KR101627665B1 - 풍력 발전기용 블레이드 및 이를 포함하는 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기용 블레이드를 개시한다. 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 몸체 부재, 상기 몸체 부재의 끝 부분에 결합되어 상기 몸체 부재로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동되는 이동 부재 및 상기 이동 부재가 이동 가능하도록 상기 몸체 부재의 내부에 배치된 구동 유닛을 포함할 수 있다.

Description

풍력 발전기용 블레이드 및 이를 포함하는 풍력 발전기{power generator blade and power generator including the same}

본 발명은 풍력 발전기용 블레이드 및 이를 포함하는 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전기는 자연 에너지인 바람을 전기 에너지로 변환하여 전력을 생산하는 장치이다. 풍력발전기는 화석연료 대체 효과가 크고, 전기시설 보급이 어려운 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하도록 하는 이점이 있어 에너지 분야에서 그 적용이 확장되고 있다.

이러한 풍력 발전기의 블레이드에는 바람에 의해 양력과 항력이 작용하게 된다. 풍력 발전기의 전기 생성 효율을 향상시키고자 이러한 양력을 조절하는 장치를 블레이드에 설치하거나, 블레이드의 일면에 와류 발생기를 설치하는 것이 일반적이다.

종래의 풍력 발전기에 구비된 양력 조절 장치의 일례로 블레이드의 표면이나 후연(trailing edge)에 힌지 구조의 회전판을 배치한 것이 있다. 이러한 구조에서는 블레이드의 회전시 힌지 부분에 많은 하중이 가해져서 힌지의 파손 위험이 증가되는 문제점이 있을 수 있다.

또한, 종래의 풍력 발전기에 구비된 양력 조절 장치의 다른예로 블레이드의 표면을 따라 이동되는 커버를 포함한 구성이 있다. 이러한 구조에서는 급격한 압력 변화가 발생되는 경우 커버에 높은 하중이 가해져서 전술한 풍력 발전기와 마찬가지로 커버가 파손될 위험성이 있다.

본 발명의 일 실시예는 내구성이 우수하면서도 블레이드의 회전력을 향상시킬 수 있는 풍력 발전기용 블레이드 및 이를 포함하는 풍력 발전기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기용 블레이드는 몸체 부재, 상기 몸체 부재의 끝 부분에 결합되어 상기 몸체 부재로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동되는 이동 부재 및 상기 이동 부재가 이동 가능하도록 상기 몸체 부재의 내부에 배치된 구동 유닛을 포함할 수 있다.

이때, 상기 이동 부재는, 일측이 개구되게 형성되어 상기 몸체 부재의 일부분이 수용되도록 형성된 수용부를 포함하는 베이스부, 및 상기 베이스부의 내부면에 고정 결합된 것으로, 상기 이동 부재의 이동 방향을 따라 배치된 피스톤을 포함하고, 상기 구동 유닛은, 상기 몸체 부재의 끝 부분에 형성되어 상기 피스톤이 결합되는 실린더, 및 상기 피스톤이 이동될 수 있도록 상기 실린더 내부로 압력을 공급하는 동력부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 몸체 부재의 끝부분에 돌출형성되어 상기 수용부에 수용되는 돌출부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 동력부는, 유압 발생기 또는 공압 발생기일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기는 전술한 풍력 발전기용 블레이드를 포함할 수 있다.

이때, 풍속을 감지하는 풍속 감지부, 및 측정된 풍속이 기준 풍속보다 낮으면, 상기 이동 부재를 상기 몸체 부재에 대해 멀어지는 방향으로 이동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드는 종래의 블레이드와 다르게 이동 부재의 이동에 의해 블레이드 전체의 길이가 증가되도록 이루어진다. 일반적으로 회전체는 중심으로부터 끝부분까지의 길이가 증가될수록 토크(torque)도 증가하게 된다. 즉, 블레이드 전체의 길이가 이동 부재에 의해 증가됨으로써, 블레이드가 바람에 의해 회전되는 과정에서 종래의 블레이드보다 더욱 원활하게 회전될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드의 회전력이 증가됨으로써, 전기 생산 효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드를 포함하는 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는, 도 1에 도시된 풍력 발전기에서 블레이드만 발췌하여 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드만 발췌하여 도시한 단면도.
도 4는, 도 3에 도시된 블레이드에서 이동 부재가 몸체 부재로부터 멀어진 상태를 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 다른 일례를 도시한 사시도.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"된 것도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 블레이드를 설명하기에 앞서, 본 발명에 따른 블레이드가 적용될 수 있는 풍력 발전기에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드를 포함하는 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 풍력 발전기(100)는 타워(110), 나셀(120), 로터(130) 및 블레이드(140)를 포함할 수 있다.

타워(110)는 지상에 수직하게 설치된다. 나셀(120)은 타워(110)의 상측에 회전 가능하게 설치된다. 로터(130)는 나셀(120)에 대해 회전된다. 블레이드(140)는 로터(130)에 결합된다.

이와 같이 구성된 풍력 발전기(100)는 풍력 발전기(100)를 향하여 바람이 불어오면 블레이드(140)가 회전하고, 회전하는 블레이드(140)의 회전력을 이용하여 발전기가 발전을 하게 된다.

도 2는, 도 1에 도시된 풍력 발전기에서 블레이드만 발췌하여 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 블레이드만 발췌하여 도시한 단면도이며, 도 4는, 도 3에 도시된 블레이드에서 이동 부재가 몸체 부재로부터 멀어진 상태를 도시한 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드(140)는몸체 부재(141)와, 이동 부재(142)와, 구동 유닛(146)을 포함할 수 있다.

몸체 부재(141)는 블레이드(140)의 몸체가 될 수 있다. 몸체 부재(141)의 일단은 풍력 발전기(100)의 로터에 결합된다. 몸체 부재(141)의 단면의 형상은 일례로 익형(air foil)일 수 있다. 그리고, 몸체 부재(141)는 로터(130, 도 1 참조)에 인접한 루트부로부터 끝부분으로 갈수록 단면의 형상이 연속적으로 변화되도록 이루어질 수 있다.

몸체 부재(141)의 일단은 로터에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 몸체 부재(141)는 미도시된 피치 제어 유닛에 의해 바람의 세기 및 방향에 따라 로터(130, 도 1 참조)에 대해 일방향으로 회전되도록 이루어질 수 있다.

이동 부재(142)는 몸체 부재(141)의 끝 부분에 결합되어 몸체 부재(141)로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동된다. 이동 부재(142)가 몸체 부재(141)에 수납된 상태에서 블레이드(140)의 전체적인 형상은 일체로 이루어질 수 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 이동 부재(142)와 몸체 부재(141)의 경계 부분의 외면이 서로 일치되도록 이루어질 수 있다.

구동 유닛(146)은 이동 부재(142)가 이동되도록 동력을 발생시킨다. 구동 유닛(146)은 이동 부재(142)가 몸체 부재(141)에 대해 직선 왕복 이동될 수 있게 한다.

이를 위한 이동 부재(142)와 구동 유닛(146)의 상세한 구조의 일례를 설명한다.

이동 부재(142)의 상세한 구조는 일례로 베이스부(143)와, 피스톤(145)을 포함할 수 있다.

베이스부(143)는 일측이 개구되게 형성된다. 베이스부(143)는 몸체 부재(141)의 끝 부분의 일부를 감싸도록 형성된다. 베이스부(143)는 수용부(144)를 포함할 수 있다. 수용부(144)는 몸체 부재(141)의 일부분이 수용되도록 형성된다.

피스톤(145)은 베이스부(143)의 내부면에 고정 결합된다. 피스톤(145)의 일단이 베이스부(143)의 내부면에 결합될 수 있다. 피스톤(145)은 이동 부재(142)의 이동 방향을 따라 배치된다. 예를 들어, 이동 부재(142)의 이동 방향이 몸체 부재(141)의 길이 방향과 동일한 경우, 피스톤(145)도 몸체 부재(141)의 길이 방향과 동일하게 배치될 수 있다.

구동 유닛(146)의 상세한 구조는 일례로, 실린더(147)와, 동력부(148)를 포함할 수 있다.

실린더(147)는 몸체 부재(141)의 끝 부분에 형성되어 피스톤(145)이 결합된다. 실린더(147) 내부에 피스톤(145)이 수용되고, 피스톤(145)은 실린더(147) 내부에서 동력부(148)에 의해 이동될 수 있다.

동력부(148)는 피스톤(145)이 이동될 수 있도록 실린더(147) 내부로 압력을 공급한다. 이러한 동력부(148)는 일례로, 유압 발생기 또는 공압 발생기일 수 있다. 단, 동력부(148)가 유압 발생기 또는 공압 발생기인 것으로 한정하지는 않으며, 피스톤(145)을 이동시킬 수 있게 하는 장치이면 어느 구조이든 무방할 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드(140)는 돌출부(149)를 포함할 수 있다. 돌출부(149)는 몸체 부재(141)의 끝부분에 돌출 형성되어 수용부(144)에 수용된다. 돌출부(149)의 형상은 수용부(144)와 대응되는 형상으로 이루어질 수 있다.

이러한 돌출부(149)에 의해 이동 부재(142)가 몸체 부재(141)에 밀착된 상태에서 이격 없이 밀착되므로, 이동 부재(142)와 몸체 부재(141)가 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있다. 또한, 이동 부재(142)가 몸체 부재(141)로부터 최대한 멀어지게 이동된 상태에서는, 이동 부재(142)와 몸체 부재(141) 사이의 공간을 돌출부(149)가 차지하게 된다. 이에 따라, 블레이드(140)가 회전되는 과정에서 이동 부재(142)가 몸체 부재(141) 사이에 빈공간이 발생되지 않게 됨으로써, 바람과 접촉되지 않는 부분이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

전술한 구조로 이루어진 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드(140)는 종래의 블레이드와 다르게 이동 부재(142)의 이동에 의해 블레이드(140) 전체의 길이가 변경전 길이(L1, 도 3참조)에서 변경후 길이(L2, 도 4 참조)로 증가되도록 이루어진다.

여기서, 변경전 길이(L1, 도 3참조)는 이동 부재(142)가 몸체 부재(141)에 밀착된 상태에서 블레이드(140)의 루트 부분에서 끝부분까지 길이이다. 그리고, 변경후 길이(L2, 도 4 참조)는 이동 부재(142)가 몸체 부재(141)로부터 최대한 멀리 이동된 상태에서 블레이드(140)의 루트 부분에서 끝부분까지 길이이다.

일반적으로 회전체는 중심으로부터 끝부분까지의 길이가 증가될수록 토크(torque)도 증가하게 된다. 즉, 블레이드(140) 전체의 길이가 이동 부재(142)의 이동 거리(L3, 도 4 참조)만큼 증가됨으로써, 이와 함께 토크도 증가되어 블레이드(140)가 바람에 의해 회전되는 과정에서 종래의 블레이드보다 더욱 원활하게 회전될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드(140)의 회전력이 증가됨으로써, 전기 생산 효율이 향상될 수 있다.

즉, 블레이드(140)의 길이의 증가가 발생시키는 양력을 증가시키는 효과를 발생시킴에 따라, 길이의 조절을 통해 블레이드의 양력을 조절할 수 있다. 이에 의한 기대 효과는 다수의 블레이드(140)들의 양력 조절을 통해 양력 불균형을 해소함으로써 허브의 피로 수명 단축 방지 및 기존의 피치 모터를 대체 또는 용량 축소화에 기여할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기의 다른 일례를 도시한 사시도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드(140)의 길이는 특정 풍속 이하인 경우에 증가되도록 이루어질 수 있다.

이를 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전기(100)는 풍속 감지부(250)와 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

풍속 감지부(250)는 풍속을 감지한다. 풍속 감지부(250)는 타워(110) 또는 나셀(120)에 형성될 수 있다.

제어부(미도시)는 측정된 풍속이 기준 풍속보다 낮으면, 상기 이동 부재(142, 도 2참조)를 상기 몸체 부재(141, 도 2참조)에 대해 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 예를 들어, 기준 풍속이 10m/s으로 설정된 상태에서, 측정된 풍속이 10m/s 미만이면, 제어부는 이동 부재(142, 도 2참조)를 이동시키는 신호를 발생한다.

이에 따라, 저풍속 시 길이 증가를 통한 출력 향상 및 정격출력으로의 도달 시간 단축 등 효과를 기대할 수 있다. 여기서, 기준 풍속이 10m/s이라고 기재한 것은 설명의 편의를 위해 가상적으로 설정한 값이며, 반드시 기준 풍속이 10m/s인 것으로 한정하지는 않는다.

이상에서 본 발명의 여러 실시예에 대하여 설명하였으나, 지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100: 풍력 발전기 110: 타워
120: 나셀 130: 로터
140: 블레이드 141: 몸체 부재
142: 이동 부재 143: 베이스부
144: 수용부 145: 피스톤
146: 구동 유닛 147: 실린더
148: 동력부 149: 돌출부
250: 풍속 감지부

Claims (6)

1. 끝부분에 돌출 형성되는 돌출부를 포함하는 몸체 부재,
   상기 돌출부에 결합되어 상기 몸체 부재로부터 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동되며, 상기 돌출부를 수용하도록 일측이 개구되게 형성된 수용부를 포함하는 이동부재, 및
   상기 이동 부재가 이동 가능하도록 상기 몸체 부재의 내부에 배치된 구동 유닛을 포함하며,
   상기 이동 부재가 상기 몸체 부재에 가까워지는 방향으로 이동되면, 상기 돌출부가 상기 수용부에 수용되고, 상기 몸체 부재와 상기 이동 부재가 일체로 이루어진 블레이드 형상이 되는 풍력 발전기용 블레이드.
2. 제1항에 있어서,
   상기 이동 부재는,
   상기 수용부의 내부 측에 고정 결합된 것으로, 상기 이동 부재의 이동 방향을 따라 연장된 피스톤을 더 포함하고,
   상기 구동 유닛은,
   상기 돌출부에 형성되어 상기 피스톤이 결합되는 실린더, 및
   상기 피스톤이 이동될 수 있도록 상기 실린더 내부로 압력을 공급하는 동력부를 포함하는 풍력 발전기용 블레이드.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   상기 동력부는, 유압 발생기 또는 공압 발생기인 풍력 발전기용 블레이드.
5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전기용 블레이드를 포함하는 풍력 발전기.
6. 제5항에 있어서,
   풍속을 감지하는 풍속 감지부, 및
   측정된 풍속이 기준 풍속보다 낮으면, 상기 이동 부재를 상기 몸체 부재에 대해 멀어지는 방향으로 이동시키는 제어부를 더 포함하는 풍력 발전기.

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