수직축 풍력 발전기 {Wind generator with vertical axis}

본 고안은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저렴한 비용으로 제작되고 안정적인 전력생산이 가능하여 실용화를 위한 경제성을 갖춘 수직축 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력은 주로 발전 분야에 많이 도입되고 있지만 펌핑 및 열변환 등의 분야에도 이용되고 있는 에너지원이다. 1990년대 이후 기후변화 협약으로 인해 온실가스 감축이 발등에 떨어진 급박한 과제로 등장하면서 풍력발전은 화력이나 원자력 발전에 대응한 대안 중의 하나로 국내의 활용 가능성이 높게 인식되는 계기가 되었고 현재는 매우 빠른 속도로 발전하는 단계에 있다.

풍력발전기는 날개의 회전축이 놓인 방향에 따라 구분하면 수평축 발전기와 수직축 발전기가 있는데, 수직축 발전기는 수평축에 비해 날개면적이 크고 거추장스럽기 때문에 현재 풍력발전기 시장에서 수평축 발전기가 주류를 이룬다. 그러나 수평축 발전기는 풍차날개가 수평으로 뻗은 상태이기에 날개가 처지는 감이 있고, 따라서 날개의 처짐을 방지하려면 강도 및 경도가 높은 고급재료를 사용하여야 하며, 통상 철금속 등을 이용하여 제조할 경우는 중량이 무겁고 회전에 영향을 미침은 물론 가격 또한 고가인 문제점이 따르게 된다.

수직축 발전기의 일예로서 지상에 세워진 기둥(컬럼) 주위에 볼록한 형태의 큰 날개를 부착한 상태로 저속 회전하는 다레이어스 터빈은 상기한 수평축 발전기의 단점을 지니지 않으며 풍향에 무관하게 작동된다. 그러나 근본적으로 수평축 발전기에 비해 회전익에 작용하는 압력이 적기 때문에 설치공간이 넓은 반면 발전 효율이 나쁘다는 단점을 극복하지 못한다.

또한, 때때로 겪는 일이기는 하지만 초대형 태풍의 영향으로 강풍이 불어오면 회전익의 속도 변동이 심하여 발전이 중단되기도 하고 강풍을 따라 날아드는 파편에 의해 파손이 쉽다. 고급 자재를 사용해야 하는 수평축 발전기에 있어서 유지, 보수비용이 증가하여 더욱 경제성을 저하시키는 요인이 된다.

본 고안은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저렴한 비용으로 제작되고 안정적인 전력생산이 가능하여 실용화를 위한 경제성을 갖춘 수직축 풍력 발전기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. 그러나 수직축 풍차날개는 자연스럽게 늘어뜨린 상태이기에 재생플라스틱 등의 재생재료를 사용할 수 있고, 따라서 제조원각가 저렴하게 드는 잇점이 따른다.

도 1은 본 고안에 따른 발전기의 주요부 구성을 나타내는 사시도,

도 2는 본 고안에 따른 발전기를 부분 단면으로 나타내는 정면도,

도 3은 본 고안에 따른 풍속 조절수단을 확대하여 나타내는 단면도,

도 4는 도 3의 작동과 관련되는 검출수단을 확대하여 나타내는 도식도,

도 5는 본 고안에 따른 작동의 전후 상태를 비교하여 나타내는 도식도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10: 제너레이터 15: 샤프트

16: 변속기어 18: 고정컬럼

21, 31, 41: 프레임 24: 회전익

25: 회전컬럼 34: 메인커버

35: 풍향판 44: 보조커버

50: 모터 55: 광센서

60: 풍속센서

이러한 목적을 달성하기 위해 본 고안은 변속기어(16), 샤프트(15), 제너레이터(10)가 일체로 연결되어 발전부를 구성하는 풍력 발전기에 있어서: 상기 제너레이터(10)를 내부에 수용하고, 기초대(19) 상에 수직으로 고정되는 원통형의 고정컬럼(18); 상기 고정컬럼(18)의 내부에 회전가능하게 장착되고, 상기 발전부를 내부에 수용한 상태로 변속기어(16)와 맞물리는 회전컬럼(25); 상기 회전컬럼(25)의 반경방향으로 제1프레임(21)을 개재하여 균등한 간격으로 고정되는 판형의 회전익(24); 상기 회전컬럼(25)의 상단에 제2프레임(31)을 개재하여 회전가능하게 장착되고, 전체 회전익(24)의 절반을 감싸도록 수용하는 반원통형의 메인커버(34); 상기 회전컬럼(25)의 상단에 제3프레임(41)을 개재하여 회전가능하게 장착되고, 메인커버(34)의 내면에 근접한 상태로 수용되는 반원통형의 보조커버(44); 상기 제2프레임(31)의 중앙에 비대칭형으로 고정되고, 풍향에 연동한 회전력을 제공하는 풍향판(35); 상기 제2프레임(31)과 제3프레임(41)의 사이를 기구적으로 연결하도록개재되고, 모터(50)의 회전력으로 메인커버(34)와 보조커버(44)의 상대적 위치를 가변하는 조절수단; 및 상기 조절수단의 모터(50)를 구동하기 위한 입력 조건을 판단하도록 구비되는 검출수단을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 고안에 따른 상기 조절수단은 상기 모터(50)의 회전축에 연결되도록 제2프레임(31)에 장착되는 워엄기어(52)와, 상기 워엄기어(52)에 의해 구동되도록 연결되는 구동기어(54)와, 상기 구동기어(54)와 맞물리도록 제3프레임(41)에 형성되는 치형(41a)을 구비한다.

또한, 본 고안에 따른 상기 검출수단은 풍속을 검출하도록 풍향판(35) 상에 설치되는 풍속센서(60)와, 상기 제2프레임(31)과 제3프레임(41) 간의 상대위치를 검출하도록 균등한 간격으로 설치되는 광센서(55)를 구비한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 고안에 따른 발전기의 주요부 구성을 나타내는 사시도, 도 2는 본 고안에 따른 발전기를 부분 단면으로 나타내는 정면도가 도시된다.

본 고안은 변속기어(16), 샤프트(15), 제너레이터(10)가 일체로 연결되어 발전부를 구성하는 풍력 발전기에 관련된다. 공기의 유동이 갖고 있는 운동에너지가 변속기어(16)를 통하여 기계적 에너지로 변환되고 제너레이터(10)에서 전기적 에너지로 생성되도록 구성된다. 우선 기본적 골격에 있어서 상기 제너레이터(10)를 내부에 수용하는 원통형의 고정컬럼(18)이 기초대(19) 상에 수직으로 고정된다. 고정컬럼(18)은 철제의 관부재이며 조립의 용이성을 고려하여 일체로 구성하는 것보다발전용량에 따라 2~3부분으로 분할되도록 하는 것이 좋다. 기초대(19)는 콘크리트로 타설되는 부분이지만 고정컬럼(18)의 하단을 볼트로 연결하기 위한 또 다른 철제 구조를 더 포함할 수도 있다.

또, 본 고안에 따르면 상기 발전부를 내부에 수용한 상태로 변속기어(16)와 맞물리는 회전컬럼(25)이 상기 고정컬럼(18)의 내부에 회전가능하게 장착된다. 회전컬럼(25)은 고정컬럼(18)의 내부에 동심으로 설치되는 철제의 관부재이며, 도 2처럼 변속기어(16), 샤프트(15), 제너레이터(10)로 구성되는 발전부를 내부에 수용한다. 도 2에서 회전컬럼(25)의 하단에 지지축(25a)이 연장되어 베어링으로 지지된 상태를 알 수 있다. 회전컬럼(25)의 상단은 동일한 지지축(25a)을 구비하지만 고정컬럼(18)의 외부로 노출되므로 자유단의 상태로 둔다. 대신 이보다 약간 낮은 위치에서 회전컬럼(25)과 고정컬럼(18) 사이에 베어링을 설치한다. 이와 같이 하면 회전컬럼(25)이 상하로 긴밀하게 지지되고 진동없이 원활한 회전이 가능하다. 물론 통상의 수직축과 마찬가지로 회전컬럼(25)의 하단에는 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링을 동시에 사용한다.

이때, 제너레이터(10)의 스테이터(12)는 고정컬럼(18)의 내면에 회전컬럼(25)과 일정한 간극을 유지하도록 설치되고, 제너레이터(10)의 로터(14)는 회전컬럼(25)의 내면과 일정한 간극을 유지하도록 샤프트(15) 상에 설치된다. 도 2에는 생략되나 샤프트(15)의 하단은 지지단(25a)의 상단에 동심으로 지지되고, 샤프트(15)의 상단은 회전컬럼(25)의 내면에 맞물리는 변속기어(16)에 의해 지지된다. 맞물림 전동을 위해 샤프트(15)의 내면에서 변속기어(16)와 맞물리는 부분에는내치차의 치형(도시 생략)이 구비된다. 이에 따라 회전컬럼(25)이 회전하면 변속기어(16)에서 증속되고 샤프트(15)와 로터(14)가 고속으로 회전된다. 물론 샤프트(15)의 상단과 회전컬럼(25)의 내면 사이에 베어링을 더 구비할 수도 있다.

또, 본 고안에 따르면 판형의 회전익(24)이 상기 회전컬럼(25)의 반경방향으로 제1프레임(21)을 개재하여 균등한 간격으로 고정된다. 제1프레임(21)은 막대 형태로 형성하며 회전컬럼(25)의 노출된 외주면에 외팔보처럼 고정한다. 제1프레임(21)의 수량은 6~8개 정도가 적절하며 회전컬럼(25)의 반경방향으로 등간격이 되도록 배치한다. 회전익(24)은 내구성 측면에서 얇은 두께의 강판이 좋으나 재생 플라스틱이나 천을 사용할 수도 있다. 회전익(24)이 수직상태를 유지하도록 지지하기 위해 제1프레임(21)에서 하방향으로 보강재를 연장하는데, 회전익(24)의 강도가 높으면(강판) 상기한 보강재의 크기와 중량을 줄일 수 있다.

또, 본 고안에 따르면 전체 회전익(24)의 절반을 감싸도록 수용하는 반원통형의 메인커버(34)가 상기 회전컬럼(25)의 상단에 제2프레임(31)을 개재하여 회전가능하게 장착된다. 자유단으로 노출되는 회전컬럼(25)의 상단에 반원형의 제2프레임(31)을 베어링을 개재하여 장착하고, 제2프레임(31)의 외주면에 하방향으로 판재를 접합하여 메인커버(34)를 형성한다. 메인커버(34)의 저면에도 제2프레임(31)과 같은 반원형의 부재를 부착하는 것이 좋다.

또, 본 고안에 따르면 메인커버(34)의 내면에 근접한 상태로 수용되는 반원통형의 보조커버(44)가 상기 회전컬럼(25)의 상단에 제3프레임(41)을 개재하여 회전가능하게 장착된다. 보조커버(44)의 형태도 메인커버(34)와 동일하며 단지 크기를 작게 하여 메인커버(34)의 내면과 최소한의 틈새를 유지하도록 설치된다. 메인커버(34)와 보조커버(44)를 지지하는 프레임(31)(41)의 설치 상태는 후술하는 도 3을 통하여 보다 상세하게 도시하고 있다.

이때, 도 1 및 도 2처럼 고정컬럼(18)의 외주면에 3개의 베어링(28)을 설치하여 위에서부터 각각 회전익(24), 보조커버(44), 메인커버(34)의 하단부가 지지되도록 하는 것이 좋다. 이에 따라 회전익(24), 보조커버(44), 메인커버(34)가 상측으로만 지지되는 것에 비하여 원활한 회전을 유지하고 변형을 방지하는데 유리하다. 물론 베어링(28) 대신에 다수의 롤러를 설치하여 고정컬럼(18)과의 미끄럼 접촉에 따른 저항을 줄일 수도 있다.

또, 본 고안에 따르면 풍향에 연동한 회전력을 제공하는 풍향판(35)이 상기 제2프레임(31)의 중앙에 비대칭형으로 고정된다. 풍향판(35)은 삼각형과 같은 비대칭 형상으로 형성되는데, 회전컬럼(25)의 중심을 지나도록 위치하나 실제로는 제2프레임(31)의 상면에서 중앙에 결합된다. 이에 따라 풍향판(35)에 작용하는 풍력에 의해 제2프레임(31)과 메인커버(34)가 회동하므로 풍향판(35)은 이러한 구동토크를 감당할 수 있는 크기로 되어야 한다.

또, 본 고안에 따르면 모터(50)의 회전력으로 메인커버(34)와 보조커버(44)의 상대적 위치를 가변하는 조절수단이 상기 제2프레임(31)과 제3프레임(41)의 사이를 기구적으로 연결하도록 개재된다. 본 고안에 의하면 평상시 메인커버(34)와 보조커버(44)가 맞물려 일체로 연동하지만 풍속이 강해지면 보조커버(44)가 메인커버(34)에서 노출되는 작동이 수행된다. 이를 위해 모터(50)를 구동원으로 하는 조절수단이 사용되는 바, 구체적인 구성은 후술하는 도 3을 참조한다.

또, 본 고안에 따르면 상기 조절수단의 모터(50)를 구동하기 위한 입력 조건을 판단하도록 검출수단이 구비된다. 이는 바람의 세기가 강해진 것을 검출하고 보조커버(44)가 원하는 위치로 이동되었는지 검출하기 위한 제어의 입력 수단으로서, 풍향판(35)의 상단에 고정되는 풍속센서(60)와 후술하는 도 4 및 도 5의 광센서(55)를 포함한다.

한편, 도시에는 생략되나 이러한 전체적 시스템을 운전, 감시, 제어하는 제어기가 구비된다.

도 3은 본 고안에 따른 풍속 조절수단을 확대하여 나타내는 단면도, 도 4는 도 3의 작동과 관련되는 검출수단을 확대하여 나타내는 도식도, 도 5는 본 고안에 따른 작동의 전후 상태를 비교하여 나타내는 도식도이다.

도 3에서, 본 고안의 상기 조절수단은 상기 모터(50)의 회전축에 연결되도록 제2프레임(31)에 장착되는 워엄기어(52)와, 상기 워엄기어(52)에 의해 구동되도록 연결되는 구동기어(54)와, 상기 구동기어(54)와 맞물리도록 제3프레임(41)에 형성되는 치형(41a)을 구비한다. 모터(50)는 저속도로 고토크를 생성하는 서보모터를 사용하는 것이 좋다. 워엄기어(52)의 워엄휘일과 구동기어(54)는 동일축으로 연결되고, 제2프레임(31)을 기준으로 상하로 연통되어 설치된다. 제3프레임(41)에서 베어링이 수용되는 보스부의 외주면에 치형(41a)이 형성되어 구동기어(54)와 맞물린다. 제2프레임(31)에서 베이링이 수용되는 보스부에는 풍향판(35) 및 모터(50)가 각각 볼트로 고정된다.

이와 같이 하면 풍향판(35)의 작용력으로 제2프레임(31)과 메인커버(34)가 회동할 때 워엄기어(52)와 구동기어(54)를 통해 맞물린 제3프레임(41)도 연동하여 회전한다. 이때 구동기어(54)는 워엄기어(52)의 역전방지 기능에 의하여 회전되지 않으므로 마치 제3프레임(41)의 치형(41a)에서 정해진 위치에 고정적으로 맞물린 링크와 같은 역할을 한다. 모터(50)의 작동에 의하여 워엄기어(52)가 회전해야만 구동기어(54)가 연동하고 치형(41a)과의 상대적인 회전 이동이 시작된다. 구동기어(54)가 일정 각도로 회전한 다음 모터(50)가 정지하면 보조커버(44)는 메인커버(34) 내에서 동일한 각도만큼 상대적으로 회전된 상태로 다시 연동한다. 이러한 작동은 후술하는 도 5에서 보다 명확하게 이해된다.

또한, 본 고안에 따르면 상기 검출수단은 풍속을 검출하도록 풍향판(35) 상에 설치되는 풍속센서(60)와, 상기 제2프레임(31)과 제3프레임(41) 간의 상대위치를 검출하도록 균등한 간격으로 설치되는 광센서(55)를 구비한다. 풍속센서(60)는 프로브에서 온도에 따른 저항변화를 검출하는 열선 풍속계 또는 방향키와 광센서로 펄스를 출력하는 형식을 선택할 수 있다. 도 4에서, 광센서(55)는 반원형 제3프레임(41)을 등분하는 위치에 복수로 설치되는데, 광센서(55)의 수량을 증감함에 따라 제3프레임(41)과 보조커버(44)의 조절 단계수가 가변된다. 도 4에서 광센서(55)로서 포토커플러를 사용하는 경우 차광을 위한 기준판(38)이 메인커버(34)의 일지점에 설치된다. 광센서(55)와 기준판(38)의 설치 위치는 도시에 한정되지 않으며 상대운동이 검출되는 부분이면 어느 곳이나 무방하다. 광센서(55) 대신에 근접센서 등 다른 수단을 사용할 수도 있다.

도 4 및 도 5를 기준으로 하여 본 고안의 작동을 설명하되, 인용되지 않은 부호는 도 1 내지 도 3을 참조한다.

도 5a에서, 적절한 풍속의 바람이 부는 경우 풍향판(35)이 바람의 방향으로 이동하면서 메인커버(34)와 보조커버(44)가 연동되고 회전익(24)이 회전된다. 회전컬럼(25)이 회전익(24)과 연동적으로 회전되어 제너레이터(10)에서 발전이 진행되는 작동은 전술한 바와 같다. 바람의 방향이 바뀌면 풍향판(35)의 작용력에 의해 메인커버(34)와 보조커버(44)도 연동되는데, 상호 상대적인 회전 이동이 없이 연동하는 것은 워엄기어(52)의 역전방지 기능에 의한다.

도 5b에서, 풍속센서(60)를 통하여 바람의 강도가 강해진 것으로 판단되어 보조커버(44)를 1단계로 닫아야 해야 하는 경우 모터(50)를 회전시키는 동시에 광센서(55)에서 입력의 변화를 검출한다. 도 4처럼 보조커버(44)가 회전하면서 첫 번째 광센서(55)가 메인커버(34)의 기준판(38)에 도달하면 반전 신호가 발생하고 모터(50)의 회전은 정지된다. 모터(50)가 정지되면 워엄기어(52)의 역전방지 기능에 의해 도 5b의 상태로 유지되므로 보조커버(44)가 메인커버(34)에서 노출된 상태로 발전이 진행된다. 회전익(24)이 바람을 받는 면적이 줄어들기는 하지만 풍속이 세기 때문에 회전속도의 변화가 크지 않고 안정적인 발전이 가능하다. 뿐만 아니라 회전익(24)이 파손되는 것을 방지하는 측면에서도 유리하다.

이후, 바람의 강도가 더욱 세어지면 같은 방식으로 모터(50)가 회전되고 두 번째 광센서(55)가 기준판(38)에 도달하는 위치에서 정지하므로 메인커버(34)와 보조커버(44)의 영역이 더욱 확대되고 반대로 회전익(24)의 노출 영역은 감소한다.이어서 바람의 강도가 정상적인 범위로 들어오면 모터(50)가 역회전되어 도 5a의 상태로 복귀한다. 초기 위치를 지정하기 위해 광센서(55) 또는 마이크로스위치(도시 생략)를 부가하는 것이나, 상대적 위치제어를 위한 하드웨어 및 소프트웨어는 통상적인 자동화 기기에서 공지된 사항이므로 상술하지 않는다.

한편, 본 고안에서 구동력은 전기적인 모터(50)를 사용하지만 유압장치와 연계되는 유압모터를 사용할 수도 있다.

상술한 구성 및 작용에 의하면 본 고안은 저렴한 비용으로 제작되고 안정적인 전력생산이 가능하여 실용화를 위한 경제성을 갖춘 수직축 풍력 발전기를 제공함에 따라 청정한 풍력 에너지의 적극적인 활용을 유도하고 관련 산업의 발전에 기여하는 효과가 있다.