KR20170022485A - 결빙 제거장치가 구비된 블레이드 - Google Patents

Abstract

블레이드의 상태(condition)를 감시하여, 결빙 검출시 진동 박판(Vibration membrane or plate)을 이용하여 결빙을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 결빙 제거장치가 구비된 블레이드에 관한 것으로서, 블레이드 표면의 결빙을 감지하고, 결빙 감지 시 진동 박판 구동신호를 발생하는 결빙 감지부; 상기 결빙 감지부에 의해 발생한 진동 박판 구동신호에 의해 진동을 발생하는 진동 발생기; 및 상기 진동 발생기의 진동에 연동하여 진동으로 블레이드 표면의 결빙을 제거하는 결빙 제거기를 포함하여, 결빙 제거장치가 구비된 블레이드를 구현한다.

Description

결빙 제거장치가 구비된 블레이드{Blade with de-icing device}

본 발명은 결빙 제거장치가 구비된 블레이드(blade)에 관한 것으로, 특히 블레이드의 상태(condition)를 감시하여, 결빙 검출시 진동 박판(Vibration membrane or plate)을 이용하여 결빙을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 결빙 제거장치가 구비된 블레이드에 관한 것이다.

블레이드가 구비된 풍력발전기는 바람의 질적 수준이 만족하는 지역에 설치되며, 용도에 따라 육상 혹은 해상에 설치된다.

바람의 연평균 풍속 및 주변 환경 조건에 따라 설계 조건이 정해지며, 지역에 따라 결빙 등급(ice-class)을 적용하여, 블레이드 표면이 결빙되는 것을 고려한 설계를 수행한다.

결빙 현상은 특정 블레이드의 무게를 증가시켜 불균형(imbalance) 요소를 증가시키고, 팁(Tip) 부분의 표면 변형으로 공력성능 저하를 일으킨다. 또한, 심한 경우 블레이드의 brake off를 일으키는 경우도 있다.

이러한 문제를 방지하기 위해서 블레이드의 결빙을 제거 또는 방지하기 위한 다양한 기술이 제안되고 있다. 종래 제안 기술의 일환으로, 블레이드의 내부 소정 위치에 열선 또는 발열체를 설치하고, 풍력발전기의 내부 전력을 이용하여 결빙을 제거하는 방법도 제안되었으나, 이 방식은 블레이드의 전체 하중을 증가시켜 결과적으로 풍력발전기의 효율을 저하하는 문제를 유발하였다.

한편, 블레이드의 결빙을 제거하거나 방지하기 위한 또 다른 종래기술이 하기의 <특허문헌 1 > 및 <특허문헌 2> 에 개시되었다.

<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 밸러스트 탱크, 밸러스트 탱크 내 수중에 위치한 압전소자를 포함하고, 밸러스트 탱크 내 수중으로 초음파를 발진시키는 초음파 발생부, 밸러스트 탱크 내 수면 높이에 따라 압전소자의 높이를 조절하는 압전소자 높이 조절부를 포함한다. 이렇게 구성된 <특허문헌 1> 은 초음파를 이용한 결빙 방지 기능을 갖는 밸러스팅 장치를 제공한다.

<특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 블레이드의 온도를 감지하는 온도감지부, 블레이드의 온도에 따라 블레이드 내부에 고온의 공기로 형성된 열원 공급을 제어하는 온도제어부, 온도제어부의 제어신호에 따라 상기 열원을 블레이드 내부에 공급하는 송풍장치를 포함하고, 풍력발전기 내부에서 발생하는 열을 블레이드 결빙을 방지하는 열원으로 이용하여, 발전기용 블레이드의 결빙을 방지한다.

대한민국 등록특허 10-1298126호(2013.08.13. 등록) 대한민국 공개특허 10-2012-0066382호(2012.06.22. 공개)

그러나 상기와 같은 종래기술 중 <특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 압전 소자, 초음파 발생부 및 부유 체를 포함하는 압전소자 높이 조절부와 같은 다수의 부가 장치를 이용하므로, 결빙 제거를 위한 장치의 구성이 복잡하고 장치 구현 비용이 많이 소요되는 단점이 있다. 특히, <특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 밸러스트 탱크 내의 물 결빙을 방지하는 기술이므로, 이를 채택하여 풍력발전기의 블레이드 결빙을 제거하거나 방지하기 위한 기술로 적용하기에는 어려움이 있다.

또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 온도 감지센서, 온도제어장치, 송풍장치 및 열원 등이 필요하므로, 이 또한 블레이드의 결빙을 방지하기 위한 다수의 장치 구현으로 복잡하고, 원가가 많이 소요되는 단점이 있다. 특히, 풍력발전기의 열원을 이용하므로 열원을 블레이드까지 공급하기 위한 별도의 열원 공급 관 또는 열원 공급 경로를 형성해야 하므로, 전체적인 구조가 복잡해지는 번거로운 단점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 블레이드의 상태를 감시하여, 결빙 검출시 진동 박판(Vibration membrane or plate)을 이용하여 결빙을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 결빙 제거장치가 구비된 블레이드를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 블레이드 표면에 진동 박판을 마련하고, 결빙이 감지되면 진동 박판을 진동시켜 결빙을 제거하도록 한 결빙 제거장치가 구비된 블레이드를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드는 블레이드 표면의 결빙을 감지하고, 결빙 감지 시 진동 박판 구동신호를 발생하는 결빙 감지부; 상기 결빙 감지부에 의해 발생한 진동 박판 구동신호에 의해 진동을 발생하는 진동 발생기; 상기 진동 발생기의 진동에 연동하여 블레이드 표면의 결빙을 제거하는 결빙 제거기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 결빙 감지부는 블레이드의 팁(Tip) 부분에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 결빙 감지부는 블레이드 표면의 변형을 감지하는 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 진동 발생기는 압전 소자로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 압전 소자는 적어도 1개 이상 구비된 것을 특징으로 한다.

상기에서 결빙 제거기는 진동을 통해 블레이드 표면의 결빙을 제거하는 진동 박판으로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 결빙 제거기는 블레이드의 전단부(Leading edge)에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 결빙 제거기는 블레이드의 표면에 설치되며, 블레이드 표면과 동일평면상에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 결빙 감지부는 결빙이 감지되지 않으면 진동 박판 정지신호를 발생하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드는 상기 결빙 감지부에서 발생한 진동 박판 구동신호 또는 진동 박판 정지신호를 상기 진동 발생기에 전달하기 위한 신호 전송 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 블레이드의 상태를 감시하여, 결빙 검출시 진동 박판(Vibration membrane or plate)을 이용하여 결빙을 효과적으로 제거할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 기존과 같이 복잡한 장치를 이용하지 않으면서 간단한 구조로 블레이드 표면의 결빙을 제거할 수 있으므로, 결빙 제거 장치의 구조를 단순화하면서도 설치 비용을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 블레이드 자체적으로 결빙을 제거할 수 있으므로, 터빈의 유지관리 비용 및 시간을 절감할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드의 단면도,
도 2는 본 발명에 적용된 결빙 제거장치의 실시 예 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드의 단면도이고, 도 2는 본 발명에 적용된 결빙 제거장치의 실시 예 구성도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드(10)는 블레이드 표면(20)의 결빙을 제거하기 위한 진동 박판으로 이루어진 결빙 제거기(40)가 블레이드(10)의 소정 위치에 설치된다.

바람직하게 결빙 제거기(40)는 블레이드(10)의 전단부(Leading edge)에 설치된다. 통상, 블레이드(10)는 out-board, Mid-board 및 In-board와 같은 3부분으로 대별되며, out-board의 맨 끝 부분을 팁(Tip)(11)이라고 한다. 여기서 블레이드(10)의 에어 포일은 전단부(Leading edge)와 후단부(Trailing)를 잇는 시위선(Chord)을 기준으로 상측과 하측으로 볼록한 윗면과 아랫면을 가진다.

아울러 진동 박판으로 형성되는 결빙 제거기(40)는 블레이드(10)의 표면에 설치되는 데, 이때 블레이드 표면(20)과 동일평면상에 설치되는 것이 바람직하다. 이렇게 결빙 제거기(40)를 구현함으로써, 결빙 제거기(40)가 저항으로 작용하여 풍력 발전의 효율을 저하시키는 것을 방지한다.

결빙 제거기(40)를 블레이드(10)의 표면에 설치하는 방법은, 블레이드(10)의 표면에 약간의 홈을 파고, 그 홈 안에 결빙 제거기(40)인 진동 박판을 삽입하고, 본딩 등을 이용하여 설치하는 것이 가능하다. 여기서 진동 박판의 설치시 진동할 수 있도록 설치하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로, 현재 사용중인 블레이드 표면(20)에 진동 박판을 그대로 부착하는 방식으로 설치하는 방법도 가능하다. 진동 소자인 압전소자나 스트레인 게이지를 소형으로 구현할 수 있으므로, 이를 블레이드에 그냥 부착하여도 블레이드에는 거의 영향을 주지 않는다.

진동 박판의 후면의 팁(11) 부분에는 블레이드 표면(20)의 결빙을 감지하고, 결빙 감지 시 진동 박판 구동신호를 발생하며, 결빙이 감지되지 않으면 진동 박판 정지신호를 발생하는 결빙 감지부(31)가 설치된다. 여기서 결빙 감지부(31)는 블레이드 표면(20)의 변형을 감지하는 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하는 것이 바람직하다. 스트레인 게이지는 통상 물체의 표면에 설치되어, 물체가 외력에 의해 변형될 때 변형을 측정하는 장치이다. 변형을 받으면 길이가 증가하여 단면적이 감소되어 전기저항이 증가하며, 그 증가분을 측정하는 것을 이용하여 변형을 측정한다.

아울러 진동 박판의 후면의 전단부에는 상기 결빙 감지부(31)에 의해 발생한 진동 박판 구동신호에 의해 진동을 발생하는 진동 발생기(32, 33, 34, 35)가 구비된다. 도 2에서는 진동 발생기를 4개 도시하였으나, 이것은 설명의 편의를 위해 도시한 예시이며, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고 진동 발생기의 개수는 블레이드의 크기에 따라 적당하게 설치하는 것이 바람직하다. 진동 발생기(32, 33, 34, 35)는 다양한 진동 발생 장치를 이용할 수 있으며, 본 발명에서는 압전 소자를 실시 예로 설명한다.

결빙 감지부(31)와 복수의 진동 발생기(32, 33, 34, 35) 간에는 진동 박판 구동신호 또는 진동 박판 정지 신호를 전송할 수 있는 신호 전송 부재(36)를 매개로 신호가 전송된다. 신호 전송 부재(36)는 알려진 다양한 신호 전송 장치(예를 들어, 전기선)를 이용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 결빙 제거장치가 구비된 블레이드(10)의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 진동 박판의 후면의 팁(11) 부분에 설치된 결빙 감지부(31)는 스트레인 게이지와 같은 변형 감지 장치를 이용하여, 블레이드 표면(20)의 결빙을 감지한다. 여기서 블레이드 표면(20)에 결빙이 존재하지 않으면 진동 박판으로 이루어진 결빙 제거기(40)를 정지시키기 위한 진동 박판 정지신호를 발생한다. 실제로 진동 박판 정지신호는 진동 박판 구동신호를 발생하지 않는 것과 같이 어떠한 신호도 출력하지 않음으로써, 진동 박판 정지신호를 구현할 수 있다.

진동 박판 정지신호가 발생하면, 신호 전송 부재(36)를 통해 진동 박판 정지신호가 각각의 진동 발생기(32, 33, 34, 35)에 전달된다. 이때 각각의 진동 발생기(32, 33, 34, 35)는 전달되는 신호가 진동 박판 정지신호이므로, 어떠한 동작도 하지 않게 된다. 이에 따라 진동 박판도 동작을 하지 않게 된다.

이와는 달리 블레이드 표면(20)에 결빙이 발생하면, 결빙 감지부(31)는 스트레인 게이지를 이용하여 결빙을 감지한다. 실제 블레이드(10)에 결빙이 발생하면 해당 부분에 무게를 증가시킨다. 이렇게 증가하는 무게는 결과적으로 외력으로 작용하여 해당 표면의 길이 증가, 단면적 감소와 같은 변형을 유발한다. 스트레인 게이지는 이렇게 변형되는 것을 결빙으로 감지한다. 결빙 감지부(31)는 결빙을 감지하면, 그에 대응하여 결빙을 제거하기 위한 진동 박판 구동신호를 발생한다.

발생한 진동 박판 구동신호는 전기선과 같은 매개물로 이루어진 신호 전송 부재(36)를 통해 연결된 진동 발생기(32, 33, 34, 35)에 전달된다.

진동 발생기(32, 33, 34, 35)는 전달되는 진동 박판 구동신호에 따라 동작을 하여 진동을 발생한다. 여기서 진동 발생기는 압전 소자로 구현된다. 따라서 입력되는 진동 박판 구동신호를 동작 제어신호로 입력받아, 동작을 하여 진동을 발생하게 된다. 진동 발생기의 개수가 많으면 많을수록 진동 박판에 전달되는 진동이 커지나, 이럴 경우 설치 비용도 많이 소요되고, 이로 인해 블레이드의 무게도 증가시킬 우려가 있다. 따라서 진동 발생기인 압전 소자는 블레이드의 크기 등을 고려하여 적절한 개수로 설치하는 것이 바람직하다.

각각의 진동 발생기(32, 33, 34, 35)가 동작을 하면, 진동 발생기에 접촉된 진동 박판으로 이루어진 결빙 제거기(40)가 인가된 진동에 따라 진동을 하게 된다. 여기서 진동 발생기는 실제 작은 압전 소자로 구현되나, 압전 소자에서 발생하는 진동이 결빙 제거기(40)인 진동 박판에 의해 유도되어, 더욱 큰 진동을 발생한다.

여기서 주지한 바와 같이, 결빙 제거기(40)는 블레이드(10)의 전단부(Leading edge)에 설치되며, 진동을 발생하여 블레이드(10)의 전단부에 발생한 결빙을 제거하게 된다. 여기서 블레이드의 전단부는 전체 블레이드의 길이 대비 팁(11)에서부터 1/3되는 지점까지의 부분을 말한다. 일반적으로 극한 지방에서 풍력발전기로 발전을 하는 경우, 대부분 블레이드의 전단부에 결빙이 발생한다. 압전 소자를 이용한 진동 박판의 동작 원리는 진동 분야에 이미 잘 알려진 기술 내용이므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

결빙 제거기(40)의 동작에 의해 블레이드(10)의 전단부에 발생한 결빙이 제거되면, 결빙 감지부(31)에서 결빙이 감지되지 않는다. 결빙이 감지되지 않으면 결빙 감지부(31)는 즉시 진동 박판 정지 신호를 발생한다. 실제 진동 박판 구동신호를 오프시킨다.

결빙 감지부(31)로부터 진동 박판 정지신호가 발생하면, 그에 연결된 진동 발생기(32, 33, 34, 35)도 모두 오프되어 진동을 발생하지 않게 된다.

진동 발생기(32, 33, 34, 35)가 오프되면, 그에 접촉된 결빙 제거기(40)인 진동 박판에도 진동이 유도(전달)되지 않아, 결빙 제거기(40)도 진동 발생을 멈추게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 블레이드에서 발생하는 결빙을 제거하는 기술에 적용된다.

10: 블레이드
11: 팁(Tip)
20: 블레이드 표면
31: 결빙 감지부
32, 33, 34, 35: 진동 발생기
36: 신호 전송 부재
40: 결빙 제거기

Claims (10)

1. 블레이드 표면의 결빙을 감지하고, 결빙 감지 시 진동 박판 구동신호를 발생하는 결빙 감지부;
   상기 결빙 감지부에 의해 발생한 진동 박판 구동신호에 의해 진동을 발생하는 진동 발생기; 및
   상기 진동 발생기의 진동에 연동하여 진동으로 블레이드 표면의 결빙을 제거하는 결빙 제거기를 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
2. 청구항 1에서, 상기 결빙 감지부는 블레이드의 팁(Tip) 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
3. 청구항 2에서, 상기 결빙 감지부는 블레이드 표면의 변형을 감지하는 스트레인 게이지(strain gauge)를 이용하는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
4. 청구항 1에서, 상기 진동 발생기는 압전 소자로 구현되는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
5. 청구항 4에서, 상기 압전 소자는 적어도 1개 이상 구비된 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
6. 청구항 1에서, 상기 결빙 제거기는 진동을 통해 블레이드 표면의 결빙을 제거하는 진동 박판으로 구현되는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
7. 청구항 6에서, 상기 결빙 제거기는 블레이드의 전단부(Leading edge)에 설치되는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
8. 청구항 1 또는 청구항 6 또는 청구항 7에서, 상기 결빙 제거기는 블레이드의 표면에 설치되며, 블레이드 표면과 동일평면상에 설치되는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
9. 청구항 1에서, 상기 결빙 감지부는 결빙이 감지되지 않으면 진동 박판 정지 신호를 발생하는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
   
10. 청구항 1에서, 상기 결빙 감지부에서 발생한 진동 박판 구동신호 또는 진동 박판 정지신호를 상기 진동 발생기에 전달하기 위한 신호 전송 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 결빙 제거장치가 구비된 블레이드.
    
    
    
    

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