KR101317200B1 - 풍력발전장치 및 풍력발전방법 - Google Patents

풍력발전장치 및 풍력발전방법 Download PDF

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Abstract

풍력발전장치 및 풍력발전방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 바람에 따라 회전하여 바람이 지닌 에너지를 운동에너지로 변환하는 회전체, 자계를 형성하는 자계 형성부와, 회전체의 회전에 의하여 발생하는 자계 형성부와의 상대적 위치 변화에 따라 전류를 생성하는 제1 코일과 제2 코일이 감긴 전기자를 포함하는 발전기 및 바람의 세기에 따라 제1 코일과 제2 코일의 연결을 병렬 연결에서 직렬연결 또는 직렬연결에서 병렬연결로 변환시키는 연결 변환부를 포함한다.

Description

풍력발전장치 및 풍력발전방법{WIND POWER GENERATING APPARATUS AND WIND POWER GENERATING METHOD}
본 발명은 풍력발전장치 및 풍력발전방법에 관한 것이다.
최근 친환경 에너지에 대한 관심이 증대됨에 따라 다양한 에너지원에 대한 연구가 진행되고 있다. 그 중 바람을 이용하여 전기를 생산하는 풍력발전장치 시장이 급속히 성장하고 있다.
이와 같은 풍력발전은 날씨에 영향을 받는다. 즉, 바람의 세기에 따라 발전량이 달라질 수 있고, 바람의 세기가 기준치 이상인 환경이 되면 풍력발전장치의 동작이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다.
한국공개특허10-2011-0045832는 기계적 구성을 이용하여 바람의 세기 변화에 대응한다. 하지만 기계적 구성은 풍력발전장치의 구성을 복잡하게 할 뿐 아니라 무게를 증가시켜 조립, 유지 및 보수를 어렵게 만들 수 있다.
한국공개특허10-2011-0045832
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치 및 풍력발전방법은 간단한 구조를 통하여 바람의 세기 변환에 따른 풍력발전장치의 고장을 막고 풍력발전장치의 조립, 유지 및 보수의 용이성을 증대시키기 위한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 바람에 따라 회전하여 바람이 지닌 에너지를 운동에너지로 변환하는 회전체, 자계를 형성하는 자계 형성부와, 회전체의 회전에 의하여 발생하는 자계 형성부와의 상대적 위치 변화에 따라 전류를 생성하는 제1 코일과 제2 코일이 감긴 전기자를 포함하는 발전기 및 바람의 세기에 따라 제1 코일과 제2 코일의 연결을 병렬 연결에서 직렬연결 또는 직렬연결에서 병렬연결로 변환시키는 연결 변환부를 포함하는 풍력발전장치가 제공될 수 있다.
제1 코일과 제2 코일은 동일한 상을 지닌 전류를 생성할 수 있다.
풍력발전장치는 발전기에서 출력된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 컨버터를 더 포함하며, 연결 변환부는 컨버터로부터 센싱된 전압의 크기에 따라 제1 코일과 제2 코일의 연결을 변환시킬 수 있다.
풍력발전장치는 풍속 센서를 더 포함하며, 연결 변환부는 풍속 센서로부터 입력된 풍속에 따라 제1 코일과 제2 코일의 연결을 변환시킬 수 있다.
연결 변환부는 바람의 세기가 감소할 경우 제1 코일과 제2 코일을 직렬로 연결하고, 바람의 세기가 증가할 경우 제1 코일과 제2 코일을 병렬로 연결할 수 있다.
연결 변환부는 바람의 세기에 해당되는 신호값을 기준값과 비교하여 비교 결과에 해당되는 결과 신호를 출력하는 바람세기 판단부, 결과 신호에 따라 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부, 및 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 제1 코일 및 제2 코일의 연결을 변환시키는 스위칭부를 포함할 수 있다.
스위칭부는 제1 코일과 제2 코일의 일단들에 연결되는 제1 스위치, 제1 코일과 제2 코일의 타단들에 연결되는 제2 스위치, 및 제1 코일의 타단과 제2 코일의 일단에 연결되는 제3 스위치를 포함할 수 있다.
제1 스위치, 제2 스위치 및 제3 스위치는 각각 턴오프, 턴온 및 턴오프되어 제1 코일과 제2 코일이 직렬로 연결되고, 제1 스위치, 제2 스위치 및 제3 스위치는 각각 턴온, 턴오프 및 턴온되어 제1 코일과 제2 코일이 병렬로 연결될 수 있다.
제1 코일과 제2 코일의 감긴 방향은 전류의 방향에 대하여 동일할 수 있다.
연결 변환부는 바람의 세기가 증가할 때 병렬 회로수를 변경할 수 있다.
발전기는 영구자석 동기발전기일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 바람의 세기에 해당되는 신호값을 출력하는 단계, 신호값과 기준값을 비교하는 단계 및 신호값이 기준값보다 크면 발전기의 병렬 회로수를 증가시켜 발전기의 역기전력을 감소시키는 단계를 포함하는 풍력발전방법이 제공될 수 있다.
신호값이 기준값보다 작으면 발전기의 병렬 회로수를 유지하거나 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치 및 풍력발전방법은 바람의 세기에 따라 발전기의 코일에 의하여 형성되는 병렬 회로의 개수를 변화시켜 풍력발전장치의 고장의 조립, 유지 및 보수의 편의성을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 내부 구조를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 연결 변환부의 동작을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전방법의 순서도를 나타낸다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치를 나타내고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 내부 구조를 나타낸다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 회전체(110), 발전기(120), 연결 변환부(130)를 포함한다.
회전체(110)는 바람에 따라 회전하여 바람이 지닌 에너지를 운동에너지로 변환한다.
발전기(120)는 자계 형성부(121)와 전기자(123)를 포함한다. 자계 형성부(121)는 자계를 형성한다. 전기자(123)에는 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)가 감긴다. 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)는, 회전체(110)의 회전에 의하여 발생하는 자계 형성부(121)와의 상대적 위치 변환에 따라 전류를 생성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회전체(110)의 회전축(115)은 자계 형성부(121)의 회전축(115)과 연결될 수 있다. 이에 따라 회전체(110)의 회전에 따라 자계 형성부(121)가 회전하고 전기자(123)는 고정되어 회전하는 자계 형성부(121)와 고정된 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)의 상대적 위치 변화에 따라 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)에 전류가 생성될 수 있다.
도 1에는 도시되어 있지 않으나 이와 반대로 전기자(123)가 회전하고 자계 형성부(121)는 고정되어 회전하는 전기자(123)와 고정된 자계 형성부(121)의 상대적 위치 변화에 따라 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)에 전류가 생성될 수도 있다.
본 발명의 실시예에서 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)은 동일한 상을 지닌 전류를 생성하는 코일들일 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 발전기(120)가 3상 발전기인 경우 제1상의 전류는 단자 a1, a2, A1 및 A2를 통하여 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)을 흐를 수 있고, 제2 상의 전류는 단자 b1, b2, B1 및 B2를 통하여 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)을 흐를 수 있으며, 제3 상의 전류는 단자 c1, c2, C1 및 C2를 통하여 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)을 흐를 수 있다.
연결 변환부(130)는 바람의 세기에 따라 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 연결을 병렬 연결에서 직렬연결 또는 직렬연결에서 병렬연결로 변환시킨다. 이 때 컨버터(140)는 발전기(120)에서 출력된 교류 전류를 직류 전류로 변환하며, 직류 전류는 배터리(150)를 충전시킨다. 바람의 세기가 클수록 컨버터(140)로부터 출력되는 전압의 크기가 커지므로 연결 변환부(130)는 컨버터(converter)(140)로부터 센싱된 전압의 크기에 따라 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 연결을 변환시킬 수 있다.
컨버터(140)를 이용하는 방법 이외에 풍속 센서(160)를 이용하여 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 연결을 변환시킬 수 있다. 즉, 연결 변환부(130)는 풍속 센서(160)로부터 입력된 풍속에 따라 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 연결을 변환시킬 수 있다.
도 2에 도시된 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 권선 방식은 일례뿐이며 이와는 다른 권선 방식이 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치에 적용될 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 동작을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
발전기(120)의 출력은 mEI (m은 상수, E은 역기전력, I는 코일에 흐르는 전류)이다. 여기서 역기전력 E는 (KEωm)/ (KE 는 역기전력 상수, ωm은 속도)이다. 역기전력 상수 KE는 pkw1ZΦ1/(2am)이다. 이 때 p는 극쌍수, kw1은 기본파 권선계수, Z는 총도체수, m은 상수, a는 병렬회로수 그리고 Φ1은 기본파 공극자속이다.
발전기(120)에서 KE는 최대 속도에서 발생하는 역기전력 E가 전력용 반도체 소자의 내압을 초과하지 않는 범위 내에서 최대한 크게 설계될 수 있다. 출력을 최대한 확보하기 위해서는 KE를 증가시키는 설계가 이루어져야 하지만 반도체 소자의 내압으로 인해 KE의 선택은 제한을 받게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 경우 바람의 세기에 따라 KE의 변경이 가능하다. KE의 변경은 연결 변환부(130)가 바람의 세기에 따라 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 연결을 병렬 연결에서 직렬연결 또는 직렬연결에서 병렬연결로 변환시킴으로써 이루어질 수 있다.
예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 바람의 세기가 감소할 경우 연결 변환부(130)는 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)을 직렬로 연결하여 역기전력 상수 KE의 a 값을 감소시킴으로써 KE를 증가시킬 수 있다. 반대로 도 3b에 도시된 바와 같이, 바람의 세기가 증가할 경우 연결 변환부(130)는 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)을 병렬로 연결하여 역기전력 상수 KE의 a 값을 증가시킴으로써 KE를 감소시킬 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이, 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)에 한 상에 해당되는 코일들 일 수 있다.
연결 변환부(130)는 바람세기 판단부(131), 스위칭 제어부(133) 및 스위칭부(135)를 포함할 수 있다.
바람세기 판단부(131)는 바람의 세기에 해당되는 신호값을 기준값과 비교하여 비교 결과에 해당되는 결과 신호를 출력한다. 본 발명의 실시예에서 바람의 세기에 해당되는 신호값은 앞서 설명된 컨버터(140)로부터 센싱된 전압의 크기이거나 풍속 센서(160)로부터 출력된 신호값일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
스위칭 제어부(133)는 결과 신호에 따라 스위칭부(135)를 제어하기 위한 스위칭 제어신호를 출력한다.
스위칭부(135)는 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)의 연결을 변환시킨다.
스위칭부(135)는 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)를 포함할 수 있다. 이 때 스위칭부(135)의 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 스위칭 제어신호에 따라 턴온(turn-on) 또는 턴오프(turn-off)할 수 있다.
제1 스위치(S1)는 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 일단들에 연결되고, 제2 스위치(S2)는 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 타단들에 연결되며, 제3 스위치(S3)는 제1 코일(CO1)의 타단과 제2 코일(CO2)의 일단에 연결될 수 있다.
예를 들어, 제1 코일(CO1)의 일단과 타단이 각각 a1 및 a2이고 제2 코일(CO2)의 일단과 타단이 각각 A1 및 A2인 경우, 제1 스위치(S1)는 제1 코일(CO1)의 a1과 제2 코일(CO2)의 A1에 연결되고, 제2 스위치(S2)는 제1 코일(CO1)의 a2과 제2 코일(CO2)의 A2에 연결되며, 제3 스위치(S3)는 제1 코일(CO1)의 a2과 제2 코일(CO2)의 A1에 연결될 수 있다.
바람의 세기가 감소할 경우, 도 3a에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 각각 턴오프(turn-off), 턴온(turn-on) 및 턴오프(turn-off)됨으로써 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)이 직렬로 연결된다.
바람의 세기가 증가할 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 제3 스위치(S3)는 각각 턴온(turn-on), 턴오프(turn-off) 및 턴온(turn-on)됨으로써 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)이 병렬로 연결된다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 코일(CO1)과 제2 코일(CO2)의 감긴 방향은 전류의 방향에 대하여 동일할 수 있다. 즉, 도 3 및 도 3b에서 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)에 표기된 점(300)은 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)의 감긴 방향을 나타낸다. 도 3a 및 도 3b에서 제1 코일(CO1)과 제2코일이 직렬 연결 또는 병렬 연결된 경우, 전류는 점이 있는 제1 코일(CO1)의 일단에서 제1 코일(CO1)의 타단으로 흐르고, 점이 있는 제2 코일(CO2)의 일단에서 제2 코일(CO2)의 타단으로 흐를 수 있다.
이와 같이 연결 변환부(130)가 바람이 세게 불 때 병렬 회로수를 변경하여 역기전력을 낮게 유지함으로써 바람의 세기에 따른 과부하로부터 풍력발전장치를 보호할 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 바람 세기에 따른 과부하를 스위치들(S1, S2, S3)을 통하여 막으므로 풍력발전장치의 구조가 간단해질 뿐만 아니라 풍력발전장치의 조립, 유지 및 보수가 용이해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치의 발전기(120)는 영구자석 동기발전기일 수 있다. 이에 따라 발전기(120)의 자계 형성부(121)는 영구자석을 포함할 수 있다. 영구자석 동기발전기의 경우 자계의 세기가 일정하므로 바람의 세기에 따른 역기전력의 변화에 대응하기 어려울 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 바람의 세기에 따라 병렬 회로수를 변화시킬 수 있으므로 자계의 세기가 일정하더라도 바람의 세기에 따른 역기전력의 변화에 대응할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 회전체(110)와 발전기(120) 사이에 연결될 수 있는 변속기가 없더라도 바람 세기의 변화에 대응할 수 있다. 즉, 변속기는 바람의 세기가 변하더라도 발전기(120)가 일정한 회전수로 회전하도록 할 수 있다. 하지만 변속기는 기계적인 장치이므로 풍력발전장치의 구조를 복잡하게 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 연결변환부의 동작에 따라 바람의 세기 변화에 대응할 수 있으므로 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치가 변속기를 포함할 경우나 포함하지 않을 경우에 상관없이 바람의 세기 변화에 대응할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치는 회전체(110)의 회전축(115)이 지면에 수직인 수직축 풍력발전장치일 수도 있고, 회전체(110)의 회전축(115)이 지면에 수평인 수평축 풍력발전장치일 수도 있다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전방법의 순서도를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전방법은 바람의 세기에 해당되는 신호값을 출력하는 단계(S110), 신호값과 기준값을 비교하는 단계(S120), 및 신호값이 기준값보다 크면 발전기(120)의 병렬 회로수를 증가시켜 발전기(120)의 역기전력을 감소시키는 단계(S130)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전방법에서 신호값이 기준값보다 작으면 발전기(120)의 병렬 회로수를 유지하거나 감소시킬 수 있다. 즉, 앞서 설명된 바와 같이 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)의 직렬 연결 상태를 유지하거나 제1 코일(CO1) 및 제2 코일(CO2)의 병렬 연결 상태를 직렬 연결 상태로 변환할 수 있다.
신호값, 신호값과 기준값의 비교, 병렬 회로수의 증가 등에 대해서는 앞서 상세히 설명되었으므로 이에 대한 설명은 생략된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (13)

  1. 바람에 따라 회전하여 상기 바람이 지닌 에너지를 운동에너지로 변환하는 회전체;
    자계를 형성하는 자계 형성부와, 상기 회전체의 회전에 의하여 발생하는 상기 자계 형성부와의 상대적 위치 변화에 따라 전류를 생성하는 제1 코일과 제2 코일이 감긴 전기자를 포함하는 발전기; 및
    바람의 세기에 따라 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 연결을 병렬 연결에서 직렬연결 또는 직렬연결에서 병렬연결로 변환시키는 연결 변환부
    를 포함하는 풍력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 코일과 상기 제2 코일은 동일한 상을 지닌 전류를 생성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 풍력발전장치는 상기 발전기에서 출력된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 컨버터를 더 포함하며,
    상기 연결 변환부는 상기 컨버터로부터 센싱된 전압의 크기에 따라 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 연결을 변환시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 풍력발전장치는 풍속 센서를 더 포함하며,
    상기 연결 변환부는 상기 풍속 센서로부터 입력된 풍속에 따라 상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 연결을 변환시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연결 변환부는 바람의 세기가 감소할 경우 상기 제1 코일과 상기 제2 코일을 직렬로 연결하고,
    바람의 세기가 증가할 경우 상기 제1 코일과 상기 제2 코일을 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연결 변환부는
    바람의 세기에 해당되는 신호값을 기준값과 비교하여 비교 결과에 해당되는 결과 신호를 출력하는 바람세기 판단부,
    상기 결과 신호에 따라 스위칭 제어신호를 출력하는 스위칭 제어부, 및
    상기 스위칭 제어신호에 따라 스위칭 동작을 수행하여 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 연결을 변환시키는 스위칭부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스위칭부는
    상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 일단들에 연결되는 제1 스위치,
    상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 타단들에 연결되는 제2 스위치, 및
    상기 제1 코일의 타단과 상기 제2 코일의 일단에 연결되는 제3 스위치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 각각 턴오프, 턴온 및 턴오프되어 상기 제1 코일과 상기 제2 코일이 직렬로 연결되고,
    상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치는 각각 턴온, 턴오프 및 턴온되어 상기 제1 코일과 상기 제2 코일이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 코일과 상기 제2 코일의 감긴 방향은 전류의 방향에 대하여 동일한 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 연결 변환부는 바람의 세기가 증가할 때 병렬 회로수를 변경하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발전기는 영구자석 동기발전기인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  12. 바람의 세기에 해당되는 신호값을 출력하는 단계;
    상기 신호값과 기준값을 비교하는 단계; 및
    상기 신호값이 상기 기준값보다 크면 발전기의 병렬 회로수를 증가시켜 상기 발전기의 역기전력을 감소시키는 단계
    를 포함하는 풍력발전방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 신호값이 상기 기준값보다 작으면 상기 발전기의 병렬 회로수를 유지하거나 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전방법.
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