KR101643897B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력발전기에 구비되며, 바람에 의해 회전 운동을 하는 블레이드, 블레이드가 기 설정된 rpm 이하로 회전하는 경우, 풍력 발전기가 주 전원 저장부에서 보조 전원 저장부로 충전하도록 변경하는 스위치, 블레이드의 회전 속도, 회전 속도에 따른 스위치의 이동 및 풍력 발전기의 동작을 제어하는 제어부, 주 전원 저장부, 보조 전원 저장부를 포함하는 풍력 발전기에 관한 것이다.

Description

풍력 발전기 {Wind generator}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일정 속도 범위 안의 풍속에서 발전기의 무부하 전압을 이용하여 보조 전원 저장부에 충전하고, 긴급 상황시 내부 시스템 또는 외부 장치에 전력을 공급하도록 하는 풍력 발전기에 관한 것이다.

풍력 에너지는 친환경 에너지 중 하나로, 태양열 발전, 수력 발전, 지열 발전, 조력 발전, 파력 발전 등 신재생 에너지 중에서 최근 가장 많은 연구가 이루어지고 있으며, 투자 대비 생산 전력의 효율성도 높은 편에 속하여 급성장하고 있는 에너지 공급원이다.

풍력 발전은 도 1과 같은 풍력 발전기를 바람이 지니고 있는 에너지를 통해 전기 에너지로 바꾸어 주는 장치로, 일정 풍속 이상에서 바람의 힘으로 풍력 발전기의 블레이드(날개)를 회전시키게 되며, 이 때 생기는 회전력으로 발전기를 작동시켜 전기를 생산할 수 있다. 블레이드에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시키게 되며, 블레이드에서 발생한 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하게 되는 것이다.

또한, 풍력 발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하며, 풍력발전량은 블레이드 길이의 제곱에 비례하고 풍속의 세제곱에 비례하므로, 발전기가 크고 바람이 강한 곳일수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있어 유리하다.

도 2를 참조하면, 풍속이 v1(cut-in wind speed; 시동 풍속) 이상이 되는 경우에 풍력 발전기가 풍력 발전을 시작하게 된다. 그러나, 풍속이 v2(rated wind speed; 정격 풍속)까지 도달하기 전까지는 풍력 발전기가 발전을 시작하지 않고 무부하 상태를 유지하게 된다. 이 때, 풍력 발전기의 블레이드는 계속해서 돌아가게 되지만 발전된 전력을 저장하지는 않으므로, 시동 풍속과 정격 풍속 사이의 자연 에너지는 전기 에너지로 변환되지 못하고 버려지게 되는 문제점이 있다.

한편, 풍력발전 시스템은 환경 문제나 소음 등으로 사람의 발길이 닿지 않는 해안이나 해상 등에 설치되는 경우가 많아진다. 그런데, 풍력발전 시스템 내부의 계통 전원이 이상이 생겨 차단이 되는 경우, 내부 시스템 전원을 유지하는 UPS(Uninterruptible power supply; 무정전 전원 장치)는 최대 1시간 이내 가량 전원을 공급할 수 밖에 없으며, 계통 전원 차단이 길어지게 되는 경우에는 UPS 의 용량 한계로 풍력 발전기 내부에 전원을 공급을 할 수 없게 되는 문제점이 있다.

일본공개특허 2000-102294호

본 발명은 상술한 바와 같이 기존의 풍력발전 시스템이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 풍력 발전기가 정격 풍속 이하인 경우 버려지게 되는 에너지를 보조 전원 저장부에 저장하고, 추후 계통 전원 차단 등의 비상 상황시 충전한 보조 전력을 공급하는 풍력 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 포함될 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 풍력발전기에 구비되며, 바람에 의해 회전 운동을 하는 블레이드, 상기 블레이드가 기 설정된 rpm 이하로 회전하는 경우, 풍력 발전기가 주 전원 저장부에서 보조 전원 저장부로 충전하도록 변경하는 스위치, 상기 블레이드의 회전 속도, 상기 회전 속도에 따른 스위치의 이동 및 풍력 발전기의 동작을 제어하는 제어부, 주 전원 저장부, 보조 전원 저장부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 상기 풍력 발전기가 발전한 교류 전원을 직류 전원으로 전환하여 상기 주 전원 저장부, 상기 보조 전원 저장부 중 적어도 어느 하나에 저장하도록 하는 전력변환장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 상기 제어부가 상기 풍력 발전기에 외부의 전원 공급이 중단되면, 상기 보조 전원 저장부에 충전된 전원을 풍력발전기 내부 시스템에 공급하며, 상기 풍력 발전기의 외부 전원 공급이 기 설정된 시간 이상 중단되면, 풍력 발전기가 보조 전원 장치에 충전하도록 상기 스위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 상기 제어부가 상기 풍력 발전기에 UPS 전원 공급이 중단되면, 상기 보조 전원 저장부에 충전된 전원을 풍력발전기 내부 시스템에 공급하는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기는, 상기 제어부가 상기 보조 전원 저장부가 충전 완료되면, 풍력 발전기가 주 전원 장치에 충전하도록 상기 스위치를 변경하고, 상기 보조 전원 저장부의 충전 용량이 기 설정된 용량보다 적어지면, 풍력 발전기가 보조 전원 장치에 충전하도록 상기 스위치를 변경하는 것을 특징으로 한다.

종래의 풍력 발전기는 시동 풍속과 정격 풍속 사이의 구간에서 발전을 시작하지 않고 무부하 상태를 유지하게 되므로, 풍력 발전기의 블레이드는 계속해서 돌아가게 되지만 발전된 전력을 저장하지는 않아 자연 에너지는 전기 에너지로 변환되지 못하고 버려지게 되었으나, 본 발명은 풍력 발전기의 블레이드의 rpm으로 풍속을 판단하고 기 설정된 rpm 범위에서 회전하는 경우 보조 전원 장치에 충전하도록 변경하도록 하여, 발전기 무부하 전력을 유용하게 사용할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면 풍력발전 시스템 내부의 계통 전원이 이상이 생겨 차단이 되는 경우, 최대 1시간 가량의 전원을 공급할 수 밖에 없는 내부 시스템 전원을 유지하는 UPS 이외에, 시동 풍속과 정격 풍속 사이의 구간에서 충전된 보조 전원 장치의 전력을 풍력발전 시스템에 공급하도록 하여, 항공 장애등, 통신 장비 등 풍력 발전기 내부 시스템에 전력을 안정적으로 공급할 수 있게 된다.

도 1은 풍력 발전기를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기가 구동되는 풍속의 구간을 나타내는 그래프이다.
도 3, 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기가 풍속의 구간에 따라 주 전원 저장부와 보조 전원 저장부 사이를 변환하는 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기가 비상시에 전력을 공급하는 구성도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '풍력 발전기'를 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 통상의 기술자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

도 1은 종래의 풍력 발전기를 나타내는 예시도이며, 도 2는 풍력 발전기가 풍속에 따라 생산할 수 있는 출력을 나타내는 그래프이다.

도 1, 2를 참조하면, 종래의 풍력 발전기가 풍속에 따라서 생산할 수 있는 출력은 풍속에 따라 달라지게 된다. 풍력 발전기에 인가되는 풍속은 v1(cut-in wind speed; 시동 풍속), v2(rated wind speed; 정격 풍속), v3(cut-off wind speed; 차단 풍속)에 따라서 풍력 발전기의 출력이 달라지게 된다. 먼저 시동 풍속(v1)은 약 3~4m/s 가량으로, 바람이 거의 불지 않거나 불더라도 풍력 발전기의 블레이드를 회전시키기에 충분하지 않은 풍속이므로, 출력이 거의 발생하지 않는다.

이어, 시동 풍속(v1)을 지나 정격 풍속(v2)에 이르기까지, 풍력 발전기가 발생시킬 수 있는 출력은 완만하게 증가한다. 이 때 정격 풍속(v2)은 대략 14~15m/s 정도가 되는데, 정격 풍속에 도달하여야 해당 풍력 발전기가 생산할 수 있는 최대 출력에 도달하게 되므로, 효율성을 고려하여 시동 풍속(v1)에서 정격 풍속(v2)까지의 구간에서는 발전기에 부하가 없는 무부하 상태에서 작동하게 된다.

정격 풍속(v2)을 지나 차단 풍속(v3)의 구간 까지는, 풍력 발전기가 풍속과 무관하게 일정한 출력을 발생할 수 있다. 이 때, 정격 풍속(v2)이상의 바람이 불게 되면 풍력 발전기의 회전자 출력을 제어하여 발전기에 과부하가 걸리지 않도록 하며, 블레이드의 각도를 제어하는 등의 방법으로 회전자 출력을 일정하게 제어할 수 있다. 그러나, 25~30m/s 정도의 차단 풍속(v3)에 도달하게 되면, 강력한 바람(ex; 태풍, 토네이도, 싹쓸바람 등)이 풍력 발전기 자체가 파손될 정도로 회전시킬 우려가 있게 되므로, 풍력 발전기의 회전을 멈추게 하고 발전을 중단하도록 한다.

이 때, 종래의 풍력 발전기는 시동 풍속(v1)에서 정격 풍속(v2) 사이의 구간에서 발전을 시작하지 않고 무부하 상태를 유지하여, 발전된 전력을 저장하지 않아 버려지게 되었으므로, 본 발명은 보조 전원 저장부와 스위치의 구성을 더 포함시켜 발전기 무부하 전력을 유용하게 사용할 수 있게 된다.

도 3, 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기가 풍속의 구간에 따라 주 전원 저장부와 보조 전원 저장부 사이를 변환하는 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 풍력 발전기(300)는, 블레이드(310), 스위치(320), 제어부(330), 주 전원 저장부(341), 보조 전원 저장부(342)를 포함할 수 있다.

블레이드(310)는 풍력 발전기에 구비되며, 바람에 의해 회전 운동을 한다. 블레이드에는 발전기(311)가 부착되어, 블레이드의 회전 운동에 따라서 전기를 직접 출력할 수 있다.

스위치(320)는 블레이드가 기 설정된 rpm 이하로 회전하는 경우, 풍력 발전기가 주 전원 저장부에서 보조 전원 저장부로 충전하도록 변경한다. 이 때, 스위치는 기계적인 스위치나 전기적인 스위치를 모두 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 풍속이 정격 풍속(v2)과 차단 풍속(v3)의 구간에 위치하는 경우, 바람의 세기는 블레이드가 돌아가는 rpm(revolution per minute)으로 판단할 수 있다. 기본적으로 풍력 발전이 전기 에너지를 공급할 수 있도록, 정격 풍속(v2)과 차단 풍속(v3)의 사이에서는, 스위치가 주 전원 저장부에 연결되어 있다. 그러나, 블레이드가 기 설정된 rpm 범위에서 회전하는 경우, 제어부는 시동 풍속(v1)과 정격 풍속(v2)의 구간에 위치하는 것임을 판단하고, 풍력 발전기가 보조 전원 저장부에 충전하도록 스위치를 변경한다. 따라서, 종래의 경우 블레이드가 회전하더라도 전력을 생산하지 않고 버려지게 되었던 전력을 보조 전원 저장부에 충전함으로써, 긴급 상황 발생시 사용할 수 있게 된다.

특히, 주 전원 저장부에 전력을 저장하는 경우, 풍력 발전기는 부하 운전을 하게 된다. 부하 운전은 발전기에 생산된 전기를 사용하는 모든 기계, 기기, 기구 등이 연결된 상태에서 발전기를 작동하는 것이므로, 해당 기계, 기기, 기구들이 사용하는 전기 에너지를 소비하게 된다. 그러나, 시동 풍속(v1)에서 정격 풍속(v2) 사이의 구간에는, 스위치를 통해 보조 전원 저장부로 변경하게 되므로 무부하 상태에서 발전기가 생산한 전력을 충전 가능해지므로 보다 더 효율적으로 보조 전원 저장부를 충전시킬 수 있다.

제어부(330)는 블레이드의 회전 속도와, 회전 속도에 따른 스위치의 이동 및 풍력 발전기의 동작을 제어한다. 이 때, 제어부는 시동 풍속(v1), 정격 풍속(v2), 차단 풍속(v3)에 따라서 블레이드의 회전 동작을 시작하고 멈추도록 제어하며, 다양한 외부 환경에 따라서 주 전원 저장부에 충전할 것인지 보조 전원 저장부에 충전할 것인지도 판단한다. 또한 제어부는, 보조 전원 저장부의 충전이 완료되면 풍력 발전기가 주 전원 저장부에 충전하도록 스위치를 변경하여 풍력 발전기의 정상적인 가동이 진행되도록 할 수 있다.

또한, 제어부는 바람이 시동 풍속(v1)과 정격 풍속(v2) 사이의 구간에 위치할 때 보조 전원 저장부에 충전할 수도 있지만, 보조 전원 저장부의 충전 용량이 기 설정된 용량(ex; 보조 전원 저장부의 충전 용량이 30% 이하로 내려 가는 경우) 보다 적어지는 경우 비상 상황을 대비할 수 있도록 스위치를 변경하여 풍력 발전기가 보조 전원 장치에 충전하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 풍력 발전기는, 풍력 발전기가 발전한 교류 전원을 직류 전원으로 전환하여 주 전원 저장부, 보조 전원 저장부 중 적어도 어느 하나에 저장하도록 하는 전력변환장치(350)를 더 포함할 수 있다.

전력변환장치(350)는, 풍력 발전기가 발전한 계통 전력을 저장부의 충전에 사용할 수 있도록 교류(AC) 전원을 직류(DC) 전원으로 변환한다. 또한, 직류-직류 변환(DC-DC), 전력을 송전할 때 사용되는 직류-교류(DC-AC) 변환장치도 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기가 비상시에 전력을 공급하는 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 풍력 발전기는 풍력발전시스템의 계통 전원이 차단되는 경우, 내부 시스템 전원을 유지할 수 있는 UPS(uninterruptible power supply; 무정전 전원 장치)를 구비한다. 이러한 UPS는 일반 전원 또는 예비 전원을 사용할 때 전압 변동, 순간 정전, 과도 전압 등으로 인한 전원 이상을 방지하고 안정된 전원을 공급하기 위한 장치이다. 그러나, 풍력 발전 시스템과 같은 대규모 플랜트의 경우 UPS의 구동 시간은 길게 잡아도 1시간 가량에 불과하며, 특히 풍력 발전기는 인적이 드문 해안, 해상 등에 위치하므로 풍력발전기 내부에 장기간 전원을 공급하기가 용이하지 않다.

따라서, 본 발명의 풍력 발전기의 제어부(330)는, 풍력 발전기에 외부의 전원 공급이 중단되면, 보조 전원 저장부에 충전된 전원을 풍력발전기 내부 시스템에 공급하도록 한다. 이 때, 외부의 전원 공급이 중단되는 것을 감지하여 보조 전원 저장부를 작동할 수도 있고, 긴급 상황에서 동작하는 UPS의 풍력 발전기로 전원 공급이 중단되면 긴급 상황을 감지하여 보조 전원 저장부를 작동할 수도 있다. 이 때, 계통 전원 차단이 장기간 지속될 수 있는 위험이 존재하므로, 전원을 공급하는 장치는 풍력발전기 자체의 항공장애등, 통신장비 등 필수적으로 동작되어야 하는 구성에만 전원을 공급하는 것이 바람직하다.

또한, 제어부는 풍력 발전기의 외부 전원 공급이 기 설정된 시간 이상 중단되면, 풍력 발전시스템을 자가발전하기 위하여, 발전기 부하 운전을 하는 주 전원 저장부보다 효율이 높은 발전기 무부하 운전을 하는 보조 전원 저장부에 충전하도록 스위치를 변경한다.

위에서 설명된 본 발명의 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

300: 풍력 발전기
310: 블레이드
311: 발전기
320: 스위치
330: 제어부
331: 제동 장치
340: 보조전원 저장부
341: 주전원 저장부
342: UPS
350: 전력 변환장치
360: 내부시스템 및 외부장치

Claims (7)

1. 풍력발전기에 구비되며, 바람에 의해 회전 운동을 하는 블레이드;
   상기 블레이드가 기 설정된 rpm 이하로 회전하는 경우, 풍력 발전기가 보조 전원 저장부에 충전하도록 변경하는 스위치;
   상기 블레이드의 회전 속도, 상기 회전 속도에 따른 스위치의 이동 및 풍력 발전기의 동작을 제어하는 제어부;
   주 전원 저장부;
   보조 전원 저장부;
   를 포함하고,
   상기 제어부는,
   상기 블레이드가 기 설정된 rpm 이하로 회전하는 경우, 상기 풍력발전기에 인가되는 풍속이 시동 풍속과 정격 풍속 사이의 구간임을 판단하고 상기 스위치를 변경하여, 상기 주 전원 저장부 대신 상기 보조 전원 저장부에 충전하고,
   상기 풍력 발전기에 외부의 전원 공급이 중단되면, 상기 보조 전원 저장부에 충전된 전원을 풍력발전기 내부 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 풍력 발전기가 발전한 교류 전원을 직류 전원으로 전환하여 상기 주 전원 저장부, 상기 보조 전원 저장부 중 적어도 어느 하나에 저장하도록 하는 전력변환장치;
   를 더 포함하는 풍력 발전기.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 풍력 발전기의 외부 전원 공급이 기 설정된 시간 이상 중단되면, 풍력 발전기가 보조 전원 저장부에 충전하도록 상기 스위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 풍력 발전기에 UPS 전원 공급이 중단되면, 상기 보조 전원 저장부에 충전된 전원을 풍력발전기 내부 시스템에 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 보조 전원 저장부가 충전 완료되면, 풍력 발전기가 주 전원 저장부에 충전하도록 상기 스위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 보조 전원 저장부의 충전 용량이 기 설정된 용량보다 적어지면, 풍력 발전기가 보조 전원 저장부에 충전하도록 상기 스위치를 변경하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기.

Images