KR20210037539A - 풍력터빈 및 풍력터빈에서 전력을 생산하는 방법 - Google Patents
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Abstract
기존의 풍력터빈의 블레이드들은 거의 피치를 조정할 수 있는 것으로, 길이방향에 대해 피봇하여 바람에 대한 블레이드의 앙각을 바꿀 수 있다. 유효 앙각이 풍속과 회전속도에 대해 변하기 때문에 이런 기능이 필요하다. 특히, 풍속이 아주 높으면, 블레이드가 페더링되어 터빈에 전달할 토크량을 줄일 수 있다. 본 발명은 블레이드(1)상의 공기출구들(21)에 압축공기를 공급하는 풍력터빈을 제공한다. 이 방법으로, 블레이드(1)의 공기역학적 거동을 조절해, 블레이드를 피봇시키는 기계장치 없이도 블레이드를 페더링할 수 있다.
Description
본 발명은 풍력터빈 및 풍력터빈에서 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.
기존의 풍력터빈의 블레이드들은 거의 피치를 조정할 수 있는 것으로, 길이방향에 대해 피봇하여 바람에 대한 블레이드의 앙각을 바꿀 수 있다. 유효 앙각이 풍속과 회전속도에 대해 변하기 때문에 이런 기능이 필요하다. 특히, 풍속이 아주 높으면, 블레이드가 페더링(feathering)되어 터빈에 전달할 토크량을 줄일 수 있다.
본 발명은 에어로포일 프로파일을 갖고, 풍상면과 전연부에 다수의 공기출구들이 배치된 다수의 블레이드; 공기출구 각각에 공기를 전달하는 공조시스템; 대기압보다 높은 압력의 공기를 공조시스템에 공급하는 압축공기원; 및 공기출구 각각에 보내지는 공기의 압력을 조절하는 공기제어 시스템을 포함하는 풍력터빈을 제공한다.
이때, 터빈 블레이드의 공기출구들을 이용해 (블레이드를 피봇시키기 위한 기계적장치 없이 블레이드를 효과적으로 페더링하는) 블레이드의 공기역학적 거동을 변화시킨다. 풍속이 너무 낮거나 너무 높을 때는 고정피치 터빈을 운용한다. 풍력터빈의 회전속도를 미세 허용오차 범위내에서 유지해야하는 시스템, 예컨대 주파수변환 없는 직류발전이 필요한 경우에는 이런 구조가 유용하다.
먼지, 모래, 작은돌조각 및/또는 파편과 같은 공기중의 입자로 인한 풍력터빈 블레이드의 손상은 공기출구로 공기를 공급하면 줄일 수 있다. 다수의 공기출구들 각각에 압축공기를 공급하면 풍력터빈 블레이드에 입자들이 충돌하는 것을 방지하거나 저해할 수 있다. 사용중인 블레이드의 팁은 높은 각속도를 갖고, 이런 각속도는 회전축에서부터 블레이드 말단부까지의 각속도보다 크다. 따라서, 블레이드의 팁에 인접한 공기출구들에 공급된 공기압은 블레이드의 베이스, 즉 회전축까지의 블레이드 기단부에 인접한 공기출구들에 공급된 공기압보다 크다. 공기출구 각각에 공급된 공기압은 블레이드를 따른 공기출구의 방사상 위치의 제곱에 비례한다. 공기출구 각각에 공급된 공기압은 이런 공기출구의 위치에서의 블레이드의 속도의 제곱에도 비례한다.
풍력터빈이 수평축 풍력터빈이지만, 다리우스 풍력터빈과 같은 수직축 풍력터빈에도 적용할 수 있다.
블레이드의 수는 2개 내지 5개 또는 그 이상이다.
블레이드 각각은 날개형 및/또는 에어로포일 프로파일을 포함한다. 프로파일은 단면 및/또는 둘레를 의미한다.
다수의 공기출구들 각각이 다수의 공기출구 집합, 예컨대 하위집합을 가질 수 있다.
공기출구들의 위치는 터빈 블레이드에 먼지가 쌓이는 것을 줄이거나, 블레이드의 유효(예; 가상) 프로파일 및/또는 피치를 변화시키도록 선택할 수 있다.
각 블레이드의 풍상면이란 바람방향을 향해 마주보는 면을 말한다. 블레이드의 전연부는 회전방향을 향해 마주보는 블레이드의 가장자리를 말한다. 따라서, 공기출구들은 바람방향과 회전방향 둘다를 향해 마주보도록 배치된다.
공조시스템은 공기가 흐르는 파이프, 튜브 또는 통로들을 포함한다.
공기제어 시스템은 공기출구들 및/또는 공기출구 소집합들 각각에 가는 공기를 제어하거나, 공기출구들 전체에 가는 공기를 제어한다. 예컨대, 첫번째 블레이드에만 공기를 공급한 다음 차례대로 두번째, 세번째 블레이드에 공기를 공급하고, 이어서 다시 첫번째, 두번째...순서로 공기를 공급하거나, 첫번째 내지 세번째 블레이드에 동시에 공기를 공급할 수 있다.
압축공기원은 에어컴프레서, 압력용기 및/또는 기타 압축공기원을 포함할 수 있다. 대기압 이상이란 대기압보다 5%, 10%, 15%, 25%, 35%, 50%, 100% 이상인 압력을 말한다.
압축공기원은 압축공기를 생성할 시기 및/또는 압축공기를 생성할 압력을 선택적으로 제어하거나, 압축공기를 연속적으로 생성할 수 있다.
다수의 공기출구들 중의 적어도 하나는 공기증폭기의 일부를 형성할 수 있다.
공기증폭기는 USP8,308,445에 소개된 시스템을 포함하는데, 여기서는 내부 통로가 공기주입구로 연결되는데, 공기주입구 부근의 코안다 면(Coanda Surface)을 통해 공기가 공기주입구로 주입된다. 코안다효과는 유체의 흐름이 코안다 면(Coanda Surface)에 접근하면 표면을 따라 흐르는 것이다. 코안다면과, 코안다면을 통한 유체흐름의 효과에 대한 특징들은 Reba, Scientific American, Volume 214, June1963 pages 84-92에서 볼 수 있다. 이런 식으로, 공기출구로부터의 공기흐름이 입구를 둘러싼 공기를 수반하여 공기증폭기로 작용한다.
예를 들어, 공기증폭기는 터빈 블레이드에 더 많은 공기를 유도함으로써, 회전속도를 증가시킬 수 있다.
다수의 공기출구들이 적어도 하나의 노즐을 포함할 수 있다. 공기출구가 기다랄 수 있는데; 폭이 높이보다 상당히 커서, 예컨대 3배, 5배, 10배 및/또는 100배일 수 있다. 한편, 공기출구가 원형, 사각형 및/또는 다른 형상을 취할 수도 있다.
본 발명은 전술한 풍력터빈을 제공하는 단계; 및 압축공기원으로부터 각각의 블레이드의 다수의 공기출구에 공기를 보내는 단계를 포함하는 풍력터빈에서 전력을 생산하는 방법도 제공한다.
도 1은 풍력터빈의 개략도.
이하, 첨부 도면을 참조해 본 발명에 대해 설명하겠지만, 이는 어디까지나 예를 든 것일 뿐이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
도 1의 풍력터빈에서, 편의상 허브(3)에 가까운 블레이드(1)의 중앙부만 보여준다. 허브(3)는 나셀(7; Nacelle)을 통과하는 축선(5)에 대해 회전하지 않고, 나셀은 타워(9)에 지지된다.
나셀(7) 안에 일반적인 에너지 발생장비가 있지만, 편의상 도시하지 않았다. 나셀 안에 있는 압축공기원(11)은 공기 컴프레서와 같은 것으로, 라인(13)을 통해 전기제어 시스템, 전원 및/또는 다른 압축공기원에 연결되고, 이때 압축공기원(11)은 원래의 압축공기원에서 떨어진 중간 압축공기원 역할만 할 수도 있다.
압축공기원은 공조기(15)에 압축공기를 공급하며, 공조기는 도시된 것처럼 허브(3)나 다른 곳에 배치되어, 통로(17)와 밸브(19)를 통해 출구(21)까지 블레이드(1)를 토고 내려가는 공기의 분배를 제어한다. 밸브(19)는 출구집합에 공기가 흐르드록 하여 블레이드가 효과적인 공기역학적 프로파일을 갖도록 할 수 있다.
Claims (3)
- 에어로포일 프로파일을 갖고, 풍상면과 전연부에 다수의 공기출구들이 배치된 다수의 블레이드;
공기출구 각각에 공기를 전달하는 공조시스템;
대기압보다 높은 압력의 공기를 공조시스템에 공급하는 압축공기원; 및
공기출구 각각에 보내지는 공기의 압력을 조절하는 공기제어 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈. - 제1항에 있어서, 다수의 공기출구들 중의 적어도 하나가 공기증폭기의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈.
- 제1항 또는 제2항에 따른 풍력터빈을 제공하는 단계; 및
압축공기원으로부터 각각의 블레이드의 다수의 공기출구에 공기를 보내는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 풍력터빈에서 전력을 생산하는 방법.
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