KR20220084514A - 수직축 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기에 있어서, 지면에 대해 수직으로 설치되는 내부지지부재; 상기 내부지지부재의 상부에 수직으로 연결되며, 풍력에 의해 회전하는 수직회전축; 상기 수직회전축의 상부 및 하부에 결합되는 한 쌍의 내부디스크와, 상기 수직회전축의 외측 둘레를 따라 상기 내부디스크 사이에 등간격으로 배치되는 복수 개의 내부블레이드를 포함하며, 상기 수직회전축과 함께 회전하는 내부회전유니트; 및 상기 한 쌍의 내부디스크의 외측 둘레를 따라 형성된 한 쌍의 외부디스크와, 상기 외부디스크 사이에 등간격으로 배치되어 상기 내부회전유니트로 유입되는 바람이 와류(vortex)를 형성하도록 유도하는 복수 개의 외부블레이드를 포함하는 외부고정유니트;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 외부고정유니트에 바람을 일정시간 동안 체류시킴으로써 항력을 증가시키고, 유입되는 바람이 와류를 형성하도록 하여 풍력 및 풍속 증가를 통해 내부회전유니트의 회전속도를 높여 전기 에너지 생산 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

수직축 풍력발전기{Vertical axis wind turbine}

본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부고정유니트에 바람을 일정시간 동안 체류시킴으로써 항력을 증가시키고, 유입되는 바람이 와류를 형성하도록 하여 풍력 및 풍속 증가를 통해 내부회전유니트의 회전속도를 높여 전기 에너지 생산 효율이 향상된 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

최근 과다한 화석연료의 사용으로 인한 환경오염과 지구온난화가 가속화되어 생태계의 교란이 발생하고 심지어 인류의 생존이 위협받고 있는 실정이다. 또한 화석연료의 경우 사용가능한 양이 한정되어 있어 화석연료가 고갈되기 이전에 대체 에너지의 확보가 시급한 실정이다. 특히, 환경 파괴를 최소화하는 녹색 에너지를 화석연료의 대체 에너지로 확보할 필요가 있다. 녹색 에너지로는 태양열 에너지, 태양광 에너지, 풍력 에너지, 조력 에너지, 지열 에너지 등이 있으며, 그 중 풍력에너지는 무공해 및 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고 바람이 부는 어느 곳에든지 풍력 장치를 설치할 수 있기 때문에 설치 위치에 대한 제약이 없으며 공해 물질을 전혀 배출하지 않는 특징이 있다.

이러한 풍력 발전에서 전기를 생산하기 위한 회전력을 발생하는 부분을 '풍력발전기(wind turbine)'이라 하며, 회전축의 설치 방향에 따라 수직축 풍력발전기와 수평축 풍력발전기로 구분된다. 수직축 풍력발전기는 날개의 회전축이 지면에 대하여 수직으로 설치된 장치로, 다리우스(darrieus)형, 사보니우스(savonius)형, 에어로포일(aerofoil)형이 있다. 이러한 수직축 풍력발전기는 바람의 방향에 관계없이 회전력을 발생할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

이러한 수직축 풍력발전기는 종래기술 '대한민국특허청 등록특허 제10-1944098호 수직형 이중반전 풍력발전기'와 같이, 수직 또는 수평으로 설치되어 풍력에 의해 상호 반대방향으로 회전하는 2대의 풍력터빈을 결합한 이중반전 풍력 발전기에 있어서, 대칭되는 중공된 원판형의 상/하부 베인 지지판 사이 둘레를 따라 등간격으로 고정 설치되며, 만곡되는 굴곡(curve)형의 단면을 형성하는 다수의 가이드 베인을 포함하여, 풍력터빈 외측에 구성되는 루버부 및 대칭상태로 폐쇄된 원판형의 상/하부 날개 지지판 사이 외측 둘레를 따라 등간격으로 설치되며, 상기 가이드 베인과 대향되는 다리우스형, 사보니우스형 및 에어로포일형의 복합형 단면을 형성하는 터빈날개를 포함하여, 상기 루버부 내측으로 이격되도록 구성되는 로터부를 포함하며, 상기 루버부는 일측에 고정되어 내측으로 풍력을 유도하고, 상기 로터부는 중심에 발전부와 연결되는 회전축이 결합되어, 상기 루버부로부터 유도되는 풍력에 의해 발생되는 양력과 항력 및 와류를 동시에 받아 회전하며, 상기 가이드 베인은 터빈날개 보다 많은 개수를 형성하는 기술이 알려져 있다.

이러한 종래기술의 경우 바람의 속도에 영향을 많이 받으며, 낮은 풍속에서는 터빈날개를 제대로 구동시킬 수 없다는 단점이 있다.

대한민국특허청 등록특허 제10-1944098호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 외부고정유니트에 바람을 일정시간 동안 체류시킴으로써 항력을 증가시키고, 유입되는 바람이 와류를 형성하도록 하여 풍력 및 풍속 증가를 통해 내부회전유니트의 회전속도를 높여 전기 에너지 생산 효율이 향상된 수직축 풍력발전기를 제공하는 것이다.

상기한 목적은, 지면에 대해 수직으로 설치되는 내부지지부재; 상기 내부지지부재의 상부에 수직으로 연결되며, 풍력에 의해 회전하는 수직회전축; 상기 수직회전축의 상부 및 하부에 결합되는 한 쌍의 내부디스크와, 상기 수직회전축의 외측 둘레를 따라 상기 내부디스크 사이에 등간격으로 배치되는 복수 개의 내부블레이드를 포함하며, 상기 수직회전축과 함께 회전하는 내부회전유니트; 및 상기 한 쌍의 내부디스크의 외측 둘레를 따라 형성된 한 쌍의 외부디스크와, 상기 외부디스크 사이에 등간격으로 배치되어 상기 내부회전유니트로 유입되는 바람이 와류(vortex)를 형성하도록 유도하는 복수 개의 외부블레이드를 포함하는 외부고정유니트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 내부블레이드는, 상기 내부디스크의 중심축으로부터 외주면을 향해 연장된 선에 대해 일정한 경사각을 갖도록 경사지게 배치되며, 상기 외부블레이드는, 상기 외부디스크의 중심축으로부터 외주면을 향해 연장된 선에 대해 일정한 경사각을 갖도록 경사지게 배치되며, 상기 내부블레이드보다 큰 경사각을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수직축 풍력발전기는, 상기 외부고정유니트의 하부에 설치되어 지면으로부터 상기 외부고정유니트를 지지하는 외부지지부재;를 포함하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 외부고정유니트에 바람을 일정시간 동안 체류시킴으로써 항력을 증가시키고, 유입되는 바람이 와류를 형성하도록 하여 풍력 및 풍속 증가를 통해 내부회전유니트의 회전속도를 높여 전기 에너지 생산 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 사시도이고,
도 2는 수직축 풍력발전기의 분해사시도이고,
도 3은 수직축 풍력발전기의 상부 단면도이고,
도 4는 수직축 풍력발전기의 측부 단면도이다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수직축 풍력발전기의 사시도이고, 도 2는 수직축 풍력발전기의 분해사시도이고, 도 3은 수직축 풍력발전기의 상부 단면도이고, 도 4는 수직축 풍력발전기의 측부 단면도이다.

본 발명에 따른 수직축 풍력발전기(10)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 내부지지부재(100), 수직회전축(200), 연결부재(300), 내부회전유니트(400), 외부고정유니트(500) 및 외부지지부재(600)를 포함한다.

내부지지부재(100)는, 지면에 대해 수직으로 설치되는 관 형상으로 이루어지며, 수직회전축(200) 및 내부회전유니트(400)를 지지하는 구성이다. 이러한 내부지지부재(100)는 후술할 수직회전축(200)과 달리 회전하지 않고 지면에 고정되어 수직회전축(100) 및 내부회전유니트(400)를 받치는 역할을 한다.

수직회전축(200)은, 내부지지부재(100)의 상부에 수직으로 연결되며, 풍력에 의해 회전하는 구성이다. 즉, 내부지지부재(100)는 수직으로 축선을 가지며, 수직회전축(200)은 내부지지부재(100)의 축선으로부터 연장된 축선이 형성되도록 배치된다. 이러한 수직회전축(200)은 지면에 고정된 내부지지부재(100)와 달리 바람이 불때 풍력에 의해 회전하게 되며, 회전을 이용하여 수직회전축(200)과 연결된 발전기부(미도시)를 통해 전기를 생산할 수 있게 된다. 이는 풍력 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것을 의미한다.

연결부재(300)는, 내부지지부재(100)와 수직회전축(200)을 연결하기 위해 내부지지부재(100) 및 수직회전축(200)의 사이에 결합되는 구성으로, 지면에 고정된 수직회전축(200)의 상부에서 내부지지부재(100)가 자유롭게 회전할 수 있도록 연결부재(300)는 커플링(coupling) 또는 베어링(bearing)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

내부회전유니트(400)는, 수직회전축(200)에 결합되어 수진회전축(200)과 함께 회전하는 구성으로, 한 쌍의 내부디스크(410) 및 복수 개의 내부블레이드(420)를 포함한다.

한 쌍의 내부디스크(410)는 수직회전축(200)의 상부 및 하부에 결합하여 사이에 공간을 형성하는 구성으로, 각 내부디스크(410)는 중앙영역에 내부관통공(411)이 형성된 도넛 형상으로 이루어진다. 이러한 한 쌍의 내부디스크(410)가 형성하는 공간에는 복수 개의 내부블레이드(420)가 배치되며, 이러한 내부블레이드(420)의 상부 및 하부에 내부디스크(410)가 결합되어 내부블레이드(420)를 지지하게 된다. 여기서 내부디스크(410)의 중앙영역에 형성된 내부관통공(411)에 수직회전축(200)의 상단부 및 하단부가 각각 일부 노출되도록 결합할 수 있으나 이러한 형상에 한정되지는 않는다.

복수 개의 내부블레이드(420)는, 수직회전축(200)의 외측 둘레를 따라 한 쌍의 내부디스크(410) 사이에 등간격으로 배치된다. 내부블레이드(420)는 내부회전유니트(400)로 유입된 바람의 풍속에 의해 밀리면서 내부회전유니트(400) 및 수직회전축(200)을 회전시키기 위한 구성으로, 풍력에너지를 전기에너지로 전환하기 위한 구성에 해당한다. 이러한 내부블레이드(420)는 수직회전축(200)의 외측 둘레를 따라 방사상으로 복수 개가 배치되는데, 도 3에 도시된 바와 같이 내부디스크(410)의 중심축으로부터 외주면을 향해 연장된 내부직경선(L1)에 대해 일정한 경사각을 갖도록 경사지게 배치된다.

이때 내부블레이드(420)의 경사각은 30 내지 50˚로 이루어지는 것이 바람직하다. 만약 내부블레이드(420)의 경사각이 30˚ 미만일 경우 낮은 풍속에서 내부회전유니트(400)가 회전하기 어려우며, 50˚를 초과할 경우에도 마찬가지로 내부블레이드(420) 사이로 바람의 유입이 어려워 낮은 풍속에서 내부회전유니트(400)가 회전하기 어렵게 된다.

외부고정유니트(500)는, 내부회전유니트(400)의 외측 둘레를 따라 형성되는 원통 형상으로, 한 쌍의 외부디스크(510) 및 복수 개의 외부블레이드(520)를 포함한다.

한 쌍의 외부디스크(510)는, 한 쌍의 내부디스크(410)의 외측 둘레를 따라 형성된 도넛 형상의 디스크로, 중앙영역에 내부디스크(410)가 배치될 수 있도록 외부관통공(511)을 형성한다. 이러한 외부디스크(510)는 내부디스크(410)와 일정 간격 이격된 상태로 배치되어 내부회전유니트(400)가 회전할 때 방해되지 않도록 하며, 한 쌍으로 배치되는 외부디스크(510) 사이의 공간에는 후술할 외부블레이드(520)가 배치된다.

복수 개의 외부블레이드(520)는, 내부회전유니트(400)의 외측 둘레를 따라 한 쌍의 외부디스크(510) 사이에 등간격으로 배치된다. 외부블레이드(520)는 내부회전유니트(400)의 외측 둘레를 따라 방사상으로 복수 개가 배치되는데, 이러한 외부블레이드(520)는 외부디스크(510)의 중심축으로부터 외주면을 향해 연장된 외부직경선(L2)에 대해 일정한 경사각을 갖도록 경사지게 배치된다.

외부블레이드(520)가 경사각을 갖도록 배치되면, 복수 개의 외부블레이드(520) 사이에 바람이 유입되는 공간의 간격이 외부에서 내부를 향할수록 점진적으로 감소하는 구조로 이루어지게 된다. 이와 같이 복수 개의 외부블레이드(520) 간 간격이 점점 감소할수록 유입되는 바람의 풍속 및 풍력이 증가하게 되며, 풍속 및 풍력이 증가한 바람이 내부블레이드(420) 사이에 유입되면 내부회전유니트(400)를 빠르게 회전시킬 수 있게 된다. 이때 외부블레이드(520)의 경사각은 내부블레이드(420)의 경사각보다 큰 경사각을 가지는 것이 바람직한데, 이는 외부블레이드(520) 사이로 유입되는 바람의 체류 시간을 증가시키기 위함이다.

외부에서 수직축 풍력발전기(10)로 유입되는 바람은 가장 먼저 외부고정유니트(500)의 외부블레이드(520) 사이로 유입되고, 외부블레이드(520)를 지나 내부회전유니트(400)의 내부블레이드(420) 사이로 유입되면서 풍속에 의해 내부회전유니트(400)를 회전시켜 전기 에너지를 생산하게 된다. 이때 외부블레이드(520)는 내부회전유니트(400)로 유입되는 바람이 와류(vortex)를 형성하도록 유도하는 구성에 해당한다.

상세하게는 유입되는 바람이 외부고정유니트(500)에서 일정시간 동안 체류시킴으로써 항력(drag)을 향상시키고, 항력이 향상된 바람이 내부블레이드(420) 사이로 유입되면서 강한 풍력에 의해 내부회전유니트(400)가 빠르게 회전하게 된다. 특히 외부고정유니트(500)의 경우 회전하지 않고 고정된 상태이기 때문에 외부고정유니트(500)로 바람이 유입되면서 외부고정유니트(500)를 회전시키지 않으며, 이에 의해 풍력이 사용되지 않기 때문에 유입된 풍력이 제 힘을 유지하게 된다.

뿐만 아니라 경사각을 가지도록 배치된 복수 개의 외부블레이드(520)에 의해 와류를 형성하기 때문에 오히려 풍력이 증가되며, 이후 내부회전유니트(400)로 유입될 때에는 풍력이 강해져 내부회전유니트(400)를 더 강한 힘으로 회전시키게 된다. 이에 의해 내부회전유니트(400)는 외부고정유니트(500)가 구비되지 않을 때보다 더 빠르게 회전하게 되어 많은 전기에너지를 생산할 수 있게 된다.

바람직하게 외부블레이드(520)의 경사각은 50 내지 70˚로 이루어질 수 있다. 만약 외부블레이드(520)의 경사각이 50˚ 미만일 경우 와류를 충분히 형성하지 못하게 되며, 경사각이 70˚를 초과할 경우 외부블레이드(520) 사이로 바람이 유입되기 용이하지 못하다는 문제점이 있다.

외부지지부재(600)는, 외부고정유니트(500)의 하부에 설치되어 지면으로부터 외부고정유니트(500)를 지지하는 구성으로, 도 1에 도시된 바와 같이 복수 개의 기둥으로 이루어지는 것이 바람직하나 이에 한정되지 않고 원통형 등으로 이루어질 수도 있다.

회전축지지부재(700)는, 수직회전축(200)이 회전가능하도록 수직회전축(200)의 상부에 결합되며, 수직회전축(200)으로부터 외부디스크(520) 방향으로 연장되어 외부디스크(520)의 상면에 결합된다. 이와 같은 회전축지지부재(700)에 의해 수직회전축(200)이 기울어지지 않고 안정적으로 회전할 수 있다.

종래의 수직축 풍력발전기는, 블레이드가 장착된 내부유니트와 외부유니트로 별도로 구비된 구조로 이루어져 있더라도 내부유니트와 외부유니트가 함께 회전하는 구조로 이루어져 있다. 이와 같은 경우 내부유니트 뿐만 아니라 외부유니트를 회전시켜야 하는 힘이 필요하기 때문에 낮은 풍속 및 풍력에서는 제대로 회전하지 못한다는 단점이 있었다. 하지만 본 발명에 따른 수직축 풍속발전기(10)의 경우, 내부회전유니트(400)는 풍력에 의해 회전하지만 외부고정유니트(500)는 회전하지 않으며, 외부고정유니트(500)가 고정된 상태로 바람의 와류를 형성하기 때문에 풍속이 낮은 바람이 들어오더라도 외부고정유니트(400) 내에서 항력이 증가된다. 이로 인해 유입된 바람의 풍력 및 풍속이 증가하여 내부회전유니트(400)를 용이하게 회전시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10: 수직축 풍력발전기
100: 내부지지부재
200: 수직회전축
300: 연결부재
400: 내부회전유니트
410: 내부디스크
411: 내부관통공
420: 내부블레이드
500: 외부고정유니트
510: 외부디스크
511: 외부관통공
520: 외부블레이드
600: 외부지지부재
700: 회전축지지부재
L1: 내부직경선
L2: 외부직경선

Claims (3)

1. 지면에 대해 수직으로 설치되는 내부지지부재;
   상기 내부지지부재의 상부에 수직으로 연결되며, 풍력에 의해 회전하는 수직회전축;
   상기 수직회전축의 상부 및 하부에 결합되는 한 쌍의 내부디스크와, 상기 수직회전축의 외측 둘레를 따라 상기 내부디스크 사이에 등간격으로 배치되는 복수 개의 내부블레이드를 포함하며, 상기 수직회전축과 함께 회전하는 내부회전유니트; 및
   상기 한 쌍의 내부디스크의 외측 둘레를 따라 형성된 한 쌍의 외부디스크와, 상기 외부디스크 사이에 등간격으로 배치되어 상기 내부회전유니트로 유입되는 바람이 와류(vortex)를 형성하도록 유도하는 복수 개의 외부블레이드를 포함하는 외부고정유니트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 내부블레이드는,
   상기 내부디스크의 중심축으로부터 외주면을 향해 연장된 선에 대해 일정한 경사각을 갖도록 경사지게 배치되며,
   상기 외부블레이드는,
   상기 외부디스크의 중심축으로부터 외주면을 향해 연장된 선에 대해 일정한 경사각을 갖도록 경사지게 배치되며, 상기 내부블레이드보다 큰 경사각을 가지는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 수직축 풍력발전기는,
   상기 외부고정유니트의 하부에 설치되어 지면으로부터 상기 외부고정유니트를 지지하는 외부지지부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기.

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