KR101111609B1

KR101111609B1 - 건물 설치용 풍력발전 풍차

Info

Publication number: KR101111609B1
Application number: KR1020080098893A
Authority: KR
Inventors: 손민
Original assignee: 동해기연(주)
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2008-10-09
Publication date: 2012-02-14
Anticipated expiration: 2028-10-09
Also published as: KR20100039917A

Abstract

본 발명은 아파트나 공장, 창고 등의 옥상이나 지붕 등에 설치하여 실내에서 배출되는 배기가스와 자연풍에 의하여 회전하는 풍차의 회전축에 의해 발전기를 회전시켜 전기를 얻음으로서 주차장, 계단 등의 공용전기로서 사용되게 한 건물설치용 풍력발전 풍차에 관한 것으로, 외곽회전체와, 외곽회전체의 내부에 회전가능하게 축설된 내부회전체 및, 외곽회전체와 내부회전체를 지지하는 받침체로 구성하되. 외곽회전체는 경사상 바람유도면이 형성된 상하판을 역시 곡선상 바람유도면이 형성된 바람유도베인에 의해 상하결합하고 상하판의 내측에 베어링 지지공을 형성하며, 상판의 상부에는 바람방향 유도판(19)을 형성하고, 내부회전체는 다리우스 블레이드를 형성하고 상하 돌출된 회전축을 전기한 외곽회전체의 베어링 지지공과 베어링 결합하고 회전축의 하단을 별도의 발전기 회전체와 결합되게 하며, 받침체는 전기한 외곽회전체의 돌출축과 내부회전체의 회전축을 베어링 결합하고 그 주변에 지지공을 형성하여 구성하므로서, 저렴한 설치비용으로 소규모의 전력을 필요로 하는 곳에 직접 설치하여 건물 내에서 소용되고 배출되는 배기풍과 자연풍을 동시에 이용되게 하여 바람의 이용 효율을 극대화 시키므로서 별도의 전문 운영자나 운영비 없이 전력을 직접 생산하므로서 초고유가 시대에 있어서 발전에 사용되는 에너지를 절약하는 동시에 이산화탄소 등의 공해가 발생되지 않는 친환경적인 발전장치를 제공한다.

풍력발전, 풍차, 다리우스

Description

건물 설치용 풍력발전 풍차 {Wind mill for power generation adapted in building}

본 발명은 풍력발전용 풍차에 관한 것으로, 특히 아파트나 공장, 창고 등의 옥상이나 지붕 등에 설치하여 실내에서 배출되는 배기가스와 자연풍에 의하여 회전하는 풍차의 회전축에 의해 발전기를 회전시켜 전기를 얻음으로서 주차장, 계단 등의 공용전기로서 사용되게 한 건물설치용 풍력발전 풍차에 관한 것이다.

일반적으로 우리나라 전력생산은 화력발전이 대부분이며 나머지는 원자력 발전에 의해 얻어진다.

그 중 화력발전은 전력을 생산키 위한 연료비가 막대하여 요즘 같은 초고유가 시대에서 전력생산원가가 너무 커지는 문제가 있고, 석유와 석탄 등에서 배출되는 이산화탄소는 지구온난화의 주원인이 되고 있다. 또한 원자력 발전은 방사성 폐기물의 발생과 초기 설비투자비가 막대한 문제점이 있어 유지비용이 거의 들지 않는 풍력 또는 태양열 발전에 많은 연구개발이 진행되고 있다.

전기한 바와 같이 고갈되는 에너지, 고유가, 지구온난화로 인하여 에너지원 을 대체할 만한 신,재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있고, 그 신,재생 에너지는 석유와 석탄 등 이산화탄소를 배출하는 기존의 화석연료를 대체하는 다양한 에너지, 새로운 기술로 개발한 신에너지와 계속 공급이 가능한 재생에너지를 포함하는 바이오에너지, 연료전지, 수소에너지, 태양열, 풍력, 지열, 폐기열 어너지, 소수력, 해양에너지 등이 있으며, 이는 설치 장소 및 이동공간에 따른 제약이 없고 무공해, 무한정한 에너지의 이용으로 연료비가 들지 않고 유지, 보수, 관리가 용이한 장점이 있다.

이러한 신,재생에너지 중에서도 설치가 간단하고 유지비용이 적게 들며 초기 투자가 적은 방식으로 주거 건축물, 초고층 건축물에 적합한 풍력을 이용한 발전이 선호되고 있다.

우리나라에서도 비교적 바람이 많은 대관령, 제주도 등에 대용량의 풍력발전장치가 조성되어 있으나 지형 특성상 전력 수요체와 멀리 떨어져 있는 데 비해 그 생산량이 미비하여 큰 도움이 되지 못하는 경우가 많고, 그 설치비용이 과다하고 이를 유지 관리하는데에도 전문인력과 고비용이 소요되므로 우리나라에서는 적합하지 않은 문제가 있다.

본 발명은 전기한 바와 같이 에너지효율, 환경오염, 설치, 유지비용 등을 감안한 풍력발전장치에 있어서,

특히 지형 특성으로 인한 한정과 유지보수에 전문인력이 필요하는 등의 문제점을 갖는 대용량의 풍력발전장치를 지양하고 빌딩이나 공장, 아파트 등의 전력 수요처에 직접 설치하여 건물 내에서 소용되고 배출되는 폐에너지와 자연풍을 동시에 이용하여 풍차를 회전시켜 그 회전력에 의해 전력을 생산되게 하므로서 과다한 설치비용이 없이도 설치가 가능하고 전문 인력이 필요없이 유지 보수가 가능한 상태에서 건물의 지하 주차장이나 비상계단 등 공동구역의 전력으로 사용되게 하되,

특히 그 풍차를 가이드 베인을 갖는 외통체와 내부의 다리우스형 회전체를 결합하여 회전 효율을 배가 되게 하여 최소한의 설비투자와 유지비용으로 에너지 효율을 극대화 되게 한 건물설치용 풍력발전 풍차를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외곽회전체와, 외곽회전체의 내부에 베어링에 의해 회전가능하게 축설된 내부 및, 외곽회전체와 내부회전체를 지지하는 받침체로 된 풍차를 구성하여 바람을 효율적으로 이용하게 하는 것인데,

풍력터어빈은 바람방향에 대한 회전축의 방향에 따라 수평축 풍력터어빈과 수직축 풍력터어빈으로 구분할 수 있으며, 풍력터버빈을 구동시키는 공기력에 따라 양력(Lift)을 이용한 풍력터어빈과 항력(Drag)을 이용한 풍력터어빈으로 구분된다. 수평축 풍력터어빈의 대표적인 예로는 프로펠러(Propeller)형 풍력터어빈을 들 수 있고, 수직축 풍력터어빈으로는 다리우스(Darrieus)형 풍력터어빈을 들 수 있으며, 이들은 모두 양력에 의해 구동되는 풍력터어빈이다.

다리우스형 풍력터어빈은 프랑스의 G.J.M. Darrieus에 의해 개발되어 1960년대 중반까지는 거의 이용되지 못하다, 최근들어 캐나다의 NAE/NRC(National Aeron-actical Establishment of the National Research Council of Canada) 기관에 의해 실험 및 응용이 이루어지기 시작하였다.

다리우스형 풍력터어빈은 프로펠러형 풍력터어빈이 회전축에 한쪽 끝만 고정되어 있는 외팔지지보의 형상을 갖고 회전하므로, 플래핑(flapping), 래깅(lagging)이나 토오셔날(torsional) 운동이나 이의 커플링된 운동에 의해 구조적으로 불안정한 반면에, 터어빈의 양쪽 끝이 회전축에 고정되어 있어 구조적이나 동력학적으로 프로펠러형보다는 안정하게 된다. 도한 회전축이 지면에 대해 수직이므로 에너지 전달장치나 발전기 등의 지상 설치가 가능하게 된다.

일반적으로 수평축 프로펠러형은 별도의 철탑(tower)를 설치하여, 그 위에 에너지 전달장치나 발전기를 설치하기 때문에 유지,관리가 곤란하지만 다리우스형 풍력터어빈은 설치 및 유지, 관리가 용이하다는 장점을 갖게 된다. 다리우스형 풍력터어빈은 회전축에 대해 축대칭(axis-symmetric)인 기하학적 형상을 갖기 때문에 대기의 진입방향에 무관하게 회전할 수 있으므로, 수평축 프로펠러형에서 쓰이는 별도의 요잉운전장치(yawing drive mechanism)가 불필요하게 된다. 또 과속시 회전 자가 실속(stall) 상태에 빠지게 되어 스스로 공기역학적으로 안정하게 되는 등의 장점으로 인하여 점차 그 이용범위가 확대되어 가고 있다. 그러나 다리우스형 풍력터어빈은 정지상태에서 회전하기 시작할 때의 시동토오크가 매우 작게 발생하여 스스로 시동하지 못하기 때문에 실제의 시스템을 구성할 때에는 별도의 보조시동장치 및 보조전원이 필요하게 되는 단점을 갖고 있기도 하다. 이상에 대한 다리우스형 풍력터어빈의 특성을 아래 표에 정리하였다.

다리우스 풍력터어빈의 특성

따라서 본 발명에서 내부 회전체를 다리우스 터어빈으로 형성하고 외곽회전체를 바람방향에 따라 회전하면서 바람유도 베인의 바람방향유도에 공기의 양력에 의해 라디우스 터어빈을 초기시동시키므로서 계속 회전하게 되어 계속적으로 안정 적이고 효율적으로 전기에너지를 얻을 수 있게 한 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의한 건물 설치용 풍력발전 풍차는 저렴한 설치비용으로 소규모의 전력을 필요로 하는 곳에 직접 설치하여 건물 내에서 소용되고 배출되는 배기풍과 자연풍을 동시에 이용되게 하여 바람의 이용 효율을 극대화 시키므로서 별도의 전문 운영자나 운영비 없이 전력을 직접 생산하므로서 초고유가 시대에 있어서 발전에 사용되는 에너지를 절약하는 동시에 이산화탄소 등의 공해가 발생되지 않는 친환경적인 발전장치를 제공하는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의하여 설명한다.

도 1은 본 발명 풍력발전 풍차의 분리사시도이고, 도 2와 도 3은 그 결합상태의 사시도 및 단면설명도이다.

본 발명의 풍력발전 풍차는 외곽회전체(10)와, 외곽회전체(10)의 내부에 베어링에 의해 회전가능하게 축설된 내부회전체(20) 및, 외곽회전체(10)와 내부회전체(20)를 지지하는 받침체(30)로 구성되어 있다.

외곽회전체(10)는, 단면상 중앙을 향해 각이 좁아지는 경사면으로 된 바람유도면(11)이 형성된 상하판(12)(13)을, 역시 단면상 유선상의 곡선면으로 된 바람유도면(14)이 형성된 바람유도베인(15)(15')에 의해 상하결합하고 상하판(12)(13)의 내측에 베어링 지지공(16)(16')을 형성하며, 상판(12)의 상부 중심선상에는 바람방향 유도판(19)을 돌출형성하고, 하판(13)의 하부 중앙에는 돌출축(18)을 돌출시킨다.

내부회전체(20)는 다리우스 블레이드(21)(21')를 형성하고 상하 돌출된 회전축(22)을 상기 외곽회전체(10)의 베어링 지지공(16)(16')과 내부회전체 지지용 베어링(17)(17')에 의해 결합하고 하판(13)의 돌출축(18)을 통해 하부로 돌출된 회전축(22)의 하단을 별도의 커플링(도시생략) 등의 축 결합수단에 의해 발전기 회전체의 회전축과 결합되게 한다.

여기서 내부회전체 지지용 베어링(17)(17')은 일방향 회전베어링으로 한다.

받침체(30)는 상기 외곽회전체(10)의 하판(13) 하부의 돌출축(18)과 내부회전체(20)의 하부로 돌출된 회전축(22)을 하부지지용 베어링(31)(31')에 의해 결합하고 그 주변에 형성한 지지공(32)(32')에 의해 소정의 설치장소에 결합되게 한다.

설치장소의 구체적인 실시예는 도 6의 도시와 같이 옥상의 양측단에 설치하여 상공의 자연풍과 건물의 외벽을 타고 상승하는 상승기류를 동시에 영향받게 하여 바람 이용효율을 높일 수 있고, 도 7의 도시와 같이 주차장 등의 건물 내부의 배기 덕트상에 설치하여 상공의 자연풍과 건물 내부의 배기풍을 동시에 이용할 수 있다.

또 도 8의 도시와 같이 기계실의 정면부에 자연풍과 함께 송풍팬 등의 배출 풍력을 함께 이용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 의한 풍력발전 풍차를 발전기와 결합사용하는 개략도이다.

건물의 옥상의 소정 위치에 설치하여 건물을 통과하는 바람과 건물내 배기 바람 등에 의해 풍차가 회전하면서 그 회전력에 의해 발전기를 회전시켜 전력을 얻 고 이를 통상의 방법으로 정류 및 충전하여 비상등과 같이 공용 전기로 사용하므로서 에너지를 절약할 수 있는 것인데,

본 발명의 풍차는 바람이 유입될 경우 먼저 외곽회전체(10)가 바람방향유도판(15)(15')에 의해 바람이 불어오는 방향을 향해 회전하여 멈추면서 바람유도베인(15)(15')에 의해 바람이 유도되면서 유도된 바람이 동일 축선상에 베어링 결합되어 있는 내부회전체(20)를 회전시키는 것인데, 바람유도판(19)이 바람이 불어오는 방향을 향한 상태에서 바람유도베인(15)(15')이 최적의 각도가 유지되어 이에 유입된 바람은 외곽회전체(10)의 상하판(12)(13)의 경사상 바람유도면(11)과 바람유도베인(15)(15')의 바람유도면(14)에 의해 즉 넓은 공간에서 좁은 공간으로 바람이 모아지는 상태로 되어 유속이 증대된 상태에서 바람의 방향이 내부회전체(20)의 다리우스 블레이드(21)(21')의 양력방향으로 유도되어 다리우스 블레이드(21)(21')가 양력을 받게되어 회전하면서 내부회전체(20)를 회전시키게 되는 것이다.

이와 같이 외곽회전체(10)의 바람유도베인(15)(15')에 의해 별도의 보조시동창치 없이도 다리우스 블레이드(21)(21')의 회전이 가능하므로서 유지 관리가 필요없이 안정적인 회전이 가능한 다리우스 터어빈의 특성을 살려 바람의 이용 효율을 극대화시킬 수 있는 것이다.

이때 일방향 회전베어링(17)(17')은 외곽회전체(10)와 내부회전체(20)의 역방향 회전을 방지하면서 일방향으로만 회전력을 더하는 역할을 한다.

이와 같은 바람의 상승된 출력이 회전축(22)과 결합된 별도의 발전기(40)를 가동시켜 각각 발전되고 각각 발전된 전력은 별도의 정류장치와 충전장치에 의해 정류 저장되었다가 필요로 하는 곳에 사용할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 분리사시도

도 2는 본 발명 결합상태의 사시도.

도 3은 본 발명의 단면설명도

도 4는 도 3의 A-A'선 단면도

도 5는 본 발명의 풍차와 발전기가 결합된 개략설명도

도 6은 본 발명에 의한 발전장치를 건물의 옥상 양측에 설치한 실시예도

도 7은 본 발명에 의한 발전장치를 건물의 옥상 배기구에 설치한 실시예도

도 8은 본 발명에 의한 발전장치를 건물의 옥상 기계실에 설치한 실시예도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10 : 외곽회전체 11 : 바람유도면

12 : 상판 13 : 하판

14 : 바람유도면 15,15' : 바람유도베인

16,16' : 베어링 지지공 17,17' : 내부 회전체 지지용 베어링

18 : 돌출축 19 : 바람방향유도판

20 : 내부회전체 21,21' : 다리우스 블레이드

22 : 회전축 30 : 받침체

31,31' : 하부지지용 베어링 32,32' : 지지공

40 : 발전기

Claims

외곽회전체(10)는, 단면상 중앙을 향해 각이 좁아지는 경사면으로 된 바람유도면(11)이 형성된 상하판(12)(13)을, 역시 단면상 유선상의 곡선면으로 된 바람유도면(14)이 형성된 바람유도베인(15)(15')에 의해 상하결합하고 상하판(12)(13)의 내측에 베어링 지지공(16)(16')을 형성하며, 상판(12)의 상부 중심선상에는 바람방향 유도판(19)을 돌출형성하고, 하판(13)의 하부 중앙에는 돌출축(18)을 돌출시키고,

내부회전체(20)는 다리우스 블레이드(21)(21')를 형성하고 상하 돌출된 회전축(22)을 상기 외곽회전체(10)의 베어링 지지공(16)(16')과 일방향 회전용으로 된 내부회전체 지지용 베어링(17)(17')에 의해 결합하고 하판(13)의 돌출축(18)을 통해 하부로 돌출된 회전축(22)의 하단을 별도의 커플링(도시생략) 등의 축 결합수단에 의해 발전기 회전체의 회전축과 결합되게 하며,

받침체(30)는 상기 외곽회전체(10)의 하판(13) 하부의 돌출축(18)과 내부회전체(20)의 하부로 돌출된 회전축(22)을 하부지지용 베어링(31)(31')에 의해 결합하고 그 주변에 형성한 지지공(32)(32')을 형성함을 특징으로 하는 건물 설치용 풍력발전 풍차.
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