KR101905115B1

KR101905115B1 - 수직형 풍력 발전 장치

Info

Publication number: KR101905115B1
Application number: KR1020180006650A
Authority: KR
Inventors: 정하영
Original assignee: 정하영
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2018-11-29

Abstract

수직형 풍력 발전 장치가 개시된다. 개시된 수직형 풍력 발전 장치는 바닥면에 대해 수직한 중심축; 복수의 타워 날개를 구비하며, 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워; 풍향에 따라 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 풍향계 날개와 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 풍향계 날개와 제1 가이드 판이 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부를 구비한 가이드부; 및 타워의 상부에 위치하고 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며, 제1 가이드 판은 항풍 영역쪽에 설치되어 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 수풍 영역으로 향하도록 가이드하며, 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성되된다.

Description

수직형 풍력 발전 장치{Vertical wind power generating apparatus}

본 개시는 풍력 발전 장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 수직형 풍력 발전 장치에 대한 것이다.

풍력 에너지는 바람을 변환시켜 이용하는 에너지로 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원이다. 풍력 발전 장치는 이러한 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다.

풍력 발전 장치에는 수평형 풍력발전기와 수직형 풍력발전기가 있다. 수평형 풍력발전기는 회전축이 수평 방향에 놓인 것으로서, 구조가 간단하고 설치가 용이하며 에너지 변환효율이 우수하다는 장점은 있지만, 날개 전면을 바람 방향에 맞추기 위해서는 나셀을 360도 회전시켜줄 수 있는 요잉(Yawing)장치가 필요하며, 증속기(Gear box)와 발전기 등을 포함하는 무거운 나셀(Nacelle)이 타워 상부에 설치되어 점검, 정비가 어렵다는 단점이 있다. 수직형 풍력발전기는 회전축이 수직 방향에 놓인 것으로서, 바람의 방향에 영향을 받지 않아 요잉장치가 필요 없으나, 회전하는 날개의 항력의 발생으로 인하여 효율이 저하되는 단점이 있다.

한편, 풍력 등을 이용하기 위해서는 많은 설치 면적이 필요하다. 또한, 수집되는 에너지의 밀도가 낮아 기대 효과가 미흡하며 경제성이 낮다.

가령, 비특허문헌 1에 따르면, 우리나라 주요 도시인 서울, 인천, 대전, 군산, 부산, 목포, 강릉에서의 풍속(단위 m/s)은 하기의 표 1과 같다.

	10 m	30 m	50 m
서울	2.5	3.7	4.2
인천	2.6	4.0	4.5
대전	2.0	3.2	3.6
군산	2.6	3.8	4.2
부산	3.0	4.4	4.8
목포	3.7	4.9	5.4
강릉	3.1	4.3	5.8

표 1을 참조하면, 일곱 도시의 지상 10 m 높이에서의 풍속은 2 ~ 3 m/s이며, 지상 30 m 높이에서의 풍속은 3 ~ 4 m/s이며, 지상 50 m 높이에서의 풍속은 4 ~ 5 m/s임을 볼 수 있다. 상기와 같이, 우리나라 도심에서의 연평균 풍속은 겨우 2 ~ 5 m/s의 낮은 수치를 보여주어, 기대 효과가 미흡하다.

한편, 상공에서는 바람이 일정 방향으로 불어도 빌딩의 아래쪽에서는 바람이 빌딩의 주위에서 소용돌이치고 급강하 하거나 풍속이 2배 이상으로 빨라지기도 하는 빌딩풍의 현상이 발생된다. 근래에 들어, 고층 빌딩의 옥상에 풍력 발전 장치를 설치하여 이러한 빌딩품을 활용하고자 하는 시도들이 있다. 가령, 두바이 세계무역센터 빌딩의 경우, 날카로운 뿔 모양의 두 빌딩 사이에 3개의 풍력터빈을 설치하여, 240m 높이 빌딩 사이로 부는 강한 바람을 이용해 전력을 생산한다. 또한, 영국 런던에 있는 SE1 빌딩은 3개의 구멍을 만들어 이곳에 대형터빈을 설치해 발전을 한다.

1. 최형식, 장호남, 도심 고층건물 지붕에서의 소형 풍력발전기 발전량 예측, 한국신재생에너지학회지 제5권 제4호, 2009.12, 21-27

풍속이 다소 낮은 지역에서도 풍력을 경제적으로 에너지를 수득할 수 있는 수직형 풍력 발전 장치를 제공하고자 한다.

회전하는 타워 날개에서 발생되는 항력을 감소시켜 효율을 향상시킨 수직형 풍력 발전 장치를 제공하고자 한다.

상승풍을 효과적으로 이용할 수 있는 수직형 풍력 발전 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 한 측면에 따르는 수직형 풍력 발전 장치는, 바닥면에 대해 수직한 중심축; 복수의 타워 날개를 구비하며, 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워; 풍향에 따라 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 풍향계 날개와 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 풍향계 날개와 제1 가이드 판이 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부를 구비한 가이드부; 및 타워의 상부에 위치하고 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며, 중심축을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선을 기준으로 타워를 향해 바람이 불어오는 쪽을 항풍 영역과 수풍 영역으로 2분하면, 제1 가이드 판은 항풍 영역쪽에 설치되어 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 수풍 영역으로 향하도록 가이드한다.

제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성될 수 있다. 횡단면의 볼록한 곡선은 호(arc)이거나 유선형일 수 있다. 제1 가이드 판의 볼록면은 바람을 가속시키는 기능을 수행할 수 있다.

중심축의 횡단면에서 제1 가이드 판과 풍향 중심선 사이의 각도를 제1 가이드 각도라 정의하면, 가이드부는 제1 가이드 판을 가이드 프레임에 제1 가이드 각도의 조절이 가능하도록 제1 회동축을 중심으로 회동가능하게 결합하는 제1 체결부를 포함할 수 있다.

제1 체결부는 풍속이 세질수록, 제1 가이드 각도가 커지도록 제1 가이드 판을 가이드 프레임에 체결할 수 있다. 일 예로, 제1 체결부는 제1 가이드 판을 제1 가이드 각도가 작아지는 방향으로 탄성 가압하는 제1 탄성부재를 포함할 수 있다. 제1 탄성부재로는 예를 들어, 토션 스프링이나, 그밖의 공지된 스프링이 채용될 수 있다. 제1 체결부는, 제1 가이드 판이 제1 가이드 각도의 하한치를 갖도록 하는 제1 스토퍼를 더 포함할 수 있다. 달리 말하면, 제1 스토퍼는 풍속이 낮더라도 제1 가이드 판의 제1 가이드 각도가 하한치에서 더 이상 작아지지 않도록 한다. 제1 가이드 각도의 하한치는 제1 가이드 판의 끝단이 풍향 중심선 근방에 위치하도록 설정될 수 있다. 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면에서 제1 회동축을 기준으로 타워에 먼 쪽의 면적이 타워에 가까운 쪽의 면적보다 클 수 있다.

제1 탄성부재의 탄성력은, 수직형 풍력 발전 장치가 설치되는 장소의 풍속 상황에 따라 적절히 선택될 수 있다. 풍속이 작은 경우, 제1 탄성부재의 탄성력에 의해 제1 가이드 각도가 작아져 하한치에 근접해지며, 풍속이 세질수록 제1 탄성부재의 탄성력보다 제1 가이드 판에 가해지는 풍력이 커져 제1 가이드 각도가 커질 수 있다. 가령, 풍속이 20m/s 내지 그 이하인 경우 제1 가이드 판이 최대로 바람을 수풍 영역으로 가이드 할 수 있도록 하고, 풍속이 20m/s를 초과하는 경우, 풍속의 세기가 증가할수록 점차 제1 가이드 판이 바람을 차단하여 수풍 영역에 유입되는 양을 조절할 수 있다. 또한, 풍속이 40m/s인 경우, 제1 가이드 각도가 90도가 되어, 제1 가이드 판이 바람을 최대한 차단할 수 있도록 하며, 풍속이 40m/s를 초과하는 경우, 제1 가이드 각도가 90도가 넘게 하여, 제1 가이드 판이 바람을 타워의 외곽으로 가이드할 수 있다.

제1 체결부는, 제1 가이드 각도의 조절이 사용자의 수동적 조작에 의해 이루어지거나, 기계적 혹은 전자적 수단에 의해 자동적으로 이루어지도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 체결부에 사용자의 선택에 의해 임의의 각도로 제1 가이드 각도를 고정시킬 수 있도록 제1 가이드 판의 회동을 제한시키는 고정부재가 마련될 수 있다. 또는 제1 체결부에는 제1 가이드 판을 회동시키는 모터가 설치되고, 수직형 풍력 발전 장치의 임의의 위치에 풍력을 감지하는 센서가 마련되어, 감지되는 풍력의 세기에 따라 자동적으로 제1 가이드 판을 회동시켜 제1 가이드 각도를 조절할 수도 있을 것이다.

가이드부는 수풍 영역의 외곽에 설치되어 수풍 영역의 외곽을 지나는 바람을 수풍 영역으로 향하도록 가이드하는 제2 가이드 판을 더 포함하며, 가이드 프레임은 제2 가이드 판을 풍향계 날개 및 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키며, 이동 지지부는 제2 가이드 판이 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지할 수 있다.

제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성될 수 있다. 횡단면의 볼록한 곡선은 호이거나 유선형일 수 있다. 제2 가이드 판의 볼록면은 바람을 가속시키는 기능을 수행할 수 있다.

중심축의 횡단면에서 제2 가이드 판과 풍향 중심선 사이의 각도를 제2 가이드 각도라 정의하면, 가이드부는 제2 가이드 판을 가이드 프레임에 제2 가이드 각도의 조절이 가능하도록 제2 회동축을 중심으로 회동가능하게 결합하는 제2 체결부를 포함할 수 있다.

제2 체결부는 풍속이 세질수록, 제2 가이드 각도가 커지도록 제2 가이드 판을 가이드 프레임에 체결할 수 있다. 일 예로, 제2 체결부는 제2 가이드 판을 제2 가이드 각도가 작아지는 방향으로 탄성 가압하는 제2 탄성부재를 포함할 수 있다. 제2 체결부는, 제2 가이드 판이 제2 가이드 각도의 하한치를 갖도록 하는 제2 스토퍼를 더 포함할 수 있다. 달리 말하면, 제2 스토퍼는 풍속이 낮더라도 제2 가이드 판의 제2 가이드 각도가 하한치에서 더 이상 작아지지 않도록 한다. 제2 가이드 각도의 하한치는 제2 가이드 판에 의한 풍량 증대 효율이 최대가 되도록 실험적으로 결정될 수 있다. 제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면에서 제2 회동축을 기준으로 타워에 먼 쪽의 면적이 타워에 가까운 쪽의 면적보다 클 수 있다.

제2 탄성부재의 탄성력은, 수직형 풍력 발전 장치가 설치되는 장소의 풍속 상황에 따라 적절히 선택될 수 있다. 풍속이 작은 경우, 제2 탄성부재의 탄성력에 의해 제2 가이드 각도가 작아져 하한치에 근접해지며, 풍속이 세질수록 제2 탄성부재의 탄성력보다 제1 가이드 판에 가해지는 풍력이 커져 제2 가이드 각도가 커질 수 있다. 가령, 풍속이 20m/s 내지 그 이하인 경우 제2 가이드 판이 최대로 바람을 수풍 영역으로 가이드 할 수 있도록 하고, 풍속이 20m/s를 초과하는 경우, 풍속의 세기가 증가할수록 점차 제2 가이드 판이 바람을 차단하여 수풍 영역에 유입되는 양을 조절할 수 있다. 또한, 풍속이 40m/s인 경우, 제2 가이드 각도가 90도가 되어, 제2 가이드 판이 바람을 최대한 차단할 수 있도록 하며, 풍속이 40m/s를 초과하는 경우, 제2 가이드 각도가 90도가 넘게 하여, 제2 가이드 판이 바람을 타워의 외곽으로 가이드할 수 있다.

제2 체결부는, 제2 가이드 각도의 조절이 사용자의 수동적 조작에 의해 이루어지거나, 기계적 혹은 전자적 수단에 의해 자동적으로 이루어지도록 구성될 수 있다.

제1 가이드 판 및 제2 가이드 판에 작용하는 풍력은, 제1 가이드 판 및 제2 가이드 판을 포함하는 가이드부를 회전시키는 토크로 작용할 수 있다. 이에, 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면과 제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면은, 제2 가이드 판에 의해 발생되어 가이드부를 회전시키는 토크성분과 제1 가이드 판에 의해 발생되어 가이드부를 회전시키는 토크성분이 서로 반대 방향이 되어 상쇄될 수 있도록, 서로 비스듬히 대향할 수 있다. 달리 말하면, 제1 가이드 판은 풍향 중심선에 대해 반시계 방향으로 경사져 있으며, 제2 가이드 판은 풍향 중심선에 대해 시계 방향으로 경사져 있을 수 있다.

바닥면에 또는 바닥면에 이격되어 설치되며, 중심축을 중심으로 원형의 궤적을 갖는 하부 레일이 더 마련되며, 이동 지지부는 하부 레일에서 구르는 하부 캐스터들을 포함할 수 있다. 이에 따라, 풍향계 날개가 풍향에 따라 타워의 둘레를 주회함에 따라, 풍향계 날개, 제1 가이드 판 및 제2 가이드 판은 하부 레일을 따라 타워의 둘레를 이동한다.

일 예로, 하부 레일은 상측에 마련된 레일면을 포함하며, 하부 캐스터들은 하부 레일의 레일면에 맞닿아 구르도록 구성될 수 있다.

다른 예로, 하부 레일은 속이 비워진 내측면을 갖는 형상을 지니며, 하부 캐스터들은 하부 레일의 내측면에 위치할 수 있다.

또 다른 예로, 하부 레일은 상측에 마련되는 제1 레일면과 바닥면과 마주보게 마련되는 제2 레일면을 포함하며, 하부 캐스터들은 제1 레일면에 맞닿아 구르는 제1 하부 캐스터들과, 제2 레일면에 맞닿게 위치하여 가이드부가 상측으로 들리는 것을 방지하는 제2 하부 캐스터들을 포함할 수 있다.

하부 캐스터들은, 풍향계 날개, 제1 가이드 판, 및 제2 가이드 판 각각의 하부에 마련되거나, 가이드 프레임의 하부에 마련될 수 있다.

타워의 상단 외측에 이격되어 위치되며 중심축을 중심으로 원형의 궤적을 갖는 상부 레일이 더 마련되며, 이동 지지부는 상부 레일에서 구르는 상부 캐스터들을 포함할 수 있다.

상부 레일은 상부 회전판의 하부면, 중심축, 및 중심측을 지지하는 외측 지지 프레임 중 적어도 어느 하나에 의해 지지될 수 있다.

가이드 프레임은 풍향계 날개 및 제1 가이드를 상호 고정시키는 보조 가이드 프레임을 포함할 수 있다. 보조 가이드 프레임은 풍향계 날개, 제1 가이드 판 및 제2 가이드 판들 각각의 상부 및 하부 중 적어도 한 쪽을 연결할 수 있다.

상부 원형판은, 상부 회전판의 하부면의 외곽 둘레 방향을 따라 등간격으로 마련되며 상승기류에 맞부딪힘으로써 상부 회전판이 타워의 회전방향과 같은 방향의 회전력을 받도록 하는 경사면을 갖는 경사부재들과, 경사부재들 사이에 형성되어 구멍들을 포함할 수 있다.

경사부재들 각각의 경사면은 곡면일 수 있다. 한편, 경사부재들 각각은, 경사면에 이웃하면서 상부 회전판의 바닥면을 기준으로 수직한 수직면 또는 내측으로 기울어진 면을 가질 수 있다.

경사부재들 사이의 공기 통로의 출구 단면적이 공기 통로의 입구 단면적 보다 작을 수 있다.

구멍들은 지름방향으로 길다란 형상을 가질 수 있다.

상부 회전판의 하부면 중심부는 타워의 상부면에 부착될 수 있다.

타워의 지름 방향을 기준으로 복수의 타워 날개의 폭이 타워의 외주면의 반경보다 작을 수 있다.

복수의 타워 날개는 타워의 길이방향으로 길게 연장되어 형성될 수 있다.

복수의 타워 날개는 적어도 2개의 원형 지지 프레임에 의해 지지되며, 적어도 2개의 원형 지지 프레임은 복수의 내부 지지 프레임들에 의해 중심축에 회전가능하게 결합될 수 있다.

타워는 외주면을 규정하는 원통 구조물을 포함하며, 복수의 타워 날개는 원통 구조물의 외주면에 부착되고, 원통 구조물은 복수의 내부 지지 프레임들에 의해 중심축에 회전가능하게 결합될 수 있다.

복수의 타워 날개의 적어도 일부는 바람을 맞이하는 면의 적어도 일부가 하방을 향하도록 경사질 수 있다.

타워의 회전에 연동되어 타워의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전모듈을 더 포함할 수 있다.

풍향계 날개는 가이드 프레임에 고정 결합된다. 풍향계 날개의 날개면은 바닥면에 대해 수직하다.

발전모듈은 타워의 내부 또는 타워의 하부에 위치할 수 있다.

상부 회전판의 상측을 가로지르며 중심축을 지지하는 외곽 지지 프레임이 더 마련될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르는 수직형 풍력 발전 장치는, 바닥면에 대해 수직한 중심축; 복수의 타워 날개를 구비하며, 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워; 및 풍향에 따라 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 풍향계 날개와 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 풍향계 날개와 제1 가이드 판이 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부;를 구비한 가이드부;를 포함하며, 중심축을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선을 기준으로 타워를 향해 바람이 불어오는 쪽을 항풍 영역과 수풍 영역으로 2분하면, 제1 가이드 판은 항풍 영역쪽에 설치되어 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 수풍 영역으로 향하도록 가이드하며, 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성될 수 있다.

가이드부는 수풍 영역의 외곽에 설치되어 수풍 영역의 외곽을 지나는 바람을 수풍 영역으로 향하도록 가이드하는 제2 가이드 판을 더 포함하며, 가이드 프레임은 제2 가이드 판을 풍향계 날개 및 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키며, 이동 지지부는 제2 가이드 판이 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하며, 제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르는 수직형 풍력 발전 장치는, 바닥면에 대해 수직한 중심축; 복수의 타워 날개를 구비하며, 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워; 및 타워의 상부에 위치하고 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며, 상부 회전판의 하부면의 외곽 둘레 방향을 따라 등간격으로 마련되며, 상승기류에 맞부딪힘으로써 상부 회전판이 타워의 회전방향과 같은 방향의 회전력을 받도록 하는 경사면을 갖는 경사부재들과, 경사부재들 사이에 형성되어 구멍들을 포함할 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는, 가이드부를 이용하여 풍량을 확보할 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는, 타워, 가이드부, 및 상부 회전판을 이용함으로써 풍속 가속 효과를 얻을 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는, 상부 회전판을 통하여, 층류풍에 비하여 2배 이상의 풍속을 갖는 상승풍을 직접적으로 이용할 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는, 수직 상승풍을 효율적으로 이용하고, 타워, 가이드부, 및 상부 회전판의 가속 효과를 이용함으로써, 풍력밀도는 대략 10배 이상이 되며, 결과적으로 전력효율을 10배 이상으로 증대될 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는 상용 풍력 발전모듈에서 요구되는 풍속 조건을 만족시킴으로써 정격출력을 확보할 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는, 가이드부의 항풍 영역에서의 타워에 발전효율 저항을 억제하고, 타워의 회전에 기여하는 풍량을 증대시킬 수 있다.

개시된 실시 예들에 의한 수직형 풍력 발전 장치는, 상부 회전판에 작용하는 상승풍의 수직 방향의 분력에 의해, 상부 회전판 및 타워의 하중 부담을 경감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 수직형 풍력 발전 장치에서 상부 회전판을 제거한 모습을 도시한다.
도 3은 도 1의 수직형 풍력 발전 장치의 상부 평면도이다.
도 4는 도 1의 수직형 풍력 발전 장치의 측면도이다.
도 5는 타워의 동작을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1의 수직형 풍력 발전 장치의 가이드부를 설명하는 도면이다.
도 7은 제1 가이드 판의 볼록면의 일 예를 도시한다.
도 8은 제1 가이드 판의 회동 구조의 일 예를 도시한다.
도 9는 제2 가이드 판의 회동 구조의 일 예를 도시한다.
도 10 및 도 11은 바람의 세기에 따른 제1 및 제2 가이드 판의 동작을 설명하는 도면이다.
도 12는 도 1의 수직형 풍력 발전 장치에서 상부 회전판을 상부에서 본 사시도이다.
도 13은 도 12의 상부 회전판을 하부에서 본 사시도이다.
도 14는 수직형 풍력 발전 장치가 건물 옥상에 설치된 경우의 바람 흐름을 도시한다.
도 15는 상부 회전판의 동작을 설명하는 도면이다.
도 16은 도 1의 수직형 풍력 발전 장치가 외곽 지지 프레임에 의해 지지된 모습을 도시한다.
도 17은 풍력발전기의 보증 출력 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치의 타워를 도시한 사시도이다.
도 19는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치의 타워를 도시한 사시도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치의 가이드부의 결합 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치에서 가이드부의 이동 지지부를 도시한 사시도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치에서 가이드부의 이동 지지부를 도시한 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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 지칭하며, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치(100)를 개략적으로 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 수직형 풍력 발전 장치(100)에서 상부 회전판(170)을 제거한 모습을 도시하며, 도 3은 도 1의 수직형 풍력 발전 장치(100)의 상부 평면도이며, 도 4는 도 1의 수직형 풍력 발전 장치(100)의 측면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 타워(110)와, 가이드부(130)와, 상부 회전판(170)을 포함한다.

타워(110)는 바닥면(10)에 이격된 상태로 중심축(190)을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치된다. 중심축(190)은 바닥면(10)에 고정된 상태로 수직하게 세워진다. 중심축(190)은 별도의 지지 프레임에 의하여 바닥면(10)에 이격된 상태로 세워질 수도 있다.

타워(110)는 복수의 타워 날개(111)를 구비한다. 복수의 타워 날개(111)는 타워(110)의 길이방향, 즉 중심축(190) 방향으로 길게 연장되어 형성될 수 있다. 복수의 타워 날개(111)는 프레임에 의해 중심축(190)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 예시적으로, 프레임은 타워(110)의 원통형 외주면을 규정하는 원형 지지 프레임(115)과, 원형 지지 프레임(115)을 지지하는 복수의 내부 지지 프레임들(116)을 포함할 수 있다. 여기서, 타워(110)의 원통형 외주면은, 타워 날개(111)가 제거된 상태에서 정의되는 면으로이해될 수 있다. 타워(110)의 지름방향을 기준으로 타워 날개(111)의 폭은 타워(110)의 원통형 외주면의 반경보다 작을 수 있다.

도 2에는 타워(110)의 상단에만 원형 지지 프레임(115)이 도시되고 있으나, 원형 지지 프레임(115)은 타워(110)의 하단에도 마련되며, 나아가 타워(110)의 중단에도 마련될 수 있다. 복수의 타워 날개(111)는 원형 지지 프레임(115)의 둘레를 따라 고정된다. 중심축(190)에는 타워 플랜지(117)가 베어링에 의해 회전가능하게 결합되어 있다. 복수의 내부 지지 프레임들(116)은 타워 플랜지(117)에 고정 결합되어 있다.

복수의 타워 날개(111)는 수풍 영역(도 6의 II)에서 바람을 맞이하는 제1 면(111a)과, 제1 면(111a)의 이면인 제2 면(111b)을 포함한다. 제1 면(111a)은 풍력을 전달받는 면이다. 제1 면(111a)은 타워(110)의 지름 방향에 평행한 평판면일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 면(111b)은 항풍 영역(도 6의 I)에서 바람을 맞이하는 면이다. 복수의 타워 날개(111)의 제2 면(111b)은 완만한 곡면으로 형성될 수 있다. 제2 면(111b)은 타워(110)의 원통형 외주면에 비스듬히 형성될 수 있다. 달리 말하면, 복수의 타워 날개(111)의 제2 면(111b)은 타워(110)의 원통형 외주면에 근사되도록 형성된다. 타워 날개(111)의 형상은 예시적인 것이고, 본 발명을 제한하지 않는다. 예를 들어, 제1 면(111a)은 안쪽으로 기울어져 있을 수 있으며, 제2 면(111b)은 평판면으로 형성될 수도 있다. 또한, 타워 날개(111)의 각도가 가변될 수 있도록 구성될 수도 있다.

도 5은 타워(110)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 5에는 설명의 편의를 위해 타워(110)와 바람(W)만을 도시한다.

바람(W)이 타워(110)에 향해 불게 되면, 바람(W)은 타워(110)의 외주면을 타고 흐르게 되므로, 타워(110)의 외주면 근방(A)에서 바람(W)은 좁은 통로를 지나는 것으로 이해될 수 있다. 이와 같이 바람(W)이 타워(110)의 외주면을 지날 때 기압차가 발생되며, 이에 따라 바람(W)은 가속 효과를 받게 된다. 이러한 바람(W)의 가속 현상은 벤츄리 효과나 베르누이 원리로 설명될 수 있으며, 풍속은 레이놀즈수에 따라 변화가 있으나 대략 1.2~1.5배의 풍속 가속화가 이루어진다. 좀 더 직관적으로 보면, 단위시간당 흐르는 유량은 A 영역이나 B 영역에서 같으므로, A 영역에서의 바람(W)은 B 영역에서의 바람(W)보다 더 빠르게 지나가야 할 것이다. 타워(110)의 반지름을 R이라 하고, 타워(110)의 외주 둘레를 L이라 할 때, 거리 R만큼 진행하는 바람(W)이 타워(110)의 외주면을 타고 L/4(즉, 2πR/4)을 진행하게 되면, 1.57배 빨리 진행하여야 타워(110)의 외주면을 타고 진행하는 바람(W)과 직진하는 바람이 합류하게 될 것이다. 따라서, 타워(110)의 외주면 근방(A)에서 바람(W)은 타워(110)에서 떨어져 있는 영역(B)에 비교하여 최대 1.57배로 가속하게 된다. 실질적으로 타워(110)의 외주면 근방(A)에서 바람(W)은 타워(110)에서 떨어져 있는 영역(B)에 비교하여 1.2~1.5배의 가속 효과를 지닌다.

도 6은 도 1의 수직형 풍력 발전 장치(100)의 가이드부(130)를 설명하는 도면이다.

도 1 내지 도 4와 도 6을 참조하면, 가이드부(130)는 풍향에 따라 타워(110)의 둘레를 주회하는 2개의 풍향계 날개(131, 132)와, 타워(110)의 둘레를 이동가능하게 설치되는 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)을 포함한다.

풍향계 날개(131, 132)와 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)는 가이드 프레임(140)에 의해 일체로 연동되게 연결된다. 일체로 연동되게 연결된다 함은, 풍향계 날개(131, 132)와 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)가 서로 연결되어 상대 위치가 유지된 상태로, 전체적으로 움직일 수 있음을 의미한다. 또한, 풍향계 날개(131, 132)와 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)은 이동 지지부에 의해 타워(110)의 둘레를 이동가능하도록 지지된다.

구체적으로, 가이드 프레임(140)은 복수의 하부 가이드 프레임(141)를 포함할 수 있다. 복수의 하부 가이드 프레임(141)의 일측은 각각 풍향계 날개(131, 132)와 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)의 하부에 결합되어 있으며, 복수의 하부 가이드 프레임(141)의 타측은 가이드 하부 플랜지(미도시)에 고정된다. 즉, 풍향계 날개(131, 132)와 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)는 복수의 하부 가이드 프레임(141)를 통하여 가이드 하부 플랜지에 고정 결합되며, 이에 따라 상호간의 상대 위치는 고정된다. 가이드 하부 플랜지는 중심축(190)에는 베어링에 의해 회전가능하게 결합되어 있다.

가이드부(130)의 이동 지지부는, 풍향계 날개(131, 132)와 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)를 타워(110)의 둘레를 따라 이동가능하도록 지지한다. 이를 위해 원형의 궤적을 갖는 하부 레일(151)과 상부 레일(152)이 마련된다.

하부 레일(151)은 바닥면(10)에 설치되거나 또는 바닥면(10)에 이격되어 설치될 수 있다. 하부 레일(151)은 중심축(190)을 중심으로 원형의 궤적을 갖는다. 하부 레일(151)의 직경은 타워(110)의 직경보다 크다.

풍향계 날개(131, 132)와, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134) 각각의 하부의 하부 레일(151)에 상응하는 위치에는 하부 캐스터들(155)이 마련된다. 본원 명세서에서 캐스터는 캐스터(caster), 바퀴, 휠(wheel), 구동륜, 차륜, 롤러, 등과 같이 마찰을 억제하면서 이동을 원활하게 하는 부재를 통칭하는 용어로 사용된다. 하부 캐스터들(155)은 하부 레일(151)의 상측 레일면 위를 구르게 된다. 이에 따라, 풍향계 날개(131, 132)가 풍향에 따라 타워(110)의 둘레를 주회하게 되면, 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134) 전체는 하부 레일(151)을 따라 타워(110)의 둘레를 이동한다. 본 실시 예는, 하부 캐스터들(155)이, 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134) 각각의 하부에 마련된 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않는다. 다른 예로서, 하부 캐스터들(155)은 복수의 하부 가이드 프레임(141)의 하부에 마련될 수 있음은 물론이다.

상부 레일(152)는 상부 회전판(170)의 하부면에 설치되거나 또는 하부면에 이격되어 설치될 수 있다. 상부 레일(152)은 중심축(190)을 중심으로 원형의 궤적을 가지며, 상부 레일(152)의 직경은 타워(110)의 직경보다 크다. 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134) 각각의 상부의 상부 레일(152)에 상응하는 위치에는 상부 캐스터들(156)이 마련된다. 상부 캐스터들(156)은 상부 레일(152)을 따라 구르게 된다. 이에 따라, 풍향계 날개(131, 132)가 풍향에 따라 타워(110)의 둘레를 주회하게 되면, 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134) 전체는 상부 레일(152)을 따라 타워(110)의 둘레를 이동한다.

풍향계 날개(131, 132)는 가이드 프레임(140)에 고정 결합된다. 달리 말하면, 풍향계 날개(131, 132)는 고정 체결부(145)에 의해 가이드 프레임(140)에 대해 각도가 고정된 상태로 결합된다. 풍향계 날개(131, 132)의 날개면은 평평하며, 바닥면에 대해 수직하다. 풍향계 날개(131, 132)의 날개면의 형상은 본 실시 예를 제한하지 않는다. 본 실시 예는 풍향계 날개(131, 132)가 2개인 경우를 예시적으로 설명하고 있으나, 이에 제한되지 않으며, 가령 1개 혹은 3개 이상의 풍향계 날개가 마련될 수도 있다. 풍향계 날개(131, 132)는 타워(110)를 중심으로, 바람(W)이 지나간 배후쪽에 배치된다.

중심축(190)을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선(D)을 기준으로 타워(110)를 향해 바람(W)이 불어오는 쪽을 항풍 영역(I)과 수풍 영역(II)으로 2분하면, 제1 가이드 판(133)은 항풍 영역(I) 쪽에 설치되어 항풍 영역(I)으로 향하는 바람(W)을 수풍 영역(II)으로 향하도록 가이드한다. 또한, 제2 가이드 판(134)은 수풍 영역(II)의 외곽(III)에 설치되어 수풍 영역(II)의 외곽(III)을 지나는 바람(W)을 수풍 영역(II)으로 향하도록 가이드한다.

만일 제1 가이드 판(133)이 없다면, 항풍 영역(I)으로 향하는 바람(W)은 타워(110)의 회전에 대항하여 회전력을 약화시키는 항풍이 되는데, 제1 가이드 판(133) 덕분에 이러한 항풍을 최소화함으로써, 발전효율을 증가시킨다.

제1 및 제2 가이드 판(133, 134)은 영역 I, II, III에서 불어오는 바람(W)을 타워(110)와 제2 가이드 판(134)의 좁은 통로로 가이드 함에 따라, 풍량을 증대시키는 역할을 수행한다.

본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)가 고층의 건물에 위치하여, 상승풍(도 14의 W2)을 활용하고자 할 때, 층류풍(W1)과 상승풍(W2)의 합류에 따라 와류가 발생되어 발전 효율을 저해시킬 수 잇다. 이에, 본 실시 예의 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)은 바람(W)을 타워(110)로 가이드함으로써 와류를 억제시켜, 발전 효율의 저해를 막을 수 있다.

나아가, 제1 가이드 판(133)의 바람과 맞닿는 면(133a)의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 제1 볼록면(135)으로 형성될 수 있다. 도 7은 제1 가이드 판(133)의 제1 볼록면(135)의 일 예를 도시한다. 도 7을 참조하면, 제1 볼록면(135)은 횡단면이 소정의 곡률을 가진 호(arc)이거나, 또는 유선형인 곡면일 수 있다. 마찬가지로, 제2 가이드 판(134)의 바람과 맞닿는 면(134a)의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 제2 볼록면(136)으로 형성될 수 있다. 제2 볼록면(136) 역시 횡단면이 소정의 곡률을 가진 호이거나 유선형인 곡면일 수 있다. 제1 가이드 판(133)의 제1 볼록면(135)과 제2 가이드 판(134)의 제2 볼록면(136)은 바람(W)을 가속시킨다. 이와 같은 가속 기능은, 도 5를 참조하여 설명한 바와 유사하게, 이해될 수 있다. 제1 볼록면(135)의 반지름을 r이라 하고, 타워(110)의 외주 둘레를 l이라 할 때, 거리 r만큼 진행하는 바람(W)이 제1 볼록면(135)을 타고 l/4(즉, 2πr/4)을 진행하게 되면, 1.57배 빨리 진행하여야 제1 볼록면(135) 을 타고 진행하는 바람(W)과 직진하는 바람이 합류하게 될 것이다. 따라서, 제1 및 제2 볼록면(135, 136) 근방에서 바람(W)은 직진하는 바람에 비교하여 최대 1.57배로 가속하게 됨을 이해할 수 있을 것이다. 실질적으로 제1 및 제2 볼록면(135, 136)이 없는 경우와 비교하여 풍속을 대략 1.2~1.5배로 가속하게 된다.

나아가, 제1 및 제2 볼록면(135, 136)은 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)이 바람(W)을 가이드할 때, 좁은 통로상에서 발생되는 와류를 억제함으로써, 풍속을 감속시키는 인자들을 억제시킬 수도 있다.

한편, 제1 가이드 판(133) 및 제2 가이드 판(134)에 작용하는 풍력은, 제1 가이드 판(133) 및 제2 가이드 판(134)을 포함하는 가이드부를 회전시키는 토크로 작용할 수 있다. 이에 제1 가이드 판(133)의 바람과 맞닿는 면(134a)과 제2 가이드 판(134)의 바람과 맞닿는 면(134a)은, 제2 가이드 판(134)에 의해 발생되어 가이드부(130)를 회전시키는 토크성분과 제1 가이드 판(133)에 의해 발생되어 가이드부(130)를 회전시키는 토크성분이 서로 반대 방향이 되도록, 서로 비스듬히 대향되게 배치될 수 있다. 이와 같은 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)의 배치에 의해, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)에 의해 가이드부(130)를 회전시키는 토크가 상쇄됨으로써, 풍향계 날개(131, 132)에 가해지는 풍압만이 가이드부(130)에 유효한 힘으로 작용한다. 따라서, 풍향계 날개(131, 132)에 의해 가이드되는 풍향으로, 가이드부(130)가 회동할 수 있게 되어, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)은 풍향 중심선(D)에 대해 항상 일정한 위치에 있을 수 있다.

가이드부(130)는 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)을 각각 가이드 프레임(140)에 각도의 조절이 가능하도록 결합하는 제1 및 제2 체결부(146, 147)를 포함할 수 있다.

중심축(190)의 횡단면에서 제1 가이드 판(133)과 풍향 중심선(D) 사이의 각도를 제1 가이드 각도(α)라 정의한다. 제1 체결부(146)는 제1 가이드 판(133)을 가이드 프레임(140)에 제1 가이드 각도(α)의 조절이 가능하도록 결합한다. 마찬가지로, 중심축(190)의 횡단면에서 제2 가이드 판(134)과 풍향 중심선(D) 사이의 각도를 제2 가이드 각도(β)라 정의한다. 제2 체결부(147)는 제2 가이드 판(134)을 가이드 프레임(140)에 제2 가이드 각도(β)의 조절이 가능하도록 결합한다.

도 8은 제1 가이드 판(133)의 회동 구조의 일 예를 도시한다. 도 8을 참조하면, 제1 가이드 판(133)의 바람과 맞닿는 면(133a)에서 제1 회동축(C1)을 기준으로 타워(110)에 먼 쪽의 면적(A2)이 타워(110)에 가까운 쪽의 면적(A1)보다 클 수 있다. 이 결과, 제1 가이드 판(133)은 바람(W)에 의해, 도 8에서 볼 때, 반시계 방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. 한편, 제1 체결부(146)는 제1 가이드 각도(α)가 작아지는 방향으로 제1 가이드 판(133)을 탄성 가압하는 제1 탄성부재(148)를 포함할 수 있다. 제1 탄성부재(148)는 예시적으로 토션 스프링일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그밖의 공지된 스프링이 채용될 수 있다. 제1 탄성부재(148)의 탄성력(148a)은, 도 8에서 볼 때, 제1 가이드 판(133)이 회동축(C1)을 기준으로 시계 방향으로 향하게 된다. 달리 말하면, 제1 탄성부재(148)는 제1 가이드 판(133)을 제1 가이드 각도(α)가 작아지는 방향으로 탄성 가압한다. 이 결과, 제1 가이드 판(133)의 제1 가이드 각도(α)는 바람(W)의 세기와 제1 탄성부재(148)의 탄성력(148a)에 의해 결정된다.

또한, 제1 체결부(146)는, 제1 가이드 판(133)이 제1 가이드 각도(α)의 하한치를 갖도록 하는 제1 스토퍼(143)를 더 포함할 수 있다. 제1 스토퍼(143)는, 바람(W)의 세기가 매우 약한 경우에, 제1 탄성부재(148)의 탄성력(148a)에 의해 제1 가이드 판(133)가 뒤집히는 것을 방지한다. 달리 말하면, 제1 스토퍼(143)는 풍속이 낮더라도 제1 가이드 판(133)의 제1 가이드 각도(α)가 하한치에서 더 이상 작아지지 않도록 한다. 제1 가이드 각도(α)의 하한치는 제1 가이드 판(133)의 끝단이 풍향 중심선(D)의 근방에 위치하도록 설정될 수 있다.

도 9는 제2 가이드 판(134)의 회동 구조의 일 예를 도시한다. . 도 9를 참조하면, 제2 가이드 판(134)의 바람과 맞닿는 면(134a)에서 제2 회동축(C2)을 기준으로 타워(110)에 먼 쪽의 면적(B2)이 타워(110)에 가까운 쪽의 면적(B1)보다 클 수 있다. 이 결과, 제2 가이드 판(134)은 바람(W)에 의해, 도 9에서 볼 때, 시계 방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. 한편, 제2 체결부(147)는 제2 가이드 각도(β)가 작아지는 방향으로 제2 가이드 판(134)을 탄성 가압하는 제2 탄성부재(149)를 포함할 수 있다. 제2 탄성부재(149)는 예시적으로 토션 스프링일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그밖의 공지된 스프링이 채용될 수 있다. 제2 탄성부재(149)의 탄성력(149a)은, 도 9에서 볼 때, 제2 가이드 판(134)이 회동축(C2)을 기준으로 반시계 방향으로 향하게 된다. 달리 말하면, 제2 탄성부재(149)는 제2 가이드 판(134)을 제2 가이드 각도(β)가 작아지는 방향으로 탄성 가압한다. 이 결과, 제2 가이드 판(134)의 제2 가이드 각도(β)는 바람(W)의 세기와 제2 탄성부재(149)의 탄성력(149a)에 의해 결정되게 된다.

또한, 제2 체결부(147) 역시, 제2 가이드 판(134)이 제2 가이드 각도(β)의 하한치를 갖도록 하는 제2 스토퍼(144)를 더 포함할 수 있다. 제2 스토퍼(144)는 바람(W)의 세기가 매우 약하여 제2 탄성부재(149)의 탄성력(149a)에 의해 제2 가이드 판(134)가 뒤집히는 것을 방지한다. 달리 말하면, 제2 스토퍼(144)는 풍속이 낮더라도 제2 가이드 판(134)의 제2 가이드 각도(β)가 하한치에서 더 이상 작아지지 않도록 한다. 제2 가이드 각도(β)의 하한치는 제2 가이드 판(134)에 의한 풍량 증대 효율이 최대가 되도록 실험적으로 결정될 수 있다.

도 10 및 도 11은 바람의 세기에 따른 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)의 동작을 설명하는 도면이다.

전술한 바와 같이, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)의 제1 및 제2 가이드 각도(α, β)는 바람(W)의 세기와 제1 및 제2 탄성부재(148, 149)의 탄성력(148a, 149a)에 의해 결정되게 되므로, 제1 및 제2 탄성부재(148, 149)의 탄성력(148a, 149a)의 탄성력은, 수직형 풍력 발전 장치(100)의 발전 효율 및 설치 장소에 따라 적절히 선택될 수 있다.

가령, 풍속이 20m/s 내지 그 이하인 경우 도 6에 도시된 것처럼, 제1 가이드 판(133)이 최대로 바람을 수풍 영역(II)으로 가이드 할 수 있도록 하고, 풍속이 20m/s를 초과하는 경우, 풍속의 세기가 증가할수록 점차 제1 가이드 판(133)이 바람을 차단하여 수풍 영역(II)에 유입되는 양을 조절하도록, 제1 및 제2 탄성부재(148, 149)의 탄성력(148a, 149a)의 탄성력을 선택할 수 있다.

또한, 풍속이 40m/s인 경우, 도 10에 도시된 것처럼, 제1 가이드 각도(α)가 90도가 되어, 제1 가이드 판(133)이 바람을 최대한 차단할 수 있도록 하며, 풍속이 40m/s를 초과하는 경우, 도 11에 도시된 것처럼, 제1 가이드 각도(α)가 90도가 넘게 하여, 제1 가이드 판이 바람을 외곽으로 가이드함으로써, 수직형 풍력 발전 장치(100)가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

상부 회전판(170)은 타워(110)의 상부에 위치하고 타워(110)의 회전과 일체로 연동되게 결합된다.

도 12는 도 1의 수직형 풍력 발전 장치(100)에서 상부 회전판(170)을 상부에서 본 사시도이며, 도 13은 도 12의 상부 회전판(170)을 하부에서 본 사시도이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 상부 회전판(170)은 타워(110)의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지는 원형 평판의 외형을 가질 수 있다. 상부 회전판(170)은, 외곽 둘레 방향을 따라 등간격으로 형성되는 구멍들(173)과, 상부 회전판(170)의 하부면의 구멍들(173) 사이에 마련되는 경사부재들(175)을 포함할 수 있다.

구멍들(173)은 경사부재들(175) 사이에 형성되어 상부 회전판(180)의 하부쪽에서 불어오는 상승풍(도 14의 W2)이 지나가는 통로이다. 구멍들(173)은 상부 회전판(170)의 지름방향으로 길다란 형상을 가질 수 있다. 예시적으로, 구멍들(173)은 장방형, 엄밀한 의미에서는 길다란 사다리꼴 형상으로 형성될 수 있다.

경사부재들(175)은 상부 회전판(170)의 하부면의 외곽 둘레 방향을 따라 등간격으로 마련된다. 경사부재들(175) 각각은 상부 회전판(170)의 하부면에 대해 경사진 경사면(175a)을 가진다. 경사면(175a)은, 타워(110)의 회전방향을 기준으로, 구멍들(173) 각각의 앞쪽에 위치한다. 한편, 경사부재들(175) 각각은, 경사면(175a)에 이웃하면서 상부 회전판170)의 바닥면을 기준으로 수직하거나 내측으로 기울어진 면(175b)을 가질 수 있다. 경사면(175a)은 곡면으로 형성함으로써, 상승풍(W2)이 경사면(175a)에 맞부딪히며 발생되어 풍속 가속 효과를 방해시키는 와류를 억제할 수 있다. 경사부재들(175)의 형상은 예시적인 것이고, 본 발명을 제한하지 않는다. 예를 들어, 경사부재들(175)의 경사면(175a)은 평판면으로 형성될 수도 있다. 나아가, 경사부재들(175)는 경사면(175a)만으로 이루어진 날개 형상으로 형성될 수도 있다. 경사부재들(175) 사이의 공기 통로의 출구(도 15의 176b)의 단면적은 공기 통로의 입구(도 15의 176a)의 단면적 보다 작을 수 있다.

상부 회전판(170)은 타워(110)의 상부에 위치하고 타워(110)의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 타워(110)의 회전과 일체로 연동되게 결합된다. 일 예로, 상부 회전판(170)의 하부면 중심부는 타워(110)의 상부면에 부착될 수 있다. 상부 회전판(170)의 중심부에는 관통홀(179)이 형성되어 있어, 중심축(190)이 관통된다. 상부 회전판(170)은 중심축(190)과 상부 플랜지(171)에 의해 회전가능하게 결합될 수 있다. 나아가, 상부 회전판(170)은 상부 회전판 지지 프레임(172)에 의해 상부 플랜지(171)와의 결합이 보강될 수도 있다.

다음으로, 상부 회전판(170)의 동작에 대해 설명한다.

도 14는 수직형 풍력 발전 장치(100)가 건물 옥상에 설치된 경우의 바람 흐름을 도시하며, 도 15는 상부 회전판(170)의 동작을 설명하는 도면이다.

층류풍(W1)이 건물(11)에 부딪치면 상하 혹은 좌우로 나뉜다. 바람은 건물(11)의 높이의 60～70% 부근의 정체점(stagnation point)에서 상하로 나뉘게 되는데, 이 중에서 상승풍(W2)은 건물(11)의 외벽을 타고 상승하여 건물(11)의 옥상에서 층류풍(W1)과 합류하여 약 2~3배 가량 풍속이 급속히 증가된다는 점은 알려져 있다. 가령, 비특허문헌 1의 독립형 건물 높이에 따른 해석 결과를 원용하면, 50m 건물의 앞면에서 약 3배의 풍속 증가가 있음을 볼 수 있다. 전술한 바와 같이, 상부 회전판(170)의 직경은 타워(110)의 직경보다 크므로, 상승풍(W2)은 상부 회전판(170)에 직접적으로 향하게 된다. 따라서, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 상부 회전판(170)을 건물(11)의 옥상 가장자리 근방에 배치함으로써, 2~3배 이상 가속된 상승풍(W2)을 직접적으로 활용할 수 있다.

도 15를 참조하면, 상승풍(W2)의 일부는 상부 회전판(170)의 하부에 마련된 경사부재들(175)의 경사면(175a)에 부딪히면서 구멍들(173)로 향하게 된다. 경사면(175a)에서 전달되는 풍력의 수평 방향의 분력(partial wind force)(F1)은 상부 회전판(170)의 회전력으로 작용하게 된다. 즉, 상승풍(W2)은 경사면(175a)에 맞부딪힘으로써 상부 회전판(170)이 타워(110)의 회전방향과 같은 방향의 회전력을 받도록 한다. 한편, 경사부재들(175) 사이의 공기 통로의 출구(176b)의 단면적은 공기 통로의 입구(176a)의 단면적 보다 작게 형성됨에 따라, 상승풍(W2)은 벤츄리 효과를 받게 되어, 1.5~2.5배의 풍속 가속화가 이루어질 수 있다.

상부 회전판(170)은 타워(110)의 회전과 일체로 연동되므로, 상부 회전판(170)에 작용하는 상승풍(W2)에 의한 가속효과는, 타워(110)의 회전에 의한 정격 출력 확보에 기여할 수 있게 된다.

또한, 상부 회전판(170)의 경사면(175a)에서 전달되는 풍력의 수직 방향의 분력(F2)은 상부 회전판(170)을 들어올리는 힘으로 작용하게 된다. 타워(110)의 크기가 클수록 타워(110)의 하중이 커지게 되므로, 타워(110)의 흔들림이나 마찰은 발전효율을 떨어뜨리고 소음등이 발생될 수 있는데, 본 실시 예는, 상부 회전판(170)에 의해 타워(110)의 하중을 경감시킴으로써, 발전효율의 저하와 소음등의 발생을 경감시킬 수 있다.

본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 타워(110)의 회전에 연동되어 타워(110)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전모듈(도 3의 198)을 더 포함할 수 있다. 발전모듈(198)은 타워(110)의 내부 또는 타워(110)의 하부에 위치할 수 있다. 발전모듈(198)은 발전기와 타워(110)의 회전을 발전기에 전달하는 벨트 및/또는 기어박스를 포함할 수 있다. 이러한 발전모듈 자체는 공지의 기술을 채용할 수 있다.

본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 나아가, 발전모듈(198)에서 발전된 전기를 충전하는 전기 스토리지 시스템(미도시)을 더 구비할 수도 있다.

도 16은 도 1의 수직형 풍력 발전 장치(100)가 외곽 지지 프레임(195)에 의해 지지된 모습을 도시한다. 도 16을 참조하면, 수직형 풍력 발전 장치(100)는 외곽에 걸쳐진 외곽 지지 프레임(195)에 의해 중심축(190)이 고정되며, 타워(110) 및 상부 회전판(170)은 중심축(190)을 중심으로 회전되는 구성을 갖는다. 나아가, 외곽 지지 프레임(195)은 하부 레일(151)과 상부 레일(152)을 지지할 수도 있다.

전술한 실시 예에서 중심축(190)은 바닥면(10)에 고정된 상태로 수직하게 세워진 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 중심축(190)은 바닥면(10) 및 외곽 지지 프레임(195)에 회전가능한 상태로 결합될 수도 있다. 이 경우, 중심축(190)은 타워(110) 및 상부 회전판(170)에 고정 결합되어, 타워(110) 및 상부 회전판(170)과 함께 회전될 것이다.

다음으로, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)의 발전 효율 증가에 대해 설명하기로 한다.

도 17은 일 예에 따른 상용 풍력 발전모듈의 출력 곡선을 나타내는 그래프이다. 도 17을 참조하면, 일 예에 따른 상용 풍력 발전모듈은 풍속이 3 m/s이하에서 실질적으로 발전하지 아니하며, 3 m/s 이상의 풍속에서 출력이 점차 커지다가 풍속이 대략 15 m/s 이상에서 출력이 포화됨을 볼 수 있다. 즉, 일 예에 따른 상용 풍력 발전모듈은 풍속은 12 m/s 이상에서 최대 출력의 대략 80% 이상 출력됨을 알 수 있다. 또한 풍속이 8 m/sec 정도가 되더라도 일 예에 따른 상용 풍력 발전모듈 최대 출력의 대략 40%의 전기만을 생산함을 볼 수 있다. 이와 같이 상용 풍력 발전모듈은 정격 출력(가령 최대 출력의 80%)를 확보하기 위해서는 최소 풍속(예를 들어 12m/s)이 요구된다.

앞서 표 1을 참조하여 설명하였듯이, 우리나라의 도심 환경에서 연평균 풍속은 2~5 m/s 정도에 해당되어, 우리나라의 도심 환경에서 상용 풍력 발전모듈의 정격 출력을 확보하기에는 풍속이 매우 미흡함을 볼 수 있다. 이에, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 타워(110), 가이드부(130) 및 상부 회전판(170)을 이용하여 풍속을 가속시킨다.

구체적으로, 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 타워(110)의 원통 구조에서의 가속 효과에 의해 타워(110)의 타워 날개(111)에 유효하게 작용하는 바람(W)은 대략 1.2~1.5배의 가속 효과를 지닌다. 또한, 도 6 내지 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이, 가이드부(130)에 의해 항풍을 최소화하고, 풍량을 수풍 영역(도 6의 II)에 집속시킴으로써, 발전효율을 증가시킨다. 나아가, 가이드부(130)의 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)의 불록면에 의해 추가적으로 풍속의 대략 1.2~1.5배의 가속 효과를 얻을 수 있다. 타워(110)의 원통 구조에서의 가속 효과와, 가이드부(130)의 가속효과는 중첩됨으로써, 적어도 1.44(=1.2*1.2)배의 유효한 가속 효과를 얻을 수 있다.

나아가, 도 14를 참조하여 설명하였듯이, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)를 건물(11)의 옥상에 설치함으로써, 상승풍(W2)을 적극 활용한다. 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 상부 회전판(170)을 건물(11)의 옥상 가장자리 근방에 배치함으로써, 2배 이상 가속된 상승풍(W2)을 직접적으로 활용하여, 타워(110)의 회전에 기여할 수 있다.

건물(11)의 옥상 가장자리에서 층류풍(W1)과 상승풍(W2)이 합류하여 대략 2~3배의 빠른 풍속을 가지게 되는데, 층류풍(W1)과 상승풍(W2)이 합류시 발생되는 와류등에 의해 타워(110)쪽에 유효하게 작용하는 바람(W)의 풍속(이하, 유효 풍속)은 다소 낮아진다. 이에 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)에 의해 억제시킴으로써, 와류등에 의한 풍속 저하를 최대한 억제한다. 유효 풍속은, 건물(11)의 외형, 옥상부 가장자리의 구조, 건물(11)의 밀집 정도 등에 따라 달라질 수 있으나, 가장 간단한 모델에 의하면, 바람(W)이 1.5배 이상의 유효 풍속으로 타워(110)쪽에 진입할 수 있다. 따라서, 앞서 설명한 가속효과와 함께 상승풍(W2)의 풍속 효과는 중첩되어, 바람(W)은 대략 2.16(=1.44*1.5)배 이상의 유효 풍속으로 타워(110)에 작용하게 된다.

표 1에서 보여주듯이, 지상 50 m에서의 연평균 풍속은 대략 5 m/s를 보여주는바, 이와 같은 풍속 자체만으로는 상용 풍력 발전모듈의 정격출력을 확보할 수 없지만, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는 대략 2.16배 이상의 가속 효과를 이용하여 유효 풍속을 대략 13 m/s 정도로 확보함으로써, 상용 풍력 발전모듈의 정격출력에 요구되는 최소한의 풍속을 확보할 수 있게 된다.

또한, 풍력밀도(wind power density)는 하기의 수학식 1로 주어짐이 알려져 있다.

상기 수학식 1에서 P는 풍력밀도(단위 W/m²)를 나타내며, ρ는 공기의 밀도, v는 풍속을 나타낸다. 상기 수학식 1에 의하면 상용 풍력 발전 장치의 전기발생량은 풍속(v)의 3승에 비례한다. 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(100)는, 대략 2.16배 이상의 가속 효과를 가지므로, 풍력밀도는 대략 10(2.16^3)배 이상이 되며, 결과적으로 전력효율을 10배 이상으로 증대시킬 수 있음을 알 수 있다.

나아가, 상승풍(W2) 자체는 층류풍(W1)에 비하여 매우 빠른 풍속을 가지는데, 상부 회전판(170)을 통하여 상승풍(W2)을 직접적으로 이용함으로써, 상기 계산에서 얻어지는 효과 이상의 전력효율을 기대할 수 있다.

다음으로, 타워(110)의 다양한 변형예에 대해 설명하기로 한다.

도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치의 타워(210)를 도시한 사시도이다. 도 18을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 타워(210)는 외주면을 규정하는 원통 구조물(212)을 포함하며, 복수의 타워 날개(211)는 원통 구조물(212)의 외주면에 부착되고, 원통 구조물(212)은 복수의 내부 지지 프레임들(213)에 의해 타워 플랜지(215)에 고정될 수 있다. 타워 플랜지(215)는 중심축(도 1의 190)에 회전가능하게 결합될 수 있다.

도 19는 본 발명의 떠 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치의 타워(310)를 도시한 사시도이다. 도 19를 참조하면, 또 다른 실시 예에 따른 타워(310)는, 복수의 타워 날개(311)의 적어도 일부는 타워(310)의 외주면에 경사진 방향(317)으로 설치될 수 있다. 원통 구조물(312)은 복수의 내부 지지 프레임들(313)에 의해 타워 플랜지(315)에 고정될 수 있다. 타워 플랜지(315)는 중심축(도 1의 190)에 회전가능하게 결합될 수 있다. 복수의 타워 날개(311)의 경사진 방향(317)은, 복수의 타워 날개(311)가 바람을 맞이하는 면의 적어도 일부가 하방을 향하게 하는 방향이다. 이와 같은 복수의 타워 날개(311)의 경사진 배치에 의해 복수의 타워 날개(311)가 받는 풍력의 적어도 일부의 분력이 상방으로 향하게 된다. 이와 같은 상방을 향하는 풍력의 분력은 타워(310)의 하중을 경감시키는 역할을 하게 된다. 타워(310)의 크기가 클수록 타워(310)의 하중이 커지게 되므로, 타워(310)의 흔들림이나 마찰은 발전효율을 떨어뜨리고 소음등이 발생될 수 있는데, 본 실시 예는, 복수의 타워 날개(311)의 경사진 구성을 이용하여 타워(310)의 하중을 경감시킴으로써, 발전효율의 저하와 소음등의 발생을 경감시킬 수 있다.

그밖에 타워의 다양한 변형예들로서 출원인에 의해 출원된 국제특허출원 PCT-KR2016-012610에 개시된 타워가 적용될 수 있다. 예를 들어, 타워 자체는 고정되고, 타워 날개만이 중심축(190)에 회전가능하도록 결합되어 있을 수 있다. 또한, 타워의 하단에 캐스터들이 설치되고, 바닥면의 상기 캐스터들에 상응하는 위치에 원형 레일이 설치되어, 타워가 원형 레일 위를 움직일 수 있게 할 수도 있다. 이 경우, 가이드부(130)의 풍향계 날개, 제1 가이드 판 및 제2 가이드 판은 후술하는 보조 가이드 프레임등에 의해 상대적 위치가 고정될 것이다. 또한, 타워 날개의 각도는 수동적 또는 자동적으로 가변될 수도 있다. 가령, 타워 날개는 탄성 부재에 의해 지지되어, 풍속에 따라 타워 날개의 각도가 변경되도록 구성될 수 있다.

도 20은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치의 가이드부의 결합 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다. 본 실시 예는 가이드부의 가이드 프레임(440)을 제외한 나머지 실시 예들은 전술한 실시 예와 동일하므로, 동일 참조번호에 대한 설명은 생략한다. 가이드 프레임(440)은 풍향계 날개(131, 132), 제1 가이드 판(133) 및 제2 가이드 판(134)을 인접한 부재들끼리 상호 고정시키는 보조 가이드 프레임(442)을 포함할 수 있다. 보조 가이드 프레임(442)은 풍향계 날개(131, 132), 제1 가이드 판(133) 및 제2 가이드 판(134) 각각의 상부 및 하부 중 적어도 한 쪽을 연결함으로써, 상호 결합 구조를 보강한다.

도 21은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치(500)를 개략적으로 도시한 사시도이다. 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치(500)는, 전술한 실시 예들의 수직형 풍력 발전 장치(도 1의 100)에서 상부 회전판(170)이 삭제된 경우이다. 이에 따라, 가이드부(130)의 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 가이드 판(133)과, 제2 가이드 판(134)을 회동 가능하게 상호 고정시키는 가이드 프레임(520)은, 상부 레일(도 2의 152)을 대신하여, 상부 가이드 프레임들(542)을 포함한다. 상부 가이드 프레임들(542)은 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 가이드 판(133)과, 제2 가이드 판(134)의 상부에 결합되며, 중심축에 회전가능하게 결합된 가이드 상부 플랜지에 고정될 수 있다.

도시되지는 않았으나, 가이드 프레임(540)은 풍향계 날개(131, 132)와, 제1 가이드 판(133)과, 제2 가이드 판(134)을 인접한 부재들끼리 상호 고정시키는 보조 가이드 프레임(도 20의 442)을 추가적으로 포함될 수도 있다.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치에서, 가이드부의 이동 지지부를 개략적으로 도시한 사시도이다. 본 실시 예의 이동 지지부는, 도 1 내지 도 21을 참조하여 설명한 이동 지지부의 변형례로서, 이동 지지부의 구성을 제외한 나머지 구성은 전술한 실시 예의 구성들과 실질적으로 동일하다.

도 22를 참조하면, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치에서 하부 레일(651)은 속이 비워진 내측면을 레일면으로 하는 레일이다. 본 실시 예의 하부 레일(651)은, 횡단면이 C형상이나, ㄷ자 형상을 지닌 레일일 수 있으나, 이는 예시일 뿐이며, 외형 형상은 본 발명을 제한하지 않는다. 가이드부의 이동 지지부는 가이드부의 하중을 지지하는 하부 캐스터(655)를 포함한다. 참조번호 653은 가이드부의 일부, 즉 풍향계 날개(도 1의 131, 132), 제1 및 제2 가이드 판(도 1의 133, 134), 또는 가이드 프레임(140)의 하부를 나타낸다. 하부 캐스터(655)는 하부 레일(651)의 내측면(651a)의 바닥면에 맞닿아 구르게 배치된다. 가이드부의 풍향계 날개(131, 132)나 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)은 바람의 방향에 따라서는 상방으로 힘을 받을 수 있다. 이 경우, 하부 캐스터(655)가 하부 레일(651)의 내측면(651a)에 있으므로, 가이드부가 상방으로 들리는 것이 방지된다.

본 실시 예는 하부 레일(651)이 속이 비워진 내측면을 레일면으로 하는 레일인 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 상부 레일 역시 속이 비워진 내측면을 레일면으로 하는 레일일 수 있음은 물론이다.

도 23은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 수직형 풍력 발전 장치에서, 가이드부의 이동 지지부를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 23을 참조하면, 본 실시 예의 수직형 풍력 발전 장치에서 하부 레일(751)은 상측에 마련된 제1 레일면(751a)과 하측에 마련되어 바닥면과 마주보는 제2 레일면(751b)을 포함하는 평판형 레일이다. 다른 예로서, 본 실시 예의 하부 레일(751)은, 횡단면이 원형인 레일일 수 있으며, 외형 형상은 본 발명을 제한하지 않는다.

가이드부의 이동 지지부는 가이드부의 하중을 지지하는 제1 하부 캐스터(755)와, 가이드부가 상방으로 들리는 것이 방지하는 제2 하부 캐스터(756)을 포함한다. 참조번호 753은 가이드부의 일부, 즉 풍향계 날개(도 1의 131, 132), 제1 및 제2 가이드 판(도 1의 133, 134), 또는 가이드 프레임(140)의 하부를 나타낸다.

제1 하부 캐스터(755)는 하부 레일(751)의 제1 레일면(751a)에 맞닿아 구르게 구성된다. 제2 하부 캐스터(755)는 하부 레일(751)의 제2 레일면(751b)의 하방에 위치한다. 도 23에는 제2 하부 캐스터(755)가 제2 레일면(751b)에 이격된 것으로 도시되어 있으나, 맞닿게 구성될 수도 있다.

전술한 실시 예들에서는 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)이 모두 있는 경우만을 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 가이드 판(133)과 제2 가이드 판(134) 중 어느 하나가 생략될 수도 있다. 이 경우, 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)의 배치에 의한 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)에 가해지는 풍압의 상쇄 효과를 기대할 수 없으나, 풍향계 날개(131, 132)의 면적을 충분히 크게 함으로써, 제1 가이드 판(133) 또는 제2 가이드 판(134)에 가해지는 풍압을 무시하거나 상수로 처리할 수 있다.

나아가, 도 1 내지 도 17을 참조하여 설명한 수직형 풍력 발전 장치(100)에서 가이드부(130)가 생략되고, 타워(110)와 상부 회전판(170)만으로 구성될 수도 있다. 가령, 풍속이 충분히 확보되거나, 풍향이 비교적 고른 경우, 가이드부(130)가 생략되더라도, 타워(110)와 상부 회전판(170)에서 풍속 가속효과나 상승풍에 의한 효과를 기대할 수 있을 것이다.

전술한 실시 예들에서는 제1 및 제2 체결부(146, 147)는 제1 및 제2 탄성부재(148, 149)에 의해 기계적인 방식으로 각도 조절이 되는 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 가령, 제1 및 제2 체결부는, 사용자의 수동적 조작에 의해 제1 및 제2 가이드 각도를 조절할 수도 있을 것이다. 예를 들어, 제1 및 제2 체결부에 사용자의 선택에 의해 임의의 각도로 제1 및 제2 가이드 각도를 고정시킬 수 있도록 제1 및 제2 가이드 판의 회동을 고정시키는 고정부재가 마련될 수 있다. 또는 제1 및 제2 체결부에는 제1 및 제2 가이드 판을 회동시키는 모터(미도시)가 설치되고, 수직형 풍력 발전 장치(100)의 임의의 위치에 풍력을 감지하는 센서(미도시)가 마련되어, 감지되는 풍력의 세기에 따라 자동적으로 제1 및 제2 가이드 판을 회동시켜 제1 및 제2 가이드 각도를 조절할 수도 있을 것이다.

또한, 전술한 실시 예들에서는 제1 및 제2 체결부(146, 147)에 의해 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)가 각도 조절이 가능한 경우를 예로 들어 설명하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 제1 및 제2 가이드 판(133, 134)가 각도 조절 되지 않는 경우를 배제하지 않는다.

전술한 본 발명인 수직형 풍력 발전 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 바닥면 11: 건물
100: 수직형 풍력 발전 장치 110, 210, 310: 타워
111, 211, 311: 타워 날개 115: 원형 지지 프레임
116: 내부 지지 프레임 117, 118, 141, 171: 플랜지
130: 가이드부 131, 132: 풍향계 날개
133, 134: 가이드 판 135, 136: 볼록면
140, 440: 가이드 프레임 141: 하부 가이드 프레임
143, 144: 스토퍼 145: 고정 체결부
146, 147: 회동 체결부 148, 149: 탄성 부재
151, 152, 651, 751: 레일 155, 156, 655, 755, 756: 캐스터
157: 상부 레일 지지대 170: 상부 회전판
172: 상부 회전판 지지 프레임 173: 구멍
175: 경사부재 175a: 경사면
176a: 공기 통로의 입구 176b 공기 통로의 출구
177, 179: 관통홀 190: 중심축
195: 외곽 지지 프레임 212, 312: 원통 구조물
442: 보조 가이드 프레임 W: 바람
W1: 층류풍 W2: 수직풍

Claims

바닥면에 대해 수직한 중심축;
복수의 타워 날개를 구비하며, 상기 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워;
풍향에 따라 상기 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판이 상기 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부를 구비한 가이드부; 및
상기 타워의 상부에 위치하고 상기 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 상기 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며,
상기 중심축을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선을 기준으로 상기 타워를 향해 바람이 불어오는 쪽을 항풍 영역과 수풍 영역으로 2분하면, 상기 제1 가이드 판은 상기 항풍 영역쪽에 설치되어 상기 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 상기 수풍 영역으로 향하도록 가이드하며,
상기 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성되며,
상기 중심축의 횡단면에서 상기 제1 가이드 판과 상기 풍향 중심선 사이의 각도를 제1 가이드 각도라 정의하면, 상기 가이드부는 상기 제1 가이드 판을 상기 가이드 프레임에 제1 가이드 각도의 조절이 가능하도록 제1 회동축을 중심으로 회동가능하게 결합하는 제1 체결부를 포함하며,
상기 제1 체결부는 상기 제1 가이드 판을 상기 제1 가이드 각도가 작아지는 방향으로 탄성 가압하는 제1 탄성부재를 포함하며,
상기 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면에서 상기 제1 회동축을 기준으로 상기 타워에 먼 쪽의 면적이 상기 타워에 가까운 쪽의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
삭제
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제1 항에 있어서,
상기 제1 체결부는, 상기 제1 가이드 판이 제1 가이드 각도의 하한치를 갖도록 하는 제1 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
삭제
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제1 항에 있어서,
상기 가이드부는 상기 수풍 영역의 외곽에 설치되어 상기 수풍 영역의 외곽을 지나는 바람을 상기 수풍 영역으로 향하도록 가이드하는 제2 가이드 판을 더 포함하며,
상기 가이드 프레임은 상기 제2 가이드 판을 상기 풍향계 날개 및 상기 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키며,
상기 이동 지지부는 상기 제2 가이드 판이 상기 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하며,
상기 제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제7 항에 있어서,
상기 중심축의 횡단면에서 상기 제2 가이드 판과 상기 풍향 중심선 사이의 각도를 제2 가이드 각도라 정의하면, 상기 가이드부는 상기 제2 가이드 판을 상기 가이드 프레임에 상기 제2 가이드 각도의 조절이 가능하도록 제2 회동축을 중심으로 회동가능하게 결합하는 제2 체결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제8 항에 있어서,
상기 제2 체결부는 상기 제2 가이드 판을 상기 제2 가이드 각도가 작아지는 방향으로 탄성 가압하는 제2 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제9 항에 있어서,
상기 제2 체결부는, 상기 제2 가이드 판이 제2 가이드 각도의 하한치를 갖도록 하는 제2 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제9 항에 있어서,
상기 제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면에서 상기 제2 회동축을 기준으로 상기 타워에 먼 쪽의 면적이 상기 타워에 가까운 쪽의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제8 항에 있어서,
상기 제2 체결부는, 상기 제2 가이드 각도의 조절이 사용자의 수동적 조작에 의해 이루어지거나, 기계적 혹은 전자적 수단에 의해 자동적으로 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제7 항에 있어서,
상기 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면과 상기 제2 가이드 판의 바람과 맞닿는 면은, 상기 제2 가이드 판에 의해 발생되는 토크와 상기 제1 가이드 판에 의해 발생되는 토크가 서로 반대 방향이 되도록, 서로 비스듬히 대향하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 바닥면에 또는 상기 바닥면에 이격되어 설치되며, 상기 중심축을 중심으로 원형의 궤적을 갖는 하부 레일을 더 포함하며,
상기 이동 지지부는 상기 하부 레일에서 구르는 하부 캐스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제14 항에 있어서,
상기 하부 레일은 상측에 마련된 레일면을 포함하며,
상기 하부 캐스터들은 상기 하부 레일의 레일면에 맞닿아 구르는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제14 항에 있어서,
상기 하부 레일은 속이 비워진 내측면을 갖는 레일이며,
상기 하부 캐스터들은 상기 하부 레일의 내측면에 위치하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
바닥면에 대해 수직한 중심축;
복수의 타워 날개를 구비하며, 상기 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워;
풍향에 따라 상기 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판이 상기 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부를 구비한 가이드부; 및
상기 타워의 상부에 위치하고 상기 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 상기 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며,
상기 중심축을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선을 기준으로 상기 타워를 향해 바람이 불어오는 쪽을 항풍 영역과 수풍 영역으로 2분하면, 상기 제1 가이드 판은 상기 항풍 영역쪽에 설치되어 상기 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 상기 수풍 영역으로 향하도록 가이드하며,
상기 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성되며,
상기 바닥면에 또는 상기 바닥면에 이격되어 설치되며, 상기 중심축을 중심으로 원형의 궤적을 갖는 하부 레일을 더 포함하며,
상기 이동 지지부는 상기 하부 레일에서 구르는 하부 캐스터들을 포함하며,
상기 하부 레일은 상측에 마련되는 제1 레일면과 상기 바닥면과 마주보게 마련되는 제2 레일면을 포함하며,
상기 하부 캐스터들은 상기 제1 레일면에 맞닿아 구르는 제1 하부 캐스터들과, 상기 제2 레일면에 맞닿게 위치하여 상기 가이드부가 상측으로 들리는 것을 방지하는 제2 하부 캐스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제14 항에 있어서,
상기 하부 캐스터들은, 상기 풍향계 날개 및 상기 제1 가이드 판 각각의 하부에 마련되거나, 상기 가이드 프레임의 하부에 마련되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 타워의 상단 외측에 이격되어 위치되며 상기 중심축을 중심으로 원형의 궤적을 갖는 상부 레일을 더 포함하며,
상기 이동 지지부는 상기 상부 레일에서 구르는 상부 캐스터들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제19 항에 있어서,
상기 상부 레일은 상기 상부 회전판의 하부면, 상기 중심축, 및 상기 중심축을 지지하는 외측 지지 프레임 중 적어도 어느 하나에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
바닥면에 대해 수직한 중심축;
복수의 타워 날개를 구비하며, 상기 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워;
풍향에 따라 상기 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판이 상기 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부를 구비한 가이드부; 및
상기 타워의 상부에 위치하고 상기 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 상기 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며,
상기 중심축을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선을 기준으로 상기 타워를 향해 바람이 불어오는 쪽을 항풍 영역과 수풍 영역으로 2분하면, 상기 제1 가이드 판은 상기 항풍 영역쪽에 설치되어 상기 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 상기 수풍 영역으로 향하도록 가이드하며,
상기 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성되며,
상기 가이드 프레임은 상기 풍향계 날개 및 상기 제1 가이드를 상호 고정시키는 보조 가이드 프레임을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
바닥면에 대해 수직한 중심축;
복수의 타워 날개를 구비하며, 상기 중심축을 중심으로 바람에 의해 회전할 수 있게 설치되는 타워;
풍향에 따라 상기 타워의 둘레를 주회하는 풍향계 날개와, 제1 가이드 판과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판을 일체로 연동되게 연결시키는 가이드 프레임과, 상기 풍향계 날개와 상기 제1 가이드 판이 상기 타워의 둘레를 이동가능하도록 지지하는 이동 지지부를 구비한 가이드부; 및
상기 타워의 상부에 위치하고 상기 타워의 횡단면적보다 더 넓은 면적을 가지며, 상기 타워의 회전과 일체로 연동되게 결합되는 상부 회전판;을 포함하며,
상기 중심축을 지나며 풍향에 평행한 풍향 중심선을 기준으로 상기 타워를 향해 바람이 불어오는 쪽을 항풍 영역과 수풍 영역으로 2분하면, 상기 제1 가이드 판은 상기 항풍 영역쪽에 설치되어 상기 항풍 영역으로 향하는 바람을 차단하거나 상기 수풍 영역으로 향하도록 가이드하며,
상기 제1 가이드 판의 바람과 맞닿는 면의 적어도 일부는 횡단면이 볼록한 볼록면으로 형성되며,
상기 상부 회전판은,
상기 상부 회전판의 하부면의 외곽 둘레 방향을 따라 등간격으로 마련되며, 상승기류에 맞부딪힘으로써 상기 상부 회전판이 상기 타워의 회전방향과 같은 방향의 회전력을 받도록 하는 경사면을 갖는 경사부재들과;
상기 경사부재들 사이에 형성되어 구멍들;을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제22 항에 있어서,
상기 경사부재들 각각의 경사면은 곡면인 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제22 항에 있어서,
상기 경사부재들 사이의 공기 통로의 출구 단면적이 상기 공기 통로의 입구 단면적 보다 작은 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제22 항에 있어서,
상기 구멍들은 지름방향으로 길다란 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 상부 회전판의 하부면 중심부는 상기 타워의 상부면에 부착된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 타워의 지름 방향을 기준으로 상기 복수의 타워 날개의 폭이 상기 타워의 외주면의 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 타워 날개는 상기 타워의 길이방향으로 길게 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 타워 날개는 적어도 2개의 원형 지지 프레임에 의해 지지되며, 상기 적어도 2개의 원형 지지 프레임은 복수의 내부 지지 프레임들에 의해 상기 중심축에 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 타워는 외주면을 규정하는 원통 구조물을 포함하며, 상기 복수의 타워 날개는 상기 원통 구조물의 외주면에 부착되고, 상기 원통 구조물은 복수의 내부 지지 프레임들에 의해 상기 중심축에 회전가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 타워 날개의 적어도 일부는 바람을 맞이하는 면의 적어도 일부가 하방을 향하도록 경사진 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 타워의 회전에 연동되어 상기 타워의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 발전모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.
제1 항에 있어서,
상기 상부 회전판의 상측을 가로지르며 상기 중심축을 지지하는 외곽 지지 프레임을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력 발전 장치.