WO2021020728A1 - 하이브리드 발전시스템 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a power generation apparatus, and more particularly, to a hybrid power generation system for generating electric energy by generating electricity through wind energy and solar energy.
  • electricity is obtained by burning fossil fuels such as coal or oil, or by energy obtained by using nuclear power, solar power, solar heat, wind power and hydropower.
  • nuclear power has a problem of causing great damage in the event of an accident such as a leak, and it is difficult to select a place for installing a generator due to severe resistance from residents at the place where it is installed.
  • power generation using wind power refers to a power generation method in which a windmill is rotated with natural wind to secure rotational power, and this speed is increased to rotate a generator.
  • Such wind power generation can only be converted into electric energy within about 60% of the wind energy in the theory of the blade. Considering the efficiency according to the shape of the blade, mechanical friction, and the efficiency of the generator, practically only 20 to 45% of electricity Can be used as energy.
  • the wind power generation system is a structure that guarantees economical power generation efficiency only when the average annual wind speed is 6m/s or more.There are many restrictions in the area where the system can be installed. It is coming.
  • the wind power generation system has a fatal disadvantage in that power generation efficiency is not guaranteed at a certain wind speed or less, and thus, even though it is eco-friendly, non-polluting energy, there is a problem that the supply is not expanded.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2004-0016913
  • the blade is equipped with a compartment capable of collecting wind, so it is possible to increase the rotational power due to high wind energy utilization efficiency, and it solves the problem of lowering the rotational speed of the blade by simultaneously hitting the blade with reverse wind and forward wind, which hinders the amount of power generation. Therefore, it is improved so that only pure wind is introduced into the blade compartment without being hit by the reverse wind, and the electric energy generated by the solar module concentrator on the upper part of the system is used to drive the motor provided in the collecting wind duct even when the wind is not blowing. It is to provide a hybrid power generation system capable of increasing the amount of power generation by artificially generating high-speed wind by turning the guide means.
  • a hybrid power generation system includes a base frame configured to be rotatable by a rotating means about a main rotating shaft;
  • a collecting wind duct provided at one end of the base frame to allow wind to flow therein and to increase and discharge the incoming wind
  • a turbine module provided at a rear side from which wind is discharged from the collecting duct, blades are installed around a power generation rotation shaft, and wind discharged from the collecting duct is provided to the blades to rotate the power generation rotation shaft;
  • a generator connected to the power generation rotation shaft and generating electricity by a rotational force of the power generation rotation shaft;
  • At least one battery electrically connected to charge and discharge electric energy generated according to the rotation of the turbine module
  • a solar module concentrator for generating electric energy from one or more solar cells electrically connected to supply electric energy to a wind-guided rotating motor provided at one side of the collecting duct;
  • a wind speed sensor installed in the collecting duct to measure a wind speed value, which is the strength of the wind
  • a wind recovery means at the rear of the collecting duct for recovering the wind discharged through the collecting duct to the rear of the turbine module and resupplying it to the front end of the turbine module and the front end or middle end of the collecting duct;
  • a solar module concentrator is provided on the upper part of the system, and even when the wind does not blow by using electric energy, the turbine module is operated by driving a motor provided in the collecting duct to generate wind. There is an effect that can increase the power generation amount of the generator by rotating it.
  • IoT Internet of Things technology
  • AI artificial intelligence
  • the wind collected inside the collecting duct is increased through the collecting duct, and only the forward wind excluding the reverse wind is introduced from the discharge port, thereby increasing the rotational force and centrifugal force of the blade.
  • the rotational speed of the blade is increased, and as a result, the rotational torque of the blade is increased and the power generation energy efficiency is greatly improved.
  • the wind direction and rotation means installed on both sides of the support for the solar module concentrator at the top of the base frame are provided. Through this, the inlet of the collecting air duct is automatically rotated toward the direction in which the wind blows, thereby maximizing the efficiency of collecting air.
  • the air volume control pivot automatically rotates and moves along the air volume control guide rail in conjunction with the input value by the wind discharged through the collecting air duct, so that the air volume discharged from the discharge port and supplied to the blades This is controlled, thereby preventing excessive wind from being supplied to the turbine module due to a typhoon or the like by the control action of the air volume control revolving door, thereby preventing failure of the turbine module.
  • a wind fence is provided in a shape surrounding a part of the turbine module on one side of the path through which the wind recovered from the wind collecting member is resupplied to the turbine module, and the collecting wind duct discharge part
  • FIG. 1 is a view showing a shape as viewed from the front of a structure in which turbine modules are arranged in front and rear two rows in a hybrid power generation apparatus according to the present invention.
  • FIG. 1 is enlarged views of the main part of the power generating device of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a view showing a shape as viewed from the side of the power generating device of FIG. 1.
  • FIG. 4 is a view showing a shape as viewed from above of the power generation device of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a view showing a shape as viewed from the side of a structure in which turbine modules are arranged in one row in the hybrid power generation system according to the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a shape as viewed from above of the power generating device of FIG. 5.
  • FIG. 7 is a view showing a shape as viewed from the front of the inlet of the collecting duct in order to explain the configuration of the wind induction means installed in the collecting duct according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the shape of the wind guiding means according to the present invention as viewed from the front side of the collecting duct.
  • FIG. 9 is a view showing the shape of the wind guiding means according to the present invention as viewed from the rear side of the collecting duct.
  • FIG. 10 is a view for explaining the configuration of the turbine module according to the present invention as viewed from above and a configuration for adjusting the air volume by the turbine module.
  • FIG. 11 is a view showing components separated before assembly of some parts constituting the turbine module according to the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a state in which two types of blades having different shapes are combined in three stages in the turbine module according to the present invention.
  • FIG. 13 is a view showing a state before and after the blades having the same shape are combined in three stages in the turbine module according to the present invention.
  • 14A to 14J are embodiments configured by differently combining the shape and number of blades in the turbine module according to the present invention.
  • 15 is a view showing a shape as viewed from the front of the hybrid power generation apparatus according to the present invention.
  • FIG. 16 is a view showing a shape as viewed from the side of the power generating device of FIG. 15.
  • 17A and 17B are views showing a state in which the wind collecting pipe is extended from the wind collecting member in an embodiment different from that of FIG. 6 and coupled to both sides of the concentrated duct.
  • FIG. 18 is a block diagram schematically showing the internal configuration of a hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 is a block diagram schematically showing the interior of the solar module concentrator according to an embodiment of the present invention and the configuration of a wind-guided rotary motor and a generator and a solar control unit connected thereto.
  • 20 is a diagram showing a connection relationship between a hybrid power generation system and a drone device according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, B, (a), (b) may be used. These terms are only for distinguishing the component from other components, and the nature, order, or order of the component is not limited by the term.
  • a component is described as being “connected”, “coupled” or “connected” to another component, the component may be directly connected or connected to that other component, but another component between each component It should be understood that elements may be “connected”, “coupled” or “connected”.
  • FIG. 1 is a view showing a shape as viewed from the front of a structure in which turbine modules are arranged in front and rear two rows in a hybrid power generation apparatus according to the present invention
  • FIGS. 2A to 2C are views showing an enlarged main part of the power generation device of FIG. 1
  • FIG. 3 Is a view showing a shape viewed from the side of the power generation device of FIG. 1
  • FIG. 4 is a view showing the shape of the power generation device of FIG. 1 viewed from above
  • FIG. 5 is a turbine module arranged in one row in the hybrid power generation system according to the present invention.
  • Figure 6 is a view showing the shape as viewed from the side of the structure
  • Figure 6 is a view showing the shape as viewed from the top of the power generation device of Figure 5
  • Figure 7 is a collection of wind in order to explain the configuration of the wind induction means installed in the collecting duct according to the present invention It is a view showing the shape as viewed from the front of the inlet of the duct
  • Figure 8 is a view showing the shape as viewed from the front side of the wind induction means according to the present invention
  • Figure 9 is a wind induction means according to the present invention It is a view showing the shape as viewed from the rear side
  • FIG. 10 is a view for explaining the configuration of the turbine module according to the present invention as viewed from above, and the configuration viewed from above to control the air volume by the turbine module
  • FIG. 11 is the present invention It is a view showing the components separated before assembly of some parts constituting the turbine module by
  • FIG. 12 is a view showing a state in which two types of blades having different shapes are combined in three stages in the turbine module according to the present invention.
  • 13 is a view showing a state before and after the blades having the same shape are combined in three stages in the turbine module according to the present invention
  • FIGS. 14A to 14J are configured by differently combining the shape and number of blades in the turbine module according to the present invention. This is an example.
  • a hybrid power generation system includes a power generation device and a system for operating and managing the same.
  • the power generation device includes a base frame 10 configured to be rotatable by a rotating means around a main rotation shaft 12, and is provided at one end of the base frame 10 so that wind flows into the inside and increases the incoming wind. And a collecting wind duct 20 to be discharged, and provided at the rear side from which wind is discharged from the collecting wind duct 20, and a blade 32 is installed around the power generation rotation shaft 31, and in the collecting wind duct 20 The discharged wind is provided to the blade 32 and is connected to the turbine module 30 to which the power generation rotation shaft 31 is rotated, and the power generation rotation shaft 31, and generates electricity by the rotational force of the power generation rotation shaft 31. It includes a generator 40 to generate and a photovoltaic module concentrator 17.
  • the wind collected inside the collecting duct 20 is increased through the collecting duct 20 and discharged to the blade 32, thereby increasing the rotational force and centrifugal force of the blade 32 to increase the rotational speed of the blade 32.
  • the rotational torque of the blade 32 is increased, thereby greatly improving power generation energy efficiency.
  • the shape of the gypsum duct 20 may be composed of a square, a cylindrical shape, a rounded square, etc. If it is configured in a large size, it is easy to transport and workability. In order to be good, for example, it can be assembled in the field after it is configured to be separated in left and right or up and down.
  • each plate constituting the gypsum duct 20 when it is too large, it may be configured to be separated up and down, left and right, through which transport and workability in the field may be further improved.
  • one end of the base frame 10 is It can be rotated automatically in the direction of the wind blowing.
  • the wind-receiving surfaces are vertically erected on both sides of the rear end of the base frame 10 to face each other, and two wind blowers 11 are provided so as to face the wind blowing direction.
  • the inlet (20a) of the bar is arranged to automatically rotate, it is to maximize the collection efficiency.
  • the rotating means is a main rotation shaft 12 provided perpendicularly to the lower end of the base frame 10, and is supported under the base frame 10,
  • the main rotation shaft 12 is rotatably installed on the upper end (13), the support plate (14), the support plate (14) fixed to the upper end of the post (13), the main rotation shaft (12) is coupled through It is fixed to the main rotation shaft 12 and the driven gear 15 provided on the concentric shaft and the rotating base frame 10, preferably coupled to the base platform 19, the driven gear 15 It may be configured to include a driving gear 16 that rotates engaged in a meshed state.
  • the support frame (13a) is fixed between the support (13) and the support plate (14) so that it does not rotate, and the main rotation shaft (12) can rotate smoothly in a vertical state, and the base frame (10) and the base
  • the platform 19 may be coupled so as not to conduct a strong wind.
  • the post 13 may be configured as four pillars or one cylindrical pillar perpendicular to the ground, and may be fixedly installed on the ground or the structure floor in the form of a steel structure or a cylindrical structure.
  • the lower portion of the support plate 14 may be fixedly coupled to the upper portion of the support frame 13a.
  • the post 13 can be either a steel tower or a cylindrical tower, and when the power generation device is installed on site, a prefabricated steel structure that is easy to install can be used, so that the installation cost is lower than that of the existing horizontal axial wind power generator during site construction. It is inexpensive and economical.
  • the upper end of the fall prevention frame 10a is fixed to the lower portion of the base platform 19 attached to the lower portion of the base frame 10 with the main rotation shaft 12 as the center, and the fall prevention frame ( The lower end of 10a) is formed to be bent inward and caught on the lower end of the support plate 14, thereby preventing the base frame 10 and all mechanical equipment connected thereto and mounted on the base platform 19 from falling.
  • the rotation means may be configured to further include a wind direction rotation motor (16a) providing a rotational force to the drive gear (16).
  • the driven gear 15 meshed with the driving gear 16 is fixed to the post 13 by the support plate 14 As a result, the driving gear 16 is rotated along the driven gear 15, and thus the base frame 10 can be rotated.
  • an angle measurement sensor measuring the rotation angle of the main rotation shaft 12 by the wind head 11 and the main rotation shaft 12 measured by the angle measurement sensor
  • a separate control unit for applying an operation signal to the wind direction rotation motor 16a may be included.
  • the wind direction rotation motor 16a is operated to rotate the base frame 10 in the direction rotated at the corresponding rotation angle.
  • the inlet 20a of the collecting wind duct 20 installed on the base frame 10 can be stably rotated in the front direction toward the wind blowing, thereby increasing the wind efficiency.
  • the operation signal of the wind direction rotation motor 16a is applied with a predetermined current for a predetermined time, so that excessive rotation of the base frame 10 can be restricted.
  • the collecting duct 20 may have a cross-sectional area gradually narrowing toward the discharge port 20b from the inlet 20a side.
  • the collecting air duct 20 sucks outside air through the inlet 20a of a relatively large area and discharges it at a high speed through the discharge port 20b of a relatively small area.
  • the speed and power are concentrated and doubled, thereby greatly increasing the wind energy supplied to the turbine module 30.
  • the cross-section of the collecting duct 20 may have several cross-sectional shapes such as a circular shape and a rectangular shape in addition to the illustrated rectangular shape.
  • a wind guide means may be further installed inside the collecting duct 20 so as to introduce wind into the interior of the collecting duct 20 and increase the speed of the incoming wind.
  • the wind induction means is rotatable on the wind induction rotation shaft 21 installed along the inner surface of the inlet (20a) of the collecting wind duct (20) or the inner surface of the outlet (20b) It may be configured to include a wind-guided rotation blade 22 and a wind-guided rotation motor 24 that provides rotational force to the wind-guided rotation shaft 21.
  • the wind induction rotation blade 22 forcibly sucks in external air by the operation of the wind induction rotation motor 24 and introduces it into the collecting wind duct 20, so that the amount of air flowing into the collecting wind duct 20 and The wind speed increases rapidly.
  • the increased and increased wind is strongly introduced into the blades 32 of the turbine module 30, thereby increasing the rotational torque and rotational speed of the power generation rotating shaft 31 provided with the blades 32, thereby increasing the centrifugal force and the lift of the blades.
  • the power generation output increases.
  • the wind induction rotation motor 24 may be configured to operate and control through the main control unit (see 60 of FIG. 18) to stop the operation of the wind-guided rotation motor 24 when the average operating rotation speed exceeds the reference rotation speed.
  • wind-guided rotation motor 24 may be operated with electric power produced by the solar module concentrator 17.
  • the wind induction rotation motor 24 stops the operation of the wind induction rotation motor 24 when the power generation rotation shaft 31 rotates and exceeds the reference number of rotations, thereby extending the life of the device and reducing unnecessary waste of power. It will be prevented.
  • the upper surface of the guide rotation blade 22 is the inlet of the collecting wind duct 20 by the windshield plate 23 ( 20a) It blocks the wind flowing from the front of the inner side or the front of the discharge port 20b to prevent the rotational resistance of the wind guide rotation blade 22, and the bottom side is in an open state without the windshield 23
  • the wind efficiency of the induction rotating blade 22 is improved.
  • a plurality of the wind-guided rotating blades 22 may be installed entirely or partially on the inner side of the inlet 20a or the inner side of the discharge port 20b.
  • the wind-guided rotation motor 24 may be individually installed for each wind-guided rotation blade 22 or integrated to provide rotational force to the wind-guided rotation blade 22.
  • the turbine module 30 is provided with a power generation rotation shaft 31 perpendicular to the direction in which wind is discharged from the collecting duct 20, and the blade 32 is It may be provided with a plurality of radially around the power generation rotation shaft 31.
  • the turbine module 30 may be fixedly installed on the frame 70 provided in the horizontal direction at the middle of the base frame 10.
  • the power generation rotation shaft 31 is provided vertically, and the blade 32 is horizontally coupled to the power generation rotation shaft 31 by a connecting rod 33 and rotates, thereby reducing noise and adversely affecting the surrounding environment. Not only that, it is easy to install and maintain.
  • the end of the blade 32 is formed with an opening, and a wind collecting chamber 32a having a hollow inside is provided, and an end of the opened wind collecting chamber 32a of the blade 32 is a collecting duct ( It may be disposed to face the discharge port 20b of 20).
  • the turbine module 30 may be disposed on both left and right sides behind the discharge port 20b of the collecting air duct 20.
  • the turbine modules 30 may be arranged in two rows at the front and rear ends as shown in FIG. 3 or may be arranged in one row at the front end as shown in FIG. 5.
  • the blade 32 may be disposed within the upper and lower length range of the discharge port 20b of the collecting air duct 20.
  • the wind discharged from the collecting duct 20 is collected inside the wind collecting chamber 32a of the blade 32 with an empty inside, thereby increasing the area and resistance of the blade 32 receiving the wind, and thus the blade 32
  • the rotational force and centrifugal force that is, the lift force of the power generation rotation shaft 31 during rotation of the bar increases, the efficiency of the power generation energy is greatly increased.
  • the blade 32 may have an outer surface length in a circumferential direction centered on the power generation rotation shaft 31 being longer than an inner surface length.
  • the outer surface of the blade 32 may be formed in a streamlined curved shape, and the inner surface of the blade may be formed in a linear shape.
  • the outer surface length in the circumferential direction of the blade 32 is formed longer than the inner surface length, a difference in speed and pressure occurs between the outer surface and the inner surface when the blade 32 is rotated, thereby generating a lift force. As the centrifugal force of the blade 32 is further increased, the rotational force of the blade 32 is further increased.
  • the blade 32 is symmetrically coupled to the power generation shaft 31 by a connecting rod 33, and the connecting rod 33 may be bolted to the blade 32. That is, by fastening the bolt shape formed at the end of the connecting rod 33 to the bolting hole 33a formed in the blade 32, the blade 32 can be easily coupled.
  • the shape of the blades 32 constituting the turbine module 30 as shown in FIGS. 14A to 14J may be configured by combining the same or different shapes, and the number of blades 32 may also be appropriately determined according to the power generation capacity of the power generation device. It can be installed symmetrically left and right.
  • a vibration absorbing rotation cap 34 may be coupled to an upper end of the power generation rotation shaft 31 as shown in FIGS. 3 and 5.
  • the wind flowing out to the rear of the turbine module 30 through the collecting duct 20 is recovered, It may be configured to further include a wind recovery means to resupply to the front end.
  • the wind energy supplied to the wind collecting chamber 32a of the blade 32 and flowing backward is collected again and resupplied to the turbine module 30, so that the wind energy can be utilized as efficiently as possible.
  • the wind recovery means has one end disposed at the rear of the rearmost turbine module 30, and the end of one end is formed to recover the wind that has passed through the turbine module 30 by bending toward the collecting wind duct 20.
  • the shape forming the other end from one end is formed in a curved shape covering the outer periphery of one side of the turbine module 30, so that the wind recovered from one end is transferred to the other end. It may be configured to include a wind recovery member 50 formed to induce.
  • the other end of the wind recovery member 50 may be a wind recovery discharge unit 52a for resupplying the recovered wind to the turbine module 30, wherein the turbine module 30 is in two rows at the front and rear ends.
  • the wind recovery discharge portion 52a of the wind recovery member 50 may be disposed at the front end of the two-row turbine module 30 at the front and rear ends, and the turbine module 30 is 1
  • the wind recovery discharge portion 52a of the wind recovery member 50 may be disposed at the front end of the first row turbine module 30.
  • the wind remaining after being supplied to the turbine module 30 is recovered at the rear end of the wind recovery member 50, and the recovered wind is guided along the inner surface of the wind recovery member 50 to the front end of the wind recovery member 50
  • the utilization of wind energy is maximized.
  • a windshield fence 51 is provided in a shape surrounding a part of the turbine module 30 on one side facing the wind collecting member 50, and through the wind collecting member 50, to the front end of the turbine module 30 It is possible to prevent the re-supplied wind from being applied to the turbine module 30.
  • the collecting wind duct ( The wind discharged from the discharge port 20b of 20) is applied to the blade 32 so that the wind is not received in the reverse rotation direction of the blade 32 when rotating, preventing the rotational force of the blade 32 from being reduced. , It is to increase the rotational force of the turbine module 30 and to prevent failure.
  • wind recovery discharge portion (52a) at the other end of the wind collecting member 50 inside the wind collecting member 50, the wind collected from one end of the wind collecting member 50 A wind path forming member 52 for guiding to the end may be further provided.
  • the path formed by the wind path forming member 52 has a cross-sectional area gradually narrowing from the entrance of the path toward the exit, thereby increasing the wind speed of the wind resupplied through the wind collecting means.
  • the wind path forming member 52 disposed at the rear end may form a path together with the windbreak fence 51.
  • the hybrid power generation system is a wind volume control guide in a shape surrounding the power generation rotation shaft 31 in the circumferential direction of the turbine module 30 on the bottom of the upper platform 70 Rail 53 may be provided.
  • a wheel is provided at the bottom so as to be movable in the left and right circumferential direction along the air volume control guide rail 53, and is provided in the shape of a door surrounding a part of the front end of the turbine module 30, so that the turbine module It may be configured to include an air volume control rotator 54 for adjusting the air volume provided to (30).
  • an air volume control rotation adjustment motor (not shown) that provides a rotational force to rotate the air volume control rotation system 54 to the left and right, and is installed at the inlet 20a and/or the discharge port 20b of the collecting air duct 20
  • it may be configured to include a wind speed sensor (see 97 of FIG. 18) that measures the wind speed value of the wind passing through the collecting wind duct 20.
  • an operation signal is applied to the air volume control rotational control motor through the main control unit (see 60 of FIG. 18), and the amount of movement of the airflow control rotational system 54 may be adjusted according to an input value input from the wind speed sensor 97.
  • the wind speed sensor 97 may be installed in the front of the upper end of the collecting wind duct 20 or at the inlet 20a or the outlet 20b, and in addition to the wind speed sensor 97, various sensors such as a rain gauge may be provided. , The input value input through the sensors and the reference value are compared and controlled by the main control unit 60.
  • the air volume control rotator 54 is automatically rotated and moved under the control of the main control unit 60 along the air volume control guide rail 53 in conjunction with the input value by the wind discharged through the collecting air duct 20. , The amount of air discharged from the discharge port 20b and supplied to the blade 32 is adjusted. Therefore, when excessive strong wind to the extent that adversely affects the power generation device flows into the collecting duct 20, the air volume control rotator 54 is automatically adjusted to prevent failure of the turbine module 30.
  • the air volume control rotator 54 installed on both sides rotates counterclockwise to the left air volume control rotator.
  • the moving rail 53 rotates to the end and the air volume control rotator 54 installed on the right side rotates clockwise to move it to the end of the right air volume control rotator movable rail 53.
  • the wind recovery prevention door provided in the wind recovery member moves along the wind recovery prevention door moving rail to close, and the recovered wind is It can be configured so that it cannot enter the inside and exit directly to the outside.
  • the speed increase gear box 35 is connected between the power generation rotation shaft 31 and the generator 40, thereby increasing the rotational speed provided to the generator 40 from the power generation rotation shaft 31 I can make it.
  • the number of rotations caused by the rotation of the power generation rotation shaft 31 is increased through the speed increase gear box 35 in which a gear ratio is composed of several large and small gears to increase electrical energy.
  • a separate braking signal is input to the braking device 36 It may be configured to include a control unit of.
  • the power of the rotational force generated by the rotation of the power generation rotation shaft 31 is too large, and a braking device in order to stop the power generation rotation shaft 31 in order to cope with a fear of damaging the power generation device or other unwanted accidents ( 36) is used.
  • 2A and 2B are configurations in which the speed increase gear box 35 is connected to the power generation rotation shaft 31, whereas in FIG. 2C, the power generation rotation shaft is connected to the shaft 38 of the rotation member 37 coupled to the upper portion of the generator 40. It is a one-piece combination of (31). That is, when the generator 40 is configured in a gearless type in the present invention, the speed increase gear box 35 is not applied.
  • a photovoltaic module concentrator 17 is installed at the upper end of the post 13, and the photovoltaic module concentrator 17 is an inlet of the collecting duct 20 Power can be provided to the wind-guided rotary motor 24 installed in the (20a) and the discharge port (20b).
  • the solar module concentrator 17 may be a solar cell concentrator panel.
  • a lightning arrester 18 may be installed at the top. That is, the power generation system is reliably protected by inducing lightning to the ground through the lightning arrester 18 provided above the solar module concentrator 17. In addition, the blades of the existing horizontal shaft generator induce lightning strikes. Will be supplemented.
  • each motor can be operated by electricity generated from the solar module concentrator 17 and the generator 40.
  • 17A and 17B further include a wind return pipe 55 extending from the wind collecting member 50 and coupled to both upper ends of the concentrated duct 20, and recovering wind introduced from the concentrated duct 20 It flows back to the upper or middle end of the concentrated duct 20 to increase the speed at which wind flows in, thereby improving power generation efficiency.
  • This wind collecting pipe 55 communicates with the wind collecting member 50 into the upper or middle end of the central duct 20.
  • FIG. 18 is a block diagram schematically showing the internal configuration of a hybrid power generation system according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 19 is a block diagram schematically showing the internal configuration of a solar module concentrator according to an embodiment of the present invention
  • 20 is a view showing a connection relationship between the power generation device and the operation management system of the drone device according to an embodiment of the present invention.
  • the hybrid power generation system includes a battery 80, a BMS 82, a battery control unit 84, a CCTV camera 85, an infrared camera 86, an image processing unit ( 87), a wind speed sensor 97, a generator 40, a photovoltaic module concentrator 17, and a main control unit 60. And it may further include a drone device (100).
  • the CCTV camera 85 and the infrared camera 86 capture images around the generator 40 and selectively drive them in the daytime and at night to monitor fires and photograph moving objects or fixed objects to generate image information.
  • the image processing unit 87 processes and stores the image information generated from the CCTV camera 85 and the infrared camera 86, and transmits the monitored image information according to the control signal of the main controller 60 to the wireless communication unit 88. It can be transmitted to the external management server 89 or the mobile terminal (89a) through.
  • the main control unit 60 drives the camera when receiving one or more of a fire signal, temperature information above a preset temperature value, heat information, smoke information, and a flame signal from a detection sensor unit (not shown) installed on one side of the power generation device.
  • a signal may be transmitted to the CCTV camera 85 and the infrared camera 86, and the generated image information may be transmitted to the external management server 89 or the mobile terminal 89a through the wireless communication unit 88.
  • the detection sensor unit includes a fire detection sensor, a flame detection sensor, a heat detection sensor, a smoke detection sensor, and a temperature sensor.
  • the wind speed sensor 97 is installed in the collecting wind duct 20 to measure the wind speed value, which is the strength of the wind, and transmits it to the main control unit 60.
  • the generator 40 is electrically connected to a plurality of batteries ESS that charge and discharge electric energy according to the rotation of the turbine module 30 by wind power.
  • the generator 40 is electrically connected to one side so that a plurality of photovoltaic module concentrators 17 supply electric energy to each motor.
  • the battery 80 is a system for storing electrical energy generated by a generator, and charges and discharges electrical energy when necessary, and each battery 80 is electrically connected to each BMS 82.
  • the generator 40 is electrically connected to one side so that a plurality of photovoltaic module concentrators 17 supply electric energy to each motor.
  • the BMS 82 protects the battery 80 by sensing voltage, current, temperature, heat, smoke, etc. of the battery 80, and controls the charge/discharge amount of the battery 80 to an appropriate level. Of course, cell balancing of the battery 80 is performed, and the remaining capacity of the battery 80 is identified and controlled.
  • the BMS 82 protects the battery 80 and the hybrid power generation system through an emergency operation of a fire extinguishing device (not shown) when a risk of fire is detected.
  • a fire extinguishing device not shown
  • energy generated when the battery 80 is discharged is recharged in an energy storage device such as a secondary battery, and the total energy is managed by using it as necessary.
  • the photovoltaic module concentrator 17 is connected to a photovoltaic power generation unit 91 equipped with a solar cell that generates electric energy by receiving sunlight and detects an output voltage by being connected to the output terminal of the photovoltaic power generation unit 91 And a voltage comparison unit 92 consisting of a constant voltage circuit, a boost circuit, and a constant current circuit, a power storage unit 93 for storing the electric energy, and an AC/DC output unit 95 to compare the electric energy with the reference voltage. It includes a control module 94 for controlling the output and a wind induction rotation motor operation unit 24a for operating the wind induction rotation motor (refer to 24 in FIG. 7).
  • the solar power generation unit 91 may be a solar cell array.
  • a solar cell array is a combination of a plurality of solar cell modules.
  • the solar cell module is a device that converts solar energy into electrical energy by connecting a plurality of solar cell cells in series or in parallel to generate a predetermined voltage and current. Thus, the solar cell array absorbs solar energy and converts it into electrical energy.
  • Each solar module concentrator 17 is electrically connected to the solar control unit 96.
  • the photovoltaic control unit 96 is connected to the panel output line of the photovoltaic power generation unit 91 to detect voltage and current of electric energy output from the photovoltaic panel, respectively, a voltage detection unit and a current detection unit 96a, a voltage detection unit, and A controller 96b that controls the RF wireless communication unit to calculate the magnitude of the current and voltage detected by the current detection unit 96a and transmit data including the magnitude of the detected current and voltage, and the controller 96b generated by the controller 96b. It may be configured to include an RF wireless communication unit (96c) for wirelessly transmitting data and a wind induction rotation motor control unit (24b) for controlling the wind induction rotation motor operation unit (24a).
  • the main control unit 60 generates a warning signal when the calculated current and voltage exceeds the comparison with the preset reference voltage and current, and generates an external management server 89 or a mobile terminal through the wireless communication unit 88. 89a).
  • Each battery 80 is electrically connected to a battery controller 84 that monitors the voltage of each battery cell in real time.
  • the battery controller 84 measures the voltage of each battery cell, sets one of the measured voltages as a balancing reference voltage, and performs balancing by charging and discharging according to the reference voltage.
  • the battery control unit 84 connects a current sensing resistor in series to the battery cell to measure a potential difference between both ends of the cell, and uses the measured potential difference to determine a charging state by grasping a direction in which the current of the battery cell flows.
  • the battery controller 84 measures the voltage of the battery cells to calculate a voltage deviation between each battery cell, and if the calculated voltage deviation of the battery cells is greater than or equal to a predetermined reference value, it determines that cell balancing is necessary, and the solar module concentrator ( Controls to perform cell balancing by selectively receiving voltage in connection with 17).
  • the battery control unit 84 periodically receives the remaining capacity of the battery cell and transmits it to the main control unit 60.
  • the main control unit 60 analyzes the remaining capacity of the cells received from each battery 80 and determines that it is less than a preset reference capacity value, the energy application signal while the battery less than the reference capacity value performs a charging process for a certain period of time. It generates and transmits it to the solar module concentrator 17, and controls to provide electrical energy from the solar module concentrator 17 to the wind-guided rotary motor 24 or the generator 40.
  • the main control unit 60 When the wind speed value received from the wind speed sensor 97 is less than or equal to a preset reference wind speed value such that the generator 40 cannot produce electric energy, the main control unit 60 generates an energy application signal to generate a solar module concentrator ( 17), and control to provide electric energy from the photovoltaic module concentrator 17 to the wind-guided rotary motor 24 or the generator 40.
  • the hybrid power generation system of the present invention can generate wind by driving the wind induction rotary motor 24 even if the wind does not blow, and rotate the turbine module 30 to produce electric energy.
  • the main control unit 60 When receiving the drone driving signal from the external management server 89 or the mobile terminal 89a, the main control unit 60 transmits a drone driving signal through the wireless communication unit 88 and the drone control unit 106 of the drone main body 107 ).
  • the drone device 100 transmits and receives data and control signals to and from the main control unit 60 of the power generation device including the drone main body 107 having a predetermined shape.
  • the drone main body 107 has a shape such as a square box and serves to protect each device from external pressure.
  • AI artificial intelligence
  • a specific object such as an image around a generator
  • camera units 101 mounted at the center or left and right sides of the drone main body 107
  • the camera control unit 102 controls the camera unit 101 to rotate up and down, left and right, up to 360 degrees, and controls to zoom in or zoom out by driving a camera zoom actuator (not shown).
  • the GPS module 103 is located on one side of the front end of the drone main body 107, and processes coordinate information received before and after takeoff and after landing of the drone main body 107 in real time to process the current drone main body 107 Generate the location coordinates of
  • the sensor module 104 is located on one side of the upper end of the main body 107 of the drone, and senses posture information necessary for flying the drone through a sensor.
  • the rotation motor module 105 is located inside the drone main body 107 to rotate the rotating blade at high speed with the same rotation speed and the same torque.
  • the drone control unit 106 controls the overall operation of the drone main body 107, receives a flight control command signal of the drone from the IoT-type drone control application module, and moves the rotation axis of the rotation motor module 105, controls the position, and adjusts the speed.
  • the drone main body 107 is controlled to land, take off, fly, and stop flight, and the captured image data and flight response signal are transmitted to the IoT-type drone control application module.
  • flight control A command signal is generated and transmitted to the drone control unit 106.
  • the drone control unit 106 transmits a driving signal to the GPS module 103, the sensor module 104, the rotation motor module 105, and the camera control unit 102 to obtain and acquire various image information of a place where a danger is detected.
  • One image information may be transmitted to the external management server 89 or the mobile terminal 89a through the wireless communication unit 88.

Landscapes

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템은 수직의 축에 구비된 블레이드를 구비하여 회전시 소음과 진동이 작고, 집풍덕트를 구비하여 블레이드를 빠른 속도로 회전시키기 위한 바람의 속도를 증속하여 풍력에너지의 효율을 향상시키며, 블레이드에 바람을 포집할 수 있는 격실이 구비되어 있어 바람에너지 이용 효율이 높아 회전력을 증대시킬 수 있으며, 태양에너지를 이용하여 바람이 불지 않는 경우에도 집풍덕트에 구비된 바람유도회전모터를 구동시켜 동일축에 구비된 바람유도회전블레이드를 회전시켜 바람을 증속시켜 터빈모듈의 바람포집 블레이드 내부로 강력히 토출시킴으로서, 발전량을 증대시킬 수 있으며, 카메라, 화재 감지 센서, 드론 등의 사물인터넷기술, 인공지능(AI) 기반기술 등을 이용하여 발전장치의 위험성을 미리 감지할 수 있어 발전장치의 고장 위험을 크게 줄일 수 있고, 시스템을 효율적으로 운용관리할 수 있는 효과가 있다.

Description

하이브리드 발전시스템
본 발명은 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력에너지와 태양에너지를 통해 발전하여 전기에너지를 얻기 위한 하이브리드 발전시스템에 관한 것이다.
예컨대, 발전기를 가동하여 전기를 발생시키기 위해서는 석탄이나 기름 등의 화석연료를 연소시키거나, 원자력, 태양광, 태양열, 풍력 및 수력 등을 이용하여 획득한 에너지에 의해 전기를 얻게 된다.
이 중에서 화석연료를 이용한 발전기는 효율이 높아 널리 사용되어 왔으나, 자원을 고갈시키고 환경의 오염을 초래하는 등의 많은 문제가 있어, 원자력 등을 이용한 발전기의 활용이 점차 확대되고 있다.
그러나 원자력은 누출 등의 사고가 발생할 경우 큰 피해가 우려되는 문제가 있어, 설치되는 장소에 주민들의 반발이 심해 발전기를 설치하기 위한 장소를 선정하기가 곤란하다.
이에, 최근에는 자원의 고갈이나 환경오염의 우려가 적은 풍력, 수력, 태양을 이용한 발전기의 효율을 높이려는 시도가 한창 진행중이다.
한편, 풍력을 이용한 발전은 자연의 바람으로 풍차를 돌려 회전력을 확보하고, 이 속도를 높여 발전기를 돌리는 발전 방식을 일컫는다.
이러한 풍력발전은 날개의 이론상 풍력에너지 중 약 60% 이내에서만이 전기에너지로 바뀔 수 있는데, 이것도 날개의 형상에 따른 효율, 기계적인 마찰, 발전기의 효율 등을 고려하면 실질적으로 20 내지 45%만이 전기에너지로 이용될 수 있다.
하지만, 풍력 발전 시스템의 기술력이 점차 확립되면서 발전 단가가 낮아져 전력생산 단가에서도 화석 연료와 경쟁이 가능하며, 또한 생산된 에너지는 친환경 무공해 에너지임을 고려할 때 발전시스템의 보급이 급속도로 확대될 것으로 전망된다.
그러나 풍력 발전 시스템은 연평균 바람의 평균 풍속이 6m/s 이상이 불어야 경제적인 발전 효율이 보장되는 구조로 시스템을 설치할 수 있는 지역이 제한이 많으며, 이미 육상에 풍력 발전기가 모두 설치되어 있어 포화 상태에 이르고 있다.
또한, 풍력 발전 시스템은 일정 풍속 이하에서 발전 효율이 보장되지 않는 치명적인 단점이 있어 친환경 무공해 에너지임에도 불구하고, 보급이 확대되지 않는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) 대한민국 특허공개번호 제10-2004-0016913호
본 발명의 목적은 수직의 축에 구비된 블레이드를 구비하여 회전시 소음과 진동이 작고, 집풍덕트를 구비하여 블레이드를 빠른 속도로 회전시키기 위한 바람의 속도를 증속하여 풍력에너지의 효율을 향상시키며, 블레이드에 바람을 포집할 수 있는 격실이 구비되어 있어 바람에너지 이용 효율이 높아 회전력을 증대시킬 수 있으며, 블레이드에 역바람과 순바람을 동시에 맞아 블레이드의 회전속도를 떨어뜨려 발전량을 저해하는 문제를 해결하여 역바람을 맞지 않고 순바람만 블레이드 격실로 유입되도록 개선하고, 시스템 상부에 태양광모듈집광장치를 구비하여 발생하는 전기에너지를 이용하여 바람이 불지 않는 경우에도 집풍덕트에 구비된 모터를 구동시켜 바람유도수단을 돌려서 인위적으로 고속의 바람을 만들어 발전량을 증대시킬 수 있도록 한 하이브리드 발전시스템을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여,
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템은 메인회전축을 중심으로 회전수단에 의해 회전 가능하게 구성된 베이스프레임;
상기 베이스프레임의 일단에 구비되어 내부로 바람이 유입되고, 유입되는 바람을 증속하여 토출시키는 집풍덕트;
상기 집풍덕트로부터 바람이 토출되는 후방 측에 마련되며, 발전회전축을 중심으로 블레이드가 설치되고, 상기 집풍덕트에서 토출되는 바람이 상기 블레이드에 제공되어 상기 발전회전축을 회전시키는 터빈모듈;
상기 발전회전축에 연결되며, 상기 발전회전축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기;
상기 터빈모듈의 회전에 따라 발생하는 전기에너지를 충, 방전하도록 전기적으로 연결되는 하나 이상의 배터리;
상기 집풍덕트의 일측에 구비된 바람유도회전모터에 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 연결된 하나 이상의 태양전지에서 전기에너지를 발생하는 태양광모듈집광장치;
상기 집풍덕트에 설치되어 바람의 세기인 풍속값을 측정하는 풍속센서; 및
상기 풍속센서로부터 수신한 풍속값이 상기 발전기가 전기에너지를 생산할 수 없는 정도의 기설정된 기준 풍속값 이하인 경우, 에너지 인가 신호를 생성하여 상기 태양광모듈집광장치로 전송하고, 상기 태양광모듈집광장치에서 만든 전기에너지를 바람유도회전모터의 바람유도회전축에 연결된 바람유도수단으로 제공하도록 제어하는 메인제어부;
를 포함하고,
상기 집풍덕트의 후방에는 상기 집풍덕트를 통해 토출된 바람 중 상기 터빈모듈의 후방으로 빠져나가는 바람을 회수하여 상기 터빈모듈의 전단 및 상기 집풍덕트의 전단 또는 중간단에 재공급하는 바람회수수단;
을 더 포함할 수 있다.
이러한 해결 수단은 첨부된 도면에 의거한 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로부터 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 시스템 상부에 태양광모듈집광장치를 구비하여 전기에너지를 이용하여 바람이 불지 않는 경우에도 집풍덕트에 구비된 모터를 구동시켜 바람을 발생시키는 바람유도수단을 돌려서 터빈모듈을 회전시켜 발전기의 발전량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 카메라, 화재 감지 센서, 드론 등의 사물인터넷기술(IoT), 인공지능(AI) 기반기술 등을 이용하여 발전장치의 위험성을 미리 감지할 수 있어 발전장치의 고장 위험을 크게 줄일 수 있는 효과가 있고, 시스템을 효율적으로 운용관리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 집풍덕트 내부에 집풍되는 바람이 집풍덕트를 통해 증속되어 블레이드의 바람포집격실에 역바람이 배제된 순바람만 토출구에서 유입됨으로써, 블레이드의 회전력 및 원심력을 증대시켜 블레이드의 회전속도를 증대시키게 되고, 이로 인해 블레이드의 회전토크가 증대하여 발전에너지 효율이 크게 향상되는 효과가 있고, 또한 베이스프레임의 상단 태양광모듈집광장치 지지대 양측에 설치되는 풍향타 및 회전수단을 통해 집풍덕트의 유입구가 바람이 불어오는 방향을 향해 자동적으로 회전됨으로써, 집풍효율을 극대화하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 집풍덕트를 통해 토출되는 바람에 의한 입력값에 연동하여 풍량조절회전문이 풍량조절가이드레일을 따라 자동으로 회전 및 이동됨으로써, 토출구에서 토출되어 블레이드에 공급되는 풍량이 조절되는바, 풍량조절 회전문의 조절작용에 의해 터빈모듈에 태풍 등에 의한 과도한 바람이 공급되는 것을 방지하여 터빈모듈의 고장을 방지하는 등 보호효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 바람회수부재에서 회수된 바람이 터빈모듈로 재공급되는 경로의 일측에 터빈모듈의 일부를 감싸는 형상으로 바람막이울타리가 마련되고, 집풍덕트 토출부가 터빈모듈 순바람만을 받을 수 있도록 규격화됨으로써, 블레이드의 역회전방향으로 바람을 받지 않게 되는바, 블레이드의 회전력이 저감되는 것을 방지하고, 터빈효율을 증대시켜 발전량을 증가시키며 터빈모듈의 고장을 방지하는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 바람이 불지 않을 경우, 태양광모듈집광장치를 이용하여 전기를 생산해 내고, 이 전력으로 집풍덕트 내면에 설치된 바람유도수단을 강제 작동시켜 바람의 속도를 더욱 높이게 됨으로써, 블레이드를 회전시켜 발전장치를 가동하고 이에 전기발전량을 더욱 증대시킬 수 있게 되는바, 바람과 태양을 동시에 이용하여 전기를 생산해낼 수 있는 효과가 있고, 또한 태양광모듈집광장치보다 상부에 구비된 피뢰기를 통해 낙뢰를 지중으로 유도하여 발전시스템을 확실히 보호하게 되며, 아울러 기존의 수평축발전기의 블레이드가 낙뢰를 유도하는 단점을 보완하는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 발전장치에서 터빈모듈이 전후 2열로 배치된 구조를 정면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 2c는 도 1의 발전장치를 요부 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 발전장치를 측면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 발전장치를 위에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 발전시스템에서 터빈모듈이 1열로 배치된 구조를 측면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 발전장치를 위에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 의한 집풍덕트에 설치된 바람유도수단의 구성을 설명하기 위해 집풍덕트의 유입구 전방에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 의한 바람유도수단을 집풍덕트의 전방 측에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 의한 바람유도수단을 집풍덕트의 후방 측에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 10은 위에서 바라본 본 발명에 의한 터빈모듈의 구성과, 상기 터빈모듈에 의해 풍량을 조절하기 위한 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명에 의한 터빈모듈을 이루는 일부 부품의 조립 전 구성요소들을 분리하여 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명에 의한 터빈모듈에서 형상이 상이한 두 종류의 블레이드가 3단으로 결합되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명에 의한 터빈모듈에서 형상이 동일한 블레이드가 3단으로 결합되기 전후의 상태를 나타낸 도면이다.
도 14a 내지 14j는 본 발명에 의한 터빈모듈에서 블레이드의 형상 및 개수를 서로 다르게 조합하여 구성된 실시예이다.
도 15는 본 발명에 의한 하이브리드 발전장치를 정면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 16은 도 15의 발전장치를 측면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 도 6과 다른 실시예로 바람회수부재로부터 바람회수관을 길게 연장하여 집중덕트의 양쪽에 결합한 모습을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 태양광모듈집광장치의 내부 및 바람유도회전모터와 발전기 구성과 이와 연결된 태양광 제어부를 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템과 드론장치의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
본 발명의 특이한 관점, 특정한 기술적 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 구체적인 내용과 일실시 예로부터 더욱 명백해 질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 일실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 의한 하이브리드 발전장치에서 터빈모듈이 전후 2열로 배치된 구조를 정면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이며, 도 2a 내지 2c는 도 1의 발전장치를 요부 확대하여 나타낸 도면이고, 도 3은 도 1의 발전장치를 측면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 1의 발전장치를 위에서 바라본 형상을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 의한 하이브리드 발전시스템에서 터빈모듈이 1열로 배치된 구조를 측면에서 바라본 형상을 나타낸 도면이며, 도 6은 도 5의 발전장치를 위에서 바라본 형상을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명에 의한 집풍덕트에 설치된 바람유도수단의 구성을 설명하기 위해 집풍덕트의 유입구 전방에서 바라본 형상을 나타낸 도면이며, 도 8은 본 발명에 의한 바람유도수단을 집풍덕트의 전방 측에서 바라본 형상을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 의한 바람유도수단을 집풍덕트의 후방 측에서 바라본 형상을 나타낸 도면이며, 도 10은 위에서 바라본 본 발명에 의한 터빈모듈의 구성과, 상기 터빈모듈에 의해 풍량을 조절하기 위하여 위에서 바라본 구성을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명에 의한 터빈모듈을 이루는 일부 부품의 조립 전 구성요소들을 분리하여 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명에 의한 터빈모듈에서 형상이 상이한 두 종류의 블레이드가 3단으로 결합되는 상태를 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명에 의한 터빈모듈에서 형상이 동일한 블레이드가 3단으로 결합되기 전후의 상태를 나타낸 도면이며, 도 14a 내지 14j는 본 발명에 의한 터빈모듈에서 블레이드의 형상 및 개수를 서로 다르게 조합하여 구성된 실시예이다.
도 1 내지 14j를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템은 발전장치 및 이를 운용관리하기 위한 시스템을 포함한다.
상기 발전장치는 메인회전축(12)을 중심으로 회전수단에 의해 회전 가능하게 구성된 베이스프레임(10)과, 상기 베이스프레임(10)의 일단에 구비되어 내부로 바람이 유입되고, 유입되는 바람을 증속하여 토출시키는 집풍덕트(20)과, 상기 집풍덕트(20)로부터 바람이 토출되는 후방 측에 마련되며, 발전회전축(31)을 중심으로 블레이드(32)가 설치되고, 상기 집풍덕트(20)에서 토출되는 바람이 상기 블레이드(32)에 제공되어 상기 발전회전축(31)이 회전되는 터빈모듈(30)과, 상기 발전회전축(31)에 연결되며, 상기 발전회전축(31)의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기(40) 및 태양광모듈집광장치(17)를 포함한다.
즉 집풍덕트(20) 내부에 집풍되는 바람이 집풍덕트(20)를 통해 증속되어 블레이드(32)에 토출됨으로써, 블레이드(32)의 회전력 및 원심력을 증대시켜 블레이드(32)의 회전속도를 증대시키게 되고, 이로 인해 블레이드(32)의 회전토크가 증대하여 발전에너지 효율이 크게 향상되는 것이다.
여기서 상기 집풍덕트(20)를 바람이 유입되어 들어오는 정면에서 유입구를 보았을 때 그 형상은 사각형, 원통형, 둥근 사각형 등으로 구성될 수 있는데, 대형으로 구성될 경우 운반할 때 용이하게 하고, 작업성을 좋게 하기 위하여 예컨대, 좌우 또는 상하로 분리 구성된 후 현장에서 조립할 수 있다.
또한, 상기 집풍덕트(20)를 구성하는 각각의 판이 너무 클 경우 상하좌우로 분리 구성될 수 있으며, 이를 통해 운반 및 현장에서의 작업성이 더욱 향상될 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 베이스프레임(10)의 타단에는 상기 베이스프레임(10)이 바람에 의해 회전되도록 풍항타(11)가 설치됨으로써, 상기 베이스프레임(10)의 일단이 바람이 불어오는 방향을 향하여 자동으로 회전될 수 있다.
즉 상기 베이스프레임(10)의 후단 양측에 바람이 부는 방향을 향하여 바람을 받는 면이 수직으로 세워져 서로 대향하여 2개의 풍향타(11)가 구비됨으로써, 바람이 부는 방향을 향하여 집풍덕트(20)의 유입구(20a)가 자동으로 회전하여 배치되는바, 집풍효율을 극대화하게 되는 것이다.
도 1, 도 2a 내지 2c 및 도 3을 참조하면, 본 발명에서 회전수단은 베이스프레임(10)의 하단에 수직하게 구비된 메인회전축(12), 상기 베이스프레임(10)의 하부에 지지되며, 상단에 상기 메인회전축(12)이 회전 가능하게 설치된 지주(13), 상기 지주(13)의 상단에 고정되며, 상기 메인회전축(12)이 관통하여 결합된 지지판(14), 상기지지판(14)에 고정되며, 상기 메인회전축(12)과 동심축 상에 구비된 종동기어(15) 및 회전하는 상기 베이스프레임(10), 바람직하게는 베이스플랫폼(19)에 결합되며, 상기 종동기어(15)에 치합 상태로 맞물려 회전하는 구동기어(16)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 지주(13)와 지지판(14) 사이에는 지지프레임(13a)이 고정되어 회전하지 않으며, 메인회전축(12)이 수직 상태에서 원활히 회전할 수 있도록 하고, 상기 베이스프레임(10)과 베이스플랫폼(19)이 강풍에 전도하지 않도록 결합될 수 있다.
상기 지주(13)는 지면에 수직으로 4개 기둥 또는 1개 원통형 기둥으로 구성하여 철골 구조물이나 원통형 구조물 등의 형태로 지면 또는 구조물 바닥에 고정 설치될 수 있다. 그리고 상기 지지프레임(13a)의 상부에 지지판(14)의 하부가 고정 결합될 수 있다.
즉, 상기 지주(13)는 철탑 또는 원통타워 어느 것도 가능하고, 발전장치를 현장에서 시공할 때 설치 공사가 용이한 조립식 철골 구조물을 사용할 수 있으므로, 현장 시공시 기존의 수평축풍력발전기 보다 설치비용이 저렴하여 경제적인 것이다.
또한, 상기 메인회전축(12)을 중심으로 하여 상기 베이스프레임(10)의 하부에 부착되어 있는 상기 베이스플랫폼(19)의 하부에는 전도방지프레임(10a)의 상단이 고정되고, 상기 전도방지프레임(10a)의 하단이 내측으로 절곡 형성되어 상기 지지판(14) 하단에 걸리게 됨으로써, 상기 베이스프레임(10)과 이에 연결되어 상기 베이스플랫폼(19) 위에 장착되는 모든 기계 설비들이 전도되는 것을 방지하게 된다.
특히, 상기 회전수단에는 상기 구동기어(16)에 회전력을 제공하는 풍향회전모터(16a)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 상기 풍향회전모터(16a)에서 제공되는 회전력에 의해 구동기어(16)가 회전되면, 상기 구동기어(16)와 맞물린 종동기어(15)가 지지판(14)에 의해 지주(13)에 고정되어 있는바, 상기 구동기어(16)가 종동기어(15)를 따라 회전되고, 이로 인해 상기 베이스프레임(10)이 회전될 수 있는 것이다.
더불어, 상기 풍향회전모터(16a)를 제어하기 위해, 상기 풍향타(11)에 의한 메인회전축(12)의 회전각도를 측정하는 각도측정센서 및 상기 각도측정센서에서 측정되는 메인회전축(12)의 회전각도가 기준각도 이상인 경우, 상기 풍향회전모터(16a)에 작동신호를 인가하는 별도의 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 상기 풍향타(11)에 의해 베이스프레임(10)이 메인회전축(12)을 중심으로 바람방향을 따라 좌 또는 우로 회전되기 시작하면, 상기 메인회전축(12)의 회전각도를 측정하여 상기 회전각도가 기준각도 이상인 경우, 풍향회전모터(16a)를 작동시켜 베이스프레임(10)을 해당 회전각도로 회전된 방향으로 회전 작동시키게 된다.
따라서, 상기 베이스프레임(10)에 설치된 집풍덕트(20)의 유입구(20a)가 바람이 부는 방향을 향해 정면으로 안정적으로 회전될 수 있어, 집풍효율을 증대시키게 되는 것이다.
여기서, 상기 풍향회전모터(16a)의 작동신호는 소정의 전류로 소정 시간만큼 인가됨으로써, 베이스프레임(10)이 과도하게 회전되는 것을 제한할 수 있게 된다.
한편, 도 3 내지 6을 참조하면, 본 발명에서 집풍덕트(20)는 유입구(20a) 측에서 토출구(20b) 측을 향할수록 단면적이 점차 좁아지게 형성될 수 있다.
즉, 상기 집풍덕트(20)는 베르누이의 법칙에 의하여 상대적으로 넓은 면적의 유입구(20a)를 통하여 외부의 공기를 흡입하여 상대적으로 좁은 면적의 토출구(20b)를 통하여 빠른 속도로 토출함으로써, 바람의 속도와 힘이 집중되어 배가되고, 이로 인해 상기 터빈모듈(30)에 공급되는 바람에너지가 크게 증대되는 것이다.
여기서, 상기 집풍덕트(20)의 단면은 도시된 직사각형의 형상 이 외에 원형, 장방형 등 여러 단면 형상을 구성할 수 있을 것이다.
아울러, 상기 집풍덕트(20)의 내측에는 상기 집풍덕트(20)의 내부에 바람을 유입시키고, 유입되는 바람의 속도를 증속시킬 수 있도록 바람유도수단이 더 설치될 수 있다.
도 7 내지 9를 참조하여 구체적으로 살펴보면, 본 발명에서 바람유도수단은 집풍덕트(20)의 유입구(20a) 내측면 또는 토출구(20b) 내측면 테두리를 따라 설치된 바람유도회전축(21)에 회전 가능하게 설치된 바람유도회전블레이드(22) 및 상기 바람유도회전축(21)에 회전력을 제공하는 바람유도회전모터(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 상기 바람유도회전블레이드(22)는 바람유도회전모터(24)의 작동에 의해 외부 공기를 강제로 빨아들여 집풍덕트(20) 내부에 유입시키게 됨으로써, 집풍덕트(20)로 유입되는 풍량 및 풍속이 급격하게 증대되는 것이다.
따라서, 증속 및 증대되는 바람이 터빈모듈(30)의 블레이드(32)에 강력하게 유입됨으로써, 블레이드(32)가 구비된 발전회전축(31)의 회전토크 및 회전속도가 증대되어 원심력과 블레이드의 양력이 증대되는바, 결국 발전출력이 증대되는 것이다.
또한, 상기 바람유도회전모터(24)에 작동신호를 인가하고 각 발전회전축(31)의 평균작동회전수와 기준회전수를 비교하여 평균작동회전수가 기준회전수 이하 시 바람유도회전모터(24)를 작동시키고, 평균작동회전수가 기준회전수 초과시 바람유도회전모터(24)의 작동을 정지시키도록 메인제어부(도 18의 60 참조)를 통해 제어하게 구성될 수 있다.
여기서 상기 바람유도회전모터(24)는 태양광모듈집광장치(17)에 의해 생산된 전력으로 작동시킬 수 있다.
즉, 상기 바람유도회전모터(24)는 상기 발전회전축(31)들이 회전하여 기준회전수를 초과하면 바람유도회전모터(24)의 작동을 정지시켜 장치의 수명을 연장하고, 불필요한 전력의 낭비를 방지하게 되는 것이다.
도 7 및 8과 같이, 상기 바람유도회전축(21)과, 이와 인접한 집풍덕트(20)의 유입구(20a) 내측면 또는 토출구(20b) 내측면 사이에서 바람유도회전블레이드(22)를 감싸는 형상으로 구비된 바람막이판(23)을 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 바람유도회전축(21)의 중심선을 기점으로 하여 바람유도회전축(21)이 회전할 때 유도회전블레이드(22)의 윗면은 상기 바람막이판(23)에 의해 집풍덕트(20)의 유입구(20a) 내측면의 전면 또는 토출구(20b) 내측면의 전면에서 유입되는 바람을 차단하여 바람유도회전블레이드(22)의 회전저항을 막아주고, 아래면은 상기 바람막이판(23)이 없는 개방 상태이므로 유입된 바람이 유도회전블레이드(22)가 회전하는 순방향으로 밀어줌으로써, 유도회전블레이드(22)의 집풍효율을 향상시키게 되는 것이다.
또한, 상기 바람유도회전블레이드(22)는 상기 유입구(20a) 내측면 또는 토출구(20b) 내측면 테두리에 전체적 또는 부분적으로 복수 설치될 수 있다. 이때, 상기 바람유도회전모터(24)는 각 바람유도회전블레이드(22)마다 개별적으로 설치하거나, 통합설치하여 바람유도회전블레이드(22)에 회전력을 제공할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 10, 도 11을 참조하면, 터빈모듈(30)은 발전회전축(31)이 집풍덕트(20)로부터 바람이 토출되는 방향에 대하여 수직하게 구비되며, 상기 블레이드(32)가 상기 발전회전축(31)을 중심으로 하여 방사상으로 복수 구비될 수 있다.
여기서, 상기 터빈모듈(30)은 베이스프레임(10)의 중단에 수평 방향으로 구비된 프레임(70)에 고정 설치될 수 있다.
즉, 상기 발전회전축(31)이 수직으로 구비되고, 상기 블레이드(32)가 상기 발전회전축(31)에 연결봉(33)으로 수평하게 결합되어 회전됨으로써, 소음 발생이 적어 주변환경에 나쁜 영향을 끼치지 않을 뿐만 아니라, 설치가 용이하고 유지 보수가 용이한 것이다.
특히, 도 11과 같이 상기 블레이드(32)의 단부가 개구 형성되면서 내부가 중공 형성된 바람포집실(32a)이 마련되며, 상기 블레이드(32)의 개구된 바람포집실(32a) 단부가 집풍덕트(20)의 토출구(20b) 측을 향하도록 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 터빈모듈(30)은 집풍덕트(20)의 토출구(20b) 후방 좌우 양측에 각각 배치될 수 있다. 그리고 상기 터빈모듈(30)은 도 3과 같이 전후단에 2열로 배치되거나, 도 5와 같이 전단에 1열로 배치될 수 있다.
또한, 상기 블레이드(32)는 집풍덕트(20)의 토출구(20b) 상하 길이범위 내에 배치될 수 있다.
즉, 집풍덕트(20)로부터 토출된 바람이 내부가 비어 있는 블레이드(32)의 바람포집실(32a) 안쪽으로 포집됨으로써, 바람을 받는 블레이드(32)의 면적 및 저항력이 증대되어 블레이드(32)의 회전시 발전회전축(31)의 회전력과, 원심력 즉, 양력이 증대되는바, 발전에너지의 효율이 크게 증대되는 것이다.
또한, 도 10과 같이 상기 블레이드(32)는 발전회전축(31)을 중심으로 한 원주방향의 외면 길이가 내면 길이보다 길게 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 블레이드(32)의 외면은 유선형의 곡면 형상으로 형성되고, 블레이드의 내면은 직선 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 상기 블레이드(32)의 원주방향의 외면 길이가 내면 길이보다 길게 형성됨으로써, 블레이드(32)의 회전시 외면 및 내면 사이에 속도 및 압력 차이가 발생하여 양력이 발생하는바, 블레이드(32)의 원심력이 더욱 증대되면서 블레이드(32)의 회전력이 더욱 증대되는 것이다.
도 11과 같이, 상기 블레이드(32)는 발전회전축(31)에 연결봉(33)에 의해 좌우 대칭으로 결합되며, 상기 연결봉(33)은 블레이드(32)와 볼팅 체결될 수 있다. 즉, 상기 블레이드(32)에 형성된 볼팅홀(bolting hole: 33a)에 연결봉(33) 단부에 형성된 볼트 형상이 체결됨으로써, 블레이드(32)의 결합이 간편하게 이루어지는 것이다.
또한, 도 14a 내지 14j와 같이 터빈모듈(30)을 구성하는 블레이드(32)의 형상이 상이하거나 동일한 것을 결합하여 구성할 수 있으며, 블레이드(32)의 개수 역시 발전장치의 발전용량 등에 따라 적합하게 좌우 대칭으로 설치될 수 있다.
또한, 도 3 및 도 5와 같이 상기 발전회전축(31)의 상단에는 진동흡수회전캡(34)이 결합될 수 있다.
즉, 상기 발전회전축(31)의 상단에 원반 형상의 진동흡수회전캡(34)이 결합됨으로써, 블레이드(32)의 강력한 회전력 및 원심력에 의해 발생되는 진동 및 소음을 최소화시키게 되는바, 터빈모듈(30)을 보호하여 터빈의 고장을 방지하는 것은 물론, 발전장치의 수명을 연장시키게 된다.
한편, 도 4 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 집풍덕트(20)의 후방에는 상기 집풍덕트(20)를 통해 터빈모듈(30)의 후방으로 빠져나가는 바람을 회수하여 터빈모듈(30)의 전단에 재공급하는 바람회수수단을 더 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 블레이드(32)의 바람포집실(32a)에 공급되고 후방으로 흘러 지나가는 바람에너지를 다시 포집하여 터빈모듈(30)에 재공급함으로써, 바람에너지를 최대한 효율적으로 활용할 수 있는 것이다.
구체적으로, 상기 바람회수수단은 일단부가 최후방 터빈모듈(30)의 후방에 배치되되, 일단부의 끝부분이 집풍덕트(20)를 향하여 휘어져 터빈모듈(30)을 통과한 바람을 회수하도록 형성되고, 타단부가 터빈모듈(30)의 전방 위치에 배치되면서 일단부에서 타단부를 이루는 형상이 상기 터빈모듈(30)의 일측 외곽을 덮는 곡선 형상으로 형성되어 일단부에서 회수된 바람을 타단부 측으로 유도하도록 형성된 바람회수부재(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 상기 바람회수부재(50)의 타단부는 회수된 바람을 터빈모듈(30)에 재공급하기 위한 바람회수토출부(52a)일 수 있는 것으로, 상기 터빈모듈(30)이 전후단 2열로 배치되는 경우, 도 4와 같이 바람회수부재(50)의 바람회수토출부(52a)가 전후단 2열 터빈모듈(30)의 전단에 각각 배치될 수 있고, 또한 상기 터빈모듈(30)이 1열로 배치되는 경우, 도 6과 같이 바람회수부재(50)의 바람회수토출부(52a)가 1열 터빈모듈(30)의 전단에 배치될 수 있다.
즉, 터빈모듈(30)에 공급되고 남은 바람이 바람회수부재(50)의 후단부에서 회수되고, 회수된 바람이 바람회수부재(50)의 내면을 따라 바람회수부재(50)의 전단부로 유도되어 터빈모듈(30)에 재공급됨으로써, 바람에너지의 활용도를 극대화시키게 되는 것이다.
그리고 상기 바람회수부재(50)를 향한 일측면에 상기 터빈모듈(30)의 일부를 감싸는 형상으로 바람막이울타리(51)가 마련되어, 상기 바람회수부재(50)를 통해 터빈모듈(30)의 전단으로 재공급되는 바람이 터빈모듈(30)에 가해지는 것을 방지할 수 있다.
즉, 바람회수부재(50)에서 회수된 바람이 터빈모듈(30)로 재공급되는 경로의 일측에 터빈모듈(30)의 일부를 감싸는 형상으로 바람막이울타리(51)가 마련됨으로써, 상기 집풍덕트(20)의 토출구(20b)에서 토출되는 바람이 블레이드(32)에 인가되어 회전시에 블레이드(32)의 역회전방향으로 바람을 받지 않게 되는바, 블레이드(32)의 회전력이 저감되는 것을 방지하고, 터빈모듈(30)의 회전력 증강 및 고장을 방지하게 된다.
또한, 상기 바람회수부재(50)의 내측에는 상기 바람회수부재(50)의 타단부에 바람회수토출부(52a)를 형성하면서, 상기 바람회수부재(50)의 일단부에서 회수된 바람을 타단부로 안내하기 위한 바람경로형성부재(52)가 더 구비될 수 있다.
이때, 상기 바람경로형성부재(52)에 의해 형성된 경로는 경로의 입구에서 출구를 향하여 단면적이 점차 좁아지게 형성됨으로써, 상기 바람회수수단을 통해 재공급되는 바람의 풍속을 증대시키게 된다.
그리고 도 4와 같이 터빈모듈(30)의 전후단 2열로 배치되는 경우, 후단에 배치된 바람경로형성부재(52)는 바람막이울타리(51)와 함께 경로를 형성할 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템은 발전회전축(31)을 중심으로 상부플랫폼(70)의 바닥에 터빈모듈(30)의 원주방향으로 감싸는 형상으로 풍량조절가이드레일(53)이 마련될 수 있다.
이때 상기 풍량조절가이드레일(53)을 따라 좌우 원주방향으로 이동 가능하도록 하단에 바퀴가 구비되며, 상기 터빈모듈(30)의 전단 일부를 감싸는 문의 형상으로 마련됨으로써, 집풍덕트(20)에서 터빈모듈(30)에 제공되는 풍량을 조절하는 풍량조절회전문(54)을 포함하여 구성될 수 있다.
더불어, 상기 풍량조절회전문(54)을 좌우로 회전 이동시키기 위한 회전력을 제공하는 풍량조절회전문조정모터(미도시), 상기 집풍덕트(20)의 유입구(20a) 및/또는 토출구(20b)에 설치되어 집풍덕트(20)를 통과하는 바람의 풍속값을 측정하는 풍속센서(도 18의 97 참조)를 포함하여 구성될 수 있다. 그리고 메인제어부(도 18의 60 참조)를 통해 풍량조절회전문조정모터에 작동신호를 인가하며, 상기 풍속센서(97)에서 입력되는 입력값에 따라 풍량조절회전문(54)의 이동량을 조절할 수 있다.
여기서, 상기 풍속센서(97)는 집풍덕트(20)의 상단 전면 또는 유입구(20a) 또는 토출구(20b)에 설치될 수 있는 것으로, 상기 풍속센서(97) 외에도 청우계 등 여러가지 센서가 구비될 수 있으며, 상기 센서들을 통해 입력되는 입력값과 기준값을 비교하여 메인제어부(60)에서 제어하게 된다.
즉, 집풍덕트(20)를 통해 토출되는 바람에 의한 입력값에 연동하여 풍량조절회전문(54)이 풍량조절가이드레일(53)을 따라 메인제어부(60)의 제어에 의해 자동으로 회전 및 이동됨으로써, 토출구(20b)에서 토출되어 블레이드(32)에 공급되는 풍량이 조절된다. 따라서, 발전장치에 악영향을 미칠 정도로 지나친 강풍이 집풍덕트(20)에 유입될 경우에, 풍량조절회전문(54)을 자동으로 조절하여 터빈모듈(30)의 고장을 방지하게 되는 것이다.
예컨대, 약한 태풍이 불어 풍속이 20m/s 이상이 되면 좌우 양쪽으로 설치되어 있는 풍량조절회전문(54), 즉 좌측에 설치되어 있는 풍량조절회전문(54)은 반시계방향으로 회전시켜 좌측 풍량조절회전문이동레일(53) 맨끝까지 회전 이동시키고 우측에 설치되어 있는 풍량조절회전문(54)은 시계방향으로 회전시켜 우측 풍량조절회전문이동레일(53) 맨끝까지 회전이동시키게 된다.
여기서, 도면으로 도시하지는 않았지만, 태풍이 불어 풍속이 20m/s 이상이 되면 상기 바람회수부재에 구비되어 있는 바람회수방지문이 바람회수방지문이동레일을 따라 움직여 닫히면서 회수바람은 상기 바람회수부재 내측으로 들어오지 못하고 외부로 직접 빠져나가도록 구성될 수 있다.
그렇게 되면 토출구(20b)에서 토출된 바람은 블레이드(32)의 블레이드바람포집격실(32a)로 유입되지 못하고 종국적으로는 터빈모듈(30)이 회전하는 것이 멈추게 된다.
한편, 도 1 내지 3을 참조하면, 상기 발전회전축(31)과 발전기(40) 사이는 증속기어박스(35)가 연결되어, 발전회전축(31)에서 발전기(40)에 제공되는 회전속도를 증대시킬 수 있다.
즉, 발전회전축(31)의 회전에 의한 회전수를 여러 개의 크고 작은 기어로 기어비를 구성 조합한 증속기어박스(35)를 통해 증가시켜 전기에너지를 증대시키는 것이다.
그리고 본 발명에서, 상기 발전회전축(31)의 제동이 가능하도록 설치된 제동장치(36) 및 상기 발전회전축(31)의 회전수가 제동기준회전수 초과시, 제동장치(36)에 제동신호를 입력하는 별도의 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, 상기 발전회전축(31)의 회전에 의하여 발생된 회전력의 힘이 너무 커서, 발전장치를 손상시킬 우려가 있거나 기타 원하지 않는 사고에 대처하기 위하여 상기 발전회전축(31)을 정지시키기 위해 제동장치(36)가 사용된다.
도 2a 및 도 2b은 발전회전축(31)에 증속기어박스(35)를 연결한 구성인 반면, 도 2c에서는 발전기(40)의 상부에 결합된 회전부재(37)의 축(38)에 발전회전축(31)을 일체형으로 결합한 것이다. 즉 본 발명에서 발전기(40)를 기어리스형으로 구성한 경우에는 상기 증속기어박스(35)는 적용되지 않는다.
또한, 도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명에서 지주(13)의 상단에는 태양광모듈집광장치(17)가 설치되며, 상기 태양광모듈집광장치(17)는 집풍덕트(20)의 유입구(20a)와 토출구(20b)에 설치된 바람유도회전모터(24)에 전원을 제공할 수 있다. 여기서 태양광모듈집광장치(17)는 태양전지집광패널일 수 있다.
즉, 바람이 불지 않을 경우, 태양에너지를 이용하여 전기를 생산해 내고, 이 전력으로 집풍덕트(20)에 설치된 바람유도수단을 강제 작동시키게 됨으로써, 블레이드(32)를 더욱 빨리 회전시켜 발전장치를 가동할 수 있게 되는바, 바람과 태양을 동시에 이용하여 전기를 생산해낼 수 있게 된다.
본 발명에서, 최상단에는 피뢰기(18)가 설치될 수 있다. 즉, 태양광모듈집광장치(17)보다 더 상부에 구비된 피뢰기(18)를 통해 낙뢰를 지중으로 유도하여 발전시스템을 확실히 보호하게 되며, 아울러 기존의 수평축발전기의 블레이드가 낙뢰를 유도하는 단점을 보완하게 된다.
아울러, 본 발명에서는, 상기 태양광모듈집광장치(17) 및 발전기(40)에서 발생한 전기에 의해 각 모터들을 작동시킬 수 있다.
도 17a 및 도 17b은 바람회수부재(50)로부터 길게 연장되어 집중덕트(20)의 상단 양쪽에 결합하는 바람회수관(55)을 더 포함하고, 집중덕트(20)로부터 유입된 바람을 회수하여 다시 집중덕트(20)의 상단 또는 중간단으로 유입시켜 바람이 유입되는 속도를 증가시키는 기능을 수행함으로써, 발전효율을 향상시키게 된다. 이러한 바람회수관(55)은 바람회수부재(50)와 집중덕트(20)의 상단 또는 중간단 내부로 연통하게 된다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록도이고, 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 태양광모듈집광장치의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록도이며, 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 발전장치와 드론장치의 운영관리시스템의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 18 내지 20에서 보듯이, 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 발전시스템은 배터리(80), BMS(82), 배터리 제어부(84), CCTV 카메라(85), 적외선 카메라(86), 영상 처리부(87), 풍속센서(97), 발전기(40), 태양광모듈집광장치(17) 및 메인제어부(60)를 포함한다. 그리고 드론장치(100)를 더 포함할 수 있다.
CCTV 카메라(85)와 적외선 카메라(86)는 발전기(40)의 주변 영상을 촬영하여 주간 및 야간에 선택적으로 구동하여 화재감시 및 이동물체나 고정물체를 촬영하여 영상 정보를 생성한다.
영상 처리부(87)는 CCTV 카메라(85)와 적외선 카메라(86)로부터 생성된 영상 정보를 영상 처리하여 저장하고, 메인제어부(60)의 제어 신호에 따라 모니터링한 영상 정보를 무선 통신부(88)를 통해 외부의 관리서버(89) 또는 이동단말(89a)로 전송할 수 있다.
메인제어부(60)는 발전장치의 일측에 설치된 감지 센서부(미도시)로부터 화재 신호, 기설정된 온도값 이상의 온도정보, 열정보, 연기정보, 불꽃신호 중 하나 이상의 신호를 수신하는 경우, 카메라 구동 신호를 상기 CCTV 카메라(85)와 적외선 카메라(86)로 전송하고, 생성된 영상 정보를 무선 통신부(88)를 통해 외부의 관리서버(89) 또는 이동단말(89a)로 전송할 수 있다. 여기서, 감지 센서부는 화재 감지 센서, 불꽃 감지 센서, 열 감지 센서, 연기 감지 센서, 온도 센서를 포함한다.
풍속센서(97)는 집풍덕트(20)에 설치되어 바람의 세기인 풍속값을 측정하여 메인제어부(60)로 전송한다.
발전기(40)는 풍력에 의한 터빈모듈(30)의 회전에 따라 전기에너지를 충, 방전하는 복수의 배터리(ESS)에 전기적으로 각각 연결되어 있다.
발전기(40)는 일측에 복수의 태양광모듈집광장치(17)가 각 모터에 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 각각 연결되어 있다.
배터리(80)는 발전기에서 생성된 전기에너지를 저장하는 시스템으로서, 필요 시 전기에너지를 충, 방전하며, 각각의 배터리(80)는 각각의 BMS(82)에 전기적으로 연결되어 있다.
발전기(40)는 일측에 복수의 태양광모듈집광장치(17)가 각 모터에 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 각각 연결되어 있다.
BMS(82)는 배터리 관리 시스템으로써, 배터리(80)의 전압, 전류, 온도, 열, 연기 등을 감지하여 배터리(80)를 보호하며, 배터리(80)의 충/방전량을 적정 수준으로 제어함은 물론, 배터리(80)의 셀 밸런싱을 수행하고, 배터리(80)의 잔존 용량을 파악하고 제어한다.
또한, BMS(82)는 화재의 위험이 감지되는 경우 소화장치(미도시)의 비상 동작을 통해 배터리(80) 및 하이브리드 발전시스템을 보호한다. 본 발명에서는 배터리(80) 관리 방법으로서, 배터리(80)에서 방전 시 발생하는 에너지를 이차전지와 같은 에너지 저장 장치에 재충전하고, 필요에 따라 이를 사용함으로써 전체 에너지를 관리한다.
태양광모듈집광장치(17)는 태양광을 조사받아 전기에너지를 발생시키는 태양전지가 구비된 태양광 발전부(91)와, 상기 태양광 발전부(91)의 출력단에 연결되어 출력 전압을 검출하고 기준 전압과 비교하며, 정전압회로와 승압회로와 정전류회로로 이루어진 전압비교부(92)와, 상기 전기에너지를 축전시키는 축전부(93)와, AC/DC 출력부(95)로 상기 전기에너지를 출력하도록 제어하는 제어모듈(94) 및 바람유도회전모터(도 7의 24 참조)를 작동시키기 위한 바람유도회전모터 작동부(24a)를 포함한다.
태양광 발전부(91)는 태양 전지 어레이일 수 있다. 태양 전지 어레이는 복수의 태양전지 모듈을 결합한 것이다. 태양 전지 모듈은 복수의 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 태양 에너지를 전기에너지로 변환하여 소정의 전압과 전류를 발생시키는 장치이다. 따라서, 태양 전지 어레이는 태양 에너지를 흡수하여 전기에너지로 변환한다.
각각의 태양광모듈집광장치(17)는 태양광 제어부(96)에 전기적으로 연결되어 있다.
태양광 제어부(96)는 태양광 발전부(91)의 패널 출력선에 연결되어 태양광 패널에서 출력되는 전기에너지의 전압 및 전류를 각각 검출하는 전압 검출부 및 전류 검출부(96a)와, 전압 검출부 및 전류 검출부(96a)에서 검출된 전류 및 전압의 크기를 연산하고 검출된 전류 및 전압의 크기를 포함하는 데이터를 송신하도록 RF 무선 통신부를 제어하는 제어기(96b)와, 상기 제어기(96b)에서 생성된 데이터를 무선 송신하는 RF 무선 통신부(96c) 및 바람유도회전모터 작동부(24a)를 제어하기 위한 바람유도회전모터 제어부(24b)를 포함하여 구성될 수 있다.
메인제어부(60)는 연산된 전류 및 전압의 크기와 기설정된 기준 전압 및 전류와 비교하여 초과하는 경우, 경고 신호를 생성하여 무선 통신부(88)를 통해 외부의 관리서버(89) 또는 이동단말(89a)로 전송할 수 있다.
각각의 배터리(80)는 실시간으로 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하는 배터리 제어부(84)에 전기적으로 연결되어 있다.
배터리 제어부(84)는 배터리 셀 각각의 전압을 측정하고, 상기 측정된 전압들 중 하나를 밸런싱 기준 전압으로 설정하여 기준 전압에 따른 충, 방전을 통하여 밸런싱을 수행한다.
배터리 제어부(84)는 배터리 셀에 직렬로 전류 센싱 저항을 연결하여 셀 양단의 전위차를 측정하고, 측정된 전위차를 이용하여 배터리 셀의 전류가 흐르는 방향을 파악하여 충전 상태를 판단한다.
배터리 제어부(84)는 배터리 셀들의 전압을 측정하여 각 배터리 셀 간의 전압 편차를 산출하고, 산출된 배터리 셀의 전압 편차가 소정의 기준값 이상일 경우, 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단하여 태양광모듈집광장치(17)와 연동하여 전압을 선택적으로 공급받아 셀 밸런싱을 수행하도록 제어한다.
배터리 제어부(84)는 배터리 셀의 잔존 용량을 주기적으로 수신하여 메인제어부(60)로 전송한다.
메인제어부(60)는 각각의 배터리(80)로부터 수신된 셀의 잔존 용량을 분석하여 기설정된 기준 용량값 이하로 판단되는 경우, 기준 용량값 이하인 배터리가 일정 시간 충전 과정을 수행하는 동안 에너지 인가 신호를 생성하여 태양광모듈집광장치(17)로 전송하고, 태양광모듈집광장치(17)로부터 전기에너지를 바람유도회전모터(24) 또는 발전기(40)로 제공하도록 제어한다.
메인제어부(60)는 풍속센서(97)로부터 수신한 풍속값이 발전기(40)가 전기에너지를 생산할 수 없는 정도의 기설정된 기준 풍속값 이하인 경우, 에너지 인가 신호를 생성하여 태양광모듈집광장치(17)로 전송하고, 태양광모듈집광장치(17)로부터 전기에너지를 바람유도회전모터(24) 또는 발전기(40)로 제공하도록 제어한다.
즉, 본 발명의 하이브리드 발전시스템은 바람이 불지 않아도 바람유도회전모터(24)를 구동하여 바람을 만들어 터빈모듈(30)을 돌려 전기에너지를 생산할 수 있다.
메인제어부(60)는 외부의 관리서버(89) 또는 이동단말(89a)로부터 드론 구동 신호를 수신하는 경우, 무선 통신부(88)를 통해 드론 구동 신호를 드론 메인 몸체(107)의 드론 제어부(106)로 전송한다.
한편, 본 발명의 실시예의 드론장치(100)는 일정 형상의 드론 메인 몸체(107)를 포함하여 발전장치의 메인제어부(60)와 데이터 및 제어 신호를 송수신한다.
상기 드론 메인 몸체(107)는 사각박스 등의 형상으로 이루어져 각 기기를 외압으로부터 보호하는 역할을 한다.
드론 메인 몸체(107)의 상단 또는 중단, 하단 등의 중앙 또는 좌측과 우측 일측에 장착된 하나 이상의 카메라부(101)를 통해 특정 대상물, 예컨대 발전기 주변영상을 사물인터넷기술, 인공지능(AI) 기반기술 등을 이용하여 실시간으로 촬영하여 화재 감시 및 발전장치를 감시토록 하는 운용관리시스템을 포함함으로써, 발전장치의 위험성을 미리 감지할 수 있어 발전장치의 고장 위험을 줄일 수 있는 역할을 수행한다.
카메라 제어부(102)는 카메라부(101)를 상하 좌우, 360도까지 회전이 되도록 제어하고, 카메라 줌액츄에이터(미도시)를 구동시켜 줌확대 또는 줌축소시키도록 제어한다.
GPS 모듈(103)은 드론 메인 몸체(107)의 전단 일측에 위치되어, 드론 메인 몸체(107)의 이륙 전후 및 착륙 후까지 수신되는 좌표 정보를 실시간으로 데이터 처리시켜 현재의 드론 메인 몸체(107)의 위치 좌표를 생성시킨다.
센서 모듈(104)은 드론 메인 몸체(107)의 상단 일측에 위치되어, 드론 비행에 필요한 자세 정보를 센서를 통해 센싱시킨다.
회전 모터 모듈(105)은 드론 메인 몸체(107)의 내부에 위치되어 회전 날개를 동일한 회전속도와 동일한 토크(Torque)로 고속 회전시킨다.
드론 제어부(106)는 드론 메인 몸체(107)의 전반적인 동작을 제어하고, IoT형 드론 제어 어플리케이션모듈로부터 드론의 비행제어명령신호를 수신받아 회전 모터 모듈(105)의 회전축 이동, 위치제어, 속도조절해서 드론 메인 몸체(107)를 착륙, 이륙, 플라이, 정지비행시키도록 제어하며, 촬영한 영상데이터와 비행응답신호를 IoT형 드론제어 어플리케이션모듈로 송신시킨다.
메인제어부(60)는 발전장치의 일측에 설치된 감지 센서부(미도시)로부터 화재 신호, 기설정된 온도값 이상의 온도정보, 열정보, 연기정보, 불꽃신호 중 하나 이상의 신호를 수신하는 경우, 비행제어명령신호를 생성하여 드론 제어부(106)로 전송한다.
드론 제어부(106)는 GPS 모듈(103), 센서 모듈(104), 회전 모터 모듈(105), 카메라 제어부(102)를 구동 신호를 전송하여 위험이 감지된 장소의 다양한 영상 정보를 획득하고, 획득한 영상 정보를 무선 통신부(88)를 통해 외부의 관리서버(89) 또는 이동단말(89a)로 전송할 수 있다.
이상 본 발명을 일실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 하이브리드 발전시스템은 이에 한정되지 않는다. 그리고 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다", 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 하며, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
또한, 이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능하다. 따라서, 본 발명에 개시된 일실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 일실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 메인회전축을 중심으로 회전수단에 의해 회전 가능하게 구성된 베이스프레임;
    상기 베이스프레임의 일단에 구비되어 내부로 바람이 유입되고, 유입되는 바람을 증속하여 토출시키는 집풍덕트;
    상기 집풍덕트로부터 바람이 토출되는 후방 측에 마련되며, 발전회전축을 중심으로 블레이드가 설치되고, 상기 집풍덕트에서 토출되는 바람이 상기 블레이드에 제공되어 상기 발전회전축을 회전시키는 터빈모듈;
    상기 발전회전축에 연결되며, 상기 발전회전축의 회전력에 의해 전기를 발생시키는 발전기;
    상기 터빈모듈의 회전에 따라 발생하는 전기에너지를 충, 방전하도록 전기적으로 연결되는 하나 이상의 배터리;
    상기 집풍덕트의 일측에 구비된 바람유도회전모터에 전기에너지를 공급하도록 전기적으로 연결된 하나 이상의 태양전지에서 전기에너지를 발생하는 태양광모듈집광장치;
    상기 집풍덕트에 설치되어 바람의 세기인 풍속값을 측정하는 풍속센서; 및
    상기 풍속센서로부터 수신한 풍속값이 상기 발전기가 전기에너지를 생산할 수 없는 정도의 기설정된 기준 풍속값 이하인 경우, 에너지 인가 신호를 생성하여 상기 태양광모듈집광장치로 전송하고, 상기 태양광모듈집광장치에서 만든 전기에너지를 바람유도회전모터의 바람유도회전축에 연결된 바람유도수단으로 제공하도록 제어하는 메인제어부;
    를 포함하고,
    상기 집풍덕트의 후방에는 상기 집풍덕트를 통해 토출된 바람 중 상기 터빈모듈의 후방으로 빠져나가는 바람을 회수하여 상기 터빈모듈의 전단 및 상기 집풍덕트의 전단 또는 중간단에 재공급하는 바람회수수단;
    을 더 포함하는 하이브리드 발전시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 각각의 태양광모듈집광장치는 태양광 제어부에 전기적으로 연결되고,
    상기 태양광 제어부는 태양광 패널의 출력선에 연결되어 상기 태양광 패널에서 출력되는 전기에너지의 전압 및 전류를 각각 검출하는 전압 검출부 및 전류 검출부와, 상기 전압 검출부 및 전류 검출부에서 검출된 전류 및 전압의 크기를 연산하고 검출된 전류 및 전압의 크기를 포함하는 데이터를 송신하도록 RF 무선 통신부를 제어하는 제어기 및 상기 제어기에서 생성된 데이터를 무선 송신하는 상기 RF 무선 통신부;
    를 포함하며,
    상기 메인제어부는 연산된 전류 및 전압의 크기와 기설정된 기준 전압 및 전류와 비교하여 초과하는 경우, 경고 신호를 생성하여 무선 통신부를 통해 외부의 관리서버 또는 이동단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각각의 배터리는 실시간으로 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하는 배터리 제어부에 전기적으로 연결되고,
    상기 배터리 제어부는 배터리 셀의 잔존 용량을 주기적으로 수신하여 상기 메인제어부로 전송하며, 상기 메인제어부는 상기 각각의 배터리로부터 수신된 셀의 잔존 용량을 분석하여 기설정된 기준 용량값 이하로 판단되는 경우, 기준 용량값 이하인 배터리가 일정 시간 충전 과정을 수행하는 동안 에너지 인가 신호를 생성하여 상기 태양광모듈집광장치로 전송하고, 상기 태양광모듈집광장치에서 만든 전기에너지를 상기 바람유도회전모터 또는 발전기로 제공하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 각각의 배터리는 실시간으로 각 배터리 셀의 전압을 모니터링하고, 배터리 셀에 직렬로 전류 센싱 저항을 연결하여 셀 양단의 전위차를 측정하고, 측정된 전위차를 이용하여 배터리 셀의 전류가 흐르는 방향을 파악하여 충전 상태를 판단하는 배터리 제어부에 전기적으로 연결되고,
    상기 배터리 제어부는 배터리 셀들의 전압을 측정하여 각 배터리 셀 간의 전압 편차를 산출하고, 상기 산출된 배터리 셀의 전압 편차가 소정의 기준값 이상일 경우, 셀 밸런싱이 필요한 것으로 판단하여 상기 태양광모듈집광장치와 연동하여 전압을 선택적으로 공급받아 셀 밸런싱을 수행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전기의 주변 영상을 촬영하여 영상 정보를 획득하는 카메라부;
    를 더 포함하며,
    상기 카메라부는 드론에 장착되어 발전기 주변영상을 촬영하고 사물인터넷기술을 이용하여 실시간으로 화재 감시 및 발전장치를 감시하며,
    상기 메인제어부는 감지 센서부로부터 화재 신호, 기설정된 온도값 이상의 온도정보, 열정보, 연기정보, 불꽃신호 중 하나 이상의 신호를 수신하는 경우, 카메라 구동 신호를 상기 카메라부로 전송하고, 생성된 영상 정보를 무선 통신부를 통해 외부의 관리서버 또는 이동단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 바람회수수단은 일단부가 상기 터빈모듈의 후방에 배치되되 일단부의 끝부분이 집풍덕트를 향하여 휘어져 상기 터빈모듈을 통과한 바람을 회수하도록 형성되고, 타단부가 상기 터빈모듈의 전방 위치에 배치되면서 일단부에서 타단부를 이루는 형상이 상기 터빈모듈의 일측 외곽을 덮는 곡선 형상으로 형성되어 회수된 바람을 타단부 측으로 유도하도록 형성된 바람회수부재; 및
    상기 바람회수부재로부터 길게 연장되어 상기 집중덕트의 상단 또는 중간단 양쪽에 결합하는 바람회수관;
    을 더 포함하고,
    상기 바람회수관은 상기 바람회수부재와 상기 집중덕트의 상단 또는 중간단 내부에 연통되며, 상기 집중덕트로부터 유입된 바람을 회수하여 다시 집중덕트의 상단 또는 중간단으로 유입시켜 바람이 유입되는 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 발전시스템.
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