WO2014175613A1 - 수직축 방식의 풍력발전장치 - Google Patents

수직축 방식의 풍력발전장치 Download PDF

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WO2014175613A1
WO2014175613A1 PCT/KR2014/003456 KR2014003456W WO2014175613A1 WO 2014175613 A1 WO2014175613 A1 WO 2014175613A1 KR 2014003456 W KR2014003456 W KR 2014003456W WO 2014175613 A1 WO2014175613 A1 WO 2014175613A1
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pressure surface
wind pressure
wind
rotor plate
blade
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PCT/KR2014/003456
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Inventor
이달주
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Lee Dal Ju
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D3/066—Rotors characterised by their construction elements the wind engaging parts being movable relative to the rotor
    • F03D3/067—Cyclic movements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05B2240/32—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor with roughened surface
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind power generator of the vertical axis type.
  • Wind power generation is divided into a horizontal axis method and a vertical axis method according to the axial direction of the rotor blades.
  • the horizontal axis system consists of a blade, a blade having a cross section having an airfoil shape installed on the horizontal axis, and obtains rotational power by using lift force among aerodynamic forces generated in the blade by air flow flowing around the blade. . Therefore, in the horizontal axis type where lift type blade is mainly applied, airfoil having high lifting ratio should be selected for blade design to increase efficiency. Therefore, it requires much effort for design and manufacturing, and the equipment is expensive, so it is more expensive than power generation. There is a disadvantage of low economic efficiency.
  • the horizontal axis type propeller-type wings are operated only when the wind speed is strong for power output, and thus, the power generation efficiency is low in the breeze environment as inland in Korea.
  • the horizontal wind power generation has a disadvantage of economical in comparison with the generation amount due to the expensive equipment and facility investment costs.
  • the wing is installed on the vertical axis, and among the aerodynamic forces acting on the wing, the power is mainly generated by converting the resistance (or drag) into rotational force, and thus the shape of the wing compared to the lift type.
  • This simplicity has the advantage of easy production and low production cost.
  • Vertical axis wind power generation system is divided into Giromills type and Darius type which are driven by lift according to blade structure, and are divided into Savonius type which is driven by drag.
  • Darius blades use only the lifting force of the fluid, which is disadvantageous in that they are initially disadvantageous and require auxiliary power.
  • Savonius blades use the drag of the fluid, so the rotational speed cannot be greater than the wind speed. Although it has its disadvantages, it can achieve great rotational power even at low wind speeds and is suitable for small power generation systems because it has its own maneuverability.
  • the vertical wind power generation system rotates and drives the blade using lift or drag according to the blade structure.
  • the turbine is driven by using both lift and drag of the fluid by combining Darius and Savonius types. A blade structure for this has been proposed.
  • Korean Patent Publication No. 10-2010-0124084 (published date: November 26, 2010) fixes a plurality of supports at equal intervals around a vertical rotating body, and each support has a rotatable blade within an angle range. It shows the vertical axis power generation system that can drive the turbine by the drag and lift of the fluid.
  • Korean Patent Application Publication No. 10-2012-0139154 discloses a vertical wind turbine in which a lift blade of Darius and a drag blade of Savonius are fused to fuse lift and drag. Is showing.
  • the vertical axis type wind power generation system has a lot of research and development about the turbine structure which can increase the power generation efficiency and the way to obtain stable power even with the change of the wind volume.
  • the device is developed and the present invention is filed.
  • the technical problem of the present invention is as follows.
  • the present invention is to improve the conventional turbine structure of the vertical axis type by using the drag force of Darius-type blade that is basically a rotary drive by using the lifting force of the fluid, but does not require a separate auxiliary power device in the initial start-up
  • An object of the present invention is to provide a vertical wind power generator capable of rotating by magnetic force.
  • the present invention is a vertical axis wind power generation device, by using a generator drive unit having a moment of inertia variable by the centrifugal force in accordance with the change in wind speed, the vertical axis wind power generation that can improve the constant velocity operation with a simple structure only To provide a device.
  • the present invention is to provide a plurality of grooves on the front of the blade to prevent the separation of air from the surface of the blade to form an air layer on the surface of the blade to buffer the air impingement on the front of the blade and
  • the present invention aims to provide a vertical wind turbine that can act as an air lubricant and maximize the effects of drag.
  • the present invention forms a projection on the back of the blade to prevent the accumulation of wind energy lost or wind or wave protrusions formed on the back of the blade to maximize the drag of the wind incident at various angles to the blade To provide a resin shaft-type wind power generation device that can be.
  • Wind turbine of the vertical axis method of the present invention is a generator, a rotary shaft connected to the rotor of the generator and disposed perpendicular to the ground, a rotor plate fixed to the rotation axis perpendicular to the rotation axis of the rotor plate on the same radius It includes a plurality of blades which are laid vertically, but arranged to be rotationally symmetrical about the axis of rotation.
  • the blade is a blade structure which is arranged to have a constant angle with the tangent of the installation radius of the rotor plate, the connection surface facing the rotation axis, the first wind pressure surface and the second bent side connected to each of the connection surface, respectively It has a wind pressure surface, the first wind pressure surface and the second wind pressure surface is formed to be curved in the same direction while having a different curvature.
  • a plurality of hemispherical grooves are formed on the first wind pressure surface, and the grooves collide with each other by delaying peeling of the air layer formed on the first wind pressure surface by arranging grooves of different sizes in combination. It acts as a cushion for the wind while reducing wind resistance.
  • the blade further includes a plurality of conical protrusions formed on the second wind pressure surface so that air that hits the second wind pressure surface and loses energy does not accumulate and can be expelled quickly.
  • the blade further includes one or more protrusions extending in a vertical direction on the second wind pressure surface, wherein the protrusions are curved surfaces facing the rotating shaft and the third wind pressure surface, the curved surface facing outward of rotation. It is made of four wind pressure surface so that the energy can be used even if the angle of the wind incident on the second wind pressure surface varies.
  • the protrusions are all parallel to the direction toward the end irrespective of the distance to the rotation axis so that the shape can be maintained as it is extracted from the mold.
  • the protrusions are arranged side by side with two or more spaced apart in the vertical longitudinal direction so that the wind of losing energy can easily escape.
  • the blade further includes an extension part formed in the opposite direction of rotation at a point where the first wind pressure surface and the second wind pressure surface directly meet so that the energy of the wind that can pass through the edge of the blade can also be used. do.
  • the rotor plate further comprises a plurality of weight members which are provided to be rotationally symmetrical on the rotor plate to be movable in the radial direction according to the rotational speed, wherein the weight member is formed on the rotor plate in rotational symmetry in the radial direction It is inserted into the grooves to be a weight ball that can move along the groove to increase the moment of inertia can be a stable constant motion of the rotation.
  • the grooves may be spirally formed along the rotation direction of the rotor plate, thereby enabling smooth starting even in the fine rotation of the rotor plate.
  • the movable direction of the weight ball and the rotation direction of the rotor plate are in the same direction so that the weight ball can be more smoothly operated.
  • the grooves are preferably formed to diverge in a spiral direction with respect to the rotation direction of the rotor plate.
  • the blade has a hollow portion therein so that the weight is minimized so that it can be driven more easily.
  • the vertical axis type wind turbine further includes a horizontal weight disk coupled to one point of the rotary shaft and coincides with the cross section of the rotary shaft, thereby having a greater moment of inertia, thereby achieving a stable constant motion. desirable.
  • the vertical axis wind turbine according to the present invention has the following advantageous effects.
  • the Darius-type blade structure in which the rotational drive is made by using the lifting force of the fluid is improved, so that the rotational drive is performed by the magnetic force without requiring a separate auxiliary power device at the initial startup and can increase the efficiency of the turbine.
  • the contacting air is held in the grooves, and the peeling of the air layer is delayed, thereby exerting an effect such as an air buffer and an air lubricant. 1
  • the drag of air acting as a resistance to the wind pressure surface is further reduced.
  • the wind that has already lost energy by the conical projections provided on the second wind pressure surface of the blade is formed into turbulent flow and escapes to the surroundings can be excluded that the accumulation of air on the second wind pressure surface.
  • the centrifugal force is added to increase the moment of inertia, which enables a more stable constant speed rotation.
  • air is generated by the low pressure formed on the center of the rotating shaft from the top of the vertical wind turbine. It is possible to suppress the phenomenon that the flow is hindered rotation.
  • the kinetic energy of the wind incident almost parallel to the second wind pressure surface by the extension of the end portion of the blade can be used for the maximum rotation of the blade.
  • the blade disposed in the reverse direction of the wind can also receive the driving force.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a basic embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing the arrangement of the blades in the basic embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a plan view of a blade showing the form of the grooves and the projections of the second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a plan view of a blade showing a protrusion as a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing various angles of the wind incident on the second wind pressure surface in a third embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view of a blade showing the direction of air flow along the separation and the separation between the vertically spaced protrusions in the third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a plan view showing that the air accumulated in the central rotating shaft portion at the time of initial start-up is used for initial start-up due to the protrusion in the third embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a plan view showing that the direction of the end portions of the protrusions that are vertically parallel in the third embodiment of the present invention is parallel;
  • FIG. 9 is a partial perspective view showing a rotor plate to which a fourth embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing a principle of operation of the weight member in the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph illustrating an example of a rotational speed pattern of a wing according to a change in wind speed when the fourth embodiment of the present invention is applied;
  • Fig. 12 is a partial perspective view showing a heavy disk as a fifth embodiment of the present invention together with a rotor plate to which the fourth embodiment is applied;
  • FIG. 13 is an overall perspective view showing that the basic embodiment and the fourth embodiment of the present invention are applied together;
  • FIG. 14 is an overall perspective view showing that the basic embodiment of the present invention and the first, second, fourth, and fifth embodiments are applied together;
  • 15 is an overall perspective view showing that the basic embodiment of the present invention and the first, third, fourth, and fifth embodiments are applied together;
  • first wind pressure surface 143 second wind pressure surface
  • fourth wind pressure surface 424 top and bottom width of the separation
  • extension 501 guide groove
  • weight member 600 weight disk
  • the present invention provides a generator 110, a rotating shaft 120 for driving the generator 110, a rotor plate 130 installed on the rotating shaft 120, and a rotating plate 130, and a rotor plate 130.
  • a plurality of blades 140 are attached to the).
  • the rotating shaft 120 may be supported by a well-known bearing, and it will be understood that a separate structure may be installed to support the top of the rotating shaft rotatably as needed for smooth driving. .
  • the rotor plate 130 is vertically fixed to the rotation shaft 120 to be rotated integrally with the rotation shaft 120.
  • the rotor plate 130 has a circular disk shape.
  • the rotating shaft 120 extending from the lower portion of the rotor plate 130 is connected to the generator 110 to drive the generator by rotation.
  • the blade 140 is provided symmetrically with respect to the rotor plate 130, and thus, the balancing of the weight of the rotor plate 130 in the vertical direction is maintained, so that the rotor plate 130 is rotated when the rotor plate 130 is rotated. It is possible to reduce the vibration of the rotor plate 130 that can be generated by the up and down eccentric mass of.
  • FIG. 2 is a plan view showing a preferred embodiment of the blade in the wind power generator according to the present invention.
  • the blade 140 has an airfoil (airfoil) structure in order to increase the rotational power efficiency due to the wind introduced.
  • the blade 140 is laid vertically on the same radius (R) with respect to the rotation axis 120, n rotational symmetry (360 ° / n) to be repeated at a predetermined angle in a spiral with respect to the rotation axis 120 n; n is an integer).
  • Blade 140 may have a hollow portion (140a) on the inside for weight reduction.
  • Each blade 140 has a connecting surface 141 which faces the rotation shaft 120, and a first wind pressure surface 142 and a second wind pressure surface 143 that are bent and connected at both sides of the connecting surface 142, respectively.
  • the first wind pressure surface 142 and the second wind pressure surface 143 are curved in the same direction while having different curvatures, wherein the curved direction will be the turbine rotation direction.
  • the first wind pressure surface 142 is defined as a blade surface that functions as a leading surface with respect to the turbine rotation direction
  • the second wind pressure surface 143 is a tail surface with respect to the turbine rotation direction. It is defined as the blade face functioning as).
  • the radius of curvature of the second wind pressure surface 143 is greater than the radius of curvature of the first wind pressure surface 142, and more preferably, the radius of curvature of the second wind pressure surface 143 is the first wind pressure surface 142. It will be determined in the range around approximately twice the radius of curvature.
  • the connecting surface 141 is defined as a surface that is substantially oriented to the axis of rotation 120, and a tangent at an arbitrary radius R in which the vertical vertical line nL perpendicular to the center of the connecting surface 141 and the blade 140 are installed.
  • the between angle ⁇ (or rigging angle) (hereinafter referred to as the “installation angle”) between tL is set between 0 ⁇ ⁇ 90 degrees, so that the blade 140 is the rotor plate 130. It is arrange
  • the general Darius type blade is initially unfavorable for maneuvering with a zero installation angle, whereas the blade of the present invention has a constant angle from the tangent tL of the installation radius R of the rotor plate 130.
  • the second wind pressure surface 143 is arranged to have a drag acting by the fluid is very advantageous in the initial start compared to the general Darius type blade.
  • the blade 140 of the present invention is driven by the drag of the wind on the second wind pressure surface 143 in the initial driving, the first wind pressure surface 142 and the second wind pressure surface 143 at a constant rotational speed Rotational drive can be achieved by lifting force acting on
  • FIG. 3 is a plan view of the blade 140 when the first and second embodiments are applied together
  • FIG. 4 is a plan view of the blade 140 when the first and third embodiments are applied together. Only the first embodiment will be described.
  • a plurality of grooves 201 are provided on the first wind pressure surface 142 of the blade 140.
  • the air contacting the first wind pressure surface 142 is formed as a layer of air on the first wind pressure surface 142, like all other objects in motion.
  • the air layer stays on the surface along the moving first wind pressure surface 142 and is separated from the first wind pressure surface 142 while peeling occurs.
  • the grooves 201 serve to hold the air layer not to be separated.
  • the groove 201 when the groove 201 is provided, some air layers may be maintained without peeling from the end of the first wind pressure surface 142 toward the second wind pressure surface 143.
  • the second wind pressure surface 143 The portion where the end of the pass) is not the density of the air is less likely to be able to reduce some of the drag acting on the first wind pressure surface (142).
  • the air layer on the first wind pressure surface 142 when the air layer on the first wind pressure surface 142 is maintained without being peeled off by the groove 201, the air layer may act as a kind of buffer against the air that impinges on the first wind pressure surface 142 and acts as a resistance. In addition, it acts as an air lubricant to attenuate the resistance of the air that hits the first wind pressure surface 142.
  • the plurality of grooves 201 of the first wind pressure surface may be all manufactured in the same size or may be manufactured in different sizes.
  • FIG. 14 shows an overall perspective view of a state in which the first, second, fourth, and fifth embodiments are applied together.
  • FIGS. 4 to 8 are views for the third embodiment.
  • the first, fourth, and fifth embodiments may be applied together with the third embodiment, but the second and third embodiments are optional in which only one of them can be selected.
  • the first difference from the second embodiment in the third embodiment is that one or more protrusions 410 and 420 are formed on the second wind pressure surface 143 instead of the conical protrusions 145.
  • the protrusions 410 and 420 have a predetermined shape in the vertical direction, and the longitudinal direction is vertically formed.
  • the horizontal cross-sections of the protrusions 410 and 420 have two curved surfaces. 411, 421, 412, and 422 and a second wind pressure surface 143.
  • the curved shape is concave when viewed from one side but convex when viewed from the opposite side
  • the two curved surfaces 147, 147 ', 148, and 148' are curved when viewed from the outside and the two curved surfaces are different from each other. It becomes a convex surface. That is, the shape of the protrusions 410 and 420 as a whole becomes a shape of a storm.
  • the surface facing the outer circumferential portion of the rotating surface formed by the rotation of the blade is called the third wind pressure surface 411, 421, and the surface facing the rotation shaft 120 is called the fourth wind pressure surface 412, 422.
  • the plurality of protrusions 410 and 420 are formed side by side in the vertical length direction, and a plurality of rows of the protrusions 410 and 420 in the vertical direction are formed in parallel in the horizontal direction. It can be formed as. 6 shows that the protrusions 410 and 420 are formed in two rows in the vertical direction, but need not be reduced to two, and FIG. 6 is only one embodiment of the arrangement of the protrusions 410 and 420.
  • the protrusions 410 and 420 become larger in size toward the outer circumferential direction of the locus circle formed as the end of the blade 140 rotates. The reason for this will be described later. However, here, for convenience of description, the protrusions 410 and 420 are divided into two as shown in FIG. 6 and divided into the outer protrusion 410 and the inner protrusion 420.
  • the second difference from the first embodiment described above in the second embodiment is that the first wind pressure surface 142 and the second wind pressure surface 143 are the outer periphery, as can be seen from FIG. 4 to FIG.
  • An extension portion 430 is provided at the point where the extension portion 430 is provided, and the direction of the end of the extension portion 430 is parallel to the direction of the protrusions 410 and 420. At this time, the ends of the outer protrusion 410 and the inner protrusion 420 are also parallel to each other.
  • the protrusions 410 and 420 and the extension part 430 in the second embodiment maximize the kinetic energy of all the winds blowing at various angles of incidence on the second wind pressure surface 143.
  • 140 is a configuration for utilizing as the rotation torque.
  • 5 (b) and 6 show how the wind blowing substantially in parallel with the average tangent of the second wind pressure surface 143 is used by the protrusions 410 and 420 and the extension 430.
  • the wind closest to the 12 o'clock direction in the P direction wind and the closest to the 6 o'clock direction in the Q direction wind are the second wind pressure without the protrusions 410 and 420 and the extension 430 of the second wind pressure surface. It will only transfer a little energy to the cotton and will dissipate most of it without wasting it. However, by the protrusions 410 and 420 and the extension 430, the wind can transfer most of the energy to the blade 140. Therefore, it is possible to obtain a better driving force than the first embodiment described above.
  • the wind that loses most of the energy by the protrusions 410 and 420 and the extension 430 meets the first wind pressure surface 142 of the subsequent blade 140 immediately following the energy-receiving blade 140. Delamination of the air is delayed by the groove 201 on the first wind pressure surface 142, thereby forming a thick air lubrication layer. Therefore, the protrusions 410 and 420 and the extension 430 not only absorb all the energy of the wind regardless of the incident angle, but also form an air lubrication layer that can weaken the resistance of the air on the first wind pressure surface of the blade immediately behind. Will be given.
  • the width of the third wind pressure surface 421 and the fourth wind pressure surface 422 of the inner protrusion 420 are parallel to each other. The width will be noticeably different.
  • the inner projection 420 and the outer projection 410 is a cross-sectional view of Figure 8, the two projections are the angle of each other the tangential direction of the second wind pressure surface at the start portion If the inner side 420 and the outer protrusion 410 have the same shape of the third wind pressure surface 411, 421 and the fourth wind pressure surface 412, 422, respectively, and become symmetrical in the injection molding, in the ejection step after cooling during injection molding, Either of the outer protrusion 410 or the inner protrusion 420 will not be ejected without bending.
  • the third wind pressure surface 421 and the fourth wind pressure surface 422 may not be symmetrical, and the third wind pressure surface 421 may have a much larger width.
  • it may be interpreted as 'height' rather than 'width' in 'the width of the third wind pressure surface 421 or the fourth wind pressure surface 422'.
  • the outer protrusion 410 and the inner protrusion 420 may be formed side by side with a plurality of spaced apart in the vertical direction.
  • Rotation of the blade 140 is possible due to the kinetic energy of the wind impinging on the second wind pressure surface (143).
  • the cushion acts as a cushion so that the kinetic energy of subsequent wind is completely transmitted to the blade 140. Therefore, a space is formed between the protrusions 410 and 420 so that the wind, once impinged on the second wind pressure surface 143, can be discharged in the direction of the rotation shaft 120 or in the direction of the outer peripheral portion by the centrifugal force.
  • Figure 7 blade 140 in a position where the wind power generator in the stationary state is discharged in the direction of the rotary shaft 120 when the initial drive is started so that the air accumulated in the rotary shaft 120 portion is not directly affected by the wind
  • the conceptual diagram shows how the force acts on the field.
  • the air layer accumulated in the rotary shaft 120 is higher in pressure than the surroundings. Since it acts as a driving force can be provided to the second wind pressure surface 143 of the blade 140 that is not directly affected by the wind.
  • the vertical axis type wind power generator according to the present invention is a step of normal operation and continues to rotate at a constant speed, rather, the air in the center is forced out to the outside due to the centrifugal force to form a low pressure. At this time, the air introduced from the upper portion that can act as a resistance to rotation as described above can be suppressed by the weight disk 600.
  • FIGS. 9 and 10 (a) and (b) show a preferred embodiment of the rotor plate having a variable moment of inertia in the present invention
  • FIG. 9 is a perspective view of the rotor plate
  • FIG. 10 (a) and (b) Is a plan view of the rotor plate for explaining the operation example.
  • the blades provided in the rotor plate in FIGS. 9 and 10 (a) and (b) are not shown for clarity.
  • the rotor plate 130 is formed with a plurality of grooves 501 rotatably symmetrically in the radial direction, and in each groove 501 a weight ball 502 movable along the grooves 501 is inserted. do.
  • the groove 501 and the number of weight balls 502 inserted into the groove 501 may be determined in consideration of the size, weight, and the like of the rotor plate 130.
  • Lubricating oil such as oil or graphite may be applied to the recess 501 to reduce friction with the weight ball 502, or the surface of the weight ball 502 may be coated with Teflon to reduce friction.
  • the groove 501 is shown as being exposed to the surface of the rotor plate 130 in the drawing of the present embodiment, a separate cover is provided on the rotor plate 130 to prevent the inside of the groove 501 from being contaminated by foreign matter. An additional groove 501 may not be exposed to the outside.
  • the grooves 501 may have a spiral shape along the rotational direction of the rotor plate 130, wherein the rotational direction of the rotor plate 130 and the moving direction of the weight balls 502 become the same direction, More preferably, the grooves 142 may be formed to diverge in a spiral direction with respect to the rotation direction of the rotor plate 130.
  • the weight ball 502 is located inside the recess 501.
  • the rotor plate 130 may be driven with a small torque because the moment of inertia is relatively small.
  • FIG. 11 is a graph illustrating a change in the rotational speed of the rotor plate according to the wind speed. For example, the rotational speed pattern of the rotor plate having the fixed moment of inertia is shown.
  • the rotor plate 130 for coupling the blade 140 to the central axis is empty except for the portion of the guide groove 132 to move the outer peripheral portion and the weight ball 150, which is the coupling portion of the blade 140 It is preferred to be in the form of a hollow.
  • a plurality of rotor plates 130 may be installed from the top to the bottom of the rotation shaft 120.
  • a separate weight disk 600 may be installed in addition to the rotor plate 130 for coupling the blade 140.
  • the size of the weight disk 600 is not limited, preferably manufactured to have a diameter smaller than the rotor plate 130 so as not to overlap with the blade 140, the rotary shaft 120 above the upper end of the blade 140 To be coupled to
  • the heavy disk 600 is installed in the same manner as the rotor plate 130 so as to be parallel to the ground and its center coincides with the center of the horizontal cross section of the rotation shaft 120. As the centrifugal force of rotation is further added by the weight disk 600, it may be a constant speed rotation.
  • the weight disc 600 prevents the inflow of air from the upper portion of the wind power generator to the rotary shaft 120 during the normal operation of the wind power generator.
  • the vertical axis type wind power generator is a high pressure is formed in the center as the air flows into the center portion of the rotating shaft 120 at the moment when the drive is started in the initial stop state.
  • the air in the center is released to the outer circumference by the centrifugal force, so that the central air is formed with a low pressure.
  • the weight disk 600 is to perform the role of blocking the air flowing into the center from the top to a certain degree in this normal operation.
  • each of the first, fourth, and fifth embodiments may be applied together with all other embodiments. And, preferably all of the above embodiments are applied.
  • the second embodiment and the third embodiment are embodiments in which one of the two is not applied. Therefore, the combination of the embodiments is a combination of the first embodiment, the combination of the first, second, fourth, fifth embodiment and the combination of the first, third, fourth, and fifth embodiments, and in particular, The combination of examples can be seen as the best embodiment.
  • FIG. 14 is an overall perspective view when the first, second, fourth, and fifth embodiments are combined, and FIG. 15 is an overall perspective view when the first, third, fourth, and fifth embodiments are combined;
  • Another effect generated by the formation of the protrusions 410 and 420 and the extension part 430 is an effect generated in the relationship with the groove 201 formed on the first wind pressure surface 142.
  • the air layer is formed on the surface of the first wind pressure surface 142 without the separation of the air layer due to the grooves 201 formed on the first wind pressure surface 142 and the air layer due to the groove 201. While the peeling is delayed, the thickness becomes thicker, which acts as a kind of air lubricant, thereby reducing the resistance of the air applied to the first wind pressure surface 142.
  • the part of the wind that has not escaped from the wind that loses the kinetic energy after colliding with the second wind pressure surface 143 by the protrusions 410 and 420 and the extension part 430 is adjacent to and behind the second wind pressure surface 143. It is caught by the groove 201 of the first wind pressure surface 142 to serve as an air lubricant.
  • the amount of air that loses energy and accumulates on the second wind pressure surface 143 due to the protrusions 410 and 420 increases, and the thicker the air layer acting as an air lubricant, the more the air is caught on the first wind pressure surface 142. Since the resistance is reduced by that, the surface air layer of the first wind pressure surface 142 which is followed by the protrusions 410 and 420 becomes thicker, and the air resistance is reduced by that, so that the rotation of the blade 140 becomes smoother. .

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Abstract

본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것으로, 발전기(110)와; 수직하게 배치되어 상기 발전기에 회전력을 전달하게 되는 회전축(120)과; 상기 회전축에 수직하게 고정되는 로터플레이트(130)와; 상기 로터플레이트(130)의 회전축(120)에 대해 동일 반경 상에 수직하게 부설되되, 회전축(120)에 대해 나선형으로 회전 대칭되도록 배치된 다수의 블레이드(140)와; 상기 로터플레이트(130)의 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트(130)에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재(150)를 포함하며, 상기 블레이드(140)는 상기 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 익형 구조로써, 회전축을 지향하는 연결면(141)과, 이 연결면(141)의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)을 가지며, 상기 제1풍압면(142) 및 제2풍압면(143)은 서로 다른 곡률을 가지면서 동일 방향으로 만곡 형성됨으로써, 양력과 항력을 이용하여 터빈의 효율을 높일 수 있으며, 등속 운전성을 개선하여 안정적인 전력생산이 가능한 효과가 있고, 제1풍압면(142)상에 복수개의 홈(201)이 마련되게 하여 공기층의 박리가 지연됨으로써 더욱 회전이 원활하게 되며, 다양한 각도로 제2풍압면(143)에 입사되는 바람이 최대한 이용될 수 있는 돌기(410,420)이 마련됨으로써 바람의 운동에너지가 최대한 활용될 수 있는 효과가 있다.

Description

수직축 방식의 풍력발전장치
본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 관한 것이다.
풍력발전은 회전날개의 축 방향에 따라서 수평축 방식과 수직축 방식으로 구분된다.
통상적으로 수평축 방식은 수평축에 설치된 회전자가 에어포일 형상의 단면을 갖는 날개인 블레이드로 구성되며, 이 블레이드의 주변을 흐르는 공기유동에 의하여 블레이드에 발생하는 공기역학적 힘 중에서 양력을 이용하여 회전동력을 얻는다. 따라서, 양력형 블레이드가 주로 적용되는 수평축 형식에서는 효율을 높이기 위해서 블레이드 설계 시에 높은 양항비를 갖는 에어포일을 선택해야 하며, 따라서 설계 및 제작에 많은 노력을 필요로 하며 설비가 고가여서 발전량에 비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 수평축 형식에서는 프로펠러형의 날개가 전력 출력을 위하여 풍속이 강해야만 가동이 되며, 따라서 우리나라 내륙에서와 같이 미풍 환경에서는 발전효율이 떨어진다. 또한, 수평형 풍력발전은 고가의 설비와 시설투자비가 소요되어 발전량과 대비하여 경제성이 떨어지는 단점이 있다.
반면에, 수직축 방식의 풍력발전은 수직축 상에 날개가 설치되며, 이 날개에 작용하는 공기역학적 힘 중에서 주로 저항(또는 항력)을 회전력으로 변환하여 동력을 발생시키게 되므로, 양력형에 비해 날개의 형상이 단순하여 제작이 매우 쉽고 제작비용이 저렴한 장점이 있다.
수직축 방식의 풍력발전시스템은 블레이드 구조에 따라서 양력을 이용하여 구동이 이루어지는 자이로밀(Giromills) 타입과 다리우스(Darrieus) 타입이 있으며, 항력으로 구동이 이루어지는 사보니우스(Savonius) 타입으로 크게 구분된다.
다리우스 블레이드는 유체의 양력만을 이용하게 되어 초기에 스스로 기동에 불리하여 보조 동력장치를 필요로 하는 단점이 있으며, 반면에 사보니우스 블레이드는 유체의 항력을 이용하는 방식이므로 회전 속도가 풍속보다는 클 수 없다는 단점이 있지만 낮은 풍속에서도 큰 회전력을 얻을 수 있으며 자체 기동력이 있기 때문에 소형 발전시스템에서 적합하다.
이와 같이 수직축 방식의 풍력발전시스템은 블레이드 구조에 따라서 양력 또는 항력을 이용하여 블레이드를 회전 구동하게 되며, 최근에는 다리우스 타입과 사보니우스 타입을 결합하여 유체의 양력과 항력을 모두 이용하여 터빈을 구동하기 위한 블레이드 구조가 제안되고 있다.
예를 들어, 공개특허공보 제10-2010-0124084호(공개일자: 2010.11.26)는 수직한 회전체 둘레에 등 간격으로 다수의 지지대를 고정하며, 각 지지대에는 각도 범위 내에서 회전 가능한 블레이드를 마련하여 유체의 항력과 양력에 의해 터빈을 구동할 수 있는 수직축 발전 시스템을 보여주고 있다.
다른 예로써, 공개특허공보 제10-2012-0139154호(공개일자: 2012.12.27)는 다리우스 타입의 양력블레이드와, 사보니우스 타입의 항력블레이드가 융합하여 양력과 항력을 융합한 수직축 풍력발전기를 보여주고 있다.
한편 풍력발전은 근본적으로 날개를 회전 구동시켜서 전력을 얻게 되므로, 전력발생에 있어서 계절적인 요인이나 기후, 지역 등에 많은 영향을 받게 되며, 또한 지역에 따라서도 일중 풍량 변화가 심하게 발생되어 안정적인 전력발생에 많은 어려움이 있다.
이와 같이 수직축 방식의 풍력발전시스템은 발전 효율을 높일 수 있는 터빈구조와 함께 풍량 변화에도 안정적인 전력을 얻을 수 있는 방안에 대하여 많은 연구와 개발이 있었으며, 본 출원인은 이러한 문제점을 개선할 수 있는 풍력발전장치를 개발하여 본 발명을 출원하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 다음과 같다.
첫째, 본 발명은 이러한 종래의 수직축 방식의 터빈구조를 개선하여 기본적으로 유체의 양력을 이용하여 회전 구동이 이루어지는 다리우스 타입의 블레이드이면서도 초기 기동에서 별도의 보조 동력장치를 필요로 하지 않고 항력을 이용하여 자력으로 회전 구동이 가능한 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
둘째, 본 발명은 수직축 방식의 풍력발전장치에 있어서, 풍속 변화에 따라서 원심력을 이용하여 가변되는 관성모멘트를 갖는 발전기 구동유닛을 이용하여 간단한 구조만으로 등속 운전성을 개선할 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
셋째, 본 발명은 블레이드의 정면에 복수개의 홈이 마련되도록 하여 블레이드의 표면에서 공기의 박리가 진행되는 것을 방지함으로써 블레이드의 표면에 공기층이 형성되게 되어 블레이드의 정면에 충돌되는 공기에 대한 완충역할 및 공기 윤활제로 작용되게 하는 한편 항력의 효과가 최대화 될 수 있는 수직축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
넷째, 본 발명은 블레이드의 후면에 돌기를 형성시켜 에너지를 잃은 바람의 적체를 방지되거나 또는 블레이드의 후면에 풍랑 또는 물결 형상의 돌출부를 형성시켜 블레이드에 다양한 각도로 입사되는 바람의 항력이 최대로 이용 될 수 있는 수지축 방식의 풍력발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명인 수직축 방식의 풍력발전장치는 발전기와, 발전기의 회전자에 연결되며 지면에 수직하게 배치되는 회전축과, 상기 회전축에 수직하게 고정되는 로터플레이트와, 상기 로터플레이트의 회전축에 대해 동일 반경 상에 수직하게 부설되되, 회전축에 대해 나선형으로 회전 대칭되도록 배치된 다수의 블레이드를 포함하여 이루어진다.
이때 상기 블레이드는 상기 로터플레이트의 설치 반경의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 익형 구조로써, 회전축을 지향하는 연결면과, 이 연결면의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면과 제2풍압면을 가지며, 상기 제1풍압면 및 제2풍압면은 서로 다른 곡률을 가지면서 동일 방향으로 만곡 되게 형성된다.
바람직하게는 상기 제1풍압면상에 복수개의 반구 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈은 서로 다른 크기의 홈들이 조합되어 배치되도록 하여 제1풍압면상에 형성되는 공기층의 박리를 지연시킴으로써 정면에 부딪히는 바람에 대한 완충 쿠션 역할이 되는 한편 바람의 저항이 줄어들게 되도록 한다.
또한 바람직하게는 상기 블레이드는 제2풍압면상에 형성되는 복수개의 원뿔형 돌기를 더 포함하게 하여 제2풍압면에 부딪혀 에너지를 잃게 되는 공기가 적체되지 않고 분해되어 신속히 빠져나갈 수 있도록 한다.
혹은 상기 원뿔형 돌기 대신에 상기 블레이드는 제2풍압면상에 수직방향으로 길게 형성되는 하나이상의 돌출부를 더 포함하며, 상기 돌출부는 회전 외부를 향하는 만곡면인 제3풍압면과 회전축을 향하는 만곡면인 제4풍압면으로 이루어지도록 하여 제2풍압면상에 입사되는 바람의 각도가 다양하더라도 그 에너지가 이용될 수 있도록 한다.
이때 상기 돌출부는 회전축에서 멀수록 수평 폭과 돌출 정도가 크도록 하여 관성모멘트가 최대로 되도록 한다.
한편 상기 돌출부는 회전축과의 거리에 상관없이 끝단이 향하는 방향이 모두 평행하게 됨으로써 금형에서 적출될 때 형상이 그대로 유지될 수 있도록 한다.
그리고, 상기 돌출부는 수직 길이방향으로 두 개 이상이 이격되어 나란히 배치되도록 하여 에너지를 잃는 바람이 쉽게 빠져나갈 수 있도록 한다. 이때 상기 돌출부는 회전축에 가까울수록 수직 길이가 짧아지도록 하여 에너지를 잃게 되는 바람의 배출이 더욱 용이하게 될 수 있다.
더욱 바람직하게는 상기 블레이드는 제1풍압면과 제2풍압면이 직접 만나는 지점에 회전 반대방향으로 형성되는 연장부를 더 포함하도록 하여 블레이드의 끝단부위로 스쳐 지나갈 수 있는 바람의 에너지도 이용될 수 있도록 한다.
한편, 상기 로터플레이트는 그 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재를 더 포함하며, 상기 중량부재는 로터플레이트에 방사 방향으로 회전 대칭되게 형성된 각 요홈들 내에 삽입되어 상기 요홈을 따라서 이동 가능한 중량볼이 되도록 하여 관성모멘트가 더 커지게 됨으로써 회전이 안정적인 정속운동이 될 수 있게 된다.
이때 상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향을 따라서 나선형상이 되도록 하여 로터플레이트의 미세 회전에서도 원활한 시동이 가능할 수 있게 된다.
바람직하게는 상기 중량볼의 가동방향과 상기 로터플레이트의 회전 방향은 동일 방향이 되게 하여 중량볼이 더욱 원활하게 가동될 수 있도록 한다.
이때 상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성됨이 바람직하다.
그리고 상기 블레이드는 내부에 중공부를 갖도록 하여 무게가 최소화 됨으로써 더 쉽게 구동될 수 있도록 한다.
한편 상기 수직축 방식의 풍력발전장치는 상기 회전축의 일 지점에 결합되고 회전축의 단면과 중심이 일치되는 수평의 중량디스크를 더 포함하며 이에 의하여 더욱 큰 관성모멘트를 가지게 되어 안정적인 정속운동이 이뤄지도록 함이 바람직하다.
본 발명에 의한 수직축 방식의 풍력발전장치에는 다음과 같은 유리한 효과가 있다.
첫째, 유체의 양력을 이용하여 회전 구동이 이루어지는 다리우스 타입의 블레이드 구조를 개선하여 초기 기동 시에 별도의 보조 동력장치를 필요로 하지 않고 자력으로 회전 구동이 이루어지며 터빈의 효율을 높일 수 있다.
둘째, 발전기를 구동하게 되는 터빈에 회전속도에 따라서 원심력을 이용하여 관성모멘트가 가변되도록 함으로써, 간단한 구조만으로도 등속 운전성을 개선할 수 있으며, 따라서 바람의 강약에 상관없이 안정적인 전력생산이 가능한 효과가 있다.
셋째, 블레이드의 진행방향면인 제1풍압면에 복수개의 홈이 마련됨으로써 접촉되는 공기가 홈에 붙들려 공기층의 박리가 지연됨으로 인하여 공기 완충제 및 공기 윤활제와 같은 효과가 발휘되어 회전 시에 블레이드의 제1풍압면에 저항으로 작용되는 공기의 항력이 더 줄어들게 된다.
넷째, 블레이드의 제2풍압면에 구비된 원뿔모양의 돌기들에 의하여 이미 에너지를 잃은 바람이 난류로 형성되며 주위로 빠져나가게 되어 제2풍압면에 공기의 축적이 일어나는 것이 배재될 수 있다.
다섯째, 회전축의 상단에 결합되는 중량디스크에 의하여, 원심력이 추가됨으로써 관성모멘트도 더욱 커져서 보다 더 안정적인 정속 회전이 가능해지며, 정상회전 중에 수직축 풍력발전장치의 상부로부터 회전축 중심부위에 형성되는 저기압으로 공기가 유입되어 회전에 방해가 되는 현상이 억제될 수 있게 된다.
여섯째, 제2풍압면에 대한 두 번째 실시예인 수직방향으로 길게 형성되는 돌출부에 의하여, 제2풍압면에 거의 평행하게 입사되는 바람의 운동에너지까지도 블레이드의 회전에 이용될 수 있게 된다.
일곱째, 외주면의 돌출부가 가장 크도록 하여 같은 운동에너지의 바람에서도 최대의 토크를 얻을 수 있도록 한다.
여덟째, 블레이드의 끝단부의 연장부에 의하여 제2풍압면에 거의 평행하게 입사되는 바람의 운동에너지가 최대한 블레이드의 회전에 사용될 수 있게 된다.
아홉째, 초기 기동시에 수직풍력발전장치의 중앙 회전축 부위에 축적되는 바람이 주위로 배출되면서 바람의 역방향에 배치되는 블레이드도 추진력을 받을 수 있게 된다.
도1은 본 발명의 기본 실시예를 나타내는 사시도,
도2는 본 발명의 기본 실시예에서의 블레이드의 배치 형태를 나타내는 평면도,
도3은 본 발명의 제1실시예인 홈과 제2실시예인 돌기의 구비 형태를 나타내는 블레이드의 평면도,
도4는 본 발명의 제3실시예인 돌출부를 나타내는 블레이드의 평면도,
도5는 본 발명의 제3실시예에서 제2풍압면에 입사되는 바람의 다양한 각도를 나타내는 평면도,
도6은 본 발명의 제3실시예에서 수직으로 이격되는 돌출부 사이의 이격과 이격을 따라 흐르는 공기 진행 방향을 나타내는 블레이드의 사시도,
도7은 본 발명의 제3실시예에서 초기 시동시에 중앙의 회전축 부위에 축적되는 공기가 돌출부로 인하여 초기 시동에 사용되는 것을 나타내는 평면도,
도8은 본 발명의 제3실시예에서 수직으로 평행인 각 돌출부 끝단 방향이 평행인 것을 나타내는 평면도,
도9는 본 발명의 제4실시예가 적용된 로터 플레이트를 나타내는 부분 사시도,
도10은 본 발명의 제4실시예에서 중량부재의 가동 원리를 나타내는 개념도,
도11은 본 발명의 제4실시예의 적용시에 풍속 변화에 따른 날개의 회전속도 패턴을 예시적으로 보여주는 그래프,
도12는 본 발명의 제5실시예인 중량디스크를 제4실시예가 적용된 로터플레이트와 함께 나타내는 부분 사시도,
도13은 본 발명의 기본 실시예와 제4실시예가 함께 적용되는 것을 나타내는 전체 사시도,
도14는 본 발명의 기본실시예와 제1,2,4,5실시예가 함께 적용되는 것을 나타내는 전체 사시도,
도15는 본 발명의 기본실시예와 제1,3,4,5실시예가 함께 적용되는 것을 나타내는 전체 사시도,
110 : 발전기 120 : 회전축
130 : 로터 플레이트 131 : 로터플레이트의 수평면의 중심
140 : 블레이드 141 : 연결면
142 : 제1풍압면 143 : 제2풍압면
201 : 홈 301 : 원뿔모양 돌기
410 : 바깥쪽 돌출부 411 : 제3풍압면
412 : 제4풍압면 414 : 이격의 상하폭
420 : 안쪽 돌출부 421 : 제3풍압면
422 : 제4풍압면 424 : 이격의 상하폭
430 : 연장부 501 : 가이드홈
502 : 중량부재 600 : 중량디스크
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
1. 기본 실시예
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명은 발전기(110), 발전기(110)를 구동하기 위한 회전축(120), 회전축(120)에 설치되어 회전 운동이 이루어지는 로터플레이트(130), 로터플레이트(130)에 부설되는 다수의 블레이드(140) 를 포함한다.
도시되지는 않았으나 회전축(120)은 주지의 베어링에 의해 지지될 수 있으며, 원활한 구동을 위하여 필요에 따라서는 회전축 상단을 회동 가능하게 지지할 수 있는 별도의 구조물이 설치될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
로터플레이트(130)는 회전축(120)에 수직하게 고정되어 회전축(120)과 일체로 회전 구동이 이루어지며, 바람직하게는, 로터플레이트(130)는 원형 디스크 형태를 갖는다.
로터플레이트(130)의 하부에서 연장되는 회전축(120)은 발전기(110)와 연결되어 회전에 의해 발전기를 구동시킨다.
블레이드(140)는 로터플레이트(130)를 기준으로 상하 대칭되게 마련되며, 따라서 로터플레이트(130)의 상하 방향의 중량에 대한 밸런싱이 유지됨으로써, 로터플레이트(130)의 회전 시에 로터플레이트(130)의 상하 편심질량에 의해 발생될 수 있는 로터플레이트(130)의 진동을 저감시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치에 있어서, 블레이드의 바람직한 실시예를 보여주는 평면 구성도이다.
도 2를 참고하면, 블레이드(140)는 유입된 바람에 의한 회전동력 효율을 높이기 위하여 익형(airfoil) 구조를 갖는다.
본 발명에서 블레이드(140)는 회전축(120)에 대해 동일 반경(R) 상에서 수직하게 부설되며, 회전축(120)에 대해 나선형으로 일정 각도 마다 반복되도록 n회 회전 대칭(rotational symmetry)(360°/n; n은 정수)되게 배치된다. 본 실시예에서 블레이드(140)는 5개가 로터플레이트(130)의 동일 반경(R) 상에 설치됨을 보여주고 있으며, 5개의 블레이드(140)는 회전축(120)에 대해 72°(=360°/5) 회전 마다 반복 배치되어 5회 회전 대칭됨을 보여주고 있다.
블레이드(140)는 경량화를 위하여 내측에 중공부(140a)를 가질 수 있다.
각 블레이드(140)는 회전축(120)을 지향하게 되는 연결면(141)과, 이 연결면(142)의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)을 가지며, 제1풍압면(142) 및 제2풍압면(143)은 서로 다른 곡률을 가지면서 같은 방향으로 만곡 형성되며, 이때 만곡 형성된 방향은 터빈 회전 방향이 될 것이다.
본 실시예에서 제1풍압면(142)은 터빈 회전방향에 대해 선단 면(leading surface)으로 기능하는 블레이드 면으로 정의되며, 제2풍압면(143)은 터빈 회전방향에 대해 후단 면(tail surface)으로 기능하는 블레이드 면으로 정의된다.
바람직하게는 제2풍압면(143)의 곡률 반경은 제1풍압면(142)의 곡률반경 보다는 크며, 보다 바람직하게는 제2풍압면(143)의 곡률반경은 제1풍압면(142)의 곡률반경의 대략 2배 전후 범위에서 결정될 것이다.
연결면(141)은 대략 회전축(120)을 지향하는 면으로 정의되며, 연결면(141) 중앙에 수직한 가상의 수직선(nL)과 블레이드(140)가 설치되는 임의 반경(R)에서의 접선(tL) 사이의 사잇각(θ)(또는 리깅 각(rigging angle))(이하, "설치각"이라 함)은 0<θ<90도 사이에서 설정되며, 따라서 블레이드(140)는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치된다.
참고로, 일반적인 다리우스 타입의 블레이드는 설치각이 영(0)으로써 초기에 기동에 불리한 반면에, 본 발명의 블레이드는 로터플레이트(130)의 설치 반경(R)의 접선(tL)과는 일정한 각도를 갖도록 배치되어 제2풍압면(143)은 유체에 의한 항력이 작용하게 되어 일반적인 다리우스 타입의 블레이드와 비교하여 초기 기동에서 매우 유리하다.
이와 같은 본 발명의 블레이드(140)는 초기 구동에서는 제2풍압면(143)에 바람에 의한 항력에 의해 구동이 이루어지며, 일정 회전 속도에서는 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)에 작용하는 양력에 의해 회전 구동이 이루어질 수 있다.
2. 제1실시예
도3은 제1실시예와 제2실시예가 함께 적용되는 경우의 블레이드(140)의 평면도이며, 도4는 제1실시예와 제3실시예가 함께 적용되는 경우의 블레이드(140)의 평면도이다. 일단 제1실시예에 한정하여 설명하기로 한다.
제1실시예는 블레이드(140)의 제1풍압면(142)상에 복수개의 홈(201)이 구비되게 하는 것이다. 블레이드(140)가 바람으로 인하여 회전될 때 제1풍압면(142)에 접촉되는 공기는 운동중인 다른 모든 물체와 마찬가지로 그 일부가 제1풍압면(142)상에 공기층으로 형성된다.
상기 공기층은 이동중인 제1풍압면(142)을 따라 그 표면에 머물다가 박리가 일어나면서 제1풍압면(142)에서 분리되게 된다. 이때, 제1풍압면(142)의 표면에 복수개의 반구형상의 홈(201)이 마련되게 하면 홈(201)은 공기층이 분리되지 못하게 붙잡아 두는 역할을 하게 된다.
그리고, 홈(201)이 없을 경우에는 공기층의 박리가 빨리 시작되므로 블레이드로 인한 공기중의 궤적에 의하여 블레이드 뒤쪽의 공기 밀도는 희박하게 되고 블레이드 앞쪽은 공기의 저항을 받게 되어 항력이 블레이드의 전진방향에 저항으로 작용되게 된다.
그러나, 홈(201)이 마련되면 미약하게나마 일부 공기층은 제1풍압면(142)의 끝에서 제2풍압면(143)을 향하는 방향까지 박리되지 않고 유지되게 되고 이 경우에는 제2풍압면(143)의 끝단 부분이 지나는 부위는 공기의 밀도가 희박하지는 않게 되어 제1풍압면(142)에 작용되는 항력을 일부나마 감소시켜줄 수 있게 된다.
또한, 홈(201)에 의하여 제1풍압면(142)상의 공기층이 박리되지 않고 유지되게 되면 이 공기층은 제1풍압면(142)상에 부딪히며 저항으로 작용되는 공기에 대하여 일종의 완충제로 작용될 수 있으며, 또한 공기 윤활제처럼 작용되어 제1풍압면(142)상에 부딪히는 공기의 저항력을 감쇄시켜 줄 수 있게 되는 것이다.
한편, 자세히 도시되지는 않았지만 제1풍압면의 복수개의 홈(201)은 모두 동일한 사이즈로 제작될 수도 있고, 혹은 서로 다른 사이즈로 제작될 수도 있다.
3. 제2실시예
도3에는 제1실시예와 제2실시예가 서로 함께 적용되는 것으로 도시되어 있다. 일단, 도3에서 제2실시예에 해당되는 제2풍압면상의 복수개의 원뿔형 돌기(301)에 대해서만 살펴보기로 한다.
제2풍압면(143)에 충돌되어 전체 블레이드(140)를 밀어주는 바람은 충돌과 동시에 운동에너지를 잃으면서 제2풍압면(143)에서 일시적으로 바람의 덩어리로 축적되게 된다. 이는 그 이후에 새로운 바람이 충돌하는 데에 방해가 될 수 있다. 따라서 충돌과 동시에 빠져나가야 하는 것이다. 이때, 제2풍압면(143)에 원뿔형 돌기(301)가 마련되면 제2풍압면(143)에 충돌되는 바람의 덩어리가 원뿔모양 돌기(145)들에 의해 와류로 형성되면서 분해되어 신속히 빠져나갈 수 있게 되는 것이다.
참고로, 도14에는 제1,2,4,5실시예가 함께 적용된 상태의 전체 사시도가 도시되어 있다.
4. 제3실시예
도4내지 도8은 제3실시예에 대한 도면 들이다. 제1,4,5실시예들은 제3실시예와 함께 적용될 수 있으나, 제2실시예와 제3실시예는 둘 중 어느 하나만 선택될 수 있는 선택사항이다.
제3실시예에서 제2실시예와의 첫 번째 차이는 원뿔모양 돌기(145)들 대신에 제2풍압면(143) 상에 하나 이상의 돌출부(410,420)가 형성되게 된다는 점이다.
도4를 참고하면, 돌출부(410,420)는 수직방향으로 일정한 형상을 가지게 되어 길이방향이 수직으로 형성되게 되며, 도10의 평면도를 참조하면, 돌출부(410,420)의 수평단면의 형상은 두 개의 만곡면(411,421,412,422) 및 제2풍압면(143)으로 이루어진다.
만곡 형상은 한쪽에서 관찰할 때에는 오목하지만 반대쪽에서 관찰할 때에는 볼록면이 되므로, 상기 두 개의 만곡면(147, 147', 148, 148')은 외부에서 볼 때에는 만곡면이며 두 만곡면 서로에 대해서는 볼록면으로 된다. 즉 전체적으로 돌출부(410,420)의 형상은 풍랑의 형상이 되는 것이다.
위의 두 만곡면(411,421,412,422) 중 블레이드의 회전으로 형성되는 회전면의 외주부 방향을 향하는 면은 제3풍압면(411,421)이라 하고, 회전축(120)을 향하는 면은 제4풍압면(412,422)이라고 하기로 한다.
그리고, 도6을 참고하면, 돌출부(410,420)는 수직 길이방향으로 복수개가 이격되어 나란히 형성되게 되며, 복수개가 이격되어 형성되는 수직방향의 돌출부(410,420)의 열은 수평방향으로 복수개의 열이 병렬로 형성될 수 있다. 도6에는 돌출부(410,420)가 수직방향으로 두 줄로 형성된 것으로 나오지만, 반드시 두 줄일 필요는 없으며 도6은 돌출부(410,420)의 배치에 대한 하나의 일 실시예일 뿐인 것이다.
그리고, 돌출부(410,420)는 블레이드(140)의 끝단의 회전에 따라 형성되는 궤적인 원의 외주부 방향으로 갈수록 그 크기가 커지게 된다. 이에 대한 이유는 후술하기로 한다. 다만, 여기서는 설명의 편의를 위하여 도6에 도시된 대로 돌출부(410,420)를 크게 두 가지로 나누어서 바깥쪽 돌출부(410)와 안쪽 돌출부(420)로 구분하여 서술하기로 한다.
그리고 두 번째 실시예에서 위에서 설명한 최초 실시예와의 두 번째 차이는, 도4내지 도8을 도3과 비교시켜 보면 알 수 있듯이 제1풍압면(142)과 제2풍압면(143)이 외주부에서 만나는 지점에 연장부(430)가 마련되고 연장부(430)의 끝단의 방향은 돌출부(410,420)의 방향과 평행하게 된다. 이때, 바깥쪽 돌출부(410)와 안쪽 돌출부(420)의 끝단의 방향도 서로 평행하게 된다.
이하에서는 두 번째 실시예의 구성의 작용과 그로 인한 효과를 상세히 설명하기로 한다.
도4와 도5를 참조하면, 두 번째 실시예에서의 돌출부(410,420)와 연장부(430)는 제2풍압면(143)에 다양한 각도의 입사각으로 불어오는 모든 바람의 운동에너지를 최대한 블레이드(140)의 회전 토크로 활용하기 위한 구성들이다. 도5의 (b)와 도6은 제2풍압면(143)의 평균 접선에 거의 평행하게 불어오는 바람이 돌출부(410,420)와 연장부(430)에 의하여 어떻게 이용되고 있는지가 도시되어 있다.
도11에서는 특히 P방향의 바람 중 12시 방향으로 가장 근접한 방향과 Q 방향의 바람 중 6시 방향에 가장 근접한 바람은 제2풍압면의 돌출부(410,420) 및 연장부(430)가 없다면 제2풍압면에 약간의 에너지만 전달할 뿐 대부분의 에너지는 소모시키지 않고 비껴가게 될 것이다. 하지만, 돌출부(410,420) 및 연장부(430)에 의하여 바람은 대부분의 에너지를 블레이드(140)에 전달할 수 있게 된다. 따라서, 앞서 서술한 첫 번째 실시예에 비하여 보다 나은 추진력을 얻을 수 있게 되는 것이다.
또한, 돌출부(410,420) 및 연장부(430)에 의하여 대부분의 에너지를 잃게 되는 바람은 에너지를 전달받은 블레이드(140)의 바로 뒤에 따라오는 후속 블레이드(140)의 제1풍압면(142)과 만나면서 제1풍압면(142)상의 홈(201)에 의하여 공기의 박리가 지연됨으로써 두터운 공기 윤활층으로 형성된다. 따라서, 돌출부(410,420) 및 연장부(430)는 입사각에 상관없이 바람의 에너지를 모두 흡수시킬 뿐만 아니라 바로 뒤의 블레이드의 제1풍압면에 공기의 저항을 약화시켜줄 수 있는 공기 윤활층도 형성시켜 주게 되는 것이다.
그리고, 도10을 참조하면 안쪽 돌출부(420) 보다 바깥쪽 돌출부(410)의 크기가 더 크도록 된다. 이는 토크의 공식인 τ= r × F에서 회전축까지의 변위인 r의 크기가 클수록 토크 τ가 크게 되는 것에서 알 수 있듯이 같은 운동에너지를 가진 바람이라도 바깥쪽 돌출부(410)에 걸릴 때 더 큰 토크가 발휘될 수 있기 때문이다. 따라서 바깥쪽 돌출부(410)의 크기를 크게 하여 바람의 에너지를 더 많이 받을수록 안쪽 돌출부(420)의 크기를 크게 하는 것에 비하여 더 큰 토크를 얻을 수 있게 된다.
한편, 도8에서 볼 수 있듯이 바깥쪽 돌출부(410)의 끝단이 향하는 방향과 안쪽 돌출부(420)가 향하는 방향은 모두 평행하게 되어야 한다. 이는 사출 성형이 용이하게 되도록 하기 위함이다.
이때 안쪽 돌출부(420)가 향하는 방향 및 연장부(430)의 끝단이 향하는 방향이 평행이 되기 위해서는, 안쪽 돌출부(420)에서 제3풍압면(421)의 폭과 제4풍압면(422)의 폭이 현저하게 차이가 나게 된다. 사출성형 과정이 도시되지는 않았지만, 안쪽 돌출부(420)와 바깥쪽 돌출부(410)는 단면도인 도8을 참고하면, 상기 두 돌출부는 그 시작부위에서의 제2풍압면의 접선 방향이 서로 각도가 틀리게 되므로 만약 안쪽(420)과 바깥쪽 돌출부(410) 모두 제3풍압면(411,421)과 제4풍압면(412,422)이 서로 동일한 형상이 되어 좌우 대칭 형상이 된다면 사출성형시에 냉각 후 취출 단계에서 바깥쪽 돌출부(410) 또는 안쪽 돌출부(420) 중 어느 하나가 꺾이지 않고서는 취출이 되지 않게 되는 것이다. 따라서, 특히 안쪽 돌출부(420)의 경우 제3풍압면(421)과 제4풍압면(422)은 대칭 형상이 될 수 없고 제3풍압면(421)이 훨씬 큰 폭을 가지게 되는 것이다. 참고로 도8의 단면도 상에서는 ‘제3풍압면(421) 또는 제4풍압면(422)의 폭’에서 ‘폭’ 보다는 ‘높이’로 해석될 수도 있을 것이다.
그리고, 도6을 참고하면 바깥쪽 돌출부(410)와 안쪽 돌출부(420)는 모두 수직방향으로 복수개가 이격을 두고 나란히 형성됨을 알 수 있다.
블레이드(140)의 회전은 제2풍압면(143)에 충돌되는 바람의 운동에너지로 인하여 가능하게 된다. 그런데, 제2풍압면(143)에 일단 충돌하여 운동에너지를 잃어버린 바람이 제2풍압면(143)에 계속 바람의 덩어리로 남아있게 되면 제2풍압면(143)에 충돌될 후속 바람들에게 일종의 쿠션으로 작용되게 되어 후속 바람의 운동에너지가 블레이드(140)로 온전히 전달 됨에 방해가 되게 된다. 따라서, 한번 제2풍압면(143)에 충돌된 바람이 회전축(120) 방향으로 또는 원심력에 의하여 회전 외주부 방향으로 배출될 수 있도록 돌출부(410,420) 사이에 이격이 형성되게 되는 것이다.
이때, 안쪽 돌출부(420)에는 더 많은 이격이 형성되게 하여 바람이 회전축(120) 방향으로 좀 더 원활하게 배출되도록 함이 바람직하다.
한편, 도7에는 정지상태에 있던 풍력발전장치가 초기 구동이 시작될 때에 회전축(120) 방향으로 배출되어 회전축(120) 부위에 축적된 공기가 바람의 영향을 직접적으로 받지 않는 위치의 블레이드(140)들에 어떻게 회전 추진력으로 작용되는지가 개념도로 나타나 있다.
일반적으로 고기압이 형성되는 지역에서 주위의 저기압 지역으로 기압차에 의하여 바람이 불게 되는 것과 마찬가지로, 정지 상태에서 초기 구동이 시작될 때에는 회전축(120) 부위에 축적되는 공기층은 주위에 비하여 압력이 높게 되어 고기압으로 작용하게 되므로 바람의 영향을 직접 받지 못하는 블레이드(140)의 제2풍압면(143)에도 추진력이 제공될 수 있게 된다.
풍력발전장치가 정상 회전 운동을 하게 되는 때에는 바람은 원심력에 의하여 주위로 흩어지게 되므로 중심의 회전축 부위에는 저기압이 형성되지만, 풍력발전장치가 정지상태 일 때는 블레이드의 형상으로 인하여 주위의 바람은 중심의 회전축 부위로 몰려들게 되어 초기 시동시에는 중심부는 주위에 비하여 고기압이 되는 것이다.
좀 더 구체적으로 도7을 참고하여 살펴보면, ①②③방향의 바람에 의하여 회전축(120) 주위에 공기가 지속적으로 축적되게 되는 반면, 전체 바람의 방향 M에 의하여 직접적으로 회전 추진력을 받지 못하는 위치 c 및 위치 d에 위치되는 블레이드(140)의 제2풍압면(143)에는 중심부에서부터 각각 ⑦⑧⑨⑩ 방향으로 바람이 이동되어 추가적인 추진력이 제공될 수 있게 된다. 자연에 의하여 형성되는 운동에너지를 직접 전달 해 주는 M방향의 바람에 비하면 미약한 바람이지만 초기에 구동이 시작되는 시점에서는 미약한 바람으로도 추진력을 제공 해 줄 수 있게 된다. 이렇게 하여 돌출부(410,420)와 연장부(430)가 중심부의 축적된 공기층에서 불어오는 바람의 에너지가 모두 활용될 수 있도록 하여 블레이드(140)의 추가적인 회전 추진력이 될 수 있도록 해 주는 것이다.
다만, 본 발명에 의한 수직축 방식의 풍력발전장치가 정상가동이 되는 단계가 되어 일정속도로 계속 회전하게 되면, 오히려 중심부의 공기는 원심력으로 인하여 외부로 빠져나가게 되어 중심부는 저기압이 형성되게 된다. 이때, 앞서 서술한 바와 같이 회전에 저항으로 작용될 수 있는 상부에서 유입되는 공기는 중량디스크(600)에 의하여 그 유입이 억제될 수 있게 된다.
5. 제4실시예
도9 및 도10의 (a)(b)는 본 발명에서 가변형 관성모멘트를 갖는 로터플레이트의 바람직한 실시예를 보여주는 도면으로써, 도9는 로터플레이트의 사시도이며, 도10의 (a)(b)는 로터플레이트의 평면도로써 작동예를 설명하기 위한 도면이다. 참고로, 도9 및도 10의 (a)(b)에서 로터플레이트에 구비되는 블레이드는 이해를 돕기 위하여 도시되어 있지 않다.
도 9를 참고하면, 로터플레이트(130)는 방사 방향으로 회전 대칭되게 다수의 요홈(501)이 형성되며, 각 요홈(501) 내에는 요홈(501)을 따라서 이동 가능한 중량볼(502)이 삽입된다.
이러한 요홈(501)과, 이 요홈(501) 내에 각각 삽입되는 중량볼(502)의 숫자는 로터플레이트(130)의 사이즈, 중량 등으로 고려하여 결정될 수 있다.
요홈(501)에는 중량볼(502)과의 마찰을 저감시키기 위하여 오일과 같은 윤활유나 흑연이 도포될 수 있으며, 또는 중량볼(502) 표면에는 테프론 등의 코팅처리가 되어 마찰이 저감될 수 있다. 한편 본 실시예의 도면에서는 요홈(501)이 로터플레이트(130) 표면에 노출되는 것으로 도시하고 있으나, 요홈(501) 내부가 이물질에 의해 오염되는 것을 방지할 수 있도록 로터플레이트(130)에는 별도의 커버부가 마련되어 요홈(501)이 바깥으로 노출되지 않을 수 있다.
다른 한편으로, 요홈(501)들은 로터플레이트(130)의 회전 방향을 따라서 나선형상을 가질 수 있으며, 이때 로터플레이트(130)의 회전 방향과 중량볼(502)들의 가동 방향은 동일한 방향이 되며, 보다 바람직하게는 요홈(142)들은 로터플레이트(130)의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성될 수 있다.
도10의 (a)에서 예시하고 있는 것과 같이, 이와 같이 구성되는 본 발명의 풍력발전장치는 초기 정지 상태에서 회전이 이루어지거나 풍속이 약한 경우에는 중량볼(502)은 요홈(501)의 안쪽에 위치하게 되고, 이때 로터플레이트(130)는 상대적으로 관성모멘트가 작으므로 작은 토오크로도 구동이 가능하다.
한편, 도10의 (b)에서와 같이, 로터플레이트(130)가 회전하는 경우에는 중량볼(502)은 원심력에 의해 요홈(501)의 바깥쪽에 위치하게 되며, 이에 따라서 로터플레이트(130)는 상대적으로 큰 관성모멘트를 가지므로 회전을 유지하려는 관성이 작용하여 로터플레이트(130)의 회전속도 변화율을 저감할 수 있다.
도 11은 예시적으로 풍속 변화에 따른 로터플레이트의 회전속도 변화를 보여주는 그래프로써, 종래는 고정된 관성모멘트를 갖는 로터플레이트에 대한 회전속도 패턴을 보여주고 있다.
도 11을 참고하면, 고정된 관성모멘트를 갖는 경우(종래)에는 풍속 변화에 따라서 회전속도 편차가 크게 발생하는 반면에, 본 발명에서와 같이 로터플레이트의 회전속도와 연동되어 가변되는 관성모멘트를 갖는 경우(본 발명)에는 풍속변화에 따라서 관성모멘트가 가변되어 로터플레이트의 회전속도 편차가 줄어들게 되어 안정적인 전력생산이 가능하다.
그리고, 도9를 참고하면, 블레이드(140)를 중심축에 결합시키는 로터플레이트(130)는 블레이드(140)의 결합부인 외주부와 중량볼(150)이 이동하는 가이드홈(132) 부분 이외에는 비어있는 중공의 형태로 됨이 바람직하다. 그리고, 블레이드(140)의 길이방향의 중앙부에 로터플레이트(130)가 하나만 설치될 수도 있지만, 회전축(120)의 상부로부터 하부에 걸쳐 로터 플레이트(130)가 복수개로 설치되는 것도 가능하다.
6. 제5실시예
도12에 도시된 바와 같이 블레이드(140)를 결합시키는 로터플레이트(130) 외에 별도의 중량디스크(600)를 설치 할 수 있다. 중량디스크(600)의 크기는 제한이 없으며, 바람직하게는 로터플레이트(130)보다 작은 직경을 가지도록 제작하여 블레이드(140)와 겹치지 않게끔 블레이드(140)의 상측 끝단 보다 더 위에서 회전축(120)에 결합되도록 한다.
중량디스크(600)는 로터플레이트(130)와 마찬가지로 지면과 평행하면서 그 중심이 회전축(120)의 수평단면의 중심과 일치되도록 설치된다. 중량디스크(600)에 의하여 회전의 원심력이 더 부가됨에 따라 정속회전이 될 수 있다.
한편 중량디스크(600)는 풍력발전장치의 정상가동 시에 풍력발전장치의 상부에서 회전축(120)으로의 공기의 유입이 방지되도록 한다. 수직축 방식의 풍력발전장치는 초기 정지상태에서 구동이 시작되는 순간에는 중심의 회전축(120) 부위로 공기가 유입되면서 중심부에 고기압이 형성되게 된다. 그러나, 회전이 안정적으로 되어 정상가동이 되면 중심부의 공기는 원심력에 의하여 외주부로 빠져나가게 되어 중심부는 오히려 저기압이 형성되게 된다. 이때, 풍력발전장치의 상부로부터 중심부로 공기가 유입되게 되면 회전 순방향에 대하여 일종의 저항으로 작용되게 된다. 따라서 이러한 상부로부터의 공기 유입을 억제시키기 위한 수단이 필요하게 된다. 바로 중량디스크(600)는 이처럼 정상가동시에 상부로부터 중심으로 유입되는 공기를 일정정도 차단시키는 역할도 함께 수행하게 되는 것이다.
7. 각 실시예들의 조합
앞서 설명한 바와 같이 각 실시예들 중 제1,제4,제5 실시예는 각각이 다른 모든 실시예들과 함께 적용이 가능하다. 그리고, 바람직하게는 상기 실시예들이 모두 적용되는 것이 좋다.
다만, 제2실시예와 제3실시예는 둘 중 어느 하나가 적용되면 나머지 하나는 적용되지 못하게 되는 실시예이다. 따라서 각 실시예들의 조합은 제1,2,4,5 실시예의 조합과 제1,3,4,5실시예의 조합의 두 가지가 가장 바람직한 실시예의 조합이며 특히 제1,3,4,5의 실시예의 조합이 최선의 실시예라고 볼 수 있다.
도14는 제1,2,4,5실시예가 조합된 경우의 전체 사시도이고, 도15는 제1,3,4,5실시예가 조합된 경우의 전체 사시도이다.
참고로 제1실시예와 제3실시예가 함께 조합되어 적용되는 경우에는 예상되지 않았던 특별한 효과가 발현된다.
즉, 돌출부(410,420)와 연장부(430)의 형성에 의하여 발생되는 또다른 효과는 제1풍압면상(142)에 형성되는 홈(201)과의 관계에서 발생되는 효과이다.
앞서 살펴본 바와 같이 제1풍압면(142)상에 형성되는 홈(201)들로 인하여 공기층의 박리가 진행되지 않고 제1풍압면(142)의 표면에 공기층이 형성되며 홈(201)으로 인해서 공기층은 박리가 지연되는 한편 그 두께가 더 두터워 지면서 일종의 공기윤활제로 작용 되어 제1풍압면(142)에 걸리는 공기의 저항이 감쇄되게 된다.
이때, 돌출부(410,420)와 연장부(430)에 의하여 제2풍압면(143)에 충돌된 후 운동에너지를 잃게 되는 바람 중에서 빠져나가지 못한 바람의 일부는 제2풍압면(143) 뒤에 인접하며 뒤따르는 제1풍압면(142)의 홈(201)에 걸리게 되어 공기윤활제의 역할을 하게 된다.
특히, 돌출부(410,420)로 인하여 제2풍압면(143)상에서 에너지를 잃고 적체되는 공기의 양은 더 많아지게 되고, 공기 윤활제로 작용되는 공기층은 두터울수록 제1풍압면(142)에 걸리는 공기의 저항은 그만큼 감소되게 되므로 돌출부(410,420)로 인하여 뒤따라오는 제1풍압면(142)의 표면 공기층은 더 두터워지고 그만큼 공기 저항이 감소되어 블레이드(140)의 회전이 더 원활하게 되는 효과가 있게 되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (17)

  1. 발전기와;
    발전기의 회전자에 연결되며 지면에 수직하게 배치되는 회전축과;
    상기 회전축에 수직하게 고정되는 로터플레이트와;
    상기 로터플레이트의 회전축에 대해 동일 반경 상에 수직하게 부설되되, 회전축에 대해 나선형으로 회전 대칭되도록 배치된 다수의 블레이드를 포함하며,
    상기 블레이드는 상기 로터플레이트의 설치 반경의 접선과는 일정한 각도를 갖도록 배치되는 익형 구조로써, 회전축을 지향하는 연결면과, 이 연결면의 양측에서 각각 절곡되어 연결되는 제1풍압면과 제2풍압면을 가지며, 상기 제1풍압면 및 제2풍압면은 서로 다른 곡률을 가지면서 동일 방향으로 만곡 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1풍압면상에 복수개의 반구 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈은 서로 다른 크기의 홈들이 조합되어 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는 제2풍압면상에 형성되는 복수개의 원뿔형 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1풍압면상에 복수개의 반구 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈은 서로 다른 크기의 홈들이 조합되어 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는 제2풍압면상에 수직방향으로 길게 형성되는 하나이상의 돌출부를 더 포함하며, 상기 돌출부는 회전 외부를 향하는 만곡면인 제3풍압면과 회전축을 향하는 만곡면인 제4풍압면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 돌출부는 회전축에서 멀수록 수평 폭과 돌출 정도가 큰 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 돌출부는 회전축과의 거리에 상관없이 끝단이 향하는 방향이 모두 평행하게 되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 돌출부는 수직 길이방향으로 두 개 이상이 이격되어 나란히 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 돌출부는 회전축에 가까울수록 수직 길이가 짧아지게 되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1풍압면상에 복수개의 반구 형상의 홈이 형성되고, 상기 홈은 서로 다른 크기의 홈들이 조합되어 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드는 제1풍압면과 제2풍압면이 직접 만나는 지점에 회전 반대방향으로 형성되는 연장부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 로터플레이트는 그 회전속도에 따라서 방사 방향으로 이동 가능하도록 상기 로터플레이트에 회전 대칭되게 마련되는 다수의 중량부재를 더 포함하며, 상기 중량부재는 로터플레이트에 방사 방향으로 회전 대칭되게 형성된 각 요홈들 내에 삽입되어 상기 요홈을 따라서 이동 가능한 중량볼인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향을 따라서 나선형상인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 중량볼의 가동방향과 상기 로터플레이트의 회전 방향은 동일 방향인 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 요홈들은 상기 로터플레이트의 회전 방향에 대해 나선 방향으로 발산되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  16. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 블레이드는 내부에 중공부를 갖는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
  17. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수직축 방식의 풍력발전장치는 상기 회전축의 일 지점에 결합되고 회전축의 단면과 중심이 일치되는 수평의 중량디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 방식의 풍력발전장치.
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