KR100906172B1

KR100906172B1 - 방사형 풍력 체임버식 수직축 풍력터빈

Info

Publication number: KR100906172B1
Application number: KR1020090004543A
Authority: KR
Inventors: 김홍근
Original assignee: 김홍근
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2009-07-03
Also published as: WO2010085019A1

Abstract

본 발명의 수직축 풍력터빈은 수평 풍력에 대하여 공기 저항을 가장 효율적으로 이용하여 이를 회전 에너지로 이용하는 것에 의해 효율성이 높은 전력을 생산하기 위한 장치이다. 본 발명의 방사형 원반 타입의 수직축 풍력터빈은 약한 풍향으로도 원활하게 가동이 될 뿐만 아니라 수시로 변하는 풍향에 대하여도 효율적으로 가동될 수 있도록 형성된다. 구체적으로 본 발명의 방사형 원반 타입의 수직축 풍력터빈은 공기역학적인 면에서 풍력을 가장 효율적인 방법으로 활용하기 위하여 풍력의 방향으로 회전하는 구간에서는 방사형 상하 및 외부날개의 표면적을 최대한으로 펼치도록 하였고 풍력을 상하 날개 및 외부날개의 안쪽으로 유입하도록 하는 것에 의해 여러 풍력 체임버(Wind Chamber)를 형성하여 풍력저항을 가장 높이는 구조로 하였으며 반대로 풍력의 반대방향으로 회전하는 구간에서는 공기의 마찰저항을 가장 낮추기 위하여 모든 날개를 접는 구조로 형성하는 것에 의해 풍력터빈의 회전에너지를 최대로 높일 수 있도록 한 것을 기술적 특징으로 한다.

풍향계, 트러스, 고정축

Description

방사형 풍력 체임버식 수직축 풍력터빈{Vertical Axis Wind Turbine with Radial Wind Chambers}

본 발명은 수직축 풍력터빈에 관한 것으로, 특히 구조 및 형상을 개선하도록 하는 것에 의해 보다 효율을 높인 수직축 풍력터빈에 관한 것이다.

일반적으로 수직축 풍력터빈은 수평축 풍력터빈에 비해 효율성에 있어서 떨어진다고 하여 이에 대한 연구 개발이 활발하게 진행되어 오고 있지 않다. 하지만 물리학적인 원리에서 보면 수평으로 작용하는 풍력을 수직 날개면으로 양력과 항력저항을 일으키고 이를 다시 수직회전력으로 전환시키는 기존의 수평축 풍력터빈은 오히려 항력과 같은 마찰 저항 등으로 인한 에너지 손실이 높아 효율성이 떨어지게 됨을 알 수 있다.
구체적으로, 현재 널리 사용되고 있는 수평축 풍력터빈은 상술한 바와 같이 풍력에 의한 에너지 손실율이 큰 관계로 인하여, 필요로 하는 전기 에너지를 얻기 위하여는 날개의 길이를 수십미터 크기로 제작하여야 한다. 또한, 이렇게 제작된 수십미터 길이의 각 날개에 가해지는 수직풍압이 엄청난 모멘트의 힘으로 회전 중심축 접합부위에 뒤틀림 압력(Torsion)을 일으키게 됨으로, 회전 중심축 부위에 각 날개를 안전하게 고정하기 위하여는 과대한 날개 고정 장치가 필요하게 되며, 날개의 재질 역시 특수재질로 제작될 필요가 있다. 따라서, 현재 사용되고 있는 수평축 풍력터빈은 날개를 제작하기 위한 비용이 과대하게 소요되고, 또한 상기 풍력 터빈을 지지하는 철재 원통타워의 높이와 크기가 각 날개에 가해지는 수평 풍압을 견디도록 하기 위하여 엄청나게 커질 수 밖에 없어, 과대한 설치비용 및 상당한 유지관리비가 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 오히려 수평으로 작용하는 풍력을 수평으로 형성된 회전날개를 이용하여 이를 회전력으로 이용하는 장치인, 수직축 풍력터빈을 이용하는 것이 에너지의 손실을 최소화할 수 있어 보다 높은 효율을 얻을 수 있다는 가정을 할 수 있다. 그러나, 현재 제작되어 사용되고 있는 기존의 수직축 풍력터빈은 효율성이 상당히 떨어지고 있는 바, 그 문제점을 살펴보면 다음과 같다.
첫째로, 풍력터빈이 회전시 풍력과 반대로 회전하는 날개부분에 대한 마찰저항을 감소시키는 문제를 해결하지 못하여 왔다. 구체적으로, 기존의 수직축 풍력터빈은 풍력과 같은 방향으로 회전하는 날개에서는 풍압에 의해 커다란 마찰저항을 일으켜 회전에너지로 활용할 수 있게 고안되어 있는 반면에, 풍력과 반대편에서 동시에 동작하는 고정익 날개에서는 상당한 공기 마찰저항이 발생한다는 문제가 있었다. 즉, 기존의 수직축 풍력터빈은 풍압과 동일한 방향에서는 상당한 정도의 회전에너지를 발생시킬 수 있었으나, 풍압과 반대방향에서는 상기 회전에너지에 상당하는 정도의 손실에너지를 발생시키는 관계로 인하여 전체적인 효율이 크지 못하다는 문제가 있었다.
또한 중심축에 대한 회전력을 높이기 위해서는 중심축에 가해지는 모멘트의 팔이 중심축으로부터 멀수록 커다란 회전력을 얻을 수 있으나, 기존에 개발된 수직축 풍력터빈의 날개는 중심 회전축으로부터 모멘트의 팔이 짧게 되어 있는 구조여서 효율성이 매우 떨어지는 한계를 보여주고 있다.
둘째로, 기존에 개발된 수직축 풍력터빈은 대개 소형의 풍력터빈으로서 그 크기와 구조를 확장하는데 한계를 지니고 있다. 구체적으로, 구조적인 측면에 있어서 날개가 곡면형태의 수직면으로 되어있어 날개의 지름과 높이를 확장하는데 있어 어느 정도 한계가 있는 관계로 인해, 필요한 소요량의 회전에너지를 얻을 수 있을 정도의 크기로, 날개를 설계한다는 것이 쉽지 않다는 문제가 있다. 또한 날개가 커질 경우 구조적인 보강을 하기가 힘든 구조로 되어 있는 관계로 인해, 풍압이 높아 빠른 속도로 회전을 할 경우 날개의 구조적 안전성에 문제가 발생할 수 있다.
셋째로, 기존의 대형의 수직축 풍력터빈은 구조적 형태와 작동원리로 인하여 설치 위치의 선정과 안전성, 타워 높이 등에 있어 한계점을 노출하고 있다. 일반적으로 기존에 개발된 대형의 수직축 풍력터빈은 터빈 날개가 곡면 또는 편편한 면 형태의 고정 수직면으로 개발되어 있고 외곽 철골 케이지에 의해 지지되고 있는 형태가 대부분이다. 그리고 상기 풍력터빈을 지지해 주기 위해 보다 넓은 크기의 낮은 철구조물 받침대로 지지되고 있는 형태이다. 따라서 이와같은 구조는 규모가 크기 때문에 위치선정에 문제점을 노출하고 있을 뿐만 아니라 적정한 높이의 풍압에 노출되게 설치하기 위하여 높은 철골 타워를 설치하는데 있어 구조적 문제점을 야기하고 있다.
따라서, 본 발명의 출원인은 상술한 바와 같은 문제를 해결할 수 있는 보다 효율이 좋으면서도 간단한 구성을 구비한 수직축 풍력터빈을 강구하게 되었다.

삭제

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 기술적 목적은 물리학적인 기본원리에 바탕을 두면서 수평축 풍력터빈과 기존에 개발된 수직축 풍력터빈이 안고 있는 구조적, 기능적 문제점을 개선하여 좀더 효율성이 높은 수직축 풍력터빈을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 풍력을 가장 효율성이 높은 에너지원으로 이용하기 위하여 풍력방향으로 회전하는 날개의 면적을 최대로 확대하고, 여러 풍력 체임버을 형성하여 공기의 마찰 저항을 높이도록 하는 것에 의해 이를 회전 에너지로 전환하고 풍력과 반대편으로 회전하는 부분의 날개를 폐쇄하여 공기 마찰 저항을 최소로 하는 것에 의해 회전 에너지의 손실을 최소로 줄이는 구성을 갖도록 설계한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 풍력에 의해 회전하는 터빈의 상하 날개 및 외부 날개의 개폐를 가장 효율적으로 작동시키기 위하여 날개의 개폐를 컨트롤하는 날개 개폐 컨트롤장치를 풍향계에 연동시켜서 작동하게 하여 풍향이 어느 방향으로 변하든지 간에 풍향계 및 날개 개폐 컨트롤러가 풍력터빈의 각 날개의 개폐를 컨트롤하여 풍력터빈이 항상 효율적인 회전에너지를 얻을 수 있도록 하는 장치를 제공하도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 소요량의 전력 에너지를 얻기 위하여 터빈의 지름을 확장할 경우 구조적으로 안전하게 날개의 크기를 확장할 수 있도록 입체적인 트러스 구조로 설계되었으며, 강풍시는 터빈이 공기 저항을 최소로 받게 하기 위하여 모든 날개를 폐쇄할 수 있게 날개 개폐 레일 컨트롤 유압 실린더 장치를 설치하도록 한 것을 특징으로 한다.

삭제

상술한 바와 같은 문제를 해소하기 위해, 본원발명의 수직축 풍력장치는 지면에 수직하게 설치되는 지지대에 마련된 중심 고정축과, 상기 중심 고정축을 중심으로 바람에 의해 회전하도록 형성된 다수의 바람막이를 포함하여 형성된 수직축 풍력터빈에 있어서, 상기 다수의 바람막이 각각에는 바람의 방향에 따라 외부로 펼치고 접혀지도록 형성되는 상하부 날개 및 외부 날개가 형성되되, 상기 상하부 날개 및 외부 날개는 날개 개폐 조절 장치를 통해 개폐가 조절된다.
본원발명의 수직축 풍력장치는 상기 날개 개폐 조절 장치는 날개개방구간, 경사램프구간 및 날개폐쇄구간으로 형성된 날개 개폐 조절레일을 포함하여 구성되며, 상기 상하부 날개 및 외부 날개는 날개 개폐 로울러 바에 연결되고, 상기 날개 개폐 로울러 바가 상기 날개 개폐 조절레일을 따라 이동함에 따라 상기 상하부 날개 및 외부 날개가 개폐되도록 한다. 상기 날개 개폐 로울러 바는 상부 날개의 단부에 연결되고, 상기 상하부 날개는 무게 중심 균형축과, 스프링 힌지 장치를 사용하여 개폐가 된다.
본원발명의 수직축 풍력장치는 상기 상하부 날개 및 외부 날개는 바람의 전면방향을 중심으로 우측 구간은 개방되도록 형성되고, 좌측 구간은 폐쇄되도록 형성되고, 상기 중심 고정축 상단에는 풍향계가 설치되고, 상기 풍향계는 상기 날개 개폐 조절 장치와 일체로 형성되어, 상기 풍향계의 움직임에 따라 상기 날개 개폐 조절 장치가 일체로 움직이도록 형성된다.
본원발명의 수직축 풍력장치는 상기 바람막이, 상하부 날개, 외부 날개의 개방에 따라 바람이 모이게 되는 풍력 체임버가 형성되고, 상기 상하부 날개는 외측단부로 갈수로 면적이 넓어지는 형상으로 형성되며, 상기 상하부 날개는 수평 사다리꼴 형상으로 형성되는 것을 그 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 목적은 이 기술분야에서 숙련된 당업자에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확해질 것이다.

일반적으로 풍력발전에 있어서 수직축 풍력터빈은 회전에너지의 효율성과 터빈의 무게 및 크기, 높이, 설치면적 등 여러 가지 측면에서 한계점을 갖고 있어 이에 대한 연구 개발이 미미한 반면 수평축 풍력터빈에 대하여는 많은 연구가 이루어져 왔다. 본 발명장치는 이와 같은 수직축 풍력터빈의 한계점을 실증적으로 해결하여 수직축 풍력터빈이 물리학적인 역학원리에서 보면 수평축 풍력터빈 보다 수평 풍력을 회전에너지로 전환시키는데 더 효율적인 방안의 하나로서 실증적인 대안을 제시하고자 하였다.
본 발명장치에서는 기존 수직축 풍력터빈의 한계로서 터빈의 크기를 원하는 크기로 제작할 수 있는 방법으로서 방사형 원반 트러스 지지 구조물 형태를 통하여 터빈의 지름을 원하는 크기로 제작할 수 있도록 하였다.
수직축 풍력터빈의 회전에너지에 대한 저효율성 한계를 극복하기 위하여 본 발명 장치에서는 상하부 날개 및 외부 날개의 개방과 각각의 방사형 트러스 내부에 부착된 바람막이에 의해 3면이 폐쇄된 여러 풍력 체임버를 만들어 최대 공기 마찰 저항을 회전에너지로 전환하는 방식을 제시하여 효율성을 증대시켰을 뿐만 아니라 회전에너지의 손실을 줄이기 위하여 풍력과 반대로 회전하는 부위의 각 방향의 날개를 폐쇄하여 풍력 체임버들이 폐쇄된 상태로 풍력터빈을 회전하게 하여 공기 마찰 저항을 줄여서 회전에너지의 손실을 줄이는 방안을 제시하였다.
또한 수직축 풍력터빈 설치시 넓은 소요면적과 무게 그리고 충분한 높이의 풍압에 대한 노출 한계를 극복하기 위한 방안으로서 터빈 형태를 위성체 원반형 트러스 형태로 고안하고 이를 회전하게 하는 지지 구동장치를 높은 철재 타워 위에 설치하여 충분한 지름의 지지 레일 위에 작동하게 하여 터빈의 높이와 설치 소요면적의 한계를 해결하는 방안을 제시하였다. 또한 터빈의 무게의 한계를 해결하기 위하여 터빈의 각 날개를 탄소 유리섬유 보강 플라스틱계 신소재(GFRP)를 사용하고 방사형 원반 트러스 구조물과 외부 링의 재질을 알루미늄 계통의 메탈로 제작하였다.
본 발명장치는 수평축 풍력터빈의 날개와 타워 같은 모든 부위를 조립식으로 탈,부착할 수 있는 구조로 하여 거대한 규모의 수평축 풍력터빈 제작 설치시 필요로 하는 특수한 기술과 특수재질을 요하는 것과 달리 일반적인 기계 장치를 제작 설치할 수 있는 범용기술로 모든 장치를 제작 및 설치 할 수 있어 제작 및 설치비를 경감할 수 있는 장점을 보여주고 있으며, 범용적으로 많은 곳에 사용 될 수 있어 무한한 풍력에너지를 화석에너지의 대체 에너지원으로 사용 할 수 있어 지구 온난화를 방지하고 지구의 자원 고갈을 해결하는 하나의 방안을 제시하고 있다는 점에 그 기술적 장점이 있다.

삭제

이상에서의 서술은 특정의 실시 예와 관련한 것으로, 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이하, 첨부되는 도 1 내지 도 14을 참고하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 바람에 의해 생성되는 수평방향의 풍력 에너지를 위성체 원반 타입 터빈에 부착된 각 날개를 상하 및 외부 3방향으로 개방하여 날개의 면적을 최대로 확장하도록 하고, 이때 상하부 수평 사다리꼴 날개 형상과 외부날개 그리고 각각의 방사형 트러스에 부착된 바람막이들에 의해 형성된 풍력 마찰저항이 중심 회전축으로부터 날개의 회전 모멘트 팔의 길이를 크게 하여 회전력을 증대시키도록 하였으며, 또한 상하 및 외부 각 날개와 내부 트러스 지지물에 부착된 바람막이로 감싸인 여러 풍력 체임버를 형성하여 풍력에 대항하는 마찰저항을 최대로 하여 회전에너지로 변환시키도록 하는 것과 동시에, 또 한편에서는 풍력방향과 반대로 회전하는 터빈의 날개를 완전히 폐쇄시켜 풍력 체임버들을 폐쇄한 상태로 회전하게 하여 풍력에 대항하는 마찰저항를 최소화시켜서 회전에너지의 손실을 최소화하도록 하는 것에 의해, 전체적으로는 가장 효율적인 회전에너지를 일으키는 수직축 풍력터빈 장치를 제공하도록 한다.
일반적으로 수직축 풍력터빈의 개발 사례를 살펴보면 풍력의 방향과 반대로 회전하는 터빈 날개가 고정익으로 되어 있어 이에 대한 공기마찰 저항에 대한 해결책을 찾지 못하여 많은 회전에너지의 손실을 초래하는 문제가 있으며, 또한 중심 회전축에 가해지는 날개의 회전 모멘트의 팔이 짧은 관계로 인하여 수직축 풍력터빈이 수평축 풍력터빈에 비하여 토크의 크기가 약하여 효율성이 많이 떨어지는 것으로 알려져 있다.
본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 이와같은 문제점을 해결하여 풍력을 최대의 효율적인 회전에너지로 변환시키는 풍력터빈으로서, 도면 1에서와 같이 풍력과 같은 방향으로 회전하는 터빈의 날개가 모두 개방되면서 각각의 풍력 체임버를 형성하고 풍력과 반대편으로 회전하는 터빈의 모든 날개가 폐쇄되면서 음압의 풍력 체임버를 형성하여 공기의 마찰저항을 최소가 되도록 한 것을 그 특징으로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 주요 구성장치는 풍향계(1)와 일체로 형성되어 있는 날개 개폐 조정장치(2), 방사형 상하부 날개(3, 4), 외부날개(5), 외부 링(7) 및 전체 날개를 지지하여 주는 방사형 원반 트러스 구조물(6)로 형성되어 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 전면 하단에서 불어오는 풍력에 대하여 중앙 중심선을 기준으로 터빈 우측의 상하부 날개(3, 4)와 외부날개(5)는 서서히 개방되기 시작하면서 공기를 각 풍력 체임버(30)로 유입시키면서 회전하며, 터빈이 풍향과 직각되는 우측 지점에서 최대로 개방된 후, 그 이후 부터는 각 풍력 체임버(30)에 차 있던 공기는 외부 링(7)의 개방된 공간을 통하여 배출되면서 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)가 다시 폐쇄되기 시작하여 풍력의 정반대 방향에서는 완전히 폐쇄되도록 구성된다. 이때 풍력방향과 반대로 회전하는 터빈의 폐쇄된 풍력 체임버들의 외곽형상은 공기의 마찰저항을 최소로 받는 형태로 하기 위하여 외부날개(5)의 외곽형상은 곡면을 띄게하여 유선형으로 하였고, 상하부 날개(3, 4)의 폐쇄된 외곽형상은 중심 회전축에서 외측 단부로 갈수록 쐐기형으로 하여 풍력 마찰저항을 최소로 받는 형태로 고안하였다.
도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 전체 단면도를 도시하고 있는 바, 상기 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 상부의 풍향계(1)와 날개 개폐 조정장치(2)가 일체로 형성되어 있으며, 터빈의 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)는 날개 개폐 조절 장치(2) 내의 날개 개폐 조절 레일(9)을 통하여 회전하도록 구성되어 있다. 또한, 이렇게 상기 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)의 회전을 통해 얻어진 회전력은 풍력터빈의 중심에 있는 회전 동력 전달축(8)을 통하여 하부의 증속기어에 전달되고, 상기 증속기어는 회전수의 조절을 통하여 발전기를 작동하여 전기 에너지를 생산하도록 하고 있다.
도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 최대의 공기 마찰 저항을 얻기 위하여 터빈이 풍향과 같은 방향으로 회전하는 방향의 상하부 날개(3, 4)와 각 방사형 트러스에 부착된 바람막이와 외부날개(5)가 개방되도록 하여 풍압에 의한 마찰저항 면적을 가장 크게하여 공기의 마찰저항력을 가장 크게 받도록 고안하였으며, 특히, 상기 터빈 상하부 날개(3, 4)의 형상을 중심축에서 외측단부로 갈수록 수평 사다리꼴 형태로 커지도록 형성하고, 외부 날개(5)를 장착하여 개방하도록 하는 것에 의해 상기 중심 회전축(8)으로부터 모멘트 팔의 크기와 풍압에 의한 힘의 크기를 크게 하여 최대의 회전력을 얻을 수 있는 구조를 갖도록 설계하였다. 즉, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 설치되는 모든 날개의 형상을 외부 방향으로 갈 수록 크게 형성하도록 하는 것에 의해 중심 회전축(8)으로부터의 회전 모멘텀의 크기를 크게 하도록 한 것을 그 특징으로 하고 있다. 한편, 상술한 바와 같이 본 발명의 기술적 목적을 달성할 수 있다면 상기 날개부의 형상이 역삼각형으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)의 재질은 무게를 줄이고 강도를 높일 수 있는 재질로서 탄소 유리섬유 보강 프라스틱(GFRP) 신소재로 제작하도록 한다.
본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 도 3에 도시된 바와 같이, 전체 터빈의 구조가 중심 회전축(8)을 중심으로 방사형 타입의 수평 사다리꼴 웨지형 트러스 구조물(6)로 구성하도록 한다. 즉, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 중심구조물을 방사형 타입의 수평 사다리꼴 웨지형 트러스 구조물(6)로 형성하도록 하는 것에 의해, 터빈이 풍력방향과 반대로 회전하는 부위에서 터빈의 공기 마찰저항 면적을 최소화하여 공기 마찰저항력을 효과적으로 줄일 수 있는 형태일 뿐만 아니라 풍력터빈의 지름을 보다 안정되게 확장하여 더 큰 전력에너지를 얻을 수 있는 구조로 하였으며, 또한 방사형 터빈의 회전 레일 및 지지 구조체의 면을 넓게 형성하여 풍압에 의한 강한 횡력에도 터빈이 안정되게 유지될 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 일 실시예로 개시된 상기 방사형 수평 사다리꼴 웨지형 트러스 구조물(6)과 외부 링(7)의 재질은 터빈의 무게를 줄이기 위해 알루미늄계 메탈로 제작하도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 상하 날개(3, 4)와 외부 날개(5)의 개페를 조절하는 날개 개폐 조정 장치(2)를 개시하고 있는 것으로, 풍향계(1)와 날개 개폐 조절레일(9)과 레일의 높낮이를 조절하는 유압장치를 일체로하여 구성된다.
본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 풍향에 따라 풍향계(1)의 위치가 변하게 됨에 따라 이와 일체로 형성되어 있는 날개 개폐 조절 레일(9)의 위치도 변하도록 형성되어 있다. 또한, 상기 전체 날개 개폐 조절레일(9)은 날개 개방 구간과 경사 램프 구간과 폐쇄구간으로 분리되어 형성되어 있다. 구체적으로, 본 발명의 일실시예에서는 전면 풍향을 중심으로 상기 날개 개폐 조절레일(9)의 우측 구간은 항상 개방구간으로 되어 있으며 좌측 구간은 폐쇄구간으로 형성되어 있다.
도 5는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 날개 개폐 조절 레일(9)의 날개 개방 구간의 레일의 단면을 도시하고 있는 바, 도면을 참조하여 그 구성을 구체적으로 살펴보면, 상부 날개(3)의 단부에 설치되어 있는 날개 개폐 로울러 바(12)는 상부로 올라가게 형성되고, 이 경우, 상하부 날개(3, 4) 및 외부날개(5)가 개방하게 되는 상황을 도시하고 있다. 도 6은 경사램프구간을 도시하고 있는 것으로, 상기 상부 날개(3) 단부에 형성되어 있는 날개 개폐 로울러 바(12)가 레일경사구간(11)을 통과하면 상하부 날개(3, 4) 및 외부날개(5)가 서서히 폐쇄되어 지며, 도 7은 레일폐쇄구간을 도시하고 있는 것으로, 상기 날개 개폐 로울러 바(12)가 폐쇄된 레일 구간을 통과하게 되면, 상기 상하부 날개(3, 4) 및 외부날개(5)가 폐쇄되어 회전하게 된다. 강풍이나 태풍에 의하여 강한 풍압이 터빈에 가해질 경우에는 날개 개폐 조절레일(9)의 상부에 장착된 유압조정장치에 의하여 날개 개폐 조절레일(9)의 개방구간의 높이를 조절하여 상하부 날개(3, 4)와 외부 날개(5)의 개방 각도를 조절하여 터빈이 회전하도록 하였다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 날개 개폐 레일(9)의 위치를 조정하도록 하는 것과 동시에, 기구학적인 원리를 사용하여 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 상하부 날개(3, 4)와 외부날개(5)의 개폐를 자동적으로 조정할 수 있도록 한 것을 그 특징으로 하고 있으며, 또한, 본 발명에 따른 날개 개폐 레일(9)은 풍향계(1)의 움직임에 따라 그 위치의 조정을 자동적으로 행하도록 형성되어 있어, 원활한 날개의 개폐동작을 가능하도록 형성되어 있다.
도 8을 참조하여 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 구성을 살펴보면, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 회전방지기어장치(16)는 날개 개폐 조정장치(2)가 풍력터빈이 회전할 때 상부 날개(3) 단부에 설치되어 있는 날개 개폐 로울러 바(12)가 날개 개폐 조절 레일(9)과의 마찰력에 의하여 풍력터빈의 회전방향으로 회전하지 못하도록 하는 회전방지기능을 하도록 형성된 것이며, 아울러 풍력터빈의 회전방향과 반대로 불어오는 풍향(그림에서 좌측방향)에 대하여는 날개 개폐 조정장치(2)의 회전이 가능하도록 형성되어 있다.
본 발명에 따른 상기 날개 개폐 조정장치(2)의 위치는 항상 풍향계(1)의 위치에 따라 이동하도록 구성되어 있으며, 이와 같은 동작이 가능하도록 하기 위해 풍향계(1) 날개의 면적을 충분히 크게 하여 풍향계(1) 날개에 풍력저항을 충분히 받도록 하여 풍향계(1)가 항상 풍향방향으로 위치를 유지할 수 있게 하는 것에 의해 상기 날개 개폐 조정장치(2)가 수직축 풍력터빈의 회전에 관계없이 항상 날개의 개폐동작을 할 수 있도록 한다.
도 9에는 회전구동장치가 개시되어 있는 바, 본 발명에 따른 상기 회전구동장치는 풍향이 풍력터빈의 회전방향(도면의 중앙선에서 우측방향)으로 바뀔때 풍향계(1)의 날개에 가해지는 풍력저항에 의해 회전구동기어(20)를 우측으로 회전시키고, 이때 상기 회전구동기어(20)가 이격되면서 높이의 변화가 생긴다. 이때 이격된 높이 만큼 상기 회전방지기어 해제구동축(19)과 연계된 회전방지기어 구동 링(18)을 상부로 들어 올리도록 하는 것에 의해 회전방지 안전핀(17)을 해제하게 되어 상기 풍향계(1)와 일체로 구성된 날개 개폐 조정장치(2)가 풍향방향으로 회전 이동하게 되며, 따라서 풍력터빈의 날개가 변화된 풍향에 따라서 개폐가 가능하도록 동작하게 된다. 참고로 상기 회전구동기어(20)는 상하로 분리되며 상부 회전구동기어는 좌우회전과 상하로 이동가능하고, 하부 회전구동기어는 중심 고정축(10)에 고정되어 좌우로만 회전 가능하도록 형성된다.
도 10과 도 11은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 각 방향의 날개로 구성된 유니트 풍력 체임버가 완전히 개방된 평면과 단면을 도시하고 있는 것으로, 상기 상부 및 하부 날개는 이를 지지하는 각각의 상하 트러스 구조물(6)을 중심축으로 날개와 날개 무게 중심 균형축(13)과 수평으로 균형을 이루어 형성되어 있다.
그 이유로는 본 발명에 따른 풍력터빈이 회전할 때, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 날개 개폐 조절레일(9)과 날개 개폐 로울러 바(12) 간에 상하부 날개(3, 4)가 개폐 작동시에 마찰 저항을 줄일 수 있도록 하여, 상기 날개 개폐 조절장치(2)에 가해지는 무리한 마찰저항을 줄임과 동시에 상기 상하부 날개(3, 4)를 원활하고 신속하게 개폐 작동 시킬 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 수직축 풍력터빈 장치는 상술한 바와 같이 날개의 무게 중심을 이용하여 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)가 중력과 풍력에 의해 터빈의 회전 시 각 방향의 날개가 자동으로 개폐가 가능하도록 한 구조로 형성하였지만 날개 개방 보조 스프링 힌지(14)를 장착하여 각 유니트 풍력 체임버의 풍향과 일치가 되는 시점부터 소위 날개 개폐 조정장치(2) 내의 날개 개폐 조절레일(9)의 개방 램프구간(도 4) 시점부터 신속하게 풍향 방향으로 개방하도록 하는 것에 의해 상기 풍력 체임버에 바람 유입이 신속히 이뤄지게 하는 기능을 갖도록 형성한다.
도 12는 본 발명에 따른 유니트 풍력 체임버가 풍압을 받아 최대로 개방 되었을 때의 형상을 도시하고 있는 것으로, 상하부 날개(3, 4)가 완전히 개방 되었을 시 날개의 각도는 70도 경사를 이루도록 하여 상하부 날개(3, 4)에 가해지는 수평 풍력이 상하부 날개(3, 4)의 경사면에 부딪히면서 내부 풍력 체임버 쪽으로 효과적으로 유입되도록 하고 또한 상하부 날개(3, 4)의 양단에는 직각으로 꺽여진 보조날개가 있어 모든 바람을 내부 풍력 체임버로 가둘수 있는 구조로 형성되어 있으며, 외부 날개(5) 또한 유선형의 버켓 타입으로 구성되어 있어 바람을 풍력 셀 내부로 유입되도록 하는 형태로 형성된다. 또한 각 유니트 풍력 체임버를 구성하는 내부 트러스 구조물(6)의 3면은 모두 바람 막(Membrane)을 설치하여 상기 상하부 날개(3, 4)와 외부날개(5)를 통하여 내부로 유입되는 모든 바람을 가둘 수 있도록 하여 공기 마찰저항을 최대로 한 것을 그 특징으로 한다.
도 13은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 상하부 날개(3, 4)와 외부 날개(5)가 상호 연동되어 개폐 작동을 하는 구동장치를 도시하고 있는 것으로, 도면을 참조하면, 각 상부날개(3)의 외측 외부 링(7)과의 접합부위에는 상부날개(3)의 개폐에 따라 회전력을 외부날개 개폐 구동기어(21)에 전달하도록 하는 기어를 설치하여 이를 통하여 외부 날개(5)를 개폐할 수 있도록 한다.

도 14에는 풍력터빈의 위성체 원반 타입 트러스 구조물이 하부의 회전 구동장치를 통하여 풍력터빈의 철골 지지타워 위에 설치되어 있는 레일을 통하여 회전하는 작동원리를 도시하고 있는 바, 상기 도면을 참조하면, 풍력터빈의 원반형 구조물이 수평 풍압에 전도 되지 않도록 터빈의 회전 구동장치와 지지 레일간에는 외부 지지철물을 설치하여 풍압에 의한 횡력에 저항하도록 하였다. 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈은 이와같이 풍압에 의한 횡력과 터빈의 자체 수직하중에 대하여 이를 지지하는 레일과 지지 구조체의 면적이 넓은 관계로 터빈의 지름을 필요한 크키로 확장하여 필요로 하는 전력에너지를 생산할 수 있게 하였을 뿐만 아니라 충분한 풍압을 받을 수 있는 높이까지 철골 지지 타워를 설치 할 수 있는 장점이 있다.

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도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 평면도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 전면 풍향에 따라 풍향 방향으로 풍력터빈이 회전하면서 풍압에 의해상부,하부, 외부 날개가 개방되는 원리 및 풍향과 반대편으로 회전하는 구간에서 상부,하부, 외부 날개가 폐쇄되어 회전하는 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈이 회전시 풍압에 따라 각 날개가 개방되어 있는 상태와 반대편에 있는 각 날개가 폐쇄되어 있는 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 날개 개폐 조정장치의 날개 개폐 조절 레일의 구간별 날개 개폐 작동 원리를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 각 부위의 날개가 완전히 개방 되는 경우 날개 개폐 조절 레일의 개방된 상태와 날개 개폐 롤러 바의 구성을 도시하고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 날개가 개방된 상태의 레일에서 날개가 폐쇄되기 시작하는 단계에서의 레일의 램프구간과 날개가 완전히 폐쇄된 상태에서 레일의 상태를 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 날개가 완전히 폐쇄된 상태에서 날개 개폐 조절 레일의 상태와 날개 개폐 조절 롤러 바의 관계를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 날개 개폐 조정장치로 날개 개폐 조절 레일이 풍력터빈의 회전 방향을 따라 회전하지 못하도록 하는 회전 방지장치를 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 회전 방지기어를 해제하게 되는 구동장치와 원리를 도시한다.
도 10은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 모든 날개가 개방된 상태를 보여주며 날개 무게중심 균형축과 날개 개방 보조 스프링 힌지와의 관계를 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 날개 개방 단면도로서 상하부 날개와 날개 무게중심 균형 축과 날개 개방 보조 스프링 힌지의 작동원리를 도시한다.
도 12는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 유니트 풍력 체임버의 구조를 도시한다.
도 13은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 상하부 날개 및 외부날개 개방 상세 단면도이다.
도 14는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 풍력터빈 회전장치 및 레일과 지지 구조체 접합 상세 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 풍향계 2 : 날개 개폐 조정장치
3, 4 : 상하부날개 5 : 외부날개
6 : 방사형 원반 트러스 구조물 7 : 외부 링
9 : 날개 개폐 조절 레일 10 : 중심 고정축
11 : 경사레일 12 : 날개 개페 로울러 바
16 : 회전 방지 기어 17 : 회전 방지 안전핀

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Claims

지면에 수직하게 설치되는 지지대에 마련된 중심 고정축(10)과, 상기 중심 고정축(10)을 중심으로 바람에 의해 회전하도록 형성된 다수의 방사형 바람막이를 포함하여 형성된 수직축 풍력터빈에 있어서,

상기 다수의 방사형 바람막이 각각에는 바람의 방향에 따라 외부로 펼치고 접혀지도록 형성되는 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)가 형성되되,

상기 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)는 중심 고정축(10) 상부에 설치된 날개 개폐 조절 장치(2)를 통해 개폐가 조절되며,

상기 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)는 바람의 전면방향을 중심으로 우측 구간은 개방되도록 형성되고, 좌측 구간은 폐쇄되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제1항에 있어서,

상기 날개 개폐 조절 장치(2)는 날개개방구간, 경사램프구간 및 날개폐쇄구간으로 형성된 날개 개폐 조절레일(9)과 상기 날개 개폐 조절레일(9)의 높낮이를 조절하여 날개의 개폐 각도를 조절하는 유압장치를 포함하여 구성되며,

상기 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)는 날개 개폐 로울러 바(12)에 연결되고, 상기 날개 개폐 로울러 바(12)가 상기 날개 개폐 조절레일(9)을 따라 이동함에 따라 상기 상하부 날개(3, 4) 및 외부 날개(5)가 연동되어 개폐되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제2항에 있어서,

상기 날개 개폐 로울러 바(12)는 상부 날개(3)의 내측 단부에 연결되고, 상기 상하부 날개(3, 4)는 무게 중심 균형축(13)과, 스프링 힌지 장치(14)를 사용하여 개폐가 되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
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제1항에 있어서,

상기 중심 고정축(10) 상단에는 풍향계(1)가 설치되고, 상기 풍향계(1)는 상기 날개 개폐 조절 장치(2)와 일체로 형성되어, 상기 풍향계(1)의 움직임에 따라 상기 날개 개폐 조절 장치(2)가 일체로 움직이도록 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제1항에 있어서,

상기 방사형 바람막이, 상하부 날개(3, 4), 외부 날개(5)의 개방에 따라 바람이 모이게 되는 풍력 체임버(30)가 형성되어 회전력을 얻어 작동되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제1항에 있어서,

상기 상하부 날개(3, 4)는 외부로 갈수로 면적이 넓어지는 형상과 양측 단부에는 수직으로 꺽인 마구리 날개가 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제7항에 있어서,

상기 상하부 날개(3, 4)는 외측으로 커지는 수평 사다리꼴 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제1항에 있어서,

상기 수직축 풍력터빈의 지지체는 상기 중심 고정축(10)을 중심으로 방사형 타입의 수평 사다리꼴 웨지형 트러스 구조물(6)로 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
제1항에 있어서,

상기 외부날개(5)는 상하부 날개(3, 4)와 연동되어 개폐되고, 풍향 방향으로는 움푹 패인 버켓 모양을 이루고, 반대편 외관은 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.