KR20110008789A - 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수평단면은 호 형상을 가지고, 수직방향으로는 중앙부가 상부와 하부에 대하여 바깥으로 돌출한 형상을 가져 활 형상을 가지는 날개로서, 상기 호 형상의 내측 단으로 이루어진 상기 날개의 안쪽 활부에는, 상기 호 형상의 내측 단으로부터 상기 안쪽 활부를 따라 상기 호 형상의 오목부에서 바깥으로 연장하여 젖혀지는 형상을 갖는 가이드 날개를 더 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치에 관한 것이다.

이를 통하여 풍력발전장치를 회전시키고 배출되는 공기의 유동을 끝까지 활용하여 미풍에도 회전이 가능하도록 하고, 발전효율을 높일 수 있으며, 날개로부터 빠져나가는 공기를 가이드 하여 풍차의 내부에 회오리 유동을 형성하여 저항 방향에 위치한 날개 쪽으로 유입되는 공기의 저항발생을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

풍력발전, 날개

Description

풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치 {BLADE FOR WIND POWER GENERATION AND DEVICE FOR WIND POWER GENERATION}

본 발명은 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전장치를 회전시키고 배출되는 공기의 유동을 끝까지 활용하여 미풍에도 회전이 가능하도록 하고, 발전효율을 높일 수 있으며, 날개로부터 빠져나가는 공기를 가이드 하여 풍차의 내부에 회오리 유동을 형성하여 저항 방향에 위치한 날개 쪽으로 유입되는 공기의 저항발생을 최소화할 수 있는 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치에 관한 것이다.

산업의 발전에 따라 세계적으로 보다 많은 에너지를 요구하고 있으며, 이의 많은 부분을 석유자원이 제공하고 있으나, 석유자원의 경우에는 환경오염의 폐해가 있고, 자원이 무한정 존재하는 것이 아니므로, 향후 가까운 시기에 고갈되는 문제점이 있다. 따라서 이러한 자원을 대체할 수 있는 청정 대체 에너지원의 개발이 절실히 필요한 실정이다.

이에 대한 예로 태양전지, 조력발전, 풍력발전을 들 수 있으며, 근래에 유가의 급격한 상승에 따라 이러한 대체 에너지원 특히, 풍력발전에 대한 관심이 높아 지고 있다.

이러한 풍력발전을 위한 풍력발전장치는 크게 풍력발전용 날개(블레이드)의 축이 설치된 방향에 따라 수직 풍력발전장치와 수평 풍력발전장치로 나누어질 수 있고, 일반적인 수직 풍력발전장치의 경우는 바람이 불어오는 방향에 대하여, 회전축을 기준으로, 한쪽은 회전을 일으키는 구동방향이 되지만, 이의 반대편은 회전을 방해하는 저항방향이 되므로, 회전효율이 감소하여 발전효율이 낮은 문제점이 있다.

따라서 상기 저항방향의 저항을 최소화하고, 구동방향에 대해서는 최대한 구동력을 끌어낼 수 있는 날개형상의 개발이 절실한 실정이다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 풍력발전장치를 회전시키고 배출되는 공기의 유동을 끝까지 활용하여 미풍에도 회전이 가능하도록 하고, 발전효율을 높일 수 있으며, 날개로부터 빠져나가는 공기를 가이드 하여 풍차의 내부에 회오리 유동을 형성하여 저항 방향에 위치한 날개 쪽으로 유입되는 공기의 저항발생을 최소화할 수 있는 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

수평단면은 호 형상을 가지고, 수직방향으로는 중앙부가 상부와 하부에 대하여 바깥으로 돌출한 형상을 가져 활 형상을 가지는 날개로서,

상기 호 형상의 내측 단으로 이루어진 상기 날개의 안쪽 활부에는, 상기 호 형상의 내측 단으로부터 상기 안쪽 활부를 따라 상기 호 형상의 오목부에서 바깥으로 연장하여 젖혀지는 형상을 갖는 가이드 날개를 더 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 날개를 제공한다.

또한 본 발명은

수직 회전축;

상기 수직 회전축의 상부에 결합하는 상부 원판;

상기 상부 원판에 대하여 아래쪽으로 이격하여 배치되어 상기 수직 회전축에 는 결합하는 하부 원판; 및,

상기 상부 원판 및 하부 원판 사이에 결합하는 상기 풍력 발전용 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치를 제공한다.

본 발명의 풍력 발전용 날개 및 이를 이용한 풍력발전장치에 따르면, 풍력발전장치를 회전시키고 배출되는 공기의 유동을 끝까지 활용하여 미풍에도 회전이 가능하도록 하고, 발전효율을 높일 수 있으며, 날개로부터 빠져나가는 공기를 가이드 하여 풍차의 내부에 회오리 유동을 형성하여 저항 방향에 위치한 날개 쪽으로 유입되는 공기의 저항발생을 최소화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 풍력 발전용 날개는 수평단면은 호 형상(2)을 가지고, 수직방향으로는 중앙부가 상부와 하부에 대하여 바깥으로 돌출한 형상을 가져 활 형상을 가지는 날개로서, 상기 호 형상(2)의 내측 단(2a)으로 이루어진 상기 날개의 안쪽 활부(10)에는, 상기 호 형상(2)의 내측 단(2a)으로부터 상기 안쪽 활부(10)를 따라 상기 호 형상(2)의 오목부(4)에서 바깥으로 연장하여 젖혀지는 형상을 갖는 가이드 날개(50)를 더 가지는 구성을 가진다.

이에 대한 상세한 설명은 도면을 참고하여 설명한다.

즉, 도 1 내지 도 2에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 본 발명의 풍력 발전용 날개는 그 각각의 단면은 호(arc) 형상(2)으로 이루어져, 바람을 받아 회전축을 구동시킬 수 있도록 하는 형상을 가진다. 즉, 도 1에 도시한 날개에서 직선 A-A'를 따라 절단한 단면을 도 2에 도시한 바와 같이 전체적인 단면의 전체적인 형상은 이후에 설명할 가이드 날개(50)를 제외하면 호 형상을 가지게 된다. 또한, 불어오는 바람을 많이 받을 수 있고, 이후에 설명할 가이드 날개의 효율적인 거동을 위하여 날개의 전체적인 형상은 도 1에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 상부 및 하부에 비하여 중앙부가 튀어나오는 활 형상을 가진다. 그런데 본 발명의 날개는 이에 추가하여 날개의 안쪽 할부에 가이드 날개를 더 부착하여 효율을 증대할 수 있다. 상기 가이드 날개에 대한 모습은 도 3에 보다 명확하게 도시되어진 다.

즉, 상기 호 형상의 오목부(4)에 유입된 바람은 날개를 밀어 회전이 일어나게 하지만, 종래의 날개에서와 같이 호 형상을 따라 흐르던 바람이 호 형상을 따라 그냥 뒤로 배출되는 것이 아니라, 호 형상을 따라 흐르던 바람은 도 4에 도시한 바와 같이 호 형상의 내측 단을 따라 상하로 연속하여 형성된 가이드 날개에 의하여 배출되지 않고 걸리게 되고, 이는 도시한 바와 같이 안쪽 활부를 따라 흘러가게 되므로 이를 통하여 부가적인 회전력을 날개에 전달하게 된다.

바람직하게는 활부의 오목부에 걸리는 바람의 효율적인 배출 및 가이드 날개의 효과를 확보하기 위하여 상기 가이드 날개(50)의 중앙부 수평 길이(b)는 상기 날개의 중앙부 수평 길이(a)의 10 내지 30 %인 것이 좋다.

또한, 바람직하게는 상기 가이드 날개에 의하여 포획된 공기 유동은 도 5에 도시한 바와 같은 풍차 내부의 회오리 유동을 발생시키기 위하여 사용되어질 수 있다. 이를 위하여, 상기 가이드 날개는 상기 안쪽 활부 중 상단 및 하단에는 존재하지 않는 것이 좋다. 즉, 가이드 날개에 의하여 포획된 유동은 가이드 날개 및 안쪽 활부를 따라 날개 후면쪽 상부 및 하부로 이동하면서 날개에 추가적인 회전력을 부가하고, 날개 상단 및 하단의 가이드 날개가 없는 구간에 도달하면 배출되어지는데, 이때 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 날개 상단 및 하단의 호의 휘어진 부분에 의하여 마지막 안내를 받게 되므로, 도 5에 도시한 바와 같이 배출되어진 공기는 풍차의 내부에서 회오리를 형성하게 된다. 이러한 회오리는 저항방향에서 풍차내부로 유입되는 공기를 회전방향에 유리한 방향으로 끌어나가는 효과를 발생시키므로 저항방향의 저항을 감소시키는 효과를 발생시킨다.

또한 바람직하게는 상기 가이드 날개의 중앙부 수평 길이는 도 3에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 상단 및 하단으로 가면서 그 길이가 감소하는 것이 전체적인 유동이 웨이크나 난류를 형성하지 않고, 층류를 형성하여 저항발생을 줄여 효율을 증대할 수 있어서 좋다.

또한 바람직하게는 상기 호 형상(2)의 내측 단(2a)으로 이루어진 상기 날개의 안쪽 활부(10)의 곡률반경(Ri)은 상기 호 형상(2)의 외측 단(2b)으로 이루어진 상기 날개의 바깥쪽 활부(20)의 곡률반경(Ro)보다 작은 것이 좋다. 이를 통하여 상단 및 하단으로 갈수록 호 형상의 길이가 길어져 상기 가이드 날개에 의해 가이드 되는 유동의 수평분력을 증대할 수 있고, 최종적으로 배출되는 공기의 상/하단 호 형상에 의한 유동 가이드 효과를 증대할 수 있다.

또한 본 발명은 상기 기술한 본 발명의 풍력 발전용 날개를 구비하는 풍력발전장치를 제공하는 바, 이는 수직 회전축(100); 상기 수직 회전축(100)의 상부에 결합하는 상부 원판(200); 상기 상부 원판(200)에 대하여 아래쪽으로 이격하여 배치되어 상기 수직 회전축(100)에 는 결합하는 하부 원판(300); 및, 상기 상부 원판(200) 및 하부 원판(300) 사이에 결합하는 상기 기술한 본 발명의 풍력 발전용 날개(400)를 포함하여 구성된다.

이에 대한 구체적인 예는 도 6에 도시한 바와 같으며, 여기서 상기 날개는 도시한 바와 같이 다양한 개수와 다양한 배열로 이를 구성할 수 있으며, 바람직하게는 도 7에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 상기 풍력 발전용 날개(400)는 상기 수직 회전축(100)의 중심과 상기 호 형상의 중심(C)을 잇는 방향에 대하여 상기 호 형상(2)의 외측 단(2b)과 내측 단(2a)을 연결한 직선이 기울어진 형태로 결합하는 것이 효율의 증대를 위하여 좋고, 더욱 바람직하게는 저항방향에서의 공기 유입을 막아 저항을 최소화하기 위하여, 상기 기울어진 형태는 상기 풍력발전장치를 정면에서 바라 볼 때, 중앙에 위치하는 날개와 회전방향의 반대편(저항방향)으로 인접하는 날개 사이에 빈 공간이 없도록(도시한 경우는 정면에서 바라볼 경우에 겹쳐지는 오버랩 부분이 존재하도록 배열된 경우임.) 기울어지는 것이 좋다.

또한 이에 추가하여 바람직하게는, 도 8에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 상기 상부 원판(200) 또는 하부 원판(300)(바람직하게는 상부 및 하부 원판에 대하여)은 상기 풍력 발전용 날개(400)가 결합하는 부분들의 사이 공간에 대하여 관통공(210)을 가지는 것이 좋다. 이를 통하여 날개들 사이로 유입되어 상기 가이 드 날개의 존재로 인하여 영향을 받는 공기 유동이 원활하게 배출될 수 있도록 하여 불필요한 저항의 발생을 줄일 수 있다. 더욱 바람직하게는 도시한 바와 같이, 상기 관통공(210)은 상기 날개의 호 형상의 길이방향을 따라 다수 개 형성되고, 반경방향을 따라 외측으로 관통공의 직경이 증가하는 형태로 이를 구성할 수 있다. 이는 반경방향을 따라 외측으로 갈수록 공기 유량이 크므로 보다 원활한 배출을 유도하기 위한 것이다.

또한 풍차의 고속회전 시에 날개에 가해지는 원심력에 의하여 날개가 바깥으로 벌어지거나 빠지는 것을 방지하게 위하여, 상기 날개들의 바깥쪽 활부의 중앙(상하를 기준으로)을 서로 연결하여 수평면 상의 원 형태를 이루는 고정 장치를 날개들에 더 결합할 수 있다. 구체적으로는 도 6에 도시한 풍차에서 날개의 중앙부(상하기준)를 각각 관통하여 모두 날개에 결합하는 원형 고리형상의 고정 장치를 들 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명, 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

도 1은 본 발명의 풍력 발전용 날개에 대한 일 실시예의 사시도를 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 절단한 날개의 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시한 본 발명의 풍력 발전용 날개에 대한 일 실시예의 배면도를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 풍력 발전용 날개에 대한 일 실시예에서 바람의 움직임을 도시한 배면도 및 사시도를 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명의 풍력 발전용 날개를 풍력발전장치에 적용한 경우의 평면도를 기준으로 바람의 움직임을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 풍력 발전용 날개를 풍력발전장치에 적용한 경우의 정면도 및 이를 아래에서 바라본 사시도이다.

도 7은 본 발명의 풍력 발전용 날개를 구비한 풍력발전장치에서 풍력 발전용 날개들의 상호 배치관계에 대한 일 실시예를 평면도를 기준으로 도시한 도면이다.(설명과 무관한 날개는 미도시)

도 8은 본 발명의 풍력 발전용 날개를 구비한 풍력발전장치에 대한 다른 실시예를 평면도(대칭되는 부분은 미도시)를 기준으로 도시한 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2: 호 형상 2a: 호 형상의 내측 단

2b: 호 형상의 외측 단 4: 호 형상의 오목부

10: 안쪽 활부 20: 바깥쪽 활부

50: 가이드 날개 100: 수직 회전축

200: 상부 원판 210: 관통공

300: 하부 원판 400: 풍력 발전용 날개

a: 날개의 중앙부 수평 길이 b: 가이드 날개의 중앙부 수평 길이

Ri: 안쪽 활부의 곡률반경 Ro: 바깥쪽 활부의 곡률반경

C: 호 형상의 중심

Claims (9)

1. 수평단면은 호 형상을 가지고, 수직방향으로는 중앙부가 상부와 하부에 대하여 바깥으로 돌출한 형상을 가져 활 형상을 가지는 날개로서,

   상기 호 형상의 내측 단으로 이루어진 상기 날개의 안쪽 활부에는, 상기 호 형상의 내측 단으로부터 상기 안쪽 활부를 따라 상기 호 형상의 오목부에서 바깥으로 연장하여 젖혀지는 형상을 갖는 가이드 날개를 더 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 날개.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가이드 날개는 상기 안쪽 활부 중 상단 및 하단에는 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 날개.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가이드 날개의 중앙부 수평 길이는 상기 날개의 중앙부 수평 길이의 10 내지 30 %이고, 상단 및 하단으로 가면서 그 길이가 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 날개.
4. 제1항에 있어서,

   상기 호 형상의 내측 단으로 이루어진 상기 날개의 안쪽 활부의 곡률반경은 상기 호 형상의 외측 단으로 이루어진 상기 날개의 바깥쪽 활부의 곡률반경보다 작은 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 날개.
5. 수직 회전축;

   상기 수직 회전축의 상부에 결합하는 상부 원판;

   상기 상부 원판에 대하여 아래쪽으로 이격하여 배치되어 상기 수직 회전축에 는 결합하는 하부 원판; 및,

   상기 상부 원판 및 하부 원판 사이에 결합하는 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 풍력 발전용 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 풍력 발전용 날개는 상기 수직 회전축의 중심과 상기 호 형상의 중심을 잇는 방향에 대하여 상기 호 형상의 외측단과 내측 단을 연결한 직선이 기울어진 형태로 결합하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 기울어진 형태는

   상기 풍력발전장치를 정면에서 바라 볼 때, 중앙에 위치하는 날개와 회전방향의 반대편으로 인접하는 날개 사이에 빈 공간이 없도록 기울어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
8. 제5항에 있어서,

   상기 상부 원판 또는 하부 원판은 상기 풍력 발전용 날개가 결합하는 부분들의 사이 공간에 대하여 관통공을 가지는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 관통공은 상기 날개의 호 형상의 길이방향을 따라 다수 개 형성되고, 반경방향을 따라 외측으로 관통공의 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.

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