KR101760540B1 - 풍력 발전용 블레이드의 낙뢰 방지 구조 - Google Patents

풍력 발전용 블레이드의 낙뢰 방지 구조 Download PDF

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Abstract

낙뢰 수용기를 가지는 풍력 발전용 블레이드에 있어서, 본 발명의 목적은 가능한한 블레이드와 낙뢰 수용기 사이의 경계에 대한 낙뢰 타격을 방지하는 데 있다.
풍력 발전용 블레이드(3)는 블레이드(3)의 표면의 일부를 형성하도록 구성되는 낙뢰 수용기(31), 및 낙뢰 수용기의 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출된 낙뢰 수용 돌출부(4)를 포함한다. 낙뢰 수용 돌출부(4)는 블레이드(30)와 낙뢰 수용기(31) 사이의 표면 경계(32)에 제공된다. 낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 표면 경계(32a)는 원(5)의 반경 내에 위치하며, 원은 낙뢰 수용 돌출부(3)의 팁에 중심을 두고 낙뢰 수용 돌출부(4)의 길이의 두 배가 되는 반경을 가진다. 낙뢰 수용기의 표면에 대한 전계 집중이 가장 큰 포인트가 경계로부터 낙뢰 수용 돌출부의 팁으로 이동되어, 낙뢰가 있을 때 낙뢰가 경계에 떨어지는 것과 연관된 블레이드 손상 가능성이 상당히 감소된다.

Description

풍력 발전용 블레이드의 낙뢰 방지 구조{LIGHTNING PROTECTION STRUCTURE OF BLADE FOR WIND POWER GENERATION}
본 발명은 풍력 발전을 위한 블레이드의 낙뢰 방지 구조물에 관한 것으로, 풍력 발전에 사용되는 블레이드가 낙뢰에 의해 손상되는 것을 방지하기 위한 것이다.
현재 사용되는 풍력 발전용 블레이드는 주로 유리 섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics, GFRP)로 만들어지고, 블레이드 자체는 절연체이며 전기 전도성을 가지지 않는다. 따라서, 소규모 풍력 발전기의 시대에서, 블레이드는 낙뢰에 의한 피해를 받지 않는 것으로 생각되었다. 그러나, 풍력 발전기의 규모가 커짐에 따라, 낙뢰에 의한 블레이드 손상이 증가되었다. 따라서, 금속으로 만들어진 부재(낙뢰 수용기)를 블레이드에 부착하고 리드 선(인하 도선)을 금속 부재에 연결하고 접지가 일반적이었다. 다양한 형태 혹은 타입의 낙뢰 수용기가 제안되고 실용화되었다.
예를 들면, 특허 문서 1에서 풍력 발전의 낙뢰 방지 시스템을 개시하고 있는데, 블레이드 상에 제공되는 도체 링, 풍력 발전기를 구비한 로터 케이스에 제공되는 산화 아연 타입 낙뢰 요소 또는 비선형 저항 몸체를 포함하고, 비선형 몸체 혹은 산화 아연 타입 낙뢰 요소는 도체 링과 대면한다.
특허 문서 2에서 전기적으로 절연되는 풍력 발전용 터빈 블레이드뿐만 아니라, 상기 장치 위에 초기에 스트리머를 개시하는 타입의 낙뢰 도체를 설치하여 낙뢰 방지 효과를 개선할 수 있는 낙뢰 방지 구조물이 개시된다.
또한, 특허 문서 3에서, GFRP로 만들어지는 블레이드를 예방하기 위해, 피뢰 설비가 개시되어, 풍력 발전 터빈이 낙뢰로부터 블레이드를 제거할 수 있으며, 하나 혹은 복수의 전극판이 블레이드의 팁(tip)과 루트(root)사이에 부착되어 낙뢰 전류가 전극판에서 전극판으로 흐르거나 혹은 전극판에서 블레이드 표면 위에 직접 연면 방전되게 한다. 허브에 수집된 낙뢰 전류는 나셀(nacelle)과 타워를 통과하여 허브로부터 접지되고 따라서 블레이드의 소실이 완벽하게 예방된다.
특허 문서 4에서, 풍력 터빈 발전기에 대한 피뢰기가 개시되어, 멀리 떨어진 위치에서 블레이드의 하단에 대항하는 금속 부재가 풍력 터빈 타워에 부착되고, 금속 부재는 금속 부재 주위를 크게 회전하는 블레이드의 팁의 근처에 위치하여, 블레이드에 대한 충전은 블레이드의 모든 회전에 대해 접촉하는 금속 부재쪽으로 방전되어 낙뢰가 블레이드에 타격을 가하는 것을 방지할 수 있다.
특허 문서 5에서 천둥벼락에 견디는 보호 장치가 개시되어 있으며, 내열성의 전도 물질의 돌출된 낙뢰 막대에 대한 장착 베이스가 발전기를 구동하는 풍력 터빈의 블레이드 팁에 끼워져 팁을 덮고, 돌출된 낙뢰 막대는 벼락에 의해 생성되는 빛/열 에너지를 흡수하고 열에 의해 녹으며 돌출된 낙뢰 막대에 대한 장착 베이스에 분리가능하게 장착된다. 돌출된 낙뢰 막대는 돌출된 낙뢰 막대에 대한 장착 베이스의 외부 표면으로부터 포물선 형태로 계획되며, 돌출된 낙뢰 막대에 대한 장착 베이스와 블레이드의 중심 부분에서 전도성 허브가 블레이드에 배열된 낙뢰 방지 전도체에 의해 전기적으로 연결되고, 열에 의해 녹는 방전 벌브체가 허브의 발전기 측에서 끝면에 분리가능하게 장착되며, 방전 갭을 통해 방전 벌브체와 만나는 전도성 방전 링이 나셀의 풍력 터빈 측에서 끝에 끼워져, 방전 링은 낙뢰 방지 리드 선을 통해 접지된다.
특허 문헌 1 : JP-A-2000-265938 특허 문헌 2 : JP-A-2001-123934 특허 문헌 3 : JP-A-2002-227757 특허 문헌 4 ; JP-A-2003-282295 특허 문헌 5 : JP-A-2005-302399
특허 문헌 1과 4에 개시된 구성은 그러나, 블레이드가 커질 경우, 블레이드 팁과 비선형 저항체 혹은 낙뢰 전도체 간의 거리가 연장되어, 블레이드 팁을 낙뢰에 의한 타격으로부터 충분히 보호하는 것이 불가능하다.
게다가, 특허 문서 2, 3 및 5에서 개시된 관련 기술에 따르는 금속 칩 팁의 벼락 침범 방지 장치에서, 금속 부분과 FRP 부분 사이에 경계 부분이 있고, 낙뢰를 입는 경우 온도가 급격히 상승하여, 일부 경우 블레이드가 손상된다. 게다가, 전계는 경계부분에 집중되는 경향이 있어서, 낙뢰를 입는 빈도가 낮다고 말하기 어렵다. 게다가 풍력 터빈 블레이드의 유지 보수를 위한 힘든 작업이 필요하므로, 정기적 유지 보수가 더 이상 필요하지 않는 설비가 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안되었으며 본 발명의 목적은 돌출부가 낙뢰 수용기와 블레이드 몸체간의 경계 근처에 제공되어 경계부분이 낙뢰에 의한 타격을 입지 않도록 하는 낙뢰 방지 구조를 제공하는 데 있다.
즉, 본 발명의 제 1 양태에 따르면, 본 발명을 따르는 풍력 발전용 블레이드의 낙뢰 방지 구조가 제공되어, 풍력 발전 블레이드의 표면의 일부를 형성하도로 구성되는 낙뢰 수용기; 및 낙뢰 수용기의 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출하도록 구성되는 낙뢰 수용 돌출부를 포함하고, 낙뢰 수용 돌출부는 블레이드 몸체와 낙뢰 수용기 간의 표면 경계에 제공되며, 낙뢰로부터 보호되도록 구성되는 표면 경계는, 낙뢰 수용 돌출부의 팁 위에 중심이 놓이고 낙뢰 수용 돌출부의 길이의 두 배가 되는 반경을 가지는 원의 반경 내에 위치한다.
본 발명에 따르면, 전계는 낙뢰 수용기와 블레이드 몸체간의 표면 경계보다 낙뢰 수용 돌출부에 강력하게 집중된다. 낙뢰는 표면 경계에 앞서 낙뢰 수용 돌출부에 의해 수용된다. 따라서 낙뢰가 표면 경계를 손상시키는 것을 방지할 수 있으며, 따라서 블레이드의 손상을 방지할 수 있다.
게다가 낙뢰로부터 보호되도록 구성되는 표면 경계는 낙뢰 수용 돌출부의 팁에 중심을 두고 낙뢰 수용 돌출부 길이의 두 배가 되는 반경을 가진 원의 반경 내에 위치하므로, 낙뢰 수용 돌출부는 낙뢰가 표면 경계에 직접적인 손상을 입히는 것을 신뢰 가능하게 억제할 수 있다. 낙뢰로부터 보호되도록 구성되는 표면 경계가 원의 반경 내에 위치하지 않는 경우, 낙뢰가 표면 경계에 손상을 입히는 것을 예방하는 효과는 감소될 수 있다.
따라서, 낙뢰 수용 돌출부는 낙뢰가 떨어지는 경향이 있는 표면 경계 위치에서 제공되는 것이 바람직하다(예를 들어, 수평 방향에서 낙뢰 수용기의 주변 둘레 엣지).
게다가 낙뢰 수용 돌출부에서, 낙뢰가 방지되게 구성되는 표면 경계가, 낙뢰수용 돌출부의 팁 위에 중심이 놓이고 낙뢰 수용 돌출부 길이의
Figure 112012107933404-pct00001
배의 반경을 가지는 원의 반경 내에 위치하는 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 낙뢰가 표면 경계에 손상을 입히는 것을 방지하는 효과는 더욱 개선된다. 게다가 배율이 낮을수록, 낙뢰 수용 돌출부는 더욱 표면 경계에 근접하게 된다.
낙뢰 수용 돌출부의 수는 본 발명에서 특정하게 제한되지 않는다. 하나 혹은 최소 2개의 낙뢰 수용 돌출부가 제공될 수 있으며, 위치와 높이는 서로 다를 수 있다. 원의 중심은 낙뢰 수용 돌출부 팁의 둘레 엣지에 위치할 수 있다.
한편, 낙뢰 타격을 방지할 필요가 없는 표면 경계의 부분에서는, 표면 경계를 원의 반경 내에 위치시킬 필요가 없다.
낙뢰 수용 돌출부가 표면 경계 근처에서 제공되는 것이 바람직하다. 낙뢰 수용 돌출부는 표면 경계에 근접한 측(블레이드의 축 방향에서 낙뢰 수용기의 최대 거리의 50% 혹은 그 미만의 거리)에서 제공될 수 있다.
표면 경계에 근접한 낙뢰 수용 돌출부를 제공하여, 효율적으로 낙뢰가 표면 경계에 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 게다가 낙뢰 수용 돌출부는 표면 경계에 근접하므로, 낙뢰가 표면 경계에 손상을 입히는 것을 방지하는 것과 동일한 효과를 획득하는 것이 가능하다. 그 결과, 공기 역학적 특질을 손상시키지 않고 표면 경계의 낙뢰는 효율적으로 예방될 수 있다. 공기 역학적 특질의 관점에서, 표면 경계로부터 멀리 떨어진 측에 낙뢰 수용 돌출부에 대한 하나의 상응물을 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 제 1 양태에 따른 풍력 발전 블레이드의 낙뢰 방지 구조에서, 낙뢰 수용기가 블레이드 몸체의 반 사이에 삽입되거나 블레이드 몸체의 팁에 제공된다.
낙뢰 수용기는 블레이드 몸체의 반 사이에 삽입되거나 블레이드 몸체의 팁에 제공될 수 있다. 본 발명에 대하여, 본 발명의 낙뢰 수용기는 낙뢰 수용 효과를 개선하기 위해 블레이드 몸체의 팁에 제공되는 것이 바람직하다. 팁 측은 낙뢰 수용기로 구성되고, 낙뢰 수용기는 블레이드 몸체에 연결되고, 블레이드를 형성한다. 낙뢰 수용기는 블레이드의 형태로부터 연속될 수 있고 점점 가늘어지는 형태로 그 폭이 팁을 향해 감소된다. 그 결과 피뢰 기능이 좋아지고 공기역학이 좋아지도록 한다.
게다가, 낙뢰 수용기가 블레이드 몸체의 반 사이에 삽입되는 경우, 분리된 블레이드 몸체가 서로 연결되고, 낙뢰 수용기는 그 사이에 삽입된다.
낙뢰 수용기는 전기 전도 물질로 만들어질 수 있으며 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 텅스텐(W), 합금과 같은 순수 금속, 복합물질(다른 물질들이 섞이거나 기본 물질에 분산되어 있거나 다른 종류의 물질들이 층을 이루거나 서로 섞인 것) 등이 사용될 수 있다.
낙뢰 수용기와 낙뢰 수용 돌출부는 동일한 물질로 만들어질 수 있으며 다른 물질로 만들어질 수도 있다. 동일한 물질로 만들어지는 경우, 낙뢰 수용기와 낙뢰 수용 돌출부 사이의 경계가 낙뢰시 열 팽창 차이로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 본 발명의 제 1 혹은 제 2 양태에 따른 풍력 발전 블레이드의 낙뢰 방지 구조에서, 낙뢰 수용 돌출부는 5 부터 1000 mm2 까지의 단면 영역을 가진다.
낙뢰 수용 돌출부의 단면 영역은 바람직하게 5 부터 1000 mm2까지이며, 더욱 바람직하게는 20 부터 490 mm2 까지이며, 가장 바람직하게는 78 부터 310 mm2 까지이다. 따라서, 원주형에 대해, 낙뢰 방지 돌출부는 바람직하게 25부터 35 mm 까지의 직경을 가진다. 동일한 이유로, 낙뢰 수용 돌출부는 더욱 바람직하게는 5부터 25 mm까지의 직경을 가지며, 가장 바람직하게는 10부터 20 mm 까지의 직경을 가진다.
낙뢰 수용 돌출부는 낙뢰 전류에 의해 용해 되지 않을 충분한 단면 영역을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 적절한 단면 영역은 상술한 바와 같이 물질에 따라 설정될 수 있다. 그러나 단면 영역이 과도하게 큰 경우, 공기 역학 특성이 떨어지고 노이즈가 증가할 수 있다.
본 발명의 제 4 양태에 따르면, 제 1 내지 제 3 양태 중 어느 하나를 따르는 풍력 발전 블레이드의 낙뢰 방지 구조에서, 낙뢰 방지 돌출부가 블레이드의 축방향에 대해 45도부터 135도까지의 각도에서 제공된다.
낙뢰 수용 돌출부가 낙뢰 수용기의 표면으로부터 돌출되도록 제공된다. 돌출 방향은 특정하게 제한되지 않으나, 돌출 방향이 미리 정해진 각도에서(45도에서 135도) 블레이드의 축방향과 교차되는 것이 바람직하며 그 결과 낙뢰 수용 돌출부에 의해 낙뢰를 방지하는 효과가 효과적으로 표면 경계에 도달할 수 있다. 같은 이유로 돌출 방향은 더욱 바람직하게 60도부터 120도까지이며, 가장 바람직하게는 75도부터 105도까지이다.
본 발명의 제 5 양태에 따르면, 제 1 내지 제 4 양태 중 어느 하나를 따르는 풍력 발전 블레이드의 낙뢰 방지 구조에서, 블레이드의 축방향에 수직한 방향에서 그리고 낙뢰 수용 돌출부의 팁이 제공되며, 낙뢰 수용 돌출부의 팁은 낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 표면 경계를 가로지르는 바깥측에 위치된다.
낙뢰 수용 돌출부가 블레이드의 축 방향에 수직이기 때문에, 그리고 낙뢰 수용 돌출부의 팁은 낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 표면 경계를 가로지르는 바깥측에 위치되고, 낙뢰 수용 돌출부의 팁이 위치한 방향에서, 낙뢰 수용 돌출부의 피뢰 동작은 표면 경계보다 신뢰가능하게 우수하여, 효과적으로 표면 경계에 대한 낙뢰를 예방할 수 있다.
본 발명의 제 6 양태에 따르면, 제 1 내지 제 5 양태 중 어느 하나를 따르는 풍력 발전 블레이드의 낙뢰 방지 구조에서, 낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 표면 경계는 수평 방향에서 낙뢰 수용기의 엣지에 위치한다.
낙뢰 수용은 상대적으로 가늘거나 혹은 뾰족한 부분에서 발생하는 경향이 있고, 편평한 수용기의 엣지에서 표면 경계는 낙뢰를 입을 가능성이 있다. 따라서 낙뢰 수용기가 엣지의 표면 경계에서 제공되면, 표면 경계를 낙뢰로부터 효과적으로 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따르는 낙뢰 방지 구조를 포함하는 풍력 터빈을 도시하는 사시도이다.
도 2는 낙뢰 방지 구조의 블레이드 팁을 도시하는 정면도이다.
도 3은 낙뢰 방지 구조의 블레이드 팁을 도시하는 측면도이다.
도 4a는 본 발명의 예시에 따라 도 1에서 낙뢰 방지 구조의 블레이트 팁의 정면측으로부터 볼 때 치수와 전계 측정 포인트를 도시하는 다이어그램이며, 도 4b는 낙뢰를 입었을 때 전계 분석 결과를 도시하는 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예가 지금부터 설명될 것이다.
풍력 터빈(1)은 회전 가능하게 지지되는 로터(2), 및 방사형으로 로터(2)에 부착되는 복수(도면에서는 3개)의 블레이드(3)를 포함한다. 각 블레이드(3)는 블레이드 몸체(30), 및 블레이드 몸체(30)의 팁에 연결된 낙뢰 수용기(31)를 구비한다. 표면 경계(32)는 블레이드 몸체(30)와 낙뢰 수용기(31)간의 경계에서 형성된다.
낙뢰 수용기(31)는 편평하게 형성되며, 가늘어져서 폭이 팁 측을 향해 얇아지며 두께는 작아진다. 낙뢰 수용기(31)의 팁은 작은 직경의 굽은 형태를 가진다. 낙뢰 수용기(31)와 블레이드 몸체(30)는 낙뢰 수용기가 블레이드와 수평을 이루도록 서로 결합되며, 낙뢰 수용기(31)는 훌륭한 공기역학 특질을 갖는다.
낙뢰 수용기(31)에는 수평 방향에서 엣지에 낙뢰 수용기(31)의 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출된 낙뢰 수용 돌출부(4)가 제공되며, 낙뢰 수용 돌출부(4)는 표면 경계(32)에 근접하다. 낙뢰 수용기(31)가 블레이드(3)의 축 방향에서 표면 경계(32)로부터 10 부터 150 mm 까지의 거리를 가지도록 제공되는 것이 바람직하다. 낙뢰 수용기(31)가 표면 경계(32)에 너무 근접하면, 낙뢰가 있을 경우 표면 경계(32)가 열에 의해 영향을 받을 수 있으며 표면 경계가 손상될 수 있다. 표면 경계(32)로부터 너무 멀리 떨어져 있으면, 낙뢰 수용 돌출부(4)의 길이를 연장할 필요가 있으며 공기 역학 특질에 악영향을 끼친다. 거리는 바람직하게 20 부터 100 mm까지의 범위 내, 더욱 바람직하게는 30부터 50 mm 까지 범위내이다.
낙뢰 수용 돌출부(4)가 블레이드(3)의 블레이드 축(6)(로터(2)의 중심으로부터 블레이드(3)의 확장 방향을 따르는 가상선)에 대해 수직인 방향에서 수평 방향을 따라 연장되고, 팁이 수평 방향에서 표면 경계 부분(32a)보다 바깥쪽에 위치한다. 한편, 본 실시예에서, 낙뢰 수용 돌출부(4)는 공기 역학 특성을 고려하여 회전하는 블레이드(3)의 회전 방향에서 뒤쪽 엣지에 위치한다. 회전 방향에서 뒤쪽에 낙뢰 수용 돌출부(4)를 제공하는 것만으로도 공기 역학 특질에 대한 영향을 줄일 수 있다. 그러나, 본 발명에서, 낙뢰 수용기의 위치는 회전 방향에서 뒤쪽으로 제한되지 않을 수 있다.
게다가, 낙뢰 수용 돌출부(4)에서 수평 방향에서 위치한 표면 경계 부분(32a)이 원(5) 안에 위치하고, 원(5)은 낙뢰 수용 돌출부(4)의 팁 위에 중심을 두고 있으며 낙뢰 수용 돌출부(4)의 길이의 2배가 되는 반경 r을 가진다. 표면 경계(32)의 부분은 낙뢰 수용 돌출부(4) 측에서 원(5)의 내부에 위치하고, 낙뢰 수용 돌출부(32)로부터 멀리 이격된 표면 경계의 부분은 낙뢰 수용 돌출부(4)로부터 멀리 이격된 측에서 원(5)의 바깥에 위치하고, 이는 본 발명의 영역 내이다. 본 예에서, 다른 낙뢰 수용 돌출부가 낙뢰 수용 돌출부(4)로부터 멀리 떨어진 측에 제공될 수 있으며, 표면 경계가 낙뢰 수용 돌출부에 중심을 둔 원의 직경 방향내 위치할 수 있다.
즉, 블레이드가 낙뢰를 입는 것을 예방하기 위해 포면 경계 부분의 부분이 원의 반경 내에 위치하는 것이 바람직하다. 본 예에서, 원은 낙뢰를 예방하기 위해 표면 경계 부분과 낙뢰 수용 돌출부의 팁이 위치한 표면을 따라 이어진다.
도 3에서 표면 경계(32)는 낙뢰 수용 돌출부(4) 측에서 원 내에 위치하여, 낙뢰 수용 돌출부(4)의 효과가 효과적으로 획득된다. 그러나 본 발명에서는, 표면 경계(32)의 부분이 원 내에 위치할 수 있다. 본 형태는 반경 ra의 원(5a)에 의해 나타난다. 수평 방향으로 엣지에서 표면 경계 부분(32a)의 부근은 원(5a) 내에 위치하고, 낙뢰는 효과적으로 예방된다. 원(5a)의 바깥에 위치한 표면 경계(32)에서, 낙뢰 수용 돌출부(4)에 의한 낙뢰 방지 효과가 효과적으로 획득되지 않을 수 있다.
낙뢰 방지 구조를 따르면, 낙뢰 수용기(31)는 블레이드 몸체(30)가 낙뢰를 입는 것을 방지하기 위해 효과적으로 피뢰 기능을 수행한다. 게다가 낙뢰 수용 돌출부(4)는 표면 경계(32) 부근에서 피뢰 동작하여, 표면 경계 부분(32)이 낙뢰를 입는 것을 효과적으로 억제할 수 있다.
실시예 1
다음, 도 2에 도시된, 알루미늄 물질로 만들어진 낙뢰 수용기(31)와 알루미늄 물질로 만들어진 낙뢰 수용 돌출부(4)를 포함하는 방지 구조가 블레이드 몸체로 모방되는 FRP 물질에 부착되며,낙뢰 위치를 예측하는 시뮬레이션을 사용하는 2-D 전계 분석 대상이다.
한편, 분석에서, 분석 소프트웨어 MARC2007R1(MSC 소프트웨어 코퍼레이션에 의해 제조된 제품)이 사용되고, 점전하는 블레이드의 정면 끝 부분으로부터 1m의 거리에서 위치한다. 위치를 즉시 블레이드 팁 위에서 0도가 되게 하면, 점전하는 30, 60도 및 90도의 위치에 위치하고, ±90°의 위치 아래로 즉시 낮아진 200mm 및 500mm 위치에 위치하여 분석을 수행한다. 이 때, 인하 도선의 끝부분은 고정 포텐셜로 설정된다.
도 4a에서, H와 L은 낙뢰 수용기(31)에 대한 낙뢰 수용 돌출부(4)의 길이와 부착 위치를 나타낸다. 즉, 도 4a에서 L은 낙뢰 수용 돌출부(4)의 길이를 나타내고, 도 4a에서 H는 표면 경계에 대한 낙뢰 수용 돌출부(4)의 부착위치의 거리를 나타낸다.
변화된 H와 L의 낙뢰 수용 돌출부들 각각은 상술한 바와 같이 6 포인트에서 전기 방전에 대한 분석 대상이다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 전계 수용 돌출부의 팁 B를 기초로 하여 낙뢰 수용 디바이스의 각 포인트(포인트 A, 포인트 B, 포인트 C)의 전계 강도 비가 도시되어 있다. 포인트 A는 낙뢰 수용기의 팁을 나타내고, 포인트 B는 낙뢰 수용 돌출부의 팁을 나타내고, 포인트 C는 수평 방향으로 낙뢰 수용기의 엣지에서 표면 경계를 나타낸다.
전계 분석 결과가 도 4b에 도시되어 있어, 포인트 C의 전계 강도 비가 포인트 B의 전계 강도 비를 초과하지 않는 범위에서 낙뢰 수용 돌출부가 더욱 바람직하다. 낙뢰 수용 돌출부가 전기 방전 위치를 더 구비하는 것이 더욱 바람직하며, 이 때 포인트 C의 전계 강도 비는 포인트 B의 전계 강도 비를 초과하지 않는다.
도 4로부터 명확하듯이, 본 발명의 예에서 전계는 낙뢰 수용 돌출부에 집중되며, 블레이드 몸체와 낙뢰 수용기 사이 표면 경계에 전계가 집중되는 것은 낮게 유지된다. 그 결과, 대부분의 경우, 방전 위치에 관계없이, 포인트 C의 전계 강도 비는 포인트 B의 전계 강도 비를 초과하지 않는다. 낙뢰 수용 돌출부의 팁에 기초하여 H/L이 1.67 배인 위치에서, 포인트 C의 전계 강도 비는 실질적으로 하나의 방전 위치에서 포인트 B의 그것과 동일하다. 따라서, 배율이 1.5배로 설정되면, 모든 방전 위치에서 포인트 C의 전계 강도 비가 포인트 B의 그것을 초과하지 않을 것이 예상된다. 또한, 배율이 1.0배로 설정되면, 포인트 C의 전계 강도 비는 포인트 B의 그것보다 상당히 낮아질 것으로 예상된다.
반면, 비교예에서, 낙뢰 수용 돌출부에 대한 전계의 집중이 표면 경계에 대한 전계의 집중보다 높거나 이와 동일하다면, 낙뢰 수용 돌출부의 효과가 충분히 획득되지 않은 것을 이해할 수 있다. 공기 역학 특질에 대한 영향을 최소화하기 위해 표면 경계로부터 30mm의 위치 그리고 낙뢰 수용 돌출부가 30mm의 길이를 갖는 것이 효과적이다. 즉 배율이 1.0이거나 그 미만으로 설정된다.
본 발명은 상술한 실시예로 한정되지 않으며, 적절한 변화와 변경 또는 기타 유사한 것들이 가능하다. 게다가 각 구성 요소들의 물질, 모양, 치수, 유형, 개수, 위치 또는 기타 유사한 것들은 임의적이며, 본 발명을 달성할 수 있다면 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니다.
비록 본 발명은 특정 실시예를 참조로 하여 구체적으로 설명되었으나, 본 발명의 요지와 영역을 벗어나지 않고 다양한 변화나 변경이 가능하다는 것을 당업자라면 이해할 것이다.
본 출원은 2010년 6월 30일 제출된 일본 특허 출원 2010-150103에 대한 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 참조로 여기에 포함되었다.
상술한 바와 같이, 낙뢰 수용기는 풍력 발전에 대한 블레이드의 표면의 부분을 형성하기 위해 제공되며, 낙뢰 수용 돌출부는 낙뢰 수용기의 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출한다. 낙뢰 수용 돌출부는 블레이드 몸체와 낙뢰 수용기 사이의 표면 경계에 제공된다. 낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 표면 경계는 원의 반경 내에 위치하고, 원은 낙뢰 수용 돌출부의 팁 위에 중심을 두고, 낙뢰 수용 돌출부 길이의 2배가 되는 반경을 가진다. 따라서 낙뢰 수용기의 표면상의 전계 집중이 가장 큰 포인트가 경계로부터 낙뢰 수용 돌출부의 팁으로 이동되고, 블레이드에 낙뢰가 발생하면, 경계에 낙뢰가 떨어지는 것과 관련되어 블레이드가 손상될 가능성은 상당히 감소된다. 게다가, 낙뢰의 극성은 일반적으로 음극성이며, 따라서 풍력 터빈의 윗부분으로부터 방전될 가능성이 매우 높다. 그러나 환경에 따라 양 방전이 발생하고, 양 낙뢰의 일부분이 풍력 터빈의 바닥 부분 혹은 측면 부분으로부터 방전될 수 있다. 본 예에서, 풍력 터빈 블레이드에 대한 방전 각도가 증가되므로, 경계에 의한 피뢰 가능성이 증가된다. 전계 집중 포인트가 작위적으로 형성되므로, 본 발명은 임의의 방향에서 낙뢰에 대한 높은 효과를 가진다.
1 : 풍력 터빈
2 : 로터
3 : 블레이드
30 : 블레이드 몸체
31 : 낙뢰 수용기
32 : 표면 경계
4 : 낙뢰 수용 돌출부
5 : 원
6 : 블레이드 축

Claims (8)

  1. 풍력 발전용 섬유 강화 플라스틱 블레이드의 낙뢰 방지 구조로서;
    상기 블레이드의 표면의 일부를 형성하도록 구성되고, 전도성 물질로 형성되는 낙뢰 수용기;
    상기 블레이드의 몸체와 상기 낙뢰 수용기 사이의 경계에 형성되는 표면 경계;
    전도성 물질로 형성되고, 상기 낙뢰 수용기의 표면으로부터 바깥으로 돌출되도록 구성되는 낙뢰 수용 돌출부;를 포함하고,
    상기 낙뢰 수용 돌출부는 상기 블레이드의 축 방향에서 상기 표면 경계로부터 10 내지 150mm의 거리에 형성되고,
    낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 상기 표면 경계는 원의 반경 내에 위치하고, 상기 원은 상기 낙뢰 수용 돌출부의 팁에 중심을 두고 상기 낙뢰 수용 돌출부의 길이의 2배가 되는 반경을 가지며,
    상기 블레이드의 블레이드 몸체의 팁에 연결되어 상기 낙뢰 수용기가 상기 블레이드의 표면과 동일 평면을 이루는
    낙뢰 방지 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 낙뢰 수용기는 상기 블레이드 몸체의 반 사이에 삽입되거나 블레이드 몸체의 팁에 제공되는
    낙뢰 방지 구조.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 낙뢰 수용 돌출부는 5 부터 1000 mm2 까지의 단면 영역을 가지는
    낙뢰 방지 구조
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 낙뢰 수용 돌출부는 상기 블레이드의 축 방향에 대해 45도에서 135도까지의 각도에서 제공되는
    낙뢰 방지 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드의 축방향에 대해 수직인 방향에서 상기 낙뢰 수용 돌출부의 팁이 제공되고, 상기 낙뢰 수용 돌출부의 팁은 낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 표면 경계를 가로지르는 바깥쪽에서 위치되는
    낙뢰 방지 구조.
  6. 제 5 항에 있어서,
    낙뢰로부터 보호하도록 구성되는 상기 표면 경계는 수평 방향에서 낙뢰 수용기의 엣지에 위치하는
    낙뢰 방지 구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 알루미늄인 낙뢰 방지 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    H/L, 상기 낙뢰 수용 돌출부의 길이(L)에 대하여 상기 표면 경계로부터 상기 낙뢰 수용 돌출부의 부착 위치까지의 거리(H)는 1.67 이하인 낙뢰 방지 구조.
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