KR20020016681A - 풍력을 이용한 동력 발생 장치 - Google Patents

Abstract

목적: 풍압의 증감에 대응하여 날개의 각도가 자동 변화되어 풍력 이용율이 최대로 향상되는 풍력 발생 장치를 제공한다.

구성: 바람의 풍압 변동에 따라 날개의 각도가 변위되는 구성을 갖춘 풍력 발생장치에 있어서, 보스(6)에 회동 가능하게 지지되고 방사상으로 배열되는 연결축(10)과, 이 연결축(10)에 일체로 형성된 피니온(12)과, 상기 보스(6)에 부착 고정되는 랙 하우징(14)과, 이 랙 하우징(14)의 내부에 슬라이드 가능하게 수용되어서 상기 피니온(12)과 치차 연결되는 랙기어(16)와, 상기 랙 하우징(14)의 외부로 연장된 랙기어(16)의 일부(18)로 삽입 배치되는 스프링(20)과, 이 스프링(20)의 탄성력을 조절하기 위하여 상기 일부(18)의 종단으로 나사 연결되는 스톱퍼(22)로 이루어진 것이다.

효과: 풍속에 비례하는 풍압의 증감에 맞춰 날개 각도가 자동 변환됨에 따라 미풍에 대해서도 회전력을 일으킬 수 있고, 강풍 시에는 날개의 파손이 없이 바람의 힘을 이끌어 낼 수 있다.

Description

풍력 발생 장치{Wind power energy generating device}

본 발명은 풍력 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 날개 스스로가 풍속과 풍압에 비례하여 각도 가변 됨에 따라 풍력을 최대한으로 이용할 수 있는 구성으로 된 풍력 발생 장치에 관한 것이다.

인류가 문명을 영위함에 있어서 필수적으로 요구되는 에너지의 대부분을 화석 연료에 의존하고 있으나 자원이 한정되어 있고 환경 오염을 일으키는 문제가 있어서 태양열, 지열, 풍력, 조력 등과 같은 무한정에 가까운 청정 에너지 개발이 연구되고 있으며 그 중 일부는 상당한 수준으로 실용화되고 있다.

무한정에 가까운 청정 에너지 중에서 가장 보편적으로 실용화되고 있는 것은 풍력 에너지이며 종래부터 여러 가지 구조로 발전되어 오고 있다.

풍차의 날개는 초기에 바람의 풍력을 많이 흡수할 수 있도록 넓게 확장된 면을 가진 형태로 발전되어 왔으나 이 구조는 풍속이 거세지면 역으로 풍차가 손괴되는 원인으로 작용하는 단점이 있다.

최근에 실용화되고 있는 풍차는 날개의 면을 곡면으로 형성하고 소정의 비틀림각을 부여하여 풍량의 이용 효율을 높임과 동시에 날개의 강성이 보강되게 하여 바람에 의한 손괴가 발생하지 않게 하는 구조로 실시되고 있다.

그러나 상기 구성의 풍차에 있어서도 견딜 수 있는 풍력에는 한계가 있기 마련이다. 이러한 문제점은 풍차의 날개가 풍속에 따라 각도 변환되게 하는 구조를 통해 해결될 수 있다. 예로서 미국특허 제4,006,925호에 개시된 풍차는 날개 축을 타고 위치 이동 가능한 슬라이더를 보유하고 있고, 이 슬라이더는 별도 설치된 인장스프링에 구속되어 있어서 날개가 회전될 때에 발생되는 원심력이 상기 인장스프링의 견인력을 초월하게 될 때에 위치 이동되고, 이 때의 위치 이동은 바람에 대한 날개의 각도가 변화되게 하는 작용을 낳게 되어 있다.

상술한 구성의 풍차는 원리적 측면에서 볼 때에 상당한 타당성을 가지고 있으나 실제로는 슬라이더를 구속하는 인장스프링의 견인력을 날개의 회전에 의해 발생되는 원심력과 비례시키기가 극히 어려워 변화되는 풍속 범위가 극히 좁아지게 되는 까닭에 풍력의 최대한 이용을 도모할 수 없다.

또 다른 예로서, 대한민국 공개특허공보, 공개번호 특1998-41042호에 개시된 풍력 발전장치는 날개의 후방에 토션스프링이 장착되어서 바람의 풍압이 드세지면 날개가 상기 토션 스프링에 저항하여 후방측으로 접혀지는 형태로 변화됨에 따라 풍압에 의한 날개의 손상이 방지되게 한 구성을 개시하고 있다.

상기 개시된 예에 있어서는 날개가 바람의 방향으로 평행하게 접혀지는 것이므로 풍력 이용의 관점에서 효율적이지 못하고 풍속 변화가 심한 때에는 쉽게 고장을 일으키는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 풍차에 비추어 날개의 각도 변화에 상관되는 힘의 조절을 간편하게 행할 수 있는 구조로 된 풍력 발생 장치를 제공하여 풍력의 이용을 최대한 끌어 올리고자 함에 그 목적을 두고 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 바람의 풍압 변동에 따라 날개의 각도가 변위되는 구성을 갖춘 풍력 발생장치에 있어서, 보스에 회동 가능하게 지지되고 방사상으로 배열되는 연결축과, 이 연결축에 일체로 형성된 피니온과, 상기 보스에 부착 고정되는 랙 하우징과, 이 랙 하우징의 내부에 슬라이드 가능하게 수용되어서 상기 피니온과 치차 연결되는 랙기어와, 상기 랙 하우징의 외부로 연장된 랙기어의 일부로 삽입 배치되는 스프링과, 이 스프링의 탄성력을 조절하기 위하여 상기 일부의 종단으로 나사 연결되는 스톱퍼로 이루어진다.

또한, 본 발명은 상기 연결축에 일체로 연결되는 날개가 편심 배치될 수도 있다.

또한, 본 발명은 상기 스프링이 연결축에 직교 방향으로 연장되는 아암의 종단과 일체로 연결되어서 상기 보스에 부착된 가이더를 관통하도록 배치되는 호상봉의 외주로 삽입되어 상기 호상봉의 종단에 형성된 플랜지에 의해 지지되는 구성으로도 변형 실시 가능하다.

또한, 본 발명은 바람의 방향에 맞춰 변위되는 풍향 표시구가 연결된 축의도중에 캠 플레이트가 일체로 부착되어 상기 축과 동기 회전하게 되어 있고, 상기 캠 플레이트의 외주 일측에는 전기적 신호를 발생하는 마이크로 스위치가 배치된 풍향감지수단을 더 포함함으로써, 상기 캠 플레이트에 의한 마이크로 스위치의 온-오프 신호로 작동되는 전자석이 상기 보스의 회전축을 지지하는 하우징의 하측부 제동면과 대향 배치된 제동편을 전 후진 연동시켜 상기 하우징을 바람의 방향에 맞춰 구속 또는 해방시키는 구성으로도 실시 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 풍력 발생 장치에 관련된 주요부 날개 조립체를 도시한 배면도.

도 2는 도 1의 날개 조립체를 도 1의 A-A선에 따라 도시한 측단면도.

도 3은 본 발명의 장치에서 날개각 변환수단의 구조를 나타내는 측단면도.

도 4는 본 발명의 부수 장치로서 풍향 검출수단의 예를 도시하는 측면도.

도 5는 도 4의 평단면도.

도 6은 본 발명의 전체 구서을 개략적으로 도시한 측단면도.

도 7a는 본 발명 장치에 있어서 날개 조립체의 변형 실시 예를 도시하는 정면도.

도 7b는 상기 도 7a의 주요부 구성을 도시하는 측단면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

2: 날개 조립체 4: 회전축

6: 보스 8: 날개

10: 연결축 12: 피니온

14: 랙 하우징 16: 랙기어

18: 랙기어의 일부 20: 스프링

22: 스톱퍼 24: 풍향감지수단

30: 캠 플레이트 32: 마이크로 스위치

34: 하우징 38: 전자석

본 발명의 구성을 첨부 도면에 따른 바람직한 실시 예로서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 날개 조립체(2)는 회전축(4)이 중심에 설치된 보스(6)와, 이를 중심으로 방사 배열되는 다수의 날개(8)로 이루어져 있다. 상기 날개(8)는 연결축(10) 상에 편심 배치되어 있고, 연결축(10)은 보스(6)의 내부에서 회동 가능하게 축 지지되는 한편, 상기 보스(6)의 외주에 인접된 곳에 피니온(12)을 구비하고 있다. 이 피니온(12)은 연결축(10)과 일체로 고정되어 있으며, 이것은 상기 보스(6)의 대응위치에 용접 등으로 고정 부착된 랙 하우징(14)과 연계되는 것이다.

날개 조립체(2)는 배면 방향에서 불어오는 바람을 맞아 도면의 화살표로 나타낸 방향으로 회전된다.

한편, 상기 랙 하우징(14)의 내부에는 도 2에 상세히 묘사한 바와 같이 슬라이드 가능하게 랙기어(16)가 수용되어 있고, 이 랙기어(16)는 상기 피니온(12)과치차 연결됨과 아울러 상기 랙 기어(16)는 그 일부(18)가 랙 하우징(14)의 외부로 연장되어서 스프링(20)에 의해 탄지되게 설치되어 있다. 이러한 구성에서 상기 랙 기어(16)의 종단부는 스프링(20)의 탄력을 조절할 수 있는 너트 모양의 스톱퍼(22)로 설치되는 것이 바람직하고, 상기 랙기어(16)는 항상 스프링(20)의 타성력이 작용하여 랙 하우징(14)의 내부에서 일측으로 편위된 상태를 유지하고 있게 된다.

본 발명에서 날개(8)는 스프링(20)의 탄성력만이 작용하였을 때에 도면의 화살표 방향으로 불어오는 바람에 대하여 최대의 면적으로 직교 접촉하도록 1점 쇄선으로 나타낸 위치로 펼쳐져 있게 설정된다.

그렇지만 불어오는 바람이 강하여 날개(8)의 전면으로 가해지는 풍압이 증가하고, 이 풍압이 스프링(20)의 탄성력보다 큰 힘으로 작용하게 되면 상기 날개(8)는 바람의 압력에 의해 축(10)을 지점으로 회동되어 풍압과 균형을 이루는 각도로 자세 변환된다. 이 때 발생되는 축(10)의 회동 작용을 도 3에 따라 설명하면 날개(8)로 가해지는 풍압에 의한 축(10)의 회동은 피니온(12)이 연동되게 작용하고, 이에 따라 랙기어(16)가 도면의 1점 쇄선 위치에서 실선 위치로 이동하게 되면서 상기 스프링(20)이 스톱퍼(22)에 의해 압축되도록 작용한다. 이렇게 스프링(20)이 압축된 상태에서 바람의 힘이 감소하여 상기 스프링(22)의 탄성력보다 풍압이 작아지게 되면 상기 스프링(22)이 지니고 있는 복귀력의 작용으로 랙기어(16)는 다시 본래의 위치로 되돌아오게 되므로 날개(8)는 항상 표면을 통해 가해지는 풍압의 증감에 맞춰 그 각도가 변위하게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같이 바람의 풍압에 따라 날개(8)의 배치 각도가 자동으로 변환되는 것이기 때문에 미약한 바람에도 날개(8)가 회전하게 되고, 또 센 풍압에서는 상대적으로 각도 변환되면서 회전하기 때문에 날개(8)의 파손이 발생될 염려가 없이 바람의 저속에서 고속에 이르는 범위로 풍력을 얻어낼 수 있다.

한편, 본 발명은 바람의 이용 효율을 더욱 향상시키기 위하여 바람의 방향에 따라 날개(8)의 지향 방향이 변위 고정되게 하는 풍향감지수단을 더 갖출 수도 있다.

상기 풍향감지수단의 일 예는 도 5의 도시와 같이 통상의 풍향계에서 볼 수 있는 풍향 표시구(26)를 보유하고, 이 풍향 표시구(26)가 연결된 축(28)의 도중에는 캠 플레이트(30)가 일체로 부착되어 상기 축(28)의 회전에 동기하여 회전하게 되어 있으며, 또한 상기 캠 플레이트(30)의 외주 일측에는 전기적 신호를 발생하는 마이크로 스위치(32)가 배치된 구성으로 된 것이다.

캠 플레이트(30)와 마이크로 스위치(32) 사이의 상관 관계는 도 6으로 도시한 바와 같이 마이크로 스위치(32)가 캠 플레이트(30)의 돌출 캠(30a)과 접촉되었을 때에 스위칭-온으로 전환되는 구조로 되어 있다.

이 마이크로 스위치(32)의 온-오프 신호에 따라 상기 날개(8)의 방향이 변환하게 된다.

더 상세하게 설명하면, 보스(6)의 중심축(4)을 지지하는 하우징(34)의 하측부 외주가 약간 길게 연장되어서 제동면(36)을 형성하고 있고, 이 제동면(36)의 주위에는 전자석(38)으로 작동되는 제동편(40)이 배치되어 있음에 따라 상기하우징(34)이 구속 또는 해방될 수 있는 구조로 되어 있는 것이다.

상기와 같은 구성에 의해 바람의 방향이 바뀌었을 때 먼저 풍향 감지수단(24)이 바람의 방향 변화에 연동하여 선회하게 되고, 그 결과로 캠 플레이트(30)에 의한 마이크로 스위치(32)의 온-오프 작동이 이루어지게 되는 것이며, 한 걸음 더 나아가 상기 마이크로 스위치(32)의 온-오프 작동은 전자석(38)을 통해 하우징(34)의 구속-해방을 낳게 되는 것이다.

이렇게 하우징(34)을 구속-해방 시키고자 하는 이유는 다음과 같다.

본 발명 장치가 설비되는 지역의 계절적 풍향 변화에 따른 데이터를 참조하여 가장 빈번하게 불어오는 방향을 돌출 캠(30a)과 연관시켜 놓으면, 예를 들어 계절적으로 남서풍과 북동풍이 주로 불어오는 지역이라 할 때에 남서풍에서 북동풍으로 풍향이 변환되면 캠 플레이트(30)가 180도 회동되면서 마이크로 스위치(32)를 오프-온으로 작동시키게 되어 하우징(34)은 일정 순간 해방되었다가 다시 구속되어진다. 상기 하우징(34)이 해방된 시기에 날개(8)는 바람의 힘을 받아 풍향에 순응하는 방향으로 선회되고, 이러한 방향 전환이 이루어진 후에 하우징(34)은 다시 구속되어 날개(8)의 방위 변화가 발생하지 않는 작용을 낳게 하려 함에 있다.

상기 하우징(34)은 종래의 풍차에서와 동일하게 날개(8)에 의한 회전력을 직교 방향으로 전환시켜 발전기 등을 구동시킬 수 있도록 베벨기어를 이용한 기어 트레인을 수용하고 있다.

상술한 구성의 본 발명은 도 7a 및 7b에 도시한 예로 변형 실시 될 수 있다.

이 변형 실시 예에서 날개(8)의 축(10)은 직교 방향으로 연장되는 아암(36)을 보유하고 있고, 이 아암(36)의 종단에는 호상봉(38)이 일체로 연장되어서 보스(6)에 부착된 가이더(40)를 관통함과 동시에 그 외주에는 스프링(20)이 설치되어서 상기 호상봉(38)의 종단에 형성된 플랜지(42)로 탄력 지지되는 구성으로 되어 있다. 또한 보스(6)의 외주 소정위치에는 아암(36)의 선회가 일정 방향으로만 행해지게 제어하는 돌기상의 스톱퍼(44)가 설치되어 있다.

상기와 같은 구성의 장치도 바람의 풍압에 응동하여 날개(8)가 도면의 1점 쇄선 위치로 변위되는 것이므로 그 작용 효과는 상기 실시 예와 동일하게 나타난다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 장치는 날개가 받는 풍압의 변화에 따라 날개의 배치각도가 자동으로 변환되면서 풍압과 균형으로 이루는 각도로 자동 변위 조절되는 것이므로 풍압을 손실 없이 동력으로 변환시키는 효과가 탁월하여, 약하게 부는 바람에도 날개가 선회될 수 있으면서 강한 바람에 대해서는 날개의 변위를 통해 손상을 일으키지 않고 풍압을 최대로 이용하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 바람의 풍압 변동에 따라 날개의 각도가 변위되는 구성을 갖춘 풍력 발생장치에 있어서,

   보스(6)에 회동 가능하게 지지되고 방사상으로 배열되는 연결축(10)과, 이 연결축(10)에 일체로 형성된 피니온(12)과, 상기 보스(6)에 부착 고정되는 랙 하우징(14)과, 이 랙 하우징(14)의 내부에 슬라이드 가능하게 수용되어서 상기 피니온(12)과 치차 연결되는 랙기어(16)와, 상기 랙 하우징(14)의 외부로 연장된 랙기어(16)의 일부(18)로 삽입 배치되는 스프링(20)과, 이 스프링(20)의 탄성력을 조절하기 위하여 상기 일부(18)의 종단으로 나사 연결되는 스톱퍼(22)로 이루어진 풍력 발생 장치
2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결축(10)에 일체로 연결되는 날개(8)가 편심 배치된 구성으로 됨을 특징으로 하는 풍력 발생장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링(20)은 연결축(10)에 직교 방향으로 연장되는 아암(36)의 종단과 일체로 연결되어서 상기 보스(6)에 부착된 가이더(40)를 관통하도록 배치되는 호상봉(38)의 외주로 삽입되어 상기 호상봉(38)의 종단에 형성된 플랜지(42)에 의해 지지된 구성으로 됨을 특징으로 하는 풍력 발생 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 바람의 방향에 맞춰 변위되는 풍향 표시구(26)가 연결된 축(28)의 도중에 캠 플레이트(30)가 일체로 부착되어 상기 축(28)과 동기 회전하게 되어 있고, 상기 캠 플레이트(30)의 외주 일측에는 전기적 신호를 발생하는 마이크로 스위치(32)가 배치된 풍향감지수단을 더 포함하고, 상기 캠 플레이트(30)에 의한 마이크로 스위치(32)의 온-오프 신호로 작동되는 전자석(38)이 상기 보스(6)의 회전축(4)을 지지하는 하우징(34)의 하측부 제동면(36)과 대향 배치된 제동편(40)을 전 후진 연동시켜 상기 하우징(34)을 구속 또는 해방시키는 구성으로 됨을 특징으로 하는 풍력 발생 장치.