KR20030068562A - 수직축 풍력터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전에 관한 것으로, 구체적으로는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 풍력발전기나 발전장비에 사용될 수 있는 회전 풍력모터에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 풍력모터의 효율과 동력을 높이고 회전자의 시동가속도를 개선하는데 있다. 풍력모터는 두개의 블록(2,3)이 공기역학적 캐스케이드 형태로 대칭배열되어 실현된 동력요소를 갖춘 회전자(1)를 포함하고, 각 블록은 터빈형 구성으로 구현된 4개의 블레이드(4)로 이루어진다. 공기역학적 캐스케이드 블록(2,3)은 중앙 수직축(5)에 장착된다. 캐스케이드 블레이드(4)는 아음속 공기역학적 프로파일 형태이다. 또, 캐스케이드 블레이드 프로파일의 인자들은 다음과 같은 값을 갖는다. 리이드각 - 0.5b;캐스케이드 블록의 설치각 - 0°; 캐스케이드 블레이드 비틀림 - 0.5b;차폐율 ≤0.5;b는 익현길이.

Description

수직축 풍력터빈{VERTICAL AXIS WIND TURBINE}

종래의 풍력모터의 회전자는 1996년 10월 9일 출원되고 1999년 8월 27일 공개된 IPC F03D7/06의 러시아연방 특허출원 2135824에 공지되어 있다. 기존의 풍력모터 회전자는 수직축에 장착된 두개의 S형 블레이드를 포함한다. S형 블레이드는 수직축에 견고히 연결된 회전식 평행 크로스아암들에 체결된다. 또, 블레이드의 체결점들은 S형 블레이드의 정점에서 반대쪽 방향으로 무게중심 뒤의 블레이드 대칭축과 정렬된다.

이런 기존의 회전식 풀력모터의 단점은 회전 고안의 복잡성, 낮은 동력범위 및 상대적인 저효율에 있다.

축이 수직으로 위치한 다른 회전식 풍력모터가 1993.11.15일 출원되고 1997.11.20일 고액된 IPC B63H13/00의 러시아연방 특허출원 2096259에 공지되어 있는바, 이 모터에는 디스크형 상하부 와셔와 블레이드 회전기구가 구비되어 있다. 와셔 축들은 수직 회전축과 일치한다. 블레이드의 상하면에는, 상기 와셔들에 생긴구멍에 맞물리도록 로케이터가 위치한다. 상기 블레이드 회전 기구는 하부 와셔에 위치하여 회전축에 고정되는 요소를 포함한다.

이 풍력모터의 단점은 신뢰성, 동력범위 및 효율이 불충분하다는데 있다.

본 발명은 풍력발전에 관한 것으로, 구체적으로는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 풍력발전기나 발전장비에 사용될 수 있는 회전식 풍력모터에 관한 것이다.

도 1은 블레이드의 캐스케이드 구성을 보여주는 개략도;

도 2는 풍력모터 회전자의 평면도;

도 3은 블레이드 프로파일.

본 발명의 목적은 회전자의 회전속도를 높이고 회전자의 시동가속도를 개선하여 효율과 동력을 증가시키는데 있다.

본 발명에 따르면, 수직축에 고정된 블레이드 형태의 동력요소들을 갖춘 회전자를 포함하는 회전식 풍력모터에 있어서: 상기 동력요소가 터빈형 구성의 블레이드들이 캐스케이드 형태로 내부에 배열되어 있는 공기역학적 캐스케이드 블록의 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 회전식 풍력모터가 제공된다.

캐스케이드 블레이드들은 아음속 공기역학적 블레이드 형태로 실현되는 것이 바람직하다. 또, 터빈형 구성의 블레이드들의 각각의 인자들의 값은 다음과 같은 것이 바람직하다.

- 리이드각 - 0.4 ÷0.6b

- 캐스케이드 블록의 설치각 - 0 ÷5°

- 캐스케이드 블레이드 비틀림 - 0.4 ÷0.6b

-차폐율 - 0.3 ÷0.5;

여기서,b는 익현길이.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명하면 다음과 같다.

풍력모터는 동력요소로서 두개의 블록(2,3)이 공기역학적 캐스케이드 형태로 대칭으로 구현되어 있는 회전자(1)를 포함하는데, 각각의 블록은 터빈형 구성의 블레이드 형태로 구현된 4개의 블레이드(4)로 구성되는 것이 좋다. 이들 블록(2,3)은 중앙 수직축(5)에 장착된다. 블레이드는 아음속 공기역학적 프로파일을 갖는다(도 3 참조). 회전식 캐스케이드 풍력모터의 설계상의 효율은 블레이드의 리이드각(γ), 캐스케이드 블록의 설치각(φ_p), 캐스케이드 블레이드 비틀림각(χ) 및 익현 길이(b)에 의해 결정된다. 이들의 값은 다음 범위에 있을 수 있다

- 리이드각(γ) - 0.4 ÷0.6b

- 캐스케이드 블록의 설치각(φ_p) - 0 ÷5°

- 캐스케이드 블레이드 비틀림각(χ) - 0.4 ÷0.6b

-차폐율(K₃) - 0.3 ÷0.5

여기서,b는 익현길이이다.

그러나, 아음속 공기역학적 블레이드 프로파일을 구비한 모델의 테스트 과정에서, 상기 인자들의 최적값은 다음과 같이 설정한다.

- γ= 0.5b

- φ_p= 0°

- χ= 0.5b

-K₃≤0.5

익현 값은 블레이드 수(Z), 풍력모터의 회전자의 차폐율(K₃)과 직경(D)의 선택값에 따라 결정된다. 캐스케이드 블록의 갯수로는 두개가 최적이지만, 각 블록의 블레이드 프로파일의 적절한 갯수(Z)는 4개 이하이다. 그러나, 풍력모터의 캐스케이드 공기역학적 블록의 갯수는 차폐율의 값 K₃≤0.5의 상태에 따라 결정될 수 있다. 강도와 동력효율의 조건에 따라, 최대 블록 예상 갯수는 두개나 세개이다.

회전식 캐스케이드 풍력모터는 직경 D ≥(6 ÷10)m, 높이 H = (1.0 ÷1.5)D인 대형 풍력발전기와 같은 최대 효율로 사용될 수 있다. 최적 동작모드에서의 일렬의 공기역학적 블레이드 프로파일들의 싱글-유니트 동력은 다음 실험식에 의해 결정될 수 있는바:

여기서,

N - 일렬 2개 블록의 총 동력;

S - 일렬 2개 블록내에 배열된 블레이드의 총 면적;

U_n- 일렬 2개 블록내에 배열된 블레이드의 외주속도;

ρ- 공기밀도(㎏/㎥)

a - 캐스케이드 블레이드 프로파일의 공기역학적 효율로서, 이것은 특정 블레이드 프로파일이 구비된 실제 풍력모터의 시험기간중에 결정된다.

풍력모터의 회전자는 풍력 발전기나 기타 장비(도시 안됨)의 작용하에 회전하여, 풍력에너지를 전기에너지나 기계에너지로 변환한다.

모델 테스트 결과에 따라 터빈형 공기역학적 블레이드 프로파일을 갖춘 캐스케이드 블록이 구비된 풍력모터에 의하면:

- 터빈형 구성의 블레이드 프로파일의 공기역학적 특성의 효과적인 이용으로 인해 풍력모터의 효율을 상당히 증가시킬 수 있어, 최대 0.8까지 할 수 있음(ξ_max≥0.8);

- 차폐율이 종래의 회전식 풍력모터와 관련이 있기 때문에 차폐율의 범위를 K₃≤0.3이 아니라 K₃≤0.5로 확장하여 회전자의 비속도를 유지할 수 있기때문에 풍력모터의 동력이 증가됨;

- 터빈형 구성의 캐스케이드를 이용하기 때문에 풍력모터의 시동가속도가 개선됨.

풍력모터의 동력인자들의 더이상의 개선은 블레이드의 기계화 장치를 이용해 풍력모터의 터빈형 캐스케이드에 사용되는 아음속 블레이드 프로파일들의 공기역학적 특성들을 개선하여, 예컨대 전연플랩, 후연플랩을 이용해 경계층 등의 배출성능을 개선하여 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 회전식 풍력모터는 풍력에너지를 존기나 기계적 에너지로 변환하는 풍력발전기 생산에 널리 사용되기 때문에 산업에 적용할 수 있다.

Claims (4)

1. 수직축에 고정된 블레이드 형태의 동력요소들을 갖춘 회전자를 포함하는 회전식 풍력모터에 있어서:

   상기 동력요소가 터빈형 구성의 블레이드들이 캐스케이드 형태로 내부에 배열되어 있는 공기역학적 캐스케이드 블록의 형태로 실현되는 것을 특징으로 하는 회전식 풍력모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 모터의 회전자가 각각의 열에 4개의 블레이드를 갖는 공기역학적 블레이드 블록이 두개 대칭 위치한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 풍력모터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 캐스케이드 블레이드 프로파일들이 아음속 공기역학적 블레이드 형태로 실현되지만, 터빈형 구성의 블레이드들의 각각의 인자들의 값은 다음과 같은 것을 특징으로 하는 회전식 풍력모터.

   - 리이드각 - 0.4 ÷0.6b

   - 캐스케이드 블록의 설치각 - 0 ÷5°

   - 캐스케이드 블레이드 비틀림 - 0.4 ÷0.6b

   -차폐율 - 0.3 ÷0.5;

   여기서,b는 익현길이.
4. 전항들중의 어느 한 항에 있어서, 터빈형 구성의 캐스케이드 블레이드의 인자들의 최적값이 다음과 같은 것을 특징으로 하는 회전식 풍력모터.

   - 리이드각 - 0.5b

   - 캐스케이드 블록의 설치각 - 0°

   - 캐스케이드 블레이드 비틀림 - 0.5b

   -차폐율 ≤0.5

   여기서,b는 익현길이.