KR20140140460A - 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기 - Google Patents

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KR20140140460A
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variable transmission
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continuously variable
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박규영
김성훈
김선기
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Abstract

본 발명은 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 풍력에 의해 회전하며 연장된 회전축을 갖는 로터 및 상기 회전축과 연결되는 출력축이 구비되며 상기 로터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 회전축의 회전속도를 측정하기 위한 제1인코더; 상기 회전축과 출력축 사이에 구비되며 상기 회전축으로부터 입력되는 회전속도를 변속시켜 상기 발전기에 구비되는 상기 출력축으로 전달하기 위한 연속가변 변속기; 및 상기 제1인코더에 의해 측정된 상기 회전축의 회전속도에 따라 상기 연속가변 변속기를 제어하여 상기 발전기의 출력축이 일정한 속도로 회전하도록 하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기{The wind generator with CVT}
본 발명은 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 로터 또는 로터와 연결되는 회전축의 가변적인 회전속도를 연속가변 변속기를 통해 일정한 속도로 변속하여 발전기에 전달함으로써, 발전기의 일정한 출력을 보장할 수 있는 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기에 관한 것이다.
우리나라는 산지가 많고 해양에 인접한 지형을 갖추고 있으며 계절풍의 영향을 받는 주기적인 기후대에 놓여있으면서도 지역별로 풍향이 수시로 변화하는 편이므로, 우리나라에 시설되는 풍력발전기는 풍향의 급격한 변화에 무관하게 지속적이고 안정적인 에너지 변환을 수행할 수 있는 구조를 갖출 필요가 있다.
이러한 풍력발전기는 로터의 회전축이 바람의 방향에 대해 수평한 프로펠라형 수평축 풍력 발전장치와, 로터의 회전축이 바람의 방향에 수직인 자이로밀형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력 발전장치로 크게 대별된다.
종래의 풍력발전기는 지면에 설치되는 지주와, 지주의 상단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 상기 프로펠러형, 자이로밀형, 다리우스형의 터빈과, 터빈의 회전력을 증가시키기 위한 증속기와, 증속된 회전력을 전기에너지로 변환하는 발전기로 구성된다.
하지만, 종래의 풍력발전기는 풍속에 따라 로터의 회전력이 수시로 가변됨으로써 일정한 회전력이 발전기에 전달되지 못하는 문제가 있었다.
즉, 풍향이 수시로 변화하며 풍속이 느린 지역에서는 로터의 회전이 제대로 이루어지지 못하여 지속적이고 안정적인 전력 생산이 이루어지기 힘든 문제가 있었으며, 바람이 전혀 발생하지 않을 때는 전력 생산이 전혀 이루어지기 않아 전력사용에 큰 차질을 빚을 수 있다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 어느 정도 해결하기 위한 종래기술로는 한국공개특허 제10-2008-0094619호 "유체기계식 무단 변속기 및 이를 이용한 풍력 발전기"가 있다.
이와 관련하여 상기 종래기술에 따른 무단 변속기를 이용한 풍력발전기를 나타낸 전체 구성도인 도 1을 참조하면, 공개된 상기 종래기술은 입력축에 의해 회전되는 유체실(122)과 상기 유체실(122)과 연동하는 유체 압축회전판(151)의 각도변화로 유체실의 양측 체적을 가변시켜 내부에 유입된 유체를 압축시켜 배출부(14)로 배출시키는 유량 가변형 유체펌프(1)와, 상기 유량 가변형 유체펌프(1)의 배출부(14)로부터 연결유로를 통해 유입된 유체에 의해 유체실의 양측 체적을 가변시켜 유체 압축회전판(151)과 유체실(122) 및 출력축(22)을 연동 회전시키는 유체모터(2)와, 상기 유체모터(2)의 배출부(24)와 유량 가변형 유체펌프(1)의 유입부(13)의 사이에 구비된 유체 회수유로(4)를 포함하며, 이때 상기 유체 회수유로(4)의 중간에는 유체를 보충하는 보충탱크(9)가 더 구비되어 있다.
한편, 상기 유량 가변형 유체펌프(1)는 일 측에 홀(111)이 형성된 작동공간(112)을 포함하는 본체(11)와, 상기 작동공간(112)에 회전되게 수평으로 장착되고 일측 내부에는 구홈(121)이 형성되고 구홈(121)의 둘레에는 다수의 횡격판(123)으로 구획된 분기 유체실(124)들을 포함하는 유체실(122)이 구비된 수평 회전체(12)와, 상기 유체실(122)의 양 측판 및 본체(11)의 외측에 구비되어 유체를 유입 배출시키는 유입부(13) 및 배출부(14)와, 상기 구홈(121)에 밀착 장착되고 둘레에는 상기 수평 회전체(12)와 연동 회전되어 상기 유체실(122)의 양측 체적을 변화시켜 유체를 압축시키는 유체 압축회전판(151)이 구비된 연동 회전체(15)와, 상기 본체(11)의 일측에 상기 연동 회전체(15)의 일측 단부의 위치를 변화시켜 유체 압축회전판(151)의 각도를 변경시키는 각도 변경수단(16)으로 구성되며, 이때, 상기 유체모터(2)는 일측에 홀(211)이 형성된 작동공간(212)을 포함하는 본체(21)와, 상기 작동공간(212)에 회전되게 수평으로 장착되고 일측 내부에는 구홈(221)이 형성되고 구홈(221)의 둘레에는 다수의 횡격판(223)으로 구획된 분기 유체실(224)들을 포함하는 유체실(222)이 구비된 출력축(22)과, 상기 각 분기 유체실(224)의 양측판과 유체실(222)의 양 측판 및 본체(21)의 외측에 구비되어 유체를 유입되고 배출되는 유입부(23) 및 배출부(24)와, 상기 구홈(221)에 밀착 장착되고 둘레에는 유입부(23)로 유입되는 유체에 의해 유체실(222)의 양측 체적을 변화시키는 유체 압축회전판(251)이 구비된 연동 회전체(25)를 포함한다.
이러한 종래기술은 상술한 기술적 구성들을 통해 비록 발전기의 정격출력은 가능하나, 그 구성이 복잡하고 이로 인한 발전기의 제조단가 상승 및 고장발생 빈도 증가로 인한 발전기의 유지 보수 비용증대라는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 로터의 회전축과 발전기 사이에 연속가변 변속기를 구비함으로써 가변하는 회전축의 회전속도와 관계없이 발전기의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있어 안정적이고 효율적인 전력생산이 가능하며, 아울러 기술적 구성이 간단하여 생산비용 및 유지 보수비용이 저렴한 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기의 제공을 목적으로 한다.
한편, 본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기는 상술한 목적을 달성하기 위하여, 풍력에 의해 회전하며 연장된 회전축을 갖는 로터 및 상기 회전축과 연결되는 출력축이 구비되며 상기 로터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 포함하는 풍력발전기에, 상기 회전축의 회전속도를 측정하기 위한 제1인코더, 상기 회전축과 출력축 사이에 구비되며 상기 회전축으로부터 입력되는 회전속도를 변속시켜 상기 발전기에 구비되는 상기 출력축으로 전달하기 위한 연속가변 변속기 및 상기 제1인코더에 의해 측정된 상기 회전축의 회전속도에 따라 상기 연속가변 변속기를 제어하여 상기 발전기의 출력축이 일정한 속도로 회전하도록 하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 연속가변 변속기는 상기 회전축과 연결되는 드라이브 콘, 상기 드라이브 콘과 콘의 위치가 반대로 구비되며 상기 출력축과 연결되는 드라이븐 콘, 상기 드라이브 콘 및 드라이븐 콘을 서로 연결하는 벨트, 상기 드라이브 콘 및 드라이븐 콘의 사이에 구비되며 상기 벨트를 수평방향으로 왕복운동시키기 위한 벨트 이동자 및 상기 벨트 이동자의 이동 위치를 제어하기 위한 스텝모터를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 제어부와 연결되며 상기 발전기의 출력축 회전속도를 측정하기 위한 제2인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속가변 변속기가 구비될 수 있다.
본 발명은 로터의 회전축과 발전기의 출력축 사이에 연속가변 변속기를 구비함으로써 가변하는 회전축의 회전속도와 관계없이 발전기의 출력축 회전속도를 일정하게 유지할 수 있어 안정적이고 효율적인 전력생산이 가능하며, 아울러 기술적 구성이 간단하여 생산비용 및 유지 보수비용이 저렴한 우수한 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 무단 변속기를 이용한 풍력발전기를 나타낸 전체 구성도다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기의 전체구성을 나타내는 도이며, 도 3은 도 2에 도시된 연속가변 변속기의 구성을 도시한 도다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
이와 관련하여 도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기의 전체구성을 나타내는 도이며, 도 3은 도 2에 도시된 연속가변 변속기의 구성을 도시한 도다.
도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기(100)는 풍력에 의해 회전하며 연장된 회전축(111)을 갖는 로터(110) 및 상기 회전축(111)과 연결되는 출력축(121)이 구비되며 상기 로터(110)의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기(120)를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 로터(110) 또는 회전축(111)의 회전속도를 측정하기 위한 제1인코더(encoder)(130)를 포함한다.
상기 제1인코더(130)는 풍력에 따라 수시로 가변하는 로터(110) 또는 로터(110)로부터 연장된 회전축(120)의 회전속도를 측정하는 역할을 수행하며 상기 로터(110) 또는 회전축(111) 상의 일정부분에 구비된다.
아울러, 상기 제1인코더(130)는 상술한 바와 같은 회전속도 측정을 위한 것으로 반드시 이에 한정되는 것은 아니라 할 것이며, 이를 제외한 다양한 회전속도측정 센서가 이용될 수 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기(100)는 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 회전축(111)과 발전기(120)의 출력축(121) 사이에 연속가변 변속기(140)가 구비된다.
이때, 연속가변 변속기(CVT:Continuously Variable Transmission)(140)라 함은 단계가 없이 연속적으로 출력 축의 회전 속도를 바꿀 수 있는 변속장치를 의미하는 것으로, 이하에서는 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기(140)에 대해 상세히 설명한다.
이를 위해 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기(140)는 상기 회전축(111)과 연결되는 드라이브 콘(driver cone)(141), 상기 드라이브 콘(141)과 콘의 위치가 반대로 구비되며 발전기(120)의 출력축(121)과 연결되는 드라이븐 콘(dirven cone)(142), 상기 드라이브 콘(141) 및 드라이븐 콘(142)을 서로 연결하는 벨트(belt)(143), 상기 드라이브 콘(141)과 드라이븐 콘(142) 사이에 구비되며 상기 벨트(143)를 수평방향으로 왕복시킴으로써 발전기(120)의 출력축(121) 회전수를 일정하게 유지하기 위한 벨트 이동자(145) 및 상기 벨트 이동자(145)의 이동 위치를 정확하고 신속하게 제어하기 위한 스텝모터(step motor)(144)를 포함한다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기(140)는 상술한 바와 같이 벨트식 연속가변 변속기를 예로 들어 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니라 할 것이며, 하이드로스태틱(hydrostatic)식 연속가변 변속기를 포함하는 다양한 방식의 변속기를 이용할 수 있음은 물론이며, 상기 연속가변 변속기(140)에 의한 발전기의 회전속도 유지방식에 대한 상세한 설명은 후술토록 한다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기(100)는 상기 제1인코더(130)에 의해 측정된 로터(110) 또는 회전축(111)의 회전속도에 따라 상기 연속가변 변속기(140)를 제어하기 위한 제어부(150)를 포함한다.
이에 대해 보다 구체적으로 설명하면 상기 제어부(150)는 상기 제1인코더(130)를 통해 측정된 회전축(111)의 회전속도에 따라 상기 연속가변 변속기(140)를 구성하는 스텝모터(144)의 회전방향 및 회전수를 제어하고 이에 따라 상기 벨트 이동자(145)를 소정의 위치로 이동시킨다.
결국 상기 벨트 이동자(145)의 위치 이동은 상기 드라이브 콘(141) 및 드라이븐 콘(142)을 연결하는 벨트(143)의 위치 이동을 의미하고, 상기 벨트(143)의 이동에 따라 상기 드라이브 콘(141)의 회전속도와 관계없이 상기 드라이븐 콘(142)의 회전속도를 일정하게 유지할 수 있으며, 결과적으로 상기 드라이븐 콘(142)과 연결되는 발전기(120)의 출력축(121) 회전속도를 일정하게 유지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기(100)는 상기 제어부(150)와 연결되며 상기 발전기(120)의 출력축(121) 회전속도를 측정하기 위한 제2인코더(160)를 포함한다.
이때, 상기 제2인코더(160)는 상술한 제1인코더(130)와 동일하며 상기 제2인코더(160)에 의해 측정된 발전기(120)의 출력축(121) 회전속도에 따라 상기 제어부(150)는 발전기(120)의 출력축(121)이 일정한 속도로 회전할 수 있도록 상기 연속가변 변속기(140)를 제어한다.
이하에서는 상술한 기술적 구성들을 포함하는 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기(100)의 구동방식에 대해 도 2 및 3을 참조하여 상세히 설명한다.
이를 위해 먼저, 발전기(120)의 정격전력 출력을 위한 발전기(120)의 출력축(121) 적정 회전수가 200rpm이라 하고, 도 3에서 상기 벨트(143)의 위치가 상기 드라이브 콘(141)과 드라이븐 콘(142)의 중앙에 위치할 때 서로 등속으로 회전한다 가정하자.
한편, 풍력발전은 앞서 언급한 바와 같이 바람의 힘을 이용하여 발전기를 회전시킴으로써 전기적 에너지를 생산하는 설비로, 로터의 회전속도는 풍력에 의해 좌우되며 이러한 풍력은 다양한 외부 조건에 의해 수시로 변화한다.
이때, 풍력 약해져 상기 제1인코더(130)에 의해 측정된 로터(110)의 회전수가 발전기(120)의 출력축(121)이 적정 rpm에 이르지 못할 경우, 상기 제어부(150)는 상기 제2인코더(160)에 의해 측정되는 발전기(120)의 출력축(121) 회전수가 200rpm이 되는 시점까지 상기 벨트(143)를 상기 드라이브 콘(141)과 드라이븐 콘(142)의 중앙에서 우측으로 이동시킨다.
상기 벨트(143)의 우측 이동으로 인해 상기 드라이브 콘(141)의 200rpm 미만 저속 회전에도 불구 하고 이와 연결되는 드라이븐 콘(142)은 상기 드라이브 콘(141)과의 회전반경의 차이로 인하여 200rpm으로 회전이 가능하며, 반대로 풍력이 강해져서 상기 제1인코더(130)에 의해 측정된 로터(110)의 회전수가 발전기(120)의 출력축(121) 적정 rpm인 200rpm을 초과는 경우, 상기 제어부(150)는 상기 제2인코더(160)에 의해 측정되는 발전기(120)의 출력축(121) 회전수가 적정 rpm이 될 때까지 상기 벨트(143)를 상기 드라이브 콘(141)과 드라이븐 콘(142)의 중앙에서 좌측으로 이동시킨다.
이때, 상술한 상기 벨트(143)의 좌측 이동으로 인해 상기 드라이브 콘(141)의 200rpm이 초과 된 고속 회전에도 불구 하고 상기 드라이븐 콘(142)은 발전기(120)의 적정 rpm인 200rpm으로 회전하게 되며 이러한 과정들의 연속으로 인하여 수시로 변화하는 풍력 세기와 관계없이 발전기(120)의 출력축(121)은 일정한 속도로 회전한다.
한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기(100)는 상술한 바와 같이 상기 회전축(111) 또는 출력축(121)의 회전속도를 측정하여 상기 연속가변 변속기(140)를 제어함으로써 본 발명의 목적을 달성할 수 있으나, 다른 실시 예에 있어서는 상기 발전기(120)로부터 출력되는 전력의 주파수를 측정할 수 있는 다양한 주파수 측정기(도시되지 않음)를 구비하여 상기 주파수 측정기로부터 측정된 주파수에 따라 상기 연속가변 변속기(140)를 제어할 수도 있다.
결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기는 상술한 기술적 구성들을 통해, 수시로 변하는 회전축의 회전속도와 관계없이 발전기의 출력축 회전속도를 일정하게 유지할 수 있어 안정적이고 효율적인 전력생산이 가능하며, 아울러 기술적 구성이 간단하여 생산비용 및 유지 보수비용이 저렴한 우수한 효과가 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
100 : 본 발명의 일실시 예에 따른 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기
110 : 로터
111 : 회전축
120 : 발전기
121 : 출력축
130 : 제1인코더
140 : 연속가변 변속기
141 : 드라이브 콘(drive cone)
142 : 드라이븐 콘(driven cone)
143 : 벨트
144 : 스텝모터
145 : 벨트 이동자
150 : 제어부
160 : 제2인코더

Claims (3)

  1. 풍력에 의해 회전하며 연장된 회전축을 갖는 로터 및 상기 회전축과 연결되는 출력축이 구비되며 상기 로터의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 발전기를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 회전축의 회전속도를 측정하기 위한 제1인코더;
    상기 회전축과 출력축 사이에 구비되며 상기 회전축으로부터 입력되는 회전속도를 변속시켜 상기 발전기에 구비되는 상기 출력축으로 전달하기 위한 연속가변 변속기; 및
    상기 제1인코더에 의해 측정된 상기 회전축의 회전속도에 따라 상기 연속가변 변속기를 제어하여 상기 발전기의 출력축이 일정한 속도로 회전하도록 하기 위한 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연속가변 변속기:는
    상기 회전축과 연결되는 드라이브 콘;
    상기 드라이브 콘과 콘의 위치가 반대로 구비되며 상기 출력축과 연결되는 드라이븐 콘;
    상기 드라이브 콘 및 드라이븐 콘을 서로 연결하는 벨트;
    상기 드라이브 콘 및 드라이븐 콘의 사이에 구비되며 상기 벨트를 수평방향으로 왕복운동시키기 위한 벨트 이동자; 및
    상기 벨트 이동자의 이동 위치를 제어하기 위한 스텝모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부와 연결되며 상기 발전기의 출력축 회전속도를 측정하기 위한 제2인코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속가변 변속기가 구비된 풍력발전기.
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