KR101515377B1 - 수직축 풍력발전 장치 - Google Patents

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KR101515377B1 KR1020140009440A KR20140009440A KR101515377B1 KR 101515377 B1 KR101515377 B1 KR 101515377B1 KR 1020140009440 A KR1020140009440 A KR 1020140009440A KR 20140009440 A KR20140009440 A KR 20140009440A KR 101515377 B1 KR101515377 B1 KR 101515377B1
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박기택
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디에치이앤이 (주)
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Abstract

최대 효율로 전력을 안정적으로 생성할 수 있는 수직축 풍력발전 장치는 복수의 블레이드들, 메인 회전모듈, 발전 모듈, 회전 피치각 변경모듈, 풍향 감지센서 및 제어 모듈을 포함한다. 블레이드들은 메인 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 메인 회전모듈은 외부의 풍력에 의해 블레이드들이 원주를 따라 이동하여 메인 회전축을 중심으로 회전되며, 발전 모듈은 메인 회전모듈의 회전 동력에 의해 3상의 메인 전력을 생성한다. 회전 피치각 변경모듈은 블레이드들이 원주를 따라 이동할 때, 메인 회전축에서 편심 방향으로 이격되어 형성된 편심 회전축에 의한 회전을 통해, 블레이드 회전 피치각을 변경시킨다. 풍향 감지센서는 바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성하고, 제어 모듈은 메인 제어부 및 제어전력 생성부를 포함한다. 메인 제어부는 연속 반복되는 기준 구간 내에서 풍향 정보를 기준 시간마다 제공받고, 기준 시간마다 제공된 풍향 정보들을 이용하여 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성하며, 이를 이용하여 기준 구간마다 회전 피치각 변경모듈에서의 편심 방향을 제어한다.

Description

수직축 풍력발전 장치{VERTICAL AXIS WIND TURBINE}
본 발명은 수직축 풍력발전 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블레이드의 회전 피치각을 변경할 수 있는 수직축 풍력발전 장치에 관한 것이다.
통상적으로 풍력발전 장치는 풍차(windmill)라고 불리며, 이는 회전축을 통한 기계적인 힘을 이용해 전력을 생산하기 위해 사용되는 장치이다. 이러한 풍력발전 장치는 프로펠러 방식의 로터를 사용하는 수평축 풍력발전 장치(horizontal axis wind turbine)와 블레이드가 회전축 방향을 따라 수직하게 배치된 수직축 풍력발전 장치(vertical axis wind turbine)로 구별된다.
한편, 수직축 풍력발전 장치는 바람의 양력을 이용하는 다리우스(Darrius) 방식과, 바람의 항력을 이용하는 사보니우스(Savonius) 방식으로 구별될 수 있다. 이때, 다리우스 방식의 경우에는 발전기의 출력이 약하고, 초기에 스스로 기동하지 못하여 보조적인 1회전 동력 장치가 필요하다는 문제가 있다. 반면, 사보니우스 방식의 경우에는 바람의 항력을 이용하므로 회전속도가 바람의 속도보다는 높을 수 없어 회전축의 회전수에 제한을 받고, 이로 인해 회전수가 낮은 풍력 동력기로 주로 사용되고 있다.
따라서, 수직축 풍력발전 장치의 약점인 낮은 효율 등을 극복하기 위해서 최근에 많은 연구가 이루어지고 있다. 예를 들면, 블레이드의 설계, 구조, 조립방식 등을 개선하거나, 지지 구조물 및 블레이드를 부착하는 방식을 개선하기도 하며, 블레이드의 피치각 제어 시스템을 개선하여 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식을 사용하기도 한다. 특히, 블레이드 피치각 제어을 통해 블레이드의 각속도를 일정하게 하는 방식과 관련된 선행문헌으로, 미국 등록특허(US 4,299,537)와 한국 등록특허(KR 0490683) 등을 들 수 있다.
우선, 미국 등록특허(US 4,299,537)에는, 풍속에 따라 스프링의 휘어지는 정도가 변경되어 블레이드의 회전 피치각이 조절되는 구조가 개시되어 있다. 이어서, 국내 등록특허(KR 0490683)에는, 풍속의 변화에 대응하여 회전체를 가이드 레일을 따라 병진 운동을 하여 블레이드의 회전 피치각을 변화시킴으로써 일정한 회전력을 얻을 수 있는 구조가 개시되어 있다.
그러나, 상기 미국 등록특허(US 4,299,537)에서의 구조는 스프링의 휘어짐을 통해 블레이드의 회전 피치각이 조절됨에 따라, 스프링의 불안정성, 내구성 등의 문제로 장기간 사용하기가 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 국내 등록특허(KR 0490683)에서의 구조는 풍속에 따라 회전체를 가이드 레일을 따라 병진 운동시킴에 따라, 병진 운동에 항시 구동력을 제공해야할 뿐만 아니라 과도한 풍속 변화로 인해 가이드 레일의 고장, 손상 및 파괴 등이 발생될 수 있어 장기간 구동시 안정성에 문제가 있을 수 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 최대 효율을 가지며 안정적으로 구동이 가능한 수직축 풍력발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 수직축 풍력발전 장치는 복수의 블레이드들, 메인 회전모듈, 발전 모듈, 회전 피치각 변경모듈, 풍향 감지센서 및 제어 모듈을 포함한다.
상기 블레이드들은 메인 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 각각이 상기 메인 회전축과 평행하게 연장된 형상을 갖는다. 상기 메인 회전모듈은 상기 블레이드들과 각각 연결되고, 외부의 풍력에 의해 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 이동하여 상기 메인 회전축을 중심으로 회전된다. 상기 발전 모듈은 상기 메인 회전모듈과 연결되고, 상기 메인 회전모듈의 회전 동력에 의해 3상의 메인 전력을 생성한다. 상기 회전 피치각 변경모듈은 상기 블레이드들과 각각 연결되고, 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 메인 회전축과 평행하되 상기 메인 회전축에서 편심 방향으로 이격되어 형성된 편심 회전축에 의한 회전을 통해, 상기 블레이드들 각각을 상기 메인 회전축에 수직한 방향으로 절단하여 형성된 종단면에서의 장축 방향 및 상기 원주 상에 형성되는 접선 방향 사이의 각(이하, 블레이드 회전 피치각)을 변경시킨다. 상기 풍향 감지센서는 바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성한다. 상기 제어 모듈은 메인 제어부 및 제어전력 생성부를 포함한다. 상기 메인 제어부는 상기 풍향 감지센서로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 회전 피치각 변경모듈을 제어한다. 상기 제어전력 생성부는 상기 발전 모듈에서 제공된 상기 메인 전력을 이용하여 상기 회전 피치각 변경모듈, 상기 풍향 감지센서 및 상기 메인 제어부의 구동을 위한 제어전력을 생성한다.
상기 메인 제어부는 연속 반복되는 기준 구간 내에서 상기 풍향 정보를 기준 시간마다 제공받고, 상기 기준 시간마다 제공된 상기 풍향 정보들을 이용하여 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성하며, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 이용하여 상기 기준 구간마다 상기 회전 피치각 변경모듈에서의 편심 방향을 제어한다.
상기 풍향 정보들은 상기 바람의 풍향이 0도에서 360도로 변경될 때 비례하여 증가되는 출력 전류값들을 포함할 수 있다. 이때, 상기 메인 제어부에 의해 상기 기준 구간에서의 평균 풍향이 생성되는 방법으로, 우선 상기 풍향 정보들의 출력 전류값들과 비례하여 0에서 최대 기준값 사이의 값을 갖는 출력 변환값들을 생성할 수 있다. 이어서, 상기 출력 변환값들이 최저 기준각(θ1)보다 크고 최대 기준각(θ2)보다 작은 정상 계산 구간 내에 포함될 때, 상기 출력 변환값들을 그대로 합한 후 평균치를 계산하여 상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성한다. 반면, 상기 출력 변환값들 중 적어도 하나가 0도 이상이고 상기 최저 기준각(θ1) 이하인 제1 구간과, 상기 최대 기준각(θ2) 이상이고 360도 미만인 제2 구간으로 구성된 변이 계산 구간 내에 포함될 때, 상기 출력 변환값들 중 상기 제1 구간에 포함된 출력 변환값(이하, 제1 구간 변환값이라 함)을 상기 출력 변환값들 중 상기 제2 구간에 포함된 출력 변환값(이하, 제2 구간 변환값이라 함)과 대응되도록 변환하거나, 상기 제2 구간 변환값을 상기 제1 구간 변환값과 대응되도록 변환한 후, 상기 변환된 값들을 합하고 평균치를 계산하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성할 수 있다. 이어서, 상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값 및 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값 중 하나를 이용하여 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성할 수 있다.
상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 방법의 일 예로, 상기 제1 구간 변환값은 그대로 합하고, 상기 제2 구간 변환값은 상기 최대 기준값으로 차감한 후 합하여, 중간 평균치를 생성하는 단계를 수행한 후, 이어서, 상기 중간 평균치가 0 이상의 값을 가질 때 상기 중간 평균치를 그대로 이용하고, 상기 중간 평균치가 0 미만의 값을 가질 때 상기 중간 평균치에 상기 최대 기준값을 합한 값을 이용하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성할 수 있다.
상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 방법의 다른 예로, 상기 제2 구간 변환값은 그대로 합하고, 상기 제1 구간 변환값은 상기 최대 기준값으로 더한 후 합하여, 중간 평균치를 생성하는 단계를 수행한 후, 이어서, 상기 중간 평균치가 상기 최대 기준값 미만의 값을 가질 때 상기 중간 평균치를 그대로 이용하고, 상기 중간 평균치가 상기 최대 기준값 이상의 값을 가질 때 상기 중간 평균치에 상기 최대 기준값을 뺀 값을 이용하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성할 수 있다.
한편, 상기 제어전력 생성부는 제1 전력 생성부, 제2 전력 생성부 및 제3 전력 생성부를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력 생성부는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 중 두 개의 상을 이용하여 제1 제어전력을 생성할 수 있다. 상기 제2 전력 생성부는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 모두를 이용하여 제2 제어전력을 생성할 수 있다. 상기 제3 전력 생성부는 내부 배터리에 저장된 전력을 통해 제3 제어전력을 생성할 수 있다.
상기 수직축 풍력발전 장치는 상기 바람의 풍속을 감지하여 풍속 정보를 생성하고, 상기 풍속 정보를 상기 메인 제어부로 제공하는 풍속 감지센서를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부는 상기 바람의 풍속이 제1 기준 속도 이상이고 제2 기준 속도 미만일 때, 상기 제2 전력 생성부를 제어하여 상기 제2 제어전력을 출력시킬 수 있고, 상기 바람의 풍속이 상기 제2 기준 속도 이상이고 제3 기준 속도 미만일 때, 상기 제1 전력 생성부를 제어하여 상기 제1 제어전력을 출력시킬 수 있으며, 상기 바람의 풍속이 상기 제1 기준 속도 미만이거나 상기 제3 기준 속도 이상일 때, 상기 제3 전력 생성부를 제어하여 상기 제3 제어전력을 출력시킬 수 있다.
상기 제2 전력 생성부는 3상 브리지 회로부, 전압 하강부, 스위치부 및 전압 유지부를 포함할 수 있다. 상기 3상 브리지 회로부는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 모두를 입력받아 1차 정류전력을 생성할 수 있다. 상기 전압 하강부는 상기 1차 정류전력에서의 전압을 하강시켜 2차 정류전력을 생성할 수 있다. 상기 스위치부는 상기 메인 제어부에 의해 제어되고, 상기 2차 정류전력의 출력을 스위칭할 수 있다. 상기 전압 유지부는 상기 2차 정류전력을 입력받아 기준 전압으로 유지되는 상기 제2 제어전력으로 변환시킬 수 있다.
상기 스위치부는 상기 메인 제어부에 의해 제어되어 턴온(turn-on)될 때, 상기 2차 정류전력의 출력을 차단하고, 상기 메인 제어부에 의해 제어되어 턴오프(turn-off)될 때, 상기 2차 정류전력을 출력시키는 B 접점 스위치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 회전 피치각 변경모듈은 메인축 몸체부, 편심축 몸체부 및 회전 피치각 변경부를 포함할 수 있다. 상기 메인축 몸체부는 상기 메인 회전축을 중심으로 한다. 상기 편심축 몸체부는 상기 메인 회전축을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 메인축 몸체부과 연결되고, 상기 편심 회전축을 중심으로 한다. 상기 회전 피치각 변경부는 상기 편심 회전축을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 편심축 몸체부와 연결되고, 상기 블레이드들과 각각 연결되며, 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 편심 회전축을 중심으로 회전되어 상기 블레이드 회전 피치각을 변경시킬 수 있다.
상기 회전 피치각 변경부는 상기 메인축 몸체부에 결합되어 고정되고, 상기 편심축 몸체부와 연결되어 상기 편심 방향을 상기 메인 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 편심축 몸체부에 회전 동력을 제공하는 편심방향 제어 구동부를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 메인 제어부는 상기 편심방향 제어 구동부와 전기적으로 연결되고, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향에 대응되는 상기 편심 방향을 결정하고, 상기 결정된 편심 방향에 위치하도록 상기 편심방향 제어 구동부를 제어할 수 있다.
이와 같은 수직축 풍력발전 장치에 따르면, 블레이드들이 메인 회전축을 중심으로 회전할 때, 회전 피치각 변경부가 상기 메인 회전축에서 편심 방향으로 이격되어 형성된 편심 회전축을 중심으로 안정적으로 회전하면서 상기 블레이드들 각각의 블레이드 회전 피치각을 변경시킴에 따라, 최대 효율로 전력을 생성하면서 장기간 동안 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 메인 제어부, 회전 피치각 변경모듈, 풍향 감지센서 및 풍속 감지센서를 구동시키기 위한 제어전력이 바람의 풍속이 평속 구간일 때는 발전 모듈에서 발생된 메인 전력의 2 상에 의해 생성되고, 상기 바람의 풍속이 저속 구간일 때는 상기 메인 전력의 3 상 모두에 의해 생성되며, 상기 바람의 풍속이 정지 구간 또는 과풍속 구간일 때는 내장 배터리에 내장된 전력에 의해 생성됨에 따라, 상기 수직축 풍력발전 장치가 장기간 동안 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 상기 풍향 감지센서에서 출력되는 출력값이 풍향이 0도에서 360도로 선형적으로 증가하는 것과 같이 비례하여 증가되기 때문에, 연속적으로 반복되는 기준 구간마다 복수의 풍향들을 센싱하여 평균 풍향을 결정할 때, 상기 풍향들이 0도를 기준으로 일정 범위 내에서 변동될 경우, 종래에는 상기 풍향들의 평균값이 180도를 기준으로 일정 범위 내의 값을 갖게 되어 풍향 제어 에러가 발생될 수 있다. 그러나, 본 발명에서 같이 상기 풍향들이 0도를 기준으로 일정 범위 내에서 변동될 경우, 변이 계산 방식을 통해 풍향 제어 에러가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 메인 회전 모듈, 발전 모듈 및 회전 피치각 변경모듈 사이의 연결 관계를 설명하기 위한 확대 사시도이다.
도 3은 도 2의 회전 피치각 변경모듈을 메인 회전축과 평행하도록 절단한 단면도이다.
도 4는 도 1의 수직축 풍력발전 장치를 메인 회전축에 수직하게 절단하여, 바람의 풍향과 편심 방향이 표시되도록 도시된 단면도이다.
도 5는 도 4의 일부를 확대하여, 메인 회전축 및 편심 회전축 사이의 관계를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 6은 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 제어 모듈을 설명하기 위한 회로도이다.
도 7은 바람의 풍속에 따라 설정된 구간들을 나타낸 도면이다.
도 8은 바람의 풍향에 따라 설정된 구간들을 나타낸 도면이다.
도 9는 시간에 따라 설정된 기준 구간 및 기준 시간을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 풍향 감지센서에서 출력되는 출력 전류값 및 풍향 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 10의 출력 전류값이 출력 변환값으로 변환된 후 상태를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직축 풍력발전 장치를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 수직축 풍력발전 장치는 복수의 블레이드들(100), 메인 회전모듈(200), 발전 모듈(300), 회전 피치각 변경모듈(400), 제어 모듈(500), 풍향 감지센서(600) 및 풍속 감지센서(700)을 포함할 수 있다.
상기 블레이드들(100)은 메인 회전축(A1)을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 예를 들어, 3개의 블레이드들(100)이 메인 회전축(A1)을 중심으로 120도마다 하나씩 이격되어 배치될 수 있다. 상기 블레이드들(100) 각각은 상기 메인 회전축(A1)과 평행하게 연장된 형상을 갖는다. 상기 블레이드들(100) 각각을 상기 메인 회전축(A1)에 수직한 방향으로 절단하여 형성된 종단면은 장축 방향으로 대칭이 되는 익형, 즉 날개 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 장축 방향은 상기 종단면의 앞단 및 뒷단을 연결하며, 상기 종단면의 무게 중심을 지나는 방향을 의미한다.
상기 메인 회전모듈(200)은 상기 블레이드들(100)과 각각 연결되고, 외부의 풍력에 의해 상기 블레이드들(100)이 상기 원주를 따라 이동하여 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전된다.
구체적으로, 상기 메인 회전모듈(200)은 메인 회전축부(210), 상부 연결부(220) 및 하부 연결부(230)를 포함할 수 있다. 상기 메인 회전축부(210)는 상기 메인 회전축(A1)과 평행하게 배치되어 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전될 수 있다. 상기 상부 연결부(220)는 상기 메인 회전축부(210)의 상단과 연결된 상부 연결몸체(222), 및 상기 상부 연결몸체(222)와 상기 블레이드들(100) 각각 사이를 연결하는 복수의 상부 연결체들(224)을 포함할 수 있다. 상기 하부 연결부(230)는 상기 메인 회전축부(210)의 하단과 연결된 하부 연결몸체(232), 및 상기 하부 연결몸체(232)와 상기 블레이드들(100) 각각 사이를 연결하는 복수의 하부 연결체들(234)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 상부 연결체들(224) 및 상기 하부 연결체들(232)은 상기 블레이드들(100) 각각의 종단면에서의 무게 중심과 대응되는 위치에 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 메인 회전모듈(200)은 상부 결합부(240) 및 하부 결합부(250)를 더 포함할 수 있다. 상기 상부 결합부(240)는 상기 메인 회전축부(A1)의 상단을 상기 상부 연결몸체(222)에 결합시켜 고정시킨다. 상기 하부 결합부(250)는 상기 메인 회전축부(210)의 하단을 상기 하부 연결몸체(232)에 결합시켜 고정시킨다.
상기 발전 모듈(300)은 상기 메인 회전모듈(200)과 연결되고, 상기 메인 회전모듈(200)의 회전 동력에 의해 3상의 메인 전력을 생성한다. 구체적으로, 상기 발전 모듈(300)은 상기 하부 연결몸체(232)의 하부에 배치되어 상기 하부 연결몸체(232)와 결합될 수 있다. 따라서, 상기 발전 모듈(300)은 상기 하부 연결몸체(232)의 회전 동력에 의해 상기 메인 전력을 생성할 수 있다.
상기 회전 피치각 변경모듈(400)은 상기 블레이드들(100)과 각각 연결되고, 상기 블레이드들(100)이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 블레이드들 각각의 장축 방향 및 상기 원주 상에 형성되는 접선 방향 사이의 각(이하, 블레이드 회전 피치각)을 변경시킬 수 있다. 또한, 상기 회전 피치각 변경모듈(400)은 상기 발전 모듈(300)의 하부에 배치되어 고정될 수 있다. 또한, 상기 회전 피치각 변경모듈(400)은 상기 메인 회전축(A1)을 따라 평행하게 배치된 베이스 지지부(10)의 상단과 결합되어 고정될 수 있다.
상기 제어 모듈(500)은 상기 발전 모듈(300) 및 상기 회전 피치각 변경모듈(400)과 전기적으로 연결되어, 각각의 구동을 제어한다. 예를 들어, 상기 제어 모듈(500)은 상기 메인 회전축부(210)에 내장 또는 부착되거나, 상기 베이스 지지부(10)에 내장 또는 부착될 수 있으며, 아니면 상기 베이스 지지부(10)의 옆 땅 위에 배치될 수도 있다. 한편, 상기 제어 모듈(500)에 대한 자세한 설명은 별도의 도면들을 이용하여 후술하겠다.
상기 풍향 감지센서(600)은 상기 제어 모듈(500)과 전기적으로 연결되고, 바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성하며, 상기 풍향 정보를 상기 제어 모듈(500)로 제공한다. 또한, 상기 풍속 감지센서(700)은 상기 제어 모듈(600)과 전기적으로 연결되고, 바람의 풍속을 감지하여 풍속 정보를 생성하며, 상기 풍속 정보를 상기 제어 모듈(500)로 제공한다. 이때, 상기 풍향 감지센서(600) 및 상기 풍속 감지센서(600)은 바람의 풍향 및 풍속을 효과적으로 감지할 수 있는 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 풍향 감지센서(600) 및 상기 풍속 감지센서(600)는 지지 연결부(20)에 의해 상기 베이스 지지부(10)에 결합될 수 있다.
이하, 상기 회전 피치각 변경모듈(400)에 대해 보다 자세하게 설명하고자 한다.
도 2는 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 메인 회전 모듈, 발전 모듈 및 회전 피치각 변경모듈 사이의 연결 관계를 설명하기 위한 확대 사시도이고, 도 3은 도 2의 회전 피치각 변경모듈을 메인 회전축과 평행하도록 절단한 단면도이며, 도 4는 도 1의 수직축 풍력발전 장치를 메인 회전축에 수직하게 절단하여, 바람의 풍향과 편심 방향이 표시되도록 도시된 단면도이고, 도 5는 도 4의 일부를 확대하여, 메인 회전축 및 편심 회전축 사이의 관계를 설명하기 위한 확대 단면도이다.
도 2 내지 도 5를 참조하면, 상기 회전 피치각 변경모듈(400)은 메인축 몸체부(410), 편심축 몸체부(420), 회전 피치각 변경부(430), 편심방향 제어 구동부(440) 및 편심방향 감지부(450)를 포함할 수 있다.
상기 메인축 몸체부(410)는 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 하는 원통 형상을 가질 수 있다.
상기 편심축 몸체부(420)는 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 메인축 몸체부(410)과 연결되고, 상기 메인 회전축(A1)과 평행하되 상기 메인 회전축(A1)에서 편심 방향(E)으로 이격되어 형성된 편심 회전축(A2)을 중심으로 하는 원통 형상을 가질 수 있다.
상기 회전 피치각 변경부(430)는 상기 편심 회전축(A2)을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 편심축 몸체부(420)와 연결된다. 또한, 상기 회전 피치각 변경부(430)는 상기 블레이드들(100)과 각각 연결되고, 상기 블레이드들(100)이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 편심 회전축(A2)을 중심으로 회전되어 상기 블레이드 회전 피치각을 변경시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 회전 피치각 변경부(430)는 편심 회전몸체(432) 및 복수의 피치각 변경 연결체들(434)을 포함할 수 있다. 상기 편심 회전몸체(432)는 상기 편심 회전축(A2)을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 편심축 몸체부(420)와 연결될 수 있다. 상기 피치각 변경 연결체들(434)은 상기 하부 연결체들(234)과 각각 이웃하게 배치되어 상기 편심 회전몸체(432)와 상기 블레이드들(100) 각각 사이를 연결하고, 상기 블레이드들(100)이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 편심 회전축(A2)을 중심으로 회전되어 상기 블레이드 회전 피치각을 변경시킬 수 있다. 이때, 상기 피치각 변경 연결체들(434)은 상기 블레이드들(100) 각각의 종단면에서의 무게 중심에서 벗어나 위치, 예를 들어 상기 종단면에서의 무게 중심 및 뒷단 사이에 연결될 수 있다. 한편, 상기 무게 중심은 상기 종단면의 앞단에서 상기 종단면에서의 장축 방향으로의 총 길이의 1/4만큼 이격된 곳에 위치할 수 있고, 상기 피치각 변경 연결체들(434)의 연결 위치는 상기 종단면의 뒷단에서 상기 종단면에서의 장축 방향으로의 총 길이의 1/4만큼 이격된 곳에 형성될 수 있다.
상기 편심방향 제어 구동부(440)는 상기 메인축 몸체부(410)에 결합되어 고정되고, 상기 편심축 몸체부(420)와 연결되어 상기 편심 방향(E)을 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전되도록 상기 편심축 몸체부(420)에 회전 동력을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 편심방향 제어 구동부(440)는 상기 편심축 몸체부(420)에 회전 동력을 제공할 수 있는 구동 모터 및 동력 제공수단을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제어 모듈(500)은 상기 편심방향 제어 구동부(440)와 전기적으로 연결되고, 상기 편심 방향(E)을 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전되도록 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 제어할 수 있다.
상기 편심방향 감지부(450)는 상기 제어 모듈(500)과 전기적으로 연결되고, 상기 편심 방향(E)의 회전 위치를 감지하여 상기 제어 모듈(500)로 제공할 수 있다. 이때, 상기 제어 모듈(500)은 상기 편심방향 감지부(450)에서 제공된 상기 편심 방향(E)의 회전 위치를 이용하여 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 피드백 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 편심방향 감지부(450)는 방향마크 원판(452) 및 적어도 하나의 방향마크 센서(454)를 포함할 수 있다. 상기 방향마크 원판(452)은 상기 메인축 몸체부(410) 및 상기 편심축 몸체부(420) 중 어느 하나에 결합되고, 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 하는 적어도 하나의 동심원 상에 복수의 방향 마크들이 형성되어 있다. 상기 방향마크 센서(454)는 상기 제어 모듈(500)과 전기적으로 연결되고, 상기 메인축 몸체부(410) 및 상기 편심축 몸체부(420) 중 다른 하나에 결합되며, 상기 편심축 몸체부(420)가 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전할 때, 상기 방향 마크들을 센싱하여 상기 제어 모듈(500)로 제공할 수 있다.
한편, 도면에서는, 상기 방향마크 원판(452)은 상기 메인축 몸체부(410)에 결합되어 고정되어 있고, 상기 방향마크 센서(454)는 상기 편심축 몸체부(420)에 결합되며 회전되는 것으로 도시되었다. 또한, 상기 방향 마크들은 원판에 형성된 구멍들일 수 있고, 상기 방향마크 센서(454)는 출사되어 상기 구멍들을 통과한 광을 센싱할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 방향 마크들은 세 개의 동심원 상에 각각 형성될 수 있고, 이와 대응하여 상기 방향마크 센서(454)도 3개가 배치되어 회전 각도, 회전 방향 및 기준점 등을 센싱하여 상기 제어 모듈(500)로 제공할 수 있다.
상기 회전 피치각 변경모듈(400)은 상기 메인축 몸체부(410)를 상기 베이스 지지부(10)의 상단에 결합시킬 수 있는 메인축 결합부(460)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 메인축 결합부(460)는 상기 메인축 몸체부(410)와 일체형 또는 분리형으로 형성될 수 있고, 경우에 따라 상기 베이스 지지부(10)의 상단에 일체형으로 형성될 수도 있다.
본 실시예에서, 상기 제어 모듈(500)은 상기 편심방향 감지부(450)에서 제공된 상기 편심 방향(E)의 회전 위치를 이용하여 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 피드백 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈(500)은 상기 풍향 감지센서(600)에서 제공된 상기 바람의 풍향을 이용하여 상기 편심 방향(E)을 결정하고, 결정된 편심 방향(E)에 위치하도록 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 피드백 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어 모듈(500)은 상기 풍속 감지센서(600)에서 제공된 상기 바람의 풍속이 기준 풍속 이상이라고 판단될 때, 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향에 대해 상기 블레이드들(100)의 회전 방향으로 기준각으로 유지되도록 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 피드백 제어할 수 있다.
한편, 상기 블레이드 회전 피치각은 상기 블레이드들(100)이 회전함에 따라 주기적으로 변동한다. 구체적으로, 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)과 일치한다고 할 때, 상기 블레이드 회전 피치각은 상기 바람의 풍향(W)과 마주하는 위치인 0도의 위치에서 양의 최대 회전 피치각(θM1)을 가질 수 있고, 상기 바람의 풍향(W)과 대향하는 위치인 180도의 위치에서 음의 최대 회전 피치각(θM2)을 가질 수 있다.
본 실시예에서, 상기 블레이드들(100)은 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)과 일치할 때, 최대의 평균토크가 발생될 수 있다. 그 결과, 상기 발전 모듈(300)에서 최대 효율로 전력을 생성할 수 있다. 따라서, 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)과 일치한다고 할 때, 최대 효율의 전력이 발생되므로, 상기 제어 모듈(400)은 상기 풍향 감지센서(600)에서 감지된 상기 바람의 풍향을 실시간으로 제공받아 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)과 일치하도록 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 제어할 수 있다.
또한, 상기 블레이드들(100)은 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)와 회전 방향으로 상기 기준각, 예를 들어 90도의 각을 이룰 때, 최소의 평균토크, 예를 들어 약 0 Nm가 발생될 수 있다. 그 결과, 상기 블레이드들(100)의 회전이 정지될 수 있다. 따라서, 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)와 회전 방향으로 90도의 각을 이룰 때, 상기 블레이드들(100)의 회전이 정지되므로, 상기 제어 모듈(400)은 상기 풍속 감지센서(700)에서 감지된 상기 바람의 풍속을 실시간으로 제공받아 기준 풍속 이상이라고 판단될 때, 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)에 대해 90도의 각을 이루도록 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 제어할 수 있다.
이하, 상기 제어 모듈(500)에 대하여 자세하게 설명하고자 한다.
도 6은 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 제어 모듈을 설명하기 위한 회로도이고, 도 7은 바람의 풍속에 따라 설정된 구간들을 나타낸 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 제어 모듈(500)은 메인 제어부(510) 및 제어전력 생성부를 포함할 수 있다.
상기 메인 제어부(500)는 상기 풍향 감지센서(600)로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 회전 피치각 변경모듈(400)을 제어한다.
상기 제어전력 생성부는 상기 발전 모듈(300)에서 제공된 상기 메인 전력을 이용하여 상기 회전 피치각 변경모듈(400), 상기 풍향 감지센서(600), 상기 풍속 감지센서(700) 및 상기 메인 제어부(510)의 구동을 위한 제어전력을 생성하여 제공한다.
구체적으로, 상기 제어전력 생성부는 제1 전력 생성부(520), 제2 전력 생성부(530) 및 제3 전력 생성부(540)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전력 생성부(520)는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 중 두 개의 상을 이용하여 제1 제어전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전력 생성부(520)는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 중 두 개의 상을 인가받아 전압을 강하시키는 전압하강 변압기부(522), 및 상기 전압하강 변압기부(522)에서 전압 하강된 교류전력을 직류로 변경시키는 단상 브리지 회로부(524)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전력은 상기 회전 피치각 변경모듈(300), 상기 풍향 감지센서(600), 상기 풍속 감지센서(700) 및 상기 메인 제어부(510)로 제공되어 구동 전력으로 활용될 수 있다.
상기 제2 전력 생성부(530)는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 모두를 이용하여 제2 제어전력을 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전력 생성부(530)는 3상 브리지 회로부(532), 전압 하강부(534), 스위치부(536) 및 전압 유지부(538)를 포함할 수 있다.
상기 3상 브리지 회로부(532)는 상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 모두를 입력받아 1차 정류전력을 생성할 수 있다. 상기 전압 하강부(534)는 상기 1차 정류전력에서의 전압을 하강시켜 2차 정류전력을 생성할 수 있다. 이때, 상기 전압 하강부(534)는 예를 들어 저항 소자일 수 있다. 상기 스위치부(536)는 상기 메인 제어부(510)에 의해 제어되고, 상기 2차 정류전력의 출력을 스위칭할 수 있다. 상기 전압 유지부(538)는 상기 2차 정류전력을 입력받아 기준 전압으로 유지되는 상기 제2 제어전력으로 변환시킬 수 있다. 이때, 상기 전압 유지부(538)은 상기 제2 제어전력이 상기 기준 전압으로 유지되면서 축전되도록 제어 다이오드 및 콘덴서가 병렬로 연결된 회로를 포함할 수 있다.
상기 제3 전력 생성부(540)는 내부 배터리에 저장된 전력을 통해 제3 제어전력을 생성할 수 있다. 한편, 상기 제어전력 생성부는 상기 제3 전력 생성부(540)의 내부 배터리를 충전시킬 수 있는 충전 제어부(550)을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 메인 제어부(510)는 상기 제3 전력 생성부(540)의 내부 배터리에 충전된 전력이 기준치 이하라고 판단되면, 상기 충전 제어부(550)를 제어함으로써, 상기 제1 전력 생성부(520)에서 생성된 상기 제1 제어전력을 이용하여 상기 제3 전력 생성부(540)의 내부 배터리를 충전시킬 수 있다.
한편, 바람의 풍속을 복수의 구간들, 예를 들어, 상기 제1 기준 속도 미만인 정지 구간, 상기 제1 기준 속도 이상이고 제2 기준 속도 미만인 저속 구간, 상기 제2 기준 속도 이상이고 제3 기준 속도 미만인 평속 구간, 및 상기 제3 기준 속도 이상인 과풍속 구간으로 구분할 수 있다.
본 실시예에서, 상기 정지 구간은 바람의 풍속이 너무 약해 상기 블레이드들(100)이 회전하지 않거나, 전력이 미미하거나 발생되지 않을 정도로 회전되는 구간일 수 있다. 상기 저속 구간은 상기 제1 전력 생성부(520)를 통해 상기 제1 전력을 생성하지는 못하지만, 상기 제2 전력 생성부(530)를 통해 상기 제2 전력을 생성할 수 있도록 상기 블레이드들(100)을 회전시키는 구간일 수 있다. 상기 평속 구간은 상기 발전 모듈(300)로부터 안정적이면서 충분한 상기 메인 전력이 생성될 수 있도록 상기 블레이드들(100)이 회전되는 구간일 수 있다. 상기 과풍속 구간은 상기 블레이드들(100)이 과도하게 빠른 속도로 회전하여 상기 발전 모듈(300) 등을 손상 및 파과할 수 있는 구간으로, 상기 편심 방향(E)를 상기 바람의 풍향(W)에 대해 회전 방향으로 90도의 각을 유지시켜 상기 블레이드들(100)의 회전을 강제로 정지시키는 구간일 수 있다.
따라서, 상기 메인 제어부(510)는 상기 바람의 풍속이 상기 저속 구간에 포함될 때, 상기 제3 제어전력의 출력은 정지시키고, 상기 제2 전력 생성부(530)를 제어하여 상기 제2 제어전력을 출력시킬 수 있다. 또한, 상기 메인 제어부(510)는 상기 바람의 풍속이 상기 평속 구간에 포함될 때, 상기 제2 제어전력 및 상기 제3 제어전력의 출력은 정지시키고, 상기 제1 전력 생성부(520)를 제어하여 상기 제1 제어전력만을 출력시킬 수 있다. 또한, 상기 메인 제어부(510)는 상기 바람의 풍속이 상기 정지 구간 또는 상기 과속 구간에 포함될 때, 상기 제2 제어전력의 출력은 정지시키고, 상기 제3 전력 생성부를 제어하여 상기 제3 제어전력을 출력시킬 수 있다.
한편, 상기 스위치부(536)는 상기 메인 제어부(510)에 의해 제어되어 턴온(turn-on)될 때, 상기 2차 정류전력의 출력을 차단하고, 상기 메인 제어부(510)에 의해 제어되어 턴오프(turn-off)될 때, 상기 2차 정류전력을 출력시키는 B 접점 스위치를 포함할 수 있다. 이와 같이, 상기 B 접점 스위치에 의해 상기 2차 정류전력의 출력을 스위칭함에 따라, 상기 제1 제어전력 및 상기 제3 제어전력이 모두 생성되지 않을 때에도 상기 제2 제어전력을 생성시킬 수 있다.
이하, 상기 풍향 감지센서(600)에서 생성된 상기 풍향 정보를 통해 상기 편심 방향(E)가 제어되는 과정을 설명하고자 한다.
도 8은 바람의 풍향에 따라 설정된 구간들을 나타낸 도면이고, 도 9는 시간에 따라 설정된 기준 구간 및 기준 시간을 나타낸 도면이며, 도 10은 도 1의 수직축 풍력발전 장치 중 풍향 감지센서에서 출력되는 출력 전류값 및 풍향 사이의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 도 10의 출력 전류값이 출력 변환값으로 변환된 후 상태를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 상기 메인 제어부(510)는 연속 반복되는 기준 구간 내에서 상기 풍향 감지센서(600)로부터 상기 풍향 정보를 기준 시간마다 제공받고, 상기 기준 시간마다 제공된 상기 풍향 정보들을 이용하여 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성하며, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 이용하여 상기 기준 구간마다 상기 회전 피치각 변경모듈(400)에서의 상기 편심 방향(E)을 제어할 수 있다.
상기 기준 구간 동안 상기 풍향 감지센서(600)로부터 제공된 상기 풍향 정보들은 도 10과 같이 상기 바람의 풍향이 0도에서 360도로 변경될 때 비례하여 증가되는 출력 전류값들을 포함할 수 있다.
이때, 상기 메인 제어부(510)에 의해 상기 기준 구간에서의 평균 풍향이 생성되는 과정은 다음과 같을 수 있다.
우선, 도 11에서와 같이, 상기 풍향 정보들의 출력 전류값들과 비례하여 0에서 최대 기준값, 예를 들어 16 사이의 값을 갖는 출력 변환값들을 생성할 수 있다.
이어서, 상기 출력 변환값들이 최저 기준각(θ1)보다 크고 최대 기준각(θ2)보다 작은 정상 계산 구간 내에 포함될 때, 상기 출력 변환값들을 그대로 합한 후 평균치를 계산하여 상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성한다. 예를 들어, 상기 최저 기준각(θ1)이 50도이고, 상기 최대 기준각(θ2)이 310도이며, 상기 출력 변환값들이 7(157.5도와 대응), 8(180도와 대응), 9(202.5도와 대응)의 값을 가질 때, 상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값은 8일 수 있다. 한편, 상기 최저 기준각(θ1)이 약 30도 ~ 약 50도이고, 상기 최대 기준각(θ2)이 약 310도 ~ 약 330도일 수 있다.
반면, 상기 출력 변환값들 중 적어도 하나가 0도 이상이고 상기 최저 기준각(θ1) 이하인 제1 구간과, 상기 최대 기준각(θ2) 이상이고 360도 미만인 제2 구간으로 구성된 변이 계산 구간 내에 포함될 때, 상기 출력 변환값들 중 상기 제1 구간에 포함된 출력 변환값(이하, 제1 구간 변환값이라 함)을 상기 출력 변환값들 중 상기 제2 구간에 포함된 출력 변환값(이하, 제2 구간 변환값이라 함)과 대응되도록 변환하거나, 상기 제2 구간 변환값을 상기 제1 구간 변환값과 대응되도록 변환한 후, 상기 변환된 값들을 합하고 평균치를 계산하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성할 수 있다.
상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 방법의 일 예(도 11 참조)로, 상기 제1 구간 변환값은 그대로 합하고, 상기 제2 구간 변환값은 상기 최대 기준값으로 차감한 후 합하여, 중간 평균치를 생성하는 단계를 수행한 후, 이어서, 상기 중간 평균치가 0 이상의 값을 가질 때 상기 중간 평균치를 그대로 이용하고, 상기 중간 평균치가 0 미만의 값을 가질 때 상기 중간 평균치에 상기 최대 기준값을 합한 값을 이용하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 상기 최저 기준각(θ1)이 50도이고, 상기 최대 기준각(θ2)이 310도이며, 상기 최대 기준값이 16이고, 상기 출력 변환값들이 14(315도와 대응), 15(337.5도와 대응), 0(0도와 대응), 1(22.5도와 대응)을 가진다고 할 때, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 계산하는 과정은 다음과 같다. 우선, 상기 출력 변환값들 중 14(315도와 대응) 및 15(337.5도와 대응)의 값은 제2 구간 변환값들에 해당되고, 0(0도와 대응) 및 1(22.5도와 대응)의 값은 제1 구간 변환값들에 해당된다. 따라서, 상기 제2 구간 변환값들에 상기 최대 기준값인 16을 차감한 후, 상기 제1 구간 변환값들과 합하여 중간 평균값을 계산하면, -0.5의 값을 갖는다. 이때, 상기 중간 평균값이 0 미만의 값을 가지므로, 다시 상기 최대 기준값인 16을 더하여 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 15.5(348.75도와 대응)의 값으로 계산할 수 있다.
한편, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 방법의 다른 예로, 상기 제2 구간 변환값은 그대로 합하고, 상기 제1 구간 변환값은 상기 최대 기준값으로 더한 후 합하여, 중간 평균치를 생성하는 단계를 수행한 후, 이어서, 상기 중간 평균치가 상기 최대 기준값 미만의 값을 가질 때 상기 중간 평균치를 그대로 이용하고, 상기 중간 평균치가 상기 최대 기준값 이상의 값을 가질 때 상기 중간 평균치에 상기 최대 기준값을 뺀 값을 이용하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성할 수 있다.
구체적으로 예를 들면, 상기 최저 기준각(θ1)이 50도이고, 상기 최대 기준각(θ2)이 310도이며, 상기 최대 기준값이 16이고, 상기 출력 변환값들이 15(337.5도와 대응), 0(0도와 대응), 1(22.5도와 대응), 2(45도와 대응)을 가진다고 할 때, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 계산하는 과정은 다음과 같다. 우선, 상기 출력 변환값들 중 0(0도와 대응), 1(22.5도와 대응), 2(45도와 대응)의 값은 제1 구간 변환값들에 해당되고, 15(337.5도와 대응)의 값은 제1 구간 변환값에 해당된다. 따라서, 상기 제1 구간 변환값들에 상기 최대 기준값인 16을 더한 후, 상기 제1 구간 변환값과 합하여 중간 평균값을 계산하면, 16.5의 값을 갖는다. 이때, 상기 중간 평균값이 상기 최대 기준값인 16 이상의 값을 가지므로, 다시 16을 차감하여 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 0.5(11.25도와 대응)의 값으로 계산할 수 있다.
이어서, 상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값 및 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값 중 하나를 이용하여 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성할 수 있다.
이와 같이, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향은 상기 기준 구간 내에서의 풍향들이 상기 정상 계산 구간에 포함될 경우, 위에서 설명된 정상 계산 방법(단순 평균 계산법)을 통해 생성될 수 있고, 반면 상기 기준 구간 내에서의 풍향들 중 적어도 하나가 상기 변이 계산 구간에 포함될 경우, 위에서 설명된 변이 계산 방법(동일 스케일로 변환 후 평균 계산법)을 통해 생성될 수 있다.
한편, 상기 메인 제어부(510)는 상기 편심방향 제어 구동부(440)와 전기적으로 연결되고, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향에 대응되는 상기 편심 방향(E)을 결정하고, 상기 결정된 편심 방향(E)에 위치하도록 상기 편심방향 제어 구동부(440)를 피드백 제어할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 상기 블레이드들(100)이 상기 메인 회전축(A1)을 중심으로 회전할 때, 상기 회전 피치각 변경부(430)가 상기 메인 회전축(A1)에서 이격된 상기 편심 회전축(A2)을 중심으로 안정적으로 회전하면서 상기 블레이드들(100) 각각의 블레이드 회전 피치각을 변경시킴에 따라, 최대 효율로 전력을 생성하면서 장기간 동안 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 바람의 풍속이 기준 풍속 이상이라고 판단될 때, 즉 상기 바람의 풍속이 과도하게 불어 발전장치, 예를 들어 발전기 또는 인버터 등이 파괴 또는 손상될 여지가 있을 때, 상기 편심 방향(E)이 상기 바람의 풍향(W)에 대해 기준각, 예를 들어 90도로 유지되도록 하여 평균토크를 최소화함으로써 별도의 브레이크 장치없이 안정적으로 블레이드들의 회전을 정지시킬 수 있다. 그 결과, 폭풍과 같은 과풍속에도 고장없이 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 상기 메인 제어부(510), 상기 회전 피치각 변경모듈(400), 상기 풍향 감지센서(600) 및 상기 풍속 감지센서(700)를 구동시키기 위한 제어전력이 바람의 풍속이 평속 구간일 때는 상기 발전 모듈(300)에서 발생된 메인 전력의 2 상에 의해 생성되고, 상기 바람의 풍속이 저속 구간일 때는 상기 메인 전력의 3 상 모두에 의해 생성되며, 상기 바람의 풍속이 정지 구간 또는 과풍속 구간일 때는 내장 배터리에 내장된 전력에 의해 생성됨에 따라, 상기 수직축 풍력발전 장치가 장기간 동안 안정적으로 구동될 수 있다.
또한, 상기 풍향 감지센서(600)에서 출력되는 출력값이 풍향이 0도에서 360도로 선형적으로 증가하는 것과 같이 비례하여 증가되기 때문에, 연속적으로 반복되는 기준 구간마다 복수의 풍향들을 센싱하여 평균 풍향을 결정할 때, 상기 풍향들이 0도를 기준으로 일정 범위 내에서 변동될 경우, 종래에는 상기 풍향들의 평균값이 180도를 기준으로 일정 범위 내의 값을 갖게 되어 풍향 제어 에러가 발생될 수 있다. 그러나, 본 발명에서 같이 상기 풍향들이 0도를 기준으로 일정 범위 내에서 변동될 경우, 위에서 서술된 상기 변이 계산 방식을 통해 풍향 제어 에러가 발생되는 것을 방지할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 베이스 지지부 20 : 지지 연결부
100 : 블레이드 200 : 메인 회전 모듈
210 : 메인 회전축부 220 : 상부 연결부
222 : 상부 연결몸체 224 : 상부 연결체
230 : 하부 연결부 232 : 하부 연결몸체
234 : 하부 연결체 240 : 상부 결합부
250 : 하부 결합부 300 : 발전 모듈
400 : 회전 피치각 변경모듈 410 : 메인축 몸체부
420 : 편심축 몸체부 430 : 회전 피치각 변경부
432 : 편심 회전몸체 434 : 피치각 변경 연결체
440 : 편심방향 제어 구동부 450 : 편심방향 감지부
452 : 방향마크 원판 454 : 방향마크 센서
500 : 제어 모듈 510 : 메인 제어부
520 : 제1 전력 생성부 522 : 전압하강 변압기부
524 : 단상 브리지 회로부 530 : 제2 전력 생성부
532 : 3상 브리지 회로부 534 : 전압 강하부
536 : 스위치부 538 : 전압 유지부
540 : 제3 전력 생성부 550 : 충전 제어부
600 : 풍향 감지센서 700 : 풍속 감지센서
A1 : 메인 회전축 A2 : 편심 회전축
W : 바람의 풍향 E : 편심 방향

Claims (11)

  1. 메인 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 각각이 상기 메인 회전축과 평행하게 연장된 형상을 갖는 복수의 블레이드들;
    상기 블레이드들과 각각 연결되고, 외부의 풍력에 의해 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 이동하여 상기 메인 회전축을 중심으로 회전되는 메인 회전모듈;
    상기 메인 회전모듈과 연결되고, 상기 메인 회전모듈의 회전 동력에 의해 3상의 메인 전력을 생성하는 발전 모듈;
    상기 블레이드들과 각각 연결되고, 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 메인 회전축과 평행하되 상기 메인 회전축에서 편심 방향으로 이격되어 형성된 편심 회전축에 의한 회전을 통해, 상기 블레이드들 각각을 상기 메인 회전축에 수직한 방향으로 절단하여 형성된 종단면에서의 장축 방향 및 상기 원주 상에 형성되는 접선 방향 사이의 각(이하, 블레이드 회전 피치각)을 변경시키는 회전 피치각 변경모듈;
    바람의 풍향을 감지하여 풍향 정보를 생성하는 풍향 감지센서; 및
    상기 풍향 감지센서로부터 제공된 상기 풍향 정보를 이용하여 상기 회전 피치각 변경모듈을 제어하는 메인 제어부, 및 상기 발전 모듈에서 제공된 상기 메인 전력을 이용하여 상기 회전 피치각 변경모듈, 상기 풍향 감지센서 및 상기 메인 제어부의 구동을 위한 제어전력을 생성하는 제어전력 생성부를 포함하는 제어 모듈을 포함하고,
    상기 메인 제어부는
    연속 반복되는 기준 구간 내에서 상기 풍향 정보를 기준 시간마다 제공받고, 상기 기준 시간마다 제공된 상기 풍향 정보들을 이용하여 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성하며, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 이용하여 상기 기준 구간마다 상기 회전 피치각 변경모듈에서의 편심 방향을 제어하는 수직형 풍력발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 풍향 정보들은 상기 바람의 풍향이 0도에서 360도로 변경될 때 비례하여 증가되는 출력 전류값들을 포함하고,
    상기 메인 제어부에 의해 상기 기준 구간에서의 평균 풍향이 생성되는 방법은
    상기 풍향 정보들의 출력 전류값들과 비례하여 0에서 최대 기준값 사이의 값을 갖는 출력 변환값들을 생성하는 단계;
    상기 출력 변환값들이 최저 기준각(θ1)보다 크고 최대 기준각(θ2)보다 작은 정상 계산 구간 내에 포함될 때, 상기 출력 변환값들을 그대로 합한 후 평균치를 계산하여 상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 단계;
    상기 출력 변환값들 중 적어도 하나가 0도 이상이고 상기 최저 기준각(θ1) 이하인 제1 구간과, 상기 최대 기준각(θ2) 이상이고 360도 미만인 제2 구간으로 구성된 변이 계산 구간 내에 포함될 때, 상기 출력 변환값들 중 상기 제1 구간에 포함된 출력 변환값(이하, 제1 구간 변환값이라 함)을 상기 출력 변환값들 중 상기 제2 구간에 포함된 출력 변환값(이하, 제2 구간 변환값이라 함)과 대응되도록 변환하거나, 상기 제2 구간 변환값을 상기 제1 구간 변환값과 대응되도록 변환한 후, 상기 변환된 값들을 합하고 평균치를 계산하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 단계; 및
    상기 정상 계산 구간에서의 평균 변환값 및 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값 중 하나를 이용하여 상기 기준 구간에서의 평균 풍향을 생성하는 단계를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 단계는
    상기 제1 구간 변환값은 그대로 합하고, 상기 제2 구간 변환값은 상기 최대 기준값으로 차감한 후 합하여, 중간 평균치를 생성하는 단계; 및
    상기 중간 평균치가 0 이상의 값을 가질 때 상기 중간 평균치를 그대로 이용하고, 상기 중간 평균치가 0 미만의 값을 가질 때 상기 중간 평균치에 상기 최대 기준값을 합한 값을 이용하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 단계를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 단계는
    상기 제2 구간 변환값은 그대로 합하고, 상기 제1 구간 변환값은 상기 최대 기준값으로 더한 후 합하여, 중간 평균치를 생성하는 단계; 및
    상기 중간 평균치가 상기 최대 기준값 미만의 값을 가질 때 상기 중간 평균치를 그대로 이용하고, 상기 중간 평균치가 상기 최대 기준값 이상의 값을 가질 때 상기 중간 평균치에 상기 최대 기준값을 뺀 값을 이용하여, 상기 변이 계산 구간에서의 평균 변환값을 생성하는 단계를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어전력 생성부는
    상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 중 두 개의 상을 이용하여 제1 제어전력을 생성할 수 있는 제1 전력 생성부;
    상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 모두를 이용하여 제2 제어전력을 생성할 수 있는 제2 전력 생성부; 및
    내부 배터리에 저장된 전력을 통해 제3 제어전력을 생성할 수 있는 제3 전력 생성부를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바람의 풍속을 감지하여 풍속 정보를 생성하고, 상기 풍속 정보를 상기 메인 제어부로 제공하는 풍속 감지센서를 더 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 메인 제어부는
    상기 바람의 풍속이 제1 기준 속도 이상이고 제2 기준 속도 미만일 때, 상기 제2 전력 생성부를 제어하여 상기 제2 제어전력을 출력시키고,
    상기 바람의 풍속이 상기 제2 기준 속도 이상이고 제3 기준 속도 미만일 때, 상기 제1 전력 생성부를 제어하여 상기 제1 제어전력을 출력시키며,
    상기 바람의 풍속이 상기 제1 기준 속도 미만이거나 상기 제3 기준 속도 이상일 때, 상기 제3 전력 생성부를 제어하여 상기 제3 제어전력을 출력시키는 수직축 풍력발전 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 전력 생성부는
    상기 메인 전력의 R상, S상 및 T상 모두를 입력받아 1차 정류전력을 생성하는 3상 브리지 회로부;
    상기 1차 정류전력에서의 전압을 하강시켜 2차 정류전력을 생성하는 전압 하강부;
    상기 메인 제어부에 의해 제어되고, 상기 2차 정류전력의 출력을 스위칭하는 스위치부; 및
    상기 2차 정류전력을 입력받아 기준 전압으로 유지되는 상기 제2 제어전력으로 변환시키는 전압 유지부를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 스위치부는
    상기 메인 제어부에 의해 제어되어 턴온(turn-on)될 때, 상기 2차 정류전력의 출력을 차단하고, 상기 메인 제어부에 의해 제어되어 턴오프(turn-off)될 때, 상기 2차 정류전력을 출력시키는 B 접점 스위치를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 회전 피치각 변경모듈은
    상기 메인 회전축을 중심으로 하는 메인축 몸체부;
    상기 메인 회전축을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 메인축 몸체부과 연결되고, 상기 편심 회전축을 중심으로 하는 편심축 몸체부; 및
    상기 편심 회전축을 중심으로 회전될 수 있도록 상기 편심축 몸체부와 연결되고, 상기 블레이드들과 각각 연결되며, 상기 블레이드들이 상기 원주를 따라 이동할 때, 상기 편심 회전축을 중심으로 회전되어 상기 블레이드 회전 피치각을 변경시킬 수 있는 회전 피치각 변경부를 포함하는 수직축 풍력발전 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 회전 피치각 변경부는
    상기 메인축 몸체부에 결합되어 고정되고, 상기 편심축 몸체부와 연결되어 상기 편심 방향을 상기 메인 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 편심축 몸체부에 회전 동력을 제공하는 편심방향 제어 구동부를 더 포함하고,
    상기 메인 제어부는
    상기 편심방향 제어 구동부와 전기적으로 연결되고, 상기 기준 구간에서의 평균 풍향에 대응되는 상기 편심 방향을 결정하고, 상기 결정된 편심 방향에 위치하도록 상기 편심방향 제어 구동부를 제어하는 수직축 풍력발전 장치.
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