KR20120033940A - Vertical axis wind power generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변암 블레이드를 구비하는 수직축 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a wind turbine, and more particularly, to a vertical shaft wind turbine including a variable arm blade.
풍력 발전 시스템은 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 장치로서, 지표면이나 지지 프레임에 대한 블레이드(Blade)의 회전축 설치 방향에 따라 수평축 풍력 발전 장치와 수직축 풍력 발전 장치로 구분되며, 수평축 풍력 발전 장치는 일명 프로펠러(Propeller)형 풍력 발전 장치라고도 한다.Wind power generation system is a device that generates electric power by using wind power, and it is divided into horizontal wind turbine and vertical wind turbine according to the installation direction of blades on the ground or support frame. Also known as propeller wind turbines.
수직축 풍력 발전 장치는 수평축 풍력 발전 장치와 달리 바람의 방향을 추종하는 요우잉(Yawing) 제어를 필요로 하지 않는 것이 가장 큰 특징이지만, 수평축 풍력 발전 장치에 비하여 에너지 변환 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점에도 불구하고, 소형 풍력 발전에 대한 요구가 양호한 풍속 분위기가 확보된 발전 단지가 아닌 산간의 주거지와 도심 주거지로 확대되면서 광활한 개활지나 해상의 수평 바람에 적합하도록 개발된 수평축 풍력 발전 장치의 효율 및 이용률을 기대하기 어려운 곳에 사용하기 위하여 최근 유럽 선진국으로부터 수직축 풍력 발전 장치에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.Unlike the horizontal axis wind turbine, the vertical axis wind turbine does not need yaw control to follow the direction of the wind, but has a disadvantage in that energy conversion efficiency is lower than that of the horizontal axis wind turbine. Despite these shortcomings, the efficiency of horizontal axis wind turbines developed to be suitable for wide open seas and horizontal horizontal winds as the demand for small wind power has been expanded to mountainous and urban dwellings, rather than power plants with a favorable wind speed atmosphere. In recent years, research and development on vertical axis wind turbines have been actively conducted by developed countries in Europe for use in places where it is difficult to expect utilization rates.
국내의 경우, 신 재생에너지설비의 보급 및 확대를 위한 최근의 정부의 적극적 정책 유도에 힘입어 소형 풍력 발전 시장은 도심으로 점차 확대되고 있는 추세이며, 이러한 배경에서 도심의 저풍속, 난방향성 풍속 분위기에서 효율을 증대시킬 수 있는 수직축 풍력 발전 장치의 활발한 연구 및 개발이 요구되고 있다.In Korea, the market for small wind power is gradually expanding into the city center due to the recent government's active policy for the expansion and expansion of renewable energy facilities. Active research and development of vertical axis wind turbines that can increase the efficiency is required.
수직축 풍력 발전 시스템은 풍속 대비 블레이드의 끝단속도비(TSR: Tip Speed Ratio)가 0.8 ~ 1.2 정도 범위의 항력형 저속 사보니우스형(Savonius type), TSR이 3 ~ 7 정도의 범위를 갖는 양력형 고속 다리우스형(Darrieus type)으로 구분될 수 있다. 다리우스형은 H형 자이로밀형(Gyromill type), 연곡나선형(Spiral type) 등으로 구분될 수 있다.Vertical axis wind power generation system has a low speed Savonius type with a tip speed ratio (TSR) of 0.8 to 1.2 in wind speed and a lift type high speed with a TSR range of 3 to 7 It can be divided into Darius type. The Darius type may be classified into an H type Gyromill type and a spiral type.
전술한 기존의 수직축 풍력 발전 장치들 대부분은 일정 속도 운전시나 정격 속도 운전시에 최적의 발전 효율과 이용률을 얻을 수 있도록 제조되므로 기동시나 풍속 분위기가 간헐적이거나 매우 균일하지 않은 환경에서는 좋은 발전 효율과 이용률을 얻을 수 없는 문제가 있다.
Most of the above-mentioned vertical shaft wind turbines are manufactured to obtain optimum power generation efficiency and utilization rate at constant speed operation or rated speed operation. Therefore, good power generation efficiency and utilization rate are used at the time of starting or in an environment where the wind speed is intermittent or not very uniform. There is a problem that can not be obtained.
본 발명의 목적은 초기 기동에서 높은 솔리디티(Solidity) 값을 필요로 하고 고속 회전에서 낮은 솔리디티 값을 필요로 하는 수직축 풍력 터빈의 일반적인 요구 조건이 충족되도록 블레이드 솔리디티(Blade Solidity) 값이 승속대별 풍속 분위기 특성에 따라 가변적으로 대응하는 구조를 갖는 수직축 풍력 발전 장치를 제공하는 데에 있다.
An object of the present invention is to increase the blade solidity value to meet the general requirements of vertical axis wind turbines which require high solidity values at initial start-up and low solidity values at high speeds. It is an object of the present invention to provide a vertical axis wind turbine generator having a structure that is variably corresponding to the characteristics of wind speeds.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 바람의 에너지를 받아 회전을 유도하는 블레이드; 블레이드에 일단이 고정되며 블레이드의 회전 반경을 형성하는 아암(Arm); 아암의 타단에 결합하는 회전축; 및 회전축의 일단에 결합하는 발전기를 포함하는 수직축 풍력 발전 장치가 제공된다. 여기서, 아암은 회전축에 그 타단이 결합하는 가변암몸체, 및 블레이드가 회전할 때 블레이드에 가해지는 원심력에 따라 가변암몸체의 일단에서 회전축의 방사 방향으로 그 길이가 축소 또는 연장하는 가변암을 구비한다.According to an aspect of the present invention to solve the technical problem, the blade to induce rotation by receiving the energy of the wind; An arm having one end fixed to the blade and forming a radius of rotation of the blade; A rotating shaft coupled to the other end of the arm; And a generator coupled to one end of the rotating shaft. Here, the arm has a variable arm body having the other end coupled to the rotating shaft, and a variable arm whose length is reduced or extended in the radial direction of the rotating shaft at one end of the variable arm body according to the centrifugal force applied to the blade when the blade rotates. do.
일 실시예에서, 가변암몸체와 가변암은 블레이드의 단위 시간당 회전수가 증가함에 따라 커지는 원심력에 의해 생성되는 블레이드의 외각으로 확산하려고 하는 힘에 대응하여 가변암몸체 내의 오일이 가변암에 결합된 피스톤의 유로를 통과하면서 일정 압력을 유지하는 유압장치를 포함한다.In one embodiment, the variable body and the variable arm are pistons in which the oil in the variable body is coupled to the variable arm in response to a force attempting to diffuse into the outer shell of the blade generated by the centrifugal force that increases as the revolutions per unit time of the blade increase. It includes a hydraulic device for maintaining a constant pressure while passing through the flow path.
가변암몸체 및 가변암은 블레이드로부터 중심축 방향으로 하향 구배를 구비하는 것이 바람직하다.The variable arm body and the variable arm preferably have a downward gradient from the blade toward the central axis.
가변암몸체는 회전축의 길이 방향에서 서로 일정 간격 이격되어 회전축의 양단부에 그 일단이 각각 결합하는 제1 가변암몸체 및 제2 가변암몸체를 구비할 수 있다.The variable female body may be provided with a first variable female body and a second variable female body, one end of which is respectively coupled to both ends of the rotating shaft spaced apart from each other in the longitudinal direction of the rotary shaft.
수직축 풍력 발전 장치는 제1 및 제2 가변암몸체의 타단부들을 연결하는 상하수직 프레임을 더 구비할 수 있다.The vertical axis wind turbine generator may further include a vertical frame for connecting the other ends of the first and second variable female bodies.
일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전 장치에 있어서, 제1 가변암몸체는 회전축을 중심으로 하여 방사 방향으로 연장하도록 설치되는 (N+1)개의 제1_0 내지 제1_N 가변암몸체들을 포함하고, 제2 가변암몸체는 회전축을 중심으로 하여 방사 방향으로 연장하도록 설치되는 (N+1)개의 복수의 제2_0 내지 제2_N 가변암몸체들을 포함할 수 있다. 여기서, N은 1 이상 8 이하의 자연수일 수 있다.In the vertical axis wind turbine according to an embodiment, the first variable female body includes (N + 1) 1_0 to 1_N variable female bodies installed to extend in the radial direction about the rotation axis, the second The variable female body may include (N + 1) a plurality of second_0 to second_N variable female bodies installed to extend in a radial direction about a rotation axis. Here, N may be a natural number of 1 or more and 8 or less.
일 실시예에서, 수직축 풍력 발전 장치는 복수의 제1_0 내지 제1_N 가변암몸체의 타단부들을 서로 연결하는 제1 수평 프레임, 및 복수의 제2_0 내지 제2_N 가변암몸체의 타단부들을 서로 연결하는 제2 수평 프레임을 더 구비한다.In one embodiment, the vertical axis wind power generation device is a first horizontal frame for connecting the other ends of the plurality of first_0 to 1_N variable female body with each other, and connecting the other ends of the plurality of second_0 to 2_N variable female body with each other It further comprises a second horizontal frame.
제1 수평 프레임 및 상기 제2 수평 프레임은 중심축을 중심으로 하는 링 형상을 각각 구비하는 것이 바람직하다.Preferably, the first horizontal frame and the second horizontal frame each have a ring shape centered on a central axis.
일 실시예에서, 수직축 풍력 발전 장치는 회전축의 타단에 결합하는 탑회전 베어링을 더 구비한다.In one embodiment, the vertical axis wind turbine is further provided with a top rotating bearing coupled to the other end of the rotary shaft.
일 실시예에서, 수직축 풍력 발전 장치는 탑회전 베어링과 가변암몸체의 타단부를 서로 연결하는 탑회전 프레임을 더 구비한다.In one embodiment, the vertical axis wind turbine is further provided with a top rotating frame for connecting the top rotating bearing and the other end of the variable arm body.
일 실시예에서, 수직축 풍력 발전 장치는 발전기와 회전축 사이에 결합하는 회전허브를 더 구비한다.
In one embodiment, the vertical axis wind turbine is further provided with a rotary hub coupled between the generator and the rotary shaft.
본 발명에 의하면, 수직축 풍력 터빈의 초기 기동시에 필요한 높은 솔리디티(Solidity) 값과 고속으로 회전시에 필요한 낮은 솔리디티 값의 요구 조건이 충족되도록 즉, 블레이드 솔리디티(Blade Solidity) 값이 승속대별 풍속 분위기 특성에 따라 가변적으로 대응하는 구조를 구비하도록 구성함으로써, 수직축 풍력 발전 장치의 발전 효율과 이용률을 크게 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the blade solidity value is increased by speed so that the requirements of the high solidity value required for initial start-up of the vertical axis wind turbine and the low solidity value required for high speed rotation are satisfied. By providing a structure that is variably corresponding to wind characteristics, the power generation efficiency and utilization rate of the vertical axis wind turbine generator can be greatly improved.
아울러, 산간이나 해안의 주거지나 도심 등과 같이 풍속 분위기가 매우 균일하지 않거나 간헐적인 환경에서도 우수한 발전 효율과 이용률을 얻을 수 있는 수직축 풍력 발전 장치를 제공할 수 있다.
In addition, it is possible to provide a vertical axis wind turbine generator that can obtain excellent power generation efficiency and utilization even in a very uneven or intermittent environment, such as mountainous or coastal residential or urban centers.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전 장치의 정면도이다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력 발전 장치의 정지시 또는 초기 기동시에 대한 사시도이다.
도 3은 도 1의 수직축 풍력 발전 장치의 정격 또는 고속 운전시에 대한 사시도이다.
도 4는 도 1의 수직축 풍력 발전 장치의 아암에 채용가능한 구조의 일 실시예에 대한 부분사시도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 아암(Arm)의 작동원리를 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.1 is a front view of a vertical axis wind turbine generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the vertical axis wind turbine generator of FIG. 1 when stopped or initially started. FIG.
FIG. 3 is a perspective view of the vertical axis wind turbine generator of FIG. 1 at rated or high speed operation. FIG.
4 is a partial perspective view of one embodiment of a structure that can be employed in the arm of the vertical axis wind turbine of FIG.
5A and 5B are schematic cross-sectional views illustrating the operating principle of the arm Arm of FIG. 4.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예들을 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
현재, 소형 수직축 터빈의 연구 개발은 풍력시장이 성장단계에 있는 선진 유럽을 비롯하여 여러 나라에서 활발히 이루어지고 있으나 아직까지 괄목할 만한 제품은 등장하고 있지 않다.At present, the research and development of small vertical shaft turbines is active in many countries, including advanced Europe, where the wind power market is growing, but there are no outstanding products yet.
풍력 발전기의 기본 이론은 수평축에서 오랜 기간 연구개발 과정을 거쳐 수직축에 적용되어 지고 있으나 점차 수직축 풍력발전기의 개발이 활성화되면서 검토 없이 수평축 이론을 준용하는 등 실험적 근거 없이 인용, 접목되어 많은 시행착오가 발생하고 있다.The basic theory of wind power generators has been applied to the vertical axis through a long period of research and development process on the horizontal axis, but as the development of the vertical axis wind power generators is gradually activated, the horizontal axis theory is applied without examination, and many trials and errors occur. Doing.
일반적으로 바람에 의한 기계적 터빈의 출력은 공기밀도, 블레이드(blade)의 유선흐름단면적 또는 로터 반경, 전력 변환계수 또는 출력계수(무차원의 주속비에 영향), 및 풍속의 3승에 비례하는 함수로 나타낸다.In general, wind turbine mechanical output is a function that is proportional to air density, blade flow area or rotor radius, power conversion factor or power factor (influence on dimensionless main speed ratio), and wind power. Represented by
수평축 풍력 발전 장치의 경우는 광활한 지표면이나 해상 같은 발전 단지에서 양호한 풍속 분위기와 풍질이 확보됨을 전제로 계획하기 때문에 인입풍의 속도의 3승에 비례하는 양력형 에너지 변환 프로그램에 의해 설계되지만, 소형 수직축 풍력 발전 장치의 경우는 도심이나 산간의 매우 불규칙한 풍속 분위기(저풍속/간헐성)에 실효적으로 대응하기 위하여 보다 세밀한 기술적 노력이 요구된다.The horizontal axis wind turbine is designed by a lift-type energy conversion program that is proportional to the trigonometry of the incoming wind speed because it is planned on the premise that a good wind atmosphere and wind quality are secured on a wide surface or offshore power plant. In the case of a power generation device, more detailed technical efforts are required to effectively cope with a very irregular wind speed atmosphere (low wind speed / intermittent) between a city and a mountain.
주속비 즉 터빈 블레이드의 선단속도와 풍속의 비율에서 항력형 사보니우스보다 양력형 다리우스형 터빈이 월등히 높으며, 터빈의 회전 토오크를 발생시키기 위한 요소 중 솔리디티(Solidity; 회전면적 대비 전체 블레이드의 유효 면적의 비율)은 초기 기동(Cut-in) 및 정격 출력(Rated power)을 결정지을 수 있는 인자로 중요시되고 있으며, 이러한 요소들은 풍력 터빈의 출력을 증대시킬 수 있는 기구의 형상 및 기능을 발전시키는 중요한 요소로 작용하고 있다.The lift type Darius type turbine is much higher than the drag type Savonius at the main speed ratio, that is, the ratio of the tip speed and the wind speed of the turbine blade.Solidity among the elements for generating the torque of the turbine is effective The ratio of area is considered as a factor in determining the initial cut-in and rated power, and these factors contribute to the shape and function of the mechanism that can increase the output of the wind turbine. It is working as an important factor.
최근 여러 가지 요소기술을 통한 풍력 터빈의 기술개발 방향을 보면 공기밀도를 증대시키는 방법, 블레이드의 형상 연구[예컨대, 코드 길이(Chord length) 변화, 익형(Airfoil) 설계, 비틀림(twist)], 블레이드 소재 연구 등의 방법으로 활발히 진행되고 있다.In recent years, the direction of technological development of wind turbines through various element technologies shows how to increase the air density, study the shape of the blade (eg, change in chord length, airfoil design, twist), blade It is actively progressing through research on materials.
본 발명의 실시예에서는 전술한 여러 가지 방법과 달리 운전 중 터빈의 여러 인자에 영향을 주는 회전 반경 변위를 가변적으로 이동시킴으로써 난풍속 환경에 대응할 수 있는 소형 혹은 마이크로 용량의 가동율 제고형 수직축 풍력 터빈을 제공하고자 한다.
According to the embodiment of the present invention, unlike the above-described method, a small or micro capacity operating rate-upping vertical axis wind turbine capable of coping with a turbulent wind environment by variably moving a rotation radius displacement that affects various factors of the turbine during operation is provided. To provide.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전 장치의 개략적인 정면도이다.1 is a schematic front view of a vertical axis wind turbine generator according to an embodiment of the present invention.
본 실시예의 수직축 풍력 발전 장치(100)는 도 1에 나타낸 바와 같이 바람의 에너지를 받아 회전을 유도하는 구조체인 블레이드(200)가 회전 반경을 형성하는 가변암(410)의 일단에 고정되며, 다른 일단은 가변암몸체(420)에 의해 중심 회전축(310)에 결합된다. 회전축(310)은 그 일단이 발전기(320)에 고정되어 그 길이 방향으로 세워진 채로 회전력을 얻게 되며, 이 회전력으로 전기에너지를 얻게 되는 통합 시스템으로 구성되어 진다.As shown in FIG. 1, the vertical axis
본 발명의 실시예에 대한 기술적 요지는 블레이드(200)와 회전축(310)을 연결하는 구성체이면서 회전반경을 결정하는 아암(400)의 길이를 가변적으로 변위시키는 것으로, 첨부된 도면은 본 기술의 설명을 위한 특정 예시이며 기술적 사상은 광의적으로 이해하여야 한다.The technical gist of the embodiment of the present invention is a component that connects the
좀더 구체적으로 설명하면, 본 실시예의 수직축 풍력 발전 장치(100)는 지지 프레임(380), 발전기(320), 회전축(310), 가변암몸체(410), 가변암(420), 및 블레이드(200)를 포함한다.More specifically, the vertical axis
지지 프레임(380)은 기둥(mast) 형태를 구비할 수 있다.The
발전기(320)는 지지 프레임(380)의 일측에 결합 설치된다.The
회전축(310)은 발전기(320)에 결합 설치된다. 예컨대, 회전축(310)은 발전기(320)의 회전자에 결합 설치될 수 있다.The
가변암몸체(410)는 도 1에서 회전축(310)에 결합되는 가변장치 바디(Body) 형태로 도시되어 있으며, 회전축(310)으로부터 방사 방향으로 연장하도록 설치된다. 가변암몸체(410)는 소정의 액추에이터(Actuator)를 포함하고, 블레이드(200)가 회전축(310)을 중심으로 하여 회전할 때 가변암(420) 및 블레이드(200) 중 적어도 어느 하나에 가해지는 원심력에 비례하여 가변암몸체(410)로부터 외측으로 가변암(420)의 길이가 연장 또는 수축되도록 가변암(420)의 왕복 운동을 지지한다.The
일 실시예에서 가변암몸체(410)는 유압장치로 구현될 수 있다. 예를 들면, 가변암몸체(410)는 블레이드(200)의 회전 속도가 증가함에 따라 가변암(420)에 가해지는 원심력 중 외각으로 확산하려고 하는 힘에 대응하여 내부 피스톤의 유로(도 4의 460 참조)를 통과하면서 일정압력을 유지하도록 구성된 장치로 구현될 수 있다.In one embodiment the variable
여기서, 내부 피스톤의 유로는 유압장치 내에서 오일이 좌실 및 우실 간을 이동하는 통로이다. 유압장치에서, 예컨대 유압실린더 내부의 피스톤이 좌실과 우실로 나누어 설치되면 그 내부에는 유압유(도 4의 470 참조)가 충진되고 일반적인 유압장치의 유형을 따르게 된다.Here, the flow path of the inner piston is a passage through which the oil moves between the left and right chambers in the hydraulic system. In the hydraulic system, for example, when the piston inside the hydraulic cylinder is installed divided into the left chamber and the right chamber, the hydraulic oil (see 470 of FIG. 4) is filled therein and follows the type of the general hydraulic system.
전술한 가변암몸체(410)를 이용하면, 초기 기동시 무한 풍속의 항력에 의하여 수풍면 정면 약 0° 지역에서 블레이드(200)가 회전축(310) 방향으로 밀리게 되는 현상이 방지되고, 또한 약 90° 근방에서와 약 280° 근방에서는 정상적인 회전력에 의한 원심력이 발생하지 않은 지점에서 외각으로 빠져나가려고 하는 현상을 방지할 수 있다.By using the
가변암(420)은 가변암몸체(410)의 일단에서 방사 방향으로 연장가능하도록 설치된다. 가변암몸체(410) 및 가변암(420)은 그 길이 방향에 있어서 블레이드(200)에서 중심의 회전축(310)으로 하향 구배를 형성하도록 설치된다.The
블레이드(200)는 가변암(310)의 일단에 결합한다. 블레이드(200)는 대칭 단면 구조나 비대칭 단면 구조를 가진 날개 구조 또는 형태를 구비할 수 있다. 본 실시예에서 블레이드(200)는 회전축(310)을 중심으로 120° 간격으로 배열된 3개의 블레이드들(도 2의 200a, 200b, 200c 참조)을 구비한다.The
본 실시예에 따른 수직축 풍력 발전 장치(100)에 있어서, 가변암몸체(410)는 회전축(310)의 길이 방향에서 서로 일정 간격 이격되어 회전축(310)에 각각 결합하는 제1 가변암몸체(도 2의 410a 참조) 및 제2 가변암몸체(도 2의 410b 참조)를 구비할 수 있다.In the vertical axis
또한, 수직축 풍력 발전 장치(100)는 제1 및 제2 가변암몸체들(410a, 410b)에 그 양단부가 각각 결합하는 상하수직 프레임(330)을 더 구비할 수 있다. 상하수직 프레임(330)을 이용하면, 가변암(420)의 운동은 블레이드(200)와 그에 따르는 부속장치의 중량에 의한 상당한 관성모멘트의 발생을 억제하여 기계구조학적 안정성을 향상시킬 수 있다.In addition, the vertical axis
또한, 수직축 풍력 발전 장치(100)는 일 실시예의 제1 가변암몸체로서, 회전축(310)을 중심으로 하여 (N+1)개의 방사 방향으로 연장하도록 설치되는 복수의 제1_0 내지 제1_N 가변암몸체들을 구비하고, 제2 가변암몸체로서, 회전축(310)을 중심으로 하여 (N+1)개의 방사 방향으로 연장하도록 설치되는 복수의 제2_0 내지 제2_N 가변암몸체들을 구비할 수 있다. 여기서, N은 1 이상 8 이하의 자연수일 수 있다.In addition, the vertical axis
예컨대, 제1 가변암몸체는 제1_0 가변암몸체(도 2 및 도 3의 410a 참조), 제1_1 가변암몸체(도 3의 410c 참조), 및 제1_2 가변암몸체(도 2 및 도 3의 410e 참조)를 구비하고, 제2 가변암몸체는 회전축(310)의 길이 방향에서 제1 가변암몸체와 소정 간격 이격되어 서로 마주하도록 설치되는 제2_0 가변암몸체(도 2 및 도 3의 410b 참조), 제2_1 가변암몸체(도 3의 410d 참조), 및 제2_2 가변암몸체(도 2 및 도 3의 410f 참조)를 구비할 수 있다.For example, the first variable female body may include a first_0 variable female body (see 410a of FIGS. 2 and 3), a first_1 variable female body (see 410c of FIG. 3), and a first_2 variable female body (FIGS. 2 and 3 of FIG. 410e), and the second variable female body is installed so as to face each other at a predetermined distance from the first variable female body in the longitudinal direction of the rotation shaft 310 (see 410b of FIGS. 2 and 3). ), A 2_1 variable female body (see 410d of FIG. 3), and a 2_2 variable female body (see 410f of FIGS. 2 and 3).
전술한 경우, 수직축 풍력 발전 장치(100)는 복수의 제1 가변암몸체들 각각의 일단을 서로 연결하는 제1 수평 프레임(도 2의 340a 참조), 및 복수의 제2 가변암몸체들 각각의 일단을 서로 연결하는 제2 수평 프레임(도 2의 340b 참조)을 더 구비할 수 있다. 여기서, 제1 수평 프레임 및 제2 수평 프레임은 회전축(310)을 중심으로 하는 링 형상의 수평 링 프레임 형태를 구비할 수 있다. 제1 및 제2 수평 프레임(340a, 340b)을 이용하면, 블레이드(200) 회전에 의해 발생하는 진동을 억제할 수 있다.In the above-described case, the vertical axis
또한, 수직축 풍력 발전 장치(100)는 회전축의 일단에 결합하는 탑(Top)회전 베어링(350)을 더 구비할 수 있다. 탑회전 베어링(350)을 이용하면, 발전기(320)의 회전자를 자유롭게 회전시킬 수 있다. 즉, 일반적인 소형 수직축 풍력 발전 장치에 있어서 중앙 회전축이 발전기와 같은 구속체로 회전하나 본 실시예에서는 발전기(320)의 고정자축의 연장선상에서 수직 방향으로 도출되어 지상의 지지 프레임(380)과 동일한 구조체로서 회전체인 터빈과 그 터빈의 연장선에 체결된 발전기(320)의 회전자를 자유롭게 회전시키는 구조를 가질 수 있다.In addition, the vertical axis
탑회전 베어링(350)을 채용한 경우, 수직축 풍력 발전 장치(100)는 탑회전 베어링(350)과 가변암몸체(410)의 일단에 그 양단부가 결합하는 탑회전 프레임(360)을 더 구비할 수 있다. 탑회전 프레임(360)을 이용하면, 아암(Arm; 400)의 처짐을 방지하고 블레이드(200)의 회전력을 탑회전 베어링(350)에 원활하게 전달할 수 있다.When the top rotary bearing 350 is employed, the vertical axis
또한, 수직축 풍력 발전 장치(100)는 발전기(320)와 회전축(310) 사이에 설치되는 회전허브(370)를 더 구비할 수 있다. 도 1에서 회전허브(370)는 회전축(310)의 하부측에 위치하므로 하부(Bottom) 회전허브로 불릴 수 있다. 회전축(310)의 직경보다 큰 직경을 가진 회전허브(370)를 이용하면, 발전기(320)의 일측에 회전축(310)을 견고하게 지지하면서 회전축(310)의 회전에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
In addition, the vertical axis
도 2는 도 1의 수직축 풍력 발전 장치의 정지시 또는 초기 기동시에 대한 사시도이다. 도 3은 도 1의 수직축 풍력 발전 장치의 정격 운전시에 대한 사시도이다.FIG. 2 is a perspective view of the vertical axis wind turbine generator of FIG. 1 when stopped or initially started. FIG. FIG. 3 is a perspective view of the vertical axis wind turbine generator of FIG. 1 at rated operation. FIG.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 아암(Arm; 400)은 블레이드(200) 측에서 중심의 회전축(310) 방향으로 하향 구배를 갖으며 이중의 구조로 외측 가변암(420)의 일단이 내측 가변암몸체(410)에 내삽되도록 구성되며, 그러한 구성에 의해 특정의 스트로크(Stroke)를 유지하도록 설치된다.1 to 3, the
따라서. 인입풍이 없어 회전이 일어나지 않는 시점에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 가변암(420)의 길이 또는 회전 반경이 최소가 되어 최대 솔리디티(Solidity) 상태에서 장치의 기동을 용이하게 할 수 있다.therefore. At the time when there is no intake wind and no rotation occurs, as shown in FIG. 2, the length or the radius of rotation of the
또한, 도 3에 나타낸 바와 같이 유입풍을 에너지원으로 하여 서서히 승속 과정을 거치면서 낮은 솔리디티로 이동하고, 그것에 의해 풍력 발전 장치의 고속 회전을 가능케 한다.In addition, as shown in FIG. 3, the inlet wind is moved to a low solidity while gradually moving up as an energy source, thereby enabling high speed rotation of the wind turbine.
이렇게 수직 블레이드(200)의 형식이나 형태에 관계없이 중심의 회전축(310)과 블레이드(200)를 연결하는 아암(Arm; 400)의 길이를 가변시킴으로써 회전 기동시와 정격 회전시에 수직축 풍력 발전 장치에 형성되는 회전관성모멘트(Moment of Inertia in Rotation Motion)를 제어(Control)할 수 있게 된다. Thus, the vertical axis wind turbine generator at the time of rotation start and rated rotation by varying the length of the arm (400) connecting the central
기동시의 필요한 에너지를 나타내면 다음의 수학식 1 내지 수학식 5와 같다.The energy required at startup is expressed by the following equations (1) to (5).
[수학식 1][Equation 1]
E = 1/2 × m × v²E = 1/2 × m × v²
[수학식 2][Equation 2]
v = rwv = rw
[수학식 3]&Quot; (3) "
E = 1/2 × m × r² × w²E = 1/2 × m × r² × w²
[수학식 4]&Quot; (4) "
I = m × r²I = m × r²
[수학식 5][Equation 5]
E = 1/2 × I × w²E = 1/2 × I × w²
위의 수학식 1 내지 5에서 알 수 있듯이, 회전관성모멘트(I)는 회전체의 질량(m)에 비례하고, 회전반경(r)의 제곱에 비례하며, 필요한 에너지(E)는 회전관성모멘트(I)에 비례한다. 위의 수학식들에서 v는 속도를 나타내고, w는 각속도를 나타낸다.As can be seen from the above equations 1 to 5, the rotational moment of inertia (I) is proportional to the mass (m) of the rotor, proportional to the square of the radius of rotation (r), the required energy (E) is the moment of inertia Proportional to (I). In the above equations, v represents velocity and w represents angular velocity.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의하면, 수직축 풍력 발전 장치에 있어서, 기동시에는 회전 반경을 최소화하여 회전하지 않으려는 관성을 최소화함으로써 적은 에너지로 기동이 용이하게 될 수 있는 조건을 부여하고, 기동 회전이 시작되면 원심력이 작용하여 소정의 스트로크 내에서 아암(Arm; 400)의 길이가 길어지게 되면서 얻고자 하는 주속비까지 원활하게 승속할 수 있다. 또한, 정격운전이 진행되면서 얻어진 관성은 정지하지 않으려는 관성으로 작용하면서 시스템의 가동율을 현저하게 향상시킬 수 있다.
As described above, according to the embodiment of the present invention, in the vertical axis wind power generation device, the starting condition is given a condition that can be easily started with a small energy by minimizing the inertia not to rotate by minimizing the turning radius. When the rotation is started, the centrifugal force is applied to increase the length of the
도 4는 도 1의 수직축 풍력 발전 장치의 아암(Arm)에 채용가능한 구조의 일 실시예에 대한 부분 사시도이다. 도 5a 및 도 5b는 도 4의 아암의 작동원리를 설명하기 위한 개략적인 단면도들이다.4 is a partial perspective view of an embodiment of a structure that can be employed in the arm of the vertical wind turbine of FIG. 1. 5a and 5b are schematic cross-sectional views for explaining the operating principle of the arm of FIG.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 아암(400)은 가변암몸체(410), 가변암(420), 엔드캡(430), 피스톤(440), 피스톤링(450), 및 바이패스홀(460)을 구비한다.Referring to FIG. 4, the
가변암몸체(410)는 내부가 빈 파이프 또는 실린더 형상을 구비한다. 가변암몸체(410)의 일단은 회전축에 결합하며, 타단은 엔드캡(430)으로 막혀 있다. 가변암몸체(410)의 내부 공간에는 유압유(470)가 충진된다.The variable
가변암(420)은 막대 또는 파이프 형상을 구비한다. 가변암(420)의 일단은 블레이드에 결합하며, 타단은 엔드캡(430)을 관통하여 가변암몸체(410)에 내삽된다. 가변암(420)의 타단에는 피스톤(440)이 결합된다.The
피스톤(440)은 가변암몸체(410)의 내부 공간을 가변가능한 2개의 공간으로 분할하도록 가변암몸체(410)의 중간부에 소정 두께로 설치된다. 피스톤(440)은 그 두께 방향으로 그 피스톤 자체를 관통하도록 설치되는 바이패스홀(460)을 구비한다.The
피스톤(440)의 두께 방향에서의 외측면과 가변암몸체(410) 사이에는 피스톤링(450)이 설치된다. 피스톤링(450)은 피스톤(440)와 가변암몸체(410)의 내벽면 사이에 기밀하게 밀착하여 가변암몸체(410)의 한쪽 내부 공간에 충진된 유압유(470)가 피스톤(440)과 가변암몸체(410)의 내벽면 사이를 통해 다른 쪽 내부 공간으로 유동하는 것을 차단한다.The
바이패스홀(460)은 피스톤(440)에 의해 분할되는 가변암몸체(410)의 두 내부 공간들 간에 유체의 유동을 허용하는 채널 또는 유로이다. 바이패스홀(460)은 피스톤(440)의 이동에 따라 가변암몸체(410)의 두 내부공간의 압력이 변할 때, 높은 압력의 한쪽 내부 공간에 충진된 유압유(470)가 다른 쪽 내부 공간으로 유동할 수 있도록 작용한다.The
예를 들면, 도 5a에 도시한 바와 같이, 수직축 풍력 발전 장치(도 1의 100 참조)의 블레이드가 정격 속도에 가깝게 회전할 때, 가변암(420)은 가변암과 블레이드에 가해지는 원심력(F1)에 의해 가변암몸체(410)로부터 연장하여 그 길이가 길어진다. 이때, 가변암(420)에 결합된 피스톤(440)의 변위에 따라 가변암몸체(410)의 제1 내부 공간(412)에 충진된 유압유(470)는 바이패스홀(460)을 통해 가변암몸체(410)의 제2 내부 공간(414)으로 이동한다.For example, as shown in FIG. 5A, when the blade of the vertical axis wind turbine (see 100 in FIG. 1) is rotated close to the rated speed, the
가변암(410)의 이동 속도는 피스톤(440)의 변위에 의해 제1 내부 공간에서 압축되는 유압유의 압력과 바이패스홀(460)의 단면적 또는 평균단면적을 조정함으로써 조절할 수 있다.The moving speed of the
또한, 본 실시예의 가변암몸체(410)와 가변암(420)이 블레이드로부터 회전축 방향으로 하향 구배 구조를 가지므로, 수직축 풍력 발전 장치의 가변암이 최대로 연장 또는 팽창한 후 원심력이 약해지면, 도 5b에 도시한 바와 같이, 블레이드(도 1의 200 참조)의 자체 무게와 이 블레이드에 연결된 가변암(420)의 자체 무게에 의해 피스톤(440)은 회전축 방향으로 서서히 내려온다. 이때, 블레이드와 가변암에 가해지는 중력 또는 중력의 일부 해당 성분(F2)에 의해 제2 내부 공간(414)에 충진된 유압유(470)는 바이패스홀(460)을 통해 제1 내부 공간(412)으로 이동하고, 그것에 의해 가변암(420)은 복원 또는 수축한다.In addition, since the
본 실시예에서는 설명의 편의상 가변암몸체에 가변암이 내삽되는 2단 구조를 언급하였지만, 본 발명은 그러한 구성으로 한정되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 일 실시예에서는 가변암몸체에 제1 가변암이 내삽되고, 제1 가변암을 몸체로 하여 제1 가변암에 내삽되는 제2 가변암을 구비하는 구성을 포함할 수 있다.In the present embodiment, for convenience of description, a two-stage structure in which the variable arm is inserted into the variable arm body is mentioned, but the present invention is not limited to such a structure. For example, in one embodiment of the present invention, the first variable arm may be interpolated to the variable arm body, and the first variable arm may be configured to include a second variable arm interpolated into the first variable arm.
본 실시예의 아암(400) 구조에 의하면, 외부 전원이나 외력의 도움없이 블레이드와 가변암에 가해지는 원심력과 중력을 이용하여 수직축 풍력 발전 장치의 아암의 길이를 자동으로 가변시킬 수 있다. 즉, 풍력 터빈이 장기적으로 운전을 하지 않을 때 아암의 길이를 축소시켜 기동성을 향상시킬 수 있고, 회전력이 증가하여 원심력이 증대될 때 아암의 길이를 연장하여 블레이드의 회전 반경을 2배 이상으로 확장함으로써 블레이드의 관성모멘트를 4배 이상 높이고, 그것에 의해 장치의 성능과 이용률을 크게 향상시킬 수 있다.According to the structure of the
전술한 본 발명의 실시예에 의하면, 도 2 및 도 3 중 어느 하나만의 형태로 고정된 고정암 구조를 갖는 터빈(고정형 터빈)과 본 실시예의 가변암 구조를 갖는 터빈(능동형 터빈)을 대비할 때, 특정의 난풍속 분위기(예컨대, 저풍속과 바람의 간헐성을 반영한 풍속 분위기)하에서 본 발명의 실시예에 따른 터빈 즉 수직형 풍력 발전 장치의 효율 및 가동율이 비교예에 따른 고정형 터빈보다 우수하리라는 것은 더 이상 설명할 필요가 없을 것이다.
According to the embodiment of the present invention described above, when comparing a turbine (fixed turbine) having a fixed arm structure in the form of any one of FIGS. 2 and 3 and a turbine (active turbine) having a variable arm structure of the present embodiment. Under certain turbulent wind conditions (e.g., a wind speed atmosphere reflecting low wind speed and intermittent wind), the efficiency and the operation rate of the turbine according to the embodiment of the present invention, that is, the vertical wind turbine, will be superior to the fixed turbine according to the comparative example. No more explanation is needed.
이상에서, 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부한 특허청구범위 및 도면 등의 전체적인 기재를 참조하여 해석되어야 할 것이며, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.In the above, the present invention has been described with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains have various modifications and variations from this description. It will be possible. Therefore, the present invention should be construed with reference to the overall description of the appended claims and drawings, and all equivalent or equivalent modifications thereof will belong to the scope of the present invention.
Claims (11)
상기 블레이드에 일단이 고정되며 상기 블레이드의 회전 반경을 형성하는 아암(Arm);
상기 아암의 타단에 결합하는 회전축; 및
상기 회전축의 일단에 결합하는 발전기를 포함하고,
상기 아암은 상기 회전축에 그 타단이 결합하는 가변암몸체, 및 상기 블레이드가 회전할 때 상기 블레이드에 가해지는 원심력에 따라 상기 가변암몸체의 일단에서 상기 회전축의 방사 방향으로 그 길이가 축소 또는 연장하는 가변암을 구비하는 수직축 풍력 발전 장치.
A blade for inducing rotation by receiving wind energy;
An arm having one end fixed to the blade and forming a radius of rotation of the blade;
A rotating shaft coupled to the other end of the arm; And
A generator coupled to one end of the rotating shaft,
The arm has a variable arm body, the other end of which is coupled to the rotation axis, and its length is reduced or extended in the radial direction of the rotation axis from one end of the variable arm body according to the centrifugal force applied to the blade when the blade rotates. Vertical axis wind turbine generator having a variable arm.
상기 가변암몸체와 상기 가변암은 상기 블레이드의 단위 시간당 회전수가 증가함에 따라 커지는 원심력에 의해 생성되는 상기 블레이드의 외각으로 확산하려고 하는 힘에 대응하여 상기 가변암몸체 내의 오일이 피스톤의 유로를 통과하면서 일정 압력을 유지하는 유압장치를 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method of claim 1,
The variable arm body and the variable arm, while the oil in the variable body body passes through the flow path of the piston in response to a force that tries to diffuse to the outer shell of the blade generated by the centrifugal force that increases as the rotational speed per unit time of the blade increases Vertical axis wind turbine including a hydraulic system to maintain a constant pressure.
상기 가변암몸체 및 상기 가변암은 상기 블레이드에서 상기 중심축 방향으로 하향 구배를 구비하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method according to claim 1 or 2,
The variable arm body and the variable arm is a vertical axis wind turbine generator having a downward slope in the direction of the central axis in the blade.
상기 가변암몸체는 상기 회전축의 길이 방향에서 서로 일정 간격 이격되어 상기 회전축의 양단부에 그 일단이 각각 결합하는 제1 가변암몸체 및 제2 가변암몸체를 구비하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method of claim 1,
The variable arm body is a vertical axis wind power generation device having a first variable female body and a second variable female body, one end of which is respectively coupled to both ends of the rotary shaft spaced apart from each other in the longitudinal direction of the rotary shaft.
상기 제1 및 제2 가변암몸체의 타단부들을 연결하는 상하수직 프레임을 더 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method of claim 4, wherein
Vertical wind turbine further comprises a vertical frame for connecting the other ends of the first and second variable female body.
상기 제1 가변암몸체는 상기 회전축을 중심으로 하여 방사 방향으로 연장하도록 설치되는 (N+1)개의 제1_0 내지 제1_N 가변암몸체들을 포함하고-여기서, N은 1 이상 8 이하의 자연수임-;
상기 제2 가변암몸체는 상기 회전축을 중심으로 하여 방사 방향으로 연장하도록 설치되는 (N+1)개의 복수의 제2_0 내지 제2_N 가변암몸체들을 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method according to claim 4 or 5,
The first variable female body includes (N + 1) first to first _N variable female bodies which are installed to extend in a radial direction about the rotation axis, wherein N is a natural number of 1 to 8 ;
The second variable female body is a vertical axis wind power generation device including a plurality of (N + 1) second 0 to 2_N variable female body is installed to extend in the radial direction about the rotation axis.
상기 복수의 제1_0 내지 제1_N 가변암몸체의 타단부들을 서로 연결하는 제1 수평 프레임, 및 상기 복수의 제2_0 내지 제2_N 가변암몸체의 타단부들을 서로 연결하는 제2 수평 프레임을 더 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method of claim 6,
Further comprising a first horizontal frame for connecting the other ends of the plurality of first_0 to 1_N variable female body with each other, and a second horizontal frame for connecting the other ends of the plurality of second_0 to 2_N variable female body with each other Vertical axis wind turbines.
상기 제1 수평 프레임 및 상기 제2 수평 프레임은 상기 중심축을 중심으로 하는 링 형상을 각각 구비하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method of claim 7, wherein
Each of the first horizontal frame and the second horizontal frame has a ring shape centering on the central axis.
상기 회전축의 타단에 결합하는 탑회전 베어링을 더 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.
The method of claim 1,
Vertical wind turbine further comprises a top rotating bearing coupled to the other end of the rotary shaft.
상기 탑회전 베어링과 상기 가변암몸체의 타단부를 서로 연결하는 탑회전 프레임을 더 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.
10. The method of claim 9,
Vertical wind turbine further comprises a top rotating frame for connecting the top rotating bearing and the other end of the variable arm body.
상기 발전기와 상기 회전축 사이에 결합하는 회전허브를 더 포함하는 수직축 풍력 발전 장치.The method of claim 1,
Vertical wind turbine further comprises a rotation hub coupled between the generator and the rotary shaft.
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Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
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- 2010-12-15 KR KR1020100128477A patent/KR20120033940A/en active IP Right Grant
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR20170001543A (en) | 2015-11-19 | 2017-01-04 | (주)지인테크 | Wind generator module and module type vertical axis wind power generator |
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CN117703667B (en) * | 2024-02-06 | 2024-05-07 | 东北电力大学 | Horizontal and vertical axis wind turbine based on diversion and synergy of photovoltaic panel and control method |
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