KR20170000993U - 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치 - Google Patents

Abstract

별도의 추가적인 복잡한 설비가 요구되는 것이나 아니라 풍력발전에 따른 너셀에서 발생되는 열을 블레이드로 베르누이원리에 의해 순환시켜 극저온 환경에서도 블레이드가 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 너셀의 로테이팅 유니온 하우징에 로테이팅 유니온이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 허브 측으로 공급되도록 구비되는 공급수단; 상기 허브에 고온의 열원이 각 블레이드의 내부로 유입되어 순환된 후 배출되도록 마련되는 각각의 유입공과 배기공; 및 상기 블레이드의 내부에 상기 유입공으로 유입된 고온의 열원이 블레이드의 내부로 순환되면서 결빙을 방지한 후 상기 배기공을 통하여 너셀로 배기되도록 마련되는 순환관;을 포함하는 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치를 제공한다.
그에 따라 경제적이면 추가적인 복잡한 설비 없이도 극저온 지역에서의 풍력발전 효율성을 극대화할 수 있는 효과와 더블어 최소한의 유지보수로 풍력발전기를 운영할 수 있는 장점도 가진다.

Description

풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치{Anti-icing equipment blades for wind generators}

본 고안은 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 별도의 추가적인 복잡한 설비가 요구되는 것이나 아니라 풍력발전에 따른 너셀에서 발생되는 열을 블레이드로 베르누이원리에 의해 순환시켜 극저온 환경에서도 블레이드가 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 한 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전은 오염물질의 배출이 전혀 없고 환경을 훼손할 우려가 없는 장점으로 인해 석유 자원을 대체할 에너지로 각광받고 있다.

이러한 풍력발전기는 바람의 질적 수준이 높은 지역, 즉 산의 능선 또는 해상과 같이 바람이 원활하게 부는 야외 장소에 설치되며, 야외 장소에 설치되는 특성상 설치 장소의 기상 조건에 큰 영향을 받는다.

특히, 풍력발전기가 추운 지역에 설치되는 경우, 풍력발전기에 결빙이 발생할 수 있으며, 더욱이 블레이드에 결빙이 발생하게 되면 블레이드의 무게가 증가하여 발전 효율이 낮아지고 외부의 작은 충격에도 파괴가 일어날 가능성이 커진다.

그에 따라 풍력발전기용 블레이드의 결빙을 방지하는 종래의 방법에 있어서는 통상 헬리콥터를 이용하여 결빙을 제거하는 데, 이는 비용이 많이 소요되는 단점을 가진다.

또한, 블레이드 제작시 내부에 열선 또는 발열체를 설치하는 방식도 사용되었으나, 이는 사용중 중간에 단선이 발생할 경우, 유지보수가 이루어질 수 없는 단점과 함께 제작공정이 상당히 번거롭고 복잡한 단점을 가진다.

상기와 같이 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치에 관련된 선행기술에는 대한민국 공개특허 제10-2012-0066382호(이하 '특허문헌 1'이라 한다)에 게시된 바와 같이 블레이드의 온도를 감지한 후 그 감지된 온도에 따라 온도제어부에 의하여 너셀에서 발생된 고온의 공기를 송풍장치를 통하여 블레이드로 공급하는 기술이 제안된 바 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2013-0062007호(이하 '특허문헌 2'라 한다)에 게시된 바와 같이 풍력발전기에 마련된 열공급 유닛과, 상기 열공급 유닛과 연결되어 블레이드의 외측벽을 따라 공기가 처음으로 접하는 리딩부로 이동되도록 형성되는 결빙 방지 유로를 포함하는 기술도 제안된 바 있다.

또, 대한민국 등록특허 제10-1422707호(이하 '특허문헌 3'이라 한다)에 게시된 바와 같이 풍력발전기용 블레이드의 내부에 블레이드의 소정의 영역을 가열하는 전열부와, 전열부에 전류를 공급하는 전원부 및 전류를 차단 및 인가하는 바이메탈을 포함하되, 전열부로 전류가 인가될 때 블레이드를 충격하는 충격장치를 포함하는 기술도 제안된 바 있다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0066382호 대한민국 공개특허 제10-2013-0062007호 대한민국 등록특허 제10-1422707호

그러나 특허문헌 1은 블레이드에 고온을 송풍하는 과정에서 고르게 송풍되지 않아 결빙 방지가 그리 효율적으로 이루어지지 않는 단점을 가진다.

특허문헌 2 및 3은 결빙 방지를 위한 구조가 상당히 복잡한 구조를 가짐은 물론 그에 따라 설치 조건도 상당히 까다롭고 불편한 단점을 가질 뿐만 아니라 추가적인 설비로 인한 비용 또한, 상당히 많이 소요되는 단점을 가진다.

상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 고안의 주된 목적은 별도의 추가적인 복잡한 설비가 요구되는 것이나 아니라 풍력발전에 따른 너셀에서 발생되는 열을 블레이드로 베르누이원리에 의해 순환시켜 극저온 환경에서도 블레이드가 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 한 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치를 제공하는 데 있다.

본 고안의 다른 목적은 블레이드 내부를 순환하는 고온의 열원의 열교환 효율성을 극대화할 수 있도록 하는 데 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 고안은 풍력발전기의 너셀 선단에서 회전되는 허브에 장착되는 블레이드의 결빙을 방지하기 위한 장치로서, 상기 너셀의 로테이팅 유니온(rotating union) 하우징에 로테이팅 유니온이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 허브 측으로 공급되도록 구비되는 공급수단; 상기 허브에 고온의 열원이 각 블레이드의 내부로 유입되어 순환된 후 배출되도록 마련되는 각각의 유입공과 배기공; 및 상기 블레이드의 내부에 상기 유입공으로 유입된 고온의 열원이 블레이드의 내부로 순환되면서 결빙을 방지한 후 상기 배기공을 통하여 너셀로 배기되도록 마련되는 순환관;을 포함한다.

상기 공급수단은 로테이팅 유니온이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 허브 측으로 공급되도록 마련되는 복수의 공급공이다.

상기 순환관은 유입공으로부터 블레이드의 바람이 처음 접하는 리딩부의 내부 측에서 블레이드의 끝단을 거쳐 바람이 통과되는 블레이드의 내부 후단을 통하여 배기공 측으로 연결되게 구비된다.

상기 순환관은 고온의 열원이 일정한 압력을 유지하여 순환되도록 유입공 및 배기공 측의 직경은 넓고 블레이드의 끝단 측은 점차적으로 좁은 직경을 갖도록 형성된다.

상기 순환관의 내측면 또는 외측면의 길이 방향으로 복수의 핀이 돌출되게 형성되는 열교환 핀부를 더 포함한다.

본 고안은 별도의 추가적인 복잡한 설비가 요구되는 것이나 아니라 풍력발전에 따른 너셀에서 발생되는 열을 블레이드로 베르누이원리에 의해 순환시켜 극저온 환경에서도 블레이드가 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 함으로써, 경제적이면 추가적인 복잡한 설비 없이도 극저온 지역에서의 풍력발전 효율성을 극대화할 수 있는 효과와 더블어 최소한의 유지보수로 풍력발전기를 운영할 수 있는 장점도 가진다.

또한, 블레이드 내부를 순환하는 고온의 열원의 열교환 효율성을 극대화할 수 있도록 함으로써, 극저온 지역에서의 블레이드가 결빙되는 것을 원천적으로 방지할 수 있는 효과도 갖는다.

도 1은 본 고안을 설명하기 위한 개념도,
도 2는 도 1에 따른 너셀에서의 고온의 열원이 방출되는 것을 설명하기 위한 일부 확대도,
도 3은 도 1에 따른 블레이드에서 고온의 열원이 순환되는 상태를 설명하기 위한 평면도,
도 4는 본 고안의 다른 실시 예를 설명하기 위한 일부 확대 단면도이다.

이하, 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 좀 더 상세하게 설명하면 다음과 같으며, 본 고안이 실시 예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 고안을 설명하기 위한 개념도이며, 도 2는 도 1에 따른 너셀에서의 고온의 열원이 방출되는 것을 설명하기 위한 일부 확대도이고, 도 3은 도 1에 따른 블레이드에서 고온의 열원이 순환되는 상태를 설명하기 위한 평면도이다.

도시된 바와 같이 극저온 지역에 설치되어 풍력발전을 위해 설치되는 통상적인 풍력발전기(100)의 너셀(110) 선단에서 회전되는 허브(120)에 장착되는 블레이드(130)의 결빙을 방지하기 위한 장치를 게시한다.

본 고안은 별도의 추가적인 복잡한 설비가 요구되는 것이나 아니라 풍력발전에 따른 너셀에서 발생되는 열을 블레이드로 베르누이원리에 의해 순환시켜 극저온 환경에서도 블레이드가 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 하는 데 있다.

본 고안에 따른 결빙 방지장치는 상기 너셀(110)의 로테이팅 유니온 하우징(112)에 로테이팅 유니온(114)이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 자연대류에 의해 허브(120) 측으로 공급되도록 구비되는 공급수단(10)과; 상기 허브(120)에 고온의 열원이 각 블레이드(130)의 내부로 유입되어 순환된 후 배출되도록 마련되는 각각의 유입공(20)과 배기공(20A); 및 상기 블레이드(130)의 내부에 상기 유입공(20)으로 유입된 고온의 열원이 블레이드(130)의 내부로 순환되면서 결빙을 방지한 후 상기 배기공(20A)을 통하여 너셀로 배기되도록 마련되는 순환관(30);을 포함한다. 이때, 상기 순환관은 블레이드의 내측면과 접촉되도록 설치되거나 소정 간격을 갖도록 설치된다.

그에 따라 블레이드의 결빙 방지를 위해 별도의 열원이 요구되는 것이 아니라 너셀 내부에서 풍력발전에 따른 로테이팅 유니온이 회전되면서 발생하는 고온의 열원이 허브와 순환관을 통하여 블레이드 내부로 순환되도록 함으로써, 추가적인 복잡한 설비가 요구되지 않는다.

또한, 순환관 역시 블레이드 제작시 그 블레이드의 내부에 용접이나 브래킷 등 공지된 방식에 의해 미리 설치함에 따라 이 또한 번거롭거나 복잡한 과정을 거치는 것이 아니라 간단하게 설치할 수 있는 장점도 가진다.

아울러, 상기 순환관을 통하여 순환되는 고온의 열원은 순환관을 거쳐 방열되면서 블레이드로 전열됨으로써, 상기 블레이드가 결빙되는 것을 방지한다.

이로써, 본 고안은 추가적인 복잡한 구조를 가지는 것이 아니라 풍력발전기를 구성하는 일부 구성품을 사용하여 블레이드가 결빙되는 것을 방지할 수 있도록 함으로써, 극저온 지역에서도 풍력발전기를 효율적으로 운영할 수 있는 장점을 가진다.

더욱이, 유지 보수 또한 필요없는, 즉 순환관이 파손될 경우라도 그 파손된 부분으로 고온의 열원이 방출됨에 따라 추가적인 유지 보수 또한 필요없게 되는 장점을 가진다.

공급수단(10)은 로테이팅 유니온(114)이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 허브(120) 측으로 공급되도록 마련되는 복수의 공급공(12)이다. 이때, 상기 공급공(12)은 고온의 열원 공급이 더욱더 효율적으로 이루어지도록 허브(120) 측으로 경사지게 형성하는 것이 바람직하다. 또, 상기 공급공 측의 로테이팅 유니온 하우징 또는 너셀의 내측면에 고온의 열원이 허브 측으로의 원활한 공급이 이루어질 수 있도록 통상의 유도관이나 가이드 또는 송풍팬 등을 마련하여도 무방하다.

아울러, 상기 공급공은 로테이팅 유니온 하우징에 많은 갯 수로 확보하여 로테이팅 유니온 하우징 내의 고온의 열원이 신속하게 배출되도록 하면서 허브 측으로 공급 또한 더욱더 신속하고 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고온의 열원은 허브와 블레이드가 회전됨에 따라 그 회전력과 자연대류 현상에 의하여 허브에 형성된 유입공으로의 유입이 원활하게 이루어지며, 필요로 따라 유입공 부근까지 공지된 방식에 의해 공급관 또는 덕트 등을 연결하여도 무방하다.

허브(120)는 각 블레이드(130)가 장착되어 함께 회전되는 회전체로서, 상기 고온의 열원이 각 블레이드 내부로의 유입되어 순환된 후 배기가 원활하게 이루어질 수 있도록 상기 각 블레이드(130)와 대응되는 위치에 각각의 유입공(20)과 배기공(20A)이 형성된다. 이때, 상기 유입공과 배기공은 허브를 제작시 공지된 천공작업이나 절삭작업 등에 의해 형성된다.

순환관(30)은 유입공(20)으로부터 각 블레이드(130)의 바람이 처음 접하는 리딩부의 내부 측에서 블레이드(130)의 끝단을 거쳐 바람이 통과되는 블레이드(130)의 내부 후단을 통하여 배기공(20A) 측으로 연결되게 구비된다. 이때, 순환관은 열교환 효율성이 높은 금속재질이나 세라믹 등으로 제작되는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 순환관(30)은 베르누이원리에 의해 고온의 열원이 일정한 압력을 유지하여 순환되도록 유입공(20) 및 배기공(20A) 측의 직경(W)은 넓고 블레이드(130)의 끝단 측은 점차적으로 좁은 직경(w)을 갖도록 형성된다. 즉, 넓은 측은 유속이 느리고, 좁은 측은 유속이 빠르게 진행됨에 따라 일정한 압력을 유지하게 된다.

더욱이, 블레이드의 내부 압력은 상기 순환관에 의해 전열되는 열에 의해 외부 압력보다 높게 형성됨에 따라 블레이드의 끝단에 형성된 드레인 홀에 온풍이 빠져나가면서 기존의 whistling 현상 또한 감쇄시킬 수 있는 조건도 가진다.

또, 순환관은 블레이드의 내측면에 용접이나 브래킷 등에 의해 고정될 수 있음은 물론 공지된 어떻한 고정방식을 사용하여도 무방하다.

한편, 고온의 열원이 순환되는 순환관은 그 고온의 열원이 순환되는 과정에서 더욱더 효율적으로 열교환되면서 방출 효율성을 극대화할 수 있도록 한다.

다시 말해서, 순환관(30)은 도 4에 도시된 바와 같이 내측면 또는 외측면의 길이 방향으로 복수의 핀(42)이 돌출되게 형성되는 열교환 핀부(40)를 더 포함한다. 이때, 상기 열교환 핀부의 각 핀은 순환관을 공지된 방식에 의해 압출시 일체로 형성할 수 있음은 물론 별도로 용접이나 공지된 결합방식에 의해 형성하여도 무방하다.

그에 따라 순환관 내부로 순환되는 고온의 열원은 그 순환관의 내측면 또는 외측면에 형성되는 열교환 핀부에 의해 더욱더 신속하게 열교환됨으로써, 순환관을 통하여 방열 효율성을 극대화할 수 있게 된다.

그로 인해 순환관으로부터 방열되는 열은 블레이드로 신속하게 전달됨으로써, 블레이드가 결빙되는 것을 최소화할 수 있는 조건을 가지게 된다.

10 : 공급수단 12 : 공급공
20 : 유입공 20A : 배기공
30 : 순환관 40 : 열교환 핀부
42 : 핀 100 : 풍력발전기
110 : 너셀 112 : 로테이팅 유니온 하우징
114 : 로테이팅 유니온 120 : 허브
130 : 블레이드

Claims (5)

1. 풍력발전기의 너셀 선단에서 회전되는 허브에 장착되는 블레이드의 결빙을 방지하기 위한 장치로서,
   상기 너셀의 로테이팅 유니온 하우징에 로테이팅 유니온이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 허브 측으로 공급되도록 구비되는 공급수단;
   상기 허브에 고온의 열원이 각 블레이드의 내부로 유입되어 순환된 후 배출되도록 마련되는 각각의 유입공과 배기공; 및
   상기 블레이드의 내부에 상기 유입공으로 유입된 고온의 열원이 블레이드의 내부로 순환되면서 결빙을 방지한 후 상기 배기공을 통하여 너셀로 배기되도록 마련되는 순환관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공급수단은 로테이팅 유니온이 회전되면서 발생되는 고온의 열원이 허브 측으로 공급되도록 마련되는 복수의 공급공으로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 순환관은 유입공으로부터 블레이드의 바람이 처음 접하는 리딩부의 내부 측에서 블레이드의 끝단을 거쳐 바람이 통과되는 블레이드의 내부 후단을 통하여 배기공 측으로 연결되게 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 순환관은 고온의 열원이 일정한 압력을 유지하여 순환되도록 유입공 및 배기공 측의 직경은 넓고 블레이드의 끝단 측은 점차적으로 좁은 직경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 순환관의 내측면 또는 외측면의 길이 방향으로 복수의 핀이 돌출되게 형성되는 열교환 핀부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드의 결빙 방지장치.
   

Images