KR20220108237A - 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템 - Google Patents
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Abstract
풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템은, 바람에 의해 회전되는 로터에 결합된 메인샤프트에 연결되어 로터의 회전력을 증속시키는 증속기와, 증속기에 연결되어 증속기에서 전달된 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기를 구비한 풍력발전장치; 및 발전기 또는 상기 증속기에 연결되며 발전기 또는 증속기에 의해 구동되어 오일을 공급하는 유압펌프와, 증속기와 발전기에서 발생된 열에 의해 가열된 냉매와 유압펌프에서 공급된 오일을 열교환시키는 제1 냉각기와, 유압펌프에 의해 이송되고 제1 냉각기에서 가열된 오일을 내부에 설치된 고정 오리피스를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환시키는 교축밸브와, 유압펌프에 의해 이송되고 교축밸브를 통과한 오일과 내부에 수용된 냉각수를 열교환시키는 열교환기와, 열교환기와 유압펌프 사이에 마련되어 오일을 저장하는 오일탱크와, 열교환기에서 가열된 냉각수를 저장하는 온수탱크를 구비한 열변환장치를 포함한다.
Description
본 발명은 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력발전장치와 열변환장치를 연계하여 발전과정에서 생성된 열에너지를 회수하고, 풍황과 에너지 수요에 맞게 전기에너지와 열에너지를 병행 또는 선택적으로 생산할 수 있는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템에 관한 것이다.
풍력발전은 신재생에너지 생산의 중요한 몫을 차지하고 있으며, 복수의 블레이드(blade)가 결합되며 바람의 힘에 의해 회전하는 로터의 회전을 증속기로 증속하고, 증속기에 연결된 발전기의 회전자를 회전시켜 전기에너지를 생산한다. 그리고 생산된 전기에너지는 전력저장장치에 저장되거나 전력계통에 연계되어 이용될 수 있도록 한다.
풍력발전은 발전과정 중에 증속기(효율 90%), 발전기(효율 80%), 변환 및 제어기(효율 80%) 등에서 많은 에너지가 손실되는 문제점이 있으며, 이는 풍차로부터 에너지를 얻는 과정에서 열에너지로 손실되기 때문이다.
또한 풍력발전은 풍차 블레이드의 출력 특성과 발전기의 토크 특성이 서로 일치하지 않은 문제점을 가지고 있다. 풍력의 세기는 풍속의 2승에 비례하기 때문에 로터에서 출력되는 토크는 로터의 회전수의 2승에 비례한다. 그러나 발전기는 어느 특정 회전수(RPM)에서 최대 출력을 갖도록 설계되므로, 저풍속에서는 발전량이 적을 뿐만 아니라 가변속 제어 및 전력변환 등 발전하는데 어려움이 많다.
따라서, 풍력을 효율적으로 이용하여 전력생산 뿐만 아니라 풍력발전과정에서 생성된 열에너지를 회수하여 풍황과 에너지 수요에 맞게 전기에너지와 열에너지를 병행 또는 선택적으로 생산할 수 있는 열병합 발전시스템이 요구된다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 풍력을 이용한 발전과정에서 발생되는 열에너지 손실을 회수하여 저장하고, 에너지 수요에 맞게 열에너지와 전기에너지를 선택적 또는 병행 생산할 수 있는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 바람에 의해 회전되는 로터에 결합된 메인샤프트에 연결되어 상기 로터의 회전력을 증속시키는 증속기와, 상기 증속기에 연결되어 상기 증속기에서 전달된 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기를 구비한 풍력발전장치; 및 상기 발전기 또는 상기 증속기에 연결되며 상기 발전기 또는 상기 증속기에 의해 구동되어 오일을 공급하는 유압펌프와, 상기 증속기와 상기 발전기에서 발생된 열에 의해 가열된 냉매와 상기 유압펌프에서 공급된 오일을 열교환시키는 제1 냉각기와, 상기 유압펌프에 의해 이송되고 상기 제1 냉각기에서 가열된 오일을 내부에 설치된 고정 오리피스를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환시키는 교축밸브와, 상기 유압펌프에 의해 이송되고 상기 교축밸브를 통과한 오일과 내부에 수용된 냉각수를 열교환시키는 열교환기와, 상기 열교환기와 상기 유압펌프 사이에 마련되어 오일을 저장하는 오일탱크와, 상기 열교환기에서 가열된 냉각수를 저장하는 온수탱크를 구비한 열변환장치를 포함하는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템이 제공될 수 있다.
상기 열변환장치는 상기 열교환기의 내부에 마련되되 상기 교축밸브를 통과한 오일이 공급되며 상기 열교환기의 내부에 수용된 냉각수에 침지된 오일열교환기를 더 포함하며, 상기 오일열교환기에 공급된 오일은 상기 열교환기의 내부에 수용된 냉각수와 열교환하고 상기 유압펌프에 의해 상기 오일탱크로 이송되어 순환될 수 있다.
상기 제1 냉각기는 상기 유압펌프에서 공급되는 오일이 이송되는 원형의 오일관; 및 상기 오일관에 결합되고 상호 이격되게 배치되며 냉매와 접촉되는 복수의 제1 냉각핀을 포함할 수 있다.
상기 풍력발전장치는 상기 증속기의 후방에 배치된 증속기 냉각팬; 및 상기 발전기의 전방 또는 후방 중 적어도 하나에 배치된 발전기 냉각팬을 더 포함하며, 상기 증속기 냉각팬과 상기 발전기 냉각팬에 의해 상기 증속기와 상기 발전기를 통과한 냉매와 상기 유압펌프에서 공급된 오일이 상기 제1 냉각기에서 열교환될 수 있다.
나셀의 내부에는 상기 증속기와 상기 발전기를 감싸는 하우징이 배치되고, 상기 유압펌프는 상기 발전기에 연결되어 구동되며, 상기 제1 냉각기는 상기 나셀과 상기 하우징 사이에 형성된 제1 냉매유로에 마련되고 상기 하우징의 외주면을 감싸도록 배치되며, 상기 증속기 냉각팬과 상기 발전기 냉각팬에 의해 상기 증속기와 상기 발전기를 통과한 냉매는 상기 제1 냉매유로에 합류되어 상기 제1 냉각기에서 상기 유압펌프에서 공급된 오일과 열교환될 수 있다.
나셀의 내부에는 상기 증속기와 상기 발전기 사이에 마련되어 상기 증속기와 상기 발전기를 상호 분리하는 격벽이 설치되며, 상기 유압펌프는 상기 증속기에 연결되어 구동되며, 상기 증속기 냉각팬에 의해 상기 증속기를 통과한 냉매는 제2 냉매유로를 통해 상기 유압펌프의 외벽에 결합된 복수의 제2 냉각핀에 접촉되고, 상기 제1 냉각기는 상기 발전기를 감싸도록 배치되며, 상기 발전기 냉각팬에 의해 상기 발전기를 통과한 냉매는 상기 제1 냉각기에서 상기 유압펌프에서 공급된 오일과 열교환될 수 있다.
상기 발전기는 나셀의 내부에 고정된 고정자; 및 상기 증속기에 연결된 발전기축에 결합되어 상기 고정자의 내부에서 회전되는 회전자를 포함하며, 상기 고정자와 상기 회전자에는 냉매가 통과할 수 있도록 복수의 유로가 형성될 수 있다.
상기 풍력발전장치는 상기 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 전력저장부; 및 상기 발전기에서 생산된 전력이 상기 전력저장부에 저장가능하도록 변환시키는 전력변환기를 더 포함하며, 상기 열변환장치는 상기 전력변환기의 내부에 마련되며 냉각수가 상기 전력변환기에서 발생된 열을 흡수하는 제2 냉각기; 및 상기 제2 냉각기에서 가열된 냉각수를 상기 열교환기로 공급하되, 상기 제2 냉각기와 상기 열교환기 사이에서 냉각수를 순환시키는 순환펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 열변환장치는 상기 교축밸브의 후방에 배치되며, 상기 유압펌프에 의해 이송되는 오일을 내부에 설치된 가변 오리피스를 통해 오일 유량을 제어하는 압력보상형 유량제어밸브; 상기 유압펌프의 후방에 배치되며, 오일이 상기 교축밸브 및 상기 압력보상형 유량제어밸브로 공급되거나 상기 교축밸브를 거치지 않고 상기 압력보상형 유량제어밸브로 공급되게 하는 방향전환밸브; 상기 압력보상형 유량제어밸브의 후방에 설치되어 상기 교축밸브 및 상기 압력보상형 유량제어밸브의 작동으로 인한 압력강하에 따른 공동현상을 방지하는 체크밸브; 및 상기 유압펌프와 상기 교축밸브 사이에 마련되어 유압이 설정압력보다 높은 경우에 오일이 상기 오일탱크로 유입되게 하는 릴리프밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 풍력발전 과정에서 발생되는 열에너지 손실을 회수하는 열변환장치를 구비함으로서, 풍력의 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있으며, 회수된 열에너지는 물에 저장되기 때문에 저장이 쉽고 에너지 저장단가를 낮출 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 실시예는 풍력발전의 시동풍속 보다 낮은 풍속에서도 열에너지 회수가 가능하므로 전체적인 에너지 생산 총량이 증대되는 이점이 있다.
또한 본 발명의 실시예는 저풍속에서 열변환으로 손쉽게 열에너지를 생산하고, 고풍속에서 가변 오리피스가 설치된 압력보상형 유량제어밸브의 가동으로 일정한 회전수를 유지하므로 주파수가 일정한 고품질의 전력을 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 실시예는 풍황과 계절에 따른 에너지 수요에 맞게 전기에너지와 열에너지를 선택적 또는 병행 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명의 실시예는 비교적 낮은 풍속에서도 열에너지 생산이 가능하므로 풍황이 비교적 좋지 않은 지역에서도 난방용 등에 열에너지를 공급할 수 있다. 따라서, 해안지방의 도시, 농어촌, 도서지역, 산간지역에서 여름철에는 전력을 중심으로 에너지를 생산하고 겨울철에는 열에너지를 중심으로 에너지를 생산하여 난방, 온실하우스 및 양어장 가온, 급탕, 농수산물 건조 등 다양한 영역에서 이용할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예와 타 신재생에너지를 결합한 전국적인 네트워크를 구축하고 대기오염 상황 및 기상예보를 모니터링할 수 있는 사물인터넷을 활용함으로써 유연성 있는 에너지 생산과 온실가스 감축 및 신재생에너지 이용에 도움이 될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템을 나타내는 구조도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템을 나타내는 구조도이다.
도 3은 본 발명에 따른 에너지 생산 흐름을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 냉각기를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 유압의 흐름을 나타내는 유압회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 풍속과 에너지 생산을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 교축밸브와 압력보상형 유량제어밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
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도 3은 본 발명에 따른 에너지 생산 흐름을 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 제1 냉각기를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 유압의 흐름을 나타내는 유압회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 풍속과 에너지 생산을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 교축밸브와 압력보상형 유량제어밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템을 나타내는 구조도이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템을 나타내는 구조도이고, 도 3은 본 발명에 따른 에너지 생산 흐름을 나타내는 개념도이고, 도 4는 본 발명에 따른 제1 냉각기를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 유압의 흐름을 나타내는 유압회로도이고, 도 6은 본 발명에 따른 풍속과 에너지 생산을 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 교축밸브와 압력보상형 유량제어밸브의 동작을 나타내는 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템(100)은 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전장치(110)와, 풍력을 열에너지로 변환하는 열변환장치(130)를 포함한다.
본 발명에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템(100)은 풍력을 이용하여 전기에너지를 생산하고 풍력을 이용한 발전과정에서 발생되는 열에너지를 회수하여 저장할 수 있으며, 에너지 수요에 따라 전기에너지와 열에너지를 선택적 또는 병행 생산할 수 있다.
도 1 내지 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 풍력발전장치(110)는 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 역할을 한다.
풍력발전장치(110)는 복수의 블레이드가 결합되며 바람에 의해 회전되는 로터(111)에 결합된 메인샤프트(112)에 연결되어 로터(111)의 회전력을 증속시키는 증속기(113)와, 증속기(113)에 연결되어 증속기(113)에서 전달된 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기(114)와, 발전기(114)에서 생산된 전력을 저장하는 전력저장부(ESS,115)와, 발전기(114)에서 생산된 전력이 전력저장부(115)에 저장가능하도록 변환시키는 전력변환기(116)를 포함한다.
바람에 의해 회전되는 로터(111)에 메인샤프트(112)가 연결되어, 메인샤프트(112)는 로터(111)의 회전력을 전달한다. 그리고 증속기(113)는 메인샤프트(112)에 연결되어 메인샤프트(112)를 통해 전달된 로터(111)의 회전력을 증속시킨다. 또한 발전기(114)는 증속기(113)에 연결되어 증속기(113)에서 전달된 회전력을 이용하여 전력을 생산한다.
그리고 발전기(114)에서 생산된 전력은 전력저장부(115)에 저장되며, 전력을 전력저장부(115)에 앞서 발전기(114)에서 생산된 전력은 전력변환기(116)를 통해 전력저장부(115)에 저장가능하도록 변환된다.
또한 본 실시예에 따른 증속기(113)와 발전기(114)는 나셀(N)의 내부에 배치된다.
그리고 본 실시예에 따른 열변환장치(130)는 풍력을 열에너지로 변환하는 역할을 한다.
본 실시예에 따른 열변환장치(130)는 풍력을 열에너지로 변환하는 것으로서, 특히 풍력을 열에너지로 변환시키는 방법은 유압펌프(133)와 고정 오리피스(orifice)가 설치된 교축밸브(136)를 결합하되 풍차의 로터(111)에서 출력된 회전에너지를 유압펌프(133)를 통해 압력에너지로 전환하고 압력에너지(엔탈피 증가)를 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136)를 통해 열에너지(엔트로피 증가)로 전환하여 열에너지를 얻는 것이다. 이는 로터(111)의 토크 특성이 유압펌프(133)의 구동 토크 특성에 알맞기 때문에 풍차의 출력과 유압펌프(133)를 결합하면 풍속에 비례하는 최대의 파워계수로 운전할 수 있을 뿐만 아니라 유압펌프(133)와 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136)를 결합한 열변환 방식은 간단하고 신뢰성이 높다.
구체적으로 열변환장치(130)는 발전기(114) 또는 증속기(113)에 연결되며 발전기(114) 또는 증속기(113)에 의해 구동되어 오일을 공급하는 유압펌프(133)와, 증속기(113)와 발전기(114)에서 발생된 열에 의해 가열된 냉매와 유압펌프(133)에서 공급된 오일을 열교환시키는 제1 냉각기(141)와, 유압펌프(133)에 의해 이송되고 제1 냉각기(141)에서 가열된 오일을 내부에 설치된 고정 오리피스를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환시키는 교축밸브(136)와, 유압펌프(133)에 의해 이송되고 교축밸브(136)를 통과한 오일과 내부에 수용된 물을 열교환시키는 열교환기(140)와, 열교환기(140)와 유압펌프(133) 사이에 마련되어 오일을 저장하는 오일탱크(131)와, 열교환기(140)에서 가열된 온수를 저장하는 온수탱크(143)를 포함한다.
본 실시예에서 유압펌프(133)에서 공급되는 오일은 열에너지 생산, 발전기(114)의 회전수 제어, 풍차 블레이드의 피치제어 등에 사용되며, 특히 열에너지를 생산함에 있어서 유압펌프(133)에서 공급되는 오일은 제1 냉각기(141)로 공급되며 제1 냉각기(141)에서 증속기(113) 및/또는 발전기(114)에서 가열된 냉매와 열교환되어 가열된다.
유압펌프(133)는 발전기(114) 또는 증속기(113)에 연결되어 발전기(114) 또는 증속기(113)로부터 동력을 전달받으며, 유압펌프(133)는 회전축(133a)의 회전수에 따라 일정한 오일 토출량을 갖는 기어펌프, 베인펌프, 피스톤펌프, 스크류펌프 등 용적형 펌프 등이 사용될 수 있다.
또한 유압펌프(133)에 의해 공급되는 오일은 낮은 비열을 가지므로 증속기(113) 및 발전기(114)에서 발생한 열량을 고려하여 유압펌프(133)의 오일 토출량이 결정되며, 증속기(113) 및 발전기(114)의 냉각과정에 오일의 온도가 60℃를 넘지 않도록 설계된다.
한편, 열변환장치(130)는 증속기(113)와 발전기(114) 및 유압펌프(133)가 순차로 직렬로 연결되어 유압펌프(133)가 발전기(114)의 발전기축(114c)으로부터 구동력을 전달받는 증속기(113)-유압펌프(133) 직렬형 구조와, 증속기(113)에서 발전기(114) 및 유압펌프(133)를 동시에 구동시키는 증속기(113)-유압펌프(133) 병렬형 구조일 수 있다.
도 1를 참조하여 증속기(113)-유압펌프(133) 직렬형 구조를 살펴보면 다음과 같다.
나셀(N)의 내부에는 증속기(113)와 발전기(114)를 감싸는 하우징(H)이 배치될 수 있다. 그리고 하우징(H)의 중심부에는 증속기(113)와 발전기(114)가 인라인되게 배치되며 유압펌프(133)의 회전축(133a)은 나셀(N) 및 하우징(H)을 관통하여 발전기(114)의 발전기축(114c)에 연결된다. 유압펌프(133)의 회전축(133a)이 발전기축(114c)에 연결되므로 유압펌프(133)는 발전기축(114c)에 의해 구동력을 전달받는다.
그리고 하우징(H)의 내벽에는 발전기(114)를 구성하는 고정자(114a)가 결합되고, 발전기(114)를 구성하는 회전자(114b)는 발전기축(114c)에 결합되어 고정자(114a)의 내부에서 회전된다.
한편, 하우징(H)은 나셀(N)의 내부에 이격되게 배치되므로 나셀(N)과 하우징(H) 사이에는 발전과정에서 증속기(113)와 발전기(114)에서 발생된 열을 흡수하는 냉매가 흐르는 제1 냉매유로(F1)가 형성될 수 있다. 그리고 제1 냉매유로(F1)에는 하우징(H)의 외주면을 감싸도록 제1 냉각기(141)가 배치된다.
도 4에서 도시한 바와 같이, 제1 냉각기(141)는 유압펌프(133)에서 공급되는 오일이 이송되는 원형의 오일관(141a)과, 오일관(141a)에 결합되고 상호 이격되게 배치되며 냉매와 접촉되는 복수의 제1 냉각핀(141b)을 포함한다.
또한 발전기(114)를 구성하는 고정자(114a)와 회전자(114b)에는 냉매가 통과할 수 있도록 복수의 유로(F3)가 형성될 수 있다. 따라서, 냉매가 고정자(114a)와 회전자(114b)에 형성된 복수의 유로(F3) 및 하우징(H)의 내부를 통과하면서 발전과정에서 발전기(114) 및 증속기(113)에서 발생된 열을 흡수하고 제1 냉매유로(F1)로 합류되어 유압펌프(133)에 의해 제1 냉각기(141)에 공급된 오일과 열교환할 수 있다.
냉매는 나셀(N) 및 하우징(H)의 내부에서 순환되며 발전기(114) 및 증속기(113)의 내부를 통과하면서 발전과정에서 발생된 열을 흡수한다. 여기서 냉매는 주로 공기가 사용되며 용량이 크거나 냉각효율을 향상시키기 위해서 수소가스 등의 기체가 사용될 수 있으며, 대용량 발전의 경우에는 고정자(114a)의 권선내부에 냉각수가 흐를수 있는 수관을 마련하여 냉각수가 고정자(114a)의 권선 안으로 직접 경유하여 냉각할 수도 있다.
한편, 풍력발전장치(110)는 증속기(113)의 후방에 배치된 증속기 냉각팬(117)과, 발전기(114)의 전방 또는 후방 중 적어도 하나에 배치된 발전기 냉각팬(118)을 더 포함할 수 있다. 증속기 냉각팬(117)과 발전기 냉각팬(118)에 의해 증속기(113)와 발전기(114)를 통과한 냉매는 나셀(N) 및 하우징(H)의 내부에서 순환된 후 제1 냉매유로(F1)에 합류되고, 제1 냉각기(141)에서 유압펌프(133)에서 공급된 오일과 냉매가 상호 열교환하며, 냉매와 오일의 열교환으로 발전기(114) 및 증속기(113)에서 발생된 열이 방출된다.
도 2를 참조하여 증속기(113)-유압펌프(133) 병렬형 구조를 살펴보면 다음과 같다.
나셀(N)의 내부에는 증속기(113)와 발전기(114) 사이에 마련되어 증속기(113)와 발전기(114)를 상호 분리하는 격벽(W)이 설치될 수 있다. 즉 나셀(N)은 격벽(W)에 의해 증속기(113)가 배치되는 제1 챔버(C1)와 발전기(114)가 배치되는 제2 챔버(C2)로 구획된다.
유압펌프(133)는 제1 챔버(C1)에 배치되고 유압펌프(133)의 회전축(133a)은 증속기(113)에 연결된다. 유압펌프(133)의 회전축(133a)이 증속기(113)에 연결되므로 유압펌프(133)는 증속기(113)로부터 구동력을 전달받는다.
그리고 발전기(114)는 제2 챔버(C2)에 배치되고 발전기(114)의 발전축은 격벽(W)을 관통하여 증속기(113)에 연결된다. 그리고 발전기(114)를 구성하는 고정자(114a)는 제2 챔버(C2)에 고정되고, 발전기(114)를 구성하는 회전자(114b)는 발전기축(114c)에 결합되어 고정자(114a)의 내부에서 회전된다.
한편, 나셀(N)의 내부는 격벽(W)에 의해 제1 챔버(C1)와 제2 챔버(C2)로 구획되므로, 발전과정에서 증속기(113)에서 발생된 열은 제1 챔버(C1) 내에서 순환되는 냉매가 흡수하고 발전기(114)에서 발생된 열은 제2 챔버(C2) 내에서 순환되는 냉매가 흡수한다.
이때 제1 챔버(C1) 내에서 증속기(113)의 냉각은 증속기(113)의 후방에 배치된 증속기 냉각팬(117)에 의해 냉매가 증속기(113)를 통과하면서 증속기(113)를 냉각하며, 증속기(113)를 통과한 냉매는 제2 챔버(C2) 내에 마련된 제2 냉매유로(F2)를 통해 유압펌프(133)의 외벽에 결합된 복수의 제2 냉각핀(133b)에 접촉된다. 즉 증속기(113)를 통과하면서 가열된 냉매는 제2 냉각핀(133b)에 접촉되고 열을 제2 냉각핀(133b) 및 유압펌프(133) 내의 오일에 전달한다. 본 실시예에서 제2 냉각핀(133b)는 유압펌프(133)의 외벽에 빗모양으로 배치되어 냉매의 흐름을 원활하게 하고 가열된 냉매로부터 유압펌프(133) 내의 오일로 효율적으로 열전달되게 한다.
그리고 제2 챔버(C2) 내에서 발전기(114)의 냉각은 제1 냉각기(141)를 발전기(114)를 감싸도록 배치하다. 그리고 발전기(114)의 전방 및 후방에 배치된 발전기 냉각팬(118)에 의해 발전기(114)의 고정자(114a) 및 회전자(114b)를 통과한 냉매는 제2 챔버(C2) 내에서 순환되며, 제1 냉각기(141)에서 유압펌프(133)에서 공급된 오일과 상호 열교환한다. 이때, 제1 냉각기(141)에 공급되는 오일은 1차로 제1 챔버(C1) 내에서 증속기(113)에 의해 가열된 냉매와 열교환하고 2차로 제2 챔버(C2) 내에서 발전기(114)에 의해 가열된 냉매와 열교환한다.
상기한 바와 같이, 발전과정에서 증속기(113)와 발전기(114)에서 발생된 열은 나셀(N) 내에서 순환되는 냉매에 의해 냉각되며, 증속기(113)와 발전기(114)에서 가열된 냉매는 제1 냉각기(141)에서 열교환되는 오일에 열에너지를 전달한다.
그리고 도 3 및 도 5에서 도시한 바와 같이 유압펌프(133)에 의해 가압되고 제1 냉각기(141)에서 열에너지를 흡수한 오일은 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136) 및/또는 가변 오리피스가 설치된 압력보상형 유량조절밸브를 통과하면서 감압되고 압력손실이 열에너지로 전환되어 가온된 후 열교환기(140)의 내부에 수용된 냉각수와 열교환하며, 열교환기(140)에 수용된 냉각수에 열에너지를 전달한다. 교축밸브(136)와 압력보상형 유량제어밸브(137)에 의하여 열에너지 생산 및 오일의 유량이 제어되는데, 압력보상형 유량제어밸브(137)는 상시 개방되어 오일이 흐름에 반하여, 교축밸브(136)는 방향전환밸브(135)에 의해 선택적으로 동작된다(도 5 참조).
유압펌프(133)에 의해 이송되는 오일과 열교환기(140) 내의 냉각수가 상호 열교환될 수있도록 본 실시예에 따른 열변환장치(130)는 열교환기(140)의 내부에 마련되고 교축밸브(136) 및/또는 압력보상형 유량조절밸브를 통과한 오일이 공급되며 열교환기(140)의 내부에 수용된 물에 침지된 오일열교환기(139)를 더 포함할 수 있다. 따라서 오일열교환기(139)에 공급된 오일은 열교환기(140)의 내부에 수용된 냉각수와 열교환하고 유압펌프(133)에 의해 오일탱크(131)로 이송되어 순환된다. 그리고 열교환기(140)에서 가열된 냉각수는 온수탱크(143)에 저장된다.
또한, 도 3에서 도시한 바와 같이, 열변환장치(130)는 전력변환기(116)의 내부에 마련되며 냉각수가 전력변환기(116)에서 발생된 열을 흡수하는 제2 냉각기(142)와, 제2 냉각기(142)에서 가열된 냉각수를 열교환기(140)로 공급하되 제2 냉각기(142)와 열교환기(140) 사이에서 냉각수를 순환시키는 순환펌프(144)를 더 포함할 수 있다. 냉각수는 순환펌프(144)를 동력으로 전력변환기(116) 내부에 마련된 제2 냉각기(142) 및 열교환기(140) 내부의 오일열교환기(139)의 열에너지를 흡수하여 온수탱크(143)에 저장된다.
상기한 바와 같이, 열교환기(140)는 증속기(113)에 의한 증속과정과 발전기(114)에 의한 발전과정 및 전력변환기(116)에 의한 전력변환과정에서 발생하는 열에너지를 냉각수와 교환하는데, 전력변환기(116)의 내부에 마련된 제2 냉각기(142)에서 흡수한 열에너지와 오일열교환기(139)에서 흡수한 열에너지를 냉각수에 저장하고 냉각수의 온도가 설정온도로 가온되면 가온된 냉각수를 온수탱크(143)에 저장한다. 제2 냉각기(142)는 냉각수가 전력변환기(116)에 직접 접촉하여 열교환하는 방식이며, 오일열교환기(139)는 오일파이프가 열교환기(140) 내의 냉각수에 침지되어 냉각수에 열을 전달하는 사관식 구조가 바람직하다.
한편, 도 5를 참조하여 열변환장치(130)에 적용되는 유압계통은, 오일이 저장되는 오일탱크(131)와, 오일에 함유된 이물질을 제거하는 오일필터(132)와, 증속기(113) 또는 발전기(114)에 연결되어 구동되며 오일을 공급 또는 이송하는 유압펌프(133)와, 유압펌프(133)에 의해 이송되고 제1 냉각기(141)에서 가열된 오일이 통과되도록 내부에 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136)와, 교축밸브(136)의 후방에 배치되며 유압펌프(133)에 의해 이송되는 오일이 통과되도록 내부에 가변 오리피스가 설치되며 열에너지 생산 및 오일 유량을 제어하는 압력보상형 유량제어밸브(137)와, 유압펌프(133)의 후방 및 교축밸브(136)의 전방에 배치되며 오일이 교축밸브(136) 및 압력보상형 유량제어밸브(137)로 공급되거나 교축밸브(136)를 거치지 않고 압력보상형 유량제어밸브(137)로 공급되게 하는 방향전환밸브(135)와, 압력보상형 유량제어밸브(137)의 후방에 설치되어 교축밸브(136) 및 압력보상형 유량제어밸브(137)의 작동으로 인한 압력강하에 따른 공동현상을 방지하는 체크밸브(138)와, 유압펌프(133)와 교축밸브(136) 사이에 마련되어 유압펌브에서 토출된 유압이 설정압력보다 높은 경우에 오일이 오일탱크(131)로 유입되게 하는 릴리프밸브(134)를 포함한다.
또한 강풍 시 풍차 블레이드 등의 안전을 위해 블레이드의 피치를 제어하는 피치제어장치(미도시)에도 유압이 공급될 수 있으며, 기타 유압기기를 본 발명의 목적에 맞게 설치하여 운영할 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템(100)을 이용하여 전기에너지와 열에너지를 선택적 또는 병행 생산하는 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템(100)의 운전은 풍속과 에너지 수요에 따라 발전기(114)에서 발전량을 조절하거나 유압펌프(133)와 교축밸브(136)의 제어를 통해 열에너지의 생산량을 조절할 수 있으며, 도 6은 풍속과 에너지 생산 방법을 예시적으로 나타낸 그래프이다.
본 발명은 풍속의 전구간에서 전기에너지 또는 열에너지를 선택적으로 생산할 수 있으며, 발전기(114)의 운전은 b풍속(컷인 풍속)을 시동풍속으로 하고, s지점부터 정격풍속 구간으로 하며, 강풍인 c풍속에서 블레이드 피치제어를 하며, d풍속(컷아웃 풍속)에서 안전을 위해 시스템을 정지시킨다.
정격풍속(s) 미만에서는 전력을 생산하기 위해 풍력발전장치(110)를 운전할 수 있으나 열변환장치(130)의 교축밸브(136)를 작동시켜 열에너지만을 선택적으로 생산할 수 있다.
열에너지 생산은 증속기(113) 또는 발전기(114)에 연결된 유압펌프(133)의 가압과 함께 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136)의 감압작용 시 유압의 압력에너지가 열에너지로 전이된다.
본 발명은 풍력과 유압의 유사한 파워특성으로 낮은 풍속에서도 열에너지 생산이 가능하며, 이는 풍차의 증속기(113) 또는 발전기(114)에 연결된 유압펌프(133)의 회전축(133a)과 교축밸브(136)의 토크가 유사한 특성으로 인해 낮은 풍속에서도 유압장치의 작동이 가능하므로 시동풍속(a)을 낮추어 에너지 생산효율이 높아지기 때문이다.
또한 정격풍속(s) 이상에서도 열에너지 생산과 전기에너지 생산을 선택적으로 할 수 있다. 열에너지 생산 시 발전기(114) 가동을 중단하고 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136)의 가동을 통해 열에너지를 생산할 수 있고, 전기에너지만을 선택적으로 생산하려면 오일의 흐름은 교축밸브(136)를 경유하지 않고 압력보상형 유량제어밸브(137)만 경유하므로 부하는 발전기(114)에만 전달된다.
또한 풍속구간(s∼d)는 풍력발전에서 전력 생산량이 가장 많고 안정된 구간으로 압력보상형 유량제어밸브(137)의 작동과 더불어 발전기(114)를 가동할 수 있다.
또한 강풍 시 피치제어 구간(c∼d)에서는 시스템의 안전을 위해 풍차 블레이드의 피치각을 제어하여 전력을 생산하는데 입력변동이 심한 풍력을 일정한 회전수로 작동하기는 어렵다. 따라서 블레이드 피치제어 직전 풍속(s)에서 압력보상형 유량제어밸브(137) 작동이 선행되고 블레이드 피치제어가 이루어지도록 설정하면 일정량의 오일 유량이 발전기(114)의 회전수를 제어하기 때문에 주파수(60Hz)가 일정한 양질의 전력을 생산할 수 있고 이는 곧바로 전력계통에 연결할 수 있는 장점이 있다. 이 구간에서 압력보상형 유량제어밸브(137)는 발전기(114)의 회전수를 제어할 뿐만 아니라 블레이드의 과회전 방지 등의 효과가 있으며 그 과정에서 열에너지까지 추가로 생산된다.
또한 정격풍속(s∼d) 구간에도 마찬가지로 전력과 열에너지를 선택적으로 생산할 수 있으며, 열에너지만 생산할 시 오일의 유압은 교축밸브(136)와 압력보상형 유량제어밸브(137)를 동시에 통과하고, 전기에너지만 생산할 시 발전기(114)의 가동과 동시에 압력보상형 유량제어밸브(137)가 가동된다.
본 발명에서 풍력열변환 시 고정 오리피스가 설치된 교축밸브(136)와 가변 오리피스가 설치된 압력보상형 유량제어밸브(137)의 변환점은 도 7에 도시한 바와 같이 정격풍속(s) 이하에서는 상기한 두 밸브가 작동하며, 정격풍속(s) 이상에서는 오일이 압력보상형 유량제어밸브(137)만으로 흐르는데 이렇게 교축밸브(136)의 관로를 차단하고 압력보상형 유량제어밸브(137)에 흐름을 주는 장치가 방향전환밸브(135)이다.
본 발명은 풍속의 전 과정에서 열에너지와 전기에너지를 선택적 또는 병행하여 생산할 수 있으며, 열변환장치(130)에서 발생된 압력손실은 열에너지로 전환된다.
한편, 본 발명의 구조물 설치에 있어 수평축 풍차시스템과 수직축 풍차시스템으로 나누어 볼 때, 수평축 풍차시스템에서는 풍차의 로터(111)가 결합되는 나셀(N)의 내부에 유압펌프(133), 제1 냉각기(141), 오일탱크(131), 오일열교환기(139), 열교환기(140) 등이 설치되고 지상부에는 순환펌프(144), 온수탱크(143), 전력저장부(115) 등이 설치되는 것이 바람직하며, 수직축 풍차시스템에서는 풍차의 로터(111)가 지상부에 있으므로 모든 장치가 지상부의 나셀(N)에 설치된다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 열병합 발전시스템 110: 풍력발전장치
111: 로터 112: 메인샤프트
113: 증속기 114: 발전기
115: 전력저장부 116: 전력변환기
117: 증속기 냉각팬 118: 발전기 냉각팬
130: 열변환장치 131: 오일탱크
132: 오일필터 133: 유압펌프
134: 릴리프밸브 135: 방향전환밸브
136: 교축밸브 137: 압력보상형 유량제어밸브
138: 체크밸브 139: 오일열교환기
140: 열교환기 141: 제1 냉각기
142: 제2 냉각기 143: 온수탱크
144: 순환펌프
111: 로터 112: 메인샤프트
113: 증속기 114: 발전기
115: 전력저장부 116: 전력변환기
117: 증속기 냉각팬 118: 발전기 냉각팬
130: 열변환장치 131: 오일탱크
132: 오일필터 133: 유압펌프
134: 릴리프밸브 135: 방향전환밸브
136: 교축밸브 137: 압력보상형 유량제어밸브
138: 체크밸브 139: 오일열교환기
140: 열교환기 141: 제1 냉각기
142: 제2 냉각기 143: 온수탱크
144: 순환펌프
Claims (9)
- 바람에 의해 회전되는 로터에 결합된 메인샤프트에 연결되어 상기 로터의 회전력을 증속시키는 증속기와, 상기 증속기에 연결되어 상기 증속기에서 전달된 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기를 구비한 풍력발전장치; 및
상기 발전기 또는 상기 증속기에 연결되며 상기 발전기 또는 상기 증속기에 의해 구동되어 오일을 공급하는 유압펌프와, 상기 증속기와 상기 발전기에서 발생된 열에 의해 가열된 냉매와 상기 유압펌프에서 공급된 오일을 열교환시키는 제1 냉각기와, 상기 유압펌프에 의해 이송되고 상기 제1 냉각기에서 가열된 오일을 내부에 설치된 고정 오리피스를 통해 압력을 강하하여 압력에너지를 열에너지로 변환시키는 교축밸브와, 상기 유압펌프에 의해 이송되고 상기 교축밸브를 통과한 오일과 내부에 수용된 냉각수를 열교환시키는 열교환기와, 상기 열교환기와 상기 유압펌프 사이에 마련되어 오일을 저장하는 오일탱크와, 상기 열교환기에서 가열된 냉각수를 저장하는 온수탱크를 구비한 열변환장치를 포함하는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 열변환장치는,
상기 열교환기의 내부에 마련되되 상기 교축밸브를 통과한 오일이 공급되며 상기 열교환기의 내부에 수용된 냉각수에 침지된 오일열교환기를 더 포함하며,
상기 오일열교환기에 공급된 오일은 상기 열교환기의 내부에 수용된 냉각수와 열교환하고 상기 유압펌프에 의해 상기 오일탱크로 이송되어 순환되는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 냉각기는,
상기 유압펌프에서 공급되는 오일이 이송되는 원형의 오일관; 및
상기 오일관에 결합되고 상호 이격되게 배치되며 냉매와 접촉되는 복수의 제1 냉각핀을 포함하는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 풍력발전장치는,
상기 증속기의 후방에 배치된 증속기 냉각팬; 및
상기 발전기의 전방 또는 후방 중 적어도 하나에 배치된 발전기 냉각팬을 더 포함하며,
상기 증속기 냉각팬과 상기 발전기 냉각팬에 의해 상기 증속기와 상기 발전기를 통과한 냉매와 상기 유압펌프에서 공급된 오일이 상기 제1 냉각기에서 열교환되는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제4항에 있어서,
나셀의 내부에는 상기 증속기와 상기 발전기를 감싸는 하우징이 배치되고,
상기 유압펌프는 상기 발전기에 연결되어 구동되며,
상기 제1 냉각기는 상기 나셀과 상기 하우징 사이에 형성된 제1 냉매유로에 마련되고 상기 하우징의 외주면을 감싸도록 배치되며,
상기 증속기 냉각팬과 상기 발전기 냉각팬에 의해 상기 증속기와 상기 발전기를 통과한 냉매는 상기 제1 냉매유로에 합류되어 상기 제1 냉각기에서 상기 유압펌프에서 공급된 오일과 열교환되는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제4항에 있어서,
나셀의 내부에는 상기 증속기와 상기 발전기 사이에 마련되어 상기 증속기와 상기 발전기를 상호 분리하는 격벽이 설치되며,
상기 유압펌프는 상기 증속기에 연결되어 구동되며,
상기 증속기 냉각팬에 의해 상기 증속기를 통과한 냉매는 제2 냉매유로를 통해 상기 유압펌프의 외벽에 결합된 복수의 제2 냉각핀에 접촉되고,
상기 제1 냉각기는 상기 발전기를 감싸도록 배치되며,
상기 발전기 냉각팬에 의해 상기 발전기를 통과한 냉매는 상기 제1 냉각기에서 상기 유압펌프에서 공급된 오일과 열교환되는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 발전기는,
나셀의 내부에 고정된 고정자; 및
상기 증속기에 연결된 발전기축에 결합되어 상기 고정자의 내부에서 회전되는 회전자를 포함하며,
상기 고정자와 상기 회전자에는 냉매가 통과할 수 있도록 복수의 유로가 형성된 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 풍력발전장치는,
상기 발전기에서 생산된 전력을 저장하는 전력저장부; 및
상기 발전기에서 생산된 전력이 상기 전력저장부에 저장가능하도록 변환시키는 전력변환기를 더 포함하며,
상기 열변환장치는,
상기 전력변환기의 내부에 마련되며 냉각수가 상기 전력변환기에서 발생된 열을 흡수하는 제2 냉각기; 및
상기 제2 냉각기에서 가열된 냉각수를 상기 열교환기로 공급하되, 상기 제2 냉각기와 상기 열교환기 사이에서 냉각수를 순환시키는 순환펌프를 더 포함하는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 열변환장치는,
상기 교축밸브의 후방에 배치되며, 상기 유압펌프에 의해 이송되는 오일을 내부에 설치된 가변 오리피스를 통해 오일 유량을 제어하는 압력보상형 유량제어밸브;
상기 유압펌프의 후방에 배치되며, 오일이 상기 교축밸브 및 상기 압력보상형 유량제어밸브로 공급되거나 상기 교축밸브를 거치지 않고 상기 압력보상형 유량제어밸브로 공급되게 하는 방향전환밸브;
상기 압력보상형 유량제어밸브의 후방에 설치되어 상기 교축밸브 및 상기 압력보상형 유량제어밸브의 작동으로 인한 압력강하에 따른 공동현상을 방지하는 체크밸브; 및
상기 유압펌프와 상기 교축밸브 사이에 마련되어 유압이 설정압력보다 높은 경우에 오일이 상기 오일탱크로 유입되게 하는 릴리프밸브를 더 포함하는 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210009974A KR102429086B1 (ko) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210009974A KR102429086B1 (ko) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20220108237A true KR20220108237A (ko) | 2022-08-03 |
| KR102429086B1 KR102429086B1 (ko) | 2022-08-05 |
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ID=82826747
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210009974A KR102429086B1 (ko) | 2021-01-25 | 2021-01-25 | 풍력을 이용한 전기-유압 연계 열병합 발전시스템 |
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| Country | Link |
|---|---|
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| KR20100026867A (ko) * | 2008-09-01 | 2010-03-10 | 두산중공업 주식회사 | 풍력 터빈 발전기의 냉각 시스템 |
| KR20100026866A (ko) * | 2008-09-01 | 2010-03-10 | 두산중공업 주식회사 | 풍력 발전 증속기용 냉각 윤활 시스템 |
| KR20100128187A (ko) * | 2009-05-27 | 2010-12-07 | 이용인 | 풍력을 이용한 유압식 열변환장치와 물탱크 수질 정화장치가 결합된 하이브리드 시스템 |
| KR20130050274A (ko) * | 2011-08-10 | 2013-05-15 | 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤 | 재생 에너지형 발전 장치 |
| KR20150022435A (ko) | 2013-08-23 | 2015-03-04 | 삼성중공업 주식회사 | 풍력발전기 |
-
2021
- 2021-01-25 KR KR1020210009974A patent/KR102429086B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| KR20100026867A (ko) * | 2008-09-01 | 2010-03-10 | 두산중공업 주식회사 | 풍력 터빈 발전기의 냉각 시스템 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR102429086B1 (ko) | 2022-08-05 |
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