KR20020005556A - 통풍홈 부착 사보니우스풍차 회전날개 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축이 지면과 수직을 이루는 수직축 풍력 발전기의 회전장치로 이용 되고 있는 사보니우스(Savonius)풍차의 회전력을 높이기 위하여 통풍홈 장치를 부착한 회전날개의 형상에 관한 것으로, 회전축을 중심으로 양쪽에 있는 회전날개의 항력의 차이를 최대한 크게해 높은 회전력을 얻도록 한 것이다.

사보니우스풍차의 회전날개는 드럼통이나 파이프와 같은 형상을 길이 방향으로 절단하여 회전축을 중심으로 형상이 서로 반대로 되도록 결합하여 양 회전날개의 항력의 차이로 회전력을 얻도록 되어있는데, 이러한 사보니우스 풍차의 회전날개에 대표도에서와 같이 회전날개 중앙에 바람이 통과하도록 경사진 통풍홈을 만들어 양날개의 항력차이를 보다 더욱 증가시키고, 또한 회전시 통풍홈을 통해 공기가 흘러 들어가게 하므로 공기의 흐름을 원활히 하여 회전방향 반대쪽에 발생하는 와류(소용돌이)현상과 순간 진공현상을 제거하므로 회전저항을 감소시켜 회전토르크를 더욱 증가시키도록 하였다. 축방향으로 아랫부분에 서로 직교하는 회전날개와 90°간격으로 교대로 최대항력을 받도록 하므로 회전운동이 원활히 이루어지도록 하였으며, 회전축을 따라 수직방향으로 여러 층의 회전날개를 계속 연결하여 회전토르크를 계속 증가시킬 수 있도록 하고 구성재료는 무게대비 강도가 높은 재질을 사용하여, 수직축 풍력발전기의 고효율 회전장치로 이용할 수 있는 "통풍홈 부착 사보니우스풍차 회전날개"에 관한 것이다.

Description

통풍홈 부착 사보니우스풍차 회전날개{Savonius Windmill Blade with Air-Vent Groove}

본 발명은 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력기인 사보니우스풍차의 회전날개에 통풍홈을 만들어 회전토르크를 최대화하여 풍력발전기에 널리 이용할 수 있도록 고안한 사보니우스풍차 회전날개의 통풍홈 장치에 관한 것이다.

종래의 풍력을 이용한 풍력발전기는 수평축 풍차 방식과 수직축 풍차 방식이 있는데 이들은 각각 장단점이 있다. 수평형인 프로펠러 풍차는 공기 역학적으로 바람의 양력(Lift Force)을 이용한 방식으로 발전 효율은 높으나 바람이 부는 방향에 따라 회전날개의 방향을 바꾸어 주어야 하는 장치와 바람의 세기에 따라 회전날개의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하며 대용량의 경우 강한 바람에 기구의 파손위험이 있으므로 크기에 제한을 받고 있지만 현재 실용화되고 있는 풍력발전기는 대부분 이 방식을 쓰고 있다. 그리고 수직형의 대표적인 다리우스풍차도 공기역학적으로 바람의 양력(Lift Force)을 이용한 방식으로 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조 동력장치가 필요하며 수평형보다 효율이 떨어지므로 실용화가 활발히 이루어지지 않고 있다. 또한 수직형의 사보니우스풍차는 공기역학적으로 항력(Drag Force)을 이용한 방식으로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받음으로 주로 회전수가 낮은 풍력동력기로 활용되고 있으며 변속기로 회전수를 높이는데 한계가 있으므로 소형 풍력발전기에만 일부 적용되고 있다

회전속도가 바람의 속도보다 높을 수 없으므로 회전수가 낮아 발전기로서의 실용화가 활발히 이루어지지 못하고 있는 사보니우스 풍차를 실제 발전기로 상용화를 활성화하기 위하여는 회전축을 중심으로 회전토르크를 최대한 크게하여 변속기로 회전비를 높힐 수 있도록 해야한다. 이러한 목적으로 사보니우스 풍차의 회전날개에 통풍홈을 만들어 회전축을 중심으로 한쪽 날개의 항력은 증가하고 반대쪽 날개의 항력은 감소되도록 하므로, 회전토르크를 최대한 높여 회전수를 높이도록 하였고, 통풍홈의 크기 및 형상을 최적조건으로 구성하여, 수직축 풍력발전기에 실제 실용적으로 이용할 수 있는 사보니우스 풍차의 회전날개의 통풍장치를 제시하는 것이다.

도 1은 발명의 실시 예를 도시하는 사시도

도 2는 회전날개의 사시도

도 3은 회전날개의 단면도

도 4는 통풍홈의 상세도

도 5는 회전날개가 최대항력을 받는 위치에서 정지 상태시 바람의 흐름도

도 6은 회전날개가 회전시 통풍홈을 통과하는 공기의 흐름도

<주요부분의 부호에 대한 설명>

11,12,13,14 : 회전날개

15 : 회전축

(21) : 바람이 부는 방향

(22) : 회전방향(시계방향)

41 : 통풍홈

42 : 통풍홈의 회전궤적

(도 1)은 통풍홈장치가 부착된 사보니우스 풍차의 회전날개(11)과 회전날개(12)가 지면과 수직인 회전축(15)에 결합되어있고, 축방향으로 아랫부분에 회전날개(11), (12)와 직교하는 회전날개(13), (14)가 같은 방법으로 회전축(15)에 결합되어 있으며, 같은 방법으로 계속 여러층의 회전날개를 부착할 수 있도록 되어있다.

(도 2)와 같이 풍력이 일정방향(21)에서 회전날개에 작용할 때 회전날개(11)이 받는 항력(D1)은 회전날개(12)가 받는 항력(D2)보다 훨씬 크게 되므로 항력의 차이에 의해 회전토르크가 발생하여 회전날개는 시계방향(22)으로 회전하게된다.

회전날개(11)의 바람을 받는 면이 바람방향(21)과 수직으로 되면 항력은 최대가되고, 회전날개가 회전하여 풍향과 평행이 되어 항력이 최소가 되면 서로 직교하며 한단 아랫부분에 있는 회전날개(13)가 받는 항력이 최대가 되어 회전력이 계속 발생하므로 원활한 회전운동을 하게된다.

(도 4)와 같이 회전날개의 중앙의 위치(C)에 저항공기가 쉽게 흘러 들어가도록 회전축을 중심으로 회전하는 원의 접선방향으로 경사진 통풍홈(41)을 만들어, 한쪽날개(11)에서는 (도 5)와 같이 날개 내면을 따라 흘러들어간 바람이 양방향에서 경사면을 따라 되돌아 나오면서 형성되는 공기층의 벽면 효과로 바람이 통풍홈(41)을 거의 통과할 수 없게 되어 통풍홈에 의한 투영면적 감소 만큼의 항력감소가 없는 반면, 반대쪽 회전날개(12)에서는 바람이 통풍홈(41)을 쉽게 통과하게 되므로 통풍홈의 투영면적 감소만큼의 항력이 감소되므로, 양 회전날개의 항력차이는 그 만큼 커져 회전토르크도 비례해서 증가하게 된다.

그리고 회전날개가 회전하게 되면 회전방향과 반대방향으로 회전체를 끌어당기는 저항력이 발생하는데 (도 6)과 같이 통풍홈(41)으로 공기가 흘러 들어가므로 그만큼 저항력이 감소하고 또한 공기의 흐름이 원활히 되어 회전방향 반대쪽의 와류(소용돌이)현상을 제거하므로 회전력 저하를 막아주고, 또한 회전날개의 회전속도가 빨라지면 회전방향 반대쪽에 순간적인 진공현상이 생겨 회전력을 저하시키는 저항력이 발생하는데 통풍홈(41)으로 공기가 흘러들어가므로 순간진공현상을 해소시켜 회전력 저하를 막아주어 회전효율을 향상시키므로, 수직축 풍력발전기의 고효율 회전장치로 이용할 수 있도록 구성하였다.

본 발명은 수직축 풍력회전장치이므로 기존의 수평축 프로펠러 방식의 풍력회전장치와는 달리, 바람의 방향에 따라 회전날개의 방향을 바꾸어 주어야 하는 장치와 바람의 세기에 따라 회전날개의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요없고, 풍력회전날개의 형상이 간단하고 제작이 용이하고, 회전토르크를 최대한 높일 수 있어 전체 설치비용이 낮아지고 최종적으로 발전단가를 낮출 수 있음으로 사보니우스 풍차의 상용화를 확대시킬 수 있다. 풍력발전기의 경제성이 높아지면 도서지방의 전력공급원, 해안지방의 발전단지조성 등 대체 에너지의 확대공급이 가능 할 것이며 무공해 에너지원으로 환경보호에도 큰 도움을 줄 것이다.

그리고 기존 설치된 다리우스식 발전기의 축 부분에 본 발명품을 추가 설치하므로(기존축에 간단히 부착) 발전효율을 높이고 비경제성으로 일부 가동되지 않고 있는 다리우스식 발전기도 다시 가동시킬 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 수직축 풍력발전기의 회전장치로 이용되고 있는 사보니우스 풍차의 회전축을 중심으로 서로 반대쪽에 있는 양날개의 항력차이를 보다 크게하고, 회전시 회전방향 반대쪽의 와류 현상과 가속시 순간진공현상을 제거하여 회전저항을 최소화 하도록 통풍홈장치를 부착한 (도 2)와 같은 사보니우스풍차 회전날개.
2. 청구항 1에 있어서 회전날개에 흘러들어간 바람이 양방향에서 경사면을 따라 되돌아 나와 서로 부딪치면서 형성된 공기층이 통풍홈으로 바람이 통과하는 것을 막아 항력을 더욱 증가시키고, 회전시 저항공기가 쉽게 흘러 들어가도록 회전날개 중앙의 위치에 회전축을 중심으로 회전하는 원의 접선방향으로 경사지게 만든 (도 4)와 같은 구조의 통풍홈장치.