KR100893299B1 - 수직축 방식의 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지상으로부터 직립되는 하부타워와; 상기 하부타워 상에 안착되어 그 중심의 타워축을 따라 회전하며, 상기 타워축의 좌우로 배치되는 수직의 제 1 및 제 2 터빈축을 제공하는 상부타워와; 상기 제 1 및 제 2 터빈축을 각각의 축으로 회전하는 제 1 및 제 2 수직터빈과; 상기 상부타워에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 수직터빈 사이의 선단에 수직 배치되고, 최 선단을 향한 수직의 제 1 모서리로부터 상기 제 1 및 제 2 수직터빈을 향하는 후단으로 갈수록 간격이 늘어나는 제 1 및 제 2 수직가이드면을 갖춘 제 1 가이드베인과; 상기 상부타워에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 수직터빈 사이의 후단에 수직 배치되고, 최 후단을 향한 수직의 제 2 모서리로부터 상기 제 1 및 제 2 수직터빈을 향하는 선단으로 갈수록 간격이 늘어나는 제 3 및 제 4 수직가이드면을 갖춘 제 2 가이드베인을 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하는바, 제 1 및 제 2 수직터빈으로 입사되는 풍속을 상대적으로 증가시켜 고출력의 발전을 가능케 하는 동시에 안정적인 구조설계를 통해 제 1 및 제 2 터빈축의 진동 등을 방지하여 회전력 감소를 효과적으로 방지할 수 있는 고효율, 고출력을 달성한다.

Description

수직축 방식의 풍력발전장치{Vertical axis type wind power generator}

본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 터빈으로 입사되는 풍속을 상대적으로 증가시켜 고출력 발전을 가능케 하는 동시에 안정적인 구조설계를 통해 터빈축의 진동을 방지하여 회전력 감소를 효과적으로 방지할 수 있는 고효율, 고출력의 수직축 방식 풍력발전장치에 관한 것이다.

최근 들어 온실가스 감축 등 지구환경보전을 위한 국제환경협약과 환경규제가 본격적으로 시행되는 가운데 유래 없는 고유가 현상이 장기적으로 지속되면서 에너지 문제가 전 세계적 이슈로 떠올랐고, 이에 부응해서 '친환경 에너지'가 높은 관심을 끌고 있다.

일반적으로 '친환경에너지'는 원자력, 바이오 오일(bio oil) 등 기존의 화석연료를 대체하기 위한 '대체에너지'와 물, 바람, 공기 등 자연에 존재하는 에너지원인 '재생에너지'를 총칭하지만, 전자의 대체에너지는 화석연료에 대한 상대적 개념으로서 시간적, 공간적 유한성을 지니는 반면, 후자의 재생에너지는 실질적으로 무한하고 지구상의 어디에나 존재하며 개발 및 이용의 전(全) 과정에 걸쳐 환경오염의 여지가 전혀 없다는 점에서 궁극적인 미래 에너지로 인정받고 있다.

이에 따라 세계 각국은 재생에너지의 개발 및 상용화에 노력을 기울이는 한편, 단위면적당 발전규모(약 750m²/MW) 큰 풍력발전에 주목하고 있고, 그 결과 풍력발전은 2004년 0.9%에서 2005년 41%, 2006년 32%로 2005년 이후 연평균 36% 이상의 고성장세를 나타내고 있다.

풍력발전은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환기술로서, 공기가 익형 위를 지날 때 발생되는 양력(lift force)과 항력(drag) 등의 공기역학(aerodynamics) 특성으로 로터(rotor)를 회전시키고, 로터의 회전에 따른 기계적 회전력으로 발전기를 구동시켜 발전(發電)하는 원리를 나타낸다. 그리고 이를 위한 풍력발전장치는 바람의 운동 에너지를 기계적 회전력으로 변환하기 위한 터빈(turbine) 등의 로터와, 로터의 기계적 회전력을 증감조절하는 기어박스(gear-box) 및 발전기를 포함하는 나셀유닛(nacelle unit)과, 로터를 비롯한 나셀유닛 등 주요부를 지지하는 타워(tower)를 필수구성요소로 한다.

한편, 일반적인 풍력발전장치는 지면에 대한 로터의 회전축 방향에 따라 수평형(horizontal type)과 수직형(vertical type) 방식으로 구분된다.

이 중에서 스탈(stall)식, 피치(pitch)식 등으로 대표되는 수평축 방식은 로터의 회전축이 바람의 방향을 따라 수평 배열되는 방식으로, 아래의 식 1을 통해 얻어지는 공기역학적 동력계수 Cp, 다시 말해 터빈의 축 동력과 터빈으로 입사되는 공기동력의 에너지 비는 베츠(Betz)의 이상유체유동론에 의거, 이론적으로 0.598로 알려져 있다. 그리고 이러한 수평축 방식은 현재 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 방식이지만, 바람의 방향이 자주 바뀌는 국내환경을 감안하면 별도의 요잉(yawing) 시스템이 필요하므로 전체적인 구성이 복잡해지고, 로터와 타워의 충돌 방지를 위한 설계상의 어려움이 존재하며, 장시간 구동시 피로하중과 소음이 증가하고 자유 요잉에 의한 전력선 꼬임 현상 등이 나타나는 단점이 있다.

식 1 :

[단, T : 토크(N·m), ω : 각회전수(rad/s), ρ : 공기밀도(㎏/㎥), U : 풍속(m/s), A : 터빈의 투영면적(㎡)]

반면, 다리우스(Darrieus)식, 사보니우스(Savonious) 식 등으로 대표되는 수직축 방식은 로터의 회전축이 바람의 방향에 맞서 수직 배열되는 방식으로, 이론적인 공기역학적 동력계수 Cp는 최대 0.35이며, 양력보다는 항력에 의한 토크(torque)를 발생시킴에 따라 회전수를 스스로 조절할 수 있어 저속운전에 유리하다. 아울러 수직축 방식은 바람의 방향이 자주 바뀌더라도 별도의 요잉 시스템 없이 정상 운전이 가능하고, 나셀유닛 등을 지상에 설치할 수 있어 유지, 보수가 편리하다는 장점을 보여 수평축 방식보다 상대적으로 국내환경에 적합한 것으로 여겨지고 있다.

하지만, 수직축 방식의 경우에는 타워가 로터의 회전축 상하 모두를 지지해 야 하므로 전체적인 규모가 커지는 동시에 구조적으로 취약할 가능성이 높고, 특히 회전축의 측면을 비롯한 터빈의 전면과 타워의 상대적으로 넓은 면적이 바람에 맞섬에 따라 진동으로 인한 회전축의 세차운동 등 로터와 타워 사이의 물리적 마찰로 인해 회전력이 저감되는 단점을 보인다. 이에 비록, WO 2004/018872, 대한민국 특허출원 제2005-0034732호 등을 통해 별도의 안내익(guide vane)을 이용, 터빈으로 입사되는 바람의 위치를 편향되게 조절하여 입사풍속을 증가시키는 기술들이 소개되었지만 그 효과는 미비한바, 수직축 방식은 수평축 방식과 비교해서 국내조건에 보다 적합하다는 지배적 견해에도 불구하고 여전히 구조적 문제 등으로 대부분 소형화된 형태에 머물러 있는 실정이다.

본 발명은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 터빈으로 입사되는 풍속을 상대적으로 증가시키면서도 진동 등에 의한 불필요한 손실을 막을 수 있도록 구조적 안정을 유지함에 따라 대형화에 따른 고효율을 달성할 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 기존의 수직축 방식 풍력발전장치의 문제점으로 지적되어왔던 여러가지 단점을 해소하기 위한 것으로, 터빈으로 입사되는 풍속을 상대적으로 증가시켜 고출력의 발전을 가능케 하는 동시에 안정적인 구조설계를 통해 회전축의 진동을 방지하여 회전력 감소를 방지할 수 있는 고효율, 고출력의 수직축 방식 풍 력발전장치를 제공하는데 목적을 둔다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 지상으로부터 직립되는 하부타워와; 상기 하부타워 상에 안착되어 그 중심의 타워축을 따라 회전하며, 상기 타워축의 좌우로 배치되는 수직의 제 1 및 제 2 터빈축을 제공하는 상부타워와; 상기 제 1 및 제 2 터빈축을 각각의 축으로 회전하는 제 1 및 제 2 수직터빈과; 상기 상부타워에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 수직터빈 사이의 선단에 수직 배치되고, 최 선단을 향한 수직의 제 1 모서리로부터 상기 제 1 및 제 2 수직터빈을 향하는 후단으로 갈수록 간격이 늘어나는 제 1 및 제 2 수직가이드면을 갖춘 제 1 가이드베인과; 상기 상부타워에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 수직터빈 사이의 후단에 수직 배치되고, 최 후단을 향한 수직의 제 2 모서리로부터 상기 제 1 및 제 2 수직터빈을 향하는 선단으로 갈수록 간격이 늘어나는 제 3 및 제 4 수직가이드면을 갖춘 제 2 가이드베인을 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공한다.

이때, 상기 제 1 및 제 2 수직터빈은 서로 동일한 형상이고, 상기 제 1 및 제 2 모서리와 상기 타워축은 가상의 제 1 수직평면을 따라 배열되며, 상기 제 1 및 제 2 수직가이드면, 상기 제 3 및 제 4 수직가이드면, 상기 제 1 및 제 2 터빈축은 각각 상기 제 1 수직평면을 기준으로 좌우 대칭인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 제 1 및 제 2 터빈축은, 상기 타워축을 지나며 상기 제 1 수직평면과 수직인 가상의 제 2 수직평면을 따라 배열되는 것을 특징으로 하고, 상기 제 2 가이드베인 은, 후단으로 갈수록 상기 제 1 및 제 2 수직터빈보다 높게 상승되어 키를 형성하는 것을 특징으로 하며, 상기 상부타워의 하단 또는 상기 하부타워의 상단 중 어느 하나를 따라 구비된 환형의 제 1 수평레일과; 상기 상부타워의 하단 또는 상기 하부타워의 상단 중 나머지 하나를 따라 복수개로 구비되어 상기 제 1 수평레일을 가이드하는 가이드휠을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러 상기 제 1 및 제 2 수직터빈의 일부를 가리며 상기 제 1 및 제 2 가이드베인의 상면을 덮는 수평가이드면을 더 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 및 제 2 수직가이드면 사이로 설치되어, 상기 제 1 및 제 2 수직가이드면 사이 간격을 조절하는 제 1 조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 제 1 및 제 2 수직터빈은 각각, 상기 제 1 및 제 2 터빈축으로부터 호 형상으로 분기된 복수의 제 1 및 제 2 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 및 제 2 블레이드 각각의 펼침정도를 조절하는 제 2 조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 및 제 2 조절수단은 유압 또는 공압실린더인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 타워축과 상기 제 1 및 제 2 터빈축은 서로 동일 높이이고, 상기 하부타워는, 상기 타워축과 상기 제 1 및 제 2 터빈축의 상하단을 각각 연결하는 제 1 및 제 2 수평서포트바와; 상기 타워축을 사이에 둔 전후에 동일 높이로 배치되는 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조와; 상기 타워축과 상기 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조의 상하단을 각각 연결하는 제 3 및 제 4 수평서포트바와; 상기 제 1 내지 제 4 수평서포트바와, 상기 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조 중 선택된 둘 이상 을 연결하는 복수의 와이어를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 것처럼, 본 발명에 따른 풍력발전장치는 타워축의 좌우로 배치된 제 1 및 제 2 수직터빈과, 이의 선후단에 배치되는 제 1 및 제 2 가이드베인을 포함하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 제 1 및 제 2 수직터빈으로 입사되는 풍속을 상대적으로 증가시켜 고출력의 발전을 가능케 하는 장점이 있다.

아울러 본 발명은 제 1 및 제 2 터빈축의 상하단을 견고하게 고정시킬 수 있는 안정적인 구조설계를 통해 각각의 진동을 방지하여 회전력 감소를 방지할 수 있는 장점을 지니며, 그 밖에 제 1 가이드베인의 펼침정도와, 제 1 및 제 2 수직터빈의 제 1 및 제 2 블레이드 각각의 펼침정도를 제어할 수 있어 급격한 풍량변화 등에도 불구하고 일정한 고출력의 발전이 가능한 장점을 나타낸다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명을 상세하게 살펴본다.

첨부된 도 1 내지 도 4는 각각 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치(2)(이하, 간략하게 풍력발전장치(2)라 한다.)의 바람직한 일 양태(樣態)를 나타낸 도면으로서, 도 1은 사시도에 해당되고, 도 2는 평면도에 해당되며, 도 3과 도 4는 각각 정면도와 측면도에 해당된다.

이들 도면을 통해 알 수 있는 것처럼, 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)는 설 명의 편의상 지상으로부터 직립 설치되는 하부타워(10)와, 이의 상부에 회전 가능하게 결합되는 상부타워(20)의 두 부분으로 나누어 볼 수 있는바, 각각을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 하부타워(10)는 지상으로부터 일정높이 이상 직립 설치되어 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 실질적인 전체하중을 지탱하는 동시에 후술하는 상부타워(20)로 지표면의 와류 등 불필요한 바람 성분이 유입되지 않도록 하는 하부구조물로서, 세부적인 형태나 재질 등은 지형, 풍속 등의 주변여건에 따라 적절하게 변형될 수 있지만, 상부타워의 안정적인 지지가 가능하도록 일례로 금속빔에 의한 트러스(truss) 구조를 나타낼 수 있다.

그리고 비록 도면상에는 명확히 표시되지 않았지만 하부타워(10) 내에는 동기 또는 유도발전기와 기어박스 등을 포함하는 나셀유닛이 설치되어 기계적 회전력을 전기적 에너지로 변환하며, 이로써 사용자는 지상에서 용이하게 발전기 등의 주요부를 유지 및 관리할 수 있다.

다음으로, 상부타워(20)는 하부타워(10) 상단에 회전 가능하게 결합되는 상부구조물로서, 금속빔에 의한 트러스 구조를 나타내며, 여기에는 특히 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)을 비롯한 제 1 및 제 2 가이드베인(62,72)이 장착되어 바람에 의한 고출력의 기계적 회전력을 얻는다.

보다 구체적으로, 첨부된 도 5와 도 6은 각각 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 상부타워(20)를 나타낸 도면으로서, 도 5는 상부타워(20)의 투시도에 해당되고, 도 6은 상부타워(20)의 골격구조를 나타낸 사시도에 해당된다.

이들 도면을 앞서 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 상부타워(20)는 복수의 금속빔으로 이루어진 트러스 구조를 나타내며, 그 중심에는 수직의 타워축(22)이 설치되어 이를 기준으로 상부타워(20) 전체가 회전되고, 타워축(22)의 좌우 양측에는 각각 수직의 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)이 설치되어 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)이 장착된다.

이때, 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)에는 각각 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)으로부터 분기된 복수의 제 1 및 제 2 블레이드(44,54)가 구비되어 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)을 회전시키며, 이를 위한 제 1 및 제 2 블레이드(44,54)는 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52) 각각의 좌우 최외곽 부분(도 1의 A 참조)을 지날 때 그 말단이 선단을 향하는 호 형상을 나타낼 수 있다.

또한, 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52) 사이의 선단과 후단에는 각각 제 1 및 제 2 가이드베인(62,72)이 수직 설치되는데, 제 1 가이드베인(62)은 최 선단을 향한 수직의 제 1 모서리(65)로부터 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52) 방향, 다시 말해 후단으로 갈수록 간격이 증가하는 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)을 제공함에 따라 길이방향에 수직한 단면상 임의의 일 꼭지점이 선단을 향하고 이와 대응되는 일 변이 후단을 향하는 삼각형 또는 이와 유사한 형태를 나타내고, 제 2 가이드베인(72)은 최 후단을 향한 수직의 제 2 모서리(75)로부터 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52) 방향, 다시 말해 선단으로 갈수록 간격이 증가하는 제 3 및 제 4 수직가이드면(74,76)을 제공함에 따라 길이방향에 수직한 단면이 제 1 가이드베인(62)에 대칭되는 삼각형 또는 이와 유사한 형태를 나타낸다.

이때, 특히 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)은 서로 동일한 형태를 나타내는 가운데 제 1 가이드베인(62)의 제 1 모서리(65)와 제 2 가이드베인(72)의 제 2 모서리(75)는 각각 타워축(22)을 지나는 가상의 제 1 수직평면을 따라 배열될 수 있고, 제 1 및 제 2 터빈축(24,26), 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66), 제 3 및 제 4 수직가이드면(74,76)은 각각 제 1 수직평면을 기준으로 좌우대칭의 형태를 나타낼 수 있으며, 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)은 각각 타워축(22)을 지나며 제 1 수직평면에 수직인 가상의 제 2 수직평면을 따라 배열될 수 있다.

그 결과 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 선단에서 입사되는 바람은 제 1 가이드베인(62)에 의해 양분된 후 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)을 따라 이동해서 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)의 외곽으로 유입되어 각각을 회전시킨 다음, 제 2 가이드베인(72)의 제 3 및 제 4 수직가이드면(74,76)을 따라 흘러가는데, 이 과정 중에 제 1 가이드베인(62)은 바람을 양분해서 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)을 따라 흐르도록 유도함으로서 상대적으로 풍속을 증가시키는 동시에 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)의 외곽으로 집중 입사시켜 최대 토크가 얻어질 수 있도록 하고, 이를 통해 회전되는 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)은 고출력의 기계적 회전력을 발생시키며, 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)을 거친 바람은 각각 제 2 가이드베인(72)의 제 3 및 제 4 수직가이드면(74,76)에 의해 그 후단으로 유도되어 와류 등 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)의 회전력을 감소시킬 수 있는 음압성분이 제거된다.

이 경우, 보다 나은 효율을 얻기 위해서는 제 1 가이드베인(62)의 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)과 제 2 가이드베인(72)의 제 3 및 제 4 수직가이드면(74,76)은 유선형에 가까운 형태를 나타내는 것이 바람직하며, 불필요한 와류나 바람의 손실을 막기 위해 제 1 및 제 2 가이드베인(62,72)의 상면은 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)의 일부를 은폐하는 수평가이드면(80)에 의해 가려지는 것이 적절하다. 아울러, 제 2 가이드베인(72)은 후단으로 갈수록 점차 상승하여 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52) 보다 높게 돌출된 키(78)를 형성할 수 있고, 이에 의해 상부타워(20)가 타워축(22)을 따라 회전되어 제 1 가이드베인(62)은 상시적으로 바람이 불어오는 방향을 향할 수 있다.

또한 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)의 제 1 및 제 2 블레이드(44,54)를 비롯해서 제 1 및 제 2 가이드베인(62,72)과 수평가이드면(80) 등은 각각 금속의 막 또는 섬유조직의 막으로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 가볍고 견고한 테프론 재질로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)는 특히 극심한 풍량 변화 내지는 장시간 구동에 따른 피로하중 등에도 불구하고 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)의 수직상태를 견고하게 유지함으로써 불필요한 마찰로 인한 회전력 손실을 방지할 수 있도록 구조적으로 매우 안정적인 형태를 나타내는 것을 특징으로 한다.

이를 위해 도 6에 나타난 것처럼 타워축(22) 및 이의 좌우로 배치되는 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)은 서로 동일 길이, 동일높이를 나타내는 한편, 타워축(22)의 전후로 각각 별도의 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조(32,34)를 설치하여 제 1 및 제 2 가이드베인(62,72)을 지지하는 동시에 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)과 타워 축(22)의 상하단을 제 1 및 제 2 수평서포트바(28,29)로 연결하고, 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조(32,34)와 타워축(22)을 제 3 및 제 4 수평서포트바(36,37)로 연결하며, 타워축(22), 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조(32,34), 제 1 내지 제 4 수평서포트바(28,29,36,37) 중 둘 이상을 각각 복수의 와이어(38) 내지는 금속빔 등으로 적절히 연결한 트러스 구조를 나타낼 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조(32,34)는 비록 '바(bar)'라 지칭하였지만 도면에서와 같이 복수의 금속빔에 의한 트러스 기둥 형태를 나타낼 수 있음은 물론이며, 각각은 볼트 및 너트나 용접 등 적절한 방법으로 견고하게 고정될 수 있다.

그 결과, 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 상부타워(20)에는 타워축(22), 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)을 포함하는 직육면체 내지는 이와 유사한 트러스 구조물이 고정되며, 이를 통해 제 1 및 제 2 터빈축(24,26)의 상 하단을 견고하게 지지하여 진동 등에 의한 불필요한 회전력 감소를 방지할 수 있다.

또 다른 한편, 첨부된 도 7은 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 제 1 가이드베인(62)의 일부를 나타낸 평면도로서, 보이는 것처럼 제 1 가이드베인(62)에는 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)의 사이 간격을 조절할 수 있는 유압 또는 공압 실린더 등 별도의 제 1 조절수단(68)이 마련될 수 있고, 이를 통해 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)의 사이 간격, 다시 말해 제 1 및 제 2 수직가이드면(64,66)의 펼침 정도를 제어하여 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)으로 유입되는 풍량을 자유로이 조절할 수 있다.

아울러, 첨부된 도 8은 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 상부타워(20)와 하부타워(10)의 결합방식을 나타낸 일부 확대사시도로서, 상부타워(20)의 회전을 방해하지 않으면서도 하부타워(10)와 안정적으로 결합될 수 있도록 상부타워(20)의 하단 또는 하부타워(10)의 상단 중 적어도 하나를 따라서는 환형의 수평레일(21)이 설치되고, 나머지 하나로부터는 수평레일(21)을 가이드하는 복수의 가이드휠(14)이 마련된다. 이때, 복수의 가이드휠(14)은 가급적 수평레일(21)의 외측에서 고정되는 것이 한층 더 안정적이다.

또한, 첨부된 도 9는 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)의 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52) 중 임의로 제 2 수직터빈(52)의 제 2 블레이드(55)의 일부를 나타낸 확대사시도로서, 보이는 것처럼 제 2 블레이드(55)는 적어도 하나의 수직한 서브블레이드(54a,54b,54c)가 연결된 형태를 나타낼 수 있다. 이때, 제 2 블레이드(55)의 최 외곽에 연결된 서브블레이드, 다시 말해 도면에서와 같이 제 2 블레이드(55)가 54a, 54b, 54c로 각각 표시된 세 개의 제 1 내지 제 3 서브블레이드를 포함하고, 이중 제 3 서브블레이드(54c)가 최외곽에 위치한다는 가정하에, 제 3 서브블레이드(54c)는 유압 또는 공압 실린더와 같은 별도의 제 2 조절수단(56)에 의해 그 각도가 조절될 수 있다.

즉, 첨부된 도 10과 도 11은 각각 제 2 수직터빈(52)의 제 2 블레이드(55)의 작동상태를 나타낸 평면도로서, 제 2 조절수단(56)을 통해 제 2 블레이드(55)의 펼침 정도를 제어할 수 있고, 이로써 본 발명에 따른 풍력발전장치(2)는 극심한 풍량 변화 등에도 불구하고 일정한 기계적 회전력을 얻을 수 있다. 이때, 설명의 편의상 제 2 수직터빈(52)을 예로 들었지만 제 1 수직터빈(42)에도 동일하게 적용되는바, 첨부된 도 12는 제 1 및 제 2 수직터빈(42,52)이 모두 완전히 접힌 상태를 나타낸 사시도이다.

덧붙여, 이상의 설명은 본 발명의 일 예에 지나지 않는바, 세부적인 부분에 대한 여러 가지 변형이 있을 수 있음은 당업자에게 자명한 사실이다. 하지만 이들 변형이 본 발명의 기술적 사상을 만족시키는 한 본 발명의 권리범위 내에 속한다 해야될 것이며, 이에 대해서는 특허청구범위를 통해 쉽게 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 평면도.

도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 정면도.

도 4는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 측면도.

도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 상부타워에 대한 투시도.

도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 상부타워에 대한 일부사시도.

도 7은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제 1 사이드베인에 대한 일부확대도.

도 8은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 상하부타워에 대한 일부확대도.

도 9는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제 2 블레이드에 대한 일부확대도.

도 10과 도 11은 각각 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제 2 수직터빈에 대한 작동상태를 나타낸 평면도.

도 12는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제 2 수직터빈에 대한 작동상태를 나타낸 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 하부타워 20 : 상부타워

22 : 타워축 24,26 : 제 1 및 제 2 터빈축

32,34 : 제 1 및 제 2 상부횡력구조 42,52 : 제 1 및 제 2 터빈 62,72 : 제 1 및 제 2 가이드베인

64,66,74,76 : 제 1 내지 제 4 수직가이드면

78 : 키

Claims (11)

1. 지상으로부터 직립되는 하부타워와;

   상기 하부타워 상에 안착되어 그 중심의 타워축을 따라 회전하며, 상기 타워축의 좌우로 배치되는 수직의 제 1 및 제 2 터빈축을 제공하는 상부타워와;

   상기 제 1 및 제 2 터빈축을 각각의 축으로 회전하는 제 1 및 제 2 수직터빈과;

   상기 상부타워에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 수직터빈 사이의 선단에 수직 배치되고, 최 선단을 향한 수직의 제 1 모서리로부터 상기 제 1 및 제 2 수직터빈을 향하는 후단으로 갈수록 간격이 늘어나는 제 1 및 제 2 수직가이드면을 갖춘 제 1 가이드베인과;

   상기 상부타워에 설치되어 상기 제 1 및 제 2 수직터빈 사이의 후단에 수직 배치되고, 최 후단을 향한 수직의 제 2 모서리로부터 상기 제 1 및 제 2 수직터빈을 향하는 선단으로 갈수록 간격이 늘어나는 제 3 및 제 4 수직가이드면을 갖춘 제 2 가이드베인을 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 수직터빈은 서로 동일한 형상이고, 상기 제 1 및 제 2 모서리와 상기 타워축은 가상의 제 1 수직평면을 따라 배열되며, 상기 제 1 및 제 2 수직가이드면, 상기 제 3 및 제 4 수직가이드면, 상기 제 1 및 제 2 터빈축은 각각 상기 제 1 수직평면을 기준으로 좌우 대칭인 수직축 방식의 풍력발전장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 터빈축은, 상기 타워축을 지나며 상기 제 1 수직평면과 수직인 가상의 제 2 수직평면을 따라 배열되는 수직축 방식의 풍력발전장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 2 가이드베인은, 후단으로 갈수록 상기 제 1 및 제 2 수직터빈보다 높게 상승되어 키를 형성하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 상부타워의 하단 또는 상기 하부타워의 상단 중 어느 하나를 따라 구비된 환형의 제 1 수평레일과;

   상기 상부타워의 하단 또는 상기 하부타워의 상단 중 나머지 하나를 따라 복수개로 구비되어 상기 제 1 수평레일을 가이드하는 가이드휠을 더 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 수직터빈의 일부를 가리며 상기 제 1 및 제 2 가이드베인의 상면을 덮는 수평가이드면을 더 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 수직가이드면 사이로 설치되어, 상기 제 1 및 제 2 수직가이드면 사이 간격을 조절하는 제 1 조절수단을 더 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
8. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 수직터빈은 각각, 상기 제 1 및 제 2 터빈축으로부터 호 형상으로 분기된 복수의 제 1 및 제 2 블레이드를 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
9. 청구항 8에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 블레이드 각각의 펼침정도를 조절하는 제 2 조절수단을 더 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
10. 청구항 7항 또는 9항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 조절수단은 유압 또는 공압 실린더인 수직축 방식의 풍력발전장치.
11. 청구항 1에 있어서,

    상기 타워축과 상기 제 1 및 제 2 터빈축은 서로 동일 높이이고,

    상기 하부타워는, 상기 타워축과 상기 제 1 및 제 2 터빈축의 상하단을 각각 연결하는 제 1 및 제 2 수평서포트바와;

    상기 타워축을 사이에 둔 전후에 동일 높이로 배치되는 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조와;

    상기 타워축과 상기 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조의 상하단을 각각 연결하는 제 3 및 제 4 수평서포트바와;

    상기 제 1 내지 제 4 수평서포트바, 상기 제 1 및 제 2 상부횡력지지골조 중 선택된 둘 이상을 연결하는 복수의 와이어를 포함하는 수직축 방식의 풍력발전장치.

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