KR101936154B1 - 양항력 복합 블레이드를 구비하는 수직축 풍력발전기 - Google Patents

양항력 복합 블레이드를 구비하는 수직축 풍력발전기 Download PDF

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Abstract

수직축 풍력발전기는 상하방향으로 연장되며 회전이 가능한 회전축, 상기 회전축의 연장방향과 교차하도록 연장된 복수개의 상하부 지지대들, 상기 상하부 지지대의 끝단을 고정하며 상기 회전축과 평행하게 연장된 양력 블레이드부 및 상기 상하부 지지대 및 상기 양력 블레이드부가 형성하는 공간에 설치되며 풍속에 따라 전개 또는 접철되는 항력 블레이드부를 포함한다.

Description

양항력 복합 블레이드를 구비하는 수직축 풍력발전기 {VERTICAL AXIS WIND POWER GENERATO WITH LIFT-DRAG HYBRID TYPE BLADE}
본 발명은 양항력 복합 블레이드를 구비하는 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저풍속에서는 양력 및 항력을 동시에 이용하고 고풍속에서는 양력만을 이용하여 풍속에 따라 효율적으로 풍력 발전을 수행하는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
화석연료를 대체하는 대체 에너지원 중 경제성이 높은 풍력발전기가 각광받고 있다. 풍력발전기의 일례로 풍차가 예로부터 널리 이용되어 왔다.
일반적으로 풍차는 바람의 운동에너지를 회전에너지로 변환시켜 발전하는 것으로, 바람에 대해 회전축이 수평으로 되어 있는 수평축형 풍차와, 바람에 대해 회전축이 수직으로 되어 있는 수직축형 풍차로 분류되며, 수평축형 풍차는 네덜란드형 풍차가 대표적이며, 수직축형 풍차는 사보니우스 타입 등과 같이 블레이드에 발생되는 항력으로 풍차를 회전시키는 항력형과 다리우스 타입 등과 같이 블레이드에 발생되는 양력으로 풍차를 회전시키는 양력형으로 구분된다.
항력형은 양력형에 비해 회전자 형상이 단순하여 판재 등으로 제작이 매우 쉽고 제작 비용이 저렴하며 저풍속에서 운전 성능이 우수하나, 고풍속에서는 운전 성능이 상대적으로 양력형에 비해 떨어지는 문제가 있다.
반면, 양력형은 고풍속에서 운전 성능이 우수하나, 저풍속에서는 운전 성능이 상대적으로 항력형에 비해 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 이와 같이 양력형과 항력형은 서로 반대의 장단점을 가지므로, 양력형과 항력형의 장점을 모두 가진 풍력발전기가 요구된다.
한편, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0015687호의 "건물일체형 풍력발전장치"에서는 내부는 항력형의 사보니우스 타입으로 외부는 양력형의 다리우스 타입으로 이중 날개구조를 구성하는 복합형을 개시하고 있다.
그러나 이 경우, 다리우스 타입의 풍력발전기의 단점인 저풍속에서의 운전 성능이 낮은 문제가 개선되는 효과가 있으나, 고풍속에서의 운전 성능은 사보니우우스 날개의 영향으로 감소하는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0015687호 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0069066호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 저풍속에서는 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부가 동시에 발전하고 고풍속에서는 항력 블레이드부가 자동으로 접혀 양력 블레이드부만 발전하여 풍속 변화의 영향을 최소화함은 물론 풍력 발전 효율이 증대한 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 수직축 풍력발전기는, 상하방향으로 연장되며 회전이 가능한 회전축, 상기 회전축의 연장방향과 교차하도록 연장된 복수개의 상하부 지지대들, 상기 상하부 지지대의 끝단을 고정하며 상기 회전축과 평행하게 연장된 양력 블레이드부 및 상기 상하부 지지대 및 상기 양력 블레이드부가 형성하는 공간에 설치되며 풍속에 따라 전개 또는 접철되는 항력 블레이드부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 상하부 지지대의 상부측 지지대 및 하부측 지지대 각각에는 가이드 홈이 형성되고, 상기 항력 블레이드부의 상부 및 하부가 각각 상기 가이드 홈에 삽입될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 항력 블레이드부는 소정 간격으로 이격된 복수개의 프레임들, 상기 프레임들의 양 끝단 사이에서, 상기 상하부 지지대의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 복수개의 탄성부재들 및 서로 인접한 상기 프레임들 및 상기 상하부 지지대에 의해 형성되는 공간에 장착되는 복수개의 날개부재들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수개의 날개부재들 각각은 패브릭 재질로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수개의 날개부재들 각각은 중앙에 상기 프레임들의 연장방향과 평행한 방향으로 연장되는 절첩선을 구비하여 상기 절첩선을 중심으로 접히거나 펼쳐질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수개의 날개부재들은 상기 회전축의 회전에 의하여 발생하는 원심력에 의해 상기 양력 블레이드를 향하여 절첩될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수개의 날개부재들은 상기 회전축의 회전 속도가 감소함에 따라 상기 탄성부재의 반력에 의해 상기 회전축을 향하여 전개될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 수직축 발전기의 설치 입지에 따라 차이 나는 풍속 조건에 따라 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부의 가동을 제어할 수 있으며, 이에 따라 풍속 변화의 영향을 최소화하고, 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 종래의 수직축 풍력발전기에 비해 구조가 간단하여 설치 및 제작 비용이 적게 소요되는 효과가 있다.
또한, 고풍속 조건에서 원심력을 이용하여 항력 블레이드부가 자동으로 절첩되도록 하여 양력 블레이드부를 단독으로 사용할 수 있으며, 블레이드의 고속 회전 시 발생하는 저항을 양력으로 최소화하며 효율적으로 풍력 발전을 수행하도록 할 수 있다.
특히, 항력 블레이드부를 구성하는 날개부재들을 패브릭 재질로 구성함에 따라, 항력 블레이드부가 절첩선을 따라 더욱 용이하게 절첩되도록 할 수 있다.
나아가, 저풍속 조건인 경우에는 탄성부재의 반력에 의해 항력 블레이드부가 전개되도록 하여 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부를 동시에 사용할 수 있으며, 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부가 각각 단점을 상호 보완할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양항력 복합 블레이드를 구비하는 수직축 풍력발전기를 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력발전기의 상하부 지지대, 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부를 도시한 정면도이다.
도 3은 도 1의 수직축 풍력발전기의 상하부 지지대를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 항력 블레이드부의 날개부재가 접힌 상태를 도시한 모식도이다.
도 5는 도 1의 수직축 풍력발전기가 고풍속에서 회전하는 상태를 도시한 모식도이다.
도 6은 도 1의 수직축 풍력발전기가 저풍속에서 회전하는 상태를 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 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 출원에서 사용한 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 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 양항력 복합 블레이드를 구비하는 수직축 풍력발전기를 도시한 모식도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 수직축 풍력발전기(10)는 회전축(100), 복수개의 상하부 지지대들(200), 양력 블레이드부(300) 및 항력 블레이드부(400)를 포함한다.
상기 회전축(100)은 상하방향으로 연장되며 회전이 가능하도록 결합된다.
상기 복수개의 상하부 지지대(200)는 상기 회전축(100)의 연장방향과 교차하도록 연장된다. 상기 상하부 지지대(200)는 결합되는 상기 양력 블레이드부(300) 및 상기 항력 블레이드부(400)의 개수에 따라 다양한 개수로 설정될 수 있다.
이 경우, 상기 상하부 지지대(200)는 상부측 지지대(211) 및 하부측 지지대(212)가 한 쌍으로 연장되며, 서로 동일한 간격을 유지하며 연장된다. 이에 따라, 상기 상하부 지지대(200)의 사이에 상기 항력 블레이드부(400)가 개재된다.
또한, 상기 양력 블레이드부(300)는 상기 상하부 지지대(200)의 끝단을 서로 연결하여 고정하며 상기 회전축(100)과 평행한 방향으로 연장된다.
상기 양력 블레이드부(300) 및 상기 항력 블레이드부(400)는 바람을 이용하여 상기 회전축(100)을 일방향으로 회전시키기 위한 회전력을 발생시킨다. 상기 회전력은 상기 양력 블레이드부(300) 및 상기 항력 블레이드부(400) 각각에서 발생하는 양력과 항력에 의해 발생한다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력발전기의 상하부 지지대, 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부를 도시한 정면도이고, 도 3의 도 1의 수직축 풍력발전기의 상하부 지지대를 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 항력 블레이드부의 날개부재가 접힌 상태를 도시한 모식도이다.
도 1에서 한 쌍의 양력 블레이드부(300) 및 한 쌍의 항력 블레이드부(400)가 도시되었으나 각각은 동일한 구성으로 이루어지므로, 여기서는 하나의 양력 블레이드부(300) 및 하나의 항력 블레이드부(400)의 구성에 대해서만 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 이미 설명한 바와 같이, 상기 양력 블레이드부(300)의 상부 및 하부는 한 쌍의 상하부 지지대(200)의 끝단에 결합되며 상기 회전축(100)과 나란한 방향으로 연장된다. 상기 양력 블레이드부(300)는 다리우스 타입(Darrieus type)의 블레이드일 수 있으며 단면이 유선형 형상으로 형성되어 회전 시 양력을 발생시킬 수 있다.
상기 항력 블레이드부(400)는 사보니우스 타입(Savonius type)의 블레이드일 수 있으며 단면이 C자 형상으로 형성되며 뒷면을 미는 힘으로만 움직여서 항력(drag force)을 발생시킬 수 있다.
상기 항력 블레이드부(400)는 상기 상하부 지지대(200) 및 상기 양력 블레이드부(300)가 형성하는 공간에 설치되며 풍속에 따라 전개 또는 절첩된다. 이 경우, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 상하부 지지대(200)의 상부측 지지대(211) 및 하부측 지지대(212)의 각각에는 내측에 길이 방향으로 형성된 가이드 홈(210)이 구비되어, 상기 항력 블레이드부의 상부 및 하부가 각각 상기 가이드 홈(210)에 삽입될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 항력 블레이드부(400)는 복수개의 프레임들(410), 복수개의 탄성부재들(420), 복수개의 날개부재들(430)를 포함한다.
상기 복수개의 프레임들(410)은 상기 상하부 지지대(200) 사이의 공간에서 상하 길이방향으로 연장되며 서로 소정 간격으로 이격되어 설치된다.
상기 복수개의 탄성부재들(420)은 상기 프레임들(410)의 양 끝단 사이에서, 상기 상하부 지지대(200)의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 것으로, 예를 들어, 스프링일 수 있다.
이 때, 상기 복수개의 탄성부재들(420) 및 상기 복수개의 프레임들(410)의 일부분이 상기 상하부 지지대(200) 사이에서 상기 가이드 홈(210)에 삽입된다.
상기 날개부재들(430) 각각은 플레이트 형상으로 형성되고 서로 인접한 상기 프레임들(410) 및 상기 상하부 지지대(200)에 의해 형성되는 공간에 장착되며, 중앙에 상기 프레임들(420)의 연장방향과 평행한 방항으로 연장되는 절첩선(440)을 구비한다.
그리하여, 상기 날개부재들(430) 각각은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 절첩선(440)을 중심으로 소정 각도를 형성하며 접힐 수 있다.
이 때, 상기 복수개의 날개부재들(430) 각각은 유연성 재질로 이루어진 패브릭(Fabric) 소재로 구성되어 상기 절첩선(440)을 따라 더욱 용이하게 접히거나 펼쳐질 수 있다.
상기 패브릭(Fabric)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate), 폴리에틸렌(polyethylene), 나일론(nylon) 및 아크릴 (acryl) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 날개부재들(430) 각각은 상기 서로 인접한 프레임들(410) 및 상기 상하부 지지대(200)에 의해 형성되는 공간에 삽입되어 위치하게 된다.
한편, 도 5는 도 1의 수직축 풍력발전기가 고풍속에서 회전하는 상태를 도시한 모식도이고, 도 6은 도 1의 수직축 풍력발전기가 저풍속에서 회전하는 상태를 도시한 모식도이다.
상기 양력 블레이드부(300)는 헬리콥터의 날개 또는 비행기의 날개와 같이 유선형의 에어포일 형상으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이와 같은 형상을 통하여 양력을 발생할 수 있으며, 저속의 회전보다는 고속의 회전에서 보다 높은 발전 효율을 달성할 수 있다.
도 5를 참조하면, 고풍속에서 본 실시예에 의한 수직축 풍력발전기(10)가 회전하는 경우, 상기 복수개의 날개부재(430)는 회전에 의하여 발생하는 원심력에 의해 상기 양력 블레이드(300)를 향하여 절첩된다.
즉, 상기 날개부재들(430)은 상기 가이드 홈(210)을 따라 상기 양력 블레이드(300)를 향하여 이동되며, 각각의 날개부재들(430)은 상기 절첩선(440)을 중심으로 접히게 된다.
그리하여, 도시된 바와 같이, 상기 양력 블레이드부(300)만 상기 회전축(100)에 의해 회전하게 되며 상기 양력 블레이드부(300)에 의해 발생한 양력에 의해 상기 수직축 풍력발전기(10)가 더 효율적으로 발전할 수 있다.
상기 수직축 풍력발전기(10)가 고풍속 환경에서 일정 속도 이상으로 회전을 하게 된 이후에는 상기 양력 블레이드부(300)의 회전으로 인하여 상기 항력 블레이드부(400) 또한 매우 고속으로 회전하면서 바람의 저항을 받아 오히려 회전력을 떨어뜨리는 역효과를 가져올 수 있으므로, 본 실시예에서와 같이 상기 항력 블레이드부(400)가 절첩되는 것이 바람직하다.
이와 달리, 도 6을 참조하면, 풍속이 저풍속으로 변하는 경우 상기 복수개의 날개부재들(430)은 상기 복수개의 탄성부재들(420)의 반력에 의해 상기 회전축(100)을 향하여 전개된다.
이 경우, 역시, 상기 날개부재들(430)은 상기 가이드 홈(210)을 따라 상기 상기 회전축(100)을 향하여 이동되며, 상기 절첩선(440)을 중심으로 접혔던 상기 날개부재들(430)은 다시 펼쳐지게 된다.
상기 탄성부재(420)는 상기 양력 블레이드부(300) 및 상기 항력 블레이드부(400)의 회전에 의하여 발생하는 원심력이 증가하면 그 길이가 감소하고, 원심력이 감소하면 원래 길이로 복귀하는 방향으로 그 길이가 늘어난다.
이와 같이, 절첩된 상기 복수개의 날개부재(430)는 풍속이 저풍속으로 변하는 경우 상기 회전축(100)을 향하여 전개됨으로써, 상기 양력 블레이드부(300) 및 상기 항력 블레이드부(400)가 동시에 가동된다.
이로 인해, 상기 항력 블레이드부(400)는 초기 기동시 필요한 힘을 전달하며, 항력 가속 후 양력 전환이 용이하고 초기 기동력이 빠른 장점이 있는 반면 기동력의 유지가 어려운 단점이 있으나 이는 상기 양력 블레이드부(300)에 의해 보완되고, 양력 블레이드부(300)는 비행기의 날개와 유사한 구조로 장력 발생으로 인한 가속력을 더욱 증대시켜 풍속의 급가속이 가능한 반면 면적이 작아 가동시간이 느린 단점이 있으나, 이는 상기 항력 블레이드부(400)에 의해 보완될 수 있다.
한편, 상기 수직축 풍력발전기(10)가 회전을 정지하는 경우, 상기 복수개의 날개부재(430)는 상기 회전축(100)의 둘레까지 전개되어 상기 수직축 풍력발전기(10)를 가동하기 전의 원상태로 복귀된다.
상기와 같이, 본 실시에에서는 설치 입지에 따라 풍속 조건이 차이가 나므로 고풍속 조건인 경우에는 상기 양력 블레이드부를 단독으로 사용하며, 저풍속 조건인 경우에는 상기 양력 블레이드부 및 상기 항력 블레이드부를 동시에 사용함으로써 발전 효율을 높일 수 있도록 한다.
본 실시예들에 의하면, 수직축 발전기의 설치 입지에 따라 차이 나는 풍속 조건에 따라 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부의 가동을 제어할 수 있으며, 이에 따라 풍속 변화의 영향을 최소화하고, 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 종래의 수직축 풍력발전기에 비해 구조가 간단하여 설치 및 제작 비용이 적게 소요되는 효과가 있다.
또한, 고풍속 조건에서 원심력을 이용하여 항력 블레이드부가 자동으로 절첩되도록 하여 양력 블레이드부를 단독으로 사용할 수 있으며, 블레이드의 고속 회전 시 발생하는 저항을 양력으로 최소화하며 효율적으로 풍력 발전을 수행하도록 할 수 있다.
특히, 항력 블레이드부를 구성하는 날개부재들을 패브릭 재질로 구성함에 따라, 항력 블레이드부가 절첩선을 따라 더욱 용이하게 절첩되도록 할 수 있다.
나아가, 저풍속 조건인 경우에는 탄성부재의 반력에 의해 항력 블레이드부가 전개되도록 하여 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부를 동시에 사용할 수 있으며, 양력 블레이드부 및 항력 블레이드부가 각각 단점을 상호 보완할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 수직축 풍력발전기 100 : 회전축
200 : 상하부 지지대 300 : 양력 블레이드부
400 : 항력 블레이드부

Claims (7)

  1. 상하방향으로 연장되며 회전이 가능한 회전축;
    상기 회전축의 연장방향과 교차하도록 연장된 복수개의 상하부 지지대들;
    상기 상하부 지지대의 끝단을 고정하며 상기 회전축과 평행하게 연장된 양력 블레이드부; 및
    상기 상하부 지지대 및 상기 양력 블레이드부가 형성하는 공간에 설치되며 풍속에 따라 전개 또는 접철되는 항력 블레이드부를 포함하는 수직축 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상하부 지지대의 상부측 지지대 및 하부측 지지대 각각에는 가이드 홈이 형성되고,
    상기 항력 블레이드부의 상부 및 하부가 각각 상기 가이드 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 항력 블레이드부는,
    소정 간격으로 이격된 복수개의 프레임들;
    상기 프레임들의 양 끝단 사이에서, 상기 상하부 지지대의 연장 방향과 동일한 방향으로 연장되는 복수개의 탄성부재들; 및
    서로 인접한 상기 프레임들 및 상기 상하부 지지대에 의해 형성되는 공간에 장착되는 복수개의 날개부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수개의 날개부재들 각각은,
    패브릭 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수개의 날개부재들 각각은 중앙에 상기 프레임들의 연장방향과 평행한 방향으로 연장되는 절첩선을 구비하여 상기 절첩선을 중심으로 접히거나 펼쳐지는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 날개부재들은 상기 회전축의 회전에 의하여 발생하는 원심력에 의해 상기 양력 블레이드를 향하여 절첩되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 날개부재들은 상기 회전축의 회전 속도가 감소함에 따라 상기 탄성부재의 반력에 의해 상기 회전축을 향하여 전개되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
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