WO2014081219A1 - 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치 - Google Patents

수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치 Download PDF

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WO2014081219A1
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노영규
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코리아로팍스 주식회사
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    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a tilt type rotary wing device for vertical wind power generation, and more specifically, by rotating the wing member so that the wing plate is parallel to the wind direction when the reverse direction with respect to the wind direction so that the vertical axis receives only the forward rotational force by the wind power
  • the wind power generation efficiency can be maximized, and in particular, the tilt structure can be simplified to improve more stable operation, and the wing member can be rotated in the vertical direction to the ground to improve the installation space.
  • the present invention relates to a tilt type rotary vane device for vertical wind power generation.
  • Wind power generation refers to a power generation method in which wind energy is converted into mechanical energy (rotational power) through a rotating shaft using a windmill, and the mechanical energy is converted into electrical energy by driving a generator to obtain power. It is not only the most economical among the new renewable energy sources, but also has the advantage of being able to generate power using the wind, a clean energy source for unlimited use, and actively invested not only in Europe where the wind power industry was developed but also in the Americas and Asia recently. It is happening.
  • wind power generation has not only cost-effective aspects such as improving the price competitiveness of electric power production costs and minimizing the required area of power generation system, but also the social and environmental aspects such as protecting the global environment such as alternative energy sources and fogging of fossil energy depletion.
  • the government is actively supporting the dissemination of wind power generation due to economic advantages such as the stability of supply and the reduction of dependence on energy imports. Accordingly, it is expected that the growth of wind power generation will accelerate in Korea.
  • Such wind power generation can be classified into a horizontal wind power generator in which the rotating shaft is installed horizontally with respect to the ground and a vertical wind power generator in which the rotating shaft is installed perpendicular to the ground according to the direction of the rotation axis of the blade.
  • the horizontal wind power generator is more efficient and stable, so most of the commercial wind farms have been applied to the horizontal wind generator.
  • the horizontal wind power generator is the most common type, and has the advantage of realizing high power generation efficiency, but it is difficult to smoothly generate power in areas where the wind direction changes frequently, and expensive installation is possible because major components including the rotor are installed at a high level. Not only is it expensive, its maintenance is not easy, and it has a disadvantage that is structurally vulnerable to strong winds such as typhoons.
  • the vertical wind power generator can generate power regardless of the direction of the wind. Since the main components such as the gearbox and the generator are installed on the ground, the installation cost is low and the maintenance is performed. Has the advantage of being easy.
  • the horizontal power generator is preferred as described above because the vertical power generator is less efficient than the horizontal power generator.
  • the vertical wind power generator is structurally one side of the rotor blade (a1) is rotated in the forward direction (same direction as the wind direction) by the wind Converts the energy of (W) into the mechanical rotational force of the rotary shaft (b), but resists the rotation of the rotary shaft (b) because the opposite side (a2) of the rotary blade is rotated against the wind It will act as a mechanical energy conversion efficiency is bound to fall.
  • the present inventors have developed a patented tilt rotary wing device for a vertical wind power generator (Patent No. 10-1180832).
  • the prior patent has a configuration in which the wing plate of the wing member is tilted so as to be horizontal to the wind direction in the reverse rotation and perpendicular to the wind direction in the forward rotation, so that only the forward rotational force by the wind is applied to the wing member and the reverse rotation of the wing member is performed.
  • By minimizing the resistance by the wind has an excellent advantage that can increase the wind power generation efficiency.
  • the tilt configuration is composed of a fixed gear, a rotating gear, a pair of wing guiders, the configuration is relatively complicated, the manufacturing cost is increased and stable tilt operation for a long time due to damage or breakage of the gear This can be difficult, and there are aspects that require attention to maintenance.
  • the prior patent has a structure in which the wing member is rotated in a horizontal direction with respect to the ground around the vertical axis, because the wing member must be designed to be sized to receive sufficient wind power, the installation radius around the vertical axis as a whole
  • This problem has been found to be limited due to the installation space, which makes it difficult to install in places where sufficient installation space is not provided, such as dense housing areas or lush mountainous areas, or the government or local governments. Even if the installation space is determined by the law, it may happen that the situation cannot be properly dealt with.
  • wind power generation has not only cost-effective aspects such as improving the price competitiveness of electric power production costs and minimizing the required area of power generation system, but also the social and environmental aspects such as protecting the global environment such as alternative energy sources and fogging of fossil energy depletion.
  • the government is actively supporting the dissemination of wind power generation due to economic advantages such as the stability of supply and the reduction of dependence on energy imports.
  • Such wind power generation can be classified into a horizontal wind power generator in which the rotating shaft is installed horizontally with respect to the ground and a vertical wind power generator in which the rotating shaft is installed perpendicular to the ground according to the direction of the rotation axis of the blade.
  • the horizontal wind power generator is more efficient and stable, so most of the commercial wind farms have been applied to the horizontal wind generator.
  • the horizontal wind power generator is the most common type, and has the advantage of realizing high power generation efficiency, but it is difficult to smoothly generate power in areas where the wind direction changes frequently, and expensive installation is possible because major components including the rotor are installed at a high level. Not only is it expensive, its maintenance is not easy, and it has a disadvantage that is structurally vulnerable to strong winds such as typhoons.
  • the vertical wind power generator can generate power regardless of the direction of the wind. Since the main components such as the gearbox and the generator are installed on the ground, the installation cost is low and the maintenance is performed. Has the advantage of being easy.
  • the horizontal power generator is preferred as described above because the vertical power generator is less efficient than the horizontal power generator.
  • the vertical wind power generator is structurally one side (a1) of the rotor blades while the wind rotates in the forward direction (the same direction as the wind direction) by the wind Converts the energy of (W) into the mechanical rotational force of the rotary shaft (b), but resists the rotation of the rotary shaft (b) because the opposite side (a2) of the rotary blade is rotated against the wind It will act as a mechanical energy conversion efficiency is bound to fall.
  • a tilt type rotary wing device for a vertical wind power generator (No. 10-1180832).
  • Applicant's prior patent has a configuration in which the wing plate of the wing member is tilted to be horizontal to the wind direction at the reverse rotation and vertical to the wind direction at the forward rotation, so that only the forward rotational force by the wind is applied to the wing member, There is an excellent advantage that can increase the wind power generation efficiency by minimizing the resistance by reverse rotation.
  • the wing member is a structure that rotates in the horizontal direction with respect to the ground around the vertical axis, since the wing member must be designed to receive a sufficient wind power, the installation around the vertical axis as a whole As a result of the increase in the radius, the problem of limiting the installation space has been found. Therefore, it is difficult to install in a place where sufficient installation space is not provided, such as a dense area of a house or a forested mountain, or the government or local government. Even if the installation space was decided by the law, the situation could not be properly dealt with.
  • the present invention is proposed to solve the above-mentioned problems, the object of the present invention is to increase the wind power generation efficiency by increasing the wind power generation efficiency by tilting the wing member so that only the forward rotational force by the wind is applied to the vertical power shaft It is to provide a tiltable rotary wing device for vertical wind power generation that can be used stably for a long time without problems of maintenance by improving the tilt structure to enable simple and stable tilt operation.
  • another object of the present invention is to improve the structure to apply the rotational force to the vertical power shaft while the wing member is rotated in the vertical direction by vertical wind power tilt that can be installed in a variety of places without being significantly restricted in the installation space It is to provide a rotary blade device.
  • a rotating force is applied to the vertical power shaft while revolving horizontally by wind power around the tilt drum, and a wing member consisting of a wing stem and a blade plate is fixed to one end of the wing stem center, and the other end is fixed to the track rail.
  • the tilt guider is installed to move along the track rail when the blade member is idle, the track rail is spaced equally on both sides of the blade path, and formed alternately at 180 ° intervals, as long as the diagonal It consists of a straight rail portion and a reverse rail portion of a straight line connected to the pair of switching rails, the tilt guider is the wing member Move the vane vertically with the wind direction while moving forward (same direction as the wind direction), and make the vane horizontal with the wind direction while moving along the reverse rail during reverse direction (opposite direction).
  • a tilt type rotary vane device for vertical wind power generation characterized in that the wing members are rotated by 90 ° so that the wing plates are tilted vertically or horizontally with the wind direction while passing through the pair of switching rails.
  • a vertical power shaft a wind direction interlocking member which is installed independently of the vertical power shaft and rotates in accordance with the change of the wind direction, and a horizontal rotation shaft which is installed to penetrate the wind direction interlocking member in a horizontal direction while being coupled to the vertical power shaft for power transmission.
  • a tilt drum which is horizontally fixed to the wind direction interlocking member and has a track rail formed along an outer circumference of the side surface, and applies rotational force to a horizontal rotating shaft while revolving vertically by wind power around the tilt drum.
  • Wing member consisting of a wing plate, and the other end is fixed to the center of the end of the wing stem and the other end is installed on the track rail includes a tilt guider to move along the track track when the wing member revolves, the track rail is a wing member Alternately spaced on both sides of the revolving path, and formed alternately at 180 ° intervals.
  • a tiltable rotary vane for vertical wind power generation characterized by rotating.
  • a rotation induction inclination portion for rotating the member by 90 ° is formed so that the wing tilt member is perpendicular to the wind direction when the wing member revolves in the forward direction, and parallel to the wind direction when revolving in the reverse direction.
  • Disclosed is a tiltable rotary vane for vertical wind power generation.
  • the tilt of the wing member is made of only a single tilt guider moving along the track rail, unlike the conventional gear operation method, the configuration is simple and the manufacturing cost is reduced, and the tilt operation of the wing member is stable and smooth for a long time. There are also advantages that can be achieved.
  • the installation radius centered on the vertical power shaft can be greatly reduced, and accordingly, it is easily installed without any limitation of the place without being greatly restricted by the installation space. It also has the advantage of making progress.
  • FIG. 1 is a front view showing the overall configuration of the tilt-type rotary wing device for vertical wind power generation according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of Figure 1
  • FIG. 3 is a view showing a tilt drum according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view showing a wing member and a tilt guider according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view illustrating a revolution of the wing member according to the first embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a front view showing the overall configuration of the tilt-type rotary wing device for vertical wind power generation according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a cross-sectional view of Figure 6,
  • FIG. 8 is a view illustrating a revolution of the wing member according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a front view showing the overall configuration of a tilt-type rotary wing device for vertical wind power generation according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of FIG. 9,
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of the wing member and the wing tilt member
  • FIG. 14 is an exemplary cross-sectional view illustrating a rotation operation of the guider member in the rotation induction tilt portion and the rotation application tilt portion,
  • 15 is a conventional exemplary view illustrating blade rotation of a conventional vertical wind power generator.
  • rotation refers to the rotation of the wing member itself irrespective of the axis of rotation (that is, the vertical power axis or horizontal axis of rotation below), that is, of the wing member. It means that the blade plate is rotated by the wing stem to the center of rotation, the corresponding idling means that the wing member is rotated around the axis of rotation (that is, the vertical power axis or horizontal axis of rotation below).
  • forward and backward as used throughout the present specification mean a direction based on the wind direction, and the forward direction may be understood to mean the same direction as the wind direction, and the reverse direction may mean the opposite direction of the wind direction, and thus the wing
  • the forward rotation of the member means that the wing member revolves in the same direction as the wind direction within the range of 0 ° to 180 °, and the reverse rotation indicates that the wing member is within the rotation angle of 180 ° to 360 ° (or 0 °). It is meant to revolve in the opposite direction to the wind direction, and the terms rotation and idle, forward and reverse used in the following should all be understood to have the meanings described above.
  • Tilt type rotary wing device 100 for wind power generation includes a vertical power shaft 110, a wind direction interlocking member 120, a tilt drum 130, a wing member 140, and a tilt guider 150 It can be done by.
  • the vertical power shaft 110 is a rotation shaft that is installed perpendicular to the ground.
  • the vertical power shaft 110 may be installed to be connected to the generator through the power transmission means, such as a conventional vertical wind power generator, accordingly the rotational power of the vertical power shaft 110 generated by the wind power generator It can be fully understood that it can be applied to generate electricity.
  • the power transmission means such as a conventional vertical wind power generator
  • the wind direction interlocking member 120 is installed independently of the vertical power shaft 110, and thus is freely rotated in association with the change of the wind direction regardless of the rotation of the vertical power shaft 110.
  • the wind direction interlocking member 120 may be provided with a wind direction indicating member (not shown) that provides a rotational force to the wind direction interlocking member in accordance with the change of the wind direction, the configuration and operation of such a wind direction indicating member is disclosed in detail in the above-mentioned prior documents, etc. The detailed description is omitted since it is an element.
  • wind direction interlocking member 120 is freely rotated irrespective of the vertical power shaft 110, as shown in Figure 2, the support structure 111 and the swing bearing (swing bearing) and the outside of the vertical power shaft 110 and Through the same support bearing (B) can be installed coupled.
  • the tilt drum 130 rotates the wing member 140 revolved by wind power through the interaction with the tilt guider 150, which will be described later, and the wing plate 142 when the wing member 140 rotates forward with respect to the wind direction.
  • the wing plate 142 is in a horizontal state with the wind direction to perform a function to receive the minimum reverse rotational force.
  • the tilt drum 130 is vertically fixed to the wind direction interlocking member 120 while its center portion is penetrated by the vertical power shaft 110.
  • the tilt drum 130 is vertical power. It is independent of the rotation of the shaft 110, the rotation is made when the wind direction interlocking member 120 is rotated in accordance with the change in the wind direction.
  • a track rail 131 for guiding the tilt guider 150 to be described later is formed on the outer periphery of the side of the tilt drum 130.
  • the track rail 131 is a closed rail which is continuously formed while rotating the outer circumference of the side of the tilt drum 130 by 360 °.
  • FIG. 5 illustrates a track rail 131 in a state where the tilt drum 130 is deployed for convenience of description.
  • the forward rail part 132 and the reverse rail part 133 are respectively straight lines.
  • the forward rail portion 132 and the reverse rail portion 133 is formed to be spaced apart from each other by the same distance on the basis of the revolving path (R) of the wing member 140 to be described later.
  • the pair of switching rails 134 and 135 are rail parts connecting the forward rail part 132 and the reverse rail part 133 to each other at both ends of the forward rail part 132 and the reverse rail part 133.
  • the wing member 140 which will be described later, revolves along the revolving path (R) around the tilt drum (130), and rotates in a forward or reverse direction in a reverse rotation or a reverse rotation at an angle of 180 ° with respect to the wind direction. Will be converted to rotation.
  • the forward rail portion 132 is formed within the range of 0 ° to 180 °, which is the forward revolution angle of the wing member 140
  • the reverse rail portion 133 is formed within the range of 180 ° to 360 ° (or 0 °), which is the reverse revolution angle.
  • the pair of switching rails 134 and 135 are formed in an oblique line shape symmetrically at 0 ° (360 °) and 180 ° portions to connect the forward rail part 132 and the reverse rail part 133 to each other. .
  • the wing member 140 is defined as a reverse conversion point (PN) and the point is converted to the reverse idle in the reverse direction
  • the reverse conversion point (NP) is defined as a reverse conversion point (NP)
  • the 0 ° ( 360 °) portion of the switching rail 134 is connected to the positive rail portion 132 from the reverse rail portion 133 acts as a reverse conversion point (NP)
  • 180 ° portion of the switching rail portion 135 is a forward rail portion
  • the forward conversion point (PN) and reverse conversion point (NP) is a position that changes according to the direction of the wind, that is, the wind direction (W), if the wind direction (W) changes the wind direction interlocking member 120 and fixed thereto
  • the relative position with respect to the wind direction of the forward conversion point PN and the reverse conversion point NP is constantly adjusted.
  • the wing member 140 is for applying the rotational force by the wind to the vertical power shaft 110, as shown in Figure 4, fixed to the wing stem 141 and the wing stem 141 having a predetermined length It consists of a wing plate 142 of a predetermined area.
  • the wing member 140 is applied to the rotational power by the wind power to the vertical power shaft 110 while rotating (360 degrees) in the horizontal direction with respect to the ground around the tilt drum (130), Rather than being completely fixed to the vertical power shaft 110, its own rotation (ie, rotation) is possible.
  • the vertical power shaft 110 is fixed to the wing support member 143 that is rotated with the vertical power shaft 110 is installed, the wing support member 143 is a wing member (
  • the wing stem 141 of the 140 may be provided with a stem support pipe 144 of the pipe type is installed through.
  • the wing member 140 of the above configuration may be provided in plurality at a predetermined angle interval. That is, the drawings illustrate that two wing members 140 are installed at 180 ° intervals for convenience, but three or four at 90 ° intervals may be installed at 120 ° centering on the vertical power shaft 110. It is.
  • the tilt guider 150 performs a function of tilting the wing member 140 while moving along the track rail 131 of the tilt drum 130 when the wing member 140 is idle.
  • the tilt guider 150 extends at an angle of 45 ° to the wing plate 142 while one end is fixed to the end center of the wing stem 141.
  • the rail 131 is installed.
  • the other end of the tilt guider 150 is installed on the track rail 131 rail rollers 151 to rotate along the track rail 131 to reduce the friction when moving along the track rail 131 to enable a smooth movement ) May be provided.
  • the tilt guider 150 is a track rail (when the wing member 140 revolves forward) ( While moving along the forward rail portion 132 of 131, the wing plate 142 is idle while maintaining a perpendicular to the wind direction, and passes through the conversion rail portion 135 of the 180 ° portion of the forward and reverse conversion point (PN) While rotating the wing stem 141 90 ° to tilt the wing plate 142 to be horizontal to the wind direction.
  • the tilted wing plate 142 moves along the reverse rail portion 133 so as to be idle while maintaining the horizontal state with respect to the wind direction. While passing through the switching rail portion 134 of the 360 ° (or 0 °) of the wing stem 141 is rotated 90 ° again to act to tilt the wing plate 142 to be perpendicular to the wind direction.
  • FIGS. 6 to 8 are views showing a tilt type rotary wing device for vertical wind power generation according to the second embodiment of the present invention, as shown, the tilt type for vertical wind power generation according to the second embodiment of the present invention as shown
  • the rotary wing device 200 includes a vertical power shaft 210, a wind direction interlocking member 220, a tilt drum 230, a wing member 240, and a tilt guider 250. Same as the embodiment, but further comprises a horizontal rotating shaft 260, in the above-described first embodiment the wing member 140 is configured to horizontally orbit about the ground around the vertical power shaft 110 In contrast, in the second embodiment, there is a big difference that the wing member 240 is configured to revolve in the vertical direction with respect to the ground with respect to the horizontal rotating shaft 260.
  • the vertical power shaft 210 is installed perpendicular to the ground, the wind direction interlocking member 220 is independently installed on the vertical power shaft 210 to be interlocked according to the change in the wind direction.
  • both ends of the wind direction interlocking member 220 have horizontal rotation shafts (
  • the shaft support part 221 to which the tilt drum 230 is fixed is formed while supporting the 260 rotatably.
  • the horizontal rotating shaft 260 is installed in the horizontal direction through the shaft support 221 of the wind direction interlocking member 220 in the wind direction interlocking member 220, the horizontal rotation shaft 260 is the wind direction interlocking member 220 Even if the wind direction is changed by being installed in the horizontal rotating shaft 260 is interlocked with the wind direction interlocking member 220, the shaft line (shaft line) can always maintain the vertical state with respect to the wind direction.
  • the horizontal rotating shaft 260 is coupled to the power transmission so as to transmit a rotational force to the vertical power shaft 210, the horizontal rotating shaft 260 is installed horizontally with respect to the ground, the vertical power shaft 210 is Since it is installed perpendicular to the ground, the horizontal rotating shaft 260 may be coupled to the vertical power shaft 210 through a bevel gear as shown as an example in FIG.
  • the tilt drum 230 has the same configuration as that of the first embodiment, that is, the track rail 231 composed of the forward rail part 232, the reverse rail part 233, and the pair of switching rail parts 234 and 235 is formed on the side surface of the tilt drum 230. It is made of a configuration formed along the outer periphery, as shown in Figure 7, the shaft support portion 221 of the wind direction interlocking member 220, while the center is penetrated through the horizontal rotation shaft 260 instead of the vertical power shaft 210 Fixed installation in the horizontal direction is made.
  • the wing member 240 is composed of a wing stem 241 and a wing plate 242 in the same manner as in the first embodiment, as shown in Figure 7, not on the vertical power shaft 210, but on the horizontal rotation shaft 260
  • the stem support pipe 244 of the installed wing support member 243 is rotatably installed.
  • the wing member 240 applies a rotational force to the horizontal rotation shaft 260 while revolving in the vertical direction with respect to the ground, the rotational force of the horizontal rotation shaft 260 is transmitted to the vertical power shaft 210.
  • the tilt guider 250 also has the same configuration as that of the first embodiment, that is, one end is fixed to the center of the end of the wing stem 241 and extends at an angle of 45 ° to the wing plate 242, and the other end of which extends the tilt drum ( It consists of a configuration that is installed on the track rail 231 of 230.
  • the tilt drum 230 and the tilt guider 250 have only a difference between the tilt drum 130 and the tilt guider 150 of the first embodiment described above with respect to the ground in the installation direction. The same operation as described in the first embodiment is performed.
  • the tilt guider 250 moves along the positive rail portion 232 of the track rail 231, and the wing plate 242.
  • Is to be idle while maintaining a perpendicular state to the wind direction and when the reverse idle is moving along the reverse rail portion 233 so that the wing plate 242 is idle while maintaining the horizontal state in the wind direction, reverse conversion
  • the tilt guider 250 passes through the switch rail portion 234 of the 360 ° (or 0 °) portion of the point NP and the switch rail portion 235 of the 180 ° portion of the forward and reverse point PN, respectively.
  • 241 are rotated by 90 ° each to tilt the vane 242 so that it is vertical or horizontal relative to the wind direction.
  • the wing member 240 does not apply a rotational force by wind power directly to the vertical power shaft 210, and the rotational force is applied to the vertical power shaft 210 via the horizontal rotation shaft 260 additionally installed.
  • the wing member 240 has a structure that rotates in the vertical direction with respect to the ground, so that the installation space is significantly compared to the first embodiment in which the wing member 140 is rotated in the horizontal direction with respect to the ground Can be reduced.
  • the horizontal axis of rotation by installing a pair of tilt drum 230, the wing member 240, the tilt guider 250 on both sides of the horizontal rotation shaft 260 around the vertical power shaft 210 Since it can be configured to apply a rotational force to the (260) it is possible to transmit a larger rotational force to the vertical power shaft 210 in preparation for the same wind power.
  • the tilting operation of the wing members 140 and 240 is the same in the first embodiment and the second embodiment, as described above, except that there is only a difference between horizontal or vertical idle with respect to the ground, respectively.
  • Referring to Figure 8 will be described the operation based on the wing member 240 according to the second embodiment.
  • the wing member 240 When the wing member 240 revolves about the tilt drum 230 in the vertical direction with respect to the ground, the wing member 240 first rotates forward with respect to the wind direction W from 0 ° to 180 °.
  • the tilt guider 250 is moved along the positive rail portion 232 formed in a straight line on one side of the revolving path (R), so the wing plate 242 maintains a vertical state with the wind direction (W), accordingly
  • the member 240 rotates forward while applying the maximum forward rotational force by the wind to the horizontal rotation shaft 260.
  • the blade member 240 reaches a revolving angle of 180 °, and the tilt guider 250 functions as a forward / backward transformation point (PN).
  • PN forward / backward transformation point
  • the direction of the forward rail 232 is reversed to the reverse rail 233.
  • the wing stem 241 is rotated by 90 ° while the wing plate 242 is horizontal to the wind direction W. Tilt will be made.
  • the tilt guider 250 is straight on the other side of the rotation path R. Since the wing plate 242 is moved along the reverse rail portion 233 formed in the horizontal direction as it is, the wing member 240 is applied to the horizontal rotating shaft 260 by the wind power accordingly Reverse idle with minimal reverse torque.
  • the wing member 240 When the reverse rotation continues by the wind as described above, the wing member 240 reaches a rotation angle of 360 ° (or 0 °) which is converted from the reverse direction to the forward direction again, and the tilt guider 250 is the reverse conversion point NP. While passing through the diagonal rail-shaped switching rail 234 functioning as a reverse direction from the reverse rail portion 233 to the forward rail portion 232, accordingly the wing stem 241 is rotated 90 ° again wings Plate 242 is tilted again perpendicular to the wind direction (W).
  • the wing member 240 has only the maximum forward rotational force on the horizontal rotating shaft 260 while repeating the reversing and tilting processes in the forward and reverse directions as described above.
  • the maximum forward rotational force applied to the horizontal rotation shaft 260 as described above is transmitted to the gear-driven vertical power shaft 210 to be able to improve the energy conversion efficiency in the same wind power.
  • the tilt-type rotary wing device for wind power generation may include a horizontal rotating shaft 310, a wing member 320, a guider member 330, and a wing tilt member 340.
  • the horizontal rotating shaft 310 is rotated by the wind power to perform the function of transmitting the rotational force by the wind to the vertical power shaft 350 of the wind turbine, for this purpose, the horizontal rotating shaft 310 is a vertical power shaft of the wind turbine It is coupled via the gear with 350.
  • the horizontal rotation shaft 310 is installed such that its shaft line is horizontal to the ground and perpendicular to the wind direction (that is, the direction crossing the wind direction).
  • the horizontal rotation shaft 310 is installed horizontally with respect to the ground
  • the vertical power shaft is installed vertically with respect to the ground, so as a gear that combines the horizontal rotation shaft 310 and the vertical power shaft (350) Language may be employed.
  • the horizontal rotating shaft 310 is provided with a wing member 320 to be described later to apply the rotational force by the wind to the horizontal rotating shaft 310 bar, the installation of the horizontal rotating shaft 310 for the wing member 320 At the end, a shaft body 311 having a larger diameter than the horizontal rotating shaft 310 may be formed.
  • the wing member 320 is for applying the rotational force by the wind to the horizontal rotating shaft 310, the wing stem 321 having a predetermined length and the wing plate 322 is fixed to the rear end side of the wing stem 321 )
  • the wing stem 321 is installed on the shaft body 311 of the horizontal rotating shaft 310, when the rotational force is applied by the wind power while rotating the horizontal rotating shaft 310 as the center of rotation the horizontal rotating shaft 310 ) To apply the rotational force.
  • the wing stem 321 is not completely fixed to the horizontal rotation shaft 310 is characterized in that it is installed to enable rotation.
  • the wing head 323 may be formed at the tip of the wing stem 321, and the shaft body 311 of the horizontal rotating shaft 310 in which the wing stem 321 is installed.
  • a rotating space portion 312 having the same shape as the wing head 323 and a stem through hole 313 extending from the rotating space portion 312 and penetrating the shaft body 311 may be formed therein.
  • the wing head 323 is accommodated to be rotated in the rotating space portion 312 of the shaft body 311, the wing stem 321 is the shaft body (313) through the stem through hole (313) The wing member 320 is installed on the shaft body 311 as a structure extending outwardly of the 311.
  • the wing member 320 can rotate regardless of the rotation of the horizontal rotating shaft 310 and when rotating by the wind at the same time by rotating the horizontal rotating shaft 310 together to rotate the rotating force to the horizontal rotating shaft 310 It can be applied.
  • the term “forward direction” means that the wing member 20 revolves in the same direction as the wind direction W. As shown in FIG. 13, the wind blows from the front side (F) toward the rear side (R). As illustrated, the forward direction should also be understood to mean that the wing member 20 revolves from the front (F) side to the rear (R) side in the same manner as the wind direction (W), and the term reverse is As opposed to the forward direction, that is, the wing member 20 is to be understood to mean the revolving from the rear (R) toward the front (F) in the direction opposite to the wind direction (W).
  • the wing plate 322 is a flat plate shape having a predetermined area when the plate surface is perpendicular to the wind direction is applied to the wing member 320 is the maximum rotational force by the wind and when parallel to the minimum rotational force by the wind Will be added.
  • the wing member 320 of the above configuration may be provided in plural at a predetermined angular interval on the shaft body 311. That is, the drawings illustrate that two wing members 320 are installed at intervals of 180 ° for convenience, but three wing members 20 are installed at intervals of 120 ° around the horizontal rotating shaft 310 or 90 °. Four wing members 320 may be installed at intervals.
  • the guider member 330 is an element that performs the function of tilting the wing member 320 through interaction with the wing tilt member 340 to be described later, the guider member 330 is the wing member 320
  • the wing stem 321 of the guide guider 331 and the reverse guider 332 are formed to protrude to a predetermined length, respectively.
  • the guide guider 331 protrudes from the wing stem 321 in a direction parallel to the plate surface of the wing plate 322, and the reverse guider 332 is perpendicular to the plate surface of the wing plate 322. As it protrudes from the wing stem 321.
  • the guide guider 331 and the reverse guider 332 are formed to protrude at right angles to each other from the wing stem 321, and the guide guider 331 is described later at the time of forward idle of the wing member 320.
  • the reverse guider 332 Inserted into the wing tilt member 340 serves to suppress the rotation of the wing stem 321 in a state in which the wing plate 322 is perpendicular to the wind direction, the reverse guider 332 is the wing member 320 Inserted into the wing tilt member 340 to be described later in the reverse rotation of the wing plate 322 performs a function to suppress the rotation of the wing stem 321 in a state parallel to the wind direction.
  • the wing tilt member 340 is installed on the horizontal rotating shaft 310 to rotate as described above through interaction with the guider member 330 to rotate the wing member 320 revolved by the wind to the wing member (
  • the plate surface of the wing plate 322 is perpendicular to the wind direction so as to receive maximum rotational force by wind power. It will be in a parallel state so as to receive the minimum reverse torque.
  • the wing tilt member 340 is installed on one side of the shaft body 311 while being penetrated by the horizontal rotation shaft 310, the forward orbit groove 341 and the reverse orbit groove 342, and the rotation induction slope ( 343) and the rotation application inclination portion 344.
  • the orbital groove 341 and the orbital groove 342 are recessed grooves formed at a predetermined depth in the wing tilt member 340, and as shown in FIGS. 11 and 13, opposite to the orbital groove 341.
  • the track grooves 342 are each formed in an arc shape.
  • the orbital groove 341 is formed on the upper side and the reverse orbit groove 342 is formed on the lower side with respect to the horizontal rotating shaft 310.
  • the orbital groove 341 and the orbital groove 342 are formed in a symmetrical form on a concentric circle with respect to the horizontal rotation shaft 310, and the front or rear grooves 342 are mutually opposite from the front (F) side and the rear (R) side. It will have overlapping parts.
  • the forward orbital groove 341 and the reverse orbital groove 342 respectively serve to selectively guide the forward guider 331 and the reverse guider 332 of the guider member 330.
  • the guide member 331 is guided when the wing member 320 revolves in the forward direction, and the wing member 320 is reversed in the reverse track groove 342.
  • the guide is made with the reverse guider 332 inserted when idle.
  • the rotationally inclined portion 343 induces rotation of the forward guider 331 and the reverse guider 332 of the guider member 330 to rotate the wing member 320 by 90 °.
  • these rotationally inclined portions 343 are formed in both the orbital groove 341 and the orbital groove 342, respectively.
  • the rotationally inclined portion 343 is formed at the rear (R) side in the orbital groove 341, is formed in the rear (R) side portion of the orbital groove (341) overlapping the reverse orbit groove (342).
  • the reverse orbit groove 342 is formed on the front side F, and is formed on the front side of the reverse orbit groove 342 overlapping the orbital groove 341.
  • the rotationally inclined portion 343 may be formed to be inclined upward from the bottom surface of the orbital groove 341 or the reverse orbital groove 342 to the surface of the wing tilt member 340 in a streamlined manner as shown in FIG. 14. .
  • a locking step 343a may protrude from a lower end of the rotationally inclined portion 343 that meets the bottom surface.
  • the guide guide 331 inserted and guided into the positive orbit groove 341 is rearward of the positive orbit groove 341 according to the forward rotation of the wing member 320.
  • the rotation is induced while being caught by the locking jaw 343a of the rotationally inclined portion 343, and the rotation proceeds while continuously moving along the upwardly inclined surface, and finally, When the rotationally inclined portion 343 is separated, the rotation of 90 ° is made.
  • the wing member 320 also rotates by 90 ° according to the 90 ° rotation of the guide guider 331, while the wing plate 322 is tilted in a state parallel to the wind direction.
  • the reverse guider 332 inserted and guided into the reverse track groove 342 has a rotational induction slope 343 toward the front side of the reverse track groove 342 according to the reverse rotation of the wing member 320.
  • the final induction of the rotationally inclined portion 343 is 90.
  • the rotation of the ° is made, according to the 90 ° rotation operation of the reverse guider 332 also rotates the wing member 320 also 90 ° while the wing plate 322 is tilted in a vertical state in a parallel state to the wind direction Will be done.
  • the rotation applying inclined portion 344 is rotated by the guide induction groove 341 or the reverse guide groove 342 or the guide guider 331 or the reverse guider 332 is rotated by the rotation induction slope 343.
  • the reverse guider 332 or the forward guider 331 corresponding to the element to perform the function to be rotated in conjunction with, the rotational application inclination portion 344 is formed opposite to the rotation induction inclination portion 343 do.
  • the rotation application inclined portion 344 is formed in the forward orbit groove 341 on the front side (F) overlapping the rotation induction inclined portion 343 formed in the reverse orbit groove 342, the reverse orbit groove In 342, the rotation induction inclined portion 343 formed in the orbital groove 341 is formed on the rear (R) side.
  • rotation application inclined portion 344 is formed to be inclined downward from the surface of the wing tilt member 340 to the bottom surface of the orbital groove 341 or the reverse orbit groove 342.
  • the reverse guider 332 inserted into the reverse orbit groove 342 is While the rotation is induced while passing through the rotationally inclined portion 343 in front of the reverse orbit groove 342, the forward guider 331 rotates along the rotation-applying inclination portion 344 in front of the orbital groove 341.
  • the wing member 320 is rotated by 90 ° so that the guide guider 331 is inserted into the orbital groove 341.
  • the tilting operation is performed, and thus the wing plate 322 is wind direction. It continues to run in the forward direction while maintaining the perpendicular to the.
  • the reverse guide inclination portion 343 of the forward guide groove 331 inserted into the positive orbit groove 341 is the opposite of the above exactly.
  • the rotation is induced while the reverse guider 332 is rotated along the rotation application inclination portion 344 at the rear side of the reverse orbit groove 342, and the rotation guide inclination portion 343 is applied.
  • the wing member 320 is rotated by 90 ° again so that the reverse guider 332 is inserted into the reverse orbit groove 342 and the forward guider 331 is the positive orbit groove. Tilt operation is made while being in parallel with the surface of the wing tilt member 340, and the wing plate 322 is to continue the reverse revolution while maintaining the state parallel to the wind direction. .
  • the state in which the guide guider 331 and the reverse guider 332 are rotated together is illustrated, and (b) and (c) show the guide guider 331 at the rotation guide inclination unit 343 for convenience of understanding.
  • the rotation and rotation of the reverse guider 332 in the rotation application tilting portion 344 are shown separately.
  • the wing member 320 and the guide member 330 and the wing tilt member 340 for tilting the wing member 320 form a pair of the vertical power shaft 350. It can be installed symmetrically on both sides of the horizontal axis of rotation 310.
  • the wing tilt members 340 on both sides of the wing tilt member 340 may be fixed to the wind direction interlocking member 360 installed to be freely rotated according to the change of the wind direction while penetrating the central portion by the vertical power shaft 350.
  • the wind direction interlocking member 360 is freely rotated according to the change in the wind direction so that the axis of the horizontal rotating shaft 310 can be always located in a direction perpendicular to the wind direction.
  • the wind direction interlocking member 360 may be provided with a wind direction indicating member (not shown) that provides a rotational force to the wind direction interlocking member in accordance with the change of the wind direction, the configuration and action of such a wind direction indicating member described above Since it is a known element disclosed in detail, etc., the detailed description will be omitted.
  • wind direction interlocking member 360 is freely rotated irrespective of the vertical power shaft 350, as shown in FIG. 10, the support structure 351 and the swing bearing outside the vertical power shaft 350. Through the same support bearing (B) can be installed coupled.
  • the wing members 320 are installed at both sides of the horizontal rotation shaft 310 to apply rotational force to the horizontal rotation shaft 310, thereby allowing a larger rotational force to be transmitted to the vertical power shaft 350 in preparation for the same wind power. .
  • two wing members 320 are installed on the horizontal rotation shaft 310 as an example, and any one of the two wing members 320 may be used for the revolution.
  • the operation state according to the following will be described.
  • the wing tilt member 320 when the wing member 320 is described as starting from the state of revolving in the forward direction (from the front (F) side to the rear (R) side) by the wind, the guide guider 331 at this time, the wing tilt member
  • the reverse guider 332 is parallel to the surface of the wing tilt member 340 while being guided in a state perpendicular to the surface of the head 340 to be inserted into the orbital groove 341 of the wing tilt member 340.
  • the wing plate 322 In the state in which the rotation of the wing stem 321 is suppressed, the wing plate 322 is forwardly revolved while maintaining the vertical direction and the wind direction, so that the maximum forward rotational force by the wind is applied to the horizontal rotating shaft 310. Will be authorized.
  • the wing member 320 reaches a position in which the direction is reversed.
  • the forward guider 331 moves forward according to the forward idle of the wing member 320 as described above.
  • Guided along the groove (341) is moved to the rear of the orbital groove (341) to reach the rotationally inclined portion 343 formed in the orbital groove (341), at the same time the reverse guider 332 is also a reverse orbit groove ( A rotational application inclined portion 344 formed at the rear side of the 342 is reached.
  • the fixed guider 331 is caught by the locking jaw (343a) of the rotationally inclined portion 343 after the rotation starts to rotate along the inclined upward inclined portion (rotation induction slope ( When exiting 343, the rotation becomes 90 °, and the reverse guider 332 passes through the rotation application inclination part 344 while the rotation is performed along the rotation application inclination part 344 according to the rotation of the forward guider 331.
  • the reverse guider 332 passes through the rotation application inclination part 344 while the rotation is performed along the rotation application inclination part 344 according to the rotation of the forward guider 331.
  • it is rotated 90 ° is switched to the state inserted into the reverse orbit groove 342.
  • the wing member 320 since the wing member 320 also rotates by 90 ° according to the 90 ° rotation of the guide guider 331 and the reverse guider 332 as described above, the wing member passes through the part which is switched from the forward direction to the reverse direction as described above. According to the rotation of the 320, the wing plate 322 is tilted in a state parallel to the wind direction.
  • the wing member 320 reaches a position where the direction is changed from the reverse direction to the forward direction again, that is, the reverse guider 332 is the reverse orbit groove according to the reverse revolution of the wing member 320. 342 is moved along the front of the reverse orbit groove 342 to reach the rotationally inclined portion 343 formed in the reverse orbit groove 342, at the same time the guide guider 331 also forward orbit groove 341 It reaches the rotation application inclined portion 344 formed in the front of the).
  • the wing member 320 since the wing member 320 also rotates by 90 ° according to the 90 ° rotation of the reverse guider 332 and the forward guider 331, the wing member passes through the part which is switched from the reverse direction to the forward direction as described above. According to the rotation of the 320, the wing plate 322 is to be made in the vertical direction and the wind direction.
  • the wing member 320 is switched in the forward direction, while repeating the same process as described above again, the wing member 320 is applied to the horizontal rotating shaft 310 only the maximum forward rotational force while continuing to revolve by the wind It is done.
  • the maximum forward rotational force applied to the horizontal rotation shaft 310 as described above is transmitted to the gear shaft-driven vertical power shaft 350 to improve the energy conversion efficiency in the same wind power.

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Abstract

본 발명은 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것으로서, 본 발명은 풍향에 대해 역방향 회전시에는 날개판이 풍향과 수평이 되도록 날개부재를 틸트시켜 수직동력축이 풍력에 의한 정방향 회전력만을 받도록 함으로써 풍력발전효율을 극대화할 수 있으며, 특히 원활한 틸트가 가능하게 틸트구조를 개선함과 함께 날개부재가 지면과 수직방향으로 회전하는 구조로 개선함으로써 설치공간상의 제한을 받지 않고 효율적인 풍력발전을 할 수 있는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것이다. 본 발명은 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것으로서, 본 발명은 풍향에 대해 역방향 회전시에는 날개판의 판면이 풍향과 수평이 되도록 날개부재를 틸트시켜 수직축이 풍력에 의한 정방향 회전력만을 받도록 함으로써 풍력발전효율을 극대화할 수 있으며, 특히 날개부재가 지면과 수직방향으로 회전하는 구조로 개선함으로써 설치공간상의 제한을 받지 않고 모든 장소에 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것이다.

Description

수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치
본 발명은 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍향에 대해 역방향 회전시에는 날개판이 풍향과 수평이 되도록 날개부재를 회전시켜 수직축이 풍력에 의한 정방향 회전력만을 받도록 함으로써 풍력발전효율을 극대화할 수 있으며, 특히 틸트구조를 단순화하면서 보다 안정적인 작동이 가능하게 개선함과 아울러 날개부재가 지면과 수직방향으로 회전하는 구조로 개선함으로써 설치공간상의 제한을 받지 않고 모든 장소에 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 관한 것이다.
풍력발전이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 회전축을 통한 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이러한 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말하는 것으로서, 현재까지 개발된 신재생에너지원 중 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점때문에 일찍이 풍력발전산업이 발달한 유럽은 물론 최근에는 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.
특히, 풍력발전은 전력생산단가의 가격경쟁력 향상 및 발전시스템 설치의 소요면적 최소화 등과 같은 원가적인 측면과, 화석에너지 고갈에 대한 대체에너지원과 온난화방지와 같은 지구환경보호라는 사회환경적 측면과 아울러 공급의 안정성 및 에너지 수입의 의존도 감소라는 경제적인 측면에서의 장점때문에 정부에서도 풍력발전의 보급을 적극 지원하고 있으며, 그에 따라 국내에서도 향후 풍력발전의 성장세가 본격화될 것으로 기대되고 있다.
이러한 풍력발전은 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평형 풍력발전장치와, 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직형 풍력발전장치로 구분할 수 있으며, 현재까지 수직형에 비해 수평형 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평형 풍력발전기가 적용되고 있다.
상기한 수평형 풍력발전장치는 가장 일반적인 형태로서 높은 발전효율을 구현할 수 있는 장점이 있으나, 바람의 방향이 자주 바뀌는 지역에서는 원활한 발전이 어려우며, 회전체를 비롯한 주요 부품들이 높은 곳에 설치되므로 고가의 설치비용이 소요될 뿐만 아니라 그 유지보수가 쉽지 않으며, 태풍 등의 강한 바람에 구조적으로 취약한 단점을 갖고 있다.
이러한 수평형 풍력발전장치의 단점과 비교할 때 상기 수직형 풍력발전장치는 바람의 방향에 관계없이 발전이 가능하며, 증속기 및 발전기 등의 주요 부품들이 지상에 설치되므로 설치비용이 저렴하고 그 유지보수가 용이한 장점을 가지고 있다.
그럼에도 불구하고 전술한 바와 같이 수평형 발전장치가 선호되는 것은 수직형 발전장치가 수평형 발전장치에 비해 그 발전효율이 떨어지기 때문이다.
이것은 수직형 풍력발전장치의 구조적인 문제점으로서, 도 15에 도시된 바와 같이, 수직형 풍력발전장치는 구조적으로 회전날개의 한쪽(a1)은 풍력에 의해 정방향(풍향과 동일한 방향) 회전을 하면서 바람(W)의 에너지를 회전축(b)의 기계적인 회전력으로 변환시키지만, 그 회전날개의 반대쪽(a2)은 풍력에 대해 역방향(풍향의 반대방향) 회전을 하게 되기 때문에 회전축(b)의 회전에 저항으로 작용을 하게 되어 기계적인 에너지의 변환효율이 저하될 수 밖에 없는 것이다.
이러한 수직형 풍력발전장치가 가지고 있는 구조적인 발전효율의 문제점을 인식하여 본 발명자는 수직형 풍력발전장치용 틸트식 회전날개장치를 개발하여 특허를 받았는 바(등록특허 제10-1180832호), 상기 선행특허는 날개부재의 날개판이 역방향 회전시에는 풍향과 수평이 되고 정방향 회전시에는 풍향과 수직이 되도록 틸트시키는 구성으로 이루어져, 날개부재에 풍력에 의한 정방향 회전력만이 가해지고 날개부재의 역회전에 의한 저항력이 최소화됨으로써 풍력발전효율을 증대시킬 수 있는 우수한 장점이 있다.
그러나, 상기 선행특허의 경우, 틸트구성이 고정기어와 회전기어, 한 쌍의 날개가이더로 이루어진 구성으로서, 구성이 비교적 복잡하여 제조비용이 증가됨과 함께 기어의 손상이나 파손 등으로 인해 장시간 안정적인 틸트작동이 어려울 수 있으며, 그에 따라 유지보수에 주의를 기울어야 하는 측면이 있다.
또한, 상기 선행특허는, 날개부재가 수직축을 중심으로 해서 지면과 수평한 방향으로 회전하는 구조인데, 날개부재는 충분한 풍력을 받을 수 있도록 크기가 설계되어야 하기 때문에, 전체적으로 수직축을 중심으로 한 설치반경이 증가될 수 밖에 없어 설치공간상의 제약을 받게 되는 문제점이 발견되었으며, 그에 따라 주택밀집지역이나 수목이 무성한 산간 등과 같이 충분한 설치공간이 주어지지 않은 장소에 설치하기가 곤란하거나 또는, 정부나 지자체 등의 법규에 의해서 설치공간이 정해진 경우에도 적절하게 대처할 수 없는 상황이 발생할 수 있다.
특히, 풍력발전은 전력생산단가의 가격경쟁력 향상 및 발전시스템 설치의 소요면적 최소화 등과 같은 원가적인 측면과, 화석에너지 고갈에 대한 대체에너지원과 온난화방지와 같은 지구환경보호라는 사회환경적 측면과 아울러 공급의 안정성 및 에너지 수입의 의존도 감소라는 경제적인 측면에서의 장점 때문에 정부에서도 풍력발전의 보급을 적극 지원하고 있으며, 그에 따라 국내에서도 향후 풍력발전의 성장세가 본격화될 것으로 기대되고 있다.
이러한 풍력발전은 날개의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평형 풍력발전장치와, 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직형 풍력발전장치로 구분할 수 있으며, 현재까지 수직형에 비해 수평형 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평형 풍력발전기가 적용되고 있다.
상기한 수평형 풍력발전장치는 가장 일반적인 형태로서 높은 발전효율을 구현할 수 있는 장점이 있으나, 바람의 방향이 자주 바뀌는 지역에서는 원활한 발전이 어려우며, 회전체를 비롯한 주요 부품들이 높은 곳에 설치되므로 고가의 설치비용이 소요될 뿐만 아니라 그 유지보수가 쉽지 않으며, 태풍 등의 강한 바람에 구조적으로 취약한 단점을 갖고 있다.
이러한 수평형 풍력발전장치의 단점과 비교할 때 상기 수직형 풍력발전장치는 바람의 방향에 관계없이 발전이 가능하며, 증속기 및 발전기 등의 주요 부품들이 지상에 설치되므로 설치비용이 저렴하고 그 유지보수가 용이한 장점을 가지고 있다.
그럼에도 불구하고 전술한 바와 같이 수평형 발전장치가 선호되는 것은 수직형 발전장치가 수평형 발전장치에 비해 그 발전효율이 떨어지기 때문이다.
이것은 수직형 풍력발전장치의 구조적인 문제점으로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 수직형 풍력발전장치는 구조적으로 회전날개의 한쪽(a1)은 풍력에 의해 정방향(풍향과 동일한 방향) 회전을 하면서 바람(W)의 에너지를 회전축(b)의 기계적인 회전력으로 변환시키지만, 그 회전날개의 반대쪽(a2)은 풍력에 대해 역방향(풍향의 반대방향) 회전을 하게 되기 때문에 회전축(b)의 회전에 저항으로 작용을 하게 되어 기계적인 에너지의 변환효율이 저하될 수 밖에 없는 것이다.
이러한 수직형 풍력발전장치가 가지고 있는 구조적인 발전효율의 문제점을 인식하여 본 출원인은 수직형 풍력발전장치용 틸트식 회전날개장치를 개발하여 특허를 받았는 바(등록특허 제10-1180832호), 상기 본 출원인의 선행특허는 날개부재의 날개판이 역방향 회전시에는 풍향과 수평이 되고 정방향 회전시에는 풍향과 수직이 되도록 틸트시키는 구성으로 이루어져, 날개부재에 풍력에 의한 정방향 회전력만이 가해지고 날개부재의 역회전에 의한 저항력이 최소화됨으로써 풍력발전효율을 증대시킬 수 있는 우수한 장점이 있다.
그러나, 상기 선행특허의 경우에는 날개부재가 수직축을 중심으로 해서 지면과 수평한 방향으로 회전하는 구조인데, 날개부재는 충분한 풍력을 받을 수 있도록 크기가 설계되어야 하기 때문에, 전체적으로 수직축을 중심으로 한 설치반경이 증가될 수밖에 없어 설치공간상의 제약을 받게 되는 문제점이 발견되었으며, 그에 따라 주택밀집지역이나 수목이 무성한 산간 등과 같이 충분한 설치공간이 주어지지 않은 장소에 설치하기가 곤란하거나 또는, 정부나 지자체 등의 법규에 의해서 설치공간이 정해진 경우에도 적절하게 대처할 수 없는 상황이 발생할 수 있었다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안되는 것으로서, 본 발명의 목적은 날개부재를 틸트시켜 풍력에 의한 정방향 회전력만이 수직동력축에 인가되도록 함으로써 풍력발전효율을 증대시킴과 아울러 구성이 단순하면서도 안정적인 틸트작동이 가능하게 틸트구조를 개선하여 유지보수의 문제없이 장시간 안정적인 사용이 가능한 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 날개부재가 수직방향으로 회전하면서 수직동력축에 회전력을 인가할 수 있도록 구조를 개선함으로써 설치공간상의 제약을 크게 받지 않고 다양한 장소에 설치할 수 있는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 과제해결수단으로서,
수직동력축과, 상기 수직동력축에 독립적으로 설치되어 풍향 변화에 따라 연동 회전되는 풍향연동부재와, 상기 풍향연동부재에 수직으로 고정되며, 옆면의 외주연을 따라 궤도레일이 형성된 틸트드럼과, 상기 틸트드럼을 중심으로 풍력에 의해 수평방향 공전하면서 수직동력축에 회전력을 인가하며, 날개스템과 날개판으로 이루어진 날개부재와, 상기 날개스템의 끝단 중심에 일단이 고정되면서 타단은 상기 궤도레일에 설치되어 날개부재의 공전시 궤도레일을 따라 이동하는 틸트가이더를 포함하되, 상기 궤도레일은 날개부재의 공전경로에서 양쪽으로 동일거리 이격됨과 함께 180° 간격을 두고 교대로 형성되면서, 사선 형태인 한 쌍의 전환레일부로 상호 연결되는 직선형태의 정레일부와 역레일부로 이루어지고, 상기 틸트가이더는 상기 날개부재의 정방향(풍향과 동일한 방향) 공전시 정레일부를 따라 이동하면서 상기 날개판이 풍향과 수직이 되게 하고, 역방향(풍향의 반대방향) 공전시 역레일부를 따라 이동하면서 날개판이 풍향과 수평이 되게 하며, 한 쌍의 전환레일부를 통과하면서 날개판이 풍향과 수직 또는 수평으로 틸트되도록 날개부재를 각각 90° 자전시키는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치가 개시된다.
또한, 본 발명의 다른 과제해결수단으로서,
수직동력축과, 상기 수직동력축에 독립적으로 설치되어 풍향 변화에 따라 연동 회전되는 풍향연동부재와, 상기 수직동력축과 동력전달 가능하게 결합되면서 풍향연동부재를 수평방향으로 관통하여 설치되는 수평회전축과, 상기 풍향연동부재에 수평으로 고정되며, 옆면의 외주연을 따라 궤도레일이 형성된 틸트드럼과, 상기 틸트드럼을 중심으로 풍력에 의해 수직방향 공전하면서 수평회전축에 회전력을 인가하며, 날개스템과 날개판으로 이루어진 날개부재와, 상기 날개스템의 끝단 중심에 일단이 고정되면서 타단은 상기 궤도레일에 설치되어 날개부재의 공전시 궤도트랙을 따라 이동하는 틸트가이더를 포함하되, 상기 궤도레일은 날개부재의 공전경로에서 양쪽으로 동일거리 이격됨과 함께 180° 간격을 두고 교대로 형성되면서, 사선 형태인 한 쌍의 전환레일부로 상호 연결되는 직선형태의 정레일부와 역레일부로 이루어지고, 상기 틸트가이더는 상기 날개부재의 정방향(풍향과 동일한 방향) 공전시 정레일부를 따라 이동하면서 상기 날개판이 풍향과 수직이 되게 하고, 역방향(풍향의 반대방향) 공전시 역레일부를 따라 이동하면서 날개판이 풍향과 수평이 되게 하며, 한 쌍의 전환레일부를 통과하면서 날개판이 풍향과 수직 또는 수평으로 틸트되도록 날개부재를 각각 90° 자전시키는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치도 개시된다.
또한, 본 발명의 다른 과제해결수단으로서,
수직형 풍력발전기의 수직동력축에 풍력에 의한 회전력을 인가하는 회전날개장치에 있어서, 상기 수직동력축과 기어 결합되며, 축선이 풍향과는 수직을 이루면서 지면과는 수평한 수평회전축과, 상기 수평회전축에 자전 가능하게 설치되는 날개스템과, 상기 날개스템에 고정되는 날개판을 포함하여, 전방쪽에서 불어오는 바람에 의해서 상기 수평회전축을 중심으로 공전함으로써 수평회전축에 회전력을 인가하는 날개부재와, 상기 날개스템에 형성되되, 상기 날개판의 판면에 대해 수평방향으로 돌출되는 정가이더와, 수직방향으로 돌출되는 역가이더로 이루어지는 가이더부재와, 상기 날개부재가 전방쪽에서 후방쪽으로 정방향(풍향과 동일한 방향) 공전할 때 상기 정가이더가 삽입되어 안내되는 정궤도홈과, 후방쪽에서 전방쪽으로 역방향(풍향과 반대방향) 공전할 때 상기 역가이더가 삽입되어 안내되는 역궤도홈이 형성되고, 상기 정궤도홈의 후방쪽과 역궤도홈의 전방쪽에는 각각 안내되는 정가이더와 역가이더의 회전을 유도하여 날개부재를 90°자전시키는 회전유도경사부가 형성되어, 날개부재가 상기 정방향으로 공전시에는 날개판의 판면이 풍향과 수직이 되게 하고, 상기 역방향으로 공전시에는 풍향과 평행으로 되게 하는 날개틸트부재를 포함하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치가 개시된다.
본 발명에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치에 의하면,
날개부재의 날개판이 역방향으로(풍향의 반대방향으로) 회전시에는 풍향과 평행이 되고 정방향으로(풍향과 동일방향으로) 회전시에는 풍향과 수직이 되도록 틸트되므로 풍력에 의한 정방향 회전력만이 수직동력축에 인가되어 풍력발전효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 날개부재의 틸트가 종래의 기어작동 방식과 달리 궤도레일을 따라 이동하는 단일의 틸트가이더만을 통해 이루어지는 구성이므로 구성이 간단하여 제조비용이 절감됨과 함께 날개부재의 틸트작동이 장시간 안정적이면서 원활하게 이루어질 수 있는 장점도 있다.
또한, 날개부재가 지면에 대해 수직방향으로 회전을 하는 구조이므로 수직동력축을 중심으로 한 설치반경을 대폭 축소할 수 있고, 그에 따라 설치공간상의 제약을 크게 받지 않고 장소의 제한없이 용이하게 설치하여 풍력발전을 할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 전체적인 구성을 나타내는 정면도이고,
도 2는 도 1의 단면구성도이며,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 틸트드럼을 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 날개부재 및 틸트가이더를 나타내는 도면이며,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 날개부재의 공전을 예시한 도면이고,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 전체적인 구성을 나타내는 정면도이며,
도 7은 도 6의 단면구성도이고,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 날개부재의 공전을 예시한 도면이며,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 전체적인 구성을 나타내는 정면도이고,
도 10는 도 9의 단면구성도이며,
도 11은 날개부재와 날개틸트부재의 분해 사시도이고,
도 12는 날개부재와 축몸체의 분해 사시도이며,
도 13은 날개틸트부재의 측면도이고,
도 14는 회전유도경사부와 회전인가경사부에서 가이더부재의 회전작동을 예시한 예시단면도이며,
도 15는 통상의 수직형 풍력발전장치의 날개 회전을 예시한 종래예시도이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로서, 첨부된 도면에서의 요소의 형상, 크기, 요소간의 간격 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 축소되거나 과장되어 표현될 수 있음을 유의하여야 한다.
아울러, 실시예를 설명하는데 있어서 원칙적으로 관련된 공지의 기능이나 공지의 구성과 같이 이미 당해 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 기술적 특징을 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 실시예의 설명에 앞서 먼저 용어를 살펴보면, 명세서 전체에서 사용되는 자전이란 용어는 회전축(즉, 이하의 수직동력축 또는 수평회전축)과는 무관하게 날개부재 자체가 회전하는 것, 즉 날개부재의 날개판이 날개스템을 회전중심으로 하여 회전하는 것을 의미하며, 이에 대응하여 공전이란 용어는 날개부재가 회전축(즉, 이하의 수직동력축 또는 수평회전축)을 회전중심으로 하여 회전하는 것을 의미한다.
그리고, 본 명세서 전체에서 사용되는 정방향 및 역방향이란 용어는 풍향을 기준으로 한 방향을 의미하는 것으로서, 정방향은 풍향과 동일한 방향을, 역방향은 풍향의 반대방향을 의미하는 것으로 이해될 수 있으며, 따라서 날개부재가 정방향 회전한다는 것은 날개부재가 공전각 0°∼ 180°범위 내에서 풍향과 동일한 방향으로 공전하는 것을, 역방향 회전한다는 것은 날개부재가 공전각 180°∼ 360°(또는 0°)범위 내에서 풍향에 대해 반대방향으로 공전하는 것을 의미하게 되며, 이하에서 사용되는 자전 및 공전, 정방향 및 역방향이라는 용어는 모두 상기 설명된 의미를 갖는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 나타내는 도면들로서, 상기 도면들에 도시된 것을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치(100)는 수직동력축(110)과, 풍향연동부재(120)와, 틸트드럼(130)과, 날개부재(140)와, 틸트가이더(150)를 포함하여 이루어질 수 있다.
먼저, 상기 수직동력축(110)은 지면에 수직으로 설치가 되는 회전축이다.
상기 수직동력축(110)은 통상적인 수직형 풍력발전장치와 같이 동력전달수단을 통해 발전기와 연결이 되도록 설치될 수 있으며, 그에 따라 풍력에 의해 발생된 수직동력축(110)의 회전동력이 발전기로 인가되어 전기를 생성할 수 있음은 충분히 이해될 수 있다.
상기 풍향연동부재(120)는 상기 수직동력축(110)에 독립적으로 설치되며, 그에 따라 수직동력축(110)의 회전과는 무관하게 풍향의 변화에 따라 연동하여 자유롭게 회전이 이루어지게 된다.
이러한 풍향연동부재(120)에는 풍향의 변화에 따라 풍향연동부재에 회전력을 제공하는 도시되지 않은 풍향지시부재가 설치될 수 있으며, 이러한 풍향지시부재의 구성 및 작용은 전술한 선행문헌 등에 자세하게 개시된 공지요소이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 풍향연동부재(120)는 수직동력축(110)과 관계없이 자유롭게 회전되도록 도 2에 도시된 것처럼, 수직동력축(110) 외부의 지지구조물(111)과 스윙베어링(swing bearing)과 같은 지지베어링(B)을 통해 결합 설치될 수 있다.
상기 틸트드럼(130)은 후술하는 틸트가이더(150)와의 상호작용을 통해 풍력에 의해 공전하는 날개부재(140)를 자전시켜 상기 날개부재(140)가 풍향에 대해 정방향 공전할 때는 날개판(142)이 풍향과 수직 상태가 되게 하여 풍력에 의해 최대의 회전력을 받도록 하되, 역방향 공전할 때는 상기 날개판(142)이 풍향과 수평 상태가 되게 하여 최소의 역 회전력을 받도록 하는 기능을 수행하게 된다.
상기 틸트드럼(130)은 도 2에 도시된 것처럼, 그 중심부가 수직동력축(110)에 의해 관통되면서 상기 풍향연동부재(120)에 수직으로 고정되며, 따라서 상기 틸트드럼(130)은 수직동력축(110)의 회전과는 무관하게 되고, 상기 풍향연동부재(120)가 풍향변화에 따라 회전될 때 함께 회전이 이루어지게 된다.
이러한 틸트드럼(130)의 옆면 외주연에는 후술하는 틸트가이더(150)를 안내하는 궤도레일(131)이 형성된다.
도 3에 도시된 것처럼, 상기 궤도레일(131)은 틸트드럼(130)의 옆면 외주연을 360°돌면서 연속적으로 형성되는 폐(閉, closed) 레일로서, 정레일부(132)와 역레일부(133) 및 한 쌍의 전환레일부(134, 135)로 구성된다.
도 5에는 설명의 편의를 위해 틸트드럼(130)을 전개한 상태에서의 궤도레일(131)이 도시되어 있는 바, 이에 도시된 것처럼, 상기 정레일부(132)와 역레일부(133)는 각각 직선 형태의 레일부분으로서 180°간격을 두고 교대로 형성이 된다.
특히, 상기 정레일부(132)와 역레일부(133)는 후술하는 날개부재(140)의 공전경로(R)를 기준으로 하여 양쪽으로 동일한 거리 이격되어 형성이 된다.
그리고 한 쌍의 전환레일부(134, 135)는 정레일부(132)와 역레일부(133) 각각의 양쪽 끝부분에서 정레일부(132)와 역레일부(133)를 서로 연결하는 레일부분이다.
여기서, 후술하는 날개부재(140)는 상기 틸트드럼(130)을 중심으로 하여 공전경로(R)를 따라 공전을 하게 되며, 풍향에 대해 공전각 180°마다 정방향 회전에서 역방향으로 또는 역방향 회전에서 정방향 회전으로 변환을 하게 된다.
따라서, 상기 정레일부(132)는 날개부재(140)의 정방향 공전각인 0°∼180°범위 내에 형성되고, 역레일부(133)는 역방향 공전각인 180°∼360°(또는 0°) 범위 내에 형성되며, 상기 한 쌍의 전환레일부(134, 135)는 0°(360°) 와 180°부분에서 각각 대칭을 이루는 사선 형태로 형성되어 정레일부(132)와 역레일부(133)를 서로 연결시킨다.
여기서, 날개부재(140)가 정방향에서 역방향 공전으로 변환되는 지점을 정역변환지점(PN)이라고 정의하고, 역방향에서 정방향 공전으로 변환되는 지점을 역정변환지점(NP)이라고 정의하면, 상기 0°(360°)부분의 전환레일부(134)는 역레일부(133)로부터 정레일부(132)를 연결함으로써 역정변환지점(NP)로 작용하게 되고, 180°부분의 전환레일부(135)는 정레일부(132)로부터 역레일부(133)를 연결함으로써 정역변환지점(PN)으로 작용하게 된다.
그리고 이러한 정역변환지점(PN) 및 역정변환지점(NP)은 바람의 방향, 즉 풍향(W)이 바뀌면 그에 따라서 바뀌는 위치로서, 풍향(W)이 변하게 되면 풍향연동부재(120) 및 그에 고정된 틸트드럼(130)의 연동 회전에 따라 상기 정역변환지점(PN)과 역정변환지점(NP)의 풍향에 대한 상대적인 위치는 일정하게 조정이 이루어지게 된다.
상기 날개부재(140)는 풍력에 의한 회전력을 상기 수직동력축(110)에 인가하기 위한 것으로서, 도 4에 도시된 것처럼, 일정한 길이를 갖는 날개스템(141)과 상기 날개스템(141)에 고정되는 일정 면적의 날개판(142)으로 이루어진다.
이러한 날개부재(140)는 상기 틸트드럼(130)을 중심으로 하여 지면에 대해 수평방향으로 360°회전(즉, 공전)하면서 수직동력축(110)에 풍력에 의한 회전동력을 인가함과 함께, 수직동력축(110)에 완전하게 고정되는 것이 아니라 자체적인 회전(즉, 자전)이 가능하게 설치된다.
이를 위하여, 도 2에 도시된 것처럼, 상기 수직동력축(110)에는 수직동력축(110)과 함께 회전되는 날개지지부재(143)가 고정 설치되고, 상기 날개지지부재(143)에는 날개부재(140)의 날개스템(141)이 통과하여 설치되는 파이프 형태의 스템지지관(144)이 구비될 수 있다.
이에 따라 날개부재(140)가 풍력에 의해 공전하면 날개지지부재(143) 및 수직동력축(110)이 함께 회전됨과 함께 스템지지관(144)을 통과하여 지지된 날개스템(141)은 자전 또한 가능하게 된다.
이러한 날개부재(140)는 날개판(142)이 풍향과 수직을 이루게 되면 풍력에 의한 최대의 회전력을 수직동력축(110)으로 인가하게 되고 수평을 이루게 되면 풍력에 의한 최소의 회전력을 인가하게 된다.
상기한 구성의 날개부재(140)는 일정 각도 간격으로 다수 개가 설치될 수 있다. 즉, 상기 도면들에는 편의상 180°간격으로 2개의 날개부재(140)가 설치된 것을 예시하였으나, 수직동력축(110)을 중심으로 하여 120° 간격으로 3개 또는 90° 간격으로 4개가 설치될 수도 있는 것이다.
상기 틸트가이더(150)는 날개부재(140)의 공전시 상기 틸트드럼(130)의 궤도레일(131)을 따라 이동하면서 상기 날개부재(140)를 틸트시키는 기능을 수행한다.
이러한 틸트가이더(150)는 도 4에 도시된 것처럼, 일단이 상기 날개스템(141)의 끝단 중심에 고정되면서 날개판(142)과는 45°의 각도를 이루어 연장되며, 연장된 타단은 상기 궤도레일(131)에 설치가 된다.
그리고 궤도레일(131)에 설치되는 틸트가이더(150)의 타단에는 상기 궤도레일(131)을 따라 이동시 마찰을 줄이면서 원활한 이동이 가능하도록 궤도레일(131)을 따라 회전운동을 하는 레일롤러(151)가 구비될 수 있다.
이러한 구성에 따라, 상기 날개부재(140)가 공전경로(R)를 따라 공전할 때, 도 5에 도시된 것처럼, 상기 틸트가이더(150)는 날개부재(140)가 정방향 공전할 때는 궤도레일(131)의 정레일부(132)를 따라 이동하면서 날개판(142)이 풍향에 대해 수직상태를 유지하면서 공전이 되도록 하고, 정역변환지점(PN)인 180°부분의 전환레일부(135)를 통과하면서 날개스템(141)을 90°자전시켜 날개판(142)이 풍향에 대해 수평상태가 되도록 틸트시키게 된다.
그리고, 이어서 날개부재(140)가 역방향 공전할 때는 역레일부(133)를 따라 이동하면서 틸트된 날개판(142)이 풍향에 대해 수평상태를 그대로 유지하면서 공전이 되도록 하며, 역정변환지점(NP)인 360°(또는 0°)부분의 전환레일부(134)를 통과하면서 날개스템(141)을 다시 90°자전시켜 날개판(142)이 풍향에 대해 수직상태가 되도록 틸트시키는 작용을 하게 된다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 나타내는 도면들로서, 도시된 것처럼, 본 발명의 제2 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치(200)는 수직동력축(210)과, 풍향연동부재(220)와, 틸트드럼(230)과, 날개부재(240)와, 틸트가이더(250)를 포함함은 전술한 제1 실시예와 동일하되, 수평회전축(260)을 더 포함하고 있으며, 전술한 제1 실시예에서는 날개부재(140)가 수직동력축(110)을 중심으로 지면에 대해 수평방향 공전을 하는 구성임에 반하여, 본 제2 실시예에서는 날개부재(240)가 수평회전축(260)을 중심으로 하여 지면에 대해 수직방향으로 공전을 하는 구성이라는 큰 차이점이 있다.
이에, 이하에서 본 제2 실시예를 설명함에 있어서는, 제1 실시예와 동일한 구성부분에 대해서는 중복되는 상세한 설명을 생략함과 함께 100단위의 도면부호를 200단위의 도면부호로 치환하여 표시하기로 하며, 제1 실시예와 차별화되는 구성부분을 중심으로 상세하게 설명하기로 한다.
먼저, 제1 실시예와 동일하게, 수직동력축(210)은 지면에 수직으로 설치되고, 풍향연동부재(220)는 풍향 변화에 따라 연동되도록 수직동력축(210)에 독립적으로 설치된다.
여기서, 상기 풍향연동부재(220)에는 추가로 수평회전축(260)이 지지되도록 설치됨과 함께 틸트드럼(230)이 수평방향으로 설치되어야 하므로, 이를 위해 풍향연동부재(220)의 양단에는 수평회전축(260)을 회전가능하게 지지하면서 틸트드럼(230)이 고정 설치되는 축지지부(221)가 형성된다.
상기 수평회전축(260)은 상기 풍향연동부재(220)의 축지지부(221)를 관통하여 풍향연동부재(220)에 수평방향으로 설치가 되며, 이렇게 수평회전축(260)이 풍향연동부재(220)에 설치됨으로써 풍향이 변하더라도 수평회전축(260)은 풍향연동부재(220)와 함께 연동되면서 항상 풍향에 대해 그 축선(shaft line)이 수직상태를 유지할 수 있게 된다.
이러한 수평회전축(260)은 상기 수직동력축(210)에 회전력을 전달할 수 있도록 동력전달 가능하게 결합되는데, 상기 수평회전축(260)은 지면에 대해 수평으로 설치되고, 상기 수직동력축(210)은 지면에 대해 수직으로 설치되므로, 도 7에 일 예로서 도시된 것처럼 상기 수평회전축(260)은 수직동력축(210)에 베벌기어를 통해 결합될 수 있다.
그리고 상기 틸트드럼(230)은 제1 실시예와 동일한 구성, 즉 정레일부(232), 역레일부(233), 한 쌍의 전환레일부(234, 235)로 구성된 궤도레일(231)이 옆면의 외주연을 따라 형성되는 구성으로 이루어지되, 도 7에 도시된 것처럼, 수직동력축(210)이 아니라 상기 수평회전축(260)에 중심부가 관통되면서 상기 풍향연동부재(220)의 축지지부(221)에 수평방향으로 고정 설치가 이루어지게 된다.
상기 날개부재(240)는 제1 실시예와 동일하게 날개스템(241)과 날개판(242)으로 구성되되, 도 7에 도시된 것처럼, 수직동력축(210)이 아니라 수평회전축(260)에 설치된 날개지지부재(243)의 스템지지관(244)에 자전 가능하게 설치된다.
이에 따라 날개부재(240)는 지면에 대해 수직방향으로 공전하면서 상기 수평회전축(260)에 회전력을 인가하게 되며, 이러한 수평회전축(260)의 회전력이 수직동력축(210)으로 전달되게 된다.
그리고 상기 틸트가이더(250) 또한 제1 실시예와 동일한 구성, 즉 날개스템(241) 끝단의 중심에 일단이 고정되면서 날개판(242)과 45°각도로 연장되며, 연장된 타단은 틸트드럼(230)의 궤도레일(231)에 설치되는 구성으로 이루어진다.
상기한 틸트드럼(230)과 틸트가이더(250)는 전술한 제1 실시예의 틸트드럼(130)과 틸트가이더(150)와 설치방향에 있어 지면에 대해 수직이냐 수평이냐의 차이만 있을 뿐, 제1 실시예에서 설명한 것과 동일한 작용을 수행한다.
즉, 도 8에 도시된 것처럼, 날개부재(240)가 풍향(W)에 대해 정방향 공전할 때는 틸트가이더(250)가 궤도레일(231)의 정레일부(232)를 따라 이동하면서 날개판(242)이 풍향에 대해 수직상태를 유지하면서 공전이 되도록 하고, 역방향 공전할 때는 역레일부(233)를 따라 이동하면서 날개판(242)이 풍향에 대해 수평상태를 그대로 유지하면서 공전이 되도록 하며, 역정변환지점(NP)인 360°(또는 0°)부분의 전환레일부(234)와 정역변환지점(PN)인 180°부분의 전환레일부(235)를 각각 틸트가이더(250)가 통과하면서 날개스템(241)을 각각 90°자전시켜 날개판(242)이 풍향에 대해 수직 또는 수평상태가 되도록 각각 틸트시키게 되는 것이다.
이렇게 본 제2 실시예는 날개부재(240)가 수직동력축(210)에 직접 풍력에 의한 회전력을 인가시키지 않고 추가로 설치된 수평회전축(260)을 매개로 하여 수직동력축(210)으로 회전력을 전달하는 구성으로서, 날개부재(240)가 지면에 대해 수직방향으로 회전하는 구조를 가짐으로써 날개부재(140)가 지면에 대해 수평방향으로 회전하는 구성인 제1 실시예와 비교할 때 설치공간을 대폭 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 도 6에 도시된 것처럼 수직동력축(210)을 중심으로 수평회전축(260)의 양쪽에 틸트드럼(230), 날개부재(240), 틸트가이더(250)를 한 쌍으로 설치하여 수평회전축(260)에 회전력을 인가하도록 구성할 수 있으므로 동일한 풍력에 대비하여 보다 큰 회전력을 수직동력축(210)으로 전달할 수 있게 된다.
이상으로 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 구성을 상세하게 설명하였는 바, 그 작동에 대해 간단하게 살펴보면 다음과 같다.
여기서, 날개부재(140, 240)의 틸트작동은 전술한 것처럼 제1 실시예와 제2 실시예에 있어 지면에 대해 각각 수평방향 공전이냐 수직방향 공전이냐의 차이만 있을 뿐 동일하므로, 이하에서는 편의상 도 8을 참조하여 제2 실시예에 따른 날개부재(240)를 기준으로 그 작동을 살펴보기로 한다.
날개부재(240)가 틸트드럼(230)을 중심으로 지면에 대해 수직방향으로 공전할 때, 먼저 날개부재(240)가 풍향(W)에 대해 공전각 0°에서 180°쪽으로 정방향 공전하는 상태인 경우, 틸트가이더(250)는 공전경로(R)의 일측에 직선으로 형성된 정레일부(232)를 따라 이동하게 되므로 날개판(242)은 풍향(W)과 수직상태를 유지하게 되며, 그에 따라 날개부재(240)는 풍력에 의한 최대의 정방향 회전력을 수평회전축(260)으로 인가하면서 정방향 공전을 하게 된다.
이렇게 풍력에 의해 정방향 공전이 진행되면서 날개부재(240)가 역방향으로 전환되는 공전각 180°부근에 이르게 되면, 틸트가이더(250)는 정역변환지점(PN)으로 기능하는 사선형태의 전환레일부(235)를 통과하면서 정레일부(232)쪽에서 역레일부(233)쪽으로 방향전환을 하게 되고, 그에 따라 날개스템(241)이 90°자전이 되면서 날개판(242)은 풍향(W)에 대해 수평하게 틸트가 이루어지게 된다.
그리고 틸트 후 계속적으로 날개부재(240)가 풍향(W)에 대해 공전각 180°에서 360°(또는 0°) 쪽으로 역방향 공전할 때는, 틸트가이더(250)가 자전경로(R)의 타측에 직선으로 형성된 역레일부(233)를 따라 이동하게 되므로 날개판(242)은 풍향(W)과 수평상태를 그대로 유지하게 되며, 그에 따라 날개부재(240)는 풍력에 의해 수평회전축(260)에 인가되는 역방향 회전력을 최소화시키면서 역방향 공전을 하게 된다.
이렇게 풍력에 의해 역방향 공전이 계속 진행되면 날개부재(240)는 다시 역방향에서 정방향으로 전환되는 공전각 360°(또는 0°) 부근에 이르게 되며, 이 때 틸트가이더(250)는 역정변환지점(NP)으로 기능하는 사선형태의 전환레일부(234)를 통과하면서 역레일부(233)쪽에서 정레일부(232)쪽으로 다시 방향전환을 하게 되고, 그에 따라 날개스템(241)이 다시 90°자전이 되면서 날개판(242)은 풍향(W)에 대해 다시 수직하게 틸트가 이루어지게 된다.
그리고, 이렇게 날개부재(240)가 틸트되면서 정방향으로 전환되고 나면, 다시 전술한 것과 같은 정방향과 역방향의 공전 및 틸트과정을 반복하면서 날개부재(240)는 수평회전축(260)에 최대한의 정방향 회전력만을 인가할 수 있으며, 상기와 같이 수평회전축(260)에 인가된 최대한의 정방향 회전력은 기어 결합된 수직동력축(210)으로 전달됨으로써 동일한 풍력에 있어 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치를 나타내는 도면들로서, 상기 도면들에 도시된 것을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치는 수평회전축(310)과, 날개부재(320)와, 가이더부재(330)와, 날개틸트부재(340)를 포함하여 이루어질 수 있다.
먼저, 상기 수평회전축(310)은 풍력에 의해 회전되면서 풍력에 의한 회전력을 풍력발전기의 수직동력축(350)으로 전달하는 기능을 수행하며, 이를 위하여 수평회전축(310)은 풍력발전기의 수직동력축(350)과 기어를 통해 결합 된다.
이러한 수평회전축(310)은 그 축선(shaft line)이 지면과는 수평하면서 풍향에 대해서는 수직(즉, 풍향을 가로지르는 방향)이 되도록 설치된다.
여기서, 상기 수평회전축(310)은 지면에 대해 수평으로 설치되고, 상기 수직동력축은 지면에 대해 수직으로 설치되므로, 상기 수평회전축(310)과 수직동력축(350)을 결합하는 기어로는 베벌기어가 채용될 수 있다.
또한, 상기 수평회전축(310)에는 풍력에 의한 회전력을 수평회전축(310)으로 인가하는 후술할 날개부재(320)가 설치되는 바, 상기 날개부재(320)의 설치를 위해 수평회전축(310)의 끝단에는 수평회전축(310) 보다 큰 직경을 갖는 축몸체(311)가 형성될 수 있다.
상기 날개부재(320)는 풍력에 의한 회전력을 상기 수평회전축(310)에 인가하기 위한 것으로서, 일정한 길이를 갖는 날개스템(321)과 상기 날개스템(321)의 후단측에 고정되는 날개판(322)으로 이루어진다.
상기 날개스템(321)은 상기 수평회전축(310)의 축몸체(311)에 설치가 되며, 풍력에 의해 회전력이 가해지는 경우 수평회전축(310)을 회전중심으로 하여 공전을 하면서 상기 수평회전축(310)에 회전력을 인가하는 기능을 수행하게 된다.
이러한 날개스템(321)은 상기 수평회전축(310)에 완전하게 고정 결합이 되는 것이 아니라 자전이 가능하도록 설치되는 특징이 있다.
이를 위하여, 도 12에 도시된 것처럼, 상기 날개스템(321)의 선단에는 날개헤드(323)가 형성될 수 있으며, 날개스템(321)이 설치되는 상기 수평회전축(310)의 축몸체(311) 내부에는 상기 날개헤드(323)와 동일한 형상을 갖는 자전공간부(312)와, 상기 자전공간부(312)로부터 연장되어 축몸체(311)를 관통하는 스템관통구(313)가 형성될 수 있다.
그리고, 상기 날개헤드(323)는 상기 축몸체(311)의 자전공간부(312)에 자전이 가능하도록 수용이 되고, 상기 날개스템(321)은 상기 스템관통구(313)를 통해 축몸체(311)의 외측으로 연장되는 구조로 상기 날개부재(320)가 상기 축몸체(311)에 설치가 이루어지게 된다.
이에 따라 상기 날개부재(320)는 상기 수평회전축(310)의 회전과는 무관하게 자전이 가능한 동시에 풍력에 의해 공전하는 경우에는 수평회전축(310)을 함께 회전시켜 그 회전력을 수평회전축(310)에 인가시킬 수 있게 된다.
이하에서 사용되는 정방향이란 용어는 상기 날개부재(20)가 풍향(W)과 동일한 방향으로 공전하는 것을 의미하는 것으로서, 상기 13에 도시된 것처럼, 바람은 전방(F)쪽에서 후방(R)쪽으로 불어오는 것으로 예시하고 있는 바, 상기 정방향은 또한 날개부재(20)가 풍향(W)과 동일하게 전방(F)쪽에서 후방(R)쪽으로 공전하는 것을 의미하는 것으로도 이해되어야 하며, 역방향이란 용어는 상기 정방향과 반대의 의미로서, 즉 날개부재(20)가 풍향(W)과 반대방향으로 후방(R)쪽에서 전방(F)쪽으로 공전하는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
상기 날개판(322)은 일정한 면적을 갖는 평판 형상으로서 그 판면이 풍향과 수직을 이루게 되면 상기 날개부재(320)에는 풍력에 의한 최대의 회전력이 가해지게 되고 평행을 이루게 되면 풍력에 의한 최소의 회전력이 가해지게 된다.
상기한 구성의 날개부재(320)는 상기 축몸체(311)에 일정 각도 간격으로 다수 개가 설치될 수 있다. 즉, 상기 도면들에는 편의상 180°간격으로 2개의 날개부재(320)가 설치된 것을 예시하였으나, 수평회전축(310)을 중심으로 하여 120° 간격으로 3개의 날개부재(20)가 설치되거나 또는 90° 간격으로 4개의 날개부재(320)가 설치될 수도 있는 것이다.
상기 가이더부재(330)는 후술할 날개틸트부재(340)와의 상호작용을 통해 상기 날개부재(320)가 틸트되도록 하는 기능을 수행하는 요소로서, 상기 가이더부재(330)는 상기 날개부재(320)의 날개스템(321)에서 각각 일정한 길이로 돌출되도록 형성되는 정가이더(331)와 역가이더(332)로 구성될 수 있다.
상기 정가이더(331)는 상기 날개판(322)의 판면과 수평한 방향으로 상기 날개스템(321)에서 돌출이 되며, 상기 역가이더(332)는 상기 날개판(322)의 판면과 수직한 방향으로 상기 날개스템(321)에서 돌출이 된다.
즉, 상기 정가이더(331)와 역가이더(332)는 상기 날개스템(321)에서 상호간에 직각으로 돌출 형성되는 것으로서, 상기 정가이더(331)는 날개부재(320)의 정방향 공전시에 후술한 날개틸트부재(340)에 삽입되어 날개판(322)이 풍향과 수직을 이룬 상태로 날개스템(321)의 자전이 억제되도록 하는 기능을 수행하고, 상기 역가이더(332)는 날개부재(320)의 역방향 공전시에 후술한 날개틸트부재(340)에 삽입되어 날개판(322)이 풍향과 평행을 이룬 상태로 날개스템(321)의 자전이 억제되도록 하는 기능을 수행하게 된다.
상기 날개틸트부재(340)는 상기 가이더부재(330)와의 상호작용을 통해 상기와 같이 자전 가능하게 수평회전축(310)에 설치되어 풍력에 의해 공전하는 날개부재(320)를 자전시켜 상기 날개부재(320)가 풍향에 대해 정방향 공전할 때는 날개판(322)의 판면이 풍향과 수직 상태가 되게 하여 풍력에 의해 최대의 회전력을 받도록 하되, 역방향 공전할 때는 상기 날개판(322)의 판면이 풍향과 평행 상태가 되게 하여 최소의 역 회전력을 받도록 하는 기능을 수행하게 된다.
이러한 날개틸트부재(340)는 상기 수평회전축(310)에 의해 관통되면서 축몸체(311)의 일측에 설치가 되며, 정궤도홈(341)과 역궤도홈(342), 그리고 회전유도경사부(343)와 회전인가경사부(344)를 포함한다.
상기 정궤도홈(341)과 역궤도홈(342)은 날개틸트부재(340)에 일정한 깊이로 형성되는 요입홈으로서, 도 11과 도 13에 도시된 것처럼, 상기 정궤도홈(341)과 역궤도홈(342)은 각각 원호 형태로 형성이 되는데, 상기 수평회전축(310)을 중심으로 하여 정궤도홈(341)은 상측에 형성되고 역궤도홈(342)은 하측에 형성이 된다.
그리고, 정궤도홈(341)과 역궤도홈(342)은 수평회전축(310)을 중심으로 하여 동심원 상에서 상호간 대칭의 형태로 형성이 되며, 전방(F)쪽과 후방(R)쪽에서는 상호 간에 중첩되는 부분을 갖게 된다.
이러한 정궤도홈(341)과 역궤도홈(342)은 각각 상기 가이더부재(330)의 정가이더(331)와 역가이더(332)를 선택적으로 안내하는 기능을 수행하는 바, 상기 정궤도홈(341)에는 상기 날개부재(320)가 정방향으로 공전할 때 상기 정가이더(331)가 삽입이 된 상태로 안내가 이루어지게 되고, 상기 역궤도홈(342)에는 상기 날개부재(320)가 역방향으로 공전할 때 상기 역가이더(332)가 삽입된 상태로 안내가 이루어지게 된다.
상기 회전유도경사부(343)는 상기 가이더부재(330)의 정가이더(331)와 역가이더(332)의 회전을 유도하여 상기 날개부재(320)가 90°자전되면서 틸트되도록 하는 기능을 수행하는 요소로서, 이러한 회전유도경사부(343)는 상기 정궤도홈(341)과 역궤도홈(342) 모두에 각각 형성이 된다.
상기 회전유도경사부(343)는 상기 정궤도홈(341)에는 후방(R)쪽에 형성이 되는데, 역궤도홈(342)과 중첩되는 정궤도홈(341)의 후방(R)쪽 부분에 형성이 되며, 상기 역궤도홈(342)에는 전방(F)쪽에 형성이 되는데, 정궤도홈(341)과 중첩되는 역궤도홈(342)의 전방(F)쪽 부분에 형성이 된다.
이러한 회전유도경사부(343)는 도 14에 도시된 것처럼 정궤도홈(341) 또는 역궤도홈(342)의 바닥면에서 유선형태로 날개틸트부재(340)의 표면까지 상향 경사지게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 바닥면과 만나는 회전유도경사부(343)의 하단에는 걸림턱(343a)이 돌출 형성될 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 도 14에 도시된 것처럼 상기 정궤도홈(341)에 삽입되어 안내되던 정가이더(331)는 날개부재(320)의 정방향 회전에 따라 정궤도홈(341)의 후방(R)쪽 회전유도경사부(343)에 도달하게 되면, 상기 회전유도경사부(343)의 걸림턱(343a)에 걸리면서 회전이 유도되고, 계속적으로 상향 경사진 면을 따라 이동하면서 회전이 진행되어 최종적으로 회전유도경사부(343)를 이탈할 때는 90°의 회전이 이루어지게 된다.
따라서, 이러한 정가이더(331)의 90°회전작동에 따라 날개부재(320)도 역시 90°자전하면서 날개판(322)은 풍향에 대해 수직한 상태에서 평행한 상태로 틸트가 이루어지게 되는 것이다.
이와 반대로, 상기 역궤도홈(342)에 삽입되어 안내되던 역가이더(332)는 날개부재(320)의 역방향 회전에 따라 역궤도홈(342)의 전방(F)쪽 회전유도경사부(343)에 도달하게 되면, 동일하게 회전유도경사부(343)의 걸림턱(343a)에 걸림과 함께 상향 경사진 면을 따라 이동하면서 회전이 진행되어 최종적으로 회전유도경사부(343)를 이탈할 때는 90°의 회전이 이루어지게 되며, 이러한 역가이더(332)의 90°회전작동에 따라 날개부재(320)도 역시 90°자전하면서 날개판(322)은 풍향에 대해 평행한 상태에서 수직한 상태로 틸트가 이루어지게 되는 것이다.
상기 회전인가경사부(344)는 상기 회전유도경사부(343)에 의해서 정궤도홈(341) 또는 역궤도홈(342)에 삽입된 정가이더(331) 또는 역가이더(332)가 회전될 때 이에 대응하는 역가이더(332) 또는 정가이더(331)가 연동하여 회전될 수 있도록 하는 기능을 수행하는 요소로서, 이러한 회전인가경사부(344)는 상기 회전유도경사부(343)와 반대로 형성이 된다.
즉, 상기 회전인가경사부(344)는 상기 정궤도홈(341)에서는 역궤도홈(342)에 형성된 회전유도경사부(343)와 중첩되는 전방(F)쪽에 형성이 되고, 상기 역궤도홈(342)에서는 정궤도홈(341)에 형성된 회전유도경사부(343)와 중첩되는 후방(R)쪽에 형성이 된다.
그리고 상기 회전인가경사부(344)는 날개틸트부재(340)의 표면에서 정궤도홈(341) 또는 역궤도홈(342)의 바닥면으로 하향 경사지는 형태로 형성이 된다.
이러한 상기 회전유도경사부(343)와 회전인가경사부(344)의 구성에 따라, 날개부재(320)가 역방향에서 정방향으로 전환될 때는 역궤도홈(342)에 삽입된 역가이더(332)가 역궤도홈(342) 전방쪽의 회전유도경사부(343)를 통과하면서 회전이 유도됨과 동시에 정가이더(331)는 정궤도홈(341) 전방쪽의 회전인가경사부(344)를 따라 회전이 이루어지게 되며, 상기 회전유도경사부(343)와 회전인가경사부(344)를 통과한 후에는 날개부재(320)가 90° 자전이 되어 정가이더(331)는 정궤도홈(341)으로 삽입된 상태임과 함께 역가이더(332)는 역궤도홈(342)에서 빠져나와 날개틸트부재(340) 표면과 평행한 상태가 되면서 틸트작동이 이루어지게 되는 것이며, 그에 따라 날개판(322)이 풍향과 수직인 상태를 유지하면서 정방향 공전을 계속하게 된다.
또한, 날개부재(320)가 정방향에서 역방향으로 전환될 때는 상기와 정확하게 반대로, 정궤도홈(341)에 삽입된 정가이더(331)가 정궤도홈(341) 후방쪽의 회전유도경사부(343)를 통과하면서 회전이 유도됨과 동시에 역가이더(332)는 역궤도홈(342) 후방쪽의 회전인가경사부(344)를 따라 회전이 이루어지게 되며, 상기 회전유도경사부(343)와 회전인가경사부(344)를 통과한 후에는 날개부재(320)가 다시 90° 자전이 되어 역가이더(332)는 역궤도홈(342)으로 삽입된 상태임과 함께 정가이더(331)는 정궤도홈(341)에서 빠져나와 날개틸트부재(340) 표면과 평행한 상태가 되면서 틸트작동이 이루어지게 되는 것이며, 그에 따라 날개판(322)이 풍향과 평행인 상태를 유지하면서 역방향 공전을 계속하게 되는 것이다.
도 14의 (a)에는 상기한 것처럼 정방향에서 역방향으로 전환될 때 정궤도홈(341) 후방쪽의 회전유도경사부(343)와 역궤도홈(342) 후방쪽의 회전인가경사부(344)에서의 정가이더(331) 및 역가이더(332)가 함께 회전되는 상태가 예시되어 있으며, (b)와 (c)에는 이해의 편의를 위해, 회전유도경사부(343)에서의 정가이더(331) 회전과 회전인가경사부(344)에서의 역가이더(332) 회전이 각각 분리되어 도시되어 있다.
한편, 도 9에 도시된 것처럼, 상기한 날개부재(320)와 날개부재(320)를 틸트하기 위한 가이더부재(330) 및 날개틸트부재(340)는 한 쌍을 이루어 상기 수직동력축(350)을 중심으로 상기 수평회전축(310)의 양쪽에 대칭으로 설치될 수 있다.
그리고, 양쪽의 상기 날개틸트부재(340)는 상기 수직동력축(350)에 의해 중앙부가 관통되면서 풍향의 변화에 따라 자유롭게 회전할 수 있게 설치되는 풍향연동부재(360)에 고정이 될 수 있다.
상기 풍향연동부재(360)는 풍향의 변화에 따라 자유롭게 회전이 되면서 상기 수평회전축(310)의 축선이 항상 풍향에 대해 수직인 방향으로 위치될 수 있도록 한다.
이를 위해, 풍향연동부재(360)에는 풍향의 변화에 따라 풍향연동부재에 회전력을 제공하는 도시되지 않은 풍향지시부재가 후방쪽으로 설치될 수 있으며, 이러한 풍향지시부재의 구성 및 작용은 전술한 선행문헌 등에 자세하게 개시된 공지요소이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 상기 풍향연동부재(360)는 수직동력축(350)과 관계없이 자유롭게 회전되도록 도 10에 도시된 것처럼, 수직동력축(350) 외부의 지지구조물(351)과 스윙베어링(swing bearing)과 같은 지지베어링(B)을 통해 결합 설치될 수 있다.
상기와 같이 수평회전축(310)의 양쪽에 날개부재(320)가 설치되어 수평회전축(310)에 회전력을 인가하게 되므로 동일한 풍력에 대비하여 보다 큰 회전력을 수직동력축(350)으로 전달할 수 있게 된다.
상술한 구성으로 이루어진 본 발명의 제3 실시예에 따른 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치의 전체적인 작동에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기한 도면들에는 수평회전축(310)에 날개부재(320)가 2개 설치된 것을 일 예로 도시하였는데, 상기 2개의 날개부재(320) 중 어느 하나의 날개부재(320)를 기준으로 그 공전 진행에 따른 작동상태를 설명하기로 한다.
먼저, 날개부재(320)가 풍력에 의해 정방향으로 (전방(F)쪽에서 후방(R)쪽을 향해) 공전하고 있는 상태부터 시작하는 것으로 설명하면, 이 때에는, 정가이더(331)는 날개틸트부재(340)의 표면과 수직으로 돌출되어 날개틸트부재(340)의 정궤도홈(341)에 삽입된 상태로 안내되고 있음과 함께 역가이더(332)는 날개틸트부재(340)의 표면과 평행한 상태로 이동되고 있으며, 따라서 날개스템(321)의 자전은 억제된 상태에서 날개판(322)은 풍향과 수직상태를 유지하면서 정방향 공전을 함으로써 풍력에 의한 최대의 정방향 회전력을 수평회전축(310)에 인가하게 된다.
이렇게 풍력에 의해 정방향 공전이 진행되면서 날개부재(320)가 역방향으로 방향이 전환되는 위치에 도달하게 되는데, 즉, 상기와 같이 날개부재(320)의 정방향 공전에 따라 정가이더(331)가 정궤도홈(341)을 따라 안내되면서 정궤도홈(341)의 후방쪽으로 이동하다 정궤도홈(341)에 형성된 회전유도경사부(343)에 도달하게 되며, 동시에 역가이더(332)도 역궤도홈(342)의 후방쪽에 형성된 회전인가경사부(344)에 도달하게 된다.
이때에는 도 14에 도시된 것과 같이, 정가이더(331)가 회전유도경사부(343)의 걸림턱(343a)에 걸리면서 회전이 시작된 후 계속적으로 상향 경사면을 따라 회전이 이루어지면서 회전유도경사부(343)를 빠져나올 때 90°회전이 되고, 역가이더(332)는 상기 정가이더(331)의 회전에 따라 회전인가경사부(344)를 따라 회전이 이루어지면서 회전인가경사부(344)를 통과할 때는 90° 회전이 되어 역궤도홈(342)에 삽입된 상태로 전환이 된다.
그리고, 이렇게 정가이더(331)와 역가이더(332)의 90°회전에 따라 날개부재(320)도 동일하게 90°자전이 되므로, 상기와 같이 정방향에서 역방향으로 전환되는 부분을 통과하고 나면 날개부재(320)의 자전에 따라 날개판(322)은 풍향과 평행 상태로 틸트가 이루어지게 된다.
그리고, 계속적으로 날개부재(320)가 역방향으로(후방쪽에서 전방쪽을 향해)공전할 때에는, 역가이더(332)는 역궤도홈(342)에 삽입된 상태로 안내되고 있음과 함께 정가이더(331)는 날개틸트부재(340)의 표면과 평행한 상태로 이동되게 되며, 따라서 날개스템(321)의 자전은 억제된 상태에서 날개판(322)은 풍향과 평행 상태를 계속적으로 유지하면서 역방향 공전을 함으로써 풍력에 의해 수평회전축(310)에 인가되는 역방향 회전력을 최소화시킬 수 있게 된다.
이렇게 역방향 방향 공전이 계속 진행되면 날개부재(320)는 다시 역방향에서 정방향으로 방향이 전환되는 위치에 도달하게 되며, 즉, 날개부재(320)의 역방향 공전에 따라 역가이더(332)가 역궤도홈(342)을 따라 안내되면서 역궤도홈(342)의 전방쪽으로 이동하다 역궤도홈(342)에 형성된 회전유도경사부(343)에 도달하게 되며, 동시에 정가이더(331)도 정궤도홈(341)의 전방쪽에 형성된 회전인가경사부(344)에 도달하게 된다.
이때에는 역가이더(332)가 회전유도경사부(343)의 걸림턱(343a)에 걸리면서 회전이 시작된 후 계속적으로 상향 경사면을 따라 회전이 이루어지면서 회전유도경사부(343)를 빠져나올 때 90°회전이 되고, 정가이더(331)는 상기 역가이더(332)의 회전에 따라 회전인가경사부(344)를 따라 회전이 이루어지면서 회전인가경사부(344)를 통과할 때는 90° 회전이 되어 정궤도홈(341)에 삽입된 상태로 전환이 된다.
그리고, 이렇게 역가이더(332)와 정가이더(331)의 90°회전에 따라 날개부재(320)도 동일하게 90°자전이 되므로, 상기와 같이 역방향에서 정방향으로 전환되는 부분을 통과하고 나면 날개부재(320)의 자전에 따라 날개판(322)은 풍향과 수직 상태로 틸트가 이루어지게 되는 것이다.
그리고, 이렇게 날개부재(320)가 정방향으로 전환되고 나면, 다시 전술한 것과 같은 과정을 반복하면서 날개부재(320)는 풍력에 의해 계속적으로 공전을 하면서 수평회전축(310)에 최대한의 정방향 회전력만을 인가하게 되는 것이다.
그리고, 상기와 같이 수평회전축(310)에 인가된 최대한의 정방향 회전력은 기어 결합된 수직동력축(350)으로 전달됨으로써 동일한 풍력에 있어 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

Claims (10)

  1. 수직동력축;
    상기 수직동력축에 독립적으로 설치되어 풍향 변화에 따라 연동 회전되는 풍향연동부재;
    상기 풍향연동부재에 수직으로 고정되며, 옆면의 외주연을 따라 궤도레일이 형성된 틸트드럼;
    상기 틸트드럼을 중심으로 풍력에 의해 수평방향 공전하면서 수직동력축에 회전력을 인가하며, 날개스템과 날개판으로 이루어진 날개부재;
    상기 날개스템의 끝단 중심에 일단이 고정되면서 타단은 상기 궤도레일에 설치되어 날개부재의 공전시 궤도레일을 따라 이동하는 틸트가이더;를 포함하되,
    상기 궤도레일은 날개부재의 공전경로에서 양쪽으로 동일거리 이격됨과 함께 180° 간격을 두고 교대로 형성되면서, 사선 형태인 한 쌍의 전환레일부로 상호 연결되는 직선형태의 정레일부와 역레일부로 이루어지고,
    상기 틸트가이더는 상기 날개부재의 정방향(풍향과 동일한 방향) 공전시 정레일부를 따라 이동하면서 상기 날개판이 풍향과 수직이 되게 하고, 역방향(풍향의 반대방향) 공전시 역레일부를 따라 이동하면서 날개판이 풍향과 수평이 되게 하며, 한 쌍의 전환레일부를 통과하면서 날개판이 풍향과 수직 또는 수평으로 틸트되도록 날개부재를 각각 90° 자전시키는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수직동력축에 고정되어 수직동력축과 함께 회전되고, 스템지지관이 구비된 날개지지부재;를 더 포함하고,
    상기 날개부재는 날개스템이 상기 스템지지관을 통과하여 날개지지부재에 자전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  3. 수직동력축;
    상기 수직동력축에 독립적으로 설치되어 풍향 변화에 따라 연동 회전되는 풍향연동부재;
    상기 수직동력축과 동력전달 가능하게 결합되면서 풍향연동부재를 수평방향으로 관통하여 설치되는 수평회전축;
    상기 풍향연동부재에 수평으로 고정되며, 옆면의 외주연을 따라 궤도레일이 형성된 틸트드럼;
    상기 틸트드럼을 중심으로 풍력에 의해 수직방향 공전하면서 수평회전축에 회전력을 인가하며, 날개스템과 날개판으로 이루어진 날개부재;
    상기 날개스템의 끝단 중심에 일단이 고정되면서 타단은 상기 궤도레일에 설치되어 날개부재의 공전시 궤도트랙을 따라 이동하는 틸트가이더;를 포함하되,
    상기 궤도레일은 날개부재의 공전경로에서 양쪽으로 동일거리 이격됨과 함께 180° 간격을 두고 교대로 형성되면서, 사선 형태인 한 쌍의 전환레일부로 상호 연결되는 직선형태의 정레일부와 역레일부로 이루어지고,
    상기 틸트가이더는 상기 날개부재의 정방향(풍향과 동일한 방향) 공전시 정레일부를 따라 이동하면서 상기 날개판이 풍향과 수직이 되게 하고, 역방향(풍향의 반대방향) 공전시 역레일부를 따라 이동하면서 날개판이 풍향과 수평이 되게 하며, 한 쌍의 전환레일부를 통과하면서 날개판이 풍향과 수직 또는 수평으로 틸트되도록 날개부재를 각각 90° 자전시키는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 수평회전축에 고정되어 수평회전축과 함께 회전되고, 스템지지관이 구비된 날개지지부재;를 더 포함하고,
    상기 날개부재는 날개스템이 상기 스템지지관을 통과하여 날개지지부재에 자전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 틸트가이더는 상기 날개판과 45°각도를 이루는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 궤도레일에 설치되는 틸트가이더의 타단에는 날개부재의 공전시 궤도레일을 따라 회전운동을 하는 레일롤러가 구비되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  7. 수직형 풍력발전기의 수직동력축에 풍력에 의한 회전력을 인가하는 회전날개장치에 있어서,
    상기 수직동력축과 기어 결합되며, 축선이 풍향과는 수직을 이루면서 지면과는 수평한 수평회전축;
    상기 수평회전축에 자전 가능하게 설치되는 날개스템과, 상기 날개스템에 고정되는 날개판을 포함하여, 전방쪽에서 불어오는 바람에 의해서 상기 수평회전축을 중심으로 공전함으로써 수평회전축에 회전력을 인가하는 날개부재;
    상기 날개스템에 형성되되, 상기 날개판의 판면에 대해 수평방향으로 돌출되는 정가이더와, 수직방향으로 돌출되는 역가이더로 이루어지는 가이더부재;
    상기 날개부재가 전방쪽에서 후방쪽으로 정방향(풍향과 동일한 방향) 공전할 때 상기 정가이더가 삽입되어 안내되는 정궤도홈과, 후방쪽에서 전방쪽으로 역방향(풍향과 반대방향) 공전할 때 상기 역가이더가 삽입되어 안내되는 역궤도홈이 형성되고, 상기 정궤도홈의 후방쪽과 역궤도홈의 전방쪽에는 각각 안내되는 정가이더와 역가이더의 회전을 유도하여 날개부재를 90°자전시키는 회전유도경사부가 형성되어, 날개부재가 상기 정방향으로 공전시에는 날개판의 판면이 풍향과 수직이 되게 하고, 상기 역방향으로 공전시에는 풍향과 평행으로 되게 하는 날개틸트부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 정궤도홈과 역궤도홈은 상기 수평회전축을 중심으로 각각 상측과 하측에 대칭의 원호 형태로 동심원 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 회전유도경사부는 정궤도홈 또는 역궤도홈의 바닥면에서 유선형태로 상향 경사지게 형성되며, 하단에는 걸림턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 회전유도경사부에 의해 정가이더 또는 역가이더가 회전될 때 대응하는 역가이더 또는 정가이더가 연동하여 회전될 수 있도록 상기 정궤도홈의 전방쪽과 상기 역궤도홈의 후방쪽에는 상기 회전유도경사부와 반대로 하향 경사지는 형태의 회전인가경사부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 수직형 풍력발전용 틸트식 회전날개장치.
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