KR20120125031A

KR20120125031A - 다중 블레이드 배열 구조를 갖는 수직축 풍력발전장치

Info

Publication number: KR20120125031A
Application number: KR1020110043065A
Authority: KR
Inventors: 신용오
Original assignee: 주식회사 웨스텍
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-14
Also published as: KR101241022B1

Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전에 있어서 하나의 블레이드 아암에 크기가 큰 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치함으로써, 다양한 출력의 풍력발전이 가능하고 블레이드 회전시 발생하는 진동을 분산시키게 되어 구조적으로도 안정적인 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조는, 하나의 블레이드 아암에 2?7개의 에어포일(airfoil) 블레이드가 배열되고, 상기 블레이드는 단면이 오목한 부분이 외측을 향하도록 배치되며, 상기 각 블레이드는 회전각?블레이드의 회전 중심축과 각 블레이드의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도?이 동일하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조{Blade arrangement of vertical axis windpower generation}

본 발명은 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수직축 풍력발전에 있어서 하나의 블레이드 아암에 크기가 큰 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치함으로써, 다양한 출력의 풍력발전이 가능하고 블레이드 회전시 발생하는 진동을 분산시키게 되어 구조적으로도 안정적인 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조에 관한 것이다.

풍력발전은 바람을 이용하여 블레이드 또는 프로펠러를 회전시켜서 발생한 회전력을 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 것으로, 블레이드 또는 프로펠러가 설치되는 방향에 따라 수평축 풍력발전과 수직축 풍력발전으로 구분되는데, 수평축 방식은 프로펠러 방식인데 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하고 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결을 해야 하므로 구조가 복잡하다는 단점이 있고, 수직축 풍력발전은 회전축의 길이방향을 따라 다수 개의 블레이드가 설치되고, 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기로 구성되므로 구조가 간단하다.

수직축 풍력발전 방식의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해 블레이드의 설계나 구조 또는 조립방식을 개선하고 블레이드의 피치각 제어시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식 등 많은 연구가 이루어지고 있다. 한편, 요구되는 소정의 출력을 얻으려면 풍력발전장치의 블레이드 넓이(폭)를 크게 하거나, 넓이(폭)를 작게 하려면 높이 즉 블레이드의 길이를 길게 해야 한다. 그러나, 블레이드의 길이가 길어지면 설치작업이 매우 불편할 뿐만 아니라 블레이드의 길이가 커짐에 따라 풍력발전기의 편심되지 않은 회전축을 제작하는데 어려움이 있고, 회전시 편심도가 높아져서 심한 진동이 발생하게 되며 수직축 블레이드의 구조적 취약성으로 인해 풍력발전장치의 구조물이 파손되어 발전이 중단될 뿐만 아니라 블레이드가 설치된 회전축이 날아가거나 낙하하여 또 다른 위험과 피해를 야기하는 심각한 문제가 있다.

또한, 요구하는 다양한 출력에 맞춰 블레이드의 크기가 달라져야 하므로, 각 사이즈별로 블레이드를 개발하려면 금형 제작 등 추가비용과 다양해진 많은 부품을 관리하기가 어려워져서, 결국에는 사용자가 원하는 출력의 설비를 할 수 없게 되어 생산자가 이미 제품화해 놓은 풍력발전 설비를 할 수밖에 없다는 문제가 있다. 예를 들면, 1.5㎾의 풍력발전 설비를 하려면 제품화되어 있는 1.5㎾ 발전기가 없기 때문에 1㎾와 500W 발전기 2대를 구입 설치해야 하는데, 2대를 설치할 경우 발전기 등 부대장치로 인하여 가격이 훨씬 많이 들게 될 뿐만 아니라 유지 관리비도 훨씬 더 들어가게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 수직축 풍력발전에 있어서 하나의 블레이드 아암에 크기가 큰 블레이드 대신 크기가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치함으로써, 다양한 출력의 풍력발전이 가능하고 블레이드 회전시 발생하는 진동을 분산시키게 되어 구조적으로도 안정적인 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 본 발명에 따른 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조는, 하나의 블레이드 아암에 2?7개의 에어포일(airfoil) 블레이드가 배열되고, 상기 블레이드는 단면이 오목한 부분이 외측을 향하도록 배치되며, 상기 각 블레이드는 회전각?블레이드의 회전 중심축과 각 블레이드의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도?이 동일하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조는, 하나의 블레이드 아암에 2?7개의 에어포일 블레이드가 배열되고, 상기 블레이드는 단면이 오목한 부분이 외측을 향하도록 배치되며, 상기 각 블레이드는 받음각(angle of attack)?블레이드의 선단(leading edge)과 후단(trailing edge)을 잇는 선과, 블레이드의 선단에서 블레이드의 회전 중심축에 연결한 선과 직각을 이루는 선이 이루는 각도?이 동일하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 각 블레이드는 길이방향에서 50% 이내에서 겹치도록 배열되고, 각 블레이드가 배열되는 열(列) 사이의 간격은 시위길이(chord length)?블레이드의 선단과 후단을 잇는 선의 길이?의 50?70%이다.

수직축 풍력발전에서 출력용량을 결정하는 가장 중요한 요소가 블레이드의 회전속도를 비롯하여 블레이드의 높이와 블레이드의 넓이(본 명세서에서 '블레이드의 넓이'는 '블레이드의 폭'을 의미하며, 이하 같다) 및 블레이드의 형상인데, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조는, 하나의 블레이드 아암에 넓이가 큰 하나의 블레이드 대신 넓이가 작은 블레이드 복수 개를 조합하여 배열 설치함으로써, 다양한 출력의 풍력발전이 가능하고, 블레이드 회전시 기류가 블레이드의 선단에 분산되어 모멘트가 한 곳에 집중되지 않기 때문에 발생하는 진동을 분산시키게 되어 구조적으로도 매우 안정적이다.

또한, 본 발명에 따른 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조는, 다양한 출력의 풍력발전을 설치하려고 하더라도 출력에 맞는 다양한 크기의 블레이드를 제작하지 않고, 한 개의 표준 블레이드를 제작하여 하나의 블레이드 아암에 배열 설치하는 블레이드의 개수를 조정함으로써 가능하고, 이와 같이 블레이드의 크기를 표준화시킴으로써 제작원가도 저렴할 뿐만 아니라 관리적인 면에서 매우 유리하다.

도 1은 본 발명에 따른 블레이드 배열 구조를 한 수직축 풍력발전장치의 블레이드 조립체의 일예를 도시한 도면이다.
도 2 ⒜ 내지 ⒟는 블레이드를 다양한 형태로 배열한 블레이드 아암의 평면도이다.
도 3 ⒜, ⒝는 본 발명에 따른 블레이드 배열 구조의 블레이드 배열 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 블레이드의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 도 2 ⒜ 내지 ⒟에 도시한 형태로 배열한 블레이드 아암의 풍속에 따른 회전력을 시험한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 기술적 특징은, 하나의 블레이드 아암에 넓이가 넓은(즉, 폭이 큰) 하나의 블레이드 대신 넓이가 좁은(즉, 폭이 작은) 복수 개의 블레이드를 조합하여 배열 설치함으로써, 다양한 출력의 풍력발전이 가능하고, 블레이드 회전시 기류가 블레이드 선단에 부딪히면서 발생하게 되는 진동이 한 곳에 집중되지 않고 다수 개의 블레이드 선단으로 분산되게 되어 구조적으로 매우 안정적이라는 것이다.

본 발명에 따른 블레이드는, 도 4에 도시한 바와 같이, 캠버(camber) 상하가 비대칭인 에어포일(airfoil) 형상의 블레이드를 사용하는데, 블레이드 배열 구조는, 하나의 블레이드 아암(arm, 20)에 2?7개의 블레이드(10)가 배열되고, 각 블레이드(10)는 단면이 오목한 부분이 블레이드 조립체에서 외측을 향하도록 배치되며, 각 블레이드(10)는 회전각이 동일하도록 배치한다(도 2의 ⒟, 도 3의 ⒝ 참조). 여기서 회전각이란, 블레이드의 회전 중심축(즉, 블레이드 조립체에서 회전축(22)의 중심을 의미한다)과 각 블레이드(10)의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도를 의미하고, 회전각은 7?10°정도이나 에어포일의 형상과 요구되는 토크 및 회전속도(rpm)에 따라 설정하며, 만일 블레이드가 2개가 배치되는 경우에는 회전각이 하나밖에 생기지 않으므로, 이때는 회전 중심축에서 2개의 블레이드 선단을 잇는 선분 사이의 각도를 이등분하는 선이 회전 중심축에서 블레이드 아암의 중심을 잇는 선분이 된다는 의미이다.

상기와 같이, 복수의 블레이드(10)를 회전각이 동일하도록 배열하면 기류(氣流)와 부딪히는 블레이드의 선단이 복수 군데가 되므로, 기류가 블레이드 선단에 부딪히면서 발생하게 되는 진동이 한 곳에 집중되지 않고 복수의 블레이드 선단으로 분산되게 되어 구조적으로 안정적일 뿐만 아니라 도 5에 나타낸 바와 같이 동일한 풍속에서 훨씬 큰 rpm을 얻을 수 있어서 높은 출력을 얻을 수 있게 된다.

또한, 블레이드 배열의 제2실시예로서, 하나의 블레이드 아암(20)에 2?7개의 블레이드(10)가 배열되고, 블레이드(10)는 단면이 오목한 부분이 블레이드 조립체에서 외측을 향하도록 배치되며, 각 블레이드(10)는 받음각(angle of attack, AOA)이 동일하도록 배치한다(도 2의 ⒞, 도 3의 ⒜ 참조). 여기서 받음각(AOA)이란, 블레이드의 선단(leading edge)과 후단(trailing edge)을 잇는 선과, 블레이드의 선단에서 블레이드의 회전 중심축에 연결한 선(즉, 회전시 블레이드의 선단에 기류가 부딪히게 되는 기류의 방향 선에 블레이드의 회전 중심축에서 그은 선을 의미함)과 직각을 이루는 선이 이루는 각도를 의미하는데, 받음각은 7?10°정도이나 에어포일의 형상과 요구되는 토크 및 회전속도(rpm)에 따라 설정한다.

도 2의 ⒜는 블레이드(10)는 단면이 볼록한 부분이 블레이드 조립체에서 외측을 향하도록 배치하고 받음각이 같도록 블레이드를 배치한 것이며, 도 2의 ⒝는 블레이드(10)는 단면이 볼록한 부분이 블레이드 조립체에서 외측을 향하도록 배치하고 회전각이 같도록 블레이드를 배치한 것인데, 블레이드의 볼록부가 외측을 향하도록 하는 볼록배열을 하면 도 5의 그래프에 나타난 바와 같이, 블레이드의 오목부가 외측을 향하도록 하는 오목배열보다 동일한 풍속에서 블레이드의 rpm이 적어지게 되어 그만큼 출력이 적어진다.

본 발명에서는 복수의 블레이드를 배열해야 하므로 블레이드 아암(20)은 단부(端部)가 회전축(22) 부분에 연결되는 부분보다는 면적이 커야 할 것이고(도 2 참조) 그 형상은 다양하게 할 수 있으며, 복수의 블레이드를 배열할 때, 각 블레이드(10)는 길이방향에서 서로 겹치지 않도록 배열하거나, 또는 각 블레이드(10)를 길이방향에서 50% 이내에서 겹치도록 배열하는 것이 바람직하다. 또한 블레이드 아암(20)에서 가장 내측에 배치되는 블레이드 선단이 회전방향으로 볼 때 가장 선단에 위치하고, 바깥으로 갈수록 블레이드 선단이 순차적으로 뒤쪽에 위치하도록 배치하여야 한다. 그렇지 않고 반대로 배치하면 회전방향에서 앞에 위치한 블레이드를 지난 기류가 다음에 위치한 블레이드의 기류에 영향을 미치게 되어 rpm과 토크(torque)에 영향을 미치게 된다.

또한 복수의 블레이드를 배열할 때, 각 블레이드가 배열되는 열(列) 사이의 간격은 시위길이(chord length)?블레이드의 선단과 후단을 잇는 선의 길이?의 50?70% 정도로 하는 것이 바람직하다. 만일 열(列) 사이의 간격을 시위길이의 50% 이내로 하면 앞에 위치한 블레이드를 지난 기류가 다음에 위치한 블레이드의 기류에 영향을 미치게 되어 rpm과 토크(torque)에 영향을 미치게 되고, 70% 이상이면 복수의 블레이드를 겹쳐서 배열한 효과가 떨어지게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다

10 : 블레이드
20 : 블레이드 아암 22 : 회전축
24 : 발전기

Claims

수직축 풍력발전에 사용되는 블레이드의 배열 구조에 있어서,
하나의 블레이드 아암에 2?7개의 에어포일(airfoil) 블레이드가 배열되고, 상기 블레이드는 단면이 오목한 부분이 외측을 향하도록 배치되며, 상기 각 블레이드는 회전각?블레이드의 회전 중심축과 각 블레이드의 선단(leading edge)을 잇는 선 사이의 각도?이 동일하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조.
수직축 풍력발전에 사용되는 블레이드의 배열 구조에 있어서,
하나의 블레이드 아암에 2?7개의 에어포일(airfoil) 블레이드가 배열되고, 상기 블레이드는 단면이 오목한 부분이 외측을 향하도록 배치되며, 상기 각 블레이드는 받음각(angle of attack)?블레이드의 선단(leading edge)과 후단(trailing edge)을 잇는 선과, 블레이드의 선단에서 블레이드의 회전 중심축에 연결한 선과 직각을 이루는 선이 이루는 각도?이 동일하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각 블레이드는 길이방향에서 서로 겹치지 않도록 배열되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각 블레이드는 길이방향에서 50% 이내에서 겹치도록 배열되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각 블레이드가 배열되는 열(列) 사이의 간격은 시위길이(chord length)?블레이드의 선단(leading edge)과 후단(trailing edge)을 잇는 선의 길이?의 50?70%인 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 각 블레이드는, 동일한 블레이드 아암에서 가장 내측에 배치되는 블레이드 선단이 회전방향으로 볼 때 가장 선단에 위치하고, 바깥으로 갈수록 블레이드 선단이 순차적으로 뒤쪽에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전의 블레이드 배열 구조.