KR101063288B1 - 유체를 이용한 동력발생장치 - Google Patents

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박종원
조정자
이종순
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정맥산업개발(주)
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Abstract

본 발명은 유체를 이용한 동력발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체의 흐름에 대하여 수직으로 설치되는 샤프트(110); 상기 샤프트(110)에 회전 가능하게 구비된 회전체(120); 상기 회전체(120) 둘레에 방사선 방향으로 등 간격을 두고 결합한 다수의 지지 암(130); 및 상기 지지 암(130)의 일부에 일정 각도로 편심 회동 가능하게 힌지 결합하는 다수의 블레이드(140);를 포함하되, 상기 블레이드(140)가 유체의 흐름을 맞이하여 블레이드 운동 각도제어 수단에 의해서 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)을 기준으로 접힘 각도(θ1)와 펼침 각도(θ2)를 유지하여 유체로 부터 항력(抗力)과 양력(揚力)을 발생하는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치에 관한 것이다.

Description

유체를 이용한 동력발생장치{Power generation apparatus using a fluid}
본 발명은 동력발생장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 선회(旋回)시 블레이드가 접힘 각도, 펼침 각도를 항상 일정하게 유지됨으로써 높은 회전 효율성을 얻을 수 있는 유체를 이용한 동력발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 동력발생장치는 공기나 물이 가진 운동에너지의 유체 역학적 특성을 이용하여 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로부터 동력을 얻는 시스템이다.
석탄이나 석유등의 화석연료 사용으로 인해 다량의 이산화탄소가 대기 중에 쌓여 지구의 온난화가 발생하는 문제점이 있으며, 또한 한정된 화석연료 매장량으로 인해 대체 에너지의 필요성이 알려지면서 자연 에너지 수득에 관한 연구개발이 확대되고 있다.
이러한 발전시스템은 유체의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생하는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 것으로, 샤프트 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력 발전시스템(HAWT : horizontal axis wind turbine)과 자이로밀(GYROMILL)형과 다리우스형과 같은 수직축 풍력 발전시스템(VAWT : vertical axis wind turbine) 등으로 구별되며, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.
수평축 발전시스템은 프로펠러 블레이드를 구비하여 유체의 양력(Lift Force)을 이용한 방식으로, 회전 블레이드의 회전 속도가 높아 발전 효율은 높으나, 풍향에 따라 회전 블레이드의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 또한 풍속에 따라 회전 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야하므로 복잡한 장치가 필요하다.
이에 반해 수직축 발전시스템은 발전 효율은 낮으나, 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있고 풍향에 크게 좌우되지 않는다는 장점이 있어 흔히 소형 발전시스템에 많이 적용되고 있다. 이러한 발전시스템은 타워의 상부에 좌우 방향으로 회전 가능하게 설치된 동체, 이 동체의 선단에 설치되어 유체에 의해 회전하는 블레이드(blade), 이 블레이드의 회전력을 증속시키기 위한 증속기, 증속기에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다.
수직축 발전시스템은 블레이드 회전방식에 따라 바람의 양력(Lift-force)으로 구동하는 자이로밀 타입과 다리우스(Darrieus) 타입과 항력(Drag-force)으로 구동하는 사보니우스(Savonius) 타입으로 크게 구별되어 개발되고 있다.
다리우스 블레이드는 유체의 양력을 이용하는 방식으로 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조 동력장치가 필요하다.
사보니우스 블레이드는 유체의 항력(Drag Force)를 이용하는 방식이므로 회전 속도가 풍속보다는 높을 수 없다는 단점이 있지만, 낮은 풍속에서 큰 회전력을 얻을 수 있으며 자체 기동력이 있기 때문에 소형 발전시스템에 주로 활용되고 있다.
유럽특허 출원 제01305525.6호에는 수직축 풍력 터빈이 개시되어 있다.
종래 수직축 풍력 터빈은 도 1에 보인 바와 같이, 회전할 수 있는 축(4)을 구비한다. 상기 축(4)에는 방사상으로 돌출하는 8개의 암(6)이 설치되며, 각 인접 암(6)의 변위는 45°로 설정된다. 상기 암(6)은 바깥쪽 단 부에 날개(8)가 설치된다. 상기 암(6)은 상부 부재(10)와 하부 부재(12)로 구성되며, 상기 날개(8)는 상부 부재(10)와 하부 부재(12)의 사이에 피벗(14)을 통해 장착된다.
또한 상기 암은 축이 정해진 거리만큼 회전할 때까지 각 날개가 첫 번째 위치(A)에서 두 번째 위치(B) 사이에서 움직이지 않도록 하는 지지막대(16)를 구비한다. 여기서 첫 번째 위치(A)는 유체에 대한 날개의 항력이 최대인 위치를 말하며, 두 번째 위치(B)는 유체에 대한 날개의 항력이 최소인 위치를 말하고, 중간 위치(A-B)는 날개(8)가 외부 밀도저항에 의해 펼쳐지지 못하여 (A)위치 보다 낮은 항력을 받게 되며 항력이 변화되는 위치를 말한다.
종래 수직축 풍력 터빈은 도 2에 보인 바와 같이, 첫 번째 위치(A)와 두 번째 위치(B) 사이로 날개(8)의 동작을 제한하는 수단(24)으로 상부 암(26) 및 하부 암(28)을 구비한다. 상부 암(26)과 하부 암(28)에는 각각 상부 슬롯(30)과 하부 슬롯(32)이 형성된다. 유도 봉(34)은 날개(8)를 통과하여 상부 슬롯(30) 및 하부 슬롯(32)으로 삽입된다. 유도 봉(34)은 상부 슬롯(30) 및 하부 슬롯(32)과 함께 각 날개의 동작을 첫 번째 위치(A)와 두 번째 위치(B) 사이로 제한한다.
첫 번째 위치(A)에서 유도 봉(34)은 상부 슬롯(30) 및 하부 슬롯(32)의 안쪽 단부에 위치하고, 날개가 첫 번째(A) 위치에서 두 번째 위치(B)로 이동하면, 유도 봉(34)이 상부 슬롯(30)과 하부 슬롯(32)의 사이에서 작동 제한 수단의 바깥쪽 단부를 향해 이동한다.
상부 슬롯(30) 및 하부 슬롯(32)의 바깥쪽 단부는 막힌 형태로 하여 유도 봉(34)이 동작 제한 수단(24)에서 빠지지 않도록 한다. 이렇게 하여, 날개(8)가 두 번째 위치(B)에 도달하면, 유도 봉(34)이 날개(8)가 더 이상 전개되는 것을 방지한다. 암(6)이 더 회전하고 날개(8)가 첫 번째 위치(A)로 다시 이동하면 유도 봉(34)은 동작 제한 수단(24)의 안쪽 단부를 향해 다시 이동한다. 동작 제한 수단(24)은 날개(8)에서 항력이 최소가 되어야 할 때 날개(8)가 두 번째 위치(B)에서 먼 쪽으로 이동하는 것을 막아 항력을 최소로 하고 풍력 터빈의 토크를 증가시킨다.
그러나 종래 수직축 풍력 터빈은 접힘, 펼침 각도가 유지되지 않고 암을 기준으로 날개는 0-180° 각도 구간에서 작동되어 회전토크를 발생하는 방법으로서, 이는 날개가 선회시 외부 밀도저항에 의해 외주로 쉽게 펼쳐지지 못하여 접힌 상태로 수미까지 진행됨으로 수득효율이 낮은 문제점이 있으며, 만약 날개가 펼쳐지는 경우에도 최적 항력수득 영역에서 펼쳐지지 못하여 회전토크가 커지지 못하는 문제점이 있었다.
현재, 인류의 자연공학 기술로는 자연의 유체에너지 100%에 대하여 수득 할 수 있는 에너지는 59%의 한계(벳츠 법칙)를 초과 할 수 없다고 공지되고 있어 과학 분야에서는 0.1%라도 더 에너지 수득율을 높일 수 있는 방법들이 많이 연구되고 있는 바, 본 발명은 낮은 유속에서 스스로 기동을 할 수 있고, 블레이드 운동 각도제어 수단을 통해 블레이드가 유속방향으로 순행할 때 양력과 항력을 받다가 최적 항력수득 영역에서 지지 암을 구심으로 회동하여 블레이드 끝단이 외주방향으로 펼쳐져 저항면적이 넓게 되어 큰 힘을 수득하고, 블레이드 끝단이 축과의 거리가 길어져 더욱 큰 힘을 받으며 수득영역이 길어지고, 블레이드가 유체의 유속방향에 대하여 역행 할 때 최소 저항을 받게 하여 유체 에너지 수득율을 최대한으로 높일 수 있는 유체를 이용한 동력발생장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 블레이드 운동 각도제어 수단의 각도제어 기능을 조정하는 수단을 구비하여 유체 힘 수득 조절로 재해예방과 정비를 용이하게 하는 유체를 이용한 동력발생장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 충격흡수재를 사용하여 지지 암과 블레이드 운동 각도제어 수단의 충격을 흡수 설비장치의 내구성을 향상시키며 각도조절을 할 수 있는 유체를 이용한 동력발생장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 블레이드 운동 각도제어 수단으로 각도제어 양측벽 사이에 슬롯을 구비하고 슬롯에 지지 암과 연결된 힌지 핀이 삽입되어 블레이드의 선회 위치에 따라 힌지 핀이 슬롯 사이로 슬라이딩 하며 최적의 접힘 각, 펼침 각을 제어하는 블레이드 운동 각도제어 수단을 제공한다.
또한, 본 발명은 블레이드의 구조를 유체저항을 크게 받으며 회전력을 유도하는 판형구조 또는 포일형 및 변형된 포일형을 사용하여 블레이드가 선회시 발생되는 불필요한 저항을 최소화 시키어 수득효율을 증가 시키고, 블레이드와 지지 암 구조를 내부에 중공이나 부력체를 삽입하여 수중에서 중량이 낮게 하여 설비 사용수명을 길게 하며, 블레이드 외면에 블레이드 선회방향으로 안내 깃을 구비하여 유체 힘 수득을 향상 시키고 회전체에 승강기능을 구비하여 수중에 설치 시 수위변화에 따라 회전체가 연결된 구조물의 부력으로 스스로 승강하여 최적의 위치에서 회전하여 효과적으로 유체 힘을 수득하게 하고, 블레이드 외면에 보조블레이드를 설비하여 부가적으로 더욱 큰 유체 힘을 수득하며, 압력감쇄 구멍을 블레이드 표면에 다수개 구비하여 빠른 유속으로부터 저항을 받을 때 블레이드 외, 내면의 압력차이로 발생되는 진동을 감소시키며, 바람직한 전력선 설치방법의 유체를 이용한 동력발생장치를 제공 하는데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 유체를 이용한 동력발생장치는 유체의 흐름에 대하여 수직으로 설치되는 샤프트; 상기 샤프트에 회전 가능하게 구비된 회전체; 상기 회전체 둘레에 방사선 방향으로 등 간격을 두고 결합한 다수의 지지 암; 및 상기 지지 암의 일부에 일정 각도로 편심 회동 가능하게 힌지 결합하는 다수의 블레이드;를 포함하되, 상기 블레이드가 유체의 흐름을 맞이하여 블레이드 운동 각도제어 수단에 의해서 상기 지지 암의 길이방향 중심선을 기준으로 접힘 각도(θ1)와 펼침 각도(θ2)를 유지하여 유체로 부터 항력(抗力)과 양력(揚力)을 발생하는 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 블레이드의 편심 면 회동 최적선단부에 연결된다.
상기 블레이드가 최적 항력수득 위치 90°영역에서 회동하여 펼쳐져 225°영역 직전위치까지 최적의 펼침 각도를 유지하여 상기 샤프트와 상기 블레이드 끝단까지의 거리가 증대되어 회전 토크가 커지고(펼침 각도 특성: 회동이 되어 유체 저항면적이 넓어지고, 축과의 거리증가), 상기 블레이드가 315°영역부터 90°영역직전 위치까지 최적의 접힘 각도를 유지하여 유체에 대한 양력과 항력이 최대로 되어 회전 토크가 커지며(접힘 각도 특성: 양력과 항력을 크게 받음), 상기 블레이드가 225°영역부터 315°영역직전 위치까지 유체에 대하여 무저항 상태를 유지하여 상기 지지 암의 회전을 방해하는 힘이 최소화되어 회전 토크가 극대화되는 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 블레이드의 접힘 각도(θ1)는 상기 지지 암의 길이방향 중심선에 대해 35°- 85°내에서 형성되고, 상기 블레이드의 펼침 각도(θ2)는 상기 지지 암의 길이방향 중심선에 대해 90°- 150°내에서 형성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지지 암이 블레이드의 편심면 선회최적 선단에 설비된 블레이드 운동 각도제어수단이 지지 암 중심선에 대한 블레이드의 접힘 각, 펼침 각제어로 낮은 유속에서 스스로 기동이 될 수 있는 유체 힘 수득장치로서 블레이드가 유체의 흐르는 방향과 순행하는 영역에서 양력, 항력을 받아 회전을 하다가 최적 항력영역에서 블레이드가 회동하여 펼쳐 져 저항면적이 넓게되고 축과의 거리가 길어져 더욱 큰 항력을 받고, 선회 중 유체 힘 수득 영역이 길어지며 블레이드가 유체의 흐르는 방향과 역행하는 영역위치에 있는 경우 최소한의 저항을 받아 높은 유체에너지를 수득 할 수 있다.
또한, 본 발명은 재해예방과 정비를 용이하게 할 수 있으며, 설비장치의 내구성을 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 조수의 수위변화에 따라 블레이드가 선회 최적위치를 스스로 위치하게 되며, 또한, 보조블레이드에 의해 더욱 큰 유체에너지 힘을 수득하고, 블레이드의 진동이 감소되며, 바람직한 전력선 설치 효과가 있다.
도 1은 종래 수직축 풍력 터빈의 일 예를 보인 평면도
도 2는 종래 수직축 풍력 터빈의 다른 예를 보인 평면도
도 3은 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치를 보인 사시도
도 4는 편심면 회동 최적선단부를 설명하는 도면
도 5는 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치에 있어서 블레이드 운동 각도제어 수단인 지지 암과 블레이드의 결합구조를 설명하는 분리 사시도
도 6은 지지 암과 블레이드의 결합구조를 설명하는 도면
도 7은 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치에 있어서 블레이드의 접힘 각도, 펼침 각도, 및 무저항 각도를 설명하는 도면
도 8은 일반적인 유체에 대한 블레이드의 양력과 항력 발생을 설명하는 도면
도 9는 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예를 보인 도면
도 10은 블레이드의 다른 예를 보인 도면
도 11 내지 도 23은 블레이드 운동 각도제어 수단의 또 다른 예를 보인 도면
도 24는 블레이드 운동 각도제어수단의 내구성을 향상시키는 충격흡수재를 보인 도면
도 25는 블레이드의 부력체 및 압력차 해소 구멍을 보인 사시도
도 26은 블레이드의 안내깃을 보인 사시도
도 27은 지지 암의 부력체 및 보강 브라켓을 설명하는 사시도
도 28 및 도 29는 블레이드의 승강구조를 보인 사시도 및 단면도
도 30은 보조 블레이드를 갖는 유체를 이용한 동력발생장치를 보인 사시도
도 31은 보조 블레이드의 부력체를 보인 단면도
도 32는 보조 블레이드의 각도제한을 설명하는 사시도
도 33의 (a)는 이론적인 토크 및 회전수 특성을 보인 그래프이고, 도 33의 (b)는 실제 토크 및 회전수 특성을 보인 그래프
도 34는 본 발명의 TSR(Tip Speed Ratio) 특성 그래프
도 35는 본 발명의 기동 유속을 설명하는 도면
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유체를 이용한 동력발생장치에 대하여 상세하게 설명한다.
이와 같이 본 발명의 권리는 상기 설명된 실시 예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형을 할 수 있다는 것은 자명하다. 후술하는 일예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다. 이하 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 3은 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치를 보인 사시도, 도 4는 편심면 회동 최적선단부를 설명하는 도면, 도 5는 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치에 있어서 블레이드 운동 각도제어 수단인 지지 암과 블레이드의 결합구조를 설명하는 분리 사시도, 도 6은 지지 암과 블레이드의 결합구조를 설명하는 도면, 및 도 7은 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치에 있어서 블레이드 운동 각도제어 수단인 지지 암에 대한 블레이드 운동 회동 각도를 설명하는 횡단면도이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치(100)는 유체의 흐름에 대하여 수직으로 설치되는 샤프트(고정축)(110); 상기 샤프트(110)에 회전 가능하게 구비된 회전체(회전축)(120); 상기 회전체(120) 둘레에 방사선 방향으로 등 간격을 두고 결합한 다수의 지지 암(130); 및 상기 지지 암(130)의 일부에 일정 각도로 편심 회동 가능하게 힌지 결합하는 다수의 블레이드(140);를 포함한다.
상기 지지 암(130) 구조상에는 블레이드 운동 각도제어수단을 통해 블레이드(140)가 결합된다, 이때 상기 지지 암(130)과 블레이드 운동 각도제어수단은 블레이드(140)의 내면의 편심면 회동 최적선단부에 연결되는 바, 상기 편심 면이란 회전방향으로 세워진 블레이드(140)의 종축 중심선(L1)에서 회전 방향의 면적을 말하며, 회동 최적선단부란 블레이드 진행방향 편심면의 양단부(전단부 및 후단부) 각각 10%를 제외한 80% 면적부분(빗금친 부분)을 말한다(도 4 참조). 이는 지지 암(130)이 블레이드(140)의 종축 중심선(L1) 가까운 선단에 연결되면 유체에 의해 블레이드가 일정한 방향으로 접히거나 펼쳐질 수가 없고, 지지 암이 블레이드의 종축 중심선(L1) 멀리 끝단에 연결되면 블레이드의 회동 반경이 길어져 외부의 밀도저항에 의해 쉽게 펼쳐 질 수 없다.
상기 블레이드(140)는 유체의 흐름을 맞이하여 블레이드 운동 각도제어 수단에 의해서 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)을 기준으로 접힘 각도(θ1)와 펼침 각도(θ2)를 유지하여 양력(揚力)과 항력(抗力)을 받으며 최적 항력수득 영역에서 블레이드 끝단이 외주로 펼쳐져 유체저항 면적을 많게 하고 수득구간을 길게 되는 구조로 구성된다.
상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 그 일례로, 상기 블레이드(140)의 내면에 상기 블레이드(140) 회동의 회전중심(힌지)(H)이 위치하며, 상기 블레이드(140)의 양 측벽(141a)이 형성되어 상기 지지 암(130)이 상기 양 측벽(141a)과 접촉함으로써, 상기 블레이드(140)의 운동 각도가 제어되도록 구성되는 구조를 포함한다(도 5 및 도 6 참조).
도 7은 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치에 있어서 블레이드의 접힘 각도(θ1), 펼침 각도(θ2), 및 무저항 각도(θ3)를 설명하는 도면이고, 도 8은 일반적인 유체에 대한 블레이드의 양력과 항력 발생을 설명하는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치(100)는 유체의 흐름 방향에 대하여 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)을 기준으로 상기 블레이드(140)는 접힘 각도(θ1)와 펼침 각도(θ2)를 일정 영역 내에서 유지하여 양력(揚力)과 항력(抗力)을 최대로 수득하는 구조로 구성된다. 여기서 블레이드의 형상은 설명의 편의를 위해서 평판형으로 도시한다.
상기 블레이드(140)의 접힘 각도(θ1)는 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)에 대해 35°-85°내에서 형성되고, 상기 블레이드(140)의 펼침 각도(θ2)는 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)에 대해 90°- 150°내에서 형성된다.
상기 블레이드(140)는 상기 접힘 각도(θ1)와 상기 펼침 각도(θ2)에서 유체에 대하여 항력(抗力)과 양력(揚力)이 최대로 발생하고, 무저항 각도(θ3)에서 유체의 유속에 대하여 항력이 최소로 발생하는 구조로 구성된다. 여기서, 상기 접힘 각도(θ1)는 블레이드가 시계방향으로 360° 선회(블레이드가 축을 중심으로 360° 공전하는 궤적)시 315° 영역에서 접혀져 최적의 양력을 받으며 90° 영역에서 쉽게 끝단이 외주로 펼쳐 질 수 있게 하고, 202.5° 영역부터 337.5° 영역 전까지 블레이드 운동 각도제어 수단인 측벽(접촉면)(141a:도 6 참조)과 상기 지지 암(130)의 접촉면(130a)이 접촉되지 않게 되는 각도를 말하며, 펼침 각도(θ2)란 90° 영역에서 회동하여 펼쳐진 블레이드(140)가 큰 항력을 받으며 202.5° 영역까지 점차적으로 양력을 크게 받으며, 202.5° 영역 후부터 337.5° 영역 전까지 블레이드 운동 각도제어 수단인 측벽(접촉면)(141a)과 지지 암(130)의 접촉면(130a)이 접촉되지 않게 되는 각도를 말하며, 무저항 각도(θ3)란 블레이드(140)가 202.5°영역부터 337.5°영역 전까지 블레이드 운동 각도제어 수단에 지지 암(130)이 접촉되지 않게 되어 유체방향의 수직으로 끌려가는 각도를 말한다.
상기 블레이드(140)는 유체의 흐름을 맞이하여 상기 샤프트(110)를 중심으로 360° 선회하며 상기 힌지(H)를 중심으로 상기 접힘 각도와 상기 펼침 각도 내에서 회동(암 방향으로 접혀진 블레이드 끝단이 외주로 펼쳐지는 동작)하는 구조로 구성되는바, 유체의 흐름에 의하여 상기 지지 암(130)이 상기 샤프트(110)를 중심으로 시계방향으로 360°도 회전하는 경우, 상기 지지 암(130)의 회동각도를 22.5°로 16 등분하여 상기 블레이드(140)의 상기 접힘 각도(θ1)와 상기 펼침 각도(θ2), 및 무저항 각도(θ3)를 상세하게 살펴보기로 한다.
상기 블레이드(140)의 선회각도(360°)에 있어서 315°부터 90°직전 영역위치(⑮-⑤)에서는 상기 블레이드(140)가 최적의 접힘 각도(θ1)를 유지하고, 90°부터 225°직전 영역위치(⑤-⑪)에서는 상기 블레이드(140)가 최적의 펼침 각도(θ2)를 유지하며, 225°부터 315°직전 영역위치(⑪-⑮)에서는 무저항 각도(θ3)를 유지하여 상기 블레이드(140)가 유체에 대하여 무저항 상태를 유지함으로써 유체 에너지의 수득 효율을 높일 수 있다.
최적의 접힘 각도, 최적의 펼침 각도란 블레이드가 동일 영역에서 유체의 힘을 최대로 받는 각도를 말한다.
이와 같이 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치(100)에 있어서는 상기 블레이드(140)가 90°부터 225°직전 영역위치에서 최적의 펼침 각도를 유지하여 상기 샤프트(110)와 상기 블레이드(140) 끝단까지의 거리(d)가 증대되어 회전 토크가 커지고, 상기 블레이드(140)가 300°부터 90°직전 영역위치에서 최적의 접힘 각도를 유지하여 유체에 대한 항력이 최대로 유지되어 회전 토크가 커지며(접힘 각도 특성: 힘 증대), 상기 블레이드(140)가 225°부터 300°직전 영역위치에서 유체에 대하여 무저항 상태를 유지하여 상기 지지 암(130)의 회전을 방해하는 힘이 최소화 되고, 수득영역이 길게 되어 회전토크가 극대화됨으로써 에너지 수득효율을 높일 수 있는 것이다.
일반적으로 샤프트(고정축)를 중심으로 블레이드(140)가 선회하며 유체로부터 힘을 크게 수득하기 위해서는 수두(水頭)지점에서 수미(水尾)지점 진행 중 블레이드의 끝단이 외주면 바깥으로 펼쳐져 회전되어 선회하는 것이 바람직 하지만, 블레이드의 회전 원심력과 유체의 밀도저항에 의해 블레이드 끝단이 외주면 바깥으로 펼쳐져 회전되기 어렵다.
따라서, 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치(100)는, 유체의 힘을 받는 블레이드(140)에 지지 암(130)을 블레이드 운동 각도제어 수단을 통하여 블레이드(140)의 편심면의 회동최적 선단에 연결하여 유체의 흐름을 맞이하여 지지 암(130)을 기준하여 접힘 각도(θ1)와 펼침 각도(θ2)를 유지함으로써 블레이드(140)가 샤프트(110)를 중심으로 360° 선회(旋回)하며, 위치에 따라 유체의 힘을 크게 받을 수 있는 구조로 능동적 변화함으로써 에너지 수득효율이 매우 높은 시스템이 되어 낮은 유속에서도 기동회전(CUT IN SPEED)이 되는 특징이 있다.
상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 그 일례로, 상기 블레이드(140)의 내면에 상기 블레이드(140) 회동의 회전중심(힌지)(H)이 위치하며, 양 측벽(141a)이 형성되어 상기 지지 암(130)이 상기 양 측벽(141a)과 접촉함으로써, 상기 블레이드(140)의 운동각도 범위가 제어되도록 구성되는 구조를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 블레이드 운동 각도제어 수단을 이용하여 블레이드의 최적 접힘 각과 펼침 각으로 해제시켜 유체 힘 수득이 조절되게 하는 구조를 포함 한다.
또한 도 9는 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예를 보인 것으로, 블레이드 운동 각도제어 양 벽면이 사이에 슬롯(Slot)(147)이 형성되고, 상기 슬롯(147)에는 상기 지지 암(130)의 끝단이 힌지 핀(P)이 삽입되어, 블레이드(140)가 360도 선회 위치에 따라 상기 힌지 핀(P)이 상기 슬롯(147)을 슬라이딩 되어 블레이드 운동 각도를 제어하도록 구성될 수 있다.
또한, 도 10은 블레이드의 다른 예를 보인 것으로, 블레이드(140)는 평판 형(도 10의 (a) 참조), 타원형(도 10의 (b) 참조), 꼬리형(도 10의 (c) 참조) 등이 가능하다.
상기 블레이드(140)는 유체의 힘을 받을 수 있는 구조물로서, 그 형상은 특정 형상에 한정되지 않는다. 상기 블레이드(140)가 받은 유체의 힘은 지지암(130)을 통해 회전체(120)로 전달됨으로써, 회전체(120)를 회전시켜 유체의 운동에너지를 수득할 수 있다. 상기 블레이드(140)는 수력발전이나 조류발전에 사용될 경우, 부식에 강한 재질로 제조하여 내구성을 높이는 것이 바람직하다.
상기 지지 암(130)은 상기 회전체(120)에 일체로 형성될 수도 있고, 착탈 가능하게 볼트(미도시) 조립될 수 있지만, 지지 암(130)의 교체, 강도 또는 제작상의 기술적인 문제점을 고려해볼 때 착탈 구조로 구성하는 것이 가장 바람직하다. 상기 지지 암(130)은 포일형, 사각형, 원형 등이 모두 가능하며, 내부에는 부력체가 삽입될 수도 있다.
상기 지지 암(130)은 45° 각도로 모두 8개가 회전체(120)에 설치되었으나, 그 설치 개수는 특별히 한정되지 않는다.
상기 샤프트(110) 상부에는 회전체(120)의 회전에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전설비(190)가 설치되고, 상기 발전설비(190)에서 생산된 전기는 샤프트(110) 내부로 통과하여 하부를 통해 외부로 연결되는 전력선(電力線)에 의해 외부로 공급될 수 있다. 이를 위해 샤프트(110)의 내부는 중공으로 형성된다. 전력선은 유동이 가능하므로 발전설비(190)로부터 직접 외부로 연결될 경우, 유체의 유동에 의해 전선이 움직여 블레이드(140)에 걸릴 수 있게 되는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 회전체(120)의 회전력을 유공압펌프(미도시)에 작용하고, 유공압펌프를 유공압라인을 통해 유공압 모터와 설치하고 여기에 발전설비(190) 연결함으로써 회전체(120)의 동력을 전달할 수 있다.
본 실시 예에서는 동력발생장치(100)를 설치하는 고정식을 채택하였으나, 이에 한정되지 않고, 지면에 샤프트를 고정하는 고정식, 부력체, 바지, 배, 부표 등의 하부에 설치하는 부유식, 교량의 교각, 풍력발전의 타워, 등대, 섬 기타의 시설물 외부에 설치하는 부착식 등의 방식이 있을 수 있다.
이하에서는 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치(100)의 다른 실시 예들을 추가로 상세하게 설명한다.
[블레이드 운동 각도제어 수단 구조]
상기 블레이드(140)의 접힘 각도(θ1)는 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)에 대해 35°-85°내에서 형성되고, 상기 블레이드(140)의 펼침 각도(θ2)는 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)에 대해 90°- 150°내에서 형성된다.
도 11 및 도 12는 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예로서, 블레이드(140)의 내면에 포켓(160)이 대향되게 설치되고, 상기 포켓(160) 내부에는 상기 지지 암(130)이 힌지(H) 설치되고, 상기 포켓(160) 측면에는 상기 지지 암(130)의 측면을 탄력적으로 지지하는 지지체(170)가 탈착 가능하게 설치될 수 있다.
도 13 및 도 14는 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예로서, 블레이드(140) 내면에 형성된 힌지용 브라켓(180)에는 지지 암(130)의 끝단이 회동 가능하게 힌지(H) 결합하고, 상기 지지 암(130)에는 상기 블레이드(140)의 회전 범위를 제한하는 스토퍼(183)가 설치될 수 있다.
또한, 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예로서, 도 15 및 도 16에 보인 바와 같이 스토퍼(183)는 상기 지지 암(130)에 설치 가능하고, 도 17 및 도 18에 보인 바와 같이 스토퍼(183)는 지지 암(130)을 따라 슬라이드 가능하게 설치하여 블레이드 각도를 조정되게 할 수 있다.
또한, 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예로서, 도 19 내지 도 21에 보인 바와 같이 스토퍼(183)는 지지 암(130)에 회동 가능한 구조로 형성되며, 지지 암(130)과 스토퍼(183) 사이에는 구동 실린더(185)가 설치되어 상기 블레이드(140)의 회동 각도를 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 17 내지 도 21을 참조하면, 스토퍼(183)가 회동 가능하게 힌지(H) 설치됨으로써 블레이드(140)의 회동 각도를 조절할 수 있어 블레이드(140)가 지지암(130)을 구심으로 하여 회동하여 유체 힘을 더욱 많이 받게 하는 기능과, 블레이드 운동 각도제어 수단의 각도제어 기능을 변경시킴으로 블레이드는 유속에 최소한의 힘을 받게 되어 매우 낮은 토크로 회전을 하거나 정지 하게 되어 무저항 상태를 유지하여 재해 예방과 정비가 용이하다.
또한, 블레이드 운동 각도제어 수단의 다른 예로서, 도 22 및 도 23에 보인 바와 같이 블레이드(140) 내면에 형성된 힌지 브라켓(187)에는 지지 암(130)의 끝단이 회동 가능하게 힌지(H) 결합하고, 상기 지지 암(130)에는 상기 블레이드(140)의 회전 범위를 제한하는 와이어(W) 또는 바(Bar)가 설치될 수 있다.
[충격흡수재]
본 발명은 도 24에 도시된 바와 같이, 블레이드 운동 각도제어수단의 내구성을 향상시키는 완충재(148)를 구비한다. 상기 블레이드 운동 각도제어수단 내에서 지지 암(130)과 벽(141a)은 수많은 충돌을 하게 되어 마찰손상을 초래하고 충격으로 설비의 손상을 발생하게 되는 바, 지지 암(130)과 블레이드(140) 사이에 충격흡수재(148)를 구비하여 내구성을 향상시키고 설비손상을 예방하고 필요에 따라 상기 완충재(148)의 착탈(분리)로 블레이드 운동 각도제어 수단 조정을 할 수 있다. 충격흡수재(148)는 내마모 고무, 스프링, 포일 틈, 체크밸브, 쇽업소버등을 응용하여 사용한다.
[블레이드 구조]
본 발명의 블레이드(140)는 유체로부터 항력, 양력을 받을 수 있는 구조물로서, 그 형상은 특정 형상에 한정되지 않는다. 상기 블레이드(140)에 가해진 유체의 힘은 지지암(130)을 통해 회전체(120)로 전달됨으로써, 회전체(120)를 회전시켜 유체의 운동에너지를 수득할 수 있게 된다. 상기 블레이드(140)는 수력발전이나 조류발전에 사용될 경우, FRP, 화이버글라스, 엔지니어링 플라스틱과 같은 부식에 강한 재질로 제조하여 내구성을 높이는 것이 바람직하며, 특히 구조안전성을 향상시키기 위해 2중 벽으로 구성되는 것이 바람직하며, 이때 2중벽 내부는 밀폐된 중공의 공간이거나 우레탄 폼과 같은 부력체(145:도 25 참조)를 충진함으로써 블레이드(140)가 수중 무게가 감소되고 부력을 가지게 되어 설비내구성을 증대시키고 조수의 수위변화에 따라 승하강을 할 수 있으며 필요시 수중 인양을 용이하게 한다.
또, 블레이드가 빠른 유체로부터 저항을 받을 때 블레이드 전면은 압력이 높아지고 내면은 압력이 낮아진다 이러한 압력차에 의해 블레이드는 진동이 발생되게 되는데 이러한 진동이 장시간 누적되면 타설비부분에 손상을 유발하게 된다. 본 발명에서는 블레이드 면적에 압력차해소 구멍(141: 도 15)을 형성시켜 진동을 감쇄시키고 또 압력차 해소 구멍(141:도 25 참조)을 형성시킬 때 블레이드 수직 전단선 대비 경사각으로 형성시킴으로 유체가 경사각으로 흐르게 되어 진동감쇄와 아울러 양력을 향상시킬 수 있다.
또한 도 26에 보인 바와 같이, 블레이드의 상하부 및 중간부에 안내깃(143)이 형성되어 유체를 가이드 하여 항력을 향상 시킬 수 수 있다.
[지지 암의 구조]
도 27에 보인 바와 같이 지지 암(130)은 블레이드의 중량을 지탱 할 수 있는 구조로 수중에서 선회시 유체의 저항을 감소하기 위해 원형 또는 포일 형이 바람직하며, 연속적인 유체의 수평저항에 구조안전성을 위해 지지 암과 지지 암끼리 보강부재(131)로 체결하는 것이 바람직하다, 또 지지 암(130) 내부에 우레탄 폼과 같은 부력체(133)를 충진함으로써 블레이드(140)가 수중 무게가 감소되고 부력을 가지게 되어 설비내구성을 증대시키고 조수(潮水)의 수위변화에 따라 승하강을 할 수 있으며 필요시 수중 인양을 용이하게 한다.
또한, 회전체(120)에 일체로 형성될 수도 있고, 착탈 가능하게 볼트(미도시) 조립될 수 있지만, 지지암(130)의 교체, 강도 또는 제조상의 기술적인 문제점을 고려해볼 때 착탈 구조로 구성하는 것이 가장 바람직하다.
[승강 회전체]
도 28 및 도 29는 블레이드의 승강구조를 보인 것으로, 조수간만의 차가 있는 장소에 설치될 경우, 블레이드(140)의 높이가 수위에 따라 자동으로 승강하는 구조로 구성된다.
샤프트(110)에는 베어링(B)에 의해서 제1 회전체(121)가 회전 가능하게 설치되고, 상기 제1 회전체(121)의 외주 면에는 제2 회전체(122)가 키 돌기(121a)와 키 홈(122a)에 의해서 승강 가능하게 결합되며, 상기 제2 회전체(122)의 외주 면에는 다수의 지지 암(130)이 방사선 방향으로 등 간격을 두고 결합하는 구조로 구성된다.
이와 같은 구조에서는 조수(潮水)에 의해 유체의 수위가 높아지는 경우 블레이드(140)는 부력에 의해서 상승하는 힘을 받게 되고, 제2 회전체(122)는 제1 회전체(121)에 대하여 슬라이드하면서 승강한다. 이때, 제1 회전체(121)는 승강하지 않고 베어링(B)에 의해서 제 위치를 유지하며, 상기 지지 암(130)이 회전하면 상기 제1 및 제2 및 회전체(121)(122)는 함께 회전하도록 구성된다.
[보조 블레이드 구조]
도 30은 보조 블레이드를 갖는 유체를 이용한 동력발생장치를 보인 것으로, 블레이드 양쪽에 보조 블레이드(250)가 회동 가능하게 설치된다.
상기 보조 블레이드(250)는 평판 형, 타원형, 포일 형 중 어느 것이라도 가능하며, 상기 보조 블레이드(250)의 내부는 중공구조로 형성되고, 상기 보조 블레이드(250)의 내부에는 부력체(255)가 삽입되는 구조일 수 있다(도 31 참조).
상기 블레이드(140)와 상기 보조블레이드(250) 사이에는 상기 보조 블레이드(250)의 회동 각도를 제어하는 보조 블레이드 각도 제어 수단이 설치되는 바, 상기 보조 블레이드 각도 제어 수단의 일례로는 상기 블레이드(240)와 상기 보조 블레이드(250) 사이에 와이어 혹은 바(281)가 설치될 수 있다(도 32 참조).
보조 블레이드(240)를 갖는 본 발명의 동력발생장치(100)에 있어서 동일 유속에서 지지 암(130) 길이에 따라 블레이드(140)의 회전속도와 토크는 변하게 된다, 예를 들어 축(110)과 블레이드(140)를 연결하는 지지 암(130)의 길이가 짧아지면 회전속도는 증가하고 토크가 낮아지며, 지지 암(130)의 길이가 길어지면 회전속도는 늦어지고 토크는 증가 하게 된다. 동일 유속에서 큰 토크를 얻을 때는 블레이드 외면에 보조 블레이드(250)를 설비되면 매우 우수한 에너지 수득효과를 나타낸다. 이는 유체로부터 블레이드(140)가 받는 항력, 양력 이외 보조블레이드의 항력이 부가되기 때문이다.
이하, 블레이드를 갖는 제1 실시 예(사진 1)와 보조블레이드를 추가로 갖는 제2 실시 예(사진 2)에 대하여 설명한다.
[제1실시 예]
가로 1.2 미터 세로 0.9미터 높이 2.4미터 크기의 본 발명의 동력발생장치를 사진 1과 같이 제작하고 블레이드는 지지암에 대하여 접힘 각이 65° 펼침 각이 115°로 제작하였다. 축 상부에 사진 2와 같이 토크센서 및 RPM 센서를 장착하여 사진 3의 대형 회류수조에 설치하여 기동유속, 토크, RPM, 효율 실험을 하였는 결과를 확인하였다.
[사진1] 동력발생장치
Figure 112011023776944-pat00001
[사진 2] 회류 수조내 동력발생장치 설치 사진
Figure 112011023776944-pat00002

[사진 3] 회류 수조내 동력발생장치 확대 사진
Figure 112011023776944-pat00003

제1실시 예에 따른 유체를 이용한 동력발생장치에 대한 블레이드 운동 각도 제어수단의 효과에 대하여 도 33 내지 도 35를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 33의 (a)는 이론적인 토크 및 회전수 특성을 보인 그래프, 도 33의 (b)는 실제 토크 및 회전수 특성을 보인 그래프, 및 도 34는 본 발명의 TSR(Tip Speed Ratio) 특성 그래프를 보인 것이다.
효율=회전토크(T) X 회전수(N)로 나타낼 수 있는바, 이론적으로 효율은 도 33의 (a)와 같이 나타낼 수 있지만, 실제로는 도 33의 (b)와 같은 특성을 갖는다.
도 34에 보인 바와 같이, 본 발명의 유체를 이용한 동력발생장치에 있어서는 유속이 0.8 m/s에서 효율이 최대 0.34가 됨을 확인할 수 있었다.
또한 도 35에 보인 바와 같이, 유체를 이용한 터빈(동력발생장치)의 경우, 기동 유속((Cut IN Speed:회전이 시작되는 유속)은 통상, 1.0 m/s 이상으로 알려지고 있다. CUT IN SPEED는 터빈의 발전효율 다음으로 중요한 터빈의 제원으로, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 유체를 이용한 동력발생장치(10)는 0.3 m/s로 측정되었는바, CUT IN SPEED(회전이 시작되는 유속)을 낮추어 주는 역할을 해서 낮은 유속에서도 발전이 가능하고, 별도의 기동장치가 불필요한 장점을 가지며 유체에너지 수득효율이 우수하다. 또한 유체의 속도가 1 m/s인 조건에서 상기 블레이드의 팁 스피드(속도)가 1.3로 측정 되었는바, 이는 블레이드가 위치에 따라 능동적 가변되어 항력과 양력을 병행하여 받는 것으로 증명하였다.
또, 블레이드의 접힘 각도와 펼침 각도 변화에 따른 효과를 분석시험을 후술하는 실시예 2의 장치에서 시행 하였으며, 그에 대한 결과는 아래 표 1과 같다.
Figure 112011023776944-pat00004
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 각도에 따른 터빈의 특성은 45-110° 각도에서는 토크가 높지만 낮은 RPM을 가지며, 70-110° 각도에서는 토크가 상대적으로 떨어지지만 RPM의 상승이 현저히 나타났다. 발전량을 비교를 한다면 약 2.5배의 효율상승이 나타나는 것을 볼 수 있다. 이처럼 각도 제한은 터빈에서의 에너지효율 1-2%를 다루는 과정기술력의 에서 높은 효율 차이를 보일 수 있는 가장 중요한 기술로 평가될 수 있다.
[제2실시 예]
가로 2미터, 세로 1.5 미터, 높이 3미터 크기의 본 발명 동력발생장치(사진(00)를 제작하고 상부에 5KW 발전기를 장착하여 유속이 0.7m/s에서 방수로에 설치하여 측정결과, 610W의 전기(180V, 3.3A)를 발생하였고, 에너지 수득 효율이 약 30%로 나타났다.
[사진 1] 보조 블레이드 갖는 동력발생장치의 방수로 설치 사진
Figure 112011023776944-pat00005

[사진 2] 보조 블레이드 갖는 동력발생장치의 방수로에서의 작동 사진
Figure 112011023776944-pat00006

[사진 3] 보조 블레이드 갖는 동력발생장치의 발전 사진
Figure 112011023776944-pat00007

[제3 실시 예]
가로 2.5 미터 세로 1.5미터 높이 3.5미터 유속 1.6m/s에서 5kw 발전기를 사용하여 약 4.7 kW의 전기(230V, 약 20A)를 생산하였고 에너지 수득효율이 약 31%로 나타났다.
[사진 1] 해양에 실제 설치하여 발전양을 측정한 사진
Figure 112011023776944-pat00008

[사진 2] 해양에 실제 설치하여 발전하는 사진
Figure 112011023776944-pat00009

본 발명은 수많은 실험과 데이터를 기초로 블레이드 및 보조 블레이드의 최적 접힘 각도, 최적 펼침 각도를 발견하고, 상기 블레이드의 운동각도 제어를 최적각도로 항상 일정하게 유지하도록 함으로써 선회(旋回)시 매우 높은 회전토크를 얻을 수 있어 에너지 수득효율을 높일 수 있는 것이다.
본 발명은 높은 유체에너지 수득 효율로 비교적 낮은 유속에서도 기동이 되며 블레이드가 유체의 흐르는 방향과 순행하는 영역에서 양력, 항력을 받아 회전을 하다가 최적 항력영역에서 블레이드가 회동을 하여 더욱 큰 항력을 받고 수득영역이 길어지며 블레이드가 유체의 흐르는 방향과 역행하는 영역위치에 있는 경우 최소한의 저항력을 받게 되므로 높은 유체에너지를 수득 할 수 있다.
또한, 본 발명은 블레이드 운동 각도제어수단의 각도를 조정하여 유체 힘 수득량이 조절 될 수 있게 하여 동력발생 장치의 재해예방과 정비를 용이하게 할 수 있으며, 블레이드 운동 각도제어 수단의 양 측벽 또는 여기에 접촉되는 지지 암 표면에 충격흡수재를 구비함으로써 설비장치의 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 블레이드와 지지 암 내부는 중공 또는 부력체를 충진됨으로 써 수중 설치시 중량이 감소되어 내구성이 향상되고, 회전체가 부력에 의해 승강 슬라이드 기능이 구비되어 조수의 수위변화에 따라 블레이드가 선회 최적위치를 스스로 위치하게 되며, 또한, 블레이드에 보조블레이드를 설비하여 부가적으로 더욱 큰 유체에너지 힘을 수득하고, 빠른 유체에 의해 발생되는 블레이드의 진동을 감소시켜 사용수명을 향상시키고, 간편하고 바람직한 전력선 설치 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 유체의 흐름에 대하여 수직으로 설치되는 샤프트(110);
    상기 샤프트(110)에 회전 가능하게 구비된 회전체(120);
    상기 회전체(120) 둘레에 방사선 방향으로 등 간격을 두고 결합한 다수의 지지 암(130); 및
    상기 지지 암(130)의 일부에 일정 각도로 편심 회동 가능하게 힌지 결합하는 다수의 블레이드(140);를 포함하되,
    상기 블레이드(140)가 유체의 흐름을 맞이하여 블레이드 운동 각도제어 수단에 의해서 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)을 기준으로 접힘 각도(θ1)와 펼침 각도(θ2)를 유지하여 유체로 부터 항력(抗力)과 양력(揚力)을 발생하는 구조이며,
    상기 블레이드(140)가 최적 항력수득 위치 90°영역에서 회동하여 펼쳐져 225°영역 직전위치까지 최적의 펼침 각도를 유지하여 상기 샤프트(110)와 상기 블레이드(140) 끝단까지의 거리가 증대되어 회전 토크가 커지고(펼침 각도 특성: 회동이 되어 유체 저항면적이 넓어지고, 축과의 거리증가),
    상기 블레이드(140)가 315°영역부터 90°영역직전 위치까지 최적의 접힘 각도를 유지하여 유체에 대한 양력과 항력이 최대로 되어 회전 토크가 커지며(접힘 각도 특성: 양력과 항력을 크게 받음),
    상기 블레이드(140)가 225°영역부터 315°영역직전 위치까지 유체에 대하여 무저항 상태를 유지하여 상기 지지 암(130)의 회전을 방해하는 힘이 최소화되어 회전 토크가 극대화되는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 블레이드(140)의 편심 면 회동 최적선단부에 연결되는 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)의 접힘 각도(θ1)는 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)에 대해 35°- 85°내에서 형성되고, 상기 블레이드(140)의 펼침 각도(θ2)는 상기 지지 암(130)의 길이방향 중심선(L)에 대해 90°- 150°내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 상기 블레이드(140) 내면에 양 측벽(141a)이 형성되어 상기 지지 아암(130)의 접촉부(130a)가 상기 양 측벽(141a)과 접촉하여 상기 블레이드(140)의 운동 각도가 제어되는 구조를 포함하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 상기 블레이드 내면에 슬롯(Slot)(147)이 형성되고, 상기 슬롯(147)에는 상기 지지 암(130)의 끝단이 힌지 핀(P)이 삽입되어, 상기 블레이드(140)가 360도 선회 위치에 따라 상기 힌지 핀(P)이 상기 슬롯(147)을 따라 슬라이딩 되어 상기 블레이드의 운동 각도를 제어하는 구조를 포함하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  7. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드(140)는 포일형, 평판 형, 타원형, 꼬리형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 블레이드(140)의 내면에 포켓(160)이 대향되게 설치되고, 상기 포켓(160) 내부에는 상기 지지 암(130)이 힌지(H) 설치되고, 상기 포켓(160) 측면에는 상기 지지 암(130)의 측면을 탄력적으로 지지하는 지지체(170)가 탈착 가능하게 설치될 수 있는 구조를 포함하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 상기 블레이드(140)의 내면에 형성된 브라켓(180)에 상기 지지 암(130)의 끝단이 회동 가능하게 힌지(H) 결합하고, 상기 지지 암(130)에 상기 블레이드(140)의 회동각도를 제한하는 와이어(W)가 설치되는 구조를 포함하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  10. 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드 운동 각도제어 수단은 상기 블레이드의 운동 각도를 조정하여 접힘 각과 펼침 각으로 유체 힘 수득을 조절되게 하는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 지지 암과 블레이드 운동 각도제어 수단과의 충격 진동을 저감하기 위해 상기 지지 암(130)과 상기 블레이드(140) 사이에는 충격흡수재(148)가 설치되는 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  12. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 암(130)은 유체 저항을 최소화하기 위하여 포일 형상으로 형성되며 내부는 중공구조로 형성되고, 내부에는 부력체(145)가 삽입되며, 회전체(120)에 착탈 가능하게 조립되는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)의 내부는 중공구조로 형성되고, 상기 블레이드(140)의 내부에는 부력체(145)가 충진되어 수중에서 지상(地上)중량보다 가벼워지는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)에는 유체의 압력차로 인해 발생되는 진동 저감을 위해 상기 블레이드 바디(140)에 다수의 진동감쇄 구멍(141)이 형성되는 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드(140)에는 다수의 안내 깃(143)이 설치되는 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드(140) 양쪽에 보조블레이드(250:252,252)가 설비되어 유체의 힘을 더욱 많이 받게 하고 상기 블레이드(140)가 선회 중 유체 최적 항력수득 영역에서 조기(早期)에 회동하게 하는 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보조블레이드(250:252,252)는 유체의 흐름을 맞이하여 0°-120°되게 힌지나 와이어(281)에 의해 각도가 조절되고 내부가 중공으로 부력체(255)가 충진된 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 회전체(120)는 수위변화에 따른 부력에 의해서 승강할 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 회전체(120)가 수위변화에 따라 승강할 수 있도록 상기 샤프트(110)에는 베어링(B)으로 제1 회전체(121)가 회전 가능하게 설치되고, 상기 제1 회전체(121)의 외 주면에는 제2 회전체(122)가 키 돌기(121a)와 키 홈(122a) 결합으로 승강 가능하게 결합되며, 상기 제2 회전체(122)의 외주면에는 다수의 지지 암(130)이 방사형으로 등 간격을 두고 결합하는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
  20. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트(110) 상부에는 회전체(120)의 회전에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전설비(190)가 설치되고, 상기 발전설비(190)에서 생산된 전기는 샤프트(110) 내부로 통과하여 하부를 통해 외부로 연결되는 전력선(電力線)에 의해 외부로 공급될 수 있는 구조인 것을 특징으로 하는 유체를 이용한 동력발생장치.
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