KR20130114792A - 날개 각도 가변 구조를 가진 수직축 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 날개가 회전함에 따라 날개의 지면에 대한 각도가 수직과 수평 사이에서 자동으로 조절되는 수직축 풍력 발전기를 제공한다.
본 발명의 수직축 풍력 발전기에서, 날개와 수직 회전축을 연결하는 수단에 업다운 무게추가 설치되고, 타워의 상부에 업다운 무게추가 일정 구간에서 변위되게 하는 레일이 설치되어, 날개가 수직 회전축을 중심으로 회전하면서 업다운 무게추의 변위에 따라서 날개의 각도가 자동으로 변화한다.
본 발명은 역방향 바람에 대해 저항을 최소화시키면서 날개의 크기를 증가시킬 수 있어 수직축 풍력 발전기에 적용될 수 있다.

Description

날개 각도 가변 구조를 가진 수직축 풍력 발전기{Vertical-axis wind power generator having mechanism for angle variation of wings}

본 발명은 날개 각도를 가변시키는 구조를 가진 수직축 풍력 발전기에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 날개가 수직 회전축을 중심으로 회전함에 따라 자동으로 수풍 면적을 변화시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있는 수직축 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전은 태양광 발전과 함께 화석연료를 대체할 수 있는 친환경 지속 가능한 신재생 에너지원으로 각광받고 있다. 풍력 발전 기술은 공기 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적인 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기 에너지를 얻는 것이다.

풍력 발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평축 풍력 발전기와 수직축 풍력 발전기로 분류된다. 이 중 수직축 풍력 발전기는 수평축 풍력 발전기와 달리 바람의 방향에 관계없이 설치할 수 있으므로, 우리 나라와 같이 계절풍의 영향이 커서 풍향이 일정하지 않은 지역에서 유리한 측면이 있다.

풍력 발전기의 대형화를 위해서는 날개의 단면적(수풍 면적)이 커져야 하는데, 수평축 풍력 발전기의 경우 날개의 단면적을 증가시키면 날개 앞면의 저항 증가와 함께 날개 뒷면의 저항도 증가하기 때문에 대형화가 어려운 것으로 인식되고 있다. 날개 뒷면의 저항을 줄이기 위한 노력이 시도되고 있으나, 날개 자체의 뒷면의 저항을 줄이는 것은 한계가 있다. 따라서 날개의 앞면이 바람이 불어오는 방향을 향할 때에는 수풍 면적을 늘리고 날개의 뒷면이 바람이 불어오는 방향을 향할 때에는 수풍 면적을 줄이는 방안이 시도되고 있다.

예컨대, 대한민국 공개특허 제1999-0068708호는 회전축에 고정된 날개에 문을 부착시켜, 풍향과 회전방향이 같을 때는 문이 닫히고 다를 때에는 문이 열리는 날개 구조를 개시한다. 대한민국 등록특허 제0426609호는 바람이 정방향일 때에는 직립하여 최대한의 바람을 맞고, 역방향일 때에는 그 방향으로 회전하여 바람의 저항을 최소화하도록 하는 구조의 비늘날개들로 날개를 설계하는 것을 제시한다. 대한민국 제0954760호는 바람이 통과할 수 있도록 바람구멍들이 형성되어 있는 고정날개와, 바람의 방향에 따라 바람구멍이 한쪽 방향으로만 개폐되도록 고정날개에 회동 가능하게 설치되는 보조날개를 포함하는 풍력 발전기용 풍차를 개시한다. 유사하게, 대한민국 등록특허 제1083916호는 제1회전날개의 내부에 설치되어 회전방향과 풍향이 같을 때에는 풍압에 의해 닫혀서 풍력을 받아 회전력이 증대되고 회전방향과 풍향이 반대일 때에는 열려서 저항을 감소시켜 주는 제2회전날개의 이중 구조로 날개를 구성하는 것을 개시한다.

이들 선행기술은 보조동력의 사용 없이 자동으로 날개 뒷면이 바람이 불어오는 방향을 향할 경우 날개의 일부 구성이 문과 같이 열려서 날개의 단면적 즉, 수풍 면적을 감소시키는 방안을 제시한다. 그런데, 이들은 날개를 이중 구조 즉, 주요날개와 보조날개로 제작해야 하므로 구조가 복잡해지고 비용이 증가할 뿐만 아니라, 보조날개가 계속 여닫히게 되므로 소음이 증가하고 주요날개와 보조날개가 서로 부딪힘으로써 파손되기 쉽다.

본 발명은 보조날개나 보조동력의 사용 없이 비교적 간단한 구조로 날개의 단면적을 자동으로 조절할 수 있는 수직축 풍력 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한 수직축 풍력 발전기에서 소음 발생이 적고 내구성이 우수한 날개 각도 가변 메커니즘을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 날개가 회전함에 따라 날개의 지면에 대한 각도가 수직과 수평 사이에서 자동으로 조절되는 수직축 풍력 발전기를 제공한다.

상기 풍력 발전기는 지면에 고정된 타워와, 상기 타워에 의해 지지되며 발전기에 회전력을 전달하도록 연결된 수직 회전축과, 상기 수직 회전축에 결합되며 복수의 연결구를 구비한 허브와, 상기 허브의 상기 복수의 연결구에 회동 가능하게 개별적으로 연결된 복수의 연결봉과, 수직 상태에서 무게중심이 상기 연결봉보다 아래에 위치하도록 상기 복수의 연결봉에 개별적으로 결합된 복수의 날개를 포함하고, 상기 연결봉에는 상기 날개의 길이 방향으로 돌출된 업다운 무게추가 고정되게 설치되고, 상기 타워의 상부에는 상기 날개가 상기 수직 회전축을 중심으로 회전함에 따라 상기 업다운 무게추가 타고 지나갈 수 있고 상기 업다운 무게추의 높이를 일정 구간에서 변위되게 하는 업다운 무게추용 레일이 설치된다. 이에 의해, 상기 날개가 상기 수직 회전축을 중심으로 회전할 때 일정 구간에서는 수풍 면적이 최대인 수직 상태가 되고 일정 구간에서는 수풍 면적이 최소인 수평 상태가 된다.

본 발명에 있어서, 상기 업다운 무게추는 상기 연결봉과의 결합부위로부터 돌출하는 다리부와 상기 다리부 말단에 제공된 바퀴 또는 베어링 같은 롤러부로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 롤러부는 상기 업다운 무게추가 상기 업다운 무게추용 레일 위를 구를 수 있도록 상기 업다운 무게추용 레일과 접촉하는 부분이다. 상기 다리부는 꺾쇠 형태로 형성되어 일단은 상기 연결봉에 결합되고 타단은 상기 롤러부에 연결되는 것이 상기 업다운 무게추가 상기 업다운 무게추용 레일 위로 주행하면서 변위되는데 유리하다.

상기 업다운 무게추용 레일은 바람직하게는 120-180°, 좀더 바람직하게는 약 150°의 원호각 구간에서 높이가 낮아지고 나머지 구간에서는 높이가 동일하게 설계될 수 있다. 이에 따라 상기 날개가 상기 수직 회전축을 중심으로 회전할 때, 상기 원호각 구간에서 상기 업다운 무게추의 높이가 하강하고 이에 의해 상기 연결봉이 회동함으로써 상기 날개가 수직 상태로 되고, 나머지 구간에서는 상기 업다운 무게추의 높이가 상승하고 상기 연결봉이 업다운 무게추의 높이 하강 시와 반대방향으로 회동함으로써 상기 날개가 수평 상태로 된다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 대형 수직풍 풍력 발전기를 위해 적용될 수 있는 대형 날개의 무게를 지탱하기 위해서, 상기 연결봉에는 상기 업다운 무게추 부근에 지지 베어링이 설치되고, 상기 타워의 상부에는 상기 베어링이 타고 지나갈 수 있고 높이가 일정한 지지 베어링용 레일이 설치된다. 상기 날개의 무게는 상기 지지 베어링과 상기 지지 베어링용 레일을 통해 상기 타워에 의해 지지된다.

본 발명의 실시에 있어서, 상기 날개가 수평 상태인 구간에서 상기 업다운 무게추용 레일과 상기 지지 베어링용 레일의 높이가 실질적으로 동일하도록 설계된다.

본 발명의 실시에 있어서, 날개와 허브를 연결하는 상기 연결봉은 단면이 유선형이고, 상기 날개의 수직 상태 시 단면이 좁은 쪽이 지면을 향하도록 상기 날개와 결합될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 수직축 풍력 발전기는 상기 타워 위쪽에 위치하며 상기 회전축에 결합된, 전체적으로 반구형인 덮개를 더 포함할 수 있고, 상기 반구형 덮개에는 복수의 날개가 형성될 수 있다.

본 발명의 수직축 풍력 발전기의 날개는 보조날개의 사용 없이 수풍 면적이 최대와 최소 사이에서 변하도록 그 자체의 각도가 자동으로 조절되므로, 종래의 기술에 비해 구조가 간단하고 제작 및 유지보수 비용이 적게 드는 것은 물론이고 작동 시 소음 발생이 매우 적다.

또한 바람이 역방향일 때 날개의 수풍 면적을 날개의 수평 단면적에 해당하는 만큼 줄일 수 있으므로, 역방향 바람에 대해 저항을 최소화시키면서 날개의 크기를 증가시킬 수 있어 수직축 풍력 발전기의 대형화를 도모할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기의 전체적인 외관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기에서 날개의 연결 및 회전과 관련된 부분을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 도 2a는 정면도로, 도 2b는 사시도로 도시하였다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기에서 지지 롤러용 레일 및 업다운 무게추용 레일과 관련된 부분을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 업다운 무게추의 일 예를 나타낸 도면이다.

본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 하기 실시예는 당해 기술분야에서 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이다.

우선 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기의 전체적인 외관이 개략적으로 도시된다. 풍력 발전기는 수직 회전축과 날개 등을 지지하기 위한 몸체인 타워(10)와, 수직 회전축에 연결부재들을 통해 연결되며 타워(10) 외부로 노출되어 풍력에 의해 수직 회전축 둘레로 회전하는 날개(20, 20’)를 포함한다.

설명의 명확화와 단순화를 위해 풍력 발전기가 두 개의 날개(20, 20’)를 포함하는 것으로 도시하였지만, 세 개 이상의 날개를 포함하는 것이 바람직하다. 좀더 바람직하게는 세 개 내지 여섯 개의 날개가 수직 회전축 둘레에 동일한 간격으로 설치된다. 날개(20, 20’)는 정면에서 봤을 때 가로보다 세로가 긴 직사각형 형태인 것이 바람직하지만, 이에 제한되지 않는다. 날개(20, 20’)는 수평 단면이 유선형, 타원형, 반구형, 직사각형 등 여러 형태를 가질 수 있으며, 날개 뒷면의 저항계수가 앞면보다 작게 설계되는 것이 바람직하다.

선택적으로, 날개는 앞면이 볼록하고 수평 단면이 초승달형인 곡면판이고, 수직 상태에서 볼 때 상부에 유선형 또는 반달형 수평판이 제공된 형태일 수 있다 (도시되지 않음). 이때 날개의 중심 수직 단면은 괭이와 흡사할 것이다. 이러한 날개 형상을 가질 경우, 유선형/반달형 수평판은 날개가 수평 상태로 변화될 때 바람을 받아 날개가 수평 상태로 되는 용이하게 하고, 태풍 같은 강풍 시 날개의 파손이나 과부하를 방지하기 위해 모든 날개를 수평 상태로 설정해야만 하는 경우 상기 유선형/반달형 수평판이 풍압을 받아 날개가 수직 회전축 둘레로 회전하여 발전기를 가동시킬 수 있다.

도 1에서 우측 날개(20)는 수풍 면적이 최대인 수직 상태이고 좌측 날개(20’)는 수풍 면적이 최소인 수평 상태인 경우이다. 예컨대 블록 화살표와 같이 전방에서 바람이 부는 경우 우측 날개(20)는 풍압을 세게 받고 좌측 날개(20’)는 풍압을 거의 받지 않게 된다. 따라서 날개(20, 20’)는 수직 회전축을 중심으로 시계 방향으로 회전하게 되고, 바람의 이용을 극대화하여 발전기의 효율을 증가시킬 수 있다. 동일한 날개가 수직 회전축을 둘레로 회전함에 따라 수직 상태와 수평 상태 사이에서 자동으로 변화하는데, 이러한 변화를 위한 메커니즘에 대해서는 후술한다.

타워(10)의 상부에는 타워(10) 내부로 빗물 등이 들어가는 것을 막아주기 위한 덮개(30)가 설치된다. 덮개(30)는 그 내부에서 수직 회전축에 결합되고 그 표면에 다수의 날개(31)가 형성될 수 있다. 이 경우 덮개의 날개(31)는 평상 시 자신에게 불어오는 바람을 날개(20, 20’) 쪽으로 유도하여 날개(20, 20’)의 회전에 도움을 주고, 강풍이 불어 날개(20, 20’)를 모두 수평 상태로 설정해야만 하는 경우에는 덮개의 날개(31)가 강풍을 맞아 회전하여 발전기를 가동시키도록 운용될 수 있을 것이다.

이제 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력 발전기에서 날개의 연결 및 회전과 관련된 부분이 도시된다. 수직축 풍력 발전기의 내부 구성에서 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 부분은 그 도시를 생략하였다. 동력전달수단을 통해 발전기에 연결되는 수직 회전축(40)은 일반적으로 타워(10)의 중심축(X)에 위치한다.

수직 회전축(40)에는 궁극적으로 날개(20, 20’)와 수직 회전축(40) 간의 연결을 위한 허브(50)가 결합되고, 동일 간격으로 배치된 허브의 연결구(51, 52)에 각각 연결봉(60, 60’)의 일단이 연결되고, 연결봉(60, 60’)의 타단에는 각각 날개(20, 20’)가 견고하게 결합된다. 날개(20, 20’)의 지면에 대한 각도가 가변하기 위해서 즉, 수평축(Y)을 중심으로 날개(20, 20’)가 회전하기 위해서, 연결봉(60, 60’)은 허브의 연결구(51, 52)에 회동 가능하게 결합된다. 이를 위해, 허브의 연결구(51, 52)가 원통형으로 형성되고 연결봉(60, 60’)의 일단이 상기 연결구(51, 52) 내에 삽입되게 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 연결봉(60, 60’)의 원활한 회동을 위해서, 연결구(51, 52) 내부에서 연결봉(60, 60’) 둘레로 하나 또는 복수의 베어링이 설치되는 것이 바람직하다. 날개(20, 20’)의 회전 시 원심력에 의해 연결봉(60, 60’)이 연결구(51, 52)로부터 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 연결구(51, 52)는 말단으로 갈수록 반경이 점점 작아지고, 연결봉(60, 60’)은 말단으로 갈수록 반경이 점점 커지도록 형성되는 것이 바람직하다.

날개(20, 20’)는 그 무게중심이 연결봉(60, 60’)보다 낮게 위치하도록 연결봉(60, 60’)에 결합된다. 바람직하게는 전체 세로 길이의 위에서 1/3 지점 부근이 연결봉(60, 60’)에 결합된다. 따라서 날개(20, 20’)는 외력이 존재하지 않는 상태에서는 무게중심이 연결봉(60, 60’)과의 결합부위보다 충분히 아래쪽에 있기 때문에 자중에 의해 수직 상태로 되려 하고, 후술하는 업다운 무게추가 업다운 무게추용 레일에 의해 강제로 상승하지 않는 경우에는 날개(20, 20’)는 수직 상태를 유지하게 된다.

상기 연결봉(60, 60’)에는 허브의 연결구(51, 52)와 날개(20, 20’) 사이에 지지 베어링(70, 70’)과 업다운 무게추(80, 80’)가 설치된다. 업다운 무게추(80, 80’)와 지지 베어링(70, 70’)은 서로 이웃하게 설치되는 것이 후술하는 타워의 상부에 설치된 레일을 설계함에 있어서 유리하다.

지지 베어링(70, 70’)의 사용과 관련하여, 날개(20, 20’)의 무게로 인해 연결봉(60, 60’)이 처질 수 있고 또한 날개의 회전 시 날개의 각도 변화로 인한 요동이 일어날 수 있다. 상기 지지 베어링(70, 70’)은 높이가 일정한 지지 베어링용 레일 위를 구르면서 날개의 무게를 지탱함으로써 로터의 진동을 최소화할 수 있다. 지지 베어링(70, 70’)의 외주면은 고무 같은 탄성 소재로 둘러싸이는 것이 소음 등의 억제에 있어서 유리하다.

지지 베어링(70, 70’)에 이웃하여 위치하는 것이 바람직한 상기 업다운 무게추(80, 80’)는 날개의 길이 방향으로 돌출되는 형태로, 그리고 날개의 수직 상태 시 말단이 지면을 향하도록 연결봉(60, 60’)에 고정되게 결합된다. 따라서 업다운 무게추(80, 80’)의 말단이 마치 시계추처럼 움직이게 될 경우 연결봉(60, 60’)은 가로축(Y)을 중심으로 회동하고 연결봉에 결합된 날개(20, 20’) 또한 회동하게 된다.

업다운 무게추(80, 80’)는 무게중심이 날개(20, 20’)의 무게중심과 동일한 쪽에 있으므로, 업다운 무게추의 무게는 날개가 수직 상태로 되는데 기여한다. 도 2에서, 좌측 업다운 무게추(80)는 그 높이가 최저인 상태에 있고 따라서 날개(20)는 수직 상태이고, 우측 업다운 무게추(80’)는 그 높이가 최고인 상태에 있고 따라서 날개(20’)는 수평 상태이다. 날개(20, 20’)가 수직 상태와 수평 상태 간에 변화하기 위해서는, 업다운 무게추(80, 80’)의 높이에 있어 최고 상태와 최저 상태 간에 이루는 각이 가로축(Y)를 중심으로 90°이어야 한다.

도 4는 업다운 무게추의 바람직한 구조로서 업다운 무게추(80)가 연결봉(60)에 결합된 상태에서의 측단면도를 나타낸다. 업다운 무게추(80)는 연결봉(60)과 결합되는 결합부(81), 결합부(81)로부터 돌출하는 다리부(82) 및 다리부(82)의 말단에 위치한 롤러부(83)인 세 부분으로 이루어진다.

결합부(81)의 중심과 롤러부(83)의 중심을 잇는 가상의 직선(L)은 날개의 길이방향과 평행하거나 거의 평행하다. 즉, 상기 직선(L)이 지면에 수직인 상태가 되게 업다운 무게추(80)가 위치할 때, 날개(20) 또한 수직 상태가 되도록 업다운 무게추(80)와 날개(20)가 연결봉(60)에 결합된 것이 바람직하다. 결합부(81)와 롤러부(83)를 연결하는 다리부(82)는 도시된 바와 같이 상기 직선(L)으로부터 벗어나게 형성되는 것이 업다운 무게추(80)가 업다운 무게추용 레일을 타고 지나가면서 블록 화살표(A) 방향과 같이 변위되는 것을 원활하게 한다. 다리부(82)의 중심과 결합부(81) 및 롤러부(83)의 중심이 이루는 각(θ)은 약 100°인 것 바람직하다.

업다운 무게추의 롤러부(83)는 예컨대 바퀴 또는 베어링으로 이루어지고, 업다운 무게추용 레일을 타고 주행할 때 발생하는 소음과 진동을 줄이기 위해 테두리에 고무 같은 탄성 소재가 제공되는 것이 바람직하다. 날개가 수직 상태로 되는 것을 돕는 데에는 업다운 무게추(80)에서 롤러부(83)가 특히 무거운 것이 좋다.

이제 도 3을 참조하면, 타워(10)의 상부에 서로 이웃하게 설치된 두 개의 레일 즉, 지지 베어링용 레일(100) 및 업다운 무게추용 레일(200)이 날개(20, 20’), 지지 베어링(70, 70’), 업다운 무게추(80, 80’) 등과 함께 도시된다. 각 레일은 날개(20, 20’)가 수직 회전축(40)을 중심으로 회전함에 따라 지지 베어링(70, 70’)과 업다운 무게추(80, 80’)가 타고 지나갈 수 있는 위치에 제공된다.

타워(10)의 상부 외주에 바람직하게 위치하는 지지 베어링용 레일(100)은 그 높이가 지지 베어링(70, 70’)의 하면과 실질적으로 동일하고 전체적으로 일정하다. 따라서 지지 베어링(70, 70’)이 수평 상태를 유지하면서 지지 베어링용 레일(100) 위를 구를 수 있고, 이로 인해 날개(20, 20’)가 수직 회전축(40)을 중심으로 회전할 때 발생할 수 있는 요동을 최소화할 수 있다.

지지 베어링용 레일(100) 옆에는 업다운 무게추용 레일(200)이 위치한다. 지지 베어링용 레일(100)과 마찬가지로 업다운 무게추용 레일(200)은 반경이 일정하지만, 지지 베어링용 레일(100)과 달리 일정 구간에서 높이가 변하게, 바람직하게는 점점 하강 후 원래 수준으로 점점 상승하게 설치된다.

예컨대, 업다운 무게추용 레일(200)에 있어서 제1 구간(도 3에서 A-A’에 의해 두부분으로 구획되는 구간 중 날개(20)가 지나가는 구간)을 제외한 나머지 구간(제2 구간)은 그 높이가 일정하고, 제1 구간에서의 높이는 제2 구간에서의 높이보다 낮다. 바람직하게는 제2 구간의 높이는 업다운 무게추(80)가 최고 높이에 있을 때 업다운 무게추(80)의 하면과 실질적으로 동일하고, 제1 구간의 최소 높이는 업다운 무게추(80)가 최저 높이에 있을 때 업다운 무게추(80)의 하면과 실질적으로 동일하다. 따라서 업다운 무게추(80)가 제2 구간을 지나갈 때에는 날개(20)는 실질적으로 수평 상태로 있게 되고, 제1 구간을 지나갈 때에는 날개(20)는 수평이 아닌 상태로 있게 된다.

제1 구간은 업다운 무게추(80) 및 날개(20)의 상태 변화에 따라 세 구간 즉, S1, S2 및 S3으로 나눌 수 있다. 날개(20)가 반시계 방향으로 회전할 때, 업다운 무게추(80)는 제2 구간에서 제1 구간의 S1 구간으로 진입함에 따라, 날개(20)의 무게중심과 업다운 무게추(80)의 무게중심으로 인해 자동으로 업다운 무게추(80)는 그 높이가 낮아지는 쪽으로 변위하고, 이에 따라 연결봉(60)이 회전하여 여기에 결합된 날개(20)의 각도가 수직 상태로 점점 변화된다. 도 3에서 업다운 무게추용 레일(200)의 S1 구간을 지나고 있는 날개(20)는 실선으로 표시된 날개의 우측에 점선으로 도시된다.

S2 구간에서는 실선으로 표시된 날개와 같이 날개(20)의 각도가 완전히 수직 상태로 되고 이때 날개의 수풍 면적은 최대이다. 제1 구간에서 풍력을 받는 날개(20)는 수직 회전축을 중심으로 계속 반시계 방향으로 회전하게 되는데, 업다운 무게추(80)가 S3 구간을 지나면서 업다운 무게추용 레일(200)과 연결봉(60)과의 거리가 가까워짐에 따라 업다운 무게추(80)는 높이가 높아지는 쪽으로 변위한다. 따라서 날개(20)의 각도는, 실선으로 표시된 날개의 좌측에 점선으로 도시되는 날개와 같이, 다시 수평 상태로 점점 변화되다가, S3 구간을 지나 제2 구간에 이르면 완전히 수평 상태로 된다.

업다운 무게추(80)의 변위 시 발생하는 충격을 최소화하기 위해서 구간 S1 및 S3의 도입부와 종료부는 경사가 완만한 곡선을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다. 풍력의 최대 이용 측면에서, 제1 구간의 원호각은 120-180°인 것이 바람직하고 약 150°인 것이 더욱 바람직하다. 이때 S2 구간의 원호각은 제1 구간의 원호각의 약 1/3인 약 40-60°인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 날개(20)가 제1 구간에 있을 때, 풍력 발전기의 다른 날개(20’)는 제2 구간에 있게 되므로 날개(20’)는 수평 상태로 있게 됨을 이해하여야 한다. 날개들이 수직 회전축(40)을 중심으로 회전함에 따라 날개(20’)가 제1 구간으로 진입하게 되면, 날개(20’)는 전술한 바와 같이 제1 구간에서 거동하는 날개(20)와 동일하게 거동하게 된다.

비록 본 발명이 대표적인 실시예에 관하여 기술하고 있지만, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.

10: 타워 20, 20’: 날개 30: 덮개 40: 수직 회전축 50: 허브 51, 52: 허브의 연결부 60, 60’: 연결봉 70, 70’: 지지 베어링 80, 80’: 업다운 무게추 100: 지지 베어링용 레일 200: 업다운 무게추용 레일

Claims (8)

1. 날개가 회전함에 따라 날개의 지면에 대한 각도가 수직과 수평 사이에서 자동으로 조절되는 수직축 풍력 발전기에 있어서,
   지면에 고정된 타워(10);
   상기 타워에 의해 지지되며 발전기에 회전력을 전달하도록 연결된 수직 회전축(40);
   상기 수직 회전축에 결합되며 복수의 연결구(51, 52)를 구비한 허브(50);
   상기 허브의 상기 복수의 연결구에 회동 가능하게 개별적으로 연결된 복수의 연결봉(60, 60’); 및
   수직 상태에서 무게중심이 상기 연결봉보다 아래에 위치하도록 상기 복수의 연결봉에 개별적으로 결합된 복수의 날개(20, 20’);
   를 포함하고, 상기 연결봉에는 상기 날개의 길이 방향으로 돌출된 업다운 무게추(80, 80’)가 고정되게 설치되고, 상기 타워의 상부에는 상기 날개가 상기 수직 회전축을 중심으로 회전함에 따라 상기 업다운 무게추가 타고 지나갈 수 있고 상기 업다운 무게추의 높이를 일정 구간에서 변위되게 하는 업다운 무게추용 레일(200)이 설치되어, 상기 날개가 상기 수직 회전축을 중심으로 회전할 때 일정 구간에서는 수직 상태가 되고 일정 구간에서는 수평 상태가 되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 연결봉에는 상기 업다운 무게추 부근에 지지 베어링(70, 70’)이 설치되고, 상기 타워의 상부에는 상기 베어링이 타고 지나갈 수 있고 높이가 일정한 지지 베어링용 레일(100)이 설치되어, 상기 날개의 무게가 상기 지지 베어링과 상기 지지 베어링용 레일을 통해 상기 타워에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
3. 제2항에 있어서, 상기 날개가 수평 상태인 구간에서 상기 업다운 무게추용 레일과 상기 지지 베어링용 레일의 높이가 동일한 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한에 있어서, 상기 업다운 무게추용 레일은 120-180°의 원호각 구간에서 높이가 낮아지고 나머지 구간에서는 높이가 동일하며, 상기 날개가 상기 수직 회전축을 중심으로 회전할 때 상기 원호각 구간에서 상기 업다운 무게추의 높이가 하강하여 상기 날개가 수직 상태로 되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직축 풍력 발전기는 상기 타워 위쪽에 위치하며 상기 회전축에 결합된 반구형 덮개(30)를 더 포함하고, 상기 반구형 덮개에는 복수의 날개(31)가 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 업다운 무게추는 상기 연결봉과의 결합부위로부터 돌출하는 다리부(82)와 상기 다리부 말단에 제공된 롤러부(83)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
7. 제6항에 있어서, 상기 다리부는 꺾쇠 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.
8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연결봉은 단면이 유선형이고, 상기 날개의 수직 상태 시 단면이 좁은 쪽이 지면을 향하도록 상기 날개와 결합된 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전기.

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