KR20100131537A - 자가기동 수직축 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 풍력 발전은 바람의 힘을 이용하여 블레이드를 회전시켜 블레이드의 운동에너지를 전기에너지로 변환시켜 전력을 생산하는 발전 시스템이다. 풍력발전은 신 재생 에너지의 대부분이 그러하듯이 이산화탄소를 배출하지 않아 공해를 유발하지 않으며 자연적인 바람을 이용하기 때문에 발전비용이 추가적으로 발생하지 않는다. 또한, 타 에너지에 비하여 초기 설비비가 적은 편이어서 많은 보급이 이뤄지고 있다.

풍력 발전 시스템은 발전 용량에 따라 대형, 중형, 소형으로 나뉘고, 블레이드 축의 방향에 따라 수직축, 수평축 발전으로 나뉜다. 우리나라에 보급된 풍력 발전 시스템은 대부분 수백 kW급의 중형 발전 시스템이며 블레이드가 지면과 수평을 이루는 수평축을 채택하고 있다. 많은 장점을 지닌 풍력발전 시스템도 타 에너지와 마찬가지로 몇 가지 단점을 지니고 있다. 바람을 이용한 발전 방식이기 때문에 바람이 없는 날이나 일전한 풍속이 없을 경우 발전이 되지 않아 효율이 떨어진다는 점이다. 게다가 수평축 발전의 경우 발전시 날개의 회전으로 인한 소음이 심하여 태풍이나 돌풍에 블레이드가 떨어질 경우 안전성에 심각한 문제점이 있다는 것이다.

본 발명은 이러한 수평축 풍력 발전 시스템의 단점을 보완하고 도시지역에 안전하고 깨끗한 에너지를 보급할 수 있는 수직축 소형 풍력발전 시스템을 제안하고자 한다. 이 시스템은 특수 고안된 한 개의 사브니우스 수직축 블레이드와 세 개의 수직축 익형 블레이드로 바람이 약할 때도 자가 기동이 가능하게 설계하였으며 도심의 빌딩지역과 산간지방의 주거지역에서도 설치 사용할 수 있게 소형화하였다.

원래 풍력 발전기는 초기의 정지마찰계수때문에 일정한 바람이 불어도 풍차가 움직이지 못한다. 하지만 본 발명은 안쪽의 사브니우스 수직축 블레이드는 본 발명의 특징인 자가기동을 하기 위해 특별히 고안해 놓은 것인다.

자가기동, 풍력, 발전기, 수직발전기, 대체에너지, 풍력에너지, 유체

Description

자가기동 수직축 풍력발전기 {Self-starting Vertical Axis Wind turbine}

본 발명은 자가 유체 발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 블레이드 피치제어수단을 갖는 자가 유체 발전 장치에 관한 것이다.

통상적으로 풍력발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다.

이러한 풍력발전 장치는 수평축 풍력발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전

장치(vertical axis wind turbine)로 대별되는데, 수평축을 이용하는 방식은 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의

양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다. 또한 수평축을 이용하는 경우는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다. 이 경우 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다.

한편, 수직형의 경우에는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다. 따라서, 수직형의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 블레이드의 설계나 구조 또는 조립방식 등을 개선하거나, 지지구조물과 블레이드를 부착하는 방식을 개선하기도 하며, 블레이드의 피치각 제어 시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식을 사용하기도 한다.

재생 에너지 및 환경 친화적인 소스에 대한 관심은 최근의 불확실성 증가로 인해 공급되던 석유 및 기타 화석 연료의 사용이 증가하고 있고, 풍력 에너지 회의에서는 기후협약, 그린 하우스, 가스 배출 감소를 하나의 목표로 잡고 있다. 수평 축선 바람 터빈 (HAWT) 및 수직 축선 바람 터빈 (VAWT)있다. 어떤 유형의 바람에서 힘을 어떻게 추출하는가에 따라 터빈의 종류는 2개로 나뉜다. 이것은 사실상 바람을 끌 어들이기 위한 강요 적인 유형으로, 힘을 추출하기 위하여 날개 표면 사이에 압력 차이를 이용하는 상승 유형이다.

3 NACA 0015 블레이드, Savonius 나선형 회전자 및 Darrieus 바람 터빈의 조합하여 바람의 방향에 상관없이 360도 방향으로 회전하여 에너지를 발생시키는 풍력발전장치에 관한 것이다.

종래에도 풍력에 의하여 날개를 회전시켜 에너지를 발생시키는 풍력장치가 몇 가지 종류로 공지되어 있으나, 이 장치들은 바람의 세기와 그 방향에 따라서 힘의 크기가 결정되기 때문에 민감하게 작동되지 못하는 단점을 가지고 있다. 즉 바람의 방향이 일정하지 않을 경우 날개의 방향이 바뀌게 되므로 날개의 회전관성력이 양호하지 못하여 순간적으로 바람의 방향이 변화될 경우 정지하게 되는 등의 문제로 에너지 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

180도 이상의 각도의 디자인과 함께 나선 Savonius 나선형 날개가 폭 200mm와 370mm 높이인 것이 특징이다. 6mm의 두꺼운 아크릴을 S-모양의 날개 부분에 겹쳐 쌓아 놓았다. 이 회전자의 규모는 전체 풍력 터빈의 조합에서 30%로 구성된다. 관성을 증가시켜 바람을 끌어내며 처리된다. 반면 Darrieus 회전자 설계에서 440mm, 350mm의 구성의 3 NACA 0015 날개와 블레이드로 구성되어있다. 최상의 성능을 내기 위해 블레이드와 날개 두 곳을 상대로 더 많은 소리로 선택한 진동을 최소화한다.

본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 낮은 바람에도 회전하지만 회전토크가 약한 savonius 회전자와 온전한 바람이나 강풍에 낮은 가속도를 내며 회전하는 3 NACA 0015 날개, 그리고 일정속도의 바람에 의해서 회전하는 Darrieus 터빈의 조합을 통해 기존의 풍력장치와 달리 낮은바람(5m/s)에도 일정하게 회전하면서 큰 회전토크를 가질수 있는 풍력장치이다. 즉, 구성된 풍력장치는 savonius 회전자와 3 NACA 0015 날개 블레이드가 각자 스스로 회전이 가능할 뿐만 아니라 높은 회전토크와 효율을 가진다. Darrieus 로터와 결합된 나선형 Savonius 터빈의 효율은 3 NACA 0015 날개의 피치 또는 받음각에 의해 영향을 받는데 받음각은 가장 높은 토크를 가지는 5도를 유지함으로써 H타입의 Darrieus 풍차 로터의 각 가속향상과 함께 30%이상의 공기흐름이 증가된다.

180도 이상의 각도의 디자인과 함께 나선 Savonius 나선형 날개가 폭 200mm와 370mm 높이인 것이 특징이다. 6mm의 두꺼운 아크릴을 S-모양의 날개 부분에 겹쳐 쌓아 놓았다. 이 회전자의 규모는 전체 풍력 터빈의 조합에서 30%로 구성된다. 관성을 증가시켜 바람을 끌어내며 처리된다. 반면 Darrieus 회전자 설계에서 440mm, 350mm의 구성의 3 NACA 0015 날개와 블레이드로 구성되어있다. 최상의 성능을 내기 위해 블레이드와 날개 두 곳을 상대로 더 많은 소리로 선택한 진동을 최소화한 다.

Darrieus 풍력 터빈의 고유한 문제는 특별한 제어 없이 스스로 작동하여 회전되는 것이다.

주로, 모터는 각 가속도를 내기 위하여 사용되거나 양력이 날개에서 일어날 때까지 터빈이 그것의 속도를 독자적으로 지탱할 수 있을 때까지 올린다.

이 문서는 나선형 Savonius 터빈이용을 통합하는 것인데 수직의 축선 바람 터빈(VAWT)가 H 유형 Darrieus터빈을 조합하여 각각의 개량의 방법을 기술한다. 180 도의 나선 각을 가진 Savonius터빈의 회전자와 0015 날개로 이루어져 있는 시제품 풍차를 조합하여 시험하고 테스트 한 결과 기존보다 30%가 높은 효율을 보였다.

3 NACA 0015 블레이드, Savonius 나선형 회전자 및 Darrieus 바람 터빈의 조합으로 낮은 바람(5 m/s)에서도 구성된 수직 축선 바람 터빈이 각자 스스로 회전이 가능하고 높은 TSR 및 COP를 달성한다.

날개 표면의 각도는 VAWT의 능력에 따라 각각 스스로 회전하는데 영향을 미친다. 긍정적인 각도(터빈의 정상적인 선에서의 CW측정)가 더 적당하다. (5도가 더 낫다).

오리 엔테이션 터빈은 비슷한 유형의 VAWT의 성능에 상당한 효과가 없다.

Conclusion(또 다른 결론)

이 풍차의 개선 최종 목표는 수직 축선 바람 터빈과 3 NACA 0015 날개 블레이드 및 H타입의 Darrieus풍차가 특유의 조합을 통해 자기 스스로 작동하는 것이다.

실험 결과와 컴퓨터 시뮬레이션 자체 개선에서 180도 이상의 각도와 나선형 Savonius 로터의 적합성을 확인했다.

그것은 날개의 블레이드에 공기의 흐름이 Savonius 터빈에 의해 영향을 받지 않는 것이 중요하다. 그 영향을 받지 않을 때 H타입의 Darrieus 풍차 로터가 각 가속을 제공하면서 30% 이상의 공기 흐름이 증가한다. 또한, Darrieus 로터와 결합한 나선형 Savonius 터빈의 성과는 NACA 0015 날개의 피치 또는 받음 각에 의해 영향을 받는다. 대칭 날개의 블레이드와 마찬가지로 리프트의 방향에 영향을 미친다. 5도와 동등했던 받음 각은 시판된 제품 중 가장 높은 TSR를 제공했다. (항공날개 트레일 엣지와 blade 사이 각은 95도이다)

Claims (7)

1. 발전기와;

   상기 발전기에 회전력을 전달하고 발전기에 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 내측 회전축과;

   상기 내측 회전부와 같이 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 외측 회전부와;

   상기 외측 회전부의 각각의 블레이드의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 상기 블레이드를 지지하고 상기 내측 회전부에는 고정됨으로써 상기 내측 회전부와 상기 외측 회전부의 블레이드를 연결하는 지지수단을;

   구비하는 자기동 유체 발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 외측 회전부는 각각의 피치각을 조절할 수 있게 기계적으로 체결된 것을 특징으로 하는 자기동 유체 발전장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 발전기는 상기 자가 유체 발전장치의 기저부에 위치하는 것을 특징으로 하는 자기동 유체 발전장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 내측 회전부는 복수의 곡면 블레이드를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자기동 유체 발전장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 외측 회전부의 블레이드 단면은 대칭형 익형인 것을 특징으로 하는 자기동

   유체 발전 장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 지지수단은 상기 블레이드의 길이 방향의 양 단부를 지지하는 상하부 지지체로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기동 유체 발전 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 외측 회전부와 내측 회전부의 조합으로 낮은 바람에서도 일정하게 회전하면서 큰 회전토크를 가질 수 있는 것을 특징으로 하는 자기동 유체 발전 장치.