KR101700157B1 - 수직축형 풍차 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직축형 풍차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 항력을 이용하여 수직형 풍차의 초기 기동이 용이하며 고속영역에서는 항력을 줄일 수 있는 수직형 풍차의 블레이드에 관한 것이다.
본 발명의 수직축형 풍차는 간단한 구조로 저속에서 구동을 위한 항력을 증가시키고, 고속에서 회전에 양력이 작용하는 블레이드의 공력 특성을 향상시켜 저속과 고속에서의 회전력을 증가시킬 수 있다.

Description

수직축형 풍차 {Vertical shaft windmill}
본 발명은 수직축형 풍차에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 항력을 이용하여 수직형 풍차의 초기 기동이 용이하며 고속영역에서는 항력을 줄일 수 있는 수직축형 풍차에 관한 것이다.
일반적으로 풍차는 자연바람으로 블레이드를 회전시키게 되고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리게 됨으로써 전기적인 발전으로 변환시킨다. 이런한 풍력발전을 위한 풍차는 네덜란드형 풍차로 대표되는 것으로 바람에 대해 회전축이 수평으되어 있는 수평축형 풍차와, 바람에 대해 회전축이 수직으로 되어 있는 수직축형 풍차가 알려져 있다.
이중 수직축형 풍차에는 패들형이나 사보니우스형 등과 같이 블레이드에 발생되는 항력으로 풍차를 회전시키는 항력형과, 다리우스형이나 자이로밀형 등과 같이 블레이드에 발생되는 양력으로 풍차를 회전시키는 양력형이 알려져 있다.
즉, 전자는 불어올리는 측을 향하는 블레이드의 저항을 작게 하여 항력차에 의해 풍차를 회전시키는 데 반해 후자는 블레이드에 발생 되는 양력에 의해 풍차를 회전시키도록 되어 있다.
수칙축형인 항력형의 경우, 주속비(블레이드의 에어포일 단부속도/풍속)가 1이되면 풍차를 그 이상으로 회전시키는 모멘트가 발생되지 않아, 풍속이 올라가도 그 이상의 회전수를 얻을 수 도 없고 발전효율이 낮다는 문제가 있었다.
그리고 양력형의 경우 주속비가 1 이상에서는, 풍차의 공력 특성이 좋아져 풍차를 효율적으로 회전시키는 것이 가능하지만, 주속비가 1이하에서는 풍차의 공력 특성이 나빠져 회전시키는 모멘트가 작아진다. 또한, 기동모멘트가 작아 정지 상태로부터 기동이 매우 곤란해지는 결점이 있었다.
즉, 상술한 바와 같은 양력형 풍력발전장치는 바람이 부는 방향에 대한 항력이 상대적으로 약하여 낮는 풍속에서 구동을 위한 항력이 낮아 저속의 바람에서 구동력이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 일본공개특허 제2006-046306호에는 양력형의 수직축형 풍차에 항력형의 수직축형 풍차를 기계적으로 내장함으로써, 미풍속역(1~2m/sec)에서의 기동을 가능하게 한 풍차가 게시되어 있다.
그러나 상기와 같은 풍차는 고속에서 블레이드의 면적 감소로 인하여 자이로밀 효과를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
이러한 단점을 개선하기 위하여 대한민국 공개특허공보 제2009-0101513호에는 수직축형 풍차가 게시되어 있으나, 개폐부재를 개폐동작시키기 위한 개폐제어수단이 날개의 내부에 설치되어 있으므로 상대적으로 구조가 복잡하다.
일본공개특허 제2006-046306호 : 풍력발전용 풍차 및 발전기 구동 방식 대한민국 공개특허공보 제2009-0101513호 : 수직축형 풍차
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저속에서 회전을 위한 항력을 증가시키고 고속에서 블레이드에 작용하는 항력을 감소시킴으로써 회전력을 향상시킬 수 있는 구조가 간단한 수직축형 풍차를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직축형 풍차는 수직축형 풍력발전용 풍차에 있어서, 회전가능하게 설치되는 회전축과, 상기 회전축의 외주면에서 방사상으로 다수 형성된 지지대들과, 상기 지지대들에 각각 고정되며 에어포일 형상으로 형성되는 것으로, 상기 회전축에 대해 외향되는 제1외향면은 바람에 대해 양력이 발생되고 상기 회전축에 대해 내향되는 제1내향면의 일측에는 바람에 대해 항력이 발생되도록 절제된 절제부가 형성된 다수의 블레이드와, 상기 지지대에 장착되어 상기 회전축 및 상기 블레이드의 회전속도에 따라 상기 절제부에 형성되는 항력을 변화시키는 항력조절유닛을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 항력조절유닛은 상기 회전축과 상기 블레이드 사이에서 슬라이딩 가능하도록 상기 지지대에 설치되며, 상기 절제부의 형상에 대응되어 밀착될 수 있는 제2외향면을 갖는 보조블레이드와, 상기 보조블레이드와 상기 블레이드 사이에 상기 지지대에 설치되어 상기 보조블레이드와 상기 블레이드가 이격된 상태를 유지하도록 탄성을 제공하는 스프링을 구비하고, 상기 회전축 및 상기 블레이드가 저속 회전시 상기 보조블레이드는 상기 스프링에 의해 상기 블레이드에 이격된 상태가 유지되고, 상기 회전축 및 상기 블레이드가 고속회전시 원심력에 의해 상기 보조블레이드가 상기 스프링을 수축시키며 상기 블레이드의 상기 절제부와 접촉되거나 인접되는 방향으로 이동된다.
상기 지지대는 상기 회전축과 상기 블레이드를 연결하는 주지지대와, 상기 주지지대에서 상기 보조 블레이드를 관통하여 상기 블레이드의 절제부가 형성되는 제1내향면에 연결되는 보조지지대를 구비한다.
상기 보조블레이드는 상기 보조지지부가 관통하는 관통공이 형성되고, 상기 관통공은 상기 보조플레이드가 상기 블레이드의 절제부에 결합시 상기 스프링이 수용되되 상기 스프링이 상기 회전축 방향으로 이탈되지 않고 구속될 수 있도록 상기 관통공의 상기 회전축 방향의 단부에 내경이 줄어드는 스프링구속턱을 구비한다.
본 발명의 수직축형 풍차는 간단한 구조로 저속에서 구동을 위한 항력을 증가시키고, 고속에서 회전에 양력이 작용하는 블레이드의 공력 특성을 향상시켜 저속과 고속에서의 회전력을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직축형 풍차에 대한 사시도이고,
도 2는 도 1에 적용된 수직축형 풍차의 회전예를 도시한 도면이고,
도 3은 도 1에 적용된 블레이드의 주위의 압력분포를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직축형 풍차를 구비한 중앙분리대를 개략적으로 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직축형 풍차에 대해 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직축형 풍차에 대한 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 적용된 수직축형 풍차의 회전예를 도시한 평면도가 도시되어 있고, 도 3은 도 1에 적용된 블레이드 주위의 압력분포를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예인 수직축형 풍차를 구비한 중앙분리대를 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명의 일 실시 예의 수직축형 풍차(100)는 건물, 지주, 중앙분리대 등의 건축구조물에 설치되는 것으로, 건축구조물에 회전가능하게 설치되는 회전축(110)과, 상기 회전축의 외주면에 방사상으로 설치되는 지지대(120)등과, 지지대의 단부에 수직방향으로 설치되는 블레이드(130)들을 구비한다.
수직축형 풍차(100)는 회전축(110)의 하부가 발전부(200)와 연결되어 풍력에 의해 발전이 가능하다.
수직축형 풍차를 다시 구분해보면, 회전축(110), 지지대(120), 블레이드(130) 및 항력조절유닛(140)을 구비한다.
지지대(120)는 회전축(110)의 외주면에 방사상으로 다수 형성될 수 있는데, 상호 직각을 이루며 사방으로 회전축에 연결된 것을 예로 들고 있다.
지지대(120)는 주지지부(121)와 보조지지부(125)로 이루어진다.
주지지부(121)는 회전축(110)의 외주면과 직교하는 방향으로 연장되어 블레이드(130)의 제1내향면(133)에 연결된다.
보조지지부(125)는 주지지부(121)의 외주면의 일측에서 주지지부(121)와 직각을 이루게 분기되어 블레이드(130)와 평행을 이루는 제1분기부(125a)와, 제1분기부(125a)의 단부에서 블레이드(130)의 후술되는 절제부(135)가 형성된 제1내향면(133)에 연결되도록 직각방향으로 연장된 제2분기부(125b)로 이루어진다.
블레이드(130)는 지지대(120)의 선단에 각각 마련된다.
블레이드(130)는 제1외향면(131)은 전방이 후방에 비해 볼록한 유선형으로 형성되고, 제1내향면(133)은 전방이 볼록한 유선형으로 형성되고 후방은 절제된 절제부(135)가 형성된다.
블레이드(130)는 제1내향면(133)이 회전축(110)을 향하도록 지지대(120)의 선단이 블레이드(130)의 절제부(135)에 부착되어 고정된다.
즉, 블레이드(130)는 제1내향면(133)의 전방이 주지지부(121)와 연결되고, 제1내향면(133)의 후방에 보조지지부(125)와 연결된다.
절제부(135)는 제1내향면(133) 후방에 절제되어 제1내향면(133)과 제1외향면(131)이 이루는 두께가 단턱지게 줄어드는 부분이 형성된다.
절제부(135)가 형성된 제1내향면(133)을 절제면(133a)이라한다.
절제부(135)는 기동시나 저속회전시 전방과 후방 사이에 항력 차가 발생 되게 하는 부분이다.
통상적으로 양력형 블레이드는 주속비(블레이드의 속도/풍속)가 1이상이 되는 고풍속 영역에서는 풍차의 공력 특성이 좋아져 높은 회전수로 회전하는 것이 가능하나, 주속비 1이하의 저풍속에서는 풍차의 공력 특성이 나빠져 풍차를 회전시키는 모멘트가 작아진다. 또한 기동모멘트가 작아 정지 상태에서 기동이 어렵다는 문제점이 있다.
위와 같은 문제점을 개선한 본 발명의 블레이드(130)의 구조는 전방과 후장의 항력차에 의해 기동이나 저속회전시 용이하다.
항력조절유닛(140)은 지지대(120)에 장착되어 회전축(110) 및 블레이드(130)의 회전속도에 따라 절제부(135)에 형성되는 항력을 변화시키는 부분이다.
항력조절유닛(140)은 스프링(141)과 보조블레이드(143)를 구비한다.
보조블레이드(143)는 회전축(110)과 블레이드(130) 사이에서 슬라이딩 가능하도록 보조지지부(125)가 관통될 수 있는 관통공(139)이 형성된다.
보조블레이드(143)는 블레이드(130)의 절제부(135)의 절제된 형상에 대응되게 형성되어 블레이드(130)의 절제부(135)에 결합될 수 있다.
블레이드(130)와 보조블레이드(143)는 상호 결합시 완전한 에어포일 형상을 이루게 된다.
보조블레이드(143)는 제2외향면(145)과 제2내향면(147)으로 이루어진다.
제2외향면(145)은 블레이드(130)의 제1내향면(133) 중 절제부(135)에 의해 형성되는 절제면(133a)에 상호 밀착될 수 있는 형상으로 이루어지며, 양력이 발생할 수 있는 곡면을 가진다.
제2내향면(147)은 블레이드(130)와 보조블레이드(143)가 결합시, 제1내향면(133)의 전방과 함께 완만한 곡면을 이룰 수 있도록 형성된다.
스프링(141)은 보조블레이드(143)와 블레이드(130) 사이의 보조지지부(125)에 설치된다.
스프링(141)은 수직축형 풍차(100)가 정지시나 초기 기동시에 보조블레이드(143)와 블레이드(130)가 이격된 상태가 유지되도록 한다.
보조블레이드(143)에 형성된 관통공(139)은 보조지지부(125)에 설치된 스프링(141)을 수용할 수 있는 내경을 형성하되, 제2내향면(145)에 인접한 부분에 내경이 줄어들어 스프링(141)이 이탈되지 않고 보조지지부(125)만 관통되는 스프링구속턱(미도시)이 구비된다.
블레이드(130)나 보조블레이드(143)는 수직축형 풍차(100)가 초기 기동시나 저속회전시 스프링(141)에 의해 소정거리 이격된 상태가 유지된다.
상술한 바와 같은 구조를 갖는 수직축형 풍차의 회전속도에 따라 블레이드와 보조블레이드의 작용에 대해 상세히 설명한다.
도 2와 도 3을 참조하면, 수직축형 풍차(100)는 바람에 의해 발생되는 블레이드(130)의 양력 및 항력에 의해 회전축(110)이 회전된다.
즉, 블레이드(130)의 제1내향면(133)에 형성된 절제면(133a)에 바람에 대한 항력이 발생되어 회전축(110)은 회전된다. 본 실시 예에서는 시계방향으로 회전되는 예를 들었다.
상기의 구조를 갖는 블레이드(130)의 주위에는, 도 3에 도시된 바와 같이 전방(도2의 화살표 C 방향)으로부터의 바람에 대해 압력 분포가 형성된다. 즉, 블레이드(130)에 사용되어 있는 에어 포일형의 압력 분포는 블레이드(130) 제1내향면(133)의 전방(바람이 불어오는 방향)에 외기압보다 높은 압력이 분포되고, 후방에는 대략 외기압과 동일한 압력이 되고, 제1외향면(131)에는 에어 포일 형상에 의해 유속이 가속되므로 압력이 작아져 부압이 형성된다. 따라서, 블레이드(130)의 제1내향면(133) 후방에 절제부(135)를 설치해도 에어 포일의 공력 특성에는 영향이 작다.
그리고 도 2에 도시된 바와 같이 블레이드(130)는 전방(상기 도면의 화살표 C 방향)으로부터 바람을 받으면, 양력이 상기 도면의 L 화살표 방향으로 발생한다. 그로 인해, 이 블레이드(130)에 발생되는 양력의 회전 방향 분력(L1)에 의해 풍차는 시계 방향으로 회전한다.
또한, 기동시와 같이 저풍속 영역에서는 블레이드(130)에는 후방(상기 도면의 화살표 D 방향)으로부터 바람을 받아 회전하면, 블레이드(130)의 에어 포일 하면의 절제부(135)에 의해, 블레이드(130)에 큰 공기 저항이 발생한다.
이에 의해 사보니우스형 풍차 효과, 즉 공기 저항에 의해 블레이드(130)에 회전 모멘트가 발생되어 풍차의 기동토크가 발생된다.
그 결과, 블레이드(130)의 제1내향면에는 절제부(135)가 형성되어 있으므로, 도 2의 D화살표 방향으로부터의 바람에 대해 주속비 1 이하의 저풍속 영역에서는 공기 저항에 의해 회전 모멘트가 발생된다.
그리고 상기의 모멘트가 도 2의 C화살표 방향으로부터의 바람을 받는 블레이드(130)에 발생되는 양력의 회전 방향 분력(L1)에 가해져 회전하고, 주속비 1 이상의 고풍속 영역에서는 블레이드(130)에 발생되는 양력에 의해 회전하게 된다. 즉 ,블레이드(130)는 낮은 레이놀즈 수로 높은 양력 계수가 되는 에어 포일형으로 형성되어 있으므로, 1m/sec 이하의 낮은 풍속에서도 블레이드(130)를 회전시킬 수 있어 효율적으로 발전시킬 수 있다.
이와 같이, 바람이 수직축형 풍차(100)의 블레이드(130)에 작용하게 되면, 블레이드(130)의 전방에서는 양력이 발생되어 수직축형 풍차(100)가 시계방향으로 회전되고, 후방에서는 절제면(133a)에서 항력이 발생되어 수직축형 풍차(100)가 시계방향으로 회전되므로 블레이드(130)의 전후방에서 바람이 작용하더라도 수직축형 풍차(100)는 일방향인 시계방향으로만 회전된다.
본 발명에 따른 수직축형 풍차(100)는 고속으로 회전시에 블레이드(130)에 형성된 절제부(135)에 의해 형성되는 항력에 의해 자이로밀 현상이 감소하는 현상이 발생될 수도 있다.
보조블레이드(143)는 중·고속(6m/sec이상)회전시 블레이드(130)의 이러한 단점을 보완하는 역할을 한다.
먼저, 수직충형 풍차(100)가 저속으로 회전할 때, 블레이드(130)와 이격된 상태의 보조블레이드(143)는 양력이 발생 될 수 있는 에어포일 형태이므로 저항을 일으키지 않는다.
그리고, 수직축형 풍차(100)가 중·고속으로 회전하게 되면 보조블레이드(143)는 원심력에 의해 스프링(141)을 수축시키면서 블레이드(130)와 접하도록 보조지지부(125)의 연장된 방향을 따라 이동된다.
보조플레이드(143)가 블레이드(130)의 절제부(135)에 결합시 수축되는 스프링(141)은 관통공(149)에 수용되며 스프링구속턱(미도시)에 의해 이탈되지 않고 구속된다.
스프링(141)이 관통공(149)으로 수용됨으로써, 블레이드(130)의 절제면(133a)과 보조블레이드(143)의 제2외향면이 밀착될 수 있다.
고속으로 회전하게 되면서 보조블레이드(143)의 제2외향면(145)이 블레이드의 절제면(133a)에 면접하게 되면서, 상호 접합된 블레이드(130)와 보조블레이드(143)는 절제부(135)가 형성되지 않은 완전한 에어포일형상을 이루게된다.
블레이드(130)와 보조블레이드(143)가 완전한 에어포일형상을 이루게 됨으로써, 블레이드(130)에 생기는 항력이 저감되고, 블레이드(130)에 작용하는 양력의 회전방향 성분에 의한 자이로밀 효과의 향상을 도모할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 수직축형 풍차(100)는 항력형의 수직축형 풍차와 양력형의 수직축형 풍자의 장점을 겸비하는 것으로 스보니우스 효과와 자이로밀 효과를 최대한으로 얻을 수 있다.
도 4에는 지금까지 상술한 바와 같은 수직축형 풍차(100)를 도로의 중앙분리대(1)에 설치된 예가 도시되어 있다.
차량의 주행에 의해 차량의 후미에서 발생되는 주행풍은 초기에는 차량이 공기를 차량 외부로 밀쳐내는 방향으로 바람이 형성되고, 후기에는 밀쳐낸 공기에 의해 차량의 후미에는 순간 기압이 낮아져 차량 외부방향으로 밀쳐졌던 공기가 복귀되면서 초기와는 반대방향으로 바람이 형성되고, 와류를 형성하게 된다.
이와 같이, 차량의 주행에 의해 발생되는 주행풍은 그 방향이 일정하지 않을 뿐만 아니라 바람의 방향이 역전되고 와류를 형성하게 된다.
그러나, 상기에서 언급한 본 실시 예인 수직축형 풍차(100)는 블레이드(130)의 전후방에 바람이 작용하더라도 수직형 풍차(130)를 일방향으로 회전시킬 수가 있기 때문에, 차량의 주행풍에서도 원활히 회전되어 발전효율이 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 수직축형 풍차는 저속에서 구동을 위한 항력을 증가시키고, 고속에서 회전에 양력이 작용하는 블레이드의 공력 특성을 향상시켜 저속과 고속에서의 회전력을 증가시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 수직축형 풍차는 도면에 도시된 일 예를 참조로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다향한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호의 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
100 : 수직축형 풍차 110 : 회전축
120 : 지지대 130 : 블레이드
131 : 제1외향면 133 : 제1내향면
133a : 절제면 135 : 절제부
140 : 항력조절유닛 141 : 스프링
143 : 보조블레이드

Claims (4)

  1. 수직축형 풍력발전용 풍차에 있어서,
    회전가능하게 설치되는 회전축과,
    상기 회전축의 외주면에서 방사상으로 다수 형성된 지지대들과,
    상기 지지대들에 각각 고정되며 에어포일 형상으로 형성되는 것으로, 상기 회전축에 대해 외향되는 제1외향면은 바람에 대해 양력이 발생되고 상기 회전축에 대해 내향되는 제1내향면의 일측에는 바람에 대해 항력이 발생되도록 절제된 절제부가 형성된 다수의 블레이드와;
    상기 지지대에 장착되어 상기 회전축 및 상기 블레이드의 회전속도에 따라 상기 절제부에 형성되는 항력을 변화시키는 항력조절유닛을 구비하고,
    상기 항력조절유닛은
    상기 회전축과 상기 블레이드 사이에서 슬라이딩 가능하도록 상기 지지대에 설치되며, 상기 절제부의 절제된 형상에 대응되게 형성되어 상기 블레이드와 밀착될 수 있는 제2외향면을 갖는 보조블레이드와,
    상기 보조블레이드와 상기 블레이드 사이에 상기 지지대에 설치되어 상기 보조블레이드와 상기 블레이드가 이격된 상태를 유지하도록 탄성을 제공하는 스프링을 구비하고,
    상기 회전축 및 상기 블레이드가 저속 회전시 상기 보조블레이드는
    상기 스프링에 의해 상기 블레이드에 이격된 상태가 유지되고, 상기 회전축 및 상기 블레이드가 고속회전시 원심력에 의해 상기 보조블레이드가 상기 스프링을 수축시키며 상기 블레이드의 상기 절제부와 접촉되거나 인접되는 방향으로 이동되며,
    상기 지지대는
    상기 회전축과 상기 블레이드를 연결하는 주지지부와,
    상기 주지지부에서 상기 보조 블레이드를 관통하여 상기 절제부가 형성되는 제1내향면에 연결되는 보조지지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍차.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서, 상기 보조블레이드는
    상기 보조지지부가 관통하는 관통공이 형성되고,
    상기 관통공은 상기 보조블레이드가 상기 절제부에 결합시 상기 스프링이 수용되되 상기 스프링이 상기 회전축 방향으로 이탈되지 않고 구속될 수 있도록 상기 관통공의 상기 회전축 방향의 단부에 내경이 줄어드는 스프링구속턱을 구비하는 것을 특징으로 하는 수직축형 풍차.
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