JP6407996B2 - 風力発電タワー - Google Patents

Description

本発明は風力発電タワーに関し、より詳しくは、内部に垂直軸風力タービンが設置される風力発電タワーに関する技術である。

一般に、風力発電システムは風の力を回転力に転換させて電力を生産する技術で、風エネルギーを機械エネルギーに変換し、発電機を駆動して電力を生産するシステムである。

このような風力発電システムは、一般的に水平軸風力発電と垂直軸風力発電とに分離されている。水平軸風力発電は効率が高い一方で、風の方向に影響を大きく受けるという問題があり、垂直軸風力発電は風の方向に影響を大きく受けないが、効率が水平軸に比べて高くないという問題がある。したがって、大部分の風力発電と関連した主要企業などは水平軸風力発電に集中しており、垂直軸風力発電の場合、効率を高めることができる方法に関して相当に多い研究を進行している。しかしながら、未だ垂直軸風力発電の効率を高めるための適切な方法を見つからない実状である。一方、本発明の場合、垂直軸風力発電に関する技術である点で、以下では垂直軸風力発電を中心に説明を行うようにする。

垂直軸風力発電の場合、全方向に吹いて来る風を活用することができるという技術的長所があるが、一般的に大気上で吹く風の場合、風の方向及び強さが一定でなくて効率的な風力発電が困難であるという問題がある。したがって、このような問題を解決するために風の方向を効果的に集中させるようにするための多様な方法が試みられているところ、例示的に、風の方向を一定に流れることができるようにすると共に、風速を増速させることができるように垂直軸風力タービンの周囲にガイド壁を有する集風管構造を追加的に設置する方案が提示されている。

韓国特許公開第２００９−００３５８８４号（加速型風力発電機）は、内部に抗力式風力タービンが設置され、その周辺に風の方向を一定にすると共に、風速を増速することができるようにする集風管構造が設置されて、垂直軸風力タービンの効率を高めるようにした技術が開示されている。

また、日本特許公開第２０１０−５３１５９４号（垂直軸を有する風力タービン）には、風力タワーの内部に抗力式垂直軸風力タービンを備え、前記抗力式垂直軸風力タービンの周辺に風の方向を一定にすると共に、風速を増速することができるようにする集風管構造が設置された技術が開示されている。

しかしながら、前記特許に開示されている集風管の場合、集風管に誘導される風が直接抗力式風力ブレードと接触して前記風力ブレードの回転を誘導するように設計されているところ、このような構成の場合、風の変化によって前記抗力式ブレードの動きも同一に変化するようになって持続的な風力発電が維持され難いという問題がある。また、前記ガイド壁を通過した風は直ぐ抗力式ブレードに接触するようになっているので、相当な抵抗が発生するように構成されているところ、このような構成は抗力式ブレードの初期始動には有利な長所があるが、風の速度が速い場合にはむしろ抵抗として作用して、効果的な風力発電を難しくするという問題がある。

したがって、本発明の出願人は前述したような技術的問題を解決するようにした垂直軸風力タービンを備えた風力発電タワーを講するようになった。

韓国特許公開第２００９−００３５８８４号 日本特許公開第２０１０−５３１５９４号

本発明の実施形態は、低速でも風力発電が可能で、最大限の風力発電効率を有することができるように形成された風力発電タワーに関する技術を提供することをその目的とする。

本発明の一実施形態に係る風力発電タワーは、風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、前記流入する風が風力発電タワーの内部を通過して外部に排出される集風部とエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーにおいて、前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風がウインド流出口を通じて前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように同一な角度に傾斜して前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁により形成される複数のウインド流入口及びウインド流出口から構成され、前記エネルギー転換部は、前記風力発電タワーの各層の中心に形成される空間に垂直軸ブレードを含む垂直軸風力タービンを設置し、前記ウインドガイド壁と前記垂直軸ブレードとの間の空間に１ｍ以上の距離を有するウインド流路を形成し、前記集風部のウインド流入口及びウインド流出口を通じて入ってくる風は前記エネルギー転換部の一半径方向に形成された前記ウインド流路に沿って流れて前記風力発電タワーの外部に排出されるように構成できる。

また、前記集風部のウインド流入口とウインド流出口の断面積比は２．５:１以上に形成することが可能である。

また、前記垂直軸風力タービンは揚力ブレードを有するように形成され、前記垂直軸風力タービンはジャイロミル型風力タービンで形成できる。また、前記ウインド流路は１．５ｍに形成できる。

本発明の一実施形態に係る風力発電タワーは、低速の風でも風速を加速化して風力発電を具現することができると共に、ブレードを回転させる風の利用効率を増大させることによって全般的な発電効率を向上させることができる。

また、本発明の一実施形態に係る風力発電タワーは、ベンチュリ効果により風の強さを増強させるようにすると共に、円柱形状の風力発電タワーの後面で発生する渦流を用いて風力発電タワーを抜け出す風との圧力降下をより大きくすることにより、風力発電タワーの内部に設置されるブレードの回転をより速く向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電タワーを示す図である。 図１に図示された風力発電タワーの断面図を図示する。 図２に図示されたウインド流入口とウインド流出口の断面積対比発電出力を図示する。 本発明の一実施形態に係る風力発電タワーの内部に設置されるジャイロミル型風力タービンの一実施形態を図示する。 図２に図示された集風部とエネルギー転換部の拡大度を図示する。 本発明に係る風力発電タワーにおけるウインド流路の距離変化に従うウインド流出口から排出される風の速度変化の結果を示す第一の図である。 本発明に係る風力発電タワーにおけるウインド流路の距離変化に従うウインド流出口から排出される風の速度変化の結果を示す第二の図である。 本発明に係る風力発電タワーにおけるウインド流路の距離変化に従うウインド流出口から排出される風の速度変化の結果を示す第三の図である。 本発明に係る風力発電タワーにおけるウインド流路の距離変化に従うウインド流出口から排出される風の速度変化の結果を示す第四の図である。

以下、本発明に係る風力発電タワーと関連して、図面を参考しつつより具体的に説明する。

本発明の出願人は大気中の風の方向をより効果的に集中させるようにしながら風の強さをより増幅するための方法に、風の方向制御を行いながら風の強さを増幅するようにする集風部が複数層に形成された風力発電タワーを提案するようにする。これに対する図面が図１に図示されているところ、前記図面に図示されているように、本発明に係る風力発電タワー１００は、風が流入する複数個のウインド流入口１１１を含む集風部１１０が複数層に形成して製作できる。一方、前記風力発電タワー１００に吹いて来る風は前記風力発電タワー１００のウインド流入口１１１を通過するか、または前記図面に図示されているように、風力発電タワー１００の両側面及び上部を乗って流れるように形成できる。この場合、前記風力発電タワー１００の後面には渦流が発生できる。前記風力発電タワー１００の後面に発生する渦流は前記風力発電タワー１００の形状にかかわらず、一定の高さと体積を有すれば発生されるが、一般的に前記風力発電タワー１００の断面が原形形状に形成される場合、前記風力発電タワー１００に流入する方向の反対方向に渦流が発生されるようになる。したがって、本発明に係る風力発電タワー１００は円柱形状に形成することができる。

図２には本発明に係る風力発電タワー１００の一層の断面を図示しているところ、図面を参照すると、本発明に係る風力発電タワー１００は集風部１１０及びエネルギー転換部１５０で形成できる。集風部１１０は、前述したように、外部から前記風力発電タワー１００のウインド流入口１１１に流入する風の方向制御及び強さを増幅できるようにウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積が一定水準以上の差を有するように複数個のウインドガイド壁１２０を前記風力発電タワー１００の中心を基準に放射状に配置することにより形成することができる。ここで、前記ウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積の差は５ｍ／ｓ以下の低い風速でベンチュリ効果による風速の増加をもたらすことができるようにする断面積を有するように形成する。

図３は、前記集風部１１０のウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積対比発電出力を図示している。図３は、本発明の出願人が済州島に設置した実証タワーを通じて実験した結果を図示しているところ、定格出力が６Ｋｗの風力発電機を対象に実験したものであり、前記ウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積比を１:１以上に変化させた場合、実証タワーに設置された風力発電機で測定される出力を測定するようにすることにより、適切なベンチュリ効果をもたらすことができる断面積比を探すようにした。前記実験結果を見ると、前記風力発電機の場合、商用電力として認められる範囲は約５Ｋｗになる範囲であるという点で、前記ウインド流入口１１１とウインド流出口１１２との断面積比が約２．５：１になる範囲で商用電力として認められる５Ｋｗ以上の出力が発生することを確認することができる。したがって、本発明に係る風力発電タワー１００に設置される集風部１１０のウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積比を最小約２．５：１以上に形成するようにすることにより、前記風力発電タワー１００の集風部１１０で風が増速される効果をもたらすことができるようにする。

前記ウインドガイド壁１２０は、前記風力発電タワー１００に流入する風を効果的に外部に排出できるように適切な数のウインド流入口１１１を有するように設計することが好ましい。したがって、本発明に係る風力発電タワー１００は少なくとも５個乃至９個の間のウインドガイド壁１１０を設置するようにすることにより、前記風力発電タワー１００の内部に流入する風を外部に効果的に排出できるようにしている。

前記風力発電タワー１００の各層の中心空間に形成されるエネルギー転換部１５０には垂直軸風力タービンを設置するようにする。本発明に係る風力発電タワー１００に設置される垂直軸風力タービンは抗力式風力タービンまたは揚力式風力タービンなどが全て設置できる。一方、本発明の一実施形態では前記垂直軸風力タービンに揚力式風力タービンを設置するようにし、かつジャイロミル型風力タービン１３０を設置するようにした実施形態に基づいて説明する。図４にはジャイロミル型風力タービン１３０の一実施形態が図示されているところ、前記ジャイロミル型風力タービンは、中心軸１３１、流線型に形成されて揚力により回転するように形成されるジャイロミル型風力ブレード１３３、及び前記中心軸１３１と前記ジャイロミル型風力ブレード１３３とを連結する支持軸１３２から構成できる。

前記エネルギー転換部１５０は、前記集風部１１０を通過した風が通過しながら風エネルギーを機械的エネルギーに転換するようにする空間であって、前記ジャイロミル型風力タービン１３０のジャイロミル型風力ブレード１３３を基準に、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３と前記ウインドガイド壁１２０の終端部との間の空間として定義されるウインド流路１５１と、前記ジャイロミル型風力タービン１３０の中心軸１３１から前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の間の空間として定義される内部流路１５２とから構成できる。

ジャイロミル型風力タービン１３０は、ダリウス風力タービンのように揚力により駆動される点で、技術的な類似性があるが、ジャイロミル型風力タービン１３０はジャイロミル型風力ブレード１３３が流線型に有限長さを有するように形成される点で、ソリディティー（solidity）がダリウス風力タービンに比べて高くなり、また、ＴＳＲ（Tip Speed Ratio）は低く形成されている。ここで、ソリディティーはブレードの任意の半径位置でブレードの回転半径に対してブレードが占める長さの比を意味し、ＴＳＲは風の速度とブレード終端速度との比を意味する。即ち、風の速度とブレード終端の速度が同一であればＴＳＲは１となる。

一方、ソリディティーがダリウス風力タービンとは異なり、本発明の一実施形態に係るジャイロミル型風力タービン１３０はソリディティーが相当に高いので、ＴＳＲが増加するにつれてジャイロミル型風力ブレード１３３の相互間の干渉と下流に位置するブレードに流入する流動速度の減少によって揚力が相当に減少するようになる問題点がある。

したがって、本発明の出願人は前記ジャイロミル風力タービン１３０の技術的長所を生かしながら、短所を最大限克服できるように本発明に係る風力発電タワー１００の構造を改善するようにしたところ、より詳しくは、図２及び図５に示すように、前記ウインド流入口１１１を通じて流入する風が前記エネルギー転換部１５０の一半径方向に流れることができるように複数のウインドガイド壁１２０を前記風力発電タワー１００の中心に沿って放射状に設置するようにし、かつ一定の角度を有するように形成することが可能である。これを通じて、図面に図示されているように、集風部１１０を通過した風はエネルギー転換部１５０の一半径方向に沿ってウインド流路１５１を通じて流れるように形成される。また、本発明の一実施形態に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０は、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の円滑な回転のために、充分のウインド流路１５１を有するように設計することが重要である。

ジャイロミル型風力ブレード１３３は、既存の抗力式垂直軸タービンとは異なり、揚力により回転される点で、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の前後端を期して風が十分に流動する空間を必要とするようになる。したがって、本発明の場合、前記エネルギー転換部１５０をジャイロミル型風力タービン１３０の中心軸１３３と前記ジャイロミル型風力ブレード１３３との間に形成される空間を内部流路１５２として定めて、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３と前記集風部１１０のウインドガイド壁１２０との間の空間をウインド流路１５１として定めるようにし、前記ウインド流路１５１を通じて十分に風が流動できる空間を有するように設計することを技術的な特徴とする。

これに従う図面が図２及び図５に図示されているところ、前記図面によれば、集風部１１０を通過した風はエネルギー転換部１５０の一半径方向に沿って形成されているウインド流路１５１に沿って風が流動するように形成できる。また、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０は前記他半径方向では風の流動がほとんど発生しないという点で、既存のジャイロミル型風力タービン１３０で流動の下流部分で発生する抗力によりブレードの速度が低減する効果を最小化できるようにする。

また、本発明に係る風力発電タワー１００はエネルギー転換部１５０に設置されるジャイロミル型風力タービン１３０の回転効率を効果的に高めるようにするために、適切なウインド流路１５１の距離を設定することが何より重要である。一方、前記ウインド流路１５１の適切な距離設定のために、前記集風部１１０のウインド流出口１１２を通過する風が前記ジャイロミル型風力ブレード１３３に接触する場合、前記ウインド流出口１１２を通過する風の速度変化を調査するようにしたところ、これに対する結果が図６ａ乃至図６ｄに図示されている。図６ａは、ウインド流路１５１の距離を０．３ｍ、図６ｂは０．７ｍ、図６ｃは１ｍ、図６ｄは１．５ｍ距離で測定した値を図示する。前記図面を参考すると、前記ウインド流路１５１の距離変化によって前記ウインド流出口１１２を通じて排出される風の速度が変化することが分かる。より詳しくは、前記ウインド流路１５１の距離が増加するほど流路の抵抗が減少して前記ウインド流出口１１２を通じて排出される風の速度が増加することが分かる。前記実験結果によれば、ウインド流路１５１の距離が約１．０ｍ以上に広がれば流路の抵抗が相当に減少することを確認することができ、約１．５ｍ距離で前記ウインド流出口１１２を通じて排出される風の速度が最大に到達することを確認することができる。したがって、前述したような結果によって、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内に形成されるウインド流路１５１は最小１．０ｍ以上に形成するように設計される。

前述したように、ウインド流路１５１の距離を適切に設定する場合、前記エネルギー転換部１５０の内に設置されるジャイロミル型風力タービン１３０は、前記集風部１１０のウインド流出口１１２を通じて排出される風の抵抗を最小化しながら回転するようになり、また、前記揚力ブレードが回転力を発生することができる充分の風の流動空間を有するようになる点で、本発明に係る風力発電タワー１００の場合、適切なウインド流路１５１の距離を設定することは何より重要である。

一方、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内に形成されるウインド流路１５１は、前述したように、ジャイロミル型風力タービン１３０の風力ブレード１３３に円滑な揚力を発生させる風の流動を形成するための目的の他にも、風力発電タワー１００で発生する風の流動を通じて風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内で風の強さをより強化するためにも必要である。例示的に、図１には本発明に係る風力発電タワー１００に流れる風の流動が図示されているところ、前記風力発電タワー１００を流れる風はウインド流入口１１１を通じての集風部１１０を通じて前記風力発電タワー１００の内部を通じて流れる風の他にも前記風力発電タワー１００の両側面及び上部面を通じて流れる風が存在するようになる。この場合、図２に示すように、風力発電タワー１００の風が流入する方向と反対方向には圧力が相当に低く形成される渦流が発生するようになる。したがって、前記風力発電タワー１００の内部を通過して外部に排出される風は前記渦流により、一層大きい圧力降下を有するようになり、これによって、前記風力発電タワー１００の内部のウインド流路１５１に沿って流れる風はより速い速度で風力発電タワー１００の外部に排出できる。

より詳しくは、前記エネルギー転換部１５０の内のウインド流路１５１を通過して前記風力発電タワー１００の反対方向に排出される風は前記風力発電タワー１００の反対方向の風排出空間に形成される渦流により、前記エネルギー転換部１５０と前記渦流が形成される風排出空間の圧力差が相当に大きく発生するようになり、これは前記エネルギー転換部１５０のウインド流路１５１を通過する風の強さをより速くすることができる効果をもたらすようになる。したがって、前記エネルギー転換部１５０のウインド流路１５１に沿って流れる風は、前述したような渦流により発生する圧力差による影響を受けるようになり、このような効果は前記エネルギー転換部１５０に形成されるジャイロミル型風力ブレード１３３の回転力にも相当な影響を及ぼすようになる。

したがって、前述したように、風力発電タワー１００で発生する風の流動によって発生する渦流によるエネルギー転換部１５０の内に設置される垂直軸風力タービンの効率向上効果をもたらすためには、エネルギー転換部１５０の内にウインド流路１５１が設置される必要がある。もし、前記エネルギー転換部１５０の内に適切なウインド流路１５１が設置されなければ、前述したような風力発電タワー１００で発生する風の流動による圧力差により発生するエネルギー転換部１５０の内に流れる風の強さの増速効果は前記エネルギー転換部１５０の内に設置される垂直軸風力タービンの回転力に大きい影響を及ぼさないようになる。

したがって、前述したように、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内に形成されるウインド流路１５１は、ジャイロミル型風力タービン１３０の円滑な回転力をもたらすようにすると共に、風力発電タワー１００を乗って流れる風の流動により発生する渦流により発生する圧力降下による風の増速効果をもたらすことが可能である。

本発明に係るジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー１００は、その内部に垂直軸風力タービンであるジャイロミル型風力タービン１３０を設置しているところ、本発明によれば、既存の垂直軸風力タービンを大気状態で回転することより約５０％以上効率が増大することを確認することができる。これは、集風部１１０でベンチュリ効果による風の強さの増速と共に、前記集風部１１０とエネルギー転換部１５０の構成を通じて、前記エネルギー転換部１５０を流れる風の流量と強さを一定の方向に増速するように形成して前記ジャイロミル型風力タービン１３０に加えるエネルギーを大きくすることができるようにすることにより達成されることができ、また、風力発電タワー１００自体で発生する風の流動により発生する渦流による圧力差により前記エネルギー転換部１５０の内での風をより速く流動することを可能にすることで、前述したような効果が達成できるようにする。

一方、本発明の場合、風力発電タワー１００の内に設置される垂直軸風力タービンにジャイロミル型風力タービン１３０を設置した内容を中心に説明するようにしたが、本発明の技術的特徴が前記ジャイロミル型風力タービン１３０に限定されるものではなく、前記風力発電タワー１００の内に多様な垂直軸風力タービンを設置する場合にも適用可能である。

以上、本発明の一実施形態に対して説明したが、該当技術分野で通常の知識を有する者であれば特許請求範囲に記載された本発明の思想から外れない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などにより本発明を多様に修正及び変更させることができ、これもまた本発明の権利範囲内に含まれるということができる。

Claims (6)

1. 風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、前記流入する風が風力発電タワーの内部を通過して外部に排出される集風部とエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
   前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風がウインド流出口を通じて前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁により形成される複数のウインド流入口及びウインド流出口で構成され、
   前記エネルギー転換部は、前記風力発電タワーの各層の中心に形成される空間に垂直軸ブレードを含む垂直軸風力タービンを設置し、前記ウインドガイド壁と前記垂直軸ブレードとの間の空間に１ｍ以上の距離を有するウインド流路を形成し、
   前記集風部のウインド流入口及びウインド流出口を通じて入ってくる風は前記エネルギー転換部の一半径方向に形成された前記ウインド流路に沿って流れて前記風力発電タワーの外部に排出され、
   前記集風部の複数のウインドガイド壁は前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように同一な角度に傾斜して前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置され、
   前記風力発電タワーは風が流入する集風部のウインド流入口とウインド流出口との断面積比により圧力が低下して速度の増速をもたらし、
   前記風力発電タワーの内部を通過する風は前記風力発電タワーの外部排出空間の周辺に形成される渦流と前記風が排出される集風部の間の圧力差により速度が増速されることを特徴とする、風力発電タワー。
2. 前記集風部のウインド流入口とウインド流出口との断面積比は２．５：１以上に形成することを特徴とする、請求項１に記載の風力発電タワー。
3. 前記風力発電タワーは円柱形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電タワー。
4. 前記垂直軸風力タービンは揚力ブレードを有するように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電タワー。
5. 前記垂直軸風力タービンはジャイロミル型風力タービンであることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電タワー。
6. 前記ウインド流路は１．５ｍであることを特徴とする、請求項１に記載の風力発電タワー。

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