KR101437539B1

KR101437539B1 - 적층식 수직축 풍력발전장치

Info

Publication number: KR101437539B1
Application number: KR1020130007023A
Authority: KR
Inventors: 신용오
Original assignee: 주식회사 웨스텍
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-09-04
Also published as: KR20140094323A

Abstract

본 발명은, 블레이드를 적층시키면서 중단(中段) 부분에서 일부를 중첩되게 배열함으로써, 높은 고형비와 낮은 고형비를 동시에 갖게 하여 높은 고형비를 갖는 것과 같은 효과를 가지면서 주속비(TSR)가 낮아지지 않아 낮은 풍속에서 높은 회전속도를 얻을 수 있는 적층식 수직축 풍력발전장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 적층식 수직축 풍력발전장치는, 강관주의 상단에 결합되는 발전기와, 상기 발전기의 상부에 수직방향으로 설치되는 회전축을 구비하는 발전부; 상기 회전축의 상단과 발전기의 하단에 각각 위치하게 되는 제1 및 제2회전판; 일단(一端)이 상기 제1 및 제2회전판에 각각 결합되어 방사상으로 위치하도록 배열되며, 선단(先端)부분에는 통공이 형성된 제1 및 제2블레이드 홀더; 일단(一端)이 상기 제1 및 제2블레이드 홀더에 형성된 통공에 삽입되어 고정 결합되는 제1 및 제2블레이드를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2블레이드의 자유단은 서로 반대방향을 향하도록 하여 교호로 위치하며, 상기 제1 및 제2회전판 사이에서는 제1 및 제2블레이드 모두가 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

Description

적층식 수직축 풍력발전장치{Vertical axis windpower generation of stack rotor}

본 발명은 적층식 수직축 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 블레이드를 적층시키면서 일부를 중첩되게 배열함으로써 높은 고형비(solidity)와 낮은 고형비를 동시에 갖게 하여 주속비(TSR)가 낮아지지 않으면서도 높은 고형비를 가질 수 있어서 낮은 풍속에서 높은 회전속도를 얻을 수 있는 적층식 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력발전은 바람을 이용하여 블레이드 또는 프로펠러를 회전시켜서 발생한 회전력을 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 것으로, 블레이드 또는 프로펠러가 설치되는 방향에 따라 수평축 풍력발전과 수직축 풍력발전으로 구분되는데, 프로펠러 방식인 수평축 방식은 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로우터의 방향을 바꾸어 주어야 하고 수평회전력을 수직회전력으로 전환시키는 장치를 설치하여 발전기와 연결해야 하므로 구조가 복잡하다는 단점이 있지만, 수직축 풍력발전은 회전축의 길이방향을 따라 설치되는 블레이드와 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기로 구성되므로 비교적 구조가 간단하다.

수직축 풍력발전으로 높은 출력을 얻으려면 블레이드 폭을 크게 하거나 높이 즉 블레이드의 길이를 길게 해야 하는데, 블레이드의 길이가 길어지면 설치작업이 불편할 뿐만 아니라 블레이드의 길이가 커짐에 따라 풍력발전장치의 편심되지 않은 회전축을 제작하는데 큰 어려움이 있고, 회전시 편심도가 높아져 심한 진동이 발생하게 되는 수직축 블레이드의 구조적 취약성으로 인해 풍력발전장치의 구조물이 파손되어 발전이 중단될 뿐만 아니라 블레이드가 설치된 회전축이 날아가거나 낙하하여 또 다른 위험과 피해를 야기하는 심각한 문제가 있다.

풍력발전은 풍속과 같은 외적인자를 제외하면 수풍면적(swept area; 블레이드의 회전 단면적)이 출력을 결정하게 된다. 수직형 풍력발전은 수평축 풍력발전에 비해 수풍면적이 1/2 정도이고 토크 발생량도 적으므로, 초기 기동력을 얻기 위해 코드(cord)가 큰 블레이드를 사용하게 되는데, 이로 인해 높은 고형비가 형성되므로 회전속도가 낮아지고 발전기 무게가 증가하며 출력효율이 저하된다는 문제가 발생하게 된다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 1㎾ 미만의 소형 풍력에서는 낮은 풍속에서 출력 효율은 다소 떨어지나 코어리스(coreless) 발전기를 이용하여 낮은 고형비(낮은 토크)에서도 높은 회전속도가 구현되도록 하고 있고, 3㎾ 이상에서는 보다 큰 수풍면적이 요구되므로 회전직경의 증가와 더불어 높은 주속비(TSR)의 한계성으로 인해 코어 발전기를 사용하고 있다. 하지만, 코어 발전기는 초기 기동력을 발생시키는 항력(drag force)이 블레이드 뒷면을 밀어서 발생시키므로 블레이드의 코드(cord) 길이를 키우거나 4개 이상의 블레이드를 사용하여야 하는데, 이는 고형비를 높이게 되고 이로 인해 회전속도가 낮아지게 되므로 결국은 출력을 감소시키는 문제가 발생된다.

본 출원인은 수직축 풍력발전이 갖는 상기와 같은 구조적 취약성을 극복하기 위해 공개특허 제2012-116199호 "다단 적층식 수직축 풍력발전장치"에서는 블레이드를 다단으로 적층시킨 구조의 풍력발전장치를, 공개 특허 제2012-125031호 "다중 블레이드 배열구조를 갖는 수직푹 풍력발전장치"에서는 블레이드를 다중으로 중첩된 구조의 풍력발전장치를 개발하여 출원했고, 그외에도 공개특허 제2012-128851호 "에이치 로우터 수직축 풍력발전", 공개특허 제2012-94223호 "수직축 풍력발전장치의 안전 설치구조" 등 수직축 풍력발전과 관련하여 다수의 기술을 개발하여 출원하였으며, 현재도 연구 개발을 계속하고 있다.

하지만, 상기와 같은 기술 개발에도 불구하고 이상적인 수직축 풍력발전을 구현하는 데는 기술적으로 여전히 많은 문제가 있다.

첫째, 낮은 풍속에서 기동하기 위해서는 고형비가 높아야 하는데, 높은 고형비는 낮은 풍속에서는 기동력을 상승시키지만, 높은 풍속에서는 오히려 회전속도를 저하시켜 출력 효율을 감소시킨다는 문제가 있다.

둘째, 블레이드의 개수가 적어지면 고형비{solidity, (시위길이(chord length)×블레이드 아암수)/블레이드 회전직경}가 낮아져서 주속비(Tip Speed Ratio; TSR, 블레이드 단부의 속도를 풍속으로 나눈 비율을 말함)는 높아지고 발전기 무게가 감소되는 장점은 있으나, 진동이 발생하게 되고 시동풍속이 높아진다는 문제가 있다.

세째, 낮은 풍속에서 높은 회전속도를 내기 위해서는, 초기 토크가 없는 코드리스 타입의 발전기가 유리하기는 하지만, 코어리스 타입의 발전기는 발전기의 무게가 무거워지는 단점과 회전속도에 비해 출력효율이 떨어진다는 문제가 있고, 코어 타입의 발전기는 낮은 회전수에도 높은 출력을 얻을 수는 있으나 초기 코깅토크로 인해 높은 고형비가 요구되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 블레이드를 적층시키면서 중단(中段) 부분에서 일부를 중첩되게 배열함으로써, 높은 고형비와 낮은 고형비를 동시에 갖게 하여 높은 고형비를 갖는 것과 같은 효과를 가지면서 주속비(TSR)가 낮아지지 않아 낮은 풍속에서 높은 회전속도를 얻을 수 있는 적층식 수직축 풍력발전장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 중단층의 블레이드 전두부에 C형 컵을 부착하여 저항을 최소화하고 항력(drag force)을 더욱 높여 발전기의 코깅토크에 대응하게 함으로써 시동풍속을 낮게 할 수 있는 적층식 수직축 풍력발전장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 적층식 수직축 풍력발전장치는, 강관주의 상단에 결합되는 발전기와, 발전기의 상부에 수직방향으로 설치되는 회전축을 구비하는 발전부; 회전축의 상단과 발전기의 하단에 각각 위치하게 되는 제1 및 제2회전판; 일단(一端)이 제1 및 제2회전판에 각각 결합되어 방사상으로 위치하도록 배열되며, 선단(先端)부분에는 블레이드를 삽입하기 위한 각각 1개씩의 통공이 형성된 제1 및 제2블레이드 홀더; 일단(一端)이 상기 제1 및 제2블레이드 홀더에 형성된 통공에 삽입되어 고정 결합되는 제1 및 제2블레이드를 포함하여 구성되고, 제1 및 제2블레이드의 자유단은 서로 반대방향을 향하도록 하여 교호로 위치하고, 제1 및 제2회전판 사이에서만 제1 및 제2블레이드 모두가 위치하도록 배열되며, 제1 및 제2블레이드 홀더의 상단 또는 하단에는 관통 삽입된 제1 및 제2블레이드의 단부(端部)를 받쳐주기 위한 제1 및 제2블레이드 슈(shoe)가 더 구비되며, 제1 및 제2블레이드 슈와 제1 및 제2블레이드 홀더 사이에는 지지대가 삽입하여 고정 결합되며, 제1 및 제2블레이드는 각각 3개씩 장착되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 제1 및 제2회전판 사이에 위치하는 제1 및 제2블레이드의 전두부(前頭部)에는 C형 컵이 더 구비되어 구성된다.

삭제

상기와 같은 구성적 특징을 갖는 본 발명에 따른 적층식 수직축 풍력발전장치는, 블레이드(예를 들면, 블레이드 3개)를 적층시키면서 일부를 중첩되게 하여 상단(3블레이드), 중단(6블레이드), 하단(3블레이드)으로 배열함으로써, 단위 블레이드의 무게가 감소하게 되어 회전시 발생하는 진동을 분산시킬 수 있고, 블레이드가 분할되어 주속비(TSR)가 높아져서 출력효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 중단에 위치한 블레이드의 전두부에 단면(斷面)이 C자 형상인 C형 컵(C-cup)을 삽입 장착함으로써, 항력(drag force)을 높혀 발전기의 코깅토크에 대응하게 하여 시동풍속을 낮게 할 수 있으며, 높은 출력의 풍력발전 제작시 난점인 블레이드의 크기(즉, cord 크기)를 줄일 수 있어서 제작이 용이할 뿐만 아니라 원가를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 일예를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 평면도이다.
도 3은 블레이드 어셈블리를 설명하기 위해 여러 각도에서 도시한 도면이다.
도 4는 블레이드와 C형 컵의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 블레이드를 적층시킴에 따라 나타난 효과를 표시한 그래프이다.

본 발명에 따른 적층식 수직축 풍력발전장치의 기술적 특징은, 블레이드의 일부를 중첩되게 적층 배열함으로써 주속비(TSR)가 낮아지지 않으면서도 높은 고형비를 갖게 되어 낮은 풍속에서 높은 회전속도를 얻을 수 있게 했다는 점과, 중단에 위치한 블레이드의 전두부에 C형 컵(C-cup)을 삽입 장착하여 항력을 높혀 발전기의 코깅토크에 대응하게 해서 시동풍속을 낮게 했다는 점이다.

본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는 지면에 고정 설치되는 강관주(鋼管柱) 상단에 설치되는데, 구성적으로는 발전부와 블레이드 어셈블리를 구비하며, 블레이드 어셈블리(20)는 제1 및 제2회전판(21, 21')과 회전판에 결합되는 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22'), 블레이드 홀더에 삽입되어 체결되는 제1 및 제2블레이드(23, 23')를 기본적으로 구비하게 된다.

발전부는 강관주의 상단에 결합되는 발전기(10)와, 발전기(10)의 상부에 수직방향으로 설치되는 회전축(11)을 구비하는데, 세부적으로 도시하지는 않았지만 발전기(10)의 하부로 돌출된 발전기 축이 강관주와 결합되게 되며, 발전부는 본 발명만의 특징적인 구성이 아니기 때문에 더 이상의 설명은 생략한다.

제1 및 제2회전판(21, 21')은 판상(板狀)의 부재로, 회전축(11)의 상단과 발전기(10)의 하단에 각각 결합되어 위치하게 되며, 형상은 원형이어도 상관은 없으나 블레이드의 개수에 맞는 다각 형상을 하는 것이 바람직하다.

제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22')는 일단(一端)이 제1 및 제2회전판(21, 21')에 각각 결합되어 방사상으로 위치하도록 배열되며, 선단(先端)부분에는 통공이 형성되어 있어서 상하로 쌍을 이루고 있는 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22')에 블레이드가 삽입되어 체결된다.

본 발명의 가장 큰 특징이 블레이드 배열인데, 도 1을 참조하여 설명하면, 제1 및 제2블레이드(23, 23')는 일단(一端)이 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22')에 각각 형성된 통공에 삽입되어 고정 체결되고, 제1 및 제2블레이드(23, 23')의 자유단(블레이드 홀더에 체결되지 않은 부분, 즉 블레이드 홀더에 체결된 부분의 반대쪽을 '자유단'이라고 지칭한다)은 서로 반대방향을 향하도록 하여 제1 및 제2블레이드(23, 23')가 교호로 위치하며, 제1 및 제2회전판(21, 21') 사이에서는 제1 및 제2블레이드(23, 23') 모두가 위치하도록 배열된다.

제1 및 제2블레이드(23, 23')는 각각 동일한 개수씩 장착되는데, 제1블레이드(23)의 자유단이 상방으로 위치하면 제2블레이드(23')의 자유단은 하방으로 위치하도록 하여, 예를 들면, 블레이드 3개씩을 적층시켰을 때, 상단과 하단에 각각 3개의 블레이드가 위치하고, 중단에는 중첩되게 하여 6개의 블레이드가 위치하도록 배열하는 것이 바람직하다. 중단 층의 높이(즉, 제1 및 제2블레이드 홀드 사이의 간격)는 요구되는 초기 항력에 따라 조절한다.

이와 같이 상단과 하단은 각각 3개의 블레이드가 엇갈리게 배치되어 각 단은 3개의 블레이드이면서 사실상 6개의 블레이드로 구성되어 높은 고형비를 가지는 것과 같은 효과를 가지나 주속비(TSR)는 낮아지지 않는다. 또한, 중단은 상단과 하단의 블레이드가 겹쳐짐으로써 6개의 블레이드가 되므로, 블레이드 제작시 코드(cord) 크기 제약으로 고형비가 낮을 경우나 코어 타입의 발전기 사용시 코깅토크에 대응할 수 있다.

제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22')는 관통 삽입된 제1 및 제2블레이드(23, 23')의 단부(端部)를 받쳐주기 위한 제1 및 제2블레이드 슈(shoe)(24, 24')를 더 구비하는 것이 바람직한데, 제1 및 제2블레이드 슈(24, 24')와 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22') 사이에는 지지대(251)를 삽입하여 고정 결합시킴으로써, 블레이드 슈와 블레이드 홀더 사이가 일정한 간격으로 유지되면서 블레이드가 정확한 위치(높이)에 체결될 수 있게 된다. 블레이드와 블레이드 홀더를 고정 체결할 때는 특별한 고정수단에 한정되지 않으며, 예를 들면, 'ㄱ'자 형상의 결합자를 사용할 수도 있다.

본 발명의 특징 중 하나가 단면(斷面)이 C자 형상인 C형 컵(C-cup)(25, 25')을 장착한 것인데, 블레이드 어셈블리(20)의 중단, 즉 제1 및 제2회전판(21, 21') 사이에 위치하는 제1 및 제2블레이드(23, 23')의 전두부(前頭部)에 C형 컵(25, 25')을 장착한다. 단면(斷面)이 C자 형상이어서 선단이 유선형인 C형 컵(25, 25')을 중단에 위치한 제1 및 제2블레이드(23, 23')의 전두부에 블레이드와 일정한 간격을 두고 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22') 사이에 삽입 장착함으로써, 회전중 공기의 흐름을 유도시켜 전두부의 저항을 최소화 하고 항력(drag force)을 높혀 발전기의 코깅토크에 대응하게 하여 시동풍속을 낮게 할 수 있으며, 높은 출력의 풍력발전 제작시 난점인 블레이드의 크기(cord 크기)를 줄일 수 있게 된다.

도 5에서 ⒜는 블레이드 3개를 적층시키지 않은 풍력발전장치, ⒝는 블레이드 3개를 적층시킨 본 발명의 풍력발전장치에서 시간에 따른 풍속(m/sec), 회전수(rpm), 진동(㎜/sec)의 정도를 실험하여 그 결과를 나타낸 그래프인데, 명확히 구분되도록 하기 위하여 세로축에서 풍속은 10배, 진동은 100배로 스케일(scale)을 조정하여 나타낸 것이다.

그래프에서 알 수 있듯이, 풍속 12∼13m/sec 구간(그래프에서는 세로축 눈금 120∼130 구간을 말함)에서 블레이드 3개를 적층시키지 않은 풍력발전장치는 230rpm인 반면, 블레이드 3개를 적층시킨 본 발명의 풍력발전장치는 270rpm으로 같은 풍속에서 블레이드의 회전속도가 10% 정도 높아졌음을 알 수 있다. 또, 초기 일정시간(그래프에서는 545초 동안) 동안 나타나는 진동을 살펴보면, 블레이드 3개를 적층시키지 않은 풍력발전장치는 진동이 최대 2.4㎜/sec(그래프에서는 세로축 눈금 240 구간을 말함)로 크게 나타난 반면, 블레이드 3개를 적층시킨 본 발명의 풍력발전장치는 진동이 1.4∼1.5㎜/sec로 2구간으로 분할되어 나타나서 진동이 분산될 뿐만 아니라 진동의 크기도 작아서 매우 안정적이라는 것을 알 수 있다.

결론적으로 블레이드를 적층시킨 본 발명의 수직축 풍력발전장치는 회전시 발생하는 진동을 분산시킬 수 있고, 블레이드가 분할되어 주속비(TSR)가 높아져서 같은 풍속에서 회전수가 높아 출력효율을 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 발전기 11 : 회전축
20 : 블레이드 어셈블리 21, 21' : 제1 및 제2회전판
22, 22' : 제1 및 제2블레이드 홀더 23, 23' : 제1 및 제2블레이드
24, 24' : 제1 및 제2블레이드 슈(shoe)
25, 25' : C형 컵(cup)

Claims

지면에 고정 설치되는 강관주(鋼管柱) 상단에 설치되는 수직축 풍력발전장치에 있어서,
상기 수직축 풍력발전장치는,
상기 강관주의 상단에 결합되는 발전기(10)와, 상기 발전기의 상부에 수직방향으로 설치되는 회전축(11)을 구비하는 발전부;
상기 회전축의 상단과 발전기의 하단에 각각 위치하게 되는 제1 및 제2회전판(21, 21');
일단(一端)이 상기 제1 및 제2회전판에 각각 결합되어 방사상으로 위치하도록 배열되며, 선단(先端)부분에는 블레이드를 삽입하기 위한 각각 1개씩의 통공이 형성된 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22');
일단(一端)이 상기 제1 및 제2블레이드 홀더에 형성된 통공에 삽입되어 고정 결합되는 제1 및 제2블레이드(23, 23');
를 포함하여 구성되고, 상기 제1 및 제2블레이드(23, 23')의 자유단은 서로 반대방향을 향하도록 하여 교호로 위치하고, 상기 제1 및 제2회전판 사이에서만 제1 및 제2블레이드 모두가 위치하도록 배열되며, 상기 제1 및 제2블레이드 홀더의 상단 또는 하단에는 관통 삽입된 제1 및 제2블레이드의 단부(端部)를 받쳐주기 위한 제1 및 제2블레이드 슈(shoe)(24, 24')가 더 구비되며, 제1 및 제2블레이드 슈(24, 24')와 제1 및 제2블레이드 홀더(22, 22') 사이에는 지지대(251)가 삽입하여 고정 결합되며, 상기 제1 및 제2블레이드는 각각 3개씩 장착되는 것을 특징으로 하는 적층식 수직축 풍력발전장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2회전판 사이에 위치하는 제1 및 제2블레이드의 전두부(前頭部)에는 C형 컵이 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 적층식 수직축 풍력발전장치.
삭제