KR20070055058A - 풍력발전기의 가변형 전기발생장치 - Google Patents

풍력발전기의 가변형 전기발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 가변형 전기발생장치에 관한 것으로, 그 목적은 변화무쌍한 바람의 속도와 방향에 대응하여 높은 효율로 전기의 발생이 가능하도록 하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 바람의 힘에 의해 회전하는 회전원통으로부터 발생된 기계적 에너지를 이용해 전기를 발생하는 풍력발전기에 있어서, 상기 회전원통의 하단부에 원형배열구조를 갖도록 설치되어 회전원통과 함께 회전하는 다수개의 자석들로 이루어진 자석군; 상기 자석들의 하단부에서 자석들과 동심원을 이루도록 고정부재에 의해 회전원통의 회전을 지지하는 고정축에 설치된 다수개의 코일유닛들; 풍속의 크기를 감지하는 풍속감지부; 상기 다수개의 코일유닛들에 의해 생성된 전기가 저장되는 축전부; 상기 풍속감지부에 의해 감지되는 풍속에 따라 축전부와 연결되는 코일유닛들을 결정하여 연결시키는 단자부;를 구비하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
자석군, 코일유닛, 고정부재, 풍속, 단자부

Description

풍력발전기의 가변형 전기발생장치{APPARATUS FOR GENERATING POWER OF WIND TURBINE}
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기발생장치가 설치된 풍력발전기의 사시도,
도 2 는 도 1의 정면도,
도 3 은 도 1에 도시된 풍력발전기에 설치된 전기발생장치의 구성을 나타낸 정단면도,
도 4 는 도 1에 도시된 전기발생장치의 구성을 나타낸 평단면도,
도 5 는 도 4의 'A'부 상세도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 회전원통 (111) : 날개
(120) : 지지부 (121) : 고정블록
(122) : 고정축 (123) : 베어링
(130) : 자석군 (131) : 자석
(140) : 코일유닛 (150) : 고정부재
(151) : 원판형 브라켓 (151a) : 돌출부
(151b) : 볼 (152) : 고정 브라켓
(153) : 볼트 (160) : 풍속감지부
(170) : 축전부 (180) : 단자부
본 발명은 풍력에 의해 발생된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 발생하는 전기발생장치에 관한 것으로, 특히 미풍 또는 강풍과 같이 풍속의 크기에 따라 발전구조를 달리하여 높은 효율의 발전이 가능하도록 하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 바람의 힘을 이용하여 전기를 발생하는 풍력발전기는 산업의 발달 및 인구 증가에 의해 석유, 석탄, 천연가스 등의 자원이 고갈되어감에 따라 대체 에너지원으로서 많은 연구가 진행되고 있다.
한편 일반적으로 널리 사용되고 있는 수평형 풍력발전기는 지면으로부터 높게 세워진 구조물의 상단부에 다수개의 블레이드를 갖는 로터가 구비된 것으로 구성되어 있다. 이러한 수평형 풍력발전기는 로터가 바람의 힘에 의해 회전하게 되고, 이 로터의 회전에 의해 발생된 기계적 에너지를 발전기로 전달하여 전기적 에너지로 변환시킴으로서 전기를 발생하도록 되어 있다.
그러나 상기와 같은 수평형 풍력발전기가 안정적인 발전조건을 유지하기 위해서는 정상류에 가까운 높은 고도에 로터가 위치하도록 해야만 하는데, 이는 로터를 지지하는 구조물이 과도하게 높아지는 것을 초래하므로 많은 설치 비용이 요구됨과 더불어 붕괴의 위험이 높고, 로터와 발전기 및 각종 주요 부품들의 유지/보수에 많은 어려움이 따르는 단점을 갖고 있다. 또한 수평형 풍력발전기는 상술한 바와 같이 로터와 발전기 및 각종 주요 부품들이 구조물의 상단부에 설치되는 구조적 특성상 4~25m/sec의 풍속범위에서만 작동이 가능하였다. 즉, 25m/sec 이상의 풍속을 갖는 바람이 로터에 작용하여 비교적 빠른 속도로 로터가 회전될 경우에 대형구조물인 로터를 지지하는 각종 부품들 및 전기 발생 계통의 부품들에 부하가 작용하여 파손의 위험이 있다. 따라서 현재 사용되고 있는 수평형 풍력발전기는 25m/sec 이상의 풍속에서는 실질적으로 모든 작동이 멈춰지도록 되어 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 로터를 지지하는 부품 및 전기 발생 계통의 부품들이 충분한 하중을 견뎌낼 수 있도록 큰 크기로 제작되어야 하나, 구조물의 상단부에 설치되는 특성 상 그 크기가 제한적이므로 부품의 크기를 확장시키는데는 한계가 있었다.
따라서, 종래의 수평형 풍력발전기는 바람의 힘을 충분하게 활용하지 못함과 더불어 태풍 또는 돌풍 발생 시 작동이 멈춤으로써 발전효율이 낮은 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 고려하여 본 출원인에 의해 출원된 대한민국 특허출원번호 제2005-0005062호에는 회전원통을 이용한 풍력 발전기가 개시되어 있다. 개시된 풍력 발전기는 회전원통과, 이 회전원통의 외주면에 상호 일정간격을 유지함과 더불어 회전원통과 힌지결합된 다수개의 풍력날개들이 구비된 것으로 구성되어 풍력날개들에 작용하는 바람의 힘에 의해 회전원통이 회전하며, 이러한 회전원통의 회전에 의해 발생된 기계적 에너지를 회전축과 증속기어를 통해 발전기로 전달하여 전기적 에너지로 변환하게 된다. 이러한 풍력 발전기는 바람의 방향에 영향을 받지 않고 지속적인 발전이 가능함과 더불어 풍속의 영향을 비교적 덜 받는 이점이 있으나, 태풍 또는 돌풍 발생시에는 회전원통이 과도하게 빠른 속도로 회전하여 동력 전달 계통 및 전기 발생 계통의 부품들이 파손되므로 작동을 멈출 수밖에 없는 문제점이 있었다.
또한, 풍력 발전기의 발전량은 Cp×1/2×ρ×A×V3(여기서, Cp는 출력계수, ρ는 공기밀도, A는 단면적, V는 풍속이다.)에 해당되나, 실제로 중간의 기계적 에너지 손실, 풍속의 다양한 변화에 민감하게 대응하지 못하고, 풍속에 변화에 따른 V3에 비례하는 발전이 적용되지 못하고 있는 실정이었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 변화무쌍한 바람의 속도와 방향에 대응하여 높은 효율로 전기의 발생이 가능하도록 하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 풍속에 따라 발전구조가 변경되어 발전량이 가변적인 풍력발전기의 가변형 전기발생장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 별도의 변속장치 없이도 회전원통의 회전속도를 풍속에 따라 제어함으로써 태풍이나 돌풍 시에도 원활한 발전이 가능한 풍력발전기의 가변형 전기발생장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 외주면에 다수개의 날개들이 구비되어 바람의 힘에 의해 회전하는 회전원통으로부터 발생된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 발생하는 풍력발전기에 있어서,
상기 회전원통의 하단부에 회전원통과 함께 회전함과 더불어 원형배열구조를 갖도록 다수개의 자석들이 설치된 것으로 이루어지고, 원형배열된 자석들이 회전원통의 회전중심과 동일한 회전중심을 갖도록 배치되며, 인접한 자석들 간에 서로 다른 극성이 회전원통의 내측을 향하도록 배치된 것으로 이루어진 자석군;
상기 자석들의 하단부에서 자석들과 동심원을 이루도록 배치됨과 더불어 자석들에 근접하도록 상기 회전원통의 회전을 지지하는 고정축에 고정부재에 의해 설치되고, 점차적으로 큰 직경 및 짧은 길이를 갖는 코일로 이루어져 서로 다른 에너지를 발생하는 다수개의 코일유닛들;
풍속의 크기를 감지하는 풍속감지부;
상기 다수개의 코일유닛들에 의해 생성된 전기가 저장되는 축전부;
상기 각각의 코일유닛과 상기 축전부를 전기적으로 연결함과 더불어 상기 풍 속감지부에 의해 감지되는 풍속에 따라 축전부와 연결되는 코일유닛들을 결정하여 연결시키는 단자부;를 구비하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치를 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 전기발생장치가 설치된 풍력발전기를 도시하고 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 풍력발전기는 회전원통(110)과, 지지부(120)로 구성되어 있다. 상기 회전원통(110)은 흡사 드럼과 유사한 구조로서, 그의 외주면에 다수개의 날개(111)들이 구비되어 바람의 힘을 받아 회전할 수 있도록 구성되며, 이때 각 날개(111)는 회전원통(110)의 외측으로 돌출되어 바람의 힘을 받거나, 회전원통(110)의 외주면에 밀착되어 회전 저항을 감소시키도록 구성되어 있다. 이러한 각 날개(111)는 소정의 형상을 갖는 프레임의 내측에 천이 설치된 것으로 구성되어질 수 있다. 이와 같은 날개(111)는 바람과 마주하는 방향으로 날개(111)의 오목한 일면(111a)이 위치하게 되었을 때 바람에 의해 펼쳐지게 되고, 바람과 마주하는 방향으로 날개(111)의 볼록한 타면(111b)이 위치하게 되었을 때 바람에 의해 접혀지도록 구성되어 있다. 이에 따라 바람이 부는 방향을 기준으로 일측에 위치한 날개(111)는 펼쳐져 바람의 힘을 받게 되고, 반대측에 위치한 날개(111)는 접혀져 회전원통(110)의 회전저항을 감소시키게 된다. 상기 지지부(120)는 회전원통(110)의 회전을 지지하는 것으로, 지면에 고정되는 고정블록(121)과, 상기 고정블록(121)의 상면으로부터 상방향으로 연장되어 회전원통(110)과 베어링(123)에 의해 연결됨으로써 회전원통(110)의 회전을 지지하는 고정축(122)으로 구성되어 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기발생장치가 상기 풍력발전기에 설치된 것을 도시하고 있다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전기발생장치는 자석군(130)과, 다수개의 코일유닛(140)들과, 풍속감지부(160)와, 축전부(170)와, 단자부(180)로 구성된다. 이러한 전기발생장치는 회전원통(110)의 회전에 의해 발생된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 발생하게 되며, 또한 풍속에 따라 발전구조가 변화되어 태풍 또는 돌풍과 같은 강풍을 이용한 발전이 가능하게 함으로써 높은 발전효율의 구현이 가능하도록 구성되어 있다.
상기 자석군(130)은 회전원통(110)의 하단부에 다수개의 자석(131)들이 원형배열구조를 갖도록 설치된 것으로 이루어지며, 이때 원형배열된 자석(131)들은 회전원통(110)의 회전중심과 동일한 회전중심 즉, 고정축(122)을 중심으로 원형배열되어 있다. 한편 상기 자석들은 회전원통(110)의 저면으로부터 돌출되지 않고 노출되도록 회전원통(110)의 하단부에 삽입되게 설치되어 있다. 이에 따라 상기 자석(131)들은 회전원통(110)의 회전시에도 원심력의 영향을 받지 않고 안정적으로 고정된 상태를 유지하게 된다. 또한 상기 자석(131)들은 인접한 자석(131)들 간에 서로 다른 극성이 회전원통(110)의 내측을 향하도록 설치되어 있다. 일예로서 N극이 회전원통(110)의 내측을 향하도록 배열된 자석의 양측에는 S극이 회전원통(110)의 내측을 향하도록 배치되는 또 다른 자석들이 설치되어 인접한 자석들은 서로 다른 극성 배열을 갖도록 설치된다. 이와 같은 자석군(130)은 회전원통(110)의 하단부에 고정되게 설치되어 회전원통(110)과 함께 회전하게 된다.
상기 코일유닛(140)들은 자석군(130)과 반응하여 전기를 발생하는 것으로, 상기 자석군(130)을 구성하는 자석(131)들의 하단부에서 자석(131)들에 근접함과 더불어 자석들과 동심원 구조를 이루도록 고정부재(150)에 의해 고정축(122)에 설치되어 있다. 또한 각각의 코일유닛(140)은 갖도록 구성되어 있다. 즉 어느 하나의 코일유닛을 기준으로 하여 이에 인접하게 배열되는 코일유닛들은 점차적으로 큰 직경 및 짧은 길이를 갖는 코일로 이루어지도록 구성되어 있다. 이러한 코일유닛(140)들은 풍속감지부(160)에 의해 감지되는 풍속에 따라 소정 개수의 코일유닛(140)이 하나의 군을 형성한 채로 전기를 발생하도록 단자부(180)에 의해 제어되어 풍속에 맞추어 전기를 발생하게 된다. 다시 말해 저 풍속에서는 선경이 가늘고 길이가 긴 코일로 이루어진 코일유닛들이 발전에 참여하게 되고, 고 풍속에서는 선경이 굵고 길이가 짧은 코일로 이루어진 코일유닛들이 발전에 참여하게 된다.
상기 고정부재(150)는 원판형 브라켓(151)과 고정 브라켓(152) 및 다수개의 볼트(153)들로 구성되어 코일유닛(140)들을 자석(131)의 수직 하단부에 근접시킨 상태로 고정하게 된다. 상기 원판형 브라켓(151)은 중심부에 고정축(122)이 관통하는 구조로서 고정축(122)을 따라 이동가능하게 설치되며, 그의 원주둘레에는 상방향으로 연장되게 형성된 돌출부(151a)가 구비되고, 이 돌출부(151a)의 상단부에는 회전원통(110)의 저면과 접촉하여 구름 운동을 하는 다수개의 볼(151b)들이 구비된 것으로 구성되어 있다. 이러한 원판형 브라켓(151)의 상면에 다수개의 코일유닛(140)들이 원형배열구조를 갖도록 설치된다. 상기 고정 브라켓(152)은 원판형 브라켓(151)의 하부에 위치하도록 고정축(122)에 고정되게 설치되어 있으며, 그의 상면과 저면을 연결하도록 관통하는 다수개의 체결공(152a)들이 구비된 것으로 구성되어 있다. 상기 다수개의 볼트(153)들은 고정 브라켓(152)의 저면으로부터 각 체결공에 체결되어 그 끝단이 고정 브라켓(152)의 상부로 돌출되게 구성되며, 이처럼 고정 브라켓(152)의 상부로 돌출된 볼트(153)의 끝단이 원판형 브라켓(151)의 저면에 접촉하여 원판형 브라켓(151)을 상부로 밀어올림으로써 자석군(130)과 코일유닛(140)들이 근접한 상태를 유지시키도록 구성되어 있다.
상기 풍속감지부(160)는 풍력발전기가 설치된 지역의 풍속을 감지하는 것으로, 이러한 풍속감지부(160)는 시중에 유통 판매중인 풍속감지기가 사용될 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략한다.
상기 축전부(170)는 코일유닛(140)과 전기적으로 연결되어 코일유닛(140)으로부터 발생된 전기를 저장하게 된다.
상기 단자부(180)는 각각의 코일유닛(140)과 전기적으로 개별되게 연결됨과 더불어 상기 축전부(170)와 전기적으로 연결되어 코일유닛(140)에 의해 발생된 전기를 축전부(170)로 전달하도록 구성되며, 또한 풍속감지부(160)에 의해 감지된 풍속에 따라 축전부(170)와 전기적으로 연결되는 코일유닛(140)들을 결정하여 연결시키게 된다. 즉, 풍속감지부(160)로부터 약풍이 감지되면, 단자부(180)는 비교적 작 은 직경과 긴 길이를 갖는 코일로 이루어진 코일유닛(140)들이 축전부(170)와 연결되도록 제어하고, 강풍이 감지되면, 보다 큰 직경과 짧은 길이를 갖는 코일로 이루어진 코일유닛(140)들이 축전부(170)와 연결되도록 제어하게 된다.
상기와 같이 구성된 전기발전장치의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 회전원통(110)의 경우 외주면 전체에 고르게 날개(111)가 구비되어 있어 바람의 방향에 관계없이 회전이 가능하게 된다. 즉 날개(111)의 오목한 일면(111a)이 바람과 마주하는 방향에 위치한 날개(111)가 회전원통(110)의 외측으로 돌출되게 펼쳐져 바람의 힘을 받게 되며, 이로 인해 회전원통(110)이 고정축(122)을 중심으로 회전하여 기계적 에너지를 발생하게 되고, 발생된 기계적 에너지는 자석군(130)과 다수개의 코일유닛(140)들에 의해 전기적 에너지로 변환되어 축전부(170)로 저장된다.
한편, 풍속감지부(160)에 의해 감지된 풍속에 따라 단자부(180)는 축전부(170)로 연결되는 코일유닛(140)들을 선택하여 연결하게 되며, 이로 인해 감지된 풍속에 따라 발전구조를 달리하여 발전량 및 회전원통(110)의 회전속도를 변화시키게 된다. 즉 가장 작은 선경 및 긴 길이를 갖는 코일로 이루어진 코일유닛(S1)으로부터 가장 큰 선경 및 짧은 길이를 갖는 코일로 이루어진 코일유닛(Sn)까지 n개의 코일유닛(S1,S2,S3,...,Sn)들이 고정축(12)에 설치된 것으로 가정할 경우, 풍속감지부(160)에 의해 저 풍속이 감지되면, 단자부(180)는 코일유닛들 중 S1 하나만이 자 석군(130)과 반응하여 발전하도록 축전부(170)와 선택된 코일유닛(S1)연결하게 된다. 한편 풍속이 보다 증가하면, 단자부(180)는 두개의 코일유닛(S1,S2)들이 함께 발전에 참여하도록 제어하게 되고, 좀 더 풍속이 증가하게 되면, 단자부(180)는 세 개의 코일유닛(S1,S2,S3)들이 함께 발전에 참여하도록 제어하게 된다. 이처럼 풍속감지부(160)에 의해 감지되는 풍속에 따라 보다 많은 수의 코일유닛(140)이 발전에 참여하도록 단자부(180)는 선택된 코일유닛(140)들과 축전부(170)를 연결하게 된다. 이와 같은 단자부(180)의 제어에 의해 S1~S8 에 해당하는 코일유닛들이 발전에 참여하도록 축전부(170)와 연결된 상태에서 일정 속도 이상의 풍속이 감지되면, 단자부(180)는 가장 작은 선경의 코일로 이루어진 코일유닛(S1)과 축전부(170)의 연결을 해제하여 코일유닛(S1)이 더 이상 발전에 참여하지 못하도록 하고, 이와 더불어 보다 큰 선경을 갖는 코일로 이루어진 코일유닛(S9)이 새롭게 발전에 참여하도록 제어하게 된다. 이처럼 단자부(180)는 감지되는 풍속이 증가함에 따라 보다 굵은 선경을 갖는 코일로 이루어진 코일유닛들이 발전에 참여하도록 제어하게 되고, 불필요한 코일유닛은 더 이상 발전에 참여하지 못하도록 제어하게 된다.
결국, 각 코일유닛은 자신을 구성하는 코일의 선경에 대응하는 전압과 전류에 해당하는 범위에서만 축전부(170)와 연결되어 발전에 참여함으로써 50m/sec의 풍속에서도 발전이 가능하게 된다. 또한 발전에 참여하는 코일유닛으로부터 발생되는 저항은 풍속에 따라 회전하는 회전원통의 회전속도를 제어하게 되므로, 드레그 포스(drag force) 방식의 풍력 발전 이론에서 효율을 최상으로 유지하기 위한 이상적인 조건인 날개 즉 회전원통의 회전속도가 풍속의 1/3을 유지시킬 수 있도록 단자부(180)는 코일유닛(140)들을 선택하여 발전에 참여하도록 축전부(170)와 연결시키게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 본 발명은 변화무쌍한 풍속에 따라 자석과 반응하여 전기를 발생하는 코일유닛들을 선택하여 연결시켜줌으로써 높은 효율의 발전이 가능하게 되었다.

Claims (2)

  1. 외주면에 다수개의 날개들이 구비되어 바람의 힘에 의해 회전하는 회전원통으로부터 발생된 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 발생하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 회전원통의 하단부에 회전원통과 함께 회전함과 더불어 원형배열구조를 갖도록 다수개의 자석들이 설치된 것으로 이루어지고, 원형배열된 자석들이 회전원통의 회전중심과 동일한 회전중심을 갖도록 배치되며, 인접한 자석들 간에 서로 다른 극성이 회전원통의 내측을 향하도록 배치된 것으로 이루어진 자석군;
    상기 자석들의 하단부에서 자석들과 동심원을 이루도록 배치됨과 더불어 자석들에 근접하도록 상기 회전원통의 회전을 지지하는 고정축에 설치된 고정부재에 설치되고, 점차적으로 큰 직경 및 긴 길이를 갖는 코일로 이루어져 서로 다른 에너지를 발생하는 다수개의 코일유닛들;
    풍속의 크기를 감지하는 풍속감지부;
    상기 다수개의 코일유닛들에 의해 생성된 전기가 저장되는 축전부;
    상기 각각의 코일유닛과 상기 축전부를 전기적으로 연결함과 더불어 상기 풍속감지부에 의해 감지되는 풍속에 따라 축전부와 연결되는 코일유닛들을 결정하여 연결시키는 단자부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자석군을 구성하는 자석들은,
    상기 회전원통의 저면으로부터 돌출되지 않고 노출되도록 회전원통의 하단부에 삽입되어 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치.
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