KR101236888B1 - 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람 에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 풍력발전용 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유유선형으로 형성된 터빈의 상.하부판과, 블레이드를 다양한 곡률부를 갖는 큰익형의 주익과 작은익형의 보조익으로 된 2개 한 조의 블레이드를 다수 조 형성함으로, 상.하부판에 의해 터빈 내부의 양압을 유지시켜 터빈의 안정감을 주고, 2중 블레이드에 의해 유로의 원활한 형성으로 외부 바람이 터빈 내부에서는 항력에 의하여 동력으로 변환하고 외부에서는 양력에 의하여 동력으로 변환시킴으로 수시로 변하는 풍속에서도 터빈의 원활한 회전이 가능하여 지속적이고 안정적으로 전력을 생산할 수 있게 한 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈에 관한 것이다.

Description

익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈{Vertical axis turbine for wind power generation having double blade of wing type}

본 발명은 바람 에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 풍력발전용 터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유선형 형상의 상.하부판과, 다양한 곡률부를 갖는 2개 한조의 블레이드를 다수 조 형성함으로, 유로 형성을 원활하게 하여 항력(抗力)과 양력(揚力)에 의한 연속적으로 원활한 회전력의 전달이 가능하고, 이로 인한 터빈의 성능을 크게 향상시킬 수 있게 한 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈에 관한 것이다.

일반적으로 우리나라 전력생산은 화력발전이 대부분이며 나머지는 원자력 발전에 의해 얻어진다.

그 중 화력발전은 전력을 생산키 위한 연료비가 막대하여 요즘 같은 초고유가 시대에서 전력생산원가가 너무 커지는 문제가 있고, 석유와 석탄 등에서 배출되는 이산화탄소는 지구온난화의 주원인이 되고 있다. 또한 원자력 발전은 방사성 폐기물의 발생과 초기 설비투자비가 막대한 문제점이 있어 유지비용이 거의 들지 않는 풍력 또는 태양열 발전에 많은 연구개발이 진행되고 있다.

전기한 바와 같이 고갈되는 에너지, 고유가, 지구온난화로 인하여 에너지원을 대체할 만한 신,재생 에너지에 대한 관심이 고조되고 있고, 그 신,재생 에너지는 석유와 석탄 등 이산화탄소를 배출하는 기존의 화석연료를 대체하는 다양한 에너지, 새로운 기술로 개발한 신에너지와 계속 공급이 가능한 재생에너지를 포함하는 바이오에너지, 연료전지, 수소에너지, 태양열, 풍력, 지열, 폐기열 어너지, 소수력, 해양에너지 등이 있으며, 이는 설치장소 및 이동공간에 따른 제약이 없고 무공해, 무한정한 에너지의 이용으로 연료비가 들지 않고 유지, 보수, 관리가 용이한 장점이 있다.

이러한 신,재생에너지 중에서도 설치가 간단하고 유지비용이 적게 들며 초기 투자가 적은 방식으로 주거건축물, 초고층 건축물에 적합한 풍력을 이용한 발전시스템이 선호되고 있다.

일반적으로 풍력발전시스템은 자연의 바람 에너지를 기계 에너지로 변환시켜 발전하는 것이다.

즉, 상기 풍력발전시스템은 바람이 많이 부는 장소에 설치하여 상기 바람을 유입함은 물론 유입된 바람의 힘으로 터빈을 회전시켜 동력 및 전기가 발생되도록 하는 것이다.

상기 풍력발전시스템으로는, 바람의 힘에 의해 회전하는 복수개의 회전날개가 방사상형태로 결합된 형태 또는, 바람과의 접촉면을 넓힌 복수개의 블레이드가 결합된 형태 등 다양한 형태를 갖는다.

또한, 풍력발전시스템은 동력 및 전기를 발생시키기 위해 바람에 의해 회전하는 터빈의 형태 및 회전방향, 설치위치에 따라 수평형 및 수직형으로 구분된다.

상기 풍력발전시스템은 외부에서 유입되는 바람이 상기 터빈에 결합된 복수개의 회전날개 또는, 블레이드와 접촉되어 상기 각 회전날개 또는, 블레이드를 밀어줌에 따라 상기 터빈은 축을 중심으로 하여 회전한다.

상기 축을 중심으로 회전하면서 발생되는 상기 터빈의 회전력은 풍력발전시스템의 발전기로 전달되고, 상기 발전기에서는 터빈의 회전력을 자기력으로 변환하여 동력 및 전기를 발생한다.

한편, 상기와 같은 풍력발전용 터빈으로는, 그 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면과 평행하게 설치되는 수평회전축 방식과, 회전축이 지면과 수직을 이루는 수직회전축 방식이 적용되고 있다.

여기서, 수평축 발전시스템은 프로펠러 날개를 구비하여 바람의 양력(Lift Force)를 이용한 방식으로, 회전 날개의 회전 속도가 높아 발전 효율은 높으나, 풍향에 따라 회전 날개의 방향을 바꾸어 주어야 하며 또한 풍속에 따라 회전 날개의 각도를 바꾸어 주어야 하므로 복잡한 장치가 필요하다.

이에 반해 수직축 풍력발전시스템은 발전 효율은 낮으나, 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있고 풍향에 크게 좌우되지 않는다는 장점이 있어 흔히 소형 풍력발전시스템에 많이 적용되고 있다.

수직축 풍력발전시스템에는 크게 다리우스 날개와 사보니우스 날개가 알려져 있으며, 다리우스 날개는 바람의 양력을 이용하는 방식으로 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조 동력장치가 필한 반면에, 사보니우스 날개는 바람의 항력(Drag Force)를 이용하는 방식이므로 회전 속도가 풍속보다는 높을 수 없다는 단점이 있지만, 낮은 풍속에서 큰 회전력을 얻을 수 있으며 자체 기동력이 있기 때문에 소형 풍력발전시스템에 주로 활용되고 있다.

한편, 상기와 같은 일반적인 사보니우스 날개를 갖는 수직축 회전방식 터빈은, 상기 수직축을 중심으로 하여 결합되는 평판형 상판과 하판사이에 사각형 판재를 소정형상으로 절곡한 형상을 이루게 되는 블레이드가 결합되는 구성이다.

그러나, 상기와 같은 터빈은, 터빈의 기류변화시 터빈 내부의 와류나 불규칙한 압력이 발생하여 효율 및 성능이 크게 저하되는 문제점을 가지고 있다.

또한, 풍향이 수시로 변화하며 풍속이 느린 지역에서는 터빈의 회전이 제대로 이루어지지 못하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지기 힘든 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유선형으로 형성된 터빈의 상.하부판과, 블레이드를 다양한 곡률부를 갖는 큰익형의 주익과 작은익형의 보조익으로 된 2개 한 조의 블레이드를 다수 조 형성함으로, 상.하부판에 의해 터빈 내부의 양압을 유지시켜 터빈의 안정감을 주고, 2중 블레이드에 의해 유로의 원활한 형성으로 외부 바람이 터빈 내부에서는 항력에 의하여 동력으로 변환하고 외부에서는 양력에 의하여 동력으로 변환시킴으로 수시로 변하는 풍속에서도 터빈의 원활한 회전이 가능하여 지속적이고 안정적으로 전력을 생산할 수 있게 한 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈을 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 구체적인 수단으로는, 상부와 하부에 설치되는 마주보는 한쌍의 상.하판과, 상기 상.하판의 중앙을 수직 연결하는 회전축과, 상기 회전축의 주연부에서 상.하판을 수직 연결하는 블레이드로 구성된 풍력발전용 터빈에 있어서,

상기 상.하판은, 대칭되는 형성을 가지며 정면상 각각의 둘레면이 곡선 형성되고 중심으로 갈수록 평면을 이루는 유선형 형상을 가지되,

상.하판의 내측면에는 회전축을 중심으로 원주방향으로 블레이드입설부가 형성되며,

상기 회전축은, 중앙이 중공되고, 직경이 상기 상.하판 직경의 0.2~0.3배에 해당하는 직경의 원통형으로 형성되며,

상기 블레이드는, 상기 블레이드입설부에서 상.하판을 연결하며, 평면상 블레이드입설부의 외둘레로부터 내측의 회전축 방향으로 곡률을 이루며 형성된 내.외측 제1.2바람유도면을 갖는 큰 익형 형상의 주익과, 곡률을 이루며 형성된 내.외측 제1.2바람유도면을 갖는 작은 익형 형상의 보조익이 한 조를 이루는 다수 조로 구성하되,

한 조의 주익과 보조익의 사이 간격은 비교적 좁은 압축로(330)를 형성하고, 어느 한 조의 주익과 다른 한 조의 보조익과의 사이 간격은 비교적 넓은 확장로가 형성되며, 주익과 회전축과의 사이에는 배출로를 형성함으로 달성할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈은, 유선형으로 형성된 상.하부판에 의해 터빈 내부의 양압을 유지시켜 회전되는 터빈의 안정감을 줄 수 있는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

또한, 기류변화에 적응하는 다양한 곡률과 각도를 갖는 주익 및 보조익에 의해 터빈 내.외부의 유로의 원활한 형성이 가능하여 터빈 내부에서는 항력이 작용하여 동력을 변환하고, 외주에서는 양력이 작용하여 동력을 변환시켜 터빈의 효율을 현격히 향상시킴과 동시에 풍력장치의 안정적인 전력의 생산이 가능하게 하는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 사시도.
도 2는 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 평단면도.
도 3은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 블레이드를 나타낸 요부 평면도.
도 4는 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 바람의 진행 방향을 나타낸 정면도.
도 5는 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 내 외부의 바람에 의한 작용 및 분포도를 나타낸 도면대용 사진.
도 6은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 상.하판에 작용하는 바람의 작용 및 분포도를 나타낸 도면대용 사진.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 사시도 이고, 도 2는 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 평단면도 이며, 도 3은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 주익을 나타낸 요부 평면도이다.

도 1 내지 도 3의 도시와 같이 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈(1)은, 상부와 하부 상.하판(100)(100')과, 상기 상.하판(100)(100')을 연결하는 회전축(200)과, 상기 회전축(200)의 주연부에 형성된 블레이드(300)로 구성된 것이다.

이때, 상기 상.하판(100)(100')은, 마주보는 한쌍으로 대칭되게 형성하되, 정면상 각각의 둘레면이 곡선 형성되고, 중심부는 평면을 이루는 유선형 형상을 이루며, 상기 각각의 상.하판(100)(100')의 내측면 평면부에는 회전축(200)을 중심으로 원주방향으로 블레이드입설부(110)가 형성된 것이다.

또한, 상기 회전축(200)은, 상기 상.하판(100)(100')의 중심을 수직 연결하는 것으로, 중앙이 중공되고, 직경(d1)이 상기 상.하판(100)(100') 직경(d)의 0.2~0.3배에 해당하는 직경의 원통형으로 구성된 것이다.

또한, 블레이드(300)는, 상기 회전축(200)의 주연부 블레이드입설부(110)에서 상기 상.하판(100)(100')을 연결하게 구성된 것으로, 평면상 블레이드입설부(110)의 외둘레로부터 내측의 회전축(200) 방향으로 곡률을 이루며 형성된 익형(翼型) 형상의 주익(310)과, 보조익(320)으로 구성된 것이다.

이때, 상기 주익(310)은, 오목한 곡률을 갖는 내측의 제1바람유도면(311)과, 볼록한 곡률을 갖는 외측의 제2바람유도면(311')을 이루는 큰 익형 형상으로 구성된 것으로, 평면상 그 일단부는 블레이드입설부(110)의 외둘레에 접하고, 그 타단부는 블레이드입설부(110) 내에서 회전축(200)과 근접하게 입설된 것이다.

또한, 보조익(320)은, 오목한 곡률을 갖는 내측의 제1바람유도면(311)과, 볼록한 곡률을 갖는 외측의 제2바람유도면(311')을 이루는 작은 익형 형상으로 구성된 것으로, 상기 주익(310)과 이격되게 평면상 일단부는 블레이드입설부(110)의 외둘레에 접하고, 그 타단부는 블레이드입설부(110)의 중간 부분에 위치되게 입설된 것이다.

이때, 상기 주익(310)과 보조익(320)은 각각 한개씩 두개 한 조를 이루게 구성된 것으로, 상기 회전축(200)을 중심으로 하여 블레이드입설부(110)에 원주방향으로 다수 조로 구성된 것이며, 본 발명에서는 3개조를 설치하여 구성한 것이다.

또한, 상기 각 한 조의 주익(310)과 보조익(320)의 사이 간격은 바람이 유입되는 좁은 폭의 압축로(330)가 형성되고, 어느 한 조의 주익(310)과 다른 한 조의 보조익(320)과의 사이 간격은 바람이 유입되는 압축로(330)보다 넓은 간격의 확장로(340)가 형성되며, 주익(310)과 회전축(200)과의 사이에는 유입된 바람이 배출되는 배출로(350)가 형성된 것이다.

한편, 도 3은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 주익을 나타낸 요부 평면도로써,

상기 주익(310)은, 바람이 유입되는 일단부로부터 바람이 배출되는 타단부에 이르기까지 비교적 뾰족한 형상을 가지는 얇은 두께에서 점차 확대되는 두께를 가지게 구성된 것으로,

상기 일단부는 단부가 회전축(200) 방향으로 소정 적곡된 절곡부(312)가 형성되고, 타단부는 단부가 상.하판(100)(100')의 지름의 0.02~0.03배에 해당하는 곡률을 가지는 곡선부(313)가 형성된 것이다.

또한, 상기 주익(310)의 오목형 내측 제1바람유도면(311)은, 압축로(330)로부터 내측을 향하게 제1곡선부(314)와, 타측단 배출로(350)로부터 내측을 향하게 제2곡선부(315)로 구성하되, 상기 제1곡선부(314)와 제2곡선부(315)는 약 90~120°의 각도(α°)를 이루게 제3곡선부(316)로 연결 구성되고,

볼록형 외측 제2바람유도면(311')은, 상기 내측의 제1바람유도면(311)보다 완만한 곡률을 갖는 만곡부(317)를 이루게 구성된 것이다.

이하, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 작용을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈은, 바람의 작용시 터빈 내부의 양압의 유지와 항력 및 양력에 의한 회전력이 부여됨으로 안정된 터빈의 작동은 물론 터빈의 발전 효율을 현격히 증가시킬 수 있는 것으로,

본 발명 터빈(1)은, 아파트나 공장, 창고 등의 옥상이나 각종 시설물의 타워에 설치되어 바람에 의해 터빈(1)이 회전하면서 그 회전력에 의해 발전기(도면중 미도시함)를 회전시켜 전력을 얻고 이를 통상의 방법으로 정류 및 충전하여 비상등과 같이 공용전기로 사용함으로써 에너지를 절약할 수 있는 것이다.

이에, 그 작용을 살펴보면,

본 발명의 터빈(1)은, 도 4의 도시와 같이 바람이 불어올 경우 그 바람이 블레이드(300)에 작용하여 회전축(200)을 회전시키는 것으로,

도 5는 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 내 외부의 바람에 의한 작용 및 분포도를 나타낸 도면대용 사진이다.

도 5의 도시와 같이 외부에서 바람이 불어오면 터빈(1)의 블레이드(300)의 내.외부에 바람이 작용하여 터빈(1)의 회전력을 부여하는 것으로,

먼저, 터빈(1)의 내부는, 외부의 바람이 터빈(1) 내의 압축로(330)와 확장로(340)로 유입되는 것이며, 유입된 바람은 곡률 형성된 주익(310)의 제1바람유도면(311)과 보조익(320)의 제1바람유도면(311)을 따라 유입되는 것으로, 이때, 그 각각의 제1바람유도면(311)에는 바람에 대한 항력이 작용하여 터빈(1)의 회전력을 부여하게 되는 것이다.

이때, 압축로(330)에는, 주익(310)의 제1바람유도면(311)과 보조익(320)의 제2바람유도면(311')을 따라 바람이 유입되는 것인바, 이때 유입되는 바람은 좁아진 공간으로 바람이 모아지는 상태로 되어 유속이 증대된 상태에서 주익(310)의 제1곡선부(314)로부터 제3곡선부(316)를 거쳐 제2곡선부(315)에 의해 항력이 작용하여 회전동력으로 변환되는 것으로, 약 90~120°로 형성된 주익(310)의 내측 제1바람유도면(311)에 의해 흐르는 바람에 대한 항력을 증대 시킬 수 있는 것이다.

또한, 터빈(1)의 외부는, 주익(310)의 외측 제2바람유도면(311')의 만곡한 곡률을 이루는 만곡부(317)에는 양력이 발생하는 것으로, 그 양력에 의해 터빈(1)의 회전력을 부여하게 되는 것이다.

한편, 주익(310)의 일단부에 형성된 절곡부(312)는, 주익(310)의 단부에 바람이 부딪힐 시 박리 현상을 막아주어 양측 제1.2바람유도면(311)(311')을 따라 효과적으로 바람이 분산되게 할 수 있는 것이다.

또한, 주익(310)의 타단부에 형성된 곡선부(313)는, 터빈(1)내로 유입되어 주익(310)을 따라 흐르는 바람이 파형을 이루며 배출로(350)를 따라 외부로 원활한 배출이 가능하게 함으로, 기류 변화로 인한 터빈의 성능저하를 예방할 수 있는 것이다.

도 6은 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 상.하판에 작용하는 바람의 작용 및 분포도를 나타낸 도면대용 사진으로써,

도 6의 도시와 같이 외부로부터 불어오는 바람이 터빈(1)의 상.하판에 작용하게 되면, 그 상판(100)과 하판(100')에 바람에 의한 압력이 작용하는 것인바,

이때, 작용하는 바람의 압력은 유선형으로 형성된 상.하판의 측면 곡선에 의해 바람에 저항 감소 및 상.하 동일한 압력이 작용하여 터빈(1) 내부의 양압을 유지시켜 줌으로 터빈(1)의 유동 및 내부의 와류의 발생을 방지함으로 터빈(1)의 안정된 회전력을 부여할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈은 터빈의 내.외부에서 항력과 양력에 의한 회전동력의 변환 및 내부 양압의 유지로 터비의 회전효율을 현격히 상승시켜줄 수 있는 것이다.

1 : 터빈 100,100' : 상.하판
110 : 블레이드입설부 200 : 회전축
300 : 블레이드 310 : 주익
311,311' : 제1.2바람유도면 312 : 절곡부
313 : 곡선부 314 : 제1곡선부
315 : 제2곡선부 316 : 제3곡선부
320 : 보조익 330 : 압축로
350 : 확장로

Claims (3)

1. 상부와 하부에 설치되어 마주보는 한쌍의 대칭되는 형상을 가지며 정면상 각각의 둘레면이 곡선 형성되고 중심으로 갈수록 평면을 이루는 유선형 형상을 가지며, 내측면에는 회전축(200)을 중심으로 원주방향으로 블레이드입설부(110)가 형성된 상.하판(100)(100')과,
   상기 상.하판(100)(100')의 중앙을 수직 연결하되, 직경이 상기 상.하판(100)(100') 직경의 0.2~0.3배에 해당하는 직경의 원통형으로 형성된 회전축(200)과,
   상기 회전축(200)의 주연부에서 상.하판(100)(100')을 수직으로 연결하되, 평면상 블레이드입설부(110)의 외둘레로부터 내측의 회전축(200) 방향으로 곡률을 이루며 형성된 블레이드(300)로 구성된 풍력발전용 터빈에 있어서,
   내.외측 제1.2바람유도면(311)(311')을 갖는 큰 익형 형상의 주익(310)과, 곡률을 이루며 형성된 내.외측 제1.2바람유도면(311)(311')을 갖는 작은 익형 형상의 보조익(320)이 한 조를 이루는 다수 조로 구성하되,
   한 조의 주익(310)과 보조익(320)의 사이에 압축로(330)를 형성하고, 어느 한 조의 주익(310)과 다른 한 조의 보조익(320)과의 사이 간격은 압축로(330)보다 넓은 간격의 확장로(340)가 형성되며, 주익(310)과 회전축(200)과의 사이에는 배출로(350)를 형성하고,
   주익(310)은, 바람이 유입되는 일단부로부터 바람이 배출되는 타단부에 이르기까지 첨단에 가까운 두께에서 점차 확대되는 두께를 가지게 구성하되,
   상기 일단부는 단부가 상기 회전축(200) 방향으로 절곡된 절곡부(312)가 형성되고, 타단부는 상.하판(100)(100')의 지름의 0.02~0.03에 해당하는 곡률을 가지는 곡선부(313)를 형성함을 특징으로 하는 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   주익(310)의 제1바람유도면(311)은,
   외측의 제1곡선부(314)와, 내측의 제2곡선부(315)를 이루게 구성하되, 상기 제1곡선부(314)와 제2곡선부(315)는 90~120°의 각도(α°) 이루게 제3곡선부(316)에 의해 연결되고,
   제2바람유도면(311')은, 상기 내측의 바람유도면(311)보다 완만한 만곡부(317)를 이루게 구성함을 특징으로 하는 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈.
   

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