KR20100084598A - 수직축 풍력 터빈 - Google Patents

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Abstract

수직축 풍력 터빈은 스테이터 샤프트, 발전기, 회전 샤프트, 및 복수의 블레이드를 포함한다. 발전기는 스테이터 샤프트주위에 회전가능하게 장착된다. 회전 샤프트는 발전기상에 장착되고 발전기로부터 돌출된다. 복수의 블레이드는 발전기주위에 배치되고 서로 균형잡히게끔 향한다. 각각의 블레이드는 적어도 하나의 스트러트에의해 회전 샤프트에 연결되고 리 에지쪽으로 테이퍼링되는 러프 에지를 구비한다. 적어도 하나의 스트러트는 블레이드상에 형성되고 블레이드로부터 돌출하며 회전 샤프트에 연결된다. 블레이드는 바람의 방향과 독립적으로 바람에의해 회전하고 발전기를 회전시켜 풍력을 전력으로 변환한다.

Description

수직축 풍력 터빈{VERTICAL AXIS WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 터빈에 관한 것이고 특히 회전 샤프트와 밸런스를 최적화하기 위해 회전 샤프트 주위에 배치 및 연결되는 복수의 블레이드를 구비한 수직축 풍력 터빈에 관한 것이다.
도 7을 참조하면, 종래의 수평축 풍력 터빈(70)(HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine)은 마스트, 발전기, 및 세개의 블레이드를 포함한다.
발전기는 마스트상에 장착되고 수평 스테이터 샤프트를 포함한다. 세개의 블레이드는 스테이터 샤프트에 단단히 연결되고 풍력에의해 회전하여 풍력을 전력으로 변환하며 바람을 맞도록 자체 조절된다. 각각의 블레이드는 블레이드 길이를 갖는다. 블레이드의 길이는 블레이드의 회전을 부드럽게 유지하기 위해 마스트의 길이보다 짧아야한다.
또한, 블레이드 재료와 고가의 전자장치의 비용을 고려하여 보다 긴 블레이드를 선호하게 된다. 따라서, HAWT는 가정용이나 소규모 전력발생에는 선호되지 않는다.
그리고, 종래의 풍력 터빈(70)의 블레이드는 풍력을 맞도록 계속적으로 조절되기 때문에 풍력 터빈의 효율이 줄어든다. 더하여, 특히 도심내 지면부근에서 난기류가 HAWT의 효율을 더욱 감소시킨다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 본 발명은 상기한 문제점을 완화 또는 제거하기 위한 풍력 터빈을 제공한다.
본 발명의 주 목적은 회전 샤프트와 밸런스를 최적화하기 위해 회전 샤프트주위에 배치 연결되는 복수의 블레이드를 구비한 수직축 풍력 터빈을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 태양에 따른 수직축 풍력 터빈은 스테이터 샤프트, 발전기, 회전 샤프트, 및 복수의 블레이드를 포함한다. 발전기는 스테이터 샤프트주위에 회전가능하게 장착된다. 복수의 블레이드는 발전기에 연결되고 서로 균형잡히게끔 향한다. 각각의 블레이드는 블레이드를 발전기에 연결하는 적어도 하나의 스트러트를 구비한다. 블레이드와 스트러트는 러프 에지(luff edge)와 리 에지(lee edge)를 구비한다. 러프 에지는 공기역학적 개선을 위해 리 에지를 향해 테이퍼링된다. 블레이드는 풍력에의해 회전되어 발전기를 회전시켜 풍력을 전력으로 변환한다.
본 발명의 기타 목적, 이점, 및 신규의 특징은 첨부한 도면을 참조로 이하의 상세한 설명으로 부터 명백해질 것이다.
도 1, 2, 및 5를 참조하면, 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈(VAWT: Vertical Axis Wind Turbine)은 스테이터 샤프트(12), 발전기(10), 회전 어셈블리(20), 복수의 블레이드(30), 선택적인 브레이킹 디스크(50), 및 선택적인 브레이크(40)를 포함한다.
스테이터 샤프트(12)는 지면에 수직으로 배치될 수 있고 지면상이나 건물상, 가로등 기둥 등상에 위치할 수 있다.
발전기(10)는 스테이터 샤프트(12)상에 회전 가능하게 장착되고 스테이터 홀(11), 장착면, 및 환상 면을 구비한다. 스테이터 홀(11)은 발전기(10)를 통하여 중심으로 형성되고 스테이터 샤프트(12) 주위에 회전가능하게 장착된다.
회전 어셈블리(20)는 발전기(10)에 견고하게 연결되고 회전 샤프트(21), 두 개의 블레이드 마운트(22) 및 복수의 선택적인 장착 플레이트(23)를 구비한다.
회전 샤프트(21)는 발전기(10)의 장착면상에 장착되고 무게를 줄이기 위해 공동이 형성될 수 있고 발전기(10)를 회전시키도록 구동되고 원단부, 복수의 선택적 연결 튜브(210) 및 복수의 선택적인 패스너(212)를 갖는다.
회전 샤프트(21)의 원단부는 발전기(10)의 장착면으로부터 돌출되어 있다. 연결 튜브(210)는 일렬로 연결되어 회전 샤프트(21)의 길이를 결정하고 부가 또는 제거될 수 있다. 각각의 연결 튜브(210)는 두 개의 단부를 갖고 두 개의 샤프트 플랜지(211)를 갖는다. 샤프트 플랜지(211)는 환상으로 되고 각각 연결 튜브(210)의 단부에서 돌출되며 복수의 고정 홀을 갖는다. 고정홀은 각각의 샤프트 플랜지(211)를 통해 형성되고 인접한 연결 튜브(210)의 샤프트 플랜지(211)를 통해 형성된 다른 고정홀에 정렬될 수 있다. 패스너(212)는 각각 인접한 샤프트 플랜 지(211)의 고정홀에 장착되어 인접 연결 튜브(210)를 연결한다.
두 개의 블레이드 마운트(22)는 환상으로 될 수 있고 각각의 블레이드 마운트(22)는 적어도 하나의 샤프트 홀(220)을 갖는다. 적어도 하나의 샤프트 홀(220)은 블레이드 마운트(22)를 통해 형성된다. 블레이드 마운트(22)는 각각 회전 샤프트(21)의 원단부 및 발전기(10)의 환상면상에 장착된다.
복수의 장착 플레이트(23)는 블레이드 마운트(22)에 견고하게 결합된다.
도 3 및 4를 참조하면, 복수의 블레이드(30)는 대응하는 장착 플레이트(23)와 블레이드 마운트(22)사이에 고정되고 밸런스를 최적화하기 위해 발전기(10) 주위에 배치된다. 각각의 블레이드(30)는 수직 베인과 적어도 하나의 스트러트(31)를 갖는다. 수직 베인은 스테이터 샤프트(12)와 평행하고, 대략 직사각형 형태이며 상부, 바닥부, 러프 에지, 리 에지, 그리고 내면을 포함한다. 수직 베인의 상부와 바닥부는 바람의 저항을 줄이기 위해 평탄하게 형성된다. 러프 에지는 곡선지고 리 에지를 향해 테이퍼링된다. 블레이드(30)의 러프 에지는 블레이드(30)의 리 에지보다 넓을 수 있다. 블레이드(30)의 내면은 발전기(10)와 마주한다. 적어도 하나의 스트러트(31)는 블레이드(30)의 내면상에 장착되고 그 내면으로부터 스테이터 샤프트(12) 축쪽으로 돌출하며 각각 대응하는 블레이드 마운트(22)에 연결되는 두 개의 스트러트(31)일 수 있다. 각각의 스트러트(31)는 러프 에지, 리 에지, 그리고 고정 단부를 구비한다. 스트러트(31)의 러프 에지는 곡선지고 블레이드(30)의 러프 에지에 인접하며 리 에지쪽으로 테이퍼링된다. 스트러트(31)의 러프 에지는 스트러트(31)의 리 에지보다 넓을 수 있다. 스트러트(31)의 고정 단부 는 직사각형이고 대응 장착 플레이트(23)와 블레이드 마운트(22)사이에 고정된다.
브레이킹 디스크(50)는 발전기(10)의 환상면상에 장착되고 스테이터 샤프트(12)주위에 회전가능하게 장착되며 연결 디스크(51), 클램핑 디스크(52), 그리고 와셔(53)를 포함한다.
연결 디스크(51)는 환상의 연결 에지와 환상의 장착 에지를 구비한다. 연결 디스크(51)의 연결 에지는 발전기(10)의 장착면에 연결된다.
클램핑 디스크(52)는 연결 디스크(51)에 연결되고 환상의 링킹 에지, 환상의 브레이킹 에지 그리고 복수의 환상의 리브(520)를 포함한다. 클램핑 디스크(52)의 링킹 에지는 연결 디스크(51)의 장착 에지에 연결되고 이브(eave)를 구비한다. 복수의 환상의 리브(520)는 클램핑 디스크(52)의 링킹 에지의 이브로부터 돌출된다.
와셔(53)는 링킹 에지의 이브에 인접하고 복수의 와셔 오목부(530)를 갖는다. 와셔 오목부(530)는 와셔(53)내에 형성되고 클램핑 디스크(52)의 환상의 리브(520)에 대응된다.
브레이크(40)는 스테이터 샤프트(12)와 브레이킹 디스크(50)의 클램핑 디스크(52) 주위에 장착되고 지면, 마스트, 타워 등상에 설치될 수 있으며 브레이크 박스(42), 샤프트 프레임(41), 및 브레이크 칼리퍼(43)를 포함한다.
브레이크 박스(42)는 브레이크 공간, 유지면, 장착홀, 및 설치 베이스를 구비한다. 브레이크 공간은 브레이크 박스(42)내에 형성된다. 유지면은 브레이킹 디스크(50)와 인접한다. 장착홀은 유지면을 통해 형성되어 브레이크 박스(42)의 브레이크 공간과 연통하며 스테이터 샤프트(12)와 브레이킹 디스크(50)의 클램핑 디스크(52)주위에 장착된다. 설치 베이스는 지면이나 마스트상에 고정될 수 있다. 샤프트 프레임(41)은 설치 베이스상에 장착되고 샤프트 마운트를 구비한다. 샤프트 마운트는 스테이터 샤프트(12)에 견고하게 연결된다.
브레이크 칼리퍼(43)는 설치 베이스상에 장착되고 브레이킹 디스크(50)의 클램핑 디스크(52)의 브레이킹 에지를 선택적으로 클램핑하며 두 개의 클렘핑 플레이트(430)를 갖는다. 클램핑 플레이트(430)는 공기압에의해 구동되고 대향 내면과 복수의 브레이킹 돌출부(431)를 갖는다. 브레이킹 돌출부(431)는 클램핑 플레이트(430)의 내면으로부터 돌출되고 클램핑 디스크(52)의 브레이킹 에지를 선택적으로 클램핑하여 풍력 터빈의 회전을 정지시킨다.
도 6을 참조하면, 풍력 터빈은 지면, 마스트, 타워 등에 설치될 수 있고 풍력에의해 회전하여 풍력을 전력으로 변환할 수 있다.
블레이드(30)는 발전기(10)주위로 설치되고 바람의 방향에 독립하여 회전한다. 블레이드(30)는 발전기(10)주위로 설치되고 스테이터 샤프트(12)에 평행한 수직 베인을 구비하고 따라서 마스트의 높이를 제한하지 않고 용이하게 설치될 수 있다. 또한, 블레이드(30)와 스트러트(31)는 효율 향상을 위해 공기역학적으로 형성된 러프 에지와 리 에지를 갖는다.
또한 브레이크(40)는 브레이킹 디스크(50)를 선택적으로 클램핑하여 풍력 터빈의 회전을 정지시켜 풍력 터빈을 제어할 수 있다.
본 발명의 구조와 기능의 상세한 설명과함께 본 발명의 많은 특징과 이점을 상기하였지만, 이러한 상세한 설명은 단지 설명을 위한 예시적인 것으로서 본 발명 의 원리내에서 이하의 특허청구범위가 나타내는 표현의 광의의 일반적인 의미로 나타내는 전체 범위까지 구성요소의 모양, 크기 및 배치의 문제에 있어서 세세히 변경될 수 있음을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력 터빈의 사시도,
도 2는 도 1의 풍력 터빈의 부분 확대 단면도,
도 3은 도 1의 풍력 터빈의 블레이드의 확대 단면도,
도 4는 도 1의 풍력 베인의 스트러트의 확대 단면도,
도 5는 도 1의 풍력 터빈의 브레이크의 부분 확대 단면도,
도 6은 도 1의 풍력 터빈의 동작 사시도, 및
도 7은 종래 기술에 따른 종래의 풍력 터빈의 동작 사시도.

Claims (3)

  1. 스테이터 샤프트;
    발전기로서, 상기 발전기는 상기 스테이터 샤프트상에 회전가능하게 장착되고
    장착면, 및
    상기 발전기를 통해 형성되고 상기 스테이터 샤프트주위에 회전가능하게 장착되는 스테이터홀을 구비한 상기 발전기;
    상기 발전기에 연결되고 상기 발전기의 장착면상에 장착되는 회전 샤프트를 구비하는 회전 어셈블리; 및
    밸런스 최적화를 위해 상기 발전기주위에 배치된 복수의 블레이드를 포함하고,
    각각의 블레이드는,
    상기 스테이터 샤프트와 평행하고 러프 에지, 상기 러프 에지로부터 테이퍼진 리 에지, 및 상기 발전기에 마주하는 내면을 구비한 수직 베인, 및
    상기 수직 베인의 내면으로부터 상기 발전기쪽으로 연장되고 상기 회전 샤프트에 연결된 고정 단부를 구비한 적어도 하나의 스트러트를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기는 환상면을 더 포함하고,
    상기 스테이터 샤프트는 상기 발전기의 환상면으로부터 연장되고 고정 단부를 가지고,
    상기 풍력 터빈은,
    상기 발전기의 환상면상에 장착되고 상기 스테이터 샤프트주위에 회전가능하게 장착된 브레이킹 디스크; 및
    상기 브레이킹 디스크주위에 장착되고 상기 스테이터 샤프트의 고정 단부에 연결되며 상기 브레이킹 디스크를 선택적으로 정지시키는 브레이크를 더 포함하고,
    상기 브레이크는,
    상기 브레이킹 디스크를 선택적으로 클램핑하는 브레이크 칼리퍼, 및
    복수의 브레이킹 돌출부를 포함하고,
    상기 브레이크 칼리퍼는 대향하는 내면을 갖는 두 개의 클램핑 플레이트를 구비하고,
    상기 복수의 브레이킹 돌출부는 각각 상기 클램핑 플레이트의 내면으로부터 돌출하고 상기 브레이킹 디스크를 선택적으로 클램핑하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 터빈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 블레이드는 각각 상기 회전 샤프트와 상기 발전기에 연결된 두 개의 스트러트를 구비하고, 상기 각각의 스트러트는
    대응 수직 베인의 러프 에지에 인접하는 러프 에지, 및
    상기 스트러트의 러프 에지로부터 테이퍼링된 리 에지를 포함하고,
    상기 회전 샤프트는 공동부를 구비하고 일렬로 연결되는 복수의 연결 튜브를 구비하고,
    상기 풍력 터빈은,
    각각 상기 회전 샤프트와 상기 발전기를 상기 각각의 블레이드의 두 개의 스트러트에 연결하는 두 개의 블레이드 마운트; 및
    각각 상기 블레이드 마운트상에 장착되고 상기 대응하는 블레이드 마운트상에 상기 복수의 블레이드의 스트러트를 고정하는 복수의 마운팅 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 터빈.
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