KR20110046155A - 수직형 풍차 - Google Patents

Abstract

본 발명의 수직형 풍차는 지주에 회전가능하게 설치되는 구동축과, 상기 구동축의 외주면에 등간격으로 설치되는 지지부재의 단부에 설치되는 것으로, 에어포일 형을 이루며 에지부와 테일부를 가지는 본체를 구비하며, 상기 블레이드의 테일부 외주면에 제1힌지축에 의해 지지되어 회동가능하게 설치되는 제1 보조깃과, 상기 제1힌지축과 블레이드에 설치되어 상기 힌지축을 블레이드에 대해 열리는 방향으로 탄성바이어스시키는 탄성부을 구비한다.

풍차, 블레이드, 테일부, 보조깃

Description

수직형 풍차{vertical axis wind turbine}

본 발명은 수직형 풍차에 관한 것으로, 더 상세하게는 저속에서 블레이드에 작용하는 회전을 위한 향력을 증가시키고 고속에서 양력을 증가시킬 수 있는 수직형 풍차에 관한 것이다.

일반적으로 풍차는 자연바람으로 블레이드를 회전시키게 되고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리게 됨으로써 전기적인 발전으로 변환시킨다. 이러한 풍력 발전을 위한 풍차는 네덜란드형 풍차로 대표되는 것으로 바람에 대해 회전축이 수평으로 되어 있는 수평축형 풍차와, 바람에 대해 회전축이 수직으로 되어 있는 수직축형 풍차가 알려져 있다.

이 중 수직축형 풍차에는 패들형이나 사보니우스형 등과 같이 블레이드에 발생되는 항력으로 풍차를 회전시키는 항력형과, 다리우스형이나 자이로밀형 등과 같이 블레이드에 발생되는 양력으로 풍차를 회전시키는 양력형이 알려져 있다.

즉, 전자는 불어 올리는 측을 향하는 블레이드의 저항을 작게 하여 항력차에 의해 풍차를 회전시키는 데 반해, 후자는 블레이드에 발생되는 양력에 의해 풍차를 회전시키도록 되어 있다.

상기 수직축형인 전자(항력형)의 경우, 주속비(블레이드의 에어 포일 단부 속도/풍속)가 1이 되면 풍차를 그 이상으로 회전시키는 모멘트가 발생되지 않아, 풍속이 올라가도 그 이상의 회전수를 얻을 수도 없고 발전 효율이 낮다는 문제가 있었다.

그리고 후자(양력형)의 경우 주속비가 1 이상에서는, 풍차의 공력 특성이 좋아져 풍차를 효율적으로 회전시키는 것이 가능하지만, 주속비가 1 이하에서는 풍차의 공력 특성이 나빠져 풍차를 회전시키는 모멘트가 작아진다. 또한, 기동 모멘트가 작아 정지 상태로부터의 기동이 매우 곤란해지는 결점이 있었다.

대한민국 등록 특허 제 0637297호에는 풍력 발전장치가 개시되어 있다. 개시 된 풍력 발전장치는 수직 회전축에 직교하는 면 내에서, 상기 회전축을 중심으로 하여 일정 각도마다 복수의 블레이드가 설치된 것으로, 상기 블레이드는 낮은 레이놀즈 수로 높은 양력 계수를 갖는 에어 포일형이며, 상기 에어 포일 하면의 후연부에 절결부가 형성된다.

상술한 바와 같은 풍력 발전장치는 바람이 부는 방향에 대한 항력이 상대적으로 약하여 낮은 풍속에서 구동을 위한 항력이 낮아 저속의 바람에서 구동력이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다. 즉, 상기 풍력 발전기는 전방에서 작용하는 항력과 후방에서 작용하는 항력의 차이를 주어 저속에서 기동성을 향상시키고 있다.그러나 이 풍력 발전용 풍차는 고속에서 블레이드의 면적 감소로 인하여 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 공개 특허 제 2009-0101513호에는 수직축형 풍차가 개시되어 있다. 개시된 수직 축형 풍차는 수직 회전축과 직교하는 면 내에서, 상기 수직 회전축을 중심으로 하여 등각도 간격으로 복수 개의 블레이드(blade)가 설치된 수직축형 풍차로서, 상기 블레이드는 1.0 이상의 양력(揚力) 계수를 가지는 유선형의 날개형이며, 상기 블레이드의 배면에 전단부가 축지지되고, 후단부는 상기 블레이드에 대하여 개폐되는 개폐 부재와, 상기 블레이드의 회전 속도와 풍속의 비에 따라 상기 개폐 부재의 개폐 동작을 제어하는 개폐 제어 수단을 포함한다.

상술한 수직축형 풍차는 개폐부재를 개폐동작시키기 위한 개폐제어수단이 날개의 내부에 설치되어 있으므로 상대적으로 구조가 복잡하다. 상대적으로 구조가 복잡하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 저속에서 회전을 위한 항력을 증가시키고 고속에서 블레이드에 작용하는 항력을 감소시킴으로써 회전력을 향상시킬 수 있는 수직형 풍차를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 원심력에 보조 날개를 구동을 제어할 수 있는 수직형 풍차를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 수직형 풍차는 지주에 회전가능하게 설치되는 구동축과, 상기 구동축의 외주면에 등간격으로 설치되는 지지부재의 단부에 설치되는 것으로, 에어포일 형을 이루며 에지부와 테일부를 가지는 본체를 구비하며, 상기 블레이드의 테일부 외주면에 제1힌지축에 의해 지지되어 회동가능하게 설치되는 제1 보조깃과, 상기 제1힌지축과 블레이드에 설치되어 상기 힌지축을 블레이드에 대해 열리는 방향으로 탄성바이어스시키는 탄성부을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 회전축과 대응되는 테일부의 내주면은 소정의 깊이로 절개된 절개부를 구비하며, 상기 제1보조깃 또는 힌지축에 회전가능하게 설치되 제 1보조깃을 회전 가능하게 지지하는 지지브라켓으로부터 에시부측으로 연장되는 연장로드와 이 연장로드의 단부에 웨이트 부재가 설치된다. 상기 탄성수단은 힌지 축에 지지되며 일측이 블레이드본체에 지지되고, 상기 타측이 제1보조깃의 내면에 지지되어 제1보조깃을 외측으로 탄성바이어스 시키는 토오션스프링으로 이루어질 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직형 풍차는 지주에 회전가능하게 설치되는 구동축과, 상기 구동축의 외주면에 등간격으로 설치되는 지지부재의 단부에 설치되는 것으로 복수개의 블레이드와, 상기 브레이드의 테일부 외주면에 제1힌지축에 의해 지지되어 회동가능하게 설치되는 외측 보조깃과, 상기 브레이드의 테일부 제1힌지축과 대응되는 측에 구동축 측으로 회동가능하게 제2힌지축에 의해 지지되는 내측 보조깃과, 상기 제 1힌지축과 제 2힌지축에 설치되어 상기 외측 보조깃과 내측 보조깃을 각각 내측과 외측으로 탄성바이어스 시키는 탄성수단을 구비하여 된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 외측 보조깃과 내측 보조깃에 의해 블레이드의 테일부가 이루어진다.

본 발명에 따른 수직형 풍차는 저속에서 구동을 위한 항력을 증가시키고, 고속에서 회전에 양력이 작용하는 블레이드의 공력특성을 향상시켜 저속과 고속에서의 회전토크를 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 수직형 풍차이 실시예를 도 1 및 도 2에 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 수직형 풍차(10)는 건물, 지주(11)등에 설치되는 것으로, 상기 지주(11)에 회전가능하게 설치되는 구동축(21)과, 상기 구동축(21)의 외주면에 반경방향으로 설치되는 지지암(22)들과 상기 지지암(22)의 단부에 수직 방향으로 설치되는 블레이드(30)들을 구비한다.

상기 블레이드(30)는 단면이 항공기의 날개 단면의 형상으로 형성된다. 즉, 엣지부(31)를 가지는 본체(32)와 상기 본체(32)의 후단측에는 테일부(33)를 구비하는데, 상기 본체(32)의 후 단부측에 힌지축(41)에 의해 지지되어 외측으로 회동가능하게 설치되며 테일부(33)의 일부를 이루는 제 1보조깃(34)을 구비한다. 상기 블레이드(30)의 형상은 엣지부(31)로부터 테일부(33)로 갈수로 외주면은 곡율반경이 커지는 곡면의 형상으로 형성되고, 구동축(21)과 대응되는 블레이드(30)의 내면은 엣지부(31)로부터 테일부(33)로 갈수록 외면보다 곡율반경이 매우 큰 곡면(실질적으로 평면상에 가깝다.)으로 형성된다.

그리고 상기 제 1힌지축(41)에 의해 지지되는 제 1보조깃(34)은 블레이드(30)의 길이 방향의 중심축에 대해 회전각도가 60ㅀ 이상에 회동되지 않도록 설치되는데, 이를 위하여 블레이드 또는 제1보조깃(34)에 스토퍼(35)가 설치된다. 그리고 상기 블레이드(30)와 제 1힌지축(41)에는 상기 제 1보조깃(34)을 외측방향으로 탄성바이어스 시키는 탄성지지부(40)를 구비하고, 상기 풍차의 회전 시 원심력에 의해 상기 제 1보조깃(34)을 내측으로 회동시켜 비행기 날개의 단면과 같은 형상을 이룰 수 있도록 도 3 및 도 4에 도시되 바와 같이 원심력 구동부(45)를 더 구비할 수 있다.

상기 탄성지지부(40)는 상기 힌지축에 지지되며 일측에 제 1보조깃(34)에 지 지되고, 타측이 베이스 부재(32)의 내면에 지지되는 토오션스프링(44)으로 이루어질 수 있다. 상기 탄성지지부(40)는 상기 실시예에 의해 한정되지 않고 쇽업 스프링 또는 에어스프링으로 이루어질 수 있는데, 이들의 양 다부는 각각 제 1보조깃(34)과 블레이드 본체(32)에 힌지 연결된다.

그리고 상기 원심력 구동부(45)는 상기 힌지축(41)과 회전가능하게 지지되며 일측에 상기 제 1보조깃(34)과 연결되는 레버부재(46)와 상기 레버부재(46)의 단부에 고정되며 회전수가 증가함에 따라 상기 탄성지지부(40)의 탄성력을 이기고 원심력에 의해 상기 제 1보조깃(34)을 회동시킬 수 있는 웨이트 부재(47)를 구비한다. 여기에서 상기 제 1보조깃(34)의 내면 즉, 상기 구동축(12)과 대향되는 내면는 본체의 단부와 단차가 형성될 수 있도록 절개부(35)가 형성되어 있다. 즉, 블레이드(30)의 본체(32)의 단부에 항력을 증가시키기 위한 단차가 형성될 수 있도록 제 1보조깃(33)의 내면에 절개부(34)가 형성된다. 이 실시예에 있어서, 상기 제 1보조깃(34)이 블레이드의 테일부를 형성할 수도 있다.

도 6에는 본 발명에 따른 블레이드의 다른 실시예를 나타내 보였다. 상기 실시예와 동일한 부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

도면을 참조하면, 수직형 풍차는, 상기 구동축(21)의 외주면에 반경방향으로 설치되는 지지암(22)들과 상기 지지암(22)의 단부에 수직 방향으로 설치되는 블레이드(30)를 구비한다.

상기 블레이드(30)는 엣지부(31)를 가지는 본체(32)와 상기 본체(32)의 후단부측에 제 1힌지축(42)에 의해 힌지 연결된 외측 보조깃(51)과, 상기 제 2 힌지축(43)에 의해 연결된 내측 보조깃(52)을 구비하는데, 상기 내, 외측보조깃(52)(51)은 상호 결합되어 블레이드(30) 본체(32)의 테일부를 이루게 된다. 상기 외측 보조깃(51)은 제 1힌지축(41)에 설치된 탄성지지부(54)와 원심력 구동부(55)를 구비하는데, 이의 기술적 구성은 상술한 실시예와 실질적으로 동일하므로 다시 설명하지 않기로 한다. 그리고 상기 제 2힌지축(42)에는 내측 보조깃(52)을 내측 방향 즉, 구동축 방향으로 탄성지지 시키기 위한 탄성 지지부(56)를 구비한다. 상기 탄성지지부(56)는 제 2힌지축에 지지되며 일측단부가 내측 보조깃(52)의 단부에 지지되고, 타측단부가 본체(32)의 내면에 지지되는 토오션 스프링으로 이루어질 수 있다. 그리고 내측 보조깃(52)은 원심력에 의해 닫히는 원심력 구동부(57)를 더 구비하는데, 이는 제 2보조깃(51)의 내면에 원심력에 의해 상기 토오션 스프링의 탄성력을 극복할 수 있도록 하는 웨이트부재를 구비할 수 있다. 상기 원심력 구동부는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않고, 원심력에 의해 내측 보조깃을 회동시킬 수 있는 구조이면 어느 것이나 가능하다.

도 8에는 본 발명에 따른 블레이드의 또 다른 실시예를 나타내 보였다.

도면을 참조하면, 수직형 풍차의 블레이드(60)는 구동축(21)의 외주면에 반경방향으로 설치되는 지지암(22)들과 상기 지지암(22)의 단부에 수직 방향으로 설치되는 것으로, 엣지부(31)를 가지는 본체(32)와 상기 본체(32)의 후단부측에 설치되는 테일부(33)를 구비하는데, 상기 테일부(33)에는 테일부의 외측 스킨부를 이루며, 제 3힌지축(43)에 지지되어 외측방향으로 회동가능하게 설치되는 제 3보조깃(61)을 구비한다. 상기 제 3힌지축(43)에 지지된 제 3보조깃(61)은 탄성부에 의 해 외측방향으로 탄성바이어스 되며, 원심력 구동부(65)에 의해 블레이드에 작용하는 원심력에 의해 제 3보조깃(61)이 테일부에 밀착되어 하나의 완전한 블레이드를 구성하게 된다. 여기에서 상기 원심력 구동부(65)는 상기 실시예와 실질적으로 동일하다. 즉, 상기 제 3힌지축(43)에 회동가능하게 회동링크(66)가 설치되고 일측이 상기 제 3보조깃(61)의 단부와 힌지축에 의해 결합되며 타측단부가 상기 브레이드의 엣지부(31)측으로 연장되며 이의 단부에 웨이트 부재(67)가 설치된다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 수직형 풍차의 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 수직형 풍차(10)는 공기력을 발생시키는 블레이드에 작용하는 항력(抗力)과 양력을 이용하여 저속과 고속에서 회전력을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 수직형 풍차(10)는 미풍( 0.5 내지 1.5m/sec)에서 블레이드 후상인 테일부 측에서 바람에 의한 항력과 엣지부로부터의 항력과의 차이가 생기는 형상으로 제공함으로써 공기 역학적으로 스보니우스 효과를 얻어 미풍속역에서의 기동을 가능하게 하고, 고속주행 시 항력을 줄이고 양력이 작용하는 블레이드면을 넓게하여 자이로밀 효과를 극대화 시킬 수 있다.

이를 더욱 상세하게 설명하면, 주속비가 1이하에서 상기 도 1 및 도2 도시된 바와 같이 블레이드 본체(32)단부에는 제 1보조깃(34)이 외측으로 탄성바이어스 된 상태로 지지되어 있으므로 브레이드(30)의 단부에 설치되어 테일부의 항력이 에지부의 항력부다 상대적으로 미풍에서 회전하게 되고, 이의 회전력에 의해 지속적으로 회전하게 됨으로써 스보이우스 효과를 극대화 할 수 있다. 제1보조깃(34)의 외측으로 탄성바이어스 되어 회전된 상태를 유지하고 있으므로 바람에 대한 항력이 극대화 된다. 특히 도 6에 도시된 바와 같이 외측보조깃(51)과 내측 보조깃(52)이 외측과 내측으로 확개되어 있는 경우 항력 발생면적이 상대적으로 넓어지게 되므로 미풍에서의 구동력과 회동력을 증가시킬 수 있다. 본 발명인의 실험에 의하면 미풍(0.5 내지 1 m/sec)에서 제1보조깃이 개폐된 상태에서 항력을 기존의 블레이드 즉, 항공기 날개 형상의 블레이드에 비하여 4,5배 증가시킬 수 있었으며, 제 1,2브레이드가 열린 경우 항력이 15배 이상 증감됨을 알 수 있었다. 특히 도 8에 도시된 바와 같이 블레이드의 단부에 테일부(33)가 형성된 상태에서 제 3보조깃(61)이 열린경우에는 회전을 위한 항력이 이 6배가 증가하고, 상대적으로 회전력이 증가함을 알 수 있었다.

한편, 풍차 즉, 회전수가 증가함에 따라 상기 블레이드(30)에는 원심력이 작용하게 되는데, 상기 제 1보조깃(34) 또는 제 3보조깃(61)에는 원심력 구동부가 구비되어 있으므로 제 1보조깃(34)과 외측 보조깃(61)은 풍차의 회전수가 증가함에 따라 닫히게 된다. 즉, 힌지축에 힌지결합 된 회전링크의 단부에 설치된 웨이트 부재가 원심력을 받음에 따라 블레이드의 외측으로 이동되고 이의 타측단부에 설치되는 제 1보조깃이 닫히게 된다. 이과정에서 도 6에 도시된 바와 같이 외측보조깃은 브레이드 자체의 원심력에 의해 토오션 스프링의 탄성력을 이기고 닫히게 되며, 이에 따라 양력이 상대적으로 증가하게 되어 풍차의 자이로밀 효과를 높일 수 있다.

즉, 본 발명의 수직형 항력형의 수직축형 풍차와 양력형의 수직축형 풍차의 장점을 겸비하는 것으로, 스보니우스 효과와 자이로밀 효과를 최대한으로 얻을 수 있다. 따라서 풍속(회전 정지 상태로부터 기동하는 데 필요한 풍속)을 종래의 수직축형 풍차보다 더 낮게 할 수 있는 동시에, 저풍속역(2~6m/sec)에 있어서의 회전력을 대폭 증대시킬 수 있고, 또한 중ㅇ고속역(6m/sec 이상)에서의 회전수 를 보다 증대시킬 수 있다. 즉, 광범위의 풍속역에 있어서, 풍차의 효율(풍력을 회전력으로 변환시키는 효율) 을 대폭 향상시켜, 발전 효율 등의 향상을 도모할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

본 발명은 각종 수직평 풍차 또는 수차에 적용 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 수직형 풍차의 사시도,

도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 블레이드들의 실시예를 나타내 보인 측단면도,

도 4는 탄성부와 원심력 구동부를 발췌하여 도시한 사시도,

도 5, 도 6 및 도 8은 본 발명에 따른 블레이드의 다른 실시예들을 나타내 보인 측단면도,

도 7은 내측 블레이드의 결합상태를 발췌하여 도시한 측면도.

Claims (4)

1. 지주에 회전가능하게 설치되는 구동축과, 상기 구동축의 외주면에 등간격으로 설치되는 지지부재의 단부에 설치되는 것으로, 에어포일 형을 이루며 에지부와 테일부를 가지는 본체를 구비하며, 상기 블레이드의 테일부 외주면에 제1힌지축에 의해 지지되어 회동가능하게 설치되는 제1 보조깃과, 상기 제1힌지축과 블레이드에 설치되어 상기 힌지축을 블레이드에 대해 열리는 방향으로 탄성바이어스시키 는 탄성부을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 수직형 풍차.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 회전축과 대응되는 테일부의 내주면은 소정의 깊이로 절개된 절개부를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 수직형 풍차.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제1보조깃 또는 힌지축에 회전가능하게 설치되 제 1보조깃을 회전 가능하게 지지하는 지지브라켓으로부터 에지부 측으로 연장되는 연장로드와 이 연장로드의 단부에 웨이트 부재가 설치된 원심력 구동부를 더 구비하여 된 것을 특징으로 하는 수직형 풍차.
4. 지주에 회전가능하게 설치되는 구동축과, 상기 구동축의 외주면에 등간격으로 설치되는 지지부재의 단부에 설치되는 것으로 복수개의 블레이드와, 상기 브레이드의 테일부 외주면에 제1힌지축에 의해 지지되어 회동가능하게 설치되는 외측 보조깃과, 상기 브레이드의 테일부 제1힌지축과 대응되는 측에 구동축 측으로 회동가능하게 제2힌지축에 의해 지지되는 내측 보조깃과, 상기 제 1힌지축과 제 2힌지축에 설치되어 상기 외측 보조깃과 내측 보조깃을 각각 내측과 외측으로 탄성바 이어스 시키는 탄성부을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 수직형 풍차.

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