KR101374050B1 - 자이로밀형 풍력 터빈을 구비한 풍력 발전 타워 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람이 유입되는 윈드유입구가 복수층으로 형성되고, 각 층은 바람의 세기 및 방향변화를 가져오도록 하는 집풍부와, 상기 바람이 통과하면서 에너지를 전환하도록 하는 에너지전환부로 구성되는 풍력 발전 타워에 있어서, 상기 집풍부는 상기 윈드유입구를 통과하여 들어온 바람이 상기 에너지전환부의 일 반경방향으로 흐를 수 있도록 동일한 각도로 경사져 상기 풍력 발전 타워의 중심을 따라 방사상으로 배치되는 복수의 윈드가이드벽을 포함하고, 상기 에너지전환부는 그 내부에 상기 풍력 발전 타워의 각 층의 중심에 설치되며, TSR이 1.1 내지 2.4, 솔리디티는 0.2 이상, RPM은 240 이하로 형성되는 자이로밀형 풍력 블레이드를 포함하는 자이로밀형 풍력 터빈이 설치되되, 상기 에너지전환부는 상기 윈드가이드벽과 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 윈드유로와, 상기 풍력 발전 타워의 중심에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 내부유로로 구성되며, 상기 풍력 발전 타워에 바람이 유입되는 방향에 수직한 방향을 기준으로, 시계반대방향으로 4등분을 행하여 제1영역 내지 제4영역으로 정하고, 상기 자이로밀형 풍력 블레이드가 시계반대방향으로 회전하는 경우, 상기 에너지전환부의 윈드유로의 최소거리는 제4영역에서 양의 토크가 처음으로 발생하는 위치이고, 최대거리는 자이로밀형 풍력 터빈의 반경으로 하는 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워가 제공된다.

Description

자이로밀형 풍력 터빈을 구비한 풍력 발전 타워{WIND POWER GENERATION TOWER WITH GIROMILL}

본 발명은 풍력 발전 타워에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자이로밀형 수직축 풍력 터빈을 구비한 풍력 발전 타워에 관한 기술이다.

일반적으로, 풍력발전시스템은 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 전력을 생산하는 기술로 바람에너지를 기계에너지로 변환하고 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 시스템이다.

이러한, 풍력발전시스템은 일반적으로 수평축 풍력 발전과 수직축 풍력 발전으로 분리되고 있다. 수평축 풍력 발전은 효율이 높은 반면 바람의 방향에 영향을 크게 받는다는 문제가 있고, 수직축 풍력 발전은 바람의 방향에 영향을 크게 받지 않으나, 효율이 수평축에 비해 높지 않다는 문제가 있다. 따라서, 대부분의 풍력 발전과 관련된 주요 업체들은 수평축 풍력 발전에 집중하고 있으며, 수직축 풍력 발전의 경우, 효율을 높일 수 있는 방법에 관하여 상당히 많은 연구를 진행하고 있다. 그러나, 아직까지 수직축 풍력 발전의 효율을 높이기 위한 적절한 방법을 찾지 못하고 있는 실정이다. 한편, 본 발명의 경우, 수직축 풍력 발전에 관한 기술이라는 점에서, 이하에서는 수직축 풍력 발전을 중심으로 설명을 행하도록 한다.

수직축 풍력 발전의 경우, 전 방향으로 불어오는 바람을 활용할 수 있다는 기술적 장점이 있으나, 일반적으로 대기 상에서 부는 바람의 경우 바람의 방향 및 세기가 일정하지 않아 효율적인 풍력 발전이 어렵다는 문제가 있다. 따라서, 이와 같은 문제를 해결하기 위해 바람의 방향을 효과적으로 집중시키도록 하기 위한 다양한 방법이 시도되고 있는 바, 예시적으로, 바람의 방향을 일정하게 흐를 수 있도록 하는 것과 동시에 풍속을 증속시킬 수 있도록 수직축 풍력 터빈 주위에 가이드벽을 갖는 집풍관 구조를 추가적으로 설치하는 방안이 제시되고 있다.

한국특허공개 제2009-0035884호(가속형 풍력발전기)는 내부에 항력식 풍력 터빈이 설치되고, 그 주변에 바람의 방향을 일정하게 하는 것과 동시에 풍속을 증속할 수 있도록 하는 집풍관 구조가 설치되어, 수직축 풍력 터빈의 효율을 높이도록 한 기술이 개시되어 있다,

또한, 일본특허공개 제2010-531594호(수직축을 가지는 풍력 터빈)에는 풍력 타워 내부에 항력식 수직축 풍력 터빈을 구비하고, 상기 항력식 수직축 풍력 터빈 주변에 바람의 방향을 일정하게 하는 것과 동시에 풍속을 증속할 수 있도록 하는 집풍관 구조가 설치된 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기 특허에 개시되어 있는 집풍관의 경우, 집풍관으로 유도되는 바람이 직접 항력식 풍력 블레이드와 접촉하여 상기 풍력 블레이드의 회전을 유도하도록 설계되어 있는 바, 이와 같은 구성의 경우, 바람의 변화에 따라 상기 항력식 블레이드의 움직임도 동일하게 변화하게 되어 지속적인 풍력 발전이 유지되기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 상기 가이드벽을 통과한 바람은 바로 항력식 블레이드에 접촉하도록 되어 있어, 상당한 저항이 발생하도록 구성되어 있는 바, 이러한 구성은 항력식 블레이드의 초기 시동에는 유리한 장점이 있으나, 바람의 속도가 빠른 경우에는 오히려 저항으로 작용하여, 효과적인 풍력 발전을 어렵게 한다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 출원인은 상술한 바와 같은 기술적 문제를 해결하도록 한 수직축 풍력 터빈을 구비한 풍력 발전 타워를 강구하게 되었다.

한국특허공개 제2009-0035884호(가속형 풍력발전기) 일본특허공개 제2010-531594호(수직축을 가지는 풍력 터빈)

본 발명의 실시예들은, 저속에서도 풍력 발전이 가능하며, 최대한의 풍력 발전 효율을 가질 수 있도록 형성된 자이로밀형 풍력 터빈을 구비한 풍력 발전 타워에 관한 기술을 제공하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워는 바람이 유입되는 윈드유입구가 복수층으로 형성되고, 각 층은 바람의 세기 및 방향변화를 가져오도록 하는 집풍부와, 상기 바람이 통과하면서 에너지를 전환하도록 하는 에너지전환부로 구성되는 풍력 발전 타워에 있어서, 상기 집풍부는 상기 윈드유입구를 통과하여 들어온 바람이 상기 에너지전환부의 일 반경방향으로 흐를 수 있도록 동일한 각도로 경사져 상기 풍력 발전 타워의 중심을 따라 방사상으로 배치되는 복수의 윈드가이드벽을 포함하고, 상기 에너지전환부는 그 내부에 상기 풍력 발전 타워의 각 층의 중심에 설치되며, TSR이 1.1 내지 2.4, 솔리디티는 0.2 이상, RPM은 240 이하로 형성되는 자이로밀형 풍력 블레이드를 포함하는 자이로밀형 풍력 터빈이 설치되되, 상기 에너지전환부는 상기 윈드가이드벽과 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 윈드유로와, 상기 풍력 발전 타워의 중심에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 내부유로로 구성되며, 상기 풍력 발전 타워에 바람이 유입되는 방향에 수직한 방향을 기준으로, 시계반대방향으로 4등분을 행하여 제1영역 내지 제4영역으로 정하고, 상기 자이로밀형 풍력 블레이드가 시계반대방향으로 회전하는 경우, 상기 에너지전환부의 윈드유로의 최소거리는 제4영역에서 양의 토크가 처음으로 발생하는 위치이고, 최대거리는 자이로밀형 풍력 터빈의 반경으로 하는 것이 가능하다.

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본 발명의 일 실시예에 따른 자이로밀형 풍력 터빈을 구비한 풍력 발전 타워는, 저속의 바람이라도 풍속을 가속화하여 풍력발전을 구현할 수 있음과 동시에 블레이드를 회전시키는 바람의 이용효율을 증대시킴으로써 전반적인 발전효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 타워를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전 타워의 단면도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 타워에 설치되는 자이로밀형 풍력 터빈의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 자이로밀형 풍력 터빈의 방위에 따라 블레이드에 작용하는 양력과 항력을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 타워의 단면도를 도시한다.
도 6은 도 5에 따른 집풍부와 에너지전환부의 확대도를 도시한다.

본 발명에 따른 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워와 관련하여, 도면을 참고하여 이하에서 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

본 발명의 출원인은 대기 중의 바람의 방향을 보다 효과적으로 집중시키도록 하면서 바람의 세기를 보다 증폭하기 위한 방법으로, 바람의 방향제어를 행하면서, 바람의 세기를 증폭하도록 하는 집풍부가 복수층으로 형성된 풍력 발전 타워를 제안하도록 한다. 이에 대한 도면이 도 1에 도시되어 있는 바, 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 바람이 유입되는 복수개의 윈드유입구(111)를 포함하는 집풍부(110)가 복수층으로 형성되어 제작될 수 있다. 한편, 상기 풍력 발전 타워(100)로 불어오는 바람은 상기 풍력 발전 타워(100)의 윈드유입구(111)를 통과하거나, 또는 상기 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 풍력 발전 타워(100)의 양 측면 및 상부를 타고 흘러가도록 형성될 수 있다. 이를 위해, 상기 풍력 발전 타워(100)는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)의 한 층의 단면을 도시하고 있는 바, 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 집풍부(110)와 에너지전환부(150)로 형성될 수 있다. 집풍부(110)는 상기 서술한 바와 같이, 외부에서 불어오는 바람의 방향제어 및 세기를 증폭할 수 있도록 윈드유입구(111)와 윈드유출구(112)의 단면적이 일정 수준 이상의 차이를 갖도록 복수개의 윈드가이드벽(120)을 방사상으로 배치하는 것에 의해 형성할 수 있다. 여기서, 상기 윈드유입구(111)와 윈드유출구(112)의 단면적의 차이는 5 m/s 이하의 낮은 풍속에서 벤츄리효과에 의한 풍속의 증가를 가져올 수 있도록 최소 2.5 : 1 이상으로 형성하도록 한다. 또한, 상기 윈드가이드벽(120)은 상기 풍력 발전 타워(100)로 유입되는 바람을 효과적으로 외부로 배출할 수 있도록 적절한 수의 윈드유입구(111)를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 적어도 5개 내지 9개 사이의 윈드가이드벽(110)을 설치하도록 하는 것에 의해, 상기 풍력 발전 타워(100)로 유입되는 바람을 외부로 효과적으로 배출할 수 있도록 하고 있다.

상기 풍력 발전 타워(100)의 각 층의 중심에 형성되는 에너지전환부(150)에는 수직축 풍력 터빈을 설치하도록 하되, 본 발명은 상기 수직축 풍력 터빈으로 자이로밀형 풍력 터빈(130)을 설치하도록 한 기술을 특징으로 한다. 도 3에는 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 일 실시예가 도시되어 있는 바, 상기 자이로밀형 풍력 터빈은 중심축(131)과, 유선형으로 형성되어 양력에 의해 회전하도록 형성되는 자이로밀형 풍력 블레이드(133) 및 상기 중심축(131)과 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)를 연결하는 지지축(132)으로 구성될 수 있다.

상기 에너지전환부(150)는 상기 집풍부(110)를 통과한 바람이 통과하면서 바람에너지를 기계적 에너지로 전환하도록 하는 공간으로, 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 자이로밀형 풍력 블레이드(133)를 기준으로, 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)와 상기 윈드가이드벽(120)의 끝단부 사이의 공간으로 정의되는 윈드유로(151)와, 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 중심축(131)에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133) 사이의 공간으로 정의되는 내부유로(152)로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 타워(100)는 상술한 바와 같이, 각 층의 중심에 기존의 항력식 수직축 풍력 터빈이 아니라, 자이로밀형 풍력 터빈(130)을 설치하도록 한 기술을 특징으로 한다. 기존에 연구 및 실제 운행되고 있는 대부분의 집풍부(110)를 구비한 풍력 발전 타워(100)는 그 중심에 항력식 수직축 풍력 터빈을 설치하고 있는 바, 이와 같은 항력식 수직축 풍력 터빈은 유입되는 바람을 직접적으로 접촉하도록 형성된다는 점에서, 초기 기동에서는 상당히 유리한 점이 있다. 그러나, 상기 서술한 바와 같이, 바람의 변화에 따라 터빈의 회전이 직접적으로 영향을 받게 되어 지속적인 발전이 어렵다는 문제가 있으며, 또한, 유입되는 바람의 속도가 매우 빠른 경우에는 상기 항력식 블레이드와의 큰 마찰로 인하여, 오히려 효과적인 발전이 어렵다는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 출원인은 기존의 항력식 수직축 풍력 터빈 대신, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100) 중심에 자이로밀형 풍력 터빈(130)을 설치하는 것에 의해 상술한 바와 같은 문제를 해결하도록 하였다. 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)은 자이로밀형 풍력 블레이드(133)가 유선형으로 형성되어 있어 양력을 주로 이용하여 회전을 하도록 형성된다. 또한, 유한길이의 날개가 직선으로 형성된 것을 특징으로 한다.

한편, 자이로밀형 풍력 터빈(130)은 다리우스 풍력 터빈과 같이 양력에 의해 구동된다는 점에서, 기술적 유사성이 있으나, 자이로밀형 풍력 터빈(130)은 자이로밀형 풍력 블레이드(133)가 유선형으로 유한길이를 갖도록 형성된다는 점에서, 솔리디티(solidity)가 다리우스 풍력 터빈에 비해 높게 되고, 또한, TSR(Tip Speed Ratio)은 낮게 형성되고 있다. 여기서, 솔리디티는 블레이드의 임의의 반지름 위치에서 블레이드의 회전반경에 대해 블레이드가 차지하는 길이의 비를 의미하고, TSR은 바람의 속도와 블레이드 끝단 속도의 비를 의미한다. 즉, 바람의 속도와 블레이드 끝단의 속도가 같으면 TSR은 1이 된다.

한편, 솔리디티가 다리우스 풍력 터빈과 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로밀형 풍력 터빈(130)은 솔리디티가 상당히 높기 때문에 TSR이 증가함에 따라 자이로밀형 풍력 블레이드(133) 상호 간의 간섭과 하류에 위치하는 블레이드로 유입되는 유동속도의 감소로 인하여 양력이 상당히 감소하게 되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)에 설치되는 자이로밀형 풍력 터빈(130)은 상술한 바와 같은 기술적 문제를 최소화하기 위해, 최소한 0.2 이상의 솔리디티를 갖도록 형성하도록 하되, TSR은 1.1 내지 2.4 사이의 범위에 있는 자이로밀형 풍력 터빈(130)을 사용하도록 한다. 또한, 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 경우, TSR이 2.5를 넘어가는 경우 실속이 발생한다는 점에서, TSR은 2.4를 넘지 않도록 한다. 또한, 자이로밀형 풍력 블레이드(133)의 rpm 의 경우, 그 속도가 너무 빠른 경우, 블레이드의 회전속도에 의하여 주변의 공기가 가속되면서 항력의 증가로 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 성능이 저하된다는 문제가 있다. 따라서, 이러한 문제를 피하기 위해, 상기 rpm은 최대 240 이하에서 동작할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 타워(100)에 적용되는 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 블레이드의 움직임과 관련하여, "높은 솔리디티를 갖는 자이로밀의 공기역학적 특성(이주희,유영소, 대한기계학회 논문집 B권, 제35권 제12호, pp. 1273-1283, 2011)" 에 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 구동과 관련한 연구가 개시되어 있다. 상기 연구와 관련한 내용이 도 4에 도시되어 있는 바, 상기 도면을 참조하면, 바람이 유입되는 방향을 기준으로 제1영역과 제2영역을 유동의 상류부분으로 정하고, 제3영역과 제4영역을 유동의 하류부분으로 정하는 경우, 유동의 상류부분인 제1영역과 제2영역에서는 자이로밀형 풍력 블레이드(133)에 발생하는 양력이 항력보다 크게 되어 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)의 회전을 행할 수 있도록 하는 반면, 제3영역과 제4영역에서는 양력에 비해 항력이 크게 되어 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)의 회전을 방해하는 힘으로 작용하고 있는 것을 알 수 있으며, 이러한 제3영역과 제4영역에서 발생하는 항력으로 인하여, 일반적인 자이로밀 풍력 터빈(130)의 효율이 떨어지는 원인으로 작용하고 있는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 출원인은 상기 자이로밀 풍력 터빈(130)의 기술적 장점을 살리면서, 단점을 최대한 극복할 수 있도록 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)의 구조를 개선하도록 하였는 바, 보다 상세하게는 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 윈드유입구(111)를 통해 유입되는 바람이 상기 에너지전환부(150)의 일 반경방향으로 흐를 수 있도록 복수의 윈드가이드벽(120)을 상기 풍력 발전 타워(100)의 중심으로 따라 동일한 각도로 경사져 설치하도록 한다. 이를 통해, 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 집풍부(110)를 통과한 바람은 에너지전환부(150)의 제1영역과 제4영역을 따라 흘러가도록 형성된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 타워(100)의 에너지전환부(150)는 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)의 원활한 회전을 위해, 충분한 윈드유로(151)를 갖도록 설계하는 것이 중요하다. 한편, 상기 실시예는 바람이 유입되는 방향을 기준으로 자이로밀형 풍력 블레이드(133)가 반시계방향으로 회전하는 경우를 예시적으로 설명하고 있는 바, 바람이 유입되는 방향을 기준으로 자이로밀형 풍력 블레이드(133)가 시계방향으로 회전하는 경우에는, 상기 집풍부(110)를 통과한 바람은 에너지전환부(150)의 제2영역과 제3영역을 따라 흘러가도록 윈드가이드벽(120)을 형성할 수 있다.

자이로밀형 풍력 블레이드(133)는 기존의 항력식 수직축 터빈과 달리 양력에 의해 회전된다는 점에서, 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)의 전후단을 기해 바람이 충분히 유동되는 공간을 필요로 하게 된다. 따라서, 본 발명의 경우, 상기 에너지전환부(150)를 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 중심축(133)과 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133) 사이에 형성되는 공간을 내부유로(152)로 정하고, 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)와 상기 집풍부(110)의 윈드가이드벽(120) 사이의 공간을 윈드유로(151)로 정하도록 하며, 상기 윈드유로(151)를 통해 충분히 바람이 유동될 수 있는 공간을 갖도록 설계하도록 하는 것을 기술적 특징으로 한다.

이에 따른 도면이 도 5 및 도 6에 도시되어 있는 바, 상기 도면에 따르면, 집풍부(110)를 통과한 바람은 에너지전환부(150)의 제1영역과 제4영역에 형성되어 있는 윈드유로(151)와 내부유로(152)를 따라 바람이 유동되도록 형성된다. 따라서, 본 발명에 따라 풍력 발전 타워(100) 내에 설치되는 자이로밀형 풍력 터빈(130)은 기존에 제1영역과 제2영역에서 발생하는 양력에 의해 회전하는 것과는 달리, 제1영역과 제4영역에서 발생하는 양력에 의해 회전력이 발생하게 된다. 또한, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)의 에너지전환부(150)는 제2영역과 제3영역에서는 바람의 유동이 거의 발생하지 않는다는 점에서, 기존 자이로밀형 풍력 터빈(130)에서 유동의 하류부분에서 발생하는 항력에 의해 블레이드의 속도가 저감되는 효과를 최소화할 수 있도록 한다. 한편, 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 회전방향이 반대로 형성되는 경우에는 집풍부(110)를 통과한 바람은 에너지전환부(150)의 제2영역과 제3영역에 형성되어 있는 윈드유로(151)와 내부유로(152)를 따라 바람이 유동되도록 형성하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 에너지전환부(150)에 설치되는 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 회전 효율을 효과적으로 높이도록 하기 위해, 적절한 윈드유로(151)의 거리를 설정하는 것이 무엇보다 중요하다. 특히, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 바람이 유입되는 방향을 기준으로 시계반대방향으로 제1영역 내지 제4영역으로 구분하는 경우, 제1영역과 제4영역에서 양력이 발생하도록 윈드유로(151)의 거리를 설정하는 것이 필요하다. 이와 같은 기술적 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 제1영역과 제4영역의 윈드유로(151)와 내부유로(152)를 따라 흐르는 바람의 유량을 최소한 동일하거나 또는 윈드유로(151)를 따라 흐르는 바람의 유량이 내부유로(152)를 따라 흐르는 바람의 유량보다 크게 형성하도록 하는 것에 의해 상술한 바와 같은 기술적 목적을 달성할 수 있다. 한편, 상술한 바와 같은 방법 외에도, 상기 윈드가이드벽(120)의 경사를 조정하여 상기 윈드유로(151)에 흐르는 유량을 조절하는 방법 및 상기 에너지전환부(150)를 따라 흐르는 바람이 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)와 접하는 받음각을 조정하여 양력을 발생하게 하는 것에 의해서도, 상술한 바와 같은 기술적 목적을 어느정도 달성할 수 있으나, 이는 세부적인 변화에 기인한 것으로 본 발명의 주된 기술적 특징은 상기 윈드유로(151)의 거리를 적절히 조정하는 것에 의해 상기 윈드유로(151)에 흐르는 바람의 유량을 증가시키도록 하여, 상기 에너지전환부(150)의 제1영역과 제4영역에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)에 양력이 발생하게 하는 것에 의해 달성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)의 에너지전환부(150)에 형성되는 윈드유로(151)의 최소거리는 상기 에너지전환부(150)의 제4영역에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드(133)에 양의 토크가 처음으로 발생하는 위치를 최소로 하고, 최대거리는 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 반경을 넘지 않도록 한다. 즉, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)는 상기 에너지전환부(150)의 제4영역에서 양의 토크가 어느 정도 발생하는 가에 따라 그 효율이 증가된다는 점에서, 상기 윈드유로(151)의 최소거리는 상기 에너지전환부(150)의 제4영역에서 처음으로 양의 토크가 발생하는 지점을 최소거리로 정할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워(100)는 그 내부에 자이로밀형 풍력 터빈(130)을 설치하도록 하면서, 집풍부(110) 및 에너지전환부(150)의 구조적인 개선을 통해, 보다 효율이 높은 수직축 풍력 발전을 가능하게 한다.

한편, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)의 에너지전환부(150) 내에 형성되는 윈드유로(151)는 상기 서술한 바와 같이, 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 풍력 블레이드(133)에 원활한 양력을 발생시키는 바람의 유동을 형성하기 위한 목적 외에도, 풍력 발전 타워(100)에서 발생하는 바람의 유동을 통해 풍력 발전 타워(100)의 에너지전환부(150) 내에서 추가적인 바람의 증속을 행하기 위해서도 반드시 필요하다. 예시적으로, 도 1에는 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)에 흐르는 바람의 유동이 도시되어 있는 바, 상기 풍력 발전 타워(100)를 흐르는 바람은 윈드유입구(111)를 통한 집풍부(110)를 통해 상기 풍력 발전 타워(100)의 내부를 통해 흐르는 바람 외에도 상기 풍력 발전 타워(100)의 양 측면 및 상부면을 통해 흐르는 바람이 존재하게 된다. 이 경우, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 풍력 발전 타워(100)의 바람이 유입되는 방향과 반대방향에는 압력이 상당히 낮게 되는 와류가 발생하게 된다. 따라서, 상기 풍력 발전 타워(100)의 내부를 통과하여 외부로 배출되는 바람은 상기 와류에 의한 압력차에 의해 그 속도가 증속되게 된다.

보다 상세하게는, 상기 에너지전환부(150) 내의 윈드유로(151)를 통과하여 상기 풍력 발전 타워(100)의 반대방향으로 배출되는 바람은 상기 풍력 발전 타워(100)의 반대방향의 바람배출공간에 형성되는 와류에 의해, 상기 에너지전환부(150)와 상기 와류가 형성되는 바람배출공간의 압력차가 상당히 크게 발생하게 되고, 이는 상기 에너지전환부(150)의 윈드유로(151)를 통과하는 바람의 세기를 보다 증속할 수 있는 효과를 가져오게 된다. 따라서, 상기 에너지전환부(150)의 윈드유로(151)를 따라 흐르는 바람은 상술한 바와 같은 압력차에 의해 증속됨으로, 이와 같은 효과는 상기 에너지전환부(150)에 형성되는 자이로밀형 풍력 블레이드(133)의 회전력에도 상당한 영향을 주게 된다.

따라서, 상술한 바와 같이 풍력 발전 타워(100)에서 발생하는 바람의 유동에 따라 발생하는 와류에 의한 에너지전환부(150) 내에 설치되는 수직축 풍력 터빈의 효율 향상 효과를 가져오기 위해서는, 에너지전환부(150) 내에 윈드유로(151)가 반드시 설치되어야 한다. 만일, 상기 에너지전환부(150) 내에 적절한 윈드유로(151)가 설치되지 않는다면, 상술한 바와 같은 풍력 발전 타워(100)에서 발생하는 바람의 유동에 의한 압력차에 의해 발생하는 에너지전환부(150) 내에 흐르는 바람의 세기의 증속효과는 상기 에너지전환부(150) 내에 설치되는 수직축 풍력 터빈의 회전력에 직접적인 영향을 미치지 않게 된다.

따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전 타워(100)의 에너지전환부(150) 내에 형성되는 윈드유로(151)는 자이로밀형 풍력 터빈(130)의 원활한 회전력을 가져오도록 하는 것과 동시에, 풍력 발전 타워(100)를 타고 흐르는 바람의 유동에 의해 발생하는 와류에 의한 바람의 증속효과를 가져오는 효과를 갖는다.

본 발명에 따른 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워(100)는 그 내부에 수직축 풍력 터빈인 자이로밀형 풍력 터빈(130)을 설치하고 있는 바, 본 발명에 따르면, 기존의 수직축 풍력 터빈을 대기상태에서 회전하는 것보다 약 50% 이상 효율이 증대되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 집풍부(110)에서 벤츄리 효과에 의한 바람의 세기의 증속과 함께, 상기 집풍부(110)와 에너지전환부(150)의 구성을 통해, 상기 에너지전환부(150)를 흐르는 바람의 유량과 세기를 일정한 방향으로 증속하도록 형성하여 상기 자이로밀형 풍력 터빈(130)에 가하는 에너지를 크게 할 수 있게 하는 것에 의해 달성될 수 있으며, 또한, 풍력 발전 타워(100) 자체에서 발생하는 바람의 유동에 의해 발생하는 와류에 의한 압력차에 의해 상기 에너지전환부(150) 내에서의 바람의 2단 증속을 가능하게 하도록 함으로써, 상술한 바와 같은 효과를 달성할 수 있도록 한다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 풍력 발전 타워 110 : 집풍부
111 : 윈드유입구 112 : 윈드유출구
120 : 윈드가이드벽 130 : 자이로밀형 풍력 터빈
150 : 에너지전환부 151 : 윈드유로
152 : 내부유로

Claims (3)

1. 바람이 유입되는 윈드유입구가 복수층으로 형성되고, 각 층은 바람의 세기 및 방향변화를 가져오도록 하는 집풍부와, 상기 바람이 통과하면서 에너지를 전환하도록 하는 에너지전환부로 구성되는 풍력 발전 타워에 있어서,
   상기 집풍부는 상기 윈드유입구를 통과하여 들어온 바람이 상기 에너지전환부의 일 반경방향으로 흐를 수 있도록 동일한 각도로 경사져 상기 풍력 발전 타워의 중심을 따라 방사상으로 배치되는 복수의 윈드가이드벽을 포함하고,
   상기 에너지전환부는 그 내부에 상기 풍력 발전 타워의 각 층의 중심에 설치되며, TSR이 1.1 내지 2.4, 솔리디티는 0.2 이상, RPM은 240 이하로 형성되는 자이로밀형 풍력 블레이드를 포함하는 자이로밀형 풍력 터빈이 설치되되,
   상기 에너지전환부는 상기 윈드가이드벽과 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 윈드유로와, 상기 풍력 발전 타워의 중심에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 내부유로로 구성되며, 상기 풍력 발전 타워에 바람이 유입되는 방향에 수직한 방향을 기준으로, 시계반대방향으로 4등분을 행하여 제1영역 내지 제4영역으로 정하고,
   상기 자이로밀형 풍력 블레이드가 시계반대방향으로 회전하는 경우, 상기 에너지전환부의 윈드유로의 최소거리는 제4영역에서 양의 토크가 처음으로 발생하는 위치이고, 최대거리는 자이로밀형 풍력 터빈의 반경으로 하는 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워.
   
2. 바람이 유입되는 윈드유입구가 복수층으로 형성되고, 각 층은 바람의 세기 및 방향변화를 가져오도록 하는 집풍부와, 상기 바람이 통과하면서 에너지를 전환하도록 하는 에너지전환부로 구성되는 풍력 발전 타워에 있어서,
   상기 집풍부는 상기 윈드유입구를 통과하여 들어온 바람이 상기 에너지전환부의 일 반경방향으로 흐를 수 있도록 동일한 각도로 경사져 상기 풍력 발전 타워의 중심을 따라 방사상으로 배치되는 복수의 윈드가이드벽을 포함하고,
   상기 에너지전환부는 그 내부에 상기 풍력 발전 타워의 각 층의 중심에 설치되며, TSR이 1.1 내지 2.4, 솔리디티는 0.2 이상, RPM은 240 이하로 형성되는 자이로밀형 풍력 블레이드를 포함하는 자이로밀형 풍력 터빈이 설치되되,
   상기 에너지전환부는 상기 윈드가이드벽과 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 윈드유로와, 상기 풍력 발전 타워의 중심에서 상기 자이로밀형 풍력 블레이드 사이의 공간에 형성되는 내부유로로 구성되며, 상기 풍력 발전 타워에 바람이 유입되는 방향에 수직한 방향을 기준으로, 시계반대방향으로 4등분을 행하여 제1영역 내지 제4영역으로 정하고,
   상기 자이로밀형 풍력 블레이드가 시계방향으로 회전하는 경우, 상기 에너지전환부의 윈드유로의 최소거리는 제3영역에서 양의 토크가 처음으로 발생하는 위치이고, 최대거리는 자이로밀형 풍력 터빈의 반경으로 하는 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워.
   
3. 청구항 1 또는 2 에 있어서,
   상기 집풍부의 윈드가이드벽은 5개 내지 9개 인 것을 특징으로 하는 자이로밀형 풍력 터빈을 구비하는 풍력 발전 타워.

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