JP2014526652A - 同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機 - Google Patents

同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機 Download PDF

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Abstract

本発明は、風力発電機に関し、より詳細には、同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いることによって、風がブレードと接して発生する揚力による回転力を用いて風力発電機の発電効率及び稼動効率を向上させ得る水平軸風力発電機に関する。上述した従来技術の問題を解決するための本発明によると、地面に垂直に設置されるタワーと、前記タワーの上端に垂直軸を中心に回転可能に連結されるナセルと、前記ナセルと軸結合される回転体と、前記回転体の外周面にピッチ角を形成して結合される一つ以上のブレードとを含み、前記ブレードは、エアフォイルの形状を有し、長さ方向に沿って同一の幅と厚さで形成され、前記ブレードのチップ側領域を中心に揚力による回転力が発生することを特徴とする同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機を提供する。

Description

本発明は、風力発電機に関し、より詳細には、同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いることによって、風がブレードと接して発生する揚力による回転力を用いて風力発電機の発電効率及び稼動効率を向上させ得る水平軸風力発電機に関する。
化石エネルギーから発生する温室ガスが地球温暖化をもたらす要素として指目されながら、全世界的に地球温暖化を防止するために国際気候変化協約が採択されており、このような温室ガスの排出を抑制するために多様なプログラムが施行されている。韓国でも、温室ガスの排出減少のための解決策を見出し、積極的に化石エネルギーの使用を減少させるための多様な代案を講じなければならない現実に直面している。
これによって、石油、石炭、原子力、天然ガスなどの化石燃料に取って代わる新たなエネルギー源として定義される新再生エネルギーが注目されており、新再生エネルギーとは、液化石炭、水素エネルギーなどの新エネルギーと、動物・植物有機物、日光、風、水、地熱などを用いて環境にやさしく且つ再生可能に変換されるエネルギーとを総称する。
これら新再生エネルギーは、再生が可能であり、環境にやさしく、無制限的であるという長所を有するが、効率の上昇のための弛まぬ研究開発及び現在の不確実な市場展望の克服という課題を抱いている。
新再生エネルギーのうちの一つである風を用いた風力発電は、空気の流動が持つ運動エネルギーの空気力学的特性を用いて回転子を回転させることによって運動エネルギーを機械的エネルギーに変換させ、この機械的エネルギーで電気エネルギーを発生させる技術である。
風力発電分野は、最近、代替エネルギー源として注目されながら高成長勢を持続する産業であって、全世界の温室ガス減縮の義務化、技術の発展による発電単価の下落などの理由で成長が加速化されている。
風力発電は、どこにでも散在している無公害の無限定な風を用いるので環境に及ぼす影響が少なく、国土を効率的に利用することができ、大規模な発電団地の発電単価において既存の発電方式に比べて効率が低下しない非常に有用な発電方法である。
但し、希薄な風のためエネルギーの密度が低い場合は、発電が難しいので、特定地域に限定して風力発電機を設置しなければならなく、定量の風がある場合のみに発電が可能であるので、安定的な電気供給のためには貯蔵装置などの設備が必要である。最近は、風力発電機の大型化によって騒音発生の問題があり、初期投資費用が高いという短所がある。
従来の風力発電機は、地面上に立てられる高層のタワーと、タワーの上端に設置されるナセルと、前記ナセルに結合される回転軸と、前記回転軸の外周面に設置される多数のブレードとを含んで構成され、ナセルの内部には、増速機、発電機及び制御装置などを含み、ブレードの回転力が回転軸を経て発電機に至るように構成される。
このとき、前記ブレードは、前記回転軸と結合されたハブ部分では約３０゜、チップ部分では約２゜ないし約３゜のピッチ角をなし、ツイストされるように形成されると同時に
、幅と厚さが徐々に狭くなって薄くなる形態で形成されることが一般的である。この場合、ピッチ角をなすブレードが正面から吹いてくる風を斜めに受けてブレード回転面の後側に自然に通過させることによって発生する抗力により、前記ブレードが回転すると同時に、ブレードの回転によってブレードの端部に揚力が発生し、ブレードの回転力を向上させるようになる。すなわち、ブレード回転面に吹いてくる風が回転面を通過しながらエネルギーをブレードに伝達するので、風の速度が約２／３減少し、その結果、風の流動エネルギーの最高５９．２６％（Ｂｅｔｚの法則）が回転動力に変換される。
しかし、前記のような風力発電機は、風がブレード回転面を通過しながらブレードに回転動力を伝達する構造を有するので、風がブレードを通過した後で風速が低くなり、風が有していた流動エネルギーのうち減少した速度に該当する大きさのエネルギーが回転動力に変換されるので、動力変換効率（Ｃｐ）が高くないという限界を有していた。その結果、基本負荷の占有率を低下させた大型風力発電機には適宜適用できるが、そうではない小型風力発電機は、相対的に動力変換効率（Ｃｐ）が約３０％以下に低くなり、発電出力が低下するという問題を有していた。
また、既存の風力発電機は、ブレードの構造的特性上、要求される始動風速が高いので、低風速領域で使用上の効率が低下するという問題を有していた。特に、年間の風の風速別頻度分布を検討したとき、４ｍ／ｓ以下の低風速の頻度が６０％以上を占める点を考慮すると、実質的な風力発電機の稼動効率が非常に低くなるという問題を有していた。
本発明は、上述した従来技術の問題を解決するためになされたものであって、同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いて動力変換効率（Ｃｐ）を向上させることによって、発電効率及び稼動効率の高い風力発電機を提供することを目的とする。
また、本発明は、小型の風力発電機でも風速に応じてピッチ角を調節できる構成を有することによって、発電効率を向上させ、非常に強い風にも安定性を確保できる風力発電機を提供することを他の目的とする。
併せて、風が吹いてくる方向に中心を取ることのできる尾翼を用いたアップウィンド（Ｕｐ Ｗｉｎｄ）方式、及び尾翼を含まない状態で吹いてくる風を貫通させずに外側に押し出すダウンウィンド（Ｄｏｗｎ Ｗｉｎｄ）方式を用いて既存の発電方式による騒音及び振動を減少させることを更に他の目的とする。
本発明が達成しようとする技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及していない他の技術的課題は、本発明の記載から当該分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるだろう。
上述した従来技術の問題を解決するための本発明によると、地面に垂直に設置されるタワーと、前記タワーの上端に垂直軸を中心に回転可能に連結されるナセルと、前記ナセルと軸結合される回転体と、前記回転体の外周面にピッチ角を形成して結合される一つ以上のブレードとを含み、前記ブレードは、エアフォイルの形状を有し、長さ方向に沿って同一の幅と厚さで形成され、前記ブレードのチップ側領域を中心に揚力による回転力が発生することを特徴とする同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機を提供する。
本発明の前記ブレードは、上部面と下部面が対称の形状に形成され、前記上部面と下部
面の両面に揚力による回転力が発生することが望ましい。
本発明の前記ブレードは、上部面と下部面を非対称の形状に形成することもできる。
本発明は、前記ブレードの回転時、風が前記ブレードの回転で形成される回転面とぶつかって前記回転面の円周方向縁部側に誘導されるように前記ピッチ角を０゜に形成し、前記風の流動エネルギーを回転動力に変換させることが望ましい。
本発明は、前記回転体の風と向い合う面に結合され、風速によって水平直線運動をする風速板と、前記風速板の風と向い合わない面に形成され、風速によって前記風速板の水平直線運動を調節するコイルスプリングと、前記風速板の風と向い合わない面に形成され、前記風速板と共に水平直線運動をするように形成された第１のギアと、前記ブレードのハブ側に形成され、前記第１のギアと噛み合って円運動をするように形成された第２のギアとをさらに含み、前記風速板及び第１のギアの水平直線運動によって前記第２のギアが回転し、前記ブレードのピッチ角を可変させ得ることが望ましい。
本発明は、前記回転体と結合されるピッチ角調節モーターと、前記ピッチ角調節モーターに連結され、前記ブレードに動力を伝達する第３のギアとをさらに含み、前記ピッチ角調節モーターの回転量調節によって前記第３のギアが回転し、前記ブレードのピッチ角を可変させ得ることが望ましい。
本発明は、前記タワーの一側に風速感知センサーをさらに含むことが望ましい。
本発明は、前記ナセルの後面に結合される尾翼をさらに含み、風が前記タワーより先に前記ブレードと向い合うようになるアップウィンド方式で発電することが望ましい。
前記のような構成を有する本発明によると、風力発電機に適用されるブレードが同一の厚さと幅を有するエアフォイルの形態で構成されることによって、前記ブレードの多くの領域で揚力と推力が発生し、回転力が向上することはもちろん、ブレードのピッチ角が０゜に設定されて形成される回転面を風が貫通できず、有していた流動エネルギーを回転動力に変換させるようになり、回転力が上昇するという効果がある。
また、ピッチ角を可変させ得ることによって、風速に応じる適切なピッチ角を用いて発電効率が向上し、安定性が確保されるという効果がある。
併せて、尾翼の有無とは関係なく、既存の発電方式による騒音及び振動を減少させるという効果がある。
そして、低風速でも高い回転力が発生し、低風速の頻度の高い場所にも発電機を設置できるので、効用性に優れ、結果として発電機の稼動効率を向上させるという効果がある。
本発明の一実施例に係る同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機の斜視図である。 本発明の一実施例に係る同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードの斜視図である。 本発明の一実施例に係る同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードの断面図である。 本発明の一実施例に係るブレード回転面及び風の流れを示した斜視図である。 本発明の一実施例に係る風速板、第１のギア及び第２のギアを含んでピッチ角を可変させ得る構成を示した例示図である。 本発明の一実施例に係るピッチ角調節モーター及び第３のギアを含んでピッチ角を可変させ得る構成を示した例示図である。 本発明の一実施例に係る尾翼をさらに含む同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機の斜視図である。 本発明の一実施例に係る尾翼を含まない同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機の斜視図である。 同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードの風速による表面の流線分布を示したＣＦＤ解析結果である。 ４つの異なる形態の同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードの位置による圧力係数分布を示したＣＦＤ解析結果である。 風洞実験とＣＦＤ数値解析による発電出力及び動力変換効率を比較した例示図である。 ４つの異なる形態の同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードのＣＦＤ解析結果による発電出力及び動力変換効率を比較した例示図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例に係る同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機の斜視図である。
図１に示したように、本発明の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機１００は、地面に垂直に設置されるタワー１１０と、前記タワー１１０の上端に垂直軸を中心に回転可能に連結されるナセル１２０と、前記ナセル１２０と軸結合される回転体１３０と、前記回転体１３０の外周面にピッチ角を形成して結合される一つ以上のブレード１４０とを含み、前記ブレード１４０は、エアフォイルの形状を有し、長さ方向に沿って同一の幅と厚さで形成される。これは、前記ブレード１４０のチップ側領域を中心に揚力による回転力を発生させるためである。
前記同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機１００は、風が前記ブレード１４０に接して発生する回転動力によって前記回転体１３０が回転し、機械的エネルギーが生産される方式による。
図２は、本発明の一実施例に係る同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードの斜視図で、図３は、本発明の一実施例に係る同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードの断面図である。
図２に示したように、前記ブレード１４０は、同一の幅と厚さで形成され、エアフォイル、すなわち、飛行機の翼形状と類似する形状に形成される。そして、図３に示したブレード１４０の縦断面を見ると、断面の中心を通過するＡ線を基準に上部面及び下部面が同一の湾曲形態を有する対称の形状に形成されることを確認することができる。但し、中心を通過するＢ線を基準にした場合は対称の形状ではなく、Ｃ線が通過する一側端の約１／４地点の厚さが最も厚い形態を有する。
但し、本発明の同一の幅と厚さで形成されたブレード１４０は、上部面と下部面が同一の湾曲形態を有する対称の形状に形成されることもあり、上部面と下部面が所定の差を有する非対称の形状に形成されることもある。
したがって、前記ブレード１４０は、回転を通して風を切るようになり、切られた風は、前記ブレード１４０の上部面及び下部面に沿って流動的に流れるようになるが、このとき、前記ブレード１４０の両側面の全てに多量の風量がが流動しながら揚力が発生し、その結果、回転力が発生するようになる。
結局、従来の風力発電機の場合、ブレードの一面では揚力による回転力が発生するが、反対面では揚力及びそれによる推力が発生する余地が少ないので、回転力及び発電量が高くないという問題があったが、本発明の対称型エアフォイル形状のブレード１４０は、両側面の全てで揚力と推力を発生させるようになるので、従来の風力発電機に比べて回転力及び発電量を画期的に向上させるという効果を達成するようになる。このような揚力と推力は、前記ブレード１４０の回転に比例して増加するようになる。
また、前記ブレード１４０は、長さ方向に沿って同一の幅と厚さで形成され、前記ブレード１４０の多くの領域で一定の揚力と推力が発生するように構成されることが望ましいが、その結果、回転力がさらに上昇するという効果をもたらす。
すなわち、風力発電機は、ブレードのチップ部分の約３０％領域で高速の空気流動とブレードの相互作用に従って揚力による推力が発生するが、従来のブレードは、この部分の幅が狭く、その結果、面積比率が相対的に低いため動力変換効率（Ｃｐ）が低い。その一方、本発明は、ブレード１４０全体の幅と厚さが同一であるので、チップ部分で空気流動と相互作用する領域の面積比率が相対的に高く、揚力による推力が大きく発生するようになり、その結果、その効率が向上し得る。これと関連した流動解析結果を図９ないし図１２に示しており、後でより詳細に説明する。
併せて、前記ブレード１４０は、ピッチ角を０゜に調節した状態で回転して回転面を形成することができ、これによって、吹いてくる風を貫通させずに前記回転面の円周方向縁部側に誘導しながら、前記風の速度がさらに増加するようになり、風の流動エネルギーを回転動力に変換させるのにさらに効果的である。
すなわち、図４に示したように、前記ブレード１４０がピッチ角を０゜に調節した状態で高速回転すると、円板状の回転面が形成され、吹いてくる風は、前記回転面に遮られて貫通せず、継続して吹いてくる風によって回転面の円周方向縁部側に押されるようになる。したがって、風の速度がさらに増加し、流動エネルギーが回転動力に変換される力が大きくなり、それに従ってブレード１４０の回転速度がさらに上昇し、結果的に高い発電出力を得られるようになる。
一方、前記ブレード１４０と、前記ブレード１４０が回転して形成される回転面とがなすピッチ角は可変させ得る構造を有する。一般に、前記ピッチ角は、０゜ないし３０゜の範囲内で変わるようになり、本発明では、発電効率及び稼動効率の向上のために０゜のピッチ角を維持し、風力発電機が損傷するおそれのある程度の超高速の風が吹いてくる場合、前記ピッチ角を増加させることによって、風が回転面を貫通するように誘導し、安定的な発電を可能にする役割をする。
また、風速の変化によって効率的な回転力を得るために、ピッチ角を随時可変させることもできる。低風速では前記ピッチ角が約３０゜をなすようにし、低風速から高風速に変換されると前記ピッチ角が徐々に減少しながら約０゜をなすようにするなど、風力発電機の効率的運営のために多様な角度のピッチ角を用いることができる。
図５は、本発明の一実施例に係る風速板、第１のギア及び第２のギアを含んでピッチ角
を可変させ得る構成を示した例示図である。
図５に示したように、前記ブレード１４０のピッチ角変換を可能にするために、本発明は、前記回転体１３０の風と向い合う面に結合され、風速によって水平直線運動をする風速板２００と、前記風速板２００の風と向い合わない面に形成され、風速によって前記風速板２００の水平直線運動を調節するコイルスプリング２１０と、前記風速板２００の風と向い合わない面に形成され、前記風速板２００と共に水平直線運動をするように形成された第１のギア２２０と、前記ブレード１４０のハブ側に形成され、前記第１のギア２２０と噛み合って円運動をするように形成された第２のギア２３０とをさらに含み、前記風速板２００及び第１のギア２２０の水平直線運動によって前記第２のギア２３０が回転し、前記ブレード１４０のピッチ角を可変させ得る構造を有する。
これは、風速により、前記風速板２００と第１のギア２２０が前記コイルスプリング２１０の作用によって水平直線運動をしながら、前記第１のギア２２０と噛み合って円運動をする第２のギア２３０を回転させ、ピッチ角を調節するようになる方式である。
すなわち、低風速では、前記風速板２００が前方に向かって水平直線運動をしながら移動し、高風速では、風による圧力で前記風速板２００が後方に向かって水平直線運動をしながら移動するようになるが、このとき、前記風速板２００が前方に向かって水平直線運動をすると、前記第１のギア２２０と噛み合った第２のギア２３０が回転しながらピッチ角を増加させ、前記風速板２００が後方に向かって水平直線運動をすると、前記第１のギア２２０と噛み合った第２のギア２３０が反対方向に回転しながらピッチ角を減少させるようになる。
したがって、使用者の別途の操作がなくても、風速の変化に応じてピッチ角が自動的に変化しながら各風速に適したピッチ角を維持できるので、高い動力変換効率と安定性を得ることができる。
図６は、本発明の一実施例に係るピッチ角調節モーター及び第３のギアを含んでピッチ角を可変させ得る構成を示した例示図である。
図５の風速板２００を用いてピッチ角を可変させ得る構成とは異なって、図６に示したピッチ角の変換を可能にするための本発明は、前記回転体１３０と結合されるピッチ角調節モーター３００と、前記ピッチ角調節モーター３００に連結され、前記ブレード１４０に動力を伝達する第３のギア３１０とをさらに含み、前記ピッチ角調節モーター３００の回転量調節に応じて前記第３のギア３１０が回転し、前記ブレード１４０のピッチ角を可変させ得る構造を有する。
すなわち、この場合は、システムが風速を感知して前記ピッチ角調節モーター３００を作動させ、前記ピッチ角調節モーター３００と連結された第３のギア３１０が回転することによって所望の適切な角度のピッチ角を形成できるようになるが、前記第３のギア３１０の数は、ピッチ角の調節が必要なブレード１４０の数と同一にすることが望ましい。
前記ピッチ角調節モーター３００を用いてピッチ角を調節するためには、現在の風力発電機に向かって吹いてくる風の風速を確認しなければならないが、このために、本発明は、前記タワー１１０の一側に風速感知センサーをさらに含むことができる。前記風速感知センサーと連結してピッチ角を自動的に制御できるシステムを備えることもでき、前記風速感知センサーを通して得た現在の風速を参考にしてピッチ角調節モーター３００を作動させるなど、ピッチ角の調節のために多様な方法を用いることができる。
図７は、本発明の一実施例に係る尾翼をさらに含む同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機の斜視図で、図８は、本発明の一実施例に係る尾翼を含まない同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機の斜視図である。
図７に示したように、前記ナセル１２０の後面に結合される尾翼５００をさらに含むことによって、風がタワー１１０より先にブレード１４０と向い合うようになる方式で発電できるようになる。前記尾翼５００は、風が吹いてくる方向を感知し、前記回転体１３０を常に風が吹いてくる方向に向かわせるためのものであって、このような発電方式をアップウィンド方式というが、これと反対のダウンウィンド方式は、風がブレード１４０より先にタワー１１０と向い合うように発電する方式である。
図８に示した前記ダウンウィンド方式は、尾翼５００を必要としないので、生産費を節減し、製造方式を単純化できるという長所を有する。一般的な風力発電機の場合、風がタワーを先に通過した後でブレードに流れると、これによる乱流または渦流が形成され、このような風が回転面に流入することによって振動及び騒音が発生することを避けるためにアップウィンド方式を採用している。但し、本発明では、ブレード１４０のピッチ角を０゜に設定することによって、風が前記ブレード１４０の回転で形成される回転面を貫通せずに円周方向縁部側に誘導されながらエネルギーを得るようになるので、回転面が尾翼５００の役割をするようになり、風が先にタワー１１０を通過したとしても乱流や渦流の発生が減少し、これによる振動と騒音を最小化できるという長所がある。
したがって、本発明は、同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイル形状のブレード１４０を用いることによって、尾翼５００が必要でないダウンウィンド方式及び前記尾翼５００を含むアップウィンド方式を全て用いて発電することができ、設置場所の風の特性、空間的特徴及び周辺環境などを考慮して発電方式を選択すると、より効率的且つ効果的な発電システムを形成することができる。
一方、本発明の技術的構成が適用された水平軸風力発電機の実質的な発電効率を確認するために、風洞実験及びＣＦＤ数値解析を実施した。
まず、風洞実験は、２０１２年１月３１日に表１のような条件で実施し、その結果は表２に示す通りである。
（表１）
（表２）
前記の実験結果から確認できるように、風速及び風量の増加と共に発電出力及び動力変換効率（Ｃｐ）が増加することが分かる。より詳細に説明すると、発電出力は、風速の上昇と共にさらに大幅に増加する傾向を示すが、動力変換効率（Ｃｐ）は、約５ｍ／ｓ以下の風速では風速に比例して増加するが、それより強い風速では増加するものの、増加率は高くない傾向を示す。
また、３．２５ｍ／ｓの風速では４．１７（ｗ）の発電出力及び０．１４０の動力変換効率（Ｃｐ）を有し、３．９０ｍ／ｓの風速では１１．４７（ｗ）の発電出力及び０．２１９の動力変換効率（Ｃｐ）を有することを確認することができる。
すなわち、本発明は、４ｍ／ｓ以下の低風速でも一定量の発電出力及び動力変換効率（Ｃｐ）を有するようになり、風力発電機の稼動効率を効果的に上昇させるようになる。
前記の風洞実験を主管した株式会社ＣＫＰ風工学研究所では、本発明を"一定のＲＰＭ
に至ると、接近する風速と回転するブレードの迎え角によって良好な回転力を発生させ得るという長所を有する風力発電システムであって、良好な出力性能を期待することができる。"と評価した。
本風洞実験の発電出力は、実際に測定した値であって、ローター効率は、発電機の効率と整流器の効率を適用して算出した値である。その後、これをＣＦＤ数値解析の結果値と比較する。
次に実施したＣＦＤ数値解析は、３次元流動解析及び性能評価のために商用コードであるＣＦＸ ｖｅｒ １３．０を用いて実施した。
本ＣＦＤ数値解析に用いられたブレード１４０は、長さ０．７５ｍ（ブレード回転面の直径１．５ｍ）、コード長（ブレードの幅）０．０９ｍの同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイル形態を有し、ブレード１４０の断面は図３に示す通りであり、断面の一側端の１／４地点の厚さが最も厚く形成されるという特徴を有する。
また、同一の形態のブレード１４０のうち、最も厚い地点の厚さが１．８ｃｍであるブレード（以下、‘第１の実施例'という）、最も厚い地点の厚さが１．２ｃｍであるブレ
ード（以下、‘第２の実施例'という）及び最も厚い地点の厚さが２．１ｃｍであるブレ
ード（以下、‘第３の実施例'という）を比較して解析した。
まず、風速による同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードの表面流線を図９ないし図１２に示した。
図９は、風速３．９ｍ／ｓ、回転速度３０３ｒｐｍ、チップ速度比率６．１０でのブレード１４０の表面流線を示したもので、図１０は、風速６．１４ｍ／ｓ、回転速度４９１．７ｒｐｍ、チップ速度比率６．２９でのブレード１４０の表面流線を示したもので、図１１は、風速９．９３ｍ／ｓ、回転速度８１７．２９ｒｐｍ、チップ速度比率６．４６でのブレード１４０の表面流線を示したもので、図１２は、風速１２．３６ｍ／ｓ、回転速度１００６．８ｒｐｍ、チップ速度比率６．４でのブレード１４０の表面流線を示したものである。
図９のブレード１４０の流線分布を見ると、チップ方向の一部の区間を除いては、ブレード１４０の約８０％に失速が形成されることを確認することができる。その後、風速が増加するほど、失速領域がブレード１４０の表面のチップ方向からハブ方向に縮小されていく。これは、流入風速の増加と共にブレード１４０の回転数がさらに増加し、結果的に迎え角が減少するようになり、その結果、失速が減少することと見ることができる。前記失速は、ブレード１４０に発生する揚力を減少させ、出力を低下させる原因になる。
このような結果を参照すると、従来のブレードは、長さ方向に沿って幅と厚さが一定しておらず、非対称型の形態を有することによって、ブレード表面の失速領域が相対的に大きく形成され、揚力による回転力が減少するようになる。換言すると、揚力とそれによる
推力を発生させる風の流動的な流れを受けるブレードのチップ領域の面積が小さく形成され、ブレードの回転力が減少するようになる。
しかし、本発明のブレード１４０は、表面に出力の減少をもたらす失速領域が小さく、その一方、揚力と推力を発生させる風の流動的な流れを受けるブレード１４０のチップ領域の面積が大きく形成されるので、ブレード１４０の回転力が向上する結果をもたらす。
図１３ないし図１５は、４つの異なる形態の同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレードの位置による圧力係数分布を示したＣＦＤ解析結果である。
前記グラフのＷＰ―０１は第１の実施例に該当し、ＮＡＣＡ ００１２は第２の実施例に該当し、ＮＡＣＡ ００２１は第３の実施例に該当する。ここで、５０％は、ブレード１４０のハブから前記ブレード１４０の長さの５０％だけチップ側に移動した場所の位置で測定したことを意味する。同様に、１０％とは、ブレード１４０のハブから前記ブレード１４０の長さの１０％だけチップ側に移動した場所の位置で測定したことを意味し、９０％は、ブレード１４０のハブから前記ブレード１４０の長さの９０％だけチップ側に移動した場所の位置で測定したことを意味する。
図１３ないし図１５を見ると、ブレード１４０の薄い側方向に近接するほど圧力係数が０に収斂するという共通点を有する。但し、ハブからチップ方向にブレード１４０の１０％、５０％、９０％に該当する位置に応じて圧力係数の絶対値の分布範囲が異なるという差を有するが、１０％の位置の場合は約−１．８ないし約０．３の値を有し、５０％の位置の場合は約−４．０ないし約１．３の値を有し、９０％の位置の場合は−６．８ないし３．５の値を有する。これは、図９ないし図１２による結果から分かるように、ブレード１４０のチップ部分によって得られる回転動力が、同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォイルブレード１４０で重要な部分であることを示す。
すなわち、従来のブレードは、長さ方向に沿って幅と厚さが減少する形態で形成され、ブレードのチップ部分で風との相互作用が小さくなり、その結果、発生する揚力と推力が小さいので、ブレードの回転力が相対的に低いという問題を有していた。
したがって、本発明のブレード１４０は、長さ方向に沿って一定の幅と厚さを有する形態で形成され、ブレード１４０のチップ部分で受ける回転動力が相対的に大きくなり、その結果、揚力及び推力が増加し、回転力が飛躍的に上昇するという効果を有する。回転力の上昇は、発電出力及び稼動効率の上昇をもたらすので、本発明によると、従来の技術より効率的な風力発電システムを構成できるようになる。
図１６及び図１７は、風洞実験とＣＦＤ数値解析による発電出力及び動力変換効率を比較した例示図である。
まず、図１６を見ると、風洞実験とＣＦＤ数値解析のいずれにおいても、風速の増加と共に発電出力が増加することを確認することができる。その数値も非常に近似しており、誤差がほぼ発生しないと見ることができる。
そして、動力変換効率（Ｃｐ）を比較した図１７を見ると、発電出力の比較とは異なって、誤差が少し増加したことを確認できるが、風速の増加と共に動力変換効率（Ｃｐ）も増加することが分かり、増加する線の形状も非常に類似しており、類似する動力変換効率（Ｃｐ）の特徴を有することが分かる。
図１８及び図１９は、４つの異なる形態の同一の幅と厚さで形成された対称型エアフォ
イルブレードのＣＦＤ解析結果による発電出力及び動力変換効率を比較した例示図である。
まず、図１８を見ると、風速によって出力が増加するが、ブレード１４０の形態に応じて出力の大きさが異なることが分かる。結果的には、第３の実施例、第１の実施例、第２の実施例の順に発電出力が高くなる。
続いて、図１９を見ると、全体的に風速が増加するほど動力変換効率（Ｃｐ）が増加する傾向を示すことを確認することができる。但し、ブレード１４０のチップ方向に５０％に該当する位置では全体的に低い動力変換効率（Ｃｐ）を有し、約５．５ｍ／ｓ以下の風速では第３の実施例、第２の実施例、第１の実施例の順に動力変換効率（Ｃｐ）が高く、それ以上の風速では第３の実施例、第１の実施例、第２の実施例の順に動力変換効率（Ｃｐ）が高いことが分かる。
結局、ＣＦＤの数値解析の結果、最も高い発電出力と動力変換効率（Ｃｐ）を有するブレード１４０は第３の実施例であって、その結果、ブレード１４０の厚さを適宜調節する必要があると見なされる。
結果値を検討すると、風洞実験による性能結果は、定格風速付近の１２．３６ｍ／ｓで発電出力は７６１．１２（ｗ）、動力変換効率（Ｃｐ）は０．３８５であって、同一の風速のＣＦＤ数値解析の結果では、発電出力は７２０．５０（ｗ）、動力変換効率は（Ｃｐ）０．３６５に該当する。その結果、発電出力では４０．６２（ｗ）、動力変換効率（Ｃｐ）では０．０２だけの差が発生し、これによる誤差は５％以内に該当する。
本発明で言及していないブレード１４０の回転によって発生する機械的エネルギーを電気エネルギーに変換させる発電機は、公知・共用の技術であって、風力発電機の窮極的な目的である電気エネルギーの生産に必要であることは当然である。
前記のように、本発明は、風力発電機に適用されるブレード１４０が同一の幅と厚さで形成され、対称型のエアフォイルの形態で構成されることによって、前記ブレード１４０の両側面全体に揚力と推力が発生しながら回転力が向上し、それによる発電効率及び稼動効率が高いという長所を有する。
以上では、本発明の具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示に過ぎなく、本発明はこれに制限されるものでない。本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の範囲を逸脱しない範囲で説明した実施形態を変更または変形することができ、本発明の技術思想と下記に記載する特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能である。
１００：同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機、１１０：タワー、１２０：ナセル、１３０：回転体、１４０：ブレード、２００：風速板、２１０：コイルスプリング、２２０：第１のギア、２３０：第２のギア、３００：ピッチ角調節モーター、３１０：第３のギア、５００：尾翼

Claims (8)

  1. 地面に垂直に設置されるタワー（１１０）；
    前記タワー（１１０）の上端に垂直軸を中心に回転可能に連結されるナセル（１２０）；
    前記ナセル（１２０）と軸結合される回転体（１３０）；及び
    前記回転体（１３０）の外周面にピッチ角を形成して結合される一つ以上のブレード（１４０）；を含み、
    前記ブレード（１４０）は、エアフォイルの形状を有し、長さ方向に沿って同一の幅と厚さで形成され、前記ブレード（１４０）のチップ側領域を中心に揚力による回転力が発生することを特徴とする同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  2. 前記ブレード（１４０）は、上部面と下部面が対称の形状に形成され、前記上部面と下部面の両面に揚力による回転力が発生することを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  3. 前記ブレード（１４０）は、上部面と下部面が非対称の形状に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  4. 前記ブレード（１４０）の回転時、風が前記ブレード（１４０）の回転で形成される回転面とぶつかって前記回転面の円周方向縁部側に誘導されるように前記ピッチ角を０゜に形成し、前記風の流動エネルギーを回転動力に変換させることを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  5. 前記回転体（１３０）の風と向い合う面に結合され、風速によって水平直線運動をする風速板（２００）；
    前記風速板（２００）の風と向い合わない面に形成され、風速によって前記風速板（２００）の水平直線運動を調節するコイルスプリング（２１０）；
    前記風速板（２００）の風と向い合わない面に形成され、前記風速板（２００）と共に水平直線運動をするように形成された第１のギア（２２０）；及び
    前記ブレード（１４０）のハブ側に形成され、前記第１のギア（２２０）と噛み合って円運動をするように形成された第２のギア（２３０）；をさらに含み、前記風速板（２００）及び第１のギア（２２０）の水平直線運動によって前記第２のギア（２３０）が回転し、前記ブレード（１４０）のピッチ角を可変させ得ることを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  6. 前記回転体（１３０）と結合されるピッチ角調節モーター（３００）；及び
    前記ピッチ角調節モーター（３００）に連結され、前記ブレード（１４０）に動力を伝達する第３のギア（３１０）；をさらに含み、前記ピッチ角調節モーター（３００）の回転量調節によって前記第３のギア（３１０）が回転し、前記ブレード（１４０）のピッチ角を可変させ得ることを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  7. 前記タワー（１１０）の一側に風速感知センサーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
  8. 前記ナセル（１２０）の後面に結合される尾翼（５００）をさらに含み、風が前記タワー（１１０）より先に前記ブレード（１４０）と向い合うようになるアップウィンド（Ｕｐ Ｗｉｎｄ）方式で発電することを特徴とする、請求項１に記載の同一の幅と厚さで形成されたエアフォイルブレードを用いた水平軸風力発電機（１００）。
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