KR20190024241A - 풍력발전기용 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 블레이드가 바람의 영향을 최대한 받을 수 있도록 가변되게 구성하여 발전효율성을 높일 수 있는 것은 물론, 설치와 유지비용을 절감하여 풍력발전기의 품질을 높일 수 있도록 한 것으로서;
타워의 상단에 방향성이 자유로운 동체가 설치되고, 상기 동체의 선단에는 허브가 장착되며, 상기 허브에는 방사상으로 다수개의 블레이드를 설치하여 구성되는 풍력발전기에 있어서;
상기 블레이드를 소정의 각도로 가변시켜 바람의 영향을 최대한 받아 발전효율을 증대시킬 수 있는 가변수단을 더 포함한 것이 특징이다.

Description

풍력발전기용 블레이드{BLADES FOR WIND POWER GENERATORS}

본 발명은 풍력발전기용 블레이드에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 바람을 더욱 많이 받을 수 있도록 일정영역으로 가변할 수 있도록 구성한 풍력발전기용 블레이드의 제공에 관한 것이다.

전기발생을 위한 다양한 발전시스템이 개발되어 사용되고 있으며, 그 중 하나가 풍력발전기이며, 이러한 풍력발전기는 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다.

상기와 같은 풍력발전기는 어느 곳에나 산재되어 있는 무공해, 무한정의 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전 단지의 경우에는 발전 단가도 기존의 발전 방식과 경쟁 가능한 수준의 신 에너지 발전 기술이다.

이와 같은 풍력발전기는 일반적으로 소정 높이를 갖는 타워 상부에 회전 가능한 동체를 구비하고, 상기 동체에 풍력에 의해 회전되는 적어도 2개 이상의 블레이드를 등 간격으로 구비하며, 상기 블레이드의 회전력이 전기에너지를 얻기 위한 회전속도를 갖추게 하는 증속기를 포함하고, 상기 증속기를 통한 회전력을 전기에너지로 전환시키는 발전기로 구성된다.

상기와 같은 풍력발전기의 모든 구성요도가 중요하겠지만 특히 블레이드의 경우에는 바람의 영향을 직접받아 회전력을 발생시키는 것이므로 매우 중요하며, 이러한 블레이드의 기술발전을 위한 많은 노력이 있다.

종래 기술이 적용되는 풍력발전기용 블레이드의 기술내용을 살펴보면 다음과 같다.

문헌 1은, 원형의 회전휠(4) 내측으로 소정의 지지대(2)가 회전축(1) 중심으로 교차되고, 상기 지지대(2)의 종단으로 상부 유선형부(5)가 하부 유선형부(6) 보다 면적이 넓은 만곡 형상의 블레이드(3)가 장착되어, 블레이드(3)의 중심부에서 상향으로 부착되어 있는 요입부(7)를 통해 지지대(2)와 블레이드(3)가 수직에서 일정각도로 기울어지게 접지되는 구성이다.

문헌 2는, 저풍속 실속제어/정속운전용 풍력발전기 블레이드에 있어서, 상기 블레이드의 에어포일은 앞전(Leading Edge)과 뒷전(Trailing Edge)을 잇는 시위선(Chord)을 기준으로 상측과 하측으로 볼록한 윗면 및 아랫면을 가지며, 상기 아랫면의 중앙부에서 뒷전까지 블레이드의 길이방향을 따라 상측으로 오목한 S테일이 형성되며, 상기 블레이드는 가장 긴 시위선을 갖는 루트에어포일; 상기 블레이드의 끝단을 형성하는 팁에어포일; 및 상기 루트에어포일과 팁에어포일 사이의 주에어포일; 로 구성하고 있다.

문헌 3은, 블레이드를 수직으로 장치할 수 있게 설치한 시설의 블레이드장치부의 외주부에 블레이드로 공급되는 바람의 유입량을 조정할 수 있는 외풍유입조정부를 구성하여 블레이드로 공급되는 바람이 약할 때는 외풍유입조정부의 날개판 간격을 넓게 개방하고 바람이 셀 때는 외풍유입조정부의 날개간격을 좁게 개방하거나 닫을 수 있는 구성으로 하고 있다.

문헌 4는, 메인 스파; 상기 메인 스파의 전방에 위치하는 제1바디; 및 상기 메인 스파의 후방에 위치하는 제2바디;를 포함하되, 상기 메인 스파는, 양단부가 전, 후방으로 각각 돌출된 한 쌍의 메인 스파 플랜지; 및 상기 한 쌍의 메인 스파 플랜지를 연결하는 메인 스파 웨브;를 포함하고, 상기 제1바디의 후방에는 상기 한 쌍의 메인 스파 플랜지의 돌출된 전방과 결합되는 단턱이 형성되고, 상기 제2바디의 전방에는 상기 한 쌍의 메인 스파 플랜지의 돌출된 후방과 결합되는 단턱이 형성되며, 상기 단턱과 상기한 쌍의 메인 스파 플랜지는 접착제에 의해 상호 결합되는 구성으로 되어 있다.

(문헌 1) 실용신안등록 제 20 - 0275364 - 0000 호 (문헌 2) 특허 제 10 - 0940013 - 0000 호 (문헌 3) 특허 제 10 - 1328370 - 0000 호 (문헌 4) 특허 제 10 - 1731951 - 0000 호

상기와 같은 종래 기술이 적용되는 풍력발전기용 블레이드는, 동체의 선측에 구비되는 허브에 장착되어 바람의 영향으로 회전을 수행하게 되는 데, 통상적으로 동체가 바람 방향으로 움직여줌으로서 블레이드가 바람의 영향을 최대한 받을 수 있도록 하고 있다.

그러나 블레이드 자체는 허브에 고정된 상태에서 가변되거나 움직이지 못하고 회전력만 받을 수 있는 형태로 이루어지기 때문에 대체적으로 블레이드의 형상고 모양을 수학 또는 과학적인 근거에 의하여 다양한 바람을 최대한 받을 수 있는 형태로 도출하는 데에만 집중하고 있는 실정이다.

이러한 블레이드의 기술과 더불어 바람이 부는 방향을 따라 동체를 움직임으로서 바람을 최대한 받을 수 있도록 노력하고 있으나, 바람의 세기가 충분하지 않고, 동체를 움직여야할 정도의 바람세기가 아닐 경우에는 블레이드를 아무리 특정한 형상으로 하여도 쉽게 회전력을 얻는 것이 쉽지않게 된다.

상기와 같은 이유에 의하여 바닷가나 고산지대와 같이 바람의 영향이 많은 곳에 풍력발전기를 설치하고 있음에도 불구하고 그 지역에서도 특정한 날이나 기간동안에는 바람의 영향이 최소화되어 블레이드를 회전시키지 못하고 정지된 상태를 지속하는 경우가 빈번한 실정이다.

특히 일정기간 동안 계측한 정보를 토대로 풍력발전기를 설치하였다 하더라도 실제 설치를 종료한 후에는 계측한 정보와 다르게 풍력이 약화되는 경우가 발생하고 이러한 경우에는 실제 필요한(셀계치) 전력의 생산이 불가하게 되므로 전력수급에 이상을 초래하는 것은 물론, 많은 비용을 투자한 풍력발전기의 효용성이 의문시 되는 등 여러 문제점으로부터 바유롭지 못하게 된다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 타워의 상단에 방향성이 자유로운 동체가 설치되고, 상기 동체의 선단에는 허브가 장착되며, 상기 허브에는 방사상으로 다수개의 블레이드를 설치하여 구성되는 풍력발전기에 있어서;

상기 블레이드를 소정의 각도로 가변시켜 바람의 영향을 최대한 받아 발전효율을 증대시킬 수 있는 가변수단을 더 포함하여;

블레이드가 바람의 영향을 최대한 받을 수 있도록 가변되게 구성하여 발전효율성을 높일 수 있는 것은 물론, 설치와 유지비용을 절감하여 풍력발전기의 품질을 높일 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 풍력발전기를 구성하는 블레이드를 소정의 구간에 걸쳐 자유롭게 가변될 수 있도록 함으로서 바람의 영향이 작더라도, 그 작은 바람 중 세게 부는 방향으로 블레이드가 움직여 바람의 영향을 최대한 받을 수 있도록 함으로서 작은 바람에서 풍력을 통한 전력생산을 가능하게하여 발전효율성을 높일 수 있는 효과를 가진다.

블레이드를 가변시키는 구조를 간단하게 함으로서 설치비용과 유지비용을 절감하면서 회전력을 증대시킬 수 있으므로 풍력발전기 전체의 생산비용과 설치비용 및 유지비용을 절감할 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 블레이드를 장착한 상태의 풍력발전기를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드를 발췌하여 도시한 분해사시도.
도 3은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드를 도시한 파절상태 사시도.
도 4는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드를 도시한 A - A선 단면도.
도 5는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드의 다른 예를 도시한 구성도.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 블레이드를 장착한 상태의 풍력발전기를 도시한 구성도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드를 발췌하여 도시한 분해사시도, 도 3은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드를 도시한 파절상태 사시도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드를 도시한 A - A선 단면도, 도 5는 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기용 블레이드의 다른 예를 도시한 구성도로서 함쎄 설명한다.

통상적인 풍력발전기(100)는, 타워(101)의 상단에 방향성이 자유로운 동체(102)가 설치되고, 상기 동체(102)의 선단에는 허브(103)가 장착되며, 상기 허브(103)에는 방사상으로 다수개의 블레이드(105)를 설치하여 구성된다.

본 발명에서는 상기 블레이드(105)를 개선하여 소정의 각도로 가변되도록 가변수단(100)을 더 구성하여 바람의 영향을 최대한 받을 수 있도록 함으로서 발전효율성을 극대화할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 가변수단(110)은, 허브(103)의 축중심방향에 대한 직각방향이면서 허브(103)의 방사상으로 샤프트하우징(111)을 고정하고, 상기 사프트하우징(111)의 내부 상,하측에는 베어링(112)을 설치한다.

상기 베어링(112)에는 블레이드(105)의 하측에 일체로 형성되는 블레이드샤프트(115)를 결합하여 샤프트하우징(111)에 대하여 블레이드(105)가 움직임이 자유롭도록 한다.

다른 예로서는 도 5에서와 같이 블레이드샤프트(115)를 중공관체로 구성하여 내부에 베어링(112)을 설치하고, 상기 베어링(112)은 허브(103)에 설치되어 돌출되는 샤프트유지바(116)와 결합시켜 블레이드(105)가 움직인이 자유롭도록 구성하여도 된다.

상기 샤프트하우징(111)의 외측에는 일측이 개방된 개략 ⊂형태의 가변커버(120)를 고정하여 블레이드(105)가 움직일 수 있는 범위를 제한하여 불필요하게 블레이드(105)가 움직이는 것을 방지할 수 있도록 한다.

상기 가변커버(120)는 샤프트하우징(111) 부위에만 형성할 수도 있고 블레이드(105)의 전체길이에 대하여 형성하는 등 다양하게 실시하는 것이 가능할 것이나 내구성이 담보될 경우에는 불필요하게 많은 비용이 소요되는 전체 형성보다는 샤프트하우징(111) 부위에만 형성하는 것이 바람직할 것이다.

상기 가변커버(120)의 개방위치 양측 내면에는 탄성재질의 패드 또는 스프링과 같은 완충수단(121)을 개재하여 블레이드(105)가 연접될 때 발생하는 소음을 배제하면서 충격을 흡수하여 블레이드(105)와 가변커버(120)의 내구성을 높일 수 있도록 한다.

상기 가변커버(120)의 길이(L)와 폭(B)은 설계 과정에서 풍력과 주변환경 및 블레이드(105)의 크기 등을 고려하여 공학적인 계산에 의하여 결정되는 데, 길이가 길어질수록 블레이드(105)의 가변범위가 좁아지고, 폭 역시 좁을수록 블레이드(105)의 가변범위는 좁아지게 되며, 반대로 길이가 짧고 폭이 넓을 수록 블레이드(105)의 가변범위는 커지는 것이 당연할 것이다.

물론, 가변커버(120)의 외측면에는 블레이드(105)의 움직임으로 변형되는 우려를 배제할 수 있도록 보강리브를 견고하게 받쳐주는 등 보강책을 강구할 수 있음은 자명하다 할 것이다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 풍력발전기(100)용 블레이드(105)의 가변작용에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

풍력발전기(100)가 타워(101)에 대하여 동체(102)가 바람의 방향으로 움직이고, 동체(102)의 선측에 위치한 허브(103)에 설치된 블레이드(105)가 바람을 받아 회전력을 발생시킴으로서 전력을 생산하는 것은 주지의 사실이다.

본 발명에서는 바람이 블레이드를 일반적인 속도로 회전시키지 못하는 미약한 바람이 불 경우, 그 가운데서도 바람이 강한 방향으로 블레이드(105)를 움직여 블레이드(105)가 최대한 회전할 수 있도록 함으로서 미약한 바람을 통해서도 발전을 수행할 수 있도록 하는 것이 특징이다.

이를 구체적으로 살펴보면, 바람이 A방향에서 B방향으로 불 경우 블레이드(105)가 가변커버(120)의 A1방향에 위치하고 있는 것 보다는 가변커버(120)의 B1방향에 위치하고 있을 때 더 많이 받을 수 있게 되므로 블레이드(105)는 자연스럽게 바람에 의하여 A1에서 B1방향으로 이동하여 많은 바람을 받아 회전력을 발생시킬 수 있게 되므로 가능하게 된다.

특히 이 과정에서는 블레이드샤프트(115)가 샤프트하우징(111) 또는 샤프트유지바(116)와 베어링(112)으로 결합되어 있으므로 미약한 바람(외력)이 있더라도 블레이드(105)는 가변커버(120)의 개방된 범위 내에서 움직일 수 있기 때문에 가능하다.

또한, 블레이드(120)가 가변커버(120)의 개방된 범위 내에서 A1방향과 B1방향으로 움직이면서 가변커버(120)의 내측면과 연접되는 데, 이 과정에서는 가변커버(120)의 내측면에 완충수단(121)을 더 구비하고 있기 때문에 소음발생을 배제하면서도 충격을 흡수할 수 있게 되는 것이다.

이러한 본 발명은 블레이드가 바람의 영향을 최대한 받을 수 있도록 가변되게 구성하여 발전효율성을 높일 수 있는 것은 물론, 설치와 유지비용을 절감하여 풍력발전기의 품질을 높일 수 있는 등의 장점을 가진다.

100; 풍력발전기
105; 블레이드
110; 가변수단
111; 샤프트하우징
112; 베어링
115 블레이드샤프트
120; 가변커버
121; 완충수단

Claims (3)

1. 타워(101)의 상단에 방향성이 자유로운 동체(102)가 설치되고, 상기 동체(102)의 선단에는 허브(103)가 장착되며, 상기 허브(103)에는 방사상으로 다수개의 블레이드(105)를 설치하여 구성되는 풍력발전기에 있어서;
   상기 블레이드(105)를 소정의 각도로 가변시켜 바람의 영향을 최대한 받아 발전효율을 증대시킬 수 있는 가변수단(100)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드.
2. 제 1 항에 있어서;
   상기 가변수단(110)은, 허브(103)의 축중심방향에 대한 직각방향이면서 허브(103)의 방사상으로 고정하는 샤프트하우징(111)과;
   상기 사프트하우징(111)의 내부 상,하측에 설치하는 베어링(112)과;
   상기 블레이드(105)의 하측에 일체로 형성하여베어링(112)과 결합하여 샤프트하우징(111)에 대하여 블레이드(105)가 움직임이 자유롭게 하는 블레이드샤프트(115)와;
   상기 샤프트하우징(111)의 외측에 일측이 개방된 형태로 고정하여 블레이드(105)가 움직일 수 있는 범위를 제한하는 가변커버(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드.
3. 제 2 항에 있어서;
   상기 가변커버(120)의 개방위치 양측 내면에는 블레이드(105)가 연접될 때 발생하는 소음을 배제하면서 충격을 흡수하도록 개재하는 완충수단(121)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 블레이드.

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