KR101001812B1 - 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편 - Google Patents

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Abstract

본 발명 블레이드 모듈화 풍력발전시스템 및 이의 블레이드편은, 전체적으로 반원고리형태 모양으로 블레이드편을 형성시켜 준비하고, 몇몇 블레이드편을 결합시켜 블레이드세그먼트를 형성하고, 비틈 각도를 고려하여 블레이드세그먼트를 일정하게 적층시켜 다양한 크기의 블레이드모듈을 형성하며, 형성시킨 블레이드모듈을 필요한 수만큼 조립결합하여 전체적인 시스템을 완성조립시킨, 풍력발전시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 일정두께를 가지며 외부로부터의 발전매체를 수용하도록 전체적으로 반원고리형상이되, 중심의 샤프트축대에 결합시키기 위해 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부가 형성되고, 다른 일측 끝단에 상기 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편이 형성되는 블레이드편를, 일정 개수로 준비하여 각각의 상기 축결합부를 결합시켜 블레이드세그먼트를 형성시키며, 상기 형성시킨 블레이드세그먼트를 일정 높이만큼 적층시켜 블레이드모듈을 형성하고 상기 형성시킨 블레이드모듈을 적어도 하나 이상 결합시켜 형성시키는 블레이드와; 상기 블레이드 외측에 덧대이며 골 모양의 형태로 상기 블레이드세그먼트의 적층을 통해 상기 블레이드와 함께 형성되는 부스타와; 상기 풍력발전시스템의 발전을 위해 회전가능상태로 지지되어, 외부의 회전력에 의해 회전하도록 기둥모양의 축대 형태로 형성되는 샤프트축대와; 상기 샤프트축대의 연장선상에 위치되어 상기 샤프트축대의 회전구동력을 받아 발전을 일으키는 발전모듈을; 포함하여 구성된다.
따라서 본 발명은, 풍력발전시스템의 발전효율을 증대시킬 수 있도록 블레이드 형태, 부스타 추가 등 회전가속을 높이기 위한 구조를 채택하여, 저비용 친환경적이면서도 효율이 매우 높은 풍력발전을 수행하는 효과를 제공한다.

Description

블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편{Blade-Media of Modularized blade wind generation system}
본 발명은 부스타를 구비한 풍력발전시스템에 관한 것으로, 전체적으로 반원고리형태 모양으로 블레이드편을 형성시켜 준비하고, 몇몇 블레이드편을 결합시켜 블레이드세그먼트를 형성하고, 트위스트 시킬 각도를 고려하여 블레이드세그먼트를 일정하게 적층시켜 다양한 크기의 블레이드모듈을 형성하며, 형성시킨 블레이드모듈을 필요한 수만큼 조립결합하여 전체적인 시스템을 완성조립함으로써, 대형 뿐만아니라 중소형의 풍력발전시스템 까지도 비교적 편리하게 설치하는 것이 가능하며, 풍력발전 가동 및 운영 관리의 효율을 높일 수 있는, 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이편에 관한 것이다.
아울러 이 건 특허출원은 본 출원인에 의해 등록된 대한민국 등록특허 제936503호(발명의 명칭: 부스터 블레이드를 갖는 세그먼트 트위스팅 풍력발전시스템, 2010.01.05 등록) 및 본 출원인에 의해 출원되어 심사중에 있는 대한민국 특허출원 제2009-60378호(발명의 명칭: 부스터 블레이드를 갖는 블레이드형 풍력발전시스템, 2009.7.2 출원)와 관련된 내용으로서, 발전효율을 증대시키고 선출원된 기술내용을 보다 개선 발전시킨 것이며, 본 발명은 앞서 출원된 기술의 내용을 많이 포함하고 있어 선출원된 내용도 참고하여 설명한다.
석유와 같은 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지원으로서, 인류가 추구해야 할 미래의 새로운 에너지원으로는 태양에너지, 풍력에너지, 인공태양, 수소에너지, 바닷물을 이용한 에너지, 바이오 에너지 등 여러 종류가 있으며, 이 중 다른 에너지원 못지 않게, 풍력은 친환경적이고 재생가능하여 주목을 받고 있는 미래의 새로운 에너지원이다.
풍력발전은 자연상태의 무공해 에너지원이다. 현재 기술로 대체에너지원 중 가장 경제성이 높은 에너지원으로써 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 전력을 전력계통이나 수요자에 직접 공급하는 발전(Generation) 기술이다. 즉 풍력의 에너지 변환과정을 통해 전력을 생산하며 생산된 전력은 가정용, 공업용 등으로 자체 소모하거나 한국전력에 역송전하여 전기를 판매할 수 있다. 이러한 풍력발전을 이용한다면 산간이나 해안오지 및 방조제 등 부지를 활용함으로써 국토이용효율을 높일 수 있다. 특히 우리나라는 해안선이 길어 풍력발전을 하기에 유리한 조건을 가지고 있다.
풍력발전과 관련된 종래의 기술로 대한민국 등록특허 제308339호로 날개의 형태를 개선한 '풍력발전기의 날개'가 있으며, 도 35는 대한민국 등록특허 제308339호 '풍력발전기의 날개'에 대한 도면이다.
도시한 바와 같이 '풍력발전기의 날개'는, 지지축(10)을 중심으로 적어도 3개 이상의 수평축(11)이 방사형으로 회전이 자유롭도록 설치되고, 각 수평축에 원호형으로 활곡 형성된 날개를 회동가능하게 축결합시키고, 수평축에 축결합된 각 날개의 축결합부 내측단에 수평축을 축으로 회전하는 유성기어(15)를 일체로 설치하고, 날개의 상부에는 지지축을 중심으로 회전되면서 저면에 날개의 유성기어와 맞물리는 기어이가 형성된 원판형상의 연결기어(16)를 설치하여 일측 날개의 가변각을 다른 날개에 전달하여 동일한 변위각을 갖도록 구성된 것이다.
이는 종래 풍력발전기의 날개가 고정되어 있어 만일 태풍과 같이 강한 바람이 불면 날개 또는 지지대가 부러지거나 파손되게 되고, 또 이를 방지하기 위해 날개의 크기를 작게 할 경우에는 미풍이 불 때 바람을 적게 받게 되는 단점을 개선하여, 바람의 세기에 따라 가변적으로 각도가 변경되어 미풍일 때는 더욱더 많은 바람을 받고, 강풍일 때는 바람의 저항을 덜 받아 태풍과 같은 바람이 불더라도 날개와 지지축은 견고하게 견딜 수 있는 장점이 있다.
풍력발전과 관련된 또다른 종래의 기술로 대한민국 특허공개공보 제10-2004-24956호 '사보니우스 날개 및 수직축형 풍력발전시스템의 동력전달구조'도 있으며, 도 36은 대한민국 특허공개공보 제10-2004-24956호 '사보니우스 날개 및 수직축형 풍력발전시스템의 동력전달구조'를 나타낸 도면이다.
이러한 종래 '원통형 블레이드가 구비된 소형 풍력발전장치'는 도 36에 도시한 바와 같이 바람의 항력을 이용한 수직축 풍력발전시스템에 사용되는 사보니우스 날개의 회전속도를 증속하여 이용하기 위한 수직축형 풍력발전시스템의 동력전달구조로, 상하측에 위치하는 한쌍의 엔드플레이트, 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되어 바람의 항력을 받는 적어도 하나 이상의 블레이드, 및 상기 엔드플레이트의 원주면에 구비되는 동력전달장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 사보니우스 날개 및 이를 응용한 수직축 풍력발전시스템의 동력전달구조를 제공하여, 발전기의 발전 효율을 높이며 저풍속에 대한 적응력이 우수한 수직축형 풍력발전시스템이다.
풍력발전과 관련된 또다른 종래의 기술로 독일 특허출원 DE3928538호가 있으며, 도 37은 독일 특허출원 DE3928538호의 풍력발전장치를 나타낸 도면이다.
도시한 바와 같이 독일 특허출원 DE3928538호의 풍력발전장치는, 풍력발전장치 자체에 형성시키게 되는 태양전지판들 사이에서 나오는 전류를 전달하는 주된 목적으로 전도성형체(전기를 보내기 위한 하나의 경로)가 연속가이드파일 형태로 구성되어 개개의 곡면 조형체들의 사각을 감소시켜 주고 효율을 높여주는 특징이 있다.
이러한 종래 풍력발전을 위한 시스템이나 장치들이 풍력발전의 효율을 높이기 위해 새로운 구조와 구성을 채택하고 있지만, 나름대로 문제점도 많이 내포하고 있다.
먼저 종래 대한민국 등록특허 제308339호 '풍력발전기의 날개' 기술은 수평축(11)이 연결기어(16) 및 유성기어(15) 등의 작동에 따라 회전되도록 구성되어 있으나 대형 등에서는 동력전달, 자체 무게 등으로 인해 구성이 복잡하고 풍력발전을 수행함에 어려운 점이 많다.
그리고 대한민국 특허공개공보 제10-2004-24956호 '사보니우스 날개 및 수직축형 풍력발전시스템의 동력전달구조'도, 상하측에 위치하는 한쌍의 엔드플레이트와, 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 설치되어 바람의 항력을 받을 수 있는 구조로 형성되어 있어, 원하는 회전동력을 높이는 데 어려움이 있다.
마지막으로 독일 특허출원 DE3928538호의 풍력발전장치는, 블레이드 전체에 태양전지를 장착하는 형태로 형성되어 전기흐름 유지를 위한 것으로 풍력발전시스템의 제품화과정이 어렵고 생산성이 떨어지며, 중심의 샤프트축대(4)에 블레이드를 결합시키는 과정이 어려워 실용화 과정 등에 문제점이 있다.
아울러 풍력발전을 위한 설비나 장치, 시스템 등에 있어 바람의 방향과 세기에 구애됨 없이 발전이 가능하고, 또한 큰 발전플랜트 시설에서부터 소형에 이르기까지 풍력발전의 효율을 높일 수 있는 기술 또한 절실히 요청되고 있는 실정이다.
따라서 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 일정두께를 가지며 조립결합된 상태에서 외부로부터의 발전매체를 수용하도록 전체적으로 반원고리형상의 블레이드편 바디(10B)를 갖되, 중심의 샤프트축대(130)에 결합시키기 위해 하나의 블레이드편(10)의 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부(10A)가 형성되고, 상기 축결합부(10A)의 결합부편(10Ac)을 상기 샤프트축대(130)를 중심으로 또 다른 블레이트 편의 축결합부의 결합부편과 결합시킴으로써 블레이드 세그먼트가 형성되고, 다른 일측 끝단에 상기 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편(10C)이 형성되는, 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편을 제공하는데 있다.
그리고 본 발명의 또다른 목적은, 일정두께를 가지며 외부로부터의 발전매체를 수용하도록 전체적으로 반원고리형상이되, 중심의 샤프트축대에 결합시키기 위해 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부가 형성되고, 다른 일측 끝단에 상기 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편이 형성되는 블레이드편을, 일정 개수로 준비하여 각각의 상기 축결합부를 결합시켜 블레이드세그먼트를 형성시키며, 상기 형성시킨 블레이드세그먼트를 일정 높이만큼 적층시켜 블레이드모듈을 형성하고 상기 형성시킨 블레이드모듈을 적어도 하나 이상 결합시켜 형성시키는 블레이드와; 상기 블레이드 외측에 덧대이며 골 모양의 형태로 상기 블레이드세그먼트의 적층을 통해 상기 블레이드와 함께 형성되는 부스타와; 상기 풍력발전시스템의 발전을 위해 회전가능상태로 지지되어, 외부의 회전력에 의해 회전하도록 기둥모양의 축대 형태로 형성되는 샤프트축대와; 상기 샤프트축대의 연장선상에 위치되어 상기 샤프트축대의 회전구동력을 받아 발전을 일으키는 발전모듈을; 포함하는 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 제공하는데 있다.
이러한 본 발명 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 있어, 상기 블레이드편 바디는 상기 반원고리형상의 블레이드편 바디 표면으로 상기 외부로부터의 수용되는 발전매체에 의해 회전력을 증대시키기 위해, 상기 블레이드편 바디의 중심으로부터 외측으로 휘어져 오목형상을 이루는 적어도 하나 이상의 보조부스타편을 더 포함하며; 상기 보조부스타는 상기 블레이드편 바디 표면으로 상기 반원고리형상의 내측 및 외측 어느 한 측면 이상에서 하나 이상의 필요한 지점에 형성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 있어, 상기 블레이드편은 상기 블레이드편 바디에 결합되는 상부가 상기 블레이드편 바디로부터 튀어나오는 형태로 형성되어 상기 외부로부터의 발전매체를 수용하여 회전가압시키는 회전가압단이 포함되며; 상기 블레이드편 바디 및 상기 부스타편은 어느 하나 이상을 각지거나 경사지도록 형성시킴으로써 상기 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 완성된 표면이 각지거나 경사지도록 형성시키는 것이 가능하다.
또한 본 발명 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 있어, 상기 블레이드편 바디는 상기 부스타편 및 상기 부스타편과 이어지는 블레이드편 바디의 상부에 또 다른 블레이드편과의 결합시 완성시키고자 하는 모양으로의 형성을 위해 결합시키는 각도를 조절하기 위해 적어도 하나의 조립홈이 형성되며, 상기 조립홈이 형성되는 반대측면에 상기 조립홈에 결합시키기 위한 또다른 조립홈이 형성되어 있으며; 상기 블레이드편 바디는 상기 블레이드편 바디의 견고성을 높이기 위해 상기 중심의 샤프트축대와 상기 부스타편 외측의 샤프트축대 방향 부분의 사이를 지탱하여 보강하는 보강대를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템은, 상기 블레이드의 상부 및 하부 증 어느 하나 이상을 막도록 판넬형태로 형성되는 막이판을 더 포함하여 구성시키는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 있어, 상기 블레이드는 상층의 블레이드편과 하층의 블레이드편 결합시 상기 결합각도의 변화없이 직립형태로 곧게 결합 형성되거나 ; 상층의 블레이드편과 하층의 블레이드편 결합시 일정한 각도로 서로 어긋나도록 결합시키므로써 전체적으로 트위스트 형태로 형성되며; 상층의 블레이드편과 하층의 블레이드편 결합시 내측의 골모양 안쪽으로 상기 상층의 블레이드편 보다 상기 하층의 블레이드편이 더 튀어나와, 상기 튀어나온 하층 블레이드편의 상면으로 불어들어온 바람이 부딪혀 힘을 받는 회전가압단이 형성되도록 조립결합시키는 것이 가능하다.
또한 본 발명의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 있어, 상기 발전모듈은 일정 발전 용량을 갖는 다수의 발전기가 포함되도록 구성되고; 상기 포함된 다수의 각 발전기가 허용하는 발전범위를 넘으면 추가 작동되도록 구성하므로써 발전부하로 작용시키도록 형성되며; 상기 발전모듈에서의 출력을 입력받는 구성의 입력허용범위를 넘어서는 발전량은 상기 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 외부로 흘려 보내도록 덤프로드(dump load)가 포함되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 의해 본 발명의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템은 수직 및 수평을 포함하여 각도에 제한없이 필요한 각도로 설치가 가능하다.
이외에도 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서는, 일정 간격으로 이격되는 상태로 적어도 둘 이상의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템이 설치되는 경우, 설치되는 각각의 상기 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 샤프트축대 사이를 결합시켜 지지하는 서포터장치를 더 추가구성시키는 것이 가능하다.
이러한 상기 서포터장치는, 설치되는 적어도 둘 이상의 상기 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 샤프트축대 상부 끝단을 지지하도록 결합시키는 서포터고정체와; 하나의 서포터고정체에 일단이 결합되고 또다른 서포터고정체에 반대측 일단을 결합시키므로써 상기 서포터고정체의 사이를 지지하는 서포터바를 포함하는 형태로 구성되는 것이 바람직하다.
아울러 본 발명에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템 및 이의 블레이드편에서의 구성부 각각에 대한 상세한 기술내용을 제공하며, 이러한 구성 및 기술내용은 각각 개별적이거나 서로 복합적으로 실시되는 것이 가능하다.
따라서 본 발명은, 다음과 같은 중요 효과를 제공한다.
본 발명은 풍력발전시스템의 발전효율을 증대시킬 수 있도록 블레이드 형태, 부스타 추가 등 회전가속을 높이기 위한 구조를 채택하고 있다.
또한 블레이드편이나 블레이드세그멘트를 통해 적층되는 구조를 취하고 동시에 모듈화의 개념을 도입하여 설치 및 수리, 관리의 용이성을 제공한다.
또한 수평형이나 수직형 또는 사선형 등 설치 방향에 제한이 없이 원하는 형태와 각도로 설치가 가능하여 공간활용의 효율성을 증대시킨다.
아울러 본 발명은 장소에 구애받지 않고 설치하는 것이 가능하고, 저비용 친환경적이면서도 효율이 매우 높은 풍력발전을 수행하는 효과가 있으며, 경제적인 발전을 일으킬 수 있어 각광을 받을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편을 설명하기 위한 도면.
도 2는 도 1 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 대한 크기 및 형태를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 1 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 대한 부스타편의 종류를 나타낸 도면.
도 4는 도 1 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 대한 보강대를 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 나타낸 도면.
도 6은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 위한 블레이드편의 결합과정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 조립 결합시 각도 조절과정을 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 7 블레이드편에 대한 결합과정의 특징을 설명하기 위한 도면.
도 9는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 위한 블레이드의 막이판을 설명하기 위한 도면.
도 10은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 직립형 블레이드를 설명하기 위한 도면.
도 11은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 표면 형성 형태를 설명하기 위한 도면.
도 12는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드에 보조부스타가 추가 변화된 형태를 나타낸 도면.
도 13은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드에 대한 다양한 변화 형태를 설명하기 위한 도면.
도 14는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 주요 부분에 대한 형태를 나타낸 도면.
도 15는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 구조적 견고성을 설명하기 위한 도면.
도 16은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서의 수리의 편리성을 설명하기 위한 도면.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 프로펠러타입 풍력발전시스템과의 비교하기 위해 나타낸 도면.
도 18은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서 바람의 작용을 설명하기 위한 도면.
도 19는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서 보조부스타의 작용을 설명하기 위한 도면.
도 20은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 형성되는 바람골에서의 바람의 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 21은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 형성되는 바람골 흐름을 통해 회전효율이 증대되는 것을 설명하기 위한 도면.
도 22는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서의 전체적인 바람의 작용을 설명하기 위한 평면도.
도 23은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대해 고도에 따른 바람의 작용을 설명하기 위한 도면.
도 24는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 수직설치 구조에서의 풍력발전효율을 설명하기 위한 도면.
도 25는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 수평설치 구조에서의 풍력발전효율을 설명하기 위한 도면.
도 26은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 실린더 구조의 설치 형태를 설명하기 위한 도면.
도 27은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 수직설치 형태를 설명하기 위한 도면.
도 28은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 수평설치 형태를 설명하기 위한 도면.
도 29는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 수직설치예를 나타낸 도면.
도 30은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 그룹화 설치 경우에 대한 지지구조를 설명하기 위한 도면.
도 31 내지 도 34는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템이 설치된 예를 설명하기 위한 도면.
도 35는 대한민국 등록특허 제308339호 '풍력발전기의 날개'에 대한 도면.
도 36은 대한민국 특허공개공보 제10-2004-24956호 '사보니우스 날개 및 수직축형 풍력발전시스템의 동력전달구조'를 나타낸 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명 블레이드 모듈화 풍력발전시스템 및 이의 블레이드편을 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 대한 크기 및 형태를 설명하기 위한 도면이다.
그리고 도 3은 도 1 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 대한 부스타편의 종류를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 1 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편에 대한 보강대를 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편(10)은 발전을 일으키기 위한 발전시스템의 부품 혹은 부속으로서, 일정두께를 가지며 조립결합된 상태에서 외부로부터의 발전매체를 수용하도록 전체적으로 반원고리형상의 블레이드편 바디(10B)를 갖되, 중심의 샤프트축대(130)에 결합시키기 위해 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부(10A)가 형성되고, 다른 일측 끝단에 상기 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편(10C)이 형성된 형태이다.
본 실시예의 블레이드편(10)은 여러 가지 형태로 제작될 수 있고 그 형태에 제한을 받지 않는다. 하지만 도 2에 도시한 바와 같이, 부스타편(10C)의 지름(10Cd)은 블레이드편(10)의 지름(10d)의 1/3 정도 되도록 설계하고, 보조부스타(10D)의 지름(10Dd)은 부스타편(10C)의 지름(10Cd)의 2/3 정도 이하로 설계되는 것이, 대기안정도(Pasquill, 1961)의 E등급(안정)이나 F등급(매우안정), 지상 10m의 고도, 풍속6m/sec, 연평균 기온차 30도 기준으로 산정할 때 회전동력의 효율을 극대화시킬 수 있는 것으로 실험결과 드러나고 있어 앞서 설명한 비율을 참조하여 제작되는 것이 바람직하다.
또한 후술하겠지만 본 실시예에 따라 형성시키고자 하는 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은, 설치되어야 할 장소의 평균풍속과 연평균 기온차, 대기안정도, 바람방향 등을 고려하여 블레이드편(10)과 부스타편(10C)의 지름을 증감시키는 것이 중요하고 또한 바람직하다.
아울러 본 블레이드편(10)에 있어, 부스타편(10C)은 도 3에 도시한 바와 같이 여러 가지 다양한 형태로 형성되는 것이 가능하며, 이에 대한 것은 본 출원인에 의해 선출원된 대한민국 특허출원 제2009-60378호(2009.7.2출원)에도 서술되어 있으나, 다시 살펴본다.
전술한 바와 같이 본 실시예의 블레이드편(10)에 있어, 부스타편(10C)은 형성시킬 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 외측 둘레부분으로 부는 바람을 받아 풍력발전의 회전력을 높이는 기능을 수행하는 구성부이다.
먼저 (A)와 같은 초승달 모양의 부스타편(10C)은 가장 일반적으로 생각할 수 있는 부스타편(10C) 모양으로, 초승달처럼 중앙이 오목하게 패인 형태이다. 다음으로 (B)는 (A)와 같은 개념이지만 그 형태가 'ㄷ'자 형태를 하고 있으며, (C)모양은 평평한 형태를 하는 부스타편(10C)으로서 회전하는 외주연 끝단부에 위치하게 되는 본 부스타편(10C)이 보다 강한 바람을 받아 힘을 발생시키도록 하는 형태로, 화살표와 비슷한 모양을 하는 경우이다.
그리고 (D), (E), (F) 모양은 양력을 받을 수 있도록 구조화된 형태의 부스타편(10C) 모양으로, 굽어지거나 휘어지지 않되 중앙이 불룩한 형태를 취하는 양력 발생의 일반적인 원리를 이용하여, 한쪽이 타원형태를 하고 반대측 끝단부로 갈수록 가늘어지는 에어포일(airfoil)구조를 변형시켜 적용하는 예를 나타낸 것이다. 따라서 앞서의 원리에 따라 (D)는 에어포일(airfoil)구조의 모양을 하며 블레이드편 바디(10B)의 곡면을 따라 형성된 형태로, (E)는 역시 에어포일 구조의 모양을 하며 블레이드편 바디(10B)에 대해 각이 진 형태로, (F)는 원형의 형태로 각각 구조화시켜 부스타편(10C)을 형성하고 있다.
본 블레이드편(10)은 이외에도 블레이드편 바디(10B)의 외연 끝단부에 형성되어 회전력을 높일 수 있는 다양한 형태의 부스타편(10C)을 형성시키는 것이 가능하다.
또한 본 블레이드편(10)의 블레이드편 바디(10B)는 도시한 바와 같이, 반원고리형상의 블레이드편 바디(10B) 표면으로 상기 외부로부터의 수용되는 발전매체에 의해 회전력을 증대시키기 위해, 블레이드편 바디(10B)의 중심으로부터 외측으로 휘어져 오목형상을 이루는 적어도 하나 이상의 보조부스타편(10D)이 추가되는 것이 가능하다. 아울러 이러한 보조부스타편(10D)은 블레이드편 바디(10B) 표면으로 상기 반원고리형상의 내측 및 외측 어느 한 측면 이상에서 하나 이상의 필요한 지점에 형성된다.
또한 도 1을 다시 참조하면, 본 실시예의 블레이드편(10)은 블레이드편 바디(10B)에 결합되는 상부가 블레이드편 바디(10B)로부터 튀어나오는 형태로 회전가압단(10E)을 형성하고 있다. 이 회전가압단(10E)은 외부로부터의 발전매체를 수용하여 회전가압시키는 기능을 수행한다. 후술하겠지만 이를 통해 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 회전효율을 높여 풍력발전을 증대시키는데 기여하게 된다.
본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에 있어, 블레이드편 바디(10B)는 부스타편(10C) 및 이 부스타편(10C)과 이어지는 블레이드편 바디(10B)의 상부에 또 다른 블레이드편(10)과의 결합시 완성시키고자 하는 모양으로의 형성을 위해 결합시키는 각도를 조절하기 위한 다수의 조립홈(10H)이 형성된다. 다수의 조립홈(10H)은 메인조립홈(10Ha)과 보조조립홈(10Hb)로 구분할 수 있으며, 도시한 바와 같이 본 실시예에 있어서는 하나의 메인조립홈(10Ha)과 다수의 보조조립홈(10Hb)이 형성되어 있다.
조립에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하겠지만, 이러한 메인조립홈(10Ha)과 보조조립홈(10Hb)은 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 블레이드(110)가 트위스트형태로 형성될 수 있는 토대를 제공한다.
아울러 본 블레이드편(10)은 금형에 의한 사출로 대량생산하므로써 원가를 절감할 수 있다. 뿐만아니라 자동차 범퍼 등과 같이 금형사출 등에 의해 제작이 가능하며, 폴리프로필렌(PP)재질로 제작되는 경우 길이 2m에 높이 50cm 정도의 무게를 약 5kg 정도로 할 수 있어 제작을 편리하게 할 수 있으면서도 발전의 효율을 높일 수 있다.
또한 본 블레이드편(10)은 사출되는 대형 블레이드의 강도를 보강하고 블레이드편 바디(10B)의 견고성을 높이기 위해, 중심의 샤프트축대(130)와 부스타편(10C) 외측의 샤프트축대(130) 방향 부분의 사이를 지탱하여 보강하는 보강대(10S)를 추가 구성시키는 것이 가능하며, 블레이드편(10) 외부를 유리섬유(fiber glass)로 코팅하여 견고하게 제작할 수 있다.
도 5는 본 발명 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 나타낸 도면이다.
또한 도 6은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 위한 블레이드편의 결합과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 조립 결합시 각도 조절과정을 설명하기 위한 도면이다.
아울러 도 8은 도 7 블레이드편에 대한 결합과정의 특징을 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 위한 블레이드의 막이판을 설명하기 위한 도면이다.
그리고 도 10은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 직립형 블레이드를 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은, 블레이드(110), 부스타(120), 샤프트축대(130), 발전모듈(140)로 크게 구분할 수 있다.
본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에서 중요한 내용 중 하나는 블레이드(110)를 모듈화하여 구성할 수 있다는 것이며, 이러한 모듈화의 구성 및 조립결합에 따라 종래의 풍력발전과는 다른 특성과 효과를 나타낸다.
블레이드(110)의 모듈화 개념은 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 블레이드(110)를 형성함에 있어, 블레이드편(10)으로 형성한 블레이드세그먼트(110s)를 필요한 정도의 일정한 높이로 결합시킨 것이다. 즉 블레이드모듈(110m)은 몇몇개의 블레이드세그먼트(110s)를 조립 결합하여 형성할 수도 있고 몇십 혹은 몇백개의 블레이드세그먼트(110s)를 조립 결합하여 형성하는 것도 가능하다.
먼저 블레이드(110)는 앞서 설명한 바와 같이, 일정두께를 가지며 외부로부터의 발전매체를 수용하도록 전체적으로 반원고리형상이되, 중심의 샤프트축대(130)에 결합시키기 위해 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부(10A)가 형성되고, 다른 일측 끝단에 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편(10C)이 형성되는 블레이드편(10)을, 원하는 개수 본 실시예에서는 2개를 이용하여 형성시키게 된다. 이러한 블레이드편(10) 각각의 축결합부(10A)를 결합시켜 블레이드세그먼트(110s)를 형성시키며, 이렇게 형성시킨 블레이드세그먼트(110s)를 일정 높이만큼 적층시켜 블레이드모듈(110m)을 형성하고 이러한 블레이드모듈(110m)을 적어도 하나 이상 결합시켜 블레이드(110)를 형성시키게 된다.
또한 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에 있어, 회전부스터(120)는 블레이드(110) 외측에 덧대이며 골 모양의 형태로 블레이드세그먼트(110s)의 적층을 통해 블레이드(110)와 함께 형성되는 구성부이다.
또한 샤프트축대(130)는 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 발전을 위해 회전가능상태로 지지되어, 외부의 회전력에 의해 회전하도록 기둥모양의 축대 형태로 형성된다.
그리고 발전모듈(140)은 샤프트축대(130)의 연장선상에 위치되어 샤프트축대(130)의 회전구동력을 받아 발전을 일으키는 구성부이다.
본 실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 구성을 위해 각각의 구성부를 준비해야 하지만, 그 중에서도 수행하고자 하는 풍력발전에 따라 특히 블레이드(110)를 잘 준비하는 것이 중요하다.
본 실시예의 블레이드(110)를 위해 먼저, 몇 개의 블레이드편(10)으로 블레이드세그먼트(110s)를 형성할 것인가를 정하는 것이 중요하다. 도시한 바와 같이, 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에서는 블레이드편(10) 2개로 하나의 블레이드세그먼트(110s)를 조립결합하여 형성할 수 있으며, 블레이드편(10)을 셋이나 넷, 혹은 그 이상으로 하나의 블레이드세그먼트(110s)를 형성할 수도 있다. 중요한 것은 어떠한 형태로 블레이드세그먼트(110s)를 형성하는 것이 풍력발전의 효율이나 상황에 따른 설치 환경에 좋게 할 수 있는 가 하는 것이다. 이러한 블레이드세그먼트(110s) 형태는 완성될 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 전체적인 상황을 고려하는 것이 바람직하며, 여기서는 2개의 블레이드편(10)을 서로 맞물리는 상태로 조립결합하여 블레이드세그먼트(110s)를 형성하고, 형성된 블레이드세그먼트(110s)를 모듈화하여 블레이드(110)를 형성하는 과정을 중심으로 설명한다.
각각의 경우 블레이드편(10) 각각의 축결합부(10A)가 서로 마주한 상태로 결합되어 도시한 바와 같은 블레이드세그먼트(110s)를 형성하게 된다.
아울러 본 실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 조립구성은 크게 각각의 구성부들을 따로 준비하여 조립결합하는 방식으로 진행하는 것과, 샤프트축대(130)에 블레이드편(10)이나 혹은 블레이드세그먼트(110s)를 하나하나 조립해가는 방식으로 구분할 수 있다.
또한 블레이드(110)의 완성형태에 따라 트위스트(꼬임) 형태와 직립형태로 크게 구분할 수 있다.
먼저 트위스트 형태의 블레이드(110)는 상층의 블레이드편(10)과 하층의 블레이드편(10) 결합시 일정한 각도로 서로 어긋나도록 결합시키므로써 전체적으로 트위스트 형태로 형성시키는 것이다.
이 과정에서 원하는 형태나 각도(θ), 예컨대 각도(θ) 조절없이 직립형태로 곧게 세우거나 혹은 2도, 3도, 4도, 등등과 같이 원하는 정도로 조절하여 하나의 블레이드편(10)을 결합시키고, 여기에 또다른 블레이드편(10)을 결합시키는 과정으로 계속 진행하여 블레이드(110)를 형성할 수 있으며, 이것은 후술하겠지만 블레이드세그먼트(110s)를 형성한 후 적층조립하는 경우에도 같다.
이러한 조립결합과정에서 본 실시예의 블레이드(110)는, 앞서 설명한 회전가압단(10E)에 의해 상층의 블레이드편(10)과 하층의 블레이드편(10) 결합시 내측의 골모양 안쪽으로 상층의 블레이드편(10) 보다 하층의 블레이드편(10)이 더 튀어나와, 튀어나온 하층 블레이드편(10)의 상면으로 불어들어온 바람에 힘을 받게 된다.
또한 도시한 바와 같이 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은, 블레이드(110)의 상부 및 하부 중 어느 하나 이상을 막도록 판넬형태로 형성되는 막이판(150)이 형성된다.
그리고 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은, 앞서 설명한 것과 달리, 상층의 블레이드편(10)과 하층의 블레이드편(10) 결합시 결합각도의 변화없이 블레이드(110)를 직립형태로 곧게 결합 형성시키는 것도 가능하며, 블레이드(110)의 형태를 제외한 사항은 트위스트(꼬임) 형태에서와 같다.
이제 실제적인 조립 결합과정을 알아보기 위해 먼저 두 블레이드편(10)으로 블레이드세그먼트(110s)를 형성하는 경우를 살펴본다.
이 경우에는 도시한 바와 같이, 두 블레이드편(10)의 축결합부(10A)를 맞댄 후, 두 블레이드편(10) 각각에 형성되어 있는 조립홈(10h)들에 나사 등으로 단단히 결합하여 블레이드세그먼트(110s)를 형성한다. 이렇게 형성한 블레이드세그먼트(110s)를 샤프트축대(130)에 하나하나씩 끼워 넣으면서 블레이드(110)를 형성할 수 있으며, 부스타(120)는 이 과정에서 자연스럽게 형성된다.
블레이드세그먼트(110s)를 샤프트축대(130)에 끼워 넣을 때는, 역시 풍력발전을 고려하여 각 블레이드세그먼트(110s) 간에 비트는 각도를 잘 고려하는 것이 중요하다. 각도에 대한 조정은 앞서 설명한 바와 같이 본 실시예의 블레이드편(10)에 형성된 다수의 조립홈(10H)으로서 메인조립홈(10Ha)과 보조조립홈(10Hb)의 삽입결합 위치를 알맞게 조종함으로써 가능하다.
본 실시예에 있어 블레이드(110)는 도시한 바와 같이 샤프트축대(130)에 바로 적층시켜 가면서 형성시킬 수도 있다. 앞서와 같이 두 블레이드편(10)으로 하나의 블레이드세그먼트(110s)를 형성시키는 경우, 먼저 중심에 샤프트축대(130)를 위치시키고 하나의 블레이드편(10)의 결합부편(10Ac)을 샤프트축대(130)에 접촉시킨 다음, 이에 맞추어 또다른 블레이드편(10)의 결합부편(10Ac)을 결합시키므로써 블레이드세그먼트(110s)를 형성하는 것이 가능하다. 그리고 이렇게 형성된 블레이드세그먼트(110s) 상부에는 다시 원하는 형태나 각도로 조절하여 하나의 블레이드편(10)을 결합시키고 여기에 또다른 블레이드편(10)을 결합시키는 과정을 계속 진행하여, 블레이드(110)를 형성할 수 있다.
또한 본 실시예에서는 블레이드모듈(110m)을 형성한 후, 이를 샤프트축대(130)에 원하는 높이나 폭만큼 결합시켜 블레이드(110)를 형성한다. 즉 모듈화하는 것이다.
이렇게 형성시키고자 하는 블레이드(110)를 모듈화하여 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)을 조립형성하면 작동, 성능, 수리, 편리함 등에서 많은 잇점이 있다.
본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 발전모듈(140)은 1개 이상의 발전기(140g)를 포함하도록 구성함으로써 풍속별 발전량을 최대화함은 물론, 발전한 전력을 효과적으로 이용하는 것이 가능하다. 본 실시예에서는 3대의 발전기가 장착 설치된 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)이 도시되어 있으며, 본 설명에서는 이를 중심으로 설명한다. 하지만 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에 있어 이러한 발전기(140g)는 하나 혹은 원하는 수만큼 설치될 수 있어, 설치 개수에 제한이 없다.
일례로 본 실시예에서와 같이 3대의 발전기가 장착 설치되는 경우, 풍속 6m/sec에서 발생하는 블레이드(110)의 회전수가 15rpm까지는 제1발전기(141g)가 작동되어 발전될 수 있도록 구성시키고, 16rpm 초과시는 제1발전기(141g)와 제2발전기(142g)를, 17rpm부터는 3대의 발전기(141g, 142g, 143g,) 모두를 가동하여 발전시킴으로써 작은 바람에서도 발전량을 최대화 할 수 있다. 아울러 이러한 발전기의 연결 제어는 블레이드(110)의 회전수에 의하는 것 뿐만아니라 각 발전기의 출력 전압이나 전류에 의해서도 발전기 출력단자를 on/off함으로 제어할 수 있다. 따라서 앞서 설명한 바와 같이 다수의 발전기를 설치해 주어도 좋으며, 그러한 것이 바람직하다.
또한 본 실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 발전모듈(140)은, 본 발전모듈(140)에서의 출력을 입력받는 후단 구성부들의 입력허용범위를 넘어서는 발전량은 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 외부로 흘려 보내도록 덤프로드(dump load, 160)를 추가 구성하고 있으며, 이는 순간적 과발전에 대비하는 구성부이기도 하다. 따라서 본 발전모듈(140)에서의 출력이 어느 정도 허용범위를 초과하게 되면 그 초과 발전량이 외부로 흐르게 되어, 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 출력을 사용하는 시스템이나 장치들은 안전하게 된다.
아울러 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 위의 덤프로드(dump load, 160)에서 수행할 수 있는 안전보호 이상의 발전이 수행되면 이를 보호할 수 있도록, 휴즈(fuse) 등과 같이 어느 정도까지의 전류를 흘려보내는 안전차단장치(cut off)가 설치된다. 따라서 이를 통하여 순간적인 돌풍이나, 심한 태풍시 단락(cut)되게 하므로써 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)을 안전하게 유지할 수 있다.
도 11은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 표면 형성 형태를 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 앞서와 같은 모양 이외에도 최초 블레이드편(10)의 형태를 다양하게 형성함으로써 블레이드(110) 및 부스타(120) 등 전반적인 형태 및 상태를 다르게 할 수 있다.
즉 도 11의 (a)와 같이, 본 실시예의 블레이드편(10)의 측면이 되는 블레이드편 바디(10B)와 부스타편(10C)이 각각 직각 형태로 형성되는 경우, 블레이드(110) 및 부스타(120)는 도시한 바와 같이 직각을 이루는 계단 형태로 형성된다.
또한 이와 달리 도 11의 (b)와 같이, 블레이드편(10)의 측면이 되는 블레이드편 바디(10B)와 부스타편(10C)이 각각 경사진 형태로 형성되는 경우, 블레이드(110) 및 부스타(120)는 앞서의 계단형태와 달리 표면이 비교적 매끄러운 상태로 형성된다.
아울러 이러한 과정에 있어, 블레이드편 바디(10B)와 부스타편(10C)의 형태는 서로 같이 혹은 따로 각지거나 경사지게 형성함으로써, 블레이드(110) 및 부스타(120)의 형태를 다양한 형태로 형성시키는 것이 가능하다.
도 12는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드에 보조부스타가 추가 변화된 형태를 나타낸 도면이고, 도 13은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드에 대한 다양한 변화 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에 있어, 블레이드편(10)에 추가되는 보조부스타편(10D)은 블레이드(110)에 대해 바깥쪽 혹은 안쪽에 형성되거나 이러한 내외측 형성이 복합화되는 것이 가능하며, 이 외에도 보조부스타편(10D)은 각지거나 사각 형태 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
또한 하나의 블레이드세그먼트(110s)를 형성하기 위해 셋이나 넷 혹은 그 이상 개수의 블레이드편(10)이 사용되어 질 수 있으며, 이 경우 하나의 블레이드세그먼트(110s)를 형성하는 블레이드편(10) 수에 따라 축결합부(10A)의 결합부편(10Ac) 등의 모양을 맞게 형성하는 것이 중요하다.
도 14는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 주요 부분에 대한 형태를 나타낸 도면이다.
또한 도 15는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 구조적 견고성을 설명하기 위한 도면이고, 도 16은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서의 수리의 편리성을 설명하기 위한 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에 대한 상부 및 하부로부터의 모양은 달팽이와 같은 형상을 하고 있으며, 측면에서 더욱 확실하게 알 수 있다. 또한 상부 및 하부에서 바라본 사시 형태는 발전의 효율 못지 않게 미적으로도 뛰어나다.
아울러 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 도 15와 같이, 각각의 블레이드편(10)이나 블레이드세그먼트(110s)들이 구조적으로 서로 버티면서도 지지해 주는 상태가 되므로, 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100) 자체의 휨성(bending, deflexion)이 크게 줄어들어 견고성이 뛰어나며, 견고한 설계를 하면서 전체 중량도 줄여주는 효과가 있다.
또한 도 16과 같이, 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 중간의 특정 위치에서 블레이드편(10)이나 블레이드세그먼트(110s)를 분리해 낼 수 있으므로, 수리나 관리가 편리하다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드 모듈화 풍력발전시스템을 프로펠러타입 풍력발전시스템과의 비교하기 위해 나타낸 도면이다.
또한 도 18은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서 바람의 작용을 설명하기 위한 도면이고, 도 19는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서 보조부스타의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
아울러, 도 20은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 형성되는 바람골에서의 바람의 흐름을 설명하기 위한 도면이고, 도 21은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 형성되는 바람골 흐름을 통해 회전효율이 증대되는 것을 설명하기 위한 도면이며, 도 22는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에서의 전체적인 바람의 작용을 설명하기 위한 평면도이다.
도 17의 (A)에 도시한 바와 같이 종래 풍력발전의 대표적 HAWT(수평구조)형태인 프로펠라 타입의 풍력발전기는 회전체의 중심축에 모든 부하가 집중되어 일반적으로 풍속 25m/sec 이상시 발전기를 CUT OFF 해야 하나, 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 메인 브레이드에 걸리는 부하가 시스템 전체적으로 길게 분산되어 지므로, 45m/sec까지도 발전하도록 설계할 수 있다.
또한 (B)와 같이 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 종래 프로펠라 타입의 풍력발전기(A)에 비해 소음(sound pollution)도 적은 것으로 평가되고 있으며, 이것은 계산에 의해서도 증명되고 있다.
즉 Rated Wind Speed 16m/sec에서 2MW를 생산하는 종래 프로펠라 타입의 풍력발전기는, 블레이드 지름이 80m일 경우 프로펠라 끝단에 부딪치는 바람은 블레이드 끝단의 80m x 3.14 = 251.2m의 둘레에서 16.7rpm으로 회전할 때 블레이드 끝단의 회전속도 4,195m/min(251.2m x 16.7rpm)과 Wind Speed 960 m/min (16m/sec x 60)에서 약 4.37배의 충돌이 일어나고 블레이드 내측으로 가면서 충돌이 적어지는 구조이다. 이는 마치 헬기의 로타 끝단에서 발생하는 큰 소음(최고 초음속돌파)과 같아 피할 수 없는 소음이 발생된다.
하지만 이에 반해 2MW의 출력을 내는 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은, 블레이드의 지름(폭)을 7.6m 정도 형성하는 것으로도 가능하여 블레이드 끝단의 7.6m x 3.14 = 23.86m의 둘레에서 16.7rpm으로 회전할 때 블레이드 끝단의 회전속도 398.4m/min(23.86m x 16.7rpm)과 Wind Speed 960m/min (16m/sec x 60)에서 약 2.4배의 충돌이 일어나고 블레이드 내측에서는 바람을 껴안고 회전하게 되므로, 종래 프로펠라 타입의 풍력발전기에 비하여 소음이 60%이하로 줄어든다.
아울러 이러한 효과들은 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)을 구성하는 구성부들이 전체적으로 유기적 구조에 따라 작동되기 때문이라 할 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 외부에서 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)으로 불어들어온 바람은 블레이드편 바디(10B) 즉 블레이드(110)의 몸체와 부스타(120)에 작용하며 보조부스타(125)에도 작용하여 발전효율을 증대시키게 된다. 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 보조부스타(125) 없이 형성될 수도 있지만, 도 19(b)와 같이 보조부스타(125)가 형성되는 경우 발전의 효율을 높일 수 있게 된다.
또한 도 20 내지 도 22와 같이, 외부에서 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)으로 불어들어온 바람은 부스타(120), 블레이드(110)의 바람골, 보조부스타(125) 등에 작용한다. 즉 본 실시예에 있어 블레이드(110) 상단에 부딪친 바람이 샤프트축대(130)와 부스타(120) 사이에 깊게 형성되는 나선형의 바람골을 따라 아랫방향으로 흐르면서 바람의 직진성에 의해 샤프트축대(130)의 회전동력을 높여 주는 '바람골효과'를 발생시키게 된다. 아울러 부스타(120), 블레이드(110)의 바람골 등으로 흐르면서 작용하는 바람의 상태는 도 22와 같이 평면적인 도식화를 통해서 더욱 확연하게 파악할 수 있다.
본 실시예에 있어 '바람골 효과'란, 블레이드(110)에 깊게 형성되어진 나선형태의 골로써 블레이드(110) 상단에 부딪친 바람이 화살표 등으로 도시된 바와 같이 바람골 아랫방향으로 흐르면서 바람의 직진성에 따라 블레이드 중심축에 회전동력을 가해주는 효과라 할 수 있다.
도 23은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대해 고도에 따른 바람의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 블레이드(110)가 모듈화 형태로 형성되며, 중소형 뿐만 아니라 수직형의 경우 지상으로부터 수백 m 높이까지 설치하는 것이 가능하다.
바람은 지상높이 각각의 고도에 따라 풍속이 다르며, 따라서 어느 정도의 범위의 높이구간으로 나누어 발전 상황을 살펴볼 수 있다.
도시한 바와 같이 3가지의 모듈 별로 구성된 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)에서의 발전 형태를 살펴보면, 먼저 제3블레이드모듈(113m)에 대한 17.6m/sec의 풍속이 블레이드(110)의 바람골을 타고 제2블레이드모듈(112m)로 작용하고, 제2블레이드모듈(112m)에 대한 15.3m/sec의 풍속이 블레이드(110)의 바람골을 타고 제1블레이드모듈(111m)로 작용하는 것을 확인할 수 있으며, 상위 고도의 풍속이 하단의 블레이드모듈(110m)에 효과적으로 작용하는 것을 알 수 있다.
도 24는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 수직설치 구조에서의 풍력발전효율을 설명하기 위한 도면이고, 도 25는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 수평설치 구조에서의 풍력발전효율을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 설치되는 방향이나 축에 구애받지 않고 설치될 수 있고, 본 실시예와 달리 특별한 경우 경사지도록 설치되는 것이 가능하다. 그리고 동심원과 화살표로 각 도면에 표시된 바와 같이, 풍향에 관계없이 발전을 수행할 수 있고 시시각각 변하더라도 큰 상관이 없어, 발전효율이 증대된다.
도 26은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 실린더 구조의 설치 형태를 설명하기 위한 도면이고, 도 27은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 수직설치 형태를 설명하기 위한 도면이며, 도 28은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템에 대한 수평설치 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 26에 도시된 바와 같이 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 실린더설비(170)를 장치하는 형태로 형성하여 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 설치와 지지에 이용할 수 있다.
즉 실린더설비(170)를 통해 이미 조립결합되어 구성된 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)을 일으켜 세움으로써 수직 형태로 설치할 수 있으며, 맞은 편에 지지설비를 추가하고 이를 이용하여 직각으로 눕힘으로써 수평형태로 설치하는 것도 가능하다. 아울러 전술한 바와 같이 많지는 않지만 일정한 경사각도로 유지하도록 설치할 수도 있다.
또한 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 도 27과 같이 크레인 등을 이용하여 수직으로 설치할 수 있으며, 도 28과 같이 지지포스트(180)를 이용하여 수평으로 설치하는 것이 가능하다.
각각의 경우 모듈화 시킨 블레이드(110)를 이송시킬 수 있는 등 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 블레이드(110)를 모듈화하는 것에 따른 많은 잇점을 누릴 수 있으며, 운반 설치 등에서 최적의 효율을 높일 수 있다.
도 27과 같이 수직으로 설치하는 경우는, 설치하고자 하는 장소에 크레인(200)을 준비하고 먼저 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 하부를 준비한다. 아울러 블레이드(110)를 모듈별로 조립 결합하여 준비하면 설치의 능률을 높일 수 있다. 이 후 모듈화된 각각의 블레이드모듈(110m)을 하나하나 올려 체결하며, 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)을 설치 완성한다.
도 28과 같이 수평으로 설치하는 경우는, 양쪽의 지지포스트(180)를 하나 혹은 둘을 설치하고 블레이드모듈(110m)을 따로 준비하여 끼우도록 설치하거나, 혹은 이미 설치된 샤프트축대(130)에 블레이드편(10)을 하나하나 조립 체결하도록 설치하는 등, 다양한 방법으로 설치하는 것이 가능하다.
또한 이 외에도 본 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 설치하고자 하는 현장에서 블레이드편(10)을 조립하여 모듈화하고 전체적으로 완성시키는 것 또한 가능하다.
아울러 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 종래의 풍력발전설비나 장치들에 비해 부스타(120) 장착을 통한 발전효율을 증대시키므로써 평균적으로 약 50%이상의 발전량을 증대시킬 수 있었으며, 최대 58% 이상 발전을 증대시키는 것도 확인할 수 있었다.
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이러한 발전결과는 수직형(Vertical Axis Wind Turbine ; VAWT)이나 수평형(Horizontal Axis Wind Turbine ; HAWT)에 대한 구분이 없었으며, 미국 등 선진국의 풍력발전 설비 및 기술과 비교해도 더 뛰어난 결과로서, 풍력발전의 효율을 극대화시킨 것이라 할 수 있다.
도 29는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 수직설치예를 나타낸 도면이고, 도 30은 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 그룹화 설치 경우에 대한 지지구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 29와 같이 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 앞서 설명한 형태 이외에도 각도의 조절이나 블레이드편(10)의 형태에 따라 다양한 형태의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)을 형성시키는 것이 가능하다.
또한 본 실시예의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)은 일정한 간격으로 이격시킨 상태에서 서로 지지시키는 형태로도 설치되는 것이 가능하다.
도 30에 도시한 바와 같이, 적어도 둘 이상 예컨대 본 실시예에서와 같이 3대의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)이 어느 정도 이격된 상태로 설치되고 이를 서로 지지시켜야 할 경우, 설치되는 각각의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 샤프트축대(130) 사이를 결합시키는 상태로 서로 지지시키는 서포터장치(supporter, 190)를 설치하는 것이 바람직하다.
이러한 서포터장치(190)는 서포터고정체(191)와 서포터바(192)로 구분할 수 있다.
먼저 서포터고정체(191)는 설치되는 적어도 둘 이상의 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)의 샤프트축대(130) 상부 끝단을 지지하도록 결합시키게 된다. 그리고 서포터바(192)는 서포터고정체(191)의 사이를 지지하는 구성부로 도시된 바와 같이, 하나의 서포터고정체(191)에 일단이 결합되고 또다른 서포터고정체(191)에 반대측 일단이 결합되어 고정되도록 형성된다.
본 실시예의 약 3MW급 정도되는 풍력발전시스템에 있어 70m/sec의 바람에도 견딜 수 있는 강건한 구조로 설계되는 것이 바람직하며, 이러한 서포터장치(190)를 통해 블레이드 모듈화 풍력발전시스템(100)이 70m/sec을 초과하는 난류, 극치돌풍, 극치풍향변화, 극치풍속변화에 보다 견고하게 유지할 수 있다. 아울러 이러한 서포터장치(190) 등을 통한 지지 구성은 기존 플로펠라타입에서 요(yaw)제어방식에 따른 문제로 시도가 어렵다.
도 31 내지 도 34는 도 5 블레이드 모듈화 풍력발전시스템이 설치된 예를 설명하기 위한 도면이다.
또한 도 31 내지 도 34와 같이 강가나 초원, 건물 등에 설치할 수 있으며, 바닷가, 휴양지, 야산, 다리, 놀이터, 건물 측벽 등 필요한 장소나 위치에 설치하고 풍력발전을 통해 전력을 얻어 이용할 수 있어 그 효과는 무궁무진하다 할 것이다.
끝으로 본 발명에서는 특정 실시예를 들어 설명하고 있으나 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 개념을 이탈하지 않는 범위내에서 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양하게 실시될 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 다양한 실시는 본 발명의 권리범위에 속한다 할 것이다.
10 : 블레이드편
10A : 축결합부 10Ac : 결합부편
10B : 블레이드편 바디
10C : 부스타편
10D : 보조부스타편
10E : 회전가압단
10H : 조립홈
10Ha : 메인조립홈 10Hb : 보조조립홈
10S : 보강대
100 : 블레이드 모듈화 풍력발전시스템
110 : 블레이드
110m, 111m, 112m, 113m : 블레이드모듈
110s : 블레이드세그먼트
120 : 부스타
125 : 보조부스타
130 : 샤프트축대
140 : 발전모듈 140g : 발전기
150 : 막이판
160 : 덤프로드(dump load)
170 : 실린더설비
180 : 지지포스트
190 : 서포터장치
191 : 서포터고정체 192 : 서포터바
200 : 크레인

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  6. 부스타를 구비한 풍력발전시스템에 있어서,
    일정두께를 가지며 조립결합된 상태에서 외부로부터의 발전매체를 수용하여 항력을 발생시키도록 전체적으로 반원고리형상의 블레이드편 바디(10B)를 갖되, 중심의 샤프트축대(130)에 결합시키기 위해 하나의 블레이드편(10)의 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부(10A)가 형성되고, 상기 축결합부(10A)의 결합부편(10Ac)을 상기 샤프트축대(130)를 중심으로 또 다른 블레이트 편의 축결합부의 결합부편과 결합시킴으로써 블레이드 세그먼트가 형성되고, 다른 일측 끝단에 상기 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편(10C)이 형성되고,
    상기 블레이드편 바디는 상기 부스타편 및 상기 부스타편과 이어지는 블레이드편 바디의 상부에 또 다른 블레이드편과의 결합시 완성시키고자 하는 모양으로의 형성을 위해 결합시키는 각도를 조절하기 위해 적어도 하나의 조립홈이 형성되며, 상기 조립홈이 형성되는 반대측면에 상기 조립홈에 결합시키기 위한 또 다른 조립홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편.
  7. 부스타를 구비한 풍력발전시스템에 있어서,
    일정두께를 가지며 조립결합된 상태에서 외부로부터의 발전매체를 수용하여 항력을 발생시키도록 전체적으로 반원고리형상의 블레이드편 바디(10B)를 갖되, 중심의 샤프트축대(130)에 결합시키기 위해 하나의 블레이드편(10)의 일측 끝단에 등각고리형태로 구분되는 축결합부(10A)가 형성되고, 상기 축결합부(10A)의 결합부편(10Ac)을 상기 샤프트축대(130)를 중심으로 또 다른 블레이트 편의 축결합부의 결합부편과 결합시킴으로써 블레이드 세그먼트가 형성되고, 다른 일측 끝단에 상기 반원고리형상과 같은 방향으로 향하도록 오목형상으로 부스타편(10C)이 형성되고,
    상기 블레이드편 바디는 상기 블레이드편 바디의 견고성을 높이기 위해 상기 중심의 샤프트축대와 상기 부스타편 외측의 샤프트축대 방향 부분의 사이를 지탱하여 보강하는 보강대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 모듈화 풍력발전시스템의 블레이드편.
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