KR101158611B1 - 풍력발전기의 풍량제어장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 풍량제어장치에 관한 것으로, 에어덕트와 긴급배기구와 보조덕트가 구비된 풍력발전기에 있어서, 상기 에어덕트의 중간에 설치된 터빈 전방에 설치되어, 바람을 공급시키거나 차단되도록 하는 개폐밸브; 상기 긴급배기구에 설치되어 상기 긴급배기구로 불어오는 바람을 개폐하기 위한 배출기구; 상기 보조덕트에 설치되어, 상기 에어덕트 내부로 바람을 추가 유입시키도록 하기 위한 풍량팬; 상기 에어덕트의 유입구 쪽 일 지점에 설치되어 상기 에어덕트를 통과하는 바람의 풍속 및 풍량을 측정하는 풍력측정수단; 및 상기 풍력측정수단으로부터 측정된 풍속 및 풍량을 파악하고, 상기 풍속 및 풍량에 따라 상기 개폐밸브와 배출기구와 풍량팬의 작동신호를 출력하도록 제어하는 제어유닛;을 포함하여 이루어지며, 풍동관을 통해 에어덕트에 공급된 자연풍의 풍속 및 풍량에 관계없이 터빈에 공급되는 바람을 항상 일정하게 제어하도록 하여 발전 효율을 향상시키도록 할 수가 있다.
풍량팬, 풍력발전기, 에어덕트, 보조덕트, 터빈

Description

풍력발전기의 풍량제어장치{Apparatus for controlling air volume in wind power electric generator}
본 발명은 풍력발전기의 풍량제어장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 풍동관을 통해 에어덕트에 공급된 자연풍의 풍속 및 풍량에 관계없이 터빈에 공급되는 바람을 일정하게 제어하기 위한 풍력발전기의 풍량제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 바람을 이용하여 발전을 하는 풍력발전기는 발전기의 회전축에 풍차를 설치하여, 바람에 의해 풍차가 회전됨에 따라 발생되는 회전력을 이용하여 발전을 할 수 있도록 구성된다.
그런데, 이러한 풍력발전기는 비교적 높은 풍속의 바람이 불어야만 풍차가 회전되어 발전이 이루어지므로, 바람이 많이 부는 특정한 지역을 제외하고 풍력발전기를 설치하는 것이 부적절하며, 바람의 에너지를 전기로 변환하는 효율이 매우 낮은 문제점이 있었다.
한편, 본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 집풍타워를 이용하여 바람을 집중시켜 풍속이 낮을 경우에도 발전을 할 수 있도록 된 새로운 구조의 풍 력발전장치를 특허출원한 바 있다(공개특허번호 10-2009-0021305호).
상기 풍력발전장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 지하에 발전기실(111)을, 지상에 집풍수단(112)을 각각 마련하고 있으며, 상기 집풍 수단(112)은, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 기초(基礎; 113)의 위쪽에 연직방향으로 세워서 설치한 통모양 부재로 구성되고 둘레면에는 다수개의 바람 도입구(117)가 형성된 풍동관(114)과, 상기 풍동관(114)의 둘레의 벽으로부터 법선 방향으로 설치된 복수의 집풍판(115)과, 상기 집풍판(115) 상호간 및 풍동관(114)의 상단 개구를 막는 천판(116)과, 인접하는 집풍판(115) 사이에 설치되어 상기 집풍판(115) 사이로 불어오는 바람을 상기 풍동관(114) 쪽으로 가이드하는 복수의 가이드판(118)과, 인접하는 집풍판(115) 사이에 설치되어 집풍판(115)의 외부로부터 집풍판(115)의 내부로 바람의 유통만을 허용하고 집풍판(115) 내부로부터 외부로의 유통을 규제하는 다수의 플랩(124, 129)으로 이루어진다.
상기 발전기실(111)에는 상기 풍동관(114)에 연통하는 지하 풍동관(130)이 설치되어, 이 지하 풍동관(130)내를 흐르는 바람에 의해 회전 구동되는 터빈(131)과, 이 터빈(131)에 의해 구동되는 발전기(132)와, 그 외의 송전설비 등이 설치되어 있다.
위와 같은 구조로 이루어지는 풍력발전장치는 풍동관(114)의 둘레부에 부는 바람이 상기 집풍판(115)과 가이드판(118)에 의해서 형성되는 유도통로에 안내되고, 다시 상기 바람 도입구(117)를 통해 풍동관(114)의 내부로 유입된 후 터빈(131)으로 공급되어, 터빈(131)과 터빈(131)에 연결된 발전기(132)를 회전시켜 발전을 할 수 있도록 구성된다.
따라서, 이러한 풍력발전장치는 다양한 방향으로부터 불어오는 바람을 유효하게 포집하여 상기 풍동관(114)의 내부로 바람이 집중 유입되도록 함으로써 바람의 풍속이 비교적 낮은 경우에도 지속적인 발전이 가능하므로, 풍력발전장치의 설치위치에 대한 제한요소가 적으며, 발전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
그러나, 이러한 풍력발전장치는 상기 집풍수단(112)을 이용하여 바람을 모아 터빈(131)에 공급하므로, 풍속 및 풍량 등이 갑자기 증가될 경우 풍동관(114)과 지하 풍동관(130) 또는 터빈(131) 및 발전기(132)가 손상될 수가 있고, 또 기준속도 이상의 풍속으로 바람이 지속적으로 불지 않을 경우 발전이 이루어지지 않는 문제점이 있다.
즉, 상기 터빈(131)에 연결된 발전기(132)에는 기동부하가 작용되므로, 정지된 터빈(131)을 다시 회전시킬 때는 회전되는 터빈(131)을 지속적으로 회전시킬 때보다 큰 힘을 터빈(131)에 가해야 한다. 따라서, 터빈(131)이 정지된 후 느린 속도의 바람이 불어오거나 빠른 속도의 바람이 간헐적으로 불어올 경우, 터빈(131)을 회전시킬 수 있는 바람의 풍속과 풍량이 확보됨에도 불구하고, 터빈(131)에 작용되는 기동부하를 이기지 못하여 터빈(131)이 회전되지 않게 되며, 이에 따라 발전이 이루어지지 않게 되는 경우가 자주 발생되었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 풍동관을 통해 에어덕 트에 공급된 자연풍의 풍속 및 풍량에 관계없이 터빈에 공급되는 바람을 일정하게 제어하기 위한 풍력발전기의 풍량제어장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전기의 풍량제어장치는, 일측에는 바람의 유입구가 형성되고, 타측에는 상기 유입구에서 유입된 바람을 배출시키기 위한 배출구가 형성되며, 상기 유입구와 상기 배출구 사이에는 터빈이 설치된 에어덕트; 상기 에어덕트의 유입구와 상기 터빈 사이에 형성되어 상기 에어덕트 내부의 풍속 및 풍량이 미리 설정된 기준 값 이상으로 상승되면, 상기 에어덕트 내의 바람을 외부로 배출되도록 하는 긴급배기구; 상기 에어덕트의 유입구와 상기 터빈 사이에 형성되어 상기 에어덕트 내부의 풍속 및 풍량이 미리 설정된 기준 값 이하로 하강되면, 상기 에어덕트 내부로 바람을 추가 유입시키기 위한 보조덕트; 상기 에어덕트의 터빈 전방에 설치되어, 상기 유입구에서 유입되는 바람을 상기 터빈 쪽으로 공급시키거나 차단되도록 하는 개폐밸브; 상기 긴급배기구에 설치되어 상기 긴급배기구로 불어오는 바람을 개폐하기 위한 배출기구; 상기 보조덕트에 설치되어, 상기 에어덕트 내부로 바람을 추가 유입시키도록 하기 위한 풍량팬; 상기 에어덕트의 유입구 쪽 일 지점에 설치되어 상기 에어덕트를 통과하는 바람의 풍속 및 풍량을 측정하는 풍력측정수단; 및 상기 풍력측정수단으로부터 측정된 풍속 및 풍량을 파악하고, 상기 풍속 및 풍량에 따라 상기 개폐밸브와 배출기구와 풍량팬의 작동신호를 출력하도록 제어하는 제어유닛;을 포함하여 이루어지고, 상기 풍력측정수단에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량보다 낮을 때에는, 상기 제어유닛은 상기 풍량팬을 작동하도록 하는 작동신호를 출력하고, 상기 풍력측정수단에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량보다 높을 때에는, 상기 제어유닛은 상기 배출기구를 개방함과 동시에 상기 개폐밸브를 상기 풍속 및 풍량에 따라 개도를 조정하도록 하는 제어신호를 출력하고, 상기 풍력측정수단에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량의 범위내에 있을 때에는, 상기 제어유닛은 상기 배출기구를 폐쇄하고, 상기 풍량팬의 작동을 정지하도록 함과 동시에 상기 개폐밸브를 완전히 개방하도록 하는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.
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상기 배출기구는, 상기 긴급배기구를 개폐하는 댐퍼판과, 상기 댐퍼판에 연결되어 상기 댐퍼판을 작동시키도록 하는 엑츄에이터로 구성되는 것이 바람직하다.
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본 발명에 따른 풍력발전기의 풍량제어장치는 풍동관을 통해 에어덕트에 공급된 자연풍의 풍속 및 풍량에 관계없이 터빈에 공급되는 바람을 항상 일정하게 제어할 수가 있다.
즉, 본 발명에 따른 풍력발전기의 풍량제어장치는 풍동관이나 에어덕트 내부의 기압이나 풍압, 풍속, 풍량 등이 과도하게 상승되면 댐퍼기구가 에어덕트에 형성된 긴급배기구를 개방하여 풍동관이나 에어덕트 내부의 기압을 낮춤으로써, 풍동관이나 에어덕트를 통해 공급되는 바람에 의해 풍동관이나 에어덕트 내부의 기압이나 풍압, 풍속, 풍량 등이 과도하게 상승되어 터빈이나 터빈에 연결된 발전기가 손상되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있고, 또 터빈이 정지된 상태에서 약한 바람이 불거나, 간헐적인 바람이 불어올 경우, 풍량팬을 이용하여 강제로 바람을 불어넣어 터빈을 회전시킴으로써, 약한 바람이 불거나 간헐적인 바람이 불어올 때 발전기의 기동부하에 의해 터빈이 회전되지 않게 되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 풍력발전기의 풍량제어장치는, 도 4에 도시된 바와 같이 에어덕트(10)와, 긴급배기구(20)와, 보조덕트(30)와, 개폐밸브(40)와, 배출기구(50)와, 풍량팬(60)과, 풍력측정수단(70)과, 제어유닛(80)을 포함하여 이루어진다.
상기 에어덕트(10)는 단면이 사각형이나 원형의 관 형태로 구성되며, 도 4에 도시된 바와 같이 일측에는 집풍타워(1)의 하단으로부터 연결되는 바람의 유입구(11)가 형성되고, 타측에는 상기 유입구(11)에서 유입된 바람을 배출시키기 위한 배출구(12)가 형성되며, 상기 유입구(11)와 상기 배출구(12) 사이에는 발전기(G)가 연결된 터빈(B)이 설치된다.
상기 집풍타워(1)는 바람을 모아 배출하도록 하기 위한 것으로서, 풍동관(2) 과 가이드부(3)로 이루어진다.
상기 풍동관(2)은, 기초(8)의 위쪽에 연직방향으로 세워서 설치한 통모양 부재의 내부에 형성되며, 둘레면에는 바람이 유입되는 다수개의 바람 도입구(2a)가 형성되어 있다.
상기 가이드부(3)는, 상기 풍동관(2)의 둘레부에 설치되어 외부에서 불어오는 바람을 상기 바람 도입구(2a)로 유도하는 유도통로(7)를 형성하기 위한 것으로서, 상기 풍동관(2)의 둘레부에 방사방향으로 배치되는 다수개의 집풍판(4)과, 인접하는 집풍판(4) 사이에 설치되며 상기 풍동관(2)의 둘레부에 상호 상하방향으로 이격되도록 배치된 다수개의 가이드판(5)으로 구성된다.
상기 긴급배기구(20)는 상기 에어덕트(10)의 유입구(11)와 상기 터빈(B) 사이에 형성되어 상기 에어덕트(10) 내부의 풍속 및 풍량이 미리 설정된 기준 값 이상으로 상승되면, 상기 에어덕트(10) 내의 바람을 외부로 배출되도록 한다.
상기 보조덕트(30)는 상기 에어덕트(10)의 유입구(11)와 상기 터빈(B) 사이에 형성되어 상기 에어덕트(10) 내부의 풍속 및 풍량이 미리 설정된 기준 값 이하로 하강되면, 상기 에어덕트(10) 내부로 바람을 추가 유입시키도록 하며, 후단부에는 후술하는 풍량팬(60)이 설치된다.
상기 개폐밸브(40)는 상기 에어덕트(10)의 터빈(B) 전방에 설치되어, 상기 유입구(11)에서 유입되는 바람을 상기 터빈(B) 쪽으로 공급시키거나 차단되도록 하며, 상기 에어덕트(10)의 개도를 완전히 폐쇄 또는 개방시킬 수 있는 것들이 이용될 수 있다.
상기 배출기구(50)는 상기 긴급배기구(20)에 설치되어 상기 긴급배기구(20)로 불어오는 바람을 개폐하기 위한 것으로서, 다양한 형태의 것이 이용될 수 있으며, 그 일 예로서는 도 4의 확대도에 도시된 바와 같이 상기 긴급배기구(20)의 중간부에 힌지결합되어 회동에 따라 상기 긴급배기구(20)를 개폐하는 댐퍼판(51)과, 상기 댐퍼판(51)에 연결되어 상기 댐퍼판(51)을 작동시키도록 하는 엑추에이터(52)로 구성할 수 있으며, 그 외 다른 실시예로서는 도 5의 확대도에 도시된 바와 같이 상기 긴급배기구(20)를 따라 전후진 가능하게 결합되는 밸브가 이용될 수 있으며, 상기 밸브는 상기 긴급배기구(20)의 내벽(55)에 설치되는 밸브시트(54)와, 상기 밸브시트(54)에 안착되고, 상기 긴급배기구(20)에 사전에 설정된 압력보다 높은 압력이 발생되면 상기 밸브시트(54)로부터 이탈되어 개방되는 밸브디스크(53)로 구성될 수 있다.
상기 풍량팬(60)은 상기 보조덕트(30)의 일지점에 설치되어, 작동시 발생되는 바람이 상기 보조덕트(30)와 에어덕트(10)를 통해 상기 에어덕트(10)에 설치된 상기 터빈(B)을 회전시키도록 하며, 바람을 발생시킬 수 있도록 된 일반적인 팬을 이용하여 상기 터빈(B)에 충분한 양의 바람을 공급할 수 있도록 구성된다.
상기 풍력측정수단(70)은 상기 에어덕트(10)의 유입구(11) 쪽 일 지점에 설치되어 상기 에어덕트(10)를 통과하는 자연풍의 풍속 및 풍량을 측정하기 위한 것으로서, 일반적인 에어플로우메터가 이용될 수 있다.
상기 제어유닛(80)은 상기 풍력측정수단(70)에 연결되어 상기 풍력측정수단(70)으로부터 측정된 풍속 및 풍량을 파악하고, 상기 풍속 및 풍량에 따라 상기 개폐밸브(40)와 배출기구(50)와 풍량팬(60)의 작동신호를 출력하도록 제어한다.
위와 같이 구성된 본 발명에 따른 풍력발전기의 제어장치는 풍동관(2)의 하단과 연결된 에어덕트(10)의 유입구(11)에 설치된 풍력측정수단(70)에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량보다 낮을 때에는, 제어유닛(80)은 풍량팬(60)을 작동하도록 하는 작동신호를 출력하도록 하여 보조덕트(30)를 통해 에어덕트(10) 내에 강제로 바람을 불어 넣어 터빈(B)이 정지되지 않고 지속적으로 회전시키도록 하고, 상기 풍력측정수단(70)에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량보다 높을 때에는, 상기 제어유닛(80)은 상기 배출기구(50)를 개방함과 동시에 상기 개폐밸브(40)를 상기 풍속 및 풍량에 따라 개도를 조정하도록 하는 제어신호를 출력하도록 하며, 상기 풍력측정수단(70)에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량의 범위내에 있을 때에는, 상기 제어유닛(80)은 상기 배출기구(50)를 완전히 폐쇄하고, 상기 풍량팬(60)의 작동을 정지하도록 함과 동시에 상기 개폐밸브(40)를 완전히 개방하도록 하는 제어신호를 출력하도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 풍력발전기의 제어장치는 바람이 장시간 불지 않아서 터빈(B)이 정지된 상태에서 매우 약한 바람이 불면, 풍량팬(60)을 이용하여 터빈(B)에 강제로 바람을 불어넣어 터빈(B)을 강제로 회전시킴으로써 약한 바람에도 터빈(B)이 회전되어 발전작용을 할 수 있는 장점이 있다. 즉, 일반적인 풍력발전기는 터빈(B)이 정지된 상태에서 약한 바람이 불어올 경우 발전기(G)의 기동부하에 의해 터빈(B)이 회전되지 않게 되지만, 본 발명에 따른 풍력발전기는 강제로 터빈(B)을 회전시켜 약하게 불어오는 바람에 의해 터빈(B)이 지속적으로 회전되도록 하여 발전을 할 수 있음으로써, 매우 약한 바람이 불어오더라도 효율적으로 발전을 할 수 있는 장점이 있다.
또한 위의 실시예의 경우, 상기 제어유닛(80)이 상기 풍력측정수단(70)에 의해 측정된 풍압과 풍량의 데이터를 감시하여 상기 개폐밸브(40)와 배출기구(50)와 풍량팬(60)의 작동여부를 제어하는 것을 예시하였으나, 필요에 따라, 상기 터빈(B)에 회전속도감지센서를 연결하여, 상기 풍력측정수단(70)과 회전속도감지센서의 출력데이터에 따라 개폐밸브(40)와 배출기구(50)와 풍량팬(60)의 작동여부를 제어하는 것도 가능하다.
도 1은 종래의 풍력발전기의 일 실시예를 나타낸 정면도,
도 2는 도 1의 평단면도,
도 3은 도 1의 종단면도,
도 4는 본 발명에 따른 풍력발전기의 풍량제어장치를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력발전기의 풍량제어장치의 다른 실시예를 도시한 측면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1:　집풍타워 2:　풍동관
3:　가이드부　　　　　4:　집풍판
5: 가이드판　　　　　7:　유도통로
10:　에어덕트　　 　　11： 유입구
12:　배출구　　 　　　20:　긴급배기구
30:　보조덕트　 　　　40:　개폐밸브
50:　배출기구 　　　　60:　풍량팬
70:　풍력측정수단　　 80:　제어유닛
B:　터빈　　　　　　　G:　발전기

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 일측에는 바람의 유입구(11)가 형성되고, 타측에는 상기 유입구(11)에서 유입된 바람을 배출시키기 위한 배출구(12)가 형성되며, 상기 유입구(11)와 상기 배출구(12) 사이에는 터빈(B)이 설치된 에어덕트(10);
    상기 에어덕트(10)의 유입구(11)와 상기 터빈(B) 사이에 형성되어 상기 에어덕트(10) 내부의 풍속 및 풍량이 미리 설정된 기준 값 이상으로 상승되면, 상기 에어덕트(10) 내의 바람을 외부로 배출되도록 하는 긴급배기구(20);
    상기 에어덕트(10)의 유입구(11)와 상기 터빈(B) 사이에 형성되어 상기 에어덕트(10) 내부의 풍속 및 풍량이 미리 설정된 기준 값 이하로 하강되면, 상기 에어덕트(10) 내부로 바람을 추가 유입시키기 위한 보조덕트(30);
    상기 에어덕트(10)의 터빈(B) 전방에 설치되어, 상기 유입구(11)에서 유입되는 바람을 상기 터빈(B) 쪽으로 공급시키거나 차단되도록 하는 개폐밸브(40);
    상기 긴급배기구(20)에 설치되어 상기 긴급배기구(20)로 불어오는 바람을 개폐하기 위한 배출기구(50);
    상기 보조덕트(30)에 설치되어, 상기 에어덕트(10) 내부로 바람을 추가 유입시키도록 하기 위한 풍량팬(60);
    상기 에어덕트(10)의 유입구(11) 쪽 일 지점에 설치되어 상기 에어덕트(10)를 통과하는 바람의 풍속 및 풍량을 측정하는 풍력측정수단(70); 및
    상기 풍력측정수단(70)으로부터 측정된 풍속 및 풍량을 파악하고, 상기 풍속 및 풍량에 따라 상기 개폐밸브(40)와 배출기구(50)와 풍량팬(60)의 작동신호를 출력하도록 제어하는 제어유닛(80);을 포함하여 이루어지고,
    상기 풍력측정수단(70)에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량보다 낮을 때에는, 상기 제어유닛(80)은 상기 풍량팬(60)을 작동하도록 하는 작동신호를 출력하고,
    상기 풍력측정수단(70)에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량보다 높을 때에는, 상기 제어유닛(80)은 상기 배출기구(50)를 개방함과 동시에 상기 개폐밸브(40)를 상기 풍속 및 풍량에 따라 개도를 조정하도록 하는 제어신호를 출력하고,
    상기 풍력측정수단(70)에서 측정된 풍속 및 풍량이 미리 설정된 풍속 및 풍량의 범위내에 있을 때에는, 상기 제어유닛(80)은 상기 배출기구(50)를 폐쇄하고, 상기 풍량팬(60)의 작동을 정지하도록 함과 동시에 상기 개폐밸브(40)를 완전히 개방하도록 하는 제어신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 풍량제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배출기구(50)는, 상기 긴급배기구(20)를 개폐하는 댐퍼판(51)과, 상기 댐퍼판(51)에 연결되어 상기 댐퍼판(51)을 작동시키도록 하는 엑추에이터(52)로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 풍량제어장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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