KR101102432B1 - 수평형 풍력 발전 시스템 - Google Patents

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지인호
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Abstract

본 발명은 수평형 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 기존에는 강제 순환식 냉각 장치를 채용하는 경우, 냉각 장치가 커지고 냉각유나 냉각수의 강제 순환을 위한 펌프를 위한 전원이 필요하게 되는 문제점과 패드식 브레이크 장치를 채용하는 경우 마찰로 인한 수명단축 및 브레이크 제동상태에서는 발전이 비효율적인 문제점이 있었다. 본 발명은 이를 해소하고자 수평형 풍력 발전기 장치에 회전축의 동력을 마그네트 브레이크 장치를 통하여 발전기에 전달하도록 마그네트 브레이크 장치를 설치하고, 발전기에는 히트파이프를 이용하여 자연 냉각시키는 냉각장치를 설치하여 냉각장치를 간소화하고 전원이 필요치 않으면서 냉각효율을 향상시키도록 한 수평형 풍력발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
수평형, 풍력발전, 냉각, 히트파이프, 마그네트 브레이크

Description

수평형 풍력 발전 시스템{APPARATUS FOR GENERATING BY WIND POWER}
본 발명은 수평형 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 히트 파이프를 이용한 자연냉각장치와 비접촉식 마그네트 브레이크 장치를 설치하여 효율적인 자연냉각과 더불어 강풍에서도 적정 토오크로 제동하면서 발전을 유지시킬 수 있도록 한 수평형 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적인 50kW급 이상의 수평형 풍력 발전기의 구조는 회전체인 로터(날개와 날개를 고정하는 허브장치)와 로터의 회전력을 전달받아 전력 생산을 하는 발전기가 주 구성품이다.
하지만 이것만으로 풍력 발전기를 구성할 수 없고 강풍에서 로터의 보호를 위한 브레이크 장치와 발전기에서 발전하면서 발생하는 열의 방열을 위한 강제 순환식 냉각 장치가 필요하다.
하지만 일반적인 풍력 발전기에 사용하는 브레이크 장치는 패드에 의한 접촉식 브레이크 장치로서 강풍에서 브레이크를 지속적으로 제동할 경우 패드의 마찰에 의한 마모로 브레이크 장치의 수평을 단축시켜 주기적인 정비가 필요하여 발전기의 유지 보수 비용 상승을 초래한다.
또한, 수평형 풍력발전기에 있어서 발전기의 방열을 위한 냉각장치가 적용되어야 하는데 단순히 방열핀만을 발전기 몸체에 연결설치하고 공기 순환 유로를 형성하여 자연냉각을 시킬 수도 있으나, 자연냉각시키는 방식은 발전기의 열을 방열핀으로 전달하는 전달특성이 나빠서 50kW급 이상의 풍력발전기에서는 제대로 냉각시키지 못한다는 단점이 있다.
또한 방열을 위한 강제 순환식 냉각 장치는 발전기에서 발생한 열을 냉각수나, 냉각유를 통하여 전달하며, 냉각수나 냉각유는 펌프를 이용하여 라지에이터로 강제 순환시키고 라지에이터에 전달된 열을 냉각시키기 위하여 팬으로 강제 냉각시키는 장치 등 복잡한 기계 및 전기 장치로 구성되어 있기에 냉각유 순환 펌프나 팬장치의 고장 발생율이 높으며 고장 발생시 발전기의 정지로 인한 발전 효율의 저하와 기계 및 전기 장치의 가동을 위한 별도의 전력이 필요하다는 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 위와 같은 문제를 해결하고자 마그네트 브레이크와 히트파이프 및 방열 핀을 이용한 자연 냉각 장치를 적용한 수평형 풍력발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 히트파이프 및 방열 핀을 이용한 자연 냉각 장치는 구조가 매우 간단하며 전기적인 장치가 없는 것이 특징으로 고장 발생율이 적고 별도의 전원이 필요하지 않는 냉각 장치를 구비한 수형평 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 마그네트 브레이크 장치를 채용하되, 마그네트 브레이크 장치에 최종 접촉시 브레이크 기능이 부가되는 접촉식 패드를 구비한 마그네트 브레이크 장치를 적용함으로써 강풍에서도 마그네트 브레이크의 특성을 이용하여 적정 제동 토오크로 제동시키면서 발전을 유지시킬 수 있도록 한 수평형 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 히트파이프의 내부 열 전도액을 통하여 발전기에서 발생한 열을 최단시간내 방열 핀으로 전달하고 방열 핀은 발전기 너셀의 외부에 위치하여 외부에서 자연적으로 발생하는 바람에 의한 자연 냉각되는 자연 냉각 장치를 적용한다.
본 발명의 목적은,
날개의 회전력을 발전기에 전달하여 풍력에 의한 전력을 생산하도록 이루어지는 수평형 풍력발전기에 있어서,
상기 날개의 허브 회전축의 회전력을 베어링을 통해 전달받아 회전축의 회전력을 전달하는 커플러와;
상기 커플러를 통해 회전력을 전달받는 회전축에 설치되는 브레이크 장치와;
상기 브레이크 장치를 통하여 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기와;
상기 발전기에서 발생되는 열을 히트파이프에 의해 전달하여 자연냉각 방식으로 냉각시키는 냉각장치와;
상기 허브와, 커플러, 브레이크장치, 발전기, 냉각장치의 일부 구성을 하나의 하우징으로 감싸는 너셀로 구성되되,
상기 냉각장치는,
상기 발전기의 몸체에 고정설치되어 열을 전달받는 히트파이프 고정브라켓과;
상기 히트파이프 고정브라켓에 증발부가 삽입되어 상기 발전기의 표면과 접하여 발전기의 열을 흡수하고, 타단의 응축부를 통해서 열에너지를 방출하는 히트파이프와;
상기 히트파이프의 타단의 응축부에 연결되어 상기 너셀의 외부에 고정설치되고, 외부 바람에 의해 자연냉각으로 열을 방출하는 히트싱크(Hit Sink)로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 브레이크 장치는
비철금속으로 이루어져 회전축에 고정된 회전원판과;
상기 회전원판을 가운데에 두고 양측에서 대향하게 원호상으로 자석이 배열설치되고, 상기 회전축에 대해 슬라이드 이동이 가능하게 설치되는 한쌍의 자석디스크와;
상기 한쌍의 자석 디스크와 상기 회전원판에 각각 서로 마주 보고 대응되는 위치에 부착된 브레이크 패드와;
상기 회전축을 제동시키기 위하여 한쌍의 자석 디스크의 간격을 근접시키는 방향으로 이동시키거나 이격되는 방향으로 이동시키는 브레이크 작동 수단을 포함하되,
상기 브레이크 작동 수단은,
상기 한 쌍의 자석 디스크에 대해 각기 서로 반대방향의 나사결합이 이루어져 회전에 의해 한쌍의 자석디스크를 서로 근접방향으로 이송시키거나 멀어지는 방향으로 이송시키기 위한 복수의 이송볼트와;
상기 이송볼트중 어느 하나를 브레이크 제어를 위하여 정/역방향 회전을 시키기 위한 모터와;
상기 모터에 의해 회전되는 이송볼트와 다른 이송볼트를 동시에 동일한 방향으로 구동시키기 위하여 각 이송볼트와 상기 모터의 회전축에 스프라켓을 설치하고 모든 스프라켓을 연결하여 회전동력을 전달하는 체인을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 수평형 풍력발전기에 있어서, 너셀 내부에 설치되는 발전기의 열을 자연냉각 방식으로 냉각시키되, 히트파이프를 이용하여 무전원 냉각장치로서 자연냉각시키도록 하고, 동력전달 회전축에는 비접촉식 마그네트 브레이크를 설치함으로서 시스템 보호와 아울러 강풍에서 일정한 회전속도 이내가 되도록 브레이크를 걸어준 상태에서 발전이 가능해지는 효과가 있다. 또한 본 발명의 히트파이프 및 방열 핀을 이용한 자연 냉각 장치는 구조가 매우 간단하며 전기적인 장치가 없는 것이 특징으로 고장 발생율이 적고 별도의 전원이 필요하지 않는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 냉각장치를 구비한 수평형 풍력발전 시스템의 구성도이다.
이에 도시된 바와 같이,
날개(1)가 허브(2)에 고정 설치되고, 허브(2)의 회전축이 베어링 하우징(3) 내의 베어링에 의해 회전가능하게 설치되며, 상기 회전축의 회전동력을 전달하는 커플러(4)가 설치되며, 상기 커플러(4)에 의해 회전동력을 전달받도록 연결된 회전축에 브레이크 장치(5)가 설치되고, 상기 브레이크 장치(5)를 통해 연결되는 회전 축에 발전기(6)가 설치되며, 상기 발전기(6)에 히트파이프(12)를 이용한 냉각장치(10)가 설치되며, 상기 허브(2), 베어링 하우징(3), 커플러(4), 브레이크 장치(5), 발전기(6) 및 히트파이프(12)가 하나의 하우징내에 설치되어 너셀(7)을 구성하며, 상기 너셀(7)은 풍력발전기 타워에 요(YAW) 장치(8)에 의해 바람이 불어오는 방향을 향하도록 설치되며, 너셀(7)의 후단 외측부에 풍속계(9)가 설치되어 구성된다. 여기서 풍속계에 의해 브레이크장치(5)를 제어하는 수단이나, 바람의 방향으로 너셀(7)을 회전시키는 요장치(8) 구동수단 생산된 전기의 출력수단, 타워 등은 통상의 풍력발전기 시스템에 적용되는 장치나 콘트롤러등을 적용할 수 있는 것으로서 본 발명에서는 설명을 생략한다.
도 2는 본 발명에 의한 냉각장치의 구성을 설명하기 위한 도면으로서, 이에 도시된 바와 같이,
발전기(6)의 외측면에 열전달을 위한 히트파이프 고정브라켓(11)이 설치되고, 그 히트 파이프 고정브라켓(11)에 히트파이브(12)의 증발부가 삽입 고정설치되며, 상기 히트파이프(12)의 응측부가 상기 너셀(7)의 하우징 외측으로 돌출되어 너셀(7)의 외측에 설치되는 히트싱크(13)에 고정설치되어 구성된다.
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 히트파이프의 원리 설명도로서, 이에 도시된 바와 같이, 히트파이프(12)는 파이프 외통을 이루어 밀봉 구조를 가지는 파이프(101)와, 상기 파이프(101)의 내측벽에 설치되는 위크(Wick)(102)와, 위크(102)의 내측에 형성되는 증기공간부(103)로 구성되며, 하단의 증발부(12a)와 중간의 단열부(12b)와 상단의 응축부(12c)로 구성되고, 작동매체(104)가 충진되어 구성된다.
이는 증발부(12a)에서 액체상태의 작동매체(104)에 의해 외부의 열을 흡수하고, 외부열을 흡수한 액체상태의 작동매체(104)가 기화되면서 기체화되어 증기공간부(103)를 통해 응축부(12c)측으로 이동되고, 응축부(12c)에서 외부와의 열교환에 의해 열을 방출하며, 열을 방출한 작동매체(104)가 액체화 되면서 위크(102)를 통해 다시 증발부(12a)측으로 순환하는 순환싸이클을 이루게 된다.
여기서 작동매체(104)로는 HCFC-22(-40 ~ 30℃), HCFC-123(0~100℃), HCFC-134a(-30~60℃)등이 선택적으로 사용되며, 상기 파이프(101)의 재질로는 구리가 가장 많이 사용되며, 스테인레스강, 텅스텐, 세라믹스등이 사용된다. 상기 위크(102)는, 금망, 발포제, 펠트(felt), 섬유, 소결금속 등의 다공성물징과 파이프 벽면에 홈을 판 구성을 사용하며 기능은 모세관 작용에 의해 작동매체(104)를 응축부(12c)에서 증발부(12a)로 되돌리고 증발부(12a) 전체에 액체 상태의 작동매체(104)를 분배하는 역할을 한다.
이와 같은 히트파이프(12)의 특성을 이용하여 본발명에서는 발전기(6)의 열을 흡수하여 히트파이프(12)를 통하여 너셀(7)의 외부에 설치된 히트싱크(13)로 열을 전달하고, 히트싱크(13)는 바람에 의해 자연냉각시키는 구조로 구성된다.
따라서, 본 발명은 히트하이프(12)를 이용한 냉각장치(10)를 구성하여 설치함으로써, 기존의 냉각오일이나 냉각수를 순환시키는 냉각장치에 비하여 가볍고 부피를 많이 차지하지 않으면서도 별도의 동력 없이 높은 방열효과를 얻을 수 있으며, 반영구적인 사용이 가능하고 자연냉각 기능으로 전원을 필요치 않는 효과가 있다. 또한 단순히 방열판(히트싱크)만을 발전기에 설치한 구성과 비교해보면 히트파 이프의 높은 열전달 효과로 인하여 발전기의 열을 흡수하여 히트싱크로 전달하기 때문에 냉각 효율이 월등히 향상된다.
이와 같이 히트파이프 및 방열 핀을 이용한 자연 냉각 장치는 구조가 매우 간단하며 전기적인 장치가 없는 것이 특징으로 고장 발생율이 적고 별도의 전원이 필요하지 않는 것을 특징으로 한다.
히트파이프는 내부의 열 전도액을 통하여 발전기에서 발생한 열을 최단시간내 방열 핀으로 전달하고 방열 핀은 발전기 너셀의 외부에 위치하여 외부에서 자연적으로 발생하는 바람에 의한 자연 냉각 장치이다.
한편 본 발명에서는 히트파이프를 이용한 냉각장치(10)와 함께 브레이크 장치(5)를 설치하여 시스템 보호는 물론이고 강풍에서도 효율적인 전기 생산이 가능하도록 구성한 것이 특징이다.
도 4는 본 발명에 의한 마그네트 브레이크 장치의 일예를 보인 구성도이다. 이에 도시된 바와 같이,
상기 브레이크 장치(5)는
비철금속으로 이루어져 회전축(1a)에 고정된 회전원판(110)과;
상기 회전원판(110)을 가운데에 두고 양측에서 대향하게 원호상으로 자석(132)이 배열설치되고, 상기 회전축(1a)에 대해 슬라이드 이동이 가능하게 설치되는 한쌍의 자석디스크(130a)와;
상기 한쌍의 자석 디스크(130a)와 상기 회전원판(110)에 각각 서로 마주 보고 대응되는 위치에 부착된 브레이크 패드(111)(131)와;
상기 회전축(1a)을 제동시키기 위하여 한쌍의 자석 디스크(130a)의 간격을 근접시키는 방향으로 이동시키거나 이격되는 방향으로 이동시키는 브레이크 작동 수단을 포함하되,
상기 브레이크 작동 수단은,
상기 한 쌍의 자석 디스크(130a)에 대해 각기 서로 반대방향의 나사결합이 이루어져 한쌍의 자석디스크(130a)를 서로 근접방향으로 이송시키거나 멀어지는 방향으로 이송시키기 위한 복수의 이송볼트(140)와;
상기 이송볼트(140) 중 어느 하나를 브레이크 제어를 위하여 정/역방향 회전을 시키기 위한 모터(150)와;
상기 모터(150)에 의해 회전되는 이송볼트와 다른 이송볼트를 동시에 동일한 방향으로 구동시키기 위하여 각 이송볼트와 상기 모터(150)의 회전축에 스프라켓(151)을 설치하고 모든 스프라켓(151)을 연결하여 회전동력을 전달하는 체인(152)을 포함하여 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 브레이크 장치(5)는, 마그네트 브레이크 장치로서, 비접촉식으로 브레이크 작동이 이루어지다가 근접되었을때 회전원판(110)과 한쌍의 자석 디스크(130a)에 설치된 브레이크 패드(111)(131)가 서로 접촉하면서 접촉식으로 정지 제동이 이루어진다.
비접촉식 제동은, 모터(150)를 구동시켜 이송볼트(140)를 한쌍의 자석디스크(130a)가 서로 근접되는 방향으로 회전시키면, 스프라켓(151)에 체인(152)으로 연결되어 전체 이송볼트(140)들이 동일한 방향으로 동시에 회전된다. 여기서 이송 볼트는 적어도 3지점 이상에 설치되어 체인에 의해 원할하게 회전 동력이 전달될 수 있도록 구성한다.
이송볼트(140)를 회전시켜 한쌍의 자석 디스크(130a)가 근접되는 방향으로 슬라이드 되면, 자석디스크(130a)의 자석(132)과 비철금속 회전원판(110) 사이의 와전류 현상에 의해 회전원판(110)이 회전되는 것을 방해하는 브레이크 작동이 이루어진다. 이러한 기능에 의해 한쌍의 자석 디스크(130a)의 근접 거리에 의해 제동 토오크가 제어될 수 있으며, 강풍에 불어 발전기(6)가 과속으로 회전되는 것을 방지하기 위하여 풍속에 따라 적정한 제동 토오크가 걸리도록 모터(150)를 구동시켜 자석 디스크(130a)의 근접 거리를 제어하게 된다. 이러한 제어는 미리 실험적으로 풍속 대비 자석 디스크의 근접거리에 따른 모터의 제어량을 구하여 테이블로 저장해두고, 풍속에 따라 모터를 제어하는 방식으로 제어할 수 있다. 모터의 제어량은 한쌍의 자석디스크의 위치검출에 의해 제어할 수도 있다. 그리고, 강풍에 의해 풍력 발전시스템의 발전 한계치를 넘는 경우, 정지 제어를 위하여 한상의 자석디스크를 최대 금접되는 방향으로 제어하면 브레이크 패드(111)(131)가 서로 접촉되면서 접촉식으로 정지될 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서 브레이크 장치(5)는 마그네트 브레이크장치를 적용하고, 마그네트 브레이크 장치에 접촉식 브레이크 패드를 함께 설치하여 완전 정지가 가능하도록 구성한다. 마그네트 브레이크장치는 비접촉식 브레이크 장치이므로 마모에 의한 주기적인 정비가 필요 없기에 고풍속에서 적당한 토오크를 발생하도록 지속적인 브레이크 제동을 할 수 있어 고풍속에서 접촉식 브레이크는 정지하여 발 전을 할 수 없으나 마그네트 브레이크를 적용할 경우 고풍속에서도 발전이 가능하다는 장점이 있다. 또한 마그네트 브레이크에는 비접촉 브레이크 이외에 발전기를 강제 정지시킬 수 있는 최종 접촉식 브레이크 기능이 있어 정지 또한 가능하다.
정지 기능은 먼저 마그네트 브레이크에서 1차 제동이 있은 후 정지 브레이크가 작동하므로 접촉 마찰에 의한 마모 현상을 최소화 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 냉각장치를 구비한 수평형 풍력발전 시스템의 구성도
도 2는 본 발명에 의한 냉각장치의 구성을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명을 설명하기 위한 히트파이프의 원리 설명도
도 4는 본 발명에 의한 브레이크 장치의 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 날개 2 : 허브
3 : 베어링하우징 4 : 커플러
5 : 브레이크 장치 6 : 발전기
7 : 너셀 8 : 요장치
9 : 풍속계 10 : 냉각장치
11 : 히트파이프 고정브라켓
12 : 히트 파이프 12a : 증발부
12b : 단열부 12c :응축부
101 : 파이프 102 : 위크
103 : 증기공간부 110 : 회전원판
111, 131 : 브레이크 패드
132 : 자석 130a : 자석 디스크
140 : 이송볼트 150 : 모터
151 : 스프라켓 152 : 체인

Claims (3)

  1. 날개의 회전력을 발전기에 전달하여 풍력에 의한 전력을 생산하도록 이루어지는 수평형 풍력발전시스템에 있어서,
    상기 날개의 허브 회전축의 회전력을 베어링을 통해 전달받아 회전축의 회전력을 전달하는 커플러와;
    상기 커플러를 통해 회전력을 전달받는 회전축에 설치되는 자석과 비철금속의 근접에 따른 제동 토오크를 얻을 수 있도록 이루어진 브레이크 장치와;
    상기 브레이크 장치를 통하여 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기와;
    상기 발전기에서 발생되는 열을 히트파이프에 의해 너셀 하우징 외부에 설치된 히트 싱크로 전달하여 자연냉각 방식으로 냉각시키는 냉각장치를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수평형 풍력발전시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각장치는,
    상기 발전기의 몸체에 고정설치되어 열을 전달받는 히트파이프 고정브라켓과;
    상기 히트파이프 고정브라켓에 증발부가 삽입되어 발전기의 열을 흡수하고, 타단의 응축부를 통해서 열에너지를 방출하는 히트파이프와;
    상기 히트파이프의 타단의 응축부에 연결되어 상기 너셀 하우징의 외부에 고정설치되고, 외부 바람에 의해 자연냉각으로 열을 방출하는 히트싱크로 구성된 것을 특징으로 하는 수평형 풍력발전시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 브레이크 장치는
    비철금속으로 이루어져 회전축(1a)에 고정된 회전원판(110)과;
    상기 회전원판(110)을 가운데에 두고 양측에서 대향하게 원호상으로 자석(132)이 배열설치되고, 상기 회전축(1a)에 대해 슬라이드 이동이 가능하게 설치되는 한쌍의 자석디스크(130a)와;
    상기 한쌍의 자석 디스크(130a)와 상기 회전원판(110)에 각각 서로 마주 보고 대응되는 위치에 부착된 브레이크 패드(111)(131)와;
    상기 회전축(1a)을 제동시키기 위하여 상기 한쌍의 자석 디스크(130a)의 간격을 근접시키는 방향으로 이동시키거나 이격되는 방향으로 이동시키는 브레이크 작동 수단을 포함하되,
    상기 브레이크 작동 수단은,
    상기 한 쌍의 자석 디스크(130a)에 대해 각기 서로 반대방향의 나사결합이 이루어져 한쌍의 자석디스크(130a)를 서로 근접방향으로 이송시키거나 멀어지는 방향으로 이송시키기 위한 복수의 이송볼트(140)와;
    상기 이송볼트(140) 중 어느 하나를 브레이크 제어를 위하여 정/역방향 회전을 시키기 위한 모터(150)와;
    상기 모터(150)에 의해 회전되는 이송볼트와 다른 이송볼트를 동시에 동일한 방향으로 구동시키기 위하여 상기 다른 이송볼트와 상기 모터(150)의 회전축에 스프라켓(151)을 설치하고, 상기 다른 이송볼트 및 모터의 회전축에 설치된 스프라켓(151)을 연결하여 모터의 회전 동력을 전달하는 체인(152)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 수평형 풍력발전시스템.
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