KR101757354B1 - 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈에 관한 것으로, 본 발명에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈은 회전축; 및 상기 회전축이 관통하는 로터를 포함하고, 상기 로터는, 상기 회전축이 관통하고 상측에 배치되는 상판; 상기 회전축이 관통하고 하측에 배치되는 하판; 및 상부는 상기 상판에 결합되고 하부는 상기 하판에 결합되며 상기 회전축의 주변에 배치되는 블레이드 모듈을 포함하고, 상기 블레이드 모듈은, 외측 모서리의 상단과 하단 각각은 상기 상판과 상기 하판 각각의 테두리에 위치하고 내측 모서리는 상기 회전축의 주변에 위치하는 주 블레이드; 및 외측 모서리의 상단과 하단 각각은 상기 주 블레이드의 외측 모서리와 이격되어 상기 상판과 상기 하판 각각의 테두리의 내측에 위치하고 내측 모서리는 상기 주 블레이드의 내측 모서리에 결합되는 보조 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드 모듈은 복수 개로 이루어져 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된다.

Description

풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈{Savonius vertical-axis wind turbine for wind power generation}

본 발명은 풍력발전에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍속이 느린 바람이 부는 경우에도 로터의 회전이 이루어지게 함으로써, 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지게 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈에 관한 것이다.

화석 에너지 고갈, 국제 기후변화 협약, 환경문제 등과 같은 문제를 해결하기 위해, 태양광, 태양열, 풍력, 소수력, 조력, 연료전지, 지열 등과 같은 신재생 에너지의 개발과 보급에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 신재생에너지 중 태양에너지와 더불어 풍력에너지의 개발은 폭발적으로 증가하는 추세를 보이고 있다

일반적으로 풍력을 기계적 동력으로 변환하여 풍력에너지를 전기에너지로 변환시키는 풍력발전장치는 풍력발전용 풍력 터빈을 이용한다. 풍력발전용 풍력 터빈은 회전축의 방향에 따라 풍력발용 수평형 풍력 터빈과 풍력발전용 수직형 풍력 터빈으로 분류된다.

풍력발전용 수평형 풍력 터빈은 바람의 유체역학적 양력(lift force)을 이용하는 블레이드로 구성된 로터를 이용한다. 이러한 풍력발전용 수평형 풍력 터빈은 발전효율이 비교적 높은 장점을 갖고 있다. 그러나 풍력발전용 수평형 풍력 터빈은 바람의 풍향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 조절하는 장치가 필요한 단점이 있다. 그리고 풍력발전용 수평형 풍력 터빈의 회전축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 설치되어야 한다. 이에 따라, 풍력발전용 수평형 풍력 터빈의 회전축과 발전기를 연결하기 위해 발전기를 회전축과 같은 높이에 설치해야 하거나, 회전축의 회전력을 발전기로 전달하기 위한 장치가 요구되는 단점이 있다.

한편, 풍력발전용 수직형 풍력 터빈은 한국공개특허공보 제10-2012-0041722호에서 개시되는 바와 같은 바람의 유체역학적 양력을 이용하는 다리우스식과 한국공개특허공보 제10-2011-0130225호에 개시되는 바와 같은 바람의 유체역학적 항력(drag)을 이용하는 사보니우스식이 있다.

그런데 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈(Savonius vertical-axis wind turbine)은 풍속이 느린 경우에는 로터의 회전이 이루어지지 못하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지기 어려운 문제점이 있다.

한국공개특허공보 제10-2012-0041722호(공개일: 2012.05.02.) 한국공개특허공보 제10-2011-0130225호(공개일: 2011.12.05.)

본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 풍속이 느린 바람이 부는 경우에도 로터의 회전이 이루어지게 함으로써, 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지게 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바람의 풍향이 수시로 변하는 경우에도 로터의 회전이 이루어지게 함으로써, 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지게 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈은 회전축; 및 상기 회전축이 관통하는 로터를 포함하고, 상기 로터는, 상기 회전축이 관통하고 상측에 배치되는 상판; 상기 회전축이 관통하고 하측에 배치되는 하판; 및 상부는 상기 상판에 결합되고 하부는 상기 하판에 결합되며 상기 회전축의 주변에 배치되는 블레이드 모듈을 포함하고, 상기 블레이드 모듈은, 외측 모서리의 상단과 하단 각각은 상기 상판과 상기 하판 각각의 테두리에 위치하고 내측 모서리는 상기 회전축의 주변에 위치하는 주 블레이드; 및 외측 모서리의 상단과 하단 각각은 상기 주 블레이드의 외측 모서리와 이격되어 상기 상판과 상기 하판 각각의 테두리의 내측에 위치하고 내측 모서리는 상기 주 블레이드의 내측 모서리에 결합되는 보조 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드 모듈은 복수 개로 이루어져 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된다.

또한, 상기 로터는 복수 개로 이루어져 어느 하나의 로터에 포함된 블레이드 모듈과 다른 하나의 로터에 포함된 블레이드 모듈는 서로 어긋나게 배치될 수 있다.

또한, 상기 로터의 주변에 배치되어 바람을 상기 로터의 일측면으로 안내하는 가이드 베인을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 주 블레이드와 상기 보조 블레이드의 횡단면은 일정한 곡률로 만곡될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈에 의하면, 풍속이 느린 바람이 부는 경우에도 로터의 회전이 이루어지게 함으로써, 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어진다.

또한, 바람의 풍향이 수시로 변하는 경우에도 로터의 회전이 이루어지게 함으로써, 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어진다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 로터를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 로터를 개략적으로 나타낸 저면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 작용과 효과를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈을 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈을 개략적으로 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 로터를 개략적으로 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 로터를 개략적으로 나타낸 저면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈(1)은 회전축(100), 로터(200), 가이드 베인(300), 지지 구조물(400) 및 발전기(500)를 포함할 수 있다.

회전축(100)은 로터(200)의 중심을 관통하여 로터(200)에 결합된다. 이러한 회전축(100)은 지지 구조물(400)에 의해 지표면에 대하여 수직으로 배치된다.

로터(200)는 회전축(100)이 관통하고 상측에 배치되는 상판(210), 회전축(100)이 관통하고 하측에 배치되는 하판(220) 및 상부는 상판(210)에 결합되고 하부는 하판(220)에 결합되며 회전축(100)의 주변에 배치되는 블레이드 모듈(230)을 포함할 수 있다.

상판(210)과 하판(220)은 원반형으로 형성될 수 있다.

블레이드 모듈(230)은 도 2 및 도 3에서 도시되는 바와 같이, 외측 모서리(231-1)의 상단과 하단 각각은 상판(210)과 하판(220) 각각의 테두리에 위치하고 내측 모서리(231-2)는 회전축(100)의 주변에 위치하는 주 블레이드(231)와 외측 모서리(232-1)의 상단과 하단 각각은 주 블레이드(231)의 외측 모서리(231-1)와 이격되어 상판(210)과 하판(220) 각각의 테두리의 내측에 위치하고 내측 모서리(232-2)는 주 블레이드(231)의 내측 모서리(231-2)에 결합되는 보조 블레이드(232)를 포함할 수 있다.

이러한 블레이드 모듈(230)은 복수개로 이루어져 회전축(100)을 중심으로 방사상으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 어느 하나의 블레이드 모듈(230)와 이와 인접한 블레이드 모듈(230)의 사이에 로터(200)를 관통하는 로터 관통 유로(P)가 형성되어, 로터(200)에서 바람에 의한 와류가 발생하지 않게 된다.

주 블레이드(231)와 보조 블레이드(232)의 횡단면은 일정한 곡률로 만곡될 수 있다. 이에 따라, 로터(200)는 바람의 풍향에 관계없이 한 방향으로만 회전할 수 있게 된다. 또한, 바람이 로터 관통 유로(P)를 통과하는 경우 주 블레이드(231)가 바람에 의한 양력을 받게 된다.

한편, 앞에서 설명된 바와 같은 로터(200)는 복수 개일 수 있다. 그리고 도1에서 도시되는 바와 같이, 어느 하나의 로터(200)에 포함된 블레이드 모듈(230)과 다른 하나의 로터(200)에 포함된 블레이드 모듈(230)은 어긋나게 배치될 수 있다. 이에 따라, 회전축(100)은 풍속이 급격하게 변하는 경우에도 비교적 균일한 속도로 회전할 수 있게 된다.

가이드 베인(300)는 로터(100)의 주변에 배치되어 바람을 로터(100)의 일측면으로 안내할 수 있다. 이에 따라, 로터(100)의 회전 방향에 대향하여 흐르는 바람의 량이 최소화되어, 바람에 의한 로터(100)의 회전 효율이 증가하게 된다.

지지 구조물(400)은 회전축(100)의 하단이 회전 가능하게 지지되는 지지대(410)와 회전축(100)의 상단이 회전 가능하게 지지되는 지지 프레임(420)을 포함할 수 있다.

발전기(500)는 지지 구조물(400)의 지지대(410)에 설치되어 회전축(100)의 회전력을 이용하여 전력을 생산한다. 이러한 발전기(500)는 일반적으로 알려진 발전기로 구현될 수 있으므로, 이에 대한 더욱 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 작용과 효과를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈의 작용과 효과를 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참조하면, 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈(1)의 일측으로 바람(W)이 불어오면, 가이드 베인(300)은 바람(W)을 로터(200)의 일측으로 안내한다. 이렇게 가이드 베인(300)에 의해 안내된 바람(W)은 주 블레이드(231)와 보조 블레이드(232)의 사이로 유입된 후 역류한다. 그리고 역류된 바람(W)은 블레이드 모듈(230)들 사이에 형성된 관통 유로(P)를 통과하여 로터(200)의 후방으로 배기된다.

위와 같은 과정에 의해, 로터(200)에서 와류가 발생하는 것이 방지된다. 이에 더하여, 관통 유로(P)를 통과하는 바람(W)에 의해 주 블레이드(231)에 양력(LF)을 받게 된다. 이에 따라, 로터(200)는 풍속이 느린 바람에 의해서도 회전할 수 있게 되어 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어진다.

또한, 가이드 베인(300)은 바람(W)을 로터(200)의 일측으로 안내함으로써 바람의 풍향이 수시로 변하는 경우에도 로터(200)가 회전할 수 있게 되어 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어진다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈
100: 회전축
200: 로터
230: 블레이드 모듈
231: 주 블레이드
232: 보조 블레이드
300: 가이드 베인
400: 지지 구조물
500: 발전기

Claims (4)

1. 회전축; 및
   상기 회전축이 관통하는 로터를 포함하고,
   상기 로터는,
   상기 회전축이 관통하고 상측에 배치되는 상판;
   상기 회전축이 관통하고 하측에 배치되는 하판; 및
   상부는 상기 상판에 결합되고 하부는 상기 하판에 결합되며 상기 회전축의 주변에 배치되는 블레이드 모듈을 포함하고,
   상기 블레이드 모듈은,
   외측 모서리의 상단과 하단 각각은 상기 상판과 상기 하판 각각의 테두리에 위치하고 내측 모서리는 상기 회전축의 주변에 위치하는 주 블레이드; 및
   외측 모서리의 상단과 하단 각각은 상기 주 블레이드의 외측 모서리와 이격되어 상기 상판과 상기 하판 각각의 테두리의 내측에 위치하고 내측 모서리는 상기 주 블레이드의 내측 모서리에 결합되는 보조 블레이드를 포함하고,
   상기 블레이드 모듈은 복수 개로 이루어져 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터는 복수 개로 이루어져 어느 하나의 로터에 포함된 블레이드 모듈과 다른 하나의 로터에 포함된 블레이드 모듈는 서로 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 로터의 주변에 배치되어 바람을 상기 로터의 일측면으로 안내하는 가이드 베인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 주 블레이드와 상기 보조 블레이드의 횡단면은 일정한 곡률로 만곡된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 사보니우스식 수직형 풍력 터빈.

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