KR102112103B1 - 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체 - Google Patents

Abstract

수직축 풍력발전기에 유입되는 유입풍에 의해 상기 수직축 풍력발전기의 메인 제너레이터에 회전력을 부여하는 풍차 조립체로서, 상기 회전축을 회전시키도록 설치되는 내측회전체와, 상기 내측회전체와 동심으로 상기 내측회전체의 방사방향 외측에 설치되는 외측회전체를 포함하여 이루어지고, 상기 내측회전체의 다수의 내측회전 블레이드는, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치되고, 상기 외측회전체의 다수의 외측회전 블레이드는, 상기 내측회전체와 연결되지 않고, 독립적으로 회전하면서, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치되고, 각 상기 외측회전 블레이드를 이루는 바깥 블레이드와 안쪽 블레이드는, 서로 마주보도록 배치된 사보니우스 타입 구조로 서로 사이가 이격되도록 짝을 이룬 구조로 이루어지고, 상기 외측회전체는, 상기 유입풍(a)에 의해 자전하면서, 공기밀도가 상승된 압축풍을 만들어, 상기 내측회전체 측으로 밀어넣도록 이루어짐을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

Description

수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체 {FAN ASSEMBLY OF VERTICAL WHIRLWIND FOR VERTICAL-AXIAL AERO-GENERATOR}

본 발명은, 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체에 관한 것이다.

일반적으로, 회전축이 수직으로 배치되어 있고, 이 회전축을 풍력에 의해 회전시킴으로써 전기에너지를 생산하는, 수직축 풍력발전기가 알려져 있다. 수직축 풍력발전기는, 일정하지 않은 자연력의 하나인 바람을 이용해야 한다.

자연의 바람은 인위적으로 통제 불가능하다. 그래서, 태풍과 같이 바람이 너무 강하면, 풍력발전기의 파손이 우려된다. 반대로, 미풍이나 무풍과 같이 바람이 너무 약하면, 생산되는 전기에너지의 양이 적어진다. 따라서, 풍력발전기에는, 발전기와 블레이드의 설계상의 정격을 고려한 최대 강도와 최소 강도 사이의 바람이 입력되어야 한다.

종래에, 하기 특허문헌에는, '발전기가 설치된 베이스와; 상기 베이스에 고정 장착된 고정부재와; 상기 고정부재에 회전되게 장착되며, 발전기와 연결된 회전축과; 상기 회전축을 중심으로 상기 회전축과 함께 회전되게 장착되며, 상기 고정부재와 마주보게 이격 배치된 회전부재와; 상기 회전부재에 장착되며, 바람에 의해 회전력을 발생시켜 상기 회전부재를 회전시키는 블레이드와; 상기 고정부재에 상기 회전부재 방향으로 장착되며, 상기 회전부재의 회전방향으로 극성이 분리되는 고정자석과; 상기 회전부재에 상기 고정자석과 마주보면서 이격되게 장착되며, 상기 회전부재의 회전방향으로 극성이 분리되는 회전자석; 을 포함하여 이루어지되, 상기 고정자석 및 상기 회전자석에는 서로 마주보는 방향으로 대칭되게 경사진 제1경사면 및 제2경사면이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 회전력 증폭장치'가 개시되어 있다.

이 특허문헌 발명에 의하면, 풍력과 자기력을 이용하여 풍력발전기에 회전력을 부가할 수 있으므로, 미풍에서도 발전이 가능하다.

실용신안공개 20-2011-0008951 공보

그런데, 종래의 일반적인 수직축 풍력발전기에 있어서는, 풍력발전기에 유입되는 유입풍을 아무런 조치없이 그대로 블레이드에 작용시키는 구성이므로, 기상에 의해 결정되는 유입풍이 적으면, 발전량이 낮아진다는 문제가 있다. 물론 상기 특허문헌 발명에서는, 영구자석 간의 척력 또는 인력을 이용하여 회전축의 회전력을 증대시키는 구성을 부가하고 있기는 하지만, 발전에 기여하는 유효 유입풍 자체를 개선하는 것은 아니므로, 회전력이 증대되는 것은 별론으로 하고, 유입풍이 블레이드에 작용하는 힘은 여전히 개선되지 않는다.

반대로, 태풍 등에 의해 유입풍이 과도하게 많으면, 발전용량을 초과하여 발전기(제너레이터)가 소손되거나, 베어링, 블레이드, 회전축 등이 파손되는 등 풍력발전기 자체의 파손이 우려되고, 소음발생이 문제가 된다. 하지만, 종래의 풍력발전기는, 유입풍이 지나치게 많은 경우의 문제발생에 대한 해결책을 제시하고 있지 않다.

본 발명은, 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 풍력발전기에 유입되는 자연적 유입풍의 다소에 따라 적응적으로 반응하여, 유입풍이 적으면 발전능력을 향상시키고, 유입풍이 많으면 발전능력의 증가와 함께 풍력발전기의 회전제한을 가능하게 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 발전기에 연결된 내측회전체와 동심으로 압축풍의 형성을 위한 외측회전체가 구비되도록 하고, 이 내측회전체와 외측회전체 사이에 가이드벤이 구비되도록 하며, 이 외측회전체가 360°회전하는 동안 바람이 불어오는 쪽(유입풍)의 앙각을 높여주며, 주변과 뒷쪽으로 나가는 바람을 다시 끌어들여, 내측회전체 측을 향해 밀도를 높여(압축풍), 상승기류를 강하게 발생시킴으로써, 내측회전체의 출력을 높이도록 이루어진 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 내측회전체의 회전지지구조는, 스프링을 두 볼베어링 사이에 배치하여 회전마찰을 줄일 수 있도록 하여 출력을 높이고, 내측회전체의 회전에 따른 진동을 흡수함과 함께 회전요소의 수명향상을 도모할 수 있도록 이루어진 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 외측조립체는, 자기부상할 수 있도록 구성되어, 베어링에 가해지는 압력을 줄여주고, 바람의 속도가 크면 자체적으로 제너레이터 역할이 가능해서, 한계치 이상의 바람에도 출력을 배가할 수 있도록 이루어진 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 풍력발전기 유닛을 연결하여 높이 적층한 경우에, 유닛을 교체하기에 용이하도록 설계하고, 유닛 사이 공간을 주어, 작업효율에도 유리한 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 좁은 장소에 집약적으로 세울 수 있어, 50MW 이상 출력도 가능하고, 측방에서 유입된 유입풍을 압축하여 압축풍 상태로 발전용 블레이드에 공급하고, 사용된 압축풍은 상향 회오리바람 형태로 상방으로 빠져나가도록 함으로써 수직적층시 공기흐름이 원활하게 설계된 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 바람이 강해도 안전한 구조로 전기에너지를 출력할 수 있는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체는, 수직축 풍력발전기에 유입되는 유입풍에 의해 상기 수직축 풍력발전기의 메인 제너레이터에 회전력을 부여하는 풍차 조립체로서, 상기 회전축을 회전시키도록 설치되는 내측회전체와, 상기 내측회전체와 동심으로 상기 내측회전체의 방사방향 외측에 설치되는 외측회전체를 포함하여 이루어지고, 상기 내측회전체의 다수의 내측회전 블레이드는, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치되고, 상기 외측회전체의 다수의 외측회전 블레이드는, 상기 내측회전체와 연결되지 않고, 독립적으로 회전하면서, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치되고, 각 상기 외측회전 블레이드를 이루는 바깥 블레이드와 안쪽 블레이드는, 서로 마주보도록 배치된 사보니우스 타입 구조로 서로 사이가 이격되도록 짝을 이룬 구조로 이루어지고, 상기 외측회전체는, 상기 유입풍에 의해 자전하면서, 공기밀도가 상승된 압축풍을 만들어, 상기 내측회전체 측으로 밀어넣도록 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서, 상기 내측회전체와 외측회전체 사이에 설치되는 가이드벤이 더 구비되고, 상기 가이드벤은, 상기 압축풍이 통과되면서 상기 내측회전체의 수용공간에 상향 회오리바람을 생성하도록 형성되고, 각 상기 내측회전 블레이드는, 상기 회전축을 중심으로 비틀리도록 형성된 트위스티드 블레이드로 이루어지거나, 프로펠러식 블레이드로 이루어짐이 바람직하다.

또한, 하나의 상기 풍차 조립체를 셀(Cell)로 하여, 다수의 상기 풍차 조립체를 상방으로 적층 결합함으로써, 대규모의 발전집합체가 형성되고, 각 상기 셀의 각 상기 내측회전체의 수용공간의 상하 양단은 기로로 연결되어, 각 상기 셀은, 상기 내측회전체의 수용공간 내의 상향 회오리바람의 기류를 상방 배출시키도록 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 내측회전 블레이드의 만곡방향은, 북반구에서는 상기 내측회전체의 회전방향이 시계방향이 되도록 결정되고, 남반구에서는 상기 내측회전체의 회전방향이 반시계방향이 되도록 결정됨이 바람직하다.

그리고, 상기 회전축의 상측에 감기도록 설치된 스프링과, 상기 회전축과 상기 스프링 사이의 상대회전이 가능하도록, 상기 회전축의 상측에 설치된 제1 베어링과, 상기 연결부재와 상기 스프링 사이의 상대회전이 가능하도록, 상기 회전축을 관통시키면서 상기 연결부재에 설치된 제2 베어링으로 이루어지는 볼베어링판이 더 구비되고, 상기 내측회전체가 구비된 상기 회전축은, 상기 볼베어링판에 의해 회전 지지되도록 이루어짐이 바람직하다.

또한, 상기 바깥 블레이드의 만곡방향은, 상기 내측회전 블레이드의 만곡방향과 동일 방향이고, 상기 바깥 블레이드와 상기 안쪽 블레이드의 길이의 비는, 5:3이며, 상기 바깥 블레이드와 상기 안쪽 블레이드는, 서로 1/8 중첩되도록 방사방향으로 배치되고, 상기 바깥 블레이드와 상기 안쪽 블레이드의 상하단은, 원반에 의해 밀폐됨이 바람직하다.

그리고, 상기 가이드벤은, 수평 비틀림각 및 수직 비틀림각을 갖도록 수직방향으로 뻗은 다수의 루버를 가지는 그리드 타입으로 이루어짐이 바람직하다.

그리고, 상기 내측회전체와 상기 외측회전체의 외경의 비는, 1:2로 이루어짐이 바람직하다.

그리고, 상기 외측회전체의 하단과 상기 하단에 대면하는 상기 연결부재 사이에는, 척력에 의한 자기부상력이 발생되도록 자석이 구비됨이 바람직하다.

그리고, 상기 외측회전체의 하단과 상기 하단에 대면하는 상기 연결부재 사이에는, 상대운동에 의해 전기에너지를 발생시키도록 제너레이터가 설치됨이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 풍력발전기에 유입되는 자연적 유입풍의 다소에 따라 적응적으로 반응하여, 유입풍이 적으면 발전능력을 향상시키고, 유입풍이 많으면 발전능력의 증가와 함께 풍력발전기의 회전제한을 가능하게 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

또한, 발전기에 연결된 내측회전체와 동심으로 압축풍의 형성을 위한 외측회전체가 구비되도록 하고, 이 내측회전체와 외측회전체 사이에 가이드벤이 구비되도록 하며, 이 외측회전체가 360°회전하는 동안 바람이 불어오는 쪽(유입풍)의 앙각을 높여주며, 주변과 뒷쪽으로 나가는 바람을 다시 끌어들여, 내측회전체 측을 향해 밀도를 높여(압축풍), 상승기류를 강하게 발생시킴으로써, 내측회전체의 출력을 높이도록 이루어진 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

또한, 내측회전체의 회전지지구조는, 스프링을 두 볼베어링 사이에 배치하여 회전마찰을 줄일 수 있도록 하여 출력을 높이고, 내측회전체의 회전에 따른 진동을 흡수함과 함께 회전요소의 수명향상을 도모할 수 있도록 이루어진 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

또한, 외측조립체는, 자기부상할 수 있도록 구성되어, 베어링에 가해지는 압력을 줄여주고, 바람의 속도가 크면 자체적으로 제너레이터 역할이 가능해서, 한계치 이상의 바람에도 출력을 배가할 수 있도록 이루어진 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

또한, 풍력발전기 유닛을 연결하여 높이 적층한 경우에, 유닛을 교체하기에 용이하도록 설계하고, 유닛 사이 공간을 주어, 작업효율에도 유리한 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

또한, 좁은 장소에 집약적으로 세울 수 있어, 50MW 이상 출력도 가능하고, 측방에서 유입된 유입풍을 압축하여 압축풍 상태로 발전용 블레이드에 공급하고, 사용된 압축풍은 상향 회오리바람 형태로 상방으로 빠져나가도록 함으로써 수직적층시 공기흐름이 원활하게 설계된 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

또한, 바람이 강해도 안전한 구조로 전기에너지를 출력할 수 있는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체가 제공된다.

도 1은, 본 발명의 일실시예에 의한 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체의 측면도이다.
도 2는, 동 평면도이다.
도 3은, 도 2의 원 부분 A의 부분확대도이다.
도 4는, 동 작용효과의 설명도이다.
도 5는, 동 사시도이다.
도 6은, 도 5의 블레이드 부분의 사시도이다.
도 7은, 동 적층 설치도이다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체에 대해 상세히 설명한다. 다만, 동일구성에 의해 동일기능을 가지는 부재에 대해서는, 도면이 달라지더라도 동일부호를 유지함으로써, 그 상세한 설명을 생략하는 경우가 있다.

또한, 어떤 부재의 전후, 좌우, 상하에 다른 부재가 배치되거나 연결되는 관계는, 그 중간에 별도 부재가 삽입되는 경우를 포함한다. 반대로, 어떤 부재가 다른 부재의 '바로' 전후, 좌우, 상하에 있다고 할 때에는, 중간에 별도 부재가 없는 것을 뜻한다. 그리고 어떤 부분이 다른 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

그리고 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은, 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 '유닛', '수단', '부', '부재' 등의 용어는, 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

그리고 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께는, 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 층 및 영역 등의 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께 등은 과장하여 확대 또는 축소하여 나타낸 경우가 있다.

<기본구성>

본 발명의 풍차 조립체(100)는, 수직축 풍력발전기에 이용되는 풍차를 형성하는 조립체로서, 특히 풍차에 수직방향의 회오리바람인 수직형 회오리를 형성시키는 점이 특징이다. 본 발명의 풍차 조립체(100)는, 수직축 풍력발전기에 유입되는 유입풍(a)에 의해 상기 수직축 풍력발전기의 메인 제너레이터(미도시)에 회전력을 부여한다.

상기 풍차 조립체(100)는, 내측회전체(2)와, 외측회전체(5)를 포함하여 이루어진다.

상기 내측회전체(2)는, 메인 제너레이터(미도시)에 연결된 상기 회전축(6)을 회전시키도록 설치되는 회전체이다. 상기 메인 제너레이터와 상기 회전축(6)의 연결은, 착탈 가능한 연결이 됨이 바람직하다. 바람에 의해 상기 내측회전체(2)가 회전되면, 상기 회전축(6)이 회전되어, 상기 메인 제너레이터에 의해 전기에너지가 생산된다.

후술하는 바와 같이, 상기 풍차 조립체(100)는, 도 7에 예시된 바와 같이, 상하방향 및 좌우방향으로 적층 연결 가능한데, 상하방향 연결시에 위 아래 풍차 조립체(100)끼리는, 기둥(13) 및 공기흐름용 기로의 연결이 이루어진다. 이때, 상하 적층된 풍차 조립체(100)에 적어도 하나의 메인 제너레이터(미도시)가 연결되어야 한다. 각 풍차 조립체(100)를 독립적으로 설치하는 경우에는, 각 풍차 조립체(100)의 하측 공간부마다 메인 제너레이터가 배치되어 상기 회전축(6)과 연결되도록 구성될 수도 있다. 또는, 일부 또는 전부의 풍차 조립체(100)끼리의 회전축(6)을 연결하고, 그 연결된 최하측 풍차 조립체(100)의 하측 공간부에 하나의 메인 제너레이터가 배치되어 상기 연결된 회전축(6)과 연결되도록 구성될 수도 있다.

상기 외측회전체(5)는, 상기 내측회전체(2)와 동심으로 상기 내측회전체(2)의 방사방향 외측에 설치되는 회전체이다. 상기 외측회전체(5)의 회전축(6)측 공간은 비어 있어서, 이 공간에 상기 내측회전체(2)가 배치된다. 상기 외측회전체(5)는, 상기 내측회전체(2)에 연결되어 있지 않아, 상기 내측회전체의 회전과 상관없이 독립적으로 회전된다.

여기서, 상기 내측회전체(2)에는, 다수의 내측회전 블레이드(2a)가 구비된다. 상기 내측회전 블레이드(2a)는, 상기 회전축(6)을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치된다.

또한, 상기 외측회전체(5)에는, 다수의 외측회전 블레이드(5a, 5b)가 구비된다. 상기 외측회전 블레이드(5a, 5b)는, 상기 내측회전체(2)와 기계적으로 연결되지 않고, 독립적으로 회전하면서, 상기 회전축(6)을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치된다. 일례로서, 상기 외측회전 블레이드(5a, 5b)는, 예컨대 상기 수직축 풍력발전기의 프레임을 이루는 연결부재(4)에 설치된 베어링(11)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 다른 예로서, 상기 외측회전 블레이드(5a, 5b)는, 예컨대 상기 회전축(6)에 설치된 별도의 베어링(미도시)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다.

특히, 각 상기 외측회전 블레이드(5a, 5b)는, 바깥 블레이드(5a)와 안쪽 블레이드(5b)로 이루어진다. 이들 바깥 블레이드(5a)와 안쪽 블레이드(5b)는, 서로 마주보도록 배치된 사보니우스 타입 구조로 이루어지되, 서로 사이가 이격되도록, 즉 공기가 유통 가능하도록 짝을 이룬 구조(도 2, 3, 6 참조)로 이루어진다.

상기 구조에 따라, 상기 외측회전체(5)는, 상기 유입풍(a)에 의해 상기 내측회전체(2)의 회전과 상관없이 자전한다. 그리고 상기 유입풍(a)이 회전축(6) 방향으로 가이드되면서 단면적 축소에 따라 공기밀도가 상승된 압축풍(b, c)이 된다. 상기 압축풍(b, c)은, 상기 내측회전체(2) 측으로 밀어넣어진다.

이로써, 압축풍(b, c)에 의해 내측회전체(2)의 발전능력이 향상된다. 특히, 외측회전체(5)가 회전되므로, 풍차 조립체(100)의 전방의 유입측의 유입풍 뿐아니라, 측방이나 후방으로 빠져나가던 바람도 다시 내측회전체(2) 쪽으로 가이드하게 되는 효과가 있다. 따라서, 외측회전체(5)를 방사방향으로 빠져나가는 바람이 저감되고, 내측회전체(2)에 바람이 집중되게 된다. 이렇게 내측회전체에 들어간 바람은, 압축풍이므로 바람의 질과 양이 개선된 것이다. 그리고 내측회전체(2)에서 이용된 압축풍은, 상하방향의 공기 기로를 통해 상측으로 배출된다.

<상향 회오리바람을 위한 가이드벤>

상기 풍차 구조체(100)에는, 상기 내측회전체(2)와 외측회전체(5) 사이에 설치되는 가이드벤(1)이 더 구비되도록 구성됨이 바람직하다. 상기 가이드벤(1)은, 상기 압축풍(b, c)이 통과되면서 상기 내측회전체(2)의 수용공간에 상향 회오리바람(도 4 (c) 참조)을 생성하도록 형성된다.

이를 위해, 각 상기 내측회전 블레이드(2a)는, 도 4 (b) 및 도 6과 같이, 상기 회전축(6)을 중심으로 비틀리도록 형성(수직 비틀림각 β)된 트위스티드 블레이드로 이루어지거나, 프로펠러식 블레이드(미도시)로 이루어짐이 바람직하다. 또한, 도 2, 3, 4 (a)와 같이, 수평 비틀림각 α을 가지도록 이루어져도 좋다.

이로써, 상기 내측회전체(2)가 상기 상향 회오리바람에 의해, 또는 상승기류로 인해 상측으로 밀리는 작용을 받아, 상기 내측회전체(2)의 무게가 가볍게 되면서 회전하므로, 마찰저항은 줄고, 발전기에 연결된 출력이 증대되도록 이루어진다.

<연결 적층구조>

여기서, 하나의 상기 풍차 조립체(100)를 셀(Cell)로 하여, 다수의 상기 풍차 조립체(100)를 상방으로 적층 결합함으로써, 대규모의 발전집합체가 형성(도 7 참조)될 수 있다.

이때, 각 상기 셀의 각 상기 내측회전체(2)의 수용공간의 상하 양단은 기로로 연결되어, 각 상기 셀은, 상기 내측회전체(2)의 수용공간 내의 상향 회오리바람의 기류를 상방 배출시키도록 이루어짐이 바람직하다. 상기 기로는, 상기 풍차 조립체(100) 하측 공간부, 상기 내측회전체(2)의 수용공간, 및 그 상측에 설치된 가이드벤 연장부(7)와 에 의해 구획되는 내측공간으로 이루어질 수 있다. 상기 기로를 통과하는 기류에 의해, 상기 풍차 조립체(100) 하측 공간부에 상기 회전축(6)과 연결되도록 설치되는 메인 제너레이터(미도시)의 냉각이 이루어질 수 있다. 상기 상기 내측회전체(2)의 수용공간의 외측의 상하부는, 원반(3)에 의해 밀폐되어 있으므로, 공기의 기로에 포함되지 않는다.

참고로, 상기 회전축(6)은, 유니버설 조인트(15)와 슬림아웃 구조물(16)을 이용하여 연결되도록 함으로써, 분리와 결합이 용이해지도록 할 수 있다. 그리고 상기 기로 내부의 회전축(6) 부분의 윤활유 보호 및 회전구조물 보호를 위해, 연결부위 덮개(8)가 구비됨이 바람직하다.

또한, 상기 풍차 조립체(100)의 프레임을 이루는 기둥(13)에는 기둥 연결부(12)가 구비되어 있어서, 분리와 결합이 용이해지도록 할 수 있다. 기둥(13)에는, 측방 연결수단(미도시)도 구비됨이 바람직하다.

이로써, 상방으로 다수의 풍차 조립체(100)를 적층했을 때 회전축(6)이 직렬연결되어 회전력은 집중되고, 압축풍은 상기 내측회전체(2)의 회전에 기여한 후, 기로를 따라 상향 회오리바람 형태로 상방으로 빠져나가면서 상기 내측회전체(2)의 무게를 저감시킨다.

<설치위치에 따른 내측회전체의 회전방향>

상기 내측회전 블레이드(2a)의 만곡방향은, 북반구에서는 상기 내측회전체(2)의 회전방향이 시계방향(도 2, 도 4 참조)이 되도록 결정되고, 남반구에서는 상기 내측회전체(2)의 회전방향이 반시계방향(미도시)이 되도록 결정됨이 바람직하다.

이로써, 코리올리 효과에 따른 전향력(코리올리의 힘) 등의 자연현상의 흐름에 정합하는 회전을 제공하여, 보다 원활한 회전이 이루어지는 구조가 얻어진다.

<내측회전체 무게의 지지구조>

상기 풍차 구조체에는, 스프링과, 제1 베어링과, 제2 베어링으로 이루어지는 볼베어링판(14)이 더 구비(도 1 참조)된다.

상기 스프링은, 상기 회전축(6)의 상측에 감기도록 설치된다. 이는, 탄성력에 의해 길이방향으로 힘을 가하는 압축스프링이다.

상기 제1 베어링은, 상기 회전축(6)과 상기 스프링 사이의 상대회전이 가능하도록, 상기 회전축(6)의 상측에 설치된다.

제2 베어링은, 상기 연결부재(4)와 상기 스프링 사이의 상대회전이 가능하도록, 상기 회전축(6)을 비접촉 관통시키면서 상기 연결부재(4)에 설치된다.

이 구조에 의해, 상기 내측회전체(2)가 구비된 상기 회전축(6)은, 상기 볼베어링판(14)에 의해 회전 지지되도록 이루어짐이 바람직하다. 즉, 상기 내측회전체(2)와 상기 회전축(6)의 무게는, 상기 볼베어링판(14)에 의해 지지되고, 상기 스프링에 의해 탄성적으로 하방으로 매달린 구조가 된다.

이처럼, 스프링 구조를 두 베어링 사이에 배치하여, 상기 내측회전체(2)와 상기 회전축(6)의 무게를 독립적으로 매달아 지지하도록 함으로써, 회전저항을 극히 저감시킬 수 있고, 도 7과 같은 상기 풍차 조립체(100)의 적층 배치시에도 어느 하나의 풍차 조립체(100)의 상기 내측회전체(2)와 상기 회전축(6)의 무게가 다른 풍차 조립체(100)에 전가되지 않으므로, 다수의 풍차 조립체(100) 사이에서 무게 분산이 이루어지고 독립 현가가 이루어지게 된다.

<외측회전 블레이드의 구체적 구성 예>

상기 바깥 블레이드(5a)의 만곡방향은, 상기 내측회전 블레이드(2a)의 만곡방향과 동일 방향이 되도록 이루어짐이 바람직하다. 이로써, 상기 외측회전 블레이드의 바깥 블레이드(5a)가 상기 내측회전 블레이드(2a)와 동일 방향으로 회전된다.

또한, 상기 바깥 블레이드(5a)와 상기 안쪽 블레이드(5b)의 길이의 비는, 5:3이 되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 바깥 블레이드(5a)가 상기 안쪽 블레이드(5b)보다 살짝 길게 형성되는 것이 바람직하다. 이로써, 상기 바깥 블레이드(5a)의 만곡에 따라서 상기 외측회전 블레이드 전체의 회전방향이 결정되게 될 수 있다.

또한, 상기 바깥 블레이드(5a)와 상기 안쪽 블레이드(5b)는, 서로 1/8 중첩되도록 방사방향으로 배치됨이 바람직하다. 즉, 방사방향에 있어서 서로 살짝 겹치게 되는 것이다. 중첩부가 너무 크면, 회전에 지장이 발생되고, 중첩부가 너무 작으면, 공기 압축 효과에 지장이 발생된다. 적절한 크기의 중첩부가 설정되고 이 중첩부에서 이격된 구조가 됨으로써, 중첩부에서 이격된 압축용 사보니우스 구조가 형성된다.

상기 바깥 블레이드(5a)와 상기 안쪽 블레이드(5b)의 상하단은, 원반(3)에 의해 밀폐되어 있다. 따라서, 유입풍은 상하측으로 유출되지 못하고, 회전축(6) 방향, 즉 내측방향으로 진행된다.

이로써, 유입풍(a)을 중첩 및 이격된 사보니우스 구조로 진동 저감하면서 압축하여 압축풍(b, c) 형태로 내측회전체 쪽으로 밀어넣는 효과가 있다. 여기서, 이격구조는 진동저감 및 소음저감 효과를 나타낸다.

<가이드벤의 구체적 구성 예>

상기 가이드벤(1)은, 수평 비틀림각(α) 및 수직 비틀림각(β)을 갖도록 수직방향으로 뻗은 다수의 루버(1a)를 가지는 그리드 타입(도 2~4, 6 참조)으로 이루어짐이 바람직하다. 상기 수평 비틀림각(α)에 의해, 원주방향으로 회전하는 회오리바람이 형성된다. 상기 수직 비틀림각(β, 설계에 따라 플러스 또는 마이너스 방향 기울기로 형성됨)에 의해, 상향으로 상승하는 바람이 형성된다.

따라서, 압축풍(b, c)을 내측회전체(2)의 수용공간에 유입시키면서 상향 회오리바람을 발생시킨다.

<외경의 비>

상기 내측회전체(2)와 상기 외측회전체(5)의 외경의 비는, 1:2로 이루어짐이 바람직하다. 이들은 동심 배치되고, 상기 외측회전체(5)의 중심부 빈 공간에 상기 내측회전체가 배치되므로, 상기 외측회전체(5)를 이루는 외측회전 블레이드(5a, 5b)의 방사방향 길이와 상기 내측회전체(2)를 이루는 내측회전 블레이드(2a)의 방사방향 길이가 서로 동일한 것이 바람직하다는 의미이다.

만일 외측회전 블레이드(5a, 5b)의 길이가 상기 내측회전 블레이드(2a)의 길이보다 지나치게 길면, 발전에 기여하는 회전력의 증가가 미흡해지고, 반대로, 외측회전 블레이드(5a, 5b)의 길이가 상기 내측회전 블레이드(2a)의 길이보다 지나치게 짧으면, 압축풍(b, c)의 생성이 미흡해져서 발전능력의 향상에 지장이 발생된다.

<자기부상>

상기 외측회전체(5)의 하단과 상기 하단에 대면하는 상기 연결부재(4) 사이에는, 척력에 의한 자기부상력이 발생되도록 자석(9)이 구비됨이 바람직하다. 여기서 상기 자석(9)은, 어느 일방이 영구자석이어도 좋고 코일이어도 좋다.

이로써, 상기 외측회전체(5)가 상방으로 부상되므로, 상기 외측회전체(5)를 회전 가능하게 지지하는 연결부재(4) 상의 베어링(11) 또는 회전축(6) 상의 베어링(미도시)의 부하를 감소시킨다.

<보조 제너레이터>

상기 외측회전체(5)의 하단과 상기 하단에 대면하는 상기 연결부재(4) 사이에는, 이들 간의 상대운동에 의해 전기에너지를 발생시키도록 제너레이터(10)가 설치됨이 바람직하다. 상기 제너레이터(10)는, 상대운동 부재의 적어도 일측이 코일로 이루어진다.

예컨대, 태풍 등으로 인해 과다 유입풍(a)이 유입된 경우에, 이 유입풍(a)에 의해 과다 압축풍(b, c)이 발생될 수 있다. 이러한 과다 압축풍(b, c)은, 내측회전체(2)에 연결되어 있는 메인 제너레이터의 발전용량을 초과할 수 있으므로, 버려지는 에너지가 된다.

한편, 과다 압축풍(b, c)에 의한 과다 회전으로 인해 내측회전체(2)의 메인 제너레이터의 출력한계 초과 및 소손의 우려가 있고, 나아가 외측회전체(5), 내측회전체(2) 및 메인 제너레이터 등의 파손의 원인이 될 수 있다.

본 발명에 의하면, 과다 유입풍(a)에 의한 외측회전체(5)의 과다 회전시에, 보조 제너레이터(10)에 의해 발전이 이루어지도록 되어 있다. 이 발전에 의한 회전저항이 발생되어, 상기 외측회전체(5)의 회전속도가 저감될 수 있다. 따라서, 외측회전체(5)의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 외측회전체(5)의 회전저감에 따라 압축풍(b, c)의 둘레방향 유입이 저감되므로, 내측회전체(2)의 회전이 저감되어, 내측회전체(2)의 파손이 방지되고, 메인 제너레이터의 출력한계 초과나 소손의 우려가 저감된다.

또한, 내측회전체(2) 및 외측회전체(5) 양방으로부터 동시에 전기에너지가 생산되게 되어, 발전능력이 향상된다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명했지만, 본 발명은, 상기 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면의 범위 안에서 서로 다른 다양한 형태로 변형하여 구현 실시될 수 있고, 균등한 타 실시예가 가능하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자에게 당연하며, 단지 실시예들은, 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.

본 발명은, 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체의 산업에 이용될 수 있다.

1: 가이드벤
1a: 루버
2: 내측회전체
2a: 내측회전 블레이드
3: 원반
4: 연결부재
5: 외측회전체
5a: 바깥 블레이드
5b: 안쪽 블레이드
6: 회전축
7: 가이드벤 연장부
8: 연결부위 덮개
9: 자석
10: 제너레이터
11: 베어링
12: 가동 연결부
13: 기둥
14: 볼베어링판
15: 유니버설 조인트
16: 슬림아웃 구조물
100: 풍차 조립체
a, a1, a2: 유입풍
b, b1, b2: 압축풍(가이드벤 외측)
c, c1, c2: 압축풍(가이드벤 내측)
α: 수평 비틀림각
β: 수직 비틀림각

Claims (10)

1. 수직축 풍력발전기에 유입되는 유입풍에 의해 상기 수직축 풍력발전기의 메인 제너레이터에 회전력을 부여하는 풍차 조립체로서,
   상기 수직축 풍력발전기의 회전축을 회전시키도록 설치되는 내측회전체와,
   상기 내측회전체와 동심으로 상기 내측회전체의 방사방향 외측에 설치되는 외측회전체
   를 포함하여 이루어지고,
   상기 내측회전체의 다수의 내측회전 블레이드는, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치되고,
   상기 외측회전체의 다수의 외측회전 블레이드는, 상기 외측회전체가 상기 내측회전체와 연결되지 않고 독립적으로 상기 회전축을 중심으로 자전함에 따라, 상기 회전축에 대해 공전되면서, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 뻗도록 배치되고,
   각 상기 외측회전 블레이드를 이루는 바깥 블레이드와 안쪽 블레이드는, 서로 마주보도록 배치된 사보니우스 타입 구조로서, 방사방향으로 서로 중첩되도록 배치되고, 중첩부에서 서로 사이가 이격되어, 상기 중첩부를 통해 공기 유통이 가능한 구조가 되도록 짝을 이룬 구조로 이루어지고,
   상기 외측회전체가 상기 유입풍에 의해 자전하면서, 상기 바깥 블레이드와 안쪽 블레이드의 짝이 상기 회전축을 중심으로 공전함에 따라, 상기 유입풍이, 상기 바깥 블레이드의 오목면을 타고 이격된 상기 중첩부를 거쳐 방향이 바뀌어 안쪽 블레이드의 오목면을 타고 상기 회전축 방향으로 가이드되면서, 단면적 축소에 따라 공기밀도가 상승된 압축풍이 되어 상기 내측회전체 측으로 밀어넣도록, 상기 외측회전체 및 상기 바깥 블레이드와 안쪽 블레이드의 짝이 이루어짐
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 내측회전체와 외측회전체 사이에 설치되는 가이드벤이 더 구비되고,
   상기 가이드벤은, 상기 압축풍이 통과되면서 상기 내측회전체의 수용공간에 상향 회오리바람을 생성하도록 형성되고,
   각 상기 내측회전 블레이드는, 상기 회전축을 중심으로 비틀리도록 형성된 트위스티드 블레이드로 이루어지거나, 프로펠러식 블레이드로 이루어짐
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   하나의 상기 풍차 조립체를 셀(Cell)로 하여, 다수의 상기 풍차 조립체를 상방으로 적층 결합함으로써, 대규모의 발전집합체가 형성되고,
   각 상기 셀의 각 상기 내측회전체의 수용공간의 상하 양단은 기로로 연결되어, 각 상기 셀은, 상기 내측회전체의 수용공간 내의 상향 회오리바람의 기류를 상방 배출시키도록 이루어짐
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 내측회전 블레이드의 만곡방향은, 북반구에서는 상기 내측회전체의 회전방향이 시계방향이 되도록 결정되고, 남반구에서는 상기 내측회전체의 회전방향이 반시계방향이 되도록 결정됨
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 회전축의 상측에 감기도록 설치된 스프링과,
   상기 회전축과 상기 스프링 사이의 상대회전이 가능하도록, 상기 회전축의 상측에 설치된 제1 베어링과,
   상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 연결부재와 상기 스프링 사이의 상대회전이 가능하도록, 상기 회전축을 관통시키면서 상기 연결부재에 설치된 제2 베어링
   으로 이루어지는 볼베어링판이 더 구비되고,
   상기 내측회전체가 구비된 상기 회전축은, 상기 볼베어링판에 의해 회전 지지되도록 이루어짐
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 바깥 블레이드의 만곡방향은, 상기 내측회전 블레이드의 만곡방향과 동일 방향이고,
   상기 바깥 블레이드와 상기 안쪽 블레이드의 길이의 비는, 5:3이며,
   상기 바깥 블레이드와 상기 안쪽 블레이드는, 서로 1/8 중첩되도록 방사방향으로 배치되고,
   상기 바깥 블레이드와 상기 안쪽 블레이드의 상하단은, 원반에 의해 밀폐됨
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 가이드벤은, 수평 비틀림각 및 수직 비틀림각을 갖도록 수직방향으로 뻗은 다수의 루버를 가지는 그리드 타입으로 이루어짐
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 내측회전체와 상기 외측회전체의 외경의 비는, 1:2로 이루어짐
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
9. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 외측회전체의 하단과 상기 하단에 대면하는 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 연결부재 사이에는, 척력에 의한 자기부상력이 발생되도록 자석이 구비됨
   을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 외측회전체의 하단과 상기 하단에 대면하는 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 연결부재 사이에는, 상대운동에 의해 전기에너지를 발생시키도록 제너레이터가 설치됨
    을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 수직형 회오리 풍차 조립체.

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