KR101581407B1 - 풍속 조절기 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템 - Google Patents

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최동현
조형욱
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

풍속 조절기 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템이 개시된다. 풍력 발전기의 나셀 전방에 설치되어 블레이드로 향하는 바람을 모아주는 풍속 조절기는, 유입구보다 작은 단면적의 유출구를 가지며, 상기 유출구에는 복수의 관통홀이 형성된 유출면이 설치된 집풍헤드; 하부에 휠이 구비되어 주행궤도를 따라 주행하는 주행몸체; 및 상기 주행몸체의 상부에 상기 집풍헤드를 지지하는 지지대를 포함할 수 있다.

Description

풍속 조절기 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템{Wind speed controller and wind power generating system having it}
본 발명은 풍속 조절기 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
최근 차세대 동력원으로 각광받고 있는 풍력 발전은 전세계적으로 그 규모와 시장성이 증가하고 있다. 일반적으로 풍력 발전은 풍력 터빈을 이용하여, 바람을 전기에너지로 바꾸어 생산하는 발전 방식으로, 풍력이 전력망에서 차지하는 비중이 커지면서 차세대 동력원으로서 중요한 역할을 하고 있다.
일반적인 풍력 발전 장치의 경우, 타워의 상단에 나셀(nacelle)이 수직축을 중심으로 수평으로 회전 가능하게 설치되고, 나셀 선단의 허브(hub)에 하나 이상의 블레이드(blade)가 설치되며, 허브의 후방으로 즉, 나셀의 내부로 회전축(rotor shaft)이 설치된다. 회전축의 단부에는 기어 장치(gear box)와 발전기가 순차 연결되며, 회전축을 감속시키거나 회전을 정지시킬 수 있는 제동 장치가 설치된다.
이와 같이 대부분의 풍력 발전 장치는 바람이 불 때 양력을 통한 블레이드의 회전을 통해 발전하게 된다. 이 경우 바람 자체는 블레이드에만 부는 것이 아니라 광범위한 공간 상에서 불고 있기 때문에 활용하지 못하는 에너지가 많이 있다.
한국공개특허 10-2012-0096134호(바람을 가속시키기 위한 수단을 갖는 풍력 발전기)에는 블레이드 방향으로 진행되는 바람이 가속덕트에 의해 블레이드의 전방에서 가속되도록 하는 풍력 발전기가 개시되어 있기도 하다. 하지만, 이에 의하면 가속덕트가 풍력 발전기의 블레이드 전방에 위치하도록 나셀에 부착되어 있어야 하므로, 나셀에 걸리는 전제 중량이 증가하게 되어 풍향이 변경된 경우 나셀을 원활히 회전시키는 것이 어려운 문제점이 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
한국공개특허 10-2012-0096134호
본 발명은 풍력 발전기의 나셀 전방에 이격 설치되고 풍향에 따른 나셀의 회전에 연동하여 궤도 상에서 이동함으로써 블레이드로의 집풍 및 풍속 가속 효과를 향상시킨 풍속 조절기 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 유출면 상에 형성된 복수의 관통홀에 대해 풍속에 따라 개방홀의 수량 및 위치를 조절하여 풍력 발전기로의 양력을 극대화하여 블레이드의 회전 효율을 향상시킨 풍속 조절기 및 이를 포함하는 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기의 나셀 전방에 설치되어 블레이드로 향하는 바람을 모아주는 풍속 조절기에 있어서, 유입구보다 작은 단면적의 유출구를 가지며, 상기 유출구에는 복수의 관통홀이 형성된 유출면이 설치된 집풍헤드; 하부에 휠이 구비되어 주행궤도를 따라 주행하는 주행몸체; 및 상기 주행몸체의 상부에 상기 집풍헤드를 지지하는 지지대를 포함하는 풍속 조절기가 제공된다.
상기 집풍헤드의 중심부 높이는 상기 나셀의 수평축 높이에 상응할 수 있다.
상기 주행궤도는 상기 나셀의 회전축을 중심점으로 하는 동심원 형상을 가지고 있을 수 있다.
상기 주행몸체는 풍향에 따라 가변되는 나셀각의 변화에 연동하여 상기 집풍헤드가 상기 나셀의 전방에 위치하도록 주행할 수 있다.
상기 유출구는 상기 블레이드의 끝단이 회전하여 그려지는 원에 상응하는 크기를 가지고 있을 수 있다.
상기 복수의 관통홀은 풍속에 따라 개방 수량 및 개방 위치 중 적어도 하나가 제어될 수 있다. 상기 풍속이 제1 임계 속도보다 빠를 경우 상기 복수의 관통홀 전체를 개방하고, 상기 풍속이 상기 제1 임계 속도보다 늦은 제2 임계 속도보다 늦을 경우 상기 블레이드의 중심부분에 상응하는 관통홀들을 개방하며, 상기 풍속이 상기 제1 임계 속도와 상기 제2 임계 속도 사이에 있을 경우 상기 블레이드의 중심부분 및 끝단에 상응하여 위치하는 관통홀들을 개방할 수 있다.
상기 유출면은 중심부로부터의 직경에 따라 복수의 구역으로 구획되고, 풍속에 따라 구역별 개방 여부가 결정될 수 있다.
상기 복수의 관통홀에 대하여 상기 블레이드의 모습에 상응하여 개방되는 관통홀이 결정되고, 상기 블레이드가 회전하면 그 회전방향 및 회전속도에 상응하여 개방되는 관통홀이 변경시켜 상기 유출면에서 개방홀들로 형성된 개방부의 형상이 회전하는 블레이드에 상응하여 회전하도록 할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 풍력 발전기의 나셀 전방에 이격 설치되고 풍향에 따른 나셀의 회전에 연동하여 궤도 상에서 이동함으로써 블레이드로의 집풍 및 풍속 가속 효과를 향상시킨 효과가 있다.
또한, 유출면 상에 형성된 복수의 관통홀에 대해 풍속에 따라 개방홀의 수량 및 위치를 조절하여 풍력 발전기로의 양력을 극대화하여 블레이드의 회전 효율을 향상시킨 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 조절기와 풍력 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템의 입체 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전 시스템의 평면도,
도 3은 도 2의 AA선에 따른 단면도,
도 4는 도 1에 도시된 풍력 발전 시스템을 B 방향에서 본 측면도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 조절기 제어 방법의 순서도,
도 6은 풍속 조절기의 유출구를 나타낸 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 조절기와 풍력 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템의 입체 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력 발전 시스템의 평면도이며, 도 3은 도 2의 AA선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 풍력 발전 시스템을 B 방향에서 본 측면도이다.
도 1 내지 도 4에는 풍력 발전 시스템(1), 풍력 발전기(10), 타워(11), 나셀(12), 허브(13), 블레이드(14), 풍속 조절기(100), 집풍헤드(110), 유입구(111), 유출면(113), 관통홀(114), 지지대(130), 주행몸체(120), 휠(125), 주행궤도(20)가 도시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(1)은 블레이드로 향하는 바람을 모아주고 그 풍속을 가변시키는 풍속 조절기(100)가 풍력 발전기(10)의 나셀 방향에 연동하여 동작함으로써, 양력을 극대화하여 블레이드의 회전속도를 증가시킴으로써 발전효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(1)은 풍력 발전기(10) 및 풍속 조절기(100)를 포함한다.
풍력 발전기(10)는 타워(11)의 상단에 나셀(12)이 회동 가능하게 설치되며, 나셀(12) 선단의 허브(13)에 하나 이상의 블레이드(14)가 설치되고, 허브(13)의 후방, 즉 나셀(12)의 내부로 회전축(미도시)이 설치되어 블레이드(14)의 회전운동을 발전모듈로 전달하여 발전이 이루어지도록 한다.
나셀(12)은 풍향에 상응하여 나셀(12) 선단의 허브(13)가 바람에 맞서는 나셀각을 가지도록 하는 제어 알고리즘에 따라 회동되어 임의의 바람에 대하여 블레이드(14)의 회전속도가 최대가 되도록 할 수 있다. 나셀각 제어는 별도의 제어부(미도시)에 의해 수행될 수 있다.
풍속 조절기(100)는 기본적으로 주행몸체(120) 및 집풍헤드(110)를 포함한다.
주행몸체(120)의 하부에는 휠(125)이 설치되어 있어, 풍력 발전기(10)의 주변에 설치된 주행궤도(20)를 따라 풍속 조절기(100)가 주행할 수 있도록 한다.
여기서, 주행궤도(20)는 풍력 발전기(10), 정확하게는 나셀(12)의 회전축을 중심으로 하는 동심원 형상을 가지도록 설치될 수 있다.
주행몸체(120)는 풍향에 따른 나셀각의 변화에 연동하여 주행하도록 제어됨으로써, 상부에 설치된 집풍헤드(110)가 나셀(12)의 전방에 위치하도록 하여 집풍 효과를 극대화시키도록 할 수 있다. 나셀각 변화에의 연동은 제어부에서 나셀각 제어와 함께 주행몸체(120)의 주행을 제어함으로써 이루어질 수 있다.
주행몸체(120)는 주행궤도(20) 상의 주행에 적합하도록 주행궤도(20)와 동심원을 가지는 링 형상 중 일부분에 상응하는 형상(큰 직경을 가지는 부채꼴에서 작은 직경을 가지는 부채꼴을 제거한 형상)을 가질 수 있다. 주행몸체(120)의 이러한 형상은 일 실시예에 불과하며, 주행에 적합하도록 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
집풍헤드(110)는 주행몸체(120)의 상부에 지지대(130)를 통해 지지되며, 집풍헤드(110)의 중심부가 나셀(12)의 수평축이 근접하도록 하는 높이를 가질 수 있다.
집풍헤드(110)는 블레이드(14)로 바람을 집중시켜주는 장치로서, 깔때기 형상을 가지고 있으면서 전면에는 바람이 유입되는 유입구(111)가 마련되어 있고 후면에는 바람이 배출되는 유출구(112)가 마련되어 있다.
유출구(112)의 단면적이 유입구(111)의 단면적보다 작게 형성되어 있어 유입구(111)로 유입되어 유출구(112)를 거쳐 블레이드(14)를 향하여 부는 바람의 풍속을 가속한다.
유입구(111)와 유출구(112)는 동일한 단면 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어 원형 혹은 다각형 형상일 수 있다. 여기서, 유출구(112)의 단면은 블레이드(14)의 끝단이 회전함으로써 그려지는 원에 상응하는 크기를 가지고 있어, 유출구(112)에서 배출되는 바람이 블레이드(14) 전체에 대해 양력 제공 요소로서 작용하도록 한다.
유출구(112)에는 복수의 관통홀(114)이 형성된 유출면(113)이 설치되어 있어, 개방된 관통홀(114)(개방홀)을 통해서만 바람이 후방으로 배출될 수 있게 된다.
관통홀(114)의 개방 수량, 개방 위치 등은 풍속에 따라 가변될 수 있으며, 제어부에 의해 제어될 수 있다.
유출면(113)을 복수의 구역으로 구획한 후 구역별 개방 여부를 통해 개방 위치를 제어할 수 있다. 또한, 동일 구역에 속하는 관통홀(114)이라 해도 개방 여부가 개별 제어될 수도 있다.
또한, 관통홀(114)의 개방은 블레이드(14)의 위치에 상응하여 실시간으로 조절될 수도 있다. 블레이드(14)의 모습에 상응하여 개방되는 관통홀(114)을 결정하고, 블레이드(14)가 회전하면 그 회전 방향 및 회전 속도에 상응하여 개방되는 관통홀(114)을 변경시킴으로써 유출면(113)에서 개방홀들로 형성된 개방부의 형상(블레이드(14)에 상응하는 형상)이 회전하는 블레이드(14)에 상응하여 회전하는 모습을 가지도록 할 수도 있다.
관통홀(114)의 제어에 대해서는 이하 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 조절기 제어 방법의 순서도이고, 도 6은 풍속 조절기의 유출구를 나타낸 도면이다.
도 5의 각 단계들은 제어부에 의해 수행될 수 있다.
우선 풍력 발전기의 작동 준비가 완료되면, 풍력 발전기(10) 혹은 풍속 조절기(100)에 설치된 풍향 센서를 통해 풍향을 감지한다(단계 S210).
제어부는 감지된 풍향과 현재 나셀각을 비교하여 각도 조정이 필요한지 여부를 판단한다(단계 S220).
각도 조정이 필요할 경우 현재 감지된 풍향에 상응하도록 나셀이 회전할 수 있도록 제어한다(단계 S230). 또한, 나셀각 변화에 상응하여 풍속 조절기(100)의 위치 역시 조정한다.
풍속 조절기(100)의 유출구(112)가 나셀(12)의 전방에 위치하도록 풍속 조절기(100)를 주행시켜 풍속 조절기(100)에서 가속된 바람이 블레이드(14)로 향할 수 있도록 한다.
이후 풍력 발전기(10) 혹은 풍속 조절기(100)에 설치된 풍속 센서를 통해 풍속을 감지하고, 제어부는 감지된 풍속에 따라 풍속 조절기(100)의 유출면(113)에 설치된 관통홀(114)의 개방 수량 및 개방홀의 위치를 조정한다(단계 S240). 여기서, 개방 수량 및 위치는 풍력 발전기(10)의 블레이드(14)에 최대의 양력을 제공할 수 있도록 결정될 수 있을 것이다.
예를 들면, 풍속이 제1 임계 속도보다 빠를 경우 관통홀(114) 전체를 개방시킬 수 있다. 이는 풍속 조절기(100)로 유입된 바람이 모두 블레이드(14)로 향하도록 함으로써 발전 효율을 최대화시키기 위함이다.
풍속이 제2 임계 속도(여기서, 제2 임계 속도는 제1 임계 속도보다 늦음)보다 늦을 경우 일정 구역에 위치하는 관통홀(114)만이 개방되도록 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 관통홀(114)들의 구역은 중심으로부터의 거리에 따라 제1~3 구역(zone #1~#3)으로 구획될 수 있다. 제1 직경 이내에 위치하는 관통홀(114)들은 제1 구역(zone #1), 제1 직경 및 제2 직경 사이에 위치하는 관통홀(114)들은 제2 구역(zone #2), 제2 직경 이상에 위치하는 관통홀(114)들은 제3 구역(zone #3)에 속하게 된다. 여기서, 제2 직경이 제1 직경보다 크다.
풍속이 제2 임계 속도보다 낮을 경우, 도 6에 도시된 구역 중에서 제2 구역(zone #2)에 위치하는 관통홀(114)만을 개방시켜 블레이드(14)의 중심부분에 바람이 집중되도록 함으로써, 적은 풍량으로도 블레이드(14)를 원활히 회전시킬 수 있도록 한다. 이는 블레이드(14)의 각 부분 중에서 허브(13)에 인접한 부분 혹은 외측 끝단에 비해 중심 부분이 상대적으로 블레이드(14)의 회전에 민감하게 작용하는 부분이기 때문이다.
또한, 풍속이 제1 임계 속도와 제2 임계 속도 사이에 있는 경우 관통홀(114)의 개방 구역을 변경시킬 수 있다. 도 6에 도시된 구역 중에서 제2 구역(zone #2) 뿐만 아니라 제3 구역(zone #3)에 위치하는 관통홀(114)도 개방시킴으로써 블레이드(14)의 중심과 끝단 부분에 풍력이 제공되어 블레이드(14)를 원활히 회전시킬 수 있도록 한다.
여기서, 개방 구역으로 선택된 구역 내에 위치하는 관통홀(114)의 경우에도 개방 수량을 조정함으로써 풍속에 따른 미세 조정이 가능하도록 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 풍력 발전 시스템 10: 풍력 발전기
11: 타워 12: 나셀
13: 허브 14: 블레이드
100: 풍속 조절기 110: 집풍헤드
111: 유입구 112: 유출구
113: 유출면 114: 관통홀
120: 주행몸체 125: 휠
130: 지지대 20: 주헹궤도

Claims (7)

  1. 풍력 발전기의 나셀 전방에 설치되어 블레이드로 향하는 바람을 모아주는 풍속 조절기에 있어서,
    유입구보다 작은 단면적의 유출구를 가지며, 상기 유출구에는 복수의 관통홀이 형성된 유출면이 설치된 집풍헤드;
    하부에 휠이 구비되어 주행궤도를 따라 주행하는 주행몸체; 및
    상기 주행몸체의 상부에 상기 집풍헤드를 지지하는 지지대를 포함하되,
    상기 주행궤도는 상기 나셀의 회전축을 중심점으로 하는 동심원 형상을 가지고 있는 풍속 조절기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 주행몸체는 풍향에 따라 가변되는 나셀각의 변화에 연동하여 상기 집풍헤드가 상기 나셀의 전방에 위치하도록 주행하는 풍속 조절기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은 풍속에 따라 개방 수량 및 개방 위치 중 적어도 하나가 제어되는 풍속 조절기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 풍속이 제1 임계 속도보다 빠를 경우 상기 복수의 관통홀 전체를 개방하고,
    상기 풍속이 상기 제1 임계 속도보다 늦은 제2 임계 속도보다 늦을 경우 상기 블레이드의 중심부분에 상응하는 관통홀들을 개방하며,
    상기 풍속이 상기 제1 임계 속도와 상기 제2 임계 속도 사이에 있을 경우 상기 블레이드의 중심부분 및 끝단에 상응하여 위치하는 관통홀들을 개방하는 풍속 조절기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유출면은 중심부로부터의 직경에 따라 복수의 구역으로 구획되고, 풍속에 따라 구역별 개방 여부가 결정되는 풍속 조절기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 관통홀에 대하여 상기 블레이드의 모습에 상응하여 개방되는 관통홀이 결정되고, 상기 블레이드가 회전하면 그 회전방향 및 회전속도에 상응하여 개방되는 관통홀이 변경시켜 상기 유출면에서 개방홀들로 형성된 개방부의 형상이 회전하는 블레이드에 상응하여 회전하도록 하는 풍속 조절기.
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