KR20130067436A - 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치 - Google Patents

보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치 Download PDF

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KR20130067436A
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Abstract

본 발명은 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 공력면적이 넓은 주 블레이드와 공력면적이 좁은 보조 블레이드를 동일한 허브에 결합함으로써 풍속 조건에 따라 블레이드의 각도 조절시 소요되는 에너지를 줄이면서도 신속하게 각도를 조절할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다. 또, 저풍속 조건에서도 블레이드의 공력성능을 높여 에너지 생산량을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 블레이드의 회전 토크 증가로 인한 낮아진 회전속도로도 동일한 에너지를 생산할 수 있어 블레이드의 회전으로 인한 소음을 감소시킬 수 있다.

Description

보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치{MULTI TYPE WIND TURBINE WITH SUB BLADE}
본 발명은 주 블레이드 외에 보조 블레이드를 동일한 허브에 가지는 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
풍력발전(風力發電)이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 주축을 통한 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말한다.
풍력발전은 현재까지 개발된 신재생 에너지원 중에서 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 유럽은 물론 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.
상기와 같은 풍력발전을 위한 풍력발전장치는 회전축의 방향에 따라 수직축 풍력발전장치와 수평축 풍력발전장치로 구분될 수 있다. 현재까지는 수직축에 비해 수평축 풍력발전장치의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평축 풍력발전장치가 적용되고 있다.
통상적인 수평형 풍력발전기는 많은 출력을 얻기 위해서 블레이드 길이를 증가시켜 회전면적(swept area)를 크게 만든다. 하지만, 블레이드 길이가 증가하면 블레이드의 제작 비용이 증가할 뿐만 아니라 블레이드 무게가 증가하게 되어 드라이브 트레인(drive-train)를 구성하는 주요 구성품에 하중을 증가시켜 전체적인 부품 비용을 증가시킬 수 있다.
또, 상기 블레이드는 일정한 발전출력과 과도한 하중을 회피하기 위하여 대용량 풍력 발전 장치에서는 풍속의 조건에 따라 블레이드의 각도를 조절하는 소위 가변피치제어(pitch control)가 행해지고 있다. 예를 들어, 정격풍속 이하 조건에서는 블레이드가 풍속의 영향을 많이 받을 수 있도록 블레이드의 회전속도를 제어하는 반면, 정격풍속 이상 조건에서는 블레이드가 풍속의 영향을 적게 받을 수 있도록 블레이드의 각도를 조절하여야 한다.
그러나, 상기와 같은 종래의 수평형 풍력발전장치에 있어서는, 블레이드 한 개의 무게가 상당하여 풍속 조건에 따라 각 블레이드의 각도를 조절하기 위해서는 많은 에너지가 소요되어야 할 뿐만 아니라 반응 속도가 느리다는 문제점이 있었다.
또, 상기 블레이드는 그 익근(blade root) 부근이 통상 원통 형상으로 형성됨에 따라 공력성능이 저하되고 이로 인해 에너지 생산량이 감소하게 되는 문제점도 있었다.
또, 상기 블레이드는 저풍속 조건에서의 에너지 생산량을 높이기 위해 그만큼 블레이드 끝단에서의 속도가 증가하면서 소음이 증가하게 되는 문제점도 있었다.
본 발명의 목적은, 풍속 조건에 따라 블레이드의 각도 조절시 소요되는 에너지를 줄이면서도 신속하게 각도를 조절할 수 있는 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치를 제공하려는데 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 블레이드의 공력성능을 높여 에너지 생산량을 높일 수 있는 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치를 제공하려는데도 있다.
또, 본 발명의 다른 목적은, 저풍속 조건에서도 블레이드의 회전속도를 과도하게 높이지 않고도 에너지 생산량을 높일 수 있어 블레이드의 회전 토크 증가로 인한 낮아진 회전속도로도 동일한 에너지를 생산할 수 있어 블레이드의 회전으로 인한 소음을 감소시킬 수 있는 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치를 제공하려는데도 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 타워; 상기 타워의 상단에 설치되고 그 내부에 발전부를 갖는 나셀; 상기 발전부와 터빈축으로 연결되어 상기 나셀의 일측에 회전 가능하게 설치되는 허브; 상기 허브에 결합되어 바람에 의해 회전을 하는 복수 개의 블레이드;를 포함하고, 상기 복수 개의 블레이드는 적어도 2개 이상의 규격을 갖는 블레이드들로 이루어지는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치가 제공된다.
여기서, 상기 복수 개의 블레이드는 직경이 큰 주 블레이드 및 직경이 작은 보조 블레이드로 이루어지고, 상기 주 블레이드와 보조 블레이드가 동일 원주상에 배열될 수 있다.
그리고, 상기 주 블레이드와 보조 블레이드는 원주방향을 따라 번갈아 형성될 수 있다.
그리고, 상기 주 블레이드는 공력면의 각도가 가변되는 가변피치방식으로 상기 허브에 결합되는 반면, 상기 보조 블레이드는 가변피치방식 또는 공력면의 각도가 고정되는 고정피치방식 중에서 어느 하나의 방식으로 상기 허브에 결합될 수 있다.
그리고, 상기 주 블레이드와 보조 블레이드는 풍속에 따라 블레이드 각도를 조절할 수 있도록 동력제어유닛에 전기적으로 연결될 수 있다.
그리고, 상기 보조 블레이드의 직경은 주 블레이드의 직경 대비 75%이내로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 주 블레이드와 보조 블레이드는 각각 상기 허브에 결합하는 고정부가 익근(blade root)에서 단면이 원형 또는 원형에 가까운 기둥 형상으로 형성되고, 상기 고정부의 끝단에서 블레이드의 익단(blade tip)까지 바람의 영향을 받는 공력면이 각각 곡면을 가지는 판형으로 형성되며, 상기 보조 블레이드는 그 공력면의 적어도 일부가 상기 주 블레이드의 고정부 범위에 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 풍력 발전 장치는, 풍속 조건에 따라 블레이드의 각도 조절시 소요되는 에너지를 줄이면서도 신속하게 각도를 조절할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다.
또, 저풍속 조건에서도 블레이드의 공력성능을 높여 에너지 생산량을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 블레이드의 회전 토크 증가로 인한 낮아진 회전속도로도 동일한 에너지를 생산할 수 있어 블레이드의 회전으로 인한 소음을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치를 보인 사시도,
도 2는 도 1에 따른 풍력 발전 장치의 로터부를 보인 정면도,
도 3은 도 1에 따른 풍력 발전 장치의 로터루블 보인 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 로터부의 허브를 보인 정면도,
도 5는 본 발명에 따른 동력제어유닛을 보인 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 보조 블레이드를 갖는 풍력발전장치에서 주 블레이드와 보조 블레이드의 규격차에 따른 출력곡선을 보인 그래프.
이하, 본 발명에 의한 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치를 보인 사시도이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치는, 지면에 세워진 일정한 높이의 타워(10)의 상단에는 발전기와 기어박스 및 트랜스포머 등을 구비하는 나셀(Nacelle)(20)이 회전 가능하게 설치되어 지면으로부터 일정한 높이에 위치하게 된다.
상기 나셀(20)의 일측에는 바람에 의해 회전되는 로터부(30)가 구비되고, 상기 로터부(30)의 타측에는 상기 나셀(20)이 풍향에 따라 회전하는 요(yaw) 동작을 도와주는 풍향계(미도시)가 구비된다. 상기 풍향계에 의해 감지되는 풍향에 따라 상기 나셀(20)의 방향가 결정될 수 있다. 상기 풍향계 외에 블레이드의 각도를 조절하기 위한 풍속계(미도시)도 함께 구비될 수 있다.
상기 로터부(30)는 그 로터부(30)의 회전력을 발전기(미도시)에 전달하는 터빈축(40)의 일단에 결합되는 허브(31)와, 상기 허브(31)에 방사상으로 결합되는 복수 개의 블레이드(35)들로 이루어진다.
상기 터빈축(40)은 나셀(20)의 내부에 수평방향으로 결합되고, 상기 터빈축(40)의 일단에는 상기 허브(31)가 결합되는 반면 타단에는 그 터빈축(40)의 회전력을 전기적 에너지로 변환하여 전기를 생성하는 발전부(미도시)에 결합된다.
상기와 같은 풍력발전장치는, 상기 복수 개의 블레이드(35)가 풍력 에너지를 받아 회전하게 되면, 상기 블레이드(35)들이 터빈축(40)과 함께 회전을 하면서 발전부를 구동시켜 발전함으로써 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하게 된다.
여기서, 풍력발전장치가 설치되는 지역의 일반적인 풍속과 발전량을 고려하여 상기 블레이드(35)들의 크기를 설정할 수 있으며, 그에 따라 상기 로터부(30)의 전체적인 중량이 결정되고, 상기 발전부는 상기 로터부(30)의 중량을 고려하여 타워(10)에 가해지는 하중의 균형을 맞추기 위한 최소한의 중량을 갖도록 설치된다.
하지만, 상기 복수 개의 블레이드(35)들이 종래와 같이 모두 동일한 크기와 형상으로 형성되면 상기 로터부(30)의 허브(31)가 정상적으로 회전을 할 수 있는 정격 풍속이 증가하게 되고, 이로 인해 저풍속 조건에서 풍력발전장치가 충분한 공력성능을 발휘하지 못하면서 충분한 에너지를 생산하지 못할 수 있었다.
이를 감안하여, 본 실시예에서는 블레이드들의 크기와 형상을 상이하게 하여 다양한 풍속 조건에 대응할 수 있도록 하는 것이다.
도 2 및 도 3은 본 실시예에 의한 풍력발전장치에서 로터부의 일례를 보인 정면도 및 측면도이고, 도 4는 본 실시예에 의한 로터부의 허브를 보인 정면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 풍력발전장치의 로터부(30)는, 상기 터빈축(40)의 일단에 결합되어 그 터빈축(40)을 회전시키는 허브(31)가 구비된다.
상기 허브(31)에는 원주방향을 따라 복수 개의 날개장착부가 등간격으로 형성될 수 있다.
상기 날개장착부는 후술할 주 블레이드(36)를 장착하기 위한 제1 날개장착부(32)와, 보조 블레이드(37)를 장착하기 위한 제2 날개장착부(33)로 이루어질 수 있다.
상기 제1 날개장착부(32)와 제2 날개장착부(33)는 원주방향을 따라 동일 선상에서 교번되게 배열될 수 있다. 그리고 상기 제1 날개장착부(32)와 제2 날개장착부(33)는 후술할 동력제어유닛(50)의 각도제어부(53)에 전기적으로 연결되어 주 블레이드 또는 보조 블레이드의 공력면 각도가 가변될 수 있도록 상기 허브(31)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
상기 주 블레이드(36)는 상기 허브(31)의 제1 날개장착부(32)에 삽입되어 고정될 수 있도록 주 블레이드(36)의 익근(blade root)에 단면이 원형 또는 원형에 가까운 기둥 모양으로 고정부(36a)가 형성되고, 상기 고정부(36a)의 끝단에서 주 블레이드(36)의 익단(blade tip)까지는 바람의 영향을 받을 수 있도록 곡면을 가지는 판 모양으로 공력면(aerodynamics surface)(36b)이 형성될 수 있다. 상기 공력면(36b)은 익단으로 갈수록 점차 단면적이 작아지도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 주 블레이드(36)는 풍속 조건에 따라 공격면(36b)의 각도가 가변되는 소위 가변 피치형 블레이드를 이루도록 상기 허브(31)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
상기 보조 블레이드(37)는 주 블레이드(36)와 대략 동일하게 형성될 수 있다. 다만, 보조 블레이드(37)는 날개 길이와 날개 폭이 상기 주 블레이드(36)의 날개 길이와 날개 폭 보다 각각 작게, 바람직하게는 상기 주 블레이드(36)의 익근 부위에 보조 블레이드(37)의 공력면(37b)이 존재할 수 있는 정도의 크기로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
그리고 상기 보조 블레이드(37)는 상기 허브(31)에 방사상으로 결합된다. 상기 보조 블레이드(37)는 주 블레이드(36)와 같이 풍속 조건에 따라 블레이드의 각도가 가변되는 가변 피치형 블레이드를 이루도록 회전 가능하게 허브에 결합될 수도 있지만, 상기 보조 블레이드(37)가 주 블레이드(36)에 비해 현저하게 작게 형성되는 경우에는 블레이드의 각도가 고정되는 고정 피치형 블레이드를 이루도록 허브(31)에 고정 결합될 수도 있다.
상기 보조 블레이드(37)는 주 블레이드(36)의 사이에 복수 개가 구비될 수도 있지만, 전술한 바와 같이 상기 보조 블레이드(37)와 주 블레이드(36)가 번갈아 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 주 블레이드(36)와 보조 블레이드(37)(가변 피치형인 경우)는 풍속에 따라 블레이드 각도를 조절할 수 있도록 동력제어유닛(50)에 전기적으로 연결될 수 있다.
도 5에서와 같이, 상기 동력제어유닛(50)은 발전기의 발전용량을 저장하는 저장부(51)와, 풍속을 감지하는 풍속감지부(52)와, 상기 풍속감지부(52)에 의해 감지된 내용에 따라 상기 주 블레이드(36)와 보조 블레이드(37)의 각도를 조절하는 각도제어부(53)가 포함될 수 있다.
상기 저장부(51)에는 상기 발전기(10)의 발전용량에 대한 데이터가 저장되며, 상기 풍속감지부(52)는 상기 터빈축(7)의 회전속도(RPM)를 실시간으로 감지하게 된다.
상기 각도제어부(53)는 마이크로프로세서(CPU)로서, 상기 풍속감지부(52)에서 감지된 터빈축(7)의 회전속도에 따른 발전량을 판별하여 상기 각도제어부(40)를 통해 상기 주 블레이드(36)와 보조 블레이드(37)의 블레이드 각도를 조절함으로써 최적의 발전효율을 이루도록 할 수 있다.
예를 들어, 상기 풍속감지부(52)에서 감지되는 풍속이 일정 범위를 초과하는 경우에는 상기 주 블레이드(36)의 각도를 풍속에 의한 영향을 받지 않는 각도로 조절하는 반면 상기 보조 블레이드(37)의 각도를 풍속에 의한 영향을 받는 각도로 조절함으로써, 상기 주 블레이드(36)는 터빈축(40)을 회전시키는데 일을 하지 않고 상기 보조 블레이드(37)가 터빈축(40)을 회전시키는 일을 하도록 각도제어부(53)를 조절할 수 있다.
즉, 정격풍속 이상의 고풍속 조건에서는, 이를 감지한 풍속감지부(52)에 의해 상기 각도제어부(53)가 작동하여 상기 주 블레이드(36)는 바람의 영향을 받지 않는 각도로 조절하는 반면 상기 보조 블레이드(37)는 바람의 영향을 받는 각도로 조절하여, 상기 로터부(30)가 보조 블레이드(37)에 의해 작동되도록 할 수 있다.
반면, 정격풍속 이하의 저풍속 조건에서는, 이를 감지한 풍속감지부(52)에 의해 상기 각도제어부(53)가 작동하여 상기 주 블레이드(36)와 보조 블레이드(37)가 모두 바람의 영향을 받는 각도로 조절한다.
이에 따라, 풍량이 적은 저풍속 조건에서도 보조 블레이드에 의해 로터가 신속하게 회전을 시작할 수 있을 뿐만 아니라, 주 블레이드의 익근 부위를 통과하는 바람이 상기 보조 블레이드에 영향을 가하게 되어 저풍속에서의 공력성능이 추가되면서 추가 에너지 생산량이 발생될 수 있다.
아울러, 시동풍속과 정격풍속이 감소하여 도 6에서와 같이 연간 에너지생산량(Annual Energy Production:AEP)이 향상될 수 있다. 이 경우, 보조 블레이드의 직경은 주 블레이드의 직경 대비 50% 이상이 될 수 있도록 형성되는 것이 AEP를 높일 수 있어 바람직하다. 하지만, 보조 블레이드의 직경이 너무 크게 형성되면 로터부의 하중이 증가하여 시동풍속과 정격풍속이 증가할 수 있으므로 대략 보조 블레이드의 직경은 주 블레이드의 직경 대비 75% 이하로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
또, 상기 보조 블레이드로 인해 토크가 증가하면서 정격회전수가 감소할 뿐만 아니라 회전속도가 낮춰질 수 있어 블레이드의 끝단 속도를 낮출 수 있고 이를 통해 블레이드의 고속 회전시 발생될 수 있는 소음을 줄일 수 있다.
10 : 타워 20 : 나셀
30 : 로터부 31 : 허브
32,33 : 날개장착부 35 : 블레이드
35 : 주 블레이드 37 : 보조 블레이드
40 : 터빈축 50 : 동력제어유닛

Claims (7)

  1. 타워;
    상기 타워의 상단에 설치되고 그 내부에 발전부를 갖는 나셀;
    상기 발전부와 터빈축으로 연결되어 상기 나셀의 일측에 회전 가능하게 설치되는 허브;
    상기 허브에 결합되어 바람에 의해 회전을 하는 복수 개의 블레이드;를 포함하고,
    상기 복수 개의 블레이드는 적어도 2개 이상의 규격을 갖는 블레이드들로 이루어지는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 블레이드는 직경이 큰 주 블레이드 및 직경이 작은 보조 블레이드로 이루어지고,
    상기 주 블레이드와 보조 블레이드가 동일 원주상에 배열되는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주 블레이드와 보조 블레이드는 원주방향을 따라 번갈아 형성되는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 주 블레이드는 공력면의 각도가 가변되는 가변피치방식으로 상기 허브에 결합되는 반면,
    상기 보조 블레이드는 가변피치방식 또는 공력면의 각도가 고정되는 고정피치방식 중에서 어느 하나의 방식으로 상기 허브에 결합되는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 주 블레이드와 보조 블레이드는 풍속에 따라 블레이드 각도를 조절할 수 있도록 동력제어유닛에 전기적으로 연결되는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 보조 블레이드의 직경은 주 블레이드의 직경 대비 75%이내로 형성되는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 주 블레이드와 보조 블레이드는 각각 상기 허브에 결합하는 고정부가 익근(blade root)에서 단면이 원형 또는 원형에 가까운 기둥형상으로 형성되고, 상기 고정부의 끝단에서 블레이드의 익단(blade edge)까지 바람의 영향을 받는 공력면이 각각 곡선을 가지는 판형으로 형성되며,
    상기 보조 블레이드는 그 공력면의 적어도 일부가 상기 주 블레이드의 고정부 범위에 형성되는 보조 블레이드를 가지는 풍력 발전 장치.
KR1020110134749A 2011-11-17 2011-12-14 보조 블레이드를 갖는 풍력 발전 장치 KR20130067436A (ko)

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