KR20160096420A - 풍력터빈 제어 실습장치 및 이를 이용한 교육방법 - Google Patents

풍력터빈 제어 실습장치 및 이를 이용한 교육방법 Download PDF

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KR20160096420A
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허준영
한재민
이승열
윤명규
김지혜
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한국기술교육대학교 산학협력단
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    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
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    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/18—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism
    • G09B23/188—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism for motors; for generators; for power supplies; for power distribution

Abstract

본 발명은 풍력터빈 제어 실습장치 및 이를 이용한 교육방법에 관한 것으로, 요각을 조절할 수 있는 전동모듈 및 터빈블레이드의 피치각을 조절할 수 있는 블레이드모듈을 포함하며, 상기 터빈블레이드의 회전에 따라 전기에너지를 생성하는 터빈유닛; 상기 터빈유닛에 가해지는 바람의 풍향 및 풍속을 측정할 수 있는 센서유닛; 및 상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 전기에너지, 상기 바람의 풍향 및 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 실험데이터를 화면상에 출력할 수 있는 디스플레이유닛; 을 포함한다.

Description

풍력터빈 제어 실습장치 및 이를 이용한 교육방법 {TRAINING APPARATUS FOR CONTROL WIND TURBINE AND EDUCATIONAL METHOD USING THE SAME}
본 발명은 풍력터빈 제어 실습장치 및 이를 이용한 교육방법에 관한 것으로서, 풍향 및 풍속 등의 동적 환경에 따라 제어되는 풍력터빈의 실질적인 구동과정을 실습함으로써, 풍력발전을 위한 풍력터빈의 제어 및 구동과정을 이해할 수 있고, 소형화를 통해 진동과 소음으로부터 자유롭고 저렴할 뿐만 아니라 시각적 학습효과가 뛰어난 풍력터빈 제어 실습장치에 관한 것이다.
풍력터빈은 바람의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서, 바람에 의해 회전되는 회전날개의 회전력으로 전기를 생산한다.
이러한 풍력터빈은, 발전기를 풍향 및 풍속에 관계없이 일정한 속도로 회전시키기 위하여, 풍향에 따라 풍력터빈이 회전되거나 풍속에 따라 회전날개의 기울기가 조절되는 가변익 방식이 채택되는 추세이다.
또한, 풍력터빈을 이용한 풍력발전은 전력생산 단가가 저렴한 청정에너지로서, 최근 친환경 에너지 산업의 일환으로 그에 따른 관심과 연구가 증가하고 있는 실정이다.
그러나, 이처럼 풍력반전에 대한 관심과 연구가 증가하고 있음에도 불구하고, 풍력터빈의 발전과정을 교육하고 학습할 수 있는 실습장치는 제대로 마련되어 있지 않은 것이 현실이다.
구체적으로, 기존의 풍력터빈 실습장치는 대형이며 고가의 장비로 운용이 까다롭고 고장 발생 시 수리가 곤란하여 유지, 보수에 많이 비용이 드는 관계로, 교육 및 학습을 위한 실습장비임에도 불구하고 실제 학생들이 학습에 이용하기에는 많이 제약이 따르는 문제점이 있었다.
더욱이, 풍력터빈의 회전이나 회전날개의 기울기를 조절하는 방식이 유압장치로 구성되어 원가상승의 원인되며, 실습장치가 대형으로 구성되어 진동 및 소음이 심해 교육 및 학습용으로는 적합하지 못하다는 문제점도 추가적으로 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 풍향 및 풍속 등의 가변되는 동적 환경에 따라 제어되는 풍력터빈의 실질적인 구동과정을 실습함으로써, 풍력발전을 위한 풍력터빈의 제어 및 구동과정을 이해할 수 있고, 소형화를 통해 진동과 소음으로부터 자유롭고 저렴할 뿐만 아니라 시각적 학습효과가 뛰어난 풍력터빈 제어 실습장치 및 이를 이용한 교육방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치는, 요각을 조절할 수 있는 전동모듈 및 터빈블레이드의 피치각을 조절할 수 있는 블레이드모듈을 포함하며, 상기 터빈블레이드의 회전에 따라 전기에너지를 생성하는 터빈유닛; 상기 터빈유닛에 가해지는 바람의 풍향 및 풍속을 측정할 수 있는 센서유닛; 및 상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 전기에너지, 상기 바람의 풍향 및 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 실험데이터를 화면상에 출력할 수 있는 디스플레이유닛; 을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 터빈블레이드와 연동되어 피치각이 조절되는 표시블레이드가 구비되며, 상기 터빈유닛과 별도로 마련되는 표시유닛을 더 포함할 수 있다.
나아가, 상기 전동모듈, 상기 블레이드모듈 및 상기 표시유닛 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있는 제어유닛을 더 포함하며, 상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 표시블레이드의 피치각 중 적어도 어느 하나는 상기 센서유닛을 통해 측정되는 상기 풍향 및 상기 풍속에 따라 가변되도록, 상기 제어유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 실험데이터를 실시간으로 저장하고, 적어도 하나 이상의 디스플레이유닛에 전송할 수 있는 데이터서버를 더 포함할 수 있다.
한편, 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법은, 상기 터빈유닛에 바람이 가해지는 송풍단계; 상기 센서유닛을 통해 상기 터빈유닛에 가해지는 상기 바람의 풍향 및 풍속을 측정하는 측정단계; 상기 측정단계를 통해 상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 표시블레이드의 피치각 의 피치각이 제어되는 제어단계; 및 상기 측정단계 및 상기 제어단계를 통해 얻어지는 상기 실험데이터를 상기 디스플레이유닛으로 출력하는 출력단계; 를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 실험데이터를 실시간으로 복수의 디스플레이유닛에서 출력할 수 있도록, 상기 실험데이터를 상기 데이터서버를 이용해 상기 복수의 디스플레이유닛에 동시에 전송하는 전송단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 구성을 가지는 본 발명의 풍력터빈 제어 실습장치는 다음과 같은 효과가 있다.
먼저, 터빈유닛의 요각 및 터빈블레이드의 피치각을 조절할 수 있어, 동적 환경에 따른 실질적인 풍력터빈의 제어 및 발전과정을 교육하고 학습할 수 있는 풍력터빈 제어 실습장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 동적 환경에 따라 가변되는 풍력터빈의 제어 및 발전상태를 실시간으로 확인할 수 있는 디스플레이유닛이 구성되어, 시각적 학습효과가 뛰어난 풍력터빈 제어 실습장치를 제공하는 장점이 있다.
뿐만 아니라, 데이터서버를 이용해 실시간으로 다수의 디스플레이유닛에 실험데이터를 전송 및 저장할 수 있어, 하나의 실험장치를 통해 다수의 인원이 정확한 실험데이터를 공유할 수 있어 실시간으로 피드백이 가능한, 시간적, 경제적으로 효율적인 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법을 제공하는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 터빈유닛을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 블레이드모듈을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 표시유닛을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 디스플레이유닛을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제1실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제1실시예를 나타낸 다이어그램이다.
도 8은 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제2실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제2실시예를 나타낸 다이어그램이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 도면에 도시된 구성은, 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 그 형상에 대하여는 제한 없이 다양할 수 있으며, 이로 인해 권리범위가 제한되지 않음은 당연하다.
먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치의 제1실시예에 대하여 상세히 설명한다.
상세한 설명을 시작하기에 앞서, 본 발명의 요지는 풍력터빈 제어 실습장치의 소형화를 통한 풍력터빈의 발전원리 및 제어과정에 대한 교육의 보급화이며, 풍력터빈의 발전원리 등은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 이미 주지된 사실이기 때문에, 풍력터빈의 발전원리 등에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1실시예의 구성은, 몸체(10)에 마련되는 터빈유닛(100), 센서유닛(200), 표시유닛(400), 제어유닛(500)을 포함하여 구성된다. 여기서, 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 나타낸 도면이다.
몸체(10)는, 본 발명에 따른 제1실시예의 구성요소들이 마련되는 틀로서, 상기 구성요소들이 작동하기 위해 필요한 전원을 공급해주는 전원공급장치(미도시), 외부로부터 상기 전원공급장치에 전원을 연결해줄 수 있는 전원단자(12) 및 전원의 연결상태를 제어할 수 있는 전원스위치(14)가 마련될 수 있다.
한편, 상기 전원공급장치는 전술한 바와 같이 외부로부터 전원을 연결 받아 상기 구성요소들에 전원을 공급해줄 수 있을 뿐만 아니라, 충전 가능한 배터리형식으로 구성될 수도 있다.
터빈유닛(100)은, 바람의 유체운동에너지를 기계적 요소를 통하여 전기에너지로 변환하기 위한 구성요소로서, 자연풍 또는 인공적으로 제공되는 바람에 의해 작동할 수 있도록 몸체(10)의 일측에 마련될 수 있다.
이러한 터빈유닛(100)을 도면에 도시하고 설명함에 있어서 수평축형 풍력터빈으로 가정하여 설명을 기재하는 것은, 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 수직축형 풍력터빈으로 구성될 수도 있으며 그 종류와 구성은 제한 없이 다양할 수 있다.
또한, 터빈유닛(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 전동모듈(110), 블레이드모듈(120)을 더 포함할 수 있다.
전동모듈(110)은, 몸체(10)로부터 일정 높이를 갖고 고정되도록 터빈유닛(100)을 지지하는 타워(150)의 하단에 마련되며, 타워(150)를 수직축상에서 회전시켜 터빈유닛(100)의 요(Yaw)각을 조절할 수 있다.
이때, 요각은 터빈유닛(100)의 터빈블레이드(122)가 회전하는 회전면과 터빈유닛(100)에 가해지는 바람의 풍향이 이루는 각도를 말하며, 풍력터빈이 최대의 발전효율을 발휘하기 위해서는 상기 회전면과 상기 바람의 풍향이 서로 수직이 되어야 하므로 상기 요각을 조절할 필요가 있다.
한편, 전동모듈(110)은 제1전동모터(112) 및 제1전동기어(114)로 구성될 수 있다.
여기서, 제1전동모터(112)는 전기적신호에 따라 제어가 가능한 서보모터로 구성되며, 펄스 신호에 따라 일정 각도를 회전하여 회전각도의 제어가 정확한 스테핑모터 등이 사용될 수 있다.
또한, 제1전동모터(112)는 제1전동기어(114)를 통해 터빈유닛(100)의 타워(150)에 회전력을 전달할 수 있으며, 이때 제1전동기어(114)는 타워(150)의 하단에 마련된 타워기어(152)와 연결되어 회전력을 전달할 수 있다.
따라서, 제1전동모터(112)가 일정 각도를 회전하면 제1전동기어(114) 및 타워기어(152)를 통해 타워(150)에 회전력을 전달하고, 이로 인하여 터빈유닛(100)은 수직축상에서 회전할 수 있다.
즉, 제1전동모터(112)에 의하여 터빈유닛(100)의 요각이 조절될 수 있다.
블레이드모듈(120)은, 터빈유닛(100)에 가해지는 바람에 의해 회전하여, 바람의 유체운동에너지를 기계적인 회전운동에너지로 변환시키도록 터빈유닛(100)의 정면에 마련되며, 터빈블레이드(122)의 피치(Pitch)각을 조절할 수 있다.
이때, 피치각은 터빈유닛(100)에 가해지는 바람에 대하여 터빈블레이드(122)가 이루고 있는 각도를 말하며, 피치각을 제어함으로써 상기 바람에 의하여 터빈블레이드(122)에 미치는 양력의 크기가 조절되어 터빈블레이드(122)의 회전속도를 제어할 수 있다.
이와 같이, 피치각을 제어하는 이유는 터빈블레이드(122)의 회전속도에 따라 발전기(140)의 출력 및 주파수가 달라지기 때문에, 발전효율 상 터빈블레이드(122)의 회전속도는 일정하게 유지될 필요가 있기 때문이다.
한편, 블레이드모듈(120)은 터빈블레이드(122), 블레이드허브(124), 블레이드기어(126) 및 링기어(128)를 포함할 수 있다.
여기서, 터빈블레이드(122)는 앞서 전술한 바와 같이 터빈유닛(100)에 가해지는 바람에 의해 회전되는 회전날개로서, 회전축(130)상에서 둘 또는 그 이상의 복수로 구비될 수 있으며 그 개수, 종류 및 형태에 대하여는 제한 없이 다양할 수 있다.
이때, 회전축(130)은 복수의 터빈블레이드(122)들이 고정되어 회전할 수 있는 있는 구심축으로, 터빈블레이드(122)의 회전운동에너지를 발전기(140)에 전달할 수 있으며, 이에 따라 발전기(140)는 회전운동에너지를 전기에너지로 전환할 수 있다.
또한, 터빈블레이드(122)는 블레이드허브(124)에 의해 회전 가능하도록 회전축(130)에 연결되어 피치각을 조절할 수 있으며, 블레이드허브(124)의 일측에는 블레이드기어(126)가 마련되고, 블레이드기어(126)는 링기어(128)에 의해 회전할 수 있도록 위치될 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 링기어(128)가 일정 각도 회전함에 따라 블레이드기어(126)가 따라 회전되고, 이에 따라 블레이드기어(126)와 블레이드허브(124)를 통해 연결된 터빈블레이드(122)가 회전할 수 있다.
즉, 링기어(128)의 회전에 따라 터빈블레이드(122)의 피치각이 조절될 수 있다.
이러한 링기어(128)는, 적합한 수단을 통해 회전을 제어할 수 있으며, 제어수단으로는 전술한 제1전동모터와 같이 서보모터로 구성 가능한 스테핑모터 등이 사용될 수 있다.
한편, 블레이드모듈(120)을 도면을 참조하여 설명함에 있어서, 링기어(128)를 통하여 복수의 터빈블레이드(122)의 피치각이 일률적으로 조절되는 것으로 가정하여 설명을 기재하는 것은, 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 터빈블레이드(122)의 피치각을 조절하는 수단 및 종류에 대하여는 제한 없이 다양할 수 있다.
예컨대, 복수의 터빈블레이드(122)마다 각각의 서보모터가 연결되어 개별적 제어가 가능할 수도 있다.
이와 같이, 전술한 전동모듈(110) 및 블레이드모듈(120)은 제어유닛(500)에 의해 제어될 수 있으며, 그에 따라 터빈유닛(100)의 요각 및 터빈블레이드(122)의 피치각이 조절될 수 있다.
다시 도 1을 참조하여, 센서유닛(200)은 터빈유닛(100)에 가해지는 바람의 방향 및 속도, 즉 풍향 및 풍속을 측정할 수 있도록 몸체(10)에 마련될 수 있다.
이때, 센서유닛(200)은 터빈유닛(100)에 가해지는 바람을 좀 더 효과적으로 측정할 수 있도록 터빈유닛(100)보다 먼저 상기 바람에 노출되도록 위치할 수 있다.
이러한 센서유닛(200)은, 프로펠러식 및 초음파식 등을 포함하여 다양하게 구성될 수 있으며, 측정된 풍향 및 풍속에 관한 실험데이터를 디스플레이유닛(300, 도 5 참조)과 제어유닛(500)에 전송할 수 있다.
제어유닛(500)은, 본 발명에 따른 구성요소들의 전체적인 작동을 제어할 수 있으며, 미관상 몸체(10)의 내측에 마련될 수는 있으나 구성 위치는 제한 없이 다양할 수 있다.
이러한 제어유닛(500)은, 센서유닛(200)을 통해 전송받은 풍향 및 풍속에 관한 실험데이터를 처리하는 중앙제어장치(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 중앙제어장치는, 상기 실험데이터에 따라 터빈유닛(100)의 전동모듈(110) 및 블레이드모듈(120)에 제어신호를 전송할 수 있다.
보다 구체적으로, 센서유닛(200)을 통해 전송받은 상기 풍향의 방향값에 따라 상기 방향값과 터빈블레이드(122)의 회전면이 수직을 이루도록, 전동모듈(110)에 제어신호를 전송하여 터빈유닛(100)의 요각을 가변시킬 수 있다.
마찬가지로, 센서유닛(200)을 통해 전송받은 상기 풍속의 속도값에 따라 상기 터빈블레이드(122)가 회전하는 속도를 일정하게 유지할 수 있도록, 블레이드모듈(120)에 제어신호를 전송하여 터빈블레이드(122)의 피치각을 가변시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 실습장치는 전동모듈(110) 및 블레이드모듈이 구비된 터빈유닛(100)과 제어유닛(500)을 통하여, 실제 풍력터빈의 발전과정에서 이루어지는 제어과정을 동일하게 실습할 수 있도록 구성될 수 있다.
한편, 도면을 통해 도시되지 않았지만, 본 발명에 따른 실습장치가 실내에서 사용될 경우, 전술한 터빈유닛(100) 및 센서유닛(200)에 인공적으로 바람을 가할 수 있는 송풍유닛(미도시)이 더 마련될 수 있다.
상기 송풍유닛은, 자연풍만으로 실험을 행할 수 없을 경우, 예컨대 터빈유닛(100)이 작동할 만큼 충분한 자연풍이 존재하지 않거나, 교육목적 상 가시적인 실험결과를 도출할 필요가 있을 때 사용될 수 있으며, 실험목적 및 사용자의 요구에 맞춰 풍향 및 풍속을 조절할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 표시유닛(400)이 더 포함될 수 있다.
표시유닛(400)은, 실습을 통한 교육목적을 위하여 전술한 블레이드모듈(120)의 일부분을 간소화한 것으로서, 전술한 터빈유닛(100) 및 센서유닛(200)과 별도로 몸체(10)의 일측에 마련될 수 있으며, 제2전동모터(410) 및 표시블레이드(420)를 포함할 수 있다.
여기서, 제2전동모터(410)는 전술한 제1전동모터(112)와 유사하게 구성될 수 있으며, 제1전동모터(112)와 마찬가지로 전기적신호에 따라 제어가 가능한 서보모터로 구성되며, 스테핑모터 등이 사용될 수 있다.
또한, 제2전동모터(410)는 기어연결을 통해 표시블레이드(420)와 연결되고, 제2전동모터(410)의 회전에 따라 표시블레이드(420)가 이루고 있는 피치각이 조절될 수 있다.
이때, 제2전동모터(410)에 의해 조절되는 표시블레이드(420)의 피치각은 제어유닛(500)에 의하여 터빈블레이드(122)의 피치각과 동일한 각도를 유지하도록 조절될 수 있다.
이와 같이, 표시블레이드(420)와 터빈블레이드(122)가 연동하여 작동하며 피치각이 동일하게 가변되도록 구성되는 것은, 실제 실습과정에서는 터빈블레이드(122)가 빠르게 회전되기 때문에 센서유닛(200)을 통해 측정되는 풍속에 따라 터빈블레이드(122)의 피치각이 가변되는 것을 사용자가 실제 관측하기 어려울 수 있기 때문이다.
따라서, 블레이드모듈(120)에 의하여 터빈블레이드(122)가 가변되는 과정 및 모습을 사용자가 효과적으로 관측할 수 있도록 표시유닛(400)이 마련될 수 있다.
나아가, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 디스플레이유닛(300)을 더 포함할 수 있다.
디스플레이유닛(300)은, 터빈유닛(100)의 요각, 터빈블레이드(122) 의 피치각, 표시블레이드(420)의 피치각, 터빈유닛(100)의 발전기(140)가 생성하는 전기에너지, 센서유닛(200)을 통해 측정되는 터빈유닛(100)에 가해지는 바람의 풍향 및 풍속 등을 포함하는 실험데이터를 화면상에 출력할 수 있다.
이러한 디스플레이유닛(300)은, 화면상에 출력되는 상기 실험데이터를 실시간으로 사용자가 확인할 수 있도록, PC, PDA 및 스마트폰 등을 포함한 단말장치로 구성될 수 있다.
이때, 디스플레이유닛(300)은 전술한 바와 같이 센서유닛(200)을 통해 얻어지는 상기 풍향 및 풍속에 맞춰, 제어유닛(500)에 의하여 가변되는 상기 실험데이터를 실시간으로 확인할 수 있도록 마련된 별도의 소프트웨어를 더 포함할 수 있다.
한편, 디스플레이유닛(300)은 제어유닛(500)과 연결되어 상기 실험데이터를 수신할 수 있으며, 제어유닛(500)은 터빈유닛(100)의 전동모듈(110), 블레이드모듈(120) 및 발전기(140)와, 센서유닛(200), 표시유닛(400)으로부터 상기 실험데이터를 전달받아 디스플레이유닛(300)에 전송할 수 있다.
다음으로, 도 6 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제1실시예에 대하여 상세히 설명한다. 여기서, 도 6은 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제1실시예를 나타낸 흐름도이고, 도 7은 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제1실시예를 나타낸 다이어그램이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 송풍단계(S1), 측정단계(S2), 제어단계(S3), 출력단계(S4)로 구성될 수 있다.
우선, 송풍단계(S1)는 터빈유닛(100)의 터빈블레이드(122)가 회전운동을 할 수 있도록, 터빈유닛(100)에 바람을 가하는 단계이다.
이때, 터빈유닛(100)에 가해지는 상기 바람은, 보다 실질적인 실습을 위해 야외환경에서 실습이 이루어질 경우 자연풍이 사용될 수 있고, 실내에서 실습이 이루어지거나 교육 목적상 가시적인 실험결과를 도출할 필요가 있을 경우 전술했던 상기 송풍유닛을 이용하여 발생시키는 바람이 사용될 수도 있다.
이에 따라, 터빈유닛(100)의 터빈블레이드(122)는 상기 바람에 의하여 회전운동을 하고, 회전축(130)을 통해 발전기(140)로 회전운동에너지를 전달하며, 발전기(140)는 회전운동에너지를 전기에너지로 전환할 수 있다.
이때, 터빈유닛(100)의 발전기(140)는 생산하는 전기에너지를 포함한 실험데이터(D)를 제어유닛(500)에 전송할 수 있다.
이어서, 측정단계(S2)는 송풍단계(S1)에 의하여 터빈유닛(100)에 가해지는 바람의 풍향 및 풍속을 센서유닛(200)을 통해 측정하는 단계이다.
이때, 센서유닛(200)은 상기 바람의 풍향 및 풍속을 측정한 후 이를 포함한 실험데이터(D)를 제어유닛(500)에 전송하고, 이에 따라 제어단계(S3)가 수행될 수 있다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 제어단계(S3)는 측정단계(S2)를 통해 실험데이터(D)를 전달받은 제어유닛(500)에 의하여 터빈유닛(100) 및 표시유닛(400)이 제어되는 단계이다.
보다 구체적으로, 터빈유닛(100)의 터빈블레이드(122)가 회전하는 회전면이 상기 바람과 수직을 이루도록, 센서유닛(200)에 의해 측정된 상기 바람의 풍향에 따라 제어유닛(500)은 전동모듈(110)에 제어신호(C)를 전송하여 터빈유닛의 요각을 가변시킬 수 있다.
또한, 터빈유닛(100)의 터빈블레이드(122)가 회전하는 회전속도가 일정하게 유지되도록, 센서유닛(200)에 의해 측정된 상기 바람의 풍속에 따라 제어유닛(500)은 블레이드모듈(120) 및 표시유닛(400)에 제어신호(C)를 전송하여 터빈블레이드(122) 피치각 및 표시블레이드(420)의 피치각을 가변시킬 수 있다.
그리고, 터빈유닛(100)의 전동모듈(110), 블레이드모듈(120) 및 표시유닛(400)은 제어유닛(500)의 제어신호(C)에 의해 실시간으로 가변되는 상태를 포함하는 실험데이터(D)를 제어유닛(500)에 전송할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예는 제어단계(S3)를 통해 풍력터빈에 가해지는 바람의 풍향 및 풍속에 따라 풍력터빈이 제어되는 실질적인 풍력발전 과정을 사용자가 실습하고 이해할 수 있는 교육방법을 제공할 수 있다.
한편, 출력단계(S5)에서는 측정단계(S2) 및 제어단계(S3)를 통해 얻어지는 실험데이터(D)를 디스플레이유닛(300)을 통해 화면상에 출력할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 디스플레이유닛(300)을 통해 제공되는 출력 화면을 통해 실시간으로 실험데이터(D)를 사용자에게 제공할 수 있으며, 시각적 학습효과가 뛰어난 교육방법을 제공할 수 있다.
끝으로, 도 8 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제2실시예에 대하여 상세히 설명한다. 여기서, 도 8은 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제2실시예를 나타낸 흐름도이고, 도 9는 본 발명에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법의 제2실시예를 나타낸 다이어그램이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 전술한 제1실시예와 동일한구성에 데이터서버(600)를 통한 전송단계(S4)를 더 포함할 수 있다.
전송단계(S4)는, 제1실시예에서 전술한 제어단계(S4)와 출력단계(S5)의 사이에 수행될 수 있으며, 데이터서버(600)를 통해 실험데이터(D)를 실시간으로 저장하고, 복수의 디스플레이유닛(300)에 실험데이터(D)를 전송 및 분배하는 단계이다.
여기서, 도 9에 도시된 바와 같이, 데이터서버(600)는 제1실시예와 같이 각 구성요소들로부터 제어유닛(500)으로 취합되는 실험데이터(D)를 실시간으로 전송 받을 수 있으며, 수신된 실험데이터(D)를 복수의 디스플레이유닛(300)에 실시간으로 전달할 수 있다.
이러한 데이터서버(600)는, 제어유닛(500) 및 디스플레이유닛(300)과 서로 통신이 가능하도록 네트워크가 구축될 수 있으며, 상기 네트워크는 근거리 무선 네트워크 및 무선 인터넷 환경으로 구축되어 무선통신이 가능하도록 구성될 수 있다.
따라서, 하나의 실습장치를 통해 다수의 사용자가 동일한 실험데이터(D)를 실시간으로 획득할 수 있는 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법을 제공할 수 있다.
이에 따라, 다수의 사용자들의 상호 피드백이 실시간으로 이루어질 수 있어, 시간적, 경제적으로 효율적이며, 교육 및 학습의 효과가 뛰어난 교육방법을 제공할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10: 몸체
12: 전원단자
14: 전원스위치
100: 터빈유닛 200: 센서유닛
110: 전동모듈 300: 디스플레이유닛
112: 제1전동모터 400: 표시유닛
114: 제1전동기어 410: 제2전동모터
120: 블레이드모듈 420: 표시블레이드
122: 터빈블레이드 500: 제어유닛
124: 블레이드허브 600: 데이터서버
126: 블레이드기어
128: 링기어
130: 회전축
140: 발전기
150: 타워
152: 타워기어
C: 제어신호
D: 실험데이터

Claims (6)

  1. 요각을 조절할 수 있는 전동모듈 및 터빈블레이드의 피치각을 조절할 수 있는 블레이드모듈이 구비되며, 상기 터빈블레이드의 회전에 따라 전기에너지를 생성하는 터빈유닛;
    상기 터빈유닛에 가해지는 바람의 풍향 및 풍속을 측정할 수 있는 센서유닛; 및
    상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 전기에너지, 상기 바람의 풍향 및 풍속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 실험데이터를 화면상에 출력할 수 있는 디스플레이유닛; 을 포함하는,
    풍력터빈 제어 실습장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터빈블레이드와 연동되어 피치각이 조절되는 표시블레이드가 구비되며, 상기 터빈유닛과 별도로 마련되는 표시유닛을 더 포함하는,
    풍력터빈 제어 실습장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전동모듈, 상기 블레이드모듈 및 상기 표시유닛 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있는 제어유닛을 더 포함하며,
    상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 표시블레이드의 피치각 중 적어도 어느 하나는 상기 센서유닛을 통해 측정되는 상기 풍향 및 상기 풍속에 따라 가변되도록, 상기 제어유닛에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는,
    풍력터빈 제어 실습장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실험데이터를 실시간으로 저장하고, 적어도 하나 이상의 디스플레이유닛에 전송할 수 있는 데이터서버를 더 포함하는,
    풍력터빈 제어 실습장치.
  5. 제1항 내지 제4항에 따른 풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법으로서,
    상기 터빈유닛에 바람이 가해지는 송풍단계;
    상기 센서유닛을 통해 상기 터빈유닛에 가해지는 상기 바람의 풍향 및 풍속을 측정하는 측정단계;
    상기 측정단계를 통해 상기 터빈유닛의 요각, 상기 터빈블레이드의 피치각, 상기 표시블레이드의 피치각 의 피치각이 제어되는 제어단계; 및
    상기 측정단계 및 상기 제어단계를 통해 얻어지는 상기 실험데이터를 상기 디스플레이유닛으로 출력하는 출력단계; 를 포함하는,
    풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 실험데이터를 실시간으로 복수의 디스플레이유닛에서 출력할 수 있도록, 상기 실험데이터를 상기 데이터서버를 이용해 상기 복수의 디스플레이유닛에 동시에 전송하는 전송단계를 더 포함하는,
    풍력터빈 제어 실습장치를 이용한 교육방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN108999744A (zh) * 2018-08-14 2018-12-14 南京信息工程大学 一种教学型风力发电机变桨联动机构
CN110767049A (zh) * 2019-10-25 2020-02-07 王唯 一种物理实验用的垂直轴风力发电机模型
KR20230027533A (ko) * 2021-08-19 2023-02-28 조익형 복합 신재생 에너지 생성 및 학습 실험키트

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