KR20140069884A - 수직형 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바람을 블레이드방향으로 유도하여 규모를 작게 하면서도 발전효율을 높일 수 있는 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명의 수직형 풍력발전기는 수직으로 형성된 지주와, 지주에 회전가능하게 설치되어 바람이 불어오는 방향으로 전연을 위치시키며, 상기 전연으로 불어오는 바람을 2개의 흐름으로 분산시켜 후연의 좌우 양측 방향으로 각각 유도하는 유선형의 가이드유닛과, 가이드유닛의 후연 양측에 각각 설치되는 제 1회전축 및 제 2회전축과, 제 1회전축에 결합되며 상기 가이드유닛에 의해 분산된 어느 하나의 바람 흐름에 의해 회전모멘트를 발생시키는 제 1풍차와, 제 2회전축에 결합되며 상기 가이드유닛에 의해 분산된 나머지 하나의 바람 흐름에 의해 회전모멘트를 발생시키되 상기 제 1풍차의 회전방향과 반대로 회전하는 제 2풍차와, 가이드유닛에 설치되며 상기 제 1회전축 및 제 2회전축의 회전력을 전달받아 발전하는 발전부를 구비한다.

Description

수직형 풍력발전기{Wind power generation of vertical type}
본 발명은 수직형 풍력발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바람을 블레이드방향으로 유도하여 규모를 작게 하면서도 발전효율을 높일 수 있는 수직형 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍차는 자연바람으로 블레이드를 돌리게 되고, 이것을 기어기구 등을 이용하여 속도를 높여 발전기를 돌리게 됨으로써 전기적인 발전으로 변환하게 된다 .
이러한 방식을 풍력발전이라고 하는데, 풍력 발전용 풍차로는 네덜란드형 풍차로 대표되는 바람에 대해 회전축이 수평으로 되어 있는 수평축형 풍차와, 바람에 대해 회전축이 수직으로 되어 있는 수직축형 풍차가 알려져 있다.
이 중 수직축형 풍차에는 패들형이나 사보니우스형 등과 같이 블레이드에 발생되는 항력으로 풍차를 회전시키는 항력형과, 다리우스형이나 샤일로밀형 등과 같이 블레이드에 발생되는 양력으로 풍차를 회전시키는 양력형이 일본 특허 공개 소54-153944호 공보에 알려져 있다.
즉, 전자는 불어 올리는 측을 향하는 블레이드의 저항을 작게 하여 항력차에 의해 풍차를 회전시키는 데 반해, 후자는 블레이드에 발생되는 양력에 의해 풍차를 회전시키도록 되어 있다.
양력형의 경우 주속비가 1 이상에서는, 풍차의 공력 특성이 좋아져 풍차를 효율적으로 회전시키는 것이 가능하지만, 주속비가 1 이하에서는 풍차의 공력 특성이 나빠져 풍차를 회전시키는 모멘트가 작아진다. 또한, 기동 모멘트가 작아 정지 상태로부터의 기동이 매우 곤란해지는 결점이 있다.
따라서 항력형 풍차를 많이 이용하고 있지만, 항력형의 경우, 주속비(블레이드의 에어 포일 단부 속도/풍속)가 1이 되면 풍차를 그 이상으로 회전시키는 모멘트가 발생되지 않아, 풍속이 올라가도 그 이상의 회전수를 얻을 수도 없고 발전 효율이 나쁘다는 문제가 있다.
이를 위해 항력형의 경우 발전용량을 높이기 위해서는 대형화하여야 하지만 대형 풍차는 설치시 장소의 구애를 많이 받아 설치작업이 까다롭고 설계가 어려우며 자체 중량에 의한 회전저항이 커지는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 블레이드를 항력형으로 구성하고 바람을 블레이드방향으로 유도하여 규모를 작게 하면서도 발전효율을 높일 수 있는 수직형 풍력발전기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직형 풍력발전기는 수직으로 형성된 지주와; 상기 지주에 회전가능하게 설치되어 바람이 불어오는 방향으로 전연을 위치시키며, 상기 전연으로 불어오는 바람을 2개의 흐름으로 분산시켜 후연의 좌우 양측 방향으로 각각 유도하는 유선형의 가이드유닛과; 상기 가이드유닛의 후연 양측에 각각 설치되는 제 1회전축 및 제 2회전축과; 상기 제 1회전축에 결합되며 상기 가이드유닛에 의해 분산된 어느 하나의 바람 흐름에 의해 회전모멘트를 발생시키는 제 1풍차와; 상기 제 2회전축에 결합되며 상기 가이드유닛에 의해 분산된 나머지 하나의 바람 흐름에 의해 회전모멘트를 발생시키되 상기 제 1풍차의 회전방향과 반대로 회전하는 제 2풍차와; 상기 가이드유닛에 설치되며 상기 제 1회전축 및 제 2회전축의 회전력을 전달받아 발전하는 발전부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 가이드유닛은 상기 지주의 상부에 지지되며 상기 제 1 및 제 2풍차의 상부와 각각 결합하는 상기 제 1 및 제 2회전축이 회전가능하도록 설치되는 상부프레임과, 상기 상부프레임으로부터 하방으로 이격되어 상기 지주의 하부에 지지되며 상기 제 1 및 제 2풍차의 하부와 각각 결합하는 상기 제 1 및 제 2회전축이 회전가능하도록 설치되는 하부프레임과, 상기 상부프레임의 일측에 상부가 결합되고 상기 하부프레임의 일측에 하부가 결합되어 전연에서 상기 제 1풍차 방향으로 연장되어 상기 제 1풍차 방향으로 바람의 흐름을 유도하는 제 1가이드부와, 상기 상부프레임의 타측에 상부가 결합되고 상기 하부프레임의 타측에 하부가 결합되어 전연에서 상기 제 2풍차 방향으로 연장되되 후연방향으로 진행할수록 상기 제 1가이드부와 이격거리가 점진적으로 멀어지며 상기 제 2풍차 방향으로 바람의 흐름을 유도하는 제 2가이드부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 및 제 2풍차의 블레이드는 상기 제 1 및 제 2가이드부 방향으로 각각 굽어지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 바람의 방향에 따라 회전하는 가이드유닛에 의해 전연으로 불어오는 바람의 흐름을 2개의 방향으로 유도하여 2개의 풍차에서 동시에 발전함으로써 규모를 작게 하면서도 발전효율을 효과적으로 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 다른 풍력발전기를 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1의 측면도이고,
도 3은 도 1에 적용된 상부프레임의 제 1패널과 제 2패널 사이에 설치된 기어들을 나타내기 위한 평면도이고,
도 4는 도 1에 적용된 가이드 유닛 주변의 바람의 흐름을 나타내기 위한 평면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수직형 풍력발전기에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 수직형 풍력발전기는 크게 지주(10)와, 가이드유닛(20)과, 제 1회전축 및 제 2회전축, 제 1풍차(50) 및 제 2풍차(60)와, 발전부를 구비한다.
지주(10)는 지면에 고정된 베이스프레임(5)의 상부에 수직하게 설치된다. 도시된 바와 달리 지주(10)는 지면에 직접 고정될 수 있다.
가이드유닛(20)은 지주(10)에 설치된다. 본 발명에서 가이드유닛(20)은 지주(10)에 회전가능하도록 설치된다. 이러한 가이드유닛(20)은 바람의 방향에 따라 지주(10)를 회전중심으로 하여 회전할 수 있는 구조를 갖는다.
도 4에 잘 나타난 바와 같이 가이드유닛(20)은 전단이 좁고 후단이 넓은 유선형으로 형성된다. 좁은 전단 부분이 전연(A)이 되고, 넓은 후단 부분이 후연(B)이 된다. 가이드유닛(20)은 바람의 방향에 따라 회전하여 전연(A)을 바람이 불어오는 방향으로 위치시킨다.
도 4에서와 같이 바람이 불어오는 방향으로 전연(A)이 위치된 상태에서 가이드유닛(20)은 전연(A)으로 불어오는 바람을 2개의 흐름으로 분산시키다. 분산된 어느 하나의 바람 흐름은 후연(B)의 좌측 방향, 즉 제 1풍차(50) 방향으로 유도되고, 나머지 하나의 바람 흐름은 후연(B)의 우측 방향, 즉 제 2풍차(60) 방향으로 유도된다.
이러한 가이드유닛(20)에 의해 풍향에 관계없이 모든 풍향에 대해서 제 1 및 제 2풍차(50)(60)를 회전시켜 발전가능하므로 풍향의 변동성이 큰 도심에도 설치가능하다. 또한, 전연(A)으로 불어오는 바람을 2개의 흐름으로 분산시켜 제 1 및 제 2풍차를 각각 회전시키므로 주속비(블레이드의 속도/풍속) 1 이상에서 풍속이 올라가도 발전효율이 상승되지 않는 항력형 풍차의 단점을 개선할 수 있다.
가이드유닛(20)의 구성을 자세히 살펴보면, 지주(10)의 상부에 지지되는 상부프레임(21)과, 상부프레임(21)으로부터 하방으로 이격되어 지주(10)의 하부에 지지되는 하부프레임(27)과, 상부프레임(21)의 일측에 상부가 결합되고 하부프레임의 일측에 하부가 결합되는 제 1가이드부(31)와, 상부프레임(21)의 타측에 상부가 결합되고 하부프레임(27)의 타측에 하부가 결합되는 제 2가이드부(35)를 구비한다.
상부프레임(21)은 2개의 패널로 이루어진다. 즉, 제 1패널(23)과, 상기 제 1패널(23)의 상부에 이격되어 설치된 제 2패널(25)로 이루어진다. 제 1 및 제 2패널(23)(25)은 동일한 크기와 모양으로 이루어진다. 제 1 및 제 2패널(23)(25)은 전연(A)이 좁고 후연(B)이 넓은 판상으로 이루어진다. 제 1 및 제 2패널의 후연(B)은 가운데가 전연(A) 방향으로 오목하게 패인 형상으로 이루어진다. 지주(10)는 상부프레임(21)의 제 1패널(23)에 설치된 베어링유니트에 결합된다.
하부프레임(27)은 지주(10)의 하부에 설치된다. 지주(10)는 하부프레임(27)에 설치된 베어링유니트에 결합된다. 하부프레임(27)은 제 1패널(23) 또는 제 2패널(25)과 동일한 크기와 모양으로 이루어진다.
제 1가이드부(31)는 전연(A)에서 제 1풍차(50) 방향으로 연장되어 형성된다. 제 1가이드부(31)는 가이드유닛(20)의 좌측면을 이룬다. 제 1가이드부(31)의 상부와 하부는 상부프레임(21) 및 하부프레임(27)의 측면에 각각 고정된다.
제 2가이드부(35)는 전연(A)에서 제 2풍차(60) 방향으로 연장되어 형성된다. 제 2가이드부(35)는 가이드유닛(20)의 우측면을 이룬다. 제 2가이드부(35)의 상부와 하부는 상부프레임(21) 및 하부프레임(27)의 측면에 각각 고정된다. 가이드유닛(20)의 전체적 형상이 유선형을 이루므로 제 1가이드부(31)와 제 2가이드부(35)후연(B)방향으로 진행할수록 이격거리가 점진적으로 멀어진다.
상술한 제 1가이드부(31)와 제 2가이드부(35)는 분산된 바람의 흐름을 제 1풍차(50) 및 제 2풍차(60) 방향으로 유도하는 역할을 한다. 즉, 가이드유닛(20)이 전연(A)으로 불어오는 바람을 2개의 흐름으로 분산시키면, 분산된 어느 하나의 바람 흐름은 제 1가이드부(31)를 따라 이동하여 후연(B)의 좌측 방향, 즉 제 1풍차(50) 방향으로 유도되고, 나머지 하나의 바람 흐름은 제 2가이드부(35)를 따라 이동하여 후연(B)의 우측 방향, 즉 제 2풍차(60) 방향으로 유도된다.
제 1회전축 및 제 2회전축은 가이드유닛(20)의 후연 양측에 각각 설치된다. 도시된 예에서 제 1회전축은 2개로 분리된 구조를 갖는다. 즉, 제 1회전축은 상부프레임(21)에 회전가능하도록 지지되는 제 1상부회전축(71)과, 하부프레임(27)에 회전가능하도록 지지되는 제 1하부회전축(73)으로 이루어진다. 제 1상부회전축(71)은 제 1 및 제 2패널(23)(25)을 관통하며, 제 1 및 제 2패널(23)(25)에 각각 설치된 베어링유니트에 제 1상부회전축(71)은 결합된다. 제 1하부회전축(73)은 하부프레임(27)을 관통하며, 하부프레임(27)에 설치된 베어링유니트에 제 1하부회전축(73)이 결합된다. 제 1상부회전축(71)은 제 1풍차(50)의 상부에 결합되고, 제 1하부회전축(73)은 제 1풍차(50)의 하부에 결합된다.
제 2회전축 역시 위치만 다를 뿐 제 1회전축과 동일한 구조를 갖는다. 즉, 제 2회전축은 상부프레임(21)에 회전가능하도록 지지되는 제 2상부회전축(75)과, 하부프레임(27)에 회전가능하도록 지지되는 제 2하부회전축(미도시)으로 이루어진다. 제 2상부회전축(75)은 제 1 및 제 2패널(23)(25)을 관통하며, 제 1 및 제 2패널(23)(25)에 각각 설치된 베어링유니트에 제 2상부회전축(75)은 결합된다. 제 2하부회전축은 하부프레임(27)을 관통하며, 하부프레임(27)에 설치된 베어링유니트에 제 2하부회전축이 결합된다. 제 2상부회전축(71)은 제 2풍차(60)의 상부에 결합되고, 제 2하부회전축은 제 2풍차(60)의 하부에 결합된다.
제 1 및 제 2회전축 간의 거리는 제 1풍차(50)의 회전 반경 및 제 2풍차(60)의 회전반경의 합보다 더 크다.
제 1풍차(50) 및 제 2풍차(60)는 가이드유닛(20)의 후연 양측에 각각 설치된다. 제 1풍차(50)는 제 1상부회전축(71) 및 제 1하부회전축(73)에 결합되고, 제 2풍차(60)는 제 2상부회전축(75) 및 제 2하부회전축에 결합된다.
제 1풍차(50)는 회전중심의 주위에 4매의 블레이드(55)가 90도 간격으로 각각 설치된다. 도시된 예에서 제 1 풍차(50)는 4매의 블레이드(55)를 배치하였지만 이에 한정되지 않으며, 3매 이하 또는 5매 이상 블레이드를 이용하여도 무방하다. 블레이드(55)는 원심력을 감소시키기 위해 알루미늄 합금 등의 경량의 부재를 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.
일반적으로 수직축형 풍차에는 패들형이나 사보니우스형 등과 같이 블레이드에 발생되는 항력으로 풍차를 회전시키는 항력형과, 다리우스형이나 자이로밀형 등과 같이 블레이드에 발생되는 양력으로 풍차를 회전시키는 양력형이 알려져 있다.
본 발명의 풍력발전기에서 제 1 풍차(50)는 항력형 블레이드로 구성된다. 즉, 바람이 불어오는 측을 향하는 블레이드의 저항을 작게 하여 항력차에 의해 회전축을 회전시킨다. 다리우스형이나 자이로밀형과 같은 양력형은 주속비(블레이드의 속도/풍속)가 1 이상에서는 풍차의 공력 특성이 좋아져 풍차를 효율적으로 회전시키는 것이 가능하지만, 주속비가 1 이하에서는 풍차의 공력 특성이 나빠져 풍차를 회전시키는 모멘트가 작아진다. 또한, 기동 모멘트가 작아 정지 상태로부터의 기동이 매우 곤란하다는 문제점이 있으므로, 항력형이 적절하다.
제 1풍차(50)의 블레이드(55)는 가이드유닛(20)의 바깥으로 노출되어 제 1가이드부(31)를 따라 이동하는 바람을 효과적으로 이용할 수 있도록 한다. 제 1풍차(50)의 회전모멘트를 증대시키기 위해 블레이드(55)는 제 1 가이드부(31) 방향으로 굽어지게 형성된다.
제 2풍차(60)는 상술한 제 1풍차(50)의 구조와 동일하다. 다만, 블레이드(65)가 제 2가이드부(35) 방향으로 굽어지게 형성된다는 점에서 차이가 있다.
제 1풍차(50)는 가이드유닛(20)에 의해 분산된 바람에 의해 회전모멘트를 발생시켜 제 1회전축을 회전시키고, 제 2풍차(60)는 가이드유닛에 의해 분산된 바람에 의해 회전모멘트를 발생시켜 제 2회전축을 회전시킨다. 제 1풍차(50)와 제 2풍차(60)는 회전방향이 반대이다.
발전부는 가이드유닛(20)에 설치되며 1회전축의 제 1상부회전축(71) 및 제 2회전축의 제 2상부회전축(75)의 회전력을 전달받아 발전한다. 발전부는 상부프레임의 제 1패널(23)에 설치된 발전기(80)와, 제 1상부회전축(71) 및 제 2상부회전축(75)과 연결되어 회전력을 발전기(80)로 전달하기 위한 기어유닛으로 이루어진다.
발전기(80)는 통상적인 구조로, 전자기 유도에 의한 유도기전력이 발생시킨다. 그리고 기어유닛은 도 3에 잘 나타난 바와 같이 제 1상부회전축(71)과 제 2상부회전축(75)에 각각 축결합된 구동기어(81)(83)를 포함하여 다수의 기어들(84)(85)(87)(89)로 이루어진다.
상술한 본 발명의 수직형 풍력발전기는 바람의 방향에 따라 회전할 수 있는 가이드유닛(20)에 의해 사방 어디에서 바람이 불어오더라도 발전이 가능하다. 또한, 가이드유닛(20)은 전연(A)으로 불어오는 바람의 흐름을 2개의 방향으로 유도하여 2개의 풍차에서 동시에 발전할 수 있도록 하므로 장치의 소형화가 가능하고 발전효율을 높일 수 있다.
한편, 상술한 발전부는 도시된 바와 달리 하부프레임에 설치될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10: 지주 20: 가이드유닛
21: 상부프레임 27: 하부프레임
31: 제 1가이드부 35: 제 2가이드부
50: 제 1풍차 60: 제 2풍차

Claims (3)

  1. 수직으로 형성된 지주와;
    상기 지주에 회전가능하게 설치되어 바람이 불어오는 방향으로 전연을 위치시키며, 상기 전연으로 불어오는 바람을 2개의 흐름으로 분산시켜 후연의 좌우 양측 방향으로 각각 유도하는 유선형의 가이드유닛과;
    상기 가이드유닛의 후연 양측에 각각 설치되는 제 1회전축 및 제 2회전축과;
    상기 제 1회전축에 결합되며 상기 가이드유닛에 의해 분산된 어느 하나의 바람 흐름에 의해 회전모멘트를 발생시키는 제 1풍차와;
    상기 제 2회전축에 결합되며 상기 가이드유닛에 의해 분산된 나머지 하나의 바람 흐름에 의해 회전모멘트를 발생시키되 상기 제 1풍차의 회전방향과 반대로 회전하는 제 2풍차와;
    상기 가이드유닛에 설치되며 상기 제 1회전축 및 제 2회전축의 회전력을 전달받아 발전하는 발전부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 가이드유닛은 상기 지주의 상부에 지지되며 상기 제 1 및 제 2풍차의 상부와 각각 결합하는 상기 제 1 및 제 2회전축이 회전가능하도록 설치되는 상부프레임과, 상기 상부프레임으로부터 하방으로 이격되어 상기 지주의 하부에 지지되며 상기 제 1 및 제 2풍차의 하부와 각각 결합하는 상기 제 1 및 제 2회전축이 회전가능하도록 설치되는 하부프레임과, 상기 상부프레임의 일측에 상부가 결합되고 상기 하부프레임의 일측에 하부가 결합되어 전연에서 상기 제 1풍차 방향으로 연장되어 상기 제 1풍차 방향으로 바람의 흐름을 유도하는 제 1가이드부와, 상기 상부프레임의 타측에 상부가 결합되고 상기 하부프레임의 타측에 하부가 결합되어 전연에서 상기 제 2풍차 방향으로 연장되되 후연방향으로 진행할수록 상기 제 1가이드부와 이격거리가 점진적으로 멀어지며 상기 제 2풍차 방향으로 바람의 흐름을 유도하는 제 2가이드부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2풍차의 블레이드는 상기 제 1 및 제 2가이드부 방향으로 각각 굽어지게 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전기.


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