KR20100055594A - 익단 손실을 최소화한 풍력발전기용 로터 블레이드 및 그 것을 구비한 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기용 로터 블레이드에 관한 것으로, 내부가 중공(中空)인 풍력발전기용 로터 블레이드에 있어서, 상기 블레이드 종단 직전에 블레이드 내부 중공으로의 공기 유입을 안내하는 채널(channel)를 형성하여, 공기가 내부 중공으로 안내된 후 압축되어 블레이드 중공부 종단으로 토출되게 한 것을 특징으로 하며, 본 발명에 의하면, 블레이드 종단 부근에서 공기흐름이 분산되므로, 블레이드 종단 모서리에서 에어포일 상하면의 압력차가 줄어들고, 채널로 유입된 공기흐름은 중공 내부에서 압축되어 다시 양력을 발휘하게 되므로, 와류 및 유도항력이최소화되어 익단 손실이 줄어들 뿐만 아니라, 블레이드 종단의 와류를 양력으로 전환시킬 수 있는 효과가 있다.

풍력발전기, 블레이드, 와류, 양력

Description

익단 손실을 최소화한 풍력발전기용 로터 블레이드 및 그 것을 구비한 풍력발전기{ROTOR BLADE FOR WIND TURBINE AND WIND TURBINE THEREWITH}

본 발명은 풍력발전기용 로터 블레이드에 관한 것으로, 더 상세하게는 익단 손실을 최소화하여 출력을 증대시킨 맞바람 형식(upwind type) 수평축 풍력발전기(HAWT:Horizontal-Axis Wind Terbine)용 로터 블레이드에 관한 것이다.

맞바람 형식 수평축 풍력발전기(Upwind Type HAWT)는 회전축이 바람이 불어오는 방향에 수평이고, 블레이드가 바람부는 방향을 지향하도록 설치되는 풍력발전기로, 이 가운데 브레이드가 3개 설치되는 3-Blade 수평축 풍력발전기는 타워에 의한 풍속의 손실이 적고, 풍속 변동에 의한 피로 하중 및 소음이 적기 때문에 중형급 이상의 풍력발전기 대부분에서 채용되고 있다. 본 발명은 맞바람 형식 수평축 풍력발전기에 사용되어 동일한 풍속 및 블레이드 길이 조건하에서 전력 출력을 높일 수 있는 로터 블레이드에 관한 것이다.

로터는 바람이 가진 에너지를 회전력으로 변환시켜 주는 장치이며, 3-Blade 로터는 3개의 블레이드가 120도 간격으로 설치되고, 바람은 각 블레이드에 대하여 양력(揚力)으로 작용한다. 따라서, 풍력발전기의 출력의 크기 및 효율은 이 로터 블레이드에 작용하는 양력의 크기에 의하여 결정된다. 현재 대부분의 로터 블레이드는 내식성 및 내약품성이 우수하고, 높은 강도를 가진 유리섬유강화프라스틱(GRP:Glass Fiber Reinforced Plastic)을 소재로 하여, 유선형 외면을 갖는 중공(中空) 형태로 만들어 진다. 이러한 블레이드를 이용한 수평축 풍력발전기의 출력은 블레이드에 작용하는 양력의 크기에 비례하고, 블레이드에 의한 양력은 스웨프트 면적(swept area)에 비례하며, 스웨프트 면적은 플레이드의 길이에 의하여 결정된다(swept area=πr², r=블레이드의 길이).

공기 흐름 중에 있는 유선형 중공 블레이드의 끝에는 에어포일 상하면의 압력차 때문에 브레이드 끝에서 와류가 발생한다. 이를 익단와류라고 한다. 이 익단와류로 인하여 블레이드에는 내리흐름이 생기고 유효받음각이 작아져서 유도항력이 발생하며, 블레이드의 양항특성을 저하시키게 된다. 이러한 유도항력은 받음각이 증가함에 따라 커지게 된다. 익단와류 및 이에 따른 유도항력이 커지면, 블레이드에 작용하는 양력이 감소하게 되어 풍력발전기의 전력 출력도 감소하게 된다.

상술한 종래 맞바람 형식 수평축 풍력발전기용 로터 블레이드가 갖는 문제점을 해결하고자 안출된 본 발명은 블레이드 종단의 와류 및 유도항력을 최소화시켜 익단 손실을 줄일 수 있는 풍력발전기용 로터 블레이드을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 블레이드 종단의 와류를 양력으로 전환시킬 수 있는 풍력발전기용 로터 블레이드을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 풍속과, 블레이드의 스웨프트 면적(swept area) 또는 브레이드의 길이(length)가 동일한 경우에도, 풍력발전기의 전력 출력을 더 증대시킬 수 있는 풍력발전기용 로터 블레이드를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 풍속이 비교적 작은 지역에서도 운용할 수 있는 수평축 풍력발전기를 제공하는 데 있다.

상술한 목적을 달성하고자 하는 본 발명은 내부가 중공(中空)인 풍력발전기용 로터 블레이드에 있어서, 상기 블레이드 종단 직전에 블레이드 내부 중공으로의 공기 유입을 안내하는 채널(channel)를 형성하여, 공기가 내부 중공으로 안내된 후 압축되어 블레이드 중공부 종단 출구로 토출되게 한 것을 특징으로 한다.

상기 채널의 입구는 블레이드 종단으로 부터 블레이드 길이의 1/6에 해당하는 지점에 형성되고, 채널의 공기유로는 블레이드 종단으로 갈 수록 좁아지는 것이 바람직하다.

상술한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 블레이드 종단 부근에서 공기흐름이 분산되므로, 블레이드 종단 모서리에서 에어포일 상하면의 압력차가 줄어들고, 채널로 유입된 공기흐름은 중공 내부에서 압축되어 다시 양력을 발휘하게 되므로, 와류 및 유도항력이최소화되어 익단 손실이 줄어들 뿐만 아니라, 블레이드 종단의 와류를 양력으로 전환시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 풍속과, 블레이드의 스웨프트 면적(swept area) 또는 브레이드의 길이(length)가 동일한 경우에도, 풍력발전기의 전력 출력이 더 커지며, 풍속이 비교적 작은 곳에서도 풍력발전기를 운용할 수 있는 것이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드 및 그 것을 구비한 풍력발전기를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기용 로터 블레이드에서의 공기 흐름도이며, 도 3은 도 1에 도시된 로터 블레이드를 사용한 3-Blade 수평축 풍력발전기의 사시도이다.

본 발명은 수평축 풍력발전기의 로터 블레이드(1a)의 끝부분 표면에 바람이 유입될 수 있는 입구(3)가 형성된 채널(5)을 형성하고, 블레이드 중공부 종단에 위 채널로 유입된 공기가 배출되는 출구(7)를 형성하여, 유입된 바람을 압축하고, 압축된 바람을 이용하여, 동일 조건의 바람 및 동일 크기의 블레이드에서도, 블레이드(1a)의 토크를 증대시켜 발전 출력을 크게 하기 위한 것이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 로터 블레이드(1a)는 유리섬유강화프라스틱(GRP) 등 강도가 큰 성형재에 의하여, 내부가 빈 중공(中空) 형태의 유선형 날개 형상으로 성형됨을 알 수 있다. 익근(root)에서 익단(edge)까지 전개되는 과정에서 중공의 단면적(CS1, CS2, CS3)은 최초에 일정 길이까지는 폭이 점점 좁아지면서 높이가 커지다가, 일정 길이를 지나면 폭과 높이가 모두 작아지는 형태를 가지며, 공기 받음면은 유선형 측단면을 갖는다. 본 발명의 특징은 상기 블레이드(1a) 종단 직전에 공기 받음면으로 흐르는 공기를 블레이드(1a) 내부 중공으로 유입되도록 안내하는 채널(channel)(5)를 형성한 데 있다. 상기 채널(5)은 원뿔 형상 절반을 제거하고 엎어 놓은 형태를 가지며, 넓은 입구가 익근(root) 쪽에 배치되어 공기 입구(3)를 형성하고, 뿔이 익단(edge) 쪽에 배치되어 익단쪽으로 갈수록 공기 통로가 좁아지게 한다. 이렇게 구성함으로써, 공기흐름이 내부 중공으로 안내된 후 압축되어 블레이드 중공부 종단 출구(7)로 토출된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 채널 입구(3)로 부터 블레이드 중공부 종단 출구(7)까지는 중공의 단면 형상이 블레이드 중공부와 채널 내부 중공의 합성 형상를 갖는다. 또한, 상기 채널(5)의 입구(3)는 블레이드 종단(또는 익단)으로 부터 블레이드 길이(L)의 1/6에 해당하는 지점에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 채널(5)은 반원뿔 형상으로 인하여 블레이드 종단쪽으로 갈수록 공기 유로가 좁아진다. 블레이드(1a) 내부 중공 단면적도 블레이드 종단으로 갈수록 좁아지고, 채널(5)의 공기 유로도 블레이드 종단으로 갈수록 좁아지므로, 이들의 합성 단면적(CS4, CS5)도 블레이드 종단으로 갈수록 작아진다.

도 2에 도시된 바와 같이, 공기 받음면을 따라 흐르는 공기 흐름의 일부는 상기 채널(5)의 입구(3)로 유입되고, 채널(5)의 입구(3)로 유입된 공기 흐름은 채널 및 블레이드 내부 중공을 지나 출구(7)로 배출되면서 압축되며, 압축된 공기 흐름은 중공 내부 벽에 양력으로 작용하게 된다. 따라서, 블레이드 종단 모서리에서 에어포일 상하면의 압력차가 줄어들고, 채널(5)로 유입된 공기 흐름은 중공 내부에서 압축되어 다시 양력을 발휘하게 되므로, 와류 및 유도항력이최소화되어, 익단 손실이 줄어들 뿐만 아니라, 블레이드 종단의 와류를 양력으로 전환시킬 수 있는 것이다.

도 3은 전형적인 맞바람 형식 3-blade 수평축 풍력발전기(Upwind Type HAWT)를 나 타낸다. 본 발명에 따른 로터 블레이드는 1-blade 타입이나 2-blade 타입의 수평축풍력발전기에도 적용될 수 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 3-blade 수평축 풍력발전기에 가장 적합하다. 실험적으로, 3개의 블레이드 가운데 1개의 블레이드는 상술한 바와 같은 채널(5)이 형성된 블레이드를 사용하고, 나머지 블레이드로는 무채널이 블레이드를 사용할 경우, 전력 출력이 가장 큼을 확인할 수 있다. 이러한 구조를 가질 경우, 비교적 작은 풍속에서 충분한 전력 출력을 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력발전기용 로터 블레이드의 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기용 로터 블레이드에서의 공기 흐름도이다.

도 3은 도 1에 도시된 로터 블레이드를 사용한 3-Blade 수평축 풍력발전기의 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1a, 1b : 블레이드 3 : 입구

5 : 채널 7 : 출구

9 : 로터 11 : 발전기

13 : 타워

Claims (3)

1. 내부가 중공(中空)인 풍력발전기용 로터 블레이드에 있어서,

   상기 블레이드 종단 직전에 블레이드 내부 중공으로의 공기 유입을 안내하는 채널(channel)를 형성하여, 공기가 내부 중공으로 안내된 후 압축되어 블레이드 중공부 종단 출구로 토출되게 한 것을 특징으로 하는 익단 손실을 최소화한 풍력발전기용 로터 블레이드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 채널의 입구는 블레이드 종단으로 부터 블레이드 길이의 1/6에 해당하는 지점에 형성되고, 채널의 공기 유로는 블레이드 종단으로 갈 수록 좁아지는 것을 특징으로 하는 익단 손실을 최소화한 풍력발전기용 로터 블레이드.
3. 다수의 로터 블레이드를 갖는 풍력발전기에 있어서,

   다수의 로터 블레이드 가운데 1개의 블레이드에만 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한항에 기재된 채널이 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.

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