KR101967650B1 - 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터빈의 시동 유속을 최대한 낮출 수 있는 구조로 터빈을 설계 및 제작함에 따라 터빈의 시동 유속과 실제 발전기의 초기 시동 토크를 제공하는 발전 유속 간의 차이가 크게 나더라도, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전 구동 회로를 동작시킬 수 있도록 함으로써, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전이 이루어져 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있도록 한 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치{Electrical shutter for lower cut-in speed of turbine}

본 발명은 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조류 또는 풍력 발전용 터빈의 시동 유속이상일 때 발전기의 발전이 시작될 수 있도록 한 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치에 관한 것이다.

조류 및 풍력 발전은 유체의 흐름 에너지를 터빈의 회전에너지로 전환하여 전력을 생산하는 신재생 에너지의 한 종류이다.

상기 조류 및 풍력 발전 시스템에 사용되는 터빈은 1차 에너지변환 장치로서, 조류 및 풍력발전 시스템의 가장 핵심적인 구성요소 중 하나이며, 그 이유는 발전을 위하여 최초로 회전 구동되어야 하는 부품이기 때문이다.

이에, 상기 조류 및 풍력 발전시스템에 사용되는 터빈에 대하여 발전량 최대화를 위해 설치 환경에 따라 익형 선정 및 유동 해석이 진행된다.

특히, 상기 조류 및 풍력 발전의 발전량을 극대화하기 위해서는 터빈의 시동 유속(cut-in speed)을 최대한 저감시켜 발전 가능한 유속 범위를 최대화시키는 것이 매우 중요하다.

여기서, 상기 시동 유속이란 터빈이 회전을 시작하는 최소 유속(예, 터빈이 회전을 시작하는 조류 또는 바람의 유속)을 말하며, 시동 유속이 낮을수록 조류 및 풍력발전장치를 설치할 수 있는 범위가 넓어지므로 터빈 설계 및 제작에 매우 중요한 핵심 사항으로 여겨지고 있다.

다시 말해서, 상기 시동 유속은 터빈을 구동시키기 위한 최소 구동 유속으로서, 시동 유속보다 더 큰 발전기의 발전 가능 유속과 직접적인 연관성이 있으므로, 궁극적으로 발전기의 총 발전량을 극대화시키기 위해 최대한 낮은 시동 유속이 요구된다.

예를 들어, 상기 발전소가 설치되는 주변 환경(조류, 바람 등)을 고려하여 터빈의 시동 유속을 최대한 낮은 유속으로 확보하기 위해 터빈의 면적 및 형상, 두께 등을 최적화하여 설계하게 되며, 그에 따라 각 발전소의 터빈마다 시동 유속을 최소로 하되 달리 설정될 수 있다.

그러나, 상기 터빈의 시동 유속에 따라 터빈이 회전을 시작하더라도, 터빈과 동축으로 연결된 발전기의 발전을 위한 초기 구동 토크는 시동 유속에 비하여 더 큰 유속(발전기의 발전을 위한 초기 구동 토크를 제공하는 유속)에서 발생하므로, 터빈의 시동 유속을 마냥 낮게 설계하는 것에도 한계가 있게 된다.

따라서, 터빈의 시동 유속은 최대한 낮추는 동시에 발전기의 발전량은 최대화시키는 것이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1372930호(2014.03.05)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 터빈의 시동 유속을 최대한 낮출 수 있는 구조로 터빈을 설계 및 제작함에 따라 터빈의 시동 유속과 실제 발전기의 초기 시동 토크를 제공하는 발전 유속 간의 차이가 크게 나더라도, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전 구동 회로를 동작시킬 수 있도록 함으로써, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전이 이루어져 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있도록 한 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 터빈; 상기 터빈의 축과 동축으로 연결되는 발전기; 상기 터빈의 전면 중심부에 눌림 및 복귀 이동 가능하게 장착되어, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서 눌려지는 버튼; 및 상기 버튼의 배면부와 연결되어 버튼의 눌림시 발전기의 발전 구동 회로를 미리 동작시키는 스위칭 장치; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치를 제공한다.

특히, 상기 버튼이 유속에 의하여 눌려지는 힘은

에 의하여 조절되는 것을 특징으로 한다.

위의 식에서, C_D는 항력계수, ρ는 유체 밀도, A는 버튼의 전면부 면적, u는 유체의 유속을 나타낸다.

바람직하게는, 상기 스위칭 장치로서, 상기 버튼의 배면부에는 가동로드에 연결되고, 터빈의 중심부 내벽에는 고정로드가 연결되며, 가동로드의 후단과 고정로드의 전단에는 각각 스위칭 장치의 가동단자와 고정단자가 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 버튼의 배면부에는 버튼을 눌림 전 위치로의 복귀시키기 위한 리턴스프링이 연결된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 터빈의 시동 유속을 최소화시키는 동시에 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있다.

즉, 터빈의 시동 유속을 최대한 낮출 수 있는 구조로 터빈을 설계 및 제작함에 따라 터빈의 시동 유속과 실제 발전기의 초기 시동 토크를 제공하는 발전 유속(발전 시작 유속) 간의 차이가 크게 나더라도, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전 구동 회로를 미리 동작시킴으로써, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전이 미리 이루어져 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치를 도시한 정면도 및 측면도,
도 3은 본 발명에 따른 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치를 도시한 회로 결선도,
도 4는 본 발명에 따른 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치의 작동 상태를 나타낸 회로 결선도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

전술한 바와 같이, 발전소가 설치되는 주변 환경(조류, 바람 등)이 다르기 때문에 발전용 터빈을 설계할 때 시동 유속(예, 터빈이 회전을 시작하는 조류 또는 바람의 유속)을 최소화할 수 있는 구조로 설계하는 것이 바람직하다.

그러나, 상기 터빈의 시동 유속에 따라 터빈이 회전을 시작하더라도, 터빈과 동축으로 연결된 발전기의 발전을 위한 초기 구동 토크는 시동 유속에 비하여 더 큰 유속(발전기의 발전을 위한 초기 구동 토크를 제공하는 유속)에서 발생하므로, 터빈의 시동 유속을 마냥 낮게 설계하는 것에도 한계가 있게 된다.

예를 들어, 특정 발전소를 위하여 미리 설계 제작된 터빈의 시동 유속이 0.3m/s이고, 터빈의 축과 동축으로 연결된 발전기의 초기 구동 토크를 제공하는 실제 발전 유속(발전 시작 유속)이 0.6m/s 라면, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속(0.3m/s ~ 0.6m/s)에서도 발전기 축이 돌아서 발전이 가능한 상태이지만 발전기의 초기 구동 토크에 맞추어 구동되는 발전기 구동 회로가 동작하지 않게 되므로, 결국 터빈의 시동 유속을 낮추더라도 발전기의 발전량을 최대화시키지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 위와 같은 단점을 해결하기 위한 것으로서, 시동 유속을 최대한 낮출 수 있는 구조로 터빈을 설계 및 제작함에 따라 터빈의 시동 유속과 실제 발전기의 초기 시동 토크를 제공하는 발전 유속(발전 시작 유속) 간의 차이가 크게 나더라도, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전 구동 회로를 미리 동작시킴으로써, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전이 미리 이루어져 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치에 대한 외관을 나타낸 정면도 및 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치의 내부 구조를 도시한 회로 결선도이다.

도 1 내지 도 3에서, 도면부호 10 발전용 터빈을 지시한다.

상기 터빈(10)은 축 하우징을 중심으로 복수개의 블레이드가 등간격으로 형성된 구조로 구비되며, 발전소가 설치되는 주변 환경(조류, 바람 등)에 따라 블레이드의 면적, 살두께, 배치각도 등을 다르게 설계하되, 시동 유속(예, 터빈이 회전을 시작하는 조류 또는 바람의 유속)을 최소화할 수 있는 구조로 다양하게 설계 제작될 수 있다.

이러한 발전용 터빈(10)은 발전기(20)와 연결된다.

즉, 상기 터빈(10)의 축 하우징 후부에는 터빈 축이 연장되고, 이 터빈 축은 터빈(10)의 뒤쪽에 배치되는 발전기(20)의 축에 동축으로 연결된다.

본 발명에 따르면, 상기 터빈(10)의 전면 중심부 즉, 축 하우징의 전면에는 버튼(30)이 유체의 흐름 압력에 의하여 눌림 가능하게 장착된다.

이때, 상기 버튼(30)은 터빈의 시동 유속과 발전기의 발전 유속 사이 범위의 유체 유속에서 눌려지도록 설계된다.

이를 위해, 상기 버튼(30)이 유체의 유속에 의하여 눌려지는 힘(유체의 흐름 압력)은 아래의 수학식 1에 따라 조절될 수 있다.

위의 식에서, C_D는 항력계수, ρ는 유체 밀도, A는 버튼의 전면부 면적, u는 유체의 유속을 나타낸다.

따라서, 상기 수학식 1에서 버튼의 전면부 면적(A)과 항력계수(C_D)를 달리 설계하면 버튼(30)이 터빈의 시동 유속과 발전기의 발전 유속 사이 범위의 유체 유속에서 눌려지도록 설계될 수 있다.

한편, 상기 버튼(30)의 배면부에는 버튼(30)의 눌림시 발전기의 발전 구동 회로(50)를 미리 동작시키는 스위칭 장치(40)가 연결된다.

바람직하게는, 상기 스위칭 장치(40)는 일종의 단락 회로로서, 평상시에는 발전기 구동 회로가 동작하지 않게 단락되어 있다가 상기 버튼(30)이 눌려지면 붙어서 발전기 구동 회로를 동작 가능한 상태로 만들어준다.

이를 위해, 상기 스위칭 장치(40)는 버튼(30)의 배면부에 연결되어 버튼(30)의 눌림시 함께 이동하는 가동로드(31)와, 터빈의 축 하우징 중심부 내벽에고정 연결되는 고정로드(33)와, 가동로드(31)의 후단과 고정로드(33)의 전단에 각각 연결되어 서로 마주보는 가동단자(32)와 고정단자(34)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 버튼(30)의 후면에는 버튼(30)을 눌림 전 위치로의 복귀시키기 위한 리턴스프링(35)이 연결되어, 버튼(30)이 터빈의 시동 유속보다 큰 유속에 의하여 눌려지면 압축되고, 터빈(30)의 시동 유속 이하에서 탄성복원력을 발휘하여 버튼(30)을 본래 위치로 복귀시키게 된다.

여기서, 상기한 구성으로 이루어진 본 발명의 터빈 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치에 대한 작동 흐름을 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 이해를 돕기 위하여 상기 터빈이 0.3m/s의 시동 유속을 갖도록 설계 제작된 것으로 가정하고, 상기 발전기의 초기 구동 토크를 제공하는 발전 유속(발전 시작 유속)을 0.6m/s로 가정한다.

먼저, 상기 터빈(10)이 시동 유속에서 회전을 하기 시작하면, 터빈 축과 연결된 발전기 축도 회전을 하게 된다.

이때, 상기 터빈(10)이 회전을 시작하더라도, 발전기의 초기 구동 토크를 제공하는 발전 유속에 도달하지 않은 상태이므로 발전기의 초기 구동 토크에 맞추어 동작하는 발전기 구동 회로가 동작하지 않게 된다.

이에, 상기 터빈(10)의 시동 유속(예, 0.3m/s)과 발전기(20)의 초기 시동 토크를 제공하는 발전 유속(예, 0.6m/s) 사이 범위의 유속(0.3m/s ~ 0.6m/s)에서는 터빈의 회전과 동시에 발전기가 회전하면서 전력을 생산하더라도, 실제 발전기 구동 회로가 동작하지 않으므로 발전 전력이 쓸모없이 소모되는 경향이 있다.

다시 말해서, 상기 터빈(10)이 시동 유속에서 회전을 시작하여 터빈과 연결된 발전기의 축도 회전을 하게 되지만, 터빈(10)이 회전을 시작한 후 시동 유속(예, 0.3m/s)보다 큰 발전 유속(0.6m/s)에서 양력을 받으면서 더 빠르게 회전을 하여 발전기의 초기 시동 토크를 제공하는 경우 실제 발전기 구동 회로가 동작하게 되므로, 결국 터빈(10)이 회전을 시작하는 시동 유속(예, 0.3m/s)과 발전 유속(0.6m/s) 사이 범위의 유속에서 터빈이 회전하여 발전기 축을 회전시키더라도 발전기의 초기 구동 토크에 맞추어 동작하는 발전기 구동 회로가 동작하지 않게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 터빈(10)에 가해지는 유속이 시동 유속(예, 0.3m/s)보다 크게 되는 순간에 상기 버튼(30)이 유체의 유속(예, 0.3m/s보다 큰 유속)에 의하여 눌려지게 된다.

이와 동시에, 첨부한 도 4에서 보듯이 상기 버튼(30)의 눌림시 가동로드(31) 및 가동단자(32)가 후진하여, 가동단자(32)가 고정로드(33)의 전단부에 연결된 고정단자(34)에 접촉되면서 발전기 구동 회로(50)를 동작 가능한 상태로 만들어준다.

즉, 평상시에는 발전기 구동 회로가 동작하지 않게 가동단자(32)와 고정단자(34)가 단락되어 있다가 상기 버튼(30)이 눌려지면 서로 붙어서 발전기 구동 회로(50)를 동작 가능한 상태로 만들어준다.

이에, 상기 발전기 구동 회로(50)가 터빈(10)의 시동 유속(예, 0.3m/s)과 발전기(20)의 초기 시동 토크를 제공하는 발전 유속(예, 0.6m/s) 사이 범위의 유속(0.3m/s ~ 0.6m/s)에서 미리 동작을 하게 된다.

따라서, 터빈(10)이 시동 유속(예, 0.3m/s)과 발전 유속(예, 0.6m/s) 사이 범위의 유속(0.3m/s ~ 0.6m/s)에서 회전하는 동시에 발전기가 회전하면서 전력을 생산하면, 상기 발전기 구동 회로(50)가 동작하게 되므로 발전기의 발전전력을 미리 얻을 수 있게 된다.

이와 같이, 터빈의 시동 유속과 발전기의 발전 유속 사이 범위의 유속에서 발전기의 발전 구동 회로를 미리 동작시킴으로써, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서도 발전기의 발전이 미리 이루어져 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있고, 결과적으로 터빈의 시동 유속을 최소화시키는 동시에 발전기의 발전량을 극대화시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

10 : 터빈
20 : 발전기
30 : 버튼
31 : 가동로드
32 : 고정로드
33 : 가동단자
34 : 고정단자
35 : 리턴스프링
40 : 스위칭 장치
50 : 발전 구동 회로

Claims (4)

1. 터빈;
   상기 터빈의 축과 동축으로 연결되는 발전기;
   상기 터빈의 전면 중심부에 눌림 및 복귀 이동 가능하게 장착되어, 시동 유속과 발전 유속 사이 범위의 유속에서 눌려지는 버튼;
   상기 버튼의 배면부와 연결되어 버튼의 눌림시 발전기의 발전 구동 회로를 미리 동작시키는 스위칭 장치;
   를 포함하여 구성되고,
   상기 스위칭 장치로서,
   상기 버튼의 배면부에는 가동로드에 연결되고, 터빈의 중심부 내벽에는 고정로드가 연결되며, 가동로드의 후단과 고정로드의 전단에는 각각 가동단자와 고정단자가 접촉 가능하게 연결되며, 상기 버튼의 배면부에는 버튼을 눌림 전 위치로의 복귀시키기 위한 리턴스프링이 연결되어,
   상기 터빈에 가해지는 유속이 시동 유속보다 크게 되는 순간에 상기 버튼이 유체의 유속에 의하여 눌려지게 됨으로써, 상기 가동단자와 고정단자가 서로 붙어서 발전기 구동 회로가 동작 가능한 상태가 되도록 한 것을 특징으로 하는 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 버튼이 유속에 의하여 눌려지는 힘(F)은

   

   에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 발전용 터빈의 시동 유속 저감을 위한 발전 유도 장치.
   위의 식에서, C_D는 항력계수, ρ는 유체 밀도, A는 버튼의 전면부 면적, u는 유체의 유속을 나타낸다.
3. 삭제
4. 삭제

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