KR101732145B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 일정 길이로 연장되며 내부에는 바람이 이동하는 체적공간을 형성한 하우징 본체; 상기 하우징 본체의 상부에 설치되며 외부의 바람을 유입하도록 유입구를 형성한 바람유입부재; 상기 하우징 본체의 체적공간에 설치되며 바람의 이동방향을 일정하게 유지시키는 회전유지부재; 상기 회전유지부재 아래쪽에 설치되며 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수의 블레이드유닛; 상기 블레이드유닛 상에 설치되며 상기 블레이드유닛의 회전력으로부터 전기를 생산하는 발전유닛으로 구성되며, 상기 바람유입부재의 일측에는 상기 유입구를 통해 유입되는 바람이 직선 이동하는 것에 대해 외부의 바람을 추가로 유입하여 와류현상을 일으켜 방향을 전환유도하는 와류발생부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 블레이드유닛의 전체에 풍력을 고루 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 와류현상에 의한 바람의 이동 경로가 길어짐에 따라 바람의 에너지 자원을 최대한 활용할 수 있는 효과가 있다.

Description

풍력발전장치{wind power generation apparatus}

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미풍에서도 회전이 가능하며 블레이드의 회전속도를 한층 향상시켜 발전효율을 높일 수 있는 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력발전장치는 공기의 유동이 가지는 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 고정자(stator)에 대하여 상대 회전시키는 것에 의해 기계적 에너지로 변환시켜 전력을 얻는 기술이다.

이러한 풍력발전장치는 크게 구동되는 축의 위치에 따라 수평축 풍력 발전장치와 수직축 풍력 발전장치로 구분된다.

상기 수평축 풍력발전장치는 통상의 3개의 날개를 가지는 프로펠러가 수평축을 중심으로 회전하여 발전기를 구동시키는 장치로서, 프로펠러를 회전시키기 위해서는 많은 량의 바람이 필요하기 때문에 바람이 많이 부는 해안가나 해발이 높은 곳에 설치되고, 적은 바람으로도 작동하기 위해서는 크게 제작해야 하기 때문에 대형 발전에 많이 사용된다.

반면, 수직축 풍력발전장치는 수평축 풍력 발전기에 비해 적은 량의 바람으로 블레이드를 회전시킬 수 있어 소형 발전에 적합하고, 장치를 소형화할 수 있기 때문에 최근에는 수직축 풍력 발전장치의 발전 효율을 높이는 데 많은 연구개발이 이루어지고 있다.

이하, 도 1을 참조하여 종래기술에 따른 수직축 풍력발전장치에 대하여 설명한다.

도시한 바와 같이 종래기술에 따른 수직축 풍력발전장치는 수직하게 구비된 회전축(111)에 고정된 다수의 날개(110)와; 상기 회전축(111)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(130)와; 상기 회전축(111)에 회동 가능하게 설치되며 상기 날개(110)에 대한 역풍을 막도록 상기 날개(110)를 감싸는 몸체부(121)와, 이 몸체부(121)에 고정되어 상기 날개(110)에 전달되는 풍속이 증가될 수 있도록 단면적이 좁아지는 축소관 형식의 인렛 가이드부(122)와, 이 인렛 가이드부(122)와는 반대편에 위치하여 상기 몸체부(121)에 고정되는 확장관 형식의 아웃렛 가이드부(123)로 이루어진 케이싱(120)과; 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부가 풍향 방향과 나란하도록 상기 케이싱(120)에 고정되는 방향타(140)와; 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부에 설치되어 설정 풍속 이상에서 풍속에 따라 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부의 단면적을 조절하기 위한 회전밸브(150)로 구성된다.

그러나, 종래기술에 따른 풍력발전장치는 수평방향으로 불어오는 바람에 의해 날개(110)가 회전하면서 발전이 이루어지는 구조로서, 이때 발전량을 높이기 위해 날개(110)는 대형 구조로 제작이 이루어짐에 따라 바람의 세기가 일정수준 이하(미풍)일 경우 상기 날개(10)의 초기 기동이 불가능하여 그에 따른 전기를 전혀 생산할 수 없었을 뿐만 아니라, 대형 날개(110)구조는 일정 회전속도에 도달하기까지 시간이 소요되는 문제점이 있다.

또한, 상기 날개(110)는 바람이 일방향 직선이동하는 구간에 위치하는 특정 날개부분과 부딪혀서 회전하는 구조이므로 바람이 날개(110) 전체에 효과적으로 집중되지 못하는 단점이 있었다.

한국등록특허공보 제0776319호(2007.11.07)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 발명의 목적은 미풍에서도 회전이 가능하며 블레이드의 회전속도를 한층 향상시켜 발전효율을 높일 수 있는 풍력발전장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 풍력발전장치는, 일정 길이로 연장되며 내부에는 바람이 이동하는 체적공간을 형성한 하우징 본체; 상기 하우징 본체의 상부에 설치되며 외부의 바람을 유입하도록 유입구를 형성한 바람유입부재; 상기 하우징 본체의 체적공간에 설치되며 바람의 이동방향을 일정하게 유지시키는 회전유지부재; 상기 회전유지부재 아래쪽에 설치되며 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수의 블레이드유닛; 상기 블레이드유닛 상에 설치되며 상기 블레이드유닛의 회전력으로부터 전기를 생산하는 발전유닛으로 구성되며, 상기 바람유입부재의 일측에는 상기 유입구를 통해 유입되는 바람이 직선 이동하는 것에 대해 외부의 바람을 추가로 유입하여 와류현상을 일으켜 방향을 전환유도하는 와류발생부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 하우징 본체의 길이방향 일 지점에는 바람이 이동하는 속도를 높이기 위해 폭이 좁아지는 구조의 가속축경부가 형성되며, 상기 회전유지부재는 상기 가속축경부에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 와류발생부재는 개방된 전면으로부터 유입되는 바람이 상기 바람유입부재의 내벽면에 대해 접선 방향으로 진입이 이루어질 수 있도록 곡률관 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 회전유지부재는 동심원 상에 일정 간격을 두고 이격 배치되는 제1 바람유지부와 제2 바람유지부로 분할 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드유닛은 상기 회전유지부재의 동심원 둘레방향을 따라 일정 간격을 두고 수직방향으로 길게 연장되는 복수 이상의 회전축과, 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축을 회전가능하게 하는 블레이드와, 상기 회전축을 상호 일체형 구조로 연결하는 연결부재로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 회전축의 길이방향 일단과 타단에는 회전효율을 높이기 위한 베어링이 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 발전유닛은 상기 회전축의 길이방향 일 지점에 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하는 영구자석을 구비한 회전자와, 상기 회전자와 이격되는 외측에 위치하며, 상기 회전자로부터 유도 전류를 발생시키는 복수 이상의 코일부와, 상기 각 코일부를 감싸는 상태로 상기 하우징 본체 내면에 고정시키는 코일 하우징으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 본체의 하부에는 바람이 배출되는 복수 이상의 배출구가 형성되며, 상기 배출구는 높낮이 차이를 두고 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 유입구의 전면에는 이물질이 침입하는 것을 방지하는 필터부재가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 유입구와 와류발생부재에는 풍량을 조절할 수 있는 풍량조절키가 설치된 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 직선 이동하는 바람에 대해 와류현상을 일으키는 와류발생부재와 바람의 와류현상을 일정하게 유지시키는 회전유지부재를 구성함으로써, 블레이드유닛의 전체에 풍력을 고루 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 와류현상에 의한 바람의 이동 경로가 길어짐에 따라 바람의 에너지 자원을 최대한 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 하우징 본체에는 바람이 이동하는 속도를 높이는 가속축경부를 형성함으로써, 블레이드유닛의 회전속도를 높여 발전효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 블레이드유닛은 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수로 구성됨에 따라 바람의 세기가 약한 미풍에도 회전작용이 이루어짐에 따라 발전용 전기를 꾸준하게 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 수직축 풍력발전장치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해 사시도이다.
도 4는 도 2의 바람유입부재의 구성 및 구조를 나타낸 평단면도이다.
도 5는 도 2의 종단면도이다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력발전장치는 일정 길이로 연장되며 바람이 이동하는 체적공간(11)을 형성한 하우징 본체(10)와, 상기 하우징 본체(10)의 상부에 설치되며 외부의 바람을 유입하도록 유입구(21)를 형성한 바람유입부재(20)와, 상기 하우징 본체(10)의 체적공간(11)에 설치되며 바람의 이동방향을 회전식으로 유지시키는 회전유지부재(30)와, 상기 회전유지부재(30) 아래쪽에 설치되며 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수의 블레이드유닛(40)과, 상기 블레이드유닛(40) 상에 설치되며 상기 블레이드유닛(40)의 회전력으로부터 전기를 생산하는 발전유닛(50)으로 구성된다.

먼저, 상기 하우징 본체(10)는 일정 길이로 연장되며 단면이 원형인 수직부재로서, 내부에는 바람이 이동할 수 있도록 속이 빈 구조의 체적공간(11)이 마련된다.

이러한 상기 하우징 본체(10)는 상기 체적공간(11)이 외부와 연통할 수 있도록 상단이 개방된 구조로 이루어지고 하단은 폐쇄되는 마감구조로 이루어진다.

물론, 상기 하우징 본체(10)의 하부에는 상기 체적공간(11)으로 유입된 바람이 다시 외부로 배출될 수 있도록 복수 이상의 배출구(12)가 형성되는 것은 당연하다. 여기서 상기 복수 이상의 배출구(12)는 상기 하우징 본체(10)의 둘레방향을 따라 높낮이 차이를 두고 이격 배치된다.

이는 후술할 와류발생부재(25) 및 회전유지부재(30)에 의해 나선방향으로 이동하는 바람의 이동방향에 대응하여 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 하우징 본체(10)의 길이방향 일부구간에는 바람이 이동하는 속도를 높일 수 있도록 상기 하우징 본체(10)의 내,외경의 폭이 축 중심부를 향해 점진적으로 축소되었다가 다시 넓어지는 구조의 가속축경부(13)가 형성된다.

즉, 상기 가속축경부(13)는 바람의 이동시 단면적이 넓은 곳에서 좁은 곳으로 흐를 때, 속도가 빨라지는 원리를 이용하여 바람의 이동 속도를 크게 가속화시킬 수 있기 때문이다.

이는 후술할 블레이드유닛(40)의 회전속도를 높여 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 바람유입부재(20)는 상기 하우징 본체(10)의 상부에 설치되는 것으로, 외부의 바람을 흡입하여 상기 하우징 본체(10)로 공급하는 역할을 수행한다.

상기 바람유입부재(20)에는 바람을 효과적으로 유입할 수 있는 구조를 가지는 유입구(21)가 형성된다.

또한, 상기 바람유입부재(20)의 일측에는 외부의 바람을 추가로 유입하여 와류현상을 일으켜 방향을 전환유도하는 와류발생부재(25)를 더 포함하여 구성되어, 상기 유입구(21)를 통해 유입되는 바람이 회전운동 하게 된다.

즉, 상기 와류발생부재(25)는 상기 유입구(21)를 통해 직선방향으로 이동하는 바람을 나선방향으로 회전시킴으로써 상기 블레이드유닛(40) 전체에 고루 바람이 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 와류현상에 의한 바람의 이동 경로가 길어짐에 따라 바람의 에너지 자원을 최대한 활용할 수 있는 효과를 제공한다.

이를 위해, 상기 와류발생부재(25)는 개방된 전면으로부터 유입되는 바람이 상기 바람유입부재(20)의 내벽면에 대해 접선 방향으로 진입이 이루어질 수 있도록 곡률관 구조로 형성된다.

또한, 상기 유입구(21)와 와류발생부재(25)에는 풍량을 조절할 수 있는 풍량조절키(21a,25a)가 설치된다.

아울러, 상기 유입구(21)의 전면에는 일정 크기 이상의 이물질이 침입하는 것을 방지하는 필터부재(23)를 추가적으로 설치할 수 있다.

이는 강풍 발생시 일정 크기 이상의 이물질(돌멩이, 나뭇가지 등)이 상기 유입구(21)를 통과하여 하우징 본체(10) 내에 설치되는 다른 구성물품을 타격하여 작동성능에 악영향이 발생하지 않도록 하기 위함이다.

한편, 상기 회전유지부재(30)는 상기 하우징 본체(10)의 체적공간(11)에 설치되는 것으로, 와류현상으로부터 회전하는 바람의 이동방향을 계속해서 일정하게 유지시키는 역할을 수행한다.

본 발명에 따른 상기 회전유지부재(30)는 동심원 상에 일정 간격을 두고 이격 배치되는 제1 바람유지부(31)와 제2 바람유지부(32)로 분할 구성된다.

상기 제1 바람유지부(31)는 상기 하우징 본체(10)의 내벽면을 향하는 방향으로 풍력을 전달하며, 상기 제2 바람유지부(32)는 하우징 본체(10)의 중심부으로 풍력을 전달함으로써 상기 블레이드유닛(40)의 전체에 풍력을 전달하여 그에 따른 회전력을 크게 향상시킬 수 있다.

여기서, 상기 회전유지부재(30)는 상기 가속축경부(13)에 설치되는 것이 바람직하다.

이는 상기 회전유지부재(30)가 설치된 부분으로서 하우징 본체(10)의 단면적이 줄어드는 부분을 통해 바람이 흐를 때, 그 속도가 높아지므로 그에 따른 운동에너지의 상승에 의해 와류를 효과적으로 유지할 수 있기 때문이다.

상기 블레이드유닛(40)은 상기 회전유지부재(30) 아래쪽에 설치되는 것으로, 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수의 구성으로 이루어진다.

즉, 상기 블레이드유닛(40)은 하나의 대형 구조물이 아닌 복수의 구성이 독립적으로 배치되는 소형 구조물로 이루어진다.

이에 따라, 상기 유입구(21)를 통해 진입하는 바람의 세기가 약한 미풍에도 상기 블레이드유닛(40)은 회전작용이 이루어짐에 따라 발전용 전기를 꾸준하게 생산할 수 있는 장점이 있다.

구체적으로, 상기 블레이드유닛(40)은 상기 회전유지부재(30)의 동심원 둘레방향을 따라 일정 간격을 두고 수직방향으로 길게 연장되는 복수 이상의 회전축(41)과, 상기 회전축(41)에 결합되어 상기 회전축(41)을 회전가능하게 하는 블레이드(42)와, 상기 회전축(41)을 상호 일체형 구조로 연결하는 연결부재(43)로 구성된다.

또한, 상기 회전축(41)의 길이방향 일단과 타단에는 회전효율을 높이기 위한 베어링(44)이 설치된다.

한편, 상기 발전유닛(50)은 상기 블레이드유닛(40) 상에 설치되는 것으로, 상기 블레이드유닛(40)의 회전력으로부터 전기를 생산한다.

상기 발전유닛(50)은 상기 회전축(41)의 길이방향 일 지점에 결합되어 상기 회전축(41)과 함께 회전하는 영구자석을 구비한 회전자(51)와, 상기 회전자(51)와 이격되는 외측에 위치하며, 상기 회전자(51)로부터 유도 전류를 발생시키는 복수 이상의 코일부(52)와, 상기 각 코일부(52)를 감싸는 상태로 상기 하우징 본체(10) 내면에 고정시키는 코일 하우징(53)으로 구성된다.

즉, 상기 발전유닛(50)은 상기 회전축(41)에 설치되는 회전자(51)가 회전함에 따라 상기 코일 하우징(53)에 고정된 코일부(52)에 유도 전류가 발생되어 전기를 생산하게 된다. 이렇게 발생된 유도 전류는 상기 코일 하우징(53)에 연결되는 전선 케이블(미도시)을 통해 바로 전기 장치에 사용되거나 축전기에 저장된다.

아울러, 본 발명의 실시예에 적용된 발전유닛(50)의 경우 상기 영구자석인 회전자(51)가 상기 회전축(41)에 연결되어 회전하며 상기 코일부(52)는 고정된 구조로 설명하였으나, 반드시 이에 한정하지 않으며 상기 회전자(51)와 코일부(52)는 서로 반대로 설치할 수 있다. 즉, 상기 코일부(52)가 상기 회전축에 연결되어 회전하고, 상기 영구자석을 상기 코일 하우징(53)에 고정시킬 수 있다.

이러한 상기 회전자(51)와 코일부(52)를 이용한 전기 생산기술은 이미 공지된 기술이므로 그 구체적인 구성 및 작용설명은 생략한다.
이러한 본 발명에 따른 상기 블레이드유닛(40)과 발전유닛(50)은 상기 하우징 본체(10)의 하부공간에서 둘레방향을 따라 복수개 배치되며, 그 크기와 규격은 동일하게 형성하는 것이 좋다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 직선 이동하는 바람에 대해 와류현상을 일으키는 와류발생부재(25)와 바람의 와류현상을 일정하게 유지시키는 회전유지부재(30)를 구성함으로써, 블레이드유닛(40)의 전체에 풍력을 고루 강하게 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 와류현상에 의한 바람의 이동 경로가 길어짐에 따라 풍력 에너지 자원을 최대한 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 하우징 본체(10)에는 상기 바람이 이동하는 속도를 높이는 가속축경부(13)와 회전을 유지하는 회전유지부재(30)를 형성함으로써, 블레이드유닛(40)의 회전속도 높여 발전효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기 블레이드유닛(40)은 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수로 구성됨에 따라 바람의 세기가 약한 미풍에도 회전작용이 이루어짐에 따라 발전용 전기를 꾸준하게 생산할 수 있는 효과가 있다.

10 : 하우징 본체
13 : 가속축경부
20 : 바람유입부재
21 : 유입구
25 : 와류발생부재
30 : 회전유지부재
31 : 제1 바람유지부
32 : 제2 바람유지부
40 : 블레이드유닛
50 : 발전유닛

Claims (10)

1. 일정 길이로 연장되며 내부에는 바람이 이동하는 체적공간을 형성한 하우징 본체;
   상기 하우징 본체의 상부에 설치되며 외부의 바람을 유입하도록 유입구를 형성함과 아울러 유입구를 통해 유입되는 바람에 대해 와류현상을 일으키는 와류발생부재를 구비한 바람유입부재;
   상기 하우징 본체의 체적공간에 설치되며 바람의 이동방향을 일정하게 유지시키는 회전유지부재;
   상기 회전유지부재 아래쪽에 설치되며 일정 간격을 두고 독립적으로 배치되는 복수의 블레이드유닛;
   상기 블레이드유닛 상에 설치되며 상기 블레이드유닛의 회전력으로부터 전기를 생산하는 복수의 발전유닛을 포함하되,
   상기 하우징 본체의 길이방향 일부구간에는 내,외경의 폭이 축 중심부를 향해 점진적으로 축소되었다가 다시 넓어지는 구조의 가속축경부가 형성되며,
   상기 회전유지부재는 동심원 상에 일정 간격을 두고 이격 배치되는 제1 바람유지부와 제2 바람유지부로 분할 구성되고 상기 가속축경부에 설치되고,
   상기 블레이드유닛과 발전유닛은 상기 하우징 본체의 하부공간에서 둘레방향을 따라 복수개 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 와류발생부재는 개방된 전면으로부터 유입되는 바람이 상기 바람유입부재의 내벽면에 대해 접선 방향으로 진입이 이루어질 수 있도록 곡률관 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드유닛은,
   상기 회전유지부재의 동심원 둘레방향을 따라 일정 간격을 두고 수직방향으로 길게 연장되는 복수 이상의 회전축과,
   상기 회전축에 결합되어 상기 회전축을 회전가능하게 하는 블레이드와,
   상기 회전축을 상호 일체형 구조로 연결하는 연결부재로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 회전축의 길이방향 일단과 타단에는 회전효율을 높이기 위한 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항, 제3항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 유입구의 전면에는 이물질이 침입하는 것을 방지하는 필터부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
   
10. 제1항, 제3항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유입구와 와류발생부재에는 풍량을 조절할 수 있는 풍량조절키가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
    

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