부착형 수직축 풍력발전기{Attached vertical-axis wind generater}

풍력발전시스템은 청정에너지원으로 1970년 에너지 위기이후 세계각국에서 지속적인 이용 기술 개발을 통하여 이미 실용화 단계에 이르렀으며, 전세계적으로 상용화가 활발히 진행되고 있다. 근래에는 태양광, 디젤등과 풍력이 복합되는 형태의 복합형 풍력 발전시스템과 대용량 풍력 발전시스템의 활발한 연구가 진행중 이다.

특히 수직축 풍력 발전에 관하여 대한민국에서 1992년부터 1996년 12월까지 기간동안 수직축 풍력발전 시스템 개발과 설치운용에 관한 실증연구과제로 주식회사한국화이바부설 복합재료연구실을 사업수행기관으로 하여 이루어졌다. 가로등용 대체에너지 발전시스템으로는 미국특허 제4,200,904호의 경우에서 처럼 태양광 전지를 이용한 가로등시스템과 같이 태양광만을 에너지원으로 사용하는 방식과 미국특허 제 5,149,188호에 태양광 발전식 가로등과 같이, 태양광과 풍력을 복합적으로 사용하는 태양광발전식 가로등시스템등이 있다. 그러나 상기한 미국특허 제4,200,904호와 미국특허 제5,149,188호는 독립 전원형 방식의 구성으로 배터리를 연결하며, 상용전원과 연계가 곤란한 지역에 설치할 수 있는 가로등을 제공함을 목적으로 한다. 따라서 독립형 전원시스템인 상기시스템들은 수일간 발전이 불충분하게 되면 배터리의 저장된 전기를 소진하여, 가로등의 작동이 멈추게 되는 단점이 있다. 또한 배터리의 수명이 다 한 경우 배터리를 교환해야 하는 등 유지보수가 필요하며, 특히, 배터리의 저장능력 이상의 전력이 발생되는 경우, 발전기가 생산한 잉여전력은 모두 버려지게 되어 있다.

따라서 본 고안의 주된 목적은, 도로주변에 존재하는 가로등에 계통연계형 소형 수직축 풍력발전시스템을 부착할 수 있는 수단을 제공하여 상기 발전시스템에서 생산된 전력을 기존 부하인 가로등(1)에 사용을 하고 잉여 생산된 전력을 계통연계에 공급하고, 가로등 사용에 생산된 전력이 부족한 경우는 부족한 전력을 공급전력선인 계통연계 전력선에서 공급받아 가로등 작동의 신뢰성을 높여 주는 한편, 상기 발전기를 통하여 잉여 생산된 청정 대체에너지인 전력을 계통연계선을 통하여 계통에 공급하도록 하는 소규모 분산형 전원장치로서 가로등 부착형 수직축 풍력발전시스템(2)을 제공하는데 있다.

도1은 일반적인 도로상의 가로등의 입면도

도2a는 기존의 수평축 풍력발전기의 정면도

도2b는 기존의 다리우스형 수직축 풍력발전기의 정면도

도2c는 기존의 Gyromill형 수직축 풍력발전기의 정면도

도3은 본 고안의 풍력발전기가 설치된 가로등의 정면도

도4a는 상부가 절단된 가로등주의 삼각지지형 기초보강 단면도

도4b는 상부가 절단된 가로등주의 확장철판형 기초보강 단면도

도5는 본 고안에 따른 수직축풍력발전기의 조립도

도6은 본 고안에 따른 회전자의 세부 확대도

도7a는 잉여전력 발생시의 전력공급개념도

도7b는 부족전력 발생시의 전력공급개념도

도8은 회전휠 조립체 구성도

도9는 발전기 몸체의 내부 구성도

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 ; 가로등 2 ; 부착형 수직축 풍력 발전기

3 ; 볼트와 너트 4 ; 상부베어링세트

5 ; 하부베어링세트 6 ; 회전자 날개

7 ; 발전기 몸체 8 ; 가로등주 하단부

9 ; 삼각지지대 10 ; 확장철판

11 ; 발전기 설치판 12 ; 보강대

13 ; 고정철판 14 ; 가로등주 종말부

15 ; 체결관 16 ; 상부 베어링 조립체

17 ; 하부 베어링 조립체 18 ; 동력 전달축

19 ; 회전휠 조립체 20 ; 제동 장치세트

21 ; 유압장치 22 ; 플렉시블 커플링

23 ; 플라이휠 24 ; 증속기어

25 ; 발전기 26 ; 날개 결합부

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안의 특징은, 도로의 중앙 또는 주변에 가로등이 형성되어 있는 것에 있어, 기존 가로등주의 하단부(8)만을 남기고, 가로등을 포함한 가로등주의 상단부를 절단하여 제거하고, 절단된 가로등주와 유사한 높이의 수직축 발전시스템을 구성하여 기존 가로등주의 하단부(8)에 압입하여 고정하고, 수직축 발전 시스템(2)의 상부에 가로등(1)을 부착하도록 구성되어 있다.

본 고안에 대해 도면을 참고로 하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

도1은 일반적인 도로상의 가로등주의 입면도로 가로등주는 원형테파형과 팔각테파형 강관 또는 스테인레스 관으로 제작되어 있으며, 주철을 이용한 다양한 형태의 가로등이 심미성이 요구되는 장소에 설치되어 있다. 그러나 현재까지 가로등의 대부분을 차지하는 것은 도1에서 도해한 형태의 가로등이다. 가로등은 설치장소에 따라 다양한 높이를 지니고 있으나 고속화 도로나 고속도로 등에는 대부분 8-12미터의 높이를 지닌 가로등이 설치되어 있다.

본 고안은, 상기한 가로등 부착형 수직축 풍력발전시스템(2)을 제공하기 위하여 가로등주를 산소용접기나, 레이저 절단기, 또는 전동절삭기구를 이용하여 절단 한다. 상단부가 절단된 가로등주는 부착될 풍력 발전기가 요구하는 수준의 구조 보강작업과 가로등주의 축 교정및 보정작업, 절단면 처리작업을 한다. 축보정 작업은 수직축 풍력 발전기의 회전자가 편심 회전하는 경우 할때 발생하는 스트레스 발생을 방지하는 것을 목적으로 하며 절단면 처리작업을 통해 수직축 풍력 발전기를 고정할 수 있는 용이한 수단을 제공한다.

도4a와 도4b는 절단된 가로등주(8)의 기초 보강이 이루어진 단면도로, 도4a는 절단된 가로등주를 삼각지지대(9)를 이용하여 보강한 것이고, 도4b는 가로등주의 주변에 기초공사를 하여 가로등주의 하단 고정철판과 결합된 확장철판(10)을 장치하여 고정시켰고, 수평으로 가해지는 스트레스에 저항하기 위하여 확장철판과 가로등주를 연결해주는 보강대(12)를 결합한다. 절단된 가로등주의 상부에는 풍력발전기를 부착하기 위한 설치판(11)를 구성하여 풍력발전기의 설치를 용이하게 한다.

도2a는 기존의 수평축 풍력발전기의 정면도인바, 수평축 풍력 발전기는 자기기동이 가능하고 비교적 넓은 운전영역을 지니고 있으며, 전세계적으로 대규모 양산화 단계에 접어들어 현재 사용되는 풍력발전기의 대부분을 차지하는 등 관련기술의 대중화가 이루어져 있으나 동력 전달체계가 복잡하고 높은 유지 보수비와 기계적 메카니즘이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 특히 요잉시스템(Yawing system)의 에너지 손실등이 발생하고 풍향추적장치등 바람방향에 대한 부가장치가 요구된다.

도2b는 기존의 다리우스형 수직축 풍력발전기의 정면도인 바, 수직축 풍력발전기는 유지와 보수가 간편하고, 바람방향과 무관하게 작동이 되고, 유지보수가 용이하고, 구조적 안정성이 뛰어난 장점이 있는 반면, 기동전력이 요구되는 등 기동조건이 확보되어야 하고, 수평축 풍력발전기에 비하여 넓은 설치면적이 요구되며 회전자 날개가 수평축 풍력발전기의 것보다 대형이여서, 대형 시스템의 경우 설치가 어렵다는 단점이 있다.

도2c는 기존의 Gyromill형 수직축 풍력발전기의 정면도인 바, Gyromill형 수직축 풍력발전기는 수직축 풍력발전기의 장점과 수평축 풍력 발전기의 장점을 혼용하기 위한 형태로 효율향상 및 운반의 어려움을 해결한 타입으로 도2C에서 보이는 바와 같이 H형 회전자 형식을 띄고 있다. 그러나 도2c에서 보이는 바와 같이 Gyromill형 발전기의 회전자의 날개는 다리우스 형에 비하여 넓고 크기때문에 기존의 가로등에 부착하여 설치하는 경우 가로등 조명에 의하여 그림자가 발생하게 되는 문제점을 나타내고 있다. 또한 회전자의 중량이 무거워 기존의 가로등주에 구조적인 부담감이 크다는 단점이 있다.

이에 본 출원인은 가로등 부착형 풍력 발전기를 선택할 때, 상기한 각 풍력 발전기의 장단점을 분석하여 도2b에 도시한 수직형 다리우스형이 가장 우수하다는 결론을 얻었다. 즉, 유지보수의 편리성과 바람방향에 무관하게 작동하는 특성에 따라 별도의 풍향 추적장치등이 불필요하여 구조적 간결성 및 형태적 대칭성이 좋고, 다리우스형 풍력 발전기의 단점인 기동전력을 기존의 전력계통선에서 공급받을 수 있고, 또한 가로등에 부착형이므로 초소형 회전자를 지녔기 때문에 제작 및 설치의 단점이 상당부분 해소되기 때문이다. 이와 더불어 회전자의 날개 면적이 적기 때문에 가로등 고유의 기능인 도로조명을 수행하는데 거의 장애가 되지 않는다.

도3은 본 고안에 따른 바람직한 실시예에 따른 가로등 부착형 다리우스형 수직축 풍력 발전기(2)가 설치된 가로등의 부분 단면도이다. 도4의 가로등 하부구조물의 기초 보강 공사를 하고 가로등주에 풍력 발전기 설치를 위한 설치판(11)를 구비하여 별도로 제작된 풍력 발전기(2)를 연결하고, 발전기의 상부에 가로등(1)을 연결하였다.

도5는 본 고안에 따른 수직축 풍력 발전기의 조립도로 가로등주의 종말부에 가로등이 부착되어 있어 도로조명을 담당하고, 상부주주의 하부에 풍력발전기의 상부와 체결이 될 수 있는 체결관(15)이 구성되어 있다. 또한, 가로등주 하단부(8)의 설치판(11)과 풍력발전기의 하단이 체결되기 위하여 돌출된 체결관(15)과 풍력발전기 하단에 설치대와 결합될 부위가 도시되는 바, 가로등주와 풍력발전기의 고정을 위하여 볼트와 너트를 이용한다.

도6는 회전자의 세부 확대단면도이다. 통상의 수직축 발전기와 유사하게, 다리우스형 날개가 회전휠조립체(19)에 연결되어 있으며, 회전휠 조립체 상(16)하부 베어링 조립체(17)는 가로등의 길이에 비례하여 이격시켜서 회전휠 조립체(19)를 구성하도록 되어있다. 상하부 베어링 조립체에 사용되는 베어링은 통상 베어링 하우징내에 레디얼 베어링과 트러스트 베어링이 내장되어 수직하중과 수평하중에 지지할 수 있도록 되어있으나, 본 고안과 같은 초소형 회전자인 경우 회전자 및 구조체의 중량이 가벼우므로 적합한 베어링으로 교체할 수 있다. 통상의 방법에 따라 회전부를 거쳐 동력을 증속기(24)로 전달시킨다.

도9에 도시한 내부 상세도에 도시한 바와 같이, 동력전달축(18)에서 전달된 운동에너지는 증속기(24)를 거쳐 발전기(25)가 회전할 수 있는 유효 회전수로 증속하게 된다. 증속기(24)는 회전자의 회전수와 동력발생 능력을 고려하여 유성형 기어열등 통상의 방법으로 제작된다. 증속기를 통하여 증속된 회전력은 동력 전달축을 통하여 발전기에 연결되는데 발전기는 계통연계가 용이해야 하고, 에너지 변환 효율이 높은것을 선택하여야 한다. 대부분 소형 풍력 발전기인 경우 독립형 전원장치로 사용되지만, 본 고안에 의하면 가로등 부착형 계통연계형 소형 수직축 풍력 발전기인 경우 계통연계를 위하여 직류발전기로 발전하여 직류발전을 한 후 인버터로 동기화하여 교류전력계통에 연계하는 것은 인버터에 가해지는 노이즈의 영향과 파형불량등의 문제가 발생하므로 교류발전기를 사용하게 된다. 교류 발전기 중에서도 특히 유도형 비동기 발전기가 계통연계시에 발전전력에 대한 전력 안정화 설비가 필요하지 않고, 구조가 간단하고 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 제동장치(20)는 과풍속상태나 한전 계통선의 정지등 긴급상황에서 회전자를 정지시키기 위한 것으로 유압장치(21)을 사용하게 된다. 제어장치(27)는 풍력발전시스템의 원격제어와 시스템보호를 할 수 있는 안전장치, 시스템의 상태를 감시할 수 있도록 구성되어 있다.

도7a는 잉여전력 발생시의 전력 공급 개념도인바, 가로등 부착형 소형 수직축 풍력 발전기에서 가로등 전구와 같은 기존부하에 사용되고 남은 잉여전력을 계통선에 회귀시켜 전체 계통에 전력을 공급하는 것을 도시하였다.

도7b는 부족전력 발생시의 전력 공급 개념도인바, 가로등 전구와 같은 기존부하에서 요구되는 충분한 전력이 발전기에서 생산되지 못했을때나 풍력발전기가 최초 기동되기 위한 기동력을 얻기 위한 동력원으로써의 전력을 공급받는 것을 도시한 개념도이다.

본 고안은 기존의 도로조명용 가로등주의 하단부와 기초를 활용하여, 가로등주의 절단부를 소형 수직축 풍력 발전기로 대치하여 신규 전력 및 통신 계통선과의 연계 작업이 필요 없이, 기존의 계통선을 보강하여 활용하는, 계통연계형 분산형 소형 전원장치로써, 연구개발비와 설치 관리비용을 획기적으로 줄인 탁월한 경제성을 지닌 풍력 발전기를 제공한다. 본 고안에 의해 에너지 생산에 드는 오염물질의 배출없는 무공해 대체에너지 생산이 가능하며, 환경을 보호하고 제반 기술시장의 수요창출 및 기술축적을 가능하게 할 뿐아니라 기존의 가로등 설치 공간을 이용함으로써, 국토의 효율적 사용이 가능하도록 해주는 가로등에 부착가능한 계통연계형 소형 수직축 풍력발전기를 제공한다.