KR101626715B1 - 수직형 풍력발전기 - Google Patents

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KR101626715B1 KR1020150037255A KR20150037255A KR101626715B1 KR 101626715 B1 KR101626715 B1 KR 101626715B1 KR 1020150037255 A KR1020150037255 A KR 1020150037255A KR 20150037255 A KR20150037255 A KR 20150037255A KR 101626715 B1 KR101626715 B1 KR 101626715B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전기는 지면에 설치되고 내부에 발전기가 설치되는 본체부; 지면에 대해 수직하게, 본체부에 회전가능하게 연결되고, 발전기에 연결된 수직회전축; 제 1 블레이드, 제 1 블레이드와 동일한 구조를 가진 제 2 블레이드, 제 1 블레이드와 제 2 블레이드를 연결하는 수평회전축과, 수평회전축이 회전가능하게 연결되고 수직회전축에 결합된 중앙기둥부재가 구비되어, 바람이 불 때 회전하면서 수직회전축에 회전력을 제공하는 복수의 회전날개부를 포함하고, 제 1 블레이드는 수평회전축이 설치되는 부분을 기준으로 제 1 날개판부와, 제 1 날개판부와 동일한 무게를 가지고, 제 1 날개판부의 면적보다 큰 면적을 가지는 제 2 날개판부로 구획되어, 제 1 날개판부와 제 2 날개판부에 면적에 비례하는 풍압을 받아 수평회전축을 기준으로 회전하면서, 수직회전축을 기준으로 회전하는 것이 바람직하다.

Description

수직형 풍력발전기{VERTICAL TYPE WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것이며, 상세하게는 한 쌍의 블레이드 중 풍향의 정방향에 놓인 하나의 블레이드가 바람방향에 수직하게 위치되면, 풍향의 역방향에 놓인 다른 하나의 블레이드는 바람방향과 수평하게 위치되도록 회전됨으로써, 한 쌍의 블레이드의 회전시 바람의 저항력을 최소화시켜, 바람에너지를 회전에너지로 변환하여, 회전효율을 극대화할 수 있는 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.
풍력발전(Wind Power) 이란 바람에너지를 풍력터빈(Wind Turbine) 등의 장치를 이용하여 기계적 회전에너지로 변환시키고 이 에너지를 이용하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 것을 말한다.
풍력은 재생에너지(Renewable energy)의 일종으로 풍력자원이 풍부하고 끊임없이 재생되며 ,광범위한 지역에 분포되어 있고 깨끗하며 또한 이용에 온실가스의 배출이 없다는 환경보호측면과 석유나 석탄과 같은 화석연료의 고갈에 대비한 유망한 대체 에너지원으로서 각광받는 에너지이다
풍력발전이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 회전축을 통한 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이러한 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말하는 것으로서, 현재까지 개발된 신재생에너지원 중 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 전력을 얻을 수 있는 장점 때문에 일찍이 풍력발전산업이 발달한 유럽은 물론 최근에는 국내와 미주, 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.
특히, 풍력발전은 전력생산단가의 가격경쟁력 향상 및 발전시스템 설치장소의 환경적인 측면과 소요면적 최소화 등과 같은 원가적인 측면과, 화석에너지 고갈에 대한 대체에너지원과 온난화방지와 같은 지구환경보호라는 사회 환경적 측면과 아울러 전력공급의 안정성 및 에너지 수입의 의존도 감소라는 경제적인 측면에서의 장점 때문에 정부에서도 풍력발전의 보급을 적극 지원하고 있으며, 그에 따라 국내에서도 향후 효율이 높은 풍력수직블레이드 풍력발전의 관련 산업의 성장세가 본격화될 것으로 기대되고 있다.
풍력자원산업은 신재생에너지원 중 가장 경제성이 높고 무한정 무비용의 청정에너지원인 바람을 효율적으로 이용하기 위해 우리나라 기후조건 과 풍력자원에 맞는 혁신적인 Vertical Axis Wind Turbine Blade 개발이 요구되고 있다
이러한 풍력발전은 블레이드의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평형 풍력발전장치(한국공개특허 제10-2013-0053909호 참조)와, 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직형 풍력발전장치(한국공개특허 제10-2004-0028314호 참조)로 구분할 수 있다. 현재까지는 수직형에 비해 수평형 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 대형 수평형 풍력발전기가 적용되고 있다.
수평형 풍력발전장치는 가장 일반적인 형태로서 높은 발전효율을 구현할 수 있는 장점이 있으나, 국내에서는 바람의 방향이 자주 바뀌는 지역에서는 원활한 발전이 어려우며, 회전체를 비롯한 주요 부품들이 높은 곳에 설치되므로 고가의 설치비용이 소요될 뿐만 아니라 그 유지보수가 쉽지 않으며, 태풍 등의 강한 바람에 구조적으로 취약한 단점을 갖고 있다. 또한 수평형 풍력발전 블레이드는 유럽의 기후환경과 유럽의 설치 지형이 유럽환경에 맞는 형태로서 개발되어 한국의 기후와 지형에 맞는 한국형 수직형 풍력 블레이드개발이 요구되고 있다.
한편, 수직형 풍력발전장치는 수평형 풍력발전장치와 달리, 바람의 방향에 관계없이 발전이 가능하며, 증속기 및 발전기 등의 주요 부품들이 지상에 설치되므로 설치비용이 저렴하고 그 유지보수가 용이한 장점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 전술한 바와 같이 수평형 발전장치가 선호되는 것은 지금까지 수직형 발전장치가 수평형 발전장치에 비해 그 발전효율이 떨어지기 때문이다. 따라서 국내 기후환경과 풍력자원에 맞는 새로운 수직풍력 고효율 블레이드가 요구되고 있다.
이러한 수직형 풍력발전장치의 블레이드가 구조적인 문제점으로서는 , 수직형 풍력발전장치는 구조적으로 회전블레이드의 한쪽은 풍향에 의해 수직 정방향(풍향과 동일한 방향) 회전을 하면서 바람의 에너지를 중앙회전축의 기계적인 회전력으로 인가 변환시키지만, 그 회전블레이드의 반대쪽은 풍력에 대해 역방향(풍향의 반대방향) 회전을 하게 되기 때문에 회전축의 역방향 회전에 저항으로 작용을 하게 되어 기계적인 에너지의 변환효율이 저하될 수밖에 없는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 한 쌍의 블레이드가 하나의 수평회전축에 서로 수직하게 연결되어, 한 쌍의 블레이드 중 어느 하나가 바람방향에 수직하게 위치된 상태로 회전되면 다른 하나는 바람방향에 수평하게 위치된 상태로 회전되는 구조를 가져, 한 쌍의 블레이드 중 하나의 블레이드가 바람방향에 수직하게 위치되면, 하나의 블레이드에 반대편에 위치된 다른 하나의 블레이드는 바람방향과 수평하게 위치되도록 회전됨으로써, 한 쌍의 블레이드의 회전시 역바람의 저항력을 최소화하여, 바람에너지를 기계적회전에너지로 효율적으로 변환할 수 있는 수직형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명은 블레이드가 바람방향에 대해 수직하게 위치된 상태에서 회전되어, 바람이 불 때, 수직회전축의 회전에 의한 풍력발전구조로서, 발전기등 주요부품들이 지상에 설치되어, 발전기등의 주요부품들의 유지보수가 용이하고, 설치공간에 제약이 없는 수직형 풍력발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전기는 지면에 설치되고 내부에 발전기가 설치되는 본체부; 지면에 대해 수직하게, 본체부에 회전가능하게 연결되고, 발전기에 연결된 수직회전축; 제 1 블레이드, 제 1 블레이드와 동일한 구조를 가진 제 2 블레이드, 제 1 블레이드와 제 2 블레이드를 연결하는 수평회전축과, 수평회전축이 회전가능하게 연결되고 수직회전축에 결합된 중앙기둥부재가 구비되어, 바람이 불 때 회전하면서 수직회전축에 회전력을 제공하는 복수의 회전날개부를 포함하고, 제 1 블레이드는 수평회전축이 설치되는 부분을 기준으로 제 1 날개판부와, 제 1 날개판부와 동일한 무게를 가지고, 제 1 날개판부의 면적보다 큰 면적을 가지는 제 2 날개판부로 구획되어, 제 1 날개판부와 제 2 날개판부에 면적에 비례하는 풍압을 받아 수평회전축을 기준으로 회전하면서, 수직회전축을 기준으로 회전하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 날개판부는 테두리가 완만하게 만곡된 유선형구조를 가지고, 제 2 날개판부는 테투리가 급격하게 만곡된 유선형 구조를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 블레이드는 수직회전축을 기준으로 제 2 블레이드에 대해 30° 내지 90°간격이 되도록 수평회전축에 연결되고, 제 1 블레이드가 바람방향에 대해 수직하게 위치되면 제 2 블레이드는 제 1 블레이드의 반대편에서 공전되면서 바람방향에 대해 수평하게 위치되고, 제 2 블레이드가 바람방향에 대해 수직하게 위치되면 제 1 블레이드는 제 2 블레이드의 반대편에서 공전되면서 바람방향에 대해 수평하게 위치되도록 회전되면서, 수직회전축으로 회전력을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 수평회전축은 수직회전축에 대해 수직하게, 중앙기둥부재에 회전가능하게 설치되고, 제 1 블레이드와 제 2 블레이드로 풍압이 가해질 때, 제 1 블레이드와 제 2 블레이드가 수평회전축을 기준으로 회전하면서, 제 1 블레이드의 제 1 날개판부와 제 2 날개판부 사이의 무게밸런스와, 제 2 블레이드의 제 1 날개판부와 제 2 날개판부 사이의 무게밸런스를 이루는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 중앙기둥부재는, 하부플랜지, 수평회전축이 회전가능하게 연결된 상부플랜지, 하부플랜지와 상부플랜지에 결합된 원통형기둥으로 이루어지고, 원통형기둥의 중심축이 수직회전축의 중심축과 동축이되도록 수직회전축에 결합된 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 블레이드와 제 2 블레이드는 양단이 절곡된 종단면을 가지는 형상인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 수평회전축에는 중앙기둥부재에 연결되는 부분에 스토퍼가 구비되고, 스토퍼는 제 1 블레이드 또는 제 2 블레이드가 수평회전축에 대해 90°회전되면, 중앙기둥부재의 외주면에 마련된 단턱부와 맞닿아, 수평회전축의 회전을 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 있어서,복수의 회전날개부는, 제 1a 블레이드, 제 2a 블레이드, 제 1 수평회전축과, 수직회전축에 결합된 제 1 중앙기둥부재가 구비된 제 1 회전날개부; 제 1b 블레이드, 제 2b 블레이드, 제 2 수평회전축과, 제 1 중앙기둥부재의 상부에 결합된 제 2 중앙기둥부재가 구비된 제 2 회전날개부; 제 1c 블레이드, 제 2c 블레이드, 제 3 수평회전축과, 제 2 중앙기둥부재의 상부에 결합된 제 3 중앙기둥부재가 구비된 제 3 회전날개부; 및 제 1d 블레이드, 제 2d 블레이드, 제 4 수평회전축과, 제 3 중앙기둥부재의 상부에 결합된 제 4 중앙기둥부재가 구비된 제 4 회전날개부를 포함하고, 제 1 회전날개부 내지 제 4 회전날개부는, 제 1a 블레이드, 제 1b 블레이드, 제 1c 블레이드와 제 1d 블레이드가 수직회전축에 대해 상호 간에 소정의 각도로 이격되어 수직회전축에 순차적으로 적층되어, 제 1 회전날개부 내지 제 4 회전날개부 중 어느 하나의 회전날개부의 회전시 연동되어 회전되는 것이 바람직하다.
본 발명은 한 쌍의 블레이드가 하나의 수평회전축에 서로 수직하게 연결되어, 한 쌍의 블레이드 중 어느 하나가 바람방향에 수직하게 위치된 상태로 회전되면 다른 하나는 바람방향에 수평하게 위치된 상태로 회전되는 구조를 가져, 한 쌍의 블레이드 중 하나의 블레이드가 바람방향에 수직하게 위치되면, 하나의 블레이드에 반대편에 위치된 다른 하나의 블레이드는 바람방향과 수평하게 위치되도록 회전됨으로써, 한 쌍의 블레이드의 회전시 역바람의 저항력을 최소화하여, 바람에너지를 기계적회전에너지로 효율적으로 변환할 수 있다. 즉, 본 발명은 바람방향에 따라 블레이드의 위치를 가변시켜, 바람으로 인한 저항력을 최소화함으로써, 풍력발전효율을 최대화시킬 수 있다.
아울러, 본 발명은 한 쌍의 블레이드 중 어느 하나가 지면에 대해 수직하게 위치되고 다른 하나는 지면에 대해 수평하게 위치된 구조를 가져, 수직회전축에 대한 쌍의 블레이드의 회전반경을 최소화할 수 있고, 이로 인해, 바람이 부는 곳이라면 설치공간에 제한이 크지 않아 어느 장소이든지 설치가 용이하다.
또한, 본 발명은, 수평형 회전체를 비롯한 발전기 등 무거운 중량 부품들이 높은 곳에 설치 장착된 풍력발전기와 달리, 수직형으로 블레이드 구조를 가짐으로써, 중앙 수직회전축의 회전시켜 전기를 발전하기 위해 필요한 발전기 등 구성부품들이 지면에 설치된 본체부에 마련되어, 구성 요소들의 설치하여 비용절감과 운영관리 및 유지보수를 용이하게 할 수 있다.
아울러, 본 발명은 풍력에의 회전시에 수평형에 비해 소음이 감소되어 도시형 풍력발전에 이용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전기의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전기의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에서, 복수의 회전날개부가 적층된 상태의 정면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 회전날개부의 사시도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 회전날개부의 작동상태도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 도 4에 개시된 제 1 회전날개부의 평면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 7은 도 4에 개시된 제 1 회전날개부의 정면도를 개략적으로 도시한 것이다.
도 8은 도 4에 개시된 제 1 회전날개부의 측면도를 개략적으로 도시한 것이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 풍력발전기에 대해 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직형 풍력발전기(100)는 본체부(110), 수직회전축(120) 및 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본체부(110)는 지면(10)에 설치된다. 본체부(110)의 내부에는 발전기(115)와 같은 풍력발전에 요구되는 공지된 구성요소들이 장착된다. 다만, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여, 발전기(115)를 제외한 구성요소를 제외한 다른 구성요소에 대해서는 구체적인 설명 및 도면에서의 도시를 생략하기로 하다.
한편, 본체부(110)에는 수직회전축(120)이 회전가능하게 설치된다. 수직회전축(120)은 지면(10)에 대해 수직하게 위치된다. 수직회전축(120)은 발전기(115)에 연결된다. 수직회전축(120)에는 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)가 결합된다. 이때, 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)는 회전날개부의 회전중심축이 수직회전축(120)의 회전중심축과 동축이 되도록, 수직회전축(120)에 직렬로 적층된다.
복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)는 바람이 불 때 상호 간에 연동되어 회전되면서, 회전력을 수직회전축(120)으로 제공하기 위한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)는 회전시 상호 간에 부딪히지 않도록 수직회전축(120)에 순차적으로 결합된다. 회전날개부는 제 1 블레이드, 제 2 블레이드, 수평회전축과, 중앙기둥부재로 이루어진다.
본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)에 대해 제 1 회전날개부(130), 제 2 회전날개부(140), 제 3 회전날개부(150)와 제 4 회전날개부(160)로 구분하여 설명하기로 한다. 다만, 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)의 설치개수는 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자의 입장에서 자명한 범위 내에서 다양하게 가변가능함은 물론이다.
아울러, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여, 제 1 회전날개부(130)의 제 1 블레이드에 대해 '제 1a 블레이드(135)'라 지칭하고, 제 2 블레이드에 대해 '제 2a 블레이드(137)'라 지칭하고, 수평회전축에 대해 '제 1 수평회전축(133)'으로 지칭하고, 중앙기둥부재에 대해 '제 1 중앙기둥부재(131)'라 지칭하기로 한다. 제 2 회전날개부(140)의 제 1 블레이드에 대해 '제 1b 블레이드(145)'라 지칭하고, 제 2 블레이드에 대해 '제 2b 블레이드(147)'라 지칭하고, 수평회전축에 대해 '제 2 수평회전축(143)'으로 지칭하고, 중앙기둥부재에 대해 '제 2 중앙기둥부재(141)'라 지칭하기로 한다.
제 3 회전날개부(150)의 제 1 블레이드에 대해 '제 1c 블레이드(155)'라 지칭하고, 제 2 블레이드에 대해 '제 2c 블레이드(157)'라 지칭하고, 수평회전축에 대해 '제 3 수평회전축(153)'으로 지칭하고, 중앙기둥부재에 대해 '제 3 중앙기둥부재(151)'라 지칭하기로 한다. 제 4 회전날개부(160)의 제 1 블레이드에 대해 '제 1d 블레이드(165)'라 지칭하고, 제 2 블레이드에 대해 '제 2d 블레이드(167)'라 지칭하고, 수평회전축에 대해 '제 4 수평회전축(163)'으로 지칭하고, 중앙기둥부재에 대해 '제 4 중앙기둥부재(161)'라 지칭하기로 한다.
본 실시예에 따른 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160)는 동일한 구조 및 동일한 기능을 가지는 바, 이하에서는 설명의 반복을 피하기 위하여, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 제 1 회전날개부(130)에 대해 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 회전날개부(130)는 제 1 중앙기둥부재(131), 제 1 수평회전축(133), 제 1a 블레이드(135), 제 2a 블레이드(137)로 이루어진다.
우선, 중앙기둥부재에 대해 설명하기로 한다.
중앙기둥부재는 수직회전축(120)에 결합되어, 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)의 회전시 회전력을 수직회전축(120)으로 전달하기 위한 것이다.
본 실시예에서는 설명의 편의를 위해, 제 1 중앙기둥부재(131)의 하부플랜지를 '제 1 하부플랜지(131a)'라 지칭하고, 제 1 중앙기둥부재(131)의 상부플랜지를 '제 1 상부플랜지(131c)' 제 1 중앙기둥부재(131)의 원통형기둥을 '제 1 원통형기둥(131b)'이라 지칭하기로 한다. 그리고, 제 2 중앙기둥부재(141)의 하부플랜지를 '제 2 하부플랜지(141a)'라 지칭하고, 제 2 중앙기둥부재(141)의 상부플랜지를 '제 2 상부플랜지(141c)' 제 2 중앙기둥부재(141)의 원통형기둥을 '제 2 원통형기둥(141b)'이라 지칭하기로 하고, 제 3 중앙기둥부재(151)의 하부플랜지를 '제 3 하부플랜지(151a)'라 지칭하고, 제 3 중앙기둥부재(151)의 상부플랜지를 '제 3 상부플랜지(151c)' 제 3 중앙기둥부재(151)의 원통형기둥을 '제 3 원통형기둥(151b)'이라 지칭하기로 하고, 제 4 중앙기둥부재(161)의 하부플랜지를 '제 4 하부플랜지(161a)'라 지칭하고, 제 4 중앙기둥부재(161)의 상부플랜지를 '제 4 상부플랜지(161c)' 제 4 중앙기둥부재(161)의 원통형기둥을 '제 4 원통형기둥(161b)'이라 지칭하기로 한다.
본 실시예에서, 제 1 중앙기둥부재(131) 내지 제 4 중앙기둥부재(161)는 서로 동일한 구조를 가지는 바, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 제 1 중앙기둥부재(131)의 형상 및 구조에 대해 한정하여 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 하부플랜지(131a)는 원판형구조를 가진다. 제 1 하부플랜지(131a)는 인접하게 위치된 상부플랜지와 볼팅결합되어, 서로 인접하게 위치한 두 개의 회전날개부를 결합하기 위한 것이다. 이러한 결합을 용이하게 하기 위하여, 제 1 하부플랜지(131a)에는 복수의 볼팅구멍이 마련된다.
본 실시예에서, 제 1 상부플랜지(131c)는 제 1 하부플랜지(131a)의 상부로 이격되어 위치된다. 제 1 상부플랜지(131c)와 제 2 하부플랜지(141a)는 제 1 원통형기둥(131b)에 의해 결합된 구조를 가진다.
제 1 상부플랜지(131c)는 제 1 수평회전축(133)을 회전가능하게 지지하기 위한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 상부플랜지(131c)에는 제 1 수평회전축(133)이 관통하여, 회전가능하게 연결된다. 구체적으로, 제 1 상부플랜지(131c)의 외주면에는 단턱부(131d)가 마련된다. 제 1 수평회전축(133)은 단턱부(131d)가 마련된 제 1 상부플랜지(131c)의 외주면을 관통하여, 제 1 상부플랜지(131c)에 회전가능하게 연결된다. 여기서, 단턱부(131d)는 제 1 수평회전축(133)의 회전시, 스토퍼(133a)와 맞닿아, 제 1 수평회전축(133)의 회전정도를 제한하기 위한 것이다.
제 1 상부플랜지(131c)는 제 1 하부플랜지(131a)와 마찬가지로 복수의 볼팅구멍이 마련된다. 이때, 제 1 하부플랜지(131a)에 마련된 복수의 볼팅구멍과 제 1 상부플랜지(131c)에 마련된 복수의 볼팅구멍은 상호 간에 대응되는 위치에 마련된 것이 바람직하다.
본 실시예에서, 제 1 하부플랜지(131a), 제 1 상부플랜지(131c)와 제 1 원통형기둥(131b)은 상호 간에 밀접하게 결합된 구조를 가지며, 이들의 결합방식은 당업자의 입장에서 자명한 범위 내의 결합방식이 이용될 수 있으며, 본 실시예에서는 이에 대해 구체적인 설명을 생략하기로 한다.
상기와 같은 제 1 중앙기둥부재(131)는 도 1에 도시된 바와 같이, 수직회전축(120)의 상단에 볼팅결합된다. 구체적으로 제 1 하부플랜지(131a)가 수직회전축(120)에 볼팅결합된다. 이어서, 제 1 회전날개부(130)의 상부에서, 즉, 제 1 상부플랜지(131c)의 상부에 제 2 중앙기둥부재(141)의 제 2 하부플랜지(141a)가 적층된 후, 제 1 상부플랜지(131c)와 제 2 하부플랜지(141a)가 상호 간에 볼팅결합된다. 이때, 제 1 원통형기둥(131b)과 제 2 원통형기둥(141b)은 수직회전축(120)과 동축으로 적층되는 것이 바람직하다.
이와 같은 방식으로, 제 2 상부플랜지(141c)의 상부에서 제 3 중앙기둥부재(151)의 제 3 하부플랜지(151a)가 적층된 후, 제 2 상부플랜지(141c)와 제 3 하부플랜지(151a)가 상호 간에 볼팅결합된다. 그리고, 제 3 상부플랜지(151c)의 상부에서 제 4 중앙기둥부재(161)의 제 4 하부플랜지(161a)가 적층된 후, 제 3 상부플랜지(151c)와 제 4 하부플랜지(161a)가 상호 간에 볼팅결합된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160)는, 제 1a 블레이드(135), 제 1b 블레이드(145), 제 1c 블레이드(155)와 제 1d 블레이드(165)가 수직회전축(120)에 대해 상호 간에 소정의 각도로 이격되어 수직회전축(120)에 순차적으로 적층된다.
예를 들어 설명하면, 3차원 좌표계에서 수직회전축(120)이 z축이고, 제 1 회전날개부(130)의 제 1a 블레이드(135)가 지면(10)에 대해 수직하게 배치되고, 제 1 회전날개부(130)의 제 2a 블레이드(137)가 지면(10)에 대해 수평하게 배치되면, 제 2 회전날개부(140)의 제 1b 블레이드(145)는 지면(10)에 대해서는 수직하게, 그리고, 제 1a 블레이드(135)에 대해 30° 내지 90°간격만큼 벌어지도록 위치되고, 제 2a 블레이드(137)는 지면(10)에 대해 수평하게, 제 1 회전날개부(130)에 적층결합된다.
그리고, 상기와 같은 동일한 조건에서, 제 3 회전날개부(150)의 제 1c 블레이드(155)는 지면(10)에 대해서는 수직하게, 그리고, 제 1b 블레이드(145)에 대해 30° 내지 90°간격만큼 벌어지도록 위치되고, 제 2c 블레이드(157)는 지면(10)에 대해 수평하게, 제 2 회전날개부(140)에 적층결합된다.
또한, 제 4 회전날개부(160)의 제 1d 블레이드(165)는 지면(10)에 대해서는 수직하게, 그리고, 제 1c 블레이드(155)에 대해 30° 내지 90°간격만큼 벌어지도록 위치되고, 제 2d 블레이드(167)는 지면(10)에 대해 수평하게, 제 3 회전날개부(150)에 적층결합된다. 아울러, 본 실시예에 따른 수직형 풍력발전기(100)는 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160) 외에 복수의 회전날개부(130, 140, 150, 160)를 상기와 같은 방식으로, 더 적층할 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명은 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160)를 보다 안정적으로 적층하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160) 각각에 복수의 지지봉(170)이 더 설치될 수 있다.
이때, 복수의 지지봉(170)은 제 1 회전날개부(130)에 대해, 제 1 하부플랜지(131a)와 제 1 상부플랜지(131c) 사이에서 제 1 원통형기둥(131b)과 이격되어, 제 1 하부플랜지(131a)와 제 1 상부플랜지(131c)에 볼팅결합되어 설치된다. 이와 동일한 방식으로, 복수의 지지봉(170)은 제 2 하부플랜지(141a)와 제 2 상부플랜지(141c) 사이에, 제 3 하부플랜지(151a)와 제 3 상부플랜지(151c) 사이에, 그리고, 제 4 하부플랜지(161a)와 제 4 상부플랜지(161c) 사이에 설치될 수 있다.
이와 같은 상기와 같은 방식으로 상호 간에 연결된 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160)는, 제 1 회전날개부(130) 내지 제 4 회전날개부(160) 중 어느 하나의 회전날개부의 회전시 연동되어 회전되면서, 회전력을 수직회전축(120)으로 전달한다.
이하에서는 제 1 수평회전축(133)에 대해 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 제 1 수평회전축(133)은 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)를 연결 및 지지하기 위한 것이다. 제 1 수평회전축(133)은 제 1 중앙기둥부재(131)의 제 1 상부플랜지(131c)를 관통하여, 제 1 중앙기둥부재(131)에 대해 T자형 구조를 이루도록 제 1 중앙기둥부재(131)에 수직하게 설치된다.
제 1 수평회전축(133)은 제 1a 블레이드(135)의 제 1a 무게중심선(135a)과 제 2a 블레이드(137)의 제 2a 무게중심선(137a)이 동축이 되도록, 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)를 연결한다.
이때, 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)는 제 1 수평회전축(133)의 중심점에서 상호 간에 동일한 간격만큼 이격되어 위치된다. 그리고, 3차원 좌표계에서, 수직회전축(120)이 z축에 해당될 때, 제 1a 블레이드(135)는 z축을 기준으로 제 2a 블레이드(137)에 대해 90°간격이 되도록 상기 제 1 수평회전축(133)에 연결된다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 수평회전축(133)에는 스토퍼(133a)가 마련된다. 제 1 수평회전축(133)은 스토퍼(133a)가 제 1 상부플랜지(131c)의 외주면에 마련된 단턱부(131d)에 위치되도록, 제 1 상부플랜지(131c)에 연결된 것이 바람직하다.
스토퍼(133a)는 제 1 블레이드(135) 또는 제 2 블레이드(137)가 제 1 수평회전축(133)에 대해 90°회전되면, 단턱부(131d)와 맞닿아, 제 1 수평회전축(133)의 회전각도를 90°정도로 제한하기 위한 것이다.
이와 같은 구조로 인해, 제 1a 블레이드(135)가 제 1 수평회전축(133)의 회전정도에 따라 지면(10)에 대해 수평하게 위치되면 제 2a 블레이드(137)는 지면(10)에 대해 수직하게 위치되고, 제 2a 블레이드(137)가 제 1 수평회전축(133)의 회전정도에 따라 지면(10)에 대해 수평하게 위치되면 제 1a 블레이드(135)는 지면(10)에 대해 수직하게 위치되면서, 바람방향에 따라 지면(10)에 대한 수직 또는 수평 위치가 연속적으로 가변될 수 있다.
이하에서는 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)의 형상에 대해 설명하기로 한다.
제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)는 바람의 영향을 보다 원할하게 받도록 평판형 구조를 가진다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)는 평판형 구조를 가지나 양단(136)이 절곡된 단면을 가지는 형상인 것이 바람직하다. 이는, 제 1a 블레이드(135) 또는 제 2a 블레이드(137)가 바람방향과 수직하게 또는 경사지게 위치될 때, 바람의 영향을 보다 원활하게 받기 위함이다. 본 실시예에서는 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)가 서로 동일한 구조를 가지는 바, 이하에서는 설명의 반복을 피하기 위하여 제 1a 블레이드(135)의 형상 및 구조에 대해 주로 설명하기로 한다.
제 1a 블레이드(135)는 제 1a 무게중심선(135a)에 의해 상부와 하부로 구획된다. 여기서, 제 1a 무게중심선(135a)은 제 1a 블레이드(135)의 상부부분의 무게와 제 1a 블레이드(135)의 하부부분의 무게가 평형을 이루는 가상중심선이다. 본 실시예에서는 제 1a 블레이드(135)가 지면에 대해 수직하게 위치된 상태에서, 제 1a 블레이드(135)의 상부부분을 '제 1 날개판부(138)'라 지칭하고, 제 1a 블레이드(135)의 하부부분을 '제 2 날개판부(139)'라 지칭한다.
제 1a 블레이드(135)는 제 1a 무게중심선(135a)에 의해 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)로 구획되고, 제 2a 블레이드(137)는 제 2a 무게중심선(137a)에 의해 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)로 구획된다. 여기서, 제 1a 무게중심선(135a)와 제 2a 무게중심선(137a)은 제 1 수평회전축(133)이 설치되는 부분이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 날개판부(138)는 테두리가 완만하게 만곡된 유선형 구조를 가진다. 그리고, 제 2 날개판부(139)는 테투리가 급격하게 만곡된 유선형 구조를 가진다. 제 2 날개판부(139)는 제 1 날개판부(138)와 동일한 무게를 가지고, 제 1 날개판부(138)의 면적보다 큰 면적을 가진다.
풍압은 하기 식(1)에 개시된 바와 같이, 블레이드의 면적에 비례하는데, 제 1 수평회전축(133)이 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)의 회전시, 수직회전축(120)을 중심으로, 3차원 좌표의 x-y평면을 회전한다.
이때, 바람방향에 수직하게 위치된 제 1a 블레이드(135)는 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)가 서로 다른 면적의 차이로 인해, 제 1 날개판부(138)에 가해지는 제 1 풍압과 제 2 날개판부(139)로 가해지는 제 2 풍압이 서로 다른 풍압에 영향을 받게 되면서, 제 1a 블레이드(135)는 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)가 동일한 무게를 가짐에 따라 제 1 수평회전축(133)에서 무게밸런스를 맞추기 위해, 제 1 수평회전축(133)에 의해 소정의 각도로 회전된다. 풍속, 공기밀도 및 저항계수가 동일하게 적용되는 조건이면, 제 2 날개판부(139)에 가해지는 제 2 풍압이 제 1 날개판부(138)에 가해지는 제 1 풍압보다 크다.
Figure 112015026299109-pat00001
.......................................식(1)
여기서, W는 풍압, c는 저항계수, ρ는 공기밀도, A는 블레이드의 면적, v는 풍속이다.
즉, 제 1a 블레이드(135)는 제 1a 무게중심선(135a)을 기준으로 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)의 무게가 동일하고, 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)의 면적이 서로 상이한 구조를 가짐으로써, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 회전날개부(130)의 회전시, 제 1a 블레이드(135)의 제 1 날개판부(138)와 제 2 날개판부(139)로 서로 다른 풍압(제 2 풍압 > 제 1 풍압)이 가해지면(10), 제 1a 블레이드(135)가 제 1 수평회전축(133)에 대해 무게밸런스를 맞추면서, 지면(10)에 대해 수직하게 또는 수평하게 위치되도록 회전된다.
이때, 제 1a 블레이드(135)는 제 2a 블레이드(137)와 연동되어 회전되는데, 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이, 제 1a 블레이드(135)가 바람방향과 수직하게, 지면(10)에 대해 수직하게 위치되면, 제 2a 블레이드(137)는 지면(10)에 대해 수평하게 위치되어, 바람에 대한 저항력을 최소화한다.
이어서, 제 1a 블레이드(135)가 제 1 날개판부(138)에 가해지는 제 1 풍압과 제 2 날개판부(139)에 가해지는 제 2 풍압의 차이로 인해 도 5b에 도시된 바와 같이, 제 1 수평회전축(133)에 의해 소정의 각도로 회전되어 지면(10)에 대해 수평하게 위치되면, 제 2a 블레이드(137)는 제 1a 블레이드(135)와 반대로 지면(10)에 대해 수직하게 위치되면서 바람의 힘을 받게 되어, 수직회전축(120)으로 회전력을 제공한다.
제 1 회전날개부(130)는 제 1 중앙기둥부재(131)가 R1방향으로 회전되고, 제 1 수평회전축(133)은 R2방향으로 회전되면서, 제 1a 블레이드(135)와 제 2a 블레이드(137)의 지면(10)에 대한 각도를 가변시킬 수 있어, 바람이 제 1a 블레이드(135) 또는 제 2a 블레이드(137) 중 바람방향에 수직하게 위치된 블레이드를 밀어내어 회전되고, 바람방향과 반대방향에 위치된 블레이드는 바람에 영향을 덜 받도록 바람방향과 수평하게 위치되도록 작동되어, 바람에 대한 저항력을 최소화시키고, 풍압에 의한 정방향 회전력만 수직회전축(120)에 전달되어, 풍력발전효율을 증대시킬 수 있다.
아울러, 본 발명은 바람방향에 따라 블레이드의 수평회전축의 피치각도를 상황에 따라 조절할 필요 없이도, 한 쌍의 블레이드의 형상 한정 및 한 쌍의 블레이드가 하나의 수평회전축에 연결되는 구조적 한정을 통해, 바람이 어느방향에서 불던 간에, 하나의 수평회전축에 연결된 한 쌍의 블레이드 중 어느 하나는 바람방향에 수평하게, 다른 하나는 바람방향에 수평하게 위치시킬 수 있어, 간단한 구조 및 구성요소를 사용하고도, 풍력에 의한 정방향 회전력만 수직 동력축에 인가되도록 함으로써 풍력발전효율을 증대시킬 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 제조비용을 절감시킬 수 있는 동시에, 블레이드에 바람의 저항력을 최소화시킴으로써, 블레이드의 사용수명을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 한 쌍의 블레이드 중 하나의 블레이드는 수직회전축(120)에 대해 수직하게 배치되는 구조를 가짐으로써, 수평형 블레이드가 사용된 경우보다 블레이드의 수직회전축(120)에 대한 회전반경을 줄여, 설치공간상의 제약을 크게 받지 않고, 바람이 부는 곳이라면 장소에 제한없이 용이하게 설치될 수 있다.
본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.
100: 수직형 풍력발전기
110: 본체부 115: 발전기
120: 수직회전축 130: 제 1 회전날개부
131: 제 1 중앙기둥부재 133: 제 1 수평회전축
135: 제 1a 블레이드 137: 제 2a 블레이드
138: 제 1 날개판부 139: 제 2 날개판부
140: 제 2 회전날개부 141: 제 2 중앙기둥부재
143: 제 2 수평회전축 145: 제 1b 블레이드
147: 제 2b 블레이드 150: 제 3 회전날개부
151: 제 3 중앙기둥부재 153: 제 3 수평회전축
155: 제 1c 블레이드 157: 제 2c 블레이드
160: 제 4 회전날개부 161: 제 4 중앙기둥부재
163: 제 4 수평회전축 165: 제 1d 블레이드
167: 제 2d 블레이드 170: 지지봉

Claims (8)

  1. 지면에 설치되고 내부에 발전기가 설치되는 본체부;
    상기 지면에 대해 수직하게, 상기 본체부에 회전가능하게 연결되고, 상기 발전기에 연결된 수직회전축;
    제 1 블레이드, 상기 제 1 블레이드와 동일한 구조를 가진 제 2 블레이드, 상기 제 1 블레이드와 상기 제 2 블레이드를 연결하는 수평회전축과, 상기 수평회전축이 회전가능하게 연결되고 상기 수직회전축에 결합된 중앙기둥부재가 구비되어, 바람이 불 때 회전하면서 상기 수직회전축에 회전력을 제공하는 복수의 회전날개부를 포함하고,
    상기 제 1 블레이드는 상기 수평회전축이 설치되는 부분을 기준으로 제 1 날개판부와, 상기 제 1 날개판부와 동일한 무게를 가지고, 상기 제 1 날개판부의 면적보다 큰 면적을 가지는 제 2 날개판부로 구획되어, 상기 제 1 날개판부와 상기 제 2 날개판부에 면적에 비례하는 풍압을 받아 상기 수평회전축을 기준으로 회전하면서, 상기 수직회전축을 기준으로 회전하고,
    상기 중앙기둥부재는, 하부플랜지, 상기 수평회전축이 회전가능하게 연결된 상부플랜지, 상기 하부플랜지와 상기 상부플랜지에 결합된 원통형기둥으로 이루어지고, 상기 원통형기둥의 중심축이 상기 수직회전축의 중심축과 동축이되도록 상기 수직회전축에 결합된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 날개판부는 테두리가 완만하게 만곡된 유선형구조를 가지고,
    상기 제 2 날개판부는 테투리가 급격하게 만곡된 유선형 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 블레이드는 상기 수직회전축을 기준으로 상기 제 2 블레이드에 대해 30° 내지 90°간격이 되도록 상기 수평회전축에 연결되고,
    상기 제 1 블레이드가 바람방향에 대해 수직하게 위치되면 상기 제 2 블레이드는 상기 제 1 블레이드의 반대편에서 공전되면서 상기 바람방향에 대해 수평하게 위치되고, 상기 제 2 블레이드가 상기 바람방향에 대해 수직하게 위치되면 상기 제 1 블레이드는 상기 제 2 블레이드의 반대편에서 공전되면서 상기 바람방향에 대해 수평하게 위치되도록 회전되면서, 상기 수직회전축으로 회전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평회전축은 상기 수직회전축에 대해 수직하게, 상기 중앙기둥부재에 회전가능하게 설치되고,
    상기 제 1 블레이드와 상기 제 2 블레이드로 풍압이 가해질 때, 상기 제 1 블레이드와 상기 제 2 블레이드가 상기 수평회전축을 기준으로 회전하면서, 상기 제 1 블레이드의 상기 제 1 날개판부와 상기 제 2 날개판부 사이에서 무게의 밸런스를 이루고, 상기 제 2 블레이드의 상기 제 1 날개판부와 상기 제 2 날개판부 사이에서 무게의 밸런스를 이루는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 블레이드와 상기 제 2 블레이드는 양단이 절곡된 종단면을 가지는 형상인 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평회전축에는 상기 중앙기둥부재에 연결되는 부분에 스토퍼가 구비되고,
    상기 스토퍼는 상기 제 1 블레이드 또는 상기 제 2 블레이드가 상기 수평회전축에 대해 90°회전되면, 상기 중앙기둥부재의 외주면에 마련된 단턱부와 맞닿아, 상기 수평회전축의 회전을 제한하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  8. 삭제
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