KR101344709B1 - 수직풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조 - Google Patents

수직풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제작이 용이하고 받음각(AOA)을 정확히 맞춰서 결합이 가능하며, 블레이드 아암을 V형으로 배치하여 블레이드와 발전기를 체결시킴으로써 역학적으로 강한 고정력을 갖게 하여 블레이드의 회전시 발생하는 진동에 대해 견딜 수 있는 수직풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조는, 블레이드와 발전기를 블레이드 아암으로 결합 고정시켜 블레이드를 지지하는 구조인데, 블레이드 아암의 일단에 블레이드를 결합시키는 체결부는, 내측면이 블레이드의 외측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드의 외측면에 접하여 위치하게 되는 외측홀더; 내측면이 블레이드의 내측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드의 내측면에 접하여 위치하게 되고, 양단(兩端)에서 상기 외측홀더의 양단과 체결수단에 의해 각각 결합 고정되며, 외측면에 블레이드 아암이 위치하는 방향으로 돌출되어 절곡된 절곡부를 구비하는 내측홀더; 상기 외측홀더와 블레이드 사이에 삽입되며, 판상(板狀)의 부재가 '┓'자 형상으로 절곡된 외측고정자; 상기 내측홀더와 블레이드 사이에 삽입되며, 판상의 부재가 '┓'자 형상으로 절곡된 내측고정자; 상기 내측홀더의 하부에 위치하고, 판상의 부재가 절곡되어 형성된 지지판을 구비하여 구성되며, 상기 외측고정자와 외측홀더, 상기 내측고정자와 내측홀더, 상기 내측고정자와 외측고정자의 각각 하향 절곡된 부분과 블레이드, 상기 지지판과 블레이드 및 외측고정자, 상기 블레이드 아암과 내측홀더의 절곡부 및 지지판은 각각 체결수단에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

수직풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조{V type support and assembling structure of vertical axis wind power generator}
본 발명은 수직풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제작이 용이하고 받음각(AOA)을 정확히 맞춰서 결합이 가능하며, 블레이드 아암을 V형으로 배치하여 블레이드와 발전기를 체결시킴으로써 역학적으로 강한 고정력을 갖게 하여 블레이드의 회전시 발생하는 진동에 대해 견딜 수 있는 수직풍력발전 블레이드의 브이형 지지구조에 관한 것이다.
풍력발전은 바람을 이용하여 블레이드 또는 프로펠러를 회전시켜서 발생한 회전력을 발전기로 전달하여 전력을 생산하는 것으로, 블레이드 또는 프로펠러가 설치되는 방향에 따라 수평축 풍력발전장치와 수직축 풍력발전장치로 구분되는데, 수평축 풍력발전장치는 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꿔 줘야 하고 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꿔 주는 장치와 수평회전력을 수직회전력으로 전환하여 발전기와 연결시켜 주는 장치가 추가로 필요하므로 기구적 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지 보수가 용이하지 않다는 문제가 있다.
한편, 수직축 풍력발전장치는 구조가 간단하고 바람의 방향과 관계없이 소정의 회전력을 유지할 수 있다는 장점은 있으나, 블레이드 지지구조는,
첫째, 받음각(AOA :angle of attack)이 맞지 않으면 출력이 저하되므로 정확한 각도로 결합해야 하고, 블레이드 아암에 형성된 삽입홈에 여유공차가 없으면 블레이드를 용이하게 삽입할 수가 없으므로 블레이드의 결합이 용이하지 않다는 문제가 있고,
둘째, 회전중에 발생되는 관성력과, 블레이드에서 발생되는 양항력(Lift & drag force)에 의해 비틀림 모멘트(torsional moment)가 발생하고 이로 인해 생기는 진동(torsioanl vabration)에 견딜 수 있는 구조이어야 하며,
세째, 블레이드의 하중으로 인한 블레이드 아암의 처짐으로 인해 발생될 수 있는 진동에 의한 피로 파괴(fatigue failure)를 방지할 수 있는 구조이어야 하며,
네째, 회전축의 미세한 편심도에 의해 미세 진동이 발생하고, 이러한 미세 진동이 장기간에 걸쳐 회전체 하부와 결속된 발전기 내부 축을 고정하고 있는 베어링 수명을 단축시키게 된다는 문제가 있어, 블레이드 지지구조가 상기와 같은 문제를 해결할 수 있어야 한다는 어려운 점이 있다.
특히, 상기와 같은 문제는 블레이드의 회전반경이 1m 이하인 소형 수직축 풍력발전장치에서는 그다지 문제가 되지 않지만, 그 이상의 크기를 갖는 수직축 풍력발전장치에서는 상기의 조건을 고려한 지지구조의 문제가 가장 핵심적이고 큰 기술문제이다.
지금까지의 출현한 수직축 풍력발전장치에서 블레이드의 지지구조 및 체결구조를 살펴 보면, 본 발명의 출원인이 개발하여 출원한 특허출원 제2011-13575호 "수직축 풍력발전장치의 안전 설치구조"는, 도 1에 도시한 바와 같이, 수직축 풍력발전장치는 강관주(1)의 상단에 결합부(2)에 의해 결합된 발전부(3)를 구비하는데, 회전축(3a) 상단과 하단에 블레이드 아암(3b)이 고정 설치되고, 블레이드 아암의 단부에 형성된 삽입홈에 블레이드를 삽입하며, 회전축(3a)의 하부에 발전기(3b)를 장착한 구조이다.
블레이드를 삽입홈에 삽입하는 방식의 상기 풍력발전장치는 실제 제작하다 보니, 상부와 하부에 이격되어 위치하는 블레이드 아암의 각 단부에 형성된 삽입홈에 정확하게 블레이드를 삽입하는 작업 자체가 힘들고 블레이드의 길이가 길수록 기술적으로 더 어려워지며, 특히 삽입홈에 여유공차가 없으면 블레이드의 삽입 자체가 어렵고, 여유공차를 주면 받음각 각도가 맞지 않게 되어 출력이 저하하는 문제가 발생했다.
또, 블레이드의 삽입식이 아닌 블레이드와 블레이드 아암을 볼트로 체결하는 방식인 공개특허 제2011-51397호 "수직축 풍력발전용 터빈로터와 수직축 풍력발전시스템'의 기술은, 블레이드 아암의 단부를 절곡시키고 절곡된 부분과 블레이드를 직접 다수의 볼트로 체결하여 고정하는 방식인데, 블레이드의 단면이 유선형이기 때문에 절곡된 부위를 곡선인 블레이드의 단면 형상과 동일한 형상으로 만든다는 것도 어렵지만, 볼트를 체결하기 위해 블레이드에 다수의 볼트 구멍을 정확한 지점에 천공한다는 작업도 매우 어렵고, 블레이드의 회전에 따라 발생하게 되는 전술한 문제점들을 해결한다는 것도 매우 어려운 문제이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 블레이드의 크기와 길이에 상관없이 제작이 용이하고 받음각(AOA: angle of attack)을 정확히 맞춰서 결합이 가능하며, 블레이드 아암을 V형으로 배치하여 블레이드와 발전기를 체결시킴으로써 역학적으로 강한 고정력을 갖게 하여 블레이드의 회전시 발생하는 진동에 대해 견딜 수 있는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조 및 그에 따른 체결구조를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조는, 블레이드와 발전기를 블레이드 아암으로 결합 고정시켜 블레이드를 지지하는 구조인데, 블레이드 아암의 일단에 블레이드를 결합시키는 체결부는, 내측면이 블레이드의 외측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드의 외측면에 접하여 위치하게 되는 외측홀더; 내측면이 블레이드의 내측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드의 내측면에 접하여 위치하게 되고, 양단(兩端)에서 상기 외측홀더의 양단과 체결수단에 의해 각각 결합 고정되며, 외측면에 블레이드 아암이 위치하는 방향으로 돌출되어 절곡된 절곡부를 구비하는 내측홀더; 상기 외측홀더와 블레이드 사이에 삽입되며, 판상(板狀)의 부재가 '┓'자 형상으로 절곡된 외측고정자; 상기 내측홀더와 블레이드 사이에 삽입되며, 판상의 부재가 '┓'자 형상으로 절곡된 내측고정자; 상기 내측홀더의 하부에 위치하고, 판상의 부재가 절곡되어 형성된 지지판을 구비하여 구성되며, 상기 외측고정자와 외측홀더, 상기 내측고정자와 내측홀더, 상기 내측고정자와 외측고정자의 각각 하향 절곡된 부분과 블레이드, 상기 지지판과 블레이드 및 외측고정자, 상기 블레이드 아암과 내측홀더의 절곡부 및 지지판은 각각 체결수단에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 블레이드 아암은, 단면(斷面)이 'ㄷ'자 형상의 외측부재와 내측부재로 구성되고, 내측부재에는 폭방향으로 지지너트가 형성되어 있어서, 외측부재와 내측부재를 끼워 맞춘 후 외측부재의 측면에서 상기 지지너트에 볼트를 체결시켜 구성되며, 블레이드 아암의 평면 형상은 등변사다리꼴이다.
기존에는 블레이드 아암 단부에 형성된 구멍에 블레이드를 삽입할 때 1∼1.5mm 정도의 삽입 여유공차를 두어야 했으나, 본 발명에 따른 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조는, 블레이드를 고정시켜 주는 블레이드 홀더를 내측홀더와 외측홀더로 구분하여 별도로 제작하고 그 사이에 블레이드를 위치시킨 다음 두 블레이드 홀더를 결합하기 때문에, 삽입 여유공차를 둘 필요가 없으므로 뒤틀림 모멘트에 강할 뿐만 아니라 블레이드의 크기와 길이에 상관없이 제작이 용이하고 받음각(AOA)을 정확히 맞출 수 있다.
또한, 회전축 상부와 하부에 블레이드 아암을 각각 고정 설치하는 것이 아니라 블레이드 아암을 V형으로 배치하여 회전축 없이 블레이드와 발전기를 직접 체결시켰기 때문에 역학적으로 강한 고정력을 갖게 되어 블레이드의 회전시 발생하는 진동에 대해 견딜 수 있을 뿐만 아니라 블레이드 아암 사이에 회전축이 위치할 경우 회전축의 미세한 편심에 의해 발생되는 미세 진동이 없기 때문에 회전축 하부에 장착된 발전기의 내부 축을 고정하고 있는 베어링 등에 전혀 손상을 주지 않는다.
도 1은 종래의 수직축 풍력발전장치의 블레이드 결합 구조의 일예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전장치의 블레이드 지지구조를 도시한 도면이다.
도 3은 블레이드와 블레이드 아암이 결합된 체결부를 도시한 도면이다.
도 4는 블레이드 아암 및 그 분해도이다.
본 발명에 따른 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조의 기술적 특징은,
첫째, 블레이드 홀더를 내측홀더와 외측홀더로 구분하여 별도로 제작하여 그 사이에 블레이드를 위치시키고 두 블레이드 홀더를 결합함으로써 블레이드 삽입을 위한 여유공차를 둘 필요가 없게 되어, 블레이드의 크기와 길이에 상관없이 제작이 용이하고 정확한 받음각(AOA)을 맞출 수 있게 했다는 점과,
둘째, 블레이드 아암을 V형으로 배치하여 블레이드와 발전기를 직접 체결시킴으로써 역학적으로 강한 고정력을 갖게 되어 블레이드의 회전시 발생하는 진동에 대해 견딜 수 있게 했다는 점과,
세째, 블레이드 내측홀더 하부에 지지판을 더 배치하여 블레이드 및 외부고정자와 결합시킴으로써, 블레이드의 처짐을 방지할 수 있도록 했다는 점이다.
본 발명에서 수직풍력발전 블레이드를 지지하는 구조는, 도 2에 도시한 바와 같이, 발전기(10)와 블레이드(20)를 연결하여 결합시키는 블레이드 아암(30)이 발전기(10)를 중심에 두고 상향과 하향으로 각각 벌어져서 경사진 V자 형상으로 배치되어 지지하는 구조인데, 블레이드 아암(30)의 일단과 블레이드(20)를 결합시키는 체결부(40)는 외측홀더(41)와 내측홀더(42), 외측고정자(43)와 내측고정자(44), 지지판(45)을 구비하여 체결수단으로 체결된 것이다.
본 발명의 기술적 특징 중의 하나가 외측홀더(41)와 내측홀더(42)를 블레이드(20)의 외측과 내측을 각각 감싸도록 배치하고 서로 단부(端部)끼리를 결합시켜서 고정시키는 구성인데, 이와 같이 블레이드(20)를 결합시킴으로써, 기존의 레이저커팅 또는 블레이드 아암에 블레이드를 삽입하여 결합하는 방식에 비해 삽입을 위한 여유 공차를 줄 필요가 없어서 블레이드 측부에 고정자를 결합할 때 뒤틀림이 발생하지 않아 진동 발생이 없고 받음각을 정확히 맞출 수 있다는 장점이 있다.
외측홀더(41)는 그 내측면이 블레이드(20)의 외측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드(20)의 외측면에 접하여 위치하게 된다. 또, 내측홀더(42)는 그 내측면이 블레이드(20)의 내측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드(20)의 내측면에 접하여 위치하게 되고, 내측홀더(42)의 양단(兩端)에서 외측홀더(41)의 양단과 체결수단에 의해 각각 결합 고정되며, 내측홀더(42)는 외측면에 블레이드 아암(30)이 위치하는 방향으로 돌출되어 절곡된 절곡부(42a)를 구비한다. 체결수단은 볼트와 너트를 사용하는 것이 바람직하다.
외측고정자(43)와 내측고정자(44)는 판상(板狀)의 부재를 '┓'자 형상으로 절곡시킨 것인데, 외측고정자(43)는 외측홀더(41)와 블레이드(20) 사이에 삽입되고, 내측고정자(44)는 내측홀더(42)와 블레이드(20) 사이에 삽입되게 된다. 외측고정자(43)와 외측홀더(41), 내측고정자(44)와 내측홀더(42)는 각각 체결수단에 의해 결합하여 고정시키고, 내측고정자(44)와 외측고정자(43)의 하향 절곡된 부분은 블레이드(20)와 각각 체결수단에 의해 서로 결합시킨다. 또한, 외측홀더(41)와 내측홀더(42)의 내측면에는 외측고정자(43)와 내측고정자(44)가 각각 삽입될 수 있도록 블레이드(20)측으로 개구(開口)된 홈을 각각 형성해 두는 것이 바람직하다.
지지판(45)은 판상의 부재를 절곡시킨 것인데, 내측홀더(42)의 하부에 위치하여, 블레이드 아암(30)의 일단과 내측홀더의 절곡부(42a) 및 지지판(45)의 일단을 체결수단에 의해 결합하여 고정시키고, 지지판(45)에서 내측홀더 절곡부(42a)의 타단을 하향 절곡시킨 부분과 블레이드(20) 및 외측고정자(43)를 체결수단에 의해 서로 결합시킨다(도 3 참조).
블레이드 아암(30)은 단면(斷面)이 'ㄷ'자 형상의 외측부재(31)와 내측부재(32)로 구성되고 평면 형상은 등변사다리꼴 형상인데, 내측부재(32)에는 폭방향으로 지지너트(32a)를 등간격으로 복수개 형성한 것이다. 외측부재(31)와 내측부재(32)를 'ㄷ'자 형상의 개구(開口)된 부분끼리 마주 보게 하여 끼워 맞춘 후, 외측부재(31)의 측면에서 지지너트(32a)에 볼트를 체결시켜 결합시킨다. 이와 같이 체결한 블레이드 아암(30)의 일단은 내측홀더 절곡부(42a)의 단부와 지지판(45)과 함께 체결수단에 의해 결합되게 되며, 등변사다리꼴 형상의 블레이드 아암(30)에서 폭이 넓은 쪽의 단부가 발전기(10) 쪽에 결합되게 한다. 필요할 경우 블레이드 아암(30)의 외부에 FRP 등의 소재로 제작한 유선형 커버를 부착할 수도 있다. 미설명 부호 33은 블레이드 아암(30)의 단부와 발전기(10)를 결합시킬 때 사용하는 보강재이다.
참고로, 받음각(AOA)이란, 블레이드의 선단(leading edge)과 후단(trailing edge)을 잇는 선과, 블레이드의 선단에서 블레이드의 회전 중심축에 연결한 선(즉, 회전시 블레이드의 선단에 기류가 부딪히게 되는 기류의 방향 선에 블레이드의 회전 중심축에서 그은 선을 의미함)과 직각을 이루는 선이 이루는 각도를 의미하는데, 받은각이 맞지 않으면 발전장치의 출력이 저하하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 발전기
20 : 블레이드
30 : 블레이드 아암 31 : 외측부재
32 : 내측부재 33 : 보강재
40 : 체결부 41 : 외측홀더
42 : 내측홀더 43 : 외측고정자
44 : 내측고정자 45 : 지지판

Claims (6)

  1. 블레이드와 발전기를 블레이드 아암으로 결합 고정시키는 수직풍력발전기의 블레이드를 지지하는 구조에 있어서,
    블레이드 아암의 일단과 블레이드를 결합시키는 체결부는,
    내측면이 블레이드의 외측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드의 외측면에 접하여 위치하게 되는 외측홀더;
    내측면이 블레이드의 내측면과 동일한 형상으로 형성되어 블레이드의 내측면에 접하여 위치하게 되고, 양단(兩端)에서 상기 외측홀더의 양단과 체결수단에 의해 각각 결합 고정되며, 외측면에 블레이드 아암이 위치하는 방향으로 돌출되어 절곡된 절곡부를 구비하는 내측홀더;
    상기 외측홀더와 블레이드 사이에 삽입되며, 판상(板狀)의 부재가 '┓'자 형상으로 절곡된 외측고정자;
    상기 내측홀더와 블레이드 사이에 삽입되며, 판상의 부재가 '┓'자 형상으로 절곡된 내측고정자;
    상기 내측홀더의 하부에 위치하고, 판상의 부재가 절곡되어 형성된 지지판;
    을 구비하여 구성되며,
    상기 외측고정자와 외측홀더, 상기 내측고정자와 내측홀더, 상기 내측고정자와 외측고정자의 각각 하향 절곡된 부분과 블레이드, 상기 지지판과 블레이드 및 외측고정자, 상기 블레이드 아암과 내측홀더의 절곡부 및 지지판은 각각 체결수단에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외측홀더와 내측홀더의 내측면에는, 상기 외측고정자와 내측고정자가 삽입될 수 있도록 블레이드측으로 개구(開口)된 홈이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 아암은, 단면(斷面)이 'ㄷ'자 형상의 외측부재와 내측부재로 구성되고, 상기 내측부재에는 폭방향으로 지지너트가 형성되어 있어서, 외측부재와 내측부재를 'ㄷ'자 형상의 개구(開口)된 부분끼리 마주 보게 하여 끼워 맞춘 후, 외측부재의 측면에서 상기 지지너트에 볼트를 체결시켜 구성되는 것을 특징으로 하는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 블레이드 아암의 평면 형상은 등변사다리꼴 형상인 것을 특징으로 하는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 체결수단은 볼트와 너트인 것을 특징으로 하는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 아암은, 일단은 상기 지지판 및 내측홀더와 결합되어 블레이드를 고정 결합시키고, 타단은 발전기와 결합되는 것을 특징으로 하는 수직풍력발전 블레이드의 V형 지지구조.
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