KR101415461B1 - 풍력발전 열원화 시스템 - Google Patents

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KR101415461B1 KR1020130139223A KR20130139223A KR101415461B1 KR 101415461 B1 KR101415461 B1 KR 101415461B1 KR 1020130139223 A KR1020130139223 A KR 1020130139223A KR 20130139223 A KR20130139223 A KR 20130139223A KR 101415461 B1 KR101415461 B1 KR 101415461B1
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김성호
문대선
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군산대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 잉여 전력을 열원 에너지로 변환할 수 있도록 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템에 관한 것으로,
이는 풍속에 비례하는 3상 전압을 생성하는 윈드 터빈; 상기 윈드 터빈의 3상 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기; 상기 정류기의 직류 전압을 정격 전압으로 레벨 변환하는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 이용하여 충전 동작을 수행하는 배터리; 상기 정류기의 출력단과 접지 사이에 연결되며, 상기 정류기의 출력단에서 접지로 흐르는 전류를 이용하여 발열 동작을 수행하는 히터부; 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 통해 상기 배터리가 충전 동작을 수행하도록 하되, 잉여 전력이 발생하는 경우에는 상기 히터부에 전류를 흘려 상기 윈드 터빈의 회전수를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

풍력발전 열원화 시스템{wind power heating generation system}
본 발명은 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존 풍력발전시스템의 정격 풍속이상의 풍속에서 발생되는 블레이드로부터 얻어지는 전력을 전체 풍력발전시스템의 안전성확보를 위해 강제로 소비해 온 잉여의 전력을 열원으로 활용할 수 있도록 하는 100Kw급 이하의 소형 풍력발전 열원화 시스템에 관한 것이다.
일반적인 풍력발전시스템은 도1에 도시된 바와 같이, 바람 에너지를 기계적인 토크로 변환시키는 블레이드, 블레이드로부터 생성된 토크를 기반으로 전기적 에너지로 변환시키는 발전기 및 발전기로부터 생산되는 전력을 배터리 또는 그리드에 연계를 위한 충전장치 및 그리드연계 설비 등으로 구성된다.
도2는 도1의 풍력발전시스템의 에너지 변환 특성 및 효율을 도시한 도면으로, LINE1으로 표현되는 풍속 v의 바람이 갖는 에너지(wind energy)는 풍속이 증가함에 따라 풍속의 3승에 비례하는 에너지를 갖게 된다.
그러나 일반적인 풍력발전기는 LINE2로 표현되는 이상적 전력 커브(ideal power curve)와 같이 시동풍속(Cut-in)에서 정격풍속(rated speed)에서는 바람이 갖고 있는 에너지의 기계적 및 전기적 손실을 제외한 약 40% 정도만을 전기적인 에너지로 변환을 하며, 정격풍속에서 차단 풍속사이에서는 블레이드의 과도한 회전으로 인해 발전기 과열 및 이로 인한 진동으로 풍력발전시스템 전체 안정도를 위협하기 때문에 안정도의 확보를 위해 발전기의 정격 회전수에 맞춰 회전하도록 스톨 또는 피치 제어를 통해 인위적으로 에너지변환 효율을 낮춰 블레이드의 회전수를 일정하게 유지하도록 설계된다. 이를 나타낸 것이 LINE3으로 표현되는 전력계수(power coefficient)이다.
MW급 풍력발전 열원화 시스템의 경우에는 정격풍속에서 차단풍속사이의 풍속에서는 피치 제어기가 일반적으로 사용되고 있으나, 100KW급 이하의 소형 풍력발전 열원화 시스템에서는 도3에서와 같이 덤프 로드(dump load)를 구비하고, 이를 통해 정격풍속이상에서 발생되는 과도한 에너지를 단순 소비하거나 기계적으로 과풍속시 회전수를 고의로 저하시키는 방법 등이 사용되고 있다(국내공개특허 제2012-0057851호 참고).
즉, 종래의 소형 풍력발전 시스템은 정격풍속이상에서 발생되는 바람에너지를 단순히 열로 소비하여 회전속도를 제어하고 있어 바람에너지를 재활용하도록 하는 수단을 구비하지 못해, 잉여 전력이 효과적으로 활용되지 못하는 단점이 있었다.
이에 본 발명은 잉여 전력을 열원 에너지로 재활용할 수 있도록 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템을 제공하고자 한다.
또한 소형 풍력발전 열원화 시스템이 설치된 지역의 기후에 따라 전기 에너지와 열원 에너지 생성 비율을 탄력적으로 조절할 수 있도록 함으로써, 에너지 활용 효율이 극대화될 수 있도록 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템은 풍속에 비례하는 3상 전압을 생성하는 윈드 터빈; 상기 윈드 터빈의 3상 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기; 상기 정류기의 직류 전압을 정격 전압으로 레벨 변환하는 DC/DC 컨버터; 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전력을 이용하여 충전 동작을 수행하는 배터리; 상기 정류기의 출력단과 접지 사이에 연결되며, 상기 정류기의 출력단에서 접지로 흐르는 전류를 이용하여 발열 동작을 수행하는 히터부; 및 상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 통해 상기 배터리가 충전 동작을 수행하도록 하되, 잉여 전력이 발생하는 경우에는 상기 히터부에 전류를 흘려 상기 윈드 터빈의 회전수를 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 히터부는 다수의 히터를 구비하며, 상기 잉여 전력의 크기에 비례하여 발열 동작을 수행하는 히터의 개수가 조절될 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기 시스템은 상기 다수의 히터 각각에 대응되는 스위치를 구비하고, 상기 제어부의 제어하에 상기 다수의 히터 각각의 전류 도통 여부를 결정하는 스위칭부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 배터리가 완충 또는 과충전되면, 상기 배터리와 상기 히터부를 연결하여 상기 히터부가 상기 배터리의 잉여 충전량을 이용하여 발열 동작을 수행하도록 하는 기능을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 제어부는 정격 속도와 배터리 용량 중 적어도 하나를 조정하여, 열원 에너지 생성 비중을 제어하는 기능을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 시스템은 상기 DC/DC 컨버터와 상기 배터리 사이에 연결된 계통 연계형 인버터를 더 구비할 수 있으며, 이때의 상기 제어부는 상기 배터리가 완충 또는 과충전되고 상기 히터부가 기 설정된 값 이하로 작아지면, 상기 계통 연계형 인버터를 통해 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전력을 외부의 계통 연계 설비에 제공하는 기능을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 제어부는 상기 배터리의 충전량이 기 설정된 값보다 작아지면, 상기 배터리와 상기 히터부간 연결을 해제하는 기능을 더 포함할 수 있다.
뿐 만 아니라 상기 제어부는 풍속이 시동 풍속 보다 작으면, 상기 DC/DC 컨버터와 상기 배터리의 연결을 해제하는 기능을 더 포함할 수 있다.
더하여 상기 제어부는 풍속이 과 풍속 이상이 되면, 시스템 셧 다운(shut down) 동작을 수행하는 기능을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 풍력발전소형 풍력발전 열원화 시스템은 잉여 전력 발생시, 잉여 전력에 따른 전류를 히터부를 통해 흐르도록 하여, 잉여 전력이 열원 에너지로 재활용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한 소형 풍력발전 열원화 시스템이 설치된 지역의 기후를 고려하여 열원 에너지 필요 정도를 파악하고, 이에 따라 전기 에너지와 열원 에너지 생성 비율을 탄력적으로 조절하도록 함으로써, 에너지가 낭비되는 것을 사전에 방지해준다.
뿐만 아니라, 그럼에도 불구하고 잉여 전력이 발생하게 되면, 잉여 전력을 매전할 수 있도록 함으로써, 에너지가 불필요하게 낭비되는 것이 최소화될 수 있도록 해준다.
도1은 일반적인 풍력발전시스템을 도시한 도면이다.
도2는 도1의 풍력발전시스템의 에너지 변환 특성 및 효율을 도시한 도면이다.
도3은 종래의 기술에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템을 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템을 도시한 도면이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 속도 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템의 전력 특성 곡선을 도시한 도면이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 구간에서의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 구간에서의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 구간에서의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템의 적용예를 도시한 도면이다.
도11a 및 도11b은 도10의 시스템에서의 풍력발전소형 풍력발전 열원화 시스템의 발전 상태에 따른 온수 제공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도12은 도10의 시스템에서의 히터부의 상태에 따른 온수 제공 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템을 도시한 도면이다.
도4를 참고하면, 본 발명의 소형 풍력발전 열원화 시스템은, 윈드 터빈(10), 정류기(20), DC/DC 컨버터(30), 배터리(40), 제어부(50), 히터부(60), 스위칭부(71~73), 및 계통 연계형 인버터(80) 등을 포함하여 구성되어, 종래의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 정격풍속이상에서 발생되는 잉여의 전력을 열에너지로 변경할 수 있도록 한다.
윈드 터빈(10)은 풍속의 변화에 따라 설계된 블레이드로부터 생성되는 공력토크를 이용하여 발전기를 회전시키고, 발전기는 풍속에 상응하는 값을 가지는 3상 전압을 발생한다.
정류기(20)는 브릿지 다이오드 회로를 구비하고, 이를 통해 윈드 터빈(10)이 발생한 3상 전압을 직류 전압으로 변환하여 출력한다.
DC/DC 컨버터(30)은 buck-boost 컨버터 등으로 구현될 수 있으며, 제어부(50)의 제어하에 정류기(20)의 직류 전압의 전압 레벨을 배터리(40)의 충전에 적합한 전압 레벨로 변환시킨 후, 배터리(40)에 제공한다.
배터리(40)는 풍속의 변화에 따라 생산되는 직류전압을 충전하여 전기 에너지를 생산한다.
제어부(50)는 DC/DC 컨버터(30) 및 배터리(40)의 상태를 모니터링하고, 모니터링 결과를 기반으로 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 전반적으로 제어하도록 한다.
보다 구체적으로는, DC/DC 컨버터(30)의 입력 전압 및 전류를 측정하여, 현재의 풍속을 확인하고, 풍속이 시동풍속 이상이 되면 MPPT((Maximum Power Point Tracking) 제어 동작을 통해 DC/DC 컨버터(30)가 배터리(40)의 충전에 적합한 전압을 생성할 수 있도록 하는 PWM 신호를 생성하도록 한다. 그리고 풍속이 정격풍속 이상이 되면, 히터부(60)에 전류를 흘려 정격풍속 이상 상태에서 발생되는 잉여 전력이 열에너지로 변경되도록 하고, 이에 따라 발전기가 정격속도를 유지할 수 있도록 한다. 그리고 풍속이 과풍속이 되면, 시스템 셧 다운 동작을 수행하여, 과풍속으로 인해 시스템이 손상되는 것이 사전에 방지되도록 해준다.
그리고 제어부(50)는 정격 속도를 조정하여 열원 에너지 생성 비중을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 도5와 같이 정격 속도를 통해 잉여 전력 생성 기준점을 조정함으로써, 여름철과 같이 열원 에너지 소요가 발생하지 않는 시즌에는 정격 속도를 높여 풍력 에너지 대부분이 전기 에너지 생성에 소요되도록 하는 반면, 겨울철에서와 같이 열원 에너지의 소요가 증대하는 시즌에는 풍력 에너지의 일부만이 전기 에너지 생성에 소요되고 나머지 풍력 에너지 대부분이 열원 에너지 생성에 소요되도록 할 수도 있다.
또한, 이와 동일한 방식으로 제어부(50)는 배터리 용량을 조정하여 열원 에너지 생성 비중을 제어할 수도 있다. 즉, 배터리를 다수의 뱅크로 구성하고, 전기 에너지 충전 동작을 수행하는 뱅크의 수를 조정함으로써, 배터리 용량을 조정하고, 이에 따라 열원 에너지 생성 비중을 제어될 수 있도록 한다. 예를 들어, 배터리가 4개의 뱅크로 구비한다고 가정한다면, 여름철에는 4개의 뱅크 모두를 통해 전기 에너지를 생성하되, 겨울철에는 2개의 뱅크만을 이용하여 전기 에너지를 생성하도록 할 수 있으며, 이러한 경우 나머지 2개 뱅크에 해당하는 전기 에너지는 열원 에너지로 변환되어 발생되게 될 것이다.
뿐 만 아니라, 제어부(50)는 DC/DC 컨버터(30)와 배터리(40) 사이에 연결되는 계통 연계형 인버터(80)를 추가 구비하고, 배터리(40)가 완충 또는 과충전 되고 히터부(60)의 부하가 기 설정된 값 보다 작아지면, 계통 연계형 인버터(80)를 통해 발생된 풍력 에너지에 의해 생성된 전력을 외부의 계통 연계 설비(90)에 보내는 동작을 추가적으로 수행할 수도 있다.
즉, 전기 에너지 생성 동작과 열원 에너지 생성 동작을 수행하고도 잉여 전력이 발생하는 경우에는, 해당 잉여 전력을 외부의 계통 연계 설비(90)에 제공하여 매전함으로써, 잉여 전력의 낭비를 최소화시켜 준다.
마지막으로 제어부(50)는 DC/DC 컨버터(30)와 배터리(40)간, 그리고 배터리(40)와 히터부(60)간 연결 상태를 제어하여, 배터리가 불필요하게 저전압 및 방전 상태가 되는 것도 사전에 방지되도록 한다.
히터부(60)는 정류기(20)의 출력단과 접지 사이에 연결되며, 정류기(20)의 출력단에서 접지로 흐르는 전류를 이용하여 발열 동작을 수행하여, 정격풍속 이상 상태에서 발생되는 잉여의 전력을 열에너지로 변경할 수 있도록 한다. 이때, 히터부(60)에 구비되는 히터는 다수개일 수 있으며, 잉여 전력의 크기에 따라 발열 동작을 수행하는 히터의 개수가 조정될 수 있을 것이다.
스위칭부(71~73)은 히터부(60)와 접지 사이에 연결된 제1 스위칭부(71), DC/DC 컨버터(30)와 배터리(40)사이에 연결된 제2 스위칭부(72), 배터리(40)와 히터부(60) 사이에 연결된 제3 스위칭부(73),
등을 포함하여, 제어부(50)의 제어하여 DC/DC 컨버터(30)와 배터리(40)간, 배터리(40)와 히터부(60)간 연결 상태, 정류기(20)의 출력단과 접지간 연결 상태를 각각 제어해준다.
특히, 본 발명에서는 잉여 전력의 크기에 따라 발열 동작을 수행하는 히터의 개수가 조정되어야 하므로, 히터부(60)와 접지 사이에 연결된 제1 스위칭부(71) 또한 히터부(60)의 다수의 히터 각각에 대응되는 스위치를 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 소형 풍력발전 열원화 시스템은 바람이 시동풍속(vcutin)에서 정격풍속(vrated) 사이에 존재할 경우에는, 히터부(60)의 구동없이 윈드 터빈(10)에 획득된 전력 모두가 DC-DC 컨버터(30)을 통해 배터리(40)에 충전되도록 하되, 풍속이 정격풍속(vrated) 이상이 된다면, 블레이드의 회전 속도가 정격 속도가 되도록 정류기(20) 후단에 설치된 히터부(60)에 전류를 흘려 배터리(40)에는 정격 전력만이 공급되도록 한다.
이하, 도6 내지 도9을 참고하여, 소형 풍력발전 열원화 시스템의 발전 방법에 대해 보다 상세히 살펴보면 다음과 같다. 보기로 한다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템의 전력 특성 곡선을 도시한 도면이다.
도6을 참고하면, 본 발명의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작 구간은 풍속을 기준으로, 풍속(Wind)이 시동풍속(vcutin) 보다 작은 제1 구간, 풍속(Wind)이 시동풍속(vcutin) 이상이나 정격풍속(vrated) 보다는 작은 제2 구간, 풍속(Wind)이 정격풍속(vrated) 이상이나 과풍속(vcutout) 보다는 작은 제3 구간, 그리고 풍속(Wind)이 과풍속(vcutout) 이상인 제4 구간을 포함하는 총 4개의 구간으로 나뉘어질 수 있음을 알 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 구간에서의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도7에서 도시된 바와 같이, 풍속(Wind)이 시동풍속(vcutin) 보다 작으면, 발전은 이루어지지 않으며, 제어부(50)는 제1 내지 제3 스위칭부(71~73)를 통해 발전이 시작되기 전까지 부하와의 연결을 단절시킨다. 이는 부하로 인해, 배터리가 저전압 및 방전 상태가 되는 것을 사전에 방지하기 위함이다.
그러나 배터리(40)의 충전량이 설정치 이상으로 충분하면(Pbattset ≤ Pbatt ≤ Pbattmax), 제3 스위칭부(73)를 통해 배터리(40)과 히터부(60)간을 연결시켜, 히터부(60)이 배터리(40)의 잉여 충전량이 열원 에너지로 변환되도록 한다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 구간에서의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도8에서 도시된 바와 같이, 풍속(Wind)이 시동풍속(vcutin) 보다 커지고 정격풍속(vrated) 보다는 작은 상태가 되면, 원드 터빈(10)은 풍속에 비례하는 전력을 생성하게 되고, 제어부(50)는 MPPT제어를 수행하여 배터리(40)을 정격 전압을 충전하도록 한다.
소정의 시간이 경과하여 배터리(40)이 완충되면(Pbattmax ≤ Pbatt), 제어부(50)는 배터리(40)의 과전압을 방지하기 위해 제3 스위칭부(73)를 통해 배터리(40)과 히터부(60)간을 연결시켜, 히터부(60)가 배터리(40)의 잉여 충전량을 기반으로 열원 에너지 생산 동작을 수행하도록 한다.
도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 구간에서의 소형 풍력발전 열원화 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도9에서 도시된 바와 같이, 풍속(Wind)이 더욱 증가하여 정격풍속(vrated) 이상이 되면, 제어부(50)는 제3 스위칭부(73)를 통해 윈드 터빈(10)의 잉여 생산량에 비례하여 히터 부하를 점차 증가시킨다. 이에 윈드 터빈(10)의 잉여 생산량에 상응하는 열원 에너지가 생산되고, 발전기의 속도는 일정값을 유지하게 된다.
마지막, 제4 구간은 풍속(Wind)이 과풍속(vcutout)이 되는 구간으로, 해당 구간에서는 제어부(50)는 과풍속으로 인해 시스템이 손상되는 것이 사전에 방지될 수 있도록 시스템을 셧 다운(shut down)시키도록 한다.
도10은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 풍력발전 열원화 시스템의 적용예를 도시한 도면으로, 이는 본 발명의 소형 풍력발전 열원화 시스템을 열원화 장치로 이용하는 온수 발생 시스템에 관한 것이다.
도10의 온수 발생 시스템(200)은 소규모 건물에 적용 가능한 시스템으로, 본 발명의 소형 풍력발전 열원화 시스템(100)의 구성 요소인 원드 터빈(10), 정류기(20), DC/DC 컨버터(30), 배터리(40), 제어부(50), 히터부(60), 및 스위칭부(71~73) 이외에 그리드 전원(80), 그리드 전원(80)과 히터부(60)간 연결 상태를 제어하는 스위치(74)를 더 포함한다.
즉, 도10의 온수 발생 시스템은 본 발명의 소형 풍력발전 열원화 시스템을 통해 소규모 건물에서 필요로 하는 전력을 생산함과 더불어, 소규모 건물에서 사용할 물을 온수로 만들기 위한 열원 에너지도 획득하도록 한다.
다만, 소형 풍력발전 열원화 시스템을 이용한 열원 에너지 생산량이 부족한 경우에는, 안정적인 온수 공급이 제공될 수 있도록 배터리(40) 대신에 그리드 전원(80), 즉 상용 전원을 통해 그 부족분을 채우도록 한다.
이하, 도11a 및 도11b를 참고하여, 발전 열원화 시스템의 발전 상태에 따른 온수 제공 방법에 대해 살펴보기로 한다.
만약, 풍속(Wind)이 시동풍속(vcutin) 보다 작으나 배터리(40)의 충전량이 설정치 이상으로 충분하면(Pbattset ≤ Pbatt ≤ Pbattmax), 제어부(50')는 제3 스위칭부(73)를 통해 배터리(40)과 히터부(60)간을 연결시켜, 히터부(60)가 배터리(40)의 잉여 충전량을 기반으로 열원 에너지를 생산하도록 한다.
다만, 히터부(60)이 배터리(40)의 잉여 충전량을 기반으로 열원 에너지를 생산하던 도중에 배터리(40)의 충전량이 다시 설정치 보다 낮아지게 되면(Pbatt < Pbattset), 제어부(50')는 배터리 방전 및 수명 단축 방지를 위해 제3 및 제4 스위칭부(73, 74)를 제어하여 히터부(60)가 배터리(40) 대신에 그리드 전원(80)와 연결되도록 한다. 이에 히터부(60)는 그리드 전원(80)으로부터 열원 에너지 생성에 필요한 전력을 공급받게 된다.
풍속(Wind)이 증가하여 시동풍속(vcutin) 보다 커지면, 제어부(50')는 배터리(40)의 충전량이 충분해질때까지 히터부(60)는 그리드 전원(80)로부터 열원 에너지 생성에 필요한 전력을 공급받도록 한다.
그러나 배터리(40)가 완충되면, 제어부(50')는 배터리 과전압 방지 및 시스템 보호를 위해 제3 스위칭부(73)를 통해 배터리(40)과 히터부(60)간을 연결시켜, 히터부(60)가 배터리(40)의 잉여 충전량을 기반으로 열원 에너지를 생산하도록 한다.
풍속(Wind)이 더욱 증가하여 정격풍속(vrated) 보다 커지면, 제어부(50')는 원드 터빈의 생산량에 비례하여 발열 동작을 수행하는 히터 수를 제어하여, 원드 터빈의 발전기가 정격 속도를 유지할 수 있도록 한다.
또한 계속하여 도12를 참고하여, 히터부의 상태에 따른 온수 제공 방법에 대해 살펴보기로 한다.
만약, 발전이 이루어지지 않는 상황 또는 발전량보다 부하량이 더욱 많을 경우와, 배터리의 충전양은 설정치보다 많지만 부하가 너무 클 경우에는(Wind < vCutin, Wl < Wlset, Wtemp ≤ Wtempset, Pbattmin< Pbatt < Pbattmax), 배터리 급방전을 방지하기 위해 배터리(40)와 그리드 전원(80)을 함께 사용하도록 한다.
그리고 발전이 이루어지는 상황에서 히터의 부하가 크지 않을 경우에는(vCutin < Wind < vrated, Wl < Wlset, Wtemp ≤ Wtempset), 발전량 상태 및 부하에 맞게 배터리(40) 또는 그리드 전원(80)를 효율적으로 사용하도록 한다.
그리고 정격풍속이상에서 발전량이 충분하며 부하의 요구량이 많을 경우에는(-vrated< Wind, Wl < Wlset, Wtemp ≤ Wtempset), 예비 히터(Heater2)를 가동시킴으로써 부하량을 키워 발전기의 속도 제어뿐만 아니라, 에너지 변환 효율을 높여준다.
마지막으로, 히터의 부하가 없는 경우(Wl < Wlset , Wtemp ≥ Wtempset) 히터부의 안정성을 위해 가동 중지한다. 또한 배터리가 완충 상태시 별도의 시스템 안전장치를 통해 발전 중지하도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 풍속에 비례하는 3상 전압을 생성하는 윈드 터빈;
    상기 윈드 터빈의 3상 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기;
    상기 정류기의 출력단에 연결되어, 상기 정류기의 출력 전압을 정격 전압으로 레벨 변환하는 DC/DC 컨버터;
    상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압을 이용하여 충전 동작을 수행하는 배터리;
    상기 정류기의 출력단에 연결되며, 상기 정류기의 출력 전류 중 일부를 이용하여 발열 동작을 수행하는 히터부;
    상기 히터부와 접지 사이에 연결되어, 상기 정류기의 출력 전류 중 일부가 상기 히터부로 흐르도록 하는 스위칭부; 및
    상기 DC/DC 컨버터의 출력 전압 및 전류를 기반으로 풍속을 확인하고, 상기 풍속이 시동 풍속 이상이면 상기 DC/DC 컨버터를 동작 제어하여 상기 배터리의 충전 전압을 생성 및 제공하도록 하되, 상기 풍속이 정격풍속 이상이면 상기 윈드 터빈의 회전수를 조절하고 이와 동시에 잉여 전력이 발생한다고 판단한 후 상기 스위칭부를 동작 제어하여 상기 히터부가 발열 동작을 수행하도록 하는 제어부를 포함하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히터부는
    다수의 히터를 구비하며, 상기 잉여 전력의 크기에 비례하여 발열 동작을 수행하는 히터의 개수가 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위칭부는
    상기 다수의 히터 각각에 대응되는 스위치를 구비하고, 상기 제어부의 제어하에 상기 다수의 히터 각각의 전류 도통 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리가 완충 또는 과충전되면, 상기 배터리와 상기 히터부를 연결하여 상기 히터부가 상기 배터리의 잉여 충전량을 이용하여 발열 동작을 수행하도록 하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    정격 속도와 배터리 용량 중 적어도 하나를 조정하여, 열원 에너지 생성 비중을 제어하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터와 상기 배터리 사이에 연결된 계통 연계형 인버터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리가 완충 또는 과충전되고 상기 히터부가 기 설정된 값 이하로 작아지면, 상기 계통 연계형 인버터를 통해 상기 DC/DC 컨버터로부터 출력되는 전력을 외부의 계통 연계 설비에 제공하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  8. 제4항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 배터리의 충전량이 기 설정된 값보다 작아지면, 상기 배터리와 상기 히터부간 연결을 해제하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    풍속이 시동 풍속 보다 작으면, 상기 DC/DC 컨버터와 상기 배터리의 연결을 해제하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    풍속이 과 풍속 이상이 되면, 시스템 셧 다운(shut down) 동작을 수행하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전 열원화 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한항에 기재된 소형 풍력발전 열원화 시스템을 포함하는 온수 발생 시스템.
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