KR20160122326A - 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기 - Google Patents

표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다리우스 블레이드의 표면에 복수의 딤플을 형성하여 양력 및 회전력을 증대시킨 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기에 관한 것이다.
종래의 다리우스 블레이드를 개선하여 양력 및 회전력을 더욱 증대시키기 위하여 본 발명은 다리우스 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 다리우스 블레이드의 외측 면에는 양력 및 회전력을 증가시킬 수 있도록 내측으로 오목하게 가공된 복수의 딤플이 간격을 이루며 형성된 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명은 가로와 세로로 배열된 복수의 딤플이 다리우스 블레이드의 표면에 형성됨으로써 블레이드가 회전할 때 양력이 증가하게 되고, 이에 따라 회전력이 증가하여 발전량을 높이는 효과가 있다. 또한, 다리우스 블레이드의 표면에 딤플을 형성하는 단순한 구조의 개선에 의해 에너지효율을 극대화할 수 있어 더욱 경제적인 효과가 있다.

Description

표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기{Wing blades wind generator with surface texturing techniques}
본 발명은 다리우스 타입의 블레이드를 갖는 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다리우스 블레이드의 표면에 복수의 딤플을 형성하여 양력 및 회전력을 증대시킨 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍차는 바람의 운동에너지를 회전에너지로 변환시켜 발전하는 것으로서, 바람에 대해 회전축이 수평으로 되어 있는 수평축형 풍차와, 바람에 대해 회전축이 수직으로 되어 있는 수직축형 풍차로 분류되며, 수평축형 풍차는 네덜란드형 풍차가 대표적이며, 수직축형 풍차는 사보니우스(Savonius) 타입 등과 같이 블레이드에 발생되는 항력으로 풍차를 회전시키는 항력형과 다리우스(Darrieus) 타입 등과 같이 블레이드에 발생되는 양력으로 풍차를 회전시키는 양력형으로 구분된다.
항력형은 양력형에 비해 회전자 형상이 단순하여 판재 등으로 제작이 매우 쉽고 제작 비용이 저렴하나, 에너지효율이 양력형에 비해 낮으며, 양력형은 그 반대의 장단점을 가지므로, 최근에는 양력형과 항력형의 장점을 모두 가진 풍력발전장치가 제안되고 있다.
또한, 풍력발전기의 가장 주요한 동력원은 자연풍이나, 기존 풍력발전기는 발전기를 둘러싼 사면에 구조물을 설치함에 의해 풍력발전기의 효율을 높이고자 하여 풍력발전기의 블레이드를 돌리는 주 동력원인 자연풍을 활용하지 못하고 오히려 발전기의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있다.
그리고 바람이 장애물을 만나면 장애물을 따라 흐르면서 유속이 빨라지는 현상을 이용하여 소형 풍력발전기를 건물에 설치하여 풍력 발전을 하려는 시도가 있으나, 종래의 건물에 풍력발전기를 설치하는 여러 기술은 바닥에 기초를 구성하고 상부에 날개와 발전기를 설치하므로 건물의 형태를 변형해야 하고 건물의 미관과 어울리지 않는 문제점이 있다.
따라서 본 출원인은 등록특허공보 제10-1269109호에서 외부날개는 다리우스 블레이드를 이용하여 장력 발생으로 인한 가속력을 증대시켜 풍속을 급가속시키고, 내부날개는 사보니우스 블레이드를 이용하여 발전의 조기 기동 시 필요한 힘을 전달하는 풍력발전장치를 제안한 바 있다.
이에 따라 본 출원인은 다리우스 블레이드를 개선하여 양력 및 회전력을 더욱 증가시킴으로써 에너지효율을 상승시킬 수 있는 풍력발전기를 제안하고자 한다.
본 발명은 다리우스 블레이드의 표면에 복수의 딤플을 형성하여 양력 및 회전력을 증대시킨 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 단순한 구조의 개선에 의해 에너지효율을 극대화할 수 있는 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기를 제공하는 데 있다.
본 발명에 의한 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기는 다리우스 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 다리우스 블레이드의 외측 면에는 양력 및 회전력을 증가시킬 수 있도록 내측으로 오목하게 가공된 복수의 딤플이 간격을 이루며 형성된 것을 그 기술적 특징으로 한다.
본 발명에 따른 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기에 의하면, 가로와 세로로 배열된 복수의 딤플이 다리우스 블레이드의 표면에 형성됨으로써 블레이드가 회전할 때 양력이 증가하게 되고, 이에 따라 회전력이 증가하여 발전량을 높이는 효과가 있다.
또한, 다리우스 블레이드의 표면에 딤플을 형성하는 단순한 구조의 개선에 의해 에너지효율을 극대화할 수 있어 더욱 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 풍력발전기를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 다리우스 블레이드를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 다리우스 블레이드를 나타낸 정면도.
도 4는 본 발명의 딤플을 나타낸 정면도.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 통해 상세히 설명한다.
본 발명의 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기는 도 1에서 나타낸 바와 같이 외측에 다리우스 블레이드(Darrieus blades : 30)가 형성된 풍력발전기에 적용된다.
상기 다리우스 블레이드(30)의 내측 중심부에는 제너레이터와 연결되는 회전축(10)이 수직으로 형성되어 있으며, 상기 회전축(10)의 외주면에는 사보니우스 블레이드(Savonius blades : 20)가 형성되어 있다.
본 발명에 사보니우스 블레이드(20)를 적용하는 것은 양력형과 항력형의 장점을 모두 취하기 위한 것으로서, 필요에 따라 사보니우스 블레이드(20)를 생략하고 다리우스 블레이드(30)만으로 구성된 풍력발전기로 대체할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 풍력발전기에서 하나의 다리우스 블레이드(30)를 분리하여 확대한 도면으로서, 다리우스 블레이드(30)의 외측 면에는 복수의 딤플(Dimple : 40)이 형성되어 있다.
상기 딤플(40)은 표면 텍스처링(Surface texturing) 기법에 의해 형성된 것으로서, 표면 텍스처링이란 기계부품의 마찰력을 감소시키기 위하여 표면에 복수의 딤플(40)을 형성하는 기법이다.
상기 딤플(40)은 소정의 두께를 갖는 금속으로 이루어진 다리우스 블레이드(30)의 표면을 가공하여 내측으로 오목하게 형성하며, 양력 및 회전력을 최대한 증대킬 수 있는 형상인 타원형으로 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 다리우스 블레이드(30)는 중앙부의 완만한 곡선부분과, 상기 곡선부분에서 상측과 하측으로 각각 연장되는 직선부분으로 형성되는데, 도 3에서 나타낸 바와 같이 중심선(S)을 기준으로 상측과 하측으로 각각 20°의 각도가 되는 표면에 가상의 배열경계선(33)을 각각 형성하며, 상기 두 개의 배열경계선(33)을 기준으로 상측과 하측의 표면은 가로배열부(31)가 되고, 두 개의 배열경계선(33) 사이, 즉 가로배열부(31)의 사이인 중앙부 표면은 세로배열부(32)가 됨에 기술적 특이성이 있다.
즉, 상기 가로배열부(31)는 도 2의 확대도에서 나타낸 바와 같이 타원형인 딤플(40)의 장축이 가로 방향으로 배열되어 있으며, 상기 세로배열부(32)에는 딤플(40)의 장축이 세로 방향으로 배열되어 있다.
이러한 가로배열부(31)와 세로배열부(32)는 배열경계선(33)을 중심으로 나누어지며, 이러한 딤플(40)의 배열 및 배열경계선(33)이 각도는 다리우스 블레이드(30)의 양력 및 회전력을 극대화하게 된다.
상술한 딤플(40)의 배열에 의해 구성한 본 발명의 다리우스 블레이드(30)는 전압측정기, 풍속계, 풍동시험기를 이용하여 시험함으로써 아래의 [표1]과 같은 풍속시험 데이터를 얻을 수 있었다.
데이터는 각 블레이드 타입 별로 풍속 당(지속풍 5분 진행 후) 5회 실시 후 평균치를 적용한 것으로서, 풍 동력원 차단(2분) 후, 풍 동력원 가동 원상복귀 시간을 측정하여 작성하였다.
여기서 'V'는 전압, 'A'는 암페어, 'W'는 전력을 나타낸 것이다.
NO 풍속
(m/s)		 기존 다리우스
블레이드		 텍스처링 다리우스
블레이드		 사보니우스
블레이드
V A W V A W V A W
1 1.0 2.9 0.3 2.7 5.3 0.1 2.5 3.8 0.1 1.4
2 1.0 2.6 0.2 3.3 5.8 0.2 3.9 3.6 0.1 1.5
3 1.0 3.2 0.4 3.4 4.9 0.1 2.2 3.4 0.2 1.7
4 1.0 4.3 0.3 3.6 5 0.2 3.1 2.9 0.1 1.1
5 1.0 3.5 0.1 4.2 5.4 0.3 4.2 3.1 0.2 2
소계평균 3.3 0.3 3.4 5.3 0.2 3.2 3.4 0.1 1.5
6 5 12.5 2.3 108.1 14 2.4 138.1 7.9 1.6 25.3
7 5 12.1 2.2 99.3 13.1 2.2 101.6 6.6 0.7 20.7
8 5 13.5 2.3 116.9 14.3 2.4 129.7 5.9 0.5 18.8
9 5 12.4 2.3 107.4 14.9 2.1 116.5 7 1.8 31.2
10 5 16.3 2.5 153.1 13.6 2.4 123.6 7.9 1.7 28.1
소계평균 13.4 2.3 117 14 2.3 121.9 7.1 1.3 24.8
11 10 21.1 2.5 193.8 22.4 2.7 230.6 8.9 1.8 64.1
12 10 20.5 2.5 198.3 22 2.7 225.9 8.5 1.6 63.6
13 10 20.2 2.3 177.5 22.6 2.8 238.2 8.6 1.4 60.5
14 10 19.6 3.1 171.1 21.7 2.6 221.4 8.2 1.5 66.3
15 10 21.4 2.6 186.2 22.2 2.8 237.3 8.9 2 64.7
소계평균 20.6 2.6 185.4 22.2 2.7 230.7 8.6 1.7 63.8
상기 [표1]의 데이터에서 나타낸 바와 같이 가로배열부(31) 및 세로배열부(32)를 형성한 본 발명의 다리우스 블레이드(30)는 기존의 다리우스 블레이드 및 사보니우스 블레이드와 대비하여 볼 때 10% 이상의 에너지효율이 상승했음을 알 수 있다.
또한, 이러한 최상의 에너지효율을 내기 위해서는 딤플(40)의 크기 및 배열 간격을 알맞게 설정해야 하는데, 도 4에서 나타낸 바와 같이 타원형으로 형성된 딤플(40)의 장축은 8∼12mm로 형성되며, 단축은 6∼8mm로 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 상하, 좌우로 배열되는 딤플(40)은 중심선에서 각각 20∼30mm의 간격을 이루며 형성되는 것이 가장 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명의 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기는 가로와 세로로 배열된 복수의 딤플(40)이 다리우스 블레이드(30)의 표면에 형성됨으로써 블레이드가 회전할 때 양력이 증가하게 되고, 이에 따라 회전력이 증가하여 발전량을 높이는 효과가 있다.
본 발명은 다리우스 블레이드(30)의 표면에 딤플(40)을 형성하는 단순한 구조의 개선에 의해 에너지효율을 극대화할 수 있어 더욱 경제적인 효과가 있다.
10 : 회전축
20 : 사보니우스 블레이드(Savonius blades)
30 : 다리우스 블레이드(Darrieus blades)
31 : 가로배열부 32 : 세로배열부
33 : 배열경계선 40 : 딤플(Dimple)
C : 중심선

Claims (4)

  1. 다리우스 블레이드(Darrieus blades)를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 다리우스 블레이드(30)의 외측 면에는 양력 및 회전력을 증가시킬 수 있도록 표면 텍스처링에 의해 내측으로 오목하게 가공된 복수의 딤플(Dimple)(40)이 간격을 이루며 형성된 것을 특징으로 하는 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 딤플(40)은 장축과 단축이 각각 8∼12mm 및 6∼8mm의 크기로 이루어지는 타원형으로 형성되며,
    중심선에서 각각 20∼30mm의 간격을 이루며 상하, 좌우로 배열된 것을 특징으로 하는 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다리우스 블레이드(30)에는 딤플(40)의 장축이 가로로 배열된 가로배열부(31)가 상측과 하측에 형성되고,
    상기 가로배열부(31)의 사이에는 딤플(40)의 장축이 세로로 배열된 세로배열부(32)가 형성된 것을 특징으로 하는 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가로배열부(31) 및 세로배열부(32)는 다리우스 블레이드(30)의 중심선(S)으로부터 상측과 하측으로 각각 20°의 각도를 이루는 곳을 배열경계선(33)으로 하여 형성된 것을 특징으로 하는 표면 텍스처링 기법이 적용된 익형 블레이드 풍력발전기.
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