KR20120028500A - 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템 - Google Patents

날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템에 관한 것으로서, 지상에 수직으로 배치되는 회전축; 중앙부에 상기 회전축이 관통하며, 상기 회전축과 직교하는 연결판; 일단이 상기 연결판에 상하방향으로 회전가능하게 연결되고, 방사상으로 배치되는 다수의 임펠러부; 상기 연결판의 상면에 마련되어 방사상으로 배치된 다수의 유압실린더와, 상기 각 유압실린더에 신축가능하게 각각 마련되는 수평로드와, 상기 각 수평로드의 끝단에 각각 마련되되 상기 임펠러부에 회동가능하게 연결되는 조인트로 구성되어, 상기 수평로드가 신축함에 따라 상기 임펠러부의 각도를 제어하는 나셀부; 및 상기 회전축에 연결되어 상기 회전축의 회전 동력을 전달하는 동력전달부;를 포함하며, 상기의 구성에 따르면, 동력계수가 일반 수직축보다 높고, 풍방향 추적을 위한 날개 요잉제어와 출력제어를 위한 피칭제어가 필요하지 않으며, 수평축과 같이 로터와 타워와의 간섭에 의한 소음발생이 없으며, 출력대비 날개의 무게 및 실제 표면적이 작아 경제성이 매우 높다는 효과가 있다.

Description

날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템{Power Generation System of Vertical Wind Turbine with Conning Angle Change}
본 발명은 바람의 운동에너지를 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환하고, 다시 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환기술인 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템에 관한 것이다.
본 발명은 양력식 날개 코닝(Conning)각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템에 관한 것이다.
기후변화 협약과 교토의정서 비준 등 국제적으로 환경문제가 대두 되면서 화석 연료와 원자력에 의존하는 에너지 공급체계에서 벗어나서 친환경적이고, 고갈되지 않는 대체 에너지인 풍력 발전의 보급이 절실해지고 있다. 풍력 에너지는 자연현상에 의해 발생하는 에너지로서 유해 물질이 발생하지 않는 청정에너지이기 때문에 환경문제의 심각성, 화석 연료의 사용으로 인한 지구 온난화 현상과 맞물려 화석 연료를 대체 할 수 있는 대체에너지로서 각광을 받고 있다.
풍력발전은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지변환기술이다. 약 50년전 현대적 개념의 200㎾급 풍력발전기가 덴마크의 Gedser 해안에 설치된 이후 비약적인 기술진보를 거쳐 ㎿급의 대형풍력기가 개발되어 왔다. 이러한 풍력발전은 설치장소의 풍자원에 따라 편차가 매우 크며 발전기에 따라서도 이용률의 차이가 커 대형 풍력발전기는 인증이 필요로 한다. 이산화탄소 흡수량을 기준으로 2㎿급 풍력발전기 1기는 500만평의 산림대체 효과가 있으며, 풍력발전단지 개발시 기초부, 도로 및 중앙제어실을 제외한 나머지 99%는 다른 용도로 이용할 수 있어 소요면적이 1,335m2/GWh로서 다른 발전방식에 비해 매우 낮다. (석탄;3,642m2/GWh, 태양광; 3,237m2/GW). 그런데 대형 수평축발전기는 상류에 있는 터빈에 의해 발생한 와동이 후류에 설치된 터빈의 출력에 영향을 미치는 후류(wake) 효과로 실제로 차지하는 단지면적이 수직축발전기보다는 훨씬 넓게 된다.
이와 같은 풍력발전시스템은 회전축 방향에 따라 회전축이 바람방향에 수평으로 설치되어 있는 수평식과 수직으로 설치된 수직식이 있다. 수직 회전축식으로는 잘 알려진 다리우스(Darrieus)식, H자형 수직직선 블레이드, 사보니우스(Savonius) 임펄스식 등이 있으며, 이들 수직축 설계의 장점은 수평축의 경우 필요한 요잉(yawing) 운동장치가 필요치 않다는 점이다. 그러나 수평축식에 비해 일반적으로 에너지변환효율이 떨어지며, 구조물 진동문제의 해결이 숙제로 남아 있다. 또한 수직축은 풍면적 대비 구조물 무게가 수평축에 비해 커서 중대형급 이상은 수평축을 사용하고, 100 ㎾급 이하 도시 적용 환경에서는 소음문제로 인해 회전속도가 낮은 수직축을 많이 사용한다.
풍력 터빈의 공기역학적 동력계수인 Cp는 터빈 임펠러에 의해 발생하는 축동력과 임펠러에 입사되는 공기동력에너지의 비로서 다음과 같이 계산된다.
Figure pat00001
수학식 1에서 T는 토크(Nm), ω(rad/s)는 각회전수, ρ(kg/㎥)는 공기밀도, U(m/s)는 풍속 및 A(㎡)는 임펠러가 회전하며 통과하는 면적 혹은 터빈의 투영면적이다.
또한, 익단속도비라고 불리는 속도계수 λ는 익단회전속도(Vtip)와 입사 풍속과의 비로서 터빈의 종류가 정해지면 일반적으로 최대 동력계수에서의 값이 하기의 수학식 2와 같이 계산된다.
Figure pat00002
풍력 발전기의 성능은 상기 수학식 1의 동력계수 Cp로 정의되어 진다. Cp란 입력된 유체의 동력에 대해 터빈이 출력하는 동력의 비이다. 결국 에너지 변환효율이라고 볼 수 있다. 베츠(Betz)가 제시한 이상유체유동 이론에 따르면, 수평축 풍력발전기가 낼 수 있는 가장 큰 Cp값은 0.598이며, 수직축 풍력발전기의 경우에 해당하는 다리우스 풍력발전기는 최대 0.4 까지 가능한 것으로 알려져 있다.
그러나 이러한 수치는 이론적인 것이고 실제는 이에 미치지 못한다. 항력식 수직축 풍력발전기의 대표라고 할 수 있는 사보니우스 풍력발전기는 블랙웰(Blackwell) 등이 날개 2매의 사보니우스 임펠러를 사용하여 실험한 결과, 익단 선속비(λ)가 0.8일때 최대 0.2까지 값을 얻을 수 있음을 보인 바 있다. WO 2005/108783에는 3개의 날개로 구성된 개량된 사보니우스 방식이 개진되어 있다. 또한 항력식 수직축 방식 중 날개가 수직축을 중심으로 단면을 에어포일을 유지하며 헬리컬 형태로 적층된 다리우스 터빈 방식의 최근 기술은 WO 2005/010355에 기재되어 있다. 그 밖에 오카모토(Okamoto) 등은 다리우스 터빈에 사보니우스 터빈을 결합한 하이브리드 형을 제안하고 연구한 바 있다.
한편, 수직축의 낮은 터빈효율을 개선하기 위해 입구 및 측면가이드 베인을 설치하여 반대방향의 회전력을 억제하면서 로터 입구 유입속도를 증대시키며 유선의 방향을 상하면으로 이동시켜 터빈로터의 효율을 개선한 제트휠방식의 수직축 터빈 기술은 제0810990호에 기재되어 있다. 수직축 계통의 터빈은 정격출력을 유지하기 위해서는 회전속도를 제어하거나 가이드 베인의 각도를 제어해야 하므로 대형의 경우 이로 인한 부가적 비용이 매우 높다. 또한 수평축터빈은 날개 피치각을 유압 등의 방법으로 능동적으로 실속제어를 실현하지만 공력 하중의 증대로 내구성에 심각한 영향을 미치기도 한다. 또한 수직축 터빈은 일반적으로 저속으로 회전하므로 속도변환이 필요하며, 수평축 터빈에 비해 효율이 절반 수준으로 매우 낮은 단점이 있었다.
다음의 표 1은 수평식과 수직축터빈이 같은 면적의 재료를 갖는다고 가정했을 때의 풍속 5.6m/s에서의 터빈 출력을 비교한 표로서, 수평식 프로펠라 터빈이 가장 높은 출력을 나타낸다.
항목 HAWT VAWT
Propeller Ducted Propeller Darrius Savonius
출력계수(Cpmax) 0.48 1.16 (최소면적기준) 0.37 0.23
직경 11.28m 0.54m 2.89m 0.96m
출력 3.3 kW 0.027 kW 0.22 kW 0.022 kW
(각 터빈의 출력은 풍속 5.6m/s 기준임)
다음의 표 2에는 5.6m/s에서 동일한 출력인 3.3 ㎾를 생산하도록 설계시 각 터빈방식별 풍면적 대비 터빈무게를 나타내는 Q지수를 비교하였으며, 이로부터 수평축 프로펠러방식이 다른 방식에 비해 압도적으로 경제성에 우수함을 알 수가 있다.
항목 HAWT VAWT
Propeller Ducted Propeller Darrius Savonius
풍면적 100 m2 69.1 m2(최대) /28.3 m2 (최소) 86.1 m2 138.3 m2
무게 40 kg 2,004 kg 338 kg 2,390 kg
Q (무게/풍면적) 0.4 29 3.9 17.3
(각 터빈의 출력은 풍속 5.6m/에서 동일하게 3.3㎾ 생산 기준임)
따라서, 상기 표 1, 표 2로부터 양력형 터빈의 Q지수가 우수함을 알 수가 있으며 본 발명은 이를 이용한 방식이라고 하겠다.
또한, 풍력터빈의 출력은 수학식 1에서와 같이 풍속의 삼승에 비례하므로 풍 경계층이 존재하는 지표면에서는 가능한 높이 설치하는 것이 유리하다. 도 12에는 80m 지표면 위에서의 풍속이 각각 6.5m/s 및 7m/s 인 도시 및 구릉지에서의 경계층 내 속도 분포를 나타낸 그래프로서, 이를 바탕으로 같은 위치에 소형과 대형터빈을 설치하는 경우 표 3에서 보는 바와 같이 구릉지의 경우 터워 높이의 차이로 인해 소형은 평균풍속이 5.36m/s로 낮아져 이용율이 대형에 비해 매우 낮게 되며 투자대비 생산전기는 겨우 대형의 1/6 수준이 된다.
종류 형태 용량(kW) 허브
높이(m)		 풍속
(m/s)		 이용율
(%)		 연간
생산전력
(kWh)		 투자대비
생산전기
(Cent/Life Time kWh)
소형 HAWT 2.4 21 5.36 22 4,517 0.72
대형 HAWT 2000 80 7.0 36 6,293,184 0.13
따라서, 본 발명은 가능한 풍면적이 가능한 상부에 배치되도록 하여 낮은 타워를 이용하여도 무방하도록 한다.
또한, 도 13에 도시한 바와 같이 종래의 수평축터빈과 수직축터빈의 풍입사면적은 각각 π× D2/4 및 H× D로서, 수학식 1에서 나타난 과풍속에서의 출력제어를 위해서는 터빈 효율을 낮게 하는 방법밖에는 없게 된다.
그러나 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템의 개략도인 도 6에는 날개의 코닝각인 θ를 제어하여 수학식 1에서 풍입사면적 A를 0에서 최대면적까지 손쉽게 제어할 수 있어 수평축 터빈에서 사용하는 비선형적 능동형 실속제어에 의한 풍하중증대 및 풍향의 변동에 의한 실패를 근원적으로 차단할 수가 있다.
또한, Q지수에 우수한 수평축 방식의 터빈은 풍향에 따라 요잉 운동을 해야 하므로 풍향이 매우 빈번하게 바뀌는 장소에는 평균 풍속이 뛰어나도 설치할 수 없는 어려움이 있으며, 비록 설치가 가능하더라도 요잉운동으로 인해 출력이 많이 감소하는 단점이 있다. 이를 극복하기 위해서는 요잉이 필요 없는 수직축 터빈이 대안이지만, 경제성과 밀접한 Q 지수에서 불리하고 타워 및 회전축을 높이 설치하면 진동문제로 내구성이 취약한 단점이 또한 존재한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 풍향에 따른 요잉운동이 필요 없으며, 과풍속에서 출력을 낮추기 위해 날개 실속을 통한 피치제어가 필요 없도록 콘 형태의 회전 자취를 갖는 양력형 날개로부터 발생한 회전력을 이용, 수직축을 회전시키며 콘 각도를 제어하여 출력을 제어하며 과풍속에서는 풍입사면적을 가변적으로 변화시켜 터빈의 안전성을 확보하도록 하며, 특히 풍 경계층 내 풍입사면적의 대부분이 상부에 배치되어 동일 풍입사면적 대비 큰 공기에너지밀도가 가능하므로 낮은 타워로도 동일한 발전출력이 가능하여 수직축의 낮은 Q 지수를 극복하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은 지상에 수직으로 배치되는 회전축; 중앙부에 상기 회전축이 관통하며, 상기 회전축과 직교하는 연결판; 일단이 상기 연결판에 상하방향으로 회전가능하게 연결되고, 방사상으로 배치되는 다수의 임펠러부; 상기 연결판의 상면에 마련되어 방사상으로 배치된 다수의 유압실린더와, 상기 각 유압실린더에 신축가능하게 각각 마련되는 수평로드와, 상기 각 수평로드의 끝단에 각각 마련되되 상기 임펠러부에 회동가능하게 연결되는 조인트로 구성되어, 상기 수평로드가 신축함에 따라 상기 임펠러부의 각도를 제어하는 나셀부; 및 상기 회전축에 연결되어 상기 회전축의 회전 동력을 전달하는 동력전달부;를 포함한다.
상기에 있어서, 상기 회전축이 회전가능하도록 상기 회전축의 하부를 지지하는 기둥부; 상기 기둥부의 상부에 고정되고, 상기 기둥부와 직교하며, 중앙부에 회전축이 관통하는 수평 테이블; 및 상기 수평 테이블 상면에 마련되어 방사상으로 배치되고, 상기 동력전달부로부터 회전 동력을 전달받아 전기를 생산하는 다수의 발전기;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 발전기에 의해 생산된 전기로 구동되는 유압펌프; 및 상기 유압펌프에서 초과 생산된 유압에너지를 저장하는 어큐물레이터;를 더 포함하여, 상기 유압펌프 또는 상기 어큐물레이터로부터 유압에너지를 이용하여 상기 수평로드의 길이를 제어하여 상기 임펠러부의 각도를 제어하는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 임펠러부는, 단면이 에어포일 형태를 갖는 날개부와, 상기 날개부의 일단으로부터 연장되되 가운데 부분이 오목한 형상인 날개 뿌리부로 구성되고, 상기 날개 뿌리부는 상기 연결판에 상하방향으로 회전가능하게 연결되며, 상기 날개 뿌리부는 상기 조인트에 의해 상기 수평로드와 회동가능하게 연결되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 임펠러부의 피치각이 -5° 내지 10°의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 임펠러부는, 상기 임펠러부의 길이를 나타내는 코드(C)와 상기 임펠러부의 피치(p)와의 비가 상기 날개 뿌리부 끝에서 상기 날개부 끝까지 2% 내지 10%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 상기 임펠러부는, 상기 날개 뿌리부의 끝에서 상기 날개부의 끝단으로 가면서 상기 임펠러부의 회전방향으로 전진하는 스윕각을 갖거나 후진하는 스윕각을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기에 있어서, 현재 풍속이 최소시동풍속(Ucut - in)보다 작은 경우 상기 임펠러부가 자유 회전하도록 하고, 현재 풍속이 최소시동풍속 (Ucut - in) 이상이고, 정격풍속(Urated)보다 작은 경우 입사풍면적이 최대가 되어 상기 발전기의 출력을 증가시키도록 날개 코닝각도(θc)를 θm으로 제어하며, 운전 익단주속비가 최적 주속비인 λm이 되도록 상기 임펠러부의 회전수(Ω)를 제어하여 일부부하 운전을 하며, 현재 풍속이 정격풍속(Urated)보다 크고 최대허용풍속(Ucut - out) 이하인 경우 입사풍면적이 줄어들도록 코닝각도(θc)를 θm 이하로 되먹임 제어하여 상기 발전기 출력(P)이 정격 출력값 (Prated) 근처가 되도록 한 후 상기 임펠러부의 주속비를 감소시키는 방향으로 상기 발전기의 운전이 이루어지도록 하여 최대부하운전을 하며, 현재 풍속이 최대허용풍속(Ucut - out)보다 큰 경우 입사풍면적을 최소화하여 상기 임펠러부의 회전을 정지시키도록 제어동작을 수행하는 제어부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템은 동력계수가 일반 수직축보다 높고, 풍방향 추적을 위한 날개 요잉제어와 출력제어를 위한 피칭제어가 필요하지 않으며, 수평축과 같이 로터와 타워와의 간섭에 의한 소음발생이 없으며, 출력대비 날개의 무게 및 실제 표면적이 작아 경제성이 매우 높다는 효과가 있다.
나아가, 낮은 타워에도 불구하고 같은 풍입사면적을 갖는 다른 방식의 터빈보다 출력이 증대되는 효과가 있다.
또한, 풍향에 따른 요잉운동이 필요 없으며, 과풍속에서 출력을 낮추기 위해 날개 실속을 통한 피치제어가 필요 없도록 콘 형태의 회전 자취를 갖는 양력형 날개로부터 발생한 회전력을 이용, 수직축을 회전시키며 콘 각도를 제어하여 출력을 제어하며, 과풍속에서는 풍입사면적을 가변적으로 변화시켜 과풍속에서도 터빈의 안전성이 확보되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템을 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 기둥부의 내부를 보여주기 위하여 도시한 일부 확대도.
도 3은 도 1의 주요부분을 보여주기 위하여 도시한 일부 확대도.
도 4는 도 3의 연결판을 제거한 상태를 도시한 사시도.
도 5a 및 도 5b는 도 3의 나셀부의 작동을 보여주기 위하여 개략적으로 도시한 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 임펠러부의 코닝각도 제어의 실시예를 간략하게 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템에 있어서 제어부의 제어 알고리즘을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 임펠러부의 에어포일 단면 형상과 각 에어포일의 회전 위치마다 변동하는 속도삼각형을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템의 회전하는 임펠러부 주위의 압력분포를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템에 있어서 날개 피치각에 따른 출력계수의 변화를 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템에 있어서 절현비에 따른 출력계수의 변화를 나타낸 그래프.
도 12는 지표면 위 풍경계층 내 유동속도 분포특성(도시, 구릉지)을 나타내는 그래프.
도 13은 종래 수평축 터빈과 수직축 터빈의 풍입사면적을 비교한 도면.
도 14는 풍경계층 내 설치된 같은 높이를 갖는 수평축 터빈과 본 발명에 따른 V형 터빈의 입사공기동력을 비교한 도면.
도 15는 동일한 입사공기동력의 수평축 터빈과 본 발명에 따른 V형 터빈의 타워의 높이를 비교한 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 14에서와 같이 지표면 높이 80m에서 7m/s의 평균풍속과 경계층 속도지수(α) 0.2 갖는 풍경계층 내에 설치되어 최소 및 최대높이가 같도록 한 수평축 터빈과 본 발명에 따른 V형 터빈의 풍입사면적을 계산하면, 본 발명에 따른 V형 수직축터빈이 27% 가량 많으며, 특히 각 높이마다 적분해서 구한 풍입사 공기에너지는 40% 높아 같은 면적대비로도 약 10% 이상의 출력을 나타내게 된다.
도 15에는 도 14에서 구한 출력 증대를 고려하여 동일한 출력을 내도록 하며 상부높이를 고정한 경우, 본 발명에 따른 V형 터빈과 수평축터빈의 타워높이를 비교한 그림으로 약 1/3정도 타워 높이의 저감이 가능하다.
그러나 터빈 날개의 길이가 55m에서 128m로 길어지므로 대형발전의 경우에는 도 6에 나타난 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템과 같은 형태의 설계가 더욱 바람직하다.
도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템은 회전축(10)과 연결판(20)과 임펠러부(30)와 나셀부(40)와 동력전달부(50)와 기둥부(60)와 수평 테이블(70)과 발전기(80) 등을 포함한다.
회전축(10)은, 도 2에 도시한 바와 같이 지상에 대해 수직으로 배치되며, 파이프 형상의 기둥부(60)에 의해 회전가능하게 지지되어 있다. 즉, 파이프 형상의 기둥부(60) 내측에 회전축(10)의 하단이 삽입되며, 회전축(10)은 서로 이격된 상,하부 베어링(61,62)에 의해 기둥부(60)로부터 회전가능하게 마련된다.
원형의 연결판(20)은, 도 3에 도시한 바와 같이 중앙부에 회전축(10)이 관통하며, 회전축(10)과 직교하도록 마련된다. 연결판(20)의 상면에는 서로 마주보도록 배치된 두 쌍의 연결브라켓(21)이 마련되어 있으며, 이 연결브라켓(21)에는 하기에서 설명할 임펠러부(30)의 날개 뿌리부(35)에 형성된 힌지부(36)가 연결된다. 이러한 연결브라켓(21)의 외주면은 위로 볼록한 형상으로 곡면이 형성되어 있다.
임펠러부(30)는, 도 1에 도시한 바와 같이 다수개로 마련되고, 각 임펠러부(30)는 날개부(31)와 날개 뿌리부(35)로 구성되어 있다. 본 실시예에서 임펠러부(30)는 네 개로 마련되어, 방사상으로 배치되어 있는데, 임펠러부(30)의 개수는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
날개부(31)는 단면이 대칭 또는 비대칭 에어포일(airfoil)형태를 갖는다.
날개 뿌리부(35)는 날개부(31)의 일단으로부터 연장되며, 양단부에서 중앙부로 갈수록 단면적이 줄어들도록 가운데 부분이 오목한 형상이고, 전체적으로 곡면이 형성되어 있다.
날개 뿌리부(35)의 일단에는, 도 4에 도시한 바와 같이 원판 형상의 힌지부(36)가 형성되어 있으며, 이 힌지부(36)는, 도 3에 도시한 바와 같이 연결판(20)의 연결브라켓(21)에 연결된다. 이처럼, 연결브라켓(21)에 연결된 임펠러부(30)는 상하방향으로 회전가능하며, 임펠러부(30) 회전시 원판 형상의 힌지부(36)가 연결브라켓(21)의 곡면 형상의 외주면에 의해 가이드된다.
상기와 같이 구성된 임펠러부(30)는 피치각이 -5° 내지 10°의 범위를 갖는 것이 바람직한데, 그 이유는 하기에서 설명하기로 한다.
또한, 임펠러부(30)의 절현비가 날개 뿌리부(35) 끝에서 날개부(31) 끝까지 2% 내지 10%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 그 이유는 하기에서 설명하기로 한다.
나아가, 임펠러부(30)의 에어포일 후단소음을 줄이기 위하여 날개 뿌리부(35)의 끝에서 날개부(31)의 끝단으로 가면서 임펠러부(30)의 회전방향으로 전진하는 스윕각을 갖거나 후진하는 스윕각을 갖도록 설치되는 것이 바람직하다.
임펠러부(30)의 각도를 제어하기 위한 나셀부(40)는, 도 3에 도시한 바와 같이 연결판(20)의 상면에 마련되는데, 본 실시예에서 임펠러부(30)가 네 개로 구성됨에 따라 나셀부(40)도 네 개로 구성되며, 임펠러부(30)의 개수에 따라 나셀부(40)의 개수도 달라질 수 있다. 각각의 나셀부(40)는 유압실린더(41)와 수평로드(43)와 조인트(45)로 구성된다.
유압실린더(41)는 연결판(20)의 상부에 마련되며, 본 실시예에서는 네 개의 유압실린더(41)가 십자 형태로 배치되어 있다.
각 유압실린더(41)에는 수평로드(43)가 신축가능하게 마련되어 있으며, 각 수평로드(43)의 끝단에는 조인트(45)가 마련되어 있다. 이 조인트(45)는 볼조인트로서, 날개 뿌리부(35)에 연결되어 날개 뿌리부(35)는 수평로드(43)와 회동가능하게 연결된다.
상기와 같이 상면에 나셀부(40)가 마련된 연결판(20)의 상부에는, 도 1에 도시한 바와 같이 캡(90)이 설치되며, 캡(90)에는 임펠러부(30)가 관통하는 관통홀(91)이 형성되어 있다. 이 관통홀(91)은 임펠러부(30)가 상하방향으로 각도가 조절되므로 상하방향으로 길게 형성되는 것이 바람직하다.
수평 테이블(70)은, 도 4에 도시한 바와 같이 기둥부(60)의 상부와 연결판(20)의 하부 사이에 마련된다. 이러한 수평 테이블(70)은 기둥부(60)와 직교하므로 수평하며, 중앙부에 회전축(10)이 관통한다.
동력전달부(50)는 회전축(10)의 회전 동력을 전달하는데, 본 실시예에서는 회전축(10)을 관통하며 회전축(10)에 고정 설치된 거스기어(51)와, 거스기어(51)와 치합된 네 개의 피니언기어(53)로 구성되어 있다. (본 명세서의 도 4상에는 하나의 피니언기어(53)만 도시함.)
거스기어(51)는 연결판(20)에 고정되어 나셀부(40)의 하단을 지지하는 지지판(23)과 다수의 연결리브(25)로 연결되어 있다.
수평 테이블(70)의 상면에 마련되어 방사상으로 배치되는 네 개의 발전기(80)는 동력전달부(50)의 피니언기어(53)로부터 회전 동력을 전달받아 전기를 생산한다. (본 명세서의 도 4 상에는 세 개의 발전기(80)만 도시함.)
유압펌프와 어큐물레이터(accumulator)가 더 구비되는 것이 바람직한데, 유압펌프(미도시)는 발전기(80)에 의해 생산된 전기로 구동되며, 어큐물레이터는 유압펌프에서 초과 생산된 유압에너지를 저장한다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템의 작동 상태를 도 1 및 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
바람의 영향을 받아 임펠러부(30)가 회전하면, 임펠러부(30)가 연결된 연결판(20)이 회전하며, 연결판(20)의 중심에 고정된 회전축(10)이 함께 회전한다.
회전축(10)의 회전 동력은 동력전달부(50)에 전달되는데, 회전축(10)과 거스기어(51)는 함께 회전하며, 거스기어(51)의 동력은 피니언기어(53)에 전달되어 피니언기어(53)가 회전한다.
이에 따라, 피니언기어(53)를 통해 기어박스에 연결된 발전기(80)에 회전 동력이 전달되어 발전기(80)는 전기를 생산한다.
발전기(80)에 의해 생산된 전기는 유압펌프를 구동시키고, 유압펌프에서 초과 생산된 유압에너지는 어큐물레이터에 저장된다.
이러한 유압펌프 또는 어큐물레이터로부터 유압에너지를 이용하여 수평로드(43)의 길이를 제어하여 임펠러부(30)의 코닝각도를 제어할 수 있다.
임펠러부(30)의 코닝각도 제어는 다음과 같이 이루어진다.
도 5a에 도시한 바와 같이, 수평로드(43)의 길이가 짧아지면, 임펠러부(30)는 수직에 가까운 각도를 가진다.
도 5b에 도시한 바와 같이, 수평로드(43)의 길이가 길어지면, 수평로드(43)의 끝단에 연결된 볼 조인트(45)에 의해 임펠러부(30)는 회동가능하며, 연결브라켓(21)에 연결된 힌지부(36)를 중심으로 하방으로 회전한다. 이로써, 임펠러부(30)는 수평에 가까운 각도를 가진다.
이러한 각도 조절이 가능한 임펠러부(30)의 회전 및 각도를 제어하는 제어부(미도시)가 구비되는 것이 바람직한데, 본 실시예에서 제어부는 다음과 같은 동작을 수행한다.
도 7을 참조하여 설명하면, 현재 풍속이 최소시동풍속(Ucut - in)보다 작은 경우 임펠러부(30)가 자유 회전하도록 한다.
다음으로, 현재 풍속이 최소시동풍속 (Ucut - in) 이상이고, 정격풍속(Urated)보다 작은 경우 입사풍면적이 최대가 되어 발전기(80)의 출력을 증가시키도록 날개 코닝각도(θc)를 θm으로 제어하며, 운전 익단주속비가 최적 주속비인 λm이 되도록 임펠러부(30)의 회전수(Ω)를 제어하여 일부부하 운전을 한다.
다음으로, 현재 풍속이 정격풍속(Urated)보다 크고 최대허용풍속(Ucut - out) 이하인 경우 입사풍면적이 줄어들도록 코닝각도(θc)를 θm 이하로 되먹임 제어하여 발전기(80) 출력(P)이 정격 출력값 (Prated) 근처가 되도록 한 후 임펠러부(30)의 주속비를 감소시키는 방향으로 발전기(80)의 운전이 이루어지도록 하여 최대부하운전을 한다.
다음으로, 현재 풍속이 최대허용풍속(Ucut - out)보다 큰 경우 입사풍면적을 최소화하여 상기 임펠러부(30)의 회전을 정지시키도록 한다.
상기와 같이 본 발명은 풍입사면적을 증가시키기 위하여 양력을 받아 회전력을 일으키도록 하는 임펠러부(30)와 조인트(45)로 연결된 긴 수평로드(43)가 구비되어, 도 6에서와 같이 풍입사면적을 날개 코닝각도에 의해 제어하여 발전 출력을 제어할 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 임펠러부(30)의 에어포일 단면 형상과 각 에어포일의 회전 위치마다 변동하는 속도삼각형을 나타낸 도면이다.
도 8에서 C∞와 W∞는 터빈으로의 공기 절대속도 및 회전하는 날개 위에서의 상대속도를 각각 나타내며, U(=RΩ)는 날개 회전속도를 나타낸다.
도 8에서 보듯이 날개의 위치에 따라 날개로 유입되는 상대속도(W∞)의 크기와 방향이 모두 변하므로 날개에 작용하는 양력과 그 방향도 변하게 된다. 양력의 방향은 상대속도(W∞)의 방향에 수직인 방향으로 정의하거나 날개 입구와 출구의 평균 상대속도벡터에 수직인 방향으로 정의한다. 이로부터 각 위치에서의 날개입사각에 따른 양력의 크기와 방향을 구하며, 이를 평균하면 전체 회전토크를 구할 수 있게 된다.
도 9는 수평면에서 회전하는 날개주위의 압력분포를 나타낸 도면으로 이와 같은 유동해석결과로부터 정확한 토크 크기의 계산이 가능하다. 이를 토대로 대칭 에어포일 혹은 비대칭 에어포일의 회전방향과 이루는 설치각은 약 -5°에서 +10°의 범위 내에서 최고의 토크효율을 나타낸다.
또한, 날개의 회전방향과 이루는 피치각에 따른 출력계수의 변화를 도 10에 도시하였는데, 약 4°를 갖도록 설치하는 것이 가장 바람직하다.
나아가, 임펠러부(30)의 길이를 나타내는 코드(C)와 임펠러부(30)의 피치(p)와의 비를 절현비(solidity, σ=C/p)라고 하는데, 날개 뿌리부(35)의 끝에서 날개부(31)의 끝으로 가면서 절현비가 줄어들도록 하여 날개부(31) 끝단에 과도한 응력이 집중되지 않도록 하기 위하여 이 절현비가 중요하다. 따라서, 절현비,는 도 11에 도시한 바와 같이, 날개 뿌리부(35) 끝에서 날개부(31) 끝까지 2% 내지 10%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 약 5% 내외가 되는 것이 가장 바람직하다.
대형 수평축터빈의 경우 정격풍속 이상의 풍속에서 피치제어를 통해 실속에 의해 출력을 줄이므로 풍속의 증대에 의한 과도한 공기역학적 힘에 의한 굽힘모멘트가 작용하여 날개 길이제작에 한계가 존재하게 되나, 본 발명에서와 같이 임펠러부(30)의 날개 코닝각의 제어를 통해 풍입사면적을 줄이는 경우 출력이 각도의 변화에 따라 현격하게 줄어들며 각 날개 단면은 회전반경이 줄어들면서 공기역학적 힘도 줄어들게 되어 과풍속으로 인한 날개길이의 제약이 상대적으로 낮다.
또한, 도 15에서와 같이 1㎿의 전기를 생산하는 수평축터빈과 같은 높이를 갖는 본 발명의 수직축 풍력발전시스템을 비교하면, 수평축터빈의 풍입사면적은 9,500m2인 반면, 수직축 풍력발전시스템은 12,100m2이 되어, 낮은 타워높이에도 불구하고 풍입사면적은 27%정도 늘어나며, 풍경계층으로 인한 유입공기동력은 40% 정도로 늘어나게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전시스템은 낮은 타워에도 불구하고 같은 풍입사면적을 갖는 다른 방식의 터빈보다 출력이 증대되는 효과가 있다.
또한, 풍향에 따른 요잉운동이 필요 없으며, 과풍속에서 출력을 낮추기 위해 날개 실속을 통한 피치제어가 필요 없도록 콘 형태의 회전 자취를 갖는 양력형 날개로부터 발생한 회전력을 이용, 수직축을 회전시키며 콘 각도를 제어하여 출력을 제어하며, 과풍속에서는 풍입사면적을 가변적으로 변화시켜 과풍속에서도 터빈의 안전성이 확보되는 효과가 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 회전축 20 : 연결판
21 : 연결브라켓 23 : 지지판
25 : 연결리브 30 : 임펠러부
31 : 날개부 35 : 날개 뿌리부
36 : 힌지부 40 : 나셀부
41 : 유압실린더 43 : 수평로드
45 : 조인트 50 : 동력전달부
51 : 거스기어 53 : 피니언기어
60 : 기둥부 61 : 상부 베어링
62 : 하부 베어링 70 : 수평 테이블
80 : 발전기 90 : 캡
91 : 관통홀

Claims (8)

  1. 지상에 수직으로 배치되는 회전축;
    중앙부에 상기 회전축이 관통하며, 상기 회전축과 직교하는 연결판;
    일단이 상기 연결판에 상하방향으로 회전가능하게 연결되고, 방사상으로 배치되는 다수의 임펠러부;
    상기 연결판의 상면에 마련되어 방사상으로 배치된 다수의 유압실린더와, 상기 각 유압실린더에 신축가능하게 각각 마련되는 수평로드와, 상기 각 수평로드의 끝단에 각각 마련되되 상기 임펠러부에 회동가능하게 연결되는 조인트로 구성되어, 상기 수평로드가 신축함에 따라 상기 임펠러부의 각도를 제어하는 나셀부; 및
    상기 회전축에 연결되어 상기 회전축의 회전 동력을 전달하는 동력전달부;를 포함하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전축이 회전가능하도록 상기 회전축의 하부를 지지하는 기둥부;
    상기 기둥부의 상부에 고정되고, 상기 기둥부와 직교하며, 중앙부에 회전축이 관통하는 수평 테이블; 및
    상기 수평 테이블 상면에 마련되어 방사상으로 배치되고, 상기 동력전달부로부터 회전 동력을 전달받아 전기를 생산하는 다수의 발전기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 발전기에 의해 생산된 전기로 구동되는 유압펌프; 및
    상기 유압펌프에서 초과 생산된 유압에너지를 저장하는 어큐물레이터;를 더 포함하여,
    상기 유압펌프 또는 상기 어큐물레이터로부터 유압에너지를 이용하여 상기 수평로드의 길이를 제어하여 상기 임펠러부의 각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 임펠러부는, 단면이 에어포일 형태를 갖는 날개부와, 상기 날개부의 일단으로부터 연장되되 가운데 부분이 오목한 형상인 날개 뿌리부로 구성되고,
    상기 날개 뿌리부는 상기 연결판에 상하방향으로 회전가능하게 연결되며,
    상기 날개 뿌리부는 상기 조인트에 의해 상기 수평로드와 회동가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 임펠러부의 피치각이 -5° 내지 10°의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 임펠러부는, 상기 임펠러부의 길이를 나타내는 코드(C)와 상기 임펠러부의 피치(p)와의 비가 상기 날개 뿌리부 끝에서 상기 날개부 끝까지 2% 내지 10%의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 임펠러부는, 상기 날개 뿌리부의 끝에서 상기 날개부의 끝단으로 가면서 상기 임펠러부의 회전방향으로 전진하는 스윕각을 갖거나 후진하는 스윕각을 갖도록 설치되는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
  8. 제 2항에 있어서,
    현재 풍속이 최소시동풍속(Ucut - in)보다 작은 경우 상기 임펠러부가 자유 회전하도록 하고,
    현재 풍속이 최소시동풍속 (Ucut - in) 이상이고, 정격풍속(Urated)보다 작은 경우 입사풍면적이 최대가 되어 상기 발전기의 출력을 증가시키도록 날개 코닝각도(θc)를 θm으로 제어하며, 운전 익단주속비가 최적 주속비인 λm이 되도록 상기 임펠러부의 회전수(Ω)를 제어하여 일부부하 운전을 하며,
    현재 풍속이 정격풍속(Urated)보다 크고 최대허용풍속(Ucut - out) 이하인 경우 입사풍면적이 줄어들도록 코닝각도(θc)를 θm 이하로 되먹임 제어하여 상기 발전기 출력(P)이 정격 출력값 (Prated) 근처가 되도록 한 후 상기 임펠러부의 주속비를 감소시키는 방향으로 상기 발전기의 운전이 이루어지도록 하여 최대부하운전을 하며,
    현재 풍속이 최대허용풍속(Ucut - out)보다 큰 경우 입사풍면적을 최소화하여 상기 임펠러부의 회전을 정지시키도록 제어동작을 수행하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 날개각도 제어기능을 갖는 수직축 풍력발전시스템.
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