KR-102960619-B1 - dual wind generator

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Abstract

본 발명은 회전축의 회전으로 발생하는 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산하는 발전기본체와, 상기 발전기본체의 전방측 회전축에 구비되고, 바람에 의해 전방블레이드들에 양력이 발생하고, 그 양력으로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 전방로터와, 상기 발전기본체의 길이와 대응하는 거리로 상기 전방로터와 이격되어 상기 발전기본체의 후방측 회전축에 구비되고, 바람에 의해 후방블레이드들에 양력이 발생하며, 그 양력으로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 후방로터, 및 상기 발전기본체의 내부에 구비되고, 상기 전방로터와 후방로터의 회전속도를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전방로터의 전방블레이드에서 발생한 후류(wake)를 상기 후방로터의 후방블레이드가 지나지 않도록, 상기 후방블레이드가 전방블레이드와 위상차를 갖도록 상기 후방블레이드의 회전을 제어하여, 후방블레이드가 전방블레이드의 후류(wake)를 지나지 않게 함으로써, 피로파괴의 우려가 없고, 모멘트 안정성과 하중 안정성이 증대되며, 두 개의 로터로 발전량을 극대화시킬 수 있는 듀얼 풍력 발전장치를 제공한다.

Inventors

김관우

Assignees

주식회사 씨지오

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20230502

Claims (13)

회전축의 회전으로 발생하는 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산하는 발전기본체; 상기 발전기본체의 전방측 회전축에 구비되고, 바람에 의해 전방블레이드들에 양력이 발생하고, 그 양력으로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 전방로터; 상기 전방로터와 이격되어 상기 발전기본체의 후방측 회전축에 구비되고, 바람에 의해 후방블레이드들에 양력이 발생하며, 그 양력으로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 후방로터; 및 상기 전방로터와 후방로터의 회전속도와 위상차를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전방로터의 전방블레이드에서 발생한 후류(wake)를 상기 후방로터의 후방블레이드가 지나지 않도록, 상기 후방블레이드의 위상을 제어하며, 상기 전방로터와, 후방로터에는 전방/후방블레이드의 피치(pitch) 각도를 선택적으로 조절하는 피치 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 발전기본체는 상기 전방로터와 연결된 회전축과 기계적으로 연결되어, 상기 회전축의 회전으로 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산하는 제너레이터와, 상기 전방로터와 연결된 회전축 선상에 장착되어, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 회전축의 회전 및 속도를 단속하는 전방 브레이크를 포함하는 전방발전부와, 상기 후방로터와 연결된 회전축과 기계적으로 연결되어, 상기 회전축의 회전으로 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산하는 제너레이터와, 상기 후방로터와 연결된 회전축 선상에 장착되어, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 회전축의 회전 및 속도를 단속하는 후방 브레이크를 포함하는 후방발전부를 포함하는 듀얼 풍력발전장치.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 전방발전부는 상기 전방로터와 연결된 회전축 선상에 장착되어, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 회전축의 회전 및 속도를 단속하는 전방 브레이크를 더 포함하는 듀얼 풍력발전장치.
회전축의 회전으로 발생하는 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산하는 발전기본체; 상기 발전기본체의 전방측 회전축에 구비되고, 바람에 의해 전방블레이드들에 양력이 발생하고, 그 양력으로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 전방로터; 상기 전방로터와 이격되어 상기 발전기본체의 후방측 회전축에 구비되고, 바람에 의해 후방블레이드들에 양력이 발생하며, 그 양력으로 회전하여 상기 회전축을 회전시키는 후방로터; 및 상기 전방로터와 후방로터의 회전속도와 위상차를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 전방로터의 전방블레이드에서 발생한 후류(wake)를 상기 후방로터의 후방블레이드가 지나지 않도록, 상기 후방블레이드의 위상을 제어하며, 상기 전방로터와, 후방로터에는 전방/후방블레이드의 피치(pitch) 각도를 선택적으로 조절하는 피치 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 발전기 본체에는 상기 전방로터와 후방로터의 위상을 감지하는 전/후방 위치센서를 포함하며, 상기 후방블레이드는 상기 후방블레이드의 피치각(받음각) 조절에 의해 상기 전방블레이드와 위상차를 갖는 듀얼 풍력발전장치.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 후방발전부는 상기 후방로터와 연결된 회전축 선상에 장착되어, 상기 제어부의 제어에 의해 상기 회전축의 회전 및 속도를 단속하는 후방 브레이크를 더 포함하는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 4에 있어서, 상기 후방블레이드의 피치각(받음각)은 상기 전방블레이드와의 회전속도 비교로 변경되는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 7에 있어서, 상기 후방블레이드의 피치각(받음각)은 상기 후방블레이드의 회전속도와 상기 전방블레이드의 회전속도를 비교하여, 상기 후방블레이드의 회전속도가 상기 전방블레이드의 회전속도보다 느리면, 현재 피치각(받음각)보다 더 큰 피치각(받음각)으로 변경되는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 7에 있어서, 상기 후방블레이드의 피치각(받음각)은 상기 후방블레이드의 회전속도와 상기 전방블레이드의 회전속도를 비교하여, 상기 후방블레이드의 회전속도가 상기 전방블레이드의 회전속도보다 빠르면, 현재 피치각(받음각)보다 더 작은 피치각(받음각)으로 변경되는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 4에 있어서, 상기 후방블레이드의 피치각(받음각)은 상기 전방블레이드와 상기 후방블레이드 간의 현재 위상차와 설계값 간의 비교로 피치각(받음각)이 변경되는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 10에 있어서, 상기 후방블레이드의 피치각(받음각)은 상기 전방블레이드와 상기 후방블레이드 간의 현재 위상차가 설계값보다 크면, 현재 피치각(받음각)보다 더 큰 피치각(받음각)으로 변경되는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 10에 있어서, 상기 후방블레이드의 피치각(받음각)은 상기 전방블레이드와 상기 후방블레이드 간의 현재 위상차가 설계값보다 작으면, 현재 피치각(받음각)보다 더 작은 피치각(받음각)으로 변경되는 듀얼 풍력발전장치.
청구항 6에 있어서, 상기 후방블레이드는 상기 후방 브레이크의 구동에 따른 상기 후방블레이드의 회전속도 조절에 의해 상기 전방블레이드와 위상차를 갖는 듀얼 풍력발전장치.

Description

듀얼 풍력 발전장치{dual wind generator} 본 발명은 2개의 로터를 구비한 듀얼 풍력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전방블레이드와, 상기 전방블레이드와 서로 다른 위상으로 회전하는 후방블레이드를 포함하는 듀얼 풍력 발전장치에 관한 것이다. 일반적으로 풍력발전장치는 풍력에 의해 회전하는 회전 날개차의 회전에너지를 전기에너지로 전환 시켜 각 수요자에게 전기를 공급하는 것으로, 축의 방향에 따라 프로펠러형 수평축 풍력발전장치와, 자이로밀형 및 다리우스형과 같은 수직축 풍력발전장치, 또는 수직-수평축 통합형 풍력발전장치 등으로 구별되며, 원자력이나 수력 및 화력에 비해 설치비용에 있어서 매우 경제적이며 환경오염을 유발하지 않는 이점이 있다. 이러한 종래 풍력발전장치는 타워부의 상부에 회전 가능하게 설치된 동체부와, 상기 동체부의 선단에 설치되어 바람에 의해 회전하는 회전 날개차와, 상기 회전 날개차의 회전력을 전기적 에너지로 변환하는 발전기 등으로 구성되어 있다. 상기와 같이 구성된 풍력발전기는 바람에 의해 회전 날개차가 회전하면, 이의 회전력이 발전기로 전달되고, 발전기에서는 회전력을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 이 전기 에너지는 축전장치 등에 인가되어 축전되거나 수요자에게 직접 인가된다. 또한, 풍력발전장치는 로터 블레이드의 블레이드에 가해지는 풍력에 의하여 블레이드가 회전력을 받는 원리를 이용한다. 그런데 발전량을 증가시키기 위해서는 로터 블레이드 블레이드의 규모가 대형으로 만들어져야만 하지만, 이것은 로터 블레이드의 중심부 즉 허브측에 가해지는 바람이 쓸모없이 낭비되는 공기역학적 사각공간(Aerodynamic dead zone)의 규모도 마찬가지로 커지게 된다. 그러므로 종래에 발전 효율을 향상시키기 위하여 로터 구조를 개선하려는 시도들이 있어 왔다. 예를 들어 국내 특허 등록번호 10-103897, 미국 특허번호 5876181 및 6278197 B1 등에는 멀티-로터 구조 또는 이중 로터 구조를 제안함으로써 발전 효율을 상승시키는 기술들이 기재되어 있지만, 구조가 복잡하고 실제로 운용되기 어렵다는 문제점들이 있었다. 또한, 로터를 이중으로 구비할 시, 후방 블레이드가 전방 블레이드의 후류를 지나므로 성능, 피로파괴면에서 우려가 있었다. 종래기술로는 공개특허 제10-2011-0137729호(2011.12.23)를 참고할 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 풍력 발전장치를 보인 예시도이다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼 풍력 발전장치의 구성을 보인 예시도이다. 도 3은 풍력 발전장치의 풍속과 발전량의 상관관계를 보인 그래프(power curve)이다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전방블레이드 근처의 후류(wake) 각도를 보인 예시도이다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전방블레이드와 후방블레이드 간의 위상차를 보인 예시도이다. 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전방블레이드와 후방블레이드의 위상차를 유지하기 후방블레이드를 제어하는 과정을 보인 블록도이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 본 발명은 바람에 의해 축을 중심으로 회전하는 전방블레이드와, 상기 전방블레이드의 후방에 해당 거리를 두고 이격 배치되고, 바람에 의해 축을 중심으로 회전하는 후방블레이드가 서로 다른 위상으로 회전함에 따라 후방블레이드가 전방블레이드의 후류(wake)를 지나지 않게 함으로써, 피로파괴의 우려가 없고, 모멘트 안정성과 하중 안정성이 증대되는 듀얼 풍력 발전장치에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다. 일반적으로 수평축 풍력발전기는 두 가지 타입(기어박스(gearbox) 타입, 기어리스(gearless) 타입인 다이렉트 드라이브(direct drive) 타입)이 제공되었는데, 상기 기어박스(gearbox)타입은 기어박스(gearbox)가 로터의 회전축과 연결되어, 발전기에 항상 일정한 회전수로 돌게 만드며, 다이렉트 드라이브(direct drive) 타입은 기어박스(gearbox)없이 로터의 회전축이 발전기에 직결로 연결된다. 따라서 다이렉트 드라이브(direct drive) 타입이 형태가 단순하기 때문에, 대형터빈은 다이렉트 드라이브(direct drive) 타입을 많이 사용한다. 도 1 및 도 2를 참조한 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기는 타워(100)와, 발전기본체(200)와, 전방로터(300)와, 후방로터(400)와, 제어부(500)를 포함하는데, 상기 타워(100)는 통상의 육상 풍력발전기 타워와 같이 지면에 수직으로 세워져 발전기본체(200)를 지지한다. 여기서 본 발명에서는 육상 풍력발전기를 기준으로 설명하나, 이에 한정하지 않고, 해상 풍력발전장치, 부유식 풍력발전장치, 상기 타워(100)를 구비하지 하지 않는 공중 풍력발전장치 모두에 적용 가능하다. 그리고 상기 타워(100)의 상측단에는 발전기본체(200)가 구비되는데, 상기 발전기본체(200)는 회전축(212, 222)의 회전으로 발생하는 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산한다. 이때 상기 발전기본체(200)의 내부에는 듀얼 발전 장치를 이루기 위해 전방발전부(210)와 후방발전부(220), 총 2개의 발전부(210, 220)를 구비하는 것이 바람직하고, 각각의 발전부(210, 220)에는 전/후방측 회전축(212, 222)의 회전으로 전자기유도작용을 이용하여 전기를 생산하는 제너레이터(211, 221)를 각각 포함한다. 여기서 각각의 회전축(212, 222) 선상에는 기어박스(213, 223)를 각각 구비할 수 있는데, 상기 기어박스(213, 223)들은 전방로터(300)와, 후방로터(400)에서 전달된 저속의 회전력을 고속의 회전력으로 전환하여 전/후방 제너레이터(211, 221)들에 각각 출력한다. 상기 기어박스(213, 223)는 반드시 구비될 필요는 없고, 발전장치 설계 시, 발전기 용량, 대형용량 발전기 or 소형용량 발전기 or O&M 관점에 따라 선택적으로 구비될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 발전기본체(200) 내부에는 전방로터(300) 및 후방로터(400) 각각의 위상을 감지하는 전/후방 위치센서(214, 224)를 구비하는데, 상기 전/후방 위치센서(214, 224)는 상기 제어부(500)와 전기적으로 연결되어, 상기 전/후방 위치센서(214, 224)에서 감지한 전방로터(300) 및 후방로터(400) 각각의 위상을 상기 제어부(500)로 송출한다. 따라서 상기 제어부(500)는 상기 전/후방 위치센서(214, 224)에서 감지한 전방로터(300) 및 후방로터(400) 각각의 위상을 토대로 전방블레이드와 후방블레이드의 위상차를 제어할 수 있다. 또한, 상기 전방로터(300) 및 후방로터(400) 각각에는 회전속도를 단속하는 전/후방 브레이크(215, 225)를 구비한다. 상기 전/후방 브레이크(215, 225)는 상기 제어부(500)와 전기적 또는 기계적으로 연결되어, 상기 제어부(500)의 제어에 의해 구동하여, 상기 전방로터(300) 및 후방로터(400) 각각의 회전속도를 단속한다. 상기 발전기본체(200)의 전/후방 회전축(212, 222)에는 각각 전방로터(300) 및 후방로터(400)가 연결되는데, 상기 전방발전부(210)의 전방 회전축(212)에는 전방로터(300)가 연결되고, 상기 후방발전부(220)의 후방 회전축(222)에는 후방로터(400)가 연결된다. 여기서 상기 전방로터(300)는 상기 발전기본체(200)의 전방 회전축(212)에 구비되어, 바람에 의해 회전하여 전방 회전축(212)을 회전시킨다. 이때 상기 전방로터(300)는 전방로터허브(310)와 전방블레이드(320)를 구비하는데, 상기 전방로터허브(310)는 통상의 프로펠러 허브와 같이 상기 발전기본체(200)의 전방 회전축(212)에 결합되고, 상기 전방로터허브(310)에는 복수 개의 전방블레이드(320)가 상기 전방로터허브(310)의 중심을 축으로 방사상으로 배열된다. 여기서 본 발명에서 일례로 통상적으로 풍력발전장치와 같이 상기 전방블레이드(320)가 총 3개로 구비되고, 총 3개의 상기 전방블레이드(320)가 120° 각도로 서로 이격 배열된 것이 한정하여 설명하나 이에 한정하지 않는다. 그리고 상기 복수 개의 전방블레이드(320)들은 전방로터허브(310)의 내부에서 전방블레이드(320)들 각각의 피치각을 선택적으로 조절하는 피치 컨트롤러(pitch controller)에 연결되고, 상기 복수 개의 전방블레이드(320)들 각각은 풍속에 따른 회전속도 또는 위상차 조절을 위해 상기 피치 컨트롤러에 의해 그 피치각이 선택적으로 조절된다. 따라서 상기 전방로터(300)는 바람에 의해 전방블레이드(320)가 힘을 받아 전방로터허브(310)가 회전하게 되고, 그 회전력은 상기 전방로터허브(310)와 연결된 상기 발전기본체(200)의 전방 회전축(212)을 회전시켜, 상기 발전기본체(200)의 전방발전부(210)에서 전자기유도작용에 의해 전기를 생산하는 발전이 이루어진다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 후방로터(400)는 상기 전방로터(300)의 후방에 해당 거리를 두고 이격되어 상기 발전기본체(200)의 후방 회전축(222)에 구비되고, 바람에 의해 회전하여 상기 후방 회전축(222)을 회전시킨다. 이때 상기 후방로터(400) 역시, 후방로터허브(410)와 후방블레이드(420)를 구비하는데, 상기 후방로터허브(410)는 통상의 프로펠러 허브와 같이 상기 발전기본체(200)의 후방 회전축(222)에 결합되고