KR20240122489A - 풍력 획득을 위한 바람 유도기구 및 그것을 이용한 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낭비되는 바람을 없애 풍력 이용 효율을 최대로 높일 수 있고, 블레이드에 가해지는 풍력을 높일 수 있어 낮은 풍압하에서도 발전이 가능하며, 바람 방향의 변동에 즉시 추종하여 정렬됨으로써 발전 효율을 크게 높일 수 있도록 한 풍력발전장치 및 풍력 획득을 위한 바람 유도기구를 제공하는데 목적이 있다. 이를 위해 원추형의 확산기 몸체와, 상기 확산기 몸체의 진출단부 측의 외주에 복수의 삼각뿔이 주름 형상으로 돌출하고 있는 바람 유도집중부를 포함하고 있으며, 상기 돌출된 삼각뿔과 삼각뿔 사이에는 바람의 유도 및 집중을 위한 협곡부가 형성되며, 상기 협곡부는 바람이 진입하는 상류는 폭이 넓고 바람이 배출되는 하류는 점차 폭이 좁아지게 형성되는 풍력 획득을 위한 바람 유도기구 및 그것을 이용한 풍력발전장치가 제공된다.

Description

풍력 획득을 위한 바람 유도기구 및 그것을 이용한 풍력발전장치

본 발명은 풍력 획득을 위한 바람 유도기구 및 그것을 이용한 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 육상 또는 해상에 설치하거나 또는 다리 난간이나 건물 지붕 또는 선상 등의 이동수단에 설치되어 풍력에 의해 회전되면서 전기를 생산하는 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전장치는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 특히 풍력발전은 지구 온난화의 주요인인 CO₂ 등 발전 과정에서 배출되는 오염물질의 배출이 전혀 없고 환경을 훼손할 우려가 없는 장점으로 인해 석유 자원을 대체할 에너지로 각광받고 있다.

풍력 발전을 위한 풍력발전장치는 블레이드의 회전으로부터 전력을 생산하는 발전기와, 발전기로부터 생산된 전력을 계통에 공급하기 위한 전력으로 변환하는 전력변환기를 가진다. 따라서 블레이드를 이용하여 풍력 에너지를 회전 에너지와 같은 기계적 에너지로 변환하고, 변환된 기계적 에너지를 이용하여 발전기를 구동시킴으로써 전력을 생산하고, 생산된 전력을 전력변환기에 의하여 계통에 공급하기 위한 전력으로 변환한다.

풍력발전장치는 전력 생산에서 차지하는 비중이 커짐에 따라 더 큰 발전용량이 요구되고 있으며, 설치 지역이 풍력 에너지가 지속적으로 공급됨과 동시에, 환경적 제약이 적은 해상으로 옮겨지면서, 발전 용량에 큰 역할을 차지하는 블레이드의 크기도 함께 커지고 있다. 이와 같이 풍력 발전기에서 가장 중요한 부분 중 하나는 블레이드라고 할 수 있는데, 블레이드는 그 성능이 발전 용량을 크게 좌우할 뿐만 아니라, 전체 시스템 비용에서도 많은 부분을 차지한다.

풍력발전장치는 크게 지면과 회전축의 설치 방향에 따라 수직형과 수평형으로 구분되는데, 수평형 풍력발전장치는 설치가 용이하고 동력손실이 적은 장점이 있지만 바람의 방향에 영향을 많이 받으며 요잉시스템 및 블레이드 크기에 따른 내부 구성이 복잡해지고 설치규모가 커지는 문제점이 있다. 반면 수직형 풍력발전장치는 동력효율은 떨어지지만 풍향에 관계없이 설치 가능하고 설치면적을 작게 차지하며 다단으로도 설치할 수 있는 장점이 있다.

일반적인 풍력 발전 장치의 일례가 도 1 내지 도 2에 도시되어 있다(공개특허공보 제10-2011-0136296호).

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 풍력 발전 장치(200)에는 복수의 블레이드(155)와, 복수의 블레이드(155)가 연결되는 허브(160)와, 허브(160)가 회전 가능하게 연결되는 발전기 본체(210)와, 발전기 본체(210)를 바닥면에 대하여 지지하는 지주부(220)가 구비된다.

복수의 블레이드(155)는 허브(160)를 중심으로 배치되어, 작용되는 풍력에 의하여 블레이드 몸체(150)를 회전시킬 수 있는 양력이 발생될 수 있도록, 가압면(Pressure surface,153) 및 부압면(Suction surface,154)이 형성되어 블레이드 몸체(150)에 풍력이 작용하게 되면, 일방향으로 회전됨으로써, 발전기 본체(210)에서 전기가 생산될 수 있도록 한다.

그러나 이 같은 전통적인 형태의 풍력발전장치는 큰 힘을 얻기 위해 풍압을 받는 표면적을 키울 수 있게 거대한 크기의 블레이드(155)를 필요로 하고, 특히 중심의 허브(160) 측 가까이는 회전 모우먼트가 작게 발생하기 때문에 바람을 받는 표면적을 방사상으로 먼 거리에 배치하기 위하여 블레이드 날개 길이가 과도하게 커지고, 베어링의 지지구조 상 허용 하중의 한계로 인해 바람을 받는 블레이드의 갯수를 증대시키기가 어려워 통상 3~4개(대다수는 3개) 정도를 설치하고 있다.

그런데 이 같은 블레이드의 설치 갯수의 제한으로 한해 블레이드와 블레이드 사이의 넓은 빈 공간을 통과하는 풍압은 발전에 아무런 기여를 하지 못할뿐 아니라, 자연 상태에서 부는 바람의 방향이 일정하지 않고 자주 바뀌게 되는 데 비하여 풍력발전장치의 거대한 블레이드 구조물은 바람 방향으로 추종하여 정렬되는 배향 반응속도가 크게 늦어 풍압의 효율적 이용이 저하되어 전력 생산성을 낮추게 되는 문제가 있어왔다.

한편, 풍압은 전력 생산에 기여도가 낮은 중심부 측이나 블레이드 끝단부 측이나 동일하게 영향을 미치고, 또 자연적으로 부는 풍속에 못미치는 힘을 블레이드에 가할 뿐이어서, 풍속이 낮아지는 경우 블레이드를 회전시킬 수 있는 힘이 부족하여 발전기 가동이 중단될 수밖에 없어 안정적인 전기 생산이 어렵다는 문제가 지적되고 있다.

이처럼 자연에서 불어오는 바람은 항상 일정하지 않아 종래 풍력발전장치의 경우 바람의 방향이나 강도의 변화에 효율적으로 대응하기 어려우며, 따라서 바람의 방향에 따라 최대의 풍력을 받는 위치로 자유로이 변화 가능하면서도 바람의 강도가 작거나 큰 경우에도 유연하게 대처할 수 있으며, 낮은 풍압과 풍속하에서도 안정적으로 전기를 생산할 수 있는 효율성 높은 풍력발전장치를 필요로 하고 있다.

공개특허공보 제10-2011-0136296호

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 낭비되는 바람을 없애 풍력 이용 효율을 최대로 높일 수 있고, 블레이드에 가해지는 풍력을 높일 수 있어 낮은 풍압하에서도 발전이 가능하며, 바람 방향의 변동에 즉시 추종하여 정렬됨으로써 발전 효율을 크게 높일 수 있도록 한 풍력발전장치 및 풍력 획득을 위한 바람 유도기구를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 소형 및 대형을 포함하여 장치 규모를 자유롭게 설계할 수 있고 외관이 아름답고 설치가 쉬우므로 별도의 동력의 투입 없이 다리와 건물 및 가로등 등의 조명과 장식용으로 사용 가능한 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 풍력 획득을 위한 바람 유도(집중)기구는, 풍력발전장치의 회전부재(블레이드 기구)에 바람을 유도 및 집중시키는 기구로서, 바람이 진입하는 진입단부에서 상기 블레이드에 바람을 공급하는 진출단부 측으로 갈수록 점차 직경이 증가하며, 내측에 공간을 형성하는 원추형의 확산기 몸체와, 상기 확산기 몸체의 진출단부 측의 외주에 연속하여 배열되는 복수의 삼각뿔들이 주름 형상으로 돌출하고 있는 바람 유도집중부를 포함하고 있으며, 상기 돌출된 삼각뿔과 삼각뿔 사이에는 바람의 유도 및 집중을 위한 협곡부가 형성되며, 상기 협곡부는 바람이 진입하는 상류는 폭이 넓고 바람이 배출되는 하류는 점차 폭이 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 원추형의 확산기 몸체는 바람이 진입하는 상류측 단부가 끝이 뾰족한 원뿔 또는 원형 단면을 가진 원뿔대인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 상기 주름을 형성하는 삼각뿔들은 양측 경사 측벽면을 형성하도록 상부 모서리선을 중심으로 소정 각을 이루도록 V자 형상으로 절곡한 판재를 상기 원추형의 확산기 몸체 외주에 용접하여 부착하거나 또는 상기 주름을 형성하는 삼각뿔들은 원추형의 확산기 몸체와 단일체로 주조하거나 또는 단일체로 사출하거나 또는 단일체로 프레스 가공하여 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 풍력발전장치는, 풍력 획득을 위한 상기 바람 유도 및 집중기구와, 상기 바람 유도 및 집중기구의 바람이 배출되는 원추형의 확산기 몸체의 하류에 상기 협곡부를 통해 유도 배출되는 바람에 의해 회전하도록 설치되는 회전부재와, 상기 회전부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 원추형의 확산기 몸체 내에 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 회전에 의해 전기를 생산하여 출력하는 발전기를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의하면, 상기 회전부재는 원통체 또는 원추대(圓錐臺) 몸체 외주에 상기 협곡부를 통해 분사되는 축방향의 풍압에 의해 축과 직각 방향의 회전분력으로 변환시켜 회전하도록 만드는 경사를 가지는 복수의 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 블레이드는 바람이 진입하는 상류측은 45°경사각을 가지도록 형성하되, 하류측으로 갈수록 커지는 경사각을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 블레이드는 상류측의 하단부 일부가 상기 원추대의 외표면에 고정되고 나머지 부분은 상기 원추대와 분리되며, 상기 블레이드는 탄성체로 형성되어 풍압 또는 풍속이 설정치 이상에서는 풍압에 의해 후퇴 변형되어 풍압의 일부를 바이패스시키므로써 회전부재의 과속 회전을 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 발전기는 상기 회전축에 직결되도록 설치되거나 또는 상기 회전축으로부터 방향전환기구를 개재하여 회전력을 전달받는 수직 회전축에 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 원추형의 확산기 몸체는 지지기둥부재에 의해 지지되며, 또한 수평베어링을 개재하여 지지기둥부재에 대해 수평면 상에서 360°회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 지지기둥부재의 외부에 반원 단면 형상의 바람받이 정렬부재가 상기 회전축의 중심축선과 나란한 방향이 되도록 양측으로 대칭을 이루어 설치되어, 상기 바람받이 정렬부재에 의해 상기 회전축의 중심축선이 항시 바람의 방향에 일치하도록 정렬되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 원추형의 확산기 몸체 상류측 일부는 투명 또는 반투명의 빛투과 몸체로 형성되며, 상기 빛투과 몸체 내에는 LED 발광체가 설치되어 상기 발전기에 의해 생산된 전기를 동력원으로 빛을 발산하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상기 발전기로부터 생산된 전기를 축전하는 축전기를 구비한 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 바람 유도(집중)기구의 원추형의 확산기 몸체가 상류측에서 진입하는 바람을 원추형 몸체의 하류 측 외부로 몰아 링상으로 집중시키게 되며, 더욱이 주름을 형성하는 삼각뿔들 사이로 바람이 집중되도록 유도되어 양측의 경사벽면들 사이의 협곡부를 통과하게 되는 공기가 점차 좁은 공간으로 몰려들면서 풍압이 증대되어 좁은 출구단을 통해 고속으로 분사되듯이 회전부재의 블레이드에 부딛히게 되므로, 통상적인 풍력발전장치에 비해 크게 강화된 및 낭비없는 고압 고속의 풍속 작용으로 발전효율이 크게 증대되는 효과가 있어, 발전에 부적합한 낮은 풍속하에서도 소규모 장치 규모로도 경제성이 큰 발전효율을 얻는 것이 가능하여 해안가나 산정상부가 아닌 어디라도 설치가 가능하며, 또한 미관이 아름다워 설치의 자유도가 크게 증가하는 효과가 기대된다.

또한 원추형의 확산기 몸체는 상류 측이 뾰족하게 형성되고 점차 직경이 커지는 형태라서, 바람의 방향이 변동될 때마다 재빠르게 그것에 추종하여 바람방향으로 정렬됨으로써, 방향이 수시로 변동하는 바람에 상관없이 이용효율을 최상으로 유지할 수 있다.

또 원추형의 확산기 몸체 상류측을 투명 또는 반투명 몸체로 형성하고 그 내부에 발광수단을 배치하여 발전기 구동을 통해 얻어진 전기를 이용하여 발광수단을 발광시키게 되면, 다리(또는 건물이나 가로등) 등의 장식 수단으로서 사용할 경우 별도 전기의 공급없이 장식조명이 가능함과 함께, 바람 방향에 추종하여 일치 정렬되는 원추형의 확산기 몸체의 수평면상에서의 회전에 연동하여 빛이 이리저리 흔들리면서 사방으로 발산하게 되어 더욱 아름다운 장식 효과를 얻을 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 풍력발전장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 사시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 정면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 좌측면도이며,
도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 평면도이다.
도 7 내지 도 10은 각기 본 발명의 요지 구성인 바람 유도기구를 나타낸 사시도, 정면도, 우측면도 및 A-A 단면도이다.
도 11은 본 발명의 삼각뿔 사이에 형성되는 협곡부를 보여주기 위하여 이웃하는 2개의 삼각뿔을 평면에 펼쳐놓은 도면이다.
도 12는 본 발명의 삼각뿔을 형성하기 위한 기초 소재인 평판재의 전개도 형상을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12의 평판재를 V자 형상으로 절곡시켜 형성한 V자형 절곡판재를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 회전부재의 사시도이고,
도 15는 본 발명의 회전부재의 측면도이며,
도 16은 본 발명의 회전부재의 측단면 형상을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 블레이드 형상의 일시예를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 풍력발전장치의 전체 단면도이고,
도 19는 본 발명의 풍력발전장치의 바람 유도기구 부위의 요부 확대단면도이며,
도 20은 본 발명의 풍력발전장치의 발전기 부위의 요부 확대단면도이다.
도 21은 휴대가 가능하면서 자유롭게 설치할 수 있는 소형의 풍력발전장치의 일실시예를 나타낸 사시도이고,
도 22는 휴대가 가능하면서 자유롭게 설치할 수 있는 소형의 풍력발전장치의 단면도이다.

이하에 본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략하기로 한다.

그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.　본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

또한 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 용어의 정의에 있어 "상류" 또는 "진입단부(또는 진입부)"는 바람이 불어오는 쪽, 즉 바람이 진입하는 쪽을 지칭하며, "하류" 또는 "배출단부(또는 배출부 또는 진출단부)"는 유동하는 바람이 배출되는 쪽을 의미한다.

이하, 본 발명의 각 실시예를 첨부한 도면에 따라서 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 정면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 좌측면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 외관을 나타낸 평면도이다.

전체를 부호 10으로 나타낸 풍력발전장치는 크게 대별하면 불어오는 바람을 유도하여 바람을 집중시킨 상태에서 분사하는 바람 유도기구(12)와, 그 바람 유도기구에 의해 유도 및 집중되어 분사되는 바람에 의해 회전하는 회전부재(14) 및 바람 유도기구(12)를 지지하는 지지기둥부재(16)를 포함하고 있다.

도 7 내지 도 10은 각기 본 발명의 요지 구성인 바람 유도기구를 나타낸 사시도, 정면도, 우측면도 및 A-A 단면도이다.

바람 유도기구(12)는 풍력발전장치(10)의 회전부재(블레이드 기구)에 바람을 유도 및 집중시키는 기구로서, 바람이 진입하는 진입단부(18)에서 상기 회전부재(14)에 바람을 공급하도록 배출하는 진출단부(배출단부)(20) 측으로 갈수록 점차 직경이 증가하며, 내측에 공간(22)을 형성하는 원추형의 확산기 몸체(24)와, 상기 확산기 몸체(24)의 대략 중반부에서 시작하여 진출단부(20)까지에, 즉 하류 측의 외주에 복수의 삼각뿔(사면체)(26)이 주름(28) 형상으로 돌출하여 바람 유도집중부를 형성하고 있으며, 상기 이웃하여 돌출된 삼각뿔(26)과 삼각뿔(26) 사이에는 바람 유도를 위한 협곡부(30)가 형성되며, 상기 협곡부(30)는 바람이 진입하는 상류는 폭(b1)이 넓고 바람이 배출되는 하류는 점차 폭이 좁아지게 형성되어 있다(도 11 참조).

상기 원추형의 확산기 몸체(24)는 바람이 진입하는 상류측 단부(18)가 끝이 뾰족한 원뿔로 형성하거나 또는 도시를 생략하였으나 쪽지점으로부터 소정 거리만큼을 수직으로 단면한 형태로서 상류의 단부가 원형 단면을 가진 원뿔대로 형성한다.

바람 유도집중부를 형성하고 있는 상기 주름(28)은 정면도에서 보면 산과 골이 반복하여 연속하는 형태로서(마치 해바라기 형상처럼 보임), 주름(28)을 형성하는 복수의 삼각뿔(26)들은 판재(32)(도 11의 전개도 판재 형상 참조)를 가공하여 형성되며, 상기 판재(32)를 삼각뿔(26)의 양측 경사 측벽면(26a,26b)을 형성하도록 상부 모서리선(34)을 중심으로 소정 각(θ)을 이루도록 V자 형상으로 절곡하여 얻은 V자 형상의 절곡판재(32a)(도 13 참조)를 상기 원추형의 확산기 몸체(24) 외주에 용접하여 부착하거나 또는 상기 주름(28)을 형성하는 삼각뿔들(26)은 원추형의 확산기 몸체(24)와 단일체로 주조하거나 또는 단일체로 사출성형하거나 또는 단일체로 프레스 가공하여 형성한다.

이 같은 구조의 바람 유도기구(12)는 바람이 불면 바람방향을 따라 원추형의 꼭지점, 즉 진입단부(18) 측이 바람 방향을 향하도록 정렬되는데, 이때 원추형의 확산기 몸체(24)에 부딪히는 모든 바람은 원추형의 표면을 따라 확산하면서 주름(28) 측으로 유도 이동하게 되므로, 바람은 바람 유도집중부인 주름(28) 부위에서 링상으로 집중되는 현상이 일어난다. 이 같이 집중된 바람은 다시 삼각뿔(26)이 시작되는 진입 측 꼭지점(26c)에서 각기 양측으로 분할되어 유동하기 시작하며, 계속하여 협곡부(30)의 진입부 폭(b1)을 통과하여 유동하는 바람은 양측의 측벽면(26a, 26b) 사이에서의 유도 작용에 의해 점차 좁아지는 협곡부(30)를 통과하게 되며, 좁아지는 협곡부(30)를 통과하는 바람의 압력(풍압)은 점차 증가하면서 유속이 빨라지기 시작한다. 즉 협곡부(30)의 구조로 인해 바람의 진입부 측과 배출단 사이에 압력차가 발생한게 된다. 이에 따라 협곡부(30)의 출구단을 통해 배출되는 공기는 후방으로부터 큰 압력을 받게 되어 배출 속도가 크게 증가하여 마치 노즐을 통해 분사되듯이 고속으로 분사 배출되며, 이 같이 고속으로 분사되는 바람이 상기 회전부재(14)에 공급되어 회전부재(14)를 회전시키게 되는 것이다.

도 14는 본 발명의 회전부재의 사시도이고, 도 15는 회전부재의 측면도 및 도 16은 회전부재의 측단면 형상을 나타내는 도면이다.

회전부재(14)는 바람 유도기구(12)의 출구단부 측에 설치되며, 원통 몸체 또는 바람작하기로는 바람이 인입되는 부위에서 배출되는 측을 향해 점차 직경이 증가하는 원추대 몸체의 허브(36)를 구비하고 있으며, 원통 몸체 또는 원추대 몸체의 허브(36) 외부에는 소정을 간격을 두고 방사상으로 복수의 블레이드(38)가 구비되어 있다.

허브를 형성하는 원추대 몸체(36)의 바람의 진입단부, 즉 소직경부는 지지원판부재(40)로 막혀 있으며, 지지원판부재(40)의 중심부에는 회전축(42)을 중심구멍에 끼워 키이에 의해 고정시켜 회전축(42)을 지지하는 보스(44)가 구비되어 있다.

상기 블레이드(38)는 바람의 방향에 대해 대략 45°의 비틀림각(α)을 가지도록 형성할 수 있으나, 바람의 힘을 최적으로 받아내어 회전력을 증대시킬 수 있는 프로파일을 가지도록 설계하는 것이 바람직하다.

이를 위해 상기 블레이드(38)들은 나선형 구조를 가지도록 설계되며, 배출단(하류)에서 진입단(상류) 측으로 갈수록 날개의 높이 방향의 폭(t1, t2)이 점차 넓어지게 디자인(t2<t1)되어 있어 체적 차이가 크게 나서 효과적으로 기압차가 발생한다(도 16 참조).

그리고 상기 원추대 몸체(36)의 원추각은 상기 원추형 확산기 몸체(24)의 원추각보다 큰 각도를 가지도록 형성하는 것이 주름(28)의 협곡부(30)에서 분사 배출되는 바람을 상기 블레이드(38)에 더욱 집중시킬 수 있게 유도한다는 점에서 바람직하다.

상기 블레이드(38)는 도 17에 도시된 것과 같이, 바람의 진입단부에서는 소정의 각도(α1), 예를 들면 45°를 가지도록 설계하고, 바람이 빠져나가는 하류측으로 갈수록 각도가 점차 증가(α1 < α2 < α3)하도록 하여 마치 배출단부 측이 진입단부 측으로 굽혀져 만곡진 곡면을 형성하고 있는바, 이 같은 형상에 따르면 블레이드(38) 상류인 지점 A에 먼저 협곡부(30)의 출구단부(배출단부)를 통해 고속으로 분출되는 바람이 부딛혀게 되면 회전부재(14)는 회전하기 시작하며, 이때 지점 A부위의 블레이드(38)의 비틀림각 α1이 대략 45°를 가지고 있어 블레이드(38)의 회전 방향으로의 회전력이 가장 효율적으로 작용하게 된다.

그런데 블레이드(38)가 회전하게 되면 회전 관성력이 생기게 되고, 블레이드(38)의 회전에 따른 위치 이동으로 블레이드의 지점 B가 협곡부(30)의 출구단부(배출단부)에 대향하는 위치에 오게되는데, 지점 B에서의 비틀림각 α2가 α1보다 더 크기 때문에 블레이드(38)의 지점 B에는 더 강한 바람의 힘을 받게 되어 블레이드(38)의 회전 속도를 증가시키게 되며, 이 같은 현상은 지점 C에서 더 크게 발생한다. 이 같은 이유는 블레이드(38)의 초기 비틀림각이 45°보다 더 크거나 작은 비틀림각을 갖는 경우 어느 경우이든 회전방향으로 작용하는 분력이 작아지기 때문에 충분한 회전 관성력의 확보가 어려워 블레이드(38)의 초기 바람 진입시에는 가능한한 회전을 용이하게 하도록 비틀림각을 45°정도로 설계하고, 회전 관성력이 생긴 상태에서는 블레이드(38)에 가해지는 축방향의 풍압을 높여 그 풍압이 회전력으로 나타나도록 하류측으로 갈수록 α2, α3를 점차 증가시켜 블레이드(38)가 받는 풍압을 증대토록 디자인한 것이다.

한편, 상기 블레이드(38)는 도시는 하지 않았으나 상류측의 하단부 일부가 상기 원추대의 외표면에 고정되고 나머지 부분은 상기 원추대(38)와 분리되며, 상기 블레이드는 탄성체로 형성되어 풍압 또는 풍속이 설정치 이상에서는 풍압에 의해 후퇴 변형되어 풍압의 일부를 바이패스시키므로써 회전부재(14)의 과속 회전을 방지하도록 구성할 수 있다.

도 18은 본 발명의 풍력발전장치(10)의 전체 단면도이고, 도 19는 풍력발전장치(10)의 바람유도기구(12) 부위의 요부 확대단면도이며, 도 20은 풍력발전장치의 발전기 부위의 요부 확대단면도이다.

회전부재(14)를 구비한 바람 유도기구(12)는 수직 방향으로 입설되는 기둥지지부재(16)에 의해 지지되고 있으며, 이를 위해 기둥지지부재(16)의 상부지지부재(16a)가 원추형 확산기 몸체(22)의 저면에 접속되어 지지하게 되며, 원추형 확산기 몸체(22)의 저면에는 상부지지부재(16a)의 접속을 위한 접속공(46)이 형성되어 있다.

상기 상부지지부재(16a)의 내부에는 회전축 지지틀부재(48)가 설치되며, 상기 회전축 지지틀부재(48)는 파이프 형상으로 상기 원추형 확산기 몸체(22)의 공간(22)으로 연장하고 있으며, 상기 회전부재(14)를 회전 가능하게 장착하고 있는 회전축(42)이 회전축 지지틀부재(48)를 가로로 가로질러 관통하고 있어, 상기 회전축(42)은 회전축 지지틀부재(48)에 의해 회전 가능하게 지지되어진다.

상기 회전축 지지틀부재(48)의 양측에는, 원추형 확산기 몸체(22)의 내경면에 밀착하여 복수의 브라켓(50)들을 통해 원추형 확산기 몸체(22)에 볼트, 또는 리벳팅 또는 스폿 용접 등에 의해 고정되는 전후 원판지지체(52)(54)가 볼트(56)로 고정되어 있어, 회전축(42)은 원추형 확산기 몸체(22) 내에 흔들림 없이 견고하게 지지되며, 이때 전후 지지판부재(52,54)와 회전축 지지틀부재(48) 및 회전축 지지틀부재(48)의 개방된 상부를 덮는 상부덮개(58)를 볼트(56)로 다 함께 체결하여 고정한다.

상기 회전축 지지틀부재(48)는 상기 회전축(42)을 지지함에 있어서, 볼베어링 또는 롤러베어링 등의 베어링지지수단(60)을 개재하여 회전 가능하게 지지하며, 회전축 지지틀부재(48)의 내부로 회전축(42)에는 동력방향전환기구(62)가 설치되어 있다.

상기 동력방향전환기구(62)는 회전축(42)과 직각 방향인 수직으로 배설되는 수직 회전축(64)에 회전을 전달하기 위한 것으로, 도 19의 요부 확대도에서 보여지는 것과 같이, 90°회전방향 전환이 가능한 베벨기어들이 사용되며, 회전축(42)에 키이로 고정된 주동 베벨기어(66), 그 주동 베벨기어(66)와 치형이 맞물린 종동 베벨기어(68) 및 그 종동 베벨기어(68)와 맞물린채 회전축(42)에 설치되어지되, 회전축(42)에는 고정되지 않아 회전축(42)에 대해 슬립되는 아이들 베벨기어(70)로 구성되어 있다. 이에 따라 주동 베벨기어(66)가 회전축(42)과 함께 항시 같은 방향으로 회전하는 동안 그것과 동일 회전축(42) 상에서 마주 대향하고 있는 아이들 베벨기어(70)는 회전축 상에서 슬립되면서 종동 베벨기어(68)에 의해 반대 방향으로 회전이 일어나게 된다. 이 아이들 베벨기어(70)는 없어도 되기는 하나, 회전축(70)의 비틀림을 방지하고 장치의 균형을 잡아주는 기능을 한다.

상기 종동 베벨기어(68)는 수직 회전축(70)에 연결구(72)를 통해 연결되고 있으며, 이 연결구(72) 및 수직 회전축(70)은 각기 볼트(56)에 의해 회전축 지지틀부재(48)에 고정되는 지지원판부재(74)(76)를 관통하여 지지되고 있으며, 수직 회전축(76)의 원활한 회전을 위해 지지원판부재(76)는 베어링(78)을 개재하여 지지하고 있다.

도 20은 발전기 설치 부위를 확대하여 나타낸 요부확대도로서, 상기 상부지지부재(16a)와 회전축 지지틀부재(48)의 하부에는 지지원판부재(80)가 지지하고 있고, 회전축 지지틀부재(48)는 볼트(82) 고정수단에 의해 지지원판부재(80)에 고정되어 있다.

상기 지지원판부재(80)의 저면에는 발전기 하우징(84)이 마련되며, 이 발전기 하우징(84)은 지지원판부재(80)에 볼트(86) 고정수단을 통해 고정되어 있다.

상기 발전기 하우징(84)의 내부에는 수직 회전축(64)의 회전에 따라 전기를 생산하는 통상의 발전기(88)가 설치되며, 발전기(88)는 수직 회전축(64)에 고정되어 회전하는 회전자(90) 및 회전자(전자석)의 외부를 감싸는 고정자(철심)(92)에 의해 자기장을 형성하면서 전기를 생산한다.

이 같이 생산한 전기는 자가 소비하거나 또는 발전회사에 판매할 수 있으며, 지지기둥부재 내에 축전기를 구비하여 축전시켰다가 필요한 경우에 꺼내어 사용토록 할 수 있다.

상기 발전기 하우징(84)은 하부의 지지기둥부재(16)의 상단에 얹혀진채, 지면에 지지되도록 설치되는 지지기둥부재(16)에 대해 수평면상에서 360°의 회전이 가능하게 지지되며, 수직축 방향으로 작용하는 큰 하중에 견디고 또한 수평면 상에서의 원활한 회전을 위해 양측 부재 사이에 트러스트 베어링(94)을 개재하고 있으며, 회전 시 흔들림을 방지하고 안정적으로 회전을 지지하기 위해 지지기둥부재(16)의 상단은 발전기 하우징(84) 하부에 형성한 요홈수용부(96)에 수용된 형태로 구성되어 있어, 원통형의 스컷트부(98)가 지지기둥부재(16)의 외주를 감싸고 있기에 발전기 하우징(84)을 포함한 모든 상부 구조물의 안정적 회전 지지가 가능하다.

그리고 상기 발전기 하우징(84)의 외부에는 파이프를 반으로 자른 것과 같은 형상의 반원 단면 형상을 가진 바람받이 정렬부재(100)(100)가 상기 회전축(42)의 중심축선과 나란한 방향이 되도록 양측으로 대칭을 이루어 설치되어 있어, 바람 방향이 상기 회전축(42)의 중심축선과 일치하지 않는 풍향각도를 가지는 경우 면압을 받게되는 바람받이 정렬부재(100)(100)가 회전을 하게 되면서 항시 바람의 방향에 일치하도록 정렬되어지게 되며, 이 같은 바람 방향으로의 정렬은 앞서 이미 설명한 것과 같이 원추형 확산기 몸체(24)에 의해서도 유도되는바, 이 같이 본 발명은 바람 정렬을 위한 2중의 기구를 가지고 있어 수시로 바뀌는 바람의 방향에 신속하게 대응하여 일치 정렬되는 효과가 있다.

도 21 및 도 22는 휴대가 가능하면서 자유롭게 설치할 수 있는 소형의 풍력발전장치의 일실시예를 나타낸 것으로서, 그의 기본적 구조는 도 3 실시예 구성과 대동소이하며, 다만 도 3 실시예에 의한 풍력발전장치(10)는 발전기(88)가 수직 회전축에 설치되는 반면, 동 실시예의 소형 풍력발전장치(10')는 바람 유도부재(12')의 원추형 확산기 몸체(24') 내에 소형 발전기, 예를 들면 자전거 바퀴의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 간단한 구조의 발전기(88')가 중심의 회전축(42')에 직결 설치되고 있다. 여기서 다이너모 발전기(88')는 회전축(42') 외주에 코일을 구비한 전기자가 장착되고, 그 전기자 외부를 감싸 자기장을 형성하는 전자석(고정자) 및 기타 베어링과 정류자, 브러시 등을 구비하고 있는 통상적으로 알려진 기구이어서, 그 구성들에 대한 구체적 설명은 생략하기로 한다.

그리고 원추형 확산기 몸체(24')의 바람이 진입하는 진입단부(상류측), 즉 꼭지점 부위에는 소정 구간 크기의 몸체 일부를 투명 또는 반투명의 빛투과 몸체(24a)로 형성하여 본체(24')에 조립하고, 상기 빛투과 몸체(24a) 내에는 LED 발광체(102)를 설치하여 상기 발전기(88')에 의해 생산된 전기를 전선(104)을 통해 받아 LED 발광체(102)가 빛을 발산하도록 구성하고 있다.

이 같이 구성하면, 예를 들어 다리 난간 등에 설치하는 경우 강(river)바람에 의해 발전기(88')가 구동하면서 LED 발광체(102)가 빛을 확산기 몸체 외부로 발산하게 되므로 다리의 조명 및 미관을 향상시킬 수 있고, 특히 수시로 방향이 바뀌는 강바람에 대응하여 원추형 확산기 몸체(24')가 즉시 정렬되는 중에 불빛이 이리저리 흔들리게 되는 과정을 통하여 시선을 끌어 더욱 장식적 효과를 향상시킬 수 있다.

또한 기존의 풍력발전장치에 비해 동일 발전 설비에 비해 크기를 매우 작게 설계하는 것이 가능한 본 발명의 발전장치(10, 10')를 육상과 해상뿐만 아니라 운항 중인 선박이나 차량 또는 건물 지붕이나 가로등의 지주 상부에 설치하는 등 간편하게 설치하여 전기를 생산하여 즉시 사용할 수 있는 장점이 있으며, 도 21과 같은 소형 풍력발전기는 그 외관이 마치 닭과 같이 귀엽게 생긴 형상이어서 장식적 효과까지 추구할 수 있는 잇점을 가지고 있다.

상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10, 10': 풍력발전장치 12, 12': 바람 유도부재
14, 14': 회전부재 16: 지지기둥부재
16a: 상부지지부재 18: 진입단부
20: 진출단부(배출단부) 22: 공간
24, 24': 원추형 확산기 몸체 24a: 빛투과 몸체
26: 삼각뿔(사면체) 26: 삼각뿔(사면체)
26a, 26b: 경사 측벽면 26c: 꼭지점
28: 주름(바람 유도집중부) 30: 협곡부
32: 판재 32a: V자형 절곡판재
34: 상부 모서리선 36: 원추대 몸체(허브)
38: 블레이드(날개) 40: 지지원판부재
42, 42': 회전축 44: 보스
46: 접속공 48: 회전축 지지틀부재
50: 브라켓 52, 54: 원판지지체
56: 볼트 58: 상부덮개
60: 베어링지지수단 62: 동력방향전환기구
64: 수직 회전축 66: 주동 베벨기어
68: 종동 베벨기어 70: 아이들 베벨기어
72: 연결구 74, 76: 지지원판부재
78: 베어링 80: 지지원판부재
82, 86: 볼트 84: 발전기 하우징
88, 88': 발전기 90: 회전자
92: 고정자 94: 트러스트 베어링
96: 요홈수용부 98: 스컷트부
100: 바람받이 정렬부재 102: LED 발광체
104: 전선
b1: 협곡부 진입부 측의 폭 α1,α2,α3: 블레이드의 비틀림각
t1, t2 : 블레이드의 폭(높이)

Claims (12)

1. 풍력발전장치의 회전부재에 바람을 유도 및 집중시키는 기구로서, 바람이 진입하는 진입단부에서 상기 회전부재의 블레이드들에 바람을 공급하는 진출단부 측으로 갈수록 점차 직경이 증가하며, 내측에 공간을 형성하는 원추형의 확산기 몸체와; 상기 확산기 몸체의 진출단부 측의 외주에 연속하여 배열되는 복수의 삼각뿔들이 주름 형상으로 돌출하고 있는 바람 유도집중부;를 포함하고 있으며, 상기 돌출된 삼각뿔과 삼각뿔 사이에는 바람의 유도 및 집중을 위한 협곡부가 형성되며, 상기 협곡부는 바람이 진입하는 상류는 폭이 넓고 바람이 배출되는 하류는 점차 폭이 좁아지게 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 획득을 위한 바람 유도기구.
2. 제 1항에 있어서, 상기 원추형의 확산기 몸체는 바람이 진입하는 상류측 단부가 끝이 뾰족한 원뿔 또는 원형 단면을 가진 원뿔대인 것을 특징으로 하는 풍력 획득을 위한 바람 유도기구.
3. 제 1항에 있어서, 상기 주름을 형성하는 삼각뿔들은 양측 경사 측벽면을 형성하도록 상부 모서리선을 중심으로 소정 각을 이루도록 V자 형상으로 절곡한 판재를 상기 원추형의 확산기 몸체 외주에 용접하여 부착하거나 또는 상기 주름을 형성하는 삼각뿔들은 원추형의 확산기 몸체와 단일체로 주조하거나 또는 단일체로 사출하거나 또는 단일체로 프레스 가공하여 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력 획득을 위한 바람 유도기구.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 한에 정의된 바람 유도기구와,
   상기 바람 유도기구의 바람이 배출되는 원추형의 확산기 몸체의 하류에 상기 협곡부를 통해 유도 배출되는 바람에 의해 회전하도록 설치되는 회전부재와,
   상기 회전부재를 회전 가능하게 지지하도록 상기 원추형의 확산기 몸체 내에 설치되는 회전축, 및
   상기 회전축의 회전에 의해 전기를 생산하여 출력하는 발전기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 회전부재는 원추대(圓錐臺) 몸체 외주에 상기 협곡부를 통해 분사되는 축방향의 풍압에 의해 축과 직각 방향의 회전분력으로 변환시켜 회전하도록 만드는 경사를 가지는 복수의 블레이드를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
6. 제 5항에 있어서, 상기 블레이드는 바람이 진입하는 상류측은 45°경사각을 가지도록 형성하되, 하류측으로 갈수록 커지는 경사각을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
7. 제 5항에 있어서, 상기 블레이드는 상류측의 하단부 일부가 상기 원추대의 외표면에 고정되고 나머지 부분은 상기 원추대와 분리되며, 상기 블레이드는 탄성체로 형성되어 풍압 또는 풍속이 설정치 이상에서는 풍압에 의해 후퇴 변형되어 풍압의 일부를 바이패스시키므로써 회전부재의 과속 회전을 방지하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
8. 제 4항에 있어서, 상기 발전기는 상기 회전축에 직결되도록 설치되거나 또는 상기 회전축으로부터 동력방향전환기구를 개재하여 회전력을 전달받는 수직 회전축에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
9. 제 4항에 있어서, 상기 원추형의 확산기 몸체는 지지기둥부재에 의해 지지되며, 또한 수평베어링을 개재하여 지지기둥부재에 대해 수평면 상에서 360°회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 지지기둥부재의 외부에 반원 단면 형상의 바람받이 정렬부재가 상기 회전축의 중심축선과 나란한 방향이 되도록 양측으로 대칭을 이루어 설치되어 바람받이 정렬부재에 의해 상기 회전축의 중심축선이 항시 바람의 방향에 일치하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
11. 제 4항에 있어서, 상기 원추형의 확산기 몸체 상류측 일부는 투명 또는 반투명의 빛투과 몸체로 형성되며, 상기 빛투과 몸체 내에는 LED 발광체가 설치되어 상기 발전기에 의해 생산된 전기를 동력원으로 빛을 발산하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
12. 제 4항에 있어서, 상기 발전기로부터 생산된 전기를 축전하는 축전기를 구비한 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.

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