KR20040020198A - 사보니우스 날개 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 관한 것으로, 본 발명은 2개의 엔드플레이트, 상기 엔드플레이트 사이에 설치되어 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는, 수직축형 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 있어서, 상기 엔드플레이트 중 하나 이상이 상기 블레이드측으로 볼록하게 형성된 카바플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의해 사보니우스 날개의 단점인 발전효율, 즉 회전속도를 높이기 위한 사보니우스 날개의 개선된 구조를 제공하고, 또한 하측 엔드플레이트에 눈이나 비가 쌓이지 않는 사보니우스 날개 구조를 제공하여, 낮은 풍속에서의 전력생산을 전제로 하고 있는 소형 풍력발전시스템에 있어 날개의 효율을 높이고 눈, 비 등의 기상조건하에서도 원활하게 작동할 수 있도록 하였다.

Description

사보니우스 날개 { SAVONIUS IMPELLER }

본 발명은 사보니우스 날개에 관한 것으로, 상술하면 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 관한 것이다.

풍력발전시스템으로는 수평축 풍력발전시스템과 수직축 풍력발전시스템이 알려져 있다.

수평축 발전시스템은 프로펠러 날개를 구비하여 바람의 양력(Lift Force)를 이용한 방식으로, 회전 날개의 회전 속도가 높아 발전 효율은 높으나, 풍향에 따라 회전 날개의 방향을 바꾸어 주어야 하며 또한 풍속에 따라 회전 날개의 각도를 바꾸어 주어야 하므로 복잡한 장치가 필요하다.

이에 반해 수직축 풍력발전시스템은 발전 효율은 낮으나, 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있고 풍향에 크게 좌우되지 않는다는 장점이 있어 흔히 소형 풍력발전시스템에 많이 적용되고 있다.

수직축 풍력발전시스템에는 크게 다리우스 날개와 사보니우스 날개가 알려져 있다.

다리우스 날개는 바람의 양력을 이용하는 방식으로 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조 동력장치가 필요하다.

사보니우스 날개는 바람의 항력(Drag Force)를 이용하는 방식이므로 회전 속도가 풍속보다는 높을 수 없다는 단점이 있지만, 낮은 풍속에서 큰 회전력을 얻을 수 있으며 자체 기동력이 있기 때문에 소형 풍력발전시스템에 주로 활용되고 있다.

도 1은 종래의 사보니우스 날개의 결합전 사시도이며, 도 2는 종래의 사보니우스 날개의 결합후 사시도이며, 도 3은 종래의 사보니우스 날개의 평단면 유속분포도이며, 도 4는 종래의 사보니우스 날개의 측단면 유속분포도이다.

도 1과 같이 종래의 사보니우스 날개는 상측 엔드플레이트(3) 및 우측 엔드플레이트(4)의 2개의 엔드플레이트, 상기 엔드플에이트 사이에 설치되어 항력을 받는 좌측 블레이드(5) 및 우측블레이드(6)로 구성되며, 상하측 엔드플레이트는 회전축(7)에 연결되어 있고, 좌우측 블레이드(5,6)에 의해 발생한 회전력은 회전축(7)을 통해 회전축(7)에 연결된 발전기(미도시)의 로터를 회전시켜 전기를 발생시킨다.

도 3과 같이 바람이 북쪽에서 남쪽으로 향할 때, 바람에 의해 블레이드(5,6)에 작용하는 항력에 의해 사보니우스 날개는 회전하게 된다.

도 5는 종래의 개발된 사보니우스 날개의 블레이드의 주요 형태도로서, 상측에서 바라본 단면도이다.

사보니우스 날개의 단점인 발전 효율 즉, 회전속도를 높이기 위하여 국내특허출원 제2001-78355호 "통풍홈 부착 사보니우스풍차 회전날개"가 제안된 바 있다.

그러나 상기 출원은 블레이드의 구조를 개량한 것으로 그 구조가 복잡하여 직접 적용하기에는 어려움이 있다.

또한 사보니우스 날개는 하측 엔드플레이트가 편평하여, 눈이가 비가 올때 하측 엔드플레이트에 눈이가 비가 쌓일 가능성이 높으며, 하측 엔드플레이트에 쌓인 눈 또는 비는 기기의 내구성에 악영향을 미치게 된다.

따라서 본 발명은 사보니우스 날개의 단점인 발전효율, 즉 회전속도를 높이기 위한 사보니우스 날개의 개선된 구조를 제공하고, 또한 하측 엔드플레이트에 눈이나 비가 쌓이지 않도록 하는 사보니우스 날개 구조를 제공하고자 함에 목적이 있다.

도 1은 종래의 사보니우스 날개의 결합전 사시도

도 2는 종래의 사보니우스 날개의 결합후 사시도

도 3은 종래의 사보니우스 날개의 평단면 유속분포도

도 4는 종래의 사보니우스 날개의 측단면 유속분포도

도 5는 종래의 사보니우스 날개의 블레이드의 주요 형태도

도 6은 본 발명에 의한 실시예 1의 결합전 사시도

도 7은 상기 실시예 1의 결합후 사시도

도 8은 상기 실시예 1의 측단면 유속분포도

도 9는 본 발명에 의한 실시예 2의 결합후 사시도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

30 : 상측엔드플레이트31 : 상측 디스크형플레이트

32 : 상측 카바플레이트

40 : 하측엔드플레이트41 : 하측 디스크형플레이트

42 : 하측 카바플레이트

50 : 좌측 블레이드60 : 우측 블레이드

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은 2개의 엔드플레이트, 상기 엔드플레이트 사이에 설치되어 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는, 수직축형 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 있어서, 상기 엔드플레이트 중 하나 이상이 상기 블레이드측으로 볼록하게 형성된 카바플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 카바플레이트를 포함하는 상기 엔드플레이트가 상기 카바플레이트의 상기 블레이드 반대측에 평판으로 이루어진 디스크형플레이트를 구비하는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 엔드플레이트 중 하부의 엔드플레이트가 상기 카바플레이트를 포함하는 것이 바람직하다. 눈이나 비가 쌓이는 곳은 하부의 엔드플레이트이기 때문이다.

상기에 있어서, 상기 카바플레이트가 원뿔형을 이루는 것이 바람직하다. 이는 회전축과의 연결성을 고려하고, 눈이나 비가 쌓이는 것을 효과적으로 막으며, 블레이드의 결합이 용이할 뿐만 아니라, 카바플레이트의 제작과정이 용이하게 된다.

상기에 있어서, 블레이드의 형태는 도 5와 같은 종래의 블레이드가 적용될 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.

이하 본 발명의 일실시예를 통해 본 발명의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

< 실시예 1 >

도 6은 본 발명에 의한 실시예 1의 결합전 사시도이고, 도 7은 실시예 1의 결합후 사시도이고, 도 8은 실시예 1의 측단면 유속분포도이다.

상측 엔드플레이트(30)는 블레이드측으로 뿔이 형성된 원뿔형의 상측 카바플레이트(32)와 평판으로 이루어진 상측 디스크형플레이트(31)로 구성되어 있다.

하측 엔드플레이트(40)는 블레이드측으로 뿔이 형성된 원뿔형의 하측 카바플레이트(42)와 평판으로 이루어진 하측 디스크형플레이트(41)로 구성되어 있다.

좌측 블레이드(50)와 우측 블레이드(60)는 상측 카바플레이트(32)와 하측 카바플레이트(42)사이에 설치되어 항력을 받으며, 사보니우스 날개의 축을 중심으로 서로 대향되게 설치되어 있다.

좌측 블레이드(50)와 우측 블레이드(60)는 일반적인 사보니우스 날개의 블레이드로 적용하기 위하여 상하측 엔드플레이트의 상하측 카바플레이트(32,42)에 선접속할 수 있도록 이에 대응하는 형상을 이루어야 한다.

본 실시예 1의 평단면 유속분포는 도 3과 동일한 형태를 이루며, 본 실시예 1의 작동원리는 종래기술과 동일하다. 즉, 바람이 북쪽에서 남쪽으로 향할 때, 바람에 의해 좌우측 블레이드(50,60)에 작용하는 항력에 의해 사보니우스 날개는 회전하게 되며, 이러한 회전력은 회전축을 통해 회전축에 연결된 발전기의 로터를 회전시켜 전기를 발생시킨다.

그러나 본 사보니우스 날개의 측단면 유속분포도는 종래의 기술과 상이하다.

도 5와 같이 종래의 사보니우스 날개는 상하측 엔드플레이트(3,4)가 평판으로 이루어져 있으므로 사보니우스 날개 내부에서 유속의 분포가 일정하다.

이에 반해 도 7의 본 실시예 1의 측단면 유속분포는 상하측 카바플레이트(32,42)가 블레이드(50,60)측으로 돌출되어 있으므로, 사보니우스 날개 내부에서 유속이 빨라지게 된다.

이는 단위시간에 통과하는 바람의 풍량이 동일하다면, 그 단면적이 줄어들수록 바람의 풍속이 빨라지므로, 블레이드(50,60) 측으로 돌출된 상하측 카바플레이트(32,42)가 바람이 지나는 단면적을 줄이면 이에 따라 바람의 풍속이 빨라지게 되는 것이다.

사보니우스 날개 내부에서 빨라진 유속으로 인해 사보니우스 날개의 회전속도는 증가하게 되며, 이는 발전효율의 상승으로 이어진다.

또한 하측 카바플레이트가 원뿔형으로 이루어져 있기 때문에 눈, 비 등이 블레이드 등을 통해 하측 카바플레이트에 쌓이거나 고이는 것을 방지할 수 있다.

<실시예 2>

도 9는 본 발명에 의한 실시예 2의 결합후 사시도이다.

상측 엔드플레이트(30)는 평판으로 이루어진 상측 디스크형플레이트(31)로 이루어진다.

하측 엔드플레이트(40)는 블레이드측으로 뿔이 형성된 원뿔형의 하측 카바플레이트(42)와 평판으로 이루어진 하측 디스크형플레이트(41)로 구성되어 있다.

좌측 블레이드(50)와 우측 블레이드(60)는 상측 디스크형플레이트(31)와 하측 카바플레이트(42)사이에 설치되어 항력을 받도록 되어 있으며, 사보니우스 날개의 축을 중심으로 서로 대향되게 설치되어 있다.

좌측 블레이드(50)와 우측 블레이드(60)는 일반적인 사보니우스 날개의 블레이드로 적용하기 위하여 상측 디스크형플레이트(31)와 하측 카바플레이트(42)에 선접속할 수 있도록 이에 대응하는 형상을 이루어야 한다.

상측 엔드플레이트 및 하측 엔드플레이트에 연결되는 회전축은 도시하지 않았다.

본 실시예 2의 작용은 바람이 지나는 통로를 좁힌다면 면에서 상기 실시예 1과 동일하다.

본 발명은 사보니우스 날개의 단점인 발전효율, 즉 회전속도를 높이기 위한 사보니우스 날개의 개선된 구조를 제공하고, 또한 하측 엔드플레이트에 눈이나 비가 쌓이지 않는 사보니우스 날개 구조를 제공하여, 낮은 풍속에서의 전력생산을 전제로 하고 있는 소형 풍력발전시스템에 있어 날개의 효율을 높이고 눈, 비 등의 기상조건하에서도 원활하게 작동할 수 있도록 하였다.

Claims (4)

1. 2개의 엔드플레이트, 상기 엔드플레이트 사이에 설치되어 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는, 수직축형 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개에 있어서 :

   상기 엔드플레이트 중 하나 이상이 상기 블레이드측으로 볼록하게 형성된 카바플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
2. 제 1항에 있어서, 상기 카바플레이트를 포함하는 상기 엔드플레이트가 상기 카바플레이트의 상기 블레이드의 반대측에 평판으로 이루어진 디스크형플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
3. 제 1항에 있어서, 상기 엔드플레이트 중 하부의 엔드플레이트가 상기 카바플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 카바플레이트가 원뿔형을 이루는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개.