KR20100046466A - 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치에 관한 것으로 특히, 지상에서 수직방향으로 세워지게 설치되는 폴대의 상단부에는 공지된 풍차와, 저단 증속 기능을 갖고 상기 풍차의 회전속도에 대응하여 증속하여 유압펌프에 전달하는 증속기 및 상기 증속기를 통해 전달되는 풍차의 회전속도에 부응하여 회전되며 오일을 펌핑하는 유압펌프를 설치하고, 지상에는 상기 유압펌프에서 펌핑되어 제공되는 오일의 량 및 압력에 부응하는 속도로 회전하는 유압모터와, 상기 유압펌프에서 필요로 하는 오일과 유압펌프를 통해 리턴되어 오는 오일이 저장되는 오일탱크 및 상기 유압모터의 회전속도에 부응하여 회전되며 교류전압을 발생시키는 공지된 발전기를 설치한 것을 특징으로 한다.

따라서, 폴대에 가해지는 중량을 줄일 수 있어 시공을 간편히 하며, 구조 설계 및 풍력 발전기의 설치에 따른 제약을 줄일 수 있고, 폴대의 고정력에 대한 바람의 영향을 줄일 수 있다. 그리고 순간적으로 변화되는 풍속에 무관하게 유압장치를 이용하여 발전기의 회전속도를 일정하게 유지시킬 수 있어 별도의 주파수 변환설비 없이도 정해진 주파수의 출력전압을 지속적으로 발전해 낼 수 있음은 물론 발전에너지 손실을 크게 줄일 수 있고 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있는 것이다.

풍력, 폴대, 풍차, 증속기, 유압펌프 및 모터, 발전기, 축압기, 릴리프 밸브

Description

유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치{Power Transforming device of wind turbine with hydraulic system}

본 발명은 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폴대의 상단부에는 간단한 구조의 증속기와 유압펌프만 설치하고 나머지 유압모터와 발전기는 지상에 설치하여 폴대에 가해지는 중량을 줄일 수 있고 설치작업을 쉽게 할 수 있으며 폴대의 고정력에 대한 바람의 영향을 줄일 수 있고, 별도의 주파수 변환설비 없이도 순간적으로 변화되는 풍속에 무관하게 원하는 주파수의 출력전압을 지속적으로 발전해 낼 수 있음은 물론 발전에너지 손실을 크게 줄일 수 있도록 발명한 것이다.

일반적으로 풍력 발전기는, 바람이 갖고 있는 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치로써, 불어오는 바람은 풍력 발전기의 풍차를 회전시키게 되고, 이때 생긴 풍차의 회전력으로 전기를 생산하여 우리가 사용하게 되는 것이다.

이와 같은 풍력 발전기는 풍차와 증속기 및 발전기의 세 부분으로 구성되어 있다.

이때, 풍차는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이고, 상기 증속기는 풍차에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 증속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시키며, 상기 발전기는 풍차에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다

또한, 이와 같은 풍력 발전기는 풍차의 회전축의 방향에 따라 회전축이 지면에 대해 수직으로 설치되어 있는 수직축 풍차와 회전축이 지면에 대해 수평으로 설치되어 있는 수평축 풍차로 구분되는데, 상기에 있어서 수평축 풍차는 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는 단점이 있고, 수직축 풍차는 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평원에 많이 설치하여 이용할 수 있지만 그 소재가 비싸고 수평축 풍차에 비해 효율이 떨어지는 단점이 있다.

이와 같은 풍력 발전기의 입지 조건은, 풍력 발전기 자체가 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고, 또한 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많으며, 풍력으로 발전하려면 평균 초속 4m/s 이상으로 부는 바람이 필요하다.

이와 같은 풍력 발전기를 이용하여 전기에너지를 발전하게 되면, 첫째 바람의 운동에너지를 이용한 발전방식으로 화석연료 대체효과가 매우 크고, 둘째 낙도 등의 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하며, 셋째 풍향이 우수한 해안 및 산간지역에 설치함으로써 국내 토지이용을 합리화할 수 있고, 넷째 대규모 풍력발 전단지 조성시 관광자원으로도 활용할 수 있는 효과가 있다.

그런데, 수직형 풍차를 구비한 종래 대부분의 풍력 발전기는 전술한 바와 같이 비교적 높게 세워지는 폴대의 상단부에 풍차와, 비교적 그 중량이 많이 나가는 다단 증속기 및 발전기 자체가 일체로 설치된 구성으로 되어 있음에 따라, 풍력 발전기의 설치 공사 자체가 매우 난해하고, 또 이와 같은 시공상 및 구조 설계상의 문제로 인해 풍속 발전기를 설치하고자 할 때에는 발전 가능한 풍속 범위가 제한을 받게 되므로 설치 장소물색 및 설정에 따른 많은 제약이 뒤따르는 문제가 있다.

또한, 시시각각으로 변화되는 풍속 변화에 따른 증속기의 증속 능력의 한계로 인하여 발전기에서 발전되는 교류전압의 주파수가 항상 원하는 주파수(즉, 60Hz)를 갖지 못하여 결국 풍력 발전기에서 발전되는 전기를 사용하기 위해서는 별도의 전력변환장치로 원하는 주파수로 변환해야 하므로 추가적인 설비로 인한 경제적 부담을 주게 됨은 물론 전기 에너지의 로스가 발생되는 문제점도 있다.

본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 폴대의 상단부에는 풍차와 함께 비교적 그 구조가 간단하고 저가인 증속기와 유압펌프만 설치하고, 지상에는 유압모터와 발전기 등을 설치하여 폴대에 가해지는 중량을 줄일 수 있고, 시공을 간편히 할 수 있도록 함은 물론 구조 설계 및 풍력 발전기의 설치에 따른 제약을 줄일 수 있으며, 폴대의 고정력에 대한 바람의 영향을 줄일 수 있고, 별도의 주파수 변환설비 없이도 순간적으로 변화되는 풍속에 무관하게 원하는 주파수의 출력전압을 지속적으로 발전해 낼 수 있는 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 장치는, 지상에서 수직방향으로 세워지게 설치되는 폴대의 상단부에는 공지된 풍차와, 저단 증속 기능을 갖고 상기 풍차의 회전속도에 대응하여 증속하여 유압펌프에 전달하는 증속기 및 상기 증속기를 통해 전달되는 풍차의 회전속도에 부응하여 회전되며 오일을 펌핑하는 유압펌프를 설치하고,

지상에는 상기 유압펌프에서 펌핑되어 제공되는 오일에 부응하는 속도로 회전하는 유압모터와, 상기 유압펌프에서 필요로 하는 오일과 유압펌프를 통해 리턴되어 오는 오일이 저장되는 오일탱크 및 상기 유압모터의 회전속도에 부응하여 회 전되며 교류전압을 발생시키는 공지된 발전기를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 필요에 따라서는 상기 유압펌프에서 보내오는 높은 압력의 오일을 저장하여 두었다가 유압모터에 일정압력으로 제공하는 축압기를 상기 유압펌프와 유압모터 사이에 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

또, 상기 유압펌프에서 보내오는 오일의 압력을 체크하여 정해진 압력 이상의 압력은 오일탱크로 바이패스시켜 주고 상기 유압모터로는 정해진 압력 및 량의 오일만 공급해 주는 릴리프 밸브를 상기 유압펌프와 유압모터 사이에 부가 설치한 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 폴대의 상단부에는 풍차와 함께 비교적 그 구조가 간단하고 저가인 증속기와 유압펌프(이는 같은 용량의 발전기에 비해 가벼움)만 설치하고, 지상에는 유압모터와 발전기 등을 설치하여 줌으로써 폴대에 가해지는 중량을 줄일 수 있어 시공을 간편히 할 수 있음은 물론 구조 설계 및 풍력 발전기의 설치에 따른 제약을 줄일 수 있고, 폴대의 고정력에 대한 바람의 영향을 줄일 수 있으며, 별도의 주파수 변환설비 없이도 순간적으로 변화되는 풍속에 무관하게 유압모터를 이용하여 발전기의 회전속도를 일정하게 유지시킬 수 있어 정해진 주파수의 출력전압을 지속적으로 발전해 낼 수 있음은 물론 발전에너지 손실을 크게 줄일 수 있고 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 장치의 일 실시 예에 따른 블록 구성도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명 장치의 다른 실시 예에 따른 블록 구성도를 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명 장치의 또 다른 일 실시 예에 따른 블록 구성도를 나타낸 것이다.

이에 따르면 본 발명 장치의 일 실시 예는 도 1과 같이, 지상에서 수직방향으로 세워지게 설치되는 폴대(1)의 상단부에는 공지된 풍차(2)와, 저단 증속 기능을 갖고 상기 풍차(2)의 회전속도에 대응하여 증속하여 유압펌프(5)에 전달하는 증속기(3) 및 상기 증속기(3)를 통해 전달되는 풍차(2)의 회전속도에 부응하여 회전되며 오일탱크(7) 내 오일을 펌핑하여 유압모터(6)로 전달하는 유압펌프(5)를 설치하고,

지상에는 상기 유압펌프(5)에서 펌핑되어 제공되는 오일의 량 및 압력에 부응하는 속도로 회전하는 유압모터(6)와, 상기 유압펌프(5)에서 필요로 하는 오일과 유압펌프(5)를 통해 리턴되어 오는 오일이 저장되는 오일탱크(7) 및 상기 유압모터(6)의 회전속도에 부응하여 회전되며 교류전압을 발전하는 공지된 발전기(4)를 설치한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시 예는 도 2와 같이, 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 축압기(8)를 부가 설치하여, 상기 유압펌프(5)에서 보내오는 높은 압력의 오일을 저장하여 두었다가 유압모터(6)에 일정압력으로 제공할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 또 다른 실시 예는 도 3과 같이, 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 릴리프 밸브(9)를 부가 설치하여, 상기 유압펌프(5)에서 보내오는 오일의 압력이 정해진 압력 이상인 경우 오일의 일부를 오일탱크로 바이패스시켜 주고 상기 유압모터(6)로는 정해진 압력 및 량의 오일만 공급해 줄 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명 장치에 대한 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 지상에서 수직방향으로 세워지는 폴대(1)의 상방부에는 풍차(2)와 증속기(3) 및 유압펌프(5)를 설치하고, 지상에는 유압모터(6)와 오일탱크(7) 및 발전기(4)를 설치한 것을 주요기술 구성요소로 한다.

이때, 상기 풍차(2)는 종래의 풍차와 동일한 것을 설치한다.

그러데, 증속기(3)의 경우 종래에는 발전기(4)에 직접 연결되어 풍차(2)의 회전속도를 발전기(4)에서 원하는 교류전압이 충분히 발전될 수 있을 정도로 다단(통상 5-10단) 증속시켜 주어야만 했던 조건과 달리 본 발명에서는 유압모터(6)를 통해 발전기(4)를 구동시키는 구성으로 되어 있어 상기 증속기(3)는 유압모터(6)에 유압을 제공하는 유압펌프(5)만 원하는 회전속도로 회전시켜 주면 되므로 저단(예를 들어 2-3단) 증속 기능을 갖는 것을 설치하면 된다.

따라서, 증속기(3) 자체의 중량이 종래의 증속기에 비해 가벼워 시공성이 좋고, 가격 자체도 다단 증속기에 비해 저가이어서 풍력 발전기의 시설비를 대폭 낮 출 수 있다.

또한, 상기 유압펌프(5) 역시 그 중량이 많이 나가지 않는 것으로 상기 풍차(2) 및 증속기(3)와 폴대(1)의 상단부에 설치하여 상기 증속기(3)를 통해 전달되는 풍차(2)의 회전속도에 부응하여 회전되며 지상의 오일탱크(7) 내에 충진되어 있는 오일을 펌핑하여 유압모터(6)로 전달하는 기능을 수행하게 된다.

한편, 지상에 설치되어 있는 상기 유압모터(6)는 폴대(1) 상단부에 설치되어 있는 상기 유압펌프(5)에서 펌핑되어 오는 오일의 량 및 압력에 부응하는 속도로 회전하며 그 회전력을 발전기(4)에 전달하는 기능을 수행하게 된다.

또, 비교적 중량체이므로 종래와 달리 지상에 설치한 발전기(4)는 그 축이 상기 유압모터(6)의 축과 연결된 상태를 가지므로 유압모터(6)의 회전속도에 부응하여 회전되며 사용자가 원하는 주파수의 교류전압을 발전하는 기능을 수행하게 된다.

또한, 상기 오일탱크(7)는 유압펌프(5)에서 필요로 함과 동시에 유압펌프(5)를 통해 리턴되어 오는 오일을 저장하는 기능을 수행하게 된다.

이때, 상기 발전기(4)에서 발전되는 교류전압의 주파수는 증속기(3)에 의해 구동되는 유압펌프(5)의 유압펌핑 압력과 상기 유압펌프(5)에서 공급되는 오일의 압력에 부응하여 회전하는 유압모터(6)의 회전수를 적절히 제어하게 되면 전기적 설비가 없이도 원하는 주파수(즉, 60Hz)를 얻을 수 있다.

한편, 본 발명 장치가 구비된 풍력 발전기의 풍차(2)에 가해지는 풍속은 시시각각으로 변화되므로 실제로 상기 유압펌프(5)에서 배출되는 오일의 압력 역시 풍속의 변화량에 부응하여 변화되어 유압모터(6)의 회전수가 원하는 회전수를 가지지 못할 경우가 있는데, 특히 순간적으로 풍압이 변화될 경우 발전기(4)에서 발전되어 출력되는 전압 역시 순간적으로 원하는 주파수의 출력전압이 나오지 않을 우려가 있다.

따라서, 본 발명의 다른 실시 예에서는 도 2와 같이, 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 축압기(8)를 부가 설치하여, 상기 유압펌프(5)에서 보내오는 높은 압력의 오일을 저장하여 두었다가 유압모터(6)에 일정압력으로 제공할 수 있도록 하였다.

이와 같이 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 축압기(8)를 더 설치하여 주게 되면 단시간 내에서 순간적으로 풍속이 변화되어 상기 유압펌프(5)에서 펌핑되어 유압모터(6) 측으로 공급되는 오일의 압을 상기 축압기(8)를 통해 흡수시킬 수 있으므로 상기 유압모터(6)로 공급되는 유압을 일정하게 유지시킬 수 있어 상기 유압모터(6)에 의해 구동되는 발전기(4)에서 출력되는 발전전압을 일정하게 유지시킬 수 있는 것이다.

이때, 수개의 풍력 발전기가 설치되어 있는 경우 각각의 풍압 발전기에 설치되어 있는 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 각각 축압기(8)를 설치하지 않고 수개의 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 비교적 큰 용량을 갖는 하나의 축압기(8)를 설치하게 되면, 장시간에 걸쳐서 바람의 세기가 변화되어도 여러 개의 유압펌프에서 배출되는 압유를 축압기(8)를 통해 합친 후 각각의 유압펌프(5)에 분산해 주게 되면 지속적으로 전기를 발전해 낼 수도 있다.

또한, 여러 가지 이유로 오일 압력이 일정 이상이 되면 유압 시스템의 파손의 우려가 있음에 따라, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 도 3과 같이, 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 릴리프 밸브(9)를 필요에 따라 부가 설치하였다.

이와 같이 상기 유압펌프(5)와 유압모터(6) 사이에 릴리프 밸브(9)를 더 설치해 주게 되면, 상기 유압펌프(5)에서 보내오는 오일의 압력이 정해진 압력 이상일 경우 정해진 량을 오버하는 오일의 일부를 오일탱크(7)로 바이패스시켜 주고 상기 유압모터(6)로는 정해진 압력 및 량의 오일만 공급해 줄 수 있으므로 강풍이나 태풍이 불어오는 상황에서도 상기 유압모터(6)에 의해 구동되는 발전기(4)에서 출력되는 발전전압은 일정 주파수의 출력전압을 갖게 된다.

상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기 실시 예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.

도 1은 본 발명 장치의 일 실시 예에 따른 블록 구성도.

도 2는 본 발명 장치의 다른 실시 예에 따른 블록 구성도.

도 3은 본 발명 장치의 또 다른 일 실시 예에 따른 블록 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 폴대 2 : 풍차

3 : 증속기 4 : 발전기

5 : 유압펌프 6 : 유압모터

7 : 오일탱크 8 : 축압기

9 : 릴리프 밸브

Claims (3)

1. 지상에서 수직방향으로 세워지게 설치되는 폴대의 상단부에는 공지된 풍차와, 저단 증속 기능을 갖고 상기 풍차의 회전속도에 대응하여 증속하여 유압펌프에 전달하는 증속기 및 상기 증속기를 통해 전달되는 풍차의 회전속도에 부응하여 회전되며 오일을 펌핑하는 유압펌프를 설치하고,

   지상에는 상기 유압펌프에서 펌핑되어 제공되는 오일의 량 및 압력에 부응하는 속도로 회전하는 유압모터와, 상기 유압펌프에서 필요로 하는 오일과 유압펌프를 통해 리턴되어 오는 오일이 저장되는 오일탱크 및 상기 유압모터의 회전속도에 부응하여 회전되며 교류전압을 발생시키는 공지된 발전기를 설치한 것을 특징으로 하는 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 유압펌프와 유압모터 사이에 축압기를 부가 설치하여, 상기 유압펌프에서 보내오는 높은 압력의 오일을 저장하여 두었다가 유압모터에 일정압력으로 제공할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 유압펌프와 유압모터 사이에 릴리프 밸브를 부가 설치하여, 상기 유압펌프에서 보내오는 오일의 압력이 정해진 압력 이상인 경우 오일의 일부를 오일탱크로 바이패스시켜 주고 상기 유압모터로는 정해진 압력 및 량의 오일만 공급해 줄 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 유압장치를 이용한 풍력 발전기의 동력변환장치.

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