KR20130134767A - 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기에 사용되는 제동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과풍속의 발생시 코일여자부에 전류를 공급하여 와전류를 발생시킴으로써 비접촉식으로 풍력발전기의 회전자가 정격 속도 이상으로 회전되는 것을 방지하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치에 관한 것이다.
본 발명은 지주에 설치되는 수직축 풍력발전기에 있어서, 적어도 하나의 블레이드가 연결된 회전자와 상기 회전자의 회전을 통해 전력을 발생시키는 고정자가 구비되는 발전기; 상기 회전자의 하부에 배치되는 판상의 도체 디스크와 상기 지주에 고정설치되어 외부로부터 전류를 공급받아 자속을 만들어 주는 코일여자부가 구비되는 제동부; 및 상기 발전기로부터 신호를 검출하여 상기 코일여자부 측으로 전류의 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 과풍속시 상기 코일여자부를 자화시켜 상기 도체 디스크에 와전류에 의한 제동토크를 발생시킴으로써 상기 회전자가 정격속도 이내로 회전되도록 하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치를 제공한다.

Description

수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치{Braking apparatus for vertical axis wind turbine at high wind}
본 발명은 수직축 풍력발전기에 사용되는 제동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 과풍속의 발생시 코일여자부에 전류를 공급하여 와전류를 발생시킴으로써 비접촉식으로 풍력발전기의 회전자가 정격 속도 이상으로 회전되는 것을 방지하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치에 관한 것이다.
풍력발전기는 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이러한 풍력발전기는 공기가 익형(블레이드) 위를 지나갈 때 양력이 발생되는 공기역학적 특성을 이용하여 회전자가 회전되는데, 이때 발생되는 기계적 회전에너지가 발전기를 통해 전기에너지로 변환되게 된다.
상기 풍력발전기는 통상적으로 바람에 대한 회전축의 방향에 따라 수평축형과 수직축형으로 구분된다.
이 중 수직축 풍력발전기는 고정자와 회전자로 이루어진 발전기가 지주의 상단에 설치되고 블레이드가 연결암에 의해 회전자에 연결되어 풍력에 의해 회전자가 회전됨으로써 고정자에서 전기가 발생된다. 이러한 수직축 풍력발전기는 정격 풍속을 초과한 과풍속이 발생할 경우 출력제어를 하지 않으면 과출력에 의하여 기계적인 구조의 소손이 발생되는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위하여 수직축 풍력발전기에서는 정격 풍속 이상으로 강풍이 불 경우 마찰식 브레이크 방식이나 원심력 브레이크와 같은 접촉식 방식을 통해 급제동을 하는 방식을 취하고 있다.
그러나 이러한 접촉식 방식의 경우 제동력을 제공하는 패드의 간격을 조정하기 어렵고 제동시 소음 및 진동이 발생할 뿐만 아니라 접촉으로 인한 기계적인 소손이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전자에 도체 디스크를 장착하고 지주에 코일여자부를 설치하여 과풍속의 발생시 코일여자부로의 전류공급을 통해 와전류를 발생시킴으로써 비접촉식으로 풍력발전기의 회전자가 정격 속도 이상으로 회전되는 것을 방지할 수 있는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 지주에 설치되는 수직축 풍력발전기에 있어서, 적어도 하나의 블레이드가 연결된 회전자와 상기 회전자의 회전을 통해 전력을 발생시키는 고정자가 구비되는 발전기; 상기 회전자의 하부에 배치되는 판상의 도체 디스크와 상기 지주에 고정설치되어 외부로부터 전류를 공급받아 자속을 만들어 주는 코일여자부가 구비되는 제동부; 및 상기 발전기로부터 신호를 검출하여 상기 코일여자부 측으로 전류의 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는 과풍속시 상기 코일여자부를 자화시켜 상기 도체 디스크에 와전류에 의한 제동토크를 발생시킴으로써 상기 회전자가 정격속도 이내로 회전되도록 하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 도체 디스크는 알루미늄, 구리를 포함하는 비자성체로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 발전기로부터 전압이나 주파수를 검출하여 상기 코일여자부 측으로의 전류공급을 제어할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 발전기에서 생산된 전력을 이용하여 구동될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어부는 상기 발전기에서 입력된 전력을 적정 전압이나 적정 전류로 변환하는 변압 및 정류부와, 상기 변압 및 정류부로부터 전원을 공급받아 발전기로부터 검출된 신호를 통하여 코일여자부로의 전류공급을 판단하고 적정전류를 여자코일부로 송출하는 회로부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 코일여자부는 철심에 코일이 권선된 다극으로 이루어지고, 서로 이웃하는 극이 서로 다른 극을 갖도록 배치될 수 있다.
본 발명에 의하면, 회전자에 도체 디스크를 장착하고 지주에 코일여자부를 설치하여 과풍속의 발생시 코일여자부로의 전류공급을 통해 와전류를 발생시켜 비접촉식으로 풍력발전기의 회전자가 정격 속도 이상으로 회전되는 것을 방지함으로써 과풍속의 조건하에서도 풍력발전기를 안정적으로 구동할 수 있어 넓은 영역에서 풍력발전기를 운전할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치의 전체 개략도.
도 2는 도 1에서 A부분 확대도.
도 3은 도 2에서 발전기가 코일여자부와 분리된 상태를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에서 발전기의 저면사시도.
도 5는 도 3에서 발전기의 내부구조를 나타낸 개략단면도.
도 6는 도 3에서 코일여자부의 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치의 전체 개통도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이하에서, 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치(100)는 발전기(110)의 회전자(114)에 도체 디스크(122)를 구비하고 발전기(110)가 설치되는 지주(10)에 코일이 권선된 코일 여자부(124)를 설치하여 정격풍속 이상의 과풍속시 상기 코일 여자부(124)에 전류를 공급하여 도체 디스크(122)에 와전류를 발생시킴으로써 비접촉 방식으로 발전기(110)의 회전속도를 제어하는 데 그 기술적 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치(100)는 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 발전기(110), 제동부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
상기 발전기(110)는 통상적으로 풍력발전기에 구비되어 풍력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 것으로, 고정자(112) 및 회전자(114)로 이루어지고 회전자(114)가 내부에 배치되는 고정자(112)에 대해서 회전가능하게 결합된다.
상기 고정자(112)는 코일(미도시)이 권선되어 영구자석과의 상호 작용을 통해 유도 기전력이 발생되는 통상적인 형태이며, 고정자축(112a)이 하부로 일정길이 연장되어 후술할 코일 여자부의 관통공을 통해 고정결합된다.
상기 회전자(114)는 내부에 다수 개의 영구자석(미도시)이 배치되어 회전을 통해 상기 고정자(112)의 코일(미도시)에 유도 기전력을 발생시킨다. 이러한, 회전자(114)의 상,하부에는 연결암 허브(113)가 결합되어 연결암(115)을 통해 다수 개의 블레이드(116)와 각각 연결된다. 이에 따라, 바람이 상기 블레이드(116)에 부딪히게 되면 회전자(114)는 고정자축(112a)에 대해서 회전을 하게 된다.
이러한 고정자(112) 및 회전자(114)는 풍력발전기에 구비되는 통상적인 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명에 사용되는 발전기는 도시된 사항에 한정하지 않으며, 영구자석과 코일의 상호 작용에 의해 유도기전력을 발생시키는 것이면 무방하며 내전형이나 외전형 모두 가능함을 밝혀둔다.
상기 제동부(120)는 과풍속으로 상기 회전자(114)가 정격 속도 이상으로 회전할 경우 상기 회전자(114)에 제동력을 제공함으로써 회전자(114)가 정격 속도 내에서 회전할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에서 제동부(120)는 패드를 이용하여 마찰력을 통해 회전자(114)의 회전속도를 제어하던 종래와는 달리 자력에 의한 비접촉식 방식을 이용하는 것이다.
이를 위해, 상기 회전자(114)의 하부에는 판 상의 도체 디스크(122)가 볼트부재와 같은 고정부재를 매개로 고정결합되어 상기 회전자(114)의 회전시 함께 회전할 수 있도록 하고, 상기 지주(10)의 상부단에는 다수 개의 철심(124d)에 코일(124e)이 각각 권선된 코일 여자부(124)가 고정배치된다. 바람직하게는 상기 도체 디스크(122)는 알루미늄, 구리, 주석 등과 같은 비자성체로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 코일 여자부(124)는 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이 일정 높이를 갖는 내부링(124a)과 외부링(124b) 사이에 다수 개의 철심(124d)을 배치하고 상기 철심(124d)에 각각 코일(124e)을 권선한 후 몰딩하여 이루어진다. 그리고 상기 코일 여자부(124)는 지주(10)의 상단부에 고정설치되며 중앙부에 형성된 관통공(124c)을 통하여 상기 발전기(110)의 고정자축(112a)이 고정결합된다.
이때, 상기 코일 여자부(124)는 상기 도체 디스크(122)와 일정간격 이격배치되며 서로 이웃하는 철심(124d)에 각각 권선되는 코일(124e)은 전류의 공급시 서로 다른 극을 갖도록 권선된다.
이에 따라, 상기 회전자(114)가 정격 속도 이상으로 회전하게 되면 상기 코일 여자부(124)에 전류를 공급하여 코일 여자부(124)를 여자시키고 코일 여자부(124)의 상부에 배치된 도체 디스크(122)가 회전자(114)의 회전과 함께 코일 여자부(124)에서 발생된 자속을 가로지르는 모양으로 회전하므로 플레밍의 오른손 법칙에 따라는 방향으로 도체 디스크(122) 상에 와전류가 발생된다. 이로 인해 전류와 자석의 자계로 플레밍의 왼손법칙에 따르는 방향으로 제동토크가 발생한다. 이러한 토크는 도체 디스크(122)의 회전방향과 반대 방향으로 작용되므로 회전자(112)에 결합된 도체 디스크(122)를 제동하게 된다.
본 발명에서는 이와 같이 와전류에 의해 발생되는 제동토크를 이용하는 비접촉식 방식으로 회전자(114)의 회전속도를 제어함으로써 소음이나 진동, 기계적인 마모가 발생되지 않으면서도 풍력발전기를 안정적으로 구동할 수 있게 된다.
상기 제어부(130)는 과풍속의 발생시 상기 회전자(114)의 회전속도를 감지하여 회전자(114)가 정격속도 이상으로 회전하는 경우 코일 여자부(124) 측으로 전류를 공급함으로써 회전자(114)가 정격속도 이상으로 회전되는 것을 방지한다.
이러한 제어부(130)는 상기 발전기(110)에서 풍력에 의해 발생된 전력으로부터 회전자(114)가 정격속도로 회전하는지의 유무를 판별하게 된다. 통상적으로 영구자석이 사용되는 발전기의 경우에는 회전수에 비례하는 전압과 주파수를 발생시킨다. 본 발명에서는 발전기(110)에서 발전을 통해 발생되는 전력으로부터 전압이나 주파수를 감지함으로써 회전자(114)의 정격속도를 감지하게 된다.
즉, 상기 제어부(130)에서는 발전기(110)에서 발생되는 전력으로부터 전압이나 주파수를 감지하여 기설정된 전압이나 주파수를 넘는 경우에는 과풍속으로 판단하여 상기 코일 여자부(124) 측으로 전류를 공급함으로써 와전류에 의한 토크로 상기 회전자(114)의 회전속도를 제어하게 된다.
한편, 상기 제어부(130)는 외부로부터 구동전원을 공급받거나 내장된 충전지(미도시)를 통해 구동전원을 공급받을 수도 있지만, 상기 발전기(110)에서 발생된 전력을 이용하도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 상기 제어부(130)는 상기 발전기(110)에서 생산된 전력을 적정 전압이나 적정 전류로 변환시키는 변압 및 정류부(132)와 상기 코일 여자부(124) 측으로 전류를 공급할 것인지의 유무를 판별하는 회로부(134)를 포함한다.
즉, 상기 변압 및 정류부(132)는 발전기(110)에서 생산된 전력을 우회하여 회로부(134)를 구동하기 위한 적정 전압이나 적정 전류로 변환시킨 후 회로부(134)로 송출하는 역할을 한다. 여기서, 상기 변압 및 정류부(132)는 교류 전류를 직류 전류로 변환시키는 정류기(미도시)가 포함될 수도 있고 변압기와 정류기가 각각 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
회로부(134)에서는 상기 변압 및 정류부(132)를 통해 공급된 전력을 구동원으로 사용함과 동시에 공급된 전력으로부터 전압이나 주파수를 검출하여 기설정된 전압이나 주파수와 비교함으로써 회전자(114)의 적정회전 여부를 판별하게 된다. 이때, 기설정된 전압이나 주파수보다 높은 경우 상기 회로부(134)는 상기 코일 여자부(124) 측으로 적정 전류를 공급함으로써 회전자(114)가 정격 속도로 회전할 수 있도록 한다.
상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정을 통한 등가물, 변형물 및 교체물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.
100 : 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치
110 : 발전기 112 : 고정자
112a : 고정자축 113 : 연결암 허브
114 : 회전자 115 : 연결암
116 : 블레이드 120 : 제동부
122 : 도체 디스크 124 : 코일 여자부
124a : 내부링 124b : 외부링
124c : 관통공 124d : 철심
124e : 코일 130 : 제어부
132 : 변압 및 정류부 134 : 회로부

Claims (6)

  1. 지주에 설치되는 수직축 풍력발전기에 있어서,
    적어도 하나의 블레이드가 연결된 회전자와 상기 회전자의 회전을 통해 전기를 발생시키는 고정자가 구비되는 발전기;
    상기 회전자의 하부에 배치되는 판상의 도체 디스크와 상기 지주에 고정설치되어 외부로부터 전류를 공급받아 자속을 만들어 주는 코일여자부가 구비되는 제동부; 및
    상기 발전기로부터 신호를 검출하여 상기 코일여자부 측으로 전류의 공급을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는 과풍속시 상기 코일여자부를 자화시켜 상기 도체 디스크에 와전류에 의한 제동토크를 발생시킴으로써 상기 회전자가 정격속도 이내로 회전되도록 하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 도체 디스크는 알루미늄, 구리를 포함하는 비자성체로 구비되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 발전기로부터 전압이나 주파수를 검출하여 상기 코일여자부 측으로의 전류공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 발전기에서 생산된 전력을 이용하여 구동되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 발전기에서 입력된 전력을 적정 전압이나 적정 전류로 변환하는 변압 및 정류부와, 상기 변압 및 정류부로부터 전원을 공급받아 발전기로부터 검출된 신호를 통하여 코일여자부로의 전류공급을 판단하고 적정전류를 여자코일부로 송출하는 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 코일여자부는 철심에 코일이 권선된 다극으로 이루어지고, 서로 이웃하는 극이 서로 다른 극을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수직축 풍력발전기용 과풍속 제동장치.
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