KR20150144194A - 풍력 발전용 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바람을 이용하여 동력을 발생시킴으로서 무공해, 무한정의 바람을 이용하여 전력을 생산하는 것이 가능한 풍력 발전용 블레이드에 관한 것으로서, 특히 다수의 날개편을 서로 이격되도록 적층시켜 단일의 날개를 형성하며 상기 이격된 공간으로 바람이 지나가며 날개를 회전시켜 에너지효율을 높이기 위하여 다수 개가 방사형으로 구비되는 날개와 상기 다수의 날개 중심에 돌출 형성된 중심축을 포함하되, 상기 날개는 다수 개의 날개편이 이격되도록 적층되어, 상기 이격된 공간에 공기가 통과하며 날개를 공기의 진행방향으로 밀어 회전시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드에 관한 것이다.

Description

풍력 발전용 블레이드{Wind Power Genernator Blade}

본 발명은 풍력 발전용 블레이드에 관한 것으로서, 특히 날개를 이루는 각 날개편이 이격되어 공간을 포함하도록 적층되며, 상기 공간에 공기가 지나가며 공기의 진행방향으로 날개를 밀어 에너지효율을 극대화하는 것이 가능한 풍력 발전용 블레이드에 관한 것이다.

현대사회에서 가장 많은 연료원으로 사용되는 화석연료는 점차 매장량이 감소됨으로써 장래의 에너지 수급전망이 불투명해지고 있다. 산업의 발전에 따라 세계적으로 보다 많은 에너지를 요구하고 있으며, 에너지의 많은 부분을 석유자원이 제공하고 있으나, 석유자원의 경우에는 환경오염의 폐해가 있고, 자원이 무한정 존재하는 것이 아니므로, 향후 가까운 시기에 고갈되는 문제점이 있다.

따라서 이러한 자원을 대체할 수 있는 청정 대체 에너지원의 개발이 절실히 필요한 실정이다. 이러한 화석연료의 문제와 발맞추어 대두되기 시작한 대체에너지원으로 풍력, 태양열 및 파력 등의 자연에너지를 이용하여 전기나 열을 얻어내는 발전시스템들이 많이 개발되고 있다. 그 중 풍력발전은 로터 블레이드의 설치로서 자연 풍속에 의해 회전력을 얻어 자연적인 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 전력을 얻는 기술이다.

풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 기술로서, 공기가 블레이드 위를 지날 때 공기역학적 특성을 통해 회전자(rotor)가 회전하게 되는데 이때 발생하는 기계적 회전 에너지가 발전기를 통해 전기 에너지로 변환된다.

풍력 발전기는 바람이 지니고 있는 에너지를 유용하게 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하여 전력을 생산하는 장치이다. 일반적으로 풍력 발전기는 바람에 의하여 회전하는 블레이드에 의하여 발전기의 축을 회전시켜 동력(전기)를 발전시키는 것이다. 이러한 풍력발전은 무공해, 무한정의 바람을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전기가 최근 들어 더욱 상용화되어 많은 곳에서 사용되고 있다.

한편, 풍력 발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있다.

그러나 풍차를 크게 만드는 것은 입지에 따른 제한이 있을 수 있다. 따라서 주어지는 바람의 세기를 최대로 활용한 풍력발전기에 대한 요구가 있어왔으며 최대한 구동력을 끌어낼 수 있는 기술이 개발되고 있으며 이는 대한민국 특허출원 제10-2001-0048632호(이하 인용발명)에서 제안되고 있다.

상기 인용발명은 도 1에 도시된 바와 같이 전단블레이드(1-1)와 후단블레이드(1-2), 즉 블레이드 두 쌍을 설치하여 제한된 풍속을 최대로 활용하기 위한 발명이다.

상기 인용발명은 비틀림 각도가 서로 반대인 전단블레이드(1-1)와 후단블레이드(1-2)가 전단허브(2-1)와 후단허브(2-2)에 각각 설치되어 있고 후단허브(2-2)는 속이 비어있는 중공축(3-2)과 연결되고 전단허브(2-1)는 중공축(3-2) 내부에 수용된 실축(3-1)에 연결되어 있으며 실축(3-1)과 중공축(3-2)에 설치된 실축베벨기어(4-1) 및 중공축베벨기어(4-2)와 수직축베벨기어(4-3)에 대칭으로 물리도록 설치되어 나셀(5) 내부에 수용되어 있다. 타워는 수직축베벨기어(4-3)와 연결된 수직축(6), 증속장치(7) 및 발전기(8)를 내부에 수용하며 풍향에 따라 자유로운 회전이 가능하도록 상부에 나셀(5)을 베어링으로 지지하고 있다.

상기 인용발명은 바람이 불면 전단블레이드(1-1)는 블레이드 전면에서 바람의 충동력을 받고 바람이 블레이드를 통과할 때 발생하는 반동력과 합성된 회전력을 받아서 전단 블레이드(1-1)는 회전하게 된다. 또한 전단블레이드(1-1)를 지난 바람은 가이드 베인역할을 하는 전단블레이드(1-1)의 비틀림 각도에 따라 풍향이 바뀌어 후단블레이드 (1-2)를 회전시키게 되므로 풍력에너지 변환효율이 높아지게 된다.

그러나 상기 인용발명은 블레이드가 쌍으로 설치되어 장치가 무거워지게 되어 에너지효율이 뛰어나게 높아지지 않는다는 문제점이 있을 뿐만 아니라 제작, 설치 및 유지보수를 위한 비용이 과도하게 소요되고, 그에 따른 경제성을 맞추기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 바람을 이용하여 동력을 발생시킴으로써 무공해, 무한정의 바람을 이용하여 전력을 생산할 수 있음은 물론 제한된 바람을 이용하여 에너지효율을 높여 전기를 발생시키는 것이 가능한 풍력 발전용 블레이드를 제공함에 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명인 풍력 발전용 블레이드는 다수 개가 방사형으로 구비되는 날개와 상기 다수의 날개 중심에 돌출 형성된 중심축을 포함하되, 상기 날개는 다수 개의 날개편이 이격되도록 적층되어, 상기 이격된 공간에 공기가 통과하며 날개를 공기의 진행방향으로 밀어 회전시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 바람을 이용하여 동력을 발생시킴으로써 무공해, 무한정의 바람을 이용하여 전력을 생산할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다. 또한 상기 날개는 다수의 날개편이 이격되도록 적층되어 상기 이격된 공간에 공기가 통과함과 동시에 상기 공기의 진행방향으로 상기 날개를 밀어주게 되어 날개의 회전을 도와 에너지효율을 높일 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 인용발명의 모습을 보여주는 단면도,
도 2는 본 발명인 풍력 발전용 블레이드의 전체 모습을 보여주는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 날개편이 서로 이격되도록 결합되어 단일의 날개를 이루는 모습을 보여주는 측면도,
도 4는 본 발명에 따른 날개를 이루는 날개편들의 결합을 보여주는 분해사시도,
도 5 및 6은 본 발명에 따른 날개가 유체의 흐름에 따라 회전하는 모습을 보여주는 도면.

본 발명에서는 바람을 이용하여 동력을 발생시킴으로써 무공해, 무한정의 바람을 이용하여 전력을 생산할 수 있음은 물론 제한된 바람을 이용하여 에너지효율을 높여 전기를 발생시키는 것이 가능토록 하기 위하여, 다수 개가 방사형으로 구비되는 날개와 상기 다수의 날개 중심에 돌출 형성된 중심축을 포함하되, 상기 날개는 다수 개의 날개편이 이격되도록 적층되어, 상기 이격된 공간에 공기가 통과하며 날개를 공기의 진행방향으로 밀어 회전시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드를 제안한다.

본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.

이하, 본 발명인 풍력 발전용 블레이드는 첨부된 도면 도 2 내지 6을 참고로 상세하게 설명한다.

본 발명인 풍력 발전용 블레이드는 도 2 에 도시된 바와 같이 다수의 날개(100)가 포함되되 날개(100)의 중심에는 중심축(200)이 형성되어 이루어진다.

상기 중심축(200)은 날개의 회전방향과 동일한 방향으로 회전하는 것이 가능하며, 풍력발전기 내부에 포함된 발전기 또는 상기 발전기와 연결되는 기어박스에 끼워져 상기 발전기를 돌리게 된다. 따라서 상기 날개(100)가 바람에 의해 회전하게 됨에 따라 상기 발전기를 돌려 전기를 발생하게 되는 것이다.

한편, 상기 날개(100)는 도 3 및 4에 도시된 바와 같이 다수의 날개편(110)이 서로 이격되도록 적층되어 형성된다. 따라서 상기 날개편(110) 사이에는 공기가 통과할 수 있는 소정의 공간이 형성되며 상기 날개(100)를 향해 바람이 불게 되면 공기 중 일부가 상기 공간 내로 유입되게 되며, 또한 유입된 반대방향으로 나가게 된다. 이때 상기 공기가 공간에서 빠져나갈 때 상기 날개(100)를 공기의 진행방향으로 밀어내며 나가게 되는데 이는 상기 날개(100)의 회전을 도와주는 역할을 하게 되는 것이다.

따라서 상기 날개편(110)이 서로 이격되도록 적층되어 단일의 날개(100)를 형성하고, 상기 이격된 공간에 바람이 유입되며 유입된 반대방향으로 빠져나가 상기 날개(100)의 회전력을 높이는 효과를 갖게 된다.

상기 날개편(110)들은 서로 일체로 형성되는 등 다양한 실시예를 통해 서로 이격되도록 적층될 수 있으며, 아래에 상기 날개편(110)들이 결합하는 한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

상기 각 날개편(110)은 일면에서 타면까지 관통되어 형성되는 다수의 결합홀(111)을 구비할 수 있다. 상기 결합홀(111)은 각 날개편(110)마다 서로 대응되는 위치에 형성되도록 한다.

상기 결합홀(111)에는 날개편(110)을 적층한 뒤 각각 대응되는 결합홀(111)에 결합핀(112)이 끼워지게 된다. 상기 결합핀(112)은 상기 결합홀(111)의 직경과 같거나 다소 작은 기둥과 상기 결합홀(111)의 직경보다 다소 큰 머리를 갖고 있다. 상기 결합핀(112)의 머리는 직경이 상기 결합홀(111)의 직경보다 더 크게 형성되어 상기 결합핀(112)이 날개편(110)의 결합홀(111)에 끼워진 후 직경이 상기 결합홀(111)보다 큰 머리에서 더 이상 고정되어 더 이상 끼워지지 않는다.

상기 결합핀(112)이 날개편(110)에 형성된 결합홀(111)에 끼워질 때 상기 날개편(110) 사이에는 결합핀(112)의 기둥에 끼워지는 이격구(113)를 더 포함하게 된다. 상기 이격구(113)는 날개편(110) 각각의 사이가 이격되도록 적층하는 것이 가능하도록 하는 것으로서 고무 등의 연질의 재료를 가공하여 형성될 수 있으며 또는 스테인리스 등의 경질의 재료를 가공하여 형성될 수도 있다.

상기 날개편(110)의 결합홀(111)에 결합핀(112)이 끼워지며 각 날개편(110)의 사이가 이격되도록 이격구(113)가 삽입된 이후 상기 결합핀(112)의 기둥 끝에는 고정구(114)가 끼워지며 상기 고정구(114)는 최하단의 날개편(110)에 닿도록 끼워져 상기 결합된 날개편(110)들을 고정하도록 하여 상기 날개편(110)들이 서로 이격되도록 적층되며 결합하는 것이 가능한 것이다.

또한, 상기 날개편(110)들이 적층되어 단일의 날개(100)를 형성함에 있어서, 상기 날개(100)들이 회전가능한 중심축(200)을 가진 원형 또는 다각형의 판형태의 몸체에 나사결합되어 하나의 블레이드를 형성할 수도 있으며, 또는 상기 날개(100)들이 일체로 형성되되 상기 날개(100)들이 모인 중심에 상기 날개(100)가 회전가능하도록 중심축(200)이 형성될 수도 있다.

한편, 상기 적층된 날개편(110)은 놓인 위치에 따라 크기가 다르도록 형성하는 것이 가능하다. 본 발명의 한 실시예로서 하단에 놓인 날개편(110)이 상단에 이격되어 적층된 날개편(110)보다 더 넓도록 형성된다. 상술한 바와 같이 하단에 놓인 날개편(110)이 상단에 적층된 날개편(110)보다 더 넓도록 형성되면 상단에 적층된 날개편(110)에 덮이지 않고 노출된 하단의 날개편(110) 부분이 불어오는 바람을 상기 이격된 공간 내로 유입되는 것을 가이드하는 것이 가능하여 좀 더 많은 양의 공기를 상기 공간 내로 유입하도록 하는 것이 가능한 것이다. 따라서 하단에 놓인 날개편(110)이 상단에 이격되어 적층된 날개편(110)보다 더 넓도록 형성되면 날개(100)의 회전을 더 돕게 되어 에너지 효율을 높일 수 있는 것이다.

상기 날개(100)는 중심축(200)을 향할수록 전체적으로 넓어지며 바깥쪽을 향할수록 너비가 좁아지도록 형성되는 것이 가능하다. 이는 다수의 날개(100)가 원운동을 함에 있어서 바깥부분은 중심에 비해 더 빨리 긴 구간을 돌게 되어 바깥부분을 더 가볍게 하는 것이 회전에 더욱 도움이 된다.

또한, 상기 다수의 날개(100)가 회전할 때 중심에 가까울수록 더욱 많은 힘이 필요하게 된다. 이는 시소와 같은 지레의 원리와 같이 받힘점과 힘점의 거리가 길수록 더 큰 힘이 작용하는 것과 같다. 따라서 중심에 가까울수록 공기가 들어가는 측단과 나가는 측단 사이의 너비가 넓어지도록 형성하여 유입되는 바람이 중심축(200)을 향한 날개(100)부분에 더 많이 작용하도록 하여 상기 날개(100)의 회전을 더 돕게 하여 에너지 효율을 높이도록 한다.

한편, 상기 날개(100)는 날개편(110) 사이의 이격된 공간에 바람의 유입을 더욱 돕도록 하기 위하여 공기가 들어가는 일측단이 상향을 향해 기울어지도록 형성될 수 있다. 이때 상향이라는 것은 바람이 불어오는 방향을 뜻하며 기울어지는 각도는 각 실시예마다 다를 수 있다.

상기 날개편(110)들의 공기가 나가는 각 측단은 동일선상에 위치하도록 형성되도록 결합되는 것이 가능하다. 이는 날개편(110) 사이의 이격된 공간에 유입된 바람이 빠져나갈 때 일시에 빠져나가도록 하여 날개(100)의 추진력을 높일 수 있어 날개(100)의 회전을 더 도울 수 있도록 하는 것이다.

도 5 및 6을 참고로 하여 본 발명인 풍력 발전용 블레이드가 동작하는 모습을 살펴보면 다음과 같다. 도면상에서 a는 바람 또는 공기와 같은 유체의 흐름을 나타내고 b는 상기 유체에 따라 회전하는 날개(100)의 방향을 나타낸다.

도 5는 날개편(110)이 적층되어 형성된 단일의 날개(100)를 날개(100)의 윗면을 향해 바라본 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이 바람이 날개(100)를 향해 불어 오면 공기가 날개편(110) 사이의 공간으로 들어가게 된다. 이때 상술한 바와 같이 상기 날개편(110)의 일측단이 상향을 향해 기울도록 결합되기 때문에 상향을 향한 일측으로 바람이 들어가게 된다.

상기 공간으로 들어간 공기는 불어오는 바람의 속도에 따라 타측단으로 빠져나가게 되며 공기와 상기 날개편(110) 사이의 마찰에 의해 공기의 진행방향과 같은 방향으로 상기 날개(100)를 밀게 된다.

이는 도 6을 참고로 하면 더 자세히 알 수 있다.

도 6은 날개(100)의 바깥방향에서 중심축(200)을 향해 바라본 모습을 도시한 도면이다.

유속의 흐름을 살펴보면 상향을 향해 기울어진 일측을 따라 유입되는 공기가 하향을 향해 기울어진 타측으로 빠져나가는 모습을 볼 수 있다.

따라서 상기 날개(100)의 상향된 부분으로 불어오는 바람은 날개편(110) 사이의 이격된 공간에 유입된 후 빠져나가며 상기 날개(100)를 공기의 진행방향으로 밀게 되는 것이다.

결국 동일한 방향으로 상기 날개(100)를 밀어 회전시킴으로써 본 발명인 풍력 발전용 블레이드는 불어오는 바람을 이용해 풍력발전을 함에 있어서 에너지효율을 극대화할 수 있는 것이다.

100 : 날개 110 : 날개편
111 : 결합홀 112 : 결합핀
113 : 이격구 114 : 고정구
200 : 중심축
a : 유체의 흐름 b : 날개의 회전방향

Claims (6)

1. 다수 개가 방사형으로 구비되는 날개(100)와
   상기 다수의 날개(100) 중심에 돌출 형성된 중심축(200)을 포함하되,
   상기 날개(100)는 다수 개의 날개편(110)이 이격되도록 적층되어,
   상기 이격된 공간에 공기가 통과하며 날개(100)를 공기의 진행방향으로 밀어 회전시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드.
2. 제 1항에 있어서,
   하단에 놓인 날개편(110)은 상단에 적층된 날개편(110)보다 넓게 형성되어 공기가 상기 공간에 투입되는 것이 용이한 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 다수의 날개편(110)은 중심을 향할수록 넓어지도록 형성되어 상기 날개의 바깥이 중심보다 가벼워 회전이 용이한 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 다수의 날개편(110)은 공기가 들어가는 일측이 상향을 향해 기울어진 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 날개편(110)의 공기가 나가는 각 측단은 동일선상에 위치하도록 형성된 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 날개편(110)의 일면에는 타면까지 관통되는 다수의 결합홀(111)을 구비하되 상기 결합홀(111)은 각 날개편(110)마다 서로 대응되는 위치에 형성되고,
   상기 결합홀(111)에 삽입되는 결합핀(112)과,
   상기 결합핀(112)에 끼워지되 날개편(110) 사이에 각각 끼워져 날개편(110)의 사이가 이격되도록 적층 가능하도록 하는 이격구(113)와,
   상기 결합핀(112)에 결합되되 상기 결합핀(112)의 최하단에 끼워져 상기 날개편(110)들을 고정하는 고정구(114)를 더 포함하여 상기 날개편(110)이 이격되도록 적층되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전용 블레이드.

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