KR20150069066A - 양항력 블레이드 및 그 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낮은 풍속에서 항력으로 기동하고 높은 풍속에서 고속 회전시 발행하는 저항을 양력으로 최소화함은 물론 바람이 멈춘 후에도 블레이드의 회전을 오래도록 지속시켜주도록 양항력 일체형으로 설계된 수직축 풍력 발전용 양항력 블레이드 및 그 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치에 관한 것으로, 전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 수직축 풍력 발전용 양항력 블레이드는, 에어포일 설계 이론에 따라 양력이 발생하도록 설계된 에어포일 단면을 갖고, 상기 에어포일 단면의 하면의 후연부가 절개되어 개방된 개방부가 형성되고, 상기 개방부를 갖는 상기 에어포일 단면이 수직축 방향으로 연장된 에어포일의 형상으로 형성되되, 상기 에어포일의 수직축 방향의 일단부로부터 타단부로 가면서 수직축의 회전 방향으로 점차 비틀린 형상을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

양항력 블레이드 및 그 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치{Lift-Drag Blade and Rotor for Vertical Axis Wind-Turbine}

본 발명은 풍황의 변화에 영향을 최소화하고 발전효율을 증대시켜 세일링 요트 등의 소형 풍력 발전에 적용할 수 있는 100W급 수직축 풍력 발전용 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저풍속에서는 항력으로 고풍속에서는 양력에 의해 더 효율적으로 풍력 발전을 하도록 설계되어, 낮은 풍속에서 항력으로 기동하고 높은 풍속에서 고속 회전시 발행하는 저항을 양력으로 최소화함은 물론 바람이 멈춘 후에도 블레이드의 회전을 오래도록 지속시켜주도록 하는, 양항력 일체형의 수직축 풍력 발전용 블레이드(이하, 양항력 블레이드라 칭함) 및 그 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력 발전 장치는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치로서, 로터의 회전축이 놓인 방향에 따라 구분하면 수평축 풍력 발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력 발전 장치(vertical axis wind turbine)로 나뉜다.

수직축 풍력 발전 장치는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우는 발전기의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.

예를 들어, 기존에 많은 연구개발을 통해 개발 설치된 5kW급 이하의 수직축 풍력발전기는 블레이드 유형에 따라 다음과 같이 분류된다. 도 1의 (a)(b)(c)는 비행기의 원리와 같이 바람의 흐름에 의해 발생하는 압력차를 이용하는 양력형 블레이드를 나타내고, 도 2는 바람을 맞는 면을 넓게 형성하여 직접적으로 풍하중을 받아 회전하는 항력형 블레이드를 나타낸다.

그러나, 도 1 및 도 2의 수직축 풍력발전기는 한 가지 기능을 극대화한 양력형 또는 항력형 블레이드를 갖는 시스템으로 기동 풍속이 늦거나 회전속도가 빨라질수록 바람의 저항을 많이 받아 발전 지속성이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 도 1의 양력형 블레이드 및 도 2의 항력형 블레이드의 단점을 보완하기 위하여, 도 3의 (a)(b)(c)와 같이 낮은 풍속에서는 대체로 내부 블레이드(Inner Blade)(항력)에 의해 발생하는 항력에 의해 기동을 시작하고 고풍속에서는 외부 블레이드(Outer Blade)(양력)에 걸리는 양력에 의해 지속적인 회전을 할 수 있도록 하는 양항력 이중구조 블레이드가 개발된 바 있으나, 이러한 양항력 이중구조 블레이드는 고풍속으로 갈수록 항력형 구조의 내부 블레이드에 의한 브레이킹이 발생하고 저풍속에서는 이중구조에 의한 블레이드 무게 증가 및 항력구조 블레이드의 소형화로 역시 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

공개특허 제10-2009-0034043호(2009.04.07. 공개)

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 낮은 풍속에서 항력으로 기동하고 높은 풍속에서 고속 회전시 발행하는 저항을 양력으로 최소화함은 물론 바람이 멈춘 후에도 블레이드의 회전을 오래도록 지속시켜주도록 양항력 일체형으로 설계된 수직축 풍력 발전용 양항력 블레이드 및 그 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치를 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 수직축 풍력 발전용 양항력 블레이드는, 에어포일 설계 이론에 따라 양력이 발생하도록 설계된 에어포일 단면을 갖고, 상기 에어포일 단면의 하면의 후연부가 절개되어 개방된 개방부가 형성되고, 상기 개방부를 갖는 상기 에어포일 단면이 수직축 방향으로 연장된 에어포일의 형상으로 형성되되, 상기 에어포일의 수직축 방향의 일단부로부터 타단부로 가면서 수직축의 회전 방향으로 점차 비틀린 형상을 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 비틀린 정도는 상기 에어포일의 일단부로부터 타단부가 10도 내지 30도 비틀린 각을 가질 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치는, 전술한 양항력 블레이드; 수직 회전축; 및 상기 수직 회전축을 중심으로 동일 반경의 원주 방향을 따라 일정 각도마다 상기 양항력 블레이드를 하나 이상 설치하기 위한 설치 부재를 포함할 수 있고, 상기 양항력 블레이드는 상기 개방부가 상기 수직 회전축과 마주하도록 설치할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 측면에 따르면, 저풍속에서는 항력으로 고풍속에서는 양력에 의해 더 효율적으로 풍력 발전을 하도록 설계되어 낮은 풍속에서 항력으로 기동하고 높은 풍속에서 고속 회전시 발행하는 저항을 양력으로 최소화함은 물론 바람이 멈춘 후에도 블레이드의 회전을 오래도록 지속시키는 효과가 있다. 따라서, 풍황의 변화에 영향을 최소화하고 발전효율을 증대시켜 세일링 요트 등의 소형 풍력 발전 등에 적용할 수 있다.

도 1은 기존의 양력형 수직축 풍력 발전 블레이드의 다양한 예를 나타낸 도면,
도 2는 기존의 항력형 수직축 풍력 발전 블레이드의 일 예를 나타낸 도면,
도 3은 양력 및 항력의 이중구조 수직축 풍력 발전 블레이드의 다양한 예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치의 사시도,
도 5의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드의 사시도, (b)는 (a)에 지지판이 설치된 도면, (c)는 (a)의 A-A 단면도, (d)는 (c)의 양항력 발생을 설명하기 위한 개념도,
도 6은 도 4의 설치 부재만을 도시한 사시도,
도 7은 주속비 변화에 따른 성능 계수를 나타낸 도면,
도 8은 풍속에 따른 출력 및 회전수를 나타낸 도면,
도 9는 풍속에 따른 블레이드의 힘을 나타낸 도면,
도 10의 (a)는 로터 속도 분포, (b)는 로터 압력 분포를 나타낸 도면,
도 11은 블레이드 내부 속도 벡터를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 한다. 또한, 본 발명의 실시예에 대한 설명 시 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드(500)를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치(400)의 사시도, 도 5의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드(500)의 사시도, 도 5의 (b)는 도 5의 (a)에 지지판(510)이 설치된 도면, 도 5의 (c)는 도 5(a)의 A-A 단면도, 도 5의 (d)는 도 5(c)의 양항력 발생을 설명하기 위한 개념도이고, 도 6은 도 4의 설치 부재(600)만을 도시한 사시도이다.

본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치(400)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 양항력 블레이드(500) 및 그 양항력 블레이드(500)를 수직 회전축(700) 상에 설치하기 위한 설치 부재(600)를 포함할 수 있다.

설치 부재(60)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 수직 회전축(700)을 중심으로 동일 반경의 원주 방향을 따라 일정 각도마다 양항력 블레이드(500)를 하나 이상 설치하기 위한 것으로, 본 실시예에서는 양항력 블레이드(500)는 수직 회전축(700)을 중심으로 동일 반경의 원주 방향을 따라 120도 마다 1개 씩 총 3개가 설치 부재(600)에 의해 설치되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드(500)는, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 에어포일 설계 이론에 따라 양력이 발생하도록 설계된 에어포일 단면(500a)을 갖고, 그 에어포일 단면(500a)의 하면의 후연부가 절개되어 개방된 개방부(500b)가 형성되며, 그 개방부(500b)를 갖는 도 5(c)의 에어포일 단면(500a)이 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 수직축 방향으로 연장된 에어포일(또는 블레이드라 칭함)(500)의 형상으로 형성되고, 또한 에어포일(500)의 수직축 방향의 일단부로부터 타단부로 가면서 수직 회전축(700)의 회전 방향으로 점차 비틀린 형상을 갖는데, 본 실시예에서 상기 비틀린 정도는 에어포일(500)의 일단부로부터 타단부가 약 10도 내지 30도 비틀린 각을 갖도록 할 수 있고, 바람직하게 약 15도 비틀린 각을 갖도록 할 수 있다.

전술한 바와 같이 설계된 양항력 블레이드(500)는 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이 에어포일 단면(500a)의 전면부에서는 전방에서 부는 바람에 의해 양력이 발생하고 후면부에서는 후방에서 부는 바람에 의해 개방부(500b)를 통해 항력을 받는다.

또한 양항력 블레이드(500)는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상단부와 하단부 및 중간부에 각각 도 5(c)의 에어포일 단면(500a)과 동일한 외형을 갖는 지지판(510)을 설치하여 양항력 블레이드(500)가 에어포일 단면 형상을 유지할 수 있도록 하고, 그 지지판(510) 상에 설치 부재(600)를 설치할 수 있도록 한다.

예를 들어, 지지판(510) 상에는 스트럿(strut) 지지 부재(미도시)가 장착되어 그 스트럿 지지 부재에 의해 수직 회전축(700)으로부터 방사형으로 연장되는 지지 스트럿(strut)(610)의 단부를 고정하도록 되어 있다. 그 결과, 양항력 블레이드(500)의 회전은 지지 스트럿(610)을 거쳐서 수직 회전축(700)에 전달되도록 되어 있다.

또한 본 실시예에서 양항력 블레이드(500)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 개방부(500b)가 수직 회전축(700)과 마주하도록 설치 부재(700)에 의해 설치될 수 있다.

도 4 내지 도 6을 참조로 설명한 본 발명의 유동 해설 결과에 따른 작용을 설명한다.

풍력 발전기의 주속비는 ?? ?? ??■ ???? ?? 로 정의되며, 작동점 변화에 따른 성능 계수를 예측 하는데 활용된다. 블레이드의 설치각이 고정된 경우, 블레이드에 작용하는 유동의 유입각은 입구 풍속 및 로터 회전수의 비로 결정되므로 주속비 λ를 도입하여 무차원화 할 수 있다. 본 발명의 실시예에서 설계한 양항력식 블레이드(500)는 λ=0.75에서 최고 효율 0.2295로 예측되었다. 풍력 터빈의 성능 해석을 위해서는 입구 풍속과 로터의 회전수를 설정하는 것이 필수적인데, 전체 시스템이 입구 풍속 변화에 대응하여 최적의 운전점에서 작동한다고 가정하면, 작동점 변화에 따른 풍력 발전기 성능 예측에 필요한 로터(400)의 회전수를 결정할 수 있다. 따라서, 도 7의 그래프에서 가장 높은 성능 계수를 보이는 λ=0.75를 설계 주속비로 결정할 수 있다.

풍력 발전기의 성능 예측을 위해 입구 풍속을 4~10 m/s 로 변경하며 유동 해석을 실시하였다. 본 발명의 실시예에서 설계한 로터(400)와 유사한 크기와 출력을 갖는 수직축 풍력 발전기는 최적의 주속비로 운전되는 경우 풍속 7~10m/s에서 정격 출력을 얻는 것이 일반적이다. 풍속에 따른 로터의 회전 속도 및 출력은 전체 시스템 구성 및 제어 로직이 확정되어야 정확한 예측이 가능하므로, 최적의 주속비에서 운전된다고 가정하고 다양한 풍속 및 회전수 조합에 대해 풍력 발전기의 성능을 비교하였다.

도 8에 정리한 해석 결과와 같이, 입구 풍속에 비례하여 로터(400)의 회전수 및 출력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 목표 출력 100W 는 입구 풍속이 약 7.5m/s에서 얻을 수 있을 것으로 예상되는데, 실제 운전 조건에서 정격 출력은 전체 시스템 구성 및 저항 조건에 따라 달라지므로 정확한 값은 실험을 통해 확인해야 한다. 또한 도 9에 정리한 풍속에 따른 블레이드의 힘을 고려하여 발전기의 용량 및 시스템 보호를 위해 적절한 제어 및 브레이크 장치를 구비하여 터빈이 위험 작동 영역에서 운전되지 않도록 통제해야 한다.

도 10은 입구 풍속이 12m/s 일 때 블레이드(500) 주위의 속도 및 압력 분포를 로터(400) 하단부로부터 1.4m 지점에서 표시한 것이다. 블레이드 단면 에어포일(500)의 흡입면의 속도가 압력면보다 빠른 것을 확인할 수 있고, 블레이드 양단의 압력차가 발생하여 양력을 형성한다. 수직형 터빈의 특성상 블레이드의 위치에 따라 속도 및 압력 분포가 달라지며, 유동이 에어포일이 최대 양력을 형성할 수 있는 각도로 유입될 때 회전력은 최대가 된다.

에어포일(500) 압력면의 후반부는 유동 유입을 위해 개방된 개방부(500b)형태로 설계 되었고, 로터(400)의 회전시 블레이드(500) 내부에서도 유체의 흐름이 관찰된다(도 11 참조)). 블레이드(500) 형상의 내부로 유입된 유동이 블레이드(500)의 내부 표면을 따라 흐르며 회전 방향으로 모멘텀을 더하고, 방향을 바꿔 부드럽게 흘러나갈 때 항력에 의한 회전 효과를 극대화 할 수 있다.

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

400: 본 발명에 실시예에 따른 로터 장치(또는 로터라 칭함)
500: 본 발명의 실시예에 따른 양항력 블레이드(또는 에어포일이라 칭함)
500a: 에어포일 단면
500b: 개방부
510: 지지판
600: 설치부재
610: 지지 스트럿
700: 수직 회전축

Claims (4)

1. 에어포일 설계 이론에 따라 양력이 발생하도록 설계된 에어포일 단면을 갖고,
   상기 에어포일 단면의 하면의 후연부가 절개되어 개방된 개방부가 형성되고,
   상기 개방부를 갖는 상기 에어포일 단면이 수직축 방향으로 연장된 에어포일의 형상으로 형성되되,
   상기 에어포일의 수직축 방향의 일단부로부터 타단부로 가면서 수직축의 회전 방향으로 점차 비틀린 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전용 양항력 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 비틀린 정도는 상기 에어포일의 일단부로부터 타단부가 10도 내지 30도 비틀린 각을 갖는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력 발전용 양항력 블레이드.
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항의 상기 양항력 블레이드;
   수직 회전축; 및
   상기 수직 회전축을 중심으로 동일 반경의 원주 방향을 따라 일정 각도마다 상기 양항력 블레이드를 하나 이상 설치하기 위한 설치 부재를 포함하는 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 양항력 블레이드는 상기 개방부가 상기 수직 회전축과 마주하도록 설치된 것을 특징으로 하는 양항력 블레이드를 갖는 수직축 풍력 발전용 로터 장치.

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