KR101552167B1 - 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 바람의 방향에 따라 회전날개가 스탑퍼의 설정범위 내에서 자유롭게 회전하여 대응각을 형성할 수 있도록 하여 회전날개의 양력과 항력을 모두 회전동력에 활용할 수 있어 발전효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 간단하고 설치가 편리하며 소음 발생을 감소시킬 수 있는 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 제1 원판; 제1 원판과 이격되어 평행하게 배치되는 제2 원판; 제1 원판과 제2 원판의 원주를 따라 배치되고, 제1 원판과 제2 원판을 관통하여 서로 연결하는 복수개의 날개 회전축; 제1 원판과 제2 원판의 중심을 각각 관통하여 서로 연결하는 로터 회전축; 및 각 날개 회전축이 삽입되는 축공과, 축공을 중심으로 하고 축공과의 거리를 반지름으로 하는 호(弧) 형상의 홈인 스탑퍼(stopper)를 구비하고, 일측의 곡률이 타측의 곡률보다 크게 형성되며, 바람의 방향에 따라 자동으로 회전하는 복수개의 회전날개를 포함하는 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치를 제공한다.

Description

회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치{Vertical wind power generation device with rotating blade}

본 발명은 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 바람의 방향에 따라 회전날개가 스탑퍼의 설정범위 내에서 자유롭게 회전하여 대응각을 형성할 수 있도록 하여 회전날개의 양력과 항력을 모두 회전동력에 활용할 수 있어 발전효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구조가 간단하고 설치가 편리하며 소음 발생을 감소시킬 수 있는 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.

최근 녹색성장의 기조에서 이산화탄소 발생량이 없는 풍력발전장치의 필요성이 대두되고 있으나, 효율이 높은 풍력발전장치의 개발은 아직 저조한 상황이다.

우리나라는 산지가 많고 해양에 인접한 지형을 갖추고 있으며 지역별로 풍향과 풍속이 수시로 변화하는 계절풍 및 국지적인 지역풍의 영향을 많이 받고 있다.

현재까지 연구개발된 대부분의 풍력발전장치는 풍향이 일정한 지형에 적합하도록 블레이드가 전면을 향하고 수평축의 회전력을 발전모듈에 전달하는 수평축 방식을 취하고 있다.

수평축 방식은 수직축 방식보다 높은 효율을 가지고 있기 때문에 현재까지 많이 사용되고 있다.

그러나, 수평축 방식은 블레이드가 한 방향만을 향하므로 풍향이 변할 경우에는 대응하지 못하는 한계가 있으며, 수평축이 상시 중력을 받는 관계로 베어링 등 관련부재의 심한 마모가 유발되어 고장이 발생할 가능성이 높다. 또한, 수평축 방식은 시야 충격, 소음 등으로 인한 문제점이 대두되고 있다.

이러한 수평축 방식의 단점을 보완하기 위해 수직축 방식이 계속하여 제안되고 있으나, 일반적인 수직축 방식은 다수의 부재로 구성되고 복잡한 구조를 가지므로 설계와 제작 및 유지에 어려움이 있으며, 비숙련공의 시공시 목표하고자 하는 품질을 얻기 어려운 문제점이 있다. 또한, 지금까지의 수직축 방식은 날개(블레이드)의 대략 50% 정도만이 회전력으로 작용하기 때문에 효율이 낮은 문제점이 있다.

선행기술문헌 : 대한민국 등록특허공보 제0940193호(2010.2.10.공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 수평축 방식을 대체할 수 있는 수직축 방식으로, 단순한 구조와 간편한 설치가 가능하고, 효율을 극대화하면서도 소음을 경감할 수 있는 수직축 풍력발전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치는 제1 원판; 제1 원판과 이격되어 평행하게 배치되는 제2 원판; 제1 원판과 제2 원판의 원주를 따라 배치되고, 제1 원판과 제2 원판을 관통하여 서로 연결하는 복수개의 날개 회전축; 제1 원판과 제2 원판의 중심을 각각 관통하여 서로 연결하는 로터 회전축; 및 각 날개 회전축이 삽입되는 축공과, 축공을 중심으로 하고 축공과의 거리를 반지름으로 하는 호(弧) 형상의 홈인 스탑퍼(stopper)를 구비하고, 일측의 곡률이 타측의 곡률보다 크게 형성되며, 바람의 방향에 따라 자동으로 회전하는 복수개의 회전날개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1 원판과 제2 원판은 스탑퍼에 삽입되어 회전날개의 방향전환을 조절하는 복수개의 돌기를 구비하며, 제1 원판과 제2 원판은 바람의 방향을 회전날개의 양력(lift)으로 이용하여 회전동력을 증가시키는 양력구간, 양력구간과 인접하되 바람의 방향을 회전날개의 정회전 항력(drag)으로 이용하여 회전동력을 증가시키는 정회전 항력구간, 정회전 항력구간과 인접하되 바람의 방향을 회전날개의 역회전 항력으로 이용하여 회전동력을 증가시키는 역회전 항력구간, 역회전 항력구간과 인접하되 날개의 회전방향이 전환되어 양력구간으로 연결되는 날개회전구간으로 영역이 구분될 수 있다.

본 발명에 의하면 바람의 방향에 따라 회전날개가 스탑퍼의 설정범위 내에서 자유롭게 회전하여 대응각을 형성할 수 있도록 하여 회전날개의 양력과 항력을 모두 회전동력에 활용할 수 있어 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 구조가 간단하고 설치가 편리하며 소음 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 부분절개 사시도,
도 2는 도 1의 평면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 테스트용 시제품 사진,
도 4 및 도 5는 도 1 중 회전날개의 사시도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 8은 도 9 내지 도 11의 실험을 위해 피치각을 고정하거나, 피치각을 구속시키지 않고 일정 각도 범위내에서 움직일 수 있도록 회전날개를 설정한 개념도,
도 9는 회전날개의 피치각을 0도, 10도, 20도, 30도로 고정하여 로터 회전축의 RPM을 측정한 결과를 도시한 그래프,
도 10은 회전날개의 피치각을 고정시키지 않고 일정 각도 범위내에서 움직일 수 있도록 하여 로터 회전축의 RPM을 측정한 결과를 도시한 그래프,
도 11은 회전날개의 피치각을 구속하지 않은 상태에서 날개 꼬리의 각도에 따른 로터 회전축의 RPM을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 부분절개 사시도이고, 도 2는 도 1의 평면도이며, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 테스트용 시제품 사진이다. 도 4 및 도 5는 도 1 중 회전날개의 사시도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치는, 도 1 내지 도 7을 참조하면, 제1 원판(10), 제2 원판(20), 날개 회전축(30), 로터(rotor) 회전축(40), 및 회전날개(50)를 포함하여 이루어진다.

제1 원판(10)과 제2 원판(20)은 서로 소정간격 이격되어 평행하도록 배치된다.

제1 원판(10)과 제2 원판(20)은 중심에 로터 회전축(40)이 구비되며, 로터 회전축(40)을 중심으로 제1 원판(10)과 제2 원판(20)이 일체형으로 회전한다. 바람에 의한 제1 원판(10)과 제2 원판(20)의 회전동력은 로터 회전축(40)을 통해 발전기(미도시)로 전달되어 전기에너지를 생성한다.

제1 원판(10)과 제2 원판(20)에는 복수개의 날개 회전축(30)이 구비된다.

제1 원판(10)과 제2 원판(20) 사이에는 복수개의 회전날개(50)가 소정 간격으로 배치된다.

제1 원판(10)의 상면과 제2 원판(20)의 하면(여기서, 상하방향은 도 1 기준임), 일반화하면 제1 원판(10)과 제2 원판(20)이 서로 마주보는 면에는 각각 복수개의 돌기(25)가 구비된다. 돌기(25)는 회전날개(50)의 스탑퍼(54)에 삽입되어 회전날개(50)의 회전을 일정 범위내로 제한하고 방향전환을 조절한다.

날개 회전축(30)은 제1 원판(10)과 제2 원판(20)의 원주를 따라 배치되고, 제1 원판(10)과 제2 원판(20)을 관통하여 서로 연결한다. 날개 회전축(30)은 제1 원판(10)과 제2 원판(20) 사이에 소정 간격으로 복수개 배치되며, 회전날개(50)의 안정적인 회전을 위해 동일한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

로터 회전축(40)은 제1 원판(10)과 제2 원판(20)의 중심을 각각 관통하여 서로 연결한다. 로터 회전축(40)은 제1 원판(10) 및 제2 원판(20)과 결합되어 함께 회전하면서 회전동력을 발전기로 전달한다.

회전날개(50)는 제1 원판(10)과 제2 원판(20) 사이에 구비되어 바람의 방향에 따라 자동으로 회전한다. 회전날개(50)는 날개 회전축(30)을 중심으로 회전하면서 바람의 방향에 따라 양력과 항력을 함께 발생시켜 회전동력 생성의 효율을 극대화한다.

회전날개(50)는 축공(52), 스탑퍼(stopper)(54), 일측면(56), 및 타측면(58)을 포함하여, 전체적으로 비행기 날개를 전후방향으로 지면과 수직이 되도록 자른 단면과 유사한 형상으로 형성된다. 편의상 회전날개(50)에서 둥근 부분(도 6에서 최상단에 위치한 회전날개의 상부)을 전방으로, 뾰족한 부분(도 6에서 최상단에 위치한 회전날개의 하부)을 후방으로 지칭하기로 한다.

축공(52)은 각 날개 회전축(30)이 삽입되어 회전날개(50)가 스탑퍼(54)의 제어범위 내에서 자유롭게 회전할 수 있도록 한다. 축공(52)은 회전날개(50)에서 전방측에 치우쳐서 형성된다.

스탑퍼(54)는 축공(52)과 소정간격 이격되어 곡선 형상으로 형성된다. 스탑퍼(54)는 축공(52)을 중심으로 하고 축공(54)과의 거리를 반지름으로 하는 호(弧) 형상의 홈으로 형성된다. 스탑퍼(54)에는 제1 원판(10)과 제2 원판(20)의 돌기(25)가 삽입되어, 회전날개(50)의 회전범위를 제한하고 방향전환을 조절한다. 스탑퍼(54)는 축공(52)과 회전날개(50)의 후방 사이에 구비된다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 축공(52)은 회전날개(50)의 상면과 하면을 관통하도록 형성되고, 스탑퍼(54)는 회전날개(50)의 상면과 하면에 각각 형성된다. 여기서, 상면의 스탑퍼(54)는 제2 원판(20)의 돌기(25)와 결합되고, 하면의 스탑퍼(54)는 제1 원판(10)의 돌기(미도시)와 결합된다.

일측면(56)은 타측면(58)보다 큰 곡률로 형성된다. 도 6에서 최상단에 위치한 회전날개를 기준으로 하면 일측면(56)은 좌측면에 해당하고, 타측면(58)은 우측면에 해당한다. 비행기 날개의 경우에도 양력을 극대화하기 위해 일반적으로 비행기 날개의 상면이 하면보다 큰 곡률을 갖도록 설계되는 것과 유사한 원리이다.

도 6과 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 작동원리를 설명하면 다음과 같다.

각 회전날개는 제1 원판과 제2 원판의 회전시 회전날개 자체의 원심력과 외부 바람의 복합작용에 의해 대응각이 조절된다. 일반적인 수직축 풍력발전장치의 경우 양력과 항력 중 어느 하나만 이용하기 때문에 전체 회전날개의 대략 50% 정도만 회전동력으로 작용하는 한계가 있음은 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 바 있다.

반면, 본 발명은 양력, 정회전 항력, 역회전 항력을 모두 활용하기 때문에 대략 80%의 회전날개가 회전동력을 일으키는 데 기여하게 된다.

도 7을 참조하면, 제1 원판과 제2 원판은 전체적으로 4개의 영역으로 구분할 수 있다.

(1) 양력구간

양력구간은 바람의 방향과 마주보고 있는 회전날개들이 작용하는 구간이다. 양력구간에서 회전날개는 곡률이 큰 일측면(56)이 바람의 방향에 의해 뜨는(lift) 역할을 하게 되고, 회전날개가 뜨는 방향은 제1 원판과 제2 원판의 회전방향과 부합되므로, 각 회전날개의 양력은 제1 원판과 제2 원판의 회전동력에 기여하게 된다.

도 6에서 최상단에 위치한 회전날개를 예로 들어 설명하면, 회전날개의 일측면(56, 도 6에서 좌측면) 주변을 지나는 공기의 흐름은 일측면(56)의 곡선부분에 부딛혀 공기의 흐름방향이 상부에서 하부로 올수록 우측으로 바뀌게 된다.

또한, 회전날개의 타측면(58, 도 6에서 우측면) 주변을 지나는 공기의 흐름도 타측면(58)의 곡선 부분에 부딛혀 공기의 흐름방향이 상부에서 하부로 올수록 우측으로 바뀌게 된다.

유체의 속도가 변한다는 것은 유체가 가속된다는 사실을 의미하고, 이는 뉴턴 운동 제2 법칙(가속도의 법칙)에 따라 회전날개로부터 힘을 받는 것을 의미한다. 그리고, 뉴턴 운동 제3 법칙(작용반작용의 법칙)을 적용하면 회전날개로부터 힘을 받는 유체는 회전날개에 반작용을 미치게 된다.

도 6에서 최상단에 위치한 회전날개의 경우 일측면(56)도 하부 방향으로 올수록 유체가 우측으로 가속되고, 타측면(58)도 하부 방향으로 올수록 유체가 우측으로 가속되므로, 반작용에 의해 회전날개는 좌측으로 힘을 받게 된다.

회전날개에 좌측으로 작용하는 반작용은 제1 원판과 제2 원판의 회전방향과 부합되므로, 각 회전날개의 양력은 제1 원판과 제2 원판의 회전동력에 기여하는 것이다.

정리하면, 양력구간에서 제1 원판과 제2 원판은 바람의 방향을 회전날개의 양력으로 이용하여 회전동력을 증가시킨다.

(2) 정회전 항력구간

정회전 항력구간은 양력구간과 시계반대방향으로 인접하되 바람의 방향을 회전날개의 정회전 항력으로 이용하여 회전동력을 증가시킨다. 정회전 항력구간에서는 회전날개가 바람의 방향에 따라 회전하면서 회전날개의 타측면(작은 곡률면)이 바람을 받아 저항으로 작용하면서 제1 원판과 제2 원판의 회전동력에 기여하게 된다.

정회전 항력구간에서 회전날개의 전방은 대략 바람이 불어오는 방향쪽을 향하게 된다.

(3) 역회전 항력구간

역회전 항력구간은 정회전 항력구간과 시계 반대방향으로 인접하되, 바람의 방향을 회전날개의 역회전 항력으로 이용하여 회전동력을 증가시킨다. 역회전 항력구간에서는 회전날개가 바람의 방향에 따라 회전하면서 회전날개의 일측면(큰 곡률면)이 바람을 받아 저항으로 작용하면서 제1 원판과 제2 원판의 회전동력에 기여하게 된다.

역회전 항력구간에서 회전날개의 후방은 대략 바람이 불어오는 방향쪽을 향하게 된다.

(4) 날개회전구간

날개회전구간은 역회전 항력구간과 시계 반대방향으로 인접하되, 날개의 회전방향이 전환되어 양력구간으로 연결되는 구간이다. 날개회전구간에서 회전날개 자체의 원심력과 바람이 같은 방향으로 작용하여 회전날개의 방향이 전환되되, 스탑퍼에 의해 방향전환이 조절된다.

도 8은 도 9 내지 도 11의 실험을 위해 피치각을 고정하거나, 피치각을 구속시키지 않고 일정 각도 범위내에서 움직일 수 있도록 회전날개를 설정한 개념도이다.

도 9는 회전날개의 피치각을 0도, 10도, 20도, 30도로 고정하여 로터 회전축의 RPM을 측정한 결과를 도시한 그래프이고, 도 10은 회전날개의 피치각을 고정시키지 않고 일정 각도 범위내에서 움직일 수 있도록 하여 로터 회전축의 RPM을 측정한 결과를 도시한 그래프이며, 도 11은 회전날개의 피치각을 구속하지 않은 상태에서 날개 꼬리(회전날개의 뾰족한 후방)의 각도에 따른 로터 회전축의 RPM을 측정한 결과를 도시한 그래프이다.

각 그래프에서 가로축은 풍속(m/s), 세로축은 RPM을 의미한다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 회전날개를 고정시키지 않았을 때(구속하지 않았을 때) 로터 회전축의 RPM이 더 높게 나옴을 확인할 수 있다. 또한, 회전날개를 고정시키지 않았을 때 더 낮은 저속에서부터 움직이기 시작함을 알 수 있다.

이러한 결과는 기존의 수직축 풍력발전장치 중 항력 또는 양력반을 활용하는 형태보다 양력과 항력(정회전 항력, 역회전 항력)을 모두 활용하는 방식이 보다 향상된 발전특성과 효율을 보임을 의미한다.

더불어, 본 발명에 따른 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치의 실험으로부터 소음이 거의 없고 구조물의 설치가 간단하면서도 편리함을 확인하였다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 - 제1 원판 20 - 제2 원판
30 - 날개 회전축 40 - 로터 회전축
50 - 회전날개

Claims (2)

1. 제1 원판;
   제1 원판과 이격되어 평행하게 배치되는 제2 원판;
   제1 원판과 제2 원판의 원주를 따라 배치되고, 제1 원판과 제2 원판을 관통하여 서로 연결하는 복수개의 날개 회전축;
   제1 원판과 제2 원판의 중심을 각각 관통하여 서로 연결하는 로터 회전축; 및
   각 날개 회전축이 삽입되는 축공과, 축공을 중심으로 하고 축공과의 거리를 반지름으로 하는 호(弧) 형상의 홈인 스탑퍼(stopper)를 구비하고, 일측의 곡률이 타측의 곡률보다 크게 형성되며, 바람의 방향에 따라 자동으로 회전하는 복수개의 회전날개
   를 포함하는 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   제1 원판과 제2 원판은 스탑퍼에 삽입되어 회전날개의 방향전환을 조절하는 복수개의 돌기를 구비하며,
   제1 원판과 제2 원판은 바람의 방향을 회전날개의 양력(lift)으로 이용하여 회전동력을 증가시키는 양력구간, 양력구간과 인접하되 바람의 방향을 회전날개의 정회전 항력(drag)으로 이용하여 회전동력을 증가시키는 정회전 항력구간, 정회전 항력구간과 인접하되 바람의 방향을 회전날개의 역회전 항력으로 이용하여 회전동력을 증가시키는 역회전 항력구간, 역회전 항력구간과 인접하되 날개의 회전방향이 전환되어 양력구간으로 연결되는 날개회전구간으로 영역이 구분되는 회전날개를 구비하는 수직축 풍력발전장치.
   
   

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