KR101299049B1 - 풍력발전기용 블레이드 익형 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기용 블레이드 익형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 단면 익형에서 최대두께(t)와 코드길이(c)의 비율인 최대 두께비(t/c)를 30%로 형성함으로써 높은 양항비(양력과 항력의 비)를 갖도록 하여, 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 출력 성능을 높일 수 있는 풍력발전기용 블레이드 익형에 관한 것이다.

Description

풍력발전기용 블레이드 익형 {Airfoil of blade for wind turbine}
본 발명은 풍력발전기용 블레이드 익형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 단면 익형에서 높은 양항비(양력과 항력의 비)를 갖도록 하여, 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 출력 성능을 높일 수 있는 풍력발전기용 블레이드 익형에 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 1에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(1) 상단에 로터블레이드(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. 한편, 공기 유동 후류에 해당하는 나셀(2)의 상단에는 풍향풍속계(5)가 배치된다. 이는 바람의 속도에 따라 전체 시스템을 최적 제어하고 발전량을 모니터링하기 위함인데, 풍향풍속계(5)에서 측정되는 풍향과 풍속에 기반하여 로터블레이드(3)의 피치 각도를 조절하고 나셀(2)의 방향을 유동방향 쪽으로 회전시켜 발전 효율을 극대화한다.
한편, 로터블레이드(3)는 도 2에 도시한 바와 같이 복수의 에어포일(6, airfoil) 형상을 스팬 방향(길이 방향)을 따라 분포시켜 3차원 형상을 얻는다. 그리고 로터블레이드(3)의 익근(root, 3a) 쪽은 구조적인 강성을 위해 두꺼운 에어포일(6)을 사용하고 로터블레이드(3)의 팁(tip, 3b) 쪽에는 얇으면서 양항비(=양력계수/항력계수)가 우수한 에어포일(6)을 사용하는 것이 보통이다.
또한, 에어포일(6)은 도 3에 도시한 바와 같이 코드(65)를 따라 분포되는 윗면(63, upper surface) 및 아랫면(64, lower surface)이 합쳐져 이루어지며, 에어포일(6)의 앞부분을 앞전(61, leading edge)라 하고, 뒷부분을 뒷전(62, trailing edge)라 칭한다. 이때, 에어포일(6)의 최대두께(t) 및 코드 길이(c)는 에어포일(6)의 성능을 결정짓는 중요한 변수중의 하나로 취급된다. 또한, 최대두께(66)는 코드 길이로 나누어 두께비로 무차원화 하여 사용되는 것이 보통이다.
이와 바와 같이 풍력발전기의 성능 및 효율은 로터블레이드(3)의 단면을 이루는 각 에어포일(6)의 형상에 따라 좌우되고, 적절한 에어포일(6)의 선택은 장기간 운전되는 풍력발전기에 있어서 매우 중요하다.
그러나, 현재 풍력발전기에 사용되는 대부분의 에어포일(6)은 항공기용으로 개발된 것들이 보통이다. 유체역학적으로 중요한 변수인 레이놀즈수(=밀도*코드 길이*풍속/공기의 점성 계수)로 예를 들어 보면, 항공기의 경우 운전 조건에서의 레이놀즈수가 6,000,000 정도인데 반하여, 풍력발전기의 경우에는 500,000~1,600,000 사이에 불과하여, 운전조건이 전혀 다른 분야의 에어포일(6)이 풍력발전기의 로터블레이드(3) 단면 형상으로 사용됨으로써 상당한 성능 저하를 감수해야만 했다. 또한, 로터블레이드(3)의 익근(root, 3a) 쪽은 구조적인 강성을 위해 두꺼운 에어포일을 사용하므로 양항비가 낮아져 성능이 저하되는 문제점이 있다.
더욱이, 풍력발전기의 로터블레이드(3)는 스팬이 10m 이상으로 대형이고, 외부 환경의 오염(먼지, 곤충의 시체, 습기, 결빙 등)에 지속적으로 노출되는 반면 청소는 용이하지 아니하여 오염에 따른 성능 저하가 예상됨에도 이러한 영향을 고려하지 않은 채 항공기용으로 개발된 에어포일(6)을 그대로 사용함으로써 더욱더 고효율 로터블레이드(3)는 기대할 수 없었다. 이와 관련된 종래기술로 한국등록특허(10-1059784)인 "유전 알고리즘을 이용한 풍력발전기의 로터블레이드 에어포일 설계 방법 및 이에 따라 설계된 에어포일"이 있다.
KR 10-1059784 B1 (2011.08.22.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 단면 익형에서 최대두께(t)와 코드길이(c)의 비율인 최대 두께비(t/c)를 30%로 형성함으로써 높은 양항비(양력과 항력의 비)를 갖도록 하여, 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 출력 성능을 높일 수 있는 풍력발전기용 블레이드 익형을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형은, 풍력발전기용 블레이드 익형에 있어서, 상기 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 익형(1000)이며, 상기 익형(1000)은 윗면(400)에서 아랫면(500)까지의 최대두께(t)와 앞전(100)과 뒷전(200)을 잇는 직선인 코드(300)의 코드길이(c)의 비율인 최대 두께비(t/c)가 30%인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 익형(1000)은 운전되는 레이놀즈수(Re# = 공기밀도*풍속*코드길이 / 공기점성계수)가 2,000,000 내지 3,000,000인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 윗면(400)과 아랫면(500)의 프로파일(profile)은, 상기 코드(300)를 따라 상기 앞전(100)에서 뒷전(200)으로의 거리에 해당하는 수평좌표값(x/c)과, 상기 코드(300)에서 윗면(400) 또는 아랫면(500)의 거리에 해당하는 수직좌표값(y/c)을 각각 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형은, 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 단면 익형에서 최대 두께비(t/c)를 30%로 형성함으로써 구조적인 강성을 유지하면서 높은 양항비(양력과 항력의 비)를 갖도록 하여, 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 출력 성능을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 풍력발전기를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 익형을 나타낸 개념도.
도 3은 도 2의 익형을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형의 형상(profile)을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형의 풍동시험 장면 사진.
도 7 및 도 8은 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형의 양력(Cl) 및 항력(Cdw)을 나타낸 그래프.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형을 나타낸 단면도이며, 도 5는 본 발명에 따른 익형의 형상을 나타낸 그래프이다.
우선, 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형(1000)은 풍력발전기의 블레이드에 사용되는 익형에 관한 것으로, 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 익형에 관한 것이며, 도시된 바와 같이 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형(1000)은 유동되는 공기와 맞닿는 쪽에 앞전(100, leading edge)이 형성되고 이와 일정거리 이격되어 뒷전(200, trailing edge)이 형성된다. 그리고 앞전(100)과 뒷전(200) 사이의 상측과 하측에는 각각 윗면(400)과 아랫면(500)이 형성된다.
여기에서 앞전(100)과 뒷전(200)을 잇는 가상의 직선이 코드(300)이고 앞전(100)과 뒷전(200) 사이의 거리가 코드길이(c)가 되며, 코드(300)에 수직한 방향으로 윗면(400)과 아랫면(500) 사이가 가장 먼 지점의 거리가 최대두께(t)가 된다.
이때, 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형(1000)은 윗면(400)에서 아랫면(500)까지의 최대두께(t)와 앞전(100)과 뒷전(200)을 잇는 직선인 코드(300)의 코드길이(c)의 비율인 최대 두께비(t/c)가 30%로 이루어진다.
일반적인 연구 결과에 따르면 익형의 두께는 얇아질수록 성능이 향상되나, 너무 얇으면 블레이드의 내부 구조물의 제작 및 구조적인 강도에 문제점이 발생할 수 있어 두께비를 12% 이상으로 형성하는 것이 적절하다고 알려져 있다. 그리고 블레이드의 익근(root) 부근은 강성을 위해 두꺼운 에어포일을 사용하므로 양항비가 낮아져 블레이드의 성능이 저하된다.
그리하여 상기와 같이 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형(1000)은 최대 두께비(t/c)를 30%로 형성함으로써, 구조적인 강성을 유지하면서 기존의 다른 익형에 비해 높은 양항비(양력/항력=양력계수/항력계수)를 갖도록 하여 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 출력 성능 및 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
그리고 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형(1000)이 운전되는 조건 중에서 레이놀즈수가 있으며, 운전되는 레이놀즈수는 풍속에 따른 익형의 운전조건을 말한다. 이때, 상기 익형(1000)은 운전되는 레이놀즈수(Re# = 공기밀도*풍속*코드길이 / 공기점성계수)가 2,000,000 내지 3,000,000이다.
즉, 본 발명의 익형(1000)의 양력 및 항력 특성을 확인하기 위해 도 6과 같이 풍동시험을 수행하였고, 익형의 성능은 상기 레이놀즈수 범위 내에서 측정된 결과이며, 도 7 및 도 8과 같이 받음각(Alpha)에 따라 양력(Cl)과 항력(Cdw)이 측정되었다.
여기에서 상기 받음각(Alpha)은 AoA(angle of attack)라고도 하며, 코드(300) 라인과 공기의 흐름(기류)의 방향이 이루는 각도이다. 그리고 도시된 바와 같이 받음각에 따라 익형의 양력과 항력이 달라지며, 운전되는 레이놀즈수에 따라서도 달라짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 풍력발전기용 블레이드 익형(1000)에서 상기 윗면(400)과 아랫면(500)의 프로파일(profile)은, 상기 코드(300)를 따라 상기 앞전(100)에서 뒷전(200)으로의 거리에 해당하는 수평좌표값(x/c)과, 상기 코드(300)에서 윗면(400) 또는 아랫면(500)의 거리에 해당하는 수직좌표값(y/c)을 각각 갖으며, 상기 수평좌표값(x/c) 및 수직좌표값(y/c)은 아래의 표에 해당된다.
이때, 상기 프로파일은 윗면과 아랫면의 윤곽을 말하고, 도 5와 같이 상기 코드(300)의 길이를 1.0이라고 할 때, 상기 코드(300)상의 임의의 수평좌표값(x/c)에서 수직으로 상측에 위치하는 지점의 상대적인 거리인 수직좌표값(y/c)을 이은 곡선이 윗면(400)이 된다. 마찬가지로 상기 코드(300)상의 임의의 수평좌표값(x/c)에서 수직으로 하측에 위치하는 지점의 상대적인 거리인 수직좌표값(y/c)을 이은 곡선이 아랫면(500)이 된다. 그리고 상기 윗면(400)과 아랫면(500)의 각각의 좌표값은 아래의 표 1과 같다.
윗면 아랫면
x/c y/c x/c y/c
0.0000 -0.0001 0.0000 -0.0001
0.0000 0.0010 0.0001 -0.0023
0.0002 0.0033 0.0003 -0.0045
0.0004 0.0056 0.0007 -0.0069
0.0008 0.0079 0.0013 -0.0093
0.0013 0.0103 0.0021 -0.0119
0.0019 0.0127 0.0032 -0.0146
0.0026 0.0151 0.0045 -0.0174
0.0034 0.0175 0.0060 -0.0204
0.0044 0.0200 0.0079 -0.0236
0.0055 0.0225 0.0102 -0.0269
0.0066 0.0250 0.0129 -0.0306
0.0080 0.0275 0.0162 -0.0346
0.0094 0.0301 0.0199 -0.0389
0.0110 0.0327 0.0243 -0.0435
0.0127 0.0353 0.0292 -0.0484
0.0146 0.0379 0.0348 -0.0536
0.0166 0.0406 0.0409 -0.0589
0.0188 0.0433 0.0475 -0.0643
0.0212 0.0461 0.0545 -0.0698
0.0237 0.0489 0.0620 -0.0752
0.0264 0.0518 0.0698 -0.0805
0.0293 0.0547 0.0780 -0.0857
0.0324 0.0577 0.0864 -0.0910
0.0358 0.0607 0.0952 -0.0960
0.0394 0.0638 0.1041 -0.1009
0.0432 0.0670 0.1132 -0.1056
0.0473 0.0702 0.1224 -0.1101
0.0518 0.0735 0.1318 -0.1145
0.0565 0.0769 0.1413 -0.1185
0.0616 0.0803 0.1508 -0.1224
0.0671 0.0838 0.1605 -0.1261
0.0730 0.0873 0.1703 -0.1296
0.0793 0.0909 0.1800 -0.1327
0.0861 0.0945 0.1897 -0.1357
0.0934 0.0982 0.1993 -0.1383
0.1011 0.1019 0.2089 -0.1408
0.1094 0.1056 0.2183 -0.1428
0.1182 0.1093 0.2277 -0.1446
0.1275 0.1129 0.2369 -0.1462
0.1373 0.1166 0.2460 -0.1474
0.1476 0.1201 0.2552 -0.1484
0.1584 0.1236 0.2644 -0.1493
0.1695 0.1269 0.2736 -0.1497
0.1811 0.1301 0.2829 -0.1500
0.1929 0.1331 0.2924 -0.1499
0.2050 0.1358 0.3019 -0.1496
0.2173 0.1384 0.3117 -0.1491
0.2298 0.1407 0.3217 -0.1482
0.2425 0.1428 0.3319 -0.1472
0.2553 0.1446 0.3424 -0.1458
0.2682 0.1461 0.3531 -0.1443
0.2812 0.1474 0.3640 -0.1424
0.2943 0.1483 0.3753 -0.1402
0.3075 0.1490 0.3868 -0.1378
0.3209 0.1493 0.3986 -0.1351
0.3343 0.1494 0.4107 -0.1322
0.3479 0.1491 0.4232 -0.1290
0.3616 0.1486 0.4358 -0.1256
0.3755 0.1477 0.4487 -0.1220
0.3896 0.1466 0.4618 -0.1182
0.4039 0.1452 0.4751 -0.1143
0.4184 0.1436 0.4887 -0.1102
0.4330 0.1417 0.5025 -0.1058
0.4479 0.1396 0.5165 -0.1014
0.4629 0.1373 0.5306 -0.0969
0.4781 0.1348 0.5449 -0.0923
0.4935 0.1320 0.5592 -0.0876
0.5090 0.1291 0.5737 -0.0828
0.5246 0.1260 0.5883 -0.0780
0.5404 0.1227 0.6030 -0.0731
0.5563 0.1193 0.6176 -0.0683
0.5723 0.1157 0.6321 -0.0635
0.5884 0.1120 0.6464 -0.0588
0.6047 0.1082 0.6606 -0.0543
0.6209 0.1042 0.6747 -0.0497
0.6373 0.1001 0.6885 -0.0453
0.6538 0.0960 0.7022 -0.0411
0.6703 0.0917 0.7158 -0.0370
0.6869 0.0874 0.7291 -0.0331
0.7035 0.0830 0.7423 -0.0293
0.7202 0.0786 0.7552 -0.0257
0.7370 0.0741 0.7679 -0.0223
0.7537 0.0696 0.7803 -0.0192
0.7704 0.0651 0.7926 -0.0163
0.7871 0.0605 0.8046 -0.0135
0.8038 0.0560 0.8165 -0.0111
0.8204 0.0515 0.8282 -0.0088
0.8370 0.0470 0.8398 -0.0068
0.8534 0.0425 0.8511 -0.0050
0.8697 0.0381 0.8623 -0.0035
0.8857 0.0337 0.8733 -0.0022
0.9014 0.0295 0.8842 -0.0011
0.9166 0.0254 0.8950 -0.0003
0.9313 0.0214 0.9056 0.0003
0.9454 0.0176 0.9161 0.0006
0.9586 0.0140 0.9263 0.0007
0.9711 0.0106 0.9363 0.0007
0.9827 0.0074 0.9458 0.0003
0.9900 0.0062 0.9549 -0.0002
0.9934 0.0045 0.9636 -0.0010
1.0000 0.0025 0.9720 -0.0021
　 　 0.9799 -0.0033
　 　 0.9872 -0.0046
　 　 0.9940 -0.0061
　 　 1.0000 -0.0075
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : (본 발명의) 풍력발전기용 블레이드 익형
100 : 앞전 (leading edge)
200 : 뒷전 (trailing edge)
300 : 코드
400 : 윗면
500 : 아랫면
t : 최대두께
c : 코드길이

Claims (3)

  1. 풍력발전기용 블레이드 익형에 있어서,
    상기 블레이드의 익근(root) 부근에 사용되는 익형(1000)이며, 상기 익형(1000)은 윗면(400)에서 아랫면(500)까지의 최대두께(t)와 앞전(100)과 뒷전(200)을 잇는 직선인 코드(300)의 코드길이(c)의 비율인 최대 두께비(t/c)가 30%이며,
    상기 윗면(400)과 아랫면(500)의 프로파일(profile)은,
    상기 코드(300)를 따라 상기 앞전(100)에서 뒷전(200)으로의 거리에 해당하는 수평좌표값(x/c)과, 상기 코드(300)에서 윗면(400) 또는 아랫면(500)의 거리에 해당하는 수직좌표값(y/c)을 각각 갖으며, 상기 수평좌표값(x/c) 및 수직좌표값(y/c)은 아래의 표에 해당하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드 익형.
    Figure 112013068352585-pat00012

    Figure 112013068352585-pat00013

    Figure 112013068352585-pat00014

  2. 제1항에 있어서,
    상기 익형(1000)은 운전되는 레이놀즈수(Re# = 공기밀도*풍속*코드길이 / 공기점성계수)가 2,000,000 내지 3,000,000인 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드 익형.
  3. 삭제
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