KR20120139154A

KR20120139154A - 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기

Info

Publication number: KR20120139154A
Application number: KR1020110058793A
Authority: KR
Inventors: 오영록; 곽계달; 유병수; 김형주; 윤창주
Original assignee: 오영록; 김형주; 윤창주; 유병수; 곽계달
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2012-12-27

Abstract

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전축으로부터 외측을 향하여 연장된 다수개의 상.하부 지지대, 한 쌍의 상.하부 지지대 사이에 수직으로 위치하며 상기 지지대의 끝단에 그 중심부가 결합되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 항력날개, 상기 지지대의 끝단으로부터 외측을 향하여 수평 방향으로 연장되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 양력날개, 상기 지지대 및 항력날개를 바람이 불어오는 방향에 따라 각도를 적절히 조절하도록 하는 방향타, 상기 항력날개 및 양력날개가 결합된 로터의 회전에 따른 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기, 기어박스, 상기 회전축, 지지대, 항력날개 및 양력날개가 결합된 로터를 지지하는 타워를 포함하여 이루어져, 항력을 받을 수 있는 회전날개와 양력을 받을 수 있는 회전날개를 동시에 배치하여 발전 효율을 대폭적으로 향상시킴과 아울러, 양력 날개를 수평 방향으로 위치하여 양력에 따른 회전 효율을 높이고 회전에 따른 관성력을 최대로 하여 발전 효율을 높일 수 있는 양항융합 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기{Vertical axis type wind power generator fused lift and drag}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양력과 항력을 동시에 이용하여 보다 효율적인 발전을 할 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

화석에너지로부터 발생되는 온실가스(Green House Gas)가 지구 온난화의 한 요소로 지목되면서 지구 온난화를 방지하기 위하여 전 세계적으로 국제기후변화협약이 채택되었고, 여러 가지 프로그램을 통해 이산화탄소 배출 억제를 노력하고 있으며, 우리나라 또한 온실가스 배출저감을 위한 노력을 스스로 하여 해결책을 찾고 적극적으로 화석에너지 사용을 줄일 수 있는 여러 가지 대안을 강구해야 한다.

이에 따라서 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 에너지로 정의되는 신재생에너지가 주목받고 있으며, 신재생에너지는 태양열, 태양광 발전, 바이오 매스, 풍력, 지열, 소수력, 해양 에너지, 폐기물 에너지의 재생에너지와 연료전지, 석탄의 액화 및 가스화, 수소 에너지의 신에너지로 총 11종류가 있다.

이들 신재생에너지는 화석연료의 사용에 따른 이산화탄소의 발생을 차단하기 때문에 환경 친화적이며 무제한적으로 공급할 수 있고 재생할 수 있으므로 고갈되지 않는 자원이라는 장점이 있으나, 꾸준한 연구개발을 하여 효율을 상승시켜야 하며, 현재의 시장전망이 불확실 하다는 단점을 극복하여야 한다.

신재생에너지 중의 하나인 풍력발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다.

풍력발전 분야는 최근 화석연료에 대한 대체에너지로 부각되며 고성장세를 지속하는 산업으로, 기술의 발전으로 인한 발전단가의 하락, 온실가스 감축을 의무화한 교토의정서의 공식 발효(2005년 2월)로 성장이 가속되는 분야이다.

풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 비교하여 뒤떨어지지 않는 매우 유용한 발전 방법이다.

다만, 에너지의 밀도가 낮아 바람이 희박할 경우 발전이 불가능하므로 특정 지역에 한정되어 설치하여야 하며, 정량의 바람이 있을 경우에만 발전이 가능하므로 안정적 전기공급을 위해서는 저장장치 등의 설치가 필요하고, 최근 풍력발전기의 대형화로 인해 소음 발생 문제가 있으며, 초기 투자비용이 많이 든다는 단점이 있다.

풍력발전기는 회전축의 방향에 따라 수평축 발전기와 수직축 발전기로 나뉘는데, 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 발전기는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기에 편리하고 발전 효율이 높지만, 바람의 방향에 영향을 많이 받는다는 단점이 있다.

회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 발전기는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 설치하여 이용 가능하지만, 소재가 비싸고 수평축 발전기에 비해 발전 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

대규모의 풍력발전을 위해서 현재까지는 효율이 높은 수평축 발전기가 주로 사용되어 왔으나, 수평축 발전기를 사용하기 위해서는 일정 이상의 풍속이 주어져야 하는데 그러한 지역이 극히 제한적일 뿐만 아니라 독일, 덴마크, 스페인, 미국 등에서 미리 개발 및 상용화하여 기술수준이 앞서있기 때문에, 기술종속으로부터 벗어나기 위해서는 효율이 좋은 대형 수직축 발전기를 더욱 개발할 필요가 절실하다.

또한, 수평축 발전기는 단위면적당 발전출력의 한계가 있어 토지의 효율적인 사용에 제한이 따른다. 즉, 회전날개의 반경이 크기 때문에 하나의 발전 타워에 하나의 터빈만을 설치할 수 있고 발전량을 늘리려면 발전 타워의 갯수가 늘어나야 하므로 매우 넓은 설치면적이 필요하며 회전날개의 회전에 따른 소음도 매우 크다는 문제점이 있다.

또한, 수평축 발전기는 풍향에 따라 풍력발전기의 회전날개 방향을 조절하여 그 효율을 높이려 하지만, 풍향이 급격하게 변할 경우 그 변화에 빠르게 대응하기가 어려우며, 요잉시스템 기어장치의 파손 등으로 많은 수리비 및 발전량 저하 등 만흔 문제점이 발생할 뿐만 아니라, 좁은 면적의 장소에 여러개를 적층하여 제작할 수 없어 토지의 이용 효율이 극히 낮다.

이에 반하여 수직축 발전기는 일반적으로 수평축 발전기에 비해 발전 효율은 낮지만, 동력전달장치 및 발전기 등 핵심 부품들이 타워 꼭대기가 아닌 지면 부근에 설치가 가능하며 상대적으로 회전날개의 회전속도가 낮아 정밀도가 낮은 부품 및 날개 제작으로도 장기적인 사용 및 발전이 가능하다.

수직축 발전기에 주로 사용되는 것으로 회전날개의 형태에 따라 사보니우스(Savonious)형 또는 다리우스(Darrieus)형 및 사보니우스형과 다리우스형을 결합한 형태와 H-Roter Type, 헬리컬 타입 등 여러 형태가 있다.

사보니우스형은 회전날개에 발생되는 항력으로 회전날개를 회전시켜 동력을 발생시키게 되나, 주속비(Tip Speed Ratio)가 1 이상이 되면 풍차를 그 이상으로 회전시키는 모멘트가 발생되지 않아 풍속이 올라가도 그 이상의 회전수를 얻을 수 없고 발전 효율이 좋지 않다는 문제가 있다.

또한, 회전날개로 바람이 불어오면 바람이 부는 면적이 폐쇄되어 있기 때문에 공기의 흐름이 생기지 않고, 따라서 오히려 바람의 흐름에 역행하는 흐름이 생긴다. 뿐만 아니라, 바람을 받아 회전날개가 회전하는 경우라도 바람의 방향에 따라 회전하고 있는 반경에는 정방향의 항력이 작용하지만, 바람의 방향과 반대로 회전하고 있는 반경에서는 역방향의 항력이 작용하여 오히려 효율을 더 낮추는 역효과가 발생한다.

또한 사보니우스형 풍력발전기의 회전날개는 바람이 불어오는 방향을 향하여 회전날개가 회전할 수 있도록 하기 위하여, 외측 둘레를 따라 상하(수직) 방향으로 길게 형성된 다수개의 회전날개를 부착하는 것이 대부분이며, 결합력 및 구조의 안정성을 위하여 타원 형태로 결합된 날개 또한 개시되어 있다.

그러나, 상하(수직)방향으로 형성된 회전날개는 구조상 변화하는 바람의 방향에 따라 일부의 날개에만 항력을 받을 수밖에 없을 뿐만 아니라, 바람의 방향과 역행하거나 마주하는 날개 부분이 존재하여 오히려 발전 효율이 매우 떨어지며, 대형 풍력발전기로 제작할 경우 연평균 풍속 7m/s 이상의 강한 바람이 불 경우에만 경제성이 있다는 문제가 있다.

이에 반하여 다리우스형은 회전날개에 발생되는 양력으로 회전날개를 회전시켜 동력을 발생시키게 되나, 주속비가 1 이상에서는 풍력발전기의 공력 특성이 좋아져 날개를 효율적으로 회전시키는 것이 가능하지만, 주속비가 1 이하에서는 풍력발전기의 공력 특성이 좋지 않아 날개를 회전시키는 모멘트가 작아질 뿐만 아니라 기동 모멘트가 작아 정지 상태로부터의 시동이 매우 어렵다는 문제가 있다.

이상에서 설명한 바를 요약하여 일반적으로 알려진 풍력발전기의 효율인 Cp 계수를 보면, 수평축방식의 대형풍력발전기는 효율이 가장 좋은 경우 0.45~0.5의 Cp 수준까지 이르고 있으나 소형 수평축의 Cp는 0.3~0.35 정도이고, 수직축방식 풍력발전기는 항력을 이용하는 경우 최고 0.2의 Cp를 가지며, 사보니우스나 H-Roter Type 등 양력을 이용하는 풍력발전기의 경우에도 0.3의 Cp를 넘지 못하고, 양력과 항력을 결합한 사보니우스+다리우스 방식의 경우에도 0.35 정도의 Cp를 가지므로, 단순한 Cp 효율계수만 보면 수직축방식이 수평축 방식에 비해 효율이 크게 떨어지는 실정이다.

그러나 수평축방식은 저 풍속에서 발전효율이 좋지 않고, 소음이 크며, 연평균 7m/s 이상의 풍속과 바람의 방향이 자주 바뀌지 않는 지역에서 효율적으로 이용 가능한 단점이 있다. 반면 수직축 방식은 저 풍속에서도 발전이 가능하고, 소음이 적으며, 적층이 가능하여 토지를 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있으나 또한 대형화가 용이하지 않고 비용이 많이 드는 단점이 있다.

따라서 이와 같은 다양한 형태의 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 회전날개가 빠른 속도로 회전하지 못하게 되어 상대적으로 효율이 떨어지며, 대규모의 발전을 하기 위해서 수직축 발전기가 사용되지 못하고 있는 실정이다.

또한 종래의 수직축 발전기에 사용되는 터빈에는 바람을 받는 면적을 증가시키기 위해 많은 수의 회전날개를 사용하였지만, 회전날개를 제작하는 비용도 많이 필요할 뿐만 아니라 회전날개 자체의 무게가 늘어나서 무거운 날개를 돌리기 위한 에너지 소모가 많아지기 때문에 오히려 더욱 비효율적이라는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 타워를 중심으로 회전하면서 위치에 따라 바람 받는 각도를 스스로 조절하여 항력을 최대로 받을 수 있는 항력 회전날개와 양력을 받을 수 있는 양력 회전날개를 결합하여 발전 효율을 대폭적으로 향상시킴과 아울러, 양력 날개를 수평 방향으로 1단 이상 배치하여 양력에 따른 회전 효율을 극대화 하고, 회전에 따른 관성력을 최대로 함으로서 풍력발전기 효율을 수평축방식에 근접하게 하여 경쟁력을 갖게 하고, 항력날개 개수도 3~4개 정도로 최소화함으로서 제작이 용이하고 제작 원가를 낮출 수 있으며, 대형화와 적층을 통하여 풍속이 낮은 지역에서도 대형 풍력발전단지를 조성할 수 있는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 제공함으로서 소형에서부터 대형에 이르기 까지 풍속과 풍향, 장소에 구애됨이 없는 풍력발전기를 제공하여 재생에너지 이용을 극대화 하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 회전축이 수직으로 위치한 수직축 풍력발전기에 있어서, 풍력발전기의 주 타워를 감싸도록 외측에 덧씌워진 파이프 형태로 이루어진 회전축, 상기 회전축으로부터 외측을 향하여 연장된 다수개의 상하부 지지대, 한 쌍의 상하부 지지대 사이의 공간에 수직으로 위치하며 상기 지지대의 끝단에 그 중심부가 결합되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 항력날개, 상기 지지대의 끝단으로부터 외측을 향하여 수평 방향으로 연장되어 상기 회전축을 중심으로 회전하는 양력날개, 상기 지지대 및 항력날개를 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하는 방향타, 상기 항력날개 및 양력날개의 회전에 따른 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기 기어박스, 상기 회전축, 지지대, 항력날개 및 양력날개가 결합된 로터를 지지하는 타워를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양력날개가 상기 항력날개의 중간 부분에 결합되어 있는 것이 바람직하며, 상기 양력날개가 상기 항력날개의 상단 및 하단에 각각 결합되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 양력날개는 유선형의 에어포일 형상으로 이루어지며, 상기 양력날개 단면의 상단과 하단이 이루는 앙각이 30도 이하인 것이 바람직하고, 상기 양력날개의 중심선과 상단이 이루는 각도가 상기 양력날개의 중심선과 하단이 이루는 각도보다 상대적으로 크게 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 양력날개가 굴곡진 최대 익후(maximum wing thickness)가 상기 양력날개 단면의 전방으로부터 1/3 내지 1/4 지점에 형성된 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 항력날개는 그 두께를 관통하는 다수개의 구멍이 형성되어, 상기 항력날개의 회전에 따라 상기 구멍으로 바람이 통과하도록 이루어지는 것이 좋다.

또한, 본 발명은 방향타 축에 좌우로 회전 가능하도록 결합된 중심 기어, 상기 지지대와 상기 항력날개가 결합되는 상기 지지대의 끝단에 형성된 날개축 기어 및 상기 중심 기어와 상기 날개축 기어를 연결하며 바람의 방향에 따라 상기 항력날개의 방향을 조절하는 타이밍 벨트를 더 포함하여 이루어지는 것이 좋으며, 상기 중심 기어와 상기 날개축 기어의 크기가 1:2 의 비율로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 타워 하나에 다수개의 회전축, 지지대, 항력날개 및 양력날개가 결합된 로터가 상부를 향하여 다수개 적층되어 있는 것이 바람직하며, 상기 타워가 동일한 일정 거리만큼 이격되어 삼각형 형태로 위치하고, 상기 타워의 외측 둘레를 따라 고정축이 설치되며, 상기 타워 및 고정축 사이는 다수개의 강선 케이블에 의하여 고정 결합되어 지지되는 것이 보다 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 타워를 중심으로 항력을 받는 항력날개가 수직 방향으로 위치하고 바람의 방향에 따라 스스로 자전과 공전을 하면서 공전 위치에 따라 바람의 유동에너지를 효과적으로 회전력으로 전환하도록 모든 날개의 각도를 조절할 수 있으므로 항력날개에서의 발전 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 항력날개를 통하여 회전이 시작된 이후에는 항력날개의 끝단에 연결된 수평 방향의 양력날개 회전으로 더욱 큰 회전력을 얻을 수 있어 풍력발전기의 효율을 향상시킬 수 있으며, 양력날개의 회전방향에 따라 수평으로 위치한 양력날개의 길이를 조절함으로써 회전 관성에 의한 모멘트를 증가시킬 수 있어 발전량을 더욱 늘릴 수 있다.

또한, 양력날개도 헬리콥터 날개 형태로 가장 큰 원을 그리도록 함에 따라 일반적인 수평축날개와 같이 주속비(TSR)를 크게 할 수 있어 회전 관성모멘트를 가장 크게 받아 로터의 회전력을 극대화 할 수 있다.

또한, 정격풍속을 초과한 강풍 시에는 중심기어를 회전시키거나 날개축과의 회전비 조절을 통하여 항력날개가 바람의 힘을 가장 적게 받도록 조절하고 다양한 제동시스템과 안전운전 시스템을 구비하여 전체 풍력발전시스템을 보호하고 안전하게 운전할 수 있다.

따라서 본 발명의 풍력발전기는 항력형의 장점인 저 풍속과 잦은 풍향변동에도 운전이 가능하고, 고 풍속에서는 양력형의 장점인 높은 주속비에 따른 높은 효율을 모두 갖게 되어, 기존 수평축의 연간 30% 이하의 낮은 운전율 보다 월등히 높은 운전율과 수평축 방식에 근접하는 풍력발전기 효율로 종합적인 연간 전력 생산량에서 월등히 많은 전기에너지 생산이 가능하며, 수직으로 적층하는 구조로 인하여 토지 이용의 효율성을 높이고, 대형 풍력발전단지 조성에도 용이하다.

즉, 하나의 타워에 항력날개 및 양력날개가 결합된 로터를 필요에 따라 다수 개 적층할 수 있는 구조이므로 좁은 면적에서도 더욱 높은 발전량을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 적층된 구조의 타워를 다수 개 배치하여 이를 강선 케이블 등으로 연결함으로써 더욱 안정된 구조를 유지함과 아울러 대규모의 풍력 발전 단지를 형성할 수 있다는 장점이 있어 본 발명의 풍력발전기는 종합적으로 아주 효율적인 풍력발전기라 할 수 있다.

도1 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 일실시예를 도시한 사시도.
도2 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 일실시예를 도시한 평면도.
도3 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 일실시예를 도시한 측면도.
도4 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 또다른 실시예를 도시한 사시도.
도5 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 또다른 실시예를 도시한 측면도.
도6 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 사용되는 양력날개가 결합된 모습을 도시한 사시도.
도7 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 사용되는 양력날개가 결합된 모습을 도시한 평면도.
도8 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 사용되는 양력날개를 도시한 사시도.
도9 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 사용되는 양력날개를 도시한 평면도.
도10 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 사용되는 양력날개를 도시한 단면도.
도11 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 3개의 항력날개가 결합된 모습을 도시한 세부도.
도12 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 4개의 항력날개가 결합된 모습을 도시한 세부도.
도13 은 본 발명에 사용되는 항력날개가 중심 기어, 날개축 기어 및 타이밍 벨트에 의하여 결합되는 구조를 도시한 개략도.
도14 는 도13 의 세부확대도.
도15 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 2단으로 적층한 모습을 도시한 사시도.
도16 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 3단으로 적층한 모습을 도시한 사시도.
도17 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 다수개 배치한 대규모 풍력단지를 도시한 사시도.
도18 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 다수개 배치한 대규모 풍력단지를 도시한 측면도.
도19 는 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 다수개 배치한 대규모 풍력단지를 도시한 평면도.
도20 은 다수개의 구멍이 형성된 항력날개를 구비한 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 일실시예를 도시한 사시도.
도21 은 다수개의 구멍이 형성된 항력날개를 구비한 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기의 일실시예를 도시한 측면도.
도22 는 본 발명에 사용되는 항력날개가 4개 설치된 수직축 풍력발전기의 시제품 및 이를 이용한 풍동시험을 나타낸 사진.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

풍력발전기 또는 풍력터빈은 공기의 흐름인 바람이 가지고 있는 에너지를 공기 질량의 속도를 감소시키는 작용에 의하여 풍력발전기의 기계적인 에너지로 변환시키고 이를 다시 전기 에너지로 발전하는 것으로써, 바람이 일정 면적을 통과하면서 흘러나가는 경우에만 에너지를 발생시킬 수 있으므로, 바람이 가지고 있는 에너지를 풍력발전기에 의하여 모두 에너지로 변환시키는 것은 불가능하다.

즉, 풍력발전기의 입구와 출구 사이에서 바람의 속도를 감소시키는 것에 의하여 최대의 에너지를 생산할 수 있는 최적의 상태가 존재하게 되는데, 독일의 베츠에 의하여 바람의 자유흐름 중에 놓여있는 풍력터빈은 출구에서의 풍속(V3)이 입구에서의 풍속(V1)에 비하여 1/3 로 감소했을때 최대의 에너지를 생산할 수 있는 것을 증명하였으며, 이에 따라 이상적인 풍력발전기의 회전면에서의 속도(V2)는 입구에서의 풍속에 비하여 2/3 를 가지는 것이 바람직하다.

따라서, 일정한 바람의 풍속하에서 얻을 수 있는 최대의 에너지는,

으로 구할 수 있으며,

이 때의 최대 파워계수는,

으로써, 풍력발전기에 의하여 최대의 에너지를 얻기 위하여 아무런 손실이 없다고 가정하더라도 약 59% 이하의 효율을 가질 수 밖에 없음을 알 수 있다.

이론적인 풍력발전기가 아닌 실제의 풍력발전기에서는 다양한 손실들이 발생할 수 밖에 없기 때문에 실제 파워계수는 위의 0.593 보다 더 작은 것이 일반적이며, 바람의 방향에 수직인 면에서 작용하는 힘인 항력을 이용하는 항력형 풍력발전기는 보통 0.2 이하의 파워계수를 가지고, 적절한 익형을 가지는 양력형 풍력발전기는 이보다 높은 파워계수를 가지게 된다.

즉, 항력을 이용하여 회전하는 항력형 풍력발전기는 발전 효율을 나타내는 파워계수가 작으나 날개를 회전시키는 모멘트인 토크계수는 상대적으로 큰 저회전 고토크 유형인 반면, 양력을 이용하여 회전하는 양력형 풍력발전기는 토크계수는 작지만 파워계수가 상대적으로 커서 발전용 등으로 적합한 고회전 저토크 유형임을 알 수 있다.

그러나, 양력형 날개만을 사용할 경우, 바람의 풍속에 대한 회전날개의 회전속도비를 나타내는 주속비가 1 이상에서는(바람의 풍속보다 회전날개의 회전속도비가 상대적으로 클 경우) 풍력발전기의 공력 특성이 좋아져 날개를 효율적으로 회전시키는 것이 가능하지만, 주속비가 1 이하에서는(바람의 풍속보다 회전날개의 회전속도비가 상대적으로 작은 경우) 풍력발전기의 공력 특성이 좋지 않아 날개를 회전시키는 모멘트가 작아질 뿐만 아니라 기동 모멘트가 작아 정지 상태로부터의 시동이 매우 어렵다는 문제가 있었다.

이에 따라 본 발명에서는 회전날개가 정지한 상태와 같이 주속비가 작은 경우에는 항력을 이용할 수 있는 항력형 날개를 이용하여 회전하고, 회전날개의 회전속도가 일정 이상이 되어 주속비가 큰 경우에는 양력을 이용할 수 있는 양력형 날개를 이용하여 발전 효율을 보다 높일 수 있도록 하였다.

도1 내지 도3 은 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 도시한 것으로, 본 발명은 회전축(10)이 수직으로 위치한 수직축 풍력발전기에 있어서, 풍력발전기의 주 타워(70)를 감싸도록 외측에 덧씌워진 파이프 형태로 이루어진 회전축(10), 상기 회전축(10)으로부터 외측을 향하여 연장된 다수개의 상하부 지지대(20), 한 쌍의 상하부 지지대(20) 사이의 공간에 수직으로 위치하며 상기 지지대(20)의 끝단에 그 중심부가 결합되어 상기 회전축(10)을 중심으로 회전하는 항력날개(30), 상기 지지대(20)의 끝단으로부터 외측을 향하여 수평 방향으로 연장되어 상기 회전축(10)을 중심으로 회전하는 양력날개(40), 상기 지지대(20) 및 항력날개(30)를 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하는 방향타(50), 상기 항력날개(30) 및 양력날개(40)의 회전에 따른 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기 기어박스(60), 상기 회전축(10), 지지대(20), 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 결합된 로터를 지지하는 타워(70)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람의 풍속은 일반적으로 지표면보다 고도가 높을수록 빨라지는데, 고도에 따른 풍속을 나타낸 Deacon식에 따르면,

이며, 지표면에서부터 상층으로 고도가 올라갈수록 지표마찰력이 감소하게 되므로 풍속은 점점 더 빨라진다.

따라서 지상에서부터 높은 위치까지 타워(70)를 설치하고, 타워(70)의 상부에서 바람을 받을 수 있는 항력날개(30) 및 양력날개(40)를 회전시키게 되면 발전 효율을 더욱 높일 수 있으며, 본 발명은 이에 따라 지표면으로부터 일정 높이까지 타워(70)를 설치하여 각각의 회전축(10), 지지대(20), 항력날개(30) 및 양력날개(40) 등을 지지하고 고정하는 역할을 하게 된다.

상기 타워(70)의 상부에는 상기 타워(70)와 동일한 축을 이루며 타워(70)의 외측에 덧씌워진 파이프 형태로 이루어진 회전축(10)이 결합되어 있는데, 상기 회전축(10)은 상기 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 바람을 받으며 회전하게 될 경우, 그 회전력을 전달받아 고속으로 회전하게 된다.

이와 같은 회전축(10)의 회전에너지(운동에너지)는 상기 회전축(10)의 하단에 위치하는 발전기 기어박스(60)에서 발전 과정을 거쳐 전기에너지로 변환된다.

상기 회전축(10)의 일단에는 상기 지지대(20)가 고정 결합되는데, 상기 지지대(20)는 상기 회전축(10)으로부터 외측을 향하여 연장된 다수개의 팔을 가지고 있으며, 상기 지지대(20)에 상기 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 부착되는 개수에 따라 상기 지지대(20)의 연장된 팔의 개수는 다양하게 설정될 수 있다.

즉, 도1 내지 도3 에 도시된 본 발명의 일실시예에서는 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 각각 3방향으로 설치됨에 따라 상기 지지대(20) 또한 3개의 연장된 팔을 가지도록 형성되어 있으나, 상기 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 필요에 따라 다수개 설치된다면 이를 지지하기 위한 지지대(20) 또한 동일한 개수만큼 연장된 팔을 가지도록 형성되는 것이다.

또한, 상기 지지대(20)는 상기 회전축(10)의 일단에 각각 다수개가 결합될 수 있는데, 도1 내지 도3 에 도시된 실시예에서는 상기 지지대(20)가 3개 결합되어 있는 것을 도시하였다.

결합되어 있는 지지대(20)의 개수 또한 필요에 따라 다양하게 설정할 수 있는데, 상기 항력날개(30)는 상기 회전축(10)으로부터 외측을 향하여 연장된 한 쌍의 상하부 지지대(20) 사이의 공간에 수직으로 위치하며 상기 지지대(20)의 끝단에 그 중심부가 결합되므로, 상기 항력날개(30)의 상부 및 하부에 결합될 수 있도록 지지대(20)가 형성된다.

따라서, 상기 항력날개(30)에 바람이 부딪혀 항력이 발생하게 되면, 상기 항력날개(30) 및 지지대(20)가 상기 회전축(10)을 중심으로 회전하게 되며, 이러한 회전력이 상기 회전축(10)을 통하여 전달되어 상기 발전기 기어박스(60)에서 전력을 생산하게 되는 것이다.

상기 항력날개(30)는 상기 지지대(20) 사이의 공간에서 자체적으로 회전하면서 바람이 불어오는 방향에 따라 상기 방향타(50)가 회전하여 항력을 최대로 발생시킬 수 있는 방향을 향하게 되는데, 이에 관한 상세한 사항은 후술한다.

상기 지지대(20)의 끝단에는 상기 양력날개(40)가 결합되는데, 상기 양력날개(40)는 상기 항력날개(30)의 중간 부분에 결합되어 상기 지지대(20)의 끝단으로부터 외측을 향하여 수평 방향으로 연장되어 고정 결합된다.

따라서 상기 양력날개(40)가 상기 회전축(10)을 중심으로 헬리콥터 날개가 회전하는 형태로 회전함에 따라 상기 지지대(20)에 회전력을 전달하고, 회전력이 회전축(10)을 통하여 상기 발전기 기어박스(60)에서 전기에너지로 변환되면서 전력을 생산할 수 있다.

상기 양력날개(40)는 상기 지지대(20)에 형성된 연장된 팔의 개수만큼 상기 지지대(20)에 결합될 수 있으며, 도1 내지 도3 에 도시된 본 발명의 일실시예에서는 상기 지지대(20)에 3개의 양력날개(40)가 결합된 것을 도시하였다.

다만, 더 많은 회전력 및 양력이 필요하거나 발전량이 필요할 경우에는 도4 및 도5 에 도시된 바와 같이 상기 항력날개(30)의 상단 및 하단에 각각 6개의 양력날개(40)가 결합될 수도 있으며, 필요에 따라 상기 양력날개(40)의 개수를 조절할 수 있다.

이러한 양력날개(40)는 앞서 살핀 바와 같이, 저속의 회전보다는 고속의 회전에서 보다 높은 발전 효율을 달성할 수 있으며, 본 발명에서는 특히 수직 방향으로 위치하는 것이 아닌 수평 방향으로 위치하는 양력날개(40)가 형성된 것이 큰 특징이라 할 수 있다.

도6 및 도7 에 도시된 바와 같은 수평 방향의 양력날개(40)는 마치 헬리콥터의 날개가 수직축을 기준으로 회전하듯이, 풍력발전기의 수직 방향의 회전축(10)을 기준으로 수평 방향으로 회전하도록 이루어졌으며, 각각의 양력날개(40)는 상기 회전축(10)을 중심으로 하여 같은 각도로 안분 배치하여 무게중심이 한 쪽 방향으로 쏠리지 않도록 하는 것이 바람직하며, 이에 따라 상기 양력날개(40)의 회전시 진동을 최소화하는 것이 좋다.

또한 본 발명의 실시예에서는 3개의 양력날개(40)가 하나의 평면에 120도의 각도를 이루며 배치되어 있는 것을 나타내었으나, 풍력발전기의 크기 및 필요로하는 전력량에 따라 가장 큰 회전력을 발생시키도록 약 3개 내지 6개의 양력날개(40)를 배치할 수 있으며 다수개의 층으로 적층할 수도 있다.

따라서, 상기 양력날개(40)는 상기 항력날개(30)의 중간 부분에 회전축(10)과 연결된 지지대(20)에 1단으로 결합되거나 상기 항력날개(30)의 상단과 하단 및 중간부분에 각각 결합되어 2단 이상으로 구성함으로서 양력날개(40)가 최대한 바람을 많이 받도록 하는 것이 풍력발전기 효율을 높이는데 있어 바람직하다.

이와 같은 양력날개(40)는 소재기술의 발전에 따라 가장 가볍고 튼튼하고 질긴 소재를 사용하는 것이 또한 풍력발전기의 내구성과 효율을 더욱 높일 수 있다.

수평 방향으로 위치하는 상기 양력날개(40)는 풍력발전기를 향하여 바람이 어느 방향에서 불어오더라도 그 회전력을 높일 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 양력날개(40)의 끝단에서는 원심력 및 회전에 따른 관성모멘트가 더 커지게 되므로 일정 이상의 회전수를 가지게 될 경우 그 발전 효율이 더욱 극대화 될 수 있다.

상기 양력날개(40)는 헬리콥터의 날개 또는 비행기의 날개와 같이 유선형의 에어포일 형상으로 이루어지는 것이 바람직한데, 이와 같은 형상 및 각도의 조절을 통하여 추력 및 양력 등을 필요에 따라 설정할 수 있다.

즉, 상기 양력날개(40)를 바람이 부는 방향과 평행하도록(지면과 평행하도록) 결합하면 바람과의 받음각(앙각)이 0도가 되어 상기 양력날개(40)에 작용하는 양력은 최소가 되는 동시에 앞으로 나아가 회전하려는 추력은 최대가 될 수 있다.

이에 반하여 상기 양력날개(40)를 바람이 부는 방향과 일정한 받음각을 가지도록 결합하면, 0도의 받음각을 가지는 경우보다 앞으로 나아가려는 추력이 감소하지만 상방으로 받는 양력이 증가될 수 있다.

다만, 받음각이 약 10도 정도가 되면 추력이 최소가 되면서 양력이 최대값을 가지게 되며, 받음각이 약 15도 이상이 되면 양력날개(40)에 가해지는 양력 대신 오히려 항력이 발생하여 양력날개(40)의 효과가 미미하게 된다.

또한, 도10 에 도시된 바와 같이 상기 양력날개(40)의 상단과 하단이 이루는 각도인 앙각(α)을 30도 이하로 설정하는 것이 바람직하며, 특히 양력날개(40)의 회전력을 최대화 할 수 있는 각도로 다양하게 설정하는 것이 좋다.

즉, 상기 양력날개(40)는 유선형의 에어포일 형상으로 날개 단면의 중심선인 시위선을 기준으로 상하 대칭으로 이루어지는 것이 회전력을 극대화하며, 상기 양력날개(40) 단면의 상단과 하단이 시위선의 끝부분과 이루는 각도(앙각)는 30도 이하에서 최적의 회전력을 발휘하는 각도로 제작하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 상기 양력날개(40)는 바람과의 받음각을 0도로 설정하여 회전하기 위한 추력을 최대로 작용하도록 이루어질 수 있으며, 또는 바람과의 받음각을 미세하게 가지도록 설정하여 상기 양력날개(40) 자체가 가지는 무게를 상쇄시키면서 더욱 용이하게 회전하도록 이루어질 수도 있다.

뿐만 아니라, 상기 양력날개(40)는 유선형의 에어 포일 형상으로 이루어지는데, 본 발명에 사용되는 수평 방향의 양력 날개는 하부가 직선형태이고 상부만 곡선형태로 이루어지는 것이 아니라, 상부 및 하부 모두 굴곡진 형태인 것이 좋으며, 특히 상부 및 하부의 굴곡 곡선 형태가 서로 대칭되도록(도10 에서 a = b 인 상태) 이루어져 상기 양력날개(40)에 가해지는 양력을 최소화하면서 양력날개(40)가 회전하기 위한 추력을 최대화하여 발전 효율을 더욱 높일 수 있다.

또한, 상기 양력날개(40)의 중심선과 상단이 이루는 각도가 상기 양력날개(40)의 중심선과 하단이 이루는 각도보다 상대적으로 크게(도10 에서 a > b 인 상태) 이루어지도록, 즉 상기 양력날개(40)의 상부의 굴곡 형태가 하부의 굴곡 형태보다 더욱 구부러진 형상으로 제작할 수도 있으며, 이에 따라 상기 양력날개(40)의 회전시 상부로의 양력이 생성되어 양력날개(40)를 들어올리는 효과가 발생하므로, 하중을 받는 베어링 등의 마모를 줄여 내구성을 높일 수 있다.

특히, 상기 양력날개(40)의 중심선과 상단이 이루는 각도가 상기 양력날개(40)의 중심선과 하단이 이루는 각도보다 약간 크게 하면 회전 시 일부 양력 발생을 통하여 로터의 하중을 줄여주는 효과로 베어링의 내구성을 최대화 할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 양력날개(40)에 가해지는 바람의 마찰력 및 바람의 와류 현상을 최소화하기 위하여 상기 양력날개(40)의 최대 두께가 상기 양력날개(40)의 폭의 전방으로부터 약 1/3 내지 1/4 지점 사이에서 필요에 따라 최대의 회전력을 발생하도록 제작하는 것이 좋다.

상기와 같은 양력날개(40)의 최대 두께를 도10 을 통해 살펴보면, 상기 양력날개(40) 단면의 중심선과 직각 방향으로 측정한 날개의 윗면과 아랫면의 거리를 '익후(wing thickness)' 라고 하는데, 가장 큰 익후를 가지는(최대 두께를 가지는) '최대 익후(maximum wing thickness)' 지점이 상기 양력날개(40)의 전방으로부터 1/4 지점에 형성되도록 한 것이다.(도10 에서 d = 1/4 c 인 상태)

이에 따라 상기 양력날개(40)의 회전시 공기 및 바람이 상기 양력날개(40)의 표면을 가장 매끄럽게 흐르면서 상기 양력날개(40)에 가장 큰 회전력을 발생시킬 수 있다.

본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기에 사용되는 항력날개(30)는 필요에 따라 다수개가 등간격으로 배치되어, 바람의 방향에 따라 상기 항력날개(30)가 자체적으로 회전하면서 최대의 항력을 받을 수 있도록 이루어져 있다.

즉, 도11 및 도12 를 참조하면, 상기 방향타(50) 축에 결합되어 필요에 따라 좌우로 회전 가능하도록 이루어진 중심 기어(23), 상기 지지대(20)와 상기 항력날개(30)가 결합되는 상기 지지대(20)의 끝단에 형성된 날개축 기어(21) 및 상기 중심 기어(23)와 상기 날개축 기어(21)를 연결하며 바람의 방향에 따라 상기 항력날개(30)의 방향을 조절하는 타이밍 벨트(22)를 더 포함하여 이루어지는데, 도11 은 상기 항력날개(30)가 3개 결합된 상태를 도시하였으며, 도12 는 상기 항력날개(30)가 4개 결합된 상태를 도시한 것이다.

즉, 도13 및 도14 에 도시된 바와 같이, 상기 로터의 방향타(50) 축에 필요에 따라 회전 가능하도록 중심 기어(23)가 결합되고, 상기 항력날개(30)가 결합되는 상기 지지대(20)의 끝단에는 날개축 기어(21)가 결합되어 있으며, 상기 중심 기어(23)와 상기 날개축 기어(21) 서로는 상기 타이밍 벨트(22)나 체인, 축 등에 의하여 연결되어 있다.

또한, 상기 중심 기어(23)는 최상단에 위치한 방향타(50)와 고정 결합되어 바람이 부는 방향에 따라 상기 방향타(50)가 회전하게 되고, 이에 따라 상기 중심 기어(23)가 회전하게 되며, 상기 중심 기어(23)의 회전량을 상기 타이밍 벨트(22)에 의하여 상기 날개축 기어(21)에 전달하면서 상기 항력날개(30)가 자체적으로 회전할 수 있는 것이다.

이와 같은 항력날개(30)의 회전은 바람이 부는 방향에 따라 항력을 최대로 받을 수 있도록 하기 위한 것으로서, 도12 의 실시예를 참조하면, 상기 중심 기어(23)와 상기 날개축 기어(21)의 크기를 1:2 의 비율로 형성하고, 상기 중심 기어(23)와 4개의 날개축 기어(21)를 각각 타이밍 벨트(22)로 연결하여, 상기 방향타(50)의 날개축에 고정된 상기 중심 기어(23)가 바람의 방향에 따라 좌우 방향으로 회전하면, 각각의 항력날개(30) 또한 바람의 방향에 맞추어 항상 도12 의 형태로 회전하게 되므로, 풍력발전기에 가해지는 회전 토크를 최대로 할 수 있다.

특히, 본 발명은 상기 방향타(50) 축에 결합된 중심 기어(23) 대 날개축 기어(21)의 기어비를 상용 운전시는 1:2로 하는 것이 바람직하나, 태풍 등 정격풍속 이상 시는 기어비를 1:1 등으로 변경하여 풍속에 맞게 조절하거나 중심 기어(23)를 좌 또는 우로 적절히 회전시켜 항력날개(30)가 바람의 힘을 적게 받도록 조절하는 것이 바람직하며, 상기 중심 기어(23)와 상기 날개축 기어(21)를 연결 시 벨트나 체인 또는 축 이외에 전자센서와 스태핑모터 등을 이용한 전기전자적인 방법으로 날개축의 회전속도를 적절히 조절함으로서 날개의 위치에 따라 바람 받는 각도를 조절할 수 있다.

이와 같이 이루어진 본 발명의 풍력발전기가 기존에 공개 되어진 양력과 항력을 결합한 형태의 풍력발전기 즉, 주축을 중심으로 중심부분에 사보니우스 형 항력날개(30)를 배치하고 그 외곽에 타원형으로 사보니우스 날개를 감싸듯이 다리우스 형 양력날개(40)를 배치한 형태로 제작된 풍력발전기의 경우보다 종합적으로 발전 효율이 크게 높은 것은 본 발명의 가운데 배치한 항력날개(30) 작동 메커니즘이 항력날개(30)가 중심 기어(23)와 날개축 기어(21)의 기어비 1:2의 비율로 연결된 상태로 스스로 자전과 공전을 하여 회전하면서 공전 위치에 따라 바람의 힘을 가장 효과적으로 받는 구조이므로 즉, 날개 위치가 바람의 방향과 순방향으로 회전할 때에는 점차 항력날개(30)의 넓은 부분이 바람의 방향에 수직인 90°로 바람의 힘을 가장 크게 받게 되고, 날개가 점차 반대방향으로 회전하여 바람의 방향에 역방향으로 회전할 때에는 스스로 점차 90° 자전하여 날개의 얇은 단면이 바람의 방향을 향하게 되어 부(-)의 토크를 거의 받지 않고 빠르게 회전함으로서 사보니우스 형 항력날개(30)보다 바람의 유동에너지를 월등히 크게 받아 로터의 회전력을 크게 하기 때문이다.

본 실시예에서는 상기 항력날개(30)가 방향타(50) 축에 회전 가능하도록 결합된 중심 기어(23), 지지대(20)의 끝단에 형성된 날개축 기어(21) 및 타이밍 벨트(22) 등을 이용하여 기계적으로 회전하는 것을 예시하였으나, 단순히 이에 한정되는 것은 아니고, 전자센서 및 전동기 등을 상기 항력날개(30)에 연결하여 항력날개(30) 및 날개축이 전기전자적으로 회전하도록 이루어질 수도 있다.

한편, 도20 및 도21 에 도시된 바와 같이, 상기 항력날개(30)에는 그 두께를 관통하는 다수개의 구멍이 형성될 수 있는데, 이에 따라 상기 항력날개(30)의 회전할 때 상기 구멍으로 바람이 통과하도록 이루어져 있다.

또한, 상기 항력날개(30)에 형성된 구멍의 크기 및 개수는 풍력발전기가 설치되는 위치적인 특성 및 바람의 풍속을 고려하여 다양하게 형성할 수 있다.

이와 같이 상기 항력날개(30)에 다수개의 구멍을 형성하게 되면, 회전날개의 초기 시동시에는 구멍을 통하여 약간의 바람의 손실이 발생할 수 있으나, 일정 속도 이상으로 회전을 하게 된 이후에는 상기 양력날개(40)의 회전으로 인하여 상기 항력날개(30) 또한 매우 고속으로 회전하면서 바람의 저항을 받아 오히려 회전력을 떨어뜨리는 역효과를 가져올 수 있으므로, 상기 구멍을 통하여 바람이 통과할 수 있도록 함으로써 고속 회전시 상기 항력날개(30)에 가해지는 바람의 저항을 최소화할 수 있다.

나아가, 하나의 타워(70)에서 발전되는 발전량을 크게 하기 위해서 상기 항력날개(30) 및 양력날개(40) 등을 최대한 많이 부착하는 것이 좋으며, 이를 위하여 상기 타워(70) 하나에 다수개의 회전축(10), 지지대(20), 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 상부를 향하여 적층되는 구조로 형성될 수 있다.

종래의 수평축 발전기는 하나의 타워당 하나의 터빈과 회전날개를 설치할 수 있었으므로 다수의 터빈과 회전날개를 설치하기 위해서는 다수의 타워를 설치하였어야 하였으며, 광활한 면적의 부지가 필요하였다.

그러나 연평균 6m/s 이상의 바람이 부는 동시에 광활한 대지 면적이 필요한 입지선정이 매우 곤란하였고, 이는 풍력발전 시스템이 가지는 가장 큰 문제점이었을 뿐 아니라, 회전날개와 발전기가 설치되어 있는 부지와 그 주변은 소음이 심하여 일상적인 생활을 하지 못하기 때문에 대부분 가축을 키우는 목장 등의 용도로밖에 사용하지 못하여 토지의 이용효율이 극히 제한되어 있었다.

이에 반하여 도15 및 도16 에 도시된 바와 같은 적층형 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 사용하면 하나의 타워(70)에 여러 개의 발전 장치들을 적층하여 설치할 수 있으므로 제한된 좁은 면적에서라도 많은 발전량을 얻어낼 수 있다.

이 경우, 상부와 하부의 위치에 따라 각각의 날개에 불어오는 바람의 세기가 다를 수 있으므로, 하나의 적층마다 각각 발전기 기어박스(60)를 설치하여 발전되는 전기 에너지를 모으는 방식으로 효율적으로 발전할 수 있다.

뿐만 아니라 많은 발전량을 필요로 하거나 바람의 풍속이 매우 큰 지역의 경우, 도17 내지 도19 에 도시된 바와 같이 본 발명인 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 넓은 지역에 다수개를 설치할 수도 있다.

즉, 도1 과 같은 하나의 풍력발전기를 넓은 지역에 설치할 수도 있고, 도15 및 도16 과 같은 적층된 풍력발전기를 넓은 지역에 설치할 수도 있는데, 각각의 타워(70)의 결합력을 높이고 구조적인 안정성을 달성하기 위하여 상기 타워(70)가 동일한 일정 거리만큼 이격되어 위치하고, 상기 타워(70)의 외측 둘레를 따라 고정축(80)이 설치되며, 상기 타워(70) 및 고정축(80) 사이는 다수개의 강선 케이블(81)에 의하여 고정 결합되어 지지되도록 하는 것이 좋다.

도17 내지 도19 에 도시된 것은 3단으로 적층된 풍력발전기 타워(70)를 동일한 간격으로 7개를 배치한 것이며, 정육각형의 꼭지점에 각각 6개를 배치하고 중심부에 1개를 배치하고 각각의 타워(70)를 강선 케이블(81)로 연결하는 동시에, 그 끝단을 지면에 고정 결합시킨 것으로서, 이와 같은 결합에 따르면 매우 강한 바람이나 태풍이 불어 온다 하더라도 그 구조를 안정적으로 유지할 수 있으며 대규모의 발전단지를 건설할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10 : 회전축 20 : 지지대
21 : 날개축 기어 22 : 타이밍 벨트
23 : 중심 기어 30 : 항력날개
40 : 양력날개 50 : 방향타
60 : 발전기 기어박스 70 : 타워
80 : 고정축 81 : 강선 케이블

Claims

회전축(10)이 수직으로 위치한 수직축 풍력발전기에 있어서,
풍력발전기의 주 타워(70)를 감싸도록 외측에 덧씌워진 파이프 형태로 이루어진 회전축(10);
상기 회전축(10)으로부터 외측을 향하여 연장된 다수개의 상하부 지지대(20);
한 쌍의 상하부 지지대(20) 사이의 공간에 수직으로 위치하며 상기 지지대(20)의 끝단에 그 중심부가 결합되어 상기 회전축(10)을 중심으로 회전하는 항력날개(30);
상기 지지대(20)의 끝단으로부터 외측을 향하여 수평 방향으로 연장되어 상기 회전축(10)을 중심으로 회전하는 양력날개(40);
상기 지지대(20) 및 항력날개(30)를 바람이 불어오는 방향을 향하도록 하는 방향타(50);
상기 항력날개(30) 및 양력날개(40)의 회전에 따른 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기 기어박스(60);
상기 회전축(10), 지지대(20), 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 결합된 로터를 지지하는 타워(70); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 양력날개(40)가 상기 항력날개(30)의 중간 부분에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 양력날개(40)가 상기 항력날개(30)의 상단 및 하단에 각각 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 양력날개(40)는 유선형의 에어포일 형상으로 이루어지며, 상기 양력날개(40) 단면의 상단과 하단이 이루는 앙각이 30도 이하인 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 양력날개(40)는 유선형의 에어포일 형상으로 이루어지며, 상기 양력날개(40)의 중심선과 상단이 이루는 각도가 상기 양력날개(40)의 중심선과 하단이 이루는 각도보다 상대적으로 크게 이루어지는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 양력날개(40)는 유선형의 에어포일 형상으로 이루어지며, 상기 양력날개(40)가 굴곡진 최대 익후(maximum wing thickness)가 상기 양력날개(40) 단면의 전방으로부터 1/3 내지 1/4 지점에 형성된 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 항력날개(30)는 그 두께를 관통하는 다수개의 구멍이 형성되어, 상기 항력날개(30)의 회전에 따라 상기 구멍으로 바람이 통과하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
방향타(50) 축에 좌우로 회전 가능하도록 결합된 중심 기어(23);
상기 지지대(20)와 상기 항력날개(30)가 결합되는 상기 지지대(20)의 끝단에 형성된 날개축 기어(21) 및
상기 중심 기어(23)와 상기 날개축 기어(21)를 연결하며 바람의 방향에 따라 상기 항력날개(30)의 방향을 조절하는 타이밍 벨트(22)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제8항에 있어서,
상기 중심 기어(23)와 상기 날개축 기어(21)의 크기가 1:2 의 비율로 형성된 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항에 있어서,
상기 타워(70) 하나에 다수개의 회전축(10), 지지대(20), 항력날개(30) 및 양력날개(40)가 결합된 로터가 상부를 향하여 다수개 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.
제1항 또는 제10항에 있어서,
상기 타워(70)가 동일한 일정 거리만큼 이격되어 삼각형 형태로 위치하고, 상기 타워(70)의 외측 둘레를 따라 고정축(80)이 설치되며, 상기 타워(70) 및 고정축(80) 사이는 다수개의 강선 케이블(81)에 의하여 고정 결합되어 지지되는 것을 특징으로 하는 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기.