KR101016062B1 - 풍력발전기의 로터블레이드 익형 배치 방법 및 로터블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 로터블레이드 익형 배치 방법 및 이로부터 만들어지는 로터블레이드에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 로터블레이드의 익형이 유동의 실제 흐름 방향으로 순응 배치되어 로터블레이드 효율이 획기적으로 향상되는 로터블레이드 익형 배치 방법 및 이의 로터블레이드에 관한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 풍력발전기의 로터블레이드(3)를 생성하는 방법에 있어서, 상기 로터블레이드(3) 생성 방법은, 로터블레이드(3)의 스팬 방향 특정 위치(r)를 지정하고, 에어포일 2차원 단면 형상을 선택하는 제1단계; 상기 에어포일 2차원 단면 형상을 3차원 곡면 맵핑면(P)에 맵핑하는 제2단계;를 포함하는 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법을 제공한다.

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Description

풍력발전기의 로터블레이드 익형 배치 방법 및 로터블레이드{Airfoil arrangement method and Wind turbine rotor blade}

본 발명은 풍력발전기의 로터블레이드 익형 배치 방법 및 이로부터 만들어지는 로터블레이드에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 로터블레이드의 익형이 유동의 실제 흐름 방향으로 순응 배치되어 로터블레이드 효율이 획기적으로 향상되는 로터블레이드 익형 배치 방법 및 이의 로터블레이드에 관한 것이다.

바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.

풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.

종래의 풍력발전기의 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(1) 상단에 로터블레이드(3)를 회동 지지하는 나셀(2)을 회전 가능하도록 설치하고, 나셀(2) 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치(미도시)를 두어, 로터블레이트(3)의 회전력이 허브(4)를 거쳐 주축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다. 한편, 공기 유동 후류에 해당하는 나셀(2)의 상단에는 풍향풍속계(5)가 배치된다. 이는 바람의 속도에 따라 전체 시스템을 최적 제어하고 발전량을 모니터링하기 위함인데, 풍향풍속계(5)에서 측정되는 풍향과 풍속에 기반하여 로터블레이드(3)의 피치 각도를 조절하고 나셀(2)의 방향을 유동 방향으로 전환하여 발전 효율을 극대화한다.

한편, 로터블레이드(3)는 복수의 에어포일(airfoil) 형상을 스팬 방향(길이 방향)을 따라 분포시켜 3차원 형상을 얻는데, 도 2에 도시한 것과 같이 당 기술분야에서 활용 가능한 다양한 에어포일이 표준 좌표계(x1-y1 좌표계)에서 주어지므로, 도 3에 도시한 것과 같이 실제 좌표계(x-y-r 좌표계)의 각 단면 평면(P)으로 맵핑하여 적층함으로써 로터블레이드(3)를 구성한다.

그러나 도 3에 도시한 것과 같은 종래의 풍력발전기의 로터블레이드 익형 배치 방법은 실제 유동 방향을 고려하지 않고 스팬의 직각 방향으로만 익형을 배치함으로서 효율이 저하된다는 문제점을 갖는다. 좀 더 자세히 설명하면, 종래에는 도 4a에 도시한 바와 같이 로터블레이드를 지나는 유동이 스팬에 직각 방향이라고 가정하고 도 3과 같이 익형을 배치하여 로터블레이드를 만들었다. 그러나 실제로는 도 4b와 같이 로터블레이드(3)의 익근(root) 지역의 에어포일 뒷전(trailing edge)에서 유동이 스팬 외측으로 방향을 전환하는 바, 설계시의 방향과 일치하지 않아 최적의 에어포일 성능을 내지 못하게 된다. 즉, 도 2에 도시한 표준 에어포일 형상은 유동이 에어포일의 2차원 단면을 따라갈 때 최적의 효율이 되도록 설계한 것이나, 실제 흐름 방향은 이와는 다르게 계측되는 바, 최상의 성능을 얻을 수 없다는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 로터블레이드의 익형이 유동의 실제 흐름 방향으로 순응 배치되어 로터블레이드 효율이 획기적으로 향상되는 로터블레이드 익형 배치 방법 및 이의 로터블레이드를 제공하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 풍력발전기의 로터블레이드(3)를 생성하는 방법에 있어서, 상기 로터블레이드(3) 생성 방법은, 로터블레이드(3)의 스팬 방향 특정 위치(r)를 지정하고, 에어포일 2차원 단면 형상을 선택하는 제1단계; 상기 에어포일 2차원 단면 형상을 3차원 곡면 맵핑면(P)에 맵핑하는 제2단계;를 포함하는 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법을 제공한다.

여기서, 상기 맵핑면(P)은 상기 특정 위치(r)에서의 유동 방향을 따라 절곡된 곡면인 것이 바람직하다.

또한, 상기 맵핑면(P)은 상기 에어포일 코드의 80% 정도 위치에서 일정 각도를 갖고 로터블레이드(3)의 스팬 방향으로 절곡된 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 일정 각도는 35도 내지 45도 범위 내의 값으로 형성되는 것이 유리하다.

한편, 상기 제2단계에서 특정 위치(r)가 익근(root)으로부터 20%스팬을 벗어나는 경우, 상기 맵핑면(P)은 평평한 맵핑면(P)인 것이 바람직하다.

본 발명에서 제공하는 풍력발전기의 로터블레이드 익형 배치 방법에 의해 블레이드 단면이 실제 유동방향과 일치되어 배치됨으로서 효율이 우수한 로터블레이드를 얻을 수 있고, 더불어 소음도 최소화될 수 있다.

본 발명의 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 여기서 도 5는 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법을 설명하는 블레이드의 사시도 및 상면도이고, 도 6은 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 발명의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

먼저 도 5를 이용하여 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법은 표준 에어포일 단면(6)을 실제 좌표계(x-y-r 좌표계)로 맵핑을 함에 있어, 대상이 되는 맵핑면(P)이 평면이 아닌 곡면인 것이 특징이다.

특히, 맵핑면(P)은 에어포일 코드의 80% 정도 위치에서 일정 각도를 갖고 로터블레이드(3)의 스팬 방향으로 절곡된 것이 특징이다.

도 5a에 도시된 바와 같이 로터블레이드(3)의 일단면을 이루는 본 발명의 맵핑면(P)은 앞전(31, leading edge)에서는 종래와 같이 스팬의 직각 방향을 따르나, 맵핑면(P) 뒷전(32, trailing edge)에 이르러서는 유동 방향과 동일한 방향으로 전환된다. 이에 따라 실제 좌표계로 맵핑되어 적층되는 에어포일(6)의 형상은 실제 유동 방향을 따라 자연스럽게 배치된다.

뒷전(32)에서의 상기 맵핑면(P)의 전환각도(α)는 풍력발전기의 운전속도에서의 유동 전환각을 고려하여 대략 35~45도 정도로 하는 것이 바람직하다.

또한, 실제 유동이 전환되는 부분은 로터블레이드(3) 익근(root)으로부터 20% 스팬(즉, r/R=0.2) 정도 되는 부분으로 한정되고, 로터블레이드(3) 팁(tip)에 가까울수록 유동은 스팬의 직각 방향으로만 흐르는 것으로 관찰되는 바, 도 5a에 도시한 것과 같은 절곡된 맵핑면(P)은 익근으로부터 20%스팬 정도로 한정하는 것이 바람직하다.

실제 로터블레이드(3)에서 동력은 로터블레이드(3)의 바깥쪽에서 대부분 발생하므로 로터블레이드(3) 안쪽은 구조적인 강성을 위해 두꺼운 에어포일(도 2 참조)을 사용하고 로터블레이드(3)의 바깥쪽에는 얇으면서 양항비가 우수한 에어포일을 사용하기로 한다. 또한, 본 발명의 풍력발전기에는 네덜란드 Delft 공과대학에서 개발한 DU 에어포일과 같이 두께비가 40%에 이르는 두꺼운 에어포일을 사용하여 구조적인 강성을 유지하면서도 스킨 및 스파(spar)의 두께 축소로 인한 중량 및 제작비 절감을 도모한다.

좀 더 구체적으로 로터블레이드(3)의 스팬 방향(길이 방향)을 따라 50%스팬(r/R=0.5) 정도까지는 DU400, DU350, DU300, DU250 에어포일을 순차적으로 채용하고, 그 이후로는 NACA63-421 혹은 NACA63-418 에어포일을 적절히 혼합하여 사용한다. 사용되는 에어포일의 두께비(thickness ratio)는 스팬방향을 따라 대략 40~20정도로 순차적으로 감소시키는 것이 바람직하다.

다음으로 도 6을 사용하여 본 발명의 로터블레이드(3) 익형 배치 방법을 좀 더 자세히 설명한다.

먼저, 단면을 배치하고자 하는 특정 위치(예컨대 r)에 적합한 에어포일 형상을 선택한다(S1). 앞서 설명한 바와 같이 익근에서는 DU 계열의 에어포일이 적합하고 끝단(tip)으로 갈수록 NACA 계열의 에어포일을 선택하는 것이 바람직하다. 상기 에어포일은 표준 좌표계(도 2의 x1-y1 좌표계)에서 코드를 따라 상면과 하면의 수치데이터로 주어진다.

다음으로 상기 특정 위치, r이 r/R=0.2인 위치 즉, 20%스팬의 이내에 있는지를 판단한다(S2). 로터블레이드(3)의 익근(root)으로부터 20%스팬 이내에서는 끝단(32) 부근에서 유동방향이 스팬방향 외측으로 전환되는 것을 감안하기 위한 것으로, 만약 특정 위치, r이 20%스팬 내측에 위치한다면(NO) 유동방향으로 절곡된 3차원 맵핑면(P)에 상기 선택된 에어포일 형상을 매핑하고(S32), 만약 20%스팬 외측에 특정 r이 위치한다면(YES) 평평한 맵핑면(P)에 에어포일을 매핑한다(S31). 상기 매핑에 의해 에어포일은 표준 좌표계(x1-y1 좌표계)에서 (x-y-r 좌표계)로 변환되어 3차원 공간상에 특정한 위치(r)의 단면 형상으로 적층된다(S4). 상기 2차원 공간으로부터 굽은 혹은 평평한 3차원 맵핑면(P)으로의 변환 방법은 당 기술분야에서 주지된 관용기술인 바, 본 발명에서는 자세한 설명을 생략한다.

다음으로 특정한 위치(r)가 로터블레이드(3)의 스팬(R)보다 작은지를 판단(S5)하여 로터블레이드(3)의 끝단(tip)까지 적층되지 않은 경우 처음으로 돌아가 다시 변환을 계속한다. 만약, 끝단까지 적층이 완료되면 로터블레이드(3)의 생성을 종료한다.

다음으로 도7을 이용하여 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법에 의한 로터블레이드의 효율 향상에 대하여 자세히 설명한다.

본 발명의 효과를 확인하기 위하여 종래 방법과 제안된 방법을 사용하여 각각 로터블레이드(3)를 별도로 생성하고, 풍속을 3m/s에서 25m/s로 변경하면서 3차원 전산유체해석을 수행하였다. 3차원 유동데이터로부터 블레이드 효율을 얻었다.

도 7에서 보는 바와 같이 본 발명에 의해 생성된 로터블레이드(3)는 풍속이 3m/s에서 10m/s구간에서 특히 우월한 효과를 주는 것으로 나타났다. 상기 풍속구간은 통상의 운전 풍속으로 볼 수 있고 결론적으로 평균적인 운전 조건에서 본 발명에 의한 로터블레이드(3)는 종래의 로터블레이드보다 우수한 효과를 얻는다는 것을 알 수 있다.

통상 로터블레이드(3)의 효율이 향상되는 경우 소음 특성도 개선되는 것으로 알려져 있는 바, 본 발명의 로터블레이드 사용으로 저소음 풍력발전기의 건설이 가능하다.

본 발명에 따라 로터블레이드를 생성함으로서 운전 풍속에서 우수한 블레이드 효율을 얻을 수 있고, 이에 더하여 소음 특성도 개선되는 산업상 이용 가능성을 갖는다.

도 1은 종래의 풍력발전기의 사시도

도 2는 로터블레이드의 에어포일 단면도

도 3은 종래의 로터블레이드 익형 배치 방법을 설명하기 위한 개념도

도 4a는 종래의 익형 배치 방법의 유동 방향 가정을 나타내는 상면도

도 4b는 실제의 유동 방향을 나타내는 로터블레이드의 상면도

도 5는 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법을 설명하는 블레이드의 사시도 및 상면도

도 6은 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법을 설명하기 위한 순서도

도 7은 본 발명의 로터블레이드 익형 배치 방법의 효과를 설명하기 위한 로터블레이드 효율 그래프

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1 : 타워 2 : 나셀

3 : 로터블레이드 4 : 허브

5 : 풍향풍속계 6 : 에어포일

P : 블레이드의 맵핑면 T : 최대 두께

Claims (7)

1. 풍력발전기의 로터블레이드(3)를 생성하는 방법에 있어서, 상기 로터블레이드(3) 생성 방법은,

   로터블레이드(3)의 스팬 방향 특정 위치(r)를 지정하고, 에어포일 2차원 단면 형상을 선택하는 제1단계;

   상기 에어포일 2차원 단면 형상을 상기 로터블레이드(3)의 스팬 방향을 따라 적층되는 형태로 분포 배열되는 맵핑면(P)에 맵핑하는 제2단계;를 포함하되,

   상기 맵핑면(P)은 상기 로터블레이드(3)의 스팬 방향에 수직한 평면 및 상기 로터블레이드(3)의 스팬 방향에 수직하지 않은 방향의 면을 포함하여 이루어지는 3차원 곡면으로 형성되는 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법
2. 제 1 항에 있어서, 상기 맵핑면(P)은 상기 특정 위치(r)에서의 유동 방향을 따라 절곡된 곡면인 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법
3. 제 1 항에 있어서, 상기 맵핑면(P)은 상기 에어포일 코드의 80% 정도 위치에서 일정 각도를 갖고 로터블레이드(3)의 스팬 방향으로 절곡된 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법
4. 제 3 항에 있어서, 상기 일정 각도는 35도 내지 45도 범위 내의 각도인 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2단계에서 특정 위치(r)가 익근(root)으로부터 20%스팬을 벗어나는 경우, 상기 맵핑면(P)은 평평한 맵핑면(P)인 것이 특징인 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법
6. 풍력발전기의 로터블레이드(3)에 있어서, 상기 로터블레이드(3)는 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법에 의해 생성된 것이 특징인 로터블레이드
7. 풍력발전기의 로터블레이드(3)에 있어서, 상기 로터블레이드(3)는 제 5 항에 기재된 풍력발전기의 로터블레이드 생성 방법에 의해 생성된 것이 특징인 로터블레이드

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