KR20180053346A - 풍력 발전 디바이스 - Google Patents

Abstract

로터가 가속된 레이트(rate)로 회전하는 것을 유발시킴으로써, 저풍속들에서의 발전 효율이 현저하게 증가될 수 있는 풍력 발전 디바이스가 제공된다. 제어 수단(4)은, 풍속 검출 수단(17)이 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때, 전환 수단(9)이 전력 재생 유형 모터(3)를 모터 모드로 전환하며 그리고 풍속 검출 수단(17)이 로터(2)의 원주 방향 속도가 특정 값에 도달하는 것을 검출할 때까지, 로터(2)가 가속된 비율로 회전된 후에, 모터(3)가 전력을 생성하기 위해 전환 수단(9)에 의해 전력 발전기 모드로 전환되도록, 제어를 수행한다. 풍속 검출 수단(17)이 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때, 제어 수단(4)은, 전환 수단(9)이 모터(3)를 다시 모터 모드로 전환하며 그리고 로터(2)가 가속된 레이트로 회전되는 것이 유발되는 제어를 반복한다.

Description

풍력 발전 디바이스

[0001] 본 발명은 저풍속에서조차 발전 효율을 증가시킬 수 있는 풍력 발전 시스템(wind power generation system)에 관한 것이다.

[0002] 일반적으로, 풍력 발전 시스템은 큰 기계적 손실을 가지며, 그리고 저풍속 하에서, 로터는 발전기의 코깅 토크(cogging torque) 때문에 원활하게 회전하기에 어려워서, 풍력 발전 시스템의 발전 효율이 낮다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 발명자는 양력형 블레이드(lift type blade)를 갖는 풍력 터빈(wind turbine)이 설비된 수직축 풍력 발전 시스템을 개발하였다(예를 들어, 특허 문헌들 1 및 2를 참조).

[0003] 특허 문헌들 1 및 2에서 설명되는 수직축 풍력 발전 시스템은, 수직 주 샤프트(vertical main shaft)를 중심으로 서로 대향되는 한 쌍의 수직으로 연신된(elongated) 양력형 블레이드들을 가지는 로터를 포함하며, 양력형 블레이드들 각각의 상부 및 하부 단부 부분들에서 수직 주 샤프트 방향을 향하여 지향되는 내향으로 경사진 부분들을 형성함으로써, 로터의 회전력이 증가되며 양력(추력)이 개선되도록, 블레이드들의 내부 표면을 따라 수직 방향으로 확산하는(diffusing) 기류(air flow)가 내향으로 경사진 부분들에 의해 수용되며, 이에 의해 저풍속 하에서조차, 로터는 효율적으로 회전될 수 있으며, 그리고 발전 효율이 증가될 수 있다.

[종래 기술 문서]

[특허 문헌들]

[0004] [특허 문헌 1] 일본 특허 공보 제 4907073호

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 공보 제 2011-169292호

[0005] 위의 특허 문헌들에서 개시되는 수직축 풍력 터빈에 대해서, 풍력 터빈의 시동성(starting performance)은, 예를 들어, 로터의 회전이 약 1 내지 1.5m/s의 약간의 풍속에서조차 시작될 수 있으며 그리고 전기가 약 2m/s의 낮은 평균 풍속에서조차 효율적으로 생성될 수 있도록 개선되어 있다.

[0006] 더욱이, 로터의 주변 속도(peripheral speed) 또는 회전 속도가 소정 값에 도달할 때, 풍력 터빈의 블레이드들에 대해 발생하는 양력은 증가하며 그리고 블레이드들의 회전이 코안다 효과(Coanda effect)에 의해 가속되며 그리고 발전 부하에 의해 유발되는 로터의 실속(stall)이 또한 거의 발생하지 않기 때문에, 발전 효율이 개선되는 특징이 존재한다.

[0007] 그러나, 풍향이 항상 변하기 때문에, 풍력 터빈에 대해 적합한 풍속은 장시간 동안 계속되는 것은 아니다. 따라서, 로터가 그 자체의 힘에 의해 효율적으로 가속할 수 있는 일정한 속도로 저풍속으로 회전하는 로터의 회전 속도가 가속될 수 있다면, 발전 효율이 추가적으로 증가될 수 있는 것이 고려된다.

[0008] 위에서 언급된 문제를 고려하여, 저풍속 하에서 미리 정해진 속도로 로터의 회전 속도를 가속시킴으로써 발전 효율을 대폭 증가시킬 수 있는 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

[0009] 본 발명의 풍력 발전 시스템에 따라, 문제는 다음과 같이 해결된다.

(1) 풍력 발전 시스템(wind power generation system)은:

복수의 블레이드들(blades)이 설비되는 로터(rotor)를 가지는 풍력 터빈(wind turbine);

로터의 주 샤프트(main shaft)에 연결되고 발전기 모드(mode)와 모터 모드 사이에서 전환가능한(switchable) 전력 재생 유형(power regeneration type) 모터;

로터의 주변 속도 또는 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출기;

로터를 향하는 평균 풍속을 검출하기 위한 풍속 검출기;

발전기 모드 또는 모터 모드로 전력 재생 유형 모터를 선택적으로 전환할 수 있는 전환 디바이스(switching device); 및

풍력 터빈의 회전 속도를 제어하기 위한 제어 디바이스를 포함하며,

제어 디바이스는 다음의 프로세스들:

풍속 검출기가 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때, 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 모터 모드로 전환하는 단계,

로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달되는 것을 회전 속도 검출기가 검출할 때까지 로터를 가속하는 단계, 이후에, 발전을 위해 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 발전기 모드로 전환하는 단계, 및

풍속 검출기가 다시 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 다시 모터 모드로 전환하는 단계, 그리고 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 로터를 가속시키는 단계, 및 그 후, 발전을 위해 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 다시 발전기 모드로 전환하는 단계를 반복적으로 실행하도록 구성된다.

[0010] 이러한 구성에 따라, 제어 디바이스는, 풍속 검출기가 다시 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 모터 모드로 전환하고, 그리고 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 로터를 가속시키며, 이후, 발전을 위해 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 발전기 모드로 전환하도록, 제어한다. 따라서, 로터의 회전 속도가 느리며 그리고 저풍속 하에서 발전의 양이 낮은 조건들 하에서조차, 발전 효율이 대폭 향상될 수 있다.

[0011] 더욱 더, 전력 재생 유형 모터가 모터 모드로 전환될 때, 발전기에 의한 코깅 토크(cogging torque)가 로터의 주 샤프트 상에 작용하지 않아서, 로터는 모터에 의해 즉시 가속될 수 있다. 추가적으로, 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값까지 가속된다면, 심지어 모터에 의한 보조가 존재하지 않을지라도, 로터가 양력에 의해 가속되고 회전되기 때문에, 모터 모드로 작동하는 시간이 짧으며, 모터 모드로 소모되는 전력 소모가 작다.

[0012] (2) 위의 항목 (1)에서, 풍력 터빈은 복수의 양력형 블레이드들이 설비되는 로터를 갖는 수직축 풍력 터빈 또는 수평축 풍력 터빈이며, 그리고 경사진 부분이 각각의 블레이드들의 선단부(tip portion)에 형성된다.

[0013] 이러한 구성에 따라, 복수의 양력형 블레이드들이 설비되는 로터를 가지며 그리고 각각의 블레이드들에 그 선단부에서 경사진 부분이 제공되는 수직축 풍력 터빈 또는 수평축 풍력 터빈은 경사진 부분에 의해 블레이드들의 내부 측 표면에 충돌하면서 팁 방향을 향하여 확산하는 기류를 수용하며, 그리고 양력(추력)이 회전력을 증가시킴으로써 증가될 수 있어서, 로터가 저풍속으로부터 회전할 수 있다.

풍속이 증가함에 따라, 블레이드들에서 생성되는 양력(추력)은 코안다 효과로 인해 증가하며, 그리고 로터는 가속되고 효율적으로 회전한다. 따라서, 블레이드들의 양력에 의해 가속되고 회전되는 특정 값으로 로터의 주변 속도 또는 회전 속도를 설정함으로써, 발전 효율은 높게 유지될 수 있다.

[0014] (3) 위의 항목 (1) 또는 (2)에서, 전력 재생 유형 모터를 전환에 의해 상기 모터 모드로 사용할 때, 태양열 발전 패널들(solar power generation panels)에 의해 생성되는 전기 전력이 사용된다.

[0015] 이러한 구성에 따라, 발전기 모드에 의해 생성되는 전력을 모터 모드로 작동되는 전력 공급원으로서 사용하는 것이 필요하지 않으며, 그리고 발전기에 의해 생성되는 전력이 효과적으로 사용될 수 있다.

[0016] 본 발명의 풍력 발전 시스템에 따라, 제어 디바이스가, 풍속 검출기가 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때 전환 디바이스에 의해 전력 재생 유형 모터를 모터 모드로 전환하며 그리고 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달할 때까지 로터를 가속시킨 후에 전력 재생 유형 모터를 발전기 모드로 전환하도록, 제어하기 때문에, 로터의 회전 속도가 느린 저풍속에서조차 그리고심지어 발전 양이 작을 때에도 발전 효율을 매우 증가시키는 것이 가능하다.

[0017] 도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 풍력 발전 시스템의 정면도이다.
도 2는 풍력 발전 시스템의 로터 및 지지 아암의 확대 정면 입면도이다.
도 3은 도 1의 III-III 선의 확대 횡단 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 풍력 터빈을 제어하기 위한 흐름도이다.

[0018] 아래에서, 본 발명의 실시예들은 도면들을 참조하여 설명된다. 다음의 실시예들에서, 예로서, 블레이드의 회전 반경이 1m이며 그리고 블레이드의 길이가 1.2m인 수직축 풍력 터빈이 설비되는 풍력 발전 시스템이 설명된다. 말할 필요도 없이, 본 발명의 풍력 발전 시스템에 대한 이러한 치수는 제한되지 않는다.

[0019] 도 1은 본 발명에 따른 수직축 풍력 터빈이 설비된 풍력 발전 시스템의 일 실시예를 도시한다. 풍력 발전 시스템(1)은 수직축 유형 로터(2), 전력 재생 유형 모터(3) 및 터빈의 회전 속도를 제어하기 위한 제어 디바이스(4)를 포함한다.

[0020] 로터(2)의 수직 주 샤프트(5)는 기반(foundation)(G)의 상부 표면 상에 제공되는 지지 프레임(6)의 중심 부분에서 복수의 상부 및 하부 지점들에서 베어링들(6A)에 의해 회전가능하게 지지된다. 수직 주 샤프트(5)의 상부 부분의 반경 방향의 대칭 포지션들에서, 모든 2개의 상부 및 하부 측면들의 수평 방향 지지 아암들(7A, 7B)의 내부 단부가 고정된다.

수직으로 연장하는 좌우 한 쌍의 양력형 블레이드들(이후, 블레이드들로서 단축됨)(8, 8)의 상부 및 하부 단부들 양자 모두의 내부 표면은, 각각의 상부 및 하부 측면들에서 지지 아암들(7A, 7B)의 외부 단부 부분에 고정된다. 지지 아암들(7A, 7B) 및 블레이드들(8)은, 예를 들어, 섬유 강화 합성 수지로 형성된다. 또한, 지지 아암들(7A, 7B) 및 블레이드들(8)은 일체로 성형될 수 있다.

[0021] 블레이드들(8)은 일본 특허 공보 제 4907073호 및 일본 특허 공개 공보 제 2011-169292호에서 설명되는 블레이드와 실질적으로 동일한 형상을 가지며, 이들은 본 특허 출원서의 동일한 발명자에 의해 개발된다. 다시 말해, 블레이드(8)의 코드 길이는 블레이드(8)의 회전 반경의 40% 내지 60%로 설정되며, 그리고 윙들 영역(wings area)이 넓게 설정된다.

[0022] 도 3에서 확대하여 도시되는 바와 같이, 블레이드들(8)에서 상부 및 하부 단부들 양자 모두를 제외하고 주 부분(8A)의 단면 형상, 및 주 부분(8A)의 윙들의 두께 중심선(C) 상의 내부 및 외부 방향들의 윙 두께는 대부분 서로 대칭적으로 고려되고, 거의 동일한 크기이다. 윙들의 두께 중심선(C)은 블레이드들(8)의 윙 두께 중심의 회전 궤적(locus)(O)과 대부분 중첩하도록 설정된다.

[0023] 도 2에서 도시되는 바와 같이, 주 부분(8A)의 전체 평면 형태는 윙들의 두께의 회전 궤적(O)과 마찬가지로 아치 형상으로 휘어진다. 주 부분(8A)의 내부 표면은 선단 에지의 로브(lobe) 부분으로부터 말단 에지로 원심 방향으로 경사져서, 바람이 후방으로부터 내부 표면에 부딪힐 때, 블레이드들이 전방으로 푸시된다.

[0024] 주 부분(8A)의 횡단면 형상은, 전방 측에서 블레이드 두께가 두껍고, 후방 측을 향하여 점차 얇아지는 표준 윙 유형에 가깝도록 설계된다.

[0025] 블레이드들(8)이 회전하면, 블레이드들(8)의 내부 및 외부 회전 반경의 차이에 기초하여, 외부 주변 표면의 주변 속도는 내부 표면의 주변 속도보다 더 커지며, 따라서, 외부 주변 표면을 따라 후방으로 통과하는 기류는 내부 주변 표면의 주변 속도보다 더 빠르다.

[0026] 블레이드(8)의 후방 에지에서, 외부 표면을 통해 통과하는 기류의 압력은 내부 표면을 통해 통과하는 기류의 압력보다 더 작아지며, 외부 및 내부 표면들 상의 코안다 효과에 의해 블레이드(8)의 후방 에지의 외부 표면은 뒤로부터 전방 에지 부분 방향으로 푸시되어서, 회전 방향으로의 추력이 블레이드들(8) 상에 작용하며, 그리고 블레이드들(8)은 회전된다.

[0027] 도 1 및 도 2에서 도시되는 바와 같이, 블레이드들(8)의 상부 및 하부 단부들 양자 모두에서, 내향으로 경사진 부분들(8B, 8B)이 형성된다. 이 경사진 부분들 각각은 수직 주 샤프트(5)의 방향으로 아치 형상으로 경사진다. 내향으로 경사진 부분들(8B)이 블레이드들(8)의 상부 및 하부 측면들의 단부에서 형성되기 때문에, 블레이드들(8)이 회전할 때, 주 부분(8A)의 내부 및 외부 측면에 걸쳐 위로 그리고 아래로 방향들로 유동하는 기류는 코안다 효과에 의해 후방으로 통과한다. 다시 말해, 기류는 도 2에서 방향(W)으로 통과한다. 반력이 블레이드들(8)을 회전 방향으로 푸시하기 때문에, 이에 따라 로터(2)는 심지어 저풍속 하에서도 높은 회전 효율성과 함께 회전한다.

[0028] 전력 재생 유형 모터(3)는 기반(G) 상에 제공되며, 그리고 수직 주 샤프트(5)의 하부 단부 부분은 로터 샤프트에 연결된다.

나중에 상세하게 설명될 바와 같이, 전력 재생 유형 모터(3)를 위해, 예를 들어, 주지된 영구 자석 자계 유형 직류 모터(permanent magnet field type direct current motor)가 사용될 수 있으며, 그리고 이러한 모터는 로터(2)의 수직 주 샤프트(5)의 회전에 의해 전기를 생성하는 발전기와, 수직 주 샤프트(5)를 구동시키는 구동 모터 사이에서 전력 재생 유형 모터(3)에 연결되는 전환 회로(switching circuit)(9)에 의해 전환가능하도록 구성된다. 전력 재생 유형 모터(3)로서 영구 자석 유형 AC 동기 모터를 사용하는 것이 또한 가능하다.

[0029] 전환 회로(9)는 제어기(10)를 통해 제1 축전지(11)에 연결되고, 태양열 발전 패널들(solar power generation panels)(12)에 의해 생성되는 전기 전력을 저장하는 제2 축전지(13)에 연결된다. 전환 회로(9)는 전력 재생 유형 모터(3)를 발전기로서 사용하기 위해 발전 회로(미도시) 및 전력 재생 유형 모터를 구동 모터로서 사용하기 위해 모터 회로(미도시)를 가진다. 이러한 회로들을 통해 전력 재생 유형 모터(3)로 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써(도 1에서 화살표들을 참조), 전력 재생 유형 모터(3)는 제1 축전지(11)에서 생성된 전원을 저장하기 위해 발전기 모드로 전환되거나, 전력 재생 유형 모터(3)가 모터 모드로 전환되며, 그리고 이러한 구동 모터는 제2 축전지(13)의 전기 전력에 의해 작동된다.

[0030] 전환 회로(9)는 제어 디바이스(4)에서 나중에 언급되는 발전기/모터 전환 판정 유닛(generator/motor switching determination unit)(16)에 전기적으로 연결되며, 그리고, 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)으로부터 출력되는 판정 신호에 기초하여, 발전 회로에 또는 모터 회로에 선택적으로 전환된다.

[0031] 전력 재생 유형 모터(3)를 발전기 모드로 전환함으로써 생성되고 그리고 제1 축전지(11)에 저장되는 전기 전력은, 외부 DC 부하 전력 공급장치로 공급되거나 DC-AC 인버터를 통해 외부 AC 부하 전력 계통으로 공급된다.

[0032] 제어기(10)는 발전기 모드로 전환하는 전력 재생 유형 모터(3)에 의해 생성되는 출력 전류량을 조절함으로써 제1 축전지(11)로 또는 외부 부하 전력 공급장치로 출력되는 전류 및 전압을 제어하는 기능을 가진다. 예를 들어, 제어기는, 로터(2)의 시동 직후 또는 로터(2)의 회전 속도가 느린 저풍속 시에, 출력 전류량을 감소시키도록 제어해서, 발전기에 가해지는 발전 부하가 감소되며, 이에 의해 로터(2)의 실속현상(stalling)을 방지하는 것이 가능하다.

[0033] 제어 디바이스(4)는 평균 풍속 판정 유닛(14), 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15), 및 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)을 포함한다.

평균 풍속 판정 유닛(14)은 규칙적인 시간 간격들로 로터(2)를 향하는 바람의 평균 풍속을 검출하기 위한 풍속 검출기인 풍속계(anemometer)(17)에 연결된다. 풍속계(17)에 의해 검출되는 평균 풍속은 평균 풍속 판정 유닛(14)으로 입력되고, 제어 디바이스(4)의 중앙 프로세싱 유닛(central processing unit(CPU))(18)에 의해 프로세싱되며, 그리고 풍속이 미리 정해진 평균 풍속에 도달하는 것이 판정될 때, 판정 신호는 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)에 출력된다. 풍속계(17)에 의한 평균 풍속의 검출 타이밍(detection timing)이 바람직하게는, 예를 들어 10초 이하의 상대적으로 짧은 간격들로 수행되어서, 발전량이 저풍속 하에서조차 크게 변동하지 않는 것이 주목되어야 한다.

[0034] 상세한 설명이 나중에 언급되지만, 풍속계(17)가 미리 정해진 평균 풍속, 예를 들어 2m/s를 검출할 때, 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)은 판정 신호를 전환 회로(9)로 출력하며, 그리고 전환 회로(9)는 발전 회로로부터 모터 회로로 전환되고, 전력 재생 유형 모터(3)를 모터 모드로 전환한다. 판정 신호는 또한, 회전 속도 검출 센서(20)(나중에 설명됨)로부터 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)으로의 데이터 입력에 기초하여 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)에 출력된다.

[0035] 수직 주 샤프트(5)의 중간 부분의 적절한 위치 상에, 로터의 회전 속도를 측정하기 위한 기어(19)가 부착되며, 그리고 기어(19)의 회전 수가 회전 속도 검출 센서(20)에 의해 검출되어서, 로터(2)의 회전 속도가 수직 주 샤프트(5)를 통해 검출될 수 있다. 기어(19) 대신에, 하나 또는 복수의 볼록 부분들이 수직 주 샤프트(5)의 외부 주변 표면 상에 제공될 수 있다. 회전 속도 검출 센서(20)를 위해, 예를 들어, 비접촉 센서, 예컨대 자기 회전 속도 검출 센서, 초음파 회전 속도 검출 센서, 또는 로터리 인코더(rotary encoder)가 사용될 수 있다.

[0036] 회전 속도 검출 센서(20)에 의해 검출된 회전 속도는 제어 디바이스(4)의 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)으로 입력되며, 그리고 입력 회전 속도에 기초하여, 제어 디바이스(4)의 중앙 프로세싱 유닛(18)이 로터(2)의 평균 주변 속도를 계산한다.

다시 말해, 로터(2)의 외부 원주의 길이(2πr)가 로터(2)의 블레이드들(8)의 회전 반경(r)으로부터 결정되기 때문에, 외부 원주(2πr)의 길이가 수직 주 샤프트(5)의 회전 속도(rpm)와 곱하여진다면, 이는 주변 속도(m/s)로 변환된다. 여기서, 회전 속도 검출 센서(20) 및 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)은 본 발명에 따른 회전 속도 검출기에 대응한다.

[0037] 로터(2)의 주변 속도는 또한 센서를 사용하여 블레이드들(8)의 각속도를 검출함으로써 판정될 수 있다. 다시 말해, 회전 반경(r)과 블레이드들(8)의 각속도(rad/s)를 곱한 값이 로터(2)의 주변 속도이다.

[0038] 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)에서, 특정 주변 속도인 로터(2)의 평균 주변 속도가 5m/s에 도달되는 것으로 판정될 때, 판정된 신호가 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)으로부터 전환 회로(9)로 출력되며, 그리고 전환 회로(9)는, 전력 재생 유형 모터(3)가 발전기 모드로 작동하도록, 판정 신호에 기초하여 모터 회로로부터 발전 회로로 전환된다.

[0039] 다음으로, 위의 실시예에 따른 풍력 터빈 발전 시스템(1)에서의 풍력 터빈의 회전 속도를 제어하기 위한 방법이 도 4에서 도시되는 흐름도를 참조하여 설명될 수 있다.

처음에는, 로터(2)가 회전하며 그리고 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)이 발전기 모드로서 작동하고 있을 때, 평균 풍속이 풍속계(17)에 의해 측정된다(S1). 제어 디바이스(4)의 중앙 프로세싱 유닛(18)의 계산 프로세싱 결과에 기초하여, 평균 풍속 판정 섹션(14)은, 평균 풍속이 미리 정해진 평균 풍속 이상, 예를 들어 2m/s 이상인지의 여부를 판정한다(S2).

[0040] 평균 풍속 판정 유닛(14)이 평균 풍속이 2m/s 이상인지를 판정할 때, 판정 신호는 제어 디바이스(4)의 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)으로부터 전환 회로(9)로 출력되며, 판정 신호에 기초하여, 전환 회로(9)가 모터 회로로 전환된다(S3).

[0041] 그 결과, 발전기 모드로 작동되고 있는 전력 재생 유형 모터(3)가 모터 모드로 전환되며, 그리고 모터는 전환 회로를 통해 제2 축전지(13)로부터 공급되는 전기 전력에 의해 자동으로 시동되며(S4), 그리고 수직 주 샤프트(5)는 가속된 방식으로 풍력 터빈(로터(2))을 회전시키도록 강제된다(S5). 평균 풍속이 2 m/s에 도달되지 않는 것으로 판정된다면, 프로세스는 단계(S1)로 복귀하며, 그리고 계속해서 평균 풍속이 측정된다.

[0042] 전력 재생 유형 모터(3)가 발전기 모드로부터 모터 모드로 전환될 때, 발전기에 의한 코깅 토크는 수직 주 샤프트(5) 상에 작용하지 않으며, 그리고 로터(2)는 모터에 의해 즉시 가속될 수 있고 회전될 수 있다. 따라서, 모터 모드에서의 작동 시간은 짧으며, 그리고 제2 축전지(13)의 전력 소모가 감소될 수 있다.

[0043] 평균 풍속이 2 m/s에 도달되었는지의 여부를 판정하는 이유는 다음과 같다. 위에서 언급된 형태의 복수의 양력형 블레이드들(8)이 설비되는 수직축 유형 로터(2)에서, 블레이드(8)의 회전 반경이 1m이고, 블레이드(8)의 윙 길이가 1.2m일 때, 예를 들어, 평균 풍속이 2m/s 이상에 도달될 때, 로터(2)의 회전은 블레이드들에서 생성되는 양력에 의해 가속되며, 그리고 로터는 발전기로부터 생성된 전기 전력을 출력할 수 있는 속도로 회전한다.

[0044] 따라서, 로터(2)가 평균 풍속이 2m/s의 저풍속 근처에서 회전할 때, 전력 재생 유형 모터(3)가 모터 모드로 전환되며 그리고 로터(2)의 회전이 즉시 가속된다면, 양력은 블레이드들 상에서 생성되며, 그리고 로터는 더 가속되어서, 이후, 모터 모드로부터 발전기 모드로 전환하고 발전할 때, 발전 효율이 증가한다.

[0045] 모터 모드에서의 로터(2)의 회전을 가속한 후에, 수직 주 샤프트(5)의 평균 회전 수가 회전 속도 검출 센서(20)에 의해 검출된다. 평균 회전 수에 기초하여, 중앙 프로세싱 유닛(18)은 회전 수를 풍력 터빈(로터(2))의 주변 속도로 변환시키며, 그 결과를 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)으로 출력하며(S6), 그리고 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)은, 로터(2)의 주변 속도가 2m/s의 평균 풍속을 초과하는 특정 값, 예를 들어 5m/s에 도달되었는지의 여부를 판정한다(S7).

[0046] 로터(2)의 평균 풍속이 5m/s에 도달되었는지의 여부를 판정하는 이유는 다음과 같다. 위에서 언급된 형태의 복수의 양력형 블레이드들(8)이 설비되는 수직축 유형 로터(2)에서, 로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달할 때, 블레이드들(8)의 상부 및 하부 단부들 양자 모두의 내향으로 경사진 부분들(8B)의 작용 및 코안다 효과에 의해, 블레이드(8)에서 생성되는 양력(추력)이 증가하며, 심지어 로터(2)가 모터에 의해 보조되지 않을지라도, 로터(2)는, 주변 속도가 풍속을 초과하도록 가속되어서, 로터(2)는 효율적으로 회전하고 전기를 생성하며, 그리고 발전 부하로 인한 로터의 실속(stall)은 발생하기에 어려워진다.

[0047] 로터(2)의 회전 속도가 예를 들어 주변 속도가 5m/s의 경우로 예시된다면, 위에서 언급된 바와 같이 주변 속도, 회전 속도 및 외부 원주의 길이 사이에 연관성이 존재하기 때문에, 블레이드(8)의 회전 반경(r)이 1m로 설정될 때, 예를 들어, 로터(2)의 외부 원주의 길이(2πr)는 6.28m이다. 따라서, 외부 원주 길이 6.28m로 주변 속도 5m/s를 나눔으로써, 그리고 분당 속도로 변환시키기 위해 60을 곱함으로써, 로터(2)의 회전 속도는 약 48 rpm이 된다.

[0048] 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)이, 로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달되어 있는 것으로 판정할 때, 판정 신호는 제어 디바이스(4)의 발전기/모터 전환 판정 유닛(16)으로부터 전환 회로(9)로 전달되며, 그리고 전환 회로(9)는 판정 신호에 의해 발전 회로로 전환된다(S8). 그 결과, 전력 재생 유형 모터(3)는 모터 모드로부터 발전기 모드로 전환되고, 발전기로서 시동하고(S9), 그리고 생성된 전력이 제1 축전지(11)에 저장된다.

[0049] 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛(15)이, 로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달되지 않는 것으로 판정할 때, 프로세스는 단계(S5)로 복귀하며, 전력 재생 유형 모터(3)가 모터 모드로서 유지되면서, 로터(2)는 로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달할 때까지 가속된다.

[0050] 전력 재생 유형 모터(3)가 발전기 모드로 전환된 후에, 평균 풍속이 풍속계(17)에 의해 다시 측정된다(S10). 평균 풍속 판정 유닛(14)이 2m/s 이하의 평균 풍속을 검출할 때(S11), 흐름은 단계(S3)로 복귀하며, 그리고 전환 회로(9)가 모터 회로로 전환되며, 전력 재생 유형 모터(3)는 다시 모터 모드로 전환되며, 그리고 로터(2)가 전술된 바와 동일한 방식으로 가속된다. 루프 형상으로 단계들(S3 내지 S11)을 반복하고 그리고 로터(2)의 회전 속도를 제어함으로써, 발전 효율을 대폭 증가시키는 것이 가능하다.

[0051] 전술된 바와 같이, 전술된 실시예의 풍력 터빈의 회전 속도의 제어 방법에 따라, 발전기 모드와 모터 모드 사이에서 전환될 수 있는 전력 재생 모터(3)는 로터(2)의 수직 주 샤프트(5)에 연관되며, 그리고 로터(2)의 회전 속도는 다음과 같이 반복적으로 제어된다;

로터(2)가 평균 풍속 약 2m/s의 저풍속으로 회전할 때, 로터(2)는, 로터가 자체적으로 가속하면서 효율적으로 회전할 수 있는 주변 속도가 5m/s에 도달하도록, 전력 재생 유형 모터(3)는 모터 모드로 전환함으로써 신속하게 가속되며, 그리고

로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달할 때, 전력 재생 유형 모터(3)는 전기 전력을 생성하기 위해 발전기 모드로 전환된다.

따라서, 전력 효율은, 심지어 로터(2)의 회전 속도가 느린, 저풍속 하에서, 발전량이 작은 조건 하에서조차, 생성된 전력을 상당히 변동시키지 않고, 증가될 수 있다.

[0052] 추가적으로, 전력 재생 유형 모터(3)를 모터 모드로부터 발전기 모드로 전환할 때, 로터(2)의 평균 주변 속도는, 로터(2)가 자체적으로 가속하면서 효율적으로 회전하는 것을 허용하는 값인 5m/s로 설정된다면, 심지어 평균 주변 속도가 5m/s에 도달되는 경우라도, 모터가 정지될 때, 발전 부하로 인한 실속이 거의 일어나지 않으며, 그리고 전력 재생 유형 모터(3)를 모터 모드로 빈번하게 전환하는 것은 불필요해서, 모터 구동 전력 공급 장치인 제2 축전지(13)의 전력 소모는 감소될 수 있다.

[0053] 게다가, 전력 재생 유형 모터(3)가 수직 주 샤프트(5)에 연결되며, 그리고 이러한 모터(3)는 로터(2)의 회전을 가속하기 위해 전환 회로(9)에 의해 모터 모드로 전환되어서, 로터(2)를 가속시키기 위한 전용 모터를 별도로 설치하는 것 그리고 전용 모터를 제어하는 것이 불필요하기 때문에, 이는 경제적이다.

본 발명은 위의 실시예에 제한되지 않으며, 그리고 뒤따르는 바와 같은 다양한 수정들 및 변경들이 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않으면서 범주 내에서 이루어질 수 있다.

[0054] 위의 실시예에서, 평균 풍속이 2m/s에 도달하는 것으로 검출될 때, 전력 재생 유형 모터(3)가 모터 모드로 전환되고, 로터(2)의 회전을 가속시키기 시작한다. 수정된 예로써, 평균 풍속이 2m/s일 때, 수직 주 샤프트(5)의 평균 회전 속도를 검출하는 경우, 또는 평균 풍속이 2m/s일 때, 로터(2)의 주변 속도를 검출하는 경우, 전력 재생 유형 모터(3)는 모터 모드로 전환될 수 있고, 로터(2)를 가속시키고 있을 수 있다.

[0055] 위의 실시예들에서, 모터 모드는, 로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달할 때까지, 모터 모드에 의해 로터를 가속시킴으로써 발전기 모드로 전환된다. 그러나, 전술된 바와 같이, 로터(2)의 주변 속도가 로터의 회전 속도로 변환될 수 있기 때문에, 주변 속도가 5m/s에 도달할 때, 회전 속도 센서(20)가 로터(2)의 회전 속도를 검출하는 경우, 모터 모드를 발전기 모드로 전환하는 것이 또한 가능하다.

[0056] 상기 실시예에서, 전력 재생 유형 모터(3)가 모터 모드로 전환되고 로터(2)가 가속되는 평균 풍속은 2m/s로 설정된다. 그러나, 평균 풍속은 블레이드(8)의 회전 반경의 크기에 기초하여 적합하게 설정될 수 있다.

즉, 예를 들어, 블레이드(8)의 회전 반경이 위의 실시예의 1m보다 더 작을 때, 로터(2)의 회전 토크는 작아지며, 그리고 전력 재생 유형 모터는 전기 발전 부하로 인해 용이하게 실속된다(stalled). 이에 따라, 평균 풍속은 2m/s이상일 수 있고, 로터(2)의 회전 속도가 높을 때, 로터(2)를 가속시키기 위한 모터 모드로 전환될 수 있다.

[0057] 추가적으로, 블레이드(8)의 회전 반경이 1m보다 더 클 때, 심지어 로터(2)의 회전 속도가 느린 경우에도, 회전 토크가 커지며 그리고 발전이 가능해지기 때문에, 평균 풍속은 2m/s 이하로 설정될 수 있어서, 로터(2)의 회전 속도가 느릴 때, 전력 재생 유형 모터는 로터(2)를 가속시키기 위한 모터 모드로 전환될 수 있다.

[0058] 위의 실시예들에서, 전력 재생 유형 모터(3)는, 로터(2)의 주변 속도가 5m/s에 도달할 때, 모터 모드로부터 발전기 모드로 전환된다. 그러나, 모터 모드로부터 발전기 모드로 전환할 때의 로터(2)의 주변 속도는 블레이드(8)의 회전 반경의 크기에 기초하여 적합하게 설정될 수 있다.

[0059] 위의 실시예에서, 태양열 발전 패널들(12)에 의해 저장되는 제2 축전지(13)는 모터 모드에서 전력 재생 유형 모터를 작동하기 위한 전력 공급원(source)로서 사용된다. 그러나, 태양열 발전 패널들(12) 및 제2 축전지(13)는 생략될 수 있으며, 모터는 제1 축전지(11)의 전기 전력을 사용하여 작동될 수 있다. 이러한 경우에, 전술된 바와 같이, 모터 모드의 작동 시간은 짧기 때문에, 제1 축전지(11)의 전력 소모는 최소화될 수 있다.

[0060] 본 발명은 또한, 복수의 양력형 블레이드들이 일본 특허 공보 제 4907073호의 도 4에 표시된 바와 같이 다수의 단계들로 수직 주 샤프트(5)에 고정되는 풍력 발전 시스템, 또는 블레이드의 선단부가 일본 특허 공보 번호 4740580에서 표시된 바와 같이 주 샤프트 방향(바람 수용 방향)으로 경사지는 수평축 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전 시스템에 적용될 수 있다.

[0061] 1 풍력 발전 시스템
2 로터
3 전력 재생 유형 모터
4 제어 디바이스
5 수직 주 샤프트
6 지지 프레임
6A 베어링
7A, 7B 지지 아암
8 양력형 블레이드들
8A 주 부분
8B 내향으로 경사진 부분들
9 전환 회로(전환 디바이스)
10 제어기
11 제1 축전지
12 태양열 발전 패널들
13 제2 축전지
14 평균 풍속 판정 유닛
15 풍력 터빈 주변 속도 판정 유닛
16 발전기/모터 전환 판정 유닛
17 풍속계(풍속 검출기)
18 중앙 프로세싱 유닛
19 기어
20 회전 속도 검출 센서
C 윙들 두께 중심선
G 기반
K 기어 케이스
O 회전 궤적

Claims (3)

1. 풍력 발전 시스템(wind power generation system)으로서,
   복수의 블레이드들(blades)이 설비되는 로터(rotor)를 가지는 풍력 터빈(wind turbine);
   상기 로터의 주 샤프트(main shaft)에 연결되고 발전기 모드(mode)와 모터 모드 사이에서 전환가능한(switchable) 전력 재생 유형(power regeneration type) 모터;
   상기 로터의 주변 속도(peripheral speed) 또는 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출기;
   상기 로터를 향하는 평균 풍속을 검출하기 위한 풍속 검출기;
   상기 전력 재생 유형 모터를 상기 발전기 모드 또는 상기 모터 모드로 선택적으로 전환할 수 있는 전환 디바이스(switching device); 및
   상기 풍력 터빈의 회전 속도를 제어하기 위한 제어 디바이스를 포함하며,
   상기 제어 디바이스는 다음의 프로세스들:
   상기 풍속 검출기가 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때, 상기 전환 디바이스에 의해 상기 전력 재생 유형 모터를 상기 모터 모드로 전환하는 단계,
   상기 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달되는 것을 상기 회전 속도 검출기가 검출할 때까지 상기 로터를 가속하는 단계, 이후에,
   발전을 위해 상기 전환 디바이스에 의해 상기 전력 재생 유형 모터를 상기 발전기 모드로 전환하는 단계, 및
   상기 풍속 검출기가 다시 상기 미리 정해진 평균 풍속을 검출할 때 상기 전환 디바이스에 의해 상기 전력 재생 유형 모터를 다시 상기 모터 모드로 전환하는 단계, 그리고 상기 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 상기 특정 값에 도달할 때까지 상기 로터를 가속시키는 단계, 및 그 후, 발전을 위해 상기 전환 디바이스에 의해 상기 전력 재생 유형 모터를 다시 상기 발전기 모드로 전환하는 단계
   를 반복적으로 실행하도록 구성되는,
   풍력 발전 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 풍력 터빈은 복수의 양력형(lift type) 블레이드들이 설비되는 로터를 가지는 수직축 풍력 터빈 또는 수평축 풍력 터빈이며, 그리고
   경사진 부분이 각각의 블레이드들의 상기 선단부에서 형성되는,
   풍력 발전 시스템.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   전력 재생 유형 모터를 전환에 의해 상기 모터 모드로 사용할 때, 전력 공급원(source)으로서, 태양열 발전 패널들(solar power generation panels)에 의해 생성되는 전기 전력이 사용되는,
   풍력 발전 시스템.

Images