KR101408275B1 - 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것으로서, 본 발명은 풍향에 대해 역방향 회전시에는 날개판의 판면이 풍향과 수평이 되도록 날개부재를 틸트시켜 수직축이 풍력에 의한 정방향 회전력만을 받도록 함으로써 풍력발전효율을 극대화할 수 있으며, 특히 날개부재가 지면과 수직방향으로 회전하는 구조로 개선함으로써 설치공간상의 제한을 받지 않고 모든 장소에 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것이다.

Description

수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치 {Tilting blade for vertical wind power generation}

본 발명은 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍향에 대해 역방향 회전시에는 날개판의 판면이 풍향과 수평이 되도록 날개부재를 틸트시켜 수직축이 풍력에 의한 정방향 회전력만을 받도록 함으로써 풍력발전효율을 극대화할 수 있으며, 특히 날개부재가 지면과 수직방향으로 회전하는 구조로 개선함으로써 설치공간상의 제한을 받지 않고 모든 장소에 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것이다.

풍력발전이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 회전축을 통한 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이러한 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말하는 것으로서, 현재까지 개발된 신재생에너지원 중 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 일찍이 풍력발전산업이 발달한 유럽은 물론 최근에는 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.

특히, 풍력발전은 전력생산단가의 가격경쟁력 향상 및 발전시스템 설치의 소요면적 최소화 등과 같은 원가적인 측면과, 화석에너지 고갈에 대한 대체에너지원과 온난화방지와 같은 지구환경보호라는 사회환경적 측면과 아울러 공급의 안정성 및 에너지 수입의 의존도 감소라는 경제적인 측면에서의 장점 때문에 정부에서도 풍력발전의 보급을 적극 지원하고 있으며, 그에 따라 국내에서도 향후 풍력발전의 성장세가 본격화될 것으로 기대되고 있다.

이러한 풍력발전은 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평형 풍력발전장치와, 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직형 풍력발전장치로 구분할 수 있으며, 현재까지 수직형에 비해 수평형 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평형 풍력발전기가 적용되고 있다.

상기한 수평형 풍력발전장치는 가장 일반적인 형태로서 높은 발전효율을 구현할 수 있는 장점이 있으나, 바람의 방향이 자주 바뀌는 지역에서는 원활한 발전이 어려우며, 회전체를 비롯한 주요 부품들이 높은 곳에 설치되므로 고가의 설치비용이 소요될 뿐만 아니라 그 유지보수가 쉽지 않으며, 태풍 등의 강한 바람에 구조적으로 취약한 단점을 갖고 있다.

이러한 수평형 풍력발전장치의 단점과 비교할 때 상기 수직형 풍력발전장치는 바람의 방향에 관계없이 발전이 가능하며, 증속기 및 발전기 등의 주요 부품들이 지상에 설치되므로 설치비용이 저렴하고 그 유지보수가 용이한 장점을 가지고 있다.

그럼에도 불구하고 전술한 바와 같이 수평형 발전장치가 선호되는 것은 수직형 발전장치가 수평형 발전장치에 비해 그 발전효율이 떨어지기 때문이다.

이것은 수직형 풍력발전장치의 구조적인 문제점으로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 수직형 풍력발전장치는 구조적으로 회전날개의 한쪽(a1)은 풍력에 의해 정방향(풍향과 동일한 방향) 회전을 하면서 바람(W)의 에너지를 회전축(b)의 기계적인 회전력으로 변환시키지만, 그 회전날개의 반대쪽(a2)은 풍력에 대해 역방향(풍향의 반대방향) 회전을 하게 되기 때문에 회전축(b)의 회전에 저항으로 작용을 하게 되어 기계적인 에너지의 변환효율이 저하될 수 밖에 없는 것이다.

이러한 수직형 풍력발전장치가 가지고 있는 구조적인 발전효율의 문제점을 인식하여 본 출원인은 수직형 풍력발전장치용 틸트식 회전날개장치를 개발하여 특허를 받았는 바(등록특허 제10-1180832호), 상기 본 출원인의 선행특허는 날개부재의 날개판이 역방향 회전시에는 풍향과 수평이 되고 정방향 회전시에는 풍향과 수직이 되도록 틸트시키는 구성으로 이루어져, 날개부재에 풍력에 의한 정방향 회전력만이 가해지고 날개부재의 역회전에 의한 저항력이 최소화됨으로써 풍력발전효율을 증대시킬 수 있는 우수한 장점이 있다.

그러나, 상기 선행특허의 경우에는 날개부재가 수직축을 중심으로 해서 지면과 수평한 방향으로 회전하는 구조인데, 날개부재는 충분한 풍력을 받을 수 있도록 크기가 설계되어야 하기 때문에, 전체적으로 수직축을 중심으로 한 설치반경이 증가될 수밖에 없어 설치공간상의 제약을 받게 되는 문제점이 발견되었으며, 그에 따라 주택밀집지역이나 수목이 무성한 산간 등과 같이 충분한 설치공간이 주어지지 않은 장소에 설치하기가 곤란하거나 또는, 정부나 지자체 등의 법규에 의해서 설치공간이 정해진 경우에도 적절하게 대처할 수 없는 상황이 발생할 수 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 본 발명의 목적은 날개부재를 틸트시켜 풍력에 의한 정방향 회전력만이 수직동력축에 인가되도록 하여 풍력발전효율을 증대시킴과 아울러 날개부재의 회전방향이 지면과 수직이 되도록 구조를 개선함으로써 설치공간상의 제약을 크게 받지 않는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 과제해결수단으로서,

수직형 풍력발전기의 수직동력축에 풍력에 의한 회전력을 인가하는 회전날개장치에 있어서, 상기 수직동력축과 기어 결합되며, 축선이 풍향과는 수직을 이루면서 지면과는 수평한 수평회전축과, 상기 수평회전축에 자전 가능하게 설치되는 날개스템과, 상기 날개스템에 고정되는 날개판을 포함하여, 전방쪽에서 불어오는 바람에 의해서 상기 수평회전축을 중심으로 공전함으로써 수평회전축에 회전력을 인가하는 날개부재와, 상기 날개스템에 형성되되, 상기 날개판의 판면에 대해 수평방향으로 돌출되는 정가이더와, 수직방향으로 돌출되는 역가이더로 이루어지는 가이더부재와, 상기 날개부재가 전방쪽에서 후방쪽으로 풍향과 동일한 정방향 공전할 때 상기 정가이더가 삽입되어 안내되는 정궤도홈과, 후방쪽에서 전방쪽으로 풍향과 반대인 역방향 공전할 때 상기 역가이더가 삽입되어 안내되는 역궤도홈이 형성되고, 상기 정궤도홈의 후방쪽과 역궤도홈의 전방쪽에는 각각 안내되는 정가이더와 역가이더의 회전을 유도하여 날개부재를 90°자전시키는 회전유도경사부가 형성되어, 날개부재가 상기 정방향으로 공전시에는 날개판의 판면이 풍향과 수직이 되게 하고, 상기 역방향으로 공전시에는 풍향과 평행으로 되게 하는 날개틸트부재를 포함하며, 상기 수직동력축을 중심으로 하여 상기 날개부재, 가이더부재, 날개틸트부재가 수평회전축의 양쪽에 대칭으로 설치되며, 양쪽의 날개틸트부재는 수직동력축에 풍향변화에 대응하여 독립 회전 가능하게 설치되는 풍향연동부재에 고정되는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치가 개시된다.

삭제

또한, 상기 정궤도홈과 역궤도홈은 상기 수평회전축을 중심으로 각각 상측과 하측에 대칭의 원호 형태로 동심원 상에 형성될 수 있고, 상기 회전유도경사부는 정궤도홈 또는 역궤도홈의 바닥면에서 유선형태로 상향 경사지게 형성되며, 하단에는 걸림턱이 형성될 수 있다.

또한, 상기 회전유도경사부에 의해 정가이더 또는 역가이더가 회전될 때 대응하는 역가이더 또는 정가이더가 연동하여 회전될 수 있도록 상기 정궤도홈의 전방쪽과 상기 역궤도홈의 후방쪽에는 상기 회전유도경사부와 반대로 하향 경사지는 형태의 회전인가경사부가 각각 형성될 수 있다.

삭제

본 발명에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 의하면,

날개부재의 날개판이 역방향으로(풍향과 반대방향으로) 회전시에는 풍향과 평행이 되고 정방향으로(풍향과 동일방향으로) 회전시에는 풍향과 수직이 되도록 틸트되므로 풍력에 의한 정방향 회전력만이 수직동력축에 인가되어 풍력발전효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 날개부재가 지면과 수직방향으로 회전을 하는 구조이므로 수직동력축을 중심으로 한 설치반경을 대폭 축소할 수 있고, 그에 따라 설치공간상의 제약을 크게 받지 않고 장소의 제한없이 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 장점이 있다.

또한, 날개부재의 틸트방식이 종래의 기어방식과 달리 회전유도경사부를 통해 이루어지도록 구성함으로써 날개부재의 틸트작동이 보다 안정적이면서 고장의 걱정없이 이루어질 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 전체적인 구성을 나타내는 정면도이고,
도 2는 도 1의 단면구성도이며,
도 3은 날개부재와 날개틸트부재의 분해 사시도이고,
도 4는 날개부재와 축몸체의 분해 사시도이며,
도 5는 날개틸트부재의 측면도이고,
도 6은 회전유도경사부와 회전인가경사부에서 가이더부재의 회전작동을 예시한 예시단면도이며,
도 7은 통상적인 수직형 풍력발전장치의 날개 회전을 예시한 종래 예시도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 첨부된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 축소되거나 과장되어 표현될 수 있음을 유의하여야 한다.

또한, 실시예를 설명하는데 있어서, 만일 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”, “결합되어”, “고정되어” 있다고 기재된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어, 결합되어, 고정되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

아울러, 실시예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 나타내는 도면들로서, 상기 도면들에 도시된 것을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치(이하 “회전날개장치”라 함.)는 수평회전축(10)과, 날개부재(20)와, 가이더부재(30)와, 날개틸트부재(40)를 포함하여 이루어질 수 있다.

먼저, 상기 수평회전축(10)은 풍력에 의해 회전되면서 풍력에 의한 회전력을 풍력발전기의 수직동력축(100)으로 전달하는 기능을 수행하며, 이를 위하여 수평회전축(10)은 풍력발전기의 수직동력축(100)과 기어를 통해 결합 된다.

이러한 수평회전축(10)은 그 축선(shaft line)이 지면과는 수평하면서 풍향에 대해서는 수직(즉, 풍향을 가로지르는 방향)이 되도록 설치된다.

여기서, 상기 수평회전축(10)은 지면에 대해 수평으로 설치되고, 상기 수직동력축은 지면에 대해 수직으로 설치되므로, 상기 수평회전축(10)과 수직동력축(100)을 결합하는 기어로는 베벌기어가 채용될 수 있다.

또한, 상기 수평회전축(10)에는 풍력에 의한 회전력을 수평회전축(10)으로 인가하는 후술할 날개부재(20)가 설치되는 바, 상기 날개부재(20)의 설치를 위해 수평회전축(10)의 끝단에는 수평회전축(10) 보다 큰 직경을 갖는 축몸체(11)가 형성될 수 있다.

상기 날개부재(20)는 풍력에 의한 회전력을 상기 수평회전축(10)에 인가하기 위한 것으로서, 일정한 길이를 갖는 날개스템(21)과 상기 날개스템(21)의 후단측에 고정되는 날개판(22)으로 이루어진다.

상기 날개스템(21)은 상기 수평회전축(10)의 축몸체(11)에 설치가 되며, 풍력에 의해 회전력이 가해지는 경우 수평회전축(10)을 회전중심으로 하여 공전을 하면서 상기 수평회전축(10)에 회전력을 인가하는 기능을 수행하게 된다.

이러한 날개스템(21)은 상기 수평회전축(10)에 완전하게 고정 결합이 되는 것이 아니라 자전이 가능하도록 설치되는 특징이 있다.

이를 위하여, 도 4에 도시된 것처럼, 상기 날개스템(21)의 선단에는 날개헤드(23)가 형성될 수 있으며, 날개스템(21)이 설치되는 상기 수평회전축(10)의 축몸체(11) 내부에는 상기 날개헤드(23)와 동일한 형상을 갖는 자전공간부(12)와, 상기 자전공간부(12)로부터 연장되어 축몸체(11)를 관통하는 스템관통구(13)가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 날개헤드(23)는 상기 축몸체(11)의 자전공간부(12)에 자전이 가능하도록 수용이 되고, 상기 날개스템(21)은 상기 스템관통구(13)를 통해 축몸체(11)의 외측으로 연장되는 구조로 상기 날개부재(20)가 상기 축몸체(11)에 설치가 이루어지게 된다.

이에 따라 상기 날개부재(20)는 상기 수평회전축(10)의 회전과는 무관하게 자전이 가능한 동시에 풍력에 의해 공전하는 경우에는 수평회전축(10)을 함께 회전시켜 그 회전력을 수평회전축(10)에 인가시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 자전이란 용어는 상기 수평회전축(10)과는 무관하게 날개부재(20) 자체가 회전하는 것, 즉 상기 날개판(22)이 날개스템(21)을 회전중심으로 하여 회전하는 것을 의미하며, 이에 대응하여 공전이란 용어는 상기 날개부재(20)가 수평회전축(10)을 회전중심으로 하여 회전하는 것을 의미하는 것으로서, 이하에서 사용되는 자전, 공전이라는 용어는 모두 상기 설명된 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 이하에서 사용되는 정방향이란 용어는 상기 날개부재(20)가 풍향(W)과 동일한 방향으로 공전하는 것을 의미하는 것으로서, 상기 5에 도시된 것처럼, 바람은 전방(F)쪽에서 후방(R)쪽으로 불어오는 것으로 예시하고 있는 바, 상기 정방향은 또한 날개부재(20)가 풍향(W)과 동일하게 전방(F)쪽에서 후방(R)쪽으로 공전하는 것을 의미하는 것으로도 이해되어야 하며, 역방향이란 용어는 상기 정방향과 반대의 의미로서, 즉 날개부재(20)가 풍향(W)과 반대방향으로 후방(R)쪽에서 전방(F)쪽으로 공전하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.

상기 날개판(22)은 일정한 면적을 갖는 평판 형상으로서 그 판면이 풍향과 수직을 이루게 되면 상기 날개부재(20)에는 풍력에 의한 최대의 회전력이 가해지게 되고 평행을 이루게 되면 풍력에 의한 최소의 회전력이 가해지게 된다.

상기한 구성의 날개부재(20)는 상기 축몸체(11)에 일정 각도 간격으로 다수 개가 설치될 수 있다. 즉, 상기 도면들에는 편의상 180°간격으로 2개의 날개부재(20)가 설치된 것을 예시하였으나, 수평회전축(10)을 중심으로 하여 120° 간격으로 3개의 날개부재(20)가 설치되거나 또는 90° 간격으로 4개의 날개부재(20)가 설치될 수도 있는 것이다.

상기 가이더부재(30)는 후술할 날개틸트부재(40)와의 상호작용을 통해 상기 날개부재(20)가 틸트되도록 하는 기능을 수행하는 요소로서, 상기 가이더부재(30)는 상기 날개부재(20)의 날개스템(21)에서 각각 일정한 길이로 돌출되도록 형성되는 정가이더(31)와 역가이더(32)로 구성될 수 있다.

상기 정가이더(31)는 상기 날개판(22)의 판면과 수평한 방향으로 상기 날개스템(21)에서 돌출이 되며, 상기 역가이더(32)는 상기 날개판(22)의 판면과 수직한 방향으로 상기 날개스템(21)에서 돌출이 된다.

즉, 상기 정가이더(31)와 역가이더(32)는 상기 날개스템(21)에서 상호간에 직각으로 돌출 형성되는 것으로서, 상기 정가이더(31)는 날개부재(20)의 정방향 공전시에 후술한 날개틸트부재(40)에 삽입되어 날개판(22)이 풍향과 수직을 이룬 상태로 날개스템(21)의 자전이 억제되도록 하는 기능을 수행하고, 상기 역가이더(32)는 날개부재(20)의 역방향 공전시에 후술한 날개틸트부재(40)에 삽입되어 날개판(22)이 풍향과 평행을 이룬 상태로 날개스템(21)의 자전이 억제되도록 하는 기능을 수행하게 된다.

상기 날개틸트부재(40)는 상기 가이더부재(30)와의 상호작용을 통해 상기와 같이 자전 가능하게 수평회전축(10)에 설치되어 풍력에 의해 공전하는 날개부재(20)를 자전시켜 상기 날개부재(20)가 풍향에 대해 정방향 공전할 때는 날개판(22)의 판면이 풍향과 수직 상태가 되게 하여 풍력에 의해 최대의 회전력을 받도록 하되, 역방향 공전할 때는 상기 날개판(22)의 판면이 풍향과 평행 상태가 되게 하여 최소의 역 회전력을 받도록 하는 기능을 수행하게 된다.

이러한 날개틸트부재(40)는 상기 수평회전축(10)에 의해 관통되면서 축몸체(11)의 일측에 설치가 되며, 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42), 그리고 회전유도경사부(43)와 회전인가경사부(44)를 포함한다.

상기 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42)은 날개틸트부재(40)에 일정한 깊이로 형성되는 요입홈으로서, 도 3과 도 5에 도시된 것처럼, 상기 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42)은 각각 원호 형태로 형성이 되는데, 상기 수평회전축(10)을 중심으로 하여 정궤도홈(41)은 상측에 형성되고 역궤도홈(42)은 하측에 형성이 된다.

그리고, 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42)은 수평회전축(10)을 중심으로 하여 동심원 상에서 상호간 대칭의 형태로 형성이 되며, 전방(F)쪽과 후방(R)쪽에서는 상호 간에 중첩되는 부분을 갖게 된다.

이러한 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42)은 각각 상기 가이더부재(30)의 정가이더(31)와 역가이더(32)를 선택적으로 안내하는 기능을 수행하는 바, 상기 정궤도홈(41)에는 상기 날개부재(20)가 정방향으로 공전할 때 상기 정가이더(31)가 삽입이 된 상태로 안내가 이루어지게 되고, 상기 역궤도홈(42)에는 상기 날개부재(20)가 역방향으로 공전할 때 상기 역가이더(32)가 삽입된 상태로 안내가 이루어지게 된다.

상기 회전유도경사부(43)는 상기 가이더부재(30)의 정가이더(31)와 역가이더(32)의 회전을 유도하여 상기 날개부재(20)가 90°자전되면서 틸트되도록 하는 기능을 수행하는 요소로서, 이러한 회전유도경사부(43)는 상기 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42) 모두에 각각 형성이 된다.

상기 회전유도경사부(43)는 상기 정궤도홈(41)에는 후방(R)쪽에 형성이 되는데, 역궤도홈(42)과 중첩되는 정궤도홈(41)의 후방(R)쪽 부분에 형성이 되며, 상기 역궤도홈(42)에는 전방(F)쪽에 형성이 되는데, 정궤도홈(41)과 중첩되는 역궤도홈(42)의 전방(F)쪽 부분에 형성이 된다.

이러한 회전유도경사부(43)는 도 6에 도시된 것처럼 정궤도홈(41) 또는 역궤도홈(42)의 바닥면에서 유선형태로 날개틸트부재(40)의 표면까지 상향 경사지게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 바닥면과 만나는 회전유도경사부(43)의 하단에는 걸림턱(43a)이 돌출 형성될 수 있다.

이러한 구성에 의해서, 도 6에 도시된 것처럼 상기 정궤도홈(41)에 삽입되어 안내되던 정가이더(31)는 날개부재(20)의 정방향 회전에 따라 정궤도홈(41)의 후방(R)쪽 회전유도경사부(43)에 도달하게 되면, 상기 회전유도경사부(43)의 걸림턱(43a)에 걸리면서 회전이 유도되고, 계속적으로 상향 경사진 면을 따라 이동하면서 회전이 진행되어 최종적으로 회전유도경사부(43)를 이탈할 때는 90°의 회전이 이루어지게 된다.

따라서, 이러한 정가이더(31)의 90°회전작동에 따라 날개부재(20)도 역시 90°자전하면서 날개판(22)은 풍향에 대해 수직한 상태에서 평행한 상태로 틸트가 이루어지게 되는 것이다.

이와 반대로, 상기 역궤도홈(42)에 삽입되어 안내되던 역가이더(32)는 날개부재(20)의 역방향 회전에 따라 역궤도홈(42)의 전방(F)쪽 회전유도경사부(43)에 도달하게 되면, 동일하게 회전유도경사부(43)의 걸림턱(43a)에 걸림과 함께 상향 경사진 면을 따라 이동하면서 회전이 진행되어 최종적으로 회전유도경사부(43)를 이탈할 때는 90°의 회전이 이루어지게 되며, 이러한 역가이더(32)의 90°회전작동에 따라 날개부재(20)도 역시 90°자전하면서 날개판(22)은 풍향에 대해 평행한 상태에서 수직한 상태로 틸트가 이루어지게 되는 것이다.

상기 회전인가경사부(44)는 상기 회전유도경사부(43)에 의해서 정궤도홈(41) 또는 역궤도홈(42)에 삽입된 정가이더(31) 또는 역가이더(32)가 회전될 때 이에 대응하는 역가이더(32) 또는 정가이더(31)가 연동하여 회전될 수 있도록 하는 기능을 수행하는 요소로서, 이러한 회전인가경사부(44)는 상기 회전유도경사부(43)와 반대로 형성이 된다.

즉, 상기 회전인가경사부(44)는 상기 정궤도홈(41)에서는 역궤도홈(42)에 형성된 회전유도경사부(43)와 중첩되는 전방(F)쪽에 형성이 되고, 상기 역궤도홈(42)에서는 정궤도홈(41)에 형성된 회전유도경사부(43)와 중첩되는 후방(R)쪽에 형성이 된다.

그리고 상기 회전인가경사부(44)는 날개틸트부재(40)의 표면에서 정궤도홈(41) 또는 역궤도홈(42)의 바닥면으로 하향 경사지는 형태로 형성이 된다.

이러한 상기 회전유도경사부(43)와 회전인가경사부(44)의 구성에 따라, 날개부재(20)가 역방향에서 정방향으로 전환될 때는 역궤도홈(42)에 삽입된 역가이더(32)가 역궤도홈(42) 전방쪽의 회전유도경사부(43)를 통과하면서 회전이 유도됨과 동시에 정가이더(31)는 정궤도홈(41) 전방쪽의 회전인가경사부(44)를 따라 회전이 이루어지게 되며, 상기 회전유도경사부(43)와 회전인가경사부(44)를 통과한 후에는 날개부재(20)가 90° 자전이 되어 정가이더(31)는 정궤도홈(41)으로 삽입된 상태임과 함께 역가이더(32)는 역궤도홈(42)에서 빠져나와 날개틸트부재(40) 표면과 평행한 상태가 되면서 틸트작동이 이루어지게 되는 것이며, 그에 따라 날개판(22)이 풍향과 수직인 상태를 유지하면서 정방향 공전을 계속하게 된다.

또한, 날개부재(20)가 정방향에서 역방향으로 전환될 때는 상기와 정확하게 반대로, 정궤도홈(41)에 삽입된 정가이더(31)가 정궤도홈(41) 후방쪽의 회전유도경사부(43)를 통과하면서 회전이 유도됨과 동시에 역가이더(32)는 역궤도홈(42) 후방쪽의 회전인가경사부(44)를 따라 회전이 이루어지게 되며, 상기 회전유도경사부(43)와 회전인가경사부(44)를 통과한 후에는 날개부재(20)가 다시 90° 자전이 되어 역가이더(32)는 역궤도홈(42)으로 삽입된 상태임과 함께 정가이더(31)는 정궤도홈(41)에서 빠져나와 날개틸트부재(40) 표면과 평행한 상태가 되면서 틸트작동이 이루어지게 되는 것이며, 그에 따라 날개판(22)이 풍향과 평행인 상태를 유지하면서 역방향 공전을 계속하게 되는 것이다.

도 6의 (a)에는 상기한 것처럼 정방향에서 역방향으로 전환될 때 정궤도홈(41) 후방쪽의 회전유도경사부(43)와 역궤도홈(42) 후방쪽의 회전인가경사부(44)에서의 정가이더(31) 및 역가이더(32)가 함께 회전되는 상태가 예시되어 있으며, (b)와 (c)에는 이해의 편의를 위해, 회전유도경사부(43)에서의 정가이더(31) 회전과 회전인가경사부(44)에서의 역가이더(32) 회전이 각각 분리되어 도시되어 있다.

한편, 도 1에 도시된 것처럼, 상기한 날개부재(20)와 날개부재(20)를 틸트하기 위한 가이더부재(30) 및 날개틸트부재(40)는 한 쌍을 이루어 상기 수직동력축(100)을 중심으로 상기 수평회전축(10)의 양쪽에 대칭으로 설치될 수 있다.

그리고, 양쪽의 상기 날개틸트부재(40)는 상기 수직동력축(100)에 의해 중앙부가 관통되면서 풍향의 변화에 따라 자유롭게 회전할 수 있게 설치되는 풍향연동부재(50)에 고정이 될 수 있다.

상기 풍향연동부재(50)는 풍향의 변화에 따라 자유롭게 회전이 되면서 상기 수평회전축(10)의 축선이 항상 풍향에 대해 수직인 방향으로 위치될 수 있도록 한다.

이를 위해, 풍향연동부재(50)에는 풍향의 변화에 따라 풍향연동부재에 회전력을 제공하는 도시되지 않은 풍향지시부재가 후방쪽으로 설치될 수 있으며, 이러한 풍향지시부재의 구성 및 작용은 전술한 선행문헌 등에 자세하게 개시된 공지요소이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 상기 풍향연동부재(50)는 수직동력축(100)과 관계없이 자유롭게 회전되도록 도 2에 도시된 것처럼, 수직동력축(100) 외부의 지지구조물(110)과 스윙베어링(swing bearing)과 같은 지지베어링(B)을 통해 결합 설치될 수 있다.

상기와 같이 수평회전축(10)의 양쪽에 날개부재(20)가 설치되어 수평회전축(10)에 회전력을 인가하게 되므로 동일한 풍력에 대비하여 보다 큰 회전력을 수직동력축(100)으로 전달할 수 있게 된다.

상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 전체적인 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.

상기한 도면들에는 수평회전축(10)에 날개부재(20)가 2개 설치된 것을 일 예로 도시하였는데, 상기 2개의 날개부재(20) 중 어느 하나의 날개부재(20)를 기준으로 그 공전 진행에 따른 작동상태를 설명하기로 한다.

먼저, 날개부재(20)가 풍력에 의해 정방향으로 (전방(F)쪽에서 후방(R)쪽을 향해) 공전하고 있는 상태부터 시작하는 것으로 설명하면, 이 때에는, 정가이더(31)는 날개틸트부재(40)의 표면과 수직으로 돌출되어 날개틸트부재(40)의 정궤도홈(41)에 삽입된 상태로 안내되고 있음과 함께 역가이더(32)는 날개틸트부재(40)의 표면과 평행한 상태로 이동되고 있으며, 따라서 날개스템(21)의 자전은 억제된 상태에서 날개판(22)은 풍향과 수직상태를 유지하면서 정방향 공전을 함으로써 풍력에 의한 최대의 정방향 회전력을 수평회전축(10)에 인가하게 된다.

이렇게 풍력에 의해 정방향 공전이 진행되면서 날개부재(20)가 역방향으로 방향이 전환되는 위치에 도달하게 되는데, 즉, 상기와 같이 날개부재(20)의 정방향 공전에 따라 정가이더(31)가 정궤도홈(41)을 따라 안내되면서 정궤도홈(41)의 후방쪽으로 이동하다 정궤도홈(41)에 형성된 회전유도경사부(43)에 도달하게 되며, 동시에 역가이더(32)도 역궤도홈(42)의 후방쪽에 형성된 회전인가경사부(44)에 도달하게 된다.

이때에는 도 6에 도시된 것과 같이, 정가이더(31)가 회전유도경사부(43)의 걸림턱(43a)에 걸리면서 회전이 시작된 후 계속적으로 상향 경사면을 따라 회전이 이루어지면서 회전유도경사부(43)를 빠져나올 때 90°회전이 되고, 역가이더(32)는 상기 정가이더(31)의 회전에 따라 회전인가경사부(44)를 따라 회전이 이루어지면서 회전인가경사부(44)를 통과할 때는 90° 회전이 되어 역궤도홈(42)에 삽입된 상태로 전환이 된다.

그리고, 이렇게 정가이더(31)와 역가이더(32)의 90°회전에 따라 날개부재(20)도 동일하게 90°자전이 되므로, 상기와 같이 정방향에서 역방향으로 전환되는 부분을 통과하고 나면 날개부재(20)의 자전에 따라 날개판(22)은 풍향과 평행 상태로 틸트가 이루어지게 된다.

그리고, 계속적으로 날개부재(20)가 역방향으로(후방쪽에서 전방쪽을 향해)공전할 때에는, 역가이더(32)는 역궤도홈(42)에 삽입된 상태로 안내되고 있음과 함께 정가이더(31)는 날개틸트부재(40)의 표면과 평행한 상태로 이동되게 되며, 따라서 날개스템(21)의 자전은 억제된 상태에서 날개판(22)은 풍향과 평행 상태를 계속적으로 유지하면서 역방향 공전을 함으로써 풍력에 의해 수평회전축(10)에 인가되는 역방향 회전력을 최소화시킬 수 있게 된다.

이렇게 역방향 방향 공전이 계속 진행되면 날개부재(20)는 다시 역방향에서 정방향으로 방향이 전환되는 위치에 도달하게 되며, 즉, 날개부재(20)의 역방향 공전에 따라 역가이더(32)가 역궤도홈(42)을 따라 안내되면서 역궤도홈(42)의 전방쪽으로 이동하다 역궤도홈(42)에 형성된 회전유도경사부(43)에 도달하게 되며, 동시에 정가이더(31)도 정궤도홈(41)의 전방쪽에 형성된 회전인가경사부(44)에 도달하게 된다.

이때에는 역가이더(32)가 회전유도경사부(43)의 걸림턱(43a)에 걸리면서 회전이 시작된 후 계속적으로 상향 경사면을 따라 회전이 이루어지면서 회전유도경사부(43)를 빠져나올 때 90°회전이 되고, 정가이더(31)는 상기 역가이더(32)의 회전에 따라 회전인가경사부(44)를 따라 회전이 이루어지면서 회전인가경사부(44)를 통과할 때는 90° 회전이 되어 정궤도홈(41)에 삽입된 상태로 전환이 된다.

그리고, 이렇게 역가이더(32)와 정가이더(31)의 90°회전에 따라 날개부재(20)도 동일하게 90°자전이 되므로, 상기와 같이 역방향에서 정방향으로 전환되는 부분을 통과하고 나면 날개부재(20)의 자전에 따라 날개판(22)은 풍향과 수직 상태로 틸트가 이루어지게 되는 것이다.

그리고, 이렇게 날개부재(20)가 정방향으로 전환되고 나면, 다시 전술한 것과 같은 과정을 반복하면서 날개부재(20)는 풍력에 의해 계속적으로 공전을 하면서 수평회전축(10)에 최대한의 정방향 회전력만을 인가하게 되는 것이다.

그리고, 상기와 같이 수평회전축(10)에 인가된 최대한의 정방향 회전력은 기어 결합된 수직동력축(100)으로 전달됨으로써 동일한 풍력에 있어 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것이라 할 것이다.

첨부된 도면들의 주요부위에 대한 부호를 설명하면 다음과 같다.
10: 수평회전축 11: 축몸체
20: 날개부재 21: 날개스템
22: 날개판 23: 날개헤드
30: 가이더부재 31: 정가이더
32: 역가이더 40: 날개틸트부재
41: 정궤도홈 42: 역궤도홈
43: 회전유도경사부 44: 회전인가경사부

Claims (5)

1. 수직형 풍력발전기의 수직동력축(100)에 풍력에 의한 회전력을 인가하는 회전날개장치에 있어서,
   상기 수직동력축(100)과 기어 결합되며, 축선이 풍향과는 수직을 이루면서 지면과는 수평한 수평회전축(10);
   상기 수평회전축(10)에 자전 가능하게 설치되는 날개스템(21)과, 상기 날개스템(21)에 고정되는 날개판(22)을 포함하여, 전방쪽에서 불어오는 바람에 의해서 수평회전축(10)을 중심으로 공전함으로써 수평회전축(10)에 회전력을 인가하는 날개부재(20);
   상기 날개스템(21)에 형성되되, 상기 날개판(22)의 판면에 대해 수평방향으로 돌출되는 정가이더(31)와, 수직방향으로 돌출되는 역가이더(32)로 이루어지는 가이더부재(30);
   상기 날개부재(20)가 전방쪽에서 후방쪽으로 풍향과 동일한 정방향 공전할 때 상기 정가이더(31)가 삽입되어 안내되는 정궤도홈(41)과, 후방쪽에서 전방쪽으로 풍향과 반대인 역방향 공전할 때 상기 역가이더(32)가 삽입되어 안내되는 역궤도홈(42)이 형성되고, 상기 정궤도홈(41)의 후방쪽과 역궤도홈(42)의 전방쪽에는 각각 안내되는 정가이더(31)와 역가이더(32)의 회전을 유도하여 날개부재(20)를 90°자전시키는 회전유도경사부(43)가 형성되어, 날개부재(20)가 상기 정방향으로 공전시에는 날개판(22)의 판면이 풍향과 수직이 되게 하고, 상기 역방향으로 공전시에는 풍향과 평행으로 되게 하는 날개틸트부재(40);를 포함하며,
   상기 수직동력축(100)을 중심으로 하여 상기 날개부재(20), 가이더부재(30), 날개틸트부재(40)가 수평회전축(10)의 양쪽에 대칭으로 설치되고, 양쪽의 날개틸트부재(40)는 상기 수직동력축(100)에 풍향변화에 대응하여 독립 회전 가능하게 설치되는 풍향연동부재(50)에 고정되는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 정궤도홈(41)과 역궤도홈(42)은 상기 수평회전축(10)을 중심으로 각각 상측과 하측에 대칭의 원호 형태로 동심원 상에 형성되고,
   상기 회전유도경사부(43)는 정궤도홈(41) 또는 역궤도홈(42)의 바닥면에서 유선형태로 상향 경사지게 형성되며, 하단에는 걸림턱(43a)이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 회전유도경사부(43)에 의해 정가이더(31) 또는 역가이더(32)가 회전될 때 대응하는 역가이더(32) 또는 정가이더(31)가 연동하여 회전될 수 있도록 정궤도홈(41)의 전방쪽과 역궤도홈(42)의 후방쪽에는 회전유도경사부(43)와 반대로 하향 경사지는 형태의 회전인가경사부(44)가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
5. 삭제

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