KR101628308B1 - 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지는 주날개의 하면부에 주날개의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지는 보조날개를 상하로 회동가능하게 결합하여 주날개의 회전시 보조날개가 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개의 단면형상을 가변시킬 수 있게 구성함으로써, 미풍에도 원활하게 회전할 수 있게 하여 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 견딜 수 있게 하여 내구성을 대폭 향상시킬 수 있도록 하는 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드에 관한 것이다.
이에 본 발명은 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지며 하면부에 보조날개결합홈(3)이 길이방향으로 형성되는 주날개(2)와, 상기 주날개(2)의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지며 전단부(6)는 보조날개결합홈(3)의 전방내측에 상하로 회동가능하게 힌지 결합되고 후단부(7)는 보조날개결합홈(3)의 후방내측으로 삽입되는 보조날개(5)를 포함하되, 상기 보조날개(5)는 주날개(2)의 회전시 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개(2)의 단면형상을 가변시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드{Variable cross section blade for horizontal-axis aerogenerator}

본 발명은 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드에 관한 것으로, 보다 상세하게는 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지는 주날개의 하면부에 주날개의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지는 보조날개를 상하로 회동가능하게 결합하여 주날개의 회전시 보조날개가 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개의 단면형상을 가변시킬 수 있게 구성함으로써, 미풍에도 원활하게 회전할 수 있게 하여 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 견딜 수 있게 하여 내구성을 대폭 향상시킬 수 있도록 하는 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치로서, 바람에 의해 풍력발전기의 날개를 회전시키고 이때 생긴 날개의 회전력을 이용하여 전기를 생산하게 된다.

이러한 풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수직축 발전기와 수평축 발전기로 구분되는데, 수직축 발전기는 수평축 발전기에 비해 상대적으로 발전효율이 떨어지기 때문에 현재 설치되는 대용량 풍력발전기로는 대부분 수평축 발전기가 사용되고 있다.

종래의 수평축 풍력발전기는 지면에 수직으로 설치되는 지주대와, 지주대의 상단에 장착되는 발전기본체와, 발전기본체에 회전가능하게 연결되는 허브와, 허브의 외주면에 방사상으로 결합되는 복수개의 블레이드로 구성된다.

이와 같이 구성되는 수평축 풍력발전기를 바람이 많이 부는 지역에 설치하게 되면, 바람에 의해 복수개의 블레이드가 회전하게 되면서 발전기본체에서 전기가 생산되는데, 풍력 발전시 출력은 블레이드에 의해 형성된 평면과 바람의 방향이 이루는 각도(피치각)를 제어함으로써 조절할 수 있게 된다.

수평축 풍력발전기의 최대 동력은 블레이드의 평면과 바람의 방향이 수직을 이룰때, 즉 바람의 영향권 내에 진입해 있을 때에 발생하고, 블레이드의 평면이 바람의 방향과 평행할 때 즉 바람의 영향권에서 벗어나 있을 때에는 동력이 발생하지 않게 되는데, 풍력발전기의 출력은 블레이드를 점차적으로 각 운동시켜서 바람의 영향권 내로 진입하게 하거나 그것으로부터 벗어나게 하여 변화시킬 수 있다.

그러나, 종래의 수평축 풍력발전기는 대부분 블레이드가 블레이드 각만큼 허브에 경사지게 고정됨에 따라 풍속이 일정 속도 이상일 경우에만 발전이 이루어지게 되므로 풍속의 가변성이 높은 지역에서는 발전효율이 현저히 저하될 뿐만 아니라, 태풍 등과 같이 강한 바람이 불 경우에는 블레이드가 이를 견디지 못하고 쉽게 파손됨에 따라 내구성이 현저히 저하되는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0915623호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지는 주날개의 하면부에 주날개의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지는 보조날개를 상하로 회동가능하게 결합하여 주날개의 회전시 보조날개가 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개의 단면형상을 가변시킬 수 있게 구성함으로써, 미풍에도 원활하게 회전할 수 있게 하여 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있도록 할 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 견딜 수 있게 하여 내구성을 대폭 향상시킬 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지며 하면부에 보조날개결합홈이 길이방향으로 형성되는 주날개와, 상기 주날개의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지며 전단부는 보조날개결합홈의 전방내측에 상하로 회동가능하게 힌지 결합되고 후단부는 보조날개결합홈의 후방내측으로 삽입되는 보조날개를 포함하되, 상기 보조날개는 주날개의 회전시 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개의 단면형상을 가변시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 주날개의 보조날개결합홈은 전방결합홈과 후방결합홈으로 분할 형성되며, 상기 보조날개는 전방결합홈에 결합되는 전방보조날개와 후방결합홈에 결합되는 후방보조날개로 분할 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 주날개의 보조날개결합홈의 내측저면에는 보조날개의 삽입시 충격 및 소음을 방지하기 위한 완충부재가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드는 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지는 주날개의 하면부에 주날개의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지는 보조날개가 상하로 회동가능하게 결합되어 주날개의 회전시 보조날개가 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개의 단면형상을 가변시킬 수 있게 구성됨으로써, 미풍에도 원활하게 회전할 수 있게 되어 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 견딜 수 있게 되어 내구성을 대폭 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 가변 단면형 블레이드가 장착된 수평축 풍력발전기를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드의 구조를 를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드의 다른 실시예를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드의 사용상태를 나타내는 설명도.
도 5는 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드의 작용상태를 나타내는 설명도.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 도 1 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 주날개(2)와 보조날개(5)를 포함하여 구성된다.

상기 주날개(2)는 블레이드(1)의 몸체 역할을 하는 것으로, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 시위선(2a)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지되, 하면부에는 보조날개결합홈(3)이 길이방향으로 형성된다.

시위선(chord line)이란 에어포일의 앞전과 뒷전을 연결하는 직선을 말하는데, 상기 주날개(2)의 단면형상을 시위선(2a)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태로 형성한 이유는, 태풍과 같은 강풍이 불 경우 주날개(2)의 상ㆍ하면에 서로 동일한 크기의 풍압이 작용하게 하여 주날개(2)가 회전하지 않게 함으로써 태풍과 같은 강풍에 의해 블레이드(1)가 파손되는 것을 방지할 수 있도록 하기 위함이다.

상기 주날개(2)의 보조날개결합홈(3)은 보조날개(5)가 힌지 결합되는 부분으로서 그 폭과 길이가 보조날개(5)와 동일하게 형성되는데, 상기 보조날개결합홈(3)의 내측저면에는 보조날개(5)의 삽입시 충격 및 소음을 방지하기 위한 완충부재(4)를 설치하는 것이 바람직하다.

상기 주날개(2)는 강철 또는 알루미늄재질로 제작하되, 경량화를 위해 속이 빈 중공형상으로 제작하는 것이 바람직하다.

상기 보조날개(5)는 상기 주날개(2)의 회전시 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개(2)의 단면형상을 가변시키게 되는 것으로, 상기 주날개(2)의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지되, 전단부(6)는 보조날개결합홈(3)의 전방내측에 상하로 회동가능하게 힌지 결합되고, 후단부(7)는 보조날개결합홈(3)의 후방내측으로 삽입된다.

상기 보조날개(5)는 강풍에 의해 변형되지 않고 주날개(2)의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면형상을 유지한 상태로 바람의 세기에 따라 상하로 자유롭게 회동하면서 주날개(2)의 단면형상을 가변시킬 수 있도록 강성을 가진 강판이나 알루미늄재질로 제작하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드는 다른 실시예로서, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 주날개(2)의 보조날개결합홈(3)을 전방결합홈(3a)과 후방결합홈(3b)으로 분할 형성하고, 상기 보조날개(5)를 전방결합홈(3a)에 결합되는 전방보조날개(5a)와 후방결합홈(3b)에 결합되는 후방보조날개(5b)로 분할 형성하는 것도 가능하다.

이와 같이 상기 주날개(2)의 보조날개결합홈(3)과 보조날개(5)를 전후방으로 분할 형성하게 되면, 주날개(2)의 단면형상을 보다 세밀하게 가변시켜 미풍에 효율적으로 대응할 수 있게 되므로 발전효율을 더욱더 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드의 사용 및 작용관계를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 가변 단면형 블레이드는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 지면에 수직으로 설치되는 지주대(10)와, 지주대(10)의 상단에 수평으로 장착되는 발전기본체(11)와, 발전기본체(11)에 회전가능하게 연결되는 허브(12)를 포함하는 수평축 풍력발전기의 허브(12)에 방사상으로 결합하여 사용하게 된다.

이 때, 본 발명에 의한 가변 단면형 블레이드는 반드시 보조날개(5)의 전단부(6)가 수평축 풍력발전기의 전방을 향하도록 결합하되, 주날개(2)의 시위선(2a)이 허브(12)의 중심축과 평행을 이루도록 결합해야 하는데, 이렇게 결합하지 않으면 주날개(2)의 회전시 보조날개(5)가 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개(2)의 단면형상을 가변시킬 수 없게 되므로 미풍에도 원활하게 회전할 수 없게 될 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 견딜 수 없게 된다.

이와 같이 수평축 풍력발전기의 허브(12)에 방사상으로 결합되는 본 발명에 의한 가변 단면형 블레이드는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 주날개(2)의 하면부에 힌지 결합된 보조날개(5)에 의해 주날개(2)의 단면형상이 가변되면서 회전하게 된다.

즉, 도 5의 (가)에 도시되어 있는 바와 같이 미풍이 부는 경우에는 주날개(2)의 하면부에 힌지 결합된 보조날개(5)가 자중에 의해 아래로 완전히 처지게 되는데, 이 때 주날개(2)의 하면부 풍압면이 최대로 확대됨에 따라 미풍에도 원활하게 회전할 수 있게 된다.

그리고, 도 5의 (나)에 도시되어 있는 바와 같이 미풍보다 강한 바람이 부는 경우에는 자중에 의해 아래로 완전히 처져 있던 보조날개(5)가 바람에 의해 약간 밀려 올라가게 되는데, 이 때 주날개(2)의 하면부 풍압면이 바람의 세기에 맞게 축소되므로 미풍보다 강한 바람에도 원활하게 회전할 수 있게 된다.

이어서, 도 5의 (다)에 도시되어 있는 바와 같이 태풍과 같은 강풍이 심하게 부는 경우에는 자중에 의해 아래로 완전히 처져 있던 보조날개(5)가 강풍에 의해 밀려 올라가 주날개(2)의 보조날개결합홈(3)의 내부로 완전히 삽입되는데, 이 때 주날개(2)의 상ㆍ하면에 서로 동일한 크기의 풍압이 작용하게 되어 주날개(2)가 회전하지 않게 되므로 태풍과 같은 강풍에 의해 블레이드(1)가 파손되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드는 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지는 주날개(2)의 하면부에 주날개(2)의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지는 보조날개(5)가 상하로 회동가능하게 결합되어 주날개(2)의 회전시 보조날개(5)가 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개(2)의 단면형상을 가변시킬 수 있게 구성됨으로써, 미풍에도 원활하게 회전할 수 있게 되어 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있게 될 뿐만 아니라 태풍과 같은 강풍에도 안전하게 견딜 수 있게 되어 내구성을 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

참고로, 여기에 개시되는 실시예는 본 발명의 기술적 사상이 적용되는 여러 가지 실시가능한 예 중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 본 발명의 기술적 사상이 개시된 실시예에만 한정되거나 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 실시예가 가능한 것임을 밝혀 둔다.

1 : 블레이드 2 : 주날개
2a : 시위선 3 : 보조날개결합홈
3a : 전방결합홈 3b : 후방결합홈
4 : 완충부재 5 : 보조날개
5a : 전방보조날개 5b: 후방보조날개
6 : 전단부 7 : 후단부

Claims (3)

1. 시위선(chord line)을 중심으로 상하대칭을 이루는 다이아몬드형 에어포일형태의 단면을 가지며 하면부에 보조날개결합홈이 길이방향으로 형성되는 주날개와,
   상기 주날개의 상면부와 상하대칭을 이루는 단면을 가지며 전단부는 보조날개결합홈의 전방내측에 상하로 회동가능하게 힌지 결합되고 후단부는 보조날개결합홈의 후방내측으로 삽입되는 보조날개를 포함하되,
   상기 보조날개는 주날개의 회전시 자중에 의해 상하로 회동하면서 주날개의 단면형상을 가변시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 주날개의 보조날개결합홈은 전방결합홈과 후방결합홈으로 분할 형성되며,
   상기 보조날개는 전방결합홈에 결합되는 전방보조날개와 후방결합홈에 결합되는 후방보조날개로 분할 형성되는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 주날개의 보조날개결합홈의 내측저면에는 보조날개의 삽입시 충격 및 소음을 방지하기 위한 완충부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 수평축 풍력발전기용 가변 단면형 블레이드.

Images