KR101230324B1 - 에이치 로우터 수직축 풍력발전 - Google Patents

Abstract

본 발명은 길이가 긴 두 개의 주날개 각각에 크기가 큰 단일 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치하고, 실속(失速, stall) 구역에서 상실된 회전력을 복구하기 위하여 길이가 짧은 두 개의 보조날개에 크기가 작은 블레이드를 설치하여, 주날개와 보조날개를 조합하여 구성한 에이치 로우터 수직축 풍력발전에 관한 것이다.
본 발명에 따른 에이치 로우터 수직축 풍력발전은, 회전축을 중심으로 양측에 블레이드 날개가 각각 설치되고, 블레이드 날개 각각에 2∼7개의 에어포일 블레이드가 배열되는 주날개; 상기 회전축을 중심으로 양측에 블레이드 날개가 각각 설치되고, 블레이드 날개 각각에 1개의 에어포일 블레이드가 배열되는 보조날개를 구비하여 구성되고, 상기 주날개의 길이가 보조날개의 길이보다 길고, 상기 주날개와 보조날개는 회전축을 중심으로 서로 수직방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

에이치 로우터 수직축 풍력발전{Vertical axis windpower generation of H-rotor}

본 발명은 수직축 풍력발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 길이가 긴 두 개의 블레이드 날개(wing)(주날개) 각각에 크기가 큰 단일 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치하고, 실속(失速, stall) 구역에서 상실된 회전력을 복구하기 위하여 길이가 짧은 두 개의 블레이드 날개(보조날개)에 크기가 작은 블레이드를 설치하여, 주날개와 보조날개를 조합하여 구성한 에이치 로우터 수직축 풍력발전에 관한 것이다.

풍력발전은 바람을 이용하여 블레이드 또는 프로펠러를 회전시켜서 발생한 회전력을 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 것으로, 블레이드 또는 프로펠러가 설치되는 방향에 따라 수평축 풍력발전과 수직축 풍력발전으로 구분되는데, 수평축 방식은 프로펠러 방식인데 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로우터의 방향을 바꾸어 주어야 하고 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결해야 하므로 구조가 복잡하다는 단점이 있고, 수직축 풍력발전은 회전축의 길이방향을 따라 블레이드가 설치되고, 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기로 구성되므로 구조가 간단하다.

수직축 풍력발전으로 요구되는 소정의 출력을 얻으려면 블레이드 폭을 크게 하거나 높이 즉 블레이드의 길이를 길게 해야 하는데, 블레이드의 길이가 길어지면 설치작업이 매우 불편할 뿐만 아니라 블레이드의 길이가 커짐에 따라 풍력발전기의 편심되지 않은 회전축을 제작하는데 어려움이 있고, 회전시 편심도가 높아져 심한 진동이 발생하게 되는 수직축 블레이드의 구조적 취약성으로 인해 풍력발전장치의 구조물이 파손되어 발전이 중단될 뿐만 아니라 블레이드가 설치된 회전축이 날아가거나 낙하하여 또 다른 위험과 피해를 야기하는 심각한 문제가 있다.

또한, 블레이드의 수가 적을수록, 블레이드의 회전수가 높을수록 풍력발전의 출력이 커지는데, 회전수를 높이려면 TSR(Tip Speed Ratio, 주속비; 블레이드 단부의 속도를 풍속으로 나눈 비율을 말한다)이 높아야 하고, 최적의 TSR을 갖기 위해서는 기본적으로 블레이드 수가 적어야 한다. 풍력발전에서 2개의 블레이드로 구성된 발전기는 TSR이 6, 3개의 블레이드를 가진 발전기는 TSR이 5, 4개의 블레이드를 가진 발전기는 TSR이 3 정도가 기준이며, 에어포일(airfoil)의 종류 및 설계방식에 따라 25∼30% 정도 가감된다.

수직축 풍력발전에 있어서 2개의 블레이드를 가진 에이치 로우터(H-rotor)가 발전효율이 가장 우수하지만, 3개의 블레이드로 가장 많이 제작하는 이유는 3개의 블레이드가이 구조적으로 안정적이며 설계에 따라 TSR을 6∼7까지 높일 수 있다는 점과, 2개의 블레이드(H-rotor)는 고형비{solidity, 블레이드 회전시의 원둘레/(시위길이(chord length)×블레이드 아암수)}로 보면 단일 블레이드 제작이 힘든 대형 블레이드이기 때문에 제작에 어려움이 있으며, 2개의 블레이드가 기류 정면에서 좌우 대각선에 위치되면 회전력을 상실(회전중에는 이러한 현상이 없으나, 기류가 없는 상황에서 2개의 블레이드가 실속 구역에서 멈춘 상태에서는 기류방향과 대각선 방향으로 블레이드 날개가 위치했을 경우에 이러한 현상이 생기게 된다)하는 실속 현상이 발생하게 된다는 문제가 있기 때문이다.

실속(失速, stall)이란 블레이드의 표면을 흐르는 기류의 흐름이 블레이드 윗면으로부터 박리되어 양력(揚力)이 감소하고 항력(抗力)이 증가하여 회전을 유지하지 못하고 정지하는 현상(비행기의 경우에는 비행을 유지하지 못하는 현상을 말한다)을 말하는데, 그 원인은 블레이드의 받음각을 어느 한도 이상으로 주었을 때 또는 블레이드의 표면에 강한 충격파가 발생하여 그 하류의 흐름이 떨어져 나감으로써 실속 현상이 발생하게 되고, TSR이 너무 적으면 블레이드가 저속으로 회전하게 되고 저속일수록 받음각이 크기 때문에 실속이 일어날 위험성이 크며, 블레이드에 실속 현상이 일어날 경우 풍력발전의 효율이 떨어질 뿐만 아니라 심하면 블레이드가 파손되게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 길이가 긴 두 개의 블레이드 날개(주날개) 각각에 크기가 큰 단일 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치함으로써 다양한 출력의 풍력발전이 가능하고 블레이드 회전시 발생하는 진동을 분산시키게 되어 구조적으로도 안정적이며, 실속(失速, stall) 구역에서 상실된 회전력을 복구하기 위하여 길이가 짧은 두 개의 블레이드 날개(보조날개)에 크기가 작은 두 개의 블레이드를 설치하여, 주날개와 보조날개를 조합하여 구성한 에이치 로우터 수직축 풍력발전을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 에이치 로우터 수직축 풍력발전은, 회전축을 중심으로 양측에 블레이드 날개(wing)가 각각 설치되고, 블레이드 날개 각각에 2∼7개의 에어포일(airfoil) 블레이드가 배열되는 주날개; 상기 회전축을 중심으로 양측에 블레이드 날개가 각각 설치되고, 블레이드 날개 각각에 1개의 에어포일 블레이드가 배열되는 보조날개를 구비하여 구성되고, 상기 주날개의 길이가 보조날개의 길이보다 길고, 상기 주날개와 보조날개는 회전축을 중심으로 서로 수직방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 보조날개의 길이는 주날개 길이의 40∼60%이며, 주날개에 배열되는 각 블레이드는 회전각(블레이드의 회전 중심축과 각 블레이드의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도를 의미함)이 동일하도록 배치된다.

바람직하게는, 주날개와 보조날개는 회전축의 상부와 하부에 쌍을 이루도록 설치되고, 보조날개의 하부에는 회전축을 중심으로 대칭되는 조형물이 부착된다.

바람직하게는, 회전축의 상단과 하단에는 각각 상부회전판과 하부회전판이 고정 결합되고, 상부회전판과 하부회전판은 동일한 가장자리 부분을 모따기(D-cutting)하여 평평하게 한 원판형상이며, 하부회전판의 하부면은 오목 형상의 삽입홈이 형성되어 있다.

상기와 같은 구성적 특징을 갖는 본 발명에 따른 에이치 로우터 수직축 풍력발전은, 2개의 주날개를 구비한 에이치 로우터(H-rotor)이기 때문에 발전효율이 좋고, 길이가 긴 두 개의 주날개 각각에 크기가 큰 단일 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치했기 때문에 다양한 출력의 풍력발전이 가능할 뿐만 아니라 복수 개의 블레이드를 설치한 것이어서 블레이드 회전시 발생하는 진동을 분산시키게 되어 구조적으로도 안정적이다. 또한, 주날개와 수직되는 방향으로 길이가 짧은 보조날개를 설치함으로써 실속(失速, stall) 구역에서도 회전력을 유지할 수 있을 뿐만 아니라 주날개를 실속 구역에서 벗어나게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 에이치 로우터 수직축 풍력발전을 도시한 사시도이다.
도 2는 에이치 로우터 수직축 풍력발전에서 로우터의 회전을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 블레이드의 길이방향 양단부에 캡(cap)을 체결한 블레이드의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 에이치 로우터 수직축 풍력발전에 조형물을 부착한 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 에이치 로우터 수직축 풍력발전의 회전축을 도시한 도면이다.

본 발명은, 주날개만으로 구성된 에이치 로우터 수직축 풍력발전이 기류가 없는 상황에서 실속 구역에 두 개의 블레이드가 위치한 채로 정지하게 되면(즉, 주날개가 기류방향과 대각선 방향으로 위치하여 정지할 경우를 말한다), 이후 기류가 발생하더라도 주날개가 움직이지 못하게 되는 현상을 방지하기 위하여, 주날개와 수직으로 교차하는 방향으로 주날개보다 길이가 짧은 보조날개를 설치하여 에이치 로우터를 구성함으로써, 상기와 같은 사태를 방지함은 물론 주날개의 회전에도 도움을 줄 수 있도록 주날개와 보조날개를 조합한 에이치 로우터 수직축 풍력발전에 관한 것이다.

에이치 로우터(H-rotor)란 블레이드 날개가 회전축의 양쪽으로 배치되고 그 단부에 블레이드가 배열되었을 경우 평면 형상이 알파벳 에이치(H)자 모양처럼 보이기 때문에 붙여진 이름인데, 도 2에 도시한 바와 같이, 기류가 없는 상황(즉, 바람이 없는 무풍상태)에서 두 블레이드가 실속 구역에 정지하여 위치하게 되면, 이후 바람이 불어 기류가 생기더라도 주날개(11)는 회전력을 상실한 상태에서 더 이상 움직이지 않게 되는데(회전중에는 이러한 현상이 발생하지 않으나, 기류가 없는 상황에서 회전을 중단한 상태에서 최초 유입되는 기류가 주날개와 대각선 방향을 이룰 경우 이러한 현상이 발생함), 이때 길이가 짧은 보조날개①이 기류를 받으면서 항력을 받아 약간 밀림과 동시에 보조날개②도 항력을 받아 ③으로 표시한 화살표 방향과 같이 전진 또는 후진을 반복 유도하여 주날개(11)가 실속 구역을 벗어날 수 있게 된다.

본 발명의 에이치 로우터(10)는 2개의 주날개(11)와, 2개의 보조날개(13)를 구비하는데, 주날개(11)는 회전축(15)을 중심으로 양측으로 블레이드 날개가 각각 설치되고, 주날개(11) 각각에 2∼7개의 에어포일(airfoil) 블레이드(12)가 배열된다. 또한 보조날개(13)는 회전축(15)을 중심으로 양측으로 블레이드 날개가 각각 설치되고, 보조날개(13) 각각에 주날개(11)의 블레이드(12)보다 길이가 짧은 1개씩의 에어포일 블레이드(14)가 배열된다.

주날개(11)의 길이는 보조날개(13)의 길이보다 길고, 주날개(11)와 보조날개(13)는 회전축(15)을 중심으로 서로 수직방향으로 배치되는데, 보조날개(13)의 길이는 주날개(11) 길이의 40∼60% 정도가 바람직하며, 또한, 주날개(11)의 블레이드(12) 길이가 보조날개(13)의 블레이드(14) 길이보다 긴 것이 바람직하다.

주날개(11)의 각 블레이드(12)는 회전각이 동일하도록 배치하는데, 여기서 회전각이란, 블레이드의 회전 중심축(즉, 회전축(15)의 중심을 의미한다)과 각 블레이드(12)의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도를 의미하고, 회전각은 7∼10°정도이나 에어포일의 형상과 요구되는 토크 및 회전속도(rpm)에 따라 설정하며, 만일 블레이드가 2개가 배치되는 경우에는 회전각이 하나밖에 생기지 않으므로, 이때는 회전 중심축에서 2개의 블레이드 선단을 잇는 선분 사이의 각도를 이등분하는 선이 회전 중심축에서 날개의 중심을 잇는 선분이 된다는 의미이다.

주날개(11)의 각 블레이드(12)를 회전각이 동일하도록 배열하면 기류(氣流)와 부딪히는 블레이드의 선단(先端)이 복수 군데가 되므로, 기류가 블레이드 선단에 부딪히면서 발생하게 되는 진동이 한 곳에 집중되지 않고 복수의 블레이드 선단으로 분산되게 되어 구조적으로 안정적일 뿐만 아니라 동일한 풍속에서 훨씬 큰 rpm을 얻을 수 있어서 높은 출력을 얻을 수 있게 된다.

주날개(11)와 보조날개(13)는 단부(端部)가 회전축(15) 부분에 연결되는 부분보다는 면적이 커야 할 것이고(도면 참조) 그 형상은 다양하게 할 수 있으며, 주날개(11)의 블레이드(12)를 배열할 때, 각 블레이드(12)는 길이방향에서 서로 겹치지 않도록 배열하거나, 겹칠 경우에는 각 블레이드(12)를 길이방향에서 50% 이내에서 겹치도록 배열하는 것이 바람직하다. 또한 주날개(11)의 가장 내측에 배치되는 블레이드 선단이 회전방향으로 볼 때 가장 앞쪽에 위치하고, 바깥으로 갈수록 블레이드 선단이 순차적으로 뒤쪽에 위치하도록 배치하여야 한다. 그렇지 않고 반대로 배치하면 회전방향에서 앞에 위치한 블레이드를 지난 기류가 다음에 위치한 블레이드의 기류에 영향을 미치게 되어 rpm과 토크(torque)에 영향을 미치게 된다.

또한, 복수의 블레이드가 배열되는 주날개(11)의 블레이드(12)를 배열할 때, 각 블레이드(12)가 배열되는 열(列) 사이의 간격은 시위길이(chord length)('시위길이'는 블레이드의 선단과 후단을 잇는 선의 길이를 의미한다)의 50∼70% 정도로 하는 것이 바람직하다. 만일 열(列) 사이의 간격을 시위길이의 50% 이내로 하면 앞에 위치한 블레이드를 지난 기류가 다음에 위치한 블레이드의 기류에 영향을 미치게 되어 rpm과 토크에 영향을 미치게 되고, 70% 이상이면 복수의 블레이드를 겹쳐서 배열한 효과가 떨어지게 된다.

수직축 풍력발전에 사용되는 대부분의 블레이드는 압출 제작된 에어포일 블레이드인데, 블레이드의 길이방향에서 양단부가 수평으로 절단된 것과 같은 형상이기 때문에 단부에서 기류 유동의 박리(detach) 현상이 일어나는 문제가 있으므로, 이러한 문제를 해결하기 위하여 주날개(11)에 배열되는 블레이드(12)의 양단부에 플라스틱 또는 다이캐스팅된 외주면이 둥근 형상인 캡(cap, 12')을 삽입하여 볼트와 같은 체결수단으로 체결하는 것이 바람직한데, 캡(12')의 외주면은 반구형 형상에서 봉우리부분이 선단에서 후단쪽으로 약간 이동한 것과 같은 형상이다(도 3 참조). 여기서 보조날개(13)에 배열된 블레이드(14)는 주날개(11)에 배열된 블레이드(12) 보다 길이가 짧기 때문에 캡을 체결하지 않더라도 효과에 차이가 없다.

주날개(11)와 보조날개(13)는 회전축(15)의 상부와 하부에 쌍을 이루도록 설치하여야 하는데, 풍력발전장치를 도심에 설치할 경우에는 미관도 중요하기 때문에 보조날개(13)의 하부에는 회전축(15)을 중심으로 원판형상의 박판(薄板)에 에칭, 코팅과 같은 수단으로 회사 로고, 광고 또는 다양한 디자인 등을 삽입한 조형물(20)을 부착함으로써 풍력발전장치의 미려함을 더할 수 있다(도 4 참조). 이때 조형물은 원판형상이 아니더라도 회전축(15)을 중심으로 무게가 대칭되는 형상(즉, 회전축이 무게중심)의 조형물이면 어떤 형상이든 상관없다.

회전축(15)은 샤프트(151)의 상단과 하단에 각각 상부회전판(152)과 하부회전판(153)이 결합 고정되고, 이들 상부회전판(152)과 하부회전판(153)에는 각각 블레이드 날개(또는 블레이드 날개와 연결된 부분)가 체결구(154)를 통해 체결수단으로 결합 고정되는데, 상기 상부회전판(152)과 하부회전판(153)은 원판형상이고 상부와 하부에 쌍을 이루어 설치되는 블레이드 날개의 위치를 정확히 맞추기 위해서는 회전판의 동일한 가장자리 부분을 모따기(D-cutting)하여 평평하게 한 모따기부(155)를 형성해 두는 것이 바람직하다. 모따기부(155)는 1군데 이상이면 되는데, 도 5에 도시한 바와 같이 3군데에 모따기부(155)를 형성하는 것이 바람직하며, 이와 같은 모따기부(155)는 가공시에 편리할 뿐만 아니라 에이치 로우터의 회전시 편심 방지를 위해 센터 맞추는데도 매우 유익하다.

회전축(15)의 하부회전판(153) 하부에는 발전기(16)가 결합되는데, 발전기(16)와 하부회전판(153)과의 결합을 원활하게 하기 위하여 하부회전판(153)의 하부면에는 오목 형상의 결합홈(156)을 형성하여 발전기(16)의 상단에 형성된 볼록부와 대응하도록 하는 것이 바람직하다. 미설명 부호 157은 센터홀이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 에이치 로우터 11 : 주날개
12, 14 : 블레이드 13 : 보조날개
15 : 회전축 151 : 샤프트
152 : 상부회전판 153 : 하부회전판
154 : 체결구 155 : 모따기부
156 : 결합홈 157 : 센터홀
16 : 발전기
20 : 조형물

Claims (6)

1. 회전축을 중심으로 양측에 블레이드 날개(wing)가 각각 설치되고, 블레이드 날개 각각에 2∼7개의 에어포일(airfoil) 블레이드가 배열되는 주날개;
   상기 회전축을 중심으로 양측에 블레이드 날개가 각각 설치되고, 블레이드 날개 각각에 1개의 에어포일 블레이드가 배열되는 보조날개;
   를 구비하여 구성되고, 상기 주날개의 길이가 보조날개의 길이보다 길고, 상기 주날개와 보조날개는 회전축을 중심으로 서로 수직방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 에이치 로우터 수직축 풍력발전.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 보조날개의 길이는 주날개 길이의 40∼60%인 것을 특징으로 하는 에이치 로우터 수직축 풍력발전.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 주날개에 배열되는 각 블레이드는 회전각(블레이드의 회전 중심축과 각 블레이드의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도를 의미함)이 동일하도록 배치되는 것을 을 특징으로 하는 에이치 로우터 수직축 풍력발전.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 주날개와 보조날개는 회전축의 상부와 하부에 쌍을 이루도록 각각 설치되고, 상기 각 보조날개의 하부에는 상기 회전축을 중심으로 원판형상의 박판(薄板)에 로고, 광고 또는 디자인을 삽입한 조형물이 더 부착되는 것을 특징으로 하는 에이치 로우터 수직축 풍력발전.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 회전축은, 상단과 하단에 각각 상부회전판과 하부회전판이 결합 고정되고, 상기 상부회전판과 하부회전판은 동일한 가장자리 부분을 모따기(D-cutting)하여 평평하게 한 원판형상이며, 상기 하부회전판의 하부면은 오목 형상의 결합홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 에이치 로우터 수직축 풍력발전.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 주날개에 배열되는 블레이드의 양단(兩端)에는, 외주면이 둥근 형상의 캡(cap)이 체결되는 것을 특징으로 하는 에이치 로우터 수직축 풍력발전.

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