KR102456995B1 - 날개차 및 이것을 구비하는 자연 에너지 발전 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 날개차(18)는, 축심 주위에 회전 가능하게 설치되는 주축(22)과, 이 주축(22)에 고정되고, 풍력 또는 수력에 의해 구동되어 상기 축심 주위로 회전하는 날개(24)를 구비한다. 상기 날개(24)는, 상기 주축(22)에 대해 평행 또는 수직 방향으로 연장되는 스트레이트부(28)와, 상기 스트레이트부(28)의 단부로부터 연장되는 날개 선단부(29)를 가지고, 상기 날개 선단부(29)는, 이 날개 선단부(29)를 상기 주축(22)의 축심을 포함하는 평면을 따라 절단한 단면의 형상이, 기단으로부터 선단을 향함에 따라 상기 스트레이트부(28)로부터 이격되도록 복수 단으로 경사진 형상, 또는 기단으로부터 선단을 향함에 따라 상기 스트레이트부(28)로부터 이격되도록 만곡된 형상으로 형성되어 있다.

Description

날개차 및 이것을 구비하는 자연 에너지 발전 장치

본 출원은, 2015년 3월 16일자 일본 특허출원 2015-051593, 2015년 3월 19일자 일본 특허출원 2015-055735, 및 2015년 3월 19일자 일본 특허출원 2015-055840의 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체를 참조에 의해 본원의 일부를 이루는 것으로서 원용한다.

본 발명은, 날개차(turbine rotor) 및 자연 에너지 발전 장치에 관한 것이며, 날개가 받는 풍력이나 수력, 조력(潮力) 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높이는 동시에, 날개의 강도를 향상시키는 기술에 관한 것이다.

자연 에너지 발전 장치의 풍차나 수차(水車)는, 수평축식과 수직축식으로 대별되고, 수직축식은, 풍향이나 유수(流水) 방향, 조류(潮流) 방향에 대한 제어가 불필요하므로, 비교적 소형의 풍차나 수차에 사용되고 있다.

수직축식의 발전용의 풍차나 수차에 있어서, 풍력이나 수력, 조력 에너지를 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높이도록 날개의 선단부의 형상이 설계되어 있다. 예를 들면, 날개의 선단부를 수직 주축(vertical main shaft)에 근접하도록 경사지게 함으로써, 바람이나 유수, 조류로부터 받는 에너지를 효율적으로 회전 에너지로 변환하는 것이 가능해진다. 이 경사지게 한 날개 선단부를 윙릿(winglet)이라고 한다. 이 윙릿을 설치함으로써, 날개 선단으로부터의 날개단(blade tip) 와류(渦流)를 저감할 수 있어, 고효율의 날개로 된다(특허문헌 1).

일본 특허 제4173727호 공보

자연 에너지 발전 장치에 있어서, 날개가 받는 에너지에 대하여, 얼마나 효율적으로 회전 에너지로 변환할 수 있는지는 매우 중요한 요소(factor)이다. 이 변환 효율(파워 계수)은 이론적으로 16/27이 한계로 되어 있다[베츠의 한계(Betz limit)]. 이 한계값에 대하여 현재의 날개의 변환 효율은 0.3∼0.45 정도로 되어 있고, 이 변환 효율을 높이기 위해 새로운 날개의 개량이 필요해진다.

도 18a는 종래예의 수직축식 발전용의 풍차나 수차의 날개(50)의 정면도이며, 도 18b는 도 18a의 XVIIIB-XVIIIB선 단면도(斷面圖)이다. 이 날개(50)에 있어서, 스트레이트부(51)와 윙릿(52)이 이루는 각도 θ를 정해진 각도 이하로 하고 있는 경우, 이들 스트레이트부(51)와 윙릿(52)을 연결하는 이음부(53)에 응력이 집중될 우려가 있다. 이 경우, 날개의 강도 상 문제이다.

이음부(53)의 각도 θ를 단지 크게 하면, 풍차나 수차의 사이즈에 따라 날개의 전체 길이 La가 규정되어 있으므로, 스트레이트부(51)의 길이 Lｖ가 짧아진다. 이 경우, 수풍(受風) 면적이나 수수(受水) 면적이 실질적으로 감소함으로써 상기 변환 효율이 저하된다.

스트레이트부(51)의 길이 Lｖ를 확보한 데 더하여, 이음부(53)의 각도 θ를 크게 하는 것도 생각할 수 있다. 이 경우에도 전술한 바와 같이 날개(50)의 전체 길이 La가 규정되어 있으므로, 윙릿(52)의 수평 방향의 길이 Lh가 짧아진다. 그러면 날개단 와류를 저감하는 효과가 뒤떨어진다.

본 발명의 목적은, 날개차에 있어서, 날개가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높이는 동시에, 날개의 강도를 향상시킬 수 있는 날개차 및 이것을 구비하는 자연 에너지 발전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 날개차는, 축심(軸心) 주위로 회전 가능하게 설치되는 주축(主軸)과, 이 주축에 고정되고, 풍력 또는 수력에 의해 구동되어 상기 축심 주위로 회전하는 날개를 구비한 날개차로서,

상기 날개는, 상기 주축에 대하여 평행 또는 수직 방향으로 연장되는 스트레이트부와, 상기 스트레이트부의 단부(端部)로부터 연장되는 날개 선단부를 가지고,

상기 날개 선단부는, 이 날개 선단부를 상기 주축의 축심을 포함하는 평면을 따라 절단한 단면(斷面)의 형상이, 기단(基端)으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 복수 단(plural steps)으로 경사진 형상, 또는 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 만곡된 형상으로 형성되어 있다.

상기 날개차는, 풍차 또는 수차이다.

이 구성에 의하면, 날개 선단부의 주축 축심을 포함하는 단면 형상을, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 복수 단으로 경사진 형상, 또는 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 만곡된 형상으로 하였으므로, 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 저감할 수 있다.

특히 날개 선단부를 복수 단으로 경사지게 한 경우에는, 1단(一段)으로 경사지게 한 경우와 비교하여, 날개 선단부의 각각의 벤딩 각도(bending angle)를 완만하게 해도, 날개 선단부를 전체적으로 크게 경사지게 할 수 있다. 그러므로, 날개 전체의 길이를 일정하게 한 경우에, 날개 선단부의 수평 방향의 길이를 원하는 길이로 확보하면서, 스트레이트부의 길이를 길게 확보할 수 있다.

또한, 특히 날개 선단부를 만곡 형상으로 한 경우에는, 1단으로 경사지게 한 경우와 비교하여, 날개 선단부에 국부적(局部的)으로 급준한 굴곡 부분을 생기게 하지 않고, 날개 선단부를 전체적으로 크게 경사지게 할 수 있다. 그러므로, 날개 전체의 길이를 일정하게 한 경우에, 날개 선단부의 수평 방향의 길이를 원하는 길이로 확보하면서, 스트레이트부의 길이를 길게 확보할 수 있다.

이와 같이, 스트레이트부의 길이를 길게 할 수 있으므로, 날개가 받는 풍력이나 수력, 조력 에너지(이들을 총칭하여 「자연 에너지」또는 단지 「에너지」라고 함)에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 날개 선단부의 수평 방향의 길이를 원하는 길이로 확보함으로써, 날개 선단으로부터 발생하는 날개단 와류를 확실하게 저감할 수 있다. 또한, 날개 선단부를 복수 단으로 경사지게 한 경우에는, 각각의 이음부의 벤딩 각도를 완만하게 할 수 있으므로, 벤트부(bent portion)에 작용하는 응력을 저감할 수 있어, 날개의 강도를 향상시킬 수 있다. 날개 선단부를 만곡 형상으로 한 경우에는, 날개 선단부의 국부적 벤딩 각도를 완만하게 할 수 있으므로, 날개 선단부의 벤트부에 작용하는 응력을 분산할 수 있어, 날개의 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 날개의 스트레이트부가 상기 주축에 대하여 평행하게 연장되고, 상기 날개가 상기 주축에 지지체를 통하여 상기 주축으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에서 연결되어 있어도 된다. 즉, 상기 날개차는, 축심 주위로 회전 가능하게 설치되는 수직 주축(주축)과, 이 수직 주축에 일체로 설치되는 지지체와, 상기 수직 주축에 상기 지지체를 통하여 연결되고, 풍력 또는 수력에 의해 구동되어 상기 축심 주위로 회전하는 날개를 구비한 수직축식의 날개차라도 된다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 날개차가 상기 수직축식의, 풍력 발전용의 풍차로서, 상하 방향으로 연장되는 복수 개의 상기 날개가, 상기 수직 주축으로부터 이격되어 상기 수직 주축의 주위에 설치되고, 각각의 상기 날개의 횡단면의 형상이, 상기 풍차가 지구의 북반구에 설치된 경우에, 평면에서 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 회전력을 풍력에 의해 발생하는 형상이라도 된다.

소형 풍력 발전기의 개발의 과정에 있어서, 날개의 회전 방향을 특정 방향으로 규정함으로써, 작은 바람의 에너지에서도 날개가 회전하는 것이 판명되었다. 구체적으로는, 북반구에서의 일본에 있어서, 수직축형 풍차의 상하 방향으로 연장되는 날개의 방향을 상하 반전(反轉)시켜 주축에 장착함으로써 확인한 바, 우측 주위에 비교하여 좌측 주위가 같은 조건 하에서 양호하게 회전하였다. 북반구에서는, 지구의 자전에 의해 태풍이나 와류 조수(潮水) 및 배수구의 소용돌이까지도 모두 좌측 주위(반시계 회전 방향)이다. 이것은, 지구의 자전에 의한 코리올리력(Coriolis force)이 작용하고 있기 때문인 것으로 생각된다. 한편, 풍차는, 그 날개의 단면 형상에 따라 날개가 바람을 받으면 그 날개의 양면을 흐르는 공기의 유속(流速) 차이로부터 생기는 양력(揚力)에 기초하여 회전 방향이 정해진다.

이 구성의 풍차에 의하면, 북반구에 설치된 경우에, 각 날개의 횡단면 형상이 평면에서 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 회전력을 풍력에 의해 발생하는 형상이므로, 종래의 시계 회전 방향의 날개를 가지는 수직축식 풍력 발전용의 풍차에 대하여, 지구의 자전에 의해 생기는 작용을 효과적으로 이용하여 회전 저항을 줄여, 같은 조건 하에서 많은 날개를 회전시킬 수 있다. 따라서, 수직 주축을 가지는 발전용의 풍차를 사용하여, 보다 작은 바람의 에너지로부터 발전을 행할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 날개의 상기 스트레이트부가, 상기 주축에 대하여 반경 방향 외측으로 연장되어 있어도 된다. 즉, 상기 날개차가 수평축식의 날개차라도 된다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 날개 선단부는, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 협폭(狹幅)으로 되는 테이퍼형(tapered shape)으로 형성되어 있어도 된다. 이 경우, 날개 선단을 예를 들면, 평탄 형상으로 하는 것보다 날개단 와류를 더욱 저감할 수 있다. 따라서, 날개가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 더 높이는 것이 가능하다.

본 발명의 자연 에너지 발전 장치는, 본 발명에 있어서 중 어느 하나의 실시형태에 관한 날개차와, 이 날개차에 의해 구동되는 발전기를 구비한다. 이 구성에 의하면, 날개가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 종래품보다도 높일 수 있다. 그러므로, 특히 수직축식에서는 종래, 설치가 보류되어 온 것과 같은 장소에, 이 자연 에너지 발전 장치를 설치하는 것이 가능해진다. 또한, 종래품보다도 날개의 강도를 향상시킬 수 있으므로, 예를 들면, 날개 재료의 저감을 도모하고 또한 유지보수성의 향상을 도모할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 관한 자연 에너지 발전 장치에 있어서, 상기 발전기는, 출력 코일이 권취된 출력 철심과, 주계자 코일(main field winding) 및 부계자 코일(auxiliary field winding)이 권취된 계자(界磁) 철심을 포함하고, 상기 출력 철심 및 계자 철심 중 어느 한쪽이 스테이터(stator)로 되고, 다른 쪽이 로터로 되고, 각각의 상기 계자 코일에 정류(整流) 수단이 접속되고, 상기 날개가 회전하여 상기 스테이터와 로터가 상대 회전함으로써 발전 전력을 얻는 자려식 발전기(self-excitation type power generator)로서, 발전의 초기 여자(勵磁)에 필요한 정도의 자력(磁力)을 생기게 하는 초기 여자 수단을 더 구비하고 있어도 된다.

이 구성의 경우, 상기 발전기가 자려식이므로, 타려(他勵; separate excitation)를 위한 급전(給電)이 불필요하며, 구성이 간단하며, 또한 자계를 부여하는 영구 자석이 불필요하며, 코깅 토크(cogging torque)도 문제가 되지 않을 정도로 작다. 코깅 토크가 작으므로, 작은 토크로 시동(始動)시킬 수 있다. 시동 시는 자계가 필요하며, 잔류 자속(磁束)이 있으면 시동 가능하지만, 장기적인 방치나 보수로 잔류 자속이 소멸하는 경우가 있고, 잔류 자속이 소멸하고 있으면 시동할 수 없다. 그러나, 상기 초기 여자 수단을 설치함으로써, 확실한 시동이 행해진다. 계자로 되는 자속은 회전함에 따라 증대하므로, 초기 여자에 필요한 자속은 적고, 상기 코깅 토크에 대한 영향도 작아서, 작은 토크(small torque)로 회전을 개시하여 발전이 행해진다.

이와 같이, 자려식으로 상기 초기 여자 수단을 설치한 발전기는, 작은 토크로 회전 가능하면서 또한 확실하게 발전이 가능하다는 장점을 얻을 수 있다. 한편, 상기 경사진 날개 선단부를 가지는 날개차는 변환 효율을 높일 수 있다. 특히, 상기 경사진 날개 선단부를 가지는 수직 주축형(vertical main shaft type)의 날개차와, 자려식으로 상기 초기 여자 수단을 설치한 발전기를 조합함으로써, 종래의 자연 에너지 발전 장치에서는 발전 효율이 나빴던 환경 하에 있어서도 필요 충분한 발전을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 경사진 날개 선단부를 가지는 날개차 및 만곡된 날개 선단부를 가지는 날개차에서는, 미풍 또는 저유속(低流速)의 물에서도 회전이 가능하다는 장점이 있다. 그러므로, 이와 같은 형상을 가지는 날개 선단부를 가지는 수직 주축형의 날개차와, 자려식으로 상기 초기 여자 수단을 설치한 발전기를 조합함으로써, 그 미풍 또는 저유속의 물에서도 회전이 생기는 날개차의 장점과, 작은 토크로 회전시켜 발전할 수 있는 발전기의 특징이 효과적으로 조합되는 것에 의해, 종래의 자연 에너지 발전 장치에서는 발전할 수 없었던 매우 적은 미풍 또는 저유속의 물에서의 발전이 가능해진다.

특허청구범위 및/또는 명세서 및/또는 도면에 개시된 2개 이상의 구성의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다. 특히, 청구의 범위의 각 청구항의 2개 이상의 어떠한 조합도, 본 발명에 포함된다.

본 발명은, 첨부한 도면을 참고로 한 이하의 바람직한 실시형태의 설명으로부터, 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 실시형태 및 도면은 단순한 도시 및 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 정하기 위해 이용되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 첨부한 청구의 범위에 의해 정해진다. 첨부 도면에 있어서, 복수의 도면에서의 동일한 부호는, 동일 또는 상당하는 부분을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 관한 날개차의 파단(破斷) 평면도이다.
도 2는 동 날개차의 정면도이다.
도 3a는 동 날개차의 날개의 정면도이다.
도 3b는 도 3a의 IIIB-IIIB선 단면도이다.
도 4는 도 3b의 IV-IV선 단면도이다.
도 5는 도 3b의 V부의 확대도이다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시형태에 관한 날개차의 날개의 정면도이다.
도 6b는 도 6a의 VIB-VIB선 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 관한 날개차의 파단 평면도이다.
도 8은 동 날개차의 정면도이다.
도 9a는 동 날개차의 날개의 정면도이다.
도 9b는 도 9a의 IXB-IXB선 단면도이다.
도 10은 도 9b의 X-X선 단면도이다.
도 11은 도 9b의 XI부의 확대도이다.
도 12a는 본 발명의 제4 실시형태에 관한 날개차의 날개의 정면도이다.
도 12b는 도 12a의 XIIB-XIIB선 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태에 관한 풍력 발전용의 풍차의 파단 평면도이다.
도 14는 도 13에 나타낸 날개에 대하여, 도 10에 나타낸 단면과 동일 위치에서의 횡단면을 나타낸 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 관한 발전기의 발전기 본체의 파단 정면도와 회로도를 조합한 설명도이다.
도 16은 동 발전기 본체를 직선형으로 전개하여 나타내는 설명도이다.
도 17은 동 발전기 본체의 전기 회로 구성을 나타낸 회로도이다.
도 18a는 종래예의 날개차의 날개의 정면도이다.
도 18b는 도 18a의 XVIIIB-XVIIIB선 단면도이다.

본 발명의 실시형태에 관한 날개차 및 자연 에너지 발전 장치를 도 1 내지 도 5와 함께 설명한다. 도 1은, 이 실시형태에 관한 날개차(18)의 파단 평면도이다. 도 2는 이 날개차(18)의 정면도이다. 이 날개차(18)는, 날개(24)가 상하 방향으로 연장되는 이른바 직선 날개 수직축형 날개차(수직축식의 날개차)이다. 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 자연 에너지 발전 장치(19)는, 날개차(18)와, 이 날개차(18)에 의해 구동되는 발전기(26)(후술함)를 구비한다. 날개차(18)는, 회전체인 로터(Rt)와, 고정체인 고정 기대(fixed base)(Kd)를 가진다. 고정 기대(Kd)는, 지지판체(20)와, 프레임체(21)와, 기대(25)를 가진다. 지지판체(20)는, 접지면(接地面)에 탑재되는 평판형의 판체로서, 이 지지판체(20)의 상면에 기대(25)가 설치되어 있다. 이 기대(25)의 내부에는, 후술하는 발전기(26)가 설치되어 있다.

프레임체(21)는, 지지판체(20)로부터 위쪽으로 연장되는 복수(이 예에서는 4개)의 지주(支柱; column)(21a)와, 이들 지주(21a)를 수평 방향으로 연결하는 복수의 연결 부재(21b)와, 복수의 가설(架設) 부재(21c)를 가진다. 복수의 연결 부재(21b)는, 인접하는 지주(21a)의 상단부끼리를 서로 연결하는 상단(上段)의 복수의 연결 부재(21b)와, 인접하는 지주(21a)의 하단(下端) 부근부를 서로 연결하는 하단(下段)의 복수의 연결 부재(21b)를 포함한다. 상단(도 2의 상측)의 연결 부재(21b) 중 정해진 연결 부재(21b)와, 이 연결 부재(21b)에 대향하는 연결 부재(21b)에 걸쳐서 가설 부재(21c)가 가설되어 있다. 또한, 하단(도 2의 하측)의 연결 부재(21b) 중 정해진 연결 부재(21b)와, 이 연결 부재(21b)에 대향하는 연결 부재(21b)에 걸쳐서 가설 부재(21c)가 가설되어 있다.

로터(Rt)는, 수직 주축(주축)(22)과, 지지체(23)와, 날개(24)를 가진다. 각각의 가설 부재(21c, 21c)의 길이 방향 중간부에, 각각 베어링(27, 27)을 통하여 수직 주축(22)이 회전 가능하게 지지되어 있다. 수직 주축(22)은 상하 방향으로 연장되고, 이 수직 주축(22)의 하단부가, 기대(25)의 내부까지 연장되어 있다. 수직 주축(22)의 길이 방향 중간 부근부로부터 복수의 지지체(23)가 각각 반경 방향 외측으로 연장되도록 설치되어 있다. 이들 지지체(23)는, 예를 들면, 이 날개차(18)의 정면에서 볼 때에 있어서 평행하게, 또한 동 날개차의 평면에서 볼 때 같은 위상이 되도록 설치되어 있다.

복수의 지지체(23)에서의 양측의 선단부에는, 각각 날개(24)가 설치되어 있다. 이 예에서는, 상하의 지지체(23, 23)의 일단부(一端部)에 1개의 날개(24)가 연결되고, 상하의 지지체(23, 23)의 타단부에 다른 1개의 날개(24)가 연결되어 있다. 이들 날개(24, 24)는, 수직 주축(22)을 중심으로 하여 180°위상이 상이한 위치에 설치된다. 각 날개(24)는, 상하 방향을 따라 연장되고, 프레임체(21) 내에 있어서 동 프레임체(21)에 간섭하지 않도록 설치된다. 각 날개(24)는, 다양한 방향으로부터의 바람 또는 물을 받아 수직 주축(22)의 축심 L1 주위로 회전한다.

도 3a는 이 날개차의 날개(24)의 정면도이며, 도 3b는 도 3a의 IIIB-IIIB선 단면도이다. 도 3a, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 날개(24)는, 스트레이트부(28)와 이 스트레이트부(28)의 길이 방향 양단으로부터 각각 연장되는 날개 선단부(29, 29)를 가진다. 스트레이트부(28) 및 각 날개 선단부(29, 29)는 동일 재료로 일체로 형성된다. 스트레이트부(28)는, 수직 주축(22)(도 2)과 평행하게 연장되고, 또한 도 3a에 나타낸 정면에서 볼 때 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일 폭을 이룬다. 또한, 스트레이트부(28)는, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일한 두께로 형성된다.

도 4는, 도 3b의 IV-IV선 단면도이다. 도 1 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수(이 예에서는 2개)의 날개(24)는, 각각 수직 주축(22)의 축심 L1(도 2)에 수직인 평면을 따라 절단하여 본 횡단면이 날개(24)의 회전 방향에 대하여 비대칭이며, 또한 동 단면에서 두꺼운 측으로 되는 부분(동 도 4의 상측 부분)을 각 날개(24)의 회전 방향 선단으로 하고 있다. 또한, 각 날개(24)의 스트레이트부(28)의 외측면(28a)을 반경 방향 외측으로 볼록해지는 만곡면으로 하고, 스트레이트부(28)의 내측면(28b)의 대부분을 평탄면(28ba)으로 하고 있다.

그리고, 내측면(28b)의 대부분을 평탄면(28ba)으로 하는 대신에, 내측면(28b)을 외측면(28a)보다도 곡률 반경이 큰 만곡면으로 해도 된다. 스트레이트부(28)의 내측면(28b)에서의, 외측면(28a)의 원주 방향 일단(一端)(도 4의 상측)과의 이음부는 원호면(28bb)을 이룬다. 이 원호면(28bb)과 평탄면(28ba)과의 이음부는 단차(段差)없이 스무스하게 이어지도록 형성되어 있다.

스트레이트부(28)의 내측면(28b)과 외측면(28a)의 원주 방향 타단(도 4의 하측)과의 이음부는, 예각(銳角)으로 되는 코너부에 형성되어 있다. 스트레이트부(28)의 내측면(28b)에서의 평탄면(28ba) 중 원호면(28bb) 가까이의 부분에, 지지체(23)의 선단부가 연결되어 있다. 상기 평탄면(28ba)은, 지지체(23)의 길이 방향에 대하여 수직인 평면을 이루고, 이 수직인 평면이 상하 방향을 따라 연장된다.

도 2 및 도 3a, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 날개 선단부(29, 29)는, 각각의 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 저감하는 이른바 윙릿이다. 날개 선단부(29)는, 이 날개 선단부(29)를 상기 축심 L1을 포함하는 평면을 따라 절단하여 본 단면의 형상이, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 수직 주축 L1 측에 가까워지도록 복수 단(이 예에서는 2단)으로 경사진[환언하면, 스트레이트부(28)로부터 이격되도록 복수 단으로 경사진] 형상으로 형성되어 있다. 상하의 날개 선단부(29, 29)는, 스트레이트부(28)의 길이 방향 중간부의 중심선 L2에 대하여, 선대칭으로 되는 동일 형상으로 형성되어 있다.

도 5는, 도 3b의 V부 즉 상측의 날개 선단부(29)의 확대도이다. 그리고, 전술한 바와 같이 상하의 날개 선단부(29, 29)는 선대칭으로 되는 동일 형상이므로, 상측의 날개 선단부(29)에 대하여만 부호를 부여하여 상세하게 설명하고, 하측의 날개 선단부(29)에 대하여는 도 3b에서 상측의 날개 선단부(29)와 동일한 부호를 부여하여 그 상세한 설명을 생략한다. 도 3b 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 날개 선단부(29)는, 스트레이트부(28)의 길이 방향 선단에 연결되는 1단째의 경사 부분(29a)과, 이 1단째의 경사 부분(29a)에 계속되는 2단째의 경사 부분(29b)을 가진다.

1단째의 경사 부분(29a)은, 상기 단면에 있어서, 스트레이트부(28)에 대하여 각도 θ1을 이루어 수직 주축 측으로 경사진다. 이 1단째의 경사 부분(29a)은, 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일한 두께 t1으로 형성된다. 1단째의 경사 부분(29a)의 상단(上端)에는, 2단째의 경사 부분(29b)이 연결된다. 이 2단째의 경사 부분(29b)은, 상기 단면에 있어서, 1단째의 경사 부분(29a)에 대하여 각도 θ2를 이루어 수직 주축 측으로 경사진다. 2단째의 경사 부분(29b)은 상기 단면에서의 두께 t2가 상단을 향함에 따라 얇은 두께로 되는 단면 형상으로 형성된다. 그리고, 각각의 각도 θ1, θ2는, 상기 각도를 규정하는 스트레이트부(28), 1단째의 경사 부분(29a, 2단째의 경사 부분(29b)의 각각의 폭 방향 중심선이 이루는 각도로서 정의된다. 각도 θ1, θ2는 각각 종래예의 이음부(53)의 각도 θ(도 18b)보다도 크게 설정된다. 또한, 이 예에서는 각도 θ1과 θ2는 동일 각도로 설정된다. 단, 각도 θ1과 θ2와는 동일 각도로 한정되는 것은 아니다.

이상 설명한 날개차(18)의 날개(24)에 의하면, 날개 선단부(29)의 주축 축심을 포함하는 단면을 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 수직 주축 측에 이르도록 경사진 단면 형상으로 하였으므로, 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 저감할 수 있다. 특히, 날개 선단부(29)를 복수 단으로 경사지게 하였으므로, 1단으로 경사지게 한 경우와 비교하여, 날개 선단부(29)의 각각의 이음부(30, 31)의 벤딩 각도 θ1, θ2를 완만하게 해도, 날개 선단부(29)를 전체적으로 크게 경사지게 할 수 있다. 그러므로, 날개 전체의 길이를 일정하게 한 경우에, 날개 선단부(29)의 수평 방향의 길이 Lh를 원하는 길이로 확보하면서, 스트레이트부(28)의 길이 Lｖ를 길게 확보할 수 있다. 이상과 같이 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 확실하게 저감할 수 있는 데 더하여, 원하는 수풍 면적 또는 수수 면적을 확보할 수 있으므로, 근소한 미풍 또는 저유속의 물에서도 회전이 가능해진다.

이와 같이, 스트레이트부(28)의 길이 Lｖ를 길게 할 수 있으므로, 날개(24)가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 날개 선단부(29)의 수평 방향의 길이 Lh를 원하는 길이로 확보함으로써, 날개 선단으로부터 발생하는 날개단 와류를 확실하게 저감할 수 있고, 또한 각각의 이음부의 벤딩 각도를 완만하게 할 수 있으므로, 벤트부에 작용하는 응력을 저감할 수 있어, 날개(24)의 강도를 향상시킬 수 있다.

날개 선단부(29)는, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 협폭으로 되는 테이퍼형으로 하였으므로, 날개 선단을 예를 들면, 평탄 형상으로 하는 것보다 날개단 와류를 더욱 저감할 수 있다. 따라서, 날개(24)가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 더 높이는 것이 가능하다.

그리고, 수직축식의 날개차(18)의 날개 선단부(29)는, 이 날개 선단부(29)를 상기 축심 L1을 포함하는 평면을 따라 절단하여 본 단면이, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 수직 주축 L1 측과는 반대측으로 멀어지도록 복수 단으로 경사진 단면 형상으로 해도 된다. 1개의 수직 주축(22)에 대하여 상하 방향으로 복수 단의 날개(24)를 설치해도 된다. 이 경우, 날개차의 설치 면적에 대하여 날개(24)의 수풍 면적을 증가시킬 수 있다. 날개 개수는 1단당 2개에 한정되는 것이 아니고, 3개 이상으로 해도 된다.

본 발명의 제2 실시형태에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 각 형태에서 선행하는 형태에서 설명하고 있는 사항에 대응하고 있는 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 구성의 일부만을 설명하고 있는 경우, 구성의 다른 부분은, 특별히 기재가 없는 한 선행하여 설명하고 있는 형태와 마찬가지로 한다. 동일한 구성으로부터 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 실시의 각 형태로 구체적으로 설명하고 있는 부분의 조합뿐만아니라, 특히 조합에 지장이 생기지 않으면, 실시형태끼리를 부분적으로 조합시키는 것도 가능하다.

도 6a는 제2 실시형태에 관한 날개차의 날개(24A)의 정면도이며, 도 6b는 도 6a의 VIB-VIB선 단면도이다. 이 날개차는, 날개(24A)의 스트레이트부(28A)가 주축(22)에 대하여 반경 방향 외측으로 연장되는 수평축식 날개차이다. 즉 주축(22)은 그 축심 L1 주위로 회전 가능하게 설치되고, 이 주축(22)의 외주(外周)에 원주 방향 일정 간격을 두고 복수(예를 들면, 2∼5개 정도: 도 6a에서는 1개만 표시하고 있음)의 날개(24A)가 고정된다. 날개(24A)의 스트레이트부(28A)는, 도 6a에 나타낸 정면에서 볼 때 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 광폭(廣幅)으로 형성된다. 그 외에 전술한 제1 실시형태와 동일 구성으로 되어 있다. 날개(24A)는 주축(22)의 회전 축심으로부터 이격될수록 토크를 크게 확보할 수 있다. 그리고, 날개 선단부(29)를 경사지게 하는 방향을, 주축(22)의 기단측(基端側)을 향해도 되고, 주축(22)의 선단측을 향해도 된다. 이 구성에 의하면, 스트레이트부(28A)가 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 광폭으로 형성되는, 즉 면적이 커져 있으므로, 토크를 크게 확보할 수 있는 스트레이트부(28A)의 선단의 변환 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 날개 선단부(29)를 전술한 바와 같이 복수 단으로 경사진 단면 형상으로 하였으므로, 날개(24A)가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높이는 동시에, 날개(24A)의 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제3 실시형태에 관한 날개차 및 자연 에너지 발전 장치를 도 7 내지 도 11과 함께 설명한다. 도 7은, 이 실시형태에 관한 날개차(18)의 파단 평면도이다. 도 8은 이 날개차(18)의 정면도이다. 이하의 설명에 있어서는, 각 형태에서 선행하는 형태에서 설명하고 있는 사항에 대응하고 있는 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 구성의 일부만을 설명하고 있는 경우, 구성의 다른 부분은, 특별히 기재가 없는 한 선행하여 설명하고 있는 형태와 마찬가지로 한다. 동일한 구성으로부터 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 실시의 각 형태에서 구체적으로 설명하고 있는 부분의 조합뿐만아니라, 특히 조합에 지장이 생기지 않으면, 실시형태끼리를 부분적으로 조합시키는 것도 가능하다.

도 9a는 이 날개차의 날개(24)의 정면도이며, 도 9b는 도 9a의 IXB-IXB선 단면도이다. 도 9a, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 날개(24)는, 스트레이트부(28)와, 이 스트레이트부(28)의 길이 방향 양단으로부터 각각 연장되는 날개 선단부(29, 29)를 가진다. 스트레이트부(28) 및 각 날개 선단부(29, 29)는 동일 재료로 일체로 형성된다. 스트레이트부(28)는, 수직 주축(22)(도 8)과 평행하게 연장되고, 또한 도 9a에 나타낸 정면에서 볼 때 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일 폭을 이룬다. 또한, 스트레이트부(28)는, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일한 두께로 형성된다.

도 10은, 도 9b의 X-X선 단면도이다. 도 7 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 복수(이 예에서는 2개)의 날개(24)는, 각각 수직 주축(22)의 축심 L1(도 8)에 수직인 평면을 따라 절단하여 본 횡단면이 날개(24)의 회전 방향에 대하여 비대칭이며, 또한 동 단면에서 두꺼운 측으로 되는 부분(동 도 10의 상측 부분)을 각 날개(24)의 회전 방향 선단으로 하고 있다. 또한, 각 날개(24)의 스트레이트부(28)의 외측면(28a)을 반경 방향 외측으로 볼록해지는 만곡면으로 하고, 스트레이트부(28)의 내측면(28b)의 대부분을 평탄면(28ba)으로 하고 있다.

그리고, 내측면(28b)의 대부분을 평탄면(28ba)으로 하는 대신에, 내측면(28b)을 외측면(28a)보다도 곡률 반경이 큰 만곡면으로 해도 된다. 스트레이트부(28)의 내측면(28b)에서의, 외측면(28a)의 원주 방향 일단(도 10의 상측)과의 이음부는 원호면(28bb)을 이룬다. 이 원호면(28bb)과 평탄면(28ba)과의 이음부는 단차없이 스무스하게 이어지도록 형성되어 있다.

스트레이트부(28)의 내측면(28b)과 외측면(28a)의 원주 방향 타단(도 10의 하측)과의 이음부는, 예각으로 되는 코너부에 형성되어 있다. 스트레이트부(28)의 내측면(28b)에서의 평탄면(28ba) 중 원호면(28bb) 가까이의 부분에, 지지체(23)의 선단부가 연결되어 있다. 상기 평탄면(28ba)은, 지지체(23)의 길이 방향에 대하여 수직인 평면을 이루고, 이 수직인 평면이 상하 방향을 따라 연장된다.

도 8 및 도 9a, 도 9b에 나타낸 바와 같이, 날개 선단부(29, 29)는, 각각의 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 저감하는 이른바 윙릿이다. 날개 선단부(29)는, 이 날개 선단부(29)를 상기 축심 L1을 포함하는 평면을 따라 절단하여 본 단면(주축 단면)의 형상이, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 수직 주축 L1 측에 가까워지도록[환언하면, 스트레이트부(28)로부터 이격되도록] 만곡된 형상으로 형성되어 있다. 상하의 날개 선단부(29, 29)는, 스트레이트부(28)의 길이 방향 중간부의 중심선 L2에 대하여, 선대칭으로 되는 동일 형상으로 형성되어 있다.

도 11은, 도 9b의 XI부 즉 상측의 날개 선단부(29)의 확대도이다. 그리고, 전술한 바와 같이 상하의 날개 선단부(29, 29)는 선대칭으로 되는 동일 형상이므로, 상측의 날개 선단부(29)에 대하여만 부호를 부여하여 상세하게 설명하고, 하측의 날개 선단부(29)에 대하여는 도 9b에서 상측의 날개 선단부(29)와 동일한 부호를 부여하고, 그 상세한 설명을 생략한다. 도 9b 및 도 11에 나타낸 바와 같이, 이 날개 선단부(29)는, 스트레이트부(28)의 길이 방향 선단(30)에 연결되는 만곡 부분(29a)으로 이루어진다.

이 만곡 부분(29a)은 선단을 향함에 따라서 수직 주축 측으로 완만하게 구부러지도록 형성되어 있다. 만곡 부분(29a)의 주축 단면은, 수직 주축 측의 내면측 부분(29aa)과, 이 내면측 부분(29aa)과는 반대측의 외면측 부분(29ab)을 포함한다. 내면측 부분(29aa)은, 스트레이트부(28)의 내측면(28b)으로 단차없이 스무스하게 이어지고, 외면측 부분(29ab)은 스트레이트부(28)의 외측면(28a)으로 단차없이 스무스하게 이어진다. 이들 내면측 부분(29aa), 외면측 부분(29ab)은, 각각 정해진 곡률 반경 Ra, Rb로 이루어진다. 이들 내면측 부분(29aa), 외면측 부분(29ab)의 곡률 중심(C1, C2)은, 예를 들면, 스트레이트부(28)와 수직 주축(22)(도 8)과의 중간 부근에서, 또한 스트레이트부(28)의 길이 방향 선단(30)과 대략 같은 높이에 위치하고 있다. 이들 내면측 부분(29aa), 외면측 부분(29ab)의 곡률 중심(C1, C2)은 서로 다른 위치에 설정된다. 또한, 만곡 부분(29a)은, 상기 주축 단면에서의 두께 t1이 상단을 향함에 따라 얇은 두께로 되는 단면 형상으로 형성된다. 그리고, 곡률 반경 Ra, Rb는, 예를 들면, 실험이나 시뮬레이션 등의 결과로부터 적절하게 정해진다.

이상 설명한 날개차(18)의 날개(24)에 의하면, 날개 선단부(29)의 주축 단면이 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 수직 주축 측에 가까워지는 단면 형상으로 하였으므로, 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 저감할 수 있다. 특히, 날개 선단부(29)를 선단을 향함에 따라서 수직 주축 측에 근접하는 형상을 만곡 형상으로 하였으므로, 1단으로 경사지게 한 경우와 비교하여, 날개 선단부(29)에 국부적으로 급준한 굴곡 부분을 생기게 하지 않고, 날개 선단부(29)를 전체적으로 크게 경사지게 할 수 있다. 그러므로, 날개 전체의 길이를 일정하게 한 경우에, 날개 선단부(29)의 수평 방향의 길이 Lh를 원하는 길이로 확보하면서, 스트레이트부(28)의 길이 Lｖ를 길게 확보할 수 있다. 이상과 같이 날개 선단으로부터의 날개단 와류를 확실하게 저감할 수 있는 데 더하여, 원하는 수풍 면적 또는 수수 면적을 확보할 수 있으므로, 근소한 미풍 또는 저유속의 물에서도 회전이 가능해진다.

이와 같이, 스트레이트부(28)의 길이 Lｖ를 길게 할 수 있으므로, 날개(24)가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높일 수 있다. 또한, 날개 선단부(29)의 수평 방향의 길이 Lh를 원하는 길이로 확보함으로써, 날개 선단으로부터 발생하는 날개단 와류를 확실하게 저감할 수 있고, 또한 날개 선단부(29)의 국부적 벤딩 각도를 완만하게 할 수 있으므로, 날개 선단부(29)의 벤트부에 작용하는 응력을 분산할 수 있어, 날개(24)의 강도를 향상시킬 수 있다.

날개 선단부(29)는, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 협폭으로 되는 테이퍼형으로 하였으므로, 날개 선단을 예를 들면, 평탄 형상으로 하는 것보다 날개단 와류를 더욱 저감할 수 있다. 따라서, 날개(24)가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 더 높이는 것이 가능하다.

그리고, 만곡 부분(29a)의 내면측 부분(29aa), 외면측 부분(29ab)은, 동일한 곡률 반경으로 이루어지는 것으로 하고, 또한 만곡 부분(29a)의 상기 주축 단면에서의 두께 t1을 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일 두께로 해도 된다. 만곡 부분(29a)의 내면측 부분(29aa), 외면측 부분(29ab)은, 각각 기단으로부터 어느 일정한 위치까지, 정해진 곡률 반경으로 이루어지는 것으로 하고, 상기 일정한 위치로부터 선단까지 2차 곡선 등의 포물선형의 곡선으로 이루어지는 것이라도 된다. 이 곡률 반경과 포물선형의 곡선과의 관계를 반대로 해도 된다. 그 외에 곡률 반경과 포물선형의 곡선을 복합적으로 조합한 것으로 해도 된다.

본 발명의 제4 실시형태에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서는, 각 형태에서 선행하는 형태에서 설명하고 있는 사항에 대응하고 있는 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 구성의 일부만을 설명하고 있는 경우, 구성의 다른 부분은, 특별히 기재가 없는 한 선행하여 설명하고 있는 형태와 마찬가지로 한다. 동일한 구성으로부터 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 실시의 각 형태에서 구체적으로 설명하고 있는 부분의 조합뿐만아니라, 특별히 조합에 지장이 생기지 않으면, 실시형태끼리를 부분적으로 조합시키는 것도 가능하다.

도 12a는 제4 실시형태에 관한 날개차의 날개(24A)의 정면도이며, 도 12b는 도 12a의 XIIB-XIIB선 단면도이다. 이 날개차는, 날개(24A)의 스트레이트부(28A)가 주축(22)에 대하여 반경 방향 외측으로 연장되는 수평축식이다. 즉 주축(22)은 그 축심 L1 주위로 회전 가능하게 설치되고, 이 주축(22)의 외주에 원주 방향으로 일정 간격을 두고 복수(예를 들면, 2∼5개 정도: 도 12a에서는 1개만 표시하고 있음)의 날개(24A)가 고정된다. 날개(24A)의 스트레이트부(28A)는, 도 12a에 나타낸 정면에서 볼 때 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 광폭으로 형성된다. 그 외에 전술한 실시형태와 동일 구성으로 되어 있다. 날개(24A)는 주축(22)의 회전 축심으로부터 이격될수록 토크를 크게 확보할 수 있다. 그리고, 날개 선단부(29)를 경사지게 하는 방향을, 주축(22)의 기단측을 향해도 되고, 주축(22)의 선단측을 향해도 된다. 이 구성에 의하면, 스트레이트부(28A)가 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 광폭으로 형성되는, 즉 면적이 커져 있으므로, 토크를 크게 확보할 수 있는 스트레이트부(28A)의 선단의 변환 효율을 더욱 높일 수 있다. 또한, 날개 선단부(29)의 상기 단면이 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 수직 주축 측에 가까워지는 단면 형상으로 하였으므로, 날개(24A)가 받는 에너지에 대하여 회전 에너지로 변환하는 변환 효율을 높이는 동시에, 날개(24A)의 강도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제5 실시형태에 관한 날개차인 풍력 발전용의 풍차 및 자연 에너지 발전 장치인 풍력 발전 장치를 도 13 및 도 14와 함께 설명한다. 도 13은, 이 실시형태에 관한 풍력 발전용의 날개차(풍차)(18)의 파단 평면도이다. 이 풍차(18)는, 날개(24)가 상하 방향으로 연장되는 이른바 직선 날개 수직축형 풍차이다. 이 풍차(18)는 북반구에 설치되는 것이다. 이하의 설명에 있어서는, 각 형태에서 선행하는 형태에서 설명하고 있는 사항에 대응하고 있는 부분에는 동일한 참조 부호를 부여하고, 중복되는 설명을 생략한다. 구성의 일부만을 설명하고 있는 경우, 구성의 다른 부분은, 특별히 기재가 없는 한 선행하여 설명하고 있는 형태와 마찬가지로 한다. 동일한 구성으로부터 동일한 작용 효과를 얻을 수 있다. 실시의 각 형태에서 구체적으로 설명하고 있는 부분의 조합뿐만아니라, 특히 조합에 지장이 생기지 않으면, 실시형태끼리를 부분적으로 조합시키는 것도 가능하다.

또한, 본 실시형태에 관한 날개차(풍차)(18)의 날개(24)의 형상은, 수직축형의 날개차(18)인, 상기 제1 실시형태의 날개차(18) 및 제3 실시형태의 날개차(18) 중 어느 날개(24)의 형상이라도 바람직하지만, 이하의 설명에서는, 대표적으로, 날개(24)의 선단부(29)가 만곡형으로 형성된 제3 실시형태의 날개(24)를 예로 들어 설명한다.

도 14는, 도 13에 나타낸 본 실시형태의 날개(24)에 대하여, 제3 실시형태의 도 10에 나타낸 단면과 동일 위치에서의 횡단면을 나타낸 단면도이다. 도 13 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 복수(이 예에서는 2개)의 날개(24)의 횡단면은, 풍향에 관계없이 회전 방향을 특정 방향(도 13에서 화살표 R1로 나타내는 반시계 회전 방향)으로 규정하는 형상으로 형성되어 있다. 즉 복수의 날개(24)는, 각각 수직 주축(22)의 축심 L1에 수직인 평면을 따라 절단하여 본 횡단면이 날개(24)의 회전 방향에 대하여 비대칭이며, 또한 동 단면에서 두꺼운 측으로 되는 부분(동 도 14의 하측 부분)을 각 날개(24)의 회전 방향 선단으로 하고 있다. 또한, 각 날개(24)의 스트레이트부(28)의 외측면(28a)을 반경 방향 외측으로 볼록해지는 만곡면으로 하고, 각 날개(24)의 스트레이트부(28)의 내측면(28b)의 대부분을 평탄면(28ba)으로 하고 있다.

그리고, 내측면(28b)의 대부분을 평탄면(28ba)으로 하는 대신에, 내측면(28b)을 외측면(28a)보다도 곡률 반경이 큰 만곡면으로 해도 된다. 스트레이트부(28)의 내측면(28b)에서의, 외측면(28a)의 원주 방향 일단(도 14의 하측)과의 이음부는 원호면(28bb)을 이룬다. 이 원호면(28bb)과 평탄면(28ba)과의 이음부는 단차없이 스무스하게 이어지도록 형성되어 있다.

스트레이트부(28)의 내측면(28b)과, 외측면(28a)의 원주 방향 타단(도 14의 상측)과의 이음부는, 예각으로 되는 코너부에 형성되어 있다. 스트레이트부(28)의 내측면(28b)에서의 평탄면(28ba) 중 원호면(28bb) 가까이의 부분에, 지지체(23)의 선단부가 연결되어 있다. 상기 평탄면(28ba)은, 지지체(23)의 길이 방향에 대하여 수직인 평면을 이루고, 이 수직인 평면이 상하 방향을 따라 연장된다.

이와 같은 날개(24)가 바람을 받으면, 내측면(28b)을 따르는 유속보다도 외측면(28a)을 따르는 유속이 빠르고, 날개 주위의 압력 분포는 외측면(28a)의 부압(負壓)이 커지게 된다. 따라서 날개 전체적으로 내측면 측으로부터 외측면 측으로의 양력 L이 발생한다. 도 14에 나타낸 바와 같이, 여기서 날개(24)의 회전에 의해 생기는 상대(相對) 풍속ｖ과 풍속 u과의 합성 풍속 w에 의해 날개에 발생하는 양력을 L이라고 한다. 그러면, 양력 L과 항력 D의 t 방향의 합성 성분(Lt-Dt)이 날개(24)의 회전 방향의 힘으로 된다.

풍향에 관계없이 회전 방향을 반시계 방향으로 규정한 전술한 복수의 날개(24)를 구비하는 풍차(18)를 북반구에 설치한 경우, 종래의 시계 회전 방향의 날개를 가지는 수직축식 풍력 발전용의 풍차에 대하여, 지구의 자전에 의해 생기는 코리올리력을 효과적으로 이용하여 회전 저항을 줄이고, 같은 조건 하에서 많은 날개(24)를 회전시킬 수 있다. 따라서, 수직 주축(22)을 가지는 발전용의 풍차(18)를 사용하여, 보다 적은 바람의 에너지로부터 발전을 행할 수 있다. 풍차(18)는 직선 날개 수직축형 풍차이므로, 날개(24)에 작용하는 양력과 항력과의 비를 높일 수 있다. 또한, 높은 주속비(周速比)로 큰 토크를 얻을 수 있다.

다음에, 발전기(26)에 대하여 도 15 내지 도 17과 함께 설명한다. 기대(25)(도 2)의 내부에는, 수직 주축(22)(도 2)의 회전에 의해 후술하는 로터(5)를 회전시켜 발전을 행하는 발전기(26)가 설치되어 있다. 도 15는, 발전기(26)의 발전기 본체(1)의 파단 정면도와 회로도를 조합한 설명도이다. 도 15에 있어서, 발전기(26)의 발전기 본체(1)는, 환형(環形)의 스테이터(4)와, 이 스테이터(4)의 내측에 스테이터(4)의 중심 주위에서 회전 가능하게 설치된 로터(5)를 가진다. 예를 들면, 이 로터(5)와 전술한 수직 주축(도 2)이 동축(同軸)에 연결되어 있다. 스테이터(4)는 출력 철심(6)과 출력 코일(7)을 가진다. 이 실시형태는 2극 발전기에 적용한 예이며, 출력 철심(6)은, 원환형(圓環狀)의 요크부(6a)의 원주 방향 2개소(箇所)에, 내측으로 돌출하는 기어형의 자극부(磁極部)(6b)가 형성되어 있다. 각각의 자극부(6b)에 상기 출력 코일(7)이 권취되어 있다.

도 16에 나타낸 바와 같이, 각각의 자극부(6b)의 출력 코일(7)은, 출력 철심(6)의 인접하는 자극부(6b)의 내경측(內徑側)을 향하는 자극면(磁極面)에 서로 다른 자극(磁極)이 나타낸 바와 같이, 직렬로 접속되어 있다. 출력 코일(7)의 양단이 단자(7a, 7b)로 되고, 이들 단자(7a, 7b)에 도 15와 같이 외부 부하(3)를 접속하고, 발전기로부터 전류를 외부로 인출한다.

도 15 및 도 16에 나타낸 바와 같이, 로터(5)는, 계자 철심(8)과, 이 계자 철심(8)에 권취된 주계자 코일(9) 및 부계자 코일(10)을 가진다. 계자 철심(8)은, 중심공을 가지는 철심 본체(8a)의 외주에, 외경측으로 돌출하는 복수의 기어형의 자극부(8b)가 원주 방향으로 나란히 설치되어 있다. 이 자극부(8b)는, 출력 철심(6)의 1개의 자극부(6b)에 대하여 각각 3개씩 설치되어 있다.

주계자 코일(9)은, 인접하는 2개의 자극부(8b, 8b)에 걸쳐 감겨지고, 이 2개의 자극부(8b, 8b)에 걸쳐 권취된 각각의 주계자 코일(9)은, 2개 1조(組)로 된 인접하는 자극조(磁極組)끼리의 자극면에 상이한 자극이 나타난 바와 같이, 직렬로 접속되어 있다. 부계자 코일(10)은, 주계자 코일(9)과 1개의 자극부(8b)의 분만큼 위상을 어긋나게 하여, 주계자 코일(9)과 마찬가지로, 인접하는 2개의 자극부(8b, 8b)에 걸쳐 권취되어 있다. 이 2개의 자극부(8b, 8b)에 걸쳐 권취된 각각의 부계자 코일(10)은, 2개 1조된 인접하는 자극조끼리의 자극면에 상이한 자극이 나타난 바와 같이, 직렬로 접속되어 있다. 주계자 코일(9) 및 부계자 코일(10)의 각 직렬 접속체의 양단의 단자를, 각각 부호 "9a", "9b", "10a", "10b"로 도 16에 나타낸다.

도 17에 나타낸 바와 같이, 주계자 코일(9)에는 병렬로 정류 소자(정류 수단)(11)가 접속되고, 주계자 코일(9)에는 정류 소자(11)가 흐르게 할 수 있는 방향의 전류가 흐른다. 부계자 코일(10)은 주계자 코일(9)과 직렬로 접속되고, 또한 직렬로 정류 소자(정류 수단)(12)가 접속되고, 부계자 코일(10)에는 주계자 코일(9)과 같은 방향의 전류만이 흐른다. 도면 중의 화살표는 전류가 흐르는 방향을 나타낸다.

이 발전기(26)는, 이와 같은 부계자 코일(10)을 가지는 구성의 자려형(自勵型)의 발전기에 있어서, 발전의 초기 여자에 필요한 정도의 자력을 생기게 하는 초기 여자 수단(2)을 가진다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 출력 코일(7)에, 스위칭 수단(13)을 통하여 착자용(着磁用) 전원(14)이 외부 부하(3)와 병렬로 접속되어 있다. 착자용 전원(14)과 스위칭 수단(13)에 의해 초기 여자 수단(2)이 구성된다. 스위칭 수단(13)은, 반도체 스위칭 소자 또는 유접점의 스위치가 사용된다. 착자용 전원(14)은 2차 전지 또는 컨덴서 등의 축전 수단이다. 외부 부하(3)가 2차 전지의 경우에는, 그것을 착자용 전원으로서 사용해도 된다.

착자(着磁)를 하기 위해서는, 소정의 크기의 전류를 극단시간(極短時間) 흐르게 하면 된다. 착자의 정도는, 발전의 개시를 위한 초기 여자에 필요한 잔류 자기(磁氣)를 얻을 수 있는 정도로 되고, 전류의 크기와 스위칭 수단(13)의 온 시간으로 정해진다. 스위칭 수단(13)의 개폐 조작은, 개폐 제어 수단(15)에 의해 행해진다. 개폐 제어 수단(15)은, 예를 들면, 로터(5)의 회전을 검출하는 회전 검출 수단(16)의 검출 신호를 감시하고, 로터(5)가 정지 상태로부터 회전을 개시한 것이 검출되면, 스위칭 수단(13)을 착자에 필요한 설정 시간만큼 온시킨다.

그리고, 로터(5)의 회전의 정지(停止) 시간이 짧은 경우는 잔류 자기가 충분히 남아 있으므로, 개폐 제어 수단(15)은, 설정 시간 이상의 로터(5)의 정지의 후에 회전을 개시한 경우에만 스위칭 수단(13)을 온시키는 등, 설정 조건에 따라 스위칭 수단(13)을 온시키도록 제어로 해도 된다. 또한, 소정의 회전수가 되어도 발전을 개시하지 않을 때만 착자를 하도록 해도 되고, 소정 시간마다 발전기의 회전이 정지하고 있을 때 착자를 해도 된다.

이 실시형태에서는 출력 코일(7)에 착자용 전원(14)을 접속하였으나, 도 17에 나타낸 바와 같이, 계자 코일(9, 10)에 스위칭 수단(13)을 통하여 착자용 전원(14)을 접속해도 된다. 이 예의 경우에도, 착자용 전원(14)은 2차 전지 또는 컨덴서이다. 착자를 하기 위해서는, 소정의 크기의 전류를 극단시간 흐르게 하면 된다. 스위칭 수단(13)은, 도 15의 실시형태와 마찬가지로 개폐 제어 수단(15)에 의해 개폐 제어된다.

로터(5)가 회전하여 발전을 행하고 있는 경우의 동작을 설명한다. 도 17에 나타낸 바와 같이, 주계자 코일(9)에는 병렬로 정류 소자(11)가 접속되어 있으므로, 주계자 코일(9)에는 정류 소자(11)가 흐르게 할 수 있는 방향의 전류가 흐른다. 그러므로, 주계자 코일(9)에 흐르게 할 수 있는 전류에 의해 정해지는 방향의 자속이 발생한다. 또한, 전자(電磁) 유도에 의해, 전류가 만드는 자속과 같은 방향의 자속의 감소를 방해하는 방향으로 전류가 흐르지만, 자속이 증가하는 것을 저지하는 방향으로는 전류는 흐르지 않는다. 그러므로, 자속의 감소는 방해할 수 있지만, 자속의 증가는 방해할 수 없다. 부계자 코일(10)에는 직렬로 정류 소자(12)가 접속되고, 주계자 코일(9)과 같은 방향의 전류만이 흐른다.

도 15 내지 도 17에 나타낸 바와 같이, 출력 철심(6) 또는 계자 철심(8)의 잔류 자기에 의해, 주계자 코일(9)에 전류가 흐른다. 이 전류에 의해 주계자 코일(9)이 만드는 자속에 의해 부계자 코일(10)에 쇄교(鎖交)하는 자속이 변화되어, 부계자 코일(10)에 전압이 발생한다. 이 전압으로 부계자 코일(10)이 주계자 코일(9)을 통하여 전류를 공급하고, 주계자 코일(9)에 흐르는 전류를 증가시킨다. 부계자 코일(10)에 전압이 유기(誘起)되지 않아 전류를 공급하고 있지 않을 때, 주계자 코일(9)에는 정류자(11)를 통해 환류(還流) 전류가 흘러 주계자 코일(9)의 자속을 유지한다.

주계자 코일(9)에 전류가 공급되고, 주계자 코일(9)이 만드는 자속이 커지므로, 부계자 코일(10)에 쇄교하는 자속도 커지고, 또한 큰 전류가 주계자 코일(9)에 공급된다. 이와 같이, 주계자 코일(9)의 전류가 점차로 증가하고, 발전에 필요한 계자 자속이 만들어진다. 출력 철심(6)과 계자 철심(8)의 상대 운동에 의해, 출력 코일(7)의 쇄교 자속이 변화되어 전압이 발생한다.

상기한 바와 같이, 로터(5)가 회전을 행하고 있는 동안에 발전을 행하지만, 로터(5)가 어느 정도 긴 시간을 정지하고 있으므로, 출력 철심(6) 및 계자 철심(8) 중 어디에도 잔류 자기가 없거나, 또는 잔류 자기가 불충분하여, 발전을 개시할 수 없다. 그래서, 이 실시형태에서는, 로터(5)의 정지 후의 회전의 개시 시에, 초기 여자 수단(2)의 스위칭 수단(13)을 온으로 하여 착자용 전원(14)으로부터 출력 코일(7)에 착자 전류를 흘려, 출력 철심(6)을 착자한다. 자속은 전술한 바와 같이 회전을 계속하면 점차로 커지므로, 착자의 정도는, 발전의 개시를 위한 초기 여자에 필요한 잔류 자기를 얻을 수 있는 정도로 된다. 그러므로, 착자를 하기 위해서는, 소정의 크기의 전류를 극단시간 흐르게 하면 된다. 이 착자에 의해, 로터(5)의 장시간의 정지 후에도, 회전의 재개에 의해 발전이 확실하게 개시된다.

스위칭 수단(13)을 설치한 실시형태의 경우에는, 로터(5)의 정지 후의 회전의 개시 시에, 초기 여자 수단(2)의 스위칭 수단(13)을 온으로 하여 착자용 전원(14)으로부터 주계자 코일(8)에 착자 전류를 흘려, 계자 철심(8)을 착자한다. 이와 같이, 계자 철심(8)을 착자한 경우에도, 로터(5)의 장시간의 정지 후에도, 발전이 개시된다.

본 실시형태의 발전기(26)에 의하면, 다음의 장점을 얻을 수 있다. 발전기(26)가 자려식 발전기이므로, 타려를 위한 급전이 불필요하며 구성이 간단하며, 또한 자계를 부여하는 영구 자석이 불필요하며, 코깅 토크도 문제가 되지 않을 정도로 작다. 코깅 토크가 작으므로, 작은 토크로 시동시킬 수 있다. 시동 시는 자계가 필요하며, 잔류 자속이 있으면 시동 가능하지만, 장기의 방치나 보수로 잔류 자속이 소멸하는 경우가 있고, 잔류 자속이 소멸하고 있으면 시동할 수 없다. 그러나, 상기 초기 여자 수단(2)을 설치함으로써, 확실한 시동이 행해진다. 계자로 되는 자속은 회전함에 따라 증대하므로, 초기 여자에 필요한 자속은 적어, 상기 코깅 토크에 대한 영향도 작아서, 작은 토크로 회전을 개시하여 발전이 행해진다.

이와 같이, 자려식으로 상기 초기 여자 수단(2)을 설치한 발전기(26)는, 작은 토크로 회전 가능하면서 또한 확실하게 발전이 가능하다는 장점을 얻을 수 있다. 한편, 상기 경사진 날개 선단부(29)를 가지는 날개차(18)는 변환 효율을 높일 수 있다. 특히, 상기 경사진 날개 선단부(29)를 가지는 수직 주축형의 날개차(18)와, 자려식으로 상기 초기 여자 수단(2)을 설치한 발전기(26)를 조합함으로써, 종래의 자연 에너지 발전 장치에서는 발전 효율이 나빴던 환경 하에 있어서도 필요 충분한 발전을 행하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 경사진 날개 선단부(29)를 가지는 날개차(18) 및 만곡된 날개 선단부(29)를 가지는 날개차(18)에서는, 미풍 또는 저유속의 물에서도 회전이 가능하다는 장점이 있다. 그러므로, 이와 같은 형상의 날개 선단부(29)를 가지는 수직 주축형의 날개차(18)와, 자려식으로 상기 초기 여자 수단(2)을 설치한 발전기(26)를 조합함으로써, 그 미풍 또는 저유속의 물에서도 회전이 생기는 날개차(18)의 장점과 작은 토크로 회전할 수 있어, 발전할 수 있는 발전기(26)의 특징이 효과적으로 조합되는 것에 의해, 종래의 자연 에너지 발전 장치에서는 발전할 수 없었던 매우 적은 미풍 또는 저유속의 물에서의 발전이 가능해진다.

자려식이지만, 발전의 초기 여자에 필요한 자력을 발생하는 경우가 가능할 정도로, 발전기 중 어느 하나의 철심을 착자하는 초기 여자 수단(2)을 설치하였으므로, 회전의 정지 후나 분해 보수 후에 있어서도, 또한 저속 회전이라도, 확실하게 발전을 개시할 수 있다. 상기 초기 여자 수단(2)은 필요로 하지만, 이 초기 여자 수단(2)은 발전의 초기 여자에 필요한 자력을 발생하는 경우가 가능할 정도로 착자를 행할 수 있는 것이면 되므로, 타려식(他勵式; separately-excited type)의 발전기에서의 외부 전원에 비해 비약적으로 소형의 것으로 된다.

그리고, 상기 실시형태에서는, 스테이터(4) 측을 출력 철심(6), 로터(5) 측을 계자 철심(8)으로 하였으나, 이와는 반대로 스테이터(4) 측을 계자 철심(9, 10)으로 하고, 로터(5) 측을 출력 철심(6)으로 해도 된다. 또한, 상기 실시형태에서는 2극 발전기로 하였으나, 4극, 8극, 16극 등, 다극(多極)의 발전기로 해도 된다. 그리고, 발전기는, 자려식 발전기에 한정되지 않고 타려식 발전기나 다른 각종 형식의 발전기라도 된다.

발전기(26)는, 계자의 생성에 영구 자석을 사용한 동기(同期) 발전기를 사용해도 된다.

1개의 수직 주축(22)에 대하여 복수의 발전기(26)를 설치하고, 상기 1개의 수직 주축(22)의 회전에 의해 각각의 발전기(26)를 개별적으로 발전하는 것도 가능하다.

이상, 실시형태에 기초하여 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명하였으나, 이번 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에서가 아니라 특허 청구의 범위에 의해 표시되고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

2: 초기 여자 수단
4: 스테이터
5: 로터
6: 출력 철심
7: 출력 코일
8: 계자 철심
9: 주계자 코일
10: 부계자 코일
11, 12: 정류 소자(정류 수단)
18: 날개차
19: 자연 에너지 발전 장치
22: 수직 주축(주축)
23: 지지체
24, 24A: 날개
26: 발전기
28: 스트레이트부
29: 날개 선단부

Claims (7)

1. 축심(軸心) 주위로 회전 가능하게 설치되는 주축(main shaft); 및
   상기 주축에 고정되고, 풍력 또는 수력에 의해 구동되어 상기 축심 주위로 회전하는 날개(blade);
   를 포함하는 날개차(turbine rotor)로서,
   상기 날개는,
   상기 주축에 지지체를 통하여 상기 주축으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에서 연결되어 있고, 상기 주축에 대하여 평행하게 연장되는 스트레이트부; 및
   상기 스트레이트부의 단부(端部)로부터 연장되는 날개 선단부(blade tip portion);를 구비하고,
   상기 날개 선단부는, 상기 날개 선단부를 상기 주축의 축심을 포함하는 평면을 따라 절단한 단면(斷面)의 형상이, 기단(基端)으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 복수 단(plural steps)으로 경사진 형상으로 형성되어 있고,
   각 날개 선단부는, 상기 스트레이트부의 길이 방향 선단에 연결되는 1단째의 경사 부분과 상기 1단째의 경사 부분에 이은 2단째의 경사 부분을 가지며,
   상기 1단째의 경사 부분은, 상하 방향의 어느 위치에 있어서도 동일한 두께로 형성되어 있으며,
   상기 2단째의 경사 부분은, 두께가 상기 선단을 향함에 따라 얇은 두께로 되는 단면 형상으로 형성되어 있는,
   날개차.
2. 제1항에 있어서,
   상기 날개차가 풍력 발전용의 풍차로서, 상하 방향으로 연장되는 복수 개의 상기 날개가, 수직 주축으로부터 이격되어 상기 수직 주축의 주위에 설치되고, 각각의 상기 날개의 횡단면의 형상이, 상기 풍차가 지구의 북반구에 설치된 경우에, 평면에서 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 회전력을 풍력에 의해 발생하는 형상인, 날개차.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 날개 선단부는, 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 협폭(狹幅)으로 되는 테이퍼형(tapered shape)으로 형성되어 있는, 날개차.
4. 제1항 또는 제2항에 기재된 날개차; 및
   상기 날개차에 의해 구동되는 발전기;
   를 포함하는 자연 에너지 발전 장치.
5. 날개차(turbine rotor) 및 상기 날개차에 의해 구동되는 발전기를 포함하는 자연 에너지 발전 장치로서,
   상기 날개차는,
   축심(軸心) 주위로 회전 가능하게 설치되는 주축(main shaft); 및
   상기 주축에 고정되고, 풍력 또는 수력에 의해 구동되어 상기 축심 주위로 회전하는 날개(blade);
   를 포함하고,
   상기 날개는,
   상기 주축에 대하여 평행 또는 수직 방향으로 연장되는 스트레이트부; 및
   상기 스트레이트부의 단부(端部)로부터 연장되는 날개 선단부(blade tip portion);를 구비하고,
   상기 날개 선단부는, 상기 날개 선단부를 상기 주축의 축심을 포함하는 평면을 따라 절단한 단면(斷面)의 형상이, 기단(基端)으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 복수 단(plural steps)으로 경사진 형상, 또는 기단으로부터 선단을 향함에 따라서 상기 스트레이트부로부터 이격되도록 만곡된 형상으로 형성되어 있고,
   상기 발전기는,
   출력 코일이 권취된 출력 철심(output iron core); 및
   주계자 코일(main field winding) 및 부계자 코일(auxiliary field winding )이 권취된 계자 철심;을 구비하고,
   상기 출력 철심 및 상기 계자 철심 중 어느 한쪽이 스테이터(stator)로 되고, 다른 쪽이 로터로 되고, 각각의 상기 계자 코일에 정류(整流) 수단이 접속되고, 상기 날개가 회전하여 상기 스테이터와 상기 로터가 상대 회전함으로써 발전 전력을 얻는 자려식 발전기(self-excitation type power generator)로서,
   발전의 초기 여자(勵磁)에 필요한 정도의 자력(磁力)이 생기게 하는 초기 여자 수단을 더 포함하는, 자연 에너지 발전 장치.
6. 삭제
7. 삭제

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