KR20130039865A - 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로서, ㅌ특히 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 상기 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 풍력발전기와, 상기 풍력발전기의 풍속을 감지하는 풍속센서와, 상기 풍속센서에서 기동 풍속 이상의 풍속이 감지되면 상기 풍력발전기를 구동하여 상용 전력을 생산하고, 상기 풍속센서에서 기동 풍속 미만의 풍속이 감지되면 히팅(Heating) 제어 신호를 생성 출력하며, 전력의 정류, 저장 및 전송 과정을 제어하는 제어장치와, 상기 제어장치에서 히팅 제어 신호를 전달받아 가열되는 가열기와, 축열매체에 따라 정해진 축열 온도에 의해 상기 가열기에서 전달되는 열을 저장하는 축열기와, 상기 축열기에서 얻어진 열을 작동유체에 공급하여 발전시키는 하이브리드형 발전기로 이루어진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 다양한 방향과 기동 풍속 미만인 저풍속의 바람 에너지를 발열체를 이용해 축열하여 태양열 발전시스템과 결합한 하이브리드 발전 시스템을 구성함으로써 풍력 발전기의 보급률을 높일 수 있으며, 풍력 자원과 태양자원을 모두 활용하여, 무정전으로 전력을 공급할 수 있을 뿐만 아니라 태양과 바람 자원과 같은 대체 에너지를 이용하여 전력을 생산함으로써 자원고갈에 대비하고 환경오염을 줄일 수 있다.

Description

저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템{Hybrid power system to use low speed wind power}
본 발명은 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 방향과 기동 풍속 미만인 저풍속의 바람 에너지를 발열체를 이용해 축열하여 태양열 발전시스템과 결합한 하이브리드 발전 시스템을 구성함으로써 풍력 발전기의 보급률을 높일 수 있으며, 풍력자원과 태양자원을 모두 활용하여 무정전으로 전력을 공급할 수 있으며, 소형 가정 주택이나 연립 주택 등의 옥상에 기존의 태양열 발전 시스템에 연계되어 저렴한 비용으로 설치됨으로써 태양 에너지와 바람 에너지를 이용해 난방할 수 있는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 관한 것이다.
지구의 석유 매장량이 심각하게 감소하면서 고유가 행진이 지속되고 있다. 최근에는 각종 대체에너지가 개발되면서 그 효율을 증진시키고, 석유를 실질적으로 대체할 수 있는 기술 개발에 박차를 가하고 있다.
다수의 대체에너지 중에서 그 효용성과 범용성 및 발전 가능성을 모두 고려하여 볼 때, 가능성이 있는 대체에너지는 단연 태양열 발전과 풍력발전이다. 물론, 이러한 대체에너지는 각종 기후환경과 운전 특성에 따라 그 효율이 크게 좌우되기는 하지만, 발전 효율을 증가시키게 되면 실질적으로 석유를 대체할 에너지로 인식하고 있다.
먼저, 태양열 발전은 반도체 소자인 태양전지판에 햇빛을 쏘이면 광전자효과를 일으켜 전기가 발생하는 원리를 이용하는 것으로, 무공해, 무소음, 무한 에너지로서 대표적인 대체에너지 이용 시스템의 하나이다.
일반적인 태양열 발전 시스템은 태양전지로 구성된 모듈과, 제어기, 축전지 및 인버터로 구성되어 있으며 시스템 이용방법에 따라 산간, 벽지 및 섬 등의 원격지와 주택에 설치되는 독립형 시스템과 외부의 전선에 연결하여 사용되고 남은 잉여전력을 전력회사에 판매하는 계통연계형 시스템, 태양열발전기에 디젤발전, 풍력발전 등을 복합적으로 연결하여 발전하는 하이브리드 시스템 등으로 구분할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 태양열 발전은 태양광의 위치에 따라서 전력발생량이 좌우되며, 태양광이 없는 날씨에는 발전이 불가능하여 상시부하에 대한 안정적인 전력공급원으로써 전력공급이 불가능한 문제점이 있다.
다음, 풍력발전 시스템은 자연 상태의 무공해 에너지원으로 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생되는 전력을 전력계통이나 수요자에 직접 공급하는 기술로써, 풍력발전 시스템은 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 이 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 시스템이다.
일반적으로 풍력발전장치에는 수평축 풍력발전기와 수직축 풍력발전기가 있다. 수평축 풍력발전기는 회전축이 바람의 방향에 대해 수평인 풍력발전시스템으로써 비교적 간단한 구조로 이루어져 있어 설치하기 편리하나 바람의 방향에 영향을 받는다.
일반적으로 수평축 풍력발전기는 기동풍속(cut-in wind speed) 4m/s, 정격풍속(rated wind speed) 13.5m/s, 정지풍속(cut-out wind speed) 25m/s를 요구하며, 프로펠라형이 가장 많이 사용된다.
그리고, 수직축 풍력발전기는 회전축이 바람에 불어오는 방향에 수직인 풍력발전시스템으로써 바람의 방향에 관계가 없어 사막이나 평지에도 설치 가능하나 설치비용이 많이 들고 효율이 떨어지므로 보급률이 낮으며, 정지풍속은 높은 편이나 대용량인 경우 초기 기동에 있어 수평축에 비해 높은 풍속을 요구한다.
일반적으로 사용되는 대용량 풍력발전기의 경우 초기기동에 있어 높은 풍속을 요구하는데 비해 평균 풍속 4m/s 이하인 우리나라의 실정에 맞지 않으므로 보급되기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 다양한 방향과 기동 풍속 미만인 저풍속의 바람 에너지를 발열체를 이용해 축열하여 태양열 발전시스템과 결합한 하이브리드 발전 시스템을 구성할 수 있어 풍력 발전기의 보급률을 높일 수 있으며, 풍력자원과 태양자원을 모두 활용할 수 있어 무정전으로 전력을 공급할 수 있는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템은, 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 상기 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 풍력발전기와, 상기 풍력발전기의 풍속을 감지하는 풍속센서와, 상기 풍속센서에서 기동 풍속 이상의 풍속이 감지되면 상기 풍력발전기를 구동하여 상용 전력을 생산하고, 상기 풍속센서에서 기동 풍속 미만의 풍속이 감지되면 히팅(Heating) 제어 신호를 생성 출력하며, 전력의 정류, 저장 및 전송 과정을 제어하는 제어장치와, 상기 제어장치에서 히팅 제어 신호를 전달받아 가열되는 가열기와, 축열매체에 따라 정해진 축열 온도에 의해 상기 가열기에서 전달되는 열을 저장하는 축열기와, 상기 축열기에서 얻어진 열을 작동유체에 공급하여 발전시키는 하이브리드형 발전기로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제어장치는, 상기 풍력발전기로부터 생산되는 상용 전력을 전력계통에 연계하여, 사용되고 남은 잉여전력을 전력회사에 판매하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 하이브리드형 발전기가 태양열 발전 시스템과 연결된 경우에, 상기 축열기는 상기 가열기에서 제공되는 열을 저장하는 제1 축열조와, 상기 태양열 발전 시스템의 흡열기에서 제공되는 열을 저장하는 제2 축열조와, 상기 제1 축열조와 제2 축열조의 열을 합산한 고온의 열을 상기 하이브리드형 발전기에 제공하는 제3 축열조로 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제3 축열조는 보일러와 연계되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 하이브리드형 발전기가 가축의 분뇨로 전기를 생산하는 바이오매스 시설과 연결될 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어장치는 기동 풍속을 8m/sec로 하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템에 따르면, 다양한 방향과 기동 풍속 미만인 저풍속의 바람 에너지를 발열체를 이용해 축열하여 태양열 발전시스템과 결합한 하이브리드 발전 시스템을 구성함으로써 풍력 발전기의 보급률을 높일 수 있으며, 우천시와 같이 태양광으로 발전이 불가능한 경우에는 풍력자원을 활용하고, 바람이 없는 맑은날과 같이 풍력으로 발전이 불가능한 경우에는 태양자원을 활용하여, 무정전으로 전력을 공급할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 무공해 에너지원으로써의 태양과 바람 자원과 같은 대체 에너지를 이용하여 전력을 생산함으로써 자원고갈에 대비하고 환경오염을 줄일 수 있고, 소형 가정 주택이나 연립 주택 등의 옥상에 기존의 태양열 발전 시스템에 연계되어 저렴한 비용으로 설치됨으로써 태양 에너지와 바람 에너지를 이용해 난방할 수 있는 효과도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템의 구성이 도시된 블록도,
도 2는 본 발명의 실시예에 적용되는 풍력발전기의 특성 곡선이 도시된 그래프,
도 3은 본 발명의 실시예에 적용되는 무부하시 전압의 특성이 도시된 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 적용되는 축열조 히터 전류/축열조 히터 선간 전압에 대한 저항 곡선이 도시된 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 적용되는 축열조 히터 선간 전압/축열조 소비전력에 대한 저항 곡선이 도시된 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 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 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템은, 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 상기 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 풍력 발전기(10)와, 상기 풍력 발전기(10)의 풍속을 감지하는 풍속센서(20)와, 상기 풍속센서(20)에서 8m/sec의 기동 풍속 이상의 풍속이 감지되면 상기 풍력 발전기(10)에서 상용 전력을 생산하도록 하고, 상기 풍속센서(20)에서 기동 풍속 미만의 풍속이 감지되면 히팅(Heating) 제어 신호를 생성 출력하며, 전력의 정류, 저장 및 전송 과정을 제어하는 제어 장치(30)와, 상기 제어 장치(30)에서 히팅 제어 신호를 전달받아 가열되는 가열기(heater)(40)와, 축열매체에 따라 정해진 축열 온도에 의해 상기 가열기(40)에서 전달되는 열을 저장하는 축열기(50)와, 상기 축열기(50)에서 얻어진 열을 작동유체에 공급하여 발전시키는 하이브리드형 발전기(60)로 이루어진다.
본 발명의 실시예에서는 풍력 발전기(10)가 태양열 발전 시스템(100)과 연계되어 하이브리드 발전 동작을 수행하지만, 가축의 분료로 전기를 생산하는 바이오 매스 시설과 연계될 수도 있는데, 상기 풍력 발전기(10)에 연계되는 발전 시스템에 따라 그 구성이 달라질 수 있다.
참고적으로 , 최근 에너지 기술 연구원 등과 같은 여러 에너지 관련 연구기관에서 발표된 바에 따르면, 상기 바이오매스 자원은 재생이 가능하며 또 광역분산형의 자원으로서 지 역 에너지원으로서 주목되고 있다. 에너지원으로서의 바이오매스의 장점은 에너 지를 저장할 수 있다는 점, 재생이 가능하다는 점, 물과 온도조건만 맞으면 지구상 어느 곳에서나 얻을 수 있다는 점, 최소의 자본으로 이용기술의 개발이 가능하다는 점, 그리고 원자력의 이용 등과 비교할 때 환경보전적으로 안전하다는 점 등이다.
본 실시예에서 상기 바이오매스 시설은 가축의 분뇨가 발효탱크로 보내지고, 발효탱크에서 발생되는 바이오 가스들이 소형 가스탱크에 모아야 발전 및 보일러에 이용되도 록 하는 것이다.
일례로, 상기 풍력 발전기(10)가 디젤 발전 시스템이나 화목 보일러 등과 연계되는 경우에 필요에 따라 상기 가열기(40)에서 전달되는 열을 처리하기 위한 구성이 달라질 수 있다.
한편, 상기 제어 장치(30)는 상기 풍력 발전기(10)로부터 생산되는 상용 전력을 전력계통 연계 시스템(200)에 전송하여, 사용되고 남은 잉여전력을 전력계통 연계 시스템(200)을 주관하는 전력회사에 판매하도록 한다.
상기 풍력 발전기(10)가 태양열 발전 시스템(100)과 연계되는 경우에, 상기 하이브리드형 발전기(60)는 추기 터빈(turbine) 형태의 발전기가 될 수 있다.
그리고, 상기 축열기는 상기 가열기(40)에서 제공되는 열을 저장하는 제1 축열조(51)와, 상기 태양열 발전 시스템(100)의 흡열기에서 제공되는 열을 저장하는 제2 축열조(52)와, 상기 제1 축열조(51)와 제2 축열조(52)의 열을 합산한 고온의 열을 상기 하이브리드형 발전기(60)에 제공하는 제3 축열조(53)로 구성된다.
이때, 상기 제3 축열조(53)는 보일러(70)와 연계되어 보일러(70) 내 축열온도 표시기능 및 실내온도 조절기능과 예약, 자기진단기능 등을 정밀하게 조절할 수 있도록 한다.
또한, 상기 가열기(40)는 별도로 설치할 필요없이 상기 제어 장치(30)의 제어에 따라 태양열 발전 시스템(100)에 구비된 가열기를 사용할 수도 있다.
도 2 내지 도 43에 도시된 바와 같이, B점의 운전 개시 전압(Reverser voltage)은 E=440×0.85=374V 이고, C점은 운전개시 전압(E)이 374V일 때 풍력 발전기(10)의 로터(Rotor) 회전수가 226RPM이며, D점은 로터 회전수가 226RPM일 때 풍력 발전기(10)의 출력이 2720와츠(Watts)이고, E점은 A점과 같다.
도 2에서 데드 존(DEAD ZONE)은 역전압으로 인한 전력사용 불가능 영역으로서, 풍속이 8m/sec 미만으로 발전 전압이 역전압 이하시(공회전), 가열기(40)를 이용해 축열기(50)의 열원으로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템의 동작에 대해 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템은 풍속 센서(20)에서 감지된 풍속이 8m/sec 이상일 경우에 풍력 발전기(10)에서 생산되는 전력이 전력계통 연계 시스템(200)으로 송신된다.
이때, 상기 풍력 발전기(10)로부터 생산되어 전력 계통으로 송신되는 생산 전력량은 대략 3.5㎾ × 6Hr/D=21㎾H/D이다.
그러나, 상기 풍속 센서(20)에서 감지된 풍속이 8m/sec 미만일 경우에 제어 장치(30)는 가열기(40)로 히팅 제어신호를 출력하여, 상기 가열기(40)가 동작하면서 발생되는 열이 제1 축열조(51)에 전달된다.
상기 제1 축열조(51)는 1일 평균 풍속이 10시간 동안 4.5m/sec라고 할 경우에, 1일 축열량(Q1)은 1.3㎾×10Hr=13㎾H×860Kcal/㎾H=11000Kcal/D이고, 태양열 발전 시스템(100)의 흡열기에서 전달되는 열을 저장하는 제2 축열조(52)의 1일 축열량(Q2)는 흡열 효율이 0.8인 경우에 1일 흡열량(PaQ1) × 0.8=3600Kcal/m2D이다.
따라서, 상기 제1 축열조(51)의 열이 제2 축열조(52)에 전달되고, 상기 제2 축열조(52)의 열이 제3 축열조(53)에 전달되므로, 상기 제3 축열조(53)는 상기 제1 축열조(51)와 제2 축열조52)를 통해 얻어진 열을 작동유체에 공급하여 고온의 열을 사용하여 증기를 만든 다음에 하이브리드형 발전기(60)의 터빈(Turbine) 날개를 돌려 전기를 생산하도록 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템은 다양한 방향과 기동 풍속 미만인 저풍속의 바람 에너지를 가열기(40)를 이용해 축열하여 태양열 발전 시스템(100)과 결합한 하이브리드 발전 시스템을 구성함으로써 풍력 발전기(10)의 보급률을 높일 수 있다.
무엇보다도, 우천시와 같이 태양광으로 발전이 불가능한 경우에는 풍력 발전기(10)를 이용해 바람 에너지를 활용하고, 바람이 없는 맑은날과 같이 풍력으로 발전이 불가능한 경우에는 태양열 발전 시스템(100)을 이용해 태양 에너지를 활용하여 무정전으로 전력을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명은 풍력 발전기(10)를 소형으로 제작하여 기존의 태양열 발전 시스템(100)과 연계할 수 있어, 가정 주택이나 연립 주택 등의 옥상에 저렴한 비용으로 설치되어 난방에 이용될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 풍력 발전기 20 : 풍속센서
30 : 제어장치 40 : 가열기
50 : 축열기 60 : 하이브리드형 발전기
70 : 보일러 100 : 태양열 발전 시스템
200 : 전력계통 연계 시스템

Claims (6)

  1. 바람에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 상기 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 생산하는 풍력발전기와,
    상기 풍력발전기의 풍속을 감지하는 풍속센서와,
    상기 풍속센서에서 기동 풍속 이상의 풍속이 감지되면 상기 풍력발전기에서 상용 전력을 생산하도록 하고, 상기 풍속센서에서 기동 풍속 미만의 풍속이 감지되면 히팅(Heating) 제어 신호를 생성 출력하며, 전력의 정류, 저장 및 전송 과정을 제어하는 제어장치와,
    상기 제어장치에서 히팅 제어 신호를 전달받아 가열되는 가열기와,
    축열매체에 따라 정해진 축열 온도에 의해 상기 가열기에서 전달되는 열을 저장하는 축열기와,
    상기 축열기에서 얻어진 열을 작동유체에 공급하여 발전시키는 하이브리드형 발전기로 이루어진 것을 특징으로 하는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 풍력발전기로부터 생산되는 상용 전력을 전력계통에 연계하여, 사용되고 남은 잉여전력을 전력회사에 판매하는 것을 특징으로 하는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드형 발전기가 태양열 발전 시스템과 연결된 경우에,
    상기 축열기는 상기 가열기에서 제공되는 열을 저장하는 제1 축열조와, 상기 태양열 발전 시스템의 흡열기에서 제공되는 열을 저장하는 제2 축열조와, 상기 제1 축열조와 제2 축열조의 열을 합산한 고온의 열을 상기 하이브리드형 발전기에 제공하는 제3 축열조로 구성되는 것을 특징으로 하는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 축열조는 보일러와 연계되는 것을 특징으로 하는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하이브리드형 발전기가 가축의 분뇨로 전기를 생산하는 바이오매스 시설과 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 기동 풍속을 8m/sec로 하는 것을 특징으로 하는 저속 풍력을 이용한 하이브리드 발전 시스템.
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