KR100900103B1 - 가변익을 가지는 수직축 풍차 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변익을 가지는 수직축 풍차에 관한 것으로서, 격자프레임의 회전방향에 따라 가변익이 격자구멍을 막거나 개방시켜 바람의 저항을 줄이는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 가변익을 가지는 수직축 풍차는, 변회전가능하게 지지되는 회전축(100)과; 상기 회전축 둘레를 따라 방사상으로 상기 회전축과 수직으로 다수 개 설치되고, 다수의 격자구멍(121)을 가지는 격자프레임(120)과; 그리고, 회전방향에 따라 상기 격자구멍을 막거나 개방하도록, 상기 격자구멍과 대응하여 일단부가 상기 격자프레임에 피봇팅되는 다수의 가변익(130);을 포함하여 이루어진다. 또한, 강풍이 불 때, 실린더(140)와 견인수단(150)에 의해 상기 가변익(130)이 개방동작하도로 할 수 있다.

수직축, 풍차, 회전축, 풍력발전기, 풍력발전장치, 격자프레임, 날개, 가변익, 강풍, 개방, 저항감소

Description

가변익을 가지는 수직축 풍차{VERTICAL AXIS WIND MILL WITH VARIABLE WINGS}

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차를 나타내는 정면도이다.

도 2는 도 1의 평면도이다.

도 3은 도 2에서 A방향으로 본 일부 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예 2에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차의 일부 단면을 나타낸 정면도이다.

도 5는 도 3의 평면도이다.

도 6은 도 5의 B영역의 확대도이다.

도 7은 도 5의 C영역의 확대도이다.

도 8은 도 7의 D방향으로 본 일부 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 회전축, 120 : 격자프레임,

121 : 격자구멍, 130 : 가변익,

140 : 실린더, 141 : 실린더로드,

150 : 견인수단, 151 : 안내파이프,

152 : 제1견인줄, 154 : 이동봉,

156 : 제2견인줄, 153 : 제1안내롤러,

157 : 제2안내롤러.

본 발명은 가변익을 가지는 수직축 풍차에 관한 것으로서, 특히 회전축의 둘레를 따라 방사상으로 상기 회전축과 수직으로 설치되는 다수의 격자프레임에 형성된 각 격자구멍을 한 쪽에서 막도록 가변익을 각각 배치하고, 상기 각 가변익의 일단부를 상기 격자프레임에 피봇팅함으로써, 상기 격자프레임의 회전방향에 따라 상기 가변익이 상기 격자구멍을 막거나 개방하도록 이루어진 가변익을 가지는 수직축 풍차에 관한 것이다.

풍차는 풍력을 이용하여 회전력을 얻어 이 회전력을 발전기를 구동하는데 사용되거나, 기계장치를 구동하는데 사용된다. 풍력발전은, 온실가스 감축이나 유가 상승 등이 발등에 떨어진 급박한 과제로 등장하면서, 화력이나 원자력 발전의 대안 중 하나로 대두되고, 매우 빠른 속도로 적용되고 있다.

이러한 풍력발전에서 핵심적인 장치인 풍차는, 크게 2가지 종류로 나눌 수 있는데, 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평으로 설치된 수평축 풍차와, 회전축 이 바람의 방향에 대하여 수직인 수직축 풍차로 나눌 수 있다.

상기 수직축 풍차의 경우, 종래 다양한 형태의 것이 제안되어 있으며, 대개는 회전축 둘레를 따라 베인, 블레이트, 플레이트, 반구형 컵 등의 날개들을 프레임, 지지부재 등을 이용하여 연결함으로써, 상기 날개들이 바람의 저항을 받을 때, 바람의 저항을 가장 크게 받는 방향으로 날개들이 회전축을 중심으로 회전함으로써, 그 회전력을 상기 회전축이 전달받도록 이루어져 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 종래 수직축 풍차에 있어서는, 바람의 저항을 가장 크게 받는 날개들과는 반대쪽에 위치한 날개들도 맞바람을 받아 바람과 충돌함으로써 바람의 저항을 받게 되는데, 바람의 저항을 적게 받도록 날개의 한 쪽 면을 다양하게 곡면처리하거나, 날개를 특수한 구조로 형성하는 등의 방법으로 상기한 점을 해소하고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이, 반대쪽 날개들을 바람의 저항을 적게 받도록 한다 하더라도, 저항손실은 배제할 수 없고, 이에 따라 풍차의 회전효율이 낮아지게 된다. 또한, 예컨대 20m/sec 이상의 풍속으로 강풍이 불 경우에, 반대쪽 날개들이 바람의 저항에 따른 부하를 이겨내지 못해, 풍차가 파손되는 경우도 있어, 경제적인 손실을 안게 되고, 풍차에 의한 발전을 수행하지 못해, 풍력발전기의 전력을 공급받는 수용가도 큰 곤란을 겪게 된다. 또한, 이러한 문제로 인하여, 큰 크기의 날개들을 적용할 수 없기 때문에, 회전효율이 더욱 낮아지는 요인이 된다. 또한, 이러한 날개들이 적용된 풍차의 경우, 대개 한 방향으로 밖에 회전할 수 없고, 이러한 점 또한 회전효율을 저하시키는 요인이 된다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 고려하여 이루어진 것으로서, 회전축의 둘레를 따라 방사상으로 상기 회전축과 수직으로 설치되는 다수의 격자프레임에 형성된 각 격자구멍을 한 쪽에서 막도록 가변익을 각각 배치하고, 상기 각 가변익의 일단부를 상기 격자프레임에 피봇팅함으로써, 상기 격자프레임의 회전방향에 따라 상기 가변익이 상기 격자구멍을 막거나 개방하여 바람의 저항을 줄일 수 있는 가변익을 가지는 수직축 풍차를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차는, 회전가능하게 지지되는 회전축과; 상기 회전축 둘레를 따라 방사상으로 상기 회전축과 수직으로 다수 개 설치되고, 다수의 격자구멍을 가지는 격자프레임과; 그리고, 상기 격자구멍과 대응하여 상단부가 상기 격자프레임에 피봇팅됨과 동시에 풍속에 따라 그 개폐정도가 조절될 수 있는 다수의 가변익;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 회전축은 중공을 가지고; 상기 회전축의 중공에는 실린더로드의 선단이 상기 회전축의 끝단을 통해 진퇴하도록 실린더가 설치되며; 상기 실린더로드의 선단과 상기 가변익들은 다수의 견인수단을 통해 서로 연결되어, 상기 실린더의 후퇴구동에 따라 후퇴이동하는 상기 견인수단들에 의하여 상기 가변익들이 상기 격자구멍들을 개방하도록 동작할 수 있다.

상기 견인수단은, 상기 가변익들이 피봇팅된 부분의 격자프레임에 수직으로 설치되는 다수의 안내파이프와; 일단이 상기 가변익의 자유단에 연결되어 상기 안내파이프를 관통하는 다수의 제1견인줄과; 상기 가변익들의 각 열에 대응하도록 상기 격자프레임에 좌우이동가능하게 각각 지지되고, 각 열에 대응하는 상기 견인줄들의 자유단이 연결되는 이동봉과; 그리고, 상기 이동봉의 안쪽 끝단과 상기 실린더로드의 선단을 연결하는 제2견인줄;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 격자프레임에는 상기 제1견인줄의 진퇴이동을 안내하는 제1안내롤러와, 상기 제2견인줄의 진퇴이동을 안내하는 제2안내롤러가 더 설치될 수 있다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

<실시예 1>

도 1 내지 도 3을 참조하면서, 본 발명의 실시예 1에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차에 대하여 설명한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차는, 회전축(100)과, 다수의 격자프레임(120)과, 다수의 가변익(130)을 포함하여 이루어진다.

상기 회전축(100)은 예컨대, 지면에 수직으로 지지되거나, 벽면에 수평으로 지지될 수 있는데, 어느 경우든 회전가능하게 설치되어야 한다.

상기 격자프레임(120)은 상기 회전축(100)의 둘레를 따라 방사상으로 설치되는 것으로서, 상기 회전축(100)과 수직으로 다수 개(여기서는 4개가 예시됨) 설치되어 있으며, 소정의 배열로 형성된 다수의 격자구멍(121)을 구비하고 있다. 상기 격자구멍(121)은 사각형으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 각 격자구멍(121)과 상기 가변익(130)은 1:1 대응관계로, 상기 가변익(130)에 의하여 상기 격자구멍(121)이 막히거나 개방된다. 즉, 상기 가변익(130)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 격자프레임(120)의 한 쪽 면에 배치되고, 그 일단부가 상기 격자구멍(121)과 대응하여 상기 격자프레임(120)에 힌지수단(131)에 의해 피봇팅된다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전축(100)의 우측에 위치한 격자프레임(120)의 양면중에서 가변익(130)이 설치되지 않은 면쪽으로 바람이 불어올 경우에, 풍력이 가변익(130)에 작용하여 도 3에 도시된 바와 같이, 가변익(130)이 힌지수단(131)을 기준으로 바람이 부는 방향으로 선회하여 격자구멍(121)을 개방하게 된다. 이와 같이, 격자구멍(121)들이 개방되면, 바람이 개방된 격자구멍(121)들을 통해 불어나가 가변익(130)들이 더 이상 바람의 저항을 받지 않게 되므로, 우측의 격자프레임(120)이 바람이 부는 방향(즉, 반시계 방향)으로 회전하는 것이 방지될 있다.

역으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 풍향이 동일할 때, 회전축(100)의 좌측에 위치한 격자프레임(120)의 양면중에서 가변익(130)이 설치된 면 쪽으로 바람이 불게 되므로, 가변익(130)들이 바람의 저항을 받아 격자프레임(120)을 바람이 부는 방향(즉, 시계방향)으로 밀게 되므로, 모든 격자프레임(120)들이 시계방향으로 회전하게 됨에 따라, 회전축(100)이 시계방향으로 회전할 수 있다.

따라서, 우측의 격자프레임(120)이 회전축(100)의 시계방향 회전에 저항요소로 작용하지 않음에 따라 회전효율을 높일 수 있게 된다.

풍향이 상기한 것과는 이루어지면, 상기한 것과 반대되는 작용으로 회전축(100)은 반시계방향으로 회전하게 되며, 이러한 경우에 좌측의 격자프레임(120)이 회전축(100)의 반시계방향 회전에 저항요소로 작용하지 않음에 따라 회전효율을 높일 수 있게 된다.

즉, 풍향이 어느 방향으로 변하든 회전저항요소가 배제되어 회전효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 도 1에 도시된 참조부호 110은 동력전달 및 발전장치(110)를 나타낸다. 이 동력전달 및 발전장치(110)는 본 발명 풍차가 지상에 수직으로 설치될 경우에, 지상에 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 제작, 설치의 경비를 절감할 수 있고, 운전 및 유지보수가 용이해진다.

상기한 바와 같은 동력전달 및 발전장치(110)에 상기 회전축(100)의 회전력이 전달되어 발전을 수행함으로써, 전기를 생산할 수 있다.

<실시예 2>

도 4 내지 도 8을 참조하면서, 본 발명의 실시예 2에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차에 대하여 설명한다.

본 실시예의 풍차는, 예컨대 20m/sec 이상의 풍속으로 강풍이 몰아칠 경우에, 바람의 저항을 받는 가변익(130)들이 풍력을 이기지 못하고 파손되거나 풍차가 파손되는 것을 방지하기 위하여, 격자구멍(121)들을 막고 있는 가변익(130)들이 개방동작함으로써, 바람의 저항을 감소시키도록 이루어진 것이다.

즉, 본 실시예의 풍차는, 실시예 1의 풍차에, 실린더(140)와, 견인수단(150)이 더 설치되어 이루어진다.

이 경우에, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회전축(100)은 중공을 가지며, 상기 실린더(140)는 상기 회전축(100)의 중공에 상기 회전축(100)이 회전가능하도록 설치된다. 상기 실린더(140)의 실린더로드(141)는, 그 선단이 상기 회전축(100)의 끝단 밖으로 돌출되어 진퇴하도록 되어 있다.

상기 실린더로드(141)의 선단과 상기 가변익(130)들은 다수의 견인수단(150)을 통해 서로 연결되어, 상기 실린더(140)의 후퇴구동에 따라 후퇴이동하는 상기 견인수단(150)들에 의하여 상기 가변익(130)들이 상기 격자구멍(121)들을 개방하도록 동작할 수 있다.

상기 견인수단(150)은, 도 4 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 다수의 안내파이프(151)와, 다수의 제1견인줄(152)과, 다수의 이동봉(154)과, 다수의 제2견인줄(156)을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 안내파이프(151)는, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 가변익(130)들이 힌지수단(131)에 의해 피봇팅된 부분의 격자프레임(120)에 수직으로 설치되는데, 상기 격자프레임(120)을 관통하여 상기 격자프레임(120)임 가변익(130)이 설치된 면으로 돌출되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1견인줄(152)은, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 그 일단이 상기 가변익(130)의 자유단에 연결되어 상기 안내파이프(151)를 관통하도록 설치된다.

또한, 상기 이동봉(154)은 상기 가변익(130)들의 각 열에 대응하도록 상기 격자프레임(120)에 좌우이동가능하게 각각 지지된다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 예컨대 U자형으로 형성되어 격자프레임(120)에 고정되는 안내브래킷(155)들에 이동봉(154)이 슬라이딩 가능하게 지지되어 좌우이동될 수 있다. 이 이동봉(154)에는 각 열에 대응하는 상기 제1견인줄(152)들의 자유단이 연결된다.

또한, 상기 제2견인줄(156)은 상기 이동봉(154)의 안쪽 끝단과 상기 실린더로드(141)의 선단을 연결하게 된다.

이동봉(154)이 회전축(100)쪽으로 견인될 때, 상기 제1견인줄(152)이 견인되는데, 이 경우에 제1견인줄(152)이 마찰 등에 의해 손상되지 않도록 보호함은 물론 견인이 잘 이루어지도록 하기 위하여, 상기 격자프레임(120)에 제1안내롤러(153)가 설치되고, 상기 제1견인줄(152)이 상기 제1안내롤러(153)를 경유하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 실리더로드의 후퇴이동시, 제2견인줄(156)이 견인되는데, 제1견인줄(152)과 마찬가지로 상기 제2견인줄(156)이 마찰 등에 의해 손상되지 않도록 보호함은 물론 견인이 잘 이루어지도록 하기 위하여, 상기 격자프레임(120)에는 제 2안내롤러가 설치되고, 상기 제2견인줄(156)이 상기 제2안내롤러(157)를 경유하도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성된 본 실시예의 가변익을 가지는 수직축 풍차에 따르면, 평상시에는 전술한 실시예 1과 같이 동작을 하게 된다.

이러한 과정에서, 강풍이 부는 경우에, 바람의 저항을 받는 가변익(130)들이 풍력을 이기지 못하고 파손되거나 풍차가 파손될 수 있는데, 이 때, 실린더(140)를 구동하여 실린더로드(141)를 후퇴시키면, 도 5, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제2견인줄(156), 이동봉(154) 및 제1견인줄(152)이 실린더로드(141)의 후퇴거리만큼 견인된다. 따라서, 상기 제1견인줄(152)의 견인에 따라 도 8에 도시된 바와 같이, 가변익(130)이 힌지수단(131)을 중심으로 선회하여 격자구멍(121)을 개방하도록 동작하므로, 강풍이 격자구멍(121)을 통과하여 지나치게 되므로, 가변익(130)이 강풍의 저항을 받지 않게 됨에 따라, 가변익(130)의 손상이나 풍차의 손상을 방지할 수 있게 된다.

또한, 이와 같이 가변익(130)이 격자구멍(121)을 개방하도록 선회한 개방된 경우에, 격자프레임(120)이 회전하면서, 바람이 개방동작한 가변익(130) 쪽에서 불어올 때, 바람의 저항에 의하여 격자구멍(121)을 닫도록 동작하고, 그 힘에 의하여 견인수단(150)이 다시 원위치할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 가변익을 가지는 수직축 풍차에 의 하면, 격자프레임(120)들이 회전하는 과정에서 회전하는 방향과는 반대로 바람이 불어올 때, 풍력이 가변익(130)에 작용하여 격자구멍(121)을 개방함으로써, 바람의 저항을 받지 않게 되므로, 회전효율이 향상되어 고효율의 풍차를 제공할 수 있다.

또한, 날개의 형태를 격자프레임(120) 구조로 적용함으로써, 날개의 전체 직경을 크게 할 수 있으므로, 고효율 풍차의 제공에 큰 이점이 있고, 굳이 풍차의 높이를 높게 하지 않아도 될 뿐만 아니라, 많은 수의 날개를 적용할 필요가 없는 이점이 있다.

또한, 실린더(140)와 견인수단(150)이 적용될 경우에, 강풍이 불 때, 바람의 저항을 받는 가변익(130)을, 상기 실린더(140)의 구동으로 견인수단(150)을 통해 개방동작시킴으로써, 가변익(130)이나 풍차의 손상을 방지할 수 있으므로, 풍차를 안전하게 보호할 수 있다.

Claims (4)

1. 회전가능하게 지지되는 회전축(100)과, 상기 회전축 둘레를 따라 방사상으로 상기 회전축과 수직되게 설치되는 다수의 격자구멍(121)을 가지는 격자프레임(120)과, 그리고 상기 격자구멍을 막거나 개방하도록 상기 격자구멍과 대응하여 일단부가 상기 격자프레임에 피봇팅되는 다수의 가변익(130)으로 이루어지는 수직축 풍차에 있어서.

   상기 회전축(100)은 중공을 가지고;

   상기 회전축의 중공에는 실린더로드(141)의 선단이 상기 회전축의 끝단을 통해 진퇴하도록 실린더(140)가 설치되며;

   상기 실린더로드의 선단과 상기 가변익(130)들은 다수의 견인수단(150)을 통해 서로 연결되어,

   상기 실린더의 후퇴구동에 따라 후퇴이동하는 상기 견인수단들에 의하여 상기 가변익들이 상기 격자구멍(121)을 개방동작하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 가변익을 가지는 수직축 풍차.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 견인수단(150)은,

   상기 가변익(130)들이 피봇팅된 부분의 격자프레임(120)에 수직으로 설치되는 다수의 안내파이프(151)와;

   일단이 상기 가변익의 자유단에 연결되어 상기 안내파이프를 관통하는 다수의 제1견인줄(152)과;

   상기 가변익들의 각 열에 대응하도록 상기 격자프레임(120)에 좌우이동가능하게 각각 지지되고, 각 열에 대응하는 상기 견인줄들의 자유단이 연결되는 이동봉(154)과; 그리고,

   상기 이동봉의 안쪽 끝단과 상기 실린더로드(141)의 선단을 연결하는 제2견인줄(156);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변익을 가지는 수직축 풍차.
4. 제3항에 있어서,

   상기 격자프레임(120)에는 상기 제1견인줄(152)의 진퇴이동을 안내하는 제1안내롤러(153)와, 상기 제2견인줄(156)의 진퇴이동을 안내하는 제2안내롤러(157)가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가변익을 가지는 수직축 풍차.

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