KR20100091740A

KR20100091740A - 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈

Info

Publication number: KR20100091740A
Application number: KR1020090011074A
Authority: KR
Inventors: 강승구
Original assignee: 강승구
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2009-02-11
Publication date: 2010-08-19
Also published as: KR101016239B1

Abstract

본 발명은 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈에 관한 것으로서, 이는 수직의 회전축(12)에서 방사상으로 다수의 회전날개(14)가 형성되고, 상기 회전날개(14) 각각은 수평프레임(14a)과 수직프레임(14b)이 직각으로 교차하여 형성된 직사각형의 다수의 개구부를 구비하고, 상기 개구부를 개폐하는 다수의 소형 도어날개(16)가 설치된 형태의 수직축 풍력터빈(100)에 있어서, 각 도어날개(16)는, 각 개구부의 경계를 이루는 양측 수직프레임(14b) 중간 부분 상에 수평하게 형성된 한 쌍의 도어날개 힌지(180)에 회전가능하게 결합되고, 원심력에 의해 구동하는 도어날개 개폐장치(110 ~ 170)에 의하여 상기 도어날개 힌지(180)를 중심으로 회전되어, 모든 도어날개(16)들이 동일한 각도로 동시에 개폐동작을 하게 구성되는 구성된다. 이에 따라 풍력터빈의 모든 도어날개를 원심력에 의해 자동으로 동일한 각도로 동시에 개폐시켜 회전수를 적절하게 조절할 수 있어, 풍력터빈의 고장이나 파손 위험을 줄이면서 발전효율이 높은 상태로 회전을 유지할 수 있도록 제어하기 용이하다는 등의 효과가 있다.

풍력터빈, 도어날개, 개폐, 회전수, 제어, 각도조정, 원심력

Description

원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈{Vertical Axis Wind Turbine Using Centrifugal Force for Opening and Closing Door-Wings}

본 발명은 수직축 풍력터빈에 관한 것으로서, 더 상세하게는 필요한 경우 풍력터빈의 도어날개를 원심력에 의해 자동으로 동일한 각도로 동시에 개폐시켜 회전수를 적절하게 조절할 수 있어, 풍력터빈의 고장이나 파손 위험을 줄이면서 발전효율이 높은 상태로 회전을 유지할 수 있도록 구성한 새로운 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈에 관한 것이다.

일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 수직축 풍력터빈(10)은 지표면에 대해 수직으로 회전축(12)이 설치되고 회전축(12)을 중심으로 방사상으로 다수의 회전날개(14)가 고정된다. 회전날개(14)가 바람에 의해 힘을 받으면서 회전하면, 중앙의 회전축(12)이 회전하게 되고, 이 회전축(12)은 증속기 등을 거쳐 회전력을 전기력으로 변환시키기 위한 발전기에 연결된다.

통상 수직축 풍력터빈(10)의 회전날개(14)는 다수의 도어날개(16)가 형성되고, 회전에 따라 도어날개(16)가 개방 또는 폐쇄하는 동작을 하게 함으로써, 바람이 저속이거나 강속인 경우에 풍력터빈의 회전수를 제어할 수 있게 하는 구조를 가 진다. 이러한 구조의 예는 종래에 많이 알려져 있으며, 예컨대 대한민국 실용신안 출원번호 20-2004-0032306, “수직축 풍력발전기용 회전날개의 가변장치”; 실용신안 출원번호 20-1989-0001501, “풍차의 날개 자동 복귀장치”등에 이러한 구조가 개시되어 있다.

그런데, 종래의 수직축 풍력터빈에 있어서는 도어날개의 개방동작이 자석이나 클러치 등과 같은 복잡한 부품을 사용하여 구조 자체가 복잡할 뿐만 아니라, 각각의 도어날개가 개별적으로 개폐되는 방식을 채용하므로, 상대적으로 방향이 불규칙하고 풍속이 자주 변화하는 풍력에 대하여 만족할 만한 통일적이고 조화로운 날개제어가 어려워 실제로 운용되지 않는다는 어려움이 있어, 개선되어야 할 필요성이 여전히 존재한다.

그러므로 풍력터빈의 회전수가 너무 낮은 경우 또는 너무 높은 경우와 같이, 회전수를 증감할 필요가 수시로 발생하는 풍력터빈 분야에서, 비교적 간단한 구조에 의하여 풍력터빈의 도어날개 모두를 원심력에 의해 자동으로 조절되는 각도만큼 개폐시켜 풍력터빈의 회전수를 적절하게 조절할 수 있어, 풍력터빈의 고장이나 파손 위험을 줄이면서 발전효율이 높은 상태로 회전을 유지할 수 있도록 구성한 새로운 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈이 있다면 유리할 것이다.

본 발명은 상술한 종래 중앙의 수직축에서 방사상으로 설치된 회전날개에 형성된 다수의 도어날개를 개방 또는 폐쇄하는 기술에 존재하는 문제를 개선하고 다 양한 추가 장점을 제공하기 위하여 발명된 것으로서, 구체적으로 풍력터빈의 회전에 따라 자연스럽게 발생하는 원심력이 전체 도어날개로 동일하게 동시에 균일하게 전달하는 구조를 형성함으로써, 풍력터빈의 도어날개를 원심력에 의해 자동적으로 개폐시켜 회전수를 적절하게 조절할 수 있도록 하여, 풍력터빈의 고장이나 파손 위험을 줄이면서 발전효율이 높은 상태로 회전을 유지할 수 있도록 구성한 새로운 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈에 의하여 달성된다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈은, 수직의 회전축에서 방사상으로 다수의 회전날개가 형성되고, 상기 회전날개 각각은 수평프레임과 수직프레임이 직각으로 교차하여 형성된 직사각형의 다수의 개구부를 구비하고, 상기 개구부를 개폐하는 다수의 소형 도어날개가 설치된 형태의 수직축 풍력터빈에 있어서, 각 도어날개는, 각 개구부의 경계를 이루는 양측 수직프레임 또는 수평프레임 중간 부분 상에 수평 또는 수직하게 형성된 한 쌍의 도어날개 힌지에 회전가능하게 결합되고, 원심력에 의해 구동하는 도어날개 개폐장치에 의하여 상기 도어날개 힌지를 중심으로 회전되어, 모든 도어날개들이 동일한 각도로 동시에 개폐동작을 하게 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도어날개 개폐장치는: 상기 회전축에 근접한 위치에서 각각의 상기 회전날개상에 고정된 탄성수단홀더와; 일단이 상기 탄성수단홀더에 결합되고, 상기 회전날개의 수평프레임과 평행하게 연장되어, 상기 회전날개의 회전에 의하여 발생하는 원심력이 증가하면 그 길이가 늘어나고 감소하면 원래 길이로 복귀하는 방향으로 그 길이가 줄어드는 탄성수단과; 상기 탄성수단에 그 일단이 고정되고 상기 탄성수단과 일직선 상에서 연장되는 길이를 가지는 원심랙과; 상기 원심랙의 수평이동을 90°전환하여 전달하기 위한 연결유닛과; 상기 연결유닛(140; 240)에 연결되어 상기 원심력의 수평이동에 의한 구동력을 전달받아 상기 도어날개를 풍력에 대항하여 밀어내는 방향 또는 그 반대방향으로 수평이동하도록 설치된 각도조정 랙과; 상기 각도조정 랙에 의해 전달된 힘을 상기 도어날개 전체에 균형있게 분산시키기 위하여 상기 도어날개와 상기 각도조정 랙 사이에 설치된 각도조정 아암을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 탄성수단은 스프링이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 연결유닛은: 상기 연결유닛이 전체적으로 상기 회전날개의 수평프레임 또는 수직프레임에 회전가능하게 고정되도록 하는 상기 연결유닛의 최하단에 구비되는 베어링과; 상기 원심랙에 물려서 그 수평이동에 따라 회전하는 제1기어부와; 상기 제1기어부에 그 일단이 고정되어 그 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하는 연결축과; 상기 연결축의 타단에 고정되고 상기 각도조정 랙에 물려있어 상기 연결축의 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하면서 상기 각도조정 랙이 수평이동하도록 하는 제2기어부를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 각도조정 아암은 U자 형태로서 그 양쪽 가지 부분의 상단이 상기 회전날개의 수평프레임 또는 수직프레임 상에서 회 전가능하게 고정되고 그 하부의 중앙 부분이 상기 각도조정 랙과 회전가능하게 결합될 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 회전축은 중심에 수직의 고정축과 상기 고정축의 외주를 따라 상기 회전날개의 회전에 의해 회전하는 중공회전축으로 이루어지며, 상기 중공회전축의 하단에는 유성치차 증속기가 연결되되, 상기 유성치차 증속기의 중심부에 있는 태양치차가 상기 중공회전축에 고정되어 같이 회전하며, 이 태양치차의 회전은 다수의 유성치차에 의하여 증폭되어 최외측의 링치차로 전달되고, 이 링치차의 회전운동이 발전기로 전달되도록 구성될 수 있다.

상술한 구성을 가지는 본 발명에 따르면, 풍력터빈의 회전에 따라 자연스럽게 발생하는 원심력이 전체 도어날개로 동일하게 동시에 균일하게 전달하는 구조를 형성함으로써, 풍력터빈의 도어날개를 원심력에 의해 자동적으로 개폐시켜 회전수를 적절하게 조절할 수 있도록 하여, 풍력터빈의 고장이나 파손 위험을 줄이면서 발전효율이 높은 상태로 회전을 유지할 수 있도록 하는 등의 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심력 이용 도어날개 개폐방식의 수직축 풍력터빈의 주요부를 확대하여 보여주는 개략적인 측면도이고, 도 3은 도 2의 실시예의 스프링측 구성을 더 상세히 보여주는 부분적으로 확대된 측면도이며, 도 4는 도 2의 A-A선을 따라 자른 면에서 도어날개의 개폐동작을 위한 각도조정 아암의 연결 구성을 세부적으로 보여주는 개략도이고, 도 5는 도 2의 A-A선을 따라 자른 면에서 도어날개의 개폐동작을 위한 각도조정 아암의 동작을 보여주는 개략도이고, 도 6은 도 4 및 도 5에서 보여준 도어날개의 개폐동작의 각 단계들을 순차적으로 보여주는 개략도이며, 도 7은 도 2의 실시예에서 도어날개의 개폐동작을 위한 각 요소 간 연결유닛의 구성을 세부적으로 보여주는 개략도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심력 이용 도어날개 개폐방식의 수직축 풍력터빈의 주요부를 확대하여 보여주는 개략적인 측면도이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 중공회전축과 유성치차 증속기를 채용하는 수직축 풍력터빈의 전체적인 구조를 보여주는 개략적인 측면도이며, 도 10은 도 9의 유성치차 증속기의 연결예를 보여주는 D-D선을 따라 자른 단면도이다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 외력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈(100; 200)은, 도 2 및 도 8에서, 그 주요부분이 확대되어 개시되어 있다. 도 2 및 도 8에는 본 발명의 수직축 풍력터빈(100; 200)의 작동원리를 설명하기 위하여, 2개의 도어날개(16)와 이를 개폐하기 위한 부분만을 도시하고 나머지 부분은 생략하였으나, 당업자라면 전체적인 구조를 쉽게 이해할 것이다. 이 수직축 풍력터빈(100; 200)은, 중앙의 회전축(12)으로부터 방사상으로 예컨대 적어도 2개 이상의 다수의 회전날개(14)를 구비한다. 각각의 회전날개(14)는 긴 막대 형태의 수평프레임(14a)과 수직프레임(14b)이 직각으로 교차하여 형성된 직사각형의 개구부 공간이 구비되고, 이 개구부 공간을 개폐하는 다수의 소형 도어날개(16)가 설치된다.

본 발명에 따라 각 도어날개(16)는 회전날개(14)에 형성된 각각의 개구부 공간 하나씩을 개폐하는 방식으로 설치되어 있다. 도어날개(16)는, 도 2 내지 도 7에 도시된 실시예에서, 각 개구부의 경계를 이루는 양측 수직프레임(14b) 중간 부분 상에 수평하게 형성된 한 쌍의 도어날개 힌지(180)에 회전가능하게 결합된다. 수평 방향으로 인접한 도어날개(16)들은 서로 동일한 수평 축 상에 형성된 대응하는 도어날개 힌지(180)들에 회전가능하게 결합될 수 있다. 이때, 수평 방향으로 인접한 도어날개(16)들은 서로 동일한 수평 축 상에 형성된 대응하는 도어날개 힌지(180)들에 회전가능하게 결합될 수 있다.

한편 도 8 내지 도 10에 도시된 실시예에서 도어날개(16)는, 각 개구부의 경계를 이루는 양측 수평프레임(14a) 중간 부분 상에 수평하게 형성된 한 쌍의 도어날개 힌지(280)에 회전가능하게 결합된다. 이때, 수직 방향으로 인접한 도어날개(16)들은 서로 동일한 수평 축 상에 형성된 대응하는 도어날개 힌지(280)들에 회전가능하게 결합될 수 있다.

이러한 도어날개(16)들은 원심력에 의해 구동하는 도어날개 개폐장치(110 ~ 170; 210 ~ 270)에 의하여 이들 서로 동일한 수평 축(; 또는 수직 축) 상에 형성된 대응하는 도어날개 힌지(180; 280)들을 중심으로 한꺼번에 회전될 수 있다.

다시 말해서, 본 발명에 따르면, 각각의 도어날개(16)들이 독립적으로 개폐동작을 하는 것이 아니라 수평으로 동일한 레벨로 설치된 여러 개의 도어날개(16)들이 그룹화되어 개폐되며, 더 나아가 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 모든 회전날개(14)에 형성된 모든 도어날개(16)들이 모두 동시에 원심력에 의하여 자동으로 제어되는 각도만큼 개방되거나 폐쇄될 수 있다는 특징을 가진다. 이러한 특징은 본 발명이 수직축 풍력터빈(100; 200)의 회전수를 전체적으로 자동 제어할 수 있게 한다는 장점을 제공하며, 종래 도어날개(16)들이 개별적으로 제어되는 방식보다 구조적으로 단순하면서 제어 방식이 용이하다는 장점을 제공할 수 있고, 오히려 발전효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 2 내지 도 7에 도시된 실시예에서, 각 도어날개(16)는 도어날개(16)의 중간에 수평하게 형성된 회전축을 중심으로 회전하면서 개폐동작을 하는 반면에, 도 8 내지 도 10에 도시된 실시예에서는 각 도어날개(16)는 도어날개(16)의 중간에 수직하게 형성된 회전축을 중심으로 회전하면서 개폐동작을 하도록 구성된다. 이 두 실시예는 도어날개(16)의 개방 방향이 90° 상이하다는 점을 제외하고는 원심력을 이용하는 유사한 구조의 도어날개 개폐장치에 의하여 개폐될 수 있다.

본 발명에 따라 동시적으로 균일하게 이루어지는 도어날개(16)의 개폐 동작은, 풍력에 의하여 결정되는 회전날개(14)의 회전에 따라 발생하는 원심력으로 동작하는 도어날개 개폐장치(110 ~ 170; 210 ~270)에 의하여 이루어진다.

도어날개 개폐장치(110 ~ 170; 210 ~ 270)는, 본 발명에 따라 풍력터빈(100; 200)의 모든 도어날개(16)들을 전체적으로 동시에 정해진 각도만큼 개방 또는 폐쇄하도록 원심력에 의한 구동력을 제공하는 장치로서, 도 2 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 탄성수단홀더(110; 210), 탄성수단(120; 220), 원심랙(130; 230), 연결유닛(140; 240), 각도조정 랙(150; 250) 및 각도조정 아암(160; 260)을 포함하여 구성될 수 있다.

탄성수단홀더(110; 210)는 예컨대 스프링일 수 있는 탄성수단의 일단을 고정하기 위한 부재로서, 회전축(12)에 근접한 위치에서 각각의 회전날개(14)상에 고정 설치된다. 도 2에 도시된 실시예에서, 탄성수단홀더(110)는 수평프레임(14a) 상에서 회전축(12)에 인접한 위치에 설치되어 있는 것이 도시되어 있다. 도 8에 도시된 실시예에서는 회전축(12)에 근접한 위치의 수직프레임(14b) 상에 탄성수단홀더(210)가 설치된 것으로 도시되어 있는데, 이 경우 도시된 수직프레임(14b)은 회전축(12) 자체일 수도 있다.

탄성수단(120; 220)은 예컨대 스프링과 같은 부재일 수 있으나, 이와 다른 방식으로 탄성적인 수지로 된 부재일 수도 있다. 탄성수단(120; 220)은 일단이 탄성수단홀더(110; 210)에 결합된다. 탄성수단홀더(110; 210)는 탄성수단(120; 220)이 원심력에 의해 늘어나는 기준점으로 작용한다. 탄성수단(120; 220)은 회전날개(14)의 수평프레임(14a)과 평행하게 연장된다. 도어날개(16)가 수평축을 중심으로 회전하면서 개폐하는 방식인 도 2에 도시된 실시예에서, 탄성수단(120)은 수평프레임(14a) 상에 고정된 탄성수단홀더(110)에 그 일단이 고정된다. 한편 도어날개(16)가 수직축을 중심으로 회전하면서 개폐하는 방식인 도 8에 도시된 실시예에서, 탄성수단(220)은 수직프레임(14c)에 고정된 탄성수단홀더(210)에 그 일단이 고정된다.

탄성수단(120; 220)은 회전날개(14)의 회전에 의하여 발생하는 원심력이 증가하면 그 길이가 늘어나고 감소하면 원래 길이로 복귀하는 방향으로 그 길이가 줄어든다. 탄성수단(120; 220)의 길이의 증감은 탄성수단(120; 220)의 타단에 고정된 원심랙(130; 230)의 좌우 수평운동에 영향을 미치는데, 탄성수단 자체가 원심력 때문에 길이가 증감되는 것이라기 보다는, 오히려 원심랙(130; 230)이 원심력의 작용에 의해 좌우 수평이동 함에 따라 탄성수단의 길이 증감이 유발된다고 보아야 할 것이다.

원심랙(130; 230)은 탄성수단(120; 220)의 자유단에 그 일단이 고정되고 탄성수단(120; 220)과 일직선 상에서 연장되는 길이를 가진다. 원심랙(130; 230)의 길이는 수평으로 연장되는 모든 도어날개(16)들을 가로질러 연장되는 정도인 것이 바람직하다. 원심랙(130; 230)은 수직축 풍력터빈(100; 200)의 회전에 따라 발생하는 원심력에 의하여 수평프레임(14a)과 평행한 방향으로 수평이동을 할 수 있다. 즉 회전날개(14)의 회전속도가 증가하여 원심력이 증가하게 되면 원심랙(130; 230)은 회전축(12)에서 멀어지는 방향으로 이동하게 되고, 반대로 회전날개(14)의 회전속도가 감소하여 원심력이 감소하게 되면 원심랙(130; 230)은 회전축(12)과 가까워지는 방향으로 이동하게 되며, 한편 회전속도가 일정한 경우 대체로 일정한 위치에서 정지된 상태를 유지할 수 있다.

연결유닛(140; 240) 원심랙(130; 230)의 수평이동을 90°전환하여 전달하기 위한 장치로서, 도 2의 실시예에서 연결유닛(140)은 수평프레임(14a) 상에 회전가능하게 결합되고, 도 8의 실시예에서 연결유닛(240)은 수직프레임(14b) 상에 회전가능하게 결합되어 있다.

도 7에는 연결유닛(140; 240)의 구체적인 구조가 더 상세히 도시된다. 연결유닛(140; 240)은 베어링(142), 하부기어 또는 제1기어부(144), 상부기어 또는 제2 기어부(146) 및 연결축(148)을 포함하여 구성될 수 있다.

베어링(142)은 연결유닛(140; 240)이 전체적으로 회전날개(14)의 수평프레임(14a)(도 2의 실시예의 경우) 또는 수직프레임(14b)(도 8의 실시예의 경우)에 회전가능하게 고정되도록 연결유닛(140; 240)의 최하단에 구비된다. 하부기어 또는 제1기어부(144)는 원심랙(130; 230)에 물려서 그 수평이동에 따라 회전한다. 연결축(148)은 제1기어부(144)에 그 일단이 고정되어 그 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전한다. 상부기어 또는 제2기어부(146)는 연결축(148)의 타단에 고정되고 각도조정 랙(150; 250)에 물려있어 연결축(148)의 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하면서 각도조정 랙(150; 250)이 수평이동하도록 한다.

본 발명에서, 연결유닛(140; 240)의 두 기어부(144, 146)의 기어비를 조절하면, 원심력에 의하여 작동하는 원심랙(130; 230)의 이동거리와 각도조정 랙(150; 250)의 이동거리가 조절될 수 있다.

각도조정 랙(150; 250)은 연결유닛(140; 240)의 제2기어부(146)에 기어물림으로 연결되어 상기 원심랙(130; 230)의 수평이동에 의한 구동력을 전달받아 상기 도어날개(16)를 풍력에 대항하여 밀어내는 방향 또는 그 반대방향으로 수평이동하도록 설치된다.

각도조정 아암(160; 260)은 각도조정 랙(150; 250)에 의해 전달된 힘을 상기 도어날개(16) 전체에 균형있게 분산시키기 위하여 도어날개(16)와 각도조정 랙(150) 사이에 설치된 것으로서, 도어날개(16)와의 사이에 완충부재(162)를 구비할 수 있다.

도시된 실시예에서, 각도조정 아암(160; 260)은 U자 형태로서 그 양쪽 가지 부분의 상단이 회전날개(14)의 수평프레임(14a)(도 8에 도시된 실시예의 경우) 또는 수직프레임(14b)(도 2에 도시된 실시예의 경우) 상에서 아암 힌지(170; 270)에 회전가능하게 고정되고 그 하부의 중앙 부분이 상기 각도조정 랙(150; 250)과 조정랙힌지(152)에 회전가능하게 결합될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 도어날개(16)가 폐쇄 위치에서 각도조정 아암(160)과 각도조정 랙(150)을 밀어내는 방향으로 역회전하는 것을 방지하기 위하여 수직프레임(14b) 또는 수평프레임(14a)측에 도어날개(16)의 회전을 제한하는 스토퍼(190)를 더 설치하여, 도어날개(16)의 회전 각도를 제한할 수 있다.

도 4에는 수평축을 중심으로 회전하면서 개폐하는 도어날개(16)가 개방되지 않고 폐쇄된 형태를 보여주고 있고, 도 5에는 약 60°정도 도어날개(16)가 회전하여 개방된 상태를 예시하고 있다. 도 6에는 여러 단계에 걸쳐 즉 6단계에 걸쳐 각도조정을 하는 예가 도시되어 있다. 도 6의 (a)는 도어날개(16)가 개구부 공간을 막고 있는 폐쇄 위치를 보여주며, 도 6의 (b)는 약 15°정도 개방한 상태를 보여주며, 도 6의 (c)는 약 30°정도 개방한 상태를 보여주면, 도 6의 (d)는 약 60°정도 개방한 상태를 보여주고, 도 6의 (e)는 약 80°정도 개방한 상태를 보여주고, 도 6의 (f)는 90°개방한 상태를 보여준다. 개방 각도가 크면 클수록 바람에 대한 저항이 적어지므로, 회전날개(14)에 작용하는 풍력이 작아지게 되고, 개방 각도가 작으면 작을수록 바람에 대한 저항이 크므로, 회전날개(14)에 작용하는 풍력이 커지게 된다.

도 9와 도 10은, 도 8의 A'-A'선을 잘라서 본 방향에서 개략적으로 도시한 것으로서, 수직축을 중심으로 회전하면서 개폐하는 방식의 실시예에서 도어날개(16)가 개방되는 동작을 더 상세히 보여주고 있다. 도 9에는 약 45°정도 도어날개(16)가 회전하여 개방된 상태를 예시하고 있다. 도 10에는 여러 단계에 걸쳐 즉 4단계에 걸쳐 각도조정을 하는 예가 도시되어 있다. 도 10의 (a)는 도어날개(16)가 개구부 공간을 막고 있는 폐쇄 위치를 보여주며, 도 10의 (b)는 약 45°정도 개방한 상태를 보여주며, 도 10의 (c)는 약 60°정도 개방한 상태를 보여주면, 도 10의 (d)는 약 85°정도 개방한 상태를 보여준다. 개방 각도가 크면 클수록 바람에 대한 저항이 적어지므로, 회전날개(14)에 작용하는 풍력이 작아지게 되고, 개방 각도가 작으면 작을수록 바람에 대한 저항이 크므로, 회전날개(14)에 작용하는 풍력이 커지게 된다.

본 발명에 있어서, 도어날개 개폐장치(110 ~ 170; 210 ~ 270)에서 제공하는 구동력은, 수직축 풍력터빈(100)의 회전에 따라 발생하는 원심력에 의하여 자동으로 제어될 수 있다.

예컨대, 바람의 속도가 빨라지면 수직축 풍력터빈(100; 200)의 회전속도가 증가한다. 이에 따라 원심력에 의하여 원심랙(130; 230)이 회전축(12)에서 멀어지는 방향으로 움직인다. 그러면, 이 원심랙(130; 230)의 이동에 따라 연결유닛(140; 240)의 제1기어부(144)가 회전하고, 이 회전은 연결축(148)를 거쳐 제2기어부(146)의 회전으로 이어진다. 그러면, 제2기어부(146)에 물려있는 각도조정 랙(150; 250)이 수평이동하여 각도조정 아암(160; 260)을 밀고, 결과적으로 도어날개(16)들을 모두 한꺼번에 원하는 각도만큼 회전시켜 개방시키게 된다. 각도조정 랙(150; 250)이 수평이동하여 도어날개(16)가 개방되는 방향으로 회전함에 따라 연결유닛(140; 240)은 베어링(142)을 중심으로 약간 회전하게 된다. 이에 따라, 회전날개(14)의 바람받는 면적이 줄어들게 되어 결과적으로 수직축 풍력터빈(100)의 회전속도가 감소될 수 있다.

반대로 풍속이 작아지면 원심랙(130; 230)이 회전축(12)에 가까와지는 방향으로 움직인다. 그러면, 이 원심랙(130; 230)의 이동에 따라 연결유닛(140; 240)의 제1기어부(144)가 역회전하고, 이 회전은 연결축(148)를 거쳐 제2기어부(146)의 역회전으로 이어진다. 그러면, 제2기어부(146)에 물려있는 각도조정 랙(150; 250)이 수평이동하여 각도조정 아암(160; 260)을 당기고, 결과적으로 도어날개(16)들을 모두 한꺼번에 원하는 각도만큼 회전시켜 개방각도를 줄이는 방향 즉 폐쇄하는 방향으로 이동시키게 된다. 각도조정 랙(150; 250)이 수평이동하여 도어날개(16)가 개방되는 방향으로 회전함에 따라 연결유닛(140; 240)은 베어링(142)을 중심으로 약간 역회전하게 된다. 이에 따라, 회전날개(14)의 바람받는 면적이 커지게 되어 결과적으로 수직축 풍력터빈(100)의 회전속도가 증가될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 수직축 풍력터빈(100; 200)은 풍력에 의한 회전에 의하여 발생하는 원심력에 따라 자동적으로 모든 도어날개(16)들을 동시에 개방 또는 폐쇄함으로써, 수직축 풍력터빈(100; 200)의 작동을 단일 제어 동작에 의하여 일괄적으로 제어할 수 있다는 장점을 제공한다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 회전축(12)은 중심에 수직의 고정축(300)과 상기 고정축(300)의 외주를 따라 상기 회전날개(14)의 회전에 의해 회전하는 중공회전축(400)으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 중공회전축(400)의 하단에는 유성치차 증속기(600)가 연결된다. 구체적으로 유성치차 증속기(600)의 중심부에 있는 태양치차(620)가 중공회전축(400)에 고정되어 같이 회전하게 된다. 이 태양치차(620)의 회전은 캐리어(640)를 개재하여 다수의 유성치차(660)에 의하여 증폭되어 최외측의 링치차(680)로 전달된다. 마지막으로 이 링치차(680)의 회전운동이 발전기로 전달될 수 있다. 이러한 구조에 의하면, 회전축(12)의 회전 운동이 효과적으로 크게 증속될 수 있어 발전효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 제공된다.

이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈은, 풍력을 이용하여 전기를 생산하기 위한 풍력발전기 분야 등에서 널리 이용가능하다.

도 1은 종래 수직축 풍력터빈의 기본적인 구조를 보여주는 개략적인 사시도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 원심력 이용 도어날개 개폐방식의 수직축 풍력터빈의 주요부를 확대하여 보여주는 개략적인 측면도.

도 3은 도 2의 실시예의 스프링측 구성을 더 상세히 보여주는 부분적으로 확대된 측면도.

도 4는 도 2의 A-A선을 따라 자른 면에서 도어날개의 개폐동작을 위한 각도조정 아암의 연결 구성을 세부적으로 보여주는 개략도.

도 5는 도 2의 A-A선을 따라 자른 면에서 도어날개의 개폐동작을 위한 각도조정 아암의 동작을 보여주는 개략도.

도 6은 도 4 및 도 5에서 보여준 도어날개의 개폐동작의 각 단계들을 순차적으로 보여주는 개략도.

도 7은 도 2의 실시예에서 도어날개의 개폐동작을 위한 각 요소 간 연결유닛의 구성을 세부적으로 보여주는 개략도.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 원심력 이용 도어날개 개폐방식의 수직축 풍력터빈의 주요부를 보여주는 개략도들.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 중공회전축과 유성치차 증속기를 채용하는 수직축 풍력터빈의 전체적인 구조를 보여주는 개략적인 측면도.

도 12는 도 11의 유성치차 증속기의 연결예를 보여주는 D-D선을 따라 자른 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 수직축 풍력터빈(종래) 12 : 회전축

14 : 회전날개 14a : 수평프레임

14b : 수직프레임 16 : 도어날개

100 : 수직축 풍력터빈(본 발명) 110 : 스프링홀더

120 : 스프링 130 : 원심 랙

140 : 연결유닛 142 : 베어링

144 : 하부기어 146 : 상부기어

148 : 연결축 150 : 각도조정 랙

152 : 조정랙 힌지 160 : 각도조정 아암

162 : 완충부재 170 : 아암 힌지

180 : 도어날개 힌지 190 : 도어날개 스토퍼

300 : 고정축 400 : 중공 회전축

500 : 베어링 600 : 증속기

620 : 태양치차 640 : 캐리어

660 : 유성치차 680 : 링치차

Claims

수직의 회전축(12)에서 방사상으로 다수의 회전날개(14)가 형성되고, 상기 회전날개(14) 각각은 수평프레임(14a)과 수직프레임(14b)이 직각으로 교차하여 형성된 직사각형의 다수의 개구부를 구비하고, 상기 개구부를 개폐하는 다수의 소형 도어날개(16)가 설치된 형태의 수직축 풍력터빈(100; 200)에 있어서,

각 도어날개(16)는, 각 개구부의 경계를 이루는 양측 수직프레임(14b) 또는 수평프레임(14a) 중간 부분 상에 수평 또는 수직하게 형성된 한 쌍의 도어날개 힌지(180; 280)에 회전가능하게 결합되고, 원심력에 의해 구동하는 도어날개 개폐장치(110 ~ 170; 210 ~ 270)에 의하여 상기 도어날개 힌지(180; 280)를 중심으로 회전되어, 모든 도어날개(16)들이 동일한 각도로 동시에 개폐동작을 하게 구성되는

것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.
청구항 1에 있어서, 상기 도어날개 개폐장치(110 ~ 170)는:

상기 회전축(12)에 근접한 위치에서 각각의 상기 회전날개(14)상에 고정된 탄성수단홀더(110)와;

일단이 상기 탄성수단홀더(110)에 결합되고, 상기 회전날개(14)의 수평프레임(14a)과 평행하게 연장되어, 상기 회전날개(14)의 회전에 의하여 발생하는 원심력이 증가하면 그 길이가 늘어나고 감소하면 원래 길이로 복귀하는 방향으로 그 길이가 줄어드는 탄성수단(120)과;

상기 탄성수단(120)에 그 일단이 고정되고 상기 탄성수단(120)과 일직선 상에서 연장되는 길이를 가지는 원심랙(130)과;

상기 원심랙(130)의 수평이동을 90°전환하여 전달하기 위하여, 전체적으로 상기 회전날개(14)의 수평프레임(14a)에 회전가능하게 고정되도록 구비되는 베어링(142), 상기 원심랙(130; 230)에 물려서 그 수평이동에 따라 회전하는 제1기어부(144), 상기 제1기어부(144)에 그 일단이 고정되어 그 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하는 연결축(148), 및 상기 연결축(148)의 타단에 고정되고 상기 연결축(148)의 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하는 제2기어부(146)를 구비하는 연결유닛(140)과;

상기 연결유닛(140)의 상기 제2기어부(146)에 기어 연결되어 상기 원심랙(130)의 수평이동에 의한 구동력을 상기 제2기어부(146)로부터 전달받아 상기 도어날개(16)를 풍력에 대항하여 밀어내는 방향 또는 그 반대방향으로 수평이동하도록 설치된 각도조정 랙(150)과;

상기 각도조정 랙(150)에 의해 전달된 힘을 상기 도어날개(16) 전체에 균형있게 분산시키기 위하여 상기 도어날개(16)와 상기 각도조정 랙(150) 사이에 설치된 각도조정 아암(160)을

포함하는 것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.
청구항 2에 있어서, 상기 각도조정 아암(160; 260)은 U자 형태로서 그 양쪽 가지 부분의 상단이 상기 회전날개(14)의 수직프레임(14b) 상에서 회전가능하게 고정되고 그 하부의 중앙 부분이 상기 각도조정 랙(150)과 회전가능하게 결합된 것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.
청구항 1에 있어서, 상기 도어날개 개폐장치(210 ~ 270)는:

상기 회전축(12)에 근접한 위치에서 각각의 상기 회전날개(14)상에 고정된 탄성수단홀더(210)와;

일단이 상기 탄성수단홀더(110; 210)에 결합되고, 상기 회전날개(14)의 수평프레임(14a)과 평행하게 연장되어, 상기 회전날개(14)의 회전에 의하여 발생하는 원심력이 증가하면 그 길이가 늘어나고 감소하면 원래 길이로 복귀하는 방향으로 그 길이가 줄어드는 탄성수단(220)과;

상기 탄성수단(220)에 그 일단이 고정되고 상기 탄성수단(220)과 일직선 상에서 연장되는 길이를 가지는 원심랙(230)과;

상기 원심랙(230)의 수평이동을 90°전환하여 전달하기 위하여, 전체적으로 상기 회전날개(14)의 수직프레임(14b)에 회전가능하게 고정되도록 구비되는 베어링(142), 상기 원심랙(230)에 물려서 그 수평이동에 따라 회전하는 제1기어부(144), 상기 제1기어부(144)에 그 일단이 고정되어 그 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하는 연결축(148), 및 상기 연결축(148)의 타단에 고정되고 상기 연결축(148)의 회전운동에 따라 동일 방향으로 회전하는 제2기어부(146)를 구비하는 연결유닛(240)과;

상기 연결유닛(240)의 상기 제2기어부(146)에 기어 연결되어 상기 원심랙(230)의 수평이동에 의한 구동력을 상기 제2기어부(146)로부터 전달받아 상기 도어날개(16)를 풍력에 대항하여 밀어내는 방향 또는 그 반대방향으로 수평이동하도록 설치된 각도조정 랙(250)과;

상기 각도조정 랙(250)에 의해 전달된 힘을 상기 도어날개(16) 전체에 균형있게 분산시키기 위하여 상기 도어날개(16)와 상기 각도조정 랙(250) 사이에 설치된 각도조정 아암(260)을

포함하는 것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.
청구항 4에 있어서, 상기 각도조정 아암(260)은 U자 형태로서 그 양쪽 가지 부분의 상단이 상기 회전날개(14)의 수평프레임(14a) 상에서 회전가능하게 고정되고 그 하부의 중앙 부분이 상기 각도조정 랙(250)과 회전가능하게 결합된 것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.
청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성수단(120; 220)은 스프링인 것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.
청구항 1에 있어서, 상기 회전축(12)은 중심에 수직의 고정축(300)과 상기 고정축(300)의 외주를 따라 상기 회전날개(14)의 회전에 의해 회전하는 중공회전축(400)으로 이루어지며, 상기 중공회전축(400)의 하단에는 유성치차 증속기(600)가 연결되되, 상기 유성치차 증속기(600)의 중심부에 있는 태양치차(620)가 상기 중공회전축(400)에 고정되어 같이 회전하며, 이 태양치차(620)의 회전은 다수의 유성치차(660)에 의하여 증폭되어 최외측의 링치차(680)로 전달되고, 이 링치차(680)의 회전운동이 발전기로 전달되도록 구성된 것을 특징으로 하는, 원심력이용 도어날개 개폐 방식의 수직축 풍력터빈.