KR101092837B1

KR101092837B1 - 발전장치

Info

Publication number: KR101092837B1
Application number: KR1020067021239A
Authority: KR
Inventors: 카즈오 오오쿠보; 마사미 모리타; 카츠요시 나카노
Original assignee: 신코우덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2011-12-14
Also published as: CA2559569A1; EP1734650A4; CN1934780A; RU2006136384A; JP4639616B2; WO2005088828A1; CA2559569C; EP1734650A1; JP2005269703A; US20080191484A1; AU2005222229A1; KR20060130249A; TW200535335A; AU2005222229B2

Abstract

부품코스트를 삭감함과 동시에, 풍차(11)를 강제적으로 제동시킨 경우에도 풍력을 항상 검출한다. 풍력에 의해 회전하는 것으로 구동력을 발생시키는 풍차(11)와, 풍차(11)의 구동력에 의해 작동하여 발전하는 발전기(19)와, 발전기(19)의 출력 측을 출력상태와 단락상태로 절환(切換)하는 단락제동장치(21)와, 출력상태 시의 풍차(11)의 회전속도와, 단락상태 시의 풍차(11)의 회전속도에 의거하여, 양(兩) 상태 시에 있어서 풍력의 규모를 인식하는 회전속도입력부(41)나 연산처리부(51)와, 풍차(11)의 회전속도에 의거하여 발전기(19)를 출력상태와 단락상태의 어느 상태로 절환할 것인가를 판단함과 동시에, 판단결과에 의거하여 단락제동장치(21)를 절환 제어하는 연산처리부(51)를 구비하고 있다.

Description

발전장치{Power generation system}

본 발명은, 풍력에너지 등의 자연에너지를 전기에너지로 변환하여 각종 기기의 전력으로 하는 발전장치에 관한 것이다.

예를 들면 특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 풍력발전장치는, 풍력에 의해 풍차를 회전시켜, 이 풍차의 회전구동력으로 발전기를 작동시키는 것에 의하여, 풍력의 운동에너지를 전기에너지의 전력으로 변환시키도록 구성되어 있다. 또한, 풍력발전장치는, 풍속계를 구비하고 있고, 이 풍속계로 검출된 풍속(풍력)에 의거하여 풍차의 회전과 정지를 절환 제어하는 것에 의하여, 풍력의 변동에 대응하는 장치로 하고 있다.(특허문헌 1 : 특개 2003-284393호 공보)

<발명이 해결하고자 하는 과제>

그런데, 풍력발전장치에 있어서도 통상의 기기와 마찬가지로, 코스트다운(cost down)이 요구되고 있으므로, 상기 종래의 구성에 있어서는, 코스트업(cost up)의 요인이 되는 풍속계를 구비하지 않고서 풍력을 검출할 수 있는 것이 필요하다. 그래서, 풍차의 회전속도를 풍력으로서 검출하는 구성이 착상되어질 수 있으나, 이 경우에는, 예를 들면 강풍시에 풍차를 클러치 브레이크 등으로 강제로 제동시킨 때에, 풍차가 완전히 정지하기 때문에, 풍력을 검출할 수 없는 경우가 있다. 그리고, 이 경우에는, 풍차의 회전을 재개하는 타이밍, 즉, 강풍의 힘이 저하된 때의 타이밍을 인식하지 못한다고 하는 문제가 발생한다.

그리고, 본 발명은, 풍속계의 부품코스트를 삭감 가능함과 동시에, 풍차를 강제로 제동시킨 경우에도 풍력을 항상 검출할 수 있는 발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

<과제를 해결하기 위한 수단>

본 발명은, 자연에너지에 의해 회전하는 것으로 구동력을 발생하는 구동력 발생수단과, 상기 구동력 발생수단의 구동력에 의해 작동하여 발전하는 발전수단과, 상기 발전수단의 출력 측을 출력상태와 단락상태로 절환하는 단락수단과, 상기 출력상태 시의 상기 구동력 발생수단의 회전속도와, 상기 단락상태 시의 상기 구동력 발생수단의 회전속도에 의거하여, 양 상태 시에 있어서 상기 자연에너지의 규모를 인식하는 규모인식수단을 구비하고 있다.

상기 구성에 의하면, 구동력 발생수단의 회전 및 제동이, 단락수단에 의한 발전수단의 출력상태와 단락상태의 절환에 의해 행해진다. 따라서, 발전수단으로부터 구동력 발생수단에 작용하는 제동력의 차가 출력상태와 단락상태의 사이에 존재하지만, 어느 상태 시에 있어서도 구동력 발생수단은 자연에너지에 의해 회전한다. 그 결과, 코스트업의 요인이 되는 자연에너지 검출용 전용기기를 구비하지 않더라도, 구동력 발생수단의 회전속도에 의거하여 자연에너지의 규모를 항상 인식할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 구동력 발생수단의 회전속도에 의거하여 상기 발전수단을 출력상태와 단락상태의 어느 상태로 절환할 것인가를 판단함과 동시에, 판단결과에 의거하여 상기 단락수단을 절환 제어하는 제어수단을 구비할 수도 있다. 이 구성에 의하면, 자연에너지의 규모에 따라 구동력 발생수단의 회전과 제동을 절환할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 제어수단은, 출력상태 시의 상기 구동력 발생수단의 회전속도가 제동개시치 이상인 때에, 단락상태로 절환하도록 상기 단락수단을 제어하여, 단락상태 후에 상기 구동력 발생수단의 회전속도가 제동해제치 미만이 된 때에, 상기 단락상태를 출력상태로 절환하도록 상기 단락수단을 제어하도록 되어 있어도 좋다. 이 구성에 의하면, 과도한 자연에너지로 구동력 발생수단이 과잉 회전하는 것에 의한 파손을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 발전장치는, 상기 자연에너지를 풍력으로 하는 풍력발전장치라도 좋다.

도 1 풍력발전장치의 블록도이다.

도 2 풍력발전장치의 전체구성을 보여주는 설명도이다.

도 3 회전제어루틴의 플로우챠트이다.

<부호의 설명>

1. 풍력발전장치 본체 2. 콘트롤러

3. 조작표시기 4. 밧데리

5. 인버터 6. 외부부하

7. 보조충전기 11. 풍차

12. 풍차 블레이드 13. 선회지지부재

14. 회전지지기구 15. 관통축부재

16. 회전축 클러치 17. 중공축부재

18. 회전속도 검출기 19. 발전기

20. 정지장치 31. 제어부

32. 정류부 33. 브릿지 다이오우드

34. 충전콘덴서 35. 다이오우드

36. 충전제어부 37. 코일

38. 발전기전압 검출기 39. 충전전압 검출기

41. 회전속도 입력부 42. 클러치 구동부

43. 단락구동부 44. 보조충전작동부

45. 충전제어구동부 46. 인버터 온/오프 구동부

47. 조작표시 입출력부 61. 표시부

63. 표시절환스위치

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

본 발명의 실시형태를 도 1 내지 도 3에 의거하여 아래와 같이 설명한다.

본 실시형태에 관한 발전장치인 풍력발전장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 자연에너지의 일종인 풍력에너지를 전기에너지인 교류전력으로 변환하여 출력하는 풍력발전장치 본체(1)와, 풍력발전장치 본체(1)의 제어기능이나 교류전력의 직류전력으로의 정류기능 등을 구비한 콘트롤러(2)와, 풍력발전장치의 동작상태나 설정상태 등을 절환 가능하게 표시하는 조작표시기(3)와, 콘트롤러(2)에 있어서 정류된 직류전력을 충전하는 밧데리(4)와, 밧데리(4)에 충전된 전력을 교류전력으로 변환하여 외부부하(6)에 공급하는 인버터(5)와, 밧데리(4)에 대하여 보조전력을 공급하는 보조충전기(7)를 구비하고 있다. 덧붙여서, 외부부하(6)는, 풍력발전장치의 콘트롤러(2)나 외부부하(6)의 냉장고 등의 전동기기, 전등이나 에어컨 등의 광열기기 등을 포함하는 것이다.

상기 풍력발전장치 본체(1)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력에 대응하는 회전구동력을 발생하는 풍차(11)를 구비하고 있다. 풍차(11)는, 바람을 받는 복수 매의 풍차 블레이드(12)와, 이들 풍차 블레이드(12)를 수평방향으로 선회시키도록 지지된 선회지지부재(13)와, 선회지지부재(13)의 회전중심을 지지하는 회전지지기구(14)를 구비하고 있다. 회전지지기구(14)는, 연직방향으로 입설되어 있고, 선회지지부재(13)의 회전중심에 상단부가 연결된 관통축부재(15)와, 관통축부재(15)가 자유롭게 회전하도록 관삽된 중공축부재(17)와, 관통축부재(15)와 중공축부재(17) 를 서로 연결가능하게 하는 회전축 클러치(16)를 구비하고 있다.

상기 관통축부재(15)에는, 회전속도검출기(18)가 구비되어 있다. 회전속도검출기(18)는, 인코더로 되어 있고, 관통축부재(15)의 회전속도(단위시간당의 회전수)에 대응하는 펄스수의 회전속도신호를 출력하도록 되어 있다. 또한, 회전속도검출기(18)는, 선회지지부재(13)의 측면에 자석이나 반사판 등의 검출대상물을 부착하여, 이 검출대상물을 검출할 때마다 펄스상태의 회전속도신호를 출력하도록 구성될 수도 있다.

또한, 회전축부재(15),(17) 사이에 삽입된 회전축 클러치(16)는, 무여자(無勵磁)작동형의 구성으로 되어 있다. 구체적으로는, 회전축 클러치(16)는, 코일상으로 감겨진 도시되지 않은 스프링과 , 이 스프링의 내경을 확장/수축하는 스프링작동기구(16a)와, 스프링작동기구(16a)를 작동시키는 코일부재(16b)를 구비하고 있다. 스프링은, 상술한 관통축부재(15)가 자유롭게 회전할 수 있도록 관삽되어 있음과 동시에, 일단부가 중공축부재(17)에 연결되어 있다. 또한, 스프링의 타단부는, 스프링작동기구(16a)의 레버에 당접(當接) 가능하게 되어, 이 레버에 의해 스프링의 권선방향과는 역방향으로 이동가능하게 되어 있다. 또한, 스프링은, 통상상태(외력이 부여되지 않은 상태)의 내경이 관통축부재(15)를 강고하게 결합시키도록 설정되어 있다. 그리고, 이와 같이 구성된 회전축클러치(16)는, 코일부재(16b)에 클러치 작동전류가 공급되지 않는 경우, 스프링 작동기구(16a)의 레버와 스프링의 타단부와의 당접이 해제되어, 스프링의 축경에 의해 관통축부재(15)와 중공축부재(17)를 강고하게 연결하는 것에 의하여, 관통축부재(15)의 회전구동력을 중공축 부재(17)에 충분히 전달시키도록 되어 있다. 또한, 클러치 작동전류가 공급되고 있는 경우는, 스프링 작동기구(16a)의 레버가 스프링의 타단부에 당접되어, 이 타단부를 스프링의 권선방향과는 역방향으로 압압(押壓)하는 것에 의하여, 스프링의 내경을 확대시켜, 스프링과 관통축부재(15)와의 접합을 해제하도록 되어 있다.

상기 회전축클러치(16)를 통하여 회전구동력이 전달되는 중공축부재(17)에는, 3상교류방식 등의 발전기(19)가 구비되어 있다. 발전기(19)는, 중공축부재(17)의 회전속도에 대응하는 교류전력을 출력하도록 되어 있다. 발전기(19)의 출력 측에는, 단락제동장치(21)가 접속되어 있다. 단락제동장치(21)는, 발전기(19)의 출력 측을 출력상태와 단락상태로 절환하도록 구성되어 있다. 구체적으로 설명하면, 단락제동장치(21)는, 발전기(19)의 각 단자에 접속된 단락용 릴레이(22)를 구비하고 있다. 단락용 릴레이(22)는, 콘트롤러(2)로부터의 통전 유무에 의해 개상태(開狀態; open state)와 폐상태(閉狀態; closed state)를 절환가능하게 되어 있다. 단락용 릴레이(22)는, 개상태로 되는 것에 의하여 발전기(19)를 출력상태로 한다. 또한, 단락용릴레이(22)는, 폐상태로 되는 것에 의하여 발전기(19)를 단락상태로 한다. 그리고, 단락제동장치(21)는, 강풍이나 고장 등의 이상 시에 발전기(19)의 출력 측을 단락시키도록 콘트롤러(2)에 의해 절환 제어되는 것에 의하여, 풍차 블레이드(12)에 의한 회전지지기구(14)의 회전을 강제적으로 제동시키도록 되어 있다.

또한, 관통축부재(15)의 하단부에는, 회전지지기구(14)를 수동조작으로 고정하는 정지장치(20)가 구비되어 있다. 정지장치(20)는, 관통축부재(15)에 부착된 환상부재(20a)와, 환상부재(20a)의 외주면에 접촉과 분리가 가능하게 구비된 압압부 재(20b)를 구비하고 있다. 압압부재(20b)는, 일부가 도시되지 않은 가대(架臺; stand)나 부지면(敷地面; groundfloor area) 등의 고정부에 설치되어 있다. 그리고, 정지장치(20)는, 압압부재(20b)를 수동조작으로 환상부재(20a)에 압착시키는 것에 의하여, 큰 제동력에 의해 관통축부재(15)를 고정하여, 결과적으로 회전지지기구(14)의 회전을 완전히 정지시키도록 되어 있다. 또한, 정지장치(20)는, 후술하는 조작표시기(3)의 조작지시에 의해 자동으로 작동하도록 구성될 수도 있다.

상기와 같이 구성된 풍력발전장치 본체(1)는, 콘트롤러(2)에 접속되어 있다. 콘트롤러(2)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 풍력발전장치를 제어하는 제어부(31)와, 풍력발전장치 본체(1)의 발전기(19)로부터 출력된 교류전력을 직류전력으로 정류하는 정류부(32)를 구비하고 있다. 제어부(31)는, 회전속도입력부(41)와 클러치 구동부(42)와 단락구동부(43)를 구비하고 있다. 이들 각부(41)~(43)은, 상술한 풍력발전장치 본체(1)에서 회전속도검출기(18)와 회전축 클러치(16)와 단락제동장치(21)에 각각 접속되어 있다.

회전속도입력부(41)는, 회전속도검출기(18)로부터의 회전속도신호를 신호처리에 적절한 신호형태로 변환하는 기능을 갖고 있다. 클러치 구동부(42)는, 회전축 클러치(16)에 클러치 구동신호를 출력하는 것에 의하여, 회전축 클러치(16)의 작동상태를 제어, 즉, 도 2의 관통축부재(15)와 중공축부재(17)의 연결력을 출현 및 해소하도록 제어하는 기능을 갖고 있다. 단락구동부(43)는, 통상동작 시에 단락제동장치(21)의 단락용 릴레이(22)에 구동신호를 출력하는 것에 의하여, 이상 시에 발전기(19)를 단락상태로 하는 기능을 구비하고 있다.

또한, 콘트롤러(2)는, 보조충전작동부(44)와 충전제어구동부(45)와 인버터 온/오프 구동부(46)와 조작표시입출력부(47)를 구비함과 동시에, 각부(41)~(47)을 감시 및 제어하는 연산처리부(51)를 구비하고 있다. 그리고, 연산처리부(51)의 상세에 대해서는 후술한다.

상기 보조충전작동부(44)는, 밧데리(4)에 보조전력을 충전하는 DC파워팩으로 칭하는 보조충전기(7)에 접속되어 있다. 보조충전기(7)는, 1 보드에 실장(實裝)되어 있고, 광체(筐) 내에 수납되는 것에 의하여 일체화되어 있다. 보조충전기(7)는, 보조충전작동부(44)로부터의 작동신호에 의해 밧데리(4)로의 보조충전의 실시와 정지를 절환할 수 있는 기능을 갖고 있다.

상기 보조충전기(7)에 의해 보조적으로 충전되는 밧데리(4)는, 콘트롤러(2)의 정류부(32)에도 접속되어 있다. 정류부(32)는, 풍력발전장치 본체(1)의 발전기(19)로부터의 교류전력을 직류전력으로 변환하여 밧데리(4)에 충전하도록 구성되어 있다.

즉, 정류부(32)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 발전기(19)에 접속된 브릿지 다이오우드(33)와, 브릿지 다이오우드(33)의 애노드 측 및 캐소드 측에 병렬 접속된 충전콘덴서(34)와, 충전콘덴서(34)보다도 하류 측이고 브릿지 다이오우드(33)와 동일한 방향으로 병렬 접속된 다이오우드(35)와, 충전콘데서(34)와 다이오우드(35)와의 사이에 구비되어, 전류의 통과와 차단을 절환 제어하는 충전제어부(36)와, 다이오우드(35)보다도 하류 측에 구비된 코일(37)을 구비하고 있다. 상기 충전제어부(36)는, 트랜지스터 등의 반도체 스위치로 되어 있고, 도 1의 충전제어구동 부(45)에 접속되어 있다. 충전제어구동부(45)는, 충전제어신호를 출력하는 것에 의하여, 브릿지 다이오우드(33)로부터 다이오우드(35)로의 통전시간을 제어하도록 되어 있다. 그리고, 이와 같이 구성된 정류부(32)는, 밧데리(4) 및 인버터(5)에 접속되어 있고, 충전제어부(36)로 제어된 통전시간에 대응하는 충전전압의 전력을 밧데리(4)에 충전하도록 되어 있다.

또한, 정류부(32)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 발전기(19)로부터 입력되는 교류전력의 발전기전압을 검출하는 발전기전압 검출기(38)와, 밧데리(4)에 충전하는 충전전압(밧데리 전압)을 검출하는 충전전압 검출기(39)를 구비하고 있다. 이들 전압검출기(38),(39)는, 연산처리부(51)에 접속되어 있고, 검출한 전압을 각각 연산처리부(51)에 출력한다.

또한, 상기 충전제어구동부(45)와 마찬가지로 연산처리부(51)에 접속된 인버터 온/오프 구동부(46)는, 인버터(5)에 접속되어 있다. 인버터(5)는, 밧데리(4)에 충전된 직류전력을 예를 들면 가정용의 교류전력으로 변환하여 외부부하(6)로 출력하는 출력기능과, 인버터 온/오프 구동부(46)로부터의 신호에 의해 출력기능의 작동 및 정지를 절환하는 기능을 구비하고 있다.

더욱이, 연산처리부(51)에 접속된 조작표시 입출력부(47)는, 통신케이블(64)을 통하여 조작표시기(3)에 탈착가능하게 접속되어 있다. 조작표시기(3)는, 7 세그멘트 LED나 LCD 등의 표시부(61)와 표시절환스위치(63)를 구비하고 있다. 표시부(61)는, 풍력발전장치의 동작상태를 문자나 수치에 의해 표시하도록 구성되어 있다. 여기서, 동작상태란, 풍속(회전지지기구(14)의 회전속도)이나 발전기전압, 충 전전압(밧데리 전압), 각부의 작동상태 등을 말한다.

또한, 표시절환스위치(63)는, 표시부(61)에 있어서 동작상태의 표시를 수동조작으로 절환가능하게 설정한다. 또한, 조작표시기(3)는, 도시하지 않은 연산부나 기억부 등을 구비한 제어부를 구비하고 있다. 제어부는, 조작표시기(3) 자체를 제어하는 기능에 부가하여, 콘트롤러(2)의 연산처리부(51)에 대하여 소정의 동작상태의 송신을 지시하는 기능이나, 연산처리부(51)에 대하여 인버터(5)의 동작을 모드절환스위치로 설정한 모드로 설정하는 기능, 연산처리부(51)가 구비한 각종 기능의 실행을 선택하는 기능 등을 프로그램의 형태로 구비하고 있다. 한편, 조작표시기(3)에 있어서 각 기능은, 프로그램의 소프트웨어적 형태를 대신하여 하드웨어적 형태로 형성될 수도 있다. 또한, 조작표시기(3)는, 밧데리(4)의 충전전압이 설정치 미만으로 된 때에 인버터(5)의 출력을 정지시키는 출력정지모드와, 항상 인버터(5)의 출력을 유지시키는 출력유지모드를 수동조작으로 절환 가능하게 설정하는 모드절환스위치를 구비할 수도 있다.

또한, 콘트롤러(2)의 연산처리부(51)에 있어서도, 도시하지 않은 연산부나 기억부를 구비하고 있고, 풍력발전장치를 제어하는 각종 기능을 프로그램의 형태로 구비하고 있다. 여기서, 각 기능은, 프로그램의 소프트웨어적 형태를 대신하여 하드웨어적 형태로 형성될 수도 있다.

즉, 연산처리부(51)는, 보조충전 처리기능이나 이상운전 제동기능, 회전증속기능, 저전압충전기능, 규모인식기능, 회전제어기능 등을 구비하고 있다. 보조충전처리기능은, 충전전압검출기(39)에 의해 검출된 충전전압을 감시하고, 충전전압이 제 1 소정치 미만이 된 때에, 보조충전기(7)에 의한 밧데리(4)로의 보조전력의 충전을 허가하는 기능이다. 이상운전 제동기능은, 정상운전 시에 단락제동장치(21)의 단락용 릴레이(22)로 통전하여 개상태(開狀態)로 하는 것에 의해 발전기(19)의 교류전력을 브릿지 다이오우드(33)에 공급 가능하도록 하여, 이상운전에 의해 통전이 정지된 때에 발전기(19)의 출력을 단락시키는 것에 의해 발전기(19)에 제동력을 발생시키는 기능이다. 회전증속기능은, 풍력의 저하에 의해 회전지지기구(14)의 회전속도가 제 2 소정치 미만이 된 때에, 회전축 클러치(16)에 의한 연결상태를 해방하여 관통축부재(15)만을 자유스럽게 회전하도록 하여, 관통축부재(15)의 회전속도가 일정 이상까지 증속한 때에 회전축 클러치(16)에 의한 연결상태를 회복시키는 기능이다. 저전압충전기능은, 회전지지기구(14)의 회전속도가 제 3 소정치 이상인 때는 충전제어부(36)를 온상태와 오프상태로 절환하는 충전제어를 행하고, 회전속도가 제 3 소정치 미만으로 저하된 때에, 충전제어부(36)을 온상태로 유지시키는 기능이다.

규모인식기능은, 발전기(19)의 출력상태 시의 풍차(11)의 회전속도와, 발전기(19)의 단락상태 시의 풍차(11)의 회전속도를 근거로, 양 상태 시에 있어서의 풍력의 규모(풍속)를 인식하는 기능이다. 회전제어기능은, 풍차(11)의 회전속도에 의거하여 발전기(19)를 출력상태와 단락상태의 어느 상태로 절환할 것인가를 판단함과 동시에, 판단결과에 의거하여 단락제동장치(21)를 절환 제어하는 기능이다. 구체적으로 설명하면, 회전제어기능은, 출력상태 시의 풍차(11)의 회전속도가 제동개시치 이상인 때에, 단락상태로 절환하도록 단락제동장치(21)를 제어하여, 단락상태 후에 풍차(11)의 회전속도가 제동해제치 미만으로 된 때에, 단락상태를 출력상태로 절환하도록 단락제동장치(21)를 제어하는 기능이다. 여기서, 제동개시치란, 과대한 풍력(풍속)에 의해 풍차(11)가 고장을 일으키는 등의 이상운전에 이르는 회전속도를 상한으로 한 값이다. 제동해제치란, 제동 후에 풍력(풍속)이 감소하여 풍차(11)가 안전하게 회전하는 정도의 회전속도 값이다. 한편, 상기 회전제어기능의 구체예는, 예시이고, 발전기(19)를 출력상태와 단락상태의 어느 상태로 절환할 것인가의 판단조건은, 풍력발전기의 사양에 의하여 임의로 변경가능하다.

상기 구성에 있어서, 풍력발전장치의 동작에 대하여 설명한다.

일반적인 운전정지 시에 있어서는, 도2에 도시된 바와 같이, 무여자 작동형의 회전축 클러치(16)에 대한 통전이 정지되는 것에 의하여, 회전축 클러치(16)의 스프링의 지름이 축소된다. 이에 의하여, 회전지지기구(14)의 관통축부재(15)와 중공축부재(17)가 회전축클러치(16)에 의하여 일체화된다. 또한, 단락제동장치(21)의 단락용 릴레이(22)에 대한 통전이 정지되는 것에 의하여, 발전기(19)가 단락상태가 된다. 이에 의하여, 발전기(19)의 작동에 큰 부하를 요하는 상태가 된다. 그 결과, 바람에 의해 큰 회전구동력이 회전지지기구(14)에 부여된 경우에도, 회전지지기구(14)가 발전기(19)를 고속으로 회전시켜 작동시킬 정도로, 큰 부하가 회전지지기구(14)의 회전에 대한 제동력으로서 작용하는 것에 의하여, 회전지지기구(14)의 고속회전이 금지된다.

더욱이, 강풍 시나 점등 시 등과 같이 특별한 운전정지 시에 있어서는, 정지장치(20)에서 제동력을 발생시킨다. 그리고, 회전지지기구(14)의 관통축부재(15)를 고정하는 것에 의하여, 풍차(11)의 회전을 안전하게 정지시킨다.

다음으로, 운전 시에 있어서는, 필요에 응하여 조작표시기(3)가 콘트롤러(2)에 접속된 후, 콘트롤러(2) 및 조작표시기(3)에 전원이 투입된다. 콘트롤러(2)에 있어서는, 회전축클러치(16)로 통전을 개시한다. 이에 의해, 회전축 클러치(16)에 의한 연결상태가 해제되어, 관통축부재(15)가 중공축부재(17)로부터 분리된다. 그 결과, 관통축부재(15)가 중공축부재(17)에 대하여 회전이 자유로운 상태가 되기 때문에, 풍차 블레이드(12)에 약한 바람이 접하기만 해도, 관통축부재(15)가 급속히 회전속도를 증대시키는 것이 가능하다. 또한, 단락제동장치(21)에 통전되는 것에 의하여, 발전기(19)의 단락상태가 해제되어, 발전기(19)로 발전된 교류전력이 콘트롤러(2)에 공급가능하게 된다. 한편, 조작표시기(3)에 있어서는, 제어부(31)의 조작상태, 즉, 예를 들면 관통축부재(15)의 회전속도가 수치 등으로 표시된다.

다음으로, 콘트롤러(2)는, 연산처리부(51)에 있어서 보조충전처리기능이나 이상운전 제동기능, 회전증속기능, 저전압충전기능, 규모인식기능, 회전제어기능 등을 발휘하도록 동작한다.

(규모인식기능)

구체적으로는, 풍차(11)가 회전하면, 관통축부재(15)에 구비된 회전속도검출기(18)로부터 펄스상의 회전속도신호가 출력되어, 이 신호가 회전속도입력부(41)에 입력된다. 그리고, 회전속도입력부(41)에 있어서, 회전속도신호가 디지털회로의 신 호처리에 적합한 신호형태로 변환된 후, 제어부(31)에 출력된다. 그리고, 연산처리부(51)는, 회전속도신호의 펄스입력을 계산하여, 일정시간에서의 계산치, 즉, 회전수에 의거하여 풍차(11)의 회전속도를 구한다.

다음으로, 발전기(19)가 출력상태 및 단락상태의 어느 것인가를 인식한다. 출력상태인 경우에는, 출력상태용 회전속도ㆍ풍력(풍속) 데이터테이블을 참조하여, 회전속도에 대응하는 풍력(풍속)을 구한다. 한편, 단락상태인 경우에는, 단락상태용의 회전속도ㆍ풍력(풍속) 데이터테이블을 참조하여, 회전속도에 대응하는 풍력(풍속)을 구한다. 한편, 발전기(19)의 출력상태 시에 있어서는, 풍차(11)에 부여되는 부하가 발전기(19)의 단락상태 시보다도 작다. 따라서, 출력상태 시 및 단락상태 시에 있어서, 풍차(11)가 동일한 회전속도이면, 출력상태 시보다도 큰 풍력(풍속)이 단락상태 시에 얻어진다.

(회전증속기능)

또한, 회전속도검출기(18)로부터의 회전속도신호에 의거하여 관통축부재(15)의 회전속도가 감시된다. 그리고, 회전속도가 제 2 소정치로 일정치를 더한 회전속도 이상이 된 때에, 회전축 클러치(16)로의 통전이 정지되어, 회전축 클러치(16)에 의한 연결상태가 회복된다. 그 결과, 관통축부재(15)의 관성(inertia)이 작동하는 것에 의하여, 관통축부재(15)와 중공축부재(17)의 일체화된 회전지지기구(14)가 비교적 고속으로 회전한다. 그리고, 이 회전지지기구(14)의 회전구동력이 발전기(19)를 작동시켜, 고전압의 교류전력이 컨트롤러(2)에 공급된다.

또한, 바람이 약한 경우는, 발전기(19)를 작동시키는 때의 부하에 의하여 회 전지지기구(14)의 회전속도가 감소한다. 회전속도가 제 2 소정치 미만으로 감소한 때는, 회전축 클러치(16)의 통전이 재개되어, 회전축 클러치(16)에 의한 연결상태를 해방하여 관통축부재(15)만이 자유로운 회전상태로 된다. 그리고, 약한 바람이라도 관통축부재(15)가 단시간에 증속 가능한 상태로 되어, 회전속도가 일정 이상으로 이르기까지 증속한 때에, 회전축 클러치(16)에 의한 연결상태가 회복되는 것에 의하여, 발전기(19)의 발전이 재개된다. 이에 의해, 약한 바람의 경우에도, 간헐적으로 고전압의 교류전력을 콘트롤러(2)에 공급할 수 있다.

(저전압 충전기능)

상기와 같이 하여 콘틀로러(2)에 공급된 교류전력은, 브릿지 다이오우드(33)에 있어서 전파정류된(full-wave-rectified) 후, 충전콘덴서(34), 다이오우드(35) 및 코일(37)로부터 되는 평활회로에서 평활화되어, 밧데리(4)에 충전된다. 그리고, 밧데리(4)에 충전된 전력이 콘트롤러(2)의 전원으로 이용됨과 동시에, 인버터(5)에서 교류전력으로 변환된 후, 외부부하(6)의 전원으로 이용된다.

이 때, 밧데리(4)에 충전되는 교류전압 및 충전전류는, 충전제어부(36)에 의해 제어되고 있다. 즉, 회전지지기구(14)의 회전속도가 제 3 소정치 이상인 때는, 밧데리(4)의 정격전압에 대하여 큰 폭으로 고압의 충전전압으로 충전된다고 판단되어, 충전전압을 저하시키도록 충전제어부(36)를 온상태와 오프상태로 절환하는 충전제어가 행해진다. 한편, 회전속도가 제 3 소정치 미만으로 저하된 때는, 밧데리(4)의 정격전업에 가까운 충전전압으로 충전된다고 판단되어, 큰 충전전류로 밧데리(4)의 충전을 행하도록, 충전제어부(36)를 온상태로 유지시키는 충전제어가 행 해진다.

(보조충전처리기능)

또한, 밧데리(4)로의 충전 중에 있어서는, 충전전압검출기(39)에 의해 검출된 충전전압이 감시된다. 충전전압이 제 1 소정치 미만으로 된 때에, 보조충전기(7)에 의한 밧데리(4)로의 보조전력의 충전이 허가된다.

(이상운전 제동기능)

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력발전장치가 정상으로 운전되고 있는 경우에는, 단락제어장치(21)의 단락용 릴레이(22)가 통전에 의해 개상태로 되어 있다. 그리고, 발전기(19)의 교류전력이 브릿지 다이오우드(33) 등의 정류부(32)에 공급되어, 밧데리(4)로의 충전이 행해진다. 한편, 부품의 소모나 파손 등의 이상에 의하여 콘트롤러(2)가 긴급정지한 경우에는, 풍력발전장치본체(1) 등에 출력 중의 모든 신호출력이 정지된다. 그 결과, 단락제동장치(21)의 단락용 릴레이(22)로의 통전이 정지되기 때문에, 발전기(19)가 단락상태로 된다.

또한, 회전축 클러치(16)에 대한 통전이 정지되면, 회전축 클러치(16)가 무여자 작동형이기 때문에, 스프링이 관통축부재(15)에 강고하게 접합된다. 이에 의해, 회전지지기구(14)의 관통축부재(15)와 중공축부재(17)가 회전축 클러치(16)에 의해 일체화된다. 그리고, 단락상태의 발전기(19)에 의한 큰 부하에 의하여 회전지지기구(14)의 회전속도가 급속히 감속된다.

(회전제어기능)

또한, 풍력발전장치의 운전 시에 있어서는, 도 3의 회전제어루틴이 상술한 기능 등을 실행하는 다른 처리루틴과 병렬적으로 시분할로 실행되고 있다. 회전제어루틴이 실행되면, 도 3에 도시한 바와 같이, 우선, 상술한 회전증속기능 등에 있어서 풍차(11)가 발전기(19)의 영향을 받지 않고 공회전상태로 되어 있는가 아닌가를 확인하기 위하여, 회전축 클러치(16)에 의한 관통축부재(15)와 중공축부재(17)와의 연결이 실시되고 있는가 아닌가를 판단한다(S1). 회전축클러치(16)에 의한 연결이 실시되고 있는 않는 경우에는(S1, NO), 풍차(11)가 공회전상태인 것으로 인식하여, S1을 재실행하여 회전축클러치(16)에 의한 연결이 실시될 때까지 대기한다.

한편, 회전축 클러치(16)에 의한 연결이 실시되고 있는 경우에는(S1, YES), 풍차(11)가 발전기(19)로부터의 부하를 받으면서 회전하고 있다고 인식한다. 그리고, 회전속도검출기(18)로부터의 회전속도신호에 의거하여 관통축부재(15)의 회전속도, 즉, 풍차(11)의 회전속도를 검출한다(S2). 그리고, 회전속도가 제동개시치 이상인가 아닌가를 판정하여(S3), 제동개시치 미만이면(S3, NO), 풍차(11)가 풍력으로 고장나지 않는 범위에서 회전하고 있다고 인식하여 S2를 재실행한다. 이에 의해, S2 및 S3가 반복하여 실행되고 있는 기간, 풍차(11)의 회전구동력에 의해 발전기(19)가 작동하여, 발전된 교류전력이 콘트롤러(2)에 공급된다.

다음으로, 회전속도가 제동개시치 이상으로 된 경우에는(S3, YES), 풍차(11)가 강풍에 의하여 고장날 가능성이 높은 상태에서 회전하고 있다고 인식하여, 단락제동장치(21)를 작동시킨다. 그리고, 발전기(19)를 단락시키는 것에 의하여, 큰 부하를 풍차(11)에 부여한다. 이에 의해, 풍차(11)는, 강풍 하에 있어서도 저속으로 회전하는 것에 의하여, 과잉회전속도에 의한 고정의 발생이 방지된다.(S4).

다음으로, 제동을 개시하고 나서 예를 들면 15분 등의 소정의 시간이 경과할 때까지, 제동상태를 유지하면서 대기한다. 여기서, 이 대기하는 소정시간은, 풍력이 기기의 고장을 초래하지 않는 정도로 저하하면 예상되는 시간이고, 풍력발전장치가 설치되는 환경에 의해 임의로 결정된다(S5). 이 후, 풍차(11)의 평균회전속도를 검출한다. 즉, 발전기(19)의 단락에 의해 풍차(11)를 제동시키고 있는 경우에도, 풍차(11)는, 풍력에 응하는 회전속도로 회전한다. 그리고, 이 회전속도의 예를 들면 5분간의 평균치를 구하고, 이 평균치를 평균회전속도로 한다.

다음으로, 평균회전속도가 제동해제치 미만인가 아닌가를 판정한다(S7). 평균회전속도가 제동해제치 미만이 아니면(S7, NO), 강풍이 계속되고 있다고 인식하여, S5를 재실행한다. 그리고, 강풍이 저하될 때까지 제동상태를 유지하면서 대기한다. 한편, 평균회전속도가 제동해제치 미만인 경우에는(S7, YES), 풍력(풍속)이 고장을 초래하지 않는 정도까지 저하하였다고 인식하여, 단락제동장치(21)의 작동을 해제한다. 이에 의해, 발전기(19)가 풍차(11)의 회전구동력에 의해 비교적 고속으로 회전하여, 발전된 교류전력이 콘트롤러(2)에 공급된다.

이상과 같이, 본 실시형태의 전원장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 자연에너지의 일종인 풍력에 의해 회전하는 것으로 구동력을 발생시키는 풍차(11)(구동력발생수단)와, 풍차(11)의 구동력에 의해 작동하여 발전하는 발전기(19)(발전수단)와, 발전기(19)의 출력 측을 출력상태와 단락상태로 절환하는 단락제동장치(21)(단락수단)와, 출력상태 시의 풍차(11)의 회전속도와, 단락상태 시의 풍차(11)의 회전속도에 의거하여, 양 상태 시에 있어서 풍력의 규모를 인식하는 회전속도입력 부(41)나 연산처리부(51)(규모인식수단)를 구비한 구성으로 되어 있다.

한편, 본 실시형태의 전원장치는, 풍력을 이용하여 발전하는 풍력발전장치를 이용하여 설명하였으나, 이에 한정하지 아니하고, 풍력의 기타, 태양전지나 수력, 파력(波力) 등의 자연계에 존재하는 자연에너지를 이용한 발전장치에 적용할 수 있다.

상기 구성에 의하면, 풍차(11)의 회전 및 제동이, 단락제동장치(21)에 의한 발전기(19)의 출력상태와 단락상태의 절환에 의해 행해진다. 따라서, 발전기(19)로부터 풍차(11)에 작용하는 제동력의 차가 출력상태와 단락상태와의 사이에 존재하지만, 어느 상태 시에 있어서도 풍차(11)가 풍력에 의해 회전한다. 그 결과, 코스트업의 요인이 되는 풍속계 등의 전용기기를 구비하지 않고서도, 풍차(11)의 회전속도에 의거하여 풍력의 규모를 항상 인식할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 전원장치는, 풍차(11)의 회전속도에 의거하여 발전기(19)를 출력상태와 단락상태의 어느 상태로 절환할 것인가를 판단함과 동시에, 판단결과에 의거하여 단락제동장치(21)를 절환 제어하는 연산처리부(51)(제어수단)를 구비한 구성으로 되어 있다. 이 구성에 의하면, 풍력 등의 자연에너지의 규모에 대응하여 풍차(11)의 회전과 제동을 절환할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서 연산처리부(51)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 출력상태 시에 있어서 풍차(11)의 회전속도가 제동개시치 이상인 때에, 단락상태로 절환하도록 단락제동장치(21)를 제어하여, 단락상태 후에 풍차(11)의 회전속도가 제동해제치 미만으로 된 때에, 단락상태를 출력상태로 절환하도록 단락제동장 치(21)를 제어하는 회전제어루틴을 구비한 구성으로 되어 있다. 이에 의하여, 과도한 풍력 등의 자연에너지로 풍차(11)가 과잉회전하는 것에 의한 파손을 방지할 수 있다.

본 발명을 적절한 실시의 형태에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 그 취지를 벗어나지 않는 범위에서 변경이 가능하다. 즉, 본 실시형태에 있어서는, 자이로밀(gyro-mill) 형태의 풍차(11)를 이용하여 설명하고 있으나, 이에 한정하는 것은 아니고, 세일윙형(sail wing type)이나 다익형(multi-blade type), 패들형(paddle type), 사포니우스형(Sabonius type), S형(S type), 다리우스형(Darrieus type), 프로펠러형(propeller tyle) 등의 각종의 것을 적용할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서 각 기능을 실현하는 프로그램은, 기억부의 ROM에 미리 읽기전용(read only)으로 기입될 수도 있고, CD 등의 기록매체에 기록된 것이 필요 시에 읽혀져서 기억부에 기입될 수도 있으며, 나아가서는 인터넷 등의 전기통신회선을 통하여 전송되어 기억부에 기입될 수도 있다.

본 발명은, 상기의 바람직스러운 실시형태로 기재되어 있으나, 본 발명은 그것만으로 제한되지 않는다. 본 발명의 정신과 범위로부터 일탈하지 않는 여러 가지 실시형태가 달리 행해질 수 있는 것도 이해될 수 있다. 더욱이, 본 실시형태에 있어서, 본 발명의 구성에 의한 작용 및 효과를 설명하고 있으나, 이들 작용 및 효과는, 일례이고, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 의하면, 코스트업의 요인이 되는 자연에너지 검출용 전용기기를 구비하지 않더라도, 구동력 발생수단의 회전속도에 의거하여 자연에너지의 규모를 항상 인식할 수 있다.

Claims

자연에너지에 의해 회전하는 것으로 구동력을 발생하는 구동력 발생수단과,

상기 구동력 발생수단의 구동력에 의해 작동하여 발전하는 발전수단과,

상기 발전수단의 출력 측을 출력상태와 단락상태로 절환하는 단락수단과,

상기 출력상태 시의 상기 구동력 발생수단의 회전속도와, 상기 단락상태 시의 상기 구동력발생수단의 회전속도에 의거하여, 양 상태 시에 있어서 상기 자연에너지의 규모를 인식하는 규모인식수단과,

상기 구동력 발생 수단의 상기 회전 속도에 기초하여 상기 출력 상태와 상기 단락 상태 사이에서 상기 발전 수단이 전환되어야 하는 어느 상태를 결정하고, 상기 결정 결과에 기초하여 상기 단락 수단을 제어하는 제어 수단을 구비하고,

상기 제어 수단은,

상기 출력 상태에서의 상기 구동력 발생 수단의 상기 회전 속도가 제동 개시값 이상일 때 상기 단락 수단이 상기 출력 상태로부터 상기 단락 상태로 전환되는 방식으로 상기 단락 수단을 제어하며, 상기 전환 이후에 소정의 기간이 경과할 때까지 상기 단락 상태가 유지되는 방식으로 상기 단락을 제어하고,

상기 소정의 기간은, 풍력 터빈 발전기가 설치된 환경 및 문제가 발생되지 않는 범위까지 풍력이 감소될 때까지 걸린 추정 기간에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
삭제
삭제
삭제
제 1항에 있어서,

상기 제어수단은, 상기 전환 이후에 상기 소정의 기간이 경과될 때 및 상기 단락 상태에서의 상기 구동력 발생 수단의 상기 회전 속도가 제동 개시값 보다 낮게 될 때 상기 단락 수단이 상기 단락 상태로부터 상기 출력 상태로 전환되는 방식으로 상기 단락 수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 발전장치.
제 5 항에 있어서,

상기 발전장치는, 상기 자연에너지를 풍력으로 하는 풍력발전장치인 것을 특징으로 하는 발전장치.