KR100981839B1

KR100981839B1 - 풍력발전용 수직축 터빈 블레이드

Info

Publication number: KR100981839B1
Application number: KR1020100022743A
Authority: KR
Inventors: 안대광
Original assignee: 안대광
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2010-09-13

Abstract

본 발명은 균일한 회전력을 가지며, 블레이드 회전에 저항으로 작용하는 와류나 블레이드 사이의 압력을 제거할 수 있는 수직축 풍력 발전 장치의 블레이드 구조를 제공하고자 하는 것으로, 본 발명에 따른 수직축 풍력 발전 장치는 상기 수직축 풍력발전의 발전기의 회전자에 연결되어 있는 샤프트; 적어도 둘 이상의 블레이드가 일체로 형성되며 상기 블레이드의 중심축에 상기 샤프트가 끼워지는 샤프트 채결공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하며, 한편 상기 둘 이상의 블레이드는 상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 180도의 회전각의 나선형으로 서로 대향하여 형성되며 상기 적어도 둘 이상의 블레이드는 상하부가 각각 90도의 회전각으로 휘어져 있으며 그 종단부가 형성하는 각이 180도인 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전용 수직축 터빈 블레이드{Vertical axis turbine blade for wind power generation system}

본 발명은 바람 에너지를 이용하여 에너지를 생성하는 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 구체적으로 상기 풍력 발전 장치에서 바람의 운동 에너지를 터빈의 회전에너지로 변환하기 위한 터빈 블레이드에 관한 것으로 상기 터빈을 지면에 대해 수직축으로 형성하고 상기 터빈에서의 양력 형성이 극대화되어 에너지 변환 효율을 높일 수 있도록 한다.

일반적으로 풍력발전시스템은 자연의 바람 에너지를 기계 에너지로 변환시켜 발전하는 것이다.

즉, 상기 풍력발전시스템은 바람이 많이 부는 장소에 설치하여 상기 바람을 유입함은 물론 유입된 바람의 힘으로 터빈을 회전시켜 동력 및 전기가 발생되도록 하는 것이다.

상기 풍력발전시스템으로는, 바람의 힘에 의해 회전하는 복수개의 회전날개가 방사상형태로 결합된 형태 또는, 바람과의 접촉면을 넓힌 복수개의 블레이드가 결합된 형태 등 다양한 형태를 갖는다.

또한, 풍력발전시스템은 동력 및 전기를 발생시키기 위해 바람에 의해 회전하는 터빈의 형태 및 회전방향, 설치 위치에 따라 수평형 및 수직형으로 구분된다.

상기 풍력발전시스템은 외부에서 유입되는 바람이 상기 터빈에 결합된 복수개의 회전날개 또는, 블레이드와 접촉되어 상기 각 회전날개 또는, 블레이드를 밀어줌에 따라 상기 터빈은 축을 중심으로 하여 회전한다.

상기 축을 중심으로 회전하면서 발생되는 상기 터빈의 회전력은 풍력발전시스템의 발전기로 전달되고, 상기 발전기에서는 터빈의 회전력을 자기력으로 변환하여 동력 및 전기를 발생한다.

한편, 풍력발전시스템으로 유입되는 바람의 양과 토출되는 바람의 양이 동일하여야만 질량보전법칙이 성립하지만, 토출되는 바람의 속도 및 방향에 따라 상기 풍력발전시스템의 효율이 결정된다.

즉, 수평축 방식의 풍력발전시스템은 도 1에서 도시한 바와 같이 상기 풍력발전시스템으로 유입되는 바람의 면적(A1)과 로터(10) 면적 (A2)이 서로 다르므로 로터 면적과 유입 면적과의 차이에 해당하는 에너지는 미활용되어 상기 풍력발전시스템의 효율을 최대화할 수 없다.

또한, 풍력발전시스템으로 바람이 유입되는 면적(A1)보다 토출되는 면적(A3)이 넓어 바람의 유입속도와 토출속도의 차이로 인해 상기 풍력발전시스템에서 로터(10)를 통한 운동량 전달이 일어나나, 바람의 유한한 토출속도로 인하여 이 운동량 전달이 최대로 발생하지 못하므로 상기 풍력발전시스템의 효율은 저하된다.

여기서, 상기 수평축 풍력발전시스템의 효율을 계산하면,

바람 에너지:

이고,

기계 에너지:

상기 수평축 풍력발전시스템의 효율(Efficiency)은 기계 에너지/바람 에너지 값으로서, 상기 수평축 풍력발전시스템의 효율은

로 이미 널리 알려진 베츠(BETZ)이론에 의해 상기 수평축 풍력발전시스템의 효율은 최대 60%정도에 불과하다.

여기서, 상기 ρ는 공기 밀도이고, A1는 로터 상류 바람 유선의 입구 면적이며, A=A2는 로터 면적이고, A3는 출구 면적이며, U1는 입구 속도이고, U2는 로터 속도이며, U3는 출구 속도이다.

그러므로, 최근에는 상기 풍력발전시스템의 효율을 높이기 위해 유입되는 로터 상류 바람의 면적(A1)과 로터 면적 (A2)을 가능한 같도록 하며 토출되는 바람의 속도를 줄여서 최대한 바람에너지를 회수하도록 하는 수직축 형태의 풍력발전시스템이 보급, 설치되는 추세이다.

상기의 수직축 풍력발전시스템은 도 2에서 도시한 바와 같이, 터빈(20)에 복수개의 블레이드(21)가 설치되어 있는 것으로서, 상기 풍력발전시스템의 외부로부터 유입되는 바람은 상기 바람의 유입방향과 직교되는 상태의 회전축에 결합된 상기 터빈(20)에 복수개의 각 블레이드(21) 면과 접촉됨은 물론 상기 유입되는 바람의 힘에 의해 각 블레이드(21)가 회전한다.

그럼에 따라, 상기의 터빈(20)은 축을 중심으로 하여 회전되고, 상기 회전하는 터빈(20)의 회전력에 의해 발전기에서는 이를 변환하여 전기 및 동력을 발생시킨다.

이러한 수직축 풍력발전시스템은 도 3에서 도시한 바와 같이, 바람이 유입되는 입구 면적(A1)과 상기 바람이 토출되는 토출 면적(A3)은 거의 동일하나, 상기 입구 면적(A1)은 로터 면적(A2)에 비해 너무 작다.

즉, 상기 입구 면적(A1)은 로터 면적(A2)의 약 2/3정도로 형성되어 있음으로써, 바람의 유선 현상에 따른 효과에 의해 수평축 풍력발전시스템에서와 같이 높은 효율을 얻을 수 없다.

다시 말해, 상기 수직축 풍력발전시스템의 효율(Efficiency)은 기계 에너지/바람 에너지 값으로서, 상기 입구면적(A1)과 로터 면적(A2)이 동일하게 형성하여 입구 면적을 최대화하고, 회전축에 수직한 평면에서의 토출 속도(U3)를 줄이기 위해서는 토출방향을 회전축에 수직한 평면 내가 아닌 회전축 방향이 되도록 하여 상기 수직축 풍력발전시스템의 효율을 최대화할 수 있다.

그러나, 종래의 수직축 풍력발전시스템의 구조적인 문제로 인해 상기 입구 면적과 로터 면적을 동일하게 형성하지 못함은 물론 상기 입구 면적을 최대화하기 어려울 뿐만 아니라 회전축에 수직한 평면에서의 토출 속도(U3)를 낮출 수 없음에 따라 상기 수직축 풍력발전시스템의 효율을 최대화할 수 없는 문제점이 있었다.

그러나, 터빈으로 유입되는 바람의 방향과 상기 터빈의 각 블레이드가 직교되는 상태로 형성되어 있음으로써, 상기 터빈의 상, 하부를 통해 빠져나가는 바람의 양이 미약함은 물론 반경방향에서 축방향으로 이동하면서 한개의 곡률반경을 갖는 날개위로 이동하므로 충분한 양력을 발생시키지 못한다.

그럼에 따라, 상기 터빈의 후방으로 빠져나가는 바람의 토출 속도(U3)는 동일한 로터 면적 하에서 낮출 수 없고, 또한 회수되지 않은 바람의 토출량이 많음에 따라 터빈로터의 토크 및 회전속도가 저하되므로 인해 상기 수직축 풍력발전시스템의 효율을 최대로 얻을 수 없다.

또한, 터빈의 각 블레이드를 밀어주는 바람이 상기 터빈의 상, 하부 및 후방으로 채 완전히 빠져나가지 못한 상태에서 바람이 다시 터빈 로터로 유입됨에 따라 상기의 각 블레이드 사이에는 남아 있는 바람과 유입되는 바람이 서로 충돌하면서 상기 각 블레이드 사이에서 삼차원 와류현상이 발생되므로 인해 상기 터빈의 출력이 줄어듦은 물론 이로 인해 수직축 풍력발전시스템의 효율 및 성능이 저하되는 문제점도 있었다.

도 2는 종래기술에 따른 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로 한국등록특허(10-0895038, 등록일: 2009.04.20)에는 본 발명은 유입되는 바람의 힘에 의해 중심축(110)을 중심으로 회전하도록 프레임(210)과 블레이드막(220)으로 이루어진 복수개의 블레이드(200)가 결합된 터빈(100)이 구비된 수직축 풍력발전시스템에 있어서, 상기 터빈(100)의 각 블레이드(200)는 상기 각 블레이드(200)를 밀어주는 바람을 상기 터빈(100)의 외부로 배출하기 위해 상기 바람의 흐름을 안내하도록 일정각도로 굴곡된 스윕(Sweep)부(230)를 형성하거나 또는, 상기 터빈(100)의 각 블레이드(200)를 밀어주는 바람의 흐름을 안내하기 위하여 상기 각 블레이드(200)의 상부에서 하부로 갈수록 트위스트(Twist) 형태로 굴곡 형성되도록 상기 각 블레이드(200)의 하부는 상기 각 블레이드(200)의 상부 위치로부터 일정 피치(Pitch)만큼 이동된 위치에 형성하고, 상기 터빈(100)의 중심축(110)에 각 블레이드(200)를 각각 결합하도록 하는 블레이드 결합수단이 구성되어 터빈에 손쉽고 용이하게 각 블레이드 결합 작업에 따른 작업 효율성이 향상됨과 함께 상기 터빈의 회전력을 높임에 따라 상기 터빈의 효율이 향상 및 바람의 유입면적을 최대화하면서 토출속도를 최소화하므로 인해 상기 수직축 풍력발전시스템의 효율을 최대화하여 풍력발전시스템의 성능이 향상되도록 하는 것이 개시되어 있다.

그러나 상기와 같이 터빈의 외부로 배출하기 위해 상기 바람의 흐름을 안내하도록 일정각도로 굴곡된 스윕(Sweep)부 또는, 상기 터빈의 각 블레이드를 밀어주는 바람의 흐름을 안내하기 위하여 상기 각 블레이드의 상부에서 하부로 갈수록 트위스트(Twist) 형태로 굴곡 형성되도록 하부와 상부가 일정 피치를 가지며 이를 터빈의 중심축에 각 블레이드를 각각 결합하도록 하는 구조 역시 블레이드와 터빈의 결합되는 공간에서 형성되는 와류의 작용에 의해 블레이드의 회전력이 저하되며, 한편 블레이드를 터빈에 결합하기 위해 별도의 결합부를 구비하는 것은 블레이드가 고속으로 회전하는 경우 원심력에 의해 결합부가 분리될 위험성이 상존한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 블레이드가 일정한 조건하에서 균일한 회전력을 가지도록 하는 수직축 풍력 발전 장치의 블레이드 구조를 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 종래의 수평축 또는 수직축 풍력 발전 장치의 블레이드 구조에서 블레이드의 회전에 대한 저항력으로 작용되는 와류나 공기의 축적에 의한 압력의 발생을 최소화할 수 있는 수직축 풍력 발전 장치의 블레이드 구조를 제공하고자 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치는 상기 수직축 풍력발전의 발전기의 회전자에 연결되어 있는 샤프트; 적어도 둘 이상의 블레이드가 일체로 형성되는 블레이드 세트의 중심축에 상기 샤프트가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하며, 한편 상기 둘 이상의 블레이드는 상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 180도의 나선 회전각으로 서로 대향하여 형성되며 상기 적어도 둘 이상의 블레이드는 상하부가 각각 90도의 나선 회전각으로 휘어져 있으며 그 종단부가 형성하는 나선 회전각이 180도인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 각각의 블레이드의 받음면의 소정의 위치에 소정의 반지름을 가지는 기압융기 또는 기압턱이 형성되어 있으며, 상기 각각의 블레이드 세트의 중심축과 상기 각 블레이드의 중심축 사이의 소정 위치에서 받음면에 형성되거나, 상기 기압턱 또는 기압융기는 상기 각 블레이드의 중심축에서 받음면에 하나로 형성되거나, 상기 기압턱 또는 기압융기는 상기 각각의 블레이드 세트의 중심축에서 각 블레이드의 받음면의 종단부까지 균일한 간격으로 적어도 둘 이상 형성되거나 상기 각각의 블레이드의 받음면의 중심축에서 각 블레이드의 종단부까지에 동일한 개수와 균일한 간격으로 적어도 둘 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치는 상기 수직축 풍력발전의 발전기의 회전자에 연결되는 육각 샤프트; 적어도 둘 이상의 블레이드가 일체로 형성되는 블레이드 세트가 n개 구비되어 있으며, 상기 블레이드 세트의 중심축에 상기 육각 샤프트가 끼워져 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 n개의 블레이드 세트의 각 블레이드는 상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 180/n도의 나선 회전각으로 서로 대향하는 것을 특징으로 하며, 또는 상기 n개의 블레이드 세트의 각 블레이드는 상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 (180)*(각 블레이드 수직 길이/전체 블레이드의 수직길이)도의 나선 회전각으로 서로 대향하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 수직축 풍력 발전 장치에서의 블레이드는 적어도 둘 이상의 블레이드가 대칭적으로 구조로 되어 있어 각 블레이드 간의 풍력이 균일하게 작용하며 이에 따라 일정한 속도의 블레이드의 회전을 얻을 수 있으며 이는 발전기가 일정한 주파수의 전기를 생산할 수 있도록 하며, 이에 따라 발전기에서 생성된 전기를 일정한 주파수의 전기로 변환하기 위한 부가적인 구성을 최소화할 수 있다.

뿐만 아니라 종래의 수평축 또는 수직축 풍력 발전 장치의 블레이드에서 발생되는 와류나 블레이드 사이의 공간에 축적되는 공기에 의해 생성되는 압력에 의한 저항력을 제거하여 동일한 풍력에 대해 더 높은 회전력을 얻을 수 있으며 이는 발전기에 의한 전기의 생산성을 향상시키는 장점을 가지게 되는데 이는 더 적은 설비로 동일한 양의 전기를 생산할 수 있게 하는 이점을 가진다.

도 1은 종래기술에 따른 수직축 풍력 발전 장치의 세부 구성도이다.도 2는 종래기술에 따른 다른 수직축 풍력 발전 장치의 세부 구성도이다.도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 사시도 및 단면도이다.도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 정면도이다.도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 사시도 및 단면도이다.도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 정면도이다.도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 사시도 및 단면도이다.도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 정면도이다.도 9는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 블레이트 세트가 분리되어 있는 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 구조도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 수직축 풍력 발전 장치에서의 블레이드 구조에 관하여 도면을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 사시도, 단면도 및 정면도이다.

도 3과 도 4에 도시된 블레이드는 가압융기가 블레이드 세트의 중심축과 블레이드의 중심점의 사이에서 블레이드의 받음면에 소정의 반지름을 가지도록 형성한 것이다.

먼저 도 3을 참고하여 본 발명에 따른 수직축 풍력 발전 장치에서의 블레이드의 구조를 자세히 설명하도록 한다.

도 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 블레이드(310, 320)는 각 블레이드(310, 320)가 나선형으로 휘어져 있는 구조를 가지고 있으며 각 블레이드(310, 320)가 분리되는 구조가 아니라 일체로 형성되는 구조를 가지고 있으며 상기 적어도 둘이상의 블레이드(310, 320)로 구성되는 블레이드 세트의 중심축(330)에는 발전기의 회전자(미도시)에 연결되어 있는 샤프트(미도시)가 상기 두개의 블레이드(310, 320)로 구성되는 블레이드 세트의 중심축(330)에 일체로 형성되어 있다.

한편 각 블레이드(310, 320)의 나선 회전각은 각각 180도로 블레이드(310, 320) 상부와 블레이드(310, 320) 하부가 180도의 각을 이루도록 휘어져 있으며, 각 블레이드(310, 320)는 중심축에서부터 종단부로 갈수록 그 두께가 얇아지도록 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 블레이드(310, 320)는 원통을 반으로 잘라 상부와 하부를 중간점을 중심으로 90만큼 비튼 것과 동일한 형상으로 이해될 수 있다.

한편 상기와 같이 형성되는 본 발명에 따른 블레이드(310, 320)는 풍향에 대해 동일한 방향으로 회전하는 받음면(311, 321)과 상기 풍향에 대해 반대의 방향으로 회전하는 저항면(312, 322)을 가지고 있다. 한편 상기 받음면(311, 321)에는 상기 저항면(312, 322)과 다른 기압을 유도할 수 있도록 기압융기(313, 323)가 상기 받음면(311, 321)의 일측에 형성된다.

구체적으로 상기 기압융기(313, 323)는 상기 블레이드 세트의 중심축(330)과 각 블레이드의 중심축의 사이에 소정의 반지름을 가지도록 받음면(311, 321)에 돌출형성한다.

상기와 같은 구성에 따라 본 발명에 따른 블레이드(310, 320)가 샤프트를 중심으로 바람의 운동에너지에 의해 회전하게 되는데 받음면(311, 321)에 형성된 기압융기(313, 323)에 의해 받음면(311, 321)과 저항면(312, 322)에서 기압차가 발생하게 되는데 이에 따라 기압융기(313, 323)가 없는 경우보다 더욱 빠르게 회전하게 된다. 이때 기압은 저항면(312, 322)이 받음면(311, 321)보다 높아지게 되는데 그 이유는 저항면(312, 322)에서는 바람이 통과되지 못하고 저항면(312, 322)을 따라 이동하게 되나 받음면(311, 321)에서는 바람이 받음면(311, 321)을 통과되기 때문에 공기의 밀도가 저항면(312, 322)에서 받음면(311, 321)보다 더 높기 때문이다.

한편 저항면(312, 322)에 축적되는 공기는 상부 또는 하부를 통해 빠져나가게 되며 공기가 빠져나가는 방향이 블레이드(310, 320)의 회전방향과 같으므로 저항면(312, 322)의 기압은 블레이드의 회전에 상승작용을 일으키게 된다. 이에 따라 저항면(312, 322)이 바람을 받게 될 때 블레이드(310, 320)의 회전을 방해하고자 하는 힘은 상당히 줄어들게 된다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 사시도, 단면도 및 정면도이다.

상기 도 5와 도 6에 따른 블레이드는 도 3 및 도 4에 따른 본 발명에 따른 블레이드와 비교할 때, 도 3과 도 4의 기압융기가 기압턱으로 변경됨에 특징이 있다.

구체적으로 상기 도 3과 도 4의 기압융기(313, 323)는 블레이드 세트의 중심축(330)과 각 블레이드의 중심축 사이에 소정의 반지름을 가지도록 블레이드(310, 320)의 받음면(311, 321)에 융기되어 있으며 받음면(311, 321)에서 융기되어 있는 구조가 중심축에서 연장되는 부분과 종단부에서 연장되는 부분이 동일한 지름축에서 연결되는 구조이나, 도 5와 도 6에 따른 기압턱(이하 편의를 위해 ‘기압융기’라 함)(513, 523)은 블레이드(510, 520)의 받음면(511, 521)을 따라 각 블레이드(510, 520)의 중심축에서 형성되는 것과 블레이드 세트의 중심축(도면부호 미포함)에서 연장되는 부분과 블레이드 종단부에서 연장되는 부분이 서로 지름축을 가지도록 함에 특징이 있다.

상기와 같은 구조는 바람에 대하여 받음면(511, 521)에서 더욱 강한 걸림 효과를 가지도록 하는 것으로 상기 기압융기가 받음면(511, 521)에서 완만한 곡선을 가지도록 형성되는 것에 비해 상기 기압융기(513, 523)은 종단부에서 연장되는 부분은 완만하게 연결되나 중심축에서 연장되는 부분은 기압턱 내측으로 예각을 가지도록 형성하여 공기가 상기 중심축에서 연장되는 부분에서 더욱 밀집되도록 하여 더욱 강한 회전력을 가지도록 한다.

다만 상기와 같은 기압융기(513, 523)에 공기가 밀집됨에 따라 받음면(511, 521)에서 기압이 약간 상승하여 받음면(511, 521)과 저항면(512, 522)의 기압차를 낮추는 작용을 하게 되어 이에 따른 일부 회전력의 손실을 가질 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드의 사시도, 단면도 및 정면도이다.

상기 도 7과 도 8에 따른 블레이드(710, 720)는 상기 도 3과 도 4에 따른 기압융기(313, 323)와 상기 도 5와 도 6에 따른 기압턱(또는 기압융기)의 장점을 혼용한 것으로 기압융기(713, 723)의 형상은 돌추부분이 완만하게 형성되도록 하며, 그 형성 위치를 각 블레이드 받음면(711, 721)에 균일한 간격으로 적어도 둘 이상으로 형성함에 특징이 있다.

상기 도 7과 도 8에 따른 블레이드에서 상기 복수의 기압융기(713, 723)는 도 5와 도 6에서 설명한 바와 같이 받음면(711, 721)에서 상기 기압융기 부분에서 바람이 부딪히는 면적을 증가시켜 기압융기(713, 723)가 형성되지 않은 구조에 비해 더 많은 회전력을 얻을 수 있다.

다만 상기와 같은 기압턱에 공기가 밀집됨에 따라 받음면(711, 721)에서 기압이 약간 상승하여 받음면(711, 721)과 저항면(712, 722)의 기압차를 낮추는 작용을 하게 되어 이에 따른 일부 회전력의 손실을 가질 수 있다.

그러나 상기 도 5와 도 6의 블레이드 구조와 비교하여 상대적으로 완만한 형상으로 받음면(711, 721)에 형성됨에 따라 연장면에서 공기의 축적이 상대적으로 적어지므로 받음면(711, 721)에서의 압력 상승은 적어지게 된다.

한편 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직축 풍력 발전 장치 블레이드 구조로서, 특히 블레이트 세트(930, 940, 950, 960)가 분리되어 있는 수직축 풍력 발전 장치 블레이드(910, 920)의 구조도이다.

도 9에 따른 수직축 풍력 발전 장치의 블레이드는 도 3에서 도 8에 따른 블레이드 구조와 비교할 때, 전체 블레이드가 소정 개수의 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)로 분리된다는 점에서 차이가 있다. 그러나 각각의 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)가 차례로 연결되면 동일한 구조를 가진다는 면에서는 동일한다.

구체적으로 각 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)가 차례로 연결되어 하나의 완성된 형태의 블레이드로 되었을 때 상단부 블레이드의 종단부와 하단부의 블레이드 종단부가 형성하는 나선 회전각은 180도이며 이를 위해 블레이드는 회전형 나선구조로 되어 있다.

한편 각 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)간에는 각 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)의 길이만큼의 나선 회전각으로 상단부와 하단부가 나선 회전각을 형성한다.

일 예로 각 블레이드 세트가 동일한 수직 길이를 가진다고 가정하고, 블레이드 세트가 총 n개로 구성되어 있다고 하면, 각 블레이드 세트의 상단부와 하단부가 형성하는 나선 회전각은 180도를 n등분한 값이 된다.

예를 들어 도9에서와 같이 전체 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)가 5개라고 하면, 각 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)의 블레이드 종단면이 형성하는 나선 회전각은 180/5=36도가 된다. 따라서 최상단부 블레이드 세트(930)를 기준으로 2번째 블레이드 세트(940)와는 36도의 나선 회전각을, 4번째 블레이드 세트(960)와는 144도의 나선 회전각을 가지게 된다.

다른 예로 각 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)의 수직 길이가 서로 다르다고 가정하면, 전체 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)의 나선 회전각은 180도로 일정하므로 이 경우 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)의 각 수직 길이에 비례하여 블레이드 나선 회전각을 형성하는 것이 바람직하므로 각 블레이드 세트(930, 940, 950, 960)가 형성하는 나선 회전각을 각 블레이드 세트의 수직길이에 비례하도록 할 수 있다.

예를 들어 전체 블레이드 세트의 수직길이를 X라고 블레이드 세트가 5개라고 하자.

이 때 각 블레이드 세트의 길이를 순차적으로 X1, X2, X3, X4, X5라고 하면 X=X1+X2+X3+X4+X5의 관계가 성립한다.

이를 바탕으로 각 블레이드가 형성하는 회전각은 180*(각 블레이드의 수직길이/전체 블레이드의 수직길이)도가 된다. 이를 1번째 블레이드 세트(930)에 적용하면 1번째 블레이드 세트(930)가 형성하는 나선 회전각은 180*(X1/X)도이다.한편 1번째 블레이드 세트(930)와 4번째 블레이드 세트(960)가 형성하는 나선 회전각의 차이는 180*((X1+X2+X3)/X)도가 된다.

참고로 도 9에서 5번째 블레이드 세트는 구조의 이해의 편의를 위해 생략되었다.

상기와 같이 본 발명에 따른 블레이드는 상부와 하부가 동일한 길이를 가지고 대칭적으로 구성되어 있으므로 바람의 풍력 에너지가 항상 적어도 하나의 블레이드의 받음면에 작용하게 된다. 이에 따라 풍력 에너지가 항상 작용하게 되며 이는 발전기의 측면에서 회전자가 지속적으로 균일하게 회전되도록 하는 효과를 가지게 된다.

이는 통상적인 수평축 풍력 발전 장치에서 발생되는 블레이드 사이의 공간으로 통과하는 바람의 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 블레이드에 통과하는 바람과 블레이드 사이를 통과하는 바람에 의한 회전력의 차이가 발전기에 회전자에 미치게 되면 이는 발전기에서 생성되는 전기의 주파수가 미세하게나마 변화되게 하며 따라서 이를 균일한 주파수의 전기로 변화시키기기 위해 별도의 정류장치를 구비하도록 하는 단점을 해결할 수 있게 해준다.

한편 본 발명에 따른 블레이드에서는 블레이드가 일체로 형성되어 블레이드 사이의 공간에서 공기의 축적이 없게 된다. 이는 상기 블레이드 사이의 공간에서 생성되는 와류에 의한 블레이드 회전력의 저하를 제거하게 해준다.

통상적으로 블레이드는 양면을 가지게 되는데 바람의 풍력이 받음면에서는 블레이드를 회전시키는 방향으로 작용하나 동시에 저항면에서는 블레이드의 회전력을 저하시키게 되는 통상적인 구조의 블레이드에서는 블레이드 사이의 와류 또는 공기의 축적에 의한 기압이 블레이드의 회전을 방해하는 힘이 관성의 법칙에 따라작용하게 되는데, 본 발명에서는 블레이드 사이의 공간이 제거되므로 와류의 형성이 블레이드 상단부 또는 하단부에서만 제한적으로 형성되며 블레이드 사이에서의 공기의 축적이 발생되지 않음에 따라 저항력이 최소화된다.

310, 410, 510, 610, 710, 810, 910: 제1블레이드311, 411, 511, 611, 711, 811, 911: 제1블레이드 받음면312, 412, 512, 612, 712, 812, 912: 제1블레이드 저항면313, 413, 413, 613, 713, 813: 제1블레이드 기압융기320, 420, 520, 620, 720, 820, 920: 제2블레이드321, 421, 521, 621, 721, 821, 921: 제2블레이드 받음면322, 422, 522, 622, 722, 822, 922: 제2블레이드 저항면323, 423, 423, 623, 723, 823: 제2블레이드 기압융기330: 블레이드 세트 중심축930: 제1블레이드 세트 940: 제2블레이드 세트950: 제3블레이드 세트 960: 제4블레이드 세트

Claims

수직축 풍력발전 장치에 있어서,
상기 수직축 풍력발전의 발전기의 회전자에 연결되는 샤프트;
상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 180도의 나선 회전각으로 서로 대향하고, 상하부가 각각 90도의 나선 회전각으로 휘어져 있으며 그 종단부가 형성하는 나선 회전각이 180도이며, 각각의 블레이드의 받음면의 소정의 위치에 소정의 반지름을 가지는 기압융기 또는 기압턱이 형성되어 있는 적어도 둘 이상의 블레이드가 일체로 형성되는 블레이드 세트의 중심축에 상기 샤프트가 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
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제1항에 있어서,
상기 기압융기는 상기 각각의 블레이드 세트의 중심축과 상기 각 블레이드의 중심축 사이의 소정 위치에서 받음면에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 기압턱은 상기 각 블레이드의 중심축에서 받음면에 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 기압턱은 상기 각각의 블레이드 세트의 중심축에서 각 블레이드의 받음면의 종단부까지 균일한 간격으로 적어도 둘 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 기압턱은 상기 각각의 블레이드의 받음면의 중심축에서 각 블레이드의 종단부까지에 동일한 개수와 균일한 간격으로 적어도 둘 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
제1항 및 제5항 내지 제8항 중 어느 한항에 있어서,
상기 수직축 풍력발전의 발전기의 회전자에 연결되는 육각 샤프트;
상기 적어도 둘 이상의 블레이드가 일체로 형성되는 블레이드 세트가 n개 구비되어, 상기 블레이드 세트의 중심축에 상기 육각 샤프트가 끼워져 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
제9항에 있어서,
상기 n개의 블레이드 세트의 각 블레이드는 상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 (180/n)도의 나선 회전각의 나선형으로 서로 대향하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.
제9항에 있어서,
상기 n개의 블레이드 세트의 각 블레이드는 상하부의 지름이 소정의 길이로 동일하고 내측에서 외측으로 블레이드의 두께가 얇아지며 (180)*(각 블레이드 수직 길이/전체 블레이드의 수직길이)도의 나선 회전각의 나선형으로 서로 대향하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전 장치.