WO2017099264A1 - 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템 - Google Patents

자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템 Download PDF

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박홍대
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파워테크주식회사
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    • Y02E70/00—Other energy conversion or management systems reducing GHG emissions
    • Y02E70/30—Systems combining energy storage with energy generation of non-fossil origin

Definitions

  • the present invention relates to a ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function, and more particularly, by concentrating the marine wind flowing through the left and right walls of the hull from the bow to the stern of the ship into a pipeline having the automatic opening and closing function.
  • the present invention relates to a ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function to maximize the efficiency of wind power generation and to secure a safe power by simultaneously operating two impellers (blades).
  • Wind turbines for ships can obtain stable and stable wind speed regardless of day gap or seasonal gap, compared to fixed wind power generation using natural wind.
  • Wind power generation is a technology that uses the aerodynamic characteristics of the kinetic energy of the air flow to rotate the rotor to convert it into mechanical energy and obtain electricity from the mechanical energy.
  • Wind power generation systems are classified according to the direction of rotational axis with respect to the ground.
  • the wind power generation systems are classified into horizontal axis wind turbines and vertical axis wind turbines.
  • Main components include rotor, which consists of blades and hubs, gearboxes that drive generators by increasing rotation, controllers that control generators and various safety devices, and hydraulic brakes.
  • Device, power control device, structure, air induction device and the like are being developed.
  • Ventilation fan driven by wind power is installed for ventilation of cargo hold and designed to supply air to the air inlet pipe 3 as much as the air exhausted from the cargo hold, and the air inlet pipe 3 is an air pipe connected from the bow of the ship to the stern part. Connected with (2).
  • the vessel is operated and the wind speed reaches a speed (wind speed of about 2 m / s or more) capable of driving the wind turbine vent fan 4, the air in the cargo hold is exhausted by the wind turbine vent fan 4, and a negative pressure is formed in the cargo hold.
  • this technology can drive the wind turbine vent fan 4 through the air line (2) connected from the bow to the stern of the ship, but there is a limit in producing power for generation.
  • the reason is that a plurality of wind turbine vent fans 4 installed inside the air pipelines 2 of the cargo hold decelerate the strength of the wind against the flow of air so that the wind turbine vent fans 4 have sufficient torque to drive the generator. Because you do not get.
  • the micro wind turbine (1) that is driven at low wind speed is installed at the inlet of the air line (2) located on the bow side of the ship, in order to obtain a smooth rotational force of the micro wind turbine (1), the rotor ( The exhaust port through which the wind passing through the turbine should be formed. However, since only the closed air line 2 is formed, the rotor cannot obtain sufficient rotational torque. .
  • the present invention has been made in order to solve the above problems, more specifically, while installing a pipeline with a plurality of impellers built from the bow of the ship to the stern, the pipeline flows along the hull left and right walls
  • the impeller By constructing the impeller to obtain sufficient rotation torque through a number of switchgear to concentrate the wind, it has a pipeline with automatic opening and closing function that maximizes the efficiency of wind power generation and secures stable power for ship wind turbines. It is an object to provide a marine wind power generation system used.
  • the system having a predetermined size is installed from left to right from the bow of the ship, connected to the open air channel 110 A first / second pipeline (100a, 100b) in which a plurality of impellers are built; At least one air inlet for controlling wind supplied to a plurality of impellers mounted inside the pipeline by concentrating offshore winds flowing along the left and right walls of the hull outside the first and second pipelines 100a and 100b.
  • a gearbox 400 having a gearbox 440;
  • a plurality of generators 500 connected to the power generation bevel gear 420 of the speed increaser 400 and converting mechanical rotational energy of the plurality of impellers 300 into electrical energy;
  • It includes a plurality of power conversion control device 600 having a battery 610 for charging the power generated by the plurality of generators 500 to DC power and an inverter 620 for converting the power of the battery into AC power It provides a marine wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function.
  • the front inlet 101 of the first / second pipeline (100a, 100b), the air flow path 110 of the first / second pipeline for smooth inflow of offshore wind coming to the front of the ship 1.5 times of the outlet, the middle portion is made more than twice the size of the distribution path 102 is characterized in that the front inlet has a structure that is more wider than the air distribution passage.
  • the plurality of automatic opening and closing device 200 has a waterproof function, it is characterized in that the automatic opening and closing at a remote location by the control of the solenoid valve 230.
  • the plurality of impellers 300 may include a speed limit 330 or a wheel lock function having an automatic rotation control switching function to control the rated speed and the maximum allowable rotational speed. It is characterized in that it is stably interrupted by the device 340.
  • FIG. 1 is a view showing a marine wind power generation system according to the prior art
  • FIG. 2 is a view schematically showing the overall configuration of a marine wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function in a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view showing a detailed configuration for a ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a view showing the detailed configuration of the pipeline, automatic switchgear, impeller and peripheral device for a ship wind power generation system using a pipeline having an automatic switching function according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a view showing a speed increase apparatus for a ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a power conversion control apparatus for a ship wind power generation system using a pipeline having an automatic switching function according to an embodiment of the present invention.
  • the technical solution of the ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function according to a preferred embodiment of the present invention, the first / second pipeline (First / second pipeline, 100a , 100b), a plurality of automatic opening and closing device 200, a plurality of impeller (300, Impeller), gearbox 400, gear box, generator 500 and the power conversion control device 600.
  • first / second pipeline First / second pipeline, 100a , 100b
  • a plurality of automatic opening and closing device 200 a plurality of impeller (300, Impeller), gearbox 400, gear box, generator 500 and the power conversion control device 600.
  • the first / second pipelines 100a and 100b are means for flowing air into and out of a ship wind power generation system.
  • the front entrance 101 of the first and second pipelines 100a and 100b may be used for the smooth inflow of offshore wind to the front of the ship.
  • the size of the middle portion of the distribution path 102 is more than twice the size of the front inlet is characterized in that it has a structure wider than the outside of the air flow passage .
  • the plurality of automatic switchgear 200 is a means for controlling the sea breeze flowing into the first / second pipeline (100a, 100b), the plurality of The automatic opening and closing device 200 is installed outside the first and second pipelines 100a and 100b, and is supplied to a plurality of impellers mounted inside the pipeline by concentrating offshore winds flowing along the left and right walls of the hull. It has one or more air inlet 210 and air outlet 220 to control the wind.
  • the plurality of automatic opening and closing device 200 has a waterproof function, even at a remote location (eg, captain's room) by the control of the solenoid valve 230. It can be opened and closed automatically.
  • the solenoid valve 230 is installed as much as the plurality of automatic switchgear 200 to perform the opening and closing function for each of the plurality of automatic switchgear 200.
  • the plurality of automatic opening and closing device 200 is configured, the front and the left and right walls of the vessel through a plurality of automatic opening and closing device 200 built on the outside of the first / second pipeline
  • the pipeline inlet of the marine wind power generation system that is, the waste wind used in the first impeller, is reused at the exit.
  • the waste wind used in the first is repeated in the next impeller.
  • the marine wind is introduced into the next impeller through the second automatic opening and closing device among the plurality of automatic opening and closing devices 200, thereby generating a high rotational inertia force for the plurality of impellers, thereby greatly increasing the power generation efficiency.
  • This approach is intended to eliminate the load on the ship engine by driving the plurality of impellers.
  • the plurality of automatic switchgear 200 built in the first / second pipeline (100a, 100b) is provided with a waterproof function, as well as a solenoid valve for each of the plurality of automatic switchgear in the remote ( 230) and these solenoid valves can be opened and closed automatically to reliably protect the wind power generation system from salinity when operating the sea with high waves.
  • the plurality of impellers 300 are means for obtaining rotational force of wind power generation, and the air distribution path 110 of the first and second pipelines 100a and 100b. And it has a rotating blade (Blade, 310) to obtain a rotating torque by the sea breeze flowing in and out through the plurality of automatic opening and closing device 200 and the hub (Hub, 320) for supporting the rotating blade.
  • the plurality of impellers 300 are converted into mechanical rotational energy which is converted into lift and rotated, and the rotational force is the rated rotational speed of the generator 500 through the speed increaser 400. Drive the generator after increasing the speed.
  • the plurality of impeller 300, the speed limit having a torque limit (Torque Limit, 330) or wheel lock (Wheel Lock) function having an automatic rotation control switching function to control the rated and the maximum allowable rotational speed It is characterized in that it is stably interrupted by the prevention device (340).
  • torque limit 330 and the speed limiting device 340 are well known and thus will not be described further.
  • the gearbox 400 is a means for increasing the low speed rotation speed of the plurality of impellers 300 to match the rotation frequency characteristics of the generator 500.
  • a driving bevel gear 430 connected to one side of a shaft 410 and a coupling 420 and a driving bevel gear vertically intersecting with the driving bevel gear 440 for connecting and separating the two impellers 300 are engaged with each other.
  • the rotational force on the output side of the speed increaser 400 may be transmitted to the generator shaft through the rotational force limiting coupling.
  • the plurality of generators 500 are means for converting mechanical rotational energy of the plurality of impellers 300 into electrical energy, and power generation bevels of the speed increaser 400. Is connected to the gear 420.
  • the generator 500 uses a synchronous generator and an induction generator as a device for converting mechanical rotational energy obtained by the rotation of the plurality of impellers 300 into electrical energy.
  • the generator is directly connected to a plurality of impellers through the speed increaser 400 and installed in a nacelle.
  • a synchronous generator and an induction generator are used.
  • an induction generator is usually used due to the characteristics of wind power, and a variable pole converter is used to increase efficiency.
  • the temperature sensor is installed in the winding to detect the temperature of the generator, and the cooling of the generator is cooled by air or water by a fan. And the voltage produced by the generator is converted by the transformer is connected to the power system for ships.
  • the plurality of power conversion control apparatus 600 converts and stores DC power into AC power, and refers to an overcharge and overdischarge protection device.
  • the inverter 620 performs a function of automatically controlling overcharge and overdischarge of the battery 610.
  • the DC power generated by the plurality of generators 500 is transmitted to the plurality of power converter 600, the input terminal of the inverter 620 can be used as the DC power required for the vessel and the inverter 620 The output terminal of can be used as AC power required for ship.
  • the ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function As such, the ship wind power generation system using a pipeline having an automatic opening and closing function according to a preferred embodiment of the present invention, the plurality of automatic opening and closing device 200 built in the first / second pipeline (100a, 100b)
  • the waste wind used at the pipeline inlet of the ship wind power generation system is reused at the outlet to generate a high rotational inertia force for the plurality of impeller Power generation efficiency can be greatly increased.
  • the wind power generation system when operating the sea with high waves can be stably protected from salt.
  • the connection and separation through the shaft 410 and the coupling 420 to connect and disconnect the plurality of impeller 300 it is easy to repair when a plurality of impeller failure, and selectively select a plurality of impeller It is possible to operate.
  • a torque limit (330) or an overspeed prevention device 340 to control the rated and maximum allowable rotational speed for a plurality of impeller 300, the rotation between the low-speed rotation of the impeller and the high-speed rotation of the generator Synchronizing the number (Synchronizing) has a characteristic that has a unique effect that can be developed stably.
  • middle part distribution path 110 air distribution path

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Abstract

본 발명은 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 선박용 풍력발전 시스템에 있어서, 상기 시스템은, 일정한 규격을 갖고 선박의 선수에서 선미까지 좌우에 설치되되, 개방된 공기 유통로(110)와 연결되며 다수개의 임펠러가 내장 되는 제1/제2 파이프라인(First/second Pipeline, 100a,100b)과; 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b) 외부에는 선체의 좌우 벽을 타고 유동하는 해상풍을 집중시켜 파이프라인 내부에 장착된 다수개의 임펠러에 공급되는 바람을 단속하기 위한 한 개 이상의 공기유입구(210)와 공기유출구(220)를 갖는 다수개의 자동개폐장치(200)와; 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 공기 유통로(110)와 상기 다수개의 자동개폐장치(200)를 통해 유입 유출되는 해상풍에 의해 회전토크를 얻는 회전날개(310, Blade) 및 상기 회전날개를 지지하는 허브(320, Hub)를 갖는 다수개의 임펠러(Impeller, 300)와; 상기 다수개의 임펠러(300)를 연결하고 분리시키는 샤프트(410) 및 커플링(420)의 일측과 연결된 구동용 베벨기어(430)와 상기 구동용 베벨기어와 수직으로 교차되어 맞물리는 발전용 베벨기어(440)를 갖는 증속장치(400)와; 상기 증속장치(400)의 발전용 베벨기어(420)와 연결되며 상기 다수개의 임펠러(300)의 기계적인 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 다수개의 발전기(500)와; 상기 발전기(500)에서 발전된 전력을 DC전력으로 충전하는 배터리(610)와 상기 배터리의 전력을 AC전력으로 변환시키는 인버터(620)를 구비하는 다수개의 전력변환제어장치(600)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 선박용 풍력발전기에 대한 풍력발전 효율성을 극대화할 수 있고 안정적인 전력을 확보할 수 있는 효과가 있다.

Description

자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템
본 발명은 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 선수에서 선미까지 선체 좌우 벽을 타고 흐르는 해상풍을 자동개폐기능을 갖는 파이프라인 내로 집중시켜 다수개의 임펠러(Impeller; blade)를 동시에 가동시킴으로써, 풍력발전의 효율성 극대화 및 안전적인 전력을 확보할 수 있도록 하도록 한 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
최근 선박용 풍력발전사업화가 날로 발전하고 있다. 운항하는 선박용 풍력발전은 자연바람을 이용하는 고정식 풍력발전에 비해 일 격차나 계절 격차에 관계없이 풍속이 일정하고 안정된 바람을 얻을 수 있다.
풍력발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(Aerodynamic) 특성을 이용하여 회전자(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기술이다.
풍력발전시스템은 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 분류되는데, 크게 수평축 풍력발전 시스템(Horizontal Axis Wind Turbine)과 수직축 풍력발전 시스템(Vertical Axis Wind Turbine)으로 구분된다. 주요 구성요소로는 날개(Blade)와 허브(Hub)로 구성된 회전자(Rotor), 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속장치(Gear Box), 발전기 및 각종 안전장치를 제어하는 제어장치, 유압 브레이크 장치, 전력 제어 장치, 구조물, 공기유도장치 등으로 이루어진다. 이러한 주요 구성요소들을 이용하여 선박용 풍력발전 시스템을 구현한 다양한 기술들이 개발되고 있다.
그 일례로, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0064479호의 풍력터빈환풍팬을 이용한 에너지절감형 선박(The Method of Energy Saving and Power Generation using Wind Turbine Ventilation Fan in Ships) 기술에 의하면, ??선박의 화물창 환기를 위해서 풍력으로 구동되는 환풍팬을 설치하고 화물창에서 배기된 공기만큼 공기유입관로(3)를 공기가 공급되도록 고안되었으며, 공기유입관로(3)는 선박의 선수에서 선미부까지 연결된 공기관로(2)와 연결된다. 선박이 운항하고 풍속이 풍력터빈환풍팬(4)을 구동할 수 있는 속도 (약 2m/s 이상의 풍속)가 되면, 풍력터빈환풍팬(4)에 의해 화물창 내의 공기가 배기되고 화물창에는 부압이 형성되며 선박의 운항속도에 의해 공기관로(2) 입구에는 충분한 동압이 형성되어 공기가 공기관로(2)를 따라 공기유입관로(3)로 들어오고 환풍팬을 따라 배기된다. 또한 공기관로(2) 입구에 마이크로 풍력터빈(1)을 설치하여 추가로 전력을 생산한다.??라고 기술되어 있다(도 1 참조).
그러나 이 기술은 선박의 선수에서 선미부까지 연결된 공기관로(2)를 통해 풍력터빈환풍팬(4)을 구동할 수 있으나, 발전용 전력을 생산하는데 한계가 있다. 그 이유는 화물창의 공기관로(2) 내부에 설치된 다수개의 풍력터빈환풍팬(4)들은 공기의 흐름에 대한 바람의 세기를 감속시켜 풍력터빈환풍팬(4)들이 발전기를 구동시킬만큼 충분한 회전력을 얻지 못하기 때문이다. 그리고 이 기술에서는 저풍속에도 구동하는 마이크로풍력터빈(1)이 선박의 선수쪽에 위치한 공기관로(2) 입구에 설치되어 있으나, 마이크로풍력터빈(1)이 원활한 회전력을 얻을 수 있도록 하기 위해서는 회전자(터빈)를 통과한 바람이 빠져나가는 배기구가 형성되어 있어야 하는데 폐쇄된 공기관로(2)만이 형성되어 있기 때문에 회전자가 충분한 회전토크를 얻을 수 없기 때문에 원하는 선박용 발전전력을 얻을 수 없는 문제점이 여전히 남아 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 더욱 상세하게는, 선박의 선수에서 선미까지 다수개의 임펠러가 내장된 파이프라인을 설치하되, 파이프라인에는 선체 좌우 벽을 타고 유동하는 해상풍을 집중시키기 위한 다수개의 개폐장치를 통해 임펠러가 충분한 회전토크를 얻을 수 있도록 구성함으로써, 선박용 풍력발전기에 대한 풍력발전의 효율성 극대화 및 안정적인 전력을 확보할 수 있도록 한 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 선박용 풍력발전 시스템에 있어서, 상기 시스템은, 일정한 규격을 갖고 선박의 선수에서 선미까지 좌우에 설치되되, 개방된 공기 유통로(110)와 연결되며 다수개의 임펠러가 내장되는 제1/제2 파이프라인(First/second Pipeline, 100a,100b)과; 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b) 외부에는 선체의 좌우 벽을 타고 유동하는 해상풍을 집중시켜 파이프라인 내부에 장착된 다수개의 임펠러에 공급되는 바람을 단속하기 위한 한 개 이상의 공기유입구(210)와 공기유출구(220)를 갖는 다수개의 자동개폐장치(200)와; 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 공기 유통로(110)와 상기 다수개의 자동개폐장치(200)를 통해 유입 유출되는 해상풍에 의해 회전토크를 얻는 회전날개(310, Blade) 및 상기 회전날개를 지지하는 허브(320, Hub)를 갖는 다수개의 임펠러(Impeller, 300)와; 상기 다수개의 임펠러(300)를 연결하고 분리시키는 샤프트(410) 및 커플링(420)의 일측과 연결된 구동용 베벨기어(430)와 상기 구동용 베벨기어와 수직으로 교차되어 맞물리는 발전용 베벨기어(440)를 갖는 증속장치(Gear Box, 400)와; 상기 증속장치(400)의 발전용 베벨기어(420)와 연결되며 상기 다수개의 임펠러(300)의 기계적인 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 다수개의 발전기(500)와; 상기 다수개의 발전기(500)에서 발전된 전력을 DC전력으로 충전하는 배터리(610)와 상기 배터리의 전력을 AC전력으로 변환시키는 인버터(620)를 구비하는 다수개의 전력변환제어장치(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동개폐기능을 갖는 관로를 이용한 선박 풍력발전 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 정면입구(101)는, 선박 전면으로 다가오는 해상풍의 원활한 유입을 위해 상기 제1/제2 파이프라인의 공기 유통로(110) 출구의 1.5배, 중간부분 유통로(102)보다 2배 이상 크기로 제작되어 상기 정면입구가 공기 유통로 보다 외측으로 더 벌어진 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다수개의 자동개폐장치(200)는, 방수기능을 갖고 솔레노이드 밸브(230)의 단속에 의해 원격지에서도 자동적으로 개폐 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다수개의 임펠러(Impeller, 300)는, 정격 및 허용최대회전수를 단속하는 자동회전제어스위칭 기능을 갖는 토크 리미트(Torque Limit, 330) 혹은 휠락(Wheel Lock) 기능을 갖는 과속방지장치(340)에 의해 안정적으로 단속되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 제1/제2 파이프라인에 구축된 다수개의 자동개폐장치를 통해 선박 전면에서 불어오는 해상풍을 조절하여 다수개의 임펠러를 구동시킴으로써, 선박용 풍력발전시스템의 파이프라인 입구에서 사용된 폐바람이 출구에서 재사용되어 다수개의 임펠러에 대한 높은 회전관성력을 발생시켜 발전효율을 크게 높일 수 있다.
(2) 제1/제2 파이프라인에 구축된 방수기능을 갖는 다수개의 자동개폐장치를 원격지에서도 개폐가 가능하도록 함으로써, 파도가 높은 바다를 운항할 시 풍력발전 시스템을 염분으로부터 안정적으로 보호할 수 있다.
(3) 다수개의 임펠러를 연결하고 분리시키는 샤프트와 커플링을 통해 연결 및 분리가 가능하도록 함으로써, 다수개의 임펠러가 고장 시 수리가 용이할 뿐만 아니라 사용자가 다수개의 임펠러를 선별적으로 운용 가능하다.
(4) 다수개의 임펠러에 대한 정격 및 최대허용회전수를 단속하는 토크 리미트(Torque Limit) 혹은 과속방지장치를 구성함으로써, 임펠러의 저속회전수와 발전기의 고속회전수 간의 회전수를 동기화(Synchronizing)시켜 안정적으로 발전 전력을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 대한 선박용 풍력발전시스템을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 대한 세부 구성을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 대한 파이프라인, 자동개폐장치, 임펠러 및 주변장치 등의 세부 구성을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 대한 증속장치를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템에 대한 전력변환제어장치를 나타낸 도면
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템의 기술적 해결수단은, 제1/제2 파이프라인(First/second Pipeline, 100a,100b), 다수개의 자동개폐장치(200), 다수개의 임펠러(300,Impeller), 증속장치(400, Gear Box), 발전기(500) 및 전력변환제어장치(600)로 이루어진다.
먼저 도 2 내지 도 3을 참조하여, 상기 제1/제2 파이프라인(First/second Pipeline, 100a,100b)은, 선박용 풍력발전 시스템에 공기를 유입 유출시키기 위한 수단으로, 일정한 규격을 갖는 원형파이프, 혹은 닥트로 제작 가능하고 선박의 선수에서 선미까지 좌우로 설치되며, 다수개의 임펠러를 내장할 수 있도록 하기 위하여 개방된 공기 유통로(110)를 갖는다.
여기서 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 정면입구(101)는, 선박 전면으로 다가오는 해상풍의 원활한 유입을 위해 상기 제1/제2 파이프라인의 공기 유통로(110) 출구의 1.5배 크기, 중간부분 유통로(102) 보다는 2배 이상 크기로 제작되어 상기 정면입구가 공기 유통로 보다 외측으로 더 벌어진 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
다음은 도 2 내지 도 4를 참조하여, 상기 다수개의 자동개폐장치(200)는, 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)으로 유입되는 해상풍을 단속하기 위한 수단으로, 상기 다수개의 자동개폐장치(200)는 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b) 외부에 설치되며, 선체의 좌우 벽을 타고 유동하는 해상풍을 집중시켜 파이프라인 내부에 장착된 다수개의 임펠러에 공급되는 바람을 단속하기 위하여 한 개 이상의 공기유입구(210)와 공기유출구(220)를 갖는다.
여기서 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 다수개의 자동개폐장치(200)는, 방수기능을 갖고 솔레노이드 밸브(230)의 단속에 의해 원격지(예를 들어, 선장실)에서도 자동적으로 개폐 가능한 것을 특징으로 한다. 또한 상기 솔레노이드 밸브(230)는 상기 다수개의 자동개폐장치(200)만큼 설치되어 상기 다수개의 자동개폐장치(200) 각각에 대하여 개폐 기능을 수행하도록 한다.
이와 같이 본 발명의 실시 예에서, 상기 다수개의 자동개폐장치(200)를 구성한 것은, 제1/제2 파이프라인의 외부에 구축된 다수개의 자동개폐장치(200)를 통해 선박 전면과 선박 좌우 벽을 타고 유입되는 해상풍을 조절하여 다수개의 임펠러를 구동시킴으로써, 선박용 풍력발전시스템의 파이프라인 입구, 즉 첫 번째 임펠러에서 사용된 폐바람이 빠져나가는 출구에서 재사용된다. 다시 말해서 첫 번째에서 사용된 폐바람이 다음 번째 임펠러에 재사용되는 방식을 반복한다. 이때 다음 번째 임펠러에는 상기 다수개의 자동개폐장치(200) 중에서 두 번째 자동개폐장치를 통해 해상풍이 동시에 유입됨으로써, 다수개의 임펠러에 대한 높은 회전관성력을 발생시켜 발전효율을 크게 높일 수 있다. 이러한 방식을 채택한 것은 상기 다수개의 임펠러를 구동시킴으로써 선박 엔진에 부하가 걸리는 것을 해소하고자 한 것이다.
또한, 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)에 구축된 다수개의 자동개폐장치(200)에는 방수기능이 구비되어 있음은 물론, 원격지에서도 상기 다수개의 자동개폐장치 각각에 대하여 솔레노이드 밸브(230)가 장착되어 있고 이들 솔레노이드 밸브를 단속하여 자동적으로 개폐가 가능함으로써, 파도가 높은 바다를 운항할 시 풍력발전시스템을 염분으로부터 안정적으로 보호할 수 있다.
또한 도 2 내지 도 4를 참조하여, 상기 다수개의 임펠러(Impeller, 300)는, 풍력발전의 회전력을 얻는 수단으로, 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 공기 유통로(110)와 상기 다수개의 자동개폐장치(200)를 통해 유입 유출되는 해상풍에 의해 회전토크를 얻는 회전날개(Blade, 310) 및 상기 회전날개를 지지하는 허브(Hub, 320)를 갖는다.
여기서 도 4를 참조하면, 상기 다수개의 임펠러(Impeller, 300)는, 양력으로 변환시켜 회전시키는 기계적인 회전에너지로 변환하는데 이 회전력이 증속장치(400)를 통하여 발전기(500)의 정격회전수로 증속한 후 발전기를 구동시킨다.
그리고 본 발명의 실시 예에서는 상기 다수개의 임펠러(300)는, 정격 및 허용최대회전수를 단속하는 자동회전제어스위칭 기능을 갖는 토크 리미트(Torque Limit, 330) 혹은 휠락(Wheel Lock) 기능을 갖는 과속방지장치(340)에 의해 안정적으로 단속되는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 토크 리미트(Torque Limit, 330) 및 과속방지장치(340)는 공지사실이므로 더 이상의 언급은 하지 않는다.
또한 도 3 내지 도 5를 참조하여, 상기 증속장치(Gear Box, 400)는, 상기 다수개의 임펠러(300)의 저속 회전수를 증속하여 발전기(500)의 회전주파수 특성에 맞추는 수단으로, 상기 다수개의 임펠러(300)를 연결하고 분리시키는 샤프트(410) 및 커플링(420)의 일측과 연결된 구동용 베벨기어(430)와 상기 구동용 베벨기어와 수직으로 교차되어 맞물리는 발전용 베벨기어(440)를 갖는다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 증속장치(400) 출력측의 회전력은, 회전력 제한 커플링을 통해 발전기축으로 전달될 수 있다.
또한 도 3 내지 도 5를 참조하여, 상기 다수개의 발전기(500)는, 상기 다수개의 임펠러(300)의 기계적인 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 수단으로, 상기 증속장치(400)의 발전용 베벨기어(420)와 연결된다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 발전기(500)는, 상기 다수개의 임펠러(300)의 회전에 의해 얻어진 기계적인 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서 동기발전기와 유도발전기가 사용된다. 일반적으로 발전기는 증속장치(400)를 개입시켜 다수개의 임펠러에 직결시켜 나셀(Nacelle) 내에 설치된다. 발전기는 동기 발전기와 유도 발전기가 사용되는데 본 발명에서는 통상 풍력의 특성상 유도 발전기가 사용되어지고 효율을 높이기 위해 가변극수 변환장치 등이 이용된다. 또한 발전기의 온도를 감지하고자 권선 내에 온도센서가 설치되어 있고 발전기의 냉각은 팬에 의해 공기나 물 등으로 냉각되어 진다. 그리고 발전기에서 생산된 전압은 변압기에 의해 변환되어 선박용 전력계통에 연계된다.
그리고 도 3과 도 4 및 도 6을 참조하여, 상기 다수개의 전력변환제어장치(600)는, DC전력을 AC전력으로 변환하고 저장하며 과충전 및 과방전 보호장치를 말하며, 상기 발전기(500)에서 발전된 전력을 DC전력으로 충전하는 배터리(610)와 상기 배터리의 전력을 AC전력으로 변환시키는 인버터(620)를 구비한다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 인버터(620)에는 상기 배터리(610)에서 과충전 및 과방전 되는 것을 자동적으로 제어하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 다수개의 발전기(500)에서 발전된 DC전력은 상기 다수개의 전력변환장치(600)로 전송되되, 상기 인버터(620)의 입력단자는 선박에 필요한 DC전력으로 사용 가능하고 상기 인버터(620)의 출력단자는 선박에 필요한 AC전력으로 사용 가능하다.
이와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템은, 제1/제2 파이프라인(100a,100b)에 구축된 다수개의 자동개폐장치(200)를 통해 선박 전면에서 불어오는 해상풍을 조절하여 다수개의 임펠러(300)를 구동시킴으로써, 선박용 풍력발전시스템의 파이프라인 입구에서 사용된 폐바람이 출구에서 재사용되어 다수개의 임펠러에 대한 높은 회전관성력을 발생시켜 발전효율을 크게 높일 수 있다. 또한, 상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)에 구축된 방수기능을 갖는 다수개의 자동개폐장치(200)를 원격지에서도 개폐가 가능하도록 함으로써, 파도가 높은 바다를 운항할 시 풍력발전 시스템을 염분으로부터 안정적으로 보호할 수 있다. 또한, 다수개의 임펠러(300)를 연결하고 분리시키는 샤프트(410) 및 커플링(420)을 통해 연결 및 분리가 가능하도록 함으로써, 다수개의 임펠러가 고장 시 수리가 용이하고 다수개의 임펠러를 선별적으로 운용 가능하다. 그리고 다수개의 임펠러(300)에 대한 정격 및 최대허용회전수를 단속하는 토크 리미트(Torque Limit, 330) 혹은 과속방지장치(340)를 구성함으로써, 임펠러의 저속회전수와 발전기의 고속회전수 간의 회전수를 동기화(Synchronizing)시켜 안정적으로 발전을 할 수 있는 독특한 작용효과를 갖는 특징이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
<부호의 설명>
100a,100b : 제1/제2 파이프라인 101 : 정면입구
102 : 중간부분 유통로 110 : 공기 유통로
200 : 다수개의 자동개폐장치 210 : 공기유입구
220 : 공기유출구 230 : 솔레노이드 밸브
300 : 다수개의 임펠러 310 : 회전날개
320 : 허브 330 : 토크 리미트
340 : 과속방지장치 400 : 증속장치
410 : 샤프트 420 : 커플링
430 : 구동용 베벨기어 440 : 발전용 베벨기어
500 : 다수개의 발전기
600 : 다수개의 전력변환제어장치
610 : 배터리 620 : 인버터

Claims (4)

  1. 선박용 풍력발전 시스템에 있어서,
    상기 시스템은, 일정한 규격을 갖고 선박의 선수에서 선미까지 좌우에 설치되되, 개방된 공기 유통로(110)와 연결되며 다수개의 임펠러가 내장 되는 제1/제2 파이프라인(First/second Pipeline, 100a,100b)과;
    상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b) 외부에는 선체의 좌우 벽을 타고 유동하는 해상풍을 집중시켜 파이프라인 내부에 장착된 다수개의 임펠러에 공급되는 바람을 단속하기 위한 한 개 이상의 공기유입구(210)와 공기유출구(220)를 갖는 다수개의 자동개폐장치(200)와;
    상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 공기 유통로(110)와 상기 다수개의 자동개폐장치(200)를 통해 유입 유출되는 해상풍에 의해 회전토크를 얻는 회전날개(310, Blade) 및 상기 회전날개를 지지하는 허브(320, Hub)를 갖는 다수개의 임펠러(Impeller, 300)와;
    상기 다수개의 임펠러(300)를 연결하고 분리시키는 샤프트(410) 및 커플링(420)의 일측과 연결된 구동용 베벨기어(430)와 상기 구동용 베벨기어와 수직으로 교차되어 맞물리는 발전용 베벨기어(440)를 갖는 증속장치(Gear Box, 400)와;
    상기 증속장치(400)의 발전용 베벨기어(420)와 연결되며 상기 다수개의 임펠러(300)의 기계적인 회전에너지를 전기에너지로 전환하는 다수개의 발전기(500)와;
    상기 발전기(500)에서 발전된 전력을 DC전력으로 충전하는 배터리(610)와 상기 배터리의 전력을 AC전력으로 변환시키는 인버터(620)를 구비하는 다수개의 전력변환제어장치(600)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1/제2 파이프라인(100a,100b)의 정면입구(101)는, 선박 전면으로 다가오는 해상풍의 원활한 유입을 위해 상기 제1/제2 파이프라인의 공기 유통로(110) 출구의 1.5배, 중간부분 유통로(102)보다 2배 이상 크기로 제작되어 상기 정면입구가 공기 유통로 보다 외측으로 더 벌어진 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수개의 자동개폐장치(200)는, 방수기능을 갖고 솔레노이드 밸브(230)의 단속에 의해 원격지에서도 자동적으로 개폐 가능한 것을 특징으로 하는 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다수개의 임펠러(300,Impeller)는, 정격 및 허용최대회전수를 단속하는 자동회전제어스위칭 기능을 갖는 토크 리미트(Torque Limit, 330) 혹은 휠락(Wheel Lock) 기능을 갖는 과속방지장치(340)에 의해 안정적으로 단속되는 것을 특징으로 하는 자동개폐기능을 갖는 파이프라인을 이용한 선박 풍력발전 시스템.
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