KR101808947B1 - 풍차 날개 및 풍력 발전 장치, 그리고 풍차 날개의 제조 또는 개조 방법 - Google Patents

풍차 날개 및 풍력 발전 장치, 그리고 풍차 날개의 제조 또는 개조 방법 Download PDF

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Abstract

날개 뿌리로부터 날개 선단을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 날개 본체와,
상기 날개 본체 중 상기 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 형성되고, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리의 이로젼을 억제하기 위한 금속 스트립을 구비한다.

Description

풍차 날개 및 풍력 발전 장치, 그리고 풍차 날개의 제조 또는 개조 방법{WIND TURBINE BLADE AND WIND TURBINE GENERATOR, AND METHOD OF PRODUCING OR RETROFITTING WIND TURBINE BLADE}
본 개시는 풍차 날개 및 풍력 발전 장치, 그리고 풍차 날개의 제조 또는 개조 방법에 관한 것이다.
최근 지구 환경 보전의 관점에서, 풍력을 이용한 풍력 발전 장치의 보급이 진행되고 있다. 일반적으로 풍력 발전 장치는, 바람의 운동 에너지를 풍차 날개 (정확하게는 풍차 날개를 포함하는 로터 전체) 의 회전 에너지로 변환하고, 다시 이 회전 에너지를 발전기에 의해 전력으로 변환하도록 되어 있다.
이와 같은 풍력 발전 장치에 있어서는, 빗방울이나 사진 (砂塵) 등이 풍차 날개에 충돌하여 이로젼이 발생하는 경우가 있다. 이로젼에 의한 풍차 날개의 손상이 현재화되면, 날개 표면의 평활성이 없어지는 결과, 예를 들어 소음의 증대로 대표되는 바람직하지 않은 현상이 발생한다.
그래서, 이로젼의 발생을 억제하기 위한 각종 대책이 제안, 실용화되고 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 빗방울이나 빙립 등의 외부 물질과의 충돌에서 기인한 손상으로부터 풍차 날개를 보호하기 위해, 풍차 날개의 표면에 보호 코팅을 실시한 구성이 기재되어 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 풍차 날개를 이로젼으로부터 보호할 목적으로, 예를 들어 탄성 재료 등으로 이루어지는 보호층이 풍차 날개의 앞측 가장자리에 형성된 구성이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 3 또는 4 에는, 풍차 날개의 앞측 가장자리부에 보호 테이프 또는 보호 시트를 첩착 (貼着) 한 구성이 기재되어 있다.
유럽 특허출원공개 제2674613호 명세서 유럽 특허출원공개 제2559891호 명세서 국제 공개 제2013/129046호 국제 공개 제2012/102294호
풍력 발전 장치는, 발전 출력 향상의 관점에서 대형화되는 경향이 있으며, 이에 수반하는 장익화 (長翼化) 에 의해 날개끝 주속은 증가하고 있다. 그 때문에, 풍차 날개에 있어서 이로젼이 보다 진행되기 쉬워지고 있어, 종래의 이로젼 대책으로는 장기간에 걸친 풍차 날개의 보호가 곤란해지고 있다. 예를 들어, 이로젼 대책으로서 풍차 날개에 보호 코팅 (특허문헌 1) 또는 탄성 재료 등의 보호층 (특허문헌 2) 을 시공한 경우, 빗방울이나 사진 등에 대한 보호 코팅 또는 보호층의 내구성은 그렇게 높지는 않기 때문에, 정기적으로 메인터넌스를 실시하여 이들을 재시공할 필요가 있다. 풍차 날개에 보호 테이프 (특허문헌 3) 또는 보호 시트 (특허문헌 4) 를 첩착하는 경우, 이들이 풍우에 노출되는 환경하에서 경년 열화되면 풍차 날개로부터 박리되기 때문에, 역시 정기적인 메인터넌스에 의해 다시 첩착할 필요가 있다.
그러나, 풍력 발전 장치는 양상 (洋上) 이나 산지 등의 액세스가 곤란한 장소에 설치되는 경우가 많고, 그 때문에 메인터넌스 빈도가 낮은 것, 나아가서는 메인터넌스 프리인 것이 요망되고 있다.
또, 다른 문제점으로서, 풍차 날개에 대해 보호 코팅이나 보호 테이프 등의 보호재를 시공한 경우, 보호재의 표면 형상에 따라서는 풍차 날개의 공력 성능을 저하시킬 가능성이 있다. 예를 들어, 보호 코팅은 두께 관리가 어렵기 때문에, 공력 성능을 고려하여 날개형이 설계되고 있음에도 불구하고, 보호 코팅이 도포된 영역에 있어서 설계시의 날개형으로부터 일탈하여 공력 성능이 저하될 가능성이 있다. 또, 보호 테이프 또는 보호 시트는, 풍차 날개에 대한 시공시에 단차가 발생하기 쉽고, 이 단차에 의해 공력 성능이 저하되는 경우도 있다.
그 때문에, 풍차 날개에 대해서는, 우수한 내구성을 가지면서도 공력 성능을 높게 유지할 것이 요구된다.
본 발명의 적어도 몇 가지 실시형태의 목적은, 장기간에 걸쳐 이로젼의 발생을 억제할 수 있고, 또한 공력 성능을 높게 유지할 수 있는 풍차 날개 및 풍력 발전 장치, 그리고 풍차 날개의 제조 또는 개조 방법을 제공하는 것이다.
(1) 본 발명의 적어도 몇 가지 실시형태에 관련된 풍차 날개는,
날개 뿌리로부터 날개 선단을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 날개 본체와,
상기 날개 본체 중 상기 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 형성되고, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리의 이로젼을 억제하기 위한 금속 스트립을 구비한다.
상기 (1) 의 풍차 날개에 의하면, 이로젼이 발생하기 쉬운 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 금속 스트립을 형성하였으므로, 풍차 날개의 내이로젼성을 향상시킬 수 있다.
금속 스트립은, 보호 코팅, 보호 테이프 또는 보호 시트보다 빗방울이나 사진 등의 이로젼 원인 물질에 대한 내구성이 높고, 또 보호 테이프나 보호 시트에 비해 잘 박리되지 않는다. 그 때문에, 이로젼 대책으로서 금속 스트립을 사용함으로써, 풍차 날개의 메인터넌스 빈도의 저감 또는 풍차 수명 내에서 메인터넌스 프리로 할 수 있다.
또, 금속 스트립은 형상 정밀도가 높기 때문에, 풍차 날개의 공력 성능을 저해하지 않도록 풍차 날개에 장착할 수도 있다. 예를 들어, 금속 스트립은 보호 코팅이나 보호 테이프와 같이 시공시에 단차가 잘 발생하지 않고, 또 두께를 고정밀도로 조정할 수도 있기 때문에, 금속 스트립을 장착해도 풍차 날개의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
(2) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 의 구성에 있어서,
상기 날개 본체의 상기 날개 뿌리와는 반대측의 단부에 접속되고, 날개 선단을 형성하는 금속 리셉터를 추가로 구비하고,
상기 금속 스트립은, 상기 금속 리셉터에 오버랩되어 형성된다.
상기 (2) 의 구성에 의하면, 금속 스트립이, 날개 선단을 형성하는 금속 리셉터에 오버랩되어 형성되어 있으므로, 금속 스트립과 금속 리셉터가 전기적으로 접속된 상태가 된다. 이 때문에, 금속 스트립에 낙뢰한 경우에도, 금속 스트립으로부터 금속 리셉터를 통과하여 뇌 (雷) 전류가 원활하게 흐르기 때문에, 풍차 날개가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또, 금속 스트립을 금속 리셉터에 오버랩시키고 있으므로, 간단한 구성으로 이들의 전기적인 접속을 확보할 수 있음과 함께, 금속 스트립과 금속 리셉터의 접속 강도를 높게 할 수 있다.
(3) 일 실시형태에서는, 상기 (2) 의 구성에 있어서,
상기 금속 리셉터에 전기적으로 접속됨과 함께, 상기 날개 뿌리를 향하여 상기 날개 길이 방향을 따라 상기 날개 본체의 압력면 및 부압면 상에서 연장되고, 상기 금속 리셉터로부터의 뇌전류를 상기 날개 뿌리측으로 유도하도록 구성된 금속박을 추가로 구비하고,
상기 금속 스트립은, 상기 금속박에 전기적으로 접속되어 있다.
상기 (3) 의 구성에 의하면, 금속 스트립, 금속 리셉터 및 금속박이 전기적으로 접속되어 있으므로, 뇌전류의 경로가 형성되고, 낙뢰에 의한 풍차 날개의 손상을 방지할 수 있다.
또, 금속 스트립과 금속박은 각각 날개 길이 방향으로 연장되어 있고, 이들의 거리는 비교적 가깝다. 그 때문에, 금속 스트립과 금속박 사이가 절연되어 있는 경우, 금속 스트립에 대한 낙뢰시에 이들 사이에 순간적으로 큰 전위차가 발생하여 아크가 발생하고, 풍차 날개에 중대한 손상을 줄 가능성이 있다. 이 점에서, 상기 (3) 의 구성에서는, 금속 스트립과 금속박이 전기적으로 접속되어 있으므로, 금속 스트립과 금속박이 등전위화되고, 낙뢰시의 아크 발생에 의한 풍차용의 손상을 회피할 수 있다.
(4) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (2) 또는 (3) 의 구성에 있어서,
상기 금속 리셉터는, 적어도 상기 날개 선단에 있어서의 앞측 가장자리에 있어서, 상기 금속 스트립의 단부가 걸어맞춰지는 오목부를 갖고,
상기 오목부에 걸어맞춰진 상기 금속 스트립의 상기 단부를 상기 금속 리셉터에 체결하기 위한 체결 부재를 추가로 구비한다.
상기 (4) 의 구성에 의하면, 금속 리셉터의 오목부에 금속 스트립의 단부가 걸어맞춰진 상태에서, 금속 리셉터와 금속 스트립이 체결되도록 되어 있다. 이로써, 금속 리셉터와 금속 스트립이 오버랩된 영역에서, 금속 스트립의 두께에 상당하는 단차가 형성되는 것을 회피할 수 있고, 풍차 날개의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
(5) 일 실시형태에서는, 상기 (4) 의 구성에 있어서,
상기 체결 부재의 헤드부는, 그 헤드부의 주위에 있어서의 상기 금속 스트립과 함께 평활면을 구성하고 있다.
상기 (5) 의 구성에 의하면, 체결 부재의 헤드부가 풍차 날개의 표면으로부터 바깥쪽으로 돌출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 풍차 날개의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
(6) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (4) 또는 (5) 의 구성에 있어서,
상기 체결 부재는,
(a) 상기 오목부의 바닥면에 개구되도록 상기 금속 리셉터에 형성된 나사공에 나선 결합되는 볼트, 또는,
(b) 상기 오목부의 바닥면에 개구되도록 상기 금속 리셉터에 형성된 관통공에 삽입 통과되는 볼트 및 그 볼트에 나선 결합되는 너트 중 어느 것을 포함한다.
상기 (6) 의 구성에 의하면, 금속 스트립 및 금속 리셉터의 두께 방향으로 볼트가 삽입 통과되므로, 볼트의 체결 강도를 조절함으로써, 금속 스트립과 금속 리셉터의 접촉 상태를 확실하게 형성하고, 전기적인 접속을 확보할 수 있다. 이 때, 금속제의 볼트를 사용하면, 볼트를 개재하여 금속 스트립과 금속 리셉터의 전기적인 접속을 보다 확실하게 형성할 수 있다.
(7) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (2) 내지 (6) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 금속 스트립은,
상기 금속 리셉터에 오버랩됨과 함께 상기 금속 리셉터에 고정되는 제 1 영역과,
상기 제 1 영역보다 상기 날개 뿌리측에 위치하고, 상기 제 1 영역보다 상기 금속 스트립의 두께가 작은 제 2 영역을 포함한다.
풍차 날개에 있어서는, 날개 선단측 쪽이 날개 뿌리측보다 주속이 크기 때문에, 날개 선단의 금속 리셉터에 고정되는 제 1 영역은, 그 제 1 영역보다 날개 뿌리측에 위치하는 제 2 영역보다 이로젼이 발생하기 쉽다. 그래서, 상기 (7) 에 의하면, 이로젼이 발생하기 쉬운 제 1 영역에 있어서, 날개 뿌리측의 제 2 영역보다 금속 스트립을 두껍게 하고 있다. 한편, 이로젼이 비교적 잘 발생하지 않는 제 2 영역에 있어서는, 경량화를 목적으로 하여 금속 스트립을 얇게 하고 있다. 이와 같이, 이로젼의 발생 용이성에 따라 금속 스트립의 두께를 상이하게 함으로써, 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
(8) 일 실시형태에서는, 상기 (4) 내지 (7) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 금속 스트립의 상기 제 2 영역에 있어서, 상기 금속 스트립의 상기 두께는 상기 제 1 영역에 가까워짐에 따라 증대한다.
상기 (8) 의 구성에 의하면, 이로젼의 발생 용이성에 따라 금속 스트립의 두께를 서서히 상이하게 함으로써, 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
(9) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (4) 내지 (8) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 날개 길이 방향에 있어서 상기 금속 스트립에 인접하여 상기 금속 스트립의 상기 날개 뿌리측에 위치하고, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 형성되는 내이로젼 피막을 추가로 구비한다.
상기 (9) 의 구성에 의하면, 이로젼이 비교적 문제가 잘 되지 않는 날개 뿌리측의 영역에 있어서는, 날개 본체의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 내이로젼 피막을 형성하도록 하고 있다. 일반적으로 내이로젼 피막은 경량인 점에서, 상기 구성에 의해 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
(10) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 금속 스트립과 상기 날개 본체 사이에 형성된 변형 가능한 중간층을 추가로 구비한다.
상기 (10) 의 구성에 의하면, 금속 스트립과 날개 본체 사이에 형성된 변형 가능한 중간층에 의해, 금속 스트립과 날개 본체의 열팽창차를 흡수할 수 있다. 그 때문에, 금속 스트립과 날개 본체의 열팽창차에서 기인하여, 금속 스트립이나 날개 본체가 변형되거나, 금속 스트립과 날개 본체의 접합 상태가 악화되거나 하는 것을 방지할 수 있다.
(11) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (10) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 금속 스트립은, 상기 날개 본체의 부압면 상의 제 1 폭 방향단과, 상기 날개 본체의 압력면 상의 제 2 폭 방향단을 갖고,
상기 금속 스트립은, 상기 부압면 및 상기 압력면 상에 있어서 상기 앞측 가장자리로부터 상기 제 1 폭 방향단 및 상기 제 2 폭 방향단까지 연장되어 있다.
상기 (11) 의 구성에 의하면, 금속 스트립의 폭 방향에 있어서의 일방측은 날개 본체의 앞측 가장자리로부터 부압면 상의 제 1 폭 방향단까지 연장되고, 타방측은 날개 본체의 앞측 가장자리로부터 압력면 상의 제 2 폭 방향단까지 연장되어 있다. 이로써, 날개 본체의 앞측 가장자리를 포함하는 부압면측 영역 및 압력면측 영역에 있어서 내이로젼성을 향상시킬 수 있다.
(12) 일 실시형태에서는, 상기 (11) 의 구성에 있어서,
상기 금속 스트립은, 상기 제 1 폭 방향단 및 상기 제 2 폭 방향단을 향하여 상기 금속 스트립의 두께가 서서히 감소하는 폭 방향 영역을 포함한다.
상기 (12) 의 구성에 의하면, 금속 스트립은, 이로젼이 발생하기 쉬운 앞측 가장자리 또는 앞측 가장자리 부근에 있어서 가장 두껍고, 이로젼이 비교적 잘 발생하지 않는 영역을 향하여 폭 방향으로 두께가 서서히 감소하도록 되어 있다. 이와 같이, 이로젼의 발생 용이성에 따라 금속 스트립의 두께를 상이하게 함으로써, 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
(13) 몇 가지 실시형태에서는, 상기 (1) 내지 (12) 중 어느 하나의 구성에 있어서,
상기 금속 스트립은 전기 주조품이다.
상기 (13) 의 구성에 의하면, 금속 스트립이 높은 형상 정밀도가 얻어지는 전기 주조품인 점에서, 풍차 날개의 공력 성능을 높게 유지할 수 있음과 함께, 내이로젼성이 양호하고 또한 경량화 가능한 금속 스트립을 용이하게 제조할 수 있다.
(14) 본 발명의 적어도 몇 가지 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치는,
상기 (1) 내지 (13) 중 어느 하나에 기재된 풍차 날개와,
상기 풍차 날개가 장착되는 허브와,
상기 허브의 회전에 의해 구동되는 발전기를 구비한다.
상기 (14) 의 풍력 발전 장치에 의하면, 풍차 날개에 있어서의 이로젼의 발생을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있고, 또한 풍차 날개의 공력 성능을 높게 유지할 수 있으므로, 풍력 발전 장치의 발전 효율을 유지하면서, 메인터넌스 빈도를 저감시킬 수 있다.
(15) 본 발명의 적어도 몇 가지 실시형태에 관련된 풍차 날개의 제조 또는 개조 방법은,
날개 뿌리로부터 날개 선단을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 상기 풍차 날개의 날개 본체 중, 상기 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리의 이로젼을 억제하기 위한 금속 스트립을 상기 날개 본체에 장착하는 스텝을 구비한다.
상기 (15) 의 방법에서는, 풍차 날개의 날개 본체 중, 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 금속 스트립을 날개 본체에 장착하도록 하였으므로, 이로젼의 발생을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있는 풍차 날개를 용이하게 제조 또는 개조할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시형태에 의하면, 풍차 날개의 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 금속 스트립을 형성하였으므로, 풍차 날개에 있어서의 이로젼의 발생을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있고, 또한 풍차 날개의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
도 1 은, 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는, 일 실시형태에 관련된 풍차 날개의 평면도이다.
도 3 은, 도 2 에 나타내는 풍차 날개의 A 부 확대도이다.
도 4 는, 도 2 에 나타내는 풍차 날개의 B-B 선 단면도이다.
도 5 는, 일 실시형태에 관련된 금속 리셉터의 사시도이다.
도 6 은, 일 실시형태에 관련된 금속 리셉터 및 금속 스트립의 단면도이다.
도 7a 는, 일 실시형태에 관련된 금속 리셉터와 금속 스트립의 접합부를 나타내는 단면도이다.
도 7b 는, 다른 실시형태에 관련된 금속 리셉터와 금속 스트립의 접합부를 나타내는 단면도이다.
도 8a 는, 일 실시형태에 관련된 풍차 날개의 주속과 금속 스트립의 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8b 는, 다른 실시형태에 관련된 풍차 날개의 주속과 금속 스트립의 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9a 는, 일 실시형태에 관련된 금속 스트립이 형성된 풍차 날개의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9b 는, 다른 실시형태에 관련된 금속 스트립이 형성된 풍차 날개의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 9c 는, 또 다른 실시형태에 관련된 금속 스트립이 형성된 풍차 날개의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 10a 는, 도 9a 에 나타내는 풍차 날개의 폭 방향 위치와 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10b 는, 도 9b 에 나타내는 풍차 날개의 폭 방향 위치와 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10c 는, 도 9c 에 나타내는 풍차 날개의 폭 방향 위치와 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 몇 가지 실시형태에 대해 설명한다. 단, 실시형태로서 기재되어 있거나 또는 도면에 나타나 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은, 본 발명의 범위를 이것에 한정하는 취지는 아니며, 단순한 설명예에 불과하다.
도 1 은, 풍력 발전 장치 (1) 의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 관련된 풍력 발전 장치 (1) 는, 적어도 1 개의 풍차 날개 (10) 와, 풍차 날개 (10) 가 장착되는 허브 (2) 와, 허브 (2) 의 회전에 의해 구동되는 발전기 (도시 생략) 와, 풍차 날개 (10) 및 허브 (2) 를 포함하는 로터 (3) 를 지지하는 나셀 (4) 과, 나셀 (4) 을 자유롭게 선회할 수 있도록 지지하는 타워 (5) 를 구비한다.
예를 들어, 복수 (예를 들어 3 개) 의 풍차 날개 (10) 가 방사상으로 배열되도록 허브 (2) 에 대해 장착된다. 각각의 풍차 날개 (10) 는, 허브 (2) 를 중심으로 하여 날개 선단 (11) 이 외경측에 위치하고, 날개 뿌리 (12) 가 허브 (2) 에 임의의 체결 부재에 의해 고정되어 있다. 타워 (5) 는, 양상 또는 육상에 수직 형성된다.
이 풍력 발전 장치 (1) 에 있어서는, 바람을 받아 풍차 날개 (10) 를 포함하는 로터 (3) 가 회전하고, 로터 (3) 의 회전은 도시 생략된 발전기에 입력되어, 이 발전기에서 전력이 생성되도록 되어 있다.
다음으로, 도 1 ∼ 도 4 를 참조하여, 몇 가지 실시형태에 관련된 풍차 날개 (10) 에 대해 설명한다.
도 2 는, 일 실시형태에 관련된 풍차 날개 (10) 의 평면도이다. 도 3 은, 도 2 에 나타내는 풍차 날개 (10) 의 A 부 확대도이다. 도 4 는, 도 2 에 나타내는 풍차 날개 (10) 의 B-B 선 단면도이다.
도 1 ∼ 도 4 에 나타내는 바와 같이, 몇 가지 실시형태에 관련된 풍차 날개 (10) 는, 날개 뿌리 (12) 로부터 날개 선단 (11) 을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 날개 본체 (13) 를 구비한다. 날개 본체 (13) 는, 앞측 가장자리 (14), 뒤측 가장자리 (15), 압력면 (16) (도 4 참조) 및 부압면 (17) (도 4 참조) 을 갖고 있고, 날개형을 이루고 있다.
도 4 에 나타내는 예에서는, 날개 본체 (13) 는 날개형 형성재 (18) 와, 스파캡 (19) 과, 시어웹 (20) 을 갖고 있다. 날개형 형성재 (18) 는, 예를 들어 발사 등의 목재나 폴리메타크릴이미드 (PMI) 등의 수지 발포체로 이루어지는 경량 코어재, 또는 유리 섬유 강화 플라스틱 등의 섬유 강화 플라스틱재를 포함하여 구성된다. 스파캡 (19) 은, 주로 풍차 날개 (10) 에 가해지는 굽힘 모멘트에 견디기 위한 주강도재로서 기능하고, 시어웹 (20) 을 따라 날개 뿌리 (12) 측으로부터 날개 선단 (11) 측까지 날개 길이 방향으로 연장되어 있다. 이들 스파캡 (19) 은, 예를 들어 CFRP (탄소 섬유 강화 플라스틱) 에 의해 형성된다. 시어웹 (20) 은, 서로 대향하는 압력면 (16) 측의 스파캡 (19) 과 부압면 (17) 측의 스파캡 (19) 사이에 배치되고, 날개 뿌리 (12) 측으로부터 날개 선단 (11) 측까지 날개 길이 방향으로 연장되어 있다. 도시되는 예에서는, 압력면 (16) 및 부압면 (17) 에 각각 2 개의 스파캡 (19) 이 형성되어 있고, 이들에 대응하여 2 개의 시어웹 (20) 이 형성되어 있다. 단, 스파캡 (19) 또는 시어웹 (20) 의 수나 배치는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 압력면 (16) 및 부압면 (17) 에 각각 1 개의 스파캡 (19) 이 형성되고, 이것에 대응하여 1 개의 시어웹 (20) 이 형성되어 있어도 된다. 혹은, 압력면 (16) 및 부압면 (17) 에 각각 3 개의 스파캡 (19) 이 형성되고, 이것에 대응하여 3 개의 시어웹 (20) 이 형성되어 있어도 된다.
도 1 ∼ 도 3 에 나타내는 바와 같이, 몇 가지 실시형태에 관련된 풍차 날개 (10) 는, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 의 이로젼을 억제하기 위한 금속 스트립 (21) 을 추가로 구비하고 있다. 금속 스트립 (21) 은, 날개 본체 (13) 중 날개 선단 (11) 측에 있어서의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록 형성되어 있다. 이 금속 스트립 (21) 은, 날개 본체 (13) 에 대해 볼트 등의 체결 부재 또는 접착재 등의 접합 수단을 사용하여, 날개 본체 (13) 에 장착되어도 된다. 구체적인 구성예로서, 금속 스트립 (21) 은 날개 길이 방향을 따라 장척으로 형성된다. 또, 금속 스트립 (21) 은, 날개 길이 방향에 직교하는 단면이 앞측 가장자리 (14) 의 형상을 따라 만곡되어 있다.
상기 구성에 의하면, 이로젼이 발생하기 쉬운 날개 선단 (11) 측에 있어서의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록 금속 스트립 (21) 을 형성하였으므로, 풍차 날개 (10) 의 내이로젼성을 향상시킬 수 있다.
이 금속 스트립 (21) 은, 보호 코팅, 보호 테이프 또는 보호 시트보다 빗방울이나 사진 등의 이로젼 원인 물질에 대한 내구성이 높고, 또 보호 테이프나 보호 시트에 비해 잘 박리되지 않는다. 그 때문에, 이로젼 대책으로서 금속 스트립 (21) 을 사용함으로써, 풍차 날개 (10) 의 메인터넌스 빈도의 저감 또는 풍차 수명 내에서 메인터넌스 프리로 할 수 있다.
또, 금속 스트립 (21) 은 형상 정밀도가 높기 때문에, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 저해하지 않도록 풍차 날개 (10) 에 장착할 수도 있다. 즉, 금속 스트립 (21) 은 보호 코팅이나 보호 테이프와 같이 시공시에 단차가 잘 발생하지 않고, 또 두께를 고정밀도로 조정할 수도 있기 때문에, 금속 스트립 (21) 을 장착해도 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
상기 구성을 갖는 풍차 날개 (10) 는, 내뢰 구조를 추가로 구비하고 있어도 된다.
도 1 ∼ 도 4 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 관련된 풍차 날개 (10) 은, 내뢰 구조로서 날개 본체 (13) 의 날개 뿌리 (12) 와는 반대측의 단부에 접속되고, 날개 선단 (11) 을 형성하는 금속 리셉터 (40) 를 구비한다.
금속 리셉터 (40) 는, 날개 선단 (11) 을 형성하도록 괴상으로 형성되어 수뢰부로서 기능하는 것으로서, 내부에 공동을 갖는 중공 형상을 이루고 있어도 되고 (도 7a 참조), 내부에 공동이 거의 존재하지 않는 중실 형상을 이루고 있어도 된다 (도 7b 참조).
구체적으로는, 풍차 날개 (10) 는, 내뢰 구조로서 상기 서술한 금속 리셉터 (40) 와, 금속 리셉터 (40) 에 전기적으로 접속된 금속박 (50 (50a, 50b)) 과, 금속박 (50) 에 전기적으로 접속된 다운 컨덕터 (60) (도 1 참조) 를 구비한다.
금속박 (50) 은, 일단측이 금속 리셉터 (40) 에 맞닿도록 날개 선단 (11) 측에 배치되고, 금속 리셉터 (40) 로부터 날개 뿌리 (12) 를 향하여 날개 길이 방향을 따라 날개 본체 (13) 의 압력면 (16) 및 부압면 (17) 상에서 연장되고, 금속 리셉터 (40) 로부터의 뇌전류를 날개 뿌리 (12) 측으로 유도하도록 구성된다. 도 2 ∼ 도 4 에 나타내는 예에서는, 압력면 (16) 및 부압면 (17) 에 각각 2 개의 스파캡 (19) 이 형성되어 있고, 이 스파캡 (19) 을 덮도록 압력면 (16) 및 부압면 (17) 에 각각 2 장의 금속박 (50) 이 형성되어 있다. 또한, 금속박 (50) 은, 날개 본체 (13) 의 외표면에 노출되지 않고, 날개형 형성재 (18) 의 내부에 매설되어 있어도 된다. 예를 들어, 금속박 (50) 의 표면이 유리 섬유 강화 플라스틱 등의 수지재에 의해 덮여 있어도 된다.
다운 컨덕터 (60) (도 1 참조) 는, 예를 들어 도선에 의해 구성되어 있고, 금속박 (50) 에 흐르는 뇌전류를, 나셀 (4) 및 타워 (5) 를 통과하여 지면 등의 풍력 발전 장치 (1) 의 외부로 빼내도록 되어 있다.
상기 구성을 갖는 풍차 날개 (10) 에 있어서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 금속 스트립 (21) 은 금속 리셉터 (40) 에 오버랩되어 형성된다.
이 경우, 금속 스트립 (21) 이 날개 선단 (11) 을 형성하는 금속 리셉터 (40) 에 오버랩되어 형성되어 있으므로, 금속 스트립 (21) 과 금속 리셉터 (40) 는 전기적으로 접속된 상태가 된다. 이 때문에, 금속 스트립 (21) 에 낙뢰한 경우에도, 금속 스트립 (21) 으로부터 금속 리셉터 (40) 를 통과하여 뇌전류가 흐르기 때문에, 풍차 날개 (10) 가 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또, 금속 스트립 (21) 을 금속 리셉터 (40) 에 오버랩시키고 있으므로, 간단한 구성으로 이들의 전기적인 접속을 확보할 수 있음과 함께, 금속 스트립 (21) 과 금속 리셉터 (40) 의 접속 강도를 높게 할 수 있다.
또, 금속 스트립 (21) 은, 금속박 (50) 에 전기적으로 접속되어 있다. 도 2 및 도 3 에 나타내는 예에서는, 압력면 (16) 및 부압면 (17) 의 각각에 2 개씩 형성된 금속박 (50) 중, 앞측 가장자리 (14) 측의 금속박 (50a) 에 대해, 금속 스트립 (21) 이 직접적으로 접속되어 있다.
일 구성예에서는, 금속박 (50a) 과 금속 스트립 (21) 이 겹쳐진 적층 영역 (70) (도 3 참조) 이 형성되어 있고, 이 적층 영역 (70) 에 의해 금속박 (50a) 과 금속 스트립 (21) 이 전기적으로 접속되어 있다. 적층 영역 (70) 에서는, 금속박 (50a) 과 금속 스트립 (21) 이 도전성 접착제에 의해 접착되어 있어도 된다. 그 경우, 도전성 접착제는, 적층 영역 (70) 에 있어서 날개 길이 방향으로 도포되어도 된다. 이로써, 금속박 (50a) 과 금속 스트립 (21) 사이의 전기적인 접속이 보다 확실하게 얻어진다.
또한, 금속 스트립 (21) 은, 금속박 (50) 에 대해 다른 도전성 재료 (금속 리셉터 (40) 를 제외한다) 를 개재하여 전기적으로 접속되어도 된다.
상기 구성에 의하면, 금속 스트립 (21), 금속 리셉터 (40) 및 금속박 (50) 이 전기적으로 접속됨으로써, 뇌전류의 경로가 형성되고, 낙뢰에 의한 풍차 날개 (10) 의 손상을 방지할 수 있다.
또, 금속 스트립 (21) 과 금속박 (50a) 은 각각 날개 길이 방향으로 연장되어 있고, 이들의 거리는 비교적 가깝다. 그 때문에, 금속 스트립 (21) 과 금속박 (50a) 사이가 절연되어 있는 경우, 금속 스트립 (21) 에 대한 낙뢰시에 이들 사이에 순간적으로 큰 전위차가 발생하여 아크가 발생하고, 풍차 날개 (10) 에 중대한 손상을 줄 가능성이 있다. 이 점에서, 상기 구성에 의하면, 금속 스트립 (21) 과 금속박 (50a) 이 전기적으로 접속되어 있으므로, 금속 스트립 (21) 과 금속박 (50a) 이 등전위화되고, 낙뢰시의 아크 발생에 의한 손상을 회피할 수 있다.
도 5 는, 일 실시형태에 관련된 금속 리셉터 (40) 의 사시도이다. 도 6 은, 일 실시형태에 관련된 금속 리셉터 (40) 및 금속 스트립 (21) 의 단면도이다. 또한, 도 6 은, 날개 길이 방향에 직교하는 단면을 나타내고 있다. 도 7a는, 일 실시형태에 관련된 금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 의 접합부 (도 6 의 C 부에 상당) 를 나타내는 단면도이다. 도 7b 는, 다른 실시형태에 관련된 금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 의 접합부 (도 6 의 C 부에 상당) 를 나타내는 단면도이다.
도 6, 도 7a 및 도 7b 에 나타내는 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 금속 리셉터 (40) 는, 적어도 날개 선단 (11) 에 있어서의 앞측 가장자리 (14) 에 있어서, 금속 스트립 (21) 의 단부가 걸어맞춰지는 오목부 (41) 를 갖는다. 이 경우, 금속 스트립 (21) 과 금속 리셉터 (40) 가 오버랩되는 영역에 있어서, 오목부 (41) 의 깊이와 금속 스트립 (21) 의 두께가 대체로 일치하도록 구성되어도 된다. 그리고, 금속 스트립 (21) 의 단부가 오목부 (41) 에 걸어맞춰진 상태에서, 금속 스트립 (21) 의 단부는 체결 부재 (30) 에 의해 금속 리셉터 (40) 에 체결되도록 되어 있다. 체결 부재 (30) 는, 볼트 (31) 및 너트 (32) (도 7a 참조), 또는 볼트 (34, 35) (도 7b 참조) 여도 된다.
상기 구성에 의하면, 금속 리셉터 (40) 의 오목부 (41) 에 금속 스트립 (21) 의 단부가 걸어맞춰진 상태에서, 금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 이 체결되도록 되어 있다. 이로써, 금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 이 오버랩되는 영역에서, 금속 스트립 (21) 의 두께에 상당하는 단차가 형성되는 것을 회피할 수 있고, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다. 또, 오목부 (41) 의 깊이와 금속 스트립 (21) 의 두께가 대체로 일치하는 경우, 금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 이 오버랩되는 영역에 있어서 풍차 날개 (10) 의 외표면이 평탄해지고, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 보다 한층 높게 유지할 수 있다.
또, 도 7a 및 도 7b 에 나타내는 바와 같이, 체결 부재 (30) 의 헤드부 (30a) 는, 그 헤드부 (30a) 의 주위에 있어서의 금속 스트립 (21) 과 함께 평활면을 구성하고 있어도 된다.
이로써, 체결 부재 (30) 의 헤드부 (30a) 가 풍차 날개 (10) 의 표면에서 바깥쪽으로 돌출되는 것을 방지할 수 있기 때문에, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
여기서, 각 실시형태에 대해 구체적으로 설명한다.
도 7a 에 나타내는 구성예에서는, 금속 리셉터 (40) 는, 내부에 공동 (45) 을 갖는 중공 형상을 이루고 있다. 또, 금속 리셉터 (40) 에는, 오목부 (41) 의 바닥면에 개구되도록 관통공 (42a, 42b) 이 형성되어 있다. 구체적으로는, 금속 리셉터 (40) 는, 압력면 (16) 측 및 부압면 (17) 측에 각각 관통공 (42a, 42b) 이 형성되어 있다. 관통공 (42a, 42b) 의 각각은, 오목부 (41) 와 공동 (45) 이 연통되도록 금속 리셉터 (40) 를 관통하고 있다.
일 실시형태에 있어서, 체결 부재 (30) 는, 볼트 (31) 및 그 볼트 (31) 에 나선 결합되는 너트 (32) 를 포함한다. 1 개의 볼트 (31) 는, 2 개의 관통공 (42a, 42b) 에 삽입 통과된다.
또, 금속 스트립 (21) 에도, 압력면 (16) 측의 단부 및 부압면 (17) 측의 단부의 각각에 관통공 (22, 23) 이 형성되어 있다. 금속 스트립 (21) 의 관통공 (22, 23) 은, 금속 리셉터 (40) 의 관통공 (42a, 42b) 에 대응한 위치에 형성되어 있다.
볼트 (31) 는, 헤드부 (31a) 및 축부 (31b) 를 갖고 있다. 축부 (31b) 의 길이는, 금속 리셉터 (40) 에 금속 스트립 (21) 이 걸어맞춰져 형성되는 날개 선단 (11) 의 두께에 대응하고 있고, 축부 (31b) 의 직경은, 관통공 (42a, 42b) 보다 약간 작다.
압력면 (16) 또는 부압면 (17) 의 일방의 면측으로부터 볼트 (31) 를 관통공 (42a, 42b) 및 관통공 (22, 23) 에 삽입 통과시킨 상태에서, 압력면 (16) 또는 부압면 (17) 의 타방의 면측으로부터 볼트 (31) 의 단부에 너트 (32) 를 나선 결합시킨다. 이로써, 볼트 (31) 의 헤드부 (31a) 와 너트 (32) 사이에 금속 리셉터 (40) 및 금속 스트립 (21) 이 놓이고, 이들이 체결된다.
금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 이 체결된 상태에 있어서, 볼트 (31) 의 헤드부 (31a) 및 너트 (32) 는, 각각 이들의 주위에 있어서의 금속 스트립 (21) 과 함께 평활면을 구성한다.
또한, 도 7b 에 나타내는 바와 같이, 금속 리셉터가 내부에 공동을 갖지 않는 중실 형상을 이루고 있는 경우, 금속 리셉터의 관통공은, 풍차 날개의 압력면측으로부터 부압면측을 향하여 금속 리셉터를 관통하도록 형성되고, 이 1 개의 관통공에 1 개의 볼트가 삽입된다.
도 7b 에 나타내는 바와 같이, 다른 실시형태에 있어서, 체결 부재 (30) 는, 오목부 (41) 의 바닥면에 개구되도록 금속 리셉터 (40) 에 형성된 나사공 (43, 44) 에 나선 결합되는 볼트 (34, 35) 를 포함한다.
금속 리셉터 (40) 의 나사공 (43) 은 압력면 (16) 측에 형성되어 있고, 나사공 (44) 은 부압면 (17) 측에 형성되어 있다.
또, 금속 스트립 (21) 에는, 압력면 (16) 측의 단부 및 부압면 (17) 측의 단부의 각각에 관통공 (24, 25) 이 형성되어 있다. 금속 스트립 (21) 의 관통공 (24, 25) 은, 금속 리셉터 (40) 의 나사공 (43, 44) 에 대응한 위치에 형성되어 있다.
볼트 (34, 35) 는, 각각 금속 스트립 (21) 의 관통공 (24, 25) 을 관통하여 금속 리셉터 (40) 의 나사공 (43, 44) 에 나선 결합되도록 구성되어 있다.
압력면 (16) 및 부압면 (17) 의 각각에 있어서, 볼트 (34, 35) 를 관통공 (24, 25) 에 삽입 통과시켜 나사공 (43, 44) 에 나선 결합시킨다. 이로써, 압력면 (16) 및 부압면 (17) 의 각각에 있어서, 금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 의 단부가 체결된다.
금속 리셉터 (40) 와 금속 스트립 (21) 이 체결된 상태에 있어서, 볼트 (34, 35) 의 헤드부 (34a, 35a) 는, 각각 이들의 주위에 있어서의 금속 스트립 (21) 과 함께 평활면을 구성한다.
도 7a 및 도 7b 에 나타낸 구성에 의하면, 금속 스트립 (21) 및 금속 리셉터 (40) 의 두께 방향으로 볼트 (31, 34, 35) 가 삽입 통과되므로, 볼트 (31, 34, 35) 의 체결 강도를 조절함으로써, 금속 스트립 (21) 과 금속 리셉터 (40) 의 접촉 상태를 확실하게 형성하고, 전기적인 접속을 확보할 수 있다. 이 때, 금속제의 볼트 (31, 34, 35) 를 사용하면, 볼트 (31, 34, 35) 를 개재하여 금속 스트립 (21) 과 금속 리셉터 (40) 의 전기적인 접속을 보다 확실하게 형성할 수 있다.
도 8a 는, 일 실시형태에 있어서의 풍차 날개 (10) 의 주속과 금속 스트립 (21) 의 두께의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8b 는, 다른 실시형태에 있어서의 풍차 날개 (10) 의 주속과 금속 스트립 (21) 의 두께의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 8a 및 도 8b 에 있어서, 풍차 날개 (10) 의 임의의 위치에 있어서의 주속은, 로터 (3) (도 1 참조) 의 반경 위치, 즉 날개 길이 방향에 있어서의 날개 뿌리 (12) 로부터의 거리에 비례한다. 그 때문에, 가로축의 주속은 날개 길이 방향 위치에 대응하고 있다.
도 3, 도 8a 및 도 8b 에 나타내는 바와 같이, 몇 가지 실시형태에 의하면, 금속 스트립 (21) 은, 금속 리셉터 (40) 에 오버랩됨과 함께 금속 리셉터 (40) 에 고정되는 제 1 영역 (26) 과, 이 제 1 영역 (26) 보다 날개 뿌리 (12) 측에 위치하고, 제 1 영역 (26) 보다 금속 스트립 (21) 의 두께가 작은 제 2 영역 (27) 을 포함한다.
풍차 날개 (10) 에 있어서는, 날개 선단 (11) 측 쪽이 날개 뿌리 (12) 측보다 주속이 크기 때문에, 날개 선단 (11) 의 금속 리셉터 (40) 에 고정되는 제 1 영역 (26) 은, 그 제 1 영역 (26) 보다 날개 뿌리 (12) 측에 위치하는 제 2 영역 (27) 보다 이로젼이 발생하기 쉽다. 그래서, 이로젼이 발생하기 쉬운 제 1 영역 (26) 에 있어서, 날개 뿌리 (12) 측의 제 2 영역 (27) 보다 금속 스트립 (21) 을 두껍게 하고 있다. 한편, 이로젼이 비교적 잘 발생하지 않는 제 2 영역 (27) 에 있어서는, 경량화를 목적으로 하여 금속 스트립 (21) 을 얇게 하고 있다. 이와 같이, 이로젼의 발생 용이성에 따라 금속 스트립 (21) 의 두께를 상이하게 함으로써, 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
도 8a 에 나타내는 예에서는, 제 1 영역 (26) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께는 날개 길이 방향에 있어서 대략 일정하고, 제 2 영역 (27) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께는 날개 길이 방향에 있어서 대략 일정하고 또한 제 1 영역 (26) 보다 얇다. 즉, 제 1 영역 (26) 과 제 2 영역의 경계에는 단차가 존재한다. 이 단차는, 금속 스트립 (21) 의 표면 및 이면 중 날개 본체 (13) 에 대향하는 이면에 형성되어 있다. 그 때문에, 금속 스트립 (21) 의 표면 (즉 풍차 날개 (10) 의 외표면) 에는 단차는 존재하지 않고, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 저해하지 않는다.
또, 도 8a 에 나타내는 예에서는, 날개 길이 방향에 있어서 금속 스트립 (21) 에 인접하여 금속 스트립 (21) 의 날개 뿌리 (12) 측에 위치하고, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록 형성되는 피막 영역 (도 2 에 나타내는 내이로젼 피막 (39)) 을 추가로 구비하고 있다. 즉, 이로젼이 비교적 문제가 잘 되지 않는 날개 뿌리 (12) 측의 영역에 있어서는, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록 내이로젼 피막 (39) (도 2 참조) 을 형성한다. 일반적으로 내이로젼 피막 (39) (도 2 참조) 은 경량인 점에서, 상기 구성에 의해 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
도 8a 에 나타내는 일 실시형태에서는, 피막 영역은 주속 ω1 이상 ω2 미만의 영역에 형성되고, 두께 t1 의 피막이 형성되어 있다. 예를 들어, 날개 선단 (11) 의 주속 (최선단의 주속) ω5 가 90 m/s 일 때, 피막 영역의 하한값의 주속 ω1 은 50 m/s 이고, 상한값의 주속 ω2 는 80 m/s 이다. 이 피막 영역에 있어서, 피막의 두께 t1 은 0.3 m 정도여도 된다. 이와 같이, 어떠한 이로젼 대책이 요구되는 50 m/s 정도부터 피막 영역을 개시해도 된다.
또, 제 2 영역은 피막 영역에 인접하여 형성되어 있고, 피막 영역보다 주속이 큰 영역인 주속 ω2 이상 ω3 미만의 영역에 형성되고, 두께 t2 에 형성된다. 예를 들어, 날개 선단 (11) 의 주속 ω5 가 90 m/s 일 때, 제 2 영역의 하한값의 주속 ω2 는 80 m/s 이고, 상한값의 주속 ω2 는 87 m/s 이다. 이 제 2 영역에 있어서의 두께 t2 는 1.0 ㎜ 정도여도 된다. 즉, 주속 80 m/s 이상에서는, 피막 영역에만 의한 이로젼 대책으로는 불충분해질 가능성이 있기 때문에, 도 8a 에 나타내는 바와 같이, 주속 80 m/s 이상의 영역에서는 제 2 영역 및 제 1 영역을 형성하고 있다.
또한, 제 1 영역은 제 2 영역에 인접하여 형성되어 있고, 제 2 영역보다 주속이 큰 영역인 주속 ω3 이상 ω4 이하의 영역에 형성되고, 두께 t3 에 형성된다. 예를 들어, 날개 선단 (11) 의 주속 ω5 가 90 m/s 일 때, 제 1 영역의 하한값의 주속 ω3 은 87 m/s 이고, 상한값의 주속 ω4 는 89 m/s 이다. 이 제 1 영역에 있어서의 두께 t3 은 5.0 ㎜ 정도여도 된다.
또한, 상기 풍차 날개 (10) 에 있어서, 비용 삭감의 관점에서, 날개 길이 방향에 있어서의 피막 영역의 길이가, 금속 스트립 영역 (제 1 영역 및 제 2 영역) 의 길이보다 커지도록 해도 된다.
도 8b 에 나타내는 예에서는, 제 1 영역 (26) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께는 날개 길이 방향에 있어서 대략 일정하고, 제 2 영역 (27) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께는, 날개 길이 방향에 있어서 제 1 영역 (26) 에 가까워짐에 따라 증대하고 있다. 이 경우에도, 도 8a 와 마찬가지로 제 1 영역 (26) 과 제 2 영역의 경계에는 금속 스트립 (21) 의 이면에 단차가 존재한다.
이와 같이, 이로젼의 발생 용이성에 따라 금속 스트립 (21) 의 두께를 서서히 상이하게 함으로써, 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
도 8b 에 나타내는 다른 실시형태에서는, 제 2 영역은 주속 ω6 이상 ω7 미만의 영역에 형성되고, 이 영역에 있어서 날개 선단 (11) 을 향하여 두께 t4 로부터 t5 까지 서서히 두께가 커지도록 구성된다. 예를 들어, 날개 선단 (11) 의 주속 ω5 가 90 m/s 일 때, 제 2 영역에 있어서의 하한값의 주속 ω6 은 50 m/s 이고, 상한값의 주속 ω7 은 87 m/s 이다. 또, 제 2 영역에 있어서의 하한값의 두께 t4 는 0.3 ㎜ 이고, 상한값의 두께 t5 는 1.0 ㎜ 여도 된다.
제 1 영역은 제 2 영역에 인접하여 형성되어 있고, 제 2 영역보다 주속이 큰 영역인 주속 ω7 이상 ω8 미만의 영역에 형성되고, 두께 t6 에 형성된다. 예를 들어, 날개 선단 (11) 의 주속 ω5 가 90 m/s 일 때, 제 1 영역의 하한값의 주속 ω7 은 87 m/s 이고, 상한값의 주속 ω8 은 89 m/s (90 m/s 미만의 값) 이다. 이 제 1 영역에 있어서의 두께 t6 은 5.0 ㎜ 정도여도 된다.
또, 도 8a 및 도 8b 에 관한 상기 설명에서는 일례로서 날개 선단 (11) 의 주속 ω5 가 90 m/s 일 때의 수치를 나타냈지만, 예를 들어 날개 선단 (11) 의 주속 ω5 가 100 m/s 일 때에는, ω1, ω2 또는 ω6 은 90 m/s 인 경우의 상기값과 동일해도 되고, ω3 또는ω7 은 97 ∼ 99 m/s 의 범위 내여도 된다. 즉, 날개 선단 (11) 의 주속이 상이한 경우, 피막 영역 및 제 2 영역의 각 개시점 (각 영역의 날개 길이 방향에 있어서의 날개 뿌리측 단부) 은 주속에 관계없이 대체로 일정하고, 제 1 영역의 개시점 (제 1 영역의 날개 길이 방향에 있어서의 날개 뿌리측 단부) 은 주속에 대응하여 변화하도록 해도 된다.
도 9a 는, 일 실시형태에 관련된 금속 스트립 (21) 이 형성된 풍차 날개 (10) 의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 9b 는, 다른 실시형태에 관련된 금속 스트립 (21) 이 형성된 풍차 날개 (10) 의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 9c 는, 또 다른 실시형태에 관련된 금속 스트립 (21) 이 형성된 풍차 날개 (10) 의 단면을 모식적으로 나타낸 도면이다. 또한, 도 9a ∼ 도 9c 는, 날개 길이 방향에 직교하는 방향에 있어서의 풍차 날개 (10) 의 단면을 나타내고 있고, 본 도면에서는 풍차 날개 (10) 의 단면 중 금속 스트립 (21) 및 금속박 (50a, 50b) 이외의 부위는 생략되어 있다.
도 9a ∼ 도 9c 에 나타내는 바와 같이, 금속 스트립 (21) 은, 날개 본체 (13) 의 부압면 (17) 상의 제 1 폭 방향단 (28) 과, 날개 본체 (13) 의 압력면 (16) 상의 제 2 폭 방향단 (29) 을 갖는다.
또, 금속 스트립 (21) 은, 부압면 (17) 및 압력면 (16) 상에 있어서 앞측 가장자리 (14) 로부터 제 1 폭 방향단 (28) 및 제 2 폭 방향단 (29) 까지 연장되어 있다. 또한, 금속 스트립 (21) 과 날개 본체 (13) 사이에는, 금속박 (50a) 이 배치되어 있어도 된다. 즉, 금속박 (50a) 이 금속 스트립 (21) 과 직접 접촉하도록 부분적으로 겹쳐진 상태에서, 금속 스트립 (21) 및 금속박 (50a) 이 배치되어 있다.
이 구성에 의하면, 금속 스트립 (21) 의 폭 방향에 있어서의 일방측은 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 로부터 부압면 (17) 상의 제 1 폭 방향단 (28) 까지 연장되고, 타방측은 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 로부터 압력면 (16) 상의 제 2 폭 방향단 (29) 까지 연장되어 있다. 이로써, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 를 포함하는 부압면측 영역 및 압력면측 영역에 있어서 내이로젼성을 향상시킬 수 있다.
또한, 금속 스트립 (21) 은, 제 1 폭 방향단 (28) 및 제 2 폭 방향단 (29) 을 향하여 금속 스트립 (21) 의 두께가 서서히 감소하는 폭 방향 영역 (55) 을 포함한다.
도 9a 및 도 10a 에 나타내는 예에서는, 폭 방향 영역 (55) 은, 앞측 가장자리 (14) 로부터 제 1 폭 방향단 (28) 까지의 영역, 및 앞측 가장자리 (14) 로부터 제 2 폭 방향단 (29) 까지의 영역을 포함한다.
마찬가지로, 도 9b 및 도 10b 에 나타내는 예에서는, 폭 방향 영역 (55) 은, 앞측 가장자리 (14) 로부터 제 1 폭 방향단 (28) 까지의 영역, 및 앞측 가장자리 (14) 로부터 제 2 폭 방향단 (29) 까지의 영역을 포함한다.
도 9c 및 도 10c 에 나타내는 예에서는, 앞측 가장자리 (14) 보다 부압면 (17) 측에 위치하는 경계부 (56), 및 앞측 가장자리 (14) 보다 압력면 (16) 측에 위치하는 경계부 (57) 에 있어서, 단차상으로 금속 스트립 (21) 의 두께가 변화하고 있다. 앞측 가장자리 (14) 를 포함하는 경계부 (56) 와 경계부 (57) 사이에 있어서는, 금속 스트립 (21) 의 두께는 대략 일정하다. 한편, 경계부 (56) 로부터 제 1 폭 방향단 (28) 까지의 영역, 및 경계부 (57) 로부터 제 2 폭 방향단 (29) 까지의 영역은, 제 1 폭 방향단 (28) 및 제 2 폭 방향단 (29) 을 향하여 금속 스트립 (21) 의 두께가 서서히 감소하는 폭 방향 영역 (55) 으로 되어 있다.
예를 들어, 제 1 폭 방향단 (28) 또는 제 2 폭 방향단 (29) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께는, 앞측 가장자리 (14) (또는 금속 스트립 (21) 의 가장 두꺼운 위치) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께에 대해 0.05 배 ∼ 0.2 배 (도 시된 예에서는 0.1 배) 여도 된다.
도 9a ∼ 도 9c 및 도 10a ∼ 도 10c 에 나타내는 구성에 의하면, 금속 스트립 (21) 은, 이로젼이 발생하기 쉬운 앞측 가장자리 (14) 에 있어서 가장 두껍고, 이로젼이 비교적 잘 발생하지 않는 영역을 향하여 폭 방향으로 두께가 서서히 감소하도록 되어 있다. 이와 같이, 이로젼의 발생 용이성에 따라 금속 스트립 (21) 의 두께를 상이하게 함으로써, 내이로젼성의 확보와 경량화의 양립을 도모할 수 있다.
또, 도 9c 및 도 10c 에 나타내는 예에서는, 경계부 (56) 로부터 제 1 폭 방향단 (28) 까지의 폭 방향 영역 (55), 및 경계부 (57) 로부터 제 2 폭 방향단 (29) 까지의 폭 방향 영역 (55) 에 있어서는, 앞측 가장자리 (14) 를 포함하여 경계부 (56) 와 경계부 (57) 사이의 영역보다 금속 스트립 (21) 의 두께가 작다. 예를 들어, 경계부 (57) 에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께는, 앞측 가장자리 (14) 를 포함하는 경계부 (56) 와 경계부 (57) 사이의 영역에 있어서의 금속 스트립 (21) 의 두께에 대해 0.2 ∼ 0.4 배 (도시된 예에서는 0.3 배) 여도 된다.
이 경우, 폭 방향 영역 (55) 에 있어서, 금속 스트립 (21) 이 금속박 (50a) 과 서로 겹치도록 해도 된다. 즉, 도 3 에 나타낸 금속박 (50a) 과 금속 스트립 (21) 의 적층 영역 (70) 이 금속 스트립 (21) 의 폭 방향 영역 (55) 에 위치하도록 해도 된다. 이로써, 금속박 (50a) 과 금속 스트립 (21) 의 적층 영역 (70) 에 있어서, 다른 영역보다 두께가 커지는 것을 방지하고, 풍차 날개 (10) 의 표면을 평탄하게 할 수 있기 때문에, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
도 9a 에 나타내는 예에서는, 금속 스트립 (21) 에 의해 형성되는 앞측 가장자리 (14) 로부터 뒤측 가장자리 (15) 까지의 코드 길이 L 이, 공력 성능을 고려한 설계 코드 길이 L0 과 일치하고 있다. 이 구성에서는, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 측 단부 (금속 스트립 (21) 을 포함하지 않는다) 로부터 뒤측 가장자리 (15) 까지의 코드 길이 L1 은, 설계 코드 길이 L0 보다 작다. 이와 같이, 금속 스트립 (21) 을 장착하는 것을 고려하여, 날개 본체 (13) 의 코드 길이 L1 이 설계 코드 길이 L0 보다 작아지도록 날개 본체 (13) 를 형성해도 된다. 이로써, 금속 스트립 (21) 을 장착한 상태에 있어서, 공력 성능이 우수한 날개형을 실현할 수 있다.
도 9b 에 나타내는 예에서는, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 측 단부 (금속 스트립 (21) 을 포함하지 않는다) 로부터 뒤측 가장자리 (15) 까지의 코드 길이 L1 은, 설계 코드 길이 L0 과 일치하고 있다. 따라서, 이 구성에서는, 금속 스트립 (21) 을 장착한 상태에 있어서 앞측 가장자리 (14) 로부터 뒤측 가장자리 (15) 까지의 코드 길이 L 은, 설계 코드 길이 L0 보다 커진다. 이 구성은, 공력 성능을 고려하여 제조된 기존의 날개 본체 (13) 에 대해서도 적용할 수 있다.
일 실시형태에서는, 도 9a ∼ 도 9c 에 나타내는 바와 같이, 금속 스트립 (21) 과 날개 본체 (13) 사이에 형성된 변형 가능한 중간층 (38) 을 추가로 구비하고 있어도 된다.
이 구성에 의하면, 금속 스트립 (21) 과 날개 본체 (13) 사이에 형성된 변형 가능한 중간층 (38) 에 의해, 금속 스트립 (21) 과 날개 본체 (13) 의 열팽창차를 흡수할 수 있다. 그 때문에, 금속 스트립 (21) 과 날개 본체 (13) 의 열팽창차에서 기인하여, 금속 스트립 (21) 이나 날개 본체 (13) 가 변형되거나, 금속 스트립 (21) 과 날개 본체 (13) 의 접합 상태가 악화되거나 하는 것을 방지할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 금속 스트립 (21) 은 전기 주조품이어도 된다.
이와 같이, 금속 스트립 (21) 을 전기 주조에 의해 제조함으로써, 금속 스트립 (21) 의 형상 정밀도가 높아지고, 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 높게 유지할 수 있음과 함께, 내이로젼성이 양호하고 또한 경량화 가능한 금속 스트립 (21) 을 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 금속 스트립 (21) 은, 전기 주조와는 다른 방법에 의해 제조된 것이어도 된다.
도 1 내지 도 3 을 참조하여, 몇 가지 실시형태에 관련된 풍차 날개 (10) 의 제조 또는 개조 방법은, 날개 뿌리 (12) 로부터 날개 선단 (11) 을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 풍차 날개 (10) 의 날개 본체 (13) 중, 날개 선단 (11) 측에 있어서의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록, 날개 본체 (13) 의 앞측 가장자리 (14) 의 이로젼을 억제하기 위한 금속 스트립 (21) 을 날개 본체 (13) 에 장착하는 스텝을 구비한다.
상기 방법에서는, 풍차 날개 (10) 의 날개 본체 (13) 중, 날개 선단 (11) 측에 있어서의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록 금속 스트립 (21) 을 날개 본체 (13) 에 장착하도록 하였으므로, 이로젼의 발생을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있는 풍차 날개 (10) 를 용이하게 제조 또는 개조할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 적어도 몇 가지 실시형태에 의하면, 풍차 날개 (10) 의 날개 선단 (11) 측에 있어서의 앞측 가장자리 (14) 를 적어도 덮도록 금속 스트립 (21) 을 형성하였으므로, 풍차 날개 (10) 에 있어서의 이로젼의 발생을 장기간에 걸쳐 억제할 수 있고, 또한 풍차 날개 (10) 의 공력 성능을 높게 유지할 수 있다.
본 발명은 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 상기 서술한 실시형태에 변형을 가한 형태나, 이들 형태를 적절히 조합한 형태도 포함한다.
예를 들어,「어느 방향으로」,「어느 방향을 따라」,「평행」,「직교」,「중심」,「동심」혹은「동축」등의 상대적 혹은 절대적인 배치를 나타내는 표현은, 엄밀하게 그와 같은 배치를 나타낼 뿐만 아니라, 공차 혹은 동일한 기능이 얻어지는 정도의 각도나 거리로써 상대적으로 변위하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어,「동일」,「동등한」및「균질」등의 사물이 동등한 상태인 것을 나타내는 표현은, 엄밀하게 동등한 상태를 나타낼 뿐만 아니라, 공차 혹은 동일한 기능이 얻어지는 정도의 차이가 존재하고 있는 상태도 나타내는 것으로 한다.
예를 들어, 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타내는 표현은, 기하학적으로 엄밀한 의미에서의 사각 형상이나 원통 형상 등의 형상을 나타낼 뿐만 아니라, 동일한 효과가 얻어지는 범위에서 요철부나 모따기부 등을 포함하는 형상도 나타내는 것으로 한다.
한편, 하나의 구성 요소를「구비하는」,「포함하는」또는「갖는」이라는 표현은, 다른 구성 요소의 존재를 제외하는 배타적인 표현은 아니다.
1 : 풍력 발전 장치
2 : 허브
3 : 로터
10 : 풍차 날개
11 : 날개 선단
12 : 날개 뿌리
13 : 날개 본체
14 : 앞측 가장자리
15 : 뒤측 가장자리
16 : 압력면
17 : 부압면
21 : 금속 스트립
22, 23, 42a, 42b : 관통공
26 : 제 1 영역
27 : 제 2 영역
28 : 제 1 폭 방향단
29 : 제 2 폭 방향단
30 : 체결 부재
30a : 헤드부
38 : 중간층
39 : 내이로젼 피막
40 : 금속 리셉터
41 : 오목부
43 : 나사공
44 : 나사공
50, 50a, 50b : 금속박
55 : 폭 방향 영역
56, 57 : 경계부
60 : 다운 컨덕터
70 : 적층 영역

Claims (16)

  1. 날개 뿌리로부터 날개 선단을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 날개 본체와,
    상기 날개 본체 중 상기 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 형성되고, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리의 이로젼을 억제하기 위한 금속 스트립을 구비하고,
    상기 날개 본체의 상기 날개 뿌리와는 반대측의 단부에 접속되고, 상기 날개 선단 및 상기 날개 선단측의 뒤측 가장자리 (trailing edge) 를 형성하는 금속 리셉터를 추가로 구비하고,
    상기 금속 스트립은, 상기 금속 리셉터에 오버랩되어 형성되는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 스트립의 두께는, 상기 날개 뿌리 측보다 상기 날개 선단측이 두꺼운 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 리셉터에 전기적으로 접속됨과 함께, 상기 날개 뿌리를 향하여 상기 날개 길이 방향을 따라 상기 날개 본체의 압력면 및 부압면 상에서 연장되고, 상기 금속 리셉터로부터의 뇌전류를 상기 날개 뿌리측으로 유도하도록 구성된 금속박을 추가로 구비하고,
    상기 금속 스트립은, 상기 금속박에 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 리셉터는, 적어도 상기 날개 선단에 있어서의 앞측 가장자리에 있어서, 상기 금속 스트립의 단부가 걸어맞춰지는 오목부를 갖고,
    상기 오목부에 걸어맞춰진 상기 금속 스트립의 상기 단부를 상기 금속 리셉터에 체결하기 위한 체결 부재를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 체결 부재의 헤드부는, 그 헤드부의 주위에 있어서의 상기 금속 스트립과 함께 평활면을 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 체결 부재는,
    (a) 상기 오목부의 바닥면에 개구되도록 상기 금속 리셉터에 형성된 나사공에 나선 결합되는 볼트, 또는,
    (b) 상기 오목부의 바닥면에 개구되도록 상기 금속 리셉터에 형성된 관통공에 삽입 통과되는 볼트 및 그 볼트에 나선 결합되는 너트 중 어느 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 스트립은,
    상기 금속 리셉터에 오버랩됨과 함께 상기 금속 리셉터에 고정되는 제 1 영역과,
    상기 제 1 영역보다 상기 날개 뿌리측에 위치하고, 상기 제 1 영역보다 상기 금속 스트립의 두께가 작은 제 2 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 스트립의 상기 제 2 영역에 있어서, 상기 금속 스트립의 상기 두께는 상기 제 1 영역에 가까워짐에 따라 증대하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 날개 길이 방향에 있어서 상기 금속 스트립에 인접하여 상기 금속 스트립의 상기 날개 뿌리측에 위치하고, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리를 적어도 덮도록 형성되는 내이로젼 피막을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 스트립과 상기 날개 본체 사이에 형성된 변형 가능한 중간층을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 스트립은, 상기 날개 본체의 부압면 상의 제 1 폭 방향단과, 상기 날개 본체의 압력면 상의 제 2 폭 방향단을 갖고,
    상기 금속 스트립은, 상기 부압면 및 상기 압력면 상에 있어서 상기 앞측 가장자리로부터 상기 제 1 폭 방향단 및 상기 제 2 폭 방향단까지 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속 스트립은, 상기 제 1 폭 방향단 및 상기 제 2 폭 방향단을 향하여 상기 금속 스트립의 두께가 서서히 감소하는 폭 방향 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 스트립은 전기 주조품인 것을 특징으로 하는 풍차 날개.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 풍차 날개를 포함하는 풍력 발전 장치에 있어서,
    상기 풍차 날개가 장착되는 허브와,
    상기 허브의 회전에 의해 구동되는 발전기를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
  15. 풍차 날개의 제조 방법으로서,
    전기 주조에 의하여 금속 스트립을 제조하는 스텝,
    날개 뿌리로부터 날개 선단을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 상기 풍차 날개의 날개 본체 중, 상기 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리의 이로젼을 억제하기 위한 상기 금속 스트립을 상기 날개 본체에 장착하는 스텝,
    상기 날개 본체의 상기 날개 뿌리와는 반대측의 단부에 접속되고, 상기 날개 선단 및 상기 날개 선단측의 뒤측 가장자리 (trailing edge) 를 형성하는 금속 리셉터에 대해 상기 금속 스트립을 오버랩시키는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개의 제조 방법.
  16. 풍차 날개의 개조 방법으로서,
    전기 주조에 의하여 금속 스트립을 제조하는 스텝, 및
    날개 뿌리로부터 날개 선단을 향하여 날개 길이 방향을 따라 연장되는 상기 풍차 날개의 날개 본체 중, 상기 날개 선단측에 있어서의 앞측 가장자리를 적어도 덮도록, 상기 날개 본체의 상기 앞측 가장자리의 이로젼을 억제하기 위한 상기 금속 스트립을 상기 날개 본체에 장착하는 스텝을 구비하고,
    상기 날개 본체의 상기 날개 뿌리와는 반대측의 단부에 접속되고, 상기 날개 선단 및 상기 날개 선단측의 뒤측 가장자리 (trailing edge) 를 형성하는 금속 리셉터에 대해 상기 금속 스트립을 오버랩시키는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍차 날개의 개조 방법.
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