KR101410871B1 - 풍력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 블레이드의 일측 테두리에 유입공이 형성되고 중간 부위가 타측으로 휘어지는 후퇴익 구조로 구성함으로써, 블레이드의 초기 기동 및 고속 회전에 유리하도록 블레이드의 구조를 개선한 것이다.
본 발명에 따른 풍력발전장치는, 지주(100)의 상부에 회전 가능하게 결합되는 회전체(200)와; 상기 회전체(200)의 외측에 돌출형성되어 블레이드(400)를 지지하는 복수의 지지바(300); 및 상기 지지바(300)의 단부에 기립된 형태로 연결되는 후면(440)과, 상기 후면(440)에서 밀폐되도록 전방으로 이격되고 후면(440)보다 짧게 형성되는 전면(410) 및 상기 후면(440)과 전면(410)의 테두리부 사이로 바람이 진입되도록 긴 장공 형태로 형성된 유입공(405)을 구비하며, 유선형의 구조로 형성된 복수의 블레이드(400);를 포함하여 이루어지고, 상기 블레이드(400)는 중간부위가 수직선에 대해 유입공(405) 방향을 향해 포물선 형상으로 휘어지도록 형성되고, 상,하 단부는 중간부위에 대해 수직선을 기준으로 유입공(405) 방향을 향해 10~30˚의 기울기 각도(θ)를 갖도록 형성되며, 상기 블레이드(400)의 유입공(405)의 내부측에는 수직선에 대한 블레이드(400)의 기울기 각도(θ)와 동일하거나 더 큰 기울기 각도를 갖는 보강플레이트(450)가 블레이드(400)의 길이방향으로 형성되고, 상기 블레이드(400)의 상,하측에는 유입공(405)을 통해 진입되는 바람을 중간부위측으로 가이드 하는 경사면(510)을 갖는 가이드블록(500)이 구비된 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전장치{WIND POWER GENERATION}

본 발명은 풍력발전장치에 관한 것으로, 특히 각 블레이드의 일측 테두리에 유입공이 형성되고 중간 부위가 타측으로 휘어지는 후퇴익 구조로 구성함으로써, 양력과 항력을 사용하는 하이브리드 고속형 블레이드를 구비하여 풍력에 대한 초기 기동 응답성을 향상시킬 수 있으며 고속 회전에 유리하도록 그 구조가 개선된 풍력발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 블레이드를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고, 이 기계적 에너지가 전기에너지로 변환되어 최종적으로 전기를 얻는 기술이다.

또한, 풍력발전은 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다.

이와 같은 풍력발전기는 일반적으로 소정 높이를 갖는 타워 상부에 회전 가능한 회전체를 구비하고, 회전체에 풍력에 의해 회전되는 적어도 2엽 이상의 블레이드를 등 간격으로 구비하며, 상기 블레이드의 회전력이 전기에너지를 얻기 위한 회전속도를 갖추게 하는 증속기를 포함하고, 상기 증속기를 통한 회전력을 전기에너지로 전환시키는 발전기로 구성된다.

기존 풍력발전기용 블레이드의 일 예로는 한국 특허 등록번호 제 10-1035325호 "풍력발전기용 블레이드"(등록일자 : 2011.05.11)에 기재된 바와 같이, 타워와, 타워의 상단부에 설치된 발전부와, 발전부의 일측에 축설된 회전축과, 상기 회전축에 설치된 블레이드를 포함하되, 상기 블레이드는 블레이드의 길이방향에 따른 양단부가 폐쇄되고 블레이드 전체 길이의 중심점으로부터 양측을 향하여 일정한 길이를 갖고 "C"형상의 만곡부가 형성되며 만곡부중 어느 하나의 "C"형상의 만곡부는 중심점으로부터 상측으로 편향되도록 위치하고 나머지 어느 하나의 "C"형상의 만곡부는 하측으로 편향되도록 위치된 것이다.

또한, 기존 풍력발전기용 블레이드의 다른 예로는, 한국 공개특허공보 제 10-2011-0066819호 "풍력발전용 블레이드"(공개일자 : 2011.06.17)에 기재된 바와 같이, 회전축 상에 수평면에 평행한 상부지지판에 전면의 단면적이 후면의 단면적보다 크고 전면에 비해 후면쪽으로 갈수록 지면쪽으로 낮게 기울어지도록 경사지게 구성되는 복수개의 블레이드를 가지며, 상기 블레이드의 단면은 항공익의 형상을 가지며 전면에서 후면으로 갈수록 완만한 비틀림각을 갖도록 트위스트 되게 구성된 것이다.

그런데, 상기와 같은 종래의 풍력발전기용 블레이드는 다양하게 제안된바 있으나, 이들 블레이드의 구조는 블레이드에 접촉되는 풍속만을 그대로 이용할 수 있도록 한 것에 한정되므로, 풍속의 접촉면적을 넓힐 경우 부피가 커지게 되면서 하중이 증가하게 되고 제조 원가의 상승 요인이 되는 문제점이 있다.

또한, 기존 풍력발전기용 블레이드는 상기한 블레이드의 부피가 커질 경우 초기 기동이 어렵고 고속 회전에 적합하지 못한 단점이 있다.

한국 특허 등록번호 제 10-1035325호 "풍력발전기용 블레이드"(등록일자 : 2011.05.11) 한국 공개특허공보 제 10-2011-0066819호 "풍력발전용 블레이드"(공개일자 : 2011.06.17)

본 발명은 상기한 제반문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 그 목적은 항공기의 후퇴익 구조로 구성되고 초기 블레이드의 기동이 유리하도록 블레이드 구조를 개선함으로써, 부피를 확대시키지 않고도 풍력에너지의 전달 효율을 향상시킬 수 있도록 그 구조가 개선된 풍력발전장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지주의 단부에 회전 가능하게 결합되는 회전체와,

상기 회전체의 외측에 돌출되도록 복수개로 마련되는 지지바와,

상기 지지바의 단부에 각각 배치되고 일측 테두리에 길이가 긴 장공형태의 유입공이 천공 형성되며 풍력이 전달되는 일방향에 대해 항공기 날개의 후퇴익 형상을 갖는 복수의 블레이드들을 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드들은 지지바의 단부에 대해 기립된 형태로 배치되고, 중간부위가 수직선에 대해 포물선 기울기를 갖도록 휘어지도록 형성되며, 상,하 단부가 서로 동일한 방향을 향하도록 형성된 것이다.

상기 블레이드들은 상,하 단부가 중간부위에 대해 수직선을 기준으로 10~30˚의 기울기 각도로 형성된다.

상기 블레이드들은 내부에 길이방향으로 배치된 보강플레이트를 더 구비한다.

상기 블레이드의 상,하 양측단들 중 적어도 하나에 보강플레이트가 내부로 삽입되도록 형성되는 진입공과, 상기 진입공 테두리에 착탈 가능하게 결합되는 밀봉마개를 구비한다.

상기 보강플레이트는 수직선에 대한 상기 블레이드의 기울기 각도와 동일하거나 더 큰 기울기를 갖도록 형성된 것이다.

상기 블레이드들은 유입공의 상,하측에 탈부착 가능하게 결합되어 풍력을 중앙측으로 가이드하도록 경사면을 갖는 가이드블록을 더 구비한다.

본 발명은 블레이드(400)가 항공기 날개의 후퇴익 구조로 되어 있고, 유입공(405)이 블레이드(400)의 일측면 테두리 부위에 형성되어 있으므로, 초기 블레이드(400) 기동시 항력을 높일 수 있으며 고속회전에 유리한 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 풍력을 발생시키는 바람이 블레이드(400)의 유입공(405)을 통해 블레이드(400) 내부로 유입되는 과정에서 블레이드(400)의 상,하단부에서 중간 부위측으로 경사진 각도로 유도되면서, 수직선에 대해 직교하는 방향에서 블레이드(400) 측으로 부딪히는 풍력이 더해지게 됨에 따라 블레이드(400)의 초기 기동이 용이하게 이루어짐과 아울러, 블레이드(400) 및 회전체(200)를 회전시키는 힘으로 작용하게 되어 고속 회전에 유리한 구조를 갖는다.

이로 인해 본 발명은 블레이드(400)의 날개 형태로 인해 공기의 유동에 따른 초기 기동, 고속주행에 유리하며, 보강플레이트(450)를 이용한 내구성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제1실시예를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명 블레이드의 기울기 각도를 나타낸 정면도.
도 3은 도 2의 A-A선 단면도.
도 4는 본 발명 블레이드의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제2실시예를 나타낸 사시도.
도 6은 도 5의 결합상태단면도.
도 7은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제3실시예를 나타낸 사시도.

본 발명은 각 블레이드의 일측 테두리에 유입공이 형성되고 중간 부위가 타측으로 휘어지는 후퇴익 구조로 구성함으로써, 양력과 항력을 사용하는 하이브리드 고속형 블레이드를 구비하여 블레이드의 초기 기동 및 고속 회전에 유리하도록 블레이드의 구조를 개선한 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 풍력발전장치의 제1실시예는, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 지면에 기립되도록 설치되는 지주(100)와, 지주(100)의 상부에 회전 가능하게 결합되는 회전체(200)와, 회전체(200)의 외측에 돌출되도록 복수개로 마련되는 지지바(300)와, 지지바(300)의 단부에 각각 배치되고 일측 테두리에 길이가 긴 장공형태의 유입공(405)이 천공 형성되며 풍력이 전달되는 일방향에 대해 항공기 날개의 후퇴익 형상을 갖는 복수의 블레이드(400)들로 구성된다.

더 상세히 설명하면, 지주(100)는 기둥 형태로 지면에 기립되도록 설치되고, 회전체(200)가 지주(100)의 상부에 회전 가능하게 결합되는 구조를 갖는다.

회전체(200)는 회전 구동력을 전기적 에너지로 변환하는 발전설비(미도시됨)에 전달하는 기능을 갖는다.

지지바(300)는 회전체(200)의 외측으로 서로 동일한 간격으로 배치되도록 돌출되며, 블레이드(400)들의 개수에 따라 상호간의 배치 각도가 달라지게 되므로 풍속의 전달 효율 및 하중을 고려하여 2~4개 정도가 바람직하다.

또한, 지지바(300)의 각 단부에는 각각의 블레이드(400)들이 기립되도록 연결된다.

각각의 블레이드(400)들은 후퇴익 형상을 갖도록 중간부위가 수직선을 기준으로 유입공(405)의 반대방향으로 휘어지도록 형성되는 구조를 갖는다.

즉, 각각의 블레이드(400)들은 상,하 단부가 중간 부위에 대해 바람이 유입공(405)측으로 유입되는 일방향으로 휘어지도록 중간을 기준으로 서로 대칭되게 형성되며, 수직선에 대해 포물선 기울기를 갖는다.

상기한 블레이드(400)들은 전면(410)과 후면(440)이 양력을 고려하여 유선형 구조로 형성되고, 상,하측 단부가 밀폐되도록 상,하측 캡부재(420,430)가 마련되어 있다.

상,하측 캡부재(420,430)는 블레이드(400)의 전면(410)과 후면(440) 단부에 일체로 성형되거나, 도면에는 미도시되어 있지만 볼트나 스크류 등의 공지의 결합수단으로 착탈 가능하도록 결합될 수도 있다.

본 발명의 블레이드(400)들은 상,하 단부가 중간 부위를 기준으로 동일한 방향으로 휘어지는 기울기를 갖도록 형성되어 있으나, 도면에 미도시되어 있지만 유입공(405)이 일측이 아닌 타측에 형성되고 상,하 단부가 반대방향으로 휘어지도록 형성될 수도 있다.

이때, 블레이드(400)들은 도 2에 도시된 바와 같이, 상,하 단부가 중간부위에 대해 수직선을 기준으로 10~30˚의 기울기 각도(θ)로 형성되는 것이 바람직하다. 10˚기울기 각도보다 낮은 각도일 경우에는 바람의 풍력에너지를 중간 부위측으로 집중시키는 효율이 저하되고, 30˚기울기 각도를 초과할 경우에는 길이에 비해 블레이드(400)의 무게 하중이 과도하게 증가하게 되고 원가 상승 및 초기 회전이 어려운 단점이 있으므로 10~30˚의 각도 범위내로 유지하는 것이 바람직하다.

그리고 각각의 블레이드(400)들은 전면(410)의 테두리 부위에 형성된 유입공(405)이 전면(410)의 단면적 넓이에 대해 10~40%의 면적 크기를 갖도록 형성된 것이 바람직하다.

이는, 유입공(405)의 단면적이 전면(410)의 단면적에 비해 40%를 초과할 경우에는 풍속의 집중도가 저하되어 풍력을 후퇴익 형상의 중간부위측으로 유도하기 어렵고, 유입공(405)의 단면적이 전면(410)의 단면적에 비해 10% 미만일 경우에는 길이에 비해 블레이드(400)의 무게 하중이 과도하게 증가하게 되어 초기 회전이 어려운 단점이 있으므로, 유입공(405)의 단면적을 블레이드(400)의 전면(410) 단면적에 대해 10~40%의 비율을 갖도록 천공하는 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 블레이드(400)는 내부에 내구성을 충족시키고, 유입공(405)를 통해 유입되는 바람을 중간 부위로 집중시킬 수 있도록 길이방향으로 보강플레이트(450)가 배치된다.

상기한 보강플레이트(450)는 블레이드(400)의 기울기와 동일한 각도로 휘어지도록 형성되거나, 양측 단부의 휘어진 기울기 각도가 수직선에 대한 블레이드(400)의 기울기 각도보다 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 보강플레이트(450)의 양측 단부와 중간부위의 휘어짐 각도가 블레이드(400)의 기울기 각도보다 클 경우에는, 블레이드(400)의 기울기 각도를 줄이더라도 풍력을 중간 부위로 집중시키는 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

즉, 보강플레이트(450)는 기울기 각도를 블레이드(400)의 휨 각도보다 더 큰 각도로 형성할 경우, 유입공(405)을 통해 블레이드(400)의 내부로 유입되는 풍력을 중간부위 쪽으로 집중시키는 집중 효율이 향상되는 특성을 갖는다.

이러한 본 발명의 블레이드(400) 구조는 항공기 날개의 후퇴익 구조로 되어 있으며, 유입공(405)이 블레이드(400)의 일측면 테두리 부위에 형성되어 있으므로, 초기 블레이드(400) 기동시 항력을 높일 수 있으며 고속회전에 유리한 이점을 갖는다.

또한, 본 발명은 풍력이 블레이드(400)의 유입공(405)을 통해 블레이드(400) 내부로 유입되는 과정에서 블레이드(400)의 상,하단부에서 중간 부위측으로 경사진 각도로 유도되면서, 수직선에 대해 직교하는 방향에서 진행되어 블레이드(400) 측으로 부딪히는 풍력이 더해지게 됨에 따라 블레이드(400)의 초기 기동이 용이하게 이루어짐과 아울러, 블레이드(400) 및 회전체(200)를 회전시키는 힘으로 작용하게 되어 고속 회전에 유리한 구조를 갖는다.

이로 인해 본 발명은 블레이드(400)의 날개 형태로 인해 공기의 유동에 따른 초기 기동, 고속주행에 유리하며, 보강플레이트(450)를 이용한 내구성을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 제2실시예를 보인 도면으로서, 그 구성은 앞서 설명한 선 실시예의 구성요소를 가지되, 블레이드(400)의 상,하측 캡부재(420,430)에 착탈 가능하게 결합되어 유입공(405)을 통해 유입되는 풍력을 중간부위측으로 가이드하는 가이드블록(500)이 더 구비된 것이다.

가이드블록(500)은 유입공(405)을 통해 유입되는 풍력을 중간부위측으로 가이드하도록 경사면(510)이 형성된 구조를 갖는다.

또한, 가이드블록(500)과 상,하측 캡부재(420,430)는 상호간의 결합을 위한 결합수단이 구비된다. 결합수단은 상,하측 캡부재(420,430)에 연결공(425)이 형성되고, 연결공(425)을 관통하는 고정볼트(610)가 체결되도록 가이드블록(500)에 형성되는 결합공(505)으로 구성된다.

따라서, 본 발명의 제2실시예는 경사면(510)의 각도에 따라 풍력을 중간 부위 쪽으로 집중시키는 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.

도 7은 본 발명의 제3실시예를 나타낸 도면으로서, 그 구성은 보강플레이트(450)가 블레이드(400)의 내부에 복수개로 배치된 앞의 선 실시예와는 달리, 설치 환경에 따라 보강플레이트(450)의 개수를 조절 가능하도록 보강플레이트(450)를 착탈 가능하게 블레이드(400) 내부에 결합시키는 착탈수단을 더 구비한 것이다.

착탈수단은 블레이드(400)의 상,하 양측단들 중 적어도 하나에 보강플레이트(450)가 내부로 삽입되도록 형성되는 진입공(422)과, 상기 진입공(422) 테두리에 착탈 가능하게 결합되는 밀봉마개(550)로 구성된다.

이로 인해, 본 발명의 블레이드(400)의 설치 환경이나 풍속 등의 조건을 고려하여 내부에 배치되는 보강플레이트(450)의 개수를 조절하여 블레이드(400)의 전체 하중을 조절할 수 있는 이점을 갖는다.

상기한 바와 같이 설명한 본 발명의 실시예들은 후퇴익 구조를 갖는 블레이드(400)의 구조적 특성을 이용하여 풍력 에너지를 블레이드(400)의 회전력으로 변환시키는 풍력 전달 효율을 향상시킬 수 있으며, 블레이드(400)의 초기 기동 및 고속회전에 유리한 이점을 갖는다.

100 : 지주 200 : 회전체
300 : 지지바 400 : 블레이드
405 : 유입공 410 : (블레이드의)전면
420,430 : 상,하측 캡부재 422 : 진입공
425 : 연결공 440 : (블레이드의)후면
450 : 보강플레이트 500 : 가이드블록
505 : 결합공 510 : 경사면
550 : 밀봉마개 610 : 고정볼트

Claims (7)

1. 지주(100)의 상부에 회전 가능하게 결합되는 회전체(200)와;
   상기 회전체(200)의 외측에 돌출형성되어 블레이드(400)를 지지하는 복수의 지지바(300); 및
   상기 지지바(300)의 단부에 기립된 형태로 연결되는 후면(440)과, 상기 후면(440)에서 밀폐되도록 전방으로 이격되고 후면(440)보다 짧게 형성되는 전면(410) 및 상기 후면(440)과 전면(410)의 테두리부 사이로 바람이 진입되도록 긴 장공 형태로 형성된 유입공(405)을 구비하며, 유선형의 구조로 형성된 복수의 블레이드(400);를 포함하여 이루어지고,
   상기 블레이드(400)는 중간부위가 수직선에 대해 유입공(405) 방향을 향해 포물선 형상으로 휘어지도록 형성되고, 상,하 단부는 중간부위에 대해 수직선을 기준으로 유입공(405) 방향을 향해 10~30˚의 기울기 각도(θ)를 갖도록 형성되며,
   상기 블레이드(400)의 유입공(405)의 내부측에는 수직선에 대한 블레이드(400)의 기울기 각도(θ)와 동일하거나 더 큰 기울기 각도를 갖는 보강플레이트(450)가 블레이드(400)의 길이방향으로 형성되고,
   상기 블레이드(400)의 상,하측에는 유입공(405)을 통해 진입되는 바람을 중간부위측으로 가이드 하는 경사면(510)을 갖는 가이드블록(500)이 구비된 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 유입공(405)의 면적은 블레이드 전면(410) 단면적의 10~40%로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 가이드블록(500)은 블레이드(400)의 상,하 양측단에 구비된 캡부재(420,430)와 결합수단을 통해 유입공(405)의 상하측에 탈착가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 결합수단은 캡부재(420,430)에 형성되는 연결공(425)과, 상기 연결공(425)을 관통하는 고정볼트(610)가 체결되도록 가이드블록(500)에 형성된 결합공(505)인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 블레이드(400)의 상,하 양측단에 구비된 캡부재(420,430)는 보강플레이트(450)가 내부로 삽입되도록 형성되는 진입공(422)과, 상기 진입공(422) 테두리에 착탈 가능하게 결합되는 밀봉마개(550)를 구비한 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
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