KR100776319B1 - 수직축 방식의 풍력발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어 풍향이나 풍속에 관계없이 안정적인 발전이 이루어질 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 수직하게 구비된 회전축(111)에 고정된 다수의 날개(110)와; 상기 회전축(111)에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기(130)와; 상기 회전축(111)에 회동 가능하게 설치되며 상기 날개(110)에 대한 역풍을 막도록 상기 날개(110)를 감싸는 몸체부(121)와, 이 몸체부(121)에 고정되어 상기 날개(110)에 전달되는 풍속이 증가될 수 있도록 단면적이 좁아지는 축소관 형식의 인렛 가이드부(122)와, 이 인렛 가이드부(122)와는 반대편에 위치하여 상기 몸체부(121)에 고정되는 확장관 형식의 아웃렛 가이드부(123)로 이루어진 케이싱(120)과; 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부가 풍향 방향과 나란하도록 상기 케이싱(120)에 고정되는 방향타(140)와; 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부에 설치되어 설정 풍속 이상에서 풍속에 따라 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부의 단면적을 조절 하기 위한 회전밸브(150)로 구성되어, 경제성이 우수하면서도 풍향이나 풍속에 관계없이 안정적인 전원을 얻을 수 있는 효과가 있다.
풍력발전, 수직축 형식, 날개, 인렛 가이드부, 아웃렛 가이드부, 회전밸브.
Description
도 1은 본 발명의 수직축 방식의 풍력발전장치의 전체 외관의 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 풍력발전장치에 있어 하우징의 횡방향 단면도를 보여주는 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명의 풍력발전장치에 있어 회전밸브의 바람직한 일례를 보여주는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 날개 111 : 회전축
112 : 가이드부재 120 : 케이싱
121 : 몸체부 122 : 인렛 가이드부
123 : 아웃렛 가이드부 130 : 발전기
140 : 방향타 150 : 회전밸브
본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 특히 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어 풍향이나 풍속에 관계없이 안정적인 발전이 이루어질 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전은 회전날개의 축 방향에 따라서 수평축 형식과 수직축 형식으로 구분된다.
통상 수평축 형식에서는 수평축에 설치된 회전자가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되며, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 따라서, 양력형 블레이드가 주로 적용되는 수평축 형식에서는 효율을 높이기 위해서 블레이드 설계 시에 높은 양항비를 갖는 에어포일을 선택해야 하며, 따라서 설계 및 제작에 많은 노력을 필요로 하며 설비가 고가여서 발전량에 비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 수평축 형식에서는 프로펠러형의 날개가 정력출력을 위하여 풍속이 강해야만 가동이 되며, 따라서 우리나라 내륙에서와 같이 미풍 환경에서는 발전효율이 떨어진다. 또한, 수평형 풍력발전은 고가의 설비와 시설투자비가 소요되어 경제성이 발전량에 비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
반면에, 수직축 방식의 풍력발전은 수직축 상에 날개가 설치되며, 이 날개에 작용하는 공기역학적 힘 중에서 주로 저항(또는 항력)을 회전력으로 변환하여 동력을 발생시키게 되므로, 양력형에 비해 날개의 형상이 단순하여 제작이 매우 쉽고 제작비용이 저렴한 장점이 있다.
본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어 경제성이 우수하며 풍향이나 풍속에 관계없이 안정적인 전원을 얻을 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명의 수직축 방식의 풍력발전장치는, 수직하게 구비된 회전축에 고정된 다수의 날개와; 상기 회전축에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기와; 상기 회전축에 회동 가능하게 설치되며 상기 날개에 대한 역풍을 막도록 상기 날개를 감싸는 몸체부와, 이 몸체부에 고정되어 상기 날개에 전달되는 풍속이 증가될 수 있도록 단면적이 좁아지는 축소관 형식의 인렛 가이드부와, 이 인렛 가이드부와는 반대편에 위치하여 상기 몸체부에 고정되는 확장관 형식의 아웃렛 가이드부로 이루어진 케이싱과; 상기 인렛 가이드부의 개구부가 풍향 방향과 나란하도록 상기 케이싱에 고정되는 방향타와; 상기 인렛 가이드부의 개구부에 설치되어 설정 풍속 이상에서 풍속에 따라 상기 인렛 가이드부의 개구부의 단면적을 조절하기 위한 회전밸브 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 수직축 방식의 풍력발전장치의 전체 외관의 구성을 보여주는 도면으로, 바람에 의해 회전하게 되는 다수의 날개는 케이싱(120) 내에 설치된다.
케이싱(120)은 날개에 대한 역풍을 막을 수 있도록 날개를 감싸는 몸체부(121)와, 날개에 전달되는 풍속이 증가될 수 있도록 단면적이 좁아지는 축소관 형식의 인렛 가이드부(122)와, 이 인렛 가이드부(122)의 반대편에 위치하여 몸체부(121)에 고정된 확장관 형식의 아웃렛 가이드부(123)로 이루어진다.
따라서, 인렛 가이드부(122)를 따라 유입된 바람은 몸체부(121) 내에 설치된 날개를 회전시킨 후에 아웃렛 가이드부(123)를 따라 빠져 나온다.
또한, 인렛 가이드부(122)에는 설정 풍속 이상에서 풍속에 따라 상기 인렛 가이드부(122)의 개구부 단면적을 작게 하기 위한 회전밸브(150)가 구비된다.
날개(110)가 고정되는 회전축(111)에는 전기를 발생시키기 위한 주지의 교류 발전기(130) 또는 컨버터가 연결된 배터리가 연결된다.
도면에는 도시되지 않았으나, 회전축(111)은 별도의 구조물에 의해 회동 가능하도록 지지되며, 케이싱(120)은 주지의 베어링이 구비되어 회전축(111)에 대하 여 회동 가능하게 설치된다.
케이싱(120)에는 방향타(140)가 고정된다. 이 방향타(140)는 인렛 가이드부(122)의 개구부 방향과 나란하도록 케이싱(120) 상부에 설치됨으로써, 풍향에 따라서 방향타(140)에 의해 케이싱(120)이 회전하여 인렛 가이드부(122)의 개구부가 항상 바람의 방향과 나란하게 위치하게 된다.
도 1에는 방향타(140)가 케이싱(120)의 상부에 설치되는 것으로 도시하고 있으나, 방향타의 설치 위치는 케이싱의 하부 또는 케이싱의 후단에 설치되어도 무방할 것이다.
다음으로, 도 2는 본 발명의 풍력발전장치에 있어 하우징의 횡방향 단면도를 보여주는 도면으로, 케이싱(120)은 전체적으로 원통 형상이며, 인렛 가이드부(122)가 설치된다. 인렛 가이드부(122)는 날개에 전달되는 바람의 풍속이 증가될 수 있도록 안쪽으로 단면적이 좁아지는 축소관 형식의 구조를 갖는다.
따라서, 인렛 가이드부(122)의 개구부에서 유입되는 바람은 인렛 가이드부(122)의 목부위에서 풍속이 증가하여 날개에 전달되므로, 약한 바람에서도 큰 회전력을 얻을 수가 있다.
아웃렛 가이드부(123)는 인렛 가이드부(122)의 반대편에 위치하여 몸체부(121)에 고정되며, 바람직하게는 아웃렛 가이드부(123)의 방향은 몸체부(121)의 접선 방향이 되도록 한다.
또한, 아웃렛 가이드부(123)는 단면적이 확장되는 확장관 형식의 구조를 가 지며, 따라서 날개를 지난 바람은 케이싱(120) 바깥으로 원활히 배기가 이루어질 수 있다.
케이싱(120) 내에 설치되는 다수의 날개(110)는 회전축(111)에 방사형으로 고정되며, 각 날개는 바람을 안고 회전이 이루어지도록 곡면 형상을 갖는다.
앞서 설명한 바와 같이, 날개의 일부는 케이싱(120)에 의해 역풍이 차단되도록 함으로써, 날개가 직접 외부에 노출된 경우와 비교하여 날개의 회전력을 크게 할 수가 있다.
특히, 본 발명에 있어 몸체부의 내주면에는 상기 인렛 가이드부 후단에서 상기 아웃렛 가이드부 전단까지 상기 날개의 회동 반경과 인접하도록 돌출 형성된 가이드부재(112)가 추가로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 가이드부재(112)는 풍압을 증가시켜 날개의 회전력을 크게할 수가 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 풍력발전장치에 있어 회전밸브의 바람직한 일례를 보여주는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명에 있어 회전밸브(150)는, 인렛 가이드부(122)의 개구부 일부 구간에 수직 방향으로 제2회전축(151)을 가지면서 회동 가능하게 설치된 쉴드용 날개(152)와; 상기 케이싱 상부에 설치된 실린더부(153)와; 상기 실린더부(153) 내에서 풍속에 따라 전후 가동하는 피스톤(154)과; 상기 피스톤(154)의 선형 운동을 상기 쉴드용 날개의 회전 운동으로 변환하기 위한 랙(155)과 피니언(156)과; 상기 실린더부(153) 내에 돌출 형성되어 상기 피스톤의 전후 가 동 변위를 제한하기 위한 스톱퍼부(157a)(157b)와; 상기 피스톤을 탄성 지지하기 위한 스프링(158)으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
인렛 가이드부(122)의 개구부에는 제2회전축(151)이 회동 가능하게 구비되며, 이 제2회전축(151)에는 쉴드용 날개(152)가 고정된다.
제2회전축(151) 상단으로는 피니언(156) 기어가 고정되며, 이 피니언(156) 기어는 랙(155) 기어와 연결되어 랙(155) 기어의 전후 운동에 의해 피니언(156) 기어가 연동하여 회전함으로써 제2회전축(151)에 고정된 쉴드용 날개(152)가 회전한다. 쉴드용 날개(152)의 회전에 따라 인렛 가이드부(122)의 개구부 단면적의 조절이 이루어진다.
랙(155) 기어의 후단은 피스톤(154)에 고정되며, 이 피스톤(154)은 스프링(158)에 의해 탄성 지지되어 실린더부(153) 내에 수납된다.
이때, 피스톤(154)은 인렛 가이드부(122)의 개구부 방향으로 위치하게 되며, 인렛 가이드부(122)가 지향하게 되는 방향으로의 풍압에 의해 피스톤(154) 단면에는 압력이 작용하게 된다.
한편, 피스톤(154)은 스프링(158)에 의해 탄성 지지되며, 피스톤(154)에 작용하는 풍압이 커지면 피스톤(154)은 스프링(158)을 압축하면서 후방으로 밀리게 된다. 따라서, 피스톤(154)이 후방으로 밀림과 동시에 피스톤(154)에 연결된 랙(155) 기어가 피니언(156) 기어를 회전시켜 쉴드용 날개(152)가 인렛 가이드부(122)의 개구부 일부를 막아서 개구부를 통해 유입되는 공기량을 줄이게 된다.
피스톤(154)을 탄성 지지하는 스프링(158)의 탄성계수는 피스톤의 단면적, 무게, 쉴드용 날개의 크기 등을 고려하여 적절히 결정하게 되며, 일정 풍속 이하에서는 스프링에 의해 피스톤이 지지되어 쉴드용 날개가 회전하지 않도록 하며(인렛 가이드부의 완전 개방 상태), 일정 풍속 이상에서는 풍속에 비례하여 스프링이 압축되어 쉴드용 날개가 회전하여 인렛 가이드의 개구부 일부를 차단하도록 한다.
또한, 실린더부(153) 내에는 피스톤(154)의 전후 가동 변위를 제한하기 위한 스톱퍼부가 구비될 수 있으며, 이 스톱퍼부에 의해 결정된 피스톤의 전후 가동 위치는 쉴드용 날개의 회동 각도를 제한하게 된다.
도 4를 참고하면, 풍속이 매우 강하여 피스톤(154)이 후방으로 밀려서 제1스톱퍼(157a)에 고정된 경우에는 쉴드용 날개(152)가 풍향과 직각 상태를 이루며, 이때의 인렛 가이드부(122)의 개구부는 최소 면적을 유지하여 유입 공기량이 최소가 되도록 한다.
일정 풍속 이하에서는 피스톤(154)의 스프링(158)에 의해 탄성 지지되어 제2스톱퍼(157b)에 고정된 경우에는 쉴드용 날개(152)가 풍향과 나란한 상태를 이루게 되며, 인렛 가이드부(122)의 개구부 면적은 최대가 된다.
따라서, 풍속에 비례하여 피스톤(154)이 후방으로 이동하게 되며, 이 피스톤(154)과 연동하여 쉴드용 날개(152)가 회동하여 인렛 가이드부(122)의 개구부 일부를 막아 케이싱(120) 내에 설치된 날개(111)에 정격 풍량만이 작용하도록 한다.
이와 같이 구성된 본 발명의 수직축 방식의 풍력발전장치의 작동예를 살펴보면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 풍향에 따라서 방향타(140)에 의해 케이싱(120)이 회전하게 되며, 따라서 인렛 가이드부(122)는 항상 바람을 지향하도록 위치한다.
다음으로 도 2에 도시된 바와 같이, 인렛 가이드부(122)에 유입된 바람은 풍속이 증가되어 날개(111)를 회전시키고 아웃렛 가이드부(123)로 배기되며, 날개(111)의 회전에 의해 회전축(111)에 연결된 발전기(130)에서 전원이 발생된다.
한편, 풍속에 따라서 인렛 가이드부(122)에 설치된 회전밸브(150)가 작동하여 인렛 가이드부(122)의 개구부 단면적을 조절하게 되며, 따라서 날개(110)에는 정격 풍량만이 작용하여 안정된 전원을 얻을 수가 있다.
이상과 같은 본 발명의 수직축 방식의 풍력발전장치는, 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어 항력에 의해 회전이 이루어지되, 역풍이 작용하는 것을 방지하도록 케이싱 내에서 날개의 회전이 이루어지며, 또한 날개에 작용하는 풍속을 크게할 수 있도록 인렛 가이드부를 구비함으로써 회전자의 회전력을 크게 하여 발전 효율을 증가시킬 수가 있다.
또한, 인렛 가이드부의 개구부에는 일정 풍속 이상에서는 유입되는 공기의 량을 저감하기 위한 회전밸브가 구비됨으로써, 정격풍속 이상의 바람이 유입되는 것을 방지하며 날개의 등속 회전을 유도하여 안정적인 전원을 얻을 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.
Claims (3)
- 수직하게 구비된 회전축에 고정된 다수의 날개와;상기 회전축에 연결되어 전기를 발생시키는 발전기와;상기 회전축에 회동 가능하게 설치되며 상기 날개에 대한 역풍을 막도록 상기 날개를 감싸는 몸체부와, 이 몸체부에 고정되어 상기 날개에 전달되는 풍속이 증가될 수 있도록 단면적이 좁아지는 축소관 형식의 인렛 가이드부와, 이 인렛 가이드부와는 반대편에 직각 방향으로 위치하여 상기 몸체부에 고정되는 확장관 형식의 아웃렛 가이드부로 이루어진 케이싱과;상기 인렛 가이드부의 개구부가 풍향 방향과 나란하도록 상기 케이싱에 고정되는 방향타와;상기 인렛 가이드부의 개구부에 설치되어 설정 풍속 이상에서 풍속에 따라 상기 인렛 가이드부의 개구부의 단면적을 조절하기 위한 회전밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 회전밸브는,상기 인렛 가이드부의 개구부 일부 구간에 수직 방향으로 제2회전축을 가지면서 회동 가능하게 설치된 쉴드용 날개와;상기 케이싱 상부에 설치된 실린더부와;상기 실린더부 내에서 풍속에 따라 전후 가동하는 피스톤과;상기 피스톤의 선형 운동을 상기 쉴드용 날개의 회전 운동으로 변환하기 위한 랙과 피니언과;상기 실린더부 내에 돌출 형성되어 상기 피스톤의 전후 가동 변위를 제한하기 위한 스톱퍼부와;상기 피스톤을 탄성 지지하기 위한 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 몸체부의 내주면에는 상기 인렛 가이드부 후단에서 상기 아웃렛 가이드부 전단까지 상기 날개의 회동 반경과 인접하도록 돌출 형성된 가이드부재가 추가로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
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