KR101029153B1 - 하이브리드형 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프레임과; 상기 프레임에 설치되고, 바람에 의해 회전력을 발생하는 터빈과; 상기 프레임에 설치되어 상기 터빈의 회전수를 감지하는 회전계와; 상기 프레임에 설치되어 상기 터빈의 회전을 제동하는 브레이크부와; 상기 터빈의 회전력을 동력전달부에 의해 전달받아 발전하는 발전기와; 상기 회전계로부터 감지된 터빈의 회전수에 따라 상기 브레이크부를 구동하여 상기 터빈의 회전을 제어하는 콘트롤부와; 상기 콘트롤부에 의해 제어되고, 상기 발전기로부터 출력되는 전력값에 따라 상기 동력전달부에 회전력을 선택적으로 공급하는 회전력 공급부;를 포함한다.

본 발명은 풍속에 따라 가변되는 터빈의 회전력을 구동모터와, 브레이크부와, 유압시스템에 의해 가감하여 일정범위내로 조절함으로써, 발전기에 균일한 회전력을 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 돌풍 및 강풍으로 인해 터빈으로 바람이 급격히 유입되는 것을 차단함으로써, 돌풍 및 강풍에 대해 터빈을 보호할 수 있는 장점이 있다.

풍력, 발전, 균일, 회전력, 전달, 유체, 플라이휠

Description

하이브리드형 풍력 발전장치{HYBRID TYPE WIND POWER GENERATION APPARATUS}

본 발명은 풍력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍속에 따라 일정하지 않은 터빈의 회전력을 일정범위내로 조절하고, 일정범위내의 회전력을 유압시스템에 의해 발전기에 전달하여 발전하는 하이브리드형 풍력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력 발전장치는 바람에 의해 터빈을 회전시키고, 이 터빈의 회전력을 이용하여 발전하는 장치이다.

이러한 풍력 발전장치는 터빈의 회전축이 바람의 방향에 대해 수평한 프로펠라형 수평축 풍력 발전장치와, 터빈의 회전축이 바람의 방향에 수직인 자이로밀형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력 발전장치가 있다.

종래의 풍력 발전장치는 지면에 설치되는 지주와, 지주의 상단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 상기 프로펠러형, 자이로밀형, 다리우스형의 터빈과, 터빈의 회전력을 증가시키기 위한 증속기와, 증속된 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기로 이루어져 있다.

그러나, 종래의 풍력 발전장치는 풍속에 따라 터빈의 회전력이 수시로 가변 됨으로써 일정한 회전력이 발전기에 전달되지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 풍력 발전장치는 터빈이 바람에 노출되어 있어, 태풍으로 인한 돌풍 및 강풍이 터빈에 그대로 전달됨으로써, 터빈의 블레이드가 파손되거나, 터빈이 설치되는 지주가 도괴될 염려가 있었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 돌풍 및 강풍에 대해 터빈을 보호할 수 있으며, 풍속에 상관없이 터빈의 회전력을 일정범위내로 조절하여 발전기에 전달할 수 있는 하이브리드형 풍력발전장치를 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 프레임과; 상기 프레임에 설치되고, 바람에 의해 회전력을 발생하는 터빈과; 상기 프레임에 설치되어 상기 터빈의 회전수를 감지하는 회전계와; 상기 프레임에 설치되어 상기 터빈의 회전을 제동하는 브레이크부와; 상기 터빈의 회전력을 동력전달부에 의해 전달받아 발전하는 발전기와; 상기 회전계로부터 감지된 터빈의 회전수에 따라 상기 브레이크부를 구동하여 상기 터빈의 회전을 제어하는 콘트롤부와; 상기 콘트롤부에 의해 제어되고, 상기 발전기로부터 출력되는 전력값에 따라 상기 동력전달부에 회전력을 선택적으로 공급하는 회전력 공급부;를 포함한다.

상기 동력전달부는 상기 터빈의 회전력에 의해 유체를 펌핑하는 유압펌프와; 상기 유압펌프에 의해 펌핑된 고압의 유체에 의해 회전력을 발생하는 유압모터와; 상기 유압모터의 회전력을 전달받아 회전하며, 상기 발전기에 회전력을 전달하는 주회전축과; 상기 유압펌프에 의해 펌핑된 고압의 유체가 저장되고, 상기 유압모터로 공급되는 유체의 압력이 저장된 고압의 유체의 압력보다 작을 때 상기 유압모터 에 고압의 유체를 공급하는 압력챔버;를 포함한다.

상기 회전력 공급부는 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 회전력을 발생시키되, 상기 발전기에서 출력되는 전력값이 상기 외부 전원으로부터 공급되는 전력값보다 클 때 상기 콘트롤부에 의해 제어되어 외부전원으로부터 전력을 공급받아 상기 주회전축에 회전력을 공급하는 구동모터로 이루어진다.

본 발명은 풍속에 따라 가변되는 터빈의 회전력을 구동모터와, 브레이크부와, 유압시스템에 의해 가감하여 일정범위내로 조절함으로써, 발전기에 균일한 회전력을 전달할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 돌풍 및 강풍으로 인해 터빈으로 바람이 급격히 유입되는 것을 차단함으로써, 돌풍 및 강풍에 대해 터빈을 보호할 수 있는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 하이브리드형 풍력발전장치의 실시 예를 첨부한 도 1에 개략적으로 나타내 보였다.

도 1를 참조하면, 본 실시 예는 프레임(10)에 설치되고 바람에 의해 회전력을 발생하는 터빈(20)과, 터빈(20)의 회전수를 감지하는 회전계(30)와, 터빈(20)의 회전을 제동하는 브레이크부(40)와, 터빈(20)의 회전력을 동력전달부(50)에 의해 전달받아 발전하는 발전기(60)와, 터빈(20)과는 별도로 동력전달부(50)에 회전력을 공급하는 회전력 공급부(70)와, 회전계(30)로부터 터빈(20)의 회전수를 수신받아 설정값과 비교하여 브레이크부(40) 및 회전력 공급부(70)를 제어하는 콘트롤부(80)로 이루어져 있다.

프레임(10)은 지면에 설치되거나, 아파트형 건물에 설치될 수 있다. 프레임 또는 프레임의 외부인 건물등에 바람의 속도를 측정하는 풍속계(90)와, 바람의 방향을 측정하는 풍향계(120)가 구비된다.

콘트롤부(80)는 회전계(30)와 함께 풍속계(90)에 의해 측정된 바람의 속도값을 수신받아 브레이크부(40) 및 회전력공급부(70)를 제어하게 된다.

도 2, 도 3을 참조하면, 프레임(10)은 내부에 바람이 이송되는 이송로(12)가 형성되고 이송로(12)로 바람이 유입되어 배출되는 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)가 다수 마련된 본체(11)와, 본체(11)에 설치되어 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)를 개폐하는 개폐수단(15)으로 이루어져 있다.

본체(11)의 이송로(12)에는 터빈(20)이 회전가능하게 설치되도록 원통형의 형태인 회전공간(16)이 마련되어 있다. 터빈(20)은 수직형 터빈이 사용되고, 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)는 수직형 터빈(20)에 대해 편심되게 본체(11)에 설치된다. 즉, 바람이 바람유입구(13)를 통해 수직형 터빈(20)에 편심되게 전달되어 수직형 터빈(20)의 회전효율을 향상시킬 수가 있다.

물론, 터빈은 상기의 예에 한정하지 않고, 수직형 이외에 수평형의 터빈이 설치될 수도 있다.

바람유입구(13) 및 바람배출구(14)는 터빈(20)의 회전중심을 기준으로 방사상으로 다수 배열된다. 이는 가변되는 풍향에 대해 바람이 터빈(20)에 원활하게 전 달되게 한다. 바람유입구(13)와 바람배출구(14)는 풍향에 따라 그 역활이 바뀌게 된다.

또한, 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)로 유입되는 풍력을 극대화시키기 위해, 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)의 가장자리로부터 터빈(20)에 가까워지는 이송로(12)는 그 단면적이 점진적으로 축소되어 경사지게 형성된다. 즉, 벤투리효과에 의해 풍력을 극대화시킬 수 있다.

개폐수단(15)은 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)의 일측에 힌지연결되어 회전가능하게 설치되는 개폐부재(15a)와, 본체(11) 외부에 설치되고 개폐부재(15a)를 회동시키는 유압실린더(15b)로 이루어져 있다. 이러한 개폐수단(15)은 강풍 및 돌풍으로 인해 터빈(20)이 과도하게 회전될 때, 콘트롤부(80)의 제어에 의해 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)의 개구범위를 조절하거나 차폐하게 된다.

또한, 터빈(20)의 회전수 이외에, 풍속계(90)에 의해 측정된 바람의 속도에 따라 콘트롤부(80)의 제어에 의해 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)의 개구범위를 조절하거나 차폐하게 된다. 그리고, 풍향에 의해 측정된 바람의 방향에 따라, 특정 방향에 있는 바람유입구(13) 및 바람배출구(14)의 개구범위를 조절하거나 차폐하여 터빈으로의 유입되는 풍량을 조절하게 된다.

개폐수단은 상기의 언급한 예에 한정하지 않고, 바람유입구 및 바람배출구로의 바람의 유입을 차단할 수 있는 정도의 것이면 된다. 즉, 개폐부재가 미닫이식으로 설치될 수도 있고, 바람유입구 및 바람배출구의 이송로내에 회전가능하게 구비된 다수의 댐퍼가 구비될 수도 있다.

브레이크부(40)는 일반적인 차량의 브레이크시스템을 적용하며, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

동력전달부(50)는 유압시스템에 의해 회전력을 발전기에 전달하여 유압시스템의 유압제어로 순풍 및 미풍이나, 돌풍 및 강풍에 의한 터빈(20)의 가변적인 회전력을 간편하게 제어하여 발전기(60)에 전달하게 된다.

이러한 동력전달부(50)는 유체가 저장되는 유체탱크(51)와, 터빈(20)의 회전력을 전달받아 유체탱크(51)의 유체를 펌핑하는 유압펌프(52)와, 유압펌프(52)에 의해 펌핑된 고압의 유체를 공급받아 회전력을 발생하는 유압모터(53)와, 유압펌프(52)에 의해 펌핑된 고압의 유체가 일시 저장되고 유압모터(53)로 공급되는 유체의 압력이 저장된 고압의 유체의 압력보다 작을 때 저장된 고압의 유체를 유압모터(53)에 공급하는 압력챔버(54)와, 압력챔버(54)에 구비되어 저장된 고압의 유체가 설정된 압력값이상일 때 유체탱크(51)로 귀환시키는 압력밸브(55)로 이루어져 있다.

즉, 터빈(20)의 과도한 회전력으로 유압펌프(52)에 의해 펌핑된 유체의 압력이 증가되면, 유체는 압력챔버(54)에 저장되고, 설정된 압력값이상이 되면 압력밸브(55)에 의해 유체탱크(51)로 귀환된다. 이에, 압력챔버(54)에는 항상 적정압력의 유체가 저장되고, 적정압력의 유체가 유압모터(53)에 공급됨으로써 균일한 회전력이 발전기(60)에 전달된다.

또한, 터빈(20)의 회전력이 일시적으로 감소되어 유압펌프(52)에 의해 펌핑된 유체의 압력이 감소되면, 압력챔버(54)에 저장된 고압의 유체가 유압모터(53)에 공급됨으로써, 균일한 회전력이 발전기(60)에 전달된다. 단. 터빈(20)의 회전력이 지속적으로 감소되면, 압력챔버(54)에 의한 유압모터(53)로의 고압의 유체공급에 한계가 있고, 이러한 한계를 극복하기 위해 후술하는 플라이휠(56)의 관성력, 회전력공급부(70)에 의해 터빈(20)의 회전력이 감소되는 시점부터 연장된 일정 시간동안 균일한 회전력을 발전기(60)에 전달할 수가 있다.

압력챔버(54)에는 저정된 유체의 압력을 감지하는 압력스위치(57)가 구비되어 있다. 압력스위치(57)는 압력챔버(54)에 저장된 유체의 압력값을 콘트롤부(80)에 송신하고, 콘트롤부(80)는 수신된 유체의 압력값에 따라 브레이크부(40) 및 개폐수단(15)인 유압실린더(15b)를 제어하여 터빈(20)의 회전력을 일정범위내로 제어하게 된다. 이에, 터빈(20)의 과도한 회전으로 인해 유압펌프(52)가 과도하게 유체를 펌핑하는 것을 방지하게 된다.

한편, 유압모터(53)의 회전력은 플라이휠(56)에 마련된 주회전축(58)에 전달되고, 주회전축(58)의 회전력이 발전기(60)에 전달된다. 플라이휠(56)은 유압모터(53)의 회전력이 감소될 때, 관성력에 의해 주회전축(58)이 일정기간동안 회전되게 한다.

회전력 공급부(70)는 외부전원을 공급받아 회전력을 발생시키는 구동모터(71)로 이루어진다. 구동모터(71)는 콘트롤부(80)에 의해 제어되어 발전기(60)에서 발전되는 전력값에 따라 선택적으로 주회전축(58)에 회전력을 전달하게 된다.

즉, 발전기(60)에서 발전되는 전력값이 구동모터(71)에 공급되는 전력값보다 클 때까지 구동모터(71)를 구동시키게 된다. 물론, 발전기(60)에서 출력되는 전력 값과, 구동모터(71)에 공급되는 전력값을 측정하는 전력계(130)가 발전기(60)와 구동모터(71)에 각각 구비된다.

한편, 구동모터(71)는 회전계(30)에 의해 터빈(20)의 회전수를 감지하여 터빈(20)이 설정된 범위내의 회전수로 회전될 때, 주회전축(58)에 회전력을 전달하게 할 수 있다.

즉, 구동모터(71)의 구동조건인 터빈(20)의 회전수 범위는 적정 전력이 발전기에 의해 생산되게 하는 터빈의 회전수와, 터빈의 회전에 의해 회전되는 주회전축의 회전력에 구동모터의 회전력이 가해져 얻어지는 합회전력을 전달받아 발전기에서 발전되는 전력이 구동모터에 공급되는 전력보다 클때의 터빈의 회전수와의 사이가 된다.

이와 같이, 구동모터(71)는 플라이휠(56)과 마찬가지로 터빈(20)의 회전이 지속적으로 감소될 때, 주회전축(58)의 회전력을 일정시간동안 연장시키기 위한 것이다.

한편, 도 1에서 미설명된 부호 100은 압력챔버(54)에 저장된 유체의 압력을 측정하는 압력게이지(100)이고, 부호 110은 유압모터(53)의 회전력과, 구동모터(71)의 회전력을 주회전축(58)에 가감하여 전달시키기 위한 변속기(110)이다.

이하에서는, 이와 같이 구성된 본 실시 예의 작용 및 효과에 대해 설명한다.

바람에 의해 터빈(20)이 회전되면, 터빈(20)의 회전력은 유압펌프(52)에 전달된다. 이에, 유압펌프(52)는 유체를 펌핑하여 유압모터(53)에 공급하고, 유압모터(53)는 회전력을 발생한다. 유압모터(53)에서 발생된 회전력은 주회전축(58)에 전달되고, 주회전축(58)의 회전력은 발전기(60)에 전달되며, 발전기(60)는 발전을 하게 된다.

돌풍 또는 강풍으로 인해 터빈(20)이 과도하게 회전하게 되면, 터빈(20)의 회전수는 회전계(30)에 의해 감지되고, 풍속은 풍속계(90)에 의해 감지되며, 풍향은 풍향계(120)에 의해 감지된다. 회전계(30), 풍속계(90), 풍향계(120)의 감지신호를 수신받은 콘트롤부(80)는 브레이크부(40), 유압실린더(15b)를 제어하여 터빈(20)의 회전을 제동하거나, 터빈(20)에 유입되는 풍량을 조절하여 터빈(20)의 회전력을 제어하게 된다.

또한, 콘트롤부(80)는 유압펌프(52)에 의해 펌핑된 유체의 압력 및 압력챔버(54)내에 저장된 유체의 압력값을 압력스위치(57)로부터 수신받아, 브레이크부(40), 유압실린더(15b)를 제어할 수 있다.

이에, 발전기(60)에 균일한 회전력을 전달할 수 있고, 적정 전력을 생산할 수가 있다. 또한, 강풍 및 돌풍으로 인한 터빈 및 각종 기기류의 파손을 방지할 수도 있다.

한편, 풍속의 감소로, 터빈이 적정 전력을 생산할 수 있을 정도의 회전수로 회전되지 않을 경우에는, 압력챔버(54)에 의한 고압의 유체를 유압모터(53)에 공급하거나, 플라이휠(56)의 관성력 또는 구동모터(71)의 회전력에 의해 풍속이 감소된 시점부터 일정시간 연장하여 주회전축(58)을 균일하게 회전시킬 수가 있다.

이에, 본 실시 예는 풍속이 감소되더라도, 풍속이 감소된 시점부터 일정시간동안 연장하여 적정전력을 발전할 수가 있다.

한편, 본 실시 예는 터빈을 풍력에 의해 회전시키는 것을 예시하였으나, 풍력이외에 수력에 의해 회전시킬 수도 있다.

앞에서 설명된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 풍력발전장치의 실시 예를 개략적으로 도시한 도면,

도 2, 도 3은 도 1의 실시 예에서 터빈의 구조를 도시한 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 프레임 15a : 개폐부재

15b : 유압실린더 20 : 터빈

30 : 회전계 40 : 브레이크부

50 : 동력전달부 52 : 유압펌프

53 : 유압모터 54 : 압력챔버

55 : 압력밸브 56 : 플라이휠

57 : 압력스위치 58 : 주회전축

60 : 발전기 71 : 구동모터

80 : 콘트롤부 90 : 풍속계

Claims (4)

1. 프레임과;

   상기 프레임에 설치되고, 바람에 의해 회전력을 발생하는 터빈과;

   상기 프레임에 설치되어 상기 터빈의 회전수를 감지하는 회전계와;

   상기 프레임에 설치되어 상기 터빈의 회전을 제동하는 브레이크부와;

   상기 터빈의 회전력을 동력전달부에 의해 전달받아 발전하는 발전기와;

   상기 회전계로부터 감지된 터빈의 회전수에 따라 상기 브레이크부를 구동하여 상기 터빈의 회전을 제어하는 콘트롤부와;

   상기 콘트롤부에 의해 제어되고, 상기 발전기로부터 출력되는 전력값에 따라 상기 동력전달부에 회전력을 선택적으로 공급하는 회전력 공급부;를 포함하며,

   상기 동력전달부는

   상기 터빈의 회전력에 의해 유체를 펌핑하는 유압펌프와;

   상기 유압펌프에 의해 펌핑된 고압의 유체에 의해 회전력을 발생하는 유압모터와; 상기 유압모터의 회전력을 전달받아 회전하며, 상기 발전기에 회전력을 전달하는 주회전축과; 상기 유압펌프에 의해 펌핑된 고압의 유체가 저장되고, 상기 유압모터로 공급되는 유체의 압력이 저장된 고압의 유체의 압력보다 작을 때 상기 유압모터에 고압의 유체를 공급하는 압력챔버;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 풍력발전장치.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회전력 공급부는

   외부 전원으로부터 전력을 공급받아 회전력을 발생시키되, 상기 발전기에서 출력되는 전력값이 상기 외부 전원으로부터 공급되는 전력값보다 클 때 상기 콘트롤부에 의해 제어되어 외부전원으로부터 전력을 공급받아 상기 주회전축에 회전력을 공급하는 구동모터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 풍력발전장치.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 프레임은

   내부에 상기 바람이 이송되는 이송로가 형성되고, 상기 이송로내에는 상기 터빈이 회전가능하게 설치되도록 회전공간이 마련되어 있으며, 상기 이송로로 바람이 유입되어 배출되도록 바람유입구 및 바람배출구가 다수 마련되되 상기 바람유입구 및 상기 바람배출구는 상기 터빈에 대해 편심되게 설치된 본체와;

   상기 본체에 설치되어 상기 바람유입구 및 바람배출구를 개폐하는 개폐수단;으로 이루어져 있으며,

   상기 프레임에는 상기 바람의 속도를 감지하는 풍속계와, 상기 바람의 방향을 감지하는 풍향계가 더 구비되며,

   상기 동력전달부는

   상기 유체가 저장되는 유체탱크와;

   상기 압력챔버에 구비되어 상기 압력챔버에 저장된 고압의 유체가 설정된 압력이상일 경우에는 상기 유체탱크로 귀환시키는 압력밸브와;

   상기 압력챔버에 구비되어 상기 압력챔버에 저장된 상기 유체의 압력을 감지하는 압력스위치와;

   상기 주회전축에 마련된 플라이휠;이 더 구비되고,

   상기 풍속계 및 상기 압력스위치에 의해 감지된 풍속 및 상기 유체의 압력값을 수신받은 콘트롤부에 의해 상기 브레이크부가 제어되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드형 풍력발전장치.

Images