KR20140014185A - 하나 이상의 로터를 갖는 풍력을 이용하기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

하나 이상의 로터를 갖는 풍력을 이용하는 장치로서, 로터는 수직 회전 축을 갖는 로터 샤프트를 가지며 하나 이상의 로터 블레이드를 각각 갖는 3개 이상의 지지 프레임은 로터 샤프트 상에 배열되고, 로터 블레이드는 로터 샤프트의 회전 방향으로 동일한 각도로 서로 오프셋 설정되고, 로터 블레이드는 로터 샤프트로부터 반경방향 거리에 배열된다. 하나 이상의 바람 통로는 로터 샤프트와 로터 블레이드 사이에 형성된다. 이에 따라서, 고 효율을 갖는 장치가 형성된다.

Description

하나 이상의 로터를 갖는 풍력을 이용하기 위한 장치{DEVICE FOR USING WIND POWER HAVING AT LEAST ONE ROTOR}

본 발명은 하나 이상의 로터를 갖는 풍력을 이용하는 장치에 관한 것으로, 로터는 수직 회전 축을 갖는 로터 샤프트를 가지며 하나 이상의 로터 블레이드를 각각 갖는 3개 이상의 지지 프레임은 로터 샤프트 상에 배열되고, 로터 블레이드는 로터 샤프트의 회전 방향으로 동일한 각도로 서로 오프셋 설정된다.

다른 실시 형태에 비해 더 높은 효율로 인해, 풍향으로 높인 로터, 소위 수평축 로터의 회전 축을 갖는 풍력 시스템은 로터의 수직 회전축을 갖는 것들에 비해 더 큰 이점을 갖는다. 그러나, 수평 축 로터의 증가된 폭 넓은 사용에 따라, 이의 단점은 특히 외부 블레이드 팁의 높은 원주방향 속도에 의해 야기되는 소음의 발생 및 이동하는 로터 블레이드에 의한 그림자(shadow)의 주기적 캐스팅(periodic casting)과 같은 효과를 갖는 것이다. 그림자의 캐스팅과 또한 이들 풍력 시스템의 소음 발생은 특히 거주 영역에서 거주자에게 불편함을 종종 야기하며, 그 결과 새로운 시스템에 대한 허가 절차가 종종 어려워진다.

수평 축 로터를 갖는 해양 시스템을 건설하는데 있어서, 문제점을 방지하기 위한 하나의 해결 방법은 저항 로터와 같이 설계된 수직 회전축을 갖는 로터를 사용하는 데 있다.

반면, 추진 로터와 같이 설계된 대부분의 수직 축 로터에 따라 폭 넓게 사용되는 수평 축 로터와 유사하게 소음과 그림자의 주기적 캐스팅이 야기되며, 저항 로터에 따른 이들 단점은 항시 중요치 않다. 그러나, 수평 회전축을 갖는 공지된 저항-구동 장치는 다소 경제적 작동과 모순되는 매우 낮은 저항을 갖는다. 낮은 효율은 로터 블레이드의 인플로우 표면에 따라 종종 야기되며, 로터 블레이드에 충돌하는 바람은 항시 바람에 대해 역으로 회전하는 로터 블레이드의 후방 측면을 압축하고 이들 측면에서만 단지 부적절하게 유동한다. 따라서, 로터 주위에 부분적으로 배열된 하우징에 따른 공기 유동을 분기 또는 편향시키는 시도가 행해지지만 여기서의 단점은 바람이 단지 한 방향으로부터 차단될 수 있는 데 있다.

본 발명의 목적은 상기 단점이 방지되고 수직 회전 축을 갖는 기존의 저항 로터에 비해 더 높은 효율을 갖는, 수직 회전 축을 갖는 풍력을 이용하기 위한 장치를 제공하는 데 있다. 이 목적의 해결 방법은 청구항 제1항에 따른 장치에 의해 구현된다. 이 장치의 추가 개선점 및 선호되는 구성이 종속항 제2항 내지 제11항에서 제시된다.

하나 이상의 로터를 갖는 풍력을 이용하는 장치 내에서, 로터는 수직 회전 축을 갖는 로터 샤프트를 가지며 하나 이상의 로터 블레이드를 각각 갖는 3개 이상의 지지 프레임은 로터 샤프트 상에 배열되고, 로터 블레이드는 로터 샤프트의 회전 방향으로 동일한 각도로 서로 오프셋 설정되고, 본 발명에 따라서 로터 블레이드는 로터 샤프트로부터 반경방향 거리에 배열되며, 하나 이상의 바람 통로는 로터 샤프트와 로터 블레이드 사이에 형성된다. 바람 통로에 따라 장치가 작동 중에 후방 측면 상으로 유동하는 바람에 따른 로터 블레이드로부터의 바람에 대한 저항이 로터 샤프트 상에 배열된 로터 블레이드에 비해 감소된다. 후방 측면 상으로 유동하는 바람에 따라 로터 블레이드상에 충돌하는 바람은 그 뒤에 양 측면 상에서, 즉 로터 샤프트를 향하는 측면과 로터 샤프트로부터 이격되는 방향으로 향하는 측면 상에서 보다 바람직하게 유동할 수 있다. 풍향으로 회전하는 로터 블레이드 상에 충돌하는 바람이 이들 로터 블레이드에 의해 변경되지 않은 상태로 "차단"되기 때문에, 본 발명에 따른 로터는 역압에 대한 압력의 특히 선호되는 비율로 로터 블레이드에서 전체적으로 향상된 유동 프로파일을 갖는다. 시스템의 효율은 결과적으로 특히 적합하다.

바람 통로를 충분한 치수로 형성하는 것을 보장하기 위하여, 로터 샤프트와 로터 블레이드 사이의 바람 통로의 표면적은 각각의 경우 적어도 로터 블레이드의 표면적의 1/4이며, 특히 각각의 경우 로터 블레이드의 표면적의 적어도 1/2이다. 이들 치수에 따라 후방 측면 상으로 유동하는 바람에 따라 로터 블레이드로부터 편향된 공기는 로터 블레이드에 의한 공기의 축적 없이 최적의 방식으로 편향될 수 있다.

수직 연장 시에, 로터 샤프트와 로터 블레이드 사이에 형성된 바람 통로는 바람직하게는 각각의 경우 지지 프레임의 지지 암에 의해 경계가 형성된다. 이를 위해, 로터 블레이드에 대한 각각의 지지 프레임은 바람직하게는 2개의 지지 암을 가지며, 이들 사이에 로터 블레이드가 고정된다. 따라서, 바람 통로의 표면적은 가능한 크다. 추가로 지지 프레임의 스트럿에 의해 난기류가 방지된다. 각각의 지지 암 상에 고정된 로터 블레이드는 동시에 최적의 상태로 고정되고, 단순하게 설계되며 경량인 지지 프레임이 제공된다.

로터 블레이드가 로터의 회전 축에 대해 수직인 평면 내에 배열되는 경우 장치는 특히 컴팩트한 치수를 가질 수 있다. 로터 샤프트의 주변 주위에서 허용가능한 공간은 이에 따라 최적의 상태로 활용된다. 이상적으로 적어도 3개의 로터 블레이드가 이에 따라 하나의 평면 내에 배열된다. 로터 블레이드들 사이의 거리 또는 각도는 가능한 한 동일해야 하며, 3개의 로터 블레이드들 간의 각도는 바람직하게는 120°이다. 서로에 대한 로터 블레이드들의 최소 거리가 난기류에 따라 결정되어야 한다.

개개의 지지 부분 또는 로터 블레이드의 지지 프레임의 안정성은 증가될 수 있으며, 이에 따라 로터의 회전 축에 대해 수직인 평면 내에 배열된 지지 프레임의 모든 지지 암이 단일 구성요소로 형성된다. 지지 프레임 또는 개개의 지지 암 또는 로터의 상당히 방향-의존적 변화 하중이 효과적으로 상쇄될 수 있는데 이는 장치에 작용하고 바람에 의해 생성된 힘이 전체 구성요소 상에 분배되기 때문이다. 적절한 날씨에서 착빙(icing)을 방지하기 위하여, 로터 블레이드 및/또는 지지 프레임은 또한 가열가능하도록 설계될 수 있다.

특히, 후방 측면 상으로 유동하는 바람에 따라 로터 블레이드 상에 작용하는 역압이 로터 블레이드의 유체 역학적으로 선호되는 구성에 의해 최소화될 수 있다. 이를 위해, 로터 블레이드는 로터의 회전 축의 회전 방향에 상반되게 적어도 하나의 컵 개구를 각각 갖는 수평 컵과 같이 구성된다. 장치가 작동 중에, 바람은 바람을 향하여 개방된 상태로 유지되는 컵 개구를 갖는 컵 내로 압축되고 다른 컵에 의해 편향된다. 컵 내로 유동하는 공기는 차단되고 로터의 회전 운동으로 변화하는 컵 또는 컵들 내에 압력을 형성한다. 이 경우에, 각각의 컵 내의 압력은 컵의 다른 표면에 작용하는 역압을 초과한다.

컵의 최적화는 이들 컵이 볼록하게 만곡된 횡방향 표면을 갖는 피라미드 형태를 가짐으로써 달성되며, 여기서 피라미드의 기저 영역은 컵 개구와 같이 구성된다. 이 형상은 구에서의 선호되는 유동 거동과 매우 유사하며, 이에 따라 볼록하게 만곡된 외부 횡방향 표면에 충돌하는 바람이 최적의 방식으로 이들로부터 유동할 수 있다. 동시에, 피라미드의 기저 영역은 넓은 인플로우 표면을 생성하며, 이 표면에 따라 가능한 많은 바람이 차단될 수 있어서 로터를 추진하기 위한 압력을 생성한다. 피라미드-형 로터 블레이드는 추가로 각각의 지지 프레임에 대해 단순한 방식으로 고정될 수 있고 이는 각각의 지지 암에 대해 평행한 컵 개구 또는 기저 영역의 에지가 이들 상에 배열되기 때문이다. 바람직하게는 컵 개구와 같이 구성된 피라미드의 기저 영역은 직사각형 형상을 갖는다. 직사각형 형상은 예를 들어, 정사각형 또는 원형 기저 영역과 비교하여 동일한 높에 대해 가능한 가장 큰 인플로우 표면을 갖는다.

장치에 따라 생성될 수 있는 토크는 로터 블레이드 상에서 최적화된 풍하중 분포에 의해 증가될 수 있다. 이를 위해, 로터 블레이드는 이의 중심으로부터 외측을 향하여 오프셋 배열된 풍하중 초점을 갖는 비대칭 곡률을 갖는다. 풍하중 초점은 로터 블레이드의 형상에 의존되고, 컵 또는 피라미드가 형성될 때 피라미드 또는 컵의 가장 깊은 영역에 항시 배열된다. 토크가 로터 샤프트로부터 거리에 따라 증가되기 때문에, 로터 블레이드의 컵의 가장 깊은 지점은 로터 샤프트로부터 가장 먼 거리에 배열되어야 한다. 이 긴 거리는 로터 자체의 치수를 증가시키지 않고 비대칭 곡률에 따라 구현된다.

추가 개선점에 따라서, 로터는 이의 회전 축에 수직하게 형성된 적어도 2개의 평면 내에서 로터 블레이드에 따른 지지 프레임을 가지며 이에 따라 복수의 로터 블레이드가 회전 축에 대해 상이한 각도로 기울어지는 로터 샤프트 상에서 상하로 배열된다. 그 결과, 로터 블레이드가 발생될 수 있는 난기류에 의해 부정적인 영향을 받지 않고 단지 하나의 평면 내에서보다 많은 로터 블레이드가 제공될 수 있다. 추가로, 로터 샤프트에 결합된 제너레이터에 전달될 수 있는 토크는 더 많은 개수의 로터 블레이드에 의해 증가된다. 따라서, 장치를 이용하여 발생될 수 있는 로터의 파워 또는 전류의 크기는 로터 블레이드의 개수에 따라 증가될 수 있다.

다수의 로터 블레이드의 추가 이점은 장치가 작동 중에 발생될 수 있는 불균형이 감소되며 이에 따라 로터에 작용하는 방향-의존적 변화 하중이 방지된다. 동시에, 이는 더 적은 변화에 노출되는 로터의 회전에 의해 생성되는 토크에 따라 구현된다.

장치의 높은 안정성을 보장하기 위하여, 또 다른 추가 개선점에 따라서, 로터의 로터 샤프트가 지지 마스트 내에 배열된다. 지지 마스트에 따라 장치는 예를 들어, 더 강력한 바람을 이용하기 위하여 더 높은 높이에 배열될 수 있다. 게다가, 복수의 로터가 풍력을 이용하기 위하여 지지 마스트 내에 배열될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 형태가 도면에 도시된다.
도 1은 풍력을 이용하는 장치의 사시도.
도 2는 풍력을 이용하는 장치의 평면도.
도 3은 풍력을 이용하는 장치의 측면도.

도 1에 도시된 장치는 로터(2)를 갖는 지지 마스트(1)를 가지며, 로터(2)는 수직 회전축을 갖는다. 로터 블레이드(3)는 지지 마스트(1)에 대해 수직인 3개의 평면 내에서 지지 마스트(1) 상에 배열된다. 3개의 로터 블레이드(3)는 3개의 평면 각각에 할당되며, 이에 따라 총 9개의 로터 블레이드(3)가 지지 마스트(1) 상에 배열된다. 이들 로터 블레이드(3)는 지지 프레임(4) 내에 각각 고정되고, 여기서 각각의 지지 프레임(4)은 제1 상부 지지 암(5)과 제2 하부 지지 암(6)으로 구성된다. 지지 암(5, 6)은 지지 마스트(1)에 수직인 각각의 하나의 평면 내에서 단일 구성요소로 구성된다. 이에 따라 전체 장치는 하부 지지 암(6)에 대해 3개의 단일 구성요소와 상부 지지 암(5)에 대해 3개의 단일 구성요소를 갖는다.

로터 블레이드(3)는 피라미드를 형성하는 4개의 직사각형 횡방향 표면(7, 7', 7", 7"')을 각각 가지며, 이의 팁은 로터의 회전 방향을 향하고, 여기서 횡방향 표면(7, 7', 7", 7"')은 로터 블레이드(3)가 평면도와 측면도 모두에서 둥근 프로파일을 갖도록 볼록하게 만곡된다. 각각의 피라미드-형 로터 블레이드(3)는 이에 따라 횡방향 표면(7, 7', 7", 7"')에 의해 형성된 컵에 해당하고, 여기서 피라미드의 기저 영역은 컵 개구(8)와 같이 구성되고, 횡방향 표면(7, 7', 7", 7"')의 내부 벽 상에 형성된 인플로우 표면의 경계를 형성한다. 컵 개구(8)는 수직 방향으로 연장되고 로터(2)의 회전 축에 대해 수직하다. 컵 개구(8)를 통하여 유동하는 공기는 이에 따라 로터 블레이드(3) 내측에서 압력을 인가한다.

각각의 하나의 바람 통로(9)는 각각의 지지 암(6)에 의해 하부에서 각각의 지지 암(5)에 의해 상부에서 경계가 형성되는 로터 블레이드(3)의 횡방향 표면(7"')과 지지 마스트(1) 사이에 형성된다. 이들 바람 통로(9)에 따라 횡방향 표면(7, 7', 7", 7"')으로부터 떨어져 유동하는 공기가 축적 없이 최적의 방식으로 유도될 수 있다.

로터 블레이드(3)의 둥근 프로파일이 특히 도 2에 명확히 도시된다. 추가로, 로터 블레이드(3)의 최상부 평면의 상부 지지 암(5)의 구성요소(단일 부분으로 형성됨)뿐만 아니라 서로에 대해 120°의 각도로 각각의 경우 하나의 평면의 로터 블레이드(3)의 배열이 도시될 수 있다. 각각의 경우, 다양한 평면 내에서 로드 블레이드(3) 사이에 적어도 40°의 각도가 제공된다. 각각의 로터 블레이드(3)는 로터(2)의 회전 축에 대해 상이한 각도로 배열된다.

도 3에는 상부 및 하부 지지 암(5, 6)이 지지 마스트(1) 상에서 서로 최단 거리로 로터 블레이드(3)의 두 평면 사이에 배열되는 것이 도시된다. 로터 블레이드(3)의 컵 개구는 각각 직사각형 형태이며, 로터 블레이드(3)의 횡방향 표면(7, 7")은 지지 암(5, 6)에 대해 접하고 동시에 상부 또는 하부에서 컵 개구(8)의 경계를 형성한다. 게다가, 지지 마스트(1)와 로터 블레이드(3) 사이의 바람 통로(9)의 표면적이 확인될 수 있다.

이제 바람이 로터 블레이드(3) 상으로 유동하는 경우, 바람은 로터 블레이드(3)의 적어도 4개의 컵 내로 압축된다. 이 경우에, 횡방향 표면(7, 7', 7", 7"') 상에 유동을 갖는 로터 블레이드(3) 상에서 형성된 압력이 로터 블레이드(3) 내의 압력보다 작고 이에 따라 로터는 이의 회전 방향으로 회전하기 시작한다. 생성된 회전 운동은 그 뒤에 제너레이터가 결합될 수 있는 로터 샤프트로 지지 마스트(1) 내측에서 전달된다.

Claims (10)

1. 하나 이상의 로터를 갖는 풍력을 이용하는 장치로서, 로터는 수직 회전 축을 갖는 로터 샤프트를 가지며 하나 이상의 로터 블레이드를 각각 갖는 3개 이상의 지지 프레임은 로터 샤프트 상에 배열되고, 로터 블레이드는 로터 샤프트의 회전 방향으로 동일한 각도로 서로 오프셋 설정되고, 로터 블레이드(3)는 로터 샤프트로부터 반경방향 거리에 배열되고, 하나 이상의 바람 통로(9)는 로터 샤프트와 로터 블레이드(3) 사이에 형성되고, 로터 블레이드(3)에 대한 각각의 지지 프레임(4)은 2개의 지지 암(5, 6)을 가지며 상기 지지 암들 사이에 로터 블레이드(3)가 고정되고, 바람 통로(9)의 각각의 표면적은 지지 암(5, 6)에 의해 경계가 형성되며, 로터 블레이드(3)는 로터(2)의 회전 축의 회전 방향에 상반되는 하나 이상의 컵 개구(8)를 각각 갖는 수평 컵의 형태로 형성되는 장치.
2. 제1항에 있어서, 로터 샤프트와 로터 블레이드(3) 사이의 바람 통로(9)의 표면적은 로터 블레이드(3)의 표면적의 적어도 1/4인 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 로터 블레이드(3)는 로터(2)의 회전축에 수직인 평면 내에 배열되는 장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 로터(2)의 회전축에 대해 수직인 평면 내에 배열된 모든 지지 암(5, 6)이 단일 구성요소로서 형성되는 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 컵은 볼록하게 만곡된 외부 표면(7, 7', 7", 7"')을 갖는 필라미드 형태를 가지며 피라미드의 기저 표면은 컵 개구(8)의 형태로 형성되는 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 컵 개구(8)는 각각 직사각형 형상을 갖는 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 로터 블레이드(3)는 이의 중심으로부터 외측을 향하여 오프셋 배열된 풍하중 초점을 갖는 비대칭 곡률을 갖는 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 로터(2)는 이의 회전축에 대해 수직인 둘 이상의 평면 내에서 로터 블레이드(3)를 갖는 지지 프레임을 갖는 장치.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 로터(2)의 로터 샤프트는 지지 마스트(1) 내에 배열되는 장치.
10. 제9항에 있어서, 몇몇의 로터(2)가 지지 마스트(1) 상에 배열되는 장치.

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