KR101179277B1 - 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력에 의해 전기에너지를 생산하는 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평축 풍력발전기의 나셀에 펜스 구조물을 설치하며 공기역학적 성능을 향상시키는 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.
본 발명의 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기는 회전하는 블레이드 하류단에서 발생하는 와류를 감소시켜, 블레이드의 공기역학적인 성능을 향상시키며 나아가 풍력발전기의 발전 효율을 증가시키는 효과가 있다.

Description

나셀 펜스를 갖는 풍력발전기{Wind Turbine which have Nacelle Fence}

본 발명은 풍력에 의해 전기에너지를 생산하는 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수평축 풍력발전기의 나셀에 펜스 구조물을 설치하며 공기역학적 성능을 향상시키는 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기에 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 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(1) 상단에 블레이드(3)를 회동 지지하는 나셀(2)을 회전 가능하도록 설치하고, 나셀(2) 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치(미도시)를 두어, 로터블레이드(3)의 회전력이 허브(4)를 거쳐 주축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다.

상기와 같은 구성의 풍력 발전기는, 블레이드(3)의 팁(3a) 및 루트(3b)부에서 발생하는 와류(Vortex)로 인해 공기역학적 성능이 감소된다. 블레이드(3)의 공기 역학적 성능 감소는 풍력 발전기의 발전 효율 저하를 초래하므로, 블레이드(3)의 공기 역학적 성능을 증가시키기 위한 기술의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 나셀에 공기 유동 방향을 따라 펜스를 구비하여 블레이드의 하류단에서 발생하는 와류를 최소화하는 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기를 제공함에 있다.

본 발명의 풍력발전기는, 지면상에 세워지는 타워와, 상기 타워의 상단에 설치되는 나셀과, 상기 나셀의 일측에 회전 가능하도록 설치되는 로터블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 풍력발전기는, 공기 유동 방향을 따라 상기 나셀의 둘레면 외측으로 연장 형성되는 적어도 하나 이상의 나셀 펜스; 를 포함한다.

이때, 상기 나셀 펜스는, 횡단면이 로터블레이드의 회전축과 일정 각도 기울어져 형성되고, 횡 단면이 펜스 상류단에서 펜스 하류단으로 갈수록 블레이드 회전 반대 방향으로 기울어져 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 나셀 펜스는, 상기 블레이드의 회전축을 중심으로 다수 개가 방사상으로 구비된다.

아울러, 상기 나셀 펜스는, 펜스 상류단 종단면과 나셀이 이루는 각도가 수직이며, 펜스 하류단으로 갈수록 나셀 펜스의 종단면과 나셀이 이루는 각도가 점점 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기는 회전하는 블레이드 하류단에서 발생하는 와류를 감소시켜, 블레이드의 공기역학적인 성능을 향상시키며 나아가 풍력발전기의 발전 효율을 증가시키는 효과가 있다.

도 1은 종래의 풍력발전기 사시도
도 2는 종래의 풍력발전기 평면도
도 3은 본 발명의 풍력발전기 사시도
도 4는 본 발명의 풍력발전기 평면도
도 5는 본 발명의 풍력발전기 정면도
도 6은 종래와 본 발명의 풍력발전기 성능 시험 그래프

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기(T)는 타워(10), 나셀(20), 로터블레이드(30, 40) 및 나셀 펜스(50)를 포함하여 이루어진다.

타워(10)는 상하 길이방향으로 형성될 수 있다. 상기 타워(10)의 하단은 지면에 고정되며, 상단에는 회전부(미도시)가 형성될 수 있다. 상기 회전부는 상면이 나셀(20)의 하단과 결합될 수 있다. 상기 회전부는 나셀(20)을 수평방향으로 회전, 즉 피치(Pitch)운동 시키는 역할을 수행한다. 타워(10)의 구성은 통상적으로 사용되는 풍력발전기의 지지대가 사용될 수 있다.

나셀(20)은 타워(10)의 상단에 결합될 수 있다. 나셀(20)은 풍력발전기의 몸체 구성이다. 나셀(20)은 바람의 방향에 따라 로터블레이드(30, 40)의 위치를 최적화하기 위해 횡 방향으로 회전 가능하도록 타워(10)에 힌지 결합될 수 있다. 나셀(20)은 일측에 로터블레이드(30, 40)가 회동 가능하도록 결합될 수 있다. 나셀(20)의 내부에는 증속기 및 발전기가 구비될 수 있다. 나셀(20)은 로터블레이드(30, 40)의 회전력이 회전축을 통해 발전기에 이르도록 구성될 수 있다.

로터블레이드(30, 40)는 나셀(20)의 회전축에 연결되는 허브(40)와 허브(40)를 중심으로 방사상으로 연결되는 블레이드(30)를 포함하여 이루어질 수 있다. 블레이드(30)는 다수 개가 허브(40)에 결합될 수 있다. 블레이드(30)는 도면상에 3개로 도시되어 있으나, 블레이드(30)의 개수를 3개로 한정하는 것은 아니며, 발전기의 용량 및 풍력발전기의 용도에 따라 그 수가 가감될 수 있다. 로터블레이드(30, 40)는 풍력발전기에 통상적으로 사용되는 로터블레이드가 적용되는 바 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이하 로터블레이드(30, 40)의 회전에 의해 로터블레이드(30, 40)의 하류측에서 발생할 수 있는 와류(Vortex)를 최소화 하여 로터블레이드(30, 40)의 공기역학 성능을 향상시키기 위한 본 발명의 핵심 구성인 나셀 펜스(Nacelle Fence, 50)에 대해 상세 설명하기로 한다.

편의상 공기가 유입되는 방향을 상류(Upstream), 공기가 유출되는 방향을 하류(Downstream)로 정의하여 설명한다.

나셀 펜스(50)는 길이가 있는 판체 상으로 이루어진다. 나셀 펜스(50)는 나셀(20)의 둘레면에 나셀(20)과 일체로 형성되거나, 하단이 나셀(20)의 둘레면에 결합될 수 있다. 나셀 펜스(50)는 공기 유동 방향을 따라 나셀(20)에 형성될 수 있다. 나셀 펜스(50)는 로터블레이드(30, 40)에서 하류 방향으로 일정거리 이격 형성된다. 이때 이격거리는 풍력발전기의 발전용량, 블레이드의 개수, 블레이드의 길이에 따라 달리 결정된다. 나셀 펜스(50)는 회전축을 중심으로 다수 개가 방사상으로 나셀(20) 상에 설치될 수 있으며, 나셀 펜스(50)는 도면상에 3개로 도시되어 있으나, 나셀 펜스(50)의 개수를 3개로 한정하는 것은 아니며, 발전기의 용량 및 풍력발전기의 용도에 따라 그 수가 가감될 수 있다.

상기와 같은 나셀 펜스(50)의 구성을 통해 로터블레이드(30, 40)의 하류측에서 발생할 수 있는 와류(Vortex)를 층류(Laminar flow)화하여 와류(Vortex)를 최소화함으로써 로터블레이드(30, 40)의 공기역학 성능을 향상시킨다.

이때 본 발명의 나셀 펜스(50)는 상기 와류를 보다 효과적으로 감소시키기 위해 다음과 같은 특징적 구성을 추가로 갖는다.

도 4에 도시된 바와 같이 나셀 펜스(50)는 횡단면이 로터블레이드(30, 40)의 회전축과 일정 각도 기울어져 형성될 수 있다. 즉 나셀 펜스(50)의 펜스 상류단(51)과 펜스 하류단(52)을 이은 선이 상기 회전축과 일정 각도 기울어져 형성될 수 있다. 나셀 펜스(50)의 기울기는 풍력발전기의 발전용량, 블레이드의 개수, 블레이드의 길이에 따라 달리 결정된다.

특히 펜스 상류단(51)에서 펜스 하류단(52)으로 갈수록 로터 블레이드(30, 40) 회전 반대 방향으로 기울어지게 형성될 수 있다. 이는 로터 블레이드(30, 40)의 회전에 의한 루트와류 형성을 저지하기 위함이다. 즉 나셀펜스(50)의 횡단면은 나셀 펜스(50)의 펜스 상류단(51)에서 펜스 하류단(52)으로 갈수록 로터 블레이드(30, 40)의 회전 반대 방향으로 일정각도 기울어지게 형성될 수 있다.

또한 도면상에는 도시되지 않았지만, 나셀 펜스(50)의 종단면은 나셀 펜스(50)의 펜스 상류단(51)에서는 나셀(20)과 이루는 각도가 수직이지만, 펜스 하류단(52)으로 갈수록 로터 블레이드(30, 40)의 회전 반대 방향으로 나셀(30)과 이루는 각도가 점점 감소하도록 형성될 수 있다. 일예로 펜스 상류단(51)이 나셀(20)과 이루는 각도가 90도이면, 펜스 하류단(52)에서는 나셀(20)과 이루는 각도가 45도일 수 있다.

도 6에는 본 발명의 풍력발전기에 따른 성능 시험 그래프가 도시되어 있다.

도시된 그래프의 가로축은 블레이드(30)의 위치에 따른 방위각(Azimuth angle)을 나타낸다. 즉 블레이드(30)가 허브(40)의 지면에 수직한 상측에 위치했을 때를 0으로 하고 블레이드(30)가 허브(40) 상의 지면에 수직한 하측에 위치했을 때는 180으로 정의하였다.

도시된 그래프의 세로축은 발전효율(Power Coefficient)을 나타낸다. 발전 효율은 풍력에서 발전기의 발전량을 나누어 계산하였다.

따라서 도면에 도시된 그래프를 통해 블레이드(30)의 위치에 따른 발전 효율을 확인 할 수 있다.

실험은 본 발명의 나셀 펜스를 포함하는 풍력발전기, 타워를 포함하는 통상의 풍력발전기 및 타워가 없는 풍력발전기 세군으로 나누어 진행되었다. 최상측에 위치한 곡선이 본 발명의 나셀 펜스를 포함하는 풍력발전기의 수치 곡선이며, 중간에 위치한 곡선이 타워를 포함하는 통상의 풍력발전기의 수치 곡선이고, 최하측에 위치한 직선이 타워가 없는 풍력발전기의 수치곡선이다.

도시된 바와 같이 타워가 없는 풍력발전기는 블레이드 와류의 영향으로 발전 효율이 제일 낮으며, 타워를 포함하는 통상의 풍력발전기는 타워가 블레이드의 와류를 일정부분 감소시켜 발전효율이 타워가 없는 풍력발전기 보다 높다.

아울러 본 발명의 나셀 펜스를 포함하는 풍력발전기는 나셀 펜스를 통해 블레이드의 와류를 최소화하여 발전효율이 나머지 두군에 비해 우수함을 입증하였다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

T : 풍력발전기
10 : 타워 20 : 나셀
30 : 블레이드 40 : 허브
50 : 나셀 펜스 51 : 펜스 상류단
52 : 펜스 하류단

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 지면상에 세워지는 타워와, 상기 타워의 상단에 설치되는 나셀과, 상기 나셀의 일측에 회전 가능하도록 설치되는 로터블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
   상기 풍력발전기는, 상기 로터블레이드의 하류 방향으로 일정거리 이격 형성되되 상기 타워의 상류측에 형성되며, 공기 유동 방향을 따라 상기 나셀의 둘레면 외측으로 연장 형성되는 적어도 하나 이상의 나셀 펜스; 를 포함하고,
   상기 나셀 펜스는, 횡단면이 로터블레이드의 회전축과 일정 각도 기울어져 형성되되, 횡 단면이 펜스 상류단에서 펜스 하류단으로 갈수록 블레이드 회전 반대 방향으로 기울어져 형성되는 것을 특징으로 하는 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 나셀 펜스는,
   상기 블레이드의 회전축을 중심으로 다수 개가 방사상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 나셀 펜스는,
   펜스 상류단 종단면과 나셀이 이루는 각도가 수직이며, 펜스 하류단으로 갈수록 나셀 펜스의 종단면과 나셀이 이루는 각도가 점점 감소하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기.

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