KR20080015901A

KR20080015901A - 풍력발전기

Info

Publication number: KR20080015901A
Application number: KR1020080003706A
Authority: KR
Inventors: 김정화
Original assignee: 김정화
Priority date: 2008-01-13
Filing date: 2008-01-13
Publication date: 2008-02-20

Abstract

중. 대형 수평회전 풍력발전기에서 요 구동장치(yawing control system)와

나셀(nacelle)을 제거하고 새로운 방식의 저속회전 고정 수직축 발전기를

고안 및 장착하여 제작비용 및 관리비용 절감, 발전효율 증대, 내구성 증대,

안전성 증대 및 관리의 편의성을 구현하는 풍력발전기

수평회전 풍력발전기, 요 구동장치(yawing control system), 나셀(nacelle) 프리요(free yaw), 블래이드, 증속기어, 로터, 스테이터, 슬립링(slipring) 로터리 액츄애이터, 저속회전발전기, 마이크로프로세서, 네오디윰 마그네트

Description

풍력발전기 { WIND POWER GENERATOR }

본 발명은 가장 보편적으로 상용되는 수평회전축 중.대형 풍력발전기에서 나셀(nacelle)과 요 구동장치(yawing control system)를 사용할 필요가

없이 프리 요(free yaw)가 이용될 수 있는 방안이다.

또한, 최근의 발전 효율을 높이고 증속기어를 없앨 수 있는 저속 수평회전 직결 발전기를 채택하는 풍력발전기에서 발생되는 문제점과 한계를 개선한 풍력발전 방안이다.

대부분의 풍력발전기는 수평회전 풍력발전기이다.

발전효율과 내구성이 상대적으로 우수하기 때문이다.

보편적인 풍력발전기는 블래이드와 나셀 및 타워로 구성되며 나셀의 내부에 구동축, 구동축 베어링, 브레이크, 발전기, 냉각장치, 요 구동장치 등을

포함한다.

대형화 될 수록 블래이드의 주속비가 적어서 증속 비율이 높아진다.

증속비 높은 증속기어와 고속회전 발전기를 채택하는 대부분의 풍력발전기는 냉각장치와 윤활장치의 기능이 매우 중요하다.

이들의 기능이 저하되면 치명적인 고장이나 화재가 발생하기도 하는데 증속 기어와 발전기에서 기계적으로 손실되는 에너지 양이 발전된 전기에너지 양 의 약 1/3 이나 되기 때문이다.

최근에는 상(state)수가 많고 권선비가 커서 직경이 큰 저속회전형 발전기를 증속기어 없이 바로 구동축에 결합하여 발전 효율을 높이기도 한다.

변동하는 바람의 방향을 블래이드의 정면으로 맞기 위해서 요 구동장치를

이용하는데 발전전압과 전류가 큰 대형 풍력발전기는 슬립링(slip ring)등을 사용할 수 없어 발전 전선이 꼬임 없이 바로 내려오게 하기 위함이다.

요 구동장치는 로터리 액츄에이터, 풍향센서, 마이크로프로세서, 구동모터,

요 기어(yaw gear)로 구성되며 제작비용도 많고 고장율도 다른 부분에

비하여 상대적으로 높다.

또한, 바람의 방향이 연속적으로 360도 이상 변동되는 경우에는 나셀과

블래이드가 역방향으로 360도 가까이 회전한 후 다시 바람의 방향을 추적

하게 함으로써 발전 전력선의 꼬임을 방지하고 있다.

이때 블래이드가 일정시간 동안 역풍에 노출되는 취약점이 있다.

블래이드가 갑자기 센 역풍을 맞게 되면 블래이드, 증속기어, 발전기에 무리 를 주어 고장율을 증가시키고 블래이드의 피로수명이 단축된다.

역풍과 순풍을 갑자기 맞게 되어서 발전전력도 변동이 커서 품질이 저하된다.

중.대형 풍력발전기에서 요 구동장치를 사용하지 않고 바람의 힘을 이용한 프리 요(free yaw) 방식이 가능하게 한다.

나셀(nacelle)을 없앤다.

직경이 큰 저속회전 수직고정축 발전기를 고안하고 풍 하중을 적게 받게

장착한다.

프리 요(free yaw) 방식을 이용하면서 전력선이 꼬이지않게 하기 위해 수평 축 구동력을 수평축을 중심으로 상.하 대칭이고 회전 방향이 반대인 두개의

수직축 회전력으로 양분한다.

양쪽이 회전저항이 동일한 대칭구조라면 이들 회전력의 벡터의 합은 영이다.

따라서 수직축 구동력에 의한 요잉(yawing) 회전은 없고 프리 요 장치에서 얻어지는 회전 모멘트만이 요잉을 할것이다.

양분된 수직 회전력으로 발전해야 하므로 양쪽에 회전저항이 같은 수직회전

발전기를 장치하고 발전기의 형태가 넓은 원반형이므로 나셀을 대신한다.

이때, 발전기의 로터는 고정축인 요잉축을 축으로 공유하여 외부를 회전하고

스테이터는 축에 고정시킨다.

축을 파이프 형태로 하면 내부로 전선, 관 등이 지나가서 꼬이지 않게 된다.

바람의 진행방향에서 보면 단면적이 적어서 풍 하중이 적게 된다

요 구동장치인 로터리 액츄에이터, 풍향센서, 마이크로프로세서, 구동모터, 요 기어(yaw geer)가 필요 없고 발전 기동전력도 필요 없다.

나셀을 제작할 필요 없다.

발전기와 기어박스를 요잉하지 않으므로 무게가 감소되어 요잉 관성이 줄어 든다.

풍 하중이 감소하여 한계풍속이 증가한다.

발전효율이 높아진다.

스테이터부가 외부로 노출되고 바람과 접촉면이 넓어 공랭 효율이 높다.

다판의 반복구조를 갖는 다 상(multi-state)원반형의 발전기 이므로 공간

효율이 높아서 많은 수의 유도코일이 장착되므로 동 위상의 유도코일을 직렬

또는 병렬로 연결 하는것으로 고전압 고전류를 생성할 수 있어서 개개의

유도코일은 굵지않은 선을 이용하여 제작할수 있다.

반복구조의 발전기이므로 판수의 변경만으로 용량이 다른 발전기로 쉽게

변경할 수 있고 제작비 및 A/S 비용이 줄어든다.

대표도면과 같이 파이프형 고정 요잉축의 외부를 회전하는 한쌍의 직교

기어로 기어에 부착된 원반형 로터를 회전시킨다.

수평구동축이 고정되는 회전면은 고정축에서 접촉면을 넓히는 보강을 한 후

요 베어링을 장착하면 구동축을 안정되고 튼튼하게 지지할 수 있다.

상.하의 로터는 각각 아래와 위에 복합베어링을 설치하고 상부 발전기

윗면에 윤활유 탱크를 설치하여 윤활유를 지속적으로 고정축의 외벽으로

공급하여 베어링과 기어를 윤활하게 한다.

아래로 흐르는 윤활유는 하부 발전기의 스테이터에 고이게 되므로 여기에

유관을 연결하여 지상의 윤활유 보충탱크로 흐르게 한다.

윤활유 보충탱크의 일정높이에서 송출관을 연결해 축의 내부를 통하여

상부의 윤활유 탱크로 순환하게 한다.

상부로 펌핑 하는 것은 간단한 풍력 팬(fan)의 구동력을 이용한 펌프로 할 수 있다.

도면 1에서 같이 원반형 로터와 스테이터를 교번하여 겹치는 구조로 용량이

큰 발전기를 제작할 수 있고 네오디윰 마그네트와 같은 강력자석의 개발로

두께가 얇고 무게가 가벼운 로터의 제작이 한결 쉽게 되었다.

도면 3은 상.하부의 발전기 배치 단면도이다.

전력선과 윤활유 관 등은 수직축의 중심부로 지나므로 요잉 회전에 간섭받지

않는다.

윤활유의 흐름과 베어링의 위치 등 세부적인 사항은 도면에서 생략하였다.

대표도면 : 프리 요(free yaw) 를 구현하고도 전력선이 안 꼬이는 개념도.

도면 1 : 반복구조를 갖는 원반형 발전기의 이해도.

도면 2 : 발전기의 구성과 배치를 보여주는 단면도.

Claims

수평축 풍력발전기에서 수평구동 회전력을 수평축에 대칭구조를 갖는 한 쌍 의 직교기어를 이용하여 크기가 같고 회전방향이 반대인 수직축 회전력으로 양분하여 두 회전력의 벡터의 합이 영이 되게 하여 양쪽이 각각의 원반형 수직회전 발전기를 구동하는 것.
청구항 1에서 로터가 전선 등이 축의 내부로 통과될 수 있는 고정된 요잉(yawing) 축을 공유하여 그 외부로 회전하게 한 것.