KR20140028593A - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기가 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 풍력 발전기는 풍력 발전기의 허브 및 풍력 발전기의 블레이드 루트부를 지나는 공기의 유동에 의하여 블레이드의 루트부 상에 형성되는 와류 구조의 발달 지점에 돌출형성되는 돌출형 와류 중심 브레이커를 포함한다.

Description

풍력 발전기 {WIND TURBINE GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전기에 있어, 블레이드는 풍력발전기 전체의 성능 및 소음을 좌우하는 중요한 요소이다. 블레이드 성능 향상 및 소음 감소를 위해, 풍력 발전기 제조사들은 블레이드의 팁(Tip)과 허브(Hub)영역에 있어, 다양한 공력 형상을 통해 성능 향상과 소음 감소 문제를 해결하고 있다.

도 1은 풍력 발전기 블레이드(2)의 3차원 유동 해석 결과를 보여준다. 도1에서 블레이드 표면의 검은 색 유선은 경계 유선으로 블레이드 허브(Hub) 근방에서 광범위한 스톨(Stall)이 일어나고 있음을 알 수 있다. 허브에서 발달한 경계층(저에너지 유체)이 원심력에 의해 반경방향으로 발달되며, 이와 같이 허브에서 발달된 경계층이 반경 방향으로 갈수록 집적되어, 스톨 현상을 촉진시킨다. 스톨 영역은 회전 축으로부터 스팬(span) 방향으로 28.5%R(Radius)범위에 이른다. 이 영역은 전체 에너지의 약 10%를 차지하는 구간으로, 스톨 영역의 감소로 인한 블레이드 성능 향상은 중요한 과제이다.

도 2 및 도 3은 허브 근방의 스톨 영역에 존재하는 와류 구조(Vortex structure)를 나타내고 있다. 도 2 및 도 3에서, 블레이드(2)의 부압면(Suction surface)과 압력면(Pressure surface)으로부터 발단된 와류 구조는 각각 흰색 유선과 빨간색 유선(Streamline)으로 표시되어 있다. 도 2 및 도 3에서, A 영역은 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 와류 중심(vortex core) 영역이며, B 영역은 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 와류 중심(vortex core) 영역을 나타낸다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 허브 영역에서 와류 구조는 3차원 구조로 이루어진다. 그리고, 두 개의 와류 구조는 모두 도 3에서 화살표 방향으로 허브로부터 블레이드의 길이 방향으로 발전하고 있다.

도 4 및 도 5에는, 도 2 및 도 3에서 설명했던 허브 근방의 스톨 영역에 존재하는 두 개의 와류 구조(Vortex structure)의 발달 지점(Inception position)이 C영역 및 D 영역으로 도시되어 있다. 이 때, 도 4 및 도 5에서는 블레이드가 허브에 대응하는 원기둥에 설치된 상태를 실험한 예를 도시하였다. 이 때, C 영역은 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점이며, D 영역은 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점이다. 와류 구조는 모든 풍속에 존재한다. 와류 구조의 발달 지점은 로터가 회전하면서 유입되는 바람이 로터에 만나는 위치를 방위각 0도로 할 때 방위각 약 ±80 ~ 120도 위치에 밀접하며, 로터 반경 방향으로는 0~5% 위치에 밀접하게 된다. 이와 같은 와류 구조 내에서 바람은 난류를 형성하고, 이 때, 대략 5m/s 이상의 풍속을 갖는다.

도 4 및 도 5로부터 허브 부근에서 발달하기 시작한 스톨 영역에서의 와류 구조가 블레이드의 연장 방향으로 발달하고 규모가 확대되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예는 블레이드의 와류 구조의 발달 지점에 존재하는 와류의 중심이 제거되거나 또는 약화된 풍력 발전기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기의 허브 및 상기 풍력 발전기의 블레이드 루트부를 지나는 공기의 유동에 의하여 상기 블레이드의 루트부 상에 형성되는 와류 구조의 발달 지점에 돌출형성되는 돌출형 와류 중심 브레이커를 포함하는 풍력 발전기가 제공된다.

이 때, 상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 허브로부터 상기 블레이드의 길이 방향으로 0~5% 범위 내에 위치될 수 있다.

이 때, 상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 블레이드의 압력면으로부터 발달된 와류 구조 및 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점 중 적어도 한 지점에 형성될 수 있다.

이 때, 상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 블레이드의 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점에 형성되는 와류의 중심을 제거하거나 약화시키기 위하여 상기 블레이드로 유입되는 바람의 방향을 전방으로 볼 때 상기 블레이드의 후방측에 형성될 수 있다.

이 때, 상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 블레이드의 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점에 형성되는 와류의 중심을 제거하거나 약화시키기 위하여 상기 블레이드의 회전 방향을 전방으로 볼 때 상기 블레이드의 후방측에 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 블레이드의 와류 구조의 발달 지점에 돌출형 와류 중심 브레이커를 설치함으로써 와류의 중심이 제거되거나 또는 약화될 수 있다.

도 1은 풍력 발전기 블레이드의 3차원 유동 해석 결과를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 블레이드 허브 근방의 스톨 영역에 존재하는 와류 구조(Vortex structure)를 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 와류 구조(Vortex structure)의 발달 지점(Inception position)을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드에 돌출형 와류 중심 브레이커가 설치된 상태를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드에 돌출형 와류 중심 브레이커가 설치된 상태를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 블레이드(2)의 루트부(3)를 지나는 공기의 유동에 의하여 블레이드 루트부 상에 형성되는 와류 구조의 발달 지점(C, D)에 돌출형 와류 중심 브레이커(10)가 설치된다.

돌출형 와류 중심 브레이커(10)는 허브(4)로부터 블레이드의 길이 방향으로 0~5% 범위 이내의 블레이드의 루트부에 형성될 수 있다.

이 때, 도 6을 참조하면, 돌출형 와류 중심 브레이커(10)는 블레이드(2)의 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점(D) 및 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점(C) 중 적어도 한 지점에 형성될 수 있다.

이 때, 도 6을 참조하면, 블레이드의 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달지점(C)에 형성되는 와류 중심 브레이커(10)는 블레이드로 유입되는 바람의 방향을 전방으로 볼 때 블레이드의 후방측에 형성될 수 있다.

한편, 블레이드의 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점(D)에 형성되는 와류 중심 브레이커(10)는 블레이드의 회전 방향을 전방으로 볼 때 블레이드의 후방측에 형성될 수 있다.

이 때, 블레이드의 부압면 및 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점은 풍력 발전기의 크기, 바람의 속도, 풍향 등에 따라 달라질 수 있으므로, 블레이드의 회전시 발달 지점이 위치될 수 있는 영역에 복수의 와류 중심 브레이커를 설치하도록 하는 것도 가능할 것이다.

한편, 돌출형 와류 중심 브레이커(10)는 원뿔, 삼각뿔, 사각뿔과 같은 다각뿔 형상, 원기둥, 삼각 기둥 및 사각 기둥과 같은 다각 기둥 형상으로 이루질 수 있으나, 돌출형 와류 중심 브레이커의 형태가 이에 제한되는 것은 아니다.

블레이드(2)의 와류 구조의 발달 지점(C, D)에 형성되는 와류 중심 브레이커(10)의 높이는 풍력 발전기를 지나는 와류가 최대 유속을 형성하는 경계층까지의 50~100% 정도의 높이를 갖도록 형성될 수 있다. 이와 같은 와류 중심 브레이커(10)의 높이는 대략 풍력 발전기 블레이드 코드 길이의 2~4% 정도일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

와류 중심 브레이커(10)의 높이가 너무 높으면 블레이드(2)의 회전시 저항으로 작용할 수 있으며, 와류 중심 브레이커(10)의 높이가 너무 낮으면 와류 구조의 발달 지점에서 와류 중심을 제거하거나 약화시키지 못할 수 있으므로 와류 중심 브레이커의 높이는 와류 중심을 제거할 수 있도록 실험적으로 선택될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 불레이드의 와류 구조의 발달 지점에 와류 중심 브레이커(10)를 설치함으로써 와류 중심을 형성하는 저 에너지 유체의 난류 확산을 촉진 시켜 와류 중심의 형성이 억제 또는 지연될 수 있으며, 이에 따라 스톨 영역에 존재하는 대규모의 와류 구조의 강도를 분산시킬 수 있다.

그리고, 와류 구조의 강도가 분산됨에 따라 스톨 영역에 존재하는 대규모 와류 구조가 약화되며, 이는 스톨 영역의 감소를 가져온다.

스톨 영역이 감소된다는 것은 블레이드의 성능 증대를 의미한 것으로, 이와 같은 스톨 영역의 감소로 인하여 블레이드 전체 성능이 매우 향상될 수 있다. 또한, 블레이드 표면 상의 스톨 영역의 감소로 인하여 블레이드 표면에서의 소음이 감소될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 블레이드의 스톨 영역에 존재하는 대규모 와류 구조의 발달 지점에 와류 중심 브레이커를 설치하여 와류 구조의 와류 중심의 형성을 직접 억제 및 지연시킴으로써 블레이드의 성능을 증대 시키고 소음을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는 간단한 구조의 돌출형 와류 중심 브레이커를 풍력 발전기의 블레이드 루트부에 설치함으로서 별도의 제어 또는 동력 공급 없이 블레이드의 성능을 증대시키고 소음을 감소시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

2 블레이드 10 와류 중심 브레이커

Claims (5)

1. 풍력 발전기의 허브 및 상기 풍력 발전기의 블레이드 루트부를 지나는 공기의 유동에 의하여 상기 블레이드의 루트부 상에 형성되는 와류 구조의 발달 지점에 돌출형성되는 돌출형 와류 중심 브레이커를 포함하는 풍력 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 허브로부터 상기 블레이드의 길이 방향으로 0~5% 범위 내에 위치되는 풍력 발전기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 블레이드의 압력면으로부터 발달된 와류 구조 및 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점 중 적어도 한 지점에 형성되는 풍력 발전기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 블레이드의 부압면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점에 형성되는 와류의 중심을 제거하거나 약화시키기 위하여 상기 블레이드로 유입되는 바람의 방향을 전방으로 볼 때 상기 블레이드의 후방측에 형성되는 풍력 발전기.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 돌출형 와류 중심 브레이커는 상기 블레이드의 압력면으로부터 발달된 와류 구조의 발달 지점에 형성되는 와류의 중심을 제거하거나 약화시키기 위하여 상기 블레이드의 회전 방향을 전방으로 볼 때 상기 블레이드의 후방측에 형성되는, 풍력 발전기.

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