KR101300197B1 - 수직축 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로써, 특히, 상부로터어셈블리가 하부로터어셈블리보다 전방에 배치되어, 장치의 무게 중심이 안정적으로 균형을 잡을 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

수직축 풍력발전기{VERTICAL SHAFT WIND WHEEL}

본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로써, 특히, 상부로터어셈블리가 하부로터어셈블리보다 전방에 배치되어, 장치의 무게 중심이 안정적으로 균형을 잡을 수 있는 수직축 풍력발전기에 관한 것이다.

최근 세계적으로 환경적 이슈가 부각되고 에너지 위기를 맞이하면서 다양한 대체에너지 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 이 중 풍력은 고갈되지 않는 청정에너지로써 여러 대체에너지 중 성장률이 가장 높은 에너지원으로 각광을 받고 있다.

풍력발전시스템은 자연의 바람 에너지를 기계 에너지로 변환시켜 발전하는 것이다. 이러한 풍력발전시스템은 바람이 많이 부는 장소에 설치하여 상기 바람을 유입함은 물론 유입된 바람의 힘으로 터빈 또는 로터를 회전시켜 동력 및 전기가 발생되도록 하는 것이다.

이러한 풍력발전시스템은 수평축 방식과 수직축 방식으로 크게 대별되며, 두가지 방식을 조합한 하이브리드 방식이 있다.

수직축 방식은 일반적으로 수평축 방식에 비해 효율이 절반가량 낮은 반면 로터 회전속도가 상대적으로 낮아 소음이 적고 진동이 거의 없으므로, 주거지역 및 빌딩 옥상, 학교, 병원 등 공공시설에 설치 가능하며 정밀도가 낮은 부품 및 블레이드 제작으로도 장기 사용 및 발전이 가능하여 도시형 소형 풍력발전시스템에 주로 활용되어 왔다.

미국공개특허공보 2008/0095608에는 관절식 로터를 가진 수직축발전기가 개진되어 있으며, 풍속의 변화에 따라 분절된 중심으로부터 블레이드의 기울기가 변화하도록 하는 발명이 개시된 바 있다.

미국공개특허공보 2007/0297903에는 다단으로 형성된 에어포일 결합체를 갖는 수직축 풍력발전기가 나타나 있다.

또한 미국공개특허공보 2007/0224029에는 H type 수직형 풍력터빈의 문제점인 자체 기동문제를 해결하기 위해 에어포일 하면인 압력면에 계단식 홈을 만들어 낮은 속도에서도 기동이 되는 발명이 개시된 바 있다.

국내등록특허 10-0490683에는 바람 방향에 따라 에어포일 블레이드의 피치를 자동적으로 조절하는 수직축풍력발전기가 나타나 있다.

그리고 국내등록특허 10-0752755 및 10-0616109에는 반원호의 형상의 날개 안쪽 끝에 S자 Type 후단을 연결하는 임펄스 Type 블레이드에 천공홀을 구비하든지 혹은 반원호 앞에 유선형 돌출부가 제공되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기가 나타나 있다.

그러나 대형 풍력발전기와는 달리 소형 (100kW이하) 혹은 마이크로 (10kW이하) 풍력발전기는 주로 높이 12m~15m를 갖는 타워에 설치되어, 도 1에서 볼 수 있듯이 12m 타워의 경우 도시지역 (80m 기준높이에서 평균속도 6.5m/s)에서는 약 4m/s의 평균속도 그리고 80m 기준높이에서 평균속도 7.0m/s의 평원지역에서는 4.8 m/s의 평균속도를 나타내어 각각 약 10% 및 17%의 매우 낮은 이용율 (Capacity Factor)로 매우 낮은 투자대비 전기생산을 보여준다. 이를 극복하기 위해서는 약 30m 가량의 높은 타워가 필요하며 수직축 터빈을 설치할 경우 타워설치시의 불가피한 기울어짐으로 인해 고정부와 터빈 회전부를 연결시키는 베아링부에 치명적인 비정상적 하중이 전달되어 내구성이 손상되는 제 1 문제점이 있다. 또한 수평축 프로펠러형 터빈의 경우에는 로터 회전축이 지면에 수평이므로 지지 베아링에 대한 비정상적 하중 문제는 적으나, 소형터빈의 경우 풍방향 변화에 따른 요잉을 위해 꼬리날개를 사용하므로 바람방향이 순간적으로 반대방향에서 불게 되면 불가피한 출력저하 및 과도한 순간요잉과 관성으로 인한 구조물 불안정성의 제 2 문제점이 있다.

일반적으로 양력식 에어포일 형상 혹은 항력식 임펄스방식의 날개를 갖는 수직축 H형태 풍력터빈 (도 2 참고)은 로터 블레이드의 회전 위치에 따라 양력 혹은 항력의 크기가 변화하며, 특히 초기 기동이 되지 않는 날개의 정지위치가 존재하여 기동풍속이 높아지는 제 3 단점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 상부로터어셈블리가 하부로터어셈블리보다 전방에 배치되어, 장치의 무게 중심이 안정적으로 균형을 잡을 수 있는 수직축 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수직축 풍력발전기는, 기둥부와, 상기 기둥부에 회전가능하게 설치되는 수직축과, 상기 메인프레임에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리를 포함하며, 상기 로터어셈블리는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축 양쪽에 수평하게 각각 배치되는 상부로터어셈블리와, 상기 메인프레임에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리를 포함하며, 상기 로터어셈블리는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축 양쪽에 수평하게 각각 배치되며, 상기 상부로터어셈블리보다 하부에 배치되는 하부로터어셈블리와, 상기 상부로터어셈블리 또는 상기 하부로터어셈블리에 연결되는 발전기를 포함하며, 상기 상부로터어셈블리는 상기 하부로터어셈블리보다 전방에 배치된다.

상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 중 적어도 하나는 상기 수직축 양쪽에 각각 배치되는 날개위상이 다르게 형성될 수 있다.

또한, 상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 사이의 수평 간격(W)과 로터직경(D)과의 비(W/D)는 0.1에서 0.5이며, 상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 사이의 수직 간격(H)과 로터직경(D)과의 비(H/D)는 1.0 에서 1.3일 수 있다.

상기 날개위상은 1/3~2/3 피치 정도 차이나며, 상기 상부로터어셈블리는 상류 방향에서 보았을 때 위에서 아래로 회전하며, 상기 하부로터어셈블리는 아래에서 위로 회전하도록 날개가 배치될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 수직축 풍력발전기에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

상부로터어셈블리가 하부로터어셈블리보다 전방에 배치되어, 지표면 근처의 풍경계층으로 인한 낮은 평균풍속으로 말미암은 저이용율의 극복을 위해 소형풍력터빈의 경우에도 높은 타워가 필요하며 수직축 터빈을 설치할 경우 타워설치시의 불가피한 기울어짐으로 인한 회전 수직축의 과도한 동적 불안전성 없이, 장치의 무게 중심이 안정적으로 균형을 잡을 수 있게 되어, 본 발명은 터빈 로터 어셈블리의 로터 샤프트가 수평으로 설치되어 높은 타워에서도 좌우로의 흔들림 없이 회전하므로 내구성이 획기적으로 개선되는 효과가 있다.

즉, 상부로터어셈블리의 로터샤프트는 수직축보다 전방에 배치되며 하부로터어셈블리의 로터샤프트는 수직축보다 하류에 배치되어 장치의 무게 중심이 안정적으로 균형을 잡을 수 있게 하며, 위로 갈수록 빨라지는 풍분포에서 상부로터어셈블리가 하부로터어셈블리로의 풍 안내 역할을 하여 비슷한 직경을 갖는 상하부 로터어셈블리가 비슷한 출력을 발생토록 한다.

바람방향에 따라 꼬리날개를 이용하여 조향을 해야 하는 수평축 발전기나 가이드 베인을 조향해야 하는 수직축 풍력발전기와는 달리 본 발명은 수직축에 대칭적으로 설치된 네 개의 로터어셈블리가 수평으로 회전하면서 바람방향에 따라 조향하려는 수직축 요잉모멘트를 발생시키며, 풍향이 반대방향으로 바뀌어도 수평축 풍력발전기와는 달리 효율의 감소가 없는 자동조향의 효과가 있다.

특히 H형태의 수직축 풍력발전기의 회전 위치에 따라 양력 혹은 항력의 크기가 변화하므로, 초기 기동이 되지 않는 날개 정지위치가 존재하여 기동풍속이 높아지는 것과는 달리 좌우의 로터어셈블리들의 날개 위상이 반 피치 정도 차이나도록 배치하며 낮은 풍속에서 초기 기동이 원할해지는 효과가 있다.

도 1은 지표면 위 풍경계층에 의한 높이에 따른 풍속분포를 나타내는 그래프.
도 2는 종래 수직축 풍력발전시스템의 로터와 고정 수직축의 결합을 보여주는 단면
도 3은 본 발명에 따른 로터어셈블리 측면도.
도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 로터어셈블리의 날개의 높이대비 직경비의 변화에 따른 형상을 나타내는 개략도 및 로터어셈블리의 날개를 갖는 수직형 풍력발전기 효율을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템의 정면도 및 측면도.
도 6a와 6b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 로터회전 방식의 예와 각 회전방식에 따른 무부하시의 주속비를 비교한 표.
도 7a, 7b, 7c, 7d는 본 발명에 따른 날개의 회전위치에 따른 로터어셈블리 주위 및 날개 내부에서의 유선 형태를 비교한 전산유동해석 결과.
도 8a와 8b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 상부로터어셈블리 및 하부로터어셈블리의 회전에 의해 발생하는 유선의 분포 및 주위의 속도와 압력분포를 나타낸 전산유동해석 결과.
도 9는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템의 사시도.
도 10은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 수직축 풍력발전시스템의 사시도.
도 11a 와 11b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 기둥부 단면도 및 상세도.
도 12는 본 발명에 따른 로터어셈블리의 오른쪽 로터와 왼쪽 로터의 날개 위상의 1/2 피치 (60o)의 차이를 나타내는 실시 예
도 13은 본 발명에 따른 W/D에 따른 로터어셈블리의 효율의 변화를 나타내는 그래프 (H/D=1.1 고정시).
도 14는 본 발명에 따른 H/D에 따른 로터어셈블리의 효율의 변화를 나타내는 그래프 (W/D=0.3 고정시).
도 15는 본 발명에 따른 로터어셈블리 좌우 로터의 위상 피치에 따른 초기 기동속도의 변화를 나타내는 그래프(기동속도가 낮을수록 좋음)

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.

도 3 내지 도 11b에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 수직축 풍력발전기는, 기둥부(300)와, 상기 기둥부(300)에 회전가능하게 설치되는 수직축(400)과, 상기 수직축(400)에 설치되는 메인프레임(500)과, 상기 메인프레임(500)에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리(600)를 포함하며, 상기 로터어셈블리(600)는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축(400) 양쪽에 수평하게 각각 배치되는 상부로터어셈블리와, 상기 메인프레임(500)에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리(600)를 포함하며, 상기 로터어셈블리(600)는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축(400) 양쪽에 수평하게 각각 배치되며, 상기 상부로터어셈블리보다 하부에 배치되는 하부로터어셈블리와, 상기 상부로터어셈블리 또는 상기 하부로터어셈블리에 연결되는 발전기(1000)를 포함하며, 상기 상부로터어셈블리는 상기 하부로터어셈블리보다 전방에 배치된다.

도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 기둥부(300)는 속이 빈 원기둥 형상으로 형성되며, 지면에 수직하게 고정설치된다.

기둥부(300)는 상부 및 하부 외측에 안착홈이 형성되어 있다.

수직축(400)은 기둥부(300)보다 내경이 크고, 속이 빈 원기둥 형상으로 형성되어, 기둥부(300)가 수직축(400)에 삽입된다.

수직축(400)은 상부 및 하부에 플랜지(403a, 403b)가 형성되어 있다.

상부 및 하부의 플랜지(403a, 403b)에는 제1설치링(404a, 404b)이 설치되고, 제1설치링(404a, 404b)에는 제2설치링(405a, 405b)이 설치된다. 이와 같은 제1설치링(404a, 404b)과 제2설치링(405a, 405b)으로 인해 이하 서술되는 베어링 및 실링부재(S)를 용이하게 설치할 수 있고, 고장시 수리도 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.

수직축(400)의 상부에 설치되는 제1설치링(404a)은 수직축(400)의 플랜지(403a)에 설치되는 플랜지부(406)와, 원통형상으로 형성되어 수직축(400)에 삽입되는 원통부(407)와, 원통부(407)의 하단에 내측으로 돌출되도록 형성되는 돌출부(408)를 포함한다.

원통부(407) 내벽에는 베어링이 안착되는 안착홈이 형성되어 있다.

돌출부(408) 내벽에는 실링부재(S)가 삽입되는 삽입홈이 형성된다.

수직축(400)의 상부에 설치되는 제2설치링(405a)은 제1설치링(404a)의 플랜지부(406)에 설치되는 플랜지부(409)와 제1설치링(404a)의 원통부(407) 내부에 삽입되는 삽입부(410)를 포함한다.

삽입부(410) 내측 하단에는 베어링이 안착되는 안착홈이 형성되어 있고, 내벽에는 실링부재(S)가 삽입되는 삽입홈이 형성된다.

수직축(400)의 하부에 설치되는 제1설치링(404b)은 수직축(400)의 플랜지(403b)에 설치되는 플랜지부(406)와 원통형상으로 형성되는 원통부(411)와 원통부의 상단 내벽에 돌출되도록 형성되는 돌출부(408)를 포함한다.

원통부(411) 내벽에는 베어링이 안착되는 안착홈이 형성되어 있다.

돌출부(408) 내벽에는 실링부재(S)가 삽입되는 삽입홈이 형성된다.

수직축(400)의 하부에 설치되는 제2설치링(405b)은 제1설치링(404b)의 원통부(411)에 설치되는 플랜지부(409)와 제1설치링(404b)의 원통부(407) 내부에 삽입되는 삽입부(410)와, 삽입부(410)의 상부에 돌출형성되는 지지부(412)를 포함한다.

삽입부(410)의 내벽에는 실링부재(S)가 삽입되는 삽입홈이 형성된다.

수직축(400)은 기둥부(300)을 둘러싸도록 배치되어 기둥부(300)에 회전가능하게 설치된다.

수직축(400)과 기둥부(300) 사이에는 기둥부(300)과 제1설치링(404a, 404b)과 제2설치링(405a)에 형성된 안착홈에 안착되고 지지부(412)에 지지되는 베어링이 배치되어 수직축(400)이 기둥부(300)에 대해 원활하게 회전가능하게 된다.

상기 베어링은 제1베어링(301)과 제2베어링(302)을 포함한다.

제1베어링(301)은 상부륜과 상부륜의 하부에 배치되는 하부륜을 포함한다. 상부륜의 하부와 하부륜의 상부에는 홈이 형성되어 있다. 상부륜과 하부륜 사이에는 볼이 배치된다.

제2베어링(302)은 내륜과 내륜의 외측에 배치되는 외륜을 포함한다. 내륜의 외측과 내륜의 내측에는 홈이 형성되어 있다. 내륜과 외륜 사이에는 볼 또는 롤러가 배치된다. 제2베어링(302)은 자동조심롤러베어링으로 구비될 수 있다.

수직축(400)과 기둥부(300)의 상부 사이에는 제1베어링(301)과 제2베어링(302)이 배치되고, 수직축(400)과 기둥부(300)의 하부 사이에는 제2베어링(302)이 배치된다.

수직축(400)과 기둥부(300)의 상부 사이에 있는 제1베어링(301)은 제2베어링(302) 보다 상부에 배치된다.

제1베어링(301)의 하부륜은 제2베어링(302)의 내륜에 의해 지지된다.

제2베어링(302)의 내륜과 제1베어링(301) 사이에는 지지링(303)이 배치되어 두개의 베어링이 서로 간섭되지 않으며, 제1베어링(301)이 더욱 안정적으로 지지된다.

또한, 기둥부(300)의 외측 또는 수직축(400)의 내벽에는 윤활유가 유입되는 유입공(401)이 형성된다. 본 실시예에서는 수직축(400)에 유입공(401)이 형성된다.

또한, 기둥부(300)과 수직축(400) 사이에는 윤활유가 채워질 수 있는 공간부(402)가 형성된다.

이러한 공간부(402)에 있는 윤활유로 인해 상기 베어링의 작동이 원활해진다.

기둥부(300)과 수직축(400) 사이에는 상기 베어링의 상부 및 하부에 배치되도록 실링부재(S)가 제1설치링(404a, 404b)과 제2설치링(405a, 405b)에 형성된 삽입홈에 삽입되어 설치된다.

도 9 내지 도 11a에 도시된 바와 같이 메인 프레임(500)은 상기 수직축(400)의 외주면에 고정 설치된다.

메인 프레임(500)은 발전기(1000)를 지지하는 지지프레임(510)과 지지프레임과 수직축(400)을 연결하는 연결프레임(520)을 포함한다.

지지프레임(510)은 수직축(400)의 상부 및 하부에 각각 배치된다. 상부에 배치되는 지지프레임(510)은 수직축(400)의 전방에 배치되며, 하부에 배치되는 지지프레임(510)은 수직축(400)의 후방에 배치된다.

연결프레임(520)은 상부 및 하부에 각각 배치되는 지지프레임(510)을 연결하는 동시에 지지프레임(510)을 수직축(400)에 연결한다.

연결프레임(520)은 수직축(400)의 양측에 상하방향으로 수직하게 배치되는 수직프레임과 양측에 배치되는 상기 수직프레임을 서로 연결하는 수평프레임을 포함한다.

또한, 메인 프레임(500)은 로터어셈블리(600) 및 발전기(1000)를 더욱 안정적으로 지지하기 위해 보강프레임 또는 보강리브가 구비될 수 있다.

도 5 및 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 상부로터어셈블리 및 상기 하부로터어셈블리는 상기 메인프레임(500)에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리(600)를 포함하며, 상기 로터어셈블리(600)는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축(400) 양쪽에 수평하게 각각 배치된다. 즉, 상기 로터어셈블리(600)는 4개가 구비되어 수직축(400)을 기준으로 상부 좌우측, 하부 좌우측에 각각 배치된다.

도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 로터에셈블리(600)는 좌우방향으로 수평하게 배치되는 로터샤프트(610)와, 상기 로터샤프트(610)에 방사상으로 설치되는 로터프레임(620)과, 상기 로터프레임(620)의 끝단에 설치되는 날개(630)를 포함한다.

로터샤프트(610)는 지지프레임(510)의 측부에 설치된다. 로터샤프트(610)와 지지프레임(510) 사이에는 베어링이 설치되어, 로터샤프트(610)는 지지프레임(510)에 대해 회전가능해진다.

로터샤프트(610)는 수직축(400)과 엇갈리도록 수직축(400) 보다 전방 또는 후방에 배치된다.

또한, 로터샤프트(610)와 날개(630)를 연결하는 보조프레임(621)이 더 구비되며, 보조프레임(621)은 로터프레임(620)과의 사이간격이 외측으로 향할수록 넓어지도록 배치된다. 보조프레임(621)의 끝단과 로터프레임(620)의 끝단은 날개(630)의 외측면을 따라 설치되는 고정프레임에 의해 서로 연결된다.

로터프레임(620) 및 보조프레임(621) 및 상기 고정프레임은 날개(630)의 수평길이에 따라 여러개 구비되어 수평방향으로 이격되게 배치될 수 있다.

나아가, 서로 이격되게 배치되는 두 개의 로터프레임(620)은 사선으로 배치되는 보강프레임에 의해 일단과 타단이 서로 연결될 수 있다.

날개(630)는 다양한 형상으로 구비될 수 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 측면에서 보았을 때 날개(630)는 상류부분은 유선형 둥근 머리 형상(631)을 가지며 상기 날개(630)의 입구부(632) 혹은 출구부(633)가 길게 형성되어 비대칭적으로 형성된다.

즉, 날개(630)는 전체적으로 보았을 때 비대칭적인 컵형상으로 회전시 상류부분은 곡선면 형태로 에어포일과 같은 둥근 머리형상(631)을 가지며 하류 위치부분은 긴 꼬리부분을 갖는다.

하나의 로터어셈블리(600)에 날개(630)는 2개 이상으로 구비되며 3개가 가장 좋다

날개(630)의 축방향길이(L)와 날개직경(D)과의 비(L/D)가 1.0 이상의 값을 가지도록 형성하는 것이 바람직하다. 이와 같이 날개(630)가 형성될 경우, 도 4b의 실험 그래프에서와 같이 발전기의 효율이 향상되게 된다.(U(풍속)=5m/s)

나아가, 날개(630)에는 날개(630)의 형상이 유지되도록 안쪽에 보강리브(634) 또는 보강 프레임이 설치되어 있다. 보강리브(634)는 바람의 흐름 방향을 따라 날개(630) 내측에 세워져서 설치된다.

보강리브(634)는 날개(630)의 입구부(632) 및 출구부(633) 쪽으로 향할수록 두께가 점점 얇아지도록 형성된다.

도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 하부로터어셈블리는 상기 상부로터어셈블리보다 하부에 배치되며, 상기 상부로터어셈블리는 상기 하부로터어셈블리보다 전방(상류측)에 배치된다.

상세하게는, 상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 사이의 수평 간격(W)과 로터직경(D)과의 비(W/D)는 0.1에서 0.5이며, 상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 사이의 수직 간격(H)과 로터직경(D)과의 비(H/D)는 1.0 에서 1.3인 것이 바람직하다.

또한, 도 6a와 6b에는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 로터어셈블리의 회전 방식의 예와 각 회전방식에 따른 무부하시의 주속비(

)를 비교한 결과가 나타나 있다. 주속비(

)는 풍력발전기의 작동상태를 나타낼 때 사용한다.

도 6a에서 A1과 같이 로터어셈블리가 회전할 경우(상부로터어셈블리와 하부로터어셈블리는 반시계방향으로 회전)에는 도 6b의 표에 나타난 바와 같이, 주속비

값이 상부로터어셈블리의 경우 0.99가 나오고, 하부로터어셈블리의 경우 0.90이 나온다.

도 6a에서 A2과 같이 로터어셈블리가 회전할 경우(상부로터어셈블리는 반시계방향으로 회전하고, 하부로터어셈블리는 시계방향으로 회전)에는 도 6b의 표에 나타난 바와 같이, 주속비

값이 상부로터어셈블리의 경우 0.89가 나오고, 하부로터어셈블리의 경우 0.85가 나온다.

도 6a에서 A3과 같이 로터어셈블리가 회전할 경우(상부로터어셈블리 및 하부로터어셈블리가 시계방향으로 회전)에는 도 6b의 표에 나타난 바와 같이, 주속비

값이 상부로터어셈블리의 경우 0.97이 나오고, 하부로터어셈블리의 경우 0.86이 나온다.

도 6a에서 A4과 같이 로터어셈블리가 회전할 경우(상부로터어셈블리는 시계방향으로 회전하고, 하부로터어셈블리는 반시계방향으로 회전)에는 도 6b의 표에 나타난 바와 같이, 주속비

값이 상부로터어셈블리의 경우 1.11이 나오고, 하부로터어셈블리의 경우 0.95가 나온다.

이와 같은 실험결과가 의미하는 바는 상부와 하부의 로터어셈블리가 서로 반대 방향으로 회전하는 경우 중 A4가 가장 높은 터빈 효율을 나타낸다는 사실이다. 특히 이 경우 바람방향이 반대로 바뀌면 회전형태는 안쪽으로 회전하는 A4에서 모두 바깥쪽으로 회전하는 A2의 회전형태가 되며, 하부로터가 유선을 상부로터 윗부분으로 모아 주어 이 경우에도 비슷한 효율이 발생한다(주속비 표시하지 않음). 따라서 하부로터가 상류로 나오고 상부로터가 하류에 위치한 형태도 상부와 하부의 로터어셈블리가 서로 반대 방향으로 회전하는 경우 동일한 효과를 기대할 수 있다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 상부로터어셈블리는 상류 방향에서 보았을 때 위에서 아래로 회전하며(시계방향), 상기 하부로터어셈블리는 아래에서 위로 회전하도록(반시계방향) 날개(630)가 배치될 수 있다.

이와 같이 날개(630)가 배치될 경우, 실험 데이터를 나타내는 도 6b의 표에서와 같이 무부하시의 주속비가 높게 된다.

도 10에 도시된 바와 같이, 상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 중 적어도 하나의 상기 수직축(400) 양쪽에 각각 배치되는 좌측과 우측의 로터어셈블리(600)의 날개(630)의 위상이 다르게 형성될 수 있다.

바람직하게는 좌측과 우측의 로터어셈블리(600)의 날개(630)의 위상은 1/3~2/3 피치 정도 차이나도록 설치된다.

또한, 상부로터어셈블리의 좌측 로터어셈블리(600)와 하부로터어셈블리의 좌측 로터어셈블리(600)의 날개(630)의 위상은 동일하고, 하부로터어셈블리의 우측 로터어셈블리(600)와 상부로터어셈블리의 우측 로터어셈블리(600)의 날개(630)의 위상은 동일하게 할 수 있다.

이로 인해, 수직축 풍력발전기는 저풍속에서도 기동토크가 발생될 수 있다.

도 7a, 7b, 7c, 7d는 본 발명에 따른 날개(230)의 회전위치에 따른 로터어셈블리(600) 주위 및 날개(230) 내부에서의 유선 형태를 비교한 전산유동해석 결과를 나타내는 그림이다. 즉, 로터주위의 유선의 분포는 블레이드의 회전 위치에 따라 바뀌게 되며 도 7d와 같이 상하부 유선의 분포가 비슷하면 압력분포가 대칭이 되어 토크평형으로 인해 초기 기동이 되지 않을 수 있다. 도 7a 부터 도7d는 무부하 회전시(주속비 1.2가량) 날개 회전위치에 따라 날개주위의 속도분포가 변화하며, 특히 도 7a와 7b의 위치에서는 상부로터의 아래 유선이 하부로터로의 큰 입사각을 가지므로 상하부 로터어셈블리의 상대 위치가 매우 중요해 진다.

도 8a와 8b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기의 상부로터어셈블리 및 하부로터어셈블리의 회전에 의해 발생하는 유선의 분포 및 주위의 속도와 압력분포를 나타낸 전산유동해석 결과를 나타내는 그림이다.

도 8a와 8b의 결과가 의미하는 바는 앞서 기술한 도6a의 A4 타입 회전방식에 대해 도 8a는 상하부 로터가 회전시 발생하는 유선의 상호작용 예를 보야주며, 도 8b는 피치가 0인 죄우 대칭 로터 주위의 속도벡터 및 날개면에 작용하는 압력의 분포 예를 보여준다.

도 5 및 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 발전기(1000)는 상기 상부로터어셈블리 또는 상기 하부로터어셈블리의 로터어셈블리(600)에 연결되어, 로터어셈블리(600)의 회전에너지를 전기적 에너지로 변환한다.

발전기(1000)는 좌측에 있는 로터어셈블리(600)와 우측에 있는 로터어셈블리(600) 사이에 배치된다.

본 실시예에서는 발전기(1000)가 두개 구비되어 상부 및 하부에 각각 배치되며, 하나는 상기 상부로터어셈블리에 연결되며, 나머지 하나는 상기 하부로터어셈블리에 연결된다.

발전기(1000)는 로터어셈블리(600)의 로터샤프트(610)에 직결되거나, 기어박스(미도시)가 구비되어 기어박스에 의해 로터샤프트(610)에 연결될 수 있다.

발전기(1000)는 지지프레임(510)에 설치되어, 양측의 로터어셈블리(600) 사이에 배치된다.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 실시예의 작용을 설명한다.

로터어셈블리(600)로 바람이 유입되면 로터어셈블리(600)는 회전하게 되고, 로터어셈블리(600)의 회전력은 발전기(1000)로 전달된다. 발전기(1000)에 전달된 회전력은 전기로 변환된다.

한편, 본 발명은 로터어셈블리(600)가 수직축(400)에 대해 대칭적으로 배치되어 꼬리날개 없이도 좌우 밸런스가 유지되어 바람의 방향에 따라 회전하게 되고, 이에 따라 메인 프레임(500) 및 수직축(400)을 포함하는 상기 발전부가 기둥부(300)에 대해 회전하게 된다. 이로 인해, 본 발명의 풍력발전기는 발전성능이 향상되게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
300 : 기둥부 400 : 수직축
500 : 메인프레임 600 : 로터어셈블리

Claims (7)

1. 기둥부;
   상기 기둥부에 회전가능하게 설치되는 수직축;
   상기 수직축에 설치되는 메인프레임;
   상기 메인프레임에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리를 포함하며, 상기 로터어셈블리는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축 양쪽에 수평하게 각각 배치되는 상부로터어셈블리;
   상기 메인프레임에 회동가능하도록 설치되는 로터어셈블리를 포함하며, 상기 로터어셈블리는 두 개 이상 구비되어 상기 수직축 양쪽에 수평하게 각각 배치되는 하부로터어셈블리;
   상기 상부로터어셈블리 또는 상기 하부로터어셈블리에 연결되는 발전기를 포함하며,
   상기 하부로터어셈블리는 상기 상부로터어셈블리보다 하부에 배치되며, 상기 상부로터어셈블리는 상기 하부로터어셈블리보다 전방에 배치되어, 상기 상부로터어셈블리는 상기 하부로터어셈블리보다 상류측에 배치되는 수직축 풍력발전기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 중 적어도 하나는 상기 수직축 양쪽에 각각 배치되는 날개위상이 다르게 형성되는 수직축 풍력발전기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 사이의 수평 간격(W)과 로터직경(D)과의 비(W/D)는 0.1에서 0.5이며, 상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 사이의 수직 간격(H)과 로터직경(D)과의 비(H/D)는 1.0 에서 1.3인 수직축 풍력발전기.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 상부로터어셈블리와 상기 하부로터어셈블리 중 적어도 하나의 날개는 상류부분은 유선형 둥근 머리 형상을 가지며 상기 날개의 입구부 혹은 출구부가 길게 형성되어 비대칭적이며, 상기 날개의 축방향길이(L)와 날개직경(D)과의 비(L/D)가 1.0 이상의 값을 가지는 수직축 풍력발전기.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 날개위상은 1/3~2/3 피치 차이나는 수직축 풍력발전기.
6. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 상부로터어셈블리는 상류 방향에서 보았을 때 위에서 아래로 회전하며(시계방향) 회전하며 상기 하부로터어셈블리는 아래에서 위로(반시계방향) 회전하도록 날개가 배치되는 수직축 풍력발전기.
7. 제 1항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 상부로터어셈블리는 상류 방향에서 보았을 때 아래에서 위로(반시계방향) 회전하며, 상기 하부로터어셈블리는 위에서 아래로 회전하며(시계방향) 회전하도록 날개가 배치되는 수직축 풍력발전기.

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