KR100490578B1 - 사보니우스 날개 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 관한 것으로, 상하측에 위치하는 한쌍의 엔드플레이트 ; 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되어 바람의 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드 ; 상기 엔드플레이트에 회전가능하게 삽입설치되어, 상기 엔드플레이트에 바람이 지나가는 경로를 형성할 수 있는 밸브 ; 상기 밸브에 연결되어, 사보니우스 날개의 회전속도에 따라 상기 밸브를 개폐할 수 있는 밸브개폐장치 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개를 제공하여, 사보니우스 날개가 고풍속 환경하에서도 안정적으로 회전할 수 있도록 하여 수직축형 풍력발전시스템의 안정성이 향상된다.

Description

사보니우스 날개 { SAVONIUS IMPELLER }
본 발명은 사보니우스 날개에 관한 것으로, 상술하면 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 관한 것이다.
풍력발전시스템으로는 수평축 풍력발전시스템과 수직축 풍력발전시스템이 알려져 있다.
수평축 발전시스템은 프로펠러 날개를 구비하여 바람의 양력(Lift Force)를 이용한 방식으로, 회전 날개의 회전 속도가 높아 발전 효율은 높으나, 풍향에 따라 회전 날개의 방향을 바꾸어 주어야 하며 또한 풍속에 따라 회전 날개의 각도를 바꾸어 주어야 하므로 복잡한 장치가 필요하다.
이에 반해 수직축 풍력발전시스템은 발전 효율은 낮으나, 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있고 풍향에 크게 좌우되지 않는다는 장점이 있어 흔히 소형 풍력발전시스템에 많이 적용되고 있다.
수직축 풍력발전시스템에는 크게 다리우스 날개와 사보니우스 날개가 알려져 있다.
다리우스 날개는 바람의 양력을 이용하는 방식으로 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조 동력장치가 필요하다.
사보니우스 날개는 바람의 항력(Drag Force)를 이용하는 방식이므로 회전 속도가 풍속보다는 높을 수 없다는 단점이 있지만, 낮은 풍속에서 큰 회전력을 얻을 수 있으며 자체 기동력이 있기 때문에 소형 풍력발전시스템에 주로 활용되고 있다.
도 1은 종래의 사보니우스 날개의 결합전 사시도이며, 도 2는 종래의 사보니우스 날개의 결합후 사시도이며, 도 3은 종래의 사보니우스 날개의 평단면 유속분포도이다.
도 1과 같이 종래의 사보니우스 날개는 상측 엔드플레이트(3) 및 하측 엔드플레이트(4)의 2개의 엔드플레이트, 상기 엔드플에이트 사이에 설치되어 항력을 받는 좌측 블레이드(5) 및 우측블레이드(6)로 구성되며, 상하측 엔드플레이트는 회전축(7)에 연결되어 있고, 좌우측 블레이드(5,6)에 의해 발생한 회전력은 회전축(7)을 통해 회전축(7)에 연결된 발전기(미도시)의 로터를 회전시켜 전기를 발생시킨다.
도 3과 같이 바람이 북쪽에서 남쪽으로 향할 때, 바람에 의해 블레이드(5,6)에 작용하는 항력에 의해 사보니우스 날개는 회전하게 된다.
도 4는 종래의 개발된 사보니우스 날개의 블레이드의 주요 형태도로서, 상측에서 바라본 단면도이다.
관련기술로, 사보니우스 날개의 단점인 발전 효율 즉, 회전속도를 높이기 위하여 국내특허출원 제2001-78355호 "통풍홈 부착 사보니우스풍차 회전날개"가 제안된 바 있다.
그러나 종래에 공개된 기술들은 사보니우스 날개의 회전속도를 높이기 위한 것에 불과하며, 사보니우스 날개의 회전속도가 비정상적으로 높은 경우에 대한 대처방식은 공개되지 않았다.
사보니우스 날개는 바람의 항력을 이용하므로 큰 회전력을 얻을 수 있으며 이러한 항력의 이용은 사보니우스 날개의 초기기동을 원활하게 하며 수직축 방식으로 인해 바람의 방향에 영향을 받지 않는다는 장점이 있지만, 고풍속의 경우는 발전시스템의 안정성을 보장하기 어렵게 한다.
즉, 사보니우스 날개는 바람의 항력이 블레이드면 전체에 걸쳐 작용하며, 이는 곧 회전축에 바람의 항력이 직접 작용하는 결과가 된다. 따라서 풍속이 비정상적으로 높아지면 이는 블레이드가 받는 바람의 항력이 상승하며, 이로인해 회전축이 받는 바람의 항력이 지나치게 크게되어, 회전축의 붕괴 위험 내지 회전축의 굽힘을 발생할 염려가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 고풍속 환경하에서 바람의 항력을 약화시킬 수 있는 사보니우스 날개를 제공하고자 한다.
이를 위해 본 발명은 엔드플레이트에 밸브를 삽입설치하여 상기 밸브를 풍속에 따라 개폐하고자 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 수직축형 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 있어서 : 상하측에 위치하는 한쌍의 엔드플레이트 ; 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되어 바람의 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드 ; 상기 엔드플레이트에 회전가능하게 삽입설치되어, 상기 엔드플레이트에 바람이 지나가는 경로를 형성할 수 있는 밸브 ; 상기 밸브에 연결되어, 사보니우스 날개의 회전속도에 따라 상기 밸브를 개폐할 수 있는 밸브개폐장치 ; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 밸브개폐장치가 : 일단이 사보니우스 날개에 고정되는 탄성부재, 및 일단이 상기 탄성부재의 타단에 연결되며 타단이 상기 밸브에 연결되며 상기 탄성부재의 횡방향 운동을 상기 밸브의 개폐 운동으로 변환할 수 있는 전달변환기를 포함하며 ; 사보니우스 날개의 회전속도에 의한 원심력과 상기 탄성부재의 탄성력의 작용으로 상기 밸브를 개폐 ; 하도록 이루어지는 것이 바람직하다.
밸브개폐장치로서는 각종 센서를 이용하여 사보니우스 날개의 회전속도를 검출한 후 검출된 회전속도에 따라 밸브를 개폐하는 방식이 고려될 수 있지만, 구성의 단순화를 위해 스프링과 같은 탄성부재의 압축력 또는 인장력을 이용하여 밸브를 닫을 수 있도록 하고 회전속도가 커지면 이에 의해 밸브를 열 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 사보니우스 날개가 정지시에는 스프링에 의해 밸브가 닫히는 반면, 사보니우스 날개의 고속회전시에는 원심력에 의해 스프링이 인장 또는 압축되며 이러한 스프링의 변이를 밸브의 개폐로 연결시킬 수 있도록 한 것이다.
상기에 있어서, 사보니우스 날개가 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 고정설치되는 회전축을 포함하며 ; 상기 밸브가 상기 상하측 엔드플레이트의 평면상 동일한 위치에 쌍으로 설치되며 ; 상기 전달변환기는 일단이 상기 회전축에 힌지 고정되며 중앙에 슬라이딩부가 형성된 전달변환바 및 상하 양단이 상기 한쌍의 밸브에 힌지연결되며 중앙에는 돌출부가 형성되어 "T"자형을 이루며 상기 돌출부의 선단에는 상기 전달변환바의 슬라이딩부내에 삽입되어 슬라이딩되는 슬라이딩부재를 구비하는 이음부재를 포함하여 이루어지며 ; 상기 탄성부재의 타단이 상기 전달변환바의 타단에 연결되는 것이 바람직하다.
상기 전달변환기는 각 밸브마다 별도로 설치되어 독립적으로 밸브가 개폐되도록 할 수 있지만, 하나의 전달변환기가 상하측 엔드플레이트에 쌍으로 설치되는 밸브를 통일적으로 제어하도록 하여 그 구성을 단순화시킬 수 있도록 한 것이다.
상기에 있어서, 상기 밸브가 닫힘상태일 때 상기 밸브가 상기 엔드플레이트에 걸릴 수 있도록 상기 엔드플레이트에 걸림턱이 형성되는 것이 바람직하다.
사보니우스 날개의 회전이 저속일 때는 사보니우스 날개에 어떠한 누출도 발생되지 않는 것이 바람직하므로, 밸브의 과닫힘으로 인하여 오히려 누출이 발생되는 것을 방지하기 위하여 걸림턱을 형성하도록 하였다.
상기에 있어서, 밸브들이 여러개 설치될 경우에는 각 밸브들이 평면상 대칭을 이루는 것이 바람직할 것이며, 또한 밸브의 설치방향은 풍향과 직각이 되도록 하는 것이 개폐 효율을 극대화할 수 있을 것이다.
이하 본 발명의 일실시예에 따라 그 구성과 작용을 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 밸브가 닫힌 상태의 사보니우스 날개의 결합사시도이고, 도 6은 도 5의 사보니우스 날개의 분리사시도이며, 도 7은 도 5의 사보니우스 날개의 밸브가 열린 상태의 결합사시도이고, 도 8은 도 7의 사보니우스 날개의 분리사시도이며, 도 9a는 도 6의 개략적인 단면도이고, 도 9b는 도 8의 개략적인 단면도이며,도 10은 도 5의 이음부재와 전달변환바의 결합사시도이다.
사보니우스 날개는 상하측에 위치하는 한쌍의 엔드플레이트(10,11)와 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되어 바람의 항력을 받는 두개의 블레이드(20,21)를 포함한다. 엔드플레이트는 평판의 형상으로 되어 있지만 이에 한정되지 않는다. 또한 블레이드의 형태는 이미 다양한 형태가 공지되어 있으며 본 실시예의 2개의 블레이드에 한정되지 않는다.
엔드플레이트(10,11)에는 바람이 지나가는 경로를 형성할 수 있는 밸브(30,30',31,31')가 삽입설치되어 있다. 밸브(30,30',31,31')는 엔드플레이트에 삽입설치되며 밸브축(40)에 의해 지지되어 회전가능하다.
엔드플레이트(10,11)에는 밸브(30,30',31,31')가 삽입되는 부분에 걸림턱(60)이 형성되어 있다. 걸림턱(60)에 의해 밸브(30,30',31,31')가 닫힘 상태일 경우 과닫힘을 방지한다. 밸브(30,30',31,31')의 형상 또한 상기 걸림턱(60)에 대응되는 형상을 이루도록 하였지만 이에 한정되지 않는다.
사보니우스 날개는 한쌍의 엔드플레이트(10,11) 사이에 고정설치되는 회전축(50)을 포함한다. 통상의 사보니우스 날개는 회전축이 반드시 필요한 것은 아니지만, 본 실시예의 경우 한 쌍의 밸브를 통일적으로 제어하기 위해 회전축을 두었다. 회전축(50)은 사보니우스 날개의 회전에 따라 회전되며, 회전축(50)의 회전은 증속기를 거치거나 거치지 않고 발전기(미도시)에 전달될 것이다.
밸브개폐장치(70)는 탄성부재(71)와 전달변환기(75)로 이루어지며, 전달변환기(75)는 전달변환바(72)와 이음부재(73)로 이루어진다.
탄성부재(71)는 일단이 회전축(50)에 고정되며 타단은 전달변환바(72)에 연결되어 있다. 본 실시예의 경우 탄성부재(71)의 일단이 회전축(50)에 고정되었지만, 탄성부재(71)는 엔드플레이트(10, 11)의 상면 또는 하면에 고정될 수 있으며, 본 실시예의 경우 밸브(30,30',31,31')의 내측방향에 탄성부재(71)의 일단이 고정되었지만, 밸브(30,30',31,31')의 외측방향에 탄성부재(71)의 일단이 고정되도록 하여 힘을 전달하는 방법이 고려될 수 있다.
전달변환바(72)는 일단이 회전축(50)에 힌지 고정되며 중앙에 슬라이딩부(72a)가 형성되어 있고, 타단은 탄성부재(71)에 연결되어 있다.
이음부재(73)는 "T"자형을 이룬다. 즉, 이음부재(73)의 상하 양단은 이음부재(73)의 상승 또는 하강에 따라 한쌍의 밸브(30과 30', 또는 31과 31')가 각 밸브축(40)을 중심으로 선회되도록 힌지연결되며, 중앙에는 돌출부(73b)가 형성되어 있다.
또한, 이음부재(73)의 돌출부(73b) 선단에는 일례로 휠로 이루어진 슬라이딩부재(73a)를 구비한다.
슬라이딩부재(73a)는 전달변환바(72)의 슬라이딩부(72a)에 삽입되어 슬라이딩된다. 상기와 같이 슬라이딩부재(73a)는 휠로 이루어져 구름운동을 통해 자유롭게 슬라이딩 되는 것이 바람직하지만, 단순히 미끄럼마찰을 통해 슬라이딩되는 경우도 배제되지 않는다.
도 5와 도 6과 도 9a는 사보니우스 날개가 정지한 상태를 나타낸 도면으로, 이와같은 상태에서는 원심력이 발생하지 않고 탄성부재(71)의 탄성력 즉, 전달변환바(72)를 회전축(50) 방향으로 끌어당기는 인력만이 발생한다. 따라서 전달변환바(72)는 일단의 힌지축을 중심으로 회전축(50)측으로 하향 선회된다.이처럼 전달변환바(72)가 하향 선회되면 이음부재(73)는 슬라이딩부재(73a)가 슬라이딩부(72a)를 따라 하측으로 슬라이딩되므로 하강하게 된다. 최종적으로 도 9a에 도시된 바와같이 이음부재(73)가 하강하게 되면 이음부재(73)의 상하 양단과 힌지연결된 밸브(30,30',31,31')가 닫힘방향으로 작용하되 각 걸림턱(60)에 걸려서 더 이상 회전되지 않는 닫힘상태가 된다.
도 7과 도 8 및 도 9b는 사보니우스 날개가 과회전하는 상태를 나타낸 도면으로, 사보니우스 날개가 과회전함으로써 닫힘 상태에 있던 밸브가 회전하여 열리는 상태를 나타내는 것이고, 이와같은 상태에서 발생되는 원심력은 탄성부재(71)의 탄성력을 초과하게 된다.이에 탄성부재(71)는 이음부재(73)와 전달변환바(72)와 탄성부재(71) 등에 발생한 원심력에 의해 중심반대방향으로 벌어지게 된다. 특히, 전달변환바(72)는 탄성부재(71)의 인력을 극복하고 일단의 힌지축을 중심으로 바깥쪽으로 벌어지는 방향으로 상향 선회된다.따라서 이음부재(73)는 슬라이딩부재(73a)가 슬라이딩부(72a)를 따라 상측으로 슬라이딩되므로 상승하게 된다.이에 엔드플레이트(11)에 설치되고 각 이음부재(73)의 하단과 힌지연결된 밸브(30', 31')는 닫힘상태에서 상기와 같이 이음부재(73)가 상승하게되면 도 9b에 도시된 바와같이 열림방향으로 선회되는 것이다.또한 엔드플레이트(10)에 설치되고 각 이음부재(73)의 상단과 힌지연결된 밸브(30, 31)도 닫힘상태에서 상기와 같이 이음부재(73)가 상승하게 되면 도 9b에 도시된 바와같이 열림방향으로 선회되는 것이다.이와같이 밸브(30,30',31,31')는 힌지연결된 각 이음부재(73)가 상기한 탄성부재(71), 전달변환바(72)와의 상호작용에 의해 상승하면 열림방향으로 선회되거나, 하강하면 닫힘방향으로 선회되는 것이다.
본 발명에 의하여 사보니우스 날개는 고풍속 환경하에서도 안정적으로 회전할 수 있게 되어, 수직축형 풍력발전시스템의 안정성이 향상된다.
도 1은 종래의 사보니우스 날개의 결합전 사시도
도 2는 종래의 사보니우스 날개의 결합후 사시도
도 3은 종래의 사보니우스 날개의 평단면 유속분포도
도 4는 종래의 사보니우스 날개의 블레이드의 주요 형태도
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 밸브가 닫힌 상태의 사보니우스 날개의 결합사시도
도 6은 도 5의 사보니우스 날개의 분리사시도
도 7은 도 5의 사보니우스 날개의 밸브가 열린 상태의 결합사시도
도 8은 도 7의 사보니우스 날개의 분리사시도
도 9a는 도 6의 개략적인 단면도
도 9b는 도 8의 개략적인 단면도
도 10은 도 5의 이음부재와 전달변환바의 결합사시도
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10, 11 : 엔드플레이트 20, 21 : 블레이드
30, 30', 31, 31' : 밸브 40 : 밸브축
50 : 회전축 60 : 걸림턱
70 : 밸브개폐장치 71 : 탄성부재
72 : 전달변환바 72a : 슬라이딩부
73 : 이음부재 73a : 슬라이딩부재73b : 돌출부 75 : 전달변환기

Claims (4)

  1. 수직축형 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 있어서 :
    상하측에 위치하는 한쌍의 엔드플레이트 ;
    상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되어 바람의 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드 ;
    상기 엔드플레이트에 회전가능하게 삽입설치되어, 상기 엔드플레이트에 바람이 지나가는 경로를 형성할 수 있는 밸브 ;
    상기 밸브에 연결되어, 사보니우스 날개의 회전속도에 따라 상기 밸브를 개폐할 수 있는 밸브개폐장치 ;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 밸브개폐장치가 :
    일단이 사보니우스 날개에 고정되는 탄성부재, 및 일단이 상기 탄성부재의 타단에 연결되며 타단이 상기 밸브에 연결되며 상기 탄성부재의 횡방향 운동을 상기 밸브의 개폐 운동으로 변환할 수 있는 전달변환기를 포함하며 ;
    사보니우스 날개의 회전속도에 의한 원심력과 상기 탄성부재의 탄성력의 작용으로 상기 밸브를 개폐 ;
    하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
  3. 제 2항에 있어서, 사보니우스 날개가 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 고정설치되는 회전축을 포함하며 ; 상기 밸브가 상기 상하측 엔드플레이트의 평면상 동일한 위치에 쌍으로 설치되며 ; 상기 전달변환기는 일단이 상기 회전축에 힌지 고정되며 중앙에 슬라이딩부가 형성된 전달변환바 및 상하 양단이 상기 한쌍의 밸브에 힌지연결되며 중앙에는 돌출부가 형성되어 "T"자형을 이루며 상기 돌출부의 선단에는 상기 전달변환바의 슬라이딩부내에 삽입되어 슬라이딩되는 슬라이딩부재를 구비하는 이음부재를 포함하여 이루어지며 ; 상기 탄성부재의 타단이 상기 전달변환바의 타단에 연결되는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
  4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 밸브가 닫힘상태일 때 상기 밸브가 상기 엔드플레이트에 걸릴 수 있도록 상기 엔드플레이트에 걸림턱이 형성된 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
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