KR101324576B1 - 가이드부를 가지는 나셀이 구비된 풍력 발전기 - Google Patents

가이드부를 가지는 나셀이 구비된 풍력 발전기 Download PDF

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Abstract

가이드부를 가지는 나셀이 구비된 풍력 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 복수 개의 블레이드를 가지며, 외력에 의해 회전되는 날개와, 상기 날개의 회전축을 가지며, 상기 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부와, 상기 날개를 통과하여 후방으로 유동되는 유출기류의 풍향 및 풍속을 측정하는 측정부와, 상기 날개와 측정부 사이에 구비되고, 상기 날개의 회전에 의해 편향된 유출기류를 가이드하여 상기 날개를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정된 유출기류가 상기 측정부를 통과하도록 하는 가이드부를 포함하는 나셀과, 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함한다.

Description

가이드부를 가지는 나셀이 구비된 풍력 발전기{Wind Turbine Having Nacelle Having Guide Part}
본 발명은 풍력발전기의 날개를 통과하여 후방으로 유동되는 편향된 유출기류의 풍속 및 풍향을 측정함에 따라 정확하지 못한 제어가 이루어지는 것을 방지하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 나셀에 가이드부가 구비되어 편향된 유출기류를 유입기류와 동일 방향으로 보정할 수 있는 풍력발전기이다.
최근 국제 추세에 따라, 친환경적인 발전 방법으로서 풍력발전기가 세계적으로 널리 사용되고 있다. 이와 같은 풍력발전기는 바람에 의해 일 방향으로 회전되는 날개를 가지며, 이때 발생된 에너지를 전기에너지로 변환시키게 된다.
일반적으로, 풍력발전기는 회전하는 날개와, 상기 날개를 회전 가능하게 고정시키는 나셀과, 나셀을 지지하는 타워로 구성된다. 이때, 날개를 통과한 후 후방으로 유동되는 유출기류는 날개를 통과하기 전의 유입기류에 비해 일측으로 편향되는 현상이 나타나며, 이는 날개가 일 방향으로 지속적으로 회전되기 때문이다. 그리고, 이때 유출기류의 편향각은 일반적으로 평균 약 11°인 것으로 알려져 있다.
한편, 나셀에는 날개를 통과한 후 후방으로 유동되는 유출기류의 풍속 및 풍량을 측정하여 Yaw 제어를 수행하기 위한 풍속/풍향계가 구비될 수 있다. 다만, 상기와 같이 유출기류는 일측으로 편향되며, X, Y, Z 방향으로 지속적으로 변동하는 경향으로 보이므로 Yaw 제어 수행 시 오차가 발생할 수 있다는 문제가 있다. 그리고, 이는 곧 풍력 발전기 전체 성능 저하로 직결된다.
따라서, 이와 같은 문제점을 원천적으로 방지하기 위한 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예들은, 나셀에 가이드부가 구비되어, 유출기류의 방향을 유입기류와 동일하게 보정하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 블레이드를 가지며, 외력에 의해 회전되는 날개와, 상기 날개의 회전축을 가지며, 상기 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부와, 상기 날개를 통과하여 후방으로 유동되는 유출기류의 풍향 및 풍속을 측정하는 측정부와, 상기 날개와 측정부 사이에 구비되고, 상기 날개의 회전에 의해 편향된 유출기류를 가이드하여 상기 날개를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정된 유출기류가 상기 측정부를 통과하도록 하는 가이드부를 포함하는 나셀과, 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 복수 개의 가이드패널을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가이드패널은, 상기 편향된 유출기류를 진입시킬 수 있도록 상기 편향된 유출기류에 대응되는 방향으로 편향된 진입영역 및 상기 나셀의 길이 방향으로 형성되어 상기 진입영역에 진입된 유출기류를 상기 날개를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정하는 보정영역을 포함할 수 있다.
또한, 상기 진입영역은 상기 편향된 유출기류의 방향 변화에 대응되도록 각도 변경 가능하게 형성될 수 있다.
또한, 상기 진입영역은 상기 나셀 전후 방향의 중심선으로부터 10~12°의 각도로 구비될 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 상기 나셀의 전방으로부터 47%~67%에 대응되는 위치에 구비될 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 서로 다른 길이를 가지는 두 종류의 가이드패널이 교대로 구비될 수 있다.
또한, 상기 가이드패널의 단면은 에어포일의 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 가이드부는 상기 나셀의 상면에 구비될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 날개를 통과한 후 후방으로 유동되는 유출기류는 날개를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정하는 가이드부가 나셀에 구비됨으로써, 정확한 Yaw 제어를 수행할 수 있도록 하는 장점이 있다.
또한, 이에 따라 날개의 성능을 최대로 확보할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 정확한 Yaw 제어에 의해 풍력발전기의 날개 회전 시 소음 및 진동 발생이 저감될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 가이드부는 별도의 동력을 필요로 하지 않아 경제적이라는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기의 전체 모습을 나타낸 사시도;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 날개의 회전에 따라 유출기류가 편향되는 모습을 나타낸 평면도;
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 편향된 유출기류가 가이드부에 의해 보정되는 모습을 나타낸 평면도;
도 4는 나셀 상방에 유동되는 유출기류의 편향각 변화를 측정하기 위한 측정 포인트를 나타낸 측면도;
도 5는 각 측정 포인트에서 유출기류의 편향각 변동 경향을 그래프로 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 가이드부의 설치 영역을 나타낸 평면도;
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 가이드부의 설치 높이를 나타낸 단면도;
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 가이드부의 모습을 나타낸 평면도; 및
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력발전기에 있어서, 가이드부의 모습을 나타낸 평면도이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1에는, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력발전기(1)의 전체 모습이 도시된다. 도 1을 참조하면, 풍력발전기(1)는 전체적으로 타워(10), 나셀(20), 복수의 블레이드를 가지는 날개(30)를 포함한다.
먼저, 타워(10)는 상하 방향으로 길게 형성되고, 나셀(20)을 지면으로부터 지지한다.
다음으로, 날개(30)는 복수 개의 블레이드를 가지며, 바람에 의해 어느 한 방향으로 회전 가능하게 형성된다.
그리고, 나셀(20)은 상기 날개(30)의 회전축을 가지고, 상기 날개(30)가 회전될 수 있도록 고정시키며, 날개(30)의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부가 구비된다. 또한, 이때 날개(30)의 회전비를 변화시키는 변속부가 더 구비될 수 있다. 즉, 날개(30) 및 나셀(20)에 의해 본 발명의 풍력발전기(1)는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
이와 더불어, 나셀(20)의 후방에는 날개(30)를 통과하여 후방으로 유동되는 유출기류의 풍향 및 풍속을 측정하는 측정부(22)가 구비된다. 측정부(22)는 유출기류의 풍속 및 풍량을 측정하여 Yaw 제어를 수행하기 위한 정보를 제공할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하면, 발명의 배경이 되는 기술 부분에서 서술한 바와 같이, 날개(30)를 통과한 후 후방으로 유동되는 유출기류가 날개(30)를 통과하기 전의 유입기류에 비해 일측으로 편향되는 것을 확인할 수 있다. 이는 날개(30)가 지속적으로 회전하기 때문으로, 이와 같이 편향된 유출기류가 측정부(22)에 진입할 경우, 날개(30)로 유입되는 유입기류와의 방향 차이로 인해 Yaw 제어 시 오차가 발생할 수 있어 풍력발전기(1)의 성능을 저하시킬 수 있다는 문제가 있다.
결론적으로, 이와 같은 현상을 방지하여 풍력발전기(1)의 성능을 최대로 확보하기 위해서는 날개(30) 후방으로 유동되는 편향된 유출기류를 유입기류와 동일하게 보정하여야 할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 제1실시예에서는, 유출기류를 유입기류와 동일 방향으로 보정하기 위한 가이드부가 구비된다.
보다 구체적으로 설명하면, 가이드부는 날개(30)와 측정부(22) 사이에 구비되며, 날개(30)의 회전에 의해 편향된 유출기류를 가이드하여 날개(30)를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정시킨다.
따라서, 보정된 유출기류가 측정부(22)를 통과하게 되므로, Yaw 제어의 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 이는 곧 풍력발전기(1)의 성능 향상으로 연결된다.
그리고, 이와 같은 가이드부는 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 특히 본 발명의 제1실시예에서 가이드부는 복수 개의 가이드패널(40)을 가진다.
도 3에는 나셀(20)을 보다 확대한 모습이 도시되며, 이를 통해 가이드패널(40)의 형태를 보다 정확하게 확인할 수 있다. 도 3을 참조하면, 가이드패널(40)은 소정 간격으로 상호 이격 구비되어, 각 가이드패널(40) 사이에는 유출기류의 가이드경로가 형성된다. 즉, 유출기류는 가이드패널(40)의 전방으로 진입 후 가이드경로를 따라 후방으로 배출된다.
한편, 가이드패널(40)은 편향된 유출기류를 유입 기류와 동일 방향으로 보정하기 위해, 진입영역(40a) 및 보정영역(40b)을 포함하는 형태로 형성될 수 있다.
이때, 진입영역(40a)은 편향된 유출기류를 진입시킬 수 있도록 대응되는 방향으로 편향된 영역을 말하며, 보정영역(40b)은 나셀(20)의 길이 방향으로 형성되어 진입영역(40a)으로 진입된 유출기류를 유입 기류와 동일 방향으로 보정하는 영역을 말한다.
즉, 가이드패널(40)은 전체적으로 전방이 일측으로 휘어진 형태를 가지며, 이에 따라 유출기류는 보정영역(40b) 후방으로 배출되어 진입영역(40a)를 통해 측정부(22)에 직각으로 진입할 수 있다. 따라서, Yaw 제어 시 오차를 최소화할 수 있어 풍력발전기(1)의 성능을 최대로 확보할 수 있다.
그리고, 제1실시예에서 가이드패널(40)은 진입영역(40a)과 보정영역(40b)의 연결 부분이 절곡되는 형태를 가지나, 그 형태가 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 가이드패널(40)은 전체 영역에 걸쳐 완만한 곡선을 그리도록 만곡될 수도 있으며, 복수의 절곡 부분을 가질 수도 있다.
한편, 진입영역(40a)은 유출기류의 방향이 변화할 경우, 이에 대응되도록 각도 변경 가능하게 형성될 수도 있다. 이는 유출기류가 각 가이드패널(40) 사이에 용이하게 진입되도록 하기 위해서이다. 이와 같은 경우, 도시되지는 않았으나 유출기류의 방향을 센싱하는 센서가 더 구비될 수 있으며, 이에 따라 진입영역(40a)의 각도를 변경하는 제어 수단이 더 구비될 수도 있다.
또한, 가이드패널(40)의 재질은 가볍고 튼튼한 알루미늄 계의 금속재료 또는 강화 플라스틱 등으로 형성될 수 있다.
그리고, 제1실시예에서 가이드부는 나셀(20)의 상면에 구비되며, 이는 측정부(22)의 설치 위치와 동기화하기 위해서이다. 물론, 가이드부는 측정부(22)가 별도의 위치에 설치될 경우 그에 대응되도록 구비될 수도 있으나, 중력 등의 요건을 고려할 경우 측정부(22)와 가이드부는 나셀(20)의 상면에 구비되는 것이 바람직하다.
한편, 이와 같은 가이드부의 효과적인 기능 수행을 위해, 나셀(20) 상의 어느 위치에 가이드부를 설치할 것인지를 생각하여 볼 수 있다. 이를 위해, 날개(30)의 후방으로 유출되는 유출기류의 편향각을 나셀(20) 상의 전후 방향을 따라 측정하였다.
도 4에는, 나셀(20) 상방에 유동되는 유출기류의 편향각 변화를 측정하기 위한 측정 포인트가 각각 도시되며, 구체적으로 나셀(20)의 전방으로부터 후방을 따라 제1측정포인트(P1), 제2측정포인트(P2), 제3측정포인트(P3)를 설정하였다. 구체적으로, 제1측정포인트(P1)는 나셀의 전체 길이 중 전방으로부터 10%의 길이에 해당되는 위치에 대응되며, 제2측정포인트(P2)는 나셀의 전체 길이 중 전방으로부터 50%의 길이에 대응되고, 제3측정포인트(P3)은 나셀의 전체 길이 중 전방으로부터 90%의 길이에 대응된다.
그리고, 도 5에는, 상기의 각 측정포인트로부터 수집된 데이터를 정리한 그래프가 도시된다. 도시된 그래프에서, 가로축은 날개(30)의 방위각을 나타내며, 세로축은 날개(30) 후방으로 유출되는 유출기류의 편향각을 나타낸다.
이를 살펴보면, 나셀(20)의 전방에 위치된 제1측정포인트(P1)에서는 유출기류의 편향각의 변동폭이 비교적 크게 나타나는 것을 알 수 있으며, 제2측정포인트(P2) 및 제3측정포인트(P3)에서의 편향각 변동폭은 제1측정포인트(P1)에 비해 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
이때, 편향각의 변동이 심할 경우 가이드부의 진입영역(40a)을 통해 유출기류를 효율적으로 수집하기 어려울 수 있다는 문제가 있다. 즉, 가이드부의 진입영역(40a)으로 유입되는 유출기류의 편향각 폭이 최소화될 경우 수집량을 증가시킬 수 있다. 따라서, 보조발전유닛(40)은 제2측정포인트(P2)의 인근으로부터 후방에 설치되는 것이 바람직함을 알 수 있다.
다만, 제2측정포인트(P2)로부터 후방으로 갈수록 유출기류가 분산되며, 또한 유출기류의 이동 거리가 증가되므로 풍량의 최대 확보를 위해서는 가이드부가 제2측정포인트(P2)에 근접하도록 설치될 수 있을 것이다.
이를 토대로, 보조발전유닛(40)의 설치 영역을 산정할 수 있으며, 이는 도 6 및 도 7에 도시된다. 이를 참조하여 설명하면, 일반적인 규격(날개의 블레이드 반경: 약 51.5m, 나셀의 전체 길이: 약 10.5m)의 풍력 발전기의 경우, 날개(30)로부터 가이드부의 이격 거리(L1)는 약 5m~7m를 유지하는 것이 바람직하다. 즉, 이를 정리하면 가이드부는 나셀(20) 전체 길이 중 나셀(20)의 전방으로부터 약 47%~67%에 대응되는 위치에 설치될 수 있다.
그리고, 가이드부의 길이(L2)와, 가이드부로부터 측정부(22)의 이격 거리(L3)를 각각 1m~2m로 설정할 경우, Yaw 제어 시 오차 발생을 최소로 줄일 수 있다.
또한, 이와 같은 조건 하에서 가이드부의 폭(L4)은 측정부(22)의 폭(L5)에 비해 150%~250% 넓게 형성될 수 있으며, 가이드부의 높이(L6)는 가이드부의 최대 높이가 나셀(20)의 측정부(22)의 설치 높이에 비해 120% 정도가 되도록 설정할 수 있다.
한편, 다시 도 5를 참조하면, 각 측정포인트에서 유출기류의 편향각의 평균치는 약 11° 근처에서 형성됨을 알 수 있다. 이에 따라, 가이드부의 진입영역(40a) 각도는 나셀(20) 전후 방향의 중심선으로부터 약 10~12°를 유지하는 것이 바람직하다.
이상으로 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전기에 대해 설명하였으며, 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명하도록 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전기의 나셀(120)을 확대한 모습이 도시된다. 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 풍력 발전기는 가이드부의 형태가 제1실시예와 다르게 형성된다.
구체적으로, 가이드부는 서로 다른 길이를 가지는 두 종류의 가이드패널(140a, 140b)이 교대로 구비된 형태를 가진다. 이와 같은 경우, 유출기류가 길이가 긴 가이드패널(140a)의 측면에 부딪혀 가이드경로로 보다 용이하게 유도될 수 있다는 장점이 있다. 즉, 유출기류가 진입되는 부분의 단면적이 크게 증가하게 되므로, 가장자리에 위치된 가이드패널의 바깥쪽을 따라 유출기류가 유실되는 현상을 최소화할 수 있는 것이다.
또한, 유출기류의 편향각이 보다 커질 경우에도, 유출기류는 길이가 긴 가이드패널(140a)의 측면에 부딪혀 가이드경로로 유도될 수 있다.
다음으로, 도 9를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전기의 나셀(220)을 확대한 모습이 도시된다. 도시된 바와 같이, 제3실시예에 따른 풍력 발전기 역시 가이드부의 형태가 제1실시예, 제2실시예와 다르게 형성된다.
구체적으로, 가이드부가 복수의 가이드패널(240)을 포함하는 것은 제1실시예와 동일하나, 제1실시예와 달리 가이드패널(240)의 단면은 에어포일(Airfoil) 형태를 가진다. 즉, 제3실시예의 가이드패널(240)은 유선형으로 형성되고, 전방으로부터 후방으로 진행할수록 폭이 좁아지는 형태를 가진다.
이와 같은 경우, 상기와 같은 가이드패널(240)의 유선형 형상에 따라, 가이드패널(240)의 측면 부분에서 유출기류의 속도가 증가되어 나셀(220)에 냉각 효과를 일으킬 수 있다. 또한, 유출기류 운동에너지의 증가에 따라 소형의 보조발전유닛 등을 나셀(220)에 설치할 경우 Yaw 위치 제어의 동력에너지로도 활용할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1: 풍력발전기
10: 타워
20: 나셀
22: 측정부
30: 날개
40: 가이드패널
40a: 진입영역
40b: 보정영역

Claims (9)

  1. 복수 개의 블레이드를 가지며, 외력에 의해 회전되는 날개;
    상기 날개의 회전축을 가지며, 상기 날개의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전부와, 상기 날개를 통과하여 후방으로 유동되는 유출기류의 풍향 및 풍속을 측정하는 측정부와, 상기 날개와 측정부 사이에 구비되고, 상기 날개의 회전에 의해 편향된 유출기류를 가이드하여 상기 날개를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정된 유출기류가 상기 측정부를 통과하도록 하는 가이드부를 포함하는 나셀; 및
    상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하고,
    상기 가이드부는 복수 개의 가이드패널을 포함하고,
    상기 가이드패널은,
    상기 편향된 유출기류를 진입시킬 수 있도록 상기 편향된 유출기류에 대응되는 방향으로 편향된 진입영역 및
    상기 나셀의 길이 방향으로 형성되어 상기 진입영역에 진입된 유출기류를 상기 날개를 통과하기 전의 유입기류와 동일 방향으로 보정하는 보정영역을 포함하는 풍력 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 진입영역은 상기 편향된 유출기류의 방향 변화에 대응되도록 각도 변경 가능하게 형성된 풍력 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 진입영역은 상기 나셀 전후 방향의 중심선으로부터 10~12°의 각도로 구비되는 풍력 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 나셀의 전방으로부터 47%~67%에 대응되는 위치에 구비되는 풍력 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가이드부는 서로 다른 길이를 가지는 두 종류의 가이드패널이 교대로 구비된 풍력 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가이드패널의 단면은 에어포일의 형태를 가지는 풍력 발전기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가이드부는 상기 나셀의 상면에 구비되는 풍력 발전기.
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