KR20020045601A - 풍력 발전기 - Google Patents

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KR20020045601A
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Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 블레이드의 초기 기동 시 별도의 동력을 이용하여 이를 회전시킴으로써 기동이 원활하게 이루어지며 동력전달장치의 손상을 방지하고자 하는 것이다.
이를 위해 본 발명에 따른 풍력 발전기에 의하면; 블레이드(40)의 초기 기동 시 구동모터(90)가 구동되어 발전기(80)와 증속기(60) 및 메인샤프트(50)를 매개로 블레이드(40)를 회전시키며, 블레이드(40)가 일정 속도에 도달하면 구동모터(90)의 구동이 중지된다. 따라서 풍력 발전기의 초기 기동이 보다 원활하게 이루어지고 증속기(60)와 같은 동력전달장치의 부품 손상 및 소음 발생이 방지되는 작용효과 있다. 결국, 풍력 발전기의 수명이 연장되며, 블레이드(40)를 가속시킬 수 있는 상태에서는 항상 발전이 되므로 발전효율이 월등하게 향상되는 작용효과가 있다.

Description

풍력 발전기{Wind turbine}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블레이드의 초기 기동이 원활하게 이루어지도록 별도의 동력을 이용하여 블레이드를 기동시킬 수 있는 풍력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전기는 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 것으로, 샤프트 방향에 따라 프로펠라형 수평축 풍력 발전시스템(HAWT:horizontal axis wind turbine)과 자이로밀(GYROMILL)형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력 발전시스템(VAWT:vertical axis wind turbine) 등으로 구별되며, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용 및 설치면적이 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다.
이러한 종래 풍력 발전기는 타워의 상부에 좌우 방향으로 회전 가능하게 설치된 동체와, 이 동체의 선단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 블레이드와, 이 블레이드의 회전력을 증속시키기 위한 증속기와, 증속기에서 증속된 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다.
이와 구성된 풍력 발전기에서 바람에 의해 블레이드가 회전하면, 이의 회전력이 증속기를 통해 증속된다. 그리고 발전기에서는 증속된 회전력을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전되거나 수요자에게 직접 인가된다.
그러나 종래 풍력 발전기는 블레이드의 자체 중량 및 증속기의 기어마찰에 의해 초기 기동 시 상당한 회전토크가 요구되며, 이로 인해 풍속이 최소 3m/sec 이상은 유지되어야 블레이드가 기동한다.
결국, 종래 풍력 발전기에서는 블레이드의 초기 기동 시 블레이드의 회전이 원활하게 이루어지지 않으며, 이로 인해 증속기와 같은 동력전달장치에 상당한 부하가 발생되어 내구성이 떨어지고 작동소음이 가중되는 문제점이 있다.
특히, 이러한 문제점은 풍력 발전기의 중대형화에 따라 회전체 즉 블레이드의 중량 및 증속기의 기어마찰이 증가함으로써 더욱 가중된다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로; 본 발명의 목적은 블레이드의 초기 기동 시 별도의 동력을 이용하여 이를 회전시킴으로써 기동이 원활하게 이루어지며 동력전달장치의 손상을 방지할 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 블레이드가 어느 일정한 회전수에 도달하면 발전기의 회전을 안정되게 유지시켜 양질의 전력을 생산할 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 프로펠라형 기어드 수평축 풍력 발전기를 보인 것이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전기에서 구동모터 제어를 위한 제어반의 전기적인 구성만을 도시한 제어블럭도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 자이로밀형 수직축 풍력 발전기를 보인 것이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 다리우스형 수직축 풍력 발전기를 보인 것이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 플로펠라형 기어드 수평축 풍력 발전기를 보인 것이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
20..타워 21..제어반
30..동체 40..블레이드
50..메인샤프트 60..증속기
80..발전기 90..구동모터
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은;
바람에 의해 회전하는 블레이드와, 블레이드가 결합되어 블레이드와 함께 일체로 회전하는 메인샤프트와, 메인샤프트의 회전에 의해 로터가 회전하여 전력을발생시키도록 메인샤프트와 로터의 샤프트 일단이 동축상으로 연결된 발전기와, 발전기 로터의 샤프트 타단과 동축상으로 로터의 샤프트가 연결되어 발전기의 로터 및 메인샤프트를 매개로 블레이드를 회전시키기 위한 구동모터와, 블레이드의 초기 기동 시 구동모터를 구동시키며 블레이드가 일정 회전수에 도달하면 구동모터의 구동을 중지시키는 제어반을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 발전기 로터의 샤프트 타단과 구동모터 로터의 샤프트는 동축상으로 배치되면서 한 쌍의 커플링을 통해 연계된 것을 특징으로 한다.
또한, 메인샤프트와 발전기 사이에는 블레이드의 회전력을 증속하여 발전기측으로 전달하는 증속기가 동축상으로 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 메인샤프트는 수평축으로 배치되며, 블레이드는 프로펠라 타입으로 이루어 진 것을 특징으로 한다.
또한, 메인샤프트는 수직축으로 배치되며, 블레이드는 자이로밀 타입으로 이루어 진 것을 특징으로 한다.
또한, 메인샤프트는 수직축으로 배치되며, 블레이드는 다리우스 타입으로 이루어 진 것을 특징으로 한다.
또한, 구동모터는 전기 에너지를 인가받아 작동하는 전동 모터 인 것을 특징으로 한다.
또한, 구동모터는 유압펌프유닛으로부터 작동유를 공급받아 구동하는 유압 모터 인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예들을 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 프로펠라형 기어드 수평축 풍력 발전기는 지면 위에 세워져 설치된 타워(20)와, 이 타워(20)의 상부에 좌우 방향으로 회전 가능하게 설치되며 메인샤프트(50)가 수평방향으로 설치된 동체(30)와, 이 동체(30)의 선단에서 메인샤프트(50)와 결합된 블레이드(40)와, 이 메인샤프트(50)의 회전력을 전달받아 전력을 생산하도록 동체(30)에 내장된 발전기(80)와, 이 발전기(80)의 후방측에 배치되어 경우에 따라 발전기(80)의 로터(미도시)를 회전시킴으로써 블레이드(40)의 초기 기동을 원활하게 하는 구동모터(90)와, 풍력 발전기에서 전기적인 구성요소들을 제어하기 위한 제어반(21)을 포함하고 있다.
타워(20)는 지질 및 지진을 고려하여 시공된 기초(10) 위에 견실하게 구성되어 동체(30)를 지지하는데, 이것 역시 최대 풍속(약 50m/sec) 및 지진을 고려하여 설치된다.
동체(30)는 풍력 발전기의 주요 구동부가 내장되며 바람의 저항을 최소화한 유선형 몸체로서, 타워(20)의 상단에 기어드 서보 모터(31)와 베어링(32) 등을 통해 좌우방향(수평방향)으로 회전 가능하게 설치된다.
이러한 동체(30)의 선단내에는 메인샤프트(50)가 베어링부재(51)를 통해 수평방향으로 배치되는데, 이 메인샤프트(50)는 강도를 충분히 고려한 특수강으로 제작하는 것이 바람직하다. 그리고 블레이드(40)는 메인샤프트(50)의 선단에 결합되어 바람에 의해 회전하는 프로펠라로 이루어져 있으며, 이것에 의해 바람의 힘이 회전력으로 변환되게 된다.
또한, 동체(30)의 후단 상부에는 동체(30)가 항상 바람의 방향과 나란하게 유지시키기 위한 꼬리날개(33)가 마련되어 있어서, 블레이드(40)가 원활하게 회전하게 된다. 미설명 부호 "34"는 바람의 속도를 검출하고 바람의 방향을 감지하여 제어반(21)으로 전달하도록 꼬리날개(33)에 설치된 풍속, 풍량계이다.
그리고 발전기(80)는 동체(30)의 중도에 내장되며, 발전기(80)의 로터(미도시)가 고속으로 회전하여 전력을 생산하는 장치이다. 즉, 발전기(80) 로터의 샤프트(81)가 메인샤프트(50)측과 연결되어 회전함으로써, 전력이 생산되게 된다. 이러한 발전기(80)는 로터의 회전수 600 ~ 1800RPM 일 때 정격출력이 가능한 다단식 발전기를 채용하는 것이 바람직하다.
또한, 발전기(80)와 메인샤프트(50) 사이에는 블레이드(40)의 회전력을 증속하기 위한 증속기(60)와, 비상시 블레이드(40) 동력을 정지시키기 위한 브레이크 시스템(70)이 설치되어 있다. 증속기(60)는 메인샤프트(50)측과 연결되는 유성기어(미도시)와, 이 유성기어가 맞물리는 링기어(미도시)와, 유성기어와 맞물리면서 발전기(80) 로터의 샤프트(81)와 연결되는 선기어 등으로 구성되어 있어서, 메인샤프트(50)의 회전수를 발전이 가능한 회전수, 즉 600 ~ 1800RPM으로 증속시키는 역할을 한다. 한편, 풍향 및 풍속이 강해 블레이드(40)가 필요 이상으로 회전되면 발전기(80)에서는 과부하가 발생되는데, 이러한 현상은 증속기(60)와 발전기(80) 사이에 배치된 브레이크 시스템(70)에 의해 방지되게 된다.
그리고 구동모터(90)는 발전기(90) 후방에 동축상으로 배치되어 블레이드(40)의 초기 기동 시 발전기(80)의 로터와 메인샤프트(50)를 매개로 블레이드(40)를 회전시키기 위한 것으로, 이를 위해 구동모터(90) 로터(미도시)의 샤프트(91)가 발전기(80) 로터의 샤프트(81) 타단과 동축상으로 연결되어 있다. 즉, 발전기(80) 로터의 샤프트(81)와 구동모터(90) 로터의 샤프트(91)가 동축상으로 배치되면서 한 쌍의 커플링(93)을 통해 연결되어 있어서, 블레이드(90)는 바람에 의해 회전하지 않더라도 구동모터(90)가 구동하면 이의 동력에 의해 회전하게 된다. 본 발명의 일 실시예에서 구동모터(90)는 전기 에너지를 인가받아 작동하는 전동 모터로 구성되어 있다.
한편, 이러한 구동모터(90)의 작동은 제어반(21)에 의해 이루어지는데, 제어반(21)에서는 풍속, 풍량계(34)에서 전달되는 전기적 신호를 통해 구동모터(90)의 작동을 제어하게 된다.
즉, 제어반(21)은 무인화 콘트롤로서 바람의 방향 및 풍속을 검출 받아 모든 상황을 중앙집중처리장치(디지탈 방식)에 의해 발전기(80)에서 생산된 전력을 축전장치에 축전하며 잉여 전력을 계통연계선(도 2참조,23)을 통해 외부로 송전하는 시스템으로, 특히 구동모터(90)를 제어하기 위한 제어반(21)의 구성은 도 2에 도시한 바와 같다.
도 2를 참조하면, 제어반(21)의 입력측에는 전력을 생산하는 발전기(80)와, 풍속 및 풍향을 검출 감지하는 풍속, 풍향계(34)가 전기적으로 접속되어 있고, 이의 출력측에는 축전장치에 축전한 후 잉여 전력을 외부로 보내기 위한 계통연계선(23)과 초기 기동 시 블레이드(40)를 작동시키기 위한 구동모터(90)가 접속되어 있다. 따라서 풍속이 낮아 풍력 발전기의 초기 기동 시 부하가 예상되면, 제어반(21)에서는 구동모터(90)에 전원을 인가하여 이를 구동시킴으로써 블레이드(40)가 별도의 동력으로 회전되게 된다. 그리고 블레이드(40)가 일정 회전수에 도달하여 전력 생산이 가능하게 되면, 구동모터(90)의 구동은 중지되게 된다.
다음에는 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 풍력 발전기의 작동 및 이에 따른 효과를 설명한다.
먼저, 풍속이 높은 바람에 의해 블레이드(40)와 함께 메인샤프트(50)가 회전하면, 메인샤프트(50)의 회전력은 증속기(60)를 통해 발전기(80)에서 전력 생산이 용이하도록 600 ~ 1800RPM 정도로 증속된다. 증속된 회전력을 전달받은 발전기(80)에서는 로터가 고속으로 회전함에 따라 전력이 생산된다. 그리고 전력은 제어반(21)의 축전장치에 축전되며 잉여 전력은 계통연계선(23)을 통해 외부로 송전된다.
이와 같이 발전이 이루어지고 있는 상태에서는 구동모터(90)에 전원이 공급되지 않지만 발전기(80) 로터의 샤프트(81)와 구동모터(90) 로터의 샤프트(91)가 연결되어 있기 때문에, 구동모터(90)의 로터 역시 공회전한다. 이러한 구동모터(90)의 로터 공회전은 발전기(80) 로터가 일정한 회전수로 유지되도록 플라이휠(FLYWHEEL) 역할을 수행한다.
한편, 블레이드(40)에 전달되는 풍력이 점점 약화되어 이의 회전이 정지된 후 미풍에 의해 블레이드(40)가 재기동하기 위해서는 블레이드(40)의 자체 중량 및 증속기(60)의 기어마찰에 의해 상당한 회전력이 요구된다.
이러한 경우 제어반(21)에서는 축전장치에 축전된 전력을 구동모터(90)에 인가하여 이를 구동시킨다. 이에 따라 구동모터(90) 로터가 회전함에 따라 발전기(80)의 로터와, 증속기(60) 및 메인샤프트(50)를 매개로 블레이드(40)가 기동한다.
즉, 초기 기동 시 바람에 의해서가 아닌 구동모터(90)의 동력을 통해 블레이드(40)가 회전한다. 이 때, 구동모터(90)의 동력을 증속기(60)를 통해 역방향으로 전달되기 때문에, 적은 힘으로도 블레이드(40)를 원활하게 회전시킬 수 있는데, 이것은 증속기(60)가 감속기 기능을 하기 때문이다.
계속하여, 구동모터(90)를 통해 회전하기 시작한 블레이드(40)는 관성력의 작용으로 가속되어 미풍에서도 소정의 회전력을 발생시킨다. 이와 같이, 미풍에서도 블레이드(40)가 일정한 회전수에 도달하면, 제어반(21)에서는 구동모터(90)로의 전원공급을 차단하며, 발전기(80)에서는 전력이 다시 생산된다.
결국, 블레이드(40)의 초기 기동 시 제어반(21)에서는 구동모터(90)를 구동시켜 블레이드(40)를 회전시킴으로써, 이의 기동이 원활하게 이루어지며 이로 인해 증속기(60)와 같은 동력전달장치의 손상이 방지된다.
또한, 블레이드(40)가 일정 회전수에 도달하면 구동모터(90)에 전원 공급은 차단될지라도 이의 로터는 발전기(80) 로터와 일체로 회전함으로써, 발전기(80)의 기동을 안정되게 유지시키며 이로 인해 양질의 전력을 생산할 수 있다.
한편, 이러한 기술적 사상은 구동모터(90)를 프로펠라형 기어드 수평축 풍력 발전기에 적용한 것으로 설명하였지만, 이에 국한하지 않고 증속기가 없는 가변속 방식의 수평축 풍력 발전기에 적용할 수 있다.
또한, 이러한 기술적 사상은 제어반(21)에서 축전장치에 축전된 전력을 구동모터(90)로 공급하는 것으로 설명하였지만, 이에 국한하지 않고 구동모터(90)를 구동시키기 위한 전력을 외부로부터 공급받아도 본원 발명의 소기 목적을 달성할 수 있다. 그리고 타워(20)의 저부에 별도의 디젤발전기(22, 도 1참조)를 설치하고, 블레이드(40)의 초기 기동 시 디젤발전기(22)를 구동시켜 생산된 전력으로 구동모터(90)를 작동시킬 수 있다. 또한, 발전기(80)와 구동모터(90)를 동축상으로 배치한 것에 국한하지 않고 발전기와 구동모터를 일체형으로 구성할 수도 있다.
또한, 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 수직축 풍력 발전기에 적용하여도 본원 발명의 소기목적을 달성할 수 있다.
즉, 도 3은 블레이드(210)가 자이로밀 타입으로 이루어진 수직축 풍력 발전기(200)를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 자이로밀형 수직축 풍력 발전기(200)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 기초(220) 위에 설치된 베이스(230) 상부에 수직방향으로 배치된 메인샤프트(240)와, 이 메인샤프트(240)의 상단에 배치된 자이로밀 타입의 블레이드(210)와, 베이스(230)의 내측 저부에 설치된 제어반(280)을 갖추고 있다.
또한, 베이스(230)의 내부에는 메인샤프트(240)의 회전력을 증속하기 위한 증속기(250)와, 이 증속기(250)에서 증속된 회전력으로 전력을 생산하는 발전기(260)와, 이 발전기(260)와 동축상으로 배치되어 블레이드(210)의 초기 기동 시 발전기(260)와 증속기(250) 및 메인샤프트(240)를 매개로 블레이드(210)를 회전시키기 위한 구동모터(270)가 배치되어 있는데, 이들은 상부에서부터 순차적으로배치된다.
따라서 제어반(280)에서는 풍력 발전기의 초기 기동 시 구동모터(270)를 구동시켜 자이로밀형의 블레이드(210)를 회전시킴으로써, 블레이드(210)의 초기 기동이 원활하게 이루어지게 된다.
그리고 도 4는 블레이드(310)가 다리우스 타입으로 이루어진 수직축 풍력 발전기(300)를 도시한 것이다. 본 발명에 따른 다리우스형 수직축 풍력 발전기(300)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 기초(320) 위에 설치된 베이스(330)의 상부에 수직방향으로 설치된 메인샤프트(340)와, 이 메인샤프트(340)의 상단부와 하단부에 연계되어 일체로 회전하는 다리우스형 블레이드(310)와, 베이스(330)의 내측 저부에 설치된 제어반(380)을 갖추고 있다. 그리고 베이스(330)의 내부에는 상부에서 순차적으로 메인샤프트(340)의 회전력을 증속하기 위한 증속기(350)와, 이 증속기(350)에서 증속된 회전력으로 전력을 생산하는 발전기(360)와, 이 발전기(360)와 동축상으로 배치되어 블레이드(310)의 초기 기동 시 발전기(360)와 증속기(350) 및 메인샤프트(340)를 매개로 블레이드(310)를 회전시키기 위한 구동모터(370)가 배치되어 있다.
이에 따라 제어반(380)에서는 풍력 발전기의 초기 기동 시 구동모터(380)를 구동시켜 다리우스형의 블레이드(310)를 회전시킴으로써, 블레이드(310)의 초기 기동이 원활하게 이루어진다.
또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 구동모터(94)를 작동유를 공급받아 구동하는 유압모터로 구성하여도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 즉, 유압모터(94;oilhydraulic motor)는 유압의 에너지에 의해 연속적으로 회전 운동하는 것으로, 이의 샤프트(96)가 발전기(80)의 로터 샤프트(81)와 동축상으로 연결되어 있다. 그리고 동체(30)의 최 후방에는 유압모터(94)에 작동유를 공급하기 위한 유압펌프유닛(95)이 내장되어 있다.
이러한 유압펌프유닛(95)의 구동여부는 제어반(21)에 의해 제어되는데, 유압펌프유닛(95)의 구동 조건 및 구동에 따른 작용효과는 전동모터로 이루어진 구동모터(90)의 경우와 실질적으로 동일하기 때문에 이에 대한 설명은 생략한다.
또한, 도 5에서는 유압펌프유닛(95)과 유압모터(94)를 통해 블레이드(40)를 초기 기동시키는 기술 사상을 프로펠러형 수평축 풍력 발전기에 적용한 것으로 도시하였지만, 이에 국한하지 않고 자이로밀형 수직축 풍력 발전기 및 다리우스형 수직축 풍력 발전기에 적용하여도 본원 발명의 소기 목적을 달성할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이; 본 발명에 따른 풍력 발전기에 의하면, 블레이드의 초기 기동 시 구동모터가 구동되어 발전기와 증속기 및 메인샤프트를 매개로 블레이드를 회전시키며 블레이드가 일정 속도에 도달하면 구동모터의 구동이 중지된다.
따라서 풍력 발전기의 초기 기동이 보다 원활하게 이루어지고 증속기와 같은 동력전달장치의 부품 손상 및 소음 발생이 방지되는 작용효과 있다. 결국, 풍력 발전기의 수명이 연장되며, 블레이드를 가속시킬 수 있는 상태에서는 항상 발전이 되므로 발전효율이 월등하게 향상되는 작용효과가 있다.

Claims (8)

  1. 바람에 의해 회전하는 블레이드와;
    상기 블레이드가 결합되어 상기 블레이드와 함께 일체로 회전하는 메인샤프트와;
    상기 메인샤프트의 회전에 의해 로터가 회전하여 전력을 발생시키도록 상기 메인샤프트와 상기 로터의 샤프트 일단이 동축상으로 연결된 발전기와;
    상기 발전기 로터의 샤프트 타단과 동축상으로 로터의 샤프트가 연결되어 상기 발전기의 로터 및 메인샤프트를 매개로 상기 블레이드를 회전시키기 위한 구동모터와;
    상기 블레이드의 초기 기동 시 상기 구동모터를 구동시키며 상기 블레이드가 일정 회전수에 도달하면 상기 구동모터의 구동을 중지시키는 제어반을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발전기 로터의 샤프트 타단과 상기 구동모터 로터의 샤프트는 동축상으로 배치되면서 한 쌍의 커플링을 통해 연계된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 메인샤프트와 상기 발전기 사이에는 상기 블레이드의 회전력을 증속하여 상기 발전기측으로 전달하는 증속기가 동축상으로 배치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 메인샤프트는 수평축으로 배치되며,
    상기 블레이드는 프로펠라 타입으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 메인샤프트는 수직축으로 배치되며,
    상기 블레이드는 자이로밀 타입으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 메인샤프트는 수직축으로 배치되며,
    상기 블레이드는 다리우스 타입으로 이루어 진 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 구동모터는 전기 에너지를 인가받아 작동하는 전동모터 인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 구동모터는 유압펌프유닛으로부터 작동유를 공급받아 구동하는 유압모터 인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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