KR20180052601A - 풍차의 회전 속도 제어 방법 및 풍력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

저풍속 하에 있어서 로터의 회전 속도를 일정 속도까지 가속시킴으로써, 발전 효율을 대폭 높일 수 있도록 한 풍차의 회전 속도 제어 방법을 제공한다.
풍속 검지 수단(24)이 발전기(3)로부터의 발전 전력을 출력 가능한 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 모터(14)를 자동적으로 시동시키고, 로터(2)의 주속 또는 회전 속도가 특정 속도에 도달할 때까지 가속 회전시켜 모터(14)를 정지시키고, 풍속 검지 수단(24)이 다시 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 다시 모터(14)를 자동적으로 시동시키고, 로터(2)의 주속 또는 회전 속도가 특정 속도에 도달할 때까지 가속 회전시켜 모터(14)를 정지시키는 제어를 반복한다.

Description

풍차의 회전 속도 제어 방법 및 풍력 발전 장치

본 발명 저풍속 하에서 있어서도 발전 효율을 높일 수 있고, 또한 강풍시에 있어서는 로터가 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것을 억제할 수 있음과 아울러, 효율 좋게 발전할 수 있도록 한 풍차의 회전 속도 제어 방법 및 풍력 발전 장치에 관한 것이다.

풍력 발전 장치는 일반적으로 기계적 손실이 크고, 또한 저풍속 하에서는 로터는 발전기의 코깅 토크를 위해서 원활하게 회전하기 어렵기 때문에, 발전을 개시하는 커트인 풍속에 도달할 때까지 시간이 걸리고 발전 효율은 낮다. 이 문제를 해결하기 위해서, 본 발명의 발명자는 양력형 블레이드를 갖는 풍차를 구비하는 종축 풍력 발전 장치를 개발하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).

한편, 강풍시에는 과회전에 의한 장해가 발생한다. 고속 회전을 제어하는 방법으로서는, 예를 들면 특허문헌 3에 기재되어 있다.

일본 특허 제4907073호 공보 일본 특허 공개 2011-169292호 공보 일본 특허 공개 2011-220218호 공보

상기 특허문헌 1 및 2에 기재된 종축 풍차는 종축 풍차의 기동성을 개선시켜 1~1.5m/s 정도의 미세 풍속에서도 로터의 회전을 개시시킬 수 있고, 또한 평균 풍속이, 예를 들면 2m/s 정도의 저풍속 하에서도 효율 좋게 발전할 수 있다는 특징을 갖고 있다.

또한, 로터의 주속 또는 회전 속도가 일정 값에 도달하면, 코안다 효과에 의해 블레이드에 생기는 양력이 증대하기 때문에, 블레이드의 회전은 가속되고, 또한 발전 부하에 의한 실속이 일어나기 어려워져 발전 효율을 높일 수 있다는 특징도 갖고 있다.

그러나, 풍향은 항상 변화되기 때문에, 풍차에 적합한 풍속이 장시간 계속되는 경우는 없고, 저풍속 하에서 회전하고 있는 로터의 회전 속도를 로터가 자력에 의해 가속되어 효율 좋게 회전할 수 있는 일정 주속이 될 때까지 가속될 수 있으면, 발전 효율을 더욱 높일 수 있다.

또한, 특허문헌 1, 2에 기재된 종축 풍차는 회전 효율이 높기 때문에, 강풍시에 일정 풍속을 초과하면, 로터는 정격 회전수를 초과하여 회전하는 경우가 있다. 그 때문에, 미리 로터의 정격 평균 풍속을 설정해 두고, 풍속이 정격 평균 풍속에 도달하거나 또는 그것을 초과하는 경우에, 주축의 회전을 브레이크 장치 등에 의해 강제적으로 감속시켜 로터가 정격 회전수를 초과하여 회전하지 않도록 하는 것이 고려될 수 있다.

그러나, 이와 같이 하면, 강풍시에 효율 좋게 발전할 수 없게 된다.

한편, 상기 특허문헌 3에 기재된 풍차의 회전 제어 방법은 회전 속도 검출기가 풍차의 회전 속도가 소정의 범위에서 일정 시간 이상 연속하는 것을 검출했을 때, 이것을 제어하는 것이지만, 이 방법으로는 저풍속시에 풍차가 커트인하지 않은 상태에서 회전하는 것을 제어할 수는 없다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 저풍속 하에 있어서, 로터의 회전 속도를 일정 속도까지 가속시킴으로써 발전 효율을 대폭 향상시킬 수 있고, 또한 강풍시에 있어서도 로터가 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것을 억제할 수 있음과 아울러, 효율 좋게 발전할 수 있도록 한 풍차의 회전 속도 제어 방법 및 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명의 풍차의 회전 속도 제어 방법에 의하면, 상기 과제는 다음과 같이 하여 해결된다.

(1) 발전기에 연계시킨 풍차의 로터의 주축에 원동기를 접속해 두고, 풍속 검지 수단이 상기 발전기로부터의 발전 전력을 출력 가능한 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 자동적으로 시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 원동기를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 다시 상기 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 자동적으로 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 원동기를 정지시키는 제어를 반복한다.

이러한 방법에 의하면, 풍속 검지 수단이 발전기로부터의 발전 전력을 출력 가능한 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 원동기를 자동적으로 시동시키고, 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜 발전기를 회전시킬 수 있으므로, 로터의 회전 속도가 낮은 저풍속 하에서 발전량이 적은 조건 하에서도 발전 효율을 높일 수 있다.

또한, 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시키면, 원동기에 의한 조력 없이도 양력에 의해 로터는 자력으로 가속하면서 회전하므로, 원동기를 작동시키고 있는 시간은 비교적 짧고, 원동기를 구동하는 동력원의 소비량을 억제할 수 있다.

(2) 주 발전기에 연계시킨 풍차의 로터의 주축에 발전기로 전환할 수 있는 모터를 접속해 두고, 풍속 검지 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 모터를 자동적으로 시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 상기 로터의 정격 평균 풍속을 검지하거나 회전 속도 검지 수단이 상기 로터의 정격 회전수를 검지했을 때, 상기 모터를 보조 발전기로 전환하여 상기 주축의 회전에 의해 발전하도록 하고, 상기 풍속 검지 수단이 다시 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 보조 발전기를 모터로 전환하여 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키는 제어를 반복한다.

이러한 방법에 의하면, 풍속 검지 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 모터를 자동적으로 시동시키고, 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜 발전기를 회전시킬 수 있으므로, 로터의 회전 속도가 낮은 저풍속 하에 있어서 두고 발전량이 적은 조건 하에서도, 발전 효율을 높일 수 있다.

또한, 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시키면, 모터에 의한 조력 없이도 양력에 의해 로터는 자력으로 가속하면서 회전하므로, 모터를 작동시키고 있는 시간은 비교적 짧고, 모터를 구동하는 동력원의 소비량을 억제할 수 있다.

또한, 로터의 정격 평균 풍속을 검지하거나 로터의 정격 회전수를 검지한 경우에, 모터를 보조 발전기로 전환하여 발전하도록 하고 있으므로, 강풍시에는 주 발전기와 보조 발전기의 양방에서 발전할 수 있어 발전 효율은 대폭 높아진다. 게다가, 모터를 보조 발전기로 전환하면, 로터는 회생 발전에 의한 브레이크 토크에 의해 감속되므로, 브레이크 장치 등을 설치하여 감속하지 않아도 로터가 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 풍력 발전 장치에 의하면, 상기 과제는 다음과 같이 하여 해결된다.

(3) 복수의 블레이드를 구비한 로터를 갖는 풍차와, 상기 로터의 주축에 접속되어 있는 발전기와, 상기 주축에 접속되어 주축을 회전시킬 수 있는 원동기와, 상기 원동기를 시동시키는 동력원과, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도를 검지하는 회전 속도 검지 수단과, 상기 로터를 향하는 평균 풍속을 검지하는 풍속 검지 수단과, 상기 풍차의 회전 속도를 제어하는 제어 수단을 구비하고,

상기 제어 수단은 상기 풍속 검지 수단이 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 시동시키고, 상기 회전 속도 검지 수단이 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달한 것을 검지할 때까지 상기 로터를 가속 회전시켜서 상기 원동기를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 다시 상기 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 원동기를 정지시키도록 반복 제어하는 것으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 제어 수단은 풍속 검지 수단이 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 원동기를 자동적으로 시동시키고, 회전 속도 검지 수단이 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 속도에 도달한 것을 검지할 때까지 로터를 가속 회전시켜서 원동기를 정지시킬 수 있도록 제어하므로, 로터의 회전 속도가 낮은 저풍속 하에 있어서 발전량이 적은 조건 하에서도 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 복수의 양력형 블레이드를 갖는 로터와 발전기를 구비하는 공지의 풍력 발전 장치에 풍차의 회전 속도의 제어에 필요한 최소한의 구성 부재를 추가하는 것만으로 저풍속 하에 있어서의 발전 효율을 높일 수 있으므로, 실시가 용이하고 효율이 좋은 발전을 할 수 있는 풍력 발전 장치를 제공하는 것이 가능해진다.

또한, 제어 수단은 로터의 주속 또는 회전 속도를 로터가 양력에 의해 가속되어 효율 좋게 회전하는 특정 속도에 도달할 때까지 원동기로 회전시킨 후 원동기를 정지시키도록 제어하므로, 원동기를 작동시키고 있는 시간은 비교적 짧고, 발전량에 대한 원동기를 구동하는 동력원의 소비량은 얼마 안된다.

(4) 상기 (3)항에 있어서, 상기 주축과 원동기를 통해서 접속하고, 상기 풍속 검지 수단이 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 전자 클러치를 자동적으로 접속하고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달했을 때에 상기 전자 클러치를 자동적으로 단절하도록 상기 제어 수단에 의해 제어하도록 한다.

이러한 구성에 의하면, 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달했을 때에 전자 클러치를 단절하도록 제어 수단에 의해 제어하면, 클러치의 단속을 정확 또한 단시간에 제어할 수 있으므로 풍력을 보다 효율 좋게 이용하여 발전할 수 있다.

(5) 상기 (3) 또는 (4)항에 있어서, 상기 원동기를 모터로 함과 아울러, 이 모터를 시동시키는 전원을 상기 발전기에 의해 발전된 전력으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 모터를 시동시키는 동력원을 발전기에 의해 발전된 전력의 일부를 사용하므로 외부의 전원 설비가 불필요하게 됨과 아울러, 외부 전원 설비가 없는 장소에 풍력 발전 장치를 설치할 수 있다.

(6) 상기 (3) 또는 (4)항에 있어서, 상기 원동기를 모터로 함과 아울러, 이 모터를 시동시키는 전원을 태양광 발전 패널에 의해 발전된 전력으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 모터를 시동시키는 동력원에 태양광 발전 패널에 의해 발전된 전력을 사용하므로, 발전기에 의해 발전된 전력의 소비를 감소시켜 그 전력을 유효하게 사용할 수 있다.

(7) 복수의 블레이드를 구비하는 로터를 갖는 풍차와, 상기 로터의 주축에 접속되어 있는 주 발전기와, 상기 주축에 접속되어 발전기로 전환될 수 있는 모터와, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도를 검지하는 회전 속도 검지 수단과, 상기 로터를 향하는 평균 풍속을 검지하는 풍속 검지 수단과, 상기 모터를 발전기로 전기적으로 전환하는 전환 수단과, 상기 풍차의 회전 속도를 제어하는 제어 수단을 구비하고,

상기 제어 수단은 상기 풍속 검지 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 모터를 시동시키고, 상기 회전 속도 검지 수단이 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달한 것을 검지할 때까지 상기 로터를 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 상기 로터의 정격 평균 풍속을 검지하거나 상기 회전 속도 검지 수단이 로터의 정격 회전수를 검지했을 때, 상기 전환 수단이 상기 모터를 보조 발전기로 전환함과 아울러, 상기 주축에 접속하여 발전하도록 제어하고, 또한 상기 풍속 검지 수단이 다시 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 전환 수단에 의해 상기 보조 발전기를 모터로 전환하여 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 속도에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키도록 반복 제어하는 것으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 제어 수단은 풍속 검지 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 모터를 자동적으로 시동시키고, 회전 속도 검지 수단이 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달한 것을 검지할 때까지 로터를 가속 회전시켜 모터를 정지시킬 수 있도록 제어하므로, 로터의 회전 속도가 낮은 저풍속 하에 있어서 발전량이 적은 조건 하에서도 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 제어 수단은 로터의 주속 또는 회전 속도를 로터가 양력에 의해 가속되어 효율 좋게 회전하는 특정 속도에 도달할 때까지 모터로 회전시킨 후 모터를 정지시키도록 제어하므로, 모터를 작동시키고 있는 시간은 비교적 짧고, 발전량에 대한 모터를 구동하는 동력원의 소비량은 얼마 안된다.

또한, 제어 수단은 로터의 정격 평균 풍속을 검지하거나 로터의 정격 회전수를 검지한 경우에 모터를 보조 발전기로 전환하여 발전하도록 제어하므로, 강풍시에는 주 발전기와 보조 발전기의 양방에서 발전할 수 있어 발전 효율은 대폭 높아진다. 게다가, 모터를 보조 발전기로 전환하면, 로터는 회생 발전에 의한 브레이크 토크에 의해 감속되므로, 브레이크 장치 등을 설치하여 감속하지 않아도 로터가 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것을 방지할 수 있다.

(8) 상기 (3) 또는 (7)항에 있어서, 상기 풍차를 선단부에 경사부를 형성한 복수의 양력형 블레이드를 갖는 로터를 구비하는 종축 풍차 또는 횡축 풍차로 한다.

이러한 구성에 의하면, 선단부에 경사부를 형성한 복수의 양력형 블레이드를 갖는 로터를 구비하는 종축 풍차 또는 횡축 풍차는 블레이드의 내측면에 대하여 확산하는 기류를 경사부에서 수용함으로써 회전력을 높여 양력(추력)을 증대시킬 수 있으므로 로터는 저풍속시에 회전하고, 또한 풍속이 빨라질수록 코안다 효과에 의해 블레이드에 생기는 양력(추력)이 증대하고 블레이드는 양력에 의해 가속되어 로터는 효율 좋게 회전한다. 그 때문에, 로터의 특정 주속 또는 회전 속도를 낮음으로 설정해도 발전 효율을 높게 유지할 수 있다.

(발명의 효과)

본 발명의 풍차의 회전 속도 제어 방법 및 풍력 발전 장치에 의하면, 저풍속 하에 있어서 원동기 또는 모터에 의해 로터의 회전 속도를 일정 속도까지 가속 시킴으로써 발전 효율을 대폭 증가시킬 수 있다.

또한, 이 효과에 추가하여, 제 2 항 또는 제 7 항에 기재된 발명에 있어서는 강풍시에는 주 발전기와 보조 발전기의 양방에서 발전할 수 있으므로 발전 효율을 대폭 증가시킬 수 있음과 아울러, 모터를 보조 발전기로 전환하면 로터는 회생 브레이크에 의해 감속되므로, 브레이크 장치를 설치하여 감속하지 않아도 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 제 1 실시형태의 정면도이다.
도 2는 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치의 로터와 암의 확대 평면도이다.
도 3은 도 1의 III-III선에 있어서의 확대 횡단 평면도이다.
도 4는 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치를 이용하여, 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시형태를 실시하기 위한 플로우 차트이다.
도 5는 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 제 2 실시형태의 정면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 제 3 실시형태의 정면도이다.
도 7은 제 3 실시형태의 풍력 발전 장치를 이용하여, 본 발명에 따른 방법의 제 2 실시형태를 실시하기 위한 플로우 차트이다.

본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다. 또한, 이하의 실시형태에 있어서는 블레이드의 회전 반경 1m, 블레이드의 날개 길이 1.2m의 종축 풍차를 구비하는 풍력 발전 장치 및 그것을 사용한 풍력 발전 방법에 대해서 설명하지만, 풍력 발전 장치는 물론, 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명에 따른 종축 풍차를 구비하는 풍력 발전 장치의 제 1 실시형태(제 3 항에 기재된 발명)를 나타내는 것으로, 풍력 발전 장치(1)는 종축형의 로터(2)와, 발전기(3)과, 풍차의 회전 속도를 제어하는 제어 수단을 구비하고 있다.

로터(2)의 종 주축(5)은 그 상하 복수 개소가 기초(G)의 상면에 세워서 설치된 지지 프레임체(6)의 중앙부에, 베어링(6A)을 통해서 회전 가능하게 지지되어 있다. 종 주축(5)의 상부의 지름방향의 대칭 위치에는 상하 2개씩의 수평 암(7A, 7B)의 내단부가 고정되어 있다.

각 상하의 암(7A, 7B)의 외단부에는 수직방향을 향하는 좌우 1쌍의 양력형 블레이드(이하, 블레이드라고 약칭함)(8, 8)의 상하 양단부의 내측면이 고정되어 있다. 암(7A, 7B) 및 블레이드(8)는, 예를 들면 섬유 강화 합성 수지에 의해 형성되어 있다. 또한, 암(7A, 7B)과 블레이드(8)는 일체 성형이 가능하다.

블레이드(8)의 형상은 본원의 발명자가 개발한 일본 특허 제4907073호 공보, 일본 특허 공개 2011-169292호 공보에 기재되어 있는 블레이드와 실질적으로 같은 모양을 하고 있다.

즉, 블레이드(8)의 현의 길이는 블레이드(8)의 회전 반경의 20%~50%의 길이로 하고, 날개 면적은 크게 설정되어 있다.

블레이드(8)에 있어서의 상하 양단부를 제외하는 주부(8A)의 횡단 형상은 도 3에 확대하여 나타낸 바와 같이, 주부(8A)의 날개 두께 중심선(C)의 내방과 외방에 있어서의 날개 두께가 서로 대칭적으로 거의 같은 치수로 하고, 또한 날개 두께 중심선(C)은 블레이드(8)의 날개 두께 중심의 회전 궤적(O)과 거의 겹치도록 설정되어 있다.

주부(8A) 전체의 평면 모양은 도 2에 나타낸 바와 같이, 날개 두께 중심의 회전 궤적(O)에 따르도록 원호 형상으로 만곡되고, 그 내측면은 트레일링 에지의 돌출 부분으로부터 리딩 에지에 걸쳐서 원심방향으로 경사되어 있고, 후방으로부터 내측면에 바람이 부딪치면 전방(회전방향)으로 밀리게 되어 있다.

주부(8A)의 단면 형상은 회전방향인 전방측의 날개 두께가 두껍고, 후방을 향하여 점차 얇아지는 표준 날개형에 가까운 것으로 되어 있다.

블레이드(8)가 회전하면, 블레이드(8)의 내외의 회전 반경의 차에 의해 내측면과 비교하여 외측면의 원주 속도가 커지고, 외측면에 따라 후방으로 통과하는 기류의 쪽이 내측면에 있어서의 그것보다 고속이 된다.

그 때문에, 블레이드(8)의 리딩 에지부에 있어서, 외측면을 통과하는 기류의 압력이 내측면을 통과하는 기류의 것보다 작아지고, 외측면에 있어서의 코안다 효과에 의해 블레이드(8)의 리딩 에지부의 외측면이 후방으로부터 트레일링 에지부 방향으로 밀리고 블레이드(8)에 회전방향의 추력이 작용하여 블레이드(8)가 회전한다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 블레이드(8)의 상하 양단부에는 내방, 즉 종 주축(5) 방향을 향하여 원호 형상으로 경사하는 내향 경사부(8B, 8B)가 형성되어 있다. 블레이드(8)의 상하의 단부에 내향 경사부(8B)를 형성하고 있기 때문에, 블레이드(8)의 회전에 따라 주부(8A)의 내외의 측면을 따라 상하 방향으로 흐르려고 하는 기류는 코안다 효과에 의해 상하의 내향 경사부(8B, 8B)의 내면 및 외면을 따라 후방, 즉 도 2에 있어서의 W방향을 향하여 통과하고, 그 반력에 의해 블레이드(8)를 회전 방향으로 누르게 되므로 저풍속 하에서 있어도 로터(2)는 높은 회전 효율을 가지고 회전한다.

상술한 발전기(3)는 기초(G)에 설치된 공지의 영구 자석식 단상 교류 또는 삼상 교류 발전기이고, 그 도시하지 않은 로터축에 종 주축(5)의 하단부가 연결되어 있다. 발전기(3)에 의해 발전된 전력은 정류기, 전압 레귤레이터(모두, 도시생략) 등을 갖는 컨트롤러(9)를 통해서 축전지(10)에 축전된 후 축전지(10)로부터 외부의 직류 부하 전원에 급전되거나, 컨트롤러(9)로부터 외부의 교류 부하 전력계통에 직접 급전된다.

컨트롤러(9)는 발전기(3)로부터의 출력 전류량을 조절하여 축전지(10) 또는 직류 부하 전원에 출력하는 전류나 전압을 제어함으로써, 예를 들면 로터(2)의 기동 직후나 로터(2)의 회전 속도가 느려지는 저풍속시에 출력 전류량이 적어지도록 제어하여, 발전기(3)에 가해지는 발전 부하를 경감시키고 로터(2)의 실속을 방지하도록 되어 있다.

또한, 발전기(3)를 축전지(10)나 직류 부하 전원계통에 직접 전력 공급할 수 있는 직류 발전기로 해도 좋다.

종 주축(5)의 하부에는 전동 수단(11) 및 클러치(12)를 통해서 원동기인 감속기(13) 부착 직류 모터(14)가 발전기(3)와 병렬로 접속되어 있다. 전동 수단(11)은 종 주축(5)에 고정된 종동 베벨 기어(11A)와, 이 종동 베벨 기어(11A)에 축선이 직교하도록 하여 맞물려진 구동 베벨 기어(11B)로 이루어지고, 구동 베벨 기어(11B)에 고정된 구동축(15)과, 감속기(13)의 출력축(16) 사이에 그들의 동력 전달을 단속하는 클러치(12)를 개재시키고 있다.

클러치(12)에는 전기적으로 온, 오프되는 공지의 전자 클러치가 사용되고 있다. 또한, 전동 수단(11)은 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같은 기어 케이스(K)에 수용되어 은폐하는 것이 바람직하다.

제어 수단(4)은 클러치 스위칭 판정부(17)와, 축전지(10)에 접속되어 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 출력되는 제어 신호에 의거하여 온, 오프되는 급전기(급전 회로)(18)를 구비하고 있다.

상세한 설명은 후술하지만, 클러치 스위칭 판정부(17)는 후술하는 풍속계(24)가 특정 평균 풍속을 검지한 경우에 급전기(18)에 온의 제어 신호를 출력하고, 축전지(10)의 전력이 급전기(18)를 통해서 전자 클러치(12)에 급전됨으로써 전자 클러치(12)가 연결되도록 되어 있다.

또한, 풍속계(24)에 의한 평균 풍속을 검지하는 시간은 저풍속 하에서 발전량이 크게 변동하지 않도록, 예를 들면 3초~10초의 간격으로 검지하는 것이 바람직하다.

전자 클러치(12)가 접속되면, 모터(14)의 회전 구동력은 감속기(13)를 통해서 구동 베벨 기어(11B) 및 종동 베벨 기어(11A)에 감속되어 전달되고, 종 주축(5)이 큰 구동 토크를 가지고 회전 구동하게 된다. 또한, 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 급전기(18)로 오프의 제어 신호가 출력되었을 때에는 전자 클러치(12)가 단절되어 종 주축(5)과 모터(14) 사이의 동력 전달이 끊어진다.

급전기(18)에는 모터(14)도 접속되고, 제어 수단(4)의 모터 시동/정지 판정부(19)로부터 출력되는 모터 시동 및 모터 정지의 판정 신호에 의거하여 급전기(18)로부터의 통전이 온, 오프되어 모터(14)가 시동 또는 정지하게 된다.

또한, 상세한 설명은 후술하지만, 상기 클러치 스위칭 판정부(17) 및 모터 시동/정지 판정부(19)에는 후술하는 회전 속도 센서(22) 및 풍속계(24)로부터 로터 주속 판정부(23) 및 평균 풍속 판정부(25)에 입력되는 데이터에 의거하여 제어 수단(4)의 중앙 처리 장치(CPU)(20)가 연산 처리한 판정 신호가 출력된다.

종 주축(5)의 중간부의 적소에는 회전 속도를 측정하기 위한 기어(21)가 부착되고, 이 기어(21)의 회전수를 회전 속도 검출 센서(22)로 검출함으로써 종 주축(5)을 통해서 로터(2)의 회전 속도를 검출할 수 있도록 되어 있다.

또한, 기어(21) 대신에, 종 주축(5)의 외주면에, 예를 들면 1개 또는 복수개의 볼록부를 형성해도 좋다.

회전 속도 검출 센서(22)에는, 예를 들면 자기 회전 속도 검출 센서, 초음파 회전 속도 검출 센서, 로터리 인코더 등의 비접촉형 센서가 사용된다.

회전 속도 검출 센서(22)에 의해 검출된 회전 속도는 제어 수단(4)의 로터 주속 판정부(23)에 입력되고, 입력된 회전 속도에 의거하여 제어 수단(4)의 중앙 처리 장치(20)가 로터(2)의 평균 주속을 연산한다.

즉, 로터(2)의 블레이드(8)의 회전 반경(r)으로부터 로터(2)의 외주의 길이(2πr)가 확정되므로, 그 외주의 길이(2πr)에 종 주축(5)의 회동 속도(rpm)를 곱하면 주속(m/s)으로 환산된다.

또한, 로터(2)의 주속은 블레이드(8)의 각 속도를 센서에 의해 검출함으로써도 구할 수 있다. 즉, 블레이드(8)의 각 속도(rad/s)에 그 회전 반경(r)을 곱한 값이 로터(2)의 주속이 된다.

로터 주속 판정부(23)에 의해, 로터(2)의 평균 주속이 특정 주속인 5m/s에 도달했다고 판정된 경우에는 클러치 스위칭 판정부(17) 및 모터 시동/정지 판정부(19)에 판정 신호를 출력한다. 또한, 회전 속도 검출 센서(22)와 로터 주속 판정부(23)는 본 발명에 따른 회전 속도 검지 수단에 상당한다.

로터(2)의 상방에는 로터(2)를 향하는 바람의 일정 시간마다의 평균 풍속을 검지하기 위한 풍속 검지 수단으로서의 풍속계(24)가 도시하지 않은 지주에 부착되어 있다. 이 풍속계(24)에 의해 검출된 평균 풍속은 제어 수단(4)의 평균 풍속 판정부(25)에 입력되고, 중앙 처리 장치(CPU)(20)에 의해 연산 처리되어 풍속이 특정 평균 풍속, 즉 예를 들면 발전기(3)로부터 발전 전력을 출력 가능한 풍속인 2m/s에 도달했다고 판정되었을 때, 상술한 클러치 스위칭 판정부(17) 및 모터 시동/정지 판정부(19)에 판정 신호를 출력한다.

다음에, 상기 제 1 실시형태에 따른 풍력 발전 장치(1)를 사용한 본 발명의 방법의 제 1 실시형태(제 1 항에 기재된 발명)에 대해서, 도 4에 나타낸 플로우 차트를 참조하여 설명한다.

우선, 로터(2)가 회전하고 있을 때의 평균 풍속을 풍속계(24)에 의해 측정하고(S1), 제어 수단(4)의 중앙 처리 장치(20)의 연산 처리 결과에 의거하여 평균 풍속 판정부(25)가 평균 풍속이, 예를 들면 특정 평균 풍속인 2m/s를 검지했는지의 여부를 판정한다(S2). 또한, 평균 풍속이 2m/s 이하인 경우에는 전자 클러치(12)는 오프로 되어 있다.

평균 풍속 판정부(25)에 있어서, 평균 풍속이 2m/s에 도달했다고 판정한 경우에는 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 급전기(18)에 출력되는 판정 신호에 의해 전자 클러치(12)에 통전하고, 전자 클러치(12)를 온(S3)시켜 구동축(15)과 출력축(16)을 접속한다.

또한 동시에, 모터 시동/정지 판정부(19)로부터 출력되는 모터 시동 신호에 의해 급전기(18)를 온시켜 모터(14)를 자동적으로 시동시키고(S4), 전동 수단(11)을 통해서 종 주축(5)을 강제적으로 회전시켜 로터(2)를 가속 회전시킨다(S5). 평균 풍속이 2m/s에 도달하지 않았다고 판정한 경우에는 스텝(S1)으로 돌아가 계속해서 평균 풍속을 측정한다.

또한, 모터(14)에 의해 로터(2)의 회전을 가속하고 있는 동안에도 발전기(3)에 의해 발전할 수 있지만, 모터(14)의 시동 개시 직후 일정시간 동안만 컨트롤러(9)에 의해 발전기(3)로부터의 출력 전류량을 자동적으로 감소시키도록 해도 좋다.

이와 같이 하면, 가속 개시 직후에 발전기(3)에 가해진 부하를 경감시킬 수 있으므로, 모터(14)에 의해 로터(2)를 신속하게 가속할 수 있다.

평균 풍속이 2m/s에 도달했는지의 여부를 판정하는 이유는 상술한 형상의 양력형 블레이드(8)를 구비하는 종축형 로터(2)에 있어서, 예를 들면 블레이드(8)의 회전 반경을 1m, 블레이드(8)의 날개 길이 1.2m로 한 경우, 평균 풍속이 2m/s에 도달하면 블레이드(8)에 생기는 양력에 의해 로터(2)의 회전이 가속되어 발전기(3)로부터의 발전 전력을 출력 가능한 속도로 회전하는 것이 실증되어 있기 때문이다.

따라서, 평균 풍속이 2m/s인 저풍속 하에서 로터(2)가 회전하고 있을 때에 모터(14)를 시동시켜 로터(2)의 회전을 신속히 가속시키면, 블레이드(8)에 양력이 생겨 더욱 가속되어 더욱 효율 좋게 발전할 수 있다.

로터(2)의 회전을 가속한 후, 회전 속도 검출 센서(22)에 의해 종 주축(5)의 평균 회전수를 검출하고, 그 회전수에 의거하여 중앙 처리 장치(20)가 로터(2)의 주속으로 환산하여 그 결과를 로터 주속 판정부(23)에 출력하고(S6), 로터 주속 판정부(23)가 로터(2)의 주속이 평균 풍속 2m/s를 초과하는 특정 주속, 예를 들면 5m/s에 도달했는지의 여부를 판정한다(S7).

로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했는지의 여부를 판정하는 이유는 상술한 형상의 양력형 블레이드(8)를 구비하는 종축형 로터(2)에 있어서는 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달하면, 블레이드(8)의 상하 양단부의 내향 경사부(8B)의 작용과, 코안다 효과에 의해 블레이드(8)에 생기는 양력(추력)이 증가하고, 로터(2)는 모터(14)에 의한 조력 없이도 풍속을 초과하는 원주 속도로 가속하면서 효율 좋게 회전하여 발전하고, 또한 발전 부하에 의한 실속이 발생하기 어려워지는 것이 실증되어 있기 때문이다.

또한, 주속이 5m/s인 경우의 로터(2)의 회전 속도를 예시하면, 주속, 회전 속도 및 외주의 길이에는 상술한 바와 같은 관계가 있기 때문에, 예를 들면 블레이드(8)의 회전 반경(r)을 1m로 한 경우, 로터(2)의 외주의 길이(2πr)는 6.28m이 된다. 따라서, 주속 5m/s를 외주의 길이 6.28m로 나누고 60을 곱하여 분속으로 환산하면, 로터(2)의 회전 속도는 약 48rpm이 된다.

로터 주속 판정부(23)에 있어서, 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했다고 판정한 경우에는 클러치 스위칭 판정부(17)가 급전기(18)에 오프의 판정 신호를 출력함으로써, 전자 클러치(12)를 오프로 하고(S8), 또한 동시에, 모터 시동/정지 판정부(19)에 의해 발생되는 모터 정지 신호에 의해 모터(14)를 정지시키고(S9), 로터(2)의 가속 회전을 정지한다.

이와 같이, 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했을 때에 전자 클러치(12)를 오프하면, 모터(14)의 코깅 토크에 의한 회전 부하가 종 주축(5)에 전달되지 않게 되므로 로터(2)의 회전 효율은 향상된다.

로터 주속 판정부(23)가 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달하지 않았다고 판정한 경우에는 스텝(S5)으로 돌아가 전자 클러치(12)를 접속한 채, 모터(14)에 의해 로터(2)의 회전의 가속을 계속한다.

모터(14)를 정지시켜 로터(2)의 가속 회전을 정지시킨 후, 풍속계(24)에 의해 다시 평균 풍속을 측정하고(S10), 평균 풍속 판정부(25)가 다시 평균 풍속 2m/s를 검지한 경우(S11)에는 스텝(S3)으로 돌아가 상술과 마찬가지로, 전자 클러치(12)를 온시킴과 동시에, 모터(14)를 자동적으로 재시동시켜 로터(2)의 회전을 가속시킨다. 이 스텝(S3~S11)까지 루프 형상으로 반복하여 로터(2)의 회전 속도를 제어함으로써, 발전 효율을 대폭 높일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 상기 제 1 실시형태에 따른 풍차의 회전 속도 제어 방법에 있어서는 로터(2)가 평균 풍속 2m/s의 저풍속 하에서 회전하고 있는 경우에, 로터(2)가 자력으로 가속하면서 효율 좋게 회전할 수 있는 주속인 5m/s에 도달하도록 모터(14)에 의해 신속히 가속하고, 로터(2)의 회전 속도를 반복하여 제어함으로써, 로터(2)의 회전 속도가 낮은 풍속 하에서 발전량이 적은 조건 하에서도 발전 전력을 크게 변동시키지 않고 발전 효율을 높일 수 있다.

또한, 모터(14)를 정지시키는 로터(2)의 주속을, 예를 들면 5m/s로 낮게 설정해 두면, 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했을 때에 모터(14)가 자동적으로 정지해도 블레이드는 양력에 의해 계속해서 회전하므로, 그 사이에 바람이 불면 회전이 가속된다. 따라서, 모터(14)를 빈번히 작동시킬 필요없어 그 전력소비량을 줄일 수 있다.

다음에, 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 제 2 실시형태(제 6 항에 기재된 발명)에 대해서 설명한다. 또한, 상기 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치와 같은 부재에는 동일한 부호를 첨부하고, 상세한 설명을 생략한다.

제 2 실시형태의 풍력 발전 장치는 상기 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(1)에, 태양광 발전 패널(26)과, 이 태양광 발전 패널(26)에 의해 발전된 전력을 축전하는 제 2 축전지(27)를 부가하여 구성되어 있다.

발전기(3)에 의해 발전된 전력은 상기 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(1)와 마찬가지로, 제 1 축전지(10)에 축전되도록 되어 있다. 제어 수단(4)은 제 1 실시형태의 것과 같은 구성이다.

제 2 축전지(27)는 제어 수단(4)에 있어서의 급전기(18)에 접속되고 모터 시동/정지 판정부(19)로부터 모터 시동 신호가 출력되었을 때, 제 2 축전지(27)의 전력이 급전기(18)를 통해서 모터(14)에 공급되게 되어 있다.

또한, 점선으로 나타낸 바와 같이, 태양광 발전 패널(26)에서 발전된 잉여 전력은 제 1 축전지(10)에도 축전되도록 되어 있다.

제 2 실시형태의 풍력 발전 장치를 사용한 풍차의 회전 속도의 제어는 상기 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(1)를 사용한 방법과 같은 방법으로 행해지므로, 그 상세한 설명은 생략한다.

제 2 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서는 모터(14)의 구동 전력은 태양광 발전 패널(26)에 의해 발전되어 제 2 축전지(27)에 축전된 전력이 사용되므로, 발전기(3)에 의해 발전된 전력을 소비시키지 않아도 그 전력을 유효하게 사용할 수 있다.

또한, 태양광 발전 패널(26)의 발전량이 감소한 경우에 구비하여, 점선으로 나타낸 바와 같이, 제 1 축전지(10)의 전력 또는 제 1 축전지(10)와 제 2 축전지(27) 양방의 전력에 의해 모터(14)가 구동되도록 해도 좋다.

다음에, 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치의 제 3 실시형태(제 7 항에 있어서의 발명)에 대해서 설명한다. 또한, 상기 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(1)와 같은 부재에는 동일한 부호를 첨부하고, 상세한 설명을 생략한다.

제 3 실시형태에 따른 풍력 발전 장치는 로터(2)의 종 주축(5)에 접속된 발전기를 주 발전기(3)로 함과 아울러, 제 1 실시형태에 기재된 모터(14) 대신에, 발전기로 전환될 수 있는 모터 겸 보조 발전기(28)를 사용하고 있다. 이 모터 겸 보조 발전기(28)에는, 예를 들면 발전기로 전환 가능한 영구 자석계 자식 직류 모터 또는 영구 자석형 교류 동기 모터 등이 사용되고, 종 주축(5)을 회전시키는 경우의 모터와, 종 주축(5)의 회전에 의해 발전하는 경우의 보조 발전기로의 전환 스위치(29)를 통해서 전환 가능해지고 있다.

전환 스위치(29)는 모터측 접점(29A)과 충전측 접점(29B)을 갖는 중립 복귀식(항상 개방식)의 것이고, 전환 스위치(29)가 중립 위치로부터 모터측 접점(29A)으로 전환된 경우에 모터 겸 보조 발전기(28)는 모터로 전환되고, 제 2 축전지(27)의 전력에 의해 구동되도록 되어 있다. 또한, 모터 겸 보조 발전기(28)에 영구 자석형 교류 동기 모터를 사용하는 경우에는 모터 겸 보조 발전기(28)와 전환 스위치(29) 사이에 DC-AC 상호 변환 회로인 인버터가 부가된다.

전환 스위치(29)가 중립 위치로부터 충전측 접점(29B)으로 전환된 경우에 모터 겸 보조 발전기(28)는 보조 발전기에 전환 대신에, 보조 발전기에 의해 발전된 전력은 전압 레귤레이터 등을 갖는 컨트롤러(30)를 통해서 태양광 발전 패널(26)의 전력을 축전하는 제 2 축전지(27)에 충전되도록 되어 있다.

또한, 모터 겸 보조 발전기(28)를 보조 발전기로 전환하여 발전된 잉여 전력을 컨트롤러(30)를 통해서 제 1 축전지(10)에도 충전하거나, 제 1 축전지(10)와 제 2 축전지(27)끼리는 병렬로 접속하여 제 1, 제 2 축전지(10, 27) 양방으로부터 외부의 직류 부하 전원 등에 급전하도록 해도 좋다.

제어 수단(4)은 제 1 실시형태와 같은 클러치 스위칭 판정부(17), 중앙 처리 장치(20), 로터 주속 판정부(23) 및 평균 풍속 판정부(25) 이외에, 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)와, 제 2 축전지(27)에 접속되어 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 출력되는 제어 신호에 의거하여 온, 오프되는 급전기(급전 회로)(32)를 구비하고 있다.

클러치 스위칭 판정부(17)는 풍속계(24)가 미리 결정된 평균 풍속인 2m/s를 검지한 경우에, 급전기(32)에 온의 제어 신호를 출력하고 제 2 축전지(27)의 전력이 급전기(32)를 통해서 전자 클러치(12)에 급전됨으로써, 전자 클러치(12)가 접속되도록 되어 있다.

전자 클러치(12)가 접속되면, 모터 겸 보조 발전기(28)와 종 주축(5)은 전동 수단(11)의 구동 베벨 기어(11B)와 종동 베벨 기어(11A)를 통해서 접속된다. 또한, 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 급전기(32)에 오프의 제어 신호가 출력된 경우에는 전자 클러치(12)는 단절되어 모터 겸 보조 발전기(28)와 종 주축(5) 사이의 동력 전달이 끊어진다.

상술의 전환 스위치(29)는 제어 수단(4)의 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)로부터 출력되는 판정 신호에 의거하여 전환되고, 모터 겸 보조 발전기(28)를 모터로서 시동 또는 정지시키거나, 보조 발전기로 전환하여 시동 또는 정지시키거나 한다.

또한, 클러치 스위칭 판정부(17) 및 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)에는 회전 속도 센서(22) 및 풍속계(24)로부터, 로터 주속 판정부(23) 및 평균 풍속 판정부(25)에 입력되는 데이터에 의거하여 제어 수단(4)의 중앙 처리 장치(CPU)(20)에 의해 연산 처리된 판정 신호가 출력된다.

로터 주속 판정부(23)로부터, 로터(2)의 평균 주속이, 예를 들면 특정 주속인 5m/s에 도달했다고 판정된 경우에는 클러치 스위칭 판정부(17) 및 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)에 판정 신호를 출력한다.

평균 풍속 판정부(25)에 의해, 풍속이 평균 풍속인 2m/s를 검지했다고 판정된 경우, 및 로터(2)의 정격 평균 풍속인 예를 들면 13m/s를 검지했다고 판정된 경우에는 상술한 클러치 스위칭 판정부(17) 및 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)에 판정 신호를 출력한다.

종 주축(5)의 중간부에는 로터(2)의 회전을 기계적으로 감속 또는 정지시키는 브레이크 장치, 예를 들면 디스크 브레이크 장치(33)가 설치되어 있다.

디스크 브레이크 장치(33)는 종 주축(5)의 중간부에 고정된 큰 직경의 브레이크 디스크(34)와, 지지 프레임체(6)의 중간부 적소에 고정된 브래킷(35)에, 브레이크 디스크(34)의 둘레 단부의 일부를 수용하도록 상하방향으로 이동 가능 또한 회전 불능하게 부착된 캘리퍼(36)와, 캘리퍼(36))의 내부에 설치되어 브레이크 디스크(34)의 둘레 단부의 상하의 면을 압압 가능한 상하 1쌍의 브레이크 패드(37, 37)와, 캘리퍼(36)의 내부에 수용되어 하방을 향하는 플런저의 하단에 의해 상부의 브레이크 패드(37)의 상면을 압압 가능한 솔레노이드로 이루어지는 전자 액츄에이터(38)를 구비하고 있다.

전자 액츄에이터(38)는 로터(2)의 주속 또는 회전 속도가 미리 결정된 정격값(허용값)을 초과한 경우에, 제어 수단(4)의 로터 주속 판정부(23)로부터 발생되는 급전 신호에 의해 ON되어 플런저를 하방으로 돌출시키고, 상부의 브레이크 패드(37)를 브레이크 디스크(34)의 둘레 단부의 상면에 압접함과 아울러, 그 반력에 의해 캘리퍼(36)를 상방으로 이동시키고, 하부의 브레이크 패드(37)를 브레이크 디스크(34)의 둘레 단부의 하면에 압접시킨다. 이 때의 마찰력에 의해, 브레이크 디스크(34) 및 종 주축(5)에 제동력이 작용하여 로터(2)의 회전이 감속 또는 정지되도록 되어 있다.

디스크 브레이크 장치(33)의 하방에는 강풍시나 풍력 발전 장치에 이상사태가 발생한 경우 등에, 수동 조작에 의해 로터(2)의 회전을 긴급 정지시키는 수동 브레이크 장치(39)가 설치되어 있다. 이 수동 브레이크 장치(39)로서는, 예를 들면 종 주축(5)의 중간부에 형성된 대경축부(40)의 외주면에 대향하도록 도시하지 않은 부동의 지지체에 진퇴 가능하게 지지된 좌우 1쌍의 반원형의 브레이크 패드(41, 41)와, 양브레이크 패드(41)를 대경축부(40)의 외주면에 압박시키기 위한 수동 조작 레버(도시생략)를 구비하는 공지의 것을 사용 가능하다.

다음에, 상기 제 3 실시형태에 따른 풍력 발전 장치를 사용한 본 발명의 방법의 제 2 실시형태(제 2 항에 있어서의 발명)에 대해서, 도 7에 나타내는 플로우 차트를 참조하여 설명한다.

우선, 로터(2)가 회전하고 있을 때의 평균 풍속을 풍속계(24)에 의해 측정하고(S1), 제어 수단(4)의 중앙 처리 장치(20)의 연산 처리 결과에 의거하여 평균 풍속 판정부(25)가 미리 결정된 평균 풍속인 2m/s 또는 그 이상을 검지했는지의 여부를 판정한다(S2). 또한, 평균 풍속이 2m/s 미만인 경우에는 전자 클러치(12)는 오프로 되어 있다.

평균 풍속 판정부(25)가, 평균 풍속이 2m/s 또는 그 이상으로 판정한 경우에는 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 급전기(32)에 출력되는 판정 신호에 의해 전자 클러치(12)에 전류가 통전하여 전자 클러치(12)를 온(S3)시키고 구동축(15)과 출력축(16)을 접속한다. 이것과 동시에, 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)로부터 출력되는 전환 신호에 의해 중립 위치에 있는 전환 스위치(29)를 모터측 접점(29A)으로 전환한다(S4).

이에 따라, 모터 겸 보조 발전기(28)를 모터로 전환하여 자동적으로 시동시키고(S5), 전동 수단(11)을 통해서 종 주축(5)을 강제적으로 회전시켜 로터(2)를 가속 회전시킨다(S6). 평균 풍속이 2m/s에 도달하지 않았다고 판정한 경우에는 스텝(S1)으로 돌아가 계속해서 평균 풍속을 측정한다.

평균 풍속이 2m/s 또는 그 이상인지의 여부를 판정하는 이유는 상술한 이유와 같고, 따라서 평균 풍속이 2m/s 정도의 저풍속으로 로터(2)가 회전하고 있을 때에 모터 겸 보조 발전기(28)를 모터로 전환하여 로터(2)의 회전을 신속히 가속시키면, 블레이드(8)에 양력이 생겨 더욱 가속되어 더욱 효율 좋게 발전할 수 있다.

로터(2)의 회전을 가속한 후, 회전 속도 검출 센서(22)에 의해 종 주축(5)의 평균 회전수를 검출하고, 그 회전수에 의거하여 중앙 처리 장치(20)가 로터(2)의 주속으로 환산하여, 그 결과를 로터 주속 판정부(23)에 출력하고(S7), 로터 주속 판정부(23)가 로터(2)의 주속이 평균 풍속 2m/s를 초과하는 특정 주속, 예를 들면 5m/s를 검지했는지의 여부를 판정한다(S8). 또한, 로터(2)의 주속이 5m/s인지의 여부를 판정하는 이유는 상술한 이유와 같고, 주속이 5m/s에 도달하면, 블레이드(8)의 상하 양단부의 내향 경사부(8B)의 작용과 코안다 효과에 의해 블레이드(8)에 작용하는 양력(추력)이 증가하고, 블레이드(8)는 모터에 의한 조력 없이도 풍속을 초과하는 원주 속도로 양력으로 가속되면서 효율 좋게 회전하여 발전하고, 또한 발전 부하에 의한 실속이 일어나기 어려운 것이 실증되어 있기 때문이다.

로터 주속 판정부(23)가 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했다고 판정한 경우에는 클러치 스위칭 판정부(17)가 급전기(32)에 오프의 판정 신호를 출력함으로써 전자 클러치(12)를 오프로 하고(S9), 또한 동시에, 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)로부터 출력되는 전환 신호에 의해 전환 스위치(29)를 중립 위치로 복귀시켜 오프로 하고(S10), 모터를 정지시키고(S11), 로터(2)의 가속 회전을 정지한다.

이와 같이, 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했을 때에 전자 클러치(12)를 오프로 하면, 모터의 코깅 토크에 의한 회전 부하가 종 주축(5)에 전달되지 않게 되므로 로터(2)의 회전 효율은 향상된다.

로터 주속 판정부(23)가 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달하지 않았다고 판정한 경우에는 스텝(S6)으로 돌아가 전자 클러치(12)를 접속한 채, 모터에 의해 로터(2)의 회전을 계속해서 가속한다.

모터를 정지시켜 로터(2)의 가속 회전을 정지시킨 후, 풍속계(24)에 의해 다시 평균 풍속을 측정하고(S12), 평균 풍속 판정부(25)가 로터(2)의 정격 평균 풍속 13m/s를 검지한 경우(S13)에는 클러치 스위칭 판정부(17)로부터 급전기(32)에 출력되는 신호에 의거하여 전자 클러치(12)를 온(S14)시킴과 아울러, 모터/보조 발전기 전환 판정부(31)로부터 출력되는 신호에 의거하여 중립 위치에 있는 전환 스위치(29)를 충전측 접점(29B)측으로 전환한다(S15).

전환 스위치(29)가 충전측 접점(29B)으로 전환되면, 모터 겸 보조 발전기(28)는 보조 발전기로 전환되어 시동되고(S16), 종 주축(5)에 의해 보조 발전기의 회전자(전기자)가 회전 구동됨으로써 발전된다.

이 발전시에, 로터(2)의 회전 에너지가 전기 에너지로 변환됨으로써, 로터(2)에 회생 브레이크가 작용하여 감속된다.

따라서, 강풍시에도, 로터(2)는 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것이 방지된다. 보조 발전기에 의해 발전된 전력은 전환 스위치(29) 및 컨트롤러(30)를 통해서 제 2 축전지(27)에 충전된다.

또한, 보조 발전기로부터의 출력 전류량을 컨트롤러(30)에 의해 제어하여 보조 발전기에 가해지는 발전 부하를 조정함으로써, 로터(2)가 정격 회전수를 초과하여 회전하지 않도록 제어할 수 있다.

또한, 평균 풍속이 13m/s를 초과하는 강풍시에 있어서, 로터(2)가 정격 회전수를 약간 하회하는 회전 속도로 회전하도록 제어하면, 보조 발전기의 발전 효율은 높아진다. 정격 평균 풍속 13m/s를 검지하지 않은 경우에는 스텝(S12)으로 돌아가 계속해서 평균 풍속을 측정한다.

보조 발전기로 전환하여 발전하고 있을 때에 풍속계(24)에 의해 평균 풍속을 측정하고(S17), 평균 풍속 판정부(25)가 평균 풍속 2m/s 이하로 저하했다고 판정한 경우(S18)는 스텝(S4)으로 돌아가 상술과 마찬가지로, 전환 스위치(29)를 모터측 접점(29A)으로 전환하고, 모터 겸 보조 발전기(28)를 그때까지의 보조 발전기로부터 모터로 전환하여 자동적으로 재시동시키고 로터(2)를 주속이 5m/s에 도달할 때까지 가속 회전시킨다.

이상 설명한 바와 같이, 상기 제 2 실시형태에 따른 풍차의 회전 속도 제어 방법에 있어서는 로터(2)가 평균 풍속 2m/s 정도의 저풍속 하에서 회전하고 있는 경우에, 블레이드(8)가 양력으로 가속되면서 효율 좋게 회전할 수 있는 주속인 5m/s에 도달할 때까지 모터 겸 보조 발전기(28)를 모터로 전환하여 신속히 가속하여 로터(2)의 회전 속도를 반복하여 제어함으로써, 저풍속 하에서도 발전 전력을 크게 변동시키지 않고 발전 효율을 높일 수 있다.

또한 풍속이, 예를 들면 정격 평균 풍속인 13m/s에 도달한 경우에, 모터 겸 보조 발전기(28)를 보조 발전기로 전환하여 발전하도록 하고 있으므로, 강풍시에는 주 발전기(3)와 보조 발전기의 양방에서 발전할 수 있어 발전 효율은 대폭 높아진다. 게다가, 모터 겸 보조 발전기(28)를 보조 발전기로 전환하면, 로터(2)는 회생 발전에 의한 브레이크 토크에 의해 감속되므로, 정격 회전수를 초과하여 회전하는 것을 방지할 수 있다.

모터 겸 보조 발전기(28)를 보조 발전기로 전환해도, 로터(2)의 과회전을 방지할 수 없는 경우에는 디스크 브레이크 장치(33)도 병용할 수 있으므로, 강풍시에 있어서도 로터(2)가 과회전할 우려는 없다.

또한, 디스크 브레이크 장치(33)를 작동시켜도, 또한 로터(2)의 과회전을 방지할 수 없을 때나 풍력 발전 장치에 이상사태가 발생한 경우 등에는 수동 브레이크 장치(39)를 조작하여 로터(2)를 강제적으로 정지시킬 수 있으므로, 로터(2)의 블레이드(8)가 파손되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에서 다음과 같은 다양한 변형이나 변경을 실시하는 것이 가능하다.

상기 각 실시형태에서는 평균 풍속이, 예를 들면 2m/s가 된 것을 검지했을 때에 모터를 시동시켜 로터(2)의 회전을 가속하도록 했지만, 평균 풍속이 2m/s일 때의 종 주축(5)의 평균 회전 속도를 검지하거나 또는 평균 풍속이 2m/s일 때의 로터(2)의 주속을 검지했을 때에, 모터를 시동시켜 로터(2)를 가속시켜도 좋다.

또한, 상기 각 실시형태에서는 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달할 때까지 모터에 의해 가속하여 모터를 정지시키도록 했지만, 상술한 바와 같이, 로터(2)의 주속은 회전 속도로 환산할 수 있기 때문에, 주속이 5m/s에 도달했을 때의 로터(2)의 회전 속도를 회전 속도 검출 센서(22)가 검출했을 때에 모터를 정지시키도록 할 수도 있다.

상기 실시형태에서는 일례로서, 모터를 시동시키는 평균 풍속을 2m/s로 했지만, 블레이드(8)의 회전 반경의 대소에 대응하여 적당히 설정된다.

즉, 블레이드(8)의 회전 반경이 상기 실시형태의 1m보다 작은 경우에는 로터(2)의 회전 토크가 작아져 발전 부하에 의해 실속하기 쉬워지므로, 평균 풍속을 2m/s 이상으로 설정하여 로터(2)의 회전 속도가 높을 때에 모터를 시동시키도록 하면 좋다.

또한, 블레이드(8)의 회전 반경이 1m보다 큰 경우에는 로터(2)의 회전 속도가 낮아도 회전 토크가 크게 되어 발전 가능해지므로, 2m/s 이하의 평균 풍속으로 설정하여 로터(2)의 회전 속도가 낮을 때에 모터를 시동시키도록 하면 좋다.

상기 실시형태에서는 로터(2)의 주속이 5m/s에 도달했을 때에 모터를 정지시키도록 했지만, 모터를 정지시키는 경우의 로터(2)의 주속은 블레이드(8)의 회전 반경의 대소에 따라 적당히 설정된다.

상기 실시형태에서는 모터를 시동시키는 전원에, 발전기(3) 또는 태양광 발전 패널(26)에 의해 발전된 전력이 축전되는 축전지(10, 27)를 사용하고 있지만, 이러한 축전지(10, 27)에 축전된 전력을 사용하지 않고, 발전기(3) 또는 태양광 발전 패널(26)에 의해 발전된 전력에 의해 모터를 직접 시동시키는 것도 가능하다.

이 때에는 AC-DC 인버터 등의 변환기를 통해서 모터를 시동시키면 좋다. 또한, 풍력 발전 장치의 설치 현장 부근에 상용 전원이 있는 경우에는 그 전력에 의해 모터를 시동시켜도 좋다.

제 1 실시형태의 풍력 발전 장치에 있어서, 종 주축(5)을 회전시키는 원동기는 상기 직류식 모터(14) 대신에, 교류 모터이어도 좋고, 또한 예를 들면 상용 전원 등에 의해 구동되는 유압 펌프에 접속되어 압유에 의해 회전하는 유압 모터, 또는 상용 전원 등에 의해 구동되는 공기 압축기에 접속되어 압축 공기에 의해 회전하는 에어 모터 등의 유체압 모터를 사용하는 것도 가능하다.

상기 각 실시형태에서는 감속기(13)의 출력축(16)의 동력 전달을 단속하는데 전자 클러치(12)를 사용했지만, 예를 들면 원심 클러치 등의 기계식 클러치를 사용할 수도 있다. 이 때에는 제어 수단(4)의 클러치 스위칭 판정부(17)는 불필요해진다.

또한, 구동축(15)과 감속기(13)의 출력축(16)의 동력 전달을 단속하는 전자 클러치(12) 등의 클러치 기구는 생략하는 경우도 있다.

상기 제 3 실시형태에 따른 풍력 발전 장치에 있어서는 모터 겸 보조 발전기(28)를 보조 발전기로 전환하여 발전한 전력을 제 2 축전지(27)에 충전하도록 했지만, 제 2 축전지(27)를 생략하여 제 1 축전지(10)에 충전하도록 해도 좋다. 이 때에는 제 1 축전지(10)의 수량을 늘려서 축전 용량을 크게 하면 좋다. 또한, 이 경우에는 모터 겸 보조 발전기(28)를 모터로서 시동시키는 전력, 및 전자 클러치(12)를 작동시키는 전력은 제 1 축전지(10)를 사용하여 공급하면 좋다.

본 발명은 일본 특허 제4907073호 공보의 도 4에 기재된 바와 같이, 양력형 블레이드를 종 주축(5)에 다단형으로 고정된 풍력 발전 장치나, 일본 특허 제4740580공보에 기재된 바와 같이, 블레이드의 선단부가 주축방향(수풍방향)으로 경사된 횡축 풍차를 구비하는 풍력 발전 장치에도 적용 가능하다.

1 풍력 발전 장치 2 로터
3 발전기 4 제어 수단
5 종 주축 6 지지 프레임체
6A 베어링 7A, 7B 암
8 양력형 블레이드 8A 주부
8B 내향 경사부 9 컨트롤러
10 축전지 11 전동 수단
11A 종동 베벨 기어 11B 구동 베벨 기어
12 전자 클러치 13 감속기
14 모터 15 구동축
16 출력축 17 클러치 스위칭 판정부
18 급전기 19 모터 시동/정지 판정부
20 중앙 처리 장치 21 기어
22 회전 속도 검출 센서 23 로터 주속 판정부
24 풍속계 25 평균 풍속 판정부
26 태양광 발전 패널 27 제 2 축전지
28 모터 겸 보조 발전기 29 전환 스위치
29A 모터측 접점 29B 충전측 접점
30 컨트롤러
31 모터/보조 발전기 전환 판정부 32 급전기
33 디스크 브레이크 장치 34 브레이크 디스크
35 브래킷 36 캘리퍼
37 브레이크 패드 38 전자 액츄에이터
39 수동 브레이크 장치 40 대경축부
41 브레이크 패드 C 날개 두께 중심선
G 기초 K 기어 케이스
O 회전 궤적

Claims (8)

1. 발전기에 연계시킨 풍차의 로터의 주축에 원동기를 접속해 두고, 풍속 검지 수단이 상기 발전기로부터의 발전 전력을 출력 가능한 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 자동적으로 시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 원동기를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 다시 상기 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 자동적으로 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 원동기를 정지시키는 제어를 반복하는 것을 특징으로 하는 풍차의 회전 속도 제어 방법.
2. 주 발전기에 연계시킨 풍차의 로터의 주축에 발전기로 전환할 수 있는 모터를 접속해 두고, 풍속 검지 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 모터를 자동적으로 시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 상기 로터의 정격 평균 풍속을 검지하거나 회전 속도 검지 수단이 상기 로터의 정격 회전수를 검지했을 때, 상기 모터를 보조 발전기로 전환하여 상기 주축의 회전에 의해 발전하도록 하고, 상기 풍속 검지 수단이 다시 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 보조 발전기를 모터로 전환하여 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키는 제어를 반복하는 것을 특징으로 하는 풍차의 회전 속도 제어 방법.
3. 복수의 블레이드를 구비한 로터를 갖는 풍차와,
   상기 로터의 주축에 접속되어 있는 발전기와,
   상기 주축에 접속되어 주축을 회전시킬 수 있는 원동기와,
   상기 원동기를 시동시키는 동력원과,
   상기 로터의 주속 또는 회전 속도를 검지하는 회전 속도 검지 수단과,
   상기 로터를 향하는 평균 풍속을 검지하는 풍속 검지 수단과,
   상기 풍차의 회전 속도를 제어하는 제어 수단을 구비하고,
   상기 제어 수단은 상기 풍속 검지 수단이 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 시동시키고, 상기 회전 속도 검지 수단이 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달한 것을 검지할 때까지 상기 로터를 가속 회전시켜서 상기 원동기를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 다시 상기 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 원동기를 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 원동기를 정지시키도록 반복 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 주축과 원동기를 전자 클러치를 통해서 접속하고, 상기 풍속 검지 수단이 특정 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 전자 클러치를 자동적으로 접속하고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달했을 때에 상기 전자 클러치를 자동적으로 단절하도록 상기 제어 수단에 의해 제어하도록 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 원동기를 모터로 함과 아울러, 이 모터를 시동시키는 전원을 상기 발전기에 의해 발전된 전력으로 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 원동기를 모터로 함과 아울러, 이 모터를 시동시키는 전원을 태양광 발전 패널에 의해 발전된 전력으로 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
7. 복수의 블레이드를 구비하는 로터를 갖는 풍차와,
   상기 로터의 주축에 접속되어 있는 주 발전기와,
   상기 주축에 접속되어 발전기로 전환될 수 있는 모터와,
   상기 로터의 주속 또는 회전 속도를 검지하는 회전 속도 검지 수단과,
   상기 로터를 향하는 평균 풍속을 검지하는 풍속 검지 수단과,
   상기 모터를 발전기로 전기적으로 전환하는 전환 수단과,
   상기 풍차의 회전 속도를 제어하는 제어 수단을 구비하고,
   상기 제어 수단은 상기 풍속 검지 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 모터를 시동시키고, 상기 회전 속도 검지 수단이 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 특정 값에 도달한 것을 검지할 때까지 상기 로터를 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키고, 상기 풍속 검지 수단이 상기 로터의 정격 평균 풍속을 검지하거나 상기 회전 속도 검지 수단이 로터의 정격 회전수를 검지했을 때, 상기 전환 수단이 상기 모터를 보조 발전기로 전환함과 아울러, 상기 주축에 접속하여 발전하도록 제어하고, 또한 상기 풍속 검지 수단이 다시 미리 결정된 평균 풍속을 검지했을 때에 상기 전환 수단에 의해 상기 보조 발전기를 모터로 전환하여 재시동시키고, 상기 로터의 주속 또는 회전 속도가 상기 특정 속도에 도달할 때까지 가속 회전시켜서 상기 모터를 정지시키도록 반복 제어하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.
8. 제 3 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 풍차를 선단부에 경사부를 형성한 복수의 양력형 블레이드를 갖는 로터를 구비하는 종축 풍차 또는 횡축 풍차로 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치.

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