KR20100020283A - 가변익 회전 조립체 및 이를 이용하는 발전 시스템 - Google Patents

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이성호
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Abstract

대체 에너지로 풍력, 수력 또는 조력 발전에 이용할 수 있도록 회전 효율성이 높은 가변익 회전 조립체 및 이를 이용하는 발전 시스템이 개시된다. 가변익 회전 조립체는 회전축에 고정되며 유체가 통과할 수 있도록 개방면이 형성되는 다수 개의 날개와, 각각의 날개의 선단에 회전 가능하게 결합되며 유체에 의해 회전하면서 개방면을 선택적으로 개폐하여 날개에 회전력을 제공하는 다수 개의 가변익 개폐부재를 포함한다. 발전 시스템은 상술한 가변익 회전 조립체와, 가변익 회전 조립체의 회전 운동에 따른 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 생성부를 포함한다.
날개, 가변익, 풍력, 수력, 조력, 발전

Description

가변익 회전 조립체 및 이를 이용하는 발전 시스템{VARIABLE WINGS ROTATION ASSEMBLY AND ELECTRIC GENERATION SYSTEM FOR USING THE SAME}
본 발명은 회전 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대체 에너지로 풍력, 수력 또는 조력 발전에 이용할 수 있도록 회전 효율성이 높은 가변익 회전 조립체 및 이를 이용하는 발전 시스템에 관한 것이다.
인류의 문명이 화석연료의 과다 사용으로 공해와 지구 온난화로 생태계 유지가 위태하고, 화석연료마저 곧 고갈될 것이 예고되는 시점에 대체 에너지의 사용과 개발이 매우 중요함은 불문가지의 사실이다.
대체 에너지로는 원자력이 중요하고 발전 단가도 저렴하지만 방사능 오염의 위험성과 지속적인 핵연료 공급의 제한성으로 대량 보급에 어려움이 있고, 태양광 발전은 현재로선 단가가 매우 비싼 단점이 있으며, 수력 발전은 입지조건이 필수 요건이라 제한적일 수밖에 없다. 그러므로 발전 단가가 비교적 저렴하고 공해나 지구 온난화를 막아주고, 무제한으로 이용할 수 있는 풍력이 가장 주목을 받는 경향이지만, 풍력 발전기는 제작에 고난도의 기술이 요구되고 일부 부품을 수입해야 하므로 그 설치비가 국내 모 회사 개발 750KW급이 20억원이며, 2MW급이 50억원으로 재원 조달이 쉽지 않고 기존의 프로펠라(Propeller)식 풍력발전기의 기체 역학적인 대용량의 한계성 때문에 국내 풍력발전 가능지역, 예를 들어 서해안 도서지역, 내륙 산악지역 등에 대량 보급이 쉽지 않은 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 대체 에너지로 풍력, 수력 또는 조력 발전에 이용할 수 있도록 회전 효율성이 높은 가변익 회전 조립체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 제작에 고난도의 기술이 요구되지 않고 제작 비용이 저렴한 가변익 회전 조립체를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기와 같은 가변익 회전 조립체를 이용하여 풍력, 수력 또는 조력 발전을 할 수 있는 발전 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체는, 회전축에 고정되며, 유체가 통과할 수 있도록 개방면이 형성되는 다수 개의 날개, 및 각각의 상기 날개의 선단에 회전 가능하게 결합되며, 유체에 의해 회전하면서 상기 개방면을 선택적으로 개폐하여 상기 날개에 회전력을 제공하는 다수 개의 가변익 개폐부재를 포함한다.
또한, 상기 가변익 개폐부재는 상기 날개의 선단에 경첩으로 결합되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 날개는 상기 가변익 개폐부재와 대향되는 면에 적어도 하나의 제 1 탄성부재가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 가변익 회전 조립체는, 상기 가변익 개폐부재의 최대 회전각을 제한하기 위해 상기 날개의 선단에 90도 내지 135도의 각도로 고정되게 구비되는 회전각 제어부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전각 제어부재는 상기 가변익 개폐부재와 대향되는 면에 적어도 하나의 제 2 탄성부재가 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 날개들은 상기 회전축을 따라 다층으로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 날개들은 상기 회전축을 중심으로 각각의 날개 각도를 균등하게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 날개들은 상기 회전축을 중심으로 서로 대칭되게 구비되며, 상기 회전축의 수직 방향을 따라 연속적으로 길이가 연장되게 결합된다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은, 상기 가변익 회전 조립체, 및 상기 가변익 회전 조립체의 회전 운동에 따른 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 생성부를 포함한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 가변익 회전 조립체 및 이를 이용하는 발전 시스템은, 제작에 고난도의 기술이 필요치 않고 제작비용이 저렴하며, 용량의 소형화나 대형화가 쉽다.
또한, 풍향이 순간적으로 변하는 반사돌풍 등 바람의 질이 C급 풍력인 우리나라 풍황에 적합하므로, 효율성이 높은 풍력, 수력 또는 조력 발전에 두루 이용할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체 및 이를 이용하는 발전 시스템을 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체의 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익(可變翼) 회전 조립체는 날개(100), 가변익 개폐부재(200) 및 회전각 제어부재(300) 등을 구비한다. 이하, 본 실시예를 설명하는데 있어서 이해를 돕기 위해 날개가 4개인 구성을 일 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정하지 않고 2개 이상의 날개를 구비하는 회전 조립체라면 모두 동일하게 적용될 수 있다.
날개(100)는 수직으로 배치되는 회전축(10)에 다수 개 고정된다. 예를 들어, 4개의 날개로 구성되는 경우, 날개(100)는 제 1 날개(110), 제 2 날개(120), 제 3 날개(130) 및 제 4 날개(140)가 회전축(10)을 중심으로 90도 각도로 균등하게 배치된다.
각각의 날개(110)(120)(130)(140)는 사각형, 원형, 타원형 등 다양한 형상을 가지는 플레이트로 형성될 수 있다. 바람직하게 각각의 날개(110)(120)(130)(140)는 회전축(10)에 대하여 수직방향으로 장축을 갖는 직사각형의 플레이트 형상을 가진다.
각각의 날개(110)(120)(130)(140)에는 바람(공기) 또는 물과 같은 유체가 통과할 수 있도록 제 1 개방면(111), 제 2 개방면(121), 제 3 개방면(131) 및 제 4 개방면(141)이 각각 형성된다. 즉, 각각의 날개(110)(120)(130)(140)는 외곽 프레 임 영역을 제외하고 대부분의 영역이 개방되어 있다.
각각의 날개(110)(120)(130)(140)는 후술할 각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)와 대향하는 면에 적어도 하나의 제 1 탄성부재(S1)가 각각 구비된다. 예를 들어, 제 1 날개(110)는 제 1 가변익 개폐부재(210)와 대향하는 면의 상부와 하부에 제 1 탄성스프링(S1)이 돌출되게 고정되어 제 1 가변익 개폐부재(210)가 제 1 개방면(111)을 밀폐하도록 회전할 때 제 1 날개(110)와 부딪치는 충격을 완화시켜 준다.
가변익 개폐부재(200)는 각각의 날개(110)(120)(130)(140)의 선단에 구비되는 각각의 경첩(21)(22)(23)(24)에 의해 회전 가능하게 결합된다. 예를 들어, 4개의 날개로 구성되는 경우, 가변익 개폐부재(200)는 제 1 날개(110)의 선단에 제 1 경첩(21)에 의해 회전 가능하게 결합되는 제 1 가변익 개폐부재(210), 제 2 날개(120)의 선단에 제 2 경첩(22)에 의해 회전 가능하게 결합되는 제 2 가변익 개폐부재(220), 제 3 날개(130)의 선단에 제 3 경첩(23)에 의해 회전 가능하게 결합되는 제 3 가변익 개폐부재(230), 및 제 4 날개(140)의 선단에 제 4 경첩(24)에 의해 회전 가능하게 결합되는 제 4 가변익 개폐부재(240)를 구비할 수 있다.
각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)는 유체에 의해 회전하면서 각 날개(110)(120)(130)(140)의 개방면(111)(121)(131)(141)을 선택적으로 개폐하여 각각의 날개(110)(120)(130)(140)에 회전력을 제공한다.
각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)는 각 날개(110)(120)(130)(140)와 동일한 형상, 예컨대 직사각형의 플레이트로 형성되며, 각 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)의 표면적은 각 날개(110)(120)(130)(140)의 개방면적 보다 크게 형성되는 것이 바람직하다.
회전각 제어부재(300)는 각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)의 최대 회전각(열림각)을 제한하기 위해 각 날개(110)(120)(130)(140)의 선단에 90도 내지 135도의 각도(θ)로 고정되게 구비된다. 예를 들어, 4개의 날개로 구성되는 경우, 회전각 제어부재(300)는 제 1 날개(110)의 선단에 90도 내지 135도의 각도(θ)로 고정되는 제 1 회전각 제어부재(310), 제 2 날개(120)의 선단에 상기의 각도로 고정되는 제 2 회전각 제어부재(320), 제 3 날개(130)의 선단에 상기의 각도로 고정되는 제 3 회전각 제어부재(330), 및 제 4 날개(140)의 선단에 상기의 각도로 고정되는 제 4 회전각 제어부재(340)를 구비할 수 있다.
각각의 회전각 제어부재(310)(320)(330)(340)는 사각형의 플레이트 형상을 가지며, 날개(100)와는 별도의 부재로 각 날개(110)(120)(130)(140)의 선단에 고정되거나, 각 날개(110)(120)(130)(140)의 선단이 소정 각도로 절곡되어 날개(100)와 일체로 형성될 수 있다.
각각의 회전각 제어부재(310)(320)(330)(340)는 각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)와 대향하는 면에 적어도 하나의 제 2 탄성부재(S2)가 각각 구비된다. 예를 들어, 제 1 회전각 제어부재(310)는 제 1 가변익 개폐부재(210)와 대향하는 면의 상부와 하부에 제 2 탄성스프링(S2)이 돌출되게 고정되어 제 1 가변익 개폐부재(210)가 열릴 때 제 1 회전각 제어부재(310)와 부딪치는 충격을 완화시켜 준다.
도 3 및 도 4는 가변익 회전 조립체의 날개의 개수에 따른 다양한 실시 형태들을 보여주는 예시도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 회전축(10)을 중심으로 2개의 날개(110)(120)가 서로 180도 각도를 이루도록 구비될 수 있고, 회전축(10)을 중심으로 3개의 날개(110)(120)(130)가 서로 120도 각도를 이루도록 구비될 수 있다.
각각의 날개(110)(120)(130)에는 개방면(111)(121)(131)이 각각 형성되고, 각각의 날개(111)(121)(131)의 선단에는 가변익 개폐부재(210)(220)(230)가 회전 가능하게 각각 결합되며, 각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)의 최대 회전각을 제한하기 위해 90도 내지 135도의 각도(θ)로 회전각 제어부재(310)(320)(330)가 각각 고정된다.
본 실시예에서는 날개(100)의 개수가 2개 내지 4개인 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 그 이상의 개수의 날개(100)도 가능하다. 또한, 동일한 평면에서 회전축(10)을 중심으로 각각의 날개 각도를 균등하게 형성하는 것이 바람직하다.
도 5 및 도 6은 가변익 회전 조립체를 다층으로 형성하는 다양한 실시 형태들을 보여주는 예시도이다.
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이, 회전축(10)을 따라 상하방향으로 날개(100)를 교차하여 2층(W1)(W2)으로 구성하고, 각 층에 2개의 날개가 서로 180도의 각도를 이루도록 구비할 수 있다. 즉, 상하층의 총 4개 날개(110)(120)(130)(140)의 평면 각도의 합이 360도가 되도록 4개의 날개(110)(120)(130)(140)가 각각 90도의 각 도로 균등하게 배치된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 회전축(10)을 따라 상하방향으로 날개를 교차하여 2층(W1)(W2)으로 구성하고, 각 층에 3개의 날개가 서로 120도의 각도를 이루도록 구비할 수 있다. 즉, 상하층의 총 6개 날개(110)(120)(130)(140)(150)(160)의 평면 각도 합이 360도가 되도록 6개의 날개(110)(120)(130)(140)(150)(160)가 각각 60도의 각도로 균등하게 배치된다.
본 실시예에서는 날개(100)가 회전축(10)을 따라 상하방향으로 2층(W1)(W2)인 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 그 이상의 층수로 구성이 가능하다. 이때, 각 층(W1)(W2)의 날개(100)가 교차되도록 배치하며, 총 날개의 평면 각도 합이 360도가 되도록 회전축(10)을 중심으로 각각의 날개 각도를 균등하게 형성하는 것이 바람직하다.
도 7은 가변익 회전 조립체의 각 날개의 각도를 균등하게 형성하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 회전축(10)을 따라 상하방향으로 4개의 날개(110)(120)(130)(140)를 4층(W1)(W2)(W3)(W4)으로 구성하는 경우, 4개의 날개(110)(120)(130)(140)가 90도 각도로 순차적으로 배치된다. 4개의 날개(110)(120)(130)(140)뿐만 아니라 그 밖에 다양한 개수의 날개(100)도 회전축(10)을 중심으로 순차적으로 각각의 날개 각도를 균등하게 형성할 수 있다.
도 8은 가변익 회전 조립체의 날개 길이를 연장하여 형성하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 회전축을 중심으로 일측 날개들(110, 120, 130)과 타측 날개들(140, 150, 160)은 서로 대칭되게 구비된다. 일측 날개들(110, 120, 130)과 타측 날개들(140, 150, 160)은 회전축(10)의 수직 방향을 따라 연속적으로 길이가 연장되게 결합된다. 각각의 날개(110)(120)(130)(140)(150)(160)의 선단에는 각각의 가변익 개폐부재(210)(220)(230)(240)(250)(260)(270)가 회전 가능하게 결합된다.
도 9는 가변익 회전 조립체의 가변익 개폐부재에 곡면을 형성하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 회전축(10)을 중심으로 2개의 날개(110)(120)가 서로 180도 각도를 이루도록 구비되며, 각각의 가변익 개폐부재는 곡면이 형성된다.
예를 들어, 닫히는 날개(110)의 가변익 개폐부재(210)는 바람의 진행방향에 대하여 오목면이 형성되고, 열리는 날개(120)의 가변익 개폐부재(220)는 바람의 진행방향에 대하여 볼록면이 형성될 수 있다.
이하, 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체의 작동을 구체적으로 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체의 작동을 설명하기 위한 예시도이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 날개(110)의 선단에 회전 가능하게 결합된 제 1 가변익 개폐부재(210)는 바람 또는 물의 진행방향에 대하여 전면으로 압력을 받아 제 1 개방면(111)을 밀폐하도록 제 1 경첩(21)을 중심으로 회전하면서 닫히게 된다. 이때, 닫히는 제 1 가변익 개폐부재(210)는 바람 또는 물의 압력을 받아 제 1 날개(110)를 화살표 a방향으로 밀어 회전 조립체를 회전시킨다.
제 2 날개(120)의 선단에 회전 가능하게 결합된 제 2 가변익 개폐부재(220)는 바람 또는 물의 압력을 받아 제 2 개방면(121)을 개방하도록 제 2 경첩(22)을 중심으로 회전하면서 열리기 시작한다.
제 3 날개(130)의 선단에 회전 가능하게 결합된 제 3 가변익 개폐부재(230)는 바람 또는 물의 압력을 받아 제 3 개방면(131)을 완전히 개방하도록 제 3 경첩(23)을 중심으로 회전하면서 열리게 된다. 이때, 열리는 제 3 가변익 개폐부재(230)는 제 3 날개(130)에 미치는 바람 또는 물의 압력을 무력화하므로 제 1 날개(110)에서 발생한 회전 조립체의 회전력을 방해하지 않게 한다.
제 4 날개(140)의 선단에 회전 가능하게 결합된 제 4 가변익 개폐부재(240)는 바람 또는 물의 압력을 받아 제 4 개방면(141)을 밀폐하도록 제 4 경첩(24)을 중심으로 회전하면서 닫히기 시작한다. 이때, 닫히는 제 4 가변익 개폐부재(240)는 바람 또는 물의 압력을 받아 제 4 날개(140)를 화살표 d방향으로 밀어 회전 조립체를 회전시킨다.
가변익 개폐부재(200)가 바람 또는 물의 진행방향과 마주하는 방향으로 움직여 닫히는 위치에 있을 때에는 가변익 개폐부재(200)가 날개(100)의 개방면을 밀폐하여 날개(100)에 회전력을 공급하고, 가변익 개폐부재(200)가 바람의 진행방향과 나란한 방향으로 움직여 열리는 위치에 있을 때에는 가변익 개폐부재(200)가 날 개(100)의 개방면을 개방하여 날개(100)의 회전을 바람 또는 물이 방해하지 않게 된다. 즉, 가변익 회전 조립체는 본래 위치에서 180도 회전한 위치에서는 언제나 닫힘과 열림이 반대로 되어 바람 또는 물이 어느 방향에서 불어오든지 회전 조립체는 계속적으로 회전하게 된다.
따라서, 날개(100)의 회전력 공급은 실제로 날개(100)가 X축으로부터 -45도 방향에 위치할 때 시작하여 X축과 45도의 각도를 이룰 때까지 계속된다. 즉, 날개(100)의 회전력 공급은 360도 회전시 약 270도 진행하는 동안 계속된다.
도면에 도시된 바 없지만, 바람 또는 물의 진행방향과 가변익 개폐부재(200)가 이루는 각도를 날개(100)의 구조나 전자제어방식을 통하여 회전 조립체가 풍력, 수력 또는 조력 등을 최대로 받을 수 있도록 설계하는 것이 바람직하다.
또한, 날개(100)와 가변익 개폐부재(200) 사이에는 제 1 탄성스프링(S1)이 날개(100)에 고정되어 있어 가변익 개폐부재(200)가 닫힐 때에는 날개(100)와 가변익 개폐부재(200)의 사이각이 45도의 각도가 되는 부분부터 제 1 탄성스프링(S1)의 저항을 받으며, 열릴 때에는 날개(100)와 가변익 개폐부재(200)의 사이각이 90도의 각도가 되는 부분부터 회전각 제어부재(300)에 고정된 제 2 탄성스프링(S2)의 저항을 받게 된다. 그 결과, 가변익 개폐부재(200)가 닫힐 때와 열릴 때 충격을 방지할 수 있고, 가변익 개폐부재(200)에 미치는 바람 또는 물의 압력을 최대로 이용할 수 있다.
예를 들어, 제 4 날개(140)의 제 4 가변익 개폐부재(240)는 바람 또는 물의 압력으로 닫히면서 제 4 날개(140)와 45도의 각도를 이룰 때부터 제 4 날개(140)에 고정된 제 1 탄성스프링(S1)의 탄성 저항을 받아 닫히는 충격이 완화된다.
또한, 제 2 날개(120)에 고정된 제 1 탄성스프링(S1)은 제 2 가변익 개폐부재(220)가 미리 열리도록 밀어주어 제 2 가변익 개폐부재(220)는 제 2 날개(120)와 90도의 각도를 이룰 때까지 열리며, 이때부터 제 2 날개(120)의 선단에 90도 내지 135도의 각도로 열림을 제한하는 제 2 회전각 제어부재(320)에 고정된 제 2 탄성스프링(S2)의 영향으로 열림의 제한을 받고 부딪치는 충격이 완화되며, 바람 또는 물의 압력을 받아 다시 한번 제 2 날개(120)의 회전력을 추가하여 준다.
본 발명의 회전 조립체의 회전력은 바람(공기)의 풍속이나 물의 유속에 비례하며, 날개(100)의 넓이(크기)에 비례하므로 가변익 개폐부재(200)의 넓이를 넓히기 위하여 날개(100)의 회전축과 같은 방향 또는 직각 방향으로 날개(100)의 크기를 적절히 넓히고 가변익 개폐부재(200)의 개수를 늘리는 것이 바람직하다.
또한, 회전 조립체의 회전력을 극대화하기 위하여 한 평면의 날개(100) 개수를 균등한 교차각을 갖도록 2개, 3개, 4개,...등으로 다수 개 늘릴 수 있다.
또한, 회전축(10)을 따라 날개(100)를 2층, 3층,... 등으로 임의의 일정한 각도로, 예를 들어 90도 각도로 4개, 45도 각도로 8개로 다층 구조로 쌓아 올려 늘릴 수 있다. 이때 바람 또는 물이 불어오는 쪽의 앞날개가 바람 또는 물을 막아 뒷날개의 활동을 약화시키지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체를 이용한 발전 시스템의 개략도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 발전 시스템은 상술한 가변익 회전 조립체(1000) 와, 가변익 회전 조립체(1000)의 회전축(10)의 회전 운동에 따른 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 생성부(2000) 등을 구비한다.
가변익 회전 조립체(1000)를 풍력발전에 이용하는 경우, 즉 풍차(A)로서 이용하는 경우 바람이 충분히 발생하는 지역에 가변익 회전 조립체(1000)를 다수 개(1, 2, 3,... N) 설치한다.
가변익 회전 조립체(1000)를 수력발전 또는 조력발전에 이용하는 경우, 즉 수차(B)로서 이용하는 경우 수력 또는 조력이 충분히 발생하는 지역에 가변익 회전 조립체(1000)를 다수 개(1, 2, 3,... N) 설치한다.
에너지 생성부(2000)는 공지된 기술로 이해 가능하므로 상세한 설명은 생략한다.
다수 개의 가변익 회전 조립체(1000)가 풍력, 수력 또는 조력 등에 의해 회전 운동을 하게 되고, 에너지 생성부(2000)가 가변익 회전 조립체(1000)의 회전축(10)의 회전 운동에 따른 역학적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기에너지를 생성하게 된다.
특히, 본 발명의 회전 조립체를 이용한 발전 시스템은 제작에 고난도의 기술이 필요치 않고 제작비용이 저렴하며, 용량의 소형화나 대형화가 쉬우며, 풍향이 순간적으로 변하는 반사돌풍 등 바람의 질이 C급 풍력인 우리나라 풍황에 적합하므로, 효율성이 높은 풍력, 수력 또는 조력 발전에 두루 이용할 수 있다.
예를 들어, 풍력 발전기의 실제 유효 출력을 PE라 할 때, PE = Cp*1/2ρAV3으로 표시된다. 여기서, PEs는 출력(Nm)이고, Cp는 출력계수(Power coefficient)이고, ρ는 공기 밀도 kg/m3이고, A는 포획면적(수풍면적)(m2)이며, V는 유속(풍속)(m/s)이다.
상기 수식에서 보는 바와 같이, 풍력 발전기의 유효 출력 PE을 크게 하기 위해서는 포획 면적 A를 확대할 필요가 있는데, 본 발명은 포획면적 A의 확대에 제한이 없어 풍력 발전기의 대형화에 문제가 없는 항력형 회전 조립체 설계가 가능하다. 또한, 항력형 풍차의 경우 출력계수가 낮은 단점이 있으나, 이를 보상하고도 남는 포획면적 A의 증대로 대기권에 무한하게 이동하는 에너지를 실용화할 수 있다.
이상적인 풍력터빈(풍차)의 출력계수는 16/27=0.593(59.3%)이며, 고성능 실제 풍차라도 0.45(45%)를 넘지 못하고, 항력형 풍차는 0.15-0.20(15-20%)이므로 이론상으로는 포획면적 A를 최소 3배만 증대하여도 고성능 풍차의 출력에 필적할 수 있고, 그 이상의 포획면적 증대로 풍력발전기의 대형화는 쉽게 이루어질 수 있다.
그리고, 항력형 터빈(풍차)의 추진력을 이루는 항력을 FD라 할 때, FD = CDApρV2/2으로 표시된다. 여기서, CD는 항력계수이고, Ap는 물체의 투영면적(포획면적)이고, ρ는 유체 밀도이며, V는 자유흐름 유속이다.
상기 수식에서 보는 바와 같이, 포획 면적 A의 극대화와 동시에 항력계수 CD값을 최대로 하기 위하여 최적의 포획면의 형상을 선택한다. 그리고, 회전체가 유체(풍차의 경우 바람)의 방향을 역행하여 회전하는 경우에 항력계수 CD가 회전을 방해하는 역할을 하므로, 이것을 해결하는 방법으로 CD의 절대치를 0으로 하게 하는 가변익 회전 조립체를 제안한다. 따라서, 본 발명의 가변익 회전 조립체는 유속이 작은 유체에서도 회전이 용이하고 많은 에너지의 포획이 가능하여 조력 발전이나 수력 발전에 이용될 수 있으며, 환경파괴 때문에 댐(dam) 건설이 어려운 곳에 댐 건설 없이 또는 최소의 댐 건설로 조력 또는 수력 발전에 이용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체의 사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3 및 도 4는 가변익 회전 조립체의 날개의 개수에 따른 다양한 실시 형태들을 보여주는 예시도이다.
도 5 및 도 6은 가변익 회전 조립체를 다층으로 형성하는 다양한 실시 형태들을 보여주는 예시도이다.
도 7은 가변익 회전 조립체의 각 날개의 각도를 균등하게 형성하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 8은 가변익 회전 조립체의 날개 길이를 연장하여 형성하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 9는 가변익 회전 조립체의 가변익 개폐부재에 곡면을 형성하는 일 예를 보여주는 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체의 작동을 설명하기 위한 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변익 회전 조립체를 이용한 발전 시스템의 개략도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 날개 110 : 제 1 날개
120 : 제 2 날개 130 : 제 3 날개
140 : 제 4 날개 200 : 가변익 개폐부재
210 : 제 1 가변익 개폐부재 220 : 제 2 가변익 개폐부재
230 : 제 3 가변익 개폐부재 240 : 제 4 가변익 개폐부재
300 : 회전각 제어부재 310 : 제 1 회전각 제어부재
320 : 제 2 회전각 제어부재 330 : 제 3 회전각 제어부재
340 : 제 4 회전각 제어부재 1000 : 가변익 회전 조립체
2000 : 에너지 생성부

Claims (9)

  1. 회전축에 고정되며, 유체가 통과할 수 있도록 개방면이 형성되는 다수 개의 날개; 및
    각각의 상기 날개의 선단에 회전 가능하게 결합되며, 유체에 의해 회전하면서 상기 개방면을 선택적으로 개폐하여 상기 날개에 회전력을 제공하는 다수 개의 가변익 개폐부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변익 개폐부재는 상기 날개의 선단에 경첩으로 결합되는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개는 상기 가변익 개폐부재와 대향되는 면에 적어도 하나의 제 1 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변익 개폐부재의 최대 회전각을 제한하기 위해 상기 날개의 선단에 90도 내지 135도의 각도로 고정되게 구비되는 회전각 제어부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 회전각 제어부재는 상기 가변익 개폐부재와 대향되는 면에 적어도 하나의 제 2 탄성부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개들은 상기 회전축을 따라 다층으로 구비되는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개들은 상기 회전축을 중심으로 각각의 날개 각도를 균등하게 형성하는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개들은 상기 회전축을 중심으로 서로 대칭되게 구비되며, 상기 회전축의 수직 방향을 따라 연속적으로 길이가 연장되게 결합되는 것을 특징으로 하는 가변익 회전 조립체.
  9. 상기 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 가변익 회전 조립체; 및
    상기 가변익 회전 조립체의 회전 운동에 따른 역학적 에너지를 전기적 에너 지로 변환하여 전기에너지를 생성하는 에너지 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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