KR20130101876A

KR20130101876A - 풍력 발전기

Info

Publication number: KR20130101876A
Application number: KR1020120022969A
Authority: KR
Inventors: 박노준
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-09-16

Abstract

풍력 발전기를 제시한다. 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 서로 반대 쪽에 위치한 제1면과 제2면을 가지는 블레이드, 블레이드의 제1면에 부착되어 있는 제1 압전 필름과 제2면에 부착되어 있는 제2 압전 필름을 포함하는 압전 소자부, 압전 소자부에 단속 가능하게 연결되어 있는 정류기, 정류기에 연결되어 있는 축전지, 그리고 제1 압전 필름과 제2 압전 필름 사이에 단속 가능하게 연결되어 있는 진동 제어부를 포함한다. 압전 소자부는, 발전 모드인 경우 제1 및 제2 압전 필름을 정류기에 연결하여 블레이드의 진동에 따라 생성되는 전기를 정류기로 내보내어 축전지에 저장하고, 진동 제어 모드인 경우 제1 및 제2 압전 필름을 진동 제어부에 연결하고 진동 제어부의 제어에 따라 제1 및 제2 압전 필름 중 적어도 하나에 전압을 인가하여 블레이드에 가해지는 외인 진동을 감쇠하는 내인 진동을 일으킨다.

Description

풍력 발전기 {WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 발전은 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환 기술로서, 공기가 블레이드 위를 지날 때 양력과 항력이 발생하는 공기역학적 특성을 통해 회전자(rotor)가 회전하게 되는데 이때 발생하는 기계적 회전 에너지가 발전기를 통해 전기 에너지로 변환된다.

종래의 풍력 발전기는 수직축형과 수평축형으로 구분할 수 있는데, 수평축형의 경우 타워(tower) 상부에 나셀(nacelle)이 구비되며, 나셀의 전방에 블레이드가 회전 가능하게 설치되어 있고, 블레이드의 중심축인 허브와 연결된 주축에 증속기 및 발전기가 연결되어 발전이 이루어진다. 종속기 및 발전기는 통상 나셀 내부에 설치되어 있다.

그러나 이러한 종래의 풍력 발전기는 다른 종류의 발전기에 비하여 효율이 낮다.

본 발명의 일 실시예는 추가적인 전력 생산이 가능한 풍력 발전기를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 서로 반대 쪽에 위치한 제1면과 제2면을 가지는 블레이드, 상기 블레이드의 제1면에 부착되어 있는 제1 압전 필름과 제2면에 부착되어 있는 제2 압전 필름을 포함하는 압전 소자부, 상기 압전 소자부에 단속 가능하게 연결되어 있는 정류기, 상기 정류기에 연결되어 있는 축전지, 그리고 상기 제1 압전 필름과 상기 제2 압전 필름 사이에 단속 가능하게 연결되어 있는 진동 제어부를 포함한다. 상기 압전 소자부는, 발전 모드인 경우 상기 제1 및 제2 압전 필름을 상기 정류기에 연결하여 상기 블레이드의 진동에 따라 생성되는 전기를 상기 정류기로 내보내어 상기 축전지에 저장하고, 진동 제어 모드인 경우 상기 제1 및 제2 압전 필름을 상기 진동 제어부에 연결하고 상기 진동 제어부의 제어에 따라 상기 제1 및 제2 압전 필름 중 적어도 하나에 전압을 인가하여 상기 블레이드에 가해지는 외인 진동을 감쇠하는 내인 진동을 일으킨다.

상기 진동 제어 모드인 경우, 상기 제1 압전 필름은 상기 블레이드에 가해지는 외인 진동에 비례하는 전압을 생성하여 상기 진동 제어부에 전달하며, 상기 제2 압전 필름은 상기 진동 제어부로부터 받은 전압에 따라 상기 내인 진동을 일으킬 수 있다.

상기 풍력 발전기는, 상기 진동 제어부에 연결되어 있는 운전 상태 감지부, 그리고 상기 운전 상태 감지부와 상기 압전 소자부 사이에 연결되어 있는 모드 변환부를 더 포함하고, 상기 운전 상태 감지부는 상기 블레이드의 상태가 정상적인지 아닌지를 판단하여 해당하는 신호를 출력하고, 상기 모드 변환부는 상기 운전 상태 감지부로부터의 신호에 따라 발전 모드 및 진동 제어 모드 중 하나를 결정하여 해당하는 신호를 상기 압전 소자부에 출력하며, 상기 압전 소자부는 상기 모드 변환부로부터의 신호에 따라 상기 발전 모드 및 상기 진동 제어 모드 중 하나로 동작할 수 있다.

상기 풍력 발전기는, 상기 블레이드와 결합되어 있는 허브, 그리고 상기 허브가 회전가능하도록 상기 허브와 결합되어 있는 나셀을 더 포함하며, 상기 제1면은 상기 나셀을 향할 수 있다.

상기 진동 제어부는 상기 내인 진동의 크기가 상기 외인 진동과 동일하고 상기 내인 진동의 위상이 상기 외인 진동과 반대가 되도록 하는 전압을 생성하여 상기 제2 위상 필름에 인가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에서는 추가적인 발전이 가능하며, 블레이드의 과진동을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 풍력 발전기의 블레이드의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 풍력 발전기에서 블레이드가 휜 상태를 보여주는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블록도이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

먼저 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 풍력 발전기의 블레이드의 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 풍력 발전기에서 블레이드가 휜 상태를 보여주는 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블록도이다.

도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)는 타워(10), 나셀(30), 허브(21) 및 복수의 블레이드(20)를 포함한다.

나셀(30)은 타워(10)의 상부에 고정되어 있고, 허브(21)는 회전 가능하도록 나셀(30)에 결합되어 있는 수평축에 결합되어 있으며, 블레이드(20)는 바람에 의하여 회전할 수 있도록 허브(21)에 결합되어 있다. 도 1에 도시한 블레이드(20)의 수효는 3개이지만 그 이상일 수도 있다.

도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)는 각 블레이드(20)의 표면에 부착되어 있는 압전 소자부(40)를 더 포함한다. 압전 소자부(40)는 블레이드(20)의 앞면에 부착되어 있는 제1 압전 필름(42)과 뒷면에 부착되어 있는 제2 압전 필름(44)을 포함한다. 제1 및 제2 압전 필름(42, 44)은 복수의 압전 소자를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)에서는 블레이드(20)의 회전에 의한 통상의 발전 외에도 압전 소자부(40)를 이용하여 발전을 한다.

도 3을 참고하면, 블레이드(20)는 바람에 의하여 회전을 할 뿐 아니라 휘어지는 등의 변형을 경험한다. 예를 들면, 길이가 45m 정도인 블레이드(20)의 경우 0.6~0.8Hz의 주파수의 바람이 부는 환경에서 끝 부분의 변위가 4~7m 정도로 변형된다. 이와 같이 블레이드(20)가 변형되면 그 표면에 부착되어 있는 압전 필름(42, 44) 역시 변형되며 이에 따라 전류가 생성된다.

본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)에서는 또한 강한 바람에 의하여 블레이드(20)가 심하게 진동을 할 때 압전 소자부(40)를 이용하여 진동을 줄인다. 즉, 압전 필름(42, 44) 중 적어도 하나, 예를 들면 앞면[나셀(30)의 반대 쪽]에 있는 제2 압전 필름(44)에 진동과 반대 위상으로 전압을 인가하여 진동을 상쇄한다. 이 경우 뒷면에 있는 제1 압전 필름(42)은 진동을 감지하는 센서의 역할을 한다. 즉, 압전 소자에서 생성되는 전압이 진동의 크기에 비례하기 때문에 제1 압전 필름(42)에서 생성되는 전압의 크기와 위상을 분석함으로써 진동의 크기 및 위상을 감지할 수 있다.

이와 같은 압전 소자부(40)의 두 가지 기능을 구현하기 위해서는 추가적인 부속 성분이 필요하며, 이에 대하여 도 4를 참고로 상세하게 설명한다.

도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(100)는 압전 소자부(40)에 연결되어 있는 제어부(50) 및 이에 연결되어 있는 운전 상태 감지부(60), 그리고 압전 소자부(40)에 단속(斷續) 가능하게 연결되어 있는 정류기(70) 및 이에 연결되어 있는 축전지(80)를 더 포함한다. 제어부(50)는 운전 상태 감지부(60)와 압전 소자부(40) 사이에 연결되어 있는 모드 변환부(52) 및 압전 소자부(40)의 제1 압전 필름(42)과 제2 압전 필름(44) 사이에 단속 가능하게 연결되어 있는 진동 제어부(54)를 포함한다. 이들은 나셀(30) 또는 허브(21)에 구비될 수 있다.

이중에서 정류기(70) 및 축전지(80)는 압전 소자부(40)가 생산하는 전기를 처리하는 부분이고, 진동 제어부(54)는 블레이드(20)의 진동 제어를 위한 부분이며, 운전 상태 감지부(60) 및 모드 변환부(52)는 압전 소자부(40)의 두 가지 기능 중 하나를 선택하기 위한 부분이다.

운전 상태 감지부(60)는 예를 들어 풍속 센서(도시하지 않음) 등과 연결되어 풍속이나 풍향 등을 감지함으로써 블레이드(20)의 상태가 정상적인지 아닌지를 판단한다.

모드 변환부(52)는 운전 상태 감지부(60)로부터의 신호에 따라 압전 소자부(40)를 발전 모드로 사용할 것인지 아니면 진동 제어 모드로 사용할 것인지를 결정하고 해당하는 신호를 압전 소자부(40)에 출력한다.

모드 변환부(52)로부터의 신호가 발전 모드를 나타내는 경우 압전 소자부(40)는 제1 및 제2 압전 필름(42, 44)을 정류기(70)에 연결한다. 반대로 모드 변환부(52)로부터의 신호가 진동 제어 모드를 나타내는 경우 압전 소자부(40)는 제1 및 제2 압전 필름(42, 44)을 진동 제어부(54)에 연결한다.

발전 모드에서 정류기(70)는 압전 소자부(40)에서 생산된 교류 전류를 직류 전류로 바꾸어 주며, 축전지(80)는 정류기(70)로부터 받은 직류 전류를 저장한다.

진동 제어 모드에서, 제1 압전 필름(42)은 블레이드(20)에 가해지는 진동의 크기와 위상에 비례하는 전압을 생성하고 이를 진동 제어부(54)에 출력한다. 진동 제어부(54)는 제1 압전 필름(42)으로부터의 신호를 분석하여 블레이드(20)에 가해지는 바람에 의한 외인(外因) 진동의 크기와 위상을 계산하고, 외인 진동과 동일한 크기와 반대 위상을 가지는 내인(內因) 진동이 생성되도록 하는 전압을 생성하여 제2 압전 필름(44)에 인가한다. 그러면 외인 진동과 내인 진동이 상쇄되어 블레이드(20)가 안정될 수 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면 압전 필름을 블레이드에 부착하여 발전과 블레이드의 진동 제어를 동시에 수행할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

10: 타워
20: 블레이드
21: 허브
30: 나셀
40: 압전 소자부
42, 44: 압전 필름
50: 제어부
52: 모드 변환부
54: 진동 제어부
70: 정류기
80: 축전지
100: 풍력 발전기

Claims

블레이드와,
상기 블레이드의 제1 면 및 제2 면에 부착되어 상기 블레이드의 진동에 따라 전류를 각각 생성하는 제1 및 제2 압전필름을 포함하는 압전 소자부와,
상기 압전 소자부에 연결되어 상기 압전 소자부에서 생성된 전류를 저장하는 축전지와,
상기 블레이드의 상태에 따라 상기 압전 소자부를 발전 모드 또는 진동 제어 모드로 제어하는 제어부를 포함하되,
상기 압전 소자부는,
상기 발전 모드인 경우 상기 블레이드의 진동에 따라 생성되는 전류를 상기 축전기로 내보내어 상기 축전지에 저장하고,
상기 진동 제어 모드인 경우 상기 블레이드에 가해지는 상기 진동을 감쇠하는 방향으로 진동을 일으키는
풍력 발전기.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 발전 모드 또는 진동 제어 모드를 결정하고 해당 신호를 상기 압전 소자부에 출력하는 모드 변환부와,
상기 제1 압전 필름과 제2 압전 필름 사이에 연결되어 상기 블레이드에 가해지는 진동을 감쇠하도록 상기 압전 소자부를 제어하는 진동 제어부를 포함하는
풍력 발전기.
제2항에 있어서,
상기 진동 제어 모드인 경우,
상기 제1 압전 필름은 상기 블레이드에 가해지는 진동에 비례하는 크기의 전압을 생성하여 상기 진동 제어부에 전달하고,
상기 진동 제어부는 상기 전압을 상기 제2 압전 필름에 전달하고,
상기 제2 압전 필름은 상기 전압의 크기에 따라 상기 진동을 감쇠하는 방향으로 진동을 일으키는
풍력 발전기.
제1항에 있어서,
상기 제어부에 연결되어 상기 블레이드의 상태가 정상인지 아닌지를 감지하고, 해당 신호를 상기 제어부에 전달하는 운전 상태 감지부를 포함하는
풍력 발전기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압전 소자부와 상기 축전지 사이에 연결되며, 상기 압전 소자부에서 생성된 교류 전류를 직류 전류로 변환하는 정류기를 더 포함하는
풍력 발전기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 블레이드와 결합되어 있는 허브, 그리고
상기 허브가 회전가능하도록 상기 허브와 결합되어 있는 나셀
을 더 포함하는
풍력 발전기.
제6항에 있어서,
상기 허브에는 3개의 블레이드가 결합되어 있고,
상기 각각의 블레이드에 상기 압전 소자부가 부착되어 있는
풍력 발전기.