KR20130098671A - 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템 - Google Patents

유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템 Download PDF

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문승환
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Abstract

본 발명은 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 풍력 발전기의 나셀 내부에 마련되어 블레이드의 회전축에 연결되고, 상기 블레이드의 회전 운동 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환시키는 유압 펌프, 상기 풍력 발전기의 타워 하부에 배치되며, 상기 유압 펌프에 연결되어 상기 유압 펌프로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시키는 제1유압 모터, 상기 제1유압 모터에 연결되는 제1발전기로 구성되는 제1발전 모듈, 상기 제1발전 모듈의 하단에 배치되고, 상기 제1유압 모터에서 배출된 작동 유체가 유압 부스터에 의해 가압되어 공급되는 제2유압 모터 및 상기 제2유압 모터에 연결되는 제2발전기로 구성되는 제2발전 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 기존의 풍력 발전기 상단에 배치되는 나셀 내부에 설치되던 발전기 등을 포함한 대용량 중량물들을 타워의 하부 및 부유 구조물 상에 설치하여 풍력 발전기의 무게 중심을 아래로 이동시킴으로써, 풍력 발전기의 부유 안정성을 도모하고, 장치의 유지 보수가 용이할 뿐 아니라 발전 설비의 설치에 따른 시공 비용을 절감시킬 수 있다.

Description

유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템{FLUID POWER DELIVERY TYPE WIND POWER GENERATOR SYSTEM}
본 발명은 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해상에서 풍력을 이용하여 전기를 생산하는 풍력 발전기의 무게 중심을 아래로 이동시켜 풍력 발전기의 부유 안정성을 향상시키고, 나아가 발전 설비의 시공 비용 절감 및 시공성을 향상시킬 수 있는 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
풍력은 지구상에 자연적으로 발생하는 무공해 에너지원으로서, 20세기 이래 전세계적인 산업화의 영향으로 석탄 및 석유 등의 화석 연료가 점차 고갈되고, 화석 연료의 사용으로 인한 환경 오염이 심각해지면서 최근 무공해 대체 에너지인 풍력을 이용한 발전 방식이 더욱 각광을 받고 있다.
이와 같은 풍력을 이용한 풍력 발전은 풍력 발전 설비를 시공함에 있어 육상과 해상에 지지 구조물을 설치하고, 이 지지 구조물에 풍력 발전기를 설치하여 발전하고 있다.
그러나, 육상 풍력 발전은 평야 지대가 많지 않은 우리나라의 현실에서 부지 확보에 제한이 있고, 산간 오지에 풍력 발전기를 설치할 경우에는 도로와 송전선을 건설하는 과정에서 비용이 많이 들며, 유지 관리가 어렵다는 단점이 있다.
이러한 이유로 최근에는 해상 풍력 발전에 대한 관심이 증가되는 추세에 있다. 즉, 해상 풍력 발전은 고정식과 부유식으로 나눌 수 있는데, 고정식 해상 풍력 발전은 수심이 깊지 않은 바다의 해저면에 기초 공사를 한 후, 그 기초 공사 위에 구조물을 설치한 후 블레이드를 비롯한 발전 설비를 설치하는 방식이다. 반면, 부유식 해상 풍력 발전은 해수면 상에 부유물을 띄우고 그 부유물 위에 발전 설비를 설치하는 방식이다.
도 1은 종래의 부유식 해상 풍력 발전기를 개략적으로 나타낸 정면도이고, 도 2는 종래의 부유식 해상 풍력 발전기의 주요 부분을 나타낸 측단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 일반적인 풍력 발전기(10)는 바람을 회전 에너지로 바꾸는 블레이드(12)와, 상기 블레이드(12)의 회전 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 기어 박스(14) 및 발전기(15) 등이 내장된 나셀(13)과, 상기 나셀(13)에 설치되어 상기 블레이드(12)를 해면으로부터 일정 높이에 위치시키기 위한 타워(11)를 포함하여 구성된다.
위와 같은 구성을 갖는 풍력 발전기(10)를 해상에서 지지하기 위해서 해상 부유 구조가 마련되는데, 이러한 해상 부유 구조는 상기 타워(11)의 하단부에 배치되는 메인 플로터(20), 상기 메인 플로터(20)의 주위에 배치되는 복수의 기초 부재(30), 상기 기초 부재(30)를 상기 메인 플로터(20)에 연결시키는 보조 연결 부재(50), 상기 기초 부재(30) 상호 간을 연결하는 연결 부재(60), 계류 라인(71)과 플로터 부재(72)로 구성되어 상기 기초 부재(30) 각각에 연결되는 계류 플로터(70) 및 상기 해상 부유 구조를 고정점에 계류해 두기 위한 장치 계류 라인(80) 등을 포함하여 이루어진다.
그러나, 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 부유식 해상 풍력 발전기(10)의 구조는 상기 블레이드(12)의 회전 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 기어 박스(14) 및 발전기(15) 등과 같은 대용량의 중량물들이 상기 타워(1) 상단의 나셀(13) 내부에 일체식으로 설치되는 구조였는바, 수백 톤에 달하는 대용량의 중량물 때문에 풍력 발전기의 무게 중심이 높아져 풍력 발전기(10)의 부유 안정성이 저해되고, 설치 및 유지 보수가 어려워 발전 설비의 시공 비용, 유지 보수 비용이 상승된다는 문제점이 있었다.
일본공개특허공보 특개 2009-085167호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 기존의 풍력 발전기 상단에 배치되는 나셀 내부에 설치되던 발전기 등을 포함한 대용량 중량물들을 타워의 하부 및 부유 구조물 상에 설치하여 풍력 발전기의 무게 중심을 아래로 이동시킴으로써, 풍력 발전기의 부유 안정성을 도모하고, 장치의 유지 보수가 용이할 뿐 아니라 발전 설비의 설치에 따른 시공 비용을 절감시킬 수 있는 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템은, 풍력 발전기의 나셀 내부에 마련되어 블레이드의 회전축에 연결되고, 상기 블레이드의 회전 운동 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환시키는 유압 펌프; 상기 풍력 발전기의 타워 하부에 배치되며, 상기 유압 펌프에 연결되어 상기 유압 펌프로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시키는 제1유압 모터; 상기 제1유압 모터에 연결되는 제1발전기로 구성되는 제1발전 모듈; 상기 제1발전 모듈의 하단에 배치되고, 상기 제1유압 모터에서 배출된 작동 유체가 유압 부스터에 의해 가압되어 공급되는 제2유압 모터; 및 상기 제2유압 모터에 연결되는 제2발전기로 구성되는 제2발전 모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템은, 상기 제2유압 모터와 상기 제2발전기 사이에 마련되어 상기 제2유압 모터의 회전을 증속하여 상기 제2발전기로 동력을 전달하는 증속 기어부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템은, 상기 블레이드의 회전축에 연결되어 기체를 압축하는 컴프레서(compressor); 를 더 포함하고, 상기 유압 부스터는 상기 컴프레서에서 압축된 기체에 의하여 작동 유체의 압력을 증폭시키도록 상기 제1유압 모터와 상기 제2유압 모터 사이에 마련되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 블레이드의 회전축의 외주에는 구동 기어가 마련되고, 상기 컴프레서의 구동축에는 상기 블레이드의 회전 동력을 상기 컴프레서에 전달하도록 상기 구동 기어에 맞물리는 종동 기어가 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 작동 유체를 사용하여 블레이드의 회전 운동 에너지를 타워 하단에 배치된 유압 모터에 전달함으로써 나셀에 설치되던 대용량 중량물들을 타워 하부 및 부유 구조물 상에 설치할 수 있는바, 풍력 발전기의 무게 중심을 아래로 이동시켜 풍력 발전기의 부유 안정성이 향상되고, 풍력 발전기의 설치 및 유지 보수가 용이한 장점이 있다.
도 1은 종래의 부유식 해상 유체 동력 전달형 풍력 발전기를 개략적으로 나타낸 정면도이다.
도 2는 종래의 부유식 해상 유체 동력 전달형 풍력 발전기의 주요 부분을 나타낸 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 유압 회로도다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템의 유압 부스터를 나타낸 증압 시스템 구성도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다. 그리고 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위내에서 다른 실시예를 용이하게 실시할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템을 개략적으로 나타낸 유압 회로이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템의 유압 부스터를 나타낸 증압 시스템 구성도이다. 도 4 및 도 5를 참조하여 상기 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템의 구체적인 구성 및 작동 과정에 대하여 상세히 설명한다.
도 4을 참조하면, 상기 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템은 해수면에 수직 방향으로 설치되는 타워(미도시), 상기 타워의 상단부에 설치되는 나셀(미도시), 상기 나셀의 일측에 회전 가능하게 설치되는 블레이드(110) 및 해수면 상에 부유 상태로 유지되며 상기 타워의 하단부가 고정 설치되는 부유체(미도시) 등을 포함하여 구성된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템은 그 무게 중심을 아래로 이동시키기 위하여 작동 유체를 사용하여 동력을 전달하는데, 이로 인하여 풍력 발전 시스템의 부유 안정성 및 설비의 유지 보수의 용이성을 확보할 수 있다.
즉, 상기 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템은 블레이드(110)의 회전에 의하여 발생하는 회전 운동 에너지를 작동 유체에 의하여 발전 설비에 전달하는 시스템에 관한 것으로서, 유압 펌프(210), 제1유압 모터(220), 제1발전기(230), 제2유압 모터(240), 제2발전기(250), 증속 기어부(260), 컴프레서(270) 및 유압 부스터(280) 등을 포함하여 구성된다.
상기 유압 펌프(210)는 상기 블레이드(110)의 회전 운동 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환시키도록 상기 블레이드(110)의 회전축(112)에 연결되며, 상기 나셀의 내부에 마련된다. 즉, 상기 유압 펌프(210)는 상기 블레이드(110)의 회전축(112)에 연결된 증속기(미도시)와 연결되어 제1압송관(t1)을 통하여 상기 타워의 하부에 배치되는 제1유압 모터(220)로 작동 유체를 일정 압력으로 압송하게 된다. 여기서, 상기 증속기(미도시)는 상기 블레이드(110)의 회전시 그 회전 속도를 증속시켜 상기 유압 펌프(210)에 전달한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 유압 펌프(210)가 상기 타워의 상단에 설치되므로 상기 타워의 상부 측에 무게 중심이 쏠리지 않도록 하기 위하여 중량이 가벼운 것으로 채용하는 것이 바람직하다.
상기 제1유압 모터(220)는 상기 유압 펌프(210)로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시키며, 상기 타워의 하부에 배치되어 상기 유압 펌프(210)에 연결된다. 즉, 상기 제1유압 모터(220)는 상기 타워의 하부에 설치된 상태로 상기 나셀의 내부에 배치된 유압 펌프(210)와 상기 제1압송관(t1)을 통해 서로 연결된 구조를 이루고 있다. 따라서, 상기 유압 펌프(210)로부터 압송된 작동 유체는 상기 타워 내부의 제1압송관(t1)을 거쳐 상기 제1유압 모터(220)로 제공된다.
이때, 상기 유압 펌프(210)와 상기 제1유압 모터(220) 사이에는 축압기(미도시)가 설치될 수 있는데, 상기 축압기(미도시)는 상기 유압 펌프(210)에서 압송하는 작동 유체를 일시적으로 저장하였다 상기 제1유압 모터(220)에 일정 압력으로 제공할 수 있다.
그리고, 상기 유압 펌프(210)와 상기 제1유압 모터(220) 사이에는 릴리브 밸브(미도시)가 설치될 수 있다. 즉, 상기 유압 펌프(210)에서 압송하는 작동 유체의 압력이 미리 설정된 압력 이상인 경우, 작동 유체의 일부를 바이패스(by-pass) 시켜 주고, 상기 제1유압 모터(220)로는 미리 설정된 압력 및 유량의 작동 유체만 공급한다.
상기 제1발전기(230)는 상기 제1유압 모터(220)에 연결되어 상기 제1유압 모터(220)에서 발생한 회전 동력을 전기 에너지로 변환시키며, 상기 타워 내주면의 하부에 인접하도록 배치된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1유압 모터(220)는 상기 제1발전기(230)를 구동시키도록 구성되므로 상기 나셀의 내부에 설치되는 증속기(미도시)를 통해 상기 유압 펌프(210)만을 원하는 회전 속도로 회전시키면 되기 때문에, 저단 증속 기능을 갖는 증속기를 설치할 수 있다.
이는 종래의 풍력 발전기에 증속기를 직접 연결시킨 구조에서 블레이드의 회전 속도를 발전기에서 원하는 전기가 충분히 발전될 수 있도록 다단 증속시켜 줘야만 했던 것과 비교하여 한층 진보된 구성이다. 이와 같이 구성되면 증속기 자체의 중량이 종래의 증속기에 비해 가벼워 시공성이 향상되고, 비용 자체도 다단 증속기에 비해 저가이므로 풍력 발전기의 시설비를 대폭 감소할 수 있다.
상기 제2유압 모터(240)는 제2압송관(t2)을 통하여 상기 제1유압 모터(220)로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시키며, 상기 타워의 하단에 배치되는 부유체 내부에 마련된다. 즉, 상기 제2유압 모터(240)는 상기 타워의 하단에 마련되는 부유체 내부에 설치된 상태로 상기 제1유압 모터(220)와 상기 제2압송관(t2)을 통해 서로 연결된 구조를 이루고 있다. 따라서, 상기 제1유압 모터(220)로부터 압송된 작동 유체는 상기 타워 내부의 제2압송관(t2)을 거쳐 상기 제2유압 모터(240)로 제공된다.
상기 제2발전기(250)는 상기 제2유압 모터(240)에 연결되어 상기 제2유압 모터(240)에서 발생한 회전 동력을 전기 에너지로 변환시키며, 상기 타워의 하단에 배치되는 부유체 내부에 마련된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상기 제1발전기(230)에 더하여 상기 제2발전기(250)가 추가적으로 마련됨으로써 발전 용량이 상대적으로 증가된다.
상기 증속 기어부(260)는 상기 제2유압 모터(240)와 상기 제2발전기(250) 사이에 마련되어 상기 제2유압 모터(240)의 회전을 증속하여 상기 제2발전기(250)로 전달한다. 상술한 바와 같이 상기 제2유압 모터(240)는 상기 제1유압 모터(220)로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시키므로 상기 제1유압 모터(220)보다 상대적으로 낮은 회전 동력을 상기 제2발전기(250)에 제공한다.
따라서, 상기 증속 기어부(260)는 상기 제2유압 모터(240)의 회전을 증속시켜 상기 제2발전기(250)에 전달함으로써 상기 제2발전기(250)의 발전 효율을 향상시키게 된다. 그리고, 상기 증속 기어부(260)의 증속비는 상기 제2유압 모터(240)에 연결되는 기어와 상기 제2발전기(250)에 연결되는 기어의 기어비를 조절하여 상황에 따라 다양하게 구현할 수 있다.
한편, 작동 유체는 제3압송관을(t3)을 통하여 상기 제2유압 모터(240)에서 상기 유압 펌프(210)로 다시 압송된다.
상기 컴프레서(270)는 상기 블레이드(110)의 회전축(112)에 연결되어 기체를 압축시킴으로써 압축 공기를 생성하고, 상기 컴프레서(270)에서 생성된 고압의 압축 공기는 압축 공기 유로(t4)를 통하여 상기 유압 부스터(280)에 전달되어 작동 유체의 압력을 증폭시킨다.
즉, 상기 유압 부스터(280)는 상기 제1유압 모터(220)와 상기 제2유압 모터(240) 사이에 마련되는데, 상술한 바와 같이 상기 제2유압 모터(240)는 상기 제1유압 모터(220)로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시킴으로써 상기 제1유압 모터(220)보다 상대적으로 낮은 회전 동력을 상기 제2발전기(250)에 제공하므로, 상기 유압 부스터(280)는 상기 제1유압 모터(220)에서 상기 제2유압 모터(240)로 압송되는 작동 유체의 압력 및 속도를 증폭시켜 상기 제2유압 모터(240)의 회전 동력을 증가시킨다. 따라서, 상기 제2발전기(250)의 발전 효율도 향상된다.
여기서, 상기 블레이드(110)의 회전축(112)의 외주에는 구동 기어(114)가 마련되며, 상기 컴프레서(270)의 구동축(272)에는 상기 블레이드(110)의 회전 동력을 상기 컴프레서(270)에 전달하도록 상기 구동 기어(114)에 맞물리는 종동 기어(274)가 마련된다. 즉, 상기 컴프레서(270)는 상기 블레이드(110)의 회전 운동 에너지에 의하여 구동되므로 별도의 구동원이 필요치 않게 된다.
한편, 도 4를 참조하면 상기 유압 부스터(280)는 공압 실린더(281), 상기 공압 실린더의 내부에서 왕복 운동하는 입력 피스톤(282), 고압의 유체가 유동하는 고유압 배관(283), 상기 고유압 배관(283)에 연결되는 유압 실린더(284) 및 상기 유압 실린더(284)의 내부에서 왕복 운동하는 출력 피스톤(285) 및 5포트 밸브(286) 등으로 구성된다.
즉, 상기 유압 부스터(280)의 작동 과정을 구체적으로 설명하면 압축 공기가 상기 압축 공기 유로(t4)로부터 상기 공압 실린더(281)로 유입되면, 상기 입력 피스톤(282)은 전진하여 유체가 상기 고유압 배관(283)으로 유동하면서 고압의 분위기가 형성되고, 파스칼의 원리에 따라 상기 출력 피스톤은 고추력으로 전진하게 된다. 이와 같은 출력 피스톤이 상기 제1유압 모터(220)에서 상기 제2유압 모터(240)로 압송되는 작동 유체의 압력 및 속도를 증폭시켜 상기 제2유압 모터(240)의 회전 동력을 증가시키게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
110: 블레이드 210: 유압 펌프
220: 제1유압 모터 230: 제1발전기
240: 제2유압 모터 250: 제2발전기
260: 증속 기어부 270: 컴프레서
280: 유압 부스터

Claims (4)

  1. 풍력 발전기의 나셀 내부에 마련되어 블레이드의 회전축에 연결되고, 상기 블레이드의 회전 운동 에너지를 작동 유체의 압력 에너지로 변환시키는 유압 펌프;
    상기 풍력 발전기의 타워 하부에 배치되며, 상기 유압 펌프에 연결되어 상기 유압 펌프로부터 압송된 작동 유체에 의하여 회전 동력을 발생시키는 제1유압 모터;
    상기 제1유압 모터에 연결되는 제1발전기로 구성되는 제1발전 모듈;
    상기 제1발전 모듈의 하단에 배치되고, 상기 제1유압 모터에서 배출된 작동 유체가 유압 부스터에 의해 가압되어 공급되는 제2유압 모터; 및
    상기 제2유압 모터에 연결되는 제2발전기로 구성되는 제2발전 모듈; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2유압 모터와 상기 제2발전기 사이에 마련되어 상기 제2유압 모터의 회전을 증속하여 상기 제2발전기로 동력을 전달하는 증속 기어부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전축에 연결되어 기체를 압축하는 컴프레서(compressor); 를 더 포함하고,
    상기 유압 부스터는 상기 컴프레서에서 압축된 기체에 의하여 작동 유체의 압력을 증폭시키도록 상기 제1유압 모터와 상기 제2유압 모터 사이에 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전축의 외주에는 구동 기어가 마련되고,
    상기 컴프레서의 구동축에는 상기 블레이드의 회전 동력을 상기 컴프레서에 전달하도록 상기 구동 기어에 맞물리는 종동 기어가 마련되는 것을 특징으로 하는 유체 동력 전달형 풍력 발전 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107905946A (zh) * 2017-10-23 2018-04-13 西北工业大学 一种海上风电抗台风主被动减载控制系统
WO2019156362A1 (ko) * 2018-02-07 2019-08-15 한국기술교육대학교 산학협력단 동력전달장치

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