KR101569961B1

KR101569961B1 - 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법

Info

Publication number: KR101569961B1
Application number: KR1020120030827A
Authority: KR
Inventors: 강성광
Original assignee: 강성광
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2015-11-18
Also published as: KR20130116449A

Abstract

본 발명은 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워의 구성 방법 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복사열과 자연풍 두 가지 방식의 발전 형태를 융합시켜 상호보완적인 기능을 수행하는 한편 건설 및 유지 관리적 측면에서도 효용성을 높이고 상대적으로 좁은 부지를 이용하여 발전을 함으로써 그 효율을 극대화 시키는 데 있다.

Description

태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법{Structural Method for Hybrid Power Plant Solar Updraft Power Plant Windpower Generation Tower And Method of Automatic Contol System for Windpower Generator Rated Speed}

태양 복사열을 이용한 풍력발전은 보다 많은 지면의 복사열을 포집할 수 있는 면적과 그 열기를 뽑아 올릴 수 있는 배출구(굴뚝)의 높이에 따라 그 발전 용량이 좌우된다.

자연풍을 이용한 풍력발전은 바람이 많은 지역이라 할지라도 보다 안정적이고 경제성 있는 발전을 위해서는 고공에 이르는 타워를 설치할 수 밖에 없다.

이러한 두 가지의 발전 방식은 공통적으로 대단히 높은 타워를 건설해야 한다는 것으로 이것은 높은 건설비와 유지 관리에 따른 어려움은 물론 구조물의 시각적 요소로 인한 주변 경관을 해치는 등의 민원을 야기하는 주된 원인이 되고 있는 것이 사실이다.

종래의 태양 복사열을 이용한 발전방식은 고공의 배출구에 사람이 일체 접근할 수가 없는 구조로 되어 있고, 또한 수직축 형태의 기존 풍력발전 타워를 구성하는 기술들 역시 풍력을 이용하여 발전이 가능할 수 있는 방식에 대한 이론적 접근에 머문 것이 많아, 실질적으로 그것을 운용하는데 있어서는 상당한 현실적인 문제를 많이 내포하고 있는 것이 사실이다.

그 가운데 하나가 고공의 풍력발전 설비에 유지 관리할 수 있는 인원이 접근할 수 있는 방법이 없기 때문에 사소한 문제라도 발생한다 해도 고가의 크레인과 같은 중장비를 동원하여야 하는 문제점과 함께 바람이 셀 경우 접근할 수가 없어 화재와 같은 큰 문제로 발전될 가능성 많았다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 복사열과 자연풍 두 가지 방식의 발전 형태를 융합시켜 상호보완적인 기능을 수행하는 한편 건설 및 유지 관리적 측면에서도 효용성을 높이고 상대적으로 좁은 부지를 이용하여 발전을 함으로써 그 효율을 극대화 시키는 데 있다.

또한 일정하지 않은 풍향과 풍속에 발전설비가 자동적으로 대응하여 해당 발전기를 최적의 속도를 유지하여 최고의 발전효율을 얻기 위한 자동제어 시스템을 구현하려는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 풍력발전 타워의 구성 방법 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어방법은 수직축으로 구성된 터빈을 이용하여 어느 방향에서 바람이 불더라도 항시 터빈이 구동하여 발전을 할 수 있는 일단의 발전 설비들을 다층식으로 타워를 구성하고, 타워 하단부의 주변 지면에는 원형으로 복사열 포집 설비를 설치하고, 타워의 수직 하단에는 태양 복사열을 증대시킬 수 있는 패널을 설치하여 뜨거워진 공기를 타워를 구성하고 있는 구조물 기둥(Column) 속으로 배출 시키면서 그 에너지로 발전을 함으로서, 두 가지 형태의 발전 방식을 융합시켜 부지 면적과 건설비용을 획기적으로 감소시키고, 유지 및 보수와 관리 비용은 물론 고공 설비에 대한 접근성, 발전 용량의 극대화, 타워에 발생할 수 있는 결로, 결빙 등의 장애를 태양 복사열을 이용하여 자연스럽게 방지하도록 한다.

본 발명에서는 1차 발전기의 축에 자석 또는 여타의 표식 등을 부착하여 디지털 RPM 게이지가 그 표식이 지나가는 것을 인식하여 회전수를 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 그 값을 기준으로 가변형 유도패널과 고정형 유도패널 및 확장유도패널 등을 제어하여 터빈에 유입되는 풍속을 조절하여 해당 발전기가 정격 용량에 최대한 근접하게 발전할 수 있도록 자동제어하여 발전기의 정격 출력(Nominal Power)을 기준으로 그에 해당하는 발전기의 정격 스피드(회전수)를 기준으로 모든 것을 제어하여 최고의 발전 효율을 기하는 것이다.

본 발명의 풍력발전 타워의 구성 방법 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어방법은 태양 복사열과 자연풍 두 가지 형태의 발전 방식을 융합시킴으로써, 부지 면적과 건설비용을 획기적으로 감소시키고, 유지 및 보수와 관리 비용은 물론 고공 설비에 대한 접근성, 발전 용량의 극대화, 타워에 발생할 수 있는 결로, 결빙 등의 장애를 태양 복사열을 이용하여 자연스럽게 방지하거나 해결할 수 있는 시스템이 되는 것이다.

또한 일조량의 부족 또는 태양 복사열이 균일하지 못할 경우, 기존 방식은 발전이 불가능하여 그 복사열에너지를 활용할 방안이 없었지만, 본 발명의 경우 그 폐열을 온수로 급탕하거나 복사열 자체를 난방용 등으로 유용하게 활용할 수 있는 효과를 가진다.

본 발명은 발전 타워의 외관이 일반 빌딩과 대단히 흡사하고 그 외관 역시 미려하여 시각적 공해요인을 제공하지 않는다.

본 발명은 가변형 유도패널과 고정형 유도패널 그리고 확장 유도패널을 통한 풍향을 유도하여 높은 풍속의 바람을 터빈에 집중시키거나 터빈의 반대방향으로 집중시키는 것이며, 두 대의 발전기를 이용하여 1차 발전기의 정격 용량을 초과하는 풍속에 대응하여 한 대의 발전기를 더 작동시켜 발전 효율을 극대화 시키는 것이다.

도 1과 2는 본 발명에 따른 하이브리드 발전타워 외형도
도 3은 본 발명의 하이브리드 발전타워의 평면도.
도 4는 하이브리드 발전타워 구성도
도 5와 도 6은 태양 복사열 발전타워 단면도.
도 7은 태양 복사열 패널
도 8과 도 9는 발전 모듈 단면도
도 10은 단일형 가변유도패널 타입의 복사열을 배출하는 상태도
도 11은 단일형 가변유도패널의 풍향유도 최대치의 상태도
도 12도 단일형 가변유도패널의 풍향유도 중간치의 상태도
도 13은 단일형 가변유도패널의 풍향유도 최소치의 상태도
도 14은 단일형 가변유도패널의 풍향이 완전 차단된 상태도
도 15은 단일형 가변유도패널의 확장 패널 개방도
도 16은 가변 및 고정형 유도패널 타입의 상태도
도 17은 가변 및 고정형 유도패널 풍향유도 최소각 상태.
도 18은 가변 및 고정형 유도패널 풍속 완전 차단상태
도 19은 가변 및 고정형 유도패널확장 패널 개방상태
도 20은 가변 및 고정형 유도패널의 구성각도
도 21은 가변 및 고정형 유도패널 구조물
도 22는 터빈 가속클러치 상세도
도 23은 자동제어 시스템의 흐름도

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 우선 각도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 도시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

또한 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 또한 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1과 2는 본 발명에 따른 하이브리드 발전타워 외형도

도 3은 본 발명의 하이브리드 발전타워의 평면도.

도 4는 하이브리드 발전타워 구성도

도 5와 도 6은 태양 복사열 발전타워 단면도.

도 7은 태양 복사열 패널

도 8과 도 9는 발전 모듈 단면도

도 10은 단일형 가변유도패널 타입의 복사열을 배출하는 상태도

도 11은 단일형 가변유도패널의 풍향유도 최대치의 상태도

도 12도 단일형 가변유도패널의 풍향유도 중간치의 상태도

도 13은 단일형 가변유도패널의 풍향유도 최소치의 상태도

도 14은 단일형 가변유도패널의 풍향이 완전 차단된 상태도

도 15은 단일형 가변유도패널의 확장 패널 개방도

도 16은 가변 및 고정형 유도패널 타입의 상태도

도 17은 가변 및 고정형 유도패널 풍향유도 최소각 상태.

도 18은 가변 및 고정형 유도패널 풍속 완전 차단상태

도 19은 가변 및 고정형 유도패널확장 패널 개방상태

도 20은 가변 및 고정형 유도패널의 구성각도

도 21은 가변 및 고정형 유도패널 구조물

도 22는 터빈 가속클러치 상세도로서,

본 발명의 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워의 구성 방법 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법은 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 22에 따른 본 발명의 제 1실시예를 설명한다. 본 발명이 추구하는 방식은 외관이 일반 빌딩과 대단히 흡사하고 그 외관 역시 미려하여 시각적 공해요인을 제공하지 않는 것으로, 수직축으로 구성된 터빈을 이용하여 어느 방향에서 바람이 불더라도 항시 터빈이 구동하여 발전을 할 수 있는 자연풍 풍력발전 설비들을 다층식으로 풍력발전 타워로 구성하고, 타워 하단부의 주변 지면에는 원형으로 복사열 포집 설비(4)를 설치하고, 타워의 수직 하단에는 태양 복사열을 증대시킬 수 있는 패널을 설치하여 뜨거워진 공기를 타워를 구성하고 있는 구조물 기둥(Column) 속으로 배출 시키면서 그 에너지로 발전을 한다.

따라서 자연풍과 복사열 두 가지 형태의 발전 방식을 융합시킴으로써, 부지 면적과 건설비용을 획기적으로 감소시키고, 유지 및 보수와 관리 비용은 물론 고공 설비에 대한 접근성, 발전 용량의 극대화, 타워에 발생할 수 있는 결로, 결빙 등의 장애를 태양 복사열을 이용하여 자연스럽게 방지하거나 해결할 수 있는 시스템이 되는 것이다.

또한 일조량의 부족 또는 태양 복사열이 균일하지 못할 경우, 본 발명의 경우 그 폐열을 온수로 급탕하거나 복사열 자체를 난방용 등으로 유용하게 활용할 수 있다.

상기한 풍력발전 타워는 도 10에 도시한 바와 같이 저 풍속에서도 경제성이 있는 발전이 가능하도록 풍향유도패널을 설치하여 터빈의 회전방향으로 최대한 많은 바람을 집적시켜 공급함으로서 회전력을 높일 수 있도록 하였다.

상기한 풍향유도패널은 가변형으로 풍력발전 타워가 중형 이하로 상대적으로 저고도일 경우에 사용하는 방식으로, 유도패널이 풍향유도를 위하여 회전할 수 있는 중심축을 대구경 파이프 등을 이용하여 그 내부에 사다리를 설치하고 사람이 통행할 수 있게 하고, 또한 복사열 배출구로 사용한다.

그리고 사람이 통로의 사다리를 통해 가변유도패널 내부에 진입할 수 있으며, 그곳에서 유도패널 외부에 설치된 출입문을 통하여 특정한 층에 접근할 수 있다.

상기한 유도패널은 가변형과 고정형을 병용하여 사용가능하며 병용할 경우는 풍력발전 타워의 규모가 대형이거나 고고도일 경우에 사용하는 방식으로 이는 풍압과 건조물의 구조역학적인 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가변형의 중심축은 복사열 배출구와 통로로 사용하며, 필요에 따라 고정형 패널 내부에도 배출구 및 통로를 확보할 수 있으며, 또 구조물을 다양한 각도에서 보강할 수 있는 역학적 기능을 수행한다.

가변형과 고정형 패널을 복합하여 사용할 경우 도 16에 도시한 바와 같이 중심축에 가깝게 가변형 유도패널(28)을 설치하고 상기 가변형 유도패널(28)에 접촉지지되도록 고정형 유도패널을 설치하여 구조물을 다양한 각도에서 보강할 수 있도록 한다.

본 발명의 풍력발전기는 기존의 풍력발전기들은 일상적인 바람인 5m/s 속도 이하의 바람에서는 발전이 사실상 불가능했던 바, 본 발명에서는 그러한 일상의 저 풍속에서도 경제적인 발전이 가능하도록 가변형 및 확장형 유도패널(30)의 내부에 각각 다단계의 확장패널을 설치하여 발전기의 분당 회전수가 일정 속도(정격용량 회전수)에 미치지 못할 경우에는 자동적으로 확장패널이 타워 외부로 뻗어 나와 보다 많은 바람을 터빈으로 유도하여 발전이 가능하게 하였다.

본 발명은 고정형 및 가변형 풍향 유도패널과 함께 확장형 유도패널 등을 통하여외부의 바람을 터빈으로 최대한 유입시켜 터빈 및 발전기의 가동과 함께 발전량을 극대화시키기 위한 시스템을 구비한 바, 기존의 풍력발전설비와 달리 저속에서 고속에 이르기까지 터빈에 유입되는 풍속 및 풍압이 상당히 높으므로, 안정적이고 효율적인 발전 가능 구간을 넓히기 위하여 1차 발전기와 2차 발전기 2대의 발전기를 병용하게 된 것이다.

상기한 1차 발전기는 상시적으로 가동되는 기본설비이며, 2차 발전기는 1차 발전기의 정격용량을 초월하는 경우에 그 회전력에 의한 원심클러치로써 작동한다.

두 대의 발전기가 동시에 작동될 경우 그 회전수는 급격히 떨어지게 되지만 가변유도패널의 각도를 자동적으로 조절하여 보다 많은 바람을 유입시키고, 그래도 회전수가 부족하면 확장유도패널이 작동하여 더 많은 바람을 유입시키는 방식으로 발전 효율을 극대화 시키는 것이다.

본 발명의 2차 발전기는 발전 용량이나 회전수를 넘어가면 2차 발전기로 브레이크 역할을 하면서 발전을 하게 하는 것이다.

기존의 풍력발전기의 경우, 최적의 발전용량을 생산할 수 있는 풍속은 정확하게 정해져 있고, 그것을 벗어나 모자랄 경우 경제성 없는 발전이 되고, 반대로 넘치는 경우 강제로 브레이크를 걸거나 파손 또는 화재로 연결되기 때문에 안정적이고 경제성있는 발전이 대단히 힘들 수 밖에 없었다.

본 발명에서는 풍향유도패널과 확장패널을 이용하여, 1차 발전기가 최적의 용량이 지속적으로 발전될 수 있도록 외부 바람에 대하여 능동적으로 자동제어 되고, 그 용량을 넘어서는 풍속일 경우 2차 발전기가 자동 가동되어 다시 2대의 발전기가 모두 최적의 상태로 발전이 될 수 있게 유도패널과 확장패널이 자동제어 되는 것이다.

기존의 풍력발전기들은 일정한 풍속에 이르지 못할 경우, 발전기가 가지고 있는 회전 항력에 해당하는 토르크(Torque)를 넘지 못해, 발전기가 첫 회전조차 하지 못하고 그 항력을 훨씬 상회하는 바람이 불어올 때 가까스로 회전이 가능하였으며, 특히 상업용 발전을 하는 대형 발전기의 경우에는 특히 이 현상이 두드러진다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 양면 모두 엇각으로 다수의 돌출부위를 가진 디스크 여러 개를 이용하여, 최초 아주 낮은 바람에도 아무 부하가 걸리지 않는 상태에서 터빈이 회전을 시작하고, 그것이 다수의 디스크들을 차례로 돌출부에 의해서 회전을 하면서 가속력을 얻어 발전기가 보다 용이하게 회전할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 가속클러치(24)는 회전하던 가속 클러치가 무풍상태와 같이 터빈이 정지하게 되면 각 돌출부에 설치되어 있는 스프링과 그 끝에 장착된 자석이 N극과 S극으로 서로 상반된 극이 향하여 있으므로 자유회전을 하는 다수의 디스크의 돌출부들이 서로 붙어있지 않고 간격이 떨어지게 되는 것으로, 터빈이 회전할 경우 가속력을 얻게 하는 구조이다.

한편 가속클러치(24)는 정지 상태에서 터빈이 갑자기 회전할 경우, 디스크의 돌출부에 부착된 자석과 자석이 서로 부딪쳐 파손될 염려가 있으므로 자석의 표면에는 탄성이 있는 고무 재질을 부착하여 그것을 방지한다.

상기한 가속 클러치의 주축은 터빈의 축이며 그 하단에 고정되는 디스크를 장착하고 다수의 자유회전을 하는 디스크를 축에 삽입하며, 최종 동력이 전달되는 마지막 고정용 디스크는 발전기와 연계되는 기어 축에 고정되어 터빈으로부터 회전력을 전달하게 된다.

또한 상단의 터빈 축에 고정용 디스크와 하단의 기어 축에 고정용 디스크 사이에 있는 자유회전 디스크의 숫자에 따라 터빈이 가속하는 회전수가 달라지게 구성할 수 있는 것이다.

본 발명의 가변형 유도패널(28)은 터빈의 회전방향에 최대한 바람을 유도시킬 수 있는 각도에서부터 단계적으로 브레이크를 걸 수 있도록 터빈 회전 방향의 반대 방향으로 최대한 움직여서 돌풍이나 강풍으로부터 설비를 보호할 수 있고 최악의 경우나 작업인원이 타워에 올라가 작업을 해야 할 경우 등에 대비하여 가변유도패널을 최대 각도로 제어했을 경우에는 터빈을 원형으로 둘러싸듯이 완전하게 막을 수 있기 때문에 별도의 강제적인 브레이크 장치가 없어도 안전하게 점검 및 유지 보수 작업을 수행할 수 있다.

도 16과 도17은 가변형 유도패널(28)과 확장형 유도패널(30)의 설치 각도와 구성방법을 도시한 것으로 기존의 일부 수직축 터빈을 이용한 풍력발전 타워의 경우, 중앙의 터빈 축을 중심으로 방사형으로 일직선이 되게 유도패널을 설치하였으나, 본 발명의 경우 유도패널이 터빈에 가장 효과적으로 바람을 집중시킬 수 있는 각도와 함께 확장유도패널이 설치되어야 하는 점과, 대형 구조물인 풍력발전 타워가 풍압과 진동 등의 역학적인 문제점를 극복하기 위하여 특정한 각도와 구성 방법을 제안하였다.

발전타워의 중앙에 위치한 터빈 축의 중심점과 타워의 구조물 지지 기둥의 중심점, 그리고 가변유도 패널에 이르는 구간에 세워지는 보조 기둥들을 일직선 위에 놓이게 하는 것이다.

예를 들어 타워가 8각형 또는 4각형으로 이루어진 구조물일 경우, 해당 되는 각의 숫자 만큼의 기둥이 최 외곽에 세워지게 되고, 가변유도패널에 이르는 구간에 다수의 보조 기둥을 설치하고, 그 기둥 사이에는 반드시 서로 대각선으로 맞물리는 보강구조를 설치해야만 하는 것이다.

이것은 타워 구조물의 비틀림이나 찌그러짐을 방지하기 위한 필수적인 구조 요소인 동시에, 모든 방향에서 중앙에 위치한 터빈으로 장애물 없이 바람을 유입시켜야만 하는 조건과의 충돌이 일어나기 때문에 이러한 보강구조가 설치되어야 하는 특정 각도와 바람을 가장 유효하게 터빈으로 집중시키는 유도패널의 각도는 기존의 기술과 차별화 되어야 하는 요인인 것이다.

가변형 유도패널(28)의 평면상의 중앙선은 터빈 버켓(26) 또는 블레이드의 내측 회전선과 맞닿는 각도로 구성한다. 이렇게 함으로써 유도된 바람이 정확하게 회전하는 모든 버켓(26)으로 집중되기 때문이다.

상술한 유도패널의 각도는 중앙의 터빈의 직경이 특정 규격 이상으로 커질 때는 효용이 없지만 수직형 터빈의 경우 일정 규격 이상으로 제작할 경우 현실적인 문제들이 많기 때문에, 위 두 가지 요소의 각도는 효율적인 발전타워의 구성요건 상 중요하다고 할 수 있다.

상기한 유도패널의 각도를 모두 충족시키면서 유선형의 가변형 유도패널(28)과 함께, 확장형 유도패널(30)과 그 속에 내장된 확장유도패널이 구조물의 보강 구간과 일체형을 이루도록 구성하여, 가변 및 고정유도패널 전체가 유선형의 매끄러운 면을 구성하여 유입되는 바람에 장애가 되지 않도록 되고, 가변 유도패널이 회전하여 여러각도로 움직이더라도 와류현상이나 소음 등을 일으키지 않으면서, 구조적인 문제점도 해결할 수 있는 특정적 방법인 것이다.

도 20에 도시한 바와 같이 구조물 평면상의 지지 기둥의 중심점과 터빈 축의 중심점으로 연결되는 선은 구조역학적 중심선으로써 구조재를 위한 선으로 지켜져야 하고, 가변형 유도패널(28) 또는 고정형 구조패널의 중심선과 터빈 버켓(26)의 내측 회전선이 맞닿아야 하는 일직선은 바람의 유입을 극대화한 효율을 위한 선으로써 반드시 지켜 져야할 선으로, 구조적 중심선과 유도패널의 중심선은 개별적으로 이원화된 특성을 가지고 있는 것을 한 곳에 일원화 시켜 구성하는 방식이다.

터빈과 발전기를 별도의 모듈로 구성하는 발전기 모듈은 고층의 대형 설비인 풍력발전 타워의 경우, 실제 건축시 작동하는 터빈의 축과 동력전달 계통 및 발전기 등을 정확하고 정밀하게 일치시키지 못해 발생할 수 있는 문제점을 없애고, 불균일 및 불균형 등의 요인을 사전에 제거시켜 유지 및 보수에 있어 효율성을 극대화하기 위한 기술이다.

발전모듈은 공장에서 정밀하고 견고하게 제작되어 발전타워가 건설되어 있는 현장에 옮겨져 정확한 위치에 장착할 수 있고, 수리 및 교체를 할 경우에도 모듈 자체를 교환하는 방식으로 편리성과 정확성을 기할 수 있는 기술적 방법이다.

본 발명의 발전기의 정격 스피드(Rated Speed : RPM) 제어방법은 발전기의 정격 출력(Nominal Power)을 기준으로 그에 해당하는 발전기의 정격 스피드(회전수)를 기준으로 모든 것을 제어하여 최고의 발전 효율을 기하는 것이다.

이를 위하여 도 8과 도 9에 도시한 바와 같이 1차 발전기의 축에 자석 또는 여타의 표식 등을 부착하여 디지털 RPM 게이지가 그 표식이 지나가는 것을 인식하여 회전수를 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 그 값을 기준으로 가변형 유도패널(28)과 확장형 유도패널(30) 및 확장유도패널 등을 제어하여 터빈에 유입되는 풍속을 조절하여 해당 발전기가 정격 용량에 최대한 근접하게 발전할 수 있도록 자동제어하는 것이다.

이를 도 22를 참조하여 설명하면 측정된 회전수가 정격 용량에 해당하는 회전수에 미치지 못할 경우, 자동으로 유도 패널의 각도는 터빈의 회전 방향으로 최대각으로 회전하고, 가변 및 고정 유도 패널의 바깥 부분(타워의 외부로부터 바람이 들어오는 방향)이 다단으로 분리되고 확장되어 나가, 보다 많은 바람을 터빈으로 집중화시켜 발전기의 정격 용량에 근접하게 하는 것이다.

발전기 정격 출력 회전수에 따른 가변유도패널의 자동제어 시스템을 상세히 설명하면

1. 1차발전기 RPM이 정격 출력 회전수 이상인가?

Yes : 확장 유도패널 축소. No : 확장 유도패널 확대.

2. 확장 유도패널 축소 후, 1차 발전기 RPM이 정격 출력 회전수 이상인가?

Yes : 가변 유도패널 각도 이동(터빈 회전 반대방향으로) No : 확장유도패널 확대 상태에서 운전(작동) 지속.

3. 확장유도패널, 가변유도패널 각도제어 후, 1차 발전기 RPM이 정격 출력 회전속도 이상인가?

Yes : 2차 발전기 원심클러치 작동 - 2차 발전기 가동. No : 그 상태로 운전(작동).

4. 2차 발전기 가동 후, 두 대의 발전기가 정격 출력 회전수 이상인가?

Yes : 가변유도패널 각도제어(터빈 회전 반대방향으로)No : 가변유도패널 각도제어(터빈 회전 방향으로)

5. 2차 발전기 가동 후, 가변 유도패널 각도제어 후, 정격 출력 RPM 이상인가?

Yes : 가변유도패널 각도제어 계속(터빈 회전 반대방향으로) No : 확장 유도패널 확대.

6. 확장유도패널 확대 후, 정격 출력 RPM 이상인가?

Yes : 가변유도패널 최대치까지 각도제어(터빈 회전 반대방향으로) No : 그 상태로 작동.

정격 용량의 발전을 위한 제어 대상은 가변형 유도패널(28)과 확장형 유도패널(30) 그리고 확장 유도패널을 통한 풍향을 유도하여 높은 풍속의 바람을 터빈에 집중시키거나 터빈의 반대방향으로 집중시키는 것이며, 두 대의 발전기를 이용하여 1차 발전기의 정격 용량을 초과하는 풍속에 대응하여 한 대의 발전기를 더 작동시켜 발전 효율을 극대화 시키는 것이다.

도 5와 6은 태양 복사열 발전 타워의 상세도로서, 수직축으로 구성된 터빈을 이용하여 어느 방향에서 바람이 불더라도 항시 터빈이 구동하여 발전을 할 수 있는 자연풍 풍력발전 설비들을 다층식으로 풍력발전 타워로 구성하고, 타워 하단부의 주변 지면에는 원형으로 복사열 포집 설비를 설치하고, 타워의 수직 하단에는 태양 복사열을 증대시킬 수 있는 패널을 설치하여 뜨거워진 공기를 타워를 구성하고 있는 구조물 기둥(Column) 속으로 배출 시키면서 그 에너지로 발전을 한다.

태양 복사열을 이용한 발전 방식의 경우 단일 배출구를 높이 건설하는 것인데 반해 본 발명은 풍력발전 타워를 구성하고 있는 다수의 대형 파이프 구조물 내부를 이용하여 그 배출 기능을 하게 하였다.

이것은 타워 하단부의 복사열 생성 구간에서 발생된 복사 열기를 자동차의 배기 다기관(Manifold)과 흡기 다기관과 같이, 여러 개의 통로(파이프 라인)를 통해 배출하고 타워의 최상층부에서 다시 하나의 대형 배출구에 연결하여 대기 중으로 방출하는 방식이다.

이러한 방식은 복사열을 이용한 발전 설비 고유의 배출 기능을 그대로 수행함과 동시에 이슬, 눈, 비 등에 노출된 풍력발전 타워에서 발생될 수 있는 결로현상, 결빙 등의 문제를 자연스럽게 예방하고 해결할 수 있는 방안이 되기도 한다.

본 발명의 복사열 배출은 일조량에 따라 복사열기 배출 제어용 밸브를 이용하여 배출 열기가 적을 경우 적정한 수의 배출구를 닫아 그 열량에 적정한 수의 발전기만 가동되도록 제어하여 발전 효율을 도모할 수 있다.

일조량의 변화 등으로 경제적인 발전이 이루어지지 않을 경우, 복사열기 배출 제어용 밸브를 이용하여 열기를 배출구로 내보내지 않고 온수 급탕용이나 실내 난방용으로 우회시켜 활용하여 폐열을 경제적 가치가 있도록 사용하는 것이다.

태양 복사열 배출구(2)(Chimney)와 통로는 하이브리드 발전타워를 구현하기 위하여 태양 복사열의 배출구로 이용되는 대형 파이프 내부에 설치된 사다리를 통하여 기술 인력들이 수시로 발전설비를 점검하고 정비 보수하는 작업을 원활하게 수행할 수 있도록 하였다.

복사열 배출구의 제어용 밸브를 이용하여 복사 열기를 미리 차단해 놓은 다음 배출 통로 내의 사다리를 이용하여 해당 층까지 오른 다음, 가변유도패널에 설치된 출입구를 통하여 특정 층의 외부로 나올 수 있게 하는 것이다.

도 7은 태양 복사열 생성 구역(Solar Heating Chamber)과 발열패널을 도시한 도면으로 지면에서 생성된 일반 복사열이 포집되어 온 것을 타워 직하부에 표면이 유리로 덮이고 그 속에 검은 색의 열전도성이 뛰어난 박판을 방열기능이 뛰어나도록 각이지거나 또는 원형 타입의 방열판을 설치하여 열량 발생을 증대시키도록 하였다.

이때 주름진 발열판은 상부의 유리와 하부의 바닥재 사이에 위치하여 발열판 상, 하부에서 나오는 모든 열기를 일정한 기울기에 따라 자연스럽게 위쪽으로 올라 갈 수 있도록 돔 형상으로 형성하고 돔 상부에 복수개의 열기배출 제어용 밸브(12)를 형성한 다음 밸브 위에 열기배출구(10)를 형성하여 열기를 배출구로 내보내지 않거나 적정한 수의 배출구를 닫아 열량에 따라 적정한 수의 발전기를 가동되도록 제어하여 발전효율이 우수한 것이다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워의 구성 방법 및 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

2: 태양 복사열 배출구 10: 열기배출구
12: 열기배출 제어용 밸브 14: 고온 복사용 발생패널
16: 저온 복사용 포집장치 18: 복사열 방열판
20: 유리 22,22a: 1차, 2차발전기
24: 가속클러치 26: 터빈 버켓
28: 가변형 유도 패널 30: 확장형 유도패널
32: 고정형 유도패널 34: 베어링
36: 축 고정용 디스크 38: 터빈 축
40: 1차 자유디스크 42: 2차 자유디스크
44: 기어 고정용 디스크 46: 기어

Claims

수직축으로 구성된 터빈을 이용하여 어느 방향에서 바람이 불더라도 항시 터빈이 구동하여 발전을 할 수 있는 자연풍 풍력발전 설비들을 다층식으로 풍력발전 타워로 구성하고, 타워 하단부의 주변 지면에는 원형으로 복사열 포집 설비를 설치하고, 타워의 수직 하단에는 태양 복사열을 증대시킬 수 있는 패널을 설치하여 뜨거워진 공기를 타워를 구성하고 있는 구조물 기둥(Column) 속으로 배출 시키면서 그 에너지로 발전을 하도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 1에 있어서, 상기한 풍력발전 타워는 터빈의 회전방향으로 최대한 많은 바람을 집적시켜 공급함으로서 회전력을 높일 수 있도록 풍향유도패널을 가변형으로 설치하고, 상기 풍향유도패널이 풍향유도를 위하여 회전할 수 있는 중심축을 대구경 파이프 등을 이용하여 그 내부에 사다리를 설치하고 사람이 통행할 수 있게 하면서 복사열 배출구로 사용하도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 2에 있어서, 상기항 풍향유도패널은 풍력발전 타워의 규모가 대형이거나 고고도일 경우에 가변형과 고정형을 병용하여 설치하되 중심축에 가깝게 가변형 유도패널(28)을 설치하고 가변형의 중심축은 복사열 배출구와 통로로 사용하며, 상기 가변형 유도패널(28)에 접촉 지지되도록 고정형 유도패널을 설치하여 구조물을 다양한 각도에서 보강할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 3에 있어서, 상기 풍향유도패널(30)의 내부에 각각 다단계의 확장패널을 설치하여 발전기의 분당 회전수가 일정 속도(정격용량 회전수)에 미치지 못할 경우에는 자동적으로 확장패널이 타워 외부로 뻗어 나와 보다 많은 바람을 터빈으로 유도하도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 4에 있어서, 상기 발전기는 1차 발전기와 2차 발전기로 구성되며 2차 발전기는 1차 발전기의 용량이 초과할 경우 회전력에 의한 원심클러치로써 2차 발전기가 작동하도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 4에 있어서, 상기 발전기는 양면 모두 엇각으로 다수의 돌출부위를 가진 디스크 여러 개를 이용하여, 최초 아주 낮은 바람에도 아무 부하가 걸리지 않는 상태에서도 터빈이 회전을 시작하고, 다수의 디스크들이 차례로 돌출부에 의해서 회전을 하면서 가속력을 얻어 발전기가 보다 용이하게 회전할 수 있도록 구성하고, 상기 터빈축에는 가속클러치의 주축을 연결하여 가속 클러치가 무풍상태와 같이 터빈이 정지하게 되면 각 돌출부에 설치되어 있는 스프링과 그 끝에 장착된 자석이 N극과 S극으로 서로 상반된 극이 향하여 있으므로 자유회전을 하는 다수의 디스크의 돌출부들이 서로 붙어있지 않고 간격이 떨어지게 되면서 터빈이 회전하여 가속력을 얻게 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 1에 있어서, 상기 풍력발전 타워의 타워 하단부의 복사열 생성 구간에서 발생된 복사 열기를 자동차의 배기 다기관(Manifold)과 흡기 다기관과 같이, 여러 개의 통로(파이프 라인)를 통해 배출하고 타워의 최상층부에서 다시 하나의 대형 배출구에 연결하여 대기 중으로 방출하여 발전 설비 고유의 배출 기능을 그대로 수행함과 동시에 이슬, 눈, 비 등에 노출된 풍력발전 타워에서 발생될 수 있는 결로현상, 결빙 등의 문제를 자연스럽게 예방하고 해결할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 7에 있어서, 배기관을 통하여 배출되는 복사열 배출은 일조량에 따라 복사열기 배출 제어용 밸브를 이용하여 배출 열기가 적을 경우 적정한 수의 배출구를 닫아 그 열량에 적정한 수의 발전기만 가동되도록 제어하여 발전 효율을 도모할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
청구항 1에 있어서, 상기한 복사열 포집 설비는 타워 직하부에 표면이 유리로 덮이고 그 속에 검은 색의 열전도성이 뛰어난 박판을 방열기능이 뛰어나도록 각이지거나 또는 원형 타입의 방열판을 설치하여 구성하고, 상부의 유리와 하부의 바닥재 사이에 주름진 발열판을 위치하여 발열판 상, 하부에서 나오는 모든 열기를 일정한 기울기에 따라 자연스럽게 위쪽으로 올라갈 수 있도록 형성하여 열기를 배출구로 내보내지 않거나 적정한 수의 배출구를 닫아 열량에 따라 적정한 수의 발전기를 가동되도록 제어할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 태양 복사열과 자연풍을 이용한 하이브리드 풍력발전 타워.
1차 발전기의 축에 자석 또는 여타의 표식 등을 부착하여 디지털 RPM 게이지가 그 표식이 지나가는 것을 인식하여 회전수를 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 그 값을 기준으로 가변형 유도패널(28)과 확장형 유도패널(30) 및 확장유도패널 등을 제어하여 터빈에 유입되는 풍속을 조절하여 해당 발전기가 정격 용량에 최대한 근접하게 발전할 수 있도록 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법.
청구항 10에 있어서, 회전수가 정격 용량에 해당하는 회전수에 미치지 못할 경우, 자동으로 유도 패널의 각도는 터빈의 회전 방향으로 최대각으로 회전하고, 가변 및 고정 유도 패널의 바깥 부분(타워의 외부로부터 바람이 들어오는 방향)이 다단으로 분리되고 확장되어 나가, 보다 많은 바람을 터빈으로 집중화시켜 발전기의 정격 용량에 근접하게 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 정격스피드 자동 제어 방법.