KR101418676B1 - 트윈 에어포일형 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우리나라의 실정에 맞게 새로운 형태의 회전체를 통해 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있는 트윈 에어포일형 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 회전체가 복수의 블레이드모듈로 이루어지고, 상기 블레이드모듈 각각은 평단면상 에어포일 형상으로 상부 및 하부결합판 사이에 한 쌍의 메인블레이드와 서브블레이드가 각각 결합되되 고정된 메인블레이드에서 주로 양력 및 항력을 받아 회전체를 회전시키되 서브블레이드는 유입되는 바람에 의해 발생하는 양력에 따라 회전하면서 메인블레이드에 양력 및 항력을 보다 크게 증가시켜 회전체의 회전효율을 더욱 극대화시킬 수 있다. 더욱이, 상기 샤프트와 함께 회전하는 가변관성모듈을 통하여 상기 샤프트의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 하여 샤프트의 회전속도를 일정하게 제한할 수 있고, 과도한 풍속에도 샤프트의 회전속도를 제한함으로써 발전을 가능하게 하여 효율적인 발전을 이루어낼 수 있다. 또한, 샤프트와 회전체 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부가 형성되어 회전체로 유입되는 바람에 흡인력을 발생시켜 더욱 효율적인 회전을 가능하게 하여 발전 효율을 높일 수 있다.

Description

트윈 에어포일형 풍력발전기{TWIN-AIRFOIL TYPE WIND TURBINE}
본 발명은 바람 흐름의 운동에너지를 회전체에 충돌시켜 에너지를 얻는 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바람의 흐름을 효율적으로 회전체에 충돌시켜 더 큰 회전력으로 발전할 수 있는 트윈 에어포일형 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 새로운 형태의 회전체를 통해 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있도록 하고자 한다.
상기와 같은 관점에서 안출된 본 발명의 목적은, 우리나라의 실정에 맞게 새로운 형태의 회전체를 통해 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있는 트윈 에어포일형 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 트윈 에어포일형 풍력발전기는, 바닥에 고정 설치되고, 내부가 중공인 프레임과, 상기 프레임의 내부로부터 상방으로 돌출되어 회전가능하게 관통 설치된 샤프트와, 각각이 상기 샤프트를 중심으로 방사상으로 연장 형성되어 상기 샤프트와 함께 회전하는 복수의 회전체고정바와, 복수의 블레이드모듈이 상기 샤프트를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드모듈 각각이 상기 회전체고정바 각각에 결합되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드모듈이 상기 회전체고정바와 함께 회전하여 상기 샤프트에 회전력을 발생시키는 회전체와, 상기 프레임의 내부에 설치되어 상기 샤프트의 회전모멘트를 받아 발전하는 발전모듈과, 상기 샤프트 상에 고정 결합되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 샤프트의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 변화하는 가변관성모듈을 포함하고, 상기 회전체의 블레이드모듈 각각은, 각각이 평단면상 에어포일 형상으로 된 판상이고, 서로 마주보도록 상하로 분리된 한 쌍의 상부결합판 및 하부결합판과, 평단면상 에어포일 형상으로 후연이 상기 상부결합판 및 하부결합판의 후연에 일치하도록 상기 상부결합판 및 하부결합판 사이에 상하로 고정 결합되고, 상기 회전체고정바가 하부캠버면 상에 결합되는 메인블레이드와, 평단면상 에어포일 형상으로 전연이 상기 상부결합판 및 하부결합판의 전연에 일치하도록 상기 상부결합판 및 하부결합판 사이에 상하로 결합되고, 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전하는 서브블레이드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변관성모듈은, 내부가 중공인 상광하협으로 형성된 몸체와, 각각이 상기 몸체의 내부에 자유롭게 움직이도록 배치되고, 상기 샤프트의 회전이 정지된 경우 상기 몸체의 바닥면 중심으로 모이며, 상기 샤프트가 회전하여 점점 속도가 커질수록 상기 몸체의 바닥면을 타고 외측 반경방향으로 이동하는 복수의 질량볼을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변관성모듈의 몸체는, 회전중심으로부터 방사상 등간격으로 내부를 구획하는 복수의 격벽을 포함하고, 상기 가변관성모듈의 질량볼 각각은, 상기 몸체의 격벽 각각으로 구획된 내부마다 동일한 수로 채워진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 서브블레이드는, 회전축이 평단면상 공력중심(aerodynamic center)에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전체의 블레이드모듈 각각은, 상기 서브블레이드의 회전시 상기 서브블레이드의 후연이 상기 메인블레이드의 전연 전방까지만 회전하도록 한 쌍의 상기 상부결합판 및 하부결합판의 서로 마주보는 면에 상호 대칭되게 각각 돌출된 한 쌍의 회전제한보스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전하는 상기 샤프트와 상기 회전체 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부가 형성되고, 상기 샤프트의 외주면에 방사상으로 각각 돌출 형성되어 상기 샤프트와 함께 회전하면서 상기 와류공간부에 발생한 소용돌이를 상방으로 안내하는 복수의 회전리브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기는, 우리나라의 실정에 맞게 새로운 형태의 회전체를 통해 회전체의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체를 회전시킬 수 있다.
특히, 상기 회전체는 복수의 블레이드모듈로 이루어지고, 상기 블레이드모듈 각각은 평단면상 에어포일 형상으로 상부 및 하부결합판 사이에 한 쌍의 메인블레이드와 서브블레이드가 각각 결합되되 고정된 메인블레이드에서 주로 양력 및 항력을 받아 회전체를 회전시키되 서브블레이드는 유입되는 바람에 의해 발생하는 양력에 따라 회전하면서 메인블레이드에 양력 및 항력을 보다 크게 증가시켜 회전체의 회전효율을 더욱 극대화시킬 수 있다.
더욱이, 상기 샤프트와 함께 회전하는 가변관성모듈을 통하여 상기 샤프트의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 하여 샤프트의 회전속도를 일정하게 제한할 수 있고, 과도한 풍속에도 샤프트의 회전속도를 제한함으로써 발전을 가능하게 하여 효율적인 발전을 이루어낼 수 있다.
또한, 샤프트와 회전체 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부가 형성되어 회전체로 유입되는 바람에 흡인력을 발생시켜 더욱 효율적인 회전을 가능하게 하여 발전 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기의 일 실시예를 도시한 측단면도이고
도 2는 도 1의 실시예의 평단면도이며,
도 3은 도 2의 실시예 중 회전체의 블레이드모듈을 도시한 결합사시도이고,
도 4는 도 3의 실시예의 분해사시도이며,
도 5 및 6은 에어포일 형상의 구조를 도시한 개념도이고,
도 7 및 8은 도 2의 실시예에서 풍속에 따라 회전하는 서브블레이드의 움직임을 도시한 평단면도이고,
도 9은 도 1의 실시예에서 와류공간부의 소용돌이가 회전리브를 통해 상방으로 안내되는 상태를 도시한 측단면도이며,
도 10은 도 1의 실시예 중 가변관성모듈의 작동과정을 도시한 측단면도이고,
도 11은 도 1의 실시예 중 가변관성모듈의 제1 실시예의 작동과정을 도시한 평단면도이며,
도 12는 도 1의 실시예 중 가변관성모듈의 제2 실시예의 작동과정을 도시한 평단면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기는 도 1 내지 9에 도시된 바와 같이 프레임(100), 샤프트(200), 회전체고정바(300), 회전체(400), 발전모듈(500) 및 가변관성모듈(600)을 포함하여 이루어진다. 특히, 상기 회전체(400)는 복수의 블레이드모듈(410)로 구성되며, 상기 블레이드모듈(410) 각각은 상부결합판(411), 하부결합판(412), 메인블레이드(413) 및 서브블레이드(414)를 포함하고, 회전제한보스(415)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 샤프트(200) 및 회전체(400) 사이에 와류공간부(700)가 형성되며, 샤프트(200)에는 회전리브(800)가 형성될 수 있다.
프레임(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 바닥에 고정 설치되고, 내부가 중공이다. 이러한 프레임(100)의 중공인 내부에는 후술할 발전모듈(500)이 설치되는 공간이며, 그 외 증감속기, 정전압장치, 전력변환장치 및 축전모듈 등이 설치될 수 있다. 프레임(100)의 상방에는 후술할 샤프트(200)와 연결 설치된 회전체고정바(300) 및 회전체(400)가 설치된다.
샤프트(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 프레임(100)의 내부로부터 상방으로 돌출되어 회전가능하게 관통 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(500)에 회전모멘트를 제공하여 발전할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기는 샤프트(200)가 상하 수직으로 세워져 회전하므로 수직형 풍력발전기에 해당한다.
회전체고정바(300)는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 복수가 구비되어 각각이 상기 샤프트(200)를 중심으로 방사상으로 연장 형성되어 상기 샤프트(200)와 함께 회전한다. 회전체고정바(300)는 후술할 회전체(400)의 상하 길이, 즉 높이에 따라 복수의 회전체고정바(300)를 1단으로 놓았을 때, 1단 내지 3단 이상이 구비될 수도 있다. 즉, 도 1에는 회전체고전바(300)가 상하로 2단 배치되어 있으나 회전체(400)의 높이가 더 작을 경우 1단만 놓을 수도 있고, 회전체(400)의 높이가 더 클 경우 3단까지 놓을 수도 있다. 회전체고정바(300)는 명칭 그대로 후술할 회전체(400)를 고정하는 부재로서, 각각이 샤프트(200)를 중심으로 방사상으로 연장 형성되어 후술할 회전체(400)를 고정하게 된다.
회전체(400)는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 복수의 블레이드모듈(410)이 상기 샤프트(200)를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드모듈(410) 각각이 상기 회전체고정바(300) 각각에 결합되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드모듈(410)이 상기 회전체고정바(300)와 함께 회전하여 상기 샤프트(200)에 회전력을 발생시킨다. 이러한 회전체(400)의 블레이드모듈(410)의 구체적인 구성은 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이 각각 상부결합판(411), 하부결합판(412), 메인블레이드(413) 및 서브블레이드(414)를 포함한다.
블레이드모듈(410)의 상부결합판(411) 및 하부결합판(412)은 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 한 쌍으로 각각이 평단면상 에어포일 형상으로 된 판상이고, 서로 마주보도록 상하로 분리되어 있다. 이러한 한 쌍의 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 메인블레이드(413) 및 서브블레이드(414)가 일렬로 설치된다.
메인블레이드(413)는 평단면상 에어포일 형상으로 후연이 상기 상부결합판(411) 및 하부결합판(412)의 후연에 일치하도록 상기 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 상하로 고정 결합되고, 상기 회전체고정바(300)가 하부캠버면 상에 결합된다. 블레이드모듈(410)이 회전체고정바(300)에 결합될 때 메인블레이드(413)의 하부캠버면을 통해 고정 결합되며, 메인블레이드(413)는 평단면상 에어포일 형상으로 도 5에 도시된 바와 같이 하부캠버면은 에어포일의 하면을 의미한다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 회전체고정바(300)의 끝단이 상기 메인블레이드(413)의 하부캠버면을 통해 고정 결합됨을 알 수 있다. 또한, 메인블레이드(413)는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 고정 결합되는데, 이때 메인블레이드(413)의 후연이 상기 상부결합판(411) 및 하부결합판(412)의 후연에 일치하도록 고정 결합된다. 이는 후술할 서브블레이드(414)와의 관계에서 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 메인블레이드(413)와 서브블레이드(414)가 일렬로 배치되도록 하기 위한 구성이다.
상기 메인블레이드(413)의 형상을 에어포일 형상으로 형성한 것은 후술할 서브블레이드(414)와의 연계를 통해 더욱 분명해지겠지만, 회전체(400)가 기동하기 전에 블레이드모듈(410)의 메인블레이드(413) 전연방향으로 바람이 유입될 경우 양력을 받고, 메인블레이드(413)의 평단면상 하부캠버면으로 바람이 유입될 경우 항력을 받아 보다 용이하게 회전할 수 있도록 하고자 한다.
서브블레이드(414)는 도 2 내지 4, 7 및 8에 도시된 바와 같이 평단면상 에어포일 형상으로 전연이 상기 상부결합판(411) 및 하부결합판(412)의 전연에 일치하도록 상기 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 상하로 결합되고, 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전한다. 즉, 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 서브블레이드(414)가 전방에 위치하고, 메인블레이드(413)가 서브블레이드(414)와 일렬로 후방에 위치하게 된다. 다만, 메인블레이드(413)가 상부결합판(411) 및 하부결합판(412) 사이에 고정 설치됨에 반해, 서브블레이드(414)는 유입되는 바람의 방향에 따라 양력을 받아 회전하게 된다. 서브블레이드(414)의 회전에 의한 효과는, 첫째 바람을 마주보는 측의 서브블레이드(414)는 전연이 바람을 향해 있으면서 양력을 받아 회전하며 메인블레이드(413)의 전연방향으로 바람을 안내하여 메인블레이드(413)의 양력을 높이고, 둘째 항력을 받을 때는 메인블레이드(413)와 함께 더 큰 항력으로 회전력을 높이며, 셋째 바람을 마주보는 측의 반대편의 서브블레이드(414)는 회전과 함께 서브블레이드(414)가 메인블레이드(413) 사이에 공간을 형성하여 바람이 외부로 용이하게 빠져나갈 수 있도록 가이드 해준다. 이때 상기 서브블레이드(414)는 회전축이 도 6에 도시된 바와 같이 평단면상 공력중심(aerodynamic center)에 위치하도록 한다. 공력중심은 바람에 대한 받음각의 변화에 대해 모멘트 값이 일정한 지점으로, 풍속의 변화에 따라 서브블레이드(414)의 회전반경이 변화더라도 받음각의 변화에 대해서 변화하지 않는 고정된 위치이기 때문이다. 대칭에어포일의 공력중심은 전연으로부터 시위길이의 1/4지점(시위 25% 지점)에 있다.
한편, 상기 회전체(400)의 블레이드모듈(410) 중 서브블레이드(414)가 회전축을 중심으로 유입되는 바람에 따라 양력을 받아 자유롭게 회전할 경우 항력을 받는 구간에서 필요없는 손실이 발생할 수 있다. 즉, 도 7을 참조하여 우측방향을 각도 0도로 하여 좌측상방으로 120도까지 메인블레이드(413)는 항력을 받아 샤프트(200)에 회전력을 제공하게 되는데, 서브블레이드(414)가 자유 회전하게 되면 서브블레이드(414)는 양력만 받고, 항력은 받지 못하게 된다. 이는 서브블레이드(414)의 길이만큼 회전을 위한 항력손실이 발생할 수 있다. 이러한 항력손실을 줄이고, 서브블레이드(414)가 메인블레이드(413)와 함께 항력을 받을 수 있도록 서브블레이드(414)의 회전을 제한할 필요가 있다. 이를 위해, 도 2 내지 4 및 7에 도시된 바와 같이 상기 회전체(400)의 블레이드모듈(410) 각각은, 상기 서브블레이드(414)의 회전시 상기 서브블레이드(414)의 후연이 상기 메인블레이드(413)의 전연 전방까지만 회전하도록 한 쌍의 상기 상부결합판(411) 및 하부결합판(412)의 서로 마주보는 면에 상호 대칭되게 각각 돌출된 한 쌍의 회전제한보스(415)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 서브블레이드(414)는 회전체(400)의 다른 회전구간에서는 자유롭게 회전하되 메인블레이드(413)가 항력을 받는 구간에서는 서브블레이드(414)의 후연이 메인블레이드(413)의 전연 전방까지만 회전하도록 회전제한보스(415)에 회전이 구속된다. 결국, 메인블레이드(413)가 항력을 받는 구간에서는 서브블레이드(412) 역시 메인블레이드(413)와 함께 항력을 받아 샤프트(200)에 더 큰 회전력을 제공하게 된다.
발전모듈(500)은 도 1에 도시된 바와 같이 프레임(100)의 내부에 설치되어 상기 샤프트(200)의 회전모멘트를 받아 발전한다. 발전모듈(500)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(500)에서 생산한 전력은 축전기(미도시) 등을 통해 축전하여 사용하거나 발전된 전력을 전기장치에 바로 사용할 수도 있다.
가변관성모듈(600)은 도 1, 10 및 11에 도시된 바와 같이 상기 샤프트(200)의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트(200)의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 상기 샤프트(200) 상에 고정 결합되어 상기 샤프트(200)와 함께 회전한다. 관성(inertia)이란 사전적 의미로는 현재의 운동상태를 지속하게 하는 물체의 성질로서, 정지하고 있거나 움직이고 있는 물체는 각각 관성 때문에 움직이게 하거나, 속도의 크기나 방향을 변화시키려는 어떠한 힘에 대해서도 저항한다. 즉, 관성은 수동적인 성질로서, 물체가 힘이나 토크(회전력) 등의 능동적인 힘에 저항하게 하는 것 외에는 물체에 아무런 작용을 하지 않는다.
이러한 관성의 크기는 관성질량과 관성모멘트(회전질량)로 나눌 수 있다. 뉴턴의 제2법칙인 힘은 질량과 가속도의 곱(F=ma)으로 표현되는데, 병진운동에서 물체의 관성은 질량(m)이 되고, 이를 관성질량이라고 표기한다. 이를 회전운동에 적용하면 회전력은 회전질량(관성모멘트, I)과 각가속도의 곱(T=Iα)으로 표현되는데, 회전운동에서 물체의 관성은 회전질량이 되고, 이를 관성모멘트라고 표기한다. 따라서 관성모멘트는 어떤 물체의 회전관성을 정량적으로 측정한 값으로서, 어떤 축의 둘레를 회전하고 있는 물체에 회전력을 가하여 축 주위를 도는 회전속력을 변화시키려고 할 때, 물체가 보이는 저항의 크기를 말한다. 이러한 관성모멘트(I)는 특정의 회전축에 대한 값으로 나타나며, 회전체를 작은 부분으로 나누어 그 각 부분의 질량에 회전축과 각 부분 사이의 거리의 제곱을 곱하고 나서 그들을 모두 합한 값(I=Σmr2)으로 정의된다.
즉, 회전운동에서 어떤 물체의 관성모멘트가 크다는 것은 정지상태에서 회전운동으로 변화시키기가 어렵다는 것이고, 반대로 관성모멘트가 작다는 것은 정지상태에서 회전운동으로 변화시키기가 보다 용이하다는 것이다. 이러한 원리를 본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기에 적용하고자 한다면, 샤프트(200)가 특정의 회전축이 되고, 샤프트(200)와 함께 회전하는 구성으로는 회전체고정바(300), 회전체(400) 및 가변관성모듈(600)이 된다. 이 중 회전체고정바(300) 및 회전체(400)는 샤프트(200)에 고정되어 변화하지 않는 값인 반면에, 가변관성모듈(600)을 샤프트(200)의 회전속도의 변화에 따른 원심력의 크기에 따라 관성모멘트를 변화시킬 수 있도록 구성한다. 즉, 가변관성모듈(600)은 상기 샤프트(200)의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트(200)의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 변화하는 것이다. 이러한 가변관성모듈(600)의 관성모멘트의 변화는 첫째, 샤프트(200)가 정지상태에서 최초 기동시의 회전속도가 작을 때는 관성모멘트를 작게 하여 샤프트(200)의 정지상태에서 회전운동으로 변화시키기 용이하도록 하고, 둘째 샤프트(200)가 회전상태에서 고속회전시 관성모멘트를 크게 하여 회전운동을 계속적으로 유지하게 하는 역할과 함께 샤프트(200)의 급속한 회전속도를 제한할 수 있다. 예컨대, 피겨스케이터의 회전운동시 팔이나 다리를 몸 안쪽으로 오무리면 관성모멘트가 작아져 회전속도가 커지고, 반대로 팔이나 다리를 몸 바깥으로 벌리면 관성모멘트가 커져 회전속도가 느려지는 것을 확인할 수 있다.
상기와 같은 가변관성모듈(600)에서 샤프트(200)의 회전속도에 따라 관성모멘트를 변화시킬 수 있도록 구체적인 구성을 상세히 설명한다. 즉, 가변관성모듈(600)은 도 1, 10 및 11에 도시된 바와 같이 내부가 중공인 상광하협으로 형성된 몸체(610)와, 각각이 상기 몸체(610)의 내부에 자유롭게 움직이도록 배치되고, 상기 샤프트(200)의 회전이 정지된 경우 상기 몸체(610)의 바닥면 중심으로 모이며, 상기 샤프트(200)가 회전하여 점점 속도가 커질수록 상기 몸체(610)의 바닥면을 타고 외측 반경방향으로 이동하는 복수의 질량볼(620)을 포함한다.
상기 가변관성모듈(600)의 몸체(610) 내부가 상광하협, 즉 위는 넓고 아래는 좁은 형상인 이유는 각각의 질량볼(620)이 샤프트(200)의 정지와 함께 몸체(610)가 정지상태인 경우 몸체(610)의 바닥면을 타고 몸체(610)의 하부 중심으로 모이게 하여 가변관성모듈(600)의 관성모멘트를 작게 하고, 샤프트(200)의 회전속도가 점점 커져 몸체(610) 역시 회전상태인 경우 몸체(610)의 하부 중심에 모인 각각의 질량볼(620)이 몸체(610)의 내부에서 원심력에 의해 몸체(610)의 내부에서 외측 반경방향으로 이동하여 가변관성모듈(600)의 관성모멘트를 크게 하고자 하는 것이다.
한편, 상기 가변관성모듈(600)의 몸체(610) 내부가 구획되지 않고, 질량볼(610)이 몸체(610)의 내부에서 전후좌우상하로 너무 자유롭게 움직인다면, 질량볼(610)이 어느 일측방향으로만 모이거나 흩어져 샤프트(200)를 중심으로 가변관성모듈(600)의 회전중심이 편심될 수 있고, 이는 오히려 샤프트(200)의 회전을 방해하는 요소가 될 수 있다. 이러한 가변관성모듈(600)의 몸체(610) 내부에서 원둘레를 따라 각각의 질량볼(620)이 균등하게 놓일 수 있도록 몸체(610)의 내부를 구획하는 것이다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이 상기 가변관성모듈(600)의 몸체(610)는 회전중심으로부터 방사상 등간격으로 내부를 구획하는 복수의 격벽(611)을 포함하고, 상기 가변관성모듈(600)의 질량볼(620) 각각은, 상기 몸체(610)의 격벽(611) 각각으로 구획된 내부마다 동일한 수로 채워질 수 있다. 이를 통해 각각의 질량볼(620)이 몸체(610)의 내부 격벽(611)으로 구획된 구간마다 동일한 수로 나뉘어 몸체(610)의 내부 중심으로 모이거나 반경방향으로 이동하여 가변관성모듈(600)이 편심되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 7 및 9에 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 회전체(400)의 내부로 바람을 흡인하는 기능을 하며 회전체(400)의 회전을 더욱 용이하게 한다. 또한, 와류공간부(700)에 발생한 소용돌이를 와류공간부(700)의 상하로 나누어 배출하는 것보다는 상방으로 일정하게 배출할 경우 소용돌이의 회전력이 커져 회전체(400)의 회전효율을 더욱 높일 수 있다. 즉, 와류공간부(700)의 소용돌이를 상방으로 보다 효율적으로 배출할 수 있도록 도 7 및 9에 도시된 바와 같이 회전리브(800)를 더 포함할 수 있다. 회전리브(800)는 상기 샤프트(200)의 외주면에 방사상으로 각각 돌출 형성되어 상기 샤프트(200)와 함께 회전하면서 상기 와류공간부(700)에 발생한 소용돌이를 상방으로 안내한다. 샤프트(200)와 함께 회전하는 회전리브(800)의 회전을 통해 소용돌이가 점점 커지면서 회전체(400)의 회전에 힘을 실어주고, 와류공간부(700) 상방으로 일정하게 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기의 작동과정을 도 2, 7, 9 및 10를 참조하여 보다 상세하게 살펴보되, 중복된 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이 바람이 불지 않는 경우에는 샤프트(200) 및 회전체(400)의 블레이드모듈(410) 각각은 정지된 상태이고, 서브블레이드(414) 역시 바람의 방향과 상관없이 제멋대로 회전된 상태이다. 또한, 가변관성모듈(600)의 질량볼(620)은 관성모멘트가 작아지도록 몸체(610) 내부 중심에 모두 모여 있는 상태이다.
이때, 도 7 및 9에 도시된 바와 같이 일방향으로부터 바람이 불어오면, 먼저 바람이 불어오는 방향에 위치한 서브블레이드(414) 각각이 불어오는 바람의 방향을 향하도록 전연이 회전하고, 풍속에 따라 양력을 받아 더 큰 회전반경으로 회전하기도 한다. 서브블레이드(414)를 통과한 바람의 흐름은 메인블레이드(413)를 향하고, 회전체(400) 각각의 블레이드모듈(410)은 기동시 양력과 함께 항력을 받아 회전하게 된다. 또한, 가변관성모듈(600)은 관성모멘트가 작아진 상태에서 회전체(400) 및 샤프트(200)의 회전을 용이하게 한 후, 질량볼(620)이 몸체(610)의 내부 중심으로부터 외측 반경방향으로 점점 이동하여 관성모멘트를 크게 한다.
회전체(400)의 회전이 커지면 커질수록 회전체(400)와 샤프트(200) 사이의 와류공간부(700)에는 소용돌이가 발생하고, 발생한 소용돌이는 도 9에 도시된 바와 같이 회전리브(800)의 회전을 통해 더 큰 소용돌이를 일으키면서 와류공간부(700)의 상방으로 배출된다. 이때 와류공간부(700)의 소용돌이는 회전체(400) 내부로 바람이 보다 용이하게 흡인되도록 유도한다. 한편, 불어오는 바람을 맞는 블레이드모듈(410)의 반대측 블레이드모듈(410)의 서브블레이드(414)들은 직접 바람을 맞지 않고, 블레이드모듈(410)의 회전반경을 따라 바람을 타게 되고 그에 따라 각각의 서브블레이드(414)들은 회전하면서 메인블레이드(413)와의 사이에 공간을 형성하여 바람을 용이하게 외부로 배출할 수 있는 것이다. 또한, 도 10에 도시된 바와 같이 회전체(400) 및 샤프트(200)의 급속한 회전으로 인해 회전속도가 제어할 수 없을 정도로 커지지 않도록 가변관성모듈(600)의 관성모멘트가 극대화되어 회전체(400) 및 샤프트(200)의 회전속도를 제한할 수 있고, 샤프트(200)의 회전속도를 일정하게 유지하여 지속적인 회전력을 기대할 수 있다.
바람에 의해 회전체(400)가 회전하면 샤프트(200)가 회전하게 되고, 결국 샤프트(200)의 회전모멘트를 발전모듈(500)이 받아 발전하게 되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 트윈 에어포일형 풍력발전기는, 우리나라의 실정에 맞게 새로운 형태의 회전체(400)를 통해 회전체(400)의 최초 기동시부터 기동 후 회전시에 보다 효율적으로 회전체(400)를 회전시킬 수 있다.
특히, 상기 회전체(400)는 복수의 블레이드모듈(410)로 이루어지고, 상기 블레이드모듈(410) 각각은 평단면상 에어포일 형상으로 상부 및 하부결합판(411)(412) 사이에 한 쌍의 메인블레이드(413)와 서브블레이드(414)가 각각 결합되되 고정된 메인블레이드(413)에서 주로 양력 및 항력을 받아 회전체(400)를 회전시키되 서브블레이드(414)는 유입되는 바람에 의해 발생하는 양력에 따라 회전하면서 메인블레이드(413)에 양력 및 항력을 보다 크게 증가시켜 회전체(400)의 회전효율을 더욱 극대화시킬 수 있다.
더욱이, 상기 샤프트(200)와 함께 회전하는 가변관성모듈(600)을 통하여 상기 샤프트(200)의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트(200)의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 하여 샤프트(200)의 회전속도를 일정하게 제한할 수 있고, 과도한 풍속에도 샤프트(200)의 회전속도를 제한함으로써 발전을 가능하게 하여 효율적인 발전을 이루어낼 수 있다.
또한, 샤프트(200)와 회전체(400) 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부(600)가 형성되어 회전체(400)로 유입되는 바람에 흡인력을 발생시켜 더욱 효율적인 회전을 가능하게 하여 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
200 : 샤프트
300 : 회전체고정바
400 : 회전체 410 : 블레이드모듈
411 : 상부결합판 412 : 하부결합판
413 : 메인블레이드 414 : 서브블레이드
415 : 회전제한보스
500 : 발전모듈
600 : 가변관성모듈
610 : 몸체 611 : 격벽
620 : 질량볼
700 : 와류공간부
800 : 회전리브

Claims (6)

  1. 바닥에 고정 설치되고, 내부가 중공인 프레임과,
    상기 프레임의 내부로부터 상방으로 돌출되어 회전가능하게 관통 설치된 샤프트와,
    각각이 상기 샤프트를 중심으로 방사상으로 연장 형성되어 상기 샤프트와 함께 회전하는 복수의 회전체고정바와,
    복수의 블레이드모듈이 상기 샤프트를 기준으로 둘레방향을 따라 원호상 등간격으로 배치되고, 상기 블레이드모듈 각각이 상기 회전체고정바 각각에 결합되며, 유입되는 바람으로부터 상기 블레이드모듈이 상기 회전체고정바와 함께 회전하여 상기 샤프트에 회전력을 발생시키는 회전체와,
    상기 프레임의 내부에 설치되어 상기 샤프트의 회전모멘트를 받아 발전하는 발전모듈과,
    상기 샤프트 상에 고정 결합되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 샤프트의 회전속도가 커지면 관성모멘트가 커지고, 상기 샤프트의 회전속도가 작아지면 관성모멘트가 작아지도록 변화하는 가변관성모듈을 포함하고,
    상기 회전체의 블레이드모듈 각각은,
    각각이 평단면상 에어포일 형상으로 된 판상이고, 서로 마주보도록 상하로 분리된 한 쌍의 상부결합판 및 하부결합판과,
    평단면상 에어포일 형상으로 후연이 상기 상부결합판 및 하부결합판의 후연에 일치하도록 상기 상부결합판 및 하부결합판 사이에 상하로 고정 결합되고, 상기 회전체고정바가 하부캠버면 상에 결합되는 메인블레이드와,
    평단면상 에어포일 형상으로 전연이 상기 상부결합판 및 하부결합판의 전연에 일치하도록 상기 상부결합판 및 하부결합판 사이에 상하로 결합되고, 유입되는 바람을 향해 양력을 받아 회전하는 서브블레이드와,
    상기 서브블레이드의 회전시 상기 서브블레이드의 후연이 상기 메인블레이드의 전연 전방까지만 회전하도록 한 쌍의 상기 상부결합판 및 하부결합판의 서로 마주보는 면에 상호 대칭되게 각각 돌출된 한 쌍의 회전제한보스를 포함하는 것을 특징으로 하는 트윈 에어포일형 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변관성모듈은,
    내부가 중공인 상광하협으로 형성된 몸체와,
    각각이 상기 몸체의 내부에 자유롭게 움직이도록 배치되고, 상기 샤프트의 회전이 정지된 경우 상기 몸체의 바닥면 중심으로 모이며, 상기 샤프트가 회전하여 점점 속도가 커질수록 상기 몸체의 바닥면을 타고 외측 반경방향으로 이동하는 복수의 질량볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 트윈 에어포일형 풍력발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가변관성모듈의 몸체는,
    회전중심으로부터 방사상 등간격으로 내부를 구획하는 복수의 격벽을 포함하고,
    상기 가변관성모듈의 질량볼 각각은,
    상기 몸체의 격벽 각각으로 구획된 내부마다 동일한 수로 채워진 것을 특징으로 하는 트윈 에어포일형 풍력발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서브블레이드는,
    회전축이 평단면상 공력중심(aerodynamic center)에 위치하는 것을 특징으로 하는 트윈 에어포일형 풍력발전기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    회전하는 상기 샤프트와 상기 회전체 사이에 유입된 바람에 의해 소용돌이가 발생하는 와류공간부가 형성되고,
    상기 샤프트의 외주면에 방사상으로 각각 돌출 형성되어 상기 샤프트와 함께 회전하면서 상기 와류공간부에 발생한 소용돌이를 상방으로 안내하는 복수의 회전리브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 트윈 에어포일형 풍력발전기.
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