KR101450611B1 - 풍속 증폭형 풍력터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드 일측에 바람을 유입할 수 있는 유입공을 형성하고 블레이드 내부로 바람이 수용될 수 있도록 하는 구조를 가진다. 또한 그와 동시에 유로를 통해 유입된 공기가 블레이드 진행방향과 반대방향으로 분출될수 있는 공기 유출공을 별도로 마련하는데 특징이 있다.
상기 유입공에 비하여 유출공의 단면의 크기는 작게 형성하여 높은 속도로 공기가 유출되게 함으로써 블레이드의 회전속도를 가속화할 수 있는 독특한 구조를 제시한다.

Description

풍속 증폭형 풍력터빈{Wind turbine}

본 발명은 풍력터빈에 관한 것으로서 블레이드 일측의 통공으로 공기를 수용함과 동시에 타측으로 공기를 분출함으로써 블레이드 회전운동 방향으로 더욱 가속시켜 풍력발전의 효율을 향상시키고자 하는 기술적 구성을 갖는다.

풍력발전 터빈의 경우 구조에 따라서 터빈 회전축이 지면에 수평으로 형성되는 수평형과 지면에 수직인 방향의 수직형 터빈으로 나뉘어 지는데, 수평형은 주로 대형 풍력 발전에 이용되지만 터빈의 회전축이 바람의 방향과 동일하여야만 원활한 작동을 한다. 따라서 회전축의 방향을 전환시키는 요잉 장치가 별도로 구비되어야 하는 등 설비가 복잡해지는 경향이 있다.

반면 수직형 풍력터빈은 바람의 방향에 크게 영향 받지 않으며 구조가 간단하여 주로 소형 풍력터빈에 사용되고 있다.

양력을 이용하는 다리우스형 풍력터빈은 양력을 이용하는 원리상 저속의 바람이 불어올 때에는 양력이 약하게 형성되어 발전효율이 좋지 못한 단점이 있어서 이를 해결하기 위한 시도들이 있어왔다.

대표적으로 풍력발전용풍차(특허10-0637297), 다리우스형풍력발전장치 (특허10-1043144), 수직형4상블레이드를 이용하는 발전장치(특허10-1058584) 등을 들 수 있는데, 모두 양력을 이용하는 다리우스형 터빈에 항력을 형성시킬 수 있는 구조를 구비하여 양력 생성이 어려운 낮은 풍속에서 항력을 이용하여 초기 기동속도를 향상시키는 방법만을 써왔다. 이와 같은 방식은 항력이 형성되는 블레이드의 위치가 블레이드 뒤편에서 불어오는 바람에 대해서만 항력이 형성되어 풍력터빈 효율 향상의 정도는 한계가 있다.

풍력발전용풍차(특허10-0637297), 다리우스형풍력발전장치 (특허10-1143144), 수직형4상블레이드를 이용하는 발전장치(특허10-1058584)

본 발명에서는 블레이드 회전력을 상승시키기 위하여, 블레이드 내부공간으로 공기를 수용함과 동시에 유출할 수 있는 유출공을 구비하여, 임의의 방향에서 불어 오는 바람이라도 매우 효과적으로 동력을 얻어 낼 수 있는 풍력 터빈을 제시하는 것이다.

본 발명은 블레이드 일측에 바람을 유입할 수 있는 유입공을 형성하고 블레이드 내부로 바람이 수용될 수 있도록 하는 구조를 가진다. 또한 그와 동시에 유로를 통해 유입된 공기가 블레이드 진행방향과 반대방향으로 분출될수 있는 공기 유출공을 별도로 마련하는데 특징이 있다.

상기 유입공에 비하여 유출공의 단면의 크기는 작게 형성하여 높은 속도로 공기가 유출되게 함으로써 블레이드의 회전속도를 가속화할 수 있는 독특한 구조를 제시한다.

이를 위하여, 블레이드 상, 하면에는 각각 공기유출부와 공기유입부를 형성하며, 블레이드면과 수직한 방향으로 바람이 불 경우 혹은 블레이드 진행방향의 반대 방향에서 바람이 불 경우라도, 이를 효과적으로 블레이드의 회전력으로 전환할 수 있도록 한다.

게다가 블레이드 상하끝단에는 윙팁구조를 구비하여, 난류 발생을 최대한 저지함으로써, 블레이드 공력 특성을 개선하고자 한다.

본 발명의 구성을 요약하면 다음과 같다.

풍력터빈에 있어서,

폴대 상부에 수평방향으로 형성된 다수의 아암 단부에 지면과 수직방향으로 장착되며, 공기가 수용되도록 빈공간이 마련된 블레이드 바디(210);

상기 블레이드 바디 하면에 형성되는 공기유입부(430);

상기 블레이드 상면에 형성되는 공기유출부(250)를 포함하되,

상기 공기유출부는,

블레이드 바디(210)와 내통되며, 블레이드 내부로 수용된 공기가 블레이드 후방으로 분출되는 방향으로 통공이 형성되어 있으며,

공기유출부의 형태는 블레이드 회전력을 저하시키지 않도록 호 형상의 곡선으로 형성되며

상기 공기유입부의 일측면에서는 블레이드 길이방향과 소정의 각도를 가지고 비스듬히 형성된 유입공(439)이 구비되며,

유입공 사이사이에는 가이드(435) 벽체가 형성되어 있어서, 유입공 내부로 공기가 블레이드 길이방향과 소정의 각도를 가지고 인입될 수 있도록 안내하도록 함으로써,

블레이드 회전방향과 반대방향(x 방향)의 바람이 불 때에는 블레이드 양력이 발생하고,

블레이드 하면쪽으로 부는 방향(y 방향) 및 블레이드 진행방향(z방향)의 바람이 불 때에는 유입공(439) 내부로 공기가 유입되어 블레이드 회전력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 풍속 증폭형 풍력터빈이 제시된다.

기타 발명의 상세한 사항은 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서 서술하기로 한다.

본 발명에 의하면 블레이드 일측에 형성된 공기 유입공을 통하여 인입된 바람에 의하여 블레이드 항력이 발생됨은 물론이고, 블레이드 타측에 형성된 유출공을 통하여 공기가 강하게 분출되며 이때 블레이드의 진행방향과 반대방향으로 분출되므로 블레이드 진행 속도 향상에 도움을 주는 효과가 있다.

한편, 유출공으로부터 분출되는 바람에 의하여 블레이드의 양력을 증가시키는 효과도 기대할 수 있다.

그리고 블레이드 진행의 전후방 방향 및 블레이드에 수직한 방향로부터 불어오는 바람도 유입공에 유입될 수 있기 때문에 다양한 각도의 바람에 의한 블레이드 추진력 향상의 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈의 사시도
도 2는 공기유입구의 구조를 도시한 사시도
도 3은 블레이드와 윙팁의 사시도
도 4는 공기 유출구의 구조를 도시한 사시도
도 5는 도 3의 측면도

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

다만 본 발명의 권리범위는 이하의 실시예에 한정되지 아니하고 특허청구범위와 균등 수준의 발명은 모두 본 발명 권리에 속함을 미리 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍력터빈의 사시도, 도 2는 공기유입구의 구조를 도시한 사시도, 도 3은 블레이드와 윙팁의 사시도, 도 4는 공기 유출구의 구조를 도시한 사시도, 도 5는 도 3의 측면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 풍력터빈(100)은 기본적으로 폴대(500) 상부에 설치된 발전기(300)와 폴대 상부 외주면에 다수개 구비되는 아암(600) 그리고 아암 단부에는 각각 블레이드 구조물이 형성되어진다.

다리우스형 풍력터빈 블레이드는 에어포일 형상이 지면과 수직으로 뉘어져 있는 특징이 있으며, 전방에서 불어오는 바람이 블레이드 상하면을 따라 기류를 형성하되, 블레이드의 상부면과 하부면의 기압차로 인한 양력이 발생되어 블레이드가 회전되는 원리가 적용된다.

본 발명의 블레이드 구조물은 통상적인 블레이드와는 달리, 블레이드의 일측면(도 5)에는 공기유입부(430)가 형성되며 블레이드 타측면에는 공기유출부(250)가 형성되어 있다.

도 4에서와 같이 공기유출부 안쪽으로는 블레이드 내부와 통하는 구멍이 형성되어 있고, 공기유출부의 형태는 블레이드 회전력을 저하시키지 않도록 호 형상의 곡선으로 형성되어 있다.

한편, 블레이드 상하 끝단에는 윙팁부(400,450)이 더 형성될 수 있으며, 이러한 윙팁은 블레이드 단부의 난류 형성을 저지하여, 블레이드 회전속도를 더 향상시키고자 함에 목적이 있다.

블레이드의 구조를 보다 구체적으로 살펴보면, 아암(600) 단부에 수직방향으로 다수개 블레이드(200)가 형성되며, 에어포일 단면 형상을 갖춘 블레이드 바디(210)가 형성되어 있다.

블레이드 바디(210) 내부는 비어 있으며, 공기가 유입되고 유출되는 구멍이 형성된다. 이러한 공기 유입 및 유출을 위한 구조에 대하여 이하 설명한다.

블레이드 상하 끝단에는 윙팁부(400,450)이 형성되어 있다. 이러한 윙팁부의 내부는 비어 있으며 블레이드바디(210)와 내면이 통하도록 형성된다.

상기 공기유입부(430)의 확대도면은 도 2에 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 공기유입부의 일측면에서는 유입공(439)이 형성되어 있으며, 유입공 사이사이에는 가이드(435) 벽체가 형성되어 있어서, 유입공 내부로 공기가 블레이드 길이방향과 소정의 각도를 가지고 인입될 수 있도록 안내한다. w1은 공기 유입방향을 표시하고 있다.

공기 유입부의 위치는 블레이드 하면(도 5)의 특정 부분에 국한되지 않는다.

이렇게 유입된 공기는 일차적으로 공기유입부의 내벽(432)을 따라 흐르면서, 블레이드의 진행방향으로 항력을 발생하게 되므로 블레이드 회전속도 향상에 도움을 준다.

한편, 공기유입부(430)가 블레이드 상하단부에만 형성된 것으로 도 1에서 도시되어 있지만 본 발명에서는 블레이드의 하면 중 다른 부위에 공기유입구를 더 설치할 수 있음을 배제하지는 아니한다.

도 1의 우측의 블레이드를 살펴보면, 블레이드의 바깥면에 해당하는 면 부위에는 다수의 공기유출부(250)이 형성되어 있음을 파악할 수 있다.

즉 상기 공기유입부(430)를 통하여 인입된 공기는 상기 공기유출부(250)을 통하여 블레이드 진행방향과 반대방향으로 분출되는 것이며 작용 및 반작용의 법칙에 따라서 분출되는 공기로부터 블레이드는 추가적인 추력을 얻게 되어 회전속도 상승에 도움을 주게 된다.
상기 공기유출부(250)는 도면에서 파악되는 바와 같이 블레이드 바디(210)와 내통되며, 블레이드 내부로 수용된 공기가 블레이드 후방으로 분출되는 방향으로 통공이 형성되도록 돌기형태로 돌출되어 있으며, 상기 돌출된 돌기 형상의 공기유출부(250) 폭은, 블레이드 내부로부터 외부로 나감에 따라서 그 폭이 점차 커지게 형성된다.

공기 유출부(250)의 공기 분출이 되는 전체 단면적은, 상기 공기 유입공 (435)의 전체 단면적 보다 작도록 형성됨이 바람직하며, 이는 유입 공기 속도보다 유출되는 공기 속도를 증가시키고자 하기 위함이다.

도 3을 참조하면 공기가 분출되는 방향(w2)를 파악할 수 있다. 블레이드의 바깥면인 블레이드 상면(도 5)에 공기유출부(250)이 형성되어 있다.

도 6에서는, 도 1에서의 D 방향으로부터 내려다 보았을 때 블레이드 내부로 인입 및 인출되는 방향을 표시하고 있다.

다시 도 1을 참조하면 블레이드 상공에서 볼 때, 시계 반대방향으로 회전한다.

도 1에서는 x, y, z, w가 표시되어 있는데, x는 블레이드 앞쪽에서 불어오는 바람이며, y는 블레이드 진행방향의 수직방향 중, 공기유입부가 형성된 블레이드 하면쪽을 향하여 부분 바람이며, z는 블레이드 진행방향과 일치하는 방향이다. w는 하면의 반대편인 블레이드 상면 쪽으로 부는 바람이다.

x 방향의 바람이 불 때에는 블레이드 양력이 발생하여 회전을 가속화 하게 됨은 통상적인 것이고, y 방향의 바람이 불 때에는 유입공(439) 내부로 바람이 쉽게 인입되는 조건이 되어 상기 설명한 바와 같이, 블레이드 항력을 발생함으로써 회전력을 상승시키게 된다.

z 방향의 바람이 불 경우에도 블레이드 하면을 따라서 유입공(439) 내부로 바람이 들어올 조건이 되어 이또한 블레이드 회전속도 상승의 요인이 된다. 즉 블레이드 내부로 들어온 공기가 다시 공기 유출부(250) 쪽으로 방향을 선회하여 나가게 되므로, 블레이드 추진력을 얻게 되는 것이다.

w 방향의 바람일 경우에는 블레이드 상면으로 부는 바람이므로 블레이드 회전력을 직접적으로 상승시킬 요인은 되지 못하지만, 공기유출부(250)로부터 분출되는 바람과 함께 블레이드 공력특성을 다소 상승 시킬 수는 있다.

본 발명의 블레이드 개수는 2개 이상 다양하게 변경가능함은 물론이며, 당업자 수준에서 본 발명에서 제시된 구조적 특징을 유지한 채 다양하게 변형가능하다.

본 발명의 효과를 요약하면 다음과 같다.

즉 본 발명에 의하면 블레이드 일측에 형성된 공기 유입공을 통하여 인입된 바람에 의하여 블레이드 항력이 발생됨은 물론이고, 블레이드 타측에 형성된 유출공을 통하여 공기가 강하게 분출되며 이때 블레이드의 진행방향과 반대방향으로 분출되므로 블레이드 진행 속도 향상에 도움을 주는 효과가 있다.

한편, 유출공으로부터 분출되는 바람에 의하여 블레이드의 양력을 증가시키는 효과도 기대할 수 있다.

그리고 블레이드 진행의 전후방 방향 및 블레이드에 수직한 방향로부터 불어오는 바람도 유입공에 유입될 수 있기 때문에 다양한 각도의 바람에 의한 블레이드 추진력 향상의 효과가 있다.

100:풍력터빈
200:블레이드
210:블레이드 바디
213: 바디 내벽
250:공기유출부
300: 발전기
400, 450: 윙팁부
410:윙팁 430:공기유입부
432:공기유입부 내벽
435:가이드
439: 유출공
500:폴대

Claims (3)

1. 풍력터빈에 있어서,
   폴대 상부에 수평방향으로 형성된 다수의 아암 단부에 지면과 수직방향으로 장착되며, 공기가 수용되도록 빈공간이 마련된 블레이드 바디(210);
   상기 블레이드 바디 중 상기 폴대쪽을 향하여 형성된 면인 블레이드 하면에 형성되는 공기유입부(430);
   상기 블레이드 하면의 반대면인, 블레이드 상면에 형성되는 공기유출부(250)를 포함하되,
   상기 공기유출부(250)는,
   블레이드 바디(210)와 내통되며, 블레이드 내부로 수용된 공기가 블레이드 후방으로 분출되는 방향으로 통공이 형성되도록 돌기 형태로 돌출되어 있으며,
   상기 돌출된 돌기형상의 공기유출부(250) 폭은, 블레이드 내부로부터 외부로 나감에 따라서 그 폭이 점차 커지게 형성되며,
   공기유출부(250)의 단면 형태는 블레이드 회전력을 저하시키지 않도록 호 형상의 곡선으로 형성됨을 특징으로 하고,
   
   상기 공기유입부의 일측면에서는 블레이드 길이방향과 소정의 각도를 가지고 비스듬히 형성된 유입공(439)이 구비되며,
   유입공 사이사이에는 가이드(435) 벽체가 형성되어 있어서, 유입공 내부로 공기가 블레이드 길이방향과 소정의 각도를 가지고 인입될 수 있도록 안내하도록 함으로써,
   블레이드 회전방향과 반대방향의 바람이 불 때에는 블레이드 양력이 발생하고,
   블레이드 하면쪽으로 부는 방향 및 블레이드 진행방향의 바람이 불 때에는 유입공(439) 내부로 공기가 유입되어 블레이드 회전력을 상승시키는 것을 특징으로 하며,
   상기 공기 유출부(250)의 공기 분출이 되는 전체 단면적은, 상기 공기 유입공 (435)의 전체 단면적 보다 작도록 형성되는, 풍속증폭형 풍력터빈.
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