KR101063995B1 - 수직축 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

유체의 흐름에 있어서 발생되는 항력과 양력을 이용한 다수의 블레이드를 구비한 수직축 발전 시스템에 관한 것으로, 유체의 흐름에 대하여 수직으로 구비되어 있는 샤프트, 상기 샤프트에 회전 가능하게 구비된 회전체, 상기 회전체 둘레에 등 간격으로 결합된 지지대, 상기 지지대에 결합된 다수의 블레이드 및 상기 회전체의 회전력으로 전력을 생산하는 발전기를 포함하며, 상기 다수의 블레이드의 각각은 유체의 항력과 양력에 의해 상기 회전체를 회전시키는 구성을 마련한다.

상기와 같은 수직축 발전 시스템을 이용하는 것에 의해, 고효율의 발전을 할 수 있고, 강제적으로 각을 변경하는 부품이 없는 관계로 유지보수 문제와 A/S 서비스의 문제를 감소할 수 있다.

블레이드. 자이로밀, 다리우스, 사보니우스, 풍력, 유체

Description

수직축 발전 시스템{Vertical axis turbine system}

본 발명은 유체의 흐름에 대해 수직의 회전축을 갖는 발전 시스템(이하에서는 '수직축 발전 시스템'이라 한다)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체의 흐름에 따른 항력과 양력을 이용한 다수의 블레이드를 구비한 수직축 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 발전 시스템은 공기나 물의 유동이 가진 운동에너지의 유체 역학적 특성을 이용하여 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기를 얻는 시스템이다.

즉 석탄이나 석유등의 화석연료 사용으로 인해 다량의 이산화탄소가 대기 중에 쌓이면서 두꺼운 이산화탄소 층을 형성함으로써 지구의 온난화가 발생하는 문제점이 있으며, 또한 급변하는 원유가격의 상승으로 인해 대체에너지의 필요성이 알려지면서 자연 에너지에 의한 발전에 관한 연구개발이 확대되고 있는 것이다.

이러한 발전 시스템은 유체의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 것으로, 샤프트 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력 발전시스템(HAWT : horizontal axis wind turbine)과 자이로 밀(GYROMILL)형 및 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.

즉, 수평축 발전 시스템은 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 발전 시스템은 발전 효율은 낮으나, 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있고 풍향에 크게 좌우되지 않는다는 장점이 있어 흔히 소형 발전시스템에 많이 적용되고 있다.

이러한 발전 시스템은 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.

이와 같이 구성된 발전기에서 바람에 의해 블레이드가 회전하면, 이의 회전력이 증속기를 통해 증속된다. 그리고 발전기에서는 증속된 회전력을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전되거나 수요자에게 직접 인가된다.

또한 수직축 발전 시스템에서는 블레이드 회전방식에 따라 바람의 양력(Lift-force)으로 구동하는 자이로밀 타입 및 다리우스(Darrieus) 타입과 항 력(Drag-force)으로 구동하는 사보니우스(Savonius) 타입으로 크게 구별되어 개발되고 있다.

즉, 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.

도 1은 블레이드(210)가 자이로밀 타입으로 이루어진 수직축 풍력 발전기(200)를 도시한 것이다. 도 1에 도시한 바와 같은 자이로밀 타입 수직축 풍력 발전기(200)는 기초(220) 위에 설치된 베이스(230) 상부에 수직방향으로 배치된 메인샤프트(240), 이 메인샤프트(240)의 상단에 배치된 자이로밀 타입의 블레이드(210), 베이스(230)의 내측 저부에 설치된 제어반(280)을 갖추고 있다. 또한, 베이스(230)의 내부에는 메인샤프트(240)의 회전력을 증속하기 위한 증속기(250), 이 증속기(250)에서 증속된 회전력으로 전력을 생산하는 발전기(260), 이 발전기(260)와 동축상으로 배치되어 블레이드(210)의 초기 기동 시 발전기(260)와 증속기(250) 및 메인샤프트(240)를 매개로 블레이드(210)를 회전시키기 위한 구동모터(270)가 배치된다.

따라서 제어반(280)에서는 풍력 발전기의 초기 기동 시 구동모터(270)를 구동시켜 자이로밀 타입의 블레이드(210)를 회전시킴으로써, 블레이드(210)의 초기 기동이 원활하게 이루어지게 된다.

그리고, 도 2는 블레이드(310)가 다리우스 타입으로 이루어진 수직축 풍력 발전기(300)를 도시한 것이다. 다리우스 타입 수직축 풍력 발전기(300)는 도 2에 도시한 바와 같이, 기초(320) 위에 설치된 베이스(330)의 상부에 수직방향으로 설치된 메인샤프트(340), 이 메인샤프트(340)의 상단부와 하단부에 연계되어 일체로 회전하는 다리우스 타입 블레이드(310), 베이스(330)의 내측 저부에 설치된 제어반(380)을 갖추고 있다. 그리고 베이스(330)의 내부에는 상부에서 순차적으로 메인샤프트(340)의 회전력을 증속하기 위한 증속기(350), 이 증속기(350)에서 증속된 회전력으로 전력을 생산하는 발전기(360), 이 발전기(360)와 동축상으로 배치되어 블레이드(310)의 초기 기동 시 발전기(360)와 증속기(350) 및 메인샤프트(340)를 매개로 블레이드(310)를 회전시키기 위한 구동모터(370)가 배치되어 있다.

이에 따라 제어반(380)에서는 풍력 발전기의 초기 기동 시 구동모터(380)를 구동시켜 다리우스 타입의 블레이드(310)를 회전시킴으로써, 블레이드(310)의 초기 기동이 원활하게 이루어진다.

이와 같은 풍력 발전기는 대한민국 공개 특허공보 제2002-0045601호에 개시되어 있다.

또한 대한민국 등록실용신안공보 20-0413537호(2006.04.03 등록)에는 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 풍력 발전기에 대해 개시되어 있다.

도 3은 상기 실용신안공보에 개시된 풍력 발전기를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A선 단면도이다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와 같은 풍력 발전기는 지면에 대해 수직으로 구비 되어 있는 샤프트 축(1), 상기 샤프트 축(1)에 하나 이상으로 회전 가능하게 구비되어 있고 둘레에는 등 간격으로 다수의 연결대(21)가 돌출 구비된 회전체(2), 상기 연결대(21)와 고정수단(3)으로 고정된 다수의 수직 블레이드(4), 상기 샤프트 축(1)과 연결된 발전기(5)로 이루어지며, 상기 수직 블레이드(4)는 전방이 유선형으로 돌출 형성되어 있고 후방에 반원형의 형상을 가지는 홈부(41)와 상기 홈부(41)의 타단으로부터 일측으로 굴곡된 다음 타측으로 굴곡지게 후방으로 돌출된 곡선형의 굴곡판(42)으로 구성된다.

그리고 상기 연결대(21)는 상기 회전체(2)로부터 돌출되는 수평대(211)로 구성되며, 상기 고정수단(3)은 상기 수평대(211)의 외측에 형성되어 있는 탭홀(31), 상기 탭홀(31)에 상응되게 상기 수직블레이드(4)에 형성되어 있는 관통홀(32), 상기 관통홀(32)에 관통되어 상기 탭홀(31)에 체결되는 볼트(33)로 구성되며, 상기 샤프트 축(1)은 콘크리트나 철 구조물 등을 사용하여 지면에 고정하게 되며, 상기 회전체(2)의 내측에 베어링(22)이 구비되어 상기 회전체(2)가 상기 샤프트 축(1)에 대해 원활하게 회전하는 것이다.

또한 수직 주축 양쪽에 유속이 작용할 때 한쪽은 블레이드가 주축 쪽으로 닫히고, 반대 측 블레이드는 열려서 닫힌쪽 면에 풍압이 작용하여 주축을 회전시키도록, 힌지(hinge)를 이용한 능동형 베인(vane)에 대해서는 대한민국 공개특허 2007-0110232호 등에 개시되어 있다.

그러나, 현시점에 있어서는 기동 토크가 큰 것이 단점인 자이로밀 타입 및 다리우스 타입과 구동속도가 유체의 속도까지인 사보니우스 타입의 단점을 극복한 제품의 개발이 절실히 요구되고 있다.

즉, 상기와 같은 종래의 풍력 발전기에 있어서는 블레이드(블레이드)의 초기 기동이 필요하며, 회전력을 가변으로 할 수 없어 블레이드의 파손시, 이를 수리 교체하기가 곤란하다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 유체의 항력과 양력을 이용한 다리우스 타입과 사보니우스 타입을 겸용하여 기동 토크가 큰 다리우스의 단점과 구동 속도가 유체의 속도인 사보니우스의 단점을 극복할 수 있는 다수의 블레이드를 구비한 수직축 발전 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템은 유체의 흐름에 대하여 수직으로 구비되어 있는 샤프트, 상기 샤프트에 회전 가능하게 구비된 회전체, 상기 회전체 둘레에 등 간격으로 결합된 지지대, 상기 지지대에 결합된 다수의 블레이드 및 상기 회전체의 회전력으로 전력을 생산하는 발전기를 포함하며, 상기 다수의 블레이드의 각각은 유체의 항력과 양력에 의해 상기 회전체를 회전시키는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드는 3개 내지 9개인 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드의 각각은 10~95도의 각도로 회전 가능한 힌지 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드의 각각은 사각형상으로서, 일면은 유선형으로 이루어지고 다른 면은 직선 형상으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드의 각각은 상기 일면과 다른 면을 관통하는 관통부가 형성되고, 상기 관통부의 내부에는 상기 힌지 구조가 장착되며, 상기 관통부의 양쪽 표면 부분에는 상기 블레이드의 회전에 대응하여 상기 지지대가 유도되도록 대략 원형의 슬롯이 형성된 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드의 어느 하나는 유체방향을 기준으로 하여 제1의 각도에서는 항력, 제2의 각도에서는 항력, 블레이드 가변력 및 반발력, 제3의 각도에서는 반발력 및 항력, 제4의 각도에서는 항력 및 양력, 제5의 각도에서는 양력 및 항력으로 회전력을 가지는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드의 각각은 지속적인 구동시 회전력에 대한 관성 모멘트로 회전하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 있어서, 상기 다수의 블레이드의 각각은 기동시 항력으로 기동되고, 주속비가 1을 지나면 양력으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템은 기동 회전력은 항력(Drag-force)을 받아 회전하는 구조로 일정 속도 이상에서는 양력(Lift-force)으로 회전하는 구조를 구비하여, 부는 유체에 따라 블레이드가 지지대를 중심으로 회전각을 변화하는 자연 친화적으로 작동하므로, 고효율의 발전기를 제공할 수 있고, 강제적으로 각을 변경하는 부품이 없는 관계로 유지보수 문제와 A/S 서비스의 문제가 감소된다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 따른 수직축 발전 시스템에 의하면, 각각의 블레이드가 회전체와 연결된 지지대와 블레이드가 독립적으로 유체의 방향에 따라 구동하므로, 자연친화적이며 구동력에서는 동일 직경에서 최대의 회전력을 받을 수 있는 형태이므로 고효율의 발전을 할 수 있다는 효과도 얻어진다.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 수직축 발전 시스템의 구성요소는 회전력을 얻기 위한 블레이드, 전력을 발생하는 발전기 및 이를 지지하는 지지물로 구성되며, 유체의 이용에 있어서 항력(Drag-force)과 양력(Lift-force)을 어떻게 이용하는가가 가장 중요한 과제이므로 기동 시는 항력의 장점을 가진 사보니우스 타입을 가진 구조로 작동 하여 주속비가 1에 접근하면 회전으로 인한 원심력으로 항력을 받던 유체 방향의 주 블레이드 또한 모두 85도를 유지하도록 하고, 주속비(계속해서 회전하는 비율)가 1을 넘을 시에는 지지대와 블레이드가 84도를 유지함으로써 유선형 블레이드에서 발생한 양력(Lift-force)으로 회전력을 발생하는 다리우스와 자이로밀 타입의 구조 형태로 작동하게 함으로써, 다리우스와 자이로밀 타입의 상호 단점을 보완하여 보다 나은 블레이드 구조를 가져 유체의 흐름에 대하여 수직형으로 이루어지는 발전시스템에서의 발전 효율을 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.

또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

도 5는 본 발명에 따른 발전 시스템의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.

도 5에 있어서, 본 발명에 따른 발전 시스템은 지면에 대해 수직으로 구비되어 있는 샤프트(10), 상기 샤프트에 회전 가능하게 구비된 회전체(20), 상기 회전체(20) 둘레에 등 간격으로 결합된 지지대(30), 상기 지지대(30)에 결합된 다수의 블레이드(40) 및 상기 회전체(20)의 회전력으로 전력을 생산하는 발전기(50)를 구비하며, 상기 다수의 블레이드(40)의 각각은 유체의 항력과 양력에 의해 상기 회전체(20)를 회전시킨다.

이하의 설명에서는 블레이드(40)와 지지대(30)의 구조에 대해 주로 기술하며, 샤프트(10), 회전체(20) 및 발전기(50)의 구조 및 작용은 종래의 기술을 적용하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 블레이드(40)는 등 간격으로 3개 내지 9개 정도가 장착될 수 있으며, 블레이드(40)의 각각은 10~95도의 각도로 회전 가능한 힌지 구조를 갖는다.

또한 상기 블레이드(40)는 사각 평면 형상의 주면(43), 호형면을 갖는 후면, 상하면으로 이루어진 비행기 날개 형상을 갖는다.

상기 상하면의 일측(42)은 유선형으로 이루어지고 다른 측(43)은 직선 형상으로 이루어진다. 한편 상기 주면(43)과 후면을 관통하는 관통부(44)의 내부에는 적어도 2개의 힌지 구조가 장착되며, 이 힌지 구조에 한쌍의 지지대(30)가 장착된다. 또한 상기 관통부(44)의 양쪽 표면 부분에는 블레이드(40)의 회전에 대응하여 상기 지지대(30)가 유도되도록 대략 원형의 슬롯이 형성된다.

다음에 도 6 내지 도 8에 따라 본 발명에 따른 블레이드(40)의 구조 및 작동에 대해 구체적으로 설명한다. 도 6은 힌지 구조에 의해 설치된 블레이드의 정렬 상태를 나타내는 도면이고, 도 7은 유체방향을 기준으로 하여 블레이드가 회전하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 8은 지속적으로 구동시 회전력에 대한 관성 모멘트로 블레이드가 회전하는 상태를 설명하기 도면이다.

본 발명에 따른 블레이드구조는 다음과 같다.

즉, 기동 시는 유체의 항력(Drag force)에 의하여, 즉 회전하고자하는 쪽의 블레이드(40)는 유체의 방향의 수직으로 형성되어 최대 항력을 받는 사보니우스 타입 블레이드(40) 형태로, 반대쪽은 유체의 방향에 대하여 양력을 가지도록 각이 약 85도로 되는 구조를 가진 다리우스 형 블레이드(40) 구조로 기동 토크를 최대화한 다. 따라서 유체의 속도와 동일 회전력을 넘어서는 유체의 항력(Lift force)을 받던 유체 방향의 블레이드(40) 또한 회전력에 의한 원심력으로 블레이드(40)의 지지점에서 약 18도에서 약 85도로 변경됨으로 회전체(20) 중심부에 대하여 비행기의 익현 블레이드(40) 구조를 갖는 다리우스 타입 또는 자이로밀 타입의 블레이드(40) 형태로 변경되어 양력으로 구동하도록 한 효율적인 블레이드(40) 구조를 갖는다,

이는 기존에 개발된 두 형태가 가지는 장단점을 합쳐서 장점만을 가진 구조로 구동되며, 기동 시는 항력(Drag-force)으로, 주속비가 1을 지나서는 양력(Lift force)로 회전하는 블레이드(40) 구조를 형성하도록 하므로, 현재까지 개발된 수직축 발전기 형태에서 가지고 있는 단점을 보완한 블레이드(40) 구조이다.

본 발명에 따른 블레이드(40)는 3개 내지 9개를 마련하여도 좋지만, 5개(약 72도)를 가진 구조가 회전시 유체의 방향에 대하여 상쇄되는 부분의 최소화로 동일 유체의 양에 따른 최대 사용과 이에 따라 부품의 최적화가 된다.

이하의 설명에서는 설명의 편의상 5개의 블레이드(40)가 장착되는 구조로서 기술한다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 블레이드(40)는 지지대와 회전체가 72도 간격으로 5개가 마련되어 지지대(30)와 결합되고, 회전체(20)에 연결되어 회전할 수 있는 구조로 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 각각의 블레이드(40)와 지지대(30) 간의 회전각이 18~85도로써 회전할 수 있도록 관통부(44)가 마련된다. 따라서, 유체 방향에서는 블레이드(40)가 수직방향인 18도로 불어오는 유체을 전량 받아서 회전하는 구조이며, 반대쪽은 회전각이 유체으로 인하여 최대 85도로 변화하므로, 돌고자하는 힘에 의하여 양력(Lift force)이 발생하여 지지대에 대한 회전모멘트를 발생한다. 즉 기존의 사보니우스 타입의 반대쪽은 언제나 반력으로 작용하였으나, 본 발명에 따른 구조에서는 양력의 구조를 가지므로, 반력이 아닌 추가적으로 회전 모멘트를 발생할 수 있다. 또한 사보니우스 타입의 단점은 유체의 속도보다는 큰 회전력을 증가할 수 없다는 단점이 있으나, 불어오는 유체의 속도보다 커질 때는 부는 유체의 항력(Drag-force)을 받던 블레이드(40)가 양력을 받는 구조로 변경되어 자이로밀 형으로 구동된다.

종래의 블레이드의 구조는 FRP를 주로 사용하고 있으나, 본 발명에 따른 블레이드(40)는 양력을 받는 구조에 있어서 도 5의 확대도에 도시된 바와 같은 구조이므로, 공기의 저항력을 가지고 온다는 단점이 있어서 블레이드(40)의 구조를 얇은 강재를 사용하여 익형의 리브 모양을 아래쪽에서 양쪽으로 접어 올리고 그 사이에 지지대(30)와 블레이드(40)가 회전할 수 있는 힌지 구조를 가진 모재를 삽입하여 구성한다.

즉, 상기 블레이드(40)는 앞 부분의 강재를 접어 올린 리브의 상부 면을 따라 곡절하여 용접(EWR Welding) 또는 리벳(rivet) 처리로 고정하는 익형 형태 구조 또는 알루미늄 압출 공정으로 하부면의 공기의 저항력을 극소화하는 구조로 양력 발생을 최대화하도록 구성하므로, 견고하고 경량이며 저가의 블레이드의 생산이 가능하다.

또한 언제든지 회전력을 가변할 수 있도록 지지대(30)와 블레이드(40)의 힌지 부분은 지지대(30)를 따라 원활히 블레이드(40)의 이동이 가능한 스크류 볼트로 체결 고정하는 구조이며, 블레이드(40)의 파손으로 발생한 수리교체를 신속 처리하게 할 수 있는 편리성을 가진 구조이다. 따라서, 지지대(30)의 끝 부분은 블레이드(40)가 이탈할 수 없는 고정 핀을 가진 구조를 마련하여 강풍에 의하여 블레이드(40)가 접히거나 변형되더라도 비산의 위험을 최대한 방지할 수 있다.

다음에 본 발명에 따른 블레이드의 작동원리에 대해 설명한다.

유체의 방향에 대하여 블레이드(40)가 구동하는 방법은 중앙의 회전체(20)에 설치된 지지대(30)의 각각의 회전축 끝단에 일정한 각도(18~85도)로 회전토록 되어 있는 힌지구조로 인해 설치된 블레이드(40)는 도 6과 같이 정렬된다.

도 6에서 유체방향은 우에서 좌로 부는 방향이며, 회전체(20)의 회전방향은 반시계 방향이고, 블레이드(40)는 비행기 날개의 구조이며, 힌지 각도는 18~85도 사이이다.

본 발명에 있어서는 초기 회전력을 극대화하기 위해 도 6에 도시한 바와 같이 블레이드(40A~40E)는 다음과 같이 회전한다.

1) 첫 번째 블레이드(40A)가 받는 힘은 0°~72°까지 회전할 때까지

회전체(20)과 이루는 블레이드는 힌지 각도 18°도를 유지한 채 회전함으로써, 회전체(20)에 걸리는 힘은 유체 방향에 대한 블레이드(40)의 수직 단면적 sin(18°+θ)이 받는 면적에 대한 회전체(20)의 수직분을 계산하면, cos18°이므로 변위각에 따른 회전체(20)에 대한 수직분의 힘은 sin(18°+θ) x cos18°로서 회전체(20)의 추진력으로 작용된다. 여기서, θ는 변위각 이다.

2) 두 번째 블레이드(40B)가 받는 힘은 0°~72°까지 회전할 때까지

0°~120°도까지는 첫 번째와 같이 힌지 각도 18°도를 유지한 채 회전함으로써, 회전체(20)에 걸리는 힘이 유체방향에 대한 블레이드(40)의 수직 단면적 sin(18°+θ)이 받는 면적에 대한 회전체(20)의 수직분을 계산하면 cos18°이므로, 변위각에 따른 회전체(20)에 대한 수직분의 힘은 sin(18°+θ) x cos18°로서 회전체(20)의 추진력으로 작용된다.

121°~137°도 사이에서는 유체방향에서 볼 때 첫 번째 블레이드(40A)의 흰지 부분과 같은 동일선상에 놓이므로, 블레이드(40B)의 상단부분만 부는 유체에 영향으로 18°도를 유지하여 오던 힌지 각도가 유체의 저항을 최소로 하기 위하여 블레이드(40B)의 힌지 부분만이 18°~85°로 회전하므로, 발생되는 힘은 없으며 또한 132°~137°에서도 첫 번째 블레이드(40A) 범위 안으로 영향이 없다.

138°~141° 사이에서 힌지각도 85°를 유지한 채 회전함으로써, 회전체(20)에 걸리는 힘은 유체방향에 대한 블레이드(40)의 수직 단면적 sin(67°+θ)이 받는 힘에 대한 회전체(20)의 수직분을 계산하면 cos95°이므로 변위각에 따른 회전체(20)에 대한 수직분의 힘은 sin(67°+θ) x cos95°로서 회전체(20)에 반발력으로 작용된다.

3) 세 번째 블레이드(40C)가 받는 힘은 142°~215°까지 회전할 때까지

힌지각도 85°를 유지한 채 회전함으로써, 회전체(20)에 걸리는 힘은 유체방향에 대한 블레이드(40)의 수직 단면적sin(139°+θ)이 받는 힘에 대한 회전체(20)의 수직분을 계산하면 cos185°이므로, 변위각θ에 따른 회전체(20)에 대한 수직분의 힘은 sin(139°+θ) x cos185°로서 회전체(20)에 반반력으로 작용된다.

4) 네 번째 블레이드(40D)가 받는 힘은 216°~287°까지 회전할 때까지

216°~274°까지는 힌지 각도 85°를 유지한 채 회전함으로써, 회전체(20)에 걸리는 힘은 유체방향에 대한 블레이드(40D)의 수직 단면적 sin(211°+θ)이 받는 힘에 대한 회전체(20)의 수직분을 계산하면 cos275°이므로, 변위각θ에 따른 회전체(20)에 대한 수직분의 힘은 sin(211°+θ) x cos275°로서 계산된다.

275°~287°까지는 익형의 블레이드(40D)가 유체방향과 동일하게 85°~18°까지 변위하여 회전체(20) 힌지점의 수직으로 양력이 발생한다.

5) 다섯 번째 블레이드(40E)가 받는 힘은 288°~359°까지 회전할 때까지

288°~342°까지는 익형의 블레이드(40E)가 유체방향과 동일하게 85°~18°까지 변위하여 회전체(20)의 수직으로 양력이 발생하며, 343°~359°까지는 유체방향에 대한 블레이드(40)의 수직 단면적 sin(283°+θ)이 받는 힘에 대한 회전체(20)의 수직분을 계산하면, cos342°이므로 변위각에 따른 회전체(20)에 대한 수직분의 힘은 sin(283°+θ) x cos342°로서 회전체(20)의 추진력으로 작용된다.

본 발명에 있어서는 수직형에는 유체의 양력(Lift-force)으로 구동하는 자이로밀과 다리우스 타입과 항력(Drag-force)으로 구동하는 사보니우스 타입의 혼합형으로, 상기와 같이 초기 회전력은 유체 부는 방향의 좌측에는 가변 익형인 사보니우스 타입으로 최대의 항력을 얻을 수 있게 하고, 회전방향 오른쪽의 블레이드(40)는 유체과 수평으로 가변되므로, 기동시 저항을 최소화하고 유체의 세기에 따라 주속비가 1 만큼 도달하면 수평으로 가변된 블레이드(40)가 양력을 얻는 혼합형으로 구동할 수 있으며 주속비가 1을 초과하는 경우 양력의 장점을 지닌 자이로밀의 블 레이드(40)구조로 보다 효율성을 지닌 구동체가 될 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 유체방향을 기준으로 하여 보면,

(a) 제1의 각도

0°~ 71°에서는 항력,

(b) 제2의 각도

72° ~ 141°에서는 항력+블레이드(40)가변+반발력

(c) 제3의 각도

142° ~ 215°에서는 반발력+항력

(d) 제4의 각도

216° ~ 287°에서는 항력+양력

(e) 제5의 각도

288° ~ 360°에서는 양력+항력

으로 회전력을 가지고 기동되는 것을 알 수 있다.

또한 도 8에 도시한 바와 같이, 유체속도를 만족하고 지속적으로 구동시는 회전력에 대한 관성모멘트로 블레이드(40)가 양력에 강한 특성을 가진 환형으로 회전하게 되므로 항력의 단점을 개선할 수 있음을 알 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

도 1은 블레이드가 자이로밀 타입으로 이루어진 종래의 수직축 풍력 발전기를 도시한 도면,

도 2는 블레이드가 다리우스 타입으로 이루어진 종래의 수직축 풍력 발전기를 도시한 도면,

도 3은 종래의 풍력 발전기를 나타낸 사시도,

도 4는 도 3의 A-A선 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 발전 시스템의 구조를 설명하기 위한 사시도,

도 6은 힌지 구조에 의해 설치된 블레이드의 정렬 상태를 나타내는 도면,

도 7은 유체방향을 기준으로 하여 블레이드가 회전하는 과정을 설명하기 위한 도면,

도 8은 지속적으로 구동시 회전력에 대한 관성 모멘트로 블레이드가 회전하는 상태를 설명하기 도면.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 샤프트 20 : 회전체

30 : 지지대 40 : 블레이드

50 : 발전기

Claims (8)

1. 유체의 흐름에 대하여 수직으로 구비되어 있는 샤프트,

   상기 샤프트에 회전 가능하게 구비된 회전체,

   상기 회전체 둘레에 등 간격으로 결합된 지지대,

   상기 지지대에 결합된 다수의 블레이드 및

   상기 회전체의 회전력으로 전력을 생산하는 발전기를 포함하며,

   상기 다수의 블레이드의 각각은 유체의 항력과 양력에 의해 상기 회전체를 회전시키는 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드는 3개 내지 9개인 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
3. 제2항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드의 각각은 10~95도의 각도로 회전 가능한 힌지 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
4. 제3항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드의 각각은 사각형상으로서, 일면은 유선형으로 이루어 지고 다른 면은 직선 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드의 각각은 상기 일면과 다른 면을 관통하는 관통부가 형성되고,

   상기 관통부의 내부에는 상기 힌지 구조가 장착되며,

   상기 관통부의 양쪽 표면 부분에는 상기 블레이드의 회전에 대응하여 상기 지지대가 유도되도록 슬롯이 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드의 어느 하나는 유체방향을 기준으로 하여 제1의 각도에서는 항력, 제2의 각도에서는 항력, 블레이드 가변력 및 반발력, 제3의 각도에서는 반발력 및 항력, 제4의 각도에서는 항력 및 양력, 제5의 각도에서는 양력 및 항력으로 회전력을 가지는 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
7. 제5항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드의 각각은 지속적인 구동시 회전력에 대한 관성 모멘트로 회전하는 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.
8. 제5항에 있어서,

   상기 다수의 블레이드의 각각은 기동시 항력으로 기동되고, 주속비가 1을 지나면 양력으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수직축 발전 시스템.

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