KR20120051973A - 풍력식 압축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍차의 회전수가 많을수록 압축기의 가동수가 증가하여 풍차의 과잉 회전을 억제하는 제동장치의 대역으로써 별도의 제동장치 없이 풍차의 과속을 방지할 수 있고, 압축공기가 공압탱크에 충진된 후에 생산되는 잉여 압축공기의 자동 방출로 압축공기 충진계통의 공압적 부하를 해소할 수 있는 풍력식 압축기를 제공하려는 것으로서, 풍차와 풍차축에 장착된 대형 구동기어, 이 구동기어에 소형 피동기어가 맞물려 돌게 배치된 복수의 압축기와 풍차축에 연계하여 발전하는 제너레이터, 그리고 압축공기저장용 공압탱크와 각 압축기의 토출구와 공압탱크를 공압적으로 연결하는 공기관을 구비하고, 각 공기관에 공압탱크 내 압축공기의 무단 누출을 방지하는 역지변과 상기 제너레이터에 전기적으로 연결되어 저압 압축공기의 대기 중 방출 및 고압 압축공기의 공압탱크 축적을 통제하는 솔레노이드 밸브 그리고 풍차의 회전수 감지용 속도 센서를 구비하여 풍차의 회전수 증가상황을 감지한 센서의 감지신호에 상응하는 수의 솔레노이드 밸브가 작동하면 그와 동수의 압축기로부터 생산되는 압축공기가 공압탱크에 축적되고, 풍차의 회전수가 한계치에 달했을 때 모든 압축기가 가동되면서 압축기의 피스톤 운동이 구동기어에 대한 저항으로 작용하여 종래 제동장치가 하던 제동력을 발휘, 풍차의 회전수가 최대정격 회전수를 넘지 못하게 하며, 상기 솔레노이드 밸브와 역지변 사이에 압력 스위치를 설치하여 공압탱크에 충진된 공기압이 규정치를 넘을 경우 공기관내의 잉여 압축공기를 대기 중으로 자동 방출하게 한 풍력식 압축기로 달성할 수 있다.

Description

풍력식 압축기{Wind Power Compressor}

본 발명은 압축공기의 생산량을 늘리기 위해 풍차의 구동기어 주위에 복수의 압축기를 배치함에 있어서 풍차의 회전수가 빠를수록 압축기의 가동수가 늘고, 풍차의 회전수가 지나칠 경우 순차적으로 기동하는 압축기에 의한 브레이크 대역으로 과잉 회전을 방지할 수 있게 한 풍력식 압축기에 관한 것이다.

풍차에 의해 가동하는 압축기는 제너레이터 발전용 동력원을 비롯하여 하천수 정화용 기포발생기나 농업 약제용 또는 해충박멸용 분무기 또는 분수장치 등의 공압원으로 유용한 압축공기를 생산하는 자연친화적이면서도 경제적인 설비이다.

압축기의 압축공기 생산량은 풍차의 회전수에 좌우된다. 미풍에도 작동하리만치 예민하게 반응하는 풍차에 딸린 압축기는 용량이 적어야 풍차의 기동이 용이하다. 하지만 소용량 압축기로는 경제적 가치가 있는 산업용 압축공기는 얻기 어렵다. 이 점을 감안한 것이 복식 압축기이다.

복식 압축기란 풍차축에 설치된 대형 구동기어의 주위에 압축기 여러 대를 배치하고 압축기의 회전축에 장착된 소형 피동기어를 구동기어에 맞물려 풍차의 회전수에 비례하여 압축기 가동수가 결정되게 함으로써 압축공기 생산량의 증감이 가능하게 한 것이다.

복식 압축기는 많을수록 구동기어의 회전을 방해하는 피동기어의 저항이 크다. 이 저항은 풍차의 기동성을 방해하며, 풍속이 약할수록 복식 압축기로 인한 풍차의 회전저항이 커지기 때문에 풍차의 기동성에 악영향을 끼친다.

풍속이 빠를수록 풍차의 회전수가 많아지므로 압축기의 가동수도 늘어난다. 그래서 공압탱크를 단시간에 압축공기로 충진할 수 있다. 반면에 풍속이 느리면 압축기의 기동에 어려움이 따르고 가동수도 적은데다 공압탱크에 대한 압축공기의 충진도 더디다.

한편, 풍차의 회전수가 너무 높으면 압축기와 제너레이터가 과열되어 소손되거나 파손되고, 소음과 진동 또한 크다. 그래서 전력생산전용 풍력발전기의 나셀에는 풍차의 회전수를 제어하는 제동장치를 설치하여 풍차의 최대 회전수를 통제한다. 제동장치는 제너레이터에서 발생하는 전기로 작동한다.

제동장치의 소모품인 브레이크 슈(패드 또는 라이너)의 잦은 교체, 고공에 위치한 나셀 내 마모된 브레이크 슈를 교체하는 작업의 고위험도, 교체 비용 부담 등이 문제다.

이런 점에서, 풍력을 이용하는 복식 압축기에서 풍차의 최대 회전수를 제동장치가 아닌 다른 수단을 이용하여 효과적으로 통제할 수 있는 방향으로의 모색이 필요하다.

다른 한편으로, 공압탱크의 압축공기 저장량이 한계치에 달한 후 복수의 압축기에서 생산되는 잉여 압축공기가 공기관에 체류하면 압축기의 가동은 물론 나아가 풍차의 회전을 방해하는 부하로 작용하게 된다. 이 부하가 과하면 풍차와 압축기의 가동이 중지되는 최악의 상황을 맞이할 수도 있다.

또, 풍차가 강풍에 회전하지 않으면 높은 풍압 때문에 날개가 변형되거나 파손될 우려도 있다.

이런 단점을 해소하려면 공압탱크가 충진되고 난 후의 잉여 압축공기는 대기 중으로 방출시켜 잉여 압축공기로 인한 저항을 낮추거나 해소해야 한다.

그러나 이제까지 제안된 풍력을 이용한 압축기는 물론 복식 압축기도 잉여 압축공기의 자동 방출장치가 마련되어 있지 않았다.

본 발명의 목적은 풍차의 회전수가 많을수록 압축기의 가동수가 증가하여 풍차의 과잉 회전을 억제하는 제동장치의 대역으로 별도의 제동장치 없이 풍차의 과속을 방지할 수 있는 풍력식 압축기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 풍차 회전력으로 복수의 압축기를 가동하여 생산되는 압축공기가 공압탱크에 충진된 후에 생성되는 잉여 압축공기의 자동 방출로 압축공기 충진계통의 공압적 부하를 해소하여 압축기와 풍차가 원활히 작동하고 변형이나 파손 등의 부작용도 일어나지 않는 풍력식 압축기를 제공하는 데 있다.

상기 제1 과제는, 풍차와 풍차축에 장착된 대형 구동기어, 이 구동기어에 소형 피동기어가 맞물려 돌게 배치된 복수의 압축기와 풍차축에 연계하여 발전하는 제너레이터, 그리고 압축공기저자용 공압탱크와 각 압축기의 토출구와 공압탱크를 공압적으로 연결하는 공기관을 구비하고, 각 공기관에 공압탱크 내 압축공기의 무단 누출을 방지하는 역지변과 상기 제너레이터에 전기적으로 연결되어 저압 압축공기의 대기 중으로의 방출 및 고압 압축공기의 공압탱크 축적을 통제하는 솔레노이드 밸브 그리고 풍차의 회전수 감지용 속도 센서를 더 구비하여 풍차의 회전수 증가를 감지한 센서의 감지신호에 상응하는 수의 솔레노이드 밸브가 작동하면 그와 동수의 압축기로부터 생산되는 압축공기가 공압탱크에 축적되고, 풍차의 회전수가 한계치에 달했을 때 모든 압축기가 가동되면서 압축기의 피스톤 운동이 구동기어에 대한 저항으로 작용하여 종래 제동장치가 하던 제동력을 발휘, 풍차의 회전수가 최대정격 회전수를 넘지 못하게 한 풍력식 압축기로 달성할 수 있다.

상기 제2 과제는, 상기한 풍력식 압축기에서 솔레노이드 밸브와 역지변 사이에 압력 스위치를 설치하여 공압탱크에 충진된 공기압이 규정치를 넘을 경우 공기관 내의 잉여 압축공기가 대기 중으로 자동 방출되게 하는 압력 밸브를 설치한 풍력식 압축기로 달성할 수 있다.

풍차의 회전수에 따라 변하는 솔레노이드 밸브의 작동수에 의해 압축기의 가동수가 자연스레 조정되면서 풍차의 회전 저항으로 작용하므로 별도의 제동장치 없이 효과적으로 풍차의 과잉 회전을 방지할 수 있고, 풍차의 규정치 이상의 고속회전에서 야기될 수 있는 제너레이터의 과열 및 소손, 회전요소의 조기 마모, 압축기의 고장과 같은 불이익도 사라지게 된다.

또, 압축기에서 생산된 압축공기가 공압탱크를 가득 채운 후의 잉여 압축공기는 압력 밸브를 통해 대기 중으로 자동 방출되므로 잉여 압축공기로 인한 압축기 및 풍차의 기능 저하 내지는 기능 마비현상도 사라진다.

도 1은 풍력 압축기 일체형 풍력 발전기의 외관도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 풍력식 압축기의 구성도
도 3은 풍차당 4조의 압축기를 갖춘 경우의 예시도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 풍력식 압축기의 구성도

도 1에서, 풍력식 압축기는 풍차(1)와 나셀(2) 및 지주(3)를 근간으로 한다.

도 2에서, 나셀(2)에는 풍차축에 장착된 대형 구동기어(4), 이 구동기어(4)에 맞물리는 소형 피동기어(6)를 가진 복수의 압축기(5), 풍차축에 연계하여 발전하는 제너레이터(7), 압축공기 저장용 공압탱크(8), 각 압축기(5)의 토출구와 공압탱크(8)를 개별적으로 연결하는 공기관(9)을 근간으로 한다.

압축기(4)는 풍차축(2)의 회전력으로 구동하여 압축공기를 생산하고, 제너레이터(6)는 풍차축(2)의 회전력으로 발전하여 전력을 생산한다.

압축기(5)의 공기관(9)에는 역지변(10)과 솔레노이드 밸브(11)가 설치되어 있다. 역지변(9)은 공압탱크(7)에 저장된 압축공기가 솔레노이드 밸브(11) 쪽으로 역류하지 못하게 차단한다.

솔레노이드 밸브(11)는 후술하는 풍차 회전수 감지용 속도 센서의 지령에 따라 통전되어 방출구를 차단하는 동시에 공압탱크(8)측 유로를 개방하여 압축기(5)에서 생산되는 압축공기가 공압탱크(8)에 충진되도록 하고, 압축기의 휴면기 또는 저압의 압축공기가 생성되는 동안에는 단전되어 공압탱크(8) 유로를 차단하는 동시에 방출구를 개방하여 대기 중으로 확산되게 함으로써 압축기의 기동에 방해가 되지 않게 하는 것으로, 상기 개방형 3방 밸브이며, 제너레이터(7)에 전기적으로 연결된다.

속도 센서(13)는 구동기어(4)와 압축기(5), 제너레이터(7)로 이뤄진 기관을 보호하는 케이싱(12) 상에서 풍차축(2)의 회전수를 감지하기 적합한 위치에 설치되고, 제너레이터(7)와 솔레노이드 밸브(11)를 잇는 도선(15) 상에 전기적으로 연결하여 솔레노이드 밸브(11)를 통제하도록 한다.

도 3에서, 미풍 혹은 약풍이라서 풍차(1)가 저속 회전하는 바람에 속도 센서(12)가 감지한 신호로는 어느 솔레노이드 밸브(11a~11d)도 통전되지 않는 동안에는 상시 개방상태에 놓인 솔레노이드 밸브(11a~11d)의 방출구를 통하여 압축기(5a~5d)에서 생산되는 압축공기가 대기 중으로 확산된다.

공압탱크(8)에는 압축공기가 충진되지 않는 것은 물론이고 공기관(9a~9d)의 내부는 대기압과 비등한 수준이 된다. 그래서 풍차(1)도 압축기(5a~5d)도 순탄하게 가동된다. 이런 경우의 압축기(5a~5d)의 가동상태를 휴면기 또는 공회전기라고 바꾸어 말할 수도 있다.

풍속이 증가하여 풍차(1)의 회전수가 최저 정격치에 도달하면 그 회전수를 감지한 속도 센서(13)의 지령에 따라 솔레노이드 밸브(11a)가 통전되어 방출구를 닫고 공압탱크(8)쪽 유로는 틔운다. 이때부터 압축기(5a)에서 생산되는 압축공기가 비로소 공압탱크(8)에 충전되기 시작한다.

예서 풍차(1)의 회전수가 한 단계 증가하면 이를 감지한 속도 센서(13)가 이번에는 솔레노이드 밸브(11b)까지 통전시킨다. 이 경우에는 2대의 압축기(5a,5b)가 가동하므로 구동기어(4)는 압축기의 가동수 증가에 따른 부하를 받게 되어 가벼운 제동이 걸리는 현상이 일어나고, 공압탱크(8)로 향하는 압축공기의 양도 늘어난다.

풍차(1)의 회전수가 한 단계 더 증가하면 이를 감지한 속도 센서(13)가 이번에는 솔레노이드 밸브(11c)까지 통전시킨다. 이 경우 3대의 압축기(5a~5c)가 가동하므로 구동기어(4)는 2대의 압축기가 가동할 때보다도 더 큰 부하를 받아 상기보다는 강한 제동이 걸리고, 공압탱크(8)로 향하는 압축공기의 양도 더욱 늘어난다.

그러던 풍차(1)의 회전수가 최고조에 달하면 이를 감지한 속도 센서(13)가 지금까지 휴면 중이던 마지막 솔레노이드 밸브(11d)마저 통전시킨다. 이 경우에는 모두 4대의 압축기(5a~5d)가 가동한다. 그래서 구동기어(4)는 3대의 압축기가 가동할 때보다도 더 큰 부하를 받아 상기보다도 더 강한 제동이 걸리면서 회전을 거듭하지만 그 회전수는 이때를 고점으로 더이상 증가하지 못한다. 4대의 압축기(5a~5d) 저항에 발목이 잡히기 때문이다. 이를 고점으로 하여 공압탱크(8)로 향하는 압축공기의 양도 더욱 많아진다.

복수의 압축기(5a~5d)가 가동하던 중에 풍차(1)의 회전수가 감소할 때에는 속도 센서(13)에서 감지된 신호에 따라 그 신호에 상당하는 솔레노이드 밸브(11d~11a)가 단전되어 복귀한다. 이때부터는 공압탱크(8)로 향하던 압축공기가 차단되고 동시에 방출구는 개방되어 잉여 압축공기를 대기 중으로 방출하게 되며, 동시적으로 역지변(10d~10a)은 공압탱크(8)에 저장된 압축공기가 역류하지 못하게 차단한다.

모든 솔레노이드 밸브(11a~11d)가 복귀하면 압축기(5a~5d)에서 솔레노이드 밸브(11a~11d)에 이르는 공기관(9a~9d) 내부는 대기압 수준으로 바뀌어 나중에 압축기(5a~5d)가 재기동하기 좋은 상태로 만든다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 관한 것이다. 즉, 상기한 풍력식 압축기에서 솔레노이드 밸브(11a~11d)와 역지변(10a~10d) 사이에 압력 스위치(14a~14d)를 설치하여 공압탱크(8)의 공압이 정격최고치에 달하는 순간 솔레노이드 밸브(11a~11d)에서 공압탱크(8)로 향하던 잉여 압축공기의 압력에 의해 자동으로 퇴로를 틔워서 대기 중으로 확산되게 함으로써 공기관(9a~9d)의 내부 압력을 낮춰 잉여 압축공기가 압축기(5a~5d)의 기동을 방해하거나 풍차(1)의 초기 회전을 방해하는 압력체로 작용하지 못하게 한다.

압력 스위치(14a~14d)의 부가에 따라 기대되는 장점 중에는 압축기(5a~5d)와 풍차(1), 구동기어(4)와 피동기어(6)의 보호, 및 이들의 순조로운 작동을 들 수 있다.

4: 구동기어
5(5a~5d): 압축기
6: 피동기어
7: 제너레이터
8: 공압탱크
9(9a~9d): 공기관
10(10a~10d): 역지변
11(11a~11d): (상시 개방형 3방) 솔레노이드 밸브
13: 속도 센서
14(14a~14d): 압력 스위치

Claims (3)

1. 풍차축에 장착된 대형 구동기어를 가진 풍차와;
   상기 구동기어에 맞물려 도는 소형 피동기어 장착형 복수의 압축기와;
   상기 풍차축에 동력적으로 연결된 제너레이터와;
   압축기에서 생산되는 압축공기를 저장하는 공압탱크와;
   압축기의 토출구와 공압탱크를 개별적으로 연결하는 공기관과;
   각 공기관에 설치된 공압탱크내 압축공기의 역류 방지용 역지변과;
   풍차축의 회전수로 솔레노이드 밸브를 제어하는 속도 센서와;
   상기 제너레이터에 전기적으로 연결된 속도 센서에 의해 통제되도록 공기관 상에서 상기 역지변 전방에 설치된 솔레노이드 밸브;
   로 이뤄진 풍력식 압축기.
2. 제1항에 있어서, 솔레노이드 밸브는 상시 개방형 3방 밸브인 풍력식 압축기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 역지변과 솔레노이드 밸브 사이에 압력 스위치가 설치된 풍력식 압축기.

Images