KR101263935B1 - 터빈 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기 - Google Patents

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Abstract

터빈 블레이드와 이를 구비한 풍력 발전기를 제공한다. 본 발명에 따른 터빈 블레이드는 기저부와, 기저부와 가장 멀리 이격된 팁과, 기저부와 팁을 연결하는 전연부와 후연부를 포함한다. 터빈 블레이드는 기저부와 팁을 연결하는 가상의 기준선 상에서 기저부로부터 팁을 향해 기준선 길이의 0.6배 내지 0.7배 이격된 위치에서 최대 코드를 가지며, 3에서 5 사이의 종횡비를 가진다.

Description

터빈 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기 {TURBINE BLADE AND WIND POWER GENERATOR WITH THE SAME}
본 발명은 터빈 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터빈 블레이드의 형상과, 터빈 블레이드의 피치각과 코닝각을 조절하는 장치 구조에 관한 것이다.
풍력 에너지는 태양광 에너지와 함께 가장 주목받고 있는 신재생 에너지이다. 풍력 발전기는 회전축이 지면과 평행한 수평축 풍력터빈(HAWT) 방식과, 회전축이 지면과 수직한 수직축 풍력터빈(VAWT) 방식으로 분류된다.
이 가운데 수평축 풍력터빈(HAWT) 방식은 소형에서 대형에 이르기까지 다양한 제품들이 개발되고 있는데, 통상 블레이드 단부의 속도 제한으로 인해 블레이드의 회전수가 상대적으로 낮아 블레이드 회전을 다시 고속으로 증속하는 기어 박스가 필요하다. 따라서 구조가 복잡하고, 대형 발전기의 경우 막대한 건설비용이 소요되며, 소음 발생, 레이더 신호 방해, 조류의 충돌과 같은 환경문제 등이 개선점으로 지적되고 있다.
본 발명은 작은 풍속에서 고속으로 회전하고, 구조를 간소화하며, 바람의 방향과 세기의 변화가 큰 조건에서도 안정적인 회전력을 구현할 수 있는 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기저부와, 기저부와 가장 멀리 이격된 팁과, 기저부와 팁을 연결하는 전연부와 후연부를 포함하는 터빈 블레이드에 있어서, 기저부와 팁을 연결하는 가상의 기준선 상에서 기저부로부터 팁을 향해 기준선 길이의 0.6배 내지 0.7배 이격된 위치에서 최대 코드를 가지며, 3에서 5 사이의 종횡비를 가지는 터빈 블레이드를 제공한다.
팁과 전연부 및 후연부는 각각의 곡률을 가지며, 후연부의 곡률이 전연부의 률보다 크게 형성될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 전술한 터빈 블레이드와, 터빈 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 제어부와, 터빈 블레이드의 코닝각을 조절하는 코닝각 제어부를 포함한다.
터빈 블레이드는 회전축을 통해 허브 상에 설치될 수 있다. 피치각 제어부는 터빈 블레이드와 이격되어 허브의 일측에 설치되는 회전체와, 터빈 블레이드의 기저부 일측 단부와 회전체 상의 일 지점을 연결하는 링크 부재를 포함하고, 링크 부재는 기저부의 일측 단부에 결합되는 제1 볼 링크와, 회전체 상의 일 지점에 결합되는 제2 볼 링크와, 제1 볼 링크와 제2 볼 링크를 연결하는 연결축을 포함할 수 있다.
회전체는 고정 피치각 구현시 허브와 같은 속도로 회전하고, 피치각 조절시 자체 회전하여 허브와의 상대 위치가 변할 수 있다.
터빈 블레이드는 회전축을 통해 허브 상에 설치될 수 있다. 코닝각 제어부는 허브의 외측에서 회전축에 결합되는 제3 볼 링크와, 허브의 내측에서 제3 볼 링크와 거리를 두고 허브에 결합되는 제4 볼 링크와, 제4 볼 링크에 결합되어 제4 볼 링크를 이동시키는 회전 기어를 포함할 수 있다.
허브의 내주면 일부와 회전 기어의 외주면에 나사산이 형성되어 회전 기어가 허브에 나사 결합될 수 있다. 코닝각 제어부는 터빈 블레이드의 코닝각을 0° 내지 5° 범위로 설정하여 터빈 블레이드의 회전을 정지시킬 수 있다.
본 실시예의 터빈 블레이드는 작은 풍속 조건에서도 1000rpm 이상의 높은 회전 속도를 구현할 수 있으며, 바람의 방향과 세기 변화가 큰 지표풍 조건에서도 안정적인 회전력을 제공할 수 있다. 본 실시예의 풍력 발전기는 터빈 블레이드의 회전을 고속으로 증속하는 기어 박스가 불필요하므로, 전체 시스템 구성을 간소화하고, 제조 비용 및 건설 비용을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 풍력 발전기 중 터빈 블레이드의 확대도이다.
도 3은 도 1에 도시한 풍력 발전기 중 피치각 제어부를 나타낸 개략도이다.
도 4는 도 1에 도시한 풍력 발전기의 코닝각 제어부를 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 터빈 블레이드의 회전 속도 변화를 측정하여 나타낸 실험 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)는 지면에 수직하게 세워지는 타워(10), 타워(10)의 상단에 설치되며 발전부(도시하지 않음)를 내장하는 나셀(20), 나셀(20)의 전방에 결합되는 허브(30), 허브(30)의 외주면에 원주 방향을 따라 등간격으로 설치되는 복수의 터빈 블레이드(40)를 포함한다.
발전부는 바람에 의한 터빈 블레이드(40)와 허브(30)의 회전을 동력원으로 하여 전기를 생산한다.
또한, 풍력 발전기(100)는 각각의 터빈 블레이드(40)와 결합되어 터빈 블레이드(40)의 피치각(pitch angle)을 조절하는 피치각 제어부(50)와, 터빈 블레이드(40)의 코닝각(coning angle)을 조절하는 코닝각 제어부(도시하지 않음)를 포함한다. 풍력 발전기(100)는 바람의 방향을 감지하는 풍향계(71)와, 바람의 속도를 감지하는 풍속계(72)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 터빈 블레이드(40)는 다음에 설명하는 형상적인 특성에 의해 작은 풍속에서 고속으로 회전하며, 바람의 방향과 세기 변화가 큰 조건에서도 안정적인 회전력을 구현할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시한 풍력 발전기 중 터빈 블레이드의 확대도이다.
도 2를 참고하면, 본 실시예의 터빈 블레이드(40)는 허브에 결합되는 기저부(41)와, 기저부(41)에서 가장 멀리 이격된 팁(tip)(42)과, 각기 다른 경로로 기저부(41)와 팁(42)을 연결하는 전연부(leading edge)(43) 및 후연부(tailing edge)(44)를 포함한다.
기저부(41)는 '뿌리부' 또는 '루트부'로도 표현할 수 있고, 전연부(43)와 후연부(44)는 각각 '앞전'과 '뒷전'으로도 표현할 수 있다. 기저부(41), 전연부(43), 팁(42), 및 후연부(44) 모두 터빈 블레이드(40)의 가장자리를 따라 위치한다.
또한, 터빈 블레이드(40)는 앞면(45)과 뒷면을 포함하는데, 풍력 발전기(100)에 설치될 때 터빈 블레이드(40)의 앞면(45)은 바람이 불어오는 방향을 향해 위치하고, 터빈 블레이드(40)의 뒷면(46)은 바람을 등지고 위치한다.
기저부(41)는 직선의 형태를 가지며, 팁(42)은 소정의 곡률로 굽은 둥근 형태를 가진다. 그리고 전연부(43)와 후연부(44) 또한 소정의 곡률을 가지는데, 전연부(43)의 곡률은 후연부(44)의 곡률보다 작게 형성된다. 즉, 후연부(44)가 전연부(43)보다 큰 곡률로 형성되어 전연부(43)보다 둥근 형태를 취한다.
이로써 터빈 블레이드(40) 상에 기저부(41)와 팁(42)을 연결하는 가상의 기준선(CL)을 그리면, 기준선(CL)과 후연부(44) 사이의 터빈 블레이드(40) 면적은 기준선(CL)과 전연부(43) 사이의 터빈 블레이드(40) 면적보다 크다.
터빈 블레이드(40)는 기준선(CL)의 길이를 1로 가정할 때 기저부(41)로부터 팁(42)을 향해 기준선(CL) 길이의 0.6배 내지 0.7배 떨어진 위치에서 최대 코드를 가진다. 코드는 전연부(43)와 후연부(44) 사이의 거리를 나타내며, 최대 코드는 터빈 블레이드(40)의 최대 폭을 의미한다. 도 2에서 최대 코드를 'MC'로 표시하였다.
그리고 터빈 블레이드(40)는 3에서 5 사이의 종횡비(aspect ratio)를 가진다. 종횡비는 터빈 블레이드(40)의 최대 코드에 대한 최대 길이의 비 값으로 정의된다. 이때 터빈 블레이드(40)의 최대 길이는 기준선(CL)의 길이와 동일하다. 전술한 터빈 블레이드(40)는 소정의 두께를 가지며, 휘어진 모양으로 형성된다.
전술한 형상의 터빈 블레이드(40)는 일반적인 터빈 블레이드보다 작은 3 내지 5의 종횡비를 가지며, 기준선(CL) 길이의 0.6배 내지 0.7배 위치에서 최대 코드를 가진다. 이 경우 터빈 블레이드 주위에 보다 강한 전연부 소용돌이(leading edge vortex)가 발생하여 높은 양력(lifting force)이 생긴다. 따라서 본 실시예의 터빈 블레이드(40)는 일반적인 터빈 블레이드보다 회전 효율이 우수하여 작은 풍속 조건에서도 고속(대략 1,000rpm 영역)으로 회전할 수 있다.
또한, 전술한 터빈 블레이드(40)는 피치각과 코닝각을 조절할 수 있다. 이 경우 터빈 블레이드(40)의 형상적인 특성에 의한 회전 효율 향상과 더불어 피치각과 코닝각 조절이 가능함에 따라 매우 안정적인 동적 거동을 구현할 수 있다.
즉, 전술한 터빈 블레이드(40)에서 피치각을 변화시키면 터빈 블레이드(40)의 단면 압력 중심점(center of pressure)과 무게 중심점(center of mass)이 조절되어 평형 받음각(equilibrium angle of attack) 조건이 형성됨에 따라 안정적인 거동을 할 수 있다. 만약 외부 교란에 의해 받음각이 평형 받음각보다 커지면 압력 중심점이 후연부(44) 쪽으로 이동하여 받음각을 감소시키고, 받음각이 평형 받음각보다 작아지면 압력 중심점이 전연부(43) 쪽으로 이동하여 받음각을 증가시킬 수 있다.
이와 유사하게 코닝각은 터빈 블레이드(40)에 작용하는 두 모멘트, 즉 원심력과 공기력(aerodynamic force)의 균형을 맞추는 기능을 한다. 그 결과, 본 실시예의 터빈 블레이드(40)는 바람의 방향과 세기 변화가 큰 지표풍 조건에서도 안정적인 회전력을 제공할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시한 풍력 발전기 중 피치각 제어부를 나타낸 개략도이다.
도 1과 도 3을 참고하면, 터빈 블레이드(40)의 기저부(41)는 회전축(49)에 결합되어 허브(30) 상에 회전 가능하게 설치된다.
피치각 제어부(50)는 터빈 블레이드(40)와 이격되어 허브(30)의 일측에 설치되는 회전체(51)와, 기저부(41)의 일측 단부와 회전체(51) 상의 한 지점을 연결하는 링크 부재(52)를 포함한다. 링크 부재(52)는 기저부(41)의 일측 단부에 결합되는 제1 볼 링크(53)와, 회전체(51) 상의 한 지점에 결합되는 제2 볼 링크(54)와, 제1 볼 링크(53)와 제2 볼 링크(54)를 연결하는 연결축(55)을 포함한다.
제1 볼 링크(53)는 터빈 블레이드(40)의 기저부(41)에 직접 설치되지 않고 기저부(41)에 고정된 지지체(48)에 설치될 수 있다. 지지체(48)는 회전축(49)과 기저부(41) 사이에 위치하여 터빈 블레이드(40)의 기저부(41)를 지지하는 역할을 한다. 도 3에서는 제1 볼 링크(53)가 지지체(48)에 결합된 경우를 예로 들어 도시하였다.
회전체(51)는 고정 피치각을 구현할 때 허브(30)와 같은 속도로 회전하며, 피치각 조절이 필요할 때 자체 회전하여 허브(30)와의 상대 위치가 변한다. 즉, 도 3의 왼쪽 도면에서 링크 부재(52)는 허브(30)의 길이 방향과 거의 나란하게 위치하며, 터빈 블레이드(40)는 대략 0°의 피치각을 나타낸다.
도 3의 오른쪽 도면에서 회전체(51)의 회전으로 인해 회전체(51)에 고정된 링크 부재(52)의 단부 위치가 변하면, 링크 부재(52)에 의해 기저부(41)의 일측이 당겨져 터빈 블레이드(40)의 회전축(49)이 회전한다. 이로써 링크 부재(52)는 허브(30)의 길이 방향에 대해 경사각을 가지게 되며, 터빈 블레이드(40)는 대략 45°의 피치각(α)을 나타낸다.
피치각 제어부(50)는 회전체(51)의 위치 설정에 따라 터빈 블레이드(40)의 피치각을 0° 내지 20° 범위에서 자유롭게 조절할 수 있다. 풍력 발전기(100)는 대략 2m/s 내지 10m/s의 풍속 조건에서 터빈 블레이드(40)의 피치각을 20° 이하로 유지할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시한 풍력 발전기의 코닝각 제어부를 나타낸 개략도이다.
도 1과 도 4를 참고하면, 코닝각 제어부(60)는 허브(30)의 외측에서 터빈 블레이드(40)의 회전축(49)에 결합되는 제3 볼 링크(61)와, 허브(30)의 내측에서 제3 볼 링크(61)와 거리를 두고 회전축(49)에 결합되는 제4 볼 링크(62)와, 제4 볼 링크(62)와 결합되어 제4 볼 링크(62)를 이동시키는 회전 기어(63)를 포함한다.
제3 볼 링크(61)의 단부는 허브(30)의 외주면에 고정되며, 제4 볼 링크(62)의 이동은 허브(30)의 길이 방향(도 4의 수평 방향)과 나란한 직선 이동을 의미한다.
허브(30)의 내주면 일부와 회전 기어(63)의 외주면에는 서로 맞물리는 나사산이 형성되어 회전 기어(63)가 허브(30)에 나사 결합된다. 회전 기어(63)는 도시하지 않은 구동 모터의 동력에 의해 회전하며, 회전 방향에 따라 전진 이동과 후진 이동이 이루어진다.
도 4의 왼쪽 도면에서 허브(30)의 반경 방향(도 4의 수직 방향)을 따라 제4 볼 링크(62)는 제3 볼 링크(61)와 일직선상에 위치한다. 이때 터빈 블레이드(40)는 0°의 코닝각을 나타낸다.
도 4의 오른쪽 도면에서 회전 기어(63)의 회전에 의해 제4 볼 링크(62)가 직선 이동을 하면, 회전축(49)과 터빈 블레이드(40)가 기울어지면서 터빈 블레이드(40)의 코닝각(β)이 커진다. 도 4의 오른쪽 도면에서 터빈 블레이드(40)는 대략 20°의 코닝각을 나타낸다.
코닝각 제어부(60)는 회전 기어의 위치 설정에 따라 터빈 블레이드(40)의 코닝각을 0° 내지 25° 범위에서 자유롭게 조절할 수 있다. 풍력 발전기(100)는 대략 2m/s 내지 10m/s의 풍속 조건에서 터빈 블레이드(40)의 코닝각을 25° 이하로 유지한다.
이와 같이 본 실시예의 풍력 발전기(100)는 피치각 제어부(50)와 코닝각 제어부(60)의 작동에 의해 풍속 조건에 따라 터빈 블레이드(40)의 피치각과 코닝각을 조절할 수 있다. 따라서 터빈 블레이드(40)의 회전수와 회전력을 정밀하게 제어할 수 있으며, 그 결과 터빈 블레이드(40)의 회전 속도를 일정하게 유지시킬 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 터빈 블레이드의 회전 속도 변화를 측정하여 나타낸 실험 그래프이다. 풍속이 3m/s와 5m/s인 조건에서 터빈 블레이드의 피치각과 코닝각을 변화시키며 터빈 블레이드의 회전 속도 변화를 측정하였다.
도 5를 참고하면, 두가지 풍속 조건에서 대체적으로 코닝각이 증가할수록 터빈 블레이드의 회전 속도가 증가하다가 일정 각을 지나게 되면 다시 감소하는 경향을 보이며, 피치각이 증가함에 따라 터빈 블레이드의 회전 속도는 작은 비율로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 터빈 블레이드의 최고 회전 속도는 풍속이 5m/s일 때 코닝각 15°, 피치각 20° 조건에서 1053rpm으로 나타났다.
이와 같이 본 실시예의 터빈 블레이드(40)는 작은 풍속 조건에서도 1000rpm 이상(풍속 세기에 따라 1000 내지 2000rpm)의 높은 회전 속도를 구현할 수 있다. 따라서 본 실시예의 풍력 발전기(100)는 터빈 블레이드(40)의 회전을 고속으로 증속하는 기어 박스가 불필요하므로, 전체 시스템 구성을 간소화하고, 제조 비용 및 건설 비용을 낮출 수 있다.
또한, 본 실시예의 풍력 발전기(100)는 바람의 방향과 세기 변화가 큰 지표풍 조건에서도 터빈 블레이드(40)의 피치각과 코닝각 조절에 따라 안정적인 회전력을 제공하여 최적의 회전 속도를 구현할 수 있다. 그리고 터빈 블레이드(40)를 소형으로 제작하여도 불리한 점이 없다. 따라서 전력 수요자와 가까운 거리(예를 들어 주택가의 지붕 등)에 설치되는 풍력 에너지 시스템으로 적합하다.
다시 도 1을 참고하면, 풍력 발전기(100)는 풍향계(71)와 더불어 풍향계(71)와 연결된 제어부(도시하지 않음)와, 타워(10)의 회전각을 조절하는 각도 조절부(도시하지 않음)를 포함한다. 풍향계(71)에서 측정된 바람의 방향을 따라 각도 조절부가 타워(10)의 회전각을 조절함으로써 터빈 블레이드(40)가 항상 맞바람을 맞도록 할 수 있다.
또한, 풍력 발전기(100)는 별도의 정지 시스템 없이 터빈 블레이드(40)의 코닝각을 0° 내지 5° 범위로 조절하여 터빈 블레이드(40)의 회전을 정지시킬 수 있다.
한편, 상기에서는 본 실시예의 터빈 블레이드(40)가 풍력 발전기(100)에 적용되는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 터빈 블레이드(40)는 선박의 스크류와 함께 축류방식의 유체기계(펌프, 팬, 압축기 등)의 회전차 또는 날개로도 다양하게 활용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 타워 20: 나셀
30: 허브 40: 터빈 블레이드
41: 기저부 42: 팁
43: 전연부 44: 후연부
45: 앞면
49: 회전축 50: 피치각 제어부
51: 회전체 52: 링크 부재
60: 코닝각 제어부 71: 풍향계
72; 풍속계

Claims (8)

  1. 기저부, 기저부와 가장 멀리 이격된 팁, 및 기저부와 팁을 연결하는 전연부와 후연부를 포함하며, 기저부와 팁을 연결하는 가상의 기준선 상에서 기저부로부터 팁을 향해 기준선 길이의 0.6배 내지 0.7배 이격된 위치에서 최대 코드를 가짐과 아울러 3 내지 5의 종횡비를 가지며, 회전축을 통해 허브 상에 설치되는 터빈 블레이드; 및
    상기 터빈 블레이드의 코닝각을 조절하는 코닝각 제어부를 포함하며,
    상기 코닝각 제어부는 상기 허브의 외측에서 상기 회전축에 결합되는 제3 볼 링크와, 상기 허브의 내측에서 제3 볼 링크와 거리를 두고 상기 허브에 결합되는 제4 볼 링크와, 제4 볼 링크에 결합되어 제4 볼 링크를 이동시키는 회전 기어를 포함하는 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팁과 상기 전연부 및 상기 후연부는 각각의 곡률을 가지며,
    상기 후연부의 곡률이 상기 전연부의 곡률보다 큰 풍력 발전기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드의 피치각을 조절하는 피치각 제어부
    를 더 포함하는 풍력 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 피치각 제어부는 상기 터빈 블레이드와 이격되어 상기 허브의 일측에 설치되는 회전체와, 상기 터빈 블레이드의 기저부 일측 단부와 회전체 상의 일 지점을 연결하는 링크 부재를 포함하고,
    상기 링크 부재는 상기 기저부의 일측 단부에 결합되는 제1 볼 링크와, 상기 회전체 상의 일 지점에 결합되는 제2 볼 링크와, 제1 볼 링크와 제2 볼 링크를 연결하는 연결축을 포함하는 풍력 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 회전체는 고정 피치각 구현시 상기 허브와 같은 속도로 회전하고, 상기 피치각 조절시 자체 회전하여 상기 허브와의 상대 위치가 변하는 풍력 발전기.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 허브의 내주면 일부와 상기 회전 기어의 외주면에 나사산이 형성되어 상기 회전 기어가 상기 허브에 나사 결합되는 풍력 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 코닝각 제어부는 상기 터빈 블레이드의 코닝각을 0° 내지 5° 범위로 설정하여 상기 터빈 블레이드의 회전을 정지시키는 풍력 발전기.
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