KR101685841B1 - 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법 - Google Patents

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송명호
김철민
이현성
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Abstract

풍력에 의해 회전력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 중심축과 축이음으로 연결되고, 터빈에서 생성된 회전력을 사판으로 전달하고, 사판의 회전에 따라 공기를 압축하는 사판식 압축부와, 상기 사판식 압축부와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부에서 압축된 공기를 받아 저장하는 저장부를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템을 제어하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법에 있어서, 상기 터빈에 공급되는 바람의 풍속을 측정하는 풍속측정단계; 상기 터빈의 회전속도를 측정하는 터빈속도측정단계; 측정된 바람의 풍속을 기초로 하여 측정된 상기 터빈의 회전속도가 최적 회전속도인지를 판단하는 최적회전속도 판단단계; 및 상기 터빈의 회전속도가 최적회전속도가 아닌 경우, 상기 사판의 각도를 조절하는 조정단계를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법에 관한 것이다.

Description

풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법{A control method of system for generating a compressed air use of wind}
본 발명은 풍력구동을 이용하여 압축공기를 생산하는 시스템의 제어 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력을 이용하여 압축공기를 생산하는 시스템이 고효율의 영역에서 작동하도록 최적의 회전수로 제어하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전기는 바람을 통해 얻어지는 에너지를 회전운동 에너지로 변환하여 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 환경 친화적이고 상대적으로 경제적인 대체 에너지원으로서 이용되고 있다.
한편 도 1은 종래의 풍속발전기의 풍속에 대한 터빈의 토크와 그에 따른 풍력발전기에서 얻어지는 효율을 나타낸 그래프이다. 도면에 도시된 바와 같이, 최대효율에 해당하는 풍속이 6-8m/s범위이고, 최대출력이 풍속 12m/s부근에서 발생한다. 그러나 그보다 빠른 풍속에서는 발전기의 효율 곡선이 현저하게 저하되는 것을 확인할 수 있으며, 반면에 터빈의 토크에 대한 출력곡선은 거의 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 이것은 발생 전기의 주파수 관리와 증속기의 설계 범위 제한으로 인해 최적 설계 풍속에 비해 강풍의 운동에너지를 축일로 변환하는 효율이 낮아지기 때문이다.
이처럼 기존의 풍력발전기는 효율범위에 있어서 고효율의 범위가 한정되어 있으며, 회전하는 블레이드에 가해지는 풍속이 일정하지 않기 때문에 현재의 풍속에 따라 터빈의 회전에 대한 제어가 필요하다. 위와 같은 풍력발전기의 제어방법에 관한 기술로는 대한민국 공개특허 제10-2012-0130892호가 개시되어 있다.
상술한 바와 같이 종래의 풍속발전기는 고효율을 위하여 좁은 회전수 영역을 유지하여야 한다는 문제점 있다. 따라서 상대적으로 넓은 회전수 범위에서 풍력을 이용하기 위하여 풍력 터빈과 압축기를 일체형으로 설계하여 압축공기를 생산, 활용하는 풍력 구동 압축공기 생산시스템이 제안된다. 압축공기 생산시스템에서, 압축공기를 생성하기 위해서는 터빈을 중심으로 형성된 블레이드가 바람에 의하여 회전하고, 그 회전력으로 구동되는 압축기를 통해 압축공기를 생성하게 되며, 압축공기는 저장탱크에 저장될 수 있다.
하지만 이러한 압축기 일체형 풍력발전기는 입사되는 풍속에 따른 터빈의 회전속도, 토크 특성 및 최대효율 영역과, 공기 압축기의 저장탱크 내부 압력에 따른 회전수, 토크 특성 및 최대효율 영역이 다르게 나타나기 때문에 터빈의 최대효율영역과 압축기의 최대효율영역을 고려하여 전체 시스템을 최대효율영역에서 작동시킬 수 있는 제어방법이 요구된다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 입사되는 풍속에 따른 터빈의 최대효율영역과 저장탱크의 압력에 따른 공기압축기의 최대효율영역을 바탕으로 터빈이 최적회전수로 구동되도록 제어하고, 이를 통해 고효율영역에서 작동하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법을 제공하기 위한 것에 그 목적이 있다.
풍력에 의해 회전력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 중심축과 축이음으로 연결되고, 터빈에서 생성된 회전력을 사판으로 전달하고, 사판의 회전에 따라 공기를 압축하는 사판식 압축부와, 상기 사판식 압축부와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부에서 압축된 공기를 받아 저장하는 저장부를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템을 제어하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법에 있어서, 상기 터빈에 공급되는 바람의 풍속을 측정하는 풍속측정단계; 상기 터빈의 회전속도를 측정하는 터빈속도측정단계; 측정된 바람의 풍속을 기초로 하여, 측정된 상기 터빈의 회전속도가 최적 회전속도인지를 판단하는 최적회전속도 판단단계; 및 상기 터빈의 회전속도가 최적회전속도가 아닌 경우, 상기 사판의 각도를 조절하는 조정단계를 포함한다.
또한 풍력에 의해 회전력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 중심축과 축이음으로 연결되고, 터빈에서 생성된 회전력을 사판으로 전달하고, 사판의 회전에 따라 공기를 압축하는 사판식 압축부와, 상기 사판식 압축부와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부에서 압축된 공기를 받아 저장하는 저장부를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템을 제어하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법에 있어서, 상기 터빈에 공급되는 바람의 풍속을 측정하는 풍속측정단계; 측정된 바람의 풍속과, 상기 사판식 압축부의 사판각도가 최대일 경우에 기초한 가상운전상태점이, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 구동이 완전제동영역에 해당하는지 여부를 판단하는 완전제동영역 판단단계; 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 가상운전상태점이 상기 완전제어영역에 해당하지 않는 경우, 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제동을 해제하는 제동해제단계; 상기 터빈의 회전속도를 측정하는 터빈속도측정단계; 측정된 상기 터빈의 회전속도 및 바람의 풍속에 기초한 상기 터빈의 운전상태점이 효율제어영역에 해당하는지 여부를 판단하는 효율제어영역 판단단계; 상기 터빈의 운전상태점이 상기 효율제어 영역에 해당하는 경우, 측정된 바람의 풍속를 기초로 하여 측정된 상기 터빈의 회전속도가 최적 회전속도인지를 판단하는 최적회전속도 판단단계; 및 상기 터빈의 회전속도가 최적회전속도가 아닌 경우, 상기 사판의 각도를 조절하는 조정단계를 포함한다.
여기서 상기 완전제동영역 판단단계는, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 가상운전상태점이 상기 완전제동영역에 해당하는 경우, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 구동을 완전제동시키는 완전 제동단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 효율제어영역 판단단계는, 상기 터빈의 운전상태점이 상기 효율제어 영역에 해당하지 않는 경우, 상기 사판식 압축부의 사판의 각도를 최대로 증가시키는 최대사판각단계를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 풍속측정단계는, 상기 터빈의 일측에 로드셀을 형성하고, 상기 로드셀에 측정된 압력에 기초하여 상기 풍속을 측정하는 것이 바람직하다.
또한 상기 최적회전속도 판단단계는, 상기 사판식 압축부의 출구에 압력계를 구비하여, 상기 사판식 압축부의 출구 압력을 측정하는 압력측정단계를 포함하고, 측정된 풍속에 따른 터빈의 회전수 및 토크 특성곡선에서 터빈고효율영역을 선정하는 단계, 측정된 상기 사판식 압축부의 출구압력과 압축부의 회전속도 및 토크 특성곡선에서 압축기고효율영역을 선정하는 단계, 및 상기 터빈의 운전상태점이, 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기고효율영역에 해당하는지 여부를 판단하여 운전회전속도가 최적회전속도여부인지 판단하는 고효율영역판단단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 조정단계는, 상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기고효율영역에 해당하지 아니하는 경우, 상기 사판식 압축부의 사판의 각도를 변경하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 여기서 상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 또는 상기 압축기 고효율영역의 회전속도보다 큰 경우, 사판각도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 또는 상기 압축기 고효율영역의 회전속도보다 작은 경우, 사판각도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기 고효율영역의 회전속도의 범위에 해당하는 경우, 사판각도를 고정시키는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법은, 입사되는 풍속에 따른 터빈의 고효율영역과 사판식 압축부의 압축기 고효율영역을 바탕으로 산출된 고효율영역에서 시스템이 구동되도록 사판식 압축부의 사판을 제어한다. 따라서 터빈이 최적회전수로 구동될 수 있으며, 넓은 풍속 영역에서 고효율 운전이 가능하다.
또한 풍력구동 압축공기 생산시스템이 상기 사판식 압축부의 사판의 각도가 최대인 경우에도 불구하고 과부하의 위험영역인 완전제동영역에서 구동되는지를 파악하고, 이를 통해 제동을 제어함으로써 풍력구동 압축공기 생산시스템의 과부하로 인한 손상을 미연에 방지 할 수 있다.
더불어 풍력구동 압축공기 시스템의 사판의 각도를 최대로 조정하여 최대사판각영역에서 구동되도록 제어하여, 풍력구동 압축공기 시스템의 구동을 지속적으로 유지시킴으로써 상기 풍력구동 압축공기 시스템의 구동이 제동된 후 재구동시키는데 소비되는 구동력과, 에너지손실을 방지하여 풍력구동 압축공기 시스템의 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1 은 종래의 풍력발전기의 풍속에 대한 터빈토크 및 발전기 효율을 도시한 그래프,
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 구성을 개략적으로 도시한 개략도,
도 3은 도 2에 나타낸 사판식 압축부를 도시한 단면도,
도 4는 도 2의 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 제어방법을 도시한 순서도,
도 5는 도 2의 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 최적회전속도 판단단계를 나타낸 세부 순서도,
도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 터빈의 토크-회전수 특성 및 터빈 고효율영역을 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 제 1실시예에 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 압축기의 토크-회전수 특성 및 압축기 고효율 영역을 도시한 그래프,
도 8은 도 6 및 도 7의 터빈의 토크-회전수 특성, 터빈 고효율영역, 압축기의 토크-회전수 특성 및 압축기 고효율영역을 동시에 도시한 그래프,
도 9는 본 발명의 제 1실시예에 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 사판각도의 변화에 따라 운전상태점이 변경되는 것을 도시한 그래프,
도 10은 본 발명의 제 2실시예에 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 제어방법을 도시한 순서도,
도 11은 도 10의 풍력 구동 압축공기 생산시스템의 완전제동영역에 포함된 가상운전상태점 및 사판의 각도변화에 따라 운전상태점이 변경되는 것을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템(10)은, 터빈(20), 중심축(21), 사판식 압축부(30), 저장부(40)를 포함한다.
상기 터빈(20)은 풍력에 의해 중심축(21)을 기준으로 회전하여 회전력을 생성한다.
또한 상기 사판식 압축부(30)는 상기 중심축(21)과 축이음으로 연결되고, 상기 터빈(20)에서 생성된 회전력을 사판(34)으로 전달한다. 회전력을 전달받은 상기 사판식 압축부(30)는 상기 사판(34)을 회전함으로써 공기를 압축할 수 있다.
상기 저장부(40)는 사판식 압축부(30)와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부(30)에서 압축된 공기를 받아 저장한다. 여기서 본 발명에서 이용되는 사판식 압축부(30)는 도 3에서 도시한 바와 같이, 사판(34)의 각도가 변경 가능하여 압축비가 조절되도록 하는 압축기로서, 하우징(38), 복수개의 실린더 보어가 형성된 실린더블록(36), 상기 하우징(31) 또는 상기실린더 블록(36)에 회전가능하게 지지되는 구동샤프트(39), 상기 구동샤프트(39)에 고정 설치된 러그플레이트(33), 상기 러그플레이트에 의해서 회전운동하면서 경사각이 변할 수 있게 설치되는 사판(34)과 상기 사판(34)의 회전에 의해서 상기 실린더보어(37)내에 왕복이동이 가능하게 수용되는 피스톤(35)를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 풍력 구동 압축공기 생산시스템(10)은 모터나 압축공기를 이용한 발전기 등 추가적인 구성이 더 구비될 수 있으나, 이는 본 발명의 요지와 무관하므로, 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
도 4 내지 도 9를 참조하면, 상기한 바와 같은 풍력구동 압축공기 생산 시스템(10)을 제어하는 방법은, 풍속측정단계(S100), 터빈속도측정단계(S200), 최적회전속도 판단단계(S300) 및 조정단계(S400)를 포함한다.
상기 풍속측정단계(S100)는, 상기 터빈(20)에 공급되는 바람의 풍속을 측정하는 단계이다. 상기 풍속을 측정하기 위하여 상기 터빈(20)의 일측에 로드셀이 형성 될 수 있다. 상기 로드셀이 바람에 인해 가압되어 측정된 압력에 기초하여 측정할 수 있으며, 상기 터빈(20)에 부딪히는 바람이 상기 터빈(20)을 후방으로 누르는 힘인 추력을 통해 계산될 수 있다. 풍속은 다음 수학식을 통해서 연산가능하다.
Figure 112015089597884-pat00001
여기서
Figure 112015089597884-pat00002
는 풍력터빈의 추력계수이며,
Figure 112015089597884-pat00003
는 풍력터빈에 작용하는 추력, V는 풍속, A는 수풍면적,
Figure 112015089597884-pat00004
는 공기의 밀도를 나타낸다. 또한 상기 터빈(20)의 회전수는 상기 중심축(21)의 일측에 회전계가 구비되고, 상기 회전계를 이용하여 상기 회전수를 측정할 수 있다. 상기 회전계는 타코미터 등으로 이루어질 수 있다. 여기서 상기한 바와 같이 로드셀을 이용하여 추력을 측정하기 위해서는, 상기 중심축(20)이 일측이 고정되어 회전하는 고정축과, 일측이 상기 고정축과 슬라이딩 커플링에 의해 연결되고, 타측이 상기 터빈(20)과 연결되어, 상기 터빈(20)이 받는 바람의 힘에 의해 슬라이딩 이동하는 이동축을 포함하고, 상기 이동축의 외주에 형성되어 베어링을 매개로 이동축과 결합하는 가압판 및 상기 가압판에 의해 가압되어 그 가압력을 측정하는 로드셀을 더 구비하는 것이 바람직하다. 로드셀을 이용하면, 상기 터빈(20)에 전달되는 추력을 직접적으로 인식하여 정확한 데이터를 출력해 낼 뿐만 아니라 간단한 구조로 풍속을 측정할 수 있다. 하지만 로드셀을 이용하여 풍속을 측정하는 것에 한정하는 것은 아니며, 풍속계를 이용하여 측정하는 등 다른 구성을 통해서도 가능할 것이다.
상기 터빈속도측정단계(S200)는, 상기 터빈(20)이 운동하는 회전속도를 측정하는 단계이다. 상기 터빈(20)의 회전수는 상기 중심축(21)의 일측에 회전계가 구비되고, 상기 회전계를 이용하여 상기 터빈(20)의 회전수를 측정할 수 있다. 상기 회전계는 타코미터 등으로 이루어질 수 있으며, 상기 풍속측정단계(S100)에서 회전수를 이용하여 풍속을 측정했다면, 상기 풍속측정단계(S100)에서 적용했던 회전수를 이용할 수도 있다.
도 5내지 도 8을 참조하면 상기 최적회전속도 판단단계(S300)는, 압력측정단계(S301)를 포함할 수 있다. 또한 상기 최적회전속도 판단단계(S300)는, 상기 터빈(20)의 회전속도가 최적 회전속도인지 판단하기 위하여, 터빈고효율영역을 선정하는 단계(S310), 압축기고효율영역을 선정하는 단계(S320), 고효율영역 판단단계(S330)를 포함할 수 있다.
상기 압력측정단계(S301)는 상기 사판식 압축부(30)의 출구압력을 측정하는 단계이다. 상기 출구압력은 상기 사판식 압축부(30)의 출구에 구비되는 압력계를 통해 측정할 수 있다. 또한 상기 사판식 압축부(30)의 출구압력은, 상기 사판식 압축부(30)에 구비된 사판(34)의 각도를 변경함으로써 조절이 가능하다.
상기 터빈고효율영역을 선정하는 단계(S310)는, 바람에 의해 상기 터빈(20)이 회전할 때 바람의 풍속에 대응하여 상기 터빈(20)의 효율이 높게 나타내는 영역을 선정하는 단계이다. 상기 도 6의 그래프에서 나타낸 바와 같이, 터빈(20)의 회전수에 대한 상기 터빈(20)의 특성곡선을 통해 상기 터빈고효율영역을 선정할 수 있으며, 도 6에서 이점쇄선의 원형표기로 확인 할 수 있다.
상기 압축기고효율영역을 선정하는 단계(S320)는, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)이 회전하는 속도와, 사판(34)의 각도에 대응하여 상기 사판식 압축부(30)의 효율이 높게 나타내는 영역을 선정하는 단계이다. 따라서 상기 압축기고효율영역을 선정하는 단계(S320)는, 도 7에 나타낸 사판식 압축부(30)의 특성곡선을 통해 상기 압축기 고효율영역을 선정할 수 있으며, 도 7의 점선의 원형표기로 확인 할 수 있다.
상기 사판식 압축부(30)의 토크-회전수 특성은 상기 압력측정단계(S301)에서 측정된 상기 사판식 압축부(30)의 출구압력에 따라 일부 변화된다. 따라서, 상기 사판식 압축부(30)의 토크-회전수 특성 그래프는 상기 압력측정단계(S301)에서 측정된 출구압력에 대응하여 선택되며, 선택된 도 7과 같은 사판식 압축부(30)의 특성그래프를 이용하여 상기 압축기 고효율영역을 선정한다.
도 8을 참조하면 상기 고효율영역 판단단계(S330)는, 상기 풍속측정단계(S100)에서 측정된 풍속에 기초하여 산출된 터빈(20)의 특성곡선과, 상기 터빈속도측정단계(S200)에서 측정된 터빈(20)의 회전수의 교점인 운전상태점(D)이 고효율영역에 해당하는지를 판단하는 단계로, 이를 통해 터빈(20)의 회전속도가 최적회전속도여부인지 판단할 수 있다.
여기서 상기 고효율영역 판단단계(S330)의 고효율영역은, 상기 터빈고효율영역을 선정하는 단계(S310)에서 선정한 상기 터빈(20)의 고효율영역과, 상기 압축기고효율영역을 선정하는 단계(S320)에서 선정한 상기 사판식 압축부(30)의 고효율영역이 공통적으로 포함되는 영역으로 선정할 수 있다. 즉 도 8에서 나타낸 바와 같이, 도 6의 이점쇄선과, 도 7의 점선의 원형표기가 공통으로 포함된 구간으로 파악할 수 있다. 따라서 상기 운전상태점(D)이 상기 고효율영역안에 포함되는지 여부를 통해 상기 터빈(20)의 운전 회전속도가 최적회전속도에 포함되는지를 판단한다.
상기 조정단계(S400)는 상기 터빈(20)의 회전속도가 최적회전속도가 아닌 경우, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도를 조절하는 단계이다. 즉 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기고효율영역에 해당하는지 아니하는 경우, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도를 변경시킨다. 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도를 변경시킴으로써 상기 터빈(20)의 운전회전수를 조정하여 상기 운전상태점(D)이 고효율영역에 위치되도록 한다. 도 9를 참조하여 상기 조정단계(S400)를 살펴보면, 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 상기 고효율영역의 회전속도보다 큰 경우, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34) 각도를 증가시켜 상기 터빈(20)의 운전회전수를 변경시킬 수 있다. 즉 상기 사판각도를 증가시킴으로써 상기 터빈(20)의 운전회전수가 감소되고, 이를 통해 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 고효율영역에 위치하게 된다. 따라서 상기 터빈(20)의 운전 회전수가 최적운전회전수라는 것을 의미하며, 상기 풍력 구동 압축공기 생산시스템(10)이 최대효율영역에서 작동하고 있다는 것을 알 수 있다.
반대로, 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 상기 고효율영역의 회전속도보다 작은 경우, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34) 각도를 감소시켜 상기 터빈(20)의 운전회전수를 변경시킬 수 있다. 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34) 각도를 감소시킴으로써 상기 터빈(20)의 운전회전수가 증가되고, 이를 통해 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 고효율영역에 위치되도록 한다. 따라서 상기 터빈(20)의 운전 회전수가 최적운전회전수라는 것을 의미하며, 상기 풍력 구동 압축공기 생산시스템(10)이 최대효율영역에서 작동하고 있다는 것을 알 수 있다.
한편 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 상기 고효율영역의 회전속도의 범위에 해당하는 경우, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34) 각도를 고정시킬 수 있다. 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도를 고정시킴으로써 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 고효율영역에서 지속되도록 한다. 따라서 상기 풍력 구동 압축공기 생산시스템(10)이 최대효율영역에서 작동하고 있는 것을 유지시킬 수 있다.
이하에서는, 도 10 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 풍력 구동 공기압축 시스템(10)의 제어방법을 설명하도록 한다. 여기서 도 1 내지 도 9에 나타낸 동일한 참조번호는 동일한 구성 및 작용을 하는 동일부재이므로, 반복적인 설명은 생략하도록 한다. 본 발명의 제 2 실시예에 따른 풍력 구동 공기 압축시스템(10)은, 터빈(20), 중심축(21), 사판식 압축부(30), 저장부(40) 및 압력조정기(50)를 포함한다.
상기 터빈(20)은 풍력에 의해 중심축(21)을 기준으로 회전하여 회전력을 생성한다.
상기 사판식 압축부(30)는 상기 중심축(21)과 축이음으로 연결된다. 또한 터빈(20)에서 생성된 회전력을 사판(34)으로 전달하고, 상기 사판(34)의 회전에 따라 공기를 압축한다.
상기 저장부(40)는 상기 사판식 압축부(30)와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부(30)에서 압축된 공기를 받아 저장한다. 여기서 상기 사판식 압축부(30)는 제 1 실시예에서 상기한 바와 같이, 사판(34)의 각도가 변경 가능하여 저장부(40)의 압력이 조절되도록 하는 압축기에 관한 것이며, 상기한 제 1실시예와 동일한 구성이다.
도 10을 참조하면, 상기한 바와 같은 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 제어방법은, 풍속측정단계(S100), 완전제동영역 판단단계(S10), 제동해제단계(S20), 터빈속도측정단계(S200), 효율제어영역 판단단계(S30), 최적회전속도 판단단계(S300) 및 조정단계(S400)를 포함한다. 여기서 상기 풍속측정단계(S100), 터빈속도측정단계(S200), 최적회전속도 판단단계(S300) 및 조정단계(S400)는 상기한 제 1실시예와 동일한 구성으로 여기서는 설명을 생략하도록 한다.
도 11을 참조하면 상기 완전제동영역 판단단계(S10)는, 측정된 바람의 풍속과, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34) 각도가 최대일 경우에 기초한 가상운전상태점(S)이 완전제동영역에 해당하는지 여부를 판단하는 단계이다. 여기서 상기 가상운전상태점(S)은 상기 풍속측정단계(S100)에서 측정된 풍속을 기초로 하는 상기 터빈(20)의 특성곡선(L)과, 상기 사판식 압축부(30)의 특성곡선에서 상기 사판(34)의 각도가 최대일 때의 곡선(C)의 교점을 나타낸다. 여기서 상기 완전제동영역은, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 과부하가 우려되는 위험영역으로, 바람의 풍속과 상기 사판식 압축부(30)의 특성에 따라 기설정된다. 즉 상기 완전제동영역 판단단계(S10)는 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 가상운전상태점(S)이, 기설정된 완전제동영역에 해당하는지 여부를 판단함으로써 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)이 과부하가 우려되는 위험영역에서 구동되는지 여부를 판단할 수 있다.
상기 완전제동영역 판단단계(S10)는, 완전제동단계(S11)를 더 포함할 수 있다.
상기 완전제동단계(S11)는, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)을 완전 제동시키는 단계로, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도가 최대일 경우, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 가상운전상태점(S)이, 상기 완전제동영역에 해당하면 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 구동을 완전제동시킨다. 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 구동을 완전제동시킴으로써 과부하를 방지하여 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 손상을 미연에 방지 할 수 있다.
상기 제동해제단계(S20)는, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 가상운전상태점(S)이, 상기 완전제동영역에 해당하지 않는 경우, 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 제동을 해제하는 단계이다. 즉 상기 제동해제단계(S20)는, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 가상운전상태점(S)이 상기 완전제동영역에 해당하지 않는 경우, 위험영역에 포함되지 않는다고 판단하고 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)이 정상적으로 구동되도록 한다.
상기 효율제어영역 판단단계(S30)는, 측정된 상기 터빈(20)의 회전속도 및 바람의 풍속에 기초한 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 효율제어영역에 해당하는지 여부를 판단하는 단계이다. 즉 상기 효율제어영역 판단단계(S30)는, 상기 풍속측정단계(S100)에서 측정된 풍속에 기초하여 산출된 터빈(20)의 특성곡선과, 상기 터빈속도측정단계(S200)에서 측정된 터빈(20)의 회전수의 교점인 운전상태점(D)이 효율제어영역에 해당하는지 여부를 판단한다. 여기서 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 효율제어영역에 해당하는 경우, 상기 최적회전속도 판단단계(S300)와 조정단계(S400)를 통해 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)이 최대 효율 영역에서 운전 되도록 하며, 이는 넓은 풍속 영역에서 고효율 운전이 가능하도록 한다. 여기서 최적회전속도 판단단계(S300) 및 조정단계(S400)는 상기한 제 1실시예와 동일한 구성으로 여기서는 설명을 생략하도록 한다.
한편 상기 효율제어영역 판단단계(S30)는, 최대사판각 단계(S31)를 더 포함할 수 있다. 상기 최대사판각 단계(S31)는 상기 터빈(20)의 운전상태점(D)이 효율제어영역에 해당하지 않는 경우, 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도를 최대로 증가시켜 운전상태점(D)을 보다 안정적인 영역으로 이동시키는 단계이다.
도 11을 참조하면, 측정된 바람의 풍속을 기초로 하는 상기 터빈(20)의 특성곡선과, 상기 터빈(20)의 회전수의 교점인 운전상태점(D)은, 사판(34)의 각도를 변경함에 따라 이동된다.
엑스(x)로 표시된 운전상태점(D)이 완전제동영역에 존재하는 경우, 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도를 최대로 증가시켜 상기 터빈(20)의 회전수를 감소시킴으로써 상기 운전상태점(D)을 보다 안정적인 운전영역인 최대사판각영역에 존재하는 네모(■)로 표시된 운전상태점(D)으로 이동시킬 수 있다.
상기 운전상태점(D)이 최대사판각영역으로 이동된 상태에 도달하면, 상기 터빈(20)은 최적 효율로는 구동이 되지는 않으나, 위험하지 않은 상태에서 계속 구동이 가능하므로 상기 터빈(20)의 구동을 유지시킬 수 있다. 이에 따라 상기 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 운전 또한 지속적으로 유지됨으로써 상기 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 구동이 제동된 후 재구동시키는데 소비되는 구동력과, 에너지손실을 방지하여 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 구동 압축공기 생산시스템(10)의 제어방법에 의하면 입사되는 풍속에 따른 터빈(20)의 고효율영역과 사판식 압축부(30)의 압축기 고효율영역을 바탕으로 산출된 고효율영역에서 시스템(10)이 구동되도록 사판식 압축부(30)의 사판(34)을 제어한다. 따라서 터빈(20)이 최적회전수로 구동될 수 있으며, 넓은 풍속 영역에서 고효율 운전이 가능하다.
또한 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)이 상기 사판식 압축부(30)의 사판(34)의 각도가 최대인 경우에도 불구하고 과부하의 위험영역인 완전제동영역에서 구동되는지를 파악하고, 이를 통해 제동을 제어함으로써 풍력구동 압축공기 생산시스템(10)의 과부하로 인한 손상을 미연에 방지 할 수 있다.
더불어 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 사판(34)의 각도를 최대로 조정하여 최대사판각영역에서 구동되도록 제어하여, 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 구동을 지속적으로 유지시킴으로써 상기 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 구동이 제동된 후 재구동시키는데 소비되는 구동력과, 에너지손실을 방지하여 풍력구동 압축공기 시스템(10)의 효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 풍력 구동 압축고기 생산시스템 20 : 터빈
21 : 축이음 30 : 사판식 압축부
33 : 러그 플레이트 34 : 사판
35 : 피스톤 36 : 실리더블록
37 : 실린더 보어 38 : 하우징
39 : 구동샤프트 40 : 저장부
C: 압축부특성곡선 D : 운전상태점
S : 가상운전상태점 L : 터빈특성곡선

Claims (10)

  1. 풍력에 의해 회전력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 중심축과 축이음으로 연결되고, 터빈에서 생성된 회전력을 사판으로 전달하고, 사판의 회전에 따라 공기를 압축하는 사판식 압축부와, 상기 사판식 압축부와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부에서 압축된 공기를 받아 저장하는 저장부를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템을 제어하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 터빈에 공급되는 바람의 풍속을 측정하는 풍속측정단계;
    상기 터빈의 회전속도를 측정하는 터빈속도측정단계;
    측정된 바람의 풍속을 기초로 하여 측정된 상기 터빈의 회전속도가 최적 회전속도인지를 판단하는 최적회전속도 판단단계; 및
    상기 터빈의 회전속도가 최적회전속도가 아닌 경우, 상기 사판의 각도를 조절하는 조정단계를 포함하고,
    상기 최적회전속도 판단단계는,
    상기 사판식 압축부의 출구에 압력계를 구비하여, 상기 사판식 압축부의 출구 압력을 측정하는 압력측정단계를 포함하고,
    측정된 풍속에 따른 터빈의 회전수 및 토크 특성곡선에서 터빈고효율영역을 선정하는 단계;
    측정된 상기 사판식 압축부의 출구압력에 따른 압축부의 회전속도 및 토크 특성곡선에서 압축기고효율영역을 선정하는 단계; 및
    상기 터빈의 운전상태점이, 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기고효율영역에 해당하는지 여부를 판단하여 운전회전속도가 최적회전속도여부인지 판단하는 고효율영역판단단계를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  2. 풍력에 의해 회전력을 생성하는 터빈과, 상기 터빈의 중심축과 축이음으로 연결되고, 터빈에서 생성된 회전력을 사판으로 전달하고, 사판의 회전에 따라 공기를 압축하는 사판식 압축부와, 상기 사판식 압축부와 공기가 유동하는 관으로 연결되고, 상기 사판식 압축부에서 압축된 공기를 받아 저장하는 저장부를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템을 제어하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 터빈에 공급되는 바람의 풍속을 측정하는 풍속측정단계;
    측정된 바람의 풍속과, 상기 사판식 압축부의 사판각도가 최대일 경우에 기초한 가상운전상태점이, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 구동이 완전제동영역에 해당하는지 여부를 판단하는 완전제동영역 판단단계;
    상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 가상운전상태점이 상기 완전제동영역에 해당하지 않는 경우, 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제동을 해제하는 제동해제단계;
    상기 터빈의 회전속도를 측정하는 터빈속도측정단계;
    측정된 상기 터빈의 회전속도 및 바람의 풍속에 기초한 상기 터빈의 운전상태점이 효율제어영역에 해당하는지 여부를 판단하는 효율제어영역 판단단계;
    상기 터빈의 운전상태점이 상기 효율제어 영역에 해당하는 경우, 측정된 바람의 풍속를 기초로 하여 측정된 상기 터빈의 회전속도가 최적 회전속도인지를 판단하는 최적회전속도 판단단계; 및
    상기 터빈의 회전속도가 최적회전속도가 아닌 경우, 상기 사판의 각도를 조절하는 조정단계를 포함하고,
    상기 최적회전속도 판단단계는,
    상기 사판식 압축부의 출구에 압력계를 구비하여, 상기 사판식 압축부의 출구 압력을 측정하는 압력측정단계를 포함하고,
    측정된 풍속에 따른 터빈의 회전수 및 토크 특성곡선에서 터빈고효율영역을 선정하는 단계;
    측정된 상기 사판식 압축부의 출구압력에 따른 압축부의 회전속도 및 토크 특성곡선에서 압축기고효율영역을 선정하는 단계; 및
    상기 터빈의 운전상태점이, 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기고효율영역에 해당하는지 여부를 판단하여 운전회전속도가 최적회전속도여부인지 판단하는 고효율영역판단단계를 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 완전제동영역 판단단계는,
    상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 가상운전상태점이 상기 완전제동영역에 해당하는 경우, 상기 풍력구동 압축공기 생산시스템의 구동을 완전제동시키는 완전 제동단계를 더 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 효율제어영역 판단단계는,
    상기 터빈의 운전상태점이 상기 효율제어 영역에 해당하지 않는 경우, 상기 사판식 압축부의 사판의 각도를 최대로 증가시키는 최대사판각단계를 더 포함하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 풍속측정단계는,
    상기 터빈의 일측에 로드셀을 형성하고, 상기 로드셀에 측정된 압력에 기초하여 상기 풍속을 측정하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 조정단계는,
    상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기고효율영역에 해당하지 않는 경우, 상기 사판식 압축부의 사판의 각도를 변경하는 것을 특징으로 하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 또는 상기 압축기 고효율영역의 회전속도보다 큰 경우, 사판각도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 또는 상기 압축기 고효율영역의 회전속도보다 작은 경우, 사판각도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 터빈의 운전상태점이 상기 터빈고효율영역 및 상기 압축기 고효율영역의 회전속도의 범위에 해당하는 경우, 사판각도를 고정시키는 것을 특징으로 하는 풍력구동 압축공기 생산시스템의 제어방법.
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