KR102394699B1 - 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치 - Google Patents

저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치 Download PDF

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Abstract

경량화되면서 지지강도가 개선되도록, 본 발명은 회전력이 발생되도록 시위선을 중심으로 상부면과 하부면의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성되어 길이방향을 따라 일체로 인발되되, 내부가 중공형으로 길이방향을 따라 관통되며 양단이 개구되는 섬유강화플라스틱 재질의 날개부; 및 상기 시위선을 따라 상호간 이격 배치되며 복수개로 구비되되, 상기 날개부 내부 배치 위치에 대응되어 각각 상호간 상이한 외경을 갖도록 구비되며, 상기 날개부의 내부에 길이방향을 따라 각각 관통 삽입되어 외주가 상기 날개부의 내주에 끼움 결합되고, 내부가 중공형으로 형성되며 양단이 개구되는 지지봉부를 포함하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 제공한다.

Description

저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치{blade apparatus for wind power generator with low wind speed}
본 발명은 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 경량화되면서 지지강도가 개선되는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에 관한 것이다.
최근에는 화석에너지로부터 발생되는 온실가스가 지구 온난화를 야기시키는 요소로 지목되면서 전 세계적으로 지구 온난화를 방지하기 위하여 국제기후변화협약이 채택되었고, 이러한 온실가스의 배출을 억제하기 위해 여러 가지 프로그램들이 시행되고 있다. 그리고, 우리나라 또한 온실가스 배출감소를 위한 해결책을 찾고, 적극적으로 화석에너지의 사용을 줄이기 위한 여러 가지 대안들을 강구해야 하는 현실에 직면하고 있다.
이에 따라, 석유, 석탄, 원자력, 천연가스 등의 화석연료를 대체하는 새로운 에너지원으로 정의되는 신재생에너지가 주목 받고 있으며, 신재생에너지란 액화석탄, 수소에너지 등의 신(新)에너지와 동·식물유기물, 햇빛, 바람, 물, 지열 등을 이용하여 친환경적이고 재생가능한 에너지로 변환하는 에너지를 통합해 지칭하는 말이다.
이러한 신재생에너지는 재생이 가능하고, 친환경적이며, 무제한적이라는 장점이 있으나, 효율의 상승을 위한 꾸준한 연구개발 및 현재의 불확실한 시장전망의 극복이라는 과제를 안고 있다.
여기서, 신재생에너지 중 하나인 바람을 이용한 풍력발전은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기역학적 특성을 이용하여 회전자를 회전시켜 기계적에너지로 변환시키고, 이 기계적에너지로 전기에너지를 발생시키는 기술이다.
그리고, 풍력발전분야는 최근 대체에너지원으로 부각되며 고성장세를 지속하는 산업으로, 전 세계의 온실가스 감축의 의무화, 기술의 발전으로 인한 발전단가의 하락 등의 이유로 성장이 가속화되고 있다.
또한, 풍력발전은 어느 곳에나 산재해 있는 무공해의 무한정한 바람을 이용하므로 환경에 미치는 영향이 적고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있으며, 대규모 발전단지의 발전 단가의 경우 기존의 발전 방식과 비교하여도 효율이 떨어지지 않는 매우 유용한 발전 방법이다.
다만, 바람이 희박하여 에너지의 밀도가 낮은 경우 발전이 어려우므로 특정 지역에 한정하여 설치해야 하며, 정량의 바람이 있을 경우에만 발전이 가능하므로 안정적 전기공급을 위해서는 저장장치 등의 설비가 필요하고, 최근 풍력발전기의 대형화로 인해 소음 발생의 문제가 있으며, 초기 투자비용이 높다는 단점이 있다.
한편, 종래의 풍력발전기의 구조는 지면 상에 세워지는 고층의 타워와, 타워의 상단에 설치되는 나셀, 그리고 상기 나셀에 결합되는 회전축과 상기 회전축의 외주면에 설치되는 다수의 블레이드로 구성되며, 나셀 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치 등을 두어 블레이드의 회전력이 회전축을 거쳐 발전기에 이르도록 구성된다.
이때, 상기 블레이드는 상기 회전축과 결합된 허브부분에서는 약 30°, 팁부분에서는 약 2°~ 3°의 피치각을 이루며, 트위스트되도록 형성됨과 아울러 폭과 두께가 점차 좁아지며 얇아지는 형태로 형성되는 것이 일반적이며, 이 경우 피치각을 이루는 블레이드가 정면으로 불어오는 바람을 비스듬하게 받아 블레이드 회전면 뒤쪽으로 자연스럽게 통과시킴으로 인해 발생되는 항력에 의해 상기 블레이드가 회전되는 동시에 블레이드의 회전에 따라 블레이드 끝부분에 양력이 발생되어 블레이드의 회전력을 향상시킨다.
즉, 블레이드 회전면으로 불어오는 바람이 회전면을 통과하면서 에너지를 블레이드에 전달하므로 바람의 속도가 약 2/3 가량 줄어들고, 이에 따라 바람의 유동에너지의 최고 59.26%(Betz의 법칙)가 회전동력으로 변환된다.
그러나, 상기와 같은 풍력발전기는 바람이 블레이드 회전면을 통과하면서 블레이드에 회전동력을 전달하는 구조이기 때문에 바람이 블레이드를 통과한 후 풍속이 낮아지고, 바람이 가지고 있던 유동에너지 중 줄어든 속도에 해당하는 크기의 에너지가 회전동력으로 변환하므로 동력변환효율(Cp)이 높지 않은 한계가 있었다.
이에 따라, 기본부하의 점유율을 낮춘 대형 풍력발전기에는 적절히 적용할 수 있지만, 그렇지 못한 소형 풍력발전기는 상대적으로 동력변환효율(Cp)이 약 30% 이하로 낮아져 발전출력이 떨어지는 문제점이 있게 된다.
또한, 기존의 풍력발전기는 블레이드의 구조적 특성상 요구되는 시동풍속이 높아 저풍속 영역에서 사용상의 효율이 저하되는 문제점이 있었다. 특히, 연간 바람의 풍속별 빈도 분포를 살펴봤을 때 4m/s 이하의 저풍속의 빈도가 60% 이상을 차지하는 점을 고려한다면 실질적인 풍력발전기의 가동효율이 매우 낮게 되는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 한국 등록특허 제10-1272165호에는 동일한 폭과 두께로 형성된 에어포일 블레이드가 구비되되, 풍속에 따라 피치각을 조절할 수 있도록 구성된 풍력발전기가 개시되어 있다.
도 1은 종래의 풍력발전기를 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 풍력발전기(1)는 지면에 수직으로 설치되는 타워(2)와, 상기 타워(2)의 상단에 수직축을 중심으로 회전 가능하도록 연결되는 나셀(3)과, 상기 나셀(3)과 직각 방향으로 축결합되어 수평축을 중심으로 회전하는 회전체(4)와, 상기 회전체(4)의 외주면에 0° 내지 30° 범위에서 피치각을 조절 가능하도록 결합되고, 시위선(Chord Line)을 중심으로 상부면과 하부면의 굴곡 형상이 완전하게 동일한 대칭의 에어포일(Airfoil) 형상으로 형성되어 상기 상부면과 하부면 양면에 회전력이 발생되는 하나 이상의 블레이드(5)와, 상기 피치각을 0° 내지 30° 범위로 변화시키는 피치각 조절장치(미도시)를 포함하여 구비되었다.
여기서, 상기 피치각 조절장치(미도시)를 통해 피치각을 가변할 수 있도록 함으로써, 풍속에 따라 적절한 피치각을 이용하여 발전효율이 향상되었으며 낮은 풍속에서도 발전이 가능하게 구비되었다.
그러나, 종래의 블레이드(5)는 알루미늄 가격의 급등으로 인해 제조비용이 증가되며, 블레이드(5) 자체 무게에 의해 피치각의 가변시 요구되는 토크가 증가되거나 에너지소모량이 증가되는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 블레이드(5) 내부를 중공형으로 형성하면 블레이드(5) 자체의 지지강도가 현저히 저하되는 문제점이 있었다.
한국 등록특허 제10-1272165호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 경량화되면서 지지강도가 개선되는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 회전력이 발생되도록 시위선을 중심으로 상부면과 하부면의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성되어 길이방향을 따라 일체로 인발되되, 내부가 중공형으로 길이방향을 따라 관통되며 양단이 개구되는 섬유강화플라스틱 재질의 날개부; 및 상기 시위선을 따라 상호간 이격 배치되며 복수개로 구비되되, 상기 날개부 내부 배치 위치에 대응되어 각각 상호간 상이한 외경을 갖도록 구비되며, 상기 날개부의 내부에 길이방향을 따라 각각 관통 삽입되어 외주가 상기 날개부의 내주에 끼움 결합되고, 내부가 중공형으로 형성되며 양단이 개구되는 지지봉부를 포함하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 제공한다.
여기서, 상기 날개부에는 상부 내주면 및 하부 내주면으로부터 상호 대향되는 방향으로 돌출되는 복수개의 결합면부가 형성되고, 각 상기 결합면부의 내면 윤곽이 각 상기 지지봉부의 외면 윤곽에 대응되어 라운드지게 오목한 형태로 형성되며, 각 상기 결합면부는 각 상기 지지봉부로부터의 지지력이 상기 날개부로 균형 분산되도록 상기 시위선을 따라 상호간 기설정된 간격을 두고 이격 배치되고, 각 상기 지지봉부의 외면 상측 및 하측은 각 상기 결합면부의 내면에 끼움 결합됨이 바람직하다.
그리고, 각 상기 지지봉부의 내주에 길이방향을 따라 관통 삽입되는 보강봉부를 포함하되, 각 상기 보강봉부는 각 상기 지지봉부의 반경방향 내측을 따라 다단으로 중첩되며 끼움 결합되도록, 각 상기 지지봉부의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 설정되어 각 상기 지지봉부의 내주에 외주가 끼움 결합되는 중공형의 제1보강봉부와, 각 상기 제1보강봉부의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 설정되어 각 상기 제1보강봉부의 내주에 외주가 끼움 결합되는 중공형의 제2보강봉부를 포함함이 바람직하다.
이때, 상기 지지봉부, 상기 제1보강봉부 및 상기 제2보강봉부 간의 길이는 상호간 다단 정렬되도록 상이하게 설정되되, 상기 제1보강봉부의 외측단부는 상기 지지봉부의 외측단부로부터 기설정된 제1길이만큼 상기 날개부의 길이방향 내측으로 이격된 위치에 정렬되며, 상기 제2보강봉부의 외측단부는 상기 제1보강봉부의 외측단부로부터 기설정된 제2길이만큼 상기 날개부의 길이방향 내측으로 이격된 위치에 정렬됨이 바람직하다.
그리고, 상기 날개부 및 각 상기 지지봉부의 단면 윤곽에 음각으로 대응되는 윤곽을 갖는 결합홈부가 형성되어 상기 날개부 및 각 상기 지지봉부의 단부에 길이방향으로 끼움 결합되는 회전블록부를 포함하고, 상기 날개부의 일측 외면에는 제1볼트체결홀이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성되고, 상기 제1볼트체결홀에 대향되는 상기 회전블록부에는 제2볼트체결홀이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성되며, 상기 날개부에는 각 상기 지지봉부를 사이에 두고 상기 날개부의 내부에 상하방향으로 연장되어 상단 및 하단이 상기 날개부의 상부 내주면 및 하부 내주면에 각각 일체로 연결되며 길이방향으로 인발되는 구획보강부가 형성됨이 바람직하다.
상기의 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 풍력발전기의 회전체에 회전블록부를 매개로 피치각도의 가변 조절이 가능하게 결합되는 섬유강화플라스틱 재질의 날개부가 시위선을 중심으로 상부면과 하부면의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 중공형 단면 형상으로 인발되므로 제조비용이 절감됨과 더불어 경량화를 통한 발전효율이 현저히 개선될 수 있다.
둘째, 복수개의 지지봉부 외면이 날개부 내주면에 돌출되어 내면 윤곽이 라운드지게 형성된 각 결합면부에 끼움 결합되므로 진동이 방지되면서도, 지지봉부가 날개부 내부에 시위선을 따라 기설정된 간격을 두고 이격 배치되므로 하중 및 지지력이 날개부 내부에 균형 분산되는 시너지 효과를 제공할 수 있다.
셋째, 각 지지봉부의 내주에 보강봉부가 복수개 중첩되며 끼움 결합되어 지지강도가 더욱 개선되면서도, 지지봉부 및 각 보강봉부 외측단부 간의 길이가 상이하게 설정되며 다단 정렬되어 회전체의 회전중심으로부터 블레이드의 무게중심 사이의 거리가 감소됨에 따라 관성 모멘트가 낮아지므로 날개부의 피치각도의 가변 조절시 부하가 감소되어 에너지 효율이 개선될 수 있다.
넷째, 날개부 및 각 지지봉부의 단면 윤곽에 음각으로 대응되는 윤곽을 갖는 결합홈부가 형성되는 회전블록부와 캡부에 날개부 및 각 지지봉부의 단부가 결합되면 형합됨에 따라 회전시 진동 발생이 최소화될 뿐만 아니라 날개부 내부로 바람, 빗물, 우박 및 자외선 유입에 의한 풍절음, 마모 및 열화가 최소화되어 내구성이 현저히 개선되는 시너지 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 풍력발전기를 나타낸 예시도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 날개부를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 나타낸 단면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 회전블록부를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명의 일실시예의 변형예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 캡부 및 결합블록부를 나타낸 예시도.
도 8은 본 발명의 일실시예의 변형예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 캡부 및 결합블록부를 나타낸 사시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 나타낸 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 날개부를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치를 나타낸 단면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 회전블록부를 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치(100)는 날개부(10) 및 지지봉부(20A,20B,20C)를 포함하여 구비됨이 바람직하다.
이러한 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치(100)는 500kW급 중형 이하, 바람직하게는 10~250kW급의 저풍속 풍력발전기에도 적용 가능하게 구성되어 종래 4m/s 이하보다 더 낮은 1.5m/s 이하에서도 안정적으로 구동되도록 구비된다.
여기서, 상기 날개부(10)는 회전력이 발생되도록 시위선(c)을 중심으로 상부면(11)과 하부면(12)의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성되어 길이방향을 따라 일체로 인발되되, 내부가 중공형으로 길이방향을 따라 관통되며 길이방향 양단이 개구됨이 바람직하다.
이때, 상기 시위선이라 함은 에어포일의 앞전과 뒷전을 연결하는 가상의 직선을 의미한다. 또한, 상기 에어포일 이라 함은 양력을 최대화하고 항력을 최소화하도록 효율적으로 만든 유선형의 날개 단면을 의미한다. 이에 따라, 상기 날개부(10)가 상기 시위선(c)을 중심으로 상부면(11)과 하부면(12)의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성되므로 기계적 역학에 의해 저풍속 환경에서 작용하는 회전력이 증가될 수 있다.
이러한 상기 날개부(10)는 탄소섬유강화플라스틱 및 유리섬유강화플라스틱을 포함하는 섬유강화플라스틱(FRP,Fiber Reinforced Plastic) 재질로 구비되어 상기 날개부(10)의 길이방향을 따라 일체로 인발 성형됨이 바람직하다. 이에 따라, 상기 날개부(10)가 섬유강화플라스틱 재질로 인발 성형되므로 제조비용이 종래의 1/10 수준으로 절감될 수 있다. 더욱이, 상기 날개부(10)의 표면에는 자외선 노출에 의한 탄소섬유강화플라스틱 재질의 상기 날개부(10)의 열화가 차단되도록 자외선차단 코팅층이 적층 형성될 수 있다.
또한, 상기 날개부(10)에는 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)를 사이에 두고 상기 날개부(10)의 내부에 상하방향으로 연장되어 상단 및 하단이 상기 날개부(10)의 상부 내주면 및 하부 내주면에 각각 일체로 연결되며 길이방향으로 각각 일체로 인발되는 구획보강부(13,14)가 형성됨이 바람직하다. 이에 따라, 상기 날개부(10)에 작용하는 상하방향 외력의 발생시 상기 구획보강부(13,14)에 의해 강도가 지지 보강될 수 있다.
그리고, 상기 지지봉부(20A,20B,20C)는 상기 시위선(c)을 따라 상호간 이격 배치되며 복수개로 구비되되, 상기 날개부(10)의 내부 배치 위치에 대응되어 각각 상호간 상이한 외경을 갖도록 구비되며, 상기 날개부(10)의 내부에 길이방향을 따라 각각 관통 삽입되어 외주가 상기 날개부(10)의 내주에 끼움 결합되고, 내부가 중공형으로 형성되며 양단이 개구되도록 구비됨이 바람직하다.
이러한 상기 지지봉부(20A,20B,20C)는 섬유강화플라스틱로 구비되어 길이방향을 따라 인발 성형될 수 있으며, 경우에 따라 엔지니어링 플라스틱 또는 금속 재질로 구비될 수도 있다.
그리고, 상기 날개부(10)에는 상기 시위선(c)을 중심으로 상하방향으로 상호 대칭되는 상부 내주면 및 하부 내주면으로부터 상호 대향되는 방향으로 돌출되되 내면(11b,11c,11d,12b,12c,12d) 윤곽이 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 외면 윤곽에 대응되어 라운드지게 오목한 형태로 함몰 형성되는 복수개의 결합면부(11a,12a)가 형성됨이 바람직하다.
여기서, 각 상기 결합면부(11a,12a)는 각 상기 결합면부는 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)로부터 제공되는 지지력이 상기 날개부(10)로 균형 분산되도록 상기 시위선(c)을 따라 상호간 기설정된 간격을 두고 이격 배치되며 상기 날개부(10)의 상부 내주면 및 하부 내주면에 각각 3개소, 총 6개소가 형성되는 경우를 예로서 도시 및 설명한다.
이때, 각 상기 결합면부(11a,12a)의 내면(11b,11c,11d,12b,12c,12d) 윤곽은 각 상기 결합면부(11a,12a)에 형합되며 끼움 결합되는 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 외경에 대응되는 곡률반경을 갖도록 설정됨이 바람직하다.
여기서, 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 외면 상측 및 하측은 각 상기 결합면부(11a,12a)의 내면(11b,11c,11d,12b,12c,12d)에 끼움 결합되어 면접촉 형합됨이 바람직하다. 이에 따라, 상기 지지봉부(20A,20B,20C)가 각 상기 결합면부(11a,12a)에 끼움 결합되면 밀착 형합되어 고정될 수 있다. 이때, 각 상기 결합면부(11a,12a)의 내면(11b,11c,11d,12b,12c,12d)에 면접촉되지 않은 나머지 외주 영역은 상기 날개부(10)의 내부 공간에 연통되도록 배치될 수 있다.
예컨대, 상기 시위선(c)의 연장 방향을 상기 날개부(10)의 폭방향으로 정의하면, 상기 지지봉부(20A,20B,20C)는 상기 날개부(10)의 폭방향 중앙 일측에 배치되되 상기 날개부(10)의 폭방향 중앙 일측 상부 내주면 및 하부 내주면에 형성된 각 상기 결합면부(11a,12a)의 내면(11c,12c)측 곡률반경에 대응되는 제1외경을 갖는 제1지지봉부(20A)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 지지봉부(20A,20B,20C)는 상기 제1지지봉부(20A)의 폭방향 양측에 배치되며 상기 제1외경 미만의 제2외경을 갖는 제2지지봉부(20B) 및 제3지지봉부(20C)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2외경은 상기 날개부(10)의 폭방향 양측 상부 내주면 및 하부 내주면에 형성된 각 상기 결합면부(11a,12a)의 내면(11b,11d,12b,12d)측 곡률반경에 대응되어 설정될 수 있다.
여기서, 상기 제1지지봉부(20A)의 반경방향 중심 및 상기 제2지지봉부(20B)의 반경방향 중심 간의 이격 간격인 제1간격(d1)과, 상기 제1지지봉부(20B)의 반경방향 중심 및 상기 제3지지봉부(20C)의 반경방향 중심 간의 이격 간격인 제2간격(d2)과, 상기 제3지지봉부(20C)의 반경방향 중심 및 상기 제3지지봉부(20C)에 인접한 상기 날개부(10)의 폭방향 단부 간의 이격 간격인 제3간격(d3) 간의 이격 비율은 1.0:1.5:2.0으로 설정됨이 바람직하다.
즉, 상기 제1간격(d1)과, 상기 제2간격(d2)과, 상기 제3간격(d3) 간의 이격 비율은 1.0:1.5:2.0으로 설정됨이 바람직하다. 또한, 상기 제1간격(d1)과, 상기 제2간격(d2) 간의 이격 비율은 1.0:1.5로 설정됨이 바람직하다.
이때, 상기 제1간격(d1)과, 상기 제2간격(d2) 간의 이격 비율이 1.0:1.5보다 감소되거나 증가되면 상기 날개부(10)에 작용하는 지지력이 편중될 우려가 있다. 따라서, 상기 제1간격(d1)과, 상기 제2간격(d2)과, 상기 제3간격(d3) 간의 이격 비율은 1.0:1.5:2.0으로 설정됨에 따라 상기 지지봉부(20A,20B,20C)가 상기 날개부(10)에 제공하는 지지력이 균형있게 분산 지지될 수 있다.
한편, 상기 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치(100)는 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 내주에 길이방향을 따라 관통 삽입되는 중공형의 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)를 포함함이 바람직하다. 이때, 상기 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)는 상기 시위선(c)을 따라 상호간 이격 배치되며 복수개로 구비되되, 상기 날개부(10)의 내부 배치 위치에 대응되어 각각 상호간 상이한 외경을 갖도록 구비되며, 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 내부에 길이방향을 따라 각각 관통 삽입되어 외주가 상기 (20A,20B,20C)의 내주에 끼움 결합되고, 내부가 중공형으로 형성되며 양단이 개구되도록 구비됨이 바람직하다.
이러한 각 상기 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)는 섬유강화플라스틱로 구비되어 길이방향을 따라 인발 성형될 수 있으며, 경우에 따라 엔지니어링 플라스틱 또는 금속 재질로 구비될 수도 있다.
여기서, 각 상기 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)는 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 반경방향 내측을 따라 다단으로 중첩되며 끼움 결합되도록 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 설정되어 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 내주에 외주가 끼움 결합되는 중공형의 제1보강봉부(21A,21B,21C)와, 각 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C)의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 설정되어 각 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C)의 내주에 외주가 끼움 결합되는 중공형의 제2보강봉부(22A,22B,22C)를 포함할 수 있다.
이때, 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 상호간 길이는 동일하게 설정되되 외경은 상호간 상이하게 설정됨으로 이해함이 바람직하다. 또한, 각 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C)의 상호간 길이는 동일하게 설정되되 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C) 및 각 상기 제2보강봉부(22A,22B,22C)의 길이와 상이하게 설정되며, 각 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C) 간의 외경은 상호간 상이하게 설정됨으로 이해함이 바람직하다. 더불어, 각 상기 제2보강봉부(22A,22B,22C)의 상호간 길이는 동일하게 설정되되 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C) 및 각 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C)의 길이와 상이하게 설정되며, 각 상기 제2보강봉부(22A,22B,22C) 간의 외경은 상호간 상이하게 설정됨으로 이해함이 바람직하다.
즉, 상기 지지봉부(20A,20B,20C), 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C) 및 상기 제2보강봉부(22A,22B,22C) 간의 길이는 상호간 상이하게 설정됨이 바람직하다. 이에 따라, 상기 지지봉부(20A,20B,20C), 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C) 및 상기 제2보강봉부(22A,22B,22C)의 외면이 길이방향을 따라 다단으로 단차지게 정렬될 수 있다.
그리고, 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 반경방향 내측을 따라 다단으로 중첩되며 끼움 결합된 각 상기 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)의 길이방향 길이는 상호간 상이하게 설정됨과 동시에 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 길이방향 길이 미만으로 설정될 수 있다.
여기서, 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C)의 외측단부는 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 외측단부로부터 기설정된 제1길이(도 7의 k1)만큼 상기 날개부(10)의 길이방향 내측으로 이격된 위치에 정렬될 수 있다.
또한, 상기 제2보강봉부(22A,22B,22C)의 외측단부는 상기 제1보강봉부(21A,21B,21C)의 외측단부로부터 기설정된 제2길이(도 7의 k2)만큼 상기 날개부(10)의 길이방향 내측으로 이격된 위치에 정렬될 수 있다.
한편, 상기 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치(100)는 상기 날개부(10) 및 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 단면 윤곽에 음각으로 대응되는 윤곽을 갖는 결합홈부(34)가 연속적으로 하향 함몰 형성되어 상기 날개부(10) 및 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 길이방향 단부에 길이방향으로 끼움 결합되는 회전블록부(30)를 포함함이 바람직하다. 이때, 상기 회전블록부(30)는 엔지니어링 플라스틱 또는 금속 재질로 구비될 수 있으며, 경우에 따라 섬유강화플라스틱 등의 복합소재로 구비될 수도 있다.
여기서, 상기 날개부(10)의 일측 외면 및 대향되는 상기 회전블록부(30)에는 볼트체결홀(15,31a)이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격 정렬되며 복수개소 관통 형성됨이 바람직하다. 즉, 상기 날개부(10)의 일측 외면에는 제1볼트체결홀(15)이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성됨이 바람직하며, 상기 제1볼트체결홀(15)에 대향되는 상기 회전블록부(30)에는 제2볼트체결홀(31a)이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성됨이 바람직하다. 또한, 상호 정렬된 각 상기 볼트체결홀(15,31a)에 관통 체결되는 볼트(35a) 및 너트(35b)가 더 구비될 수 있다.
상세히, 상기 회전블록부(30)는 상기 날개부(10)의 길이방향 단부측 상부면(11) 및 하부면(12)의 각 외측을 감싸는 한쌍의 외곽커버블록(31,32)을 포함함이 바람직하다. 또한, 상기 회전블록부(30)는 상기 날개부(10)의 내부 윤곽 및 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 외주 윤곽에 형합 대응되는 윤곽을 갖도록 개별 구비되어 상기 날개부(10)의 길이방향 단부측 내부에 끼움 결합되는 복수개의 형합블록(33)을 포함함이 바람직하다.
예컨대, 상기 형합블록(33)은 상기 시위선(c)을 따라 순차적으로 배열되는 제1형합블록(33a), 제2형합블록(33b), 제3형합블록(33c), 제4형합블록(33d), 제5형합블록(33e) 및 제6형합블록(33f)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 회전블록부(30)는 각 상기 외곽커버블록(31,32)의 하부 및 각 상기 형합블록(33)의 하부에 각 상기 외곽커버블록(31,32) 및 각 상기 형합블록(33)이 일체로 연결되도록 형성되는 연결블록(36)을 포함함이 바람직하다. 이때, 상기 결합홈부(34)는 각 상기 외곽커버블록(31,32) 및 각 상기 형합블록(33) 사이에 연속적으로 연장되며 하향 함몰 형성되며, 상기 결합홈부(34)의 바닥면이 상기 연결블록(36)의 상면과 동일함으로 이해함이 바람직하다.
이에 따라, 상기 날개부(10) 및 상기 지지봉부(20A,20B,20C)가 상호 결합된 상태에서, 상기 날개부(10)의 길이방향 단부가 각 상기 외곽커버블록(31,32) 및 각 상기 형합블록(33)을 포함하는 상기 회전블록부(30)의 결합홈부(34)에 길이방향으로 끼움 결합된 후 각 상기 볼트체결홀(15,31a)이 정렬되면 상기 볼트(35a) 및 상기 너트(35b)가 관통 체결됨에 따라 상기 회전블록부(30)에 상기 날개부(10)가 결합될 수 있다.
또한, 상기 회전블록부(30)는 풍력발전기의 나셀과 직각 방향으로 축결합되어 수평축을 중심으로 회전하는 회전체에 장착되도록 상기 연결블록(36)의 하부에 일체로 형성되는 회전체결합부(37)를 포함함이 바람직하다. 이에 따라, 상기 날개부(10)가 상기 회전블록부(30)에 결합된 후 상기 회전체결합부(37)가 상기 회전체에 장착됨에 따라 풍력발전기가 설치될 수 있다. 또한, 상기 회전체결합부(37)의 결합축을 기준으로 상기 날개부(10)의 피치각도가 가변 조절될 수 있다.
그리고, 상기 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치(100)는 상기 날개부(10)의 길이방향 외측단부를 커버하도록 결합되는 캡부(40)를 포함함이 바람직하다. 이때, 상기 날개부(10)의 길이방향 내측단부에 상기 회전블록부(30)가 결합되고, 상기 날개부(10)의 길이방향 외측단부에 상기 캡부(40)가 결합됨으로 이해함이 바람직하다. 이때, 상기 캡부(40)는 엔지니어링 플라스틱 재질로 구비될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 일실시예의 변형예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 캡부 및 결합블록부를 나타낸 예시도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예의 변형예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치에서 캡부 및 결합블록부를 나타낸 사시도이다. 이때, 본 변형예에서 캡부(140) 및 결합블록부(70)의 구성을 제외한 나머지 구성이 상술한 일실시예와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하며, 동일한 구성에 대하여 동일한 도면번호로 도시한다.
도 7 내지 도 8에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 변형예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치(200)는 날개부(10), 지지봉부(20A,20B,20C), 캡부(140) 및 결합블록부(70)를 포함함이 바람직하다.
이때, 본 발명의 일실시예의 변형예에서, 상기 캡부(140)의 외면 윤곽은 상기 날개부(10)의 외면 윤곽과 연속적인 외면 윤곽으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 캡부(140)는 뒤집힌 'U'자 형의 돔 형태로 형성되되 상기 날개부(10)의 형상에 연속적으로 대응되도록 시위선을 중심으로 상부면과 하부면의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 결합블록부(70)는 상기 날개부(10)에 대향되는 상기 캡부(140)의 일측 테두리에 용접 결합 등의 방식으로 상호간 연결되어 구비됨이 바람직하다. 이때, 상기 날개부(10)의 길이방향 내측단부에 일실시예의 회전블록부(30)가 결합되고, 상기 날개부(10)의 길이방향 외측단부에 상기 결합블록부(70)가 결합됨으로 이해함이 바람직하다. 이때, 상기 결합블록부(70)는 엔지니어링 플라스틱 또는 금속 재질로 구비될 수 있으며, 경우에 따라 섬유강화플라스틱 등의 복합소재로 구비될 수도 있다.
상세히, 상기 결합블록부(70)는 상기 날개부(10)의 내부 윤곽 및 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 외주 윤곽에 형합 대응되는 윤곽을 갖도록 개별 구비되어 상기 날개부(10)의 길이방향 단부측 내부에 끼움 결합되는 복수개의 끼움블록(70a,70b,70c,70d,70e,70f)을 포함함이 바람직하다.
예컨대, 상기 끼움블록(70a,70b,70c,70d,70e,70f)은 시위선을 따라 순차적으로 배열되는 제1끼움블록(70a), 제2끼움블록(70b), 제3끼움블록(70c), 제4끼움블록(70d), 제5끼움블록(70e) 및 제6끼움블록(70f)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 결합블록부(70)가 상기 날개부(10)의 길이방향 외측단에 삽입되어 끼움 결합됨에 따라 상기 캡부(140)가 상기 날개부(10)에 결합될 수 있다.
이처럼, 본 발명은 풍력발전기의 회전체에 회전블록부(30)를 매개로 피치각도의 가변 조절이 가능하게 결합되는 섬유강화플라스틱 재질의 날개부(10)가 시위선(c)을 중심으로 상부면(11)과 하부면(12)의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 중공형 단면 형상으로 인발되므로 제조비용이 절감됨과 더불어 경량화를 통한 발전효율이 현저히 개선될 수 있다.
특히, 복수개의 지지봉부(20A,20B,20C)가 날개부(10)의 상부 및 하부 내주면으로부터 상호 대향되는 방향으로 돌출되되 내면 윤곽이 라운드지게 오목한 각 결합면부(11a,12a)에 끼움 결합되되 시위선(c)을 따라 경량화된 날개부(10)에 지지력이 균형있게 분산 제공되기 위한 기설정된 간격을 두고 이격 배치되므로 무게중심의 밸런스가 회전 효율이 극대화되는 위치로 설정되어 발전효율이 현저히 개선될 수 있다.
이때, 복수개의 지지봉부(20A,20B,20C) 외면이 날개부(10) 내주면에 돌출되어 내면 윤곽이 라운드지게 형성된 각 결합면부(11a,12a)에 끼움 결합되므로 진동이 방지되면서도, 지지봉부(20A,20B,20C)가 날개부(10) 내부에 시위선(c)을 따라 기설정된 간격을 두고 이격 배치되므로 하중 및 지지력이 날개부 내부에 균형 분산되는 시너지 효과를 제공할 수 있다.
또한, 각 지지봉부(20A,20B,20C)의 내주에 복수개의 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)가 복수개 중첩되며 끼움 결합되어 날개부(10)의 지지강도가 더욱 개선되며, 지지봉부(20A,20B,20C) 및 각 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C) 외측단부 간의 길이가 상이하게 설정되며 다단 정렬되어 회전체의 회전중심으로부터 풍력발전기용 블레이드(100)의 무게중심 사이의 거리가 감소됨에 따라 관성 모멘트가 낮아지므로 날개부(10)의 피치각도의 가변 조절시 부하가 감소되어 에너지 효율이 개선될 수 있다.
그리고, 날개부(10) 및 각 지지봉부(20A,20B,20C)의 단면 윤곽에 음각으로 대응되는 윤곽을 갖는 결합홈부(34)가 형성되는 회전블록부(30)와 캡부(40,140) 또는 결합블록부(70)에 날개부(10) 및 각 지지봉부(20A,20B,20C)의 단부가 결합되면 형합됨에 따라 회전시 진동 발생이 최소화될 뿐만 아니라 날개부 내부로 바람, 빗물 및 우박 유입에 의한 풍절음, 마모 및 열화가 최소화되어 내구성이 현저히 개선되는 시너지 효과를 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치의 제조방법은, 회전력이 발생되도록 시위선(c)을 중심으로 상부면(11)과 하부면(12)의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성되어 길이방향을 따라 일체로 인발되되 내부가 중공형으로 길이방향을 따라 관통되며 양단이 개구되는 섬유강화플라스틱 재질의 날개부(10)가 제조되는 제1단계와, 상기 시위선(c)을 따라 상호간 이격 배치되며 복수개로 구비되되 상기 날개부(10) 내부 배치 위치에 대응되어 각각 상호간 상이한 외경을 갖도록 구비되며 내부가 중공형으로 형성되며 양단이 개구되는 지지봉부(20A,20B,20C)가 상기 날개부(10)의 내부에 길이방향을 따라 각각 관통 삽입되어 외주가 상기 날개부(10)의 내주에 끼움 결합되는 제2단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2단계는, 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 내주에 길이방향을 따라 보강봉부(21A,21B,21C,22A,22B,22C)가 관통 삽입되는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치의 제조방법은, 상기 날개부(10) 및 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 단면 윤곽에 음각으로 대응되는 윤곽을 갖는 결합홈부(34)가 형성되는 회전블록부(30)가 준비되고 상기 회전블록부(30)가 상기 날개부(10) 및 각 상기 지지봉부(20A,20B,20C)의 단부에 길이방향으로 끼움 결합되는 제3단계를 더 포함할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치의 제조방법은, 상기 날개부(10)의 일측 외면에 제1볼트체결홀(15)이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성되고, 상기 제1볼트체결홀(15)에 대향되는 상기 회전블록부(30)에 제2볼트체결홀(31a)이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성되며, 상호 정렬된 상기 제1볼트체결홀(15) 및 상기 제2볼트체결홀(31a)에 볼트(35a) 및 너트(35b)가 관통 체결되는 제4단계를 더 포함할 수도 있다.
이때, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 각 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 청구항에서 청구하는 범위를 벗어남 없이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형 실시되는 것은 가능하며, 이러한 변형 실시는 본 발명의 범위에 속한다.
10: 날개부 11: 상부면
12: 하부면 11a,12a: 결합면부
13,14: 구획보강부 20A,20B,20C: 지지봉부
21A,21B,21C,22A,22B,22C: 보강봉부 30: 회전블록부
40,140: 캡부 70: 결합블록부
100,200: 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치

Claims (5)

  1. 회전력이 발생되도록 시위선을 중심으로 상부면과 하부면의 굴곡 형상이 동일한 대칭의 에어포일 단면 형상으로 형성되어 길이방향을 따라 일체로 인발되되, 내부가 중공형으로 길이방향을 따라 관통되며 양단이 개구되는 섬유강화플라스틱 재질의 날개부; 및
    상기 시위선을 따라 상호간 이격 배치되며 복수개로 구비되되, 상기 날개부 내부 배치 위치에 대응되어 각각 상호간 상이한 외경을 갖도록 구비되며, 상기 날개부의 내부에 길이방향을 따라 각각 관통 삽입되어 외주가 상기 날개부의 내주에 끼움 결합되고, 내부가 중공형으로 형성되며 양단이 개구되는 지지봉부를 포함하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개부에는 상부 내주면 및 하부 내주면으로부터 상호 대향되는 방향으로 돌출되는 복수개의 결합면부가 형성되고, 각 상기 결합면부의 내면 윤곽이 각 상기 지지봉부의 외면 윤곽에 대응되어 라운드지게 오목한 형태로 형성되며,
    각 상기 결합면부는 각 상기 지지봉부로부터의 지지력이 상기 날개부로 균형 분산되도록 상기 시위선을 따라 상호간 기설정된 간격을 두고 이격 배치되고,
    각 상기 지지봉부의 외면 상측 및 하측은 각 상기 결합면부의 내면에 끼움 결합됨을 특징으로 하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각 상기 지지봉부의 내주에 길이방향을 따라 관통 삽입되는 보강봉부를 포함하되, 각 상기 보강봉부는
    각 상기 지지봉부의 반경방향 내측을 따라 다단으로 중첩되며 끼움 결합되도록, 각 상기 지지봉부의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 설정되어 각 상기 지지봉부의 내주에 외주가 끼움 결합되는 중공형의 제1보강봉부와,
    각 상기 제1보강봉부의 내경에 대응되는 외경을 갖도록 설정되어 각 상기 제1보강봉부의 내주에 외주가 끼움 결합되는 중공형의 제2보강봉부를 포함함을 특징으로 하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지봉부, 상기 제1보강봉부 및 상기 제2보강봉부 간의 길이는 상호간 다단 정렬되도록 상이하게 설정되되,
    상기 제1보강봉부의 외측단부는 상기 지지봉부의 외측단부로부터 기설정된 제1길이만큼 상기 날개부의 길이방향 내측으로 이격된 위치에 정렬되며,
    상기 제2보강봉부의 외측단부는 상기 제1보강봉부의 외측단부로부터 기설정된 제2길이만큼 상기 날개부의 길이방향 내측으로 이격된 위치에 정렬됨을 특징으로 하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개부 및 각 상기 지지봉부의 단면 윤곽에 음각으로 대응되는 윤곽을 갖는 결합홈부가 형성되어 상기 날개부 및 각 상기 지지봉부의 단부에 길이방향으로 끼움 결합되는 회전블록부를 포함하고,
    상기 날개부의 일측 외면에는 제1볼트체결홀이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성되고, 상기 제1볼트체결홀에 대향되는 상기 회전블록부에는 제2볼트체결홀이 상호간 종방향 및 횡방향을 따라 이격되며 복수개소 관통 형성되며,
    상기 날개부에는 각 상기 지지봉부를 사이에 두고 상기 날개부의 내부에 상하방향으로 연장되어 상단 및 하단이 상기 날개부의 상부 내주면 및 하부 내주면에 각각 일체로 연결되며 길이방향으로 인발되는 구획보강부가 형성됨을 특징으로 하는 저풍속 풍력발전기용 블레이드 장치.
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