KR101193202B1 - 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 소형 풍력발전기가 갖는 진동문제를 해소하고, 낮은 풍속에서도 쉽게 기동될 수 있도록 한 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치를 개시한다. 본 발명은 포스트부; 상기 포스트부의 상단에 수직하게 설치되며 회전이 가능한 회전축; 상기 회전축의 일단이 연결되어 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지나 열 에너지로 전환시키는 에너지 발생부; 상기 회전축에 연결바를 매개로 설치되며, 상기 회전축과 평행하며 상기 회전축과 일정간격 이격된 상태로 설치된 다수의 날개부; 및 상기 회전축의 상부에 위치되는 상부 고정판에 일단이 고정되고, 타단이 상기 포스트부의 상단에 결합되어, 상기 날개부를 둘러싸도록 배치되는 다수의 지지부를 포함하여 이루어진다.

풍력, 다리우스형, 날개부, 항력증대, 수직형

Description

다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치{VERTICAL WIND ENERGY GENERATOR HAVING DARRIUS TURBINE BLADES}

본 발명은 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래의 소형 풍력발전기가 갖는 진동문제를 해소하고, 낮은 풍속에서도 쉽게 기동될 수 있도록 한 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력 발전에서 전기를 생성하기 위한 회전력을 발생하는 부분을 풍차라 하며, 이 풍차는 회전축의 설치 방향에 따라 수직축 풍차와 수평축 풍차로 구분된다.

상기 수직축 풍차는 날개의 회전축이 지면에서 수직을 이루도록 설치된 풍차로서, 다리우스형(darrious type)과 사보니우스형(savonious type)이 있다. 여기서 다리우스형은 공기가 날개를 통과할 때 날개의 양측의 유속의 차이를 이용하고, 사보니우스형은 공기의 저항을 이용하여 풍차를 회전시키는 방식이다.

이러한 수직축 풍차는 바람의 방향에 관계없이 회전력을 발생할 수 있는 장 점이 있으나, 소재가 비싸고 효율이 떨어지는 단점을 가지고 있다.

반면, 수평축 풍차의 대표적인 예로서 프로펠러형이 있는데, 이 프로펠러형 풍차는 날개의 회전축이 지면과 수평으로 설치된 구조로서, 구조가 간단하여 설치가 용이하고, 수직축 풍차에 비해 상대적으로 에너지 발생효율이 높은 장점이 있으나, 풍향에 민감하게 대응하지 못하는 단점이 있다.

한편, 수직축 풍차는 수평축 풍차에 비해 낮은 효율에도 불구하고 소음발생이 적고, 풍향에 상관없이 지속적인 회전이 가능하다. 이에 따라 소형풍력 에너지 발생장치에 적합하다.

근래에는 낮은 풍속에서 효율이 좋은 사보니우스형과 비교적 큰 풍속에서 효율이 좋은 다리우스형을 접목한 복합형이 각광받고 있다.

그러나, 이러한 복합형 풍차는 좁고 긴 형상의 다리우스형의 날개부를 채용함으로써 구동시 조용하고 외관이 미려한 장점이 있지만, 낮은 풍속에서 기동하기가 어렵다. 이에 따라 통상적으로 렌쯔형 날개를 채용함으로써 진송과 소음이 증가되는 문제점이 있다.

또한, 다리우스형 날개에 사보니우스형 날개를 설치하는 이중구조의 복합형이 개시되어 있지만, 구조가 복잡하고 초기 시설비가 높은 단점이 있으며, 외부의 다리우스형 날개가 회전하는 경우, 내부의 사보니우스형 날개는 거의 에너지를 발생시키지 못하는 구조적인 제약이 있다

아울러, 이러한 복합형은 다리우스형의 날개가 길어지는 경우 상부의 진동에 의해 쉽게 연결부가 손상되는 등 내구성에 대한 문제점이 제기되었다.

본 발명은 위와 같은 필요에 의해 창안된 것으로서, 종래의 소형 풍력발전기가 갖는 진동문제를 해소하고, 낮은 풍속에서도 쉽게 기동될 수 있도록 한 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 형태에 따르면, 포스트부; 상기 포스트부의 상단에 수직하게 설치되며 회전이 가능한 회전축; 상기 회전축의 일단이 연결되어 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지나 열 에너지로 전환시키는 에너지 발생부; 상기 회전축에 연결바를 매개로 설치되며, 상기 회전축과 평행하며 상기 회전축과 일정간격 이격된 상태로 설치된 다수의 날개부; 및 상기 회전축의 상부에 위치되는 상부 고정판에 일단이 고정되고, 타단이 상기 포스트부의 상단에 결합되어, 상기 날개부를 둘러싸도록 배치되는 다수의 지지부를 포함하여 이루어진 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치가 제공된다.

또한, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 회전축의 주변에 평행하게 다수의 날개부가 설치되어, 풍력에 의해 상기 회전축을 회전시킴으로써 에너지를 생성시키는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치로서, 상기 날개부는 측단면이 유선형을 갖도록 형성되고, 상기 날개부의 유선형이 시작되는 머리부의 내부에 형성된 제1캐비티와, 상기 제1캐비티와 격벽을 두고 상기 날개부의 꼬리부에 형성된 제2캐비티를 포 함하여 구성되되, 상기 꼬리부의 일측면은 일정면적으로 개방된 항력증대 개구부가 형성된 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치가 제공된다.

상기 지지부의 고정력을 증대하기 위해 각각의 지지부는 적어도 하나의 보강링을 매개로 연결될 수 있다.

상기 날개부는 측단면이 유선형을 갖도록 형성되고, 상기 날개부의 유선형이 시작되는 머리부의 내부에 형성된 제1캐비티와, 상기 제1캐비티와 격벽을 두고 상기 날개부의 꼬리부에 형성된 제2캐비티를 포함하여 구성되되, 상기 꼬리부의 일측면은 일정면적으로 개방된 항력증대 개구부가 형성된 것 일 수 있다.

상기 항력증대 개구부가 형성된 상기 꼬리부의 일측면에는 제2캐비티 내로 유입된 바람이 일정시간동안 체류될 수 있도록 연장턱이 형성된 것이 바람직하다.

상기 제2캐비티 내에는 인입되는 바람이 충돌되어 발생되는 소음을 저감하기 위해 흡음패드가 설치된 것이 바람직하다.

상기 지지부에는 조명등이 설치되어, 상기 에너지 발생부에서 발생된 에너지를 공급받아 작동되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 첫째, 회전축을 지지하는 지지부를 통해 소형 풍력발전기의 기동시 발생되었던 소음과 진동을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.

둘째, 항력증대 개구부가 형성된 다수의 날개부를 통해 낮은 풍속에서도 쉽게 기동될 수 있어 공원이나 다리, 건물과 건물사이 공간과 같은 낮은 풍속의 지대 에서도 용이하게 설치할 수 있다.

셋째, 항력이 향상된 날개부를 통해 구조를 단순화 시킬 수 있어 협소한 공간에 설치가 가능하여 시공성능이 향상된다.

넷째, 날개부의 항력을 증대시킬 수 있어 기동시 날개부의 외경의 회전속도만큼 날개부의 표면유속의 상대속도가 증가하는 효과가 있어 더욱 큰 양력을 형성함으로써 에너지 발생효율을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이며, 도 3은 도 1의 평면도이다.

도 1 내지 도 3과 같이, 본 발명에 따른 풍력에너지 발생장치는 포스트부(10), 에너지 발생부(20), 날개부(30), 회전축(40), 및 지지부(50)로 크게 구성된다.

상기 포스트부(10)는 견고한 금속재질로 이루어지며 일정길이를 가짐으로써 상기 날개부(30)가 지면에서 일정높이만큼 이격된 상태로 설치될 수 있다.

상기 에너지 발생부(20)는 상기 회전축(40)이 회전되면 그 회전력을 전기 에너지 또는 열에너지로 전환시키는 통상의 풍력발전용 에너지 생성기가 채용될 수 있다.

상기 회전축(40)은 상부에 상부 고정판(42)이 설치되고, 회전축(40)의 하단은 상기 에너지 발생부(20)에 연결되어 회전력을 상기 에너지 발생부(20)로 전달하도록 설치된다. 또한 회전축(40)의 둘레에는 일정간격을 유지하도록 대수개의 날개부(30)가 형성된다. 이때 날개부(30)는 회전축(40)과 연결바(45)를 매개로 설치된다.

상기 지지부(50)는 회전축(40)의 상부에 설치된 상부 고정판(42)에 일단이 고정되고, 타단이 포스트(10)의 상단에 형성된 연결링(12)에 결합되도록 이루어진다. 또한 상기 지지부(50)는 회전축(40)의 주변으로 다수개가 일정간격으로 배치되고, 다수의 지지부(50)는 다수의 보강링(55)에 의해 서로 고정된다. 또한, 상기 지지부(50)에는 LED와 조명수단이 선택적으로 설치될 수 있어, 가로등 또는 장식물로 활용할 수 있다.

이러한 지지부(50)는 상기 날개부(30)를 수용하는 범위에서 설치된다. 즉, 지지부(50)는 상기 회전축(40)의 회전과 무관하게 상기 회전축(40)의 상단에 고정되고, 지지부(50)의 하단이 포스트(10)에 고정되어 상기 날개부(30)의 회전시 회전축(40)이 흔들리는 것을 방지하도록 지지하는 것이다. 또한 지지부(50)는 장치에 걸리는 하중을 분산시키는 기능을 수행하여 장치의 전반적인 내구성을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 날개부를 나타내는 예시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 측단면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다리 우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 작동상태를 보여주기 위한 설명도이다.

도 4 내지 도 6과 같이, 본 발명의 풍력에너지 발생장치에 적용되는 날개부(30)는 측단면이 유선형(날개형)을 갖도록 형성된다. 이때 날개부의 유선형이 시작되는 영역인 머리부(31)의 내부에는 제1캐비티(C1)가 형성된다. 머리부(31)의 반대편인 꼬리부(32)의 내부에도 제2캐비티(C2)가 형성되는데, 상기 제1캐비티(C1)와 상기 제2캐비티(C2)는 격벽(33)으로 구획된다.

한편, 상기 날개부(30)의 측면은 막혀 있고, 꼬리부(32) 하부면에는 일정길이를 갖는 슬릿형의 항력증대 개구부(H)가 형성된다. 이때 상기 항력증대 개구부(H)는 꼬리부(32)의 하부면이 완전히 개방되는 것이 아니라, 머리부(31)의 하부면에서 일정길이만큼 연장된 연장턱(36)이 형성되어 이루어진다. 또한, 항력증대 개구부(H)는 바람의 영향을 가장 많이 받는 날개부(30)의 상단에 위치할수록 좋다.

이 연장턱(36)은 제2캐비티(C2)로 유입되는 바람을 내부에 일정시간동안 체류시킴으로써 항력을 향상시키는 작용을 하는 수단이다. 또한, 제1캐비티(C1)는 날개부(30)의 중량을 줄이도록 공간부를 형성하는 것이다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 작동상태를 보여주기 위한 설명도이다.

도 6과 같이, 일정방향으로 바람이 불어온다고 가정하였을 때, 제1날개부(30a)의 꼬리부(32)에는 제2캐비티(C2)를 통해 바람이 유입되어 풍력에 의해 제1날개(30a)를 밀어내는 작용을 한다. 이때, 제2캐비티(C2)에 형성된 연장턱(36)을 통해 공기의 저항(항력)을 증대시키는 것이 바람직하다.

한편, 제1날개부(30a)의 머리부(31)에 부딪히는 바람은 머리부(31)의 유선을 타고 제2날개부(30b)의 꼬리부(32)를 향해 이동하는 흐름을 갖는다. 이때 제2날개부(30b)에 형성된 제2캐비티(C2)로 바람이 유입되어 풍력에 의해 회전축(40)의 회전을 가속시키게 된다.

반면, 바람의 풍향과 마주치는 제3날개부(30c)는 바람의 저항을 최소화하는 기류를 형성하여 회전축(40)의 회전가속도가 저하되는 것을 방지한다.

한편, 도 6에서 'A' 기류는 항력증대 개구부(H)가 날개부(30)에 형성되지 않은 상태에서 바람의 기류를 나타낸다. 또한 'B' 기류는 항력증대 개구부(H)가 형성된 상태의 날개부(30)에 작용하는 바람의 기류를 예시한 것이다.

도 6과 같이 항력증대 개구부(H)는 인입되는 바람의 저항을 높임으로써 항력을 향상시킬 수 있다. 특히 꼬리부(32)의 하면에 형성된 연장턱(36)을 통해 인입되는 바람의 저항은 제2캐비티(C2) 내에서 충분히 높아질 수 있다.

즉, 날개부(30)에 형성된 항력증대 개구부(H)를 통해 바람을 거스르는 방향에 위치한 제3날개부(30c)는 항력을 감소시키지 않는 기류를 형성시키지만, 바람과 수직한 방향에 위치하는 제2날개부(30b)는 항력이 절대적으로 증가하여 회전가속도를 향상시킴으로써 에너지 발생효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 도시하진 않았으나, 제2캐비티(C2)의 내부면에는 바람이 유입되어 충돌시 소음(공명현상에 따른 소음)이 발생되는 것을 방지하기 위한 발포수지 패드(통상의 흡음패드)가 필요에 따라 설치될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 실시예에 대해서 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 얼마든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있을 것 이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 사시도,

도 2는 도 1의 정면도,

도 3은 도 1의 평면도,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 날개부를 나타내는 예시도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 측단면도, 및

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치의 작동상태를 보여주기 위한 설명도이다.

<도면의 간단한 설명>

10: 포스트부 20: 에너지 발생부

30: 날개부 31: 머리부

32: 꼬리부 33: 격벽

40: 회전축 45: 연결바

50: 지지부 55: 보강링

Claims (7)

1. 포스트부; 상기 포스트부의 상단에 수직하게 설치되며 회전이 가능한 회전축; 상기 회전축의 일단이 연결되어 상기 회전축의 회전력을 전기 에너지나 열 에너지로 전환시키는 에너지 발생부; 상기 회전축에 연결바를 매개로 설치되며, 상기 회전축과 평행하며 상기 회전축과 일정간격 이격된 상태로 설치된 다수의 날개부; 및 상기 회전축의 상부에 위치되는 상부 고정판에 일단이 고정되고, 타단이 상기 포스트부의 상단에 결합되어, 상기 날개부를 둘러싸도록 배치되는 다수의 지지부를 포함하고,

   상기 날개부는 측단면이 유선형을 갖도록 형성되고, 상기 날개부의 유선형이 시작되는 머리부의 내부에 형성된 제1캐비티와, 상기 제1캐비티와 격벽을 두고 상기 날개부의 꼬리부에 형성된 제2캐비티를 포함하여 구성되되, 상기 꼬리부의 일측면은 일정면적으로 개방된 항력증대 개구부가 형성되며,

   상기 항력증대 개구부가 형성된 상기 꼬리부의 일측면에는 상기 제2캐비티 내로 유입된 바람이 일정시간동안 체류될 수 있도록 연장턱이 형성된 것을 특징으로 하는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치.
2. 회전축의 주변에 평행하게 다수의 날개부가 설치되어, 풍력에 의해 상기 회전축을 회전시킴으로써 에너지를 생성시키는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치로서,

   상기 날개부는 측단면이 유선형을 갖도록 형성되고,

   상기 날개부의 유선형이 시작되는 머리부의 내부에 형성된 제1캐비티와,

   상기 제1캐비티와 격벽을 두고 상기 날개부의 꼬리부에 형성된 제2캐비티를 포함하여 구성되되,

   상기 꼬리부의 일측면은 일정면적으로 개방된 항력증대 개구부가 형성되고,

   상기 항력증대 개구부가 형성된 상기 꼬리부의 일측면에는 상기 제2캐비티 내로 유입된 바람이 일정시간동안 체류될 수 있도록 연장턱이 형성된 것을 특징으로 하는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지부의 고정력을 증대하기 위해 각각의 지지부는 적어도 하나의 보강링을 매개로 연결된 것을 특징으로 하는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 제2캐비티 내에는 인입되는 바람이 충돌되어 발생되는 소음을 저감하기 위해 흡음패드가 설치된 것을 특징으로 하는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 지지부에는 조명등이 설치되어,

   상기 에너지 발생부에서 발생된 에너지를 공급받아 작동되는 것을 특징으로 하는 다리우스형 수직 풍력에너지 발생장치.

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