1. 개요

풍력발전은 빠른 속도로 성장하는 산업이어서 2000년 이후 여섯 배로 증가하고 있으며, 2009년에 풍력 발전기의 총 설치용량은 157기가와트가 되었다. 풍력공학의 운영문제는 공기 역학적 소음이자 주파수에 따른 진동이어서 이를 개선하는 것이 과제이다.

이 특허의 유용성과 인용기술은 수평축 다중 블레이드(multi-blade) 풍력발전 플랜트의 효율적 구성방안을 통해 대안을 제시하고 있다.


2.  기술 현황

윈드-로터(wind-rotor) 발전플랜트가 특허 KZ 3355로부터 알려져 있다.플랜트의 블록(block)들은 체적 프로파일의 블레이드(volume profiled blade)들을 구비한 실린더형 로터(cylindrical rotor) 및 웨더 베인(weather vane)들에 의해 풍향에 맞게 조정되는 가동성 지향 유닛(movable directing unit)들을 가지는 모듈(module)들로 구성된다. 전력을 발생시키기 위하여 둘 이상의 발전기들이 이용되는데, 발전기들은 시동클러치(starting-clutch)및 기계적 트랜스미션을 통해서 로터 샤프트(rotor shaft)와 결합된다.

풍력발전 플랜트들의 형태로는 수평 및 수직 회전축을 갖는 프로펠러들의 로터들, 드램(dram) 및 로터의 형태가 있다(Robert Gash(Harsg,1993)). 실제로는 세 개의 블레이드들을 구비한 프로펠러 형태의 플랜트만이 이용되고 있다. 풍력터빈(wind turbine)의 수 개의 동축상 실린 더형 유닛들 및 발전기를 포함하는 풍력발전 플랜트 설계를 통해 이를 달성한다.

플랜트는 복잡한 다중 블레이드 설계, 발전기와 월드 휠(wind wheel)간의 큰 감속 비율을 갖는 고가의 감속기, 발전기 자체 및 공기 유동의 방향에 따라 휠을 위치 선정하고 블레이드들의 위치를 제어하기 위한 제어장치와 컴퓨터를 구비한다. 바람의 속도와 방향이 빠르게 변화할때에는 풍력발전 플랜트 헤드(wind-driven power plant head), 윈드휠 및 블레이드들의 큰 중량 때문에, 그 제어 시스템이 휠의 적절한 방위(orientation)를 제공할 수 있도록 요구된다.

바람의 속도 및 방향과 블레이드 및 휠 위치의 지속적인 불일치는 풍력 발전 플랜트의 활용 계수(utilization factor)가 10~23%보다 높지 않게되는 결과를 가져온다. 수직 자세의 회전축과 다리우스(Darrieus) 블레이드 또는 사보니우스(Savonius) 블레이드(US 1766765)를 갖는 임의방향의 바람을 이용하는 풍력발전 플랜트들의 설계안이 알려져 있지만,이들은 그 작동 모드를 설정하기가 어렵기 때문에 실용적으로 이용되지는 않는다.


3. 발명의 내용

특허명:WIND-DRIVEN POWER PLANT  
특허번호:WO2011126397

[발명의 주요 구성]

<그림 1>은 풍력발전소(WDPP)의 블록 다이어그램을 보여준다. 풍력발전소는 풍력터빈 1에 동축 샤프트에 장착된 차동감소 기어 2, 전기발전기 3, 풍차(windwheel) 블레이드 제어시스템 4, 기어박스 출력샤프트 회전주파수 제어시스템 5, 대기오염(anatmospheric) 측정 블록 6으로 구성된다.

기어박스는 차동장치의 형태로 구성되고 블레이드 각도 제어시스템은출력축 회전주파수 제어시스템을 갖추고 있으며, 3-15m/s의 풍속에서 1,500 또는 1,800rpm의 회전으로 영구적인 주파수를 유지한다.


[발명의 목적 및 기술적 특징]

풍속이 지면으로부터의 높이에 따라 상이하기 때문에 다른 높이를가진 풍력발전 플랜트 유닛들의 파워(power)가 상이하다. 플랜트의낮은 부분에 위치한 유닛들의 파워는 낮고, 공통 샤프트에 연결된 그 유닛들은 구동되는 팬과 같이 회전할 수 있어서 풍력발전 플랜트의 전체 파워가 감소된다. 윈드 휠의 회전속도 증가는 높은 곳일수록 변하기 쉬운 특징으로 바람의 속도와 강도에 따라 전원시스템에 전원 공급 일관성의 요인이 된다.

[그림1: 풍력발전 플랜트(WDPP)의 구성도]


발전량의 감소는 유닛들의 설계만을 변화시켜서는 극복될 수 없다. 풍력발전 플랜트의 파워를 증가시키기 위해서는 스테이터 및 로터의 직경이 증가되어야 하며, 풍속이 그대로 유지된다면 로터의 회전속도가 감소되는 결과를 초래하므로 저속 발전기들을 큰 크기와 하중을갖고, 블레이드 및 사프트 회전주파수를 제어한다.

윈드휠 샤프트는 기어박스의 입력 축에 연결되고, 기어박스의 출력 샤프트는 발전기 축과 결합된다. 전체 전력발생 장치는 스윙 베어링 유닛 타워 7 하우징에 위치한다. 윈드휠은 하우징의 회전축의 동일한 측면에 장착하고 복수의 블레이드를 제공한다. 블레이드는 Z1·Z2 > F/ωc가 성립한다(여기서 Z1 및 Z2 : 첫 번째와 두 번째 윈드휠 날개의수, F : 최소 10Hz 초저주파 소음의 안전주파수, ωc = ω1 + ω2 : 풍력터빈의 상대회전 주파수, ω1 및 ω2 : 첫 번째와 두 번째 윈드휠의 회전 주파수(rps)).

WDPP 타워에 의해 블레이드가 저속으로 인한 낮은 주파수 진동과 바람의 상호 흐름작용으로 인한 소음, 즉 인간의 귀에 해를 주는 16~20,000Hz 내에서의 진동이다. 실험에서 부정적인 결과는 아니라 주파수 가청 범위에서 과도한 소음 16Hz에서 0.001Hz까지 인간의 귀로는 인식되지 않는 범위의 초저주파 불가청음이 발생하여 불안, 현기증, 특히 몸에 긴장과 심장혈관 변화의 느낌 등 장애를 초래한다는 것이다. 가장 위험한 것은 6~9Hz의 범위에서 주파수임을 실험 결과를 통해 보여준다.


4. 효 과 및 응용

발전기는 와이어링 연결(wiring connections) 및 필드제어(field control)의 자동제어시스템을 구비한 이극성 밸브 발전기(heteropolar valve generator)인 것이 바람직하다. 이 발명에서 제시한 풍력발전 플랜트에는 바람이 영향에 의해 발전기 여기부(generator excitation)에 자동장치를 구비 하고 있어 효율적인 시스템을 구성한다.

이 발명에 의한 풍력발전 플랜트는 각각 자체의 부하를 갖거나 또는 병렬적으로 공통의 부하에 연결될 수 있는 수 개의 발전기들로 구성하고 있다. 또한 발전기의 로터 및 스테이터를 회전시키는 그 유닛들의 동력은 동일하고 발전기의 각 측부에는 하나 이상의 풍력터빈 유닛들을 배치 시키고 있어 효과적이고 응용성이 기대된다.


관련특허보기:http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=worldwide.espacenet.com&II=0&ND=3&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=20111013&CC=WO&NR=2011126397A1&KC=A1

자료출처 : BAKANOV, Anatoly Georgievich 외, “WIND-DRIVEN POWER PLANT”, WO2011126397,
pp.1~12

출처:Reseat