KR20020087663A - 풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자일체형 풍력발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전 시스템의 대형화에 따른 풍차 지지대의 부담을 줄이도록 한 풍속 증폭터널과 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형을 이용한 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 내부에서 풍차 블레이드의 회전이 가능하고, 풍속을 증가시키는 풍속 증폭터널; 및 상기 풍속 증폭터널의 내면에 고정되게 설치된 고정자, 및 상기 풍차 블레이드의 끝단에 부착된 채로 상기 고정자와 소정 간극을 유지한 채 회전하는 회전자를 갖춘 발전기를 구비함으로써, 종래의 풍력 발전 시스템에서 큰 비중을 차치하던 샤프트, 증속 기어장치, 커플링 등의 동력 전달장치가 필요없게 되어 설치 비용이 절감되고, 풍력 발전 시스템 자체의 중량을 감소시키며, 유지/보수가 편해진다.

Description

풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형 풍력발전 시스템{wind power generation system using diffuser with the integrated blade and generator rotor}

본 발명은 풍속 증폭터널을 이용한 풍력 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍속 증폭터널을 이용하고 풍차 블레이드와 발전기의 회전자를 일체화시킨 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

종래 증속기가 없는 영구자석 여자 동기 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 풍차 블레이드(14); 샤프트(shaft)를 통해 그 풍차 블레이드(14)와 연결된 발전기(11); 및 상기 풍차 블레이드(14)와 발전기(11)를 지지하는 풍차 지지대(15)로 구성된다.

그리고, 종래 증속기가 있는 동기형 또는 유도형 발전 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 풍차 블레이드(14); 샤프트(shaft)를 통해 그 풍차 블레이드(14)와 연결되고 저속의 풍차 회전을 증속하여 후단의 발전기(11)를 구동시키는 증속기(19); 및 상기 풍차 블레이드(14)와 증속기(19) 및 발전기(11)를 지지하는 풍차 지지대(15)로 구성된다.

상술한 도 1 및 도 2의 발전 시스템은 통상적으로 도 3에 도시된 바와 같이 발전기(11)의 후단에 컨버터(12)와 캐패시터(17) 및 인버터(13)를 갖추게 된다. 즉, 상기 컨버터(12)는 다수의 전력용 반도체 소자(20)를 갖추고서 상기 발전기(11)에서 발전된 교류 전력을 직류로 변환시키고, 상기 인버터(13)는 상기컨버터(12)에서 출력되는 직류를 배전선(18)에서 원하는 일정 주파수의 교류로 변환시킨다. 그리고, 상기 캐패시터(17)는 전기 에너지를 저장하는 기능을 한다.

상술한 도 1 내지 도 3의 발전 시스템은 모두 풍력 에너지를 이용하는 것으로서, 그 풍력 에너지는 바람의 속도와 방향이 자주 바뀌고 지속적이지 못한 경우가 많아 전기 에너지를 생산하기 위하여 많은 설비와 기술들이 요구되어 생산 가격이 상대적으로 높아지는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서는 풍력 발전 시스템의 대형화라고 할 수 있다.

상기 저속으로 운전하는 풍차 블레이드(14)와 도 1에서와 같이 직접 연결된 발전기(11) 또는 도 2에서와 같이 증속기(19)를 통해 연결된 발전기(11)는 모두 풍차 지지대(15) 위에 설치된 것으로서, 대형화에 따른 무게 증가가 문제가 된다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 풍력 발전 시스템의 대형화에 따른 풍차 지지대의 부담을 줄이도록 한 풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형 풍력발전 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 증속기가 없는 영구자석 여자 동기 발전 시스템의 개략도,

도 2는 종래 증속기가 있는 동기형 또는 유도형 발전 시스템의 개략도,

도 3은 종래의 동기형 풍력발전 시스템의 개략도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형 풍력발전 시스템의 구성도,

도 5는 본 발명의 실시예의 주요부분에 대한 구성도,

도 6은 도 5의 A-A'의 단면도,

도 7은 도 5의 풍속 증폭터널이 없는 경우 바람의 형태를 설명하는 도면,

도 8은 도 5의 풍속 증폭터널의 장착에 의한 바람의 형태를 설명하는 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 풍속 증폭터널3 : 영구자석

4 : 철심5 : 권선

7 : 블레이드 지지대8 : 슬롯

9 : 풍속 증폭터널의 기류 경계10 : 풍속 증폭터널의 내부 기류

11 : 발전기12 : 컨버터

13 : 인버터14 : 풍차 블레이드

15 : 풍차 지지대16 : 베어링

17 : 캐패시터18 : 배전선

19 : 증속기20 : 전력용 반도체 소자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형 풍력발전 시스템은,내부에서 풍차 블레이드의 회전이 가능하고, 풍속을 증가시키는 풍속 증폭터널; 및 상기 풍속 증폭터널의 내면에 고정되게 설치된 고정자, 및 상기 풍차 블레이드의 끝단에 부착된 채로 상기 고정자와 소정 간극을 유지한 채 회전하는 회전자를 갖춘 발전기를 구비한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형 풍력발전 시스템에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍속증폭터널을 이용한 풍차 블레이드와 발전기 회전자 일체형 풍력발전 시스템의 구성도로서, 풍차 블레이드(14)의 끝단에 영구자석(3)을 부착하고, 그 영구자석(3)은 권선(5)이 감겨져 있는 철심(4)과 일정 간극을 유지한다. 그에 따라, 풍차 블레이드(14)가 회전함에 따라 그 영구자석(3)이 회전한다. 여기서, 상기 풍차 블레이드(14)의 끝단에 부착된 영구자석(3)과 상기 철심(4) 및 권선(5)은 발전기의 구성요소가 된다.

상기 발전기의 후단에는 전력변환 수단이 설치된다. 그 전력 변환 수단은 다수의 전력용 반도체 소자(20)를 갖추고서 상기 발전기에서 발전된 교류 전력을 직류로 변환시키는 컨버터(12); 상기 컨버터(12)에 의해 만들어진 전기 에너지를 저장하는 캐패시터(17); 및 다수의 전력용 반도체 소자(20)를 갖추고서 입력되는 직류 전력을 배전선(18)에서 원하는 일정 주파수의 교류로 변환시키는 인버터(13)로 구성된다.

상기 본 발명에서의 발전기의 구성에 대해 도 5 및 도 6을 참조하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서의 발전기는, 풍속 증폭터널(1)의 내면에 고정되게 설치된 원통형의 고정자, 및 풍차 블레이드(14)의 끝단에 부착된 채로 상기 고정자와 소정 간극을 유지한 채 회전하는 회전자로 구성된다.

상기 고정자는 원통형의 철심(4)과 상기 철심(4)에 등간격으로 형성된 슬롯(8), 및 상기 철심(4)을 감고 있는 권선(5)으로 구성된다.

그리고, 상기 회전자는 N극과 S극이 교번되게 형성된 원통형의 영구자석(3)이다.

한편, 상기 풍차 블레이드(14)가 교차하는 중심부에는 베어링(16)이 설치되고, 그 베어링(16)을 보호하고 있는 부위는 블레이드 지지대(7)에 의해 상기 풍속 증폭터널(1)의 소정 부위에 연결된다. 도 5에서 미설명 부호 9는 상기 풍속 증폭터널(1)의 기류 경계를 나타내고, 미설명 부호 10은 상기 풍속 증폭터널(1)의 내부 기류를 나타낸다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 상기 풍차 블레이드(14)의 끝단에 발전기의 회전자 역할을 하는 영구자석(3)을 부착하고, 상기 풍속 증폭터널(1)내에 슬롯(8)을 만들어 권선(5)을 감아주어 발전기의 고정자로 하여, 종래의 풍차 블레이드, 증속기, 및 발전기의 구조를 일체형으로 만든 것이 된다.

한편, 상기 풍속 증폭터널(1)은 풍차 블레이드(14)의 후류쪽에 낮은 압력을형성시키는 공기역학적인 장치로서, 터널 후방에서 일종의 흡입 효과(suction effect)를 통해 상기 풍차 블레이드(14)를 지나는 공기 유속(V₂)을 자유류의 공기 유속(V₁)보다 수배 정도 상승시켜 준다. 이때, 바람의 에너지 밀도는 풍속의 3승에 비례하므로 상기 풍속 증폭터널(1)을 이용해 풍속을 2배 증가시킨다면 바람의 에너지 밀도는 8배 증가하게 된다.

따라서, 도 7 및 도 8을 비교해 보면 알 수 있듯이, 풍속 증폭에 의한 바람의 에너지 밀도를 높임으로서 상기 풍차 블레이드(14)의 직경을 종래의 풍력 발전기에서의 풍차 블레이드보다 크게 줄이게 된다. 즉, 도 7의 풍차 블레이드(14)에 비해 도 8의 풍차 블레이드(14)의 직경이 작음을 알 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 발전 시스템의 구성은 풍력을 이용하는 것으로 설명하였으나, 풍력이 아닌 바닷물 혹은 물 등 유체에 의한 발전 시스템에도 그대로 적용가능하다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 풍속 증폭터널내에 발전기의 고정자 부분을 설치하고, 풍차 블레이드의 끝단에 영구자석을 부착하여 발전기의 회전자와 풍차의 회전자를 일체화시킴으로써, 종래의 풍력 발전 시스템에서 큰 비중을 차치하던 샤프트(shaft), 증속 기어장치, 커플링(coupling) 등의 동력 전달장치가 필요없게 된다. 그로 인해 설치 비용이 절감되고, 풍력 발전 시스템 자체의 중량을 감소시키며, 유지/보수가 편해지는 이점이 있게 된다.

또한, 영구자석 여자 동기발전기를 이용하므로 넓은 운전범위를 가지고 효율도 높일 수 있다. 그리고, 풍속 증폭터널을 이용한 지지물의 설치가 가능하여 종래의 풍력 발전기에 비해 견고성을 유지하기가 쉽다. 또, 풍속 증폭터널의 차음 및 흡음 효과로 인해 소음의 저감효과를 기대할 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (5)

1. 내부에서 풍차 블레이드의 회전이 가능하고, 풍속을 증가시키는 풍속 증폭터널; 및

   상기 풍속 증폭터널의 내면에 고정되게 설치된 고정자, 및 상기 풍차 블레이드의 끝단에 부착된 채로 상기 고정자와 소정 간극을 유지한 채 회전하는 회전자를 갖춘 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍속 증폭터널을 이용한 풍력 발전 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 풍속 증폭터널은 상기 풍차 블레이드의 후방에서 흡입효과에 의해 상기 풍차 블레이드를 지나는 공기 유속을 자유류의 공기 유속의 소정 배수 상승시키는 것을 특징으로 하는 풍속 증폭터널을 이용한 풍력 발전 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고정자는 원통형의 철심, 상기 철심에 등간격으로 형성된 슬롯, 및 상기 철심을 감고 있는 권선으로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍속 증폭터널을 이용한 풍력 발전 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 회전자는 N극과 S극이 교번되게 형성된 원통형의 영구자석인 것을 특징으로 하는 풍속 증폭터널을 이용한 풍력 발전 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 풍속 증폭터널은, 공기가 유입되는 초입부의 직경이 상기 풍차 블레이드 설치 위치보다 후방인 쪽의 직경보다 작은 유선형의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 풍속 증폭터널을 이용한 풍력 발전 시스템.