KR102125134B1 - 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기에 관한 것이고, 구체적으로 풍력 발전기의 회전 블레이드로 유체를 효과적으로 유도하여 풍력 발전기의 발전 효율이 향상되도록 하는 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기에 관한 것이다. 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기는 바람이 유입되는 입구(11); 블레이드를 회전시키는 바람이 배출되는 출구(13); 및 입구(11)와 출구(13)를 연결시키면서 싸이클로이드 구조의 표면을 가지는 유동 경로(12)를 포함하고, 상기 입구(11)의 단면적은 출구(13)의 단면적에 비하여 작고, 유동 경로(12)의 길이는 입구(11)의 유입 단면적의 반경과 동일하거나 또는 작다.

Description

풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기{A Guiding Duct for a Wind Generator and the Wind Generator with the Same}

본 발명은 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기에 관한 것이고, 구체적으로 풍력 발전기의 회전 블레이드로 유체를 효과적으로 유도하여 풍력 발전기의 발전 효율이 향상되도록 하는 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기에 관한 것이다.

바람을 이용하여 전기를 만드는 풍력 발전은 신재생 에너지가 되면서 환경오염을 발생시키지 않는 청정에너지에 해당한다. 풍력 발전을 위하여 그에 적합한 자연 조건이 형성되면서 그에 따른 구조 설계가 이루어질 필요가 있다. 그리고 구조 설계는 바람을 효율적으로 유도하여 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 방법으로 이루어질 필요가 있다. 풍력 발전의 효율을 향상시키는 다양한 구조가 이 분야에 공지되어 있고 특허공개번호 10-2010-0135058은 듀얼 로터가 사용되어 약한 풍속에 의해서도 지속적으로 발전이 가능하며, 덕트가 구비되어 바람의 유속을 증대시켜 발전 효율을 높인 듀얼 로터 방식의 덕트형 풍력 발전 장치에 대하여 개시한다. 또한 국제공개번호 WO 2015/158788은 타원의 원주를 따라 공기를 유도하기 위하여 형성되는 풍력 발전소용 에어 덕트에 대하여 개시한다. 선행기술에서 개시된 덕트는 입구로부터 출구로 경사지도록 형성되거나, 다수 개의 세그먼트로 형성된다. 그러나 이와 같은 덕트 구조는 다양한 유체 흐름의 분석에 기초하지 않고 이로 인하여 풍력 발전의 효율을 향상시키기에 부족하다는 단점을 가진다. 풍력 발전은 예를 들어 베르누이의 법칙 또는 베츠의 법칙에 기초하면서 덕트의 내부 또는 외부의 압력에 기초하여 설계가 될 필요가 있다. 그리고 풍력 발전 과정에서 발생되는 소음이 최소가 되도록 설계가 되는 것이 유리하다. 그러나 선행기술은 이와 같은 구조를 가진 덕트 구조에 대하여 개시하지 않는다.

본 발명은 선행기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

선행기술 1: 특허공개번호 10-2010-0135058(광주과학기술원, 2010년12월24일 공개) 듀얼 로터 방식의 덕트형 풍력 발전 장치 선행기술 2: 국제공개번호 WO 2015/158788(아레파 빈트 게엠베하, 2015년10월22일 공개) 풍력 발전소용 에어 덕트, 풍력 발전소, 에어 덕트의 제조 방법 및 에어 덕트로 풍력 발전소를 개조하는 방법

본 발명의 목적은 좁은 단면적의 입구 및 넓은 단면적의 출구를 가지면서 입구와 출구가 싸이클로이드 형상으로 연결되어 발전 효율이 향상되도록 하는 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 풍력 발전기용 유도 덕트 및 이를 가진 풍력 발전기는 바람이 유입되는 입구; 블레이드를 회전시키는 바람이 배출되는 출구; 및 입구와 출구를 연결시키면서 싸이클로이드 구조의 표면을 가지는 유동 경로를 포함하고, 상기 입구의 단면적은 출구의 단면적에 비하여 작고, 유동 경로의 길이는 입구의 유입 단면적의 반경과 동일하거나 또는 작다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 출구의 둘레 면에 형성된 챙을 더 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 유입 단면적이 출구 단면적에 비하여 작으면서 유동 경로의 내부 둘레 면이 싸이클로이드 구조가 되는 유도 덕트; 및 유도 덕트의 내부에서 출구에 인접하여 배치되는 회전 블레이드를 포함하고, 상기 유입 단면적은 원형이 되고, 유동 경로의 길이는 유입 단면적의 반지름과 동일하거나 또는 작다.

본 발명에 따른 풍력 발전기용 덕트는 유체 흐름에 따른 내부 및 외부의 압력 변화에 기초하여 설계가 되는 것에 의하여 풍력 발전의 효율이 높아지도록 한다. 본 발명에 따른 덕트는 출구에 챙을 형성하는 것에 의하여 스트림이 블레이드와 접촉하는 부위에서 압력이 효과적으로 조절되도록 한다. 또한 본 발명에 따른 풍력 발전기는 내부 면이 싸이클로이드 구조로 형성된 덕트를 통하여 바람이 유입되도록 하는 것에 의하여 소음이 감소되도록 하면서 발전 효율이 향상되도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 덕트의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 덕트의 기하학적 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 덕트가 풍력 발전기에 설치된 구조의 실시 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전기의 실시 예를 도시한 것이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 덕트의 실시 예를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 풍력 발전기용 덕트는 바람이 유입되는 입구(11); 블레이드를 회전시키는 바람이 배출되는 출구(13); 및 입구(11)와 출구(13)를 연결시키면서 싸이클로이드 구조의 표면을 가지는 유동 경로(12)를 포함하고, 상기 입구(11)의 단면적은 출구(13)의 단면적에 비하여 작고, 유동 경로(12)의 길이는 입구(11)의 유입 단면적의 반경과 동일하거나 또는 작다.

덕트는 바람 또는 공기를 풍력 발전기의 블레이드로 유도하는 기능을 가질 수 있고, 덕트의 내부로 유도된 바람 또는 공기는 블레이드를 회전시키고 덕트의 외부로 배출될 수 있다. 블레이드는 덕트의 입구(11), 유동 경로(12) 또는 출구에 인접하여 설치될 수 있고, 덕트는 블레이드의 구조에 따라 내부, 앞쪽 또는 뒤쪽에 블레이드가 배치될 수 있는 크기로 만들어질 수 있다.

입구(11)를 통하여 바람이 덕트의 내부로 유입될 수 있고, 입구(11)는 다양한 형상의 단면적을 가질 수 있지만 바람직하게 원형의 단면적을 가질 수 있다. 입구(11)를 통하여 유입된 바람은 스트림을 형성하면서 유동 경로(12)를 따라 유동될 수 있다. 그리고 덕트의 내부에 배치된 블레이드를 회전시키고 출구(13)를 통하여 외부로 배출될 수 있다. 출구(13)는 입구(11)와 동일하거나, 서로 다른 단면 형상을 가질 수 있고, 바람직하게 원형의 단면적을 가질 수 있다. 이와 같이 입구(11)를 통하여 유입된 바람이 유동 경로(12)를 따라 유동되어 출구(13)를 통하여 배출되는 과정에서 블레이드를 효율적으로 회전시키고, 이에 따라 최대의 전력이 생산되도록 할 필요가 있다. 이를 위하여 입구의 단면적의 크기는 출구(13)의 단면적의 크기에 비하여 작을 수 있다. 예를 들어 입구(11)의 단면적의 크기는 출구(13)의 단면적의 크기의 1/15 내지 4/15, 바람직하게 1/5 내지 3/5, 가장 바람직하게 1/4이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 입구(11)와 출구(13)의 상대적인 크기가 결정되면, 그에 기초하여 유동 경로(12)의 길이가 결정될 수 있다. 유동 경로(12)의 길이는 입구(11)의 중심과 출구(13)의 중심을 연결하는 선형 거리 또는 입구(11)에서 출구(13)에 이르는 최단 거리를 의미한다. 이와 같은 유동 경로(12)의 길이는 입구(11)의 단면적의 반경과 동일하거나 또는 작을 수 있고, 예를 들어 유동 경로(12)의 길이는 입구(11)의 단면적의 반지름의 1/5 내지 4/5, 바람직하게 2/5 내지 3/5, 가장 바람직하게 1/2가 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 이와 같은 덕트의 구조에 의하여 덕트의 내부로 유입된 바람은 블레이드를 효과적으로 회전시키고 덕트의 외부로 배출될 수 있다. 서로 다른 크기의 단면적을 가지는 입구(11)와 출구(13)로 인하여 유동 경로(12)의 길이 방향으로 서로 다른 위치에서 공기의 유동 속력 및 압력이 서로 다를 수 있다. 유동 경로(12)에서 공기의 유동을 적절하게 조절하여 회전 블레이드의 회전 속력이 최대가 되도록 하기 위하여 공기와 접촉되는 유동 경로(12)의 내부 면은 길이 방향을 따라 싸이클로이드(Cycloid) 구조가 되는 것이 유리하다. 이와 같은 싸이클로이드 구조에서 공기의 유동 경로를 따라 압력 또는 속력은 비선형적으로 변할 수 있고, 회전 블레이드는 압력 또는 속력의 변화에 기초하여 유동 경로(12)의 내부에 위치될 수 있다. 이와 같은 유동 경로(12)의 싸이클로이드 구조에 대하여 아래에서 다시 설명이 된다. 도 1에 도시된 것처럼, 덕트는 전체적으로 나팔 꽃 형상이 될 수 있고, 입구(11) 및 출구(13)는 각각 원형의 단면을 가질 수 있다. 이와 같은 구조에서 출구 직경(D2)은 입구 직경(D1)의 1.5 내지 3배가 될 수 있다. 대안으로 입구(11)와 출구(13)는 위에서 설명된 것처럼, 단면적의 크기로 결정될 수 있다. 그리고 유동 공간 길이(L1)는 입구 직경(D1)의 1/10 내지 1/2이 될 수 있고, 예를 들어 입구 직경(D1)의 1/4이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 덕트의 기하학적 구조의 실시 예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 덕트를 입구(11)의 방향에서 보면 토러스 또는 원형 띠 형상이 될 수 있고, 덕트의 출구(13)에 챙(21)이 결합될 수 있다. 챙(21)은 출구(13)에 결합될 수 있는 구조를 가질 수 있고, 내부 직경이 출구(13)의 외부 직경과 동일한 원형 띠 또는 고리 형상이 될 수 있다. 그리고 고리 형상의 챙(21)의 반지름 방향을 따른 폭은 입구(11)의 반지름의 1/10 내지 1/2, 바람직하게 1/5 내지 2/5, 가장 바람직하게 1/4이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 챙(21)은 공기의 유동 경로에 대하여 수직이 되는 방향으로 출구(13)의 둘레 면에 결합될 수 있고, 이에 의하여 챙(21)의 뒤쪽 부분에 와류가 생성되거나 또는 챙(21)의 뒤쪽 부분이 낮은 압력으로 유지되도록 한다. 이에 의하여 덕트 내부의 공기가 빠른 속력으로 덕트의 외부로 배출되도록 한다. 출구(13)에 챙(21)이 결합되는 것에 의하여 덕트의 외부 둘레 면에서 공기의 흐름에 대한 저항력 발생될 수 있다. 이로 인하여 입구(11)로 공기가 원활하게 유입되지 않을 수 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 챙(21)은 공기의 유동 방향에 대하여 경사지도록 출구(13)에 결합될 수 있고 이에 의하여 덕트의 외부 둘레 면을 따른 공기의 흐름이 유연하게 이루어질 수 있다. 대안으로 챙(21)은 신축성을 가지도록 출구(13)에 결합될 수 있고, 예를 들어 풍속이 미리 결정된 수준 이상으로 되면 챙(21)이 유동 경로에 대하여 경사지도록 형성될 수 있다. 챙(21)은 예를 들어 유동 경로의 방향에 대하여 100도 이상이 될 수 있다. 또는 챙(21)의 안쪽 둘레 면에 고무 또는 신축성 합성수지 소재의 경사 조절 수단이 결합될 수 있고, 경사 조절 수단은 접착 수단에 의하여 챙(21)이 유동 경로에 대하여 수직이 되도록 출구(13)에 결합될 수 있다. 이와 같이 경사 조절 수단에 의하여 출구(13)의 외부 둘레 면에 결합된 챙(21)의 공기의 유동 속력에 따라 경사 각도가 조절될 수 있다. 챙(21)은 견고한 구조로 출구(13)에 결합되면서 수직으로 또는 경사진 구조로 만들어질 수 있다. 또는 챙(21)은 유동 경로(12)의 외부 둘레 면을 따라 유동되는 공기의 유동 속력에 따라 경사 조절이 가능한 구조로 출구(13)에 결합될 수 있다.

도 2의 아래쪽 부분을 참조하면, 입구(11)와 출구(13)를 연결하는 내부 둘레 면은 선형 경사 면(SL)이 될 수 있지만 바람직하게 싸이클로이드 곡면(C1, C2, C3)이 될 수 있다. 선형 경사 면(SL)은 실질적으로 입구(11)와 출구(13)가 원뿔 형상으로 연결되는 구조가 된다. 싸이클로이드 곡면(C1, C2, C3) 또는 하이퍼 싸이클로이드(hypocyloid) 곡면은 선형 경사 면(SL)을 따라 서로 다른 반지름을 가지는 원을 회전시켜는 방식으로 만들어질 수 있다. 입구(11)를 형성하는 원주 상의 각각의 점은 출구를 형성하는 원주 상의 각각의 점과 싸이클로이드 곡선에 의하여 서로 연결되고, 이에 의하여 유동 경로(12)가 다양한 형태의 싸이클로이드 곡면(C1, C2, C3)을 형성할 수 있다. 입구(11)를 통하여 유입되는 유입 스트립(In)은 싸이클로이드 곡면(C1, C2, C3)을 따라 유동되면서 압력 또는 속력이 비선형적으로 변할 수 있다. 그리고 유동 경로(12)에 형성되는 비선형 스트림(FS1, FS2)에 의하여 회전 블레이드가 회전될 수 있고, 유동 경로(12)의 각각의 위치에서 공기의 유동 속력 또는 압력이 산출될 수 있다. 그리고 그에 기초하여 블레이드 위치(BP)가 선택될 수 있다. 제시된 실시 예에서 블레이드 위치(BP)는 싸이클로이드 곡면(C1, C2, C3)의 끝 부분으로 제시되어 있지만 이는 예시적인 것으로 회전 블레이드는 싸이클로이드 곡면(C1, C2, C3)의 형상 및 그에 따른 분석에 기초하여 다양한 위치에 배치될 수 있고 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

도 3은 본 발명에 따른 덕트가 풍력 발전기에 설치된 구조의 실시 예를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 풍력 발전기는 유입 단면적이 출구 단면적에 비하여 작으면서 유동 경로의 내부 둘레 면이 싸이클로이드 구조가 되는 유도 덕트; 및 유도 덕트의 내부에서 출구에 인접하여 배치되는 회전 블레이드(32)를 포함하고, 상기 유입 단면적은 원형이 되고, 유동 경로의 길이는 유입 단면적의 반지름과 동일하거나 또는 작다.

풍력 발전기의 설치를 위한 타워(31)의 위쪽에 나셀(nacelle)이 설치되고, 나셀의 앞쪽에 회전 블레이드(32)가 결합될 수 있다. 유도 덕트의 내부에 회전 블레이드(32)가 설치될 수 있고, 유도 덕트는 회전 블레이드(32)로 공기의 흐름을 유도할 수 있도록 타워(31)에 고정될 수 있다. 상대적으로 작은 단면적을 가진 입구(11)를 통하여 유입된 공기는 유동 경로(12)를 따라 유도되어 유동되면서 회전 블레이드(32)를 회전시킬 수 있다. 입구(11)와 출구(13)를 연결하는 유동 경로(12)는 싸이클로이드 곡면 형상이 될 수 있다. 입구(11)와 출구(13)는 모두 원형이 될 수 있고, 입구(11)의 단면적이 출구(13)의 단면적에 비하여 작고, 유동 경로(12)의 선형 길이는 원형이 되는 입구(11)의 반지름에 비하여 작을 수 있다. 입구(11)를 통하여 유입된 공기는 유동 경로(12)를 따라 유동되면서 회전 블레이드(32)를 회전시키고 이에 따라 나셀에서 전력이 생성될 수 있다. 유동 경로(12)에서 공기의 유동 특성에 의하여 발전 특성이 결정될 수 있고, 유도 덕트가 위에서 설명된 구조로 만들어지는 것에 의하여 동일 또는 유사한 구조를 가지는 풍력 발전기의 발전 특성이 향상될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전기의 실시 예를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 덕트 구조에 따른 발전 특성을 시험하기 위하여 도 4에 도시된 풍력 발전기에 다양한 형태의 덕트를 결합시켜 발전 특성을 시험하였다. 시험은 본 발명에 따른 덕트에서 챙(21)이 형성된 경우와 챙(21)이 형성되지 않는 경우를 기준으로 대조군으로 덕트가 결합되지 않는 경우 및 본 발명에 따른 덕트와 서로 다른 구조를 가진 대조 덕트를 기준으로 실행되었다. 본 발명에 따른 덕트는 아래와 같은 사양으로 만들어졌다.

실시 예의 덕트

입구(11) 및 출구(13)의 반지름: 20 cm 및 40 cm

유동 경로(12)의 선형 길이: 10 cm

챙(21)의 내경 및 폭: 40 cm 및 5 cm

싸이클로이드 곡면: 10 cm의 반지름을 가진 원형의 회전에 따른 곡면

챙(21)이 있는 덕트 및 없는 덕트가 각각 실시 예 1 및 2가 됨

비교 예

위와 같은 실시 예의 덕트에 대하여 (i) 덕트가 결합되지 않는 경우(비교 예 1), (ii) 유동 경로(12)의 선형 길이가 20 cm가 되는 경우(비교 예 2), (iii) 유동 경로(12)가 선형 경사면이 되는 경우(비교 예 3)를 각각 대조 덕트로 설정하고, 대조 덕트의 입구(11) 및 출구(13)의 크기는 실시 예의 덕트와 동일하도록 설정하였다. 그리고 서로 다른 풍속에 대하여 발전량이 측정되었고, 측정 결과가 표 1로 제시되었고 발전량은 와트(W)로 표시되었다.

<표 1: 발전량 시험 결과>

풍속(m/s)	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3
0.9	1.05	1.01	0.47	0.67	0.93
1.5	2.87	2.75	1.37	1.93	2.54
1.9	3.16	3.01	1.39	2.01	2.63
2.4	7.47	7.12	2.08	5.31	6.54
2.8	8.74	8.15	2,97	6.28	7.21
3.0	9.87	9.02	3.29	6.42	8.01
3.5	11.11	10.09	4.13	6.51	8.94
4.3	11.95	10.38	4.76	6.73	9.23

발전량 시험 결과로부터 알 수 있는 것처럼 덕트가 설치되면 발전량이 증가되고, 챙(21)의 설치에 의하여 발전 효율이 향상될 수 있고, 싸이클로이드 곡면에 의하여 추가적으로 발전 효율이 향상될 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전기용 덕트는 유체 흐름에 따른 내부 및 외부의 압력 변화에 기초하여 설계가 되는 것에 의하여 풍력 발전의 효율이 높아지도록 한다. 본 발명에 따른 덕트는 출구에 챙을 형성하는 것에 의하여 스트림이 블레이드와 접촉하는 부위에서 압력이 효과적으로 조절되도록 한다. 또한 본 발명에 따른 풍력 발전기는 내부 면이 싸이클로이드 구조로 형성된 덕트를 통하여 바람이 유입되도록 하는 것에 의하여 소음이 감소되도록 하면서 발전 효율이 향상되도록 한다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

11: 입구 12: 유동 경로
13: 출구 21: 챙
31: 타워 32: 회전 블레이드
BP: 블레이드 위치 C1, C2, C3: 싸이클로이드 곡면
D1: 입구 직경 D2: 출구 직경
FS1, FS2: 비선형 스트림 In: 유입 스트립
L1: 유동 공간 길이 SL: 선형 경사 면

Claims (3)

1. 풍력 발전기용 덕트에 있어서,
   바람이 유입되는 입구(11);
   블레이드를 회전시키는 바람이 배출되는 출구(13); 및
   입구(11)와 출구(13)를 연결시키는 유동 경로(12)를 포함하고,
   상기 입구(11)의 단면적은 출구(13)의 단면적에 비하여 작고, 유동 경로(12)의 길이는 입구(11)의 유입 단면적의 반경보다 작고,
   공기와 접촉되는 유동 경로(12)의 내부 면은 입구(11)의 반지름보다 작은 반지름을 갖는 원형의 회전에 따른 곡면을 이루도록 길이 방향을 따라 싸이클로이드 구조가 되며,
   출구(13)의 둘레 면에 형성된 챙(21)을 더 포함하고, 상기 챙(21)은 유동 경로(12)의 외부 둘레면을 따라 유동되는 공기의 유동 속력에 따라 경사 조절이 가능한 구조로 출구(13)에 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 덕트.
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