KR100832053B1 - 유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 시스템에서 블레이드 로터축의 회전력을 발전기와 연결된 수직축에 전달하는 수단으로서 회전동력-유압-회전동력으로 토크를 변환시켜 전달하는 토크 컨버터를 이용하여 전달하게 하되, 풍력 발전 시스템의 상부 구조물인 낫셀 내부에는 블레이드 로터축에 1차측 토크 컨버터를 설치하며, 그 1차측 토크 컨버터에 유압호스를 연결하여 타워의 하단부에 설치되는 2차 토크 컨버터에 토크를 전달하고, 2차 토크 컨버터에서 회전동력으로 변환하여 발전기를 구동시킬 수 있도록 구성함을 특징으로 한다.

풍력, 발전, 토크 컨버터

Description

유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템{The wind turbine system by controlled fluid torque converter set}

본 발명은 수직형 풍력 발전시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체 토크 컨버터를 이용하여 원거리 동력 전달이 가능하게 함으로써 발전기를 타워 중간 또는 지상에 설치하여 상부 블레이드 구조를 초 경량화로 정확한 풍향 추적이 보다 용이하게 하고 하중에 대한 구조물의 설치비용 절감 및 안정성을 향상시킬 수 있도록 한 유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 발전 시스템은 공기의 유동이 가진 운동에너지의 공기 역학적 특성을 이용하여 날개를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 발전기를 회전시켜 전기를 얻는 시스템이다. 풍력 발전 시스템은, 날개가 설치된 축의 방향에 의해서 수평형과, 수직형으로 구분되며, 수평-수직 통합형 구성도 있다. 풍력 발전 시스템은, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.

도 1은 종래 수평형 풍력 발전 장치의 기본적인 구성도이다. 도시된 바와 같 이, 바람을 받기 좋은 높이로 설치되는 구조물(1)과, 구조물(1)의 상부에 회전 가능하게 설치된 날개(2)와, 상기 날개(2)의 회전축의 회전 속도를 증가시켜 전달하는 기어박스(3)와, 상기 기어박스(3)에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기(4)로 구성되어 있다.

상기와 같이 구성된 풍력발전 장치는 바람에 의해 날개(2)가 회전하면, 날개(2)의 회전력이 기어박스(3)를 통해 증속된다. 그리고 발전기(4)에서는 회전력에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전되거나 수요자에게 직접 인가된다.

그러나, 상기 수평축 풍력발전 장치는 날개(2)에서 발전기(4)까지 회전토크 전달 경로가 짧아 전달 효율이 좋은 이점은 있으나, 구조물(1)의 상부에 기어박스(3) 및 발전기(4)가 탑재되어 무게 중심이 상부로 치중된다는 구조적인 문제점이 있고, 냉각 및 유지보수 등이 불편하며, 강풍 등으로 인한 비상시 발전기의 과부하 등에 대한 시스템 보호가 어렵다는 단점이 있다.

한편, 종래 수직형 풍력발전 시스템은, 블레이드 로터 축에서 발생되는 토크가 베벨기어를 통해서 수직축의 발전기로 전달되는 구조로 구성된다. 이러한 수직형 풍력 발전 시스템은, 발전기가 수직축에 고정되므로 전력선 인출 및 냉각, 유지 보수 등이 매우 용이하고, 상부의 낫셀 부분에 발전기가 탑재되지 않기 때문에 경량화가 가능하며, 요(yaw)의 제어가 용이하고, 전력선의 꼬임(twist) 현상이 없다는 장점이 있다.

그러나, 수직풍력 발전기 시스템은 블레이드 로터에서 발전기까지 토크 전달경로가 수평형 풍력 발전 시스템보다 길어서 동력 전달 손실이 증가되어 효율이 저하되고, 타워 중심 축에서부터 로터 블레이드까지의 거리가 길수록 프리요 특성이 정확해지나 축 길이의 증가에 따른 손실 증가 문제로 축길이를 늘리는데 한계가 있다.(가능한 짧게 해야 효율이 좋아진다) 또한 베벨기어 등의 제작에 고 정밀성이 요구되며 고장 발생율이 크다는 단점이 있다.

본 발명은 풍력 발전 시스템에 있어서 블레이드의 회전축 동력을 유체 토크 컨버터를 이용하여 수직축으로 전달하여 수직축의 발전기와 주변기기를 구동하도록 구성함으로써 효율을 향상시키고, 수직형 풍력 발전 시스템의 문제점을 개선한 유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 유체 토크 컨버터를 이용하여 동력을 전달하도록 함으로써 상부 구조물의 경량화가 가능한 유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은, 풍력 발전 시스템에서 블레이드 로터축의 회전력을 발전기와 연결된 수직축에 전달하는 수단으로서 회전동력-유압-회전동력으로 토크를 변환시켜 전달하는 토크 컨버터를 이용하여 전달하도록 함으로써, 발전기를 낫셀에 설치하지 않고 지상에 설치할 수 있도록 구성함으로써 달성된다.

토크 컨버터는 블레이드 로터 축에 의해 1차측 토크 컨버터의 펌프 날개차를 회전시켜 유체를 가압하고, 가압된 유체가 2차측 토크 컨버터를 통과하면서 터빈 날개차를 회전시키고, 터빈 날개차의 피동축을 발전기의 구동축에 연결시켜 동력을 전달하도록 구성하되, 1차측 토크 컨버터와 2차측 토크 컨버터 사이에 유압호스를 이용하여 연결한다.

따라서 풍력 발전 시스템의 상부 구조물인 낫셀 내부에는 블레이드 로터축에 1차측 토크 컨버터를 설치하며, 그 1차측 토크 컨버터에 유압호스를 연결하여 타워의 하단부에 설치되는 2차 토크 컨버터에 토크를 전달하고, 2차 토크 컨버터에서 회전동력으로 변환하여 발전기를 구동시킬 수 있도록 구성함으로써, 낫셀을 초경량화 구조로 구성할 수 있게 된다.

또한, 블레이드 로터축에 1차측 토크 컨버터를 연결 설치하고 유압호스로 2차측 토크 컨버터로 토크를 전달하는 구조이므로, 로터 축을 길게 할 필요없이 타워 중심과 블레이드 간의 거리를 충분히 유지할 수 있는 구조로 구성이 가능해지며, 이로 인해 프리 요 특성이 향상된다.

또한, 본 발명은, 상기 1차측 토크 컨버터와 2차측 토크 컨버터에 각각 유압호스의 유량을 조절할 수 있는 유량 조절수단을 설치함으로써, 1차측 토크 컨버터와 2차측 토크 컨버터 사이의 유량 제어가 가능해져 증속 및 감속이 가능하고 이로 인해 별도의 기어박스가 필요 없게 된다.

본 발명에 의한 풍력 발전 시스템은, 바람에 의해 회전되어 로터축에 회전 토크를 발생시키도록 설치되는 블레이드와; 상기 블레이드의 로터축에 연결되어 회전 토크를 유압으로 발생시키는 1차측 토크 컨버터와; 상기 블레이드의 로터축과 상기 1차측 토크 컨버터를 내부에 설치하여 블레이드를 회전가능하게 설치하기 위한 상부 구조물인 낫셀과; 상기 낫셀을 상부에 설치하고 풍력 발전 시스템을 지지하기 위한 타워와; 상기 타워 내부의 하부에 설치되는 발전기와; 상기 1차측 토크 컨버터에서 발생된 유압을 전달받아 회전 토크로 변환하여 상기 발전기의 구동축으로 회전동력을 전달하는 2차측 토크 컨버터와; 상기 1차측 토크 컨버터와 상기 2차 측 토크 컨버터 사이에서 유압을 전달 및 유체 환원을 하기 위한 유압호스와; 상기 낫셀과 상기 타워의 연결부위에서 상기 유압호스의 회전이나 꼬이지 않도록 유압호스를 연결하는 슬립형 유체인출 탭을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 상기 1차측 토크 컨버터와 상기 2차측 토크 컨버터에 각각 유압호스의 유량을 조절하여 1차측과 2차측의 증속 및 감속을 조절할 수 있도록 하는 유량조절밸브를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 발전기가 수직축 또는 지상에 고정 설치되므로 발전 설비 건설 및 전력선 인출과 냉각 설비, 유지 보수 등이 매우 용이하고, 상부의 낫셀에 토크 컨버터 1차측 토크 컨버터만 탑재되므로 매우 소형, 경량화되어 낮은 풍속에도 낫셀 상부의 핀에 의해 요(yaw) 동작이 이루어지며, 낫셀의 초 경량화가 가능하여 타워설계, 제작비가 감소되고 풍압 및 하중에 대한 안정성이 증가 되는 효과가 있다.

또한, 기존의 수평축 풍력 발전 시스템의 경우 발전기에서 나오는 전력선들이 꼬아지는 현상이 있는데 본 발명에 의하면 슬립형 유체 인출 탭을 장착하여 활용함으로써 이러한 전력선의 꼬아짐 현상이 구조적으로 방지되며, 유체 토크 컨버터만으로도 1차와 2차측의 가감속 제어가 가능하므로 별도의 기어박스가 불필요하게 되는 효과가 있으며, 로터 축과 발전기 축을 일치시킬 필요가 없어서 시공이 편리하고, 타워 중심으로부터 블레이드까지의 거리를 보다 크게 제작할 수 있어서 프리요 특성이 보다 개선될 수 있다.

또한 유체 토크 컨버터용 윤활유로 자동차용 폐유가 활용 가능하므로 자원의 재활용 측면에서 기여된다.

본 발명에 의한 수직형 풍력 발전 시스템의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 구성을 보인 개요도이고, 도 3은 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 사진 예시도이다.

이에 도시된 바와 같이, 바람에 의해 회전되어 로터축(11)에 회전 토크를 발생시키도록 설치되는 블레이드(10)와; 상기 블레이드(10)의 로터축(11)에 연결되어 회전 토크를 유압으로 발생시키는 1차측 토크 컨버터(30)와; 상기 블레이드(10)의 로터축(11)과 상기 1차측 토크 컨버터(30)를 내부에 설치하여 블레이드(10)를 회전가능하게 설치하고, 상부핀(21) 및 하부핀(22)이 설치되는 상부 구조물인 낫셀(20)과; 상기 낫셀(20)을 상부에 설치하고 풍력 발전 시스템을 지지하기 위한 타워(40)와; 상기 타워(40) 내부의 하부에 설치되는 발전기(70)와; 상기 1차측 토크 컨버터(30)에서 발생된 유압을 전달받아 회전 토크로 변환하여 상기 발전기(70)의 구동축으로 회전동력을 전달하는 2차측 토크 컨버터(60)와; 상기 1차측 토크 컨버터(30)와 상기 2차측 토크 컨버터(60) 사이에서 유압을 전달 및 유체 환원을 하기 위한 유압호스(50)와; 상기 낫셀(20)과 상기 타워(40)의 연결 부위에서 상기 유압호스(50)의 회전이나 꼬이지 않도록 유압호스를 연결하는 슬립형 유체인출 탭(80)을 포함하여 구성된다.

도 4는 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 토크 컨버터 제어원리를 설명하기 위한 설명도이다. 이에 도시된 바와 같이 본 발명은 상기 1차측 토크 컨버터(30)와 상기 2차측 토크 컨버터(60)에 각각 유압호스(50)의 유량을 조절하여 1차측과 2차측의 증속 및 감속을 조절할 수 있도록 하는 유량조절밸브(31)(61)를 더 포함하여 구성된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

타워(40)의 상부에 낫셀(20)이 설치되고, 낫셀(20)에는 상부핀)21) 및 하부핀(22)이 설치되며, 상부핀(21)은 바람의 방향에 따라 낫셀(20)이 요동작이 이루어지도록 하기 위한 날개이며, 하부 핀(22)은 요동작이 상기 타워(40)에 대해 자유롭게 회전가능하도록 하는 구조이다. 이러한 요동작을 위한 구조는 공지의 기술을 그대로 사용할 수 있으며 잘알려진 내용이므로 본 발명에서는 상세히 설명하지 않는다.

상기 낫셀(20)의 일측 단부에 블레이드(10)가 회전 가능하게 설치되어 그 블레이드(10) 로터축(11)이 낫셀(20)의 내부로 인입되어 1차측 토크 컨버터(30)에 회전 토크를 전달하도록 설치된다. 상기 타워(40)의 내부 하부에 2차측 토크 컨버터(60)가 설치되고, 그 2차측 토크 컨버터(60)에 발전기(70)가 연결 설치되어 구성된다. 상기 1차측 토크 컨버터(30)와 상기 2차측 토크 컨버터(60) 사이에는 유압호스(50)가 연결 설치된다.

바람에 의해 블레이드(10)가 회전하게 되면, 블레이드 로터축(11)의 회전 동 력이 1차측 토크 컨버터(30)의 펌프 날개차(도면에 도시안됨)를 회전시키고, 펌프 날개차에 의해 내부의 유체를 가압한다. 즉, 회전토크를 유체에 가압한 유압으로 토크 변환을 시키게 된다.

상기 1차측 토크 컨버터(30)에서 회전 동력이 유압으로 토크 변환되어 유압호스(50)의 유압 전달용 유압 호스(51)를 통해서 2차측 토크 컨버터(60)로 전달된다. 2차측 토크 컨버터(60)는 유압호스를 통해 전달되는 유체에 의해 터빈 날개차(도면에 도시안됨)가 회전하게 되며, 터빈 날개차를 회전시키고 통과한 유체는 유체 회수용 유압 호스(52)릍 통해서 상기 1차측 토크 컨버터(30)로 순환된다.

상기 2차측 토크 컨버터(60)의 터빈 날개차가 회전되면서 발생되는 회전력은 발전기(70)의 구동축으로 전달되어 발전기(70)를 구동시켜 전기를 생산하게 되는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면, 블레이드(10)의 회전동력을 발전기(70)에 전달하는 수단으로서 토크 컨버터를 이용하고 1차측 토크 컨버터(30)와 2차측 토크 컨버터(60) 사이에 유압호스(50)만 연결설치하면 되므로 복잡한 베벨기어를 사용하지 않아도 된다.

한편, 상기 낫셀(20)과 타워(40) 사이에 프리요 현상에 의해 유압호스(50)가 꼬이거나 회전되지 않도록 하는 슬립형 유체 인출 탭(80)을 설치한다. 이는 1차측 토크 컨버터(30)에 연결되는 유압호스와 2차측 토크 컨버터(60)에 연결되는 유압호스 사이에 슬립형 유체 인출 탭(80)을 설치한 것으로서, 프리요 현상이 발생되면 슬립형 유체 인출 탭(80)에 의해 자유롭게 회전되면서 유압호스(50)는 감기거나 꼬 이지 않고 정상 상태를 유지하게 된다. 여기서, 프리요 현상은, 바람의 방향에 따라 상부핀(21)의 작용으로 낫셀(20)이 바람의 방향을 추종하게 되고, 이때 하부핀(22)은 타워(40)에 대해 자유롭게 회전되면서, 바람이 불러오는 방향으로 블레이드(10)가 항상 향하도록 하는 것이다.

또한, 본 발명은 도 4에 도시된 바와 같이 2차측 토크 컨버터(60)와 1차측 토크 컨버터(30)에 각각 유압호스(50)의 유량을 조절하기 위한 유량조절 밸브(61)(31)를 설치한다. 상기 유량조절 밸브(61)(31)의 유량을 조절함으로써 증속 또는 감속이 자유롭게 제어할 수 있게 된다. 이로 인해 별도의 증속/감속기어 박스가 불필요하게 된다.

도 5는 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 구조적 특성을 설명하기 위한 설명도이다. 이에 도시된 바와 같이, 타워(40)의 중심선 위치(A1)에서 블레이드(10)의 위치(B1)까지의 거리를 "L"이라고 하면, 상기 L이 짧은 거리 "L1" 일 때의 블레이드 프리 요 각도 θ1이 상기 L이 긴 거리 "L2"일 때의 블레이드 프리요 각도 θ2보다 크게 된다. 즉, L1 < L2 이면, θ1 > θ2가 되어 L2일 때 L1일 때보다 프리요 특성이 개선된다.

타워(40)의 중심과 블레이드(10) 간의 거리 (L)을 충분히 유지할 경우, 프리 요 특성이 보다 정확해지지만, 기존 수직 풍력 발전 시스템은 기계적 동력 전달 방식이므로 축이 길어져서 낫셀(20)의 전체 중량이 무거워질 수 있고 축 손실이 증가 되는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명은 유체 토크 컨버터 방식을 이용하기 때문에 축 대신에 회전하지 않는 유압호스만 연결하면 된다. 이에 따라 축에 의한 동력 손실 없이 타워 중심과 블레이드 간 거리(L)를 충분히 유지할 수가 있고 경량화를 달성할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 의한 풍력 발전 장치 개요도.

도 2는 본 발명에 의한 수직형 풍력 발전 시스템의 구성도

도 3은 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 외형 사진 예시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 증속/감속 제어를 위한 개요도.

도 5는 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템의 프리요 특성 개선에 대한 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 블레이드 20 : 낫셀

21 : 상부핀 22 : 하부핀

30 : 1차 토크 컨버터 40 : 타워

50 ; 51, 52 : 유압호스 60 : 2차 토크 컨버터

70 : 발전기 80 : 슬립형 유체인출 탭

Claims (2)

1. 삭제
2. 바람에 의해 회전되어 로터축에 회전 토크를 발생시키도록 설치되는 블레이드와;

   상기 블레이드의 로터축에 연결되어 회전 토크를 유압으로 발생시키는 1차측 토크 컨버터와;

   상기 블레이드의 로터축과 상기 1차측 토크 컨버터를 내부에 설치하여 블레이드를 회전가능하게 설치하고 바람의 방향에 요 동작이 이루어지도록 하기 위한 상부핀 및 하부핀이 구비되는 상부 구조물인 낫셀과;

   상기 낫셀이 바람의 방향에 따라 요 동작이 이루어지도록 상기 낫셀의 하부핀을 상단부에 자유롭게 회전 가능하게 설치하고 풍력 발전 시스템을 지지하기 위한 타워와;

   상기 타워 내부의 하부에 설치되는 발전기와;

   상기 1차측 토크 컨버터에서 발생된 유압을 전달받아 회전 토크로 변환하여 상기 발전기의 구동축으로 회전동력을 전달하는 2차측 토크 컨버터와;

   상기 1차측 토크 컨버터와 상기 2차측 토크 컨버터 사이에서 유압을 전달 및 유체 환원을 하기 위한 유압호스와;

   상기 낫셀과 상기 타워의 연결부위에서 상기 유압호스의 회전이나 꼬이지 않도록 1차측 토크 컨버터와 2차측 토크 컨버터 사이의 유압호스를 연결하는 슬립형 유체인출 탭과;

   상기 1차측 토크 컨버터와 상기 2차측 토크 컨버터에 각각 유압호스의 유량을 조절하여 1차측과 2차측의 증속 및 감속을 조절할 수 있도록 하는 유량조절밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유체 토크 컨버터를 이용한 풍력 발전 시스템.

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