KR101355467B1 - 수직축 방식의 풍력발전장치 - Google Patents

수직축 방식의 풍력발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 발전기(110)와; 수직하게 배치되어 상기 발전기에 회전력을 전달하게 되는 구동축(120)과; 상기 구동축에 수직하게 고정되는 로터플레이트(130)와; 상기 로터플레이트(130)의 회전축(131)에 대해 동일 반경 상에 수직하게 부설되되, 회전축(131)에 대해 나선형으로 회전 대칭되도록 배치된 다수의 블레이드(140)와; 상기 로터플레이트(130)의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트(130)에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재(150)를 포함하며, 상기 블레이드(140)는 상기 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 익형 구조로써, 회전축을 지향하는 연결면(141)과, 이 연결면(141)의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)을 가지며, 상기 제1풍압면(142) 및 제2풍압면(143)은 서로 다른 곡률을 가지면서 동일 방향으로 만곡 형성됨으로써, 양력과 항력을 이용하여 터빈의 효율을 높일 수 있으며, 등속 운전성을 개선하여 안정적인 전력생산이 가능한 효과가 있다.

Description

수직축 방식의 풍력발전장치{Vertical-axis type wind power generator}
본 발명은 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.
수직축 방식의 풍력발전시스템은 블레이드 구조에 따라서 양력을 이용하여 구동이 이루어지는 자이로밀(Giromills) 타입과 다리우스(Darrieus) 타입이 있으며, 항력으로 구동이 이루어지는 사보니우스(Savonius) 타입으로 크게 구분된다.
다리우스 블레이드는 유체의 양력만을 이용하게 되어 초기에 스스로 기동에 불리하여 보조 동력장치를 필요로 하는 단점이 있으며, 반면에 사보니우스 블레이드는 유체의 항력을 이용하는 방식이므로 회전 속도가 풍속보다는 클 수 없다는 단점이 있지만 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있으며 자체 기동력이 있기 때문에 소형 발전시스템에서 적합하다.
이와 같이 수직축 방식의 풍력발전시스템은 블레이드 구조에 따라서 양력 또는 항력을 이용하여 블레이드를 회전 구동하게 되며, 최근에는 다리우스 타입과 사보니우스 타입을 결합하여 유체의 양력과 항력을 모두 이용하여 터빈을 구동하기 위한 블레이드 구조가 제안되고 있다.
예를 들어, 공개특허공보 제10-2010-0124084호(공개일자: 2010.11.26)는 수직한 회전체 둘레에 등 간격으로 다수의 지지대를 고정하며, 각 지지대에는 각도 범위 내에서 회전 가능한 블레이드를 마련하여 유체의 항력과 양력에 의해 터빈을 구동할 수 있는 수직축 발전 시스템을 보여주고 있다.
다른 예로써, 공개특허공보 제10-2012-0139154호(공개일자: 2012.12.27)는 다리우스 타입의 양력블레이드와, 사보니우스 타입의 항력블레이드가 융합하여 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 보여주고 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.
이와 같이 수직축 방식의 풍력발전시스템은 발전 효율을 높일 수 있는 터빈구조와 함께 풍량 변화에도 안정적인 전력을 얻을 수 있는 방안에 대하여 많은 연구와 개발이 있었으며, 본 출원인은 이러한 문제점을 개선할 수 있는 풍력발전장치를 개발하여 본 발명을 출원하는 것이다.
본 발명은 이러한 종래의 수직축 방식의 터빈구조를 개선하여 기본적으로 유체의 양력을 이용하여 회전 구동이 이루어지는 다리우스 타입의 블레이드이면서도 초기 기동에서 별도의 보조 동력장치를 필요로 하지 않고 항력을 이용하여 자력으로 회전 구동이 가능한 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어서, 풍속 변화에 따라서 원심력을 이용하여 가변되는 관성모멘트를 갖는 발전기 구동유닛을 이용하여 간단한 구조만으로 등속 운전성을 개선할 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치는, 발전기와; 수직하게 배치되어 상기 발전기에 회전력을 전달하게 되는 구동축과; 상기 구동축에 수직하게 고정되는 로터플레이트와; 상기 로터플레이트의 회전축에 대해 동일 반경 상에 수직하게 부설되되, 회전축에 대해 나선형으로 회전 대칭되도록 배치된 다수의 블레이드와; 상기 로터플레이트의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재를 포함하며, 상기 블레이드는 상기 로터플레이트의 설치 반경의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 익형 구조로써, 회전축을 지향하는 연결면과, 이 연결면의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면과 제2풍압면을 가지며, 상기 제1풍압면 및 제2풍압면은 서로 다른 곡률을 가지면서 동일 방향으로 만곡 형성됨으로써 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 블레이드는 내부에 중공부를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 중량부재는 상기 로터플레이트에 방사 방향으로 회전 대칭되게 형성된 각 요홈들 내에 삽입되어 상기 요홈을 따라서 이동 가능한 중량볼이며, 보다 바람직하게는, 상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향을 따라서 나선형상인 것을 특징으로 하며, 더욱 바람직하게는, 상기 중량볼의 가동방향과 상기 로터플레이트의 회전 방향은 동일 방향이며, 상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치는 유체의 양력을 이용하여 회전 구동이 이루어지는 다리우스 타입의 블레이드 구조를 개선하여 초기 기동 시에 별도의 보조 동력장치를 필요로 하지 않고 자력으로 회전 구동이 이루어지며 터빈의 효율을 높일 수 있다.
또한 발전기를 구동하게 되는 터빈에 회전속도에 따라서 원심력을 이용하여 관성모멘트가 가변되도록 함으로써, 간단한 구조만으로도 등속 운전성을 개선할 수 있으며, 따라서 바람의 강약에 상관없이 안정적인 전력생산이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치의 전체 구성을 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 블레이드의 바람직한 실시예를 보여주는 평면 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 도면,
도 4의 (a)(b)는 도 3의 평면도로써, 작동예를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치에서 풍속 변화에 따른 날개의 회전속도 패턴을 예시적으로 보여주는 그래프.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명은 발전기(110), 발전기(110)를 구동하기 위한 구동축(120), 구동축(120)에 설치되어 회전 운동이 이루어지는 로터플레이트(130), 로터플레이트(130)에 부설되는 다수의 블레이드(140) 및 로터플레이트(130)에 마련되어 로터플레이트(130)의 등속운동을 유도하기 위한 다수의 중량부재를 포함한다.
도시되지는 않았으나 구동축(120)은 주지의 베어링에 의해 지지될 수 있으며, 원활한 구동을 위하여 필요에 따라서는 구동축 상단을 회동 가능하게 지지할 수 있는 별도의 구조물이 설치될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
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.
블레이드(140)는 로터플레이트(130)를 기준으로 상하 대칭되게 마련되며, 따라서 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.
다수의 중량부재는 로터플레이트(130)의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 로터플레이트(130)에 회전 대칭되게 마련되어 터빈의 등속 운전성을 보조하게 되며, 이에 대한 상세한 설명은 관련 도면들(도 3 및 도 4)을 참고하여 다시 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 블레이드의 바람직한 실시예를 보여주는 평면 구성도이다.
도 2를 참고하면, 블레이드(140)는 유입된 바람에 의한 회전동력 효율을 높이기 위하여 익형(airfoil) 구조를 갖는다.
본 발명에서 블레이드(140)는 회전축(131)(즉, 구동축)에 대해 동일 반경(R) 상에서 수직하게 부설되며, 회전축(131)에 대해 나선형으로 일정 각도 마다 반복되도록 n회 회전 대칭(rotational symmetry)(360°/n; n은 정수)되게 배치된다. 본 실시예에서 블레이드(140)는 5개가 로터플레이트(130)의 동일 반경(R) 상에 설치됨을 보여주고 있으며, 5개의 블레이드(140)는 회전축(131)에 대해 72°(=360°/5) 회전 마다 반복 배치되어 5회 회전 대칭됨을 보여주고 있다.
블레이드(140)는 경량화를 위하여 내측에 중공부(140a)를 가질 수 있다.
각 블레이드(140)는 회전축(131)을 지향하게 되는 연결면(141)과, 이 연결면(142)의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)을 가지며, 제1풍압면(142) 및 제2풍압면(143)은 서로 다른 곡률을 가지면서 같은 방향으로 만곡 형성되며, 이때 만곡 형성된 방향은 터빈 회전 방향이 될 것이다.
본 실시예에서 제1풍압면(142)은 터빈 회전방향에 대해 선단 면(leading surface)으로 기능하는 블레이드 면으로 정의되며, 제2풍압면(143)은 터빈 회전방향에 대해 후단 면(tail surface)으로 기능하는 블레이드 면으로 정의된다.
바람직하게는 제2풍압면(143)의 곡률 반경은 제1풍압면(142)의 곡률반경 보다는 크며, 보다 바람직하게는 제2풍압면(143)의 곡률반경은 제1풍압면(142)의 곡률반경의 대략 2배 전후 범위에서 결정될 것이다.
연결면(141)은 대략 회전축(131)을 지향하는 면으로 정의되며, 연결면(141) 중앙에 수직한 가상의 수직선(nL)과 블레이드(140)가 설치되는 임의 반경(R)에서의 접선(tL) 사이의 사잇각(θ)(또는 리깅 각(rigging angle))(이하, "설치각"이라 함)은 0°<θ<90°사이에서 설정되며, 따라서 블레이드(140)는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치된다.
참고로, 일반적인 다리우스 타입의 블레이드는 설치각이 영(0)으로써 초기에 기동에 불리한 반면에, 본 발명의 블레이드는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치되어 제2풍압면(143)은 유체에 의한 항력이 작용하게 되어 일반적인 다리우스 타입의 블레이드와 비교하여 초기 기동에서 매우 유리하다.
이와 같은 본 발명의 블레이드(140)는 초기 구동에서는 제2풍압면(143)에 바람에 의한 항력에 의해 구동이 이루어지며, 일정 회전 속도에서는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)에 작용하는 양력에 의해 회전 구동이 이루어질 수 있다.
도 3 및 도 4의 (a)(b)는 본 발명에서 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 도면으로써, 도 3은 로터플레이트의 사시도이며, 도 4의 (a)(b)는 로터플레이트의 평면도로써 작동예를 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도 3 및 도 4의 (a)(b)에서 로터플레이트에 구비되는 블레이드는 이해를 돕기 위하여 도시되어 있지 않다.
도 3을 참고하면, 로터플레이트(130)는 방사 방향으로 회전 대칭되게 다수의 요홈(132)이 형성되며, 각 요홈(132) 내에는 요홈(132)을 따라서 이동 가능한 중량볼(150)이 삽입된다.
이러한 요홈과, 이 요홈 내에 각각 삽입되는 중량볼의 숫자는 로터플레이트의 사이즈, 중량 등으로 고려하여 결정될 수 있다.
요홈(132)에는 중량볼(150)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 마련될 요홈이 바깥으로 노출되지 않을 수 있다.
다른 한편으로, 요홈(132)들은 로터플레이트(130)의 회전 방향을 따라서 나선형상을 가질 수 있으며, 이때 로터플레이트(130)의 회전 방향과 중량볼(150)들의 가동 방향은 동일한 방향이 되며, 보다 바람직하게는 요홈(142)들은 로터플레이트(130)의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성될 수 있다.
도 4의 (a)에서 예시하고 있는 것과 같이, 이와 같이 구성되는 본 발명의 풍력발전장치는 초기 정지 상태에서 회전이 이루어지거나 풍속이 약한 경우에는 중량볼(150)은 요홈(132)의 안쪽에 위치하게 되고, 이때 로터플레이트(130)는 상대적으로 관성모멘트가 작으므로 작은 토오크로도 구동이 가능하다.
한편, 도 4의 (b)에서와 같이, 로터플레이트(130)가 회전하는 경우에는 중량볼(150)은 원심력에 의해 요홈(132)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 5는 예시적으로 풍속 변화에 따른 로터플레이트의 회전속도 변화를 보여주는 그래프로써, '종래'는 고정된 관성모멘트를 갖는 로터플레이트에 대한 회전속도 패턴을 보여주고 있다.
도 5를 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 : 회전축
132 : 요홈 140 : 블레이드
141 : 연결면 142 : 제1풍압면
143 : 제2풍압면 150 : 중량볼

Claims (6)

  1. 발전기(110)와;
    수직하게 배치되어 상기 발전기(110)에 회전력을 전달하게 되는 구동축(120)과;
    상기 구동축(120)에 수직하게 고정되는 로터플레이트(130)와;
    상기 로터플레이트(130)의 회전축에 대해 동일 반경 상에 수직하게 가운데가 지지되어 부설되되, 회전축에 대해 나선형으로 회전 대칭되도록 배치되어 내부가 중공부인 다수의 블레이드(140)와;
    상기 로터플레이트(130)의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 자유 이동 가능하도록 상기 로터플레이트(130)에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재를 포함하며,
    상기 블레이드(140)는 상기 로터플레이트(130)의 설치 반경의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 익형 구조로써, 회전축을 지향하되 중앙에 수직한 가상의 수직선(nL)과 블레이드(140)가 설치되는 임의 반경(R)에서의 접선(tL) 사이의 사잇각이 예각(0°<θ<90°)을 이루도록 마련된 연결면(141)과, 이 연결면(141)의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)을 가지며, 상기 제1풍압면(142) 및 제2풍압면(143)은 서로 다른 곡률을 가지면서 동일 방향으로 만곡 형성되며,
    상기 중량부재는 상기 로터플레이트(130)에 방사 방향으로 회전 대칭되게 형성된 각 요홈(132)들 내에 삽입되어 상기 요홈(132)을 따라서 이동 가능한 중량볼(150)인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 요홈(132)들은 상기 로터플레이트(130)의 회전 방향을 따라서 나선형상인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 중량볼(150)의 가동방향과 상기 로터플레이트(130)의 회전 방향은 동일 방향인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 요홈(132)들은 상기 로터플레이트(130)의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
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