KR20120099893A - 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치 - Google Patents

수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치에 관한 것으로, 증속기(13) 및 발전기(14)가 축 결합된 로터샤프트(12)에 지지암(11)을 통해 일정 간격으로 블레이드(10)가 축 결합된 수직축 터빈 방식의 발전 시스템에 있어서, 상기 수직축 터빈에 일정 간격을 두고 하부가 고정 설치된 수관(22, 23); 일측은 상기 로터샤프트(12) 상부와 하부에 베어링(28, 29)으로 연결되고 타측은 수관(22, 23)과 연결된 지지프레임(26, 27); 상기 수관(22, 23) 내측에 복수로 형성된 노즐(24, 25); 상기 수관(22, 23)으로 물을 펌핑하여 공급하는 펌프(20, 21); 상기 블레이드(10)의 위치를 감지하여 감지신호를 출력하는 센서(32 또는 33); 상기 센서의 감지신호를 입력받아 펌프(20, 21)의 작동을 제어하는 컨트롤러(30);를 포함하고, 상기 컨트롤러(30)의 제어로 노즐(24, 25)을 통해 물을 분사하여 로터샤프트(12)를 회전축으로 회전하는 블레이드(10)에 토크를 증대시키는 것이다. 본 발명은 유체의 흐름에 의하여 회전력을 발생하는 수직축 터빈 시스템에서 유체의 흐름과 수평 위치에서 블레이드에 토크를 증대시켜 고효율의 발전이 가능하고, 유체의 유속이 상대적으로 작은 곳에서도 수직축 터빈의 토크를 증대시킬 수 있어 수직축 터빈의 효율을 최대화시킨 것이다.

Description

수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치{Apparatus for increase Torque of Vertical Axis Turbine System}
본 발명은 유체의 흐름으로 발전하는 수직축 터빈 시스템의 토크를 증대시키기 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체유동의 운동에너지를 발전에너지로 변환시키는 수직축 터빈의 복수 블레이드의 토크를 증대시켜 고효율의 발전을 시키는 장치에 관한 것이다.
재생에너지의 활용에 대한 관심이 고조되면서 다양한 해양재생에너지를 이용하는 발전이 논의되고 실현되고 있으며, 이런 배경에서 조류발전도 가능성 있는 해상재생에너지의 한 축으로 이해되고 있다. 현재까지는 주로 선진국울 중심으로 다양한 형식의 변환장치와 이의 효율적인 운용을 보장하기 위한 구조물, 그리고 복수의 모듈 배치 등의 연구가 활발히 이루어지고 적용되고 있다. 조류에너지 변환장치의 핵심은 양력을 발생시키는 날개이다. 날개의 배치 형식에 따라 크게 수평축 터빈 방식(Horizontal Axis Turbine, HAT)과 수직축 터빈 방식(Vertical Axis Turbine, VAT)으로 나뉜다.
수평축 터빈 방식은 추진장치인 프로펠러의 역개념으로, 조류의 방향과 평행한 축을 가진 터빈의 날개 각도를 조절하여 발생하는 양력으로 축의 회전을 만들어 내는 개념이다. 풍력발전을 바다라는 환경으로 확장한 개념으로 원리가 단순하다는 장점이 있지만, 조류의 방향이 축과 일치하여야 효율이 보장되고 조류가 역전되면 회전 방향이 바뀌는 단점이 있다. 수평축 터빈 방식의 효율을 극대화하기 위하여 터빈의 직경, 날개 수, 반경방향 피치 분포, 날개 코드길이 또는 확장면적비 등이 주어진 제약조건, 즉 조류와 공간의 특성, 목표동력, 캐비테이션 등에 따라 결정되어야 한다.
한편, 수직축 터빈 방식은 회전축이 조류의 방향과 수직하고 축과 평행하게 놓인 날개에 발생하는 양력으로 회전함으로서 얻어지는 회전력에 기초한다. 초기 구동이 어렵고, 수평축 터빈 방식에 비하여 효율은 다소 떨어지지만, 조류방향과 무관하게 한 방향으로 회전하고 발전기 등을 수면 위에 위치시키기 용이하다는 장점이 있다. 수직축 터빈 방식의 효율 역시 터빈의 직경, 길이, 날개 수, 피치 크기, 날개 위 코드 길이 등이 주어진 제약조건, 즉 조류와 공간의 크기, 희망동력 등에 따라 적절히 결정되어야 극대화될 수 있다.
종래의 수직축 터빈 방식은 조류 흐름과 직각의 위치로부터 직각의 위치를 벗어나는 위치에서는 수직축, 즉 로터샤프트에 가해지는 토크가 커지지만 날개가 조류의 흐름과 수평 위치에서는 토크가 작아져 효율이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 수직축 터빈 방식은 유체의 유속이 작은 경우에도 날개에 가해지는 토크가 작아 일정하고 보다 효율적인 발전을 수행하지 못하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 수직축 터빈 방식의 발전 시스템에서 유체의 흐름과 수평 위치에서도 날개에 순간적인 흐름을 발생시켜 토크를 증대시켜 고효율의 발전이 이루어지도록 하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 수직축 터빈 방식에서 날개의 수나 날개의 다양한 형상에도 날개의 토크를 증대시킬 수 있도록 하기 위한 것이 다른 목적이다.
또한, 본 발명은 유체의 유속이 작은 곳에서도 수직축 터빈에 높은 토크를 형성시켜 고효율의 발전이 이루어지도록 하기 위한 것이 다른 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 증속기 및 발전기가 축 결합된 로터샤프트에 지지암을 통해 일정 간격으로 블레이드가 축 결합된 수직축 터빈 방식의 발전 시스템에 있어서, 상기 수직축 터빈에 일정 간격을 두고 하부가 고정 설치된 수관; 일측은 상기 로터샤프트 상부와 하부에 베어링으로 연결되고 타측은 수관과 연결된 지지프레임; 상기 수관 내측에 복수로 형성된 노즐; 상기 수관으로 물을 펌핑하여 공급하는 펌프; 상기 블레이드의 위치를 감지하여 감지신호를 출력하는 센서; 상기 센서의 감지신호를 입력받아 펌프의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 컨트롤러의 제어로 노즐을 통해 물을 분사하여 로터샤프트를 회전축으로 회전하는 블레이드에 토크를 증대시키는 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치를 제공한 것이 특징이다.
본 발명은 상기 해결 수단에 의하여, 유체의 흐름에 의하여 회전력을 발생하는 수직축 터빈 시스템에서 유체의 흐름과 수평 위치에서 블레이드에 토크를 증대시켜 고효율의 발전이 가능하고, 유체의 유속이 상대적으로 작은 곳에서도 수직축 터빈의 토크를 증대시킬 수 있어 수직축 터빈의 효율을 최대화시킨 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 터빈 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 토크 증대 장치가 적용된 수직축 터빈 시스템을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 토크 증대 장치가 적용된 수직축 터빈 시스템을 나타낸 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 토크 증대 장치가 적용된 수직축 터빈 시스템을 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치의 작동을 설명하기 위하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 토크 증대 장치가 적용된 수직축 터빈 시스템의 다른 실시예를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에서 수직축 터빈으로 헬리컬 터빈이 적용된 다른 실시예를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치는 유체, 즉 조류나 강물 등 일정의 유속을 갖는 유체인 액체를 매체로 하여 증가된 회전에너지를 발생시키고, 이 회전에너지를 이용하여 고효율로 발전시킬 수 있도록 한 것이다.
도 1의 블록도와 도 2의 사시도에서, 수직축 터빈 방식의 시스템(1)은 로터샤프트(12)에 지지암(11)을 통해 복수의 수중익선 블레이드(10)(이하 '블레이드' 라 함)가 축 결합되어 있다. 블레이드(10)는 통상 물고기와 같이 중앙 직경의 크기가 크고 앞쪽이나 뒤쪽으로 갈수록 가늘어지는 유선형으로 이루어진다. 그리고 블레이드(10)는 회전방향에 대하여 앞부분이 뒷부분보다 다소 짧고 직경이 커야 한다. 블레이드(10)의 형상은 블레이드(10)가 유체의 흐름에 대하여 수직방향에 위치하면 블레이드(10)의 측면에서 가해지는 힘에 의하여 앞쪽으로 진행하게 되고, 블레이드(10)가 유체의 흐름에 대하여 수평방향에 위치하면 저항이 최소화되는 형상이다. 본 발명의 수직축 터빈 시스템에 적용되는 블레이드(10)는 복수 이상, 예컨대, 2개 내지 4개가 구성될 수 있고, 가장 큰 회전에너지를 발생시킬 수 있는 3개의 블레이드(10)가 적용된 것이 좋다. 복수의 블레이드(10)를 로터샤프트(12)에 연결 지지하기 위한 지지암(11)은 바 형상으로 블레이드(10)를 견고하게 지지하면서 유체에 대한 저항을 최소화할 수 있는 것이 좋다. 도 2a는 수직축 터빈 시스템(1)과 토크 증대 장치(2)가 일체로 결합된 것을 나타낸 것이고, 도 2b는 수직축 터빈 시스템(1)를 분리한 것을 나타낸 것이다.
로터샤프트(12)는 원기둥 형상으로 상부와 하부에 각각 베어링(28, 29)으로 지지된다. 로터샤프트(12)의 상부에는 증속기(13)가 장착되어 로터샤프트(12)의 회전수를 증속시킬 수 있도록 한다. 그리고 증속기(13) 상부에는 발전기(14)가 축 결합되어 증속기(13)에서 증속된 회전에너지를 전기에너지로 변환시켜 발전시킬 수 있도록 한다. 상기 증속기(13)와 발전기(14)는 수중에 위치될 수 있지만, 증속기(13)와 발전기(14)는 가능한 수면 위에 노출되어 설치되는 것이 좋다.
한편, 본 발명은 상기 수직축 터빈 시스템에서, 로터샤프트(12)에 지지암(11)으로 연결된 블레이드(10)로부터 양측 또는 방사상으로 일정 간격을 두고 복수의 수관(22, 23)이 고정 설치된다. 수관(22, 23)의 하단은 지면이나 지지구조물 등에 고정된다. 수관(22, 23)은 유체인 물을 공급하는 관으로 수직축 터빈 시스템을 고정 지지하는 것이다. 즉 수관(22, 23)에 상부와 하부 내측으로 각각 지지프레임(26, 27)을 통해 로터샤프트(12)와 베어링(28, 29)으로 연결되어 결합된다. 수관(22, 23) 사이의 하부에 연결된 지지프레임(27)은 로터샤프트(12)의 하단을 베어링(29)으로 지지하는 구조이다. 그리고 수관(22, 23) 사이의 상부에 연결된 지지프레임(26)에는 로터샤프트(12)가 베어링(28)으로 지지되면서 관통되어 있다. 상기 수관(22, 23)은 수직축 터빈 시스템의 지지를 위하여 한 쌍으로 구성되지만, 수직축 터빈 시스템의 안정된 지지를 위하여 3개 이상의 수관이 구성되거나 별도의 지지부재를 부가할 수 있을 것이다. 그러나 부가적인 수관이나 지지부재는 수직축 터빈 시스템의 블레이드가 유체의 흐름으로부터 방해되지 않는 위치에 적절히 설치되는 것이 좋다.
상기 수관(22, 23)의 내측, 즉 로터샤프트(12)에 축 결합된 블레이드(10)를 향하여 복수의 노즐(24, 25)이 수직방향으로 형성된다. 노즐(24, 25)은 수관(22, 23)을 통해 공급된 물이 노즐(24, 25)을 통해 가압되어 블레이드(10)로 분사시키는 것이다.
펌프(20, 21)는 수관(22, 23)으로 물을 펌핑하여 공급하는 것으로, 가압된 물을 수관(22, 23)으로 송수하기 위한 것이다. 펌프(20, 21)는 수관(22, 23)의 상부나 하부 또는 블레이드로 가해지는 유체의 흐름을 방해하지 않는 위치에 적절히 설치된다.
위치감지센서(32)는 블레이드(10)의 위치를 감지하여 전기적인 신호로 출력하는 것으로, 센서(32)는 수관(22, 23)의 내측이나 상부 지지프레임(26) 하단 또는 하부 지지프레임(27)의 상단에 설치된다. 또한, 센서(32)는 회전하는 블레이드(10)의 위치를 감지하기 용이한 어느 위치에 장착되어도 좋을 것이다. 또한, 블레이드(110)의 위치를 감지하지 않고 로터샤프트(12)의 회전을 감지하는 회전감지센서(33)가 장착될 수 있다. 회전감지센서(33)는 로터샤프트(12)의 회전을 감지하여 로터샤프트(12)에 결합된 블레이드(10)의 위치를 컨트롤러(30)가 판단할 수 있도록 하는 것이다.
컨트롤러(30)는 위치감지센서(32) 또는 회전감지센서(33)로부터 입력된 신호를 판단 및 연산한 후에 펌프(20, 21)의 작동을 제어하는 것이다. 컨트롤러(30)는 발전기(14)에서 발전된 전기에너지를 변환기(34)로 변환하여 작동에 필요한 전압 및 전류를 공급받는다. 또한, 컨트롤러(30)는 펌프(20, 21)의 구동에 필요한 제어신호와 전압 및 전류를 출력한다.
따라서 본 발명의 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치(2)는 센서(32 또는 33)로부터 블레이드(10)의 위치를 감지하여 컨트롤러(30)의 제어로 노즐(24, 25)을 통해 가압된 물을 분사하여 로터샤프트(12)에 축 결합된 블레이드(10)의 토크를 증대시키는 것이다. 토크 증대 장치(2)는 블레이드(10)가 유체의 흐름으로부터 상대적으로 영향을 적게 받는 위치에서 블레이드(10)에 토크를 증대시킴으로써 수직축 터빈의 지속적인 회전에너지를 유지할 수 있도록 한다.
도 3의 측면도와 도 4의 평면도에서, 수직축 터빈의 블레이드(10)가 유체의 흐름에 의하여 직각방향으로 영향을 받아 반시계방향으로 회전된다. 그리고 노즐(24, 25)이 결합된 수관(22, 23)은 유체의 흐름과 직각방향으로 가압된 물을 분사하는 위치에 설치되는 것이다.
수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치의 작동은 도 5a 내지 도 5c에서 설명된다. 수직축 터빈 시스템의 블레이드가 3개로 구성된 경우에 각 블레이드가 위치하는 각도는 120도이다. 도 5a에서, 수직축 터빈의 제1블레이드(10a)가 유체의 흐름과 직각방향의 위치에서 제1블레이드(10a)는 유체의 흐름에 의하여 토크가 증대되어 반시계방향으로 회전력이 발생되므로 수직축 터빈의 회전은 가속된다. 제1블레이드(10a)가 유체의 흐름에 의하여 가속된 후에 점점 회전력이 떨어지게 된다. 이때, 도 5b에서, 제1블레이드(10a)는 유체의 흐름을 받은 후에 대략 9시 방향에서 수관(22)의 노즐(24)에서 가압 분사된 물에 의하여 다시 회전 토크가 증대되어 회전력이 증가된다. 그리고 제1블레이드(10a)의 토크가 증대된 후에 제1블레이드(10a)를 뒤따라 회전하는 제2블레이드(10b)가 유체의 흐름으로 토크가 증대되어 회전력은 가속된다. 또한, 도 5c에서, 수직축 터빈의 제3블레이드(10c)가 대략 3시 방향에서 수관(23)의 노즐(25)에서 가압 분사된 물에 의하여 회전 토크가 증대되어 회전력이 증가된다. 따라서 컨트롤러(30)는 센서(32 또는 33)로부터 블레이드(10a-10c)의 위치 또는 로터샤프트(12)의 회전수를 감지 및 판단하여 블레이드(10a-10c)가 해당 수관(22, 23)의 노즐(24, 25)로 위치로 진입할 때에 해당 펌프(20, 21)가 작동되도록 함으로써, 블레이드(10a-10c)의 토크를 증대시켜 회전력을 증가시킨다. 그러므로 블레이드(10a-10c)에 작용되는 유체의 흐름에 의한 토크와 노즐(24, 25)을 통해 가압 분사된 물에 의하여 수직축 터빈의 로터샤프트(12)는 회전력 및 회전수가 증대되고, 로터샤프트(12)의 회전력은 증속기(13)를 거쳐 발전기(14)로 전달되므로 발전기는 고효율의 발전이 가능해진다.
또한, 본 발명은 도 6a에서, 로터샤프트(12)에 2개의 블레이드(10d, 10e)가 축 결합된 경우를 나타낸 것으로, 2개의 블레이드(10d, 10e)가 동일한 방향에서 동시에 유체의 흐름과 노즐(24, 25)을 통해 가압 분사된 물에 의하여 토크가 증대되어 로터샤프트(12)의 회전력 및 회전수를 증대시킬 수 있도록 한 것이다.
또한, 본 발명은 도 6b에서, 로터샤프트(12)에 4개의 블레이드(10f-10i)가 축 결합된 경우를 나타낸 것으로, 각각 수평으로 대응되게 설치된 각각 2개의 블레이드(10f, 10h) 및 (10g, 10i)이 동일한 방향에서 동시에 유체의 흐름과 노즐(24, 25)을 통해 가압 분사된 물에 의하여 토크가 증대되어 로터샤프트(12)의 회전력 및 회전수를 더욱 증대시킬 수 있도록 한 것이다.
또한, 본 발명은 도 6c에서, 로터샤프트(12)에 3개의 블레이드(10j-10l)가 축 결합된 경우를 나타낸 것으로, 각각 120도 각도로 설치된 3개의 블레이드(10j-10l)가 유체의 흐름과는 무관하게 일정 위치에 설치된 수관(22, 23, 35)의 노즐(24, 25, 36)을 통해 가압 분사된 물에 의하여 토크가 증대되어 로터샤프트(12)의 회전력 및 회전수를 더욱 증대시킬 수 있도록 한 것이다. 상기 4개의 블레이드(10f-10i)에도 각각 일정 각도로 노즐이 결합된 수관을 설치하면 로터샤프트(12)는 더욱 증대된 회전력과 회전수를 유지할 수 있을 것이다.
상기 도 6a 내지 도 6c는 센서(32 또는 33)의 감지와 컨트롤러(30)의 제어로 수직축 터빈의 토크를 증대시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 도 7에서, 로터샤프트(12)에 축 결합된 블레이드(40)의 형상이 헬리컬 방식의 터빈이 적용된 것을 나타낸 것으로, 수직축 터빈이 다리우스형 터빈과는 달리 블레이드(40)가 일정 각도 및 방향으로 휘어진 헬리컬 터빈에도 적용이 가능하다. 더욱이 컨트롤러(30)가 헬리컬 터빈의 블레이드 면을 따라 수관(22, 23)의 노즐(24, 25)로부터 가압된 물을 순차적으로 제어하여 분사함으로써, 헬리컬 터빈의 토크를 증대시킬 수 있다.
본 발명에서 수직축 터빈 시스템의 토크 증대장치는 수직축 터빈 시스템이 일정의 유속을 갖는 매체의 하나로 기체로부터 회전에너지를 발생시키는 경우에도 토크 증대 장치로부터 고압의 공기를 분사하여 회전에너지를 증가시키면 고효율의 발전이 가능할 것이다.
이와 같이 본 발명의 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치는 유체의 유속이 상대적으로 작은 곳에서도 수직축 터빈에 토크를 증대시켜 고효율의 발전이 가능하도록 한 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 수직축 터빈 시스템 2: 토크 증대 장치
10, 10a-10l, 40: 블레이드 11: 지지암
12: 로터샤프트 13: 증속기
14: 발전기 20, 21: 펌프
22, 23, 35: 수관 24, 25, 36: 노즐
26, 27: 지지프레임 28, 29: 베어링
30: 컨트롤러 32, 33: 센서
34: 변환기

Claims (8)

  1. 증속기 및 발전기가 축 결합된 로터샤프트에 지지암을 통해 일정 간격으로 블레이드가 축 결합된 수직축 터빈 방식의 발전 시스템에 있어서,
    상기 수직축 터빈에 일정 간격을 두고 하부가 고정 설치된 수관;
    일측은 상기 로터샤프트 상부와 하부에 베어링으로 연결되고 타측은 수관과 연결된 지지프레임;
    상기 수관 내측에 복수로 형성된 노즐;
    상기 수관으로 물을 펌핑하여 공급하는 펌프;
    상기 블레이드의 위치를 감지하여 감지신호를 출력하는 센서;
    상기 센서의 감지신호를 입력받아 펌프의 작동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 컨트롤러의 제어로 노즐을 통해 물을 분사하여 로터샤프트를 회전축으로 회전하는 블레이드에 토크를 증대시키는 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 2~4개인 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노즐이 결합된 수관은 블레이드가 받는 유체의 흐름에 방해되지 않는 위치에 설치된 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수직축 터빈 시스템은 수중 또는 수중과 수상에 걸쳐 설치된 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수직축 터빈은 다리우스형 터빈 또는 헬리컬 터빈인 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 헬리컬 터빈은 곡선의 블레이드를 따라 컨트롤러가 순차적으로 노즐을 통해 물을 분사하는 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 센서는 지지프레임에 설치되어 블레이드의 위치를 감지하거나 로터샤프트에 설치되어 로터샤프트의 회전수를 감지하는 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수관은 유체의 흐름에 최소의 영향을 받는 위치에 설치되고, 수관은 한 쌍 또는 블레이드의 개수만큼 설치된 수직축 터빈 시스템의 토크 증대 장치.
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