KR101158705B1 - 풍차 날개 및 이것을 사용하는 풍력 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

날개 선단 부분의 날개면에 발생하는 난류 경계층을 얇게 하고, 후연에 발생되는 소음을 효과적으로 억제할 수 있는 풍차 날개 및 이것을 사용한 풍력 발전 장치를 제공한다. 단면이 날개 형상을 한 풍차 날개 (9) 로서, 날개단 (20) 에서부터 날개근 (21) 측에 소정의 범위에 걸쳐, 적어도 소정 회전수로 회전할 때의 앙각을 저감시키는 앙각 저감부 (19) 가 형성되어 있는 풍차 날개를 제공한다.

Description

풍차 날개 및 이것을 사용하는 풍력 발전 장치{WINDMILL BLADE AND WIND POWER GENERATOR USING SAME}
본 발명은, 풍차 날개 및 이것을 사용하여 발전을 실시하는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
풍력 발전 장치에서는 날개로부터 발생되는 소음이 문제가 되고 있다. 날개로부터 발생되는 소음의 주된 요인은 날개단 (端) 소용돌이에 의한 소음과 날개면에서 발생하는 난류 (亂流) 경계층에 의한 소음이다.
종래, 이 소음 레벨을 낮추기 위해서는, 로터의 회전수를 낮추는 것이 유효하였다. 즉, 로터의 회전수를 낮추면, 공기가 날개에 유입되는 속도가 저하되므로, 공력음 (空力音) 을 저감시킬 수 있다. 그러나, 로터의 회전수를 낮추면, 발전 효율이 저하된다는 문제가 있었다.
또, 특히 소음이 큰 날개 단부에서의 소음의 저감에 대해서는, 예를 들어, 특허문헌 1 에 나타내는 것이 제안되어 있다.
이것은, 날개단 부분을 날개의 날개면에서 후연 (後緣) 측으로 만곡 혹은 굴곡 (이른바 후퇴 날개) 시키거나, 및/또는, 날개 단부에 교차하도록 정압면 (正壓面) 측으로 절곡된 소날개 (이른바 윙렛) 를 형성하여 날개 단부의 소용돌이를 감소시켜 소음을 억제하는 것이다.
일본 공표특허공보 2006－521483호
그런데, 최근, 풍력 발전 장치는, 출력이 큰 것이 요구되어 대형화되어 왔다. 이것에 수반하여, 로터 직경, 즉, 풍차 날개의 날개 길이가 커져 왔다.
날개 길이가 커지면, 날개 단부의 이동 속도가 높아진다. 이 때문에 발생되는 소음이 커지므로, 더욱 소음 저감이 요구되고 있다.
또, 날개 길이의 장대화에 의해 날개단 근방에 있어서의 날개면에 발생되는 난류 경계층에 의한 소음의 영향이 커지므로, 예를 들어, 특허문헌 1 과 같이 날개 단부만의 소음을 억제하는 것으로는 충분한 소음 억제를 기대할 수 없다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 날개 선단 부분의 날개면에 발생되는 난류 경계층을 얇게 하여, 후연에 발생되는 소음을 효과적으로 억제할 수 있는 풍차 날개 및 이것을 사용한 풍력 발전 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기의 과제를 해결하기 위해, 하기의 수단을 채용하였다.
본 발명의 제 1 양태는, 단면 (斷面) 이 날개 형상을 한 풍차 날개로서, 날개단에서 날개근측으로 소정의 범위에 걸쳐, 적어도 소정 회전수로 회전할 때의 앙각을 저감시키는 앙각 저감부가 형성되어 있는 풍차 날개를 제공한다.
본 양태에 관련된 풍차 날개에 의하면, 앙각 저감부가 날개단에서 날개근측으로 소정의 범위에 걸쳐, 적어도 소정 회전수로 회전할 때의 앙각을 저감시키므로, 운전 중에 날개단에서 날개근측으로 소정의 범위에 있어서의 날개면 경계층의 두께를 얇게 할 수 있다.
이와 같이, 경계층이 얇아지면, 날개의 후연에 있어서의 소용돌이 발생을 억제할 수 있으므로, 소음을 저감시킬 수 있다.
앙각 저감부는 소음의 발생이 큰 풍차 날개의 선단 부분에 형성되어 있으므로, 효율적으로 소음을 저감시킬 수 있다.
이로써, 소음 저감을 위해서 회전수를 억제할 필요가 없어지므로, 발전 효율 등의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또한, 날개의 단면 형상이 동일하면, 앙각이 작아지면 발생되는 양력 (揚力) 이 작아지므로, 앙각 저감부가 형성되는 범위는 날개의 성능에 대한 영향과 소음의 저감 효과를 감안하여 설정하는 것이 바람직하다. 이 범위는, 예를 들어, 날개 길이의 20 % 이내, 바람직하게는, 10 % 이내가 된다.
또, 소정 회전수는, 예를 들어, 풍력 발전 장치가 정격 출력이 되는 회전수, 즉, 정격 회전수가 된다.
상기 양태에서는, 상기 앙각 저감부는, 앙각이 날개근측의 앙각에서부터 날개단을 향해 서서히 저감되도록 형성되어 있어도 된다.
바꾸어 말하면, 앙각 저감부는, 날개단을 향해 바람의 유입 방향에 대한 날개의 각도를 서서히 저감시키도록 비틀어져, 즉, 날개 단부에 비틀림각을 더하여 형성된다.
이와 같이 하면, 회전수에 관계없이 항상 앙각 저감부는 날개근측에 비해 앙각이 상이해지므로, 넓은 회전수 범위에서 소음의 저감을 실시할 수 있다.
상기 양태에서는, 상기 앙각 저감부는, 상기 소정 회전수로 회전할 때에 상기 날개근측 날개면의 대략 연장부가 되도록 형성되어 있는 구성이 되어도 된다.
바꾸어 말하면, 소정 회전수로 회전할 때에, 앙각 저감부의 면은, 날개근측의 날개면과 대략 면일 (面一) 해지도록 형성되어 있다.
날개가 회전하면, 날개는 바람에 의해 변형된다. 이 변형은 날개의 선단 부에서 커진다. 이 변형에 의해 풍차 날개의 선단부에서 앙각이 설계값보다 커져, 소음이 커져 있었다.
본 구성에서는, 앙각 저감부는, 날개가 소정 회전수로 회전하여, 바람에 의해 변형되었을 때에, 날개근측 날개면의 대략 연장부, 즉, 날개근측의 날개면과 앙각 저감부의 날개면이 면일해지도록 형성되어 있으므로, 앙각 저감부의 앙각은 설계값보다 커지지 않는, 바꾸어 말하면, 앙각 저감부를 갖지 않는 날개와 비교하여 소정 회전시의 앙각을 저감시킬 수 있다.
이로써, 소정 회전수시의 소음을 저감시킬 수 있고, 또한, 성능 저하를 억제할 수 있다.
상기 구성에서는, 상기 앙각 저감부는, 날개근측의 날개면에서부터 정압면측으로 서서히 구부러짐이 커지도록 매끄럽게 구부러져 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 양태에 의하면, 적어도 소정 회전수로 회전할 때의 날개의 후연에 있어서의 소용돌이 발생을 억제할 수 있는 풍차 날개를 사용하여 발전을 실시하는 풍력 발전 장치를 제공한다.
이와 같이 하면, 풍력 발전 장치는 운전 중의 소음 발생을 저감시킬 수 있다. 이로써, 소음에 의한 제약이 완화되므로, 예를 들어, 거주지에 근접하여 설치할 수 있는 등, 설치 장소의 자유도를 확보할 수 있다.
본 발명에 의하면, 앙각 저감부가 날개단에서 날개근측으로 소정의 범위에 걸쳐, 적어도 소정 회전수로 회전할 때의 앙각을 저감시키므로, 운전 중에 날개의 후연에 있어서의 소용돌이 발생을 억제할 수 있어, 소음을 저감시킬 수 있다.
또, 앙각 저감부는 소음의 발생이 큰 풍차 날개의 선단 부분에 형성되어 있으므로, 효율적으로 소음을 저감시킬 수 있다. 이로써, 소음 저감을 위해서 회전수를 억제할 필요가 없어지므로, 발전 효율 등의 성능 저하를 억제할 수 있다.
도 1 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 개략 구성을 나타내는 측면도이다.
도 2 는, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 풍차 날개의 정면도이다.
도 3 은, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 풍차 날개의 앙각의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 풍차 날개의 정면도이다.
도 5 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 풍차 날개의 정격 회전수일 때의 상태를 나타내는 측면도이다.
도 6 은, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 풍차 날개의 정지시의 상태를 나타내는 측면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
(제 1 실시형태)
이하, 본 발명의 1 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (1) 를 도면에 기초하여 설명한다.
도 1 은, 풍력 발전 장치 (1) 의 전체 개략 구성을 나타내는 측면도이다.
풍력 발전 장치 (1) 에는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 기초 (11) 상에 세워 설치되는 지주 (支柱 ; 3) 와, 지주 (3) 의 상단에 지주 (3) 를 지지점으로 하여 대략 수평으로 회전할 수 있도록 설치되는 나셀 (5) 과, 대략 수평한 축선 둘레를 회전할 수 있도록 하여 나셀 (5) 에 형성되는 로터 헤드 (7) 와, 로터 헤드 (7) 의 회전 축선 둘레에 방사상으로 날개 길이 방향을 중심으로 회전할 수 있도록 장착된 복수 장의 풍차 날개 (9) 가 구비되어 있다.
로터 헤드 (7) 의 회전 축선 방향으로부터 풍차 날개 (9) 에 닿은 바람의 힘이, 로터 헤드 (7) 를 회전 축선 둘레를 회전시키는 동력으로 변환되도록 되어 있다.
나셀 (5) 의 외주면 적소 (예를 들어 상부 등) 에는, 주변의 풍속값을 측정하는 풍속계 (13) 와, 풍향을 측정하는 풍향계 (15) 와, 도시하지 않은 피뢰침이 구비되어 있다.
나셀 (5) 의 내부에는, 모두 도시를 생략하고 있지만, 로터 헤드 (7) 와 동축의 증속기를 통하여 연결된 발전기가 설치되어 있다. 즉, 로터 헤드 (7) 의 회전을 증속기로 증속하여 발전기를 구동함으로써, 발전기로부터 발전기 출력이 얻어지도록 되어 있다.
도 2 는, 풍차 날개 (9) 의 정면도이다. 또, 도 2 에는, 풍차 날개 (9) 의 그 위치에 있어서의 횡단면도를 기재하고 있다.
풍차 날개 (9) 는, 횡단면 형상이 날개 형상으로 된 중공체 (中空體) 이다. 풍차 날개 (9) 는, 예를 들어, 유리 섬유 강화 플라스틱으로 형성된 외피 (17) 에 의해 날개 형상이 형성되어 있다. 외피 (17) 는, 내부로부터 주행 (主桁) 등에 의해 강도가 보강되어 있다.
풍차 날개 (9) 의 날개단 (20) 측 부분에는, 앙각 저감부 (19) 가 형성되어 있다. 앙각 저감부 (19) 는, 날개현 (23) 과 풍향 (25) 이 이루는 각도인 앙각이, 날개근 (21) 측의 앙각
Figure 112010011364819-pct00001
로부터 날개단 (20) 을 향해 서서히 작아지도록 구성되어 있다. 바꾸어 말하면, 앙각 저감부 (19) 는, 날개단 (20) 을 향하여 바람의 유입 방향에 대한 날개의 각도를 서서히 저감시키도록 비틀어져, 즉, 날개 단부에 비틀림각을 더하여 형성된다.
도 3 은, 풍차 날개 (9) 의 날개 길이 방향에 있어서의 앙각의 변화를 나타내고 있다.
앙각 저감부 (19) 의 날개 길이 방향에 있어서의 길이는, 날개의 성능에 대한 영향과 소음의 저감 효과를 감안하여 설정되고, 여기에서는 날개 길이 L 의 대략 10 % 로 되어 있다. 또한, 성능 저하를 감안하면, 20 % 이내로 하는 것이 바람직하다.
앙각 저감부 (19) 의 날개단 (20) 에 있어서의 앙각은, 정격 출력이 되는 회전수 (정격 회전수) 에 있어서, 예를 들어, 0°가 되도록 되어 있다.
또한, 날개단 (20) 에 있어서의 앙각은, 0°에 한정되는 것이 아니라, 소음 이외의 다른 조건을 감안하여 0°이외의 값이 되는 경우도 있다.
또, 날개형 (예를 들어, 캠버 등이 부착되어 있는 것 등) 에 따라서는, 가장 경계층이 얇아지는 값이 0°이외가 되는 경우도 있다.
이상과 같이 구성된 풍력 발전 장치 (1) 의 운전 동작에 대해 설명한다.
풍력 발전 장치 (1) 는, 운전 중, 풍향계 (15) 에 의해 풍향을 측정하고 있다. 그 측정 결과에 의해, 나셀 (5) 이 회전하여, 바람이 로터 헤드 (7) 의 회전 축선 방향으로부터 불게 된다. 즉, 풍차 날개 (9) 에 대해 바람은 일정한 방향에서 불어오고 있다.
풍차 날개 (9) 에 바람이 닿으면, 날개면에 교차되는 방향으로 양력이 발생 한다. 이 양력에 의해 풍차 날개 (9) 가 이동하므로, 로터 헤드 (7) 가 회전 축선 둘레를 회전한다.
이 로터 헤드 (7) 의 회전을 증속기로 증속하여 발전기를 구동함으로써 발전된다.
풍차 날개 (9) 는, 풍속계 (13) 에 의해 측정되고 있는 풍속에 의해 날개 길이 방향의 둘레를 회전하여 피치각을 조정하고 있다. 풍속이 낮은 경우에는 피치각을 크게 하여, 바람을 수용하는 면적이 커지도록 한다. 정격 출력이 얻어지는 회전수 (정격 회전수) 를 초과하는 풍속이 되면, 피치각을 작게 하여, 바람을 수용하는 면적을 작게 한다.
이 때, 예를 들어, 정격 회전수일 때, 앙각 저감부 (19) 에서는, 앙각이 날개근 (21) 측의 앙각보다 작기 때문에, 이동 속도가 동일하면, 바람이 날개면으로부터 수용하는 저항은 날개근 (21) 측과 동일한 앙각을 갖는 것에 비해 작아진다. 이로써, 바람이 날개면을 따라 보다 매끄럽게 흐르므로, 날개면에 형성되는 경계층의 두께는 날개단 부분이 날개근 (21) 측과 동일한 앙각을 갖는 것에 비해 얇아진다.
이와 같이, 경계층이 얇아지면, 풍차 날개 (9) 의 후연에 있어서의 소용돌이 발생을 억제할 수 있으므로, 소음을 저감시킬 수 있다.
앙각 저감부 (19) 는, 이동 속도가 크기 때문에 소음의 발생이 큰 풍차 날개 (9) 의 선단 부분에 형성되어 있으므로, 효율적으로 소음을 저감시킬 수 있다. 이로써, 소음 저감을 위해서 회전수를 억제할 필요가 없어지므로, 발전 효율 등의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또, 앙각 저감부 (19) 의 앙각은 고정되어 있으므로, 회전수가 변화되어도 항상 상호의 관계는 변화되지 않는다.
이 때문에, 회전수에 상관없이 항상 앙각 저감부 (19) 는 날개근 (21) 측에 비교하여 앙각이 상이해지므로, 넓은 회전수 범위에서 소음을 저감시킬 수 있다.
이와 같이, 풍력 발전 장치 (1) 는 운전 중의 소음의 발생을 저감시킬 수 있다. 이로써, 소음에 의한 제약이 완화되므로, 예를 들어, 거주지에 근접하여 설치할 수 있는 등, 설치 장소의 자유도를 확보할 수 있다.
(제 2 실시형태)
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 대해, 도 4 ～ 도 6 을 사용하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 제 1 실시형태와 기본적 구성은 동일하고, 풍차 날개 (9) 의 구성이 상이하다. 따라서, 본 실시형태에 있어서는, 이 차이점에 대해 설명하고, 그 밖의 부분에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
또한, 제 1 실시형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 4 는, 풍차 날개 (9) 의 정면도이다. 도 5 는, 풍차 날개 (9) 의 정격 회전수일 때의 상태를 나타내는 측면도이다. 도 6 은, 풍차 날개 (9) 의 정지시의 상태를 나타내는 측면도이다.
풍차 날개 (9) 의 선단측 부분에는, 앙각 저감부 (19) 가 형성되어 있다. 앙각 저감부 (19) 는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 날개근 (21) 측의 날개면에서부터 날개단 (20) 을 향해 정압면 (27) 측으로 서서히 구부러짐이 커지도록 매끄럽게 구부러져 형성되어 있다.
이 구부러짐은, 풍차 날개 (9) 가 소정 회전수로 회전하여, 바람에 의해 변형되었을 때에, 도 5 에 나타나는 바와 같이 앙각 저감부 (19) 가 날개근 (21) 측의 날개면의 대략 연장부, 즉, 날개근 (21) 측의 날개면과 앙각 저감부 (19) 의 날개면이 대략 면일해지는 크기로 되어 있다. 이 때의 앙각 저감부 (19) 를 부호 19B 로 나타내는 경우도 있다. 또, 정지시 (즉, 제조시) 의 앙각 저감부 (19) 를 부호 19A 로 나타내는 경우도 있다.
이상과 같이 구성된 풍력 발전 장치 (1) 의 운전 동작에 대해서는 제 1 실시형태와 대략 동일하므로, 중복된 설명은 생략하고, 상이한 부분에 대해 설명한다.
풍차 날개 (9) 가 회전하면, 풍차 날개 (9) 는 바람의 작용에 의한 힘 (양력, 항력) 에 의해 변형된다. 이 변형은 풍차 날개 (9) 의 날개 단부, 즉, 앙각 저감부 (19) 에서 커진다.
풍차 날개 (9) 의 회전수가 정격 회전수가 되면, 앙각 저감부 (19) 가 정지시의 도 6 에 나타내는 앙각 저감부 (19A) 에서 도 5 에 나타내는 앙각 저감부 (19B) 의 상태로 변화된다. 즉, 앙각 저감부 (19B) 는 날개근 (21) 측의 날개면의 대략 연장부가 되므로, 앙각 저감부 (19B) 의 앙각은 설계값보다 커지는 경우는 없다.
즉, 앙각 저감부 (19) 를 갖지 않는 풍차 날개 (9) 에서는, 이 변형에 의해 선단부에서 앙각이 설계값보다 커져, 소음이 커져 있었지만, 본 실시형태의 풍차 날개 (9) 에서는, 이것에 비해 정격 회전시의 앙각을 저감시킬 수 있다.
따라서, 본 실시형태에서는, 앙각 저감부 (19) 를 갖지 않는 풍차 날개 (9) 에 비해 정격 회전수일 때의 소음을 저감시킬 수 있고, 또한, 성능 저하를 억제할 수 있다.
본 실시형태에서는, 앙각 저감부 (19) 는 정격 회전수가 되면, 날개근 (21) 측의 날개면의 대략 연장부가 되도록 되어 있는데, 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 앙각 저감부 (19) 에 비틀림이 발생하여, 그 앙각이 날개근 (21) 측의 앙각보다 작아지는 형상으로 해도 된다.
또한, 본 발명은 상기 서술한 각 실시형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 적절히 변경할 수 있다.
예를 들어, 제 1 실시형태의 앙각을 풍차 날개 (9) 의 날개단 (20) 을 향해 순차적으로 작게 해 가는 구성과, 제 2 실시형태의 회전시의 변형을 활용하는 구성을 겸비하는 구성으로 해도 된다.
1 풍력 발전 장치
9 풍차 날개
19 앙각 저감부
20 날개단
21 날개근
27 정압면

Claims (7)

  1. 단면이 날개 형상을 한 풍차 날개로서,
    상기 풍차 날개에는 정지시의 상태에서 상기 풍차 날개의 날개단에서 상기 풍차 날개의 날개근측으로 소정의 범위에 걸쳐 앙각 저감부가 형성되어 있고, 상기 앙각 저감부는 상기 풍차 날개가 정격 회전수로 회전할 때의 앙각을 저감시키고, 상기 소정의 범위는 상기 풍차 날개 길이의 20% 이내인 풍차 날개.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 앙각 저감부는, 앙각이 날개근측의 앙각에서부터 날개단을 향하여 서서히 저감되도록 형성되어 있는 풍차 날개.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 앙각 저감부는, 상기 풍차 날개가 상기 정격 회전수로 회전할 때에 상기 날개근측 날개면의 연장부가 되도록 형성되어 있는 풍차 날개.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 앙각 저감부는, 날개근측의 날개면에서부터 상기 풍차 날개의 정압면측으로 서서히 구부러짐이 커지도록 매끄럽게 구부러져 있는 풍차 날개.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 앙각 저감부는, 상기 풍차 날개가 상기 정격 회전수로 회전할 때에 상기 날개근측 날개면의 연장부가 되도록 형성되어 있는 풍차 날개.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 앙각 저감부는, 날개근측의 날개면에서부터 상기 풍차 날개의 정압면측으로 서서히 구부러짐이 커지도록 매끄럽게 구부러져 있는 풍차 날개.
  7. 상기 제 1 항에 기재된 풍차 날개를 사용하여 발전을 실시하는 풍력 발전 장치.
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