KR20090048668A

KR20090048668A - 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드

Info

Publication number: KR20090048668A
Application number: KR1020070114631A
Authority: KR
Inventors: 신형기; 김석우; 방형준; 장문석; 김성완
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2007-11-12
Filing date: 2007-11-12
Publication date: 2009-05-15
Also published as: KR100940013B1

Abstract

본 발명은 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블레이드의 에어포일 형상, 블레이드의 비틀림각 및 시위선의 길이를 최적화하여 저풍속에서 효율이 향상되는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드에 관한 것이다.

본 발명은 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드에 있어서, 상기 블레이드의 에어포일은 앞전(Leading Edge)과 뒷전(Trailing Edge)을 잇는 시위선(Chord)을 기준으로 상측과 하측으로 볼록한 윗면 및 아랫면을 가지며, 상기 아랫면의 중앙부에서 뒷전까지 블레이드의 길이방향을 따라 상측으로 오목한 S테일이 형성되며, 상기 블레이드는 가장 긴 시위선을 갖는 루트에어포일; 상기 블레이드의 끝단을 형성하는 팁에어포일; 및 상기 루트에어포일과 팁에어포일 사이의 주에어포일; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 에어포일의 형상, 비틀림각의 분포 및 시위선의 길이 분포를 따르는 블레이드로 인하여 국내 풍황에 적합한 풍속 3~5m/s의 저풍속 영역에서 0.4 이상의 효율을 가지며, 더불어 전체 풍속영역에서의 효율이 향상되는 효과가 있다.

풍력발전기, 블레이드, 에어포일

Description

저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드 {Blade of Wind Power Generator for Stall control and Steady speed operation in Low Wind Speed}

현재 재생에너지원 가운데 그 가능성에 대하여 가장 주목받고 있으며 상용화에 가까운 에너지원 가운데 하나는 풍력에너지이다. 바람의 에너지는 역사적으로 볼 때 인류가 아용해온 가장 오래된 에너지원 가운데 하나이며 인류 역사와 그 궤를 같이 한다고 할 수 있다.

현재와 같이 바람의 에너지를 전기로 사용하고자 하는 풍력발전기가 처음 등장한 것은 1930년대이다. 이때부터 본격적으로 발달하기 시작한 풍력발전기는 현재에 와서는 지름 100m가 넘고 발전용량은 한 기에 3MW이상이 되는 인류 역사상 가장 큰 기계장치 가운데 하나로 발달하게 되었다.

풍력발전기는 바람의 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다 이러한 에너지의 전환을 위해서는 1차적으로 바람의 운동에너지를 발전기를 돌리는 기계에너지로 전환하여야한다. 이러한 역할을 해주는 장치가 풍력발전기에서 로터 블레이드가 해주는 역할이다

따라서 풍력발전기의 로터는 풍력발전기를 구상하는 가장 중요한 부품가운데 하나이며, 이 로터의 형태에 다라서 풍력발전기 전체 효율이 좌우된다.

기존의 풍력발전기 블레이드를 구성하는 에어포일의 경우 항공기용으로 개발된 에어포일을 사용하고 있다. 항공기용 에어포일의 경우 높은 레이놀즈수를 설계점으로 하고 있어 풍력발전기의 운전조건에 적합하지 않기 때문에 풍력발전기의 전체적인 성능 및 효율의 저하를 가져오게 되는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 풍력발전기 블레이드의 형상을 100KW급 저풍속/실속제어/정속운전형 풍력발전기의 루트 부분의 운전특성에 특화된 형상을 가지는 블레이드를 제공하여 효율 및 성능이 향상되는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드를 제공함에 있다.

상기 블레이드는 루트에어포일에서 팁에어포일까지의 비틀림각이 상기 블레이드의 길이에 따른 아래의 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

식(1)

상기 블레이드는 루트에어포일에서 팁에어포일까지의 시위선의 길이가 상기 블레이드의 길이에 따른 아래의 식(2)을 만족하는 것을 특징으로 한다.

식(2)

상기 블레이드의 S테일은 일부분이 상기 시위선보다 상측으로 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드의 루트에어포일은 최대두께비가 24%이상이며, 양항비가 100이상인 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드의 팁에어포일은 최대두께비가 12%이상이며, 양항비가 140이상인 것을 특징으로 한다.

상기 블레이드는 레이놀즈수가 10⁶이하인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 에어포일의 형상, 비틀림각의 분포 및 시위선의 길이 분포를 따르는 블레이드로 인하여 국내 풍황에 적합한 풍속 3~5m/s의 저풍속 영역에서 0.4이상의 효율을 가지며, 더불어 전체 풍속영역에서의 효율이 향상되는 효과가 있다.

이하 본 발명의 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 풍력발전기의 사시도이고, 도 2는 블레이드의 평면도이고, 도 3은 블레이드의 사시도이고, 도 4는 블레이드의 에이포일 단면도이고, 도 5는 블레이드의 에어포일에 따른 비틀림각을 나타낸 단면도이고, 도 6은 블레이드의 길이에 따른 비틀림각을 나타낸 표이고, 도 7은 블레이드의 길이에 따른 시위선의 길 이를 나타낸 표이고, 도 8은 본 발명의 블레이드의 효율을 나타낸 표이다.

일반적인 풍력발전기(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 바람에 의해 회전이 가능하도록 중심의 허브(3)에 연결된 블레이드(2)가 설치된다. 따라서 바람이 가진 에너지를 허브(3)에 연결된 블레이드(2)가 흡수하여 상기 허브(3)를 회전시키고 발전기(미도시)를 구동시킴으로서 전력을 얻게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기의 블레이드(2)는 도 2 내지 도 4와 같은 형태를 가진다. 상기 블레이드의 에어포일은 앞전(Leading Edge)(11)과 뒷전(Trailing Edge)(12)을 잇는 시위선(Chord)(13)을 기준으로 상측과 하측으로 볼록한 윗면(14) 및 아랫면(15)을 가지며, 상기 아랫면(15)의 중앙부에서 뒷전(12)까지 블레이드(2)의 길이방향을 따라 상기 시위선(13)보다 상측으로 오목한 S테일(16)이 형성되며, 상기 블레이드(2)에서 가장 긴 시위선(13)을 갖는 루트에어포일(B); 상기 블레이드(2)의 끝단을 형성하는 팁에어포일(D); 및 상기 루트에어포일(B)과 팁에어포일(D) 사이의 주에어포일(C); 로 이루어며, 에어포일의 형상에 따라 전체 풍력발전기의 성능 및 효율이 결정되어 진다.

본 발명의 블레이드(2)는 저풍속(3~5m/s)에서의 효율을 높이기 위하여 10⁶이하의 낮은 레이놀즈수에 특화된 에어포일 형상을 갖도록 형성하였으며, 이를 위하여 루트에어포일(B)은 구조강도를 위하여 최대두께비가 24%이상이며 양항비가 100이상인 에어포일로 형성하였고, 팁에어포일(D)은 최대두께비가 12%이상이며 양항비 가 140이상인 에어포일로 형성하었다.

일반적으로 에어포일은 도 5에 도시된 바와 같이, 최대의 양항비를 가지는 받음각(α)이 있으며, 비틀림각(β)은 각각의 단면에서 선택된 에어포일의 최대양항비가 만들어지는 받음각(α)이 되도록 그 분포가 결정되어진다.

상기 블레이드(2)는 루트에어포일(B)의 받음각이 6~8˚ 사이, 팁에어포일(D)의 받음각이 3~5˚ 사이일 경우 최적의 성능을 나타내며, 이를 위하여 다음과 같이 비틀림각을 결정하였다.

상기 블레이드(2)는 시동 및 저풍속에서의 블레이드 효율을 높이기 위하여 풍력발전기(1)의 허브(3)에서 반지름 2m 근방의 루트부(A)의 받음각(α)의 최적화를 위하여 비틀림각(β)을 20~25˚ 사이로 설정하였고, 저풍속에서 블레이드 효율을 높이기 위하여 허브(3)에서 반지름 4m 근방의 받음각(α)의 최적화를 위하여 비틀림각(β)을 8~12˚로 설정하였으며, 운전 풍속 전 영역에서 블레이드 효율을 높이기 위하여 허브(3)에서 반지름 10m 근방의 팁에어포일(D)에서의 받음각(α) 최적화를 비틀림각(β)을 0~2˚ 사이로 설정하였다.

상기와 같은 조건을 만족하는 비틀림각(β)을 구배법(Gradient Method)에 의하여 최적 설계한 값이 도 6에 도시된 검은색 실선과 같은 분포이나, 이러한 비틀림각 분포는 리플(Ripple)이 심하여 제작비의 상승을 가져오게 된다. 분홍색 점선은 성능저감을 최소로 하면서 상기 실선의 분포와 가장 가깝게 최적 설계한 값을 최소자승법을 통하여 4차함수로 표현한 것이다. 따라서 상기 블레이드(2)는 루트에 어포일(B)에서 팁에어포일(D)까지의 비틀림각(β)이 상기 블레이드의 길이(ｘ)에 따른

4차함수를 만족하도록 형성하는 것이 바람직하다. 상기에서 비틀림각(β)은 에어포일의 앞전(11)과 뒷전(12)을 잇는 시위선(13)에 대하여 블레이드(2)가 회전하는 면에 대한 각을 뜻한다.

상기 블레이드(2)의 시위선(13)의 길이는 블레이드의 길이 방향에 대해 축방향유도계수가 블레이드의 설계에서 이론적으로 널리 알려진 설계기준값인 0.33이 되도록 하여, 유동손실을 최소화하면서 블레이드가 에너지를 가장 잘 흡수할 수 있도록 하였다.

상기 블레이드(2)의 시위선의 길이는 저풍속에서의 블레이드의 시동성을 위하여 허브(3)에서 반지름 2m 근방의 루트부(A)에서 시위선 길이를 1.4m 이상으로 설정하였고, 상기 조건을 만족하는 최적화 된 시위선의 길이가 도 7의 검은색 실선과 같은 분포로 나타나는데 이런 이상적인 형상으로 설계를 하게 되면 리플(Ripple)이 심하여 제작비가 상승하게 된다. 따라서 성능저하를 최소로 하면서 원래의 형상을 가장 잘 따르도록 이상적인 시위선의 길이 분포 값을 최소자승법을 통하여 1차함수로 나타낸 것이 분홍색 점선이다. 따라서 상기 루트에어포일(B)에서 팁에어포일(D)까지의 시위선의 길이(ｙ)가 상기 블레이드(2)의 길이(ｘ)에 따른

의 함수를 만족하는 형상으로 시위선(13)을 길이를 정하는 것이 바람직하다. 상기에서 시위선(13)의 길이는 블레이드 에어포일의 앞전(11)에서 뒷전(13)까지의 길이를 뜻한다.

종래의 블레이드의 경우 도 8에서와 같이 검은색 점선으로 나타나는 효율 특성을 보였으나 본 발명과 같은 블레이드(2)의 형상, 비틀림각(β)의 분포 및 시위선(13)의 길이 분포를 따르는 블레이드로 인하여 검은색 실선과 같이, 국내 풍황에 적합한 풍속 3~5m/s의 저풍속 영역에서의 0.4이상의 효율을 가지며, 더불어 전체 풍속영역에서의 효율이 향상되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 풍력발전기의 사시도.

도 2는 본 발명의 블레이드의 평면도.

도 3은 본 발명의 블레이드의 사시도.

도 4는 본 발명의 블레이드의 에이포일 단면도.

도 5는 본 발명의 블레이드의 에어포일에 따른 비틀림각을 나타낸 단면도.

도 6은 본 발명의 블레이드의 길이에 따른 비틀림각을 나타낸 표.

도 7은 본 발명의 블레이드의 길이에 따른 시위선의 길이를 나타낸 표.

도 8은 본 발명의 블레이드의 효율을 나타낸 표.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1: 풍력발전기 2: 블레이드

3: 허브 11: 앞전

12: 뒷전 13: 시위선

14: 윗면 15: 아랫면

16: S테일

Claims

풍력발전기에 방사상으로 결합되어 바람에 의해 회전하는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드에 있어서,

상기 블레이드(2)의 에어포일(Airfoil; 翼型)은 앞전(Leading Edge)(11)과 뒷전(Trailing Edge)(12)을 잇는 시위선(Chord)(13)을 기준으로 상측과 하측으로 볼록한 윗면(14) 및 아랫면(15)을 가지며, 상기 아랫면(15)의 중앙부에서 뒷전(12)까지 블레이드(2)의 길이방향을 따라 상측으로 오목한 S테일(16)이 형성되며, 상기 블레이드(2)는 가장 긴 시위선(13)을 갖는 루트에어포일(B); 상기 블레이드(2)의 끝단을 형성하는 팁에어포일(D); 및 상기 루트에어포일(B)과 팁에어포일(D) 사이의 주에어포일(C); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드.
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드(2)는 루트에어포일(B)에서 팁에어포일(D)까지의 비틀림각(β)이 상기 블레이드(2)의 길이(ｘ)에 따른 아래의 식(1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드.

식(1)
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드(2)는 루트에어포일(B)에서 팁에어포일(D)까지의 시위선의 길이(ｙ)가 상기 블레이드(2)의 길이(ｘ)에 따른 아래의 식(2)을 만족하는 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드.

식(2)
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드(2)의 S테일(16)은 일부분이 상기 시위선(13)보다 상측으로 높게 형성되는 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전 풍력발전기 블레이드.
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드(2)의 루트에어포일(B)은 최대두께비가 24%이상이며, 양항비가 100이상인 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전 풍력발전기 블레이드.
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드(2)의 팁에어포일(D)은 최대두께비가 12%이상이며, 양항비가 140이상인 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전 풍력발전기 블레이드.
제 1 항에 있어서,

상기 블레이드(2)는 레이놀즈수가 10⁶이하인 것을 특징으로 하는 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드.