KR101387351B1

KR101387351B1 - 수직축형 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR101387351B1
Application number: KR1020130062317A
Authority: KR
Inventors: 김순득
Original assignee: 포씨테크주식회사
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2033-05-31

Abstract

본 발명은 축이 바람의 방향에 대해서 수직하게 형성된 수직축형 풍력 발전(vertical-axis wind turbine) 장치에 관한 것으로서, 바람에 의하여 회전되도록 다수개의 터빈을 갖는 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서, 회전축이 돌출결합된 나셀 유닛(nacelle unit)을 내부에 포함하며, 지면에 장착되는 받침대와, 상기 나셀 유닛 상측에 형성되며, 상기 회전축에 베어링결합되는 하부타워와, 상기 하부타워 상측에 형성되며, 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축에 회전력을 공급하도록 형성된 상부타워와, 상기 상부타워에 방사형으로 결합되어, 바람에 의하여 항력을 발생시키면서 회전하는 항력터빈 및 상기 상부타워에 방사형으로 결합되고, 상기 항력터빈 바깥쪽으로 교대로 배치되어, 바람에 의하여 양력을 발생시키면서 회전하는 양력터빈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 의해 항력터빈과 양력터빈을 방사형으로 구현하여 모든 방향의 바람을 수용할 수 있으며, 풍력 발전 장치가 설치되는 장소의 풍속에 상관없이 사용할 수 있어, 풍향이나 풍속이 자주 바뀌는 우리나라 환경에 적합하게 사용할 수 있는 효과가 있으며, 발전효율이 더욱 높은 이점이 있다.

Description

수직축형 풍력 발전 장치{vertical-axis wind turbine}

본 발명은 축이 바람의 방향에 대해서 수직하게 형성된 수직축형 풍력 발전(vertical-axis wind turbine) 장치에 관한 것으로서, 특히 양력과 항력을 동시에 이용하여 바람의 방향 및 속도에 구애됨이 없이 발전이 가능한 수직축형 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

최근 천연자원의 고갈과 화력 및 원자력 발전에 대한 환경 및 안정성 등의 문제가 대두되고, 온실가스 등에 대한 전세계적인 환경규제가 시행되면서, 환경친화적인 발전시스템에 대한 연구가 활발해지고 있다.

이러한 환경친화적인 발전시스템에 있어서 단위면적당 발전규모가 큰 풍력발전은 중요한 대체에너지 시스템으로 주목받고 있다.

일반적으로 풍력발전은 축을 중심으로 터빈이 회전하면서 교류발전기를 회전시켜 전기에너지를 발생시키는 것으로서, 축이 바람의 방향에 대해서 수평인 것을 수평축형 풍력 발전(horizontal-axis wind turbine)이라하고, 축이 바람의 방향에 대해서 수직한 것을 수직축형 풍력 발전(vertical-axis wind turbine)이라 한다.

상기 수평축형 풍력 발전은 터빈의 회전축이 바람의 방향에 평행하게 형성된 것으로서, 전 범위의 풍속에 대한 우수한 출력특성을 가지고, 높은 타워를 설치함으로써 풍속이 낮은 지역에서도 더 높은 풍력을 얻을 수 있는 장점이 있으며, 설치면적이 작아서 현재 전 세계적으로 널리 사용되고 있다.

그러나, 타워의 높이가 높아 유지 및 관리, 수송이 용이하지 않으며, 설치가 어렵고, 별도의 요(yaw) 장치가 요구되는 등 장치가 복잡하고, 일반적으로 바람의 방향이 자주 바뀌는 우리나라 환경에는 그다지 맞지 않은 단점이 있다.

그리고, 상기 수직축형 풍력 발전은 터빈의 회전축이 바람의 방향에 수직하게 형성된 것으로서, 통상적으로 타워 주변에 볼록한 형태의 터빈이 회전하는 방식이며, 지면에서도 사용이 가능하고, 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하며, 증속기와 발전기가 지상에 설치되어 설치시 건설 비용이 적게 들고, 유지, 관리가 용이한 장점이 있다.

그러나, 초기 기동 토크가 낮아 기동을 위한 외부전력이 필요한 경우가 있으며, 타워를 지지하기 위한 가이드를 해야 하므로 넓은 면적이 필요하고, 수평축형 풍력 발전에 비해서는 전체적으로 효율이 낮은 단점이 있다.

즉, 수직축형 풍력 발전은 바람의 방향이 자주 바뀌더라도 별도의 요(yaw) 장치가 필요없이 구동이 가능하며, 지상에 설치되어 건설비용이 적게 드는 등 수평축형 풍력 발전보다 우리나라 환경에 더욱 적합한 것으로 알려져 있다.

따라서, 수직축형 풍력 발전에 대해서 많은 연구가 수행되고 있으며, 종래에는 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호 10-1085317호 "이중 풍력 터빈 발전시스템", 공개특허공보 공개번호 10-2012-0122325호 "풍력발전기", 등록실용신안공보 등록번호 20-0413537호 "풍력 발전기" 등의 기술이 알려져 있다.

그러나, 이러한 풍력 발전 장치들의 구조가 대부분 복잡하며, 주로 항력(사보니우스식, Savonius Rotor) 또는 양력(다리우스식, Darrius Rotor)중 어느 하나를 이용하고 있다.

이러한 항력을 이용한 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 수직축형 풍력 발전 효율이 높지 않은 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 양력터빈과 항력터빈을 동시에 구현하여 양력과 항력을 동시에 이용할 수 있어 발전 효율을 높이고, 바람의 방향 및 속도에 관계없이 발전이 가능한 수직축형 풍력 발전 장치의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위해 본 발명은, 바람에 의하여 회전되도록 다수개의 터빈을 갖는 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서, 회전축이 돌출결합된 나셀 유닛(nacelle unit)을 내부에 포함하며, 지면에 장착되는 받침대와, 상기 나셀 유닛 상측에 형성되며, 상기 회전축에 베어링결합되는 하부타워와, 상기 하부타워 상측에 형성되며, 상기 회전축에 결합되어 상기 회전축에 회전력을 공급하도록 형성된 상부타워와, 상기 상부타워에 방사형으로 결합되어, 바람에 의하여 항력을 발생시키면서 회전하는 항력터빈 및 상기 상부타워에 방사형으로 결합되고, 상기 항력터빈 바깥쪽으로 교대로 배치되어, 바람에 의하여 양력을 발생시키면서 회전하는 양력터빈을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 받침대는, 육각 프레임 형태로 형성된 기저부와, 상기 기저부의 바닥부분 꼭지점에서 바닥면에 접지되어 연장형성된 접지암을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부타워는, 육각기둥 형상으로 형성되며, 상기 육각기둥의 각 면에서 상기 기저부의 상측부분 꼭지점까지 형성된 제1고정암과, 상기 기저부의 상측부분 꼭지점에서 상기 접지암의 일측부까지 형성된 제2고정암에 의해 지지고정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부타워는, 육각기둥 형상으로 형성되며, 상기 육각기둥의 각 면에는 체결공이 형성되고, 상기 상부타워의 체결공에 결합형성되며, 상기 상부타워와 상기 항력터빈을 고정결합시키며, 단부에 결합단이 형성된 제1방사형지지암과, 상기 상부타워와 양력터빈을 고정결합시키는 제2방사형지지암이 더 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 제1방사형지지암 및 제2방사형지지암은, 상기 상부타워의 하단부, 중간부, 상단부에 각각 형성되며, 또한, 상기 상부타워의 상단부에 형성된 제2방사형지지암 사이에는 스트링지지암이 더 결합형성되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 항력터빈은, 바람이 불어오는 방향으로 유선형오목부가 대향되도록 형성되는 것이 바람직하며, 상기 항력터빈의 유선형오목부에는 다수개의 수평편향부가 더 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 항력터빈에는 상기 수평편향부 위치에 대응되어 상기 상부타워와의 결합을 위한 결합공이 더 형성되며, 상기 수평편향부에는, 속도조절피치가 더 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양력터빈은, 에어포일(airfoil) 형태로 형성되며, 상기 양력터빈은, 다수개의 에어포일이 수직으로 연결형성되며, 인접하는 에어포일 간에는 윙지지판에 의해 연결형성되는 것이 바람직하다.

본 발명은 항력터빈과 양력터빈을 방사형으로 구현하여 모든 방향의 바람을 수용할 수 있으며, 풍력 발전 장치가 설치되는 장소의 풍속에 상관없이 사용할 수 있어, 풍향이나 풍속이 자주 바뀌는 우리나라 환경에 적합하게 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고속으로 회전하는 양력터빈에 최대한 많은 바람이 흐르도록 하여 풍속을 증가시키고, 항력이 전체적으로 균일하게 작용되도록 하여 고출력의 회전력을 발생시킬 수 있으며, 불필요한 와류나 바람의 손실을 막을 수 있어 발전효율이 더욱 높은 효과가 있다.

도 1 - 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치에 대한 사시도.
도 2 및 도 3 - 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치에 대한 일요부의 사시도.
도 4 - 본 발명에 따른 항력터빈에 대한 사시도.
도 5 - 본 발명에 따른 양력터빈에 대한 사시도.
도 6 - 본 발명에 따른 항력터빈 및 양력터빈에 대한 바람의 방향 및 회전방향을 나타낸 모식도.
도 7 - 본 발명에 따른 수평편향부에 대한 사시도.

본 발명은 축이 바람의 방향에 대해서 수직하게 형성된 수직축형 풍력 발전(vertical-axis wind turbine) 장치에 관한 것으로서, 특히 양력과 항력을 동시에 이용하여 방향 및 속도에 구애됨이 없이 발전이 가능한 수직축형 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치에 대한 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치에 대한 일요부의 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 항력터빈에 대한 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 양력터빈에 대한 사시도이고, 도 6 본 발명에 따른 항력터빈 및 양력터빈에 대한 바람의 방향 및 회전방향을 나타낸 모식도이며, 도 7은 본 발명에 따른 수평편향부에 대한 사시도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 수직축형 풍력 발전 장치는, 바람에 의하여 회전되도록 다수개의 터빈을 갖는 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서, 회전축(200)이 돌출결합된 나셀 유닛(nacelle unit)(300)을 내부에 포함하며, 지면에 장착되는 받침대(100)와, 상기 나셀 유닛(300) 상측에 형성되며, 상기 회전축(200)에 베어링결합되는 하부타워(400)와, 상기 하부타워(400) 상측에 형성되며, 상기 회전축(200)에 결합되어 상기 회전축(200)에 회전력을 공급하도록 형성된 상부타워(500)와, 상기 상부타워(500)에 방사형으로 결합되어, 바람에 의하여 항력을 발생시키면서 회전하는 항력터빈(600)과, 상기 상부타워(500)에 방사형으로 결합되고, 상기 항력터빈(600) 바깥쪽으로 교대로 배치되어, 바람에 의하여 영력을 발생시키면서 회전하는 양력터빈(700)으로 크게 구성된다.

먼저, 상기 받침대(100)는 지면에 장착되어 상부 구조물을 지지하고, 안정적으로 안착시키기 위한 것으로서, 그 상측에는 후술할 하부타워(400)가 안착 결합되게 되며, 그 내부에는 회전축(200)이 돌출결합된 나셀 유닛(nacelle unit)(300)이 포함되어 형성된다.

구체적으로는 상기 받침대(100)는 전체적으로 육각 프레임 형태로 형성되어, 내부는 비어 있는 형태로 형성되어, 나셀 유닛(300)이 포함되게 된다.

상기 육각 프레임 형태의 받침대(100) 자체를 지면 상에 움직이지 않도록 고정시키거나, 지면 상에 더욱 견고한 장착을 위해서 육각 프레임 형태로 형성된 기저부(110)와, 상기 기저부(110)의 바닥부분 꼭지점에서 바닥면에 접지되어 연장형성된 접지암(arm)(120)을 더 형성시킬 수 있다. 상기 기저부(110) 및 접지암(120)을 바닥에 고정시켜 전체적인 구조물이 유동되지 않고 안정적으로 고정될 수 있도록 한 것이다.

상기 기저부(110)는 육각 프레임 형태를 일체로 형성하는 것보다, 스텐레스 스틸(SUS 304) 재질의 강관이나, 단면이 'ㄷ'자 형태의 막대를 육각 프레임 형태로 조립하여 형성하는 것이 보다 안정적인 설치 및 관리에 유리하다.

여기에서 조립 방식은 강관이나 막대의 단부에 나사체결공이 형성된 'ㄱ'자 또는 'ㄴ'자 형태의 체결구를 용접형성하여 나사체결 및 용접하여 조립하게 되며, 다른 구성요소에서의 조립 방식도 이와 같은 방식으로 조립되게 된다.

또한, 상기 받침대(100)의 좀 더 안정적인 설치를 위해 상기 기저부(110)의 바닥부분에서의 지면과의 접촉 면적을 넓히도록 상기 접지암(120)을 더 형성한 것이며, 상기 접지암(120) 또한 상기의 강관이나 단면이 'ㄷ'자 형태의 막대를 이용하여 지면상에 고정시키게 된다. 상기 접지암(120)의 단부에는 지면상이나 결합대상과의 견고한 결합을 위해서 체결공이 형성된 결합단을 더 형성할 수 있으며, 상기 결합단에 고정팩을 결합하여 고정시키거나 지하에 콘크리트 타설 후 앵커볼트 등과의 체결을 위해 사용되도록 한다.

한편, 상기 나셀 유닛(nacelle unit)(300)은 후술할 양력터빈(700) 및 항력터빈(600)의 기계적 회전력을 증감조절하는 기어박스(gear-box) 및 발전기를 포함하는 것으로서, 역학에너지를 전기에너지로 바꾼 뒤 송전망으로 보내게 되며, 이러한 수직축형 풍력 발전 장치에서의 나셀 유닛(300)은 지상에 가깝게 설치되어 유지, 보수, 관리가 편리한 이점이 있다.

그리고, 상기 나셀 유닛(300)에 있어서, 회전축(200)의 하단은 상기 기어박스와 연결되며, 회전축(200)의 상단은 나셀 유닛(300) 상측으로 돌출되게 형성되어, 후술할 상부타워(500) 및 하부타워(400)가 결합되게 된다.

다음으로, 상기 하부타워(400)는 상기 나셀 유닛(300) 상측에 형성되며, 상기 회전축(200)에 베어링결합되게 된다. 즉, 상기 하부타워(400)는 회전하지 않고, 상기 회전축(200)과 축결합만 이루어지게 되며, 상기 회전축(200)은 후술할 상부타워(500)에 의해 회전되게 되므로, 상기 하부타워(400)와는 회전축(200)이 베어링결합되어 회전력에 방해가 되지 않도록 한다.

상기 하부타워(400)는 육각기둥 형상으로 형성되며, 상기 육각기둥의 각 면에서 상기 기저부(110)의 상측부분 꼭지점까지 형성된 제1고정암(410)과, 상기 기저부(110)의 상측부분 꼭지점에서 상기 접지암(120)의 일측부까지 형성된 제2고정암(420)에 의해 지지고정되게 된다.

즉, 상기 제1고정암(410)과 제2고정암(420)은 상기 하부타워(400) 일측면에서 육각 프레임 형태로 형성된 상기 기저부(110)의 상측부분 꼭지점을 거쳐 상기 접지암(120)까지 전체적으로 비스듬히 결합되게 되는데, 회전축(200)에 대해 접지암(120)과 삼각형을 이루도록 조립되게 된다.

이에 의해 하부타워(400)는 일차적으로 회전축(200)에 결합되며, 상기 제1고정암(410)과 제2고정암(420)을 통해 이차적으로 상기 기저부(110) 및 접지암(120)에 결합되어 안정적인 결합이 이루어지도록 한 것이다. 상기와 같이 상기 제1고정암(410) 및 제2고정암(420) 또한 상기 접지암(120) 등과 비슷한 구조 및 형태를 이루어 조립되게 된다.

한편, 상기 하부타워(400)는 나셀 유닛(300)이 형성된 지상으로부터 일정 높이로 형성되어, 후술할 상부타워(500)에 결합되는 양력터빈(700) 및 항력터빈(600) 전체의 하중을 지탱하면서, 상부측 구조물에 지표면의 와류 등 불필요한 바람 성분이 유입되지 않도록 한다.

여기에서, 상기 하부타워(400)는 본 발명의 바람직한 일실시예로 양력터빈(700) 3개, 항력터빈(600) 3개가 형성되어, 이에 대응하여 육각 기둥형상으로 형성되는 것이 바람직하나, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치가 설치되는 환경이나 풍속, 풍향 등을 고려하여 그 형태나 재질 등을 적절히 변경하여 적용한다.

그리고, 상기 상부타워(500)는 상기 하부타워(400) 상측에 형성되며, 상기 회전축(200)에 결합되어 상기 회전축(200)에 회전력을 공급하도록 형성된다.

상기 상부타워(500)는 바람직한 실시예로 육각기둥 형상으로 형성되며, 상기 육각기둥의 각 면에는 체결공(510)이 형성되어, 후술할 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)이 결합되게 된다. 이에 의해 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)에 의해 바람에 의한 고출력의 기계적 회전력을 얻게 되며, 이는 회전축(200)에 전달되어 나셀 유닛(300) 내부의 기어 박스나 발전기 등에 회전력을 제공하게 된다.

또한, 상기 상부타워(500)의 체결공(510)에는 상기 상부타워(500)와 상기 항력터빈(600)을 고정결합시키는 제1방사형지지암(520)과, 상기 상부타워(500)와 양력터빈(700)을 고정결합시키는 제2방사형지지암(530)이 결합형성되게 된다. 상기 제1방사형지지암(520)과 제2방사형지지암(530)은 상술한 바와 같이 접지암(120)의 형태와 유사하게 형성되어 조립되게 된다. 여기에서 필요에 의해 결합단부에는 용접을 수행하여 더욱 견고한 결합을 도모할 수 있다.

또한, 항력터빈(600) 보다 양력터빈(700)이 상부타워(500)를 중심으로 더 바깥쪽에 배치되게 되므로, 상기 제1방사형지지암(520)에 비해 제2방사형지지암(530)의 길이가 더 길게 형성되며, 조립 방식은 상기 접지암(120)과 유사하게 이루어지게 된다.

즉, 상기 제1방사형지지암(520)과 제2방사형지지암(530)의 단부에는 결합대상물과의 견고한 결합을 위해 체결공이 형성된 결합단을 더 형성할 수 있으며, 특히 제1방사형지지암(520)의 항력터빈과 결합되는 단부에 형성된 결합단(521)은 후술할 속도조절피치(630)와의 결합에 의해 고정되게 된다.

또한, 상기 제1방사형지지암(520) 및 제2방사형지지암(530)은 상기 상부타워(500)의 하단부, 중간부, 상단부에 각각 형성되어, 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)은 하단, 중간, 상단의 세군데에서 고정결합시키도록 하여 안정적인 운전이 가능하도록 한 것이다.

한편, 상기 상부타워(500)의 상단부에 형성된 제2방사형지지암(530) 사이에는 스트링지지암(540)이 더 결합형성되도록 하여, 제2방사형지지암(530)과 이에 결합되는 양력터빈(700)이 더욱 안정적으로 결합되도록 한 것이다.

즉, 회전축(200)에 결합된 육각 기둥 형태의 상부타워(500)에는 체결공(510)이 각 면에 상,중,하측 위치에 각각 형성되며, 상기 체결공(510)에 제1방사형지지암(520) 및 제2방사형지지암(530)이 각 면에 교대로 결합되게 되어, 상기 상부타워(500)를 중심으로 방사형으로 제1방사형지지암(520)에 항력터빈(600)이 결합되게 되고, 그 바깥쪽으로 방사형으로 제2방사형지지암(530)에 양력터빈(700)이 결합되는 구조를 이루게 된다.

따라서, 상기 제1방사형지지암(520) 및 제2방사형지지암(530)에 의해 상부타워(500)를 중심으로 일정 간격 이격되게 교대로 배치된 상기 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)의 회전으로 상부타워(500)가 회전하게 되고, 이의 회전력은 회전축(200)을 따라 나셀 유닛(300)에 전달되게 된다.

다음으로, 상기 항력터빈(600)은 상술한 바와 같이 상기 상부타워(500)에 방사형으로 결합되어, 바람에 의하여 항력을 발생시키면서 회전하게 되고, 상기 양력터빈(700)은 상기 상부타워(500)에 방사형으로 결합되고, 상기 항력터빈(600) 바깥쪽으로 교대로 배치되어, 바람에 의하여 양력을 발생시키면서 회전하게 되어, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치는 항력 및 양력의 두 힘을 이용한 풍력 발전 장치가 되는 것이다.

상기 항력터빈(600)은 바람이 불어오는 방향으로 유선형오목부(610)가 대향되도록 형성되어, 항력을 발생시키게 된다. 즉, 상기 유선형오목부(610)에 의해 항력이 극대화되게 되는 것이다.

또한, 상기 항력터빈(600)의 유선형오목부(610)에는 다수개의 수평편향부(620)가 더 형성되는 것이 바람직하다. 이는 유선형오목부(610)로 불어오는 바람의 성분이 분산되지 않고 수평편향부(620)의 방향을 따라 어느 정도 편향되도록 하여 항력을 극대화시키도록 한 것이다.

또한, 상기 항력터빈(600)에는 상기 수평편향부(620) 위치에 대응되어 상기 상부타워(500)와의 결합을 위한 결합공(640)이 더 형성되게 되는데, 상기 결합공(640)은 상기 제1방사형지지암(520)의 단부에 형성된 결합단(521)이 삽입되는 부분으로, 이를 후술할 속도조절피치(630)에서 고정하면, 상부타워(500)에 항력터빈(600)이 고정결합되게 되는 것이다.

한편, 상기 수평편향부(620)에는 속도조절피치(630)가 더 형성되는 것이 바람직하다. 이는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 수평편향부(620)의 일측에 형성되며, 상기 결합단(521)의 일측과 결합하여 항력터빈(600)의 속도를 조절할 수 있도록 하는 것이다.

상기 항력터빈(600)의 속도를 감소시키려면 A 쪽에 가까운 속도조절피치(630)에 상기 제1방사형지지암(520)의 결합단(521)을 고정시키고, 항력터빈(600)의 속도를 증가시키려면 B 쪽에 가까운 속도조절피치(630)에 상기 제1방사형지지암(520)의 결합단(521)을 고정시켜, 상기 항력터빈(600)의 각도를 조절하여 속도를 조절할 수 있도록 하는 것이다.

즉, A 쪽에 고정시키면 상기 항력터빈(600)의 각도가 증가하여 상기 유선형오목부(610)에 의한 항력이 증가하여 속도가 감소하게 되고, B 쪽에 고정시키면 상기 항력터빈(600)의 각도가 감소하여 상기 유선형오목부(610)에 의한 항력이 감소하여 속도가 증가하게 된다.

이와 같이 속도조절피치(630)에 의한 항력터빈(600)의 각도를 조절하여 풍속이 16m/sec이하인 계절에는 항력터빈(600)의 속도를 증가시키고, 풍속이 16m/sec 이상이면 항력터빈(600)의 속도를 감소시키도록 하여, 계절에 맞추어 속도를 조절할 수 있어 효율적이면서, 안정적인 에너지의 공급이 이루어질 수 있도록 한 것이다.

그리고, 상기 양력터빈(700)은 에어포일(airfoil) 형태로 형성되어, 양력이 발생되도록 한다. 또한, 다수개의 에어포일이 수직으로 연결형성되고, 인접하는 에어포일 간에는 윙지지판(710)에 의해 연결되도록 하여, 항력을 증가시키면서, 에어포일의 내구성을 향상시키도록 한 것이다.

이러한 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)은 가볍고 풍화에 강한 스텐레스 스틸(SUS 304) 등의 재질로 형성되며, 발전 용량 및 설치 환경에 따라 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)의 형태, 길이 및 크기를 조절하여 적용할 수 있도록 한다.

이하에서는 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)의 작용효과에 대해 좀 더 상세히 설명하고자 한다.

본 발명에 따른 회전축(200)은 바람이 불어오는 방향에 대해 수직으로 형성되고, 방사형으로 배치된 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)에 의해서 모든 방향의 바람을 수용할 수 있게 된다.

상기 항력터빈(600)은 도 6에 도시된 바와 같이, 바람이 불어오는 방향으로 유선형오목부(610)가 대향되도록 형성되어 바람이 유선형오목부(610)에 부딪히면서 초기의 저속에서는 항력에 의해 발전을 할 수 있도록 하고, 상기 양력터빈(700)은 에어포일 형태로 형성되어 고속에서 발전할 수 있도록 하여, 풍력 발전 장치가 설치되는 장소의 풍속에 상관없이 효과적으로 발전할 수 있게 되는 것이다.

이에 의해 일차적으로 항력터빈(600)이 서서히 회전하게 되면서 초기 발전이 이루어지게 되고, 그 후에 양력터빈(700)이 고속으로 회전하게 되면서 바깥쪽으로 양력이 작용하면서 강한 토크를 발생시켜 고출력의 발전이 이루어지게 되며, 풍향이 자주 바뀌거나 풍속이 자주 바뀌는 등 우리나라 환경에 적합하다고 할 수 있다.

또한, 항력터빈(600)은 양력터빈(700)에 대해서 상부타워(500)를 중심으로 더 안쪽에 길이가 더 짧게 형성되고, 서로 교대로 배치되어, 항력터빈(600)과 양력터빈(700)에 부딪히고 수용되는 바람이 서로 방해되지 않도록 함과 동시에, 고속으로 회전하는 양력터빈(700)에 최대한 많은 바람이 흐르도록 하여 풍속을 증가시키게 된다. 또한, 항력이 전체적으로 균일하게 작용되도록 하여 고출력의 회전력을 발생시킬 수 있도록 하며, 방사형으로 배치되어 와류 등의 회전력을 감소시킬 수 있는 요인이 작용하지 않도록 한다.

또한, 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)은 바람이 불어오는 방향으로 유선형으로 형성되어, 공기저항을 감소시켜 원활하게 회전할 수 있도록 하며, 불필요한 와류나 바람의 손실을 막을 수 있도록 하여 발전효율을 더욱 높이게 된다.

본 발명에 따른 전체적인 구조는 육각 기둥 형태를 이루어 각 항력터빈(600) 및 양력터빈(700)은 상부타워(500)에 지지암 등에 의해 견고하게 고정되고 흔들림이 없도록 하여, 심한 풍량변화나 오랜 시간 사용에도 수직 상태를 유지할 수 있어 전체 발전 장치의 흔들림을 방지하고 회전력의 손실을 막을 수 있어 발전 효율을 더욱 높일 수 있으며, 안정적인 구조를 제공하게 된다.

100 : 받침대 110 : 기저부
120 : 접지암 200 : 회전축
300 : 나셀 유닛 400 : 하부타워
410 : 제1고정암 420 : 제2고정암
500 : 상부타워 510 : 체결공
520 : 제1방사형지지암 521 : 결합단
530 : 제2방사형지지암 540 : 스트링지지암
600 : 항력터빈 610 : 유선형오목부
620 : 수평편향부 630 : 속도조절피치
640 : 결합공 700 : 양력터빈
710 : 윙지지판

Claims

바람에 의하여 회전되도록 다수개의 터빈을 갖는 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서,
회전축(200)이 돌출결합된 나셀 유닛(nacelle unit)(300)을 내부에 포함하며, 지면에 장착되는 받침대(100);
상기 나셀 유닛(300) 상측에 형성되며, 상기 회전축(200)에 베어링결합되는 하부타워(400);
상기 하부타워(400) 상측에 형성되며, 상기 회전축(200)에 결합되어 상기 회전축(200)에 회전력을 공급하도록 형성된 상부타워(500);
상기 상부타워(500)에 방사형으로 결합되어, 바람에 의하여 항력을 발생시키면서 회전하고, 바람이 불어오는 방향으로 유선형오목부(610)가 대향되도록 형성된 항력터빈(600);
상기 상부타워(500)에 방사형으로 결합되고, 상기 항력터빈(600) 바깥쪽으로 교대로 배치되어, 바람에 의하여 양력을 발생시키면서 회전하는 양력터빈(700);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 받침대(100)는,
육각 프레임 형태로 형성된 기저부(110)와, 상기 기저부(110)의 바닥부분 꼭지점에서 바닥면에 접지되어 연장형성된 접지암(120)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 2항에 있어서, 상기 하부타워(400)는,
육각기둥 형상으로 형성되며, 상기 육각기둥의 각 면에서 상기 기저부(110)의 상측부분 꼭지점까지 형성된 제1고정암(410)과, 상기 기저부(110)의 상측부분 꼭지점에서 상기 접지암(120)의 일측부까지 형성된 제2고정암(420)에 의해 지지고정되는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 2항에 있어서, 상기 상부타워(500)는,
육각기둥 형상으로 형성되며, 상기 육각기둥의 각 면에는 체결공(510)이 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 4항에 있어서, 상기 상부타워(500)의 체결공(510)에 결합형성되며,
상기 상부타워(500)와 상기 항력터빈(600)을 고정결합시키고 단부에 결합단(521)이 형성된 제1방사형지지암(520)과, 상기 상부타워(500)와 양력터빈(700)을 고정결합시키는 제2방사형지지암(530)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 5항에 있어서, 상기 제1방사형지지암(520) 및 제2방사형지지암(530)은,
상기 상부타워(500)의 하단부, 중간부, 상단부에 각각 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 6항에 있어서, 상기 상부타워(500)의 상단부에 형성된 제2방사형지지암(530) 사이에는 스트링지지암(540)이 더 결합형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 항력터빈(600)의 유선형오목부(610)에는 다수개의 수평편향부(620)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 9항에 있어서, 상기 항력터빈(600)에는 상기 수평편향부(620) 위치에 대응되어 상기 상부타워(500)와의 결합을 위한 결합공(640)이 더 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 10항에 있어서, 상기 수평편향부(620)에는,
속도조절피치(630)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 1항에 있어서, 상기 양력터빈(700)은,
에어포일(airfoil) 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.
제 12항에 있어서, 상기 양력터빈(700)은,
다수개의 에어포일이 수직으로 연결형성되며, 인접하는 에어포일 간에는 윙지지판(710)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍력 발전 장치.