KR20120008235A

KR20120008235A - 가변 풍력 발전 시스템

Info

Publication number: KR20120008235A
Application number: KR1020100068977A
Authority: KR
Inventors: 최신희
Original assignee: (주)넥스데이타
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-01-30
Also published as: KR101159988B1

Abstract

본 발명은 시 시 때때로 변동하는 풍속에 기초하여 풍차부의 크기 및 개수 등을 조절하여 발전기를 구동하도록 하는 것에 관한 것이다. 또한 상기 풍속 및 풍차부의 블레이드의 크기 및 개수에 따른 기계적 에너지를 추정하고 상기 기계적 에너지에 부합하는 가변적인 발전기의 스테이터의 권선수를 조절하도록 하여 입력되는 기계적 에너지와 비슷한 출력의 발전기의 용량을 선정하여 발전기의 운영 효율을 향상시켜 운전하도록 구성한 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

가변 풍력 발전 시스템{Variable Wind Power Generation System}

풍력발전기는 바람이 가지고 있는 풍력에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서 그 주요 구성은 날개, 변속장치 및 발전기로 구성되어 있는 것이 일반적이다. 상기와 같이 구성된 풍력 발전기는 바람에 의하여 날개에서 발생한 회전력을 회전축에 의하여 변속기어에 전달되어 회전수를 변환시켜 발전기의 로터를 회전함으로써 발전이 이루어지는 것이다. 상기와 같은 풍력 발전기는 날개의 회전축의 방향에 따라 수직축 풍차와 수평축 풍차로 나누어지는 것이 일반적이다.

또한 상기와 같은 풍력 발전기의 발전량 추정은 다음과 같은 식이 일반적으로 적용되는 것이다.

[수학식]

P=d² × D² × V³ × C

상기에서 P 는 전력량, d 는 공기밀도, D는 블레이드 지름, V는 풍속, C 는 상수이다. 따라서 풍력 발전 시스템에서 발전기에 입력되는 기계적 에너지는 블레이드의 지름에 비례함을 알 수 있는 것이다.

상기와 같이 풍속이 가변하는 경우 그에 대응하여 가변 발전 장치를 구축한 종래의 기술을 도 1과 같다. 상기도 1에서 종래의 풍력을 이용한 가변 발전 장치는 다수의 블레이드(11)가 구비된 로터(12)로 이루어져 바람에 의해 회전되는 풍차부(10)와, 상기 풍차부(10)에 결합되어 로터(12)의 회전에 의해 회전 구동되는 주축(20)과, 상기 주축(20)의 회전력을 전기적 에너지로 변환하여 전기를 발생하는 발전기(30)가 복수로 구성되는 것이고, 상기 복수 개로 구성되는 발전기(30)는 서로 상이한 발전용량을 가지며, 작은 발전용량을 갖는 발전기부터 발전 용량의 크기순서로 배치되는 것이다. 또한 이렇게 발전용량이 상이한 복수 개의 발전기(30)는 복수 개의 동력전달부(40)를 통해 상기 주축(20)의 회전력을 독립적으로 전달받아 각각 발전을 하는 것이다. 상기 복수 개의 동력전달부(40)는 상기 주축(20)의 회전력을 상기 복수 개의 발전기(30)로 각각 전달하게 되는데, 이러한 상기 동력전달부(40)는 상기 주축(20) 상에 설치되는 클러치(41)와, 상기 클러치(41)에 결합되어 연동되는 구동부재(42)와 상기 각 발전기(30)의 회전축(31)에 구비되는 종동부재(43)와 상기 구동부재(42)와 종동부재(43)를 연결하여 동력을 전달하는 동력전달요소(44)로 이루어진다. 또한 상기 클러치(41)는 상기 주축(20)의 외주연상에 설치되는데, 주축(20)에 고정되어 주축(20)과 함께 항상 회전되는 제1클러치판(41a)과 베어링에 의해 주축(20)의 회전과 무관하도록 설치되는 제2클러치판(41b)으로 이루어지며, 제어부(50)에 의해 상기 제1클러치판(41a)과 제2클러치판(41b)이 착탈되면서 제2클러치판(41b)에 주축(20)의 회전력이 인가 또는 차단되도록 작동하게 된다. 이러한 클러치(41)의 구체적인 구성은 이미 당해 기술 분야에서 공지된 것으로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다. 상기 구동부재(42)는 상기 클러치(41)의 제2클러치판(41b)에 결합되어 제2클러치판(41b)과 연동하게 되며, 그에 따라 상기 동력전달요소(44)를 통해 종동부재(43)에 주축(20)의 회전력을 전달함으로써 종동부재(43)가 구비된 발전기(30)에 기계적 에너지를 입력하여 발전이 이루어지도록 가능하게 되는 것이다. 또한 상기 제어부(50)는 저장부(51), 속도 감지부(52) 및 동력 전달 제어부(53)를 포함 구성하여서 된 것이다.

상기의 종래의 풍력 발전기는 하나의 풍차부에 다수의 발전기를 동력전달부로 연결 접속하여 풍속의 증감에 따라서 주축에 접속되는 발전기의 대수를 조절함으로써 발전량을 조절하도록 구성한 것이나 상기와 같은 종래 발전기는 여러 대의 발전기를 필요로 하므로 가격이 비싸고 풍차를 지지하는 폴대에 미치는 하중이 상당하여 제조 비용과 안전상에 문제가 있는 것이다.

따라서 본 발명은 풍속이 변하는 경우에 대응하는 가변 풍력 발전기에 관한 것이다. 일반적으로 풍력 발전기는 풍력 에너지에 비례하여 발전기의 규모를 구축하여야 이상적이지만 풍력에너지를 생성하는 풍속이 계절에 따라 또는 월별 또는 시간대에 따라 상이하다. 따라서 풍속이 저속에서는 저속에서도 회전가능한 블레이드를 구성하며 상기 저속 회전 블레이드 회전으로부터 생산할 수 있는 발전 용량에 적합한 발전기를 구성하여 발전효율을 높이고, 또한 풍속이 높은 지역에서는 다수 또는 길이가 큰 블레이드를 구성하고 상기 다수 또는 큰 길이의 블레이드 회전으로부터 발전할 수 있는 적합한 용량의 발전기를 설치하여 발전효율을 증가시키고 하는 것이다.

상기와 같은 종래의 풍력 발전 시스템의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 제1풍차부, 제2풍차부 및 제3풍차부 등으로 다수의 풍차부를 구성하고 풍속 센서에 의하여 풍속을 센싱한 후 제1클러치부, 제2클러치부, 및 제3클러치부를 이용하여 발전 시스템의 주축에 풍차부의 접속 수를 조절하거나 또는 적합한 풍차부만을 해당 클러치를 이용하여 접속하도록 구성한 것이다. 또한 상기 풍속 센서에 의하여 수집된 풍속과 풍차부의 접속 개수에 따른 예측 발전량에 비례하여 발전기의 스테이터 코일의 권선수를 조절하도록 구성함으로써 입력 에너지와 출력에너지를 고려함으로써 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 구성한 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 가변 풍력 발전 시스템은 풍속에 비례하여 풍차부의 개수 또는 풍차부의 크기를 조절할 수 있으므로 풍속이 저속인 경우의 발전뿐만 아니라 고속의 풍속에서도 발전할 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한 상기 풍력 발전기의 입력 에너지와 발전기의 출력에너지를 고려하여 발전기 스테이터의 권선수를 조절하도록 함으로써 발전 효율을 효과적으로 증가시킬 수 있는 장점이 있는 것이다.

도 1은 하나의 풍차부에 다수의 발전기를 접속할 수 있는 종래 풍력 발전기 구성도,
도 2는 본 발명의 풍력 발전 시스템의 구성도로서 풍력 발전 시스템에 하나의 풍차부가 접속된 상태의 구성도,
도 3은 본 발명의 풍력 발전 시스템 구성도로서 풍력발전 시스템에 2개의 풍차부가 접속된 상태의 구성도,
도 4는 본 발명의 풍력 발전 시스템 구성도로서 풍력 발전 시스템에 3개의 풍차부가 접속된 상태의 구성도,
도 5는 본 발명에 적용된 발전기 스테이터의 상별 권선수를 변경하기 위한 마그네트 스위칭 구동부의 구성도,
도 6은 본 발명에 적용된 제어 시스템의 구성도이다.

상기와 같은 본 발명의 풍력 발전 시스템을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 2에서 블레이드의 크기가 적은 제1풍차부(100)는 항상 주축에 접속되는 것이다. 상기와 같이 제1풍차부(100)가 주축(400)에 접속된 상태에서는 풍속이 낮은 경우에 블레이드의 크기가 작은 제1풍차부만이 회전하고 주축(400)에 접속되며, 제2풍차부(200)와 제3풍차부(300)는 주축(400)에서 분리되어 주축의 회전에 영향을 줄 수 없는 구조이다. 상기와 같이 풍속이 저속인 경우에 제1풍차부(100)가 회전하면 따라서 주축이 회전하게 되며, 상기 주축에 연결된 구동부재(440)가 회전하고, 상기 구동 부재의 회전에 의하여 체인 또는 기어 등으로 구성된 동력 전달 요소(420)를 통해 발전기의 회전축과 연결된 종동부재(450)에 동력을 전달하여 발전기에 기계적 에너지를 입력시키게 되는 것이다.

이때 제2풍차부(200)의 제1클러치부(430)는 제어부(600)에 의하여 제1클러치 판(431)과 제2클러치 판(432)이 주축(400)에서 착찰되면서 제2풍차부(200)의 회전력이 주축(400)에 전달되거나 차단되도록 구성된 것이다. 상기와 같은 제1클러치부(430)의 주축에의 접속과 차단은 풍속 센서(610)로부터 수집되는 풍속에 따라서 제어부(600)에서 판단하여 제어되도록 하는 것이다.

또한 제3풍차부(300)의 제2클러치부(460)도 제어부(600)에 의하여 제1클러치 판(461)과 제2클러치 판(462)이 주축(400)에서 착탈되면서 제3풍차부(300)의 회전력이 주축(400)에 전달되거나 차단되는 것이다. 상기와 같은 제2클러치부(460)의 주축에의 접속과 차단도 풍속센서(610)로부터 수집되는 풍속를 기초로 하여 제어부(600)에서 판단하여 제어되도록 구성하는 것이다.

상기와 같이 풍속이 증가함에 따라 블레이드의 크기가 큰 제2풍차부(430) 및 제3풍차부(460) 등을 차례로 주축(400)에 접속하면 주축의 회전력이 증가하고 따라서 발전기(500)로 입력되는 기계에너지도 증가하여 발전기(500)의 발전량을 증가시킬 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 풍력 발전 시스템 구성도로서 풍력발전 시스템에 제1풍차부(100)와 블레이드의 크기가 제1풍차부(100)보다 큰 제2풍차부(200)가 접속된 상태의 구성도이다. 상기도 3에서 제2풍차부(200)는 제1풍차부(100)가 접속된 상태에서 풍속이 증가하는 경우 제1클러치부(430)를 제어부(600)에 의하여 구동시켜 제2풍차부(430)를 주축(400)에 접속하도록 하는 것이다. 상기와 같이 제1풍차부(100)와 제2풍차부(200)가 주축에 접속되면 주축(400)의 회전력이 증가되고 따라서 발전기(500)의 발전량을 증가시킬 수 있는 것이다.

도 4는 본 발명의 풍력 발전 시스템 구성도로서 풍력 발전 시스템에 제1풍차부(100), 제2풍차부(200) 및 제3풍차부(300)가 주축에 접속된 상태의 구성도이다. 상기도 4에서 제3풍차부(300)의 블레이드는 제2풍차부(200)의 블레이드보다 크게 구성하고 제2클러치(460)의 구동은 풍속 센서(610)에서 수집된 풍속에 기초하여 제어부(600)의 제어에 의하여 착탈하는 것으로 상기와 같이 제2풍차부(200) 및 제3풍차부(300)가 주축(400)에 접속되면 주축(400)의 회전력이 증가하고 따라서 동력전달 요소(420)와 종동부재(450)의 회전력이 증가하여 발전기의 발전량을 증가시키게 되는 것이다.

도 5는 본 발명에 적용된 발전기 스테이터의 권선수를 조절하기 위한 구성도이다. 상기도 5는 예를 들어 3상 발전기를 기준으로 설명한 것으로 3상 이상의 발전기도 똑같이 적용할 수 있는 것이다. 상기도 5에서 3상 발전기의 스테이터는 R, S, T 등 3상으로 구성되어 있으며 각 상에는 권선수 n₁, n₂, n₃ 의 권선이 감겨 있는 것이다. 또한 각 R상에서 상기 권선수 n₁ 과 n₂ 사이에는 접점 a, n₂와 n₃ 사이에는 접점 a'가 인출되고 끝단에는 접점 a"가 구성되며 스위치 S₁이 접점 a에서 a' 또는 a"로 이동할 수 있는 구조이다. 또한 S 상에도 n₁과 n₂ 사이에는 접점 b, n₂ 와 n₃ 사이에는 접점 b'가 인출되고 끝단에는 b"가 구성되며 스위치 S₂가 접점 b에서 b' 또는 b"로 이동할 수 있는 구조이다. 또한 T 상에도 n₁과 n₂ 사이에는 접점 c, n₂와 n₃ 사이에는 접점 c'가 인출되고 끝단에는 c"가 구성되며 스위치 S₃가 접점 c에서 c' 또는 c"로 이동할 수 있는 구조이다. 따라서 제어부(600)에 제어에 의하여 마그네크 스위칭 회로는 처음에 a,b, c 접점에 위치하고 있다가 점점 a', b', c' 또는 a". b", c"로 동시에 이동하도록 하여 각상별 권선수를 조절하여 발전기 출력을 조절할 수 있는 것이다.

도 6은 본 발명에 적용된 풍력 발전 시스템의 전체 제어부 구성도이다. 상기도 6에서 본 발명에 적용된 전체 제어부의 구성은 풍속을 측정하고 풍속을 제어부(600)로 전송하는 풍속 센서(610)와, 상기 풍속 센서(610)로부터 수집된 풍속을 수신하여 메모리부(620)에 저장하고 상기 메모리부(620)에 저장된 프로그램을 기초로하여 클러치 구동부(640)에 포함된 제1클러치부(430) 및 제2클러치부(460)를 풍속의 크기에 따라 선택적으로 구동하도록 하고, 풍속에 따른 발전량을 추정하며 상기 추정된 발전량을 기초하여 발전기(500) 스테이터의 각 상별 권선수를 조절하는 마그네트 스위칭 회로(630)를 구동하도록 제어하는 제어부(600)와, 상기 제어부(600)의 제어 신호에 의하여 제1클러치부(430) 및 제2클러치부(460)을 선택적으로 또는 동시에 구동하는 클러치 구동부(640)와, 상기 제어부(600)의 제어 신호에 의하여 권선수를 조절하기 위하여 마그네트 스위칭 회로(630)를 on-off 하는 마그네트 스위칭 회로(630)로 구성된 것이다. 상기와 같이 구성된 전체 제어부는 수집된 풍속을 기초로 클러치 구동부(640)의 제어에 의하여 제2풍차부(200) 및 제3풍차부(300)를 주축(400)에 선택적으로 접속하여 발전기(500)에 입력되는 바람에 의한 기계적 에너지를 조절하도록 구성한 것이며, 또한 상기 풍속과 블레이드의 지름, 공기 밀도 등을 기초로 하여 추정 발전량을 산출하고 상기 추정 발전량의 변화에 대응하여 발전기(500) 스테이터의 권선수를 조절하기 위하여 마그네트 스위칭 회로(630)를 구동하도록 구성된 것이다. 즉 저속에서는 제1풍차부(100)에 의하여 발전하지만 풍속이 증가하면 제2풍차부(200) 또는/및 제3풍차부(300)를 제1클러치부(430) 또는/및 제2클러치부(460)를 이용하여 주축(400)에 선택적으로 접속하도록 제어부(600)가 제어하며, 동시에 발전량을 추정하여 발전량이 적은 경우는 스테이터의 코일 권선수를 권선수가 작은 접점에 연결하고 발전량이 증가할수록 코일 권선수가 증가되도록 발전기(500) 스테이터의 상별 코일 권선수를 마그네트 스위칭 회로(640)에 의하여 조절하도록 제어하는 것이다.

상기와 같이 구성된 풍력 발전 시스템은 풍속에 따라 풍차부의 크기와 풍차부의 개수를 조절할 수 있으며 또한 상기 풍속에서 발생되는 기계적 에너지의 용량에 알맞는 발전기를 선택할 수 있음으로써 효율적으로 발전할 수 있는 장점이 있는 것이다.

10, 풍차부, 20, 400 : 주축
30, 500 : 발전기, 50, 600 : 제어부,
40, 420 : 동력전달요소, 200 :제2풍차부
300 : 제3풍차부, 110, 210, 310 :블레이드,
610 :풍속센서, 620 : 메모리부,
630 : 마그네트스위칭회로, 640 : 클러치 구동부

Claims

다수의 크기가 다른 풍차부와;
상기 풍차부의 회전력을 전달하기 위한 동력 전달 수단과;
상기 동력 전달 수단으로부터 입력되는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(500)와;
풍속을 측정하는 풍속 센서(610)와;
상기 풍속 데이터, 프로그램 등을 저장하는 메모리부(620)와;
상기 풍속 센서로부터 수신되는 풍속을 기초로 하여 상기 다수의 크기가 다른 풍차부를 선택적으로 상기 동력 전달 요소에 접속하거나 분리하기 하도록 제어하는 제어부(600)로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 풍력 발전시스템.
제1항에 있어서,
상기 동력 전달 수단은,
제1풍차부(100)에 접속된 주축(400)과,
상기 주축에 접속 연결되는 구동 부재(440)와;
상기 구동 부재에 연결되는 동력 전달 요소(420)와;
상기 동력 전달 요소에 연결되는 종동부재(450)와;
제2풍차부(200)와 제3풍차부(300)를 상기 주축(400)에 선택적으로 착탈하기 위한 제1클러치부(430)와 제2클러치부(460)로 구성된 클러치 구동부(640)로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 풍력 발전시스템.
다수의 크기가 다른 풍차부와;
상기 풍차부의 회전력을 전달하기 위한 동력 전달 수단과;
상기 동력 전달 수단으로부터 입력되는 에너지를 전기 에너지로 변환하고 스테이터의 상별 코일 권선수를 조절하는 스위칭 회로를 구비하는 발전기(500)와;
풍속을 측정하는 풍속 센서(610)와;
풍속 데이터 등을 저장하는 메모리부(620)와;
상기 풍속 센서로부터 수신되는 풍속을 기초로 하여 상기 다수의 크기가 다른 풍차부를 선택적으로 상기 동력 전달 요소에 접속하거나 분리하기 하도록 하며 상기 풍속을 기초로 하여 클러치 구동부를 제어하며, 풍속, 공기 밀도, 블레이드 크기 등을 기초로 하여 발전기의 입력 에너지를 추정하여 발전기 스테이터의 상별 코일 권선수를 조절하는 스위칭 회로를 제어하는 제어부(600)로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 풍력 발전시스템.
제3항에 있어서,
상기 동력 전달 수단은,
제1풍차부(100)에 접속된 주축(400)과,
상기 주축에 접속 연결되는 구동 부재(440)와;
상기 구동 부재에 연결되는 동력 전달 요소(420)와;
상기 동력 전달 요소에 연결되는 종동부재(450)와;
제2풍차부(200)와 제3풍차부(300)를 상기 주축(400)에 선택적으로 착탈하기 위한 제1클러치부(430)와 제2클러치부(460)로 구성된 클러치 구동부(640)로 구성된 것을 특징으로 하는 가변 풍력 발전시스템.
제4항에 있어서,
스위칭 회로는,
상별 코일 권선수를 다수로 나누는 다수의 접점과;
제어부의 제어에 의하여 상기 상별 권선수를 나누는 접점들을 스위칭하는 것을 특징으로 하는 가변 풍력 발전시스템.
풍차부와 상기 풍차부의 회전력을 전달하기 위한 동력 전달 수단과 상기 동력 전달 수단으로부터 입력되는 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(500)와 풍속을 측정하는 풍속 센서(610)와 풍속 데이터 등을 저장하는 메모리부(620) 및
상기 풍속 센서로부터 수신되는 풍속을 기초로 하여 발전기 스위칭 회로를 제어하는 제어부를 구비한 가변 풍력 발전시스템에 있어서,
상기 발전기는,
풍속, 공기 밀도, 블레이드 크기 등을 기초로 하여 발전기의 입력 에너지를 추정하고 발전기 스테이터의 상별 코일 권선수를 조절하는 스위칭 회로를 구비한 것을 특징으로 하는 가변 풍력 발전시스템.