KR20180120719A - 풍력 발전 방법 및 풍력 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

로터가 실속하는 것을 사전에 방지하면서 효율적으로 전기를 발생할 수 있는 풍력 발전 방법이 제공된다. 발전기(3)는 클러치(9)를 통해 로터(2)의 수직 메인 샤프트(5)에 연결된다. 방법은: 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 클러치를 단절하여, 로터를 공전하는 단계, 로터가 특정 주변 속도 또는 회전 속도에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 연결하는 단계, 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 클러치를 다시 단절하여 주변 속도 또는 회전 속도의 특정 값에 도달할 때까지 로터를 공전하는 단계, 및 로터가 특정 값에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 다시 연결하는 단계를 반복하는 단계들을 포함한다.

Description

풍력 발전 방법 및 풍력 발전 시스템

[0001] 본 발명은 발전 효율을 증가시킬 수 있는 풍력 발전 방법 및 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

[0002] 일반적으로 풍력 발전 시스템은 기계적 손실이 크며, 발전기의 코깅 토크(cogging torque) 및 발전 부하(generation load) 때문에 로터가 낮은 풍속하에서 원활하게 회전하기 어려워서, 풍력 발전 시스템의 발전 효율이 낮다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 발명자의 발명자는 리프트 타입 블레이드(lift type blade)를 갖는 윈드 터빈을 장착한 종축 풍력 발전 시스템(longitudinal axis wind power generation system)을 개발하였다(예를 들어, 특허 문헌들 1 및 2 참조).

[0003] 특허 문헌들 1 및 2에 개시된 종축 풍력 발전 시스템은 수직의 메인 샤프트(main shaft)를 중심으로 서로 대향하는 한 쌍의 종 방향으로 신장된 리프트 타입 블레이드들을 갖는 로터를 포함하고, 종 방향 메인 축 방향으로 향해진 내향 경사부(inwardly tilted part)가 각각의 리프트 타입 블레이드의 상부 및 하부 단부 부분들의 각각에 형성된다. 이러한 구성에서, 블레이드의 내부 표면을 따르는 수직 방향으로 확산하는 기류는 내향 경사부들에 의해 수용되어 회전력을 증가시키고, 리프트(추력)가 증가되어, 로터를 효율적으로 회전시킬 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공보 제4907073 호 [특허 문헌 2] 일본 특허 공개 공보 제2011-169292 호

[0005] 위의 특허 문헌들에 기재된 종축 윈드 터빈은 회전 효율이 높으므로, 발전이 시작되는 작동 개시 풍속(cut-in wind speed)이 낮게 설정될 수 있고, 뿐만 아니라, 로터의 주변 속도(peripheral speed)가 5 m/s에 도달할 때, 예를 들어, 블레이드의 상부 및 하부 단부들에 있는 내향 경사부들의 작용에 의해 블레이드에서 발생하는 리프트(추력)가 증가하고, 코안다 효과(Coanda effect)에 의해, 로터는 풍속을 초과하는 주변 속도까지 가속하면서 회전한다. 그런 이유 때문에, 종축 윈드 터빈은 코깅 토크에 의해 또는 발전 부하에 의해 야기되는 로터의 실속(stall)이 발생할 가능성이 더 적고, 발전 효율이 향상되는 점에서 특징이 있다.

[0006] 그러므로 발전기가 다음과 같이 제어될 수 있다면, 즉, 로터가 코깅 토크 및 발전 부하의 영향에 민감한 낮은 풍속하에 있을 때, 발전을 일시적으로 중단하여 로터를 공전하게 만든 다음, 발전기가 코깅 토크 또는 전력 부하에 영향을 받지 않고 회전할 수 있는 주변 속도 또는 회전 속도에 로터가 도달된 후에 전기를 발생하면, 로터를 실속하지 않고 발전 효율을 더욱 증가시킬 수 있으리라 생각된다.

[0007] 위에서 언급한 문제를 고려하여, 본 발명의 목적은 로터가 실속하는 것을 사전에 방지하면서 효율적으로 발전할 수 있는 풍력 발전 방법 및 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다.

[0008] 본 발명의 풍력 발전 방법에 따르면, 상기 과제는 다음과 같이 해결된다.

(1) 풍력 발전 방법은:

발전기를 클러치를 통해 윈드 터빈의 로터의 메인 샤프트에 단속적으로 연결하는 단계,

로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 클러치를 단절하여 로터를 공전하는 단계;

로터가 특정 주변 속도 또는 회전 속도에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 연결하는 단계;

로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 클러치를 다시 단절하여, 주변 속도 또는 회전 속도의 특정 값에 도달할 때까지 로터를 공전하는 단계, 및

　로터가 특정 값에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 다시 연결하는 단계가 반복되는 단계들을 포함한다.

[0009] 이러한 방법에 따르면, 다음의 프로세스들이 반복되기 때문에, 이것은 코깅 토크 또는 발전 부하로 인한 로터의 실속을 사전에 방지하면서 효율적인 발전을 가능하게 할 수 있다. 즉, 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때, 클러치가 해제되어 로터를 공전하고,

로터가 가속하면서 효율적으로 회전할 수 있는 특정한 평균 주변 속도 또는 회전 속도에 도달했을 때, 발전기에 의해 전력이 발생될 수 있도록 클러치가 연결되고,

로터가 다시 미리 결정된 평균 풍속 이하로 회전할 때, 클러치가 단절되어 로터가 가속되면서 효율적으로 회전할 수 있는 주변 속도 또는 회전 속도가 가속될 때까지 로터를 공전하며,

그 다음, 클러치는 다시 연결되고 발전기에 의해 전기가 발생된다.

[0010] 클러치가 해제될 때, 발전기에 의한 코깅 토크 및 발전 부하는 메인 샤프트에 또한 작용하지 않으므로, 로터는 관성으로 인해 순조롭게 공전을 계속한다. 한편, 바람 조건이 조금이라도 개선되면, 로터는 특정 평균 주변 속도 또는 회전 속도로 빠르게 가속되어 효율적으로 회전한다. 그러므로 클러치를 단절함으로써 발전이 정지되는 시간이 단축된다.

[0011] 본 발명의 풍력 발전 시스템에 따르면, 문제는 다음과 같이 해결된다.

(2) 풍력 발전 시스템은: 　다수의 블레이드들을 가진 로터를 갖는 윈드 터빈, 로터의 메인 샤프트에 연결된 발전기, 메인 샤프트와 발전기 사이에 제공되고 메인 샤프트와 발전기 사이에서 동력의 전달을 차단할 수 있는 클러치, 로터의 주변 속도 또는 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출기, 로터를 향한 평균 풍속을 검출하기 위한 풍속계, 및 제어 디바이스를 포함하고,

제어 디바이스는 다음과 같은 동작들:

풍속 검출기가 미리 결정된 평균 풍속을 검출할 때 클러치를 단절하여 로터를 공전시키는 것,

회전 속도 검출기가 로터의 주변 속도 또는 회전 속도를 특정 값으로 검출할 때 발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 연결하는 것,

발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 연결하는 것,

풍속 검출기가 다시 미리 결정된 평균 풍속을 검출할 때 클러치를 다시 단절하는 것,

로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 다시 특정 값에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 위해 클러치를 다시 연결하는 것을 반복한다.

[0012] 이러한 구성에 따르면, 이것은 코깅 토크 또는 발전 부하로 인해 로터가 실속하는 것을 사전에 방지하면서 효율적인 발전을 가능하게 한다.

즉, 풍속 검출 수단이 미리 결정된 평균 풍속을 검출할 때, 제어 디바이스는 클러치를 단절하여 로터를 공전하고,

회전 속도 검출 수단이 로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달한 것을 검출할 때, 클러치가 연결되고 발전기가 전기를 발생하도록 제어되고,

풍속 검출기가 미리 결정된 평균 풍속을 다시 검출할 때, 클러치가 다시 단절되며,

로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 다시 특정 값에 도달할 때, 클러치가 연결되고 발전기가 전기를 발생하도록 반복적으로 제어된다.

[0013] 또한, 클러치가 해제될 때, 발전기에 의한 코깅 토크 및 발전 부하가 메인 샤프트에 작용하지 않고, 관성으로 인해 로터가 순조롭게 공전을 계속하므로, 그 기간 동안 바람 조건이 조금이라도 개선된다면, 로터는 특정 평균 원주 속도 또는 회전 속도로 빠르게 가속되어 효율적으로 회전한다. 그러므로 이것은 클러치를 단절함으로써 발전이 정지되는 시간을 단축할 수 있다.

[0014] (3) 항목(2)에 따르면, 클러치는 전자기 클러치이다.

[0015] 이러한 구성에 따르면, 전자기 클러치가 제어 디바이스의 제어에 의해 단시간에 단속적이고 정밀하게 제어될 수 있기 때문에, 이것은 바람 조건의 변동에 대응하여 로터를 신속하게 공전시키거나 발전을 시작하는 것을 가능하게 할 수 있다.

[0016] (4). 풍력 발전 시스템은,

다수의 블레이드들을 가진 로터를 갖는 윈드 터빈;

로터의 메인 샤프트에 연결된 발전기; 및

메인 샤프트와 발전기 사이에 제공되고 메인 샤프트와 발전기 사이에서 동력의 전달을 자동으로 차단할 수 있는 클러치를 포함하고,

클러치는 다음과 같은 프로세스들,

로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 자동으로 클러치를 단절하여 로터를 공전시키는 것,

로터가 특정 주변 속도 또는 회전 속도에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 위해 자동으로 클러치를 연결하는 것,

로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 자동으로 클러치를 다시 단절하여, 주변 속도 또는 회전 속도의 특정 값에 도달할 때까지 로터를 공전시키는 것, 및

로터가 특정 값에 도달했을 때 발전기에 의한 발전을 가능할 수 있게 하기 위해 자동으로 클러치를 다시 연결하는 것을 반복하도록 구성된다.

[0017] 이러한 구성에 따르면, 클러치가 다음의 프로세스들을 반복하여 작동하도록 설계되기 때문에, 메인 샤프트와 발전기 사이에 제공된 클러치는 다음과 같이 작동한다. 이것은 코깅 토크 또는 발전 부하로 인해 로터가 실속하는 것을 사전에 방지하면서 효율적으로 발전을 가능하게 한다.

즉, 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때, 자동으로 메인 샤프트와 발전기 사이의 동력 전달을 차단하여 로터를 공회전하고,

로터의　주변 속도 또는 회전 속도가 특정 값에 도달했을 때, 자동으로 연결되어 발전기에 의한 발전을 가능하게 하고,

로터가 다시 미리 결정된 평균 풍속 이하로 회전할 때, 자동으로 다시 단절되어 로터를 공전하며, 그리고

로터의 주변 속도 또는 회전 속도가 다시 특정 값에 도달했을 때, 발전기에 의한 발전을 가능하게 하기 위해 자동으로 연결된다.

[0018] (5) 항목(4)에 따르면, 클러치는 로터의 메인 샤프트의 회전에 동반하는 원심력에 의해 자동으로 결합 및 해제되는 원심 클러치이다.

[0019] 이러한 구성에 따르면, 클러치를 차단하기 위한 전기 제어 수단을 설치할 필요가 없기 때문에, 풍력 발전 시스템의 비용이 줄어들 수 있다.

[0020] (6) 항목들(2) 내지 (5) 중 어느 하나에 따르면, 윈드 터빈은 그의 팁 부분에 경사부들이 형성된 복수의 리프트 타입 블레이드들을 포함하는 로터를 갖는 종축 윈드 터빈 또는 수평축 윈드 터빈이다.

[0021] 이러한 구성인 경사부들을 갖는 복수의 리프트 타입 블레이드들을 구비한 로터를 구비한 종축 윈드 터빈 또는 수평축 풍속 터빈에 따르면, 이것은 경사부를 갖는 블레이드에 부딪쳐서 팁 방향으로 확산하는 기류를 수용함으로써 회전력을 증가시킬 수 있고 리프트(추력)를 증가시킬 수 있다. 따라서 풍속이 증가함에 따라, 코안다 효과로 인해 블레이드에서 발생하는 리프트(추력)가 증가하며, 로터는 가속되어 효율적으로 회전한다.

그러므로 이것은 클러치가 전기를 발생하기 위해 연결될 때 발전 효율을 증가시킬 수 있다.

　또한, 특정한 평균 주변 속도 또는 회전 속도에 도달하는 로터를 공전하는데 필요한 시간이 또한 단축되기 때문에, 클러치를 단절함으로써 발전이 정지되는 시간이 더 단축되고, 발전 효율이 향상된다.

[0022] (7) 항목들(2) 내지 (6) 중 어느 하나에 따르면, 시스템은:

평균 풍속이 미리 결정된 정격 평균 풍속을 초과할 때 또는 로터의 원주 속도 또는 회전 속도가 미리 결정된 허용 가능한 값을 초과할 때 로터를 감속 또는 정지시키는 브레이크 디바이스를 더 포함한다.

[0023] 이러한 구성에 따르면, 로터 및 로터에 연결된 발전기가 과회전하는 것이 방지되어, 그 내구성이 개선된다.

[0024] 본 발명의 풍력 발전 방법 및 풍력 발전 디바이스에 따르면, 코깅 토크 또는 발전 부하로 인해 로터가 실속하는 것을 사전에 방지하면서 효율적으로 발전하는 것이 가능해진다.

[0025]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 정면도이다.
도 2는 제1 실시예의 로터 및 지지 아암의 전방 확대 평면도이다.
도 3은 도 1의 III-III 라인의 확대 단면 평면도이다.
도 4는 디스크 브레이크 디바이스의 세부 구성들을 도시하는 확대 단면도이다.
도 5는 제1 실시예의 풍력 발전 시스템을 사용하는 본 발명의 방법을 구현하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 정면도이다.

[0026] 이하, 본 발명의 실시예들이 도면들을 참조하여 설명된다. 다음의 실시예들에서, 예로서, 블레이드의 회전 반경이 1 m이고 블레이드의 날개 길이가 1.2 m인 수직 축 윈드 터빈을 장착한 풍력 발전 시스템들 및 풍력 발전 방법들이 설명된다. 말할 필요도 없이, 풍력 발전 시스템에 대해 이러한 치수로 제한되지 않는다.

[0027] 도 1은 본 발명에 따른 수직 축 윈드 터빈을 장착한 풍력 발전 시스템의 제1 실시예를 도시한다. 풍력 발전 시스템(1)은 수직 축 타입 로터(2), 발전기(3) 및 윈드 터빈의 회전 속도를 제어하기 위한 *?*제어 디바이스(4)를 포함한다.

[0028] 종축 윈드 터빈을 구성하는 로터(2)의 수직 메인 샤프트(5)는 베어링(6A)을 통해 기단(G)의 상부 표면상에 제공된 지지 프레임(6) 상에 회전 가능하게 지지된다.

수직 메인 샤프트(5)의 상반부에는 상부 및 하부 수평 평면들 상에서 외측을 향하고 직선 상에 정렬된 두 개의 수평 아암들(7A, 7A 및 7B, 7B)의 내측 단부들이 고정된다.

수직 방향으로 정렬된 수평 아암들(7A 및 7B)의 외측 단부 부분들 상에는 수직 방향을 향하는 리프트 타입 블레이드들(이하 블레이드들이라고 약칭함)(8)의 상부 및 하부 단부 부분들의 내측 표면들이 고정된다.

수평 지지 아암들(7A, 7B) 및 블레이드들(8)은 예를 들면, 섬유 강화 합성 수지로 형성된다. 또한, 수평 지지 아암들(7A, 7B) 및 블레이드들(8)는 일체로 성형될 수 있다.

[0029] 블레이드들(8)은 본 특허출원의 동일 발명자에 의해 개발된 일본 특허 공보 제4907073 호 및 일본 특허 공개 공보 제2011-169292 호에 기재된 블레이드와 실질적으로 동일한 형상을 갖는다.

즉, 블레이드(8)의 시위 길이(chord length)는 블레이드들(8)의 회전 반경의 20 % 내지 50 %로 설정되고, 날개들 면적은 넓게 설정된다.

[0030] 블레이드들(8)의 상부 및 하부 단부들 둘 모두를 제외한 주요부(8A)의 단면 형상에 대해 확대된 도 3에 도시된 바와 같이, 주요부(8A)의 날개 두께 중심 선(C)의 내측 및 외측의 날개 두께는 대략 대칭으로 형성되고 서로 거의 동일한 크기이다. 날개 두께 중심 선(C)은 블레이드들(8)의 날개 두께 중심의 회전 궤적(O)과 대부분 겹치도록 설정된다.

[0031] 도 2에 도시된 바와 같이, 전체 주요부(8A)의 평면 형태는 날개 두께의 회전 궤적(O)과 함께 원호 형상으로 만곡되어 있다. 주요부(8A)의 내부 표면은 선단 에지(leading edge)의 로브 부분으로부터 후단 에지(trailing edge)까지 원심 방향으로 기울어져서, 바람이 뒤쪽으로부터 내부 표면에 부딪칠 때 블레이드들은 전방으로 밀린다.

[0032] 주요부(8A)의 단면 형상은 전방 측의 날개 두께가 두껍고 후방을 향해 점차 얇아지는 표준 날개 유형에 가깝도록 설계된다.

[0033] 블레이드들(8)이 그 선단 에지 방향으로 전방으로 회전할 때, 블레이드들(8)의 내부 및 외부 회전 반경의 차이에 따라, 외측 주변 표면의 주변 속도가 내부 표면의 주변 속도보다 커지며, 이에 따라 외측 주변 표면을 따라 후방으로 통과하는 기류는 내측 주변 표면의 기류보다 빠르다.

[0034] 그런 이유 때문에, 블레이드(8)의 백 에지에서, 외부 표면을 통과하는 기류의 압력이 내부 표면을 통과하는 기류의 압력보다 작아지고, 외부 표면상의 코안다 효과에 의해, 블레이드(8)의 백 에지의 외부 표면이 뒤쪽으로부터 전방 에지부 방향으로 밀리게 되어, 회전 방향의 추력이 블레이드(8)에 작용하고 블레이드(8)의 회전이 촉진된다.

[0035] 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 원호 형상으로 기울어진 내향 경사부들(8B, 8B)이 블레이드(8)의 상부 및 하부 단부 부분들에서 내측으로, 즉, 수직 메인 샤프트(5)의 방향으로 형성되어, 블레이드(8)가 회전함에 따라, 주요부(8A)의 내부 표면을 따라 수직 방향으로 확산하는 기류는 내향 경사부들(8B)에 의해 수용되어 회전력을 증가시킨다.

[0036] 주요부(8A)의 내측 및 외측 표면들을 따라 수직 방향으로 흐르는 기류는 뒤쪽 방향으로, 즉, 코안다 효과에 의해 도 2의 방향(W)으로 상부 및 하부 내향 경사부들(8B, 8B)의 내부 및 외부 표면들을 통과하므로, 로터(2)는 상대적으로 낮은 풍속에서도 높은 회전 효율로 회전한다.

[0037] 수직 메인 샤프트(5)의 중간 부분에는 수직 메인 샤프트(5)으로부터 발전기(3) 로의 동력 전달을 단속하기 위한 전자기 클러치(9)가 제공된다. 전자기 클러치(9)로서는, 예를 들면, 약간 미끄러지게, 즉, 반 클러치 상태를 통해 연결된 공지의 마찰 방식을 사용하는 것이 바람직하다. 연결시의 충격 토크가 전자기 클러치(9)에 의해 완화되기 때문에, 로터(2)의 회전 구동력은 원만하게 발전기(3)로 전달될 수 있다.

전력은 아래에서 설명되는 축전지(12)에 연결된 전력 공급기(power feeder)(10)를 통해 전자기 클러치(9)에 공급된다.

[0038] 발전기(3)는 기단(G)상에 제공되며, 수직 메인 샤프트(5)의 하부 단부는 발전기의 로터 샤프트(도시되지 않음)에 연결된다.

발전기(3)는 널리 알려진 단상 발전기 또는 널리 알려진 3상 교류 발전기일 수 있다. 발전기(3)에 의해 발생된 전력은 정류기 및 전압 조정기 등(도시되지 않음)을 갖는 제어기(11)를 통해 축전지(12)에 저장되고, 그 다음, 전력은 축전지(12)로부터 외부 직류 부하에 공급되거나 또는 제어기(11)로부터 외부 교류 부하 시스템에 직접 공급된다.

[0039] 제어기(11)는 발전기(3)로부터의 출력 전류의 양을 조정하고, 축전지(12) 또는 직류 부하 전력 공급원으로 출력되는 전류 및 전압을 제어한다. 또한, 발전기(3)는 축전지(12) 또는 직류 부하 전력 공급 시스템으로 전력을 직접 공급할 수 있는 직류 발전기일 수 있다.

[0040] 수직 메인 샤프트(5)의 중간부에서, 로터(2)의 회전을 감속 또는 정지할 수 있는 디스크 브레이크 디바이스(13)가 제공된다.

디스크 브레이크 디바이스(13)는 도 4의 확대 단면도에 또한 도시된 바와 같이,

수직 메인 샤프트(5)의 중간부에 고정된 대 직경의 브레이크 디스크(14),

브레이크 디스크(14)의 주변 단부 부분의 일부를 수용하고 수직으로 이동 가능하고 회전 불가능하도록 지지 프레임(6)의 중간부 적소에 고정된 브래킷(15)에 장착된 캘리퍼(16),

　캘리퍼(16)의 내부에 제공되고 브레이크 디스크(14)의 주변 단부의 상부 및 하부 표면들을 가압할 수 있는 한 쌍의 브레이크 패드들(17, 17), 및

캘리퍼(16)의 내부에 수용되고 아래쪽을 향하는 플런저(18A)의 하부 단부가 상부 브레이크 패드(17)의 상부 표면에 압입 고정되는 솔레노이드로 구성된 전자기 액추에이터(18)를 포함한다.

[0041] 나중에 상세하게 설명되는 바와 같이, 로터(2)를 향한 평균 풍속이 미리 결정된 정격 평균 풍속을 초과할 때 또는 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 사전에 정의된 허용 가능한 값을 초과할 때, 전자기 액추에이터(18)는 제어 디바이스(4)의 클러치 전환 결정 유닛(22)(나중에 설명됨)으로부터 전력 공급기(10)로 출력된 전기 공급 신호에 따라 턴 온되어 디스크 브레이크 디바이스(13)를 작동시켜서, 강한 바람하에서 허용 가능한 값을 초과하는 로터(2) 및 발전 시스템(3)의 과속 회전을 방지한다.

[0042] 전자기 액추에이터(18)가 턴 온될 때, 플런저(18A)는 상부 브레이크 패드(17)를 브레이크 디스크(14)의 주변 에지의 상부 표면에 대고 누른다. 플런저(18A)의 반동력으로 인해, 캘리퍼(16)는 누르는 힘의 반동력으로 상방으로 움직이고 브레이크 디스크(14)의 주변 에지의 하부 표면에 대고 하부 브레이크 패드(17)를 누른다. 이때의 마찰력에 의해, 제동력이 브레이크 디스크(14) 및 수직 메인 샤프트(5)에 작용하여, 로터(2)의 회전이 감속 또는 정지된다.

[0043] 제어 디바이스(4)는 평균 풍속 결정 유닛(19), 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20), 브레이크 작동 결정 유닛(21) 및 클러치 전환 결정 유닛(22)을 포함한다.

평균 풍속 결정 유닛(19)은 일정 시간 간격으로 로터(2)를 향한 풍속의 평균 풍속을 검출하기 위한 풍속 검출 수단인 풍속계(23)에 연결된다. 풍속계(23)에 의해 검출된 평균 풍속은 평균 풍속 결정 유닛(19)에 입력되고 제어 디바이스(4)의 중앙 처리 유닛(Central Processing Unit, CPU)(24)에 의해 처리된다. 풍속이 미리 결정된 평균 풍속 이하인 것으로 결정될 때, 결정 신호가 클러치 전환 결정 유닛(22)으로 출력된다. 풍속계(23)에 의한 평균 풍속의 검출 시간은, 예를 들면, 10 초 이하의 비교적 짧은 간격으로 수행되는 것이 바람직하다.

[0044] 상세한 설명은 나중에 언급되지만, 풍속계(23)가 미리 결정된 평균 풍속 미만을 검출할 때, 예를 들어, 발전기(3)에 의해 발전이 시작되는 작동 개시 풍속인 2 m/s이하가 검출될 때, 클러치 전환 결정 유닛(22)은 결정 신호를 전력 공급기(10)에 출력하며, 이러한 결정 신호에 따라, 전력 공급기(10)로부터의 전력 공급이 정지되고 전자기 클러치(9)가 단절된다. 그 결과, 수직 메인 샤프트(5)의 회전 구동력이 발전기(3)에 전달되지 않아, 발전기(3)에 의한 발전이 정지되고 로터(2)가 공전한다.

나중에 설명되는 회전 속도 검출 센서(26)로부터 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20)에 입력된 데이터에 기초하여 다른 결정 신호가 또한 클러치 전환 결정 유닛(22)에 출력된다.

[0045] 수직 메인 샤프트(5)의 중간부의 적소에는 로터(2)의 회전 속도를 측정하기 위한 스퍼 기어(spur gear)(25)가 부착되어 있고, 이 스퍼 기어(25)의 회전 수가 회전 속도 검출 센서(26)에 의해 검출되어, 로터(2)의 회전 속도가 수직 메인 샤프트(5)을 통해 검출될 수 있다. 스퍼 기어(25) 대신에, 수직 메인 샤프트(5)의 외측 주변 표면상에 하나 또는 복수 개의 볼록부들이 제공될 수 있다.

회전 속도 검출 센서(26)의 경우, 예를 들어, 자기 회전 속도 검출 센서, 초음파 회전 속도 검출 센서 또는 로터리 인코더와 같은 비접촉 센서가 사용된다.

[0046] 회전 속도 검출 센서(26)에 의해 검출된 회전 속도는 제어 디바이스(4)의 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20)에 입력되며, 입력된 회전 속도에 기초하여, 제어 디바이스(4)의 중앙 처리 유닛(24)이 로터(2)의 평균 주변 속도를 계산한다. 즉, 로터(2)의 외측 원주의 길이(2πr)가 로터(2)의 블레이드(8)의 회전 반경(r)으로부터 결정되기 때문에, 로터(2)의 외측 원주 길이(2πr)에 수직 메인 샤프트(5)의 회전 속도(rps)를 곱하면, 주변 속도(m/s)로 환산된다.

회전 속도 검출 센서(26) 및 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20)은 회전 속도 검출 수단을 구성한다.

[0047] 로터(2)의 주변 속도는 센서를 사용하여 블레이드들(8)의 각속도를 검출함으로써 또한 결정될 수 있다. 즉, 블레이드들(8)의 각속도(rad/s)에 회전 반경(r)을 곱한 값이 로터(2)의 주변 속도이다.

[0048] 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20)이 로터(2)의 평균 주변 속도가 특정 값, 예를 들면, 5 m/s에 도달했다고 결정할 때, 전력은 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20)로부터 클러치 전환 결정 유닛(22)에 출력된 결정 신호에 기초하여 전력 공급기(10)로부터 전자기 클러치(9)로 공급되고, 전자기 클러치(9)가 턴 온되며, 그럼으로써 수직 메인 샤프트(5)의 회전 구동력이 전기를 발생하기 위해 발전기(5)에 전달된다.

[0049] 디스크 브레이크 디바이스(13)는 제어 유닛(4)의 평균 풍속 결정 유닛(19)으로부터 브레이크 작동 결정 유닛(21)에 입력된 신호에 의해 작동된다. 즉, 풍속계(23)가 미리 결정된 정격 평균 풍속(예를 들어, 13 m/s)에 도달했다고 검출할 때, 신호가 평균 풍속 결정 유닛(19)으로부터 브레이크 작동 결정 유닛(21)에 입력되며, 브레이크 작동 결정 유닛(21)으로부터 전력 공급기(10)에 출력된 전력 공급 신호에 기초하여, 전력이 디스크 브레이크 디바이스(13)의 전자기 액추에이터(18)에 공급되고, 전자기 액추에이터(18)가 턴 온되며, 디스크 브레이크 디바이스(13)가 작동되어, 로터(2)가 감속 또는 정지된다.

[0050] 또한, 브레이크 작동 결정 유닛(21)으로부터 전자기 액추에이터(18)에 출력되는 작동 신호에 의거하여, 디스크 브레이크 디바이스(13)는 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 미리 결정된 허용 가능한 값을 초과할 때라도 작동되어, 로터(2)는 감속 또는 정지된다.

로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도의 허용 가능한 값은 로터(2)의 회전 반경, 블레이드(8)의 크기, 발전기(3)의 정격 출력 또는 정격 회전 속도 등에 따라 적절히 설정된다.

[0051] 다음으로, 도 5에 도시된 흐름도를 참조하여 제1 실시예에 따른 풍력 발전 시스템(1)을 이용한 풍력 발전 방법에 관해 설명될 것이다.

먼저, 전자기 클러치(9)가 연결되어 발전기(3)가 작동 중일 때, 로터(2)가 회전 중일 때의 평균 풍속이 풍속계(23)에 의해 측정되며(S1), 측정된 값에 기초하여, 제어 디바이스(4)의 평균 풍속 결정 유닛(19) 및 중앙 처리 유닛(24)은 평균 풍속이 작동 개시 풍속 이하인지, 예를 들어, 2m/s 이하(0을 포함함)인지를 결정한다(S2).

[0052] 평균 풍속이 2 m/s미만인 것으로 결정될 때(S2), 결정 신호가 제어 디바이스(4)의 평균 풍속 결정 유닛(19)으로부터 클러치 전환 결정 유닛(22)으로 출력된다. 결정 신호에 의해, 전력 공급기(10)로부터 전자기 클러치(9)로의 전력 공급이 정지되며, 그럼으로써 전자기 클러치(9)는 턴 오프된다(S3).

결과적으로, 수직 메인 샤프트(5)으로부터 발전기(3)로의 전력 전달이 차단되어, 발전기(3)는 턴 오프되고(S4), 발전은 일시적으로 정지되며, 로터(2)는 공전한다(S5).

평균 풍속이 작동 개시 풍속인 2 m/s이하라고 결정되지 않으면, 프로세스는 S1로 되돌아가 평균 풍속이 계속해서 측정된다.

[0053] 평균 풍속이 2 m/s 이하인 것으로 결정될 때 전자기 클러치(9)가 턴 오프되어 일시적으로 발전을 정지시키는 이유는 2 m/s 이하의 낮은 풍속에서, 발전기(3)의 코깅 토크 또는 발전 부하의 영향을 받으면 로터(2)가 실속하는 경향이 있기 때문이다.

[0054] 전자기 클러치(9)가 턴 오프되고 발전기(3)에 의한 발전이 정지될 때, 발전기(3)의 코깅 토크 및 발전 부하는 수직 메인 샤프트(5)로 전달되지 않는다. 그래서 로터(2)는 저항 없이 순조롭게 공회전하며, 로터(2)는 2 m/s 이하의 낮은 풍속에서도 실속 없이 관성으로 회전을 계속한다.

따라서, 로터(2)가 공전 중일 때, 바람 조건이 약간이라도 개선된다면, 로터(2)는 더욱 가속되어 공전을 계속한다.

[0055] 회전 속도 검출 센서(26)로부터 출력된 데이터에 기초하여, 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20) 및 중앙 처리 유닛(24)은 로터(2)가 공전 중일 때의 평균 주변 속도를 측정하며(S6), 로터(2)의 평균 주변 속도가 예를 들면, 5 m/s에 도달했는지가 결정된다(S7).

[0056] 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달할 때, 전자기 클러치(9)는 클러치 전환 결정 유닛(22)으로부터 전력 공급기(10)에 출력된 급전 신호에 의해 턴 온되고(S8), 발전기(3)가 연결되며 수직 메인 샤프트(5)의 회전 구동력이 발전기(3)에 전달된다. 그 결과, 정지해 있었던 발전기(3)가 턴 온되며(S9), 발전이 시작된다. 예를 들면, 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달하지 않았다고 결정되면, 프로세스는 단계(S6)으로 되돌아가고, 로터(2)의 평균 주변 속도가 계속하여 측정된다.

[0057] 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달했는지를 결정하는 이유는 다음과 같다. 즉, 위에서 설명한 형상을 갖는 리프트 타입 블레이드(8)를 구비한 수직 샤프트 타입의 로터(2)에서, 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달할 때, 블레이드(8)의 상부 및 하부 단부 부분들에 있는 내향 경사부(8B)의 작용 및 코안다 효과에 의해, 블레이드(8)에서 발생되는 리프트(추력)이 증가하고, 그럼으로써 로터(2)는 스스로 풍속을 초과하는 주변 속도로 자체 가속하면서 효율적으로 회전한다.

[0058] 이러한 방식으로, 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달하고, 로터(2)가 자력으로 가속되면서 공회전할 때, 전자기 클러치(9)가 회전되어 발전기(3)를 작동시키면, 코깅 토크 또는 발전 부하로 인한 로터(2)의 실속의 위험이 거의 없게 되어, 발전 효율이 향상될 수 있다.

[0059] 주변 속도가 5 m/s 인 경우의 로터(2)의 회전 속도의 예로서, 위에서 언급한 바와 같이 주변 속도, 회전 속도 및 외측 원주의 길이 사이의 관계가 존재하기 때문에, 블레이드(8)의 회전 반경(r)이 예를 들면, 1 m로 설정될 때, 로터(2)의 외측 원주의 길이(2πr)는 6.28 m이다. 그러므로, 주변 속도 5 m/s를 외측 원주 6.28 m로 나누고, 60을 곱하여 분당 속도로 환산함으로써, 로터(2)의 회전 속도는 약 48 rpm이다.

[0060] 발전기(3)가 턴 온되어 발전할 때, 평균 풍속은 풍속계(23)에 의해 측정되고(S10), 평균 풍속 결정 유닛(19) 및 중앙 처리 유닛(24)의 계산 결과에 기초하여, 평균 풍속이 정격 평균 풍속, 예를 들면, 13 m/s를 초과하는지 아닌지의 여부가 결정된다(S11). 평균 풍속이 정격 평균 풍속 13 m/s을 초과할 때, 다음으로, 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛(20)은 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 미리 결정된 허용 가능한 값을 초과하는지를 결정한다(S12).

[0061] 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 허용 가능한 값을 초과할 때, 디스크 브레이크 디바이스(13)는 브레이크 작동 결정 유닛(21)으로부터 전력 공급기(10)에 출력된 급전 신호에 의해 작동되며(S13), 로터(2)는 감속 또는 정지된다(S14). 이에 의해, 로터(2) 또는 발전기(3)가 정격 값을 넘어 과회전하는 것이 방지되며, 이것은 이들을 보호하고 내구성을 개선하게 할 수 있다.

풍속이 정격 평균 풍속 13m/s를 초과하는 때라도, 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 허용 가능한 값을 초과하여 브레이크 디바이스(13)가 작동할 때까지 로터(2)를 정지시키지 않고 발전이 계속된다. 그 결과, 발전 효율이 개선된다.

또한, 브레이크 디바이스(13)를 작동하기 전에, 발전 전력의 외부 부하 등으로의 공급량이 증가되고 큰 전기 부하가 발전기(3)에 가해진다면, 이것은 로터(2)를 제동하게 할 수 있다. 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 미리 결정된 허용 가능한 값을 초과하지 않으면, 프로세스는 단계(S10)으로 되돌아 가고 평균 풍속이 계속하여 측정된다.

[0062] 단계(11)에서 정격 평균 풍속이 13 m/s를 초과하지 않는다고 결정되면, 단계(15)에서 평균 풍속이 2 m/s 이하인지가 다시 결정되고, 평균 풍속이 2 m/s 이하이면, 프로세스는 단계(S3)으로 되돌아가고 위에서와 동일한 방식으로, 전자기 클러치(9)가 턴 오프되고, 발전기(3)가 턴 오프되고(S4), 발전이 일단 정지되며, 그럼으로써 로터(2)를 공전하게 만든다. 평균 풍속이 2 m/s 이하인 것으로 결정되지 않으면, 프로세스는 S10으로 되돌아가고 평균 풍속이 계속 측정된다.

이러한 단계들(S3 내지 S15)을 루프 형태로 반복함으로써, 발전 효율이 뚜렷하게 개선시킬 수 있다.

[0063] 위에서 설명한 바와 같이, 제1 실시예에 따른 윈드 터빈 발전기 (1) 및 이것을 이용한 풍력 발전 방법에서, 다음과 같은 프로세스들이 반복되기 때문에, 이것은 로터(2)가 코깅 토크 또는 발전 부하로 인해 실속하는 것을 사전에 방지하면서 효율적으로 발전하는 것을 가능하게 한다.

즉, 발전기(3)는 전자기 클러치(9)를 통해 로터(2)의 수직 메인 샤프트(5)에 단속적으로 연결되며, 로터(2)가 작동 개시 풍속인 2 m/s의 평균 풍속 이하의 낮은 풍속으로 회전할 때, 전자기 클러치(9)는 제어 디바이스(4)에 의해 단절되어 로터(2)를 공전시키고, 로터(2)가 스스로 가속하면서 효율적으로 회전할 수 있는 평균 주변 속도 5 m/s에 로터(2)가 도달할 때, 전자기 클러치(9)를 연결함으로써 발전기(3)가 발전할 수 있도록 제어되며, 로터(2)가 다시 2 m/s의 평균 풍속 이하의 낮은 풍속으로 회전할 때, 전자기 클러치(9)는 제어 디바이스(4)에 의해 다시 단절되고 로터(2)는 로터가 자체의 동력으로 가속하면서 효율적으로 회전될 수 있는 5 m/s의 평균 주변 속도에 도달하고, 전자기 클러치(9)가 다시 연결되어 발전기(3)에 의해 전기가 발생할 때까지 공회전한다.

[0064] 다음으로, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 제2 실시예가 도 6을 참조하여 설명될 것이다. 제1 실시예의 풍력 발전 시스템과 동일한 구성요소에는 동일한 부호들이 주어지지며 그에 관한 상세한 설명은 생략된다.

[0065] 제2 실시예의 윈드 터빈 발전기에서, 제1 실시예의 윈드 터빈 발전기(1)의 전자기 클러치(9) 대신 원심 클러치(27)가 사용된다. 도 6에 개략적으로 도시된 원심 클러치(27)는 다음과 같이 구성된다.

[0066] 즉, 마찰재가 외측 주변 표면에 각각 고정된 복수의 웨이트들(28)이 중간부에서 이등분된 로터(2)의 측상의 수직 메인 샤프트(5)에 부착되고, 각각의 웨이트들은 원심력에 의해 반경 방향 바깥쪽으로 이동 가능할 수 있으며, 원통형 종동 드럼(29)은 웨이트들(28)이 그 안에 수용되도록 발전기(3) 측상의 수직 메인 샤프트(5)에 고정된다.

[0067] 제2 실시예의 윈드 터빈 발전기에 의한 풍력 발전은 다음과 같이 수행된다. 제2 실시예의 윈드 터빈 발전기에서, 웨이트들(28)에 작용하는 원심력이 작을 때, 즉, 로터(2)가 작동 개시 풍속인 2 m/s의 평균 풍속 이하의 낮은 풍속으로 회전하고 있을 때, 웨이트들(28)은 종동 드럼(29)의 내부 표면으로부터 분리되도록 설정된다. 그러므로 로터(2)의 평균 풍속이 2m/s 이하일 때, 원심 클러치(27)는 자동으로 턴 오프되고, 발전기(3)에 의한 발전은 정지되며, 로터(2)는 공전한다.

[0068] 또한, 로터(2)의 평균 주변 속도가 예를 들면, 5 m/s에 도달할 때, 즉, 수직 메인 샤프트(5)의 회전 속도가 5 m/s의 평균 주변 속도에 대응하는 미리 결정된 값에 도달할 때, 웨이트들(28)은 원심력에 의해 종동 드럼(29)의 내부 표면과 접촉하며, 그럼으로써 원심 클러치(27)는 자동으로 연결되어 발전기(3)에 의한 발전이 시작된다.

원심 클러치(27)가 수직 메인 샤프트(5)의 회전 속도가 느린 대형 윈드 터빈 발전기에 제공되는 경우, 원심 클러치(27)를 효과적으로 작동시키기 위해, 수직 메인 샤프트(5)의 회전 속도는 증속기(speed increaser)를 통해 증가될 수 있다.

제1 실시예와 유사하게, 정격 평균 풍속이 13 m/s를 초과하거나 또는 로터(2)의 주변 속도 또는 회전 속도가 허용 가능한 값을 초과할 때, 디스크 브레이크 디바이스(13)가 제어 디바이스(4)에 의해 작동된다.

[0069] 제2 실시예의 윈드 터빈 발전기에 의한 풍력 발전 방법은 또한 다음과 같이, 로터(2)가 제1 실시예와 같이 코깅 토크 또는 발전 부하로 인해 실속하는 것이 사전에 방지되고 로터가 효율적으로 전기를 발생할 수 있도록 제어된다. 즉, 로터(2)가 작동 개시 풍속인 2 m/s의 평균 풍속 이하의 낮은 풍속으로 회전할 때, 원심 클러치(27)는 자동으로 연결 차단되고 로터(2)는 공전하며, 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달하고 로터(2)가 자체 동력으로 가속하면서 회전할 때, 원심 클러치(27)는 자동으로 연결되어, 발전기(3)에 의한 발전이 시작된다.

[0070] 또한, 기계적 원심 클러치(27)가 사용될 때, 제1 실시예에서와 같이 전자기 클러치(9)를 온 및 오프제어하기 위한 *?*클러치 전환 결정 유닛(22)은 불필요하다. 그러므로 제어 디바이스(4)의 제어 회로 등이 간단해진다.

[0071] 본 발명은 위에서 언급한 실시예들로 제한되지 않으며, 본 발명의 개요를 벗어나지 않는 범위들 내에서, 이것은 다음과 같이 다양한 변형들 및 변경들을 제공할 수 있게 한다.

[0072] 제1 실시예에서, 평균 풍속이 2m/s 이하일 때, 전자기 클러치(9)가 턴 오프되어 발전기(3)에 의한 발전이 정지되도록 제어되지만, 이것 대신에, 수직 메인 샤프트(5)의 평균 회전 속도 또는 로터(2)의 평균 주변 속도를 검출할 때, 평균 풍속이 2 m/s 이하이면, 전자기 클러치(9)가 턴 오프되어 발전기(3)에 의한 발전이 정지되도록 발전기(3)에 의한 발전이 정지될 수 있다.

[0073] 더욱이, 제1 실시예에서, 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달할 때, 전자기 클러치(9)가 턴 온되어 발전기(3)가 발전을 시작하도록 하지만, 이것 대신에, 위에서 언급한 바와 같이 로터(2)의 주변 속도가 로터의 회전 속도로 환산할 수 있기 때문에, 회전 속도 검출 센서(26)가 로터(2)의 회전 속도를 검출할 때 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달하면, 전자기 클러치(9)가 턴 온되어 발전기(3)에 의한 발전이 시작될 수 있도록 발전기(3)에 의한 발전이 시작될 수 있다.

[0074] 제1 실시예에서, 전자기 클러치(9)가 턴 오프되고 발전기(3)에 의한 발전을 정지시키기 위한 로터(2)의 평균 풍속이 2 m/s 이하로 설정되었지만, 그러나 이 때의 평균 풍속의 상한 값은 회전 반경의 크기에 따라 적절하게 설정된다. 예를 들면, 위의 실시예에서 블레이드(8)의 회전 반경이 1 m미만일 때, 로터(2)의 회전 토크가 작아지기 때문에, 코깅 토크 및 발전 부하의 영향이 더 많이 발생할 가능성이 있기 때문에, 전자기 클러치(9)가 턴 오프되는 평균 풍속의 상한 값은 2 m/s 이상으로 설정될 수 있도록 한다.

[0075] 또한, 블레이드(8)의 회전 반경이 1m를 초과할 때, 로터(2)의 회전 속도가 낮을지라도, 회전 토크가 커지고, 코깅 토크 및 발전 부하는 영향을 받을 가능성이 없기 때문에, 전자 클러치(9)가 턴 오프되는 평균 풍속의 상한 값은 2 m/s 이하로 설정될 수 있도록 한다.

[0076] 위의 실시예들의 경우, 로터(2)의 평균 주변 속도가 5 m/s에 도달할 때, 전자 클러치(9)가 턴 온되어 발전기(3)의 발전을 시작시키지만, 이 경우에 평균 주변 속도의 값은 블레이드(8)의 회전 반경의 크기에 따라 적절하게 설정될 수 있다.

[0077] 위의 실시예들의 경우, 전기적으로 제어 가능한 전자기 액추에이터(18)를 포함하는 기계적 디스크 브레이크 디바이스(13)가 로터(2)의 회전을 감속 또는 정지시키는 브레이크 디바이스로서 사용되지만, 공지된 전자기 브레이크를 사용하는 것이 또한 가능하거나 또는 비접촉 방식의 와전류 타입 디스크 브레이크 디바이스 등이 또한 사용될 수 있다.

[0078] 전자기 액추에이터(18) 대신에, 유체 압력에 의해 작동되는 피스톤이 제공될 수 있으며 디스크 브레이크 디바이스(13)는 축전지(10) 또는 상용 전력 공급원에 의해 구동될 수 있는 유압 펌프 또는 공기 펌프를 사용하여 가압 오일 또는 압축 공기를 피스톤에 압력 이송함으로써 유체 압력 피스톤에 의해서도 또한 작동될 수 있다. 제동력을 증가시키기 위해, 복수의 그러한 디스크 브레이크 디바이스들(13)은 브레이크 디스크(14) 주위에서 서로 동기하여 작동하도록 제공될 수 있다.

[0079] 제1 실시예에 따르면, 전자기 클러치(9)는 로터(2)의 수직 메인 샤프트(5)의 회전 구동력을 단속적으로 인가하는데 사용되지만, 예를 들어, 마찰 클러치 또는 메싱 클러치(meshing clutch) 등을 제어 디바이스(4)에 의해 턴 온 및 오프될 수 있는 전기 액추에이터로 사용하는 것이 또한 가능하다.

[0080] 위에서 설명한 바와 같이 디스크 브레이크 디바이스(13)와 같은 브레이크 디바이스를 로터(2) 및 발전기(3)의 과도한 회전을 방지하기 위해 윈드 터빈 발전기에 제공함으로써, 윈드 터빈 발전기에서 임의의 비정상적인 상황이 발생할 때라도, 디스크 브레이크 디바이스(13)를 작동하여 로터(2)를 감속 또는 정지시키는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 전자기 클러치(9), 원심 클러치(27), 발전기(3), 다른 전기 부품들이 고장나는 경우, 제어 디바이스(4)의 전기 회로 등에 이상이 발생하고, 수직 메인 샤프트(5)의 베어링(6A) 등에서 마모 등이 일어나고, 기타 등등이 발생하면, 로터(2)는 감속 또는 정지될 수 있다.

[0081] 도시되지 않았지만, 디스크 브레이크 디바이스(13) 단독으로 로터(2)를 감속 또는 정지시킬 수 없는 경우에 대비하여, 수직 메인 샤프트(5)의 회전을 강제로 정지시키기 위한 수동 브레이크 디바이스가 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 윈드 터빈 발전기에서 강한 바람 또는 비정상적인 상황의 경우에, 디스크 브레이크 디바이스와 함께 수동 브레이크 디바이스를 사용함으로써 로터(2)는 긴급하게 정지될 수 있다.

[0082] 본 발명은 일본 특허 공보 제4907073 호의 도 4에 나타낸 바와 같이 복수의 리프트 타입 블레이드들이 수직 메인 샤프트(5)에 다단들로 고정된 풍력 발전 시스템 또는 풍력 발전 시스템 또는 일본 특허 공보 제4740580 B호에 나타낸 바와 같이 블레이드의 팁(tip) 부분이 메인 샤프트 방향(바람 수용 방향)으로 기울어진 수평 축 윈드 터빈을 포함하는 풍력 발전 시스템에도 또한 적용될 수 있다.

[0083]
1 풍력 발전 시스템
2 로터
3 발전기
4 제어 디바이스
5 수직 메인 샤프트
6 지지 프레임
6A 베어링
7A, 7B 수평 지지 아암
8 리프트 유형 블레이드들
8A 주요부
8B 내향 경사부
9 전자기 클러치
10 전력 공급 유닛
11 제어기
12 축전지
13 디스크 브레이크 디바이스(브레이크 디바이스)
14 브레이크 디스크
15 브래킷
16 캘리퍼
17 브레이크 패드
18 전자기 액추에이터
18A 플런저
19 평균 풍속 결정 유닛
20 윈드 터빈 주변 속도 결정 유닛
21 브레이크 작동 결정 유닛
22 클러치 전환 결정 유닛
23 풍속계(풍속 검출 수단)
24 중앙 처리 유닛
25 스퍼 기어
26 회전 속도 검출 센서
27 원심 클러치
28 웨이트들
29 종동 드럼
C 날개 두께 중심 선
G 기단
O 회전 궤적

Claims (7)

1. 풍력 발전 방법(wind power generation method)으로서,
   발전기를 클러치를 통해 윈드 터빈(wind turbine)의 로터의 메인 샤프트(main shaft)에 단속적으로(intermittently) 연결하는 단계,
   상기 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 상기 클러치를 단절하여(disconnecting) 상기 로터를 공전하는(idle) 단계;
   상기 로터가 특정 주변 속도 또는 회전 속도에 도달했을 때 상기 발전기에 의한 발전을 위해 상기 클러치를 연결하는 단계;
   상기 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 상기 클러치를 다시 단절하여, 주변 속도 또는 회전 속도의 특정 값에 도달할 때까지 상기 로터를 공전하는 단계, 및
   상기　로터가 특정 값에 도달했을 때 상기 발전기에 의한 발전을 위해 상기 클러치를 다시 연결하는 단계가 반복되는 단계들을 포함하는,
   풍력 발전 방법.
2. 풍력 발전 시스템으로서,
   다수의 블레이드들(blades)을 가진 로터를 갖는 윈드 터빈(wind turbine);
   상기 로터의 메인 샤프트에 연결된 발전기;
   상기 메인 샤프트와 상기 발전기 사이에 제공되고 상기 메인 샤프트와 상기 발전기 사이에서 동력의 전달을 차단할 수 있는 클러치;
   상기 로터의 주변 속도 또는 회전 속도를 검출하기 위한 회전 속도 검출기;
   상기 로터를 향한 평균 풍속을 검출하기 위한 풍속계(anemometer); 및
   제어 디바이스를 포함하고,
   상기 제어 디바이스는 다음과 같은 동작들:
   상기 풍속 검출기가 미리 결정된 평균 풍속을 검출할 때 상기 클러치를 단절하여 상기 로터를 공전하는 것,
   상기　회전 속도 검출기가 상기 로터의 상기 주변 속도 또는 상기 회전 속도를 특정 값으로 검출할 때 상기 발전기에 의한 발전을 위해 상기 클러치를 연결하는 것,
   상기 발전기에 의한 발전을 위해 상기 클러치를 연결하는 것,
   상기 풍속 검출기가 상기 미리 결정된 평균 풍속을 다시 검출할 때 상기 클러치를 다시 단절하는 것,
   상기 로터의 상기 주변 속도 또는 상기 회전 속도가 다시 상기 특정 값에 도달했을 때 상기 발전기에 의한 발전을 위해 상기 클러치를 다시 연결하는 것을 반복하는,
   풍력 발전 시스템.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 클러치는 전자기 클러치인,
   풍력 발전 시스템.
4. 풍력 발전 시스템으로서,
   다수의 블레이드들을 가진 로터를 갖는 윈드 터빈;
   상기 로터의 메인 샤프트에 연결된 발전기; 및
   상기 메인 샤프트와 상기 발전기 사이에 제공되고 상기 메인 샤프트와 상기 발전기 사이에서 동력의 전달을 자동으로 차단할 수 있는 클러치를 포함하고,
   상기 클러치는 다음의 프로세스들,
   상기 로터가 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 자동으로 상기 클러치를 단절하여 상기 로터를 공전하는 것,
   상기 로터가 특정 주변 속도 또는 회전 속도에 도달했을 때 상기 발전기에 의한 발전을 위해 자동으로 상기 클러치를 연결하는 것,
   상기　로터가 상기 미리 결정된 평균 풍속에서 또는 그 아래에서 회전 중일 때 자동으로 상기 클러치를 다시 단절하여, 상기 주변 속도 또는 상기 회전 속도의 특정 값에 도달할 때까지 상기 로터를 공전하는 것, 및
   상기 로터가 상기 특정 값에 도달했을 때 상기 발전기에 의한 발전을 가능할 수 있게 하기 위해 자동으로 상기 클러치를 다시 연결하는 것을 반복하도록 구성되는,
   풍력 발전 시스템.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 클러치는 상기 로터의 상기 메인 샤프트의 회전에 동반하는 원심력에 의해 자동으로 맞물리고 및 분리되는 원심 클러치인,
   풍력 발전 시스템.
6. 제2 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 윈드 터빈은 그 팁 부분에서 경사부들이 형성된 복수의 리프트 타입 블레이드들을 포함하는 로터를 갖는 종축(longitudinal axis) 윈드 터빈 또는 수평축(a horizontal axis) 윈드 터빈인,
   풍력 발전 시스템.
7. 제2 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 평균 풍속이 미리 결정된 정격 평균 풍속을 초과할 때 또는 상기 로터의 원주 속도(circumferential speed) 또는 회전 속도가 미리 결정된 허용 가능한 값을 초과할 때 상기 로터를 감속 또는 정지시키는 브레이크 디바이스를 더 포함하는,
   풍력 발전 시스템.

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