KR101868870B1 - 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈 및 이 터빈을 감싸는 집풍벽 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈 및 이 터빈을 감싸는 집풍벽에 있어서, 본 발명에 따른 터빈의 최적구조는, 터빈의 직경(R)이 6~15m 범위에서 한정되고, 터빈 직경(R)은 터빈의 추진력(Cf) 즉, 회전력(Cp)이전의 원천적인 힘을 결정 짖는 가장 중요한 구조적 요소로서, 터빈의 크기(R)가 커질수록 그 추진력(Cf)은 40~50%에 다다를 수 있다.
또한, 터빈은 그 성능(회전력; Cp) 발휘에 있어서, 추진력(Cf) 최대화가 중요하고, 또한 회전저항력(Cr) 발생의 최소화도 중요하며, 회전저항력(Cr)이 추진력(Cf)를 5%이상 훼손되지 않는 것이 바람직하고, 이때 터빈의 회전력(즉, 동력발생율: Cp) 은 35~45% 수준에 다다를 수 있다.
또한, 풍차 집풍벽의 최적구조는, 집풍벽들이 풍차의 성능 및 풍차의 내구성 향상을 크게 가져오며, 아울러 풍차의 출력(Pw)을 1.3~1.8배 증대시키는 효과를 가져올 수 있다.

Description

풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈 및 이 터빈을 감싸는 집풍벽{Vertical multi-bladed open and shut-door type turbine for wind power generation and the wind-collection walls surrounding it's turbine}

본 발명은 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈에 관한 것으로서, 터빈은 항력식 터빈의 일종으로서, 항력식 터빈은 보급성이 낮다고 평가되고 있지만, 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈은 그 동력계수가(Cp)가 프로펠러형 풍차에 육박하는 고성능의 것이기에, 이는 항력식 풍차로서는 고 성능을 발휘하는 풍차이다.

또한, 본 발명의 터빈은, 오랜 기간의 실증실험 및 고찰에 의하면, 그 추진력계수(Cf)가 40~ 50%까지 다다르고, 회전력저항력계수(Cr)를 5% 이하까지 최소화하는 경우에는 동력계수(Cp)이 35~45%에 다다를 수 있다.

또한, 본 발명은, 풍력발전용 집풍벽에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 것으로서, 풍력밀도가 낮고 돌풍형의 바람이 많은 풍황에 설치되어도 풍력발전을 효과적으로 수행할 수 있도록 하는 기능을 갖는 것이다.

일반적으로, 풍력발전용 터빈은 육상 또는 해상에서 일고 있는 바람의 수평적 이동을 이용하여 동력을 발생시키는 장치이다.

특허문헌 1은 종래의 터빈을 나타낸 것이고, 이 터빈은 항력식 터빈으로서, 수평적 바람을 받아서, 즉 바람이 회전날개를 타격하게 되면, 이에따라 날개들이 일어키는 항력차에 의해서 터빈이 작동되는 원리를 갖는 것이다.

이러한 작동원리는 본 발명의 터빈과 동일하다 할 것이다.

그러나, 상기와 같은 특허문헌 1의 터빈은 동력발생율이 저조하여 실용화되기에 미흡한 수준에 있다.

특히, 터빈구조의 최적화 달성에는 거리가 있는 기술수준으로서 고성능 발휘를 위한 구조적 요건들을 제대로 갖추지 못하고 있는 것이기에, 그 기술수준이 저급하다 할 것이다.

특허문헌 1의 기술수준을 보다 구체적으로 설명 드리자면, 그 기술은 터빈의 작동원리에 치중되어 있을 뿐, 터빈의 고성능 발휘에 필요한 구조적 요건을 제대로 설명하지 못하고 있다.

예를 들면,

1) 터빈 직경의 크기(R)가 추진력에 발생에 미치는 절대적인 영향력에 대해서 예견이 없다.

2) 동력학적으로 회전저항력(Cr)이 터빈의 성능에 미치는 영향력에 대해서도 그 중요성을 간과하고 있다.

3) 강풍시에 터빈의 내부에 압력부가 생성되는 유체역학적 현상에 대한 고찰이 전무 하다.

4) 이외에도 터빈의 현장 가동시에 야기되는 여러 유체역학적/동력학적 현상들에 대한 올바른 식견이 없었다.

결국, 상기 특허문헌1의 기술은 상기와 같은 결점을 내포하고 있는 것으로서 그 수준이 저급하다할 것이고, 특히 수직축다익형개폐도어식 터빈의 성능을 정확히 예견하기에는 턱없이 부족한 기술수준이라 할 것이다.

KR 10-2012-0117282 A

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 터빈의 성능(추진력: Cf)이 40%~50%에 달하고, 회전저항력(Cr) 이 5% 이하가 되도록 설계(즉, 형성)함으로서, 그 성능(동력계수: Cp)이 35~45%에 달하는 고성능의 터빈을 제공함에 목적이 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈이 집풍벽에 감싸지도록 하여서, 그 내부에 설치된 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈이 가급적 많은 량의 바람을 받아들이도록 하고 , 동시에 터빈의 회전운동시 발생하는 회전저항력 발생을 최소화시키면서, 또한, 강풍시에 터빈의 흔들림을 효과적으로 잡아주는 기능이 부여되는 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽을 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈은, 구조체의 중심부에 수직으로 설치되는 회전축과; 상기 회전축의 상, 하단부 지점에 상호 정해진 간격을 두고 수평으로 각각 설치되는 상부 및 하부 수평회전판; 상기 상부 및 하부 수평회전판 사이에서 상, 하부 수평회전판의 외주측에 치우쳐, 상기 상, 하부 수평회전판을 수직방향으로 연결짓는 다수의 쌍의 수직부재; 및 상기 쌍의 수직부재에 수직방향에서 다단으로 매달려 풍력에 의해 개폐가 가능하도록 설치되는 다수의 개폐도어;를 포함하여 구성되는 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈에 있어서, 상기 상, 하 회전판의 직경(터빈의 직경(R))은 6~15m 이내로 형성되고, 상기 쌍의 수직부재의 수(터빈의 날개수(n))는 20~50개 이내로 형성되며, 상기 개폐도어의 가로폭(날개폭(d))은 아래의 한정된 범위의 크기를 가지고, 상기 개폐도어의 면 방향은 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈이 회전되는 회전 방향에 대해 후방으로 굴절되되, 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 반경방향과 아래의 범위에서 각을 이루며, 상기 개폐도어는 그 소재가 1.3kg/㎡ 이하의 박판소재로 형성된 것을 특징으로 한다.

날개폭(d) = πR(1.1±0.1)/n, 50°≤ 날개면굴절각(θ) ≤ 65°

본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽은, 청구항 제1항에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 주위에서 터빈을 감싸도록 대칭되게 세워지는 다수개의 주기둥과; 상기 주기둥의 최상단 외곽에서 지면에 대각선 방향 또는 수직방향으로 내려져 상기 주기둥을 받쳐주는 다수개의 외곽기둥; 상기 주기둥과 외곽기둥 사이에서 수직방향으로 정해진 간격 이격되게 형성되어, 상기 주기둥과 외곽기둥을 수평방향으로 연결하는 다수개의 기둥연결수평보; 상기 주기둥, 외곽기둥 및 기둥연결수평보 사이를 메워서 형성되는 집풍벽; 및 상기 집풍벽 사이에 설치되어 상기 집풍벽 사이를 수평방향으로 연결하는 다수개의 집풍벽연결수평보; 로 구성되는 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽에 있어서, 상기 집풍벽은 그 갯수가 6~8개 이내이고, 상기 집풍벽은 최상단부의 폭(W1)이 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 직경(R)보다 작도록 0.3~0.6R 이내로 형성되며, 상기 집풍벽의 방향은 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 날개와 동일한 방향으로 굴절되되, 그 굴절각(Ø)이 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 반경방향에 대하여 20°~ 50°각도로 형성되고, 상기 집풍벽은 상기 주기둥의 상단에서 상기 외곽기둥이 지면과 접하는 지점을 잇는 가상직선과 지면 사이의 각도(α)가 70°~84°로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈은 터빈직경, 날개수, 날개면의 굴절각, 날개폭의 최적화를 통해서 터빈의 추진력(Cf)을 최대화 시카는 효과를 가져올 수 있는 것이지만, 동시에 터빈의 회전 운동시에 발생하는 회전저항력(Cr) 발생을 최소화시킬 수 있도록, 개폐도어의 무게를 최소화 시키는 등 다수의 터빈 회전저항력 발생요인을 해소함으로서, 결국 터빈의 동력계수(Cp)가 35~45% 수준의 고성능을 발휘하게 되는 것이다.

본 발명에 따르면, 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽은 터빈의 부근을 지나는 바람이 터빈 내측으로 유입되도록 함으로서 본 발명의 풍차의 출력을 배가시키는 효과를 가져옴은 물론, 집풍벽은 터빈의 회전저항력(Cr) 발생을 최소화시키는 효과를 가져와 터빈 의 성능 그 자체를 크게 향상시키는 결과를 가져오며, 아울러 풍차가 강풍시에도 정격발전을 수행할 수 있도록 풍차의 구조적 내구성을 효과적으로 강화시킬 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 수직축 다익형 개폐도어식 터빈 및 그 집풍벽은 본 발명의 풍차가 그 성능이 프로펠러형 풍차의 성능에 육박케 하는 것이므로, 수직축 풍력발전 시스템의 보급성 향상에 크게 기여할 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈이 집풍벽에 감싸진 상태를 나타낸 개략 사시도.
도 1b는 도 1a의 수직단면도.
도 1c는 도 1a의 수평단면도.
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 사시도.
도 3은 도 2의 평 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 다른 실시예.
도 5는 도 2의 사용 상태를 나타낸 부분 확대도.
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 작동에 따른 회전력을 수치화한 도면.
도 11은 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽의 다른 실시예를 나타낸 개략 평면도.
도 12는 본 발명에 따른 50kW급 풍차의 실시예에 적용된 집풍벽 최상부를 보이는 개략 수평면도.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 터빈의 작동과정을 살펴보면, 바람이 없을 시에는 각 날개의 개폐도어들(105)은 자중에 의해 하방으로 쳐진 상태로 유지되고, 바람이 불기 시작하여 바람이 상기 터빈(100) 내로 들어오면, 도 5에 도시된 바와 같이, 바람을 받아들이는 상기 터빈(100)의 전방부 개폐도어(105)들이 열림 동작을 수행하게 되며, 한편, 바람 진행방향에 대해 후방부에 위치한 개폐도어(105)들은 자중에 의해 하방으로 쳐진 상태로 있다가 상기 터빈(100) 내로 들어오는 바람의 힘을 받아서 추진력을 발생하게 되며, 이에따라, 상기 터빈(100)이 회전운동을 하게 된다.

즉, 상기 터빈(100)이 바람을 받게 되면 터빈(100)의 일측 날개들은 그 개폐도어(105)가 열리게 되고, 한편, 반대측 일측의 날개들은 그 개폐도어(105)가 닫힘 상태에 있게 되며, 이때, 상기 터빈(100)의 날개들에는 항력차가 발생하면서, 그 항력차로 인해 상기 터빈(100)이 돌아가는 것이다.

그리고, 이하에서 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈의 구성 및 구조를 설명하도록 한다.

터빈의 구성을 살펴보면,

회전축(101)은 구조체의 중심부에 수직으로 설치된다.

상기 회전축(101)은 상기 상, 하부수평회전판(102, 103)과 일체로 회전된다.

상기 회전축(101)은 세워진 채로 상하 단부측 일정부위가 지지체에 의해 회전 가능하도록 지지된다.

상기 회전축(101)의 상, 하단은 상기 상, 하부 수평회전판(102, 103)의 상, 하부로 노출된다.

상부 및 하부 수평회전판(102, 103)은 상기 회전축(101)의 상, 하단부 지점에 상호 정해진 간격을 두고 수평으로 각각 설치된다.

상기 상, 하부 수평회전판(102, 103)은 서로 동일한 직경을 갖도록 형성되고, 그 형상은 원형 판재 형상인 것이 바람직하다.

상기 상, 하 수평회전판(102, 103)의 직경(즉, 터빈(100)의 직경(R))은 6~15m 이내로 형성된다.

상기 상, 하 수평회전판(102, 103) 사이에는 정해진 갯수의 중간수평칸막이회전판(110)이 끼워져 고정될 수 있다.

수직부재(104)는 다수의 쌍으로 형성되고, 상기 상부 및 하부 수평회전판(102, 103) 사이에서 상, 하부 수평회전판(102, 103)의 외주측에 치우쳐, 상기 상, 하부 수평회전판(102, 103)을 수직방향으로 연결짓는다.

상기 쌍의 수직부재(104)의 수(터빈(100)의 날개수(n))는 20~50개 이내로 형성된다.

상기 쌍의 수직부재(104)는 상기 상, 하 수평회전판(102, 103)의 외주측의 정해진 간격마다 회전축(101)으로부터 근거리 및 원거리에서 쌍을 이룬다.

상기 쌍의 수직부재(104)는 복수개의 개폐도어(105)가 매달릴 수 있는 결속수단(흰지고리, 걸쇠고리 등)을 갖는 것이고, 또한 개폐도어(105)의 동작에 수반되는 충격 내지는 소음을 완화할 수 있는 수단이 강구된 것이다.

상기 쌍의 수직부재(104)는 터빈(100) 회전시 날개들이 발생하는 항력을 받아내고, 한편으로, 회전저항력 발생을 최소화 할 수 있도록 형성되며, 그 재질은 강인하여야 하고 또한 그 굵기가 가급적 정해진 두께로 가늘게 형성된다.

상기 쌍의 수직부재(104)는 그 폭이 정해진 두께로 가늘게 형성됨이 바람직하다.

개폐도어(105)는 다수개로 형성되고, 상기 쌍의 수직부재(104)에 수직방향에서 다단으로 매달려 풍력에 의해 개폐가 가능하도록 설치된다.

이어서, 터빈의 구조를 살펴보면, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈은, 그 직경(R)이 6~15m의 범위에서 설정된다.

상기 쌍의 수직부재(104)의 수(즉, 터빈(100)의 날개수(n))는 20~50개 이내로 형성된다.

상기 개폐도어(105)의 가로폭(날개폭(d))은 날개폭(d) = πR(1.1±0.1)/n. 의 범위에서 설정되고, 상기 개폐도어(105)의 후방 굴절각(날개면의 굴절각(θ))은 50°≤ 날개면굴절각(θ) ≤ 65°의 범위에서 설정된다.

회전저향력(Cr) 발생의 최소화를 위하여, 상기 쌍의 수직부재들의 굵기는 가급적 가늘한 소제로 형성되며, 개폐도어(105)는 1.3kg/㎡ 이하의 최경량 박판소재로 형성되며, 개폐도어의 가로폭(즉, 날개폭(d))은 터빈(100)의 직경(R))에 대해 1/6 R 보다 작은 값으로 형성된다.

[제1 실시예]

이하, 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈이 고성능을 발휘하기 위해서 갖추어야할 요건(즉, 구조적 구비요건)들을 여러 관점에서 제시하고, 이와 더불어 상기 구비요건을 보충설명하기 위하여 본 발명에 따른 터빈의 성능에 관한 상세한 내용을 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 터빈의 구조적 구비요건을 살펴보면,

1) 유체역학적 관점에서의 본 구비요건

본 발명에 따른 터빈(100)은, 바람을 받아서 회전되는 수직축전유향 터빈(100)이며, 상기 개폐도어(105)들의 개폐동작에 기인하여 발생하는 항력의 편차로 인하여 회전운동이 발생되는 항력식 터빈(100)이다. 따라서, 터빈의 특성을 유체역학적 관점에서 살펴봄이 중요하다할 것이다.

① 본 발명에 따른 터빈(100)은 동일한 풍속하에서 그 직경의 크기가 커지면 형상계수(Cd)가 커짐이 관찰된다.

이를 달리 말하자면, 즉 동일한 직경의 터빈의 경우 바람이 세기 즉, 풍속이 증가하면 항력계수(즉, 형상계수)가 작아짐을 관찰 할 수 있다 할 것이고, 또는 직경이 크면 고풍속에서 터빈의 성능이 높게 발휘될 수 있다는 것을 의미한다 할 것이다.

따라서 본 발명의 터빈은 일상 풍속중 13~20m/s 비교적 강풍도 이용할 목적이 있는 것이므로, 그 직경을 6~15m로 설정한 것이다.

② 동일직경의 터빈에 날개수가 상대적으로 많이 형성될수록 터빈의 성능이 증가하는 유체역학인 효과를 가져오는 것으로 관찰되며, 물론 날개면의 후방굴절 각도도 터빈내부의 바람의 유출입량에 영항을 미치는 것으로서 터빈의 성능에 영향력을 미친다고 할 것이다.

2) 회전운동학 관점에 본 터빈의 구비요건

본 발명의 터빈(100)은 그 구조가 그 추진력(Cf) 발생의 크기를 좌우하고 있는 것이지만, 터빈의 회전저항력(Cr) 발생의 최저화 달성이 동력학적 관점에 반드시 구현됨이 필요하다 할 것이다.

즉, 터빈의 성능을 나타내는 동력계수(Cp)는 아래식의 관계에서 얻어지는 것이다.

터빈회전력 (Cp, 동력계수) = 터빈의 추진력(Cf) - 회전저항력(Cr)

다시 말하자면, 터빈의 성능은 상기 추진력(Cf) 만으로 결정되는 것이 아니라 회전저항력(Cr)이 상쇄된 순수한 회전력(동력계수:Cp)에 의해 결정되는 것이므로, 터빈 형성에 있어서 회전저항력 발생소지를 크게 줄여야 할 필요가 있는 것이다.

본 발명에 따른 터빈(100)의 회전저항 발생소지를 줄이기 위하여 ① 날개형성의 기틀이되는 쌍의 수직부재들의 굵기를 가늘게 형성함이 중요하며, ② 그 날개들의 개폐도어(105)들이 저속의 바람에도 작동할 정도의 가벼운 소재로 형성됨이 더욱 중요하며, ③ 날개의 진동 방지 ④ 바람의 수평적 흐름을 이탈하는 현상을 최소화하는 등 많은 조치를 필요로 한다.

3) 동력학적 관점에서 본 터빈구조의 요건

① 상기 터빈의 날개수(n)는 상기 터빈(100)의 외주측(즉, 가장자리측)에 치우쳐 형성되는데, 이는 상기 개폐도어(105)의 면과 바람이 접촉하는 지점이 회전축(101)으로부터 상대적으로 멀리 이격되어 있을 때 동일한 바람에서 더 높은 추진력(토크)을 발생시키기 때문이며, 따라서, 상기 날개는 상기 터빈(100)의 외주측에 치우쳐 상대적으로 많은 수로 형성될 수밖에 없는 것이다.

이때, 관찰에 의하면 날개수(n)는 아래 식에 부합되게 설정되어야 하는 것이다.

n * d = π R (1.1 ± 0.1), 즉, n= π R (1.1 ± 0.1)/ d ------(1)

상기 터빈(100)의 날개수(n)는 터빈(100)의 직경의 크기에 따라서 그 수를 달리함이 타당하다 할 것이므로 현실적으로 그 날개수는 20~ 50 개 범위에 있다 할 것이다.

② 상기 터빈(100)의 날개 폭(d)은 민첩한 작동 내지는 취급의 편의성 등을 고려할 때 그 폭은 가급적 정해진 작은 크기로 형성됨이 바람직하고, 다만, 상기 터빈(100)의 직경(R) 및 날개수(n)와 밀접한 관련이 있는 것이므로, 상기한 관계식(1)에 만족되어야 한다.

한편, 상기 터빈(100)의 날개 폭(d)은 터빈의 직경(R) 및 날개면의 굴절각(θ)과 상관된 것이기는 하지만, 저풍속시에 터빈(100) 내부로 들어온 바람이 상기 개폐도어(105)면과 접촉 없이 빠져나가는 유체량을 최소화할 수 있어야 하겠지만, 반대로 강풍시에 상기 터빈(100) 내부에 압력부가 너무 쉽게 형성되지 않도록 설정됨이 바람직 하다.

상기 날개폭(d)은 터빈 직경(R)의 크기 6~15m의 및 날개수(n) 20개~50개의 범위에서 관계식(1)에 의해서 그 크기가 정해지는 것이 바람직한 것이다.

③ 상기 개폐도어(105)의 후방 굴절각(날개면 굴절각(θ))은 날개수(n) 및 날개폭(d)에 따라서 적절한 크기로 조절되었을 때 높은 추진력을 발생할 수 있게 한다.

이 개폐도어(105)의 후방 굴절각(날개면 굴절각(θ))은 보통 45°도 이상으로 형성되면, 만족할 만한 성능이 나타나기 시작하지만, 그 각도는 50~65°범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.

이어서, 본 발명에 따른 터빈(100)의 성능을 상세하게 설명하도록 한다.

이하에서는 본 발명의 터빈(100)의 구조에 대한 수치한정 및 터빈(100)의 효율상승 요인에 대해 상세히 설명하고자 한다.

1) 터빈 직경(R)의 크기는 터빈 효율을 결정짖는 절대적인 영향력을 가진다.

도8은 상기 터빈(100)이 그 내부로 바람을 받아들여 동력을 발생함에 있어서, 동일한 풍속에서도 그 직경의 크기에 따라 각기 다른 추진력(Cf)(즉, 터빈효율 내지는 터빈성능을 의미함)을 나타내는 양상을 제시한 것이다.

이때, 도8에 제시된 각 직선들은 상기 터빈(100)의 직경에 맞는 날개수(n), 날개폭(d) 및 상기 개폐도어(105)의 후방 굴절각(날개면 굴절각(θ))이 최적으로 구비되었을 때를 전제하고 있다.

상기 터빈(100)의 직경이 증가할수록 상기 터빈(100)의 추진력 효율은 상승하지만, 터빈(100) 직경 증가에 따른 효과는 직경 증가에 정비례하여 상승되는 것은 아니다.

또한, 도9에 나타난 바와 같이, 붉은색 곡선은 상기 터빈(100)의 직경이 6m이고, 날개수(n)가 24개인 경우로서, 풍속9m/s 부근에서 그 추진력은 바람이 가진 운동에너지를 38~39% 정도 받아낼 수 있는 것이고, 그 이상의 풍속에서는 터빈(100)의 추진력 효율이 점차 하강하는 모습을 나타내고 있다.

도8의 제시는, 상기와 같은 현장실험에서 얻어진 데이터에 기초하고 또한 베츠의 법칙 등을 감안한 것으로서, 상기 터빈(100)은 그 직경의 크기에 따라서 그 추진력(즉, 터빈효율)의 변화 모습을 전반적으로 표현하고 있는 것이다.

즉, 도8에서 우에서 좌로 떨어지는 반원모양의 곡선은 베츠의 법칙에 따른 한계효율곡선을 의미하고, y축에서 시작하여 하향으로 떨어지는 직선들은 상기 터빈(100)의 직경(R), 날개수(n) 및 풍속(V)에 따라서 터빈(100)이 나타낼 수 있는 추진력(즉, 효율)을 나타내고 있다.

특히, 각 직선의 후반부 기울기는 상기 터빈(100)의 직경(R) 크기가 크면 클수록 완만한 기울기를 갖게 되는 것이 확인되었으며, 따라서 이들 직선들의 연장선이 Y축과 교차하는 지점의 값이 주어진 터빈(100)의 추진력 한계효율과 관련이 있다.

또한, 도8은 풍속을 20m/s에, 그리고 터빈(100)의 직경(R)을 12m로 한정하여 살펴보면, 터빈(100)의 추진력(Cf) 효율이 현실적으로 50% 부근에 있다는 사실을 보이고 있는 것이다.

2) 날개수가 터빈효율에 미치는 영향도 중요한 의미를 갖는다.

도10은 상기 터빈(100)의 추진력(Cf)효율은 1차적으로, 상기 터빈(100) 직경의 크기에 의해 결정적인 영향을 받는 것이지만, 그 다음으로는 터빈(100)의 날개수(n)에 의해서도 큰 영향을 받는다는 사실을 보이고 있다.

도10은 상기 터빈(100)의 날개수(n)가 증가함에 따라서 그 효과는 상승함을 보이고 있으나, 체감효과가 있는 만큼, 그 날개수(n)는 현실적으로는 터빈(100)의 회전저항력의 발생의 크기 및 터빈(100) 내구성 등과 함께 고려되어서 결정됨이 바람직하다.

또한, 도10에 나타난 굵은 점선의 곡선은 직경12m 를 갖는 터빈(100)이 날개수(n), 날개폭(d), 날개면 굴절각(θ), 수직부재(104)의 굵기등을 정해진 크기로 구비하였을때 나타낼 수 있는 추진력 효율 곡선이다.

이때, 그 효율값은 약 50%에 도달할 수 있는 것으로 표현된 것이고. 또한, 상기 터빈(100)의 직경이 12m 인 경우에 있어서도, 그 날개수(n) 보다 상대적으로 작은 수로 형성되면 그 성능은 급감함을 보이고 있다.

상기 터빈(100)이 동일 직경이라 하더라도 날개수(n)가 상대적으로 많을수록 풍속의 증가에 대하여 터빈(100)의 성능(추진력)이 더욱 급격한 기울기로 올라가고, 또한, 동일 직경의 터빈(100)의 경우에 있어서, 그 성능은 도10에 나타난 것과 같이, 최대점에 도달한 이후에는 그 기울기들이 비교적 큰 차이없이 하강하고 있음을 보이고 있다.

3) 강풍시 터빈의 내부에 형성되는 압력부가 본 발명의 터빈이 고성능을 가능하게 하는 메카니즘으로 파악된다.

① 터빈(100)이 바람을 받게 되면서 정해진 풍속에 이르게 되면, 상기 터빈(100) 내부에 압력이 형성되고, 그 압력으로 인해서 바람이 지닌 동력이 효과적으로 터빈(100)의 날개로 전달된다.

상기 터빈(100)은 바람이 날개(즉, 개폐도어)를 스쳐갈 때 그와 접하는 면에서 바람의 받음각에 따라서 직접으로 생성되는 항력에 근거하여, 그 회전력이 발생되는 것으로 알려져 있다.

그러나, 상기 터빈(100)은 터빈(100) 내부로 들어온 바람에 의해 그 내부에 압력이 쉽게 형성되고, 그 압력에 의존하여 회전력이 발생되는 것으로 파악된다.

② 상기 터빈(100) 직경이 6m이고, 날개수(n)가 24개인 경우에 있어서, 풍속 10m/s 이상으로 바람이 들어오면, 평소에는 개폐도어(105)가 열리던 위상에서도 개폐도어(105)가 닫힘 상태에서 상기 터빈(100)이 돌아가는 현상을 목격할 수 있었고, 강풍이 들어오게 되면 날개(개폐도어(105))들은 바람이 들어오는 정면을 향해 차례대로 닫혀서 상기 터빈(100)의 내부로 들어오는 바람의 유입량을 급격하게 감소시키는 현상을 목결할 수 있다.

④ 이러한 현상이 가르키는 바, 강풍이 터빈(100)내부로 들어오면 그 내부에 압력이 형성된다는 사실을 반증하는 것이다.

이때, 터빈(100) 내로 들어오는 바람의 양에 비해 터빈(100) 후방으로 빠지는 바람 양이 적을 시에는 상기 터빈(100) 내부에서 정체부가 생겨남은 당연한 현상이라 할 것이다.

⑤ 상기 터빈(100)은 평소에는 열리던 위상에서 상기 개폐도어(105)가 닫히기 시작하는 풍속에 이르면 그 압력부의 내압으로 인하여 터빈을 효율적으로 작동시킨다고 볼수 있는 것이다.

⑥ 그러나, 바람의 세기가 상기보다 상대적으로 더욱 강하게 되어 상기 터빈(100) 내로 유입된 바람으로 인해 상기 개폐도어(105)들이 점차 닫힘 상태에 들어가게 되면, 이들 날개들은 고정익과 동일한 기능을 하게 되어, 상기 터빈(100)의 회전저항력이 급격히 증가되고, 상기 터빈(100)의 효율은 상대적으로 급감하게 되는 것으로 파악된다.

만약, 상기 터빈(100)의 직경이 10m로 비교적 크게 형성된 경우와, 상기 터빈(100)의 직경이 6m인 경우를 대비하면, 상기 개폐도어(105)가 닫침상태에 도달하는 풍속은 즉, 그 풍속이 직경6m의 경우는 9m/s에서, 직경10m의 경우는 12~14m/s에 있는 것으로 파악되고 있다.

따라서, 지상에 불어오는 바람의 분포 중 풍속 20m/s 까지는 풍력자원으로 활용할 필요성이 있다고 볼 때, 상기 터빈(100)은 그 직경이 12~15m까지 이르면 48~52%의 추진력 성능에 다다를 수 있을 것이다.

⑦ 본 발명의 터빈(100)은 상대적으로 강한 강풍을 받을시 측면으로 유체흐름을 발생시키는 것은 아니지만, 터빈 내부의 과도한 압력이 개폐도어(105) 날개들을 고정익과 동일한 기능으로 변환시키게 됨으로서, 회전 저항이 급격히 상승되는 것으로 관찰된다.

아울러 한번 닫혀버린 날개들(개폐도어(105)들)은 터빈(100)으로 다가오는 바람의 유입구를 막아버리는 결과를 낳아서 바람의 유입량이 축소되는 것이고, 결국 터빈(100)은 유속에 비례하는 회전력을 발생하지 못한 채 터빈(100)의 성능이 크게 저하된다.

4) 터빈의 회전저항력 발생 최저화가 중요한 것인 바, 그 요인들을 분석한다.

① 터빈(100)의 상, 하부 수평회전판(102, 103)

상기 터빈(100)의 상하 단부에 형성되는 상기 상, 하부 수평회전판(102, 103) 및 필요시 형성되는 중간수평칸막이회전판(106)은 그 저항력발생이 터빈(100) 추진력(Cf)를의 0.5% 정도 훼손할 가능성이 있는 것으로 파악된다.

② 날개 형성의 기틀이 되는 수직부재(104)의 굵기

상기 수직부재(104)는 상기 터빈(100)의 원주 가장자리 부근에서 날개 1개에 대하여 쌍으로 내려오는 것이므로, 터빈(100)의 날개수(n)가 많을수록 그 수량은 배가된다.

이때, 그 수량 및 부피로 인하여 터빈(100) 회전시에 회전저항력 발생의 큰 원인제공이 될 수 있고, 따라서, 그 부피를 축소시킬 필요가 있다.

한편, 수직부재(104)는 바람을 받아서 항력을 발생하고 터빈(100)을 돌리는 힘이 작용되는 곳이므로 그 소재는 고탄력성 내지는 고내구성 소재가 필요되고, 그 소재는 강파이프류, 강선류, 강선와이어로프 등으로 이루어질 수 있는 것이다.

상기 수직부재(104)의 굵기는 직경 30mm 해당하는 파이프류가 타당하였으나, 그 회전저항력 발생은 터빈(100)의 성능을 1~2% 훼손할 가능성이 있는 것으로 파악된다.

③ 개폐도어(105)의 두께

상기 개폐도어(105)는 그 면의 방향이 수직상태와 수평상태 사이에서 동작되는 것이지만, 터빈(100)이 바람을 받아들이는 위상에서는 수평에 가까운 상태에서 회전하게 되는 것이고, 이 개폐도어(105)의 숫자가 많은 것이기에 그 두께가 커질수록 회전저항력 발생은 크게 발생된다.

여기서, 상기 개폐도어(105)의 두께가 4T의 경우에도 그 회전저항력 발생은 터빈(100)의 성능을 0.5% 내외로 저하시킨다.

④ 개폐도어(105)의 무게

상기 개폐도어(105)들은 자신의 상부 끝단이 수직부재(104)에 매달려 회전가능하게 고정되는 구성이므로, 바람이 터빈(100)을 향해 들어오면 바람은 그 자신의 힘으로 개폐도어(105)들을 들어올린 이후에 남는 힘으로 터빈(100) 내부로 유체흐름을 만든다고 봄이 타당한 것이다.

이때, 상기 개폐도어(105)를 들어올리는 힘은 그 자체가 바람의 힘을 소실한다는 의미를 갖는 것이고, 나아가 소실된 힘의 일부는 회전저항력으로 작용된다는 사실이 인식됨이 중요하다.

따라서, 상기 개폐도어(105)는 가벼운 소재로 설정되되, 최경량/고탄력/고내후성을 지녀야하는 것이다.

상기 터빈(100)은 그 개폐도어(105)들의 숫자가 수백개 이상으로 형성될 수밖에 없는 것이기에, 개폐도어(105)들의 무게는 터빈의 회전력(Cp) 크기에 미치는 영향이 매우 크다고 할 수 있는 것이다..

예컨대, 상기 터빈(100) 형성에 들어가는 개폐도어(105)들의 전체 무게가 100kg이라고 가정한다면, 전반부에 위치한 개폐도어(105)들이 열림 동작을 수행한다고 볼 때 50kgf의 무게가 바람의 진행방향을 방해하고 있는 것이고, 개폐도어가 바람에 의해 완전 수평으로 열렸다고 한다면, 개폐도어(105)들은 바람으로부터 50kgf*1/2 = 25kgf의 힘을 매순간 소실시키고 있다고 할 것이고, 결국 개폐도어 전체 무게의 1/8정도가 회전저항력으로 작용하는 것으로 파악된다.

따라서, 상기 터빈(100)에 들어가는 개폐도어(105)들의 소재는 비중이 비교적 낮은 플라스틱 계통의 소재(1.3kg/㎡이하) 이면서, 중공 판재 형태로서 내구성 내지는 탄력성이 구비되어야 하고, 내후성이 보장될 필요가 있는 것이다.

⑤ 터빈 날개(즉, 수직부재)의 진동

상기 터빈(100)의 날개가 상대적으로 긴 경우에는 강풍시에 날개의 진동이 심각하게 일어나고, 그 진동은 수직부재(104)의 부피를 확장하는 것과 동일한 효과를 가져와 터빈(100)의 성능이 급격히 저하된다.

여기서, 상기 날개연결수평부재의 형성은 터빈(100) 구성에 있어서, 필수적인 사항으로 파악되고, 만약, 수평부재가 없는 경우에는 강풍시에 날개의 진동이 심해져서 터빈(100)의 성능이 약 2% 이상 저하할 우려가 있고, 터빈(100)의 내구성을 심각하게 훼손한다.

⑥ 중간수평칸막이회전판의 설치

상기 터빈(100)의 높이가 상대적으로 길어지면, 상기 개폐도어(105)의 무게로 인한 영향으로, 터빈(100) 내부의 공기흐름이 수평흐름이 아니라 터빈(100) 아랫쪽으로 치우치는 유체흐름이 유발되고, 이때, 터빈(100) 내부의 공기흐름이 터빈(100) 아랫쪽으로 쏠리는 현상은 유체역학상 터빈(100)의 성능을 크게 저하시키는 요인으로 작용한다.

따라서, 상기 터빈(100)의 길이가 길어서, 공기 흐름이 수평적 흐름을 크게 벋어나는 정도이라면, 터빈(100)의 중간부에 중간수평칸막이회전판(106)이 추가로 설치되어서, 터빈(100) 내부의 공기흐름을 수평적 흐름으로 유도할 필요가 있는 것이다.

상기 중간수평칸막이회전판(106)의 설치는 그 상하 간격이 상기 터빈(100)의 직경(R)의 0,4~0.6R 정도에서 형성됨이 바람직한 것이다.

5) 본 발명에 따른 터빈의 성능 (즉, 동력계수 : Cp)이 갖는 의미

터빈의 동력계수(Cp)는, 터빈이 바람을 받아서 그 바람이 지닌 운동에너지를 얼마만큼 동력에너지(기계적에너지)로 전환할 수 있는가를 나타내는 지표이다.

터빈의 성능은 터빈의 회전운동시에 나타나는 회전력(토크)에 기초하는 것이지만, 매 순간의 회전각속도와 곱하여져서 얻어지는 것이다.

일반적으로 회전운동체는 자신의 회전력을 낮추면 회전각속도가 증가하는 현상을 수반한다.

즉, 터빈(100)의 성능(동력계수:Cp)은 동일한 풍속 하에서도 터빈(100)의 운전 방식에 따라서 차이를 나타날 수 있는 것이다.

① 본 발명에 따른 터빈은, 무부하 날개끝선속도(TSR)가 최대 85%에 이를 수 있는 것이다.

② 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 터빈(100)은 동력발생율(즉, 동력게수:Cp)이 날개끝선속도(TSR)가 풍속의 절반정도(30~50%)에 이르도록 운전될 때 만족할 만한 성능을 나타내기 시작한다.

다만, 풍차(200)(200)가 바람을 받아서 관성이 붙을 때는 날개끝선속도가 풍속의 40~45%의 속도로 회전될 때 가장 효과적이다.

동력( 회전운동에너지) = 토크(회전력) * 회전각속도(날개끝 선속도)-(3)

[제2 실시예]

이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽(204)에 관하여 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 집풍벽 구성을 살펴보면,

주기둥(201)은 다수개로 형성되고, 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어(105)식 터빈(100)의 주위에서 터빈(100)을 감싸도록 대칭되게 세워진다.

상기 주기둥(201)은 그 단면이 원형 또는 다각형상으로 형성될 수 있다.

외곽기둥(202)은 다수개로 형성되고, 상기 주기둥(201)의 최상단 외곽에서 지면에 대각선 방향 또는 수직방향으로 내려져 상기 주기둥(201)을 받쳐준다.

상기 외곽기둥(202)은 상기 주기둥(201)에서 멀어지도록 하향경사지게 형성된다.

기둥연결수평보(203)는 다수개로 형성되고, 상기 주기둥(201)과 외곽기둥(202) 사이에서 수직방향으로 정해진 간격 이격되게 형성되어, 상기 주기둥(201)과 외곽기둥(202)을 수평방향으로 연결한다.

집풍벽(204)은 상기 주기둥(201), 외곽기둥(202) 및 기둥연결수평보(203) 사이를 메우도록 형성된다.

집풍벽연결수평보(205)는 상기 집풍벽(204)들 사이사이에서 이들을 고정되게 지지하기 위하여 수평방향에서 형성되는 것이다.

이어서, 집풍벽의 구조를 살펴보면,

상기 집풍벽(204)은 그 갯수가 6~8개 이내이고, 최상단부의 폭(W1)이 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어(105)식 터빈(100)의 직경(R)보다 작도록 0.3~0.6R이내로 형성되며, 그 방향은 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어(105)식 터빈(100)의 날개면과 동일한 방향으로 형성되되, 그 굴절각(Ø)이 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)의 반경방향에 대하여 20°~ 50°각도로 후방 굴절되게 형성되고, 상기 주기둥(201)의 상단에서 상기 외곽기둥(202)이 지면과 접하는 지점을 잇는 가상직선과 지면 사이의 각도가 70°~84°로 형성된다.

상기 집풍벽(204)의 수가 3~ 5개로 형성되는 경우에는, 바람 방향에 따라서는 집풍 효과를 거두기 어려운 사각구역이 발생하기 쉽고, 집풍벽(204)이 9개 이상으로 형성되는 경우에는 집풍벽(204)의 기능이 중첩되거나 또는 설치공정이 번거롭게 될 우려가 있다.

상기 집풍벽(204)은 그 벽면이 지상에서부터 시작하여 상기 풍차(200)의 최상부에 이르게 형성될 수도 있겠으나, 집풍벽은 상기 터빈(100)의 하부회전판(103) 높이에서 시작하여 상기 터빈(100)을 감싸는 높이까지 형성됨이 바람직하다 할 것이다.

즉, 상기 집풍벽(204)은 상기 터빈(100)(회전자) 부위를 감쌀 수 있을 정도로 형성되는 것이 본래의 목적이라 할 것이고. 상기 집풍벽(204)의 최하단부는 터빈(100)의 최하단부 높이에서 시작된다 할 것이다.

집풍벽연결수평보(205)는 상기 집풍벽(204)들 사이에서 상기 집풍벽(204)들을 수평방향으로 고정되게 연결하도록 설치되는 것이다. 상기 집풍벽연결수평보(205)는 상기 집풍벽(204)이 강풍시에 진동함을 방지하기 위한 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어(105)식 터빈(100)을 감싸는 집풍벽(204)의 구조를 더욱 상세히 설명하고자 한다.

먼저, 도 1-2를 참조하면, 상기 집풍벽(204)의 숫자, 집풍벽(204)의 굴절 각도, 집풍벽(204)의 최상단의 폭, 집풍벽(204)의 최하단의 폭, 상기 주기동과 상기 터빈(100) 사이의 간격은 그 내부에 들어가는 터빈(100)의 구조(터빈(100)직경, 날개수(n), 날개면 굴절각(θ))와 연관된다.

다만, 상기 터빈(100) 구조는 터빈(100)직경, 날개수(n). 상기 개폐도어(105)의 후방 굴절각(날개면 굴절각(θ))이 50°~65°로 정해져 있는 것이므로, 집풍벽(204)의 구조는 터빈의 구조와 연동되어 다음과 같은 내용을 갖는 것이다.

상기 집풍벽(204)의 굴절각(Ø)은, 도1-2에 나타난 바와 같이 상기 터빈(100)의 날개면 굴절각(θ)과 같은 방향으로 굴절되고, 그 각의 크기는 20~50°범위 내에서 형성된다.

그리고, 상기 집풍벽(204)의 최상단의 폭(W₁)은 , 터빈(100) 최상단부의 회전저향력 발생을 최소화시킬 수 있는 정도로 설정됨이 바람직하다.

따라서, 그 폭(W₁)은 터빈(100)직경(R)의 0.3~0.6R 정도에서 만족스러운 것이다.

만약, 집풍벽(204) 최상단의 폭(W₁)이 상기 범위를 벗어나 크게 설정된다면 동시에 집풍벽(204) 내부에 들어있는 터빈(100)의 높이가 상대적으로 길게 형성되고, 터빈(100)의 상부 및 하부 간에 회전력 발생에 큰 편차를 발생시키며, 이러한 편차는 터빈(100)의 몸체를 비트는 힘으로 작용하여서 터빈(100)의 내구성을 손상할 우려가 있는 것이다.

이어서, 상기 집풍벽(204)의 최하단의 폭(W₂)은, 그 상부쪽 폭(W₁)과 연관되어 결정되고, 그 폭(W₂)은 상부쪽 폭(W₁)보다 크게 형성되어야 하며, 터빈(100) 높이 (h), 상기 외곽기둥(202)이 지면과 이루는 각(α)과 상관된다.

즉, 하부쪽 폭(W₂)은 = W₁ + h / tan α , 여기서 α는 외곽기둥과 지면이 이루는 각도

그리고, 상기 집풍벽(204)은 상기 주기둥(201)의 상단에서 상기 외곽기둥(202)이 지면과 접하는 지점을 잇는 가상직선과 지면 사이의 각도(α)가 70°~84°로 형성되는 것이 바람직하다.

이는, 상기 터빈(100)을 포함하는 집풍벽의 높이(여기서는 풍차의 높이를 가르킴)는 그 높이10m 마다, 주기둥(201)과 이를 받치는 외곽기둥(202)의 간격이 적어도 1m 이상으로 넓혀져서 11m의 간격을 갖게 되면, 터빈(100) 및 풍차의 구조적 안전성이 유지된다.

또한, 도11를 참조하면, 이는 상기 집풍벽(204)이 6개 및 8개 형성된 경우에 있어서 집풍벽(204)의 단면도이고, 이는 터빈(100)의 회전저항력 최소화 측면에서 그려진 것으로서 그 의미하는 바, 회전저항력 발생 방지만을 위해서 집풍벽(204)이 세워진다면, 그 숫자는 많을수록 집풍벽(204) 구조물은 그 체적이 작게 형성될 수 있다.

즉, 상기 집풍벽(204)의 숫자가 적어지면 집풍벽(204) 굴절 각도는 커져야하고, 집풍벽(204)의 상부쪽 폭(W₁)도 커져야하며, 집풍벽(204)의 하부쪽 폭(W₂)도 구조역학상 자연히 증가되어야 하는 것이므로, 결국 집풍벽(204)의 구조물이 필요 이상으로 커질 우려가 있는 것이다.

이상과 같은 집풍벽의 구조에 관한 설명을 다시 요약하면 다음과 같이 표현이 가능하다 할 것이다.

본 발명에 따른 집풍벽(204)은, 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)이 집풍벽(204)에 감싸지도록 하되, 이 집풍벽(204)의 갯수를 6~8개로 하고, 최상단부 폭을 0.3~0.6(R)로 하며, 집풍벽(204)의 굴절각(Ø)은 상기 터빈(100)의 회전방향에 대해 후방으로 굴절되되, 그 굴절각(Ø)이 20°~ 50°각도 범위에서 이루어지며, 외곽기둥(202) 지면과 이루는 각도(α) 즉, 그 집풍벽(204) 최상단에서 외곽기둥(202) 지면에 내린 가상직선과 외곽기둥(202)의 지면의 사이각 70°~ 84°로 형성됨을 그 구조적 특징으로 한다.

그리고, 본 발명에 따른 집풍벽의 효과를 설명하면,

본 발명에 따른 터빈(100)의 작동원리는, 터빈이 바람을 받아서 돌아가려는 원천적인 힘 즉, 추진력과 회전동작시에 일어나는 터빈(100)의 회전저항력이라는 서로 상반된 두 힘의 편차에 의해서 작동된다는 것인 바, 즉 항력식 터빈인 것이므로, 상기 터빈(100)의 회전저항력 발생을 최소화하는 것이 중요한 사안인 바, 그 방안으로서 집풍벽(204)은 그 역할을 충분이 할 수 있는 것이다.

즉, 상기 터빈(100)은 회전시에 회전저항력 발생을 추진력의 5%이하로 줄이는 일이 쉬운 일이 아닌 것이고, 만약 상기 집풍벽(204)을 터빈(100)주위에 정해진 형상을 갖도록 형성하게 된다면 터빈(100)의 회전저항력 발생이 추진력의 2% 이내로 훼손할 것이 예상된다.

한편, 상기 집풍벽(204)이 상기에서 제시된 구조대로 형성된다면, 풍차(200)의 바람에 대한 입사면적이 터빈(100)의 직경(R)에 대해 약 1.5~2.0배로 확대되는 결과를 가져오는 것이다.

이때, 집풍효과는 바람의 세기 및 터빈(100)을 통과하는 바람의 유출입 상태에 따라서 다소 유동적으로 발현될 것이지만, 입사면적 증가 비율에 정비례하여 증가되지는 않더라도 적어도 터빈(100)의 출력을 1.3~1.8배 정도 증가시카는 집풍효과를 가져올 것으로 예상된다.

그리고, 상기 집풍벽(204)은 트러스구조의 철구조물에 해당되는 것이므로, 본 발명의 터빈(100)들이 당면하는 터빈(100)의 진동문제를 해결할 수 있는 방안이 되는 것이다.

이하에서는 상기 실시예의 더욱 구체화하기 위해서, 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어(105)식 터빈(100)을 감싸는 집풍벽(204)이 설치된 풍차(50kW급)의 제원을 제시하고자 한다.

1) 50kW급 풍차에 적용되는 터빈의 제원 및 발전효율 예상

터빈직경(R) : 9~12m 설정이 타당할 것이나, 본 실시예서는 9m로 한정.

터빈의 날개폭(d) : 0.9m로 한정.

터빈의 날개수(n) : 30~32개

날개수( n) * 날개폭(d) = π R * (1.1 ±0.1)

상기 터빈(100)의 성능(즉 동력발생율: Cp)은 터빈(100)의 구조에 의해 결정되는 것이지만, 풍차(200)의 발전효율(Pw)은, 터빈(100)의 성능 및 기계적 동력전달손실 과 전력장치의 동력손실 의해 결정되는 것이다.

본 실시예에서, 터빈 성능 및 풍차의 효율은 다음과 같은 예상하에서 산출될 수 있다.

터빈의 추진력(Cf)은 ( 50kW급): 43~ 45%

터빈의 회전저향력(Cr) : 추진력의 3 % 내외

따라서, 터빈의 성능, 즉 터빈의 동력발생율(Cp) : 40~ 42%

풍차(200)의 발전효율은 다음 관계식에서 27%로 예산된다.

풍차의 발전효율 = 터빈의 성능(40~42%) * 동력전달장치효율( 90%) * 발전기 및 인버터 효율(75%) ≒ 27~28 %

2) 본 발명의 집풍벽이 설치된 풍차의 출력 예상

상기 풍차(200)의 집풍벽(204)은 터빈(100)직경 (R), 터빈(100) 높이(h), 풍차(200) 터빈(100)의 하단부가 지상에 놓이는 높이에 대한 설정이 우선 고려되어야 한다.

상기 터빈(100)직경 (R)은 9m, 풍속 12m/s에서 50kW 출력을 목표로 하고, 상기 터빈(100)의 하부단부의 위치가 지상 10m 에서 시작된다고 설정한다.,

상기 집풍벽(204)이 설치된 풍차(200)의 경우, 집풍벽(204)의 효과로 인해, 1.3 ~1.8배로 출력이 높아질 것이나, 본 구체적 사례에서는 그 집풍효과를 1.3배로 한정하여 설계한다.

상기 터빈(100)의 출력을 Pt로, 풍차(200)의 출력을 Pw로 표현하면,

Pw (50kW) = Pt * 1.3, ∴ Pt ≒ 38.5kW

그리고, 상기 터빈(100)의 높이를 h 라 한다면, 입사면적은 9m*h 이 되고,터빈(100)의 성능 0.27 이므로,

38.5kW = 9m*h * 0.625kW/m² * 0.27 * 〔(12m/s) /(10m/s)〕³,

h ≒ 15 m

3) 본 발명에 따른 집풍벽이 설치된 풍차(50kW급)의 제원

상기에서와 같이 터빈(100)은 그 직경 9m, 높이는 약 15m로 설정될 수 있는 것이다.

이때, 도 13을 참조하면, 상기 터빈(100)의 직경이 9m 인 경우, 상기 집풍벽(204)의 수를 8개, 집풍벽(204) 최상단의 폭(W₁)은, 전술한 바와 같이, 0.3~ 0.6범위 내에서 설정됨이 바람직하므로, 그 폭은 4m로 한정하되, 상기 집풍벽(204)의 굴절각이 25~40°범위에서 결정될 수 있다.

따라서, 집풍벽(204)이 설치된 풍차(200)의 제원은 아래와 같이 제시될 수 있다.

풍차의 터빈 : 직경 9m * 높이 15m,

풍차의 터빈 하단부의 위치 : 지상 10m

풍차의 터빈 상단부의 위치 : 지상 약 25m

풍차의 높이 : 지상 26 m

집풍벽의 수 : 8개

집풍벽 외곽기둥의 각도(α) : 84°

집풍벽의 굴절각도(Ø) : 25~40°

집풍벽의 최상단의 폭(W₁) : 4m

집풍벽의 최하단의 폭(W₂) : 5.6m

집풍벽의 지상 바닥폭: 약 6.7m

집풍벽 구조물 바닥 직경 : 24.4m

여기서, 바닥직경 =터빈직경(9m) + 터빈과 주기둥 틈새 (2m) + 터빈외곽 벽의 폭(6.7*2m) = 24.4m

도12는 상기한 집풍벽(204)이 설치된 50kW급 풍차(200)에 대한 수평단면도를 제시한 것이다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈 및 이 터빈을 감싸는 집풍벽은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있는 것이다.

100 : 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈
101 : 회전축 102 : 상부수평회전판
103 : 하부수평회전판 104 : 수직부재
105 : 개폐도어 200 : 풍차
201 : 주기둥 202 : 외곽기둥
203 : 기둥연결수평보 204 : 집풍벽
205 : 집풍벽연결수평보

Claims (2)

1. 삭제
2. 구조체의 중심부에 수직으로 설치되는 회전축(101)과;
   상기 회전축(101)의 상, 하단부 지점에 상호 정해진 간격을 두고 수평으로 각각 설치되는 상부 및 하부 수평회전판(102, 103);
   상기 상부 및 하부 수평회전판(102, 103) 사이에서 상, 하부 수평회전판(102, 103)의 외주측에 치우쳐, 상기 상, 하부 수평회전판(102, 103)을 수직방향으로 연결짓는 다수의 쌍의 수직부재(104); 및
   상기 쌍의 수직부재(104)에 수직방향에서 다단으로 매달려 풍력에 의해 개폐가 가능하도록 설치되는 다수의 개폐도어(105);
   로 구성된 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)을 포함하는 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽에 있어서,
   상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)은,
   상기 상, 하 회전판(102, 103)의 직경(터빈의 직경(R))은 6~15m 이내로 형성되고,
   상기 쌍의 수직부재(104)의 수(터빈의 날개수(n))는 20~50개 이내로 형성되며,
   상기 개폐도어(105)의 가로폭(날개폭(d))은 아래의 한정된 범위의 크기를 가지고,
   날개폭(d) = πR(1.1±0.1)/n
   상기 개폐도어(105)의 면 방향은 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)이 회전되는 회전 방향에 대해 후방으로 굴절되되, 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)의 반경방향과 아래의 범위에서 각을 이루며,
   50°≤ 날개면굴절각(θ) ≤ 65°
   상기 개폐도어(105)는 그 소재가 1.3kg/㎡ 이하의 박판소재로 형성되고,
   상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)의 주위에는 터빈(100)을 감싸도록 대칭되게 세워지는 다수개의 주기둥(201)과, 상기 주기둥(201)의 최상단 외곽에서 지면에 대각선 방향 또는 수직방향으로 내려져 상기 주기둥(201)을 받쳐주는 다수개의 외곽기둥(202), 상기 주기둥(201)과 외곽기둥(202) 사이에서 수직방향으로 정해진 간격 이격되게 형성되어, 상기 주기둥(201)과 외곽기둥(202)을 수평방향으로 연결하는 다수개의 기둥연결수평보(203), 상기 주기둥(201), 외곽기둥(202) 및 기둥연결수평보(203) 사이를 메워서 형성되는 집풍벽(204) 및 상기 집풍벽(204) 사이에 설치되어 상기 집풍벽(204) 사이를 수평방향으로 연결하는 다수개의 집풍벽연결수평보(205)를 형성하되,
   상기 집풍벽(204)은 그 갯수가 6~8개 이내이고,
   상기 집풍벽(204)은 최상단부의 폭(W1)이 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)의 직경(R)보다 작도록 0.3~0.6R 이내로 형성되며,
   상기 집풍벽(204)의 방향은 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)의 날개와 동일한 방향으로 굴절되되, 그 굴절각(Ø)이 상기 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈(100)의 반경방향에 대하여 20°~ 50°각도로 형성되고,
   상기 집풍벽(204)은 상기 주기둥(201)의 상단에서 상기 외곽기둥(202)이 지면과 접하는 지점을 잇는 가상직선과 지면 사이의 각도(α)가 70°~84°로 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전용 수직축 다익형 개폐도어식 터빈을 감싸는 집풍벽.

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