KR20020005524A - 통풍홈을 가진 반관형 수직축 풍력회전날개 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축이 지면과 수직을 이루는 수직축 풍력 발전기의 회전장치로 이용 할 수 있는 풍력회전날개(Wind Turbine Blade)의 형상에 관한 것으로, 물체를 바람의 흐름 방향으로 떠밀어 보내려고 하는 힘(항력)을 이용해 회전력을 얻도록 한 것이다.

대표도에서와 같이 풍력회전날개(11), (12)의 형상을 한쪽은 항력계수가 크고, 반대쪽은 항력계수가 작은 반관형(Half Tube Shape)의 형상으로 하여 회전축(15)을 중심으로 단면형상이 서로 반대로 되도록 하므로 양 회전날개의 항력의 차이가 최대로 되게 하여 회전 토르크(Torque)를 크게 하므로 고효율의 회전력을 얻도록 하였고, 회전시 공기저항이 최대인 위치에 바람이 일부 흘러가도록 뒷면이 경사진 통풍홈(31)을 만들어 양날개의 항력차이를 증가시키고, 공기의 흐름을 원활히 하여 회전방향 반대쪽에 발생하는 와류(소용돌이)현상과 순간 진공현상을 제거하므로 회전토르크를 최대화 하였고, 한단 아래부분에 서로 직교하는 풍력회전날개(13), (14)와 90°간격으로 교대로 최대항력을 받도록 하므로 회전운동이 원활히 이루어지도록 하여, 수직축 풍력발전기의 고효율 회전장치로 이용할 수 있는 "통풍홈을 가진 반관형 수직축 풍력회전날개"에 관한 것이다.

Description

통풍홈을 가진 반관형 수직축 풍력회전날개{Half Tube Shaped Vertical Axis Wind Turbine Blade with Vent Groove}

본 발명은 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력기의 회전토르크를 최대화 하여 풍력발전기에 이용할 수 있도록 고안한 수직축 풍력회전날개의 형상에 관한 것이다.

종래의 풍력을 이용한 풍력발전기는 수평축 풍력회전날개 방식(Horizontal Axis Wind Turbine)과 수직축 풍력회전날개 방식(Vertical Axis Wind Turbine)이 있는데 이들은 각각 장단점이 있다. 수평형은 공기 역학적으로 바람의 양력을 이용한 풍력회전날개로 발전 효율은 높으나 바람이 부는 방향에 따라 회전날개의 방향을 바꾸어 주어야 하는 장치와 바람의 세기에 따라 회전날개의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하며, 대용량의 경우 강한 바람에 기구의 파손위험이 있으므로 크기에 제한을 받고 있지만 현재 실용화되고 있는 풍력발전기는 대부분 이 방식을 쓰고 있다.

그리고 수직형의 대표적인 다리우스식(Darrius Rotor)은 공기역학적으로 바람의 양력을 이용한 풍력회전날개로 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조회전동력장치가 필요하며 수평형보다 효율이 떨어지므로 실용화가 활발히 이루어지지 않고 있다. 또한 수직형의 사보니우스식(Savonius Rotor)은 공기역학적으로 항력(Drag Force)을 이용한 풍력회전날개로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받음으로 주로 회전수가 낮은 풍력동력기로 활욜되고 있으며 변속기로 회전수를 높이기 위하여 높은 토르크를 요하므로 소형풍력발전기에만 일부 적용되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 회전효율이 낮아 실용화가 활발히 이루어지지 않고 있는 수직축 풍력발전기의 회전날개의 형상을 한쪽 면은 항력계수를 크게 하고 반대쪽 면은 항력계수를 최소화하여 회전축을 중심으로 서로 반대방향의 위치에 있을 때 일정방향의 풍력에 대하여 항력의 차이가 최대로 되어 축을 중심으로 회전토르크가 최대로 되도록 풍력회전날개 형상을 반관형으로 설계하고, 회전시 회전방향과 반대방향으로 작용하는 항력(Drag Force)을 줄이기 위하여 회전날개의 최대저항면에 바람이 일부 흘러 들어가도록 통품홈을 만들어 와류현상과 진공구역을 해소시켜 회전토르크를 최대한 높여주도록 홈의 크기 및 뒷면의 경사각도를 최적조건으로 구성하여, 수직축 풍력발전기에 실제 실용적으로 이용할 수 있는 풍력회전날개를 제시하는 것이다.

도 1은 발명의 실시예를 도시하는 사시도

도 2는 회전날개의 부분단면도를 포함하는 평면도

도 3은 회전날개의 부분단면도

도 4a는 회전날개(11)에서의 유체의 흐름도

도 4b는 회전날개(12)에서의 유체의 흐름도

도 5는 회전날개의 속도 증가시 회전방향 후면에 형성되는 순간진공영역에서의

유체의 흐름도

도 6은 통풍홈을 가진 반구의 입면도 및 단면도

<주요부분의 부호에 대한 설명>

11,12,13,14 : 회전날개

15 : 회전축

21 : 바람이 부는 방향

22 : 시계방향

31 : 통풍홈

51 : 회전 진행방향

(도 1)에서 회전날개(11)과 회전날개(12)는 통풍홈(31)을 가진 반관형(Half Tube Shaped)으로 동일형상이며 회전축을 중심으로 단면형상이 서로 반대로 되도록 지면과 수직인 회전축(15)에 고정 체결구로 결합되어있고, 한단 아래부분에 회전날개(11), (12)와 직교하는 회전날개(13), (14)가 같은 방법으로 회전축(15)에 결합되어 있다.

(도 2)에서 풍력이 일정방향(21)에서 회전날개에 작용할 때 회전날개(11)이 받는 항력(D₁)은 회전날개(12)가 받는 항력(D₂)보다 아래식에서와 같이 약 2배 정도 크게 되므로 항력의 차이에 의해 회전토르크가 발생하여 회전날개는 시계방향(22)으로 회전하게된다.

D₁= ½C₁ρ₁Av² ‥‥‥‥ ①

D₂= ½C₂ρ₂Av² ‥‥‥‥ ②

D : 항력 (Drag Force)

ρ: 공기밀도 ( ρ₁≥ρ₂)

A : 풍향면적 (풍력을 받는 면의 투영면적)

V : 풍속

C : 항력계수

(레이놀즈계수 ≥1000일때 : C₁= 2.30)

(레이놀즈계수 ≥1000일때 : C₂= 1.20)

위 각항을 식 ①, ②에 대입하면

D₁≥1.9D₂

회전날개의 바람을 받는 단면이 (도 2)와 같이 바람방향(21)과 수직으로 되면 회전날개(11)의 항력은 최대가 되고, 회전날개가 회전하여 풍향과 평행이 되어 항력이 최소가 되면 서로 직교하며 한단 아래부분에 있는 회전날개(13)의 항력이 최대가 되어 회전력이 계속 발생하므로 원활한 회전운동을 하게된다.

회전날개의 공기저항이 최대인 위치에 (도 3)과 같이 바람이 일부 통과하도록 뒷면의 만남각이 일정한 각도법위(60°∼ 80°)를 갖는 통풍홈(31)을 만들어, 한쪽날개(11)에서는 (도 4a)에서와 같이 흘러들어간 바람이 양방향에서 경사면을 따라 되돌아 나오면서 서로 충돌하면서 만든 공기층의 벽면 효과로 바람이 통풍홈(31)을 거의 통과할 수 없게 되어 통풍홈에 의한 투영면적 감소 만큼의 항력감소가 없는 반면, 반대쪽 회전날개(12) 에서는 (도 4b)와 같이 바람이 통풍홈(31)을 쉽게 통과하게 되므로 통풍홈의 투영면적 감소만큼의 항력이 감소되므로, 양 회전날개의 항력차이는 그 만큼 많아져 회전토르크도 비례해서 증가하게 된다.

회전날개가 회전하게 되면 회전방향과 반대방향으로 회전체를 끌어당기는 항력이 발생하는데 통풍홈(31)으로 공기가 흘러들어가므로 공기의 흐름이 원활히 되어 회전방향 반대쪽의 와류(소용돌이)현상을 제거하므로 회전력 저하를 막아주고,

또한 회전날개의 회전속도가 빨라지면 회전방향 후면에 순간적인 진공현상이 생겨 회전력을 저하시키는 항력이 발생하는데 (도 5)처럼 통풍홈(31)으로 공기가 흘러들어가므로 진공효과로 인한 순간진공영역(52)을 해소시켜 회전력 저하를 막아주어 회전효율을 향상시키므로,

수직축 풍력발전기의 고효율 회전장치로 이용할 수 있도록 구성하였다.

본 발명은 회전력을 얻을 수 있는 풍력회전날개의 형상이 간단하고 제작이 용이함으로 대용량 발전기의 설계가 가능하며 회전토르크를 최대한 높일 수 있어 전체 설치비용이 낮아지고 최종적으로 발전단가를 낮출 수 있음으로 실용화를 확대시킬 수있다. 풍력발전기의 경제성이 높아짐에 따라 도서지방의 전력공급원, 해안지방의 발전단지조성 등 대체 에너지의 확대공급이 가능 할 것이며 무공해 에너지원으로 환경보호에도 큰 도움을 줄 것이다.

그리고 기존 설치된 다리우스식 발전기의 축 부분에 본 발명품을 추가 설치하므로(기존축에 간단히 부착) 발전효율을 높이고 일부 비경제성으로 가동되지 않고 있는 다리우스식 발전기도 다시 가동시킬 수 있을 것이다.

또한 기존 사보니우스식 발전기의 상부에도 본 발명품을 추가 설치하므로(기존축을 연장하여 간단히 부착) 발전단가를 낮추는 효과를 기대할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 수직축 풍력발전기의 회전장치로 이용할 수 있는 풍력회전날개의 형상으로, 한면은 항력계수가 크고 반대면은 항력계수가 작은 (도 1)과 같은 반관형 풍력회전날개
2. 청구항 1에 있어서 풍력에 의한 와류 현상과 가속시 순간진공현상을 제거하여 항력을 최소화 하기 위해 만든 (도 3)과 같은 통풍홈
3. 청구항 2에 있어서 (도 4a)와같이 회전날개에 흘러들어간 바람이 양방향에서 경사면을 따라 되돌아 나와 서로 부딪치면서 만들어진 공기층이 통풍홈으로 바람이 통과하는 것을 막아 항력을 더욱 증가시키기 위하여 만든 (도 3)과 같은 퉁풍홈 뒷면의 만남각이 60°~ 80°범위인 경사면