KR101418674B1 - 루버유도형 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전부 및 회전부로 구획된 프레임과, 상기 프레임의 내부에 회전가능하게 설치된 샤프트와, 각각이 상기 샤프트를 중심으로 복수의 고정바가 방사상으로 연장 형성되고, 상기 프레임의 회전부 내부에 상하로 서로 마주보도록 상기 샤프트에 결합되어 함께 회전하는 한 쌍의 회전체고정부재와, 복수의 블레이드가 상기 샤프트를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드 각각이 상기 한 쌍의 회전체고정부재 사이에 상하로 설치되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드가 상기 한 쌍의 회전체고정부재와 함께 회전하여 상기 샤프트에 회전력을 발생시키는 회전체와, 각각이 상기 회전체의 바깥 둘레방향을 따라 원호상으로 배치되고, 상기 프레임의 회전부 외주둘레에 좌우로 회전가능하게 설치되며, 평단면상 에어포일 형상으로 형성되어 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전하는 복수의 루버와, 상기 샤프트의 하단에 배치되도록 상기 프레임의 발전부 내부에 설치되고, 상기 샤프트의 회전모멘트를 받아 발전하는 발전모듈을 포함하고, 상기 회전체는, 각각의 블레이드가 평단면상 에어포일 형상으로 형성되고, 전연을 회전중심으로 하여 한 쌍의 상기 회전체고정부재 사이에 회전가능하게 설치되어 피치가변될 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

루버유도형 풍력발전기{LOUVER GUIDED WIND TURBINE}

본 발명은 바람 흐름의 운동에너지를 회전체에 충돌시켜 에너지를 얻는 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바람의 흐름을 효율적으로 회전체에 안내하여 더 큰 회전력으로 발전할 수 있는 루버유도형 풍력발전기에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치를 말한다. 발전기는 보통 몸체와, 상기 몸체에 회전되게 장착되어 외력에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축과 함께 회전하며 다수로 권선되어 있는 코일로 구성된 회전자와, 상기 회전자의 외측에 구비되며 상기 몸체의 내측에 고정 장착되는 자석으로 구성된 고정자를 포함한다.

상기 회전축이 외력에 의해 회전하면, 상기 회전축에 결합된 코일이 회전하면서 상기 자석에서 발생하는 자기장에 의해 상기 코일 내부에는 기전력을 통한 전류가 흐르게 된다. 이러한 발전기는 상기 회전축을 회전시키는 동력원에 따라 수력, 화력, 풍력 및 원자력 등으로 분류된다.

특히 풍력에 의한 발전기는 주로 바람의 흐름을 이용하여 상기 회전축을 회전시키는데, 이러한 회전축을 회전시키는 장치를 풍력발전기라고 한다. 즉, 풍력발전기는 바람의 흐름를 이용하여 발전기의 회전축을 회전시켜 전력을 생산하는 장치이다.

이러한 풍력발전기는 회전축의 방향에 따라 크게 수평축 풍력발전기(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전기(vertical axis wind turbine)의 2가지로 분류할 수 있다. 상기 수평축 풍력발전기는 회전체의 회전축이 바람의 방향과 수평인 풍력발전기이고, 상기 수직축 풍력발전기는 회전체의 회전축이 바람의 방향과 수직인 풍력발전기이다.

보통 풍속이 초속 5m를 넘으면 경제적인 가치가 높은 것으로 평가된다. 국립기상연구소가 만들고 있는 바람지도에 따르면, 우리나라에서 바람자원이 가장 풍부한 곳은 제주도, 백두대간 능선과 서남해안으로 나타났다. 하지만 평원이 적고 산악지형이 대부분인 우리나라에서 풍력자원을 효율적으로 이용하기 위해서 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

수평형 풍력발전기의 경우 일정한 방향의 바람이 꾸준히 불어줄 때 가장 높은 효율을 얻을 수 있고, 바람의 방향 및 세기에 따라 요윙 또는 피칭장치를 설치해야 하며, 대부분 바람 자원이 풍부한 지역에 많이 쓰이고 있다. 반면 수직형 풍력발전기는 고장비율이 낮고, 발전비율이 높아 개발경쟁이 치열한 분야이다. 수평형 풍력발전기의 날개를 돌리기 위해 필요한 최소한의 풍속은 초속 4m인 반면 수직형 풍력발전기는 초속 3.9m의 풍속에서도 20와트 할로겐 전구 3개를 켤 수 있는 만큼의 전력을 생산한다.

이러한 수직형 풍력발전기는 바람의 방향이나 풍속에 영향을 덜 받기 때문에 우리나라의 상황에 적합한 것으로 평가받고 있다. 이러한 수직형 풍력발전기와 같은 소형 풍력발전기의 보급과 함께 풍력발전은 도심으로 범위를 확장하고 있다. 도심의 건물들이 점점 고층화되면서 생겨난 빌딩풍이 신재생에너지로 재탄생하고 있는 것이다.

상기와 같은 수직형 풍력발전기의 경우에도 바람의 흐름을 받아 회전축을 회전시키는 회전체의 형태에 따라 사보니우스형, 다리우스형, 자이로밀형 및 크로스플로우형 등이 있다.

사보니우스형은 네덜란드 사람 사보니우스의 이름을 딴 것으로서, 반 원통형의 2장 날개로 구성되며, 좌우 날개를 서로 다르게 원주 방향으로 다소 중첩되는 부분을 남겨서 엇갈리게 조합한 구성이다. 그에 따라 좌우 날개 사이를 빠져나가는 바람을 반대쪽 날개 뒷면에 흘러들도록 함으로써 회전 방향으로 미는 작용과 맞바람의 저항을 억제하는 힘이 되어 회전효율을 높여준다.

다리우스형은 프랑스인 다리우스에 의해 발명된 풍차로서, 날개는 2~3개가 일반적이고, 항력을 이용하는 사보니우스형과 달리 양력형으로 회전수가 매우 큰 것이 특징이다. 풍향에는 영향이 없으므로 방향타가 불필요하지만 정지상태에서 바람으로부터 얻는 토크가 매우 작으므로 자력으로 회전을 시작하기 어렵기 때문에 기동모터나 사보니우스형과 조합하여 기동성을 향상시키는 등의 대책이 강구되어야 한다.

자이로밀형은 다리우스형을 개량한 것으로 에어포일과 같은 단면을 가진 수직날개형 풍차이다. 다리우스형과 마찬가지로 기동토크가 매우 낮으므로 사보니우스형과 결합하여 기동성을 향상시킬 필요가 있으며, 일단 돌기 시작하면 주속비가 높고 회전토크도 높다.

크로스플로우형은 길쭉한 기와장처럼 생긴 날개를 원판 바깥 둘레의 모서리에 적당한 각도를 주어 등간격으로 여러개를 부착함으로써 내부의 바람이 날개의 틈 사이를 통하여 내부 공동부를 관류하여 반대쪽 날개 틈을 통해 외부로 배출되면서 일정방향으로 회전하는 풍차이다. 물론 수직형 풍력발전기의 특성에 따라 바람에 대해서는 무지향성이고, 모든 방향에서 바람을 받아 회전한다.

상술한 수직형 풍력발전기에 관해서 다수의 특허가 존재하고 있으며, 첫째 작은 바람에도 회전체의 기동성을 확보하고, 둘째 회전체의 기동시 회전력을 크게 하여 발전 효율을 높이고자 바람을 집속하여 안내하거나 회전체의 형상을 변경하는 등의 다양한 형태가 존재하고 있다.

물론 본 발명 역시 수직형 풍력발전기로서 작은 바람에도 회전체의 기동성을 확보하고, 회전체의 기동시 회전력을 더욱 크게 하고자 하는 것은 종래의 기술과 동일한 목적으로 발명된 것이다. 다만 그에 더하여 풍속에 따라 회전체로 안내되는 바람의 흐름을 자동적으로 가변시킬 수 있어 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있도록 하고자 한다.

상기와 같은 관점에서 안출된 본 발명의 목적은, 우리나라의 실정에 맞게 풍속에 따라 회전체로 안내되는 바람의 흐름을 자동적으로 가변시킬 수 있어 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있는 루버유도형 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기는, 하부의 발전부 및 상부의 회전부로 구획된 프레임과, 상기 프레임의 내부에 상기 회전부 상단으로부터 상기 발전부 하단까지 회전가능하게 설치된 샤프트와, 각각이 상기 샤프트를 중심으로 복수의 고정바가 방사상으로 연장 형성되고, 상기 프레임의 회전부 내부에 상하로 서로 마주보도록 상기 샤프트에 결합되어 함께 회전하는 한 쌍의 회전체고정부재와, 복수의 블레이드가 상기 샤프트를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드 각각이 상기 한 쌍의 회전체고정부재 사이에 상하로 설치되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드가 상기 한 쌍의 회전체고정부재와 함께 회전하여 상기 샤프트에 회전력을 발생시키는 회전체와, 각각이 상기 회전체의 바깥 둘레방향을 따라 원호상으로 배치되고, 상기 프레임의 회전부 외주둘레에 좌우로 회전가능하게 설치되며, 평단면상 에어포일 형상으로 형성되어 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전하는 복수의 루버와, 상기 샤프트의 하단에 배치되도록 상기 프레임의 발전부 내부에 설치되고, 상기 샤프트의 회전모멘트를 받아 발전하는 발전모듈을 포함하고, 상기 회전체는, 각각의 블레이드가 평단면상 에어포일 형상으로 형성되고, 전연을 회전중심으로 하여 한 쌍의 상기 회전체고정부재 사이에 회전가능하게 설치되어 피치가변될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 상기 회전체고정부재는, 상기 고정바 각각의 끝단에 평단면상 호를 따라 장형의 가이드홀이 상하로 관통 형성된 부채꼴 테두리 형상의 피치가이드가 각각 형성되고, 상기 회전체는, 상기 블레이드 각각의 전연(leading edge)이 상기 회전체고정부재의 고정바 각각의 끝단에 회전 가능하게 설치되며, 상기 블레이드 각각의 평균캠버선(mean camber line) 상에 상기 피치가이드의 가이드홀을 관통하는 피치가변볼트를 매개로 상기 피치가이드의 가이드홀을 따라 각각 고정 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 루버 각각은, 회전축이 평단면상 공력중심(aerodynamic center)에 위치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 샤프트와 상기 회전체 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부가 형성되고, 중심이 하방으로 오목하게 경사진 원판 형상이고, 상기 프레임의 회전부 상부 중심에 고정 설치되어 상기 와류공간부로부터 발생한 소용돌이를 프레임의 회전부 상방으로 안내하는 와류안내판을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기는, 우리나라의 실정에 맞게 풍속에 따라 회전체로 안내되는 바람의 흐름을 에어포일 형상으로 회전 가능하게 설치된 복수의 루버를 통하여 자동적으로 가변시킬 수 있어 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있다.

특히, 설치되는 지역의 평균 풍속에 따라 회전체 각각의 블레이드를 피치가변시킬 수 있어 최적의 회전효율을 기대할 수 있다.

또한, 샤프트와 회전체 사이에 유입된 바람이 소용돌이를 발생하는 와류공간부가 형성되어 회전체로 유입되는 바람에 흡입력을 발생시켜 더욱 효율적인 회전을 가능하게 하고, 와류공간부에서 발생한 소용돌이는 와류안내판을 통해 프레임의 회전부 상방으로 안내되어 배출됨으로써 바람의 흐름을 보다 원활하게 이끌어내어 발전 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기의 일 실시예를 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 실시예의 측단면도이며,
도 3은 도 1의 실시예의 평단면도이고,
도 4 및 5는 에어포일 형상의 구조를 도시한 개념도이며,
도 6 및 7은 도 3의 실시예를 기준으로 풍속에 따라 회전하는 루버의 움직임을 도시한 평단면도이고,
도 8은 도 2의 실시예를 기준으로 와류공간부의 소용돌이가 와류안내판을 통해 배출되는 상태를 도시한 측단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기는 도 1 내지 8에 도시된 바와 같이 프레임(100), 샤프트(200), 회전체고정부재(300), 회전체(400), 루버(500) 및 발전모듈(600)을 포함하여 이루어지고, 샤프트(200) 및 회전체(400) 사이에 와류공간부(700)가 형성되며, 와류안내판(800)을 더 포함할 수 있다. 특히, 상기 회전체고정부재(300)는 고정바(310), 피치가이드(320) 및 피치가변볼트(330)로 이루어져 상기 회전체(400)의 블레이드(410) 각각을 피치가변시킬 수 있다.

프레임(100)은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 후술할 각종 구성요소가 취부 및 결합되는 뼈대로서, 상하로 직립되게 설치되어 하부의 발전부(110) 및 상부의 회전부(120)로 구획된다. 프레임(100) 하부의 발전부(110)는 후술할 발전모듈(600)이 설치되는 공간이며, 그 외 증감속기, 정전압장치, 전력변환장치 및 축전모듈 등이 설치될 수 있다. 프레임(100) 상부의 회전부(120)는 사방이 개방된 골조구조물로 내부에 후술할 샤프트(200) 및 회전체고정부재(300)가 설치되고, 외주 둘레를 따라 루버(500)가 설치된다.

샤프트(200)는 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 상기 프레임(100)의 내부에 상기 회전부(120) 상단으로부터 상기 발전부(110) 하단까지 회전가능하게 설치된다. 샤프트(200)가 회전 가능하도록 설치되기 위해 샤프트(200)를 회전 지지하는 베어링이 프레임(100) 내부에 구비될 수 있다. 샤프트(200)는 후술할 회전체(400)의 회전력을 받아 회전하며 후술할 발전모듈(600)에 회전모멘트를 제공하여 발전할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기는 샤프트(200)가 상하 수직으로 세워져 회전하므로 수직형 풍력발전기에 해당한다.

회전체고정부재(300)는 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 한 쌍이 구비되어 각각이 상기 샤프트(200)를 중심으로 복수의 고정바(310)가 방사상으로 연장 형성되고, 상기 프레임(100)의 회전부(120) 내부에 상하로 서로 마주보도록 상기 샤프트(200)에 결합되어 함께 회전한다. 회전체고정부재(300)는 한 쌍이 서로 대칭되게 마주보도록 샤프트(200) 상에 고정 결합되고, 상기 프레임(100)의 회전부(120) 내부에 위치한다. 회전체고정부재(300)는 명칭 그대로 후술할 회전체(400)를 고정하는 부재로서, 각각 복수의 고정바(310)가 방사상으로 연장 형성되어 후술할 회전체(400)를 고정하게 된다.

회전체(400)는 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 복수의 블레이드(410)가 상기 샤프트(200)를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드(410) 각각이 상기 한 쌍의 회전체고정부재(300)의 고정바(310) 사이에 상하로 설치되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드(410)가 상기 한 쌍의 회전체고정부재(300)와 함께 회전하여 상기 샤프트(200)에 회전력을 발생시킨다. 회전체(400)는 회전체고정부재(300)에 설치되어 함께 회전할 수 있는 구성이면, 블레이드(410)의 형상이 사보니우스형이나 다리우스형 기타 다른 형상이라도 좋다.

다만, 본 발명에서 회전체(400)는 크로스플로우형과 유사한 형상이되, 특히 상기 회전체(400)의 블레이드(410) 각각은 평단면상 에어포일 형상으로 형성되고, 전연을 회전중심으로 하여 한 쌍의 상기 회전체고정부재(300) 사이에 회전가능하게 설치되어 피치가변될 수 있다. 에어포일 형상은 도 4에 도시된 바와 같이 바람을 받는 전연(leading edge)과 바람이 타고 흐른 후 나가는 후연(trailing edge)으로 구성된다. 고정된 에어포일 형상으로 된 회전체(400)의 블레이드(410) 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 불어오는 바람에 대한 전연의 받음각에 따라 회전효율이 달라질 수 있으므로 설치되는 지역의 평균 풍속에 맞게 회전체(400)의 블레이드(410) 각각의 피치를 가변시킬 수 있도록 설치되는 것이 회전효율을 더욱 극대화시킬 수 있다. 이러한 회전체(400)의 블레이드(410) 각각의 피치를 가변시킬 수 있도록 회전체고정부재(300)에 후술하는 피치가이드(320) 및 피치가변볼트(330)가 형성된다.

즉, 도 1 및 3에 도시된 바와 같이 한 쌍의 상기 회전체고정부재(300)는 상기 고정바(310) 각각의 끝단에 평단면상 호를 따라 장형의 가이드홀(321)이 상하로 관통 형성된 부채꼴 테두리 형상의 피치가이드(320)가 각각 형성된다. 이때, 상기 회전체(400)는 상기 블레이드(410) 각각의 전연이 상기 회전체고정부재(300)의 고정바(310) 각각의 끝단에 회전 가능하게 설치되며, 상기 블레이드(410) 각각의 평균캠버선(mean camber line) 상에 상기 피치가이드(320)의 가이드홀(321)을 관통하는 피치가변볼트(330)를 매개로 상기 피치가이드(320)의 가이드홀(321)을 따라 각각 고정 결합된다. 이를 통해, 회전체(400)의 블레이드(410) 각각은 고정바(310)의 끝단에 회전 가능하게 결합된 전연을 회전중심으로 하여 회전가능하게 설치되고, 블레이드(410) 각각의 평단면상 평균캠버선 상에 피치가이드(320)의 가이드홀(321)을 관통하여 결합되는 피치가변볼트(330)를 매개로 고정 결합된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 피치가변볼트(330)를 조절하여 블레이드(410) 각각은 피치가이드(320)의 가이드홀(321)을 따라 슬라이딩하면서 블레이드(410) 각각의 피치를 가변시킬 수 있는 것이다.

상기 회전체(400)의 블레이드(410)의 형상을 에어포일 형상으로 형성한 것은 후술할 루버(500)와의 연계를 통해 더욱 분명해지겠지만, 회전체(400)가 기동하기 전에 블레이드(410)의 전연방향으로 바람이 유입될 경우 양력을 받고, 블레이드(410)의 평단면상 하부캠버면으로 바람이 유입될 경우 항력을 받아 보다 용이하게 회전할 수 있도록 하고자 한다.

이때, 도 6 및 8에 도시된 바와 같이 회전하는 상기 샤프트(200)와 회전체(400) 사이에 유입된 바람이 소용돌이가 발생하는 와류공간부(700)가 형성된다. 와류공간부(700)는 샤프트(200)와 회전체(400) 사이에 유입된 바람이 소용돌이가 발생하는 구간으로 소용돌이는 와류공간부(700)의 상방을 통해 프레임(100)의 회전부(120) 상방으로 배출된다. 이러한 와류공간부(700)에 발생한 소용돌이는 회전체(400)의 내부로 바람을 흡인하는 기능을 하며 회전체(400)의 회전을 더욱 용이하게 한다. 또한, 와류공간부(700)에 발생한 소용돌이를 프레임(100)의 회전부(120) 상방으로 배출할 때, 보다 효율적으로 배출할 수 있도록 도 8에 도시된 바와 같이 와류안내판(800)을 더 포함할 수 있다. 와류안내판(800)은 중심이 하방으로 오목하게 경사진 원판 형상이고, 상기 프레임(100)의 회전부(120) 상부 중심에 고정 설치되어 상기 와류공간부(700)로부터 발생한 소용돌이를 프레임(100)의 회전부(120) 상방으로 안내한다. 와류안내판(800)을 통해 소용돌이가 퍼지면서 회전체(400)의 회전에 힘을 실어주고, 프레임(100)의 회전부(120) 상방으로 배출될 때 난류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

루버(500)는 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 복수가 구비되어 각각이 상기 회전체(400)의 바깥 둘레방향을 따라 원호상으로 배치되고, 상기 프레임(100)의 회전부(120) 외주둘레에 좌우로 회전가능하게 설치되며, 평단면상 에어포일 형상으로 형성되어 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전한다. 루버(500)는 에어포일 형상으로 형성되어 회전하기 때문에 어느 방향으로 바람이 불어오더라도 루버(500)의 전연이 바람이 불어오는 방향을 향하게 된다. 따라서 불어오는 바람의 방향에 따라 각각의 루버(500)가 회전하여 후연을 통해 내부의 회전체(400)로 바람을 유도하게 된다. 도 7에 도시된 바와 같이 루버(500)는 풍속의 변화에 따라 양력의 크기가 달라지면서 회전반경도 변화하게 되며, 루버(500)를 통해 안내된 바람의 방향은 회전체(400) 각각의 블레이드(410)의 회전효율을 더욱 높일 수 있도록 흘러간다.

상기 루버(500)가 프레임(100)의 회전부(120) 외주둘레에 좌우로 회전가능하게 설치되는데, 이때 루버(500) 각각의 회전축은 도 5에 도시된 바와 같이 평단면상 공력중심(aerodynamic center)에 위치하도록 한다. 공력중심은 바람에 대한 받음각의 변화에 대해 모멘트 값이 일정한 지점으로, 풍속의 변화에 따라 루버(500)의 회전반경이 변화더라도 받음각의 변화에 대해서 변화하지 않는 고정된 위치이기 때문이다. 대칭에어포일의 공력중심은 전연으로부터 시위길이의 1/4지점(시위 25% 지점)에 있다.

한편, 상기 루버(500)가 에어포일 형상으로 회전가능하게 설치됨으로써 또 다른 특징을 가진다. 즉, 바람의 방향성에 상관없이 바람이 불어오는 방향에 위치한 루버(500)가 회전하여 회전체(400)를 향해 바람을 안내하는 것은 물론이고, 바람이 불어오는 방향의 루버(500) 반대측에 위치한 루버(500)의 경우 도 6에 도시된 바와 같이 직접 바람을 맞지 않고, 회전체(400)를 통과한 바람을 외부로 쉽게 유도하여 배출할 수 있는 효과도 있다. 만일 루버(500)가 고정된 상태라면 바람의 방향성에 영향을 받을 수밖에 없고, 특히 바람이 불어오는 방향의 반대측에 위치한 루버(500)를 통해 회전체(400)를 거친 바람이 외부로의 배출이 어려워져 난류가 형성되어 회전체(400)의 회전효율을 저하시킬 수 있기 때문이다.

발전모듈(600)은 도 2에 도시된 바와 같이 상기 샤프트(200)의 하단에 배치되도록 상기 프레임(100)의 발전부(110) 내부에 설치되고, 상기 샤프트(200)의 회전모멘트를 받아 발전한다. 발전모듈(600)은 일반적인 발전기로서, 상기 샤프트(200)과 함께 회전하며 다수로 권선되어 있는 코일로 구성된 회전자(미도시)와, 상기 회전자의 외측에 구비되며 고정 장착되는 자석(미도시)으로 구성된 고정자를 포함하며, 상기 샤프트(200)가 바람에 의해 회전하면, 상기 샤프트(200)에 결합된 코일이 회전하면서 상기 자석에서 발생하는 자기장에 의해 상기 코일 내부에는 기전력을 통한 전류가 흐르게 된다. 물론, 발전모듈(600)에서 생산한 전력은 축전기(미도시) 등을 통해 축전하여 사용하거나 발전된 전력을 전기장치에 바로 사용할 수도 있다.

본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기의 작동과정을 도 3, 6 내지 8을 참조하여 보다 상세하게 살펴보되, 중복된 설명은 생략한다.

도 3에 도시된 바와 같이 바람이 불지 않는 경우에는 샤프트(200) 및 회전체(400)는 정지된 상태이고, 루버(500) 역시 바람의 방향과 상관없이 제멋대로 회전된 상태이다. 다만, 설치되는 지역의 평균 풍속에 맞추어 회전체(400)의 블레이드(410) 각각을 피치가변볼트(330)로 조절하여 회전체고정부재(300)의 피치가이드(320)의 가이드홀(321)을 따라 회전시켜 고정 결합시킨다.

이때, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 일방향으로부터 바람이 불어오면, 먼저 바람이 불어오는 방향에 위치한 루버(500) 각각이 불어오는 바람의 방향을 향하도록 전연이 회전하고, 풍속에 따라 양력을 받아 더 큰 회전반경으로 회전하기도 한다. 루버(500)를 통과한 바람의 흐름은 회전체(400)를 향하고, 회전체(400) 각각의 블레이드(410)는 기동시 양력과 함께 항력을 받아 회전하게 된다.

회전체(400)의 회전이 커지면 커질수록 회전체(400)와 샤프트(200) 사이의 와류공간부(700)에는 소용돌이가 발생하고, 발생한 소용돌이는 도 8에 도시된 바와 같이 와류안내판(800)을 통해 프레임(100)의 회전부(120) 상방으로 배출된다. 이때 와류공간부(700)의 소용돌이는 회전체(400) 내부로 바람이 보다 용이하게 흡인되도록 유도하고, 회전체(400) 바깥둘레의 루버(500)는 회전체(400)를 향해 바람의 흐름을 풍속에 따라 변화시켜 안내한다. 한편, 불어오는 바람을 맞는 루버(500)의 반대측 루버(500)들은 직접 바람을 맞지 않고, 회전체(400)를 거친 바람을 맞게 되고 그에 따라 각각의 루버(500)들은 회전하면서 바람을 용이하게 외부로 배출할 수 있는 것이다.

바람에 의해 회전체(400)가 회전하면 샤프트(200)가 회전하게 되고, 결국 샤프트(200)의 회전모멘트를 발전모듈(600)이 받아 발전하게 되는 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 루버유도형 풍력발전기는, 우리나라의 실정에 맞게 풍속에 따라 회전체(400)로 안내되는 바람의 흐름을 에어포일 형상으로 회전 가능하게 설치된 복수의 루버(500)를 통하여 자동적으로 가변시킬 수 있어 회전체(400)의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체(400)를 회전시킬 수 있다.

특히, 설치되는 지역의 평균 풍속에 따라 회전체(400) 각각의 블레이드(410)를 피치가변시킬 수 있어 최적의 회전효율을 기대할 수 있다.

또한, 샤프트(200)와 회전체(400) 사이에 유입된 바람이 소용돌이를 발생하는 와류공간부(700)가 형성되어 회전체(400)로 유입되는 바람에 흡입력을 발생시켜 더욱 효율적인 회전을 가능하게 하고, 와류공간부(700)에서 발생한 소용돌이는 와류안내판(800)을 통해 프레임(100)의 회전부(120) 상방으로 안내되어 배출됨으로써 바람의 흐름을 보다 원활하게 이끌어내어 발전 효율을 높일 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

100 : 프레임
110 : 발전부 120 : 회전부
200 : 샤프트
300 : 회전체고정부재 310 : 고정바
320 : 피치가이드 321 : 가이드홀
330 : 피치가변볼트
400 : 회전체 410 : 블레이드
500 : 루버
600 : 발전모듈
700 : 와류공간부
800 : 와류안내판

Claims (4)

1. 하부의 발전부 및 상부의 회전부로 구획된 프레임과,
   상기 프레임의 내부에 상기 회전부 상단으로부터 상기 발전부 하단까지 회전가능하게 설치된 샤프트와,
   각각이 상기 샤프트를 중심으로 복수의 고정바가 방사상으로 연장 형성되고, 상기 프레임의 회전부 내부에 상하로 서로 마주보도록 상기 샤프트에 결합되어 함께 회전하는 한 쌍의 회전체고정부재와,
   복수의 블레이드가 상기 샤프트를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드 각각이 상기 한 쌍의 회전체고정부재 사이에 상하로 설치되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드가 상기 한 쌍의 회전체고정부재와 함께 회전하여 상기 샤프트에 회전력을 발생시키는 회전체와,
   각각이 상기 회전체의 바깥 둘레방향을 따라 원호상으로 배치되고, 상기 프레임의 회전부 외주둘레에 좌우로 회전가능하게 설치되며, 평단면상 에어포일 형상으로 형성되어 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전하는 복수의 루버와,
   상기 샤프트의 하단에 배치되도록 상기 프레임의 발전부 내부에 설치되고, 상기 샤프트의 회전모멘트를 받아 발전하는 발전모듈을 포함하고,
   상기 회전체는,
   각각의 블레이드가 평단면상 에어포일 형상으로 형성되고, 피치가변될 수 있도록 전연을 회전중심으로 하여 한 쌍의 상기 회전체고정부재 사이에 회전가능하게 설치되고,
   상기 샤프트와 상기 회전체 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부가 형성되고,
   중심이 하방으로 오목하게 경사진 원판 형상이고, 상기 프레임의 회전부 상부 중심에 고정 설치되어 상기 와류공간부로부터 발생한 소용돌이를 프레임의 회전부 상방으로 안내하는 와류안내판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 루버유도형 풍력발전기.
   
2. 제1항에 있어서,
   한 쌍의 상기 회전체고정부재는,
   상기 고정바 각각의 끝단에 평단면상 호를 따라 장형의 가이드홀이 상하로 관통 형성된 부채꼴 테두리 형상의 피치가이드가 각각 형성되고,
   상기 회전체는,
   상기 블레이드 각각의 전연(leading edge)이 상기 회전체고정부재의 고정바 각각의 끝단에 회전 가능하게 설치되며, 상기 블레이드 각각의 평균캠버선(mean camber line) 상에 상기 피치가이드의 가이드홀을 관통하는 피치가변볼트를 매개로 상기 피치가이드의 가이드홀을 따라 각각 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 루버유도형 풍력발전기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 루버 각각은,
   회전축이 평단면상 공력중심(aerodynamic center)에 위치하는 것을 특징으로 하는 루버유도형 풍력발전기.
   
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