KR101342010B1 - 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치 - Google Patents

등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 발전기(110)와; 수직하게 배치되어 상기 발전기(120)에 회전력을 전달하게 되는 구동축(120)과; 상기 구동축(120)에 수직하게 고정되는 로터플레이트(130)와; 바람에 의해 회전력을 발생시키도록 상기 로터플레이트(130)에 수직하게 배치되는 다수의 구동블레이드(141)(142)를 갖는 구동블레이드부(140)와; 상기 로터플레이트(130)의 외곽에 배치되어 바람이 상기 구동블레이드부(140) 측으로 안내하도록 다수의 가이드블레이드(151)를 갖는 가이드부(150)와; 상기 로터플레이트(130)의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트(130)에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재로 구성되어, 회전속도에 따라서 중량부재가 방사 방향으로 이동하여 회전속도 변화를 최소화할 수 있도록 관성모멘트가 가변됨으로써 안정적인 전력생산이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치{Vertical-axis type wind power generator having improved constant velocity performance}
본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 특히 바람의 강약에 상관없이 등속 회전이 가능하여 안정적인 전력생산이 이루어질 수 있는 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전은 회전날개의 축 방향에 따라서 수평축 방식과 수직축 방식으로 구분된다.
통상적으로 수평축 방식은 수평축에 설치된 회전자가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되며, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 따라서, 양력형 블레이드가 주로 적용되는 수평축 형식에서는 효율을 높이기 위해서 블레이드 설계 시에 높은 양항비를 갖는 에어포일을 선택해야 하며, 따라서 설계 및 제작에 많은 노력을 필요로 하며 설비가 고가여서 발전량에 비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 수평축 형식에서는 프로펠러형의 날개가 전력 출력을 위하여 풍속이 강해야만 가동이 되며, 따라서 우리나라 내륙에서와 같이 미풍 환경에서는 발전효율이 떨어진다. 또한, 수평형 풍력발전은 고가의 설비와 시설투자비가 소요되어 발전량과 대비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
반면에, 수직축 방식의 풍력발전은 수직축 상에 날개가 설치되며, 이 날개에 작용하는 공기역학적 힘 중에서 주로 저항(또는 항력)을 회전력으로 변환하여 동력을 발생시키게 되므로, 양력형에 비해 날개의 형상이 단순하여 제작이 매우 쉽고 제작비용이 저렴한 장점이 있다.
한편 풍력발전은 근본적으로 날개를 회전 구동시켜서 전력을 얻게 되므로, 전력발생에 있어서 계절적인 요인이나 기후, 지역 등에 많은 영향을 받게 되며, 또한 지역에 따라서도 일중 풍량 변화가 심하게 발생되어 안정적인 전력발생에 많은 어려움이 있다.
도 1은 예시적으로 풍속 변화에 따른 풍력발전설비의 날개 회전속도 변화를 보여주는 그래프로써, 풍속 변화에 따라서 날개의 회전속도 변화가 크게 달라지므로 날개의 회전속도 편차(Δw)가 심하게 발생된다.
예를 들어, 풍속이 일정 수준 이하에서는 날개를 회전시킬 수 없어서 전기를 얻을 수 없으며, 또는 태풍 등에 의해 강한 바람이 발생되는 경우에는 풍력발전설비에 발생할 수 있는 과부하를 방지하거나, 또는 설비 안전을 위하여 발전설비의 운전을 중단해야 하는 상황이 발생될 수 있다. 따라서 이러한 기후 여건에 따라서 실질적으로 전력을 얻을 수 있는 기간은 상당히 제한적일 수밖에 없다.
이러한 문제점을 해결하기 수단으로, 예를 들어 등록특허 제10-963912호(등록일자: 2010.06.08)는 풍량이나 풍속의 강약에 영향을 받지 않고 항상 프로펠러의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있도록 하기 위한 정속회전을 위한 풍력발전장치를 개시하고 있다.
그러나 상기 등록특허는 발전기를 구동하게 되는 나선형 프로펠러에 풍압에 따라서 개폐가 되는 풍압조절부를 마련하여 풍압에 따라서 풍압조절부가 개폐되어 나선형 프로펠러가 항시 정속을 유지할 수 있도록 하는 것을 요지로 하는 것으로, 수평축 방식으로써 풍압에 의해 개폐되는 대형 구조물인 풍압조절부와, 이 풍압조절부의 개폐를 조절하게 되는 다수의 탄성체를 필요로 하며, 따라서 구조가 복잡하고 적용이 용이하지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어서, 풍속 변화에 따라서 가변되는 관성모멘트를 갖는 발전기 구동유닛을 이용하여 간단한 구조만으로 등속 운전성을 개선할 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치는, 발전기와; 수직하게 배치되어 상기 발전기에 회전력을 전달하게 되는 구동축과; 상기 구동축에 수직하게 고정되는 로터플레이트와; 바람에 의해 회전력을 발생시키도록 상기 로터플레이트에 수직하게 배치되는 다수의 구동블레이드를 갖는 구동블레이드부와; 상기 로터플레이트의 외곽에 배치되어 바람이 상기 구동블레이드부 측으로 안내하도록 다수의 가이드블레이드를 갖는 가이드부와; 상기 로터플레이트의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재에 의해 달성된다.
바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 중량부재는 상기 로터플레이트에 방사 방향으로 회전 대칭되게 형성된 각 요홈들 내에 삽입되어 상기 요홈을 따라서 이동 가능한 중량볼인 것을 특징으로 한다.
보다 바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향을 따라서 나선형상인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 중량볼의 가동방향과 상기 로터플레이트의 회전 방향은 동일 방향인 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 본 발명에 있어서, 상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는, 상기 가이드부를 구성하는 가이드블레이드들은 상기 구동축을 중심으로 동일 원주를 따라서 나선형상으로 회전 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는, 상기 구동블레이드부는 상기 로터플레이트를 기준으로 상하 대칭되게 마련되는 제1구동블레이드와 제2구동블레이드로 구성되며, 보다 바람직하게는, 상기 구동블레이드와 가이드블레이드는 단면이 에어포일 형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치는, 발전기를 구동하게 되는 구동유닛에 회전속도에 따라서 관성모멘트가 가변되도록 함으로써, 간단한 구조만으로 등속 운전성을 개선할 수 있으므로, 바람의 강약에 상관없이 안정적인 전력생산이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래의 풍력발전장치에서 풍속 변화에 따른 날개의 회전속도 패턴을 예시적으로 보여주는 그래프,
도 2는 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치의 전체 구성을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 구동블레이드부의 바람직한 실시예를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 평면 구성을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 블레이드의 바람직한 일례를 보여주는 단면 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 도면,
도 7의 (a)(b)는 도 6의 평면도로써, 작동예를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 풍력발전장치에서 풍속 변화에 따른 날개의 회전속도 패턴을 예시적으로 보여주는 그래프.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 수직축 방식의 풍력발전장치는, 발전기(110)와; 수직 배치되어 발전기(110)에 회전력을 전달하게 되는 구동축(120)과; 구동축(120)에 수직하게 고정되어 구동축(120)과 함께 회전이 이루어지는 로터플레이트(130)와; 이 로터플레이트(130)에 수직하게 배치되어 바람에 의해 회전력을 발생시키는 구동블레이드부(140)와; 로터플레이트(130)의 외곽에 배치되어 바람을 구동블레이드부(140) 측으로 안내하기 위한 가이드부(150)를 포함한다.
도면에는 도시되지 않았으나, 지상에 수직하게 설치되는 구동축은 주지의 베어링에 의해 지지될 수 있으며, 원활한 구동을 위하여 필요에 따라서는 구동축 상단을 회동 가능하게 지지할 수 있는 별도의 구조물이 설치될 수 있다.
로터플레이트(130)는 구동축(120)에 수직하게 고정되어 구동축(120)을 회전축으로 하여 구동축(120)과 일체로 회전 구동이 이루어지며, 바람직하게는, 로터플레이트(130)는 원형 디스크 형태를 갖는다.
로터플레이트(130)의 하부에서 연장되는 구동축(120)은 발전기(110)와 연결되어 구동축(120)의 회전에 의해 발전기를 구동시킨다.
바람직하게는 도 3에 예시된 것과 같이, 구동블레이드부(140)는 로터플레이트(130)를 기준으로 상하 대칭되게 마련되는 제1구동블레이드(141)와 제2구동블레이드(142)로 구성될 수 있다.
이와 같이 구동블레이드부(140)가 로터플레이트(130)를 기준으로 상하 대칭되게 마련되어 로터플레이트(130)의 상하 방향의 중량에 대한 밸런싱이 유지됨으로써, 로터플레이트(130)의 회전 시에 로터플레이트(130)의 상하 편심질량에 의해 발생될 수 있는 로터플레이트(130)의 진동을 저감시킬 수 있다.
다시 도 2를 참고하면, 가이드부(150)는 로터플레이트(130)의 외곽에 배치되어 다수의 가이드블레이드(151)가 마련되는 것으로, 가이드블레이드(151) 하단을 고정 지지할 수 있도록 고정플레이트(152)를 포함한다. 또한, 가이드부(150)는 가이드블레이드(151)의 중간 단에 고정되는 보조플레이트(153)가 추가될 수 있으며, 도면에는 도시되지 않았으나 가이드부를 포함하여 전체 구조물을 안전하게 지지할 수 있는 범위 내에서 적절한 위치에 다양한 보강부재가 추가될 수 있다.
가이드블레이드(151)는 로터플레이트(130)의 바깥에 배치되어 바람이 내측에 위치하는 구동블레이드부(140) 측으로 유도하는 기능을 한다.
가이드블레이드는 구동블레이드부(140)에 효과적으로 바람이 안내될 수 있는 범위 내에서 고정플레이트(152)를 기준으로 상하부에 각각 마련될 수 있으며, 또한 지상에 고정 설치하기 위하여 별도의 구조물에 의해 지지될 수 있음은 자명하게 이해될 수 있다.
도 4에 예시된 것과 같이, 외곽에 고정 배치되는 가이드블레이드(151)들은 바람을 안쪽에 위치하는 구동블레이드부(140)로 안내하며, 구동블레이드부(140)로 유입된 바람에 의해 구동블레이드부(140)와 함께 구동축(120)이 회전하여 발전기가 구동되어 발전이 이루어진다.
특히, 가이드부를 구성하는 가이드블레이드(151)들은 구동축(120)을 중심으로 동일 반경에 나선형으로 회전 대칭되게 서로 등각도(360°/n; n은 가이드블레이드의 숫자)를 갖고 배치됨으로써, 가이드블레이드(151)를 따라 흐르는 바람은 항상 일정한 방향(예를 들어, 도 4에서 반시계방향)으로 구동블레이드부(140)로 유입되며, 따라서 구동블레이드부(140)는 항상 한 방향으로만 회전(예를 들어, 반시계방향)이 이루어진다.
한편, 도 5에 예시된 것과 같이, 본 발명에서 각 구동블레이드부(140)는 유입된 바람에 의한 회전동력 효율을 높이기 위하여 에어포일(airfoil) 형태의 블레이드가 이용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 등속 운전성능을 높이기 위하여 로터플레이트는 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 로터플레이트에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재가 마련됨을 특징으로 한다.
도 6 및 도 7의 (a)(b)는 본 발명에서 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 도면으로써, 도 6은 로터플레이트의 사시도이며, 도 7의 (a)(b)는 로터플레이트의 평면도로써 작동예를 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도 6 및 도 7의 (a)(b)에서 로터플레이트에 구비되는 구동블레이드부는 설명의 편의를 위하여 도시되어 있지 않다.
도 6을 참고하면, 로터플레이트(130)는 다수의 요홈(131)이 나선형으로 회전 대칭되게 서로 등각도(360°/n; n은 요홈의 숫자)를 갖고 형성되며, 각 요홈(131) 내에는 요홈(131)을 따라서 이동 가능한 중량볼(161)이 삽입된다.
이러한 요홈과, 이 요홈 내에 각각 삽입되는 중량볼의 숫자는 로터플레이트의 사이즈, 중량 등으로 고려하여 결정될 수 있으나, 바람직하게는 8 개 전후가 될 수 있다.
요홈(131)에는 중량볼(161)과의 마찰을 저감시키기 위하여 오일과 같은 윤활유가 도포될 수 있으며, 또는 중량볼 표면에는 테프론 등의 코팅처리가 되어 마찰을 저감할 수 있다. 한편 본 실시예의 도면에서는 요홈이 로터플레이트 표면에 노출되는 것으로 도시하고 있으나, 요홈 내부가 이물질에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있도록 로터플레이트에는 별도의 커버부가 마련되어 요홈이 바깥으로 노출되지 않을 수 있다.
다른 한편으로, 요홈(131)들은 로터플레이트(130)의 회전 방향을 따라서 나선형상을 가질 수 있으며, 이때 로터플레이트(130)의 회전 방향과 중량볼(161)들의 가동 방향은 동일한 방향이 되며, 보다 바람직하게는 요홈(131)들은 로터플레이트(130)의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성될 수 있다.
도 7의 (a)에서 예시하고 있는 것과 같이, 이와 같이 구성되는 본 발명의 풍력발전장치는 풍속이 세거나 적어도 일정한 경우에 중량볼(161)은 요홈(131)의 안쪽에 위치하게 되고, 이에 따라서 로터플레이트(130)는 상대적으로 관성모멘트가 작으므로 작은 토오크로도 구동이 가능하다.
한편, 도 7의 (b)에서와 같이, 풍속이 약해지거나 하는 경우에는 로터플레이트(130)의 회전이 느려짐과 함께 중량볼(161)은 원심력에 의해 요홈(131)의 바깥쪽에 위치하게 되며, 이에 따라서 로터플레이트(130)는 상대적으로 큰 관성모멘트를 가지므로 회전을 유지하려는 관성이 작용하여 로터플레이트(130)의 회전속도 변화율을 저감할 수 있다.
도 8은 예시적으로 풍속 변화에 따른 로터플레이트의 회전속도 변화를 보여주는 그래프로써, '종래'는 고정된 관성모멘트를 갖는 로터플레이트에 대한 회전속도 패턴을 보여주고 있다.
도 8을 참고하면, 고정된 관성모멘트를 갖는 경우(종래)에는 풍속 변화에 따라서 회전속도 편차가 크게 발생하는 반면에, 본 발명에서와 같이 로터플레이트의 회전속도와 연동되어 가변되는 관성모멘트를 갖는 경우(본 발명)에는 풍속변화에 따라서 관성모멘트가 가변되어 로터플레이트의 회전속도 편차가 줄어들게 되어 안정적인 전력생산이 가능하다.
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 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 발전기 120 : 구동축
130 : 로터플레이트 131 : 요홈
140 : 구동블레이드부 150 : 가이드부
151 : 가이드블레이드 161 : 중량볼

Claims (8)

  1. 발전기와;
    수직하게 배치되어 상기 발전기에 회전력을 전달하게 되는 구동축과;
    상기 구동축에 수직하게 고정되며, 나선형으로 회전축에 대해 서로 등각도(360°/n; n은 요홈의 숫자)를 갖고 다수의 요홈들이 형성된 로터플레이트와;
    바람에 의해 회전력을 발생시키도록 상기 로터플레이트에 수직하게 고정되는 다수의 구동블레이드로 이루어진 구동블레이드부와;
    상기 로터플레이트의 외곽에 배치되어 바람이 상기 구동블레이드부 측으로 안내하도록 다수의 가이드블레이드로 이루어진 가이드부와;
    상기 로터플레이트의 각 요홈 내에 삽입되어 요홈을 따라 이동 가능한 중량볼;를 포함하는 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 중량볼의 가동방향과 상기 로터플레이트의 회전 방향은 동일 방향인 것을 특징으로 하는 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 가이드부를 구성하는 가이드블레이드들은 상기 구동축을 중심으로 동일 반경 상에 나선형으로 상기 구동축에 대해 서로 등각도(360°/n; n은 가이드블레이드의 숫자)를 갖고 배치되는 것을 특징으로 하는 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구동블레이드부는 상기 로터플레이트를 기준으로 상하 대칭되게 마련되는 제1구동블레이드와 제2구동블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 구동블레이드와 가이드블레이드는 단면이 에어포일 형상인 것을 특징으로 하는 등속 운전성이 개선된 수직축 방식의 풍력발전장치.
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KR100490683B1 (ko) 2002-09-30 2005-05-19 재단법인서울대학교산학협력재단 수직축 풍력발전 장치

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