KR101042904B1 - 풍력발전기용 로터 블레이드 - Google Patents

풍력발전기용 로터 블레이드 Download PDF

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KR101042904B1
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최경호
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(주) 디엔디이
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Abstract

본 발명에 의하면 수직축 풍력 발전기를 위한 로터 블레이드에 있어서, 허브(hub); 각각 원형의 단면 형상을 갖고, 내측 말단이 상기 허브의 외주면에 연결되며, 복수 개가 상기 허브의 원주방향으로 일정한 간격을 두고 배열된 스트럿(strut); 각각 에어포일의 단면 형상을 갖고, 내측면이 상기 스트럿의 외측 말단에 연결된 복수 개의 블레이드(blade); 및 중단은 상기 스트럿의 외측 말단의 외주면을 감싸도록 U자 형상 또는 타원 형상으로 형성되고, 양단은 서로 반대방향으로 절곡되어 플랜지(flange)를 형성하는 브라켓(bracket)을 포함하되, 상기 스트럿의 외측 말단과 상기 브라켓의 중단은 제 1체결구조를 통해 연결되어 상기 블레이드의 내측면을 관통하고, 상기 브라켓의 플랜지는 상기 블레이드의 내측면의 내부와 제 2체결구조를 통해 연결되어 상기 스트럿, 상기 브라켓 및 상기 블레이드가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 로터 블레이드를 제공한다.
본 발명에 의하면, 브라켓을 통해 스트럿과 블레이드를 일체로 연결하여 초고속의 바람이 불더라도 블레이드와 스트럿의 파손이 일어나지 않도록 하는 효과가 있다. 또한 본 발명은 크기가 큰 블레이드를 제작하더라도 회전하는 데 지장이 없도록 할 수 있는 효과가 있다.

Description

풍력발전기용 로터 블레이드{ROTOR BLADE FOR WIND TURBINE}
본 발명은 풍력발전기용 로터 블레이드에 관한 것이다. 보다 상세하게는 항력을 받는 스트럿(strut)과 양력을 발생시키는 블레이드(blade)가 일체로 구성되어 발전효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 구조가 간단하고 안전한 풍력발전기용 로터 블레이드에 관한 것이다.
풍력은 주로 발전 분야에 많이 도입되고 있지만 펌핑 및 열변환 등의 분야에도 이용되고 있는 에너지원이다. 1990년대 이후 기후변화 협약으로 인해 온실가스 감축이 발등에 떨어진 급박한 과제로 등장하면서 풍력발전은 화력이나 원자력 발전에 대응한 대안 중의 하나로 국내의 활용 가능성이 높게 인식되는 계기가 되었고 현재는 매우 빠른 속도로 발전하는 단계에 있다.
통상적으로 풍력 발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치로서, 로터의 회전축이 놓인 방향에 따라 구분하면 수평축 풍력발전장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전장치(vertical axis wind turbine)가 있는데, 수직축 풍력발전장치는 수평축에 비해 블레이드 면적이 크고 거추장스럽기 때문에 현재 풍력발전장치 시장에서 수평축 풍력발전장치가 주류를 이룬다.
그런데 수평축 풍력발전장치는 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다. 따라서 수평축 풍력발전장치는 해안지대처럼 항상 일정한 방향의 바람이 부는 곳에서는 효과적이지만, 바람의 방향이 자주 바뀌는 곳에서는 효율적이지 못하다.
또한 수평축 풍력발전장치는 로터의 축이 최소한 로터의 반지름보다 높은 곳에 위치하게 되므로 높은 곳에 위치한 로터의 축과 발전기를 연결하기 위해서는 발전기를 로터의 축과 같은 높이에 설치하여 발전기의 회전축과 로터의 회전축을 거의 동일한 위치에 설치하거나, 수평 회전력을 수직 회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 한다. 그런데, 전자의 경우에는 강한 바람에 의해 기구적인 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지, 보수가 용이하지 않다는 문제점이 있으며, 후자의 경우에는 수평 회전력을 수직 회전력으로 전환하는 과정에서 에너지의 손실이 일어난다. 따라서 수평축 풍력발전장치는 로터의 반경에 비례해서 탑의 높이도 높아져야 하기에 도심이나 민가 가까이에서 설치하기 어려운 점이 있어서, 대체적으로 거주지에서 떨어진 한적한 곳에서 집단적으로 설치되고 있다.
우리나라는 산지가 많고 해양에 인접한 지형을 갖추고 있으며 계절풍의 영향을 받는 주기적인 기후대에 놓여 있으면서도 지역별로 풍향이 수시로 변화하는 편이므로, 우리나라에 시설되는 풍력발전장치는 풍향의 급격한 변화에 무관하게 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 수행할 수 있는 구조를 갖출 필요가 있다. 상술한 바와 같이 풍향이 일정한 지형에 적합한 수평축 풍력발전장치는 풍향이 변화가 많은 경우 풍향적응장치를 부가하는 방식을 취하고 있으나 설계가 어렵고 시설비용이 높아진다.
상기와 같은 문제점을 보완하고자 안출된 것으로서, 수직축 구조를 적용하여 발전설비의 효율화를 도모하는 수직축 풍력발전장치를 들 수 있다. 수직축풍력발전 장치는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스형(Darrius-type)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스형(Savonius-type)이 있으나 다리우스형의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전 동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스형의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.
따라서 수직축 풍력발전장치 중 최근 각광받고 있는 방식으로는 자이로밀형(Jayiromil-type)이 있으며, 이 방식은 수직으로 붙여진 대칭형 블레이드가 풍향에 대해 자동적으로 최적의 반각(영각)을 얻는 방식이다. 이러한 자이로밀형 수직축 풍력발전장치는 블레이드와 연결되는 지지축이 일반적으로 직접 연결된 것으로서, 블레이드와 지지축을 용접 또는 볼트 체결방식으로 직접 연결된 구조로 되어 있다. 그러나 블레이드 등으로 구성된 로터는 실제적인 풍장에서 받는 힘이 상당히 복잡하며 특히, 고속회전시 강력한 이심력이 발생되기 때문에 상기 연결방식으로 체결된 블레이드와 지지축의 안전성은 보장될 수 없으며 블레이드가 끊어지거나 또는 지지축을 이탈하는 위험이 발생할 수 있는 문제점이 있었다. 더구나 로터의 회전시 안전성이 확보되지 못하면 발전기에 영향을 줄 수 있는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 브라켓(bracket)을 통해 스트럿(strut)과 블레이드(blade)를 일체로 구성하여 안전하고, 발전효율을 향상시킬 수 있는 풍력발전기용 로터 블레이드를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에 의하면 수직축 풍력 발전기를 위한 로터 블레이드에 있어서, 허브(hub); 각각 원형의 단면 형상을 갖고, 내측 말단이 상기 허브의 외주면에 연결되며, 복수 개가 상기 허브의 원주방향으로 일정한 간격을 두고 배열된 스트럿(strut); 각각 에어포일의 단면 형상을 갖고, 내측면이 상기 스트럿의 외측 말단에 연결된 복수 개의 블레이드(blade); 및 중단은 상기 스트럿의 외측 말단의 외주면을 감싸도록 U자 형상 또는 타원 형상으로 형성되고, 양단은 서로 반대방향으로 절곡되어 플랜지(flange)를 형성하는 브라켓(bracket)을 포함하되, 상기 스트럿의 외측 말단과 상기 브라켓의 중단은 제 1체결구조를 통해 연결되어 상기 블레이드의 내측면을 관통하고, 상기 브라켓의 플랜지는 상기 블레이드의 내측면의 내부와 제 2체결구조를 통해 연결되어 상기 스트럿, 상기 브라켓 및 상기 블레이드가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 로터 블레이드를 제공한다.
그리고 상기 플랜지는 내주면에 나사산이 형성된 제 1나사공이 마련되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 브라켓의 중단에는 내주면에 나사산이 형성된 제 2나사공이 마련되고, 상기 스트럿의 외측 말단에는 내주면에 나사산이 형성된 제 3나사공이 마련되며, 상기 제 2나사공과 상기 제 3나사공이 상기 제 1체결구조를 통해 결합되어 상기 브라켓의 중단과 상기 스트럿의 외측 말단이 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 2체결구조는 상기 제 1나사공과, 상기 블레이드의 내측면의 내부에 마련된 연결부를 관통하여 결합되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제 1체결구조 및 상기 제 2체결구조는 볼트인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 브라켓을 통해 스트럿과 블레이드를 일체로 연결하여 초고속의 바람이 불더라도 블레이드와 스트럿의 파손이 일어나지 않도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명은 크기가 큰 블레이드를 제작하더라도 회전하는 데 지장이 없도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드를 도시한 평면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브라켓의 사시도 및 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트럿, 브라켓 및 블레이드의 체결과정을 나타낸 분해사시도이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트럿, 브라켓 및 블레이드의 결합상태를 나타낸 분해사시도, 사시도 및 측단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드를 도시한 평면도이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 브라켓의 사시도 및 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트럿, 브라켓 및 블레이드의 체결과정을 나타낸 분해사시도이고, 도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스트럿, 브라켓 및 블레이드의 결합상태를 나타낸 분해사시도, 사시도 및 측단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 로터 블레이드(100)는 허브(hub, 110), 스트럿(strut, 120) 및 블레이드(blade, 130)를 포함한다.
허브(110)는 풍력발전기의 중앙에 연직으로 세워져 있는 회전축(200)과 연결되어 있다. 상기 허브(110)는 원통형의 형상을 가질 수 있고, 상기 허브(110)는 중앙부가 상기 회전축(200)과 연결되는 구조를 가진다. 상기 회전축(200) 또한 원통형의 형상을 가지고 상기 허브(110)의 중앙부와 연직으로 연결될 수 있는 것이다. 따라서 상기 허브(110)와 연결된 상기 회전축(200)은 상하 길이방향으로 형성되며, 상기 회전축(200)의 하단은 전기발전기(300)와 연통되고, 상기 허브(110) 및 상기 회전축(200)은 상기 블레이드(130) 및 상기 스트럿(120)에 의해 발생되는 회전력을 상기 전기발전기(300)로 전달하는 역할을 한다. 상기 회전축(200)과 상기 허브(110)는 원통형상으로 도시되어 있으나, 상기 스트럿(120)을 고정시킬 수 있는 구조면 어떠한 형상도 적용이 가능함은 자명하다.
스트럿(120)은 복수 개를 가질 수 있으며, 블레이드(130)와 허브(110)를 연결하기 위한 구조로 형성될 수 있다. 상기 스트럿(120)은 공기의 저항을 최소화할 수 있는 형태로 설계될 수 있다. 따라서 상기 스트럿(120)은 원형의 단면형상을 가질 수 있다. 스트럿(120)의 내측 말단은 상기 허브(110)의 외주면에 연결되며, 복수 개가 상기 허브(110)의 원주방향으로 일정한 간격을 두고 배열될 수 있다. 그리고 스트럿(120)의 외측 말단은 상기 블레이드(130)에 연결된다.
또한 스트럿(120)은 풍압에 의한 항력을 받아 회전력을 발생시킨다. 상기 회전력은 상기 허브(110)에 전달되며, 상기 허브(110)는 상기 회전력을 전기발전기(300)에 전달하고 전기발전기(300)를 통해 바람에 의한 운동에너지가 전기에너지로 변환되는 것이다. 스트럿(120)은 블레이드(130)의 회전수를 높이는 동시에 스트럿(120) 자체가 받는 항력을 증가시키기 위해 경량화를 추구할 수 있고, 상기 경량화를 위해 알루미늄 계열의 소재를 선택하여 사용할 수 있다. 또한 제작성의 편리함 및 제작기간의 단축을 위해 금형으로 설계를 하여 스트럿(120)을 생산할 수 있다.
블레이드(130)는 복수 개를 가질 수 있으며, 상하 길이방향으로 형성될 수 있다. 상기 블레이드(130)는 비행기의 날개의 단면형상, 즉 에어포일(airfoil)로 형성될 수 있다. 블레이드(130)의 내측면은 상기 스트럿(120)의 외측 말단에 연결된다. 상기 블레이드(130)에 바람이 가해지면 그에 따른 양력이 발생되고, 상기 양력에 의해 블레이드(130)는 회전을 하게 된다. 상기 양력에 의한 회전력은 스트럿(120)을 통해 허브(110)로 전달되면, 상기 허브(110)는 상기 회전력을 전기발전기(300)에 전달하고 전기발전기(300)를 통해 바람에 의한 운동에너지가 전기에너지로 변환되는 것이다.
따라서 스트럿(120)에 발생되는 항력과 블레이드(130)에 발생되는 양력이 합쳐져 강한 회전력이 발생되고, 상기 회전력이 상기 허브(110)를 통해 전달되며, 상기 전달된 회전력은 전기발전기(300)에서 전기에너지로 변환되며 상기 전기에너지를 저장한 후, 필요할 때 사용할 수 있는 것이다.
블레이드(130)는 스트럿(120)과 마찬가지로, 상기 블레이드(130)의 회전수를 높이는 동시에 블레이드(130) 자체가 받는 양력을 증가시키기 위해 경량화를 추구할 수 있고, 상기 경량화를 위해 알루미늄 계열의 소재를 선택하여 사용할 수 있다. 또한 제작성의 편리함 및 제작기간의 단축을 위해 금형으로 설계를 하여 블레이드(130)를 생산할 수 있다.
로터 블레이드(100)는 허브(hub, 110), 스트럿(strut, 120) 및 블레이드(blade, 130) 이외에 브라켓(bracket, 140)을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 브라켓(140)의 중단(141)은 스트럿(120)의 외측 말단을 감싸도록 U자 형상 또는 타원 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 브라켓(140)의 양단은 서로 반대방향으로 절곡된 플랜지(flange, 142)를 형성할 수 있다.
상기 플랜지(142)는 내주면에 나사산이 형성된 제 1나사공(142a)을 마련할 수 있다. 상기 제 1나사공(142a)은 상기 플랜지(142)의 중앙부 또는 모서리 부근에 마련될 수 있다. 상기 제 1나사공(142a)을 통해 상기 브라켓(140)의 플랜지(142)와 블레이드(130)가 결합된다. 또한 상기 브라켓(140)의 중단(141)에는 내주면에 나사산이 형성된 제 2나사공(141a)이 마련될 수 있다.
도 4 내지 도 5c를 참조하여 스트럿(120), 브라켓(140) 및 블레이드(130)의 체결과정 및 결합상태를 상세히 설명하도록 하겠다.
브라켓(140)은 도 3a 및 도 3b에서 설명한 바와 같이, 중단(141)은 U자 형상 또는 타원 형상으로 형성될 수 있고, 양단은 서로 반대방향으로 절곡되어 플랜지(142)를 형성할 수 있다. 도 3a 및 도 3b에서는 브라켓(140)의 중단(141)의 하단이 상기 플랜지(142)와 연결된 형태로 구성되었으나, 경우에 따라서 브라켓(140)의 중단(141)의 하단은 개구부를 형성하여 열린 상태일 수도 있다.
도 4에서 보듯이, 상기 스트럿(120)의 외측 말단은 내주면에 나사산이 형성된 제 3나사공(121)을 마련할 수 있다. 상기 제 3나사공(121)은 상기 스트럿(120)의 외주면의 어느 부위에나 형성될 수 있다. 그러나 상기 스트럿(120)의 외측 말단과 상기 브라켓(140)이 연결되기 위해 상기 제 3나사공(121)과 제 2나사공(141a)이 서로 관통될 수 있도록 동일한 위치에 존재해야 할 것이다.
또한 제 1체결구조(122)는 상기 브라켓(140)의 중단(141)과 상기 스트럿(120)의 외측 말단이 연결되도록 제 3나사공(121)과 제 2나사공(141a)을 관통해 체결될 수 있다. 제 2체결구조(143)는 상기 브라켓(140)의 플랜지(142)와 상기 블레이드(130)의 내측면의 내부를 체결시킬 수 있다.
따라서 상기 스트럿(120)의 외측 말단과 상기 브라켓(140)은 상기 제 1체결구조(122)를 통해 연결되고, 상기 브라켓(140)의 플랜지(142)와 상기 블레이드(130)의 내측면의 내부는 상기 제 2체결구조(143)를 통해 연결됨으로써, 상기 스트럿(120)이 상기 블레이드(130)의 내측면의 내부를 관통하여 설치된다. 상기 제 1체결구조(122) 및 상기 제 2체결구조(143)는 대표적으로 볼트일 수 있다.
특히 도 5a 내지 도 5c에 나타나듯이, 상기 블레이드(130)는 두 개의 몸체부(131, 132)로 구성될 수 있고, 상기 몸체부(131, 132)는 연결부(133)를 통해 결합되어 상기 블레이드(130)를 형성한다. 상기 연결부(133)는 상기 몸체부(131, 132)와 별개로 형성될 수도 있고, 또는 상기 몸체부(131)의 일부로 구성되어 다른 몸체부(132)와 연결될 수 있다.
따라서 상기 스트럿(120)의 외측 말단과 상기 브라켓(140)은 상기 제 1체결구조(122)를 통해 연결되고, 상기 브라켓(140)의 플랜지(142)와 상기 블레이드(130)의 연결부(133)는 상기 제 2체결구조(143)를 통해 연결됨으로써, 상기 스트럿(120)이 상기 블레이드(130)의 내측면의 내부를 관통하여 설치된다.
결국 도 5a 내지 도 5c에서 보듯이 상기 브라켓(140)을 통해 스트럿(120)과 블레이드(130)를 일체로 연결하여 초고속의 바람이 불더라도 블레이드(130)와 스트럿(120)의 파손이 일어나지 않도록 하는 효과가 있다. 또한 상기 브라켓(140)을 통해 스트럿(120)과 블레이드(130)를 일체로 연결함으로써 블레이드(130)의 크기를 대형화하더라도 고속 회전시 파손의 염려가 없게 되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 로터 블레이드
110: 허브
120: 스트럿
121: 제 3나사공
122: 제 1체결구조
130: 블레이드
131, 132: 몸체부
133: 연결부
140: 브라켓
141: 중단
141a: 제 2나사공
142: 플랜지
142a: 제 1나사공
143: 제 2체결구조
200: 회전축
300: 전기발전기

Claims (5)

  1. 수직축 풍력 발전기를 위한 로터 블레이드에 있어서,
    허브(hub);
    원형의 단면 형상을 가지며 일단이 상기 허브의 외주면에 연결되고, 타단은 블레이드에 연결되며 상기 타단의 내주면에 나사산이 형성된 나사공이 마련되는 스트럿(strut);
    상기 스트럿의 타단에 연결되며,
    전연(leading edge), 상기 전연으로부터 공간을 가지며 형성되는 제 1윗면 및 제 1아랫면, 상기 제 1윗면과 상기 제 1아랫면을 연결하는 연결부를 포함하는 제 1몸체부 및
    후연(trailing edge), 상기 후연으로부터 공간을 가지며 형성되는 제 2윗면 및 제 2아랫면을 포함하는 제 2몸체부를 포함하는 블레이드(blade);
    중단은 상기 스트럿의 타단의 외주면을 감싸도록 U자 형상 또는 타원 형상으로 형성되어 상기 중단의 내주면에 나사산이 형성된 나사공이 마련되고, 양단은 서로 반대방향으로 절곡되어 플랜지(flange)를 형성하여 상기 플랜지의 내주면에 나사산이 형성된 나사공이 마련되는 브라켓(bracket)을 포함하되,
    상기 스트럿의 타단과 상기 브라켓의 중단은 서로 끼워지며 상기 스트럿의 타단의 내주면의 나사공과 상기 브라켓의 중단의 내주면의 나사공은 제 1체결구조를 통해 연결되고, 상기 제 1체결구조를 통해 연결된 상기 스트럿의 타단과 상기 브라켓의 중단은 상기 블레이드의 제 2몸체부의 내부를 관통하고, 상기 브라켓의 플랜지의 내주면의 나사공은 상기 블레이드의 연결부에 형성되어 있는 나사공과 제 2체결구조를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 로터 블레이드.
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