KR20090086859A - 풍력발전 시스템 - Google Patents

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KR20090086859A
KR20090086859A KR1020080012360A KR20080012360A KR20090086859A KR 20090086859 A KR20090086859 A KR 20090086859A KR 1020080012360 A KR1020080012360 A KR 1020080012360A KR 20080012360 A KR20080012360 A KR 20080012360A KR 20090086859 A KR20090086859 A KR 20090086859A
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Abstract

본 발명은 설비를 간편하게 제작할 수 있고, 위치에 영향을 받지 않고 설비할 수 있으며, 잦은 고장을 예방할 수 있으며, 관리유지의 간편함을 제공하며, 불규칙하게 수득되는 풍력에너지를 정격의 동력으로 생산할 수 있는 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 자연 바람을 운동에너지로 변환시키도록 허브, 로타, 샤프트 및 유압펌프로 구성되는 운동 변환장치와, 상기 유압펌프의 동력을 전달하는 동력전달장치, 그리고 상기 동력 전달장치를 통해 전달된 에너지를 통해 유압모터를 동작시켜 전력을 생산하는 동력 변환장치를 포함하며; 상기 운동 변환장치는, 타워 상측에 설치되도록 하고; 상기 동력 전달장치, 동력 변환장치 및 제어장치는 지상에 설치되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템을 제공한다.
신 재생 에너지, 풍력 발전, 유압펌프, 유압모터, 허브, 로타

Description

풍력발전 시스템{GENERATION SYSTEM OF WIND POWER}
본 발명은 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 설비를 간편하게 제작할 수 있게 하고, 위치에 영향을 받지 않게 하며, 잦은 고장을 예방할 수 있으며, 관리유지의 간편함을 제공하며, 불규칙하게 수득되는 풍력에너지를 정격의 동력으로 생산할 수 있는 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
풍력발전기술은 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 기술이다.
이러한 풍력발전은 풍력이 가진 에너지를 흡수 및 변환하는 운동 변환장치, 동력전달장치, 동력변환장치, 제어장치 등으로 구성되어 있으며, 각각의 구성요소들은 독립적으로 그 기능을 발휘하지 못하며 상호 연관되어 전체적인 시스템으로서 기능을 수행한다.
종래의 풍력발전은 바람을 많이 받기 위하여 통상 40 내지 50 미터 이상의 높은 곳에 타워를 설치하고 타워 위에 프로펠라, 기어, 및 발전기 등을 포함하는 운동 변환장치를 설비한다. 그러나 상기 운동 변환장치에 포함된 장치들은 중량물 이기 때문에 높은 하중을 견디기 위하여 견고한 허브(hub) 및 너셀(nacelle)을 제작해야 하고, 또 상부의 허브와 너셀 부위의 무게를 지탱하기 위하여 견고한 타워를 설치해야 하며, 불규칙한 풍력의 충격으로 잦은 기계고장이 발생하며, 이러한 기계고장은 허브 및 너셀에서 수행해야 하므로 신속한 고장 대처가 어려웠으며, 또한 불규칙한 풍력을 안정된 동력으로 변환하기 위하여 많은 부속 장치 및 장비가 필요한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 고려하여, 유압체계를 사용하여 바람의 유동에너지로부터 수득한 동력을 필요지역으로 운반하여 재생산을 함으로써 운동 변환장치가 가볍고 경제적이며 간편하게 제작하여 사용할 수 있는 풍력발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 다른 목적은 편리하게 고장예방 및 정비 등의 관리유지를 손쉽게 할 수 있으며, 고장 대처가 편리한 풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 불규칙한 풍력을 안정된 동력으로 얻는 풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 설치 위치나 조건에 크게 영향을 받지 않고 설치 및 실시될 수 있는 풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여,
풍력 발전 시스템에 있어서,
자연 바람을 운동에너지로 변환시키도록 허브, 로타, 샤프트 및 유압펌프로 구성되는 운동 변환장치와, 상기 유압펌프의 동력을 전달하는 동력전달장치, 그리고 상기 동력 전달장치를 통해 전달된 에너지를 통해 유압모터를 동작시켜 전력을 생산하는 동력 변환장치를 포함하며;
상기 운동 변환장치는, 타워 상측에 설치되도록 하고;
상기 동력 전달장치, 동력 변환장치 및 제어장치는 지상에 설치되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템을 제공한다.
본 발명의 풍력발전 시스템은 동력전달에 유압 전달체계를 사용하며, 타워 위에는 허브, 로타, 샤프트, 및 유압펌프를 포함하는 경량의 운동 변환장치를 설비하기 때문에 바람의 유동에너지로부터 수득한 동력을 필요지역으로 운반하여 재생산을 함으로써 운동 변환장치가 가볍고 경제적이며 간편하게 제작하여 사용할 수 있으며, 소음이 없고, 고장예방 및 정비 등의 관리유지를 손쉽게 할 수 있으며, 고장 대처가 편리하며, 또한 불규칙한 풍력을 안정된 동력으로 얻을 수 있다.
본 발명자는 대형의 풍력발전기는 높은 위치의 타워상부에 프로펠러, 기어, 발전기 등의 중량물이 장착되어 높은 중량으로 인한 문제점과 고소에 위치한 기계장치들이 갖는 유지관리의 불편한 문제, 및 불규칙하게 수득되는 풍력의 문제점을 에너지 수득부에 기어, 발전기 대신에 유압펌프를 설치하여 경량화하고, 가압된 작 동유가 사용이 용이한 위치인 지상까지 전달되도록 하는 에너지를 재생산하는 동력전달을 유압체계로 구축하면 상기 문제점들을 근본적으로 해결할 수 있음을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 종래의 바람 에너지를 흡수하여 변환하는 운동 변환장치, 타워, 동력전달장치, 동력변환장치, 및 제어장치를 포함하는 풍력발전 시스템에서, 운동 변환장치에 장치되던 발전기 등의 변환장치를 지상에 설비하도록 하며, 대신에 바람의 힘으로 작동되는 로터의 회전 운동을 샤프트를 통하여 유압펌프로 전달하고, 유압펌프는 회전운동에 의해 고압유를 생산하는 작동을 하도록 한다. 이때의 로터 및 유압펌프는 타워 위에 위치되어 설비되며, 나머지 설비들은 타워의 하부인 지상에 설비되도록 한다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예인 허브, 로터, 샤프트, 유압펌프, 및 너셀이 타워 위에 위치하여 설비된 풍력발전기를 도 1에 나타내었다. 통상의 풍력발전기는 도 2, 및 도 3에 나타내었다.
도 2는 기어형 풍력발전기의 개요를 나타낸 것으로, 허브, 로터, 샤프트, 기어박스, 발전기(통상 유도발전기), 및 너셀이 타워 위에 위치하여 설비된다. 특히 중량의 기어박스, 발전기가 너셀 내에 위치하여 높은 하중을 견딜 수 있는 견고한 허브와 너셀이 필요로 하고, 이를 지탱하여 주는 견고한 타워가 필요하다.
도 3은 기어리스형 풍력발전기를 나타낸 것으로, 허브, 로터, 발전기(통상 동기 발전기), 및 너셀이 타워 위에 위치하여 설비된다. 종속 기어장치 등의 많은 기계부품을 제거할 수 있고, 너셀 구조가 매우 간단해져 유지 보수상의 간편성이 증대되고, 기계적 소음이 저감되는 등의 잇점이 있으나, 사용되는 발전기는 매우 크고 무거우며 제작비용이 많이 소요되는 다극형 링발전기 등이 필요하며, 동기 발전기 특성상 공극이 외기에 노출되어 염해나 먼저 등의 부유물에 영향을 받을 수 있으며, 중량이 큰 발전기를 외팔보 형태로 지지해야 하는 구조적 문제를 갖는다.
본 발명의 허브(hub)는 바람을 맞는 블레이드가 모인 중심부분을 총칭하며, 너셀(nucelle)은 구동실을 의미한다.
이에 비하여 본 발명의 풍력발전시스템은 도 1과 같이 허브, 로터, 샤프트, 유압펌프, 및 너셀이 타워 위에 위치하여 설비된다. 특히 중량의 기어박스, 발전기를 설비하지 않기 때문에 타워 위가 경량화 되며, 너셀 구조가 매우 간단해져 유지 보수상의 간편성이 증대되고, 기계적 소음이 저감되는 등의 잇점이 있다.
따라서 본 발명의 풍력발전 시스템의 운동 변환장치는 허브, 로타, 및 유압펌프를 내재한 너셀을 포함할 수 있으며, 로타는 프로펠라형, 다리우스형, 또는 사보니우스형 등의 각종 블레이드를 풍력발전기가 설치되는 지형에 맞추어 선택할 수 있다. 또한 운동 변환장치의 허브는 통상적인 허브 내에 로타의 날개 경사각(pitch)을 조절하기 위한 피치모터가 더욱 설비될 수 있으며, 운동 변환장치와 타워 사이에는 로타의 날개가 바람방향을 향하도록 방향조절을 하기 위한 요-데크(yaw-deck) 및 요-구동장치(yaw-drive)가 더욱 설비될 수 있다.
또한 동력전달시스템이 유압이므로 동력전달장치, 동력변환장치, 및 제어장치는 지상에 설비되어 보다 유지관리가 용이하고, 출력의 제어를 상기에서 설명한 유압제어, 변속기 제어 뿐만 아니라 적용되는 발전기에 따라서 다양하게 할 수 있는 잇점을 갖는다.
이하에서는 본 발명에 사용되는 유압전달시스템을 설명한다.
본 발명의 유압이라 함은 통상의 유압유, 공압, 또는 유공압이 혼합된 것을 총칭한다. 본 발명에 사용되는 유압펌프는 가압된 액체(통상적으로 광유)를 이용하므로 제어하기가 쉽고, 힘의 전달능력에 비해 소형이라는 특징을 갖는다. 이는 액체의 압력이 높다는 것에 기인하며, 통상적인 회전식의 기어펌프, 베인펌프, 또는 스크류 펌프 등이 될 수 있다.
본 발명에 사용되는 유압전달시스템을 도 4 및 도 5에 나타내었다.
도 4에 나타낸 유압전달시스템은 풍력으로부터 수득한 회전운동으로 구동되는 유압펌프; 상기 유압펌프로부터 가압된 유압을 받는 압력탱크(pressure tank); 상기 압력탱크에 적어도 1 개 이상 기능적으로 연결되어 설비되는 압력 릴리이프 밸브(pressure relief valve); 상기 압력 릴리이프 밸브에 기능적으로 연결되어 설비되는 동력변환 장치인 유압모터; 상기 유압모터에 의해 작동되는 유도 발전기 등의 동력생산장치; 및 상기 유압모터에 기능적으로 연결되어 작동유를 회수 및 저장하고, 상기 유압펌프에 작동유를 공급하는 작동유 저장 탱크(storage tank)등의 장치들을 포함하며, 이들은 유압호스 등의 유압전달매체를 통하여 기능적으로 연결되어 작동하며, 각각의 역순환을 방지하기 위하여 체크밸브가 장착될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 동력전달 유압시스템은 유압펌프와 유압모터가 구비되고 여기에는 고압의 작동유가 이송되는 라인이 연결된다. 유압펌프에서 유압모터 사이의 라인에는 압력탱크가 설비되고 이 압력탱크에는 압력에 따라 작동되는 릴리이프밸브가 구비된다. 이 릴리이프밸브는 압력탱크의 압력의 차이로 순차적으로 개폐작동을 하며 작동유를 유압모터로 전달하게 된다. 그러므로 각 릴리이프밸브 마다 각각 유압모터가 연결되며 가압된 작동유가 유압모터에 유입되면 유압모터는 회전운동을 하게 되며, 여기에 유도발전기 등의 회전발전기를 연결하면 발전을 할 수 있다.
또한 유압모터를 경유한 작동유는 별도의 저장탱크로 유입되고 다시 유압펌프로 순환하여 이동하게 된다. 만약 유압펌프가 매우 높은 위치에 있을 때에는 별도의 피드 펌프가 설치될 수 있다. 이는 높은 위치의 유압펌프의 흡인력을 보조하고, 펌프가 일시 정지 하였을 때 작동유가 저장탱크로 흘러내려 라인내부가 빈 공간 상태를 나타내는 것을 방지할 목적으로 가동되며, 이때 피드 펌프와 가압펌프사이에는 바이패스 라인을 설비하여 적정 압력의 작동유가 유압펌프에 공급되도록 한다.
또한 필요시 유압시스템을 오프시켜야 할 때, 또는 태풍과 같이 큰 입력이 있을 때 출력을 조절하기 위하여 유압펌프로부터 발생된 고압의 작동유를 압력탱크를 경유하지 않고 바로 저장탱크로 바이패스 라인을 설비하여 사고에 대비하게 한다.
본 발명의 유압전달시스템을 사용하면 정격으로 전력을 생산할 수 있으며, 동기 발전기를 사용하더라도 인버터 등의 장치도 소형화할 수 있게 된다.
본 발명의 유압전달시스템은 도 5와 같이 압력탱크를 거치지 않고 바로 유압 모터로 연결하고 이를 적정의 회전수로 조작가능한 자동변속기, 또는 무단 변속기를 장착하고 여기에 회전발전기 등의 동력변환장치를 설비할 수도 있다. 이때 작동유는 유압펌프로부터 유압모터로 전달된 후, 저장탱크로 순환 전달되며, 이 후의 전달체계는 상기 유압모터를 사용하는 것과 동일하다.
본 발명의 유압전달시스템은 타워 상부에 설치된 운동 변환장치에서 발생된 고압의 작동유가 통상의 유압호스 등을 통하여 지상의 타워, 동력전달장치, 동력변환장치, 및 제어장치까지 전달하며, 풍력발전 특성상 바람의 방향에 따라 운동 변환장치부가 회전하게 되므로 호스 또는 호스관 등이 꼬이지 않도록 유압펌프와 유압호스 사이 또는 요-장치(yaw-device)에 별도의 통상의 회전 장치를 설비하는 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 허브, 로터, 샤프트, 유압펌프, 및 너셀이 타워 위에 위치하여 설비된 풍력발전기를 나타낸 개념도이다.
도 2는 통상의 기어형 풍력발전기를 나타낸 개념도이다.
도 3은 통상의 기어리스형 풍력발전기를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예의 유압전달시스템을 나타낸 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 일실시예의 유압전달시스템을 나타낸 다이어그램이다.
도면부호 1은 허브이고, 2는 로터이고, 3은 샤프트이고, 4는 기어박스이고, 5는 발전기이고, 6은 너셀이고, 7은 타워이고, 100은 유압펌프이다.

Claims (7)

  1. 풍력 발전 시스템에 있어서,
    자연 바람을 운동에너지로 변환시키도록 허브, 로타, 샤프트 및 유압펌프로 구성되는 운동 변환장치와, 상기 유압펌프의 동력을 전달하는 동력전달장치, 그리고 상기 동력 전달장치를 통해 전달된 에너지를 통해 유압모터를 동작시켜 전력을 생산하는 동력 변환장치를 포함하며;
    상기 운동 변환장치는, 타워 상측에 설치되도록 하고;
    상기 동력 전달장치, 동력 변환장치 및 제어장치는 지상에 설치되도록 하여서 됨을 특징으로 하는 풍력 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 운동 변환장치는 허브, 로타, 및 유압펌프를 내재한 너셀을 포함하는 풍력발전 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 운동 변환장치의 허브가 허브 내에 로타의 날개 경사각(pitch)을 조절하기 위한 피치모터가 더욱 설비된 풍력발전 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 운동 변환장치와 타워 사이에는 로타의 날개가 바람방향을 향하도록 방향조절을 하기 위한 요-데크(yaw-deck) 및 요-구동장치(yaw-drive)가 더욱 설비된 풍력발전 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 풍력발전 시스템의 동력전달장치는 유압전달 시스템을 포함하는 풍력발전 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유압전달시스템은
    풍력으로부터 수득한 회전운동으로 구동되는 유압펌프;
    상기 유압펌프로부터 가압된 유압을 받는 압력탱크(pressure tank);
    상기 압력탱크에 적어도 1 개 이상 기능적으로 연결되어 설비되는 압력 릴리이프 밸브(pressure relief valve);
    상기 압력 릴리이프 밸브에 기능적으로 연결되어 설비되는 동력변환 장치인 유압모터;
    상기 유압모터에 의해 작동되는 동력생산장치; 및
    상기 유압모터에 기능적으로 연결되어 작동유를 회수 및 저장하고, 상기 유압펌프에 작동유를 공급하는 작동유 저장 탱크(storage tank)
    를 포함하는 풍력발전 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 유압전달시스템은
    풍력으로부터 수득한 회전운동으로 구동되는 유압펌프;
    상기 유압펌프에 기능적으로 연결되어 설비되는 동력변환 장치인 유압모터;
    상기 유압모터에 의해 작동되는 자동변속기, 또는 무단변속기;
    상기 자동변속기 또는 무단변속기에 기능적으로 연결되어 작동되는 동력생산장치; 및
    상기 유압모터에 기능적으로 연결되어 작동유를 회수 및 저장하고, 상기 유압펌프에 작동유를 공급하는 작동유 저장 탱크(storage tank)
    를 포함하는 풍력발전 시스템.
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