KR20120061658A - 교번하여 반대방향으로 회전하는 다수개의 날개들을 (하나의 중심축에) 갖는 수직축 풍력발전기. - Google Patents
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Abstract
기존의 제품화된 수직축 풍력발전기들(Vertical-Axis Wind Turbines : VAWTs)에는 다양한 형태의 수직축 날개들 -다리우스형(Darrieus type), 스보니우스형(sbonius type), 교차흐름형(cross flow type), 패들형(paddle type), H막대형(H-bar type) - 이 사용되고 있으며, 이와 같은 여러 형태의 수직축 날개들의 풍력활용효율을 극대화 시키기 위한 한 방편으로 한 두가지 형의 날개들을 조합하여, 사용용도나 기대 발전 용량에 적합하도록 변형시킨 날개들을 사용하고 있는 실정이다.
본 발명에서도, 풍력(바람의 흐름)을 최대로 활용할 수 있는 수직축 날개들을 채택함으로써 발전효율이 높은 초소형 수직축 풍력발전기(일명, micro VAWT)를 설계, 제작하기 위해서, H막대형 날개(H-bar type wind blade)에 일정방향으로 회전하는 방향성을 부여하고, 이렇듯 한 방향으로만 회전하는 다수개의 H막대형 날개들을, 날개들이 회전하기 위해 필요한 하나의 중심축(the central axis)에서부터 바깥쪽을 향해(혹은 바깥쪽에서부터 중심축을 향해), 설치된 다수개 날개들의 회전반경 크기에 따라서, 차례차례 번갈아 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록, 다수개의 날개들을 주도면밀하게 위치시켰다.
이러한 방식으로 설치된 다수개의 날개들은 날개회전 공간의 단면을 통과하는 바람의 흐름(the flow of wind), 즉 풍력을 최대한 활용할 수 있기 때문에, 바람의 통로만 형성되어 있다면 최고의 발전효율을 달성할 수 있으며 아무리 협소한 공간일지라도 쉽게 설치할 수 있다.
이렇듯 본 발명은 교번하여 서로 다른 방향으로 회전하는 다수개의 수직축 날개들을 사용함으로써 좁은 바람의 통로에서도 발전효율을 높일 수 있는 자이로밀형태(giromill type)의 초소형(혹은 휴대나 이동이 가능한) 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명에서도, 풍력(바람의 흐름)을 최대로 활용할 수 있는 수직축 날개들을 채택함으로써 발전효율이 높은 초소형 수직축 풍력발전기(일명, micro VAWT)를 설계, 제작하기 위해서, H막대형 날개(H-bar type wind blade)에 일정방향으로 회전하는 방향성을 부여하고, 이렇듯 한 방향으로만 회전하는 다수개의 H막대형 날개들을, 날개들이 회전하기 위해 필요한 하나의 중심축(the central axis)에서부터 바깥쪽을 향해(혹은 바깥쪽에서부터 중심축을 향해), 설치된 다수개 날개들의 회전반경 크기에 따라서, 차례차례 번갈아 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록, 다수개의 날개들을 주도면밀하게 위치시켰다.
이러한 방식으로 설치된 다수개의 날개들은 날개회전 공간의 단면을 통과하는 바람의 흐름(the flow of wind), 즉 풍력을 최대한 활용할 수 있기 때문에, 바람의 통로만 형성되어 있다면 최고의 발전효율을 달성할 수 있으며 아무리 협소한 공간일지라도 쉽게 설치할 수 있다.
이렇듯 본 발명은 교번하여 서로 다른 방향으로 회전하는 다수개의 수직축 날개들을 사용함으로써 좁은 바람의 통로에서도 발전효율을 높일 수 있는 자이로밀형태(giromill type)의 초소형(혹은 휴대나 이동이 가능한) 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 풍력(wind energy)을 이용하여 전기(electricity)를 생산해 내는 발전분야에 속하며, 여러개의 수직축 날개들을 하나의 중심지지축을 중심으로 하여, 위치한 순서에 따라 서로 번갈아 반대방향으로 회전하게 함으로써, 불어오는 바람의 흐름(the flow of wind), 즉 풍력을 최대한 활용하여 효율 높은 발전을 가능하게 하는 수직축 풍력발전기(Vertical-Axis Wind Turbine ; VAWT)의 설계와 제작에 관한 것이다.
프로펠러 형태(Propeller type)의 날개들을 사용하는 수평축 풍력 발전기들(Horizontal-Axis wind Turbines : HAWTs)에서는 사용된 수평축 날개(horizontal-axis wind blade)의 회전 때문에 불어오는 바람의 흐름(the flow of wind)을 산란시킨다.
따라서 수평축 풍력 발전기들(HAWTs)의 경우에는 불어오는 바람 흐름에 대한 산란현상(scattering phenomenon)때문에 종횡(length and breath)으로 촘촘하게 설치할 수 없으며, 넓은 설치면적을 필요로 한다.
대관령 산등성이에서나 제주도 해안가에서 흔히 볼 수 있는 수평축 풍력 발전기들이 횡렬로 넓게 벌려져 설치되어 있는 이유도 프로펠러 형태의 날개(수평축 날개)의 뒷부분에서 발생하는 바람흐름의 산란현상 때문이다.
반면에 수직축 날개들(vertical-axis wind blades)를 사용하는 수직축 풍력 발전기들(Vertical-Axis Wind Turbines ; VAWTs)에서는 바람흐름의 산란 현상은 나타나지 않을 뿐만 아니라, (비특허문헌 1)에서 연구 발표한 다음의 내용들, 첫째, “각 수직축 날개들의 회전은 서로의 상호작용에 의해 보다 더 활발해지므로 주도 면밀하게만 배열한다면, 에이커당(즉 똑같은 면적당) 발전기의 설치 개수(power-to-acre)는 수평축 풍력발전기(HAWT)를 설치하는 경우보다 100배 정도 더 많이 설치 할 수 있다는 컴퓨터 모델(computer model)에 의한 모의 실험(simulation)결과”와 둘째, “수직축 날개들을 통과하는 바람의 흐름은 도23과 도24에서 보인 것처럼 [도23은 무방향성 수직축 날개들을 갖는 수직축 풍력발전기들을 촘촘하게 배열하여 바람 농장 혹은 정원(wind farm of garden)의 실제 구현을 보여주는 사진, 도24는 도23에 보인 사진의 스케치(sketch)를 위쪽에서 본 단면도이며, 수직축 풍력 발전기들 사이를 통과하는 바람의 흐름은, 산란없이 원형 경주(circle race)를 하거나 정현적인 경로(sinusoidal path)로 지나간다는 것을 개념적인 예로써 보인 도면] 산란되지 않고, 무리지어 이동하는 물고기떼들의 이동을 관찰하여 알려지게된, 물고기들의 정현적인 몸동작이, 서로 무리짓는 이동에 도움이 된다는 관찰 결과”와 같은 연구내용들을 통해 본 발명 중에 실험을 거쳐 확인 증명한 다음과 같은 사항들,
─ 하나의 중심축에서 다수개의 수직축 날개들을 회전시켜도 바람의 흐름은 정현적으로 유지되며, 심지어는 하나의 중심축에서 회전하는 다수개의 수직축 날개들의 회전방향들은 번갈아 역방향으로 회전시킬 경우에도, 바람의 흐름은 정현적으로 유지될 뿐 아니라, 이렇게 발생시킨 역방향의 회전동력들을 바람터빈축 톱니바퀴(gear)를 움직이기 위한 “비대칭 회전동력들”로 사용함으로써, 저풍속일 때 조차도 충분한 발전효율을 갖는 수직축 풍력 발전기 설계?제작에 관한 기술과 방법 ─
에 의해 가능한 “하나의 중심(지지)축에서 번갈아 반대 방향으로 회전하는 다수개의 날개들을 갖는 수직축 풍력발전기”의 설계 제작에 관한 것이다.
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, Mennesota), vol.54, No.19, Nov. 22~24, 2008.
Daniel Bernoulli, "Bernoulli’s principle", 1738
기존의 수직축 풍력발전기들(VAWTs)에 사용되는 수직축 날개의 형태들(types of vertical wind blade)로는 다리우스형(Darrieus type), 스보니우스형(Sbonius type), 교차흐름형(cross flow type), 패들형(paddle type), 다리우스형의 변형형인 H막대형(H-bar type) 등등, 다양한 형태가 있으며 이와 같은 여러형태의 수직축 날개들의 풍력효율 특성을 극대화 시키기 위해서, 한두가지 형을 조합하거나 사용용도에 맞게 변형시킨 날개들을 설계 ? 제작하여, 발전효율을 높이기 위한 새로운 수직축 날개로 사용하고 있는 실정이다.
본 발명에서는 다리우스 로터(Darrieus rotor) 혹은 다리우스 날개의 변형된 형인 H 막대형 날개(H-bar type wind blade)에 일정방향으로 회전하는 방향성(a property of direction)을 부여하고, 이렇듯 한 방향으로만 회전하도록 방향성이 주어진 다수개의 H막대형 날개들이 회전하는데 필요한 하나의 중심(지지)축(the central axis)에서부터 바깥쪽을 향해(혹은 바깥쪽에서부터 중심축을 향해), 차례차례 번갈아가며 설치된 다수개의 날개들이, 회전하는 반경 크기에 따라서 순차적으로 서로 반대방향으로 회전할 수 있도록, 다수개의 날개들을 주도면밀하게 위치시켰다. 이러한 방식으로 설치된 다수개의 날개들은 날개 회전공간의 단면을 통과하는 바람의 흐름(the flow of wind), 즉 풍력(wind energy)을 최대한으로 활용할 수 있기 때문에 최고의 발전효율을 달성할 수 있으며, 아주 협소한 공간에도 쉽사리 설치할 수 있다. 이렇듯 본 발명은 교번하여 서로 다른방향으로 회전하는 다수개의 수직축 날개들을 사용함으로써 발전효율을 높일 수 있는 자이로밀 형태(giromill type)의 초소형(혹은 휴대나 이동이 가능한) 수직축 풍력발전기의 설계?제작에 관한 것이다.
메가와트(Mega-watt)나 킬로와트(Kilo-watt)정도의 발전용량을 갖는 기존의 고정형 수직축이나 수평축 풍력 발전기들에 비해서, 풍속이 낮은 지표로부터 1~4m정도 높이에서 발전하도록 설계?제작하는, 수 와트(watt)에서부터 수십와트의 발전용량을 갖는 휴대 가능한 초소형 수직축 풍력 발전기의 경우에는, 수직축 날개들이 회전하는 공간을 통과하는 바람의 흐름(풍력)을 최대로 활용할 수 있어야만 높은 발전효율을 기대할 수 있다.
한, 두가지 예를 들자면, 도로의 중앙분리대에 설치된 플라스틱 재질의 안전표시를 LED를 사용한 안전표시등으로 바꾸어 설치할 경우, 그 안전표시등의 전원 공급용으로 초소형 풍력발전기를 설치한다면, 높이 2M이내에 설치해야 할 것이고, 자전거로 이동하는 동안, 자전거 이용자가 소지한 모바일 기기를 충전하기 위해서, 그 충전전원용으로 자전거핸들에 초소형 풍력발전기를 설치한다면, 역시 높이 2M 이내에 설치될 것이다.
또한 터널(tunnel)내에서는 태양광은 없지만, 통과하는 차량들로 인한 바람의 흐름이 발생하므로, 이 바람의 흐름을 이용하여 터널벽에 설치되는 다양한 표시등들의 전원으로 사용하기 위해 풍력발전기를 설치할 경우에도 설치 높이는 4M를 초과하지 않아야 한다. 따라서 본 발명은 앞 예들의 용도로 사용하기 위한, “교번하여(번갈아) 반대방향으로 회전하는 다수개의 수직축 날개들을 하나의 중심축 상에 설치하고, 이와 같은 날개들의 교묘한 설치에 의해 두 가지 다른 방향(날개의 윗쪽에서 봤을 때, 좌우 두 방향)으로 회전하는 다수개 날개들의 회전 동력들 중에서, 같은 방향의 회전동력들만 합성하여 얻어지는 좌, 우 두 방향의 합성 회전동력들을 바람 터빈축 톱니바퀴(wind turbine axis-gear)에 (크기나 회전방향의 관점에서) 비대칭 회전동력으로 연결시킴으로써, 산란성이 강한 저속의 바람흐름 일지라도 최대한 활용할 수 있는 초소형 수직축 풍력 발전기”의 설계?제작에 관한 것이다.
물론, 본 발명의 “회전방향이 교번하도록 설치되는 다수개의 수직축 날개들은 어떠한 외양크기와 발전용량을 갖는 수직축 풍력 발전기들에도 적용할 수 있고 활용할 수 있으며, 불어오는 방향이 자주 바뀌는 산란성이 강한 저속의 바람흐름일지라도, 바람 터빈축을 구동하기 위해 충분한 수직축 날개들의 회전동력들을 발생시킬 수 있다.
도1은 본 발명의 “수직축 날개들의 회전방향이 교번하는 수직축 풍력발전기”에 관한 스케치(sketch)의 조감도
도2는 서로 반대방향으로 회전하는 두가지 톱니바퀴 ①, ②와 바람터빈 축 톱니바퀴 ③의 연결을 보이는 도면
도3은 바깥쪽 톱니바퀴(도2의 ①)위에 부착, 고정된, 오른쪽 방향으로만 회전하는 H막대형 주날개(main wind blade)의 조감도
도4는 도3의 위쪽에서 본 단면도, 혹은 평면도에 가까운 도면
도5는 도3의 바깥쪽 톱니바퀴위에 부착, 고정된 톱니바퀴와 함께 오른쪽 방향으로만 회전하도록 하는 수직날들을 갖는, H막대형 구동날개(H-bar type triggering wind blade)에 관한 도면. 이 구동날개는 도3에 보인 주날개의 최초 회전을 구동시키거나 도우며, 주날개의 회전시에는, 보다 가벼운 날개 무게에 기인하는 보다 빠른 회전으로 주날개의 회전을 계속 지원한다.
도6은 도5의 구동날개를 위쪽에서 본 단면도
도7은 도3의 ①부분을 확대하여 보이는 도면
도8은 바깥쪽 톱니바퀴위에 부착고정된 H막대형 주날개와 이 주날개와 같은 방향으로만 회전하며, 초기구동과 회전을 보조해주는 구동날개를 함께 결합한, 오른쪽 방향으로 회전하는 복합 날개(complex wind blade)의 조감도
도10은 왼쪽 방향으로 회전하게 하는 성질(property)을 갖도록 하는 2개의 수직날(straight blade)들을 안쪽 톱니바퀴에 부착, 고정함으로써 왼쪽 방향으로만 회전하는 H막대형 수직축 주날개와 안쪽 톱니바퀴
도11은 도10의 왼쪽 방향으로 회전하는 주날개를 윗쪽에서 본 단면도(혹은 평면도)
도12는 도5의 오른쪽 방향으로 회전하는 구동날개와 같은 개념의 구동날개이지만, 이 도면의 구동날개는 왼쪽 방향으로 회전하는 주날개의 초기구동을 돕고, 계속적으로 주날개의 회전을 보조하기 위해서, 왼쪽 방향으로 회전하는 성질을 갖는 수직날을 사용하였으며, 따라서 왼쪽 방향으로만 회전한다.
도13은 도12의 왼쪽 방향으로 회전하는 구동날개를 윗쪽에서 본 단면도, 혹은 평면도
도14는 도12, 도13의 구동날개를 밑에서 바라본 배면도
도15는 도10에 보인 안쪽 톱니바퀴에 부착, 고정되어 왼쪽으로 회전하는 H막대형 주날개와 이 주날개와 같은 방향(왼쪽 방향)으로 회전하며, 주날개의 초기구동과 회전을 보조해주는, 도12에 보인 구동날개와 함께 결합되어 왼쪽 방향으로만 회전하는 복합날개에 관한 조감도
도16은 도15에 보인 왼쪽 방향으로 회전하는 복합날개를 위쪽에서 본 단면도
도17은 도15에 보인 왼쪽 방향 회전의 복합날개를 아래쪽에서 본 배면도에 해당하는 도면
도18은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 그룹의 수직축 날개들과 이 두 수직축 날개그룹에서 발생되므로, 역시 서로 반대 방향인 두방향의 회전동력들을, 프레임(frame)①에 의해 두 톱니바퀴 사이에 설치되어지는 바람터빈 축 톱니바퀴(wind turbine axis-gear)에 (크기와 회전방향이 다른) 비대칭회전동력들로 연결시키는 방법을 보이는 조감도. 이 도면에서는 프레임①은 바람터빈②의 용기까지 포함하고 있다.
도19는 서로 반대방향으로 회전하는 두 그룹의 수직축 날개들과 방향타(도1의 ②, 도20의 ②)의 기능까지 함께 갖춘 프레임을 도1의 ③이나 도20의 ③에서 처럼 관통하여 지지하는 중심(지지)축
도20은 도1에 보인 스케치 조감도의 배면도에 해당하며, 소전력(수w~수십w)을 발전하는 바람터빈④과 수직축 날개들과의 크기비교는 물론, 불어오는 바람흐름(방향)쪽으로 항상 향하는 방항타 부분②을 프레임에 덧붙임으로써, 불어오는 바람이 본 발명의 수직축 풍력발전기를 통과하는 경로(path)도 개념적으로 살펴볼 수 있는 도면. 이 도면에서 ①은 프레임과 일체인 바람터빈 용기이며, ③은 도1의 ③과 같은 중심(지지)축이다.
도21은 도면의 아래쪽에서부터 불어오는 바람의 흐름이 본 발명의 초소형 수직축 풍력발전기를 통과할 때 형성되는 바람흐름의 경로(path)에 관한 또 다른 조감도
도22의 (a)에서는 오른쪽과 왼쪽 방향으로 회전하는, 두 그룹의 수직축 날개들의 수직날들을 바람이 불어오는 방향을 향해서 횡으로, 일렬로 배치되었을 경우에 관한, 바람 흐름의 경로를 예시적이고 개념적으로 보이는 도면. 도면(b)에서는, 두 톱니바퀴에 부착, 고정된, 회전방향이 서로 반대인 두개의 주날개들과 이 주 날개들을 구동하고, 회전을 계속 보조하는 두 구동날개들 사이의 각도들이 항상 90도를 유지하면서(90로 고정되어서) 회전하는 경우, 그 날개들 사이로 통과하는 바람흐름의 경로를 보이고 있다.
도23은 무방향성 수직축 날개들을 갖는 수직축 풍력발전기들을 촘촘하게 배열하여 바람 농장 혹은 정원의 실제구현을 보여주는 사진(2009.12.3일자 조선일보 신문게재사진).
도24는 도23의 사진의 스케치를 위쪽에서 본 단면도이며, 수직축 풍력 발전기들 사이를 통과하는 바람의 흐름은, 산란없이 원형경주를 하거나 정현적인 경로로 지나 간다는 것을 예시적으로 보이는 도면.
도2는 서로 반대방향으로 회전하는 두가지 톱니바퀴 ①, ②와 바람터빈 축 톱니바퀴 ③의 연결을 보이는 도면
도3은 바깥쪽 톱니바퀴(도2의 ①)위에 부착, 고정된, 오른쪽 방향으로만 회전하는 H막대형 주날개(main wind blade)의 조감도
도4는 도3의 위쪽에서 본 단면도, 혹은 평면도에 가까운 도면
도5는 도3의 바깥쪽 톱니바퀴위에 부착, 고정된 톱니바퀴와 함께 오른쪽 방향으로만 회전하도록 하는 수직날들을 갖는, H막대형 구동날개(H-bar type triggering wind blade)에 관한 도면. 이 구동날개는 도3에 보인 주날개의 최초 회전을 구동시키거나 도우며, 주날개의 회전시에는, 보다 가벼운 날개 무게에 기인하는 보다 빠른 회전으로 주날개의 회전을 계속 지원한다.
도6은 도5의 구동날개를 위쪽에서 본 단면도
도7은 도3의 ①부분을 확대하여 보이는 도면
도8은 바깥쪽 톱니바퀴위에 부착고정된 H막대형 주날개와 이 주날개와 같은 방향으로만 회전하며, 초기구동과 회전을 보조해주는 구동날개를 함께 결합한, 오른쪽 방향으로 회전하는 복합 날개(complex wind blade)의 조감도
도10은 왼쪽 방향으로 회전하게 하는 성질(property)을 갖도록 하는 2개의 수직날(straight blade)들을 안쪽 톱니바퀴에 부착, 고정함으로써 왼쪽 방향으로만 회전하는 H막대형 수직축 주날개와 안쪽 톱니바퀴
도11은 도10의 왼쪽 방향으로 회전하는 주날개를 윗쪽에서 본 단면도(혹은 평면도)
도12는 도5의 오른쪽 방향으로 회전하는 구동날개와 같은 개념의 구동날개이지만, 이 도면의 구동날개는 왼쪽 방향으로 회전하는 주날개의 초기구동을 돕고, 계속적으로 주날개의 회전을 보조하기 위해서, 왼쪽 방향으로 회전하는 성질을 갖는 수직날을 사용하였으며, 따라서 왼쪽 방향으로만 회전한다.
도13은 도12의 왼쪽 방향으로 회전하는 구동날개를 윗쪽에서 본 단면도, 혹은 평면도
도14는 도12, 도13의 구동날개를 밑에서 바라본 배면도
도15는 도10에 보인 안쪽 톱니바퀴에 부착, 고정되어 왼쪽으로 회전하는 H막대형 주날개와 이 주날개와 같은 방향(왼쪽 방향)으로 회전하며, 주날개의 초기구동과 회전을 보조해주는, 도12에 보인 구동날개와 함께 결합되어 왼쪽 방향으로만 회전하는 복합날개에 관한 조감도
도16은 도15에 보인 왼쪽 방향으로 회전하는 복합날개를 위쪽에서 본 단면도
도17은 도15에 보인 왼쪽 방향 회전의 복합날개를 아래쪽에서 본 배면도에 해당하는 도면
도18은 서로 반대 방향으로 회전하는 두 그룹의 수직축 날개들과 이 두 수직축 날개그룹에서 발생되므로, 역시 서로 반대 방향인 두방향의 회전동력들을, 프레임(frame)①에 의해 두 톱니바퀴 사이에 설치되어지는 바람터빈 축 톱니바퀴(wind turbine axis-gear)에 (크기와 회전방향이 다른) 비대칭회전동력들로 연결시키는 방법을 보이는 조감도. 이 도면에서는 프레임①은 바람터빈②의 용기까지 포함하고 있다.
도19는 서로 반대방향으로 회전하는 두 그룹의 수직축 날개들과 방향타(도1의 ②, 도20의 ②)의 기능까지 함께 갖춘 프레임을 도1의 ③이나 도20의 ③에서 처럼 관통하여 지지하는 중심(지지)축
도20은 도1에 보인 스케치 조감도의 배면도에 해당하며, 소전력(수w~수십w)을 발전하는 바람터빈④과 수직축 날개들과의 크기비교는 물론, 불어오는 바람흐름(방향)쪽으로 항상 향하는 방항타 부분②을 프레임에 덧붙임으로써, 불어오는 바람이 본 발명의 수직축 풍력발전기를 통과하는 경로(path)도 개념적으로 살펴볼 수 있는 도면. 이 도면에서 ①은 프레임과 일체인 바람터빈 용기이며, ③은 도1의 ③과 같은 중심(지지)축이다.
도21은 도면의 아래쪽에서부터 불어오는 바람의 흐름이 본 발명의 초소형 수직축 풍력발전기를 통과할 때 형성되는 바람흐름의 경로(path)에 관한 또 다른 조감도
도22의 (a)에서는 오른쪽과 왼쪽 방향으로 회전하는, 두 그룹의 수직축 날개들의 수직날들을 바람이 불어오는 방향을 향해서 횡으로, 일렬로 배치되었을 경우에 관한, 바람 흐름의 경로를 예시적이고 개념적으로 보이는 도면. 도면(b)에서는, 두 톱니바퀴에 부착, 고정된, 회전방향이 서로 반대인 두개의 주날개들과 이 주 날개들을 구동하고, 회전을 계속 보조하는 두 구동날개들 사이의 각도들이 항상 90도를 유지하면서(90로 고정되어서) 회전하는 경우, 그 날개들 사이로 통과하는 바람흐름의 경로를 보이고 있다.
도23은 무방향성 수직축 날개들을 갖는 수직축 풍력발전기들을 촘촘하게 배열하여 바람 농장 혹은 정원의 실제구현을 보여주는 사진(2009.12.3일자 조선일보 신문게재사진).
도24는 도23의 사진의 스케치를 위쪽에서 본 단면도이며, 수직축 풍력 발전기들 사이를 통과하는 바람의 흐름은, 산란없이 원형경주를 하거나 정현적인 경로로 지나 간다는 것을 예시적으로 보이는 도면.
도1은 첫번째와 세번째 수직축 날개들과 두번째와 네번재 수직축 날개들, 이 두 날개들 그룹의 회전방향이 서로 반대로 회전하는(날개들 하나하나의 회전방향관점에서 기술하면 번갈아 서로 반대방향으로 회전하는, 즉 교번하는 회전방향을 갖는), 본 발명의 설계원리(방법)를 설명하기 위한 초소형 수직축 풍력발전기(micro VAWT)에 관한 스케치(sketch)의 조감도이다. 여기서 초소형이라는 의미는 도1의 ②부분에 설치된 바람터빈(wind turbine)의 크기(실 예로 Minebea-Matsushita Motor Corporation사의 MDNS motor를 바람터빈으로 사용할 경우, 이 바람터빈으로 크기는 직경(가로) 2.4cm, 높이(세로)는 축의 길이를 포함하여 4cm이내이다)는 이 도면1과 함께 발전기의 밑부분에 관한 도20을 참조하면 대충 짐작할 수 있다. 이 도20에 보인 조감도의 아랫부분에서 두 종류의 톱니바퀴(도2의 ①과 ②에 해당)와 바람터빈(도1의 ②나 도2의 ③에 해당)과의 연결관계를 살펴 볼 수 있으며, 두 개의 톱니바퀴들(gears) 위에 부착, 고정되어, 이 두 톱니바퀴들을 서로 반대방향(즉 좌우 두가지 방향)으로만 회전하도록, 회전동력을 발생시키는 두 그룹의 H막대형 수직축 날개들(오른쪽으로 회전하는 방향성을 주도록, 도면 4의 ①이나 도면6의 ①과 같은 수직날을 사용하여 설계 ? 제작되며, 도3~도8에 보인 형태와 구성에 의해 오른쪽 방향으로만 회전하는 H막대형 수직축 날개들의 그룹과, 역시 앞과 같은 설계 원리에 따르는 왼쪽 방향으로만 회전하는 도9~도17에 보인 H막대형 수직축 날개들의 그룹)도 또한 살펴 볼 수 있다.
도18에서도 바람터빈의 용기(case)①가 포함된 프레임(frame)과 두 그룹의 수직축 날개들을 도19에 보인 중심(지지)축(the central axis)에 의해 결합시킨, 본 발명의 초소형 수직축 풍력 발전기를 보이고 있다. 그리고 도면 20으로부터는 두 그룹의 수직축 날개들이 부착, 고정되어 있어서, 서로 반대방향으로만 회전하는 회전동력들을 갖는 두개의 톱니바퀴들이 바람터빈 축 톱니바퀴에, 자신들의 회전동력들을 비대칭 회전동력들로 전달하고, 연결하는 방법도 개념적으로 파악할 수 있다.
또, 도20은 도18에 보인 프레임(도18의 ①)에다가 불어오는 바람의 방향쪽으로 향하게 하는 방향타를 덧붙인 초소형 풍력발전기에 관한 스케치의 배면 조감도에 해당하며, 소전력(수w~수십w)을 발전하는 바람터빈과 수직축 날개들과의 크기(size) 비교는 물론 본 발명의 “교번하여 회전하는 수직축 날개들을 갖는 발전기”를 통과하는 바람의 경로(path)까지 개념적으로 살펴볼 수 있도록, 바람의 흐름도 표시하였다.
도21은 바람흐름의 경로를 본 발명의 수직축 풍력발전기의 조감도에서 표현하였다.
도22에서는 오른쪽방향과 왼쪽 방향으로 회전하는 두 그룹의 수직축 날개들 사이를 통과하는 바람의 흐름을 개념적으로 보이는 예시적인 도면이다.
이 도면, (a)의 경우는, 두 그룹의 수직축 날개들의 수직날들을 바람이 불어오는 방향을 향해서 횡으로, 일렬로 배치되었을 경우에 관한 바람 흐름의 경로를 예시적이고 개념적으로 보이고 있다(본 발명의 수직축 풍력발전기의 경우는 톱니바퀴들에 부착, 고정된 날개들과 이 날개들을 구동하고, 회전을 계속 보조하는 구동날개들 사이의 각도는 도7의 ④와 도11의 ①과 같은 슬롯(slot)에 의해 항상 90도를 유지하므로 도면22의 (a)와 같은 수직날들의 배치는 발생하지 않는다).
도면 (b)의 경우는 두 톱니바퀴들에 부착, 고정된 회전방향이 서로 반대인 두개의 주 날개들과 이 주 날개들을 구동하고 회전을 계속 보조하는, 두 구동 날개들 사이의 각도들이 항상 90도를 유지되면서(90도로 고정되어서) 회전하는 경우, 그 날개들 사이로 통과하는 바람의 흐름에 관한 경로를 보여준다.
도22의 (a)와 (b)에 보인 것처럼 수직축 날개들 사이를 통과하는 바람의 흐름은 산란되지 않으며 전체적으로 도20이나 도21에서 보인 것과 같은 바람흐름의 경로를 형성한다.
이제까지 본 발명의 “교번하여 반대방향으로 회전하는 다수개의 날개들을 하나의 중심축에 갖는 수직축 풍력발전기”에 관한 전체적인 구성과 수직축 날개들이 회전하는 원리, 산란되지 않는 바람흐름의 경로 등을 “초소형 수직축 풍력발전기의 스케치 도면”들을 활용하여 개념적으로 기술, 설명하였으며 수직축 날개에서 발생하는 서로 역방향으로 회전하는 회전동력들은 이 들 날개에 부착, 고정된 두 톱니바퀴들의 회전동력들이 되므로, 서로 반대방향으로 회전하는 이 두 톱니바퀴들의 회전동력들을 바람터빈축톱니바퀴(wind turbine axis-gear)에 연결시키는 방법은 도3을 통해 보였다.
앞의 도면들을 통해서 설명한 본 발명의 수직축 풍력발전기는 “하나의 중심축에서 다수개의 수직축 날개들을 교번하는 방향으로 회전시킬지라도, 날개들 사이를 통과하는 바람의 흐름은 산란되지 않을 뿐만 아니라, 설치된 날개들의 회전반경의 단면적을 통과하는 바람의 흐름(즉, 풍력)을 대부분 이용하므로, 기존의 어떠한 형태의 날개들보다도 풍력의 이용효율이 높고, 따라서 발전효율이 높을 수 밖에 없는 풍력발전기이다.
Claims (2)
- 도8과 도9, 도10과 도11처럼 서로 반대 방향으로 회전하는 두 그룹의 수직축 날개들을 하나의 회전중심축에 설치함으로써, 불어오는 바람의 흐름(즉 풍력)을 최대한 활용하도록하고, 이 두 그룹의 수직축 날개들에서 발생하며, 회전방향은 서로 반대이면서 크기도 서로 다른 두가지 톱니바퀴의 회전동력들을, 도1, 도2, 도20에 보인 위치에 설치된 바람터빈축 톱니바퀴에 연결하여 전력을 발생시키는 수직축 풍력 발전기
- 청구항1의 수직축 풍력발전기에 채택된, 서로 반대방향으로 회전하는 도3, 도10과 같은 주날개와 도5, 도11과 같은 구동날개로 구성되는 도8과 도15와 같은 복합날개.
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KR1020100123042A KR20120061658A (ko) | 2010-12-03 | 2010-12-03 | 교번하여 반대방향으로 회전하는 다수개의 날개들을 (하나의 중심축에) 갖는 수직축 풍력발전기. |
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Cited By (2)
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KR20160009857A (ko) | 2014-07-17 | 2016-01-27 | 화신강업(주) | 수직축 양방향 풍력 터빈 |
CN113357077A (zh) * | 2020-03-04 | 2021-09-07 | 周济泽 | 双风轮垂直轴风力发电装置 |
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2010
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