KR101092680B1 - 풍력 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈부에 의해 생산된 압축 공기를 저장하였다가 이를 사용하여 필요시 전기를 생산할 수 있는 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력 발전 시스템에 있어서, 지상에 설치되면서 바람에 의해 회전하도록 회전축을 중심으로 다수개의 블레이드가 형성된 터빈부; 상기 회전축과 유압 오일 탱크에 연결된 유압 펌프에 의해 발생한 유압으로 작동하는 유압 실린더부와, 상기 유압 실린더부에 연결되어 압축 공기를 생성하는 공압 실린더부를 포함하는 유·공압 전환부; 상기 공압 실린더부에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공압 저장부; 및 상기 공압 저장부에 저장된 압축 공기에 의해서 발전기에 연결된 크랭크 축을 회전시키는 공압 실린더를 포함하는 발전부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
풍력 발전, 터빈, 유압 실린더, 공압 실린더, 공기 탱크

Description

풍력 발전 시스템{Wind power generator system}
본 발명은 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터빈부에 의해 생산된 압축 공기를 저장하였다가 이를 사용하여 필요시 전기를 생산할 수 있는 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
지구상의 풍력 에너지는 고갈되지 않는 대체에너지원의 하나로 에너지 발생에 따르는 공해를 유발시키지 않는 청정에너지이다.
1970년대 에너지 위기 상황에서 세계 각국은 풍력에너지 개발에 많은 연구와 투자를 집중하여 현재는 선진국을 중심으로 급격한 기술향상으로 인한 시스템의 신뢰도와 안정성 확보는 물론 낮아진 풍력발전단가 등 경제성이 뛰어난 대체에너지 자원으로서 상용화단계에 이르렀다.
이러한 풍력 에너지를 활용하여 전기를 생산하는 풍력 발전 시스템은 크게 기계장치부, 전기장치부, 제어장치부로 구성되는 바, 먼저 기계장치부는 바람으로부터 회전력을 생산하는 블레이드(blade, 회전날개), 회전축(shaft)를 포함한 회전자(rotor), 이를 적정 속도로 변환하는 증속기(gearbox)와 기동·제동 및 운용 효율성 향상을 위한 brake, pitching & yawing system 등의 제어장치부분으로 구성된 다.
그리고 전기장치부는 발전기 및 기타 안정된 전력을 공급토록하는 전력안정화장치로 구성된다.
이어서 제어장치부는 풍력발전기가 무인 운전이 가능토록 설정, 운전하는 control system 및 yawing & pitching controller와 원격지 제어 및 지상에서 시스템 상태 판별을 가능케 하는 monitoring system으로 구성된다.
한편, 이러한 풍력 발전 시스템은 회전축 방향에 따라 수직축 발전기와 수평축 발전기로 구분할 수 있고, 운전방식에 따라 geared형 풍력 발전 시스템과 gearless형 풍력 발전 시스템으로 구분할 수도 있다.
그런데 이와 같은 종래의 풍력 발전 시스템은 바람이 불지 않을 때에는 발전을 할 수 없을 뿐만 아니라, 바람이 불 때 생산된 전기를 잉여전기로 저장해 두고 필요시 이를 이용하는 시스템을 구축하더라도 잉여전기를 저장하기 위해서는 대용량의 축전지가 다수 필요한 바, 시스템의 구축비용이 과도하게 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 바람이 불 때 터빈부와 연결된 유·공압 전환부에서 생산된 압축 공기를 공압 저장부에 저장하였다가 필요시 공압 저장부에 저장된 압축 공기로 발전부를 작동시켜 전기를 생산할 수 있는 풍력 발전 시스템을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템은, 지상에 설치되면서 바람에 의해 회전하도록 회전축(102)을 중심으로 다수개의 블레이드(104)가 형성된 터빈부(100); 상기 회전축(102)과 유압 오일 탱크(112)에 연결된 유압 펌프(110)에 의해 발생한 유압으로 작동하는 유압 실린더부(210)와, 상기 유압 실린더부(210)에 연결되어 압축 공기를 생성하는 공압 실린더부(250)를 포함하는 유·공압 전환부(200); 상기 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공압 저장부(300); 및 상기 공압 저장부(300)에 저장된 압축 공기에 의해서 발전기(414)에 연결된 크랭크 축(410)을 회전시키는 공압 실린더(406)를 포함하는 발전부(400)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 터빈부(100)는 지지판(106)과, 상기 지지판(106)의 상면 양측에 각각 설치되되 상기 블레이드(104)가 형성된 회전축(102)을 지지하는 측면 프레임(108)과, 상기 회전축(102)과 연결되는 유압 펌프(110)와, 상기 유압 펌프(110)에 오일을 공급하는 유압 오일 탱크(112)와, 일단이 지면에 고정되고 타단은 상기 지지판(106)의 배면에 결합고정되는 지주(114)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지지판(106)의 배면 중앙에는 베어링(116)이 끼워지는 삽입부(118)가 돌출형성되고, 상기 지주(114)의 타단엔 삽입홈(120)이 형성되어 상기 베어링(116)이 상기 삽입홈(120)에 끼워져 고정되며, 상기 지지판(106)의 상면에 꼬리날개(122)가 설치되어 바람이 부는 방향에 따라 상기 지지판(106)이 상기 지주(114)에 대해 회전가능하게 구성되는 것을 특징으로 한다.
이어서, 상기 터빈부(100)에는 바람이 회전축(102)의 상방향에 위치하게 되는 블레이드(104)에 집중될 수 있도록 판 형상의 바람막이부(124)가 상기 지지판(106)의 상면 일측 단부에 경사지게 설치되는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 유압 실린더부(210)는 상기 유압 펌프(110)와 상기 유압 오일 탱크(112)에 연결된 방향 제어 밸브(202)와, 상기 방향 제어 밸브(202)에 연결되어 이에 의해 유로(流路)가 가변되어 피스톤 로드(204)가 인입 또는 인출을 반복하는 유압 실린더(206)와, 상기 피스톤 로드(204)의 상사점과 하사점의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(208)로부터 제공된 신호에 의해 상기 방향 제어 밸브(202)를 제어하는 컨트롤 박스(212)를 포함하여 구성되고, 상기 공압 실린더부(250)는 상기 유압 실린더부(210)의 피스톤 로드(204)와 연결된 피스톤 로드(252)가 인입 또는 인출을 반복하는 공압 실린더(254)를 포함하되, 상기 피스톤 로드(252)의 작동에 따라 상기 공압 실린더(254)에 구비된 다수개의 체크 밸브(256)가 상기 공압 실린더(254)의 흡기 또는 배기 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 공압 실린더부(250)에는 상기 공압 실린더(254)에 흡입되는 공기 속의 이물질을 제거할 수 있는 공기 필터부(258)와, 상기 공압 실린더(254)에 흡입되는 공기에 윤활유를 분사하는 루브리케이터가 추가로 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공압 저장부(300)는 상기 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공기 탱크(310)와, 상기 공기 탱크(310) 내의 압력을 조절하는 압력 제어 밸브(320)와, 상기 공기 탱크(310) 내로 유입되는 압축 공기의 흐르는 방향을 제어하는 방향 제어 밸브(330)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이어서, 상기 발전부(400)는 상기 공압 저장부(300)에 연결된 방향 제어 밸브(402)에 연결되어 이에 의해 압축 공기의 유로가 가변됨에 따라 피스톤 로드(404)가 인입 또는 인출을 반복하는 공압 실린더(406)와, 상기 피스톤 로드(404)의 작동에 따라 이에 연결되어 회전하는 크랭크 암(408)과, 상기 크랭크 암(408)에 연결되어 상기 크랭크 암(408)의 회전에 연동하여 회전하는 크랭크 축(410)과, 상기 크랭크 축(410)에 연결되어 이의 회전속도를 조절하는 기어 어셈블리(412)와, 상기 기어 어셈블리(412)에 연결되어 전기를 생산하는 발전기(414)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 발전부(400)는 상기 공압 저장부(300)에서 공급되는 공기의 이물질을 제거하는 필터부(416)와, 상기 필터부(416)을 통과한 공기의 압력을 조절하는 압력 조절기(418)와, 상기 압력 조절기(418)를 통과한 공기에 오일을 분사하는 오일 분사기(420)와, 상기 피스톤 로드(404)의 상사점과 하사점의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(422)로부터 제공된 신호에 의해 상기 방향 제어 밸브(402)를 제어하는 컨트롤 박스(424)를 더 포함하여 구성됨으로써 상기 오일이 분사된 공기가 상기 공압 실린더(406)에 공급되는 것을 특징으로 한다.
이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이, 본 발명에 의한 풍력 발전 시스템은, 바람이 불 때 터빈부의 회전축에 연결된 유압 펌프가 유·공압 전환부의 유압 실린더를 작동시키고, 유압 실린더에 연결된 공압 실린더가 압축 공기를 생산하여 이를 공압 저장부의 공기 탱크에 저장하였다가, 전기 생산이 요구될 때 상기 공기 탱크에 저장되어있던 압축 공기로 발전부의 공압 실린더를 작동시켜 이에 연결된 발전기로 전기를 생산하도록 함으로써, 바람이 불지 않는 상황에서도 전기를 생산할 수 있는 풍력 발전 시스템을 제공하는 효과가 있다.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구성을 나타낸 시스템도이다.
도 1에서 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 지상에 설치되면서 바람에 의해 회전하도록 회전축을 중심으로 다수개의 블레이드가 형성된 터빈부(100); 상기 회전축과 유압 오일 탱크에 연결된 유압 펌프에 의해 발 생한 유압으로 작동하는 유압 실린더부와, 상기 유압 실린더부에 연결되어 압축 공기를 생성하는 공압 실린더부를 포함하는 유·공압 전환부(200); 상기 공압 실린더부에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공압 저장부(300); 및 상기 공압 저장부(300)에 저장된 공압에 의해서 발전기에 연결된 크랭크 축을 회전시키는 공압 실린더를 포함하는 발전부(400)를 포함하여 구성되는데, 이하에서는 터빈부(100), 유·공압 전환부(200), 공압 저장부(300), 발전부(400)에 대해 각각의 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
먼저 도 2는 본 발명을 구성하는 터빈부의 바람직한 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2에서 도시된 바와 같이 본 발명을 구성하는 터빈부(100)는 지지판(106)과, 상기 지지판(106)의 상면 양측에 각각 설치되되 블레이드(104)가 형성된 회전축(102)을 지지하는 측면 프레임(108)과, 상기 회전축(102)과 연결되는 유압 펌프(110)와, 상기 유압 펌프(110)에 오일을 공급하는 유압 오일 탱크(112)와, 일단이 지면에 고정되고 타단은 상기 지지판(106)의 배면에 결합고정되는 지주(114)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
여기서 지지판(106)은 후술할 지주(114)에 의해 일정 높이의 상공에 위치하게 되는데, 도 2에서는 지지판(106)이 직사각형의 판 형상으로 형성된 경우를 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이어서 측면 프레임(108)은 상기 지지판(106)의 상면 양측에 각각 설치되되, 블레이드(104)가 형성된 회전축(102)을 지지하는데, 상기 측면 프레임(108)과 상기 회전축(102) 사이에는 베어링(미도시)이 장착되어 상기 회전축(102)이 상기 측면 프레임(108)에 대해 원활히 회전하도록 하고, 상기 블레이드(104)는 특히 단면 형상이 'C'형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
그리고 유압 펌프(110)는 상기 회전축(102)과 연결되고, 유압 오일 탱크(112)는 상기 유압 펌프(110)에 연결되어 오일을 공급하는데, 유압 펌프(110)의 종류에는 회전하는 두개의 기어 이빨 사이의 공극을 이용하여 가압하는 기어형(gear type), 회전하는 축에 설치된 베인을 이용하여 작동유를 밀어 압축시키는 베인형(vane type), 회전하는 축에 수직 또는 평행하게 설치된 여러 개의 실린더 안의 부피를 축의 회전방향에 따라 작아지게 만들어 압축하는 회전피스톤형(rotary piston type), 회전운동을 왕복운동으로 바꾸어 바로 실린더 안의 작동유를 피스톤으로 가압하는 왕복피스톤형(reciprocating piston type) 등이 있는 바, 베인형(vane type) 또는 회전피스톤형(rotary piston type)의 유압 펌프를 사용하는 것이 바람직할 것이나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 지주(114)는 일단이 지면에 고정되고 타단은 상기 지지판(106)의 배면에 결합고정되는데, 지주(114)는 충분한 강성을 가지는 철봉으로 구비되는 것이 바람직하고, 특히 지주(114)와 지지판(106) 사이에는 베어링(116)이 장착된다.
즉, 지지판(106)의 배면 중앙에는 베어링(116)이 끼워지는 삽입부(118)가 돌출형성되고, 상기 지주(114)의 타단엔 삽입홈(120)이 형성되어 상기 베어링(116)이 상기 삽입홈(120)에 끼워져 고정됨으로써 결국 지지판(106)이 지주(114)에 대해 회 전할 수 있게 되는 것이며, 지지판(106)의 상면에 꼬리날개(122)가 추가로 설치됨으로써 바람이 부는 방향에 따라 상기 지지판(106)이 상기 지주(114)에 대해 회전가능하게 구성될 수 있는 것이다.
다시 말하면, 지지판(106)에 설치된 꼬리날개(122)에 의해 지지판(106)은 바람이 불어 오는 방향이 변함에 따라 회전하게 되고, 그로 인해 지지판(106)에 설치된 블레이드(104)는 바람이 불어오는 방향에 항상 수직으로 위치하게 되는 것이다.
한편, 상기 터빈부(100)에는 바람이 회전축(102)의 상방향에 위치하게 되는 블레이드(104)에 집중될 수 있도록 판 형상의 바람막이부(124)가 상기 지지판(106)의 상면 일측 단부에 경사지게 설치되는 것이 바람직한데, 도 2에서는 바람막이부(124)의 일측 모서리가 지지판(106)의 일측 모서리에 접하도록 설치되고, 바람막이부(124)의 타측은 측면 프레임(108)의 상부 모서리에 접하도록 설치되어, 결국 바람막이부(124)가 지지판(106)의 상면에 경사지게 설치된 예를 도시한 것이다.
이어서 도 3a는 본 발명을 구성하는 유·공압 전환부 및 공압 저장부의 바람직한 실시예를 도시한 도면이다.
도 3a에서 도시된 바와 같이 본 발명을 구성하는 유·공압 전환부(200)는 유압 실린더부(210)와 공압 실린더부(250)를 포함하여 구성되고, 공압 저장부(300)는 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는 바, 이하에서는 유압 실린더부(210)와 공압 실린더부(250)에 대해 상세히 설명한 후, 공압 저장부(300)에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 유압 실린더부(210)는 유압 펌프(110)와 유압 오일 탱크(112)에 연결된 방향 제어 밸브(202)와, 상기 방향 제어 밸브(202)에 연결되어 이에 의해 유로(流路)가 가변되어 피스톤 로드(204)가 인입 또는 인출을 반복하는 유압 실린더(206)와, 상기 피스톤 로드(204)의 상사점과 하사점의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(208)로부터 제공된 신호에 의해 상기 방향 제어 밸브(202)를 제어하는 컨트롤 박스(212)를 포함하여 구성된다.
즉, 방향 제어 밸브(202)는 상기 터빈부(100)의 회전축(102, 도 2 참조)에 연결된 유압 펌프(110)에 의해 제공되는 오일의 유로(流路)를 가변하여 유압 실린더(206)의 피스톤 로드(204)가 인입 또는 인출되도록 하는 바, 이와 같이 방향 제어 밸브(202)가 유로(流路)를 가변할 수 있도록 방향 제어 밸브(202)를 제어하는 컨트롤 박스(212)가 구비되는 것이다.
다시 말하면, 컨트롤 박스(212)는 유압 실린더(206)의 상사점과 하사점에 설치된 위치 검출 센서(208)로부터 제공된 전기적 신호에 따라 방향 제어 밸브(202)를 제어하게 되는 것이다.
이어서, 공압 실린더부(250)는 상기 유압 실린더부(210)의 피스톤 로드(204)와 연결된 피스톤 로드(252)가 인입 또는 인출을 반복하는 공압 실린더(254)를 포함하되, 상기 피스톤 로드(252)의 작동에 따라 상기 공압 실린더(254)에 구비된 다수개의 체크 벨브(256)가 상기 공압 실린더(254)의 흡기 또는 배기 동작을 수행하는 것을 특징으로 한다.
더불어, 상기 공압 실린더부(250)에는 상기 공압 실린더(254)에 흡입되는 공기 속의 이물질을 제거할 수 있는 공기 필터부(258)와, 상기 공압 실린더(254)에 흡입되는 공기에 윤활유를 분사하는 루브리케이터(미도시)가 추가로 구비된 것을 특징으로 한다.
여기서 공압 실린더(254)의 피스톤 로드(252)는 유압 실린더부(210)의 피스톤 로드(204)와 연결되어 유압 실린더부(210)의 피스톤 로드(204)가 인입 또는 인출됨에 따라 이에 연동하여 인출 또는 인입되는데, 이와 같은 공압 실린더(254)의 작동에 의해 생성된 압축 공기는 후술할 공압 저장부(300)의 공기 탱크(310)에 저장된다.
이 때, 공압 실린더(254)의 흡기와 배기 과정(즉, 다수개의 체크 밸브(256)가 작동하는 순서)을 도 3b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저 피스톤 로드(252)가 하사점에 위치한 경우(L) 공압 실린더(254)의 하부 좌측에 구비된 체크 밸브(256c)는 닫힘 상태이고, 하부 우측에 구비된 체크 밸브(256d)는 열림 상태에 있게 된다.
상기와 같은 상태에서 피스톤 로드(252)가 상사점을 향해 이동하게 될 때, 공압 실린더(254)의 상부 좌측에 구비된 체크 밸브(256a)는 열림 상태가 되고, 상부 우측에 구비된 체크 밸브(256b)는 닫힘 상태에 있게 되며, 이에 따라 공압 실린더(254) 내부에 있던 공기는 상부 좌측에 구비된 체크 밸브(256a)를 통과하여 후술할 공기 탱크(310)로 보내지게 되고, 동시에 열림 상태에 있던 공압 실린더(254)의 하부 우측에 구비된 체크 밸브(256d)를 통해 새로운 공기가 유입되게 된다.
이어서, 피스톤 로드(252)가 상사점에 도달하게 되면 열림 상태에 있던 상부 좌측에 구비된 체크 밸브(256a)는 닫힘 상태로 바뀌고, 닫힘 상태에 있던 상부 우측에 구비된 체크 밸브(256b)는 열림 상태로 바뀌게 되며, 닫힘 상태에 있던 하부 좌측에 구비된 체크 밸브(256c)는 열림 상태로 바뀌고, 열림 상태에 있던 하부 우측에 구비된 체크 밸브(256d)는 닫힘 상태로 바뀌게 된다.
상기와 같은 상태에서 피스톤 로드(252)가 하사점을 향해 이동하게 되면, 공압 실린더(254) 내부로 유입되었던 공기가 열림 상태에 있는 하부 좌측에 구비된 체크 밸브(256c)를 통과하여 후술할 공기 탱크(310)로 보내지게 된다.
이와 같은 과정을 반복함으로써 공압 실린더(254)의 흡기와 배기의 행정이 이루어지는 것이다.
한편, 공압 실린더부(250)에 추가로 구비되는 공기 필터부(258)는 공압 실린더(254)로 인입되는 공기에 섞여 있는 이물질(먼지 또는 물방울 등)을 제거하는 역할을 하고, 루브리케이터(미도시)는 공압 실린더(254)로 인입되는 공기에 윤활유를 분사하여 공압 실린더(254)와 피스톤 로드(252)의 마찰부분에 급유함으로써 마찰부위의 마모를 방지하게 된다.
이어서, 도 3a에서 도시된 바와 같이 본 발명을 구성하는 공압 저장부(300)는 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는데, 상기 공압 저장부(300)는 상기 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공기 탱 크(310)와, 상기 공기 탱크(310) 내의 압력을 조절하는 압력 제어 밸브(320)와, 상기 공기 탱크(310) 내로 유입되는 압축 공기의 흐르는 방향을 제어하는 방향 제어 밸브(330)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 공압 실린더(254)에서 생성된 압축 공기는 배관을 통해 공기 탱크(310)에 저장되는데, 압력 제어 밸브(320)가 구비됨으로써 각각의 공기 탱크(310) 내부의 압력을 조절할 수 있게 되고, 방향 제어 밸브(330)가 구비됨으로써 공기 탱크(310) 내부에 저장된 압축 공기가 역류하는 것을 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 도 3a에서는 압축 공기를 저장되는 공기 탱크(310)가 4개 구비된 경우를 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 3개 이하 또는 5개 이상 설치될 수도 있을 것이다.
도 4는 본 발명을 구성하는 발전부의 바람직한 실시예를 도시한 도면이고, 도 5는 본 발명을 구성하는 발전부의 공압 실린더와 크랭크 축 및 크랭크 암의 작동예를 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5에서 도시된 바와 같이 본 발명을 구성하는 발전부(400)는 상기 공압 저장부(300)에 저장된 압축 공기에 의해서 발전기(414)에 연결된 크랭크 축(410)을 회전시키는 공압 실린더(406)를 포함하여 구성되는데, 좀 더 상세하게 상기 발전부(400)는 상기 공압 저장부(300)에 연결된 방향 제어 밸브(402)에 연결되어 이에 의해 압축 공기의 유로가 가변됨에 따라 피스톤 로드(404)가 인입 또는 인출을 반복하는 공압 실린더(406)와, 상기 피스톤 로드(404)의 작동에 따라 이에 연결되어 회전하는 크랭크 암(408)과, 상기 크랭크 암(408)에 연결되어 상기 크랭크 암(408)의 회전에 연동하여 회전하는 크랭크 축(410)과, 상기 크랭크 축(410)에 연결되어 이의 회전속도를 조절하는 기어 어셈블리(412)와, 상기 기어 어셈블리(412)에 연결되어 전기를 생산하는 발전기(414)를 포함하여 구성된다.
즉, 발전부(400)는 상기 공기 탱크(310)에 저장되어 있던 압축 공기를 이용하여 필요시 전기를 생산할 수 있는 장치로서, 다시 말하면 공기 탱크(310)에 저장되어 있던 압축 공기는 공압 실린더(406)의 피스톤 로드(404)를 인입 또는 인출시키게 되는데, 이를 위해 압축 공기의 유로(流路)는 방향 제어 밸브(402)에 의해 가변되면서 압축 공기가 공압 실린더(406)에 공급된다.(즉, 방향 제어 밸브(402)에 의해 압축 공기가 공압 실린더(406)의 상부(A)에 공급되면 피스톤 로드(404)는 공압 실린더(406)의 내부로 인입되고, 반대로 방향 제어 밸브(402)에 의해 압축 공기가 공압 실린더(406)의 하부(B)에 공급되면 피스톤 로드(404)는 공압 실린더(406)의 외부로 인출된다.
그리고 방향 제어 밸브(402)는 컨트롤 박스(424)에 의해 제어되는 바, 컨트롤 박스(424)는 공압 실린더(406)의 상사점과 하사점에 설치된 위치 검출 센서(422)로부터 제공된 전기적 신호에 따라 방향 제어 밸브(402)를 제어하게 되는 것이다.)
그리고 이와 같이 공압 실린더(406)의 내·외부로 인입 또는 인출되는 피스톤 로드(404)는 이에 연결된 크랭크 암(408)을 회전시키게 되고, 크랭크 암(408)이 회전함에 따라 이에 연결된 크랭크 축(410)이 회전하면서 발전기(414)를 작동시켜 전기를 생산하게 된다.
이 때, 크랭크 축(410)은 발전기(414)에 직접 연결될 수도 있으나, 크랭크 축(410)과 발전기(414) 사이에 기어 어셈블리(412)가 구비되어 크랭크 축(410)의 회전속도를 필요에 따라 증속 또는 감속함으로써 발전기(414)의 용량에 부합하도록 크랭크 축(410)의 회전속도를 조절하는 것이 더욱 바람직할 것이다.
그리고 도 4 및 도 5에서는 크랭크 축(410)을 회전시키기 위해 크랭크 암(408)에 연결되는 공압 실린더(406)가 4개 설치된 경우를 도시하였으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다만, 설치되는 공압 실린더(406)의 개수는 짝수개로 설치되는 것이 바람직할 것이다.
즉, 예를 들어 설치되는 공압 실린더(406)의 갯수가 홀수개(3개, 5개 등)인 경우(도 6 참조)에는 크랭크 축(410)의 상부에 위치하는 크랭크 암(408a, 408b)을 반시계방향으로 회전시키기 위해 크랭크 암(408a, 408b)을 밀어주는 힘(이 때, 2개의 공압 실린더(406)가 크랭크 암(408a, 408b)을 밀어서 회전시킨다.)과 크랭크 축(410)의 하부에 위치하는 크랭크 암(408c)을 반시계방향으로 회전시키기 위해 크랭크 암(408c)을 당기는 힘(이 때, 1개의 공압 실린더(406)가 크랭크 암(408c)을 당겨서 회전시킨다.)이 서로 달라 크랭크 축(410)의 회전속도가 균일하지 못하게 된다.
그러나 설치되는 공압 실린더(406)의 갯수가 짝수개인 경우(도 4 및 도 5 참 조)에는 크랭크 축(410)을 중심으로 크랭크 축(410)의 상부에 위치하는 크랭크 암의 갯수와 크랭크 축(410)의 하부에 위치하는 크랭크 암의 갯수가 동일하므로 상기와 같은 문제의 발생을 방지할 수 있게 되는 것이다.
한편, 상기 발전부(400)에는 상기 공압 저장부(300)에서 공급되는 공기의 이물질을 제거하는 필터부(416)와, 상기 필터부(416)를 통과한 공기의 압력을 조절하는 압력 조절기(418)와, 상기 압력 조절기(418)를 통과한 공기에 오일을 분사하는 오일 분사기(420)와, 상기 피스톤 로드(404)의 상사점과 하사점의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(422)로부터 제공된 신호에 의해 상기 방향 제어 밸브(402)를 제어하는 컨트롤 박스(424)를 더 포함할 수 있는데, 필터부(416)는 공압 실린더부(250)에 구비되는 공기 필터부(258, 도 3 참조)와 같은 역할을 하고, 압력 조절기(418)는 공압 실린더(406)로 공급되는 압축 공기의 압력을 조절하며, 오일 분사기(420)는 공압 실린더부(250)에 구비되는 루브리케이터(미도시)와 같은 역할을 수행한다.
또한, 컨트롤 박스(424)는 상술한 바와 같이 유압 실린더부(210)에 구비되는 컨트롤 박스(212, 도 3 참조)와 같이 공압 실린더(406)의 상사점과 하사점에 설치된 위치 검출 센서(422)로부터 제공된 전기적 신호에 따라 방향 제어 밸브(402)를 제어하게 되는 것이다.
이어서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명인 풍력 발전 시스템의 작동과정을 순차적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 일정 속도 이상의 바람이 불어 터빈부(100)의 회전축(102)을 회전시키면 이에 연결된 유압 펌프(110)가 작동하여 유압 오일 탱크(112) 내의 오일을 순환시키게 되는데, 이와 같이 순환되는 오일은 유·공압 전환부(200)의 방향 제어 밸브(202)에 의해 유압 실린더(206)의 피스톤 로드(204)를 인입 또는 인출시키게 된다.
다시 말하면, 유압 펌프(110)를 통해 토출되는 오일(가압된 오일)은 배관(a)을 통해 유압 실린더(206)로 공급되는데 이 때, 컨트롤 박스(212)에 의해 제어되는 방향 제어 밸브(202)가 가압된 오일의 유압 실린더(206)로 공급되는 유로(流路)를 가변시켜 유압 실린더(206)의 피스톤 로드(204)를 인입 또는 인출시킨다.
즉, 가압된 오일이 유압 실린더(206)의 일단에 공급되면서 피스톤 로드(204)의 인출동작이 완료되면 위치 검출 센서(208)에서 제공된 전기적 신호를 컨트롤 박스(212)가 감지하여 방향 제어 밸브(202)를 작동시키게 되고, 이에 따라 유로(流路)가 변하여 가압된 오일이 유압 실린더(206)의 타단에 공급되면서 피스톤 로드(204)를 인입시키게 되는 것이다.
그리고 이와 같이 피스톤 로드(204)를 인입 또는 인출시키기 위해 유압 실린더(206)에 공급되었던 오일은 가압된 오일의 유로가 변할 때 배관(b)를 거쳐 유압 오일 탱크(112)로 회수되는 것이다.
이어서, 유압 실린더(206)의 피스톤 로드(204)가 인입 또는 인출됨에 따라 이에 연결된 공압 실린더(254)의 피스톤 로드(252)가 인출 또는 인입되면서 압축 공기를 공기 탱크(310)에 저장하게 된다.
이 때, 공압 실린더(254)가 압축 공기를 생성하는 과정(즉, 공압 실린더(254)의 흡기와 배기 과정)은 전술한 바와 같다.
한편, 공기 탱크(310)에 저장된 압축 공기는 사용자의 필요에 따라 발전부(400)로 공급되어 전기를 생산하게 되는데, 이의 과정은 다음과 같다.
즉, 공기 탱크(310)에 저장된 압축 공기는 필터부(416), 압력 조절기(418), 오일 분사기(420)를 거쳐 컨트롤 박스(424)에 의해 제어되는 방향 제어 밸브(402)를 통해 공압 실린더(406)에 공급되면서 피스톤 로드(404)를 인입 또는 인출시키게 되고, 피스톤 로드(404)에 연결된 크랭크 암(408)이 회전하면서 이에 연결된 크랭크 축(410)이 기어 어셈블리(412)와 연결된 발전기(414)를 작동시켜 전기를 생산하게 되는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 구성을 나타낸 시스템도;
도 2는 본 발명을 구성하는 터빈부의 바람직한 실시예를 도시한 사시도;
도 3a는 본 발명을 구성하는 유·공압 전환부 및 공압 저장부의 바람직한 실시예를 도시한 도면;
도 3b는 본 발명을 구성하는 공압 실린더부에서 공압 실린더의 흡기와 배기 과정을 도시한 도면;
도 4는 본 발명을 구성하는 발전부의 바람직한 실시예를 도시한 도면;
도 5는 본 발명을 구성하는 발전부의 공압 실린더와 크랭크 축 및 크랭크 암의 작동예를 도시한 사시도; 및
도 6은 본 발명을 구성하는 발전부의 공압 실린더가 3개 설치된 경우를 도시한 도면이다.
***도면의 주요 부분에 대한 부호 설명***
100 : 터빈부 102 : 회전축
104 : 블레이드 106 : 지지판
108 : 측면 프레임 110 : 유압 펌프
112 : 유압 오일 탱크 114 : 지주
116 : 베어링 118 : 삽입부
120 : 삽입홈 122 : 꼬리날개
200 : 유·공압 전환부 202 : 방향 제어 밸브
204 : 피스톤 로드 206 : 유압 실린더
208 : 위치 검출 센서 210 : 유압 실린더부
212 : 컨트롤 박스 250 : 공압 실린더부
252 : 피스톤 로드 254 : 공압 실린더
256 : 체크 밸브 258 : 공기 필터부
300 : 공압 저장부 310 : 공기 탱크
320 : 압력 제어 밸브 330 : 방향 제어 밸브
400 : 발전부 402 : 방향 제어 밸브
404 : 피스톤 로드 406 : 공압 실린더
408 : 크랭크 암 410 : 크랭크 축
412 : 기어 어셈블리 414 : 발전기
416 : 필터부 418 : 압력 조절기
420 : 오일분사기 422 : 위치 검출 센서
424 : 컨트롤 박스

Claims (9)

  1. 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력 발전 시스템에 있어서,
    지상에 설치되면서 바람에 의해 회전하도록 회전축(102)을 중심으로 다수개의 블레이드(104)가 형성된 터빈부(100);
    상기 회전축(102)과 유압 오일 탱크(112)에 연결된 유압 펌프(110)에 의해 발생한 유압으로 작동하는 유압 실린더부(210)와, 상기 유압 실린더부(210)에 연결되어 압축 공기를 생성하는 공압 실린더부(250)를 포함하는 유·공압 전환부(200);
    상기 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공압 저장부(300); 및
    상기 공압 저장부(300)에 저장된 압축 공기에 의해서 발전기(414)에 연결된 크랭크 축(410)을 회전시키는 공압 실린더(406)를 포함하는 발전부(400)
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈부(100)는
    지지판(106)과, 상기 지지판(106)의 상면 양측에 각각 설치되되 상기 블레이드(104)가 형성된 회전축(102)을 지지하는 측면 프레임(108)과,
    상기 회전축(102)과 연결되는 유압 펌프(110)와, 상기 유압 펌프(110)에 오일을 공급하는 유압 오일 탱크(112)와,
    일단이 지면에 고정되고 타단은 상기 지지판(106)의 배면에 결합고정되는 지주(114)
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지판(106)의 배면 중앙에는 베어링(116)이 끼워지는 삽입부(118)가 돌출형성되고, 상기 지주(114)의 타단엔 삽입홈(120)이 형성되어 상기 베어링(116)이 상기 삽입홈(120)에 끼워져 고정되며, 상기 지지판(106)의 상면에 꼬리날개(122)가 설치되어 바람이 부는 방향에 따라 상기 지지판(106)이 상기 지주(114)에 대해 회전가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 터빈부(100)는 판 형상의 바람막이부(124)가 상기 지지판(106)의 상면 일측 단부에 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 실린더부(210)는, 상기 유압 펌프(110)와 상기 유압 오일 탱크(112)에 연결된 방향 제어 밸브(202)와, 상기 방향 제어 밸브(202)에 연결되어 이에 의해 유로(流路)가 가변되어 피스톤 로드(204)가 인입 또는 인출을 반복하는 유압 실린더(206)와, 상기 유압 실린더(206)에 설치되어 피스톤 로드(204)의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(208)와, 상기 위치 검출 센서(208)로부터 제공된 신호에 의해 상기 방향 제어 밸브(202)를 제어하는 컨트롤 박스(212)를 포함하여 구성되고,
    상기 공압 실린더부(250)는, 상기 유압 실린더부(210)의 피스톤 로드(204)와 연결된 피스톤 로드(252)가 인입 또는 인출을 반복하는 공압 실린더(254)를 포함하되, 상기 피스톤 로드(252)의 작동에 따라 상기 공압 실린더(254)에 구비된 다수개의 체크 밸브(256)가 상기 공압 실린더(254)의 흡기 또는 배기 동작을 수행하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 공압 실린더부(250)에는 상기 공압 실린더(254)에 흡입되는 공기 속의 이물질을 제거할 수 있는 공기 필터부(258)와, 상기 공압 실린더(254)에 흡입되는 공기에 윤활유를 분사하는 루브리케이터가 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공압 저장부(300)는
    상기 공압 실린더부(250)에서 생성된 압축 공기를 저장하는 공기 탱크(310)와,
    상기 공기 탱크(310) 내의 압력을 조절하는 압력 제어 밸브(320)와,
    상기 공기 탱크(310) 내로 유입되는 압축 공기의 흐르는 방향을 제어하는 방향 제어 밸브(330)
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부(400)는
    상기 공압 저장부(300)에 연결된 방향 제어 밸브(402)에 연결되어 이에 의해 압축 공기의 유로가 가변됨에 따라 피스톤 로드(404)가 인입 또는 인출을 반복하는 공압 실린더(406)와,
    상기 피스톤 로드(404)의 작동에 따라 이에 연결되어 회전하는 크랭크 암(408)과,
    상기 크랭크 암(408)에 연결되어 상기 크랭크 암(408)의 회전에 연동하여 회전하는 크랭크 축(410)과,
    상기 크랭크 축(410)에 연결되어 이의 회전속도를 조절하는 기어 어셈블리(412)와,
    상기 기어 어셈블리(412)에 연결되어 전기를 생산하는 발전기(414)
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 발전부(400)는
    상기 공압 저장부(300)에서 공급되는 공기의 이물질을 제거하는 필터부(416)와,
    상기 필터부(416)을 통과한 공기의 압력을 조절하는 압력 조절기(418)와,
    상기 압력 조절기(418)를 통과한 공기에 오일을 분사하는 오일 분사기(420)와,
    상기 피스톤 로드(404)의 상사점과 하사점의 위치를 검출하는 위치 검출 센서(422)로부터 제공된 신호에 의해 상기 방향 제어 밸브(402)를 제어하는 컨트롤 박스(424)
    를 더 포함하여 구성됨으로써 상기 오일이 분사된 공기가 상기 공압 실린더(406)에 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
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