KR101764152B1 - 터빈형 수직축 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 항력과 양력을 모두 이용하여 터빈을 구동할 수 있어 날개의 면적과 터빈 부피는 최소화하면서 발전 효율은 극대화할 수 있는 터빈형 수직축 발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 터빈형 수직축 발전기는 유체가 유입되고, 상기 유입 유체를 인젝터 측으로 유입되도록 안내하는 집풍 헤드와; 상기 집풍 헤드로부터 유입되는 유체를 터빈 블레이드 측으로 토출하는 상기 인젝터와; 상기 인젝터로부터 토출되는 유체에 의해 축회전이 유발되는 터빈 블레이드; 및 상기 터빈 블레이드와 연결되어 상기 터빈 블레이드의 축회전에 따라 회전 구동하는 터빈 축을 포함한다.

Description

터빈형 수직축 발전기{TURBINE TYPE POWER GENERATOR WITH VERTICAL AXIS}

본 발명의 터빈형 수직축 발전기에 관한 것으로서, 상세하게는 회전축이 지면에 수직하게 설치되는 수직축 풍력 발전기에 관한 것이며, 보다 상세하게는 터빈 구조로 구성되고, 수직축 풍력 발전기임에도 불구하고 항력과 양력을 모두 이용하여 풍력 터빈을 구동할 수 있는 터빈형 수직축 발전기에 관한 것이다.

최근, 고유가에 따른 에너지 비용의 증대와 세계적인 기후협약에 따라 환경적인 문제를 고려한 저탄소 에너지원의 발굴이 절실히 요구되는 실정이다. 이러한 대체 에너지원으로 풍력발전 기술은 기존의 대표적인 저탄소 에너지원인 원자력 기술이 가지는 방사성 폐기물 등의 오염의 피해가 없는 가장 실용화에 근접한 친환경 발전기술로서 매년 지속적인 성장세를 나타내고 있는 청정 에너지 기술이다.

일반적으로, 풍력 발전기는 그 회전축의 설치 구조에 따라 수평축 풍력 발전기와 수직축 풍력 발전기로 구분될 수 있으며, 수평축의 경우는 익형의 블레이드를 적용하여 양력을 이용하는 방식이며, 수직축의 경우 항력을 이용하는 방식을 적용하고 있다.

수평축 풍력 발전기는 풍향에 따라 그 풍력 발전의 가동 여부가 결정되어, 블레이드의 축회전을 발생시킬 수 있는 풍향과 다른 방향의 바람이 불면 풍력 발전을 구동할 수 없는 단점이 있었다. 또한, 수평축 풍력 발전기는 풍차 날개가 수평으로 뻗은 상태이기에 날개가 처지는 감이 있고, 따라서 날개의 처짐을 방지하려면 강도 및 경도가 높은 고가의 소재를 사용하여야 하며, 통상 철금속 등을 이용하여 제조할 경우는 중량이 무겁고 회전에 영향을 미침은 물론 가격 또한 고가인 문제점이 따르게 된다.

이러한 수평축 풍력 발전기의 단점을 개선한 것이 수직축 풍력 발전기이다. 도 9는 종래 수직축 풍력 발전기를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 종래 수직축 풍력 발전기는 수직으로 세워진 회전축에 나란한 방향으로 다수개의 날개판이 구비되어 바람의 방향에 관계없이 풍력 발전이 이루어질 수 있도록 구성된다.

그런데, 종래 수직축 풍력 발전기는 수평축 풍력 발전기에 비해 날개 면적이 커야하고, 양력을 이용하는 수평축 발전기와 달리 단지 항력만을 이용하고 있기 때문에 근본적으로 회전익에 작용하는 압력이 적어 설치공간 대비 발전 효율이 낮은 한계가 있는 실정이다.

또한, 종래 수직축 풍력 발전기는 제1 날개에 바람이 작용하여 제1 방향 회전(예컨대, 시계방향 회전)을 유발할 때, 상기 바람은 동시에 제1 날개에 바로 이웃하는 제2 날개에 부딪히게 되고, 상기 경우 제1 방향 회전을 방해하는 저항 요인(즉, 제2 날개의 반시계방향 회전을 유발)으로 작용하게 된다.

이는, 종래 수직축 풍력 발전기는 항력만을 이용하기 때문에 발전기로 유입되는 바람이 회전력(즉, 제1 날개의 시계방향 회전 유발)을 제공함과 동시에 회전에 대한 저항력(즉, 제2 날개의 반시계 방향 회전 유발)도 함께 일으키게 되어, 수평축 풍력 발전기 대비 동일한 풍속 내지 풍량에 대한 발전 효율이 저하되는 단점이 존재하였다.

선행특허 1. 한국공개특허 제10-2011-0030015호 (2011.03.23) 선행특허 2. 한국공개특허 제10-2011-0088618호 (2011.08.04)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 수직축 풍력 발전기를 구현함에 있어서, 날개의 면적과 터빈 부피는 최소화하면서 발전 효율은 극대화할 수 있는 터빈형 수직축 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 수직축 풍력 발전기에 바람이 유입될 때, 회전력과 동시에 저항력을 함께 유발하는 문제점을 근본적으로 제거할 수 있는 터빈형 수직축 발전기를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은 항력만을 이용하여 블레이드를 회전시키는 종래 수직축 풍력 발전기와 달리 수직축 풍력 발전기임에도 불구하고 항력과 양력을 모두 이용하여 블레이드의 회전시키고 풍력 발전을 구현할 수 있는 터빈형 수직축 발전기를 제시한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터빈형 수직축 발전기는, 유체가 유입되고, 상기 유입된 유첼르 인젝터 측으로 유입되도록 안내하는 집풍 헤드와; 상기 집풍 헤드로부터 유입되는 유체를 터빈 블레이드 측으로 토출하는 인젝터와, 인젝터로부터 토출되는 유체에 의해 축회전이 유발되는 터빈 블레이드 및 터빈 블레이드와 연결되어 터빈 블레이드의 축회전에 따라 회전 구동하는 터빈 축을 포함한다.

그리고, 집풍 헤드는 상판과; 상기 상판의 하면 상에 형성되고 경사면 또는 곡면을 포함하는 복수 개의 격벽과; 상기 상판의 수직 하부 공간으로서 상기 격벽에 의해 적어도 2개의 공간으로 구획되는 집풍부를 포함한다.

그리고, 인젝터는 집풍부와 연통되는 개방면과, 개방면에 평행인 단면적이 점차 작아지도록 형성되고 내부가 비어있는 압축부와, 압축부의 종단부 상에 형성되어 터빈 블레이드 측으로 유체를 토출하는 토출공을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 터빈형 수직축 발전기에 의하면, 동서남북 전방위 풍향에 대하여 풍력 발전을 구동할 수 있으며, 특히 터빈 블레이드는 그 회전을 위한 동력원으로서 항력과 양력 모두 이용할 수 있어 단위 시간당 회전수를 극대화할 수 있고, 수직축 발전기의 근본적인 문제점(즉, 유입 바람 또는 유입 물에 의한 블레이드의 회전과 동시에 그 회전에 대한 저항력을 함께 유발)을 제거할 수 있게 되었다.

이에 따라, 본 발명에 따른 터빈형 수직축 발전기에 의하면, 종래 수직축 풍력 발전기 대비 발전 효율을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기의 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기의 외관을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 집풍 헤드의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 집풍 헤드의 하측 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 집풍 헤드의 상측 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 인젝터의 측면도.
도 7은 본 발명에 따른 인젝터의 상측 평면도.
도 8은 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기의 결합 사시도.
도 9는 종래 수직축 풍력 발전기를 나타낸 도면.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명에서 제시된 발전기는 풍력 발전기 또는 수력 발전기로 사용될 수 있다. 물론 수력 발전기로 사용되기 위해서는 방수 처리가 필요하나 기본적인 구성은 풍력 발전기와 동일하다. 이후 본 발명에 따른 발전기를 설명함에 있어서 풍력 발전기를 위주로 하여 설명할 것이나, 본 발명의 보호범위는 풍력 발전기뿐만 아니라 수력 발전기도 포함하는 것으로 이해되어져야 한다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기의 외관을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 집풍 헤드의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 집풍 헤드의 하측 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 집풍 헤드의 상측 평면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 인젝터의 측면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 인젝터의 상측 평면도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기는 집풍 헤드(10), 인젝터(20), 터빈 블레이드(30,40), 터빈 축(50), 터빈 모터(60) 및 바디(70)를 포함하고, 바람직하게는 터빈 블레이드(30,40)는 상부 터빈 블레이드(30)와 하부 터빈 블레이드(40)로 구성된다.

본 발명의 집풍 헤드(10)는 바디(70)의 상단부에 결합되어 외부 바람이 유입되고, 이 유입되는 바람이 인젝터(20) 측으로 흘러들어갈 수 있도록 유도하는 구성이다.

구체적으로, 집풍 헤드(10)는 상판(15), 격벽(11) 및 집풍부(13)를 포함한다. 집풍 헤드(10)의 상판(15)은 집풍 헤드(10)의 상부에 위치하는 판형 부재로 구성되어 집풍 헤드(10)의 지붕 역할을 한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상판(15)은 다수 개의 볼록한 곡면 또는 경사면을 포함하도록 구성된다. 예컨대, 상판(15)은 각 집풍부(13)의 수직 상부에 각각 볼록하게 형성된 다수 개의 돔(dome)형 또는 아크(arc)형의 곡판(15a,15b,15c,15d)을 포함하도록 구성할 수 있다.

집풍 헤드(10)의 격벽(11)은 상판(15)의 하면 상에 돌출되게 형성되는 판형 부재로 구성되어, 상판(15)의 수직 하부 공간(이하, '집풍부(13)'라 칭함)을 다수 개의 공간으로 분할하고, 상기 집풍부(13)로 유입되는 바람이 인젝터(20) 측으로 흘러들어갈 수 있도록 유도하는 기능을 한다.

집풍 헤드(10)는 동서남북 풍향에 상관없이 전방위 풍향이 유입될 수 있고, 동시에 이와 같이 유입되는 바람이 수직 하부에 위치하는 인젝터(20) 측으로 원활히 흘러들어갈 수 있도록 설계되어야 하는데, 이는 도 3 및 도 4와 같은 격벽(11) 및 집풍부(13) 구조에 의해 달성 가능하다.

바람직한 실시예에 따르면, 격벽(11)은 적어도 3개 이상의 N개로 구성되고, 상기 N개의 격벽(11)은 방사형 내지 소용돌이 구조로 배치된다. 그리고, 집풍부(13)는 상기 N개의 격벽(11)에 의해 N개 단위 집풍부로 구획된다.

도 3 및 도 4의 바람직한 실시예에 따르면, 격벽(11)은 4개(11a,11b,11c, 11d)로 구비되고, 4개의 격벽(11a,11b,11c, 11d)은 집풍 헤드(10)(구체적으로, 상판(15))의 중심부에서 외측으로 뻗어있는 방사형 내지 소용돌이 구조로 형성되며, 각 격벽(11a,11b,11c, 11d)은 시계 방향 또는 반시계 방향을 따라 볼록한 곡판형 구조로 형성된다. 그리고, 각 격벽(11a,11b,11c, 11d)은 상호 동일한 간격으로 이격 배치되게 구성된다.

그리고, 도 4와 같은 격벽(11a,11b,11c, 11d) 구조에 의해 집풍부(13)는 4개의 공간으로 분할되고, 이에 의해 집풍부(13)는 제1 단위 집풍부(13a), 제2 단위 집풍부(13b), 제3 단위 집풍부(13c) 및 제4 단위 집풍부(13d)로 구획된다. 따라서, 제1 단위 집풍부(13a)는 돔형의 상판(15a), 볼록한 제1 격벽(11a), 오목한 제4 격벽(11d)으로 둘러싸인 구조를 갖게 되고, 집풍 헤드(10)의 외측을 향하는 일측면 및 인젝터(20)를 대향하는 밑면은 개방된 구조로 형성된다.

마찬가지로, 제2 단위 집풍부(13b) 역시 돔형의 상판(15b) 및 한 쌍의 격벽(11a,11b)으로 둘러싸인 구조로 구성되고, 외측을 향하는 일면과 그 밑면은 개방면으로 형성되고, 제3 단위 집풍부(13c) 역시 상판(15c) 및 한 쌍의 격벽(11b,11c)으로 둘러싸인 구조로 구성되고, 외측을 향하는 일면과 그 밑면은 개방면으로 형성되며, 제4 단위 집풍부(13d) 역시 상판(15) 및 한 쌍의 격벽(11c,11d)으로 둘러싸인 구조로 구성되고, 외측을 향하는 일면과 그 밑면은 개방면으로 형성된다.

도 3 및 도 4와 같은 집풍 헤드(10) 구성에 의하면, 예컨대 외부 바람이 제1 단위 집풍부(13a)로 유입되면, 상판(15) 및 양측 격벽(즉, 제1 격벽(11a) 및 제4 격벽(11d))의 곡면 구조에 의해 난류 내지 와류가 발생하여 제1 단위 집풍부(13a) 내부에 갇히게 된다. 그리고 이와 같이 제1 단위 집풍부(13a)에 갇힌 난류 내지 와류는 제1 단위 집풍부(13a)와 압축부(21) 간의 기압차에 의해, 제1 단위 집풍부(13a)의 개방된 밑면에 연통되게 위치한 인젝터(20) 측으로 빨려들어가게 되어 후술할 터빈 블레이드(30)의 회전력으로 작용하게 된다.

그리고, 상기와 같은 집풍 헤드(10) 구성에 의하면, 동풍, 서풍, 남풍, 북풍에 상관없이 어느 방향의 풍향에 대하여도 이를 풍력으로 이용하여 터빈 발전을 구동할 수 있게 된다.

예컨대, 외부 바람이 북풍이라면 제1 단위 집풍부(13a)를 통해 바람이 유입되어 인젝터(20) 측으로 유입될 수 있고, 외부 바람이 동풍이라면 제2 단위 집풍부(13b)를 통해 바람이 유입되어 인젝터(20) 측으로 유입될 수 있고, 외부 바람이 남풍이라면 제3 단위 집풍부(13c)를 통해 바람이 유입되어 인젝터(20) 측으로 유입될 수 있으며, 외부 바람이 서풍이라면 제4 단위 집풍부(13d)를 통해 바람이 유입되어 인젝터(20) 측으로 유입될 수 있게 된다.

도 3 및 도 4의 바람직한 실시예에 따른 격벽(11a,11b,11c,11d)은 4개로 형성하여 집풍부(13)가 4개의 공간(즉, 단위 집풍부)으로 구획되게 구성하였으나, 격벽(11)은 4개 이상의 복수 개로 형성하여 집풍부(13)가 4개 이상의 복수 개 공간(즉, 단위 집풍부)으로 구획되게 구성하여도 동일한 목적을 달성할 수 있다.

이와 같이, 격벽(11)을 적어도 4개 이상으로 구성하는 이유는 통상적으로 풍향은 크게 동서남북 4방위로 구분되고, 세부적으로는 16방위로 구분되는 바, 적어도 동서남북 4방위의 풍향 중 어느 풍향의 바람이 불어도 해당 풍향의 바람을 인젝터(20)로 원활히 유입시켜 풍력 발전에 이용할 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 상기의 바람직한 실시예에 따른 격벽(11)은 4개 이상으로 제시하였으나, 2개 또는 3개로 이루어진 격벽(11)과 이에 의해 2개 또는 3개로 구획되는 집풍부(13)를 배제하는 것은 아님을 밝혀 둔다. 환언하면, 격벽(11)은 4개 이상으로 구성하는 것이 가장 바람직하나, 4개 미만의 복수 개로 구성하여도 동일한 목적을 달성할 수 있음은 물론이다.

본 발명의 인젝터(20)는 집풍관으로부터 유입되는 바람의 유속을 증대시키고, 유속이 증가된 유체(즉, 바람)를 터빈 블레이드(30) 측으로 토출하여 터빈 블레이드(30)의 축회전을 발생시키는 구성이다.

세부적으로, 인젝터(20)는 개방면(23), 압축부(21) 및 토출공(25)을 포함한다. 인젝터(20)의 개방면(23)은 인젝터(20) 내부와 집풍부(13)가 연통될 수 있도록 개방 형성된 일면으로서, 도 1을 기준으로 인젝터(20)의 상면이 개방면(23)에 해당한다.

인젝터(20)의 압축부(21)는 집풍 헤드(10)로부터 유입된 바람을 압축 수렴시키기 위한 구성으로서, 상부(즉, 개방면(23)측)에서 하부(즉, 토출공(25)측)로 향할수록 개방면(23)에 평행인 단면의 면적이 점차 작아지고 내부가 있는 구조로 형성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 압축부(21)는 밑면이 개방되어 있고 내부가 비어 있는 원뿔형, 다각뿔형, 각뿔대형, 원뿔대형 및 이들이 조합된 형상 중에서 선택된 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.

인젝터(20)의 토출공(25)은 압축부(21)를 거치면서 압축 수렴되는 바람을 외부로 토출시킴으로써 유속을 강제적으로 증가시키고, 이렇게 유속이 증가된 바람을 그 수직 하부에 위치하는 터빈 블레이드(30)에 제공하기 위한 구성이다.

구체적으로, 압축부(21) 및 토출공(25)은 바람이 개방면(23)을 통해 유입되면, 유입 바람이 토출구 측으로 이동할수록 점차 압축 수렴되고, 이 압축 수렴된 유입 바람이 토출공(25)을 통과하게 되면 유로의 단면적 변화(즉, 단면적 감소 후 팽창에 의한 압력차이)에 따른 교축 작용 내지 벤츄리 효과로 인해 유속이 강제적으로 급격히 증가하도록 구성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 토출공(25)은 압축부(21)의 종단부 상에 형성되어 압축부(21) 내부와 연통되고, 특히 토출공(25)은 개방면(23)의 중심부(C1)에서 벗어난 위치에 형성되는 것을 특징으로 한다. 이는, 토출공(25)을 개방면(23)의 중심부(C1)에 형성하게 되면, 토출공(25)으로부터 배출되는 바람의 대부분이 터빈 블레이드(30)의 중심(즉, 회전축)으로 향하게 되고, 이로 인해 터빈 블레이드(30)의 회전 구동 효율이 극히 저하되기 때문이다. 환언하면, 토출공(25)은 이로부터 토출되는 바람이 터빈 블레이드의 일면을 가격할 수 있도록 구성된다.

본 발명의 터빈 블레이드(30,40)는 인젝터(20)로부터 토출되는 바람을 이용하여 축회전이 유발되고, 이 축회전에 의해 회전 터빈 축(50)을 회전시켜 풍력 발전을 구동시키기 위한 구성이다.

터빈 블레이드(30,40)는 회전축을 중심으로 복수 개의 단위 블레이드(31,41)가 구비되는 임펠러, 프로펠러 또는 로터 형상으로 구성될 수 있다. 여기서, 단위 블레이드(31,41)의 개수는 풍력 터빈의 사이즈에 따라 결정될 수 있다.

바람직한 실시예에 따르면, 터빈 블레이드(30,40)는 터빈 축(50)의 길이 방향을 따라 나란히 배열되는 상부 터빈 블레이드(30)와 하부 터빈 블레이드(40)로 분리 구성할 수 있다.

먼저, 상부 터빈 블레이드(30)는 인젝터(20)의 수직 하부에 배치되어 토출공(25)으로부터 토출되는 바람이 직접적으로 타격하는 블레이드에 해당한다. 즉, 상부 터빈 블레이드(30)는 인젝터(20)로부터 토출되는 바람이 동력원으로 작용하여 축회전이 유발되도록 구성된다. 따라서, 상부 터빈 블레이드(30)는 토출공(25)으로부터 토출되는 바람을 항력으로 이용하여 축회전하도록 구성할 수 있다.

즉, 상부 터빈 블레이드(30)는 토출공(25)을 통해 유입되는 바람이 하부 터빈 블레이드(40)에 항력과 양력으로 작용할 수 있도록 변환하는 기능과, 토출공(25)으로부터 유입되는 바람의 역류를 방지하는 기능을 수행한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상부 터빈 블레이드(30)의 회전축을 따라 배열되는 각각의 단위 블레이드(31)는 평판형으로 구성되고, 평판형의 단위 블레이드(31)는 토출공(25)의 토출 방향에 대하여 0°초과 90°미만 범위의 구배로 경사지게 구성된다. 상기와 같은 구성에 의하면, 토출공(25)의 토출 바람이 단위 블레이드의 경사면을 직접적으로 가격하여 상부 터빈 블레이드(30)의 축회전이 효율적으로 유발될 수 있게 된다.

다음으로, 하부 터빈 블레이드(40)는 상부 터빈 블레이드(30)의 수직 하부에 배치되어 상부 터빈 블레이드(30)에 유발되는 기압차 즉, 유체 흐름이 동력원으로 작용하여 축회전이 유발되도록 구성된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상부 터빈 블레이드(30)의 축회전에 의해 유발되는 유체 흐름이 하부 터빈 블레이드(40)에 항력과 양력으로 작용하여 하부 터빈 블레이드(40)를 회전시키도록 구성된다.

예컨대, 도 1과 같이 하부 터빈 블레이드(40)의 회전축을 따라 배열되는 각각의 단위 블레이드(41)는 얇은 판체로 구성되되, 각 단위 블레이드(41)의 판체는 곡면을 포함하도록 구성되어 각 단위 블레이드(41)에 가해지는 항력과 각 단위 블레이드(41) 양면의 곡면차에 의한 양력을 모두 이용하여 축회전이 발생하도록 구성할 수 있다. 상기 실시예에 따르면, 하부 터빈 블레이드(40)의 전체적인 형상은 나선형 내지 소용돌이 모양을 이루게 된다.

상기와 같은 구성에 의하면, 하부 터빈 블레이드(40)는 그 회전을 위한 동력원으로서 항력과 양력 모두 이용할 수 있어 단위 시간당 회전수를 극대화할 수 있게 된다. 이는 종래 수직축 풍력 발전기는 항력만을 이용하고 있어 발전기 날개의 회전 효율이 크게 낮은 점과 명백히 대비되는 특징에 해당한다.

결국, 전술한 바와 같이 터빈 블레이드를 두 종류의 블레이드로 구성할 경우, 특히 실질적인 풍력 발전원으로 작용하는 하부 터빈 블레이드(40)의 회전력을 더욱 원활하게 하고, 토크를 증대시킬 수 있어 풍력 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명의 터빈 축(50)은 터빈 블레이드(30,40)와 연결되어 터빈 블레이드의 축회전에 따라 회전 구동하여, 그 회전력으로 터빈 모터(60)를 작동시키는 구성이다. 따라서, 터빈 축(50)의 일측에는 터빈 블레이드(30,40)가 연결되고 타측에는 터빈 모터(60)가 연결되어 있다.

그리고, 터빈 블레이드를 상부 터빈 블레이드(30)와 하부 터빈 블레이드(40)로 구성할 경우, 상부 및 하부 터빈 블레이드(30,40)는 각각 그 중심축이 터빈 축(50)과 일치하게 배치되고, 각각 터빈 축(50)의 길이 방향을 따라 나란히 배열된 결합 구조를 갖는다.

한편, 도 1에는 도시하지 않았으나, 터빈 축(50)은 저속축과 고속축으로 분리 구성될 수 있으며, 상기 경우 가속 기어박스를 더 포함할 수도 있다.

상기 경우, 저속축은 하부 터빈 블레이드(40)의 회전을 가속 기어박스로 전달하는 원통형 샤프트로 구성되고, 가속 기어박스는 회전 속도를 증가시켜서 터빈 모터(60)를 작동시키는 기어 조합이며, 고속축은 가속 기어박스에 의해 증가된 고속 운동을 터빈 모터(60)로 전달하는 원통형 샤프트로 구성될 수 있다.

본 발명의 터빈 모터(60)는 터빈 축(50)과 연결되어 상기 터빈 축(50)의 회전 구동에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 발전기에 해당한다.

본 발명의 바디(70)는 인젝터(20), 터빈 블레이드, 터빈 축(50), 터빈 모터(60)를 내부에 수용하여, 이들 구성을 외부 환경으로부터 밀폐하기 위한 본체 케이스에 해당한다.

따라서, 바디(70)는 각 구성을 내부에 격납할 수 있는 공간을 구비한다면, 그 형상은 특별히 한정할 필요는 없다. 참고로, 도 1 실시예의 경우 바디(70)는 내부 수용 공간이 형성된 원통형 케이스와 상기 원통형 케이스의 하단부에 연장 형성된 원뿔대형 케이스로 구성하였다.

그리고, 집풍 헤드(10)와 인젝터(20)는 바디(70) 상부에 고정되고, 이들의 고정시 집풍 헤드(10)의 집풍부(13)는 인젝터(20)의 개방면(23)과 연통되는 결합 구조를 이루도록 구성된다.

이하에서는, 전술한 구성에 따른 본 발명의 터빈형 수직축 풍력 발전기의 작동 원리 및 그 특징에 대하여 설명하도록 한다.

도 8은 본 발명에 따른 터빈형 수직축 풍력 발전기의 결합 사시도이다. 도 4 및 도 8을 참조하면, 외부에서 집풍 헤드(10)의 제1 내지 제4 단위 집풍부 (13a~13d) 중 적어도 어느 하나의 단위 집풍부로 바람이 유입되면, 유입된 바람은 격벽(11)의 경사면 또는 곡면을 타고 내려와, 인젝터(20)의 개방면(23)을 통해 압축부(21)로 유입되고, 압축부(21)로 유입된 바람은 토출공(25) 측으로 이동하며 점차 압축 수렴된다. 그리고 이 압축 수렴된 바람은 토출공(25)을 통과하면서 유로의 단면적 변화에 따른 교축 작용으로 인해 유속이 급격히 증가된다.

유속이 증가된 바람은 곧바로 터빈 블레이드를 직접 타격하여 이 터빈 블레이드의 회전 운동을 발생시키고, 터빈 블레이드의 회전 운동 에너지는 이에 연결된 터빈 축(50)을 통해 터빈 모터(60)로 전달됨으로써 전기 에너지로 변환된다.

만약, 터빈 블레이드를 구성함에 있어서, 도 1과 같이 형상 및 구조를 갖는 상부 터빈 블레이드(30)와 하부 터빈 블레이드(40)로 분리 구성한다면, 다음과 같은 작동 상 특징을 발휘하게 된다. 즉, 상부 터빈 블레이드(30)는 토출공(25)으로부터 토출되는 바람을 항력으로 이용하여 축회전 발생하고, 하부 터빈 블레이드(40)는 상부 터빈 블레이드(30)의 수직 하부에 배치되어 상부 터빈 블레이드(30)에 유발되는 기압차 즉, 유체 흐름이 동력원으로 작용하여 축회전이 유발된다.

이때, 하부 터빈 블레이드(40)는 상부 터빈 블레이드(30)의 축회전에 의해 유발되는 유체 흐름이 하부 터빈 블레이드(40)에 항력과 양력으로 작용하여 하부 터빈 블레이드(40)를 회전시키게 된다.

결국, 본 발명에 따르면, 하부 터빈 블레이드(40)는 그 회전을 위한 동력원으로서 항력과 양력 모두 이용할 수 있어 단위 시간당 회전수를 극대화할 수 있고, 이에 따라 수직축 풍력 터빈의 발전 효율을 종래 대비 크게 향상시킬 수 있게 된다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 집풍 헤드 11: 격벽
13: 집풍부 15: 상판
20: 인젝터 21: 압축부
23: 개방면 25: 토출공
30: 상부 터빈 블레이드 40: 하부 터빈 블레이드
50: 터빈 축 60: 모터
70: 바디

Claims (9)

1. 삭제
2. 바람이 유입되고, 상기 유입 바람이 인젝터 측으로 유입되도록 안내하는 집풍 헤드; 상기 집풍 헤드로부터 유입되는 바람을 터빈 블레이드 측으로 토출하는 상기 인젝터; 상기 인젝터로부터 토출되는 바람에 의해 축회전이 유발되는 터빈 블레이드; 및 상기 터빈 블레이드와 연결되어 상기 터빈 블레이드의 축회전에 따라 회전 구동하는 터빈 축을 포함하고,
   상기 집풍 헤드는,
   상판; 상기 상판의 하면 상에 형성되고 경사면 또는 곡면을 포함하는 복수 개의 격벽; 및 상기 상판의 수직 하부 공간으로서 상기 격벽에 의해 적어도 2개의 공간으로 구획되는 집풍부;를 포함하고,
   상기 인젝터는,
   상기 집풍부와 연통되는 개방면; 단면적이 점차 작아지도록 형성되고 내부가 비어있는 압축부; 상기 압축부의 종단부 상에 형성되어 상기 터빈 블레이드 측으로 바람을 토출하는 토출공을 포함하고,
   상기 격벽은 적어도 3개 이상의 N개로 구성되고,
   상기 N개의 격벽은 방사형 내지 소용돌이 구조로 배치되고,
   상기 집풍부는 상기 N개의 격벽에 의해 N개 단위 집풍부로 구획되고,
   상기 각 단위 집풍부는 한 쌍의 격벽과 상기 상판의 일부 영역으로 둘러싸이고, 상기 집풍 헤드의 외측을 향하는 일측면과 상기 인젝터를 대향하는 밑면은 개방 형성되며,
   상기 단위 집풍부의 밑면은 상기 인젝터의 개방면과 연통되는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 상판의 상기 일부 영역은 곡면 또는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
4. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
   상기 토출공은 상기 개방면의 중심부(C1)에서 벗어난 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
5. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
   상기 터빈 블레이드는 상기 터빈 축의 길이 방향을 따라 나란히 배열되는 상부 터빈 블레이드와 하부 터빈 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 상부 터빈 블레이드는 회전축을 따라 배열되는 다수 개의 단위 블레이드를 포함하고, 상기 토출공으로부터 토출되는 유체에 의해 축회전이 발생되며,
   상기 각 단위 블레이드는 상기 토출공의 토출 방향에 대하여 경사지게 형성되는 평판형 판체로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
7. 제5 항에 있어서,
   상기 하부 터빈 블레이드는 회전축을 따라 배열되는 다수 개의 단위 블레이드를 포함하고, 상기 상부 터빈 블레이드의 축회전시 유발되는 유체 흐름에 의해 축회전이 발생되며,
   상기 각 단위 블레이드는 곡면을 포함하는 판체로 구성되는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
8. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
   상기 압축부는 밑면이 개방되어 있고 내부가 비어 있는 원뿔형, 다각뿔형, 각뿔대형 및 원뿔대형 중에서 선택된 적어도 어느 하나의 모양으로 형성되는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.
   
9. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
   상기 터빈 축과 연결되어 상기 터빈 축의 상기 회전 구동에 따른 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 터빈 모터; 및
   상부에는 상기 집풍 헤드와 상기 인젝터가 결합되고, 내부에는 상기 터빈 블레이드, 상기 터빈 축 및 상기 터빈 모터가 격납되는 바디를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈형 수직축 풍력 발전기.

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