KR101181596B1 - 수직축 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치된 수직축 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바람의 양력을 이용하는 다리우스식 블레이드와 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식 블레이드를 결합하고, 저 풍속에서 회전하는 사보니우스 블레이드의 회전력을 다리우스식 블레이드로 전달함으로써 저 풍속에서도 초기 구동이 가능하고 고 풍속에서는 풍속이상으로 회전시켜 발전량을 극대화하며, 강풍이나 돌풍 시에는 회전축의 과잉 회전에너지를 위치에너지로 전환하여 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 손상되는 것을 방지함과 아울러 마찰력을 최소화하여 구동 토크를 감소시켜서 저 풍속과 잦은 풍속의 변화에도 블레이드를 연속적으로 회전시켜서 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

수직축 풍력발전기{Vertical Axis Wind Turbine}
본 발명은 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치된 수직축 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바람의 양력을 이용하는 다리우스식 블레이드와 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식 블레이드를 결합하고, 저 풍속에서 회전하는 사보니우스 블레이드의 회전력을 다리우스식 블레이드로 전달함으로써 저 풍속에서도 초기 구동이 가능하고 고 풍속에서는 풍속이상으로 회전시켜 발전량을 극대화하며, 강풍이나 돌풍 시에는 회전축의 과잉 회전에너지를 위치에너지로 전환하여 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 손상되는 것을 방지함과 아울러 마찰력을 최소화하여 구동 토크를 감소시켜서 저 풍속과 잦은 풍속의 변화에도 블레이드를 연속적으로 회전시켜서 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전기는 바람에 의한 블레이드의 회전력을 전기적인 에너지로 변환하는 것으로, 이산화탄소를 배출하지 않아 공해를 유발하지 않고 자연적인 바람을 이용하기 때문에 발전비용이 거의 발생하지 않으며, 타 에너지에 비하여 초기 설비비가 적은 장점이 있다.
특히, 수 kW급 이하의 소형 풍력발전기는 저비용으로 개인이 직접 설치하여 에너지 절약 효과를 느낄 수 있어 지속적인 기술 개발이 이루어지고 있다.
그러나 선진국에서 개발하고 있는 소형 풍력발전기의 정격풍속은 대부분이 12m/s이상이므로 연평균 풍속이 4m/s인 국내에서는 전력을 생산할 수 있는 날이 많지 않기 때문에 효율이 떨어지는 문제가 있다.
이에 따라 국내의 풍속 기상 조건에 맞는 풍력발전기의 개발이 요구되고 있다. 즉, 국내 기상의 특징은 평상시 바람이 많지 않더라도 태풍과 같은 경우에는 최대 풍속이 40m/s 이상이 되는 경우도 적지 않다. 따라서 풍속에너지의 수준이 낮고 풍속의 세기 및 방향의 변화가 자주 발생하는 여건에서도 요구하는 성능을 발휘할 수 있고, 매우 큰 풍속에서도 안전하게 견딜 수 있는 새로운 풍력발전기의 개발이 요구되고 있다.
한편, 풍력발전기는 회전축의 방향에 따라서 수평축 풍력발전기(Horizontal Axis Wind Turbine)와 수직축 풍력발전기(Vertical Axis Wind Turbine)로 구분된다.
수평축 풍력발전기는 통상 바람의 양력을 이용한 블레이드를 사용한다. 따라서 발전 효율은 높으나 바람이 부는 방향에 따라 블레이드의 방향을 바꾸어 주어야하고 바람의 세기에 따라 회전날개의 각도를 바꾸어 주어야 하므로 장치의 구조가 복잡하다는 단점이 있다.
반면에 수직축 풍력발전기는 풍향의 영향에 관계없이 운전되는 특징이 있으므로 바람 추적장치가 필요 없어 구조가 간단하고 회전축이 수직으로 설치되므로 발전기나 기어박스 같이 무거운 부품들을 지표면에 설치할 수 있어 초기 건설비용이나 유지보수비용이 적게 들고 낮은 바람의 항력을 이용하여 약한 풍속에서도 전력생산이 가능하다. 또한 수직축 풍력발전기는 수평축 풍력발전기에 비해 낮은 속도 비에서 최대 동력계수를 얻을 수 있고 유동 소음도 더 작다는 장점이 있다.
그러므로 우리나라처럼 기후변화가 심해 풍속이 일정하지 않고 계절풍의 영향으로 바람의 방향이 일정하지 않은 지역에서는 풍향의 영향을 적게 받으며 시동풍속이 낮은 수직축 풍력발전기가 적합하다고 할 수 있다.
하지만, 종래의 수직축 풍력발전기는 회전축이 수직으로 설치되고 이 회전축에 블레이드의 하중이 그대로 걸리기 때문에 회전축을 회전가능하게 받쳐주는 트러스트 베어링에 과부하가 걸리게 되는 문제가 있었다. 이에 따라 종래의 수직축 풍력발전기는 트러스트 베어링의 마모가 심하여 자주 교체해 주어야 하는 문제가 있었다.
또한, 종래의 수직축 풍력발전기는 저 풍속에서 회전가능한 항력 블레이드를 주로 사용하기 때문에 전력생산 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
즉, 풍력발전기의 블레이드는, 그 형태에 따라서 크게 바람의 항력(drag force)을 이용하는 사보니우스형(Savonius-type)과 바람의 양력(lift force)을 이용하는 다리우스형(Darrieus-type)으로 나눌 수 있다.
다리우스식(Darrius Rotor) 블레이드는 비행기 날개(익형)의 형상으로 이루어진 것으로서, 풍향에 무관하게 회전할 수 있고, 풍속이상의 높은 주속을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나 다리우스식 블레이드는 바람의 양력을 이용하므로 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조 회전동력장치가 필요하다는 단점이 있다.
사보니우스식(Savonius Rotor) 블레이드는 반 원통형의 날개를 회전축에 설치한 것으로, 공기역학적으로 바람의 항력(Drag Force)을 이용하므로 토크 변동이 작고 회전이 부드럽지만 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받음으로 전력생산 효율이 떨어지는 단점이 있다.
즉, 다리우스식 블레이드는 최대 0.35~0.40까지 동력계수 값을 얻을 수 있으나 사보니우스식 블레이드는 최대 0.15~0.20까지의 동력계수(Cp) 값을 얻을 수 있어, 다리우스식 풍력발전기가 사보니우스식에 비해 에너지 변환효율이 우수하다고 알려져 있다.
이와 같이, 다리우스식 블레이드의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식 블레이드의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수가 낮다는 문제가 있다.
한편, 수직축 풍력발전기의 약점인 낮은 전력 생산 효율 등을 극복하기 위해서 다리우스식 블레이드를 수직축 풍력발전기에 적용할 필요성이 증대되고 있다. 그러나, 다리우스식 블레이드는 양력을 얻기 위해 요구되는 초기 구동속도가 높게 유지되어야 하는데, 우리나라는 70% 이상의 지역이 연간 평균 풍속이 6m/s 미만이어서 다리우스식 블레이드를 적용하기 어려운 실정이다. 이와 같이 다리우스식 풍력발전기는 저 풍속 지역에서 날개의 기본적인 회전을 유지하기 위해 필요로 하는 에너지가 많이 요구된다는 문제점이 있다.
따라서 최근에는 저 풍속에서도 쉽게 회전할 수 있고 어느 정도의 고 풍속에서는 종래의 항력형 풍력발전기보다 더 많은 힘을 얻을 수 있는 복합형 블레이드의 개발이 시도되고 있다. 즉, 복합형 블레이드는 양력형 회전날개에 항력형 회전날개를 접목시킨 것으로, 양력형과 항력형 2종류의 날개로 구성되어 저 풍속에서도 쉽게 초기 구동이 가능하며, 고 풍속에서는 양력형 날개에 의해 그 발전량을 극대화하는 것이다.
도 9는 대한민국 등록번호 10-0870634에 개시되어 있는 종래의 풍력발전기를 도시한 것으로서, 종래의 풍력 발전기는, 지상으로부터 적정 높이를 갖는 지주대(10)와; 상기 지주대(10)에 설치되어 내측에 발전기(22)를 구비하는 발전장치(20)와; 상기 발전장치(20)로부터 수직으로 길이를 가지며 내측에 관통홀(31)이 형성되는 1차 회전축(30)과; 상기 1차 회전축(30)에 삽입되어 개별 회전되고 발전장치(20) 내측으로 길이를 갖는 2차 회전축(40)과; 상기 1차 회전축(30)의 외주면에 구비되고, 블레이드를 통과하는 바람을 2차 블레이드(60)로 유도하는 1차 블레이드(50) 및; 상기 1차 회전축(30)의 상부에 위치하며 2차 회전축(40)의 외주면에 구비되는 2차 블레이드(60)로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다. 또한 1차 블레이드(50)의 외주에 위치하며 1차 회전축(30)에 고정되는 3차 블레이드(70)가 더 구비된 것을 기술적 특징으로 한다.
종래 기술에 따른 수직축 풍력발전기는, 블레이드에 입력되는 바람은 양력과 항력을 발생시켜 블레이드의 회전방향에 수직으로 추력(Thrust)을 발생시키며, 블레이드의 회전방향으로 회전토크(Torque)를 발생시킨다. 이때 풍속이 정격이상으로 입력될 경우, 블레이드에 발생하는 회전 토크에 의하여 발전기는 정격이상으로 회전을 하며 이러한 현상은 풍력발전시스템에 구조적인 하중을 가하게 된다. 이러한 현상이 오랜 시간 지속 될 경우 구조적 피로가 누적되며 이로 인해 전체 시스템의 수명을 단축시키게 된다. 또한 정격이상의 블레이드 회전에서 발생하는 원심력은 하중과다로 이어져 예측치 못한 사고로 연결될 수도 있다.
이를 보완하기 위하여, 풍력발전 시스템은 인버터 제어와 블레이드 제어를 하게 되며, 이중 블레이드를 통한 제어방법에는 피치각을 직접 제어하는 피치 제어방식과 평상시에는 고정 피치를 유지하다가 일정 풍속이상에서 블레이드 끝단을 제어하여 실속(Stall)을 유발시키는 실속 제어방식이 있다. 그러나 피치 제어방법 및 실속제어방법은 낮은 풍속 영역에서 적응성이 떨어지고 출력이 낮다는 단점이 있다.
또한, 회전축과 연결되는 발전기는 사전에 설정된 회전속도범위(예를 들어, 60Hz 정도)에서 최적의 발전효율을 기대할 수 있는데, 여기서 설정되는 회전속도범위는 우리나라의 기후환경(미풍)이 적용되어 설정된 범위이기 때문에 바람의 세기가 강한 강풍이 불 경우 회전축에서 발전기로 전달되는 회전력은 사전에 설정된 회전속도범위를 초과함으로써 발전기에서 불규칙한 전력이 생산될 뿐만 아니라 발전기가 과열되는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래 기술에 따른 수직축 풍력발전기의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은 낮은 풍속에서 바람의 항력을 이용하여 초기 구동력을 얻을 수 있고 일정한 풍속에 도달하는 경우에는 바람의 양력을 활용하여 고효율을 얻을 수 있으며, 잦은 풍속의 변화에 대응하여 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 수직축 풍력발전기를 제공하는 것이다.
본 발명은 또한 초기의 정지마찰계수 때문에 바람이 없는 날이나 일정한 풍속이 없을 경우 발전이 되지 않는 단점을 해결하기 위해서 바람의 항력을 이용하는 사브니우스식 블레이드와 바람의 양력을 이용하는 다리우스식 블레이드를 결합하되, 유성기어장치를 이용하여 사브니우스식 블레이드의 회전력을 다리우스식 블레이드에 전달하여 다리우스식 블레이드의 구동 토크를 줄여서 저 풍속에서도 다리우스식 블레이드의 회전이 가능한 수직축 풍력발전기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 강풍이나 돌풍과 같이 고 풍속의 경우에는 회전축의 회전에너지를 회전자의 위치에너지로 변환시켜 회전축의 회전 속도를 제한함으로써 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 파손되는 것을 방지하는 동시에 회전축의 정지마찰계수를 줄여서 잦은 풍속의 변화에 대응하여 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 수직축 풍력발전기를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기는,
지면에 대해 수직으로 설치되는 고정 축과, 상기 고정 축을 수직으로 지지하는 프레임과, 상기 고정 축의 외주 면을 감싸 회전하도록 설치된 제1 중공 회전축과, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면을 감싸 회전하도록 설치된 제2 중공 회전축와, 상기 제1 중공 회전축에 고정된 다수 개의 제1 블레이드와, 상기 제2 중공 회전축에 고정된 다수 개의 제2 블레이드를 포함하여 이루어지되,
상기 제1 블레이드는, 바람의 양력을 이용할 수 있도록 단면 형상이 비행기 날개 형상으로 된 다리우스식 블레이드이고,
상기 제2 블레이드는, 바람의 항력을 이용할 수 있도록 풍력을 수용하는 반원형상의 홈 부를 포함하는 사보니우스식 블레이드이며,
상기 제2 블레이드의 홈 부에는 바람의 일부를 통과시키기 위한 다수 개의 슬릿이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 제2 중공 회전축의 하단과 상기 제1 중공 회전축에 사이에는, 상기 제2 중공 회전축의 하단에 형성된 상부 플랜지의 하면에 설치된 상부 마그네트와, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 하부 플랜지의 상면에 설치된 하부 마그네트로 이루어져 상기 제2 중공 회전축을 부상시키는 자기부상장치가 더 구비된다.
또한, 상기 제2 중공 회전축의 하단과 상기 제1 중공 회전축에 사이에는, 상기 제2 중공 회전축의 하단에 설치된 상부 플랜지의 하면에 설치된 가이드 홈과, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 하부 플랜지와 상기 가이드 홈 사이에 수직으로 설치된 다수 개의 유성기어와, 상기 다수 개의 유성기어와 맞물리도록 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 선 기어로 이루어져 상기 제2 중공 회전축의 회전력을 제1 중공 회전축으로 전달하는 유성기어장치가 더 구비된다.
상기 제1 중공 회전축의 상단에는, 상기 제1 중공 회전축이 정격회전수 이상으로 회전할 때 제1 중공 회전축을 상부로 부상시키는 방향으로 양력을 발생시키는 제3 블레이드가 더 설치된다.
또한, 상기 제1 중공 회전축의 하단에는, 일정 길이의 상부 스플라인이 형성되고, 상기 제1 중공 회전축의 하단이 일정 길이 삽입되고 내주 면에 상기 상부 스플라인과 대응하는 하부 스플라인이 형성된 터빈 축으로 이루어져 상기 제3 블레이드에서 양력이 발생할 때 상기 제1 중공 회전축이 상부로 이동하는 것을 허용한다.
또한, 상기 제1 중공 회전축과 상기 프레임에 설치된 고정판 사이에는, 상기 제1 중공 회전축을 감싸는 형태로 형성되는 내통과 외통으로 이루어져 그 내부에 일정량의 액체를 수용하는 공간을 형성하는 고정통과, 상기 제1 중공 회전축의 외주면에 일체로 형성되고 상기 고정 통을 향하여 아래로 연장되는 원통형의 수직 벽이 구비된 회전 통과, 상기 수직 벽에 결합하여 상기 고정통의 내부로 연장되는 연결봉에 설치된 다수 개의 링 형상의 디스크로 이루어진 액체부상장치가 더 구비된다.
상기 다수 개의 디스크는 고정 통의 액체 중에 부상된 상태로 회전가능하게 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 수직 벽에 다수 개의 롤러가 구비되어 수직 벽의 회전을 원활하게 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수직축 풍력발전기에 따르면, 저 풍속의 조건에서도 항력형 날개에 의해 발전기의 초기구동이 용이 해지고, 일단 장치가 구동이 되면 양력형 날개에 의해 회전속도를 증가시킴으로써 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 강풍이나 돌풍과 같이 고 풍속의 경우에는 회전축의 회전에너지를 회전자의 위치에너지로 변환시켜 회전축의 회전속도를 제한함으로써 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 파손되는 것을 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 풍속이 회전축의 정지마찰계수를 최소화시켜 풍속이 자주 변하는 경우에도 블레이드가 정지하지 않고 계속 회전하여 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 일 실시 예를 보여주는 개략적인 측면도,
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 제1 회전자의 구조를 보여주는 개략적인 부분 절단 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 제2 회전자의 구조를 보여주는 개략적인 부분 절단 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 회전자의 구조를 보여주는 평 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 유성기어장치의 구조를 보여주는 단면도와 부분 절단 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 다른 실시 예를 보여주는 개략적인 측면도,
도 8은 본 발명에 따른 액체부상장치의 구조를 보여주는 부분 절단 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 스플라인 축을 보여주는 부분 절단 사시도,
도 10은 종래 기술에 따른 수직축 풍력발전기의 일 예를 보여주는 사시도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 제1 실시 예를 보여주는 것으로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 수직축 풍력발전기(100)는, 지면에 대해서 수직으로 설치되는 직육면체의 프레임(101)과, 프레임(101)의 가운데에서 수직으로 설치된 고정 축(201)과, 고정 축(201)의 외주 면에 회전 가능하게 설치된 회전자(300)로 이루어진다.
회전자(300)는 제1 회전자(310)와 제2 회전자(320)로 구성되는데, 제1 회전자(310)는 고정 축(201)의 외주 면에 회전가능하게 설치되는 제1 중공 회전축(311)과, 제1 중공 회전축(311)에 고정되는 다수 개의 제1 블레이드(312)로 이루어진다.
그리고 제2 회전자(320)는 제1 중공 회전축(311)의 외주 면에 회전가능하게 설치되는 제2 중공 회전축(321)과, 제2 중공 회전축(321)에 고정되는 다수 개의 제2 블레이드(322)로 이루어진다. 바람직하게 제1 블레이드(312)는 제2 블레이드(322)의 바깥에 설치된다.
고정 축(201)은 프레임(101)에 일체로 고정되어 회전자(300)를 회전가능하게 지지한다. 이를 위해 고정 축(201)과 제1 중공 회전축(311) 사이 및, 제1 중공 회전축(311)과 제2 중공 회전축(321) 사이에는 도시되지 않은 베어링이 개재되어 회전가능하게 한다.
본 발명의 제1의 관점에 따라서, 제1 회전자(310)의 제1 블레이드(312)는, 바람의 양력을 이용하는 다리우스(Darrieus)식 블레이드이고, 제2 회전자(320)의 제2 블레이드(322)는 바람의 항력을 이용하는 사보니우스(Savonius)식 블레이드로 이루어진다.
제1 블레이드(312)는 단면 형상이 비행기 날개와 같은 익형(Airfoil) 블레이드이다. 제1 블레이드(312)는 4~5개의 익형 블레이드가 고정 축(201)에 평행하게 설치된다. 그리고 각각의 블레이드는 상부 지지대(318)와 하부 지지대(319)를 통해 상부허브(313)와 하부허브(314)에 결합한다. 상부허브(313)와 하부허브(314)는 제1 중공 회전축(311)에 일체로 고정된다.
제2 블레이드(322)는 반원형상의 홈 부(323)를 포함하는 수직 판 블레이드이다. 제2 블레이드(322)는 4~5개의 수직 판 블레이드가 고정 축(201)에 평행하게 설치된다. 각 블레이드는 상부 지지대(328)와 하부 지지대(329)를 통해서 제2 중공 회전축(321)과 결합한다. 그리고 제2 중공 회전축(321)은 제1 중공 회전축(311)의 상부허브(313)와 하부허브(314) 사이에 회전가능하게 개재된다.
본 발명의 제2의 관점에 따라서, 상기 제2 중공 회전축(321)의 하단과 제1 중공 회전축(311)의 하부허브(314) 사이에는 제2 중공 회전축(321)의 회전력을 제1 중공 회전축(311)으로 전달하기 위한 유성기어장치(500)가 설치된다.
유성기어장치(500)는 제2 중공 회전축(321)의 회전에너지를 제 1 중공 회전축(311)에 전달하여 제1 회전자(210)의 초기 구동 토크를 감소시키는 것으로, 제2 중공 회전축(321)의 회전에너지를 제 1 중공 회전축(311)으로 전달하기 위한 다수의 위성기어(501)로 이루어진다.
도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 제2 중공 회전축(321)의 하단에는 상부 플랜지(324)가 형성된다. 상부 플랜지(324)는 제2 중공 회전축(321)의 하단에서 외 측으로 연장된 원판 형상으로 이루어진다. 제1 중공 회전축(311)의 하부허브(314)의 상단에는 상부 플랜지(324)에 대응하고 안쪽으로 소정 크기의 내부 공간을 형성하는 하부 플랜지(344)가 형성된다. 하부 플랜지(344)는 제1 중공 회전축(311)의 외 측으로 일정 길이 연장된 후 상부로 돌출된 원통형 상으로 이루어진다.
상부 플랜지(324)의 하면에는 유성기어(501)의 공전을 안내하는 원형의 가이드 홈(502)이 형성된다. 유성기어(501)의 상단에는 가이드 홈(502)에 삽입되는 돌기(503)가 일체로 형성된다. 이때, 돌기(503)는 가이드 홈(502)에 삽입되어 이동할 수 있는 크기로 이루어진다. 가이드 홈(502)은 유성기어(501)의 열에 따라서 하나만 형성되거나 두 개 이상으로 형성될 수도 있다.
그리고 제1 중공 회전축(311)의 외주 면에는 다수 개의 유성기어(501)와 맞물리는 선 기어(505)가 일체로 형성된다. 선 기어(505)는 원주형으로 이루어지고 그 외주 면에는 유성기어(501)와 맞물리는 기어 이가 형성된다. 이때, 하부 플랜지(344)의 외 측에는 다수 개의 유성기어(501)의 외 측을 지지하기 위한 원통형의 수직 벽(507)이 형성된다.
따라서 하부 플랜지(344)의 위에 제2 중공 회전축(321)의 상부 플랜지(324)를 설치하면, 선 기어(505)와 맞물려 있는 다수 개의 유성기어(501)의 돌기(503)가 상부 플랜지(321)의 가이드 홈(502)에 삽입되게 된다.
그리고 바람의 항력을 이용하는 제2 중공 회전축(321)이 회전하면, 상부 플랜지(324)의 가이드 홈(502)에 결합하여 있는 다수 개의 유성기어(501)가 선 기어(505)의 주위를 공전하면서 제2 중공 회전축(321)의 회전력을 제1 중공 회전축(311)으로 전달한다. 이어 제1 중공 회전축(311)이 회전하면 제 1 중공 회전축(311)에 결합하여 있는 제1 블레이드(312)가 회전하게 됨으로써 바람의 양력을 이용하는 제1 블레이드(312)의 초기 구동 토크를 줄여줄 수 있게 된다.
이와 같이 유성기어장치(500)는 유성기어(501)와 선 기어(505)의 기어 비를 이용하여 제1 블레이드(312)의 초기 구동 토크를 감소시키는 역할을 한다. 즉, 바람의 항력을 이용하는 제2 중공 회전축(321)은 비교적 저 풍속에서도 회전할 수 있으나 바람의 양력을 이용하는 제1 중공 회전축(311)은 저 풍속에서 쉽게 회전하기 어렵다. 따라서 유성기어장치(500)는 저 풍속에서 회전하는 제2 중공 회전축(321)의 회전에너지를 유성기어(501)를 통하여 제1 중공 회전축(311)으로 전달함으로써 저 풍속에서 구동이 어려운 제1 중공 회전축(311)을 회전시킴으로써 제1 블레이드(312)의 초기 구동 에너지를 낮추는 것이다. 예를 들어, 1:9의 기어 비를 갖는 유성기어와 선 기어는 초기 구동 에너지를 1:9로 나누어 전달하기 때문에 시간은 9배로 더 걸리지만 각각의 시간당 에너지는 낮아지므로 낮은 풍속에서도 제1 중공 회전축(311)을 회전시킬 수 있는 것이다.
이어 본 발명의 제3의 관점에 따라서, 제2 중공 회전축(321)의 하단과 제1 중공 회전축(311)의 하부허브(314) 사이에는 자기부상장치(600)가 구비된다. 자기부상장치(600)는 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 상부 플랜지(324)의 하면에 설치된 상부 링(601)과 하부 플랜지(344)의 상면에 설치된 하부 링(603) 사이의 자기적 반발력을 이용하여 제2 중공 회전축(321)을 일정 높이 부상시킴으로써 마찰력을 0에 가깝게 하여 제2 중공 회전축(321)의 정지마찰계수를 최소화하고 초기 구동 토크를 감소시키는 것이다.
자기부상장치(600)는 자성체로 이루어진 상부 링(601)과 하부 링(603)으로 이루어지며 상부 링(601)과 하부 링(603)은 서로 같은 극이 마주보도록 배치된다. 하부 링(603)은 하부 플랜지(344)에 형성된 원통형의 수직 벽(507) 상면에 설치된다. 바람직하게 제2 중공 회전축(321)과 하부허브(433) 사이의 간격은 제2 회전자(310)의 무게가 100일 때 0.6~0.8mmm을 유지하도록 한다. 또한, 상부 링(601)과 하부 링(603)은 다수 개의 블록 형상의 자석을 링 형상으로 배열하되, N극과 S극이 교차하도록 설치하여, 같은 극 사이의 반발력과 다른 극 사이의 흡입력에 의한 유도반발력을 이용하여 제2 중공 회전축(321)을 부상시킬 수도 있다.
따라서 제2 중공 회전축(321)에 설치된 제2 블레이드(322)는 낮은 풍속 및 잦은 풍향 변화에도 쉽게 회전할 수 있을 뿐만 아니라 비접촉 형태이기 때문에 파손의 우려가 없으며 초기 구동 토크를 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
이어, 본 발명의 제4의 관점에 따라서, 상기 제2 블레이드(322)의 홈 부(323)에는 다수 개의 슬릿(325)이 형성된다. 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 홈 부(323)는 바람의 항력을 이용할 수 있도록 반원형의 형상으로 오목하게 이루어지고, 이 홈 부(323)에는 다수 개의 슬릿(325)이 형성되어 바람에 의한 영향을 어느 정도 줄여 줄 수 있도록 한다. 즉, 상기 홈부(323)에 설치된 다수 개의 슬릿(325)은 바람의 저항을 줄여주어 제2 블레이드(322)가 고속으로 회전할 수 있도록 한다.
이어서, 다시 도 1을 참조하면, 상기 프레임(101)은 사각형이나 원통형의 트러스트 구조물로 이루어지는데, 이 프레임(101)은 제1 및 제2 회전자(310)(320)의 하중을 견딜 수 있는 강도를 유지하도록 설계된다. 그리고 프레임(101)은 지면으로부터 소정 높이에 위치하도록 고정 탑(103) 위에 설치될 수 있다. 상기 고정 탑(103)은 장해물이 없이 바람이 불 수 있는 정도의 높이로 이루어진다.
프레임(101)은 수직 축(201)을 지지하기 위한 다수 개의 지지대들로 이루어진다. 그리고 수직 축(201)은 봉 형상으로 프레임(101)이 가운데에 수직으로 설치된다. 수직 축(201)은 상단은 프레임(101)에 고정되고 수직 축(201)의 하단은 고정 탑(103) 내부로 일정거리 연장되거나 지면에 고정된다.
프레임(101)에는 제1 중공 회전축(311)을 회전 가능하게 고정하는 하나 이상의 고정판(104)이 설치된다. 그리고 고정판(104)의 하부에는 브레이크(801), 동력전달장치(802), 발전기(803), 컨버터(804), 충전기(805), 제어기(806) 등 회전력을 제어 및 전달하고, 회전력을 전기력으로 변환하기 위한 각종 설비가 설치된다. 이들 설비는 공지의 것이므로 개략적으로만 설명하고 상세한 설명은 생략하기로 한다.
우선, 브레이크(801)는 강풍 및 이상 발생시 또는 보수 점검시 회전축을 정지시키기 위해 필요한 장치로서, 정격회전수 이상으로 블레이드가 회전하면 자동으로 브레이크를 적용하여 정지하도록 한다. 즉, 브레이크(801)는 제어부(806)의 제어에 따라 작동되어 제1 중공 회전축(311)의 회전을 정지시키게 된다.
제어부(806)는 풍속을 측정하는 풍속계(도시되지 않음)와 전기적으로 연결된다. 따라서 풍속계에서 측정된 풍속은 전기적인 신호로 변환하여 제어부(806)로 전달되고, 제어부(806)는 풍속에 따라 브레이크(801)를 동작하게 된다. 이때 브레이크(801)는 도시되지 않은 기동모터를 통해서 작동될 수 있다.
제1 중공 회전축(311)의 하단에는 제1 중공 회전축(311)의 회전력을 발전기(803)로 전달하기 위한 동력전달수단(802)이 설치된다. 동력전달수단(802)은 제1 중공 회전축(311)의 하단에 설치된 구동편(821)과 발전기(803)의 구동축에 설치된 종동편(823)과, 구동편(821)과 종동편(823)을 연결하는 동력전달부재(824)로 구성된다.
구동편(821)은 제1 중공 회전축(311)과 함께 회전하게 되며, 제1 중공 회전축(311)의 회전구동력을 발전기(803)로 전달하는 것으로, 기어(gear), 풀리(pulley), 스프로킷(sprocket) 등과 같은 다양한 전달수단이 사용가능하다. 또한, 종동편(823)은 발전기(803)의 발전기 축에 결합하여 발전기 축과 함께 회전하게 되며, 제1 중공 회전축(311)의 회전구동력을 전달받는 것으로 기어, 풀리, 스프로킷 등과 같은 다양한 전달수단이 사용가능하다.
동력전달부재(824)는 종동편(821)과 구동편(823)의 둘레에 결합하여 이들 사이의 구동력을 전달하는 부재로서, 벨트(belt), 타이밍벨트(timing belt), 체인(chain) 등과 같은 다양한 부재가 사용가능하다.
발전기(803)는 발전기 축의 회전에 의해 내부에 설치되는 미도시된 코일, 자석 등의 전기 발생용 부품과 연결되어 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시킨다. 발전기(803)는 동기형 발전기(Variable Speed)나 유도형 발전기(Fixed Speed)이다. 동기발전기는 회전축의 회전 속도와 자기장의 회전속도가 같은 형태의 발전기로써 평균풍속이 일정한 장소에 설치할 경우 일정 전압 및 주파수 유지가 용이하고, 상용전원 정전시에도 단독 발전이 가능하다. 유도형 발전기는 발전기의 회전자가 동기 속도인 15000rpm을 넘어섰을 때 회전축의 속도가 자기장의 회전속도보다 빨라지게 되는데 이때 회전자에 강한 전류가 유도되는 성질을 이용한 발전기로써 신뢰성이 뛰어나며, 구조가 간단하기 때문에 동기식 발전기보다 가격이 저렴하며 정속 회전 방식에 사용되는 발전기이다.
발전기(823)와 연동하는 컨버터(804), 충전기(805) 등은 풍력발전기에 있어서 지극히 일반적으로 사용하고 있는 기술로서, 당업자가 용이하게 실시하기 위해 변경 실시할 수 있고 본 발명의 기술적 사상과 직접 관련이 없으므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 도 7 내지 도 10에는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기(100)의 다른 실시 예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기(100)는, 회전자(300)를 부상시키기 위한 액체부상장치(900)가 제1 중공 회전축(311)과 고정판(104) 사이에 더 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 액체부상장치(900)는, 유체를 이용하여 제1 및 제2 회전자(310)(320)를 부상시킴으로써 강풍이나 돌출 발생시 제1 중공 회전축(311)의 회전력을 위치에너지로 전환하는 역할을 한다.
즉, 강풍이나 돌풍에 의해서 제1 중공 회전축(311)이 정격회전수 이상으로 회전하면, 제1 중공 회전축(311)의 하단을 지지하고 있는 트러스트 베어링(205)이 손상되거나 발전기(803)에 과부하가 걸리며 원심력에 의해서 블레이드가 파손되는 문제가 발생한다. 따라서 강풍이나 돌풍 시에는 제1 중공 회전축(311)의 회전에너지의 일부를 유체로 전달하여 회전에너지를 감소시키거나 회전에너지를 위치에너지로 변환시켜서 제1 중공 회전축(311)이 정격회전수 이상으로 회전하는 것을 방지하는 것이다.
이와 같이 회전에너지를 위치에너지로 변환시켜서 회전자(300)를 일정 높이 부상시키면, 제1 중공 회전축(311)이 액체의 부력에 의해 부상된 상태에서 회전하므로 회전축(311)과 트러스트 베어링(205) 사이의 마찰력이 적어진다. 따라서 제1 중공 회전축(311)의 초기 구동 토크가 감소하므로 저속의 풍속에서도 제1 중공 회전축(311)이 쉽게 회전할 수 있게 된다.
이를 위해서, 고정판(104) 위에는 액체부상장치(900)가 설치되고, 제1 중공 회전축(311)의 하단에는 스플라인 축(950)이 구비된다. 그리고 제1 중공 회전축(311)의 최상단에는 제3 회전자(330)가 더 구비될 수 있다.
액체부상장치(900)는, 고정판(104)의 상면에 고정되고 제1 중공 회전 축(311)을 감싸는 중공형의 내통(911)과 외통(912)으로 이루어진 고정 통(910)과, 고정 통(910)의 상부에 위치하고 제1 중공 회전 축(311)의 외주 면에 일체로 고정되며 하부로 연장되는 회전 벽(922)이 구비된 회전 통(920)과, 회전 통(920)의 하단에 연결되고 고정 통(910)의 내부에 회전 가능하도록 위치하는 다수 개의 디스크(930)를 포함하여 이루어진다.
상기 고정 통(910)의 내부에는 일정한 수위로 액체가 충전되고, 디스크(930)는 일정한 두께의 금속판이거나 강화플라스틱 판으로 이루어진다. 상기 다수 개의디스크(930)는 고정 통(910) 내부에 충전된 액체 중에서 부상된 상태에서 회전하거나 정지한다.
다수 개의 디스크(930)는 회전 벽(922)의 하단에서 아래로 연결된 다수 개의 연결 봉(932)에 의해서 고정된다. 그리고 회전 벽(922)에는 다수 개의 롤러(924)가 회전가능하게 설치된다. 다수 개의 롤러(924)는 내통(911)과 외통(912) 사이에 밀접하게 설치되어 회전 통(920)의 회전을 안내하는 동시에 액체가 누출되는 것을 방지한다.
그리고 제1 중공 회전축(311)의 하단에는 터빈 축(411)이 더 설치되고, 상기 제1 중공 회전축(311)의 하단과 터빈 축(411)의 상단 사이에는 스플라인 축(950)이 설치된다.
스플라인 축(950)은 도 9에서 보는 바와 같이, 제1 중공 회전축(311)이 상하로 이동하면서 터빈 축(411)에 회전에너지를 전달할 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 상기 제1 중공 회전축(311)의 하단은 터빈 축(411)의 상단에 일정 길이 삽입된 상태로 결합하되, 제1 중공 회전축(311)의 외주 면과 터빈 축(411)의 내주 면에는 서로 맞물리는 스플라인(952)이 형성된다.
이때, 제1 중공 회전축(311) 및 터빈 축(411)은 프레임(101)에 회전가능하게 설치되고, 상기 터빈 축(411)은 동력전달장치(802)를 통해서 발전기(803)와 연결된다.
이어서, 제3 회전자(330)는 제1 중공 회전축(311)의 최상단에 설치된 제3 블레이드(332)로 이루어진다. 제3 블레이드(332)는 수평으로 설치된 4~5개의 익형 날개로 이루어진다. 제3 블레이드(332)는 바람의 양력을 이용하여 제1 중공 회전축(311)을 회전시킴과 아울러 제1 중공 회전축(311)이 일정한 회전수 이상으로 회전할 때는 부상력을 발생시켜 제1 중공 회전축(311)을 위쪽으로 이동시킨다. 이를 위해서, 제1 중공 회전축(311)은 상하 길이방향으로 이동가능하게 설치된다. 즉, 제1 중공 회전축(311)은 고정 축(201)에 끼워져서 회전을 용이하게 하는 동시에 상하방향으로 이동가능하게 한다.
따라서 돌풍이나 강풍 발생시 제1 중공 회전축(311)의 상단에 설치된 제3 블레이드(332)가 일정 회전수 이상 고속으로 회전하게 되면, 제3 블레이드(332)에서 발생하는 양력에 의해서 제1 중공 회전축(311)이 상부로 이동한다.
그러면, 제1 중공 회전축(311)에 고정된 회전 통(920)도 고속으로 회전하면서 상부로 이동한다. 이때, 고정 통(910)에는 점성의 액체가 충전되어 있고, 회전 통(920)과 연결된 다수 개의 디스크(930)는 액체 중에서 회전한다. 따라서 제1 중공 회전축(311)은 액체의 점성에 의해 회전력이 감소하게 된다. 이때, 고정 통(910)에 충전된 액체는 다수 개의 디스크(930)는 내통(911) 및 외통(912) 사이의 오리피스를 통해 서서히 이동하기 때문에 제1 중공 회전축(311)이 급상승하거나 급하강하는 것을 방지한다.
이와 같이, 본 발명은 제3 블레이드(311)가 일정 회전수 이상으로 고속으로 회전할 때, 제1 중공 회전축(311)이 회전하면서 서서히 상부로 부상하므로 회전에너지의 일부를 위치에너지로 변환시키는 역할을 한다. 즉, 액체 중의 디스크(930)가 상부로 이동하는 동안에 고정 통(920) 내부에서 회전하는 다수 개의 디스크(930)는 액체 중에서 회전하면서 난류를 형성하므로 회전에너지의 일부를 액체에 전달하여 소모하거나 상부로 이동하여 위치에너지로 변환시킨다. 따라서 이 과정에서 제1 중공 회전축(311)의 회전이 억제되어 강풍이나 돌풍 시 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 파손되는 것을 방지한다. 또한, 다수 개의 디스크(930)가 액체 중에 부상된 상태를 유지하므로 정지마찰계수를 최소화시킨다.
반대로 강풍이나 돌풍이 갑자기 멈추어 제1 중공 회전축(311)의 회전수가 정격 회전수 이하로 떨어지면 제3 블레이드(332)의 부상력을 발생시키지 않게 된다. 그러면 제1 중공 회전축(311)은 자체 하중에 의해서 아래로 하강하는데, 이때, 고정 통(920) 내부에 충전된 액체는 다수 개의 디스크(930)와 고정 통(910)의 내주면 사이의 오리피스를 통과하여 서서히 이동하므로 제1 중공 회전축(311)이 급강하하는 것을 방지한다. 즉, 고정 통(910)의 액체 속에 부상되어 있는 디스크(930)는 액체의 부력을 받게 되므로 일정한 시간 동안 액체 속에 부상한 상태를 유지할 수 있다.
그리고 일정한 시간(예를 들어, 1~5분)이 지나면 제1 중공 회전축(311)이 하강하여 결국에는 회전 통(920)의 하단에 설치된 트러스트 베어링(905)이 고정 통(910)의 상단에 닿게 된다.
이와 같이 본 발명의 액체부상장치(900)를 이용하면, 제1 중공 회전축(311)이 서서히 상승하고 하강하므로, 디스크(930)가 고정 통(910)의 액체 속에 부상된 상태를 유지한다. 이러한 부상상태에서는 고정 통(910)의 상단이 회전 통(920)의 하단에 설치된 트러스트 베어링(905)과 떨어져 있기 때문에 정지마찰력이 더욱 줄어들게 되고 트러스트 베어링(905)이 마모되는 것을 방지한다.
그리고 상기 액체부상장치(900)는 제1 중공 회전축(311)에 걸리는 정지마찰계수를 줄여주어 제1 블레이드(312)의 초기 구동 토크를 감소시킴으로써 저 풍속이나 풍속이 급변하는 경우에도 제1 블레이드(312)가 계속하여 전력을 생산할 수 있게 한다. 특히, 풍속이 급변하는 경우에도 제1 블레이드(312)가 멈추지 않고 계속 회전할 수 있게 함으로써 전력을 안정적으로 생산할 수 있게 하고, 장치의 내구성 및 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 이하에서 기재되는 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형이 가능함은 물론이다
100: 수직축 풍력발전기 101: 프레임
103: 고정 탑 104: 고정판
201: 고정 축 205: 트러스트 베어링
300: 회전자 310: 제1 회전자
311: 제1 중공 회전축 312: 제1 블레이드
313: 상부허브 314: 하부허브
320: 제2 회전자 321: 제2 중공 회전축
322: 제2 블레이드 323: 홈 부
324: 상부 플랜지 325: 슬릿
330: 제3 회전자 332: 제3 블레이드
344: 하부 플랜지 411: 터빈 축
500: 유성기어장치 501: 위성기어
502: 가이드 홈 503: 돌기
505: 선 기어 507: 수직 벽
600: 자기부상장치 601: 상부 링
603: 하부 링 801: 브레이크
802: 동력전달장치 803: 발전기
804: 컨버터 805: 충전기
806: 제어기 900: 액체부상장치
910: 고정 통 920: 회전 통
924: 롤러 930: 디스크
950: 스플라인 축

Claims (8)

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  5. 지면에 대해 수직으로 설치되는 고정 축과, 상기 고정 축을 수직으로 지지하는 프레임과, 상기 고정 축의 외주 면을 감싸 회전하도록 설치된 제1 중공 회전축과, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면을 감싸 회전하도록 설치된 제2 중공 회전축을 포함하는 수직축 풍력발전기에 있어서,
    상기 제1 중공 회전축에는, 바람의 양력을 이용할 수 있도록 단면 형상이 비행기 날개 형상으로 된 다수 개의 제1 블레이드를 설치하고, 상기 제2 중공 회전축에는, 바람의 항력을 이용할 수 있도록 풍력을 수용하는 반원형상의 홈 부를 포함하는 다수 개의 제2 블레이드를 설치하며,
    상기 제2 중공 회전축의 하단과 상기 제1 중공 회전축 사이에는, 상기 제2 중공 회전축의 하단에 형성된 상부 플랜지의 하면에 설치된 상부 마그네트와, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 하부 플랜지의 상면에 설치된 하부 마그네트로 이루어져 상기 제2 중공 회전축을 부상시키는 자기부상장치가 구비되고,
    상기 제2 중공 회전축의 하단과 상기 제1 중공 회전축 사이에는, 상기 제2 중공 회전축의 하단에 설치된 상부 플랜지의 하면에 설치된 가이드 홈과, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 하부 플랜지와 상기 가이드 홈 사이에 수직으로 설치된 다수 개의 유성기어와, 상기 다수 개의 유성기어와 맞물리도록 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 선 기어로 이루어져 상기 제2 중공 회전축의 회전력을 제1 중공 회전축으로 전달하는 유성기어장치가 구비되며,
    상기 제1 중공 회전축의 하단에는, 상기 제1 중공 회전축이 상하로 일정 거리 이동할 수 있도록 상기 제1 중공 회전축의 하단에 형성된 일정 길이의 상부 스플라인과, 상기 제1 중공 회전축의 하단이 일정 길이 삽입되고 내주 면에 상기 상부 스플라인과 대응하는 하부 스플라인이 형성된 터빈 축이 설치되고,
    상기 제1 중공 회전축과 상기 프레임에 설치된 고정판 사이에는, 상기 제1 중공 회전축을 감싸는 형태로 형성되는 내통과 외통으로 이루어져 그 내부에 일정량의 액체를 수용하는 공간을 형성하는 고정 통과, 상기 제1 중공 회전축의 외주면에 일체로 형성되고 상기 고정 통을 향하여 아래로 연장되는 원통형의 수직 벽이 구비된 회전 통과, 상기 수직 벽에 결합하여 상기 고정 통의 내부로 연장되는 연결봉에 설치된 다수 개의 링 형상의 디스크로 이루어진 액체부상장치가 구비되며,
    상기 제1 중공 회전축의 상단에는, 상기 제1 중공 회전축이 정격회전수 이상으로 회전할 때, 제1 중공 회전축을 상부로 부상시키는 방향으로 양력을 발생시키는 제3 블레이드가 더 설치되어,
    미풍 시에는, 상기 자기부상장치에 의해 정지마찰계수가 최소로 유지되고 바람의 항력을 이용하는 제2 중공 회전축이 회전하며, 상기 제2 중공 회전축의 회전력은 유성기어장치를 통해 바람의 양력을 이용하는 제1 중공 회전축으로 전달되어 초기 구동 토크를 줄여줄 주고, 강풍이나 돌풍에 의해 상기 제3 블레이드가 일정 회전수 이상으로 고속으로 회전하면, 제1 중공 회전축이 회전하면서 상부로 부상하여 회전에너지의 일부를 위치에너지로 변환함으로써 제1 중공 회전축의 회전을 억제하여 강풍이나 돌풍 시 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 파손되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  6. 지면에 대해 수직으로 설치되는 고정 축과, 상기 고정 축을 수직으로 지지하는 프레임과, 상기 고정 축의 외주 면을 감싸 회전하도록 설치된 제1 중공 회전축과, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면을 감싸 회전하도록 설치된 제2 중공 회전축을 포함하는 수직축 풍력발전기에 있어서,
    상기 제1 중공 회전축에는, 바람의 양력을 이용할 수 있도록 단면 형상이 비행기 날개 형상으로 된 다수 개의 제1 블레이드를 설치하고, 상기 제2 중공 회전축에는, 바람의 항력을 이용할 수 있도록 풍력을 수용하는 반원형상의 홈 부를 포함하는 다수 개의 제2 블레이드를 설치하며,
    상기 제2 중공 회전축의 하단과 상기 제1 중공 회전축 사이에는, 상기 제2 중공 회전축의 하단에 형성된 상부 플랜지의 하면에 설치된 상부 마그네트와, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 하부 플랜지의 상면에 설치된 하부 마그네트로 이루어져 상기 제2 중공 회전축을 부상시키는 자기부상장치가 구비되고,
    상기 제2 중공 회전축의 하단과 상기 제1 중공 회전축 사이에는, 상기 제2 중공 회전축의 하단에 설치된 상부 플랜지의 하면에 설치된 가이드 홈과, 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 하부 플랜지와 상기 가이드 홈 사이에 수직으로 설치된 다수 개의 유성기어와, 상기 다수 개의 유성기어와 맞물리도록 상기 제1 중공 회전축의 외주 면에 일체로 형성된 선 기어로 이루어져 상기 제2 중공 회전축의 회전력을 제1 중공 회전축으로 전달하는 유성기어장치가 구비되며,
    상기 제1 중공 회전축의 하단에는, 상기 제1 중공 회전축이 상하로 일정 거리 이동할 수 있도록 상기 제1 중공 회전축의 하단에 형성된 일정 길이의 상부 스플라인과, 상기 제1 중공 회전축의 하단이 일정 길이 삽입되고 내주 면에 상기 상부 스플라인과 대응하는 하부 스플라인이 형성된 터빈 축이 설치되고,
    상기 제1 중공 회전축과 상기 프레임에 설치된 고정판 사이에는, 상기 제1 중공 회전축을 감싸는 형태로 형성되는 내통과 외통으로 이루어져 그 내부에 일정량의 액체를 수용하는 공간을 형성하는 고정 통과, 상기 제1 중공 회전축의 외주면에 일체로 형성되고 상기 고정 통을 향하여 아래로 연장되는 원통형의 수직 벽이 구비된 회전 통과, 상기 수직 벽에 결합하여 상기 고정 통의 내부로 연장되는 연결봉에 설치된 다수 개의 링 형상의 디스크로 이루어진 액체부상장치가 구비되며,
    상기 다수 개의 디스크는 고정 통의 액체 중에 부상된 상태로 회전가능하게 설치되어,
    미풍 시에는, 상기 자기부상장치에 의해 정지마찰계수가 최소로 유지되고 바람의 항력을 이용하는 제2 중공 회전축이 회전하며, 상기 제2 중공 회전축의 회전력은 유성기어장치를 통해 바람의 양력을 이용하는 제1 중공 회전축으로 전달되어 초기 구동 토크를 줄여줄 주고, 강풍이나 돌풍에 의해 상기 제1 중공 회전축이 일정 회전수 이상으로 고속으로 회전하면, 제1 중공 회전축과 함께 회전하는 다수 개의 디스크가 난류를 형성하면서 에너지를 소모함과 아울러 상부로 부상하여 회전에너지를 위치에너지로 변환함으로써 제1 중공 회전축의 회전을 억제하여 강풍이나 돌풍 시 발전기에 과부하가 걸리거나 블레이드가 파손되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
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