KR101354588B1 - 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드에 관한 것으로서, 풍력 발전기용 블레이드에 있어서, 본 발명에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드는 풍력 발전기용 블레이드에 있어서, 상기 블레이드가 설치되는 타워에 내장된 압축기를 통해서 압축된 압축공기가 저장된 저장 탱크와, 상기 블레이드 후단부에 설치되고, 상기 저장 탱크에 연결되어 노즐부를 통해서 공기를 배출시키고, 단면이 코일 형태를 이루는 원통 형태의 분사통과, 상기 분사통을 상하로 회전시키는 구동부를 포함하는 공기 분사 장치가 구비되고, 상기 노즐부는 상기 분사통의 원주면에 접선방향으로 공기를 분사시켜서 상기 블레이드의 회전 속도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드{a wind turbine blade with apparatus of air injection for effects of pitch control}

본 발명은 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드에 관한 것으로서, 공기 분사 장치를 통해서 블레이드의 기계적 또는 전기적인 피치제어가 필요없이 피치제어와 동일한 효과를 가짐으로써 풍력 블레이드의 일정한 회전력을 얻을 수 있는 풍력 발전기용 블레이드에 관한 것이다.

풍력 발전은 화석에너지의 고갈과 한계로 인하여 새로운 에너지원으로 개발되고 있으며, 태양광, 바이오, 바람, 파력 등이 대체에너지로 개발되고 있으며, 그 중에서 바람이라는 자연적인 요소는 무한하면서도 청정하기 때문에 대체 에너지원으로 각광받고 있다.

풍력발전기는 블레이드, 발전기, 기어박스, 타워, 베어링 등으로 구성되는 것이 일반적이며, 그 중 블레이드는 일반적으로 날개라고 부르는 풍력발전기의 핵심 부품이다.

풍력발전기에서 블레이드는 바람의 힘(풍력)을 받아 회전력을 발생시키는 역할을 하며, 블레이드의 경사각(pitch)을 조절(control)하거나, 실속 제어(stall control)를 통해 회전력(출력)을 증가 또는 감소시켜 출력을 일정하게 유지할 수 있다.

다만, 이러한 바람을 이용한 풍력에너지는 순간적으로 풍속과 방향이 바뀌는 가변성으로 인하여 지속적이고 효율적인 발전이 이루어지지 못한다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 풍력 발전에 이용되는 블레이드의 피치 각도를 제어하는 선행기술들이 제안된 바 있다.

경사각 조절은 피치 제어(Pitch Control)라고 말하며, 블레이드가 발전 가능한 회전 속도에 빨리 도달하도록 하거나, 발전기의 출력이 급격하게 변화하는 것을 방지하고 정격 풍속이상에서 출력을 제한하기 위해서 이용되는 기술이다.

현재 피치 제어 기술은 블레이드 경사각을 조절하는 구동력에 따라 일반적으로 전기식과 유압식으로 나뉘며, 전기식 방법은 비교적 경량이며, 유압식에 비해 구성이 간단하지만 제어의 어려움이 있고, 유압 시스템은 유압 손실 문제로 전기식에 비해 낮은 신뢰성을 가진다.

또한, 블레이드 경사각을 조절하기 위한 전기식에 비해 복잡한 유압 장치를이 발전기 내부에 설치된다.

대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2009-0101927호, 제10-2006-7000251호 등은 블레이드의 피치 각도를 조절하여 풍력 발전의 효율을 향상시킨 선행 기술들 이다.

그러나, 이러한 선행 기술들은 블레이드를 유압 장치 등을 이용하여 직접적으로 회전시키는 방법을 이용하므로 이러한 블레이드의 이동에 소요되는 동력으로 인한 효율저하와, 풍력 발전 설비의 제작 비용이 증가한다는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드는 블레이드 피치 각도를 직접제어하지 않고도 블레이드 후단부에 설치된 공기 분사 장치를 통해서 피치제어 효과를 가지는 풍력 발전기용 블레이드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드는 풍력 발전기용 블레이드에 있어서, 상기 블레이드가 설치되는 타워에 내장된 압축기를 통해서 압축된 압축공기가 저장된 저장 탱크와, 상기 블레이드 후단부에 설치되고, 상기 저장 탱크에 연결되어 노즐부를 통해서 공기를 배출시키고, 단면이 코일 형태를 이루는 원통 형태의 분사통과, 상기 분사통을 상하로 회전시키는 구동부를 포함하는 공기 분사 장치가 구비되고, 상기 노즐부는 상기 분사통의 원주면에 접선방향으로 공기를 분사시켜서 상기 블레이드의 회전 속도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 공기 분사 장치는 상기 블레이드가 설치되는 타워에 내장된 압축기를 통해서 압축된 압축공기가 저장된 저장 탱크와, 상기 블레이드 후단부에 설치되고, 상기 저장 탱크에 연결되어 노즐부를 통해서 공기를 배출시키고, 단면이 코일 형태를 이루는 원통 형태의 분사통과, 상기 분사통을 회전시키는 구동부;를 포함하되, 상기 노즐부는 상기 분사통의 원주면에 접선방향으로 공기를 분사시키는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 분사통에 설치되는 노즐부는 상기 분사통의 측면에 수평으로 설치되는 것을 특징으로 하고, 상기 분사통은 블레이드의 외단측으로 갈수록 경사지게 공기 분사되도록 분사노즐을 블레이드 후단을 따라 경사지게 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드는 블레이드 후방으로 공기를 분사시키는 공기 분사 장치를 통해서 블레이드의 기계적인 피치 제어를 하지 않고도 피치제어 효과를 발휘함으로써 일정한 회전 속도를 유지시켜서 풍력 발전의 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 풍력 발전기에서 이용되는 피치 제어 개념을 도시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드를 도시하는 개념도.
도 3은 도 2의 A-A'의 단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드를 도시하는 개념도.
도 5는 공기 분사 장치의 작동을 예시하는 개념도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 블레이드를 도시하는 개념도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 종래의 풍력 발전기에서 이용되는 피치 제어 개념을 도시하는 개념도이다.

종래의 풍력 발전기는 타워(1)에 설치되는 블레이드의 피치각도를 중심축에서 유압 장치 또는 전기적 기계 장치를 이용하여 블레이드의 경사각을 조절하는 장치를 이용한다.

이러한 전기식, 유압식으로 적용되는 방식은 전기 시스템이나 유압 시스템이 발전기 내부에 설치되어 복잡한 기구 장치, 기어 배열, 유압 장치 등이 설치되기 때문에 풍력 발전기의 제작 단가를 상승시키는 원인이 된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드를 도시하는 개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드는 후단부에 양방향으로 각회전 가능한 공기 분사 장치가 구비되어 상기 블레이드의 피치제어 효과를 갖는 것을 특징으로 한다.

풍력 발전기에 사용되는 블레이드는 익형으로 제작되며, 양향비(C_L/C_D)와 양력계수가 높을수록 좋은 출력 특성을 나타낸다. 본 발명에서는 블레이드 후단에 설치되는 공기 분사 장치를 통해서 풍속이 증가하거나 감소하는 경우 블레이드의 후단의 유체 흐름을 변화시켜서 효율적인 풍력 발전이 이루어지도록 개발한 것이다.

여기서, 상기 공기 분사 장치는 풍력 타워에 내장된 압축기와 압축기를 통해서 압축된 압축공기가 저장되는 저장 탱크와, 상기 저장 탱크에 연결되어 노즐부를 통해서 공기를 배출시키고, 상기 블레이드 후단부에 설치되는 원통 형태의 분사통과, 상기 분사통을 각회전시키는(상하 방향으로 회전시키는) 구동부를 포함하여 이루어진다.

상기 압축기와 압축공기 저장 탱크는 풍력 타워 내부에 내장되어 분사 공기를 제공하는 역할을 하며, 풍력 발전 과정에서 과도한 회전력이 블레이드에 전달되는 경우 저장 탱크에 압축 공기를 저장하는 동력으로 사용할 수 있다.

도 3은 도 2의 A-A'의 단면도이다.

분사통(20)은 블레이드(10)의 후단부에 각회전가능하게 설치된다.

상기 분사통(20)의 회전은 유압 장치 또는 공압 장치를 이용하게 되고, 상기 분사통(20)의 회전 각도와 분사 속도를 조절하여 블레이드의 피치제어 효과를 조절하게 된다.

이러한 분사통(20)에 설치되는 노즐부는 상기 분사통(20)의 측면에 수평으로 설치된다.

상기 분사통은 블레이드의 외단측으로 갈수록 직경이 감소되는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드를 도시하는 개념도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 공기 분사 장치는 후방으로 분사 각도 및 유량을 조절하여 블레이드의 피치제어와 같은 역할을 할 수 있게 된다.

도 5는 공기 분사 장치의 작동을 예시하는 개념도이다.

이러한 공기 분사 장치의 작동은 분사통(20)에 연결된 구동축(22)이 외부 동력에 의해서 회전되면서 분사통(20)의 회전 각도를 조절하여 노즐부를 통해서 분사되는 압축 공기의 분사 각도를 조절하게 된다.

이 때 분사노즐을 통해 토출되는 공기는 분사통의 원주면에 대해 접선방향으로 토출 될 수 있도록 분사통의 단면이 코일 형태를 이루고 있는 것이 특징이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 블레이드를 도시하는 개념도이다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 블레이드는 후단에 공기 분사 장치(20)가 설치되고, 블레이드 회전속도 성분을 고려하기 위해 블레이드 외단 측으로 갈수록 경사지게 분사공기가 토출될 수 있도록 분사노즐을 경사지도록 설치한다.

이상과 같이 본 발명은 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드를 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1: 타워
10: 블레이드
20: 분사통

Claims (4)

1. 풍력 발전기용 블레이드에 있어서,
   상기 블레이드가 설치되는 타워에 내장된 압축기를 통해서 압축된 압축공기가 저장된 저장 탱크와, 상기 블레이드 후단부에 설치되고, 상기 저장 탱크에 연결되어 노즐부를 통해서 공기를 배출시키고, 단면이 코일 형태를 이루는 원통 형태의 분사통과, 상기 분사통을 상하로 회전시키는 구동부를 포함하는 공기 분사 장치가 구비되고,
   상기 노즐부는 상기 분사통의 원주면에 접선방향으로 공기를 분사시켜서 상기 블레이드의 회전 속도를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 분사통에 설치되는 노즐부는,
   상기 분사통의 측면에 수평으로 설치되는 것을 특징으로 하는 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 분사통은,
   블레이드의 외단측으로 갈수록 경사지게 공기 분사되도록 분사노즐을 블레이드 후단을 따라 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 피치제어 효과를 가지는 공기 분사 장치가 구비된 풍력 발전기용 블레이드.

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