KR101231632B1 - 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오랜 피로하중에 의한 블레이드의 반복적 굽힘이 발생할 때 쉐어웹(shear web)이 완충작용을 할 수 있도록 설계된 구조에 더하여, 상기 쉐어웹의 완충작용을 보완하면서 블레이드의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 기계식 또는 전자식으로 굽힘을 오히려 잡아주도록 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드에 관한 것으로,
특히, 내부공간과, 내부 공간의 벽면에 안내레일을 형성한 쉘(shell)과; 상기 안내레일에 설치되어 상기 쉘의 내부를 보강하며, 상기 쉘에 풍하중이 작용하면 안내레일을 따라 이동 및 형상이 변형되고, 풍하중이 해제되면 안내레일을 따라 이동 및 형상이 복귀되는 복수개의 쉐어웹과; 상기 쉘의 굽힘에 따라 쉐어웹의 완충작용과 복귀를 보완하고, 상기 쉘의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 쉘의 굽힘을 저지하는 액츄에이터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드에 관한 것이다.

Description

자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드{A control device of blade deflection of wind turbine}

본 발명은 오랜 피로하중에 의한 블레이드의 반복적 굽힘이 발생할 때 쉐어웹(shear web)이 완충작용을 할 수 있도록 설계된 구조에 더하여, 상기 쉐어웹의 완충작용을 보완하면서 블레이드의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 기계식 또는 전자식으로 굽힘을 오히려 잡아주도록 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드에 관한 것이다.

종래 기술에서 전형적으로 알려진 풍력발전기는 도 1에 도시한 바와 같이 타워(100)와 상기 타워의 상부에 위치한 나셀(nacelle)(200)을 구비한다. 그리고 다수개의 블레이드(blades)(301)를 구비한 회전자(rotor)(300)는 저속 샤프트(low speed shaft)를 통해 상기 나셀에 연결되며, 상기 샤프트는 상기 나셀 전방부로 연장된다.

그 중, 풍력발전기의 로터 블레이드는 터빈의 효율을 결정하는 가장 중요한 요인이며 그 크기와 중량에 따라 터빈설계가 진행된다. 따라서 블레이드의 특성은 터빈의 성능을 결정하는 직접적인 설계요인이 되며 세계 유수의 풍력발전기 회사에서는 자사 고유의 블레이드 설계 생산 능력을 보유하고 있다. 최근 블레이드 설계 경향은 대형화 경량화 되고 있는 추세로 한정된 바람의 자원으로부터 최대 효율을 발생시키고 터빈에 걸리는 하중을 감소시켜 캐피탈 코스트(capital cost)를 줄이기 위한 공력 및 구조설계에 집중되고 있다. 결국 COE(Cost Of Energy)의 최소화, 즉 연간에너지 생산량을 최대화 하고 터빈의 가격을 최소화하기 위해 최근 블레이드 규모는 육상발전기의 경우, 1.5MW 에 약 80m, 2MW 는 약 100m, 3MW는 115m, 해상발전기의 경우 약 150M 까지 대형화되고 있다.

종래 기술에서 전형적으로 알려진 블레이드는 금속, 나무 또는 탄소 섬유들에 의해 강화된 섬유 유리로 만들어진다. 상기 블레이드는 일반적으로 2개의 독립적인 거푸집(mold)에서 2개의 블레이드 반쪽을 적층하고 이들을 접합(bonding)함으로써 제조된다.

또한, 블레이드의 내부에는 도 2 및 도 3과 같이 블레이드의 보강을 위해 쉐어웹(shear web)(302)을 내부에 접합하는데, 이러한 접합부(302)는 돌풍과 같은 극한 하중 뿐 아니라 오랜 피로하중에 따른 블레이드의 반복적 굽힘(예컨대, 높은 날류강도 및 윈드 쉐어(wind shear), 잦은 풍속 및 풍향변화 등에 의해 발생하는 굽힘)에 의해서도 균열이 많이 발생하고 있다.

<참고 문헌>

국내공개특허공보 10-2008-0004468(2008.01.09.)

국내공개특허공보 10-2002-0062992(2002.07.31.)

국내등록특허공보 10-0614102(2006.08.22.)

본 발명은 풍력발전기의 블레이드에 피로하중에 의한 반복적 굽힘이 발생하더라도 종래와 같은 피로균열 현상을 방지하도록 쉐어웹(shear web)과 쉘(shell)의 접합부를 미소변위 슬라이드 형태로 결합한 구조가 변경된 블레이드의 제공을 목적으로 한다. 단, 쉐어웹의 슬라이드에 의한 블레이드 최종변위(deflection)가 최대 블레이드 변위(max. deflection)의 30%를 넘지 않도록 슬라이드를 미소변위로 제한한다.

또한, 종래의 쉐어웹을 완충 작용에 유리하도록 형상의 변화를 주어 쉐어웹이 완충역할을 하도록 구조를 변경한 블레이드의 제공을 목적으로 한다.

또한, 쉐어웹의 완충작용을 보완하면서 블레이드의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 기계식 또는 전자식으로 굽힘을 오히려 잡아주도록 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드의 제공을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적들은, 내부 공간과, 내부 공간의 벽면에 안내레일을 형성한 쉘(shell)과; 상기 안내레일에 설치되어 상기 쉘의 내부를 보강하며, 상기 쉘에 풍하중이 작용하면 안내레일을 따라 이동 및 형상이 변형되고, 풍하중이 해제되면 안내레일을 따라 이동 및 형상이 복귀되는 복수개의 쉐어웹(shear web)과; 상기 쉘의 굽힘에 따라 쉐어웹의 완충작용과 복귀를 보완하고, 상기 쉘의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 쉘의 굽힘을 저지하는 액츄에이터;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드에 의해 달성된다.

그리고 상기와 같이 구성된 블레이드에 있어서, 상기 액츄에이터는 유압 또는 공압식 유체 실린더로서 상기 복수개의 쉐어웹들의 상이에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 안내레일은 쉘의 내벽의 일측 및 마주하는 타측에 한 쌍으로 형성되어 쉐어웹 가이드를 이루고, 상기 쉐어웹의 양측은 상기 쉐어웹 가이드에 설치되어 안내되는 것이 특징일 수 있다.

또한, 상기 쉐어웹 가이드는 쉘의 내부에 적어도 둘 이상 형성되는 것이 특징일 수 있다.

또한, 상기 쉐어웹은 안내레일에 장착되는 복수개의 가이드부와 상기 가이드부들을 잇는 허브판을 포함하되, 상기 가이드부들의 사이는 절단면을 형성하는 것이 특징일 수 있다.

한편, 상기와 같이 구성된 블레이드에 있어서, 상기 안내레일은 개구부와 내부공간부로 이루어지고, 내부공간부는 개구부의 면적 보다 크게 형성되며, 상기 쉐어웹은 개구부를 따라 안내되는 목부와, 상기 목부가 개구부로부터 이탈되는 것을 방지하도록 상기 목부로부터 연장되어 상기 내부공간부를 채우는 이탈방지부를 포함하여 구성되거나,

상기와 같이 구성된 블레이드에 있어서, 상기 안내레일은 쉘의 내벽으로부터 돌출된 궤도로 이루어지고, 상기 쉐어웹은 상기 궤도를 감싸고, 궤도를 따라 안내되는 유동부를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 블레이드의 쉐어웹(shear web)과 쉘(shell)의 접합부를 미소변위 슬라이드 형태로 결합한 구조의 변경으로 풍력발전기의 블레이드에 피로하중에 의한 반복적 굽힘이 발생하더라도 종래와 같은 피로균열 현상은 발생되지 않는다.

또한, 블레이드의 쉐어웹(shear web)과 쉘(shell)의 접합구조에 따른 접합부 적층두께의 감소와 피로완충 작용에 유리한 형상으로 최적화된 쉐어웹은 블레이드 중량을 감소시킨다. 이로부터 블레이드 직경을 증가시켜 터빈의 효율을 높이거나 가격 경쟁력을 높이는데 활용할 수 있다.

또한, 블레이드의 처짐시 완충작용의 쉐어웹에 더하여 액츄에이터의 작용으로 블레이드의 원상복귀가 신속해지는 장점이 있다.

또한, 블레이드의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 액츄에이터가 기계식 또는 전자식으로 블레이드의 굽힘을 더 이상 진행되지 않도록 저지함으로써 블레이드의 타워 강타를 방지할 수 있다.

또한, 액츄에이터를 단독으로 운영할 경우 블레이드의 처짐을 제어하고, 강풍, 돌풍 등을 미리 대비할 수 있다.

도 1은 일반적인 종래의 풍력발전기를 나타낸 도면,
도 2는 도 1의 블레이드의 세부 단면도,
도 3은 도 2의 A 부분 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 블레이드의 부분 단면도,
도 6은 도 5의 B-B 단면도,
도 7은 도 6의 C-C 단면도로서, 두 가지 타입의 안내레일 및 쉐어웹을 나타낸 도면,
도 8은 두 개의 반쪽 블레이드의 접합을 종래와 비교한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 블레이드에 풍하중이 작용했을 때 쉐어웹 및 액츄에이터의 작동관계를 나타낸 도면,
도 10은 강풍에 대비한 액츄에이터의 동작관계를 나타낸 도면.

본 발명에 따른 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드(이하, '블레이드(90)'라 한다)는 도 4에 도시한 바와 같이 쉘(shell)(10)과, 쉐어웹(shear web)(30)과, 액츄에이터(50)를 포함한다.

쉘(10)은 내부 공간(13)과, 내부 공간의 벽면에 안내레일(15,16)을 형성한 구성으로, 기본적으로 상부 쉘(11)과, 하부 쉘(12)로 나뉘어지며 이들의 결합은 도 8에 도시한 바와 같이 체결수단으로 결합된다. 구체적으로 상부 쉘(11)과 하부 쉘(12)의 내측에는 플랜지가 형성되는데 이를 맞닿게 하고 체결수단으로 체결하면 하나의 쉘(10)이 된다.

쉘(10)의 안내레일(15,16)은 구체적으로 쉘(10)의 내벽의 일측 및 마주하는 타측에 한 쌍으로 형성되어 하나의 쉐어웹 가이드(17)를 이룬다. 그리고 이러한 쉐어웹 가이드(17)는 쉘(10)의 내부에 적어도 둘 이상 형성된다.

쉐어웹(20,30)은 상기 안내레일(15,16)에 설치되어, 상기 쉘(10)에 풍하중이 작용하면 안내레일(15,16)을 따라 이동 및 형상이 변형되고, 풍하중이 해제되면 안내레일(15,16)을 따라 이동 및 형상이 복귀되는 구성으로서, 상기 쉐어웹(20,30)의 양측은 상기 쉐어웹 가이드(17)에 설치되어 안내된다.

액츄에이터(50)는 상기 쉘(10)의 굽힘에 따라 쉐어웹(30)의 완충작용과 복귀를 보완하고, 상기 쉘(10)의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 쉘(10)의 굽힘을 저지하는 구성으로, 유압 또는 공압식 유체 실린더일 수 있고, 이러한 액츄에이터(50)는 상기 복수개의 쉐어웹(30)들의 사이에 연결되어 구동된다.

또한, 액츄에이터(50)는 유압 또는 공압을 조절하는 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.

이와 같이 구성된 블레이드(90)는 쉐어웹 가이드(17)로 인해 쉐어웹(20,30)의 조립이 용이하고, 쉐어웹(20,30)으로 인해 강도가 보강되면서, 풍하중에 의한 블레이드의 굽힘이 발생하면 쉐어웹 가이드(17)와 쉐어웹(20,30)의 작용관계에 따른 피로하중 완충작용으로 피로균열이 방지되고, 액츄에이터(50)에 의해 완충작용이 보강되며 더불어서 블레이드(90)의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 액츄에이터(50)가 기계식 또는 전자식으로 블레이드(90)의 굽힘을 더 이상 진행되지 않도록 저지할 수 있어 블레이드(90)가 타워(100)를 강타하는 현상을 방지할 수 있다.

한편, 쉐어웹(20,30)과 쉐어웹 가이드(17)의 결합관계에 있어서, 본 발명은 도 7과 같은 두 가지 타입을 제시한다.

<TYPE-1>

상기 안내레일은 개구부(15a)와 내부공간부(15b)로 이루어지고, 내부공간부(15b)는 개구부(15a)의 면적보다 크게 형성되며, 상기 쉐어웹(20,30)은 개구부(15a)를 따라 안내되는 목부(31)와, 상기 목부(31)가 개구부(15a)로부터 이탈되는 것을 방지하도록 상기 목부(31)로부터 연장되어 상기 내부공간부(15b)를 채우는 이탈방지부(32)를 포함한다.

<TYPE-2>

상기 안내레일은 쉘(10)의 내벽으로부터 돌출된 궤도(15c)로 이루어지고, 상기 쉐어웹(20,30)은 상기 궤도(15c)를 감싸고, 궤도(15c)를 따라 안내되는 유동부(33)를 포함한다.

쉐어웹(20,30)과 쉐어웹 가이드(17)의 결합관계에 있어, 상기 두 가지 타입의 특징은 블레이드(90)에 풍하중이 작용할 때 쉐어웹(20,30)은 쉐어웹 가이드(17)의 안내에 따라 이탈하지 않으면서도 자유 이동이 가능하게 하는 것이다. 그리고 이 같은 결합관계는 탄성력을 갖는 쉐어웹(20,30)이 풍하중에 의해 순간적으로 변형되어도 풍하중이 해제되면 쉐어웹(20,30)의 복귀를 용이하게 하는 구조다. 여기서 복귀란 풍하중이 작용하지 않았을 때의 쉐어웹(20,30)의 본래 기능인 보강의 역할을 다시금 이루어지게 하는 현상을 의미한다.

한편, 쉐어웹(20,30)은 형상에 있어서, 본 발명은 도 6과 같은 타입을 제시한다.

도 6에 도시된 바와 같이 쉐어웹(20,30)은 대략 "X"자 형태이다. 이러한 "X"자 형태의 쉐어웹(20,30)은 안내레일(15,16)에 장착되는 복수개의 가이드부(35,36,37,38)와 상기 가이드부들을 일체형으로 잇는 허브판(39)을 포함하되, 상기 가이드부들의 사이는 절단면을 형성하는 것이 특징이다.

또한, 이와 같은 쉐어웹(20,30)은 기본적으로 탄성력을 갖는 재질로 이루어지지만 여기에 더하여 상기와 같이 구조적으로 탄성력을 배가시킬 수 있는 형상을 취함으로써 탄성 작용효과가 배가 되는 것이다.

즉, 도 9와 같이 블레이드(90)에 풍하중이 작용하면 쉐어웹(20,30)은 신장되거나, 휘어지거나, 신장 및 휘어짐이 동시에 이루어지고, 풍하중이 해제되면 복귀되는데, 쉐어웹(20,30)이 도 5와 같이 형성됨으로 인해 탄성 작용은 배가될 수 있다.

한편, 본 발명은 기상 예보를 통해 강풍을 동반한 태풍 진입 정보가 수집되면, 도 10과 같이 액츄에이터(50)를 이용하여 블레이드(90)를 강풍이 오는 방향으로 굽히면 강풍의 충격을 완화할 수 있다.

이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 기술 분야에 속하는 자들은 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에 다양한 변경 및 수정을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 진정한 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 쉘(shell) 11: 상부 쉘
12: 하부 쉘 13: 내부 공간
20,30: 쉐어웹(shear web)
50: 액츄에이터

Claims (7)

1. 내부 공간(13)과, 내부 공간의 벽면에 안내레일을 형성한 쉘(shell)(10)과;
   상기 안내레일에 설치되어 상기 쉘(10)의 내부를 보강하며, 상기 쉘(10)에 풍하중이 작용하면 안내레일을 따라 이동 및 형상이 변형되고, 풍하중이 해제되면 안내레일을 따라 이동 및 형상이 복귀되는 복수개의 쉐어웹(shear web)(30)과;
   상기 쉘(10)의 굽힘에 따라 쉐어웹(30)의 완충작용과 복귀를 보완하고, 상기 쉘(10)의 굽힘이 허용한계치 이상을 초래하는 풍하중에는 쉘(10)의 굽힘을 저지하는 액츄에이터(50);
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 액츄에이터(50)는 유압 또는 공압식 유체 실린더로서 상기 복수개의 쉐어웹(30)들의 사이에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 안내레일은 쉘(10)의 내벽의 일측 및 마주하는 타측에 한 쌍으로 형성되어 쉐어웹 가이드(17)를 이루고,
   상기 쉐어웹(30)의 양측은 상기 쉐어웹 가이드(17)에 설치되어 안내되는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 쉐어웹 가이드(17)는 쉘(10)의 내부에 적어도 둘 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 안내레일은 개구부(15a)와 내부공간부(15b)로 이루어지고, 내부공간부(15b)는 개구부(15a)의 면적보다 크게 형성되며,
   상기 쉐어웹(30)은 개구부(15a)를 따라 안내되는 목부(31)와, 상기 목부(31)가 개구부(15a)로부터 이탈되는 것을 방지하도록 상기 목부(31)로부터 연장되어 상기 내부공간부(15b)를 채우는 이탈방지부(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.
6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 안내레일은 쉘(10)의 내벽으로부터 돌출된 궤도(15c)로 이루어지고,
   상기 쉐어웹(30)은 상기 궤도(15c)를 감싸고, 궤도(15c)를 따라 안내되는 유동부(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.
7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 쉐어웹(30)은 안내레일에 장착되는 복수개의 가이드부(35,36,37,38)와 상기 가이드부들을 일체형으로 잇는 허브판(39)을 포함하되,
   상기 가이드부들의 사이는 절단면을 형성하는 것을 특징으로 하는 자세 제어장치를 구비한 풍력발전기의 블레이드.

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