KR20060114291A - 풍력발전 장치 - Google Patents

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류큐 일렉트릭 파워 가부시키가이샤
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Abstract

발전효율의 새로운 향상을 도모할 수 있는 풍력발전 장치를 제공한다. 본 발명의 풍력발전 장치는, 대략 원통 형상이고 측단면 형상이 블레이드형인 덕트(10)와, 덕트와 동축에 설치되는 유선형의 펜슬체(20)의 선단부를 구성하고, 덕트(10)의 내부를 흐르는 바람의 힘에 의해 회전할 수 있는 날개차(30)와, 날개차(30)의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(40)를 구비하고 있다. 덕트(10)의 측단면 블레이드형에 있어서 최대 블레이드 두께 위치(108)가 블레이드현(106)의 중심보다 전연(102) 근처에 위치해 있다. 또, 덕트(10)의 외경이 적어도 덕트 후방부에서 대략 균일하게 되도록 블레이드현(106)이 덕트 축에 대해 기울어져 있다. 펜슬체(20)가, 선단부가 덕트(10)의 선단부보다 후방에 위치하고, 후단부가 덕트(10)의 후단부보다 전방에 위치하도록 배치되어 있다. 또한, 덕트(10)의 최소 내경(R1)에 대한 덕트(10)의 최대 외경(R2)의 비가 2.0~4.3의 범위로 되어 있다.
Figure 112005070810421-PCT00001
블레이드형 덕트, 펜슬체, 날개차, 풍력발전 장치, 블레이드.

Description

풍력발전 장치{WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 대략 원통 형상이고 측단면 형상이 블레이드형(翼型)인 덕트와, 덕트와 동축에 설치되는 유선형의 펜슬체와, 펜슬체의 일부를 구성하고, 덕트의 내부를 흐르는 바람의 힘에 의해 덕트의 내부에서 덕트 축 주위를 회전할 수 있는 날개차와, 날개차의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 구비한 풍력발전에 관한 것이다.
종래, 덕트와 덕트내에 설치된 날개차를 구비한 풍력발전 장치에 의한 발전효율의 향상을 도모하기 위해서, 여러가지의 수법이 제안되었다(일본 특개 2003-28043호 공보, EP0045202 A1 공보 참조).
그러나, 본원 발명자는 풍력발전 장치의 근방에서의 기류의 연구에 의해 발전효율에 개선의 여지가 있는 것을 알았다.
그래서, 본 발명은 발전효율의 더한층의 향상을 도모할 수 있는 풍력발전 장치를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.
본 발명은 대략 원통 형상이고 측단면 형상이 블레이드형인 덕트와, 덕트와 동축에 설치되는 유선형의 펜슬체와, 펜슬체의 일부를 구성하고, 덕트의 내부를 흐르는 바람의 힘에 의해 덕트의 내부에서 덕트 축 주위를 회전할 수 있는 날개차와, 날개차의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 구비한 풍력발전 장치에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 풍력발전 장치는 덕트의 측단면 블레이드형에 있어서 최대 블레이드 두께 위치가 블레이드현 중심보다 전연(前緣) 근처에 위치하고, 덕트의 선단 개구직경이 후단 개구직경보다 작은 직경으로 되고, 덕트 외경이 적어도 덕트 후방부에서 대략 균일하게 되고, 펜슬체가 선단부가 덕트의 선단부보다 후방에 위치하고, 후단부가 덕트의 후단부보다 전방에 위치하도록 설치되고, 덕트의 최소 내경에 대한 덕트의 최대 외경의 비가 2.0~4.3의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 덕트의 측단면에서의 상기 블레이드형에 의해, 덕트의 전방으로부터 후방으로 바람이 향하는 경우, 덕트 후방부로부터 후방에 걸쳐서 와류의 발생을 억제하면서 「감압영역」을 생기게 할 수 있다. 그리고, 덕트 전방으로부터 덕트 내부로의 바람의 흐름이 덕트 후방의 와류에 의해 방해받는 사태를 해소하면서, 감압영역의 바람의 인입에 의한 덕트 내부의 풍속 증대를 도모할 수 있다.
또, 감압영역의 선단부가 펜슬체의 후단부에 끌어 당겨짐으로써, 감압영역의 선단부의 불안정함이 억제된다. 또, 덕트 전방으로부터 후방을 향하여 바람이 불고 있는 동안, 감압영역의 선단부의 불안정함에 의해 감압영역이 소멸되는 사태를 억제할 수 있다. 그리고, 덕트 후방의 감압영역을 정상적으로 유지하여, 덕트 내부의 풍속의 증대를 확보할 수 있다.
따라서, 본 발명의 풍력발전 장치에 의하면, 덕트 후방에서의 감압영역의 발생에 의한 덕트 내부의 풍속증대와, 감압영역의 선단부의 불안정함 억제에 의한 감압영역의 정상유지를 통해, 발전효율의 새로운 향상을 도모할 수 있다.
또 본 발명의 풍력발전 장치는 덕트의 후단부로부터 덕트의 외경방향으로 돌출하는 대략 고리 형상의 플랩판을 구비하고, 덕트의 후단 반경에 대한 플랩판의 폭의 비가 0.020~0.15의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 플랩판에 의해, 덕트의 내측의 바람(이하 「내풍」이라고 한다.)과, 덕트의 외측의 바람(이하 「외풍」이라고 한다.)과의 덕트 후방에 있어서의 충돌이 억제된다. 이것에 의해, 내풍의 흐름이 외풍의 불규칙한 흐름에 의해 흩뜨러지고, 나아가서는 덕트 후방부로부터 후방에 걸쳐서 발생하는 감압영역이 소멸되어버려, 발전효율이 저하되는 사태가 억제될 수 있다.
게다가 본 발명의 풍력발전 장치는 풍향을 측정하는 풍향측정 수단과, 풍향측정 수단에 의해 측정된 풍향에 대한 덕트 축의 경사각이 10° 이하가 되도록 제어하는 덕트 경사제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 풍향측정 수단에 의해 풍향이 측정된다. 또, 덕트 경사제어 수단에 의해 측정 풍향에 대한 덕트 축의 경사각이 10° 이하가 되도록 제어된다.
본원 발명자는 실험에 의해, 풍향에 대한 덕트 축의 경사각이 10°를 초과하면 발전효율의 저하가 현저해진다는 지견을 얻었다. 따라서, 본 발명에 의하면, 풍향에 대한 덕트 축의 경사각 제어에 의해 발전효율을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 풍력발전 장치는 날개차의 날개가, 대략 타원이 단축과 대략 평행하게 절단됨으로써 장축 방향에 대해 끝으로부터 단축된 형상이 되고, 대략 타원의 장경에 대한 이 날개의 장축방향의 길이의 비가 0.82~0.87의 범위에 있는 것을 특징으로 한다.
본원 발명자는 실험에 의해, 날개차의 날개를 상기 형상으로 함으로써 발전효율이 높아지는 것을 지견했다. 따라서, 본 발명에 의하면, 날개차의 날개형상의 연구에 의해, 발전효율의 향상을 도모할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 1실시형태인 풍력발전 장치의 구성 설명도이며, 도 3~도 5는 본 발명의 1실시형태인 풍력발전 장치의 작용효과 설명도이다.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
본 발명의 풍력발전 장치의 실시형태에 대해 도면을 사용하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 1실시형태인 풍력발전 장치의 구성에 대해 도 1 및 도 2를 사용하여 설명한다.
도 1에 도시하는 풍력발전 장치는 대략 원통 형상의 덕트(10)와, 덕트(10)와 동축에 설치되는 유선형의 펜슬체(20)와, 펜슬체(20)의 선단부를 구성하고, 덕트(10)의 내부를 흐르는 바람의 힘에 의해 덕트(10)의 내부에서 덕트(10)의 축 주위를 회전할 수 있는 날개차(30)와, 날개차(30)의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(40)를 구비하고 있다.
덕트(10)의 측벽 단면형상은 블레이드형으로 되어 있다. 덕트(10)의 측단면 블레이드형에 있어서, 전연(102)으로부터 후연(104)까지 연장되는 블레이드현(106)의 전체길이(x)를 기준으로 하여, 전연으로부터 0.40x의 위치(블레이드현 중심보다 전연 근처)에 최대 블레이드 두께 위치(108)가 위치해 있다. 또, 덕트(10)의 선단 개구직경이 후단 개구직경보다도 작게 되어 있다. 게다가 덕트(10)의 외경이 적어도 덕트(10) 후방부에서 대략 균일하게 되어 있다. 또, 덕트(10)의 최소 내경(R1)에 대한 덕트(10)의 최대 외경(R2)의 비(=R2/R1)가 2.5로 되어 있다.
또한, 덕트(10)의 측벽 단면형상으로서는 공지의 블레이드형인 NACA 653-618(9-0.5), NACA 633-618, FA 66-S-196V1 등이 채용될 수 있다.
덕트(10)의 후단부에는, 덕트(10)의 외경방향으로 돌출하는 대략 고리 형상의 플랩판(12)이 설치되어 있다. 덕트(10)의 후단 반경에 대한 플랩판(12)의 폭의 비가 「0.10」로 되어 있다.
펜슬체(20)는 선단부가 덕트(10)의 선단부보다 후방에 위치하고, 후단부가 덕트(10)의 후단부보다 전방에 위치하도록 설치되어 있다. 또, 펜슬체(20)는 그 외경방향으로 연장되는 기둥체(22)를 통하여 덕트(10)에 대해 고정되어 있다.
날개차(30)는 외경방향으로 돌출하는 복수의 날개(32)를 구비하고 있다. 날개(32)에 덕트(10)의 최소 내경위치를 기준으로 한 덕트(10)의 전체 길이에 대한 전후의 벗어남비가 0.07의 범위내에 위치하고 있다. 또, 날개(32)는 도 2에 도시하는 바와 같이 대략 타원이 단축과 대략 평행하게 절단됨으로써 장축방향에 대해 끝으로부터 단축된 형상으로 되어 있다. 또, 대략 타원의 장경에 대한 날개(32)의 장축방향의 길이의 비가 「0.85」로 되어 있다.
또, 덕트(10)의 직경방향에 대해, 날개(32)의 선단부와 덕트(10)의 내벽과의 간격이, 다음식 (1)로 표시되는 간격(c)으로 설정되어 있다.
c=v·△t/Re ‥(1)
여기에서, v는 덕트(10)의 축방향에 대한 풍속, △t는 날개(32)의 근방 영역을 바람이 흐르는 시간, Re는 날개(32)의 근방 영역을 대표 길이로 하여 결정되는 레이놀즈 수이다.
예를 들면, 풍속(v)=14[m/s]의 경우에 상기 시간△t=0.2[s]이며, 또한, Re=200으로 하면, 당해 간격(c)은 1.4[cm]로 설정된다.
발전기(40)에 의한 발전 에너지는 기둥체(22) 및 덕트(10)를 관통하는 리드(42)를 통하여 외부에 공급된다.
본 발명의 1실시형태인 상기 구성의 풍력발전 장치의 작용효과에 대해 도 3~도 5를 사용하여 설명한다.
상기 구성의 풍력발전 장치에 의하면, 덕트(10)의 측단면에 있어서의 상기 블레이드형에 의해, 덕트(10)의 전방으로부터 후방으로 바람이 향하는 경우, 덕트(10)의 후방부로부터 후방에 걸쳐서 와류의 발생을 억제하면서 도 1에 사선으로 나타내는 바와 같이 감압영역(50)을 생기게 할 수 있다. 그리고, 덕트(10)의 전방으로부터 덕트(10)의 내부로의 바람의 흐름이 덕트(10)의 후방의 와류에 의해 방해받는 사태를 해소하면서, 감압영역(50)의 바람의 인입에 의한 덕트(10)의 내부의 풍속 증대를 도모할 수 있다.
또, 도 1에 도시하는 바와 같이 감압영역(50)의 선단부가 펜슬체(20)의 후단부에 끌어당겨짐으로써 감압영역(50)의 선단부의 불안정함이 억제된다. 또, 덕트(10)의 전방으로부터 후방을 향해서 바람이 불고 있는 동안, 감압영역(50)의 선단부의 불안정함에 의해 감압영역이 소멸되는 사태를 억제할 수 있다. 그리고, 덕트(10)의 후방의 감압영역(50)을 정상적으로 유지하여, 덕트(10)의 내부의 풍속의 증대를 확보할 수 있다.
여기에서, 덕트(10)의 측단면 블레이드형을 특징짓는 덕트(10)의 최대 반경(R2)과 최소 반경(R1)의 비와, 풍력발전 장치에 의한 발전량의 관계를 도 3에 도시한다. 도 3으로부터 명확한 바와 같이, 당해 비가 2.0에서 4.3까지의 범위에 있을 경우, 특히 당해비가 2.2부터 4.1의 범위에 있을 경우 발전량이 많아진다. 따라서, 당해비가 「2.5」인 덕트(10)를 구비하고 있는 풍력발전 장치에 의한 발전효율의 향상이 도모된다.
또, 플랩판(12)에 의해, 내풍(덕트(10)의 내측의 바람)과, 외풍(덕트의 외측의 바람)의 덕트(10)의 후방에서의 충돌이 억제된다. 이것에 의해, 내풍의 흐름이 외풍의 불규칙한 흐름에 의해 흩뜨러지고, 나아가서는 덕트(10)의 후방부로부터 후방에 걸쳐서 발생하는 감압영역(50)이 소멸되어 버려, 발전효율이 저하되는 사태가 억제될 수 있다.
여기에서, 플랩(12)의 형상을 특징짓는 플랩(12)의 직경방향의 폭과 덕트(10)의 후단 반경과의 비와, 풍력발전 장치에 의한 발전량과의 관계를 도 4에 도시한다. 도 4로부터 명확한 바와 같이, 당해 비가 0.020에서 0.15까지의 범위에 있 는 경우, 발전량이 다른 경우보다도 많아진다. 따라서, 당해 비가 「0.10」인 플랩(12)을 구비하고 있는 풍력발전 장치에 의한 발전효율의 향상이 도모된다.
또한, 날개차(30)의 날개(32)를, 도 2에 도시하는 바와 같이 대략 타원이 장축방향에 대해 끝으로부터 전체 길이의 0.13~0.18배의 범위에 있는 위치에서 절단된 형상으로 되어 있다. 이것에 의해, 발전효율의 향상이 도모되어 있다.
여기에서, 대략 타원의 장경에 대한 날개(32)의 길이의 비와, 풍력발전 장치에 의한 발전량과의 관계를 도 5에 도시한다. 도 5로부터 명확한 바와 같이, 당해 비가 0.82~0.87의 범위에 있을 경우, 발전량이 다른 경우보다도 많아진다. 따라서, 당해비가 「0.85」인 날개(32)를 구비하고 있는 풍력발전 장치에 의한 발전효율의 향상이 도모된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 1실시형태인 풍력발전 장치에 의하면, 덕트(10)의 측단면 블레이드형의 조정(도 1, 도 3 참조), 펜슬체(20)의 배치조정, 플랩판(12)의 폭의 조정(도 1, 도 4 참조), 및 날개(32)의 형상조정(도 2, 도 5 참조)에 의해, 종합적으로 발전효율의 향상을 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시형태로서, 풍력발전 장치는 풍향을 측정하는 풍향측정 장치와, 풍향측정 장치에 의해 측정된 풍향에 대한 덕트 축의 경사각이 10° 이하가 되도록 제어하는 덕트 경사제어 장치를 구비하고 있어도 좋다.
당해 다른 실시형태에 의하면, 풍향에 대한 덕트 축의 경사각 제어에 의해 발전효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 대략 원통 형상이고 측단면 형상이 블레이드형인 덕트와,
    덕트와 동축에 설치되는 유선형의 펜슬체와,
    펜슬체의 일부를 구성하고, 덕트의 내부를 흐르는 바람의 힘에 의해 덕트의 내부에서 덕트 축 주위를 회전할 수 있는 날개차와,
    날개차의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 구비한 풍력발전 장치로서,
    덕트의 측단면 블레이드형에서 최대 블레이드 두께 위치가 블레이드현 중심보다 전연 근처에 위치하고,
    덕트의 선단 개구직경이 후단 개구직경보다 작은 직경으로 되고, 덕트 외경이 적어도 덕트 후방부에서 대략 균일하게 되고,
    펜슬체가, 선단부가 덕트의 선단부보다 후방에 위치하고, 후단부가 덕트의 후단부보다 전방에 위치하도록, 설치되고,
    덕트의 최소 내경에 대한 덕트의 최대 외경의 비가 2.0~4.3의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 덕트의 후단부로부터 덕트의 외경방향으로 돌출하는 대략 고리 형상의 플랩판을 구비하고, 덕트의 후단 반경에 대한 플랩판의 폭의 비가 0.020~0.15의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 풍향을 측정하는 풍향측정 수단과, 풍향측정 수단에 의해 측정된 풍향에 대한 덕트 축의 경사각이 10° 이하로 되도록 제어하는 덕트 경사제어 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 날개차의 날개가, 대략 타원이 단축과 대략 평행하게 절단됨으로써 장축 방향에 대해 끝으로부터 단축된 형상으로 되고, 대략 타원의 장경에 대한 이 날개의 장축방향의 길이의 비가 0.82~0.87의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전 장치.
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