KR101052828B1 - 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터 - Google Patents

유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터에 관한 것으로, 본 발명에 의한 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터는, 중심에서 적어도 둘 이상의 방사상 살이 연장 형성되는 허브; 및 상기 허브의 살에 허브 축 중심과 직교 방향으로 장착되는 플렉시블한 블레이드;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 허브에 풍력에 의해 변형되는 플렉시블한 블레이드를 구비하여 풍향에 상관없이 동일 방향으로 회전시킴에 따라 바람을 최대한 활용할 수 있으면서 간단한 제작, 교체용이, 유지 및 보수가 용이하고, 풍력발전기에 적용시 조향용 방향타(테일, 베인) 없이 풍력발전기를 구동할 수 있고 기존의 풍력발전기처럼 바람방향을 지향하기 위한 요(Yaw) 시스템이 필요하지 않으며 풍력발전기의 구조 단순화와 풍력발전기 자체의 가격 및 발전단가를 하락시킬 수 있는 효과가 있다.
풍력발전기, 터빈, 블레이드, 로터, 플렉시블, 풍향

Description

유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터{ROTOR FOR WIND POWER GENERATOR HAVING FLEXIBLE TURBINE BLADE}
본 발명은 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기에 보조 전원용으로 사용할 수 있도록 구비되어 풍향에 상관없이 블레이드의 허브가 일정한 회전방향을 유지하도록 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터에 관한 것이다.
일반적인 로터(Rotor)는 축 상의 로터 허브(Hub)에 부착된 하나 이상의 블레이드(Blade)를 포함한다. 여기서, 로터가 풍력발전기에 적용될 경우 바람 유동이 로터를 회전시켜서 로터 허브의 축을 회전시키고 축은 토크(Torque)를 발전기에 보내는 기어를 회전시킨다.
이때, 바람 방향의 변화에 따른 수직축을 중심으로 한 선회는 요(yaw) 또는 요 응답(yaw response)이라고 알려져 있으며 수직축은 요-축(yawaxis)이라고 부르고 있다. 바람이 충분한 속도로 블레이드를 지나게 되면 로터가 회전하고 풍력 터빈이 바람 에너지를 발전기를 통해서 전기 에너지로 변환시킨다. 발전기의 전기 출력은 전력 송전선망(Power grid)에 연결된다.
이때, 풍력 발전시 출력은 블레이드에 의해 형성된 평면과 바람의 방향이 이루는 각도(요동각도)를 제어함으로써 조절할 수 있다. 최대동력은 블레이드의 평면과 바람의 방향이 수직을 이룰 때, 즉, 바람의 영향권 내에 진입해 있을 때에 발생한다. 블레이드의 평면이 바람의 방향과 평행할 때, 즉, 바람의 영향권에서 벗어나 있을 때에는 동력이 발생하지 않는다(로터에 대한 공기역학적 토크는 최소가 된다). 따라서, 풍력발전기의 출력은 로터를 점차적으로 각 운동시켜서 바람의 영향권 내로 진입하게 하거나 그것으로부터 벗어나게 하여 변화시킬 수 있다.
이러한 종래의 로터는 도면에는 도시하지 않았지만 블레이드가 블레이드 각만큼 허브에 경사지게 다수 고정되어 풍력에 의해 토크가 발생하는데 풍력발전기에 적용시 전방 바람에 의한 블레이드의 회전 방향과 후방 바람에 의한 블레이드의 회전 방향이 달라 전방 바람에 의해서만 발전되고, 풍력발전기에 바람 지향을 위한 요(Yaw) 시스템 및 조향용 방향타를 구비하여야 하므로 구조가 복잡해지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 허브에 풍력에 의해 변형되는 플렉시블한 블레이드를 구비하여 풍향에 상관없이 동일 방향으로 회전시킴에 따라 바람을 최대한 활용할 수 있으면서 간단한 제작, 교체용이, 유지 및 보수가 용이할 수 있게 한 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 풍력발전기에 적용시 조향용 방향타(테일, 베인) 없이 풍력발전기를 구동할 수 있고 기존의 풍력발전기처럼 바람방향을 지향하기 위한 요(Yaw) 시스템이 필요하지 않으며 풍력발전기의 구조 단순화와 풍력발전기 자체의 가격 및 발전단가를 하락시킬 수 있게 한 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중심에서 적어도 둘 이상의 방사상 살이 연장 형성되는 허브; 및 상기 허브의 살에 허브 축 중심과 직교 방향으로 장착되는 플렉시블한 블레이드;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 블레이드는 상기 허브에 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 블레이드는 상기 허브에서 탈착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 허브 및 블레이드는 원형 또는 다각형 요철(凹凸) 형태로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 블레이드는 상기 허브의 연결 부위에서 회동되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 블레이드는 내, 외측단의 면적이 다르게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서의 상기 블레이드는 복합재로 형성되는 것을 특징으로 한 다.
또한, 본 발명에서의 상기 블레이드의 외측에는 풍압 향상을 위해 터널이 구비되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터는, 허브에 풍력에 의해 변형되는 플렉시블한 블레이드를 구비하여 풍향에 상관없이 동일 방향으로 회전시킴에 따라 바람을 최대한 활용할 수 있으면서 간단한 제작, 교체용이, 유지 및 보수가 용이하고, 풍력발전기에 적용시 조향용 방향타(테일, 베인) 없이 풍력발전기를 구동할 수 있고 기존의 풍력발전기처럼 바람방향을 지향하기 위한 요(Yaw) 시스템이 필요하지 않으며 풍력발전기의 구조 단순화와 풍력발전기 자체의 가격 및 발전단가를 하락시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터를 첨부도면을 참조하여 일 실시 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터(100)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 허브(110) 및 블레이드(120)를 포함한다.
허브(110)는 중심에서 적어도 둘 이상의 방사상 살(112)이 연장 형성되며, 살(112) 내부를 따라 길이 방향으로 연장되어 블레이드(120)의 끼움 돌기(122)가 끼워지는 끼움 홈(114)이 형성된다.
그리고 끼움 홈(114)에는 지지되는 블레이드(120)의 연장 부위가 통과할 수 있도록 중심에서 수평 방향으로 블레이드(120)의 길이만큼 절개부(116)가 형성되되, 절개부(160)가 블레이드(120)의 두께와 동일한 간격만큼 형성될 수도 있고, 블레이드(120)의 두께보다 더 큰 간격으로 형성될 경우 끼움 홈(114)을 중심으로 블레이드(120)가 설정 각도만큼 회전될 수 있다.
블레이드(120)는 플렉시블(flexible) 형태를 가지며, 허브(110)의 살(112)에 각각 동일한 방향으로 장착되되 살(112)에 끼워지는 일단부에 끼움 돌기(112)가 형성되고 타단부에 곡선 형태 등으로 형성된다. 이때, 블레이드(120)의 외곽 형상은 곡선 형태 이외에 직선 형태로 형성될 수 있으며, 직선과 곡선의 조합형으로도 제작이 가능하다. 더욱이, 블레이드(120)의 변형량은 설정량만큼 변형되도록 설계된다.
이때, 블레이드(120)의 끼움 돌기(122)는 허브(110)의 살(112) 내부에 형성되는 끼움 홈(114)에서 탈착되되 끼움 돌기(122) 및 끼움 홈(114)은 원형 또는 다각형 요철(凹凸) 형태 등으로 결합되며, 본 실시 예에서는 원형 형태로 결합됨을 예시한다.
더욱이, 허브(110) 및 블레이드(120)는 도면에는 도시하지 않았지만 일체 형성되는 것도 가능하다.
그리고 블레이드(120)는 내외측단의 면적이 다르게 형성되되 면적이 다른 내외측단에 각각 플렉시블 정도를 동일하게 하거나 다르게 형성할 수도 있으며, 내측 단의 면적이 외측단보다 큰 것이 바람직하다. 이는 블레이드(120)의 내측에서 외측으로 갈수록 면적이 작아져야 발전 효율이 높아지기 때문이다.
그리고 블레이드(120)의 재질은 복합재 등으로 형성되는 것이 바람직하며 유리섬유(Fiber glass), 탄소섬유(Carbon glass), 케블러(Kevlar: 아라미드섬유계열), 케블러+유리섬유, 케블러+탄소섬유, 카본-카본, 유리 섬유 보강 플라스틱(FRP: Fiberglass Reinforced Plastics) 재질 및 이상의 재료들을 폴리에스테르 및 에폭시 계열의 레진 등과 함께 사용하는 등 다양한 재질의 소재를 단독 또는 복합적으로 사용하여 제작할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이 블레이드(120)의 외측 즉, 허브(110)의 축을 지지하면서 블레이드(120)의 외곽에 위치 고정되는 원통 형태의 터널(T: Tunnel)이 설치될 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이 터널(T)이 각각 설치된 다수 로터(100)를 기둥에 각각 고정하면 바람을 최대한 활요할 수 있으면서 발전율을 향상시킬 수 있다.
그러므로 본 발명에 의한 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터(100)는 도 1 내지 도 4a, 4b에 도시된 바와 같이 풍력발전기에 보조 전원 공급용으로 사용되며, 작동 관계는 다음과 같다.
우선, 전방 바람이 불 경우 수평 상태의 블레이드(120)는 플렉시블 형태를 가지므로 풍압에 의해 바람이 부는 방향과 동일한 방향으로 설정량만큼 변형된다.
이때, 블레이드(120)의 변형에 의해 블레이드(120) 주위의 압력 분포에 의해 토크가 발생하며 로터(100)의 축이 연결되는 발전기에서 발전이 되는 것이다.
이와 다르게 후방 바람이 불 경우 수평 상태의 블레이드(120)는 플렉시블 형태를 가지므로 이 역시 풍압에 의해 바람이 부는 방향과 동일한 방향으로 변형된다.
결국, 블레이드(120)는 플렉시블 형태를 가지므로 전방 또는 후방 바람에 상관없이 허브(110) 축이 동일한 회전 방향을 유지하도록 하므로 풍향에 따라 유동적으로 발전이 가능하다.
더욱이, 블레이드(120)가 풍향에 상관없이 동일 방향으로 회전하여 조향용 방향타(테일, 베인)가 없어 간단한 구조로 풍력발전기를 구동할 수 있으며, 바람방향을 지향하기 위한 요(Yaw) 시스템을 구비할 필요가 없는 이점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터를 도시한 분해사시도이다.
도 2 및 도 3은 상기 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터에서 블레이드의 변형 전, 후 상태를 도시한 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 상기 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터에서 풍향에 따라 블레이드가 변형되는 상태를 도시한 개략도이다.
도 5 및 도 6은 상기 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터에 터널이 구비된 상태를 도시한 사시도 및 로터가 다수 구비되는 상태를 도시한 사시도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
100: 로터 110: 허브
112: 살 114: 끼움 홈
120: 블레이드 122: 끼움 돌기

Claims (7)

  1. 중심에서 적어도 둘 이상의 방사상 살이 연장 형성되는 허브; 및
    상기 허브의 살에 허브 축 중심과 직교 방향으로 장착되는 플렉시블한 블레이드;를 포함하며,
    상기 블레이드는 상기 허브에서 탈착되는 것을 특징으로 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 허브에 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 허브 및 블레이드는 원형 또는 다각형 요철(凹凸) 형태로 결합되는 것을 특징으로 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드는 내, 외측단의 면적이 다르게 형성되는 것을 특징으로 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 블레이드는 복합재로 형성되며,
    상기 복합재로는 유리섬유(Fiber glass), 탄소섬유(Carbon glass), 케블러(Kevlar: 아라미드섬유계열), 유리 섬유 보강 플라스틱(FRP: Fiberglass Reinforced Plastics), 폴리에스테르 및 에폭시 계열의 레진을 각각 사용하거나 또는 각각이 하나 이상 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드의 외측에는 풍압 향상을 위해 터널이 구비되는 것을 특징으로 하는 유연성 터빈 블레이드를 구비한 풍력발전기용 로터.
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