(57)【要約】      （修正有）【課題】ジャイロミル型垂直軸風力タービンの発電効率を向上する。【解決手段】ウインド流入口１１１とウインド流出口１１２及びウインドガイド壁１２０からなる円筒状の集風部１１０と、その内部にエネルギ転換部１５０であるジャイロミル型垂直軸風力タービン１３０を配置する。該タービンの内側となる内部流路１５２と該タービンの外側となるウインド流路１５１との流路距離を調節、設定することにより、低速の風でも風速を加速化してブレードを回転させる風の利用効率を増大させ、全般的な発電効率を向上させることができる。【選択図】図２
2019060345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成されることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項２】
前記エネルギー転換部は、風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、前記複数のウインドガイド壁は、前記集風部を通過した風が前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域を通過して外部に流れるように角度が傾斜して形成されることを特徴とする、請求項１に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項３】
前記複数のウインドガイド壁は、５個以上９個以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項４】
前記エネルギー転換部の前記第１領域と第４領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第１領域と第４領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはその以上になるようにウインド流路の距離を定めることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項５】
前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第４領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径であることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項６】
前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第４領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径であることを特徴とする、請求項４に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項７】
前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項８】
前記風力発電タワーは円柱形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項９】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計反回り方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の前記第１領域と第４領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第１領域と第４領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはその以上になるようにウインド流路の距離を定めることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１０】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の前記第２領域と第３領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第２領域と第３領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはその以上になるようにウインド流路の距離を定めることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１１】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計反回り方向に回転する場合、前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第４領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径とすることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１２】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計方向に回転する場合、前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第３領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径とすることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１３】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計反回り方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角を形成することを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１４】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の第２領域と第３領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角を形成することを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電タワーに関し、より詳しくは、ジャイロミル型垂直軸風力タービンを備えた風力発電タワーに関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
一般に、風力発電システムは風の力を回転力に転換させて電力を生産する技術で、風エネルギーを機械エネルギーに変換し、発電機を駆動して電力を生産するシステムである。
【０００３】
このような風力発電システムは、一般的に水平軸風力発電と垂直軸風力発電とに分離されている。水平軸風力発電は効率が高い一方で、風の方向に影響を大きく受けるという問題があり、垂直軸風力発電は風の方向に影響を大きく受けないが、効率が水平軸に比べて高くないという問題がある。したがって、大部分の風力発電と関連した主要企業などは水平軸風力発電に集中しており、垂直軸風力発電の場合、効率を高めることができる方法に関して相当に多い研究を進行している。しかしながら、未だ垂直軸風力発電の効率を高めるための適切な方法を見つからない実状である。一方、本発明の場合、垂直軸風力発電に関する技術である点で、以下では垂直軸風力発電を中心に説明を行うようにする。
【０００４】
垂直軸風力発電の場合、全方向に吹いて来る風を活用することができるという技術的長所があるが、一般的に大気上で吹く風の場合、風の方向及び強さが一定でなくて効率的な風力発電が困難であるという問題がある。したがって、このような問題を解決するために風の方向を効果的に集中させるようにするための多様な方法が試みられているところ、例示的に、風の方向を一定に流れることができるようにすると共に、風速を増速させることができるように垂直軸風力タービンの周囲にガイド壁を有する集風管構造を追加的に設置する方案が提示されている。
【０００５】
韓国特許公開第２００９−００３５８８４号（加速型風力発電機）は、内部に抗力式風力タービンが設置され、その周辺に風の方向を一定にすると共に、風速を増速することができるようにする集風管構造が設置されて、垂直軸風力タービンの効率を高めるようにした技術が開示されている。
【０００６】
また、日本特許公開第２０１０−５３１５９４号（垂直軸を有する風力タービン）には、風力タワーの内部に抗力式垂直軸風力タービンを備え、前記抗力式垂直軸風力タービンの周辺に風の方向を一定にすると共に、風速を増速することができるようにする集風管構造が設置された技術が開示されている。
【０００７】
しかしながら、前記特許に開示されている集風管の場合、集風管に誘導される風が直接抗力式風力ブレードと接触して前記風力ブレードの回転を誘導するように設計されているところ、このような構成の場合、風の変化によって前記抗力式ブレードの動きも同一に変化するようになって持続的な風力発電が維持され難いという問題がある。また、前記ガイド壁を通過した風は直ぐ抗力式ブレードに接触するようになっているので、相当な抵抗が発生するように構成されているところ、このような構成は抗力式ブレードの初期始動には有利な長所があるが、風の速度が速い場合にはむしろ抵抗として作用して、効果的な風力発電を難しくするという問題がある。
【０００８】
したがって、本発明の出願人は前述したような技術的問題を解決するようにした垂直軸風力タービンを備えた風力発電タワーを講するようになった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】韓国特許公開第２００９−００３５８８４号
【特許文献２】日本特許公開第２０１０−５３１５９４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の実施形態は、低速でも風力発電が可能で、最大限の風力発電効率を有することができるように形成されたジャイロミル型風力タービンを備えた風力発電タワーに関する技術を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態に係るジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワーは、風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーにおいて、前記集風部は前記ウインド流入口を通過して入ってきた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れることができるように前記風力発電タワーの中心に沿って放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、前記エネルギー転換部はその内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ソリディティーは０．２以上、ＲＰＭは２４０以下に形成されるジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、かつ前記エネルギー転換部は前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心で前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成できる。
【００１２】
前記エネルギー転換部は、風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、前記複数のウインドガイド壁は前記集風部を通過した風が前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域を通過して外部に流れるように角度が傾斜して形成されることができ、前記複数のウインドガイド壁は５個以上９個以下に形成できる。
【００１３】
前記エネルギー転換部の前記第１領域と第４領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第１領域と第４領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはその以上になるようにウインド流路の距離を定めることができる。
【００１４】
また、前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第４領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径に形成することができる。
【００１５】
また、前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角を形成することが可能である。また、前記風力発電タワーは円柱形状に形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一実施形態に係るジャイロミル型風力タービンを備えた風力発電タワーは、低速の風でも風速を加速化して風力発電を具現することができると共に、ブレードを回転させる風の利用効率を増大させることによって、全般的な発電効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電タワーを示す図である。
【図２】図１に図示された風力発電タワーの断面図を図示する。
【図３】本発明の一実施形態に係る風力発電タワーに設置されるジャイロミル型風力タービンの一実施形態を図示する。
【図４】ジャイロミル型風力タービンの方位に従ってブレードに作用する揚力と抗力を図示する。
【図５】本発明の一実施形態に係る風力発電タワーの断面図を図示する。
【図６】図５に係る集風部とエネルギー転換部の拡大図を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワーと関連して、図面を参考しつつより具体的に説明する。
【００１９】
本発明の出願人は大気中の風の方向をより効果的に集中させるようにしながら風の強さをより増幅するための方法に、風の方向制御を行いながら風の強さを増幅するようにする集風部が複数層に形成された風力発電タワーを提案するようにする。これに対する図面が図１に図示されているところ、前記図面に図示されているように、本発明に係る風力発電タワー１００は、風が流入する複数個のウインド流入口１１１を含む集風部１１０が複数層に形成されて製作できる。一方、前記風力発電タワー１００に吹いて来る風は前記風力発電タワー１００のウインド流入口１１１を通過するか、または前記図面に図示されているように、風力発電タワー１００の両側面及び上部を乗って流れるように形成できる。このために、前記風力発電タワー１００は円柱形状に形成できる。
【００２０】
図２には本発明に係る風力発電タワー１００の一層の断面を図示しているところ、図面を参照すると、本発明に係る風力発電タワー１００は、集風部１１０及びエネルギー転換部１５０で形成できる。集風部１１０は前述したように、外部から吹いて来る風の方向制御及び強さを増幅することができるようにウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積が一定水準以上の差を有するように複数個のウインドガイド壁１２０を放射状に配置することにより形成することができる。ここで、前記ウインド流入口１１１とウインド流出口１１２の断面積の差は５ｍ／ｓ以下の低い風速でベンチュリ効果による風速の増加をもたらすように最小２．５：１以上に形成するようにする。また、前記ウインドガイド壁１２０は前記風力発電タワー１００に流入する風を効果的に外部に排出することができるように適切な数のウインド流入口１１１を有するように設計することが好ましい。したがって、本発明に係る風力発電タワー１００は、少なくとも５個乃至９個の間のウインドガイド壁１１０を設置するようにすることにより、前記風力発電タワー１００に流入する風を外部に効果的に排出できるようにしている。
【００２１】
前記風力発電タワー１００の各層の中心に形成されるエネルギー転換部１５０には垂直軸風力タービンを設置するようにし、かつ本発明は前記垂直軸風力タービンにジャイロミル型風力タービン１３０を設置するようにした技術を特徴とする。図３にはジャイロミル型風力タービン１３０の一実施形態が図示されているところ、前記ジャイロミル型風力タービンは、中心軸１３１、流線型に形成されて揚力により回転するように形成されるジャイロミル型風力ブレード１３３、及び前記中心軸１３１と前記ジャイロミル型風力ブレード１３３とを連結する支持軸１３２から構成できる。
【００２２】
前記エネルギー転換部１５０は、前記集風部１１０を通過した風が通過しながら風エネルギーを機械的エネルギーに転換するようにする空間であって、前記ジャイロミル型風力タービン１３０のジャイロミル型風力ブレード１３３を基準に、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３と前記ウインドガイド壁１２０の終端部との間の空間として定義されるウインド流路１５１と、前記ジャイロミル型風力タービン１３０の中心軸１３１から前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の間の空間として定義される内部流路１５２とから構成できる。
【００２３】
一方、本発明の一実施形態に係る風力発電タワー１００は、前述したように、各層の中心に既存の抗力式垂直軸風力タービンでなく、ジャイロミル型風力タービン１３０を設置するようにした技術を特徴とする。既存に研究及び実際に運行されている大部分の集風部１１０を備えた風力発電タワー１００は、その中心に抗力式垂直軸風力タービンを設置しているところ、このような抗力式垂直軸風力タービンは流入する風を直接的に接触するように形成される点で、初期起動では相当に有利な点がある。しかしながら、前述したように、風の変化によってタービンの回転が直接的に影響を受けるようになって持続的な発電が困難であるという問題があり、また、流入する風の速度が非常に速い場合には、前記抗力式ブレードとの大きい摩擦によって、むしろ効果的な発電が困難であるという問題がある。
【００２４】
したがって、本発明の出願人は既存の抗力式垂直軸風力タービンの代わりに、図２及び図３に示すように、本発明に係る風力発電タワー１００の中心にジャイロミル型風力タービン１３０を設置することにより前述したような問題を解決するようにした。前記ジャイロミル型風力タービン１３０は、ジャイロミル型風力ブレード１３３が流線型に形成されているので揚力を主に用いて回転するよう形成される。また、有限長さの羽が直線に形成されたことを特徴とする。
【００２５】
一方、ジャイロミル型風力タービン１３０はダリウス風力タービンのように揚力により駆動される点で、技術的な類似性があるが、ジャイロミル型風力タービン１３０はジャイロミル型風力ブレード１３３が流線型に有限長さを有するように形成される点で、ソリディティー（solidity）がダリウス風力タービンに比べて高くなり、また、ＴＳＲ（Tip Speed Ratio）は低く形成されている。ここで、ソリディティーはブレードの任意の半径位置でブレードの回転半径に対してブレードが占める長さの比を意味し、ＴＳＲは風の速度とブレード終端速度との比を意味する。即ち、風の速度とブレード終端の速度が同一であれば、ＴＳＲは１となる。
【００２６】
一方、ソリディティーがダリウス風力タービンとは異なり、本発明の一実施形態に係るジャイロミル型風力タービン１３０はソリディティーが相当に高いので、ＴＳＲが増加するにつれてジャイロミル型風力ブレード１３３の相互間の干渉と下流に位置するブレードに流入する流動速度の減少によって揚力が相当に減少するようになる問題点がある。したがって、本発明に係る風力発電タワー１００に設置されるジャイロミル型風力タービン１３０は前述したような技術的問題を最小化するために、最小限０．２以上のソリディティーを有するように形成するようにし、かつＴＳＲは１．１乃至２．４の間の範囲にあるジャイロミル型風力タービン１３０を使用するようにする。また、ジャイロミル型風力タービン１３０の場合、ＴＳＲが２．５を超える場合、失速が発生する点で、ＴＳＲは２．４を超えないようにする。また、ジャイロミル型風力ブレード１３３のｒｐｍの場合、その速度が速過ぎる場合、ブレードの回転速度によって周辺の空気が加速されながら抗力の増加により前記ジャイロミル型風力タービン１３０の性能が低下するという問題がある。したがって、このような問題を避けるために、前記ｒｐｍは最大２４０以下で動作できるようにする。
【００２７】
本発明の一実施形態に係る風力発電タワー１００に適用されるジャイロミル型風力タービン１３０のブレードの動きと関連して、“高いソリディティーを有するジャイロミルの空気力学的特性（イ ジュ ヒ、ユ ヨン ソ、大韓機械学会論文集Ｂ券、第３５巻 第１２号、ｐｐ．１２７３−１２８３、２０１１”にジャイロミル型風力タービン１３０の駆動と関連した研究が開示されている。前記研究と関連した内容が図４に図示されているところ、前記図面を参照すると、風が流入する方向を基準に第１領域と第２領域を流動の上流部分に定めて、第３領域と第４領域を流動の下流部分に定める場合、流動の上流部分である第１領域と第２領域ではジャイロミル型風力ブレード１３３に発生する揚力が抗力より大きくなって、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の回転を行うことができるようにする一方で、第３領域と第４領域では揚力に比べて抗力が大きくなって前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の回転を妨害する力として作用していることが分かり、このような第３領域と第４領域で発生する抗力によって、一般的なジャイロミル風力タービン１３０の効率が落ちる原因として作用していることが分かる。
【００２８】
したがって、本発明の出願人は前記ジャイロミル風力タービン１３０の技術的長所を生かしながら、短所を最大限克服できるように本発明に係る風力発電タワー１００の構造を改善するようにしたところ、より詳しくは、図５及び図６に示すように、前記ウインド流入口１１１を通じて流入する風が前記エネルギー転換部１５０の一半径方向に流れることができるように複数のウインドガイド壁１２０を前記風力発電タワー１００の中心に沿って同一な角度に傾斜して設置するようにする。これを通じて、図面に図示されているように、集風部１１０を通過した風はエネルギー転換部１５０の第１領域と第４領域に沿って流れるように形成される。また、本発明の一実施形態に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０は、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の円滑な回転のために、充分のウインド流路１５１を有するように設計することが重要である。一方、前記実施形態は風が流入する方向を基準にジャイロミル型風力ブレード１３３が時計反回り方向に回転する場合を例示的に説明しているところ、風が流入する方向を基準にジャイロミル型風力ブレード１３３が時計方向に回転する場合には、前記集風部１１０を通過した風はエネルギー転換部１５０の第２領域と第３領域に沿って流れるようにウインドガイド壁１２０を形成することができる。
【００２９】
ジャイロミル型風力ブレード１３３は、既存の抗力式垂直軸タービンとは異なり、揚力により回転される点で、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３の前後端を期して風が十分に流動する空間を必要とするようになる。したがって、本発明の場合、前記エネルギー転換部１５０をジャイロミル型風力タービン１３０の中心軸１３３と前記ジャイロミル型風力ブレード１３３との間に形成される空間を内部流路１５２と定めて、前記ジャイロミル型風力ブレード１３３と前記集風部１１０のウインドガイド壁１２０との間の空間をウインド流路１５１と定めるようにし、前記ウインド流路１５１を通じて十分に風が流動できる空間を有するように設計することを技術的特徴とする。
【００３０】
これに従う図面が図５及び図６に図示されているところ、前記図面によれば、集風部１１０を通過した風はエネルギー転換部１５０の第１領域と第４領域に形成されているウインド流路１５１と内部流路１５２に沿って風が流動するように形成される。したがって、本発明に従って風力発電タワー１００の内に設置されるジャイロミル型風力タービン１３０は、既存に第１領域と第２領域で発生する揚力により回転することとは異なり、第１領域と第４領域で発生する揚力により回転力が発生するようになる。また、本発明に従う風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０は、第２領域と第３領域では風の流動がほとんど発生しない点で、既存のジャイロミル型風力タービン１３０で流動の下流部分で発生する抗力によりブレードの速度が低減する効果が最小化できるようにする。一方、前記ジャイロミル型風力タービン１３０の回転方向が反対に形成される場合には、集風部１１０を通過した風はエネルギー転換部１５０の第２領域と第３領域に形成されているウインド流路１５１と内部流路１５２に沿って風が流動するように形成することが可能である。
【００３１】
また、本発明に係る風力発電タワー１００は、エネルギー転換部１５０に設置されるジャイロミル型風力タービン１３０の回転効率を効果的に高めるようにするために、適切なウインド流路１５１の距離を設定することが何より重要である。特に、本発明に係る風力発電タワー１００は風が流入する方向を基準に時計反回り方向に第１領域乃至第４領域に区分する場合、第１領域と第４領域で揚力が発生するようにウインド流路１５１の距離を設定することが必要である。このような技術的な目的を達成するために、本発明に係る風力発電タワー１００は、第１領域と第４領域のウインド流路１５１と内部流路１５２に沿って流れる風の流量を最小限等しいか、またはウインド流路１５１に沿って流れる風の流量が内部流路１５２に沿って流れる風の流量より大きく形成するようにすることにより前述したような技術的目的を達成することができる。一方、前述したような方法の他にも、前記ウインドガイド壁１２０の傾斜を調整して前記ウインド流路１５１に流れる流量を調節する方法及び前記エネルギー転換部１５０に沿って流れる風が前記ジャイロミル型風力ブレード１３３と接する迎角を調整して揚力を発生するようにすることによっても前述したような技術的目的をある程度達成することができるが、これは細部的な変化に起因したものであって、本発明の主な技術的特徴は、前記ウインド流路１５１の距離を適切に調整することにより前記ウインド流路１５１に流れる風の流量を増加させるようにして、前記エネルギー転換部１５０の第１領域と第４領域で前記ジャイロミル型風力ブレード１３３に揚力が発生するようにすることにより達成できる。
【００３２】
また、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０に形成されるウインド流路１５１の最小距離は、前記エネルギー転換部１５０の第４領域で前記ジャイロミル型風力ブレード１３３に正のトルクが初めて発生する位置を最小にし、最大距離は前記ジャイロミル型風力タービン１３０の半径を超えないようにする。即ち、本発明に係る風力発電タワー１００は、前記エネルギー転換部１５０の第４領域で正のトルクがある程度発生しているかによってその効率が増加する点で、前記ウインド流路１５１の最小距離は前記エネルギー転換部１５０の第４領域で初めて正のトルクが発生する地点を最小距離に定めることができる。
【００３３】
前述したように、本発明に係るジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー１００は、その内部にジャイロミル型風力タービン１３０を設置するようにしながら、集風部１１０及びエネルギー転換部１５０の構造的な改善を通じて、より効率の高い垂直軸風力発電を可能にする。
【００３４】
一方、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内に形成されるウインド流路１５１は、前述したように、ジャイロミル型風力タービン１３０の風力ブレード１３３に円滑な揚力を発生させる風の流動を形成するための目的の他にも、風力発電タワー１００で発生する風の流動を通じて風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内で追加的な風の増速を行うためにも必ず必要である。例示的に、図１には本発明に係る風力発電タワー１００に流れる風の流動が図示されているところ、前記風力発電タワー１００を流れる風はウインド流入口１１１を通じての集風部１１０を通じて前記風力発電タワー１００の内部を通じて流れる風の他にも前記風力発電タワー１００の両側面及び上部面を通じて流れる風が存在するようになる。この場合、図２に示すように、風力発電タワー１００の風が流入する方向と反対方向には圧力が相当に低くなる渦流が発生するようになる。したがって、前記風力発電タワー１００の内部を通過して外部に排出される風は前記渦流による圧力差によりその速度が増速するようになる。
【００３５】
より詳しくは、前記エネルギー転換部１５０の内のウインド流路１５１を通過して前記風力発電タワー１００の反対方向に排出される風は前記風力発電タワー１００の反対方向の風排出空間に形成される渦流により、前記エネルギー転換部１５０と前記渦流が形成される風排出空間の圧力差が相当に大きく発生するようになり、これは前記エネルギー転換部１５０のウインド流路１５１を通過する風の強さをより増速することができる効果をもたらすようになる。したがって、前記エネルギー転換部１５０のウインド流路１５１に沿って流れる風は、前述したような圧力差により増速されるので、このような効果は前記エネルギー転換部１５０に形成されるジャイロミル型風力ブレード１３３の回転力にも相当な影響を及ぼすようになる。
【００３６】
したがって、前述したように、風力発電タワー１００で発生する風の流動によって発生する渦流によるエネルギー転換部１５０の内に設置される垂直軸風力タービンの効率向上効果をもたらすためには、エネルギー転換部１５０の内にウインド流路１５１が必ず設置されなければならない。もし、前記エネルギー転換部１５０の内に適切なウインド流路１５１が設置されなければ、前述したような風力発電タワー１００で発生する風の流動による圧力差により発生するエネルギー転換部１５０の内に流れる風の強さの増速効果は前記エネルギー転換部１５０の内に設置される垂直軸風力タービンの回転力に直接的な影響を及ぼさないようになる。
【００３７】
したがって、前述したように、本発明に係る風力発電タワー１００のエネルギー転換部１５０の内に形成されるウインド流路１５１はジャイロミル型風力タービン１３０の円滑な回転力をもたらすようにすると共に、風力発電タワー１００を乗って流れる風の流動により発生する渦流による風の増速効果をもたらす効果を有する。
【００３８】
本発明に係るジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー１００は、その内部に垂直軸風力タービンであるジャイロミル型風力タービン１３０を設置しているところ、本発明によれば、既存の垂直軸風力タービンを大気状態で回転することより約５０％以上効率が増大することを確認することができる。これは、集風部１１０でベンチュリ効果による風の強さの増速と共に、前記集風部１１０とエネルギー転換部１５０の構成を通じて、前記エネルギー転換部１５０を流れる風の流量と強さを一定の方向に増速するように形成して前記ジャイロミル型風力タービン１３０に加えるエネルギーを大きくすることができるようにすることにより達成されることができ、また、風力発電タワー１００自体で発生する風の流動により発生する渦流による圧力差により前記エネルギー転換部１５０内での風の２段増速を可能にするようにすることで、前述したような効果を達成できるようにする。
【００３９】
以上、本発明の一実施形態に対して説明したが、該当技術分野で通常の知識を有する者であれば特許請求範囲に記載された本発明の思想から外れない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、または追加などにより本発明を多様に修正及び変更させることができ、これもまた本発明の権利範囲内に含まれるということができる。
【図１】
2019060345.tif 000003
【図２】
2019060345.tif 000004
【図３】
2019060345.tif 000005
【図４】
2019060345.tif 000006
【図５】
2019060345.tif 000007
【図６】
2019060345.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月18日(2019.1.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を介して取り入れられた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れるように前記風力発電タワーの中心に沿って同一な角度に傾斜して放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ソリディティーが０．２以上に形成された３つのブレードを有するジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、
前記ジャイロミル型風力タービンは、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ＲＰＭが２４０以下になる条件で使用され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計反回り方向に回転する場合、前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第４領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径とすることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項２】
前記複数のウインドガイド壁は、前記集風部を通過した風が前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域を通過して外部に流れるように角度が傾斜して形成されることを特徴とする、請求項１に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項３】
前記複数のウインドガイド壁は、５個以上９個以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項４】
前記エネルギー転換部の前記第１領域と第４領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第１領域と第４領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはそれ以上になるようにウインド流路の距離を定めることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項５】
前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角が形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項６】
前記風力発電タワーは円柱形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載のジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項７】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は前記ウインド流入口を介して取り入れられた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れるように前記風力発電タワーの中心に沿って同一な角度に傾斜して放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ソリディティーが０．２以上に形成された３つのブレードを有するジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、
前記ジャイロミル型風力タービンは、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ＲＰＭが２４０以下になる条件で使用され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計反回り方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の前記第１領域と第４領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第１領域と第４領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはそれ以上になるようにウインド流路の距離を定めることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項８】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を介して取り入れられた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れるように前記風力発電タワーの中心に沿って同一な角度に傾斜して放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ソリディティーが０．２以上に形成された３つのブレードを有するジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、
前記ジャイロミル型風力タービンは、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ＲＰＭが２４０以下になる条件で使用され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の前記第２領域と第３領域のウインド流路を通過して流れる風の流量が前記第２領域と第３領域の内部流路を通過して流れる風の流量と等しいか、またはそれ以上になるようにウインド流路の距離を定めることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項９】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を介して取り入れられた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れるように前記風力発電タワーの中心に沿って同一な角度に傾斜して放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ソリディティーが０．２以上に形成された３つのブレードを有するジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、
前記ジャイロミル型風力タービンは、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ＲＰＭが２４０以下になる条件で使用され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計方向に回転する場合、前記エネルギー転換部のウインド流路の最小距離は第３領域で正のトルクが初めて発生する位置であり、最大距離はジャイロミル型風力タービンの半径とすることを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１０】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を介して取り入れられた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れるように前記風力発電タワーの中心に沿って同一な角度に傾斜して放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ソリディティーが０．２以上に形成された３つのブレードを有するジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、
前記ジャイロミル型風力タービンは、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ＲＰＭが２４０以下になる条件で使用され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計反回り方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の第１領域と第４領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角を形成することを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。
【請求項１１】
風が流入するウインド流入口が複数層に形成され、各層は風の強さ及び方向変化をもたらすようにする集風部と、前記風が通過しながらエネルギーを転換するようにするエネルギー転換部とから構成される風力発電タワーであって、
前記集風部は、前記ウインド流入口を介して取り入れられた風が前記エネルギー転換部の一半径方向に流れるように前記風力発電タワーの中心に沿って同一な角度に傾斜して放射状に配置される複数のウインドガイド壁を含み、
前記エネルギー転換部は、その内部に前記風力発電タワーの各層の中心に設置され、ソリディティーが０．２以上に形成された３つのブレードを有するジャイロミル型風力ブレードを含むジャイロミル型風力タービンが設置され、
前記ジャイロミル型風力タービンは、ＴＳＲが１．１乃至２．４、ＲＰＭが２４０以下になる条件で使用され、かつ、
前記エネルギー転換部は、前記ウインドガイド壁と前記ジャイロミル型風力ブレードとの間の空間に形成されるウインド流路と、前記風力発電タワーの中心から前記ジャイロミル型風力ブレードの間の空間に形成される内部流路とから構成され、前記風力発電タワーに風が流入する方向に垂直な方向を基準に、時計反回り方向に４等分して第１領域乃至第４領域に定めて、
前記ジャイロミル型風力ブレードが時計方向に回転する場合、前記エネルギー転換部の第２領域と第３領域で正のトルクが発生するように前記ジャイロミル型風力ブレードの迎角を形成することを特徴とする、ジャイロミル型風力タービンを備える風力発電タワー。