KR20110083476A - The vertical axis wind turbine using drag force and lift force simultaneouly - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A vertical-axis wind turbine using both drag and lift is provided to improve power generation efficiency by employing blades capable of generating lift by venture effect. CONSTITUTION: A vertical-axis wind turbine using both drag and lift comprises three or more blades(1). Each blade has a leading edge which is formed in a semicircular shape protruded in the rotational direction of the wind turbine and a tailing edge which is formed straight in the tangential direction of one of end points of the semicircle of the leading unit that is closest to a rotary shaft.

Description

항력과 양력을 동시에 이용하는 수직축 풍력터빈{The Vertical Axis Wind Turbine Using Drag Force And Lift Force Simultaneouly}The Vertical Axis Wind Turbine Using Drag Force And Lift Force Simultaneouly}

본 발명은 수직축 풍력터빈에 사용되는 새로운 블레이드 형상과 본 발명의 블레이드를 채용한 수직축 풍력터빈의 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a new blade shape used in a vertical shaft wind turbine and a manufacturing method of a vertical shaft wind turbine employing the blade of the present invention.

지난 수 십년 동안 풍력터빈은 프로펠러형 수평축 풍력터빈이 주류를 이루어 왔으나 최근에는 풍향의 영향을 덜 받고 상대적으로 강한 토크 특성을 보이는 수직축 풍력터빈에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. For decades, propeller-type horizontal axis wind turbines have been the mainstream for wind turbines, but recently, researches on vertical axis wind turbines, which are less affected by wind direction and have relatively strong torque characteristics, have been actively conducted.

수직축 풍력터빈은 항력을 이용하는 사보니우스형 터빈과 양력을 이용하는 다리우스형 터빈으로 구분되며, 수평축 풍력터빈과 다르게 풍향의 영향을 받지 않으며 강한 난류성 바람도 이용할 수 있는 장점을 지니고 있다.
Vertical shaft wind turbines are classified into Savonius turbines using drag and Darius turbines using lift, and are not affected by wind direction and have strong turbulent winds.

수직축 풍력터빈 중 항력을 이용하는 사보니우스형 터빈은 토크가 큰 반면 발전 효율이 매우 낮은 단점이 있으며, 양력을 이용하는 다리우스형 터빈은 높은 풍속에서는 발전 효율이 좋으나 낮은 풍속에서는 자기 시동이 어렵고 효율도 매우 낮은 단점이 있다. 더우기 다리우스형 터빈은 프로펠러형 터빈과 마찬가지로 높은 주속비로 인해 소음을 발생시키며 조류 충돌의 위험도 높다.
Savonius-type turbines using drag among vertical wind turbines have high torque and very low power generation efficiency. Darius-type turbines using lift force have high power generation efficiency at high wind speeds, but are difficult to start at low wind speeds and have very high efficiency. There is a low disadvantage. Furthermore, Darius turbines, like propeller-type turbines, generate noise due to the high speed ratio and are also at high risk of bird strikes.

따라서 수직축 풍력터빈의 성능을 개선하고 소음, 조류 충돌 등의 환경 문제를 해결하려면 항력형 터빈의 블레이드를 개선하여 추가로 양력을 발생시키는 기술이 필요하다.Therefore, in order to improve the performance of vertical shaft wind turbines and solve environmental problems such as noise and tidal currents, it is necessary to improve the blades of the drag turbine to generate additional lift.

본 발명은 항력형 수직축 터빈의 성능이 개선되도록 새로운 에어로포일의 블레이드를 제공하고, 벤추리 효과(Venturi Effect)를 이용하여 추가로 양력을 발생시키는 블레이드 구성을 갖는 수직축 풍력터빈을 제공하여 넓은 풍속 영역에서 높은 성능계수를 갖는 수직축 풍력터빈을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention provides a blade of a new aerofoil to improve the performance of a drag type vertical shaft turbine, and provides a vertical shaft wind turbine having a blade configuration that generates additional lift by using the Venturi Effect in a wide wind speed range The purpose is to provide a vertical axis wind turbine with a high coefficient of performance.

풍속이 낮고 난류가 강한 바람 자원이 특징인 지역에서는 수직축 풍력터빈이 프로펠러형 풍력터빈에 비해 일반적으로 우수한 특성을 보이지만, 풍속 영역에 따라 고르지 못한 성능을 보이는 단점으로 인하여 프로펠러형 터빈에 비해 산업화가 활발하지 못했다.Vertical shaft wind turbines are generally superior to propeller type wind turbines in regions with low wind speeds and strong turbulent wind resources. I couldn't.

본 발명에 의한 수직축 풍력터빈은 난류가 강한 바람을 효과적으로 이용하도록 고안된 블레이드와 벤추리 효과를 통해 양력을 추가로 발생시키는 블레이드 결합 구조를 가진 풍력터빈으로서 산업적 활용도가 높아질 수 있다.Vertical shaft wind turbine according to the present invention can be increased industrial utilization as a wind turbine having a blade coupling structure for generating a lift force through the blade and venturi effect designed to effectively use the strong turbulent wind.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 실시예에 대한 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 공기역학적 특성을 설명하기 위한 평면도.
도 3은 리브가 장착된 블레이드 모듈의 사시도.
도 4는 본 발명의 풍력터빈이 장착된 풍력발전시스템의 사시도.1 is a plan view of an embodiment of a vertical axis wind turbine according to the present invention.
Figure 2 is a plan view for explaining the aerodynamic characteristics of the vertical axis wind turbine according to the present invention.
3 is a perspective view of the blade module with a rib mounted.
Figure 4 is a perspective view of a wind turbine system equipped with a wind turbine of the present invention.

본 발명에 의한 수직축 풍력터빈은 항력과 양력이 동시에 발생되도록 설계된 에어로포일을 가지며, 난류가 강한 바람을 효과적으로 이용하도록 리브가 장착된 블레이드; 벤추리 효과로 인해 양력이 발생하도록 회전축을 중심으로 동일한 회전각으로 배치된 다수의 블레이드 어셈블리로 구성된다.
Vertical axis wind turbine according to the present invention has aerofoil designed to generate a drag and lift at the same time, the blade is rib mounted to effectively use the strong wind turbulence; The Venturi effect consists of a number of blade assemblies arranged at the same rotational angle about the axis of rotation to generate lift.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 실시예에 대한 평면도로서 5개의 블레이드를 장착하였으나, 3개 이상의 복수의 블레이드를 가진 수직축 풍력터빈에 동일하게 적용할 수 있다. 블레이드(1)의 전연부는 회전방향으로 볼록한 반지름이 r인 반원부이며, 반원의 내측(회전축에 가까운 부분) 끝단에서부터 길이 L인 직선부가 후연부를 형성한다. 블레이드 수가 5개이고 회전반경이 R인 터빈에 대해 반원부의 반지름 r은 0.1×R, 직선부의 길이 L은 0.4×R이어야 하며, 블레이드 수가 변경될 때는 회전 평면과 수직인 평면에 투영되는 블레이드의 면적이 블레이드 5개일 때의 투영면적과 같아지도록 반지름 R과 직선부 길이 L의 값을 조정한다.
1 is a plan view of an embodiment of a vertical axis wind turbine according to the present invention, but five blades are mounted, but may be equally applicable to a vertical axis wind turbine having a plurality of three or more blades. The leading edge of the blade 1 is a semicircle having a radius r convex in the rotational direction, and a straight portion having a length L from the inner end of the semicircle (part near the rotational axis) forms the trailing edge. For a turbine with 5 blades and a radius of rotation R, the radius r of the semicircle should be 0.1 × R, and the length L of the straight part should be 0.4 × R.When the number of blades changes, the area of the blade projected on a plane perpendicular to the plane of rotation Adjust the values of radius R and straight line length L so that they are equal to the projected area of five blades.

블레이드(1)를 로토암(2)에 장착할 때는 블레이드의 내측면(도 2의 Sin)에 작용하는 항력의 합력(도 2의 Drag)으로 인한 토크와 블레이드의 내측면과 외측면 사이에 발생하는 양력의 합력(도 2의 Lift)으로 인한 토크의 합이 최대가 되도록 받음각(Angle of Attack) α가 8˚~10˚사이의 값이어야 한다. 또한 항력과 양력에 의한 토크를 극대화하고 블레이드의 구조적 안정성을 높이기 위해서 블레이드의 후연부인 직선부의 끝단에서부터 직선부 길이의 50%~60%에 해당하는 위치에서 블레이드(1)와 로토암(2)을 결합시킨다.
When the blade 1 is mounted on the rotoarm 2, the torque between the inner and outer surfaces of the blade and the torque due to the drag force (Drag of FIG. 2) acting on the inner surface of the blade (S in of FIG. 2). The angle of attack α should be a value between 8 ° and 10 ° so that the sum of the torques due to the lifting force (lift in FIG. 2) is maximized. In addition, in order to maximize the torque due to drag and lift and increase the structural stability of the blade, the blade (1) and the rotoarm (2) are moved from the end of the straight portion, the trailing edge of the blade, at a position corresponding to 50% to 60% of the length of the straight portion. Combine.

도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력터빈의 공기역학적 특성을 설명하기 위한 평면도이다. 업스트림 윈드(Upstream Wind) V1은 블레이드(1)의 내측면(Sin)에 직접 작용하여 풍속이 V2로 감소하며 항력(Drag)를 발생시키고, 이는 낮은 풍속 영역에서 토크를 발생시키는 주요한 힘으로 작용한다.(V1>V2)
2 is a plan view for explaining the aerodynamic characteristics of the vertical axis wind turbine according to the present invention. Upstream Wind V 1 acts directly on the inner surface (S in ) of the blade 1 to reduce the wind speed to V 2 and generate drag, which is the main force that generates torque in the low wind speed region. (V 1 > V 2 )

한편 업스트림 윈드 V1은 블레이드(1) 에어로포일 형상의 특성과 8˚~10˚의 받음각을 갖도록 배치된 블레이드 어셈블리로 인하여 좁아진 터빈의 내부를 통과하며 벤추리 효과로 인해 V1보다 높은 바람 V3으로 증속된다.(V3>V1) 블레이드(1)의 내측면(Sin)과 외측면(Sout)에서의 풍속의 변화는 베르누이 정리에 의해 내측면(Sin)의 압력 Pin이 외측면(Sout)의 압력 Pout보다 커지게 된다. 결과적으로 블레이드 내외면의 압력차이로 인해 도 2와 같이 양력(Lift)이 추가로 발생하여 터빈의 성능이 향상된다. 풍속이 높아질수록 양력의 비중도 커지게 되어 전통적인 항력형 수직축 풍력터빈이 갖고 있던 높은 풍속에서 효율이 저하되는 단점이 개선된다.
The upstream wind V 1 is the blade (1) it passes through the inside of the turbine due to the narrow nature and the blade assembly arranged to have the angle of attack of 8˚ ~ 10˚ of aerofoil shape, and the wind is higher than V 3 V 1 due to the Venturi effect (V 3 > V 1 ) The change in the wind speed on the inner surface S in and the outer surface S out of the blade 1 is different from the pressure P in of the inner surface S in by Bernoulli's theorem. It is greater than the pressure P out of the side (S out ). As a result, due to the pressure difference between the inner and outer surfaces of the blade, lift is further generated as shown in FIG. 2, thereby improving the performance of the turbine. As the wind speed increases, the gravity of the lift increases, which improves the disadvantage that the efficiency decreases at the high wind speed of the conventional drag type vertical axis wind turbine.

도 3은 리브(4)가 장착된 블레이드 모듈의 사시도이다. 리브(4)는 5mm 이상의 두께를 가진 판재 등을 이용하여, 본 발명의 에어로포일과 동일한 형상으로 바람이 통과할 수 없도록 모든 면이 막혀있도록 제작하여 블레이드 모듈의 상하 끝단에 장착한다. 리브(4)는 블레이드가 상기한 에어로포일의 형상을 지속적으로 유지하고 변형이 일어나지 않도록 하는 기능 외에 회전면에 대해 평행하게 입사하지 않는 강한 난류성 바람을 유용한 항력으로 유도하는 역할을 한다.
3 is a perspective view of the blade module to which the rib 4 is mounted. Rib (4) using a plate having a thickness of 5mm or more, the same shape as the aerofoil of the present invention is manufactured so that all the surface is blocked so that the wind can pass through it is mounted on the upper and lower ends of the blade module. The rib 4 serves to guide the strong turbulent winds that do not enter parallel to the plane of rotation to useful drag, in addition to the function of the blades maintaining the shape of the aerofoil as described above and preventing deformation from occurring.

도 4는 본 발명의 풍력터빈이 장착된 풍력발전시스템의 사시도이다. 각 블레이드 어셈블리(7)의 양 끝단 리브들은 원형 보강프레임(8)에 결합되며, 원형 보강프레임(8)은 풍력터빈의 작동 과정에서 로토암(2)에 작용하는 토크와 진동을 감소시킨다.4 is a perspective view of a wind power generation system equipped with a wind turbine of the present invention. Both end ribs of each blade assembly 7 are coupled to a circular reinforcement frame 8, which reduces the torque and vibration acting on the rotoarm 2 during the operation of the wind turbine.

Claims (5)

3개 이상의 다수의 블레이드를 가진 수직축 풍력터빈에 있어서,
전연부는 풍력터빈의 회전방향으로 볼록한 반원으로 형성되고,
후연부는 전연부 반원의 끝점 중 회전축에 가까운 점의 접선 방향으로 직선으로 이루어지며,
반원부의 지름과 직선부의 길이가 1:2의 비율인 에어로포일의 블레이드를 특징으로 하는 수직축 풍력터빈.
In a vertical wind turbine with three or more blades,
The leading edge is formed by a semicircle that is convex in the rotational direction of the wind turbine,
The trailing edge is straight in the tangential direction of the end of the semi-circle of the leading edge close to the axis of rotation.
A vertical axis wind turbine, characterized by the blades of an aerofoil in which the diameter of the semicircle and the length of the straight portion are 1: 2.
청구항 1에 있어서,
블레이드 수가 5개이고 회전반경이 R인 터빈에 대해 반원부의 반지름 r은 0.1×R, 직선부의 길이 L은 0.4×R이며, 블레이드 수가 변경될 때는 회전 평면과 수직인 평면에 투영되는 블레이드의 면적이 블레이드 5개일 때의 투영면적과 같아지도록 한 수직축 풍력터빈

The method according to claim 1,
For a turbine with 5 blades and a radius of rotation R, the radius r of the semicircle is 0.1 × R and the length L of the straight part is 0.4 × R.When the number of blades is changed, the area of the blade projected on a plane perpendicular to the plane of rotation is determined by the blade. Vertical axis wind turbine that is equal to the projected area of five

청구항 1에 있어서,
블레이드 후연부인 직선부와 터빈의 회전 반지름이 이루는 각이 80˚~82˚사이의 값이며, 블레이드의 후연부인 직선부의 끝단에서부터 직선부 길이의 50%~60%에 해당하는 위치에서 블레이드와 로토암을 결합시킨 수직축 풍력터빈.
The method according to claim 1,
The angle between the straight edge of the blade and the radius of rotation of the turbine is between 80˚ and 82˚, and the blade and the rotoarm at the position corresponding to 50% to 60% of the length of the straight portion from the end of the straight edge, the trailing edge of the blade. Combined vertical wind turbine.
청구항 1에 있어서,
터빈의 회전면과 평행하게 상기 에어로포일과 동일한 형상이며 바람이 통과할 수 없도록 모든 면이 막혀 있는 리브를 블레이드 내부에 일정한 간격으로 장착한 수직축 풍력터빈.
The method according to claim 1,
A vertical axis wind turbine having ribs having the same shape as the aerofoil parallel to the rotational surface of the turbine and whose ribs are closed at all intervals to prevent wind from passing therethrough.
청구항 1에 있어서,
각 블레이드의 상하 양 끝단 리브를 터빈의 회전지름과 같거나 비슷한 지름을 가진 원형의 보강프레임에 결속시킨 수직축 풍력터빈.
The method according to claim 1,
Vertical shaft wind turbines where the upper and lower ribs of each blade are bound to a circular reinforcement frame with a diameter equal to or similar to the rotation diameter of the turbine.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102135070A (en) * 2011-03-01 2011-07-27 国能风力发电有限公司 Modularized vertical axis wind turbine and modular design method thereof
CN109356787A (en) * 2018-12-19 2019-02-19 四川大学 Low wind speed self-starting vertical axis rises resistance composite type wind power generator wind wheel structure
WO2021125450A1 (en) * 2019-12-19 2021-06-24 정복태 Wind power generation device for ship, and ship having wind power generation function

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102135070A (en) * 2011-03-01 2011-07-27 国能风力发电有限公司 Modularized vertical axis wind turbine and modular design method thereof
CN109356787A (en) * 2018-12-19 2019-02-19 四川大学 Low wind speed self-starting vertical axis rises resistance composite type wind power generator wind wheel structure
CN109356787B (en) * 2018-12-19 2020-03-31 四川大学 Low-wind-speed self-starting vertical shaft lift-drag composite wind wheel structure of wind driven generator
WO2021125450A1 (en) * 2019-12-19 2021-06-24 정복태 Wind power generation device for ship, and ship having wind power generation function
KR102275278B1 (en) * 2019-12-19 2021-07-09 정복태 Wind power generating apparatus and vessel with function of wind power generation

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