KR101391256B1 - 소음이 저감된 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

블레이드 회전에 따른 소음을 공기역학적으로 최소화한 풍력 발전장치가 개시된다. 상기 발전장치는, 바람의 흐름을 기준으로 로터가 너셀의 후단에 결합한 다운 윈드(DOWN WIND) 방식이고, 너셀의 하부에 결합하여 타워를 둘러싸는 소음 저감유닛을 더 포함하며, 소음 저감유닛은 바람의 흐름을 기준으로 유선형의 수평 단면형상을 갖는다.

Description

소음이 저감된 풍력 발전장치{WIND POWER ELETRIC GENERATOR WITH NOISE REDUCED}

본 발명은 풍력 발전장치에 관한 것으로, 특히 블레이드 회전에 의한 소음을 공기역학적으로 최소화한 풍력 발전장치에 관련한다. 또한, 본 발명은 풍향의 변화가 심한 기상조건에서도 적응성이 향상된 풍력 발전장치에 관련한다.

풍력 발전은 바람의 에너지를 블레이드가 받아 회전장치를 구동하고 이 회전장치를 영구자석식 발전장치를 통하여 전력을 생산하는 발전 방식으로, 기존의 화석연료를 대체하여 전력을 생산 및 이용할 수 있다는 이점이 있다.

풍력 발전을 위한 다양한 구조의 발전장치가 제안되고 있는데, 통상 수평형 풍력 발전장치는 로터(rotor), 타워(tower) 및 너셀(nacelle)을 포함한다.

로터는 블레이드와 블레이드를 고정하는 허브로 이루어져서 블레이드가 바람에 의해서 회전하면 허브가 회전하게 된다. 너셀은 허브에 연결되어 허브를 지지하는 하우징과, 하우징 내부에 설치되는 발전기 등의 구성 요소를 포함할 수 있다.

또한, 바람이 불어오는 방향에 따라 너셀이 수평방향으로 좌우회전하기 위하여 너셀과 타워 사이에 요 시스템(yaw system)이 설치되는데, 잘 알려진 것처럼, 요 시스템은 풍력 발전장치의 로터와 너셀을 바람이 불어오는 방향으로 향하게 하여 풍력 발전장치의 효율이 최대가 되게 하고, 풍력 발전장치 전체에 작용하는 피로하중을 감소시키는 역할을 한다.

상기와 같은 풍력 발전장치에 의하면, 허브의 회전에 따라 너셀로 전달된 회전력은 너셀 내부의 발전기에 의하여 전기 에너지로 변환될 수 있다. 이와 같은 구성은 풍력 발전장치에 있어서 일반적인 구성이므로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

종래의 수평형 풍력 발전장치는 구조적으로 업 윈드(UP WIND) 방식과 다운 윈드(DOWN WIND) 방식으로 대별된다.

업 윈드 방식은 블레이드가 바람이 불어오는 방향을 기준으로 전단에 설치되는 구조로, 블레이드에 가장 먼저 바람이 부딪히기 때문에 바람이 불어오는 방향에 대한 너셀의 적응성이 떨어지고, 바람이 지나치게 강할 경우 블레이드가 휘어져 타워와 충돌할 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것이 다운 윈드 방식으로 블레이드는 바람이 불어오는 방향을 기준으로 후단에 설치되므로 상기한 문제점을 해결할 수 있다.
가령, 국내공개특허 제2009-83396호, 일본 공개특허 제2010-116925호, 제2008-286115호, 또는 제2011-112051호에 다운 윈드 방식을 개시하고 있다.

그러나, 이러한 다운 윈드 방식의 경우, 블레이드 회전에 따른 소음이 크다는 치명적인 문제점이 있다. 그 결과, 주택이 밀집한 지역에서 가정용으로 사용하기에는 적합하지 않아 이에 대한 대안이 요구되고 있다.

이와 함께, 너셀 내부의 발전장치 등에서 발생하는 소음도 간과할 수 없는 소음 문제가 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 블레이드 회전에 따른 소음을 공기역학적으로 최소화한 풍력 발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 풍향의 변화에 대응하여 너셀이 민감하게 반응할 수 있는 풍력 발전장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 너셀 내부의 소음을 저감할 수 있는 풍력 발전장치를 제공하는 것이다.

상기의 목적은, 블레이드와 상기 블레이드를 고정하는 허브로 이루어진 로터, 상기 로터와 결합하고 내부에 발전기를 포함하는 기계 요소가 수납된 너셀, 및 상기 너셀을 지면으로부터 지지하는 타워로 구성되며, 바람의 흐름을 기준으로 상기 로터가 상기 너셀의 후단에 결합한 다운 윈드(DOWN WIND) 방식이고, 상기 너셀의 하부에 결합하여 상기 타워를 둘러싸는 소음 저감유닛을 더 포함하며, 상기 소음 저감유닛은 상기 바람의 흐름을 기준으로 유선형의 수평 단면형상을 갖는 것을 특징으로 하는 소음이 저감된 풍력 발전장치에 의해 달성된다.

바람직하게, 상기 소음 저감유닛의 내부는 비어 있고, 상기 너셀의 내부와 연통한다.

바람직하게, 상기 소음 저감유닛의 길이는 상기 블레이드의 길이에 대응하는 길이로 형성된다.

바람직하게, 상기 허브를 덮는 로터 헤드를 더 포함하며, 상기 로터 헤드의 단부에서 내측으로 일정한 깊이의 홈이 형성되고 상기 홈의 바닥 중앙에는 콘(cone)이 돌출 형성된다.

상기의 구조에 의하면, 타워에 의해 발생하는 와류를 없애 블레이드가 와류를 가로지르면서 충돌하여 발생하는 파열음에 의한 소음을 최소화할 수 있고, 와류와의 마찰을 최소화하여 마찰 에너지를 줄여 블레이드의 회전속도의 감소를 방지할 수 있다.

또한, 로터 헤드의 단부 구조에 의해, 풍향의 변화에 대해 너셀이 민감하고 신속하게 반응하도록 하기 때문에 블레이드가 항상 바람에 수직으로 대향할 수 있어 같은 크기의 바람의 세기에 대해 블레이드의 회전 성능이 향상된다.

더욱이, 너셀 내부에서 발생하는 기계 소음을 한번 더 흡수함으로써 기계 소음을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 풍력 발전장치의 분해 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 풍력 발전장치의 측면도이다.
도 4는 너셀과 소음 저감유닛의 결합을 나타낸다.
도 5는 본 발명에서 소음이 저감되는 원리를 설명한다.
도 6은 풍향 변화에 대한 신속한 적응의 원리를 설명한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풍력 발전장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 풍력 발전장치의 분해 사시도이며, 도 3은 일 실시 예에 따른 풍력 발전장치의 측면도이다.

본 발명에 따른 풍력 발전장치(100)는 로터(40), 로터(40)와 결합하는 너셀(nacelle)(10), 너셀(10)을 지면으로부터 지지하는 타워(60), 및 너셀(10)의 하부에 결합하여 타워(60)를 둘러싸는 소음 저감유닛(50)으로 구성된다.

너셀 (10)

너셀(10)은 분리가능하게 결합하는 하우징과, 하우징 내부에 수납되는 기계요소로 이루어진다. 기계요소로는, 잘 알려진 것처럼, 로터(40)에 축 결합한 주축과, 주축의 회전에 의해 구동되는 발전기가 있으며, 그외 이들을 지지하는 기계부품들로 이루어진다.

너셀(10)은 요(YAW) 시스템에 의해 수평으로 좌우 회전하여 바람이 불어오는 방향(풍향)을 향하여 위치를 잡을 수 있는데, 다운 윈드 방식으로 너셀(10)의 후단에 블레이드(20)를 설치함으로써 풍향에 대한 적응성을 향상시킨다.

로터 (40)

로터(40)는 블레이드(20)와 블레이드(20)를 일단에서 고정하는 허브(30)로 이루어지며, 허브(30)는 로터 헤드(32)에 의해 덮인다.

허브(30)가 너셀(10)에 수납된 주축(미도시)과 결합하여 블레이드(20)가 회전함에 따라 주축도 회전하게 된다.

본 발명의 풍력 발전장치는, 로터(40)가 바람의 흐름을 기준으로 너셀(10)의 후단에 결합하는 다운 윈드(DOWN WIND) 방식을 구비한다.

도 2와 3을 참조하면, 허브(30)를 덮는 로터 헤드(32)에는 단부에서 내측으로 일정한 깊이의 홈(32a)이 형성되고 홈(32a)의 바닥 중앙에는 콘(cone, 32b)이 돌출된다. 이러한 구조에 의하면, 너셀(10)의 표면을 따라 흐르는 바람이 로터 헤드(32)의 표면과 홈(32a)의 내부 벽면, 바닥면, 및 콘(32b)의 표면을 따라 흐름으로써 방향타의 기능을 수행하여 너셀(10)이 풍향의 변화에 대해 민감하고 신속하게 반응하도록 한다. 이에 대한 상세한 것은 후술한다.

타워(60)

타워(60)는 너셀(10)을 지면으로부터 지지하는 역할을 하며, 가령 소형의 경우 파이프로 제작할 수 있고, 대형의 경우 콘크리트 철골로 제작할 수 있다.

소음 저감유닛 (50)

소음 저감유닛(50)은 너셀(10)의 하부에 결합하여 타워(60)를 둘러싸도록 설치된다.

본 발명자의 연구에 의하면, 블레이드가 고속의 바람을 가르면서 빠른 속도로 회전하기 때문에 아주 강한 파열음이 유발되는데, 특히 블레이드 회전시 타워와 중첩하는 부분에서 가장 큰 파열음이 발생하고 이 부분이 블레이드의 가장 위치이기 때문에 사용자 입장에서는 더 큰 소음을 느끼게 된다는 것을 알게 되었다.

도 4는 너셀과 소음 저감유닛의 결합을 나타낸다.

이 실시 예에서, 소음 저감유닛(50)은 바람의 흐름을 기준으로 유선형의 수평 단면형상을 갖는다. 즉, 너셀(10)의 머리 부분에 대응하는 부분이 큰 반원형을 이루고 꼬리 부분으로 갈수록 점차 폭이 좁아지는 형상으로 구성되어 비행기의 날개와 유사한 단면 형상을 갖는다.

블레이드(20)와 타워(60)가 겹치는 부분 전체에서 소음이 발생하므로 소음 저감유닛(50)의 길이는 대략 블레이드(20)의 길이에 대응하는 길이로 형성될 수 있다.

바람직하게, 소음 저감유닛(50)의 내부는 비어 있고, 소음 저감유닛(50)의 상단 가장자리에 형성된 플랜지(52)와 너셀(10)의 하부에 형성된 플랜지(12)가 플랜지 결합하여 너셀(10)의 내부와 소음 저감유닛(50)의 내부가 서로 연통될 수 있다.

이하, 상기와 같은 구조를 갖는 풍력 발전장치(100)의 작동에 대해 도 1 내지 6을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명에서 소음이 저감되는 원리를 설명하고, 도 6은 풍향 변화에 대한 신속한 적응의 원리를 설명한다.

도 1에 표시한 화살표와 같이 바람이 불면 블레이드(20)가 회전하고, 이에 따라 블레이드(20)를 고정시키는 허브(30)와 허브(30)에 축 결합한 주축이 회전하며, 이후 발전기에 순차 회전력이 전달되어 전력을 생성하게 된다. 이는 일반적으로 잘 알려진 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기한 것처럼, 블레이드(20)가 고속으로 회전하면 바람과의 마찰로 파열음이 발생한다. 도 5(a)를 참조하면, 종래의 경우 타워(60')가 대부분 수평 단면이 원형이어서 화살표로 나타낸 바람의 방향을 기준으로 타워(60')의 후단에 와류(Eddy current) E가 발생한다. 이 와류는 넓은 범위에 걸쳐 형성되기 때문에 블레이드(20)가 와류를 가로지르면서 충돌하여 충돌하여 큰 파열음이 발생하게 된다.

반면, 도 5(b)를 참조하면, 본 발명의 소음 저감유닛(50)은 수평 단면이 비행기 날개와 같은 유선형으로 형성되어 있어 소음 저감유닛(50)의 후단에서 좁은 폭을 유지하면서 바람이 흘러나가기 때문에 와류가 발생하지 않으며 블레이드(20)는 아주 좁은 범위에서 바람과 충돌하기 때문에 파열음이 최소화된다.

그 결과, 블레이드(20)가 하부 수직위치에 왔을 때 사용자가 파열음을 가장 확실하게 인지하여 이 파열음은 사용자에게 소음으로 작용하는데, 본 발명의 경우 이 위치에 설치된 소음 저감유닛(50)에 의해 파열음을 최소화함으로써 사용자가 인지하는 소음이 최소화된다. 이와 함께, 와류를 제거하여 블레이드(20)가 바람과 마찰하는 것을 최소화할 수 있어, 그 결과 마찰 에너지가 감소하기 때문에 블레이드의 회전속도가 감소하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 소음 저감유닛(50)의 내부가 비어 있고 너셀(10)과 결합으로 각각의 내부가 서로 연통됨으로써 너셀(10) 내부의 기계요소로부터 발생하는 기계 소음은 소음 저감유닛(50)을 통하여 배출된다. 결과적으로, 너셀(10) 내부의 기계요소로부터 발생하는 기계 소음은 소음 저감유닛(50)의 내부를 통과함으로써 한번 더 흡수되어 기계 소음을 줄일 수 있다.

한편, 상기한 것처럼, 본 발명의 풍력 발전장치는 로터(40)가 바람의 흐름을 기준으로 너셀(10)의 후단에 결합하는 다운 윈드(DOWN WIND) 방식을 구비하며, 너셀(10) 후단에 결합하는 로터 헤드(32)의 단부는 특수한 형상을 갖는다.

도 6을 참조하면, 너셀(10)의 표면을 따라 흐르는 바람은 로터 헤드(32)의 표면으로부터 홈(32a)의 내부 벽면을 타고 흐른 후, 홈(32a)의 바닥으로부터 콘(32b)의 표면을 따라 흘러나간다.

따라서, 로터 헤드(32) 자체가 방향타의 기능을 수행하여 너셀(10)이 풍향의 변화에 대해 민감하고 신속하게 반응하도록 한다. 그 결과, 풍향의 변화에 대해 너셀(10)과 이에 결합한 블레이드(20)가 신속하게 반응하기 때문에 블레이드(20)가 항상 바람에 수직으로 대향함으로써 같은 크기의 바람의 세기에 대해 회전 효율이 향상된다.

이러한 특성은 우리나라와 같이 풍향의 변화가 많은 돌출 바람이 주로 발생하는 환경에 적절하게 적용될 수 있는 이점이 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경을 가할 수 있음은 물론이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 실시 예에 한정되어 해석될 수 없으며, 이하에 기재되는 특허청구범위에 의해 해석되어야 한다.

10: 너셀(nacelle)
12, 52: 플랜지(flange)
20: 블레이드(blade)
30: 허브(hub)
32: 로터 헤드(rotor head)
32a: 홈
32b: 콘(cone)
40: 로터(rotor)
50: 소음 저감유닛
60: 타워(tower)

Claims (4)

1. 블레이드와 상기 블레이드를 고정하는 허브로 이루어진 로터, 상기 로터와 결합하고 내부에 발전기를 포함하는 기계 요소가 수납된 너셀, 및 상기 너셀을 지면으로부터 지지하는 타워로 구성되는 풍력 발전장치에 있어서,
   상기 풍력 발전장치는 바람의 흐름을 기준으로 상기 로터가 상기 너셀의 후단에 결합한 다운 윈드(DOWN WIND) 방식이고,
   상기 타워를 둘러싸도록 설치되고, 일단이 상기 너셀의 하부에 부착되어 상기 너셀과의 사이에 간극이 형성되지 않도록 하고 타단이 상기 타워를 따라 연장하여 상기 블레이드와 같은 길이로 형성되는 소음 저감유닛을 더 포함하며,
   상기 소음 저감유닛은 상기 바람의 흐름을 기준으로 유선형의 수평 단면형상을 구비하여 상기 블레이드의 회전에 의한 파열음을 최소화하는 것을 특징으로 하는 소음이 저감된 풍력 발전장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 소음 저감유닛의 내부는 비어 있고, 상기 너셀의 내부와 연통하는 것을 특징으로 하는 소음이 저감된 풍력 발전장치.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 허브를 덮는 로터 헤드를 더 포함하며,
   상기 로터 헤드의 단부에서 내측으로 일정한 깊이의 홈이 형성되고 상기 홈의 바닥 중앙에는 콘(cone)이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 소음이 저감된 풍력 발전장치.
   

Images