WO2014109496A1 - 종축형 풍력발전기 및 그 제어방법 - Google Patents

종축형 풍력발전기 및 그 제어방법 Download PDF

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WO2014109496A1
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doors
pair
opening
longitudinal
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박범훈
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Park Beom Hoon
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a longitudinal wind turbine and a control method thereof, and to a longitudinal wind turbine capable of generating power even in a breeze and improving safety.
  • Wind power generators can be roughly classified into horizontal and vertical shafts according to the arrangement of the rotating shaft and the blade. Until now, the horizontal wind turbine has been installed and utilized in abundant air volume.
  • the horizontal axis wind turbine is mainly manufactured and installed in a large size.
  • the installation of large transverse wind turbines is costly and time consuming.
  • there is a problem that serious damage due to noise pollution and light pollution caused by the reflection of sunlight of the blade is reported in the region where the large horizontal axis wind turbine is installed.
  • Prior Art 1 Korean Patent Application Publication No. 10-2009-0085768 (hereinafter, referred to as Prior Art 1) has been proposed.
  • the prior art 1 has proposed a method for maximizing the efficiency of the longitudinal wind turbine, and there is a disadvantage that a countermeasure against a high wind speed such as a typhoon or a local gust is not proposed.
  • An embodiment of the present invention is to provide a longitudinal wind turbine and a control method thereof having high power generation efficiency.
  • an embodiment of the present invention is to provide a longitudinal wind turbine and its control method that can minimize the damage when the wind speed is above a predetermined range.
  • a rotor having a plurality of arms radially connected to a rotation axis arranged in a vertical direction, a rotor having a plurality of blades respectively coupled to ends of the plurality of arms, and a support for rotatably supporting the rotor.
  • a longitudinal axis wind turbine comprising: a wind vane installed on the support for sensing wind direction and wind speed; and braking means installed on the support and connected to the rotary shaft to stop or release rotation of the rotary shaft, wherein the blade includes: A door frame having an opening portion formed at an intermediate portion thereof, and a pair of doors rotatably coupled to both sides of the door frame, respectively, to open or close the opening portion, connecting an end of the arm or the door frame to the door, Opening and closing means for rotating the pair of doors with respect to the door frame, and the door frame Is installed at the end of the arm includes a wind pressure sensing means for detecting the wind pressure applied to the opening, the pair of doors have a shape protruding in any one direction of the opening when the opening is closed, When a wind is applied to the rotor, the plurality of pairs of doors are provided with longitudinal wind turbines whose opening degree is controlled or closed according to the relative positions of the plurality of blades with respect to the direction of the wind and the speed of the wind. Can be
  • the blade may further include opening and closing detection means installed on the end of the arm or the door frame to measure the degree of opening and closing the pair of doors.
  • an upper plate and a lower plate protrude from upper and lower sides of the door frame, respectively, and the upper plate and the lower plate close a space formed between the pair of doors and the door frame when the pair of doors are closed.
  • the blade may be formed to have a container shape of one side is open. At this time, when the pair of doors are closed, the cross section of the blade may have a triangular shape with one side open.
  • the longitudinal wind power generator as described above may further include a cushioning means respectively coupled to a portion where the pair of doors are in contact when the pair of doors are closed.
  • a plurality of protrusions or grooves may be formed on the surfaces of the pair of doors.
  • the cross section of the arm may have a shape of airfoil.
  • a control method of a longitudinal axis wind power generator as described above, when the wind speed measured by the wind vane and the wind pressure sensing means is less than a predetermined speed to release the operation of the braking means And adjusting the closing or opening degree of the plurality of pairs of doors according to the wind speed measured by the wind vane and the wind pressure sensing means and relative positions of the plurality of blades with respect to the wind direction.
  • a control method of a longitudinal wind turbine including a may be provided.
  • the pair of doors of the plurality of blades which are moved in the forward direction with respect to the wind direction are closed and the other of the The pair of doors can be fully opened, and when the wind speed is more than 12 meters per second and less than 23 meters per second, the pair of doors of the plurality of blades that are moved in the forward direction are partially opened and
  • the pair of doors of other things can be made to be fully open, and when the wind speed is more than 23 meters per second and less than 45 meters per second, the plurality of pairs of doors can be all opened, When the wind speed is more than 45 meters per second, a plurality of the pair of doors are all opened and the It may be such that the rotation of the rotating shaft is stopped by the driving means.
  • the degree of opening of the door is adjusted according to the wind speed, the damage can be minimized when the wind of high wind speed, such as typhoons or gusts.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a rotor of a longitudinal axis wind turbine generator according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a front view schematically showing a longitudinal wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III shown in FIG.
  • Figure 4 is a plan view for explaining the operation of the longitudinal wind turbine according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 shows a rotor of a longitudinal wind turbine according to an embodiment of the present invention.
  • the rotor 20 of a longitudinal wind turbine (see 1 of FIG. 2) according to an embodiment of the present invention includes a hub 21, an arm 22, a blade 23, and a rotating shaft 24. This may be included.
  • the hub 21 is coupled to the upper portion of the rotation shaft 24, the plurality of arms 22 are radially connected to the hub (21). Blades 23 are respectively coupled to the ends of the plurality of arms 22 as shown.
  • Figure 2 schematically shows a longitudinal wind turbine according to an embodiment of the present invention in the direction indicated by II in FIG.
  • the longitudinal wind power generator 1 includes a support 10, a support bearing 11, a rotor (20 in FIG. 1), a gear box 25, and a generator 26. ), The braking means 27, the wind vane 28 and the lightning rod 29 may be further included.
  • the rotor 20 is rotatably supported with respect to the support surface G by the support 10, and the rotation shaft 24 may be disposed in a direction perpendicular to the support surface G.
  • the vertical direction does not mean a mathematical or geometric vertical direction, but refers to a vertical direction considering a machining error or a difference in gravity direction according to a region.
  • FIG. 3 shows a cross section of the blade according to the III-III straight line shown in FIG. 1. It demonstrates with reference to FIG. 1 and FIG.
  • the blade 23 may include a door frame 231, a pair of doors 232, opening and closing means 233, opening and closing detection means 234, and wind pressure detection means 235. have.
  • the door frame 231 includes a frame body 2311, and the frame body 2311 is coupled to an end of the arm 22 as shown.
  • An opening portion 2312 is formed at an intermediate portion of the frame body 2311, and a pair of doors 232 are rotatably coupled to both sides. At this time, the pair of doors 232 are coupled to the door shaft 2321, both ends of which are fixed to the frame body 2311, so that the door shaft 2321 can be rotated around the rotation center.
  • the opening and closing means 233 is to allow the pair of doors 232 to be rotated and opened and closed with respect to the frame body 2311 as shown by a dotted line in FIG. 3, and the hinges 2233 and 2332 are provided on the opening and closing means 233. , Cylinder 2333 and rod 2334 may be included.
  • the rod 2334 is rotatably coupled to the hinge 2233 installed on the door 232, and the cylinder 2333 is rotatably coupled to the hinge 2332 coupled to the arm 22.
  • the hinge 2332 coupled to the arm 22 may be installed in the frame body 2311.
  • the rod 2334 and the cylinder 2333 are coupled so that the distance between both ends can be expanded or reduced.
  • the rod 2334 and the cylinder 2333 are examples of a linear driving device using hydraulic or pneumatic pressure, and the door 232 by extending or shortening the distance between the hinges 2331 and 2332. May be replaced with another type of linear drive that can be rotated with respect to the frame body 2311.
  • the opening part 2312 may be opened or closed by the door 232 according to the operation of the opening and closing means 233.
  • the degree of opening of the opening 2312 may be adjusted according to the amount of operation of the opening and closing means 233, that is, the distance between the hinges 2331 and 2332.
  • the shock absorbing means 2322 are respectively coupled to portions that contact each other when the pair of doors 232 are closed.
  • the shock absorbing means 2232 may be used when the door 232 is closed or the door 232 is pressed or vibrated due to wind force being applied to the closed door 232. Is to prevent it from being damaged.
  • shock absorbing means 2322 seals a gap formed between the pair of doors 232 when the pair of doors 232 are closed to prevent wind from flowing between the pair of doors 232. The effect can also be obtained.
  • the opening / closing detection means 234 is for measuring the extent to which the pair of doors 232 are rotated, that is, the extent to which the opening part 2312 is opened and closed by the pair of doors 232. Opening and closing detection means 234 may be installed at the end of the arm 22 as shown, it may be installed on the frame body 2311 or the door shaft 2321, although not shown. As the opening / closing detecting means 234, a distance sensor and an angle sensor may be used.
  • the wind pressure detecting means 235 is for measuring the wind pressure applied to the opening 2312 according to the speed of the wind flowing into the opening 2312. Wind pressure detecting means 235 may be installed at the end of the arm 22, as shown, may be installed on the frame body 2311, although not shown.
  • the pair of doors 232 in the closed state has a shape protruding in any direction with respect to the opening (2312). That is, as shown, the cross section of the blade 23 may have a triangular shape in which one side is opened when the pair of doors 232 are closed.
  • the upper plate 2313 and the lower plate 2314 may be formed in the frame body 2311.
  • the upper plate 2313 and the lower plate 2314 protrude from the upper and lower sides of the frame body 2311, respectively, and the frame body 2311 and the pair of doors 232 when the pair of doors 232 are closed. It is formed to have a shape for closing the space formed between the).
  • the inner space and the outer space of the blade 23 communicate with each other only by the opening portion 2312, so that the blade 23 has a container shape in which one side is opened. .
  • the blade 23 when wind is applied to the blade 23 in the direction that flows into the space inside the blade 23 through the opening 2312.
  • the blade 23 may be maximized by the force applied by the wind.
  • the degree of opening of the pair of doors 232 may be adjusted according to the wind speed in order to prevent the longitudinal wind turbine (1 of FIG. 2) from being damaged. .
  • the support bearing 11, the gearbox 25, the generator 26, the braking means 27, and the wind vane 28 mentioned above are supported by the longitudinal wind turbine generator 1. Can be installed on
  • the support bearing 11 is interposed between the rotor (21 in FIG. 1) and the support 10 to allow the rotor 21 to rotate smoothly with respect to the support 10.
  • the gear box 25 is fixed to the support 10, is connected to the rotary shaft 24 is to receive the rotational force of the rotor 21.
  • the generator 26 is fixed to the support 10 and receives the rotational force transmitted from the gear box 25.
  • the gearbox 25 may be a speed reducer or a speed reducer, which may be selected and installed according to the scale of the longitudinal wind turbine 1 or the characteristics of the installation region. That is, the speed reducer can be used where the average wind speed is high, and the speed reducer can be used where the average wind speed is low.
  • an increaser is used for the longitudinal wind turbine generator 1 according to the embodiment of the present invention. It may be more desirable.
  • the longitudinal wind turbine (1) is a force by the wind when assuming that the opening (2312 in Fig. 1) of the blade 23 is in a direction perpendicular to the wind direction
  • the width L2 and the height H2 of the blade 23 may be determined in consideration of the maximum area H2 X L2.
  • the length L1 of the arm 22 may also be determined so that the maximum rotational force can be transmitted to the rotation shaft 24.
  • the type wind power generator 1 was found to operate smoothly even at low wind speeds of 3 to 7 meters per second.
  • the braking means 27 is fixed to the support 10, and is connected to the rotary shaft 24 may be brake or release the braking state so that the rotary shaft 24 is not rotated.
  • the braking means 27 is for preventing the longitudinal wind turbine 1 from being damaged by the high speed wind, which will be described again with reference to FIG. 4 below.
  • Wind vane 28 is fixed to the support (10), preferably installed so as to have a height as close to the center of the blade 23 can be measured so that values similar to the wind direction and wind speed actually applied to the blade (23). have.
  • the wind vane 28 is a combination of a wind vane and anemometer not shown, which is well known, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the lightning rod 29 may be installed in the rotor 20. Since lightning strikes have a high probability of falling on a conductive object protruding from the support surface G, the components of the longitudinal wind turbine 1 are prevented from being damaged by lightning strikes.
  • Figure 4 is a plan view for explaining a control method of the longitudinal axis wind turbine generator according to an embodiment of the present invention. As needed, it demonstrates with reference to FIGS. 1-3.
  • the longitudinal wind power generator (1 of FIG. 2) may be controlled according to the direction and speed of the wind (W).
  • the wind W is opened while one of the plurality of blades 23 is moved from the A position to the C position when one of the blades 23 is rotated about the rotation shaft 24. (See 2312 of FIG. 1) flows in the direction flowing into the blade 23, that is, the positive pressure is applied to the wind pressure detecting means 235 by the wind (W).
  • the moving direction of the blade 23 in this case will be referred to as a forward direction, and vice versa.
  • the pair of doors 232 In order to obtain the maximum rotational force from the wind (W), as described above, the pair of doors 232 must be kept closed while the blade 23 is moved in the forward direction. Simultaneously moving in the reverse direction requires that the pair of doors 232 be opened to minimize the resistance to wind (W), in particular the pair of doors 232 must be fully open before passing the D position.
  • the blades 23 when one of the plurality of blades 23 is described as an example, when the speed of the wind (W) is in the appropriate range and the maximum power generation efficiency is to be obtained, the blades 23 are positioned from the A position to the B position to the C position.
  • the door 232 may remain closed until the door 232 is reached, and the door 232 may start to open when the door 232 starts to move from the C position to the D position so that the door 232 is fully opened before the D position is reached. .
  • the door 232 may then be closed while moving from the D position to the A position.
  • ⁇ 1 to ⁇ 4 are angular ranges based on the direction of the wind (W) for the operation as described above should be able to measure the wind (W) in real time, which is the wind vane 28 and It may be measured by the wind pressure detecting means 235.
  • the door 232 of those that are moved in the forward direction of the blade 23 may be partially or fully open.
  • the speed of the wind (W) of the rotary shaft 24 When the rotational speed exceeds the range that can be adjusted, all the doors 232 of all the blades 23 to the entire open so that the rotating shaft 24 is not rotated to ensure that the longitudinal wind turbine (1) is protected. .
  • the braking means (27 of FIG. 2) may be braked so that the rotating shaft 24 does not rotate.
  • the control method of the longitudinal wind turbine generator measured by the wind vane 28 and the wind pressure sensing means 235
  • the step of releasing the braking means 27, and a plurality of wind speed and wind direction measured by the wind vane 28 and the wind pressure detecting means 235 The method may include adjusting a degree of closing or opening of the plurality of pairs of doors 232 according to the relative positions of the blades 23.
  • the rotor 20 when the wind speed is less than 12 meters per second, as the rotor 20 is rotated, it is moved forward with respect to the direction of the wind among the plurality of blades 23.
  • the pair of doors 232 of things may be closed, and the pair of doors 232 of others may be full.
  • the pair of doors 232 of the plurality of blades 23 moving in the forward direction are partially opened, and one of the others
  • the pair of doors 232 may be fully open.
  • all the doors 232 may be opened. If the wind speed is more than 45 meters per second, all the doors 232 are fully open. In the braking means 27 by the rotary shaft 24 can be prevented from rotating.
  • winds of less than 12 meters per second are wind (0.3 to 1.5), southern wind (1.6 to 3.3), breeze (3.4 to 5.4), and wind (5.5 to 7.9).
  • Wind (8.0-10.7) and old wind (10.8-13.8) belong to, winds less than 23 meters per second, old wind (10.8-13.8), strong wind (13.9-17.1), big wind (17.2-20.7) and large
  • the strong winds (20.8 to 24.4) belong.
  • the unit of the number in parentheses is m / s.
  • the longitudinal wind turbine (1) according to an embodiment of the present invention can be obtained by the structure and control method as described above can obtain the maximum efficiency at a speed less than the dry wind, which is a surface wind commonly encountered in everyday life, the manufacture and installation Compared to the horizontal wind turbine not shown in the drawing, it is possible to obtain a low cost and time-consuming effect.
  • the cross section of the arm 22 by forming the cross section of the arm 22 to have the shape of the airfoil (airfoil) it is possible to minimize the noise generated by the wind.
  • a plurality of protrusions or grooves are formed on the surface of the pair of doors 232 such that a small vortex layer is formed on the surface of the door 232 when the wind flows along the surface of the door 232.
  • the occurrence of noise or vibration may be reduced by minimizing the separation occurring at the surface of the door 232 or the blade 23.
  • the lower end portion of the rotating shaft 24 may be supported by the lower support bearing 12 installed on the support surface G, as shown in FIG. If not, but the load of the rotor 20 is enough to be supported only by the support bearing 11, the lower end of the rotating shaft 24 may be to be connected only to the gear clap (25).
  • the number of arms 22 and blades 23 may be added or subtracted as needed, but the arms 22 are preferably arranged at equal intervals based on the longitudinal center of the rotation shaft 24.

Abstract

종축형 풍력발전기가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면 복수의 블레이드의 상대적인 위치 및 풍속에 따라 도어를 개폐함으로써 낮은 풍속의 바람에 의해서도 높은 발전효율을 얻을 수 있으며, 풍속에 따라 도어의 개방 정도가 조절되도록 함으로써 태풍이나 돌풍과 같이 높은 풍속의 바람이 불 때 그 피해가 최소화 될 수 있다.

Description

종축형 풍력발전기 및 그 제어방법
본 발명은 종축형 풍력발전기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 미풍에서도 발전이 가능하고 안전성을 높인 종축형 풍력발전기 및 그 제어방법에 관한 것이다.
화석에너지 및 방사성에너지의 사용에 따른 부존자원의 고갈, 환경의 오염 등의 문제가 점차 증가됨에 따라 대체에너지에 대한 연구 및 개발 또한 활발하게 진행되고 있는 추세이다. 이러한 대체에너지로서 풍력, 파력, 조력, 태양광 등과 같은 자연력을 이용하는 것이 집중적으로 연구되고 있으며, 이 중 풍력 및 태양광은 현재 널리 활용되고 있다.
풍력발전기는 회전축 및 블레이드의 배치에 따라 횡축형 및 종축형으로 대별될 수 있는데, 현재까지는 풍량이 풍부한 곳에 횡축형 풍력발전기가 설치되어 활용되고 있다.
그런데, 충분한 풍량을 얻기 위해서는 일정 범위 이상의 풍속이 필요하므로 로터가 상당히 높은 위치에 설치되어야 한다. 이에 따라 횡축형 풍력발전기는 주로 대형으로 제작 및 설치되고 있다. 대형 횡축형 풍력발전기의 설치에는 상당한 비용 및 시간이 소요된다. 또한 대형 횡축형 풍력발전기가 설치된 지역에는 소음공해 및 블레이드의 태양광 반사에 의한 광공해 등에 따른 심각한 피해사례가 보고되는 문제가 있다.
이러한 단점을 극복하고자 지상에 비하여 풍량이 풍부하고 소음이나 광반사에 따른 피해가 상대적으로 적은 해상에 횡축형 풍력발전기를 설치하는 방안이 고려 및 실행되고 있다. 특히 상술한 바와 같은 공해의 발생이 상대적으로 적은 종축형 풍력발전기의 효율을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.
그 일환으로 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0085768호(이하, 선행기술 1이라 칭함)가 제안된 바 있다. 그런데 선행기술 1은 종축형 풍력발전기의 효율을 극대화하기 위한 방안을 제안했을 뿐, 태풍이나 국지적 돌풍과 같은 높은 풍속의 바람에 대한 대책은 제안되어 있지 않은 단점이 있다.
높은 풍속의 바람이 불 경우 횡축형 풍력발전기는 블레이드의 피치를 조절함으로써 그 피해를 최소화할 수 있는 것과 같이, 종촉형 풍력발전기 또한 발전효율을 높이면서도 높은 풍속의 바람이 불 때 그 피해를 최소화 할 수 있는 방안이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예는 발전효율이 높은 종축형 풍력발전기 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 바람이 정해진 범위 이상의 속도일 때 그 피해를 최소화 할 수 있는 종축형 풍력발전기 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 수직 방향으로 배치된 회전축에 방사상으로 연결된 복수의 암과 상기 복수의 암의 단부에 각각 결합된 복수의 블레이드를 갖는 로터 및 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 지지대를 구비한 종축형 풍력발전기로서, 상기 지지대에 설치되어 풍향 및 풍속을 감지하는 풍향풍속계와, 상기 지지대에 설치되고 상기 회전축에 연결되어 상기 회전축의 회전을 정지 또는 해제하는 제동수단을 포함하고, 상기 블레이드는 중간 부분에 개방부가 형성된 도어프레임과, 상기 도어프레임의 양측에 각각 회동 가능하게 결합되어 상기 개방부를 개방 또는 폐쇄하는 한 쌍의 도어와, 상기 암의 단부 또는 상기 도어프레임과 상기 도어를 연결하며, 한 쌍의 도어가 상기 도어프레임에 대하여 회동되도록 하는 개폐수단과, 상기 도어프레임 또는 상기 암의 단부에 설치되어 상기 개방부에 가해지는 풍압을 감지하는 풍압감지수단을 포함하며, 상기 한 쌍의 도어는 상기 개방부가 폐쇄되었을 때 상기 개방부의 어느 한 방향으로 돌출되는 형상을 갖고, 상기 로터에 바람이 가해질 경우에는 복수의 상기 한 쌍의 도어는 상기 바람의 방향에 대한 복수의 상기 블레이드의 상대적인 위치 및 상기 바람의 속도에 따라 개방되는 정도가 조절되거나 폐쇄되는 종축형 풍력발전기가 제공될 수 있다.
여기서 상기 블레이드는, 상기 암의 단부 또는 도어프레임에 설치되어 상기 한 쌍의 도어가 개폐되는 정도를 측정하는 개폐감지수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 도어프레임의 상측 및 하측에는 상판 및 하판이 각각 돌출 형성되며, 상기 상판 및 상기 하판은 상기 한 쌍의 도어가 폐쇄되었을 때 상기 한 쌍의 도어 및 상기 도어프레임 사이에 형성되는 공간을 폐쇄하여 상기 블레이드가 일측이 개방된 용기 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 이때 상기 한 쌍의 도어가 폐쇄되어 있을 경우 상기 블레이드의 횡단면은 일측이 개방된 삼각형 형상을 가질 수 있다.
상술한 종축형 풍력발전기는, 상기 한 쌍의 도어가 폐쇄되어 있을 경우 상기 한 쌍의 도어가 접하는 부분에 각각 결합된 완충수단을 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 한 쌍의 도어의 표면에는 다수의 돌기 또는 홈이 형성될 수 있다. 또한 상기 암의 단면은 익형의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 바와 같은 종축형 풍력발전기의 제어방법으로서, 상기 풍향풍속계 및 상기 풍압감지수단에 의해 측정된 상기 바람의 속도가 미리 정해진 속도 미만일 경우 제동수단의 작동을 해제하는 단계와, 상기 풍향풍속계 및 상기 풍압감지수단에 의해 측정된 상기 바람의 속도 및 상기 바람의 방향에 대한 복수의 블레이드의 상대적인 위치에 따라 복수의 상기 한 쌍의 도어의 폐쇄 또는 개방 정도를 조절하는 단계를 포함하는 종축형 풍력발전기의 제어방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 바람의 속도가 초속 12미터 미만일 경우에는 상기 로터가 회전됨에 따라 상기 복수의 블레이드 중 상기 바람의 방향에 대하여 순방향으로 이동되는 것들의 상기 한 쌍의 도어는 폐쇄되고 그 이외의 것들의 상기 한 쌍의 도어는 전체 개방되도록 할 수 있고, 상기 바람의 속도가 초속 12미터 이상이고 초속 23미터 미만일 경우에는 상기 복수의 블레이드 중 상기 순방향으로 이동되는 것들의 상기 한 쌍의 도어는 부분적으로 개방되고 그 이외의 것들의 상기 한 쌍의 도어는 전체 개방되도록 할 수 있으며, 상기 바람의 속도가 초속 23미터 이상이고 초속 45미터 미만일 경우에는 복수의 상기 한 쌍의 도어는 모두 전체 개방되도록 할 수 있고, 상기 바람의 속도가 초속 45미터 이상일 경우에는 복수의 상기 한 쌍의 도어는 모두 전체 개방되고 상기 제동수단에 의해 상기 회전축의 회전이 정지되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 블레이드의 상대적인 위치 및 풍속에 따라 도어를 개폐함으로써 낮은 풍속의 바람에 의해서도 높은 발전효율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 풍속에 따라 도어의 개방 정도가 조절되도록 함으로써 태풍이나 돌풍과 같이 높은 풍속의 바람이 불 때 그 피해가 최소화 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기의 로터를 도시한 사시도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기를 개략적으로 도시한 정면도
도 3은 도 1에 표시된 Ⅲ-Ⅲ 직선에 따른 단면도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기의 작동을 설명하기 위한 평면도
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기의 로터가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(도 2의 1 참조)의 로터(20)에는 허브(21), 암(22), 블레이드(23) 및 회전축(24)이 포함될 수 있다.
허브(21)는 회전축(24)의 상부에 결합되며, 허브(21)에는 복수의 암(22)이 방사상으로 연결된다. 복수의 암(22)의 단부에는 도시된 바와 같이 블레이드(23)가 각각 결합된다.
도 2에는 도 1에 Ⅱ로 표시한 방향에서 본 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기가 개략적으로 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(1)에는 지지대(10), 지지베어링(11), 로터(도 1의 20), 기어박스(25), 발전기(26), 제동수단(27), 풍향풍속계(28) 및 피뢰침(29)이 더 포함될 수 있다.
로터(20)는 지지대(10)에 의해 지지면(G)에 대하여 회전 가능하게 지지되는데, 회전축(24)은 지지면(G)에 대하여 수직 방향으로 배치될 수 있다. 여기서, 수직 방향은 수학적이거나 기하학적인 수직 방향을 의미하는 것이 아니라, 가공오차 또는 지역에 따른 중력방향의 차이 등을 고려한 수직 방향을 의미한다.
도 3에는 도 1에 표시된 Ⅲ-Ⅲ 직선에 따른 블레이드의 횡단면이 도시되어 있다. 도 1 및 도 3을 함께 참조하여 설명한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 블레이드(23)에는 도어프레임(231), 한 쌍의 도어(232), 개폐수단(233), 개폐감지수단(234) 및 풍압감지수단(235)이 포함될 수 있다.
도어프레임(231)에는 프레임본체(2311)가 포함되며, 프레임본체(2311)는 도시된 바와 같이 암(22)의 단부에 결합된다.
프레임본체(2311)의 중간 부분에는 개방부(2312)가 형성되며, 양측에는 한 쌍의 도어(232)가 회동 가능하게 결합된다. 이때, 한 쌍의 도어(232)는 프레임본체(2311)에 양단이 고정된 도어축(2321)에 결합되어, 도어축(2321)을 회전 중심으로 회동 가능하다.
개폐수단(233)은 프레임본체(2311)에 대하여 한 쌍의 도어(232)가 도 3에 점선으로 도시된 바와 같이 회동되어 개폐되도록 하기 위한 것으로, 개폐수단(233)에는 힌지(2331, 2332), 실린더(2333) 및 로드(2334)가 포함될 수 있다.
도어(232)에 설치된 힌지(2331)에는 로드(2334)가 회동 가능하게 결합되고, 암(22)에 결합된 힌지(2332)에는 실린더(2333)가 회동 가능하게 결합된다. 여기서, 도시되지는 않았으나, 암(22)에 결합된 힌지(2332)는 프레임본체(2311)에 설치될 수도 있다.
로드(2334) 및 실린더(2333)는 양단부 사이의 거리가 확장되거나 축소될 수 있도록 결합된다. 여기서, 자세하게 도시되지는 않았으나, 로드(2334) 및 실린더(2333)는 유압 또는 공압 등을 이용한 직선형 구동장치를 예로 든 것으로, 힌지(2331, 2332) 사이의 거리를 확장하거나 단축시켜서 도어(232)가 프레임본체(2311)에 대하여 회동되도록 할 수 있는 다른 방식의 직선형 구동장치로 대체될 수도 있다.
따라서, 개폐수단(233)의 작동에 따라 개방부(2312)는 도어(232)에 의해 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 여기서, 개방부(2312)가 개방되는 정도는 개폐수단(233)의 작동량, 즉 힌지(2331, 2332) 사이의 거리가 확장되는 정도에 따라 조절될 수 있다.
완충수단(2322)은 한 쌍의 도어(232)가 폐쇄된 상태일 때 서로 접하는 부분에 각각 결합된다. 완충수단(2322)은 개방된 상태의 도어(232)가 폐쇄되는 경우 또는 폐쇄된 상태의 도어(232)에 바람에 의한 힘이 가해져서 도어(232)가 가압되거나 진동하는 경우 등에 도어(232)가 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.
또한, 완충수단(2322)은 한 쌍의 도어(232)가 폐쇄된 상태일 때 한 쌍의 도어(232) 사이에 형성된 틈을 밀폐시켜서 바람이 한 쌍의 도어(232) 사이로 유동되는 것을 방지하는 효과도 얻을 수 있다.
개폐감지수단(234)은 한 쌍의 도어(232)가 회동된 정도, 즉 개방부(2312)가 한 쌍의 도어(232)에 의해 개폐되는 정도를 측정하기 위한 것이다. 개폐감지수단(234)은 도시된 바와 같이 암(22)의 단부에 설치될 수도 있고, 도시되지는 않았으나 프레임본체(2311) 또는 도어축(2321) 등에 설치될 수 있다. 개폐감지수단(234)으로는 거리센서 및 각도센서 등이 사용될 수 있다.
풍압감지수단(235)은 개방부(2312)로 유입되는 바람의 속도에 따라 개방부(2312)에 가해지는 풍압을 측정하기 위한 것이다. 풍압감지수단(235)은 도시된 바와 같이 암(22)의 단부에 설치될 수도 있고, 도시되지는 않았으나 프레임본체(2311)에 설치될 수도 있다.
한편, 도시된 바와 같이, 폐쇄된 상태의 한 쌍의 도어(232)는 개방부(2312)를 기준으로 어느 한 방향으로 돌출되는 형상을 갖는다. 즉, 도시된 바와 같이 블레이드(23)의 횡단면은 한 쌍의 도어(232)가 폐쇄되어 있을 경우 일측이 개방된 삼각형 형상을 가질 수 있다.
이는, 바람이 가해져서 로터(도 1의 20)가 회전됨에 따라 복수의 블레이드(23)가 서로 상이한 위치에 배치되는데, 이 바람에 의한 힘을 최대한 활용하기 위한 것이다.
즉, 블레이드(23) 중 바람이 개방부(2312)를 통하여 폐쇄된 한 쌍의 도어(232)를 향하는 방향으로 유동되는 경우에는 블레이드(23)에 가해지는 힘이 커지며, 반대로 폐쇄된 한 쌍의 도어(232)에 먼저 바람이 도달되는 방향으로 유동되는 경우에는 바람이 폐쇄된 도어(232)가 형성하는 일측이 개방된 삼각형 형상의 표면을 따라 유동하게 되므로 상대적으로 블레이드(23)에 가해지는 힘이 작아진다.
이러한 상대적인 힘의 차이에 의해 복수의 블레이드(23)가 바람에 의해 받게 된 힘은 서로 상이하게 되며, 이에 따라 로터(20)는 더 강한 힘이 가해지는 방향으로 회전하게 된다.
참고로, 바람에 의해 복수의 블레이드(23)에 작용하는 힘의 편차를 더욱 증가시키기 위하여, 프레임본체(2311)에 상판(2313) 및 하판(2314)이 형성되도록 할 수 있다. 상판(2313) 및 하판(2314)은 프레임본체(2311)의 상측 및 하측에서 각각 돌출 형성되는데, 한 쌍의 도어(232)가 폐쇄된 상태일 때 프레임본체(2311) 및 한 쌍의 도어(232) 사이에 형성되는 공간을 폐쇄하는 형상을 갖도록 형성된다.
따라서, 한 쌍의 도어(232)가 폐쇄된 상태일 때에는 블레이드(23)의 내부공간 및 외부공간을 개방부(2312)에 의해서만 상통되므로, 블레이드(23)는 일측이 개방된 용기 형상을 갖게 된다.
그러므로, 바람이 개방부(2312)를 통하여 블레이드(23) 내부 공간으로 유입되는 방향으로 블레이드(23)에 가해지게 되는 경우. 블레이드(23)는 바람에 의해 가해지는 힘이 최대화 될 수 있다.
한편, 한 쌍의 도어(232)가 개방된 상태일 때에는 바람이 개방부(2312)를 통하여 통과되므로 바람에 의해 블레이드(23)에 가해지는 힘이 최소화될 수 있다. 따라서, 로터(20)가 회전될 때 바람의 방향에 따라 한 쌍의 도어(232)의 개폐 시점을 조절함으로써, 바람이 로터(20)에 가하는 회전력이 최대화되도록 할 수 있다.
그리고, 높은 속도의 바람이 로터(20)에 가해질 경우에는 종축형 풍력발전기(도 2의 1)가 손상되는 것을 방지하기 위하여 풍속에 따라 한 쌍의 도어(232)가 개방되는 정도를 조절할 수 있다.
이를 위해서는 풍향 및 풍속을 측정할 수 있어야 하는데, 이에 대해서는 다시 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 앞에서 언급했던 지지베어링(11), 기어박스(25), 발전기(26), 제동수단(27) 및 풍향풍속계(28)는 종축형 풍력발전기(1)의 지지대(10)에 설치될 수 있다.
지지베어링(11)은 로터(도 1의 21) 및 지지대(10) 사이에 개재되어 로터(21)가 지지대(10)에 대하여 원활하게 회전되도록 한다.
기어박스(25)는 지지대(10)에 고정되며, 회전축(24)에 연결되어 로터(21)의 회전력을 전달받게 된다. 발전기(26)는 지지대(10)에 고정되고 기어박스(25)로부터 변속된 회전력을 전달받는다.
여기서, 기어박스(25)는 감속기 또는 증속기일 수 있는데, 이는 종축형 풍력발전기(1)의 규모 또는 설치 지역의 특성에 따라 선택하여 설치할 수 있다. 즉, 평균풍속이 높은 곳에서는 감속기를 사용할 수 있고, 평균풍속이 낮은 곳에서는 증속기를 사용할 수 있다.
다만, 도시되지 않은 횡축형 풍력발전기에 비하여 종축형 풍력발전기(1)는 그 규모가 작고 블레이드(23)가 설치되는 위치(H1)가 낮은 경우가 많으므로, 평균풍속이 상대적으로 낮은 지표풍을 사용하게 되는 경우가 대부분이다.
또한, 발전기(26)는 그 특성상 소정의 속도 이상으로 발전기축(도시되지 않음)이 회전될 때 그 효율이 높아지므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(1)에는 증속기가 사용되는 것이 더 바람직할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(1)는 블레이드(23)의 개방부(도 1의 2312)가 풍향에 대하여 수직한 방향에 있을 때를 가정할 때 바람에 의한 힘을 최대한 받을 수 있는 면적(H2 X L2)을 고려하여 블레이드(23)의 폭(L2) 및 높에(H2)를 결정할 수 있다. 또한, 암(22)의 길이(L1) 또한 회전축(24)에 최대의 회전력이 전달될 수 있도록 결정할 수 있다.
참고로, 블레이드(23)의 폭(L2)을 2미터, 높이(H2)를 3미터, 암(22)의 길이를 5미터로 형성하고 실험을 한 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(1)는 초속 3 내지 7미터의 낮은 풍속일 때에도 원활하게 작동됨을 확인할 수 있었다.
제동수단(27)은 지지대(10)에 고정되며, 회전축(24)에 연결되어 회전축(24)이 회전되지 않도록 제동하거나 제동상태를 해제할 수 있다. 제동수단(27)은 높은 속도의 바람에 의해 종축형 풍력발전기(1)가 손상되는 것을 방지하기 위한 것으로, 이에 대해서는 아래에서 도 4를 참조하여 다시 설명한다.
풍향풍속계(28)는 지지대(10)에 고정되는데, 가급적 블레이드(23)의 중심부에 근접한 높이를 갖도록 설치되도록 하여 블레이드(23)에 실제로 가해지는 바람의 풍향 및 풍속과 유사한 값이 측정되도록 할 수 있다. 풍향풍속계(28)는 도시되지 않은 풍향계 및 풍속계가 조합된 것으로, 이는 잘 알려진 사항이므로 구체적인 설명은 생략한다.
로터(20)에는 피뢰침(29)이 설치될 수 있다. 낙뢰는 지지면(G)으로부터 돌출된 전도성 물체에 떨어질 확률이 높으므로, 종축형 풍력발전기(1)의 구성요소들이 낙뢰에 의해 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기의 제어방법을 설명하기 위한 평면도가 도시되어 있다. 필요에 따라 도 1 내지 도 3을 함께 참조하여 설명한다.
앞에서 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(도 2의 1)는, 바람(W)의 방향 및 속도에 대응하여 제어될 수 있다.
예를 들어, 화살표로 표시한 방향으로 바람(W)이 유동된다고 가정하면, 곡선화살표(R)로 나타낸 바와 같이 로터(도 1의 20)가 회전된다. 이는 앞에서 설명한 바와 같이 복수의 블레이드(23)가 바람(W)의 방향에 대하여 상대적으로 배치된 위치가 상이함에 따라 복수의 블레이드(23) 각각에 가해지는 힘의 차이에 의한 것이다.
즉, 바람에 의해 복수의 블레이드(23) 중 B위치에 있는 것에 가해지는 힘은
D위치에 있는 것에 비하여 크므로, 로터(20)는 R로 표시한 방향으로 회전된다. 이때, 블레이드(23) 중 D위치에 있는 것의 도어(232)가 도시된 바와 같이 개방되도록 하면 바람에 의해 D위치에 있는 것에 가해지는 힘은 최소화되므로, 로터(20)에 의해 발생되는 회전력이 최대화 될 수 있다.
이와 같이, 로터(20)가 회전되어 복수의 블레이드(23)의 위치가 연속적으로 변경되는 동안 바람(W)의 방향에 따라 도어(232)가 개방 또는 폐쇄되는 시점을 적절히 조절하면 동일한 속도의 바람(W)이더라도 회전축(24)에 전달되는 회전력을 극대화시킬 수 있다.
도시된 바와 같은 방향으로 바람(W)이 유동되어 복수의 블레이드(23) 중 어느 하나가 회전축(24)을 중심으로 회전될 때 A위치에서 C위치까지 이동되는 동안은 바람(W)이 개방부(도 1의 2312 참조)를 통하여 블레이드(23) 내부로 유입되는 방향, 즉 풍압감지수단(235)에 바람(W)에 의해 양압이 가해지는 방향으로 유동된다.
이 경우의 블레이드(23)의 이동방향을 순방향이라 칭하기로 하고, 그 반대를 역방향이라 칭하기로 한다.
바람(W)으로부터 최대한의 회전력을 얻기 위해서는 앞에서 설명한 바와 같이 블레이드(23)가 순방향으로 이동되는 동안 한 쌍의 도어(232)가 폐쇄된 상태를 유지하여야 한다. 동시에 역방향으로 이동되는 것은 한 쌍의 도어(232)가 개방되어 바람(W)에 의한 저항력이 최소화되도록 해야 하며, 특히 한 쌍의 도어(232)는 D위치를 지나기 전에 전체 개방되어야 한다.
따라서, 복수의 블레이드(23) 중 하나를 예로 들어 설명하면, 바람(W)의 속도가 적절한 범위에 속하여 최대의 발전효율을 얻고자 하는 경우 블레이드(23)가 A위치로부터 B위치를 거쳐 C위치에 도달될 때까지는 도어(232)가 폐쇄된 상태가 유지되도록 하고, C위치로부터 D위치를 향하여 이동되기 시작할 때 도어(232)가 개방되기 시작하여 D위치에 도달되기 전에 전체 개방되도록 할 수 있다. 이후 D위치로부터 A위치로 이동되는 동안 도어(232)가 폐쇄되도록 할 수 있다.
다시 말하면, 바람(W)의 방향을 기준으로 하였을 때, 블레이드(23)가 θ1 및 θ2의 범위를 이동하는 중에는 도어(232)가 폐쇄된 상태를 유지하도록 하고, 블레이드(23)가 θ3의 범위에 도달되는 순간부터 도어(232)가 신속히 전체 개방되도록 하며, θ4의 범위를 이동하여 A위치에 도달되기 직전 도어(232)가 폐쇄되도록 할 수 있다.
여기서, θ1 내지 θ4는 바람(W)의 방향을 기준으로 한 각도 범위로서 상술한 바와 같은 동작을 위해서는 바람(W)을 방향을 실시간으로 측정할 수 있어야 하는데, 이는 앞에서 설명한 풍향풍속계(28) 및 풍압감지수단(235)에 의해 측정될 수 있다.
한편, 바람(W)의 속도가 지나치게 빠를 경우에는 블레이드(23) 중 B위치에 있는 것에 매우 강한 힘이 작용되어 회전축(24)이 허용치 이상의 속도로 회전될 수 있다. 이럴 경우 블레이드(23)에 작용되는 원심력, 회전축(24) 및 지지대(도 2의 10)에 작용되는 굽힘응력 등이 허용치 이상으로 상승될 경우 종축형 풍력발전기(도 2의 1)가 손상되는 등의 피해가 발생될 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 바람(W)의 속도가 미리 정해진 속도보다 클 경우에는 블레이드(23) 중 순방향으로 이동되는 것들의 도어(232)가 부분적 또는 전체 개방되도록 할 수 있다. 이때 순방향으로 이동되는 블레이드(23)의 도어(232)를 부분적으로 개방하는 경우는 회전축(24)이 회전되는 속도를 적절한 범위까지 감소시키기 위한 것이며, 바람(W)의 속도가 회전축(24)의 회전속도를 조절할 수 있는 범위를 초과하는 경우에는 모든 블레이드(23)의 도어(232)가 모두 전체 개방되도록 하여 회전축(24)이 회전되지 않도록 함으로써 종축형 풍력발전기(1)가 보호되도록 할 수 있다.
다만, 국지성 돌풍이나 태풍과 같이 시설물이 파괴되는 정도로 바람(W)의 속도가 높은 바람이 방향 또한 빈번하게 변경되는 경우에는 모든 블레이드(23)의 도어(232)가 개방된 상태일지라도 로터(도 1의 20)가 허용치 이상의 속도로 회전될 위험이 있다.
이럴 경우 종축형 풍력발전기(1)를 보호하기 위하여 제동수단(도 2의 27)으로 회전축(24)이 회전되지 않도록 제동을 할 수 있다.
종축형 풍력발전기(1)가 이상 설명한 바와 같이 작동되도록 하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기의 제어방법은, 풍향풍속계(28) 및 풍압감지수단(235)에 의해 측정된 바람의 속도가 미리 정해진 속도 미만일 경우에는 제동수단(27)의 작동을 해제하는 단계와, 풍향풍속계(28) 및 풍압감지수단(235)에 의해 측정된 바람의 속도 및 바람의 방향에 대한 복수의 블레이드(23)의 상대적인 위치에 따라 복수의 한 쌍의 도어(232)의 폐쇄 또는 개방 정도를 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 앞에서 언급한 미리 정해진 바람의 속도를 구체적으로 예시하면, 바람의 속도가 초속 12미터 미만일 경우에는 로터(20)가 회전됨에 따라 복수의 블레이드(23) 중 바람의 방향에 대하여 순방향으로 이동되는 것들의 한 쌍의 도어(232)는 폐쇄되도록 하고, 그 이외의 것들의 한 쌍의 도어(232)는 전체 되도록 할 수 있다.
그리고, 바람의 속도가 초속 12미터 이상이고 초속 23미터 미만일 경우에는 복수의 블레이드(23) 중 순방향으로 이동되는 것들의 한 쌍의 도어(232)는 부분적으로 개방되도록 하고, 그 이외의 것들의 한 쌍의 도어(232)는 전체 개방되도록 할 수 있다.
또한, 바람의 속도가 초속 23미터 이상이고 초속 45미터 미만일 경우에는 모든 도어(232)가 전체 개방되도록 할 수 있고, 바람의 속도가 초속 45미터 이상일 경우에는 모든 도어(232)는 전체 개방된 상태에서 제동수단(27)에 의해 회전축(24)이 제동되어 회전되지 않도록 할 수 있다.
참고로, 기상청에서 사용하는 풍속등급별 명칭에 따르면, 초속 12미터 이하의 바람에는 실바람(0.3 내지 1.5), 남실바람(1.6 내지 3.3), 산들바람(3.4 내지 5.4), 건들바람(5.5 내지 7.9), 흔들바람(8.0 내지 10.7) 및 된바람(10.8 내지 13.8)이 속하며, 초속 23미터 미만의 바람에는 된바람(10.8 내지 13.8), 센바람(13.9 내지 17.1), 큰바람(17.2 내지 20.7) 및 큰센바람(20.8 내지 24.4)이 속한다. 여기서 괄호 내의 숫자의 단위는 m/s이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 종축형 풍력발전기(1)는 앞에서 설명한 바와 같은 구조 및 제어방법에 의해 일상에서 흔히 접하는 지표풍인 건들바람 미만의 속도에서 최대의 효율을 얻을 수 있으므로, 그 제조 및 설치에 도시되지 않은 횡축형 풍력발전기에 비하여 저렴한 비용 및 시간이 소요되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 큰센바람 이상의 풍속을 갖는 바람이 불 경우에도 도어(232)의 개방 및 제동수단(27)의 작동을 통해 종축형 풍력발전기(1)의 피해를 최소화할 수 있으므로, 자연재해에 의해 소요되는 비용이 절약되는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 암(22)의 단면이 익형(airfoil)의 형상을 갖도록 형성함으로써 바람에 의한 소음발생을 최소화할 수 있다. 그리고, 도시되지는 않았으나, 한 쌍의 도어(232)의 표면에 다수의 돌기 또는 홈을 형성하여 바람이 도어(232)의 표면을 따라 유동될 때에 도어(232) 표면에 소형 와류층이 형성되도록 함으로써 도어(232) 또는 블레이드(23)의 표면에서 발생되는 박리현상(separation)이 최소화되도록 함으로써 소음이나 진동의 발생을 감소시킬 수도 있다.
참고로, 로터(20)의 하중이 클 경우에는 회전축(24)의 하단부가 도 2에 도시된 바와 같이 지지면(G)에 설치된 하측지지베어링(12)에 의해 지지되도록 할 수도 있고, 도시되지는 않았으나 로터(20)의 하중이 지지베어링(11)만으로도 지지될 수 있을 정도일 경우에는 회전축(24)의 하단부가 기어박수(25)에만 연결되도록 할 수도 있다.
그리고, 암(22) 및 블레이드(23)의 수는 필요에 따라 가감될 수 있으나, 암(22)은 회전축(24)의 길이방향 중심을 기준으로 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 실시예에 따른 종축형 풍력발전기 및 그 제어방법에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 수직 방향으로 배치된 회전축에 방사상으로 연결된 복수의 암과 상기 복수의 암의 단부에 각각 결합된 복수의 블레이드를 갖는 로터 및 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 지지대를 구비한 종축형 풍력발전기로서,
    상기 지지대에 설치되어 풍향 및 풍속을 감지하는 풍향풍속계; 및
    상기 지지대에 설치되고 상기 회전축에 연결되어 상기 회전축의 회전을 정지 또는 해제하는 제동수단을 포함하고,
    상기 블레이드는
    중간 부분에 개방부가 형성된 도어프레임;
    상기 도어프레임의 양측에 각각 회동 가능하게 결합되어 상기 개방부를 개방 또는 폐쇄하는 한 쌍의 도어;
    상기 암의 단부 또는 상기 도어프레임과 상기 도어를 연결하며, 한 쌍의 도어가 상기 도어프레임에 대하여 회동되도록 하는 개폐수단; 및
    상기 도어프레임 또는 상기 암의 단부에 설치되어 상기 개방부에 가해지는 풍압을 감지하는 풍압감지수단을 포함하며,
    상기 한 쌍의 도어는 상기 개방부가 폐쇄되었을 때 상기 개방부의 어느 한 방향으로 돌출되는 형상을 갖고,
    상기 로터에 바람이 가해질 경우, 복수의 상기 한 쌍의 도어는 상기 바람의 방향에 대한 복수의 상기 블레이드의 상대적인 위치 및 상기 바람의 속도에 따라 개방되는 정도가 조절되거나 폐쇄되는, 종축형 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는
    상기 암의 단부 또는 도어프레임에 설치되어 상기 한 쌍의 도어가 개폐되는 정도를 측정하는 개폐감지수단을 더 포함하는 종축형 풍력발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도어프레임의 상측 및 하측에는 상판 및 하판이 각각 돌출 형성되며,
    상기 상판 및 상기 하판은 상기 한 쌍의 도어가 폐쇄되었을 때 상기 한 쌍의 도어 및 상기 도어프레임 사이에 형성되는 공간을 폐쇄하여 상기 블레이드가 일측이 개방된 용기 형상을 갖도록 형성된 종축형 풍력발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 도어가 폐쇄되어 있을 경우 상기 블레이드의 횡단면은 일측이 개방된 삼각형 형상인 종축형 풍력발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 도어가 폐쇄되어 있을 경우 상기 한 쌍의 도어가 접하는 부분에 각각 결합된 완충수단을 더 포함하는 종축형 풍력발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 도어의 표면에는 다수의 돌기 또는 홈이 형성된 종축형 풍력발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 암의 단면은 익형의 형상을 갖는 종축형 풍력발전기.
  8. 상기 제1항에 따른 종축형 풍력발전기의 제어방법으로서,
    상기 풍향풍속계 및 상기 풍압감지수단에 의해 측정된 상기 바람의 속도가 미리 정해진 속도 미만일 경우 제동수단의 작동을 해제하는 단계; 및
    상기 풍향풍속계 및 상기 풍압감지수단에 의해 측정된 상기 바람의 속도 및 상기 바람의 방향에 대한 복수의 블레이드의 상대적인 위치에 따라 복수의 상기 한 쌍의 도어의 폐쇄 또는 개방 정도를 조절하는 단계를 포함하는 종축형 풍력발전기의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바람의 속도가 초속 12미터 미만일 경우, 상기 로터가 회전됨에 따라 상기 복수의 블레이드 중 상기 바람의 방향에 대하여 순방향으로 이동되는 것들의 상기 한 쌍의 도어는 폐쇄되고, 그 이외의 것들의 상기 한 쌍의 도어는 전체 개방되며,
    상기 바람의 속도가 초속 12미터 이상이고 초속 23미터 미만일 경우, 상기 복수의 블레이드 중 상기 순방향으로 이동되는 것들의 상기 한 쌍의 도어는 부분적으로 개방되고, 그 이외의 것들의 상기 한 쌍의 도어는 전체 개방되며,
    상기 바람의 속도가 초속 23미터 이상이고 초속 45미터 미만일 경우, 복수의 상기 한 쌍의 도어는 모두 전체 개방되고,
    상기 바람의 속도가 초속 45미터 이상일 경우, 복수의 상기 한 쌍의 도어는 모두 전체 개방되고, 상기 제동수단에 의해 상기 회전축의 회전이 정지되는, 종축형 풍력발전기의 제어방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019236793A1 (en) * 2018-06-06 2019-12-12 Flying Diamonds Energy Company LLC Wind turbine

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101837728B1 (ko) * 2017-07-21 2018-03-13 손기태 수직축 풍력발전기용 개폐형 블레이드
KR102308972B1 (ko) * 2021-01-26 2021-10-06 김민관 풍력발전기용 블레이드

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0960573A (ja) * 1995-08-21 1997-03-04 Hakko Denki Kk 風力発電装置
JP2003206848A (ja) * 2001-11-09 2003-07-25 Tokai Univ 一体型風水車とその製造方法
KR100883099B1 (ko) * 2007-06-26 2009-02-11 주식회사 케이.알 수직축 풍력발전시스템의 제어장치 및 방법
KR20100116756A (ko) * 2009-04-23 2010-11-02 김상훈 풍력발전기용 날개
JP2012072760A (ja) * 2011-06-21 2012-04-12 Takahiro Watanabe 風力発電用の開閉羽根付き風車

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0960573A (ja) * 1995-08-21 1997-03-04 Hakko Denki Kk 風力発電装置
JP2003206848A (ja) * 2001-11-09 2003-07-25 Tokai Univ 一体型風水車とその製造方法
KR100883099B1 (ko) * 2007-06-26 2009-02-11 주식회사 케이.알 수직축 풍력발전시스템의 제어장치 및 방법
KR20100116756A (ko) * 2009-04-23 2010-11-02 김상훈 풍력발전기용 날개
JP2012072760A (ja) * 2011-06-21 2012-04-12 Takahiro Watanabe 風力発電用の開閉羽根付き風車

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019236793A1 (en) * 2018-06-06 2019-12-12 Flying Diamonds Energy Company LLC Wind turbine
US10718312B2 (en) 2018-06-06 2020-07-21 Flying Diamonds Energy Company LLC Wind turbine

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