KR20170002904A

KR20170002904A - 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈

Info

Publication number: KR20170002904A
Application number: KR1020150092825A
Authority: KR
Inventors: 김동현
Original assignee: 경상대학교산학협력단
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-09

Abstract

본 발명은 풍력에 의해 전기를 생산하는 수직축 풍력터빈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수 개의 수직축 풍력터빈 간의 최적의 배치구조를 적용하여 수직축 풍력터빈 설치 시 발전 효율성을 극대화 하면서 설치비용은 최소화한 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈에 관한 것이다.

Description

최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈{Vertical axis wind turbine Module having Optimal placement structure}

풍력터빈 시스템은 회전 방식에 따라 수평축 풍력터빈과 수직축 풍력터빈으로 구분된다. 수평축 풍력터빈은 풍향의 변화에 따라 블레이드 회전면이 항상 수직으로 위치하도록 제어되며 풍향 전환 시 필연적으로 회전속도 및 발전 전력의 저감현상이 발생되고, 블레이드 끝단에서 강한 볼텍스 생성으로 공력소음이 큰 단점이 있다.

하지만, 수직축 풍력터빈은 운전 중 풍향이 변화해도 회전속도가 지속적으로 유지되며, 블레이드에서 발생된 회전력이 암 끝단에서 모두 작용하기 때문에 저속에서 기동특성이 우수한 특성이 있다. 또한 공력소음 수준이 수평축의 60~70% 이하로 정격풍속 수준에서도 환경소음 규제 수준에 부합되기 때문에 주택가 설치의 경우에도 발생 소음과 관련된 민원 발생 가능성이 매우 적은 장점이 있다.

수직축 풍력터빈은 수평축 풍력터빈에 비해 풍향에 구애받지 않으므로 약한 바람에서도 지속적인 회전이 가능하다는 장점이 있다. 그러므로 건물과 건물 사이의 국부 바람간섭 효과로 풍속 및 풍향의 변화가 심한 도심지역이나 지역적 특성으로 풍향변화가 심한 장소에서도 높은 효율의 발전이 가능하기 때문에 최근 영국을 포함한 선진국에서는 도심지역 공동건물 옥상, 공용시설 및 학교 등에 수직축 풍력터빈을 설치하는 추세가 증가되고 있다.

기존에는 복수 개의 풍력 터빈을 근접하게 설치하는 경우 발전효율이 극감되어 풍력 터빈 발전단지 설치 시 풍력 터빈 각각의 이격거리를 블레이드 직경의 최소 7배 이상으로 설치해야 하는 것으로 알려져 있고 실제로도 이런 식으로 설치하여 왔다. 따라서 복수 개의 풍력 터빈의 발전 효율을 높이기 위해서는 넓은 공간과 많은 비용이 소요되기 때문에 공간이 상대적으로 협소한 건물 옥상, 부유식 해상풍력 플랫폼에는 설치가 불가능하고, 설치한다 하더라고 발전 효율 저하에 따른 경제성 확보에 어려움이 있었다.

한국공개특허 제2009-0041616호(2009.04.29.공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 3대의 수직축 풍력터빈을 삼각 배치하고 이격거리를 최대한 줄여 다수의 수직축 풍력터빈 발전단지 구축 시 발전 효율 및 운용 경제성을 극대화 할 수 있는 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈을 제공함에 있다.

특히 본 발명은 복수의 수직축 풍력터빈이 매우 근접한 거리에서도 발전 효율의 저감 없이 오히려 효율을 증가시킬 수 있는 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈을 제공함에 있다.

본 발명의 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈은, 하단이 바닥면에 고정되며, 상하 길이방향으로 형성된 지지타워; 일단이 상기 지지타워의 상측에 고정되고, 타측이 상기 지지타워의 외측으로 연장 형성되되, 복수 개가 상기 지지타워를 중심으로 방사상으로 배치되는 수평지지대; 및 상기 수평지지대에 각각 배치되는 수직축 풍력터빈; 을 포함한다.

이때, 상기 복수의 수직축 풍력터빈 각각의 이격거리는 상기 수직축 풍력터빈의 회전직경의 2~4배인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 수직축 풍력터빈은 상기 지지타워로부터의 이격거리가 서로 동일한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수평지지대는, 풍력 방향을 향해 형성되는 제1 수평지지대와, 상기 제1 수평지지대를 기준으로 시계 방향을 따라 형성되는 제2 및 제3 수평지지대로 구성되며, 상기 수직축 풍력터빈은, 상기 제1 수평지지대에 설치되는 제1 풍력터빈, 상기 제2 수평지지대에 제2 풍력 터빈 및 상기 제3 수평지지대에 설치되는 제3 풍력터빈으로 구성되고, 상기 제1 내지 제3 풍력 터빈은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 동일하게 회전 가능하도록 구성된다.

또한, 상기 수평지지대는, 풍력 방향을 향해 형성되는 제1 수평지지대와, 상기 제1 수평지지대를 기준으로 시계 방향을 따라 형성되는 제2 및 제3 수평지지대로 구성되며, 상기 수직축 풍력터빈은, 상기 제1 수평지지대에 설치되는 제1 풍력터빈, 상기 제2 수평지지대에 제2 풍력 터빈 및 상기 제3 수평지지대에 설치되는 제3 풍력터빈으로 구성되고, 상기 제1 및 제3 풍력 터빈은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 회전 가능하도록 구성되며, 상기 제2 풍력터빈은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 다른 한 방향으로 회전 가능하도록 구성된다.

아울러, 상기 수직축 풍력터빈은, 상기 수평지지대에 고정되며, 상하 길이방향으로 형성되는 지지대; 상기 지지대에 설치되며, 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기; 상기 지지대를 중심으로 복수 개가 방사상으로 이격 배치되며, 상하 길이방향으로 형성되는 블레이드; 및 일단이 상기 발전기에 연결되며, 타단이 상기 블레이드에 고정되어 상기 블레이드의 회전력을 상기 발전기에 전달하는 암; 을 포함한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈은 다수의 수직축 풍력터빈을 매우 근접한 거리에 최적 배치하여 협소한 공간에 설치가 가능하며, 설치비용을 최소로 하고 발전 효율을 극대화 하여 풍력발전 단지의 수익성을 최대한 증가시킬 수 있다.

따라서 기존의 수평축 풍력터빈 배치에 비해 공간이 상대적으로 협소한 건물 옥상, 부유식 해상풍력 플랫폼 설치 시 매우 우수한 경제성 확보가 가능한 장점이 있다.

아울러, 통상적인 육상 및 해상 풍력발전 단지 설계 시에서도 동일한 면적에 가능한 많은 대수의 풍력터빈 설치가 가능하므로 설치비용 등을 최소화 할 수 있어 경제적 파급효과가 매우 크다고 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 터빈 모듈 전체사시도
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터빈 모듈 평면도
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터빈 모듈의 유동장 시뮬레이션 사진
도 4는 본 발명의 제1 실시 에에 따른 터빈 모듈의 풍력 터빈의 발전 효율을 나타낸 그래프
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 터빈 모듈 평면도
도 6은 본 발명의 제1 실시 에에 따른 터빈 모듈의 풍력 터빈의 발전 효율을 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터빈 모듈 평면도
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터빈 모듈의 유동장 시뮬레이션 사진
도 9는 본 발명의 제1 실시 에에 따른 터빈 모듈의 풍력 터빈의 발전 효율을 나타낸 그래프
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 터빈 모듈 설치 예 사시도

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일실시 예에 따른 수직축 풍력 터빈 모듈(100, 200, 300, 이하, "터빈 모듈")의 전체 사시도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 터빈 모듈(100)은 지지타워(110), 수평지지대(120), 보강리브(130) 및 복수의 수직축 풍력 터빈(500, 이하 "풍력 터빈")으로 구성된다.

지지타워(110)는 본 발명의 터빈 모듈(100)을 설치공간에 설치하기 위한 구성으로 상하 길이 방향으로 형성될 수 있다. 지지타워(110)는 하단이 설치공간의 바닥면에 고정되며, 상부에 수평지지대(120)가 설치될 수 있다. 지지타워(110)는 통상의 지지구조물이 적용되며, 상기 수직축 풍력 터빈 모듈의 하중 및 풍력 터빈의 회전 하중을 견딜 수 있는 구성이면 어떠한 구성도 적용될 수 있음은 자명하다.

수평지지대(120)는 복수의 풍력 터빈(500)을 지지타워(110)에 효율적으로 설치하기 위한 구성으로, 수평지지대(120)는 일단이 지지타워(110)의 상측에 연결되며, 타측은 지지타워(110)의 중심에서 외측으로 소정거리 연장 형성될 수 있다. 수평지지대(120)의 상측에 단수의 풍력 터빈(500)이 설치되므로 복수의 풍력 터빈(500) 설치를 위해 수평지지대(120)는 복수 개가 지지타워(110)에 연결될 수 있다. 보다 상세하게 수평지지대(120)는 복수 개가 지지타워(110)를 중심으로 방사상으로 이격 배치될 수 있다. 수평지지대(120) 상에는 풍력 터빈(500)의 설치를 위한 설치대(121, 도 2참조)가 수평지지대(120)의 길이 방향을 따라 복수 개 이격 형성된다. 따라서 복수의 설치대(121) 중 어느 설치대(121)에 풍력 터빈(500)이 설치되느냐에 따라 지지타워(110)와 풍력 터빈(500)의 이격 거리가 결정된다.

보강리브(130)는 수평지지대(120)와 지지타워(110)를 연결하는 보강대로 이루어지며, 수평지지대(120)에 풍력 터빈(500)이 설치되었을 때 수평지지대(120)의 변형을 방지하고 강도를 보강하는 역할을 수행한다.

풍력 터빈(500)은 지지대(510), 발전기(520), 블레이드(530), 암(540)을 포함하여 구성된다.

지지대(510)는 본 발명의 풍력 터빈(500)을 수평지지대(120)에 설치하기 위한 구성으로 상하 길이 방향으로 형성될 수 있다. 지지대(510)는 하단이 수평지지대(120)에 고정되며, 상부에 발전기(520)가 고정될 수 있다. 지지대(510)는 통상의 지지구조물이 적용되며, 풍력 터빈(500)의 하중 및 블레이드(530)의 회전하중을 견딜 수 있는 구성이면 어떠한 구성도 적용될 수 있음은 자명하다.

발전기(520)는 회전력을 전기에너지로 전환할 수 있는 통상의 발전기가 적용될 수 있다. 발전기(520)는 블레이드(530)의 회전력을 암(540)을 통해 전달받게 되며, 회전함에 따라 발전하게 된다.

블레이드(530)는 상하 길이 방향으로 형성될 수 있다. 블레이드(530)의 형상은 도시된 바와 같이 통상적으로 수직 풍력발전기에 적용되는 형상을 사용하기 때문에 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

블레이드(530)는 암(540)의 타단에 고정되며 발전기(520)의 회전축에서 일정거리 이격되어 다수 개가 방사형으로 구성될 수 있다. 블레이드(530)는 2개가 구성되는 것으로 도시되어 있으나 2개 이상 다수 개가 구성될 수 있다. 블레이드(530)는 풍력에 의해 암(540)에 회전력을 발생시키도록 구성될 수 있다.

암(540)은 블레이드(530)와 발전기를 연결시키는 통상의 로드 상으로 이루어진 암이 적용될 수 있다. 따라서 암(540)의 일단은 발전기(520)에 연결되며 암(540)의 타단은 블레이드(530)에 연결된다. 통상적으로 암(540)의 길이에 따라 풍력 터빈의 회전 반경이 결정된다. 암(540)은 도시된 바와 같이 복엽으로 구성될 수도 있고 소형 터빈의 경우 단엽으로 구성될 수도 있다.

이하, 다양한 실시 예의 풍력 터빈 모듈(100, 200, 300)을 통해 본 발명의 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

- 실시 예 1

도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터빈 모듈(100)은 수평지지대(120)가 다음과 같이 구성된다. 수평지지대(120)는 풍력 방향을 향해 배치되는 제1 수평지지대(120a)와, 제1 수평지지대(120a)를 기준으로 시계 방향을 따라 배치되는 제2 수평지지대(120b) 및 제3 수평지지대(120c)로 구성된다.

또한, 복수의 풍력 터빈(500)은 제1 수평지지대(120a)에 설치되는 제1 풍력터빈(500a)과, 제2 수평지지대(120b)에 설치되는 제2 풍력터빈(500b)과, 제3 수평지지대(120c)에 설치되는 제3 풍력터빈(500c)으로 구성된다.

이때 제1 내지 제3 풍력터빈(500a, 500b, 500c)은 지지타워(110)로부터의 이격거리가 서로 동일하게 배치될 수 있다.

특히 제1 내지 제3 풍력터빈(500a, 500b, 500c) 각각의 이격거리는 제1 내지 제3 풍력터빈(500a, 500b, 500c)의 회전직경의 2배~4배로 결정될 수 있다. 보다 바람직하게는 회전직경의 2.5배로 결정될 수 있다.

또한, 제1 내지 제3 풍력터빈(500a, 500b, 500c)의 회전 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 동일하게 회전 가능하도록 구성한다.

상기와 같이 구성된 터빈 모듈(100)은 제1 풍력터빈(500a)의 회전에 따라 제1 풍력터빈(500a)을 경유한 후류가 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)에 영향을 미치게 되는데, 위와 같이 배치할 경우 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)의 발전 효율이 감소되지 않고 오히려 상승되는 결과를 갖게 된다.

도 3에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터빈 모듈(100)의 유동장 시뮬레이션 사진이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 풍력터빈(500a)을 따라 유동하는 풍력에 의해 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)에 영향을 미치지 않고 오히려 발전 효율을 증가시킴을 알 수 있다.

도 4에는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 터빈 모듈(100)의 각각의 풍력 터빈의 발전 효율을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 제1 풍력 터빈(500a)의 발전효율을 1.0 이라고 할 때, 제2 풍력터빈(500b)의 발전효율은 1.2, 제3 풍력터빈(500c)의 발전효율 역시 1.2 정도로 상승하는 것을 알 수 있다.

- 실시 예 2

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 터빈 모듈(200)은 수평지지대(220)가 다음과 같이 구성된다. 수평지지대(220)는 풍력 방향을 향해 배치되는 제1 수평지지대(220a)와, 제1 수평지지대(220a)를 기준으로 시계 방향을 따라 배치되는 제2 수평지지대(220b) 및 제3 수평지지대(220c)로 구성된다.

또한, 복수의 풍력 터빈(500)은 제1 수평지지대(220a)에 설치되는 제1 풍력터빈(500a)과, 제2 수평지지대(220b)에 설치되는 제2 풍력터빈(500b)과, 제3 수평지지대(220c)에 설치되는 제3 풍력터빈(500c)으로 구성된다.

이때 제1 내지 제3 풍력터빈(500a, 500b, 500c)은 지지타워(210)로부터의 이격거리가 서로 동일하게 배치될 수 있다.

또한, 제1 및 제3 풍력터빈(500a, 500c)의 회전 방향은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 회전 가능하도록 구성되며, 제2 풍력터빈(500b)은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 다른 한 방향으로 즉 제1 및 제3 풍력터빈(500a, 500c)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 가능하도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 터빈 모듈(200)은 제1 풍력터빈(500a)의 회전에 따라 제1 풍력터빈(500a)을 경유한 후류가 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)에 영향을 미치게 되는데, 위와 같이 배치할 경우 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)의 발전 효율이 감소되지 않고 오히려 상승되는 결과를 갖게 된다.

도 6에는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 터빈 모듈(200)의 각각의 풍력 터빈의 발전 효율을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 제1 풍력 터빈(500a)의 발전효율을 1.0 이라고 할 때, 제2 풍력터빈(500b)의 발전효율은 1.1, 제3 풍력터빈(500c)의 발전효율 역시 1.1 정도로 상승하는 것을 알 수 있다.

- 실시 예 3

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터빈 모듈(300)은 수평지지대(320)가 다음과 같이 구성된다. 수평지지대(320)는 풍력 방향을 따라 배치되는 제3 수평지지대(320c)와, 제3 수평지지대(320c)를 기준으로 시계 방향을 따라 배치되는 제1 수평지지대(320a) 및 제2 수평지지대(320b)로 구성된다.

또한, 복수의 풍력 터빈(500)은 제1 수평지지대(320a)에 설치되는 제1 풍력터빈(500a)과, 제2 수평지지대(320b)에 설치되는 제2 풍력터빈(500b)과, 제3 수평지지대(320c)에 설치되는 제3 풍력터빈(500c)으로 구성된다.

이때 제1 내지 제3 풍력터빈(500a, 500b, 500c)은 지지타워(310)로부터의 이격거리가 서로 동일하게 배치될 수 있다.

상기와 같이 구성된 터빈 모듈(300)은 제1 풍력터빈(500a)의 회전에 따라 제1 풍력터빈(500a)을 경유한 후류가 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)에 영향을 미치게 되는데, 위와 같이 배치할 경우 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)의 발전 효율이 감소되지 않고 오히려 상승되는 결과를 갖게 된다.

도 8에는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터빈 모듈(300)의 유동장 시뮬레이션 사진이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 제1 풍력터빈(500a)을 따라 유동하는 풍력에 의해 제2 및 제3 풍력터빈(500b, 500c)에 영향을 미치지 않고 오히려 발전 효율을 증가시킴을 알 수 있다.

도 9에는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 터빈 모듈(300)의 각각의 풍력 터빈의 발전 효율을 나타낸 그래프가 도시되어 있다.

도 10에는 본 발명의 일실시 예에 따른 터빈 모듈(100)을 설치공간에 설치한 예가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 터빈 모듈(100)은 지지타워(110)가 설치될 수 있는 공간만 확보되면, 건물의 옥상과 같이 설치공간이 협소한 곳에서도 설치가 가능하며, 도시된 바와 같은 격자형 프레임 구조물(1000)에도 설치가 가능한 장점이 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

100, 200, 300 : 수직축 풍력 터빈 모듈
110, 210, 310 : 지지타워
120, 220, 320 : 수평지지대
130, 230, 330 : 보강리브
500 : 수직축 풍력 터빈 510 : 지지대
520 ; 발전기 530 : 블레이드
540 : 암

Claims

하단이 바닥면에 고정되며, 상하 길이방향으로 형성된 지지타워;
일단이 상기 지지타워의 상측에 고정되고, 타측이 상기 지지타워의 외측으로 연장 형성되되, 복수 개가 상기 지지타워를 중심으로 방사상으로 배치되는 수평지지대; 및
상기 수평지지대에 각각 배치되는 수직축 풍력터빈;
을 포함하는, 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 복수의 수직축 풍력터빈 각각의 이격거리는 상기 수직축 풍력터빈의 회전직경의 2~4배인 것을 특징으로 하는, 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈.
제 2항에 있어서,
상기 복수의 수직축 풍력터빈은 상기 지지타워로부터의 이격거리가 서로 동일한 것을 특징으로 하는, 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 수평지지대는,
풍력 방향을 향해 형성되는 제1 수평지지대와, 상기 제1 수평지지대를 기준으로 시계 방향을 따라 형성되는 제2 및 제3 수평지지대로 구성되며,
상기 수직축 풍력터빈은, 상기 제1 수평지지대에 설치되는 제1 풍력터빈, 상기 제2 수평지지대에 제2 풍력 터빈 및 상기 제3 수평지지대에 설치되는 제3 풍력터빈으로 구성되고,
상기 제1 내지 제3 풍력 터빈은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 동일하게 회전 가능하도록 구성되는, 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 수평지지대는,
풍력 방향을 향해 형성되는 제1 수평지지대와, 상기 제1 수평지지대를 기준으로 시계 방향을 따라 형성되는 제2 및 제3 수평지지대로 구성되며,
상기 수직축 풍력터빈은, 상기 제1 수평지지대에 설치되는 제1 풍력터빈, 상기 제2 수평지지대에 제2 풍력 터빈 및 상기 제3 수평지지대에 설치되는 제3 풍력터빈으로 구성되고,
상기 제1 및 제3 풍력 터빈은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 어느 한 방향으로 회전 가능하도록 구성되며, 상기 제2 풍력터빈은 시계 방향 또는 반시계 방향 중 다른 한 방향으로 회전 가능하도록 구성되는, 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈.
제 1항에 있어서,
상기 수직축 풍력터빈은,
상기 수평지지대에 고정되며, 상하 길이방향으로 형성되는 지지대;
상기 지지대에 설치되며, 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기;
상기 지지대를 중심으로 복수 개가 방사상으로 이격 배치되며, 상하 길이방향으로 형성되는 블레이드; 및
일단이 상기 발전기에 연결되며, 타단이 상기 블레이드에 고정되어 상기 블레이드의 회전력을 상기 발전기에 전달하는 암;
을 포함하는, 최적 배치구조를 갖는 수직축 풍력터빈 모듈.