KR20040028314A - Vertical axis wind turbine device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수직축 풍력발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개선된 블레이드 피치제어수단을 갖는 수직축 풍력발전 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a vertical axis wind turbine, and more particularly to a vertical axis wind turbine with improved blade pitch control means.
통상적으로 풍력발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다. 이러한 풍력발전 장치는 수평축 풍력발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전 장치(vertical axis wind turbine)로 대별되는데, 수평축을 이용하는 방식은 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다. 또한 수평축을 이용하는 경우는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다. 이 경우 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는문제점이 있으며, 후자의 경우에는 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다.Wind turbines are commonly referred to as windmills, which are devices used to produce power using mechanical forces through a rotating shaft. These wind turbines are classified into horizontal axis wind turbines and vertical axis wind turbines. The horizontal axis is a propeller type and aerodynamically uses lift force of the wind. Although the power generation efficiency is relatively high by using a rotor composed of blades, the direction of the rotor must be changed according to the direction of the wind, and a device that needs to change the angle of the blade according to the strength of the wind is required. In addition, in case of using the horizontal axis, the rotor shaft is located at least higher than the radius of the rotor. Therefore, in order to connect the rotor shaft and the generator located at the higher position, the generator should be installed at the same height as the rotor shaft. Install at the same location or install a device that converts horizontal rotational power to vertical rotational power and connect it with generator. In this case, in the former case, there is a problem that mechanical damage may occur due to strong winds, and maintenance and repair are not easy. In the latter case, energy loss occurs in the process of converting the horizontal rotational power to the vertical rotational power.
한편, 수직형의 경우에는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.On the other hand, in the vertical type, there are Darius Rotor, which uses the lift of the wind, and Savonius Rotor, which uses the drag of the wind, but in the case of the Darius, the generator output is weak and initially starts by itself. There is a problem that an auxiliary one-rotation power device is needed, and in the case of Savonius, because the drag of wind uses the drag of the wind, the rotation speed cannot be higher than the wind speed, so the rotation speed of the rotating shaft is limited. It is mainly used as a wind turbine.
따라서, 수직형의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 블레이드의 설계나 구조 또는 조립방식 등을 개선하거나, 지지구조물과 블레이드를 부착하는 방식을 개선하기도 하며, 블레이드의 피치각 제어 시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식을 사용하기도 한다.Therefore, in order to overcome the low efficiency and the like, which is a weak point of the vertical type, a lot of research has recently been made. For example, the design, structure, or assembly method of the blade may be improved, or the supporting structure and the method of attaching the blade may be improved, and the pitch angle control system of the blade may be improved to use a method of making the angular velocity constant of the blade. do.
미국 특허번호 제 4,718,821호에는 개별적인 블레이드에 작용하는 공압을 변화시킴으로써 회전중에 각각의 블레이드를 주기적으로 요동하게 하는 장치가 개시되는데, 이 경우는 블레이드가 기구적으로 손상되기 쉽다는 문제가 있으며, 이는 유지비용의 증가로 이어진다.U.S. Patent No. 4,718,821 discloses a device which periodically swings each blade during rotation by varying the pneumatic pressure acting on the individual blades, in which case the blades are prone to mechanical damage, which is a maintenance problem. This leads to an increase in costs.
상기한 개별적인 피치각 제어 시스템과 달리 전체 블레이드의 피치각을 집단적으로 조절하는 시스템이 개시되기도 하는데, 미국 특허번호 제 4,299,537호에는회전시에 블레이드가 요동을 함으로써 피치각이 변하도록 블레이드를 편심 링(eccentric ring)에 연결시키는 피치각 제어 시스템이 개시된다. 그러나 이 경우는 바람에 의해 블레이드의 피치각이 결정되므로 고효율의 풍력을 얻기 위한 적극적인 블레이드 피치각의 제어가 불가능하며, 급격한 바람 방향의 변화에 대응하는데 미흡하다는 문제가 있다.Unlike the above-described individual pitch angle control system, a system for collectively adjusting the pitch angle of the entire blade is also disclosed. US Patent No. 4,299,537 discloses an eccentric ring for changing the pitch angle by rotating the blade during rotation. A pitch angle control system is disclosed that connects to an eccentric ring. However, in this case, since the pitch angle of the blade is determined by the wind, it is impossible to actively control the blade pitch angle to obtain high efficiency wind power, and there is a problem in that it is insufficient to cope with a sudden change in the wind direction.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전함에 따라 블레이드의 피치각이 정현적으로 변화함으로써 고효율의 성능을 일정하게 낼 수 있는 수직축 풍력발전 장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a vertical axis wind turbine generator that can achieve a high efficiency performance by changing the pitch angle of the blade sine as it rotates.
본 발명의 또 다른 목적은 풍력발전 장치를 제작하는데 있어서 제작비와 운용비를 절감하는데 효율적인 수직축 풍력발전 장치를 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide an efficient vertical axis wind power generation device for reducing manufacturing and operating costs in manufacturing a wind power generation device.
본 발명의 또 다른 목적은 무게대 강성비가 뛰어난 복합재료로 이루어진 블레이드를 사용함으로써 구조적으로 더욱 안전한 수직축 풍력발전 장치를 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide a more secure vertical axis wind power generator by using a blade made of a composite material having an excellent weight-to-stiffness ratio.
도 1a는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 사시도,Figure 1a is a perspective view of one embodiment of a vertical axis wind power generator according to the present invention,
도 1b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 또 다른 실시예의 사시도,Figure 1b is a perspective view of another embodiment of a vertical axis wind power generation device according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 부분 사시도,2 is a partial perspective view of an embodiment of a vertical axis wind power generator according to the present invention;
도 3은 도 2의 A부분을 확대 도시한 사시도,3 is an enlarged perspective view of a portion A of FIG. 2;
도 4는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 작용을 설명하는 평면도,4 is a plan view illustrating the operation of one embodiment of the vertical axis wind power generation device according to the present invention;
도 5a는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예가 평형 위치에 있는 상태를 도시한 평면도,Figure 5a is a plan view showing a state in which an embodiment of the vertical axis wind power generator according to the present invention in an equilibrium position,
도 5b는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예에 편심크기만을 부여한 상태를 도시한 평면도,5B is a plan view showing a state in which only an eccentric size is given to one embodiment of a vertical shaft wind power generator according to the present invention;
도 5c는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예에 편심크기와 편심각을 부여한 상태를 도시한 평면도.5c is a plan view showing a state in which an eccentric size and an eccentric angle are given to one embodiment of a vertical axis wind power generator according to the present invention;
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명.><Brief description of symbols for the main parts of the drawings.>
11; 회전중심부 12; 블레이드11; Rotation center 12; blade
13; 지지수단 14; 피치제어부13; Support means 14; Pitch control unit
15; 로드 16; 회전체15; Rod 16; Rotating body
17; 조절수단 18; 가이드부17; Adjusting means 18; Guide part
19; 방향조절부19; Direction control
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 수직축 풍력발전 장치는, 발전기와, 상기 발전기에 회전력을 전달하고 수직으로 배치된 회전중심부와, 상기 회전중심부에 중심을 둔 원주 상에 그 길이 방향이 수직하게 놓이면서 서로 균등한 간격으로 배치되어 유입되는 바람으로부터 회전력을 발생시키는 복수의 블레이드로 이루어지는 로우터부와, 상기 로우터부의 블레이드의 피치각이 변할 수 있게 각각의 블레이드의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 지지하고 상기 회전중심부에는 고정됨으로써 상기 회전중심부와 상기 로우터부의 블레이드를 연결하는 지지수단과, 상기 로우터부의 각 블레이드의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 각각의 블레이드의 작용점에 일단이 연결된 복수의 연결부재와, 상기 각 연결부재의 타단이 연결되고 상기 회전중심부의 중심을 기준 위치로 하며 상기 로우터부와 같이 회전하는 회전체와, 상기 회전체의 중심을 기준 위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 회전체에 연결된 상기 연결부재가 상기 블레이드의 피치각의 크기를 상기 블레이드가 회전함에 따라 정현적으로 변화시키고 상기 블레이드의 위상이 바람의 방향에 대응하도록 변화시키는 조절수단을 구비하는 피치제어부와, 상기 피치제어부를 구동하기 위한 구동수단을 구비한다.In order to achieve the above object, the vertical axis wind power generator of the present invention is a generator, a rotational center that transmits rotational force to the generator and is vertically disposed, and its longitudinal direction is vertically placed on a circumference centered on the rotational center. A rotor portion comprising a plurality of blades arranged at equal intervals to generate rotational force from the inflowing wind, and rotatably supported about a rotation axis of each blade so that the pitch angle of the blades of the rotor portion can be changed; It is fixed to the support means for connecting the center of rotation and the blade of the rotor, a plurality of connecting members whose one end is connected to the rotation axis of each blade of the rotor portion and the working point of each blade spaced a predetermined interval in the width direction of the blade and , The other end of each connecting member is opened And a rotating body rotating with the rotor part as a reference position with the center of the rotational center part as a reference position, and the connecting member connected to the rotating body by translating and rotating the center of the rotating body from the reference position to determine the pitch angle of the blade. And a pitch control unit having adjustment means for changing the size sine as the blade rotates and the phase of the blade corresponding to the direction of the wind, and driving means for driving the pitch control unit.
본 발명의 상기 발전기는 상기 수직축 풍력발전 장치의 기저부에 위치하는 것이 바람직하다.The generator of the present invention is preferably located at the base of the vertical axis wind turbine generator.
본 발명의 상기 회전중심부는 중공의 원통을 포함하여 이루어지며, 상기 원통의 직경은 배후의 블레이드를 지나는 바람의 속도를 증가시키도록 상기 로우터부의 직경의 0.2배에서 0.5배 사이에 있는 것이 바람직하다.The rotation center of the present invention comprises a hollow cylinder, the diameter of the cylinder is preferably between 0.2 and 0.5 times the diameter of the rotor portion to increase the speed of the wind passing through the blade behind.
본 발명의 상기 로우터부의 블레이드는 상기 회전체가 기준위치에 있을 때, 상기 블레이드의 폭방향이 상기 로우터부를 이루는 원주상의 접선방향과 일치하도록 위치한다. 또한, 상기 블레이드의 단면은 대칭형 익형으로 하는 것이 바람직하며, 상기 블레이드는 섬유 강화 복합재료로 이루어진 것이 바람직하다.The blade of the rotor portion of the present invention is positioned so that the width direction of the blade coincides with the circumferential tangential direction of the rotor portion when the rotor is in the reference position. In addition, the cross section of the blade is preferably a symmetrical airfoil, the blade is preferably made of a fiber-reinforced composite material.
또한, 본 발명의 상기 지지수단은 일단이 상기 블레이드 단면의 공력중심을통과하는 회전축에 회전 가능하게 연결되는 것이 바람직하며, 상기 지지수단은 상기 블레이드의 길이 방향의 양 단부를 지지하는 상하부 지지체로 이루어질 수 있다.In addition, the support means of the present invention is preferably one end is rotatably connected to the rotation axis passing through the aerodynamic center of the blade cross-section, the support means consists of upper and lower support for supporting both ends in the longitudinal direction of the blade Can be.
본 발명의 상기 복수의 연결부재 중 하나의 연결부재는 상기 회전체에 고정되게 연결되는 것이 바람직하다.One connection member of the plurality of connection members of the present invention is preferably fixed to the rotating body.
또한, 상기 피치제어부의 조절수단은 상기 회전체를 직선상으로 안내하기 위한 가이드부와, 상기 가이드부가 고정되어 상기 가이드부를 회전시키는 방향전환부를 구비하며, 상기 회전체와 상기 가이드부는 볼 베어링을 통해 연결될 수 있고, 상기 가이드부는 상기 볼 베어링의 내륜에 장착된 연결축이 장착되는 가이드 레일을 구비할 수 있다.In addition, the adjusting means of the pitch control unit includes a guide for guiding the rotating body in a straight line, the guide portion is fixed to the direction changing section for rotating the guide, the rotating body and the guide portion through a ball bearing The guide part may include a guide rail to which a connecting shaft mounted on an inner ring of the ball bearing is mounted.
본 발명의 상기 구동수단은 풍속 및 풍향을 감지하는 감지부와 감지된 데이터를 기초로 상기 피치제어부에 작용력을 공급하는 작용부를 구비하며, 상기 작용부는 상기 가이드부에 연결되어 상기 가이드부를 병진운동시키는 가이드작용부와 상기 방향전환부에 연결되어 상기 방향전환부를 회전시키는 방향전환작용부로 이루어질 수 있다.The driving means of the present invention includes a sensing unit for detecting wind speed and wind direction and an operating unit for supplying an action force to the pitch control unit based on the sensed data, wherein the operating unit is connected to the guide unit to translate the guide unit. It may be composed of a direction change action unit for connecting the guide action and the direction change unit to rotate the direction change unit.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a에는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전 장치의 일 실시예의 사시도가 도시되어 있다.Figure 1a is a perspective view of one embodiment of a vertical axis wind turbine generator according to the present invention.
도면을 참조하면, 수직축 풍력발전 장치(10)는 회전동력을 전달받아 이를 이용하여 전기 에너지를 발생시키는 발전기(미도시)와, 상기 발전기에 필요한 회전동력을 제공하는 회전축의 역할을 하며, 대략 풍향에 대해 직각이 되도록 수직하게 배치된 회전중심부(11)와, 상기 회전중심부에 중심을 둔 원주상에 서로 균등하게 배치되는 복수의 블레이드(12a)로 이루어지는 로우터부(12)와, 상기 회전중심부(11)와 상기 블레이드(12a)를 연결하는 지지수단(13)과, 상기 블레이드의 피치각을 변화시키기 위해 상기 블레이드의 작용점에 작용력을 부여하는 피치제어부(14, 도 2 참조)와, 이러한 피치제어부를 구동하기 위한 구동수단(미도시)을 기본적으로 구비하게 된다.Referring to the drawings, the vertical axis wind turbine generator 10 receives the rotational power to generate electrical energy by using the generator (not shown), and serves as a rotating shaft for providing the rotational power required for the generator, roughly wind direction A rotor portion 12 composed of a rotation center portion 11 vertically disposed to be perpendicular to the rotor, a plurality of blades 12a disposed evenly on a circumference centered on the rotation center portion, and the rotation center portion ( 11) and a support means 13 connecting the blade 12a, a pitch control unit 14 (see Fig. 2) for applying an acting force to the working point of the blade to change the pitch angle of the blade, and such a pitch control unit It is basically provided with a driving means (not shown) for driving.
발전기(미도시)의 경우 통상의 발전기로 족하며, 상기 회전중심부(11)로부터 제공되는 회전력을 별도의 방향전환 없이 제공하도록 배치하면 되고, 구조적인 안정성을 고려하여 지상에 근접하여 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 발전기와 상기 회전중심부(11) 사이에는 기어나 벨트 등의 동력전달 수단이 사용될 수 있으며, 발전기에 걸리는 과부하를 방지하기 위한 통상적인 동력 차단수단이 개재될 수 있다.In the case of a generator (not shown), it is sufficient to be a normal generator, and it may be arranged to provide the rotational force provided from the rotation center 11 without any change of direction, and preferably disposed in close proximity to the ground in consideration of structural stability. Do. In addition, a power transmission means such as a gear or a belt may be used between the generator and the rotation center 11, and a conventional power blocking means for preventing an overload applied to the generator may be interposed.
상기 회전중심부(11)는 중공의 원통(11a)을 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 중공의 원통(11a)은 단순한 회전축에 비해 구조적으로 안정하며, 바람이 불어오는 방향에 대하여 원통(11a)의 배후를 지나는 바람의 속도를 증가시킴으로써 원통(11a)의 배후에 위치하는 블레이드(12a)로부터 발생하는 회전력을 증가시키게 된다. 이러한 원통(11a)의 직경은 전술한 효과를 얻기 위해 상기 로우터부(12)의 직경의 0.2배에서 0.5배 사이에 있게 형성하는 것이 공기역학적인 측면에서 바람직하다.The rotation center portion 11 preferably comprises a hollow cylinder (11a). This hollow cylinder (11a) is structurally stable compared to the simple axis of rotation, the blade (12a) located behind the cylinder (11a) by increasing the speed of the wind passing behind the cylinder (11a) in the direction of the wind blowing To increase the torque generated from The diameter of the cylinder (11a) is preferably formed from 0.2 to 0.5 times the diameter of the rotor portion 12 in order to obtain the above-mentioned effect in terms of aerodynamics.
또한 상기 회전중심부(11)는 상기 원통(11a)의 양단을 덮어주는 덮개부(11b)를 구비하며, 이러한 덮개부(11b)에는 상기 지지수단(13)이 강건하게 고정된다. 상기 원통(11a)의 측면에는 상기 지지수단(13)과의 연결을 위해 지지수단(13)에 해당하는 위치에 복수의 개구부(11c)가 마련될 수 있다. 이러한 개구부(11c)는 원통(11a)의 측면이고, 상기 지지수단(13)과 대응하는 위치라면 그 높이는 자유롭게 정할 수 있으나, 전술한 원통(11a)의 배후를 지나는 바람의 속도의 증가 효과와 흐름의 난류화를 방지하여 블레이드(12a)에의 영향을 최소화하기 위해 상기 원통(11a)의 상단부 또는 하단부의 측면에 설치하는 것이 바람직하다.In addition, the rotation center portion 11 has a cover portion 11b covering both ends of the cylinder 11a, and the support means 13 is firmly fixed to the cover portion 11b. A plurality of openings 11c may be provided on the side surface of the cylinder 11a at a position corresponding to the supporting means 13 for connection with the supporting means 13. The opening 11c is a side surface of the cylinder 11a, and the height can be freely determined if it is a position corresponding to the support means 13, but the effect of increasing the speed of the wind passing through the back of the cylinder 11a and the flow thereof. In order to prevent turbulence of the cylinder and to minimize the influence on the blade 12a, it is preferable to install the side surface of the upper end or the lower end of the cylinder 11a.
상기 블레이드(12a)는 주기적인 피치각의 변화를 갖도록 의도된 것이므로 그 단면 형상을 비행기의 날개에 주로 사용되는 대칭형의 익형으로 하여준다. 또한 이러한 블레이드(12a)의 길이방향은 대략 유입하는 바람의 방향과 직각을 이루도록 그 길이 방향이 수직이 되도록 배치되며, 유입하는 바람으로부터 양력을 발생시켜 회전력을 얻게 된다. 상기 블레이드(12a)의 폭방향이 상기 로우터부를 이루는 원주상의 접선방향과 일치한 경우 상기 블레이드(12a)가 기준위치, 즉 피치각의 변화가 없는 위치에 해당한다. 이러한 블레이드(12a)의 폭은 상기 블레이드(12a)의 단면의 익형의 코드(chord)의 길이에 해당한다. 또한 상기 블레이드(12a)는 회전하면서 발생하는 원심력에 의한 하중에 영향을 받게 되므로 요구되는 강성을 가지면서도 무게가 가벼운 것이 구조적인 안전성이나 운용의 효율성 면에서 바람직하다. 따라서 상기 블레이드(12a)는 무게대 강성비가 뛰어난 섬유 강화 복합재료로 제작하는 것이 바람직하며, 이에는 유리 섬유나 탄소 섬유 등이 있다. 상기 복합재료를 이용하여 블레이드를 형성하는 것은 통상적인 기술에 의해 가능하다. 이러한 복합재료를 사용하는 경우 피치제어부(14)에 가해지는 하중을 감소시켜 구조적인 파손을 방지하고 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 상기 블레이드(12a)는 공력중심과 무게중심이 인접하도록 설계되어야 한다. 공력중심과 무게중심이 서로 멀리 떨어지면 블레이드의 회전으로 인해 블레이드와 회전판을 연결하는 연결부재에 많은 하중이 가해지고 큰 구동력이 요구된다. 또한 블레이드(12a)의 개수는 수직축 풍력발전 장치의 용도나 소요되는 전력에 따라 달라질 수 있다.Since the blade 12a is intended to have a change in the periodic pitch angle, the cross section is made into a symmetrical airfoil mainly used for the wing of an airplane. In addition, the longitudinal direction of the blade (12a) is disposed so that the longitudinal direction is perpendicular to substantially perpendicular to the direction of the inflowing wind, and generates a lifting force from the incoming wind to obtain a rotational force. When the width direction of the blade 12a coincides with the circumferential tangential direction of the rotor portion, the blade 12a corresponds to a reference position, that is, a position where there is no change in pitch angle. The width of this blade 12a corresponds to the length of the chord of the airfoil of the cross section of the blade 12a. In addition, since the blade 12a is affected by the load due to the centrifugal force generated while rotating, it is preferable to have the required rigidity and light weight in terms of structural safety and operational efficiency. Therefore, the blade 12a is preferably made of a fiber-reinforced composite having excellent weight-to-stiffness ratio, such as glass fiber or carbon fiber. It is possible to form the blade using the composite material by conventional techniques. When using such a composite material it is possible to reduce the load applied to the pitch control unit 14 to prevent structural damage and extend the life. In addition, the blade 12a should be designed such that the aerodynamic center and the center of gravity are adjacent to each other. When the aerodynamic center and the center of gravity are far apart from each other, due to the rotation of the blade a lot of load is applied to the connecting member connecting the blade and the rotating plate and a large driving force is required. In addition, the number of blades 12a may vary depending on the purpose and power required of the vertical shaft wind turbine generator.
상기 지지수단(13)은 일단이 상기 회전중심부(12)에 고정 연결되고, 타단은 상기 블레이드(12a)의 피치각이 변할 수 있도록 각각의 블레이드가 회전축을 중심으로 회전가능하게 연결된다. 이러한 회전축(13a)은 상기 블레이드(12a)에 마련된 홈(12a)에 장착됨으로써 연결될 수 있으며, 이와는 달리 상기 회전축(13a)을 상기 블레이드(12a)에 마련하고 지지수단(13)에 홀을 마련하는 것도 가능하다. 이때, 이러한 회전축(13a) 또는 홈(12b)의 위치는 블레이드(12a) 단면의 익형상의 공력중심에 놓이도록 하는 것이 블레이드(12a)의 불필요한 진동에 의한 손상을 방지하는데 유리하다.One end of the support means 13 is fixedly connected to the rotation center 12, and the other end of the support means 13 is rotatably connected about a rotation axis so that a pitch angle of the blade 12a can be changed. The rotary shaft 13a may be connected by being mounted in the groove 12a provided in the blade 12a. Alternatively, the rotary shaft 13a may be provided in the blade 12a and the hole may be provided in the support means 13. It is also possible. In this case, it is advantageous to prevent the damage caused by unnecessary vibration of the blade 12a by placing the rotary shaft 13a or the groove 12b at the aerodynamic center of the blade shape of the cross section of the blade 12a.
도 1b에는 본 발명에 따른 수직축 풍력방전 장치의 다른 실시예를 도시하였다.Figure 1b shows another embodiment of a vertical axis wind discharge device according to the present invention.
도면을 참조하면, 본 실시예는 전술한 실시예의 구성에 지지수단(13)을 보강하기 위한 보강재(13b)를 더 장착한 구성으로 이루어져 있다. 이러한 보강재(13b)의 장착여부는 지지수단(13)의 강도를 어떻게 설정하는가에 따라 결정되며, 구조적으로 강건할 필요가 있는 경우에는 상기 보강재(13b)를 더 장착하는 것이 바람직하다. 상기 보강재는 일체형으로 형성하거나 각 블레이드(12a)마다 분리되게 형성할 수 있다.Referring to the drawings, the present embodiment has a configuration in which the reinforcing material 13b for reinforcing the support means 13 is further mounted in the configuration of the above-described embodiment. The mounting of the reinforcing material 13b is determined by how the strength of the supporting means 13 is set, and when it is necessary to be structurally strong, it is preferable to further mount the reinforcing material 13b. The reinforcing material may be integrally formed or may be formed to be separated for each blade 12a.
도 2에는 본 발명에 의한 수직축 풍력발전기의 일 실시예의 일부를 생략한 사시도를 도시하였다. 즉, 본 도면에서는 회전중심부의 원통(11a)이 생략되었다.Figure 2 shows a perspective view of a part of an embodiment of a vertical axis wind power generator according to the present invention is omitted. That is, the cylinder 11a of the rotation center part is abbreviate | omitted in this figure.
도면을 참조하면, 피치제어부(14)는 상기 블레이드(12a)의 회전축과 상기 블레이드의 폭 방향으로 소정 간격 이격된 작용점에 일단이 연결된 연결부재(15)와 상기 연결부재(15)의 타단이 연결되고 상기 회전중심부(11)의 중심을 기준위치로 하여 회전하는 회전체(16)과, 상기 회전체의 중심을 기준위치로부터 병진 및 회전시킴으로써 상기 블레이드(12a)의 피치각의 크기를 정현적으로 변화시키고, 상기 블레이드(12a)의 위상이 바람의 방향의 변화에 대응하도록 변화시키는 조절수단(17)을 구비한다.Referring to the drawings, the pitch control unit 14 is connected to one end of the connecting member 15 and the other end of the connecting member 15 connected to the rotation axis of the blade 12a and the working point spaced apart by a predetermined interval in the width direction of the blade. And the rotation body 16 rotating with the center of the rotation center 11 as a reference position and the center of the rotation body translated and rotated from the reference position sineically to the size of the pitch angle of the blade 12a. And adjusting means 17 for changing the phase of the blade 12a so as to correspond to a change in the direction of the wind.
상기 연결부재(15)는 블레이드(12a)에 의해 작용하는 인장력과 압축력에 견디는 재질의 형상을 가진 통상의 로드이며, 상기 로드(15)는 블레이드(12a)의 피치각을 변화시키면서 연결부가 회전할 수 있게 베어링을 이용하여 연결하는 것이 바람직하다. 또한 상기 회전체(16)와도 베어링을 이용하여 연결하지만 그 중 하나의 연결부재는 회전체(16)에 고정시켜준다. 상기 로드가 블레이드(12a)와 연결되는 작용점은 상기 블레이드(12a)의 피치각 변화의 범위와, 후술할 상기 조절수단(17)의 작동범위를 고려하여 정한다. 또한 상기 로드(15)의 연결을 위한 작용점을 상기블레이드(12a) 상에 마련할 수도 있지만, 제조상의 문제와 블레이드(12a)를 흐르는 흐름의 난류화를 방지하기 위해 블레이드(12a)를 지지수단(13)과 연결하는 회전축(13a)상에 돌출부(13c)를 마련하여 연결하는 것이 바람직하다.The connecting member 15 is a conventional rod having a shape of a material that withstands the tensile and compressive forces acting by the blade 12a, the rod 15 is the connecting portion to rotate while changing the pitch angle of the blade (12a) It is desirable to connect using bearings. It is also connected to the rotating body 16 using a bearing, but one of the connecting member is fixed to the rotating body 16. The action point at which the rod is connected to the blade 12a is determined in consideration of the range of the pitch angle change of the blade 12a and the operating range of the adjustment means 17 to be described later. It is also possible to provide an action point for connecting the rod 15 on the blade 12a, but to support the blade (12a) to prevent turbulence of the manufacturing flow and the flow flowing through the blade (12a) support means ( It is preferable to provide and connect the projection part 13c on the rotating shaft 13a which connects with 13).
도 3에는 도 2의 A부분을 확대하여 도시하였다.3 is an enlarged view of a portion A of FIG. 2.
도면을 참조하면, 전술한대로, 상기 로드(15)는 하나를 제외하고는 상기 회전체(16)와 베어링으로 연결되며, 상기 로드들 중 기준이 되는 로드(15a)는 회전체(16)에 기구학적인 작동을 위해 고정된다. 이러한 고정되는 로드(15a)는 블레이드(12a)의 회전시 다른 로드들에 비해 큰 하중이 걸리므로 더욱 강건하게 제작되어야 한다.Referring to the drawings, as described above, the rod 15 is connected to the rotating body 16 and a bearing except for one, and the rod 15a, which is a reference among the rods, is connected to the rotating body 16 by kinematics. It is fixed for normal operation. The fixed rod 15a is required to be made more robust since the load 12a takes a greater load than other rods when the blade 12a rotates.
또한 상기 회전체(16)는 볼 베어링(16a)을 통하여 상기 조절수단(17)에 장착되게 된다. 즉 상기 회전체(16)는 볼 베어링(16a)의 외륜에 연결되어 회전하게 된다. 볼 베어링(16a)의 외륜과 결합된 회전체(16)는 블레이드(12a)가 회전함에 따라 같이 회전하게 된다.In addition, the rotating body 16 is mounted to the adjusting means 17 through the ball bearing 16a. That is, the rotating body 16 is connected to the outer ring of the ball bearing 16a to rotate. The rotating body 16 coupled to the outer ring of the ball bearing 16a rotates together as the blade 12a rotates.
상기 조절수단(17)은 상기 회전체(16)를 직선상으로 안내하기 위한 가이드 레일(18a)을 구비한 가이드부(18)와, 상기 가이드부(18)를 회전시키는 방향전환부(19)를 구비한다.The adjusting means 17 includes a guide part 18 having a guide rail 18a for guiding the rotating body 16 in a straight line, and a turning part 19 for rotating the guide part 18. It is provided.
상기 가이드부(18)에는 상기 볼 베어링(16a)의 내륜에 연결된 연결축(16b)이 장착되므로 블레이드(12a)의 회전과는 무관하며, 장착된 연결축(16b)이 상기 가이드 레일(18a)을 따라 이동함으로써 상기 회전체(16)가 직선운동을 하게 되어 블레이드(12a)의 피치각의 크기를 조절한다.Since the guide part 18 is equipped with a connecting shaft 16b connected to the inner ring of the ball bearing 16a, it is irrelevant to the rotation of the blade 12a, and the connected connecting shaft 16b is mounted on the guide rail 18a. By moving along the rotating body 16 is a linear movement to adjust the size of the pitch angle of the blade (12a).
또한 상기 방향전환부(19)를 원하는 각도만큼 회전시킴으로써, 이에 고정 장착된 상기 가이드부(18)를 회전시켜서 블레이드의 위상을 변화시켜 바람의 방향이 변해도 일정한 풍력 에너지를 받아들이는 역할을 하며, 블레이드(12a) 또는 회전중심부(11)의 회전과는 무관하다.In addition, by rotating the direction changing unit 19 by a desired angle, by rotating the guide unit 18 fixed to it to change the phase of the blade serves to receive a constant wind energy even if the direction of the wind changes, the blade It is irrelevant to the rotation of 12a or the center of rotation 11.
상기와 같이 구성되는 피치제어부(17)는 구동수단(미도시)에 의해 구동되는데, 이러한 구동수단은 풍향 및 풍속을 감지하는 감지부와, 상기 감지부에서 감지된 데이터를 기초로 상기 피치제어부에 작용력을 공급하는 작용부를 구비한다. 상기 감지부는 통상적으로 사용되는 팬을 구비하는 감지장치를 로우터부의 아래 부분에 장착하여 바람의 속도에 대한 회전속도와 방향을 감지하여 풍속의 크기와 풍향을 감지한다. 감지된 데이터는 상기 작용부에 작용신호로 전환되어 전송된다. 상기 작용부는 상기 가이드부(18)에 연결되어서 상기 가이드부(17)를 병진운동시키는 가이드작용부(미도시)와 상기 방향전환부(19)에 연결되어 상기 방향전환부(19)를 회전시키는 방향 전환작용부(미도시)로 이루어진다. 상기와 같은 작용부는 유압 내지는 전기적인 모터를 이용하여 구성할 수 있다. 이러한 모터는 상기 회전판(16)을 직선으로 움직이기 위해 로우터부의 하부에 설치된 링크의 조합을 통해 상기 가이드부(17)에 연결되며, 방향전환부를 구동하기 위해서는 방향전환부의 하부에 베어링을 통하여 연결된 연결실린더(미도시)에 링크를 통해 연결된다.The pitch control unit 17 configured as described above is driven by a driving unit (not shown). The driving unit includes a sensing unit for sensing wind direction and wind speed, and the pitch control unit based on the data detected by the sensing unit. It has a working part for supplying a working force. The sensing unit detects the size and wind direction of the wind speed by mounting a sensing device having a fan that is commonly used in the lower portion of the rotor to detect the rotational speed and direction relative to the wind speed. The sensed data is converted into action signals on the acting portion and transmitted. The acting portion is connected to the guide portion 18 to translate the guide portion 17 to translate the guide portion (not shown) and the turning portion 19 to rotate the turning portion 19 It consists of a direction switching action (not shown). Such a working part can be configured using a hydraulic or electric motor. The motor is connected to the guide unit 17 through a combination of links installed at the lower part of the rotor to move the rotating plate 16 in a straight line, and is connected to the lower part of the turning part through a bearing to drive the turning part. It is connected via a link to a cylinder (not shown).
상기와 같이 구성된 수직축 풍력발전 장치의 작용을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The operation of the vertical axis wind turbine generator configured as described above will be described with reference to FIG. 4.
수평으로 불어오는 바람에 대해 익형의 단면형상을 가지는 블레이드(12a)에서는 양력이 발생하게 된다. 이러한 양력들은 상기 회전중심부(11)를 회전시키는 회전력을 발생시키며, 이는 발전기에 전달되어 필요한 전력을 얻게 된다. 이러한 과정에서 바람의 속도와 방향은 시시각각으로 변화하게 되며, 이러한 변화하는 풍속과 풍향에 대응하기 위해 상기 블레이드(12a)의 피치각과 위상을 변화시킬 필요가 있다.Lifting force is generated in the blade 12a having the airfoil cross section shape against the wind blowing horizontally. These lifts generate a rotational force for rotating the rotation center 11, which is transmitted to the generator to obtain the required power. In this process, the speed and direction of the wind is changed at every hour, and it is necessary to change the pitch angle and phase of the blade 12a to cope with the changing wind speed and wind direction.
풍속의 변화에 대응하기 위해 상기 회전체(16)을 상기 가이드부(18)의 가이드레일(18a)을 따라 직선 이동시키면, 이는 로드(15)를 통해 상기 블레이드(12a)의 작용점에 작용하여 일정한 변위를 유발하여, 상기 블레이드의 피치각을 변화시킴으써, 변화하는 속도에 대해 일정한 회전력을 얻도록 할 수 있다. 이는 도 4에서 b로 표시되고, 이는 편심크기, 즉 직선 이동하는 거리를 나타낸다. b가 영인 경우, 즉 편심 크가 영인 경우에는 각 블레이드(12a)의 피치각 각도는 영이 되고, 편심 크기 b가 커질수록 각 블레이드(12a)의 최대 피치각은 커지게 된다.When the rotary body 16 is linearly moved along the guide rail 18a of the guide portion 18 to correspond to the change of wind speed, it acts on the operating point of the blade 12a through the rod 15 and is constant. By causing displacement, the pitch angle of the blade can be varied to obtain a constant rotational force for varying speeds. This is indicated by b in FIG. 4, which indicates an eccentric size, that is, a distance moving linearly. When b is zero, that is, when the eccentricity is zero, the pitch angle angle of each blade 12a becomes zero, and as the eccentricity size b increases, the maximum pitch angle of each blade 12a increases.
풍향의 변화에 대응하기 위해서는 피치각변화를 가지는 블레이드(12a)의 위상자체를 변화시켜야 한다. 이 경우는 상기 방향조절부(19)를 회전시킴으로써 상기한 목적을 달성한다. 방향 조절부(19)를 회전시키면, 이에 고정된 상기 가이드부(18)가 회전하게 되어 도 4에서 a로 표시된 만큼의 편심각이 발생하게 되고 이는 상기 회전체(16) 및 로드를 통해 블레이드(12a)에 전달되어 블레이드(12a) 전체의 위상변화를 가져온다. 즉 이러한 편심각 a의 변화에 따라 블레이드(12a)가 최대 피치각 각도를 갖는 위치를 변화시킬 수 있다.In order to cope with the change in the wind direction, the phase itself of the blade 12a having the pitch angle change must be changed. In this case, the above object is achieved by rotating the direction adjusting unit 19. When the direction adjusting unit 19 is rotated, the guide unit 18 fixed thereto is rotated, so that an eccentric angle as indicated by a in FIG. 4 is generated, which is caused by the blade 16 through the rotor 16 and the rod. 12a) to bring about a phase change of the entire blade 12a. That is, according to the change of the eccentric angle a, the position of the blade 12a having the maximum pitch angle angle can be changed.
상기와 같은 과정을 통해 블레이드의 피치각과 위상의 변화를 능동적으로 수행함으로서 바람의 변화가 있더라도 일정하게 고효율의 풍력발전이 가능하게 된다.By actively performing the change of the pitch angle and phase of the blade through the above process, even if there is a change in the wind, a high-efficiency wind power generation is possible.
도 5a에는 평형위치에 있는 로우터부와 피치제어부의 평면도를 도시하였다.5A shows a plan view of the rotor section and the pitch control section in the equilibrium position.
도면을 참조하면, 상기 로우터부는 반시계방향으로 회전하고 있으며, 모든 블레이드(12a)가 동일일 피치를 가지고 회전하고 있으며, 회전하는 위치를 최하부부터 반시계 방향으로 P1, P2, P3, P4, P5, P6로 지정한다. 이 경우 회전판(16)은 기준위치에 위치하게 된다.Referring to the drawings, the rotor portion is rotated in a counterclockwise direction, all the blades 12a are rotated with the same pitch, and the rotational position P1, P2, P3, P4, P5 from the bottom to the counterclockwise direction. , P6. In this case, the rotating plate 16 is located at the reference position.
도 5b에는 편심크기만을 조절한 경우의 로우터부와 피치제어부의 평면도를 도시하고 있다.5B shows a plan view of the rotor section and the pitch control section in the case of adjusting only the eccentric size.
도면을 참조하면, 회전하는 블레이드는 P1으로 표시된 위치에서 최대의 피치각을 가지게 되며, P4로 표시된 위치에서 최소의 피치각을 가지게 된다. 도 5c에는 편심크기와 편심각이 조절된 경우의 로우터부와 피치제어부의 평면도를 도시하고 있다. 도면을 참조하면, P1의 위치에서 최대의 피치각을 갖던 로우터부가 방향조절부가 반시계 방향으로 60도 회전함에 따라 P2의 위치에서 최대의 피치각을 갖게되고, P5의 위치에서 최소의 피치각을 갖도록 변화하게 된다.Referring to the drawings, the rotating blade has a maximum pitch angle at the position indicated by P1, and has a minimum pitch angle at the position indicated by P4. 5C is a plan view of the rotor unit and the pitch control unit in the case where the eccentric size and the eccentric angle are adjusted. Referring to the drawings, the rotor portion having the maximum pitch angle at the position of P1 has the maximum pitch angle at the position of P2 as the direction control portion rotates 60 degrees counterclockwise, and the minimum pitch angle at the position of P5 is shown. To change.
상술한 바와 같은 수직축 풍력발전 장치를 제공함으로써 유입되는 바람의 방향과 속도가 변화하더라도 일정한 고효율의 에너지를 발생시킬 수 있다.By providing the vertical axis wind power generator as described above it is possible to generate a constant high efficiency energy even if the direction and speed of the incoming wind changes.
또한 본 발명인 풍력발전 장치는 그 제작과 운용에 있어서 비용을 절감할 수 있다.In addition, the inventors of the present invention can reduce costs in its production and operation.
또한, 본 발명인 수직축 풍력발전 장치는 무게대 강성비가 뛰어난 복합재료로 이루어진 블레이드를 사용함으로써 구조적인 안전성을 제공한다.In addition, the vertical axis wind power generation device of the present invention provides structural safety by using a blade made of a composite material having excellent weight-to-stiffness ratio.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
Claims (15)
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