WO2013154225A1

WO2013154225A1 - 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일

Info

Publication number: WO2013154225A1
Application number: PCT/KR2012/003700
Authority: WO
Inventors: 이장호
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US9664173B2; KR101216252B1; US20150233344A1

Abstract

풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일은 앞전(Leading Edge)과 뒷전(Trailing Edge)을 잇는 시위선(Chord)을 기준으로 상측에 형성된 흡입면과 하측에 형성된 압력면을 가지며, 작동 레이놀즈수는 30,000 ~ 1,000,000이고, 에어 포일 받음각은 0°~ 21°이며, 최대양력계수는 1.2 ~ 1.5이고, 최소 항력계수는 0.01 ~ 0.06인 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일

본 발명은 풍력발전기에 사용되는 블레이드의 에어포일 중 팁 에어포일의 단면 형상에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 낮은 풍속의 조건에서 적은 기동 토크를 가지며 안정적으로 회전 가능한 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일에 관한 것이다.

일반적으로 바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 상기 풍력발전기는 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 이유로 점차 사용 범위가 증가하고 있다.

종래의 풍력발전기에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래의 풍력발전기(10)는 지면에 세워진 고층의 타워(11) 상단에 소정의 길이를 가지는 블레이드(12)가 허브(14)를 매개로 회전 가능하게 설치된다. 상기 허브(14)는 나셀(13)과 연결되고 상기 나셀(13)은 내부에 증속기, 발전기 및 제어장치(미도시)가 내장된다. 또한 풍력발전기(10)는 블레이드(12)의 회전력이 허브(14)를 거쳐 주축을 통해 풍력발전기(10)에 이르도록 구성된다.

첨부된 도 2를 참조하면, 블레이드(12)는 복수의 에어포일(12a) 형상을 스팬 방향(길이 방향)을 따라 분포시켜 3차원 형상을 얻는다. 블레이드(12)의 루트(root) 쪽은 구조적인 강성을 위해 두꺼운 에어포일을 사용하고 블레이드(12)의 팁(tip) 쪽에는 얇으면서 양항비(양력계수/항력계수)가 우수한 에어포일을 사용하는 것이 보통이다.

풍력발전기의 성능 및 효율은 블레이드(12)의 단면을 이루는 에어포일(12a)의 형상에 따라 좌우되고, 적절한 에어포일(12a)의 선택은 장기간 운전되는 풍력발전기에 있어서 매우 중요한 인자로 작용한다.

그러나, 현재 풍력발전기에 사용되는 대부분의 에어포일(12a)은 항공기용으로 개발된 것들이 대부분이며 유체역학적으로 중요한 변수인 레이놀즈 수로 예를 들어 보면, 항공기의 경우 운전 조건에서의 레이놀즈 수가 6,000,000 정도인데 반하여, 풍력발전기의 경우에는 500,000 ~ 1,600,000 사이에 불과하여 운전조건이 전혀 다른 분야의 에어포일이 풍력발전기의 블레이드(11) 단면 형상으로 사용될 경우에 풍력발전기의 성능 저하가 유발되는 문제점이 있었다.

더욱이, 풍력발전기의 블레이드는 스팬이 10m 이상으로 대형이고, 오염(먼지, 곤충의 시체, 습기, 결빙 등)에 지속적으로 노출되는 반면 청소는 용이하지 아니하여 오염에 따른 성능 저하가 예상되었다.

따라서 이러한 블레이드의 영향을 고려하지 않은 채 항공기용으로 개발된 에어포일을 그대로 사용함으로써 더욱더 고효율의 블레이드는 기대할 수 없는 문제점이 유발되어 이에 대한 대책을 필요로 하였다.

본 발명의 실시예들은 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일의 형상을 변경하여 풍력발전기의 공력성능과 효율이 향상된 팁 에어포일을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 소형 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일(airfoil)은 앞전(Leading Edge)과 뒷전(Trailing Edge)을 잇는 시위선(Chord)을 기준으로 상측에 형성된 흡입면과 하측에 형성된 압력면을 가지며, 작동 레이놀즈수는 30,000 ~ 1,000,000이고, 에어 포일 받음각은 0°~ 21°이며, 최대양력계수는 1.2 ~ 1.5이고, 최소 항력계수는 0.01 ~ 0.06인 것을 특징으로 한다.

상기 팁 에어포일은 최대 양항비가 26 ~ 60인 것을 특징으로 한다.

상기 팁 에어포일은 시위선의 75%지점에서 상기 시위선보다 상측으로 라운드지게 연장되어 뒷전과 연결된 것을 특징으로 한다.

상기 팁 에어포일은 최대 두께비가 14%인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예들은 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일 형상을 최적화하여 적은 풍력으로도 원활한 회전을 가능하게 하고, 양력계수와 양항비가 우수한 팁 에어포일을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 공력성능과 효율이 향상된 풍력발전기 블레이드를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 풍력 발전기를 도시한 사시도.

도 2는 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일을 도시한 사시도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 에어포일을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일과 종래기술 1,2에 의한 팁 에어포일의 형상을 상호 비교 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일과 종래기술 3에 의한 팁 에어포일의 형상을 상호 비교 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일과 종래기술 3에 의한 팁 에어포일의 양력계수를 실험한 결과를 도시한 그래프.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일과 종래기술 3에 의한 팁 에어포일의 항력계수를 실험한 결과를 도시한 그래프.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일과 종래기술 3에 의한 팁 에어포일의 양항비를 실험한 결과를 도시한 그래프.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 첨부된 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 에어포일을 도시한 단면도이다.

첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 팁 에어포일(100)은 블레이드의 팁(tip)에 적용되는 형상이며, 상기 팁 에어포일(100)의 형상에 의해 풍력발전기의 공력성능과 효율이 결정된다. 상기 팁 에어포일(100)이 적용된 풍력발전기는 소형급으로 별도의 블레이드 피치 제어나 실속 제어를 통한 파워 제어계 없이 바람에 의해 회전이 이루어지는 구조로 이루어진다.

본 발명에 의한 팁 에어포일(100)은 앞전(Leading Edge)(101)과 뒷전(Trailing Edge)(102)을 잇는 시위선(Chord)(103)을 기준으로 상측에 형성된 흡입면(104)과 하측에 형성된 압력면(105)을 가진다.

상기 팁 에어포일(100)은 15m/s의 풍속에 사용되는 블레이드로서, 작동 레이놀즈수는 30,000 ~ 1,000,000의 범위에서 설계되며 공력 성능을 극대화하기 위해 최대 두께비가 14% 이하의 두께비를 가진다. 참고로 두께비는 팁 에어포일(100)의 두께를 시위선(103)의 길이로 나눈값을 말하며 본 실시예에서는 상기 시위선(103)의 길이가 1m로 한정하여 설명하며, 최대 두께비가 14%의 의미는 시위선(103)의 길이가 1m이므로 앞전(101)을 시작점으로 하여 시위선(103) 길이 1m의 14%인 지점이 최대 두께를 가지는 것을 말한다.

상기 두께비는 블레이드의 구조적인 안전성을 위해 높은 두께비를 가지는 것이 유리하나, 상기 두께비가 증가 될수록 팁 에어포일의 공력성능이 저하될 수 있으므로 블레이드의 구조적 안전성과 팁 에어포일의 최적 성능을 구현하기 위해 위와 같은 두께비를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 의한 팁 에어포일(100)은 1.2 ~ 1.5의 최대양력계수와 26 ~ 60의 최대 양항비를 가지고 있으며, 팁 에어포일(100)의 경우 자유단부에서 휨 모멘트를 최소화하기 위해 위와 같은 양항비를 가진다. 참고로 양항비는 블레이드가 받는 양력과 항력의 비를 말하며, 상기 양항비는 양력계수와 항력계수의 비로 표현하는 것도 가능하다.

팁 에어포일(100)은 시위선(103)을 따라 분포되는 흡입면(104)과 압력면(105)이 합쳐져 이루어지며, 팁 에어포일(100)의 최대두께 및 시위선(103)의 길이는 팁 에어포일(100)의 성능을 결정짓는 중요한 변수 중의 하나로 취급된다.

또한 팁 에어포일(100)은 작동 레이놀즈수가 30,000 ~ 1,000,000의 범위에서 설계되므로 일반적인 소형 풍력발전기의 팁 에어포일의 레이놀즈수인 1,000,000 보다 상대적으로 작은 레이놀즈 수에서도 블레이드의 용이한 회전이 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 팁 에어포일(100)은 받음각이 0°~ 21°로 제작되고, 최소 항력계수(drag coefficient)는 0.01 ~ 0.06인 것을 특징으로 한다.

여기서 받음각(AOA:Angle of Attack)이란 날개의 시위선(Chord Line)과 상대풍(Relative Wind)사이의 각도를 말하며, 상기 시위선(Chord Line)은 날개의 앞전(Leading Edge)과 날개의 뒷전(Trailing Edge)사이를 이은 가상의 직선을 말한다. 또한 상대풍(Relative Wind)이란 날개가 공기를 가로질러 앞으로 나아갈 때 상대적으로 공기가 날개에 부딪히는 방향을 말한다.

본 발명의 팁 에어포일(100)은 시위선(103)의 75%지점에서 압력면(105)이 상기 시위선(103)보다 상측으로 라운드지게 연장되어 뒷전(102)과 연결된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 의한 블레이드의 팁 에어포일에 대해 종래의 팁 에어포일과의 형상을 비교 실험한 데이터를 참조하여 설명한다. 참고로 X축에 도시된 X/C는 시위선의 길이를 나타내고, Y축에 도시된 Y/C는 팁 에어포일의 두께를 나타낸다. 참고로 점선은 종래기술 1의 팁 에어포일의 단면 형상을 도시한 것이고, 일점쇄선은 종래기술 2의 단면 형상을 도시한 것이다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 팁 에어포일(100)은 최대 두께비(시위선(103)의 길이를 기준으로 앞전(101)에서 팁 에어포일(100)이 두께가 최대인 지점)가 14%로서 25%의 두께비를 가지는 종래기술 1과, 18%의 두께비 가지는 종래기술 2에 비해 상대적으로 얇은 두께비로 제작되므로 상기 종래기술 1 내지 2에 비해 상대적으로 공력 성능에 있어 유리하다. 또한 본 발명의 팁 에어포일(100)의 형상과 종래기술 1 내지 2는 형상에 있어서 완전히 상이한 형상으로 이루어지며 특히 압력면(105)의 형상이 완전히 상이한 형태로 이루어진 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 블레이드의 팁 에어포일에 대해 종래의 팁 에어포일과의 양력계수를 비교 실험한 데이터를 참조하여 설명한다. 참고로 실험에 따른 레이놀즈수는 30,000으로 설정하고 실험을 실시하였다. 참고로 양력계수에 대한 실험은 종래기술 3과 비교 실험을 실시하였다.

첨부된 도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 팁 에어포일(100)과 종래기술 3의 에어포일(20)을 중첩시켜 비교해보면 흡입면(104)과 압력면(105)에서 종래기술 3의 형상과 현저한 차이가 나타나는 것을 알 수 있다.

또한 본 발명은 받음각(AOA)이 0°~ 21°의 각도 범위를 가지므로 블레이드의 회전에 따른 양력이 종래기술 3에 비해 상대적으로 현저하게 증가되므로 풍력발전기에 적은 바람이 부는 경우에도 블레이드의 회전이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.

이에 반해 종래기술 3은 양력계수가 최대 0.6을 넘지못하며 본 발명의 팁 에어포일(100)의 양력계수에 비해 상대적으로 낮은 양력계수가 나타나는 것을 알 수있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 블레이드의 팁 에어포일에 대해 종래의 팁 에어포일과의 항력계수를 비교 실험한 그래프를 참조하여 설명한다.

첨부된 도 7을 참조하면, 본 발명의 팁 에어포일(100)과 종래기술 3의 에어포일(20)을 서로 비교 실험한 결과 본 발명의 팁 에어포일(100)은 종래기술 3의 에어포일(20)에 비해 항력계수가 전체적으로 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.

따라서 낮은 유속으로 풍력발전기에 바람이 부는 경우에 팁 에어포일(100)의 표면을 따라 이동하는 공기의 저항이 인용발명 3의 에어포일(20)에 비해 상대적으로 적게 발생되면서 팁 에어포일(100)에 가해지는 저항이 공기 감소되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 블레이드의 팁 에어포일에 대해 종래의 팁 에어포일과의 양항비를 비교 실험한 데이터를 참조하여 설명한다.

첨부된 도 8을 참조하면, 레이놀즈수가 30,000인 경우에 본 발명의 팁 에어포일(100)에 의하면 종래기술 3의 에어포일(20)에 비해 상대적으로 높은 양항비를 가지는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 풍력이 적은 조건에서도 블레이드의 회전이 원할하게 이루어질 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일은 소형 풍력 발전기의 블레이드 분야에 적용시켜 사용할 수 있다.

Claims

소형 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일(airfoil)은 앞전(Leading Edge)과 뒷전(Trailing Edge)을 잇는 시위선(Chord)을 기준으로 상측에 형성된 흡입면과 하측에 형성된 압력면을 가지며,

작동 레이놀즈수는 30,000 ~ 1,000,000이고, 에어 포일 받음각은 0°~ 21°이며, 최대양력계수는 1.2 ~ 1.5이고, 최소 항력계수는 0.01 ~ 0.06인 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일.
제1 항에 있어서,

상기 팁 에어포일은,

최대 양항비가 26 ~ 60인 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일.
제1 항에 있어서,

상기 팁 에어포일은,

시위선의 75% 지점에서 상기 시위선보다 상측으로 라운드지게 연장되어 뒷전과 연결된 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일.
제1 항에 있어서,

상기 팁 에어포일은,

최대 두께비가 14%인 것을 특징으로 하는 풍력발전기 블레이드의 팁 에어포일.