KR100952684B1

KR100952684B1 - 공기압축을 이용한 수직축 터보 풍력발전 시스템

Info

Publication number: KR100952684B1
Application number: KR1020090042031A
Authority: KR
Inventors: 오영록
Original assignee: 오영록
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-04-13

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전 시스템에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 터빈 회전날개를 고정판의 외부 둘레 일부에만 설치하여 터빈 내부에 바람이 관통할 수 있는 내부공간을 만듦으로써, 바람이 흐르는 방향으로 공기의 흐름이 원활하게 일어날 수 있도록 하여 전력 생산 효율을 높일 수 있는 수직축 풍력발전 시스템에 관한 것이다. 또한, 터빈 회전날개 주위로 집풍 장치 및 안내익을 더 설치하여 공기를 압축시켜 더욱 빠른 속도로 터빈 회전날개를 통과할 수 있도록 함으로써 터빈 회전날개의 회전속도를 더욱 빠르게 하기 때문에 같은 환경에서 더욱 많은 전력을 생산할 수 있는 공기압축을 이용한 수직축 터보 풍력발전 시스템에 관한 것이다.

수직축, 풍력발전, 집풍장치, 공기압축

Description

공기압축을 이용한 수직축 터보 풍력발전 시스템 {Vertical turbo wind power system using air compression}

화석에너지로부터 발생되는 온실가스(Green House Gas)가 지구 온난화의 한 요소로 지목되면서 1992년 브라질에서 개최된 유엔환경개발회의에서 지구 온난화 대비하기 위해 전 세계적인 기구를 조직하기로 한 국제기후변화협약이 채택되었다. 국제기후변화협약에 가입된 선진국들은 1990년 대비 5.2%의 감축에 합의하고, 구체적인 시행을 논의하여 현재 여러 가지 프로그램을 통해 이산화탄소 배출 억제에 참여하고 있다. 우리나라는 아직 이산화탄소 배출 감축에 대한 의무는 없지만, 향후2013년에서 2017년경 논의되는 협약에서 감축의무 대상국에 포함될 것이 확실시되기 때문에 이에 대한 대책이 시급하다. 따라서 온실가스 배출저감을 위한 노력을 스스로 하여, 해결책을 찾고 적극적으로 화석에너지 사용을 줄일 수 있는 여러 가지 대안을 강구해야 할 것이다.

이에 따라서 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 정의되는 신재생에너지가 주목받고 있으며, 신재생에너지는 태양열, 태양광 발전, 바이오 매스, 풍력, 지열, 소수력, 해양 에너지, 폐기물 에너지의 재생에너지와 연료전지, 석탄의 액화 및 가스화, 수소 에너지의 신에너지로 총 11종류가 있다. 이들 신재생에너지는 화석연료의 사용에 따른 이산화탄소의 발생을 차단하기 때문에 환경 친화적이며, 무제한적으로 공급할 수 있고 재생할 수 있으므로 고갈되지 않는 자원이라는 장점이 있다. 다만, 꾸준한 연구개발을 하여 효율을 상승시켜야 하며, 현재의 시장전망이 불확실 하다는 단점을 극복하여야 한다.

신재생에너지 중의 하나인 풍력발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다. 풍력발전 분야는 최근 화석연료에 대한 대체에너지로 부각되며 고성장세를 지속하는 산업으로, 기술의 발전으로 인한 발전단가의 하락, 온실가스 감축을 의무화한 교토 의정서의 공식 발효(2005년 2월)로 성장이 가속되는 분야이다. 풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 비교하여 뒤떨어지지 않는 매우 유용한 발전 방법이다. 다만, 에너지의 밀도가 낮아 바람이 희박할 경우 발전이 불가능하므로 특정 지역에 한정되어 설치하여야 하며, 정량의 바람이 있을 경우에만 발전이 가능하므로 안정적 전기공급을 위해서는 저장장치 등의 설치가 필요하고, 최근 풍력발전기의 대형화로 인해 소음 발생 문제가 있으며, 초기 투자비용이 많이 든다는 단점이 있다.

풍력발전기는 회전축의 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 나뉜다. 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기에 편리하고 발전 효율이 높지만, 바람의 방향에 영향을 많이 받는다는 단점이 있다. 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 설치하여 이용 가능하지만, 소재가 비싸고 수평축 발전기에 비해 발전 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

대규모의 풍력발전을 위해서 효율이 높은 수평축 발전기가 주로 사용되어 왔다. 하지만 수평축 발전기를 사용하기 위해서는 일정 이상의 풍속이 주어져야 하는데, 우리나라에서는 그러한 지역이 극히 제한적이다. 또한 수평축 발전기는 독일, 덴마크, 스페인, 미국 등에서 미리 개발 및 상용화하여 기술수준이 앞서있기 때문에, 기술종속으로부터 벗어나기 위해서는 수직축 발전기를 더욱 개발할 필요가 있다. 또한, 수평축 발전기는 단위면적당 발전출력의 한계가 있어 토지의 효율적인 사용에 제한이 따른다. 즉, 회전날개의 반경이 크기 때문에 하나의 발전 타워에 하나의 터빈만을 설치할 수 있고 발전량을 늘리려면 발전 타워의 갯수가 늘어나야 하므로 매우 넓은 설치면적이 필요하며 회전날개의 회전에 따른 소음도 매우 크다는 문제점이 있다.

수직축 발전기는 일반적으로 수평축 발전기에 비해 발전 효율은 낮지만, 동력전달장치 및 발전기 등 핵심 부품들이 타워 꼭대기가 아닌 지면 부근에 설치가 가능하며 상대적으로 회전날개의 회전속도가 낮아 정밀도가 낮은 부품 및 날개 제작으로도 장기적인 사용 및 발전이 가능하다.

수직축 발전기에 주로 사용되는 것으로 회전날개의 형태에 따라 사보니우스(Savonious)형 또는 다리우스(Darrieus)형이 있다. 종래에 사용되던 사보니우스형 또는 다리우스형은 바람이 불게되면 이를 회전날개가 차단하여, 이로 인한 항력을 전달받아 전기에너지로 생산하는 방식이다. 즉, 회전날개로 바람이 불어오면 바람이 부는 면적이 폐쇄되어 있기 때문에 공기의 흐름이 생기지 않고, 따라서 오히려 바람의 흐름에 역행하는 흐름이 생긴다. 뿐만 아니라, 바람을 받아 회전날개가 회전하는 경우라도 바람의 방향에 따라 회전하고 있는 반경에는 정방향의 항력이 작용하지만, 바람의 방향과 반대로 회전하고 있는 반경에서는 역방향의 항력이 작용하여 오히려 효율을 더 낮추는 역효과가 발생한다. 따라서 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 회전날개가 빠른 속도로 회전하지 못하게 되어 상대적으로 효율이 떨어지며, 대규모의 발전을 하기 위해서 수직축 발전기가 사용되지 못하고 있다는 문제점이 있다.

또한 종래의 수직축 발전기에 사용되는 터빈에는 바람을 받는 면적을 증가시키기 위해 많은 수의 회전날개를 사용하였지만, 회전날개를 제작하는 비용도 많이 필요할 뿐만 아니라 회전날개 자체의 무게가 늘어나서 무거운 날개를 돌리기 위한 에너지 소모가 많아지기 때문에 오히려 더욱 비효율적이라는 문제점이 있다.

또한 회전날개로 유입되는 바람의 방향과 속도를 조절하기 위해 안내익 등이 사용되고 있지만, 회전날개가 회전하는 방향으로 바람을 모아주지 못하고 안내익의 주변으로 바람이 흘러나가게 되어 바람의 속도를 증가시키는 효과가 미미하다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은,

터빈 회전날개(10)를 회전축(21)에 직접 연결하지 않고 터빈 회전날개(10)의 일부분을 회전축(21)으로부터 분리하여 터빈에 유입되는 공기의 흐름을 막지 않고 자연스럽게 터빈의 뒤쪽으로 빠져나가게 함으로써, 터빈 내부에서의 바람의 흐름이 더욱 좋아지게 하여 수직축 발전기의 효율을 향상시키고 대규모 풍력발전 시스템에 본 발명에 따른 터빈을 이용하고자 함에 있다.

또한, 터빈에 사용되는 회전날개(10)의 수를 최소로 제작함으로써 회전날개(10) 자체의 무게를 줄여 그에 사용되는 에너지를 절약하고 수직축 발전기의 효율을 향상시키고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은,
회전축이 수직으로 위치한 수직축 풍력발전 터빈, 발전기 및 타워를 이용하는 수직축 풍력발전 시스템에 있어서, 터빈 내부로 유입되는 바람에 의하여 항력을 발생시키고, 발생된 항력을 터빈에 전달하여 상기 회전축(21)을 중심으로 회전할 수 있는 회전날개(10); 상기 회전축(21)을 포함하며 상기 회전날개(10)의 상부 및 하부면에 결합되어 상기 회전날개(10)가 회전할 수 있도록 하는 고정판(22)으로 구성되는 회전자(20); 상기 회전날개(10)를 향하여 바람이 유입되는 앞쪽에 위치하며, 일측 끝단은외부의 집풍 압축판(42)에 맞닿아 결합되고 타측 끝단은 하우징(41) 직경의 1/4 위치까지 연장되어 바람의 흐름을 제한하도록 구성되어, 상기 풍력발전 터빈 직경의 3/4 으로 바람이 유입되도록 하여 유입되는 바람의 속도를 높여주고 바람이 통과하는 방향을 조절하는 2개의 안내익(30); 상기 회전날개(10), 고정판(22) 및 회전축(21)을 감싸는 직사각형 형태로 구성되어 일측면으로는 바람이 유입되고 타측면으로는 바람이 유출될 수 있도록 이루어진 하우징(41), 상기 회전날개(10)를 향하여 바람이 유입되는 지점의 앞쪽에 위치하고 입구의 직경이 상기 하우징(41)의 직경보다 상대적으로 더 넓은 깔때기 형상으로 이루어지며 각각의 판의 중심에는 회전할 수 있는 회전축을 가지고 있는 폭이 좁은 다수의 판이 겹쳐진 형태로 구성되어 바람의 세기에 따라 각각의 판이 개폐가능하도록 이루어진 집풍 압축판(42), 상기 하우징(41)의 외측 상하부에 고정 결합되어 있는 원형의 집풍 장치 고정 레일(43), 상기 집풍 장치 고정 레일(43)을 감싸는 형태로 이루어지며 내부에 위치한 볼베어링의 회전을 통하여 상기 집풍 장치 고정 레일(43) 위를 미끄러지도록 결합되어 바람이 불어오는 방향을 향하여 각각 회전 가능하도록 하는 결합부를 포함하는 집풍 장치(40); 상기 고정판(22) 및 회전축(21)의 외측에 결합하여 상기 회전날개(10)의 회전 관성을 일정하게 유지하여 주는 원판형태의 플라이휠(50); 상기 집풍 압축판(42)이 위치한 반대편에 위치하여 상기 하우징(41)의 외측에 결합 고정되고, 그 끝단이 상기 하우징(41)으로부터 각각 양쪽으로 점차 벌어지는 형상으로 이루어지며, 바람을 받을 수 있도록 끝단으로부터 전체 길이의 1/2 까지 폐쇄된 구조로 이루어져 상기 집풍 장치(40)가 바람이 불어오는 방향을 향할 수 있도록 하는 꼬리날개(60); 및 상기 풍력발전 터빈 및 집풍 장치(40)가 하나의 타워(70)에 상하로 여러개가 적층될 수 있도록 상기 타워(70)를 중심으로 각각의 고정판(22) 둘레를 따라 위치하며, 상부 고정판(22) 및 하부 고정판(22) 각각을 수직 방향으로 연결하여 그 적층 구조를 유지할 수 있도록 하는 다수의 고정축(71)을 포함하여 이루어지며, 상기 회전날개(10)는 상기 고정판(22)의 외측 둘레로부터 내측 중앙에 위치한 회전축(21)을 향하도록 소정의 굴곡 형상을 가지고 동일한 간격을 유지하며 형성되어 있고, 상기 고정판(22)의 외측 둘레를 따라서 상기 고정판(22) 직경의 일부분에만 상기 회전날개(10)가 형성되어 터빈 내부로 바람이 관통할 수 있는 내부공간을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수직축 풍력발전 시스템에 있어서, 상기 회전날개(10), 회전자(20), 안내익(30) 및 집풍 장치(40)는 에어로겔(aerogel) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 효과는,

터빈 내부에 공기가 통과할 수 있는 내부공간을 가짐으로써 연속적으로 공기의 흐름이 생기도록 할 수 있으며, 뿐만 아니라 공기가 흘러가는 방향을 터빈의 위쪽이나 아래쪽으로 바꾸지 않은 상태로 계속해서 흘러갈 수 있도록 하기 때문에 더욱 높은 발전 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

또한, 터빈 회전날개(10)의 갯수를 최소화 함으로써 회전날개(10)가 가지는 자체의 무게에 의한 에너지 소모를 최소화할 수 있으며, 앞쪽으로 유입되어 하나의 회전날개(10)에 처음으로 항력을 전달한 뒤 터빈의 내부공간을 통과하여 뒤쪽에 위치한 다른 회전날개(10)에 한번 더 항력을 전달할 수 있으므로 외부로 버리는 에너지를 재사용 할 수 있어 수직축 풍력 발전소의 효율을 대폭 개선할 수 있다.

또한, 공기가 터빈 회전날개(10) 사이에 머물러 있으면 그 후로 유입되는 공기는 흐름이 생기지 않을 뿐만 아니라, 처음 유입되는 공기가 터빈 회전날개(10)에 고여 있고 흘러 나가지 않으므로 오히려 역류하는 공기의 흐름이 있기 때문에 수직축 풍력 발전기는 효율이 낮아지는 것을 알 수 있다. 하지만, 본 발명인 터빈 회전날개(10)를 사용하면 바람의 흐름이 터빈 회전날개(10)의 뒤쪽으로 빠져나가므로 바람의 방향을 바꾸지 않아 더욱 높은 발전 효율을 얻을 수 있다.

또한, 터빈 회전날개(10)로 바람이 유입되는 앞쪽으로 집풍 장치(40) 및 안내익(30)을 더 설치함으로써 대기상태의 공기를 높은 압력으로 압축시킬 수 있으며, 높은 압력 및 빠른 속도를 가지는 공기의 유동을 터빈 회전날개(10)로 유입하기 때문에 유입되는 공기 속도의 세제곱에 비례하여 얻을 수 있는 동력이 커지게 된다.

도 1 및 도 2 는 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개(10)의 형상 을 나타낸 평면도 및 사시도이다. 종래에 사용되던 사보니우스형 수직축 발전기는 회전축(21)에 회전날개(10)를 결합하여, 바람이 갖는 유동에너지를 회전에 의한 운동에너지로 변환하고, 발전기(80)를 통하여 다시 전기에너지로 바꾸어 주는 장치이다. 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 효율이 약 절반정도밖에 되지 않는데, 이는 수직축 발전기의 형상에서 비롯되는 당연한 현상이라고 할 수 있다.

즉, 도 3 에 도시한 것과 같이, 한 쪽 방향으로부터 바람이 불어오면 수직축 발전기의 회전날개(10)에 바람이 부딪히게 되는데, 이 때 회전축(21)을 기준으로 서로 반대편에 위치하는 각각의 회전날개(10)에 모두 바람에 의한 항력인 토크(torque)가 생기게 된다. 다만, 회전날개(10)의 형상이 안쪽으로 오목한 형상을 하고 있으므로 오목한 회전날개(10)에는 바람에 의한 항력(t1)이 크게 작용하게 되고, 반대편에 위치하는 회전날개(10)는 바깥쪽으로 볼록한 형상을 하고 있으므로 볼록한 회전날개(10)에는 바람에 의한 항력(t2)이 상대적으로 작게 작용한다(t1 > t2). 따라서 회전날개(10)들에 작용하는 항력 및 양력을 비교하여 상대적으로 더욱 크게 작용하는 쪽(t1방향)으로 토크가 발생하므로 터빈이 회전할 수 있다. 이와 같이 바람이 갖는 유동에너지는 서로 반대편에 위치하는 회전날개(10)가 가지는 반대방향의 항력 때문에 모두 다 회전에 의한 운동에너지로 전환할 수 없고, 따라서 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 효율이 상대적으로 낮다.

또한, 종래의 수직축 발전기는 터빈 회전날개(10)가 터빈 중심의 회전축(21)과 연결되는 구조로 이루어졌기 때문에 각각의 회전날개(10)에 바람이 유입되는 도중에도 역방향 바람의 흐름에 의해 항력이 줄어드는 현상이 발생한다. 즉, 도 4 에 도시한 것과 같이, 하나의 폐쇄된 회전날개(10)에 바람이 유입된 후 유입되는 방향과 반대쪽으로 바람이 흘러나가서 빠져나가지 못하고 유입된 방향으로 다시 빠져나가기 때문에 그 이후의 바람의 유입과 충돌을 일으키게 되어 바람의 세기를 모두 항력으로 이용할 수가 없게 되고, 따라서 효율이 낮아진다.

또한, 도 5 에 도시한 것과 같이, 종래의 수직축 발전기는 터빈 회전날개(10)가 받을 수 있는 항력을 늘리기 위해 회전날개(10)를 다수 설치하여 작동시켰다. 그러나 단 한개의 터빈을 이용한 소규모의 발전 시스템이 아닌 대규모 발전 단지의 건설에 있어 터빈의 제작을 위해 필요한 비용을 고려한다면 터빈 회전날개(10)의 갯수 증가로 인한 효율의 증가로 얻을 수 있는 경제적 이익이 극히 미미하며, 회전날개(10)를 여러 개 설치하여 작동한다면 회전날개(10) 각각의 무게로 인한 전체 터빈 무게가 증가하기 때문에 더욱 많은 에너지를 사용해야 하고 이는 결국 효율의 감소로 이어졌다.

뿐만 아니라 터빈의 내부 및 상하부로 개방되어 있는 공간이 없기 때문에, 한 번 유입된 공기가 쉽게 빠져나가지 못하고, 계속해서 터빈 회전날개(10)의 내부에 머무르게 되고 공기의 유동적인 흐름이 생기기가 어렵다. 이에 따라 터빈 내부로 새로운 공기의 흐름이 들어오더라도 이를 모두 터빈 회전날개(10)에 전달하지 못하게 되고, 외부로부터 유입되는 공기의 흐름은 단순히 터빈의 둘레를 따라서 경계층을 형성하며 그대로 바깥으로 흘러나가게 된다. 이는 바람이 가지고 있는 유동에너지를 모두 이용하지 못하는 것이며, 풍력발전 시스템의 효율이 떨어지는 주된 이유가 되어 왔다.

터빈 회전날개(10)로 바람이 유입된다 하더라도 그 바람의 힘을 받을 수 있는 회전날개(10)의 숫자는 한정되어 있고, 회전날개(10)의 갯수가 많아지면 많아질수록 바람을 받지 않는 반대편에서는 회전날개(10)를 단순히 회전시키기 위하여 소모되는 에너지가 점점 더 많이 필요하게 된다. 따라서 본 발명에서는 터빈 회전날개(10)의 갯수를 최소화하여 유입되는 공기가 가지는 유동에너지를 터빈 회전날개(10)에서 회전운동 에너지로 변환시키면서, 터빈 회전날개(10) 자체의 무게를 줄여 회전속도를 빠르게 할 수 있다. 또한, 터빈 내부에 회전날개(10)를 배치하되 회전날개(10)를 중심축으로부터 임의의 거리만큼 이격시켜서 배치하여 공기가 관통할 수 있는 적절한 내부공간을 두어 유입되는 바람과 유출되는 바람간의 자연스러운 흐름을 가질 수 있기 때문에 최대효율에 근접한 효율을 창출해 낼 수 있다.

도 6 및 도 7 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개(10)에 대한 평면도 및 사시도이다. 상기한 바와 같이 종래 사용되던 수직축 발전기의 회전날개(10)는 일측이 중심 회전축(21)에 연결된 채로 고정판(22)의 외측 둘레까지 소정의 굴곡 형상을 가진 채로 형성되어 있다. 즉, 도 1 내지 도 4 에서 도시한 종래 사용되던 터빈 회전날개(10)는 회전날개(10)를 회전축(21)에 연결시켜 공기의 흐름을 터빈 회전날개(10)에서 막아 이를 모두 항력으로 이용하는 폐쇄된 형태의 것이었다. 그러나 본 발명인 터빈 회전날개(10)는 일측이 중심 회전축(21)에 연결되어 있지 않은 채로 고정판(22)의 외측 둘레까지 소정의 굴곡 형상을 가진 개방형의 회전날개(10)로 형성되어 있다. 상기 회전날개(10)는 중심 회전축(21)으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 있어 터빈 내부의 공간을 통해 외부의 바람이 관통하여 지나갈 수 있는 것을 특징으로 한다.

풍력 터빈의 회전날개(10)에 유입되는 바람의 속도와 관련하여 풍력발전의 지배공식으로 알려진 베츠(Betz)의 법칙에 따르면, 속도 v1 으로 들어온 바람이 풍력 터빈을 지나서 속도 v2 로 나가는 경우, v2 = 1/3 v1 일때 최대 효율이 발생한다. 즉, 속도변화량 2/3 v1 만큼의 에너지가 터빈에서 얻을 수 있는 에너지이며 이러한 에너지 추출량 16/27 % (0.5926) 가 풍력 터빈을 통해 얻을 수 있는 최대 에너지이다.

이러한 것으로부터 터빈 회전날개(10)에 바람이 유입될 때, 이를 폐쇄적으로 막아서 항력만을 발생시키는 것이 오히려 더 비효율적이라는 것을 알 수 있다. 터빈 회전날개(10)로 유입되는 바람의 속도와 비교하여 1/3 만큼의 유출되는 속도를 가지도록 터빈 회전날개(10)를 설계할 때 최대의 효율을 가지게 되는 것이다. 뿐만 아니라, 공기가 유입 및 유출되는 과정은 계속해서 연속적으로 일어나게 되므로 공기의 흐름이 막히지 않고 계속해서 원활하게 일어나야 한다. 따라서 종래에 사용되던 터빈 회전날개(10)처럼 바람을 폐쇄적으로 모두 막는 형태이거나, 또는 회전날개(10)의 위쪽과 아래쪽으로 공기의 배출경로를 만드는 형태는 계속적인 공기의 흐름을 방해하는 회전날개(10)의 형상이며, 공기가 유입되는 방향과 동일한 선상에서 유출되는 것이 가장 자연스럽고 효과적인 공기의 흐름경로가 된다.

이에 따라서 도 8 에 도시한 것과 같은 본 발명의 터빈 회전날개(10)는 회전날개(10)들을 회전축(21)까지 모두 연결하여 유입되는 바람을 막는 구조가 아니라, 회전날개(10)의 일부를 중심 회전축(21)으로부터 이격시켜 터빈 내부의 공간으로 공기가 관통할 수 있는 구조인 것을 특징으로 한다. 따라서 공기의 흐름을 자연스럽게 뒤쪽으로 유출하게 되어 공기의 흐름이 막히지 않으면서 유출되는 바람의 속도를 유입되는 바람의 속도의 1/3 이 되도록 조절할 수가 있다.

뿐만 아니라, 공기가 유입되면서 처음 마주치는 회전날개(10)에 항력을 전달한 뒤 뒤쪽으로 유출되는 과정에서 후방에 위치하는 또 다른 회전날개(10)에 접촉하여 항력을 다시 한번 전달하게 된다. 이에 따라 바람의 유동으로 인하여 항력을 받는 터빈 회전날개(10)는 2개 또는 3개가 되고, 항력을 받지 않고 에너지를 소모하기만 하는 회전날개(10)는 1개에 불과하게 된다. 물론 두 번째로 항력을 받는 회전날개(10)에는 공기가 처음 유입되었을 때의 항력의 크기에 비해 작은 항력을 받게 되지만, 종래 이와 같은 바람을 그냥 유출시키던 것에 비하면 비약적인 발전이며 효율의 큰 상승을 가져올 수 있다. 따라서 수직축 발전기의 효율을 매우 좋게 만들 수 있으며, 결국 수직축 발전기의 대형화 및 상용화에 가장 적합한 모델이 될 수 있다.

도 9 및 도 10 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 꺾인선 형상을 가지는 터빈 회전날개(10)에 대한 평면도 및 사시도이다. 상세한 구성 및 이에 따른 효과는 상기한 도 6 및 도 7 에서의 터빈 회전날개(10)의 구성 및 효과와 동일하며, 다만 터빈 회전날개(10) 각각의 형상을 변형시키면서 수직축 발전기에 사용되기에 가장 적합하고 효율적인 형상을 찾을 수 있다.

도 11 및 도 12 는 본 발명인 집풍 장치(40) 및 꼬리날개(60)를 나타낸 평면 도이다. 상기 집풍 장치(40)는 터빈의 회전날개(10), 고정판(22) 및 회전축(21)을 감싸고 있는 관 형태의 하우징(41)과, 터빈으로 바람이 유입되는 방향에 위치한 집풍 압축판(42)을 포함하여 이루어진다. 상기 하우징(41)은 상기 집풍 장치(40) 내부로 들어온 바람이 일정한 유속을 가지면서 터빈 외부로 흩어지지 않고 흐를 수 있게 하여 주며, 상기 집풍 압축판(42)은 바람이 불어오는 방향 쪽으로 입구가 벌어진 깔때기 형상을 하고 있으며, 유입되는 공기를 압축시켜 공기의 압력을 높여서 효율을 더욱 높이기 위한 장치이다.

또한, 상기 집풍 압축판(42)은 바람의 세기에 따라서 공기의 압축 정도를 조절할 수 있도록 하기 위하여 폭이 좁은 다수의 판이 겹쳐진 형태로 구성되며, 각각의 판의 중심에는 회전할 수 있는 회전축을 가지고 있어 바람의 세기에 따라 개폐가능한 구조로 이루어진다. 도 11 은 바람의 세기가 세지 않을 경우 다수의 판을 모두 닫은 상태를 나타낸 평면도이고, 도 12 는 바람의 세기가 셀 경우 다수의 판을 모두 열은 상태를 나타낸 평면도이다. 터빈 내부로 유입되는 공기의 압력을 높이기 위하여 상기 집풍 압축판(42)을 연결되어 있는 하나의 판으로 구성한다면, 바람의 세기가 세지 않을 때는 공기의 압력을 높여주므로 큰 영향이 없지만, 강풍이나 태풍이 부는 경우와 같이 바람의 세기가 아주 셀 경우에는 상기 집풍 압축판(42)이 받는 압력이 너무 커서 그 압력을 버티지 못하고 파손될 우려가 매우 크다.

따라서, 강풍이나 태풍이 부는 경우와 같이 바람의 세기가 아주 셀 경우에는 도 12 에서와 같이 상기 집풍 압축판(42)을 구성하는 다수의 판을 열어 그 사이로 바람의 일부가 통과하여 빠져나가게 함으로써 상기 집풍 압축판(42)의 파손을 방지함은 물론, 바람의 세기와 관계없이 거의 일정한 양의 압축 공기를 사용할 수 있기 때문에 발전기(80)를 통하여 얻을 수 있는 전기 에너지의 양 또한 일정하게 생산할 수 있다. 뿐만 아니라, 압축되는 공기의 압력을 더욱 크게 하거나 유입되는 바람의 속도를 더욱 높이기 위해서는 터빈 앞쪽의 집풍 압축판(42)을 더 크고 넓게 만드는 방법이 있다. 그렇지만, 집풍 압축판(42)이 더욱 커지면 커질수록 집풍 압축판(42)이 받는 힘은 커지게 되므로 이를 적절하게 배분하여 발전할 필요가 있다. 따라서 상기 집풍 압축판(42)을 하나의 판으로 구성하지 않고, 폭이 좁은 다수의 판을 연결하여 개폐 가능한 구조로 결합되어 있다. 바람의 유입이 적을 때에는 측면에 존재하는 다수의 판을 모두 닫아 공기를 유입받고, 바람의 유입이 클 때에는 측면에 존재하는 다수의 판을 개방하여 바람의 일부가 그대로 흘러나기게 한다.

도 13 내지 도 18 은 종래의 터빈 회전날개(10) 및 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개(10)에 본 발명인 집풍 장치(40)를 더 포함하는 형상을 나타낸 평면도 및 사시도이다. 각각의 터빈 회전날개(10)의 형상은 다르지만, 그 외부에 집풍 장치(40)를 더 포함하여 공기를 압축할 수 있고, 터빈 회전날개(10)를 통과하는 바람의 세기를 더 크게 만들 수 있으며, 바람의 흐름이 외부로 흩어져 나가는 것을 방지할 수 있고, 집풍 장치(40) 내부의 안내익(30)을 설치함으로써 바람의 속도를 더욱 높여줄 뿐만 아니라 매우 효과적인 발전 효율을 기대할 수 있다. 또한, 집풍 장치(40)의 후방에 꼬리날개(60)를 더 설치함으로써 상기 집풍 장치(40)가 항상 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하여주기 때문에 풍력 에너지를 최대한 이용할 수 있다.

바람의 속도에 따라 발전되는 에너지의 양을 비교하여 보면,

공기의 유동이 가지는 풍력 에너지는 공기의 질량 ｍ 에 대하여,

으로 나타낼 수 있으며, 이를 시간의 흐름에 따른 질량 유량을 고려하면 에너지의 변화율 즉, 동력으로 표현할 수 있으므로 동력 Ｐ 는

과 같은 식으로 표현될 수 있다.

터빈에서 출력될 수 있는 시간당 에너지 변화율, 즉 동력은 터빈의 날개가 회전하여 만드는 단면적에 비례하고 터빈을 통과하는 바람의 풍속의 3제곱에 비례한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 바람의 풍속이 2배가 된다면 바람이 가질 수 있는 동력은 8배가 되기 때문에 터빈의 효율을 높이기 위해서는 터빈으로 유입되는 바람의 속도를 더욱 높일 필요가 있다. 따라서, 본 발명에서는 터빈으로 유입되는 바람의 속도를 높이기 위한 방안으로 안내익(30) 및 집풍 장치(40)가 사용되고 있다.

아무런 장치가 결합되어 있지 않은 회전날개(10)가 도 2, 도 7, 도 10 에 도시되어 있다. 주위의 공기가 터빈으로 유입될 때 터빈 내부로 유입되지 못하고 바깥쪽으로 흩어져서 새어 나가는 공기의 유동이 많기 때문에 그에 따른 손실이 일어나며, 또한 주위 상태의 공기를 그대로 터빈으로 유입하여 사용하기 때문에 바람의 속도를 높여주지 못하여 공기가 가지고 있는 최대의 에너지를 모두 사용하지 못하게 되고, 이것은 수직축 발전기의 효율이 떨어지는 원인이 된다.

이에 따라 본 발명에서는 집풍 장치(40)를 이용하여 공기의 유동이 주위로 새어나가는 것을 방지함과 동시에, 공기의 압력을 증가시키고 속도를 빠르게 향상시킴으로써 얻고자 하는 출력의 최대값에 가까운 값을 얻을 수 있다. 집풍 장치(40)는 터빈을 감싸고 있는 관 형태의 하우징(41)과, 터빈으로 바람이 유입되는 방향에 위치한 집풍 압축판(42)을 포함하여 이루어져 있다. 하우징(41)은 터빈의 회전날개(10), 고정판(22) 및 회전축(21)을 감싸는 형태로 이루어져 있으며, 바람의 유동이 터빈 외부로 흩어지지 않고 일정한 유속을 가진 채로 흐를 수 있게 해준다. 일정한 유속을 가진 채로 바람이 터빈을 통과하면 회전날개(10)가 회전하는 속도가 일정하게 되고, 발전되는 발전량도 시간의 흐름에 따라 큰 변화없이 일정한 양을 발전할 수 있어 예측가능성이 좋고 사용하기에 편리한 장점이 있다.

또한 회전날개(10)로 바람이 유입되는 지점의 앞쪽으로 위치한 집풍 압축판(42)은 주위를 향하여 입구가 벌어진 깔때기 형상을 하고 있으며, 집풍 압축판(42)은 터빈의 단면적보다 더 큰 단면적을 가지며 바람이 유입되는 방향을 향하고 있다. 따라서 넓은 단면적을 가지는 집풍 압축판(42)의 입구에서는 높은 압력과 낮은 속도의 바람이 유입되고, 좁은 단면적을 가지는 집풍 압축판(42)의 출구에서는 낮은 압력과 높은 속도의 바람이 유출된다. 이것은 일반적인 노즐에서 압력강하에 따른 속도의 증가가 나타나는 현상과 동일한 현상이다. 따라서 집풍 압축판(42)에 의하여 바람의 속도가 증가된다면, 증가된 속도의 세제곱에 비례하여 터빈에서 생산할 수 있는 동력의 크기가 증가하므로 그 생산성과 효율이 비약적으로 개선된다.

본 발명에 사용되는 안내익(30)은 상기 집풍 장치(40) 내부에 위치하며 터빈으로 유입되는 바람의 방향을 바꾸어 주는 기능을 한다. 안내익(30)이 없는 경우에는 터빈 회전날개(10)가 회전하는 방향 및 그 반대방향으로도 모두 바람이 유입되기 때문에 수직형 발전기의 효율을 떨어뜨리는 원인이 되어왔다. 즉, 도 3 에서 도시한 것과 같이 회전날개(10)가 회전하는 방향으로 작용하는 t1 의 토크와, 회전하는 방향과 반대방향으로 작용하는 t2 의 토크가 서로 상쇄되기 때문에 실제로는 t1-t2 만큼의 토크밖에 얻을수가 없었다. 그러나 도 13, 도 15 및 도 17 에서 도시한 본 발명인 집풍 장치(40)에 포함되어 있는 안내익(30)을 사용하면 회전날개(10)가 회전하는 방향으로 유입되는 바람의 흐름은 그대로 둔 채, 회전하는 반대방향으로 유입되는 바람의 흐름을 바꾸어주어 터빈 회전날개(10)의 회전속도를 더욱 빠르게 할 수 있으며, 결국 집풍 장치(40) 및 터빈 회전날개(10)로 유입되는 바람의 유동에너지를 모두 전기에너지로 생산할 수 있게 되어 수직축 발전기의 효율을 상승시킬 수 있다.

상기와 같은 여러가지 터빈 회전날개(10)에 따른 발전효율을 비교하기 위하 여 다음과 같은 실험을 수행하였다.

도 23 내지 도 27 에서 볼 수 있는 것과 같이 다양한 터빈 회전날개(10)의 형상에 따른 축소 모형 및 그에 맞는 집풍 장치(40)를 제작하고 이러한 장치를 선풍기 바람 앞에 설치하여, 일정한 바람 세기에 따라 각각의 모형이 갖는 터빈 회전날개(10)의 회전속도를 전자식 속도계로 측정하여 그 값을 비교한다.

	종래 수직축 (3날개)	종래 수직축 (6날개)	본 발명 (굴곡 형상)	본 발명 (꺾인선 형상)
회전날개(10)	280 rpm	200 rpm	110 rpm	0 rpm
회전날개(10) + 안내익(30)	520 rpm	370 rpm	660 rpm	470 rpm
회전날개(10) + 안내익(30) + 집풍 장치(40)	650 rpm	440 rpm	850 rpm	680 rpm

표에서 보는 바와 같이 종래 수직축 발전기에 사용되는 날개가 3개인 터빈 회전날개(10)를 사용하여 실험을 한 결과, 회전날개(10)만으로는 평균 280rpm 의 회전속도를 가지고, 터빈 회전날개(10)의 앞쪽에 안내익(30) 만을 설치하였을 때에는 평균 520rpm 의 회전속도를 가졌지만, 터빈 회전날개(10)와 안내익(30)과 집풍 장치(40)까지 설치하였을 때에는 평균 650rpm 의 회전속도를 가지게 되어 종래 수직축 발전기를 사용하더라도 본 발명에 따른 안내익(30) 또는 안내익(30)과 집풍 장치(40)를 포함하는 경우 종래의 터빈 회전날개(10)에 비해 약 86% 및 132% 만큼 회전속도가 증가함을 알 수 있다.

또한, 굴곡 형상의 터빈 회전날개(10)를 가지는 본 발명을 사용하여 실험을 한 결과를 살펴보면, 회전날개(10)만으로는 평균 110rpm 의 회전속도를 가지고, 터빈 회전날개(10)의 앞쪽에 안내익(30) 만을 설치하였을 때에는 평균 660rpm 의 회 전속도를 가졌지만, 터빈 회전날개(10)와 안내익(30)과 집풍 장치(40)까지 설치하였을 때에는 평균 850rpm의 회전속도를 가지게 되어 본 발명에 따른 안내익(30) 또는 안내익(30)과 집풍 장치(40)를 포함하는 경우 이를 포함하지 않는 경우에 비해 약 500% 및 673% 만큼 회전속도가 증가함을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 안내익(30)과 집풍 장치(40)를 모두 사용했을 경우 종래 3개의 터빈 회전날개(10)를 사용했을 경우의 650rpm 에 비하여도 약 31% 만큼 회전속도가 증가함을 알 수 있다.

또한, 꺾인선 형상의 터빈 회전날개(10)를 가지는 본 발명을 사용하여 실험을 한 결과를 살펴보면, 회전날개(10)만으로는 평균 0rpm 의 회전속도를 가지고, 터빈 회전날개(10)의 앞쪽에 안내익(30) 만을 설치하였을 때에는 평균 470rpm 의 회전속도를 가졌지만, 터빈 회전날개(10)와 안내익(30)과 집풍 장치(40)까지 설치하였을 때에는 평균 680rpm의 회전속도를 가지게 되어 본 발명에 따른 안내익(30) 또는 안내익(30)과 집풍 장치(40)를 포함하는 경우 이를 포함하지 않는 경우에 비해 많은 양의 회전속도가 증가함을 알 수 있다. 또한, 이 경우에는 종래의 3개의 터빈 회전날개(10)를 사용했을 경우의 650rpm 과 비교하였을 때, 꺾인선 형상의 터빈 회전날개(10)를 사용했을 경우는 680rpm 으로써 종래의 경우보다 약 4.5% 만큼 회전속도가 증가함을 알 수 있다. 상기한 굴곡 형상을 가지는 본 발명의 경우보다 회전속도의 증가량이 크지는 않지만, 그러나 더 적은 회전날개(10)의 면적만으로도 종래 회전날개(10)의 회전속도와 비슷한 회전속도를 가질 수 있으므로 제작이 간편하며 비용이 더욱 저렴하다는 장점이 있다.

또한, 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개(10)를 사용하여 실험을 하되, 회전날개(10)의 갯수를 6개로 늘려서 실험을 한 결과, 회전날개(10)만으로는 평균 200rpm 의 회전속도를 가지고, 터빈 회전날개(10)의 앞쪽에 안내익(30) 만을 설치하였을 때에는 평균 370rpm 의 회전속도를 가지며, 터빈 회전날개(10)와 안내익(30)과 집풍 장치(40)까지 설치하였을 때에는 평균 440rpm 의 회전속도를 가지게되어 종래 6개의 회전날개를 사용한 수직축 발전기를 사용하더라도 본 발명에 따른 안내익(30) 또는 안내익(30)과 집풍 장치(40)를 포함하는 경우 종래의 터빈 회전날개(10)에 비해 약 85% 및 120% 만큼 회전속도가 증가함을 알 수 있다.

그러나, 3개의 터빈 회전날개(10)를 사용했을 경우와 6개의 터빈 회전날개(10)를 사용했을 경우를 비교하여 보면, 회전날개(10)만을 사용한 경우 280rpm 에서 200rpm 으로 회전날개(10)의 수를 늘린 결과 회전속도가 29% 감소하였고, 회전날개(10) 및 안내익(30)을 사용한 경우 520rpm 에서 370rpm 으로 회전날개(10)의 수를 늘린 결과 회전속도가 29% 감소하였고, 회전날개(10) 및 안내익(30) 및 집풍 장치(40)를 사용한 경우 650rpm 에서 440rpm 으로 회전날개(10)의 수를 늘린 결과 회전속도가 32% 감소하였다.

즉, 안내익(30)만을 설치하거나 또는 집풍 장치(40) 및 안내익(30)을 동시에 설치한 경우에는, 아무것도 설치하지 않았을 때보다 모두 회전속도가 증가하였지만 회전날개(10)의 갯수를 6개로 늘려서 실험을 하였을 때에만 회전속도가 증가하지 않고 오히려 감소하였다는 것을 알 수 있다. 이것은 일정한 바람의 세기 하에서 터빈이 가지는 무게에 따라 가질 수 있는 회전속도가 달라진다는 것을 의미한다. 터빈 회전날개(10)의 갯수가 많아지면 바람을 받게되는 면적이 늘어나서 그에 따른 항력이 늘어나겠지만, 터빈 회전날개(10)의 갯수가 많아지는 만큼 회전날개(10) 자체의 무게에 따라 소모되는 에너지량이 많아지게 되므로 결국 빠른 회전속도를 얻지 못하고 수직축 발전기의 효율이 더 저하되는 결과를 가져온다. 따라서 터빈 회전날개(10)의 갯수를 늘린다고 해서 효율이 좋아지는 것은 아니며, 오히려 초기에 터빈 회전날개(10)를 설치할 때의 비용이 많이 들기 때문에 동일한 동력을 얻기 위해서 더욱 많은 회전날개(10)를 설치하는 것이므로 비용적인 측면에서는 더 비효율적이라고 할 수 있다.

따라서 터빈 회전날개(10)의 갯수를 최소화하여 터빈의 무게를 줄이면서도 회전날개(10)가 받는 항력을 최대화하여 회전날개(10)의 회전속도를 크게 얻고, 이에 따라 발전하는 동력을 더욱 많이 얻을 수 있어야 수직축 발전기의 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 터빈 회전날개(10)의 갯수를 3개 또는 4개를 사용하여 터빈의 무게를 줄였고, 터빈 내부에 공기가 관통할 수 있는 내부공간을 만들어서 바람의 유동을 좋게 하였으며, 다양한 회전날개(10)의 형상을 통해 최대의 효율을 얻을 수 있다.

수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개(10)가 가지는 큰 단점중에 하나는 바람이 부는 방향과 속도가 일정하지 않아 일정한 발전량을 얻을 수 없다는 것이다. 즉, 외부 환경에 따라 발전할 수 있는 양의 변화폭이 크기 때문에 예측가능성이 떨어지고 효율이 낮아지는 것이다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 터빈 회전날개(10)의 상,하단에 결합되어 있는 고정판(22)의 바깥쪽으로 원판형태의 플라이휠(50)을 더 결합시킴으로써, 회전날개(10)의 회전 관성을 유지하여 외부 환경의 변화에 비교적 무관하게 일정한 발전량을 얻을 수 있다. 회전 관성이란, 회전 상태에 있는 물체의 운동을 변화시키려는데 저항하는 회전 물체의 성질을 말하며, 외부의 영향이 없다면 회전하는 물체는 계속해서 회전하려는 성질을 가지고 있다. 즉, 물체의 회전 관성이 크면 클수록 물체의 회전 상태를 변화시키기가 더욱 어려워진다. 또한 직선 운동에 대한 관성과 같이 물체의 회전 관성 역시 물체의 질량과 관계가 있다. 따라서 터빈 회전날개(10)의 회전 관성을 크게 하여 회전하려는 성질을 계속해서 일정하게 유지하는 것이 발전에 있어서 유리하다. 상기와 같은 회전 관성을 높여주는 플라이휠(50)은 일종의 에너지 저장 장치로서, 회전날개(10)가 고속으로 회전시 그 운동 에너지를 플라이휠(50)이 저장하고 있다가 바람의 세기가 약해졌을 때 플라이휠(50)에 저장된 운동에너지를 사용함으로써 회전날개(10)가 일정한 회전속도를 가질 수 있어 일정한 발전량을 얻을 수 있으며, 따라서 수직축 발전기의 전반적인 효율이 상승될 수 있다.

또한 상기 수직축 발전기는, 집풍 장치(40)의 바깥쪽에 결합하며 집풍 압축판(42)이 위치한 반대편에 위치하여 집풍 장치(40)가 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하여 주는 꼬리날개(60)를 더 포함한다. 꼬리날개(60)는 소정의 두께를 가지는 판 형상을 하고 있으며, 하우징(41)에 결합하되 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하여야 하므로 집풍 압축판(42)이 결합된 반대쪽의 양쪽 끝부분에 소정의 각도와 거리를 이격하여 수직방향으로 결합된다. 상기 꼬리날개(60)에 의하여 터빈 및 회전날개(10)가 바람이 불어오는 방향을 정확히 파악하여 향할 수 있으므로 수직축 발전기의 효율을 상당히 상승시킬 수 있다.

또한 상기 수직축 발전기에 사용되는 터빈 하나로는 발전할 수 있는 용량이 크지 않으므로 발전 가능한 용량을 크게 하기 위해서는 상기 터빈을 동시에 여러 개 사용하는 것이 바람직하다. 종래의 수평축 발전기는 하나의 타워(70)당 하나의 터빈과 회전날개(10)를 설치할 수 있었으므로 다수의 터빈과 회전날개(10)를 설치하기 위해서는 다수의 타워(70)를 설치하였어야 하고, 광활한 면적의 부지가 필요하였다. 연평균 6m/s 이상의 바람이 부는 동시에 광활한 대지 면적이 필요한 입지선정이 매우 곤란하였고, 이는 풍력발전 시스템이 가지는 가장 큰 문제점이었다. 뿐만 아니라 회전날개(10)와 발전기(80)가 설치되어 있는 부지와 그 주변은 소음이 심하여 일상적인 생활을 하지 못하기 때문에 대부분 가축을 키우는 목장 등의 용도로밖에 사용하지 못하여 토지의 이용효율이 극히 제한되어 있었다.

그러나 도 20 에서 보는 것과 같은 수직축 발전기를 사용하면 위와같은 문제점을 해소할 수 있다. 즉, 하나의 타워(70)에 여러 개의 터빈을 적층하여 설치할 수 있으므로 제한된 좁은 면적에서라도 많은 발전량을 얻어낼 수 있다. 이 경우, 각각의 터빈에 불어오는 바람의 세기가 다르므로 각각의 터빈은 회전속도가 모두 다르게 되고, 따라서 하나의 터빈에 하나의 발전기(80)를 달아 발전하는 전기 에너지를 모아서 대규모의 발전단지를 건설할 수도 있다. 또한 상기 터빈은 고정판이 고정되어 고정 결합되어 있으며, 상기 터빈을 둘러싸고 있는 집풍 장치는 상하부에 레일이 연결되어 회전 가능하도록 타워(70) 및 고정축(71)에 결합되어 있다. 따라서 터빈의 입구가 쉽게 바람이 불어오는 곳을 향할 수 있도록 회전하면서 더욱 큰 효율을 얻을 수 있다.

또한 바람의 세기는 지상에서부터 상층으로 고도가 높아짐에 따라 증가하게 되므로 높은 위치에서 터빈을 작동시킬수록 더욱 높은 효율을 얻을 수 있다. 즉, 고도에 따른 풍속을 나타낸 Deacon식에 따르면,

지표면에서부터 상층으로 고도가 올라갈수록 지표마찰력이 감소하게 되므로 풍속은 점점 더 빨라진다. 따라서 지상에서부터 높은 위치까지 타워(70)를 설치하여 상층에서만 터빈을 작동시키거나, 또는 지상에서부터 높은 위치까지 계속해서 터빈을 위치하게 하여 좁은 지상면적만을 사용하더라도 많은 전력을 생산할 수 있으므로 단위 면적당 발전비율이 높아지게 되고 토지의 사용률이 좋아지게 된다. 대 략적으로 지상 약 1km 상공으로 올라가면 15 내지 20m/s 속도의 바람이 불게 되므로, 지표면에서 약 5m/s 로 불던 바람과 비교하여 3 내지 4배정도의 속도를 갖게 되고 터빈이 생산할 수 있는 동력은 약 27배 내지 64배로 급격히 증가하게 된다. 따라서 대기의 상층으로 최대한 많이 올라갈수록 수직축 발전기의 효율은 더욱 빠르게 증가한다.

다만, 높은 고도까지 터빈 및 집풍 장치(40)를 단단하게 유지하여야 하므로 도 21 에서 보는 것과 같이 수직축 풍력발전기를 상하로 적층하였을 때, 이를 지지하는 구조물을 나타낼 수 있다. 상기 지지 구조물은 터빈 회전날개(10) 및 집풍 장치(40)가 위치하는 터빈실과 발전기(80)가 위치하는 발전실이 한 층씩 번갈아가며 적층되어 있고, 상기 터빈실과 발전실은 그 중심을 지나는 타워(70) 및 상기 타워(70)를 중심으로 하여 각각의 둘레를 따라 위치한 다수의 고정축(71)이 서로를 연결하여 적층구조를 유지할 수 있도록 한다. 상기 터빈실에는 터빈 회전날개(10) 및 집풍 장치(40)가 위치하므로 바람이 통과할 수 있도록 개방되어 있는 형상이고, 상기 발전실은 터빈 회전날개(10)가 회전하면서 얻는 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 주기 위한 발전기(80)가 위치하므로 폐쇄되어 있는 형상이다. 터빈실을 지나는 타워(70)의 내부로는 터빈 회전날개(10)가 회전할 수 있도록 하여 주는 터빈의 회전축(21)이 위치하고 있으며, 바람이 부는 높이에 따라 터빈 회전날개(10)의 회전속도가 각각 다르므로 회전축(21)은 각각의 터빈마다 따로따로 위치하여 회전할 수 있어야 하고, 터빈의 회전속도가 각각 다르기 때문에 각각의 터빈마다 발전기(80)를 설치하여 발전된 전기 에너지를 한 곳으로 모아 전달하는 것이 효율적이다.

또한, 상기 터빈실과 발전실 경계의 외부로 집풍 장치(40)가 회전 가능하도록 고정할 수 있는 집풍 장치 고정 레일(43)이 더 부착되어 있다. 상기 집풍 장치(40)는 꼬리날개(60)에 의해서 바람이 불어오는 방향에 따라 공기의 유입을 최대화 할 수 있는 방향으로 회전하게 되는데, 이 때 상기 집풍 장치 고정 레일(43) 위에서 상기 집풍 장치(40)가 회전할 수 있는 결합을 하고 있다. 상기 결합은 도 20 의 확대도에서 볼 수 있는 바와 같이 집풍 장치 고정 레일(43)을 감싸고 있는 형태이고 그 내부에는 볼 베어링 등을 사용하여 상기 레일을 따라 쉽게 움직일 수 있도록 한다. 따라서 이와 같은 구조에 의하면 집풍 장치(40)가 상하좌우로 이탈하지 않도록 하여주는 동시에 집풍 장치 고정 레일(43) 위에서 자유롭게 방향을 바꾸어 회전할 수 있다. 따라서 수직형 풍력발전 시스템으로 불어오는 바람에 대하여, 높이에 따라 서로 다른방향에서 불어오거나 서로 다른 세기로 불어오는 바람일지라도 이를 각각의 터빈 및 발전기에서 전기 에너지로 최대한 많이 생산할 수 있으므로 수직형 풍력발전 시스템의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 중요한 것이다.

또한, 높은 고도에서 빠른 바람의 속도를 최대한 이용하기 위해서는 수직형 풍력발전 시스템을 더욱 높은 고도까지 올려야 할 필요성이 있으며, 이를 위하여 터빈 회전날개(10) 및 집풍 장치(40) 등을 밀도가 낮은 최대한 가볍고 단단한 물질로 제작하여 공중에 부양하는 방법이 있다. 상기와 같은 밀도가 낮은 물질로는 에어로겔(aerogel) 등이 사용될 수 있는데, 상기 에어로겔은 밀도가 공기의 3배정도 밖에 되지 않는 물질이기 때문에 공기중에서 바람의 흐름을 받아 높은 고도까지 부 양될 수 있다. 이는 마치 바람이 부는날 공기중에 연을 띠우는 것과 같은 이치라고 할 수 있다. 이러한 방법으로 고도 약 1km 정도 까지 터빈 회전날개(10) 및 집풍 장치(40)를 올릴 수 있다면 수직축 발전기에 의한 생산 단가 및 효율이 상당히 개선될 수 있다.

또한, 바람이 부는 양이 시간에 따라 언제나 일정하지는 않으므로 바람이 많이 부는 때에는 발전량을 늘려 바람이 적게 부는 때를 대비하여 이를 비축해 놓을 필요가 있다. 뿐만 아니라, 전력을 많이 소비하는 시간인 낮시간 동안에는 생산한 전기에너지를 바로 사용할 수 있지만, 전력을 거의 소비하지 않는 시간인 밤시간 동안에는 생산한 전기에너지를 모두 소비할 수 없다. 이와 같이 전력 소비량이 시간에 따라 다르기 때문에 동일한 크기의 전기에너지에 관련된 원가 또한 낮시간이 밤시간보다 훨씬 높다. 따라서 밤시간동안 생산된 전기에너지를 비축하였다가 수요가 많은 낮시간에 활용하는 방안이 더욱 효과적인데, 종래에는 전력을 비축하는 대표적인 방법으로 터빈 회전날개(10) 및 발전기(80)를 작동하여 생산된 전기에너지를 축전기에 저장해놓는 방법이 사용되었다. 그렇지만 전기에너지를 저장해 놓고 사용하지 않는 상태에서는 많은 양의 전기에너지를 단순히 축전기에 저장만 해 놓을뿐, 이를 이용하지는 못하였다. 또한, 축전기의 축전 용량은 미리 정해진 크기가 존재하기 때문에 많은 양의 전기에너지를 저장하기 위해서는 축전기의 크기가 계속해서 커져야 하며, 부지 선정의 어려움 및 과다한 설치 비용과 같은 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 도 22 에서 보는 것과 같이 발전되 는 전기 에너지를 곧바로 얻기 위해 발전기(80)를 사용하며, 또한 전기 에너지의 단가가 싼 시점에서는 이를 바로 팔지 않고 저장해 두엇다가 전력 소모가 많은 시간대 또는 전력 매입 가격이 가장 비싼 시점에 팔게 되면 더욱 좋은 효과를 볼 수 있다. 따라서 이와 같은 공기압축 컴프레서(91), 압축공기 탱크(92) 및 공압엔진(93)이 더 부착되어 작동하는 풍력발전 시스템을 생각해 볼 수있다.

공기압축 컴프레서(91)를 사용하면 축전기를 사용할 때와는 달리 크기의 제한이 없으며, 더욱 많은 전기에너지를 저장하여야 할 경우에는 더욱 높은 압력으로 공기를 압축하면 되므로 실용적이고 이용하기에 간편하다. 이후 전력이 더 필요할 때에는 미리 저장된 고압의 압축공기로 공압엔진(93)을 작동하여 전력을 생산함으로써 유용하게 사용할 수 있다. 공압엔진(93)은 압축된 공기의 팽창력을 에너지원으로 하여 압축 공기를 동력 매체로 구동되는 기관으로 흡입 및 배기의 2행정 사이클로 이루어지며, 압축공기를 연료로 사용하므로 대기 오염이 없는 무공해 엔진이다. 특히 공압 엔진은 낮은 엔진 회전수(60rpm)에서도 엔진이 멈추지 않고 가동될 수 있고, 흡입 및 배기의 2행정으로 크랭크 축1회전(360°)에서 구동되기 때문에 기존의 가솔린 또는 디젤 엔진보다 2배 이상의 힘을 얻을 수 있다. 뿐만 아니라, 공압엔진(93)을 사용하면 일정한 회전속도를 가지는 일정한 출력을 얻을 수 있기 때문에, 증속장치 등을 설치하지 않고서도 전기에너지로써 많이 사용되는 일정한 주파수(60Hz)를 갖는 교류전력을 생산하는데 훨씬 경제적이며 유리하다.

또한, 공기를 압축할 때 생기는 약 220℃ 이상의 고온 열에너지를 열교환기를 통하여 난방 등에 이용하는 등 부차적인 단계를 통하여 각종 에너지를 생산하여 풍력발전 시스템을 더욱 효율적으로 사용할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도 1 은 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개의 형상을 나타낸 평면도이다.

도 2 는 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개의 형상을 나타낸 사시도이다.

도 3 은 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개에 바람이 유입되는 경우 각각의 회전날개가 받는 토크를 나타낸 평면도이다.

도 4 는 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개에 바람이 유입되는 경우 하나의 회전날개에 생기는 공기의 흐름을 나타낸 평면도이다.

도 5 는 다수의 회전날개를 포함하는 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개의 형상을 나타낸 평면도이다.

도 6 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개에 대한 평면도이다.

도 7 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개에 대한 사시도이다.

도 8 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개에 바람이 유입되는 경우 회전날개에 생기는 공기의 흐름을 나타낸 평면도이다.

도 9 는 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 꺾인선 형상을 가지는 터빈 회전날개에 대한 평면도이다.

도 10 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 꺾인선 형상을 가지는 터빈 회전날개에 대한 사시도이다.

도 11 은 본 발명인 집풍 장치의 집풍 압축판을 닫은 상태의 모습을 나타낸 평면도이다.

도 12 는 본 발명인 집풍 장치의 집풍 압축판을 열은 상태의 모습을 나타낸 평면도이다.

도 13 은 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개에 본 발명인 집풍 장치를 더 포함하는 것을 나타낸 평면도이다.

도 14 는 종래 수직축 발전기에 사용되는 터빈 회전날개에 본 발명인 집풍 장치를 더 포함하는 것을 나타낸 사시도이다.

도 15 는 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개에 본 발명인 집풍 장치를 더 포함하는 것을 나타낸 평면도이다.

도 16 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개에 본 발명인 집풍 장치를 더 포함하는 것을 나타낸 사시도이다.

도 17 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 꺾인선 형상을 가지는 터빈 회전날개에 본 발명인 집풍 장치를 더 포함하는 것을 나타낸 평면도이다.

도 18 은 본 발명인 수직축 발전기에 사용되는 꺾인선 형상을 가지는 터빈 회전날개에 본 발명인 집풍 장치를 더 포함하는 것을 나타낸 사시도이다.

도 19 는 본 발명인 소정의 굴곡 형상을 가지는 터빈 회전날개를 회전축에 연결하고 상하 고정판을 제거한 모습을 나타낸 사시도이다.

도 20 은 본 발명에 따른 터빈 회전날개와 집풍 장치를 가지는 수직축 풍력 발전기를 상하로 적층한 모습을 나타낸 사시도이다.

도 21 은 본 발명에 따른 터빈 회전날개와 집풍 장치를 가지는 수직축 풍력발전기를 상하로 적층하였을 때, 이를 지지하는 구조물을 나타낸 사시도이다.

도 22 는 본 발명에 따른 터빈 회전날개와 집풍 장치를 가지는 수직축 풍력발전기 및 공기압축 컴프레서, 압축공기 탱크, 공압엔진을 나타낸 사시도이다.

도 23 내지 27 은 본 발명에 따른 터빈 회전날개의 회전속도를 측정하는 과정을 나타낸 실험도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 회전날개 20 : 회전자

21 : 회전축 22 : 고정판

30 : 안내익 40 : 집풍 장치

41 : 하우징 42 : 집풍 압축판

43 : 집풍 장치 고정 레일 50 : 플라이휠

60 : 꼬리날개 70 : 타워

71 : 고정축 80 : 발전기

90 : 공기 저장 장치 91 : 공기압축 컴프레서

92 : 압축공기 탱크 93 : 공압엔진

Claims

회전축이 수직으로 위치한 수직축 풍력발전 터빈, 발전기 및 타워를 이용하는 수직축 풍력발전 시스템에 있어서,

터빈 내부로 유입되는 바람에 의하여 항력을 발생시키고, 발생된 항력을 터빈에 전달하여 상기 회전축(21)을 중심으로 회전할 수 있는 회전날개(10);

상기 회전축(21)을 포함하며 상기 회전날개(10)의 상부 및 하부면에 결합되어 상기 회전날개(10)가 회전할 수 있도록 하는 고정판(22)으로 구성되는 회전자(20);

상기 회전날개(10)를 향하여 바람이 유입되는 앞쪽에 위치하며, 일측 끝단은외부의 집풍 압축판(42)에 맞닿아 결합되고 타측 끝단은 하우징(41) 직경의 1/4 위치까지 연장되어 바람의 흐름을 제한하도록 구성되어, 상기 풍력발전 터빈 직경의 3/4 으로 바람이 유입되도록 하여 유입되는 바람의 속도를 높여주고 바람이 통과하는 방향을 조절하는 2개의 안내익(30);

상기 회전날개(10), 고정판(22) 및 회전축(21)을 감싸는 직사각형 형태로 구성되어 일측면으로는 바람이 유입되고 타측면으로는 바람이 유출될 수 있도록 이루어진 하우징(41), 상기 회전날개(10)를 향하여 바람이 유입되는 지점의 앞쪽에 위치하고 입구의 직경이 상기 하우징(41)의 직경보다 상대적으로 더 넓은 깔때기 형상으로 이루어지며 각각의 판의 중심에는 회전할 수 있는 회전축을 가지고 있는 폭이 좁은 다수의 판이 겹쳐진 형태로 구성되어 바람의 세기에 따라 각각의 판이 개폐가능하도록 이루어진 집풍 압축판(42), 상기 하우징(41)의 외측 상하부에 고정 결합되어 있는 원형의 집풍 장치 고정 레일(43), 상기 집풍 장치 고정 레일(43)을 감싸는 형태로 이루어지며 내부에 위치한 볼베어링의 회전을 통하여 상기 집풍 장치 고정 레일(43) 위를 미끄러지도록 결합되어 바람이 불어오는 방향을 향하여 각각 회전 가능하도록 하는 결합부를 포함하는 집풍 장치(40);

상기 고정판(22) 및 회전축(21)의 외측에 결합하여 상기 회전날개(10)의 회전 관성을 일정하게 유지하여 주는 원판형태의 플라이휠(50);

상기 집풍 압축판(42)이 위치한 반대편에 위치하여 상기 하우징(41)의 외측에 결합 고정되고, 그 끝단이 상기 하우징(41)으로부터 각각 양쪽으로 점차 벌어지는 형상으로 이루어지며, 바람을 받을 수 있도록 끝단으로부터 전체 길이의 1/2 까지 폐쇄된 구조로 이루어져 상기 집풍 장치(40)가 바람이 불어오는 방향을 향할 수 있도록 하는 꼬리날개(60); 및

상기 풍력발전 터빈 및 집풍 장치(40)가 하나의 타워(70)에 상하로 여러개가 적층될 수 있도록 상기 타워(70)를 중심으로 각각의 고정판(22) 둘레를 따라 위치하며, 상부 고정판(22) 및 하부 고정판(22) 각각을 수직 방향으로 연결하여 그 적층 구조를 유지할 수 있도록 하는 다수의 고정축(71)을 포함하여 이루어지며,

상기 회전날개(10)는 상기 고정판(22)의 외측 둘레로부터 내측 중앙에 위치한 회전축(21)을 향하도록 소정의 굴곡 형상을 가지고 동일한 간격을 유지하며 형성되어 있고, 상기 고정판(22)의 외측 둘레를 따라서 상기 고정판(22) 직경의 일부분에만 상기 회전날개(10)가 형성되어 터빈 내부로 바람이 관통할 수 있는 내부공간을 가지는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 시스템.
제 1 항에 있어서,

상기 회전날개(10), 회전자(20), 안내익(30) 및 집풍 장치(40)는 에어로겔(aerogel) 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 시스템.
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