KR20180049008A - 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법 - Google Patents

고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 낮은 풍속과 중간 풍속에서 풍력 에너지의 최적의 추출을 위하여 적절한 영각을 찾는 것을 목적으로 하는 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법을 상세히 설명하며, 이 방법은 블레이드 길이 및 폭, 고정 회전 속도, 정격 풍속, 시동 속도 및 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도 그리고 낭비된 전력과의 관계를 포함하는, 터빈의 기본적인 매개 변수를 한정하는 1 단계, 일련의 영각들이 계산되어 풍력 터빈 블레이드의 전체적인 최적 영각을 형성할 수 있다는 점에 근거하여 풍속을 한정하는 2 단계 및 터빈 블레이드를 제어하는 가장 효과적인 방법을 제시하기 위하여 필요한 물리적 매개 변수를 계산하는 3 단계의 3개의 단계를 포함하며, 본 발명은 고정 속도 풍력 터빈의 제조에 적용 가능하며, 풍력 발전 비용을 다른 종래의 에너지원의 발전 비용만큼 낮게 만든다.

Description

고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법
본 발명은 풍력 에너지를 이용하기 위한 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 제조를 제공한다.
오늘날 풍력에서 에너지를 추출하는 것은 전적으로 가변 속도 풍력 터빈에 기반을 두고 있다. 고정 속도 풍력 터빈은 실험 단계까지만 이르렀으며 이의 제한된 출력 이를 그리고 작동시키기 위하여 요구되는 매우 높은 풍속으로 인하여 아직 상업적으로 사용할 수 없다. 더욱이 풍속이 낮은 수준으로 감소함에 따라 이 터빈은 배전망에서 너무 많은 에너지를 소비하며, 이는 전력망 차단으로 이어질 수도 있다.
1911년 4월 6일자 GB 191916385 및 1911년 8월 3일자 GB 191028025뿐만 아니라 2012년 9월 27일에 공개된 US 2012242084의 특허문헌은 프레임-지지 풍력 터빈 블레이드의 제조를 제시하였으며, 이 블레이드의 표면은 풍력 에너지의 효과적인 이용을 가능하게 하는 블레이드의 얇은 후면일뿐만 아니라 접히거나 펼쳐질 수 있는 얇은 플레이트이다. 그러나 위의 특허문헌은 정격 속도보다 낮은 풍속에 대응하여 영각(attack angle)을 조정하는 방법뿐만 아니라 영각이 블레이드의 길이를 따라 어떻게 분포되어야 하는지에 대해서는 지적하지 않았다.
특허문헌 US 2012242084에서는 각 블레이드가 그의 길이 방향 축 상에서 2 내지 10도 회전된다는 것을 설명하였다는 사실을 고려하면, 이 문헌 또한 영각을 조정하는 어떠한 규칙도 게시하지 않았다. 따라서 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 제조에 이 발명을 사용한다는 것은 정격 속도 이하의 풍속에서 터빈 블레이드를 제어할 방법이 없기 때문에 풍력 터빈이 경제 및 기술적 지표에 미치지 못한다는 것을 의미한다. 예를 들어, 풍력 터빈이 고정 속도로 작동하고 있고 풍속이 정격 속도 아래로 떨어질 때 영각이 증가하지 않는다면 문제가 될 수 있다.
풍역학 분야의 오해의 소지가 있는 발명은 1919 년에 Albert Betz가 PTB=½ρA0v3CP와 같은 블레이드식 풍력 터빈의 전력을 계산하기 위한 방정식을 공개했을 때였다. 여기서, ρ는 공기 밀도; A0은 블레이드의 동면적(swept area); v 는 풍속; 그리고 Cp는 전력 계수이다. 이 식은 풍력 터빈 기술을 블레이드의 동면적(A0)을 증가시키는 방향(즉, 블레이드 길이를 증가)으로 유도하는 반면에, 풍력 터빈의 회전 속도뿐만 아니라 영각, 블레이드 면적 및 형상과 같은 블레이드의 다른 중요한 물리적 요소를 간과하고 있다. 결과적으로, 풍력 터빈 블레이드는 바람 속에서 날아가는 물체로 광범위하게 간주되며, 이는 터빈 블레이드가 모두 블레이드의 이동을 지원하는 공기역학적 에어 포일로 설계된다는 사실로 이어진다. 본 발명의 발명자는 위의 식이 Albert Betz가 바람에 작용하는 풍력 터빈의 힘 계산에 뉴턴의 제 2 법칙: F=ma (여기서 m은 바람의 질량이며, a는 바람의 가속도이다)을 적용한 것에 기인하였다는 것을 알게 되었다. 실제로, 공기 질량에 힘을 가하는 것은 불가능하며, 더 중요한 것은 뉴턴의 제2 법칙은 입자 동역학에 관한 것이다. 본 발명과 관련된 문헌은 https://Youtu.be/HTaAJQPkrpO의 유튜브 상에서 영어와 베트남어로 공개적으로 공유되고 있다.
Betz의 법칙에 근거하여 제조된 블레이드식 풍력 터빈은 공기 역학적 에어포일(airfoil)을 갖는 블레이드를 갖고 있다. 1982년 7월 13일자 미국특허 제4,339,230호는 에어 포일 형상의 상부 표면과 에어 포일 형상의 하부 표면 모두를 갖는 블레이드 설계를 상세히 기술하고 있지만, 영각에 대한 규칙 또는 전력 감소를 방지하기 위하여 블레이드 폭이 블레이드 팁을 향하여 감소되어야 하는지 여부에 대한 암시가 없다. 더욱이, 풍력 터빈의 회전 속도는 풍속에 좌우되기 때문에 발생된 에너지가 배전망으로 직접 공급될 수 있는 고정 속도 풍력 터빈을 생산하는 것은 비실용적이다.
이러한 문제는 풍력 터빈의 출력에 한계를 부여하였으며 풍력 터빈 제조 및 풍력 발전의 매우 높은 비용을 야기하였고, 이는 풍력이 인류를 위한 주요 전력원으로부터 멀어지게 하였다.
정확한 관점은 공기 흐름의 방해물로서의 풍력 터빈 블레이드의 견해일 것이며, 매우 짧은 블레이드 세그먼트의 블레이드 표면은 평탄한 것으로 고려되어야 한다. 뿐만 아니라, 트러스(truss) 시스템이 사용되어 블레이드의 강도를 향상시키고 바람에 미치는 영향을 최소화하여야 한다. 사실, 풍력 터빈 블레이드는 두 종류의 풍력을 받으며, 그 중 하나는 블레이드 표면과의 이동하는 공기 입자의 충돌에 의하여 야기되며, 다른 하나는 블레이드의 후면 상에서의 압력 강하에 의하여 야기된다. 이 힘은 2개의 성분으로 분해되며, 하나는 터빈을 회전시키지 않고 아래로 불어대는 터빈의 샤프트에 평행한 성분이며, 다른 하나는 터빈을 회전시키기 위한 일을 생성하도록 유용한 블레이드 세그먼트의 회전 궤도에 접하는 성분이다. 본 발명의 발명자는 또한 다음과 같이 표현되는 풍력 터빈 전력 계산을 위한 함수를 발명하였다.
Figure pct00001
이 조건 하에서; 0<α1< 90° 및 (kiv-diωicotα1)>0 이다.
여기서 PTB(w)는 풍력 터빈 전력, ρ는 공기 밀도, Sc는 블레이드 세그먼트(i)의 면적, v(m/s)는 바람장의 속도, α(00)는 블레이드와 바람 방향 간의 경사 각도, ki는 블레이드 세그먼트(i)와의 충돌 전의 풍속의 감쇠 계수, di(m)은 블레이드 세그먼트(i)에서 터빈 샤프트까지의 거리, ωi(rad/s)는 터빈 각속도, α는 터빈 블레이드의 개수, j는 블레이드의 흡수 계수, Cx는 블레이드의 후면의 형상에 관한 종속 계수로서, 후면이 편평하다면 1.32의 최고값을 가질 것이다. Po는 베어링의 기어박스, 발전기 및 베어링의 마찰의 손실, Cp는 변압될 때 전력 손실 계수로서, 발전기가 배전망에 직접적으로 연결된다면 이는 무시된다.
본 발명은 또한 https://Youtu.be/mWxlRlurApO의 유튜브 상에서 영어와 베트남어로 공개적으로 공유되고 있다.
풍력 터빈 전력 계산을 위한 함수는 풍속, 터빈의 회전 속도, 블레이드 면적 및 블레이드 표면의 각 위치에서의 대응하는 영각과 같은 인자에 근거하여, 얇은 플레이트 형태의 블레이드 표면 그리고 평편한 것으로 간주되기에 충분하게 짧은 블레이드 세그먼트를 갖는 풍력 터빈의 전력의 비교적 정확한 계산을 가능하게 한다. 결과적으로, 풍력 발전의 개발을 위하여 최적의 기술적 특징을 가진 풍력 터빈 블레이드를 설계하는 것이 실현 가능하다.
특허문헌 PCT/VN2015/000007(우선일: 2014년 7월 14일, 출원일: 2015년 7월 10일, 국제공개일: 2016년 1월 21일; WO 특허공개 번호: 2016/011462)는 트러스-지지된 구조와 비틀린 표면을 갖는 풍력 터빈 블레이드의 제조를 상세하게 설명하며, 이는 풍력 에너지를 사용하는 과정에서 공기 흐름의 방해물로서의 풍력 터빈 블레이드의 관점과 일치한다. 특허문헌 PCT/VN2015/000007 내의 풍력 터빈 블레이드 설계는 풍력 터빈 전력 계산을 위한 함수를 이용하여 정격 풍속과 풍력 터빈의 최고 회전 속도에 대응하는 블레이드 길이를 따라 블레이드 표면의 각 위치에서의 최적의 영각을 결정한다. 일련의 이 영각은 터빈 블레이드를 위한 전체적인 최적 영각을 한정하기 위하여 사용되며, 이는 정격 풍속에서의 각도이다.
터빈 블레이드에 대한 영각을 한정하기 위한 특허문헌 PCT/VN2015/000007 내에서의 정격 풍속의 결정은 가변 속도 풍력 터빈에만 적용 가능하다. 풍속이 점차적으로 감소함에 따라 터빈의 회전 속도도 감소할 것이며, 이 풍속에서 결정된 영각 때문에 블레이드의 적절한 영각은 터빈이 그의 최대 출력과 비슷한 출력을 얻게 할 수 있을 것이다. 고정 속도 풍력 터빈을 위하여, 풍속이 낮을수록 이 풍속에서 결정된 영각 때문에 최대 출력과 비교하여 터빈 출력은 작아진다. 그러므로 시동 속도 그리고 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도는 상대적으로 높을 것이며, 중간 풍속과 낮은 풍속에서의 터빈 출력은 상당한 정도 감소할 것이다. 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도에서의 계산에 근거하여, 풍력 터빈 출력은 이 풍속에서 결정된 영각 때문에 최대 출력의 30 내지 40%이다. 풍속이 정격 값 바로 아래이면 터빈 출력의 감소는 무시해도 될 정도이다. 더 중요한 것은, 이 시점에서 풍력 터빈 출력이 이미 매우 높기 때문에, 더 이상의 감소도 배전망의 출력에 현저한 영향을 미치지 않는다.
그러나 특허문헌 PCT/VN2015/000007 내에서의 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각의 제어는 충분히 명확하지도 그리고 구체적이지 않다. 블레이드 팁에서의 영각이 약 89°로 조정되는 것은 블레이드 팁이 저속일 경우에 만족스럽지 않을 것이다. 더욱이, 고정 속도 풍력 터빈에 대한 기본적인 매개 변수의 결정은 설계 과정을 용이하게 하기 위해 상세히 열거되지 않았다.
고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법으로 명명된 본 발명은, 표면으로서 얇은 플레이트를 가지며 평평한 것으로 간주되기에 충분히 짧은 블레이드 세그먼트로 구성된 풍력 터빈 블레이드에 적용되며, 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도에서 정격 속도까지의 속도 범위가 저속, 중속, 고속으로 구분되는 경우에 낮은 풍속과 중간 풍속에서 풍력 에너지를 효과적으로 이용하기 위하여 풍력 터빈 블레이드의 적절한 영각을 확립하는 것을 목적으로 한다. 터빈 블레이드의 설계된 영각은 고정되어 있다. 그러나 터빈이 그의 최대 출력을 얻는 각 특정 풍속에 대해 최상의 영각이 항상 존재한다. 따라서 어떤 풍속에서 최대 출력을 얻기 위해 영각을 변경하거나 조정할 수 없기 때문에 낮은 풍속과 중간 풍속에서 최적의 출력을 생성하기 위해 영각을 제어하는 것이 필요하다. 블레이드가 낮은 풍속에서 중간 풍속에 대응하는 영각을 갖고 설계되면 블레이드의 영각은 최적 각도와 크게 다르지 않을 것이며 최대 출력보다 단지 약간 낮은 출력을 야기한다. 이는 낮은 풍속과 중간 풍속에서 최적의 출력을 달성하면서 낮은 풍속에서 정지 및 재가동할 수 있는 고정 속도 풍력 터빈의 제조를 가능하게 한다. 높은 풍속에서의 터빈 출력이 최대 출력에서 크게 떨어지더라도, 그러한 시점에서의 출력은 그럼에도 매우 높으며 따라서 전력망에 현저한 영향을 미치지 않는다.
상기 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 "고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법"은 낮은 풍속과 중간 풍속에서의 최상의 풍력 에너지 추출을 위한 최적의 영각을 갖는 블레이드를 제조하는 3개의 단계를 상세히 설명한다.
제1 단계는 블레이드 길이, 블레이드 폭, 터빈의 고정 속도, 정격 풍속, 시동 속도 및 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도뿐만 아니라 낭비된 전력과의 관계를 포함하는 풍력 터빈의 기본적인 매개 변수를 한정한다.
제2 단계는 일련의 영각들이 계산되어 블레이드의 전체적인 최적 영각을 형성할 수 있다는 점에 근거하여 영각을 결정하기 위하여 풍속을 선택한다.
제3 단계는 블레이드를 제어하는 것이며, 이는 낮은 범위와 중간 범위 사이의 풍속에 대응하여 영각을 조정한다.
블레이드의 적절한 영각 그리고 다른 풍속에 대응하여 영각을 제어하는 방법은 풍력 터빈이 낮은 풍속과 중간 풍속에서 최적의 출력을 달성하는데 도움을 준다. 결과적으로, 풍력 에너지 생산을 위하여 저비용으로 고정 속도 풍력 터빈을 생산할 수 있을 뿐 아니라 더 우수한 성능, 더 높은 출력 그리고 더 낮은 풍력 비용을 위하여 가변 속도 풍력 터빈을 고정 속도 풍력 터빈으로 변환하는 것이 가능하다.
도 1은 6개의 트러스-지지 및 비틀어진 블레이드를 갖는 고정 속도 풍력 터빈의 전체적인 도면으로서, 3개의 블레이드는 다른 블레이드보다 짧고, 블레이드는 신축 가능한 표면을 갖고 있으며 블레이드 팁으로부터 지상 약 15미터에 마련된 ㄷ도면이다.
고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법은 표면으로서 얇은 플레이트를 가지며 평평한 것으로 간주되기에 충분히 짧은 블레이드 세그먼트로 구성된 풍력 터빈 블레이드에 적용되며, 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도에서 정격 속도까지의 속도 범위가 저속, 중속, 고속으로 구분되는 경우에 낮은 풍속과 중간 풍속에서 풍력 에너지를 효과적으로 이용하기 위하여 풍력 터빈 블레이드의 적절한 영각을 확정한다. 이는 낮은 풍속과 중간 풍속에서 최적의 출력을 달성하는 반면에 낮은 풍속에서 정지 및 재가동할 수 있는 고정 속도 풍력 터빈의 제조를 가능하게 한다. 본 발명은 다음과 같은 3단계를 상세히 설명한다.
제1 단계는 블레이드 팁에서의 100 내지 200km/h의 선형 속도의 선택을 포함하는 터빈의 기본 매개 변수를 한정한다. 이러한 높은 선형 속도는 소음 감소 및 블레이드 영각의 더 나은 제어를 목적으로 한다. 300km/h까지의 선형 속도가 가능g하지만, 터빈에 의하여 발생된 소음은 낮은 풍속에서도 중요할 수 있으며 블레이드 영각의 제어는 비효율적일 것이다. 터빈의 고정 속도가 또한 한정될 수 있으며, 이것과 블레이드 팁에서의 선형 속도에 근거하여 블레이드 길이가 계산될 것이다. 그렇지 않으면 블레이드 길이와 블레이드 팁에서의 선형 속도에 근거하여 터빈의 고정 속도가 계산될 수 있도록 블레이드 길이가 선택되어야 한다. 이 경우 고정 회전 속도는 블레이드 길이에 반비례한다. 블레이드 표면과 충돌하기 전에 풍속의 감쇠를 최소화하기 위해 블레이드 폭은 블레이드 길이의 10%보다 작아야 하며 6m를 초과해서는 안된다. 폭이 6m 미만인 블레이드는 상업용 롤링 도어(rolling door)를 만들기 위하여 사용된 금속 시트와 잘 어울릴 수 있기 때문에 풍력 터빈의 제조 및 설치를 용이할 것이다. 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도는 터빈이 낭비된 전력, 즉 블레이드가 회전함에 따라 기어 박스, 발전기 및 장애물(drag)의 마찰로 인하여 소비된 에너지의 양보다 20% 높은 출력을 생성하는 속도로 한정된다. 이것은 강제로 정지하기 전에 터빈이 배전망으로부터 에너지를 소비하지 않는 것을 확실히 하기 위한 것이다. 시동 속도는 터빈 출력이 낭비된 전력보다 3 내지 4배 더 크게 되는 속도로 한정되어야 한다. 이는 시동 속도 그리고 터빈이 강제로 정지하는 최저 속도가 1~1.5m/s 밖에 차이가 안나는 것을 의미하며, 따라서 시동 속도보다 약간 낮은 풍속에서 풍력 터빈이 너무 자주 재가동되어야 하는 것을 방지한다. 정격 속도는 터빈이 최대 또는 정격 출력에 도달하는 최소 풍속으로서 한정되어야 한다. 바람이 강한 지역에서는 풍속이 일반적으로 보퍼트 풍력 계급(Beaufort scale)의 5 내지 6 등급, 즉 지상 10m에서 측정된 8 내지 13.8m/s이기 때문에 기존의 정격 풍속은 약 16m/s이다. 이는 지상 40m에서의 풍속이 11 내지 18m/s의 범위일 것임을 의미하며, 이는 수시로 풍력 터빈의 높은 출력을 보장한다.
제2 단계는 블레이드의 영각을 결정하기 위하여 풍속(v)을 한정한다. 풍력 전원 계산을 위한 함수가 블레이드를 따르는 각 위치(i)에서, 회전 중심으로부터의 거리(dt)에서 그리고 터빈의 고정 회전 속도(ωi)에서 블레이드의 일련의 최적 영각(αi)들을 결정하기 위하여 적용될 수 있다는 점에 근거하여, 이 풍속은 낮은 범위에서 중간 범위에 이르러야 한다. 이러한 일련의 각도(αi)들이 블레이드의 전체적인 최적 영각을 결정하기 위하여 이용된다. 블레이드 팁에서의 영각은 "αc"로 칭한다. 임의로 선택된다면, 블레이드 영각을 결정하기 위한 풍속은 블레이드의 제어에 부정적인 영향을 미치고 에너지 출력을 감소시킬 수 있다.
제3 단계는 블레이드를 제어하는 것이다. 구체적으로, 풍속이 블레이드 영각(vc)을 결정하기 위한 풍속에서 터빈이 강제로 정지되는 속도까지 1 단위씩 감소함에 따라, 영각은
Figure pct00002
의 값만큼 증가한다. 풍속이 터빈이 강제로 정지되는 속도에서 정격 속도로 1 단위씩 증가함에 따라, 영각은
Figure pct00003
의 값만큼 낮아진다. 풍속이 터빈이 정격 속도에서 터빈이 강제로 정지되는 속도로 1 단위씩 떨어짐에 따라, 영각은
Figure pct00004
의 값만큼 증가한다.
터빈이 강제로 정지하는 속도와 낭비된 전력에 관한 시동 속도를 결정하기 위해 다른 풍속에서의 풍력 터빈 전력을 도시하는 표가 준비된다. 정격 풍속에서의 정격 출력 또한 결정될 수 있다.
위의 제어 방법이 이용되고 블레이드 영각(vc)을 결정하기 위한 풍속이 낮은 범위와 중간 범위 사이에 있으면, 이러한 풍속에서의 블레이드의 영각과 최대 출력을 위한 최적 영각 사이의 편차는 무시해도 될 정도이다. 66m의 블레이드 길이와 6rpm의 회전 속도를 갖는 풍력 터빈에 적용된 계산은 블레이드 영각과 블레이드 뿌리(root)에서의 최적 각도 사이의 편차가 약 1°임을 보여 주고 있다. 그러나 블레이드 팁에서 영각과 최적 각도 사이의 편차는 무시해도 될 정도이며, 즉 단지 몇 분이다. 따라서 터빈 출력은 최대 값과 비교하여 단지 약간 감소한다. 이는 터빈 전력 곡선을 이용하여 쉽게 검토될 수 있다. 높은 풍속에서의 터빈 출력이 현저하게 낮아질지라도, 전체 시스템의 출력이 이미 높기 때문에 이는 문제가 되지 않으며 이는 배전망(grid)의 첨두 전력을 감소시키는데 적극적인 역할을 한다.
터빈이 강제로 정지되는 최저 속도보다 풍속이 낮으면, 발전기는 배전망에서 분리되어 터빈이 배전망의 에너지를 소모하는 것을 방지한다. 그러면 블레이드 중간 부분에서의 영각이 0°로 내려가는 방식으로 블레이드 영각은 감소되며, 여기서 0°의 영각에서는 제동 시스템으로 인하여 터빈이 속도가 느려지고 그후 정지될 것이다. 풍속이 시동 속도와 동일하거나 이를 초과하자마자 터빈은 재가동된다. 이 시점에서 블레이드의 중간 부분에서의 영각이 55°에 도달되도록 영각이 다시 조정되어 블레이드가 최대 토크를 얻을 수 있게 한다. 제동 시스템이 이제 분리되며, 터빈 블레이드는 점차적으로 증가하는 영각으로 점점 더 높은 속도로 회전한다. 회전 속도가 고정 속도와 같아지자마자, 발전기는 배전망에 다시 연결되며 영각은 이 시점에서의 풍속에 대응하는 그의 설계값으로 조정된다.
풍속이 정격 속도를 초과하면, 영각은 정격 값에서의 터빈 출력을 안정화시키기에 충분할 정도까지만 감소된다. 약 25m/s의 풍속에서 터빈은 가동을 멈춘다. 풍력 터빈이 이 특징을 갖고 구성된다면 영각이 0°로 낮아지거나 블레이드 표면은 위로 접힐 것이다. 발전기는 또한 배전망에서 분리되고, 제동 시스템이 작동하여 터빈을 계속 유지시킨다. 풍력 터빈은 센서에 의해 자동적으로 또는 수동적으로 작동될 수 있다.
풍속은 40m 그리고 그 이상의 높이에서 높고 안정적이지만, 40m 이하의 높이에서는 감소한다. 그러나 지상 10m 이상에서 풍속은 현저하게 감소하지 않으며, 따라서 지상 10m에 있는 풍력 터빈 블레이드는 바람이 잘 통하는 지역에서 만족스럽다.
풍력 터빈은 다수의 블레이드로 제조되어(도 1) 바람과의 접촉 면적을 증가시킬 수 있으며, 40m 이상 긴 블레이드를 가진 풍력 터빈을 위하여 개수는 3개의 블레이드로 제한되지 않는다. 그러나 블레이드들은 풍속의 최소 감쇠를 보장할 만큼 충분히 떨어져 있어야 한다. 그 결과, 블레이드 뿌리(blade root)는 표면없이 만들어져야 하며, 대안적인 블레이드에서 이 요구 조건을 수용하기 위하여 블레이드 뿌리는 표면이 없는 훨씬 더 넓은 면적을 포함하여야 한다.
고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각을 결정하고 제어하는 방법은 표면으로서 얇은 플레이트를 갖고 평편하게 간주되기에 충분히 짧은 블레이드 세그먼트로 구성된 풍력 터빈 블레이드에 적용되며, 고정 속도 풍력 터빈의 제조 및 작동에 사용된다. 터빈 블레이드는 트러스-지지 및 위로 접힐 수 있는 얇은 플레이트로 제조되어 강풍에서 터빈을 보호한다. 이는 블레이드 길이와 폭뿐만 아니라 블레이드의 개수를 증가시킴으로써 블레이드 면적의 증가를 허용한다. 40m 이상의 블레이드 길이를 갖는 풍력 터빈을 위하여, 6개의 블레이드가 적절할 것이다. 전력망에 직접적으로 연결된 고정 속도 풍력 터빈은 더 높은 출력, 저비용 발전기, 인버터 불필요성의 장점을 가지고 있고, 또한 블레이드가 상대적으로 중량의 금속으로 만들어지고 별도로 제조되는 것을 가능하게 하며, 이는 컨테이너 수송을 용이하게 한다. 따라서 풍력 발전의 비용은 크게 감소할 것이며, 풍력 에너지는 많은 국가에서 가장 저렴한 에너지원이 되어 경제적 발전과 기후 변화 대처에 대한 요구를 만족시킬 것이다.
고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각을 결정하고 제어하는 방법은 가변 속도 풍력 터빈의 고정 속도 풍력 터빈으로의 변환에도 적용할 수 있다. 이러한 변환은 타워의 높이를 유지하고, 블레이드 폭을 확장하고, 블레이드 길이를 1.5배로 늘리고, 인버터의 사용을 제거하고, 발전기를 고정 속도 발전기로 교체하고, 그리고 터빈을 배전망에 직접적으로 연결함으로써 가능해진다. 가장 근본적인 문제는 기어 박스가 호환되는지 여부이다. 기어박스의 교체가 필수적이라면, 6개로의 증가된 블레이드의 개수와 더 큰 터빈 출력으로 풍력 터빈은 새로운 고정 속도 풍력 터빈의 출력과 비교할 만한 출력을 생성할 수 있기 때문에 변환은 여전히 유익하다.
[ 구체적 설명 ]
표면이 접히거나 펼쳐질 수 있는 얇은 플레이트인 트러스 지지 블레이드를 갖는 고정 속도 풍력 터빈을 위한 기본적인 물리적 매개 변수가 다음과 같이 한정된다.
설정된 기본 매개 변수는 다음과 같다.
타워 : 80m 높이, 6~8m 직경
예상 낭비 전력 : 6.5kW
블레이드 팁에서의 선형 속도 : 150km/h
블레이드 : 5m 폭 및 66m 길이
고정 회전 속도 : 6rpm
터빈 블레이드 중 3개는 블레이드 팁에서 60m 길이의 표면을 갖고 제조된다.
다른 3개의 터빈 블레이드는 블레이드 팁에서 46m 길이의 표면을 갖고 제조된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드 표면은 접히고 펼쳐질 수 있다.
정격 풍속 : 16m/s
터빈이 가동을 멈추고 블레이드 표면이 위로 접히는 컷-아웃 속도 : 25m/s
풍력 터빈 전력 계산을 위한 함수가 적용될 때 k=1; j=1; Cx=1.32의 매개 변수가 선택된다.
8m/s의 풍속에서 결정된,블레이드 상의 다른 위치들에서의 일련의 영각들은 다음의 표 1과 같이 제공된다.
터빈 샤프트까지의
거리 d(m)		 경사 각도(α) 터빈 샤프트까지의
거리 d(m)		 경사 각도(α)
5 65°28′ 37 84°6′
7 68°54′ 39 84°23′
9 71°25′ 41 84°39′
11 73°37′ 43 84°53′
13 75°25′ 45 85°6′
15 76°55′ 47 85°18′
17 78°9′ 49 85°30′
19 79°12′ 51 85°40′
21 80°5′ 53 85°50′
23 80°51′ 55 85°58′
25 81°30′ 57 86°7′
27 82°4′ 59 86°14′
29 82°35′ 61 86°22′
31 83°2′ 63 86°28′
33 83°25′ 65 86°35′
35 83°47′
계산을 위한 매개 변수는 다음과 같다.
블레이드 팁에서의 최대 영각 : αd=88°48'.
풍속이 1m/s 감소함에 따라 이 영각은 26' 증가한다.
풍속이 1m/s 증가함에 따라 이 영각은 26' 감소한다.
풍력 터빈 출력이 정격 수준에서 안정화되도록 풍속이 정격 풍속을 초과함에 따라 영각은 계속 감소할 것이다.
시동 속도 : 4m/s
풍력 터빈이 강제로 정지되는 최저 풍속 : 3m/s
정격 풍속에서의 풍력 터빈 전력 : P16 = 1254KW.
발전기 용량 : 1,500KW.
하기 표 2는 다른 풍속들에서의 풍력 터빈 전력들을 나타낸다.
풍속 v(m/s) 전력 P(kW) 풍속 v(m/s) 전력 P(kW)
2.8 6.1 10 330
3 7.9 11 467
4 21 12 555
5 42 13 698
6 75 14 860
7 117 15 1046
8 174 16 1245
9 244
4m/s의 시동 속도에서의 그리고 블레이드 중간에서 55°의 영각으로의 가동 토크 : 547KNm.
16m/s의 정격 풍속에서의 최대 축방향 추력 : 323KN.

Claims (1)

  1. 표면으로서 얇은 플레이트를 가지며 평평한 것으로 간주되기에 충분히 짧은 블레이드 세그먼트로 구성된 풍력 터빈 블레이드를 위하여 적용되며, 터빈이 강제 정지되는 최저 속도에서 정격 속도까지의 속도 범위가 저속, 중속, 고속으로 구분되는 경우에 낮은 풍속과 중간 풍속에서 풍력 에너지를 효과적으로 이용하기 위하여 풍력 터빈 블레이드의 적절한 영각을 확정하도록, 낮은 풍속과 중간 풍속에서 최적의 출력을 가지며 낮은 풍속에서 정지하고 재가동할 수 있는 고정 속도 터빈을 구비한 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법으로서,
    풍력 터빈의 기본적인 매개 변수를 한정하고, 블레이드 팁에서의 100 내지 200km/h 사이의 선형 속도를 선택하고, 선형 속도와 블레이드 길이가 한정될 수 있는 것에 따라 고정 회전 속도를 선택하고, 그렇지 않으면 선형 속도와 블레이드 길이에 따라 고정 속도가 계산될 수 있도록 블레이드 길이를 선택하고, 블레이드 폭은 블레이드 길이의 10%이면서 6m 이하이어야 하고, 풍력 터빈이 강제로 정지되는 최저 풍속을 터빈 출력이 낭비된 전력보다 20% 더 높게 되는 풍속으로 한정하고, 시동 속도를 터빈 출력이 낭비된 전력보다 3~4배 더 크게 되는 속도로 한정하고, 정격 풍속을 터빈이 그의 최대 또는 정격 출력에 도달하는 풍속으로 한정하고, 컷-아웃 속도를 터빈이 강제로 정지되는 최고 속도로서 한정하는 제1 단계;
    블레이드를 따르는 각각의 위치(i)에서 블레이드의 일련의 최적 영각(αi)을 결정하기 위하여 풍력 터빈 전력 계산을 위한 함수와 함께 사용될 낮은 풍속에서 중간 풍속 범위에 이르는 풍속(vc)을 한정하고, 이러한 일련의 각도(αi)는 블레이드의 전체적인 최적 영각을 결정하기 위하여 이용되고, 블레이드 팁에서의 영각은 αc 로 지칭되는 제2 단계 및
    블레이드를 제어하고, 풍속이 블레이드 영각(vc)을 결정하기 위한 풍속에서 터빈이 강제로 정지되는 최저 속도까지 1 단위씩 감소함에 따라 영각은
    Figure pct00005
    의 값만큼 증가하며, 풍속이 터빈이 강제로 정지되는 속도에서 정격 속도로 1 단위씩 증가함에 따라, 영각은
    Figure pct00006
    의 값만큼 떨어지고, 풍속이 터빈이 정격 속도에서 터빈이 강제로 정지되는 속도로 1 단위씩 떨어짐에 따라, 영각은
    Figure pct00007
    의 값만큼 증가하는 제3 단계의 3개의 단계에 근거하여 제조될 수 있는 고정 속도 풍력 터빈 블레이드의 영각 결정 및 제어 방법.
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