KR20090042895A

KR20090042895A - 풍력발전기용 수직축 풍차장치

Info

Publication number: KR20090042895A
Application number: KR1020090031892A
Authority: KR
Inventors: 박광
Original assignee: 박광
Priority date: 2009-04-13
Filing date: 2009-04-13
Publication date: 2009-05-04
Also published as: WO2010120041A2; KR100912430B1; WO2010120041A3

Abstract

본 발명은, 풍력발전기용 풍차장치에 있어서, 타워와, 타워 상단의 나셀에 설치되어 회전하는 회전체와, 회전체에 우산살대 형태로 연결되어 예각 경사진 하방 직선형으로 뻗어 있으며 주날개와 보조날개가 둔각으로 절곡형성된 항력형의 다수 블레이드들로 엄브렐러형 수직축 풍차구조를 구성하며, 회전체의 회전동력이 나셀내 증속기로 연결되게 구성한 것이다.

풍력발전, 엄브렐러형, 블레이드

Description

풍력발전기용 수직축 풍차장치{APPARATUS OF VERTICAL AXIS WINDMILL FOR WIND TURBINE}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 수평축 및 수직축 풍력방식이 장점을 함께 갖춘 풍력발전기용 수직축 풍차장치에 관한 것이다.

풍력발전은 태양에너지와 같은 자연 에너지로서 석탄이나 천연가스 등 화석에너지가 대기오염 물질과 온실가스를 방출하는 것과 달리 오염물질을 방출하지 않는 대표적인 환경 친화적 청정에너지이다. 이러한 풍력발전은 최근 진보를 거듭하여 기기의 신뢰성이 향상되었고, 자연에너지를 이용한 발전시스템으로서 그 우위성이 더욱 높아지고 있다. 전세계적으로 풍력발전 수요는 계속 증가하고 있으며, 향후 세계적으로도 풍력발전장치의 건설이 더욱 활발해질 것으로 예상되고 있다.

풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평축 풍력방식과 수직축 풍력방식으로 분류된다.

수평축 풍력방식은 로터(rotor)인 풍차의 회전축이 지면에 대해 수평으로 회전하는 방식으로서, 블레이드(blade)형, 더치(dutch)형, 세일 윙(sail wing)형, 프 로펠러(propeller)형 등으로 구분되는 풍차구조를 갖는다. 이러한 수평축 풍력방식은 간단한 구조로 이루어져 있어 설치가 용이하나 바람의 영향에 민감하다는 단점이 있다. 풍속이 불규칙하면 풍속에 따르는 모터의 회전속도와 그 회전속도에 대응하는 유도전류의 세기가 수시로 변하게 되므로 유도전류를 이용하는 전기의 생산과 공급이 안정적이지 못하다는 문제가 있다.

반면 수직축 풍력방식은 로터(rotor)인 풍차의 회전축이 지면에 대해 수직으로 회전하는 방식으로서, 크로스플로우(crossflow)형, 다리우스(darrieus)형, 스보니우스(sbonius)형, 패들(paddle)형 등으로 구분되는 풍차구조를 갖는다. 이러한 수직축 풍력방식은 바람의 방향에 관계없이 운전되는 특징적 장점이 있어 사막이나 평원이 주로 많이 설치되어 이용되고 있으며 또 바람추적장치가 필요없고 시스템 가격도 저렴하다는 장점도 포함하고 있다. 하지만 상기 수직축 풍력방식은 수평축 풍력방식에 비해서 효율이 많이 떨어지는 단점이 있다.

상기와 같이 수평축 풍력발전기와 수직축 풍력발전기는 각자마다 장단점이 있으므로 각 방식의 단점을 최소화하는 나름대로의 노력이 강구되고 있는 실정이다.

항력을 이용하는 수직축 풍력발전기는 회전면적의 제한에서 벗어나지 못해 대부분 소형으로 개발되었고 또한 항력을 이용하면 절대로 풍속보다 빠르게 움직일 수 없는 문제점을 벗어나지 못하여 회전 속도도 느리고 회전면적도 적어 출력도 적기 때문에 수평축 풍력발전기보다 효율이 떨어져 상업적 가치가 뒤떨어졌었다.

수직축 풍력발전기의 개선 일 예로서 국내특허 제10-0490683호 "수직축 풍력 발전장치"가 있다. 국내특허 제10-0490683호에서는 회전체가 회전함에 따라 블레이드의 피치각이 정현적으로 변화함으로써 고효율의 성능을 일정하게 낼 수 있도록 해주는 수직축 풍력장치를 개시하고 있다. 하지만 이러한 국내특허 제10-0490683호의 수직축 풍력발전장치는 그 구조상 설치하는데 큰 면적을 필요로 하므로 설치비용이 많이 들고 자연 경관도 훼손시킬 수도 있다.

한편 수평축 풍력발전기는 대부분이 빠른 회전을 필요로 하는 발전기를 채택하고 있으므로 증속기어의 기계적 소음과 블레이드 회전시 빠른 회전으로 인해 발생되는 공기 역학적 소음이 소음 공해를 야기시키게 된다. 예컨대, 프로펠러(propeller)형의 수평축 풍력발전기는 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향으로 제어해야 하는 요(yaw) 구동장치가 필요하고 무엇보다 소음공해가 심한 단점이 있다.

수평축 풍력발전기의 소음공해를 줄이도록 개선된 일 예의 풍차장치로서 독일과 네덜란드에서 이용되고 있는 다이렉트 드라이브 풍차가 있다. 상기 다이렉트 드라이브 풍차는 다극 발전기를 이용하여 기계소음을 줄이고 있다. 하지만 독일과 네덜란드에서 처럼 다극 발전기를 사용한다 해도 블레이드가 초래하는 공기력 소음이 로터 회전수 5승에 비례된다는 주장도 있다.

따라서 소음이 낮은 풍차를 개발하기 위해서는 성능을 다소 희생할지라도 주속을 낮추는 경향이 있다. 현재 기준은 로터(rotor) 주속을 60m/s로 하는 것이 일반적이나, MW(Mega Watt)급 대형 풍력발전 방식은 날개 끝 속도가 100m/s 넘는 추세에 있기 때문에 그 추세에 부응하려면 여전히 소음 공해에서 벗어나기가 어렵게 된다.

그러므로 수평축 풍력방식과 수직축 풍력방식의 장점을 모두 갖출 수 있으면서도 MW급 대형 풍력발전방식에서도 소음공해는 최소화될 수 있도록 하는 풍력발전장치가 요망된다.

따라서 본 발명의 목적은 수평축 및 수직축 풍력방식의 장점을 모두 갖춤과 아울러 소음공해도 최소화시켜주고 형태가 간단하고 무게도 동급에 비해 줄어들 수 있도록 해주는 풍력발전기용 수직축 풍차장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 수직축 풍차이면서도 수직축 풍차구조의 맹점이었던 회전면적의 제한에서 벗어나서 10kw이하의 소형 풍차발전기부터 MW급 대형 풍력발전기까지도 구현할 수 있도록 해주는 풍력발전기용 수직축 풍차장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 풍력발전기용 풍차장치에 있어서, 타워와, 상기 타워 상단의 나셀에 설치되어 회전하는 회전체와, 상기 회전체에 우산살대 형태로 연결되어 예각 경사진 하방 직선형으로 뻗어 있으며 주날개와 보조날개가 둔각으로 절곡형성된 항력형의 다수 블레이드들로 엄브렐러형 수직축 풍차구조를 구성하며, 상기 회전체의 회전동력이 나셀내 증속기로 연결되게 구성함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 풍력발전기용 풍차장치에 있어서, 타워와, 상기 타워를 타고 승강하는 링형 상하작동대와 상기 상하작동대의 원주면을 미끄럼 회전하는 회전링을 갖는 승강체를 구비하고, 상기 타워 상단의 나셀에 설치된 회전체의 레버축부 에는 주날개와 보조날개에 의해 펼침과 접힘이 가능한 구조로 된 항력형의 다수 블레이드들의 일단이 연결되며, 상기 회전링과 다수 블레이드 사이에는 대응 블레이드 받침대들이 링크 연결되게 구성함을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 풍력발전기용 풍차장치에 있어서, 타워와, 상기 타워를 타고 승강하는 링형 상하작동대와 상기 상하작동대의 원주면을 미끄럼 회전하는 회전링을 갖는 승강체를 구비하고, 상기 타워 상단의 나셀에 설치된 회전체의 레버축에는 주날개와 보조날개가 둔각을 가지며 일체로 결합되며 정격풍속 이상에서 개방 조절되는 바람조절판이 설치된 개구들을 갖는 항력형의 다수 블레이드들의 일단이 링크연결되며, 상기 회전링과 다수 블레이드 사이에는 대응 블레이드 받침대들이 링크 연결되게 구성함을 특징으로 한다.

본 발명에서의 수직축 풍차는 블레이드 길이를 수십미터까지도 길게 할 수 있기 때문에 수직축 풍차의 바람이 닿는 면적과 회전면적 제한에서 벗어날 수 있으며, 더욱이 블레이드의 회전면적을 가변시킬 수 있어 저풍속과 고풍속에서 정력출력 운전 범위를 넓혀 연간 출력량을 높이고 10Kw급 이하 소형 발전기부터 MW급 대형풍력 발전기를 제작할 수 있다.

또한 본 발명은 로터의 회전속도가 풍속보다 빠르지 않아서 바람을 거스르는 소리가 나지 않으므로 공기역학적 소음과 기계적 소음을 획기적으로 줄일 수 있으며 빠르게 회전할 수 없지만 블레이드 길이를 수십미터까지 키울 수 있어 바람을 안는 면적이 넓게 되어 강한 토크(Torque)를 발생시킬 수 있다. 이렇게 발생되는 강한 토크는 저속 회전을 증속기를 통하여 빠른 회전으로 변환시켜주므로 높은 출력을 얻게 해준다.

또한 본 발명은 무게와 가격면에서는 수평풍력발전기의 풍향에 따라 구동시키는 요 구동장치가 들어가지 않으니 어느 정도 대비될 수 있을 것이며, 또 수평풍차에 비해 강한 토크로 인해 작은 크기에도 높은 출력을 얻을 수 있으니 출력 대비 건설 및 제작비용을 절감할 수 있다.

또한 본 발명은 모든 구조적 원리나 모양을 최적으로 단순화하여 제작이 용이하고 고장율을 줄여 운용비를 절감하며 효율적인 발전장치를 제공하게 되며, 설치면적을 적게 가지고 디자인측면에서도 친환경적인 수직축 풍력발전기 구축이 가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

수직축 풍력 발전기는 항력을 이용하는 풍력발전기이고, 수평축 풍력 발전기는 양력을 이용하는 풍력발전기이다.

풍차의 취득 에너지는 임펠러(impeller)의 회전면적에 비례한다. 그러므로 풍차의 지름을 배로 하면 획득하는 에너지는 4배로 된다. 대표적인 항력(drag)형 풍차인 패들 풍차(Paddle windmill)와 사보니우스 풍차(Savonnius windmill) 성능 이 양력형 풍차의 1/3이하 수준인 이유는 회전면적이 작은 것이 제일 큰 이유 중 하나이다. 그러므로 항력은 운동방향에 닿는 면적이 커질수록 증가하기 때문에 회전 반경과 블레이드 면적을 키워야 한다.

수직축 풍차가 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 원인의 기본 원리를 하기 수학식 1에 의거하여 표현하면, 풍력 P[watt]는 풍속 V[m/s]로 회전면적 A[㎡]를 흐르는 것으로 나타낼 수 있다.

여기서 'ρ'는 공기밀도[㎏/㎥]이다.

즉 풍력 P는 공기밀도 ρ와 회전면적 A 및 풍속 V의 3승에 비례한다. 여기서 회전면적 A는 회전체 직경의 제곱승에 비례하므로 풍력 P는 회전체 직경의 제곱승에 비례하는 것이 된다. 통상적으로 수직축 풍차는 블레이드의 처짐현상으로 말미암아 수평축 블레이드처럼 회전면적을 크게 할 수가 없으며, 수평축 블레이드가 갖는 만큼의 회전면적을 가지지 못한 일반적인 수직축 풍차는 당연히 그 효율이 떨어질 수 밖에 없는 것이다.

또 일반적인 수직축 풍차는 풍력을 기계적 동력으로 변환하는 풍력의 이론적 최대 풍차 로터 변환율(Cp ≒ 0.16)이 약 16%이기 때문에 수평축 풍차 로터 변환율(Cp ≒ 0.59) 약 59%보다 월등히 작다. 수직축 풍차의 동력 변환율이 낮은 것은 블레이드의 바람이 닿는 면적과 회전면적이 작고 저속회전으로 인한 회전력의 감소 에 그 원인이 있다.

상기 풍차 로터 변환율(Cp)은 하기 수학식 2와 같은 공식으로 구해진다.

여기서,

이다.

본 발명에서는 전형적인 수직축 풍차의 유형이나 전형적인 수평축 풍차유형에는 없는 새로운 유형의 풍차구조를 구현한 것으로, 회전면적(A)의 제한에서 벗어난 엄브렐러(umbrella)형 수직축 풍차이다.

본 발명에서 구현하는 엄브렐러형 수직축 풍차는 수평축 풍차의 장점인 간단한 구조와 수직축 풍차의 장점인 바람의 방향에 영향을 받지 않는 특징을 모두 가지고 있으며, 아울러 수직축의 단점이었던 풍차 출력 효율도 오히려 수평축 풍차보다 더 우수하게 한 장점을 가지고 있다. 즉 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차는 풍속이 약한 곳이나 또는 아주 강한 곳이 상존하는 우리나라 지형 즉 해상, 평지, 산악 등 어떤 곳에서도 블레이드의 구조, 블레이드의 들림각, 블레이드 길이 등을 가변 또는 변경하는 제어를 통해서 고효율을 에너지를 발생할 수 있도록 한 것이다. 또 본 발명에서 구현하는 엄브렐라형 수직축 풍차는 수평축 풍차구조에서의 수시로 변하는 풍향을 블레이드가 마주보도록 하기 위해 구동시키는 요 구동장치도 필요없다.

도 1 및 도 21은 본 발명의 일 실시 예 및 다른 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 사시도이다. 그리고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 엄블렐러형 수직축 풍차장치의 나셀내 회전체의 종단면도 및 내부 평면도이다.

본 발명의 다양한 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)는, 타워(10)와, 그 타워(10) 상단의 나셀(12)내에 설치되어 회전하는 회전체(14)와, 회전체(14)에 우산살대 형태로 연결된 다수의 블레이드(16)들로 구성된 엄브렐러형 수직축 풍차구조를 공통적으로 갖는다. 특히 본 발명의 블레이드(16)들 각각이 예각 경사진 하방 직선형으로 뻗어 있으며 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 둔각으로 절곡 형성된 특징적 구성도 공통적으로 갖고 있다.

본 발명의 블레이드(16)는 블레이드 지지바(16c)에 일체로 형성된 주날개(16a)와 주날개(16a)에 절곡 결합된 보조날개(16b)로 구성된 항력형 블레이드이다. 주날개(16a)와 보조날개(16b)로 된 블레이드(16)는 바람을 안을 때에 강하게 항력을 받아 뒤로 밀려가며 바람을 등질 때에는 그 항력의 영향이 최소화되도록 서로가 둔각 형성됨과 동시에 날개 선단(끝)으로 갈수록 날개 폭이 넓어지게 형성된 것이다.

본 발명의 블레이드(16)의 단면은 "

"형의 구조로 형성된 것으로 항력을 극대화시킨 구조이다. 이때, 단면 절곡형상의 주날개(16a)와 보조날개(16b)에서, 보조날개(16b)의 폭은 주날개(16a)의 폭보다 상대적으로 더 넓게 형성하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 블레이드(16)는 그 선단(끝)이 자유단이므로 블레이드(16)들의 회전면적(A)의 선정에 맞는 길이로 임의 대로 결정할 수 있는 특징도 있다. 본 발명의 블레이드(16) 길이는 수십미터까지 길게 할 수도 있다. 회전체(14)에 설치된 블레이드(16)는 다수개 바람직하게는 2~4엽으로 형성되며, 발전용으로 사용될 경우에는 연간 발전량이나 진동특성면에서 유리한 3~4엽으로 형성하는 것이 바람직하며 기계적 동력에너지를 극대화시키는 측면에서는 그 이상으로 되는 다수 블레이드로 선정할 수도 있음을 이해하여야 한다.

기존의 수평축 풍차는 바람을 이용하는 방식이 양력 즉 날개면에 흐르는 공기압력의 차이의 힘을 이용하는 것인 반면에, 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치는 상기에서와 같이 블레이드(16)가 바람을 안고 뒤로 밀려가는 항력을 이용하는 방식을 취하므로 같은 풍속에서 같은 면적의 블레이드를 사용하는 수평축 풍차구조에 비해서 더 큰 힘을 얻을 수 있다.

나셀(12)내 회전체(14)에 연결된 다수 블레이드(16)들이 바람의 항력을 이용하여 회전체(14)를 회전시키므로 풍속보다 더 빠르게 회전할 수는 없지만 블레이드(16)의 길이를 수십미터까지 키울 수 있고 바람을 안는 블레이드(16)의 면적이 넓기 때문에 강한 토크(torque)가 발생된다. 강한 토크가 발생되며 저속회전하는 회전체(14)의 회전동력은 나셀(14)내 증속기(42)로 연결되며, 증속기(42)에서는 기어박스구조를 통해 발전에 필요한 회전수로 증속 변환한다. 증속기(42)에서 증속 변환된 회전동력은 나셀(14)내의 발전기(미도시됨)로 동력이 전달된다.

본 발명의 엄브렐러형 수직축 블레이드(16)의 구조는 기존 수직축 블레이드와는 다르며 기존의 수평축 블레이드처럼 회전반경이 수미터에서 수십미터까지 연 장가능하므로 회전면적을 넓게 가질 수 있다. 기존의 수직축 풍력발전기들이 회전반경을 크게 할 수가 없는 것은 회전반경이 커질 경우 블레이드가 밑으로 처짐현상이 야기되게 때문이다. 그런데, 본 발명의 엄블렐러형 수직축 블레이드(16)는 블레이드 자체가 경사지게 밑으로 늘어뜨려져 있으므로 기존의 수직축 블레이드와는 다르게 처짐현상이 없는 것이다.

또한 본 발명은 수직축 풍차구조이므로 비록 저속회전을 하지만 블레이드(16)가 주날개(16a)와 보조날개(16b)로 절곡된 항력형이며 기존 수평축 풍차의 블레이드와는 달리 날개 선단(끝)으로 갈수록 날개의 폭이 넓기 때문에 바람의 힘을 회전축으로 전달하는 힘이 더 크게 작용하며, 저속 회전하며 강한 토크를 받는 회전체(14)는 기존 수평축 풍력발전기의 회전자에 비해서 그 길이를 줄어도 동급출력을 얻을 수 있다.

나셀(12)은 풍력발전기의 심장부에 해당하는 유니트(unit)로서 회전체(14)에 의해 얻어진 회전력을 전기에너지로 변환시키기 위한 다수 장치들을 포함한다. 나셀(12)내에는 회전자(rotor), 증속기, 브레이크장치, 발전기, 제어장치(브레이크 제어부, 전력제어부 등) 등의 통상적인 구성 장치들이 포함된다. 상기 회전자에 해당하는 본 발명의 회전체(14)는 원형 고리판형태로서 도 2 및 도 3에서와 같이 회전체(14)의 상측 허브(14a)의 내주벽부에 형성된 래크부(38)에 피니언기어(40)가 맞물림 연결되고, 피니언기어(40)의 축부(40a)는 기어박스 구조의 증속기(42)와 연결된다. 상기 래크부(38)와 피니언기어(40)의 맞물림 구조는 동력전달방향에 다르게 할 경우 베벨기어구조로 연결하여도 된다.

본 발명에서 나셀(12)의 형상은 바람의 저항을 적게 받도록 하기 위해 원통형이고 상측부는 뿔형로 형성하는 것이 바람직하다. 또 나셀(12)은 내부 소음이나 진동을 줄여주기 위해 방음 및 방진효과를 낼 수 있는 내부형태를 갖게 하거나 방음재 및 방진재를 내부에 장착하는 것이 더욱 바람직하다.

나셀(12)의 내부에 설치된 본 발명의 회전체(14)는 다수의 블레이드(16)들을 연결해주는 상측 허브(14a)와 그 상측 허브(14a)가 축회전되게 받침지지하는 하측 받침부(14b)로 구성하며, 하부 받침부(14b)는 타워(10)의 상단에 체결된다.

타워(10)는 기초부를 지중에 설치하고 기초부에서부터 전체길이의 2/3까지는 콘크리트구조물로 형성하고 그 콘크리트구조물상의 1/3에서는 강관을 장착하여서 이중구조로 구성할 수 있다. 또 타워(10)를 구성하는 다른 방법으로는 기초부를 지중에 설치하고 기초부 상에 타워구조물 전체를 강관으로 설치되게 할 수도 있다.

상기와 같은 관체형 타워(10) 구조는 격자식에 비해서 자연미관을 해치지 않는 장점이 있다. 더욱이 일반적인 대형 수직축 풍차가 넓은 설치면적을 요구하는데 반해 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)는 수평축 풍차와 같이 관체형 타워(10)만을 세워 설치하는 것이므로 설치면적을 매우 적게 차지하며 환경파괴가 별로 되지 않는다. 또한 블레이드(16)가 저속 회전하므로 새들이 부딪혀서 죽는 조류사고가 거의 없게 되는 것이다.

본 발명에서 타워(10)의 높이는 바람을 고려하여 설정해야 한다. 바람은 지상에서 높을수록 강하게 불기 때문에 블레이드(16)의 날개 선단(끝)의 높이가 지상에서 최소 20미터 이상이 되도록 타워(10)의 높이를 설정해야 한다. 그렇게 하는 것이 본 발명의 다양한 엄브렐러형 수직축 풍차장치가 바람을 효율적으로 이용하는데 있어 바람직하다.

도 1에 관련된 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2)는 블레이드(16)의 들림각을 조절 가능하게 구현한 것으로 본 발명의 기본이 되는 것이고, 도 21에 관련된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2b)는 블레이드(16)의 들림각을 예각으로 고정되게 구현한 것이 서로 다른 점이다. 또 다른 점은 도 1에 관련된 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2)는 블레이드(16)의 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 펴졌다가 접힐 수 있는 접동구조를 갖는 특징적인 구성이 가지고 있는 반면, 도 21에 관련된 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2b)는 블레이드(16)의 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 둔각으로 일체로 고정형성되었다는 것이다.

먼저 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2)의 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2)는 본 발명에 따라 적용된 블레이드(16)들의 회전면적을 가변시킬 수 있도록 하기 위해 회전체(14)를 레버축으로 하는 블레이드(16)의 들림각을 조절하는 블레이드들림각 조절 어셈블리(20)가 장치된 구성이다. 블레이드(16)들의 회전면적을 가변시킬 수 있다는 것은 풍속이 느린 지역이나 빠른 지역에 구애됨 없이 정력출력을 얻을 수 있음을 의미한다.

블레이드(16)의 들림각을 크게 하면 블레이드(16)들의 회전반경이 커지게 되고 그 회전반경을 크게 할수록 약한 풍속일지라도 정격출력을 생산할 수 있게 된다. 반대로 블레이드(16)의 들림각을 적게 하면 블레이드(16)들의 회전반경이 적게되고 그 회전반경을 적게 할수록 강한 풍속임에도 불구하고 원하는 정격출력을 그대로 유지할 수 있도록 해준다. 즉 풍력발전기의 최대 과제는 풍속의 변화로 생기는 전기출력의 변동을 평활화하는 것인데, 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차구조에서는 블레이드(16)의 들림각 조절을 통해서 블레이드 회전면적을 변화시켜주므로 전기출력의 변동이 평활화된 정력출력을 얻을 수 있게 하는 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 수직축 풍차장치(2)의 정면도이고, 도 5는 도 4의 블레이드들림각 조절 어셈블리(20)에 관련된 확대 사시도이다. 그리고, 도 6은 도 4의 블레이드들림각 조절 어셈블리(20)에 관련된 종단면도이고, 도 7은 도 4의 블레이드들림각 조절 어셈블리(20)에 관련된 평단면도이다.

도 4 내지 도 7를 함께 참조하면, 블레이드들림각 조절 어셈블리(20)는 타워(10)를 타고 승강하는 승강체(22)와, 승강체(22)와 각 블레이드(16)들을 링크연결하여 각 블레이드(16)를 받침하는 블레이드 받침대(24)들로 구성하며, 또 회전체(14)의 회전속도를 감지하는 회전감지부(도 13의 26)와, 회전감지부(26)가 감지한 회전속도에 따라 승강체(22)의 승강을 제어하는 승강제어부(도 13의 28)도 포함하여 구성한다.

상기 승강체(22)는 타워(10)를 타고 승강하는 링형 상하작동대(30)와, 상하작동대(30)의 원주면을 미끄럼 회전하는 회전링(32)을 포함한다. 상하작동대(30)와 관체인 타워(10)의 외면에는 상하작동만이 이루어질 수 있도록 승강레일부(30a)와 승강레일홈(30b) 한조가 네쌍으로 바람직하게 형성된다. 상기 링형 상하작동대(30)의 원주면에는 레이스웨이(race way)홈이 형성되어 회전링(32)이 끼워지며 그 끼워진 회전링(32)은 상기 레이스웨어홈을 타고 미끄럼 회전할 수 있도록 된 구조이다.

상기 승강체(22)에는 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)가 대형 풍력발전기용이면 나셀(12)내 승강제어부(28)의 승강 제어 하에 링형 상하작동대(30)를 원하는 위치만큼 상하로 이동시키는 구동 액츄에이터(도 6의 33)도 포함되어 있음을 이해하여야 하며, 상기 구동 액츄에이터(33)는 유압펌프나 유압실린더 등으로 구현될 수 있음을 이해하여야 한다.

또한 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)가 중형이나 소형 풍력발전기용이면 승강제어부(28) 및 구동 액츄에이터(33)가 없이도 구현이 가능한다. 즉 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)가 중형이나 소형 풍력발전기용이면 승강체(22)의 개략적인 자동 승강조절을 위해서 승강체(22) 상방의 타워(10)에 탄지스프링을 끼움 설치하거나 승강체(22) 하방의 타워(10)에 무게추를 끼움설치로 승강체(22)에 매달게 하여서 구현할 수 있다.

링형 상하작동대(30)의 원주면을 미끄럼 회전하는 회전링(32)에는 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 다수 블레이드(16)들의 지지바(16c)측에 일단이 링크연결된 블레이드 받침대(24)의 타단을 링크연결하기 위한 다수 링크연결편(32a)들이 일체로 형성된다. 상기 블레이드 받침대(24)의 일단과 링크연결된 블레이드(16)들의 지지바(16c)에는 링크연결편(34a)을 갖는 결합부재(34)가 결합 고정된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 회전체(14)의 상측 허브(14a)는 도 2 및 도 3에서 볼 수 있듯이, 블레이드(16)가 블레이드 받침대(24)에 의해 들릴 때에 자유롭게 회동할 수 있도록 상부 외주면에 레버축부(36)가 일체로 형성되어 있으며, 각 블레이드(16)들의 지지바(16c)측 연결부는 베어링이 개재된 상태로 레버축부(36)에 축연결된다.

상기 상측허브(14a)의 하방에는 상측허브(14a)가 축회전되게 받침지지하는 하측 받침부(14b)를 구비하는데, 상측허브(14a)의 하부와 하측 받침부(14b)의 상부는 원형레일홈과 원형레일턱이 걸림구조로 일체형성되고 더욱 원활한 미끄럼 회전을 위해서는 상측허브(14a)의 하부와 하측 받침부(14b)의 상부에 볼리테이너를 갖는 베어링을 개재하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 일 실시예에서와 같은 구조로 블레이드 들림각 조절어셈블리(20)를 구현하는 것이 바람직하며, 다른 변형된 일예로서는 결합부재(34)가 이동체가 되게 하고 승강체(22)가 고정되게 하여서 블레이드 들림각 조절어셈블리(20)를 구현할 수도 있음이 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명하여질 것이다.

한편 도 1에 관련된 본 발명의 일 실시예에서 블레이드(16)는 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 펼쳐졌다 다시 접힐 수 있는 접동형 구조를 갖는다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 사시도이고, 도 9는 도 8의 분해 사시도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 단면도이다. 그리고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 접동상태도로서, 참조부호 "WD"는 바람이 부는 방향이다.

도 8 내지 도 11을 함께 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 접동형 구조의 블레이드(16)는 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 펼치질 때에는 둔각을 형성하며 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 접혀질 때에는 예각을 형성한다. 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 펼치질 때는 블레이드(16)가 바람을 안을 때이고 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 접혀질 때는 블레이드(16)가 바람을 등질 때(역풍)이다.

블레이드(16)의 주날개(16a)와 보조날개(16b)는 도 9의 분해도에서와 같이 힌지핀대(17)로 힌지연결되어서 접동구조를 가지게 되며, 블레이드(16)의 선단(끝)으로 갈수록 날개폭은 점차 넓어지게 형성된다. 또한 블레이드(16)의 선단에는 힌지핀대(17)로부터 연장되어 돌출된 봉상의 스토퍼(18)가 구비된다. 상기 스토퍼(18)는 들림각으로 들려있던 블레이드(16)가 도 12에서와 같이 완전히 날개를 접고 파킹(parking)되어질 때 사용되는 것으로, 타워(10)의 고정봉(11)에 걸림되게 하는 기능을 한다. 상기 타워(10)의 고정봉(11)은 나셀(12)내 제어장치에 의해서 출몰가능케 구성하는 것이 바람직하다. 이는 블레이드(16)가 파킹되었다가 다시 회전할 필요가 있을 때 몰입시켜주면 블레이드(16)의 회전제어에 아주 용이하기 때문이다.

블레이드(16)는 자체 무게를 줄이기 위하여 무게 대 강성비가 뛰어난 섬유강화플라스틱재질이나 탄소섬유 강화 복합재료로 제작되는 것이 바람직하며, 각 부위에 따라서 다소 다른 재질을 갖도록 형성할 수도 있다. 소형으로 엄브렐러형 수직 축 풍차장치(2)를 구현할 경우에는 블레이드(16)의 재질을 고강도 알루미늄재로 사용할 수도 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 중형풍차 및 대형풍차는 분당 회전수가 10회 전후이며 20회를 잘 넘지 않기 때문에 블레이드(16)의 보조날개(16b)가 접혔다 펴지기를 반복해도 큰 피로가 쌓이지는 않지만, 장기적인 피로를 방지하기 위한 수단으로 블레이드(16)의 힌지부에 공기압이나 스프링 등을 이용한 완충수단을 구비하는 것도 바람직하다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)에서 나셀(12)내에 구비된 제어장치의 회로블록도로서, 회전감지부(26), 승강제어부(28), 증속기(42), 증속기제어부(44), 발전기(46), 스위치부(48), 브레이크제어부(50), 브레이크(52)를 포함하고 있다.

회전감지부(26)는 회전체(14)의 회전속도를 감지하여 승강제어부(28) 및 브레이크제어부(50)로 출력하고, 승강제어부(28)는 회전감지부(26)가 감지한 회전속도(vs)에 따라 승강체(22)의 승강을 제어한다.

승강제어부(28)는 블레이드(16)들의 항력에 의해 회전하는 회전체(14)의 회전속도가 풍속이 약한 관계로 떨어지게 되면 승강체(22)가 상승되도록 제어하고, 풍속이 강하여 상기 회전체(14)의 회전속도가 빠르게 되면 승강체(22)를 하강시키도록 제어를 한다.

승강제어부(28)의 제어에 대해서 보다 구체적으로 설명하면, 풍속이 약할 때 승강제어부(28)의 제어 하에 승강체(22)를 상승시키면 블레이드(16)의 회전반경이 커지게 되고 회전반경이 커지면 회전축을 돌리는 힘이 줄어들 수 있어 약한 풍속 항력에 의해서도 회전체의 회전속도가 정격출력에 상응하는 만큼 유지되어지게 해준다. 반대로 풍속이 강할 때 승강제어부(28)의 제어 하에 승강체(22)를 하강시키면 블레이드(16)의 회전반경이 적게되고 그 회전반경이 적게되면 회전축을 돌리는 힘이 커야 정격출력에 상응하는 회전체의 회전속도가 나오게 되므로, 강한 풍속에서도 정격출력을 유지할 수 있도록 해준다.

증속기(14)는 회전체(14)의 회전동력을 전달받은 피니언기어(40)로부터 기어박스내 미리 설정된 증속 기어비에 의거하여 회전수를 증속 변환하고, 증속기(42)의 회전동력은 증속기 제어부(44)의 제어 하에 본 발명의 발전기(46)의 다수 발전부(46-1),(46-2),..,(46-n)들중 하나로 전달된다. 증속기 제어부(44)는 증속기(14)에서 인가되는 회전속도(vs)에 의거하여 정격출력을 유지할 수 있는 스위치부(48)를 스위칭되게 하여 스위치부(48)를 통해 증폭기(42)의 출력주파수가 선택된 발전부(46-k, k=1,..,n중 하나)로 인가되게 해준다.

본 발명에서 채용한 발전기(46)는 대략 12~20극 범위내의 극수를 갖는 다수의 발전부(46-1),(46-2),..,(46-n)를 구비하는데, 이는 정격출력을 유지할 수 있도록 구현함과 동시에 기계적 소음을 획기적으로 줄이기 위함이다.

풍력발전기에서 발생하는 소음은 기계적 소음과 빠른 회전에 의한 공기역학적 소음이 있는데, 본 발명의 다양한 엄브렐러형 수직축 풍차장치는 분당회전수가 바람직하게는 평균 10회 내외의 저속이므로 바람을 거스르는 공기역학적 소음이 95%가 없어진다. 이는 수평축 풍차의 분당회전수가 평균 30회 내외인 것과 대별된 다.

또 풍력발전기에서 발생하는 기계적 소음의 주원인은 톱니바퀴 즉 기어이빨 맞물림에 의해서 발생하는 것이다. 그러므로 외부의 여러 풍속에서도 적응적으로 정격출력이 확보하기 위해서 기어변속 능력이 뛰어난 큰 사이즈의 증속기, 즉 많은 기어들이 장착된 증속기를 설치하게 되면 비록 본 발명의 저속회전에 따른 기계적 소음이 많이 줄어들었다하지만 더 많은 기계적 소음을 줄일 수는 없다. 이에 본 발명에서는 기어박스구조로 된 증속기의 사이즈를 가능한 한 줄이고 발전기의 극수를 다수개로 구현함으로써 기계적 소음을 그렇지 않을 경우 대비 1/3정도까지도 줄일 수 있다. 다만 극수가 약 12~20개 정도로 많은 발전기를 사용하므로 무게가 무겁고 다소 발전기 설치에 고비용이 들어가지면 수평축 풍력발전기의 요 구동장치를 본 발명에서 사용되지 않으므로 경제적인 이점이 여전히 있는 것이다.

발전기(46)에서의 분당 회전수는 증속기(42)에서의 출력 주파수와 발전기 극수에 따라 정해지므로, 증폭기(42)의 출력주파수가 다소 낮더라도 발전기(46)의 극수를 높이게 되면 정격출력을 유지할 수 있다. 증폭기(42)의 기계적 소음을 줄이기 에 바람직한 증속기(42)의 출력 분당회전수는 350~600[rpm]이다.

브레이크 제어부(50)는 회전감지부(26)로부터 회전체(14)의 회전속도를 얻어내며, 고장에 따른 수리 등으로 블레이드(16)를 완전히 세울 때 먼저 승강제어부(28)에 의한 블레이드 들림각이 충분히 줄여졌음을 확인한 후 브레이크(52)의 제동이 이루어지게 제어한다. 또한 브레이크 제어부(50)는 회전체(14)의 회전이 정지되었을 때 다시 승강제어부(28)를 통해 승강체(22)를 정밀 구동시켜 블레이드(16) 를 타워(10)에 바짝 붙도록 세워서 블레이드(16)의 스토퍼(18)가 타워(10)의 고정봉(11)이 걸림되도록 제어한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)의 블레이드(16)는 도 8 내지 도 11에 도시된 접동형 구조가 아닌 형태로도 가능하다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에서 변형된 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2a)의 전체 구성도이고, 도 15는 도 14의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2a)의 블레이드(16)의 단면도이다. 그리고, 도 16 및 도 17은 도 14의 변형 일예도에서 풍력발전기가 소형일 경우의 블레이드 들림각 조절 상태를 보여주는 도면이다.

도 14에 도시된 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2a)에서는 도 1에서의 블레이드들림각 조절어셈블리(20)가 그대로 채용된 구조이며, 다만 소형이나 중형으로 구현시에는 승강체(22)를 승강구동시키기 위한 구동 액츄에이터(도 6의 33)를 별도로 필요치 않는다.

도 14의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)에 채용된 변형 블레이드(16)는 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 둔각으로 일체 고정된 고정형으로서, 그 주날개(16a)와 보조날개(16b) 각각에 다수 개구(60)들이 형성되며, 각 개구(60)들에는 각 바람조절판(64)이 슬라이딩 개폐가능케 설치되어 있다. 상기 바람조절판(64)들은 바람직하게는 블레이드(16)의 내부작동장공에 슬라이딩가능케 설치된 작동로드(62)의 양측에 배열되어 결합 고정된다.

도 15 및 도 16을 함께 참조하여 도 14의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2a)가 채용한 변형 블레이드(16)와 그 연결 구성을 상세히 설명하면 하기와 같다.

바람조절판(64)들을 갖는 작동로드(62)는 블레이드(16)의 상부 지지바(16a)내의 스프링작동홈부(68)에 장치된 스프링(70)에 그 받침편(72)이 탄지 받침되게 구성하여서 탄지작동한다. 또 작동로드(62)의 상단의 견인줄(66)은 블레이드(16)내 지지바(16c)의 연결부 외부로 돌출되어 나와서 회전체(14)의 상측허브(14a)에 연결고정하되, 바람직하게는 블레이드(16)의 연결부와 축연결되는 상측허브(14a)의 레버축부(36) 맞은편에 연결 고정된다.

상기와 같은 구조를 갖는 블레이드(16)로 된 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2a)는 블레이드들림각 조절어셈블리(20)의 승강체(22)의 승강위치를 제어하는 승강제어부(28)와 그 승강체(22)의 승강구동을 위한 구동 액츄에이터(도 6의 33)는 필요가 없게 된다.

블레이드(16)의 들림각이 좁은 상태 즉 블레이드(16)가 거의 세워져 있을 때 블레이드(16)내 형성된 다수 개구(60)들에는 각 바람조절판(64)으로 닫혀져 있다. 또 이 때에는 블레이드(16)의 상부 지지바(16a)에 내설된 스프링작동홈부(68)내의 스프링(70)은 블레이드(16)의 자중에 눌려서 압축상태로 있다(도 16 참조).

이러한 상태에서 강한 바람이 불면 블레이드(16)의 항력에 의해 회전체(14)가 회전하면서 생긴 원심력에 의해서 블레이드(16)의 들림각이 더 커지게 된다. 즉 강한 바람이 불면 블레이드(16)가 들려 올라가게 된다.

블레이드(16)가 들려 올라가게 되면 올라간 만큼 견인줄(66)이 느슨하게 되는데, 이 때에는 블레이드(16)의 상부 지지바(16a)에 내설된 스프링작동홈부(68)내 압축상태로 있던 스프링(70)이 그 탄반력에 의해서 견인줄(66)이 느슨한 만큼 신장하게 된다. 상기 신장된 스프링(70)이 작동로드(62)의 받침편(72)을 밀게 되므로 작동로드(62)가 블레이드(16)의 선단(끝)측으로 슬라이딩되는 것이다. 이는 작동로드(62)에 결합고정된 바람조절판(64)을 슬라이딩되게 하여서 막고 있었던 블레이드(16)내 형성된 다수 개구(60)들을 열게 한다(도 17 참조).

블레이드(16)의 개구(60)가 열리면 블레이드(16)가 바람의 항력을 적게 받게되므로 들려올려진 블레이드(16)는 들림각이 줄어들면서 다시 내려지게 되면서 회전을 하게 된다.

상기와 같은 블레이드(16)의 바람조절판(64)을 통한 개구사이즈 자동 조절과 블레이드(16)의 들림각 자동 조절로 회전체(14)는 정격출력에 맞는 적정 회전수로 회전할 수 있게 된다.

상기한 변형 예는 제어가 단순하므로 비록 정밀제어는 불가능하지만 고장율이 적고 그에 따른 유지보수비가 절감되는 특징이 있으며 안정적인 전력이 얻어지는 것은 물론이다. 상기 도 16 및 도 17과 함께 설명한 변형 예는 바람조절판(64)의 슬라이딩 조절을 스프링(70)을 이용해서 하는 것으로 이는 소형의 풍력발전기 적용시 유용한 구조이다.

만일 중형이나 대형 풍력발전기에 적용시에는 스프링(70) 대신에 도 18에 도시된 유압펌프나 유압실린더 등과 같은 피스톤펌프(P)로 채용하는 것이 바람직하며, 피스톤펌프(P)의 유압제어는 회전감지부(26)의 회전 속도감지에 응답하는 승강제어부(28)에 의해서 이루어지는 것이 바람직하다.

도 18은 도 14의 변형 일예에서 풍력발전기가 중형이나 대형일 경우에 나셀내에 구비된 제어장치의 회로블록도이다. 승강제어부(28)가 블레이드(16)의 피스톤펌프(P)를 제어하여서 바람조절판(64)을 통한 개구사이즈 자동 조절과 블레이드(16)의 들림각 자동 조절이 이루어지도록 하는 것이다.

도 18에서의 나머지 구성요소는 도 13과 함께 설명한 구성요소와 동일하므로 그에 대한 설명은 상세한 설명은 생략한다.

이제 도 1 내지 도 18에 관련된 본 발명의 일 실시예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)(2a)의 동작을 보다 상세히 설명한다.

기존의 수평축풍차는 정격출력의 최대효율이 풍속 12∼16m/s 범위내에서 나타나고 최소한 가동이 되려면 최저 시동풍속이 4m/s정도는 되어야 한다. 이에 반해 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치는 바람을 안고 돌아가는 항력형 날개구조와 블레이드 들림각 가변조절 구조를 이용하므로 정격출력의 최대효율이 풍속 10m/s이하 및 16m/s이상에서도 나타날 수 있으며 최저 시동풍속이 약 2m/s정도가 되어도 가동되어진다.

이는 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)가 풍속이 약할 때에는 블레이드(16)의 들림각을 상승시켜서 약한 풍력으로도 빠른 회전을 유도해 정력출력이 나오게 하며, 또한 강한 풍속일 때에는 블레이드(16)의 들림각을 좁혀서 강한 풍력의 반응을 약화시키므로 정격출력에 이르게 하는 것이기 때문이다.

상기와 같이 본 발명에서는 시동풍속이 2m/s에서도 가능하고 강풍에서도 회 전체(14)의 회전속도를 감소시킬 수 있으므로 컷인(cut-in)과 컷아웃(cut-out)의 범위를 넓혀줄 수 있다. 이는 정격운전범위가 넓다는 의미하고 연간발전량을 기존 풍력발전기에 비해 높일 수 있다는 것이다.

나셀(12)내의 승강제어부(28)는 회전체(14)의 회전속도를 감지하는 회전감지부(26)를 통하여 회전체(14)의 회전력에 따라 정격출력을 낼 수 있도록 승강체(22)를 상하로 움직여서 블레이드(16)의 들림각을 조절한다. 승강제어부(28)는 승강체(22)를 구동 제어하기 위해서 회전감지부(26)가 감지한 회전속도를 주기적으로 체크하며(예컨대 10분 간격), 주기적으로 체크한 회전속도들을 누적 평균하고(예컨대 1시간 누적 평균값), 그 결과값으로 승강체(22)를 구동제어한다.

승강제어부(28)는 회전체(14)의 회전이 저회전일 경우에는 승강체(22)를 들어올려 블레이드(16)의 들림각을 크게 하고, 회전체(14)의 회전이 고회전일 경우에는 승강체(22)를 내려 블레이드(16)의 들림각을 좁혀주어서 정격출력이 유지가능한 발전기의 회전수로 수렴될 수 있도록 해준다.

블레이드(16)의 들림각이 크다는 것은 블레이드(16)의 회전면적이 넓다는 것을 의미하고 블레이드(16)의 들림각이 적다(좁혀줌)는 것은 블레이드(16)의 회전면적이 좁다는 것을 의미한다. 바람이 블레이드(16)에 가해질 때 블레이드(16)의 블레이드들림각(회전면적)이 클 때가 블레이드들림각(회전면적)이 적을 때보다 회전축을 돌리기 위한 힘이 적게 드는 것이며 이는 지렛대원리에 근거한 것이다.

도 19는 블레이드의 들림각에 따른 블레이드의 회전면적을 설명하기 위한 도면이다.

도 19의 평면도를 참조하여 지렛대 원리를 설명하면, 블레이드(16)의 회전반경이 5m인 "A"의 동심원을 따르도록 회전축을 돌리는 것보다 그 회전반경이 두 배가 되는 "B"의 동심원을 따르도록 회전축을 돌리게 되면, 블레이드(16)의 회전거리(회전 원둘레)는 두 배로 커지지만 반대로 그 돌리는 힘은 반으로 줄어드는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서는 블레이드의 들림각 및 블레이드 길이 등을 가변하여 풍력발전기에서 원하는 정격출력을 얻을 수 있는데, 그 블레이드(16)의 들림각의 최대각은 70°이 바람직하며, 블레이드(16)의 길이는 수십미터로 정할 수 있는데 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 50미터까지로 정해볼 수 있다.

하기 표 1에서는 블레이드(16)가 최대 들림각인 70°로 들렸을 때 블레이드(16)의 길이별(10~50미터) 최대회전면적의 직경을 일 예로 보여주고 있다.

블레이드 길이	블레이드의 최대 들림각	회전면적의 직경
10미터	70°	19미터
20미터	70°	38미터
30미터	70°	57미터
40미터	70°	75미터
50미터	70°	94미터

회전면적의 직경을 넓힐 수 있다는 것은 풍력발전기의 풍력을 키울 수 있다는 중요한 의미를 갖는다.

또 도 20에서는 블레이드(16)의 길이를 예컨대 25미터로 가정하였을 때 블레이드(16)의 들림각별 회전면적의 직경의 변화를 일 예로 보여주고 있다.

도 20을 참조하면, 블레이드(6)의 들림각이 50°가 되었을 때 블레이드(16)의 회전면적의 직경이 38.2미터이고, 블레이드(16)의 들림각이 최대 70°가 되었을 때 최대 회전면적의 직경은 47미터(=23.5m×2)가 된다.

상기와 같이 블레이드(16)의 길이를 25미터로 설정(고정치 임)하고도 블레이드(16)의 회전면적의 직경이 0~47미터까지 조절가능함을 의미한다. 이렇게 회전면적의 직경을 조절할 수 있다는 것은 풍력발전기로 얻고자 하는 풍력을 조절할 수 있다는 의미가 된다.

한편 하기 표 2에서는 블레이드(16)의 최대들림각을 기준으로 할 때 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)의 블레이드의 길이별 회전면적의 직경 및 그 회전 원둘레를 함께 보여주며, 각 평균풍속에 따라 본 발명에서 구현되는 용량별 회전체의 최대회전수를 일 예로 언급하고 있다.

한국에서의 평균풍속은 5m/s 부근이므로 엄블렐러형 수직축 풍력발전기는 200∼400kw급 이하가 경제성이 있을 것으로 예상되며, 바람이 강한 곳일수록 대형풍력발전기가 유리할 것이다. 다만, 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2)는 회전체(14)의 회전에 강한 토크가 발생하기 때문에 증속기(42)내 증속기어의 증폭비율범위를 큰 것으로 제작하여 증속기(42)를 고회전율로 구현한다면 대형 풍력발전기도 가능할 것이다.

다음으로 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엄블렐러형 수직축 풍차장치(2b)에 대해서 설명한다.

도 21은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2b)의 정면도이고, 도 22는 도 21의 본 발명의 다른 실시 예에 적용된 블레이드의 작동 상태도이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2b)는 그 블레이드(16)가 도 1의 수직축 풍차장치(2)의 기본형 블레이드(16)와는 다른 구조로서 접동형이 아니고 블레이드(16)의 주날개(16a)와 보조날개(16b)가 둔각으로 일체 고정된 고정형이다. 또한 블레이드(16)의 들림각이 가변되는 것이 아니라 예각으로 고정되어 있다는 것이다. 예각 고정된 들림각은 최대 70°까지도 가능하며, 바람직하게는 40°∼70°범위내에서 고정된 들림각이 형성되는 것이 본 발명의 특징적인 장점을 확보하는데 매우 유리한 것이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2b)의 블레이드(16)는 주날개(16a)와 보조날개(16b)에 각각 대개구(82)들이 형성되어 있으며, 대개구(82)들에는 바람조절판(80)이 개폐가능케 설치되어 있다. 바람조절판(80)의 개폐는 후방으로의 젖힘식 등으로 구현될 수 있으며, 바람조절판(80)의 개방 조절은 정격풍속 이상의 바람이 불 때에 이루어지도록 구현되어야 한다. 여기서, 정격풍속은 풍력 모터에 설계 동력을 발생시킬 수 있는 최소 풍력을 의미한다.

젖힘식의 바람조절판(80)은 강한 바람을 맞았을때 뒤로 젖혀지면서 열려지는데, 뒤로 열리는 개방정도는 풍력에 따라 제어되도록 하고 반대로 바람을 등질 때 때에는 반대쪽으로는 쉽게 열리도록 한 구조가 바람직하다. 예컨대, 도 22에 도시된 바와 같이 젖힘식의 바람조절판(80)은 사변형 형태의 대개구(82)의 외측대변부에는 접동가능케 전방 복귀스프링이 개재된 힌지축(84)으로 그 일변부가 연결되며, 바람조절판(80)의 나머지 3변부에는 대개구(82)에 끼워지게 구성하면 된다. 그러면 강한 바람이 맞으면 바람조절판(80)이 복귀스프링의 바이어스력을 이긴 만큼 등뒤로 젖혀지게 되고(도 21에서 타워(10)의 오른쪽 블레이드(16) 참조), 블레이드(16)이 바람을 등질 때에는 전방복귀스프링의 바이어스력이 작용하지 않아 쉽게 블레이드(16)의 앞면부로 젖혀져 개방되어진다(도 21에서 타워(10)의 왼쪽 블레이드(16) 참조). 상기와 같이 강한 맞바람이 불때 블레이드(16)의 바람조절판(80)이 열리게 하는 것은 정력출력에 맞춰지도록 하기 위함이다.

도 21에 도시된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2b)는 대형에도 적용될 수 있으나 주로 소형 풍차를 제작할 때에 더욱 적합한 것으로서, 블레이드들림각 조절어셈블리(20)가 필요없도록 한 구조이다. 도면 21에서, 참조번호 "86"은 블레이드(16)들의 상부를 동심원을 따라가며 고정지지하는 블레이드 들림각 고정용 보강링이다.

또 상기와 같은 소형 엄브렐러형 수직축 풍차장치(2b)는 그 회전속도가 대형보다 빠르기 때문에 간단하게 증속장치와 브레이크장치, 발전기만 나셀(12)내에 구비하여 수 Kw에서 수십 Kw까지도 전력생산이 가능한 것이다.

도 21에 도시된 엄브렐라형 수직축 풍차장치(2b)는 회전하면서 원심력이 생겨 블레이드(16)가 상승하려는 힘이 생길 수 있다. 하지만 블레이드(16)의 회전속도가 느리고(분당 10회 내외)이고 날개 구조상 선단(끝)부가 무겁기 때문에 원심력이 적으며 그 적은 원심력은 블레이드 들림각 고정용 보강링(86)에 의해 안전하게 저지되어진다.

지금까지 연구되어져 온 결과 공학적으로 밝혀진 바로는, 회전자(rotor)의 직경이 수미터인 소형풍차는 그 성능과 운전성능이 나쁘기 때문에 에너지 생산을 위한 장치로는 적합하지 못하다는 평가가 있다. 그 이유는 블레이드의 공기력 성능 특히 날개의 특성에 때문으로 밝혀졌다. 유체공학적으로 설명하면 날개 특성의 레이놀수(Reynolds number) 의존의 결과이다.

양력을 동작원리로 하는 초소형 풍차에서는 레이놀수가 낮아짐에 따라 이 앙양력계수가 떨어지기 때문이다. 그러므로 에너지 생산을 주목으로 하는 양력형 풍차의 치수는 회전자의 지름이 대략 10미터 이상이 필요한 것으로 판단된다.

그런데 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치는 항력을 이용하여 동력을 만들기 때문에 짧은 회전면적 직경을 갖는 블레이드로 강한 토크를 발생시키기 때문에 소형풍력 발전기에도 탁월한 효과가 있다.

또한 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치는 회전하면서 원심력이 발생하기 때문에 강한 바람일수록 그 원심력이 더욱 강해지게 해서 타워를 더 안전하게 지지해준다. 마치 회전하는 팽이가 잘 넘어지지 않는 원리이다. 그러므로 본 발명의 엄브렐러형 수직축 풍차장치는 자동변속능력 기능을 갖추게 되면 무인상태로 운전되어야 하는 낙도나 사막에서도 설치 가능한 것이다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

본 발명은 풍력발전에 이용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 사시도,

도 2는 본 발명의 엄블렐러형 수직축 풍차장치의 나셀내 회전체의 종단면도,

도 3은 본 발명의 엄블렐러형 수직축 풍차장치의 나셀내 회전체의 내부 평면도,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 정면도,

도 5는 도 4의 블레이드들림각 조절 어셈블리에 관련된 확대 사시도,

도 6은 도 4의 블레이드들림각 조절 어셈블리에 관련된 종단면도,

도 7은 도 4의 블레이드들림각 조절 어셈블리에 관련된 평단면도,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 사시도,

도 9는 도 8의 분해 사시도,

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 단면도,

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드의 접동상태도,

도 12는 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 블레이드가 파킹된 상태도,

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치에서 나셀내에 구비된 제어장치의 회로블록도,

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 변형 일예도,

도 15는 도 14의 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 블레이드 단면도,

도 16 및 도 17은 도 14의 변형 일예도에서 풍력발전기가 소형이나 중형일 시의 블레이드 들림각 조절 상태를 보여주는 도면,

도 18은 도 14의 변형 일예에서 풍력발전기가 대형일 경우에 나셀내에 구비된 제어장치의 회로블록도,

도 19는 블레이드의 들림각에 따른 블레이드의 회전면적을 설명하기 위한 도면,

도 20은 블레이드의 길이를 선정한 후 블레이드의 들림각별 회전면적의 직경의 변화를 보여주는 일 예도,

도 21은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 엄브렐러형 수직축 풍차장치의 정면도,

도 22는 도 21의 본 발명의 다른 실시 예에 적용된 블레이드의 작동 상태도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

(2)-- 엄브렐러형 수직축 풍차장치 (10)-- 타워

(11)-- 고정봉 (12)-- 나셀

(14)-- 회전체 (14a)-- 상측허브

(14b)-- 하측받침부 (16)-- 블레이드

(16a)-- 주날개 (16b)-- 보조날개

(16c)-- 지지바 (17)-- 힌지핀대

(18)-- 스토퍼 (20)-- 블레이드들림각 조절 어셈블리

(22)-- 승강체 (24)-- 블레이드 받침대

(32)-- 회전링 (34)-- 결합부재

(36)-- 레버축부 (38)-- 래크부

(40)-- 피니언기어 (42)-- 증속기

(60)-- 개구 (62)-- 작동로드

(64)-- 바람조절판 (66)-- 견인줄

(70)-- 스프링 (80)-- 바람조절판

(82)-- 대개구 (84)-- 힌지축

(86)-- 블레이드들림각 고정용 보조링

Claims

풍력발전기용 풍차장치에 있어서,

타워와, 상기 타워 상단의 나셀에 설치되어 회전하는 회전체와, 상기 회전체에 우산살대 형태로 연결되어 예각 경사진 하방 직선형으로 뻗어 있으며 주날개와 보조날개가 둔각으로 절곡형성된 항력형의 다수 블레이드들로 엄브렐러형 수직축 풍차구조를 구성하며, 상기 회전체의 회전동력이 나셀내 증속기로 연결되게 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제1항에 있어서, 상기 타워와 다수 블레이드들에는 상기 블레이드들을 회전체를 레버축으로 하여 들어올리며 블레이드의 들림각을 제어하는 블레이드들림각 조절어셈블리가 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제2항에 있어서, 상기 블레이드의 최대 들림각은 70°임을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 블레이드는 주날개와 보조날개가 접동형으 로 힌지연결되며, 펼쳐졌을 때에 둔각형성됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제4항에 있어서, 상기 블레이드의 길이는 수십미터임을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 블레이드의 선단에는 스토퍼가 형성되고, 상기 블레이드가 날개를 접고 파킹될 때에 상기 스토퍼가 걸림되게 해주는 고정봉이 타워에 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제1항에 있어서, 상기 타워는 관체형 타워로서 하부는 콘크리트구조물로 형성하고 상부는 강관으로 형성됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제1항에 있어서,

서로 다른 극수를 갖는 다수의 발전부들과, 증속기의 출력을 다수의 발전부들을 선택적으로 스위칭하는 스위치부와, 증속기에서의 회전속도정보에 의거하여 상기 증속기의 출력을 다수 발전부들중 하나로 연결되게 스위칭제어 하는 증속기 제어부를, 상기 나셀내에 구비함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제1항에 있어서, 상기 블레이드의 들림각이 예각으로 고정되고, 블레이드의 주날개와 보조날개가 둔각으로 일체로 고정 형성됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제9항에 있어서, 상기 블레이드는 주날개와 보조날개에 각각 대개구들이 형성되며, 상기 대개구들에는 바람조절판이 정격풍속에 근거하여 개폐가능케 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제10항에 있어서, 상기 바람조절판은 상기 대개구에 끼움 구성하되 사변형 형태의 대개구의 일변부는 상기 바람조절판이 바람에 의해 접동가능케 전방 복귀스프링이 개재된 힌지축이 연결됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 블레이드를 고정지지하는 블레이드 들림 각 고정용 보강링이 상기 블레이드에 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서, 상기 블레이드는 섬유강화플라스틱재질로 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
풍력발전기용 풍차장치에 있어서,

타워와, 상기 타워를 타고 승강하는 링형 상하작동대와 상기 상하작동대의 원주면을 미끄럼 회전하는 회전링을 갖는 승강체를 구비하고, 상기 타워 상단의 나셀에 설치된 회전체의 레버축부에는 주날개와 보조날개에 의해 펼침과 접힘이 가능한 구조로 된 항력형의 다수 블레이드들의 일단이 연결되며, 상기 회전링과 다수 블레이드 사이에는 대응 블레이드 받침대들이 링크 연결되게 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제14항에 있어서, 상기 회전체의 회전속도를 감지하는 회전감지부와, 상기 회전감지부에 의한 감지된 회전속도에 의거하여 상기 승강체의 승강을 제어하는 승강제어부를 더 구비함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 블레이드는 최대 들림각이 70°이고, 블레이드의 주날개와 보조날개가 힌지연결되어 접동가능하되 맞바람에 펼쳐지고 등진 바람에 접혀지도록 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제15항에 있어서, 상기 상하작동대 및 상기 타워의 외면에는 상하작동이 이루어질 수 있도록 승강레일부와 승강레일홈이 한조로 다수가 형성되게 구성을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제17항에 있어서, 타워에는 상기 상하작동대를 상기 승강제어부의 제어 하에 승강시키는 구동 액츄에이터가 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제14항에 있어서, 상기 승강체의 승강이 조절되도록 승강체 상방의 타워에 탄지스프링을 끼움 설치됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 회전체의 상측허브의 내주벽면에 형성된 래크에 피니어기어가 연결되고, 상기 피니언기어는 상기 나셀내 증속기와 연결되게 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
풍력발전기용 풍차장치에 있어서,

타워와, 상기 타워를 타고 승강하는 링형 상하작동대와 상기 상하작동대의 원주면을 미끄럼 회전하는 회전링을 갖는 승강체를 구비하고, 상기 타워 상단의 나셀에 설치된 회전체의 레버축에는 주날개와 보조날개가 둔각을 가지며 일체로 결합되며 정격풍속 이상에서 개방 조절되는 바람조절판이 설치된 개구들을 갖는 항력형의 다수 블레이드들의 일단이 링크연결되며, 상기 회전링과 다수 블레이드 사이에는 대응 블레이드 받침대들이 링크 연결되게 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제21항에 있어서, 상기 바람조절판들은 상기 블레이드의 내부작동장공에 슬라이딩가능케 설치된 작동로드의 양측에 배열되어 결합 고정되며, 상기 작동로드의 슬라이딩에 의해서 개폐조절됨을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제22항에 있어서, 상기 작동로드는 블레이드의 상부 지지바내에 설치된 스프링에 의해서 탄지작동되며, 상기 작동로드의 상단 견인줄이 블레이드내 지지바의 연결부 외부로 돌출되어 나와서 회전체 연결 고정되게 구성함을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.
제22항에 있어서, 상기 작동로드는 블레이드 상부지지바내에 설치된 피스톤펌프에 의해서 작동하되, 상기 피스톤펌프의 유압제어는 상기 회전체의 회전속도를 감지하는 회전감지부의 감지 출력에 응답하는 승강제어부에 의해서 이루어짐을 특징으로 하는 풍력발전기용 수직축 풍차장치.