KR20090101513A

KR20090101513A - 수직축형 풍차

Info

Publication number: KR20090101513A
Application number: KR1020097018281A
Authority: KR
Inventors: 쯔네오 노구찌
Original assignee: 쯔네오 노구찌
Priority date: 2007-02-20
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2009-09-28
Also published as: CN101622448B; EP2143940A1; CN101622448A; CA2677993A1; JP2008202508A; KR20100121694A; AU2007347567B2; WO2008102461A1; US20100021300A1; AU2007347567A1; JP3996945B1; CA2677993C

Abstract

본 발명은, 수직 회전축과 직교하는 면 내에서, 상기 수직 회전축을 중심으로 하여 등각도 간격으로 복수 개의 블레이드(blade)가 설치된 수직축형 풍차에 있어서, 블레이드가, 1.0 이상의 양력(揚力) 계수를 가지는 유선형의 날개형이며, 또한 전단부가 블레이드의 배면에 축지지되고, 후단부가 블레이드에 대하여 개폐되는 개폐 부재와, 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 개폐 부재의 개폐 동작을 제어하는 개폐 제어 수단을 포함하고 있다.

Description

수직축형 풍차{VERTICAL SHAFT WINDMILL}

본 발명은, 풍력 발전 등에 사용되는 수직축형 풍차에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 풍차의 회전 운동에 따라 공기 역학 특성을 바꿀 수 있도록 블레이드(blade)를 개량한 것이다.

일반적으로, 풍력 발전용의 풍차에는, 회전축이 바람의 방향에 대하여 수평으로 되어 있는 수평축형 풍차(프로펠러형 풍차)와, 회전축이 바람의 방향에 대하여 수직으로 되어 있는 수직축형 풍차가 알려져 있다. 수평축형 풍차는, 회전 정지 상태로부터 회전 운동을 개시하는 회전력(기동력)을 쉽게 얻을 수 있다는 특징을 가지고, 수직축형 풍차는, 바람의 방향에 관계없이 회전할 수 있다는 특징을 가진다.

이 중, 수직축형 풍차에는, 풍차의 공기력을 발생시키는 부위(블레이드)에 작용하는 항력(抗力)을 풍차의 주된 회전력으로 하는 스보니우스(sbonius)형, 패들(paddle)형 등의 항력형과, 블레이드에 작용하는 양력(揚力)의 회전 방향 성분을 풍차의 주된 회전력으로 하는 다리우스(darrieus)형, 자이로밀(gyromill)형 등의 양력형이 알려져 있다.

항력형의 풍차는, 회전 정지 상태 및 회전 상태에서 바람을 받는 것에 의해 블레이드에 항력이 생기고, 이 항력에 의한 회전력에 의해 회전 운동을 개시(기동)하여, 회전을 계속하도록 되어 있다. 이와 같은 효과는, 일반적으로 스보니우스 효과라고 불리고 있다.

한편, 양력형의 풍차는, 회전 상태에서 바람을 받는 것에 의해, 블레이드에 양력의 회전 방향 성분이 생기고, 이 양력의 회전 방향 성분에 의한 회전력에 의해 회전을 계속하도록 되어 있다. 이와 같은 효과는, 일반적으로 자이로밀 효과라고 불리고 있다.

그런데, 항력형의 수직축형 풍차의 경우, 주속비(周速比)(블레이드의 회전 속도와 풍속의 비)가 1로 되면, 풍차를 그 이상으로 돌리는 모멘트가 발생하지 않고, 풍속이 높아져도, 그 이상의 회전수를 얻지 못하여, 발전 효율이 나쁘다는 문제가 있었다.

한편, 양력형의 수직축형 풍차의 경우, 주속비가 1이상에서는, 풍차의 공력(空力) 특성이 양호해져, 전술한 자이로밀 효과에 의해 회전수를 증대시킬 수 있지만, 주속비가 1 이하에서는, 풍차의 공력 특성이 악화되어, 풍차를 돌리는 모멘트(회전력)가 작아지게 되고, 특히, 회전 정지 상태에서는 바람을 받아도 블레이드에 작용하는 양력의 회전 방향 성분이 생기지 않으므로, 회전력을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.

그래서, 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여, 양력형의 수직축형 풍차에 항력형의 수직축형 풍차를 기계적으로 내장함으로써, 미풍속역(微風速域)(1~2m/sec)에서의 기동을 가능하게 한 풍차(예를 들면, 일본공개특허 제2006-46306호 공보)나, 블레이드에 커팅부 등을 형성하고, 후방으로부터의 바람에 의한 항력과 전방으로부터의 항력과의 차이가 생기는 형상으로 함으로써, 공기 역학적으로 스보니우스 효과를 얻어 미풍속역에서의 기동을 가능하게 하고, 저풍속역(低風速域)(2~6m/sec)에서의 발전 효율을 높이는 것을 가능하게 한 풍차 등이 고안되어 있다(예를 들면, 일본특허 제3451085호 공보). 스보니우스 효과는, 항력이 작용하는 블레이드 형상의 공력 특성과 그 면적(풍향과 직각인 평면적)에 비례하여, 이 면적이 커지면 스보니우스 효과가 높아져, 기동력 및 회전력을 증대시킬 수 있다.

그러나, 이와 같은 수직축형 풍차에서는, 중·고속역(6m/sec 이상)에서 회전하는 경우에, 자이로밀 효과를 최대한으로 얻을 수 없다는 문제점이 있었다. 자이로밀 효과는, 양력이 작용하는 블레이드면의 공력 특성과 그 면적(블레이드면적), 회전 속도에 의존한다. 특히, 블레이드에 작용하는 항력을 감소시킴으로써 자이로밀 효과가 높아지므로, 회전력을 증대시킬 수 있다. 따라서, 항력을 얻기 위해 설치된 항력 발생 부위(커팅부 등)는, 중·고속역에서 회전하는 경우의 자이로밀 효과를 저감시켜 버릴 우려가 있었다.

그러므로, 수직축형 풍차에는, 스보니우스 효과를 지금까지 이상으로 높여, 풍차가 기동하는 풍속을 보다 낮게 하여, 저풍속역에서의 회전력을 증대시키는 동시에 중·고속역에서는 블레이드의 항력을 매우 저감시켜 자이로밀 효과를 높이는 것에 의해, 사용 가능 풍속 범위를 확대하여, 발전 효율을 보다 한층 향상시키는 것이 알려져 있었다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 수직축형 풍차를 개략적으로 나타낸 상면도이다.

도 2는 도 1 중의 Ⅱ 화살표 방향으로부터 본 수직축형 풍차를 개략적으로 나타낸 일부 파단 정면도이다.

도 3은 제1 실시예에 관한 수직축형 풍차의 블레이드를 개략적으로 나타낸 사시도이다.

도 4는 제1 실시예에 관한 수직축형 풍차의 블레이드의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 주요부 단면도이다.

도 5는 도 4의 블레이드의 개폐 부재가 닫힌 상태를 개략적으로 나타낸 주요부 단면도이다.

도 6은 제1 실시예에 관한 수직축형 풍차의 개폐 부재가 개방된 상태의 회전 동작을 설명하는 도면이다.

도 7은 제1 실시예에 관한 수직축형 풍차의 개폐 부재가 닫힌 상태의 회전 동작을 설명하는 도면이다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 관한 수직축형 풍차의 개략 구성을 나타낸 기구 도면이다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 블레이드의 회전 상태에 따라 그 블레이드에 생기는 항력을 조정함으로써, 광범위의 풍속역에서 풍력을 무리없이 회전력으로 변환할 수 있도록 한 수직축형 풍차를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 상기 목적은, 수직 회전축과 직교하는 면 내에서, 상기 수직 회전축을 중심으로 하여 등각도 간격으로 복수 개의 블레이드가 설치된 수직축형 풍차에 있어서, 상기 블레이드가, 1.0 이상의 양력 계수를 가지는 유선형의 날개형이며, 또한 전단부가 상기 블레이드의 배면에 축지지되고, 후단부가 상기 블레이드에 대하여 개폐되는 개폐 부재와, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 상기 개폐 부재의 개폐 동작을 제어하는 개폐 제어 수단을 포함하는 것에 의해 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 개폐 제어 수단이, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8 미만인 경우에는 상기 개폐 부재를 열린 상태로 하여, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8~1을 넘은 시점에서, 상기 개폐 부재를 닫힌 상태로 함으로써, 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 개폐 부재의 전단부가 축지지되는 위치가, 상기 블레이드의 날개 현(弦) 길이의 앞에지로부터 65~75%의 배면이며, 또한 상기 개폐 부재가 상기 블레이드에 대하여 여는 최대각이, 30~40도인 것에 의해 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 블레이드가, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등의 경금속, 또는 섬유 강화 플라스틱 등의 복합재에 의해 성형된 것에 의해 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 블레이드의 날개형이, 비대칭 날개의 경비행기(이륙 중량 5700kgf 이하의 비행기)의 주날개에 사용되고 있는 형상인 것에 의해 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 개폐 제어 수단이, 상기 개폐 부재의 전단부로부터 상기 블레이드의 내부 방향으로 세워 설치된 암 부재와, 상기 암 부재의 선단부와 상기 블레이드의 내벽에 고정 설치된 스프링 지지 부재를 연결하는 스프링·액츄에이터와, 상기 암 부재의 선단부의 가동 범위를 제한하는 스토퍼 부재를 구비하고, 상기 암 부재를 통하여 전달되는 상기 개폐 부재의 질량에 의해 생기는 원심력과 상기 스프링·액츄에이터의 탄성력에 의해, 상기 개폐 부재의 개폐 동작을 제어함으로써, 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 스프링·액츄에이터의 스프링 상수가, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8~1.0을 넘으면, 상기 개폐 부재의 질량에 의해 생기는 원심력이 스프링·액츄에이터의 탄성력보다 커지도록 설정된 것에 의해 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 개폐 부재가, 상기 블레이드와 대향하는 면의 후부에 개폐 동작을 조정하기 위한 추를 구비하고 있는 것에 의해 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 개폐 제어 수단이, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 상기 개폐 부재의 개/폐를 판단하는 개폐 판단부와, 상기 개폐 판단부로부터 출력된 개/폐 신호에 따라 상기 개폐 부재를 열린 상태/닫힌 상태로 하는 액츄에이터를 구비하고 있는 것에 의해, 효과적으로 달성된다.

또한, 상기 목적은, 상기 액츄에이터가, 전동식, 유압식, 공기압 식 중 어느 하나인 것에 의해 효과적으로 달성된다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 수직축형 풍차에 의하면, 1.0 이상의 양력 계수를 가지는 유선형 날개형의 블레이드의 배면에, 상기 블레이드에 대하여 개폐 가능하게 축지지되는 개폐 부재를 설치하고, 상기 개폐 부재를 개폐함으로써 공기 역학적 특성을 바꿀 수 있도록 했다. 이로써, 개폐 부재를 닫힌 상태로부터 열린 상태로 함으로써, 블레이드에 생기는 항력을 8~15배로 할 수 있다. 이 결과, 회전 정지 상태를 포함하는 저풍속역(블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8~1)을 넘고 있지 않은 회전 상태)에서는, 개폐 부재를 열린 상태로 함으로써, 블레이드의 후방으로부터 받는 바람에 의해 생기는 항력을 증대시켜, 스보니우스 효과의 향상을 도모할 수 있고, 한편, 중·고풍속역(블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8~1을 넘고 있는 회전 상태)에서는, 개폐 부재를 닫힌 상태로 함으로써, 블레이드에 생기는 항력을 저감하여, 블레이드에 작용하는 양력의 회전 방향 성분에 의한 자이로밀 효과의 향상을 도모할 수 있다. 즉, 본 발명에 관한 수직축형 풍차는, 항력형의 수직축형 풍차와 양력형의 수직축형 풍차의 장점을 겸비하는 것으로, 스보니우스 효과와 자이로밀 효과를 최대한으로 얻을 수 있다.

예를 들면, 본 발명에 관한 수직축형 풍차와 특허 문헌 1에 개시된 풍차와 비교하면, 동일 조건 하에 있어서, 개폐 부재를 열린 상태로 함으로써, 스보니우스 효과를 2~3배로 향상시킬 수 있어, 보다 낮은 풍속에서도 정지 회전 상태의 풍차를 기동할 수 있다. 또한, 개폐 부재를 닫힌 상태로 함으로써, 블레이드의 공력 특성(특히 항력 계수)을 10~20% 저감할 수 있고, 자이로밀 효과를 크게 향상시킬 수 있다. 따라서, 수직축형 풍차의 기동 풍속(회전 정지 상태로부터 기동하는 데 필요한 풍속)을 종래의 수직축형 풍차보다 더 낮게 할 수 있는 동시에, 저풍속역(2~6m/sec)에 있어서의 회전력을 대폭 증대시킬 수 있고, 또한 중·고속역(6m/sec 이상)에서의 회전수를 보다 증대시킬 수 있다. 즉, 광범위의 풍속역에 있어서, 풍차의 효율(풍력을 회전력으로 변환시키는 효율)을 대폭 향상시켜, 발전 효율 등의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 블레이드의 날개 현 길이(블레이드의 단면의 길이 방향 폭)의 앞에지로부터 65~75% 위치의 배면에 개폐 부재의 전단부를 축지지하는 동시에, 개폐 부재를 블레이드에 대하여 최대 30~40도 개폐하도록 함으로써, 특히 풍속 1~20m/sec의 범위에 있어서의 풍차의 효율을 대폭 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 개폐 부재의 전단부로부터 블레이드의 내부 방향으로 세워 설치된 암 부재와, 상기 암 부재의 선단부와 블레이드의 내벽에 고정 설치된 스프링 지지 부재를 연결하는 스프링·액츄에이터와, 암 부재의 선단부의 가동 범위를 제한하는 스토퍼 부재로 이루어지는 개폐 제어 수단을 설치함으로써, 암 부재를 통하여 전달되는 개폐 부재의 질량에 의해 생기는 원심력과 스프링·액츄에이터의 탄성력에 의해, 개폐 부재의 개폐 동작을 자동적으로 제어할 수 있다. 특히, 스프링·액츄에이터의 스프링 상수를, 주속비(블레이드의 회전 속도와 풍속의 비)가 0.8~1.0을 넘으면, 개폐 부재의 질량에 의해 생기는 원심력이 스프링·액츄에이터의 탄성력보다 커지도록 설정함으로써, 풍력을 회전 상태에 따라 무리없이 회전력으로 변환시킬 있다.

또한, 개폐 부재의 블레이드와 대향하는 면의 후부에 추를 장착하고, 상기 추를 미조정함으로써, 스프링·액츄에이터에 부여되는 원심력을 미조정할 수 있으므로, 블레이드의 내부에 설치된 스프링·액츄에이터를 변경시키지 않고, 개폐 부재의 개폐 동작을 미조정할 수 있다.

또한, 개폐 제어 수단을, 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 개폐 부재의 개/폐를 판단하는 개폐 판단부와, 상기 개폐 판단부로부터 출력된 개/폐 신호에 따라 개폐 부재를 열린 상태/닫힌 상태로 하는 액츄에이터로 구성하고, 상기 액츄에이터에 전동식, 유압식, 또는 공기압식의 것을 사용함으로써, 대형의 수직축형 풍차에도, 블레이드의 개폐 기구를 채용할 수 있다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.

[제1 실시예]

도 1은, 본 발명의 제1 실시예에 관한 수직축형 풍차를 개략적으로 나타낸 상면도이며, 도 2는 도 1 중의 Ⅱ 화살표 방향으로부터 본 수직축형 풍차를 개략적으로 나타낸 일부 파단 정면도이다.

본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1)는, 하단부가 발전기 등(도시하지 않음)과 연결된 수직인 회전축(2)을 구비하고, 상기 회전축(2)과 직교하는 면 내에서 동일 반경의 원주 방향을 따라 등각도 간격(본 실시예에서는 90도 각도)으로 4개의 날개형의 블레이드(3, 3…)가 회전축(2)과 평행하게 배치되어 있다. 각 블레이드(3)는, 회전축(2)으로부터 방사형으로 연장되는 지지 스트럿(supporting strut)(4)의 단부에, 상기 지지 스트럿에 대하여 소정의 장착각(본 실시예에서는 90도)으로 고정되어 있다. 따라서, 풍력에 의한 블레이드(3)의 회전은, 지지 스트럿(4)을 통하여 회전축(2)에 전달된다.

블레이드(3)의 외피(外皮)는, 알루미늄 합금이나 티타늄 합금 등의 경금속, 또는 섬유 강화 플라스틱(FRP) 등의 복합재 등의 재질로 이루어지는 박판형의 소재로 형성되어 있다. 또한, 블레이드(3)의 날개형은, 1.0 이상(바람직하게는 1.0~1.4)의 양력 계수를 가지는 유선형이며, 특히, 비대칭 날개의 경비행기(이륙 중량 5700kgf 이하의 비행기)의 주 날개에 사용되고 있는 형상(예를 들면 4자계(字系) 날개형, RAF 날개형, 게팅겐 날개형 등)이 바람직하다. 그리고, 본 실시예에서는, 날개형의 부푼 곳이 큰 면(외주측의 면)을 블레이드(3)의 표면으로 하고, 날개형의 부푼 곳이 작은 면(내주측의 면)을 블레이드(3)의 배면으로 한다.

도 3은, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차의 블레이드의 외관을 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 4는 그 블레이드의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 주요부 단면도이다.

블레이드(3)의 내부에는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 단면 대략 ㄷ자형의 블레이드 지지빔(5)이 설치되고, 상기 블레이드 지지빔(5)에 의해, 회전시에 있어서의 블레이드(3)의 변형 등을 방지하고 있다. 블레이드(3)는, 블레이드 지지빔(5)의 기단부(基端部)와, 블레이드(3)의 배면 전방부에 설치된 스트럿 지지 금속부재(6, 6)에 의해, 지지 스트럿(4)의 단부에 고정된다. 이 블레이드(3)의 배면 후방부의 외피는, 전단부가 블레이드(3)의 배면에 힌지(7)를 통하여 축지지되는 동시에, 후단부가 블레이드(3)에 대하여 개폐되는 개폐 부재(8)로 되어 있다. 이 개폐 부재(8)의 전단부가 축지지되는 위치는, 블레이드(3)의 날개 현 길이의 앞에지로부터 65~75%의 배면인 것이 바람직하다.

또한, 블레이드(3)의 내부에는, 이 개폐 부재(8)의 전단부로부터 블레이드(3)의 내부 방향으로 세워 설치된 암 부재(9)와, 상기 암 부재(9)의 선단부와 블레이드의 내벽에 고정 설치된 스프링 지지 부재(10)를 연결하도록 배치된 스프링·액츄에이터(11)와, 암 부재(9)의 선단부의 가동 범위를 제한하는 스토퍼 부재(12)로 이루어지는 개폐 제어 수단(13)이 구비되어 있다. 이 개폐 제어 수단(13)은, 암 부재(9)를 통하여 전달되는 개폐 부재(8)의 질량에 의해 생기는 원심력과 스프링·액츄에이터(11)의 탄성력에 의해, 개폐 부재(8)의 개폐 동작을 제어한다. 스프링·액츄에이터(11)의 스프링 상수는, 주속비(블레이드(3)의 회전 속도와 풍속의 비)가 0.8~1.0을 넘으면, 개폐 부재(8)의 질량에 의해 생기는 원심력이 스프링·액츄에이터(11)의 탄성력보다 커지도록 설정되어 있다. 이로써, 열린 상태였던 개폐 부재(8)는, 상기 소정의 주속비를 넘으면, 도 5에 나타낸 바와 같이 닫힌 상태가 된다. 즉, 적어도 주속비가 1.0을 넘고 있는 회전 상태에서는, 블레이드(3)는 닫힌 상태로 되어 있다. 그리고, 개폐 부재(8)가 블레이드(3)에 대하여 열려 있는 열린 상태 시의 최대각은, 스토퍼 부재(12)를 설치하는 위치에 따라 설정되고, 그 각도는 30~4O도인 것이 바람직하다.

또한, 개폐 부재(8)의 블레이드(3)와 대향하는 면의 후부에는, 추(14)가 장착되어 있다. 이 추(14)는, 스프링·액츄에이터(11)에 부여되는 원심력을 미조정하기 위한 것이며, 이 추(14)의 미조정에 의해, 블레이드(3)의 내부에 설치된 스프링·액츄에이터(11)를 변경하지 않고, 개폐 부재(8)의 개폐 동작의 미조정, 즉 개폐 부재(8)가 열린 상태로부터 닫힌 상태가 되는 주속비의 설정을 변경할 수 있다.

그리고, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1)에서는, 블레이드(3)의 배면 후방부의 외피 자체를 개폐 부재(8)로 하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 다른 판형 부재의 전단부를 블레이드(3)의 배면에 회동 가능하게 장착하여, 후단부가 블레이드(3)에 대하여 개폐하도록 한 것을 개폐 부재(8)로서 사용해도 된다.

또한, 각 블레이드(3)의 내부에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 길이 방향을 따라 등간격으로 3개의 개폐 제어 수단(13)(암 부재(9))이 설치되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 설치되는 개폐 제어 수단(13)의 수 및 위치를 변경할 수 있다.

다음에, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차의 회전 동작에 대하여, 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다.

도 6은, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차의 개폐 부재가 개방된 상태의 회전 동작을 설명하는 도면이며, 도 7은, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차의 개폐 부재가 닫힌 상태의 회전 동작을 설명하는 도면이다.

본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1)의 각 블레이드(3)의 개폐 부재(8)는, 주속비가 낮은 회전 정지 상태나 저속 회전 상태에 있어서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 스프링·액츄에이터(8)의 탄성력에 의해 열린 상태로 되어 있다. 이 개폐 부재(8)가 열린 상태인 블레이드(3)에 바람이 맞았을 경우, 블레이드(3)의 전방으로부터 받는 바람에 의해 생기는 항력(도 6 위쪽의 블레이드)보다도, 블레이드(3)의 후방으로부터 받는 바람에 의해 생기는 항력(도 6 아래쪽의 블레이드) 쪽이 크다. 회전 정지 상태나 저속 회전 상태에서는, 이 항력차가 회전력으로서 풍차(1)를 기동시켜, 스보니우스 효과에 의해 풍차(1)의 회전을 유지하도록 되어 있다.

한편, 주속비가 0.8~1.0(바람직하게는 1.0)을 넘어 블레이드(3)가 중·고속 회전 상태로 되면, 도 7에 나타낸 바와 같이, 개폐 부재(8)에 작용하는 원심력이 스프링·액츄에이터(8)의 탄성력보다 커지게 되어, 각 블레이드(3)의 개폐 부재(8)가 닫힌 상태가 된다. 회전 중인 블레이드(3)에는, 회전 속도와 바람의 합성 풍력이 작용하여, 블레이드(3)에는 양력이 발생한다. 이 양력의 회전 방향 성분이 블레이드(3)의 전진력으로 되어, 자이로밀 효과에 의해 풍차(1)의 회전을 유지하도록 되어 있다.

요컨대, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1)에서는, 도 6에 나타낸 바와 같은 항력형의 블레이드(3)의 경우, 주속비가 1을 넘으면, 풍차(1)를 그 이상으로 돌리는 모멘트가 발생하지 않아, 풍속이 올라도 그 이상의 회전수를 얻을 수 없으므로, 주속비가 0.8~1.0을 넘은 시점에서 개폐 부재(8)를 닫힌 상태로 하여, 양력형의 블레이드(3)로 변경하도록 되어 있다.

이상과 같이, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1)에서는, 유선형 날개형의 블레이드(3)의 배면에, 상기 블레이드(3)에 대하여 개폐 가능하게 축지지되는 개폐 부재(8)를 설치하고, 상기 개폐 부재(8)의 개폐 상태를, 스프링·액츄에이터(11)의 탄성력과 개폐 부재(8)에 작용하는 원심력에 의해 제어함으로써, 블레이드(3)의 공기 역학적 특성을 그 회전 상태에 적합한 형상으로 자동적으로 바꿀 수 있도록 했다. 이로써, 회전 정지 상태를 포함하는 저풍속역(주속비가 0.8~1)을 넘고 있지 않은 회전 상태)에서는, 개폐 부재(8)를 열린 상태로 함으로써, 블레이드의 후방으로부터 받는 바람에 의해 생기는 항력을 증대시켜, 스보니우스 효과의 향상을 도모할 수 있고, 한편, 중·고속역(주속비가 0.8~1을 넘고 있는 회전 상태)에서는, 개폐 부재(8)를 닫힌 상태로 함으로써, 블레이드(3)에 생기는 항력을 저감하여, 블레이드(3)에 작용하는 양력의 회전 방향 성분에 의한 자이로밀 효과의 향상을 도모할 수 있다.

[제2 실시예]

도 8은, 본 발명의 제2 실시예에 관한 수직축형 풍차의 개략 구성을 나타낸 기구도이다. 그리고, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1A)는, 개폐 제어 수단(13A)의 구성이 제1 실시예의 개폐 제어 수단(13A)과는 상이한 것 이외에는, 전술한 제1 실시예의 수직축형 풍차(1)의 구성과 동일하다. 따라서, 본 실시예에 있어서, 전술한 제1 실시예와 동일한 부재에는 동일한 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.

도 8에 있어서, 개폐 부재(8)의 개폐 동작을 제어하는 개폐 제어부(13A)는, 블레이드(3A)의 회전 속도를 검출하는 회전 속도 센서(15)와, 수직축형 풍차 (1)가 받고 있는 바람의 속도를 검출하는 풍속 센서(16)와, 회전 속도 센서(15) 및 풍속 센서(16)의 검출값에 기초하여 주속비(블레이드(3A)의 회전 속도와 풍속과의 비)를 산출하고, 그 산출된 주속비가 소정값을 넘고 있는지 여부를 판단하는 개폐 판단부(17)와, 상기 개폐 판단부(17)로부터 출력된 개/폐 신호에 따라 개폐 부재(8)를 열린 상태/닫힌 상태로 하는 액츄에이터(11A)를 구비하고 있다.

개폐 제어 수단(13A)의 개폐 판단부(17)가 개/폐 상태를 판단하는 기준은, 전술한 제1 실시예와 마찬가지로, 주속비가 0.8~1.0을 넘고 있는지 여부이며, 적어도 주속비가 1.0 이상의 회전 상태에서는, 블레이드(3)는 닫힌 상태로 되어 있다.

또한, 개폐 제어 수단(13A)의 액츄에이터(11A)는, 개폐 판단부로부터 출력된 개/폐 신호에 따라 직선 운동함으로써, 개폐 부재(8)를 개/폐 상태로 하는 것이며, 그 구동에는 전기, 유압, 또는 공기압이 사용된다.

이상과 같은 구성에 의해, 본 실시예에 관한 수직축형 풍차(1A)는, 전술한 제1 실시예와 동일한 작용 효과가 얻어지는 것은 물론, 개폐 제어부(13A)의 액츄에이터(11A)로서 전기식, 유압식, 또는 공기압의 것이 사용되고 있으므로, 대형의 수직축형 풍차에도, 블레이드(3A)의 개폐 기구를 채용할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시예에 대하여 구체적으로 설명했으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 그 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적당히 변경 가능하다

본 발명에 관한 수직축형 풍차는, 저풍속역으로부터 고풍속역까지 광범위한 풍속역에 있어서, 풍력을 효과적으로 회전력으로 변환할 수 있고, 특히, 풍속 1~20m/sec의 범위에 있어서의 풍차의 효율을 대폭 향상시키는 것이 가능한 효과를 가지는 것으로, 예를 들면, 풍력 발전용의 풍차로서 유용하다.

Claims

수직 회전축과 직교하는 면 내에서, 상기 수직 회전축을 중심으로 하여 등각도 간격으로 복수 개의 블레이드(blade)가 설치된 수직축형 풍차로서,

상기 블레이드는 1.0 이상의 양력(揚力) 계수를 가지는 유선형의 날개형이며,

상기 블레이드의 배면에 전단부가 축지지되고, 후단부는 상기 블레이드에 대하여 개폐되는 개폐 부재와,

상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 상기 개폐 부재의 개폐 동작을 제어하는 개폐 제어 수단

을 포함하는, 수직축형 풍차.
제1항에 있어서,

상기 개폐 제어 수단은, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8 미만인 경우에는 상기 개폐 부재를 열린 상태로 하고, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8~1을 넘은 시점에서 상기 개폐 부재를 닫힌 상태로 하는, 수직축형 풍차.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 개폐 부재의 전단부가 축지지되는 위치는 상기 블레이드의 날개 현(弦) 길이의 앞에지로부터 65~75%의 배면이며,

상기 개폐 부재가 상기 블레이드에 대하여 여는 최대각은 30~40도인, 수직축형 풍차.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 블레이드는, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등의 경금속, 또는 섬유 강화 플라스틱 등의 복합재에 의해 성형된, 수직축형 풍차.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 블레이드의 날개형은, 비대칭 날개의 경비행기(이륙 중량 5700kgf 이하의 비행기)의 주 날개에 사용되고 있는 형상인, 수직축형 풍차.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 개폐 제어 수단은, 상기 개폐 부재의 전단부로부터 상기 블레이드의 내부 방향으로 세워 설치된 암 부재와, 상기 암 부재의 선단부와 상기 블레이드의 내벽에 고정 설치된 스프링 지지 부재를 연결하는 스프링·액츄에이터와, 상기 암 부재의 선단부의 가동 범위를 제한하는 스토퍼 부재를 포함하고,

상기 암 부재를 통하여 전달되는 상기 개폐 부재의 질량에 의해 생기는 원심력과 상기 스프링·액츄에이터의 탄성력에 의해, 상기 개폐 부재의 개폐 동작을 제어하는, 수직축형 풍차.
제6항에 있어서,

상기 스프링·액츄에이터의 스프링 상수는, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비가 0.8~1.0을 넘으면, 상기 개폐 부재의 질량에 의해 생기는 원심력이 스프링·액츄에이터의 탄성력보다 커지도록 설정된, 수직축형 풍차.
제6항 또는 제7항에 있어서,

상기 개폐 부재는 상기 블레이드와 대향하는 면의 후부에 개폐 동작을 미조정하기 위한 추를 구비하고 있는, 수직축형 풍차.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 개폐 제어 수단은, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 상기 개폐 부재의 개/폐를 판단하는 개폐 판단부와, 상기 개폐 판단부로부터 출력된 개/폐 신호에 따라 상기 개폐 부재를 열린 상태/닫힌 상태로 하는 액츄에이터를 포함하는, 수직축형 풍차.
제9항에 있어서,

상기 액츄에이터는, 전동식, 유압식, 공기압 식 중 어느 하나인, 수직축형 풍차.