JP5521120B2 - 垂直軸タービン及びこれを備える両方向積層式垂直軸タービン - Google Patents

Description

本発明は低風速、低回転に有効なエネルギーを抽出することができる垂直軸タービンに係り、より詳しくは多重迎え角（Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を具現するタービンブレードを装着することで発電効率を高めることができる垂直軸タービン及びこれを備える両方向積層式垂直軸タービンに関する。

垂直軸タービン１００において、タービンの基本ブレードは、図１の（ａ）〜図１（ｄ）に示したように、３個、４個、５個、６個などで一定の配列角をなすように設置できる。通常、全てのタービンの形状を持つタービンのそれぞれのブレード数はシングルブレードからなる。

一般的なタービンにおいては、揚力型ブレードを単一個で形成し、２個以上からｎ個まで回転軸を中心に一定の配列角をなして形成することができる。例えば、３−ブレードタイプの垂直軸タービンと言うのは３個のブレードが１２０度の角度で一定の配列角をなして配置されるタービンを指称する。

風力タービンのブレードは、形状によって抗力型と揚力型に大別される。抗力型ブレードからなったタービンをサボーニアス型（Ｓａｖｏｎｉｕｓ ｔｙｐｅ）という。揚力型ブレードからなったタービンを垂直軸においてはダリウス型（Ｄａｒｒｉｅｕｓ ｔｙｐｅ）という。

タービンの回転力を左右するものは抗力よりは揚力が大きいため、一般的なダリウス型タービンにおいては揚力型ブレードを使う。ブレード形、つまりブレードの断面形状はさまざまな形状がある。例えば、図２の（ａ）に示したような対称型ブレード２１０と図２の（ｂ）に示したような非対称型ブレード２２０がある。

一般的な垂直軸タービンの形態を要約すれば次のようである。

１．Ｈ形垂直型のもので、２列、３列、４列、５列、または６列を備え、個別ブレードはシングルで構成。
２．前記１項の形態を基本とした内部回転軸、例えばダリウス回転軸にサボーニアス型ブレードを付着した形態。
３．純粋サボーニアス型。
４．前記１項の形態の個別ブレードの内側または外側に溝を加工した形態。
５．前記３項の形態にターボ機能（流入風を一方のブレードに集中させることができるガイドベーン構成を含む）を備えた形態。
６．個別ブレードがスパイラル形態またはらせん形態。
７．ブレードが連続曲線形態。
８．ブレードがヨットの帆形態（円筒のシリンダーを垂直方向に切断してダリウス型に似ているように配列した形態）。
９．前記１項の形態の変形のもので、１項の形態において入射角が固定されたものとは異なり、特定装置を用いて入射角が変わる構造を持つ形態。
１０．二重ブレード形態。

既存の垂直軸タービンにおいて、前記１０項の形態を除き、前記１項〜９項のタービンに使われる個別ブレードはシングルブレードでなっている。

既存の垂直軸風力タービンの原理とその問題点を簡単に説明すれば次のようである。

まず、図３を参照して本明細書で使われる用語を定義すれば次のようである。

１．平均キャンバー線（Ｍｅａｎ Ｃａｍｂｅｒ ｌｉｎｅ）：上側キャンバーと下側キャンバーの平均線で、厚さの中心線。
２．翼弦線（Ｃｈｏｒｄ ｌｉｎｅ）：ブレード２００の平均キャンバーラインの先端である前縁（Ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）と平均キャンバーラインの後端である後縁（Ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ）を繋ぐ直線。
３．最大キャンバー（Ｍａｘｉｍｕｍ ｃａｍｂｅｒ）：翼弦線から平均キャンバーラインまでの最大距離。
４．入射角：連結アーム１５０の中心角とブレード２００の翼弦線間の結合角、またはブレード２００の縦軸線と翼弦線がなす角。
５．迎え角（Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）：ブレード２００が軸を中心に回転するとき、接線の相対速度ベクターと風ベクターの合成速度角、または相対風（Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｗｉｎｄ）と翼弦線がなす角。
６．合成速度：相対速度と風速度の合成速度ベクター。

前記羅列したＨ形ダリウスタービンの個別ブレードの結合方法においては、初期連結アームまたは回転アームとブレードの機械構造学的結合による特定入射角が形成され、その結合構造とブレードの回転による微小回転接線と無限風速の合成速度ベクターによる特定迎え角が形成されることで揚力が発生する。

この迎え角は翼の断面形状、つまり翼形（Ａｉｒｆｏｉｌ）が対称の場合、全方位角で揚力を発生させる。

図４は無限風速（Ｖ∞）がＡ地域とＣ地域に位置するブレードに接触し、以後にタービンの内部を通過してＢ地域とＤ地域側ブレードに接触するという仮定の下で個別的なブレードのトルク特性を説明したものである。図４は非特許文献１内の図面を参照したものである。

図４を参照すれば、Ａ地域とＣ地域では無限風速（Ｖ∞）によってタービンブレードの相対速度ベクターの合成速度が大きく生成して理想的な迎え角が形成され、相対的にＢ地域とＤ地域より揚力が大きく発生する。

このような垂直軸タービンは次のような問題点がある。すなわち、タービンは初期外部の風エネルギーによって徐々に速度が増加し、タービンのブレード数が多くなるか回転速度が増加するほどＢ地域とＤ地域側に伝達されるエネルギー量（Ｖ∞）が少なくなり、結局Ｂ地域とＤ地域での合成速度ベクターは純粋相対速度だけ存在し、それにより相対速度による迎え角が形成されることにより、Ａ地域とＣ地域のブレードより少ない揚力を発生させる。

一方、既存の垂直軸風力タービンにおいて、二重形態のブレード配列方式は次のような問題点がある。すなわち、図５ａ、図５ｂ、及び図６に示したように、二重ブレードタイプは、回転体またはタービン内の同一回転アーム側に外側ブレード５０１と同一翼形の内側ブレード５０２を回転軸中心に等間隔で配置したもので、Ａ地域とＢ地域では外側ブレード５０１によって内側ブレード５０２の流動が干渉されて揚力が減少する。また、外側と内側ブレード５０１、５０２は機械構造学的に入射角が同一であるので、全方位角の中で特定の方位角で外側ブレード５０１が形成する迎え角と内側ブレード５０２の形成する迎え角はいつも互いに異なる角を形成するようになる。すなわち、迎え角は無限風速ベクターと相対速度ベクターの合成ベクター角であり、ブレードの機械構造学的位置によって内側半径と外側半径が異なるので相対速度が違って現れる。したがって、二つのブレード５０１、５０２が作った回転トルクがタービンの回転力として伝達されなければならないが、内側ブレード５０２で生成した回転トルクの大きさが外側ブレード５０１の回転トルクの大きさより小さくてタービンの回転力を増加させるのには不足な部分がある。図４を参照すれば、図５ａはＡ地域での合成速度の大きさの変化及び迎え角を示し、図５ｂはＣ地域での合成速度の大きさの変化及び迎え角を示す。

このように、既存の二重ブレード形態を備える垂直軸タービンにおいては、内側及び外側ブレード５０２、５０１に伝達される無限風速は同一であるが、それぞれの相対速度が違って合成速度のベクター値は違って現れ、相対的に内側ブレード５０２の合成エネルギー絶対値は小さくなり、迎え角は大きく形成され、特定方位角では翼形の流動特性上、揚力特性を失って失速（Ｓｔａｌｌ）し、むしろ抗力が増加する区間が多く存在する問題がある。

また、既存の二重ブレードを備えた垂直軸タービンのブレード後端部の流動特性を示せば図７に示すようである。図７は、Ｂ、Ｄ地域で流入風量が少ないことにより、合成速度及び迎え角が相対速度ベクターに支配される現象を示している。

既存の二重ブレードの垂直軸タービンでの問題点を要約すれば次のようである。

１．二重ブレードの配列において外側ブレードと内側ブレードが平行に回転軸方向に離隔して配列されるので、入射角が互いに同一であるが、迎え角は外側及び内側ブレードにおいて互いに違って生成され、よってＢ地域とＤ地域で外側ブレードのエネルギー伝達が内側ブレードによって干渉されるので、出力が低下する問題がある。
２．上限速度を制御することができる技術がない。
３．２個以上のブレードユニットを複数配列するとき、回転軸方向に単純に配列するので、平行配列構成による有効面積効果がない。
４．初期起動性が低い。

韓国新再生エネルギー学会２００７年春季学術論文「小型垂直軸タービン設計のための空気力学的考察」

本発明は垂直軸風力タービンにおいてダリウス型タービンの初期起動問題を解消するために、低風速、低回転で有効なエネルギーを抽出するためのタービンブレードの多重迎え角（Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を具現する垂直軸タービンを提供することに主目的がある。

また、本発明は、都心の間歇的な風に速かに反応して定速度に到逹することができる構造を持つことにより、高効率及び高稼働率を提供することができる両方向積層式垂直軸タービンを提供することにさらに他の目的がある。

前記技術的課題を解決するために、本発明の一側面によれば、複合ブレードユニット；複合ブレードユニットを支持するブレードアーム；ブレードアームが固定結合する回転軸；及び回転軸を支持する支持体を含む垂直軸タービンが提供される。

ここで、複合ブレードユニットは、互いに一定の間隔で離隔して配置される第１ブレードと第２ブレード、第１ブレードまたは第２ブレードの後端部に設置される重りを備え、第１ブレードと第２ブレードは複合ブレードユニットの回転方向において互いに異なる位相を持ち、重りが設置されるブレードの前端部は遠心回転軸として作動する。

一実施例において、垂直軸タービンは第１ブレードの前端部に設置され、遠心力に対応して第１ブレードの重りが回転することを支持する遠心力対応装置をさらに含む。さらに他の一実施例において、垂直軸タービンは第２ブレードの前端部に設置され、遠心力に対応して第２ブレードの重りが回転することを支持する遠心力対応装置を含むことができる。

遠心力対応装置としては、圧縮スプリング、圧縮ダンパー、油圧装置、電磁弁、モーター、永久磁石の応力装置、またはこれらの組合せが用いられることができる。

本発明のさらに他の側面によれば、前述した一実施例における複合ブレードユニット、ブレードアーム、回転軸、及び支持体をそれぞれ備える複数の垂直軸タービン；複数の垂直軸タービンの中で上部タービンに結合する上部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット；上部タービンに隣接して設置された下部タービンに結合する下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット；上部及び下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットの間に設置される発電機モジュール部；及び発電機モジュール部と上部または下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットの間に設置される出力スリップリングを含む両方向積層型垂直軸タービンが提供される。

本発明の一側面による垂直軸タービンは、複合ブレードユニット、複合ブレードユニットに連結されるアーム（Ａｒｍ）、アームが連結される回転軸、及び回転軸を支持する支持体を含み、ここで、複合ブレードユニットは、アームに連結されるカセット；カセットに回転可能に結合する遠心回転軸；遠心回転軸に結合する第１ブレード；第１ブレードの前縁に結合する遠心力対応装置；及びカセットに結合する第２ブレードを備え、そして第１ブレードは、回転軸の回転の際、遠心力に対応して遠心力対応装置から加わる力によって遠心回転軸を中心に自体回転運動することを特徴とする。

一実施例において、垂直軸タービンは、第１ブレードの後縁に設置される重りをさらに含むことができる。重りは遠心力対応装置の力によって回転する第１ブレードの回転力を支援するためのものである。ここで、第１ブレードは、回転軸を中心に回転するとき、回転方向において第２ブレードより先立つ位相を持つ。

また、一実施例において、さらに他の重りは第２ブレードに結合設置されることができる。その場合、さらに他の重りは第２ブレードの前縁に設置される。

一実施例において、第２ブレードは、回転軸を中心に回転するとき、回転方向において第１ブレードより先立つ位相を持つことができる。また、第２ブレードは回転軸を基準に第１ブレードより外側に位置することができる。その場合、重りは第２ブレードの後縁に設置され、さらに他の重りは第１ブレードの前縁に設置されることができる。

一実施例において、垂直軸タービンは、遠心回転軸を中心に回転する第１または第２ブレードの回転角を制限するように、カセット、第１または第２ブレード、またはこれらのすべてに設置されるエンドストッパーをさらに含む。

一実施例において、第１ブレードまたは第２ブレードは、対称型、非対称型、揚力型、抗力型、またはこれらの組合型の翼形を備える。好ましくは、第１または第２ブレードは、対称型翼形を備えることができる。もちろん、第１ブレードと第２ブレードの翼形を互いに異なる形態に具現することができる。ただ、第１または第２ブレードのそれぞれの縦横比は短辺を基準とするとき、長辺が約４倍〜約１２倍の範囲にあることが好ましい。ここで、縦横比は翼の長さと翼弦または翼弦線長の比を示す。これはシングルブレードの翼弦長を基準としたもので、例えば翼弦長が約２００ｍｍであるとき、ブレードの長さは約８００ｍｍ〜約２４００ｍｍの範囲にあることが好ましいことを示す。

一実施例において、回転軸を中心とする回転方向において第１ブレードの位相が第２ブレードの位相より先立つとき、第１ブレードの初期入射角は第２ブレードの初期入射角より大きいことを特徴とする。例えば、第１ブレードの初期入射角は風向に対するそれぞれの回転区域で相互間の流動干渉発生を防ぐための最小離隔距離を形成するために、第２ブレードの入射角が０であるときを基準として第２ブレードの最大キャンバーより大きいことが好ましい。

また、一実施例において、第１ブレード及び第２ブレードは、初期起動の際または底速度回転の際に固定される互いに異なる第１入射角と、高速回転の際または定格運転の際に固定される互いに異なる第２入射角とを備えるように具現されることができる。

一実施例において、回転軸に対する第１ブレードの回転半径は第２ブレードより小さいことが好ましい。

一実施例において、複合ブレードユニットは、３列以上、好ましくは３列、４列、５列、及び６列のいずれか一つが等間隔の形態で回転軸に結合することができる。例えば、複合ブレードユニットはダブル３列の１２０°の等間隔配列で回転軸に結合することができる。

一実施例において、第２ブレードに対する第１ブレードの先立つ距離は第２ブレードの翼弦線長の２％以上であることが好ましい。これは、第１ブレードと第２ブレードが平行に配列されないことを示す。

また、一実施例において、回転軸からの第１ブレードと第２ブレードの距離の差は第１または第２ブレードの最大キャンバーより大きいことが好ましい。

本発明のさらに他の側面によれば、前記実施例のいずれか一つの垂直軸タービンを備える両方向積層式垂直軸タービンとして、第１方向に回転する第１垂直軸タービン、及び第１方向の反対方向である第２方向に回転する第２垂直軸タービンを備える第１両方向垂直軸タービンを含む両方向積層式垂直軸タービンが提供される。

一実施例において、両方向積層式垂直軸タービンは、第１方向に回転する第３垂直軸タービン、及び第２方向に回転する第４垂直軸タービンを備える第２両方向垂直軸タービンをさらに備える。ここで、第１及び第２両方向垂直軸タービンは、第１、第２、第３、及び第４垂直軸タービンがこの記載順に垂直方向に積層される。

一実施例において、両方向積層式垂直軸タービンは、第１及び第２垂直軸タービンの回転軸の間で第１垂直軸タービンに隣接して設置される上部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット；及び第２垂直軸タービンに隣接して設置される下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットをさらに備える。

一実施例において、両方向積層式垂直軸タービンは、上部及び下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットの間に設置される発電機モジュール部；及び発電機モジュール部と上部または下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットの間に設置される出力スリップリングをさらに備える。

一実施例において、第１垂直軸タービン及び第２垂直側タービンにそれぞれ備えられる複合ブレードユニットは、第１または第２ブレードが回転方向にまたは回転方向の反対方向に一定角だけ傾いた形態、または連続曲線の形態を備えるか、あるいは遠心力方向または遠心力方向の回転軸方向に一定角だけ傾いた形態を備えることができる。

本発明によれば、ダリウス型タービンの初期起動問題を解消するように相対風の速度によって多重迎え角を具現して低風速、低回転で有効なエネルギーを抽出することができる垂直軸タービンのブレード構造を提供することができる。

また、多重迎え角（Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を具現する二重ブレード構造のタービンブレードを用いることにより、第１方向に回転するブレードを備えた上部タービンと第１方向の反対方向である第２方向に回転するブレードを備えた下部タービンの自己起動性を向上させることができる。

また、上部タービンと下部タービンが自体回転速度を増加させることができ、規定風速以上の風速で停止（Ｃｕｔ ｏｕｔ）速度とならなくて一定の速度で定着して安定して回転するようにすることができる。

また、大型風力発電に適用されるピッチ（Ｐｉｔｃｈ）制御及びストール（Ｓｔａｌｌ）制御を機械的な要素だけで具現することができる。よって、精密運転制御のための別途のプログラムや装置を設置しなくても優れた発電効率及び利用率を得ることができる。

一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 一般的な風力発電装置及び垂直軸タービンを説明するための図である。 本発明の一実施例による多重迎え角を具現するブレードが備えられた垂直軸タービンを説明するための概略的な平面図である。 図８の垂直軸タービンの複合ブレードユニット部分の概略平面図である。 図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットの一実施例を説明するための図である。 図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットの他の一実施例を説明するための図である。 図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットのさらに他の一実施例を説明するための図である。 図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットのさらに他の一実施例を説明するための図である。 図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットのさらに他の一実施例を説明するための図である。 図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットのさらに他の一実施例を説明するための図である。 一般的な迎え角を説明するための図である。 一般的な迎え角を説明するための図である。 図８〜図１１ｃの垂直軸タービンの複合ブレードユニットの作動原理を説明するための図である。 図８〜図１１ｃの垂直軸タービンの複合ブレードユニットの作動原理を説明するための図である。 図８〜図１１ｃの垂直軸タービンの作用効果を説明するための図である。 図８〜図１１ｃの垂直軸タービンの作用効果を説明するための図である。 比較例による風力発電装置を説明するための図である。 さらに他の比較例の風力発電装置を説明するための図である。 本発明の一実施例による垂直軸タービンを備える両方向積層式垂直軸タービンの概略斜視図である。 図１９の両方向積層式垂直軸タービンの部分拡大斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明による実施例を詳細に説明する。

前述した一般的なタービンの空気力学的問題点を解決し、都心の不規則な風況、つまり風速雰囲気の条件でより効率よくタービンの性能を発揮することができる本発明の具体的な実施例を説明すれば次のようである。

図８は本発明の一実施例による多重迎え角を具現するブレードが備えられた垂直軸タービンを説明するための概略的な平面図である。図９は図８の垂直軸タービンの複合ブレードユニット部分の概略拡大平面図である。

図８及び図９を参照すれば、本実施例の垂直軸タービン８００は、支持体８１０、支持体８１０に地表面に対してほぼ垂直方向に固定設置される回転軸８３０、回転軸８３０に結合するアーム（Ａｒｍ）８５０、及びアーム８５０に結合する複合ブレードユニット９００を備える。

支持体８１０は、地面や設備または構造物に垂直軸タービン８００を固定して支持するための部分である。支持体８１０は、垂直軸タービン８００の作動の際に発生する振動や外力に対して耐久性を持つ材料または構造を備えることができる。

回転軸８３０は支持体８１０に固定された発電機（図示せず）の回転子に結合され、風力による複合ブレードユニット９００の回転力をアーム９５０から受けて発電機に伝達する。本実施例において、回転軸８３０は後述する遠心回転軸９３０と区別されるように中心回転軸と言及されることができる。

アーム８５０は回転軸８３０に複合ブレードユニット９００を連結するための部分である。アーム８５０は複合ブレードユニット９００を固定するか支持する。本実施例において、アーム８５０は連結アーム、または回転アームと言及されることができる。

複合ブレードユニット９００は、図９により具体的に示すように、カセット９１０、遠心回転軸９３０、第１ブレード９５０、遠心力対応装置９７０、及び第２ブレード９９０を備える。本実施例において、複合ブレードユニット９００は、垂直軸タービン８００の作動の際、風の速度または遠心力に対応する迎え角をなすように構成される。

複合ブレードユニット９００において、カセット９１０は複合ブレードユニット９００をアーム８５０に固定結合する部分である。カセット９１０は地面にほぼ直交する方向または垂直方向に伸びる第１及び第２ブレード９５０、９９０の両端で第１及び第２ブレード９５０、９９０をそれぞれ支持するように第１及び第２ブレード９５０、９９０の両端に上部カセットと下部カセットが一組を構成するように設置される。上部カセットと下部カセットは向かい合うように配置されることを除き実質的に同一であるので、以下の説明では、説明の便宜上、上部カセットを中心に説明する。上部カセットはカセット９１０に対応する。カセット９１０はアーム８５０の一端から伸びる単一体の構造を備えるかあるいは別途の部材としてアーム８５０の一端に結合することができる。

遠心回転軸９３０はカセット９１０に回転可能に結合し、第１ブレード９５０に固定的に結合する。例えば、遠心回転軸９３０は第１ブレード９５０の一側に突出した突起がカセット９１０のホールに挿入される構成を備えることができる。

第１ブレード９５０はその長さ方向が地面に対してほぼ垂直方向に伸びるように設置され、その回転方向において位相が第２ブレード９９０に先立つ位置でカセット９１０に結合する。本実施例において、第１ブレード９５０は対称状翼形（Ａｉｒｆｏｉｌ）を備える。

遠心力対応装置９７０は第１ブレード９５０に結合し、垂直軸タービン８００の作動の際、第１ブレード９５０に加わる風の強度または遠心力に対応して遠心回転軸９３０を基準として第１ブレード９５０が所定角度範囲内で回転するように、つまりみずから回転運動するように作用する。遠心力対応装置９７０に採用可能な多様な実施様態は以下でより詳細に説明する。

第２ブレード９９０は遠心回転軸９３０によってカセット９１０に結合することを除き第１ブレード９５０と実質的に同一な形態及び構成を備える。第２ブレード９９０の長さ方向の上下側両端面は第２ブレード９９０の長さ方向の上下側に位置するカセットにそれぞれ固定結合される。例えば、第２ブレード９９０はカセット９１０に熔接されることができ、熔接部位９９２、９９４を備えることができる。

本実施例の垂直軸タービン８００に基づいて本発明による垂直軸タービンに採用される技術的特徴を手短に説明すれば次のようである。

すなわち、本実施例の地表面に対して水平方向に回転する垂直軸風力発電機、つまり垂直軸タービンで揚力特性を用いて回転するブレードの構成は、入射角がそれぞれ異なる外側ブレード［第２ブレード９９０に対応］と内側ブレード［第１ブレード９５０に対応］が設置され、内側ブレードはその入射角が遠心力によって回転する遠心回転軸に固定され、遠心力に対応する遠心力制御装置［遠心力対応装置９７０に対応］が内側ブレードに設置され、それによって垂直軸タービンの作動の際、遠心力または遠心力の中で該当の合成速度ベクター成分に対応して内側ブレードを所定角度に回転させることを主な技術的特徴とする。

遠心力制御装置は一般的に知られたスプリング装置、油圧ダンパー装置、電気ソレノイド、永久磁石などが使われることができる。

ブレードの構成は、内側ブレードの回転角を制限する初期固定用エンドストッパー（Ｅｎｄ ｓｔｏｐｐｅｒ）が上下固定用プレート［カセット９１０に対応］に設置されることができる。

また、複合ブレードユニット９００において、第１または第２ブレード９５０；９９０は一般的に知られた対称型や非対称型または揚力や抗力などの特性を持つ翼形に具現されることができ、その翼弦長（Ｃｈｏｒｄ ｌｅｎｇｔｈ）とスパン（Ｓｐａｎ）の割合が約４〜１２倍の範囲にあるように設置されることが好ましい。

また、複合ブレードユニット９００において、第１及び第２ブレード９５０、９９０は多重迎え角（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を持つことができるように初期にそれぞれ異なる入射角で形成される。例えば、第１ブレード９５０の入射角は第２ブレード９９０の入射角より大きく形成される。

また、複合ブレードユニット９００において、第１及び第２ブレード９５０、９９０は一つのカセットユニットに結合するように、上下カセットによってタービンの回転軸を中心に３列１２０度の等間隔で配置されることができる。もちろん、複合ブレードユニット９００は、３列以上、好ましくは３列、４列、５列、及び６列の中でいずれか一つの等間隔で回転軸に結合することができる。

また、垂直軸タービン８００の回転中心軸８３０から見るとき、第１ブレード９５０が第２ブレード９９０より内側に位置する場合、第１ブレード９５０は回転方向に位相が第２ブレード９９０に先立つように設置されることができる。この場合、第１ブレード９５０の初期入射角は第２ブレード９９０の初期入射角より大きく設置される。例えば、第１ブレード９５０の初期入射角は風向に対する各回転区域で相互間の流動干渉の発生を防ぐための最小離隔距離を形成するために、第２ブレード９９０の入射角が０であるときを基準として第２ブレード９９０の最大キャンバーより大きく設置される。

また、前述した場合、第２ブレード９９０に対して第１ブレード９５０が先立つ距離は第２ブレード９９０の翼弦線長の２％以上であることが好ましい。ここで、回転軸から第１ブレードと第２ブレードのそれぞれの距離の間の差は第１または第２ブレードの最大キャンバーより大きいことが好ましい。

前述した構成によれば、第１ブレード９５０と第２ブレード９９０が平行に配列されないので、平行に配列される既存の場合に比べ、初期起動性能及び回転区域別性能を向上させることができる利点がある。

図１０ａは図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットの一実施例を説明するための図である。

本実施例においては、図１０ａに示すように、説明の便宜上、第１ブレード９５０、第２ブレード９９０、及びスプリング部材９７０ａ以外の構成要素を点線または二点鎖線で示している。

図１０ａを参照すれば、本実施例の複合ブレードユニットは、遠心力制御装置または遠心力対応装置に対応するスプリング部材９７０ａを除き、前述した実施例の複合ブレードユニットと実質的に同一の構成を備える。

スプリング部材９７０ａは第１ブレード９５０の後縁が外側に出ようとする力（例えば、遠心力）によって遠心回転軸９３０が回転するとき、所定の弾性力を蓄積するように遠心回転軸９３０に結合設置される。スプリング部材９７０ａは、例えば遠心回転軸９３０の外表面に巻き付けられたコイル型スプリング形態を備えることができる。

本実施例の複合ブレードユニットにおいて、第１ブレード９５０はカセット９１０に回転可能に結合する遠心回転軸９３０を備え、遠心回転軸９３０に結合されたスプリング部材９７０ａによって初期入射角を維持し、垂直軸タービンの作動の際、遠心力に対応してコイルスプリング９７０ａに弾性力を蓄積する方向に所定角度に回転する。所定角度だけ回転した位置の第１ブレードは二点鎖線で示され、参照符号９５０ａで表示されている。ここで、第２ブレード９５０は、第１ブレード９５０の回転にかかわらず、初期入射角を維持したままカセット９１０に固定結合される。

本実施例において、遠心回転軸９５０の外周面上で第１ブレード９５０とカセット９１０の間に設置されるコイルスプリング９７０ａを遠心力制御装置、つまり遠心力対応装置として用いることにより、垂直軸タービンの作動の際、第１ブレード９５０に加わる風の速度または遠心力に対応して第１ブレード９５０が自体回転運動することができ、それによって複合ブレードユニット全体の迎え角が回転速度によって自動で適切に調節されるようにすることができる。言い替えれば、本実施例によれば、垂直軸タービンは初期起動が容易で、速かに定格速度に到逹することができ、回転速度が過度に速くなってカットアウト速度に進むことを機械的な構成だけで自動で防止することができる特徴を持つ。

図１０ｂは図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットの他の一実施例を説明するための図である。

本実施例においては、図１０ｂに示すように、説明の便宜上、第１ブレード９５０、第２ブレード９９０、及び油圧装置９７２以外の構成要素を点線または二点鎖線で示している。

図１０ｂを参照すれば、本実施例の垂直軸タービンの複合ブレードユニットは、カセット９１０、遠心回転軸９３０ａ、第１ブレード９５０、油圧装置９７２、及び第２ブレード９９０を備える。

遠心回転軸９３０ａは、油圧装置９７２によって容易に自体回転運動するように、第１ブレード９５０の長さ方向と幅方向のおよそ中心部に設置されることができる。

本実施例において、油圧装置９７２はアーム８５０に結合設置される。例えば、油圧装置９７２は、アーム８５０の内部に設置されるシリンダー型本体とシリンダー型本体の内部に設置されたピストンにその一端が結合されてシリンダー型本体に内挿される可変アーム９７４を備える。可変アーム９７４は、垂直軸タービンが作動するとき、アーム８５０及び複合ブレードユニットに作用する遠心力の大きさに対応して第１ブレード９５０からシリンダー型本体側に収縮しながらその長さが短くなるように設置される。図１０ｂにおいて、現在位置の第１ブレード９５０は参照符号９５０ａで示され、二点鎖線で示された初期位置の第１ブレード９５０ａから遠心力によって圧縮されたものに対応する。

言い換えれば、油圧装置９７２はいわゆる圧縮シリンダーであり、外部の力によってシリンダー内部のオイルが圧縮され、外部の力が相殺されたときに元の位置に復元するように作動する。本実施例において、油圧装置９７２は遠心力が発生するとき、第１ブレード９５０の後縁が第１ブレードからシリンダー型胴体の方向、つまり中心回転軸の方向に回転する力によって収縮され、遠心力が喪失されるとき、その反対方向に膨脹するように設置される。ここで、油圧装置９７２による第１ブレード９５０の回転を容易にするために、つまり第１ブレード９５０の重さ中心が前縁側に移動するように、遠心回転軸９３０ａは、図１０ａに示す場合に比べ、少しだけ後縁側に移動して配置される。

前述した構成によれば、油圧装置９７２は、垂直軸タービンの作動の際、遠心力によって第１ブレード９５０の前縁は遠心力方向に回転し、第１ブレード９５０の後縁は回転軸またはアーム８５０が位置する方向に移動するように設置されることができる。すなわち、シリンダー型胴体内部の圧縮力は遠心力に対応する程度に、つまり力の平衡をなすまで可変アーム９７４を膨脹または収縮させて移動させ、それにより、垂直軸タービンの作動の際または定格運転の際、かつ運転停止の際または起動の際、第１ブレード９５０の迎え角を回転速度または遠心力に対応して自動で調節することができる。

図１０ｃは図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットのさらに他の一実施例を説明するための図である。

図１０ｃを参照すれば、本実施例の複合ブレードユニットは、カセット９１０、遠心回転軸９３０、第１ブレード９５０、電気装置９７６、及び第２ブレード９９０を備える。

本実施例の複合ブレードユニットは、遠心力制御装置または遠心力対応装置に対応する電気装置９７６を除き、図１０ａを参照して前述した実施例の複合ブレードユニットと実質的に同一な構成を備える。

本実施例において、電気装置９７６は風ベクターの強度、回転力、または遠心力に対応して電気の力で遠心回転軸９３０を介して第１ブレード９５０を回転させる手段である。電気装置９７６は遠心回転軸９３０に結合設置されるサーボモーターで具現されることができる。電気装置９７６は第１ブレード９５０の上部または下部に付着されることができ、アーム８５０の内部を通じてタービンの回転軸内のスリップリングを経由するように設置される制御用ケーブル９７８によって垂直軸タービンのコントロールボックスに連結されることができる。

図１１ａ〜図１１ｃは図９の垂直軸タービンの複合ブレードユニットのさらに他の一実施例を説明するための図である。

図１１ａ及び図１１ｂを参照すれば、本実施例の複合ブレードユニットは、カセット９１０ａ、遠心回転軸９３０、第１ブレード９５０、第１磁石部材９７１、第２磁石部材９７３、第３磁石部材９７５、第２ブレード９９０、及びストッパー９８２を備える。

本実施例において、遠心力対応装置は、第１磁石部材９７１、第２磁石部材９７３、及び第３磁石部材９７５の組合せに対応する。ここで、第１磁石部材９７１はカセット９１０ａの一方に結合設置され、第２磁石部材９７３はカセット９１０ａの他方に結合設置され、第１磁石部材９７１とは異なる極性を備える。そして、第３磁石部材９７５はカセット９１０ａに隣接した第１ブレード９５０の一面に結合設置される。

図１１ａ及び図１１ｂにおいて、第１ブレード９５０の移動位置は参照符号９５０ａで示し、第２磁石部材９７５の移動位置は参照符号９７５ａで示している。

より具体的に説明すれば、アーム８５０に隣接した第１磁石部材９７１と第３磁石部材９７５の極性が異なるように遠心力対応装置を具現すれば、第１ブレード９５０は遠心力がほぼ喪失された状態であるかまたは運転初期または運転停止の状態で互いに異なる極性の引力によって実質的にノーマル（Ｎｏｒｍａｌ）位置に互いに引いていて、第１ブレード９５０に対する回転力または遠心力が増加するにつれて、それに対応して第１ブレード９５０の後縁が第２磁石部材９７３側に回転することができる。すなわち、遠心力が磁石の引力より大きい場合、第１ブレード９５０の後縁は遠心力方向に反らされることができる。

そして、第２磁石部材９７３と第３磁石部材９７５の極性が同じになるように遠心力対応装置を具現すれば、第１ブレード９５０に対する遠心力が減少するとき、同一極性の反発力または斥力によって第１ブレード９５０の後縁を元の位置、つまり第１磁石部材９７１が位置する方向に復帰させることができる。また、第２磁石部材９７３と第３磁石部材９７５の極性が同じになるように遠心力対応装置を具現すれば、外側ストッパー９８２の前端から遠心力方向に第１ブレード９５０が急激に回転することを緩衝することができる。

内側ストッパー（図示せず）と外側ストッパー９８２は第１ブレード９５０ａの後縁の回転運動を制限して第１ブレード９５０が失速状態に進むことを防止する。少なくとも一つのストッパー９８２はカセット９１０ａの一面に突出した突起の形態でカセット９１０ａに固定設置される。

前述した第１及び第２磁石部材９７１、９７３は、図１１ｃに示すように、カセット９１０ａの一面に設置された孔９１２にそれぞれ挿入された磁石で具現されることができる。ここで、第１磁石部材９７１または第２磁石部材９７３は円盤状の複数の磁石９１４を備えることができ、それぞれの磁石部材の強度は磁石９１４の個数によって調節できる。

カセット９１０ａの孔９１２はカセット９１０ａを厚さ方向に貫通しないように設置されることが好ましい。本実施例において、カセット９１０ａは第１ブレード９５０ａに結合された遠心回転軸９３０が挿入される貫通孔９１１を備えることができる。

以下、図８〜図１１ｃを参照して説明した複合ブレードユニットの作動過程をより具体的に説明する。

図１２ａ及び図１２ｂは一般的な迎え角を説明するための図である。

図１２ａに示したように、既存の一般的な垂直軸タービンのブレード１２１０はシングルブレードであり、タービンの回転軸の連結アームと空力中心角で垂直に連結される。この際、入射角は“０”となる。

このように形成されたブレードは、２列、３列、４列、５列など、その目的によって配列されることができる。現在、多く使われている配列は３列や４列が主流をなしているので、図１２ａのように、この比較例では４列の構造で示した。

ブレードは、回転につれて、無限風速によるベクターと回転によって発生する相対速度ベクターとの合成ベクターが形成され、合成ベクターとブレードの翼弦線の間に迎え角をなす。

ここで、図１２ｂの（ａ）及び（ｂ）に示したように、無限風速が相対的に相対速度より大きい場合、迎え角は大きくなり、最大揚力中心はブレードの前端に移動し、ブレード表面の形状に沿って無限に流れようとする流動慣性の層流が崩れて乱流が発生する。これを失速と言う。

また、相対速度が無限風速より大きい場合、迎え角が円の接線に近くなり、揚力の中心が後縁に移動して揚力が減少する。

また、入射角が“０”となったタービンのブレードは都心の低風速のような環境で周速比（無限風速に対するブレード最外側の速度比）が低いことによって相対的無限風速のベクター角が大きくなるから、揚力翼のブレードには揚力因子が少なくなり、よって起動速度が速くない。

また、一定の速度以上では、つまり周速比が高くなった段階では相対速度のベクターが高くて迎え角はブレードが昇速することができる理想的な角に入るようになるので、さらに昇速速度が速くなる。このように、タービンのブレードは回転速度の速さとか外部の風速の強さとか回転軸の特定方位角によって互いに異なる迎え角を持つ。

したがって、入射角“０”のブレードを備えたタービンにおいては、周速比が高いとき、高速に昇速することができる迎え角を有するが、相対的に低風速、低回転の際には迎え角が大きくなるため、昇速するまで長い時間がかかる。

また、Ｂ地域とＤ地域（図７参照）での無限風速エネルギーは、初期起動とは異なり、回転体の回転速度が増加すれば無限風速による合成ベクターを形成することができず、純粋相対速度ベクターだけ存在するので、ブレードの揚力特性は小さくなる。

このような特性及び原理に基づいて本発明の実施例による垂直軸タービンの作動原理をより具体的に説明する。

図１３及び図１４は図８〜図１１ｃの垂直軸タービンの複合ブレードユニットの作動原理を説明するための図である。

初期無限風速が低い場合、既存の入射角“０”の結合構造は迎え角が大きくて揚力特性が低く、よって昇速に時間が長くかかる。よって、本実施例においては、初期一定角の入射角を付与したブレードを用いることで迎え角を改善する。

図１３及び図１４を参照すれば、本実施例の垂直軸タービンは、カセット９１０に二重ブレードの形態で結合された第１ブレード９５０及び第２ブレード９９０を備える。第１ブレード９５０及び第２ブレード９９０は複合ブレードユニットに対応する。

複合ブレードユニットにおいて、速度増加、例えば遠心力による幾何学的空力の中心位置に遠心力方向に第１ブレード９５０の前縁が自体回転するように遠心回転軸９３０を設置して第１ブレード９５０の自体回転をガイドし、初期速度と定格速度の間でそれぞれの遠心力に対応して第１ブレード９５０に回転力を提供することができる遠心力対応装置を第１ブレード９５０に結合設置する。

遠心力対応装置は一般的に採用される圧縮力を発揮することができる一連の機械要素を備えた一般的な圧縮装置であることができ、代表的に圧縮スプリング、圧縮ショックアブソーバまたは圧縮ダンパー、油圧装置、電気装置（例えば、電磁弁、モーターなど）が使われることができる（図８〜図１０ｃの対応構成要素９７０、９７０ａ、９７２、９７６参照）。また、一実施例において、遠心力対応装置は永久磁石の応力装置で具現されることができる（図１１ａ〜図１１ｃの対応構成要素参照）。

また、遠心力対応装置は広義で第１ブレード９５０の後端に結合される重り９９８をさらに含むことができる。重り９９８は、第１ブレード９５０の重さ中心を第１ブレードの後縁に移動させることで、前述した圧縮スプリング、圧縮ダンパー、油圧装置、電気装置、または永久磁石の応力装置を備えた遠心力対応装置の作動によって第１ブレード９５０が自体回転するとき、第１ブレード９５０が自然に回転することができるようにする。重り９９８は第１ブレード９５０の後縁部に別途の金属性部材を付着または挿入することで具現できる。

遠心力対応装置は、ブレードが回転するとき、風向に対する回転区域と回転速度によって多重迎え角が形成されるように第１ブレード９５０を自体回転させる。このような構成によれば、既存の固定型入射角タービンに比べ、優れた昇速特性を示すことができる。

また、ストッパー（Ｓｔｏｐｐｅｒ）またはエンドストッパー（Ｅｎｄ ｓｔｏｐｐｅｒ）（図１１ａの９８２参照）は第１ブレード９５０がストッパーの位置まで到逹する回転力において、垂直軸タービンが失速または停止速度に行かずに定格出力を維持するように作用する。すなわち、ストッパーは定格出力制御モード用に用いられることができる。一方、既存の一般的なタービンの場合、ブレードの迎え角が失速の角または“０”の角を形成するので、一般的なタービンで明示する停止（Ｃｕｔ ｏｕｔ）速度でブレーキを作動しなければならないが、本実施例の場合はストッパーによって自動で制御されることができる。

本実施例によれば、回転力または遠心力に比例して遠心力対応装置の圧縮力に関連した収縮によって迎え角が“０”に近くなって揚力が減少し速度が減少することができる。

また、このような特性を持つ第１ブレード９５０をカセット９１０の内側に設置し、第１ブレード９５０と同一ないし類似の第２ブレード９９０を先に規定したブレードユニット設定方法によってカセット９１０の外側に設置し、第１ブレード９５０の入射角が第２ブレード９９０の入射角より大きくし、タービンの回転軸から回転方向に見るとき、第１ブレード９５０の位相が第２ブレード９９０の位相より先立つように位置させることで、抗力因子による回転ベクターの平均値がプラス方向に作用するようにすることができる。

前述した本実施例の垂直軸タービンの構成による期待効果は次のようである。

図１５及び図１６は図８〜図１１ｃの垂直軸タービンの作用効果を説明するための図である。

速度が増加したタービンにおいては、無限風速の外部エネルギーがタービンの速度増加による風壁によって遮られてＢ地域またはＤ地域に伝達されない現象により、Ｂ地域やＤ地域はＡ地域やＣ地域での回転トルクによる慣性だけ存在し、迎え角は円の接線に一致するので、揚力は低くなる。すなわち、図１５の（ａ）に示すように、入射角“０”では微小揚力が発生し、図１５の（ｂ）に示すように、入射角が一定角、例えば“１６”では理想的な迎え角が生成して高い揚力が発生する。よって、本実施例によれば、内側の第１ブレード９５０の入射角によって外側の第２ブレード９９０に誘導ベクターが形成して迎え角が改善されることができる。

このように、本実施例の複合ブレードユニットは、Ｂ地域とＤ地域において入射角による迎え角が一般的なタービンに比べて高くなって揚力特性が向上する。

特に、外側の第２ブレード９９０に比べて相対的に高く形成された内側の第１ブレード９５０の入射角によってブレードユニットの後端部位の後流一部は第２ブレード９９０の迎え角で空気流れを増大させ、全体的に第１及び第２ブレード９５０、９９０を連結する現象を発生させるので、有効断面積が増加する特性が現れて全体的に揚力特性が高くなる効果を得ることができる。

また、外側と内側の第１及び第２ブレード９５０、９９０の入射角を互いに異なるようにすることは、同一回転軸アーム８５０において第１ブレード９５０が回転方向に位相が先立つので、先立つ位相及び内側への半径による線速度を補正するためのものである。それはＢ地域とＤ地域の揚力特性の改善とＡ地域とＣ地域で、特に約６７°及び２９２°付近で第１及び第２ブレード９５０、９９０の回転トルクを同時に最大にする効果を得ることができる。

本実施例によれば、回転軸を中心に第１ブレード９５０及び第２ブレード９９０を実質的に平行でないように配置することで、回転速度によってブレードユニットに適切な迎え角の変化を提供することができる。

一方、図１６に示したように、ダブル３列はエネルギー密度の高い受風面で同一数のシングル６列ブレードタイプより一層幾何学的に構成され、シングル４列、シングル５列などの他のブレード構造を持つタービンのトルクに比べ、無限風速がＢ地域とＤ地域に伝達される量が存在するので、最大トルクポイント（Ｍａｘ ｔｏｒｑｕｅ ｐｏｉｎｔ）が４ヶ所で発生する。よって、本実施例においては、二重３列構造に複合ブレードユニットを配置する。

もちろん、前述した二重３列構造の複合ブレードユニットは一実施例によるもので、さらに他の一実施例において複合ブレードユニットは二重４列構造や三重３列構造、または三重４列などのブレードユニットで具現されることができる。

本実施例の複合ブレードユニットを備えた垂直軸タービンは、単純構造の二重ブレードを備えた既存の垂直軸タービンに比べ、次のような利点を持つ。このような違いは垂直軸タービンの性能及び効率の違いを伴う。

１．ブレード配列において、外側の翼（第２ブレードに対応）より内側の翼（第１ブレードに対応）が回転軸中心から回転方向に一定角だけ先立つ位相を持つ配列を備える。
２．外側の翼を基準として内側翼の位置または半径は最大キャンバーの約１倍以上の距離を持つ。
３．外側翼と内側翼は機械構造学的入射角が違うので、内側翼は外側翼より大きな角を形成する。
４．内側翼と外側翼によって形成される入射角が違う。
５．入射角が違うので、内側翼と外側翼のベクターが違って同一方位角で迎え角が同じになる。
６．全区間で干渉部位がない。
７．Ｂ地域とＤ地域で入射角が“０”であるとき、理想的な迎え角が小さいが、入射角がある場合、Ｂ地域とＤ地域で迎え角が改善して出力が向上する。
８．内側翼または外側翼のフラップ（Ｆｌａｐ）の機能によって上限速度制御機能を持つ。
９．２個以上のブレードを組み合わせる（複合ブレードユニットに対応）場合、回転半径の回転面方向に配列されるので、ブレードの有効面積を広げることができる。
１０．前後の配列による内側翼の後流が外側翼の引入側で空気密度を高くし、一部層流で剥離される後流のベクターは後端の外側翼の迎え角改善に役立ち、前端から流れた流動が後端の外側翼の層流につながって全体的に表面積が大きい効果を発生させて揚力特性を改善させる。
１１．初期回転方向に前進して配置された、つまり位相が先立つ内側翼の位置及び入射角によって抗力ベクターが増加して初期起動及び低風速で卓越した性能を示す。

一方、ブレードは製作当時に固有の翼弦長または幅で押出しまたは射出して製作される。ところで、風力タービンの製作において、ブレードの翼弦長は重要な設計因子として取り扱われる。したがって、一定の割合の翼弦長はタービン容量を決定する重要な因子として単一翼弦で製作することができる最大容量も翼弦長によって決定することができる。

言い換えれば、一定の値を持つ特定ブレードの翼弦長で製作することができるタービンには限界がある。これを考慮して、本発明のさらに他の一実施例では、単一ブレードを回転面に沿って羅列される形状に、２倍、３倍などの翼弦長を持つ単一ブレード形状を多重迎え角を持つ構造に構成することで同一の効果を得ることができる。

次は前述した本実施例の複合ブレードユニットを備える両方向積層式垂直軸タービンについて説明する。ただし、両方向積層式垂直軸タービンを説明するに先立ち、両方向垂直軸発電機を製造するときに考慮しなければならない事項を説明する。

図１７は比較例による風力発電装置を説明するための図である。図１８はさらに他の比較例による風力発電装置を説明するための図である。

発電機において電気を誘導するための方法には、コイルを持つ回転子を固定し、磁石を有する界磁石を回転させる方法と、その反対に界磁石を固定し、回転子を回転させる方法の二通りがある。ところで、両方向発電機においては、この回転子及び界磁石を互いに反対方向に回転させて、導体であるコイルと磁束が分布されている磁界内の導体との相対速度を２倍に増加させて誘起起電力を２倍以上に発生させる原理を用いる。

例えば、水平軸の両方向発電機１７００は、図１７に示すように、水平型タービンの翼に相当する仮想の空気流動管内に流入する空気の総エネルギーを前端のブレードで１次電気エネルギー（Ｖ２）に変換し、その後流のエネルギーを後端のブレードでエネルギー（Ｖ４）を吸収する方式で構成されている。

ここで、流入風速の総エネルギーを１次及び２次ブレードで分散吸収するため、結局１個のブレードで得たエネルギー総量と同量のエネルギーを生産するようになり、よってこのような両方向発電機ではブレードの相互逆回転だけで効率を２倍に増大させることはできない。

例えば、Ｖ１の無限風速が流入するとき、Ｖ２、Ｖ４のブレードで吸収することができる理論的エネルギーの最大値は、損失を無視した場合、ベッツ理論またはベッツ係数によって無限風速のエネルギー（Ｖ１）の５９．３％に過ぎなく、Ｖ５の値は結局Ｖ１の４０．７％となる。すなわち、Ｖ５＝Ｖ１−（５９．３％）となる。

したがって、Ｖ２とＶ４から吸収するエネルギーは理論的最大値５９．３％を両分してエネルギーを発生させる。

一方、図１８に示すように、両方向垂直型タービン１８００は、それぞれのタービンに無限風速エネルギー（Ｖ１、Ｖ１’）が作用し、一定の面積を持つタービンの機械的出力によるトルクが各タービンを介して回転子及び界磁石に回転運動エネルギーとして伝達されて出力を２倍以上増加させることができる。

すなわち、上部及び下部タービンに独立してエネルギーが流入して回転子及び界磁石に同等な回転トルクが発生すれば、２倍以上の電気的出力を発生することができる。

これを式で示すと、数式１及び数式２の通りである。
［数式１］
Ｖ２＝Ｖ１×５９．３
［数式２］
Ｖ２’＝Ｖ１’×５９．３

しかし、前述したように、垂直型両方向タービンの起動（Ｃｕｔ ｉｎ）の際、回転子コイルに電流が流れると同時にその電流によって磁束が発生し、回転子は瞬間的に電動機の回転子と同様な状態となり、相対的逆トルクによって反対側界磁石を引き寄せる力を発生させる。このような現象を電気子反作用と言う。

したがって、両方向発電機の初期起動の際、上部タービンの一部が例えば時計方向に回転するとき、下部タービンが固定装置によって固定されない場合、前記のような現象によって下部タービンも同一方向に引かれて行く現象が発生し、このような現象は風が流入する全区間で連続的に現れ、結局両方向発電機の役目ができなくなる。

また、垂直軸において時間の経過につれて上部または下部のいずれか一方にだけ作用する力によってタービンが回転するとき、必ず反対側タービンは逆回転することができる受風領域にあるか固定されていなければならなく、そうではない場合、むしろ独立タービン（シングル）発電機より劣る形状となることもあり得る。

このように、水平軸両方向発電機に比べ、垂直軸両方向発電機はエネルギー発生効率が高いにもかかわらず、両方向駆動を具現するための構造的問題によって実用化が遅くなっている。よって、以下の説明のように、本発明のさらに他の実施例においては、複合ブレードユニットを用いて実用化可能な高効率の垂直軸両方向発電機を提供する。

図１９は本発明の一実施例による垂直軸タービンを備える両方向積層式垂直軸タービンの概略斜視図である。図２０は図１９の両方向積層式垂直軸タービンの部分拡大斜視図である。

図１９に示したように、両方向積層型垂直軸タービン１９００（以下、簡単に両方向垂直軸タービンと言う）は多重迎え角（Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）機能がある複合ブレードユニットをそれぞれ備える複数の垂直軸タービン１９１０〜１９６０、それぞれの垂直軸タービンの上下側でそれぞれの垂直軸タービンを支持する支持三脚１９０４ａ、１９０４ｂ、それぞれの垂直軸タービンの一対の支持三脚１９０４ａ、１９０４ｂを連結する支持棒１９０６、それぞれの垂直軸タービンの支持棒１９０６を連結するカップリング部材（図２０の１９０６ａ参照）、及び両方向垂直軸タービンの下部を支持する支持台１９０２を含む。支持三脚、支持棒、カップリング部材、及び支持台のそれぞれは説明の便宜上簡単に支持体と言うことができる。

本実施例において、複数の垂直軸タービン１９１０〜１９６０は二個ずつ対をなしてほぼ垂直方向に３列積層された構造を備える。以下、両方向垂直軸タービンの基本構成となる一対の垂直軸タービンについて説明する。

すなわち、各対の垂直軸タービンは、第１方向に回転する複合ブレードユニットを備えた上部タービンと、第１方向の反対方向である第２方向に回転する複合ブレードユニットを備えた下部タービンとからなる。言い替えれば、３個の両方向垂直軸タービンは実質的に同一の構成及び形態を備えるので、その中でいずれか一対の垂直軸タービン、例えば上部タービン１９４０及び下部タービン１９３０を中心として説明する。

発電機は、回転子または界磁石のいずれか一方が固定され、外部の機械的回転動力によって磁界内の導体を移動させて磁束を切る速度によって誘起起電力を発生させる装置である。発電機の出力を決定する要素は、磁束密度、導体有効長、導体が磁束を断続させる速度によって決まる。ここで、磁束密度と導体の長さは製作当時に定格設計値によって一定の値に決まり、磁束を切る導体の回転速度は結局発電機の可変的出力に起因する。一方向発電機とは異なり、両方向発電機は、回転子と界磁石の回転を独立的にして相互に逆方向に回転した加速の力で速度を倍加させる結果として発電機の出力特性を向上させる。よって、本実施例の両方向垂直軸タービンにおいては、発電機の回転子と界磁石にそれぞれ結合された上部タービン及び下部タービンの独立回転構造を改善することでタービンの性能及び効率を高める。

図２０を参照してより具体的に説明すれば、両方向垂直軸タービン１９００は、副タービン回転軸２００４に結合される上部複合タービンカセットユニット２０００ｄ、上部タービン下部ベアリングハウジング２０１０、上部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０２０、発電機モジュール部２０３０、出力スリップリング２０４０、下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０５０、支持体１９０４ａ、１９０４ｂ、１９０６、及び他の副タービン回転軸２００３に結合する下部複合タービンカセットユニット２０００ｃを備える。上部及び下部複合タービンカセットユニット２０００ｄ、２０００ｄのそれぞれは前述した複合ブレードユニットに対応する。

本実施例においては、回転子と同一の回転軸に結合された上部連結カップリングによって上部タービン１９４０が時計方向に回転するとき、下部タービン１９３０がフリー（Ｆｒｅｅ）状態にある場合、つまり受風領域ではない場合、電気子の反作用によって同一方向に引かれて行く現象を防止するために、下部タービン１９３０の回転軸２００３から伸びた同一回転軸に下部タービン１９３０の回転を円滑にする上部ベアリング及び下部ベアリング（下部タービンの上下部ベアリング）とは別に下部タービン１９３０の上部ベアリングの上端回転体支持三脚（支持体）１９０４ａ上にワンウェイクラッチを挿入設置する。ワンウェイクラッチは一方向にだけ回転し、反対方向の力によってはロック機能を果たす。

このような構造によれば、上部タービン１９４０が時計方向に回転するとき、ワンウェイクラッチのベアリングによってワンウェイクラッチの外輪が支持体に固定され、内側は発電機の界磁石側に連結され、電気子の反作用による発電機界磁石が回転子である上部タービン１９４０の時計方向回転に対してロック機能を果たすことで、界磁石側回転軸が支持体に固定されたように作動することができる。

その後、下部タービン１９３０が受風領域に入れば、ワンウェイクラッチのベアリングは順風向（例えば、反時計方向）に回転することができることにより、両方向発電機の起動問題を解決することができる。

本実施例において、上部ワンウェイクラッチまたは下部ワンウェイクラッチはそれぞれ電磁クラッチとともに上部または下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０２０、２０５０内に一体的に構成されている。電磁クラッチは一般的に採用される装置であり、その詳細な動作原理は省略する。

本実施例においては、上部タービン１９４０と下部タービン１９３０の間に上部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０２０と下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０５０を設置し、上部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０２０と下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット２０５０の間に発電機モジュール部２０３０と出力スリップリング２０４０を設置する。

本実施例の両方向垂直軸タービンにおいて、上部及び下部のそれぞれの電磁クラッチは、両方向発電機の特性上、一方向発電機に比べ、電気子と界磁石が交差する相対速度が２倍となるので一定の速度で回転速度（ＲＰＭ）を制御する必要があり、上部と下部を同時にまたは別個に作動することができるように電気制御的プログラムコントローラを含むことができる。すなわち、上部及び下部のそれぞれの電磁クラッチには、上部と下部を同時に制御する機能、上部を単独で制御する機能、下部を単独で制御する機能などを含むことができる。

本実施例の上部と下部タービン１９４０、１９３０は機械構造学的に複合ブレードユニットにおいて停止（Ｃｕｔ−ｏｕｔ）なしに一定の速度で制御されることができるが、機械的欠陥ないし破損の発生時、非常装置により電気的にブレイキング（Ｂｒｅａｋｉｎｇ）させる機能を備えることができる。

このように、前述した実施例によれば、複合ブレードユニットを備えた両方向風力発電機が２個以上複層に積層された両方向積層式垂直軸タービンを提供することができる。

前述した本発明の実施例によれば、次のような作用効果がある。

１．多重迎え角（Ｍｕｌｔｉ Ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｔｔａｃｋ）を持つ複合ブレードタービン技術を提供することができる。
２．多重ブレード結合による有効断面積拡大技術を提供することができる。
３．二重入射角の形成による特定の角で合成最大揚力発生技術を提供することができる。
４．両方向垂直軸タービンにおいて定格パワー維持モード装置技術を提供することができる。
５．垂直軸風力発電のための高効率積層システム技術を提供することができる。
６．積層型垂直軸タービンにおいて両方向速度制御技術を提供することができる。
７．複合ブレードユニットを備えた両方向垂直軸タービンにおいて発電機着脱技術を提供することができる。

一方、前述した実施例においては、遠心力によってフラップされる機能が第１ブレードで具現されるものを説明したが、本発明はそのような構成に限定されない。例えば、本明細書の詳細な説明に記載された技術的思想に基づいて回転方向において第１ブレードより立ち遅れた位相を持つ第２ブレードがフラップ機能を有するように具現することは容易であろう。この場合、前述した実施例の第１ブレードと第１ブレードに結合する遠心力対応装置の構成は重りの構成を除き、第２ブレードと第２ブレードに結合する遠心力対応装置に取り替えられることができる。

また、前述した実施例においては、第１ブレードがフラップされる場合に重りが第１ブレードの後縁部に設置されるものとして説明したが、本発明はそのような構成に限定されない。例えば、第２ブレードがフラップされる場合、重りは第２ブレードの前縁部に設置されることができる。

また、前述した実施例においては、第１ブレードが遠心力によって一定の角度の範囲内で自由に移動してフラップ動作を行う構成として説明したが、本発明はそのような構成に限定されない。例えば、第１ブレード及び第２ブレードの入射角を特定の角に固定することができ、少なくとも第１ブレードの入射角は風向による回転区域と回転速度によって少なくとも２個以上の入射角に変わるように設置できる。

以上、好適な実施例を参照して本発明を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明が属する分野で通常の知識を持つ者であればこのような記載から多様な修正及び変形が可能であろう。したがって、本発明は添付の特許請求範囲及び図面などの全体的な記載を参照して解釈されなければならないし、その均等または等価の変形はいずれも本発明思想の範疇に属するものであると言える。

Claims (19)

1. 複合ブレードユニット、前記複合ブレードユニットに連結されるアーム、前記アームが連結される回転軸、及び前記回転軸を支持する支持体を含み、
   前記複合ブレードユニットは、
   前記アームに連結されるカセット；
   前記カセットに回転可能に結合する遠心回転軸；
   前記遠心回転軸に回転可能に結合する第１ブレード；
   前記第１ブレードに結合する遠心力対応装置；及び
   前記カセットに結合する第２ブレードを備え、
   前記第１ブレードは、前記回転軸の回転の際、遠心力に対応して前記遠心力対応装置から加わる力によって前記遠心回転軸を中心に自体回転運動することを特徴とする、垂直軸タービン。
2. 前記第１ブレードの後縁または前縁に設置される重りをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
3. 前記第２ブレードは、前記回転軸を中心に回転するとき、回転方向において前記第１ブレードより先立つ位相を持つことを特徴とする、請求項２に記載の垂直軸タービン。
4. 前記第１ブレードは、前記回転軸を中心に回転するとき、回転方向において前記第２ブレードより先立つ位相を持つことを特徴とする、請求項２に記載の垂直軸タービン。
5. 前記遠心力対応装置は、圧縮スプリング、圧縮ダンパー、油圧装置、電磁弁、モーター、永久磁石の応力装置、またはこれらの組合せを含むことを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
6. 前記遠心回転軸を中心に回転する前記第１または第２ブレードの回転角を制限するように、前記カセット、前記第１または第２ブレード、またはこれらのすべてに設置されるエンドストッパーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
7. 前記第１ブレードまたは前記第２ブレードは、対称型、非対称型、揚力型、抗力型、またはこれらの組合型の翼形を備えることを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
8. 前記回転軸を中心にした回転方向において前記第１ブレードの位相が前記第２ブレードの位相より先立つとき、前記第１ブレードの初期入射角は前記第２ブレードの初期入射角より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
9. 前記第１ブレードの入射角は少なくとも２個の特定角に固定されることを特徴とする、請求項８に記載の垂直軸タービン。
10. 前記第１ブレードの初期入射角は前記第２ブレードの最大キャンバーより大きいことを特徴とする、請求項８に記載の垂直軸タービン。
11. 前記回転軸に対する前記第１ブレードの回転半径は前記第２ブレードより小さいことを特徴とする、請求項１０に記載の垂直軸タービン。
12. 前記複合ブレードユニットは、３列、４列、５列、及び６列のいずれか一つが等間隔の形態で前記回転軸に結合することを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
13. 前記第２ブレードに対する前記第１ブレードの先立つ距離は前記第２ブレードの翼弦線長の２％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
14. 前記回転軸からの前記第１ブレードと前記第２ブレードの距離の差は前記第１または第２ブレードの最大キャンバーの１倍より大きいことを特徴とする、請求項１に記載の垂直軸タービン。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項の垂直軸タービンとして、第１方向に回転する第１垂直軸タービン、及び前記第１方向の反対方向である第２方向に回転する第２垂直軸タービンを備える第１両方向垂直軸タービンを含むことを特徴とする、両方向積層式垂直軸タービン。
16. 前記垂直軸タービンとして、前記第１方向に回転する第３垂直軸タービン、及び前記第２方向に回転する第４垂直軸タービンを備える第２両方向垂直軸タービンをさらに含み、
    前記第１及び第２両方向垂直軸タービンは、前記第１、第２、第３、及び第４垂直軸タービンがこの記載順に垂直方向に積層されることを特徴とする、請求項１５に記載の両方向積層式垂直軸タービン。
17. 前記第１及び第２垂直軸タービンの回転軸の間で前記第１垂直軸タービンに隣接して設置される上部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット；及び
    前記回転軸の間で前記第２垂直軸タービンに隣接して設置される下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセット
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１５に記載の両方向積層式垂直軸タービン。
18. 前記上部及び下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットの間に設置される発電機モジュール部；及び
    前記発電機モジュール部と前記上部または下部ワンウェイクラッチ及び電磁クラッチセットの間に設置される出力スリップリング
    をさらに含むことを特徴とする、請求項１７に記載の両方向積層式垂直軸タービン。
19. 前記第１垂直軸タービン及び前記第２垂直側タービンにそれぞれ備えられる複合ブレードユニットは、前記第１または第２ブレードが回転方向または前記回転方向の反対方向に一定角だけ傾いた形態、または連続曲線形態を備えるか、あるいは遠心力方向または前記遠心力方向の反対方向である回転軸方向に一定角だけ傾いた形態を備えることを特徴とする、請求項１５に記載の両方向積層式垂直軸タービン。