KR101120576B1

KR101120576B1 - 풍력 발전장치

Info

Publication number: KR101120576B1
Application number: KR1020100033836A
Authority: KR
Inventors: 김봉택; 김효상
Original assignee: 김효상; 김봉택
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2012-03-09
Also published as: KR20110114277A

Abstract

풍력에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전윙과, 회전윙에 연결되어 함께 회전되는 회전축과, 회전축에서 전달되는 동력에 의해 전기에너지를 생산하는 발전유닛과, 풍력을 측정하기 위한 풍력계와, 회전윙에 작용하는 토크의 크기를 조절하는 토크 조절부 및 풍력계에서 측정된 풍력 양에 따라서 토크 조절부를 제어하여 회전윙의 토크를 조절하기 위한 제어부를 포함하는 풍력 발전장치가 개시된다. 개시된 풍력장치에 의하면, 바람의 세기게 따라서 회전윙의 회전토크의 크기를 조절하여 회전윙이 적정 범위 내에서 회전될 수 있도록 하여 발전양을 안정적으로 확보할 수 있게 된다.

Description

풍력 발전장치{WIND POWER GENERATING APPARATUS}

본 발명은 풍력장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력의 양에 따라서 회전윙의 회전토크를 조절하여 안정적인 풍력발전이 이루어질 수 있는 풍력 발전장치에 관한 것이다.

풍력발전장치는 공기의 유동 즉, 바람이 가진 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 뒤, 이를 이용하여 전기에너지를 생산하는 장치로서, 어느 곳에나 존재하는 바람을 에너지원으로 이용할 수 있기 때문에 에너지원 사용에 소모되는 비용이 들지 않고, 또한 환경저해요인이 거의 없는 친환경적인 발전장치이므로 그 사용범위가 점차 증가하고 있다.

풍력발전장치는 수평축 풍력발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 수직축 풍력발전장치(vertical axis wind turbine)로 구분될 수 있다. 수평축을 이용하는 방식은 프로펠러 방식으로서 공기 역학적으로 바람의 양력(lift force)을 이용한 블레이드로 구성된 로터를 사용하여 발전 효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꾸어 주어야 하며, 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꾸어 주어야 하는 장치가 필요하다.

수직형의 경우에는 바람의 양력을 이용하는 방식인 다리우스식(Darrius Rotor)과, 바람의 항력을 이용하는 사보니우스식(Savonius Rotor)이 있으나 다리우스식의 경우는 발전장치의 출력이 약하고 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전동력 장치가 필요하다는 문제가 있으며, 사보니우스식의 경우는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없으므로 회전축의 회전수에 제한을 받으므로 회전수가 낮은 풍력동력기로 주로 사용되고 있다.

이와 같이 수평식 또는 수직식 모두 그 장단점을 가지고 있는데, 특히 바람의 양에 따라서 그 회전윙의 회전속도에 큰 영향을 주게 되고, 결국 발전양은 물론 기계적인 구성에도 영향을 주게 된다. 특히, 소용량 풍력발전장치의 경우에는, 그 회전윙의 크기가 작기 때문에, 바람의 양의 변화에 따라서 회전윙의 회전속도에 큰 차이가 발생하게 되어 안정적인 발전을 보장하기 어려운 문제점이 있다. 즉, 바람이 너무 약하면 회전윙이 충분한 회전력을 발휘하지 못하게 되고, 바람이 너무 센 경우에는 회전윙이 너무 빨리 회전하여 발전장치 자체에 부하가 발생하거나, 부품 등에 손상이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 바람의 양에 따라서 회전토크를 조절하여 안정적으로 발전을 할 수 있도록 개선된 풍력 발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력 발전장치는, 풍력에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전윙과; 상기 회전윙에 연결되어 함께 회전되는 회전축과; 상기 회전축에서 전달되는 동력에 의해 전기에너지를 생산하는 발전유닛과; 풍력을 측정하기 위한 풍력계와; 상기 회전윙에 작용하는 토크의 크기를 조절하는 토크 조절부; 및 상기 풍력계에서 측정된 풍력 양에 따라서 상기 토크 조절부를 제어하여 상기 회전윙의 토크를 조절하기 위한 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 토크 조절부는, 상기 회전축에 접촉 및 이격되게 설치되는 마찰패드와; 상기 마찰패드를 지지한체 함께 왕복 이동 가능한 가동부재; 및 상기 가동부재를 왕복 이동되게 하는 구동부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 토크 조절부는, 상기 회전축의 회전속도를 가변시켜 상기 발전유닛으로 전달하기 위한 변속유닛을 더 포함하는 것이 좋다.

또한, 상기 발전유닛에서 발전되는 전기에너지를 충전하는 충전지를 더 포함하며, 상기 토크 조절부는 상기 충전지에 충전된 전원을 이용하여 구동제어되는 것이 좋다.

또한, 상기 풍력계에서 측정되는 풍력 양에 따라 상기 토크 조절부를 제어하여 회전윙의 토크를 조절하기 위한 기준값이 룩업테이블로 저장되는 저장부; 및 상기 저장부에 데이터를 입력하기 위한 입력부;를 더 포함하는 것이 좋다.

본 발명의 풍력 발전장치에 따르면, 풍력 양 즉, 풍력의 크기를 측정하고, 측정결과에 따라서 회전윙에 작용하는 토크의 크기를 증대시키거나, 감소시킴으로써 회전윙이 풍력 양에 상관없이 항상 적정범위의 회전속도로 회전되도록 제어할 수 있다.

따라서, 종래와 같이 풍력 양에 따라 회전윙의 회전속도가 너무 빠르거나, 또는 회전하지 못하여 발생되는 문제점을 해결하고, 안정적으로 전기에너지를 생산할 수 있다. 즉, 바람이 세게 불 때에는 회전윙의 회전토크를 크게 하여 회전되게 하여 회전윙이 너무 빠르게 회전하지 않도록 제어하더라도 충분한 발전양을 얻을 수 있도록 할 수 있고, 빨리 회전함에 따른 고장원인 및 부품의 부하를 줄일 수 있다. 그리고 바람이 약하게 불 때에는 회전윙의 회전토크를 작게 조절함으로써 약한 바람에도 회전윙이 빠르게 회전하도록 하여 원하는 발전양을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전장치를 나타내 보인 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전장치를 나타내 보인 개략적인 블록 구성도.
도 3은 도 1의 마찰력 발생부를 설명하기 위한 부분 단면도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전장치를 설명하기 위한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전장치를 자세히 설명하기로 한다.

도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전장치(100)는, 풍력에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전윙(10)과, 상기 회전윙(10)에 연결되어 함께 회전되는 회전축(20)과, 상기 회전축(20)에서 전달되는 동력에 의해 전기에너지를 생산하는 발전유닛(30)과, 풍력을 측정하기 위한 풍력계(40)와, 상기 풍력계(40)에서 측정한 풍력 양에 따라서 회전윙(10)의 토크를 조절하기 위한 토크 조절부(50) 및 제어부(60)를 구비한다.

상기 회전윙(10)은 복수 개가 회전중심의 몸체(11)를 중심으로 하여 방사상으로 복수 설치되며, 그 형상이나, 개수, 길이, 사이즈는 다양하게 제작될 수 있다. 이러한 회전윙(10)에는 상기 회전축(20)이 결합되어, 풍력에 의해 회전축(20)과 함께 회전된다.

상기 회전축(20)은 발전장치(100)의 장치하우징(110)에 회전 가능하게 연결되며, 후술할 변속유닛(71)으로 회전력을 전달한다.

상기 발전유닛(30)은 회전윙(10)의 회전력을 전달받아서 전기에너지를 생산하기 위한 것으로서, 통상 로터와 스테이터로 구성된다. 이러한 발전유닛(30)은 일반적으로 널리 알려진 기술로부터 쉽게 이해될 수 있는 것이므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 실시예에서는 발전유닛(30)은 회전축(20) 및 변속유닛(71)을 거쳐 전달되는 회전력을 이용하여 전기를 생산한다. 발전유닛(30)에서 생산된 전기에너지는 충전지(70)로 전달되어 충전되거나 또는 직접 전기 사용처로 공급되어 사용될 수 있다. 이러한 발전유닛(30)은 장치하우징(110) 내에 설치될 수 있다.

상기 풍력계(40)는 회전윙(10)의 주변에서의 풍력을 측정하도록 설치되며, 측정된 풍력값은 상기 제어부(60)로 전달된다.

상기 토크 조절부(50)는 회전축(20) 주위에 설치되는 하우징(51) 내에 설치될 수 있으며, 그 하우징(51) 내부에 하나 또는 복수개가 구비될 수 있다. 도 3은 하나의 토크 조절부(50)가 하우징(51) 내에 설치된 것을 도시한 것으로서, 토크 조절부(50)는 마찰패드(52)와, 가동부재(53) 및 구동부(54)를 구비한다. 상기 마찰패드(52)는 회전축(20)의 외측에 선택적으로 접촉 및 분리되는 것으로서, 접촉시에는 회전축(20)과의 마찰력에 의해 회전축(20) 즉, 회전윙(10)에 큰 토크를 발생시키게 된다. 여기서 바람직하게는 회전축(20)에는 마찰패드(52)와 접촉을 위한 고정패드(21)가 고정 설치되는 것이 바람직하다. 따라서 마찰패드(52)와 회전축(20)이 직접 접촉되어 마찰에 의해 회전축(20)이 손상되지 않도록 하고, 별도의 고정패드(21)는 마모에 강한 금속재질로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 마찰패드(52)는 가동부재(53)에 연결되어 지지되며, 그 가동부재(53)의 전진 및 후진운동 즉, 왕복 이동시 함께 이동되어 고정패드(21)에 접촉 및 분리될 수 있게 된다.

상기 구동부(54)는 가동부재(53)를 왕복 구동시키기 위한 것으로서, 본 발명에서는 솔레노이드인 것을 예로 들어 도시하였다. 즉, 구동코일이 권선된 구조로서 구동부(54)를 마련하고, 가동부재(53)는 마그네트로 구성함으로써, 솔레노이드로 전기에너지를 공급시 발생하는 자력에 의해 가동부재(63)가 회전축(20) 쪽으로 강제로 이동하도록 함으로써, 마찰패드(52)가 고정패드(21)에 접촉되어 마찰력을 발생시키게 된다. 따라서 회전윙(10)에 큰 토크를 발생시켜서 풍력이 크더라도 너무 빨리 회전되지 않도록 제어할 수 있게 된다. 또한, 구동부(54)로 인가되는 잔류량을 제어함으로써, 마찰패드(52)가 고정패드(21)에 접촉되는 압력을 조절하여 회전토크를 보다 정밀하게 조절할 수 있다.

상기와 같이 구동되는 토크 조절부(50)는 제어부(60)에 의해 그 구동이 제어된다. 즉, 제어부(60)는 풍력계(40)에서 측정된 풍력 양에 따라서 회전윙(10)에 작용하는 토크의 크기를 가변시키도록 상기 구동부(54)의 구동을 선택적으로 제어한다. 예를 들어, 풍력이 큰 경우에는, 회전윙(10)이 너무 빨리 회전되는 것을 방지하도록 구동부(54)를 구동제어하여 마찰패드(52)가 고정패드(21)에 접촉되도록 함으로써, 회전윙(10)에 큰 회전토크가 걸리도록 하여 회전속도가 빠르지 않게 조절하여 필요 이상의 고속회전으로 인한 장치의 손상 및 고장발생을 줄일 수 있다.

또한, 풍력이 기준 이하로 작은 경우에는, 회전윙(10)에 회전토크가 작게 걸리도록 마찰패드(52)를 고정패드(21)로부터 이격시킴으로써, 작은 힘에도 회전윙(10)이 일정 속도 이상으로 회전되어 전기에너지를 충분히 생산할 수 있도록 할 수 있다.

또한, 바람직하게는 변속유닛(71)이 더 구비됨으로써, 회전축(20)에서 발전유닛(30)으로 전달되는 회전속도를 가변시켜 전달할 수 있게 된다. 따라서 상기 토크 조절부(50)와 더불어서 발전유닛(30)으로 전달되는 회전속도를 제어하여 안정적인 발전이 이루어질 수 있도록 할 수 있다. 상기 변속유닛(71)은 변속기(72)와 변속기 구동부(73)를 구비하며, 상기 제어부(60)에 의해 구동제어될 수 있다.

또한, 바람직하게는 저장부(81)와, 입력부(82) 및 통신부(83)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 저장부(81)에는 토크 조절부(50)를 구동 제어하기 위한 기준값이 풍력의 세기에 따라서 룩업테이블 형태로 저장될 수 있다. 따라서 제어부(60)는 풍력계(40)에서 측정된 풍력 측정값을 저장부(81)에 룩업테이블 형태로 저장된 기준값과 비교하고, 기준값에 대응되는 마찰력이 회전축(20)에 발생하도록 상기 구동부(54)의 구동을 정밀 제어함으로써, 풍력의 크기에 대응하여 회전윙(10)이 항상 일정범위 내의 회전속도로 회전될 수 있게 제어할 수 있게 된다.

상기 입력부(82)를 통해서는 상기 저장부(81)에 저장되는 데이터를 입력할 수 있게 되며, 별도의 제어신호를 입력할 수도 있다.

상기 통신부(83)는 풍력 발전장치(100)의 관리자나 소유자의 단말기로 발전장치(100)의 구동상태 정보, 예를 들어 측정된 풍력값, 회전윙(10)의 회전속도, 발전유닛(30)에서의 발전량 등에 대한 정보를 무선 통신망을 통해 전송할 수 있다. 따라서, 관리자나 소유자는 직접 현장에서 발전장치(100)를 점검하지 않고도 운영상태를 파악할 수 있게 된다. 즉, 풍력계(40)에서 측정된 풍력 측정값이 기준값 이상으로 큰 것으로 확인되었는데, 회전윙(10)의 회전속도는 기준속도를 초과하여 너무 빨리 또는 기준속도를 미달하여 너무 느리게 회전될 경우, 발전장치(100)의 이상동작으로 확인하여 빨리 점검하고, 고장 발생시에는 그 원인을 신속하여 처리할 수 있게 된다.

또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 발전장치(100')의 경우에는, 토크 조절부(50')가 복수 설치된 점에 특징이 있다. 이 경우, 복수의 토크 조절부(50') 각각의 구성은 앞서 도 3을 통해 설명한 토크 조절부(50)와 동일한 구성을 가진다. 상기 복수의 토크 조절부(50') 각각은 회전축(20)을 중심으로 일정한 각도로 이격되게 배치되며, 제어부(60)에 의해 독립적으로 온/오프 구동제어됨으로써, 고정패드(21)에 선택적으로 접촉 및 분리될 수 있다. 물론, 복수의 토크 조절부(50')는 도 4 및 도 5에 도시된 것과는 달리, 회전축(20)의 축방향으로 서로 나란하게 일렬 또는 복수열로 배치될 수도 있다.

이와 같이 토크 조절부(50')를 복수 구비함으로써, 풍력의 크기에 따라서 회전축(20)에 발생시킬 수 있는 마찰력의 크기를 단계적으로 세밀하게 제어할 수 있게 됨으로써, 회전윙(10)의 회전속도의 오차범위를 줄일 수 있고, 발전량을 일정하게 유지시킬 수 있게 된다.

예를 들어, 풍력이 너무 작은 경우에는 도 4와 같이 4개의 토크 조절부(50')를 모두 오프(OFF)시켜서, 회전축(20)에 마찰력을 발생시키지 않도록 한다. 그러면, 회전윙(10)의 토크가 최소가 되어, 작은 풍력으로도 빠르게 회전하도록 하여 충분한 양의 전기에너지를 생산할 수 있게 된다.

이에 반하여 풍력이 1단계의 기준값 이상인 것으로 측정된 경우, 도 5와 같이 하나의 토크 조절부(50') 만을 온 구동시켜서, 1단계에 해당되는 마찰력만을 회전축(20)에 제공하여 회전윙(10)의 회전속도를 제어할 수 있다.

여기서, 풍력의 크기는 1단계, 2단계, 3단계 및 4단계 순으로 기준을 두어 설정될 수 있으며, 풍력계(40)에서 측정된 풍력값이 어느 단계에 해당되는지에 따라서 1개 내지 4개의 토크 조절부(50')를 선택적으로 구동제어하여 마찰력을 조절할 수 있게 된다. 즉, 풍력의 크기에 비례하여 토크를 증대시킬 수 있도록 토크 조절부(50')의 구동숫자도 늘어나게 되는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전장치에 의하면, 풍력의 크기에 따라서 회전윙(10)에 걸리는 토크의 크기를 조절할 수 있기 때문에, 회전윙(10)을 일정 범위 내의 적정속도로 회전되도록 하여 외부조건에 상관없이 안정적으로 발전을 할 수 있게 된다.

특히, 소용량으로 제작되어 보급될 경우, 회전윙(10)이 고속회전으로 인하여 부품 등이 파손되거나 고장나는 것을 방지할 수 있으며, 또한, 회전윙(10)의 회전속도가 모자라 정상적으로 발전을 못하는 경우를 방지하여 안정적으로 전기에너지의 공급할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

10..회전윙 20..회전축
30..발전유닛 40..풍력계
50..토크 조절부 60..제어부
70..충전지 71..변속유닛
81..저장부 82..입력부
83..통신부

Claims

풍력에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전윙과;
상기 회전윙에 연결되어 함께 회전되는 회전축과;
상기 회전축에서 전달되는 동력에 의해 전기에너지를 생산하는 발전유닛과;
풍력을 측정하기 위한 풍력계와;
상기 회전윙에 작용하는 토크의 크기를 조절하는 토크 조절부; 및
상기 풍력계에서 측정된 풍력 양에 따라서 상기 토크 조절부를 제어하여 상기 회전윙의 토크를 조절하기 위한 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항에 있어서, 상기 토크 조절부는,
상기 회전축에 접촉 및 이격되게 설치되는 마찰패드와;
상기 마찰패드를 지지한체 함께 왕복 이동 가능한 가동부재; 및
상기 가동부재를 왕복 이동되게 하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제2항에 있어서, 상기 토크 조절부는,
상기 회전축의 회전속도를 가변시켜 상기 발전유닛으로 전달하기 위한 변속유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제2항에 있어서, 상기 발전유닛에서 발전되는 전기에너지를 충전하는 충전지를 더 포함하며,
상기 토크 조절부는 상기 충전지에 충전된 전원을 이용하여 구동제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력계에서 측정되는 풍력 양에 따라 상기 토크 조절부를 제어하여 회전윙의 토크를 조절하기 위한 기준값이 룩업테이블로 저장되는 저장부; 및
상기 저장부에 데이터를 입력하기 위한 입력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전장치.