KR102505871B1 - 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템 - Google Patents

이중날개 수직형 풍력발전기 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중의 날개를 기반으로 하는 수직형 풍력발전기 시스템에 있어서: 베이스(12) 상에 한 쌍의 수직날개(15)를 대향하도록 지지하는 본체(10); 상기 수직날개(15)에 순방향 회전력을 인가하도록 본체(10) 상에 다수의 베인을 구비하는 유도부재(20); 상기 수직날개(15)의 역방향 회전력을 축소하도록 본체(10) 상에서 공기의 압력을 낮추는 배기부재(30); 및 상기 수직날개(15)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전부재(40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 지면에 수직을 이루는 한 쌍의 회전축을 기반으로 전력을 생성함에 저항 축소와 집풍 강화를 통하여 발전효율을 향상하므로 수직형 풍력발전기의 장점과 더불어 그 활용성을 증대하는 효과가 있다.

Description

이중날개 수직형 풍력발전기 시스템 {Wind power generation system with twin vertical blades}
본 발명은 풍력발전기 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 지면에 대하여 수직을 이루는 한 쌍의 회전축을 기반으로 전력을 생성하는 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템에 관한 것이다.
신재생 에너지의 일종인 풍력발전은 바람의 운동 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 청정 에너지 시스템이다. 이는 수평형 발전 방식과 수직형 발전 방식으로 구분되며, 일반적으로 전자의 효율(30% 정도)이 후자의 효율(20% 정도)보다 높다. 그 이유는 바람의 방향에 대하여 순방향 회전과 역방향 회전이 동시에 진행되면서 역방향 회전에 따른 저항이 크게 작용하기 때문이다. 반면 수직형 발전 방식은 바람의 방향에 관계없이 운전이 가능하고 구조적으로 유지관리가 용이한 장점도 갖는다.
이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제2273393호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1508304호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.
선행문헌 1은 지면에 대하여 수직으로 배치되고, 내부에 바람이 통과 가능한 유로가 마련되는 하우징을 포함하고, 하우징은 바람에 의해 원주방향을 따라 회전하면서 풍향을 스스로 추종하여, 항상 유로의 입구를 바람이 불어오는 정방향을 향하도록 배치된다. 이에, 풍향의 변화가 잦거나 풍속이 느린 환경에서 안정적으로 전력을 생산하는 효과를 기대한다.
선행문헌 2는 가이드유닛의 후연 양측에 각각 설치되는 제1회전축 및 제2회전축과, 제1회전축에 결합되며 일측 바람에 의해 회전하는 제1풍차와, 제2회전축에 결합되며 타측 바람에 의해 회전모멘트를 발생시키되 제1풍차와 반대로 회전하는 제2풍차 등을 포함한다. 이에, 바람의 흐름을 2방향으로 유도하여 규모를 줄이고 발전효율을 높이는 효과를 기대한다.
다만 상기한 선행문헌에 의하면 저항 축소와 집풍 강화를 통한 발전효율 향상의 여지를 보이고 있다.
한국 등록특허공보 제2273393호 "풍향을 스스로 추종하는 수직형 풍력발전장치" (공개일자 : 2021.07.07.) 한국 등록특허공보 제1508304호 "수직형 풍력발전기" (공개일자 : 2014.06.10.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 지면에 대하여 수직을 이루는 한 쌍의 회전축을 기반으로 전력을 생성함에 저항 축소와 집풍 강화를 통하여 발전효율의 향상을 도모할 수 있는 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이중의 날개를 기반으로 하는 수직형 풍력발전기 시스템에 있어서: 베이스 상에 한 쌍의 수직날개를 대향하도록 지지하는 본체; 상기 수직날개에 순방향 회전력을 인가하도록 본체 상에 다수의 베인을 구비하는 유도부재; 상기 수직날개의 역방향 회전력을 축소하도록 본체 상에서 공기의 압력을 낮추는 배기부재; 및 상기 수직날개의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 유도부재는 전방베인과 후방베인의 연계로 풍향의 신속한 추종을 유도하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 변형예로서, 상기 유도부재는 전방베인의 적어도 일부 영역에 기류의 단속을 위한 가동플랩을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 배기부재는 전방베인의 적어도 일부 영역에 배기덕트와 배기팬을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 발전부재는 한 쌍의 수직날개를 동심으로 배치되는 내부축과 외부축에 각각 연결하고, 내부축과 외부축의 반대 방향 회전에 연동하는 양회전발전기로 전력을 생성하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 지면에 수직을 이루는 한 쌍의 회전축을 기반으로 전력을 생성함에 저항 축소와 집풍 강화를 통하여 발전효율을 향상하므로 수직형 풍력발전기의 장점과 더불어 그 활용성을 증대하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 전체적으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 시스템의 유도부재를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 유도부재의 변형예를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 시스템의 배기부재를 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 발전부재를 나타내는 모식도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 이중의 날개를 기반으로 하는 수직형 풍력발전기 시스템에 관하여 제안한다. 지면에 수직을 이루는 한 쌍의 회전축으로 전력을 생성하는 풍력발전기 시스템을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 저소음 특성을 지닌 수직형 풍력발전기의 단점인 발전효율 개선을 요체로 한다.
본 발명에 따른 본체(10)는 베이스(12) 상에 한 쌍의 수직날개(15)를 대향하도록 지지하는 구조를 이루고 있다.
도 1을 참조하면, 본체(10)를 구성하는 포스트(11), 베이스(12), 회전축(13), 수직날개(15) 등이 나타난다. 포스트(11)는 풍력발전기 시스템을 지면에 고정하기 위한 구조를 지닌다. 베이스(12)는 포스트(11) 상에서 고정되어 풍력발전기 시스템을 전체적으로 지지한다. 한 쌍의 수직날개(15)는 각각의 회전축(13)을 개재하여 베이스(12)에 회전 가능하게 지지된다. 수직날개(15)는 동형의 블레이드를 갖추고 인접하게 대향하도록 배치된다.
또한, 본 발명에 따르면 유도부재(20)가 상기 수직날개(15)에 순방향 회전력을 인가하도록 본체(10) 상에 다수의 베인을 구비하는 구조를 이루고 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 유도부재(20)가 수직날개(15)의 순방향 회전을 유도하도록 집풍한다. 베이스(12)에 지지되는 다수의 베인을 이용하여 수직날개(15)의 블레이드에서 출력을 증대하는 받음각으로 순방향의 기류를 형성한다. 유도부재(20)는 베이스(12)에서 포스트(11)까지 확대 적용이 가능하다. 풍력발전기 시스템이 설치되는 환경에 따라 베인의 형태와 수량은 차등화된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 유도부재(20)는 전방베인(21)과 후방베인(23)의 연계로 풍향의 신속한 추종을 유도하는 것을 특징으로 한다.
도 2에서, 유도부재(20)를 구성하는 전방베인(21), 후방베인(23) 등이 나타난다. 이중의 날개를 기반으로 하는 수직형 풍력발전기에서 베인을 이용한 풍향의 추종이 수반되는 것이 좋다. 전방베인(21)은 대향하는 수직날개(15)의 전방으로 배치되며, 대략 일측 수직날개(15)의 중심과 타측 수직날개(15)의 중심에 걸친다. 전방베인(21)은 대향하는 수직날개(15)의 중앙에서 역방향 기류를 차단하고 가장자리로 분산시킨다. 후방베인(23)은 대향하는 수직날개(15)의 후방으로 배치되며, 대략 전방베인(21)보다 작은 폭으로 꼬리날개의 형태와 기능을 갖춘다. 후방베인(23)은 전방베인(21)과 연계하여 수직날개(15)를 바람의 방향으로 전환한다.
한편, 유도부재(20)는 전방베인(21)의 양측으로 집풍을 위한 측방베인(22)을 더 구비할 수도 있다. 양측 측방베인(22)의 거리는 대향하는 수직날개(15)의 폭과 유사하게 유지한다. 전방베인(21)과 측방베인(22)의 상류단은 유사한 곡률반경의 곡면으로 형성하는 것이 좋다.
본 발명의 변형예로서, 상기 유도부재(20)는 전방베인(21)의 적어도 일부 영역에 기류의 단속을 위한 가동플랩(25)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 3을 참조하면, 유도부재(20)를 구성하는 가동플랩(25), 플랩구동부(27) 등이 나타난다. 가동플랩(25)은 전방베인(21)과 별도로 구성될 수도 있고 병합될 수도 있다. 가동플랩(25)은 일측 수직날개(15)와 타측 수직날개(15)를 향하여 접근 또는 이격 가능한 구조를 갖춘다. 플랩구동부(27)는 모터를 기반으로 구성되어 가동플랩(25)의 슬라이딩 모션을 유발하도록 연결된다. 이에 풍속이 제1기준치(예컨대 12m/s)에 이르면 유로단면적을 줄이고 제2기준치(예컨대 25m/s)에 이르면 기류를 완전하게 차단하여 시스템을 보호한다.
또한, 본 발명에 따르면 배기부재(30)가 상기 수직날개(15)의 역방향 회전력을 축소하도록 본체(10) 상에서 공기의 압력을 낮추는 구조이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 배기부재(30)가 전방베인(21)의 영역에 설치된 상태를 나타낸다. 이중의 날개 기반의 수직형 풍력발전기에서 대향하는 수직날개(15)의 전방 중앙의 영역에서 공기의 압력이 증가함에 따라 역방향 회전력에 의한 저항을 유발한다. 수직날개(15)를 구성하는 각각의 블레이드에 의한 반류(wake)가 블레이드의 회전영역에 머물면 역방향 회전력에 의하여 소모동력을 증대시킨다. 배기부재(30)는 공기의 압력 증가로 역방향 회전력을 발생하지 않는 방향으로 기류를 형성한다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 배기부재(30)는 전방베인(21)의 적어도 일부 영역에 배기덕트(31)와 배기팬(35)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1, 도 2, 도 4에서, 배기부재(30)를 구성하는 배기덕트(31), 통기구(33), 배기팬(35), 배기구동부(37) 등이 나타난다. 배기덕트(31)는 전방베인(21)과 별도로 구성될 수도 있고 병합될 수도 있다. 배기덕트(31)는 수직날개(15)와 대향하는 면에 다수의 통기구(33)를 구비한다. 배기팬(35)은 배기덕트(31)의 상측과 하측으로 분산하여 설치할 수 있다. 배기구동부(37)는 별도의 모터를 기반으로 구성할 수도 있고 일측의 수직날개(15)에 동기적 회전을 유발하도록 연결할 수도 있다. 어느 경우에나 대향하는 수직날개(15)의 중앙의 공기를 배기팬(35)에 의해 배기덕트(31)의 상단 그리고/또는 하단으로 배출하여 고압 상태를 해소한다.
또한, 본 발명에 따르면 발전부재(40)가 상기 수직날개(15)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 구조를 이루고 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 발전부재(40)가 유도부재(20) 및 배기부재(30)의 하측으로 설치되는 상태를 나타낸다. 일측 수직날개(15)와 타측 수직날개(15)가 상호 반대 방향으로 회전하므로 별도의 발전기와 더불어 증속용 기어박스도 필요하므로 시스템이 복잡화될 수 있다. 2개의 회전축(13)에 하나의 발전기를 연결하는 경우 전동기어를 개재함에 따른 발전효율 감소도 유발된다.
본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 발전부재(40)는 한 쌍의 수직날개(15)를 동심으로 배치되는 내부축(41)과 외부축(42)에 각각 연결하고, 내부축(41)과 외부축(42)의 반대 방향 회전에 연동하는 양회전발전기(45)로 전력을 생성하는 것을 특징으로 한다.
도 4 및 도 5에서, 발전부재(40)를 구성하는 내부축(41), 외부축(42), 동력전달부(43), 양회전발전기(45) 등이 나타난다. 내부축(41)은 상단에서 일측 회전축(13)에 연결되고 외부축(42)은 상단에서 타측 회전축(13)에 연결된다. 동력전달부(43)는 벨트-풀리, 체인-스프라켓 등을 적용한다. 양회전발전기(45)는 하우징(45A)의 내부에 스테이터(45B)와 로터(45C)를 수용한다. 양회전발전기(45)의 하우징(45A), 스테이터(45B), 로터(45C)는 모두 지지대(45D) 상에서 회전된다. 지지대(45D)는 본체(10)의 포스트(11) 또는 베이스(12)에 장착된다. 스테이터(45B)는 코일로 구성하고 내부축(41)의 중간에 결합된다. 로터(45C)는 마그넷으로 구성하고 하우징(45A)의 양면에 결합된다.
이에 따라, 상호 반대 방향으로 회전하는 회전축(13)에 의해 스테이터(45B)와 로터(45C)가 연동하며 발전을 수행한다. 증속용/전동용 기어박스를 배제할 수 있으므로 시스템의 단순화에 유리하다.
또한, 본 발명은 기어박스를 배제함에 따라, 동력을 기어 사이에서 전달하는 과정에서 발생하는 동력 손실을 제거함으로써, 발전 효율을 극대화할 수 있다.
한편, 발전부재(40)의 지지대(45D) 상에는 슬립링(46)과 커넥터(47)를 설치한다. 슬립링(46)은 회전하는 스테이터(45B)에 전기적으로 연결된다. 커넥터(47)는 슬립링(46)의 일단에 연결되어 외부에 전력을 전달한다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
즉, 상기의 실시 예에서는 바람의 운동 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 풍력발전기 시스템의 구성을 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 본 발명은 개천이나 강과 같이 흐르는 물의 운동 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 유수식 소형 수력발전기 시스템에 적용하거나, 조류의 운동 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 소형 조류발전기 시스템에 적용 가능하도록 변경될 수도 있다.
10: 본체 11: 포스트
12: 베이스 13: 회전축
15: 수직날개 20: 유도부재
21: 전방베인 22: 측방베인
23: 후방베인 25: 가동플랩
27: 플랩구동부 30: 배기부재
31: 배기덕트 33: 통기구
35: 배기팬 37: 배기구동부
40: 발전부재 41: 내부축
42: 외부축 43: 동력전달부
45: 양회전발전기 46: 슬립링
47: 커넥터

Claims (5)

  1. 이중의 날개를 기반으로 하는 수직형 풍력발전기 시스템에 있어서:
    베이스(12) 상에 한 쌍의 수직날개(15)를 대향하도록 지지하는 본체(10);
    상기 수직날개(15)에 순방향 회전력을 인가하도록 본체(10) 상에 다수의 베인을 구비하는 유도부재(20);
    상기 수직날개(15)의 역방향 회전력을 축소하도록 본체(10) 상에서 공기의 압력을 낮추는 배기부재(30); 및
    상기 수직날개(15)의 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전부재(40);를 포함하되,
    상기 배기부재(30)는 전방베인(21)의 적어도 일부 영역에 배기덕트(31)와 배기팬(35)을 구비하는 것을 특징으로 하는 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도부재(20)는 전방베인(21)과 후방베인(23)의 연계로 풍향의 신속한 추종을 유도하는 것을 특징으로 하는 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 유도부재(20)는 전방베인(21)의 적어도 일부 영역에 기류의 단속을 위한 가동플랩(25)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부재(40)는 한 쌍의 수직날개(15)를 동심으로 배치되는 내부축(41)과 외부축(42)에 각각 연결하고, 내부축(41)과 외부축(42)의 반대 방향 회전에 연동하는 양회전발전기(45)로 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템.
KR1020220110233A 2022-08-31 2022-08-31 이중날개 수직형 풍력발전기 시스템 KR102505871B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS60152070U (ja) * 1984-03-19 1985-10-09 三井造船株式会社 パドル型風車
JPH09242658A (ja) * 1996-03-04 1997-09-16 Mitsuo Okamoto ツイン風車式発電装置
KR101508304B1 (ko) 2012-11-30 2015-04-06 (주)자운영 수직형 풍력발전기
KR102273393B1 (ko) 2021-01-11 2021-07-07 주식회사 파미르 풍향을 스스로 추종하는 수직형 풍력발전장치

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