KR101565466B1 - 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전장치를 설치하는 기둥에 블레이드 회전자를 직접 장착하여 기둥을 회전축 대용으로 사용함으로써, 블레이드의 회전반경을 적고 길이를 확장해서 저풍황에서도 출력 회수를 가능하게 한 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치는, 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole); 상기 지주의 상단부에 상하방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 한쌍의 아암홀더; 상기 한쌍의 아암홀더 사이에 설치되는 발전기; 상기 한쌍의 아암홀더 하부에 위치하며, 상기 지주의 외주면에 등간격으로 고정 설치되는 슬리브(sleeve); 상기 각 슬리브의 외주면에 장착되는 볼베어링; 상기 볼베어링이 장착된 베어링하우징의 베어링커버와 상기 아암홀더에 일단(一端)이 각각 고정되고, 타단에는 블레이드삽입홀이 형성된 아암(arm); 상하로 위치하는 상기 아암의 블레이드삽입홀을 관통하여 삽입 고정되는 블레이드를 포함하여 구성되고, 동일 높이에 위치하게 되는 아암은 방사상으로 2∼5개가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치{High-efficiency vertical axis wind power apparatus operating for low speed wind conditions}

본 발명은 수직축 풍력발전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 풍력발전장치를 설치하는 기둥에 블레이드 회전자를 직접 장착하여 기둥을 회전축 대용으로 사용함으로써, 블레이드의 회전반경을 적고 길이를 확장해서 저풍황에서도 출력 회수를 가능하게 한 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치에 관한 것이다.

풍력발전의 출력은 공기밀도와 수풍(受風)면적(swept area) 및 풍속에 따라 달라지므로(P = ½ρAV³), 출력을 높이기 위해서는 수풍면적(A)을 높이고 회전속도(V)를 높여야 한다. 이와 같이 풍력발전의 출력을 좌우하는 인자들 중에서 수풍면적만이 공학적 인자이고 나머지는 모두 자연적 여건들이다. 다시 말하면, 풍력발전에서 높은 출력을 얻기 위해서는 무엇보다도 큰 수풍면적이 필요한데, 세부적으로는 블레이드 형상에 따른 양항력, 깃수, 지지구조, 발전기의 성능, 변환장치의 제어기술 등이 부수적으로 요구된다.

한편, 수직축 풍력발전에서 수풍면적(A)=회전직경(d)×블레이드 높이(h)로 정해므로, 수풍면적을 크게 하기 위해서는 회전직경을 크게 하는 방법과 블레이드의 높이를 높게 하는 방법이 있는데, 회전직경을 증가시켜 수풍면적을 증가시킨 경우에는 회전수가 감소하고 발전기의 크기 증가 및 가격상승과 저효율로 실용성이 감소한다는 문제가 있고, 회전직경을 작게 하고 블레이드의 높이를 확장시킬 경우에는 높은 회전수와 고효율을 얻을 수는 있으나 지금까지 출현한 기술로는 기술적 어려움이 있다.

지금까지 출현한 블레이드와 발전기의 결합 형태는 V형 아암 지지구조와 평형 아암 지지구조의 2가지로 분류된다. 첫번째 방법은, 본 발명의 출원인이 특허받은 특허등록 제1318693호 "V-아암 규조의 수직축 풍력발전장치"와 특허등록 제1344709호 "수직 풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조"인데, 이들은 V자 형태의 지지구조로, 지지구조가 견고하여 처짐이 거의 발생하지 않는다는 장점은 있으나, 블레이드의 높이가 높아지면 결합이 어렵고 회전시 V-아암의 단면적 노출로 항력이 발생되어 출력계수가 낮아지는 단점이 있다. 두번째 방법은, 본 발명의 출원인이 개발하여 출원했던 공개특허 제2012-94223호 "수직축 풍력발전장치의 안전 설치구조"인데, 이는 평형 형태의 지지구조로, 회전시 지지구조의 항력이 거의 없다는 장점은 있으나 처짐이 쉽게 발생되는 구조적 단점이 있다.

또, 수직축 풍력발전에서 높은 출력을 얻으려면 블레이드 회전직경을 크게 하거나 블레이드의 높이 즉 블레이드의 길이를 길게 해야 하는데, 블레이드의 길이가 길어지면 설치작업이 불편할 뿐만 아니라 풍력발전장치의 편심되지 않는 회전축을 제작하는데 큰 어려움이 있고, 블레이드의 길이가 길어지면 회전시 편심도가 높아져 심한 진동이 발생하게 되는 수직축 블레이드의 구조적 취약성으로 인해 풍력발전장치의 구조물이 파손되게 될 뿐만 아니라 블레이드가 장착된 회전축이 날아가거나 낙하하여 또 다른 위험과 피해를 야기하는 심각한 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 수단의 하나가 다층 지지구조인데, 이를 위해 본 발명의 출원인은 특허등록 제1239625호 "다단 적층식 수직축 풍력발전장치"를 개발했다. 하지만 다단으로 하여 높이를 높인 블레이드를 결합하기 위해서는 회전축이 장축이어야 하는데, 장축은 제조상 한계 뿐만 아니라 장축 가공시 편심도를 줄이는데 많은 어려움이 있는 등의 문제가 있다.

풍력발전에서 빼놓을 수 없는 요소가 풍황인데, '풍황'이란 풍력자원 현황의 줄임말로, 풍황을 나타낼 때에는 연평균풍속, 풍력에너지 밀도, 주풍향, 풍속분포 등을 표시하고, 풍력발전기를 설치하는데 적절한 지역 선택과, 특정 장소에 적합한 발전기의 용량 선정시 중요한 자료로 사용되고 있다. 세계적으로 현재 설치되고 있는 풍력발전의 90% 이상이 낮은 풍황지역임을 고려할 때, 저풍황에서도 출력회수가 가능한 풍력발전을 위해서는 블레이드를 높게 하고 회전직경을 작게 하여 높은 TSR(풍차 회전속도)을 유도하여 CP(효율계수)를 극대화하기 위한 기술의 출현이 절실하다고 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 풍력발전장치를 설치하는 기둥에 블레이드 회전자를 직접 장착하여 기둥을 회전축 대용으로 사용함으로써, 축의 높이를 높게 해서 회전직경이 적으면서 높이가 높은 블레이드 장착이 가능하여 저풍황에서도 고효율 발전으로 높은 출력을 얻을 수 있는 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위해 본 발명에 따른 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치는, 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole); 상기 지주의 상단부에 상하방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 한쌍의 아암홀더; 상기 한쌍의 아암홀더 사이에 설치되는 발전기; 상기 한쌍의 아암홀더 하부에 위치하며, 상기 지주의 외주면에 등간격으로 고정 설치되는 슬리브(sleeve); 상기 각 슬리브의 외주면에 장착되는 볼베어링; 상기 볼베어링이 장착된 베어링하우징의 베어링커버와 상기 아암홀더에 일단(一端)이 각각 고정되고, 타단에는 블레이드삽입홀이 형성된 아암(arm); 상하로 위치하는 상기 아암의 블레이드삽입홀을 관통하여 삽입 고정되는 블레이드를 포함하여 구성되고, 동일 높이에 위치하게 되는 아암은 방사상으로 2∼5개가 설치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 한쌍의 아암홀더와, 아암홀더의 하부에 설치된 아암을 모두 관통하는 회전밸런스봉이 더 설치되어 블레이드 회전시 진동 발생을 최대한 방지해 주도록 한다.

바람직하게는, 각 슬리브의 하단부분에는 윤활유 누설받이 홈을 돌출되게 형성하여, 상부에 장착된 베어링으로부터 누설될 수도 있는 윤활유가 지주 외부로 누유되지 않도록 받아준다.

상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치는, 풍력발전장치를 설치하는 기둥에 블레이드 회전자를 직접 장착하여 기둥을 회전축 대용으로 사용한 것이기 때문에 축길이와 크기를 대형화 할 수 있어서, 회전직경이 적으면서 높이가 높은 블레이드 장착이 가능하여 저풍황에서도 높은 출력을 얻을 수 있고, 또한, 축이 회전하지 않고 고정되어 있으므로 축회전으로 인한 축진동이 발생하지 않기 때문에 안정적인 블레이드 회전이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치가 설치된 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 지주에 블레이드를 장착하는 구조를 설명하기 위한 일부 확대도이다.
도 4는 지주의 상단에 설치되는 아암홀더와 아암이 장착된 평면도이다.

본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 가장 큰 기술적 특징은, 저풍황에서도 출력 회수가 가능한 회전직경이 적으면서 높이가 높은 블레이드 장착을 위해 별도의 블레이드 회전자를 사용하지 않고 풍력발전장치를 설치하는 기둥(pole)을 회전축 대용으로 사용함으로써 저풍속에서도 고효율의 출력을 얻을 수 있게 했다는 점이다.

본 발명의 수직축 풍력발전장치는 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole)(10)와, 지주(10)의 상단에 설치되는 발전기(40)와, 지주(10)의 외주면에 상하방향으로 등간격으로 복수개 장착되며 베어링과 아암(36)을 구비하는 블레이드 장착부(30)와, 아암(36)의 선단에 장착되는 블레이드(20)를 기본적인 구성으로 구비한다.

본 발명은 별도의 회전축을 사용하지 않고, 지면에 고정설치된 지주(10)를 회전축 대용으로 사용하기 때문에 블레이드(20) 회전시 축이 회전하지 않고 고정되어 있으므로 축회전으로 인한 축진동이 발생하지 않기 때문에 블레이드(20)의 높이가 높더라도 안정적인 블레이드 회전이 가능하다. 따라서 회전직경이 적으면서 높이가 높은 블레이드 장착이 가능하여 저풍황에서도 높은 출력을 얻을 수 있다.

아암홀더(38)는 판상(板狀)의 부재로, 지주(10)의 상단부 즉 상단과 그 하단에 상하방향으로 일정 간격을 두고 한쌍이 설치되는데, 한쌍의 아암홀더(38) 사이에는 발전기(40)가 결합되어 위치하게 되며, 아암홀더(38)의 형상은 원형이어도 상관은 없으나 아암(36)의 개수에 맞는 다각 형상 또는 원형에 방사상으로 돌출 형성된 돌출부를 갖는 형상이다.

슬리브(sleeve)(31)는 아암홀더(38) 하부에 위치하는데, 지주(10)의 외주면에 등간격으로 2∼5개가 고정 설치된다. 슬리브(31)는 지주(10)의 외주면에 끼워맞춤 되어 슬리브(31)에 형성한 탭홀(31a)을 통해 볼트로 지주(31)에 고정 설치한다. 이때 슬리브(31) 내경과 지주(10)의 외주면은 미끄럼 끼워맞춤(slide fit) 이하의 공차를 갖도록 가공하여 노치효과(notch effect)를 최소화 하는 것이 바람직하다. 또한, 탭홀(31a)을 형성하지 않고 슬리브(31)를 지주(10)에 용접하여 일체로 고정 결합할 수도 있다. 슬리브(31)의 하단부분에는 윤활유 누설받이 홈(32)을 돌출되게 형성하여 그 상부에 위치하는 베어링으로부터 누유 될 수도 있는 윤활유가 지주(10) 외부로 누유되지 않도록 받쳐 주는 것이 바람직하다.

윤활유 누설받이 홈(32) 상부에는 베어링고정턱(32)이 슬리브(31)의 외주면에 고정 설치되어 베어링의 내륜 역할을 하게 되며, 베어링고정턱(32)의 외측으로는 외륜(도면부호 미지정)이 설치되어 이들이 베어링하우징 역할을 하고, 내륜과 외륜 사이에는 볼베어링(34)이 위치하게 되며, 외륜의 외측과 상부에는 베어링커버(35)가 장착된다(도 3 참조).

아암(arm)(36)은 일단(一端)이 베어링커버(35) 고정 결합되고 타단에는 블레이드삽입홀(36a)이 형성되어 있어서 블레이드(20)가 관통 삽입되게 된다. 한편, 지주(10)의 상단부에서는 아암(36)의 일단이 아암홀더(38)에 고정 결합되게 된다. 블레이드(20)는 아암홀더(38)에 고정 결합된 아암과 베어링커버(35)에 고정 결합된 아암 모두를 관통하여 고정 설치되게 되며, 동일 높이에 위치하게 되는 아암은 방사상으로 2∼5개를 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 풍력발전장치는 블레이드(20)의 길이를 길 뿐만 아니라 발전기(40) 내부에 위치하는 발전기 축에 결합된 베어링과 지주(10)에 장착된 베어링은 각각 다른 마찰 계수를 가지므로 회전운동시 필연적으로 불균형(unbalance)이 발생하게 되므로 이를 균등화시켜 주기 위해 로드(rod) 형상의 회전밸런스봉(37)을 삽입했다는 것이 구성적 특징중 하나이다.

회전밸런스봉(37)은 아암홀더(38) 또는 베어링커버(35)에 고정 설치된 아암(36) 모두를 관통하여 상하방향으로 삽입되는데, 이와 같이 회전밸런스봉(37)이 삽입되어 상하로 아암(6)을 일체화시켜 주기 때문에 블레이드 회전시 불균형이 방지되게 된다. 회전밸런스봉(37)은 회전밸런스봉 고정슬리브(37a)을 통해 아암(36)에 고정되게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 지주(pole)
20 : 블레이드
30 : 블레이드 장착부 31 : 슬리브(sleeve)
32 : 윤활유 누설받이 홈 33 : 베어링고정턱
34 : 볼베어링 35 : 베어링커버
36 : 아암(arm) 37 : 회전밸런스봉
38 : 아암 홀더(arm holder)
40 : 발전기

Claims (3)

1. 하단이 지면에 고정 설치되는 파이프 형상의 지주(pole);
   상기 지주의 상단부에 상하방향으로 일정 간격을 두고 설치되는 한쌍의 아암홀더;
   상기 한쌍의 아암홀더 사이에 설치되는 발전기;
   상기 한쌍의 아암홀더 하부에 위치하며, 상기 지주의 외주면에 등간격으로 고정 설치되는 슬리브(sleeve);
   상기 각 슬리브의 외주면에 장착되는 볼베어링;
   상기 볼베어링이 장착된 베어링하우징의 베어링커버와 상기 아암홀더에 일단(一端)이 각각 고정되고, 타단에는 블레이드삽입홀이 형성된 아암(arm);
   상하로 위치하는 상기 아암의 블레이드삽입홀을 관통하여 삽입 고정되는 블레이드;
   를 포함하여 구성되고, 동일 높이에 위치하게 되는 아암은 방사상으로 2∼5개가 설치되는 것을 특징으로 하는 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 한쌍의 아암홀더와, 상기 아암홀더의 하부에 설치된 아암을 모두 관통하는 회전밸런스봉이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 슬리브의 하단부분에는 윤활유 누설받이 홈이 돌출되게 형성되어 있는것을 특징으로 하는 저풍황에서 고효율 발전이 가능한 수직축 풍력발전장치.

Images