KR20110016655A - 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터 - Google Patents

가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 관한 것으로, 보다 상세히는 풍력에 의해 회전하는 수직축과, 상기 수직축에 결합되는 상판 및 하판 사이에 장착되는 다수개의 블레이드로 이루어지는 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 적용하기 위하여, 상기 블레이드는 상기 상, 하판의 외주 방향을 따라 일단이 회동 가능하게 결합되고 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 외측 블레이드와, 상기 외측 블레이드의 타단과 근접하게 일단이 회동 가능하게 결합되고, 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 내측 블레이드로 이루어지며, 상기 외측 및 내측 블레이드 각각의 일단은 상기 상, 하판 상에 상기 블레이드의 형성 방향을 따라 장착되는 지지제한부에 의하여 회동 가능하게 결합되고, 상기 외측 및 내측 블레이드 각각의 타단은 상기 지지제한부에 의하여 요동 범위가 제한되는 것을 기술적 요지로 하여 보다 큰 토크의 발생을 통하여 풍력발전의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 관한 것이다.
가변형, 복엽, 사보니우스, 외측 블레이드, 내측 블레이드, 지지제한부

Description

가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터{SAVONIUS ROT0R FOR WIND POWER GENERATION OF VERTICAL AXIS WITH VARIABLE BIBLADE STRUCTURE}
본 발명은 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 관한 것으로, 수직축의 상, 하판 사이에 배치된 다수개의 블레이드를 각각 외측 및 내측 블레이드로 분할하고, 지지제한부에 의하여 각각의 일단은 회동 가능하게, 타단은 요동 범위가 제한됨으로써 보다 큰 토크의 발생을 통하여 풍력발전의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 관한 것이다.
일반적인 풍력발전장치는 대부분 풍량이 일정한 지형에 적합한 수평축 터빈을 기본으로 풍향적응장치를 부가하는 방식을 채택하고 있지만, 제작과 유지 관리가 매우 힘든 긴 회전날개의 형상을 기본적으로 채용하고 있는 바, 설계가 어려우며 시설비용이 높아지게 된다.
상기와 같은 관점에서 안출된 것으로, 등록실용신안 제20-0370510호의 '복합식 수직축 풍력발전 시스템'과, 등록특허 제10-0490578호의 '사보니우스 날개'와, 공개특허 제10-2004-0024956호의 '수직축형 풍력발전시스템의 동력전달구조' 등과 같이 무수히 많은 것들이 공지되고 연구 개발 중임을 알 수 있다.
그러나, 상기와 같은 2블레이드 이상의 사보니우스 로터 방식에 의한 터빈은 풍속이 빠른 지역에서 큰 전력을 얻고자 제작된 것이므로, 터빈의 회전에 따른 증속기 및 발전기 자체의 손실 등도 연동하여 커지게 되므로, 전력 회수율이 낮은 문제점이 있었다.
또한, 풍향이 수시로 변하거나 풍속이 느린 지역에서는 터빈의 회전이 제대로 이루어지지 못하므로, 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지지 못하는 문제점 또한 있었던 것이다.
상기와 같은 관점에서 안출된 것으로, 등록특허 제10-0702418호의 '수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조'와 같은 것을 들 수 있으며, 상기 선행기술은 다수개의 블레이드를 원호 형상으로 절곡하여 수직축을 중심으로 방사상으로 배치되도록 장착한 것이다.
그러나, 상기 선행기술은 다수개의 블레이드 각각이 상, 하판에 장착되는 구조에 있어서, 상기 블레이드 각각의 양단이 고정된 구조를 채택하고 있으므로, 원호 형상인 블레이드 각각에 작용하는 풍압으로 인한 토크가 일정 정도 이상 발생하기 힘들어 상기 선행기술과 마찬가지로 풍향이 수시로 변하거나 풍속이 느린 지역에서는 지속적이면서도 안정적인 전력 생산을 기대하기 힘들었던 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 보다 큰 토크의 발생을 통하여 풍력발전의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 풍력에 의해 회전하는 수직축과, 상기 수직축에 결합되는 상판 및 하판 사이에 장착되는 다수개의 블레이드로 이루어지며, 상기 블레이드 각각의 일단과 상기 수직축을 상호 연결하는 반경에 대하여 상기 블레이드 각각의 타단은 상기 반경과 이격하여 형성되는 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 있어서, 상기 블레이드는 상기 상, 하판의 외주 방향을 따라 일단이 회동 가능하게 결합되고 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 외측 블레이드와, 상기 외측 블레이드의 타단과 근접하게 일단이 회동 가능하게 결합되고, 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 내측 블레이드로 이루어지며, 상기 외측 및 내측 블레이드 각각의 일단은 상기 상, 하판 상에 상기 블레이드의 형성 방향을 따라 장착되는 지지제한부에 의하여 회동 가능하게 결합되고, 상기 외측 및 내측 블레이드 각각의 타단은 상기 지지제한부에 의하여 요동 범위가 제한되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 외측 블레이드 및 내측 블레이드는 상기 상, 하판 상의 지지제한부와 각각 결합되며, 상호 반대 방향으로 굴곡 형성된 원호 형상의 플레이트인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 지지제한부는 상기 상, 하판 상에 장착되며, 상기 외측 블레이드 및 내측 블레이드 각각의 일단과 회동 가능하게 결합하는 회동지지부와, 상기 외측 블레이드 및 내측 블레이드 각각의 타단이 요동하는 것을 일정 범위 내에서 제한하는 요동제한부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회동지지부는 상기 상, 하판 상에 각각 장착되며, 상기 외측 블레이드 및 내측 블레이드의 배치 방향을 따라 장착되는 외곽 지지프레임과, 상기 외곽 지지프레임과 평행하게 장착되어 상호 대향하는 것으로, 상기 외측 블레이드 및 내측 블레이드 각각의 양단을 양측에서 고정 지지하는 내측 지지프레임과, 상기 상, 하판의 외주 방향을 따라 상기 내측 지지프레임의 일단부에서 각각 돌출 형성되어 상기 외곽 지지프레임과 회동 가능하게 결합되는 회동지지봉으로 이루어지며, 상기 요동제한부는 상기 내측 지지프레임의 타단부에 장착되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 요동제한부는 상기 내측 지지프레임 각각의 타단부에 대응하는 위치에 상기 외곽 지지프레임의 회동지지봉과 이격하여 장착되며, 상기 외곽 지지프레임과 직교방향으로 슬릿이 형성된 요동제한편과, 상기 내측 지지프레임의 타단부에 돌출 형성되어 상기 슬릿에 걸림 결합되는 요동봉으로 이루어지는 것이 바람직하다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
우선, 수직축의 상, 하판 사이에 배치된 다수개의 블레이드를 각각 외측 및 내측 블레이드로 분할하고, 지지제한부에 의하여 각각의 일단은 회동 가능하게, 타단은 요동 범위가 제한되는 구조를 채택함으로써, 즉 외측 블레이드를 통하여 발생되고 기존기술에 비하여 훨씬 큰 토크를 발생하고 내측 블레이드를 통하여 원활하게 바람에 의한 유동이 가이드되도록 함으로써 풍력발전의 효율을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 복엽(複葉) 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터의 전체적인 구성을 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 A 시점에서 바라본 평면 개념도로 도시된 바와 같이 본 발명은 크게 외측 블레이드(110)와, 내측 블레이드(120)로 이루어지며, 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120)는 지지제한부(200)로 회동지지 및 요동 제한되는 구성이다.
참고로, 본 발명에 따른 외측 블레이드(110)와 내측 블레이드(120)는 전체적으로 블레이드(100)를 형성하며, 상기 블레이드(100)는 풍력에 의하여 회전하는 수직축(10)과 결합하는 상, 하판(30, 40) 사이에 다수개로 장착되는 것이다.
여기서, 상기 블레이드(100)는 상기 블레이드(100) 각각의 일단과 상기 수직축(10)을 상호 연결하는 가상선으로서의 반지름(R)에 대하여 상기 블레이드(100) 각각의 타단은 상기 반지름(R)과 일정 거리(d)만큼 이격하여 형성되는 사보니우스 로터의 구조를 채택하고 있다.
상기 블레이드(100)는 각각 전술한 바와 같이 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120)로 분리되며, 상기 외측 블레이드(110)는 상기 상, 하판(30, 40)의 외주 방향을 따라 일단이 회동 가능하게 결합되고 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하며, 상기 내측 블레이드(120)는 상기 외측 블레이드(110)의 타단과 근접하게 일단이 회동 가능하게 결합되고, 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 것이다.
상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 일단이 회동 지지되고, 일정 범위 내에서 요동을 허용하도록 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 양단은 상기 상, 하판(30, 40) 상에 상기 블레이드(100)의 형성 방향을 따라 장착되는 지지제한부(200)와 상호 결합됨으로써 가능하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 구성에 의하여 충분한 적용 및 실시가 가능함은 물론이며, 더욱 구체적인 실시예의 적용을 위하여 첨부된 도면을 참고로 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 외측 및 내측 블레이드(110, 120)는 전술한 바와 같이 각각의 일단이 회동 가능하게, 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하도록 상기 지지제한부(200)와 결합되는 것이라 설명한 바 있다.
여기서, 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120)는 바람직하게는 평판 형상의 플레이트를 각각 상호 반대 방향으로 굴곡지게 원호 형상으로 구부려 형성한 플레이트로 배치함으로써 상기 블레이드(100)는 전체적으로 도 2와 같이 '~' 형상을 이 루게 된다.
이하, 본 발명의 주요부인 외측 및 내측 블레이드(110, 120)와 지지제한부(200)의 구체적인 결합 관계 및 작동 실시예를 도 3 및 도 4를 참고로 설명하기로 하며, 도 3 및 도 4에서 미표기된 도면의 부호는 도 1 및 도 2를 참고하면 될 것이다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 지지제한부(200)는 전술한 바와 같이 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 일단을 회동 지지하면서 동시에 각각의 타단을 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 역할을 하는 것으로, 크게 회동지지부(210) 및 요동제한부(220)로 구성된다.
상기 회동지지부(210)는 상기 상, 하판(30, 40) 상에 장착되며, 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120) 각각의 일단과 회동 가능하게 결합하는 것으로, 크게 외곽 지지프레임(212)과, 내측 지지프레임(214)과, 회동지지봉(216)으로 구성된다.
상기 외곽 지지프레임(212)은 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120)로 이루어진 블레이드(100)의 배치 방향을 따라 장착되는 것으로, 더욱 상세히는 상기 상, 하판(30, 40) 상에 장착되어 상호 대향하며 평행을 이루는 것이다.
그리고, 내측 지지프레임(214)은 상기 외곽 지지프레임(212)과 평행하게 장착되어 상호 대향하는 것으로, 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120) 각각의 양단을 양측에서 고정 지지하는 역할을 하게 된다.
또한, 상기 회동지지봉(216)은 상기 상, 하판(30, 40)의 외주 방향을 따라 상기 내측 지지프레임(214)의 일단부에서 각각 돌출 형성되어 상기 외곽 지지프레임(212)과 회동 가능하게 결합되는 것으로, 실질적으로 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 회동 지지를 하는 역할을 수행하는 것이다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 요동제한부(220)는 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120) 각각의 타단이 요동하는 것을 일정 범위 내에서 제한하는 것으로, 크게 요동제한편(222)과 요동봉(224)으로 구성된다.
상기 요동제한편(222)은 상기 내측 지지프레임(214) 각각의 타단부에 대응하는 위치에 상기 외곽 지지프레임(212)의 회동지지봉(216)과 이격하여 장착되며, 상기 외곽 지지프레임(212)과 직교방향으로 슬릿(222')이 형성된 것이며, 전체적으로 'ㄱ'자 형상의 쐐기꼴로 이루어진 것이다.
그리고, 상기 요동봉(224)은 상기 내측 지지프레임(214)의 타단부에 돌출 형성되어 상기 슬릿(222')에 걸림 결합되는 것으로, 단부에는 공고한 결합 상태의 유지와 함께 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 이탈을 방지하기 위하여 걸림머리(224')가 더 구비되는 것도 바람직하다.
따라서, 상기 요동봉(224)이 상기 요동제한편(222)의 슬릿(222')이 형성된 길이의 범위 내에서 도 4와 같이 왕복 이동을 하도록 요동 범위를 제한받게 되는 것이다.
상기 슬릿(222')은 블레이드 각각이 고정된 구조인 기존의 사보니우스 로터에 비하여 상기 슬릿(222')의 길이 범위 내에서 상기 외측 및 내측 블레이드 (110 ,120) 각각의 타단이 요동을 할 수 있도록 함으로써 보다 큰 토크 발생에 따른 발전력 및 효율 증가를 위한 기술적 수단이라 할 수 있다.
즉, 상기 블레이드(100)는 전체적으로 '~'형상을 이루는 외측 및 내측 블레이드(110, 120)로 이루어지도록 하고, 이 중에서 원호 형상인 외측 블레이드(110)의 오목한 면에 풍압이 작용하면 바람을 등지고 나가는 돛단배와 같은 역할을 하게 되면서 수직축(10)을 기준으로 회전력이 발생하되, 상기 슬릿(222')을 따라 상기 외측 블레이드(110)는 요동을 허용하면서 보다 큰 토크를 발생할 수 있게 된다.
이후, 상기 외측 블레이드(110)의 오목한 면에 작용한 바람은 내측 블레이드(120)의 볼록한 면을 가이드로 하면서 수직축(10) 측으로 유동하게 되고, 상기 내측 블레이드(120) 또한 상기 슬릿(222')을 따라 요동을 허용하면서 보다 큰 토크를 발생할 수 있게 되는 것이다.
이상과 같이 본 발명은 보다 큰 토크의 발생을 통하여 풍력발전의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터를 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터의 전체적인 구성을 나타낸 사시도
도 2는 도 1의 A 시점에서 바라본 평면 개념도
도 3은 본 발명의 주요부인 외측 및 내측 블레이드와 지지제한부의 구체적인 결합 관계를 나타낸 사시도
도 4는 도 3의 B 시점에서 바라본 작동 실시예를 나타낸 평면 개념도
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10...수직축 30...상판
40...하판 100...블레이드
110...외측 블레이드 120...내측 블레이드
200...지지제한부 210...회동지지부
212...외곽 지지프레임 214...내측 지지프레임
216...회동지지봉 220...요동제한부
222...요동제한편 222'...슬릿
224...요동봉 R...반지름

Claims (5)

  1. 풍력에 의해 회전하는 수직축(10)과, 상기 수직축에 결합되는 상판(30) 및 하판(40) 사이에 장착되는 다수개의 블레이드(100)로 이루어지며, 상기 블레이드(100) 각각의 일단과 상기 수직축(10)을 상호 연결하는 반지름(R)에 대하여 상기 블레이드(100) 각각의 타단은 상기 반지름(R)과 이격하여 형성되는 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터에 있어서,
    상기 블레이드(100)는,
    상기 상, 하판(30, 40)의 외주 방향을 따라 일단이 회동 가능하게 결합되고 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 외측 블레이드(110)와,
    상기 외측 블레이드(110)의 타단과 근접하게 일단이 회동 가능하게 결합되고, 타단은 일정 범위 내에서 요동을 허용하는 내측 블레이드(120)로 이루어지며,
    상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 일단은 상기 상, 하판(30, 40) 상에 상기 블레이드(100)의 형성 방향을 따라 장착되는 지지제한부(200)에 의하여 회동 가능하게 결합되고, 상기 외측 및 내측 블레이드(110, 120) 각각의 타단은 상기 지지제한부(200)에 의하여 요동 범위가 제한되는 것을 특징으로 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120)는,
    상기 상, 하판(30, 40) 상의 지지제한부(200)와 각각 결합되며, 상호 반대 방향으로 굴곡 형성된 원호 형상의 플레이트인 것을 특징으로 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 지지제한부(200)는,
    상기 상, 하판(30, 40) 상에 장착되며, 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120) 각각의 일단과 회동 가능하게 결합하는 회동지지부(210)와,
    상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120) 각각의 타단이 요동하는 것을 일정 범위 내에서 제한하는 요동제한부(220)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 회동지지부(210)는,
    상기 상, 하판(30, 40) 상에 각각 장착되며, 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120)의 배치 방향을 따라 장착되는 외곽 지지프레임(212)과,
    상기 외곽 지지프레임(212)과 평행하게 장착되어 상호 대향하는 것으로, 상기 외측 블레이드(110) 및 내측 블레이드(120) 각각의 양단을 양측에서 고정 지지하는 내측 지지프레임(214)과,
    상기 상, 하판(30, 40)의 외주 방향을 따라 상기 내측 지지프레임(214)의 일 단부에서 각각 돌출 형성되어 상기 외곽 지지프레임(212)과 회동 가능하게 결합되는 회동지지봉(216)으로 이루어지며,
    상기 요동제한부(220)는 상기 내측 지지프레임(214)의 타단부에 장착되는 것을 특징으로 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 요동제한부(220)는,
    상기 내측 지지프레임(214) 각각의 타단부에 대응하는 위치에 상기 외곽 지지프레임(212)의 회동지지봉(216)과 이격하여 장착되며, 상기 외곽 지지프레임(212)과 직교방향으로 슬릿(222')이 형성된 요동제한편(222)과,
    상기 내측 지지프레임(214)의 타단부에 돌출 형성되어 상기 슬릿(222')에 걸림 결합되는 요동봉(224)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변형 복엽 구조의 수직축 풍력발전용 사보니우스 로터.
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