KR101093315B1 - 발전 장치, 및 이것에 사용되는 전원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 발전 장치의 구조에 주목한 발전 장치 자체의 저 비용화, 또는 발전 장치의 성능에 주목한 발전의 저 비용화를 도모한 발전 장치, 및 이 발전 장치에 사용하는 전원 장치를 제공한다.

Description

발전 장치, 및 이것에 사용되는 전원 장치{GENERATOR AND POWER SUPPLY FOR USE THEREIN}

본 발명은, 풍력 에너지 등의 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하여 각종 기기의 전력으로 하는 발전 장치, 및 그 발전 장치에 사용되는 전원 장치에 관한 것이다.

온난화나 환경 파괴의 원인의 하나가 되는 석유, 석탄 등의 연소에 의한 발전을 대신해, 풍력이나 수력 등의 자연 에너지를 이용한 발전이 성행하고 있다. 예를 들면, 풍력을 이용하는 풍력 발전 장치는, 풍차의 회전을 제어하는 제어부나, 풍차의 회전력을 전력으로 바꿔 발전하는 발전기 등을 갖고 있으며, 풍차를 회전시켜 그 회전력을 전력으로 변환함으로써, 가정 내 등에 전력을 공급하고 있다. 이 발전기는, 자연 에너지를 이용하여 회전하는 회전축에 부착된 회전자와, 이 회전자에 대향하여 배치된 고정자와, 고정자가 고정된 하우징을 갖고 있다. 그리고, 회전축이 회전함으로써, 회전자의 영구 자석과 고정자 철심의 자극 사이에서 유도 전류가 발생한다. 그러나, 이러한 종류의 발전 장치는 여러가지 문제를 안고 있다.

본 발명의 목적은, 이러한 여러가지 문제를 극복하여 저 비용화를 도모하는 것이 가능한 발전 장치의 제공을 주된 목적으로 한다. 상기 목적에는, 발전 장치 의 구조에 주목하여 발전 장치 자체의 저 비용화를 도모하는 것과, 발전 장치의 성능에 주목하여 발전의 저 비용화를 도모하는 것이 포함된다.

구체적으로, 제1의 목적은, 토오크측의 입력축과 회전자가 부착된 출력축의 센터링 공정을 필요로 하는 것에 기인하는 발전 장치의 조립의 곤란성을 해결하여, 저 비용화를 도모하는 것이다. 발전 장치는, 고정자와 회전자의 흡인력 및 회전자의 관성력에 의해, 출력축을 정지 상태에서 회전 상태로 이행시키는 것이 곤란하다. 따라서, 출력축이 정지 상태에 있어서는, 큰 토오크가 발생하지 않는 한 발전시킬 수 없다는 문제가 있었다. 그래서, 이러한 문제를 해결하기 위해, 입력축과 출력축의 사이에 클러치를 설치한 발전 장치가 개발되어 있다(예를 들면, 일본 특개평 8-312523). 그러나, 특허 문헌 1에 기재된 발전 장치에 있어서는, 조립시에, 토오크측의 입력축과 회전자가 부착된 출력축의 심(芯)을 맞추기 해서, 소위 센터링 공정이 필요해져 비용이 높아진다는 문제가 있었다. 또, 입력축과 출력축이 별도 부품이 되므로, 한층 더 고 비용화를 초래하고 있었다.

제2의 목적은, 고정자의 중량이 큰 것에 기인하는 발전 장치의 조립의 곤란성을 해결하여, 저 비용화를 도모하는 것이다. 고정자는, 회전자에 대향하여 배치될 필요가 있기 때문에 큰 형상이 될 수밖에 없다. 고정자의 형상이 크면 중량도 커지고, 또한 고정자의 중량도 커지면, 원통형의 고정자의 내측에 코일을 감을 때도 곤란이 따르게 된다.

제3의 목적은, 자연 에너지를 이용하는 것에 기인하는 회전축의 회전이 불안정해지는 문제를 해결하여, 발전 장치의 성능을 향상시킴으로써 발전의 저 비용화 를 도모하는 것이다.

제4의 목적은, 고장에 기인하는 풍차의 회전 제어 불능이 되는 문제를 해결하여, 발전 장치의 성능을 향상시킴으로써 발전의 저 비용화를 도모하는 것이다. 예를 들면, 발전 장치의 근방에 물체가 침입한 경우, 센서가 감지하여 풍차를 정지시키는 안전성을 갖춘 발전 장치가 있다(일본 특개 2003-21046). 그러나, 이러한 발전 장치는, 부품의 파손 등에 의해 발전 장치 자체가 고장나서 센서 등이 동작하지 않게 되었을 때, 풍차를 정지시킬 수 없게 된다. 또한, 고장에 의해 풍차의 회전을 제어할 수 없으므로, 태풍 등 강풍의 경우에는 강한 기세로 풍차가 회전하여, 풍차의 부품이 비산할 우려가 있어 위험하다.

제5의 목적은, 자연 에너지가 작은(예를 들면, 약풍시 등) 것에 기인하는 배터리에 대한 충전 효율의 저하를 해결하여, 발전 장치의 성능을 향상시킴으로써 발전의 저 비용화를 도모하는 것이다. 풍력 발전 장치는, 풍력에 의한 운동 에너지를 전기 에너지로 이루어지는 3상 교류의 전력으로 변환하여, 3상의 출력선으로부터 얻은 상 전압을 정류한 충전 전압을 사용해 배터리에 충전하면서 각종 기기의 전원으로 하는 발전 장치를 구비하고 있다. 그러나, 배터리에 대한 충전시에는, 풍력의 변화에 의해 충전 전압이 크게 변동한다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 발전 장치의 구조에 주목한 발전 장치 자체의 저 비용화, 또는 발전 장치의 성능에 주목한 발전의 저 비용화를 도모한 발전 장치, 및 이 발전 장치에 사용하는 전원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 있어서, 이하의 특징은, 단독으로 또는 적절하게 조합되어 구비되어 있다. 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 발전 장치는, 토오크 발생측에 연결되는 회전축과, 상기 회전축에 회전 가능하게 부착된 회전자와, 상기 회전축과 상기 회전자의 사이에 설치된 클러치와, 상기 회전축, 회전자, 및 클러치를 수납하는 하우징과, 상기 하우징에 부착되고, 상기 회전자에 대향하여 설치된 고정자를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이 발전 장치에 의하면, 회전자가 토오크 발생측에 연결되는 회전축에 회전 가능하게 부착되므로, 입력축과 출력축처럼 별도 부품이 되는 일이 없고, 조립시에 센터링 공정을 필요로 하지 않아, 저 비용화를 도모할 수 있다. 또, 용이하게 조립할 수 있어, 한층 더 저 비용화를 도모할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 발전 장치는, 회전축과, 이 회전축에 부착되는 회전자와, 이 회전자에 대향하여 배치되고, 둘레방향으로 3개 이상으로 분할된 고정자 코어와, 상기 회전축의 상기 회전자를 사이에 둔 양측 위치를 회전 가능하게 지지하는 1쌍의 유지 부재와, 이 1쌍의 유지 부재의 사이를 연결함과 동시에, 상기 고정자 코어의 외주에 결합 상태로 맞물리는 3개 이상의 지주를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 고정자 코어를 분할하므로, 각 고정자 코어의 중량이 작아져 조립이 용이해진다. 또, 고정자 코어에 용이하게 코일을 감을 수 있다. 또, 통형(筒型) 형상의 하우징을 필요로 하지 않기 때문에, 경량화를 도모할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 발전 장치는, 회전축과, 상기 회전축의 둘레방향으로 부착된 날개를 갖는 발전 장치로서, 상기 날개의 전부 또는 일부에 설치된 도전 부재와, 이 도전 부재에 대해 간격 조정 가능한 자석 부재를 구비하는 속도 억제 장치를 설치한 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 폭풍시 등에, 회전축의 회전을 억제함으로써, 과잉 회전이 되지 않도록, 또 손상이 발생하지 않도록 발전 장치를 보호할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 발전 장치는, 자연 에너지를 운동 에너지로 변환하여 구동력을 발생시키는 구동력 발생 수단과, 상기 구동력 발생 수단의 구동력에 의해 작동하여 발전하는 발전 수단과, 상기 발전 수단의 출력측에 설치되어, 이상시에 상기 발전 수단의 출력측을 단락 상태로 전환하는 단락 수단을 갖고 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 이상시에 발전 수단의 출력측을 단락 상태로 함으로써 구동력 발생 수단을 정지시킬 수 있다. 이 때문에, 이상시에 구동력 발생 수단을 제어할 수 없게 되는 것에 따른 위험을 회피할 수 있다. 예를 들면, 자연 에너지의 일종인 풍력에 의해 풍차를 회전시켜, 그 회전 에너지를 이용하여 발전하는 경우, 이상시에 풍차를 정지시킬 수 있기 때문에, 강풍시에 이상을 초래한 경우에, 풍차가 파손하여 부재가 비산하는 등의 위험을 회피할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 발전 장치는, 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 이 전기 에너지로 이루어지는 전력을 3상 교류로 출력하는 발전 수단과, 상기 발전 수단으로부터의 상 전류를 정류하여 출력하는 정류기와, 상기 정류기의 출력측에 설치되어, 이 정류기에 병렬 접속되어 있는 동시에, 서로 직렬 접속된 1쌍의 충전 콘덴서와, 상기 발전 수단의 중성점과 상기 충전 콘덴서 사이의 중간점을 접속하는 중성선을 갖는 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 3상 교류의 중성점을 기준으로 한 상 전압의 2배의 선간 전압을 정류 후의 정류 전압으로서 얻을 수 있기 때문에, 3상 교류의 출력선만을 사용해 상 전압의

배의 선간 전압을 정류 후의 정류 전압으로서 얻는 경우보다도, 고 전압의 전력을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 자연 에너지가 작은 환경 하에서도 적합하게 사용할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 블록도이다.

도 2는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타낸 도면이다.

도 3은, (a)가 본 발명이 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치를 구성하는 풍력 발전 장치용 발전기의 평면도, (b)가 (a)에 도시되는 풍력 발전 장치용 발전기의 정단면도이다.

도 4는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 도 3(b)에 도시되는 A-A선 단면도이다.

도 5는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치를 구성하는 지주의 형상에 관한 변형예이다.

도 6은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 스프링 클러치를 구성하는 스프링 장치의 정단면도이다.

도 7은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 스프링 장치를 구성하는 스프링의 사시도이다.

도 8은, 바람직한 실시형태에 따른 스프링 클러치의 평면도이다.

도 9는, 날개의 속도 제어를 행할 수 있는 장치를 구비하는 실시형태를 나타낸 도면으로서, (a)는 날개의 외측에 속도 억제 장치를 설치하고, 이 장치가 자동인 것, (b)는 (a)의 속도 억제 장치가 수동인 것, (c)는 회전축의 하부에 속도 억제 장치를 설치한 경우를 나타낸 도면이다.

도 10은, (a)가 회전축의 회전을 정지시키는 실시형태의 일례를 나타낸 도면, (b)가 회전축의 회전을 정지시키는 회전 정지 장치의 원리도, (c)가 회전축의 회전을 정지시키는 실시형태의 다른 예를 나타낸 도면이다.

도 11은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치를 구성하는 보조 충전기의 블록도이다.

도 12는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 발전기부터 정류부에 걸친 회로도이다.

도 13은, 일반적인 풍력 발전 장치의 발전기부터 정류부에 걸친 회로도이다.

도 14는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 정류부로부터 얻어지는 충전 전압을 나타낸 설명도이다.

이하에, 본 발명의 일 실시형태에 따른 풍력 발전 장치에 관해 구체적으로 설명하는데, 이들 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 블록도이다. 도 1에 있어서, 본 실시형태에 따른 풍력 발전 장치(1)는, 자연 에너지의 일종인 풍력 에너지를 전기 에너지로 이루어지는 교류 전력으로 변환하여 출력하는 풍력 발전 장치 본체(2)와, 풍력 발전 장치 본체(2)의 제어나 설정의 표시 등을 행하는 전원 장치(3)를 갖는 수직축형 풍력 발전 장치이다.

풍력 발전 장치 본체

우선, 풍력 발전 장치 본체(2)에 대해, 도 2 및 도 3을 사용해 설명한다. 여기서, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 전체 구성을 나타낸 도면, 도 3(a)는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치를 구성하는 풍력 발전 장치용 발전기의 평면도, 도 3(b)는, 도 3(a)에 나타낸 풍력 발전 장치용 발전기의 정단면도이다. 상기의 풍력 발전 장치 본체(2)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 바람을 받는 복수 장의 풍차 날개(10)와, 발전기(11)를 갖는다.

도 2에 있어서, 풍차 날개(10)는, 후술하는 회전축(21)에 고정된 지지 부재(12)에 부착되어 있다. 지지 부재(12)는, 회전축(21)의 축심 방향과 직교하는 방향으로서, 회전축(21)의 상부에 복수 개 배치되어 있다. 따라서, 풍차 날개(10)는, 지지 부재(12)의 수와 같은 수만큼 배치되어 있는 것이 된다.

도 3에 있어서, 발전기(11)는, 회전축(21)과, 회전자(22)와, 고정자(23)와, 하우징(24)과, 스프링 클러치(25)와, 회전축(21)의 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출기(26)와, 회전축(21)의 회전을 강제적으로 억제하기 위한 브레이크 장치(27)를 주요한 구성 부재로서 구비하고 있다.

회전축(21)은, 풍차 날개(10)가 바람을 받았을 때 일정한 방향으로 회전하는 것이며, 후술하는 1쌍의 유지판(30a, 30b)에 고정된 축받이(31, 32)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.

회전자(22)는, 중공부를 갖는 원통 부재의 외주면으로부터 거의 수직으로 대략 T자형으로 연장된 형상을 하고 있다. 상술한 회전자(22)의 중공부는, 회전축(21)의 삽입이 가능하도록 되어 있다. 그리고, 중공부에 회전축(21)이 삽입된 회전자(22)는, 회전축(21)에 대해 회전 가능해지도록, 축받이(45, 46)를 통해 회전축(21)에 지지되어 있다. 회전자(22)의 형상을 이렇게 함으로써, 정지 상태로부터 회전할 때의 관성 모멘트를 줄일 수 있다. 단, 회전자(22)의 형상은 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 회전축(21)이 회전했을 때, 회전자(22)와 후술하는 고정자(23)가 대향함으로써, 유도 전류를 발생시킬 수 있으면 된다.

다음에, 고정자(23)에 관해 도 4를 사용해 설명한다. 여기서, 도 4는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 도 3(b)에 도시된 A-A선 단면도이다. 고정자(23)는, 철심으로 이루어지는 고정자 코어(23a)의 내면측에 코일이 감겨진 것이다. 고정자 코어(23a)는, 외주가 원형상인 통형 형상을 하고있다. 본 실시형태에 있어서의 고정자 코어(23a)는, 통형 형상의 것을 둘레방향으로 거의 균등하게 6분할되어 있다. 그리고, 도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 분할된 각 고정자 코어(23a)는, 상술한 회전자(22)에 대향하는 위치에 배치되어 있다.

이렇게 고정자 코어(23a)를 분할하면, 분할된 각 고정자 코어(23a)의 중량은 작으므로, 용이하게 조립할 수 있다. 또한, 분할된 각 고정자 코어(23a)에 코일을 감는 것은, 분할되어 있지 않은 통형 형상의 고정자 코어(23a)에 코일을 감는 것보 다도 훨씬 조립이 용이하다.

다음에, 하우징(24)에 관해, 도 3으로 되돌아가 설명한다. 하우징(24)은, 1쌍의 유지판(30a, 30b)과, 6개의 지주(33)를 갖고, 지주(33)의 양단이 1쌍의 유지판(30a, 30b)에 볼트(37)로 고정되어 있다.

1쌍의 유지판(30a, 30b)은 회전자(22)를 상하로 사이에 끼고, 또한 회전축(21)이 1쌍의 유지판(30a, 30b)에 대해 회전 가능해지도록 축받이(31, 32)를 통해 회전축(21)을 지지하고 있다.

지주(33)는, 분할된 각 고정자 코어(23a)의 외주면에서의 둘레방향의 거의 중앙부에서, 각 고정자 코어(23a)와 맞물려 배치되어 있다. 즉, 1개의 각 고정자 코어(23a)에 대해 1개의 지주(33)가 배치되는 것이 된다.

여기서, 지주(33)의 형상에 관해, 도 3을 사용해 설명한다. 도 3에 있어서, 지주(33)는, 대직경부(33a)와, 대직경부(33a)보다도 약간 직경이 작은 소직경부(33b)를 갖는 단차 형상으로 되어 있다. 그리고, 지주(33)의 소직경부(33b)와 각 고정자 코어(23a)가 맞물려 있다. 또한, 지주(33)의 소직경부(33b)와 각 고정자 코어(23a)가 맞물리도록 발전기(11)를 조립하면, 고정자(23)와 회전자(22)가 대향하는 구성으로 되어 있기 때문에, 발전기(11)의 조립이 용이하다.

본 실시형태에 있어서, 지주(33)의 형상은, 대직경부(33a)와, 대직경부(33a)보다도 약간 직경이 작은 소직경부(33b)를 갖는 단차 형상으로 되어 있는데, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 지주(33)의 형상은, 도 5(a)∼(c)에 도시되는 것이어도 된다. 또한, 도 5는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치를 구성하는 지주의 형상에 대한 변형예이다. 도 5(a)∼(c)에 도시되는 지주(331∼333)의 형상에 관해, 이하에 설명한다.

도 5(a)에 도시되는 지주(331)는, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리지 않는 부위(331a)가 원기둥 형상, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리는 결합부(소직경부(33b)에 상당하는 부위)가 직선형으로 절결(切缺)된 직선형 절결부(331b)가 형성된 것이다. 이 지주(331)의 강도는, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리는 결합부를 소직경으로 한 지주(33)보다도 약간 강도가 커진다.

도 5(b)에 도시되는 지주(332)는, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리지 않는 부위(332a)가 원기둥 형상, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리는 결합부(소직경부(33b)에 상당하는 부위)가 각 고정자 코어(23a)의 외주면을 따르도록 원호형으로 절결된 원호형 절결부(332b)가 형성된 것이다. 이 지주(332)로 각 고정자 코어(23a)를 고정하면, 각 고정자 코어(23a)가 지주(332)의 결합부와 맞물리는 면적이 커지기 때문에, 보다 확실하게 지주(332)에 고정되게 된다.

도 5(c)에 도시되는 지주(333)는, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리지 않는 부위(33a)가 원기둥 형상, 각 고정자 코어(23a)와 맞물리는 결합부(소직경부(33b)에 상당하는 부위)가 사다리꼴 형상으로 절결된 각형 절결부(333b)가 형성된 것이다. 이 지주(333)로 각 고정자 코어(23a)를 고정하면, 각 고정자 코어(23a)는 확실하게 지주(333)에 고정되게 된다.

이렇게 지주(33)의 소직경부(33b) 또는 지주(33)의 소직경부(33b)에 상당하는 부위(331b∼333b)와, 6분할된 각 고정자 코어(23a)를, 각 고정자 코어(23a)의 외주면에서의 둘레방향의 거의 중앙부에서 맞물리게 함으로써, 하우징(24)의 대폭적인 경량화를 도모할 수 있음과 동시에, 발전기(11)의 조립 작업이 용이해진다.

또한, 지금까지 각 고정자 코어(23a)와 맞물리지 않는 지주의 부위(33a·331a·332a·333a)의 형상이 원기둥 형상인 지주(33·331∼333)에 관해 설명했는데, 이것에 한정되지 않고, 각기둥이어도 된다. 또, 원기둥인 경우는, 지주(33·331∼333)의 길이방향의 단면 형상이, 진원(眞圓)이 아니라 타원이어도 된다.

여기서, 발전기(11)는, 분할된 1개의 각 고정자 코어(23a)에 대해 1개의 지주(33·331∼333)를 배치하는 것에 한정되는 것은 아니며, 분할된 1개의 각 고정자 코어(23a)에 대해 2개 이상의 지주(33·331∼333)를 배치해도 된다. 또, 분할된 각 고정자 코어(23a)의 측면에 요철을 형성시켜, 분할된 복수의 고정자 코어(23a)의 요철을 맞물리게 해서 연결한 경우 등이면, 1개의 지주(33·331∼333)가, 분할된 복수의 각 고정자 코어(23a)에 배치되는 경우도 있다.

도 3으로 되돌아가, 각 고정자 코어(23a)가 배치되어 있지 않은 경우의 축심(O)에 대해 대각선 상에 있는 2개의 지주(33)의 소직경부(33b)의, 각 고정자 코어(23a)가 배치되어 있으면 결합되어 있었을 결합부끼리를 연결하는 길이 L은, 6분할된 각 고정자 코어(23a)를 통형 형상으로 조립한 경우의 고정자 코어(23a)의 외경보다도 약간 작은 치수로 되어 있다.

따라서, 지주(33)는, 지주(33)의 소직경부(33b)와 고정자 코어(23a)를 맞물리게 하면, 1쌍의 유지판(30a, 30b)의 각각의 연결부를 연결하는 가상선보다 외측(축심(O)을 중심으로 한 직경 외측)으로 확산되어 위치하게 된다. 따라서, 각 고정 자 코어(23a)가 지주(33)로 고정되었을 때, 각 고정자(23a)와 지주(33)의 사이에 서로 미는 힘이 발생하므로, 각 고정자 코어(23a)가 6분할된 것이더라도, 각 고정자 코어(23a)가 위치 어긋남을 일으키는 일이 없다.

또한, 지주(33)의 소직경부(33b)에는 볼트구멍(34)이 형성되어 있다. 각 고정자 코어(23a)는, 볼트구멍(34)으로부터 볼트(35)로 각 고정자 코어(23a)의 직경 내측으로 눌러지면, 보다 강고하게 지주(33)에 고정되게 된다. 여기서, 1쌍의 유지판(30a, 30b)의 외주부에는, 각각 단차부(36a, 36b)가 형성되어 있기 때문에, 지주(33)가 볼트(35)에 의해 축심(O)측으로 눌러지면, 고정자 코어(23a)와 회전축(21)의 동심이 확보된다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 고정자 코어(23a)를 6분할하고 있지만, 적어도 3분할한 것이면, 하우징(24)의 대폭적인 경량화, 및 조립의 용이화를 도모할 수 있다.

또, 하우징(24)은, 1쌍의 유지판(63a, 30b)과, 1쌍의 유지판(30a, 30b)을 연결하는 지주(33)로 구성되는 것에 한정되지 않고, 회전축(21)이나 고정자(22)를 지지할 수 있으면 형상은 불문한다. 예를 들면, 상자형의 케이스체 구조, 골조 구조, 또는 상하면 또는 측면의 일부가 개구된 구조여도 된다.

다음에, 스프링 클러치(25)의 구성에 관해, 도 3, 도 6, 도 7, 및 도 8을 사용해 설명한다. 여기서, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 발전기에 사용되는 스프링 클러치(25)를 구성하는 스프링 장치(40)의 정단면도, 도 7은 도 6에 도시되는 스프링 장치(40)를 구성하는 스프링(44)의 사시도, 도 8은, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 풍력 발전 장치의 발전기에 사용되는 스프링 클러치(25)의 평면도이다.

도 3에 있어서, 스프링 클러치(25)는, 회전축(21)과 회전자(22)의 사이에 배치되어 있고, 회전축(21)과 회전자(22)를 접속 가능하게 구성되어 있다. 이하에 구체적으로 설명한다.

스프링 클러치(25)는, 스프링 장치(40)와 래치 장치(41)로 구성되어 있다.

도 6에 있어서, 스프링 장치(40)는, 입력측 슬리브(42)와, 출력측 슬리브(43)와, 스프링(44)으로 구성되어 있다.

입력측 슬리브(42)는, 그 중공부에 회전축(21)이 타이트하게 끼워져 결합되어 있다. 따라서, 회전축(21)이 회전했을 때, 입력측 슬리브(42)는 회전축(21)과 일체가 되어 회전한다.

출력측 슬리브(43)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전자(22)에 볼트(47)로 고정되어 있다. 따라서, 출력측 슬리브(43)가 회전했을 때, 회전자(22)는, 출력측 슬리브(43)와 일체가 되어 회전한다. 이렇게, 일체화된 회전자(22)와 출력측 슬리브(43)는, 그 직경 내측에서 축받이(45, 46)를 통해, 회전축(21)에 대해 회전 가능하게 지지되어 있다.

스프링(44)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 코일형상의 스프링(44)이다. 그리고, 스프링(44)의 일단에는, 스프링(44)의 직경 외측방향으로 돌출한 돌기부(48)가 형성되어 있다.

도 6으로 되돌아가, 이 스프링(44)은, 돌기부(48)가 형성된 일단과는 반대측 의 타단이 출력측 슬리브(43)에 고정되고, 입력측 슬리브(42)와 출력측 슬리브(43)의 외주측에, 회전축(21)의 회전 방향에서 체결되도록 배치되어 있다.

도 8에 있어서, 래치 장치(41)는, 솔레노이드(49)와, 플런저(50)와, 스프링 핀(51)과, 액추에이터(52)를 갖고 있다.

솔레노이드(49)는, 전기적 제어에 의한 여자(勵磁)와 소자(消磁)를 반복함으로써, 플런저(50)를 그 길이방향으로 왕복 이동시킨다. 또한, 도 8에서의 플런저(50)는, 솔레노이드(49)가 여자 상태일 때의 위치를 도시하고 있다.

또, 플런저(50)에는 핀(53)이 설치되어 있고, 액추에이터의 아암부(52a)는, 플런저(50)에 설치된 핀(53)과 맞물려 배치되어 있다.

액추에이터(52)는, 지면의 전방에서 봐서 시계방향으로 탄성가압하는 스프링 핀(51)을 지점으로 해서 회전 가능하게 구성되어 있다. 즉, 지면의 전방에서 봐서 시계방향의 힘이, 액추에이터(52)에 대해 상시 작용하고, 스토퍼(54)로 시계방향의 회전이 제한되어 있다.

한편, 회전축(21)은, 지면의 전방에서 봐서 시계방향으로 회전한다. 회전축(21)이 지면의 전방에서 봐서 시계방향으로 회전하면, 스프링(44)은 입력측 슬리브(42)의 외주에 체결된다.

회전축(21)이 회전하면, 스프링(44)의 돌기부(48)는, 축심(O)을 지점으로 해서 축심(O)부터 돌기부(48)까지의 길이 R을 반경으로 한 궤도 L을 그린다. 여기서, 솔레노이드(49)가 여자하고 있을 때, 액추에이터의 선단부(52b)는, 궤도 L과 겹쳐지는 위치에 배치된다. 한편, 솔레노이드(49)가 소자(무 여자)상태에 있을 때 , 액추에이터의 선단부(52b)는, 궤도 L의 외측(즉, 축심(O)과 반대측)에 배치된다. 즉, 본 실시형태에 따른 스프링 클러치(25)는 무여자 작동형으로 구성되어 있다.

이렇게, 스프링 클러치(25)가, 회전축(21)과 회전자(22)의 사이에 배치되면, 심플한 구조의 풍력 발전 장치(1)를 제공하는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 회전자(22)가 회전축(21)에 대해 회전 가능해지도록, 회전축(21)이 회전자(22)를 지지하는 것이 가능해진다. 따라서, 지지 부재(12)를 통해 풍차 날개(10)가 부착된 회전축(21)과, 회전자(22)를 지지하는 회전축(21)을 별개로 설치할 필요가 없어, 동일 축으로 풍력 발전 장치 본체(2)를 구성하는 것이 가능해진다. 이상으로부터, 본 실시형태에 따른 풍력 발전 장치(1)는, 조립할 때의 센터링 공정을 필요로 하지 않아, 저 비용화, 조립의 용이화, 및 소형화를 도모할 수 있다는 큰 효과가 있다.

다음에, 도 3으로 되돌아가, 회전축(21)의 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출기(26)에 관해 설명한다. 회전 속도 검출기(26)는, 광전 센서(60), 회전축(21)에 부착되고, 회전축(21)의 회전에 따라 회전하는 판형상의 피검출부(61)로 구성된다.

광전 센서(60)는, 적외선을 발광하는 발광측과, 발광측으로부터 발광된 적외선을 수광하는 수광측으로 구성되어 있다. 피검출부(61)는, 회전축(21)이 회전했을 때 광전 센서(60)의 발광측과 수광측의 사이를 통과하도록 회전축(21)측에 부착되어 있다.

피검출부(61)가 광전 센서(60)의 발광측과 수광측의 사이를 통과했을 때, 발광측으로부터 발광되는 적외선이 피검출부(61)에 의해 차단되고, 펄스형의 회전 속 도 신호가 광전 센서(60)로부터 출력된다.

또한, 회전 속도 검출기(26)는 인코더로 이루어지는 것이어도 된다. 이러한 경우, 회전축(21)의 회전 속도(단위 시간당 회전수)에 따른 펄스 수의 회전 속도 신호가 인코더로부터 출력된다. 또, 회전축(21)의 회전 속도를 산출할 수 있는 것이면 다른 검출 장치여도 된다.

다음에, 브레이크 장치(27)에 관해 도 3을 사용해 설명한다. 브레이크 장치(27)는, 회전축(21)에 부착된 환상(環狀) 부재(65a)와, 환상 부재(65a)의 외주면에 접촉·이탈 가능하게 설치된 누름 부재(65b)와, 누름 부재(65b)를 환상 부재(65a)에 대해 왕복 이동시키는 가동 장치(66)로 구성되다. 그리고, 브레이크 장치(27)는, 가동 장치(66)를 수동 조작함으로써 누름 부재(65b)가 환상 부재(65a)에 꽉 눌러지면, 누름 부재(65b)는, 회전축(21)에 대해 큰 브레이크력을 작용시키기 때문에, 회전축(21)이 완전히 정지한다. 여기서, 환상 부재(65a)를 설치하지 않고, 누름 부재(65b)가 회전축(21)에 대해 직접 꽉 눌러지는 구조여도 된다.

또, 브레이크 장치(27)는 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 9 또는 도 10에 도시되는 브레이크 장치(264·291)여도 된다. 이하에, 도 9 및 도 10에 도시되는 브레이크 장치(264·291)에 관해 설명한다. 여기서, 도 9는, 날개의 속도 제한을 행할 수 있는 장치를 구비하는 실시형태를 나타낸 도면으로서, (a)는 날개의 외측에 속도 억제 장치를 설치하고, 이 장치가 자동인 것, (b)는 (a)의 속도 억제 장치가 수동인 것, (c)는 회전축의 하부에 속도 억제 장치를 설치한 경우를 나타낸 도면이다. 도 10은, (a)가 회전축의 회전을 정지시키는 실시형태의 일례를 나타낸 도면, (b)가 회전축의 회전을 정지시키는 회전 정지 장치의 원리도, (c)가 회전축의 회전을 정지시키는 실시형태의 다른 예를 나타낸 도면이다.

또한, 이러한 브레이크 장치(264·291)를 설명하는데 있어서, 지금까지 설명한 풍력 발전 장치 본체(2)를 채용하지 않고, 다른 풍력 발전 장치 본체(260·290)를 채용하여 설명한다. 단, 이것은 설명을 하는 데에 있어서의 편의상의 것이며, 이러한 브레이크 장치(264·291)를, 지금까지 설명한 풍력 발전 장치(1)에 설치할 수 없다는 것을 의미하는 것은 아니다. 또, 도 9 및 도 10에 도시되는 다른 풍력 발전 장치 본체(260·290)는, 발전기가 생략된 도면이다.

도 9는, 날개의 회전 속도 억제를 행할 수 있는 장치(264)를 구비하는 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 도면이다. 도 9(a)에 나타낸 바와 같이, 날개(263)의 속도 억제가 가능한 브레이크 장치(264)는, 도전 부재인 복수 장의 날개(263)와, 회전축(262)의 회전 속도를 검출하는 속도 검출 장치(265)와, 검출된 속도에 따라 자석 부재(266)를 날개(263)에 대해 진퇴시키는 장치(267)와, 이 진퇴 구동 장치(267)를 구동시키는 모터(267a)를 제어하는 컨트롤러부(268)를 갖는다. 또한, 복수 장의 날개(263)는, 회전축(262)의 둘레방향으로 세로를 향해 부착되어 있다.

이에 의해, 태풍 등의 강풍이 불 때는, 자동으로 강풍 상태인 것을 감지하여, 자석 부재(266)와 날개(263)의 간격을 조정하여, 도전 부재인 날개(263)에 가깝게 해서 그 표면에 과전류를 발생시켜, 브레이크를 동작시킨다. 그 결과, 오버스피드를 방지하여, 과회전에 의한 수직축형 풍력 발전 장치의 고장을 방지한다.

여기서, 날개(263)는, 상기한 바와 같이 전체가 도전 부재여도 되고, 자석 부재에 대응하는 부분만 도전 부재로 해도 된다. 또, 도 9(a)에 나타낸 실시형태는 긴급시에는 자동으로 구동하는 것이지만, 도 9(b)에 나타낸 바와 같이, 자석 부재(266)를 날개(263)에 대해 수동으로 진퇴시키는 것이어도 된다. 이 경우, 움직인 후에는 볼트(269) 등으로 고정한다. 그 밖에, 도 9(c)에 나타낸 바와 같이, 회전축(262)의 하부에 중심축을 맞추고, 도전 부재인 원판(261)을 부착하여, 자석 부재(266)를 진퇴시키는 속도 억제 장치를 설치해도 된다.

도 10(a)는 회전축의 회전을 정지시킬 수 있는 장치(291)를 구비하는 수직축형 풍력 발전 장치를 나타낸 도면, 도 10(b)는 회전축의 회전을 정지시키는 회전 정지 장치의 원리도이다. 통(296)에 고정 지지되어 있는 회전 정지 장치(291)는, 회전축(292)을 향해 탄성가압되어 있는 마찰판(294)과, 이 마찰판(294)의 탄성가압을 제지하거나 이 제지를 해제하는 조작 장치(295)와, 마찰판(294)과 조작 장치(295)에 접속되어 있는 스프링(297)으로 이루어진다.

마찰판(294)에는, 영구 자석(294a)이 조작 장치(295)측에 설치되어 있다. 조작 장치(295)는, 전원(295a)과 접속되어 있는 코일(295b)을 영구 자석(294a)측에 갖고 있다.

통상의 상태에서는, 코일(295b)측으로 영구 자석(294)은 흡착되고, 회전축(292)에 접하지 않은 상태이다. 비상시에는, 코일(295b)에 전원(295a)으로부터 전류가 흘러, 영구 자석(294)과 코일(295b)의 자속이 서로 상쇄되게 된다. 이 때, 줄어들어 있던 스프링(297)의 반발력에 의해 회전축(292)에 마찰판(294)이 꽉 눌러져, 회전축(292)의 회전을 제지한다.

상기 실시형태에 의하면, 폭풍시 등에 회전축(292)의 회전을 정지시킴으로써, 과잉 회전이 되지 않도록, 또 손상이 발생하지 않도록 장치를 보호한다는 효과가 얻어진다.

도 10(c)는, 회전축의 회전을 정지시키는 실시형태의 다른 예를 나타낸 도면이다. 회전 정지 장치(291')는, 마찰 통(298)은, 마찰 반통(298a, 298b)의 일단들이 회동 가능하게 접합부(298c)에서 접합되고, 마찰 반통(298a, 298b)의 타단들이 스프링(299)에 의해 접합되어 있는 마찰 통(298)과, 이 마찰 통(298)의 탄성가압을 캠(295'a)에 의해 제지하거나 이 제지를 해제하는 조작 장치(295')로 이루어진다.

통상시에는, 마찰 반통(298a, 298b)의 타단들 사이에 캠(295'a)을 맞물리게 해, 회전축(292)에 접촉하지 않도록 일시적으로 고정한다. 비상시에는, 캠(295'a)을 마찰 반통(298a, 298b)의 타단들 사이에서, 조작 장치(295')에 의해 회전축(292) 단면의 평면 상에서 평행하게 회전시킨다. 그리고, 마찰 반통(298a, 298b)의 타단들 사이를 닫고 회전축(292)에 마찰 통(298)을 접촉시켜, 그 회전을 정지시키는 것이다. 단, 이 조작 장치(295')의 전원은 긴급시에만 접속되고, 통상시에는 접속되어 있지 않은 것이다. 상기 실시형태에 의하면, 도 10(a)의 실시형태와 동일한 효과가 얻어진다.

또한, 상술한 모든 브레이크 장치(27·264·291)는, 회전축(21)의 회전 속도를 수동 조작 또는 자동 조작 중 어느 하나로 억제할 수 있는 것이어도 된다. 또, 풍력 발전 장치 본체(2·260·290)에 설치된 날개(10·263)의 장 수는, 회전축(21·262·292)을 회전시키는 것이 가능하면, 몇 장이든 상관없다. 또한, 상술한 모 든 풍력 발전 장치 본체(2·260·290)는, 수직축형 풍력 발전 장치에 한정되지 않고, 수평축형 풍력 발전 장치여도 된다.

전원 장치

다음에, 전원 장치(3)에 관해, 도 1, 도 2, 도 11∼도 14를 사용해 설명한다. 본 실시형태에서의 전원 장치(3)는, 풍력 발전 장치 본체(2)의 제어 기능이나 교류 전력의 직류 전력으로의 정류 기능 등을 구비한 컨트롤러(4)와, 풍력 발전 장치의 동작 상태나 설정 상태 등을 전환 가능하게 표시하는 조작 표시기(5)와, 컨트롤러(4)에서 정류된 직류 전력을 충전하는 배터리(6)와, 배터리(6)에서 충전된 전력을 교류 전력으로 변환하여 외부 부하(8)에 공급하는 인버터(7)와, 배터리(6)에 대해 보조 전력을 공급하는 보조 충전기(9)를 갖고 있다.

본 실시형태에 따른 풍력 발전 장치 본체(2)에 구비되는 발전기(11)는, 3상 교류 방식 등의 발전기(11)이다. 발전기(11)는, 회전축(21)의 회전 속도에 따른 교류 전력을 출력하도록 되어 있다. 발전기(11)의 출력측에는, 단락 제동 장치(75)가 접속되어 있다. 단락 제동 장치(75)는, 발전기(11)의 각 단자에 접속된 단락용 릴레이(76)를 갖고 있다.

단락용 릴레이(76)는, 컨트롤러(4)로부터의 통전에 의해 스위치부(25)를 열린 상태로 하고, 컨트롤러(4)로부터의 통전이 정지되었을 때 스위치부를 닫힌 상태로 함으로써, 컨트롤러(4)의 고장 등의 이상시에 발전기(11)의 출력측을 단락시키도록 되어 있다. 이에 의해, 단락 제동 장치(75)는, 발전기(11)에 큰 부하를 발생시킴으로써, 풍차 날개(10)에 의한 회전축(21)의 회전을 제동시키도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 풍력 발전 장치 본체(2)는, 컨트롤러(4)에 접속되어 있다. 컨트롤러(4)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)를 제어하는 제어부(80)와, 풍력 발전 장치 본체(2)의 발전기(11)로부터 출력된 교류 전력을 직류 전력으로 정류하는 정류부(81)를 갖고 있다. 제어부(80)는, 회전 속도 입력부(82)와 클러치 구동부(83)와 단락 구동부(84)를 갖고 있다. 이들 각 부(82∼84)는, 상술한 풍력 발전 장치 본체(2)에서의 회전 속도 검출기(26)와 스프링 클러치(25)와 단락 제동 장치(75)에 각각 접속되어 있다.

회전 속도 입력부(82)는, 회전 속도 검출기(26)로부터의 회전 속도 신호를 신호 처리에 적합한 신호 형태로 변환하는 기능을 갖고 있다. 클러치 구동부(83)는, 스프링 클러치(25)의 래치 장치(41)에 구동 신호를 출력함으로써, 스프링 클러치(25)의 작동 상태를 제어하는 기능, 즉 도 8에 도시되는 솔레노이드(49)를 여자하거나 소자하는 기능을 갖고 있다. 단락 구동부(84)는, 통상, 동작시에 단락 제동 장치(75)의 단락용 릴레이(76)에 구동 신호를 출력함으로써, 이상시에 발전기(11)를 단락 상태로 만드는 기능을 갖고 있다.

또, 컨트롤러(4)는, 보조 충전 작동부(85)와 충전 제어 구동부(86)와 인버터 ON/OFF 구동부(87)와 조작 표시 입출력부(88)를 갖고 있는 동시에, 각 부(82∼88)를 감시 및 제어하는 연산 처리부(90)를 갖고 있다. 또한, 연산 처리부(90)의 상세한 것에 관해서는 후술한다.

상기의 보조 충전 작동부(85)는, 배터리(6)에 보조 전력을 충전하는 DC 파워 팩이라 칭하는 보조 충전기(9)에 접속되어 있고, 배터리(6)가 풍력 발전 장치 본체 (2)로부터 충분히 충전되지 않을 때 작동하여, 배터리(6)에 보조 전력을 충전한다. 보조 충전기(9)는, 도 11에 나타낸 바와 같이 한 보드에 실장되어 있거나, 케이스 내에 수납됨으로써 일체화되어 있다. 보조 충전기(9)에는, 전원 입력 단자(8a)와 전원 출력 단자(8b)와 신호 입력 단자(8c)가 설치되어 있다. 전원 입력 단자(8a)에는, 상업용이나 공업용의 전원(91)이 착탈 가능하게 접속되어 있다. 전원 출력 단자(8b)에는, 배터리(6)가 착탈 가능하게 접속되어 있다. 신호 입력 단자(8c)에는, 보조 충전 작동부(85)가 착탈 가능하게 접속되어 있다.

상기의 전원 입력 단자(8a)에는, 트랜스(100)의 1차측 코일부(100a)가 접속되어 있다. 트랜스(100)의 2차측 코일부(100b)에는, 정전류화의 콘덴서(101)와, 교류 상태로 변화하는 전압을 전파(全波) 정류하는 브릿지 다이오드(102)가 설치되어 있다. 그리고, 브릿지 다이오드(102)는, 캐소드측이 전원 출력 단자(8b)를 통해 배터리(6)의 양전극측에 접속되고, 애노드측이 전원 출력 단자(8b)를 통해 배터리(6)의 음전극측에 접속되어 있다. 이에 의해, 보조 충전기(9)는, 전원(91)으로부터의 교류 전력을 트랜스(100)에서 소정의 전압으로 변화시킨 뒤 배터리(6)를 충전하는 기능을 갖고 있다.

또, 보조 충전기(9)는, 보조 전원 릴레이(103)를 구비하고 있다. 보조 전원 릴레이(103)는, 1차측 코일부(100a)의 전류로의 일부를 구성하도록 설치된 스위치부(103a)와, 이 스위치부(103a)를 개폐하는 코일부(103b)를 갖고 있다. 스위치부(103a)는, 코일부(103b)로의 통전시에 열린 상태가 되도록 설정되어 있다. 또, 코일부(103b)는, 신호 입력 단자(8c)를 통해 보조 충전 작동부(85)에 접속되어 있다. 이에 의해, 보조 충전기(9)는, 보조 충전 작동부(85)로부터의 작동 신호에 의해 배터리(6)에 대한 보조 충전의 실시와 정지를 전환할 수 있는 기능을 갖고 있다.

상기의 보조 충전기(9)에 의해 보조적으로 충전되는 배터리(6)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 컨트롤러(4)의 정류부(81)에도 접속되어 있다. 정류부(81)는, 풍력 발전 장치 본체(2)의 발전기(11)로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 배터리(6)에 충전하도록 구성되어 있다.

즉, 정류부(81)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 발전기(11)의 출력선(11b·11b ·11b)에 접속되어, 발전기(11)로부터 각 출력선(11b)을 통해 입력되는 상 전류를 정류하여 출력하는 브릿지 다이오드(102)와, 브릿지 다이오드(102)의 애노드측 및 캐소드측에 병렬 접속되어 있는 동시에, 서로 직렬 접속된 1쌍의 충전 콘덴서(101·101)와, 충전 콘덴서(101·101)보다도 하류측에서 브릿지 다이오드(102)와 같은 방향으로 병렬 접속된 다이오드(105)와, 충전 콘덴서(101·101)와 다이오드(105)의 사이에 설치되고, 전류의 통과와 차단을 전환 제어하는 충전 제어부(106)와, 다이오드(105)보다도 하류측에 설치된 코일(107)을 갖고 있다.

또, 정류부(81)에서의 충전 콘덴서(101·101) 사이의 중간점(81a)에는, 중성선(108)의 한쪽 끝이 접속되어 있다. 중성선(108)의 다른쪽 끝은, 발전기(11)의 중성점(11a)에 접속되어 있다. 그리고, 중성선(108)은, 3상 교류의 중성점(11a)을 기준으로 한 상 전압의 2배의 선간 전압을 정류 후의 정류 전압으로서 얻는 것을 가능하게 하고 있다.

상기의 충전 제어부(106)는, 트랜지스터 등의 반도체 스위치로 이루어져 있 으며, 도 1의 충전 제어 구동부(86)에 접속되어 있다. 충전 제어 구동부(86)는, 충전 제어 신호를 출력함으로써, 브릿지 다이오드(102)로부터 다이오드(105)로의 통전 시간을 제어하도록 되어 있다. 그리고, 이렇게 구성된 정류부(81)는, 배터리(6) 및 인버터(7)에 접속되어 있고, 충전 제어부(106)에서 제어된 통전 시간에 따른 충전 전압의 전력을 배터리(6)에 충전하도록 되어 있다.

또, 정류부(81)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 발전기(11)로부터 입력되는 교류 전력의 발전기 전압을 검출하는 발전기 전압 검출기(110)와, 배터리(6)에 충전하는 충전 전압(배터리 전압)을 검출하는 충전 전압 검출기(111)를 갖고 있다. 이들 전압 검출기(110·111)는 연산 처리부(90)에 접속되어 있으며, 검출한 전압을 각각 연산 처리부(90)에 출력한다.

또, 상기의 충전 제어 구동부(86)와 마찬가지로 연산 처리부(90)에 접속된 인버터 ON/OFF 구동부(87)는 인버터(7)에 접속되어 있다. 인버터(7)는, 배터리(6)에 충전된 직류 전력을 예를 들면 가정용 교류 전력으로 변환하여 외부 부하(8)에 출력하는 출력 기능과, 인버터 ON/OFF 구동부(87)로부터의 신호에 따라 출력 기능의 작동 및 정지를 전환하는 기능을 갖고 있다.

또한, 연산 처리부(90)에 접속된 조작 표시 입출력부(88)는, 조작 표시기(5)에 착탈 가능하게 접속되어 있다. 조작 표시기(5)는, 7 세그먼트 LED나 LCD 등의 표시부(120)와 표시 전환 스위치(121)를 갖고 있다. 표시부(120)는, 풍력 발전 장치(1)의 동작 상태를 문자나 수치에 의해 표시하도록 구성되어 있다. 또한, 동작 상태란, 풍속(회전축(21)의 회전 속도)이나 발전기 전압, 충전 전압(배터리 전압), 각 부의 작동 상태 등을 말한다.

또, 표시 전환 스위치(121)는, 표시부(120)에서의 동작 상태의 표시를 수동 조작으로 전환 가능하게 설정한다. 또, 조작 표시기(5)는, 도시 생략한 연산부나 기억부 등을 구비한 제어부를 갖고 있다. 제어부는, 조작 표시기(5) 자체를 제어하는 기능에 더해, 컨트롤러(4)의 연산 처리부(90)에 대해 소정의 동작 상태의 송신을 지시하는 기능이나, 연산 처리부(90)에 대해 인버터(7)의 동작을 모드 전환 스위치로 설정된 모드로 설정하는 기능, 연산 처리부(90)가 구비한 각종 기능의 실행을 선택하는 기능 등을 프로그램의 형태로 갖고 있다. 또한, 조작 표시기(5)에 있어서의 각 기능은, 프로그램의 소프트웨어적 형태 대신에 하드웨어적 형태로 형성되어 있어도 된다. 또, 조작 표시기(5)는, 배터리(6)의 충전 전압이 설정값 미만이 되었을 때 인버터(7)의 출력을 정지시키는 출력 정지 모드와, 항상 인버터(7)의 출력을 유지시키는 출력 유지 모드를 수동 조작으로 전환 가능하게 설정하는 모드 전환 스위치를 갖고 있어도 된다.

또, 컨트롤러(4)의 연산 처리부(90)에 있어서도, 도시 생략한 연산부나 기억부를 갖고 있으며, 풍력 발전 장치를 제어하는 각종 기능을 프로그램의 형태로 갖고 있다. 또한, 각 기능은, 프로그램의 소프트웨어적 형태 대신에 하드웨어적 형태로 형성되어 있어도 된다.

즉, 연산 처리부(90)는, 보조 충전 처리 기능이나 이상 운전 제동 기능, 회전 증속 기능, 저전압 충전 기능 등을 갖고 있다. 보조 충전 처리 기능은, 충전 전압 검출기(111)에 의해 검출된 충전 전압을 감시하여, 충전 전압이 제1 소정값 미만이 되었을 때, 보조 충전기(9)에 의한 배터리(6)에 대한 보조 전력의 충전을 허가하는 기능이다.

이상 운전 제동 기능은, 정상 운전시에 단락 제동 장치(75)의 단락용 릴레이(76)로 통전하여 열린 상태로 함으로써 발전기(11)의 교류 전력을 브릿지 다이오드(102)에 공급 가능하게 하여, 이상 운전에 의해 통전이 정지했을 때 발전기(11)의 출력을 단락시킴으로써 발전기(11)에 제동력을 발생시키는 기능이다. 회전 증속 기능은, 풍력의 저하에 의해 회전축(21)의 회전 속도가 제2 소정값 미만이 되었을 때, 스프링 클러치(25)와 회전축(21)의 연결 상태를 해제하여, 회전자(22)와 비접촉 상태가 된 회전축(21)을 회전 가능하게 한다. 그리고, 회전자(22)와 비접속 상태가 된 회전축(21)의 회전 속도가 일정 이상으로까지 증속했을 때, 스프링 클러치(25)와 회전축(21)의 연결 상태를 회복시키는 기능이다.

저전압 충전 기능은, 회전축(21)의 회전 속도가 제3 소정값 이상일 때는 충전 제어부(106)를 ON 상태와 OFF 상태로 전환하는 충전 제어를 행하고, 회전축(21)의 회전 속도가 제3 소정값 미만으로 저하했을 때, 충전 제어부(106)를 ON 상태로 유지하는 기능이다.

상기의 구성에 있어서, 풍력 발전 장치(1)의 동작에 관해 설명한다. 일반적인 운전 정지시에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 무 여자 작동형의 스프링 클러치(25)의 래치 장치(41)에 대한 통전이 정지됨으로써, 스프링 클러치(25)와 입력측 슬리브(42)가 강고한 연결 상태가 된다. 이에 의해, 회전축(21)과 회전자(22)가 스프링 클러치(25)에 의해 일체화된다. 또, 단락 제동 장치(75)의 단락용 릴레이 (76)에 대한 통전이 정지됨으로써, 발전기(11)가 단락 상태가 된다. 이에 의해, 발전기(11)의 작동에 큰 부하를 요하는 상태가 된다. 그 결과, 바람에 의해 큰 회전 구동력이 회전축(21)에 부여된 경우라도, 회전축(21)이 회전자(22)를 고속으로 회전시켜 작동시킬수록, 큰 부하가 회전축(21)의 회전에 대한 제동력으로서 작용함으로써, 회전축(21)의 고속의 회전이 금지된다.

또한, 강풍시나 점검시 등과 같이 특별한 운전 정지시에는, 브레이크 장치(27·264·291)가, 회전축(21)에 대해 브레이크력을 발생시킨다. 그리고, 회전축(21)을 고정함으로써, 회전축(21)의 회전을 완전히 정지시킨다.

다음에, 운전시에는, 필요에 따라 조작 표시기가 컨트롤러(4)에 접속된 뒤, 컨트롤러(4) 및 조작 표시기(5)에 전원이 투입된다. 컨트롤러(4)에 있어서는, 스프링 클러치(25)의 래치 장치(41)에 통전을 개시한다. 이에 의해, 스프링 클러치(25)와 회전축(21)의 연결 상태가 해제되어, 회전자(22)가 회전축(21)과 비접속 상태가 된다. 그 결과, 회전자(22)가 회전축(21)에 대해 회전 가능한 상태가 되므로, 풍차 날개(10)에 약한 바람이 가해진 것 만으로도, 회전축(21)이 급속하게 회전 속도를 증대시키는 것이 가능해진다. 또, 단락 제동 장치(75)에 통전됨으로써, 발전기(11)의 단락 상태가 해제되어, 발전기(11)에서 발전된 교류 전력이 컨트롤러(4)에 공급 가능해진다. 한편, 조작 표시기(5)에 있어서는, 제어부(80)의 동작 상태, 즉 예를 들면 회전축(21)의 회전 속도가 수치 등으로 표시된다.

다음에, 컨트롤러(4)는, 연산 처리부(90)에서 보조 충전 처리 기능이나 이상 운전 제동 기능, 회전 증속 기능, 저전압 충전 기능 등을 발휘하도록 동작한다.

회전 증속 기능

구체적으로는, 회전축(21)의 회전 속도가 감시된다. 그리고, 회전 속도가 제2 소정값에 일정값을 더한 회전 속도 이상이 되었을 때, 스프링 클러치(25)의 래치 장치(41)에 대한 통전이 정지됨으로써 스프링 클러치(25)의 연결 상태가 회복된다. 그 결과, 회전축(21)의 관성이 작용함에 따라, 회전축(21)과 회전자(22)가 일체화되어 비교적 고속으로 회전한다. 그리고, 회전자(22)와, 회전자(22)에 대향하여 배치된 고정자(23)의 사이에서 유도 전류가 발생하여, 고전압의 교류 전력이 컨트롤러(4)에 공급된다.

또, 바람이 약한 경우는, 회전축(21)과 회전자(22)가 접속 상태인 것에 따른 부하에 의해, 회전축(21)의 회전 속도가 감소한다. 회전축의 회전 속도가 제2 소정값 미만으로 감소했을 때는, 스프링 클러치(25)의 래치 장치(41)에 대한 통전이 재개된다. 그 결과, 스프링 클러치(25)와 회전축(21)의 연결 상태가 개방되어, 회전축(21)과 회전자(22)가 비접속 상태가 된다. 그리고, 약한 바람으로도 회전축(21)이 단시간에 증속 가능한 상태가 되어, 회전축(21)의 회전 속도가 일정 이상으로까지 증속했을 때, 스프링 클러치(25)와 회전축(21)의 연결 상태가 회복된다. 그 결과, 회전축(21)과 회전자(22)가 접속 상태가 되어, 발전기(11)에 있어서의 발전이 재개된다. 이에 의해, 약한 바람의 경우라도, 간헐적으로 고전압의 교류 전력을 컨트롤러(4)에 공급할 수 있다.

저전압 충전 기능

상기한 바와 같이 해서 컨트롤러(4)에 공급된 교류 전력은, 브릿지 다이오드 (102)에서 전파 정류된 뒤, 충전 콘덴서(101), 다이오드(105) 및 코일(107)로 이루어지는 평활 회로에서 평활화되어 배터리(6)에 충전된다.

여기서, 배터리(6)의 충전 과정을 상세히 설명한다. 도 12에 나타낸 바와 같이, 컨트롤러(4)에 대한 교류 전력의 공급은, 발전기(11)의 상 전류를 각 출력선(11b)을 통해 브릿지 다이오드(102)에 출력함으로써 행해진다. 브릿지 다이오드(102)에 입력된 상 전류는 전파 정류된 뒤, 충전 콘덴서(101·101)에 충전되면서 배터리(6)에 공급된다. 이 때, 충전 콘덴서(101·101)의 중간점(81a)에는, 중성선(108)을 통해 발전기(11)의 중성점(11a)의 전압이 인가되어 있다. 이에 의해, 도 14에 나타낸 바와 같이, 3상 교류의 중성점(11a)을 기준으로 한 상 전압의 2배의 선간 전압이 정류 후의 정류 전압으로서 각 충전 콘덴서(101)에 인가되면서 충방전이 행해진다. 그 결과, 3상 교류의 출력선(11b)만을 사용해 상 전압의

배의 선간 전압을 정류 후의 정류 전압으로 하는 도 13의 회로 구성의 경우보다도 약 1.15배의 고전압으로 배터리(6)에 대한 충전이 행해진다. 그리고, 이렇게 해서 배터리(6)에 효율적으로 충전된 전력이 컨트롤러(4)의 전원으로서 이용됨과 동시에, 인버터(7)에서 교류 전력으로 변환된 뒤 외부 부하(8)의 전원으로서 이용된다.

또, 배터리(6)에 충전되는 충전 전압 및 충전 전류는, 충전 제어부(106)에 의해 제어되고 있다. 즉, 회전축(21)의 회전 속도가 제3 소정값 이상일 때는, 배터리(6)의 정격 전압에 대해 대폭으로 고압인 충전 전압으로 충전된다고 판단되어, 충전 전압을 저하시키도록 충전 제어부(106)를 ON 상태와 OFF 상태로 전환하는 충전 제어가 행해진다. 한편, 회전축(21)의 회전 속도가 제3 소정값 미만으로 저하 했을 때는, 배터리(6)의 정격 전압에 가까운 충전 전압으로 충전된다고 판단되어, 큰 충전 전류로 배터리(6)의 충전을 행하도록, 충전 제어부(106)를 ON 상태로 유지하는 충전 제어가 행해진다.

보조 충전 처리 기능

또, 배터리(6)에 대한 충전 중에는, 충전 전압 검출기(111)에 의해 검출된 충전 전압이 감시된다. 충전 전압이 제1 소정값 미만이 되었을 때, 보조 충전기(9)에 의한 배터리(6)에 대한 보조 전력의 충전이 허가된다.

즉, 도 11에 나타낸 바와 같이, 충전 전압이 제1 소정값 이상인 경우는, 보조 전원 릴레이(103)에 대한 통전에 의해 스위치부(103a)가 열린 상태가 됨에 따라, 배터리(6)에 대한 보조 충전이 금지되어 있다. 한편, 충전 전압이 제1 소정값 미만으로 저하한 경우에는, 배터리(6)의 충전 전압(배터리 전압)이 대폭 저하했다고 판단되어, 보조 전원 릴레이(103)에 대한 통전이 정지된다. 통전이 정지된 보조 전원 릴레이(103)는, 스위치부(103a)를 열린 상태에서 닫힌 상태로 전환한다. 이에 의해, 전원(91)으로부터의 교류 전력이 트랜스(100)에 공급되어, 트랜스(100)에서 소정의 전압으로 변화된 뒤, 콘덴서(101)에서 정전류화된 보조 전력이 생성된다. 그리고, 이 보조 전력에 의해 배터리(6)에 대한 보조 충전이 행해진다. 또한, 배터리(6)에 대한 충전 전류는 I=ωCE로 정해진다. 여기서, ω=2πf이고, C는 콘덴서(101)의 용량 ㎌, E는 충전 전압이다. 또, 배터리(6)의 충전 전압이 대단히 저하한 결과, 컨트롤러(4)가 작동하지 않게 된 경우에도, 보조 전원 릴레이(103)에 대한 통전이 정지되므로, 보조 충전기(9)에 의한 배터리(6)에 대한 보조 충전이 행해진다.

이상 운전 제어 기능

또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)가 정상으로 운전되고 있는 경우에는, 단락 제동 장치(75)의 단락용 릴레이(76)가 통전에 의해 열린 상태로 되어 있다. 그리고, 발전기(11)의 교류 전력이 브릿지 다이오드(102) 등의 정류부(81)에 공급되어, 배터리(6)에 대한 충전이 행해진다. 한편, 부품의 소모나 파손 등의 이상에 의해 컨트롤러(4)가 긴급 정지한 경우에는, 풍력 발전 장치 본체(2) 등에 출력 중인 모든 신호 출력이 정지한다. 그 결과, 단락 제동 장치(75)의 단락용 릴레이(76)에 대한 통전이 정지되므로, 발전기(11)가 단락 상태가 된다.

또, 스프링 클러치(25)에 대한 통전이 정지되면, 스프링 클러치(25)가 무 여자 작동형이므로, 스프링(44)이, 회전축(21)과 일체화된 입력측 슬리브(42)에 강고하게 체결된다. 이에 의해, 회전축(21)과 회전자(22)가 스프링 클러치(25)에 의해 일체화된다. 그리고, 단락 상태의 발전기(11)에 의한 큰 부하에 의해 회전축(21)의 회전 속도가 급속하게 감속된다.

이상과 같이, 본 실시형태의 전원 장치(3)는, 자연 에너지를 전기 에너지로 변환하여, 전기 에너지로 이루어지는 전력을 3상 교류로 출력하는 발전기(11)(발전 수단)와, 발전기(11)로부터의 상 전류를 정류하여 출력하는 브릿지 다이오드(102)(정류기)와, 브릿지 다이오드(102)의 출력측에 설치되어, 브릿지 다이오드(102)에 병렬 접속되어 있는 동시에, 서로 직렬 접속된 1쌍의 충전 콘덴서(101·101)와, 발전기(11)의 중성점(11a)과 충전 콘덴서(101·101) 사이의 중간점(31a)을 접속하는 중성선(108)을 갖는 구성으로 되어 있다.

상기의 구성에 의하면, 도 14에도 나타낸 바와 같이, 3상 교류의 중성점(11a)을 기준으로 한 상 전압의 2배의 선간 전압을 정류 후의 정류 전압으로서 얻을 수 있기 때문에, 3상 교류의 출력선(11b)만을 사용해 상 전압의

배의 선간 전압을 정류 후의 정류 전압으로서 얻는 경우보다도, 고전압의 전력을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 자연 에너지가 작은 환경 하에서도 적합하게 사용할 수 있다.

또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전원 장치(3)는, 브릿지 다이오드(102)로부터 출력된 전력을 충전하여, 이 전력이 각종 기기의 작동에 사용되는 배터리(6)(축전 수단)를 더 갖고 있다. 이에 의해, 자연 에너지가 작은 환경 하에서도, 배터리(6)에 충전하는 충전 전압을 고전압화할 수 있으므로, 효율적으로 충전을 행할 수 있다.

또, 본 발명은, 상기의 전원 장치(3)가 풍력 발전 장치(1)에 구비되어 있다. 이에 의해, 풍력의 변동이 큰 환경 하에서도 풍력 발전 장치(1)를 적합하게 사용할 수 있다.

여기서, 각종 기기는, 풍력 발전 장치(1)의 컨트롤러(4)나 외부 부하(8)의 냉장고 등의 전동 기기, 전등이나 에어컨 등의 광열 기기 등을 포함하는 것이다. 자연 에너지는, 풍력, 태양 전지, 수력, 파력 등의 자연계에 존재하는 에너지를 포함하는 것이다.

또한, 본 실시형태에 있어서의 각 기능을 실현하는 프로그램은, 기억부의 ROM에 미리 독출 전용으로 기록되어 있어도 되고, CD 등의 기록 매체에 기록된 것 이 필요시에 독출되어 기억부에 기록되어도 되고, 또한 인터넷 등의 전기 통신 회선을 통해 전송되어 기억부에 기록되어도 된다.

본 발명은, 상기의 바람직한 실시형태에 기재되어 있는데, 본 발명은 그것에만 제한되지 않는다. 본 발명의 정신과 범위로부터 일탈하지 않는 여러가지 실시형태가 달리 이루어지는 것은 이해될 것이다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 본 발명의 구성에 의한 작용 및 효과를 기재하고 있는데, 이들 작용 및 효과는 일례이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

예를 들면 본 실시형태에 있어서는, 수직축형 풍력 발전 장치에 대해 설명했으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 동력원은 풍력일 필요는 없고, 수력이어도 된다. 또, 회전축은, 수직형이어도 되고 수평형이어도 된다. 또한, 발전 장치용 발전기에 한정되지 않고, 전동기여도 된다. 회전 전기(電機)는, 발전 장치용 발전기나 전동기를 포함하는 개념이기 때문이다. 즉, 회전축과, 이 회전축에 부착되는 회전자와, 회전자에 대향하여 배치된 고정자를 구비한 발전 장치용 발전기나 전동기 등의 회전 전기이면, 본 발명을 적용하는 것은 가능하다.

자연 에너지를 이용한 발전 장치, 및 이 발전 장치에 사용하는 전원 장치를 저 비용으로 제공할 수 있으므로, 환경 문제를 해결하는 데 일조할 것이 기대된다.

Claims (21)

1. 토오크 발생측에 연결되는 회전축과, 상기 회전축에 회전 가능하게 부착된 회전자와, 상기 회전축과 상기 회전자의 사이에 설치된 클러치와, 상기 회전축, 회전자, 및 클러치를 수납하는 하우징과, 상기 하우징에 부착되고, 상기 회전자에 대향하여 설치된 고정자를 구비하고,

   상기 클러치는, 일단이 상기 회전축 또는 상기 회전자 중 어느 한쪽에 고정되고, 타단이 상기 회전축 또는 상기 회전자 중 어느 다른쪽에 회전 방향에서 체결되는 스프링과, 상기 스프링의 타단에 대해 맞물림 가능하며, 전기적 제어에 의해 상기 회전축 또는 상기 회전자 중 어느 다른쪽에 대한 상기 스프링에 의한 체결을 해제하는 래치 장치를 구비하는 스프링 클러치인 발전 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 회전축에, 상기 회전축의 회전 속도를 검출하기 위한 검출 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 회전축이 소정의 회전 속도에 도달했을 때, 상기 회전축과 상기 회전자가 연결되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 회전축과 상기 하우징의 사이에, 상기 회전축의 회전을 억제하기 위한 브레이크 장치가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
6. 회전축과, 이 회전축에 부착되는 회전자와, 이 회전자에 대향하여 배치되고, 둘레방향으로 3개 이상으로 분할된 고정자 코어와, 상기 회전축의 상기 회전자를 사이에 둔 양측 위치를 회전 가능하게 지지하는 1쌍의 유지 부재와, 이 1쌍의 유지 부재의 사이를 연결함과 동시에, 상기 고정자 코어의 외주에 결합 상태로 맞물리는 3개 이상의 지주를 구비하여 이루어지는 발전 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 지주는 원기둥 또는 각기둥으로 형성되며, 상기 고정자 코어와 맞물리는 부분의 직경을 가늘게 하여 결합부를 형성한 발전 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 지주가 원기둥 또는 각기둥으로 형성되며, 상기 고정자 코어와 맞물리는 부분을 직선형, 원호형, 또는 각형으로 절결(切缺)하여 결합부를 형성한 발전 장치.
9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 지주는, 상기 결합부에서 상기 고정자 코어를 맞물리게 한 상태에서는, 상기 1쌍의 유지판과의 연결 부분보다 외측으로 확산되어 위치하는 발전 장치.
10. 삭제
11. 회전축과, 상기 회전축의 둘레방향으로 부착된 날개를 갖는 발전 장치로서, 상기 날개의 전부 또는 일부에 설치된 도전 부재와, 이 도전 부재에 대해 간격 조정 가능한 자석 부재를 구비하는 속도 억제 장치를 설치한 것을 특징으로 하는 발전 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 속도 억제 장치는, 상기 회전축의 속도 검출 장치와, 검출된 속도에 따라 상기 도전 부재를 상기 날개에 대해 진퇴시키는 진퇴 구동 장치를 구비하는 발전 장치.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제

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