KR20120021992A - 다수의 진직 수직축 날개들을 사용하는 휴대용 수직축 풍력발전기 - Google Patents

다수의 진직 수직축 날개들을 사용하는 휴대용 수직축 풍력발전기 Download PDF

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박광현
정해옥
임선희
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권영구
이성현
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Abstract

본 발명은 바람의흐름(the flow of wind)을 산란없이 유지?유도하여 풍력(wind energy)을 최대한 활용하는 방법들에 의해 필요한 충분한 양의 전기를 생산할 수 있는, 내구성이 뛰어나고, 안전하며, 효율성이 높은 휴대용 수직축 풍력발전기(portable VAWT)의 발명에 관한것이며, 본 발명에서는 다수개의 수직축날개들과 회전동력들을 연결하는 톱니바퀴들을 내장한 용기내에 공간분리판을 새롭게 설치함으로서, 바람의 흐름을 산란없이 유지?유도하는 기능이 보다 개선된 모듈형태의 용기(case), 수직축 풍력발전기에 유입되는 바람의 양을 수동으로 조절할수 있는 탈?부착가능한 후드(hood), 바람흐름의 변화에 민감하게 반응하며 역시 탈?부착이 가능한 수직, 수평방향타, 용기내에 내장된 과회전하는 수직축날개들(vertical-axis wind blades)의 회전동력이나 바람터빈축의 과회전을 자동으로 차단하는 자동회전속도제어용 톱니바퀴들을 채택하였다.

Description

다수의 진직 수직축 날개들을 사용하는 휴대용 수직축 풍력발전기{Portable vertical-axis wind turbine using a multitude of straight-bladed vertical-axis wind blades}
본 발명은 풍력(wind energy)을 이용하는 발전(electrical power generation)분야에 속하며, 1개의 바람터빈 축(axis of wind turbine)에 다수개의 진직 수직축 날개들(straight-bladed vertical-axis wind blades)의 회전동력들을 합성하여 연결함으로써 발전효율이 높고, 쉽게 휴대 가능한 소형의 휴대용 수직축 풍력발전기(straight-bladed vertical-axis wind turbine ; straight-bladed VAWT)의 설계와 제작에 관한 것이다.
우리나라의 대관령이나 제주도 해안가에 설치된 프로펠러형태(Propeller-type)의 날개를 갖는 수평축 풍력발전기들(horizontal-axis wind turbines ; HAWTs)에서는 수평축날개(horizontal-axis wind blade)의 회전에 의해 나타나는 바람의 흐름(The flow of wind)이 산란되는 현상 때문에 촘촘히 밀집되게 설치할 수 없는 단점이 있고 따라서 넓은 설치면적을 필요로 한다.
반면에 수직축 날개를 사용하는 수직축 풍력발전기에서는 바람의 산란현상이 없을 뿐만 아니라, 비특허문헌1에서 연구발표한대로 주도면밀하게 촘촘히 배열하여 설치했을 경우에는 각 날개들의 회전은 서로의 상호작용에 의해 더 활발해 지므로 훨씬 작은 설치 면적을 필요로 할 뿐이다(도1과 도2참조).
비특허문헌1에서 설치면적에 관하여 연구 발표한 내용을 요약하여 기술하자면, 이 연구논문에서는 컴퓨터모델(computer model)에 의해 같은 면적당, 즉 에이커 당 바람터빈의 설치 갯수(power-to-acre)에 관한 모의실험(simulation)을 통해서 수평축 바람터빈(HAWT)의 설치 개수보다, 수직축 바람터빈(VAWT)의 설치갯수를 100배정도 더 많이 할 수 있다는 계산결과를 제시하였고, “잘 배열된 수직축날개들(vertical-axis wind blades)사이를 통과하는 바람의 흐름은 산란되지 않으며, 무리지어 헤엄치는 물고기들처럼 오히려 정현적인 경로나 경주(sinusoidal path and race)를 형성하여 각 날개들은, 서로의 회전에 도움을 준다.”는 연구내용도 함께 발표하였다. 또한 출원 중(2010년 5월 7일에 출원)인 특허문헌1에서는, 낮은 풍속 조건하에서도 1개의 바람터빈축을 회전시키는데, 충분한 회전동력을 얻기 위해서, 필요한 개수 만큼인 여러 개의 수직축 날개들을 주도면밀하게 배열하고, 이렇게 배열된 날개들, 각각의 회전동력들을 결합(합성)한 후, 1개의 바람터빈축에 연결하는 방법과 더불어서, 수직축 날개들 사이로 통과하는 바람의 흐름을 정현적 경주를 하도록 유도 유지하며, 유체의 에너지 보존법칙인 베르누이의 원리(Bernoulli's principle)를 적용시킨, 안전하게 휴대 가능한 모듈(module)형태의 용기(case)를 설계하는 방법을 제시하였고, 이와 같은 방법들로 이동성이 뛰어난 휴대용 수직축 풍력발전기의 설계?제작할 수 있다는 것도 제시하고 있다.
출원번호 10-2010-0043002(박광현 외 1명) 2010.05.07
Robert Whittlesey and John Dabir ,"Fish Schooling as a basis for wind farm design", 62nd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics(Minneapolis, Minnesota), Vol54, No19, Nov.22~24, 2009. Daniel Bernoulli;, "Bernoulli's principle",1738. Albert Betz, "Wind Energy and its use by Windmills".1926.
본 발명은 바람의 흐름을 유지 유도하는 기능이 보다 우수한 모듈 형태의 개량된 용기(case)에 세밀하게 배열되어 내장된, H막대형태(H-bar type)의 수직날들(straight vertical blades)을 사용한 진직 수직축 날개들(이들 수직축 날개들, 각각은 도3과 4와 같이 필요한 개수만큼의 수직 날로 구성한다.)사이를 통과하는, 정현적인 바람의 흐름(sinusoidal flow of wind)을 최대한 활용하기 위해서, 배열된 수직축 날개들, 각각을 정해진 방향으로 회전시키고, 그렇게 발생한 회전동력들을 모두 합성하여 1개의 바람터빈 축 톱니바퀴(axis gear of wind turbine)에 연결함으로서, 안전성이 뛰어나고 효율성은 높으며, 도5와 같은 휴대용 수직축 풍력발전기(Portable Vertical-axis wind turbine; portable VAWT)의 설계와 제작에 관한 것이다.
본 발명은, 예로보인 도6과 도7과 같이, 2개나 3개(혹은 그 이상의 필요한 개수만큼)의 수직축 날개들이 배열된 용기내부를 통과하는 바람의 흐름을 정현적으로 유지 유도하기 위해서, 도3과 도8과 같이 정해진 한 방향으로만 회전하게 되는 수직 날들을 장착한 진직 다리우스날개형태(혹은H-bar형태)의 수직축 날개들을 설계 제작하여 주도면밀하게 배치하였고, 각각의 수직축 날개들의 회전방향은 도6의 ⑦,⑧과 도7의 ⑦,⑧,⑨처럼 정해진 한 방향으로만 회전하도록 설계?제작 하였으며, 도5, 14, 15의 ⓛ과 같은 수직축 날개들의 회전공간과 톱니바퀴들의 회전공간을 분리하는 공간분리판을 설치하였다. 또한 도9의 ①과 같은 베르누이의 원리(Bernoulli's principle)의 효과를 상승시키며, 바람의 양을 수동으로 조절할 수 있는 부착과 탈착이 가능한 후드(hood)의 설계 제작과 더불어서, 도9의 ②와 같이 바람흐름의 변화에 쉽게 감응하는, 역시 탈착 부착도 가능한 수직?수평 방향타를 설계 및 제작한 것이 특징이다.
모듈형태의 용기 내에 발전용량에 필요한 만큼 여러 개의 수직축 날개들을 모두 함께 내장하므로, 안전성과 견고성이 뛰어나며, 배열된 모든 날개들의 회전동력들을, 저가이며 단순한 구조의 톱니바퀴(gear)만을 사용하여 합성하고 연결하므로 효율적이고 내구성이 탁월하다. 따라서 단순하여 내구성이 좋고 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라 바람의 흐름, 즉 풍력을 최대한으로 이용하도록 기능을 개선한 용기와 더불어, 바람흐름의 양을 수동으로 조절 할 수 있는 탈착과 부착이 가능한 후드와 바람의 변화에 민감하게 감응하는 수직?수평 방향타들은 기능적 측면에서 서로 상승효과를 일으키고, 후드와 더불어 자동제어용 톱니바퀴까지 사용한다면 수동?자동제어기능이 탁월한 효율성이 높고 실용적인 휴대용 수직축 풍력 발전기를 제작할 수 있다.
도 1은, 수직축 날개를 사용한 수직축터빈들(VAWTs)을 배열하여 바람농장 혹은 정원(wind farm or garden)의 실제구현을 보여주는 사진. CIT(California Institude of Technology)에서 제공했으며, 우리나라의 조선일보에서 2009년 12월 3일 신문에 소개한 사진.
도 2는, 도1의 사진을 위쪽에서 본 단면도이며, 이 도2의 (a)와 (b)에서 바람의 방향이 바뀜에 따라, 무방향성 진직 다리우스날개 형태인 수직축날개들의 회전방향이 바뀌는 것을 알 수 있고, 수직축 날개들의 회전방향에 상관없이, 수직축 바람터빈들 사이로 통과하는 바람의 흐름은, 산란없이 원형경주(circle race)를 하거나 정현적인경로(sinusoidal path)를 형성한다는 것을 개념적으로 보이는 도면.
도 3은, 두개의 수직날들(straight vertical blades)을 갖는 수직축날개와 날개에서 발생하는 시계방향(왼쪽에서 오른쪽방향)의 회전동력을 “방향전환과 합성을 위한 톱니바퀴(도6의 ③이나 도7의③, ④)”에 전달하기 위하여, 이 날개의 회전반경과 크기가 비슷한 톱니바퀴 위에 날개를 설치한 것을 한 예로 보이는 도면, 이 도3의 ③은 날개를 지지하는 축(axis)이고, 수직축날개의 윗부분과 톱니바퀴⑤에 있는 ①과②는 날개와 톱니바퀴에 부착된 베어링(bearing)으로서, 지지축과의 마찰을 최소화 시켜준다.
도 4는, 2개, 3개, 4개의 수직날들을 갖는 수직축 날개들을 위에서 본 단면도 이며 수직축 날개들, 각각의 회전방향도 함께보여 주는데, 이 날개들의 회전방향은 도10, 도11, 도12의 이론에 의해서 결정된다.
도 5는, 4개의 수직날을 사용하여, 각기 다른 크기로 설계?제작한 2개의 수직축날개를 용기에 내장한 본 발명의 휴대용 수직축 풍력발전기의 조감도이다. 2개의 수직축 날개들을 설치한 공간과 수직축날개들에서 발생하는 회전동력들을 연결하고 합성하는 톱니바퀴들이 설치된 공간을 번호①로 표시한 공간분리판에 의해 분리되어 있는 것도 파악할 수 있게 하는 3차원(3-dimensional)적인 도면. 이렇게 두 공간으로 분리하는 중간의 공간분리판에① 의해, 공간분리판의 위쪽에 설치한 수직축날개들의 회전공간을 통과하는 정현적인 바람의 흐름은, 중간분리판 아래쪽에 설치된 톱니바퀴들의 회전으로 어떠한 영향도 받지않는다. 이와같은 공간분리판은 도14의 ①과 도15의 ①에 의해서도 확연하게 살펴볼 수 있다.
도 6은, 도5에 보인 휴대용 수직축 풍력발전기를 위에서 본 단면도 이며, 바람의 통로를 정현적인 경로로 유지하면서, 수직축날개①의 회전방향은 시계방향⑦이고, 수직축날개④의 회전방향은 반시계방향⑧임을 알수있게 해주는 도면. 방향전환과 연결용 톱니바퀴③에 의해 수직축날개④의 회전동력을 수직축날개①의 회전동력과 함께 바람터빈 축 톱니바퀴(gear)②에 의해 비대칭으로 연결하는 것을 살펴볼 수 있다.
도 7은, 3개의 수직축날개들과 이 수직축 날개들의 회전동력을 방향 전환하여 결합시키는 2개의 톱니바퀴를 사용한 휴대용 수직축 풍력발전기를 위에서 본 단면도. 이 도면을 통해서도 바람흐름의 경로나 바람터빈 축 톱니바퀴②에 3개의 수직축 날개들의 합성회전동력이 연결되는 것을 살펴볼 수 있다.
도 8은, 도3과 마찬가지로 도10, 도11, 도12의 원리에 의해서 시계방향으로 회전동력을 발생시키는 4개의 수직 날들을 갖는 수직축 날개를 예로 보이는 도면.
도 9는, 도9의 ①에서 휴대용 수직축 풍력발전기의 바람 입구 측에 도16, 도17처럼 탈착과 부착이 가능하며, 좌우측 판(도16의 ③과④)을 움직여 입구의 면적을 조절할 수 있는 후드(hood)의 조감도를 보였고, 도9의 ②도 역시 도16, 도17에서도 살펴볼 수 있는 것처럼 휴대용 수직축 풍력발전기의 바람 출구쪽에 탈부착 시킬 수 있는 바람의 흐름이나 방향변화를 추적하는 수직수평방향타의 조감도.
도 10은, 방향성을 갖는 두 수직날들의 위에서 본 단면도이며, 그림의 위쪽에서 불어오는 바람의 흐름을 보여주는 도면. 이 도면에서
Figure pat00001
는 수직날들이 맞불어오는 바람에 의해 받는 힘으로 비행기날개의 항력(drag force)에 해당하는 순방향항력(forward force)이며
Figure pat00002
는 역방향항력(backward force)으로 날개의 양력(lift force)에 해당한다.
도 11은, 2개의 수직날들을 갖는 수직축날개(a)와 3개의 수직축날개(b)를 위쪽에서 본 단면도. 도면의 위쪽에서 불어오는 바람의 흐름에 의해 도11의(a)는
Figure pat00003
>
Figure pat00004
가 되므로, 시계방향(왼쪽에서 오른쪽방향)으로 회전하며, 도11의(b)는
Figure pat00005
>
Figure pat00006
가 되어 반시계방향(오른쪽에서 왼쪽방향)으로 회전방향을 갖게 된다.
도 12는, 도11에서 보인 (a)와 (b)와 같은 개수의 수직날들을 갖는 수직축 날개에서 발생하는, 바람의 흐름에 대한 순방향항력(
Figure pat00007
), 역방향항력(
Figure pat00008
), 그리고 회전운동량(rotation velocity momentum)
Figure pat00009
에 대하여 기학학적으로 관찰할 수 있는 벡터도(vector diagram)이다. 시계방향으로 회전하는 도11의 (a)에 보인 수직날 2개인 수직축날개의 경우, 회전운동량
Figure pat00010
은 왼쪽에서 오른쪽으로 향하고 있으며, 반시계 방향으로 회전하는 도11의 (b)에 보인 수직날 3개인 수직축날개의 경우, 회전운동량
Figure pat00011
은 오른쪽에서 왼쪽으로 향하고 있다. 수직날의 개수에 따라 회전 운동량
Figure pat00012
의 크기에도 차이가 있음을 벡터도에 의해 정량적으로 파악할 수 있는 도면.
도 13은, 도7에 보인 용기16에 있는 좌?우측 바람유도형태 벽의 곡면17에서 발생하는 바람의 흐름을 기하학적인 개념으로 뚜렷이 보이기 위하여, 두개의 수직날을 사용한 수직축날개와 용기의 벽을 위쪽에서 본 단면도. 이 도면의 경우 수직날②에서 발생하는 순방향항력(
Figure pat00013
)에 의해 시계방향(왼쪽에서 오른쪽으로)으로 수직축날개는 회전한다.
도 14는, 도5의 앞측(휴대용 수직축 발전기의 입구 쪽을 봤을때 오른쪽측면)을 제거하여 2개의 수직축 날개들이 설치된 공간과 수직축 날개들에서 발생하는 회전동력들을 연결하고 합성하는 톱니바퀴들 설치된 공간을 분리하는 중간분리판①과 함께 본 발명에 사용하는 바람터빈과 바람터빈축 톱니바퀴의 설치를 보다 명확하게 보여주는, 우측 측면도에 가까운 3차원(3-Dimensional)적인 도면.
도 15는, 도5의 3차원적인 우측 측면도. 2개의 수직축 날개들의 회전동력들을 전달하기위한 도6의 ①과 ④에 해당하는 2개의 톱니바퀴들과 도6의 ③에 해당하는 한개의 방향전환과 연결(합성)용 톱니바퀴, 그리고 도6의 ②에 해당하는 바람터빈 축 톱니바퀴를 공간분리판①의 아래쪽, 또는 맨아래 설치한 바람터빈(wind turbine)의 위쪽에서 확인 할 수 있게 해주는 도면.
도 16은, 휴대용 수직축 발전기의 입구쪽에 탈착과 부착이 가능하며, 베르누이의 원리(Bernoulli's principle)를 적용하고, 좌?우측면(③과④)을 임의로 움직여(도16의 경우는 입구에서 바라보았을 때, 좌측면④을 움직였음), 입구면적의 크기를 조절할 수 있는, 즉 유입되는 바람의 양을 수동으로 조절할 수 있는 도9의 ①과 같은 후드(hood)와 함께 휴대용 수직축 발전기의 출구쪽에는 역시 탈?부착이 가능하며 바람의 흐름과 변화를 민감하게 감지하고 추적하여, 항상 바람이 불어오는 방향으로 휴대용 수직축 발전기의 입구쪽을 향하게 하는 도9의 ②와 같은 수직수평 방향타를 보이는 도면.
도 17은, 도9의 ①과 도16에 보인것과는 다르게, 후드의 좌측면(도16의④)이 열리지 않고 닫힌, 즉 최대 크기의 입구를 보이는 후드를 수직?수평 방향타와 함께 본 발명의 휴대용 수직축 풍력발전기에 부착한 것을 보이는 도면.
도 18의, (a)는 분당회전(Rotation Per Minute;RPM)속도가 일정한 속도 이상이면서 ③의 회전방향(시계방향)으로 회전하면 지지축(도19의◎)에 따라 상승하는 자동회전속도제어용 톱니바퀴의 조감도이다. 상승하는 힘은 이 톱니바퀴의 도면(a)에 있는, 축이 관통하는 구멍④와 톱니링(saw-tooth ring)⑤를 연결하는 비행날개 형태의 두 지지대의 단면들, 즉 ①과 ②에서 나타나는 양력(lift force)에 의해 발생한다. 도18의 도면(b)와 (c)는 비행날개의 단면형태인 두지지대의 단면를 보이는 도면들이고, 도면(d)는 도면(a)의 측면도이다.
도 19는, 도18의(a)에 보인 일정 분당회전수(혹은 속도)이상이 될 때 상승하는 자동회전속도제어용톱니바퀴③를, 도6의 방향전환이나 연결용 톱니바퀴③의 대신에 사용한 것을 예로보인 측면도. 도19의 (a)에서는 도6의 톱니바퀴③ 대신에 사용한 자동회전속도제어용톱니바퀴③의 분당회전속도가 임계상승속도나 일정속도 이하인 경우를 보였으며, 도19의 (b)는 분당회전속도가 임계상승속도나 일정속도 이상이 되면, 자동회전속도제어용톱니바퀴③의 양측지지대에서 양력이 발생하여 지지축◎을 중심으로 상승하는 것을 보이는 도면. 이와 같이 도18에 보인 형태와 기능을 갖는 톱니바퀴는 강한 풍력에 의해 수직축 날개의 분당회전속도가 일정속도 이상이 되면, 상승하여 터빈바람 축 톱니바퀴에 연결되는 수직축 날개의 회전동력을 자동으로 차단할 수 있다.
도 20은, 본 발명에 바람터빈의 용도로 사용할 수 있는, 시판중인 Minebea-Matsushita Motor Corporation사의 다양한 모델중 하나인 MDN4RA3ETA의 외형(outline), 사양(specification), 그리고 특성(characteristics)을 보이는 도면.
도 21,의 (a)는 두 개의 수직축날개를 갖는 휴대용 수직축 풍력발전기의 실제 제작사진(용적 크기 약 0.001
Figure pat00014
). (b)는 세 개의 수직축날개를 갖는 휴대용 수직축 풍력발전기의 실제 제작사진(용적크기 약 0.0015
Figure pat00015
).
본 발명을 첨부된 도면들을 참고하여, 청구항들의 순서에따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
첫 번째 청구항에 관한설명으로 도6과 도7을 중점적으로 활용하여 설명한다.
도6과 도7은 정현적인 바람의 흐름을 유도유지하기 위해서, 각각 2개와 3개의 수직축날개들(vertical-axis wind blades)을 주도면밀하게 배치한 용기를 위에서 본 단면도들이다. 이 도면들에 사용한 수직축날개들은, 도3이나 도8과같이 날개의 회전동력을 바람터빈축 톱니바퀴나 방향전환과 연결용 톱니바퀴에 전달하기 위하여 날개들의 회전반경과 크기가 비슷한 톱니바퀴위에 부착하였고, 이 수직축날개들은 도10, 도11, 도12와 같은 이론에 의해 도4와 같은 회전방향을 갖게 된다. 따라서 도6의 용기⑪내에는 진직 다리우스날개 형태의 4개의 방향성 수직날들을 사용하여 설계한 2개의 수직축 날개들(①과 ④)이 있고, 수직축 날개④의 회전동력의 방향⑧을 반대로 전환시켜, 바람터빈 축 톱니바퀴(wind turbine-axis gear)②에 연결하는 톱니바퀴③가 있다. 수직축 풍력발전기의 입구 쪽으로부터 첫 번째에 위치한 수직축날개①는 도8에서 보인 수직축날개와 같은 형태로서 4개의 방향성 수직날과 이 수직날들에 의해 발생한 시계방향의 회전동력을 톱니기어②에 전달하기 위한 톱니바퀴(도8의⑤)로 구성되어 있으며, 시계방향의 회전방향은 도12에 보인 벡터도(도12의(a))에 의해서도 파악할 수 있다 (회전동력의 크기는 설계된 수직날들의 크기, 모양, 무게와 더불어서 이 수직날들을 사용한 수직축날개의 회전반경, 크기, 무게에 따라 달라진다).

Claims (5)

  1. 도5, 도6, 도7에서 보인것과 같은 바람의 흐름을 유지, 유도하는 용기(출원중인 특허문헌1의 [청구항2])에 내장되는, 도3, 도4, 도8, 도10, 도11들에 보인 기능과 형태를 갖는 다수개의 배열된 수직축 날개들의 회전하는 공간과 도3의⑤, 도8의⑤와 같이 수직축날개들의 아래부분에 부착된 톱니바퀴들과 방향전환과 연결용 톱니바퀴, 그리고 바람터빈축 톱니바퀴, 이와 같은 세 종류의 톱니바퀴 들이 회전하는 공간사이를 분리하기 위하여, 도5의①, 도14의①, 도15의①과 같이 톱니바퀴들의 회전 공간, 바로위에 설치하는 공간분리판과 이와같은 공간분리판을 설치하여, 바람의 흐름을 유지?유도하는 기능을 개선시킨, 수
    Figure pat00016
    ~0.5
    Figure pat00017
    까지의 용적크기를 갖는 용기(case).
  2. 도9의①과 같은 바람이 유입되는 입구면적의 크기를 수동으로 조절할 수 있고, 도16이나 도17같이 휴대용 수직축 풍력 발전기의 바람입구에 쉽게 부착 또는 탈착 할 수 있는 후드(hood).
  3. 도9의② 와 같은 비행기 꼬리날개 형태로, 도16, 도17과 같이 휴대용 수직축 풍력 발전기의 뒷부분(바람 출구부분)에 쉽게 부착 또는 탈착할 수 있으며, 바람의 흐름이나 방향변화를 감지하고 추적하여, 후드의 입구나 휴대용 수직축 풍력 발전기의 입구를 바람이 불어오는 방향으로 항상 향하게 하는 기능을 가진 수직?수평방향타.
  4. 수직축날개들의 회전동력을 자동으로 차단하거나 바람터빈축 톱니바퀴(gear of wind turbine-axis)의 과회전을 자동으로 조절할수있는, 도18, 도19와 같은 모양과 기능을 갖는 자동회전속도제어용 톱니바퀴.
  5. [청구항1]?[청구항4]사이의 청구항들 중에서 어느 한가지 청구항이라도 채택하여 제작된 수
    Figure pat00018
    ~0.5
    Figure pat00019
    까지의 용적크기의 모듈형 용기를 갖는 휴대용 수직축 풍력 발전기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101476552B1 (ko) * 2013-08-27 2014-12-24 이성호 밀집형 더블휀식 소형 풍력 발전기

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