KR101230231B1 - 수직축 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드의 가변동작(에어포켓 형태나 수평 형태로의 전환 동작)을 통해 일측의 날개부가 받는 바람의 영향은 최대로 높이는 반면, 그 외의 날개부가 받는 바람의 영향과 공기의 저항은 최소화함으로써 발전효율을 높일 수 있는 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 일측의 블레이드에 대한 바람의 영향을 최대화하고, 그 외의 블레이드에 대한 바람의 영향을 최소화하도록 각 날개부 후레임에 마련된 블레이드가 에어포켓 형태 또는 수평 형태로 전환되기 때문에 발전효율을 향상시킬 수 있으며, 풍향변화에 대응하기 위해서, 그리고 강풍으로 인한 파손 및 과부하를 방지하기 위해서, 별도로 구동모터나, 풍향감지를 위한 센서 등을 설치할 필요가 없다. 또한, 날개부 후레임을 다단으로 구성함으로써 대용량 발전을 꾀할 수 있으며, 다리우스형 블레이드를 추가로 설치하여 바람에 의한 항력과 양력 모두를 이용하고, 블레이드 전체가 수평 형태로 전환됨으로써 맞바람의 영향과 공기의 저항을 적게 받는 구조로 전환되어 발전 효율과 시동토크를 높일 수 있는 이점이 있다.

Description

수직축 풍력발전장치{Apparatus for wind power generation with vertical axis}

본 발명은 블레이드를 선택적으로 에어포켓 형태나 수평 형태로 전환하여 발전효율을 높이고, 풍향변화에 대응하는 기능 및 강풍으로 인한 파손과 과부하 방지 기능을 갖춘 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로, 다리우스형과 사보니우스형으로 구분되는 수직축 풍력발전은 에너지 변환장치를 지상에 설치할 수 있어 유지관리가 용이하며, 저속운전이 가능하고, 풍향변화에 영향을 받지 않는 등, 수평축 풍력발전에 비해 여러가지 장점이 있으나, 발전 효율과 시동 토크가 낮으며, 대용량 발전에는 부적합한 문제점이 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 블레이드의 에어포켓 형태 또는 수평 형태로의 전환 동작을 통해 발전효율을 증대시키는 한편, 별도의 센서나 모터 등을 구비하지 않고도 풍향변화에 대응하는 동시에 강풍으로 인한 파손 및 과부하를 방지할 수 있도록 된 수직축 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 하중과 공기의 저항을 줄임으로써 낮은 풍속에서도 용이하게 발전할 수 있는 수직축 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

또 다른 목적은 본 발명을 바람에 대한 항력과 양력 모두를 이용하여 운전하는 하이브리드 방식의 수직축 풍력발전에 적용함에 있어서, 블레이드 전체를 맞바람과 공기의 저항이 적은 수평 형태로 전환시킴으로써 발전효율을 보다 증대시킬 수 있는 수직축 풍력발전장치를 제공하는 것이다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 통풍 가능하도록 측면 둘레가 개방된 하우징과, 길이방향 양단이 각각 하우징 내부의 천정과 바닥면에 고정되어 수직으로 세워지는 중앙고정축과, 중앙고정축에 결합되어 중앙고정축을 중심으로 자유회전가능한 몸통부 후레임과, 몸통부 후레임의 둘레에 구비되어 몸통부 후레임과 연동하여 회전 가능한 복수의 날개부 후레임과, 하부에 지면에 대하여 소정의 경사각을 갖는 사판캠을 구비하고 중앙고정축에 결합되어 중앙고정축을 중심으로 자유회전 가능한 원형회전체와, 원형회전체에 구비되어 바람에 대한 항력을 통해 원형회전체를 풍향과 대응하도록 회전이동시키기 위한 회전풍향타와, 날개부 후레임의 상부와 하부에 각각 회전 가능하게 설치되어 바람에 대한 항력을 통해 몸통부 후레임을 회전시키기 위한 한 쌍의 블레이드와, 날개부 후레임에 설치되고 사판캠과 연결되어 사판캠에 의해 작동함으로써 한 쌍의 블레이드를 서로 다른 방향으로 회전시켜 바람이 불어오는 방향으로 벌어지고 닫힘으로써 바람에 대한 항력이 최대로 작용하는 '<'자 형태인 에어포켓 형태나, 바람이 불어오는 방향으로 평행하고 열림으로써 바람에 대한 항력이 최소로 작용하는 '='자 형태인 수평 형태로 선택적으로 전환시키기 위한 구동수단과, 날개부 후레임에 설치되어 한 쌍의 블레이드를 선택적으로 수평 형태로 전환시키기 위한 작동수단과, 작동수단에 구비되어 작동수단에 의해 한 쌍의 블레이드 전체가 수평 형태로 전환될 경우, 중앙고정축과 면접하여 몸통부 후레임을 제동하도록 된 브레이크패드와, 몸통부 후레임과 연결되어 몸통부 후레임의 회전력을 전력으로 변환하는 발전기를 포함한다.

여기서, 몸통부 후레임과 발전기는, 상호 대응하는 베벨기어를 구비하여 기어결합됨으로써 연결된다.

또한, 구동수단은, 날개부 후레임의 상부에 회전 가능하게 설치되고 한 쌍의 블레이드 중 어느 하나와 결합되어 연동하여 회전 가능한 제1 수평회전축과, 날개부 후레임의 하부에 회전 가능하게 설치되고 한 쌍의 블레이드 중 다른 하나와 결합되어 연동하여 회전 가능한 제2 수평회전축과, 제1 및 제2 수평회전축 사이에 회전 가능하게 설치되고 제1 수평회전축과 기어결합되어 연결되며, 제2 수평회전축과 체인결합되어 연결되는 구동축을 포함하되, 구동축은, 길이방향 일단에 소정길이 연장되어 사판캠과 접하도록 마련된 암과, 암 말단에 회전 가능하게 결합된 롤러를 포함한다.

또한, 작동수단은, 소정길이와 폭을 갖는 평판 형태로 마련되어 길이방향이 중앙고정축을 향하도록 날개부 후레임에 결합되고, 상면이 지면에 대하여 소정의 경사각을 갖는 빗면 형태로 구비되는 거치대와, 소정길이를 갖는 바아 형태이고 소정간격 이격되어 평행하게 배치되는 제1 및 제2 가로대와, 소정길이를 갖는 바아 형태이고 소정간격 이격되어 평행하게 배치되는 제1 및 제2 세로대를 포함하되, 제1 및 제2 가로대와, 제1 및 제2 세로대는 상하로 겹쳐져 '#'자 형태로 배치된 상태에서 교차되는 부분이 힌지축 결합되어 상호 연결되고, 제1 및 제2 세로대는, 길이 사이 중심이 거치대 상면에 힌지축 결합되어 제1 및 제2 세로대가 회동함에 따라 제1 및 제2 가로대가 직선이동 가능하고, 일측 말단이 제1 가로대의 길이방향 일단에 결합되고, 타측 말단이 암에 결합되어 제1 가로대가 직선이동함에 따라 암을 견인함으로써 구동축을 회전시키기 위한 와이어와, 제1 세로대의 길이방향 일단에 구비되어 작용하는 원심력을 통해 제1 세로대를 회동시키기 위한 추를 더 포함한다.

또한, 한 쌍의 블레이드는, 대응하는 길이방향 일단을 연결하는 사이드블레이드를 더 구비하고, 사이드블레이드는 한 쌍의 블레이드의 회전에 대응하여 접어지거나 펼쳐지도록 구비된다.

또한, 원형회전체는, 하부가 개방된 원통형태로 마련되고, 내주면 일측에 지면에 대하여 소정각도로 경사지게 돌출형성된 사면턱과, 일측이 사면턱에 힌지결합되고 타측이 스프링에 의해 지지되어 사면턱과 밀착함에 따라 지면에 대하여 소정각도로 경사져 사판캠을 구성하는 회동위치와, 사면턱에서 이탈함에 따라 지면과 평행한 회동위치 사이에서 회동가능한 궤도판을 구비하고, 회전풍향타는, 원형회전체에 결합되는 풍향타 몸통부와, 소정길이와 폭을 갖는 평판 형태이고, 평행하게 배치된 상태에서 대응하는 길이방향 일단이 각각 풍향타 몸통부에 힌지축 결합되는 한 쌍의 꼬리날개와, 길이방향 일단이 한 쌍의 꼬리날개 내측면에 각각 힌지축 결합되고, 길이방향 타단이 서로 힌지축 결합됨으로써 상호 연결되어 한 쌍의 꼬리날개가 회동함에 따라 전개되거나 접철되는 한 쌍의 바아로 구성된 접철수단을 구비하되, 접철수단과 궤도판을 연결하는 와이어를 더 구비하여, 접철수단이 접철됨에 따라 궤도판을 견인하여 지면과 평행한 회동위치로 회동시키게 된다.

또한, 날개부 후레임과, 블레이드 및 구동수단은, 중앙고정축의 길이방향을 따라 다단으로 구비되고, 구동수단은, 체인에 의해 이웃하는 구동수단과 연결되어 대응하는 블레이드를 연동하여 회전시키도록 구비된다.

또한, 몸통부 후레임과 날개부 후레임은, 격자 구조를 가지며, 몸통부 후레임은, 측면 둘레에 복수의 다리우스형 블레이드를 더 구비한다.

본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 일측의 날개부에 대한 바람의 영향을 최대화하고, 그 외의 날개부에 대한 바람의 영향을 최소화하도록 각 날개부 후레임에 마련된 블레이드가 에어포켓 형태 또는 수평 형태로 전환되기 때문에 발전효율이 증대된다.

둘째, 풍향변화에 대응하기 위해서, 그리고 강풍으로 인한 파손 및 과부하를 방지하기 위해서, 별도의 구동모터나, 풍향감지를 위한 센서 등을 설치할 필요가 없다.

셋째, 날개부 후레임을 다단으로 구성함으로써 대용량 발전을 꾀할 수 있다.

넷째, 다리우스형 블레이드를 추가로 설치하여 바람에 의한 항력과 양력 모두를 이용하고, 블레이드 전체가 수평 형태로 전환됨으로써 맞바람의 영향과 공기의 저항을 적게 받는 구조로 전환되어 발전 효율과 시동토크를 높일 수 있다.

다섯째, 몸통부와 날개부의 후레임이 격자(lattice) 구조로 마련되어 후레임에 대한 구조적 안전성을 높일 수 있고, 후레임의 하중과 공기의 저항을 감소시킬 수 있으며, 아울러 블레이드를 박막의 알루미늄판 또는 탄소 섬유소재 등의 경량재질로 제작할 수 있어 낮은 풍속에서도 용이하게 발전할 수 있다.

여섯째, 몸통부 후레임에 베벨기어를 구비하고, 베벨기어 주위에 다수의 발전기를 설치함으로써, 발전용량을 높일 수 있다.

일곱째, 제작이 용이하고 경제적이다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치를 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 원형회전체와 몸통부 후레임을 보인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 원형회전체와 몸통부 후레임을 보인 측단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 구동수단을 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 구동축을 보인 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 블레이드를 A 내지 D방향에서 보인 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 작동수단을 보인 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 작동수단을 보인 사시도이다.
도 9a 및 도 9b 는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 작동수단의 동작상태를 보인 사시도이다.
도 10a와 도 10b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 원형회전축과 회전풍향타의 동작상태를 보인 사시도이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 원형회전축과 회전풍향타의 동작상태를 보인 평면도이다.
도 12는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 다른 실시예를 보인 측면도이다.
도 13은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 또 다른 실시예를 보인 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치를 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 일실시예의 원형회전체와 몸통부 후레임을 보인 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 일실시예의 원형회전체와 몸통부 후레임을 보인 측단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 하우징(H) 내부에 설치된다. 하우징(H)은 중공의 원통 형상으로 마련되고 통풍 가능하도록 측면 둘레가 개방된다. 하우징(H)은 수직으로 길게 뻗어 길이방향 일단은 하우징(H)의 천정면 중심에 결합되고, 길이방향 타단은 하우징(H)의 바닥면 중심에 결합되는 중앙고정축(50)이 구비된다. 중앙고정축(50)은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 중심축 역할을 수행하도록 마련된 것으로 하우징(H)에 회전 불가능하게 구비되고, 중앙고정축(50)에는 원형회전체(400, 400')와, 몸통부 후레임(610)이 자유회전 가능하게 설치된다. 여기서, 원형회전체(400, 400')와 후술하는 회전풍향타(500, 500')는 두가지의 실시예로 구분된다. 우선, 일실시예의 원형회전체(400)와 회전풍향타(500)를 설명하면 다음과 같다. 원형회전체(400)는 중공의 원통 형상으로 마련되고 하면이 소정의 경사각을 갖는 빗면으로 구성되어 하부에 사판캠 형태의 사면궤도(410)를 구비한다. 또한, 원형회전체(400)의 상측에는 풍향에 따라 원형회전체(400)를 회전시키기 위한 회전풍향타(500)가 구비된다. 회전풍향타(500)는 소정길이를 갖는 평판 형태로 마련되고 수직으로 세워져 원형회전체(400)에 결합된다. 이러한 원형회전체(400)는 중심에 수직으로 길게 뻗어 돌출되는 관(管) 형태의 수직회전축(400a)을 일체로 구비하고, 중앙고정축(50)이 수직회전축(400a)의 중심을 관통하도록 중앙고정축(50)에 설치됨으로써 중앙고정축(50)을 중심으로 자유회전 가능하다. 이때, 중앙고정축(50)과 수직회전축(400a) 사이에는 베어링(400c)이 구비된다. 베어링(400c)은 중앙고정축(50)과 수직회전축(400a) 사이의 마찰저항을 최소화하고 중앙고정축(50)에 수직회전축(400a)을 결합하기 위한 것이다. 즉, 원형회전체(400)는 베어링(400c)을 통해 중앙고정축(50)에 회전 가능하게 설치된다. 한편, 몸통부 후레임(610)의 외측면 둘레에는 복수의 날개부 후레임(620)이 구비된다. 본 실시예에서는 4개의 후레임(620)을 등간격 배치하여 '十'자 형태로 구비하였다. 몸통부 후레임(610)과 날개부 후레임(620)은 공기 저항 및 자체 중량을 감소시키기 위하여 격자(lattice) 형태의 구조물로 구비된다. 여기서, 몸통부 후레임(610)은 상부와 하부가 막힌 형태로 구비되고, 몸통부 후레임(610)의 상부와 하부 중심에는 중앙고정축(50)을 허용하는 중앙홀(611)이 마련되어 중앙고정축(50)이 중앙홀(611)을 관통하도록 중앙고정축(50)에 설치됨으로써 중앙고정축(50)을 중심으로 자유회전 가능하다. 이때, 중앙홀(611)에는 베어링(400c)이 구비된다. 베어링(400c)은 중앙고정축(50)과 몸통부 후레임(610) 사이의 마찰저항을 최소화하고 중앙고정축(50)에 몸통부 후레임(610)을 결합하기 위한 것이다. 즉, 몸통부 후레임(610)은 베어링(400c)을 통해 중앙고정축(50)에 회전 가능하게 설치되는 것이다. 또한, 몸통부 후레임(610)의 하단 외측면 둘레에는 몸통부 후레임(610)과 연결되어 몸통부 후레임(610)의 회전력을 전력으로 변환하기 위한 다수의 발전기(80)가 구비된다. 본 실시예에서는 4개의 발전기(80)를 등간격 배치하였다. 몸통부 후레임(610)과 발전기(80)는 각각 베벨기어(612, 81)를 구비하고, 한 쌍의 베벨기어(612, 81)가 기어결합됨에 따라 상호 연결된다.

도 4는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 구동수단를 보인 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 구동축을 보인 평면도이며, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치를 A 내지 D 방향에서 보인 측면도이다. 도 1과 도 4 내지 도 6d를 참조하면, 몸통부 후레임(610)에 구비된 다수의 날개부 후레임(620)에는 각각 블레이드(700)가 설치된다. 블레이드(700)는 바람에 대한 항력을 통해 몸통부 후레임(610)을 회전시킬 수 있도록 마련된 것으로, 소정길이와 폭을 갖는 직사각의 평판 형태로 마련되고 대응하는 한 쌍으로 구비되어 날개부 후레임(620)의 상부와 하부에 각각 배치된다. 여기서, 한 쌍의 블레이드(700) 사이에는 사이드블레이드(710)가 더 구비된다. 사이드블레이드(710)는 한 쌍의 블레이드(700)의 길이방향 일단부를 연결하여 블레이드(700)의 에이포켓 형태를 보강하기 위한 것으로, 블레이드(700)의 회전에 대응하여 접어지거나 펼지도록 구비된다. 이러한 블레이드(700)는 비교적 경량의 재질(박막의 알루미늄판, 탄소섬유 재질 등)로 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 날개부 후레임(620)에는 블레이드(700)를 회동시켜 에어포켓 형태 또는 수평 형태로 전환시키기 위한 구동수단(100)이 구비된다. 구동수단(100)은 소정길이로 연장된 장봉(長棒) 형태로 마련되어 날개부 후레임(620)에 회전 가능하게 설치되는 구동축(110)과, 소정길이로 연장된 장봉 형태로 마련되어 날개부 후레임(620)의 상부에 회전 가능하게 설치되고 대응하는 위치의 어느 하나의 블레이드(700)와 결합되는 제1 수평회전축(120)과, 소정길이로 연장된 장봉 형태로 마련되어 날개부 후레임(620)의 하부에 회전 가능하게 설치되고 대응하는 위치의 다른 하나의 블레이드(700)와 결합되는 제2 수평회전축(130)을 포함한다. 구동축(110)은 제1 수평회전축(120)과 수평회전축(130) 사이에 위치되고, 그 길이방향 일단(중앙고정축(50)을 향하는 내측단)에 마련되어 원형회전체(400)의 사면궤도(410)와 접하도록 된 암(111)과, 암(111)의 말단에 회전가능하게 결합되어 암(111)과 사면궤도(410) 사이의 마찰저항을 최소화하기 위한 롤러(112)를 포함한다. 암(111)은 도 5에 도시된 바와 같이, 소정길이 연장되어 구동축(110)과 일체로 마련되되, 소정의 곡률을 가지도록 구부러져 그 말단이 이웃하는 구동축(110)과 근접하도록 마련된다. 또한, 구동축(110)과 제1 수평회전축(120)은 대응하는 톱니기어(114)를 각각 구비하여 기어결합됨에 따라 상호 연동하여 회전 가능하다. 또한, 구동축(110)과 제2 수평회전축(130)은 대응하는 체인휠(115)을 각각 구비하여 체인(116)을 통해 체인결합됨으로써 상호 연동하여 회전 가능하다. 이러한 구성의 구동수단(100)은 제1 수평회전축(120)과 구동축(110)이 톱니기어(114)에 의해 연결되고, 제2 수평회전축(130)과 구동축(110)이 체인(116)에 의해 연결됨으로써, 제1 수평회전축(120)과 제2 수평회전축(130)은 구동축(110)의 회전에 대응하여 서로 반대방향으로 회전하게 되고, 한 쌍의 블레이드(700)는 대응하는 제1 및 제2 수평회전축(120, 130)과 연동하여 서로 반대방향으로 회전함으로써 도 6a에 도시된 바와 같이, 바람이 불어오는 방향으로 벌어지고 닫히는 '<'자 형태인 에어포켓 형태를 갖추거나, 도 6c에 도시된 바와 같이, 서로 평행하고 열리는 '='자 형태인 수평 형태를 갖추게 된다. 여기서, 중앙고정축(50) 둘레에 배치된 각 날개부 후레임(620)의 블레이드(700)는 중앙고정축(50)에 대한 위치에 따라 도 6a 내지 도 6d에 도시된 바와 같이, 에어포켓 형태(도 6a)와 수평 형태(도 6c) 사이의 각각 다른 형태(도 6b 및 도 6d)를 갖추게 된다. 또한, 에어포켓 형태와 수평 형태를 갖추는 한 쌍의 블레이드(700)는 항상 바람과 마주하게 위치된다. 이는 각 구동축(110)의 암(111)이 사면궤도(410)에 의해 제어되어 각기 다른 각도로 회동하고, 사면궤도(410)를 포함하는 원형회전체(400)가 풍향에 대응하여 회전이동하기 때문이다. 더욱 상세히 설명하면, 풍향 이 변화하면 회전풍향타(500)는 바람의 항력이 작용하여 사면궤도(410)를 포함하는 원형회전체(400)를 풍향과 대응하는 위치로 회전이동시키게 된다. 이에 따라, 사면궤도(410)에 이격 배치된 복수(4개)의 암(111)은 변화하는 사면궤도(410) 각 부분의 높낮이(경사)에 의해 가압되거나, 가압이 해제되어 구동축(110)을 중심으로 각각 회동하게 되고, 암(111)의 회동과 연동하여 구동축(110)이 회전하여 제1 및 제2 수평회전축(120, 130)을 회전시키면, 각각의 블레이드(700)는 대응하는 사면궤도(410) 부분의 높낮이에 따라 에어포켓 형태 혹은 수평 형태 혹은 에어포켓 형태와 수평 형태 사이의 형태로 전환되는 것이다. 여기서, 상기와 같은 풍향변화에 대한 대응 기능이 원만하게 이루어지기 위해서는 회전풍향타(500)에 작용하는 바람에 대한 항력이 블레이드(700)들이 받는 바람에 대항 항력보다 커야되며, 회전풍향타(500)의 형태와 규모를 설계함에 있어 이러한 점을 고려하여야 할 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 일실시예의 작동수단을 보인 사시도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 일실시예의 작동수단(200)은 날개부 후레임(620)에 구비되어 모든 블레이드(700)를 선택적으로 수평 형태로 전환시키도록 된 것으로, 소정길이를 갖는 바아(bar) 형태의 제1 및 제2 가로대(210, 220)와, 소정길이를 갖는 바아 형태의 제1 및 제2 세로대(230, 240)를 구비한다. 제1 및 제2 가로대(210, 220)와, 제1 및 제2 세로대(230, 240)는 길이방향 양단이 상하로 겹쳐진 상태에서 핀(210b)에 의해 회동 가능하게 결합되어 '＃'자 형태를 갖추며, 제1 및 제2 세로대(230, 240)의 길이 사이 중심에는 각각 수직으로 뚫린 홀(미부호)이 구비된다. 또한, 날개부 후레임(620)의 내측 하부에는 '＃'자 형태로 결합된 제1 및 제2 가로대(210, 220)와 제1 및 제2 세로대(230, 240)를 거치하기 위한 장방형의 거치대(300)가 마련되고, 거치대(300)의 상면에는 돌출형성되어 제1 및 제2 세로대(230, 240)의 홀과 대응하도록 된 한 쌍의 고정축(210a)이 구비된다. 상기의 제1 및 제2 세로대(230, 240)는 고정축(210a)이 제1 및 제2 세로대(230, 240)의 홀에 끼움결합됨으로써 거치대(300)에 회동가능하게 결합되고, 제1 및 제2 세로대(230, 240)의 회동에 연동하여 제1 및 제2 가로대(210, 220)가 서로 반대방향으로 이동하도록 된 것이다. 여기서, 거치대(300)는 중앙고정축(50)을 향하는 길이방향 일측(내측)이 낮고, 길이방향 타측(외측)이 높은 구조, 즉, 상면이 소정의 기울기를 갖는 빗면 형태로 구비되고, 거치대(300)의 상면에 마련된 고정축(210a)은 내측 방향으로 기울기를 갖는다. 한편, 제1 세로대(230)의 길이방향 일단에는 추(211)가 구비되고, 제1 가로대(210)는 와이어(113)에 의해 구동축(110)의 암(111)과 연결된다. 여기서, 몸통부 후레임(610)은 와이어(113)를 지지하기 위한 가이드롤러(113a)를 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 일실시예의 작동수단(200)은 구동축(110)의 암(111)을 하강시켜 사면궤도(410)에서 이탈시킴으로써 블레이드(700)의 수평 형태 전환을 이루게 된다. 더욱 상세히 설명하면, 물체의 회전속도가 빨라지면 원심력이 증대되는 원리를 이용한 것으로, 몸통부 후레임(610)과 연동하여 회전하는 작동수단(200)이 일정속도 이상으로 회전하게 되면, 추(211)가 결합된 제1 세로대(230)가 원심력에 의해 일측 방향으로 회동하게 되고, 이와 연동하여 제1 가로대(210)는 일측 방향으로 수평 이동하면서 와이어(113)를 통해 암(111)을 견인하여 하강시키게 된다. 이에 따라, 블레이드(700)는 바람의 영향 또는 공기의 저항을 적게 받는 수평 형태로 전환된다. 이와 반대로, 작동수단(200)의 회전속도가 낮아지면 원심력이 저하되어 일측 방향으로 회동했던 추(211)가 고정축(210a)의 기울기와 거치대(300) 상면의 기울기로 인해 타측 방향으로 회동하여 원래 위치로 복귀하게 된다. 이에 따라, 와이어(113)를 통해 견인되어 하강함으로써 사면궤도(410)에서 이탈했던 암(111)은 상승하여 다시 사면궤도(410)와 접하게 되고, 그 결과 각각의 블레이드(700)는 사면궤도(410)의 높낮이에 따라 에어포켓 형태 또는 수평 형태로 전환된다.

도 8은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 작동수단을 보인 사시도이며, 도 9a 및 도 9b 는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 작동수단의 동작상태를 보인 사시도이다. 도 7 내지 도 9b를 참조하면, 본 발명에 따른 다른 실시예의 작동수단(200')은 상기의 일실시예의 작동수단(200)에 있어서, 제2 가로대(220)의 내측단에 구비된 브레이크패드(212)와, 중앙고정축(50) 상에 브레이크패드(212)와 대응하도록 구비된 브레이크드럼(213)을 더 포함한다. 이러한 다른 실시예의 작동수단(200')은 몸통부 후레임(610)과 연동하여 회전하는 작동수단(200')이 일정속도 이상으로 회전하게 되면, 도 9b에 도시된 바와 같이, 추(211)가 결합된 제1 세로대(230)가 원심력에 의해 일측 방향으로 회동하게 된다. 이에 따라, 제1 가로대(210)는 일측 방향으로 수평 이동하면서 와이어(113)를 통해 암(111)을 견인하여 하강시키고, 제2 가로대(220)는 타측 방향(중앙고정축(50) 방향)으로 수평 이동하게 된다. 이때, 제2 가로대(220)의 내측단에 구비된 브레이크패드(212)는 제2 가로대(220)와 함께 수평이동함으로써 중앙고정축(50)에 구비된 브레이크드럼(213)과 면접되어 마찰하게 되고 이러한 브레이크패드(212)와 브레이크드럼(213)의 마찰 저항을 통해 몸통부 후레임(610)은 회전속도가 감소되거나, 회전이 정지되는 것이다. 이와 반대로, 구동수단(200)의 회전속도가 낮아지면 원심력이 저하되어 일측 방향으로 회동했던 추(211)가 고정축(210a)의 기울기와 거치대(300) 상면의 기울기로 인해 타측 방향으로 회동하여 원래 위치로 복귀하게 된다. 이에 따라, 와이어(113)를 통해 견인되어 하강함으로써 사면궤도(410)에서 이탈했던 암(111)은 상승하여 다시 사면궤도(410)와 접하게 되고, 브레이크패드(212)는 브레이크드럼(213)에서 이탈함으로써 몸통부 후레임(610)은 정상적으로 회전가능하게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 일실시예의 작동수단(200)과 다른 실시예의 작동수단(200')은 전체 블레이드(700)를 수평 형태로 전환하는 동일한 기능을 가지지만, 각기 다른 역할을 수행하게 된다. 더욱 상세히 설명하면, 일실시예의 작동수단(200)은 몸통부 후레임(610) 둘레에 복수의 다리우스형 블레이드를 추가로 설치할 경우, 블레이드(700) 전체를 공기의 항력이 작은 수평 상태로 전환시킴으로써 발전효율을 높일 수 있는 기능을 수행하게 된다. 또한, 다른 실시예의 작동수단(200')은 브레이크 기능과 더불어 전체 블레이드(700)를 수평 상태로 전환시켜 강풍의 영향을 최소화함으로써 강풍으로 인한 부품의 파손 및 과부하를 방지할 수 있는 기능을 수행하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 다른 실시예의 원형회전축(400')과 회전풍향타(500')는 상기에서 언급한 작동수단(200)처럼 전체 블레이드(700)를 수평 상태로 전환시키는 기능을 가지도록 구성된다. 이를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 10a와 도 10b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 원형회전축과 회전풍향타의 동작상태를 보인 사시도이고, 도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 채용된 다른 실시예의 원형회전축과 회전풍향타의 동작상태를 보인 평면도이다. 도 10a 내지 도 11b를 참조하면, 원형회전체(400')의 상측에 수직으로 설치된 회전풍향타(500')는 'V'자 형태를 이루는 풍향타 몸통부(510)와, 풍향타 몸통부(510)에 결합되는 한쌍의 꼬리날개(520)와, 한쌍의 꼬리날개(520)를 연결하는 접철수단(530)을 구비한다. 한쌍의 꼬리날개(520)는 소정길이를 갖는 직사각의 평판 형태이고, 길이 사이 일단부가 풍향타 몸통부(510)의 말단에 힌지 결합되어 회동 가능하다. 접철수단(530)은 소정길이를 갖는 한쌍의 바아(미부호)로 구성된다. 접철수단(530)을 구성하는 한쌍의 바아는 각 길이방향 일단이 한쌍의 꼬리날개(520)의 내측에 각각 힌지축 결합되고 마주하도록 된 길이방향 타단이 서로 힌지축 결합되어 연결됨으로써 꼬리날개(520)의 회동에 의해 전개 또는 접철되는 구조를 갖는다. 원형회전체(400')는 하부가 개방된 중공의 원통 형상으로 마련되고, 원형회전체(400')의 중심에 수직으로 길게 뻗어 돌출되는 관(管) 형태의 수직회전축(400a)과, 원형회전체(400')의 내주면 일측에 돌출형성되어 환형(環形)으로 마련되는 사면턱(411)을 포함한다. 사면턱(411)은 사선(斜線)으로 구비되어 지면에 대하여 소정의 경사각을 갖는 빗면 형태로 구비되고, 사면턱(411)의 하부에는 궤도판(430)이 설치된다. 궤도판(430)은 원형의 판 형태로 구비되고 중심에 중앙고정축(50)을 허용하는 중앙홀(미부호)이 마련된다. 궤도판(430)은 일측이 사면턱(411)에 힌지축 결합되고, 타측이 스프링(412)에 의해 지지됨에 따라 사면턱(411)의 저면에 밀착되어 사면턱(411)과 평행한 회동위치(지면에 대하여 경사진 회동위치)와 사면턱(411)의 저면과 이격되어 지면과 평행한 회동위치 사이에서 회동가능하다. 또한, 궤도판(430)의 타측 저면에는 와이어(113)의 길이방향 일단이결합된다. 여기서, 와이어(113)의 길이방향 타단은 접히거나 펼쳐짐에 따라 직선운동하는 접철수단(530)의 중심, 상세하게는, 접철수단(530)을 구성하는 한 쌍의 바아의 길이방향 타단을 연결하는 힌지축(미부호)에 결합된다. 또한, 원형회전체(400')에는 궤도판(430)과 접철수단(530)을 연결하는 와이어(113)를 안내하기 위한 안내롤러(112)가 구비된다. 이러한 원형회전체(400')는 중앙고정축(50)이 수직회전축(400a)의 중심을 관통하도록 중앙고정축(50)에 설치됨으로써 중앙고정축(50)을 중심으로 자유회전 가능하다. 이때, 중앙고정축(50)과 수직회전축(400a) 사이에는 베어링(도시하지 않음)이 구비된다. 베어링은 중앙고정축(50)과 수직회전축(400a) 사이의 마찰저항을 최소화하고 중앙고정축(50)에 수직회전축(400a)을 결합하기 위한 것이다. 즉, 원형회전체(400')는 베어링을 통해 중앙고정축(50)에 회전 가능하게 설치된다. 이러한 구성의 원형회전체(400')와 회전풍향타(500')는 궤도판(430)이 구동축(110)의 암(111)을 하강시킴으로써 블레이드(700)의 수평 형태 변환을 이루게 된다. 더욱 상세히 설명하면, 풍향이 변화하면 회전풍향타(500')는 바람에 대한 항력이 작용하여 원형회전체(400')를 풍향과 대응하는 회전위치로 이동시키게 된다. 이때, 강풍으로 인해 꼬리날개(520)에 작용하는 바람에 대한 항력이 커지면, 한 쌍의 꼬리날개(520)는 각각 내측으로 회동하는 동시에, 한 쌍의 꼬리날개(520) 사이에 구비된 접철수단(530)이 접철되면서 와이어(113)를 견인하여, 스프링(412)에 의해 지지되어 사면턱(411)과 밀착해 있는 궤도판(430)을 하강시키고, 그 결과, 지면에 대하여 소정의 경사각을 갖는 빗면 형태에서 지면과 평행한 수평면 형태로 전환된 궤도판(430)이 암(111)을 하강시킴으로 인해 구동축(110)이 일정범위 내에서 회동하며, 구동축(110)의 회전력이 제1 및 제2 수평회전축(120, 130)에 전해져 전체 블레이드(700)가 수평 형태로 전환되는 것이다.

이러한 본 발명에 따른 다른 실시예의 원형회전체(400')와 회전풍향타(500')는 작동수단(200, 200')의 전체 블레이드(700) 수평형태 전환 기능을 보강하는 목적의 구성으로써, 필요에 따라 구비될 수 있으며, 필요치 않을 경우 단순히 풍향변화 대응 기능만을 가지며 강풍으로 인한 파손 및 과부하 방지 기능에는 아무런 영향을 주지 않는 일실시예의 원형회전체(400)와 화전풍향타(500)가 구비되는 것이 바람직하다.

도 12는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 다른 실시예를 보인 측면도이고, 도 13은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 또 다른 실시예를 보인 사시도이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 발전토크를 향상시키기 위하여 구동수단(100)을 포함하는 날개부 후레임(620)과 블레이드(700)를 중앙고정축(50)의 길이방향을 따라 다단으로 구비할 수 있다. 이때, 다단으로 구비된 다수의 구동수단(110)중 어느 하나의 구동수단(110)은 제2 수평회전축(130)에 체인휠(115a)이 구비되고, 어느 하나의 구동수단(110) 하부에 위치하는 다른 하나의 구동수단(110)은 구동축(110)에 체인휠(115a)이 구비되어 체인(116)을 통해 서로 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 발전 효율을 향상시키기 위하여 구동수단(100)을 포함하는 날개부 후레임(620)과 블레이드(700)를 중앙고정축(50)의 길이방향을 따라 다단으로 구비하고, 몸통부 후레임(610) 둘레에 복수의 다리우스형 블레이드(800)를 더 구비할 수 있다. 다리우스형 블레이드(800)를 더 구비하는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 바람에 대한 항력과 양력 모두를 이용하는 방식으로, 가동 초기에는 바람에 대한 항력에 의해 저속운전을 하다가 어느 정도 속도가 높아지면 양력에 의한 운전으로 전환하는 하이브리드 방식을 취하도록 된 것이다. 이러한 하이브리드 방식은 다리우스형 블레이드(800)와, 블레이드(700) 전체를 공기의 저항이 적은 수평 형태로 전환시키는 구성을 통해 발전효율과 시동토크의 증대를 꾀하는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 수직축 풍력발전장치는 에어포켓 형태로의 전환이 보다 용이하게 이루어지도록 상하로 배치된 한 쌍의 블레이드(700) 중심을 제1 및 제2 수평회전축(120, 130)에 위치시켜 무게중심을 이루도록 하는 한편, 무게중심이 다른 경우에는 한 쌍의 블레이드(700)의 앞부분에 인장스프링(412) 등을 더 구비하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

50 : 중앙고정축 80 : 발전기
100 : 구동부재 110 : 구동축
111 : 암 112 : 안내롤러
113 : 와이어 114 : 톱니기어
115 : 체인휠 116 : 체인
120 : 제1 수평회전축 130 : 제2 수평회전축
200, 200' : 작동수단 210 : 제1 가로대
211 : 추 212 : 브레이크패드
213 : 브레이크드럼 220 : 제2 가로대
230 : 제1 세로대 240 : 제2 세로대
300 : 거치대 400, 400' : 원형회전체
410 : 사면궤도 411 : 사면턱
412 : 스프링 430 : 궤도판
500, 500' : 회전풍향타 510 : 풍향타 몸통부
520 : 꼬리날개 530 : 접철수단
610 : 몸통부 후레임 620 : 날개부 후레임
700 : 블레이드 710 : 사이드블레이드
800 : 다리우스형 블레이드

Claims (9)

1. 통풍 가능하도록 측면 둘레가 개방된 하우징과,
   길이방향 양단이 각각 상기 하우징 내부의 천정과 바닥면에 고정되어 수직으로 세워지는 중앙고정축과,
   상기 중앙고정축에 결합되어 상기 중앙고정축을 중심으로 자유회전가능한 몸통부 후레임과,
   상기 몸통부 후레임의 둘레에 구비되어 상기 몸통부 후레임과 연동하여 회전 가능한 복수의 날개부 후레임과,
   하부에 지면에 대하여 소정의 경사각을 갖는 사판캠을 구비하고 상기 중앙고정축에 결합되어 상기 중앙고정축을 중심으로 자유회전 가능한 원형회전체와,
   상기 원형회전체에 구비되어 바람에 대한 항력을 통해 상기 원형회전체를 풍향과 대응하도록 회전이동시키기 위한 회전풍향타와,
   상기 날개부 후레임의 상부와 하부에 각각 회전 가능하게 설치되어 바람에 대한 항력을 통해 상기 몸통부 후레임을 회전시키기 위한 한 쌍의 블레이드와,
   상기 날개부 후레임에 설치되고 상기 사판캠과 연결되어 상기 사판캠에 의해 작동함으로써 상기 한 쌍의 블레이드를 서로 다른 방향으로 회전시켜 바람이 불어오는 방향으로 벌어지고 닫힘으로써 바람에 대한 항력이 최대로 작용하는 '<'자 형태인 에어포켓 형태나, 바람이 불어오는 방향으로 평행하고 열림으로써 바람에 대한 항력이 최소로 작용하는 '='자 형태인 수평 형태로 선택적으로 전환시키기 위한 구동수단과,
   상기 날개부 후레임에 설치되어 상기 한 쌍의 블레이드를 선택적으로 상기 수평 형태로 전환시키기 위한 작동수단과,
   상기 작동수단에 구비되어 상기 작동수단에 의해 상기 한 쌍의 블레이드가 상기 수평 형태로 전환될 경우, 상기 중앙고정축과 면접하여 상기 몸통부 후레임을 제동하도록 된 브레이크패드와,
   상기 몸통부 후레임과 연결되어 상기 몸통부 후레임의 회전력을 전력으로 변환하는 발전기를 포함하는 수직축 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 몸통부 후레임과 상기 발전기는,
   상호 대응하는 베벨기어를 구비하여 기어결합됨으로써 연결되는 수직축 풍력발전장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 구동수단은,
   상기 날개부 후레임의 상부에 회전 가능하게 설치되고 상기 한 쌍의 블레이드 중 어느 하나와 결합되어 연동하여 회전 가능한 제1 수평회전축과,
   상기 날개부 후레임의 하부에 회전 가능하게 설치되고 상기 한 쌍의 블레이드 중 다른 하나와 결합되어 연동하여 회전 가능한 제2 수평회전축과,
   상기 제1 및 제2 수평회전축 사이에 회전 가능하게 설치되고 상기 제1 수평회전축과 기어결합되어 연결되며, 상기 제2 수평회전축과 체인결합되어 연결되는 구동축을 포함하되,
   상기 구동축은, 길이방향 일단에 소정길이 연장되어 상기 사판캠과 접하도록 마련된 암과, 상기 암 말단에 회전 가능하게 결합된 롤러를 포함하는 수직축 풍력발전장치
4. 제3항에 있어서,
   상기 작동수단은,
   소정길이와 폭을 갖는 평판 형태로 마련되어 길이방향이 상기 중앙고정축을 향하도록 상기 날개부 후레임에 결합되고, 상면이 지면에 대하여 소정의 경사각을 갖는 빗면 형태로 구비되는 거치대와,
   소정길이를 갖는 바아 형태이고 소정간격 이격되어 평행하게 배치되는 제1 및 제2 가로대와, 소정길이를 갖는 바아 형태이고 소정간격 이격되어 평행하게 배치되는 제1 및 제2 세로대를 포함하되, 상기 제1 및 제2 가로대와, 상기 제1 및 제2 세로대는 상하로 겹쳐져 '#'자 형태로 배치된 상태에서 교차되는 부분이 힌지축 결합되어 상호 연결되고, 상기 제1 및 제2 세로대는, 길이 사이 중심이 상기 거치대 상면에 힌지축 결합되어 상기 제1 및 제2 세로대가 회동함에 따라 상기 제1 및 제2 가로대가 직선이동 가능하고,
   일측 말단이 상기 제1 가로대의 길이방향 일단에 결합되고, 타측 말단은 상기 암에 결합되어 상기 제1 가로대가 직선이동함에 따라 상기 암을 견인함으로써 상기 구동축을 회전시키기 위한 와이어와,
   상기 제1 세로대의 길이방향 일단에 구비되어 작용하는 원심력을 통해 상기 제1 세로대를 회동시키기 위한 추를 포함하는 수직축 풍력발전장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 블레이드는, 대응하는 길이방향 일단을 연결하는 사이드블레이드를 더 구비하고,
   상기 사이드블레이드는 상기 한 쌍의 블레이드의 회전에 대응하여 접어지거나 펼쳐지도록 구비되는 수직축 풍력발전장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 원형회전체는, 하부가 개방된 원통형태로 마련되고,
   내주면 일측에 지면에 대하여 소정각도로 경사지게 돌출형성된 사면턱과,
   일측이 상기 사면턱에 힌지결합되고 타측이 스프링에 의해 지지되어 상기 사면턱과 밀착함에 따라 지면에 대하여 소정각도로 경사져 상기 사판캠을 구성하는 회동위치와, 상기 사면턱에서 이탈함에 따라 지면과 평행한 회동위치 사이에서 회동가능한 궤도판을 구비하고,
   상기 회전풍향타는, 상기 원형회전체에 결합되는 풍향타 몸통부와,
   소정길이와 폭을 갖는 평판 형태이고, 평행하게 배치된 상태에서 대응하는 길이방향 일단이 각각 상기 풍향타 몸통부에 힌지축 결합되는 한 쌍의 꼬리날개와,
   길이방향 일단이 상기 한 쌍의 꼬리날개 내측면에 각각 힌지축 결합되고, 길이방향 타측단이 서로 힌지축 결합됨으로써 상호 연결되어 상기 한 쌍의 꼬리날개가 회동함에 따라 전개되거나 접철되는 한 쌍의 바아로 구성된 접철수단을 구비하되,
   상기 접철수단과 상기 궤도판을 연결하는 와이어를 더 구비하여, 상기 접철수단이 접철됨에 따라 상기 궤도판을 견인하여 상기 지면과 평행한 회동위치로 회동시키도록 된 수직축 풍력발전장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 날개부 후레임과, 상기 블레이드 및 상기 구동수단은, 상기 중앙고정축의 길이방향을 따라 다단으로 구비되고,
   상기 구동수단은, 체인에 의해 이웃하는 구동수단과 연결되어 대응하는 상기 블레이드를 연동하여 회전시키도록 된 수직축 풍력발전장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 몸통부 후레임과 상기 날개부 후레임은, 격자 구조를 가지는 수직축 풍력발전장치.
9. 제1항 또는 제7항에 있어서,
   상기 몸통부 후레임은, 측면 둘레에 복수의 다리우스형 블레이드를 더 구비하는 수직축 풍력발전장치.
   

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