KR20140102459A

KR20140102459A - 수직축풍력 발전기에 사용하는 수직축 날개들부(분)용기

Info

Publication number: KR20140102459A
Application number: KR1020130015779A
Authority: KR
Inventors: 박광현; 박재만; 권영구
Original assignee: 박광현; 박재만; 권영구
Priority date: 2013-02-14
Filing date: 2013-02-14
Publication date: 2014-08-22

Abstract

풍력( wind force )을 발전에 최대한 이용하기 위한 방안으로, 2개 이상 5개이하의 수직축 날개들을 하나의 통( tube )형태인 용기 내부에 설치하여 수직축 풍력발전기의 "날개부(분) 용도로 사용할 수 있는 수직축 날개들부(분) 용기( the case of vertical-axis wind-blades part )"를 제시하였다.
특히 소형 수직축 풍력발전기의 날개부(분)으로 사용하기에 적합한 "수직축날개들 부(분) 용기"는 풍력의 증폭기능을 가질 뿐만 아니라, 용기 내부를 통과하는 바람흐름의 경로( the path of wind flow )상에 수직축 날개들을 설치하므로, 기존의 수직축 풍력발전기들의 날개부(분)과 비교하면 훨씬 뛰어난 회전동력을 발생시킬 수 있고, 높은 풍력활용효율을 갖는다.
또한, "수직축날개들 부(분) 용기"안에 수직축 날개들을 내장시키므로, 사용자와 수직축 날개들, 양쪽 모두에 안전하기 때문에 휴대가능한 크기의 소형 풍력발전기, 즉 휴대용 수직축 풍력발전기 까지도 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 이 수직축날개들부(분) 용기내부에 내장시키는 수직축 날개들의 크기와 설치갯수에 따라서, 다양한 발전용량의 수직축 풍력발전기들을 제작할 수 있다.

Description

수직축풍력 발전기에 사용하는 수직축 날개들부(분)용기{The case of vertical-axis wind-blades part for the use of Vertical-Axis Wind Turbine(VAWT)}

본 발명은 신재생에너지(renewable energy)의 풍력 발전분야 중에서, 수직축 풍력발전기(VAWT)에 사용하는 수직축 날개부(분)(the part of vertical-axis wind-blade )에 관한 기술이다.

수직축 날개를 사용하는 수직축 풍력발전기에서는, 날개 사이를 통과하는 바람의 흐름에는 산란현상이 없을 뿐만 아니라, 비특헌문헌1에서 연구발표한대로 촘촘히 배열하여 설치했을 경우(도1 참조)일지라도 서로의 상호작용에 의해 각 날개들의 회전은 더 활발해 지므로 훨씬 작은 설치 면적을 필요로 하는 장점이 있다.

설치면적에 관한 이 연구 내용을 요약하면 같은 면적당, 즉 에이커 당 바람터빈의 설치 개수(power-to-acre)에 관한 모의실험(simulation)을 통해서, 수평축 바람터빈(HAWT)의 설치 개수보다 수직축 바람터빈(VAWT)의 설치갯수를 100배정도 더 많이 설치 할 수 있다는 계산결과를 제시하였고,

"잘 배열된 수직축날개를(vertical-axis wind blades)사이를 통과하는 바람의 흐름은 산란되지 않으며, 무리지어 헤엄치는 물고기들에서 발생하는 현상처럼 오히려 정형적인 경로나 원형 경주(sinusoidal path and circle race)를 형성하므로 각 날개들은 서로의 회전에 도움을 준다"는 연구내용도 함께 발표하였다.

또한 출원 중(2013년 1월 24일에 출원)인 특허문헌1에서는, 낮은 풍속 조건하에서도 1개의 바람터빈축을 회전시키는데 충분한 회전동력을 얻기 위해서, 필요한 개수 만큼인 여러 개(2개 이상)의 수직축 날개들을 하나의 통(tube)형태로된 용기(case)내부에 형성되는 바람흐름의 경로(path of wind flow)상에 설치하고, 이렇게 용기내부에 내장되는 날개들, 각각에서 발생하는 회전동력들을 결합한 후, 1개의 바람터빈축에 연결하는 방법과 더불어서,

용기의 입구와 출구사이에 설치, 배열되는 수직축 날개들 사이로 통과하는 바람의 흐름을 최대한 활용하고, 유체의 에너지 보존법칙인 베르누이의 원리(Bernoulli? principle)를 적용시키는, 하나의 통(tube) 형태인 "날개들 부(분) 용기(the case of wind-blades part)"를 설계하는 방법을 제시하였고, 이와 같은 날개들부(분) 용기에 의해 발전효율을 현격하게 증대시킬수있는 수직축 풍력발전기를 설계, 제작할 수 있다는 것들이 배경기술이다.

출원번호 10-2013-0008309 (박광현 외 2명) 2013,1.24.

Robert Whittlesey and John Dabir ,"Fish Schooling as a basis for wind farm design", 62nd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics(Minneapolis, Minnesota), Vol54, No19, Nov.22~24, 2009. Daniel Bernoulli;, "Bernoulli's principle",1738. Albert Betz, "Wind Energy and its use by Windmills".1926.

기존의 수직축 풍력 발전기들의 날개부(분)으로 사용하는 수직축날개의 풍력 활용율을보다 증대시키고,

발전용량, 설치환경(크기, 장소, 규모 등에 관한 환경), 사용용도, 등에 따라서 다양하게 제작할 수 있으며,

안전성과 더불어 경제성도 우수한 수직축 풍력 발전기의 날개부(분)으로 사용할 수 있는 "수직축날개들 부(분)용기"를 제시하는데에 있다.

베르누이의 원리(Bernoull's principle)에 의해, 하나의 통(tube)형태인 "수직축날개들 부(분)용기" 내부를 통과하는 바람흐름의 속도, 즉 용기내부의 풍속을 가속시킴으로써, 이 용기내부에 내장시켜 설치하는 2개 이상의 유방향성 수직축 날개들에서 이용하는 풍력의 활용효율을 증대시키는 것과 더불어서,

발전용량, 사용용도, 설치 환경등에 따라서, 하나의 통형태인 용기(tube)의 크기나 규모, 내장되는 수직축 날개들의 개수나 크기를 결정할 수 있으며,

2개 이상의 수직축날개들에서 발생하는 회전동력들을 1개의 발전기 축 톱니바퀴(the axis gear of wind turbine)에 전달시킴으로써 경제적인 발전을 달성할 수 있도록 하였다.

끝으로 "날개들 부(분)용기"를 구성하는 모든 주요부품들 또는 구성품들은 하나의 통형태인 용기내부에 내장되어 설치되므로, 사용자와 주요구성품들, 양자 모두에게 안전하도록 하였다.

본 발명의 "수직축날대들 부(분)용기(the case of vertical-axis wind-blades part)"를 수직축 풍력발전기의 날개부(분)(the part of wind-blades)으로 사용하면,

발전용량, 설치규모, 설치장소와 위치, 등등, 사용용도나 설치환경에 적합하고, 발전효율이 높은 다양한 수직축 풍력 발전기들을 제작할 수 있다.

그리고, 2개 이상(~5개 이하)의 수직축 날개들과 주요 관련구성품들 모두다, 하나의 통형태인 용기의 내부에 설치되므로, 안전성과 내구성이 뛰어나며, 또한 하나의 발전기(wind turbine)만을 사용하므로 경제성도 탁월한 소형 수직축 풍력 발전기를 제작하는데에 우수한 기술이다.

특히, 경제성 안전성, 내구성의 측면과 더불어서 다양한 형태와 외관성(design), 발전용량과 발전효율에 따르는 크기와 중량등을 고려한다면, 모바일 기기들(mobile equipments)의 충전용도나 레져(leisure)용도의 초소형인 수십와트(watt)급의 휴대용 수직축 풍력 발전기의 제작에 필수적인 기술이다.

물론, 본 발명의 "수직축 날개들 부(분)용기"에 관한 설계와 제작기술을 산악용, 해상용, 육상용과 같은 메가와트(Mega watt)급의 수직축 풍력발전기의 날개부(분)의 설계와 제작에 사용하거나 활용할 수 있다는 것은 자명한 것이다.

도1은 촘촘하게 배열된 무방향성 수직축 날개들을 위에서 본 단면도.
수직축 날개들 사이를 통과하는 바람의 흐름은 산란없이 원형경주 또는 경로(circle race or path)를 형성한다는 것을 개념적으로 보이는 도면들.
도2는 방향성을 부여하는 꼬리부와 원통형태인 몸체⑨를 갖는 2개의 진직수직날들(straight-vertical wind blades)로 구성된 유방향성 수직축 날개에 관한 조감도.
수직축 날개에서 발생하는 오른쪽 회전방향④의 회전동력을 전달하기 위한 톱니바퀴(gear)를 진직수직날들의 아래부분에 부착하고 있는것도 확인할 수 있는 도면.
도3은 4개의 진직수직날들로 구성된 역시 오른쪽 방향으로 회전하는 유방향성 수직축 날개의 조감도,
도4는, 각각2개, 3개, 4개, 5개의 원통형태인 진직 수직날들로 구성된 유방향성 수직축 날개들을 위에서 본 단면도들.
도5는 방향성을 부여하는 꼬리부를 갖춘 긴 원통형태의 진직수직날의 조감도와 단면도. 원통형몸체의 직경과 꼬리부길이의 크기관계도 파악할 수 있는 도면.
도6은 하나의 통(tube)형태인 "수직축 날개들 부(분)용기"의 내부에 수직축날개들의 회전반경의 크기, 즉 중량의 크기에 따라서 입구측에서부터 가벼운 순서대로 설치된 2개의 유방향성 수직축날개들에 장착된 톱니바퀴들(①과 ②), 발전기 축 톱니바퀴②, 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴③, 진직수직날들의 회전공간과 톱니바퀴들의 회전공간을 분리하는 공간분리판⑨, 중심수직면⑩, 중심선들16, 돌출된 관(pipe)형태의 출구부분⑪, 슬롯(slot)형태의 외부바람 유입통로⑮, 그리고 용기의 좌, 우측면의 곡면 형태들(⑫과 ⑬들, 그리고 ⑭)을 살펴볼 수 있는 수직축날개들부(분)용기의 조감도.
도7은 도6에 보인 수직축날개들(분)용기의 내부를 위쪽에서 바라볼 단면도에 해당하는 도면으로써, 중심수직면 ⑩, 회전축과 베어링부분들⑧의 중심을 관통하며 중심수직면과는 평행인 2개의 회전축 중심관통 수직면들⑨, 그리고 출구측 수직축 날개의 회전축⑧과 외부유입 바람통로⑮와의 위치관계를 파악 할 수 있는 도면.
도8은 수직축 날개들을 구성하는 진직수직날들의 개수, 또는 중량에 따라서, 입구측에서부터 가벼운 순서대로 설치된 3개의 유방향성인 수직축날개들을 내장한 수직축날개들 부(분)용기의 조감도.
이 도면에 보인 3개의 수직축 날개들(①,②,③)은 회전반경의 크기, 또는 이 날개들을 구성하는 진직수직날들의 개수에서 차이가 있다는 것을 파악할 수 있고, 중심수직면④, 중간분리판⑤, 돌출된 출구부분⑥, 그리고 입구와 출구의 면적크기를 좌,우로 이등분하는 중심선들⑦, 등도 살펴볼 수 있는 도면.
도9는 도8을 위쪽에서 본 단면도에 해당하는 도면. 중심수직면⑩의 좌측에 위치하고 2개의 진직수직날로 구성된 수직축날개는, 입구측에 보인 2개의 수직축날개들 중에서 제일 가벼운 수직축날개이지만, 중심수직면의 우측에 위치한 4개의 진직수직날로 구성된 수직축날개와 대칭적인 위치에 설치되어 있다는 것도 살펴볼 수 있는 도면.
도10은 도8을 출구측 위쪽에서 바라본 조감도. 외부바람 유입통로①과 유입되는 용기외부바람③, 그리고 돌출된 출구부분②의 구조를 자세히 살펴볼 수 있는 도면.
도11은 하나의 통형태인 용기내부에 입구측에서부터 중량이 가벼운 순서로 설치된 4개의 유방향성 수직축날개들(①,②,③,④), 3개의 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들⑥, 1개의 발전기축 톱니바퀴⑤, 돌출된 관형태의 출구부분⑪, 그리고 외부바람 유입통로⑮등을 살펴볼 수 있는, 용기의 위쪽에서 바라본 단면도에 해당하는 도면.
도12는 하나의 통형태인 용기내부에 역시 중량에 따라 설치된 5개의 유방향성 수직축날개들(①,②,③,④,⑤), 수직축날개①에서 발생하는 회전동력을 반대 방향으로 전환시킨 후, 수직축날개⑨에 전달하기 위해서 사용된 2개의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들⑦과 더불어 총 5개의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들(2개의 ⑦들과 3개의 ⑧들), 1개의 발전기축 톱니바퀴⑥, 그리고 용기의 상측면에 마련되는 슬롯(slot)형태의 외부바람 유입통로⑮ 등을 살펴볼 수 있는, 용기의 위쪽에서 바라본 단면도에 해당하는 도면.
도13은 오른쪽방향으로 회전하도록 방향성을 부여하는 꼬리부①를 갖춘 2개의 원통형 진직수직날들로 구성된 유방향성 수직축날개와 함께 왼쪽방향으로 회전하도록 방향성을 부여하는 꼬리부②를 갖춘 3개의 원통형 진직수직날들로 구성된 유방향성 수직축날개를 위쪽에서 본 단면도,
꼬리부①을 갖춘 수직축 날개에는 비행기 날개의 항력(drag force)에 해당하는 순방향 항력들(Forward force)의 합성력[(

)+(

)]과 동시에 비행기 날개의 양력(lift force)에 해당하는 역방향 항력들(Backword force)의 합성력 [(

)+(

)]이 수직축날개의 회전운동량으로 작용하는데, 이때

이고, >이므로, 오른쪽 방향으로 회전하게 되고, 꼬리부②을 갖춘 수직축 날개에서는

의 관계를 갖는 합성력에 의해 왼쪽방향으로 회전하게 된다는 것을 예시적으로 보인 도면.
도14는, 도13에 보인 2개의 수직축날개들에서 발생하는 회전운동량(rotation velocity momentum) 의 크기와 방향을 기하학적으로 관찰 할 수 있는 벡터도들(vector diagrams)을 보이는 도면.
도15는 입구측 좌측면(또는 우측면)의 구조에 의해 유입되는 바람의 흐름과 유방향성 수직축날개의 회전방향과의 상관관계(mutual relation)를 유추해 볼 수 있는도면, 대칭적인 위치에서 회전을 진행중인 2개의 수직날들 중에서 한 개에는 항력(drag)을 감소시키고, 다른 한개에는 추력(thrust)을 증가시키는 좌측면의 형태를 보이는 도면.
도16의 (a)와(b) 거울상(mirror image)에 해당하는 대칭적인 도면들(symmetrical figures)로써, 이 도면들과 같이 대칭적인 쌍둥이에 해당하는 수직축날개들부(분)용기를 설계, 제작할 수 있다는 것을 보이는 도면.
도17은 하나의 통 형태로 설계된 수직축날개들부(분)용기 내부에서 나타나는 바람흐름의 속도변화와 내부압력변화의 관계를 설명하기 위하여, 베르누이의 원리(Bernoulli? principle)를 예시적으로 보인도면(<이면, >이라는 것을 보인도면)
도18의 세도면들 (a),(b),(c)는 수직축날개들부(분)용기 내부의 좌, 우측면 높이에 해당하는 길이를 갖는 길쭉한 직사각형 형태, 즉 슬롯(slot)형태의 외부바람 유입통로를 세방향에서 본 도면들.
도면(a)는 용기의 위쪽에서 바라보았을 경우에 해당하는 외부바람 유입통로의 단면도이고, 도면(b)는 외부바람 유입통로를 정면에서 바라본 정면도이며, 도면(c)는 출구측의 (좌),우측면을 정면으로 하였을 경우에 볼 수 있는 외부바람 유입통로의 측면도.
도19는 도6에서 보인 2개의 유방향성 수직축날개들을 내장한 수직축 날개들부(분)용기의 정면도와 후면도.
입구 중심선①, 공간분리판의 위치②, 진직수직날들이 회전하는 공간③과 톱니바퀴들이 회전하는 공간④, 출구중심선⑤, 외부바람유입통로⑥ 등을 확인할 수 있는 도면.
도20의 세 도면들, (a),(b),(c)는 수직축 날개들부(분)용기의 입구에 탈착과 부착이 가능한 출구형태 또는 출구부분⑬을 갖추었으며, 입구면적의 크기를 수동으로 조절할 수 있도록 좌, 우측판들을 움직일 수 있는 후드(hood)에 관한 조감도들. 도면(a)는 후드의 우측측면도, 도면(b)는 좌측측면도, 도면(c)는 좌측후면도.
도21은 도6에 보인 수직축날개들(분)용기의 입구에 후드(hood)를 장착시키고, 후드 또는 수직축날개들부(분)용기의 입구를 항상 바람이 불어오는 방향으로 향하게 하는 수직, 수평방향타⑨까지 출구측에 부착시킨 것을 관찰있는 조감도.
도22는 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴 대용으로 사용할 수 있으며, 발전기 축 톱니바퀴의 과회전을 자동으로 제어할 수 있는 회전속도 자동제어 용도의 톱니바퀴에 관한 조감도와 결합지지대의 단면도들(도면ⓑ와ⓒ)을 통해서 양력(lift force)와 항력(drag force)를 발생시키는 바람의 흐름 등을 보인 도면들.
도23은 도6에 보인 2개의 수직축날개들을 내장한 수직축날개들부(분)용기의 우측면을 제거하고 바라본 우측 측면도에 해당하는 도면. 수직날들의 회전공간, 공간분리판①, 톱니바퀴들의 회전공간을 자세히 볼 수 있는 도면.
도24는 도6에 보인 2개의 수직축 날개들을 내장한 수직축날개들부(분)용기에 설치되는 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴(도6의 ③)대신에 도22의(a)에 보인 회전속도 자동제어 용도의 톱니바퀴를 설치한 도면들. 도면(a)에서는 발전기 축 톱니바퀴②의 회전속도가 정격 발전을 위한 허용 분당회전수(RPM)이하에서 회전하고 있을 때, 출구측에 설치된 수직축 날개의 톱니바퀴④와 회전속도자동제어 용도의 톱니바퀴③가 서로 연결되어 있는 경우를 보여주며, 도면(b)는 발전기축 톱니바퀴가 임계회전속도 이상으로 회전하는 과회전상태가 되면, 회전속도 자동제어용도의 톱니바퀴③는 자신의 회전축◎를 따라 상승하게 되고, 그 결과 발전기축 톱니바퀴②와 톱니바퀴④의 연결이 끊어진다는 것을 보여주는 도면.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 수직축날개들부(분)용기에 관한 구체적인 실시 예들을 기술한다.

첫번째 실시예를 위해서 도6과 도7를 주로 참고로 하면,

기존의 수직축날개부(분)보다 풍력의 활용효율을 높이기 위한 방안으로 2개의 유방향성 수직축날개들과 1개의 회전동력을 방향전환시키고 연결 또는 전달용도로 사용되는 톱니바퀴, 그리고 1개의 발전기 축 톱니바퀴를 하나의 통(tube)형태인 용기내부에 설치하였다는 것을 파악할 수 있다.

이렇게 용기내부에 상기구성품들을 설치하는 데에 있어서, 왼쪽방향으로 회전하는 출구측 수직축날개④보다는 오른쪽으로 회전하는 입구측 수직축날개①의 회전반경크기가 적으므로, 즉 중량이 작고 보다 가벼운 수직축날개이므로 용기의 입구측에 위치시키고, 중량이 많이 나가는 순서대로 출구측에 근접하게 위치시키는 방식과 더불어서,

왼쪽으로 회전하도록 회전방향이 정해진 수직축날개④의 회전축위치⑧를 중심수직면⑩의 좌측에 위치시키고, 오른쪽으로 회전하도록 회전방향이 정해진 수직축날개①의 회전축위치⑧는 중심수직면의 우측에 위치시킬 때, 중심수직면과의 거리는 해당 수직축날개의 직경크기에 준하는 거리안쪽에 위치시키는 방식을 특징으로 하여 설치하였다.

이때, 용기내부로 유방향성 수직축날개들을 통과하는 바람의 흐름을 가속시키고, 이 가속된 바람의 흐름에 의해 풍력의 증폭효과(the amplificatim effect of wind energy)를 얻기 위해서, 용기의 입구면적의 크기를 출구면적의 크기보다 크거나 넓게 하는 방식과 더불어서,

도15에 보인 것처럼 용기입구로 유입되고, 용기내부를 통과하며, 용기출구로 유출되는 바람흐름(도15의 ④)과 내장되어 설치된 유방향성 수직축 날개들의 회전 방향들과의 상관관계(mutual relation)를 고려하여, 바람흐름방향향과 반대방향으로 진행중인 진직수직날들에서 발생하는 항력(drag)은 감소시키고, 바람흐름방향과 동일한방향으로 진행중인 진직수직날들에서 발생하는 추력(thrust)은 증가시키기위해서,

용기내부의 좌측면과 우측면의 형태로서, 수직축날개들을 둘러싸는 좌, 우측면들의 부분들을 1/2이하 크기의 원호형태인 곡면들(도6과 도7의 ⑫들)로 하고, 이들 원호형태인 곡면들과 용기의 입구까지에 이르는 좌, 우측면들은 곡면 또는 직선면들(도6과 도7의 ⑬들)로하며, 원호형태인 곡면과 용기의 출구에 이르는 우측면은 완만한 곡면(도6과 도7의 ⑭)으로하는 것을 특징으로 하였다.

또한, 베르누이의 원리(도17참조)에 기인하는 출구측과 입구측의 압력차이, 즉

, (여기서, p는 공기밀도,

와

는 입구속도와 압력,

와

출구속도와 압력)으로 계산할 수 있는 용기내부의 압력변화를 해소시키고, 동시에 과급기(turbo charger)의 기능마저 수행하도록, 용기의 좌, 우측면들, 두면중에서 원호형태의 곡면이 없는 우측면을 택하여, 슬롯(slot)형태의 외부바람 유입통로(도6과 도7의 ⑮, 도18참조)를 마련하였고,

용기내부를 통과하는 바람의 흐름에 톱니바퀴들의 회전이 영향을 미치지 않도록 용기의 내부공간을 유방향성 수직축날개들의 진직수직날들이 회전하는 공간(도19의 ③)과 톱니바퀴들이 회전하는 공간(도19의 ④)으로 분리하는 공간분리판 (도6의 ⑨와 도19의 ②, 그리고 도23의 ①)도 마련하였으며,

출구에서 유출되는 바람의 흐름을 보다 원활하게 하고, 순간적으로 바뀌는 바람의 방향에 의해서도 역풍이 없도록 돌출된 작은관(pipe)형태의 출구부분(도6과 도7의 ⑪)을 특징으로 하였다.

그리고, 용기내부에 설치되는 유방향성 수직축날개들과 수직축날개들을 구성하는 원통형태의 진직수직날들에 관해서, 도2, 도3, 도5를 참고하면, 방향성을 부여하는 꼬리부의 형태와기능, 2개~5개의 진직수직날들로 구성되는 수직축날개들의 형태, 수직축날개들의 회전방향등을 파악할 수 있으며, 도14와 도15를 참조하면 진직수직날들이나 수직축날개에 작용하는 회전운동량의 방향과 크기에 관한 벡터(vector)와 수직축날개의 회전방향과 상관관계가 있는 바람흐름의 방향을 유추할 수 있다.

두번째 실시 예를 위해서 도8과 도9, 그리고 도10을 주로 참조하면,

3개의 유방향성 수직축날개들과 2개의 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도로 사용하는 톱니바퀴들, 그리고 1개의 발전기 축 톱니바퀴들이 하나의 통형태인 용기내부에 설치되어 있는 것을 살펴볼 수 있다.

용기내부에 위와 같은 구성품들을 설치하는 방식중에서 첫번째 실시 예와 비교할 수 있는 특징으로는, 중심수직면(도8의 ④와 도9의 ⑩)에 대해서 좌, 우측의 대칭적인 위치에, 회전반경의 크기는 갖지만, 진직수직날들의 개수차이에 따른 중량의 차이가 있는 2개의 수직축날개들을 용기의 입구측에 설치한 것이다.

이렇게 가벼운 수직축날개부터 입구측 설치한다는 설치기준에 어긋나게 설치한 목적 또는 이유로는

첫째, 중심수직면의 입구좌측에 위치한 가장 가벼운 수직축 날개(도8과 도9의 ①)의 회전동력을 출구측에 위치한 가장 무거운 수직축 날개(도8의 ③과 도9의 ④)의 기동시에 나타나는 굼뜬 거동을 돕기 위하여, 기동시 작은 바람흐름에도 가볍게 움직일 수 있는 입구좌측에 위치한 가장 가벼운 수직축날개를 가장무거운 수직축날개의 기동(triggering)을 도와주는 수직축날개로 사용하기 위함이고,

두번째는 용기로 유입되는 바람의흐름(도15의 ④)과 가장가벼운 입구좌측에 위치한 수직축날개(도9의 ①)의 회전방향 사이에 존재하는 상관관계 때문이다. 따라서, 바람의 흐름과 수직축날개의 회전방향사이의 상관관계를 고려하고 싶지 않을 경우에는 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴(도9의 ⑤)의 직경크기를 크게 함으로써, 가장 가벼운 수직축 날개를 용기의 입구에 보다 근접하게 위치 시킬 수 있으며, 첫번째 실시 예에 언급한 설치조건도 만족 시킬 수 있게 된다.

세번째 실시 예를 위해서 주로 도11과 도12를 사용하면,

도11에서는 4개의 유방향성 수직축 날개들과 3개의 회전동력을 방향전환시키고 연결 또는 전달용도로 사용되는 톱니바퀴들, 그리고 1개의 발전기축 톱니바퀴를 용기내부에 설치한 반면, 도12에서는 5개의 유방향성 수직축 날개들과 5개인 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들, 그리고 1개의 발전기축 톱니바퀴가 용기내부에 내장되어 있는 것을 파악할 수 있다.

이 두 경우의 차이점은 용기 내부에 1개의 유방향성 수직축날개를 증가시킬때, 2개의 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들을 사용했다는 것이다.

그 이유는 도 12의 경우, 회전동력의 방향을 반대 방향으로 전환시키기 위하여 연속된 2개의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들(도12 ⑦)을 사용했기 때문이다. 이 두개의 톱니바퀴들에 의해 왼쪽방향으로 회전하는 유방향성 수직축 날개(도12의 ①)에 의해 발생되는 회전동력은 오른쪽으로 회전하는 회전동력으로 방향이 반대로 전환되어 역시 오른쪽으로 회전방향이 정해진 유방향성 수직축날개(12의 ④)에 전달된다.

또한, 도11에서는 용기 입구에 설치된 가장 가벼운 유방향성 수직축날개(도11의 ①)를 둘러싸는 원호 형태의 내부격벽(도11의 8)을 살펴볼 수 있고, 도12에서는 용기의 출구측에 같은 중량을 갖는 2개의 유방향성 수직축날개들(도12의 ②와 ⑤)이 대칭적으로 위치할 경우, 용기의 출구측의 좌, 우측면들, 두면모두에 원호형태의 곡면이 있기 때문에 용기의 상측면 출구측, 중심수직면 선상에 슬롯(slot)형태인 외부바람 유입통로(도12의 ⑮)를 마련하는방식도 관찰할 수 있다.

그리고, 첫번째 실시 예에서처럼 도2, 도3, 도4, 도5, 도14를 통해서 방향성을 부여하는 꼬리부를 갖는 원통형태인 진직수직날들로 구성되는 유방향성 수직축 날개들의 정해진 회전방향성과 회전운동량에 관한 벡터(vector)를 유추하거나 파악할수도있다. 도16에서는 도7에 보인 수직축날개들부(분)용기 [도16의 (a)]와 대칭적인 수직축날개부(분)용기 [도16의 (b)]를 함께보였다, 이 도면들을 통해 임의의 수직축날개들부(분)용기에 관한 대칭적인 수직축날개부(분)용기를 설계할 수 있거나, 제작할 수 있다는 것은 자명한 것이다.

네번째 실시 예를 위해서 도20, 도21, 도22를 주로 참조하면,

도20에는 수직축날개들부(분)용기의 입구에 꼭맞는 출구부분⑬을 갖추었기 때문에 밀어 넣어서 부착할 수 후드(hood)를 보였다. 수직축날개들부(분)용기의 입구에 부착되어, 용기내부로 더 많은 바람을 유입시킬 수 있는 기능을 특징으로 하며, 상기후드는 수동으로 움직일 수 있는 좌측판①과 우측판②, 입구의 좌, 우측에 위치한 상측판⑩과 하측판⑪을 결합 지지하는 두개의 수직지지대 또는 수직기둥들(③과 ⑧), 상측판과 하측판을 결합지지할 뿐만 아니라, 좌측판과 우측판의 출구측 부분의 회전축 역할도 수행하는 출구의 좌, 우측에 위치하는 두개의 수직기둥들⑨, 좌,우측판에 부착된 걸쇠기능부분들⑤, 좌, 우측판들을 정해진 간격에 위치시키는 용도의 하측판의 요철부분④, 수직축 날개들부(분)용기의 입구에 밀어 넣을 수 있는 출구부분⑬으로 구성되어 있으므로, 좌측판과 우측판을 하측판에 있는 정해진 간격의 요철부분을 이용해서 두판이 중심선⑦에서 만날 때까지 이동시킬 수 있고, 따라서 후드 입구면적의 크기를 필요에 따라 수동으로 조절할 수 있는 특징이 있다.

도21에서는 입구에 후드를 부착시키고, 출구측에는 수직, 수평방향타⑨를 부착시킨 2개의 수직축날개를 내장하는 수직축날개들부(분)용기를 보였다. 이렇게 용기의 출구측에 수직, 수평방향타를 부착시키면, 용기의 입구 또는 후드의 입구는 항상 상, 하, 좌, 우 방향에서 불어오는 바람방향을 향하게 된다.

다섯번째 실시 예를 위해서 도6, 도22, 도23, 도24을 주로 참조하면,

도6에 보인 수직축날개들부(분) 용기내부에 설치된 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴 (도6의 ③)대신에 도22의 (a)에 보인 회전속도 자동제어 용도의 톱니바퀴를 사용하면, 용기내부에서 회전하는 출구측 수직축날개(도6의 ④)나 발전기축 톱니바퀴(도6의 ②)회전속도가 정격전력 생산에 필요한 분당회전(RPM)보다 높아질때, 즉 과회전 상태가 되면 자신의 회전축(도24의 ◎)을 따라 상승함으로써, 발전기 축 톱니바퀴(도6, 도23, 도24의 ②)에 전달되는 출구측 수직축날개에서 발생하는 회전동력을 차단한다.

이때 발전기축 톱니바퀴는 오직 입구측 수직축 날개①의 회전동력만으로 회전할 수 있지만, 입구측 수직축 날개의 회전동력은 발전기축 톱니바퀴를 과회전 시킬만큼 강력하지 않다.

따라서 발전기 축 톱니바퀴는 곧 정상속도로 회전하게 되며, 이때쯤 자신의 회전축을 따라 상승하였던 회전속도 자동제어 용도의 톱니바퀴는 하강하여 발전기축 톱니바퀴와 출구축 수직축날개를 연결한다.

도23에 보인 회전속도 자동제어용도의 톱니바퀴는 비행기 날개 형태의 결합지지대(①과 ②), 톱니링 (saw-tooth ring)부분⑮, 베어링(bearing)부분④으로 구성되는데, 상승력을 높이기 위해서는 도23의 (e)에 보인것과 같이 비행기 날개형태의 결합지지대의 개수를 많게 하거나, 날개형 결합지지대의 단면크기를 크게 하면 된다.

없음.

Claims

수직축 풍력 발전기의 날개부(분)으로 사용할 수직축 날개들부(분)용기에 있어서:
바람이 유입되는 하나의 입구와 바람이 유출되는 하나의 출구 용도로 사용하는 개방된 두면을 양쪽끝의 두면으로 선정하고, 상기 개방된 두면의 상,하,좌,우 변들을 잇는 상측면, 하측면, 좌측면, 우측면을 형성시켜 만들어지는 하나의 통(tube) 형태인 용기(case)와;
상기 용기내부에 설치되는 방향성을 부여하는 꼬리부(tailpin)를 갖춘 진직수직날들로 구성되어 회전방향이 정해졌고, 진직수직날들에서 발생하는 회전동력을 전달하기위한 톱니바퀴를 아래부분에 장착한 2개의 유방향성 수직축날개들과:
상기 용기의 내부에 설치되어, 상기 수직축 날개들에서 발생되는 회전동력들을 서로 연결시키거나 방향전환시켜서, 발전기 축 톱니바퀴의 회전동력으로 전달하는 용도로 사용되는 1개의 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴와;
상기 용기의 내부에 설치되며, 발전기(wind turbine)의 회전자축의 끝부분에 장착되는 1개의 발전기 축 톱니바퀴와;
상기 용기의 내부공간을 상기 수직축 날개들을 구성하는 진직 수직날들이 회전하는 공간과 상기 수직날들의 아래쪽에 설치되는 모든 톱니바퀴들이 회전하는 공간으로 분리하는 공간분리판과;
상기 용기를 형성하는 좌측면, 우측면, 상측면, 이 세 면들 중에서, 상기 용기의 출구근처 지점에 1/2크기 이하의 원호(circular arc)형태의 곡면이 존재하지 않는 면을 택하여, 상기 용기의 외부에서 내부로 상기 용기외부의 바람이 유입될 수 있도록 마련되는 외부바람 유입통로를 주요 구성품으로 구비하여,
상기 수직축날개들, 상기 회전동력의 방향전환과 연결용도의 톱니바퀴, 상기 발전기 축 톱니바퀴, 그리고 상기 공간분리판을 상기 용기의 내부에 설치되고, 상기 용기의 상기 세 면들 중에서 선정된 면의 출구 근처지점에 외부바람 유입통로가 마련되는 수직축 날개들부(분)용기.
제 1항에 있어서,
상기 용기의 입구와 출구용도로 사용하는 상기 두면들 중에서, 상기 용기의 입구로 사용하는 개방된 한쪽면의 크기를 상기 용기의 출구로 사용하는 개방된 다른 한쪽면의 크기보다 크거나 넓게하여, 상기 용기의 입구와 출구사이에 베르누이의 원리(Bernoulli's principle)를 적용시킴으로써, 상기 용기의 내부를 통과하는 바람흐름의 속도를 가속시키는 기능을 특징으로 하는 수직축 날개들 부(분)용기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 용기내부에 2개의 상기 수직축 날개들을 설치하는 경우에는, 상기 2개의 수직축 날개들 중에서 중량이 작은 수직축 날개를 상기 용기 내부의 입구측에 위치할 수직축 날개를 선정하고, 보다 무거운 다른 수직축 날개는 상기 용기내부의 출구측에 위치할 수직축 날개로 정한 다음,
상기 용기의 입구를 정면으로 바라보았을 때, 상기 수직축 날개들 중에서 왼쪽으로 회전방향이 정해진 수직축날개는, 상기 용기의 입구면적과 출구면적을 동시에 좌,우로 이등분하는 중심수직면을 결정한 후, 상기 중심 수직면의 좌측에 위치시키고, 오른쪽으로 회전방향이 정해진 수직축 날개는 상기 중심수직면의 우측에 위치시키며,
상기 용기내부에 상기 수직축날개들을 3개 이상, 5개 이하까지 설치하는 경우에 있어서도,
가장 가벼운 수직축 날개부터 무거운 순서대로 상기 용기내부의 입구측에서부터 출구측사이에 차례로 위치시키고,
상기 수직축 날개들의 정해진 회전방향에 따라서 상기 중심 수직면의 좌, 우측에 위치시키는 방식으로 상기 수직축 날개들을 내장시키는 것을 특징으로 하는 수직축 날개들부(분)용기.
제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,
상기용기내부의 좌측면과 우측면의 형태에 관한 특징으로써, 상기용기의 내부에 설치되는 상기수직측날개들을 둘러싸는 죄측면과 우측면의 부분들을 1/2이하크기의 원호형태인 곡면들로 하고,
상기 원호형태인 곡면부분들의 사이를 연결하는 좌측면과 우측면의 부분들은 곡면이나 직선 면들로 하며,
상기원호형태의 곡면과 상기용기의 입구에 이르는 좌측면과 우측면의 부분들은 역시 곡면이나 직선면들로 하지만,
상기원호 형태의 곡면과 상기용기의 출구까지 연결되는 좌측면 또는 우측면의 부분은 곡면인 형태를 특징으로 갖는 수직축 날개들 부(분)용기.
제1항, 제2항, 또는 제 4항에 있어서,
상기용기의 출구에 해당하는 출구부분의 구조에 관한 사항으로써, 바람의 흐름을 보다 원활히 유출시키기 위하여, 상기용기의 상기 좌,우축면들의 출구측에 존재하는 상기원호형태의 곡면이 끝나는 지점에서부터 소정의 길이정도만 돌출된 형태이므로, 상기용기의 길이나 용적크기와 비교해서는 훨씬 짧고 작아서, 작은관(pipe)형태인 출구부분의 구조를 특징으로 하는 수직축 날개들 부(분)용기.
제1항, 제 2항, 제3항 또는 제 4항에 있어서,
상기용기내부의 출구측에 2개의 상기수직축날개들이 상기중심수직면의 좌,우측에 대칭적으로 설치되지 않는 경우에는,
상기용기의 좌,우측면들 중에서 출구측에 상기원호형태의 곡면부분이 없는 면을 택하여, 상기면의 내부높이에 해당하는 길이를 갖는 길쭉한 홈(slot) 형태의 외부바람유입통로가 마련되고,
상기용기내부의 출구측에 2개의 상기수직축날개들이 상기중심수직면에 대하여 대칭적으로 설치되어 있을 경우에는,
상기용기의 상측면에 상기 외부바람유입통로가 마련되는 것을 특징으로하는 수직축 날개들 부(분)용기.
제1항, 제2항, 제3항, 또는 제4항에 있어서,
상기용기의 내부에 설치되며, 상기 수직축 날개들에서 발생하는 회전동력을 서로 연결시키는 용도와 상기회전동력들, 각각을 개별적으로 방향전환시키는 용도, 또는 발전기 축 톱니바퀴에 상기회전 동력들을 전달하는 용도로 사용되는 상기 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들을 사용하는 것을 특징으로하는 수직축 날개들 부(분)용기.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 또는 제7항에 있어서,
상기 용기(case)와;
상기용기의 내부에 설치되는 3개의 상기수직축 날개들과;
상기용기의 내부에 설치되는 2개의 상기회전동력의 방향전환과 연결또는 전달용도의 톱니바퀴들과;
상기용기의 내부에 설치되는 1개의 발전기 축 톱니바퀴와;
상기용기의 내부에 설치되는 상기 공간분리판과;
상기용기의 선택된 상기면에 마련되는 상기 외부바람유입통로를 특징으로 하는 수직축날개들 부(분)용기.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 또는 제7항에 있어서,
상기 용기와;
상기용기의 내부에 설치되는 4개의 상기수직축 날개들과;
상기용기의 내부에 설치되는 3개의 상기회전동력의 방향전환과 연결또는 전달용도의 톱니바퀴들과;
상기용기의 내부에 설치되는 1개의 발전기 축 톱니바퀴와;
상기용기의 내부에 설치되는 상기공간분리판과;
상기용기의 선택된 상기면에 마련되는 상기 외부바람유입통로를 특징으로 하는 수직축날개들 부(분)용기.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항, 또는 제7항에 있어서,
상기 용기와;
상기용기의 내부에 설치되는 5개의 상기수직축 날개들과;
상기용기의 내부에 설치되는 5개의 상기회전동력의 방향전환과 연결또는 전달용도의 톱니바퀴들과;
상기용기의 내부에 설치되는 1개의 발전기 축 톱니바퀴와;
상기용기의 내부에 설치되는 상기공간분리판과;
상기용기의 선택된 상기면에 마련되는 상기 외부바람유입통로를 특징으로 하는 수직축날개들 부(분)용기.
수직축 풍력발전기의 날개부(분)으로 사용되는 회전방향이 정해진 수직축날개(vertical-axis wind blade)에 있어서:
상기수직축 날개를 구성하는, 긴원통형태인 몸체에 방향성을 부여하는 꼬리부(tail fin)를 갖춘 2개이상, 6개이하의 진직수직날들과;
상기수직축날개의 베어링부분(bearing part)과 상기진직수직날들과 연결하여 결합시키는 결합지지대들과;
상기진직수직날들에서 발생하는 회전동력을 전달하기 위하여, 상기진직수직날들과는 직각으로 또는 수직으로, 상기진직수직날들의 아래쪽에 장착되는 톱니바퀴를 주요 구성품으로 사용하고 회전방향이 정해진, 즉 유방향성 진직수직축 날개.
제11항에 있어서,
상기꼬리부의 단면형태는 하나의 예각(acute angle)과 상기원통형인몸체의 직경과 비교해서 1/3이하의 길이를 갖는 짧은 한 변, 그리고 상기직경보다 작은 높이를 갖는 두개의 직선 또는 안쪽으로 오목한 곡선적인 이등변으로 이루어진 이등변삼각형(isosceles triangle)형태이고, 따라선 상기 꼬리부의 최대 길이로는 상기 직경 이하이며, 방향성을 부여하는 상기꼬리부를 특징으로하는 상기진직수직날들로 구성되는 유방향성 수직축 날개, 상기꼬리부의 단면형태는 하나의 예각(acute angle)과 상기원통형태인 몸체의 직경과 비교해서 1/3이하의 길이를 갖는 짧은 한 변,
그리고 상기직경보다 작은 높이를 갖는 두개의 직선또는 안쪽으로 오목한 곡선적인 이등변으로 이루어진 이등변삼각형 (isosceles triangle)형태이고, 따라서 상기 꼬리부의 최대길이는 상기직경 이하이며,
방향성을 부여하는 상기꼬리부를 특징으로하는 상기진직수직날들로 구성되는 유방향성 수직축날개.
수직축날개들의 회전동력전달을 자동으로 차단하기 위해서 자신의 회전축상에서 상승하는 기능을 갖춘 회전속도 자동제어용도의톱니바퀴에 있어서:
톱니들로 이루어진 원형의링(ring)형태인 톱니링(saw-toothring)부분과:
회전축에서 회전하는 부분인 베어링(bearing)부분과:
상기톱니링부분과 상기 베어링부분을 연결하여 결합시키는 비행기 날개의 형태와 상기날개의 단면형태를 특징으로 하는 최소2개의 결합지지대들을 주요구성품들로 구비 하는 회전속도 자동제어용도의 톱니바퀴.
제13항에 있어서,
상기톱니바퀴의 상승력을 높이기 위한 방안으로, 결합지지대의 단면크기를 증가시키거나 또는 결합지지대의 개수를 2개에서부터 5개까지 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 회전속도 자동제어용도의 톱니바퀴.
제13항, 또는 제14항에 있어서,
수직축 날개부(분)용기내부에 설치되는 회전동력의 방향전환과 연결 또는 전달용도의 톱니바퀴들 대용으로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 회전속도 자동제어용도의 톱니바퀴.
바람이 유출되는 출구면적의 크기보다 크게 만들어지며 사각형 또는 직사각형 형태의 바람이 유입되는 입구면적의 크기를 수동으로 조절할 수 있는 후드(hood)에 있어서:
상기후드의 상기입구면적의 크기를 수동으로 조절할 수 있는 기능을 갖추기 위해서, 입구와 출구의 좌, 우측에 각각2개씩 설치되어 상측면과 하측면을 지지하고, 결합시키는 기능을 수행하는 4개의 수직기둥들(vertical poles)과;
상기수직기둥들 중에서 출구에 위치한 좌, 우 두개의 수직기둥에 자신들의 출구측 부분을 고정시키는 것과 더불어 또한 회전축으로 이용하며, 입구측 부분은 입구면적의 크기를 좌,우로 이등분하는 중심선을 향해 움직여지는 좌,우측면들과;
상기 좌,우측면들을 상기중심선을 향해 이동시키는 경우에 상기 좌,우측면들이 정해진 간격마다에 위치할 수 있도록 만들어진 오목하거나 볼록한 요철(unevenness)부분을 특징으로하는 상,하측면들을 주요구성품으로 구비하고,탈착과 부착이 가능한 후드(hood).
제16항에 있어서,
수직축 날개부(분)용기의 입구면적크기를 확장시키기 위해서도 사용할 수 있도록, 상기용기의 입구형태와 같은 출구형태 또는 부분을 갖추고, 상기 부분을 밀어 넣어서 부착시키는 것을 특징으로 하는 후드.