KR100490683B1 - 수직축 풍력발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 발전기와; 상기 발전기에 회전력을 전달하고 수직으로 배치된 회전중심부와; 상기 회전중심부에 중심을 둔 원주 상에 그 길이 방향이 수직하게 놓이면서 서로 균등한 간격으로 배치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 로우터부와; 상기 로우터부의 각 블레이드의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 각각의 블레이드의 작용점에 일단이 연결된 복수의 연결부재와, 상기 각 연결부재의 타단이 연결되고 상기 회전중심부의 중심을 기준 위치로 하며 상기 로우터부와 같이 회전하는 회전체와, 상기 회전체의 중심을 기준 위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 회전체에 연결된 상기 연결부재가 상기 블레이드의 피치각의 크기를 상기 블레이드가 회전함에 따라 정현적으로 변화시키고 상기 블레이드의 위상이 바람의 방향에 대응하도록 변화시키며, 상기 회전체를 직선상으로 안내하기 위한 가이드부 및 상기 가이드부가 고정되어 상기 가이드부를 회전시키는 방향전환부를 포함하는 조절수단을 구비하는 피치제어부와; 상기 피치제어부를 구동하기 위한 구동수단;을 구비하는 수직축 풍력발전 장치가 제공된다.

Description

수직축 풍력발전 장치{Vertical axis wind turbine device}

본 발명은 수직축 풍력발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 블레이드 피치제어수단을 갖는 수직축 풍력발전 장치에 관한 것이다.

통상적으로 풍력발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다. 이러한 풍력발전 장치는 수평축 풍력발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전 장치(vertical axis wind turbine)로 대별되는데, 수평축을 이용하는 방식은 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다. 또한 수평축을 이용하는 경우는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다. 이 경우 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다.

한편, 수직형의 경우에는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.

따라서, 수직형의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 블레이드의 설계나 구조 또는 조립방식 등을 개선하거나, 지지구조물과 블레이드를 부착하는 방식을 개선하기도 하며, 블레이드의 피치각 제어 시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식을 사용하기도 한다.

미국 특허번호 제 4,718,821호에는 개별적인 블레이드에 작용하는 공압을 변화시킴으로써 회전중에 각각의 블레이드를 주기적으로 요동하게 하는 장치가 개시되는데, 이 경우는 블레이드가 기구적으로 손상되기 쉽다는 문제가 있으며, 이는 유지비용의 증가로 이어진다.

상기한 개별적인 피치각 제어 시스템과 달리 전체 블레이드의 피치각을 집단적으로 조절하는 시스템이 개시되기도 하는데, 미국 특허번호 제 4,299,537호에는 회전시에 블레이드가 요동을 함으로써 피치각이 변하도록 블레이드를 편심 링(eccentric ring)에 연결시키는 피치각 제어 시스템이 개시된다. 그러나 이 경우는 바람에 의해 블레이드의 피치각이 결정되므로 고효율의 풍력을 얻기 위한 적극적인 블레이드 피치각의 제어가 불가능하며, 급격한 바람 방향의 변화에 대응하는데 미흡하다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전함에 따라 블레이드의 피치각이 정현적으로 변화함으로써 고효율의 성능을 일정하게 낼 수 있는 수직축 풍력발전 장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 풍력발전 장치를 제작하는데 있어서 제작비와 운용비를 절감하는데 효율적인 수직축 풍력발전 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 무게대 강성비가 뛰어난 복합재료로 이루어진 블레이드를 사용함으로써 구조적으로 더욱 안전한 수직축 풍력발전 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 수직축 풍력발전 장치는, 발전기와, 상기 발전기에 회전력을 전달하고 수직으로 배치된 회전중심부와, 상기 회전중심부에 중심을 둔 원주 상에 그 길이 방향이 수직하게 놓이면서 서로 균등한 간격으로 배치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 로우터부와, 상기 로우터부의 블레이드의 피치각이 변할 수 있게 각각의 블레이드의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 지지하고 상기 회전중심부에는 고정됨으로써 상기 회전중심부와 상기 로우터부의 블레이드를 연결하는 지지수단과, 상기 로우터부의 각 블레이드의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 각각의 블레이드의 작용점에 일단이 연결된 복수의 연결부재와, 상기 각 연결부재의 타단이 연결되고 상기 회전중심부의 중심을 기준 위치로 하며 상기 로우터부와 같이 회전하는 회전체와, 상기 회전체의 중심을 기준 위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 회전체에 연결된 상기 연결부재가 상기 블레이드의 피치각의 크기를 상기 블레이드가 회전함에 따라 정현적으로 변화시키고 상기 블레이드의 위상이 바람의 방향에 대응하도록 변화시키며, 상기 회전체를 직선상으로 안내하기 위한 가이드부 및 상기 가이드부가 고정되어 상기 가이드부를 회전시키는 방향전환부를 포함하는 조절수단을 구비하는 피치제어부와, 상기 피치제어부를 구동하기 위한 구동수단을 구비한다.또한, 본 발명인 수직축 풍력발전 장치는, 발전기와, 상기 발전기에 회전력을 전달하고 수직으로 배치된 회전중심부와, 상기 회전중심부에 중심을 둔 원주 상에 그 길이 방향이 수직하게 놓이면서 서로 균등한 간격으로 배치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 로우터부와, 상기 로우터부의 블레이드의 피치각이 변할 수 있게 각각의 블레이드의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 상기 블레이드를 지지하고 상기 회전중심부에는 고정됨으로써 상기 회전중심부와 상기 로우터부의 블레이드를 연결하는 지지수단과, 상기 로우터부의 각 블레이드의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 각각의 블레이드의 작용점에 일단이 연결된 복수의 연결부재와, 상기 각 연결부재의 타단이 연결되고 상기 회전중심부의 중심을 기준 위치로 하며 상기 로우터부와 같이 회전하는 회전체와, 상기 회전체의 중심을 기준 위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 회전체에 연결된 상기 연결부재가 상기 블레이드의 피치각의 크기를 상기 블레이드가 회전함에 따라 정현적으로 변화시키고 상기 블레이드의 위상이 바람의 방향에 대응하도록 변화시키는 피치제어부와, 상기 피치제어부를 구동하며, 풍속 및 풍향을 감지하는 감지부와 감지된 데이터를 기초로 상기 피치제어부에 작용력을 공급하는 작용부를 구비하는 구동수단을 구비한다.

본 발명의 상기 발전기는 상기 수직축 풍력발전 장치의 기저부에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 회전중심부는 중공의 원통을 포함하여 이루어지며, 상기 원통의 직경은 배후의 블레이드를 지나는 바람의 속도를 증가시키도록 상기 로우터부의 직경의 0.2배에서 0.5배 사이에 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 로우터부의 블레이드는 상기 회전체가 기준위치에 있을 때, 상기 블레이드의 폭방향이 상기 로우터부를 이루는 원주상의 접선방향과 일치하도록 위치한다. 또한, 상기 블레이드의 단면은 대칭형 익형으로 하는 것이 바람직하며, 상기 블레이드는 섬유 강화 복합재료로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 지지수단은 일단이 상기 블레이드 단면의 공력중심을 통과하는 회전축에 회전 가능하게 연결되는 것이 바람직하며, 상기 지지수단은 상기 블레이드의 길이 방향의 양 단부를 지지하는 상하부 지지체로 이루어질 수 있다.

본 발명의 상기 복수의 연결부재 중 하나의 연결부재는 상기 회전체에 고정되게 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 피치제어부의 조절수단에서, 상기 회전체와 상기 가이드부는 볼 베어링을 통해 연결될 수 있고, 상기 가이드부는 상기 볼 베어링의 내륜에 장착된 연결축이 장착되는 가이드 레일을 구비할 수 있다.

본 발명의 상기 구동수단에서, 상기 작용부는 상기 가이드부에 연결되어 상기 가이드부를 병진운동시키는 가이드작용부와 상기 방향전환부에 연결되어 상기 방향전환부를 회전시키는 방향전환작용부로 이루어질 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 1a에는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 사시도가 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 수직축 풍력발전 장치(10)는 회전동력을 전달받아 이를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기(미도시)와, 상기 발전기에 필요한 회전동력을 제공하는 회전축의 역할을 하며, 대략 풍향에 대해 직각이 되도록 수직하게 배치된 회전중심부(11)와, 상기 회전중심부에 중심을 둔 원주상에 서로 균등하게 배치되는 복수의 블레이드(12a)로 이루어지는 로우터부(12)와, 상기 회전중심부(11)와 상기 블레이드(12a)를 연결하는 지지수단(13)과, 상기 블레이드의 피치각을 변화시키기 위해 상기 블레이드의 작용점에 작용력을 부여하는 피치제어부(14, 도 2 참조)와, 이러한 피치제어부를 구동하기 위한 구동수단(미도시)을 기본적으로 구비하게 된다.

발전기(미도시)의 경우 통상의 발전기로 족하며, 상기 회전중심부(11)로부터 제공되는 회전력을 별도의 방향전환 없이 제공하도록 배치하면 되고, 구조적인 안정성을 고려하여 지상에 근접하여 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 발전기와 상기 회전중심부(11) 사이에는 기어나 벨트 등의 동력전달 수단이 사용될 수 있으며, 발전기에 걸리는 과부하를 방지하기 위한 통상적인 동력 차단수단이 개재될 수 있다.

상기 회전중심부(11)는 중공의 원통(11a)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 중공의 원통(11a)은 단순한 회전축에 비해 구조적으로 안정하며, 바람이 불어오는 방향에 대하여 원통(11a)의 배후를 지나는 바람의 속도를 증가시킴으로써 원통(11a)의 배후에 위치하는 블레이드(12a)로부터 발생하는 회전력을 증가시키게 된다. 이러한 원통(11a)의 직경은 전술한 효과를 얻기 위해 상기 로우터부(12)의 직경의 0.2배에서 0.5배 사이에 있게 형성하는 것이 공기역학적인 측면에서 바람직하다.

또한 상기 회전중심부(11)는 상기 원통(11a)의 양단을 덮어주는 덮개부(11b)를 구비하며, 이러한 덮개부(11b)에는 상기 지지수단(13)이 강건하게 고정된다. 상기 원통(11a)의 측면에는 상기 지지수단(13)과의 연결을 위해 지지수단(13)에 해당하는 위치에 복수의 개구부(11c)가 마련될 수 있다. 이러한 개구부(11c)는 원통(11a)의 측면이고, 상기 지지수단(13)과 대응하는 위치라면 그 높이는 자유롭게 정할 수 있으나, 전술한 원통(11a)의 배후를 지나는 바람의 속도의 증가 효과와 흐름의 난류화를 방지하여 블레이드(12a)에의 영향을 최소화하기 위해 상기 원통(11a)의 상단부 또는 하단부의 측면에 설치하는 것이 바람직하다.

상기 블레이드(12a)는 주기적인 피치각의 변화를 갖도록 의도된 것이므로 그 단면 형상을 비행기의 날개에 주로 사용되는 대칭형의 익형으로 하여준다. 또한 이러한 블레이드(12a)의 길이방향은 대략 유입하는 바람의 방향과 직각을 이루도록 그 길이 방향이 수직이 되도록 배치되며, 유입하는 바람으로부터 양력을 발생시켜 회전력을 얻게 된다. 상기 블레이드(12a)의 폭방향이 상기 로우터부를 이루는 원주상의 접선방향과 일치한 경우 상기 블레이드(12a)가 기준위치, 즉 피치각의 변화가 없는 위치에 해당한다. 이러한 블레이드(12a)의 폭은 상기 블레이드(12a)의 단면의 익형의 코드(chord)의 길이에 해당한다. 또한 상기 블레이드(12a)는 회전하면서 발생하는 원심력에 의한 하중에 영향을 받게 되므로 요구되는 강성을 가지면서도 무게가 가벼운 것이 구조적인 안전성이나 운용의 효율성 면에서 바람직하다. 따라서 상기 블레이드(12a)는 무게대 강성비가 뛰어난 섬유 강화 복합재료로 제작하는 것이 바람직하며, 이에는 유리 섬유나 탄소 섬유 등이 있다. 상기 복합재료를 이용하여 블레이드를 형성하는 것은 통상적인 기술에 의해 가능하다. 이러한 복합재료를 사용하는 경우 피치제어부(14)에 가해지는 하중을 감소시켜 구조적인 파손을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 상기 블레이드(12a)는 공력중심과 무게중심이 인접하도록 설계되어야 한다. 공력중심과 무게중심이 서로 멀리 떨어지면 블레이드의 회전으로 인해 블레이드와 회전판을 연결하는 연결부재에 많은 하중이 가해지고 큰 구동력이 요구된다. 또한 블레이드(12a)의 개수는 수직축 풍력발전 장치의 용도나 소요되는 전력에 따라 달라질 수 있다.

상기 지지수단(13)은 일단이 상기 회전중심부(12)에 고정 연결되고, 타단은 상기 블레이드(12a)의 피치각이 변할 수 있도록 각각의 블레이드가 회전축을 중심으로 회전가능하게 연결된다. 이러한 회전축(13a)은 상기 블레이드(12a)에 마련된 홈(12a)에 장착됨으로써 연결될 수 있으며, 이와는 달리 상기 회전축(13a)을 상기 블레이드(12a)에 마련하고 지지수단(13)에 홀을 마련하는 것도 가능하다. 이때, 이러한 회전축(13a) 또는 홈(12b)의 위치는 블레이드(12a) 단면의 익형상의 공력중심에 놓이도록 하는 것이 블레이드(12a)의 불필요한 진동에 의한 손상을 방지하는데 유리하다.

도 1b에는 본 발명에 따른 수직축 풍력방전 장치의 다른 실시예를 도시하였다.

도면을 참조하면, 본 실시예는 전술한 실시예의 구성에 지지수단(13)을 보강하기 위한 보강재(13b)를 더 장착한 구성으로 이루어져 있다. 이러한 보강재(13b)의 장착여부는 지지수단(13)의 강도를 어떻게 설정하는가에 따라 결정되며, 구조적으로 강건할 필요가 있는 경우에는 상기 보강재(13b)를 더 장착하는 것이 바람직하다. 상기 보강재는 일체형으로 형성하거나 각 블레이드(12a)마다 분리되게 형성할 수 있다.

도 2에는 본 발명에 의한 수직축 풍력발전기의 일 실시예의 일부를 생략한 사시도를 도시하였다. 즉, 본 도면에서는 회전중심부의 원통(11a)이 생략되었다.

도면을 참조하면, 피치제어부(14)는 상기 블레이드(12a)의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 작용점에 일단이 연결된 연결부재(15)와 상기 연결부재(15)의 타단이 연결되고 상기 회전중심부(11)의 중심을 기준위치로 하여 회전하는 회전체(16)과, 상기 회전체의 중심을 기준위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 블레이드(12a)의 피치각의 크기를 정현적으로 변화시키고, 상기 블레이드(12a)의 위상이 바람의 방향의 변화에 대응하도록 변화시키는 조절수단(17)을 구비한다.

상기 연결부재(15)는 블레이드(12a)에 의해 작용하는 인장력과 압축력에 견디는 재질의 형상을 가진 통상의 로드이며, 상기 로드(15)는 블레이드(12a)의 피치각을 변화시키면서 연결부가 회전할 수 있게 베어링을 이용하여 연결하는 것이 바람직하다. 또한 상기 회전체(16)와도 베어링을 이용하여 연결하지만 그 중 하나의 연결부재는 회전체(16)에 고정시켜준다. 상기 로드가 블레이드(12a)와 연결되는 작용점은 상기 블레이드(12a)의 피치각 변화의 범위와, 후술할 상기 조절수단(17)의 작동범위를 고려하여 정한다. 또한 상기 로드(15)의 연결을 위한 작용점을 상기 블레이드(12a) 상에 마련할 수도 있지만, 제조상의 문제와 블레이드(12a)를 흐르는 흐름의 난류화를 방지하기 위해 블레이드(12a)를 지지수단(13)과 연결하는 회전축(13a)상에 돌출부(13c)를 마련하여 연결하는 것이 바람직하다.

도 3에는 도 2의 A부분을 확대하여 도시하였다.

도면을 참조하면, 전술한대로, 상기 로드(15)는 하나를 제외하고는 상기 회전체(16)와 베어링으로 연결되며, 상기 로드들 중 기준이 되는 로드(15a)는 회전체(16)에 기구학적인 작동을 위해 고정된다. 이러한 고정되는 로드(15a)는 블레이드(12a)의 회전시 다른 로드들에 비해 큰 하중이 걸리므로 더욱 강건하게 제작되어야 한다.

또한 상기 회전체(16)는 볼 베어링(16a)을 통하여 상기 조절수단(17)에 장착되게 된다. 즉 상기 회전체(16)는 볼 베어링(16a)의 외륜에 연결되어 회전하게 된다. 볼 베어링(16a)의 외륜과 결합된 회전체(16)는 블레이드(12a)가 회전함에 따라 같이 회전하게 된다.

상기 조절수단(17)은 상기 회전체(16)를 직선상으로 안내하기 위한 가이드 레일(18a)을 구비한 가이드부(18)와, 상기 가이드부(18)를 회전시키는 방향전환부(19)를 구비한다.

상기 가이드부(18)에는 상기 볼 베어링(16a)의 내륜에 연결된 연결축(16b)이 장착되므로 블레이드(12a)의 회전과는 무관하며, 장착된 연결축(16b)이 상기 가이드 레일(18a)을 따라 이동함으로써 상기 회전체(16)가 직선운동을 하게 되어 블레이드(12a)의 피치각의 크기를 조절한다.

또한 상기 방향전환부(19)를 원하는 각도만큼 회전시킴으로써, 이에 고정 장착된 상기 가이드부(18)를 회전시켜서 블레이드의 위상을 변화시켜 바람의 방향이 변해도 일정한 풍력 에너지를 받아들이는 역할을 하며, 블레이드(12a) 또는 회전중심부(11)의 회전과는 무관하다.

상기와 같이 구성되는 피치제어부(17)는 구동수단(미도시)에 의해 구동되는데, 이러한 구동수단은 풍향 및 풍속을 감지하는 감지부와, 상기 감지부에서 감지된 데이터를 기초로 상기 피치제어부에 작용력을 공급하는 작용부를 구비한다. 상기 감지부는 통상적으로 사용되는 팬을 구비하는 감지장치를 로우터부의 아래 부분에 장착하여 바람의 속도에 대한 회전속도와 방향을 감지하여 풍속의 크기와 풍향을 감지한다. 감지된 데이터는 상기 작용부에 작용신호로 전환되어 전송된다. 상기 작용부는 상기 가이드부(18)에 연결되어서 상기 가이드부(17)를 병진운동시키는 가이드작용부(미도시)와 상기 방향전환부(19)에 연결되어 상기 방향전환부(19)를 회전시키는 방향 전환작용부(미도시)로 이루어진다. 상기와 같은 작용부는 유압 내지는 전기적인 모터를 이용하여 구성할 수 있다. 이러한 모터는 상기 회전판(16)을 직선으로 움직이기 위해 로우터부의 하부에 설치된 링크의 조합을 통해 상기 가이드부(17)에 연결되며, 방향전환부를 구동하기 위해서는 방향전환부의 하부에 베어링을 통하여 연결된 연결실린더(미도시)에 링크를 통해 연결된다.

상기와 같이 구성된 수직축 풍력발전 장치의 작용을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

수평으로 불어오는 바람에 대해 익형의 단면형상을 가지는 블레이드(12a)에서는 양력이 발생하게 된다. 이러한 양력들은 상기 회전중심부(11)를 회전시키는 회전력을 발생시키며, 이는 발전기에 전달되어 필요한 전력을 얻게 된다. 이러한 과정에서 바람의 속도와 방향은 시시각각으로 변화하게 되며, 이러한 변화하는 풍속과 풍향에 대응하기 위해 상기 블레이드(12a)의 피치각과 위상을 변화시킬 필요가 있다.

풍속의 변화에 대응하기 위해 상기 회전체(16)을 상기 가이드부(18)의 가이드레일(18a)을 따라 직선 이동시키면, 이는 로드(15)를 통해 상기 블레이드(12a)의 작용점에 작용하여 일정한 변위를 유발하여, 상기 블레이드의 피치각을 변화시킴으써, 변화하는 속도에 대해 일정한 회전력을 얻도록 할 수 있다. 이는 도 4에서 b로 표시되고, 이는 편심크기, 즉 직선 이동하는 거리를 나타낸다. b가 영인 경우, 즉 편심 크가 영인 경우에는 각 블레이드(12a)의 피치각 각도는 영이 되고, 편심 크기 b가 커질수록 각 블레이드(12a)의 최대 피치각은 커지게 된다.

풍향의 변화에 대응하기 위해서는 피치각변화를 가지는 블레이드(12a)의 위상자체를 변화시켜야 한다. 이 경우는 상기 방향조절부(19)를 회전시킴으로써 상기한 목적을 달성한다. 방향 조절부(19)를 회전시키면, 이에 고정된 상기 가이드부(18)가 회전하게 되어 도 4에서 a로 표시된 만큼의 편심각이 발생하게 되고 이는 상기 회전체(16) 및 로드를 통해 블레이드(12a)에 전달되어 블레이드(12a) 전체의 위상변화를 가져온다. 즉 이러한 편심각 a의 변화에 따라 블레이드(12a)가 최대 피치각 각도를 갖는 위치를 변화시킬 수 있다.

상기와 같은 과정을 통해 블레이드의 피치각과 위상의 변화를 능동적으로 수행함으로서 바람의 변화가 있더라도 일정하게 고효율의 풍력발전이 가능하게 된다.

도 5a에는 평형위치에 있는 로우터부와 피치제어부의 평면도를 도시하였다.

도면을 참조하면, 상기 로우터부는 반시계방향으로 회전하고 있으며, 모든 블레이드(12a)가 동일일 피치를 가지고 회전하고 있으며, 회전하는 위치를 최하부부터 반시계 방향으로 P1, P2, P3, P4, P5, P6로 지정한다. 이 경우 회전판(16)은 기준위치에 위치하게 된다.

도 5b에는 편심크기만을 조절한 경우의 로우터부와 피치제어부의 평면도를 도시하고 있다.

도면을 참조하면, 회전하는 블레이드는 P1으로 표시된 위치에서 최대의 피치각을 가지게 되며, P4로 표시된 위치에서 최소의 피치각을 가지게 된다. 도 5c에는 편심크기와 편심각이 조절된 경우의 로우터부와 피치제어부의 평면도를 도시하고 있다. 도면을 참조하면, P1의 위치에서 최대의 피치각을 갖던 로우터부가 방향조절부가 반시계 방향으로 60도 회전함에 따라 P2의 위치에서 최대의 피치각을 갖게되고, P5의 위치에서 최소의 피치각을 갖도록 변화하게 된다.

상술한 바와 같은 수직축 풍력발전 장치를 제공함으로써 유입되는 바람의 방향과 속도가 변화하더라도 일정한 고효율의 에너지를 발생시킬 수 있다.

또한 본 발명인 풍력발전 장치는 그 제작과 운용에 있어서 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명인 수직축 풍력발전 장치는 무게대 강성비가 뛰어난 복합재료로 이루어진 블레이드를 사용함으로써 구조적인 안전성을 제공한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 사시도,

도 1b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 또 다른 실시예의 사시도,

도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 부분 사시도,

도 3은 도 2의 A부분을 확대 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 작용을 설명하는 평면도,

도 5a는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예가 평형 위치에 있는 상태를 도시한 평면도,

도 5b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예에 편심크기만을 부여한 상태를 도시한 평면도,

도 5c는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예에 편심크기와 편심각을 부여한 상태를 도시한 평면도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명.>

11; 회전중심부 12; 블레이드

13; 지지수단 14; 피치제어부

15; 로드 16; 회전체

17; 조절수단 18; 가이드부

19; 방향조절부

Claims (15)

1. 발전기와;

   상기 발전기에 회전력을 전달하고 수직으로 배치된 회전중심부와;

   상기 회전중심부에 중심을 둔 원주 상에 그 길이 방향이 수직하게 놓이면서 서로 균등한 간격으로 배치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 로우터부와;

   상기 로우터부의 블레이드의 피치각이 변할 수 있게 각각의 블레이드의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 상기 블레이드를 지지하고 상기 회전중심부에는 고정됨으로써 상기 회전중심부와 상기 로우터부의 블레이드를 연결하는 지지수단과;

   상기 로우터부의 각 블레이드의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 각각의 블레이드의 작용점에 일단이 연결된 복수의 연결부재와, 상기 각 연결부재의 타단이 연결되고 상기 회전중심부의 중심을 기준 위치로 하며 상기 로우터부와 같이 회전하는 회전체와, 상기 회전체의 중심을 기준 위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 회전체에 연결된 상기 연결부재가 상기 블레이드의 피치각의 크기를 상기 블레이드가 회전함에 따라 정현적으로 변화시키고 상기 블레이드의 위상이 바람의 방향에 대응하도록 변화시키며, 상기 회전체를 직선상으로 안내하기 위한 가이드부 및 상기 가이드부가 고정되어 상기 가이드부를 회전시키는 방향전환부를 포함하는 조절수단을 구비하는 피치제어부와;

   상기 피치제어부를 구동하기 위한 구동수단;을 구비하는 수직축 풍력발전 장치.
2. 발전기와;

   상기 발전기에 회전력을 전달하고 수직으로 배치된 회전중심부와;

   상기 회전중심부에 중심을 둔 원주 상에 그 길이 방향이 수직하게 놓이면서 서로 균등한 간격으로 배치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 로우터부와;

   상기 로우터부의 블레이드의 피치각이 변할 수 있게 각각의 블레이드의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 상기 블레이드를 지지하고 상기 회전중심부에는 고정됨으로써 상기 회전중심부와 상기 로우터부의 블레이드를 연결하는 지지수단과;

   상기 로우터부의 각 블레이드의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 각각의 블레이드의 작용점에 일단이 연결된 복수의 연결부재와, 상기 각 연결부재의 타단이 연결되고 상기 회전중심부의 중심을 기준 위치로 하며 상기 로우터부와 같이 회전하는 회전체와, 상기 회전체의 중심을 기준 위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 회전체에 연결된 상기 연결부재가 상기 블레이드의 피치각의 크기를 상기 블레이드가 회전함에 따라 정현적으로 변화시키고 상기 블레이드의 위상이 바람의 방향에 대응하도록 변화시키는 피치제어부와;

   상기 피치제어부를 구동하며, 풍속 및 풍향을 감지하는 감지부와 감지된 데이터를 기초로 상기 피치제어부에 작용력을 공급하는 작용부를 구비하는 구동수단;을 구비하는 수직축 풍력발전 장치.
3. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 발전기는 상기 수직축 풍력발전 장치의 기저부에 위치하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
4. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 회전중심부는 상기 로우터부의 회전력을 전달받아 상기 로우터부와 같이 회전하는 수직으로 중공의 원통을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 원통의 직경은 배후의 블레이드를 지나는 바람의 속도를 증가시키도록 상기 로우터부의 직경의 0.2배에서 0.5배 사이에 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
6. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 로우터부의 블레이드는 상기 회전체가 기준위치에 있을 때, 상기 블레이드의 폭방향이 상기 로우터부를 이루는 원주상의 접선방향과 일치하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
7. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 블레이드의 단면은 대칭형 익형인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
8. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 블레이드는 섬유 강화 복합재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
9. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 지지수단은 상기 블레이드의 길이 방향의 양 단부를 지지하는 상하부 지지체로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 지지체는 일단이 상기 블레이드 단면의 공력중심을 통과하는 회전축에 회전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
11. 제 1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 복수의 연결부재 중 하나의 연결부재는 상기 회전체에 고정되게 연결되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 회전체와 상기 가이드부는 볼 베어링을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 가이드부는 상기 볼 베어링의 내륜에 장착된 연결축이 장착되는 가이드 레일을 구비하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 구동수단은 풍속 및 풍향을 감지하는 감지부와 감지된 데이터를 기초로 상기 피치제어부에 작용력을 공급하는 작용부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.
15. 제 2항 또는 제14항에 있어서,

    상기 작용부는 상기 가이드부에 연결되어 상기 가이드부를 병진운동시키는 가이드작용부와 상기 방향전환부에 연결되어 상기 방향전환부를 회전시키는 방향전환작용부로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 장치.