KR101223073B1

KR101223073B1 - 풍력 발전기용 익형 블레이드 및 이를 구비한 풍차

Info

Publication number: KR101223073B1
Application number: KR1020110050268A
Authority: KR
Inventors: 유경민; 고경남; 문희곤; 김종권
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2011-05-26
Filing date: 2011-05-26
Publication date: 2013-01-17
Also published as: KR20120131827A

Abstract

이 발명의 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)는, 박판을 익형 구조를 갖도록 가공하여 전체적으로 유선형 형태를 갖는 블레이드 캠버(blade camber)(110)와, 블레이드 캠버(110)의 일측에 부착되어 공기압력을 발생시키는 공기압력 발생부재(120)로 구성된다. 한편, 블레이드 캠버(110)는 유선형의 곡면을 갖는 유선형부(111)와, 유선형부(111)의 일단부에서 연장하여 형성되되 유선형부(111)의 타단부 쪽을 향하도록 굽힘 연장되어 내측에 공기압력 발생부재(120)의 일측을 부착하기 위한 공간을 제공하는 부착부(112)를 구비하며, 유선형부(111)와 부착부(112)의 단부를 가상으로 연결할 경우 익형 구조를 갖는다. 그리고, 공기압력 발생부재(120)는 블레이드 캠버(110)의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 이종 재질의 소재로 구성되며, 그 자체가 익형 구조를 갖되 그 일측이 부착부(112)의 내측에 끼워지는 형태를 갖는다. 이 발명은 블레이드 캠버와 공기압력 발생부재를 이종 재질로 구성하되, 공기압력 발생부재를 블레이드 캠버의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 소재를 이용하므로, 제작이 용이하여 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 경량화가 가능하다는 장점이 있다.

Description

풍력 발전기용 익형 블레이드 및 이를 구비한 풍차{A duplicated airfoil for a small wind turbine blade and a vertical wind turbine using this blade}

이 발명은 풍력 발전기에 사용되는 블레이드에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 이종 소재를 사용해 익형(airfoil) 구조로 제작한 풍력 발전기용 익형 블레이드에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 상기와 같은 익형 블레이드를 구비한 풍차에 관한 것이기도 하다.

풍력 발전기는 블레이드의 설치형상에 따라 수평형과 수직형으로 구분된다. 바람의 방향이 일정하지 않은 지역에서는 수직형 풍력 발전기가 수평형 풍력 발전기에 비해 기동이 쉽고 저소음 특성을 가지므로 유리한 잇점이 있다. 수직형 풍력 발전기는 풍차 구조체의 설치가 간단하므로 주택옥상 또는 저수조 상부에도 설치할 수가 있어 공간활용이 용이하고, 강풍이 많은 해안가의 주택이나 등대에도 설치하기 적합하다.

익형(airfoil)은 날개 또는 블레이드의 단면 형상을 뜻하는 것으로서, 고정익 항공기의 날개(wing)나 헬리콥터의 블레이드(blade)와 같은 양력면(lifting surface)의 특정 단면(section)을 학술적으로 정의하는데 사용되고 있다. 공기보다 무거운 항공기를 비행시키기 위해서, 공기 역학적인 효과, 즉 양력은 크고 항력은 작은 익형이 요구되며, 이에 따라 익형은 양력을 크게 하기 위해서 일반적으로 상면을 둥글게 해주고 뒤를 뾰족하게 하여 유선형의 형태를 갖도록 구성되어 있다. 따라서, 항공기의 경우에는 그 비행속도 영역에 따라 양력을 최대한 얻을 수 있도록 익형을 최적 설계하고 있다.

한편, 풍력 발전기의 경우에는 풍향에 대해 회전하는 블레이드 단면의 상대받음각의 변화가 매우 심하기 때문에, 생성되는 공력하중 성분에서 블레이드를 회전시키는 방향벡터 성분의 힘을 최대로 얻을 수 있는 익형 구조를 채택하는 것이 바람직하다.

따라서, 국내 등록특허 제0611371호에는 동일한 방향으로 곡면이 형성되도록 제작하여 회전방향으로 더 많은 힘을 받도록 제작한 다수개의 블레이드를 갖는 수직형 풍력 발전기에 대해 공개되어 있다. 그런데, 이 기술의 블레이드는 단지 곡면 구조를 가질 뿐 익형 구조를 갖지 않기 때문에 풍력의 효율을 높이는 데에 한계가 있다.

그리고, 국내 등록특허 제0904850호에는 익형 구조를 갖는 다수개의 블레이드를 갖는 수직형 풍력 발전기에 대해 공개되어 있다. 한편, 익형 블레이드는 풍향에 의해 블레이드의 표면에 공기압력이 형성된 후 양력이 형성됨에 따라 회전하게 된다. 따라서, 익형 블레이드는 공기압력이 발생하는 부위의 곡면이 어떤 형태를 갖는지 여부에 따라 회전력이 달라지게 된다. 즉, 풍력 발전기용 익형 블레이드에서는 공기압력 발생부위의 형상이 중요한 요소 중의 하나이다.

그런데, 국내 등록특허 제0904850호의 익형 블레이드는 1개의 소재로 제작된 일체형 구조를 갖도록 구성되어 있다. 이렇게 익형 블레이드를 1개의 소재로 일체형으로 제작할 경우에는 전체적인 유선형 형태를 가짐과 더불어 공기압력 발생부위의 곡면을 함께 고려하여 일체로 성형 제작해야 때문에, 그 제작이 어려울 뿐만 아니라 제작비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.

한편, 풍력 발전기용 익형 블레이드는 그 무게를 가볍게 구성하는 경량화가 중요하다. 그런데, 국내 등록특허 제0904850호와 같이 익형 블레이드를 1개의 소재로 일체형으로 제작할 경우에는 가벼운 복합재료 소재를 이용한다 하더라도 경량화하는데 한계가 있다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 익형 구조를 갖도록 전체적으로 유선형 형태를 갖는 블레이드 캠버와 블레이드 캠버의 일측에 부착되는 공기압력 발생부재를 이종 재질로 구성하되, 공기압력 발생부재를 블레이드 캠버의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 소재를 이용함으로써, 제작이 용이하여 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 경량화가 가능한 풍력 발전기용 익형 블레이드 및 이를 구비한 풍차를 제공하는데 그 목적이 있다.

이 발명의 풍력 발전기용 익형 블레이드는, 박판을 익형 구조를 갖도록 가공하여 전체적으로 유선형 형태를 갖는 블레이드 캠버(blade camber)와, 블레이드 캠버의 일측에 부착되어 공기압력을 발생시키는 공기압력 발생부재를 포함하며, 블레이드 캠버는 유선형의 곡면을 갖는 유선형부와, 유선형부의 일단부에서 연장하여 형성되되 유선형부의 타단부 쪽을 향하도록 굽힘 연장되어 내측에 공기압력 발생부재의 일측을 부착하기 위한 공간을 제공하는 부착부를 구비하며, 유선형부와 부착부의 단부를 가상으로 연결할 경우 익형 구조를 가지며, 공기압력 발생부재는 블레이드 캠버의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 이종 재질의 소재로 구성되며, 그 자체가 익형 구조를 갖되 그 일측이 부착부의 내측에 끼워지는 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

이 발명의 풍차는 상기와 같이 구성된 다수개의 풍력 발전기용 익형 블레이드와, 풍력을 이용해 전기 에너지를 생산하는 발전장치에 그 하부가 연결되는 샤프트, 및 샤프트의 상단과 하부 근처에 고정되어 다수개의 풍력 발전기용 익형 블레이드를 상하로 지지하는 다수개의 지지부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 익형 구조를 갖도록 전체적으로 유선형 형태를 갖는 블레이드 캠버와 블레이드 캠버의 일측에 부착되는 공기압력 발생부재를 이종 재질로 구성하되, 공기압력 발생부재를 블레이드 캠버의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 소재를 이용하므로, 제작이 용이하여 제작비용이 저렴할 뿐만 아니라 경량화가 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드의 구성관계를 도시한 분해 사시도이고,
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 익형 블레이드가 결합된 상태의 정면도 및 배면도이고,
도 4는 도 2에 도시된 익형 블레이드를 선A-A를 따라 절취한 단면도이고,
도 5는 이 발명에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차의 구성관계를 도시한 분해 사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 풍차의 결합 사시도이고,
도 7은 도 5에 도시된 지지부재의 사시도이고,
도 8은 도 5에 도시된 브라켓의 사시도이고,
도 9는 도 5에 도시된 상부캡의 사시도이고,
도 10은 도 5에 도시된 하부캡의 사시도이며,
도 11은 도 5에 도시된 커넥터의 사시도이다.

아래에서, 이 발명에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드 및 이를 구비한 풍차의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 이 실시예에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드에 대해 설명한다. 도면에서, 도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드의 구성관계를 도시한 분해 사시도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 익형 블레이드가 결합된 상태의 정면도 및 배면도이며, 도 4는 도 2에 도시된 익형 블레이드를 선A-A를 따라 절취한 단면도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)는 익형 구조를 갖도록 전체적으로 유선형 형태를 갖는 블레이드 캠버(blade camber)(110)와, 블레이드 캠버(110)의 일측에 부착되어 공기압력을 발생시키는 공기압력 발생부재(120)로 구성된다.

블레이드 캠버(110)는 전체적으로 유선형의 형태를 갖도록 굽힘 성형된다. 예를 들어, 얇은 알루미늄 박판을 판금 가공하여 익형 구조를 갖도록 한다. 즉, 블레이드 캠버(110)는 유선형의 곡면을 갖는 유선형부(111)와, 유선형부(111)의 일단부에서 연장하여 형성되되 유선형부(111)의 타단부 쪽을 향하도록 굽힘 연장되어 내측에 공기압력 발생부재(120)의 일측을 부착하기 위한 공간을 제공하는 부착부(112)로 구성된다. 이러한 블레이드 캠버(110)는 일체형으로 제작되는 것으로서, 유선형부(111)와 부착부(112)의 단부를 가상으로 연결할 경우 익형 구조를 갖도록 구성된다.

공기압력 발생부재(120)는 블레이드 캠버(110)와 재질이 다른 이종 재질로 구성하되, 블레이드 캠버(110)의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 소재로 구성된다. 예를 들어, 이 실시예의 공기압력 발생부재(120)는 스티로폼 또는 플라스틱 등으로 구성할 수 있다. 이러한 공기압력 발생부재(120)는 그 자체가 익형 구조를 갖되, 그 일측이 부착부(112)의 내측에 끼워지는 형태를 갖는다. 또한, 공기압력 발생부재(120)는 블레이드 캠버(110)의 유선형부(111) 보다 작은 폭 길이를 갖도록 구성된다. 따라서, 공기압력 발생부재(120)는 그 일측면이 유선형부(111)의 내측면 일부분에만 부착되되, 그 일측이 부착부(112)의 내측에 끼워진 상태로 부착 결합된다.

이 실시예의 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)는 블레이드 캠버(110)와 공기압력 발생부재(120)를 이종 재질로 제작하되, 블레이드 캠버(110)는 얇은 알루미늄 박판을 판금 가공하여 익형 구조로 제작하고, 공기압력 발생부재(120)는 블레이드 캠버(110)의 소재보다 성형이 용이하고 가벼운 소재인 스티로폼 또는 플라스틱 등으로 제작한 후, 부착하여 일체화 하면 된다. 즉, 풍력 발전기용 익형 블레이드를 제작함에 있어서, 정밀한 곡면을 요구하는 공기압력 발생부위를 성형이 용이한 스티로폼 또는 플라스틱 등으로 사출 성형하여 공기압력 발생부재(120)를 제작한 후, 판금 가공 등에 의해 간편하게 제작된 블레이드 캠버(110)에 부착하여 일체하면 되므로, 그 제작이 간편하고 저렴한 비용으로 제작이 가능하다. 또한, 공기압력 발생부재(120)를 가벼운 소재인 스티로폼 또는 플라스틱 등으로 제작함에 따라, 풍력 발전기용 익형 블레이드(100) 무게의 경량화가 가능하다.

아래에서는 상기와 같이 구성된 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차에 대해 설명한다. 도면에서, 도 5는 이 발명에 따른 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차의 구성관계를 도시한 분해 사시도이고, 도 6은 도 5에 도시된 풍차의 결합 사시도이며, 도 7 내지 도 11은 도 5에 도시된 지지부재, 브라켓, 상부캡, 하부캡 또는 커넥터의 사시도이다.

도 5 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 따른 풍차는 상기와 같이 구성된 다수개의 익형 블레이드(100)와, 풍력을 이용해 전기 에너지를 생산하는 발전장치(도시안됨)에 그 하부가 연결되는 샤프트(200)와, 샤프트(200)의 상단과 하부 근처에 고정되어 다수개의 익형 블레이드(100)를 상하로 지지하는 한 쌍의 지지부재(300)와, 다수개의 익형 블레이드(100)를 한 쌍의 지지부재(300)에 각각 고정하는 다수개의 브라켓(400)과, 한 쌍의 지지부재(300) 중에서 상부의 지지부재(300)의 상단을 마감 처리하는 상부캡(500)과, 샤프트(200)의 하단을 마감 처리하는 하부캡(600), 및 하부캡(600)의 둘레에 결합되어 발전장치에 연결하기 위한 커넥터(700)로 구성된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 지지부재(300)는 3개의 익형 블레이드(100)를 등간격으로 지지하기 위한 3개의 지지부(310)를 갖도록 구성된다. 한편, 지지부(310)는 익형 블레이드(100)의 내측면, 즉 블레이드 캠버(110)의 부착부(112)의 주변 표면에 밀착될 수 있도록 둥근 형상의 단부를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 지지부(310)는 브라켓(400)과 스크루 등으로 체결하기 위한 다수개의 체결구멍(311)을 단부 근처에 갖도록 구성된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 브라켓(400)은 익형 블레이드(100)를 지지부재(300)의 지지부(310)에 고정하기 위한 매개체 역할을 하는 것으로서, 직각 형태로 절곡된 형태를 갖는다. 한편, 브라켓(400)은 스크루 등으로 체결하기 위한 다수개의 체결구멍(410)을 양 단부 근처에 각각 갖는다. 이러한 브라켓(400)은 그 일측이 지지부재(300)의 지지부(310)에 체결 고정되고, 타측이 익형 블레이드(100)의 유선형부(111)의 외측면에 체결 고정됨으로써, 익형 블레이드(100)를 지지부재(300)에 고정한다.

이상에서 이 발명의 풍력 발전기용 익형 블레이드 및 이를 구비한 풍차에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 익형 블레이드 110 : 블레이드 캠버
111 : 유선형부 112 : 부착부
120 : 공기압력 발생부재 200 : 샤프트
300 : 지지부재 310 : 지지부
311 : 체결구멍 400 : 브라켓
410 : 체결구멍 500 : 상부캡
600 : 하부캡 700 : 커넥터

Claims

박판을 익형 구조를 갖도록 유선형 형태로 가공된 블레이드 캠버(blade camber)(110)와, 상기 블레이드 캠버(110)의 일측에 부착되어 공기압력을 발생시키는 공기압력 발생부재(120)를 포함하며,
상기 블레이드 캠버(110)는 유선형의 곡면을 갖는 유선형부(111)와, 상기 유선형부(111)의 일단부에서 연장하여 형성되되 상기 유선형부(111)의 타단부 쪽을 향하도록 굽힘 연장되어 내측에 상기 공기압력 발생부재(120)의 일측을 부착하기 위한 공간을 제공하는 부착부(112)를 구비하며,
상기 공기압력 발생부재(120)는 자체가 익형 구조를 갖되 일측이 상기 부착부(112)의 내측에 끼워지는 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드.
청구항 1에 있어서,
상기 공기압력 발생부재(120)는 상기 유선형부(111) 보다 작은 폭 길이를 갖도록 구성되어, 상기 유선형부(111)의 내측면의 일부분에만 부착되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드.
청구항 2에 있어서,
상기 블레이드 캠버(110)는 알루미늄 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드.
청구항 3에 있어서,
상기 공기압력 발생부재(120)는 스티로폼 또는 플라스틱 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 다수개의 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)와,
풍력을 이용해 전기 에너지를 생산하는 발전장치에 하부가 연결되는 샤프트(200), 및
상기 샤프트(200)의 상단과 하부 근처에 고정되어 상기 다수개의 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)를 상하로 지지하는 다수개의 지지부재(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차.
청구항 5에 있어서,
상기 다수개의 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)를 상기 다수개의 지지부재(300)에 각각 고정하는 다수개의 브라켓(400)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차.
청구항 6에 있어서,
상기 다수개의 지지부재(300) 중에서 제일 상부의 지지부재(300)의 상단을 마감 처리하는 상부캡(500)과, 상기 샤프트(200)의 하단을 마감 처리하는 하부캡(600), 및 상기 하부캡(600)의 둘레에 결합되어 상기 발전장치에 연결하기 위한 커넥터(700)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차.
청구항 6에 있어서,
상기 지지부재(300)는 상기 다수개의 풍력 발전기용 익형 블레이드(100)를 등간격으로 지지하기 위한 다수개의 지지부(310)를 갖도록 구성되며, 상기 지지부(310)는 상기 블레이드 캠버(110)의 부착부(112)의 주변 표면에 밀착될 수 있도록 둥근 형상의 단부를 갖는 것을 특징으로 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차.
청구항 8에 있어서,
상기 브라켓(400)은 직각으로 절곡된 형태로 구성되어, 일측이 상기 지지부재(300)의 지지부(310)에 체결 고정되고, 타측이 상기 익형 블레이드(100)의 유선형부(111)의 외측면에 체결 고정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 익형 블레이드를 구비한 풍차.