KR101030705B1 - 가변 블레이드 수직축 풍력터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 지상에 수직으로 배치되는 수직축부; 상기 수직축부에 상기 수직축부를 기준으로 회전가능하게 마련되는 회전체부; 상기 회전체부에 회동가능하게 결합되어 상기 회전체부와 결합된 부분을 기준으로 수평 회전 및 회전이 가능하도록 마련되는 블레이드 축과, 상기 블레이드 축에 마련되는 블레이드 날개를 포함하는 블레이드부; 상기 회전체부에 탄성지지되며 마련된 전방 버팀쇠와, 상기 전방 버팀쇠와 이격된 후방 버팀쇠를 포함하여 상기 회전체부에 마련되되, 상기 블레이드 축의 수평 회전시 허용 회전각 내에서 수평 회전하도록 제어하도록 하는 수평 회전 제어수단; 상기 블레이드 축의 수평 회전시 상기 블레이드 날개와 지평면과의 각도 변경을 위한 상기 블레이드 날개의 회전을 가능하게 하는 회전 수단;을 포함함으로써, 블레이드가 바람의 역방향으로 회전하는 구간에서 블레이드 면의 각도를 바람의 방향과 평행하도록 변경하여 바람에 의한 저항을 최소화하고, 바람 강도의 변화가 심하거나 강풍 상황에서도 효율적이고 안정적인 가동이 가능한 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에 관한 것이다.

Description

가변 블레이드 수직축 풍력터빈{Vertical axis wind turbine}

본 발명은 블레이드 날개의 각도가 바람의 방향 및 블레이드의 회전위치에 따라 자동으로 조절되는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에 있어서, 블레이드가 바람의 역방향으로 회전하는 구간에서 블레이드 면의 각도를 바람의 방향과 평행하도록 변경하여 바람에 의한 저항을 최소화할 수 있는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에 관한 것이다.

현재 가장 많이 상용중인 풍력터빈은 수평축 형태의 풍력터빈이다. 그러나 수평축 풍력터빈은 블레이드의 회전방향과 직각으로 바람을 받아 견뎌야 하기 때문에 블레이드 날개의 견고성 확보를 위하여 고품질의 철강재와 단조기술 등 제조비용의 과다를 초래하고 있다. 뿐만 아니라, 블레이드 날개가 견딜 수 있는 일정 수준 이상의 강한 바람이 불 때에는 블레이드 날개를 접어 풍력터빈의 가동을 중단함으로써 풍력에너지가 가장 밀집되는 시간대에 풍력을 전혀 활용하지 못하는 상황이 초래된다.

한편, 수직축 풍력발전은 바람을 블레이드 날개면과 직각으로 받아 같은 바람의 세기에서 수평축 풍력터빈 대비 더 큰 회전력을 얻지만, 블레이드 날개의 회전방향이 수직축을 기준으로 한쪽은 바람 부는 것과 같은 순방향, 다른 쪽은 바람 부는 것을 거스르는 역방향으로서, 역방향 구간의 저항으로 인하여 효율성이 떨어진다.

상기한 문제점을 해소하기 위한 블레이드의 각도가 회전방향과 바람방향에 따라 변경되는 구조의 가변 블레이드 수직축 풍력터빈이 고안되었는데, 일본 공개특허공보 JP 2005-9473 (A 2005.1.13)에 제시되어 있다. 상기의 공보에 따르면, 블레이드 면의 각도 변경 축을 기준으로 블레이드의 바람 받는 면적을 달리하여, 바람과 블레이드의 회전 중인 위치에 따라 바람의 순방향 회전구간에서는 블레이드가 바람 부는 방향과 직각인 면을 이루게 하고, 바람의 역방향 구간에서는 평행면을 이루게 하는 구조이다.

종래의 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에서 블레이드 각도를 변경시키는 방법은 기본적으로 블레이드 면의 가변 축을 기준으로 바람을 받는 면적의 차이에 따라 블레이드 면의 각도를 변경하게 하는 데 그 방법으로 다음의 두 가지로 나누어 볼 수 있다.

첫 번째 방법은 상기 일본 공개특허공보에서와 같이, 풍력터빈의 수직축을 기준으로 바람의 역방향으로 블레이드가 회전하는 구간에서의 블레이드 면 각도를 변경하는 힘과 바람의 순방향으로 회전하는 구간에서의 블레이드 면 각도를 변경하는 힘을 연계하는 방법이고, 두 번째 방법은 각각의 블레이드가 독립적으로 가변되게 하는 방법으로서 상기 일본 공개특허공보에서 수직축을 기준으로 양측의 가변 축들을 연결하지 않고 독립적으로 구성하는 경우이다.

상기 두 가지 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫 번째 방법의 경우, 블레이드가 바람의 역방향으로 회전하는 구간에서는 항상 블레이드 날개가 바람 방향과 평행에 가까운 면을 이루고, 바람의 순방향으로 회전하는 구간에서는 항상 블레이드 날개가 바람의 방향과 직각에 가까운 면을 이룸에 따라, 바람이 강하게 분 직후에 바람이 약하게 불게 될 때 바람의 순방향 구간에서 블레이드의 회전속도가 오히려 바람의 속도보다 높아서 블레이드 면에 강한 공기저항을 받게 되고, 직전의 강한 바람에 의한 회전력을 잃어버리는 결과를 가져 온다. 따라서, 바람의 단속적이고 불규칙한 특성을 고려할 때 이는 효율성을 크게 떨어뜨리는 요인이 된다.

두 번째 방법의 경우, 블레이드 날개가 바람의 순방향 구간에서 바람의 속도가 블레이드의 회전속도보다 낮을 경우 블레이드 면이 바람의 방향과 평행에 가까운 면으로 변경되게 되나, 기본적으로 블레이드 면의 각도를 변경하고 그 면을 바람의 방향과 평행에 가까운 각도로 유지하기 위하여 블레이드 면이 바람의 힘을 일정 수준이상으로 받아야 하므로 블레이드의 회전에 상당한 수준의 저항으로 작용하게 되어 풍력 터빈의 효율은 그만큼 떨어지게 된다. 또한, 경제성 측면에서, 중심축에서 먼 구간의 블레이드 날개가 받는 힘에 견디기 위하여 블레이드 전 구간을 높은 수준의 기술과 품질이 요구되는 무거운 강재로 구성하는 것이 필수적이어서 비경제적이다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 블레이드가 바람의 역방향으로 회전하는 구간에서 블레이드 면의 각도를 바람의 방향과 평행하도록 변경하여 바람에 의한 저항을 최소화하고, 바람이 강하게 분 후 약하게 부는 단속적인 환경에서 풍력에너지의 활용을 최대화하며, 블레이드 축을 기준으로 블레이드 면의 면적의 차이로 인하여 블레이드 축에 기계적인 스트레스가 가중되는 문제점을 해소하고, 강풍 상황에서 풍력에너지 이용을 위한 조업을 계속하면서 풍력터빈의 안전성을 확보할 수 있는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 지상에 수직으로 배치되는 수직축부; 상기 수직축부에 상기 수직축부를 기준으로 회전가능하게 마련되는 회전체부; 상기 회전체부에 회동가능하게 결합되어 상기 회전체부와 결합된 부분을 기준으로 수평 회전 및 회전이 가능하도록 마련되는 블레이드 축과, 상기 블레이드 축에 마련되는 블레이드 날개를 포함하는 블레이드부; 상기 회전체부에 탄성지지되며 마련된 전방 버팀쇠와, 상기 전방 버팀쇠와 이격된 후방 버팀쇠를 포함하여 상기 회전체부에 마련되되, 상기 블레이드 축의 수평 회전시 허용 회전각 내에서 수평 회전하도록 제어하도록 하는 수평 회전 제어수단; 상기 블레이드 축의 수평 회전시 상기 블레이드 날개와 지평면과의 각도 변경을 위한 상기 블레이드 날개의 회전을 가능하게 하는 회전 수단;을 포함한다.

상기에 있어서, 상기 회전 수단은, 상기 블레이드 축에 설치되는 풀리와, 상기 풀리에 감겨지고, 일단이 상기 회전체부에 고정되는 와이어를 포함하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 회전 수단은, 상기 블레이드 축에 설치되는 피니언 기어와, 상기 회전체부와 상기 블레이드 축의 결합된 부분을 기준으로 한 원주를 따라 상기 회전체부에 마련되고 상기 피니언 기어와 치합하는 래크를 포함하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 회전 수단은, 상기 블레이드 축에 설치되는 레버와, 상기 회전체부에 회동가능하게 마련되는 실린더와, 일단은 상기 레버에 회동가능하게 연결되고, 타단은 상기 실린더의 피스톤 로드에 회동가능하게 연결되는 링크를 포함하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 회전체부가 회전함에 따라 상기 회전체부를 지지하고 회전 운동에너지를 저장하기 위하여 상기 회전체부의 원주 방향을 따라 원형림이 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명의 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

블레이드부와 회전체부를 별도로 구성하여 블레이드 날개가 받는 힘을 회전체 프레임의 회전을 위한 힘으로 전달하되, 블레이드 날개가 바람의 역방향 구간으로 운행하는 구간에서 바람의 저항을 최소화하기 위하여 블레이드 날개 면의 각도가 변경되는 동안에는 블레이드 축이 회전방향의 역방향으로 받는 바람의 힘이 회전체 프레임의 회전에 직접적인 저항으로 전달되지 않게 된다. 또한, 바람의 강도가 항상 일정하지 않고 단속적으로 변화하는 환경에서는, 블레이드 축이 바람의 순방향 구간을 회전하는 중에도 바람의 세기가 갑자기 약화되어 회전체 프레임의 회전속도가 오히려 바람의 힘을 받는 블레이드 날개의 회전속도보다 빠를 경우에는 블레이드 날개 면이 바람의 역방향 구간에서와 같이 바람 방향과 평행을 이루게 함으로써, 블레이드 축이 바람 방향을 기준으로 어느 구간을 회전하는 동안에도 항상 바람의 저항을 최소화하고, 바람 에너지의 이용을 최대화할 수 있다.

또한, 블레이드 날개 면의 각도 변경을 블레이드 날개와 회전체 프레임의 회전속도 차이에 따른 상대적인 위치 변화에 의존함으로써 블레이드 날개 면적을 블레이드 축을 기준으로 동일 면적으로 구성할 수 있게 되어 기계적인 스트레스가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 회전속도 안정용 추가 마련됨으로써, 바람의 강도가 낮을 때에는 회전속도가 용이하게 증가하고, 바람의 강도가 높은 순간의 바람 에너지를 운동에너지로 저장하여 바람의 강도가 낮은 순간에도 회전속도가 유지될 수 있도록 하여 풍력터빈의 회전속도를 보다 안정적으로 유지할 수 있게 한다. 따라서, 바람의 강도가 단속적으로 변화하는 환경에서도 효율적으로 풍력에너지를 활용할 수 있다.

또한, 블레이드 축의 회전력을 회전체 프레임에 전달함에 있어서 전방 버팀쇠가 스프링을 통하여 회전력을 전달하게 함으로써, 회전체 프레임의 회전속도를 보다 안정적으로 유지하고, 바람의 역방향 구간에서 블레이드 축이 받는 저항을 한층 더 최소화할 수 있다.

또한, 과속 통제 추가 마련됨으로써, 강풍 환경에서도 조업을 중단하지 않고, 풍력에너지를 효과적으로 이용할 수 있다.

또한, 블레이드부와 회전체부를 별도로 구성하고, 블레이드 날개는 바람의 힘을 오로지 회전체 프레임의 수평 회전에 기여하는 경우에만 받고, 그 외의 경우에는 바람과 평행하는 면을 이루어 블레이드 축이 받는 저항은 최소화하고, 블레이드 축은 같은 바람의 강도에서 회전 토크의 효과가 최대가 되는 수직축에서 가장 먼 구간에만 면적이 넓은 블레이드 날개로 구성할 수 있으므로 프레임 구조와 재질을 보다 경량화하여 구성할 수 있어 경제성을 한층 증대시킬 수 있다.

또한, 회전체 프레임 및 블레이드 축의 하부에 원형림이 마련되어 있어 회전체 프레임 및 블레이드 축의 처짐을 방지할 수 있고, 회전관성을 증가시켜 균형적인 회전이 이루어질 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가변 블레이드 수직축 풍력터빈을 도시한 사시도,
도 3은 도 1의 풍력터빈을 바람이 부는 방향에서 본 정면도,
도 4는 도 1의 평면도,
도 5는 도 1의 수직축부를 확대하여 도시한 사시도,
도 6은 도 1의 수직축부를 확대하여 도시한 일부 단면도,
도 7 내지 도 18은 도 1의 풍력터빈의 구성과 작용을 설명하기 위하여 도시한 도면,
도 19는 본 발명에 따른 원형림을 보여주기 위하여 도시한 사시도,
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 회전 수단의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 22 및 도 23은 본 발명에 따른 회전 수단의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 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.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 가변 블레이드 수직축 풍력터빈은 수직축부와 회전체부와 블레이드부를 포함한다.

수직축부는, 도 6에 도시한 바와 같이 지지대(10)와 수직축(12)과 지지대 상부(14)와 수직축 덮개(15)로 구성된다.

지지대(10)는 풍력터빈이 설치되는 지면에 수직으로 고정되며, 수직축(12)은 지지대(10)의 상부에 수직으로 연장되어 회전체부가 회전하는 중심축의 기능을 한다.

지지대 상부(14)는 지지대(10)의 상부에 마련되고, 수직축 덮개(15)는 수직축(12)의 상단에 구비되며, 지지대 상부(14)와 수직축 덮개(15)는 하기에서 설명할 회전체 중심(20)의 회전에 따른 마찰 저항을 최소화하는 베어링 기능을 한다.

회전체부는 회전체 중심(20)과 회전체 프레임을 포함한다.

회전체 중심(20)은, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 수직축(12)을 감싸며 원통형으로 마련되되 회전 가능하게 마련되어 있다. 회전체 중심(20)의 하단에는 회전체부의 회전력을 발전장치 또는 다른 형태의 에너지로 이용하기 위한 장치 등에 전달하기 위한 구동벨트 걸림용 풀리(25)가 구비되어 있다. 회전체 중심(20)의 구동벨트 걸림용 풀리(25)가 구비된 상부에는 하기에서 설명할 방사형 하 프레임(31a,31b)의 일단이 결합되는 하부 브라켓(28)이 구비되어 있다. 회전체 중심(20)의 상단에는 하기에서 설명할 방사형 상 프레임(30a,30b)의 일단이 결합되는 상부 브라켓(27)이 구비되어 있으며, 상부 브라켓(27)에는 하기에서 설명할 블레이드 축(51a,51b)의 일단이 결합되는 결합홈(27a,27b)이 마련되어 있다.

회전체 프레임은, 도 5 내지 도 8에 도시한 바와 같이 방사형 상 프레임(30a,30b)과 방사형 하 프레임(31a,31b)과 호형 프레임(35a,35b)을 포함한다. 본 실시예에서 회전체 프레임은 한 쌍으로 구성되어 있으며, 회전체 중심(20)을 기준으로 양측에 각각 구비되어 있다. 회전체 프레임의 개수 및 배치는 실시예에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

한 쌍의 방사형 상 프레임(30a,30b)은 각각 두 개의 프레임으로 구성되며, 회전체 중심(20)을 기준으로 방사형으로 뻗은 형태이다. 방사형 상 프레임(30a,30b)의 일단은, 도 5에 도시한 바와 같이 상부 브라켓(27)에 결합되어 있다. 본 실시예에서 방사형 상 프레임(30a,30b)은, 도 3에 도시한 바와 같이 지상과 평행하게 배치되어 있다.

한 쌍의 방사형 하 프레임(31a,31b)은 각각 두 개의 프레임으로 구성되며, 회전체 중심(20)을 기준으로 방사형으로 뻗은 형태이다. 방사형 하 프레임(31a,31b)의 일단은, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 하부 브라켓(28)에 결합되어 있다. 본 실시예에서 방사형 하 프레임(31a,31b)은, 도 3에 도시한 바와 같이 그 중심이 가장자리보다 낮게 배치되어 있다. 즉, 방사형 하 프레임(31a,31b)의 일단은 회전체 중심(20)의 하단에 배치되고, 방사형 하 프레임(31a,31b)의 타단은 방사형 상 프레임(30a,30b)의 끝단에 접촉한다. 한편, 두 개의 프레임으로 구성된 방사형 하 프레임(31a,31b)에는, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 회전체 중심(20)을 기준으로 한 원주를 따라 원호 형상의 래크(36a,36b)가 마련되어 있다. 이 래크(36a,36b)는 하기에서 설명할 피니언 기어(56a,56b)와 치합한다.

한 쌍의 호형 프레임(35a,35b)은, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 방사형 상 프레임(30a,30b)이 끝단과 방사형 하 프레임(31a,31b)의 끝단을 서로 연결하며, 호형으로 마련되어 있고, 두 개의 프레임으로 구성되어 있다. 두 개의 프레임은 하기에서 설명할 블레이드 축(51a,51b)의 상,하에 각각 배치된다. 즉, 블레이드 축(51a,51b)이 두 개의 프레임(35a,35b) 사이를 통과한다.

이러한 호형 프레임(35a,35b)에는 블레이드 축(51a,51b)의 수평 회전시 허용 회전각 내에서 수평 회전하도록 제어하는 수평 회전 제어수단이 마련되어 있다. 수평 회전 제어수단은 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b)로 구성되는 것이 바람직하다.

전방 버팀쇠(33a,33b)는 호형 프레임(35a,35b)이 일단에 마련되어 있고, 호형 프레임(35a,35b)의 중심 방향으로 스프링(32b)에 의해 탄성 지지되어 있다.

후방 버팀쇠(34a,34b)는 호형 프레임(35a,35b)의 타단에 마련되어 있다.

블레이드부는 블레이드 축(51a,51b)과 블레이드 날개(50a,50b)를 포함한다. 본 실시예에서 블레이드부는 한 쌍으로 구성되어 있으며, 회전체 중심(20)을 기준으로 양측에 각각 구비되어 있다. 블레이드부의 개수와 배치는 회전체 프레임과 마찬가지로 실시예에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

각각의 블레이드 축(51a,51b)은, 방사형 상 프레임(30a,30b)과 마찬가지로 도 3에 도시한 바와 같이 지상과 평행하게 배치되어 있다. 이러한 블레이드 축(51a,51b)은, 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같이 두 개의 방사형 상 프레임(30a,30b) 사이에 배치되고, 그 일단이 구 형태의 베어링 구조로 되어 있으며, 구 형태의 일단이 상부 브라켓(27)의 결합홈(27a,27b)에 결합되어 회전체 중심(20)을 기준으로 회전 및 수평 회전이 가능하다.

또한, 블레이드 축(51a,51b)은, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 두 개의 호형 프레임(35a,35b) 사이에 배치되어 있으며, 블레이드 축(51a,51b)에는 도르레 모양의 굴림 베어링(52a,52b)이 설치되어 있어 상,하에 배치된 호형 프레임(35a,35b)을 레일 삼아 수평으로 왕복 이동이 가능하다. 이러한 블레이드 축(51a,51b)의 수평 회전은 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b)에 의해 한계가 정해져 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b) 사이에서 이루어진다.

또한, 블레이드 축(51a,51b)에는 피니언 기어(56a,56b)가 마련되어 있다. 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 피니언 기어(56a,56b)는 방사형 하 프레임(31a,31b)에 마련된 래크(36a,36b)와 치합하며, 블레이드 축(51a,51b)이 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b) 사이에서 수평 회전함에 따라 피니언 기어(56a,56b)가 래크(36a,36b)와 치합되어 있으므로 블레이드 축(51a,51b)이 회전하여 블레이드 축(51a,51b) 끝단에 마련된 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 변경된다. 이처럼 블레이드 축(51a,51b)의 수형 회전시 블레이드 축(51a,51b)의 회전을 가능하게 하는 회전 수단의 일실시예가 피니언 기어(56a,56b)와 래크(36a,36b)이다.

회전 수단의 다른 실시예를 도 20 및 도 21에 도시하였다. 도시한 바와 같이 블레이드 축(51a,51b)에는 풀리(71)가 설치되어 있다. 풀리(71)에는 와이어(72)가 감겨져 있고, 와이어(72)의 일단은 방사형 상 프레임(30a,30b)에 마련된 걸림고리(73)에 고정되어 있다. 이와 같이 구성되어 블레이드 축(51a,51b)이 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b) 사이에서 수평 회전함에 따라 와이어(72)가 풀리(71)에 감겨지거나 풀려 블레이드 축(51a,51b)이 회전하므로 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 변경된다. 본 실시예에서는 한 개의 풀리(71)에 하나의 와이어(72)가 감겨져 있으며, 이 와이어(72)는 한 쌍의 방사형 상 프레임(30a,30b) 중 어느 하나에 고정되는 것으로 설명하였지만, 두 개의 풀리가 마련되어 각 풀리에 감겨진 와이어는 한 쌍의 방사형 상 프레임에 각각 고정될 수도 있음은 물론이다. 또한, 한 개의 풀리에 두 개의 와이어가 각각 감겨져 있고, 각 와이어는 한 쌍의 방사형 상 프레임에 각각 고정될 수도 있으며, 이렇게 한 쌍의 방사형 상 프레임에 각각 하나의 와이어가 고정되면, 블레이드 축(51a,51b)의 회전시 좀 더 안정적으로 이루어질 수 있을 것이다.

회전 수단의 또 다른 실시예를 도 22 및 도 23에 도시하였다. 도시한 바와 같이 블레이드 축(51a,51b)에는 블레이드 축(51a,51b)에 수직한 방향으로 레버(75)가 설치되어 있고, 방사형 상 프레임(30a,30b)에는 실린더(76)가 회동가능하게 마련되어 있다. 링크(78)의 일단은 레버(75)에 회동가능하게 연결되고, 링크(78)의 타단은 실린더(76)의 피스톤 로드(77) 끝단에 회동가능하게 연결된다. 이와 같이 구성되어 블레이드 축(51a,51b)이 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b) 사이에서 수평 회전함에 따라 실린더(76)가 회동하고, 실린더(76)의 피스톤 로드(77)가 신축하여 링크(78)를 밀거나 당김으로써 레버(75)가 회전한다. 레버(75)가 회전함에 따라 블레이드 축(51a,51b)이 함께 회전하므로 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 변경된다.

한편, 각각의 블레이드 날개(50a,50b)는 블레이드 축(51a,51b) 끝단에 마련되어 있으며, 도 8에 도시한 바와 같이 블레이드 축(51a,51b)이 전방 버팀쇠(33a,33b)와 접촉하여 지지되는 경우에는 블레이드 날개(50a,50b) 면이 지상에 대해 수직 또는 수직에 가까운 각도로 배치되고, 도 7에 도시한 바와 같이 블레이드 축(51a,51b)이 후방 버팀쇠(34a,34b)와 접촉하여 지지되는 경우에는 블레이드 날개(50a,50b) 면이 지상에 대해 수평 또는 수평에 가까운 각도로 배치되도록 마련되는 것이 바람직하다.

블레이드 축(51a,51b)에는, 도 11 내지 도 14에 도시한 바와 같이 블레이드 축(51a,51b)을 따라 이동 가능하도록 과속 통제 추(57a,57b)가 마련되어 있다. 이러한 과속 통제 추(57a,57b)는, 도 11에 도시한 바와 같이 스프링(59,59b)에 의해 회전체 중심(20) 방향으로 탄성 지지되어 있다. 과속 통제 추(57a,57b)는 반구 형상이고, 구 형태가 호형 프레임(35a,35b) 측으로 배치되는 것이 바람직하며, 도 13에 도시한 바와 같이 걸림홈(58b)이 형성되어 있다.

방사형 상 프레임(30a,30b)의 끝단에는 과속 통제 걸림 레버(40a,40b)가 마련되어 있다. 과속 통제 걸림 레버(40a,40b)는 걸림 레버 서포트 스프링(41a,41b)에 의해 회전체 중심(20) 방향으로 탄성지지되어 있으며, 과속 통제 걸림 레버(40a,40b)의 후방 버팀쇠(34a,34b) 측에는 걸림홈(58b)에 걸리는 걸림턱(41b)이 형성되어 있다.

방사형 하 프레임(31a,31b)에는, 도 17 및 도 18에 도시한 바와 같이 방사형 하 프레임(31a,31b)을 따라 이동가능한 회전속도 안정용 추(60)가 마련되어 있다. 이러한 회전속도 안정용 추(60)는 원통 형상인 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 중심이 가장자리보다 낮게 배치되는 방사형 하 프레임(31a,31b)에 회전속도 안정용 추(60)가 마련되는 것으로 설명하였지만, 실시예에 따라 회전체 프레임 중에서 중심이 가장자리보다 낮게 배치되는 어느 프레임에 마련될 수도 있음은 물론이다.

회전체 프레임이 회전함에 따라 회전체 프레임을 지지하고 회전 운동에너지를 저장하기 위하여 회전체 프레임의 원주 방향을 따라 원형림(80)이 마련되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는, 도 19에 도시한 바와 같이 회전체 프레임 및 블레이드 축(51a,51b)의 끝단을 따라 회전체 프레임 및 블레이드 축(51a,51b)의 하부에 원형림(80)이 마련되어 있다. 즉, 방사형 하 프레임(31a,31b) 및 블레이드 축(51a,51b)의 끝단 하부에는 지지구(81)가 마련되어 있고, 이 지지구(81)는 원형림(80)의 상부와 접촉한다. 이와 같이 회전체 프레임 및 블레이드 축(51a,51b)의 하부에 원형림(80)이 마련되어 있어 회전체 프레임 및 블레이드 축(51a,51b)의 처짐을 방지할 수 있고, 회전관성을 증가시켜 균형적인 회전이 이루어질 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 가변 블레이드 수직축 풍력터빈의 작동 상태를 설명하면 다음과 같다.

도 7에 도시한 바와 같이, 블레이드 축(51b)이 후방 버팀쇠(34b)에 접촉하여 지지되는 경우에는 블레이드 날개(50b)가 수평 또는 수평에 가까운 각도를 취하여 바람의 방향과 평행을 이루게 되어 바람의 저항을 최소로 받는다.

도 8에 도시한 바와 같이, 블레이드 축(51a)이 전방 버팀쇠(33a)에 접촉하여 지지되는 경우에는 블레이드 날개(50a)가 수직 또는 수직에 가까운 각도를 취하여 바람의 방향과 수직을 이루어 바람의 힘을 최대로 받아 회전체 프레임에 회전력을 전달할 수 있다.

블레이드 축(51a,51b)이 전방 버팀쇠(33a,33b)와 후방 버팀쇠(34a,34b) 사이를 이동하는 구체적인 원리를 살펴보면 다음과 같다.

*도 9에 도시한 바와 같이, 블레이드 축(51b)이 바람의 역방향 구간으로 진입하기 직전에 블레이드 날개(50b)가 받는 회전력은 거의 소멸하고, 블레이드 축(51b)은 전방 버팀쇠(33b)에 연결된 스프링(32b)의 반발력의 영향을 받으므로 블레이드 축(51b)의 회전속도는 떨어지게 되고, 블레이드 축(51b)은 후방 버팀쇠(34b) 측으로 이동한다. 이에 따라 블레이드 날개(50b)의 각도는 수직에서 수평으로 바뀐다.

또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 블레이드 축(51a)이 바람의 영향을 받는 순방향 구간으로 진입하는 경우에는 블레이드 축(51a) 전체가 바람의 영향을 받기 시작하여 회전체 프레임보다 회전속도가 빨라지기 시작하고, 블레이드 축(51a)은 후방 버팀쇠(34a)에서 전방 버팀쇠(33a) 측으로 이동한다. 이에 따라 블레이드 날개(50a)의 각도는 수평에서 수직으로 바뀐다.

따라서, 도 1에 도시한 바와 같이, 블레이드 축(51a)이 바람의 영향을 받는 순방향 구간 중심 부근에서는 블레이드 날개(50a)의 각도가 수직 형태를 취하여 바람의 힘을 최대로 받아 회전체 프레임에 회전력을 전달하게 되고, 바람의 역방향 구간 중심 부근에서는 블레이드 날개(50b)의 각도가 수평 형태를 취하게 되고, 바람의 방향과 평행을 이루게 되어 바람의 저항을 최소로 받는다. 또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 블레이드 축(51a,51b)이 바람의 역방향 구간으로 진입하는 구간 및 바람의 순방향 구간으로 진입하는 구간에서는 상기에 설명된 방식으로 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 변하게 된다. 이에 따라, 회전체 프레임은 도 1, 도 2 및 도 4의 굵은 화살표 방향으로 회전을 계속하게 된다.

호형 프레임(35a,35b)에 설치된 전방 버팀쇠(33a,33b)는 스프링(32a,32b)에 연결되어 있어 블레이드 축(51a,51b)의 회전력을 회전체 프레임에 신축적으로 전달하는 것이 가능한데, 도 11에 도시한 바와 같이, 블레이드 날개(50a,50b)가 받은 회전력을 순간적으로 흡수하여 블레이드 날개(50a,50b)가 받는 힘이 감소하는 시점, 즉 블레이드 축(51a,51b)이 바람의 역방향 구간으로 진입하기 직전에 회전체 프레임에 회전력으로 방출하고, 그 반작용으로 블레이드 축(51a,51b)은 후방 버팀쇠(34a,34b) 측으로 이동하여 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 수평으로 신속히 전환되므로 바람의 역방향 구간에서는 바람의 저항을 최소로 받는다.

혹, 바람의 순방향 구간에서 바람의 강도가 순간적으로 매우 약하여 스프링(32a,32b)의 반발력의 발생이 미미하고, 이에 의해 블레이드 축(51a,51b)이 바람의 역방향 구간으로 진입하여 바람의 힘에 의해 블레이드 축(51a,51b)이 후방 버팀쇠(34a,34b) 측으로 이동함에 따라 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 수평으로 변하는 경우에도 블레이드 축(51a,51b)이 받는 바람의 저항은 피니언 기어(56a,56b)가 래크(36a,36b)에 접촉하여 블레이드 축(51a,51b)이 회전하는 저항만큼만 회전체 프레임에 영향을 주게 되므로 블레이드 축(51a,51b)이 회전체 프레임과 일체를 이루는 종래의 가변 블레이드 수직축 풍력터빈에서 블레이드 날개(50a,50b)의 각도가 변하는 동안 블레이드 축(51a,51b)이 받는 바람의 저항이 회전체 프레임의 회전에 역방향으로 직접 작용하는 것에 비하여 미미하다고 할 수 있다.

다음으로, 과속 통제 추(57a,57b)의 작용을 살펴보면, 회전체 프레임 및 블레이드 축(51a,51b)이 안정적인 일정속도를 초과하여 회전할 때, 도 12에 도시한 바와 같이 원심력에 의하여 과속 통제 추(57b)는 회전체 중심(20)에서 멀어지는 방향으로 이동하여 블레이드 축(51b)이 후방 버팀쇠(34b) 측으로 이동하는 동안 과속 통제 걸림 레버(40b)를 호형 프레임(35b) 측으로 밀어내고, 도 14에 도시한 바와 같이 블레이드 축(51a)이 후방 버팀쇠(34a)에 완전히 접촉한 시점에 과속 통제 걸림 레버(40a)의 걸림턱(41a)에 과속 통제 추(57a)의 걸림홈(58a)이 걸리게 된다. 그러면 도 15 및 도 16에서 도시한 바와 같이 블레이드 날개(50a,50b)는 회전의 전 구간에서 수평 각도로 유지하게 되고, 회전체 프레임의 회전속도가 더 이상 증가하지 않게 된다. 또한, 회전체 프레임 및 블레이드 축(51a,51b)이 일정한 속도 이내로 돌아오게 되면 스프링(59a,59b)에 의해 과속 통제 추(57a,57b)는 회전체 중심(20) 측으로 원상 복귀하게 되고, 블레이드 날개(50a,50b)의 각도 변화는 회전체 프레임과 블레이드 축(51a,51b)의 회전속도 차이에 따라 원래대로 변하게 된다.

다음으로, 회전속도 안정용 추(60)의 작용을 살펴보면, 회전체 프레임이 저속 회전 중일 때에는 도 17에 도시한 바와 같이 회전속도 안정용 추(60)가 회전체 중심(20) 측에 위치하고, 회전체 프레임이 고속 회전으로 진행될 때에는 도 18에 도시한 바와 같이 회전체 프레임의 가장자리 측으로 이동하게 된다. 이는 수직축(12)과의 거리 차이에 따른 지렛대 원리에 의하여 회전체 프레임의 회전속도가 저속일 때에는 바람 강도의 증가에 대하여 회전체 프레임의 회전속도 증가가 보다 쉽게 일어나게 하고, 바람의 강도가 강하여 회전체 프레임의 회전속도가 고속인 여건에서는 회전속도 변화가 쉽게 일어나지 않고 안정적이게 한다. 또한, 고속인 여건에서 회전체 프레임이 가지는 운동에너지는 회전체 프레임의 가장자리 선속도의 제곱 및 회전속도 안정용 추(60)를 포함한 질량의 곱에 비례하여 증가하게 되어, 바람의 세기가 단속적으로 변하는 환경에서 바람의 세기가 강한 시점의 풍력에너지를 일시적으로 회전체 프레임의 운동에너지로 저장하여 바람이 약화되는 시점에 회전력을 유지시키는 힘으로 활용한다. 이로써, 회전속도 안정용 추(60)의 설치로 인하여 가변 블레이드 수직축 풍력터빈의 풍력에너지 이용효율을 한층 더 증대시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

10 : 지지대 12 : 수직축
14 : 지지대 상부 15 : 수직축 덮개
20 : 회전체 중심 25 : 구동벨트 걸림용 풀리
27 : 상부 브라켓 28 : 하부 브라켓
27a,27b : 결합홈 30a,30b : 방사형 상 프레임
31a,31b : 방사형 하 프레임 32a,32b : 스프링
33a,33b : 전방 버팀쇠 34a,34b : 후방 버팀쇠
35a,35b : 호형 프레임 36a,36b : 래크
40a,40b : 과속 통제 걸림 레버
41a,41b : 걸림턱 44a,44b : 레버 서포트 스프링
50a,50b : 블레이드 날개 51a,51b : 블레이드 축
52a,52b : 굴림 베어링 56a,56b : 피니언 기어
57a,57b : 과속 통제 추 58a,58b : 걸림홈
59a,59b : 스프링 60 : 회전속도 안정용 추
71 : 풀리 72 : 와이어
73 : 걸림고리 75 : 레버
76 : 실린더 77 : 피스톤 로드
78 : 링크 80 : 원형림
81 : 지지구

Claims (8)

1. 지상에 수직으로 배치되는 수직축부;
   상기 수직축부에 상기 수직축부를 기준으로 회전가능하게 마련되는 회전체부;
   상기 회전체부에 회동가능하게 결합되어 상기 회전체부와 결합된 부분을 기준으로 수평 회전 및 회전이 가능하도록 마련되는 블레이드 축과, 상기 블레이드 축에 마련되는 블레이드 날개를 포함하는 블레이드부;를 포함하되,
   상기 회전체부에 탄성지지되며 마련된 전방 버팀쇠와, 상기 전방 버팀쇠와 이격된 후방 버팀쇠를 포함하여 상기 회전체부에 마련되되, 상기 블레이드 축의 수평 회전시 허용 회전각 내에서 수평 회전하도록 제어하도록 하는 수평 회전 제어수단이 마련되고,
   상기 블레이드 축의 수평 회전시 상기 블레이드 날개와 지평면과의 각도 변경을 위한 상기 블레이드 날개의 회전을 가능하게 하는 회전 수단이 마련되는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 회전체부는,
   상기 수직축부에 상기 수직축부를 기준으로 회전가능하게 마련되는 회전체 중심과,
   상기 회전체 중심의 상부에 고정되는 방사형 상 프레임과, 상기 회전체 중심의 하부에 고정되는 방사형 하 프레임과, 상기 방사형 상 프레임 및 상기 방사형 하 프레임의 끝단을 서로 연결하며 상기 블레이드 축의 상,하에 각각 배치되는 한 쌍의 호형 프레임으로 구성된 회전체 프레임을 포함하여,
   상기 전방 버팀쇠는 상기 호형 프레임의 일단에 탄성 지지되어 마련되고,
   상기 후방 버팀쇠는 상기 호형 프레임의 타단에 마련되는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 회전 수단은,
   상기 블레이드 축에 설치되는 풀리와,
   상기 풀리에 감겨지고, 일단이 상기 회전체부에 고정되는 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 회전 수단은,
   상기 블레이드 축에 설치되는 피니언 기어와,
   상기 회전체부와 상기 블레이드 축의 결합된 부분을 기준으로 한 원주를 따라 상기 회전체부에 마련되고 상기 피니언 기어와 치합하는 래크를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 회전체부 또는 상기 블레이드 축에 상기 회전체부 또는 상기 블레이드 축을 따라 이동 가능하도록 마련되며, 상기 수직축부 방향으로 탄성 지지되는 과속 통제 추가 더 마련되고,
   상기 과속 통제 추는 상기 회전체부의 회전시 원심력에 의하여 상기 회전체부 또는 상기 블레이드 축의 가장자리로 이동하고, 상기 블레이드 축이 상기 허용 회전각의 후방 한계에 도달하는 시점에 상기 회전체부 또는 상기 블레이드 축과 결합하여 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 블레이드 축에 상기 블레이드 축을 따라 이동 가능하도록 마련되고, 상기 블레이드 축의 중심 방향으로 탄성 지지되며, 걸림홈이 형성되어 있는 과속 통제 추와,
   상기 회전체부의 가장자리 측에 마련되고, 상기 회전체부의 중심 방향으로 탄성 지지되며, 걸림턱이 형성되어 있는 과속 통제 걸림 레버를 더 포함하여,
   상기 과속 통제 추는 상기 회전체부의 회전시 원심력에 의하여 상기 블레이드 축의 가장자리로 이동하고, 상기 블레이드 축이 상기 허용 회전각의 후방 한계에 도달하는 시점에 상기 걸림턱이 상기 걸림홈에 걸려 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 회전체부에 상기 회전체부를 따라 이동가능하도록 마련되는 회전속도 안정용 추를 더 포함하여,
   상기 회전속도 안정용 추는 상기 회전체부의 회전시 원심력에 의하여 상기 회전체부의 가장자리로 이동하는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.
8. 제 2항에 있어서,
   중심이 가장자리보다 낮게 배치되는 상기 방사형 상 프레임과 상기 방사형 하 프레임 중 어느 하나에 상기 방사형 상 프레임 또는 상기 방사형 하 프레임을 따라 이동가능하도록 마련되는 회전속도 안정용 추를 더 포함하여,
   상기 회전속도 안정용 추는 상기 회전체부의 회전시 원심력에 의하여 상기 방사형 상 프레임 또는 상기 방사형 하 프레임의 가장자리로 이동하는 것을 특징으로 하는 가변 블레이드 수직축 풍력터빈.

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