워지며,
   상기 큰 원통의 외 측 표면에는 풍력날개가 한 세트 이상 부착되고, 큰 원통의 내측 표면에는 영구자석 또는 전자석에 의한 N극 S극으로 구성된 2극 이상의 자극들이 작은 원통의 외 측 표면을 향하도록 배열되어 있으며, 그리고 V형 깔때기의 크게 벌어진 쪽이 큰 원통의 일 측 원판을 감싸 유선형으로 만들며,
   상기 큰 원통의 일 측 원판의 반대편인 V형 깔때기가 부착되지 않은 큰 원통 타 측 원판 쪽의 아래에 있는 직사각형 수직 변에 평판을 V형으로 접어서 접어진 일자형의 선을 용접에 의해서 결합시키며,
   작은 원통의 외 측 표면에는 전기자 권 선이 배열되어 있어서, 바람이 불어 오면 큰 원통의 회전에 의해서 전기자 권 선에 전력이 발생하게 되고,
   발전기의 외 측 프레임인 큰 원통의 외 측 표면에 한 세트 이상의 풍력날개를 직접 부착시키는 특징을 갖추는 발전기의 외 측 프레임에 풍력날개가 부착된 풍력 발전기.

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