KR20110033271A - 수직축형 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 날개의 회전을 안정시킬 수 있고, 또한, 경량화하는 등에 의해 날개의 회전을 자연스럽게 함으로써 발전 효율을 상승시킬 수 있는 수직축형 풍력 발전 장치를 제공한다.

Description

수직축형 풍력 발전 장치{VERTICAL SHAFT-TYPE WIND POWER GENERATION DEVICE}

본 발명은, 풍향에 대해 수직인 회전축에 따라 세로 방향의 날개를 가지고, 이 날개가 바람에 의하여 회전축의 회전 방향으로 회전하는 수직 날개 다리우스형 풍차를 제공하는 수직축형 풍력 발전 장치의 개선에 관한 것이다.

종래부터, 수직축형 풍력 발전 장치나 풍력 발전 플랜트 등의 기술은 공지 되어 있다.

예를 들면, 일본국 특개평 10-110666호 공보에 개시되어 있는 것이 있다. 이 특개평 10-110666호 공보는, 직선 날개 수직축(H-다리우스)형 풍차이고, 그 날개는 회전축 방향에 따라 수직 방향으로 위치한 한쌍의 지지 부재에 양 단부가 고정되어 있다. 또한, 온난화 방지나 에너지 절약을 위해, 일본국 특개평 10-110666호 공보에 있어서의 도 1, 도 2, 도 7과 같이, 보다 큰 전력을 얻기 위하여, 풍차를 조금이라도 윗쪽에 설치하여, 풍차의 회전을 증가시킬 필요가 있다. 이 때문에, 풍차를 가옥이나 빌딩 등(이하, 건조물이라고 칭한다)의 옥상에 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 종래의 수직축형 풍차는, 일본국 특허 제3368537호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 글래스 화이버제의 날개를, 직립된 금속제의 중공인 아우터 로터로 이루어진 회전축으로부터 수평으로 연장된 상하 2개의 글래스 화이버제의 아암으로 지지하여 이루어진 것이다. 또한, 이 풍차는, 수직축의 주위에 직선 날개를 배치하고, 이 직선 날개를 지지 날개로 축측에 연결한 직선 날개형 풍수차로, 효율이나 자기(自己) 시동성이나 소음 등을 고려하여, 강도, 부착 각도, 날개 두께 등의 적정화를 도모한 것이다.

또한, 일본 특허공개 2003-56447호 공보에 개시된 바와 같이, 풍차 날개의 부착 부분을 가동으로 하여, 풍향을 따라 피치의 방향 및 각도를 자동적으로 바꾸어, 풍향이 정·역 어느쪽으로 변화해도 풍차의 회전 방향이 항상 일정해지도록 한 발전용 풍차가 있다. 이를, 방풍림 대신에, 병렬로 나란히 설치하여 방풍하고, 또한, 이 바람을 이용해 풍차를 회전시켜, 이 회전력을 연결하여 발전기를 구동하는 방풍 가능한 발전 플랜트로 한 것이다.

그러나, 일본국 특개평 10-110666호 공보의 것은, 날개 주위의 바람의 흐름을 조정할 수 없으므로, 날개의 회전이 불안정하게 되는 경우가 있다. 또한, 바람에 의한 발전 효율을 상승시키기 위하여는, 날개의 구조에 관해, 아직 개선할 필요가 있다. 또한, 건조물의 상황에 따라 건조물의 옥상에 설치할 수 없어, 지면에 고정한 지주에 풍차를 설치하는 경우가 있다. 이 경우, 풍차에는 강풍에 의해 강한 힘이 부여되므로, 풍차를 지지하는 지주를 지면에 확실하게 고정할 필요가 있다. 이 때문에, 지면을 깊게 굴삭할 필요가 있는 등, 풍차의 설치 작업에 막대한 시간이 필요해지고, 그에 따라, 설치 비용이 상승할 우려가 있다.

또한, 일본국 특허 제3368537호 공보의 것은, 아암과 날개의 접합부 혹 날개 중앙에 발생하는, 원심력에 의한 구부림 모멘트를 충분히 억제할 수 없다. 이 구부림 모멘트는 날개의 고속 회전에 있어서는, 매우 큰 값이 되고, 결과적으로, 날개가 파손될 우려가 있다. 이 구부림 모멘트를 억제하기 위하여, 아암을 굵게 하거나, 날개의 강도를 높이는 조치를 취하지 않으면 안되어, 수직축형 풍차의 중량화를 초래했다. 또한, 옆 바람 등을 받았을 때, 매우 큰 구부림 모멘트가 회전축에 걸리기 때문에, 회전축을 상당히 굵은 것으로 할 필요가 있고, 이에 따라 회전축의 베어링 등의 직경도 크게 할 필요가 있으므로, 발전 장치에 사용하기에는 장치가 대형화된다는 문제점도 있다.

또한, 일본 특허공개 2003-56447호 공보의 것은, 풍차 날개의 부착 부분을 가동시켜, 풍향에 따라 피치의 방향 및 각도를 자동적으로 바꾸는 것이므로, 인접한 별도의 발전용 풍차와의 위치를 어느 일정 거리 이상으로 떨어트리지 않으면, 풍차끼리 접촉하게 된다. 이 때문에, 효율좋은 방풍 효과를 얻을 수 없었다.

본 발명은, 날개의 회전을 안정시킬 수 있고, 또한, 발전 효율을 상승시킬 수 있는 수직축형 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 수직축형 풍력 발전 장치는, 수직으로 설치된 회전축과, 이 회전축의 둘레 방향으로 복수매 설치된 세로 방향의 날개를 갖는 수직축형 풍력 발전 장치로서, 상기 회전축의 선단이 상기 수직축형 풍력 발전 장치의 무게 중심 위치가 되도록 상기 회전축의 선단에 로터를 접합하고, 상기 날개의 세로 방향의 상하 2개소를 지지하는 2개의 상하 아암을 상기 로터에 대해 하향 또는 상향으로 경사지도록 부착하고, 상기 날개의 세로 방향의 중앙과 상기 상하 2개소 각각의 사이에 위치한 중간 2개소를 지지하는 2개의 중간 아암을 상기 수직축형 풍력 발전 장치의 무게 중심 위치에 대해 상하 대칭으로 부착한 것이다.

본 발명의 수직축형 풍력 발전 장치는, 상기 날개의 세로 방향의 길이를 c로 하고, 상기 날개의 상하단에서 상기 상하 2개소의 지지점까지의 거리를 a로 하고, 상기 상하 2개소의 지지점에서 상기 중간 2개소까지의 거리를 b로 할 때, 상기 상하 2개소의 지지점은, a/c가 0.02∼0.16의 범위에 위치하고, 상기 중간 2개소의 지지점은, b/c가 0.18∼0.37의 범위에 위치한 구성도 채용하였다.

본 발명의 수직축형 풍력 발전 장치는, 상기 로터로서, 통 형상의 로터가 사용되고, 상기 상하 아암은 상기 로터의 상하단에 부착된 구성도 채용하였다.

본 발명의 수직축형 풍력 발전 장치는, 상기 2개의 상하 아암 및 상기 2개의 중간 아암은 단면이 중공으로 된 중공 아암에 의해 형성되어 있는 구성도 채용하였다.

본 발명의 수직축형 풍력 발전 장치는, 상기 2개의 상하 아암 및 상기 2개의 중간 아암은 단면이 가로 방향으로 편평하게 된 형상으로 형성되어 있는 구성도 채용하였다.

본 발명의 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서는, 날개가, 통 형상 로터의 중심 위치 근방에 부착된, 2개의 상하 아암 및 2개의 중간 아암에 의하여 상하 및 중앙 2점에서 지지되고, 날개의 지지점의 위치를 통 형상 로터의 중심 위치에 대해 상하 대칭으로 균형시키고 있으므로, 원심력에 의해 날개에 생기는 구부림 모멘트를 최소화할 수 있으며 특히, 각 지지점간 거리를 최적화함으로써, 확실하게 구부림 모멘트를 최소화할 수 있다. 또한, 단면이 가로 방향으로 편평하게 된 형상의 경량 아암으로 구성되므로, 아암에 부하되는 저항을 줄여, 바람 손실을 저감할 수 있는 동시에, 수직축형 풍력 발전 장치를 경량화할 수 있다.

또한, 바람이라는 자연 에너지를 이용한 효율 좋은 풍력 발전 장치나 발전 플랜트를 제공할 수 있으므로, 환경 문제를 해결하는 데 도움이 되는 것을 기대할 수 있다.

도 1은 참고예의 수직축형 풍력 발전 장치의 정단면도이다.
도 2(a)는 날개에 정류판이 4매 부착된 실시 양태를 도시한 도면이고, (b)는 (a)에 있어서의 정류판을 풍향에 대해 상향으로 부착한 날개의 사시도, (c)는 (b)의 측면도이다.
도 3은 수직형 풍력 발전 장치의 날개의 외형 부여판을 제거한 뼈대 조립 구조를 도시한 사시도이다.
도 4(a)는 날개가 지지 부재에 세로 방향으로 경사 자유롭게, 힌지 및 날개에 부착되어 있는 태양을 도시한 도면, (b)는 도 (a)의 (b)-(b) 화살표에서 본 도면, (c)는 날개가 지지 부재에 세로 방향으로 경사 자유롭게, 힌지 및 날개에 부착된 태양을 도시한 도면이다.
도 5(a)는 회전축으로부터 전기를 달아나게 하는 태양의 일례를 도시한 도면이고, (b)는 회전축으로부터 전기를 달아나게 하는 태양의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 6은 날개형상 판의 사시도이다.
도 7은 회전축의 높이 조절 기구 및 회전축 지지 기구를 도시한 도면이다.
도 8(a)는 회전축에 가로 상향의 상부 지지 부재와 가로 하향의 하부 지지 부재가 설치되고, 상부 지지 부재 및 하부 지지 부재의 선단에 상기 날개의 세로 방향의 상하가 부착된 태양을 도시한 도면, (b)는 (a)의 일부 위에서 본 도면, (c)는 (b)의 (c)-(c) 단면도, (d)는 (b)의 (d)-(d) 단면도이다.
도 9는 회전축의 회전 부하를 억제하는 태양의 일례를 도시한 도면이다.
도 10은 압출재로 이루어진 골재의 사시도이다.
도 11은 외피 부착 순서를 도시한 도면이다.
도 12는 날개의 부착 구조의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 14는 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 사시도이다.
도 15는 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 아암을 나타낸 사시도이다.
*도 16은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 날개에 부하되는 구부림 모멘트를 나타낸 모식도이다.
도 17은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치에 부하되는 각 구부림 모멘트의 최대치가 그리는 등고선을 유한 요소법에 의해 구한 그래프도이다.
도 18은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치에 부하되는 각 구부림 모멘트의 변화를 파라미터 a/c를 고정하여 구한 그래프도이다.
도 19는 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치에 부하되는 각 구부림 모멘트의 변화를 파라미터 b/c를 고정하여 구한 그래프도이다.
도 20은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 변형예의 일례의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 21은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 변형예의 다른예의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 22는 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 23은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 변형예의 일례의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 24는 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 전체 개략도이다.
도 25는 도 24의 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서의 통형상 회전체 주변부의 일례의 단면도이다.
도 26은 도 24의 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서의 통형상 회전체 주변부의 다른예의 단면도이다.
도 27은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 날개의 단면 형상을 도시한 도면이다.
도 28은 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치의 위에서 본 도면이다.
도 29는 풍차 장치의 사시도이다.
도 30은 도 29의 풍차 장치의 부착 구조의 개략도이다.
도 31(a)는 도 30에 도시된 연결 부재가 설치된 부분의 단면도이고, (b)는 도 30에 도시된 연결 부재가 설치된 부분의 상면도이다.
도 32(a)는 도 30에 도시된 고정 막대와 지반과의 고정 부분의 단면도이고, (b)는 도 30에 도시된 고정 막대와 지반과의 고정 부분의 상면도이다.
도 33(a)는 고정 막대를 형성하는 파이프의 연결 구조를 나타낸 도면이고, (b)는 도 30에 도시된 죠인트 부분의 확대도이다.
도 34(a)는 도 30의 풍차 장치의 부착 구조의 연결 부재의 사시도이고, (b)는 도 30의 풍차 장치가 부착 구조의 연결 부재의 상면도이다.
도 35는 방풍용 풍력 발전 플랜트를 도시한 개략도이다.
도 36은 방풍용 풍력 발전 플랜트의 설치예를 도시한 개략도로서, (a)는 수직축형 풍력 발전 장치를 평탄한 지면상에 일렬만 해안선을 따라 배치한 경우를 도시한 도면, (b)는 (a)의 열사이의 육지측에 2열째의 수직축형 풍력 발전 장치를 배치한 경우를 도시한 도면이다.
도 37은 방풍용 풍력 발전 플랜트의 다른예를 나타낸 개략도이다.
도 38은 각 수직축형 풍력 발전 장치의 날개의 높이 위치가 각각 다른 방풍용 풍력 발전 플랜트를 도시한 개략도로서, (a)는 방풍용 풍력 발전 플랜트를 위에서 보았을 때, 날개의 회전 궤적이 1점에서 겹치도록 배치한 것을 도시한 측면도, (b)는 방풍용 풍력 발전 플랜트를 위에서 보았을 때, 날개의 회전 궤적이 겹치도록 배치한 것을 도시한 측면도이다.

이하에서, 본 발명에 관한 실시 형태를 구체적으로 설명하는 데, 이들 실시의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 참고예의 수직축형 풍력 발전 장치의 정단면도이다. 101은 기초로, 간단한 콘크리트로 형성되어 있다. 102는 회전축으로, 후술하는 수단으로 직립 상태를 유지한다. 103은 풍력 발전의 동력을 발생시키기 위한 날개로, 회전축(102)의 상부에 축심 방향과 직각 방향으로 고정되어 있는 지지 부재(104)의 각 대향면 상호 간에서, 주 가장자리부를 따라 복수 개 배치되어 있다. 날개(103)의 상하단에는, 날개(103) 주위의 바람의 흐름을 조절하는 정류판(105)이 설치된다. 106은 통형상체로, 내부 공간에 회전축(102)을 위치시켜, 상하 내면에 위치한 베어링(107, 108)에 의하여 회전축(102)을 회동 자유롭게 지지한다. 109는 부재 지지용 프레임체로, 기초(101)의 적절한 부분에 고정되고, 상기 통형상체(106)의 하단부를 지지한다. 100은 와이어 고정 수단으로, 와이어(100a) 및 이 와이어(100a)로의 장력(張力)의 탄성 가압을 담당하기 위한 와이어 장력 조정 기구(100b)로 구성된다. 이 와이어 고정 수단(100)의 양단은 상기 통형상체(106)의 고정 부위(106a)와 지상측의 고정 부위(110)와의 사이에서 적어도 3개소(120도 간격)에 배치된다. 그리고, 이 와이어 고정 수단(100)은, 날개(103)가 받는 풍압에 의하여 응력을 받아, 축심으로부터 직각 방향으로 변위하고자 하는 회전축(102)의 수직 상태를 유지하는 자립 보충 수단을 구성한다. 112는 발전기로, 상기 프레임체(109)에 고정되고, 그 회전축에는 풀리(113)가 구비되어 있다. 114는 풀리로, 회전축(102)에 있어서, 상기 풀리(113)와 동일한 높이 위치에 고정된다. 115는 벨트로 상기 풀리(l13, 114) 상호간에 걸리고, 발전기(112)에 회전축(102)의 회전력을 전달한다. 또한, 상기 발전기(112)를, 바람의 방향과 날개의 위치 관계, 바람의 세기 등의 요인으로 풍차가 시동하지 않는 경우, 시동용 모터의 역할도 겸하게 할 수도 있다.

도 2(a)는, 날개에 정류판이 4매 부착된 실시 양태를 도시한 도면이다.

정류판(251)은, 날개(253)의 상단부와, 하단부와, 날개(253)의 지지 부재(255)와의 접합부까지의 중간 부분에 상하 1매씩 부착되어 있다.

상기 구성에 의해, 바람의 흐름의 날개로부터의 새나감을 방지하는 동시에, 날개의 회전음을 없앨 수 있어, 날개의 자연스러운 회전을 확보할 수 있다. 그 결과, 효율좋은 발전이 가능하다.

또한, 본 참고예에서는 4매의 정류판을 날개에 부착하고 있는 데, 또한 필요한 매수를 날개의 중간 부분에 부착해도 된다.

도 2(b), (c)는 도 2(a)에 있어서의 지지 부재(255)에 부설된 정류판(254)을, 풍향에 대해 상향으로 부착된 날개의 일례를 도시한 도면이다. 정류판(254)은, 날개(253)에 대해 경사지게 기울여 부착되어 있다.

이 정류판이 복수매 설치되어 있으면, 양력(揚力: lift)이 발생하여, 베어링 하중을 작게 할 수 있다. 그 결과, 베어링의 기계적 손실의 저감에 의한 발전 효율의 상승이나 베어링의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 복수매의 정류판이 날개의 끝으로 빠져나가는 바람을 균등하게 받기 때문에, 보다 확실하게 날개로 향하는 바람의 흐름을 정류할 수 있어, 날개의 회전을 조절할 수 있다.

도 3은 풍차용 날개의 뼈대 조립 구조를 도시한 사시도이고, 도 6은 그 날개형상 판의 사시도이다. 이 도 3에 도시한 날개는, 예를 들면, 도 1의 수직축형 풍력 발전 장치의 날개로서 이용할 수 있다.

날개(3)는, 도 27에 도시한 바와 같이, 단면이 비행기의 날개 단면 형상으로 되어 있고, 한쪽면(3a)은 유선(流線)이 길어지는 볼록 형상면으로 되어 있고, 다른쪽 면(3b)은 유선이 짧아지는 편평한 형상면으로 되어 있다. 또한, 도시와 같이, 한쪽면(3a)이 외측방에 면하는 배치에 한정되지 않고, 한쪽면(3a)이 축을 향하는 내측방에 면하는 배치여도 된다.

도 3에서, 날개(3)는, 날개 길이 방향의 골재(31, 32)와, 이 골재(31, 32)에 삽입 상태로 고정된 다수의 날개형상 판(33)과, 이 날개형상 판(33)의 주위로 뻗은 외형 부여판(외피)(34)으로 이루어진 뼈대 조립 구조로 형성되어 있다.

골재(31, 32)는 삼각 단면의 중공 각재(角材)로 형성되어 있고, 예를 들면 도 10에 도시한 알루미늄 합금의 압출재, 또는 알루미늄 합금판의 구부림 가공 또는 알루미늄 합금판의 접합 구조에 의해 제조된다. 도 3에서는, 산 모양으로 구부린 제1 플레이트와 편평한 제2 플레이트를 합쳐서, 리벳(rivet) 접합한 것이 이용된다. 날개형상 판(33)의 전후에 2개의 골재(31, 32)가 설치되어 있다. 날개(3)의 크기에 따라, 3개의 골재를 설치하는 것도 가능하다. 또한, 전술한 지지 부재(12, 13)는, 이 골재(31, 32)에 대해, 볼트 조임 등으로 접합된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 날개형상 판(33)은, 알루미늄 합금판을 프레스 성형으로 날개 형상의 외형에 관통한 것이다. 이 프레스 성형은, NC기를 이용해 행해진다. 이 때문에, 날개형상 판(33)의 외주는, 직선의 조합에 의한 곡선에 근사하게 형성되어 있다. 날개형의 형에 관통하는 가공 방법도 있다.

날개형상 판(33)은, 전술한 골재(31, 32)가 삽입되는 절결 구멍(35, 36)과, 후술하는 외피(34)가 관통하여 위치 결정되는 돌기부(37, 38)와, 후술하는 외피(34)에 실어 안정시키는 복수의 시트부(39, 40)가 날개형상 판(33)에 대해 90°구부려 형성되어 있다. 돌기부(37)와 2개의 시트부(39)는 날개형상 판(33)의 볼록 형상면측에 설치되고, 돌기부(38)와 3개의 시트부(40)는 날개형상 판(33)의 편편한 형상면측에 설치되어 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 날개형상 판(33)은, 소정 간격으로 골재(31, 32)에 삽입된다. 그리고, 골재(31, 32)와 날개형상 판(33)과의 사이는 복수 개소의 용접으로 고정된다. 이 양자의 고정에 의해, 도 3과 같은 강고한 뼈대 조립 구조가 형성된다.

외형 부여판인 외피(34)는 알루미늄 합금의 박판으로서, 날개형상 판(33)의 주위를 따라 붙여진다. 외피(34)는 날개형상 판(33)의 돌기부(37, 38)를 관통되고, 날개형상 판(33)의 시트부(39, 40)에 실린다. 또한, 도 3에서는, 외피(34)가 붙여진 후, 돌기부(37, 38)는, 남겨진 그대로의 상태이지만, 외피(34) 표면에 따라 절단되는 것이어도 되고, 외피(34)에 따르도록 구부려진 것이어도 된다. 또한, 외피(34)는 시트부(39, 40)에 대해, 리벳으로 고정된다.

도 11은 외피(34)의 붙임 순서를 도시한다.

〔제1 공정〕

도 11(a)과 같이, 날개형상 판(33)의 편평한 형상면(한쪽면)의 돌기(38)에, 외피(34)의 일단측 구멍(34a)를 통하여 위치 결정되고, 외피(34)의 타단측을 잡아당겨, 날개형상 판(33)에 따르게 한다. 인장 시에는, 외피(34)의 타단측에 붙여진 연장 테이프 부재(60)를 잡아당김으로써 행해진다. 이 연장 테이프 부재(60)에 의해, 외피(34)에 주름 등을 발생시키지 않고, 균일하게 잡아당길 수 있다.

그리고, 시트부(40)에 대해, 외피(34)를 리벳(62)으로 고정한다. 도 11(c)과 같이, 리벳(62)에는, 블라인드 리벳(blind rivet)이 이용되고, 외피(34) 측에서, 미리 설치된 시트부(40)의 관통 구멍에, 블라인드 리벳 조립체를 삽입하고, 샤프트(63)를 빼내면, 블라인드 리벳의 아래쪽이 부풀어, 샤프트(63)는 찢어지고, 도시한 것과 같은 리벳(62)에 의한 고정 상태가 형성된다. 또한, 편평한 형상면측의 시트부(40) 및, 외피(34)의 타단측은 「へ」자 형상으로 미리 바깥쪽으로 구부러져 있고, 일단측과 평평하게 맞춰지도록 되어 있다.

〔제2 공정〕

다음으로, 도 11(b)와 같이, 날개형상 판(33)의 볼록 형상면(다른쪽 면)측의 돌기(37)에, 외피(34)의 타단측 구멍(34b)을 통해 위치 결정되고, 외피(34)의 타단측을 잡아당겨, 날개형상 판(33)의 나머지 부분을 따르게 한다. 이 인장 때 있어서는, 외피(34)의 타단측에 붙여진 연장 테이프 부재(60)를 잡아당김으로써 행해진다. 이 연장 테이프 부재(60)에 의해, 외피(34)에 주름 등을 발생시키지 않고, 균일하게 잡아당길 수 있다. 그리고, 외피(34)의 일단측과 타단측의 맞춤 부분(61)을 스폿 용접으로 고정한다.

그리고, 시트부(39)에 대해, 외피(34)를 리벳(62)으로 고정한다. 도 11(c)와 같이, 리벳(62)에는, 블라인드 리벳이 이용되고, 외피(34)의 측에서, 미리 설치된 시트부(39)의 관통 구멍에, 블라인드 리벳 조립체를 삽입하고, 샤프트(63)를 빼내면, 블라인드 리벳의 아래쪽이 부풀어, 샤프트(63)는 찢어지고, 도시와 같은 리벳(62)에 의한 고정 상태가 형성된다.

이러한 방법으로 형성된 날개(3)는, 알루미늄 합금제의 중공 각재의 골재(31, 32)에 의해, 강도를 유지하는 구조이고, 알루미늄 합금판의 날개형상 판(33)으로 형상을 유지하는 구조이다. 또한, 돌기(37)에 의해, 외피(34)의 타단측의 구멍(34b)을 통하여 위치 결정할 수 있어, 외피(34)를 날개형상 판(33)에 따르게하기 쉬워진다. 이 때문에, 알루미늄 합금제의 얇은 외피(34)에 의해, 날개(3)의 외형을 용이하게 형성할 수 있다.

이와 같이, 날개(3)는, 전체적으로 경량이고 강도가 있는 것으로 마무리할 수 있다. 그 결과, 날개(3)에 작용하는 바람에 의해 날개(3)는 효율적으로 회전할 수 있다.

또한, 수직축형 풍력 발전 장치에 부착된 날개(3)의 매수는, 복수매 이상이어도 된다. 또한, 날개(3)는, 내주측의 복수매와, 외주측의 복수매와 같이, 동심 복수 원형상으로 배치하는 것이어도 된다.

또한, 날개(3)의 볼록 형상면은 외주를 향해 배치하는 것에 한정되지 않고, 날개(3)의 편평한 면을 외주를 향해 배치하는 것이어도 된다.

상술한 바와 같이, 경량이고 강도가 있는 날개(3)이므로, 적절한 매수로 설치된 날개(3)는 바람에 의해 효율적으로 회전한다.

다음으로, 날개(3)의 부착 구조에 대해서 설명한다. 도 12는 날개의 부착 구조의 단면도이다.

골재(31, 32)는 도 10, 도 12에 도시한 바와 같이, 단면이 삼각형인 압출재이고, 이들 단면의 3각형의 1변이 각각, 날개현 길이와 평행하게 설치된 것이다.

부착 브래킷(41)은, 판형상 부재이고, 골재(31, 32)를 끼울 수 있도록, 대략 볼록형의 구멍을 2개 갖고 있다. 또한, 부착 브래킷(41)의 일부가 외피(34)를 회전축(2)측에 관통 및 돌출하도록, 또한, 그 평행면이 수평이 되도록 부착되어 있다. 또한, 부착 브래킷(41)은, 그 돌출 부분에 날개현 길이(도 12의 일점 쇄선)와 평행한 변(41a)을 가지고 있다.

지지 부재(42)는, 파이프 형상 부재 또는 판 형상 부재 등이다. 예를 들면, 파이프 형상 부재인 경우에는, 가늘고 긴 타원 형상 단면인 것을 이용하여, 바람의 저항을 억제하도록 해도 된다.

볼트(43)는, 부착 브래킷(41)과 지지 부재(42)를 볼트 접합한 것이다. 도 12에서는, 4개로 접합하고 있지만, 적어도 2개의 볼트(43)로 접합되어 있으면 된다.

핀(44)은, 부착 브래킷(41)과 지지 부재(42)와의 위치 결정을 하기 위하여, 부착 브래킷(41)과 지지 부재(42)를 위치 결정 접합한 것이다. 도 12에서는 2개의 핀(44)으로 핀 접합하고 있는 데, 적어도 1개의 핀(44)으로 핀 접합되어 있으면 된다. 단, 보다 확실하게 위치 결정하기 위하여, 부착 브래킷(41)과 지지 부재(42)는 2개 이상의 핀(44)에 의하여 핀 접합되는 것이 바람직하다. 또한, 핀 대신에 리머(reamer) 볼트나 요철의 끼움 등을 이용해 위치 결정 접합을 행해도 된다.

이러한 날개의 부착 구조이면, 부착 브래킷(41)이, 돌출 부분에 날개현 길이와 평행한 변(41a)을 가지므로, 날개(3)의 날개현 길이 방향을 용이하게 파악할 수 있어, 날개(3)의 부착 각도의 조정이 용이해진다.

또한, 확실하게 위치 결정을 행할 수 있으므로, 부착 각도의 밀림이 없어지고, 또한 원하는 부착 각도를 유지할 수 있다.

또한, 골재(31, 32)의 단면의 3각형의 한변이 각각, 날개현 길이와 평행하게 설치되어, 날개(3)의 날개현 길이 방향이 3각형의 한변을 기준으로 하여 파악할 수 있으므로, 부착 브래킷(41)을 사용하지 않고 날개의 부착 각도의 조정을 행할 수도 있다. 또한, 골재(31, 32)는, 단면이 삼각형인 것 뿐만 아니라, 다른 다각형의 것이어도 되고, 이들 다각형의 골재의 한변이 날개(3)의 날개현 길이 방향과 평행하게 형성되어 있으면, 단면이 3각형인 골재의 경우와 동일한 효과를 발휘한다.

도 4(a)는, 날개가 지지 부재에 세로 방향으로 경사 자유롭게, 힌지 및 용수철로 부착되어 있는 태양을 도시한 도면이다. 도 4(b)는, 도 4(a)의 (b)-(b) 화살표에서 본 도면이다.

지지 부재(275)는, 지면에 수직 방향의 단면이 대략 T자형인 부재이다. 그 선단부(276)에서 날개(273)가 요동 가능하게 힌지로 접합되어 있다. 또한, 선단부(276)와 반대측의 선단부 부근에서 날개(273)는 용수철(274)에 의하여도 날개(273)의 세로 방향으로 경사 자유롭게 부착되어 있다.

상기 실시 양태에 의하면, 강풍에 의해 일정 이상의 원심력이나 풍압이 날개(273)에 발생하면, 날개(273)가 날개(273)의 세로 방향으로 경사 자유롭다. 따라, 이 일정 이상의 원심력이나 풍압을 감소시킬 수 있으므로, 급격한 응력이 날개에 가해지지 않아, 파손의 우려가 거의 없다.

또한, 도시하지 않았지만, 선단부(276)와 날개(273)와의 접합을 핀 접합으로 하면, 날개(273)의 세로 방향 및 가로 방향으로 요동 자유롭게 된다.

도 4(c)는, 도 4(a)에 있어서의 지지 부재(275)를 지지 부재(275)의 축을 중심으로 하여 90도 회전시킨 상태로 한 다음으로, 날개(273)가 가로 방향으로 경사 자유롭게 되도록 도 4(a)와 마찬가지로 힌지 및 용수철로 접합되어 있다.

상기 태양에 의하면, 도 4(a)에 있어서의 태양과 동일한 효과가 얻어진다.

도 8(a)는 회전축(312)에 가로 상향의 상부 지지 부재(314a)와 가로 하향의 하부 지지 부재(314b)가 회전축(312) 상부에 부착된 상하 2매의 원판(311a, 311b)에 각각 설치되고, 상부 지지 부재(314a) 및 하부 지지 부재(314b)의 선단에 날개(313)의 세로 방향의 상하가 부착되어 있는 수직축형 풍력 발전 장치의 회전축(312) 상부 부근을 도시한 도면이다. 원판(311a, 311b)은 중심 부분이 회전축(312)에 볼트 등으로 고정 지지되어 있다. 제1 지지 부재(314a)나 하부 지지 부재(314b)가 부착된 원판(311a, 311b)의 가장자리 부분에는 슬릿이 들어가 있어, 각 지지 부재가 부착되기 쉽게 구부릴 수 있게 되어 있다. 단, 구부려 지지 않은 부위의 슬릿간의 원주부 근방부(316)가, 용접 등으로 고정되어 있다.

도 8(b)는, 도 8(a)의 위에서 본 도면, 도 8(c)는 도 8(b)의 (c)-(c) 화살표에서 본 도면, 도 8(d)는 도 8(b)의 (d)-(d) 화살표에서 본 도면이다. 도 8(b), (c), (d)에 도시한 바와 같이, 상부 지지 부재(314a) 및 하부 지지 부재(314b)는, 선단으로 갈수록 단면 계수가 작아지도록 형성되고, 단면이 대략 산 모양이다. 또한, 상부 지지 부재(314a) 및 하부 지지 부재(314b)는, 원판(311a, 311b)의 직경 방향으로 한쪽 측면이 부착되고, 다른쪽 측면이 상부 지지 부재(314a) 및 하부 지지 부재(314b)의 원판측 끝의 산 모양 이면측에 고정되어 있는 판 부재(315)에 의해, 원판(311a, 311b)의 둘레 방향으로의 힘(날개(313)가 받는 풍압에 의한 힘)에 견딜 수 있도록 보강되어 있다.

상기 태양에 의하면, 날개(313)를 안정되게 지지할 수 있어, 날개(313)의 회전 때 이상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 날개에 발생하는 원심력에 대향하기 위하여, 둘레 방향으로 인접 설치되어 있는, 날개를 연결하는 구조로 해도 된다. 예를 들면, 날개끼리 판 형상 부재로 연결하거나, 상부 지지 부재(314a)와 날개(313)와의 결합 부분끼리 와이어로 결합하는 태양으로 해도 된다.

또한, 상기 각 날개의 재질을 알루미늄으로 하면, 장치의 경량화를 꾀할 수 있다.

다음으로, 아암과 날개의 접합부 혹은 날개 중앙에 생기는, 원심력에 의한 구부림 모멘트를 충분히 억제할 수 있는 경량의 수직축형 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 도 13은 본 발명에 관한 구부림 모멘트를 충분히 억제할 수 있는 경량의 수직축형 풍력 발전 장치의 구성을 나타낸 모식도이다. 도 14는 도 13의 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 사시도이다.

수직축형 풍력 발전 장치(1)는, 수직으로 설치된 회전축(2)과, 회전축(2)의 둘레 방향으로 복수매 배치된 세로 방향의 날개(9)와, 회전축(2)의 선단에 설치된 로터(18, 20)와, 로터(18, 20)에 대해 하향 또는 상향으로 경사지게 로터(18, 20)에 부착되고, 날개(9)의 세로 방향의 상하 2개소를 지지하는 2개의 상하 아암(4, 6)과, 로터(18, 20) 또는 상하 아암(4, 6)에 부착되고, 날개(9)의 상하 2개소의 사이에 위치한 중간 2개소를 지지하는 2개의 중간 아암(11, 14)으로 구성된다.

날개(9)는, 상술한 도 3에 도시한 날개(3)와 동일한 것이다.

회전축(2)의 선단에는 통 형상 로터(20)가 삽입·접합되어 있다. 통형상 로터(20)의 형상은, 원형의 통 형상, 다각형의 통 형상, 뼈대 조합 구조등 어떠한 것이라도 되지만, 여기서는 원형의 통 형상이다. 통 형상 로터(20)를 경량으로 강고한 알루미늄 합금 등으로 형성함으로써, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 경량화를 도모한다.

통 형상 로터(20)의 축 방향의 중심은, 날개(9)의 세로 방향의 길이(c) 의 중심인 c/2에 위치하고, 둘레 방향의 중심은 회전축(2)과 동축의 축심이다. 따라, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 중심 위치는 통 형상 로터(20)의 중심 위치로 되어 있다. 또한, 통 형상 로터(20)는 중심 위치에 대해 상하 대상, 좌우 대칭의 형상으로 되어 있다.

통 형상 로터(20)의 중심 위치보다 아래쪽에서는, 회전축(2)이 베어링(21a) 및 베어링(21) 및 트러스트 베어링(30)을 통해 하우징(22)에 회전 자유롭게 지지되어 있고, 통 형상 로터(20)는 회전축(2)과 함께 회전한다. 통 형상 로터(20)의 중심 위치와 베어링(21a)과의 거리(m)를 최소로 함으로써, 옆 바람 등의 가로 하중에 대한 구부림 응력을 저감시킬 수 있다.

상부 아암(4)은, 통 형상 로터(20)에 대해 하향으로 경사지게 설치되고, 제1 단부(3)가 통 형상 로터(20)의 상부에 부착되고, 상부 접합부(7)가 날개(9)의 골재(19)에 접합됨으로써, 날개(9)의 세로 방향의 윗쪽을 지지한다. 하부 아암(6)은, 통 형상 로터(20)에 대해 상향으로 경사지게 설치되고, 제2 단부(5)가 통 형상 로터(20)의 하부에 부착되고, 하부 접합부(8)가 날개(9)의 골재(19)에 접합됨으로써, 날개(9)의 세로 방향의 아래쪽을 지지한다.

상부 아암(4)과 하부 아암(6)이, 수직축형 풍력 발전 장치의 중심 위치 근방, 즉 통형상 로터(20)의 상부와 하부에 부착됨으로써, 상부 접합부(7)와 하부 접합부(8)에 생기는 구부림 모멘트를 균형시키고 있다.

상부 아암(4) 및 하부 아암(6)은, 도 15에 도시한 바와 같이, 단면이 편평한 형상의 중공의 통이고, 경량이고 강고한 알루미늄 합금 등으로 형성된다. 따라, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 경량화가 도모되는 동시에, 그 단면 형상에 의해, 바람 손실 저감, 관성 저감의 효과를 얻을 수 있다.

제1 중간 아암(11)은, 통 형상 로터(20)의 상부에 제3 단부(10)가 부착되고, 수평으로 설치되어 제1 중간 접합부(12)가 날개(9)의 골재(19)에 접합됨으로써, 날개(9)의 중간 윗쪽을 지지하는 주축이다. 제2 중간 아암(14)은, 통 형상 로터(20)의 하부에 제4 단부(13)가 부착되고, 수평으로 설치되어 제2 중간 접합부(15)가 날개(9)의 골재(19)에 접합됨으로써, 날개(9)의 중간 아래 쪽을 지지하는 주 축이다.

제1 중간 아암(11)과 제2 중간 아암(14)이, 수직축형 풍력 발전 장치의 중심 위치, 즉 통 형상 로터(20)의 중심 위치에 대해 상하 대칭으로 부착됨으로써, 제1 중간 접합부(12)와 제2 중간 접합부(15)에 생기는 구부림 모멘트를 균형시키고 있다.

제1 중간 아암(11) 및 제2 중간 아암(14)은, 도 15에서 도시한 상부 아암(4) 및 하부 아암(6)과 마찬가지로, 단면이 편평한 형상의 중공의 통인데, 날개(9)를 강고하게 지지하는 주축이므로, 상부 아암(4) 및 하부 아암(6)에 비해 굵게 되어 있다. 제1 중간 아암(11) 및 제2 중간 아암(14)도 또한, 경량이고 강고한 알루미늄 합금 등으로 형성된다. 따라, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 경량화가 도모되는 동시에, 그 단면 형상에 의해, 바람 손실 저감, 관성 저감의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 13에 있어서, 통 형상 로터(20)로의 2개의 중간 아암과 상하 아암의 부착 부분은 별개 부분으로 되어 있지만, 제1 중간 아암(11)과 상부 아암(4)의 통 형상 로터(20)로의 부착 부분을 동일하게 하고, 제2 중간 아암(14)과 하부 아암(6)의 통 형상 로터(20)에의 부착 부분을 동일하게 하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.

하우징(22)은 베이스(23)를 가지고, 베이스(23)는 도시되지 않은 기초에 대해 적절하게 고정 수단으로 고정된다. 또한, 회전축(2)의 아래쪽에는, 적절한 변속 기구(24)를 통해 발전기(25)가 연결되어 있다. 또한, 회전축(2)에 발전기(25)가 직접 연결된 구성이어도 된다.

다음으로, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 작동을 설명한다.

옆 바람을 받은 날개(9)는 회전축(2)의 둘레 방향으로 회전하고, 그에 따라 통 형상 로터(20)가 회전한다. 통 형상 로터(20)의 회전력이, 베어링(21, 21a)에 의하여 수직으로 지지되고, 축 방향의 하중을 받는 트러스트 베어링(30)에 의하여 수평으로 지지된 회전축(2)에 작용하여, 회전축(2)이 회전하고, 그 회전력이 회전축(2) 아래쪽의 변속 기구(24)에 전도(傳導)하여 발전기(25)에 작용함으로써, 수직축형 풍력 발전 장치는 발전한다.

다음으로, 상기의 구성에 있어서의 수직축형 풍력 발전 장치의 날개와 아암의 최적의 위치 관계를 얻기 위하여, 하기의 시험을 행했다.

우선, 도 13 및 도 16에서 모식적으로 도시한 바와 같이, 날개의 세로 방향의 길이를 c로 하고, 날개의 상단(16)으로부터 상부 접합부(7)까지의 거리를 a로 하여, 상부 접합부(7)로부터 제1 중간 접합부(12)까지의 거리를 b로 한다. 마찬가지로, 날개의 하단(17)으로부터 하부 접합부(8)까지의 거리를 a로 하고, 하부 접합부(8)로부터 제2 중간 접합부(15)까지의 거리를 b로 한다.

다음으로, 도 16과 같이, 상부 접합부(7) 및 하부 접합부(8)에 발생하는 구부림 모멘트를 M₁, 제1 중간 접합부(12) 및 제2 중간 접합부(15)에 발생하는 구부림 모멘트를 M₂, 날개 중앙에 발생하는 구부림 모멘트를 M₃, 거리 b사이에 발생하는 구부림 모멘트를 M₄로 한다.

다음으로, 유한 요소법에 의해, 각 구부림 모멘트의 절대치 ｜M₁｜∼｜M₄｜(이하 ｜M_i｜)가 그리는 등고선을 구했다. 그 결과를 도 17에 표시한다. 여기서, 세로축은 b/c이고, 가로축은 a/c이다. 도 6에서, a/c= 0.11, b/c= 0.28 부근에 각 구부림 모멘트의 절대치 ｜M_i｜의 최소치가 존재하는 것을 알았다.

다음으로, a/c를 0.11 부근에 고정하고, 가로 축을 b/c로 하고, 세로축을 ｜M_i｜∼｜M₀｜으로 하여, b/c를 변화시켰을 때의 ｜M_i｜∼｜M₀｜의 크기를 측정했다. 여기서, ｜M₀｜은, 날개를 중앙 1점으로 지지한 경우의 구부림 모멘트의 절대치이다. 그 결과를 도 18에 도시한다. 도 7에서, b/c= 0.18∼0.37로 ｜M_i｜을 ｜M₀｜의 10% 이하로 억제할 수 있는 것을 알았다.

다음으로, b/c를 0.28부근에 고정하여, 가로축을 a/c로 하고, 세로축을 ｜M_i｜/｜M₀｜으로 하여, a/c를 변화시켰을 때의 ｜M_i｜/｜M₀｜의 크기를 측정했다. 그 결과를 도 19에 도시한다. 도 19에서, a/c= 0.02∼0.16으로 ｜M_i｜를｜M₀｜의 10% 이하로 억제할 수 있는 것을 알았다.

이상과 같이, 수직축형 풍력 발전 장치(1)는, b/c= 0.18∼0.37, a/c= 0.02∼0.16으로 함으로써, 원심력에 의한 각 구부림 모멘트 M₁∼M₄를 최소화할 수 있는 구성으로 되어 있다.

이에 따라, 4개의 아암을 가늘고, 짧고, 가볍게 해도, 구부림 모멘트에 대한 충분한 내구성을 날개에 부가할 수 있으므로, 비용을 낮출 수 있는 경량의 수직축형 풍력 발전 장치를 제공할 수 있다.

다음으로, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 효과를 설명한다.

이상과 같이 구성된 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서는, 날개(9)가, 통 형상 로터(20)의 중심 위치 근방에 부착된, 2개의 상하 아암(4, 6) 및 2개의 중간 아암(11, 14)에 의하여 상하 및 중앙 2점에서 지지되고, 날개(9)의 지지점의 위치를 통 형상 로터(20)의 중심 위치에 대해 상하 대칭으로 균형시키고 있으므로, 원심력에 의해 날개(9)에 생기는 구부림 모멘트를 최소화할 수 있다. 특히, 상술한 바와 같이, 각 지지점간 거리를 최적화함으로써, 확실하게 구부림 모멘트를 최소화할 수 있다. 또한, 단면이 가로 방향으로 편평하게 된 형상의 경량 아암으로 구성되므로, 아암에 부하되는 저항을 줄여, 바람 손실을 저감할 수 있는 동시에, 수직축형 풍력 발전 장치를 경량화할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치(1)는, 도 20과 같이 구성되어 있어도 된다. 즉, 제1 중간 아암(11) 및 제2 중간 아암(14)은 경사지게 설치되어 있다. 제1 중간 아암(11)의 제3 단부(10)는 통 형상 로터(20)와 상부 아암(4)과의 접합부인 제1 단부(3)에 접합되어 있고, 제2 중간 아암(14)의 제4 단부(13)는 통 형상 로터(20)와 하부 아암(6)과의 접합부인 제2 단부(5)에 접합되어 있다.

또한, 도 20에 있어서, 통 형상 로터(20)에의 2개의 중간 아암과 상하 아암의 부착 부분을 동 부분으로 하고 있는 데, 2개의 중간 아암과 상하 아암을 별도의 부분에 부착하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.

또한, 수직축형 풍력 발전 장치(1)는, 도 21과 같이 구성되어 있어도 된다. 즉, 제1 중간 아암(11) 및 제2 중간 아암(14)은 수평으로 설치되지만, 제1 중간 아암(11)의 제3 단부(10)는 상부 아암(4)에 접합되어 있고, 제2 중간 아암(14)의 제4 단부(13)는 하부 아암(6)에 접합되어 있다. 이에 따라, 2개의 중간 아암을 짧게 할 수 있다.

또한, 제1 중간 아암(11)과 제2 중간 아암(14)은 수평으로 설치된 경우에 한정되지 않고, 경사지게 설치되어 있어도 된다.

다음으로, 수직축형 풍력 발전 장치(1)의 별도 예인 수직축형 풍력 발전 장치(200)의 구성을 도 22에 의거해 설명한다. 수직축형 풍력 발전 장치(200)의 구성이 수직축형 풍력 발전 장치(l)와 상이한 점은, 회전축(2)의 윗쪽에는, 통 형상 로터(20) 대신에, 원판(18)이 설치된 점이다.

상부 아암(4)은, 원판(18)에 대해 하향으로 경사지게 설치되고, 제1 단부(3)가 원판(18)의 상측 지향 구부림부에 부착되고, 상부 접합부(7)가 날개(9)의 골재(19)에 접합됨으로써, 날개(9)의 세로 방향의 상부를 지지한다. 하부 아암(6)은, 원판(18)에 대해 상향으로 경사지게 설치되고, 제2 단부(5)가 원판(18)의 하측 지향 구부림부에 부착되고, 하부 접합부(8)가 날개(9)의 골재(19)에 접합됨으로써, 날개(9)의 세로 방향의 하부를 지지한다.

제1 중간 아암(11)은, 원판(18)의 상측 지향 구부림부에 제3 단부(10)가 부착되고, 경사지게 설치되어 제1 중간 접합부(12)가 날개(9)의 골재(19)에 부착됨으로써, 날개(9)의 중간 윗쪽을 지지한다. 제2 중간 아암(14)은, 원판(18)의 하측 지향 구부림부에 제4 단부(13)가 부착되고, 경사지게 설치되어 제2 중간 접합부(15)가 날개(9)의 골재(19)에 부착됨으로써, 날개(9)의 중간 아래쪽을 지지한다.

또한, 도 22에서는, 원판(18)에의 2개의 중간 아암과 상하 아암의 부착 부분을 동일 부분으로 하고 있는 데, 2개의 중간 아암과 상하 아암을 별도의 부분에 부착하는 것도 가능한 것은 말할 필요도 없다.

그 밖의 점에 대해서는, 상술한 수직축형 풍력 발전 장치(1)와 동일하고, 작동, 효과도 동일하고, 날개와 아암의 위치 관계를 최적화함으로써 구부림 모멘트를 최소화할 수 있는 점도 동일하므로, 그 설명을 생략한다.

또한, 수직축형 풍력 발전 장치(200)는, 도 23과 같이 구성되어 있어도 된다. 즉, 제1 중간 아암(11) 및 제2 중간 아암(14)은 수평으로 설치되고, 제1 중간 아암(11)의 제3 단부(10)는 상부 아암(4)에 접합되어 있고, 제2 중간 아암(14)의 제4 단부(13)는 하부 아암(6)에 접합되어 있다. 2개의 중간 아암을 짧게 할 수 있다.

또한, 제1 중간 아암(11)과 제2 중간 아암(14)은 수평으로 설치된 경우에 한정되지 않고, 경사지게 설치되어 있어도 된다.

또한, 본 발명을 적합한 실시 형태에 따라 설명했는 데, 본 발명은 그 취지를 넘지 않는 범위에서 변경이 가능하다. 즉, 도 13에서 도시한 수직축형 풍력 발전 장치(1)에 있어서, 통 형상 로터(20)에 인접한 베어링(21a)의 위치를 축 방향의 중심 위치로 함으로써, 가로 하중에 의한 구부림 모멘트를 제로로 할 수 있다.

또한, 2개의 중간 아암(11, 14)을, 날개(9)를 지지하는 주축으로 하여 파악했는 데, 상하 아암(4, 6)을 주축으로 해도 된다. 이 경우, 상하 아암(4, 6)을 2개의 중간 아암(11, 14)보다 굵게 하고, 날개(9)를 강고하게 지지하도록 해도 된다.

또한, 세로 방향의 날개는, 회전축의 내주에 복수매 설치된 내주의 날개와, 내주의 날개에 연결하여 외주에 설치된 외주의 날개의 이중 구조로 되어 있어도 된다. 이 경우에는, 내주의 날개를 지지하는 4개의 아암이, 원심력에 의한 구부림 모멘트를 최소화하도록 설치되고, 또한, 내주의 날개로부터 연장되어 외주의 날개를 연결·지지하는 4개의 아암이, 원심력에 의한 구부림 모멘트를 최소화하도록 설치됨으로써, 바람에 대한 양력을 높인 수직축형 풍력 발전 장치로 할 수 있다.

도 7은 회전축의 높이 조절 기구 및 회전축 지지 기구를 도시한 도면이다. 도 7(a), (d)에 도시한 바와 같이, 회전축의 높이 조절 기구(300)는, 날개(303)가 부착된 지지 부재(305)가 상부에 부착되고, 하부에서 동 형으로 잘려진 2개의 부위가 대면하여 설치된 통 형상의 회전축(301)과, 상부에 있어서 직경 방향으로 관통 구멍이 복수 형성되고, 하부에서 일부 절결이 있는 막대 형상의 회전축(302)과, 회전축(301)과 회전축(302)을 고정 지지하는 고정 지지 막대(304)로 이루어진다.

회전축(302)은 복수의 관통 구멍(302a)이 있으므로, 고정 지지 막대(304)의 관통 구멍(302a)으로의 삽입 위치를 바꾸어 회전축(301)과 회전축(302)을 고정 지지함으로써 회전축(301)의 높이를 조정할 수 있다. 또한, 회전축(302)은, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 회전축(302) 하부를 지지하는 회전축 지지 부재(306)에 끼워지도록 하부가 잘려지고, 제거가 가능하게 되어 있다. 또한, 회전축(302)과 회전축 지지 부재(306)가 끼워지면, 도 7(b)에 도시한 형상이 아니어도 된다. 예를 들면, 삼각형이나 사각형 등의 다각형이어도 되고, 가늘고 긴 박형(spline)이어도 된다.

도 7(c)는, 고정 지지 막대(304) 부분에 있어서의 회전축의 단면을 도시한 도면이다.

상기 실시 양태를 다른 실시 양태와 조합하면, 각 장치에 있어서 회전축의 높이 조절이 용이하게 가능하고, 또한, 지주가 휘어지거나, 열 팽창해도, 슬라이드 하므로 무리한 힘이 걸리지 않는다는 효과를 얻을 수 있다.

도 9는, 회전축의 회전 부하를 억제하는 실시 양태의 일례를 도시한 도면이다. 수직으로 설치된 통(601)의 내부에는, 방사상 볼 베어링(602)과, 트러스트 볼 베어링(603)과, 회전축(604)과, 터치다운 볼 베어링(605)이 배치되어 있다.

방사상 볼 베어링(602)은, 회전축 방향으로 직각인 방향의 하중을 받는 것으로, 통(601) 내벽 윗쪽에서 고정되어 있고, 회전축(604)을 회전 자유롭게 지지한 것이다.

*트러스트 볼 베어링(603)은, 회전축 방향의 하중을 받는 것으로, 한쪽측의 링 형상의 판 부재(603a)와, 다른쪽측의 링 형상 판 부재(603b)와, 복수의 볼(603c)으로 이루어진다. 한쪽측의 링 형상의 판 부재(603a)는, 통(601) 내부 아래쪽에서 통(601)과 수직으로 고정되고, 통(601) 내벽과 간극을 두고 배치되어 있다. 또한, 다른쪽측의 링 형상 판부재(603b)는, 회전축(604)과 수직으로 고정되어 있고, 회전축(604)의 외벽과 간극을 두고 배치되어 있다. 다수의 볼(603c)은, 판 부재(603a)와 판 부재(603b)와의 사이에서, 이들 안쪽에 설치된 도시하지 않은 원주 방향의 홈에 따라 이동 자유롭게 끼워져 있다. 상기 구성에 의해, 트러스트 볼 베어링(603)은, 회전축(604)을 회전 자유롭게 지지한 것이다.

회전축(604)은, 통(601)의 중앙 부분에서, 방사상 볼 베어링(602)과 트러스트 볼 베어링(603)에 의해, 회전 자유롭게 지지되어 있다. 회전축(604) 아래쪽의 단면이 계단 형상으로 형성되고, 트러스트 볼 베어링(603) 상부에 링 형상의 판이 끼워져 있다. 또한, 회전축(604)의 터치다운 볼 베어링(605) 하부 근방에는, 회전축(604)의 위쪽 방향으로의 이동을 터치다운 볼 베어링(605)과 함께 제한하기 위하여, 링 형상의 판 부재(606)가 부착되어 있다.

터치다운 볼 베어링(605)은, 트러스트 볼 베어링(603)의 위쪽 근방에, 회전축(604)과 간극을 두고 통(601) 내벽에 설치된다.

다음으로, 본 실시 양태의 작용에 대해서 설명한다. 트러스트 볼 베어링(603)은, 가로 방향의 하중을 받을 수 없다. 따라, 회전축(604)이 가로 방향으로 흔들렸을 때의 하중은, 상부에 설치된 방사상 볼 베어링(602)에 집중하고, 가로 방향의 하중에 약한 구조로 된다. 여기서, 통(601) 아래쪽에 터치다운 볼 베어링(605)을 설치하고, 회전축(604)이 흔들렸을 때의 가로 방향의 하중을 이 터치다운 볼 베어링(605)으로 받아, 회전축(604)의 회전이 안정될 때까지 회전축(604)을 회전 자유롭게 지지한다. 그리고, 회전축(604)의 회전이 안정하기 시작하면, 회전축(604)은, 터치다운 볼 베어링(605)으로부터 이반된다.

본 실시 양태에 의하면, 가로 방향의 하중을 받을 수 없는 트러스트 볼 베어링(603)에 대신해, 회전축(604)이 흔들렸을 때의 가로 방향의 하중을 터치다운 볼 베어링(605)으로 받을 수 있다. 그 결과, 회전축(604)의 안정된 회전이 가능해진다.

또한, 방사상 볼 베어링(602) 대신에, 방사상 롤러 베어링 등을 이용해도 된다. 또한, 방사상 볼 베어링(602)의 위치는, 통(601)의 중간 부분에 고정된 것이어도 된다.

또한, 트러스트 볼 베어링(603) 대신에, 트러스트 롤러 베어링이나 트러스트 자기 베어링 등을 이용해도 된다. 또한, 터치다운 볼 베어링(605) 대신에, 터치다운 롤러 베어링 등을 이용해도 된다. 또한, 터치다운 볼 베어링(605)의 위치는, 트러스트 볼 베어링(603)의 아래쪽 근방이어도 된다.

도 5(a)는, 회전축으로부터 전기를 달아나게 하는 실시 양태의 일례를 도시한 도면이다. 회전축(282)으로부터 전기를 달아나게 하는 전기 브러시(281)는, 선단 부분이 회전축(282)에 접하도록 베어링(285)의 외통(284)의 중간 부분에 설치된다. 또한, 전기 브러시(281)의 회전축(282)에의 접촉측과 반대측 부분은 지면에 접속되어 있다.

상기 태양에 의하면, 낙뢰 시의 손상을 방지할 수 있다.

도 5(b)는, 회전축으로부터 전기를 달아나게 하는 태양의 다른예를 도시한 도면이다. 회전축(282)과 이를 지지하는 베어링(285)의 외통(284)과의 사이에 절연재(286)가 설치된 것이다.

상기 태양에 의하면, 도 5(a)의 태양과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 도 24에 도시한 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 도 25는, 도 24의 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서의 통형상 회전체 주변부의 일례의 단면도이다.

본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치(400)는, 도 24 및 도 25에 도시한 바와 같이, 수직으로 설치한 회전축(402)과, 회전축(402)의 둘레 방향으로 부착된 세로 방향의 2매의 날개(403)와, 회전축(402)에 원판 형상의 플랜지(405, 406)를 통해 부착된 원통형의 통 형상 회전체(404)와, 이 통형상 회전체(404)와 각 날개(403)를 연결하는 지지 부재(407)와, 회전축(402)을 베어링(409, 410, 411)을 통해 회전 자유롭게 지지하는 통(408)과, 회전축(402) 하부에 배치된 발전 장치(412)와, 장치 전체를 지지하는 토대(413)를 구비하여 이루어진다.

*회전축(402)은, 수직축형 풍력 발전 장치(401)의 중심에 배치되고, 회전체(404)의 회전력을 발전 장치(412)에 전달한 것이다.

날개(403)는, 그 단면이 도 27에 도시한 것과 같은 비행기 날개의 단면 형상 또는 비행기 날개의 단면 형상에 근사한 형상이다. 또한, 도 28에 도시한 바와 같이, 날개(403)는, 수직축형 풍력 발전 장치(400)를 위에서 보았을 때, 통 형상 회전체(404)를 중심으로 하여, 대칭으로 배치되도록 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에 있어서, 날개(403)의 매수는 2매인 것을 나타낸데, 3매 이상의 것이어도 된다. 또한, 도 28에 도시한 2매의 날개(403)의 한쪽면(403a)과 다른쪽면(403b)을 각각 역방향으로 해도 된다.

통 형상 회전체(404)는, 단면이 원통이고, 중심부에 판 형상의 플랜지(405)를 수평으로 구비하고 있다. 또한, 통 형상 회전체(404), 플랜지(405) 및 날개(403)의 각각의 상하 방향의 중심선이 일치하도록(도 25에 있어서의 1점 쇄선 참조), 통 형상 회전체(404), 플랜지(405) 및 날개(3)가 배치되어 있다. 즉, 도 25에 도시한 바와 같이, 길이 L의 통 형상 회전체(404)의 일단으로부터 L/2의 거리에 있는 위치를 중심선으로 하여 통 형상 회전체(404), 플랜지(405) 및 날개(403)가 배치되어 있다.

또한, 통 형상 회전체(404)는, 단면이 다각형인 통, 뼈대 조립 구조의 통 형상인 것 또는 상하 방향으로 추 형상인 통 등이어도 된다.

플랜지(406)는, 플랜지(405)를 회전축(2)에 확실하게 고정하기 위하여 설치된 것이다.

지지 부재(407)는, 날개(403)와 통 형상 회전체(404)를 고정 지지하는 것으로, 도 25에 있어서의 1점 쇄선을 중심으로 하여 상하 대조가 되도록 배치되어 있다. 지지 부재(407)는, 막대 형상이나 파이프 형상인 것이어도 되고, 판 형상의 것이어도 된다. 파이프 형상인 경우, 단면 방향을 가압함으로써, 단면을 타원형으로 하여, 공기 저항을 억제하는 방향으로 부착해도 된다. 또한, 가는 지지 부재와 굵은 지지 부재의 조합으로 함으로써, 강도와 경량화의 밸런스를 취하는 구성으로 해도 된다.

수직으로 설치된 통(408)의 내부에는, 방사상 볼 베어링(409, 410)과, 회전축(402)과, 트러스트 볼 베어링(411)이 배치되어 있다.

방사상 볼 베어링(409, 410)은, 회전축 방향으로 직각인 방향의 하중을 받는 것으로, 통(408) 내벽 위쪽 및 중간에 고정되어 있고, 회전축(402)을 회전 자유롭게 지지한 것이다. 또한, 방사상 볼 베어링(410) 대신에, 회전축(402)이 가로 방향으로 흔들렸을 때만, 그 하중을 일시적으로 받는, 소위 터치다운 볼 베어링을 이용해도 된다.

트러스트 볼 베어링(411)은, 회전축(402)의 길이 방향의 하중을 받는 것으로, 통(408) 내벽에서 방사상 볼 베어링(410) 하부 근방에 배치되어 있다.

또한, 방사상 볼 베어링(409, 410) 대신에, 방사상 롤러 베어링 등을 이용해도 된다. 또한, 트러스트 볼 베어링(411) 대신에, 트러스트 롤러 베어링이나 트러스트 자기 베어링 등을 이용해도 된다.

또한, 터치다운 볼 베어링을 이용하는 경우에는, 터치다운 볼 베어링 대신에, 터치다운 롤러 베어링 등을 이용해도 된다. 또한, 이 경우, 터치다운 볼 베어링의 위치는, 트러스트 볼 베어링(411)의 아래쪽 근방이어도 된다.

다음으로, 수직축형 풍력 발전 장치(400)의 작용에 대해서 설명한다.

바람을 받은 날개(403)는, 지지 부재(407)를 통해 풍력에 의한 동력을 통 형상 회전체(404)에 전달한다. 통 형상 회전체(404)에 부착된 지지 부재(407)나 날개(403)는, 도 25에 있어서의 1점 쇄선을 중심으로 하여, 중심의 밸런스를 잡아 배치되고, 또한, 통 형상 회전체(404)의 중심 위치와 베어링의 설치 위치와의 거리가 작기 때문에, 통 형상 회전체(404)는 둘레 방향으로 밸런스 좋게 회전한다. 그리고, 통 형상 회전체(404)는, 통 형상 회전체(404) 내부 중앙에 설치된 플랜지(405, 406)를 통해, 회전력을 회전축(402)에 전달한다. 회전축(402)은, 통(408) 내부의 베어링(409, 410, 411)에 의하여 회전 자유롭게 지지되면서 회전하여, 발전 장치(412)에 회전력을 전달한다. 그 결과, 발전 장치(412)에 의하여 발전된다.

본 실시 형태에 의하면, 통 형상 회전체(404)에 부착된 지지 부재(407)나 날개(403)는, 도 25에 있어서의 1점 쇄선을 중심으로 하여, 중심의 밸런스를 잡아 배치되고, 또한, 통 형상 회전체(404)의 중심 위치와 베어링의 설치 위치와의 거리를 작게 하기 때문에, 통 형상 회전체(404)는, 둘레 방향으로 밸런스 좋게 회전하고, 회전축(402)에 옆 바람 등에 의한 수평 방향의 구부림 모멘트를 저감할 수 있다. 그 결과, 회전축을 굵게 하지 않아도 되므로, 베어링의 직경을 작게 할 수 있으므로, 기계적 손실을 막을 수 있어, 효율 좋은 발전이 가능하고, 또한 소형이고 경량의 수직축형 풍력 발전 장치를 제공할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 관한 수직축형 풍력 발전 장치(400)의 다른 예에 대해서 설명한다. 도 26은 도 24의 수직축형 풍력 발전 장치에 있어서의 통 형상 회전체의 다른 예의 단면도이다. 또한, 상술한 수직축형 풍력 발전 장치(400)와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략하는 경우가 있다.

도 26의 통 형상 회전체(404)를 가지는 수직축형 풍력 발전 장치는, 상술한 수직축형 풍력 발전 장치(400)와 거의 동일한 구성인데, 통 형상 회전체(404), 방사상 볼 베어링(9) 및 날개(403)의 각각의 상하 방향의 중심선이 일치하도록(도 26에 있어서의 1점 쇄선 참조), 통 형상 회전체(404), 방사상 볼 베어링(409) 및 날개(403)가 배치되어 있는 점이 상이하다. 구체적으로는, 도 26에 도시한 바와 같이, 길이 L의 통 형상 회전체(404)의 일단으로부터 L/2의 거리에 있는 위치를 중심선으로 하여 통 형상 회전체(404), 방사상 볼 베어링(409) 및 날개(403)가 배치되어 있다.

다음으로, 수직축형 풍력 발전 장치(400)의 다른 예의 작용에 대해서 설명한다.

바람을 받은 날개(403)는, 지지 부재(407)를 통해 풍력에 의한 동력을 통 형상 회전체(404)에 전달한다.

통 형상 회전체(404)에 부착된 지지 부재(407)나 날개(403)는, 도 26에 있어서의 1점 쇄선을 중심으로 하여, 중심의 밸런스를 잡아 배치되고, 또한, 통 형상 회전체(404)의 중심 위치와 베어링의 설치 위치와의 거리가 작기 때문에, 통 형상 회전체(404)는, 둘레 방향으로 밸런스 좋게 회전한다. 그리고, 통 형상 회전체(404)는, 통 형상 회전체(404) 내부 중앙에 설치된 플랜지(405, 406)를 통해, 회전력을 회전축(2)에 전달한다. 회전축(2)은, 통(408) 내부의 베어링(409, 410, 411)에 의하여 회전 자유롭게 지지되면서 회전하여, 발전 장치(412)에 회전력을 전달한다. 그 결과, 발전 장치(412)에 의하여 발전된다.

이 수직축형 풍력 발전 장치(400)의 다른 예의 장치에 의하면, 상술한 수직축형 풍력 발전 장치(400)와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 소형 풍력 발전 장치의 풍차의 부착 구조 및 부착 방법에 대해서 설명한다.

우선, 풍차 장치(511)에 대해서 설명한다. 도 29에 도시한 바와 같이, 풍차 장치(511)에는, 회전축(512)과, 날개(513)와, 회전판(514)과, 풍집(風集) 부재(515)를 가지고 있다. 풍집 부재(515)는, 중공으로 원추의 선단이 잘려진 형상을 가지고 있다. 풍집 부재(515)의 선단이 잘려진 면에는, 회전축(512)이 삽입 가능한 구멍(도 시하지 않음)을 가지고 있고, 이 구멍에 회전축(512)이 회전 자유롭게 삽입되어 있다.

회전축(512)의 상단부 근방에는, 원반 형상의 회전판(514)이 설치되어 있고, 회전축(512)과 함께 회전하도록 되어 있다. 또한, 회전축(512)에는, 도시하지 않은 발전기가 접속되어 있고, 회전축(512)의 회전 구동력에 의해 발전하도록 되어 있다. 회전판(514)에는, 상부 지지 부재(513a)와, 하부 지지 부재(513b)가 설치되어 있고, 상부 지지 부재(513a)와, 하부 지지 부재(513b)는, 각각, 날개(513)의 상부와 하부에 고정 설치되어 있다.

복수매의 날개(513)가, 상술한 상부 지지 부재(513a) 및 하부 지지 부재(513b)를 통해 회전판(514)에 균등하게 설치되어 있다. 날개(513)는, 회전방향과 수직 방향으로 연장되어 있고, 바람(A)을 받기 쉽게 하는 완곡 형상을 가지고 있다. 바람(A)이 날개(513)의 완곡부를 압출하도록 하여 날개(513)가 회전하고, 이와 함께, 회전축(512)도 회전하도록 되어 있다. 또한, 날개(513)의 아래쪽으로 부는 바람(A)은 풍집 부재(515)의 스커트 형상의 측면에 의해, 위쪽으로 방향이 바뀌고, 이에 따라, 날개(513)가 회전하도록 되어 있다.

다음으로, 상술한 풍차 장치(511)를 철근 콘크리트 빌딩(510)에 설치하는 경우의, 부착 구조에 대해서 설명한다. 도 30에 도시한 바와 같이, 이 풍차의 부착 구조는, 고정 막대(501), 연결 부재(502), 죠인트(503) 및 풍차 고정 부재(504)를 가지고 있다.

풍차 고정 부재(504)는, 고정 막대(501)의 상단부에 설치된다. 또한, 풍차 고정 부재(504)는, 도시하지 않은 베어링을 가지고 있고, 베어링을 통해 풍차 장치(511)의 회전축(512)이 회전 자유롭게 풍차 고정 부재(504)에 지지되어 있다. 이에 따라, 풍차 장치(511)는, 고정 막대(501)의 상단부에 지지되도록 되어 있다. 한편, 상술한 회전축(512)에 접속되어 있는 발전기를 풍차 고정 부재(504)내에 설치하도록 해도 된다.

고정 막대(501)는 풍차 장치(511)가 설치되어 있는 상단부 근방에서, 연결 부재(502)에 의해 빌딩(510)에 고정 설치되어 있다. 여기서, 연결 부재(502)에 대해서 설명한다. 도 31에 도시한 바와 같이, 연결 부재(502)는, U자 걸쇠(521), 너트(522), 볼트(523), 네오프렌 고무(525a·525b) 및 コ자 걸쇠(524)를 가지고 있다.

U자 걸쇠(521)는, U자형 걸쇠에, 구멍(도시하지 않음)을 갖는 2개의 이음새가 U자형 걸쇠의 개구 부분에 설치된다. U자의 오목 부분은 고정 막대(501)를 끼우고, U자 걸쇠(521)의 이음새 부분을 빌딩(510)의 벽(510a)에 밀착시키고 있다. 또한, 고정 막대(501)의 U자 걸쇠(521)가 설치되어 있는 부분에는, 발포 고무인 네오프렌 고무(525a)가 고정 막대(501)에 감겨 있다. 이에 따라, U자 걸쇠(521)에 의해 고정 막대(501)를 고정할 때, 간극 없이 벽(510a)에 고정할 수 있어, 고정 부분을 보다 강고하게 할 수 있다.

빌딩(510)의 벽(510a)을 통해, U자 걸쇠(521)와 대향하는 위치에는, 네오프렌 고무(525b) 및 コ자 걸쇠(524)가 배치되어 있다. 네오프렌 고무(525b)는, 벽(510a)과 コ자 걸쇠(524)와의 사이에 설치되어 있다. 빌딩(510)의 벽(510a)과, 네오프렌 고무(525b) 및 コ자 걸쇠(524)의 양단 근방에는 구멍(도시하지 않음)이 형성되어 있고, 각 구멍이 겹치도록 네오프렌 고무(525b) 및 コ자 걸쇠(524)가 배치되어 있다.

U자 걸쇠(521)측으로부터 구멍에 볼트(523)를 삽입하고, U자 걸쇠(521)와 반대측에서 너트(522)를 조임으로써, U자형 걸쇠(521), 네오프렌 고무(525b) 및 コ자 걸쇠(524)가 벽(510a)에 고정되어 있다. 이 때, 볼트(523)와 U자형 걸쇠(521)와의 사이 및 너트(522)와 コ자 걸쇠(524)와의 사이에는, 각각 워셔(523a), 스프링 워셔(523b)가 설치되어 있다.

네오프렌 고무(525b)는, コ자 걸쇠(524)와 벽(510a)과의 사이의 간극을 없애고, コ자 걸쇠(524)를 강고하게 벽(510a)에 고정 설치하기 위한 것이다. 또한, コ자 걸쇠(524)는, コ자 형상을 가지고 있고, 너트(522)의 상하를 둘러싸고 있다. コ자 걸쇠(524)를 설치함으로써, 너트(522)를 조일 때, 너트(522)를 조이는 압력이 분산되어, 한부분에 집중하지 않게 되어, 내구성이 좋아진다.

또한, 벽(510a)에 형성된 구멍의 내벽, 너트(522), 볼트(523) 및 각 워셔(523a·523b)의 표면에는, 각각 방수 밀폐제(sealant)가 도포되어 있다. 이에 따라, 비 등에 의해 벽(510a) 내에 물이 스며드는 것을 막을 수 있다.

또한, 연결 부재(502)는, 고정 막대(501)의 중앙부보다 윗쪽에 위치하도록 설치된다. 이에 따라, 연결 부재(502)의 설치 위치로부터 고정 막대(501)의 하단부까지의 거리가, 연결 부재(502)의 설치 위치로부터 고정 막대(501)의 상단부까지의 거리보다 길어지고, 풍차에 강풍에 의해 강한 힘이 부여된 경우라도, 후술하는 고정 막대(501)와 지반(509)과의 고정 부분에 강한 힘이 부여되는 일이 없어진다.

고정 막대(501)의 하단부는, 지반(509)에 매설되어 있다. 도 32(a) 및 도 32(b)에 도시한 바와 같이, 고정 막대(501)의 매설 부분은, 지반(509)에 깊이 30㎝ 정도의 구멍(509a)이 형성되어 있다. 그리고, 구멍(509a)의 바닥에 두께 10㎝ 정도로 자갈(508)을 깔아 채워져 있다. 깔린 자갈(508)을 고정하기 위하여, 자갈(508) 위에 시멘트 (도시하지 않음)를 흘려넣는다.

시멘트가 굳어지기 전에, 흘려넣은 시멘트 위에, 가로 방향으로 한 블록(506)을 병설한다. 블록(506)은 직방체 형상을 가지고 있고, 길이 방향과 수직 방향으로 관통하는 구멍(506a)을 가지고 있다. 또한, 구멍(506a)이 지반(509)과 수직이 되는 방향을 블록(506)의 세로 방향으로 한다. 병설한 블록(506) 위에, 다시 시멘트를 흘려넣고, 고정 막대(501)를 수직으로 얹는다. 얹어 놓은 고정 막대(501)를, 세로 방향으로 얹어 놓은 4개의 블록(506)이

형을 형성하도록 둘러싸, 고정한다. 그리고,

형으로 형성한 4개의 블록(506)의 구멍(506a)에는, 시멘트가 흘려넣어져 있다. 또한, 구멍(509a)을 흙 등으로 장전하여, 고정 막대(501)와 지반(509)이 고정되게 되어 있다.

또한, 고정 막대(501)는, 복수의 파이프(501a·501b··)가 착탈 가능하게 연결되고, 1개의 원주 형상의 막대로 형성된 것이다. 도 33(a)에 도시한 바와 같이, 파이프(501a·501b)는 원통형이고, 어느 한쪽 일단에는, 이러한 원통형보다 한둘레 작은 원통이 설치된다. 파이프(501a)의 한둘레 작은 원통이 설치된 일단과, 파이프(501b)의 한둘레 작은 원통이 설치되지 않은 일단을 끼움으로써 파이프(501a·501b)가 연결되게 되어 있다.

죠인트(503)는, 파이프(501a·501b)의 연결 부분을 덮도록 연결 부분을 고정하고 있다. 죠인트(503)는, 파이프(501a·501b)(고정 막대(501))를 둘러쌀 수 있는 중공의 원주 형상 걸쇠를 가지고 있다. 또한, 원주 형상 한둘레의 일부가 잘려지고, 그 절결 부분에는 구멍(도시하지 않음)을 갖는 2개의 이음새가 격리 가능하게 포개지도록 설치된다. 2개의 이음새를 서로 반대 방향으로 열어, 절결 부분이 열리고, 죠인트(503)의 중공 원주 형상 한둘레에 파이프(501a·501b)를 끼울 수 있도록 되어 있다.

죠인트(503)에 파이프(501a·501b)를 끼운 상태에서, 죠인트(503)의 이음새에 있는 구멍의 한쪽으로부터 볼트(523)를 삽입하고, 다른 한쪽으로부터 너트(522)를 조임으로써, 파이프(501a·501b)는, 죠인트(503)에 의해 고정되게 되어 있다.

다음으로, 풍차 장치(511)의 부착 방법에 대해서 설명한다. 우선, 상술하는 바와 같이, 지반(509)에 구멍(509a)을 형성하고, 고정 막대(501)가 수직이 되도록 지반(509)에 고정한다. 고정 막대(501)의 중앙부보다 윗쪽에 있는 영역에서, 연결 부재(502)에 의해, 고정 막대(501)를 빌딩(510)에 고정한다.

또한, 고정 막대(501)의 상단에 베어링을 갖는 풍차 고정 부재(504)를 설치한다. 풍차 장치(511)의 회전축(512)을, 풍차 고정 부재(504)의 베어링을 통해 회전 자유롭게 지지하도록, 풍차 장치(511)를 풍차 고정 부재(504)에 설치한다.

이상, 설명한 바와 같이, 고정 막대(501)와 빌딩(510)의 연결 위치가 고정 막대(501)의 중앙부보다 윗쪽이 됨으로써, 연결 위치로부터 고정 막대(501)의 하단부까지의 거리가 연결 위치로부터 고정 막대(501)의 상단부까지의 거리보다 길어진다. 이 때문에, 연결 위치를 지점으로 생각한 경우에, 풍차 장치(511)에 강풍에 의해 강한 힘이 부여된 경우라도, 지반(509)과 고정되어 있는 고정 막대(501)의 하단부에는, 힘의 균형 관계로부터 큰 힘이 부여되지 않는다. 이에 따라, 고정 막대(501)를 지반(509)에 강고하게 고정할 필요가 없어지므로, 구멍(509a)을 깊게 굴삭할 필요가 없어, 설치 작업이 용이해 진다. 또한, 이에 따라 설치 비용이 높아지는 것을 억제할 수 있다. 또한, 고정 막대(501)는, 복수의 파이프(501a·501b··)를 착탈 가능하게 연결하여 형성되어 있으므로, 운반이 용이해진다.

또한, 본 태양에서는, 철근 콘크리트 빌딩(510)에 풍차 장치(511)를 고정하는 경우에 대해서 기술하는 데, 목조의 가옥에 고정하도록 해도 된다. 이 경우, 도 34에 도시한 바와 같이, 고정 막대(501)를 고정 한둘레(526)를 갖는 연결 부재(505)에 의해 목조 기둥(520)에 고정 설치한다. 고정 걸쇠(526)는, U자 걸쇠(521)의 이음새가 목조 기둥(520)과 대략 같은 폭을 가지고 있고, 또한 이음새 부분에 기둥(520)을 끼워 지지하는 걸쇠가 설치된다. 또한, 기둥(520)을 끼워 지지하는 걸쇠 및 기둥(520)에는, 도시하지 않은 구멍이 형성되어 있고, 각각의 구멍이 겹치도록 고정 걸쇠(526)가 설치되어 있다.

U자 걸쇠(521)와 마찬가지로, 고정 걸쇠(526)의 U자 부분의 오목부에, 고정 막대(501)를 설치하고, 기둥(520)을 끼워 지지하도록 밀착시킨다. 이 때, 고정 막대(501)의 고정 걸쇠(526)와 기둥(520)에 접촉하는 부분에는, 네오프렌 고무(525a)가 감겨 있다. 그리고, 구멍에 한쪽으로부터 볼트(523)를 삽입하고, 다른쪽으로부터 너트(522)를 조임으로써, 고정 막대(501)는 기둥(520)에 고정되게 되어 있다. 또한, 볼트(523)와 고정 걸쇠(526)와의 사이 및 너트(522)와 고정 걸쇠(526)와의 사이에는, 각각, 워셔(523a), 스프링 워셔(523b)가 설치되어 있다. 또한, 기둥(520)에 형성된 구멍의 내벽, 볼트(523), 각 워셔(523a·523b)의 표면에는 방수 밀폐제가 도포되어 있어, 기둥(520) 내에 물이 스며 드는 것을 방지하고 있다.

다음으로, 풍력 발전 플랜트에 대해서 설명한다.

본 방풍용 풍력 발전 플랜트(610)는 도 35의 개략도에 도시한 바와 같이, 해안선 등의 소정 위치에 설치된 복수의 수직축형 풍력 발전 장치(601)를 구비해 이루어진다. 이 수직축형 풍력 발전 장치(601)에는, 상술한 각 수직축형 풍력 발전 장치나 풍차 장치를 이용할 수 있다.

도 36은 방풍용 풍력 발전 플랜트의 설치예를 도시한 도면으로서, (a)는 수직축형 풍력 발전 장치를 평탄한 지면상에 일렬만 해안선에 따라 배치한 경우를 도시한 개략도, (b)는 (a)의 열사이의 육지측에 2열째의 수직축형 풍력 발전 장치를 배치한 경우를 도시한 개략도이다. 또한, 안쪽의 원부분은 중심축(602)을 나타내고, 바깥쪽 원은 날개(603)의 회전 궤도를 도시한 것이다. 또한, 날개(603)의 단면 형상은, 비행기 날개의 단면 형상인 것이 바람직하다.

도 36(a)에 있어서, 수직축형 풍력 발전 장치(601)는, 일렬로 등간격으로 해안선에 따라 배치되어 있다. 각 수직축형 풍력 발전 장치(601)는, 각 날개끼리의 접촉을 방지하기 위하여, 회전축(602)의 중심에서 날개(603)의 최외부까지의 거리(회전 반경)의 2배 이상 떨어져 설치하면 좋다.

이와 같이, 세로 방향의 날개(603)를 가지는 수직축형 풍력 발전 장치(601)를 이용하기 때문에, 각 수직축형 풍력 발전 장치(601)끼리 접근하여 설치가능하므로, 효율 좋은 방풍을 할수 있고, 동시에 발전도 가능하다.

도 36(b)의 방풍용 풍력 발전 플랜트(630)에 있어서는, 도 36(a)의 방풍용 풍력 발전 플랜트(620)의 열 사이의 육지측에 2열째의 수직축형 풍력 발전 장치가 설치되고, 인접한 수직축형 풍력 발전 장치가 등간격으로 배치되어 있다.

이와 같이, 세로 방향의 날개(603)를 가지는 수직축형 풍력 발전 장치(601)를 이용하기 때문에, 각 수직축형 풍력 발전 장치(601)끼리 접근하여 밀접하게 설치 가능하므로, 도 36(a)에 도시한 플랜트보다 효율이 좋은 방풍을 할 수 있고, 동시에 발전도 가능하다.

상기 방풍용 풍력 발전 플랜트(620, 630)에서는 1열 및 2열로 수직축형 풍력 발전 장치(601)를 배열한 것을 나타냈는데, 이들에 한정되지 않고, 수직축형 풍력 발전 장치(601)가 3열 이상 배열되는 방풍용 풍력 발전 플랜트여도 된다.

다음으로, 방풍용 풍력 발전 플랜트의 다른 예를 도 37에 도시한다. 도 37에 도시한 바와 같이, 해안선 근방의 능선을 따라 설치해도, 효율적으로 방풍할 수 있고, 동시에 발전도 가능해진다.

다음으로, 방풍용 풍력 발전 플랜트의 별도의 예를 도 38에 도시한다. 도 38은 각 수직축형 풍력 발전 장치의 날개의 높이 위치가 상이한 방풍용 풍력 발전 플랜트를 도시한 개략도로서, (a)는 방풍용 풍력 발전 플랜트를 위에서 보았을 때, 날개의 회전 궤적이 1점에서 겹치도록 배치한 것을 도시한 측면도, (b)는 방풍용 풍력 발전 플랜트를 위에서 보았을 때, 날개의 회전 궤적이 겹치도록 배치한 것을 도시한 측면도이다.

도 38(a)에 도시한 바와 같이, 방풍용 풍력 발전 플랜트(650)는 방풍용 풍력 발전 플랜트(650)를 위에서 보았을 때, 수직축형 풍력 발전 장치(601a)에서 상단에 배치되어 있는 날개(603)의 회전 궤적과, 수직축형 풍력 발전 장치(601b)에서 하단에 배치되어 있는 날개(603)의 회전 궤적이 1점에서 겹치도록(도 38(a)의 점선 참조), 각 수직축형 풍력 발전 장치(601)가 일렬로 배치되어 있다.

이와 같이 배치함으로써, 상하의 바람을 효율적으로 파악할 수 있으므로, 효율 좋은 방풍을 할수 있고, 동시에 발전도 가능하다.

도 38(b)에 도시한 바와 같이, 방풍용 풍력 발전 플랜트(651)을 위에서 보았을 때, 수직축형 풍력 발전 장치(651a)에서 상단에 배치되어 있는 날개(603)의 회전 궤적과, 수직축형 풍력 발전 장치(601b)에서 하단에 배치되어 있는 날개(603)의 회전 궤적이 겹치도록, 빽빽하게 각 수직축형 풍력 발전 장치(601)가 일렬로 배치되어 있다.

이와 같이 배치함으로써, 도 38(a)에서 도시한 방풍용 풍력 발전 플랜트(650)보다 상하의 바람을 더욱 효율적으로 잡을 수 있으므로, 효율이 좋은 방풍을 할 수 있고, 동시에 발전도 가능하다.

또한, 도 38(a), (b)에서는, 수직축형 풍력 발전 장치가 일렬로 배치된 경우를 도시했는 데, 이에 한정되지 않고, 2열 이상의 배치로 해도 된다. 또한, 날개(603)의 위치가 수직축형 풍력 발전 장치(601a, 601b)의 상하 2단인 것으로 하였지만, 3단 이상의 것으로 해도 된다.

또한, 도 38(b)과 도 36(b)의 조합으로 이루어진 방풍용 풍력 발전 플랜트로 해도 된다. 또한, 이 때, 3열 이상의 수직축형 풍력 발전 장치(601)를 갖는 방풍용 풍력 발전 플랜트여도 된다.

Claims (5)

1. 수직으로 설치된 회전축과, 이 회전축의 둘레 방향으로 복수매 설치된 세로 방향의 날개를 갖는 수직축형 풍력 발전 장치로서,
   상기 회전축의 선단이 상기 수직축형 풍력 발전 장치의 무게 중심 위치가 되도록 상기 회전축의 선단을 로터에 접합하고,
   상기 날개의 세로 방향의 상하 2개소를 지지하는 2개의 상하 아암을 상기 로터에 대해 하향 또는 상향으로 경사지도록 부착하고, 상기 날개의 세로 방향의 중앙과 상기 상하 2개소 각각과의 사이에 위치한 중간 2개소를 지지하는 2개의 중간 아암을 상기 수직축형 풍력 발전 장치의 무게 중심 위치에 대해 상하 대칭으로 부착한, 수직축형 풍력 발전 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 날개의 세로 방향의 길이를 c로 하고, 상기 날개의 상하단에서 상기 상하 2개소의 지지점까지의 거리를 a로 하고, 상기 상하 2개소의 지지점에서 상기 중간 2개소까지의 거리를 b로 할 때, 상기 상하 2개소의 지지점은, a/c가 0.02∼0.16의 범위에 위치하고, 상기 중간 2개소의 지지점은, b/c가 0.18∼0.37의 범위에 위치한, 수직축형 풍력 발전 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 로터로서, 통 형상의 로터가 사용되고, 상기 상하 아암은 상기 로터의 상하단에 부착된, 수직축형 풍력 발전 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 2개의 상하 아암 및 상기 2개의 중간 아암은 단면이 중공으로 된 중공 아암에 의해 형성되어 있는, 수직축형 풍력 발전 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 2개의 상하 아암 및 상기 2개의 중간 아암은 단면이 가로 방향으로 편평하게 된 형상으로 형성되어 있는, 수직축형 풍력 발전 장치.

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