KR101650544B1 - 수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체 - Google Patents

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Abstract

수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체에 대한 발명이 개시된다. 개시된 발명은: 지면으로부터 세로방향으로 세워지는 세로지지축과; 세로지지축으로부터 가로방향으로 연장되게 마련되고, 세로지지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 가로회전축; 및 바람을 받아 가로회전축을 회전시키며, 회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 가로회전축에 회전 가능하게 설치되되, 가로회전축을 회전 중심으로 하여 회전되는 회전체를 포함하고, 회전체는, 구의 일부분을 잘라낸 형상을 갖도록 형성된다.

Description

수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체{VERTICAL ROTOR TYPE AEROGENERATOR AND ROTATING MEMBER THEREOF}
본 발명은 수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 바람의 에너지를 이용하여 전기를 생성하는 수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체에 관한 것이다.
최근, 화석연료의 사용에 따라 대기 오염과 같은 환경 문제에 직면하고 있고, 발전 설비의 운전에 따른 비용 증가로 인하여 화석 에너지를 대체할 수 있는 친환경의 새로운 에너지가 요구되고 있다.
이에, 태양광, 연료전지, 풍력, 조력 등 다양한 대체 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 발전설비 등이 실제로 설치되어 운전되고 있다.
태양광이나 해류, 조력, 파력 등의 대체 에너지를 이용한 발전설비는, 종래의 화석 에너지를 이용한 발전설비에 비하여, 오염물질 배출이 전혀 없어 친환경적이지만, 설비의 초기 투자비용이 많이 들고, 태양광이 지속되거나 바닷물이 있는 특정지역에만 제한적으로 설치될 수 밖에 없는 단점이 있다.
대체 에너지를 이용한 발전설비 중 가장 쉽게 적용 가능한 것은 바람의 힘을 이용한 풍력 발전이다. 이러한 풍력 발전장치는, 풍차날개의 설치형상에 따라 수평형과 수직형으로 구분된다.
수평형 풍력 발전장치는, 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평인 형태의 풍력 발전장치로서, 일정 풍속 이상의 바람이 장시간 동안 일정하게 부는 지역에 적합하다.
그리고 수직형 풍력 발전장치는,회전축이 지면에 수직한 형태의 풍력 발전장치로서, 바람이 부는 방향과 풍속이 일정하지 않더라도 바람이 부는 곳은 어디든 설치가 가능한 특성이 있다.
한국의 경우에는 지역적 환경여건에 따라 강풍이 장시간 동안 일정하게 부는 지역이 별로 없기 때문에, 작은 풍압을 이용하기에 적합한 수직형 풍력 발전장치를 이용하는 것이 효율적이다.
이와 같은 수직형 풍력 발전장치는, 설치가 간단하여 주택옥상 또는 저수조 상부에도 설치할 수가 있어 공간활용이 용이하고, 강풍이 많은 해안가의 주택이나 등대에도 설치하기가 적합한 이점은 있으나 갑작스럽게 돌풍이 불거나 태풍과 같은 강풍이 불 경우에는 블레이드가 손상되어 강풍에 날리게 되는 등 위험한 문제점이 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0715662호(2007년 05월 01일 등록, 발명의 명칭 : 수직축 풍력발전장치)에 개시되어 있다.
본 발명은 강풍에 견디는 안정성 및 발전 효율성을 함께 향상시킬 수 있도록 구조를 개선한 수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 수직축 풍력 발전장치는: 지면으로부터 세로방향으로 세워지는 세로지지축과; 상기 세로지지축으로부터 가로방향으로 연장되게 마련되고, 상기 세로지지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 가로회전축; 및 바람을 받아 상기 가로회전축을 회전시키며, 회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 상기 가로회전축에 회전 가능하게 설치되되, 상기 가로회전축을 회전 중심으로 하여 회전되는 회전체를 포함하고, 상기 회전체는, 구의 일부분을 잘라낸 형상을 갖도록 형성된다.
또한 상기 회전체는, 구를 그 중심을 지나지 않는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전체는, 설정된 중심각을 이루는 구의 두 반지름에 접하는 원주상의 두 점을 지나는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 설정된 중심각의 범위는, 60 내지 120°인 것이 바람직하다.
또한 상기 회전체는, 내부가 오목하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전체는, 회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 구비되는 집풍부; 및 상기 가로회전축의 길이방향 축을 중심으로 상기 집풍부의 회전각 변화가 이루어질 수 있도록 상기 집풍부를 가로회전축에 결합시키는 회전결합부를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 회전체가 받는 바람의 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각을 조절하는 회전각조절부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전각조절부는, 상기 회전체가 받는 바람의 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각이 조절되도록 상기 회전체를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전각조절부는, 상기 가로회전축에 나선 형태의 이동경로를 형성하는 가이드홈과; 상기 가이드홈에 형성된 이동경로를 따라 이동되어 상기 회전체를 내측 또는 외측 방향으로 이동시키며 상기 회전체의 회전각을 변화시키는 가이드돌기; 및 상기 회전체를 내측 방향으로 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전각조절부는, 상기 회전체의 회전각을 변화시키는 구동력을 제공하는 구동부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 회전체가 받는 바람의 풍속을 측정하는 풍속측정부를 더 포함하고; 상기 회전각조절부는, 상기 풍속측정부에 의해 측정된 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각을 조절하는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전체는, 상기 가로회전축의 길이방향 축을 따라 위치 변화가 가능하도록 상기 가로회전축에 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 세로지지축에 설치되어 상기 가로회전축을 지지하는 보강부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 보강부는, 상기 가로회전축을 하부로부터 지지하는 보강프레임을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 보강부는, 상기 가로회전축을 상부에서 견인하는 방향으로 지지하는 보강부재를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 보강부재는, 보강와이어인 것이 바람직하다.
또한 상기 보강부는, 상기 보강와이어의 장력을 조절하는 장력조절부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 다른 측면에 따른 회전체는: 지면으로부터 세로방향으로 세워지는 세로지지축; 및 상기 세로지지축으로부터 가로방향으로 연장되게 마련되고, 상기 세로지지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 가로회전축;을 포함하는 수직축 풍력 발전기의 가로회전축에 회전 가능하게 설치되는 회전체로서, 상기 회전체는 상기 가로회전축을 회전 중심으로 하여 회전하되, 회전각을 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 구비되는 집풍부와, 상기 가로회전축의 길이방향의 축을 중심으로 상기 집풍부의 회전각 변화가 이루어질 수 있도록 상기 집풍부를 가로회전축에 결합시키는 회전결합부를 포함한다.
또한 상기 회전체는, 구를 그 중심을 지나지 않는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전체는, 설정된 중심각을 이루는 구의 두 반지름에 접하는 원주상의 두 점을 지나는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 설정된 중심각의 범위는, 60 내지 120°인 것이 바람직하다.
또한 상기 회전체는, 내부가 오목하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 상기 회전체가 받는 바람의 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각을 조절하는 회전각조절부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전각조절부는, 상기 회전체가 받는 바람의 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각이 조절되도록 상기 회전체를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전각조절부는, 상기 회전체의 회전각을 변화시키는 구동력을 제공하는 구동부를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체에 따르면, 풍속에 따라 회전체가 바람을 받는 면적을 현저히 감소시키거나 증가시킬 수 있으므로, 강풍에 견디는 안정성이 향상됨은 물론, 바람의 힘을 최대로 이용하여 발전 효율성을 높일 수 있다.
또한 본 발명은 회전체의 회전각 조절을 풍속에 따라 자동으로 조절할 수 있도록 함으로써, 풍속에 변화에 신속하게 대응하여 발전 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 운용의 편의성을 향상시킬 수 있고, 적은 인원으로 효율적인 관리가 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수직축 풍력 발전장치의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체의 형상을 보여주는 평면도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체의 회전 상태의 일례를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체의 회전 상태의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전각조절부를 도시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 회전각조절부의 작용을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전각조절부의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 회전각조절부의 작용을 보여주는 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전각조절부의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 14 및 도 15는 도 13에 도시된 회전각조절부의 작용을 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 회전체를 도시한 평면도이다.
도 17 및 도 18은 도 16에 도시된 회전체의 위치 변화 상태를 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 제3실시예에 따른 수직축 풍력 발전장치를 도시한 사시도이다.
도 20은 본 발명의 제3실시예에 따른 보강부의 구조의 다른 예를 보여주는 도면이다.
도 21은 본 발명의 제3실시예에 따른 보강부의 구조의 또다른 예를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수직축 풍력 발전장치 및 이에 구비되는 회전체의 실시예를 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수직축 풍력 발전장치의 구조를 개략적으로 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체의 형상을 보여주는 평면도이다. 또한 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체의 회전 상태의 일례를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전체의 회전 상태의 다른 예를 보여주는 도면이며, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전각조절부를 도시한 도면이다. 또한 도 7 및 도 8은 도 6에 도시된 회전각조절부의 작용을 보여주는 도면이고, 도 9는 본 발명의 제1실시예에 따른 회전각조절부의 다른 예를 도시한 도면이며, 도 10 및 도 11은 도 9에 도시된 회전각조절부의 작용을 보여주는 도면이다. 또한 도 12 및 도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전각조절부의 또 다른 예를 도시한 도면이고, 도 14 및 도 15는 도 13에 도시된 회전각조절부의 작용을 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 수직축 풍력 발전장치(100)는, 세로지지축(110)과, 가로회전축(120) 및 회전체(130)를 포함한다.
세로지지축(110)은, 지면으로부터 세로방향으로 일정 높이 연장되도록 세워진다. 본 실시예에서, 세로지지축(110)은 그 길이가 지면으로부터 세로방향으로 연장되는 원기둥 형태로 이루어지는 것으로 예시된다. 그러나 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 세로지지축(110)의 형태는 원기둥 외에도 사각기둥 또는 오각기둥 등과 같은 다각기둥형 형태로 이루어질 수 있는 등 다양한 변형 실시예가 있을 수 있다.
상기와 같은 세로지지축(110)의 내부에는 발전에 필요한 각종 장비들이 탑재되며, 이러한 발전 장비들은 풍력 발전장치의 기본 구성요소이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
가로회전축(120)은, 세로지지축(110)으로부터 가로방향으로 소정 길이 연장되게 마련된다. 바람직하게는, 가로회전축(120)은 세로지지축(110)의 상단부에 지면과 나란한 방향으로 연장되는 형태로 마련될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 세로지지축(110)의 상단부에는 복수개의 가로회전축(120)이 설치되며, 이러한 복수개의 가로회전축(120)은 세로지지축(110)을 중심으로 방사형으로 연장되는 형태로 배치된다.
본 실시예에서는, 4개의 가로회전축(120)이 "＋" 형상을 이루며 배치되는 것으로 예시되나 이에 한정되는 것은 아니며, 3개 이하 또는 5개 이상의 가로회전축(120)이 배치되는 형태로 구성될 수도 있다.
아울러 상기와 같이 배치되는 가로회전축(120)은 세로지지축(110)을 중심으로 회전 가능하게 설치되며, 세로지지축(110)을 회전 중심으로 하여 회전됨으로써 발전에 이용되기 위한 회전력을 발생시킨다.
회전체(130)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 바람을 받아 가로회전축(120)을 회전시키도록 가로회전축(120)에 설치된다. 이러한 회전체(130)는, 집풍부(131)와 회전결합부(133)를 포함하는 형태로 구비된다.
집풍부(131)는, 회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 구비된다.
본 실시예에 따르면, 회전체(130), 즉 집풍부(131)는 구(球; S)의 일부분을 잘라낸 형상을 갖도록, 즉 구(S)를 그 중심을 지나지 않는 평면(P)으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성된다.
구체적으로, 집풍부(131)는 설정된 중심각(α)을 이루는 구(S)의 두 반지름(r)에 접하는 원주상의 두 점(A,B)을 지나는 평면(P)으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성된다. 이때 평면(P)으로 잘라낸 절단면, 즉 원주상의 두 점(A,B)을 잇는 직선 선분(A-B)에 의해 형성된 면은 집풍부(131)가 최대 면적으로 바람을 받을 수 있는 면(이하 "최대면"이라 한다)에 해당된다.
이와 같은 형태로 형상이 결정된 집풍부(131)는, 동일한 구(S)의 중심을 지나는 평면을 잘라낸 반구(半球) 형상과 비교할 때, 그 두께(t)가 반구 형상에 비해 감소하며, 이와 함께 그 최대면의 면적 또한 감소된다.
그리고 구(S)의 두 반지름(r)이 이루는 중심각(α)이 좁아질수록, 집풍부(131)의 형상은 그 두께(t) 및 최대면의 면적이 감소되는 형태를 이루게 된다.
이때 두께(t)의 감소폭 대비 최대면 면적의 감소폭을 살펴보면, 두께(t)의 감소폭이 최대면 면적의 감소폭보다 상대적으로 크다는 것을 알 수 있다.
즉 본 실시예와 같이 집풍부(131)의 형상을 결정하면, 동일한 구(S)의 중심을 지나는 평면을 잘라낸 반구(半球) 형상과 비교할 때, 두께(t)를 상당 부분 감소시키면서도 최대면의 면적은 그에 비해 상대적으로 적게 감소되는 형태의 집풍부(131)를 형성할 수 있게 된다.
이와 같이 형성되는 집풍부(131)를 구비하는 회전체(130)는, 집풍부(131)의 최대면 면적이 반구 형상 수준으로 유지되면서도 두께(t)가 상당 부분 감소된 형태로 구비될 수 있다.
한편 두 반지름(r)이 이루는 중심각(α)의 범위는, 60 내지 120°인 것이 바람직하다. 이는 두 반지름(r)이 이루는 중심각(α)이 60° 미만인 경우 회전축(120)의 형상이 평판에 가깝게 이루어져 회전축(120)의 집풍 성능이 떨어지게 되고, 두 반지름(r)이 이루는 중심각(α)이 120°를 초과하는 경우 두께(t)의 감소가 충분히 이루어지지 않아 회전체(130)의 형상이 반구에 가깝게 볼록하게 형성됨으로써 회전체(130)의 회전각을 변화시키더라도 회전체(130)가 바람을 받는 면적의 변화가 효과적으로 이루어지지 않기 때문이다.
아울러 상기와 같은 형상을 갖도록 형성되는 집풍부(131)는, 내부가 오목하게 형성된다. 바람직하게는, 집풍부(131)는 내부가 빈 구각(球殼)의 일부분을 잘라낸 형태와 같이 형성될 수 있다.
그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 내부가 가득찬 형태의 구의 일부분을 잘라낸 형태로 형성될 수도 있고, 완전한 원의 형태가 아닌 타원 등과 같은 곡면을 포함하는 입체도형을 잘라낸 형태로 형성될 수도 있으며, 다른 다면체의 일부분을 잘라낸 형태로 형성될 수도 있는 등 다양한 변형 실시예가 있을 수 있다.
상기 회전체(130)는, 회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 가로회전축(120)에 회전 가능하게 설치되되, 가로회전축(120)을 회전 중심으로 하여 회전되도록 설치된다.
즉 집풍부(131)는 가로회전축(120)을 회전 중심으로 하여 회전각이 변화될 수 있도록 회전 가능하게 구비되고, 회전결합부(133)는 이러한 집풍부(131)의 회전각 변화가 이루어질 수 있도록 집풍부(131)를 가로회전축(120)에 회전 가능하게 결합시킨다.
상기와 같은 구조에 의해, 회전체(130)는, 바람을 받는 면적이 최대가 되는 회전각으로 회전될 수도 있고(도 3 참조), 바람을 받는 면적이 그보다 감소되는 회전각으로 회전될 수도 있으며(도 4 참조), 바람을 받는 면적이 최소화되는 회전각으로 회전될 수도 있다(도 5 참조).
이로써 회전체(130)는, 풍속이 발전에 적합한 경우에는 바람을 받는 면적이 최대가 되도록 위치되어 회전체(130)에 대한 풍압의 작용이 최대치로 이루어질 수 있도록 하고, 풍속이 그보다 강해 회전체(130)가 바람으로 인해 손상될 우려가 있는 경우에는 바람을 받는 면적이 감소되도록 위치되어 회전체(130)에 대한 풍압의 작용이 적게 이루어지도록 할 수 있다.
한편 본 실시예의 수직축 풍력 발전장치(100)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 회전체(130)가 받는 바람의 풍속에 따라 회전체(130)의 회전각을 조절하는 회전각조절부(135)를 더 포함할 수 있다.
일례로서, 회전각조절부(135)는 회전체(130)가 받는 바람의 풍속에 따라 회전체(130)의 회전각이 조절되도록 회전체(130)를 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 실시예에서는, 회전각조절부(135)가 토션스프링과 같은 탄성부재가 가로회전축(120)과 회전결합부(133) 사이에 설치되는 형태로 구비되는 것으로 예시된다.
이와 같이 구비되는 회전각조절부(135)는, 회전체(130)의 회전각이 일정 상태를 유지하도록 회전체(130)를 지지한다. 이때 회전각조절부(135)가 회전체(130)를 지지하는 탄성 지지력은, 발전에 적합한 풍속을 고려하여 결정됨이 바람직하다.
즉 회전각조절부(135)에 의해 제공되는 탄성 지지력은, 회전체(130)로 불어들어오는 바람의 풍속이 발전에 적합한 풍속일 때에는 회전체(130)의 회전각이 일정 상태를 유지하고, 바람의 풍속이 그보다 강해질수록 그로부터 회전각이 증가되도록 설정될 수 있다.
이에 따라 회전각조절부(135)는, 회전체(130)로 불어들어오는 바람의 풍속이 발전에 적합한 풍속 이하일 때에는 바람을 받는 면적이 최대가 되는 위치로 회전체(130)의 위치를 유지하도록 작용하고, 바람의 풍속이 그보다 강해지면 바람을 받는 면적이 그보다 감소되는 위치로 회전체(130)가 회전될 수 있도록 작용하며(도 7 참조), 바람의 풍속이 매우 강해지면 바람을 받는 면적이 최소화되는 위치로 회전체(130)가 회전될 수 있도록 작용할 수도 있다(도 8 참조).
다른 예로서, 도 9에 도시된 바와 같은 회전각조절부(135a)는, 가로회전축(120)에 오목하게 형성된 가이드홈(136)과 회전결합부(133)에 돌출되게 형성된 가이드돌기(137) 및 가로회전축(120)의 내부에 설치되는 탄성부재(138)를 포함하는 형태로 구비될 수 있다.
가이드홈(136)은, 가로회전축(120)의 길이방향을 따라 연장되는 길이를 갖도록 가로회전축(120)에 오목하게 형성되되, 나선형의 곡선을 이루도록 형성된다. 이러한 가이드홈(136)은, 가로회전축(120) 상에 나선 형태의 이동경로를 형성한다.
그리고 가이드돌기(137)는, 회전결합부(133)에 돌출되게 형성되어 가이드홈(136)에 삽입되되, 가이드홈(136)에 의해 형성된 이동경로를 따라 가로회전축(120)의 길이방향으로 이동될 수 있다.
이러한 가이드돌기(137)의 이동에 의해, 회전체(130)는 가로회전축(120)의 길이방향을 따라 내측 또는 외측 방향으로 이동되며 그 회전각이 조절될 수 있다.
즉 회전체(130) 및 가로회전축(120)의 회전시, 회전체(130)를 회전 중심으로부터 먼 방향으로 이동시키려는 원심력이 회전체(130)에 작용하게 되면, 이로 인해 회전결합부(133)가 외측 방향, 즉 가로회전축(120)의 단부 측으로 이동하려는 힘이 발생되고, 이에 따라 가이드돌기(137)는 가이드홈(136)을 따라 이동된다.
그리고 이와 같이 가이드돌기(137)가 가이드홈(136)에 형성된 나선 형태의 이동경로를 따라 이동됨에 따라, 회전체(130)는 가이드돌기(137)의 이동거리에 비례하여 그 회전각이 변화될 수 있다.
이때 가이드홈(136)은, 회전체(130)가 바람을 받는 면적이 최대가 되는 위치와 바람을 받는 면적이 최소화되는 위치 사이에서 회전될 수 있도록 하는 이동경로, 예를 들면 회전체(130)가 0~90°의 각도 범위로 회전될 수 있도록 하는 이동경로를 형성하는 것이 바람직하다.
또한 탄성부재(138)는, 일측이 가로회전축(120)에 결합되고 타측이 회전결합부(133)에 결합되는 코일스프링 형태로 구비될 수 있다.
이러한 탄성부재(138)는, 회전체(130)의 회전각이 일정 상태를 유지하도록 회전체(130)를 내측 방향, 즉 세로지지축(110)에 가까워지는 방향으로 지지하는 한편, 회전결합부(133)의 이동 및 그로 인해 이루어지는 회전체(130)의 회전각 변화가 풍속에 의해 결정될 수 있도록 하는 탄성 지지력을 제공한다.
이에 따르면 탄성부재(138)는, 회전체(130)로 불어들어오는 바람의 풍속이 발전에 적합한 풍속일 때에는 회전결합부(133)의 위치가 일정 상태를 유지하도록 회전결합부(133)의 이동을 구속하고, 바람의 풍속이 그보다 강해질수록 회전결합부(133)의 이동거리가 증가되도록 하는 탄성 지지력을 제공할 수 있다.
이에 따라 회전각조절부(135a)는, 회전체(130)로 불어들어오는 바람의 풍속이 발전에 적합한 풍속 이하일 때에는 바람을 받는 면적이 최대가 되는 위치로 회전체(130)의 위치를 유지하도록 작용하고, 바람의 풍속이 그보다 강해지면 바람을 받는 면적이 그보다 감소되는 위치로 회전체(130)가 회전될 수 있도록 작용하며(도 10 참조), 바람의 풍속이 매우 강해지면 바람을 받는 면적이 최소화되는 위치로 회전체(130)가 회전될 수 있도록 작용할 수도 있다(도 11 참조).
또 다른 예로서, 회전각조절부(135b)는, 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 회전체(130)의 회전각을 변화시키는 구동력을 제공하는 구동부를 포함하는 형태로 이루어질 수도 있다.
본 실시예에서, 구동부는 펄스 신호에 따라 소정 각도 회전 가능하게 구비되는 스테핑모터 및 스테핑모터에서 발생된 회전력을 회전결합부(133)에 전달하여 회전체(130)를 회전시키는 동력전달부재를 포함하는 형태로 이루어지는 것으로 예시된다.
또한 본 실시예의 수직축 풍력 발전장치(100)는, 풍속측정부(140)를 더 포함할 수 있다. 풍속측정부(140)는, 풍속을 측정하기 위한 풍속센서 또는 세로지지축(110)의 회전속도를 측정하는 속도센서를 구비하여 바람의 풍속을 측정할 수 있다.
그리고 회전각조절부(135b)는, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 풍속측정부(140)에 의해 측정된 풍속에 따라 회전체(130)의 회전각을 조절할 수 있다. 즉 회전각조절부(135b)는, 풍속측정부(140)에 의해 측정된 풍속에 따라 스테핑모터에 입력되는 펄스를 조절하여 스테핑모터의 회전을 조절하는 방식으로 회전체(130)의 회전각을 조절할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 수직축 풍력 발전장치(100) 및 이에 구비되는 회전체(130)의 작용, 효과에 대하여 설명한다.
본 실시예에 따르면, 세로지지축(110)에는 발전에 필요한 각종 장비들이 탑재되고, 이 세로지지축(110)의 상단부에는 복수개의 가로회전축(120)이 회전 가능하게 설치된다. 그리고 복수개의 가로회전축(120)에는, 회전체(130)가 각각 설치된다.
회전체(130)는 바람을 받아 가로회전축(120)을 회전시키며, 이에 따라 회전되는 가로회전축(120)은 이러한 회전력을 세로지지축(110)에 탑재된 장비에 전달하여 발전이 일어날 수 있도록 한다.
이때 회전체(130)의 위치를 회전체(130)의 최대면이 바람이 불어 들어오는 방향과 수직을 이루도록 조절함으로써, 회전체(130)가 바람을 받는 면적이 최대가 되도록 하고, 이를 통해 바람의 힘을 최대로 이용하여 발전 효율성을 높일 수 있다.
회전체(130)에 불어 들어오는 바람의 풍속이 발전을 일으키기에 적합한 풍속보다 강한 경우에는, 회전체(130)가 바람을 받는 면적이 감소되도록 회전체(130)의 회전각을 조절함으로써, 강풍으로 인해 가로회전축(120), 회전체(130) 등이 파손되는 것을 방지할 수 있다.
여기서 상기와 같이 회전각이 조절되는 회전체(130)의 형상을 살펴보면, 회전체(130)는 회전체(130), 즉 집풍부(131)는 구(球; S)의 일부분을 잘라낸 형상을 갖도록, 즉 구(S)를 그 중심을 지나지 않는 평면(P)으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성된다.
이와 같은 형상의 회전체(130)는, 집풍부(131)의 최대면 면적이 반구 형상 수준으로 유지되면서도 두께(t)가 상당 부분 감소된 형태로 구비됨으로써, 바람의 풍속이 발전을 일으키기에 적합한 풍속보다 강한 경우에는 회전체(130)가 바람을 받는 면적이 현저히 감소될 수 있도록 그 상태가 변화될 수 있어 강풍에 견디는 안정성이 향상될 수 있으면서도, 바람이 발전에 적합한 풍속 또는 그 이하로 불어 들어오는 경우에는 이러한 바람의 힘을 최대로 이용하여 발전 효율성을 높일 수 있는 이점을 제공한다.
또한 이러한 회전체(130)의 회전각 변화는 회전각조절부(140)에 의해 회전체(130)가 받는 바람의 풍속에 따라 자동으로 조절될 수 있으므로, 풍속에 따라 작업자가 일일이 수작업으로 회전체(130)의 상태를 조절하지 않더라도 회전체(130)의 상태가 그 당시의 바람의 풍속에 적합한 최적의 상태로 자동으로 조절될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 실시예의 수직축 풍력 발전장치(100) 및 이에 구비되는 회전체(130)에 따르면, 풍속에 따라 회전체(130)가 바람을 받는 면적을 현저히 감소시키거나 증가시킬 수 있으므로, 강풍에 견디는 안정성이 향상됨은 물론, 바람의 힘을 최대로 이용하여 발전 효율성을 높일 수 있다.
또한 본 실시예의 수직축 풍력 발전장치(100) 및 이에 구비되는 회전체(130)에 따르면, 회전체(130)의 회전각 조절을 풍속에 따라 자동으로 조절할 수 있도록 함으로써, 풍속에 변화에 신속하게 대응하여 발전 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 운용의 편의성을 향상시킬 수 있고, 적은 인원으로 효율적인 관리가 가능한 이점이 있다.
여기서, 상기와 같은 구성의 수직축 풍력 발전장치(100)는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 이들을 대체할 수 있는 다양한 실시예가 있을 수 있다.
도 16은 본 발명의 제2실시예에 따른 회전체를 도시한 평면도이고, 도 17 및 도 18은 도 16에 도시된 회전체의 위치 변화 상태를 보여주는 도면이다.
여기서, 앞서 도시된 도면에서와 동일한 참조부호는 동일한 기능을 하는 동일한 부재를 가리키므로, 여기서는 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 회전체(230)는, 가로회전축(120)의 길이방향 축을 따라 위치 변화가 가능하도록 가로회전축(120)에 설치된다.
일례로서, 회전체(230)는 회전결합부(233)가 가로회전축(120)에 가로회전축(120)의 길이방향 축을 따라 슬라이딩 이동 가능하게 결합되는 형태로 마련될 수 있다.
이와 같이 구비되는 회전체(230)는, 가로회전축(120)의 최외곽 단부 측으로부터 세로지지축(110)에 인접한 위치까지 이동될 수 있다.
회전체(230)의 위치가 가로회전축(120)의 최외곽 단부 측에 가까워질수록 회전체(230)가 받는 바람의 힘이 가로회전축(120)에 더 강하게 전달될 수 있고, 회전체(230)의 위치가 세로지지축(110)에 인접한 측에 가까워질수록 회전체(230)가 받는 바람의 힘이 가로회전축(120)에 더 강하게 전달될 수 있다.
이를 고려하여, 회전체(230)에 불어 들어오는 바람의 풍속이 발전을 일으키기에 적합한 풍속 또는 그 이하인 경우에는 회전체(230)의 위치를 가로회전축(120)의 최외곽 단부 측으로 조절하여 발전 효율성을 높일 수 있다.
그리고 회전체(130)에 불어 들어오는 바람의 풍속이 발전을 일으키기에 적합한 풍속보다 강한 경우에는, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 회전체(230)의 위치를 세로지지축(110)에 인접한 측으로 조절하여 강풍으로 인해 가로회전축(120), 회전체(230) 등이 파손되는 것을 더욱 효율적으로 방지할 수 있다.
도 19는 본 발명의 제3실시예에 따른 보강부의 구조를 보여주는 도면이고, 도 20은 본 발명의 제3실시예에 따른 보강부의 구조의 다른 예를 보여주는 도면이며, 도 21은 본 발명의 제3실시예에 따른 보강부의 구조의 또다른 예를 보여주는 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 수직축 풍력 발전장치(300)는, 세로지지축(110)에 설치되어 가로회전축(120)을 지지하는 보강부(350)를 더 포함한다.
일례로서, 보강부(350)는 가로회전축(120)을 하부로부터 지지하는 보강프레임을 포함하여 이루어지는 형태로 구비될 수 있다.
이러한 보강부(350)는 일단이 세로지지축(110)에 결합되고, 타단이 상향 경사지게 연장되어 가로회전축(120)의 하부에 결합되는 형태로 설치됨으로써, 가로회전축(120)의 단부가 그 자중으로 인해 처지지 않도록 가로회전축(120)을 지지할 수 있다.
다른 예로서, 보강부(350a)는, 도 20에 도시된 바와 같이, 가로회전축(120)을 상부에서 견인하는 방향으로 지지하는 보강부재를 포함하여 이루어지는 형태로 구비될 수 있다.
이러한 보강부(350a)는, 보강와이어와 같은 보강부재를 이용하여 세로지지축(110)과 가로회전축(120)을 연결하고, 이러한 보강와이어의 장력을 이용하여 가로회전축(120)을 지지할 수 있다.
또다른 예로서, 보강부(350b)는, 도 21에 도시된 바와 같이, 보강와이어(351)와 장력조절부재(353)를 포함하는 형태로 구비될 수도 있다.
즉 보강부(350b)는, 보강와이어(351)로 세로지지축(110)과 가로회전축(120)을 연결하고, 이러한 보강와이어(351) 상에 턴버클(Turnbuckle) 등과 같이 보강와이어(351)의 길이를 조절할 수 있는 장력조절부재(353)를 설치하여 보강와이어(351)의 장력을 조절함으로써, 가로회전축(120)에 대한 지지력을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100,300 : 수직축 풍력 발전장치
110 : 세로지지축
120 : 가로회전축
130,230 : 회전체
131 : 집풍부
133,233 : 회전결합부
135,135a,135b : 회전각조절부
136 : 가이드홈
137 : 가이드돌기
138 : 탄성부재
140 : 풍속측정부
150 : 제어부
350,350a,350b : 보강부
351 : 보강와이어
353 : 장력조절부재

Claims (25)

  1. 지면으로부터 세로방향으로 세워지는 세로지지축;
    상기 세로지지축으로부터 가로방향으로 연장되게 마련되고, 상기 세로지지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 가로회전축;
    바람을 받아 상기 가로회전축을 회전시키며, 회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 상기 가로회전축에 회전 가능하게 설치되되, 상기 가로회전축을 회전 중심으로 하여 회전되며, 구의 일부분을 잘라낸 형상을 갖도록 형성되는 회전체; 및
    상기 회전체가 받는 바람의 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각을 조절하는 회전각조절부;를 포함하고,
    상기 회전각조절부는,
    상기 가로회전축에 나선 형태의 이동경로를 형성하는 가이드홈;
    상기 가이드홈에 형성된 이동경로를 따라 이동되어 상기 회전체를 내측 또는 외측 방향으로 이동시키며 상기 회전체의 회전각을 변화시키는 가이드돌기; 및
    상기 회전체를 내측 방향으로 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전체는, 구를 그 중심을 지나지 않는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전체는, 설정된 중심각을 이루는 구의 두 반지름에 접하는 원주상의 두 점을 지나는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 설정된 중심각의 범위는, 60 내지 120°인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전체는, 내부가 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 회전체는,
    회전각에 따라 바람을 받는 면적이 변화되도록 구비되는 집풍부; 및
    상기 가로회전축의 길이방향 축을 중심으로 상기 집풍부의 회전각 변화가 이루어질 수 있도록 상기 집풍부를 가로회전축에 결합시키는 회전결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 회전체는, 상기 가로회전축의 길이방향 축을 따라 위치 변화가 가능하도록 상기 가로회전축에 설치되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 세로지지축에 설치되어 상기 가로회전축을 지지하는 보강부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 보강부는, 상기 가로회전축을 하부로부터 지지하는 보강프레임을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 보강부는, 상기 가로회전축을 상부에서 견인하는 방향으로 지지하는 보강부재를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보강부재는, 보강와이어인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보강부는, 상기 보강와이어의 장력을 조절하는 장력조절부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전장치.
  18. 지면으로부터 세로방향으로 세워지는 세로지지축; 및
    상기 세로지지축으로부터 가로방향으로 연장되게 마련되고, 상기 세로지지축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 가로회전축;을 포함하는 수직축 풍력 발전기의 가로회전축에 상기 가로회전축을 회전 중심으로 하여 회전 가능하게 설치되는 회전체로서,
    상기 회전체는, 구의 일부분을 잘라낸 형상을 갖도록 형성되되, 상기 회전체가 받는 바람의 풍속에 따라 상기 회전체의 회전각을 조절하는 회전각조절부;를 포함하고,
    상기 회전각조절부는,
    상기 가로회전축에 나선 형태의 이동경로를 형성하는 가이드홈;
    상기 가이드홈에 형성된 이동경로를 따라 이동되어 상기 회전체를 내측 또는 외측 방향으로 이동시키며 상기 회전체의 회전각을 변화시키는 가이드돌기; 및
    상기 회전체를 내측 방향으로 탄성 지지하는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전체.
  19. 제18항에 있어서,
    구를 그 중심을 지나지 않는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체.
  20. 제18항에 있어서,
    설정된 중심각을 이루는 구의 두 반지름에 접하는 원주상의 두 점을 지나는 평면으로 잘라낸 일부분의 형상을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 설정된 중심각의 범위는, 60 내지 120°인 것을 특징으로 하는 회전체.
  22. 제18항에 있어서,
    내부가 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는 회전체.
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  24. 삭제
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