KR20150043191A - 수직축 방식의 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전장치에 관한 것으로, 지상에 수직한 익형의 블레이드의 만곡부의 볼록면인 제1풍압면보다 오목면인 제2풍압면의 곡률반경을 크게 하여 바람의 항력 뿐만아니라 양력도 함께 회전력으로 작용하게 하며, 회전축과 블레이드를 연결하는 로터플레이터의 가이드홈에 설치된 중량부재 및 그와 별도로 회전축에 구비된 중량디스크에 의해 원심력을 더 추가하여 등속운동을 유도함과 동시에 회전력을 높이고, 제1풍압면상의 요철홈으로 인한 공기윤활 효과에 의하여 바람의 마찰저항을 줄이면서 제2풍압면상의 원뿔돌기에 의해 제2풍압면의 에너지를 잃은 공기의 적체를 제거하여 에너지 변환 효율을 최대한으로 높일 수 있고, 또하나의 실시예로서 제2풍압면상에 파도형상의 돌출부 및 블레이드 끝단에 회전반대방향의 연장부가 형성됨으로써 광범위한 각도로 입사되는 바람의 에너지를 모두 활용할 수 있게 되며, 상기 로터플레이터에 의하여 정상가동 중에 상부로부터의 공기 유입을 차단될 수 있게 됨으로써 기동 후 일정속도를 유지할 수 있게 하는 한편, 정상가동 중에 주위에 형성되는 고기압을 유지시켜 최대로 양력을 이용할 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것이다.

Description

수직축 방식의 풍력발전장치{Vertical Axis Wind Power Equipment}

본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로 구체적으로는 자이로밀 방식에 사보니우스 방식의 형상을 가미한 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것이다.

현재 지구상의 전력 생산은 수력발전을 제외하면 거의 대부분이 화력발전과 원자력 발전에 의지하고 있다. 화력발전의 경우는 화석연료의 고갈과 지구온난화라는 문제점에 직면해 있고, 원자력 발전은 그 위험성은 차치하고라도 막대한 설비투자, 폐기물의 안전한 처리를 위한 막대한 비용 이라는 문제점이 있어, 친환경적이며 고갈 염려가 없는 대체전력에너지원으로서의 풍력발전의 개발이 시급하다.

풍력발전장치는 크게 수평축 방식과 수직축 방식으로 나뉘며 현재 풍력발전은 수평축 방식이 주류를 이루고 있다. 그 이유는 기술적인 이점보다는 과거 20세기의 현대전을 통해 급격히 성장한 수평축 프로펠러의 연구 및 그로 인해 항공산업이 발전하는 연장선에서 상당한 연구개발 비용과 노력을 투자한 결과라고 볼 수 있다. 실제로 수평축 방식은 수직축 방식에 비하여 자주 바뀌는 풍향에 대해 요잉 제어가 필요하고, 윈드시어 때문에 대형 블레이드 회전시 굽힘 모멘트 하중을 받으며, 전달기구가 타워 위에 있어서 무거운 타워가 필요하면서 보수점검시 고가의 크레인을 필요로 하고, 소음이 심하며, 방위제어시 자이로스코픽 하중을 받아 진동이 일어나는 문제가 있다. 물론 수직축 방식에도 다리우스형의 경우 자기기동성이 열악하고 정속기구가 필요하며 개발이용의 역사가 짧은 문제점이 있지만, 대체 에너지를 다각도로 이용할 필요가 있는 만큼 수직축 방식의 장점을 최대한 살리는 방향으로 연구 개발에 힘을 써서 종래의 수평축을 대체할 수 있도록 월등히 뛰어난 수직축 풍력발전장치를 만들 수 있는 가능성을 타진 해 볼 필요성이 있다고 할 것이다. 특히 풍향이 자주 바뀌는 우리나라의 경우에는 풍향에 영향을 받지 않는 수직축 방식을 개발할 필요성이 더욱 크다고 볼 수 있다.

수직축 풍력터빈에는 크게 바람의 항력을 이용하는 사보니우스 방식과 바람의 양력을 이용하는 자이로밀 방식 및 다리우스 방식이 있다. 사보니우스형은 기동토크는 크지만 회전수가 낮고 효율도 주속비 0.8전후에서 최대 15%정도에 지나지 않는다. 하지만, 자이로밀과 다리우스 방식 역시 시동이 필요하며 토크가 낮은 문제가 있으므로 사보니우스형과 자이로밀형 및 다리우스형의 복합형의 개발이 시도되고 있다. 특히 양력과 항력을 모두 이용할 수 있으면서 토크를 더 크게 만들고, 그와 동시에 공기의 저항을 최소화 할 수 있는 방식의 개발이 바람직할 것이다.

도1의 대한민국 등록특허 ‘다중 블레이드 배열 구조를 갖는 수직축 풍력발전장치’ 10-1241022호(공고일자 2013년 3월 11일)에서는 종래의 자이로밀형에서 하나의 블레이드의 결합부에 복수개의 블레이드를 필요에 따라 결합할 수 있도록 하여 진동을 분산하고 출력의 다양화를 가능하게 하도록 안출된 것인데, 블레이드를 모듈화 할 수 있고 구조적으로 안정적인 장점이 있다. 다만, 블레이드의 구조상 항력이 아닌 양력만을 이용하도록 되어 있는 점에서 회전력이 낮으며 초기 시동이 필요한 문제점이 남아있다.

도2의 대한민국 등록특허 ‘수직축 풍력발전 장치’ 10-0490683호(공고일자 2005년 5월 19일)에서는 자이로밀 방식에서 유압장치나 모터등을 이용하여 풍향의 변화에 따라 블레이드의 각도를 제어하는 방식을 개시하고 있다. 능동형의 풍향 감지부를 별도로 설치하여 블레이드의 풍향을 제어한 점에서 진일보한 기술이지만, 바람의 항력은 여전히 본격적으로 이용하지 않는 점과 능동식 방향 제어를 채택함에 따라 구조가 복잡해진 점에서 종래의 자이로밀 방식의 한계를 완전히 극복한 것은 아니라고 할 수 있다.

도3의 대한민국 등록특허 ‘익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈’ 10-1236888(공고일자 2013년 02월 25일)에서는 사보니우스 방식과 자이로밀 방식 양자의 형태를 동시에 취하여 바람의 항력과 양력을 모두 이용할 수 있는 구조를 개시하고 있다. 블레이드의 후면으로 들어간 바람이 회전중심에서의 대칭부로 원활하게 이동할 수 있도록 블레이드들이 회전중심에서 일정거리를 두도록 설치되어 있는데, 블레이드의 상부와 하부가 막혀 있으므로 블레이드를 밀면서 에너지를 잃은 바람의 적체를 완전히 배제하긴 힘든 면이 있다.

등록특허공보 제10-1241022호(등록일자 2013년 3월 4일) 등록특허공보 제10-0490683호(등록일자 2005년 5월 11일) 등록특허공보 제10-1236888호(등록일자 2013년 2월 19일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 수직축 풍력발전에서 바람의 양력과 항력을 모두 이용할 수 있는 형상의 블레이드를 가지면서 블레이드와 회전축의 연결부재에 의한 공기 저항을 더욱 없애고 블레이드의 회전방향 전면에 공기의 와류가 형성될 수 있는 구조를 마련하여 블레이드 전면의 공기 저항도 최소화함과 동시에 블레이드의 후면에 에너지를 잃은 공기가 축적되지 않도록 하는 구조를 가지는 수직축 풍력발전장치를 제공함에 있다.

또하나의 실시예에서는 블레이드의 후면에 입사되는 바람의 각도가 극히 작더라도 바람의 에너지를 모두 이용할 수 있으면서 사출 성형도 극히 용이하게 되는 구조의 수직축 풍력발전장치를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치는, 지면에 수직하면서 회전가능하게 설치된 회전축과; 상기 회전축의 일 지점에 지면과 수평하게 삽입되고, 상면에 회전 진행방향을 향하는 나선형의 가이드홈이 복수개로서 방사상으로 동일간격을 두며 마련되며, 상기 가이드홈마다 이동 가능한 중량부재가 구비된 로터플레이트와; 로터플레이트의 외주면에 동일간격으로 수직하게 결합되고, 수평단면이, 로터플레이트의 한쪽 회전방향으로 만곡되되, 볼록면인 제1풍압면과, 로터플레이트의 결합부의 반대 끝단에서 제1풍압면과 만나게 되는 오목면인 제2풍압면과, 상기 로터플레이트와의 결합부 측에서 제1 및 제2풍압면이 절곡되어 연결되는 연결면을 갖는 익형구조를 취하고, 제1풍압면의 곡률이 제2풍압면의 곡률보다 크면서 내부가 중공이며, 제1풍압면상에 복수개의 홈이 형성된 블레이드와; 상기 회전축에 연결된 전력 발생 장치를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

제1풍압면상에 형성된 상기 복수개의 홈은 바람직하게는 오목한 구형으로서 한가지 크기로 형성시킬 수 있으며 바람직하게는 여러 가지 사이즈로 조합하여 형성되도록 할 수도 있다.

제2풍압면상에는 다수의 원뿔형 돌기가 구비되도록 하여, 블레이드에 충돌한 바람이 공기 덩어리를 형성하지 않고 용이하게 빠져나갈 수 있도록 한다.

이때 상기 중량부재는 바람직하게는 상기 가이드홈 상에서 로터플레이트의 회전 방향과 동일 방향으로 가동하는 중량볼인 것으로 하며, 중량볼을 가동시키는 힘은 로터플레이트의 회전에 따른 원심력과 관성력으로서 최초에 가이드 홈의 회전축 방향 끝단에 있던 중량볼이 회전이 시작되면서 원심력에 의해 로터플레이트 외주부 방향으로 움직이고, 회전이 멈출때는 관성력에 의하여 다시 회전축 방향의 끝단으로 이동하도록 된다.

또한, 회전력의 상승과 정속 회전을 위하여 지면과 수평하며 회전축의 단면과 중심이 일치되는 중량디스크가 상기 회전축의 일 지점에 결합되도록 한다. 바람직하게는 로터플레이트보다 작은 직경과 중량을 가지면서 블레이드의 상부 끝단보다 더 높은 위치에서 회전축에 결합되도록 한다.

상기 연결면의 중앙에 수직한 선이 로터플레이트와의 결합부의 접선과 이루는 각은 0<θ<90도 사이에서 설정되며, 따라서 블레이드는 로터플레이트의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치된다.

그리고, 제2풍압면 상에는 상기 원뿔형 돌기 대신에 또 다른 실시예로서, 수직방향으로 길게 형성되는 하나이상의 돌출부가 구비되게 하되, 돌출부의 수직면은 두 개의 만곡면으로 이루어지며, 상기 두 개의 만곡면은 회전 외부를 향하는 제3풍압면과 회전축을 향하는 제4풍압면인 것으로 할 수 있다. 따라서, 바람이 제2풍압면에 입사되는 각도가 아무리 작아도 만곡면에서 그 바람의 운동에너지를 모두 흡수할 수 있게 되도록 한다. 이때, 상기 돌출부는 회전축에서 멀수록 수평 폭과 돌출 정도가 크도록 하여 바람의 운동에너지에 의하여 발생되는 토오크가 최대로 될 수 있도록 한다.

또한, 바람직하게는 상기 돌출부는 끝단이 향하는 방향이 모두 평행하게 되게 하여 사출성형시에 제품의 꺾임 없이 취출이 가능하게 되도록 한다.

그리고, 상기 돌출부는 수직 길이방향으로 두 개 이상이 이격되어 나란히 배치되도록 하여 제2풍압면에 충돌하여 운동에너지를 잃은 바람이 제2풍압면상에 축적되지 않고 회전축 방향으로 신속히 빠져나갈 수 있도록 한다.

이때, 바람직하게는 상기 돌출부는 회전축에 가까울수록 수직 길이가 짧아지도록 한다. 이렇게 되면 돌출부 사이의 이격으로 인한 틈이 더욱 촘촘하게 되어 회전축에 가까운 부분일수록 운동에너지를 잃은 공기의 회전축 방향, 즉 회전중심 방향으로의 배출이 원활하게 된다.

한편, 제1풍압면과 제2풍압면이 직접 만나는 지점, 즉 블레이드가 만드는 회전원의 외주면 부분에는 블레이드의 끝에 제1 및 제2 풍압면이 연장되는 연장부가 형성되도록 한다. 이때, 연장부의 방향은 바람직하게는 회전 반대방향이 되도록 한다.

본 발명인 수직축 방식의 풍력발전장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 바람의 항력 뿐만 아니라 양력도 이용함으로써 종래의 자이로밀 방식이나 사보니우스 방식에 비하여 더 높은 효율과 회전력을 낼 수 있다.

둘째, 블레이드와 회전축을 연결하는 로터플레이트를 원반 형태로 함으로써, 일반 연결부재에 비하여 공기의 저항을 더 줄일 수 있으며, 가이드홈과 중량부재를 상기 로터플레이트에 구비하고 그와 별도의 중량디스크를 추가하여 등속운동을 유도하면서 원심력을 높여 회전력을 더 크게 할 수 있다.

셋째, 블레이드의 진행방향면인 제1풍압면에 복수개의 홈을 설치하여 공기 접촉면에 와류를 형성하게 하여 공기 윤활과 같은 효과를 내어 회전 시에 블레이드의 제1풍압면에 작용하는 공기의 저항을 더 줄일 수 있다.

넷째, 블레이드의 제2풍압면에 구비된 원뿔모양의 돌기들에 의하여 블레이드를 밀던 바람이 에너지를 잃으면서 난류를 형성하여 회전축 방향의 중심으로 빠져나가게 되어 블레이드의 내면에 공기의 축적이 일어나는 것을 배재할 수 있다.

다섯째, 회전축의 상단에 결합되는 중량디스크에 의하여, 원심력이 추가됨으로써 회전력이 더욱 향상되고 더욱 안정적인 정속 회전이 가능해지며, 정상회전 중에 수직축 풍력발전장치의 상부로부터 회전축 중심부위에 형성되는 저기압으로 공기가 유입되어 회전에 방해가 되는 현상이 억제될 수 있게 된다.

여섯째, 제2풍압면에 대한 두 번째 실시예인 수직방향으로 길게 형성되는 돌출부에 의하여, 제2풍압면에 거의 평행하게 입사되는 바람의 운동에너지를 모두 블레이드의 회전에 쓰이도록 흡수할 수 있게 된다.

일곱째, 외주면의 돌출부가 가장 크도록 하여 같은 에너지의 바람에서도 최대의 토크를 얻을 수 있도록 한다.

여덟째, 블레이드의 끝단부의 연장부에 의하여 제2풍압면에 거의 평행하게 입사되는 바람의 운동에너지를 모두 블레이드의 회전에 쓰일 수 있도록 흡수할 수 있게 된다.

아홉째, 수직풍력발전장치의 중앙 회전축 부위에 축적되는 바람이 주위로 배출되면서 제1풍압면이 바람의 역방향에 있는 블레이드의 제2풍압면에 형성된 두 번째 실시예의 수직방향 돌기를 밀게 되어 블레이드가 더욱 추진력을 받을 수 있게 된다.

도1은 종래기술인 다중 블레이드 배열 구조를 갖는 수직축 풍력발전장치의 사시도,
도2는 종래기술인 수직축 풍력발전 장치의 사시도,
도3은 종래기술인 익형 2중 블레이드를 갖는 풍력발전용 수직축 터빈의 평면도,
도4는 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치의 사시도,
도5는 본 발명에 따른 수직축 방식의 풍력발전장치의 블레이드 설치의 바람직한 실시예를 보여주는 평면 개념도,
도6은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 블레이드만의 평면도,
도7은 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 사시도,
도8의 (a)(b)는 중량볼의 작동예를 설명하기 위하여 가이드홈과 중량볼만을 나타낸 개념도,
도9는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 두 번째 실시예를 보여주는 사시도,
도10의 (a)(b)는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 두 번째 실시예의 제2풍압면 및 제2풍압면의 돌출부에 바람이 입사되는 것을 나타낸 평면도,
도11은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 두 번째 실시예의 제2풍압면의 돌출부에, 블레이드를 추진 가능하게 하는 바람의 입사각의 범위를 나타낸 개념도,
도12는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 두 번째 실시예의 돌출부 사이로 통과되는 바람이 회전축 방향으로 배출되는 것을 나타낸 일부 사시도,
도13은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 두 번째 실시예에서 회전축 부위에 축적된 바람이 방사방향으로 배출되면서 돌출부를 이용하여 블레이드가 추진되는 것을 나타낸 개념도,
도14는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 두 번째 실시예에서 돌출부들의 방향이 모두 평행인 것을 나타내는 개념도,

이하, 본 발명을 첨부한 예시 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 수직축 방식의 풍력발전장치는 크게 두 가지 실시예로 나누어진다. 첫 번째 실시예는 도4내지 도8까지이며, 두 번째 실시예는 도9내지 도14까지이다.

먼저, 첫 번째 실시예에 대하여 도4내지 도8을 참조하여 설명하기로 한다.

도4에 도시된 것과 같이, 본 발명인 수직축 방식의 풍력발전장치는 양력에 의하여 회전하는 자이로밀 방식의 풍력터빈에 항력에 의하여 회전하는 사보니우스 방식이 결합된 형태로서 풍력의 항력과 양력을 모두 이용할 수 있는 형태이다.

전체적인 구조는, 발전기(110)와, 발전기에 연결되어 발전기를 구동시키며 지면에 수직인 회전축(120)에 지면과 수평한 로터플레이트(130)가 삽입되고 로터플레이트의 외주부에는 길이방향이 지면에 수직인 복수개의 블레이드(140)가 동일한 간격으로 설치되며, 로터플레이트(130)에 마련되어 로터플레이트(130)의 등속운동을 유도하기 위한 다수의 중량부재를 포함하도록 된다. 중량부재는 바람직하게는 구형태의 중량볼(150)인 것으로 한다. 도시되지는 않았으나 회전축(120)은 주지의 베어링에 의해 지지될 수 있으며, 원활한 구동을 위하여 필요에 따라서는 회전축(120) 상단을 회동 가능하게 지지할 수 있는 별도의 구조물이 설치될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

블레이드(140)는 길이방향 전체에 걸쳐 그 단면이 일정한 형상을 취하는데, 회전방향을 향하여 볼록부를 형성하고, 만곡면인 제2풍압면(143)의 곡률반경이 볼록면인 제1풍압면(142)의 곡률반경보다 더 크도록 한다. 본 실시예에서 제1풍압면(142)은 터빈 회전방향에 대해 선단 면(leading surface)으로 기능하는 블레이드 면으로 정의되며, 제2풍압면(143)은 터빈 회전방향에 대해 후단 면(tail surface)으로 기능하는 블레이드 면으로 정의된다. 바람직하게는 제2풍압면(143)의 곡률반경은 제1풍압면(142)의 곡률반경의 대략 2배 전후 범위에서 결정될 것이다. 그리고, 블레이드(140)의 내부는 중량을 최소화 하기 위하여 중공(140a)의 형태로 된다.

연결면(141)은 대략 로터플레이트(130)의 수평면 중심(131)을 지향하는 면으로 정의되며, 연결면(141)중앙에 수직한 가상의 수직선(nL)과 블레이드(140)가 설치되는 임의 반경(R)에서의 접선(tL) 사이의 사잇각(θ)(또는 리깅 각(rigging angle))(이하, “설치각“이라 함)은 0<θ<90도 사이에서 설정되며, 따라서 블레이드(140)는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치된다.

참고로, 일반적인 다리우스 타입의 블레이드는 설치각이 영(0)으로써 초기에 기동에 불리한 반면에, 본 발명의 블레이드는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치되어 제2풍압면(143)은 유체에 의한 항력이 작용하게 되어 일반적인 다리우스 타입의 블레이드와 비교하여 초기 기동에서 매우 유리하다.

이와 같은 본 발명의 블레이드(140)는 초기 구동에서는 제2풍압면(143)에 바람에 의한 항력에 의해 구동이 이루어지며, 일정 회전 속도에서는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)에 작용하는 양력에 의해 회전 구동이 이루어질 수 있다.

도 5에서 볼 때, 블레이드(140)를 회전축에 연결시키는 로터플레이트(130)에서는 블레이드(140)가 로터플레이트(130)의 외주면에 결합되므로 블레이드(140)와 회전축(120) 사이에 일정한 간격이 생기게 된다. 제2풍압면(143)을 밀어주는 바람은 운동에너지를 블레이드(140)에 전달하면서 바람 스스로는 에너지를 상실하게 되는데 이때, 블레이드(140)가 회전축과 직접 연결된다면 에너지를 잃은 바람이 빠져나지 못하고 제2풍압면(143)에 축적되게 되어 새로운 바람이 제2풍압면(143)으로 충돌하는 것을 방해하는 역할을 하게 된다. 따라서, 블레이드(140)는 중심축에서 일정간격을 두고 설치되게 하여 제2풍압면(143)으로 들어온 바람이 에너지를 잃으면서 회전축(120) 주위의 빈 공간을 통하여 빠져나갈 수 있도록 함과 동시에 에너지를 잃은 바람의 일부는 회전축(120)을 중심으로 방사상 대칭방향에 있는 블레이드(140)의 제2풍압면(143)으로도 들어가서 그 제2풍압면(143)을 일정 정도 밀어주는 역할을 할 수 있게 한다. 이는 블레이드(140)는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치되므로 가능한 것이다. 그리고, 블레이드(140)는 모두 일정한 간격으로 로터플레이트(130)의 외주부에 결합되므로 회전의 원심력이 고르게 작용하게 되어 한쪽 방향으로의 편심력이 작용되는 것을 방지할 수 있으며 따라서 안정적인 회전운동이 가능하게 된다.

도 7 및 도 8의 (a)(b)는 본 발명에서 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 도면으로서, 도 7은 로터플레이트(130)의 사시도이며, 도 8의 (a)(b)는 로터플레이트(130)의 평면도로서 작동예를 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도 7 및 도 8의 (a)(b)에서 로터플레이트(130)에 구비되는 블레이드(140)는 이해를 돕기 위하여 도시되어 있지 않다.

블레이드(140)가 결합된 로터플레이트(130)에는 그 중심에서 외주부를 향하여 복수개의 가이드홈(132)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 가이드홈(132)의 방향은 중심에서부터 외주부로 갈수록 회전 전진방향을 향하여 나선형의 곡선을 형성하도록 된다. 이 가이드홈(132)을 따라 중량볼(150)이 관성에 따라 움직일 수 있도록 한다. 회전이 시작되면서 중량볼(150)은 원심력에 의하여 가이드홈(132)의 외주부 끝단으로 이동하여 회전에 관성모멘트를 부가하게 되고, 회전이 느려지면 정지하려는 관성에 의하여 가이드홈(132)의 회전축(120) 방향인 안쪽 끝단으로 다시 이동한다. 따라서 초기 정지 상태에서 회전이 이루어지거나 풍속이 약한 경우에는 중량볼(150)은 가이드홈(132)의 안쪽에 위치하게 되고, 이때 로터플레이트(130)는 상대적으로 관성모멘트가 작으므로 작은 토오크로도 구동이 가능하다. 회전이 가속될수록 중량볼(150)은 회전에 원심력을 더욱 부가하여 등속운동을 유도하면서 회전력을 높이는 역할을 하게 된다. 그리고, 관성에 의하여 가이드홈(132)을 따라 이동하므로 중량볼(150)을 외주측 끝단으로 이동시키거나 중심축측 끝단으로 복귀시키기 위한 용수철 등의 복잡한 장치는 필요 없게 된다.

이러한 가이드홈(132)과 이 가이드홈(132) 내에 각각 삽입되는 중량볼(150)의 숫자는 로터플레이트(130)의 사이즈, 중량 등으로 고려하여 결정될 수 있다.

가이드홈(132)에는 중량볼(150)과의 마찰을 저감시키기 위하여 오일과 같은 윤활유가 도포될 수 있으며, 또는 중량볼(150) 표면에는 테프론 등의 코팅처리가 되어 마찰을 저감할 수 있다. 한편 본 실시예의 도면에서는 가이드홈(132)이 로터플레이트(130) 표면에 노출되는 것으로 도시하고 있으나, 가이드홈 내부가 이물질에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있도록 로터플레이트(130)에는 별도의 커버부가 마련되어 가이드홈(132)이 바깥으로 노출되지 않을 수 있다.

도7에 도시된 것처럼 블레이드(140)를 중심축에 결합시키는 로터플레이트(130)는 블레이드(140)의 결합부인 외주부와 중량볼(150)이 이동하는 가이드홈(132) 부분 이외에는 비어있는 중공의 형태로 함이 바람직하다. 그리고, 블레이드(140)의 길이방향의 중앙부에 로터플레이트(130)를 하나만 설치하거나 아니면 블레이드(140)의 길이방향 상부와 하부에 로터 플레이트(130)를 복수개로 설치하는 것도 가능하다.

그리고 도 4 및 도7에서 볼 수 있듯이, 상기 블레이드(140)를 결합시키는 로터플레이트(130) 외에 별도의 중량디스크(160)를 설치 할 수 있다. 중량디스크(160)의 크기는 제한이 없으며, 바람직하게는 로터플레이트(130)보다 작은 직경을 가지도록 제작하여 블레이드(140)와 겹치지 않게끔 블레이드(140)의 상측 끝단 보다 더 위에서 회전축(120)에 결합되도록 한다. 중량디스크(160)는 로터플레이트(130)와 마찬가지로 지면과 평행하면서 그 중심이 회전축(120)의 수평단면의 중심과 일치하도록 설치되며 중량디스크(160)가 설치될 수 있는 자리를 확보하기 위하여 회전축(120)은 블레이드(140) 보다 더 높게 제작되도록 한다. 중량디스크(160)에 의하여 회전의 원심력이 더 부가되어 회전력이 커짐과 동시에 정속회전을 할 수 있도록 추가적으로 도와주는 역할을 할 수 있도록 한다.

한편 중량디스크(160)는 풍력발전장치의 정상가동 시에 풍력발전장치의 상부에서 회전축(120)으로의 공기의 유입이 방지되도록 한다. 수직축 방식의 풍력발전장치는 초기 정지상태에서 구동이 시작되는 순간에는 중심의 회전축(120) 부위로 공기가 유입되면서 중심부에 고기압이 형성되게 된다. 그러나, 회전이 안정적으로 되어 정상가동이 되면 중심부의 공기는 원심력에 의하여 외주부로 빠져나가게 되어 중심부는 오히려 저기압이 형성되게 된다. 이때, 풍력발전장치의 상부로부터 중심부로 공기가 유입되게 되면 회전 순방향에 대하여 일종의 저항으로 작용되게 된다. 따라서 이러한 상부로부터의 공기 유입을 억제하기 위한 수단이 필요하게 된다. 바로 중량디스크(160)는 이처럼 정상가동시에 상부로부터 중심으로 유입되는 공기를 일정정도 차단시키는 역할을 수행하게 되는 것이다.

이로써 중심부 보다는 블레이드(140) 부위에 고기압이 유지될 수 있게 됨으로써 정상회전시에 블레이드(140)에 의하여 양력이 최대로 이용될 수 있게 된다.

도 4과 5에서 볼 수 있듯이, 블레이드(140)에는 제1풍압면(142)에는 복수개의 홈(144)이 구비되게 한다. 이 홈의 제1풍압면(142)에 부딪히는 공기에 와류를 발생시킬 때 이 와류가 공기윤활제처럼 작용하여 제1풍압면(142)에 일어나는 공기의 마찰 저항을 줄여주는 역할을 하게 된다.

제1풍압면의 복수개의 홈(144)은 모두 동일한 사이즈로 제작될 수도 있으며, 바람직하게는 두가지 이상의 사이즈로 되게 하여 서로 고르게 배열되도록 한다.

제2풍압면(143)에는 원뿔모양의 돌기(145)를 다수 구비된다. 제2풍압면(143)에 충돌하는 바람은 충돌과 동시에 운동에너지를 잃으면서 제2풍압면(143)에서 일시적으로 바람의 덩어리로 축적되게 된다. 이는 그 이후에 새로운 바람이 충돌하는 데에 방해가 될 수 있다. 따라서 충돌과 동시에 빠져나가야 하는 것이다. 이때, 제2풍압면(143)에 원뿔모양 돌기(145)를 설치하게 되면 제2풍압면(143)에 충돌한 바람의 덩어리가 원뿔모양 돌기(145)들에 의해 와류로 형성도면서 분해되어 신속히 빠져나갈 수 있다.

아래에서부터는 도9내지 도14를 참조하여 본 발명에 의한 수직축 방식의 풍력발전장치에 대한 두 번째 실시예에 관하여 설명하기로 한다. 두 번째 실시예에서는 위에서 설명한 최초 실시예와 비교하여 두 가지 차이점이 있다.

도9에는 상기 두 번째 실시예를 보여주는 사시도가 도시되어 있다. 두 번째 실시예에서 위에서 설명한 최초 실시예와의 첫 번째 차이는 도10의 블레이드(140) 평면도를 함께 참조하여 설명하면, 제2풍압면(143) 상에 첫 번째 실시예의 원뿔모양 돌기(145)들 대신에 하나 이상의 돌출부(146, 146‘)가 형성되게 된다는 점이다.

돌출부(146, 146‘)는 도9를 참조하면, 수직방향으로 일정한 형상을 가지게 되어 길이방향이 수직으로 형성되게 되며, 도10의 평면도를 참조하면, 그 수평단면의 형상은 두 개의 만곡면(147, 147’, 148, 148‘) 및 제2풍압면(143)으로 이루어지도록 된다. 만곡 형상은 한쪽에서 관찰할 때에는 오목하지만 반대쪽에서 관찰할 때에는 볼록면이 되므로, 상기 두 개의 만곡면(147, 147’, 148, 148‘)은 외부에서 볼 때에는 만곡면이며 두 만곡면 서로에 대해서는 돌출면으로 된다.

위의 두 만곡면(147, 147’, 148, 148‘) 중 블레이드의 회전으로 형성되는 회전면의 외주부 방향을 향하는 면은 제3풍압면(147, 147’)이라 하고, 회전축(120)을 향하는 면은 제4풍압면(148, 148‘)이라고 하기로 한다.

그리고, 돌출부(146, 146‘)는 수직 길이방향으로 복수개가 이격되어 나란히 형성되게 되며, 수직방향으로 한 줄 이상으로 병렬로 형성되게 된다. 도9 내지 도14에는 돌출부(146, 146‘)가 수직방향으로 두 줄로 형성된 것으로 나오지만, 반드시 두 줄일 필요는 없으며 도9내지 도14는 돌출부(146, 146‘)의 배치에 대한 하나의 일 실시예일 뿐인 것이다.

그리고, 돌출부(146, 146‘)는 블레이드(140)가 회전하며 형성되는 궤적인 원의 외주부 방향으로 갈수록 그 크기가 커지게 된다. 이에 대한 이유는 후술하기로 한다. 다만, 여기서는 설명의 편의를 위하여 도9내지 도14에 도시된 대로 돌출부(146, 146‘)를 크게 두 가지로 나누어서 바깥쪽 돌출부(146)와 안쪽 돌출부(146‘)로 구분하여 서술하기로 한다.

그리고 두 번째 실시예에서 위에서 설명한 최초 실시예와의 두 번째 차이는, 도10의 평면도와 도11의 개념도에 잘 나타나 있듯이 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)이 외주부에서 만나는 지점에 연장부(149)가 형성되게 하고 연장부(149)의 끝단의 방향은 돌출부(146, 146‘)의 방향과 평행하게 된다. 이때, 바깥쪽 돌출부(146)와 안쪽 돌출부(146‘)의 끝단의 방향도 서로 평행하게 된다.

연장부(149)는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)의 연장이므로 도9에 나타나 있듯이 연장부(149)에서 제1풍압면(142)에는 최초 실시예에서의 홈(144)도 함께 연장되어 형성되도록 한다.

이하에서는 두 번째 실시예의 구성의 작용과 그로 인한 효과를 상세히 설명하기로 한다.

도10을 참조하면, 두 번째 실시예에서의 돌출부(146, 146‘)와 연장부(149)는 제2풍압면(143)에 다양한 각도의 입사각으로 불어오는 모든 바람의 운동에너지를 최대한 블레이드(140)의 회전 토크로 활용하기 위한 구성들이다. 도10의 (a)와 (b)는 제2풍압면(143)의 평균 접선에 거의 평행하게 불어오는 바람이 돌출부(146, 146‘)와 연장부(149)에 의하여 어떻게 이용되고 있는지가 도시되어 있다. 도10의 (a)에서는 회전축(120) 방향에서 제2풍압면(143)에 불어오는 바람이 안쪽 돌출부(146‘)의 제4풍압면(148’)과 바깥쪽 돌출부의 제4풍압면(148) 및 연장부(149)의 제2풍압면(143)에 충돌하면서 바람의 운동에너지를 블레이드(140)에 전달하는 모습이 도시되어 있고, 도10의 (b)에는 외주부 방향에서 제2풍압면(143)에 불어오는 바람이 안쪽 돌출부(146‘)의 제3풍압면(147’)과 바깥쪽 돌출부(146)의 제3풍압면(147)에 충돌하면서 바람의 운동에너지를 블레이드(140)에 전달하는 모습이 도시되어 있다.

도11에는 제2풍압면에 입사되는 광범위한 각도의 바람이 블레이드(140)를 추진시키는 데에 쓰일 수 있는 것이 표현되어 있다. 특히 P방향의 바람 중 12시 방향으로 가장 근접한 방향과 Q 방향의 바람 중 6시 방향에 가장 근접한 바람은 제2풍압면의 돌출부(146,146‘) 및 연장부(149)가 없다면 제2풍압면에 약간의 에너지만 전달할 뿐 대부분의 에너지는 소모시키지 않고 비껴가게 될 것이다. 하지만, 돌출부(146,146‘) 및 연장부(149)에 의하여 바람은 대부분의 에너지를 블레이드(140)에 전달할 수 있게 된다. 따라서, 앞서 서술한 첫 번째 실시예에 비하여 보다 나은 추진력을 얻을 수 있게 된다.

또한, 돌출부(146,146‘) 및 연장부(149)에 의하여 대부분의 에너지를 잃게 되는 바람은 에너지를 전달받은 블레이드(140)의 바로 뒤의 후속 블레이드(140)의 제1풍압면(142)과 만나면서 제1풍압면(142)상의 홈(144)에 의하여 공기의 박리가 지연됨으로써 두터운 공기 윤활층으로 형성된다. 따라서, 돌출부(146,146‘) 및 연장부(149)는 입사각에 상관없이 바람의 에너지를 모두 흡수시킬 뿐만 아니라 바로 뒤의 블레이드의 제1풍압면에 공기의 저항을 약화시켜줄 수 있는 공기 윤활층도 형성시켜 주게 되는 것이다.

그리고, 도10을 참조하면 안쪽 돌출부(146‘) 보다 바깥쪽 돌출부(146)의 크기가 더 크도록 된다. 이는 토크의 공식인 τ= r × F에서 회전축까지의 변위인 r의 크기가 클수록 토크 τ가 크게 되는 것에서 알 수 있듯이 같은 운동에너지를 가진 바람이라도 바깥쪽 돌출부(146)에 걸릴 때 더 큰 토크가 발휘될 수 있기 때문이다. 따라서 바깥쪽 돌출부(146)의 크기를 크게 하여 바람의 에너지를 더 많이 받을수록 안쪽 돌출부(146‘)의 크기를 크게 하는 것에 비하여 더 큰 토크를 얻을 수 있게 된다.

한편, 도14에서 볼 수 있듯이 바깥쪽 돌출부(146)의 끝단이 향하는 방향과 안쪽 돌출부(146‘)가 향하는 방향 및 연장부(149)의 끝단이 향하는 방향은 모두 평행하게 되어야 한다. 이는 사출 성형이 용이하게 되도록 하기 위함이다. 도14를 참조하면, 안쪽 돌출부(146‘)가 향하는 방향 및 연장부(149)의 끝단이 향하는 방향이 평행이 되기 위해서는 안쪽 돌출부(146‘)의 경우 제3풍압면(147’)의 폭과 제4풍압면(148‘)의 폭이 현저하게 차이가 나게 된다. 사출성형 과정 자체가 도시되지는 않았지만, 안쪽 돌출부(146‘)와 바깥쪽 돌출부(146)는 돌출부의 시작부위에서의 제2풍압면의 접선 방향이 서로 각도가 틀리게 되므로 만약 안쪽(146‘)과 바깥쪽 돌출부(146) 모두 제3풍압면(147,147’)과 제4풍압면(148,148‘)이 서로 동일하게 되어 좌우 대칭 형상이 된다면 사출성형시에 냉각 후 취출 단계에서 바깥쪽 돌출부(146) 또는 안쪽 돌출부(146‘) 중 어느 하나가 꺾이지 않고서는 취출이 되지 않게 되는 것이다. 따라서, 특히 안쪽 돌출부(146‘)의 경우 제3풍압면(147’)과 제4풍압면(148‘)은 대칭 형상이 될 수 없고 제3풍압면(147’)이 훨씬 큰 폭을 가지게 되는 것이다.

그리고, 도12를 참조하면 바깥쪽 돌출부(146)와 안쪽 돌출부(146‘)는 모두 수직방향으로 복수개가 이격을 두고 나란히 형성됨을 알 수 있다. 블레이드(140)의 회전은 제2풍압면(143)에 충돌되는 바람의 운동에너지로 인하여 가능하게 된다. 그런데, 제2풍압면(143)에 일단 충돌하여 운동에너지를 잃어버린 바람이 제2풍압면(143)에 계속 바람의 덩어리로 남아있게 되면 제2풍압면(143)에 연속하여 충돌될 바람들에게 일종의 쿠션으로 작용되게 되어 후속 바람의 운동에너지가 블레이드(140)로 온전히 전달 됨에 방해가 되게 된다. 따라서, 한번 제2풍압면(143)에 충돌된 바람이 회전축(120) 방향으로 배출될 수 있도록 돌출부(146, 146‘) 사이에 이격이 형성되게 되는 것이다.

이때, 안쪽 돌출부(146‘)에는 더 많은 이격이 형성되게 하여 바람의 회전축(120) 방향으로의 배출이 좀 더 원활하게 되도록 함이 바람직하다.

특히, 도13에는 정지상태에 있던 풍력발전장치가 초기 구동이 시작될 때에 회전축(120) 방향으로 배출되어 회전축(120) 부위에 축적된 공기가 바람의 영향을 직접적으로 받지 않는 위치의 블레이드(140)들에 어떻게 회전 추진력으로 작용되는지가 개념도로 나타나 있다.

일반적으로 고기압이 형성되는 지역에서 주위의 저기압 지역으로 기압차에 의하여 바람이 불게 되는 것과 마찬가지로, 정지 상태에서 초기 구동이 시작될 때에는 회전축(120) 부위에 축적되는 공기층은 주위에 비하여 압력이 높게 되어 고기압으로 작용하게 되므로 바람의 영향을 직접 받지 못하는 블레이드(140)의 제2풍압면(143)에도 추진력을 제공할 수 있게 된다. 즉, ①②③방향의 바람에 의하여 회전축(120) 주위에 공기가 지속적으로 축적되게 되는 반면, 전체 바람의 방향 M에 의하여 직접적으로 회전 추진력을 받지 못하는 위치 c 및 위치 d에 위치되는 블레이드(140)의 제2풍압면(143)에는 중심부에서부터 각각 ⑦⑧⑨⑩ 방향으로 바람이 이동하여 추가적인 추진력이 제공될 수 있게 된다. 자연에 의하여 형성되는 운동에너지를 직접 전달 해 주는 M방향의 바람에 비하면 미약한 바람이지만 초기에 구동이 시작되는 데에는 일정정도 추진력을 제공 해 줄 수 있게 된다. 이렇게 하여 돌출부(146, 146‘)와 연장부(149)가 중심부의 축적된 공기층에서 불어오는 바람의 에너지가 모두 활용될 수 있도록 하여 블레이드(140)의 추가적인 회전 추진력이 될 수 있도록 해 주는 것이다.

다만, 본 발명에 의한 수직축 방식의 풍력발전장치가 정상가동이 되는 단계가 되어 일정속도로 계속 회전하게 되면, 오히려 중심부의 공기는 원심력으로 인하여 외부로 빠져나가게 되어 중심부는 저기압이 형성되게 된다. 이때, 앞서 서술한 바와 같이 회전에 저항으로 작용될 수 있는 상부에서 유입되는 공기는 중량디스크(160)에 의하여 그 유입이 억제될 수 있게 된다.

돌출부(146, 146‘)와 연장부(149)의 형성에 의하여 발생되는 또다른 효과는 제1풍압면상(142)에 형성되는 홈(144)과의 관계에서 발생되는 효과이다.

제1풍압면(142)상에 형성되는 홈(144)들은 앞서 살펴본 바와 같이 회전되는 블레이드(140)의 제1풍압면상(142)에 부딪히는 공기가 와류를 일으키도록 한다. 이 와류로 인하여 각각의 홈(144)들에 의하여 공기층의 박리가 진행되지 않고 제1풍압면(142)의 표면에 공기층이 형성되게 된다. 홈(144)이 형성되지 않고 제1풍압면(142)이 미끈한 표면일 경우에는 제1풍압면(142)에 부딪히는 공기는 짧은 공기층이 형성되다가 곧바로 공기층이 박리되게 되나, 홈(144)이 형성됨으로 해서 제1풍압면상(142)에 공기층이 형성되는 것이다.

앞서 살펴봤듯이 홈(144)으로 인해서 형성되는 공기층은 일종의 공기윤활제로 작용하게 되어 제1풍압면(142)에 걸리는 공기의 저항을 감소시키는 역할을 하게 된다. 이때, 돌출부(146, 146‘)와 연장부(149)에 의하여 제2풍압면(143)에 쌓이게 되는 바람 중에서 회전축(120) 쪽으로 빠져나가지 못한 바람의 일부는 제2풍압면(143) 뒤에 인접하여 뒤따르는 제1풍압면(142)의 홈(144)에 걸리게 되면서 공기윤활제의 역할을 하게 된다. 특히, 블레이드(140)가 회전함에 따라 제1풍압면(142)이 불어오는 바람과 정면으로 마주칠 때에 공기 윤활제로 작용되는 공기층이 두터울수록 제1풍압면(142)에 걸리는 공기의 저항은 그만큼 감소되게 되어 블레이드(140)의 회전력 향상 효과가 있게 되는 것이다.

또한, 홈(144)에 의하여 형성되는 블레이드(140)표면의 두터운 공기층은 윤활제로서 작용되는 한편 제1풍압면(142) 앞에 놓인 공기의 저항이 약해질 수 있도록 공기 저항에 대한 쿠션의 역할도 하게 된다. 이 또한 돌출부(146,146‘) 및 연장부(149)가 있음으로 해서 추가적으로 얻을 수 있는 추진력의 향상인 것이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

110 : 발전기 120 : 회전축
130 : 로터 플레이트 131 : 로터플레이트의 수평면의 중심
132 : 가이드홈 140 : 블레이드
141 : 연결면 142 : 제1풍압면
143 : 제2풍압면 144 : 홈
145 : 원뿔모양 돌기 146 : 바깥쪽 돌출부
146‘: 안쪽 돌출부 147 : 제3풍압면
147‘: 제3풍압면 148 : 제4풍압면
148‘: 제4풍압면 149 : 연장부
150 : 중량볼 160 : 중량디스크
171 : 이격의 상하폭

Claims (12)

1. 지면에 수직하면서 회전가능하게 설치된 회전축과;
   상기 회전축의 일 지점에 지면과 수평하게 삽입되고, 상면에 회전 진행방향을 향하는 나선형의 가이드홈이 복수개로서 방사상으로 동일간격을 두며 마련되며, 상기 가이드홈마다 이동 가능한 중량부재가 구비된 로터플레이트와;
   로터플레이트의 외주면에 동일간격으로 수직하게 결합되고, 수평단면이, 로터플레이트의 한쪽 회전방향으로 만곡되되, 볼록면인 제1풍압면과, 로터플레이트의 결합부의 반대 측에서 제1풍압면과 만나게 되는 오목면인 제2풍압면과, 상기 로터플레이트와의 결합부 측에서 제1 및 제2풍압면이 절곡되어 연결되는 연결면을 갖는 익형구조를 취하고, 제1풍압면의 곡률이 제2풍압면의 곡률보다 크면서 내부가 중공이며, 제1풍압면상에 복수개의 홈이 배치된 블레이드와;
   상기 회전축에 연결된 전력 발생 장치를 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   제1풍압면에 배치된 상기 복수개의 홈은 오목한 구형의 홈으로서 서로 다른 크기의 홈들이 조합되어 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
3. 제1항에 있어서, 제2풍압면상에 다수의 원뿔형 돌기가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 중량부재는 상기 가이드홈 상에서 로터플레이트의 회전 방향과 동일 방향으로 가동하는 중량볼인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
5. 제1항에 있어서,
   지면과 수평하며 회전축의 단면과 중심이 일치되는 중량디스크가 상기 회전축의 일 지점에 결합되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 블레이드는 상기 로터플레이트의 설치 반경의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
7. 제1항에 있어서,
   제2풍압면에는 수직방향으로 길게 형성되는 하나이상의 돌출부가 구비되고, 상기 돌출부의 수직면은 두 개의 만곡면으로 이루어지며, 상기 두 개의 만곡면은 회전 외부를 향하는 제3풍압면과 회전축을 향하는 제4풍압면인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 돌출부는 회전축에서 멀수록 수평 폭과 돌출 정도가 큰 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 돌출부는 끝단이 향하는 방향이 모두 평행하게 되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 돌출부는 수직 길이방향으로 두 개 이상이 이격되어 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 돌출부는 회전축에 가까울수록 수직 길이가 짧아지게 되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
12. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    제1풍압면과 제2풍압면이 직접 만나는 지점에는 회전 반대방향으로 연장부가 더 형성 되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.

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