KR101117476B1 - 수직형 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직형 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 풍력발전장치의 대형화를 꾀하면서 안정적으로 전력 생산이 이루어지게 하는 동시에 주요 부품이 장치된 상부철탑과 지상에 설치된 하부철탑이 분리 결합되게 하여 안정적인 구조 및 설치, 유지관리가 간편하게 이루어지게 하며, 바람 수용면적을 확대하여 낮은 풍속에서도 수직형 풍력발전장치가 가동될 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 상단에 제1플랜지가 형성되고 지면에 설치 고정되는 원통형의 하부철탑과; 체결부재를 통하여 상기 제1플랜지와 결합되는 제2플랜지가 하단에 형성되고 하부철탑에서 조립 분리되는 상부철탑과; 상기 상부철탑 내부에 설치되고 상부철탑 내부에서 회전할 수 있도록 상단과 하단이 베어링 결합되는 중심축과; 상기 중심축 상단에 수평 방향으로 다수 형성되고 중심축과 일체로 회전하는 메인 연결가대와; 상기 메인 연결가대 끝단에 각각 수직 방향으로 위치한 상태에서 중간이 연결 고정되고 바람에 의해 회전하면서 메인 연결가대, 중심축을 회전시키는 수직날개와; 상기 중심축 하단에 커플링 결합되고 수직날개에 의해 회전력이 전달되면 회전하면서 전력을 생산 발전시키는 발전기로 구성되는 것이 주된 특징이다.

Description

수직형 풍력발전장치{Vertical wind power generato}

본 발명은 수직형 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 풍력발전장치의 대형화를 꾀하면서 안정적으로 전력 생산이 이루어지게 하는 동시에 주요 부품이 장치된 상부철탑과 지상에 설치된 하부철탑이 분리 결합되게 하여 안정적인 구조 및 설치, 유지관리가 간편하게 이루어지게 하며, 바람 수용면적을 확대하여 낮은 풍속에서도 수직형 풍력발전장치가 가동될 수 있도록 한 수직형 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전이라 함은 바람이 갖는 운동에너지를 터빈에 의해 기계적 에너지로 변환시키고, 다시 이를 전기에너지로 변환시키는 것으로 보통 풍속의 세제곱과 터빈의 면적에 비례하는 에너지량으로 변환되게 된다. 상기와 같은 풍력발전용으로 사용되는 풍력발전기는 크게 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평축 풍력발전기와 수직축 풍력발전기로 분류되며, 수직축 풍력발전기는 날개의 항력을 이용하는 사보니우스형과 공기 역학적 양력을 이용하는 다리우스형으로 나누어진다.

수평축풍력발전기는 적은 용량에서부터 큰 대형 용량에 이르기까지 광범위하게 사용되며, 수직축 풍력발전기는 중형급이하의 풍력발전에 많이 이용되고 있다. 수평축 풍력발전기는 예외 없이 날개의 면이 바람이 부는 방향으로 향해 있어야하며, 이를 위해 풍력발전기의 몸통을 인위적으로 요잉시켜 주든지, 혹은 꼬리날개를 이용하여 스스로 날개면이 바람과 직교되는 방향으로 서도록 해야 한다. 수직축 풍력발전기는 날개가 수직축 중심으로 회전하므로 바람의 방향과 무관하므로 요잉 메카니즘이 없다. 또한 수평축 풍력발전기에 비해 낮은 선단 속도비에서 최대 동력계수를 얻을 수 있고 유동소음도 더 작다는 장점이 있다. 따라서 소형풍력 발전기에는 수직축 풍력발전기가 수평축 풍력발전기 보다 구조적으로 유리하다. 미국 등의 몇몇 회사가 개발을 추진중에 있으나 대형화에 실패하여 상용화된 대용량 시스템은 없으며 주로 소용량으로 운전되고 있다.

이와 같이 수직축 풍력발전기는 위의 장점에도 불구하고 대부분 10kW급 이하의 소형풍력발전기에 적용되어 왔으며, 대형풍력발전에 적용하기 곤란한 이유로는 높은 출력을 얻기 위해서는 풍력발전기 터빈에 바람 받는 면적을 최대화하여야 하는데, 이를 위해서는 회전날개의 크기 및 회전 면적이 커져야 하며, 터빈의 크기가 대형일 경우 날개의 중량이 증가하여 중심축에 가해지는 힘이 증가되고, 터빈을 지지하는 구조체가 거대해져야 한다.

또한 회전면적이 커져 날개와 중심축을 연결하는 연결가대가 안정적으로 설계되어야 하며, 따라서 중심축과 날개를 연결하는 가대구조가 복잡하게 연결되어 공기저항이 커지고, 터빈의 중량이 증가하여 회전력이 감소하는 영향을 미치게 된다. 또한 강풍에 의해 터빈 중심축과 날개를 연결하는 연결가대 및 날개가 휘어지는 현상이 발생하여 날개 및 구조물의 파손이 일어나 전력생산이 불가능하게 되는 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 수직형 풍력발전장치의 대형화를 꾀하면서 안정적으로 전력 생산이 이루어게 함은 물론 수직날개의 구조를 변경하고, 변경된 수직날개의 구조에 의해 항력 및 양력 발생이 최적화되어 발전효율이 증대될 수 있도록 한 수직형 풍력발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 주요 부품이 장치된 상부철탑과 지상에 설치된 하부철탑이 분리 결합되게 함으로써, 안정적인 구조 및 설치, 유지관리가 간편하게 이루어질 수 있도록 한 수직형 풍력발전장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 수직날개측에 별도의 날개꼬리를 형성하여 바람 수용면적을 확대 형성한 후, 상기한 날개꼬리를 통하여 낮은 풍속에서도 수직형 풍력발전장치가 가동될 수 있도록 한 수직형 풍력발전장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은, 상단에 제1플랜지가 형성되고 지면에 설치 고정되는 원통형의 하부철탑과; 체결부재를 통하여 상기 제1플랜지와 결합되는 제2플랜지가 하단에 형성되고 하부철탑에서 조립 분리되는 상부철탑과; 상기 상부철탑 내부에 설치되고 상부철탑 내부에서 회전할 수 있도록 상단과 하단이 베어링 결합되는 중심축과; 상기 중심축 상단에 수평 방향으로 다수 형성되고 중심축과 일체로 회전하는 메인 연결가대와; 상기 메인 연결가대 끝단에 각각 수직 방향으로 위치한 상태에서 중간이 연결 고정되고 바람에 의해 회전하면서 메인 연결가대, 중심축을 회전시키는 수직날개와; 상기 중심축 하단에 커플링 결합되고 수직날개에 의해 회전력이 전달되면 회전하면서 전력을 생산 발전시키는 발전기를 포함하는 것과,

일단은 상기 수직날개의 상측과 하측에 각각 연결되고 타단은 메인 연결가대에 형성된 연결 플랜지에 보조 연결가대가 연결되며, 상기 보조 연결가대와 메인 연결가대 사이에는 보조 연결가대와 반대 방향의 기울기를 갖는 연결가대가 연결 형성되어 강풍에 의한 수직날개의 전체적인 뒤틀림현상을 방지하는 것과,

수직날개와 수직날개 사이에 와이어로프를 형성하되, 상기 와이어로프는 수직날개의 상단, 하단, 중간에 일정한 간격을 두고 다수 형성하여 수직날개의 흔들림을 방지하는 것과,

수직날개 내부에는 발포 우레탄층을 충진하고, 상기 발포 우레탄층에는 유리섬유층을 형성하여 수직날개의 인장강도는 증진되고 무게는 경량화되게 하는 것과,

수직날개 내부에 수직 방향으로 보강 플레이트를 설치하여 휨 현상을 방지하는 것과,

수직날개 끝단에 꼬리날개를 형성하여 바람 수용면적을 증대시키는 것과,

수직날개(500) 상단과 하단에 소음방지홈(550)을 각각 형성하고, 수직날개가 회전할 때 상기 소음방지홈(550)을 통하여 공기저항이 최소화되어 소음이 방지되게 하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

따라서 본 발명에 따르면, 수직형 풍력발전장치의 대형화를 꾀하면서 안정적으로 전력 생산이 이루어질 수 있도록 수직날개의 구조가 수직형 풍력발전장치에 적합하게 변경되어 있다. 즉 본 발명의 수직날개는 발포 우레탄층에 의해서는 제품의 무게가 경량화되어 있고, 유리섬유층에 의해서는 인장강도가 증대되어 있으며, 와이어로프, 보조 연결가대, 연결가대에 기능적으로 연결되어 있기 때문에 강풍에 의해 수직날개가 뒤틀림거나 휨 현상이 방지된다. 이는 안정적인 전력생산을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 항력 및 양력 발생이 최적화되기 때문에 발전효율을 증대시킬 수 있는 것이다.

또한, 발명은 주요 부품이 장치된 상부철탑과 지상에 설치된 하부철탑은 제1플랜지와 제2플랜지를 통하여 분리 결합이 가능하기 때문에 안정적이고 간편하게 설치작업이 이루어질 수 있을 뿐 아니라, 유지관리가 간편하게 이루어질 수 있는 것이다.

또한, 본 발명은 수직날개측에 별도의 날개꼬리가 형성되어 있고, 상기 날개꼬리를 통하여 바람 수용면적을 확대 형성되어 있기 때문에 낮은 풍속에서도 수직형 풍력발전장치가 가동될 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 전체적인 구성도.
도2는 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 평면 구성도.
도3은 본 발명에 따른 수직형 풍력발전장치의 요부 확대 구성도.
도4는 본 발명에 따른 수직날개의 정면도.
도5는 본 발명에 따른 수직날개의 평 단면도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도1 내지 도5에서와 같이 상단에 제1플랜지(110)가 형성되고 지면에 설치 고정되는 원통형의 하부철탑(100)과, 체결부재(700)를 통하여 상기 제1플랜지(110)와 결합되는 제2플랜지(210)가 하단에 형성되고 하부철탑(100)에서 조립 분리되는 상부철탑(200)과, 상기 상부철탑(200) 내부에 설치되고 상부철탑 내부에서 회전할 수 있도록 상단과 하단이 베어링(310) 결합되는 중심축(300)과, 상기 중심축(300) 상단에 수평 방향으로 다수 형성되고 중심축과 일체로 회전하는 메인 연결가대(400)와, 상기 메인 연결가대(400) 끝단에 각각 수직 방향으로 위치한 상태에서 중간이 연결 고정되고 바람에 의해 회전하면서 메인 연결가대(400), 중심축(300)을 회전시키는 수직날개(500)와, 상기 중심축(300) 하단에 커플링(610) 결합되고 수직날개(500)에 의해 회전력이 전달되면 회전하면서 전력을 생산 발전시키는 발전기(600)가 기본적으로 구성된다.

여기서, 일단은 상기 수직날개(500)의 상측과 하측에 각각 연결되고 타단은 메인 연결가대(400)에 형성된 연결 플랜지(410)에 보조 연결가대(420)가 연결되며, 상기 보조 연결가대(420)와 메인 연결가대(400) 사이에는 보조 연결가대와 반대 방향의 기울기를 갖는 연결가대(430)가 연결 형성되어 강풍에 의한 수직날개(500)의 전체적인 뒤틀림현상이 방지되도록 하였다.

한편, 수직날개(500)와 수직날개(500) 사이에 와이어로프(440)를 형성하되, 상기 와이어로프(440)는 수직날개(500)의 상단, 하단, 중간에 일정한 간격을 두고 다수 형성하여 수직날개(500)의 흔들림이 방지되도록 구성하였다.

또한, 수직날개(500) 내부에는 발포 우레탄층(520)을 충진하고, 상기 발포 우레탄층(520) 외주면에는 유리섬유층(510)을 형성하여 수직날개(500)의 인장강도는 증진되고 무게는 경량화되게 하였으며, 수직날개(500) 내부에는 수직 방향으로 보강 플레이트(530)를 설치하여 휨 현상이 방지되도록 구성된다.

상기 수직날개(500) 끝단에 별도의 꼬리날개(540)를 형성하여 바람 수용면적을 증대시킨 후, 낮은 풍속에서도 수직형 풍력발전장치가 가동될 수 있도록 하였다. 또한, 수직날개(500) 상단과 하단에 소음방지홈(550)을 각각 형성하고, 수직날개(500)가 회전할 때 상기 소음방지홈(550)을 통하여 공기저항이 최소화되어 소음이 방지되도록 구성된다.

하부철탑(100)은 한개의 주 기둥이 수직원통형 구조를 가지며, 하부에는 지반과 앙카볼트가 체결되어 안정적으로 설치되며, 스틸재질을 가진 구조로 제작되어진다. 또한 하부철탑(100) 상부에는 제1플랜지(110)를 설치하여 터빈의 고장과 수리, 설치를 용이하게 하기 위해 상부철탑과 분리 결합될 수 있도록 구성된다.

상부철탑(200)은 4개의 원통형 기둥(220)이 원뿔형 형태로 정렬되어 있으며, 일정 간격 보강앵글(230)을 수평방향으로 설치한 트러스 구조이며, 체결부재(700)를 통하여 하부철탑(100)에서 분리 결합될 수 있도록 하단에 제2플랜지(210)가 형성된다.

이와 같이 구성된 본 발명을 사용하기 위해서는 먼저 상단에 제1플랜지(110)가 형성된 하부철탑(100)과, 하단에 제2플랜지(210)가 형성되고 주변에 발전기(600), 중심축(300), 메인 연결가대(400), 보조 연결가대(420), 연결가대(430), 와이어로프(440), 수직날개(500)와 같은 주요부품이 조립된 상부철탑(200)을 각각 준비한 후, 설치하고자 하는 장소에 하부철탑(100)을 설치하고 상기한 하부철탑(100) 상단에 상부철탑(200)을 위치시키면 제1플랜지(110)와 제2플랜지(210)가 마주하게 된다. 이때 체결부재(700)를 이용하여 제1플랜지(110)와 제2플랜지(210)를 체결 고정하면 상부철탑(200)이 하부철탑(100) 상단에 설치되면서 풍력을 이용하여 전기를 발전가능한 상태로 조립된다.

상기와 같은 조립상태는 와이어로프(440)가 수직날개(500)와 수직날개(500) 사이 사이에 연결 형성되어 있기 때문에 바람과 부딪치더라도 수직날개(500)의 흔들림이 방지된다. 또한 상기 수직날개(500)는 메인 연결가대(400)를 기준으로 보조 연결가대(420)와 연결가대(430)가 각기 다른 방향으로 기울기를 갖으면서 연결 설치되어 있기 때문에 수직날개(500)의 전체적인 뒤틀림을 방지할 수 있는 것이다.

상기와 같이 조립된 본 발명은 바람은 수직날개(500)측에 부딪치고, 바람에 부딪친 수직날개(500)는 회전력을 얻게 된다. 이때 수직날개(500)의 회전력이 중심축(300)에 전달되면 상기한 중심축(300)은 발전기(600)를 가동시켜 전기를 생산 발전하도록 하는 것이다. 한편, 본 발명의 수직날개(500) 끝단에는 별도의 꼬리날개(540)가 형성되어 있기 때문에 적은 풍속에서도 상기한 꼬리날개(540)를 통하여 수직형 풍력발전장치를 가동시킬 수 있는 것이다.

한편, 수직날개(500) 상단과 하단에는 소음방지홈(550)이 각각 형성되어 있다. 따라서 수직날개(500)가 회전할 때 소음방지홈(550)이 수직날개(500)의 공기저항을 최소화하기 때문에 어느 정도 소음을 방지할 수 있는 것이다.

100 ; 하부철탑 110 ; 제1플랜지
200 ; 상부철탑 210 ; 제2플랜지
300 ; 중심축 310 ; 베어링
400 ; 메인 연결가대 410 ; 연결 플랜지
420 ; 보조 연결가대 430 ; 연결가대
440 ; 와이어로프 500 ; 수직날개
510 ; 발포 우레탄층 520 ; 유리섬유층
530 ; 보강 플레이트 540 ; 꼬리날개
600 ; 발전기 700 ; 체결부재

Claims (7)

1. 상단에 제1플랜지(110)가 형성되고 지면에 설치 고정되는 원통형의 하부철탑(100)과, 체결부재(700)를 통하여 상기 제1플랜지(110)와 결합되는 제2플랜지(210)가 하단에 형성되고 하부철탑(100)에서 조립 분리되는 상부철탑(200)과, 상기 상부철탑(200) 내부에 설치되고 상부철탑 내부에서 회전할 수 있도록 상단과 하단이 베어링(310) 결합되는 중심축(300)과, 상기 중심축(300) 상단에 수평 방향으로 다수 형성되고 중심축과 일체로 회전하는 메인 연결가대(400)와, 상기 메인 연결가대(400) 끝단에 각각 수직 방향으로 위치한 상태에서 중간이 연결 고정되고 바람에 의해 회전하면서 메인 연결가대(400), 중심축(300)을 회전시키는 수직날개(500)와, 상기 중심축(300) 하단에 커플링(610) 결합되고 수직날개(500)에 의해 회전력이 전달되면 회전하면서 전력을 생산 발전시키는 발전기(600)와,
   일단은 상기 수직날개(500)의 상측과 하측에 각각 연결되고 타단은 메인 연결가대(400)에 형성된 연결 플랜지(410)에 연결 설치되는 보조 연결가대(420)와;
   상기 보조 연결가대(420)와 메인 연결가대(400) 사이에 연결 설치되는 연결가대(430)와;
   상기 수직날개(500)와 수직날개(500) 사이에 설치되는 와이어로프(440)와;
   상기 와이어로프(440)는 수직날개(500)의 상단, 하단, 중간에 일정한 간격을 두고 다수 형성되며, 상기 수직날개(500) 내부에는 발포 우레탄층(520)을 충진하고, 상기 발포 우레탄층(520) 외주면에 형성되는 유리섬유층(510)와,
   상기 수직날개(500) 내부에 수직 방향으로 설치되는 보강플레이트(530)와;
   상기 수직날개(500) 끝단에 형성되는 꼬리날개(540)와;
   상기 수직날개(500) 상단과 하단에 각각 형성되는 소음방지홈(550)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전장치.
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