KR100702418B1

KR100702418B1 - Turbine blades structure of vertical axis wind power generation system

Info

Publication number: KR100702418B1
Application number: KR1020050013091A
Authority: KR
Inventors: 윤순현; 김동건
Original assignee: 부산대학교 산학협력단
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2007-04-03
Also published as: KR20060092370A

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조에 관한 것으로, 더 상세히는 풍향이 수시로 변화하며 풍속이 느린 지역에서도 터빈의 회전이 원활하게 이루어지면서 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통한 전력 생산이 효율적으로 이루어지도록 한 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a turbine blade structure of a vertical axis wind power generation system, and more particularly, in order to efficiently produce power through continuous and stable energy conversion while the turbine is smoothly rotated even in a region where the wind direction changes frequently and the wind speed is low. A turbine blade structure of a vertical axis wind power generation system.

본 발명은, 풍력에 의해 회전하는 수직축과, 상기 수직축에 결합되는 상판 및 하판 사이에 장착되는 다수개의 블레이드로 구성된 터빈과, 상기 터빈의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전기 및 상기 터빈과 발전기 사이에 위치하며 상기 터빈의 회전수를 발전기에 필요한 회전수로 변환하는 증속기로 구성되는 소형 풍력발전 시스템에 있어서, 상기 블레이드는, 사각형상의 판재가 원호형상으로 절곡되어 상기 상판과 하판이 이루는 공간상에 회전방향을 따라서 상기 수직축을 중심으로 방사형으로 배치되며, 그 일단이 상기 상판과 하판이 이루는 원주에 내접하고 타단이 상기 일단과 수직축을 연결하는 반경상에서 상기 상판 및 하판의 회전방향으로 소정간격 이격되어 장착되며, 상기 수직축과 블레이드의 일단을 연결하는 반경 상에 투영된 블레이드의 길이는, 반경의 0.6 내지 0.8배인 것을 특징으로 한다.The present invention is a turbine consisting of a plurality of blades mounted between the vertical axis rotated by the wind, the upper and lower plates coupled to the vertical axis, and a generator for generating power in accordance with the rotation of the turbine and between the turbine and the generator In the small wind power generation system is located and composed of a speed increaser for converting the rotational speed of the turbine to the number of revolutions required for the generator, the blade is rotated in the space formed between the upper plate and the lower plate by the rectangular plate is bent into an arc shape It is disposed radially about the vertical axis along the direction, the one end is inscribed in the circumference formed by the upper plate and the lower plate, and the other end is mounted at a predetermined interval in the rotational direction of the upper plate and the lower plate on a radius connecting the one end and the vertical axis. And a blade projected on a radius connecting the vertical axis and one end of the blade. Length is further characterized in that 0.6 to 0.8 times the radius.

터빈, 블레이드, 원호, 수직축, 풍력발전, 증속기 Turbine, Blade, Arc, Vertical Shaft, Wind Power Generator

Description

수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조{Turbine blades structure of vertical axis wind power generation system}Turbine blades structure of vertical axis wind power generation system

도 1은 종래의 수직축 풍력발전 시스템을 나타낸 도면1 is a view showing a conventional vertical axis wind power generation system

도 2는 종래의 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조를 나타낸 도면2 is a view showing the turbine blade structure of a conventional vertical axis wind power generation system

도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템을 나타낸 도면3 is a view showing a vertical axis wind power generation system according to the present invention

도 4는 본 발명의 주요부인 터빈 블레이드의 구조를 나타낸 도면4 is a view showing the structure of a turbine blade which is an essential part of the present invention;

도 5는 종래의 수직축 풍력발전 시스템과 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템과의 익단속도비 대비 동력계수를 비교한 그래프5 is a graph comparing the power factor versus the tip speed ratio between the conventional vertical axis wind power generation system and the vertical axis wind power generation system according to the present invention.

도 6은 종래의 수직축 풍력발전 시스템과 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템과의 익단속도비 대비 토크계수를 비교한 그래프Figure 6 is a graph comparing the torque coefficient versus the tip speed ratio between the conventional vertical axis wind power generation system and the vertical axis wind power generation system according to the present invention

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *

10...블레이드 12a...상판10 ... blade 12a ... top

12b...하판 30...수직축12b ... bottom 30 ... vertical axis

50...증속기 60...발전기50 ... accelerator 60 ... generator

t...터빈t ... turbine

본 발명은 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조에 관한 것으로, 더 상세히는 풍향이 일정하지 않고 수시로 변화하며 풍속이 느린 지역에서도 원활한 터빈의 회전이 이루어지면서 전력 생산이 지속적이고 안정적으로 이루어지도록 한 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a turbine blade structure of a vertical axis wind power generation system, and more particularly, the vertical axis wind power is made to continuously and stably produce power while the turbine is smoothly rotated even in a region where the wind direction is not constant, changes frequently, and the wind speed is low. A turbine blade structure of a power generation system.

우리나라는 산지가 많고 해양에 인접한 지형을 갖추고 있으며 계절풍의 영향을 받는 주기적인 기후대에 놓여있으면서도 지역별로 풍향이 수시로 변화하는 편이므로, 우리나라에 시설되는 풍력발전기는 풍향의 급격한 변화에 무관하게 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 수행할 수 있는 구조를 갖출 필요가 있다.Since Korea has many mountainous regions, terrains adjacent to the ocean, and it is in a periodic climate zone affected by monsoon winds, the wind direction changes frequently from region to region. It is necessary to have a structure capable of performing energy conversion.

그러나, 현재까지 연구되었던 풍력발전장치의 대부분은 풍향이 일정한 지형에 적합한 수평축 터빈을 기본으로 풍향적응장치를 부가하는 방식을 취하고 있으며, 풍향적응방식의 터빈으로는 수직축 항력식이 있지만, 제작과 유지가 곤란한 긴 회전날개를 기본으로 하고 있기 때문에 설계가 어렵고 시설비용이 높아진다.However, most of the wind turbines that have been studied up to now have a method of adding a wind direction adaptor based on a horizontal axis turbine suitable for a constant wind direction. Since it is based on difficult long rotary blades, the design is difficult and the facility cost is high.

상기와 같은 문제점을 보완하고자 안출된 것으로서, 수직축 터빈 구조를 적용하여 발전설비의 효율화를 도모하는 수직축 풍력발전 시스템과 같은 것을 들 수 있다.In order to solve the above problems, such as a vertical axis wind power generation system to apply the vertical axis turbine structure to improve the efficiency of the power plant.

도 1은 종래의 수직축 풍력발전 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional vertical axis wind power generation system.

도시된 바와 같이, 종래의 수직축 풍력발전 시스템은 풍력에 의해 회전하는 수직축(30)과 상기 수직축(30)의 회전에 따라 전기를 발생시키는 발전기(60)로 구성되는 수직축 풍력발전 시스템에 있어서, 상기 수직축(30)에 결합되는 터빈(t)과, 상기 수직축(30)과 발전기(60) 사이에 위치하게 되어 상기 수직축(30)의 회전수를 발전기(60)에 필요한 회전수로 변환하는 증속기(50)로 구성된다.As shown, the conventional vertical axis wind power generation system in the vertical axis wind power generation system composed of a vertical axis (30) rotated by wind power and a generator (60) for generating electricity in accordance with the rotation of the vertical axis (30), Turbine (t) coupled to the vertical shaft 30, and the speed increaser is located between the vertical shaft 30 and the generator 60 to convert the rotational speed of the vertical shaft 30 to the number of rotations required for the generator 60 It consists of 50.

도 1에서 설명되지 않은 부호로, c는 케이스를 나타내고 있다.Reference numerals not explained in FIG. 1 indicate c.

상기 터빈(t)은, 상기 수직축(30)을 중심으로 하여 결합되는 상판(12a)과 하판(12b)사이에 사각형 판재를 소정형상으로 절곡한 형상을 이루게 되는 블레이드(10)가 결합되는 구성이다.The turbine t has a configuration in which a blade 10 is formed between the upper plate 12a and the lower plate 12b coupled around the vertical axis 30 to form a bent shape in a predetermined shape. .

상기 터빈(t)의 블레이드 구조는 다음과 같은 형상들이 많은 연구에 의하여 도출되었다.The blade structure of the turbine (t) has been derived by a number of studies as follows.

도 2는 종래의 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing the turbine blade structure of a conventional vertical axis wind power generation system.

도시된 바와 같이, (a)는 종래의 수직축 풍력발전 시스템의 2 블레이드 사보니우스 로터 구조를 나타낸 도면이고, (b)는 종래의 수직축 풍력발전 시스템의 3 블레이드 사보니우스 로터 구조를 나타낸 도면이며, (c)는 종래의 수직축 풍력발전 시스템의 베네시 로터 구조를 나타낸 도면이다.As shown, (a) is a diagram showing a two-blade savonius rotor structure of a conventional vertical axis wind power generation system, (b) is a diagram showing a three-blade savonius rotor structure of a conventional vertical axis wind power generation system; , (c) is a view showing the Venetian rotor structure of a conventional vertical axis wind power generation system.

도 2의 (a) 내지 (b)와 같이, 2 블레이드 및 3 블레이드 사보니우스 로터 방식은 대표적인 항력식 수직축 터빈의 하나인 사보니우스 로터로서, 2 블레이드 사보니우스 로터는 반원형으로 절곡한 사각형의 판재 두 개를 장착한 것이며, 3 블레이드 사보니우스 로터는 원호를 이루는 사각형의 판재 세 개를 장착한 것이다.As shown in (a) to (b) of FIG. 2, the two- and three-blade savonius rotors are savonius rotors, which are one of representative drag vertical shaft turbines, and the two-blade savonius rotors are semi-circularly curved. The two-blade Sabonius rotor is equipped with three circular rectangular plates.

도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 베네시 로터 방식은 상기 2 블레이드 사보니우스 로터의 양 끝 부분을 변형한 형태이다.As shown in (c) of FIG. 2, the Venetian rotor method is a form in which both ends of the two-blade savonius rotor are modified.

상기 터빈(t)의 블레이드 구조에서는 2 블레이드 사보니우스 로터 방식이 3 블레이드 사보니우스 로터 방식에 비해 터빈의 효율이 높으며, 베네시 로터 방식이 2 블레이드 사보니우스 로터 방식에 비해 터빈의 효율이 높다.In the blade structure of the turbine (t), the two-blade savonius rotor method has a higher turbine efficiency than the three-blade savonius rotor method, and the venetian rotor method has a higher turbine efficiency than the two-blade savonius rotor method. high.

그러나, 상기와 같은 2 블레이드 및 3 블레이드 사보니우스 로터 방식 또는 베네시 로터 방식에 의한 터빈은 풍속이 빠른 지역에서 큰 전력을 얻고자 제작된 것이므로, 터빈의 회전에 따른 증속기 및 발전기의 자체 손실 등이 함께 커지게 되어 전력 회수율이 낮은 문제점이 있다.However, the turbine of the two- and three-blade savonius rotor method or the Venetian rotor method as described above is designed to obtain a large power in a high wind speed region, so that the loss of the accelerator and generator due to the rotation of the turbine There is a problem that the power recovery rate is low because the back is increased together.

또한, 풍향이 수시로 변화하며 풍속이 느린 지역에서는 터빈의 회전이 제대로 이루어지지 못하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지기 힘든 문제점도 있었다.In addition, in the region where the wind direction changes frequently and the wind speed is slow, there is a problem that it is difficult to produce a continuous and stable power due to the poor rotation of the turbine.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하고자 안출된 것으로, 다수개의 블레이드를 원호형상으로 절곡하여 수직축을 중심으로 방사상으로 배치되도록 장착하여 풍향의 변화가 심하며 풍속이 느린 지역에서도 터빈이 원활하게 회전하게 됨으로써 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통하여 전력 생산이 효율적으로 이루어지도록 한 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조를 제공하고자 하는데 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, by mounting a plurality of blades bent in an arc shape to be arranged radially around the vertical axis to change the wind direction is severe and the turbine rotates smoothly even in a region with a low wind speed The purpose of the present invention is to provide a turbine blade structure of a vertical axis wind power generation system that enables efficient power generation through continuous and stable energy conversion.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조는, 풍력에 의해 회전하는 수직축과, 상기 수직축에 결합되는 상판 및 하판 사이에 장착되는 다수개의 블레이드로 구성된 터빈과, 상기 터빈의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전기 및 상기 터빈과 발전기 사이에 위치하며 상기 터빈의 회전수를 발전기에 필요한 회전수로 변환하는 증속기로 구성되는 소형 풍력발전 시스템에 있어서, 상기 블레이드는, 사각형상의 판재가 원호형상으로 절곡되어 상기 상판과 하판이 이루는 공간상에 회전방향을 따라서 상기 수직축을 중심으로 방사형으로 배치되며, 그 일단이 상기 상판과 하판이 이루는 원주에 내접하고 타단이 상기 일단과 수직축을 연결하는 반경상에서 상기 상판 및 하판의 회전방향으로 소정간격 이격되어 장착되며, 상기 수직축과 블레이드의 일단을 연결하는 반경 상에 투영된 블레이드의 길이는, 반경의 0.6 내지 0.8배인 것을 특징으로 한다.Turbine blade structure of the vertical axis wind power generation system according to the present invention for achieving the above object is a turbine consisting of a vertical axis that is rotated by the wind, and a plurality of blades mounted between the upper and lower plates coupled to the vertical axis, and the turbine In the small wind power generation system comprising a generator for producing electric power in accordance with the rotation of the turbine and a speed increaser for converting the rotational speed of the turbine into the rotational speed required for the generator, the blade is a rectangular plate Is bent in an arc shape and disposed radially about the vertical axis along the direction of rotation in the space formed by the upper plate and the lower plate, one end of which is inscribed in the circumference of the upper plate and the lower plate, and the other end connects the one end and the vertical axis. Spaced predetermined intervals in the rotational direction of the upper and lower plates Mounted, the length of the blade projected on the radius connecting the vertical axis and one end of the blade, characterized in that 0.6 to 0.8 times the radius.

삭제delete

그리고, 상기 블레이드의 타단은, 블레이드를 통과하는 유체의 유동이 상기 수직축으로 향하도록 장착되는 것이 바람직하다.The other end of the blade is preferably mounted such that the flow of fluid passing through the blade is directed toward the vertical axis.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템을 나타낸 도면이다.3 is a view showing a vertical axis wind power generation system according to the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템은 크게 터빈(t), 브레이크(40), 증속기(50), 발전기(60), 모터(80), 동력전달수단(90) 및 콘트롤러(70)로 구성된다.As shown, the vertical axis wind power generation system according to the present invention is largely a turbine (t), a brake 40, a speed increaser 50, a generator 60, a motor 80, a power transmission means 90 and a controller ( 70).

도 3에서 설명되지 않은 부호로, 11은 프레임을 나타내고 있다.Reference numeral 11 not illustrated in FIG. 3 denotes a frame.

상기 터빈(t)은, 수직축(30)을 중심으로 하는 원판 형상의 상판(12a)과, 상 기 상판(12a)의 하부측에 소정간격으로 이격되며 상기 수직축(30)을 중심으로 하는 원판 형상의 하판(12b) 사이에 장착되는 다수개의 블레이드(10)로 구성된다.The turbine t is a disk-shaped upper plate 12a centered on the vertical axis 30, and a disk-shaped centered on the vertical axis 30, spaced apart at predetermined intervals from the lower side of the upper plate 12a. It consists of a plurality of blades 10 mounted between the lower plate 12b.

블레이드(10)가 장착된 상기 하판(12b)의 하부측에는 기어 조합으로 이루어진 동력전달수단(90)이 설치되어 후술할 모터(80)의 회전력을 상기 수직축(30)으로 전달하거나 차단할 수 있도록 구성된다.On the lower side of the lower plate 12b on which the blade 10 is mounted, a power transmission means 90 formed of a gear combination is installed to transmit or block the rotational force of the motor 80 to be described later to the vertical shaft 30. .

상기 동력전달수단(90)은 기어 조합 대신 클러치 등의 수단을 사용하여도 무방하다.The power transmission means 90 may use a means such as a clutch instead of a gear combination.

상기 블레이드(10)는, 원호형상으로 절곡된 사각형상의 판재가 상기 상판(12a)과 하판(12b)이 이루는 공간상에 회전방향을 따라서 상기 수직축(30)을 중심으로 방사형으로 다수개 배치된 것이다.The blade 10 is a plurality of radially bent in a circular plate shape is disposed radially around the vertical axis 30 in the rotational direction in the space formed by the upper plate 12a and the lower plate 12b. .

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 상기 터빈(t)에 장착되는 블레이드(10)의 평면상 배치 구조를 상세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at the planar arrangement of the blade 10 mounted to the turbine (t) according to the present invention configured as described above in detail as follows.

도 4는 본 발명의 주요부인 터빈의 블레이드 구조를 나타낸 도면이다.4 is a view showing the blade structure of the turbine which is the main part of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 블레이드(10)는 수직축(30)에 설치된 상기 터빈(t)을 위에서 아래 방향으로 조감하였을 경우, 상기 수직축(30)을 중심으로 하여 상기 상판(12a) 및 하판(12b)이 이루는 원주(C)측을 일단(13), 그 반대측을 타단(14)으로 정의한다.As shown, the blade 10 according to the present invention, when the turbine (t) installed on the vertical axis 30 from the top to the bottom direction, the upper plate 12a and the center around the vertical axis 30 and The circumference C side formed by the lower plate 12b is defined as one end 13 and the other side 14 as the other end 14.

상기 블레이드(10)의 일단(13)은 상기 상판(12a) 및 하판(12b)이 이루는 원주(C)에 내접하도록 위치하고, 타단(14)은 상기 일단(13)과 수직축(30)을 연결하는 반경(R) 상에서 상기 상판(12a) 및 하판(12b)의 회전방향으로 소정간격(d) 이격되 어 장착된다.One end 13 of the blade 10 is positioned so as to be inscribed in the circumference C formed by the upper plate 12a and the lower plate 12b, and the other end 14 connects the one end 13 and the vertical axis 30. A predetermined interval d is spaced apart in the rotation direction of the upper plate 12a and the lower plate 12b on a radius R.

즉, 항력의 적절한 분산안배를 도모하고자 상기 블레이드(10)의 타단(14)은 터빈(t)의 회전방향과 일치되는 원호형상의 상기 블레이드(10)를 통과하는 유체의 유동이 상기 수직축(30)으로 향하도록 장착되는 것이다.That is, the other end 14 of the blade 10 has a flow of fluid passing through the blade 10 in the shape of an arc coinciding with the rotational direction of the turbine t in order to achieve proper dispersion of drag. It is mounted so that it faces toward).

상기 일단(13)과 수직축(30)을 연결하는 반경(R)에 대한 상기 반경(R) 상에 투영된 블레이드(10)의 길이(a) 비를 형상비(a/R)로 정의하며, 상기 형상비(a/R)는 무차원수로 그 값은 0.6 내지 0.8인 것이 바람직하다.The ratio of the length a of the blade 10 projected on the radius R to the radius R connecting the one end 13 and the vertical axis 30 is defined as the aspect ratio a / R. The aspect ratio (a / R) is a dimensionless number, and its value is preferably 0.6 to 0.8.

이는, 상기 형상비(a/R)가 0.6 이하일 경우 상기 블레이드(10)를 통과하여 수직축(30)으로 향하는 유체의 유동이 과소하여 전력생산 효율이 낮아지게 되며, 0.8 이상일 경우 상기 블레이드(10)에 걸리는 풍력에 의한 부하가 과대하여 상기 터빈(t) 및 후술할 발전기(60) 손실이 증대되는 문제점이 발생하기 때문이다.When the aspect ratio a / R is less than or equal to 0.6, the flow of fluid passing through the blade 10 toward the vertical axis 30 is too low, and thus the power production efficiency is lowered. This is because the load caused by the wind power applied is excessive and the loss of the turbine t and the generator 60 to be described later increases.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수직축(30)에 부설된 브레이크(40)는 후술할 증속기(50)와 상기 터빈(t) 사이에 위치하며, 풍속이 적정기준을 초과할 경우 수직축(30)에 설치된 터빈(t)의 블레이드(10) 파손을 방지하는 역할을 하게 되고, 후술할 콘트롤러(70)에 의해 가동이 제어된다.As shown in FIG. 3, the brake 40 attached to the vertical shaft 30 is positioned between the speed increaser 50 and the turbine t to be described later, and the vertical shaft 30 when the wind speed exceeds an appropriate standard. It serves to prevent the blade 10 of the turbine (t) installed in the), the operation is controlled by the controller 70 to be described later.

상기 터빈(t)의 회전수를 발전기에 필요한 회전수로 변환하는 증속기(50)는 상기 수직축(30)에 부설되는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 브레이크(40)와 공지의 발전기(60) 사이에 위치하며 다수개의 기어 조합으로 구성되어 공지의 발전기(60)를 회전시키게 된다. The speed increaser 50 for converting the rotational speed of the turbine t into the rotational speed required for the generator is attached to the vertical shaft 30. As shown in FIG. 3, the brake 40 and a known generator ( Located between the 60 and composed of a plurality of gear combinations to rotate the known generator (60).

상기와 같은 증속기(50)의 상세한 구성 및 작동과정은 공지의 기술이 널리 알려진 관계로 상세한 설명은 생략하기로 한다.Detailed configuration and operation of the speed increaser 50 as described above is well known because the detailed description thereof will be omitted.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수직축(30)을 회전시키는 역할을 하는 모터(80)는 상기 동력전달수단(90)과 결합되며 후술할 콘트롤러(70)에 의해 가동이 제어되며, 상기 터빈(t)의 최초 기동시 상기 수직축(30)을 회전시키기 위해 가동하게 된다.As shown in FIG. 3, the motor 80, which serves to rotate the vertical shaft 30, is coupled to the power transmission means 90 and controlled by a controller 70 to be described later. It is activated to rotate the vertical axis 30 at the initial start of t).

상기 모터(80)는 상기 동력전달수단(90)을 통해 최초 기동시 상기 수직축(30)에 회전력을 전달하여 상기 터빈(t)이 소정의 회전속도에 도달하게 되면 동력 전달을 차단한 후 풍력에 의해 상기 수직축(30)에 결합된 터빈(t)이 회전하도록 하는 역할을 하는 것이다.The motor 80 transmits a rotational force to the vertical shaft 30 at the first start through the power transmission means 90, and when the turbine t reaches a predetermined rotational speed, cuts off power transmission to the wind power. By the turbine (t) coupled to the vertical axis 30 is to serve to rotate.

상기 브레이크(40), 모터(80) 및 동력전달수단(90)의 가동을 제어하는 콘트롤러(70)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 터빈(t)이 설치된 프레임(11) 하부측에 장착되어 전술한 바와 같이 과도한 풍속에 블레이드(10) 파손을 방지하고자 터빈(t)의 회전을 정지시키거나, 풍력에 의한 회전이 가능하게 될 때까지 터빈(t)의 최초 기동에 필요한 동력전달을 하게 되는 상기 모터(80)와 동력전달수단(90)의 가동을 제어하게 된다.Controller 70 for controlling the operation of the brake 40, the motor 80 and the power transmission means 90 is mounted on the lower side of the frame 11, the turbine t is installed, as shown in FIG. As described above, in order to prevent damage to the blade 10 at excessive wind speeds, the rotation of the turbine t is stopped or power transmission required for the initial start of the turbine t until the rotation by the wind is enabled. The operation of the motor 80 and the power transmission means 90 is controlled.

상기와 같은 구성의 본원 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템의 작동과정을 간략히 설명하면 다음과 같다.Briefly describing the operation of the vertical axis wind power generation system according to the present invention of the configuration as described above are as follows.

콘트롤러(70)에 의해 동력전달수단(90)과 결합된 모터(80)의 가동이 시작되면, 상기 모터(80)에 의해 수직축(30)으로 회전에 필요한 동력이 전달된다.When the operation of the motor 80 coupled with the power transmission means 90 is started by the controller 70, the power required for rotation to the vertical axis 30 is transmitted by the motor 80.

상기 수직축(30)에 결합된 터빈(t)이 회전하게 되어 소정의 회전속도에 도달 하게 되면, 상기 콘트롤러(70)에 의해 동력 전달이 차단되어 모터(80)가 정지된다.When the turbine t coupled to the vertical shaft 30 reaches a predetermined rotation speed, power transmission is interrupted by the controller 70 to stop the motor 80.

상기 터빈(t)은 블레이드(10)에 접촉되는 바람의 유동에 의해 회전을 계속하며, 증속기(50)에 의해 회전속도가 증폭된 후 발전기(60)를 회전시키게 되어 전력 생산이 이루어지게 되는 것이다.The turbine (t) continues to rotate by the flow of wind in contact with the blade 10, and after the rotation speed is amplified by the speed increaser 50 to rotate the generator 60 is to produce power will be.

상기와 같은 구성의 본원 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 성능을 평가하면 다음과 같다.When evaluating the turbine performance of the vertical axis wind power generation system according to the present invention having the above configuration as follows.

본원 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 성능을 평가하기 위하여 표 1에 나타난 제원과 같은 터빈의 모형으로 실험을 한 후 이 모형의 실험 결과를 토대로 표 2와 같은 제원의 터빈(t) 원형(原型)을 설계하였다. In order to evaluate the turbine performance of the vertical axis wind power generation system according to the present invention, after experimenting with the model of the turbine as shown in Table 1, based on the experimental results of this model, the turbine (t) prototype of the table as shown in Table 2 ) Is designed.

(표 1)
터빈형상 원호 터빈직경(D) 500mm 블레이드개수(B) 5~8 투영면적(A) 0.25㎡ Table 1
Turbine shape Arc Turbine diameter (D) 500 mm Number of blades (B) 5 ~ 8 Projection area (A) 0.25㎡

(표 2)
블레이드형상비(a/R) 0.6~0.8 블레이드개수(B) 5~20 블레이드높이 1.6m 블레이드직경(D) 2m 투영면적 3.2㎡ Table 2
Blade shape ratio (a / R) 0.6 ~ 0.8 Number of blades (B) 5-20 Blade height 1.6m Blade diameter (D) 2m Projection area 3.2㎡

상기 터빈(t)의 성능 평가에 필요한 것으로 동력계수(Power coefficient), 토크계수(Torque coefficient) 및 익단속도비(TSR: Tip Speed Ratio)가 있으며, 다음의 식들에 의해 정의된다.The power coefficient, the torque coefficient, and the tip speed ratio (TSR) are necessary for the performance evaluation of the turbine t, and are defined by the following equations.

(1)(One)

(2)(2)

(3)(3)

(4)(4)

(5)(5)

여기서,

는 터빈의 동력,

는 바람에 의한 전체 동력,

는 터빈의 토크,

는 풍속,

는 터빈의 투영면적,

는 터빈의 선속도,

는 각속도,

은 반경,

는 유체의 밀도, 그리고

는 동력계수,

는 토크계수로서 무차원수이다.here,

Power of the turbine,

Is the full power of the wind,

Is the torque of the turbine,

Wind speed,

Is the projected area of the turbine,

The linear velocity of the turbine,

Is the angular velocity,

Silver radius,

Is the density of the fluid, and

Is the power factor,

Is a torque coefficient and is a dimensionless number.

상기 동력계수와 토크계수는 토크와 회전수를 측정한 후, 상기 식 (1), (2), (3), (4), (5)에 대입하여 계산함으로써 산출된다.The power coefficient and torque coefficient are calculated by measuring torque and rotational speed and then substituting the equations (1), (2), (3), (4) and (5).

상기 익단속도비는 풍속에 대한 터빈의 선속도비로 풍속에 의해서도 변화하는 값이지만 본원 발명에서는 주로 터빈의 선속도, 즉 회전수에 의해 변화하게 된다.The tip speed ratio is a value that is also changed by the wind speed as a ratio of the linear speed of the turbine to the wind speed, but in the present invention, it is mainly changed by the linear speed of the turbine, that is, the rotation speed.

상기 토크계수는 식 (5)에 나타난 바와 같이 유체, 즉 바람이 가진 회전력에 대한 실제 측정된 터빈의 토크의 비로 토크계수가 크다는 것은 상기 터빈(t)에서 발생되는 토크가 크다는 것으로 풍속이 느린 지역에서도 상기 터빈(t)이 원활하게 회전되어 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통한 전력 생산이 효율적으로 이루어질 수 있다는 것을 의미한다.As shown in equation (5), the torque coefficient is a ratio of the torque of the turbine, which is actually measured to the rotational force of the fluid, that is, the wind. Even in the turbine (t) is smoothly rotated means that power can be efficiently produced through continuous and stable energy conversion.

상기 토크계수는 익단속도비가 감소될수록 터빈(t)의 토크가 증가하므로 증가하게 되고, 상기 익단속도비가 증가할수록 상기 터빈(t)의 토크가 감소하므로 감소하게 된다.The torque coefficient is increased because the torque of the turbine t increases as the tip speed ratio decreases. The torque coefficient decreases as the torque of the turbine t decreases as the tip speed ratio increases.

그리고, 상기 토크계수는 동일한 익단속도비에서 풍속이 빨라질수록 증가하게 되며, 풍속이 느려질수록 감소하게 된다.In addition, the torque coefficient increases as the wind speed increases at the same tip speed ratio, and decreases as the wind speed decreases.

도 5는 종래의 수직축 풍력발전 시스템과 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템과의 익단속도비 대비 동력계수를 비교한 그래프이며, 도 6은 종래의 수직축 풍력발전 시스템과 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템과의 익단속도비 대비 토크계수를 비교한 그래프이다.5 is a graph comparing the power factor versus the tip speed ratio between the conventional vertical axis wind power generation system and the vertical axis wind power generation system according to the present invention, Figure 6 is a conventional vertical axis wind power generation system and vertical axis wind power generation system according to the present invention This is a graph comparing torque coefficient to tip speed ratio with.

도시된 바와 같이 종래의 2 블레이드 사보니우스 로터, 3 블레이드 사보니우스 로터 및 베네시 로터 방식과 본원 발명에 의한 원호형상의 블레이드 방식의 동력계수 및 토크계수를 비교한 결과, 동력계수는 종래의 것에 비해 낮으며, 토크계수는 종래의 것에 비해 높음이 실험에 의해 확인된다.As shown in the drawing, the power and torque coefficients of the conventional two-blade savonius rotor, three-blade savonius rotor, and the Venetian rotor method and the arc-shaped blade method according to the present invention are compared. As compared with the conventional one, the torque coefficient is high compared with the conventional one.

이는, 본원 발명에 따른 수직축 풍력발전 시스템이 터빈의 초기 가동에 필요한 동력 소모량과 증속기에 의한 회전수 및 토크의 변환에 필요한 부하가 작은 시스템으로서, 풍향이 수시로 변하며 풍속이 느린 지역이나 평야가 적고 산지가 많아 협소하여 설치 장소에 제약이 많은 지역에 적합한 소형의 풍력발전 설비에 부합됨을 알 수 있다.This is a vertical axis wind power generation system according to the present invention is a system with a small power consumption required for the initial operation of the turbine and a load required for the conversion of the rotational speed and torque by the gearbox, the wind direction changes frequently, the area with low wind speed or the plain is low It can be seen that it is narrow and therefore fits in a small wind power plant suitable for an area with a lot of constraints.

이상에 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 풍향의 변화가 심하고 풍속이 느린 지역에서도 터빈의 원활한 회전으로 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통한 전력 생산이 효율적으로 이루어지도록 한 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조를 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.As described above, according to the present invention, a turbine blade structure of a vertical axis wind power generation system to efficiently produce power through continuous and stable energy conversion by smooth rotation of the turbine even in a region where the wind direction is severely changed and the wind speed is low. It can be seen that the basic technical idea is to provide.

그리고, 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.And within the scope of the basic technical idea of the present invention, of course, many other modifications are possible to those skilled in the art.

본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 기대된다.According to the present invention, the following effects are expected.

우선, 다수개의 블레이드를 원호형상으로 절곡하여 수직축을 중심으로 방사상으로 배치되도록 장착하여 풍향의 변화가 심하며 풍속이 느린 지역에서도 터빈이 원활히 회전함으로써 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통한 전력 생산이 효율적으로 이루어지게 된다.First of all, a number of blades are bent in an arc shape and mounted so as to be disposed radially about a vertical axis, so that the wind direction changes greatly and the turbine rotates smoothly even in a low wind speed, so that power production can be efficiently performed through continuous and stable energy conversion. do.

그리고, 평야가 적고 산지가 많아 협소한 지역에서도 설치가 가능하여 전력 공급에 어려움이 있는 벽지나 도서 지방의 전력 공급에 큰 도움이 되는 등 매우 유 용한 발명인 것이다.In addition, it is a very useful invention such that it can be installed in a narrow area because there are few plains and a lot of mountains, and it is very helpful for power supply of wallpaper or island area, which is difficult to supply power.

Claims

삭제delete

풍력에 의해 회전하는 수직축(30)과, 상기 수직축에 결합되는 상판(12a) 및 하판(12b) 사이에 장착되는 다수개의 블레이드(10)로 구성된 터빈(t)과, 상기 터빈의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전기(60) 및 상기 터빈과 발전기 사이에 위치하며 상기 터빈의 회전수를 발전기에 필요한 회전수로 변환하는 증속기(50)로 구성되는 수직축 풍력발전 시스템에 있어서,A turbine (t) consisting of a vertical shaft (30) rotated by wind power, a plurality of blades (10) mounted between the upper plate (12a) and the lower plate (12b) coupled to the vertical axis, and electric power according to the rotation of the turbine. In the vertical axis wind power generation system composed of a generator 60 for producing a and a speed increaser 50 which is located between the turbine and the generator and converts the rotational speed of the turbine into the rotational speed required for the generator,

상기 블레이드는, 사각형상의 판재가 원호형상으로 절곡되어 상기 상판과 하판이 이루는 공간상에 회전방향을 따라서 상기 수직축을 중심으로 방사형으로 배치되며, 그 일단(13)이 상기 상판과 하판이 이루는 원주(C)에 내접하고 타단(14)이 상기 일단과 수직축을 연결하는 반경(R) 상에서 상기 상판 및 하판의 회전방향으로 소정간격(d) 이격되어 장착되며, 상기 수직축과 블레이드의 일단을 연결하는 반경(R) 상에 투영된 블레이드의 길이(a)는, 반경(R)의 0.6 내지 0.8배인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조.The blade is arranged in a radial shape about the vertical axis in the rotational direction in the space formed between the square plate is bent in an arc shape and the upper plate and the lower plate, one end 13 of the circumference formed by the upper plate and the lower plate ( C) is inscribed in the other end 14 is mounted on the radius (R) connecting the one end and the vertical axis spaced apart by a predetermined distance (d) in the rotational direction of the upper and lower plates, the radius connecting the vertical axis and one end of the blade The length (a) of the blade projected on (R) is 0.6 to 0.8 times the radius (R), the turbine blade structure of the vertical axis wind power generation system.

제 2 항에 있어서, 상기 블레이드의 타단은, 블레이드를 통과하는 유체의 유동이 상기 수직축으로 향하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전 시스템의 터빈 블레이드 구조.3. The turbine blade structure of claim 2, wherein the other end of the blade is mounted such that the flow of fluid through the blade is directed toward the vertical axis.