KR20120031621A

KR20120031621A - 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드, 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120031621A
Application number: KR1020100093098A
Authority: KR
Inventors: 이달은
Original assignee: 이달은
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-04
Also published as: KR101294277B1

Abstract

본 발명은 소형 경량화 설계가 가능하고, 미풍에도 가동 초기의 기동성과 회전성을 발휘하여 발전량을 늘릴 수 있는 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드를 제공하려는 것으로서, 로터측에 고정되는 블레이드 부분은 약한 풍력에도 양력으로 로터의 회전력을 발생시키는 양력부로 형성하고, 항력으로 로터의 회전력을 증가시키는 항력부를 연결부로 상기 양력부에 연결하여 일체화한 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드와; 상기 양력부 및 항력부의 형상이 도출될 수 있는 관경의 금속관 또는 합성수지관의 원주를 설계도상으로 등분하고, 이렇게 등분된 분할부분에 상기 양력부와 항력부의 설계치대로 타발하거나 레이저 빔을 이용하여 절취하는 것으로 간단히 제조할 수 있는 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드 제조방법을 특징으로 한다.

Description

풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드, 및 그 제조방법 {MANUFACTURING METHOD AND ROTOR BLADE USING LIFT FRORCE AND DRAG FOR WIND TURBINE}

본 발명은 미풍에도 기동하여 풍력발전을 촉진할 수 있고 구조가 단순하여 제작이 용이한 풍력발전기의 양력 항력 겸용형 로터 블레이드와 그 제조방법에 관한 것이다.

풍력발전기는 수평축형과 수직축형이 있다. 수평축형 풍력발전기용 로터 블레이는 양력을 그리고 수직축형 풍력발전기용 로터 블레이드는 항력에 초점을 맞춰 설계된 것이다.

양력을 이용한 수평축형 풍력발전기용 블레이드는 대형이기 때문에 로터의 중량감과 증속기의 기어간 마찰로 인하여 2~3m/s 이하의 미풍에는 초기 기동이 곤란한데다 로터가 원활히 회전하지 않는 경향이 있기 때문에 풍량이 많고 풍속이 빠른 지역이 아닌 곳에서는 발전경제성이 매우 낮다.

반면에 항력을 이용한 수직축형 풍력발전기용 로터 블레이드는 저풍속에서도 쉽게 기동하지만 발전량이 적어 발전경제성이 낮은 게 문제다. 발전량을 늘리려면 바람을 맞이하는 블레이드의 면적을 늘려야 하는 데, 그리하면 로터 블레이드의 대형화 설계가 불가피해 제작원가, 풍력발전설비의 대형 중량화에 기인하는 불합리성과 미풍에서는 기동성이 떨어져 발전경제성이 낮아지는 새로운 문제에 부딪치게 된다.

이 점을 의식해 제안한 것이 공개특허 제2010-47964호이다. 이 참고기술은 단일 나셀 상에 수평축형 로터와 수직축형 로터를 설치하여 그 동시회전력으로 발전하는 풍력발전기인데, 우선 발전기당 제작단가가 높고, 대형 중량화 설계가 불가피하며, 수평회전형 로터의 블레이드와 수직회전형 로터 블레이드의 호환성도 겸용성도 없으므로 각자가 지닌 원초적 단점은 그대로 안고 갈 수밖에 없다.

다른 참고용 기술로는 특허 제382883호의 로터 일체형 블레이드가 있다. 이 블레이드는 로터에 가름하는 전후 대칭형 바람유도경사판의 양측에 삼각형 단면의 양력용 가로익편이 연장되어 있고 각 가로익편의 외측단에는 깔데기형 바람맞이구가 마주보도록 부착된 3피스형으로, 각 부재별 성형 또는 가공 금형비 부담이 크고, 각 부재의 유기적 연결작업 난이도도 높다.

게다가, 일부 부재가 손상 또는 파손으로 기능에 이상이 발생했을 때 해당 부재를 교체하는 것은 구조상 매우 곤란하다.

따라서 본 발명의 목적은 소형 경량화 설계가 가능하고, 미풍에도 초기 기동성이 우수하고 고속회전도 가능하여 획기적으로 발전량을 늘릴 수 있는 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 풍력발전기의 양력 항력 겸용형 로터 블레이드를 저비용으로 간단하게 양산할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

상기 제1 과제는 로터측에 고정되는 블레이드 부분은 약한 풍력에도 양력으로 로터의 회전력을 발생시키는 양력부로 형성하고, 항력으로 로터의 회전력을 증가시키는 항력부를 연결부로 상기 양력부에 연결하여 일체화한 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드 로터 블레이드로 달성할 수 있다.

상기 제2 과제는 상기 양력부 및 항력부의 형상이 도출될 수 있는 관경의 금속관 또는 합성수지관의 원주를 설계도상으로 등분하고, 이렇게 등분된 분할부분에 상기 양력부와 항력부의 설계치대로 타발하거나 레이저 빔을 이용하여 절취하는 것만으로 간편 용이하게 제조할 수 있는 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드 제조방법으로 달성할 수 있다.

항력과 양력을 동시에 이용한 로터 블레이드는 대용량 발전이 가능한 풍력발전기의 로터 설계를 소형 경량화할 수 있고, 미풍에도 가동 초기의 기동성이 우수하고, 고속회전도 가능하여 획기적으로 풍력발전량을 늘릴 수 있다.

또, 상기 로터 블레이드의 형상을 도출할 수 있는 구경과 길이를 가진 금속관 또는 합성수지관을 단번에 타발하거나 레이저 빔을 이용해 절취하는 아주 간단한 방법으로 양력 항력 겸용형 로터 블레이드를 제조, 및 양산할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 로터 블레이드의 예시도
도 2는 블레이드의 부위별 횡단면도
도 3은 맞바람이 도래할 때 양력부에서의 양력과 항력부에서의 항력이 발생하는 개념도
도 4는 관에서 로터 블레이드를 타발 또는 절취 설계예시도

도 1에서, 풍력발전기용 로터(20)에는 양력 항력 겸용형 로터 블레이드(10)가 복수로서 대칭되게 부착되어 있다. 상기 로터 블레이드(10)는 양력부(12)와 항력부(14) 일체형인 점이 두드러진 특징이다.

양력부(12)는 항공기의 앞날개처럼 도래하는 바람에 의한 양력으로 로터 기동을 촉진하고 약풍 이상의 바람에도 고속회전을 가능하게 하는 추력을 발생시키는 부분으로서, 블레이드(10)의 전반부를 차지하며, 기단(18)은 로터(20)에 고정된다.

도 2와 같이 살펴보면, 양력부(12)의 횡단면은 호미의 날을 닮았으나 그 보다는 부드러운 곡선으로 휜 형상이다. 원의 일부를 취한 호를 연상하면 이해가 빠르다.

이런 구조의 양력부(12)는 바람에 외면을 타고 흐르면서 일으키는 양력에 의해 블레이드(10)의 회전무게감이 줄고, 이 블레이드(10)가 부착된 로터(20)의 기동성을 높이는 데 상당 부분 기여한다.

항력부(14)는 블레이드(10)의 길이를 기준으로 했을 때 블레이드(10)의 후반부를 이루도록 양력부(12)의 말미에 일체상으로 형성되어 바람의 영향에 의한 양력부(12)의 로터 기동력 및 회전동력에 더하여 로터의 회전을 촉진하여 풍력발전량을 높여주는 부분으로, 횡단면은 도 2에서 보듯이 양력부(12)의 말미쪽 보다도 짧은 호이며, 그 호의 길이는 말단으로 갈수록 작아진다.

그리고 항력부(14)의 날개끝(14a) 중에서 회전방향에 놓인 모서리는 빗면(16)으로 처리하여 단면적으로 줄이고 회전시 바람을 가르고 지나갈 때의 공기저항을 줄여서 진동과 이로 인한 회전소음을 줄인다.

양력부(12)는 항력부(14)에 자연스럽게 이어지도록 기하학적 곡선을 이뤄서 양력의 이용폭을 극대화한다.

양력부(12)와 항력부(14)를 호상으로 형성하는 것은 두께차가 없는 블레이드(10) 전반의 내풍압, 즉 풍압에 대한 응력을 높이고 호의 형상이 유지되도록 강도를 높이기 위함이다.

호의 일부를 취한 양력부(12), 이 양력부(12)에 이어진 항력부(14)는 단일 소재에 바탕한다. 구체적으로는 블레이드(10)의 길이와 양력부(12) 및/또는 항력부(14)의 호를 동시에 수용할 수 있는 관경의 금속관 또는 합성수지관을 소재로 한다.

도 3은 로터의 축선방향으로 도래하는 맞바람을 맞는 양력부(12)와 항력부(14)에서 어떻게 양력이 발생하고 또 항력이 발생하는 지에 대한 이해를 돕기 위한 설명도이다. 로터의 정면으로 도래한 맞바람이 양력부(12)의 위 아래를 동시적으로 스쳐 지나갈 때 양력부(12)의 상면에는 +압력이 걸려서 양력이 발생한다. 이 양력은 블레이드(10)의 회전중량감을 낮춰서 가볍게 하는 역할을 하는 동시에 강력한 횡추력을 발생시켜 회전케 한다.

블레이드(10)가 회전하는 동안 양력부(12)의 상면을 휘돌아나가던 뒷 바람은 항력부의 이면을 거치게 되고 양력부(12)를 비껴 부는 다른 바람결은 곧장 항력부(14)의 이면을 스쳐 지나간다. 이 두 가지 풍력은 항력부(14)를 회전방향으로 밀어내는 항력으로 작용한다.

그 결과, 블레이드(10)는 양력에 의해 한결 가벼워진 상태에서 양력에 의해 회전추력에 항력에 의한 회전추력이 더해지고, 이에 따라 블레이드(10)는, 나아가 이 블레이드(10)가 장착된 로터는 미풍에도 원활하게 기동하게 되는 것은 물론 약풍에도 고속회전이 가능해져서 풍력발전량을 풍부하게 만들 수 있게 되는 것이다.

도 4에서, 상기 소재인 관(P)의 원주를 그 중 호가 가장 큰 양력부(12)의 단부에 상응하도록 분할하고, 각 분할부재에서 도 3과 같이 상기 블레이드(10)의 형상대로 정밀하게 타발하거나 레이저 빔을 이용하여 정밀하게 절취한다.

필요하다면, 블레이드(10)에서 가장자리의 모난 부분은 에지부분을 모나지 않게 처리하여 회전 시의 공기저항으로 인한 진동과 소음을 줄인다.

이 방법을 도입하면 아주 간단하고 저비용으로 양력부(12)와 항력부(14) 일체형 로터 블레이드(10)를 아주 간단하게 그리고 저비용으로, 탄성응력이 소멸된 관을 소재로 하여 미풍에도 기동성을 발휘할 수 있고 고속회전에 의한 풍력발전량 증대에 유효한 로터 블레이드를 제공할 수 있다.

10: 블레이드
12: 양력부
14: 항력부

Claims

로터에 부착되는 양력부(12)와 이 양력부(12)에 이은 항력부(14)가 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드.
제1항에 있어서, 양력부(12)는 횡단면이 호상인 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드.
제1항에 있어서, 항력부(14)는 횡단면이 양력부(12)의 말미보다도 짧은 호상인 풍력발전기용 양력 항력 겸용형 로터 블레이드.
양력부 및 항력부의 형상이 도출될 수 있는 두께와 관경을 가진 금속관 또는 합성수지관의 원주를 설계도상으로 등분하는 단계;
등분한 관 부분에서 양력부와 항력부의 설계치대로 타발 또는 절취하는 단계;
를 거쳐 제조하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 양력 항력 겸용 로터 블레이드 제조방법.