KR20090112469A

KR20090112469A - 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20090112469A
Application number: KR1020080038383A
Authority: KR
Inventors: 탁승호
Original assignee: 탁승호
Priority date: 2008-04-24
Filing date: 2008-04-24
Publication date: 2009-10-28

Abstract

본 발명은 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 풍력 발전기에 있어서, 기체역학적 양력을 발생하고 회전하며 중심축과의 거리가 가변 되는 수직다리우스 터빈; 수직다리우스 터빈을 가변 상태로 고정하는 가변수단; 가변수단이 고정되고 회전하는 회전축; 회전축의 일측 끝단에 구비되고 제어에 의하여 수직다리우스 터빈의 거리를 가변하는 동력을 발생하는 서버모터; 및 회전축의 일측 끝단에 구비되고 회전축의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 구성을 특징으로 하여, 발전되는 전기의 생산성 및 경제성을 높이고, 터빈의 기구적인 구조에 무리 없이 안정적으로 전기를 발전하며, 발전된 전기를 실시간 사용하고, 일정한 회전 토르크를 발생하며 풍력 발전 장치의 기구적 구조를 간단하게 하고 터빈 재질의 선택 범위를 넓히는 효과가 있다.

풍력, 발전, 다리우스, 사보니우스, 터빈, 풍속, 미풍, 잡바람

Description

가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법{APPARATUS OF ADJUSTING TURBINE BLADE DIAMETER WITH VARIABLE WIND SPEED FOR DARRIEUS AND SAVONIUS COMBINATION WIND POWER ALTERNATE DYNAMO AND METHOD THEREOF}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 지표면의 풍량과 풍속과 풍향이 불규칙적인 잡바람과 초강풍에서도 균일한 회전 토르크에 의하여 양질의 전기를 발전하고 실시간 사용하도록 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법에 관한 것이다.

인간의 생활을 편리하게 하고 과학발전을 위한 기본 에너지 중에 하나인 전기는 수력, 화력, 원자력, 지열, 조력, 태양광, 풍력 등과 같은 여러 가지 에너지원을 이용하여 생산되고 있으나 환경오염 문제를 발생하지 않는 천연 무공해 에너지원의 발굴 및 이용이 전 세계적으로 주목을 받고 있다.

전기는 인간의 가정생활 및 사회생활을 편리하고 안락하게 유지시켜주는 매우 중요한 에너지원이며, 전기를 생산하는 곳이 발전소이고 발전소는 에너지원의 확보와 관리가 용이한 장소에 시설되며 생산된 대용량의 전기를 송전설비를 이용하 여 필요한 장소에 송전 및 배전하는 것이 일반적이다.

전기의 송전 및 배전 시설은 설치 및 운용에 많은 비용이 소요되고, 도시 등과 같이 인구밀도가 높거나 공업시설 등이 집단화되어있는 산업단지 등에서는 비교적 저렴한 가격으로 전기를 공급하지만, 농촌, 산촌, 어촌 및 섬 등과 같이 비교적 인구밀도가 적고 발전소로부터 원거리에 위치한 지역에서는 송전 및 배전 시설이 설치 및 운용비용에 의하여 전기 가격이 비싸지게 된다.

이와 같은 송전 및 배전의 문제와 연료 사용에 의한 이산화탄소(CO₂) 가스 배출에 의한 환경문제를 한꺼번에 해결하고 소규모로 이용하며 도시 등에서도 영구적이며 저렴하게 전기를 이용할 수 있는 방식으로 신재생 에너지 발전 방식인 태양광 발전과 풍력발전 방식 등이 있다.

태양광 발전 방식의 경우 일사량이 충분한 낮에만 발전되고 구름, 비, 눈 등이 있는 날에는 발전량이 현저하게 줄어들며, 밤에는 발전이 불가능한 등의 문제에 의하여 낮에 발전된 전기를 이(2)차전지에 충전하고 저녁 또는 밤 등과 같이 필요한 시간에 사용하는 방식으로 운용한다.

풍력발전의 경우 바람을 이용하므로 태양광 발전이 불가능한 시간대에도 바람이 불 수 있는 장점이 있으나, 풍량, 풍속, 풍향이 일정하지 않은 동시에 무풍상태가 지속되는 경우가 있으므로 생산된 전기의 품질이 떨어지는 문제가 있어 발전된 전기를 실시간으로 직접 사용하기 어렵고 이(2)차 전지 등을 이용하여 일정한 레벨로 유지시킨 후에 사용하는 방식으로 운용된다.

특히 지표면 가까이에서 발생되는 바람은 풍속, 풍량, 풍향이 일정하고 고르지 않으므로 잡바람이라고 한다.

이와 같이 태양광과 풍력 발전의 장단점을 각각 보완하는 것이 태양광 발전과 풍력발전을 복합하는 발전방식이며, 이러한 복합 발전방식의 경우에도 발전된 전기의 품질이 떨어지므로 실시간으로 직접 사용하기 어렵다.

일반적으로 발전된 전기의 품질이 떨어지는 경우, 정전압 처리 및 충방전 2 차 전지 또는 이(2)차전지에 충전하여 저장한 후에 필요한 시기에 교류로 변환하여 공급하는 방식을 이용한다.

바람을 에너지원으로 이용하는 풍력발전은 밤과 낮의 구분이 없고 언제 어디서나 전기의 생산이 가능한 방식이므로 많은 연구와 개발이 진행되고 있으며, 일례로, 풍속이 낮고 풍량이 적은 바람의 환경에서도 발전 효율이 좋은 사보니우스(SAVONIUS) 터빈 방식과 소정의 풍속과 풍량에서 발전 효율이 좋은 다리우스(DARRIEUS) 터빈 방식 등이 있다.

도 1 을 참조하여 종래의 일례에 의한 다리우스 터빈 풍력발전 장치(10)를 설명하면, 수직날개형 터빈(TURBIN)(20)이 지지대(35)에 연결되어 회전축(30)에 고정되고, 회전축(30)의 일측 끝단에는 발전기(40)가 연결된다.

상기 터빈(20)은 회전축(30)에 다수 개가 연결 및 고정되며, 도면에서는 일례로 2개가 연결 고정되는 것으로 도시한다.

상기와 같은 구성의 다리우스 터빈 풍력발전 장치(10)에 바람이 부는 경우 터빈(20)의 형상에 의하여 기체역학적인 양력이 발생하고, 양력에 의하여 터빈(20)이 일방향으로 회전하며 터빈(20)이 고정된 회전축(30)이 함께 회전하므로, 발전기(40)가 회전하여 전기를 생산하는 방식이다.

이러한 다리우스 터빈 방식은, 약 1920년경 프랑스의 다리우스에 의하여 발명된 것으로, 일정속도 이상의 풍속에서 발전이 가능하므로 바람이 많은 지역에 적합하지만, 초 강풍 속에는 기구적으로 취약한 특성이 있으며 기계적으로 보강하기 위하여 제조비용이 상승하는 문제가 있다.

도 2 를 참조하여 종래의 다른 일례에 의한 다리우스 터빈 풍력발전 장치(10‘)를 설명하면, 원호형 또는 곡선형 터빈(20’)이 회전축(30‘)에 직접 연결되어 고정되고, 회전축(30’)의 일측 끝단에는 발전기(40‘)가 연결된다.

상기 다리우스 터빈 풍력 발전장치(10‘)는 비교적 풍속이 낮은 바람에서도 회전 토르크에 의하여 회전하고 발전하지만, 여전히 최소 풍속 이상에서 회전하고 발전이 가능한 동시에 소정 풍속 이상의 바람에서는 오히려 회전 토르크가 떨어지는 문제가 있다.

도 3 은 종래 기술의 일례에 의한 것으로 다리우스 터빈 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도의 특성곡선을 도시한 것으로, 풍속과 회전 속도와의 관계를 굵은 선으로 도시하였으며, 소정의 풍속 이상에서 터빈이 회전하고 회전속도가 비교적 큼을 보여준다.

도 4 를 참조하여 종래의 일례에 의한 사보니우스 터빈 풍력발전 장치를 설명하면, 위에서 보았을 때 에스자(S) 형태의 터빈(60)이 회전축(70)을 중심으로 형성되고, 터빈(60)을 고정 상태로 지지하는 지지판(75)이 터빈(60)의 상측과 하측에 각각 구비되며, 회전축의 일측 끝단에 발전기(80)가 연결된다.

상기와 같은 사보니우스 터빈 풍력 발전 장치는 풍속이 미약한 경우에도 회전되어 발전되지만, 초 강풍에서는 오히려 회전특성이 떨어지는 문제가 있다.

도 5 는 종래의 일례에 의한 것으로 사보니우스 터빈 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도 특성곡선을 도시한 것으로, 풍속과 회전 속도와의 관계를 굵은 선으로 도시하였으며, 미약한 풍속이라도 바람만 있으면 터빈이 회전하고 회전속도가 낮으며 풍속이 빠른 경우에는 오히려 회전 특성이 떨어지고 있음을 보여준다.

또한, 대형 프로펠러 날개(터빈)를 3개 이용하는 일반적인 풍력 발전기는 풍향, 풍속, 풍량의 변화에 의하여 날개의 각도와 위치를 가변시켜 강풍에 대응하는 구조이므로, 풍향을 추적하여 날개의 전면을 회전 및 위치시키고, 풍속, 풍량을 감시하여 날개의 피치 각도를 가변하며 강풍에 견디도록 하는 구조이기 때문에 제조비용이 많이 소요되고 그 제어방법 및 장치도 비교적 복잡하다. 또한, 바람을 최대한 맞이하기 위하여 주변에 장애물이 거의 없는 지역에 설치되며, 날개의 길이가 크고 프로펠러 전체를 지탱하는 타워의 높이가 일례로 30 미터 이상 정도로 높으므 로 날개가 최상층부에 위치하는 경우에 낙뢰를 피할 수 없으며, 낙뢰로 인하여 발전시설이 파손되는 등의 문제가 있다.

풍력 발전은 바람의 양과 속도에 따라 발전되는 전기의 양이 일정하지 않으므로 실시간으로 직접 사용하지 못하고, 이(2)차전지에 충전한 후 필요한 시점에 교류로 변환하여 사용하므로 이(2)차전지의 효율 및 유지비용 등을 고려해야 하며, 태양광 발전은 일사량이 충분한 낮 시간에 생산한 전기를 이(2)차전지에 충전해 두었다가 필요한 시간에 교류로 변환하여 사용하는 것은 마찬가지이다. 그러므로 풍력 발전과 태양광 발전은 그 자체의 효율성보다 발전 또는 생산된 전기를 저장하고 변환하여 출력하는 효율이 낮은 문제를 해결하여야 한다.

따라서 농촌, 산촌, 어촌, 섬 등과 같이 비교적 인구밀도가 적은 지역, 고속도로와 산간도로의 가로등, 산림감시용 카메라, 외딴 장소의 통신중계소와 같은 공공시설 등에 양질의 전기를 안정적이며 효율적으로 공급하기 위한 자가 발전 시설을 개발할 필요가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점과 필요성을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 특히 미풍과 초강풍에서도 안정적으로 전기를 발전하여 이차전지에 저장하고 이차전지의 에너지 밀도가 높은 경우 등에는 발전된 전기를 실시간 사용하므로 이차전지의 효율성을 높이고 수명을 연장시키며 전기 생산의 경제성을 높인 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 풍력 발전의 경우 바람의 속도를 검출하고 미풍, 강풍, 초 강풍에 따라 터빈이 형성하는 직경을 가변하므로 회전 토르크를 일정하게 하여 터빈의 물리적 및 기계적인 구조에 안정성을 높이고 풍력발전 장치의 제조비용을 낮추는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 풍력 발전의 경우 바람의 양과 속도의 변화에 따라 로터 코일에 공급되는 전류의 양을 조절하므로 스테이터 코일에서 발전되는 전기의 양(전류)이 풍량에 따라 변화하지만 전압은 정전압을 유지하여 이차전지에 충전하고 잉여전력은 실시간으로 사용하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 풍력 발전 장치에 초 강풍이 부는 경우 로터 코일의 전류 공급을 차단하므로 발전수단이 발전을 중단하고 공회전 하도록 하므로 풍력발전 장치를 보호하고 수명을 연장하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법을 제공하는 것이 그 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 수직다리우스 터빈; 수직다리우스 터빈의 위치를 가변하는 가변수단; 가변수단에 접속하여 가변하는 동력을 공급하는 서버모터; 및 수직다리우스 터빈의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 구성을 제시한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 사보니우스 터빈; 사보니우스 터빈의 회전축에 고정되는 수직다리우스 터빈; 수직다리우스 터빈의 위치를 가변하는 가변수단; 가변수단에 접속하여 가변하는 동력을 공급하는 서버모터; 및 회전축의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 구성을 제시한다.

바람직하게, 상기 사보니우스 터빈은 수직다리우스 터빈이 중심축과의 거리 가변으로 이동하는 통로인 가이드홈; 중심축과 수직다리우스 터빈 사이를 막는 가림판; 을 더 구비하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가림판은 주름판 방식, 내장 입출 방식, 다층 슬라이딩 방식이 포함되는 것 중에서 선택된 어느 하나의 방식으로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수직다리우스 터빈은 가버너 또는 거버너 구조와 기어 구조 중에서 선택된 어느 하나에 의하여 중심축과의 거리를 가변하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 사보니우스 터빈; 곡선다리우스 터빈; 사보니우스 터빈과 상기 곡선다리우스 터빈에 의하여 회전하는 회전축; 회전축에 구비되어 상하 방향으로 이동하는 동력을 공급하는 서버모터; 및 회전축의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 구성을 제시한다.

바람직하게, 상기 서버모터는 곡선다리우스 터빈의 일측 끝단이 상기 회전축을 따라 상방향 및 하방향으로 이동하는 동력을 공급하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치에 있어서, 회전에 의하여 스테이터 코일에서 전기를 발전하는 발전수단; 발전수단에 발전을 위한 전류를 공급하고 발전된 전류를 정류하며 정전압으로 유지하고 공급되는 전류의 량을 검출하는 제어수단; 및 제어수단으로부터 전류를 공급받아 충전하고 방전에 의하여 출력하는 배터리 수단; 을 포함하는 구성을 제시한다.

바람직하게, 상기 제어수단은 발전수단의 로터 코일에 제어된 전류를 공급하는 전류부; 발전수단이 발전한 전기를 일방향으로 흐르게 하는 정류수단; 발전수단이 발전한 전기를 일정한 레벨의 전압으로 조정하는 정전압부; 발전수단이 발전한 전기의 양을 분석하고 상기 전류부가 공급하는 전류의 량을 제어하며 이차전지의 과충방전을 차단하는 제어부; 제어부의 제어에 의하여 동력을 공급하는 서버모터; 발전수단의 회전속도를 검출하는 속도검출부; 및 정전압부로부터 공급되는 전기의 양을 검출하는 홀센서; 를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배터리 수단은 제어수단이 공급하는 전기를 충전하고 방전하는 2 차 전지; 및 제어수단에 의하여 온오프 제어되어 상기 2 차 전지를 충전과 방전하는 에스시알; 을 포함하여 이루어지는 구성을 특징으로 한다.

또한, 상기 에스시알은 에스시알(SCR)과 에프이티(FET) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 구성을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출한 본 발명은, 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 운용 방법에 있어서, 장치의 제어부에 의하여, 발전수단이 전기를 발전하면 2 차 전지의 에너지 밀도를 검출하고 분석하여 밀도값이 높은지 확인하는 과정; 제어부에 의하여 밀도값이 높은 것으로 확인되면 발전된 전기의 2 차 전지 충전을 중지하고, 풍속이 발전 불가능한 것으로 확인되면 발전수단의 로터전류 공급을 차단하는 과정; 및 제어부에 의하여 풍속이 발전 가능한 것으로 확인되면 로터전류를 가변하여 최적의 전기를 생산하고 다리우스터빈의 위치를 가변 조정하는 과정; 을 포함하는 구성을 제시한다.

바람직하게, 상기 차단하는 과정은 제어부에 의하여 2 차전지의 에너지 밀도가 높은 것으로 확인되면 발전된 전기를 실시간 출력하고, 발전 불가능한 풍속으로 확인되면 발전수단을 공전시켜 발전수단을 보호하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명은 풍력 발전 장치가 발전한 전기를 이차전지에 저장하고, 분석된 이차전지의 에너지 밀도가 높은 경우는 과충전을 방지하며 발전된 전기를 실시간 사용하도록 하므로 이차전지의 수명을 높이고 효율적으로 사용하며 생산되는 전기의 경제성을 높이는 산업적 이용효과가 있다.

또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 바람의 속도가 미풍, 강풍, 초 강풍에 따라 터빈의 위치를 가변시켜 전기를 발전하므로 터빈의 기계적인 구조를 튼튼하게 하고 물리적인 외력의 영향을 적게 받으면서 양질의 전기를 안정적으로 발전하는 사용상 편리한 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 바람의 양과 속도의 변화를 감시하여 발전되는 전기의 양과 품질이 일정하도록 제어하므로 풍력 발전된 전기를 실시간 사용하는 사용상 편리한 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 구성의 본 발명은 미풍과 잡바람에서도 회전하여 발전하고 바람의 속도에 따른 강풍과 초 강풍에서는 터빈의 위치를 적절히 가변 조절하여 균일한 회전 토르크를 발생하므로 풍력 발전 장치의 기구와 물리적인 구조를 간단하게 하고 터빈 재질의 선택 범위를 넓히어 풍력 발전 장치의 제조비용을 경제적으로 낮추는 사용상 편리한 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 구성의 본 발명에 의한 것으로, 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치 및 방법의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위하여 첨부된 것으로, 도 6 은 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 것으로 다리우스 가변 터빈 풍력 발전 장치의 구성도 이며, 도 7 은 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 강풍상태 구성도 이고, 도 8 은 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 초강풍상태 구성도 이며, 도 9 는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 미풍 상태 구성도 이고, 도 10 은 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 강풍상태 구성도 이며, 도 11 은 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 초강풍상태 구성도 이고, 도 12 는 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 미풍 상태 구성도 이며, 도 13 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 제어 장치 기능 블록도 이고, 도 14 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도의 특성도 이며, 도 15 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 가림판의 구성 상태 도시도 이고, 도 16 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 운용 방법 순서도 이며, 도 17 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 기어 구조에 의한 수직다리우스 터빈의 위치 가변 구성도 이고, 도 18 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 거버너 구조에 의한 곡선 다리우스 터빈의 폭 가변 구성도 이다.

본 발명의 일례를 설명함에 있어서, 본 발명과 직접적으로 관련 없고, 잘 알려져 있는 기술 내용에 대하여서는 도면 도시 및 설명을 생략하므로, 본 발명의 요지를 흐리지 않고 명확하게 전달한다.

도 6 을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 것으로 다리우스 가변 터빈 풍력 발전 장치(100)를 설명하면, 수직다리우스 터빈(110), 가변수단(120), 회전축(130), 서버모터(140), 발전수단(150)을 포함하는 구성이다.

상기 수직다리우스 터빈(110)은 프랑스 과학자 다리우스(DARRIEUS)가 발명한 수직날개형 터빈으로, 기체역학적 양력을 발생하고 일방향으로 회전하며 중심축과의 거리가 거버너 또는 가버너(GOVERNER) 구조 또는 기어(GEAR) 구조 중에서 선택된 어느 하나에 의하여 가변 된다.

상기 가버너는 거버너 또는 조속기(調速機)로 불리며, 원동기 등에서 하중의 증감에 따라 회전속도를 일정하게 조정하는 것으로, 동력식, 관성식, 중계식 등이 있고, 본 발명에서는 풍속에 대응하여 수직다리우스 터빈(110)을 중심축과 가깝게 하거나 멀게 위치하도록 조정하는 수단으로 사용되며, 본 발명에서는 아래와 같이 일례로, 기어 방식을 위주로 설명한다.

상기 가변수단(120)은 상기 수직다리우스 터빈(110)을 가변상태로 고정하면서 수직 상태를 유지한다.

상기 회전축(130)은 상기 가변수단(120)이 고정되고 상기 수직다리우스 터빈의 회전에 의하여 회전된다.

상기 서버모터(140)는 상기 회전축의 일측 끝단에 구비되는 것으로 해당 제어신호에 의하여 상기 가변수단을 기어(GEAR)로 제어하므로, 일례로, 나선기어가 형성된 가변수단을 정방향 또는 역방향 중에서 선택된 어느 한 방향으로 구동하므로 수직다리우스 터빈을 회전축과 가깝거나 멀도록 위치를 가변한다.

즉, 상기 수직다리우스 터빈(110)을 회전축(130)과 가깝거나 먼 위치로 가변하는 방식에는 가버너 방식과 기어 방식이 있으며, 본 발명의 설명에서는 설명 및 이해를 간단하고 용이하게 하기 위하여 기어 방식을 위주로 설명하고, 필요한 경우 가버너 방식을 설명한다.

상기 발전수단(150)은 로터 코일(262)과 스테이터 코일(264)을 구비하는 삼상 교류발전기이며, 회전축(130)의 일측 끝단, 일례로 아래쪽 끝단에 구비되고, 상기 수직다리우스 터빈(110)이 고정된 회전축(130)의 회전에 의하여 스테이터 코일(264) 주변을 로터 코일(262)이 회전하므로 스테이터 코일(264)에서 전기를 발전 및 출력한다.

도 7 내지 도 9 를 참조하여 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치(200)를 설명하면, 사보니우스 터 빈(210), 수직다리우스 터빈(220), 가변수단(230), 회전축(240), 서버모터(250), 발전수단(260)을 포함하는 구성이다.

상기 사보니우스 터빈(210)은 핀란드의 사보니우스(SAVONIUS)에 의하여 개발된 것으로 위에서 보면 에스자 형태의 날개 또는 터빈을 일정한 높이로 구성하고, 상기 에스자형 날개는 다수를 구비할 수 있으나, 일반적으로 2 개 또는 3 개를 구비하며, 첨부된 도면에서는 2 개를 구비한 것으로 도시한다.

상기 사보니우스 터빈(210)이 높이 또는 폭보다 길고 기체역학적 양력에 의하여 회전하는 수직다리우스 터빈(220), 가변수단(230), 회전축(240), 서버모터(250), 발전수단(260)은 상기 도 6의 제 1 실시 예에서 이미 설명하였으므로 중복 설명을 피하기로 한다.

사보니우스 터빈(210)은 상측면을 막는 상판(218)에 가이드홈(212)을 형성하고, 상기 가이드홈(212)에는 가림판(214)이 구비되며, 상기 가림판(214)은 주름판 방식, 내장 입출방식, 다층 슬라이딩 방식이 포함되는 그룹 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지고, 상기 회전축(240)과 수직다리우스 터빈(220) 사이의 가이드홈(212)을 막으므로 유입된 바람이 빠져나가지 못하도록 한다. 또한, 상기 가림판(214)은 바람에 의하여 가이드홈(212)을 이탈하지 않도록 구성된다.

도 10 내지 도 12 를 참조하여 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치(300)를 설명하면, 사보니우스 터빈(310), 곡선 다리우스 터빈(320), 회전축(330), 서버모터(340), 발전수단(350)을 포함하는 구성이다.

상기 사보니우스 터빈(310)은 상기 제 2 실시 예의 구성에서 동일한 명칭으로써 이미 상세히 설명하였으며 다만 부재번호만 차이가 있고, 회전축(330), 발전수단(350)은 제 1 실시 예의 구성에서 동일한 명칭으로 이미 상세히 설명하였으며 다만, 부재번호만 차이가 있으므로 각각의 중복 설명을 피한다.

상기 곡선 다리우스 터빈(320)은 사보니우스 터빈(310)의 높이 또는 폭보다 길고, 일례로, 2 배수 이상 길고, 상대적으로 길이가 짧은 회전축(330)의 상측과 하측에 연결되며 일측이 반원호 또는 곡선 형상을 하는 동시에 기체역학적 양력을 발생하므로 부는 바람에 의하여 회전한다. 또한, 상기 곡선 다리우스 터빈(320)은 회전축(330)의 하측 단에 고정되고 상측 단은 서버모터(340)에 고정된다. 즉, 상기 곡선 다리우스 터빈(320)이 바람 속에서 양력으로 회전하는 경우, 회전축(330)이 회전하고, 회전축(330)의 일측 끝단에 구비된 발전수단(350)에 의하여 발전한다.

상기 서버모터(340)는 상기 회전축(330)을 따라 회전하면서, 해당 제어에 의하여 상기 회전축(330)을 따라 상방향 또는 하방향 중에서 선택된 어느 한 방향으로 이동하며, 곡선 다리우스 터빈(320)의 일측 또는 도면에서의 상측부 끝단을 고정한다. 즉, 상기 서버모터(340)가 회전축(330)의 상방향으로 이동하는 경우는 상기 곡선 다리우스 터빈(320)이 중심축과의 거리가 줄어들고, 상기 서버모터(340)가 회전축(330)의 하방향으로 이동하는 경우는 상기 곡선 다리우스 터빈(320)이 중심축과의 거리가 늘어난다. 즉, 상기 서버모터(340)를 제어하여 곡선 다리우스 터 빈(320)의 위치를 가변시키므로 회전축(330)과의 거리를 가변시킨다.

이하, 상기와 같은 구성의 제 1 내지 제 3 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제 1 실시 예

상기 제 1 실시 예를 도 6을 참조하여 상세히 설명하면, 다리우스 터빈은 풍력이 일정한 속도 이상으로 부는 환경인 경우에 회전을 시작하므로 발전수단(150)은 일정한 풍속에서만 발전한다.

이러한 종래의 문제를 해결하는 것으로, 중심축을 형성하고 회전하는 회전축(130)의 일측 끝단, 일례로, 도면에서 상측 끝단에 구비된 서버모터(140)를 제어하여 기어(GEAR) 방식 거버너 구조에 의하여 가변수단(120)에 수직 방향으로 고정된 수직다리우스 터빈(110)의 위치를 가변시킨다.

일례로, 바람이 적거나 풍속이 낮은 경우는 가장 바깥에 위치하도록 서버모터(140)를 제어하므로 수직다리우스 터빈(110)이 최외곽에 위치하도록 가변하고, 발전하기에 적당한 강풍, 일례로, 초속 50 미터(m) 이상의 강풍이면 상기 서버모터(140)를 제어하므로 수직다리우스 터빈(110)이 중간에 위치하도록 가변하며, 초속 200 미터(m) 이상의 초 강풍이면 상기 서버모터(140)를 제어하므로 수직다리우스 터빈(110)이 가장 안쪽에 위치하도록 가변하므로, 풍속의 변화에 따른 영향을 줄이어 일정한 회전 토르크를 유지하도록 한다.

따라서 수직다리우스 터빈(110)이 낮은 풍속에서도 회전하고, 초강풍에서도 일정한 회전 토르크로 회전하므로, 상기 발전수단(150)이 발전하는 전기의 량, 즉, 전력의 량이 일정하고 균일한 품질이어서 발전된 전기를 실시간으로 사용할 수 있게 된다.

상기 수직다리우스 터빈(110)의 위치 가변 방식은 후술하는 제 2 실시 예에서 일례에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

제 2 실시 예

상기 제 2 실시 예를 도 7 내지 도 9 를 참조하여 상세히 설명하면, 사보니우스 터빈(210)은 미풍 및 풍량, 풍속, 풍향이 불규칙한 잡바람 속에서도 회전하므로 발전수단(260)이 발전을 시작한다. 즉, 사보니우스 터빈(210)은 기동 토르크를 제공한다.

이때 풍력발전 장치의 운용을 제어하고 감시하는 해당 제어부에 의하여 풍속이 느림을 검출하고, 중심축을 형성하는 회전축(240)의 일측 끝단, 일례로, 도면에서 상측 끝단에 구비되는 서버모터(250)를 제어하므로, 상기 수직다리우스 터빈(220)을 최외곽으로 이동 또는 위치를 가변시킨다. 이러한 상태가 도 9 에 도시되어 있다.

상기 도 9 는 제 2 실시 예에 의한 본 발명의 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발 전 장치가 미풍 속에서 발전하는 경우이고, 수직다리우스 터빈(220)이 최외곽에 위치하므로 미풍에서도 바람을 최대 맞이하며 양력 발생 및 회전하며, 사보니우스 터빈(210)의 상판(218)에 형성된 가이드홈(212)을 벗어난다.

상기 사보니우스 터빈(210)은 수집한 바람이 개방된 가이드홈(212)을 따라 배출되는 것을 막기 위하여 가림판(214)으로 가이드홈(212)을 막고, 가이드홈(212)의 끝 부분은 수직다리우스 터빈(220)에 연결된다. 즉, 수직다리우스 터빈(220)이 외곽으로 이동하면서 인출수단(216)과 함께 이동하며, 인출수단(216)은 가림판(214)을 잡아당기면서 가이드홈(212)을 가린다. 상기 가림판(214)은 바람에 의하여 가이드홈(212)과 분리되지 않는 구조를 한다.

상기 사보니우스 터빈(210)은 풍속이 낮은 바람 또는 미풍에서 회전하므로 풍력발전기 전체의 기동 토르크를 확보한다.

상기 사보니우스 터빈(210)에 의하여 기동 토르크를 확보한 상태에서, 바람이 적당한 풍속을 유지하는 경우, 그리고 해당 제어부에 의하여 풍속을 검출한 경우, 상기 제어부는 서버모터(250)를 제어하므로 수직다리우스 터빈(220)을 중간 위치 또는 정상 위치로 가변시키며, 첨부된 도 7 에 이러한 경우의 상태가 도시되어 있다.

상기 도 7 에서는 수직다리우스 터빈(220)은 위치가 가변 되어 사보니우스 터빈(210)의 상판(218) 외주면 또는 외곽에 위치하는 상태가 도시되어 있으며, 가이드홈(212)은 가림판(214)에 의하여 막힌 상태가 도시되어 있다.

또한, 제어부에 의하여 바람이 초강풍을 유지하는 것으로 검출한 경우, 서버모터(250)를 제어하여 수직다리우스 터빈(220)이 가장 안쪽 위치로 이동하도록 가변시키므로 일정한 회전 토르크를 유지하며, 첨부된 도 8 에 이러한 경우의 상태가 도시되어 있다.

상기 도 8 에서는 초 강풍에 의한 바람의 영향을 가장 적게 받기 위하여 수직다리우스 터빈(220)을 회전축(240)에 가장 가까이 위치하도록 하므로, 가이드홈(212) 내부에 위치하며, 이때 가림판(214)은 최대로 접혀진 상태로 가이드홈(212)의 일부만을 막은 상태가 도시되어 있다.

상기 가림판(214)의 구조에 대하여는 도 14 를 참조하여 상세히 다시 설명한다.

상기 제 1 및 제 2 실시 예에서, 상기 서버모터(140, 250)의 구동력을 가변수단(120, 230)을 통하여 수직다리우스 터빈(110, 220)으로 전달하는 방식은 거버너 방식 또는 기어를 이용하는 방식 중에서 선택된 어느 하나의 방식을 이용한다.

도 17 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 기어를 이용하여 수직다리우스 터빈(220)의 위치를 가변하는 구성이 도시되어 있다.

상기 도 17 을 참조하여 기어를 이용한 수직다리우스 터빈의 위치 가변 방식을 상세히 설명하면, 일례로, 서버모터(250)가 해당 제어에 의하여 도면에서의 오른쪽 방향으로 회전하는 경우, 상기 서버모터(250)의 하단에 연결된 원뿔형 기어가 오른쪽 방향으로 회전하고, 가변수단(230a)의 왼쪽 끝단에 연결된 원뿔형 기어는 도면에서 뒤의 방향으로 회전하며, 가변수단(230b)의 오른쪽 끝단에 연결된 원뿔형 기어는 도면에서 앞의 방향으로 회전한다.

즉, 상기 서버모터(250)의 일 방향 회전에 의하여 상기 가변수단(230a)과 가변수단(230b)은 서로 반대 방향으로 회전한다. 상기 서버모터(250)는 해당 제어에 의하여 도면에서 오른쪽 방향으로 회전하거나 왼쪽 방향으로 회전한다.

상기 가변수단(230a)과 가변수단(230b)은 외주면에 나사를 형성하고 상기 수직다리우스 터빈(220a) 및 수직다리우스 터빈(220b)과는 이동상태로 나사 결합한다.

따라서 상기 서버모터(250)의 회전 방향에 의하여 상기 수직다리우스 터빈(220a) 및 수직다리우스 터빈(220b)은 회전축(240)으로부터 동일하게 멀어지거나 가까워지는 방향으로 위치 가변한다.

제 3 실시 예

상기 제 3 실시 예를 도 10 내지 도 12 를 참조하여 상세히 설명하면, 곡선 다리우스 터빈(320)의 일측 끝단은 회전축(330)의 하측단에 고정되고, 다른 끝단은 회전축(330)의 상측부에 위치하는 서버모터(340)에 고정되며, 상기 회전축(330)의 하측단으로부터 서버모터(340)까지의 최대로 신장된 길이는 상기 곡선 다리우스 터빈(320)의 전체 길이보다 비교적 짧으므로, 곡선 다리우스 터빈(320)은 중심축을 기준으로 지름이 변경되는 상태에서 항상 원호 또는 곡선 형상을 유지한다.

상기 서버모터(340)는 해당 제어부가 풍속을 검출하고 분석하여 대응 출력하는 제어신호에 의하여 상기 중심축 또는 회전축(330)을 따라 회전하면서 상기 곡선 다리우스 터빈의 일측을 상기 회전축(330)을 따라 상승과 하강하는 동력을 공급하므로, 상기 곡선 다리우스 터빈(320)은 원호의 해당 지름, 또는 회전축과의 거리가 크거나 작은 상태로 가변한다.

상기 곡선 다리우스 터빈(320)이 회전축과의 거리가 상기 사보니우스 터빈(310)이 형성하는 반경보다 좁은 경우는 사보니우스 터빈(310)의 상측에 형성된 가이드홈(312)을 따라서 이동하면서 좁혀진다. 상기 사보니우스 터빈(310)은 미풍에서도 회전하므로 기동 토르크를 제공한다.

상기 제 3 실시 예에 의한 곡선 다리우스 터빈(320)은 제 1 및 제 2 실시 예와 동일하게 미풍에서는 도 12 에 도시된 것과 같이 회전축과의 거리를 크게 하고, 이때 가이드홈(312)이 개방된 상태를 가림판(314)으로 막아주며, 상기 가림판(314)의 인출은 일측 끝부분에 고정수단(360)을 형성하여 곡선 다리우스 터빈(320)에 고정된 인출수단(316)에 의하여 인출된다.

상기 인출수단(316)의 끝부분에 형성되는 고정수단(360)은 곡선 다리우스 터빈(320)이 미풍 상태에서 바람을 최대로 맞이하고 회전하기 위하여 회전축과의 거리를 크게 형성하는 경우, 돌출된 상태에 의하여 곡선 다리우스 터빈(320)이 불안정하게 흔들리지 않도록 고정 및 유지시켜 준다. 즉, 상기 고정수단(360)은 인출수단(316)의 끝부분에 형성되고 가림판(312)을 인출하는 동시에 회전축(330)과의 폭이 많이 벌어져 구조적으로 불안정한 곡선 다리우스 터빈(320)이 흔들리지 않도록 고정시킨다. 상기 가이드홈(312)을 막아주는 가림판(314)은 상기 제 2 실시 예의 설명과 중복되므로 추가 설명을 생략하고, 구성에 대하여서는 상세히 후술한다.

상기 바람이 발전하기에 적당한 강풍, 일례로, 초속 50 미터(m)의 바람에서는 도 10 에 도시된 것과 같이 곡선 다리우스 터빈(320)이 형성하는 회전축과의 거리를 적정하게 유지하며, 이때에도 가이드홈(312)은 가림판(314)에 의하여 막히게 되므로 사보니우스 터빈에 유입된 바람이 새지 않으며, 회전축(330)은 최적의 회전 토르크로 회전하고, 발전수단(350)은 최적 상태로 발전한다.

바람이 초속 200 미터(m) 이상의 초강풍에서는 도 11 에 도시된 것과 같이 회전축과의 거리를 작게 형성하여 회전 토르크를 일정하게 유지하며, 가이드홈(312)은 회전축(330)과 곡선 다리우스 터빈(320) 사이가 가림판(314)으로 가려지고, 가이드홈(312)의 나머지 부분은 개방되어 사보니우스 터빈(310)으로 유입된 초강풍이 빠져나가도록 하므로 회전 토르크를 일정하게 유지한다.

도 18 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 거버너 구조에 의한 곡선 다리우스 터빈(320)의 회전축과의 거리를 가변하는 구성이 도시되어 있다.

상기 도 18 에 도시된 서버모터(340)와 도 10 내지 도 12 에 도시된 서버모터(340)는 서로 상이한 구성으로 보일 수 있으나, 당업자에 의하여 충분히 변형 가능한 것이고, 동작 상태의 설명을 간단하게 하고 이해를 용이하게 하기 위하여 기능적으로 도시한다.

상기 도 18 을 참조하여 기어방식 거버너 구조를 이용한 곡선 다리우스 터빈 의 폭 가변 방식을 상세히 설명하면, 일례로, 서버모터(340)가 해당 제어에 의하여 좌회전 또는 우회전의 선택된 어느 일방향으로 회전한다. 일례로, 서버모터(340)가 도면에서 오른쪽 방향으로 회전하는 경우 서버모터(340)가 하방향으로 하강하고 상기 서버모터(340)에 일측 끝단이 연결된 곡선 다리우스 터빈(320)은 회전축과의 거리를 늘어나는 방향으로 가변하며, 상기 서버모터(340)가 도면에서 왼쪽 방향으로 회전하는 경우는 상방향으로 상승하여 상기 서버모터(340)에 연결된 곡선 다리우스 터빈(320)이 회전축과 형성하는 거리를 가변하여 줄어들게 한다.

도 13 을 참조하여 본 발명의 일례에 의한 것으로, 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 제어 장치를 설명하면, 발전수단(150), 제어수단(500), 배터리수단(510)을 포함하는 구성이다.

상기 발전수단(150)은 발전수단(150, 260, 350, 이하 150 이라 한다.)이 포함되는 구성이다.

상기 제어수단(500)은, 전류부(410), 정류수단(420), 정전압부(430), 제어부(440), 서버모터(140), 속도검출부(450), 홀센서(470)를 포함한다.

상기 서버모터(140)는 서버모터(140, 250, 340, 이하 140 이라 한다.)를 포함하는 구성이다.

상기 배터리 수단(510)은, 2 차 전지(460), 에스시알(480)을 포함하는 구성이다.

상기 에스시알(480)은 에스시알(SCR)과 에프이티(METAL OXIDE SILICON - FIELD EFFECT TRANSISTOR: MOS-FET)를 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나로 구성된다.

상기 발전수단(150)은 제어부(440)의 제어와 감시를 받는 전류부(410)로부터 가변 조정되는 전류를 공급받고 회전축(130, 240, 330, 이하 130 이라 한다.)의 회전에 의하여 회전하는 로터코일(262)과, 상기 전류가 흐르면서 회전하는 로터코일에 의하여 전기를 발전하는 스테이터 코일(264)로 구성되는 삼상(3 PHASE)의 교류(AC) 발전기이므로, 3 개의 스테이터 코일(264)이 각각의 위상(PHASE)으로 발전된 교류 전기를 출력하여 정류수단(420)에 인가하고, 상기 정류수단(420)은 교류(AC)를 정류하여 일방향으로 흐르는 직류(DC)로 변환한다.

상기 각 위상의 교류는 정류수단(420)에 의하여 정류되어 직류로 변환되고 콘덴서를 통하여 평활 되며 정전압부(430)에 의하여 일정한 양의 레벨 또는 전압으로 유지되고 홀센서(470)와 에스시알(480)을 통하여 2 차 전지(460)에 인가되므로 2 차 전지(460)가 충전된다.

상기 에스시알(480)은 게이트를 온오프(ON/OFF) 제어하므로 전기를 흐르게 하거나 차단하는 것으로, 상기 온오프 제어신호는 제어부(440)로부터 인가된다. 상기 에스시알 대신에 에프이티(FET)를 사용할 수 있다.

상기 제어부(440)는 홀센서(470)로부터 검출되는 전류의 크기와 상기 2 차 전지(460)의 전압을 직접 검출 및 분석하여 2 차 전지(460)가 과충전되거나 과방전되는 경우를 확인하고, 과충전 또는 과방전으로 확인되는 경우에 게이트(GATE)에 차단신호를 인가하여, 과충전 및 과방전되지 못하도록 방지하므로, 2 차 전지(460)를 화학적 및 전기적으로 보호한다. 일반적으로 상기 2 차 전지(460)는 과충전 또는 과방전되는 경우 재생 불가능한 상태로 파괴된다.

또한, 상기 제어부(440)는 홀센서(470)로부터 검출되는 전류의 크기와 상기 2 차 전지(460)의 전압 또는 에너지 밀도를 검출 및 분석하여, 과충전된 상태에서는 발전수단이 발전한 전기를 실시간(REALTIME) 사용하도록 상기 에스시알(480)의 경로를 설정하여 출력하거나, 또는 전류부(410)를 제어하여 전류가 로터 코일(262)에 공급되지 않도록 차단하여 상기 발전수단이 발전하지 않고 공회전하도록 한다.

상기 속도검출부(450)는 3 개의 스테이터 코일(264) 중에서 어느 하나의 스테이터 코일(264)로부터 발전되는 전기의 전류 양을 분석하므로 회전축의 회전속도 또는 회전 토르크를 검출하여 제어부에 인가한다.

상기 제어부(440)는 속도검출부(450)가 검출한 회전속도를 분석하므로 풍속을 확인하고, 전류부(410)와 서버모터(140)에 해당 제어신호를 각각 인가한다.

일례로, 제어부(440)는 속도검출부(450)로부터 풍속이 약한 미풍의 검출 신호를 인가받는 경우, 전류부(410)를 제어하여 상기 로터코일(262)에 비교적 적은 량의 전류가 흐르도록 하고, 또한, 상기 서버모터(140)를 제어하여 수직다리우스 터빈(110, 220)을 최외각에 위치하도록 하거나 또는 곡선 다리우스 터빈(320)이 형성하는 폭이 넓어지도록 한다. 따라서 미풍에서도 낮은 회전 토르크의 회전력이 발생하고, 발전수단은 발전량이 감소하지만 미풍 속에서도 적은 량의 전류에 의한 전기를 발전한다.

상기 속도검출부(450)가 강풍 및 초강풍을 검출한 경우에도 해당 검출 신호를 제어부(440)에 인가하고, 제어부(440)는 전류부(410)를 제어하여 전류를 점점 적게 흐르게 하며, 서버모터(140)를 제어하여 수직다리우스 터빈(110,220)을 가변시켜 중간 및 가장 안쪽에 위치하거나 또는 곡선 다리우스 터빈(320)이 형성하는 폭을 가변시켜 중간 및 가장 좁도록 하므로, 강풍 및 초강풍에서 일정한 회전력 또는 회전 토르크를 유지하여 전기를 발전하고, 발전된 전기를 실시간 사용할 수 있도록 한다.

상기 다리우스 터빈의 위치를 가변하는 것으로, 일례로, 미풍, 강풍, 초 강풍으로 설명하였으나, 본 발명의 설명을 용이하게 하기 위한 것이고, 바람의 속도를 더욱 세밀한 단계로 나누어 검출하고 제어한다.

도 14 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도의 특성도이며, 상세히 설명하면, 미풍에서는 사보니우스 터빈이 회전하고, 종래에 미풍에서 회전하지 않았던 다리우스 터빈도 미풍에서 회전하기 시작함을 보여주며, 회전속도 또는 토르크가 미풍과 강풍과 초강풍에서 일정함이 확인된다.

도 15 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 가림판(214, 314)의 구성 상태 도시도 이며, 제 2 실시 예의 부재번호를 사용하여 상세히 설명하면, 가장 위의 주름판 방식은, 회전축(240)에 지그재그 형상의 가림판(214) 일측 끝단이 고정되고 다른 끝단은 인출수단(216)에 의하여 유동상태로 고정되며, 상기 인출수단(216)은 수직다리우스 터빈(220)에 고정된 상태가 도시되어 있다. 상기 주름판 방식의 왼쪽 그림은 상기 가림판(214)이 초 강풍인 경우에 압축되어 밀착된 상태가 도시되고, 오른쪽 그림은 미풍인 경우에 최대한으로 펴진 상태가 도시되어 있다.

가운데 그림은 내장 입출 방식으로, 회전축(240)에 다수의 가림판(214) 중에서 내부가 가장 큰 가림판(214)의 일측 끝단이 고정되고, 다수의 가림판(214)이 내부가 적은 순서에 의하여 차례차례 내장되며, 가장 안쪽에 내장된 가림판(214)은 인출수단(216)을 내장하고, 상기 인출수단은 수직다리우스 터빈(220)에 일측 끝이 고정된 상태이다. 상기 내장 입출 방식의 왼쪽 그림은 상기 가림판(214)이 초 강풍인 경우에 모두 내장되어 압축된 상태가 도시되고, 오른쪽 그림은 미풍인 경우에 최대한으로 인출되어 펴진 상태가 도시되어 있다.

아래 그림은 다층 슬라이딩 방식으로, 회전축(240)에 다수의 가림판(214) 중에서 어느 하나의 일측 끝단이 고정된다. 상기 고정된 가림판의 다른 측 끝단 하부에는 도면에 도시하지 않았으나 걸림턱이 형성되고, 상기 가림판의 하부에는 상기 걸림턱에 의하여 걸리는 물림턱을 상부에 구비하고 다른 측 끝단 하부에는 걸림턱을 형성하는 가림판이 소정 개수 적층된다. 최종적으로 적층된 가림판의 하부에는 물림턱을 형성하고 수직다리우스 터빈(220)에 고정된 인출수단(216)이 구비된다.

상기 다층 슬라이딩 방식의 왼쪽 그림은 상기 가림판(214)이 초 강풍인 경우에 모두 적층된 상태가 도시되고, 오른쪽 그림은 미풍인 경우에 적층된 가림판이 최대한으로 인출되어 펴진 상태가 도시되어 있다.

도 16 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 운용방법을 설명하면, 확인하는 과정, 차단하는 과정, 조정하는 과정; 을 포함하는 구성이다.

상기 확인하는 과정에 의하여, 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 제어부는 발전수단으로 발전할 것인지 확인하고(S110), 발전하는 것으로 확인하는 경우, 충방전 전지인 2 차전지의 에너지 밀도를 검출하여 분석하며(S120), 상기 분석에 의한 2 차전지의 에너지 밀도가 높은지를 확인한다(S130). 2 차전지의 에너지 밀도는 전위와 에너지 용량을 곱하여 구하는 것으로, 과충전 및 과방전 상태를 분석한다.

상기 차단하는 과정에 의하여, 제어부는 2 차전지의 에너지 밀도가 높은 것으로 확인되는 경우에 발전수단으로부터 발전된 전기를 실시간 출력한다(S140). 상기 에너지 밀도가 높다는 것은, 2 차 전지에 과충전 상태를 표시하므로 충전을 중단하고 발전된 전기를 출력하여 실시간으로 사용하도록 한다.

상기 제어부는 풍속을 확인하여 발전 불가능한 풍속, 일례로, 허리케인, 태풍 등과 같이 초 강풍보다 더 속도가 빠른 바람이 부는지를 확인하고(S150), 발전 불가능한 풍속으로 확인되면 발전수단의 로터에 공급되는 로터 전류를 차단하여 공전시키고 전기를 발전하지 않으므로 발전수단을 보호한다(S160).

상기 조정하는 과정에 의하여, 제어부는 풍속을 분석하고 발전 가능한 풍속인지를 확인하며(S170), 발전 가능한 풍속인 경우는 최적 상태의 전기를 생산하기 위하여 로터 전류와 다리우스 터빈의 위치를 조정하고(S180), 처음의 과정(S110)으로 복귀하여 상기에 설명된 과정들을 반복한다.

상기와 같은 구성의 본 발명은, 2 차전지의 에너지 밀도가 높은 경우는 충전을 차단하고 발전된 전기를 실시간 사용하도록 출력하며, 발전 불가능한 풍속으로 확인되면 발전수단에 공급되는 로터 전류를 차단하여 공전시키므로 발전하지 않는 동시에 발전수단을 보호하고, 발전 가능한 풍속에서는 최적의 발전을 위하여 로터 전류와 다리우스 터빈의 위치를 적정하게 조정한다.

따라서 상기와 같은 구성의 본 발명은 다리우스 터빈의 위치를 바람의 속도에 따라 가변하므로 회전 토르크를 균일하게 하여 발전되는 전기의 량을 일정하게 유지하고, 또한, 발전수단의 로터 코일에 공급되는 전류의 량을 함께 조절하므로 풍속의 변화에 따라 출력되는 전류의 량이 가변 되지만 전압은 정전압으로 일정하게 유지하여, 발전된 전기의 품질을 더욱 안정화시키는 장점이 있다.

또한, 태양광 발전 장치와 함께 사용하고 야간, 비, 눈, 흐린 등의 날씨에 대비 및 보완하여 실시간 사용하도록 하도록 하므로 발전되는 전기의 생산성 및 경제성을 높이는 장점이 있다.

본 발명을 일례로 설명하였으나, 반드시 이러한 일례에 국한되는 것이 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서 본 발명에 개시된 일례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1 은 종래의 일례에 의한 다리우스 터빈 풍력발전 장치 구성도,

도 2 는 종래의 다른 일례에 의한 다리우스 터빈 풍력발전 장치 구성도,

도 3 은 종래의 일례에 의한 것으로 다리우스 터빈 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도의 특성곡선 도시도,

도 4 는 종래의 일례에 의한 사보니우스 터빈 풍력발전 장치 구성도,

도 5 는 종래의 일례에 의한 것으로 사보니우스 터빈 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도 특성곡선 도시도,

도 6 은 본 발명의 제 1 실시 예에 의한 것으로 다리우스 가변 터빈 풍력 발전 장치의 구성도,

도 7 은 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 강풍상태 구성도,

도 8 은 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 초강풍상태 구성도,

도 9 는 본 발명의 제 2 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 미풍상태 구성도,

도 10 은 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 강풍상태 구성도,

도 11 은 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 초강풍상태 구성도,

도 12 는 본 발명의 제 3 실시 예에 의한 것으로 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치의 미풍상태 구성도,

도 13 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 제어 장치 기능 블록도,

도 14 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 풍속 대 회전속도의 특성도.

도 15 는 본 발명의 일례에 의한 것으로 가림판의 구성 상태 도시도,

도 16 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 운용방법 순서도.

도 17 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 기어 구조에 의한 수직다리우스 터빈의 위치 가변 구성도,

도 18 은 본 발명의 일례에 의한 것으로 거버너 구조에 의한 곡선 다리우스 터빈의 폭 가변 구성도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 **

100 : 다리우스 가변 터빈 풍력 발전 장치

110, 220 : 수직다리우스 터빈 120, 230 : 가변수단

130, 240, 330 : 회전축 140, 250, 340 : 서버모터

150, 260, 350 : 발전수단 210, 310 : 사보니우스 터빈

200, 300 : 다리우스와 사보니우스 복합 가변 터빈 풍력 발전 장치

212, 312 : 가이드 홈 214, 314 : 가림판

216, 316 : 인출수단 218, 318 : 상판

262 : 로터 코일 264 : 스테이터 코일

320 : 곡선 다리우스 터빈 360 : 고정수단

410 : 전류부 420 : 정류수단

430 : 정전압부 440 : 제어부

450 : 속도검출부 460 : 2 차 전지

470 : 홀센서 480 : 에스시알

500 : 제어수단 510 : 배터리수단

Claims

수직다리우스 터빈;

상기 수직다리우스 터빈의 위치를 가변하는 가변수단;

상기 가변수단에 접속하여 가변하는 동력을 공급하는 서버모터; 및

상기 수직다리우스 터빈의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
사보니우스 터빈;

상기 사보니우스 터빈의 회전축에 고정되는 수직다리우스 터빈;

상기 수직다리우스 터빈의 위치를 가변하는 가변수단;

상기 가변수단에 접속하여 가변하는 동력을 공급하는 서버모터; 및

상기 회전축의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 사보니우스 터빈은,

상기 수직다리우스 터빈이 중심축과의 거리 가변으로 이동하는 통로인 가이드홈;

상기 중심축과 수직다리우스 터빈 사이를 막는 가림판; 을 더 구비하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 가림판은,

주름판 방식, 내장 입출 방식, 다층 슬라이딩 방식이 포함되는 것 중에서 선택된 어느 하나의 방식으로 구성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 1 항 및 제 2 항에 있어서,

상기 수직다리우스 터빈은 가버너 구조와 기어 구조 중에서 선택된 어느 하나에 의하여 중심축과의 거리를 가변하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
사보니우스 터빈;

곡선다리우스 터빈;

상기 사보니우스 터빈과 상기 곡선다리우스 터빈에 의하여 회전하는 회전축;

상기 회전축에 구비되어 상하 방향으로 이동하는 동력을 공급하는 서버모터; 및

상기 회전축의 회전에 의하여 전기를 발전하는 발전수단; 을 포함하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 서버모터는,

상기 곡선다리우스 터빈의 일측 끝단이 상기 회전축을 따라 상방향 및 하방향으로 이동하는 동력을 공급하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치에 있어서,

회전에 의하여 스테이터 코일에서 전기를 발전하는 발전수단;

상기 발전수단에 발전을 위한 전류를 공급하고 발전된 전류를 정류하며 정전압으로 유지하고 공급되는 전류의 량을 검출하는 제어수단; 및

상기 제어수단으로부터 전류를 공급받아 충전하고 방전에 의하여 출력하는 배터리 수단; 을 포함하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어수단은,

상기 발전수단의 로터 코일에 제어된 전류를 공급하는 전류부;

상기 발전수단이 발전한 전기를 일방향으로 흐르게 하는 정류수단;

상기 발전수단이 발전한 전기를 일정한 레벨의 전압으로 조정하는 정전압부;

상기 발전수단이 발전한 전기의 양을 분석하고 상기 전류부가 공급하는 전류의 량을 제어하며 이차전지의 과충방전을 차단하는 제어부;

상기 제어부의 제어에 의하여 동력을 공급하는 서버모터;

상기 발전수단의 회전속도를 검출하는 속도검출부; 및

상기 정전압부로부터 공급되는 전기의 양을 검출하는 홀센서; 를 포함하는 구성으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 8 항에 있어서, 상기 배터리 수단은,

상기 제어수단이 공급하는 전기를 충전하고 방전하는 2 차 전지; 및

상기 제어수단에 의하여 온오프 제어되어 상기 2 차 전지를 충전과 방전하는 에스시알; 을 포함하여 이루어지는 구성을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
제 10 항에 있어서, 상기 에스시알은,

에스시알(SCR)과 에프이티(FET) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 구성 을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치.
가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 장치의 운용 방법에 있어서,

상기 장치의 제어부에 의하여, 발전수단이 전기를 발전하면 2 차 전지의 에너지 밀도를 검출하고 분석하여 밀도값이 높은지 확인하는 과정;

상기 제어부에 의하여 밀도값이 높은 것으로 확인되면 발전된 전기의 2 차 전지 충전을 중지하고, 풍속이 발전 불가능한 것으로 확인되면 발전수단의 로터전류 공급을 차단하는 과정; 및

상기 제어부에 의하여 풍속이 발전 가능한 것으로 확인되면 로터전류를 가변하여 최적의 전기를 생산하고 다리우스터빈의 위치를 가변 조정하는 과정; 을 포함하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 방법.
제 12 항에 있어서, 상기 차단하는 과정은,

상기 제어부에 의하여 2 차전지의 에너지 밀도가 높은 것으로 확인되면 발전된 전기를 실시간 출력하고, 발전 불가능한 풍속으로 확인되면 발전수단을 공전시켜 발전수단을 보호하는 것을 특징으로 하는 가변 풍속 터빈형 복합 풍력발전 방법.