KR20110113325A - 수직형 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력에 의해 블레이드(blade)가 회전하면서 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로, 어느 방향에서 바람이 불던지 내부에 회전 가능하게 설치된 블레이드를 향해 바람이 유입되도록 하여 유입된 바람이 블레이드에 부딪혀 상승하는 기류에 의해 블레이드가 빠른 속도로 회전하면서 전기를 생산할 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 구조물(37)에 고정 설치되는 발전기(36)와, 상기 발전기(36)의 상부에 고정 설치되는 하판(31)과, 상기 하판(31)에 일단이 회전 가능하게 지지되고 상부는 상판(32)에 지지된 회전축(35)과, 상기 상, 하판(31)(32)의 사이에 중심부를 향해 공기 유입구(38)가 형성되도록 고정 설치된 복수 개의 가이드판(33)과, 상기 회전축(35)에 고정되어 가이드판(33)에 부딪힌 바람이 공기 유입구(38)를 통해 유입됨에 따라 회전하면서 상승기류를 형성하도록 상측으로 갈수록 뒤틀린 형태를 갖는 블레이드(34)로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

수직형 풍력발전기 {Vertical wind power generator}

본 발명은 풍력에 의해 블레이드(blade)가 회전하면서 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로써, 좀더 구체적으로는 어느 방향에서 바람이 불던지 내부에 회전 가능하게 설치된 블레이드를 향해 바람이 유입되도록 하여 유입된 바람이 블레이드에 부딪혀 상승하는 기류에 의해 블레이드가 빠른 속도로 회전하면서 전기를 생산하는 수직형 풍력발전기(Vertical Axis Wind Turbine Generator System)에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전(風力發電)이란 공기의 유동이 가지는 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(rotor)를 회전시킴으로써 기계적 에너지로 변환시켜 전력을 얻는 기술로서, 풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 대별된다.

보통, 수 메가와트(MW) 단위의 대용량으로 발전하는 풍력발전기는 수평형으로 바람이 비교적 세게 부는 산의 정상부근 또는 바닷가 등에 설치되고 있는데, 그 설치높이는 용량에 따라 70 ~ 90m 정도로 높고, 회전날개의 길이 또한 약 40m 이상으로 설계되고 있다.

도 1은 종래의 수평형 풍력발전기를 일부 생략하여 나타낸 사시도로써, 풍력발전기(10)는 지면에 수직으로 세워져 적정 높이를 갖는 지지기둥(11)과, 상기 지지기둥(11)의 상부에 회전 가능하게 결합된 발전기 몸체(12)와, 상기 발전기 몸체(12)의 전면에 구비되는 회전자(rotor)로 구성되는데, 상기 회전자(rotor)는 바람에 의해 회전하는 회전날개(13)와, 상기 회전날개(13)의 구동에 의한 운동에너지를 전달하는 회전축(14)으로 구성되어 있다.

그리고 상기 발전기 몸체(12)의 내부에는 상기 회전날개(13)의 회전에 의해 전달되는 회전력에 의해 회전하면서 발전하는 코일 및 자석(도시는 생략함) 중 어느 하나가 고정되어 있어 나머지 하나는 회전날개(13)에 고정되어 있어 회전날개에서 제공되는 회전력에 의해 회전함에 따라 발전을 하게 된다.

그러나 이러한 수평형은 불어오는 바람의 방향이 자주 변화하는 우리나라와 같은 환경에서는 발전효율이 떨어져 근래에는 수직형 풍력발전기의 연구 개발이 더욱 활발히 이루어지고 있는 실정이다.

도 2는 종래의 수직형 풍력발전기의 구조를 나타낸 사시도이고 도 3은 도 2의 종단면도로써, 철 구조물(30)의 상부에 회전 가능하게 설치되는 회전축(21)에는 수직형 블레이드(22)가 복수 개의 지지간(23)에 의해 고정 설치되어 있고 상기 수직형 블레이드(22)의 하단에는 수직형 블레이드(22)에 의해 회전축(21)이 회전함에 따라 발전을 하는 발전기(24)가 구비되어 있다.

상기 수직형 블레이드(22)는 상, 하부 링(25a)(25b)과, 상기 상, 하부 링의 사이에 수직으로 고정 설치된 복수 개의 베인(26)으로 구성되어 있다.

그리고 발전기(24)는 회전축(21)에 고정되어 함께 회전하는 자석(27)과, 철 구조물(30)에 설치된 하우징(28)에 고정되는 코일(29)로 이루어져 있다.

따라서 바람에 의해 수직형 블레이드(22)가 회전하여 발생된 토오크(torque)가 회전축(21)을 통해 발전기(24)에 전달되면, 즉 수직형 블레이드(22)의 회전으로 발생된 토오크가 회전축(21)에 고정된 자석(27)으로 전달되어 자석(27)이 회전하면 하우징(28)에 고정된 코일(29)에 의해 전기를 생성하게 되므로 발전이 이루어지게 된다.

그러나 이러한 종래의 수직형 풍력발전기는 다음과 같은 여러 가지 문제점이 있었다.

첫째, 수평방향으로 불어오는 바람에 의해서만 수직형 블레이드가 회전하면서 발전이 이루어지는 구조이어서 수평방향 이외의 바람이 손실되는 결과를 초래하므로 많은 발전을 하기 위해서는 수직형 블레이드의 크기가 비례하여 커질 수밖에 없다.

둘째, 전술한 바와 같은 원인으로 수직형 블레이드의 규모가 크므로 인해 적은 전력을 발전하여 사용하는 광고판, 가로등, 조명 탑 등의 용도로 사용할 수 없다.

셋째, 회전축에 수직형 블레이드가 복수 개의 지지간에 의해 고정 설치되어 있어 수평방향으로 불어오는 바람이 수직형 블레이드에 부딪힘에 따라 회전축을 중심으로 수직형 블레이드가 회전하게 되므로 풍량이 적은 우리나라의 실정에는 적합하지 않아 사용되지 못하고 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, 수직축 풍력발전기의 구조를 획기적으로 개선하여 바람이 불어오는 방향에 구애받지 않고 내부에 회전 가능하게 설치된 블레이드가 회전하면서 회전축을 통해 큰 토오크를 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상, 하판의 사이에 접선방향을 따라 설치된 가이드판에 바람이 안내되어 블레이드에 부딪힘에 따라 상승기류를 생성하여 상측으로 이동하면서 블레이드가 고정된 회전축을 빠르게 회전되도록 함으로써 바람의 세기가 약한 우리나라의 어느 지역에서든지 풍력을 이용하여 발전할 수 있도록 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 구조물에 고정 설치되는 발전기와, 상기 발전기의 상부에 고정 설치되는 하판과, 상기 하판에 일단이 회전 가능하게 지지되고 상부는 상판에 지지된 회전축과, 상기 상, 하판의 사이에 중심부를 향해 공기 유입구가 형성되도록 접선방향을 따라 설치된 복수 개의 가이드판과, 상기 회전축에 고정되어 가이드판에 부딪힌 바람이 공기 유입구를 통해 유입됨에 따라 회전하면서 상승기류를 형성하도록 상측으로 갈수록 뒤틀린 형태를 갖는 블레이드로 구성된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기가 제공된다.

본 발명은 종래의 수직형 풍력발전기에 비하여 다음과 같은 여러 가지 장점을 갖는다.

첫째, 어느 방향에서 바람이 불어오더라도 불어오는 바람을 가이드판이 블레이드 측으로 안내하도록 되어 있어 보다 많은 풍량을 얻을 수 있게 되므로 수직축 풍력발전기를 콤팩트(compact)화 할 수 있게 된다.

둘째, 불어 온 바람이 가이드판에 안내되어 블레이드에 부딪히면 블레이드가 상측으로 갈수록 뒤틀린 형태로 되어 있어 상승기류를 생성하면서 더욱 빠르게 이동하게 되므로 풍속이 느리더라도 블레이드를 고속 회전시킬 수 있게 된다.

따라서 풍속이 느리고 풍량이 적은 우리나라의 전역에 걸쳐 설치가 가능하다.

셋째, 그 구조의 간소화로 제작 및 설치는 물론이고 유지 보수가 용이하다.

넷째, 가로등의 상부에 설치하여 소량의 전력을 자체 생산할 수 있어 친환경적이다.

도 1은 종래의 수평형 풍력발전기를 일부 생략하여 나타낸 사시도
도 2는 종래의 수직형 풍력발전기의 구조를 나타낸 사시도
도 3은 도 2의 종단면도
도 4는 본 발명을 나타낸 사시도
도 5는 도 4의 종단면도
도 6은 본 발명의 요부인 블레이드의 사시도
도 7은 본 발명의 사용상태를 예시한 정면도

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 도 4 내지 도 7을 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명을 나타낸 사시도이고 도 5는 도 4의 종단면도이며 도 6은 본 발명의 요부인 블레이드의 사시도로써, 본 발명은 상, 하판(31)(32)의 내부에 접선방향을 따라 복수 개 설치되어 바람을 모으는 가이드판(33)의 내측에는 상부로 갈수록 뒤틀린 형태의 블레이드(34)를 설치하여 가이드판(33)에 의해 모아진 바람이 블레이드(34)에 부딪힘에 따라 상승기류를 형성하면서 더욱 빠르게 상승되도록 함으로써 속도가 느린 바람이 불더라도 회전축(35)을 빠르게 회전시켜 발전기(36)를 이용하여 전기를 생산할 수 있도록 하는데 특징이 있다.

즉, 구조물(37)에 고정 설치되는 발전기(36)의 상부에 하판(31)이 고정 설치되어 있고 상기 하판(31)과 상판(32)에는 회전축(35)이 회전 가능하게 지지되어 있으며 상기 회전축(35)에는 상부로 갈수록 뒤틀린 형태의 블레이드(34)가 고정되어 있어 상기 블레이드(34)가 회전함에 따라 발전기(36)에서 전기를 생산하도록 되어 있다.

상기 발전기(36)는 이미 널리 알려진 공지의 제품으로 이에 대한 구체적인 도시 및 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이러한 블레이드(34)의 두께가 날개 끝 부분으로 갈수록 얇게 형성되어 있는데, 이는 블레이드(34)의 중량을 최소화하면서도 블레이드에 부딪힌 바람이 상승기류에 의해 뒤틀린 형태를 따라 상승하면서 블레이드를 보다 빠르게 회전시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.

그리고 상, 하판(31)(32)의 사이에 중심부를 향해 공기 유입구(38)가 형성되도록 복수 개의 가이드판(33)이 고정 설치되어 있는데, 상기 상, 하판(31)(32) 사이에 고정 설치되는 복수 개의 가이드판(33)은 원형으로 이루어진 상, 하판(31)(32)의 접선방향을 따라 설치하는 것이 보다 바람직하다.

이는, 어느 방향에서 바람이 불어오더라도 가이드판(33)에 부딪힌 바람의 유속이 줄어들지 않도록 하면서 모아 공기 유입구(38)를 통해 그 내부로 용이하게 유입되도록 하기 위한 것이다.

이 때, 상기 가이드판(33)의 사이에 형성되는 공기 유입구(38)의 입구(a) 및 출구(b) 비율이 5 : 1 - 3 : 1의 범위로 설정하는 것이 바람직한데, 공기 유입구(38)의 입구(a) 및 출구(b) 비율이 5 : 1보다 크면 가이드판(33)에 부딪힌 바람의 유속이 줄어들게 되고, 반대로 공기 유입구(38)의 입구(a) 및 출구(b) 비율이 3 : 1보다 작으면 블레이드(34) 측으로 유입되는 바람의 양이 줄어들게 되므로 바람직하지 못하다.

이러한 본 발명의 수직축 풍력발전기는 하판(31)이 고정된 발전기(36)를 도 7에 나타낸 바와 같이 기존의 구조물(37)에 고정 설치함에 따라 발전기(36)에서 얻어진 전기를 이용하여 가로등(39)을 밝힐 수 있는 특징을 갖는다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 7과 같이 본 발명의 수직축 풍력발전기를 가로등(39)의 구조물(37)에 간단하게 설치함에 따라 원자로 또는 화석연료 등을 이용하지 않고도 불어오는 바람만을 이용하여 전력을 생산하여 거리를 밝힐 수 있게 되므로 그린에너지로써의 역할을 하게 된다.

도 7과 같이 구조물(37)의 상부에 위치되게 설치된 상태에서는 어느 방향에서든지 바람이 불어오면 불어온 바람은 상, 하판(31)(32)의 사이에 접선방향을 따라 방사 상으로 고정 설치된 가이드판(33)에 부딪혀 안내되어 공기 유입공(38)을 통해 블레이드(34)가 설치된 내부로 유입된다.

이와 같이 불어 온 바람이 가이드판(33)에 안내되어 내부에 설치된 블레이드(34)에 부딪히면 블레이드(34)가 고정된 회전축(35)이 회전하면서 발전기(36)에서 전기를 생산하게 되는데, 상기 블레이드(34)에 바람이 부딪히면 블레이드(34)는 상부로 갈수록 뒤틀린 형태를 취하고 있어 상승기류를 형성하면서 보다 빠르게 이동하게 되므로 결국 회전축(35)은 느린 바람이 불더라도 불어오는 바람의 속도보다 빠르게 회전하면서 발전기(36)에 의해 전기를 생산하게 되는 것이다.

상기 발전기(36)에 의해 전기를 생산하는 과정은 이미 널리 알려진 공지의 기술이므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 기술사상은 상기한 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양하게 변화하여 실시할 수 있음은 이해 가능한 것이다.

31 : 하판 32 : 상판
33 : 가이드판 34 : 블레이드
35 : 회전축 36 : 발전기
37 : 구조물 38 : 공기 유입구

Claims (5)

1. 구조물(37)에 고정 설치되는 발전기(36)와, 상기 발전기(36)의 상부에 고정 설치되는 하판(31)과, 상기 하판(31)에 일단이 회전 가능하게 지지되고 상부는 상판(32)에 지지된 회전축(35)과, 상기 상, 하판(31)(32)의 사이에 중심부를 향해 공기 유입구(38)가 형성되도록 고정 설치된 복수 개의 가이드판(33)과, 상기 회전축(35)에 고정되어 가이드판(33)에 부딪힌 바람이 공기 유입구(38)를 통해 유입됨에 따라 회전하면서 상승기류를 형성하도록 상측으로 갈수록 뒤틀린 형태를 갖는 블레이드(34)로 구성된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 상, 하판(31)(32) 사이에 복수 개의 가이드판(33)이 접선방향을 따라 고정 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 가이드판(33)의 사이에 형성되는 공기 유입구(38)의 입구(a) 및 출구(b) 비율이 5 : 1 - 3 : 1의 범위인 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 블레이드(34)의 두께가 날개 끝 부분으로 갈수록 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 하판(31)이 고정된 발전기(36)가 기존의 구조물(37)에 고정 설치된 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.

Images