KR20090043809A - 고효율 풍력발전 용 바람유도 판 및 관련기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전을 위하여 사용되는 고효율 개량 수직 풍력발전용 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 풍력발전을 위한 터빈날개관련 바람 유도 판(6)에 대한 것이다. 바람을 이용한 발전은 다양한 방식으로 설계, 발명되었는데 현재는 수평축을 이용한 바람개비 형태가 주류를 이루고 있다. 그런데 이 방식은 바람의 속도가 빠른 경우에 유용한 방식으로 바람이 느린 곳이 많은 우리나라의 경우에는 경제성을 향상 시켜야하는 문제를 가지고 있다. 수평축 날개의 설계 및 제작에는 수직축에 비하여 복잡하여 어려움을 가지고 있다.

이런 종래의 문제를 해결하는 방식으로 본 발명에서는 고려하는 방식은 수직축의 풍력발전기다. 수직축 풍력발전기는 바람의 이용 효율성에서 수평축에 비하여 그 이하 정도로 기존의 수평축 발전을 대체하기에는 충분하지 못한 문제가 있었다. 이런 문제를 해결하기 위하여 바람을 모으는 유도판(6)을 추가하여 기존의 날개시스템의 설계를 개선하였다. 즉, 두개의 바람 유도판(6)을 수직축 날개 밖으로 배열하고 바람의 방향에 따라서 바람 유도판 가운데는 중앙기둥(3)과 연결하여 바람의 방향에 따라서 방향을 바꾸도록 하는 꼬리날개를 설치하고, 바람 유도판(6)을 여기에 연결하여 설치하면 불어오는 바람을 모아서 발전에 유용하도록 날개의 부분으로 모아서 보낸다. 바람 유도판(6)의 양쪽에 봉을 설치하여 바람이 바람 유도판(6)에 가하는 힘을 지지하도록 하는 기능을 하게 한다. 외부의 봉은 길이를 조절할 수 있게 하여 강풍일 때와 약풍일 때 각각 각도를 달리한다.

또한, 이동할 때의 복잡성을 제거하는 발명으로 바람 유도판(6)을 중앙의 수직축 터빈 날개를 중심으로 방사형으로 세워서, 즉, 바람 유도판(6)을 2개 이상 수개까지 터빈을 중심으로 방사형으로 세워서 바람의 방향이 변해도 전체적으로 높은 이용 효율을 갖는 모양이 될 수 있다. 일실시예로 3개의 바람유도판(6)이 있는 모양이 설명되었다. 또, 이런 방식의 모양은 조류발전에도 적용이 가능하여 이에 대한 내용도 발명에 포함되었다. 이런 발명에 따라서 풍력발전의 경제성의 향상은 물론, 강풍에 대한 안전성 향상에도 기여하는 효과를 제공한다.

수직축, 터빈날개, 바람 유도판, 조류발전, 베어링, 피스톤식 봉, 연결 봉

Description

고효율 풍력발전 용 바람유도 판 및 관련기구 { Wind guide plates and apparatus for high efficient wind power turbine }

도 1은 일반적으로 사용되는 수평축 날개를 갖는 풍력발전의 한 형태를 보인 개략도.

도 2a는 본 발명에 따른 풍력발전을 위한 날개 모양을 입면도로 나타낸 개략도.

도 2b는 본 발명에 따른 풍력발전을 위한 날개 모양을 평면도로 나타낸 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 풍력발전을 위한 시스템을 보여주는 개략도로 바람이 강할 때 유도판을 변형하여 일실시예를 보여준 개략도.

도 4는 본 발명과 관련된 다리우스 풍력발전 시스템을 보여주는 개략도

도 5a는 본 발명에 따른 다른 일 실시 예로 고정 유도판에 바람이 효율높게 들어오는 모양을 일실시예로 보여주는 개략도.

도 6b는 본 발명에 따른 다른 일 실시 예로 바람이 바람 유도판에 위와 다른 각도에서 불어오는 모양을 일실시예로 보여주는 개략도.

도 6은 본 발명에 따른 또 다른 일 실시 예로 조류발전에 사용될 때 모양을 일실시예로 보여주는 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 또 다른 일 실시 예로 다리우스형에 적용될 경우 일실시 바람유도판(6)의 모양을 보인 개략도

＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞

2 : 바람유도판 고정봉(전면)

3 : 중심 기둥 구조체 4 : 수직축 날개(터빈)

5 : 중심기둥과 날개 연결봉 6 : 바람 유도판

7 : 바람유도판 고정봉(후면) 8 : 날개와 기둥연결 환형 베어링

10 : 방향조정 꼬리 날개 21 : 다리우스 날개 형상(우측)

본 발명은 풍력발전 기구의 개선에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 풍력발전을 수행하는데 있어서 일반적으로 사용되는 풍력발전기의 효율이 향상되어 화력발전 등에 대하여 경쟁력을 가질 수 있는 발명이다. 종래의 수평축 날개를 이용한 풍력발전 방식은 바람을 비행기 날개 및 터빈 날개와 같은 원리를 이용한 방식이다. 이런 경우 날개의 형상이 대단히 중요한 역할을 한다. 즉, 날개의 형상이 변하면 날개의 바람 이용 효율이 변동하여 날개의 형상을 만드는 설계 및 제작의 정확도가 대단히 중요하다. 이런 이유로 설계 및 제작 비용이 많이 소요되는 단점을 가지고 있다. 그리고 바람을 단순하게 이용하여 이용효율 면에서 제한이 있었다.

또한, 수직축 날개의 경우에는 태풍 등 강풍에 대한 견고성이 유지되기 어려 운 상태를 보이는 단점을 갖고 있다. 종래에 사용되는 풍력발전의 날개형태는 현재까지도 대형에서는 수평축의 날개를 이용했고 소형에서는 수직축의 날개를 이용한 것이 일반적이다. 각각의 장점과 단점을 갖고 있어서 두 형태의 날개는 계속 사용되고 있다.

도1b는 국내에서 대부분의 대형 발전에서 이용되고 있는 일반적인 수평축 풍력발전기의 모습을 보였고, 도 4는 종래에 사용되는 풍력발전용 수직축의 풍력발전 시스템의 하나인 다리우스 일반도를 보였다.

상기 단점을 개선하기 위하여 시도된 것으로 기존에 수평축을 사용하는 것과 비교하여 수직축 날개는 효율 면에서 유사한 방식이 사용되고 있다. 풍력 터빈에는 항력과 양력을 이용하는데 항력보다는 양력을 이용한 방식이 더 효율적이라 예상되어 주류를 이루고 있다. 풍력에 중요한 영향을 주는 강풍에 대비를 하는 개선과 약풍에서 더 높은 발전 효율의 향상을 위하여 또 다른 개선이 가능할 수 있는 것이다.

이에 본 발명은 상기 종래의 수평축에 비하여 바람 이용효율이 개선된 수직축 풍력 시스템을 개선하기 위해 발명된 것으로,

기존에 사용되는 풍력발전에 비하여 효율을 높이고 강풍에 대비하여 안전한 운전을 가능케 하는 목적으로 발명되었다.

기존에 사용되는 수직축 날개(4) 및 시스템에 추가로 효율을 높이는, 바람을 모으는, 기구를 추가하여 높은 효율을 보여주며 강풍에 대한 대비책도 갖게 된다.

본 발명은 도2에서 보인바와 같이, 중앙의 기둥을 중심으로 수직축의 유선형 날개를 갖고 있으며, 외부에 바람 유도판(6)을 설치하여, 약한 바람에서는 바람이 들어오는 유도판 전면의 면적을 크게 하여 불어오는 바람의 방향을 외부에서 날개(4) 방향으로 유도하여 유도판(6)이 없는 경우에 비하여 획기적으로 바람의 강도를 높여서 효율을 개선하고,

도3에서 보인바와 같이, 강풍일 때를 대비하는 설계로는 바람유도판(6)의 전면에 있는 봉의 길이를 좁히는 방식으로 유도(6)판의 각도를 조정하여 불어오는 바람을 풍력발전기 날개(4) 쪽에서 날개(4) 밖의 방향으로 유도하여 보내는 방식을 사용하여, 날개가 강풍에 직접 접하는 량을 적게 하여, 유체에서 발생하는 힘 및 저항을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 방식으로 본 발명에서 제안한 풍력 시스템의 효율 및 강풍대비 저항 능력을 향상 시킬 수 있다.

또, 유도판의 뒤에 방향(꼬리)날개(10)를 설치하여 풍향에 따라서 유도판이 적절할 각도로 회전하게 할 수 있는 설계가 가능하고, 도5에서 보인바와 같이 고정된 수개의 유도판을 설치하여 시스템의 이용효율을 높이는 방식이 가능하다.

대표도인 도 2b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템에 적용한 일실시예를 보여주고 있는데, 이 바람은 중앙 유도판(6)에 의하여 수직축 터빈 날개(4)를 돌게 하는 힘을 강하게 하는 기능을 한다. 즉, 터빈 날개(4)로 바람이 더 강하게 모아지게 하여 효율을 획기적으로 높게 한다.

이때 바람이 강풍이어서 과도한 바람이 수직축 날개(4)에 유입될 경우에 대 비하여 외곽의 바람 유도 판이 연결된 봉 중에서 앞쪽의 봉(2)이 피스톤 식으로 하여 짧아지게 하여 도 3에서 보인 바와 같이 외곽의 바람 유도판(6)의 앞부분이 중앙으로 들어오면서 불어오는 바람의 유입을 날개(4)로 가지 않도록 제한하고 풍력시스템 외곽으로 지나가게 하는 역할을 한다.

바람유도판 고정봉(2)은 피스톤 식으로 봉(2)을 만들고 봉(2)의 길이를 조절하여 바람 유도 판(6)의 불어오는 바람에 대한 유도판(6)의 각도를 조정할 수 있도록 하는 것이 가능하다. 강풍 시에는 도3에서 보인 것처럼 외곽 바람유도판(6)의 앞면이 뒷면보다 좁게 하여 바람이 날개(4)에 적게 불어오게 하여 전체 풍력시스템을 보호하고, 일상적인 약풍 시에는 도2에서 보인 것처럼 유도판(6)의 앞면이 뒷면 보다 넓게 하여 외곽으로 지나갈 바람이 수직날개(4)에 유도 집중되도록 하여 풍력발전을 더 많이 하도록 한다. 이런 설계는 유도판(6)과 봉(2)의 관계를 핀으로 연결하여 회전이 가능하게 한다.

도2b에서 보이는 내용은 바람이 위에서 아래로 부는 경우에 대한 불어오는 바람(화살표)의 모양이다. 바람의 방향에 따라서 전제 유도판 시스템은 꼬리날개(10)로 중앙기둥(3)을 중심으로 돌 수 있는 환형베어링(8)이 있어서 바람의 방향에 맞게 정렬이 되도록 하는 역할을 한다.

즉, 바람을 날개로 유도하는 중앙의 기둥(3)과 바람 유도판(6)과 이 유도판(6)을 기둥(3)에 연결하는 두개 이상의 봉(2)과 바람의 유동 에너지를 운동에너지로 변환시키는 한개 이상의 수직날개(4)와 날개의 회전 에너지를 전기로 변환하는 발전기로 구성된 수직축 풍력발전 기구에 있어서, 바람의 강도에 따라 상기 봉(2) 의 길이를 조정하여 유도판(6)의 각도를 조정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 풍력발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구.

이와 같은 발명을 따라서 발전이 가능하도록 발전기를 두었는데 이것을 전력 공급에 쓰이는 그리드에 직접 연결하여 전력을 판매하던가, 전기를 저장하는 배터리를 이용하고 필요시 사용하는 것이 가능하다. 중앙 기둥의 크기, 중앙 및 외곽 바람 유도 판의 각도 및 크기, 수직축 날개의 크기 등이 계산/설계되어서 가장 이상적인 풍력발전 시스템의 형태를 만들어질 것이다.

회전하는 바람유도판(6)은 항상 바람이 불어오는 방향에서 바람을 최대로 받는 장점이 있지만, 유도판(6) 같은 큰 구조물이 급속하게 변하는 바람의 방향에 잘 맞추게 회전이 빠르게 가능할까의 의문과 회전하는 구조물의 복잡성에 따라서 고장확률과 비용의 증가가 초래되어 바람유도판(6)의 고정설치에 대한 추가적인 발명이 도5에서 보여 진다. 실시예로 보여 진 유선형의 방사형 바람유도판(6)은 3개로 구성되었으나, 2개 이상 다수의 바람을 유도하는 고정판이 사용 가능하다.

고정된 바람유도판(6)의 경우도 강풍에 대비하여 유도판(6)의 각도를 변형하게 하는 방식을 도3에서와 유사하게 하여 설계하는 것이 가능하다.

고정된 바람유도판(6)에 두 날개의 한 가운데로 바람이 불어오면 효율이 가장 많이 향상되나, 바람유도판(6) 방향과 약간 빗겨서 바람이 불어올 경우는 유도판(6)의 공기 저항으로 인하여 오히려 효율이 저하될 수 있다. 360도 방향에서 불어오는 것을 모두 고려하여 계산하면, 효율이 개선되는 각도 부분이 더 크고 이때의 효율 개선 량도 월등 많아서 전체적으로는 큰 효과를 볼 수 있는 발명이다.

계산 예 ;

고정된 3개 바람유도판을 갖고 수직축 터빈날개(직경 2m) 4개의 주위에 120도로 설치된 경우, 바람유도판과 터빈날개의 간격은 1.1m이고 유도판의 길이는 1.4m인 경우의 2차원 계산 결과(CFD 상용코드 이용한 예비 계산) :

1. 유도판이 없는 경우 발전량 ; 24 watt(reference case)

2. 바람이 유도판 한가운데로 오는 경우 ; 37.5 watt (최대 효율)

3. 바람이 유도판 한가운데와 15도 옆에서 오는 경우 ; 34 watt

4. 바람이 유도판 한가운데와 30도 옆에서 오는 경우 ; 27.5 watt

5. 바람이 유도판 한가운데와 45도 옆에서 오는 경우 ; 21 watt(효율 저하)

6. 바람이 유도판 한가운데와 60도 옆에서 오는 경우 ; 24 watt

이 발명을 더 융통성 있게 설계하면, 고정된 판을 바람의 방향과 강도에 따라서 약간 융통성을 가지고 각도의 변형이 가능하면 바람의 방향과 판의 방향과 약간 비스듬한 경우에 저항이 줄어들 수 있을 것으로 판단된다. 물론 이렇게 각도가 변형되는 량에 대한 판단은 효율이 좋은 경우를 중시하며 설계 시 함께 고려한다.

풍력 발전용 바람을 모으기 위한 판을 설치한 것에 더하여 날개 부위의 아래와 윗부분으로 바람이 새는 것을 막기 위하여 원통모양 등을 설치하던가, 판의 중앙부위를 판으로 연결하는 등의 방법을 사용하여 바람이 오버플로어 되는 것을 방지하는 것이 요망될 수 있다. 바람유도판(6) 위아래에 원형의 막는 판을 설치할수도 있고 모양을 바람이 모일 수 있도록 쇄기모양을 사용할 수 있다.

도 4에서 시스템의 모양을 보이고, 현재 수직축 풍력발전으로 널리 사용되고 있는 다리우스 발전터빈에 대한 적용을 고려하여, 날개와 가까운 부분에 곡면을 갖고 있도록 다리우스 날개 모양처럼 곡선으로 바람유도판(6)의 안쪽 선을 설계하는 것도 가능하다. 도 7을 참조.

이 모양을 조류발전에 사용할 경우에는 바람의 방향처럼 수시로 360도 바뀌는 것이 아니고 앞과 뒤에서 불어오는 것과 같이 단순히 양방향을 고려하면 되므로, 그리고 조수간만의 영향은 조류를 사인커브와 같은 모양으로 조류의 강도를 조정할 것을 고려한다. 즉, 바람유도판(6)의 모양을 보인 도2에서 조류가 약할 때는 유도판의 각도를 크게하고, 조류가 강할 때는 유도판(6)의 각도를 줄여서 사용하는 방식이 기존의 바람 유도판(6)의 방식과 동일하다. 조류발전에 사용될 유도판의 일실시예의 모양은 도6a 및 도6b 에서 각각 보였다. 한방향으로 물이 흐르는 소수력발전에 적용할 시는 유도판 4개중 2개가 있으면 된다.

조류발전에서는 방향 날개(10)가 필요 없고, 도6에서 보인바와 같이 유체(바람) 유도판(6)을 터빈 날개 앞뒤에 설치하고 조류의 방향에 따라서 즉, 조석간만의 시간차를 고려하여 유체가 들어오는 유도판(6)의 각도를 조절하는 것이 필요하다. 이와같이 하여 조류발전기의 이용률을 높이는 것이 가능하여 경제성에서 탁월한 효과를 보일 것이다.

조류가 강해도 지장이 없을 때는 도6b에서 보인바와 같이 유도판(6)의 각도를 적절한 각도에 고정하고 사용이 가능하다. 조류의 흐름이 변화됨에 따라서 상류와 하류의 유도판(6)의 각도를 유동의 변화에 따라서 별개로 조절하는 것도 설계 가능하다.

즉, 도6a처럼 상류의 판은 조류의 강약에 따라서 각도를 조절하고, 하류의 판(6)은 가장 유체의 저항이 적은 방향인 조류의 흐름과 가능한 같은 방향으로 각도를 갖도록 하는 것이 가능하다. 이때 유체의 유도판 각도는 좌우가 70도에서 130도 범위가 적절한 각도이며, 조류가 최대한의 량으로 지속해서 터빈에 흐를 수 있도록 한 발명이다.

이 바람 유도판(6)의 곡면이 효율에 영향을 줄 것이 예상되어 판에 곡면을 주는 것이 고려되어 설계될 수 있다. 또, 바람유도판(6)의 설계는 태풍을 고려하고 판 설치의 효율성을 높이기 위하여 브라인드 커튼과 같은 방식을 사용하여 강풍시에 바람에 닫는 면적을 늘리고 줄이는 것이 가능하게 설계할 수 있다. 도7에서는 다리우스형 날개에 맞는 바람유도판(6)의 모양을 보인 개략도이다. 바람유도판이 곡면으로 설계되어 효율을 유지할 수 있게 한 것이다.

본 발명은 위 실시 예들을 참조로 하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 이는 단지 예시를 위하여 사용된 것이며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에서 정의된 것과 같이 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변형을 할 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

풍력발전에 있어서 바람의 유동량 적은 우리나라에서는 기존의 수평축 풍차 및 수직축 발전은 적은 출력으로 인하여 경제성이 거의 없는 것이 대부분이다.

바람이 약하게 부는 경우는 바람을 유도판(6)을 이용하여 방향을 따라서 더 강한 바람으로 유도하여 발전효율을 높여주는 효과를 보이고, 바람이 강한 경우에 는 유도판(6)을 움직여서 강한 바람을 날개에 적게 가도록 하여, 풍력 발전 효율이 획기적으로 개선된 풍력 발전 용 기구로 경제성과 안전성에서 향상된 설계를 갖는 고효율 풍력발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구를 제공한다.

조류발전에도 비슷한 기술적인 방식이 적용되어 조류 이용 발전효율을 높게 이용률이 높아지도록 하는 기능을 동시에 제공한다.

Claims (7)

1. 불어오는 바람을 터빈 날개로 유도하는 한쌍의 바람 유도판(6)과 이 유도판(6)을 중앙기둥(3)에 연결하는 네개 이상의 봉(5)과 바람유도판(6) 사이를 연결하는 봉(2,7)과 바람의 유동 에너지에 의하여 바람유도판을 정렬하는 꼬리날개(10)와 풍력발전기 관련 기구를 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 풍력발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구.
2. 제 1 항에 있어서,

   바람의 강도에 따라 상기 봉(2)의 길이를 조정하여 유도판(6)의 각도를 조정하는 기능을 사용한 것을 특징으로 하는 고효율 풍력발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 봉(2)에서 길이 조정을 위하여 피스톤 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 고효율 풍력발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구
4. 터빈날개(4)를 중심으로 방사형으로 고정 설치된 2개 이상의 바람 유도판(6) 및 지상에 바람유도판(6)을 설치하는 봉을 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 풍력발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구
5. 터빈날개(4)를 중심으로 방사형으로 고정 설치된 상류 및 하류에 각각 2개의 바람(유체) 유도판(6)을 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 풍력(조류)발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구
6. 제 5 항에 있어서,

   터빈날개(6)를 중심으로 방사형으로 고정 설치된 2개 이상의 바람 유도판(6) 중 상류에서 유체의 강도에 따라서 각도를 조절하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 고효율 풍력(조류)발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구
7. 제 5 항에 있어서,

   터빈날개(6)를 중심으로 방사형으로 고정 설치된 2개 이상의 바람 유도판(6) 중 하류에서 유체의 강도에 따라서 각도를 조절하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 고효율 풍력(조류)발전 용 바람유도판(6) 및 관련 기구

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