KR20120092225A

KR20120092225A - 수직 로터형 풍력발전 장치

Info

Publication number: KR20120092225A
Application number: KR1020110012124A
Authority: KR
Inventors: 성기석
Original assignee: 강릉원주대학교산학협력단
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-21

Abstract

본 발명은 지면에 수직으로 설치되고, 측면 방향의 바람에 대해서 자전 회전력, 전면 방향의 바람에 대해서는 공전 회전력을 제공하는 다수의 블레이드(100); 블레이드(100)가 주위에 회전되게 설치되고 블레이드(100)의 회전력을 전달받으며 지면에 대해 수직으로 설치된 로터(110); 로터(110)가 회전 가능하게 설치되고 바람의 방향에 대하여 블레이드(100)의 각도를 조정하고 블레이드(100)의 자전 회전력에 대한 저항력을 제공하며 지면에 대해 수직으로 설치된 중심축(115); 및 블레이드(100)와 로터(110) 사이의 동력을 전달하는 동력 전달수 단(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수직 로터형 풍력발전 장치{WIND POWER GENERATOR WITH VERTICAL ROTOR}

본 발명은 수직로터형 풍력발전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바람에 의해 회전되는 로터가 지면에 대해 수직으로 배치된 상태로 발전을 할 수 있는 수직로터형 풍력발전 장치에 관한 것이다.

종래의 고정익 풍차나 터빈은 수평 또는 수직 구동축의 모멘트 지지 부재에 곡면 형태를 유지하는 날개를 구성하고, 그 날개가 풍력을 받고 회전되도록 구성된다.

수평축형 고정익 풍차나 터빈은 항상 유체의 흐름에 마주하도록 하지 않으면 구동 효율이 크게 감소되는 단점이 있다.

수직축형 고정익 풍차나 터빈은 유체의 흐름에 역행하는 위치의 궤적에 배치되는 날개 측에 반발하는 저항력이 발생하여 구동 효율(동력 계수)을 감소시키는 폐단이 있다.

수직축형 풍력 발전기에는 원호형 날개 2-3개를 수직축에 붙인 다리우스 형(Darrieus type), 2-4개의 수직 대칭익형 날개를 수직축에 붙인 자이로밀 형(Gyromill type), 및 반원통형의 날개를 마주보게 한 사보니우스 형(Savonius type) 등이 있다.

다리우스(Darrieus)는 일반적인 바퀴 모양의 터빈과는 대조적으로 여러 개의 직선형 및 곡선형의 회전 날개와 수직 구동축을 갖춘 원통형의 새로운 반동 터빈(reaction turbine)을 개발하였다.

다리우스 회전차(터빈)를 실용화하기 위한 많은 시도가 있었지만 빠른 회전 속도에 비해 상대적으로 매우 낮은 효율을 보이기 때문에 실질적으로는 거의 사용되지 않았다.

한편, 이를 보완하려는 시도의 하나로서 1994년에 미국 수력발전 연구소의 고를로프(A.M.Gorlov) 박사가 수직축 구동의 회전 기판에 수개의 나선형 회전 날개를 배열한 헬리컬 터빈을 개발한 바 있다.

상기와 같은 수직축형 풍력 터빈은 바람의 방향과 무관하게 작동할 수 있는 장점이 있으나, 블레이드의 대칭적인 구조상 효율이 떨어지는 단점이 있다. 즉, 블레이드의 면이 풍향과 정면으로 향할 경우에는 회전력보다는 풍압에 의한 항력이 발생하여 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 수직축형 풍력 터빈에서 블레이드의 자전 회전력을 발생시켜 로터의 회전력으로 전환하고, 바람의 방향에 대한 블레이드의 각도를 로터의 회전 위치에 따라 조정하여 블레이드의 공전 회전력을 최대화할 수 있는 수직로터형 풍력발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직로터형 풍력발전 장치는, 지면에 수직으로 설치되고, 측면 방향의 바람에 대해서 자전 회전력, 전면 방향의 바람에 대해서는 공전 회전력을 제공하는 다수의 블레이드(100); 상기 블레이드(100)가 주위에 회전되게 설치되고 상기 블레이드(100)의 회전력을 전달받으며 지면에 대해 수직으로 설치된 로터(110); 상기 로터(110)가 회전 가능하게 설치되고 지면에 대해 수직으로 설치된 중심축(115); 및 상기 블레이드(100)와 로터(110) 사이의 동력을 전달하는 동력 전달 수단(120)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드(100)는 지면에 수직하게 일정한 길이로 형성되며, 회전 중심에 대해 단면이 대칭되는 에어포일 형상일 수 있다.

상기 로터(110)는 상기 블레이드(100)가 회전 가능하게 설치되는 고정축(118)이 상면부에 구비된 회전 부재(116)를 포함할 수 있다.

상기 동력 전달 수단(120)은 상기 블레이드(100)가 고정되고 상기 로터(110) 상에 회전 가능하게 설치되는 제1 기어(121), 상기 제1 기어(121)에 맞물려 회전되는 제2 기어(122), 및 상기 제2 기어(122)에 맞물리고 상기 중심축(115)에 고정되는 제3 기어(123)를 포함할 수 있다.

상기 중심축(115)에는 상기 중심축(115)을 바람의 방향에 따라 회전시켜 고정하는 조정 기구(140)가 설치될 수 있다.

상기 조정 기구(140)는 풍향계(141)와 상기 중심축(115)에 연결된 회전 암(142)을 포함할 수 있다.

상기 조정 기구(140)는 상기 중심축(115)에 연결된 웜휠(144)과 웜(145)를 포함할 수 있다.

상기 동력 전달 수단(120)은 상기 로터(116) 상에 상기 블레이드(100)와 함께 회전가능하게 설치된 구동기어(151, 152); 및 상기 구동기어(151, 152)와 구동체인에 의해 연결된 종동기어를 포함할 수 있다.

상기 구동기어(151, 152)는 각각의 구동체인(153, 154)에 의해 복수의 종동기어(155, 156)에 연결될 수 있다.

상기 로터(110)의 중앙부에는 회전기어(161)가 고정되게 설치되고, 상기 로터(110)의 회전력을 전달받는 발전기(130)에는 이에 상응하는 발전기어(162)가 결합되고, 상기 회전기어(161)와 상기 발전기어(162)는 발전체인(163)에 의해 연결될 수 있다.

상기 중심축(115)의 하방에는 상기 중심축(115)을 회전시키기 위한 모터(143)에 결합되어 회전되는 조정기어(171)가 설치되고, 상기 중심축(115)에는 상기 조정기어(171)에 상응하여 조정체인(172)에 의해 회전되는 피동기어(173)가 고정될 수 있다.

상기 구동기어(151, 152) 사이에는 하나의 종동기어(157)가 설치되고, 상기 구동기어(151, 152)와 상기 종동기어(157)는 하나의 구동체인(180)에 의해 연결될 수 있다.

상기 구동기어(151, 152)와 상기 종동기어(157) 사이에는 상기 구동체인(180)의 늘어짐을 방지하고, 구동력의 전달을 강화시킬 수 있는 텐션기어(175, 176)가 더 배치될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 수직로터형 풍력발전 장치는 자전 회전력을 가지는 수개의 블레이드를 로터 상에 설치하고 로터의 회전에 따라 블레이드의 각도를 조정하여 블레이드의 자전 회전력과 공전 회전력(항력)을 로터의 회전력으로 변환함으로써 풍력 터빈의 효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 블레이드의 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 평면 개념도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 로터의 회전에 따른 블레이드의 위상을 나타낸 평면 개념도이다.
도 4는 도 3a의 블레이드에 대해 항력을 제공하는 공기의 유동 상태도이다.
도 5는 도 3a의 블레이드에 대해 양력을 발생시키는 공기의 유동 상태도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 조정 기구에 의한 방향 작동도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 개략적인 정면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 개략적인 평면도이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 블레이드의 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치는 지면에 수직으로 설치되는 다수의 블레이드(100), 블레이드(100)가 주위에 회전되게 설치되고 블레이드(100)의 회전력을 전달받으며 지면에 대해 수직으로 설치된 로터(110), 로터(110)가 회전 가능하게 설치되고 지면에 대해 수직으로 설치된 중심축(115), 및 블레이드(100)와 로터(110) 사이의 동력을 전달하는 동력 전달 수단(120)을 포함할 수 있다.

도 1 및 도 2를 더 참조하면, 블레이드(100)는 사방으로 불어오는 바람에 의해 회전될 수 있도록 형성된다.

즉, 블레이드(100)는 대향하여 불어오는 바람에 의해 회전될 수 있도록 지면에 대해 수직으로 형성되는 면적을 가질 수 있다. 또한, 블레이드(100)는 블레이드(100)의 측면 방향으로 불어오는 바람에 의해 회전될 수 있도록 단면이 대칭된 에어포일 형상을 가질 수 있다.

블레이드(100)는 지면에 대해 수직하게 일정한 길이로 형성되는데, 그 자체에 대해 대면하게 불어오는 바람과 측면으로부터 불어오는 바람에 의해 회전되고 동력 전달 수단(120)을 통해 로터(110) 측으로 회전력을 전달할 수 있다.

도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 평면 개념도이다.

도 3a를 참조하면, 블레이드(100)는 대칭적으로 형성되고 사방에 배치됨으로써 공기역학적인 자전 회전력과 공전 회전력을 제공할 수 있다.

도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 로터의 회전에 따른 블레이드의 위상을 나타낸 평면 개념도이다.

도 1, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 블레이드(100)는 측면 방향의 바람에 대해서 자전 회전력, 전면 방향의 바람에 대해서는 공전 회전력이 상대적으로 커질 수 있다. 블레이드(100)는 회전 중심에 대해 단면이 점대칭인 에어포일 형상으로 형성될 수 있다.

블레이드(100)는 주위에서 불어오는 바람에 의해 회전력을 쉽게 받을 수 있는 형상으로서, 그 길이나 형상의 단면 및 배치개수는 설치되는 장소의 풍속이나 풍압에 맞춰 조절할 수 있다.

도 1 및 도 3a를 참조하면, 로터(110)는 지면에 대해 수직으로 설치되어 바람에 의한 회전력을 전달받고, 그 회전력으로 발전기(130)를 구동시킬 수 있는 회전축에 해당된다.

로터(110)는 지면에 대해 수직으로 고정된 중심축(115)의 상부에 베어링 결합된다. 중심축(115)은 로터(110)와 블레이드(100)를 지지하는 지지체이다.

로터(110)에는 블레이드(100)에 의해 회전될 수 있는 회전 부재(116)가 구비될 수 있다.

회전 부재(116)의 상면부에는 블레이드(100)가 회전 가능하게 결합되는 고정축(118)이 설치된다. 블레이드(100)는 제1 기어(121)에 지지되어 고정되고, 제1 기어(121)는 회전 부재(116) 상에 지지되고 베어링 결합되어 회전될 수 있다.

회전부재(116)는 로터(110)에 대한 회전 부재(116)의 회전 반경을 제공하는 것으로서, 원형판 형상으로 형성되거나 회전 암과 같이 형성되어 원주 방향을 따라 일정 각도로 이격된 회전 패널 방식으로 제공될 수 있다.

즉, 회전 부재(116)는 원판형일 수도 있지만 각 블레이드(100)와 하기 각 기어 세트의 수만큼의 회전 암(미도시)으로　구성할 수도 있으며, 그럴 경우　무게를 줄일 수 있어서 더 효율적일 수 있다.

도 1 및 도 3a를 참조하면, 동력 전달 수단(120)은 세 개의 기어로 구성될 수 있다.

즉, 블레이드(100)가 상면부에 설치되고 고정축(118)에 회전 가능하게 베어링 결합되는 제1 기어(121), 회전 부재(116) 상에 회전 가능하게 설치되고 제1 기어(121)에 맞물려 회전되는 제2 기어(122), 중심축(115)에 고정되는 제3 기어(123)를 포함할 수 있다.

로터(110)의 회전 부재(116)에는 블레이드(100) 개수만큼의 수직축(119)이 로터(110)의 중심과 각 블레이드(100)의 고정축(118) 사이에 구비된다. 수직축(119)에 회전 가능하게 결합된 제2 기어(122)는 제1 기어(121)와 제3 기어(123) 사이에서 회전력을 전달할 수 있다.

제1 기어(121)는 유성 기어에 해당되며, 제2 기어(122)는 매개 기어이며, 제3 기어(123)는 태양 기어에 해당될 수 있다. 제1 기어(121)와 제3 기어(123)의 회전비는 1:2 정도가 적합하다.

제1 기어(121), 제2 기어(122), 제3 기어(123)를 이용하여 블레이드(100)의 자전 회전력을 로터(110)의 회전력으로 전달하는 것은, 체인, 벨트나 전달 축을 이용하는 등 마찰 손실이 적은 다른 방식으로도 가능하다. 이때, 회전력 전달은 로터(110)와 블레이드(100)의 회전비가 2:1 구성되고, 서로 역방향 회전될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

로터(110)에는 발전기(130)를 회전시킬 수 있는 기어 체계가 구비될 수 있다. 기어 체계는 통상적으로 발전기(130)의 회전 속도를 높이기 위한 속도로 기어비가 결정될 수 있다.

발전기(130)는 전력을 생산할 수 있으며, 반대로 전력에 의해 구동되어 로터(110)를 회전시킬 수 있는 모터로도 작동될 수 있다. 발전기(130)의 주위에는 통상적으로 전압과 전류를 변환하기 위한 인버터 및 전력을 저장하는 대형 콘덴서 또는 배터리, 전력 소자 및 회로에 의해 구성되는 컨트롤러 등이 배선 박스에 설치될 수 있다.

도 4는 도 3a의 블레이드에 대해 항력을 제공하는 공기의 유동 상태도이다.

도 5는 도 3a의 블레이드에 대해 양력을 발생시키는 공기의 유동 상태도이다.

도 3a, 도 3b 및 도 4를 참조하여 블레이드(100)가 바람(W)에 의해 공전되는 작동을 살펴보면, 블레이드(100)가 "가"와 같이 위치할 때에는 블레이드(100)의 전면으로 받는 풍압에 의해 공전 회전력(항력)이 발생하여 로터(110)를 회전시킬 수 있다. 도 4에서 화살표는 바람의 유동 방향을 나타낸 것이다. 이때, 블레이드(100)는 바람(W)의 저항을 직접 받아서 로터(110)를 회전시킨다. 블레이드(100)는 바람에 대한 항력에 의해 회전 부재(116) 측에 반시계 방향의 회전 모멘트를 제공할 수 있다.

도 3a, 도 3b 및 도 5를 참조하여 블레이드(100)가 바람(W)에 의해 자전되는 작동을 살펴보면, 블레이드(100)가 "나"와 같이 위치할 때에는 유선형인 블레이드(100)의 측면 표면으로 흐르는 공기에 의해 자전 회전력을 얻을 수 있다. 도 5에서 화살표는 바람의 유동 방향을 나타낸 것이다. 이때, 블레이드(100)는 양력(lift force)에 의해 자전된다. 즉, 블레이드(100)가 회전하는 원리를 살펴보면, 블레이드(100)의 측면에서 출발한 바람이 제1 곡면부(101)와 제2 곡면부(102)로 분리되어 흐름을 알 수 있다. 제1 곡면부(101)를 통과한 바람은 제2 곡면부(102)를 통과하는 바람보다 속도가 빨라지게 된다. 이때, 생성되는 블레이드(100) 양면의 유속 차에 의해 양력이 발생하게 되고, 이 힘에 의해 블레이드(100)가 양력 방향으로 움직이면서 회전하게 된다. 이와 같이, 블레이드(100)는 바람(W)의 항력에 의한 공전력과 양력에 의한 자전력의 합력에 의해 회전되면서 로터(110)를 회전시킬 수 있다.

다시, 도 1, 도 3a 및 도 3b 를 참조하면, 로터(110)의 회전에 의해 블레이드(100)가 바람의 방향으로 거슬러 움직이므로 블레이드(100)의 표면에 흐르는 공기의 상대 속도가 원래 바람의 속도보다 더 증가하게 되어, 블레이드(100)의 대한 자전 회전력이 증가할 수 있다.

블레이드(100)의 자전력은 제1 기어(121), 제2 기어(122), 제3 기어(123)를 통해 로터(110)를 회전시킬 수 있으며, 공전력은 로터(115)를 직접 회전시킬 수 있다. 로터(115)의 회전력은 최종적으로 발전 시스템을 구성하는 발전기(130)로 전달되어 전력으로 변환될 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 중심축(115)에는 바람에 의해서 발생되는 블레이드(100)의 자전 회전력이 제3 기어(123)에 걸리는 힘과, 로터(110)가 회전할 때, 그에 대항하는 블레이드(100)의 관성으로 인하여 제3 기어(123)에 걸리는 힘의 차이만큼 시계 방향 또는 반시계 방향의 회전력이 제공될 수 있다.

이때, 블레이드(100)의 자전 회전력이 로터(110)의 회전력보다 상대적으로 크면 중심축(115)에는 시계 방향의 회전력이 걸리고, 상대적으로 적으면 중심축(115)에는 반대 방향의 회전력이 걸릴 수 있다. 로터(110)는 중심축(115)에 걸리는 힘의 방향과 반대로 회전된다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 로터(110)가 회전함에 따라 중심축(115)의 기준방향과, 중심축(115)으로부터 블레이드(100)의 중심을 잇는 선이 이루는 각이 변화하는데, 이 각이 변화함에 따라 블레이드(100)의 전면이 바람의 방향과 이루는 각도가 정해진 만큼 변화될 수 있다.

블레이드(100)가 공전하여 자리하는 위치에 따라, 블레이드(100)에 미치는 바람에 대한 항력이 로터(110)가 회전하는 원호의 접선 방향을 향하도록 변경 시킴으로써 블레이드(100)가 로터(110)에 미치는 공전 회전력을 극대화할 수 있다.

이는 초기에 중심축(115)의 기준 방향에 대한 회전하는 각 위치에 따라서 블레이드(100)의 전면이 향하는 각도가 일정하게 되도록 설정해놓으면 된다. 그러면, 로터(110)와 블레이드(100)의 회전비가 2:1 이고, 블레이드(100)가 자전 중심축에 대해서 단면이 점대칭인 형상이므로 로터(110)가 회전하여 블레이드(100)가 회전하더라도 초기에 설정한 각도가 유지될 수 있다. 또한, 중심축(115)의 기준 방향 즉, 바람의 방향이 변경 되더라도 중심축(115)의 기준 방향에 대한 상기의 각도는 항상 유지될 수 있다.

다시, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 블레이드(100)가 공전하면서 중심축(115)의 기준 방향에 대한 위상이 변화할 때, 블레이드(100)의 전면이 바람의 방향과 이루는 편차각도 변화하는데, 각 위상에서의 편차각이 항상 일정하게 유지될 수 있다. 이것은 블레이드(100)의 공전과 자전의 회전비가 2:1 이며 서로 반대 방향이고, 또한 블레이드(100)가 자전 중심축에 대하여 단면이 점대칭인 형상을 가지고 있기 때문이다.

이러한 편차각을 유지할 때, 바람에 의하여 발생하는 항력의 방향이 블레이드(100)의 공전 궤도의 접선 방향으로 향하게 되어 블레이드(100)의 공전 회전력으로 효과적으로 사용할 수 있다. 또한 반대 방향의 항력이 발생하는 위상에서는 양력에 의해서 자전 회전력이 발생되고, 그 자전 회전력이 다시 로터(110)의 회전력으로 전환될 수 있다.

도3a에서 "가" 화살표 영역에 위치하고 있는 블레이드(100)는 바람에 대한 항력이 커서 공전 회전력이 커지고, 블레이드(100)가 고정되어 있는 축과 회전 부재(116)를 통해 로터(110)를 회전시킬 수 있다. 로터(110)의 회전력은 동시에 회전부재(116)에 고정된 다른 블레이드(100)를 공전시키는 회전력을 제공한다. 한편, "나" 화살표 영역에 위치한 블레이드(100)는 사실상 바람을 거슬러 회전하게 되는데, 이 바람을 거슬러 회전하는 힘은 "가" 영역에 위치한 다른 블레이드(100)의 공전 회전력을 로터(110)와 회전부재(116)를 통해 전달받은 것이다.

아울러 블레이드(100)의 측면을 거슬러 흐르는 바람에 의해서 양력이 발생하고 이 양력이 블레이드(100)의 자전 회전력을 일으키는데, 이 자전 회전력을 기어나 체인 등을 이용하여 로터(110)의 회전력으로 전환할 수 있다. 즉, 고정된 중심축(115)에 고정된 기어의 주위를 블레이드(100) 기어가 회전하도록 함으로써 블레이드(100)의 회전력을 회전부재(116)와 로터(110)의 회전력으로 전환시킬 수 있다. 그리고, 블레이드(100)가 "나" 영역에서 "가" 영역 사이에 위치하여 회전할 때에는 블레이드(100)의 전면에 비스듬히 부딪치는 바람에 의해서 블레이드(100)의 공전 방향으로의 항력이 발생하고 이 항력이 회전 부재와 로터(110)를 회전시킬 수 있다. 또한, 블레이드(100)의 전면에 비스듬히 부딪치는 바람에 의해서 자전 회전력이 발생되는데, 이것을 마찬가지로 로터(110)의 회전력으로 전환할 수 있다.

블레이드(100)의 위상이 변화될 때, 중심축(115)에 걸리는 회전력에 대응하는 항력을 제공하기 위해서 중심축(115)을 고정하여야 할 필요가 있다. 즉, 중심축의 기준 방향을 조정함과 동시에 고정하는 조정 기구가 필요할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 조정 기구에 의한 방향 작동도이다.

도 6을 참조하면, 로터(110)가 가동될 수 있게 설치된 중심축(115)은 바람의 방향으로 고정되는데, 바람의 방향이 바뀌면 풍향을 자동으로 감지하여 그 방향으로 중심축(115)의 기준 방향을 바꾸어주고 고정하는 조정 기구(140)를 더 설치할 수 있다. 조정 기구(140)는 별도의 모터(143)로 구동되어 작동될 수 있다.

도 1 및 도 6을 참조하면, 조정 기구(140)는 풍향을 감지하는 풍향계(141) 및 중심축(115)에 연결되어 중심축(115)을 회전시킬 수 있는 회전 암(142), 또는 웜휠(144)과 웜(145) 등을 포함할 수 있다. 중심축(115)에는 최대로 블레이드(100)의 자전 회전력만큼의 회전력이 걸릴 수 있으며, 이에 대한 저항력을 제공하여 중심축(115)의 회전을 방지하고 고정시켜야 하므로 웜휠(144)과 웜(145)와 같이 웜휠(144)에서 웜(145) 측으로 역방향의 회전력 전달이 불가능한 기어 결합에 의한 브레이크 기능을 사용할 필요가 있다. 물론, 소형의 단순한　시스템에서는 풍향을 가리키는 커다란 회전 암(142)을 사용할 수 있다.

풍향계(141)는 일 예로 전자 소자인 풍향 감지 센서가 될 수 있다. 중심축(115)은 별도의 전원이 필요 없이, 발전기(130)에 배터리나 콘덴서에 저장된 전류가 입력되어 모터를 가동하도록 구성됨으로써 회전될 수 있다. 중심축(115)은 지면 상에서 회전이 가능하게 스러스트(thrust) 베어링(147) 상에 설치될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 개략적인 사시도이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 개략적인 정면도이다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수직로터형 풍력발전 장치의 개략적인 평면도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예는 블레이드(100)와 중심축(115)의 동력 전달 수단으로서, 회전부재(116) 상에 블레이드(100)와 함께 회전가능하게 설치된 구동기어(151, 152), 구동기어(151, 152)와 각 구동체인(153, 154)에 의해 연결된 복수의 종동기어(155, 156)를 포함할 수 있다.

구동기어(151, 152), 종동기어(155, 156), 및 구동체인(153, 154)는 서로 상응하여 전술한 블레이드(100)에 작용하는 양력과 항력에 의한 회전력을 로터(110)에 전달할 수 있다.

로터(110)의 중앙부에는 발전기를 구동시키기 위한 회전기어(161)가 고정되게 결합되고, 발전기(130)에는 이에 상응하는 발전기어(162)가 결합될 수 있다. 회전기어(161)와 발전기어(162)가 발전체인(163)에 의해 연결되므로, 로터(110)의 회전력이 발전기(130)에 전달될 수 있다.

도 8을 참조하면, 회전기어(161)는 회전부재(116)와 함께 회전되는 로터(110)에 고정되게 결합되어 로터(110)와 함께 회전되면서 발전기(162) 측에 회전력을 전달할 수 있다.

또한, 중심축(115)의 하부에는 모터(143)에 결합되어 회전되는 조정기어(171)와 조정기어(171)에 상응하여 조정체인(172)에 의해 회전되는 피동기어(173)가 고정되게 결합될 수 있다.

도 9를 참조하면, 도 9에는 종동기어(157)를 한 개만 설치하고, 구동체인(180)을 한 개만 설치하여 모든 구동기어(151, 152)와 하나의 종동기어(157)를 하나의 구동체인 (180)으로 연결하는 실시예가 도시된다. 이때, 구동기어(151, 152)와 종동기어(157) 사이에는 구동체인(180)의 늘어짐을 방지하고, 구동력의 전달을 강화시킬 수 있는 텐션기어(175, 176)가 회전부재(116) 상에 더 배치될 수 있다. 텐션기어(175, 176)는 구동체인(180)의 일부 구간에 감기며, 그 일부 구간을 반대 구간 측으로 압박하도록 설치될 수 있다.

상기와 같이 기술된 본 발명의 실시예들에 대한 도면은 자세한 윤곽 라인을 생략한 것으로서, 본 발명의 기술사상에 속하는 부분을 쉽게 알 수 있도록 개략적으로 도시한 것이다. 또한, 상기 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하는 기준이 될 수 없으며, 본 발명의 청구범위에 포함된 기술사항을 이해하기 위한 참조적인 사항에 불과하다.

100: 블레이드
110: 로터
115: 중심축
116: 회전 부재
118: 고정축
120: 동력 전달 수단
121: 제1 기어
122: 제2 기어
123: 제3 기어
130: 발전기
140: 조정 기구
141: 풍향계
142: 회전 암
143: 모터
144: 웜휠
145: 웜
147: 쓰러스트 베어링
151, 152, 157: 구동기어
153, 154, 180: 구동체인
155, 156: 종동기어
161: 회전기어
162: 발전기어
163: 발전체인
171: 조정기어
172: 조정체인
173: 피동기어
175, 176: 텐션기어

Claims

지면에 수직으로 설치되고, 측면 방향의 바람에 대해서 자전 회전력, 전면 방향의 바람에 대해서는 공전 회전력을 제공하는 다수의 블레이드(100);
상기 블레이드(100)가 주위에 회전되게 설치되고 상기 블레이드(100)의 회전력을 전달받으며 지면에 대해 수직으로 설치된 로터(110);
상기 로터(110)가 회전 가능하게 설치되고 지면에 대해 수직으로 설치된 중심축(115); 및
상기 블레이드(100)와 상기 로터(110) 사이의 동력을 전달하는 동력 전달 수단(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 블레이드(100)는 지면에 수직하게 일정한 길이로 형성되며, 회전 중심에 대해 단면이 대칭되는 에어포일 형상인 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 로터(110)는 상기 블레이드(100)가 회전 가능하게 설치되는 고정축(118)이 상면부에 구비된 회전 부재(116)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 동력 전달 수단(120)은 상기 블레이드(100)가 고정되고 상기 로터(110) 상에 회전 가능하게 설치되는 제1 기어(121), 상기 제1 기어(121)에 맞물려 회전되는 제2 기어(122), 및 상기 제2 기어(122)에 맞물리고 상기 중심축(115)에 고정되는 제3 기어(123)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 중심축(115)에는 상기 중심축(115)을 바람의 방향에 따라 회전시켜 고정하는 조정 기구(140)가 설치되는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 조정 기구(140)는 풍향계(141)와 상기 중심축(115)에 연결된 회전 암(142)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 조정 기구(140)는 상기 중심축(115)에 연결된 웜휠(144)과 웜(145)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제1항에 있어서,
상기 동력 전달 수단(120)은 상기 로터(116) 상에 상기 블레이드(100)와 함께 회전가능하게 설치된 구동기어(151, 152); 및
상기 구동기어(151, 152)와 구동체인에 의해 연결된 종동기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제8항에 있어서,
상기 구동기어(151, 152)는 각각의 구동체인(153, 154)에 의해 복수의 종동기어(155, 156)에 연결되는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제8항에 있어서,
상기 로터(110)의 중앙부에는 회전기어(161)가 고정되게 설치되고, 상기 로터(110)의 회전력을 전달받는 발전기(130)에는 이에 상응하는 발전기어(162)가 결합되고, 상기 회전기어(161)와 상기 발전기어(162)는 발전체인(163)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제8항에 있어서,
상기 중심축(115)의 하방에는 상기 중심축(115)을 회전시키기 위한 모터(143)에 결합되어 회전되는 조정기어(171)가 설치되고, 상기 중심축(115)에는 상기 조정기어(171)에 상응하여 조정체인(172)에 의해 회전되는 피동기어(173)가 고정되는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제8항에 있어서,
상기 구동기어(151, 152) 사이에는 하나의 종동기어(157)가 설치되고, 상기 구동기어(151, 152)와 상기 종동기어(157)는 하나의 구동체인(180)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.
제12항에 있어서,
상기 구동기어(151, 152)와 상기 종동기어(157) 사이에는 상기 구동체인(180)의 늘어짐을 방지하고, 구동력의 전달을 강화시킬 수 있는 텐션기어(175, 176)가 더 배치되는 것을 특징으로 하는 수직로터형 풍력발전 장치.