KR20110111898A - 수직축 풍력발전장치 - Google Patents

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Abstract

저비용으로 제작이 가능하고 좁은 공간에서도 간편하게 설치할 수 있는 소형 수직축 풍력발전장치를 제공하기 위하여, 본 발명은 회전축(20); 상기 회전축에 삽입되며 소정의 곡률을 갖도록 형성되는 복수 개의 회전 날개(2)들; 상기 회전 날개(2)들과 결합하여, 상기 회전 날개(2)들과 함께 회전하는 V-벨트풀리(4); 상기 V-벨트풀리(4)와 V-벨트(6)를 통해 연결되어, 상기 회전 날개(2) 및 상기 V-벨트풀리(4)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하는 발전기(5)를 포함하는 수직축 풍력발전장치를 제공한다.

Description

수직축 풍력발전장치{Wind turbine apparatus with vertical axis}
본 발명은 수직축 풍력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저비용으로 제작이 가능하고 좁은 공간에서도 간편하게 설치할 수 있는 소형 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.
최근 화석연료의 대량소비로 지구상의 환경이 악화 되고 있고 점차 환경파괴가 진행되고 있다. 동시에 화석연료의 고갈이 커다란 국제문제가 되어 가고 있다. 따라서 지구의 환경을 지키고 국제분쟁을 방지하기 위해서 자연에너지의 유효한 이용과 발굴이 급선무 되고 있다. 세계 각국에서 기술개발력을 구사하여 이 문제에 몰두하고 있으며 계속 연구가 진행 중에 있다.
현재 개발 중인 풍력발전장치는 크게 수평축풍차에 의한 것, 수직축풍차에 의한 것 및 그 외로 분류한다.
이중 수평축풍차에 의한 풍력발전장치는 프로펠러 축과 프로펠러가 동일 장치 내에 수납하지 않으면 안 되는 구조이다. 그러므로 다음과 같은 과제가 있다. 먼저, 수평축풍차에 의한 풍력발전장치는 대형, 고가이므로 설치장소가 한정되며, 또한 그 제작, 운반 및 고정이 쉽지 않다는 문제점이 존재한다. 또한, 바람의 흐름 방향은 수평방향만이 유효하며, 따라서 바람 방향의 수평방향(동서남북)의 변화에 대응하는 장치가 필요하다. 또한, 회전 날개의 외주속도가 빠르기 때문에 진동 또는 저주파소음을 발생하며, 보수, 점검이 용이하지 아니하고, 순간의 풍속변화에 대응하지 못한다는 문제점이 존재하였다.
한편, 수직축풍차에 의한 풍력발전장치에는 패들(puddle)형, 사보니우스형, 자이로밀(gyromill)형, 다리우스형 및 휘트너 등이 있으며, 이중 주로 사용되고 있는 것은 사보니우스형, 자이로밀형, 다리우스형이다.
사보니우스형은 바람 흐름의 항력에 따라서 편심 박판이 회전하는 구조로, 설비가 다소 크고, 회전수가 낮고, 바람의 흐름 방향은 수평방향만이 유효하다는 문제점이 있다.
자이로밀형은 날개형 판을 회전궤도의 접선방향으로 부착시킨 구조로 바람의 흐름으로 생기는 양력에 의해 회전하는데, 바람의 흐름 방향은 수평방향만이 유효하고, 자기기동능력이 없기 때문에 기동시에는 보조전원을 이용해 초기속도를 부여하여야 한다. 그런데 이와 같이 바람의 흐름 방향에 대해 자동조정장치를 부착하면, 자기기동이 가능하지만 복잡한 구조가 되어 가격이 비싸진다는 문제점이 있다.
다리우스형은 원호 형상의 날개형 판이 회전축을 중심으로 회전하기 때문에 바람의 흐름으로 생기는 양력이 동력이 되는데, 자기기동능력이 없기 때문에 기동시에는 보조전원을 이용해 초기속도를 부여하여야 하며, 양력만이 회전동력이기 때문에 큰 회전력(토크)은 기대할 수 없다는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 다리우스형 풍력발전장치로서 전방위로부터의 바람을 회전 날개로 받을 수 있고 소형, 경량이며 제작비, 설치비 및 보수점검이 저렴한 수직축 풍력발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 회전축(20); 상기 회전축에 삽입되며 소정의 곡률을 갖도록 형성되는 복수 개의 회전 날개들(2); 상기 회전 날개(2)들과 결합하여, 상기 회전 날개(2)들과 함께 회전하는 V-벨트풀리(4); 상기 V-벨트풀리(4)와 V-벨트(6)를 통해 연결되어, 상기 회전 날개(2) 및 상기 V-벨트풀리(4)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하는 발전기(5)를 포함하는 수직축 풍력발전장치를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 각각의 회전 날개(2)는 반원형으로 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 각각의 회전 날개(2)의 중심부의 상기 회전축(20)에 수직인 방향으로의 단면은 반원형일 수 있다.
여기서, 상기 반원형상의 단면의 중심에는 돌기가 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 각각의 회전 날개(2)의 양단부의 상기 회전축(20)에 수직인 방향으로의 단면의 일 측은 1/4 원호 형상이고, 타 측은 직사각형 형상일 수 있다.
여기서, 상기 1/4 원호 형상의 단면과 상기 직사각형 형상의 단면 사이에는 돌기가 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 회전 날개(2)들의 양단부를 상기 회전축(20)에 고정하는 상부허브(1) 및 하부허브(3)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수 개의 회전 날개(2)들과 상기 회전축(20) 사이에는 복수 개의 베어링(18)(23)이 개재될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 회전 날개(2)를 지나는 바람의 흐름으로 생성되는 양력과 항력의 합력에 의해서 상기 회전 날개(2)가 회전할 수 있다.
본 발명에 의한 수직축 풍력발전장치는 저비용으로 설치가 가능하고 주택지, 상업지, 도서, 공원, 빌딩옥상 및 자동차 위 등 좁은 공간에 설치가 가능하다. 또한, 본 발명에 의해서 전방위로부터의 바람을 회전 날개로 받을 수 있고 자기기동능력을 갖춘 수직축 풍력발전장치를 구현하는 효과를 얻을 수 있다. 나아가, 본 발명에 의한 수직축 풍력발전장치에 의하여 화석연료를 절약할 수 있고, 탄산가스 방출 및 지구온난화를 억제할 수 있으며, 천재발생 등 긴급 시의 전원 또는 태양광 발전설치의 보조전원으로 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 빗물 커버를 벗긴 상태의 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 회전부와 발전기에 빗물 커버를 설치한 상태의 사시도이다.
도 3은 도 1의 수직축 풍력발전장치의 상부허브와 베어링을 도시한 부분도이다.
도 4는 도 1의 수직축 풍력발전장치의 하부허브와 베어링을 도시한 부분도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 수직축 풍력발전장치의 회전 날개를 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6f는 도 1의 수직축 풍력발전장치의 회전 날개의 대표적 위치와 바람의 흐름을 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
일반적으로 수직축 풍력발전장치는 수직으로 세운 수 미터의 철제 기둥에 고정한 철제 회전축에, 상부와 하부 베어링을 달아 반원형 회전 날개를 장치하고, 이 회전 날개가 풍력에 의하여 회전하도록 한다. 여기서, 회전 날개는 특수한 형상의 강화플라스틱으로 성형하고, 그 하부 허브에 강화플라스틱으로 성형한 V-벨트풀리를 부착하는 것이 일반적이다.
여기서, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치에 부착한 회전 날개는 바람의 흐름에 따라서 생기는 양력과 향력을 동시에 받는 구조를 구비한다. 그리고 회전 날개 하부 허브에 부착한 V-벨트풀리는 바람의 흐름을 받아 회전하는 회전 날개와 동시에 회전하고, 이 회전 에너지는 철제기둥의 브라켓으로 부착한 발전기의 V벨트에 V-벨트풀리를 거쳐 전달된다. 발전기는 V-벨트풀리 각각의 직경 비율로 정해진 회전수로 증속시켜 발전을 한다.
이하 이에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 빗물 커버를 벗긴 상태의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 회전부와 발전기에 빗물 커버를 설치한 상태의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치(100)는 상부허브(1), 회전 날개(2), 하부허브(3), V-벨트풀리(4), 발전기(5), V-벨트(6), 배선(7), 선반받침(8), 지주(9), 좌판(10), 캡너트(11), 상부 빗물 커버(12), 하부 빗물 커버(13), 회전부 방수 커버(14), 선반받침 커버(15) 및 방수 커버(21)를 포함한다.
상세히, 좌판(10) 상부에 지주(9)가 형성된다. 여기서, 좌판(10)은 지주(9)를 고정하는 철판 및 보강재의 역할을 수행하며, 지주(9)는 상기 좌판(10) 상에 형성되어 회전축(20)과 발전기(5) 및 빗물 커버(12)(13)를 설치하여 지지하는 철제 기둥을 의미한다.
상기 지주(9)에는 선반받침(8)이 형성되어 발전기(5) 및 배선(6)의 받침대 역할을 수행한다.
한편, 지주(9)의 상부에는 V-벨트풀리(4), 회전축(20) 및 회전 날개(2)가 형성되며, V-벨트풀리(4) 및 회전 날개(2)가 회전축(20)에 대하여 회전하면서 전기가 생산된다.
상세히, 회전축(20)에는 회전 날개(2)가 끼워지고, 회전 날개(2)의 상/하부에 상부허브(1)와 하부허브(3)가 베어링(도 3의 18, 22, 23 참조)을 사이에 두고 회전축(20)에 고정해 있다.
여기서, 회전 날개(2)는 바람의 흐름에 따라 회전하는 날개 역할을 수행하며, 일반적으로 플라스틱 재질로 형성된다. 도면에는 회전 날개(2)가 세 개 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 수직축 풍력발전장치(100)에 요구되는 제품 사양 등에 의하여 회전 날개(2)의 개수는 다양하게 변경 가능하다 할 것이다.
회전 날개(2)의 상/하부에는 각각 상부허브(1)와 하부허브(3)가 결합된다. 상부허브(1)는 회전 날개(2)의 상단부를 고정하는 플라스틱제 링이고, 하부허브(3)는 회전 날개(2)의 하단부를 고정하는 플라스틱제 링이다.
V-벨트풀리(4)는 하부허브(3)에 고정된 회전전달용 V-벨트풀리이며, V-벨트(6)는 V형의 벨트로써 상기 V-벨트풀리(4)와 결합하여 회전 날개(2)의 회전을 발전기(5)에 전달하는 역할을 수행한다.
발전기(5)는 V-벨트풀리(4) 및 V-벨트(6)를 통해 회전 날개(2)의 회전을 받아 전기를 생산하는 역할을 수행하며, 배선(7)은 발전기(5)와 연결되어 발전기(5)가 생산한 전기를 송전하는 역할을 수행한다.
한편, 상부허브(1)의 상부에는 캡너트(11) 및 상부 빗물 커버(12)가 결합된다. 캡너트(11)는 방수와 잠금을 겸한 나사 형상으로 형성되며, 상부 빗물 커버(12)는 방수와 베어링고정을 겸한 플라스틱제 링 형상으로 형성된다.
또한, 하부허브(3)의 상부에는 방수 커버(21) 및 하부 빗물 커버(도 3의 13 참조)가 결합된다. 방수 커버(21)는 축 및 회전부를 빗물 등으로부터 보호하기 위한 고무제 커버이며, 하부 빗물 커버(13) 역시 방수와 베어링고정을 겸한 플라스틱제 링 형상으로 형성된다.
한편, 하부허브(3)의 하부에는, V-벨트풀리(4), 발전기(5) 및 V-벨트(6)를 빗물 등으로부터 보호하기 위하여 회전부 방수 커버(14)가 결합된다.
도 3은 도 1의 수직축 풍력발전장치의 상부허브와 베어링을 도시한 부분도이다.
도 3을 참조하면, 회전축(20)에 상부 베어링(18), 회전 날개(2), 상부허브(1) 및 상부 빗물 커버(12)가 끼워진다. 그리고 상부허브(1) 상측으로 상부 빗물 커버(12)를 고정하는 설치 나사(17)와, 캡너트(11)의 느슨함을 방지하기 위한 고정 나사(16)가 끼워진 후, 최종적으로 캡너트(11)가 결합된다.
도 4는 도 1의 수직축 풍력발전장치의 하부허브와 베어링을 도시한 부분도이다.
도 4를 참조하면, 지주(9) 상부에 제1 하부 베어링(22)이 배치되고, 그 상부에 회전축(20)이 결합된다. 여기서 제1 하부 베어링(22)은 하중이 축 방향으로 작용하는 스러스트 베어링 (thrust bearing)으로써, 회전 날개(2), 상부허브(1), 하부허브(3), V-벨트풀리(4)를 지지하는 역할을 수행한다.
제1 하부 베어링(22) 상부에는 V-벨트풀리(4)가 배치되고, 그 위쪽으로 회전축(20)에 제2 하부 베어링(23), 회전 날개(2), 하부허브(3) 및 하부 빗물 커버(13)가 끼워진다. 그리고, 그 위쪽으로 하부 빗물 커버(13)를 고정하는 고정볼트(19)와, 축 및 회전부를 빗물 등으로부터 보호하는 방수 커버(21)가 배치된다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1의 수직축 풍력발전장치의 회전 날개를 도시한 도면으로써, 도 5a는 도 1의 회전 날개의 평면도이고, 도 5b는 도 5a의 B-B 선을 따라 취한 단면도이고, 도 5c는 도 5a의 C-C 선을 따라 취한 단면도이고, 도 5d는 도 5a의 D부분을 확대한 확대 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 회전 날개(2)는 전체적으로 반원 형상으로 형성된다. 그리고 회전 날개(2)의 내측 저부 중심에는 바람의 분류를 원활히 하는 돌기(2a)를 설치한다.
또한, 도 5c에 도시된 바와 같이 회전 날개(2)의 중심부의 단면 역시 반원 형상으로 형성된다. 반면, 5d에 도시된 바와 같이, 회전 날개(2)의 양단부는 1/4 원호(2c)와, 직사각형(2d)이 결합된 형태를 취하며, 상세하게는 회전 날개(2)의 내측은 1/4 원호 형상을 이루고, 회전 날개(2)의 외측은 직사각형 형상을 이루게 된다. 회전 날개(2)의 양단부에 직사각형(2d) 형상으로 표시되는 외부 부분은 회전 날개의 고정을 위해 접착면이 형성되는 부분이다.
또한, 회전 날개를(2) 그 회전 영역의 접선 방향에 위치하도록 설치함으로써, 회전력의 동력은 바람의 흐름으로 생기는 양력과 항력의 합력이 될 수 있다. 이렇게 함으로써 회전 날개(2)의 외주속도는 풍속이상이 되기 힘들기 때문에, 진동 및 저주파 소음을 발생시키지 않는다. 또한, 자기기동력이 발생하므로, 기동시에 보조전원을 이용해 초속을 가할 필요가 없으며, 나아가 큰 회전력을 가지는 효과를 얻을 수 있다.
도 6a 내지 도 6f는 도 1의 수직축 풍력발전장치의 회전 날개의 대표적 위치와 바람의 흐름을 도시한 도면이다. 이 중, 도 6a, 도 6b 및 도 6c는 바람의 흐름을 받아 회전하는 회전 날개의 위치단이 이동 변화하는 형태도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같은 상태에서 양력(L)과 항력(F)은,
양력(L)=양력계수×(바람 밀도÷2)×원호의 외측 표면적×풍속의 제곱
항력(F)=항력계수×(바람 밀도÷2)×원호의 외측 표면적×풍속의 제곱
이므로, 회전력은 양력(L)의 접선 방향 분력과 항력(F)의 접선 방향 분력의 합력이 된다.
한편, 도 6b에 도시된 바와 같은 상태에서는, 바람의 흐름으로 발생하는 풍압을 회전 날개 원호의 내측으로 받아, 회전 날개를 정회전(우회전)시키는 방향으로 항력(F)이 작용한다. 여기서 항력(F)은,
항력(F)=항력계수×바람 밀도×원호내면적×풍속의 삼승(1-cos 유로변경각(G))
이 된다.
한편, 도 6c에 도시된 바와 같은 상태에서는, 바람의 흐름으로 발생하는 풍압을 회전 날개 원호의 외측으로 받아, 회전 날개를 역회전(좌회전)시키는 방향으로 항력(F)이 작용한다. 여기서 항력(F)은,
항력(F)=항력계수×바람 밀도×원호내면적×풍속의 삼승(1-cos 유로변경각(G))
이 된다. 그러므로 회전 날개가 어떠한 위치 있더라도 양력과 항력의 분력의 합계는 정회전(우회전) 방향으로 작용하게 되는 것이다.
도 6d, 도 6e 및 도 6f는 바람의 흐름에 의해 발생하는 양력과 항력의 상태를 나타내는 단면도이다. 도 6d, 도 6e 및 도 6f에 도시된 바와 같이, 회전 날개(2)가 바람에 대하여 어느 각도에 있더라도, 각각의 회전 날개(2)에서 발생하는 양력과 항력에 의하여 회전 날개(2)는 계속 회전하게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명에 의하여, 전방위로부터의 바람을 회전 날개로 받을 수 있고 자기기동능력을 갖춘 수직축 풍력발전장치를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명에 의해서 저비용으로 설치가 가능하고 주택지, 상업지, 도서, 공원, 빌딩옥상 및 자동차 위 등 좁은 공간에 설치 가능한 수직축 풍력발전장치를 구현할 수 있다. 나아가, 본 발명에 의한 수직축 풍력발전장치에 의하여 화석연료를 절약할 수 있고, 탄산가스방출 및 지구온난화를 억제할 수 있으며, 천재발생 등 긴급 시의 전원 또는 태양광발전설치의 보조전원으로 사용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1...상부허브 2...회전 날개
3...하부허브 4...V 벨트풀리
5...발전기 6...V 벨트
7...배선 8...선반받침
9...지주 10...좌판
11...캡 너트 12...상부 빗물 커버
13...하부 빗물 커버 14...회전부 방수 커버
15...브래킷 16...고정나사
17...설치나사 18...상부 베어링
19...고정볼트 20...회전축
21...방수 커버 22...제1 하부 베어링
23...제2 하부 베어링

Claims (9)

  1. 회전축(20);
    상기 회전축에 삽입되며 소정의 곡률을 갖도록 형성되는 복수 개의 회전 날개(2)들;
    상기 회전 날개(2)들과 결합하여, 상기 회전 날개(2)들과 함께 회전하는 V-벨트풀리(4);
    상기 V-벨트풀리(4)와 V-벨트(6)를 통해 연결되어, 상기 회전 날개(2) 및 상기 V-벨트풀리(4)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하는 발전기(5)를 포함하는 수직축 풍력발전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 회전 날개(2)는 반원형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 회전 날개(2)의 중심부의 상기 회전축(20)에 수직인 방향으로의 단면은 반원형인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반원형 단면의 중심에는 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 회전 날개(2)의 양단부의 상기 회전축(20)에 수직인 방향으로의 단면의 일 측은 1/4 원호 형상이고, 타 측은 직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 1/4 원호 형상의 단면과 상기 직사각형 형상의 단면 사이에는 돌기가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 회전 날개(2)들의 양단부를 상기 회전축(20)에 고정하는 상부허브(1) 및 하부허브(3)를 더 포함하는 수직축 풍력발전장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 회전 날개(2)들과 상기 회전축(20) 사이에는 복수 개의 베어링(18)(23)이 개재되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 날개(2)를 지나는 바람의 흐름으로 생성되는 양력과 항력의 합력에 의해서 상기 회전 날개(2)가 회전하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전장치.
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