KR101334542B1 - 풍력발전장치용 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드의 소형화 및 경량화가 가능하고, 발전효율이 향상될 수 있도록 한 풍력발전장치용 블레이드가 개시된다.
본 발명의 구성은, 풍력발전장치에 복수 구비되는 블레이드로서,
상기 블레이드의 단부에 블레이드의 폭방향으로 횡단면상 유선형의 팁부재가 형성되고,
상기 팁부재는 상단면이 평면부로 이루어지고, 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면으로 갈 수록 곡선부 또는 직선부로 이루어진 델타형의 팁부재이고, 이 델타형 팁부재의 측면에서 볼때, 팁부재의 상단면이 상향 경사진 경사면으로 형성된 것이다.

Description

풍력발전장치용 블레이드{A Blade for Wind Power Plant}

본 발명은 풍력발전장치용 블레이드에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 블레이드의 소형화 및 경량화가 가능하고, 발전효율이 향상될 수 있도록 한 것이다.

일반적으로, 풍력발전장치는 지면으로부터 수직하게 세워지는 타워와, 이 타워의 상부에 갖추어지면서 내부에 회전증속기와 발전기를 구비한 나셀과, 이 나셀의 선단부에 결합되는 허브와, 이 허브의 둘레방향으로 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드로 구성된다.

종래에는 풍력발전장치의 발전량을 높이기 위해서 풍력발전장치가 대형화되는 추세이므로, 블레이드의 크기도 이에 비례하여 대형화되고 있다.

다시 말해서, 발전기를 통해 발전을 하기 위해 요구되는 회전력의 크기는 허브를 중심으로 양쪽의 블레이드에 의한 직경의 제곱에 비례하고, 풍속의 세제곱에 비례하기 때문에, 블레이드의 길이를 크게 할 수록 회전력이 증대되므로, 블레이드의 대형화를 추구하게 되는 것이다.

블레이드의 크기가 증가함에 따라 이에 비례하여 블레이드의 표면적이 증가하게 되고, 그 결과 블레이드의 회전시 풍압을 받는 면적이 증가하게 된다.

그러나, 블레이드가 대형화될 수록 그에 비례하여 중량도 증가하게 되어 허브에 결합된 상태에서 상당한 하중이 작용하여 이를 지탱하는 나셀에 큰 부하를 전달하기 때문에, 오히려 나셀의 내부에 구비된 발전기의 성능을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있다,

예를 들어, 블레이드의 하중은 회전축을 통해 발전기에 전달되는데, 이때 발전기를 구성하는 고정자와 회전자간의 공극이 적절히 유지되지 못하여 발전기로서의 성능이 제대로 발휘될 수 없는 경우 등이다.

또한, 블레이드의 중량 및 크기가 커짐에 따라 제작비용도 상승하게 되는 것이다.

따라서, 비용 절감을 위해서 블레이드의 크기를 작게하여 바람에 노출되는 블레이드의 표면적을 작게하는 경우, 풍압이 전달되는 면적이 작기 때문에 저풍속, 저풍량 영역에서는 발전 자체가 거의 불가능하여 장치의 활용도가 떨어지며, 바람에 노출되는 블레이드의 표면적을 크게 하는 경우에는 풍속과 비례하여 블레이드의 회전력이 커지기 때문에 장치에 가해지는 하중이 커지는 것이다.

이러한 점을 감안하여 개선한 종래의 풍력발전장치용 블레이드의 예로서, 대한민국 등록특허 제 10-816851호(이하 "선행특허문헌"라 함)에 개시된 바와 같은 풍력발전용 터빈 블레이드가 있는데, 도면을 통해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 선행특허문헌에 개시된 블레이드의 사시도이고, 도 2는 도 1의 블레이드의 평면도이다.

도시된 바와 같이, 종래의 전형적인 블레이드(1)는 기본적으로 허브(도시되지 않음)에 연결되는 루트(2)와, 풍압을 받는 가압면(3)과, 그 반대면의 흡입면(4)과, 전연(leading edge)(5) 및 후연(trailing edge)(6)으로 이루어진다.

이러한 종래의 블레이드(1)는 형상적인 조건을 제시하여 저풍속, 저풍량 영역에서도 블레이드의 회전을 유도하고, 그에 따라 풍력발전장치의 활용도를 높일 수 있도록 한 것이지만, 발전량 및 발전효율 측면에서 적절한 크기 및 중량을 가지면서 발전효율을 향상시킬 수 있도록 한 구조를 제시하지 못하였다.

대한민국 등록특허공보 등록번호 제 10-816851호(공고일 : 2008.3.26)

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 크기를 줄여서 경량화가 가능하면서도 회전력이 저하되지 않아 발전효율이 향상될 수 있도록 한 풍력발전장치의 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 해결 수단은, 풍력발전장치의 허브에 복수 구비되는 블레이드로서, 상기 블레이드의 단부에 블레이드의 폭방향으로 횡단면상 유선형의 팁부재가 형성된 것이다.

상기 팁부재는 상단면이 평면부로 이루어지고, 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면인 평면부로 갈 수록 곡선부 또는 직선부로 이루어진 델타형의 팁부재로 된 것이다.

상기 팁부재는 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면으로 갈 수록 곡선부 또는 직선부가 형성된 델타형 팁부재이고, 이 델타형 팁부재의 측면에서 볼때, 팁부재의 상단면이 상향 경사진 경사면으로 형성된 것이다.

상기 팁부재는 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면으로 갈 수록 곡선부 또는 직선부가 형성된 델타형 팁부재이고, 이 델타형 팁부재의 정면에서 볼때, 팁부재의 상단면은 블레이드의 회전방향과 반대방향으로 상향 경사지는 경사부가 형성된 것이다.

또한, 상기 팁부재는 상단면의 양쪽면에서 중앙으로 상향 경사진 경사면과, 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면인 경사면으로 갈 수록 곡선형의 곡선부 또는 직선부로 이루어진 다이아몬드형 팁부재로 된 것이다.

또한, 상기 팁부재는 상단면이 볼록한 곡선면과, 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면인 곡선면으로 갈 수록 곡선형의 곡선부 또는 직선부로 이루어진 네일헤드형(nail head)의 팁부재로 된 것이다.

또한, 상기 팁부재는 구형부와, 블레이드의 높이방향을 따라 구형부와 근접할 수록 곡선형의 곡선부 또는 직선부로 이루어진 구형의 팁부재로 된 것이다.

이와 같이, 본 발명은 풍력발전장치에 구비되어 풍력에 의한 회전력을 전달하여 발전이 이루어지도록 하는 블레이드의 단부에 팁부재를 구비하여 회전하는 블레이드의 단부에서 가압면과 흡입면간의 압력 이동을 차단하여 가압면의 압력이 유지되도록 함으로써 동일 사이즈의 블레이드에 비해 보다 큰 회전력을 전달할 수 있고, 그에 따라 발전장치의 발전효율을 증대시킬 수 있다.

또한, 블레이드의 팁부재에 의한 부하의 증가로 블레이드의 사이즈를 줄일 수 있으므로 블레이드의 무게를 줄일 수 있고, 그에 따라 풍력발전장치의 제작 비용이 절감될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 풍력발전장치용 블레이드의 사시도이다.
도 2는 종래의 풍력발전장치용 블레이드의 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 구조를 나타낸 사시도로서, 하나의 블레이드만을 도시한 것이다.
도 4는 허브에 결합된 상태에서의 도 3의 측면도이다.
도 5는 도 4의 A-A선, B-B선 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 다른 예를 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 또 다른 예를 도시한 측면도이다.
도 8은 도 7의 상태에서 정면으로 본 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 다른 실시 예(다이아몬드형)를 나타낸 일부 확대 측면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 또 다른 실시 예(네일헤드형)를 나타낸 일부 확대 측면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 또 다른 실시 예(구형)를 나타낸 일부 확대 측면도이다.
도 12는 종래의 블레이브와 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 주속비에 따른 출력계수를 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 예시도면에 의거 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 블레이드의 구조를 나타낸 사시도이다. 도 3은 편의상 블레이드 하나만을 도시한 도면이다.

또한, 도 4는 허브에 구비된 하나의 블레이드의 측면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 풍력발전장치는 블레이드(10)와, 이 블레이드(10)가 둘레방향으로 복수,결합되면서 회전을 위한 축(도시되지 않음)과 연결되는 허브(20)로 구성된다.

여기서, 본 발명은 상기 블레이드(10)의 단부에 팁부재(30)가 형성된 구조를 가진다.

상기 팁부재(30)는 블레이드(10)의 폭방향으로 형성되는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 델타형(delta)의 팁부재(31)가 형성될 수 있고, 또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 다이아몬드형 팁부재(32), 도 10에 도시된 바와 같이, 네일헤드형(nail head)의 팁부재(33), 도 11과 같은 구형의 팁부재(34)로 형성될 수 있다.

먼저, 도 4에 도시된 바와 같이, 델타형의 팁부재(31)는 상단면이 평면부(31a)로 이루어지고, 블레이드(10)의 높이방향을 따라 팁부재(31)의 상단면인 평면부(31a)로 갈 수록 두께가 두꺼워지는 곡선부(31b)로 이루어진 구조이다.

또한, 도 5는 도 4의 A-A선, B-B선 단면도로서, 소위 말하는 날개단면형으로 형성된 구조를 가진다. 다시 말해서, 유선형으로 형성된 구조를 가진다.

물론, 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같은 팁부재(30)도 모두 횡단면이 도 3에 도시된 바와 같은 유선형의 날개 단면형으로 형성된 구조를 가진다.

또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 블레이드(10)의 높이방향을 따라 팁부재(31)의 상단면인 평면부(31a)까지의 사이에 곡선부(31b) 대신에 직선부(31c)를 형성하여도 무방하다. 그러나, 더욱 바람직하게는 곡선부(31b)를 형성하는 것이다.

도 7은 다른 구조의 블레이드(10)를 나타낸 도면으로서, 블레이드(10)의 팁부재(31)의 상단면은 한쪽 방향으로 상향 경사져서 경사각(α)을 가지는 경사면(31d)이 형성된 구조이다.

더욱이, 도 8에 도시된 바와 같이, 정면에서 블레이드(10)를 바라본 경우, 블레이드(10)의 팁부재(31)의 상단면은 회전방향(화살표)과 반대방향으로 경사져서 경사각(β)을 가지는 경사부(31e)가 형성된 구조이다.

다시 말해서, 허브(20)의 중심(O)으로부터 A지점까지의 거리(R1)와, 허브(20)의 중심(O)으로부터 B지점까지의 거리(R2)를 비교하면, 서로 다른 길이를 가지고, 더욱 바람직하게는 거리(R2)가 거리(R1)보다 작게 형성되어 경사부(31e)를 가지도록 한다.

도 8에 있어서, 궤적(S)은 확장면의 궤적을 나타낸다.

또한, 상기 경사부(31e)는 이론적인 계측이나 또는 모형시험을 통해 정확하게 경사부(31e)의 경사각도를 설정할 수 있다.

만일, 경사각(β)을 가지지 않고, 거리(R1)과 거리(R2)가 동일한 길이를 가지는 경우에는 확장면의 궤적(S)보다 낮게 블레이드(10)의 끝단부인 팁부재(31)가 형성되므로, 블레이드의 회전시 오히려 저항으로 작용하게 된다.

또한, 경사부(31e)는 블레이드(10)의 회전방향(화살표)과 반대방향으로 상향 경사지게 형성되는 것이 바람직하다. 만일, 블레이드(10)의 회전방향과 동일 방향으로 하향 경사지는 경우, 블레이드(10)의 좌측단부가 높게 되므로, 회전시 유동이 원활하게 흐르지 못하고, 오히려 저항으로 작용하게 되므로 블레이드의 회전이 원활하게 이루어지지 못할 수 있기 때문이다.

한편, 도 9는 본 발명에 따른 블레이드의 다른 실시 예로서, 다이아몬드형 팁부재(32)를 나타낸 것으로서, 팁부재(32)의 상단면은 양쪽면에서 중앙으로 상향 경사진 경사면(32a)으로 형성되고, 블레이드(10)의 높이방향을 따라 팁부재(32)의 상단면인 경사면(32a)으로 갈 수록 곡선형으로 형성된 곡선부(32b)로 이루어진 구조이다.

도 10은 네일헤드형 팁부재(33)를 나타낸 것으로서, 팁부재(33)의 상단면은 볼록한 곡선면(33a)으로 이루어지고, 블레이드(10)의 높이방향을 따라 팁부재(33)의 상단면인 곡선면(33a)으로 갈 수록 곡선형으로 형성된 곡선부(33b)로 이루어진 구조이다.

도 11은 구형(球形) 팁부재(34)를 나타낸 것으로서, 구형부(34a)와, 이 구형부와 블레이드(10)의 높이방향을 따라 구형부(34a)와 근접할 수록 곡선형으로 형성된 곡선부(34b)로 이루어진 구조이다.

도 11에 도시된 구형 팁부재(34)는 도 11의 상태에서 측면에서 보면 블레이드(10)의 단부에 폭방향을 따라 형성되므로, 봉형으로 형성된 것이다.

도 4에 있어서, 블레이드(10)의 양쪽 면에 표시한 흡입면(10a)과 가압면(10b)은 다른 실시 예를 도시한 도 9 내지 도 11에도 모두 적용되는 것으로서, 편의상 생략한 것이다.

또한, 도 9 내지 도 11에 도시된 다른 타입의 팁부재(32)(33)(34)는 곡선부(32b)(33b)(34b) 대신에 직선부를 형성해도 무방하다. 그러나, 더욱 바람직하게는 곡선부로 형성하는 것이다.

이러한 구성을 가지는 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이, 회전하는 블레이드(10)의 흡입면(10a)쪽으로 그 반대면인 가압면(10b)의 높은 압력이 이동되려고 하지만, 팁부재(30)에 의해 차단되어 압력면(10b)의 압력이동을 방지할 수 있다.

그에 따라, 종래에는 압력면(10b)의 압력이 흡입면(10b)쪽으로 이동되면서 압력면(10b)의 압력이 감소되어 블레이드에 풍력에 의한 부하로 작용하지 못함으로써 동일 크기일때, 블레이드의 회전력이 증대되기 어려웠으나, 본 발명에 따른 블레이드(10)는 팁부재(30)에 의해 바람에 의한 저항을 받아서 동일 사이즈일때, 회전력을 증대시켜서 도 12에 도시된 바와 같이, 주속비에 따른 발전효율을 나타내는 발전효율이 상대적으로 최대 약 4.5% 향상시킬 수 있는 것으로 나타난다.

다시 말해서, 본 발명에 따른 델타팁 블레이드의 출력계수 최고값은 0.491이고, 종래의 일반 블레이드의 출력계수 최고값은 0.47이므로, 일반 블레이드에 비해 본 발명에 따른 델타팁 블레이드가 약 4.5% 향상됨을 알 수 있다.

더욱이, 본 발명은 블레이드(10)의 단부에 팁부재(30)가 형성되고, 블레이드(10)의 높이방향으로 팁부재(30)에 근접할 수록 공통적으로 곡선면(31b)(32b)(33b)(34b)이 형성되어 있어, 유체가 정체되지 않고 스무드하게 이동하므로, 와류가 형성되지 않아서 회전시 장애없이 원활한 회전이 가능하다.

또한, 블레이드(10) 및 팁부재(30)가 도 5에 도시된 바와 같이, 횡단면상 날개단면형인 유선형으로 형성되어 블레이드(10)의 회전시 받는 블레이드(10)에 의한 자체 저항이 감소되므로, 블레이드(10)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명은 블레이드(10)의 선단부에 형성된 팁부재(30)에 의해 가압면과 흡입면간의 공기압력 교환을 차단할 수 있어, 부하로 작용하여 회전력을 증대시켜서 발전효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 블레이드(10)의 선단부에 형성된 다양한 구조의 팁부재(30)로 인해 부하가 생성되어 종래보다 작은 직경이 형성되도록 길이가 짧은 블레이드를 채용할 수 있고, 그에 따라 중량 및 제작비용을 줄일 수 있는 것이다.

본 발명은 편의상 풍력발전장치에 적용한 예를 들어 설명하였지만, 조류력 발전장치에 적용하여도 동일한 효과를 거둘 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의거 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

α : 경사각
β : 경사각
S : 궤적
1 : 블레이드
2 : 루트(root)
3 : 가압면
4 : 흡입면
5 : 전연
6 : 후연
10 : 블레이드
10a : 흡입면
10b : 가압면
20 : 허브
30,31,32,33,34 : 팁부재
31a : 평면부
31b : 곡선부
31c : 직선부
31d : 경사면
31e : 경사부
32a : 경사면
32b : 곡선부
33a : 곡선면
33b : 곡선부
34a : 구형부
34b : 곡선부

Claims (7)

1. 풍력발전장치에 복수 구비되는 블레이드로서,
   상기 블레이드의 단부에 블레이드의 폭방향으로 횡단면상 유선형의 팁부재가 형성되고,
   상기 팁부재는 상단면이 평면부로 이루어지고, 블레이드의 높이방향을 따라 팁부재의 상단면으로 갈 수록 곡선부 또는 직선부로 이루어진 델타형의 팁부재이고, 이 델타형 팁부재의 측면에서 볼때, 팁부재의 상단면이 상향 경사진 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 블레이드.
   
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4. 청구항 1에 있어서,
   상기 델타형 팁부재의 정면에서 볼때, 팁부재의 상단면이 블레이드의 회전방향과 반대방향으로 상향 경사지는 경사부(31e)가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 블레이드.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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