KR20150089166A - 수직축 풍력발전 장치 - Google Patents

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KR20150089166A KR1020140009434A KR20140009434A KR20150089166A KR 20150089166 A KR20150089166 A KR 20150089166A KR 1020140009434 A KR1020140009434 A KR 1020140009434A KR 20140009434 A KR20140009434 A KR 20140009434A KR 20150089166 A KR20150089166 A KR 20150089166A
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Abstract

최대 효율로 전력을 안정적으로 생성할 수 있는 수직축 풍력발전 장치가 개시된다. 이러한 수직축 풍력발전 장치는 복수의 블레이드들, 중심 몸체부, 상부 연결체부, 하부 연결체부, 발전기부 및 회전 피치각 조절부를 포함한다. 블레이드들은 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 중심 몸체부는 회전축을 중심으로 회전축 방향을 따라 길게 연장된다. 상부 연결체부는 블레이드들의 상단과 연결되어 회전축을 중심으로 회전할 수 있고, 하부 연결체부는 블레이드들의 하단과 연결되어 회전축을 중심으로 회전할 수 있으며, 발전기부는 블레이드들의 회전에 의해 발생되는 회전 동력을 전력으로 변경시킬 수 있다. 회전 피치각 조절부는 복수의 캠 팔로워 유닛들, 캠 가이드 경로를 따라 이동하도록 캠 팔로워 유닛들을 가이드하는 가이드 캠 유닛, 가이드 캠 유닛을 중심 몸체부에 고정시키는 캠 지지유닛, 및 블레이드들과 캠 팔로워 유닛들 사이를 각각 연결하는 복수의 각조절 로드암들을 포함한다. 이때, 블레이드들이 상기 원주를 따라 회전할 때, 캠 팔로워 유닛들이 캠 가이드 경로를 따라 이동하여, 블레이드 회전 피치각이 안정적으로 조절될 수 있다.

Description

수직축 풍력발전 장치{VERTICAL AXIS WIND TURBINE}
본 발명은 수직축 풍력발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블레이드의 회전 피치각을 변경할 수 있는 수직축 풍력발전 장치에 관한 것이다.
통상적으로 풍력발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다. 이러한 풍력발전 장치는 프로펠러 방식의 로터를 사용하는 수평축 풍력발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 블레이드가 회전축 방향을 따라 수직하게 배치된 수직축 풍력발전 장치(vertical axis wind turbine)로 구별된다.
한편, 수직축 풍력발전 장치는 바람의 양력을 이용하는 다리우스(Darrius) 방식과, 바람의 항력을 이용하는 사보니우스(Savonius) 방식으로 구별될 수 있다. 이때, 다리우스 방식의 경우에는 발전기의 출력이 약하고, 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전 동력 장치가 필요하다는 문제가 있다. 반면, 사보니우스 방식의 경우에는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없어 회전축의 회전수에 제한을 받고, 이로 인해 회전수가 낮은 풍력 동력기로 주로 사용되고 있다.
따라서, 수직축 풍력발전 장치의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 블레이드의 설계, 구조, 조립방식 등을 개선하거나, 지지 구조물 및 블레이드를 부착하는 방식을 개선하기도 하며, 블레이드의 피치각 제어 시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식을 사용하기도 한다. 특히, 블레이드 피치각 제어을 통해 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식과 관련된 선행문헌으로, 미국 등록특허(US 4,299,537)와 한국 등록특허(KR 0490683) 등을 들 수 있다.
우선, 미국 등록특허(US 4,299,537)에는, 풍속에 따라 스프링의 휘어지는 정도가 변경되어 블레이드의 회전 피치각이 조절되는 구조가 개시되어 있다. 이어서, 국내 등록특허(KR 0490683)에는, 풍속의 변화에 대응하여 회전체를 가이드 레일을 따라 병진 운동을 하여 블레이드의 회전 피치각을 변화시킴으로써 일정한 회전력을 얻을 수 있는 구조가 개시되어 있다.
그러나, 상기 미국 등록특허(US 4,299,537)에서의 구조는 스프링의 휘어짐을 통해 블레이드의 회전 피치각이 조절됨에 따라, 스프링의 불안정성, 내구성 등의 문제로 장기간 사용하기가 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 국내 등록특허(KR 0490683)에서의 구조는 풍속에 따라 회전체를 가이드 레일을 따라 병진 운동시킴에 따라, 병진 운동에 항시 구동력을 제공해야할 뿐만 아니라 과도한 풍속 변화로 인해 가이드 레일의 고장, 손상 및 파괴 등이 발생될 수 있어 장기간 구동시 안정성에 문제가 있을 수 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 최대 효율을 가지며 안정적으로 구동이 가능한 수직축 풍력발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 수직축 풍력발전 장치는 복수의 블레이드들, 중심 몸체부, 상부 연결체부, 하부 연결체부, 발전기부 및 회전 피치각 조절부를 포함한다.
상기 블레이드들은 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 각각이 상기 회전축과 평행한 방향(이하, 회전축 방향이라 함)으로 연장된 형상을 갖는다. 상기 중심 몸체부는 상기 회전축을 중심으로 상기 회전축 방향을 따라 길게 연장된다. 상기 상부 연결체부는 상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들의 상단과 연결되고, 상기 중심 몸체부와 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 하부 연결체부는 상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들의 하단과 연결되고, 상기 중심 몸체부와 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 상기 발전기부는 상기 상부 연결체부 및 상기 하부 연결체부 중 어느 하나에 연결되고, 상기 블레이드들의 회전에 의해 발생되는 회전 동력을 전력으로 변경시킬 수 있다. 상기 회전 피치각 조절부는 복수의 캠 팔로워 유닛들, 상기 회전축에 수직한 평면 상에 상기 중심 몸체부의 외곽을 감싸도록 형성된 캠 가이드 경로를 따라 이동하도록 상기 캠 팔로워 유닛들을 가이드하는 가이드 캠 유닛, 상기 가이드 캠 유닛을 상기 중심 몸체부에 고정시키는 캠 지지유닛, 및 상기 블레이드들과 상기 캠 팔로워 유닛들 사이를 각각 연결하는 복수의 각조절 로드암들을 포함한다. 이때, 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 회전할 때, 상기 캠 팔로워 유닛들이 상기 캠 가이드 경로를 따라 이동하여, 상기 회전축 방향에 수직한 방향으로 절단하여 형성된 종단면에서의 장축 방향 및 상기 원주 상에 형성되는 접선 방향 사이의 각(이하, 블레이드 회전 피치각)이 조절된다.
상기 캠 가이드 경로는 상기 회전축과 상기 캠 가이드 경로 중 상기 회전축과의 거리가 최대인 거리 최대점을 연결하는 캠 장축 방향을 기준으로 대칭이 되는 형상을 가질 수 있다.
상기 블레이드들은 각도 변화구간, 저항 회피구간 및 항력 구간을 순차적으로 거치며 회전할 수 있다.
상기 발전기부는 상기 캠 장축 방향이 바람의 풍향에 대해 회전 방향으로 90도의 각을 이룰 때, 최대 효율로 전력을 생성할 수 있다.
상기 수직축 풍력발전 장치는 바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성하는 풍향 감지부, 상기 중심 몸체부와 연결되어 상기 캠 장축 방향을 회전시킬 수 있는 요잉(yawing)부, 및 상기 풍향 감지부로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 캠 장축 방향이 회전되도록 상기 요잉부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 수직축 풍력발전 장치는 바람의 풍속을 감지하여 풍속 정보를 생성하는 풍속 감지부, 및 상기 상부 연결체부 및 상기 하부 연결체부 중 적어도 어느 하나와 연결되어 상기 블레이드들의 회전을 정지시킬 수 있는 브레이크부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 제어부는 상기 풍속 감지부로부터 제공된 상기 풍속 정보가 기준 속도 이상이라고 판단되면, 상기 브레이크부를 제어하여 상기 블레이드들의 회전을 정지시킬 수 있다.
상기 회전 피치각 조절부는 상기 캠 팔로워 유닛들과 상기 중심 몸체부 사이를 각각 연결하고, 상기 캠 팔로워 유닛들이 상기 캠 가이드 경로에 따라 이동할 때, 상기 회전축을 중심으로 함께 회전하는 복수의 캠 로드암들을 더 포함할 수 있다.
상기 회전 피치각 조절부는 상기 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 캠 로드암들을 상기 중심 몸체부와 결합시키는 로드암 회전유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 회전 피치각 조절부는 상기 상부 연결체부 및 상기 하부 연결체부 중 다른 하나에 인접하게 배치될 수 있다.
상기 발전기부는 상기 상부 연결체부 및 상기 중심 몸체부의 상단 사이에 배치되어, 상기 상부 연결체부의 회전 동력에 의해 전력을 생성할 수 있고, 상기 각조절 로드암들은 상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들의 하단 및 상기 캠 팔로워 유닛들 사이를 각각 연결할 수 있다.
이와 같은 수직축 풍력발전 장치에 따르면, 블레이드들이 회전축을 중심으로 회전할 때, 캠 팔로워 유닛이 캠 가이드 경로을 따라 이동하면서 각조절 로드암들을 제어함에 따라, 상기 블레이드들 각각의 블레이드 회전 피치각이 안정적으로 변경될 수 있다. 그로 인해, 상기 수직축 풍력발전 장치는 최대 효율로 전력을 생성하면서 장기간 동안 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 상기 캠 가이드 경로는 제작자에 의해 다양한 궤적의 경로로 제조될 수 있어, 상기 블레이드들 각각의 블레이드 회전 피치각이 원하는 패턴에 따라 변경되도록 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 회전 피치각 조절부를 상세하게 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 회전 피치각 조절부의 일부를 확대해서 도시한 확대 평면도이다.
도 4는 도 2의 회전 피치각 조절부의 일부를 확대해서 도시한 확대 사시도이다.
도 5는 도 2의 회전 피치각 조절부에 의해 변경되는 블레이드들 각각의 변화를 설명하기 위한 개념도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 수직축 풍력발전 장치는 복수의 블레이드들(100), 중심 몸체부(200), 상부 연결체부(300), 하부 연결체부(400), 발전기부(500), 회전 피치각 조절부(600) 및 연결체 지지부(700)를 포함할 수 있다.
상기 블레이드들(100)은 회전축(A)을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 각각이 상기 회전축(A)과 평행한 방향(이하, 회전축 방향이라 함)으로 연장된 형상을 갖는다. 예를 들어, 3개의 블레이드들(100)이 상기 회전축(A)을 중심으로 120도마다 하나씩 이격되어 배치될 수 있다. 상기 블레이드들(100) 각각을 상기 회전축(A)에 수직한 방향으로 절단하여 형성된 종단면은 캠 장축 방향으로 길게 연장된 날개 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 캠 장축 방향은 상기 종단면의 무게 중심 및 앞단을 지나는 방향을 의미한다.
상기 중심 몸체부(200)는 상기 회전축(A)을 중심으로 상기 회전축 방향을 따라 길게 연장된다. 예를 들어, 상기 중심 몸체부(200)는 상기 회전축(A)을 중심으로 상기 회전축 방향을 따라 길게 연장된 원통 형상을 갖는다. 또한, 상기 중심 몸체부(200)는 땅 위에 형성된 베이스 지지부(미도시) 상에 결합된다.
상기 상부 연결체부(300)는 상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들(100)의 상단과 연결되고, 상기 중심 몸체부(200)와 연결되어 상기 회전축(A)을 중심으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부 연결체부(300)는 상기 중심 몸체부(200)의 상단과 연결된 상부 연결몸체(310), 및 상기 상부 연결몸체(310)와 상기 블레이드들(100) 각각 사이를 연결하는 복수의 상부 연결체들(320)을 포함할 수 있다.
상기 하부 연결체부(400)는 상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들(100)의 하단과 연결되고, 상기 중심 몸체부(200)와 연결되어 상기 회전축(A)을 중심으로 회전할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부 연결체부(400)는 상기 중심 몸체부(200)의 하단 또는 상기 중심 몸체부(200)의 상단으로부터 일정 거리 이격된 위치에 연결된 하부 연결몸체(410), 및 상기 하부 연결몸체(410)와 상기 블레이드들(100) 각각 사이를 연결하는 복수의 하부 연결체들(420)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는, 상기 상부 연결체들(320) 및 상기 하부 연결체들(420)은 상기 블레이드들(100) 각각의 종단면에서의 무게 중심과 대응되는 위치에 각각 연결될 수 있다. 즉, 상기 상부 연결체들(320)은 상기 무게 중심과 대응되는 상기 블레이드들(100) 각각의 상단과 연결되고, 상기 하부 연결체들(420)은 상기 무게 중심과 대응되는 상기 블레이드들(100) 각각의 하단과 연결될 수 있다.
상기 발전기부(500)는 상기 상부 연결체부(300) 및 상기 하부 연결체부(400) 중 어느 하나에 연결되고, 상기 블레이드들(100)의 회전에 의해 발생되는 회전 동력을 전력으로 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 발전기부(500)는 상기 상부 연결체부(300) 및 상기 중심 몸체부(200)의 상단 사이에 배치되어, 상기 상부 연결체부(300)의 회전 동력에 의해 전력을 생성할 수 있다.
상기 회전 피치각 조절부(600)는 상기 블레이드들(100)이 상기 원주를 따라 회전할 때, 상기 블레이드들(100)의 장축 방향 및 상기 원주 상에 형성되는 접선 방향 사이의 각(이하, 블레이드 회전 피치각)을 변경시킬 수 있다. 상기 회전 피치각 조절부(600)는 상기 상부 연결체부(300) 및 상기 하부 연결체부(400) 중 다른 하나에 인접하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 회전 피치각 조절부(600)는 상기 하부 연결체부(400)와 인접하게 배치될 수 있다. 한편, 상기 회전 피치각 조절부(600)에 대한 자세한 설명은 별도의 도면들을 이용하여 자세하게 설명하고자 한다.
상기 연결체 지지부(700)는 상기 상부 연결체부(300) 및 상기 하부 연결체부(400) 사이에 배치되어, 상기 상부 연결체들(320) 및 상기 하부 연결체들(420)을 지지할 수 있다. 상기 연결체 지지부(700)는 상기 블레이드들(100)과 함께 상기 회전축(A)을 중심으로 회전 가능하도록 상기 중심 몸체부(200)와 결합될 수 있다.
상기 수직축 풍력발전 장치는 풍향 감지부(미도시), 풍속 감지부(미도시), 요잉(yawing)부(미도시), 브레이크부(미도시) 및 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 풍향 감지부는 바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성하고, 상기 제어부와 전기적으로 연결되어 상기 풍향 정보를 실시간으로 제공한다. 상기 풍속 감지부는 바람의 풍속을 감지하여 풍속 정보를 생성하고, 상기 제어부와 전기적으로 연결되어 상기 풍속 정보를 실시간으로 제공한다. 이때, 상기 풍향 감지부 및 상기 풍속 감지부는 상기 중심 몸체부(200) 또는 상기 베이스 지지부에 연결되어 고정될 수 있다.
상기 요잉부는 상기 중심 몸체부(200)와 연결되어 상기 회전 피치각 조절부(600)을 회전시킬 수 있다. 이때, 상기 요잉부는 상기 회전 피치각 조절부(600)만을 회전시키거나, 상기 중심 몸체부(200)와 함께 상기 회전 피치각 조절부(600)를 회전시킬 수 있다. 상기 브레이크부는 상기 상부 연결체부(300) 및 상기 하부 연결체부(400) 중 적어도 어느 하나와 연결되어 상기 블레이드들(100)의 회전을 정지시킬 수 있다.
상기 제어부는 상기 풍향 감지부로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 요잉부를 제어할 수 있다. 또한, 상기 제어부는 상기 풍속 감지부로부터 제공된 상기 풍속 정보가 기준 속도 이상이라고 판단되면, 상기 브레이크부를 제어하여 상기 블레이드들(100)의 회전을 정지시킬 수 있다.
이하, 상기 회전 피치각 조절부(600)에 대해 자세하게 설명하고자 한다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 회전 피치각 조절부를 상세하게 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2의 회전 피치각 조절부의 일부를 확대해서 도시한 확대 평면도이며, 도 4는 도 2의 회전 피치각 조절부의 일부를 확대해서 도시한 확대 사시도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 회전 피치각 조절부(600)는 복수의 캠 팔로워 유닛들(610), 가이드 캠 유닛(620), 캠 지지 유닛(630), 복수의 각조절 로드암들(640), 복수의 캠 로드암들(650) 및 로드암 회전유닛(660)을 포함할 수 있다.
상기 캠 팔로워 유닛들(610)은 상기 블레이드들(100)과 각각 대응되게 배치되고, 상기 가이드 캠 유닛(620)에 이동 가능하도록 결합된다.
상기 가이드 캠 유닛(620)는 상기 캠 팔로워 유닛들(610)이 이동할 때 캠 가이드 경로를 따라 이동하도록 상기 캠 팔로워 유닛들(610)을 가이드한다. 이때, 상기 캠 가이드 경로는 상기 회전축(A)에 수직한 평면 상에 상기 중심 몸체부(200)의 외곽을 감싸도록 형성된다. 예를 들어, 상기 캠 가이드 경로는 상기 회전축(A)에서 상기 캠 가이드 경로 중 상기 회전축(A)과의 거리가 최대인 거리 최대점을 연결하는 캠 장축 방향(C)을 기준으로 대칭이 되는 형상을 가질 수 있다.
상기 캠 지지유닛(630)은 상기 가이드 캠 유닛(620)을 상기 중심 몸체부(200)에 연결시켜 고정시킨다. 이때, 상기 캠 지지유닛(630)은 상기 요잉부와 연결되어 상기 요잉부에 의해 상기 회전축(A)을 중심으로 회전될 수 있다. 그 결과, 상기 캠 가이드 경로에서의 상기 캠 장축 방향(C)이 회전될 수 있다.
상기 각조절 로드암들(640)은 상기 블레이드들(100)과 상기 캠 팔로워 유닛들(610) 사이를 각각 연결한다. 예를 들어, 상기 각조절 로드암들(640)은 상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들(100)의 하단 및 상기 캠 팔로워 유닛들(610) 사이를 각각 연결할 수 있다. 여기서, 상기 블레이드들(100)이 상기 원주를 따라 회전할 때, 상기 캠 팔로워 유닛들(610)이 상기 캠 가이드 경로를 따라 이동하여, 상기 블레이드 회전 피치각이 조절될 수 있다.
상기 캠 로드암들(650)은 상기 캠 팔로워 유닛들(610)과 상기 중심 몸체부(200) 사이를 각각 연결하여, 상기 캠 팔로워 유닛들(610)을 지지할 수 있다. 또한, 상기 캠 로드암들(650)은 상기 캠 팔로워 유닛들(610)이 상기 캠 가이드 경로에 따라 이동할 때, 상기 회전축(A)을 중심으로 함께 회전할 수 있다.
상기 로드암 회전유닛(660)은 상기 회전축(A)을 중심으로 회전되도록 상기 캠 로드암들(650)을 상기 중심 몸체부(200)와 결합시킨다. 이때, 상기 로드암 회전유닛(660)는 자체 회전을 통해 상기 캠 로드암들(650)을 회전시킬 수도 있지만, 자체는 고정된 상태로 상기 캠 로드암들(650)만을 회전시킬 수도 있다.
본 실시예에서, 상기 캠 장축 방향(C)이 바람의 풍향(W)에 대해 회전 방향으로 일정한 각을 이룰 때, 상기 블레이드들(100)로 최대 평균토크가 발생될 수 있다. 예를 들어, 상기 캠 장축 방향(C)이 상기 바람의 풍향(W)에 대해 시계 방향으로 90도의 각을 이룰 때, 상기 발전기부(500)는 최대 효율로 전력을 생성할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 제어부는 최대 효율의 전력이 발생되도록 상기 요잉부를 실시간으로 제어할 수 있다. 즉, 상기 제어부는 상기 풍향 감지부로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 캠 장축 방향(C)이 상기 바람의 풍향(W)에 대하여 상기 일정한 각을 유지하도록 상기 요잉부를 제어할 수 있다.
도 5는 도 2의 회전 피치각 조절부에 의해 변경되는 블레이드들 각각의 변화를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 상기 블레이드들(100)은 시계 방향으로 회전할 때, 각도 변화구간, 저항 회피구간 및 항력 구간을 순차적으로 거치며 회전할 수 있다.
상기 각도 변화구간은 상기 블레이드들(100) 각각에서의 블레이드 회전 피치각이 급격히 변경되는 구간일 수 있다. 상기 저항 회피구간은 상기 블레이드들(100) 각각의 장축 방향이 상기 바람의 풍향(W)과 마주하도록 유지시켜, 바람의 저항을 최소화하며 일부 양력을 받을 수 있는 구간이다. 상기 항력 구간은 상기 바람에 의해 실제 대부분의 상기 블레이드들(100)의 회전 동력이 발생되는 구간이다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 상기 블레이드들(100)이 상기 회전축(A1)을 중심으로 회전할 때, 상기 캠 팔로워 유닛(610)이 상기 가이드 캠 유닛(620)에 의해 형성된 상기 캠 가이드 경로를 따라 이동하면서 상기 각조절 로드암들(640)을 제어함에 따라, 상기 블레이드들(100) 각각의 블레이드 회전 피치각이 안정적으로 변경될 수 있다. 그로 인해, 상기 수직축 풍력발전 장치는 최대 효율로 전력을 생성하면서 장기간 동안 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 상기 가이드 캠 유닛(620)은 제작자에 따라 다양한 궤적을 갖는 캠 가이드 경로를 형성할 수 있어, 상기 블레이드들(100) 각각의 블레이드 회전 피치각을 원하는 패턴에 따라 변경시킬 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 블레이드 200 : 중심 몸체부
300 : 상부 연결체부 310 : 하부 연결몸체
320 : 하부 연결체 400 : 하부 연결체부
410 : 하부 연결몸체 420 : 하부 연결체
500 : 발전기부 600 : 회전 피치각 조절부
610 : 캠 팔로워 유닛 620 : 가이드 캠 유닛
630 : 캠 지지유닛 640 : 각조절 로드암
650 : 캠 로드암 660 : 로드암 회전유닛
700 : 연결체 지지부

Claims (10)

  1. 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 각각이 상기 회전축과 평행한 방향(이하, 회전축 방향이라 함)으로 연장된 형상을 갖는 복수의 블레이드들;
    상기 회전축을 중심으로 상기 회전축 방향을 따라 길게 연장된 중심 몸체부;
    상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들의 상단과 연결되고, 상기 중심 몸체부와 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 상부 연결체부;
    상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들의 하단과 연결되고, 상기 중심 몸체부와 연결되어 상기 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 하부 연결체부;
    상기 상부 연결체부 및 상기 하부 연결체부 중 어느 하나에 연결되고, 상기 블레이드들의 회전에 의해 발생되는 회전 동력을 전력으로 변경시킬 수 있는 발전기부; 및
    복수의 캠 팔로워 유닛들, 상기 회전축에 수직한 평면 상에 상기 중심 몸체부의 외곽을 감싸도록 형성된 캠 가이드 경로를 따라 이동하도록 상기 캠 팔로워 유닛들을 가이드하는 가이드 캠 유닛, 상기 가이드 캠 유닛을 상기 중심 몸체부에 고정시키는 캠 지지유닛, 및 상기 블레이드들과 상기 캠 팔로워 유닛들 사이를 각각 연결하는 복수의 각조절 로드암들을 포함하는 회전 피치각 조절부를 포함하고,
    상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 회전할 때, 상기 캠 팔로워 유닛들이 상기 캠 가이드 경로를 따라 이동하여, 상기 회전축 방향에 수직한 방향으로 절단하여 형성된 종단면에서의 장축 방향 및 상기 원주 상에 형성되는 접선 방향 사이의 각(이하, 블레이드 회전 피치각)이 조절되는 수직형 풍력발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캠 가이드 경로는
    상기 회전축과 상기 캠 가이드 경로 중 상기 회전축과의 거리가 최대인 거리 최대점을 연결하는 캠 장축 방향을 기준으로 대칭이 되는 형상을 갖는 수직형 풍력발전 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 블레이드들은
    각도 변화구간, 저항 회피구간 및 항력 구간을 순차적으로 거치며 회전하는 수직형 풍력발전 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발전기부는
    상기 캠 장축 방향이 바람의 풍향에 대해 회전 방향으로 90도의 각을 이룰 때, 최대 효율로 전력을 생성하는 수직형 풍력발전 장치.
  5. 제2항에 있어서, 바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성하는 풍향 감지부;
    상기 중심 몸체부와 연결되어 상기 장축 방향을 회전시킬 수 있는 요잉(yawing)부; 및
    상기 풍향 감지부로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 캠 장축 방향이 회전되도록 상기 요잉부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 수직형 풍력발전 장치.
  6. 제5항에 있어서, 바람의 풍속을 감지하여 풍속 정보를 생성하는 풍속 감지부; 및
    상기 상부 연결체부 및 상기 하부 연결체부 중 적어도 어느 하나와 연결되어 상기 블레이드들의 회전을 정지시킬 수 있는 브레이크부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 풍속 감지부로부터 제공된 상기 풍속 정보가 기준 속도 이상이라고 판단되면, 상기 브레이크부를 제어하여 상기 블레이드들의 회전을 정지시키는 수직형 풍력발전 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 회전 피치각 조절부는
    상기 캠 팔로워 유닛들과 상기 중심 몸체부 사이를 각각 연결하고, 상기 캠 팔로워 유닛들이 상기 캠 가이드 경로에 따라 이동할 때, 상기 회전축을 중심으로 함께 회전하는 복수의 캠 로드암들을 더 포함하는 수직형 풍력발전 장치.
  8. 제8항에 있어서, 상기 회전 피치각 조절부는
    상기 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 캠 로드암들을 상기 중심 몸체부와 결합시키는 로드암 회전유닛을 더 포함하는 수직형 풍력발전 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 회전 피치각 조절부는
    상기 상부 연결체부 및 상기 하부 연결체부 중 다른 하나에 인접하게 배치된 수직형 풍력발전 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 발전기부는
    상기 상부 연결체부 및 상기 중심 몸체부의 상단 사이에 배치되어, 상기 상부 연결체부의 회전 동력에 의해 전력을 생성하고,
    상기 각조절 로드암들은
    상기 회전축 방향으로의 상기 블레이드들의 하단 및 상기 캠 팔로워 유닛들 사이를 각각 연결하는 수직형 풍력발전 장치.
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