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KR101488220B1 - 풍력, 수력 및 조력발전터빈의 효율 개선장치 - Google Patents

풍력, 수력 및 조력발전터빈의 효율 개선장치 Download PDF

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KR101488220B1
KR101488220B1 KR20120153312A KR20120153312A KR101488220B1 KR 101488220 B1 KR101488220 B1 KR 101488220B1 KR 20120153312 A KR20120153312 A KR 20120153312A KR 20120153312 A KR20120153312 A KR 20120153312A KR 101488220 B1 KR101488220 B1 KR 101488220B1
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김공배
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(주)이지테크
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Abstract

본 발명은 바람을 이용하는 풍력과 물흐름을 이용하는 수력 그리고 조수간만(潮水干滿)의 차로 발생되는 에너지를 기계 에너지로 변환시켜 발전하는 조력 발전[潮力發電]등을 포함한 에너지를 이용 동력을 발생시키는 터빈(turbine)발전시스템에 관한 것으로써, 좀 더 구체적으로는 수직축에 복수개의 블레이드를 구성하는 터빈장치를 구성하되, 상기 복수개의 블레이드 회전에서의 역풍과 저항 및 블레이드 사이에서 형성되는 공기 압과 삼차원 와류현상을 방지하도록 함으로서 블레이드에 연속적이고 가속된 풍향을 제공과 함께 회전방향으로의 유로형성이 원활하여 회전력 가속으로 터빈의 효율을 크게 증대할 수 있도록 한 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치를 제공하려는 것이다.
이러한 본 발명은 블레이드(120)가 받는 저항 공기압을 제거하고 외부공기의 순환을 촉진시키고 또한 블레이드(120)와 가이드부재(141)사이로 형성된 진공 공간에 외부 공기를 신속히 제공함과 함께 제거하여 유입되는 공기와의 충돌로 형성되는 삼차원 와류현상을 방지하도록 함으로 회전 블레이드(120)가 저항 없이 고속으로 회전되는 속도와 회전력을 얻을 수 있도록 함과,
상기 가이드부재(141)에 구성되는 날개노즐(150)로 역풍이 블레이드(120)에서 발생되는 저항공기압, 역풍 및 삼차원와류를 제거하도록 함으로서 블레이드(120)가 빠르고 강한 회전력을 제공할 수 있어 소형의 터빈발전장치를 제공할 수 있음과,
구성이 간단하고 소음이 적어 공원, 건축물등 인구 밀접지역에 설치되어 보다 효과적인 발전시스템을 제공하는 효과를 발휘하는 것이다.

Description

풍력, 수력 및 조력발전터빈의 효율 개선장치{Wind, hydro and tidal power turbine to improve the efficiency of the device}
본 발명은 바람을 이용하는 풍력과 물흐름을 이용하는 수력 그리고 조수간만(潮水干滿)의 차로 발생되는 에너지를 기계 에너지로 변환시켜 발전하는 조력 발전[潮力發電]등을 포함한 에너지를 이용 동력을 발생시키는 터빈(turbine)발전시스템에 관한 것으로써, 좀 더 구체적으로는 수직축에 복수개의 블레이드를 구성하는 터빈장치를 구성하되, 상기 복수개의 블레이드 회전에서의 역풍과 저항 및 블레이드 사이에서 형성되는 공기압과 삼차원 와류현상을 방지하도록 함으로서 블레이드에 연속적이고 가속된 풍향을 제공하여 회전방향으로의 유로형성이 원활하여 회전력 가속으로 터빈의 효율을 크게 증대할 수 있도록 한 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치에 관한 것이다.
풍력, 수력발전시스템은 자연의 바람 에너지, 또는 강이나, 바다의 조수간만(潮水干滿)의 차로 이동하는 물의 흐름에너지를 기계 에너지로 변환시켜 발전하는 조력 발전[潮力發電]등을 말한다.
이러한 발전시스템은 바람이 많이 부는 장소, 또는 물흐름이 많은 장소(이하 바람으로 통칭함)에 설치하여 바람의 힘을 이용하는 회전되는 풍차(windmill)형태의 로터(rotor)와 상기 풍차가 수직으로 구성되고 판재형 또는 에어포일(airfoil)형태로 구성되는 블레이드(main blade)로 구성되는 터빈을 회전하도록 함과 이러한 회전 동력을 이용하여 전기를 발생하도록 하는 것이다.
상기 발전시스템은 바람의 힘에 의해 회전하는 복수개의 회전날개가 방사상형태로 결합된 형태의 포터와 또는 바람과의 접촉면을 넓히고 더 효과적인 동력을 얻을 수 있도록 개선으로 복수개의 블레이드가 결합된 형태 등 다양한 형태로 이루워지고 있으나, 최근에는 로터형 보다 효율성이 향상되는 블레이드형이 많이 이용되고 있는 실정이다.
상기 수직축형 풍차로 구성되는 블레이드에서는, 바람 방향에 영향을 받지 않고, 정적성(靜寂性)이 우수하며, 도시 경관과 어울리는 효과로 도시주변 또는 도시의 건축물 등 다양한 장소와 형태로 구성할 수 있는 특징이 발휘되면서 도시형 발전시스템으로 주목받고 있다.
이러한 수직축형 블레이드는 패들형이나 사보니우스형과 같이 블레이드에 발생하는 항력(抗力)으로 풍차를 회전시키는 항력형과, 다리우스형이나 자이로밀형 등과 같이 블레이드에 발생하는 양력(揚力)으로 풍차를 회전시키는 양력형이 있고 이러한효율을 높이기 위하여 블레이드의 구성과 형상 모양의 변형형등 다양한 형상으로 구성되고 있다.
그런데, 수직축형이고 항력형인 풍차의 경우, 주속비(周速比)(블레이드의 날개 끝 속도/풍속)가 1이 되면 풍차를 회전시키는 것 이상의 모멘트는 발생하지 않아, 이 때문에 풍속이 커져도 그 이상의 회전수를 얻을 수 없어, 높은 풍속하에서는 발전 효율이 낮다는 문제가 있었다. 또한, 수직축형인 양력형의 경우에는, 주속비가 1보다 큰 상황하에서의 공력(空力)특성이 좋고 발전 효율은 향상하지만, 주속비가 1 이하에서는 풍차의 공력특성이 나쁘고 풍차를 회전시키는 회전 모멘트가 작아져 발전 효율이 낮아질 뿐 아니라, 약풍하에서의 공력특성이 나쁘기 때문에 정지상태에서의 기동(起動)을 위해서는 별도의 동력을 필요로 한다는 문제가 있음으로 이 문제를 개선하기 위하여 대한민국 공개특허 제10-2009-0107050호에서는 블레이드의 전부 블레이드와 후부 블레이드의 분할부는, 블레이드의 익현(翼弦) 길이에 대해 전부 블레이드의 전연(前緣, 앞쪽 가장자리)으로부터 50~70% 후연측으로 구성시켜 상기한 문제를 개선하고 있다.
즉, 블레이드를 밀어주는 바람이 터빈의 상, 하부 및 후방으로 채 완전히 빠져나가지 못한 상태에서 바람이 다시 블레이드로 유입됨에 따라 각 블레이드 사이에는 남아 있는 바람과 유입되는 바람이 서로 충돌하면서 각 블레이드 사이에서 삼차원 와류현상이 발생되고 이들은 출력을 감소시킴은 물론 수직축 발전시스템의 효율 및 성능이 저하시키게 되는 문제를 발생하게 된다.
이와 같이 효율(Efficiency)감쇄를 방지하기 위한 선행기술로 특허 제10-1058712호 및 등록특허 제10-0895038호에는 블레이드 형상에 변형된 날개로 구성하여 순풍향에 대응하는 역방향 회전날개에 바람이 입사되는 것을 차단 또는 정방향 회전력만이 가해지도록 안내날개를 구성하고 있으나, 이와 같이 블레이드의 형상 모양만을 변형하는 경우에도 역방향 회전날개에 바람이 입사되는 것을 차단할 수 없고 또한 순풍바람이 완전히 빠져나가지 못하고 각 블레이드 사이에 남아 유입되는 바람과의 충돌로 형성되는 삼차원 와류현상을 방지할 수 없는 단점이 개선되지 못하고 있는 것이다.
상기와 같은 문제를 개선하기 위한 특허 등록 제10-0776319호에는 회전축에 블레이드를 구비함과 함께 이 블레이드가 감싸지는 케이스내로 순풍력을 안내하기 위한 인렛 가이드부를 구성하여 순풍력이 블레이드에 제공되며 사용후 배기되는 풍력을 빠르게 배출하기 위한 아웃렛 가이드부를 구비하여 빠른 배출로 블레이드 사이에 잔여 바람을 최소화함으로서 유입되는 바람과의 충돌로 형성되는 삼차원 와류현상을 방지하도록 하였다.
또한 공개특허 제 10-2012-0114702호는 블레이드를 감싼 케이스와 바람의 방향에 따라 이동하는 방향타를 구비하고 공개특허 제 10-2011-0113290호, 등록특허 제 10-1058712호 및 등록특허 제 10-1058712호와 등록특허 제 10-0895038호에서는 순풍을 안내하는 입기부와 방향타 그리고 배기공기를 보다 쉽게 배출되도록하는 아웃렛 가이드부가 구성되는 선행기술을 볼수 있으나, 이러한 선행기술에서의 순풍력을 안내하기 위한 인렛 가이드부와 배기되는 풍력을 빠르게 배출하기 위한 아웃렛 가이드부로 순풍을 안내하고 빠른 배출을 이룸으로서 블레이드의 회전력을 높일 수 있다는 이론이 성립될 수 있으나, 각각의 블레이드 사이에 잔여된 공기압력을 배재할 수 없고 또한 이러한 잔여공기가 새로 유입되는 바람과의 충돌로 형성되는 삼차원 와류현상을 방지할 수 없기 때문에 상기 선행발명들에서의 효과는 기대이하 또는 성능개선으로 볼 수 없는 문제가 있는 것이다.
특히 상기한 선등록 등록특허 제 10-0776319호에서의 케이스내에 가이드부재를 더 부가시켜 역회전되는 역풍을 최소화하려는 구성을 가지고 있으나, 이러한 구성은 역풍을 일부 감소시키는 정도에 불과하고 특히 블레이드 사이에서 형성되는 공기 압과 삼차원 와류현상을 방지하지 못함으로서 블레이드의 회전성을 크게 저해하게 됨을 고려하지 못하는 것이다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0107050호 대한민국 특허 제10-0776319호 대한민국 특허 제10-1058712호 대한민국 특허 제10-0895038호 대한민국 공개특허 제 10-2012-0114702호 대한민국 공개특허 제 10-2011-0113290호,
본 발명은 수직축에 구성되는 블레이드를 이용하는 터빈장치를 풍력과 수력 및 조력발전용 터빈장치로 이용하도록 하되, 상기 터빈장치의 블레이드가 받은 공기 저항과, 역풍 및 회전 블레이드로 생성되는 삼차원 와류를 제거하도록 함으로서 회전되는 블레이드의 속도와 회전력을 향상시키도록 하는 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치를 제공하려는 것이다.
풍력과 수력 및 조력을 이용하는 터빈발전장치로 소형구성이 용이한 수직축 터빈형 발전장치는 양력과 항력을 이용하도록 하되 양력과 항력이 우수한 블레이드를 에어포일(airfoil)형태로 구성하고 있다,
이러한 에어포일(airfoil)형태의 블레이드는 순풍과 역풍이 형성되고 이때의 역풍측에서의 저항 공기압과 역풍 및 복수개의 블레이드 사이에서 발생되는 삼차원와류등에 의한 저항으로 블레이드의 회전력과 속도를 약화시키게 됨으로 그 출력을 크게 저해함으로 충분한 전력생산이 어렵고 또한 소형화 및 자유로운 설치장소를 선택할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제를 개선하기 위하여 수직축 터빈발전장치로서 효율을 증대함과 함께 풍향에 관계없이 작동이 가능하며, 블레이드의 회전으로 발생되는 저항 공기압, 역풍 및 복수개의 블레이드 사이에서 발생하는 삼차원와류현상을 제거하여 블레이드의 회전속도와 회전력을 상승시켜 출력을 증대하고 소음감소 및 소형장치로 구성되어 인구 밀집지역에 적용이 유리한 특징을 발휘 및 수직축 발전장치의 낮은 효율을 획기적으로 개선함과 함께 풍력, 수력, 조력에 적용되는 수직축 터빈발전장치를 제공하려는 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 본 발명은 지면으로부터 수직 구성되는 회전축(110)과 이 회전축(110)과 수평되고 에어포일(airfoil)형태로 구성되는 복수개의 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100)로 구성하되,
상기 회전축(110)에 자유로운 회전상태로 힌지구성되는 힌지부(210)에 장착되는 지지체(140)와
상기 지지체(140)로부터 상기 블레이드(120)의 역풍측(131)이 감싸지게 활형으로 구성되는 에어포일(airfoil)형태의 상하 가이드부재(141),
상기 상하로 구성되는 가이드부재(141)의 앞쪽에 구성된 풍향분할부재(142)에 의해 순풍과 역풍을 분리시키고, 상기에서 분리된 순풍 바람은 순풍측(130) 블레이드(120)와 역풍 바람은 역풍측(131)은 가이드부재(141)로 안내되도록 한 에어포일(airfoil)형태로 흐름을 유도하는 풍향분할부재(142),
상기 상하 가이드부재(141)의 끝단에는 풍향에 따라 상기 가이드부재(141)를 바람의 진행방향으로 전환시키기 위한 방향타(143)를 구성함과 함께,
상기 상하 가이드부재(141)에 고정되고 블레이드(120)의 회전으로 생성되는 역풍측(131)에 의한 저항 공기압과 역풍 및 삼차원 와류 공기를 드라발(DeLaval)효과로 배출을 극대화시키기 위한 일정한 간격으로 구성되는 복수개의 날개노즐(150)로 구성함으로 상기 날개노즐(150)은 가이드부재(141)와 블레이드(120) 사이 내측에 형성되는 저항 압축공기와 역풍 및 삼차원 와류를 에어포일(airfoil)작용으로 고속이송되는 바람에 의해 블레이드(120) 외측에 형성되는 저항 압축공기를 함께 흡기시켜 빠르게 배출할 수 있도록 드라발(DeLaval)현상을 유도하는 날개노즐(150)로 구성되되, 만곡절곡형과 각진 절곡 또는 판형 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 풍향의 변화가 심하고 풍속이 느린 지역에서도 터빈(100)의 원활한 회전으로 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통한 전력 생산이 효율적으로 이루어지도록 한 수직축 발전 시스템과 블레이드(120)구조에서 특히, 블레이드(120)가 받는 저항 공기압을 제거하고 외부공기의 순환을 촉진시키고 또한 블레이드(120)와 가이드부재(141)사이로 형성된 진공 공간에 외부 공기를 신속히 제공함과 함께 제거하여 유입되는 공기와의 충돌로 형성되는 삼차원 와류현상을 방지하도록 함으로 회전 블레이드(120)가 저항 없이 고속으로 회전되는 속도와 회전력을 얻을 수 있도록 함과,
상기 가이드부재(141)에 구성되는 날개노즐(150)로 역풍이 블레이드(120)에서 발생되는 저항공기압, 역풍 및 삼차원와류를 제거하도록 함으로서 블레이드(120)가 빠르고 강한 회전력을 제공할 수 있어 소형의 터빈발전장치를 제공할 수 있음과,
구성이 간단하고 소음이 적어 공원, 건축물등 인구 밀접지역에 설치되어 보다 효과적인 발전시스템을 제공하는 효과를 발휘하는 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명 도 1의 일부를 절개한 정면도.
도 3은 본 발명의 실시예를 도시한 평단면도.
도 4는 본 발명의 실시예로 풍향에 따른 가이드부재의 설명도.
도 5는 본 발명에 적용되는 날개노즐의 형상 예시설명도.
도 6은 종래 수직축 블레이드 발전시스템에서의 공기 흐름에 대한 설명도.
본 발명의 상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치는 수직축 방식의 풍력과 수력 및 조력발전 터빈장치에 각기 적용됨은 물론이다,
이러한 본 발명은 블레이드가 받은 풍향(風向) 중 블레이드를 밀어내어 블레이드를 회전시킬 수 있는 순풍향과 블레이드가 회전되면서 받는 역풍향과 저항 및 복수개의 블레이드 사이에서 형성되는 공기압과 삼차원 와류현상을 방지하여 블레이드의 회전성을 향상함과 함께,
상기 블레이드로 전가되는 역풍과 공기압 및 삼차원 와류를 역풍향에 의해 흡기시켜 배기하도록 함으로서 블레이드의 회전성을 크게 향상하고 소음감소 및 발전에 소요되는 동력을 더 효과적으로 생성할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명을 첨부 도면을 참조하여 바람직한 실시상태의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
지면으로부터 수직 구성되는 회전축(110)과 이 회전축(110)과 수평되고 에어포일(airfoil)형태로 구성되는 복수개의 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100)를 구성함과 함께,
상기 회전축(110)에 자유로운 회전상태가 유지되도록 힌지구성되는 힌지부(210)를 구성시켜 상기 블레이드(120)를 기점으로 하여 블레이드(120)을 회전시키는 순풍측(130)과 회전되는 블레이드(120)가 받는 저항부 역풍측(131)을 분활되도록 설정된 각으로 상기 회전축(110)에 힌지된 힌지부(210)에 장착되는 지지체(140)와
상기 지지체(140)로부터 상기 블레이드(120)의 역풍측(131)이 감싸지게 활형으로 구성되는 에어포일(airfoil)형태의 가이드부재(141)를 상하로 구성함과,
상기 상하로 구성되는 가이드부재(141)의 앞쪽에는 순풍과 역풍을 분리시키고 바람이 순풍측(130) 블레이드(120)와 가이드부재(141)외측을 따라 역풍이 에어포일(airfoil)형태로 흐름을 유도하는 풍향분할부재(142),
그리고 상기 상하 가이드부재(141)의 끝단에는 풍향에 따라 상기 가이드부재(141)를 바람의 진행방향으로 전환시키기 위한 방향타(143)를 구성하고,
상기 상하 가이드부재(141)에 고정되고 블레이드(120)의 회전으로 생성되는 역풍측(131)에 생성되는 공기압과 역풍 및 삼차원 와류의 공기를 드라발(DeLaval)효과로 배출을 극대화시키기 위한 복수개의 날개노즐(150)을 일정한 간격으로 구성된다.
이러한 상기 날개노즐(150)은 도 5에서 도시한바와 같이 상기 가이드부재(141)의 외측으로 흐르는 공기의 풍력으로 가이드부재(141)와 블레이드(120) 사이 내측에 형성되는 저항 압축공기와 역풍 및 삼차원 와류를 에어포일(airfoil)작용으로 고속이송되는 바람에 의해 상기 저항 압축공기를 함께 흡기시켜 빠르게 배출할 수 있도록 드라발(DeLaval)현상을 유도하는 날개노즐(150)을 구성함으로 상기 회전되는 블레이드(120)로부터 생성되는 압축공기와 역풍 및 삼차원와류를 신속하게 대량으로 배출시켜 제거함으로 블레이드(120)가 받는 저항력을 최소화시키고 회전력을 향상하게 됨과 함께 상기 가이드부재(141)와 블레이드(120) 사이의 저항공기가 제거되면서 형성되는 진공에 의한 외부공기의 흡입으로 상기한 블레이드(120)의 회전 및 가속도를 증가시키게 되는 것이다.
이러한 날개노즐(150)은 가이드부재(141)외주면을 따라 흐르는 공기가 에어포일(airfoil)현상으로 고속 이송되면서 날개노즐(150)을 지날때 드라발(DeLaval)현상을 촉진하게 되고 이러한 현상에 의해 상기 공기는 날개노즐(150)내측의 공기를 함께 흡기하여 이송함으로서 상기와 같이 가이드부재(141)와 블레이드(120) 사이로 형성되는 저항공기를 함께 배출시켜 제거되할 수 있게 된다.
그리고 상기 복수개의 날개노즐(150)은 일정한 간격과 함께 그 굽힘의 각 상태를 조절함으로서 상기와 같은 드라발 현상을 촉진할 수 있으며, 이러한 드라발 현상의 촉진을 위하여 상기 도면에서와 같이 만곡절곡형과 각진 절곡 또는 판형 등으로 설정하여 구성될 수 있으며, 이와 달리 도시되지 않은 형태로 구성될 수 있음은 물론이나, 이러한 날개노즐(150)은 상기한 에어포일(airfoil)현상과 드라발(DeLaval)현상을 극대화시킬 수 있는 형상모양으로 설계되는 것이 매우 바람직함은 당연하다.
이와 같이 본 발명은 블레이드(120)에서 받는 저항 공기와 역풍을 제거하면서 동시에 흡기력을 생성시켜 블레이드(120)의 회전성 향상과 함께 풍속의 증가로 출력 증강을 이루게 됨으로 터빈의 발전능력을 증대할 수 있게 되는 것이다.
또한 본 발명은 상기에 의해 회전되는 블레이드(120)로 하여금 회전축(110)을 구동하고 이 구동축의 회전에 의하여 발전장치(160)를 가동함으로서 전력을 생산함은 물론이며 이러한 발전장치(160)와 그 연동장치들은 공지의 구성에서 선택하여 적용되는 것이다.
상기 본발명에서 설명된 블레이드(120)는 공지된 바와 같이 에어포일(airfoil)현상을 극대화시킬 수 있는 형상과 함께 회전성에 따른 동력을 높이기 위한 형성등이 전술한 선행기술 및 다수의 국내 유명 연구소등에서 연구발표 된 바가 있으나, 본 발명은 이러한 블레이드 중 어느 하나를 선택하여 적용됨으로 상기 블레이드(120)에 대한 세부적 기술사상은 생략하고 있다.
이상과 같이 구성되는 본 발명은 바람이 많고 강한 장소에 설치되어 풍력을 이용하거나, 강등의 흐르는 물을 이용하기 위한 수력 및 바다의 조수간만(潮水干滿)의 차로 이동하는 물의 흐름에너지를 이용할 수 있도록 상기 장소 중 선택되는 장소에 설치된다.
즉, 지면 등에 수직으로 구성되는 지주(161)에 발전기(160)등의 부대시설을 설치하고 상기 발전기(160)와 연동하여 동력을 전단하기 위한 회전축(110)이 구성된다.
그리고 상기 회전축(110)에는 도시된 바와 같이 수평되고 에어포일(airfoil)형태로 구성되는 복수개의 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100)를 구성한다.
도면에서는 상기 블레이드(120)를 3개로 도시하고 있으나, 이와 달리 2개 또는 3개 이상으로도 구성됨은 물론이고 이러한 개수는 회전성과 풍력, 수력 및 이용성등을 감안하여 설정되는 것이 바람직하다.
또한 상기 회전축(110)에 자유로운 회전상태가 유지되도록 힌지구성되는 힌지부(210)를 구성시켜 상기 블레이드(120)를 기점으로 하여 블레이드(120)을 회전시키는 순풍측(130)과 회전되는 블레이드(120)가 받는 저항부 역풍측(131)을 분활되도록 상기 회전축(110)에 힌지된 힌지부(210)에 지지체(140)와 함께 블레이드(120)의 역풍측(131)이 감싸지게 활형으로 구성되는 에어포일(airfoil)형태의 가이드부재(141) 그리고 이 상하 가이드부재(141)의 앞쪽에는 순풍과 역풍을 분리시키고 바람이 순풍측(130) 블레이드(120)와 가이드부재(141)외측을 따라 역풍이 에어포일(airfoil)형태로 흐름을 유도하는 풍향분할부재(142)와 끝단에는 풍향에 따라 상기 가이드부재(141)을 전환시키기 위한 방향타(143)를 구성하고, 상기 상하 가이드부재(141) 내측으로 블레이드(120)의 회전으로 생성되는 역풍측에 생성되는 공기압과 역풍을 드라발(DeLaval)효과로 배출을 극대화시키기 위한 복수개의 날개노즐(150)이 일정한 간격으로 구성된다.
상기에서 설명된 내용은 풍력을 이용하는 것을 기초로하고 있으나, 상기 지면 등에 수직으로 구성되는 지주(161)에 본 발명의 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100)를 구성함과 함께 터빈장치(100)의 주면으로 위치되는 상하 가이드부재(141)와 날개노즐(150)을 구성한 상부측 지주(161)에 발전기(160)등의 부대시설을 설치하여 상기 발전기(160)와 연동으로 동력을 생산하도록 함으로서 수력, 조력발전기용으로 전환될 수 있음은 당연하다.
상기에 의하여 구성되는 본 발명을 도 3을 참조하여 바람직한 작동상태를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 장착된 풍력, 수력 또는 조력발전터빈(turbine)에 도 3에서 표시한 방향에서 바람, 또는 물이 흘러 공급될때, 상기 바람은 상하 가이드부재(141)의 앞쪽에 형성된 풍향분할부재(142)에 의해 순풍은 블레이드(120)로 안내되면서 블레이드(120)를 회전시키게 된다.
그리고 불레이드(120)에서의 역풍측(131)으로 유입되는 역풍은 상기 풍향분할부재(142)의 안내에 따라 블레이드(120)를 감싼 상태로 구성된 가이드부재(141)의 외측을 따라 배출방향으로 이동하면서 도 6에서 도시한 에어포일(airfoil)형태로 공기가 흐름과 함께 가속되어 이동한다.
그리고 상기 순풍은 블레이드(120)를 회전시킨 후 이 블레이드(120)와 함께 동일 회전방향을 따라 이동하면서 상기 블레이드(120)와 가이드부재(141)내측 사이 및 그 주변에서 저항 공기압을 형성하고 또는 복수개의 블레이드(120) 사이에서의 역방향 바람이 입사되어 회전을 방해하고 이러한 바람에 의하여 유입되는 바람과의 충돌로 형성되는 삼차원 와류현상을 발생시켜 결과적으로 블레이드(120)의 회전성을 방해시키게 된다.
이때 본 발명은 상기한 역풍측(131)으로 유입되는 역풍을 풍향분할부재(142)의 안내에 따라 블레이드(120)를 감싼 상태로 구성된 가이드부재(141)의 외측을 따라 배출방향으로 이동하면서 에어포일(airfoil)현상에 의해 공기 흐름이 가속되어 이동하면서 상기 복수개 날개노즐(150)의 내측 공기를 함께 흡기하여 배출시키게 되는 드라발(DeLaval)현상을 촉진하게 된다.
따라서 상기한 드라발(DeLaval)현상은 블레이드(120)내측에 형성된 저항 공기압, 그리고 유입되는 공기와의 충돌로 형성되는 와류현상을 야기하는 공기를 함께 흡기하여 배출시켜 상기와 같이 저항 공기압과 와류현상 등이 형성되지 않고 적은량의 진공상태를 형성하므로서 회전방향으로 블레이드(120)가 더욱 용이하고 빠르게 회전 이동할 수 있도록 함과 함께 진공으로 외부 공기를 빠르게 유입하여 제공하므로서 회전되는 블레이드(120)를 빠르고 힘 있는 회전성을 부여하게 된다.
즉, 상기에서 회전되는 블레이드(120)에 저항이되는 저항공기를 신속히 배출시켜 블레이드(120)에서 받는 저항을 최소시키고 진공부로 형성된 공간으로 외부공기를 더 제공하여 회전되는 블레이드(120)의 회전성을 더욱 증대하여 그 출력을 배가시킴으로서 적은 풍력, 수력에서도 효과적인 토크(torque)와 회전력을 발휘하게 됨으로서 전력생산에 충족할 수 있는 힘을 발휘할 수 있는 것이다.
본 발명의 상기한 작용효과는 날개노즐(150)의 외측을 지나는 공기가 에어포일(airfoil)현상으로 속도를 증가시키는 동시에 돌출된 날개노즐(150)을 지나면서 내측의 공기를 함께 흡기하여 배출하고 이때 드라발(DeLaval)현상을 촉진함으로서 날개노즐(150)내측의 저항 공기압을 제거하고 외부공기의 순환을 촉진함으로서 블레이드(120)에서 받는 저항을 극소화함과 함께 블레이드(120)와 가이드부재(141)사이로 형성된 진공 공간에 외부 공기를 신속히 제공함으로서 블레이드(120)의 회전이동성을 더욱 촉진하게 되는 것이다.
이러한 효과를 더욱 증대하기 위하여서는 본 발명의 도면 도 6에서 표기된 날개노즐(150)의 형상의 만곡 절곡형과 각진 절곡 또는 판형 등으로 설정하여 구성될 수 있으며, 이와 달리 도시되지 않은 형태로 구성될 수 있음은 물론이며, 이때의 날개노즐(150)은 상기한 에어포일(airfoil)현상과 드라발(DeLaval)현상을 극대화시킬 수 있는 형상모양으로 설계되는 것이 매우 바람직하다 할 것이다.
그리고 본 발명에서 제시한 블레이드(120)는 도시된 형태와 함께 선행기술 및 국내 유명 연구소등에서 연구되고 있는 블레이드(120)를 감안하여 보다 개선된 블레이드(120)를 적용하는 경우 그 효과를 높일 수 있고 발전장치(160) 또한 효과적인 장착으로 적용하여 효과를 높일수 있도록 함은 물론이다.
상기에서 설명된 내용은 풍력을 이용하는 것을 기초로하고 있으나, 상기 지면 등에 수직으로 구성되는 지주(161)에 본 발명의 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100)를 구성함과 함께 터빈장치(100)의 주면으로 위치되는 상하 가이드부재(141)와 날개노즐(150)을 구성한 상부측 지주(161)에 발전기(160)등의 부대시설을 설치하여 상기 발전기(160)와 연동으로 동력을 생산하도록 함으로서 수력, 조력발전기용으로 전환될 수 있음은 물론이다.
이상과 같은 본 발명은, 풍향의 변화가 심하고 풍속이 느린 지역에서도 터빈(100)의 원활한 회전으로 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 통한 전력 생산이 효율적으로 이루어지도록 한 수직축 발전 시스템과 블레이드(120)구조에서 특히 블레이드(120)가 받는 저항 공기압을 제거하고 외부공기의 순환을 촉진시키고 또한 블레이드(120)와 가이드부재(141)사이로 형성된 진공 공간에 외부 공기를 신속히 제공과 함께 제거하여 유입되는 공기와의 충돌로 형성되는 와류현상을 방지하도록 함으로 회전 블레이드(120)가 저항 없이 고속으로 회전되는 속도와 회전력을 얻을 수 있도록 함을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
이러한 본 발명은 풍속에 따라, 전방으로부터의 양력에 의한 회전 모멘트와 블레이드의 후방으로부터의 바람 항력에 의한 회전 모멘트가 발생하기 때문에 풍향이나 풍속이 언제나 변화하는 상황에서도, 효율적으로 회전성을 일정하게 유지하는 회전과, 상기 상하 가이드부재(141)의 끝단에 구성된 방향타(143)가 풍향에 따라 상기 가이드부재(141)를 풍향의 진행방향으로 전환시켜 항상 풍향과 일직선상에 위치되도록 함으로 풍향을 적절히 이용할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 상기한 바와 같이 통상의 블레이드(120)로 구성되는 풍력, 수력 또는 조력발전시스템에 본 발명을 적용하더라도 그 구성이 간단하고 소형으로 이루어짐으로 환경문제 및 소음 그리고 미관에서도 크게 저해되지 않아 가정용에서부터, 학교, 공장, 사무소등의 빌딩 급전용(給電用)으로 또는 공원, 초원, 산간, 도서지방 등의 전력 공급에서도 유리하게 적용할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 수직축 발전시스템의 터빈 블레이드(120) 구조는 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며 그 발명의 기술범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치를 도시하였지만, 이는 바람직한 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100 : 터빈장치 110 : 회전축 120 : 블레이드
210 : 힌지부 130 : 순풍측 131 : 역풍측
140 : 지지체 141 : 가이드부재 142 : 풍향분할부재
143 : 방향타 150 : 날개노즐 160 : 발전장치
161 : 지주

Claims (4)

  1. 지면으로부터 수직 구성되는 회전축(110)과, 이 회전축(110)과 수평되고 에어포일(airfoil)형태로 구성되는 복수개의 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100)로 구성하되,

    상기 회전축(110)에 자유로운 회전상태를 유지하는 힌지부(210)에 장착되는 지지체(140)와,

    상기 지지체(140)로부터 상기 블레이드(120)의 역풍측(131)이 감싸지게 활형으로 구성되는 에어포일(airfoil)형태의 상하 가이드부재(141),

    상기 상하로 구성되는 가이드부재(141)의 앞쪽에 구성되는 풍향분할부재(142)에 의해 불어오는 바람을 순풍측(130)과 역풍측(131)으로 분리시키고,
    상기 풍향분할부재(142)에서 분리된 바람은 순풍측(130)으로 안내되어 블레이드(120)를 회전시키고,
    역풍측(131)으로 안내되는 바람은 가이드부재(141)를 따라 이동되면서 가이드부재(141)에 구성된 복수개의 날개노즐(150)에 의한 드라발(DeLaval)효과로 상기 가이드부재(141) 내측 저항 공기를 흡기시켜 역방향으로 이동하는 블레이드(120)와 마찰을 줄임으로 회전을 유도하도록 하는 풍향분할부재(142),

    상기 상하 가이드부재(141)의 끝단에는 풍향에 따라 상기 가이드부재(141)를 바람의 진행방향으로 전환시키기 위한 방향타(143)를 구성함과 함께,

    상기 상하 가이드부재(141)에 고정되고, 블레이드(120)의 회전으로 생성되는 공기 저항의 공기압과 역풍 및 삼차원 와류 공기를 드라발(DeLaval)효과로 배출을 극대화시키기 위하여 일정한 간격으로 구성되는 복수개의 날개노즐(150)을 구성시켜 가이드부재(141) 내의 저항 공기를 역풍측(131)으로 배출 하도록 구성함을 특징으로 하는 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치.

  2. 제 1항에 있어서,
    상기 날개노즐(150)은 가이드부재(141)와 블레이드(120) 사이 내측에 형성되는 저항 압축공기와 역풍 및 삼차원 와류를 에어포일(airfoil)작용으로 고속이송되는 바람에 의해 블레이드(120) 외측에 형성되는 저항 압축공기를 함께 흡기시켜 빠르게 배출할 수 있도록 드라발(DeLaval)현상을 유도하는 날개노즐(150)로 구성되되, 만곡절곡형과 각진 절곡 또는 판형 중 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈장치(100)와 터빈장치(100)에 구성되는 가이드부재(141)는 바람이 많고 강한 장소에 설치되어 풍력을 이용하거나, 흐르는 물을 이용하기 위한 수력 및 바다의 조수간만(潮水干滿)의 차로 물의 흐름에너지를 이용는 상기 장소 중 선택된 장소에 설치함을 특징으로 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 지면에 수직으로 구성되는 지주(161)에 발전기(160)와 부대시설을 설치하고 상기 발전기(160)와 연동하여 동력을 전단하기 위한 회전축(110)과 블레이드(120)를 구성하는 터빈장치(100) 및 가이드부재(141)를 순차적으로 설치하는 풍력용과 상기 발전기(160)가 터빈장치(100) 상부로 위치되는 수력용으로 선택되어 설치됨을 특징으로 하는 풍력, 수력 및 조력발전터빈(turbine)의 효율 개선장치.

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