[단독/집중기획⑥] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 발전장치 시스템

인류 에너지 문명을 변혁할 ‘Archista’

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2019/07/20 [15:10]

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[단독/집중기획⑥] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 발전장치 시스템

인류 에너지 문명을 변혁할 ‘Archista’

특허뉴스 이성용 기자

| 입력 : 2019/07/20 [15:10]

집중기획⑤에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 동력 전환·전달 시스템에 이어 집중기획⑥에서는 인류 에너지 문명을 변혁할 수 있는 혁명적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템인 ‘Archista’가 구현된 첨단 과학 기술들 중 Archista 발전장치 시스템에 관한 논문을 세계 최초로 게재한다.

Archista 발전장치 시스템

◈ 기술 분야

기계에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기는 풍력 발전기의 핵심 장치들 중 하나이다. 풍력 발전기에 채용되는 발전기 장치는 풍력 획득 장치의 구조와 특성 그리고 동력 전환·전달 장치의 특성에 직접 영향을 받는다. 마찬가지로 발전기 장치의 특성과 변환 효율과 따라 풍력 발전기의 운전 시간과 생산 효율에 크게 영향을 미친다.

발전기축에 공급되는 원동력의 변동과 발전기에서 유도되는 전기의 부하변동에 발전기에서 회전자와 전기자 간의 자기작용범위를 조절하여 그 변동을 전압의 가변으로 보상하고 규정 주파수의 전기에너지를 유도할 수 있을 뿐만 아니라 동력 전환·전달 장치의 생산적인 조속기능을 하고 풍력 획득 장치의 생산적인 출력제어를 할 수 있는 발전기에 관한 것이다.

◈ 기술 배경 및 종래 기술

일반적으로 발전기는 회전력을 전달받는 발전기축과 장치들을 설치하고 보호하기 위한 케이스와 발전기축을 중심으로 설치되고 자기장을 발생하기 위한 회전자(rotor)와 자기장에 자화되고 이를 쇄교하는 권선으로 구성되는 전기자(armature) 등으로 구성된다.

회전에너지를 전달받은 발전기축의 회전에 연동하여 일극성과 무극성(슬롯부분) 및 타극성이 원주외면에 구획된 회전자가 회전함에 따라 회전자의 원주외면을 공극을 두고 원주내면으로 감싸는 전기자 자기철심에는 전자기상호작용에 따라 교호자속이 인가되고 전기자 자기철심에 매설된 권선에서 전자 파동이 교대하는 전기에너지가 유도된다. 따라서 발전기 회전자의 교번주기가 전기자 권선에서 유도되는 교류전기의 주파수를 결정한다.

전력 계통이나 수요처에 안정적인 전기를 공급하기 위해서는 불규칙한 주파수와 불안정한 전압은 주파수변환장치와 변전압기를 통해 정격 주파수 및 정격 전압의 전류로 가공되어야만 한다. 전압을 조정하는 것은 용이하지만 주파수 변환과정은 설비비용이 높고 복잡할 뿐만 아니라 정류과정에서 에너지가 크게 낭비되는 문제가 있다.

기존 풍력 발전기에 채용되는 발전기들로는 유도 발전기와 계자 동기발전기 그리고 영구자석 회전자형 동기 발전기가 있다. 풍력 획득 장치인 블레이드로부터 전달된 비틀림 힘이 주축에서 회전에너지로 전환되고 이를 변속장치를 통해 일정한 속도로 높여서 발전기축에 전달하는 간접구동 방식과 주축의 회전에너지를 변속장치 없이 그대로 발전기축에 전달하는 직접구동 방식에 따라 풍력 발전기에 채용되는 발전기가 결정된다.

정격속도의 회전에너지를 발전기축에 전달할 수 있는 간접구동방식의 동력 전환·전달 장치에는 주로 유도 발전기가 결합된다. 유도 발전기는 동기 발전기에 비해 효율은 다소 낮지만, 단독운전을 할 수 있고, 주파수 변동이 적은 전기에너지로 변환이 가능하다. 소형, 경량이고, 동력 전환·전달 장치의 변동을 잘 흡수하는 특성이 있다. 농형 유도 발전기에서는 부하율에 따라 속도를 2단속할 수 있는 극수 변환도 가능하다. 그러나 동기속도까지 기동하여 발전이 이루어지 때문에 여자전류를 전력계통으로부터 공급받아야 한다.

가변속도의 회전에너지를 발전기축에 전달할 수밖에 없는 직접구동방식의 동력 전환·전달 장치에는 계자 동기 발전기 또는 영구자석 회전자형 동기 발전기가 채용된다. 풍속마다 출력이 최대가 되는 회전수가 존재하며, 일정하지 않고 변화하기 때문에 최대 출력을 얻기 위해서 풍속에 따라 회전속도가 변하게 된다. 이를 반영한 가변속 방식은 전력계통으로부터 여자전류를 직접 공급받지 않고 중간에 교류 전기에서 직류 전기로 다시 교류 전기로 변환하는 전력변환장치가 설치된다. 그럼으로 풍속에 따른 최대 출력을 얻을 수 있고, 기동 시에 돌입전류가 없고, 이로 인한 무효전력 보상장치(SVC)가 필요 없다. 영구자석 회전자형 동기 발전기는 다극화가 가능하여 증속장치를 채용하지 않음으로 기계 마찰부하와 소음이 적게 발생한다는 장점이 있다.

가변속 방식은 풍속 2.5㎧ 정도의 저 풍속에서부터 발전이 가능하다. 또한 피치 제어와 전력변환기 제어를 통하여 출력을 제한할 수 있어 출력변동이 적다. 가변속 제어방식의 동력 전환·전달 장치에는 권선형 유도 발전기 또는 동기 발전기가 주로 채용된다. 권선형 유도 발전기는 전체용량에 비하여 작은 용량의 전력변환기(컨버터)를 사용하여 시스템을 구성할 수 있다. 회전자와 고정자 양쪽에서 전력을 발전하여 전원계통으로 보내며 정격의 1/3 전력이 발전기 회전자로부터 발전한다. 또한 회전자 회로에 컨버터가 설치됨으로 15~30%의 속도가 가변될 수 있다. 주축이 회전하면 전력변환기에 의하여 발전기 토크가 제어됨으로 규정 주파수의 전기에너지가 유도될 수 있다. 피크부하에서는 풍력 획득 장치의 피치 제어 시스템을 조정하여 출력을 제어한다.

한편 영구자석 회전자형 동기 발전기는 회전자의 계자권선이나 여자시스템이 없음으로 기계구조가 간단하고 냉각 및 유지보수 필요성이 적지만 거의 모든 가변속도범위에서 운전함으로 가변된 전압 및 주파수의 전기에너지가 유도되기 때문에 계통에 송전하거나 수요처에 공급하기 위해서는 전력품질을 가공해야 한다.

농형 유도 발전기는 전력품질변환장치에서 자속의 제어와 속도에 따라 발전되는 가변된 전압 및 주파수의 전력을 전력계통에 적합한 일정한 전압과 주파수로 변환하여 공급한다. 농형 유도 발전기는 영구자석 동기 발전기처럼 거의 모든 회전속도에서 발전이 가능하지만 컨버터의 용량을 발전기용량에 맞추어 같은 용량으로 구성해야함으로 컨버터 비용이 상승하게 된다.

오늘날 기존 풍력 발전기의 동력 전환·전달 장치는 정속운전방식에서 드라이브 트레인을 채용한 가변속 방식이 선호되고 있음으로 영구자석 회전자형 동기발전기가 채용되고 있는 추세이다.

기존 풍력발전기의 풍력 획득 장치에는 발전기축에 전달되는 회전에너지가 정격속도 이상이 되는 것을 방지하기 위해 출력을 제어하는 피치제어 시스템을 채용하고 있고, 동력 전환·전달 장치에는 드라이브 트레인과 제동 장치를 구비하고 있다.

발전기 장치에서는 권선형 유도 발전기의 여자전압을 조절하여 발전기 토크를 증감한다. 하지만 풍속의 변동, 기계적 부하의 변동 그리고 전기부하의 변동으로 인해 회전에너지가 규정 속도로 상시 정밀하게 유지될 수 없기 때문에 발전기에서 불규칙한 주파수의 전기에너지가 유도되는 문제가 있다. 부연 설명하면 발전기축에 전달되는 회전에너지보다 역기전력의 크기가 작으면 원동기의 회전속도는 빨라진다. 발전기 장치에서 역기전력의 크기가 증가함에도 원동기에서 회전에너지가 증가하지 않으면, 발전기축의 회전속도는 느려진다. 중심축의 회전속도가 변동함에 따라 발전기의 회전자 교번주기가 달라져서 전기자권선에서 불규칙한 주파수의 전기에너지가 유도된다. 불규칙한 주파수의 전기에너지는 전력계통에 송전하거나 전력수요처에 공급하기 위해서 전력변환장치를 통해 적합한 주파수와 전압의 전기에너지로 변환시켜야 한다.

▲ 기존 풍력발전기 채용 발전기 구분 © 특허뉴스

◎ Archista 발전장치 시스템 기술 과제

풍속의 변화에 따른 풍력 획득 장치에서 획득 풍압의 변동이나 전기사용부하의 변동에 대응하여 발전기가 회전자와 전기자간의 자기작용범위를 자율 조절함으로써 유기기전력의 크기가 조절되어 원동력의 변동과 전기부하의 변동만큼을 전압의 가변으로 보상하면서 규정 주파수의 전기를 유도할 수 있고, 아울러 동력 전환·전달 장치의 중심축이 규정 회전속도를 유지할 수 있도록 생산적으로 제어하는 조속기와 같은 기능을 수행하며, 뿐만 아니라 전기부하의 증감으로 인한 콘센트 리액턴스에 대해서도 적절히 조처할 수 있는 발전장치 시스템을 개발하는데 그 목적이 있다. 또한 정밀하게 자기작용을 자율 조정하여 정격 회전속도 이상 또는 이하를 전압 가변으로 보상하고 규정 주파수의 전기에너지를 유도하는 발전기로서 기능과 중심축이 정격회전속도 이하로 낮아지는 경우 축전장치의 배터리에 저장된 에너지를 사용하여 회전에너지를 재생하여 제1발전기에 전달함으로 중심축이 규정 속도를 유지할 수 있게 하는 전동기 기능을 겸하는 발/전동기를 제공하는데 목적이 있다.

아울러 전기수요처의 요구에 적합한 전압으로 가공하기 위한 전압조정장치, 전력생산과 수요의 균등화와 안전화를 위한 전력 운용 프로그램 송/배전 장치 등을 갖출 필요가 있다.

◎ Archista 발전장치 시스템 구성

Archista의 발전장치 시스템은 동력 전환·전달 장치의 중심축과 직결되어 전달받은 회전에너지를 규정 주파수의 전기에너지로 변환하는 자기작용 자율 조정 제1발전기와 제1발전기축에 결합되어 회전에너지를 전달받아 전기에너지로 변환하거나 또는 축전 장치의 배터리에 저장된 에너지를 회전에너지로 변환하여 제1발전기축에 전달하는 자기작용 자율 조정 제2발/전동기와 발전장치 시스템 운전 제어부 그리고 제2발/전동기에서 유도되는 교류 전기를 직류 전기로 변환하거나 또는 축기장치의 배터리에 저장되어 재생되는 직류전기를 교류전기로 변환하는 전력변환장치와 제1발전기와 제2발/전동기에서 유도되는 전기에너지를 적정한 전압으로 가공하기 위한 전압조정장치와 전력운용 프로그램, 송/배전 장치, 등으로 이루어진다.

아래에서 Archista 발전장치 시스템을 구성하는 요소들에 대해 상세하게 설명한다.

▲ Archista 발전장치 시스템 구성도 © 특허뉴스 © 특허뉴스

◉ 제1발전기 장치

제1발전기축은 타워-5F의 중심에 직립하는 중심축의 하단과 그의 상종단이 플렌지 커플링에 축 결합되고, 타워-4F의 상단 중심과 타워-4F의 하단 중심 그리고 타워-3F의 상단 중심에 구비된 슬리브 베어링에 회전이 가능하게 지지되고, 그의 하종단이 타워-3F의 하단 플레이트에 고정된 변속기어장치의 일축과 결합된다. 타워-F4의 내부 중심에 제1발전기축을 중심에 두고 영구자석 다극 회전자가 장착 키 고정된다. 타워-4F에 발전기 케이스의 원주 내면에는 회전자의 외주를 감싸도록 전기자가 설치된다. 발전기 케이스 내부에 설치된 전기자가 수직 방향으로 소정 거리(5∼9cm)범위 내에서 왕복 이동이 가능하게 발전기 케이스의 원주내면과 전기자의 외주면에는 전기자의 축 방향 이동을 가이드하기 위한 복수 열의 LM 가이드 기구가 형성된다. 이에 전기자는 원주방향으로의 회전에 대해서는 고정되고, 축 방향으로는 소정의 여유 공간 범위 내에서 이동이 허용되어 회전자와의 상대적 위치가 변화될 수 있게 구성된다.

회전자 프레임의 원주외면에는 강철소재의 회전자용 자기철편의 하단 일부가 삽입되어 볼트로 고정된다. 회전자용 자기철편은 측 단면 형상이 U자형으로 그 가운데에 움푹 파인 부분이 제1슬롯을 형성하고 있고, 발전기축과 수직되는 반지름방향으로 연장하고 있는 회전자 자기철편의 제1슬롯의 양측 상단에 철부인 회전자 자극부와 요부인 회전자 비자극부가 축 방향을 따라 교대로 반복하여 형성되어 있다. 원주방향으로 서로 소정 간격을 두고 연이어 설치된 회전자용 자기철편 각각의 가운데 제1슬롯과 서로 이웃하는 자기철편들 사이에 형성된 제2슬롯에 영구자석들이 매설된다. 회전자용 자기철편의 철부인 회전자 자극부에는 세로로 요부인 회전자 비자극부에는 가로로 그 벽면 상단 높이에 맞추어 모든 영구자석들이 회전자 자기철편의 벽면을 사이에 두고 서로 같은 극성이 접하도록 고정되어 있다.

전기자용 자기철편은 회전자용 자기철편과는 요철 형상 및 요철 폭(길이)의 크기가 동일한 것으로서 단면이 U자 형상을 가지도록 규소철판소재를 사용하여 제작된다. 전기자 자기철심의 보빈 외주에 코일을 감아 전기자 권선이 형성되어 전기자에는 다극다상이 구성되고, 이를 일정 방식으로 결선하여 출력단자로 유도하고 있다.

타워-4F의 하단에 서보모터가 장착되어 전기자 프레임이 수직 방향으로 이동공간 범위 내에서 정밀하게 왕복 이동될 수 있다. 반복되는 요철 형태의 구조 중 철부분의 1피치(5∼9cm) 짧은 구간 내에서의 이동으로 최소부터 최대까지 자기작용의 조정이 실행될 수 있다. 제1발전기의 운전 제어부는 발전기축의 회전속도를 실시간 검출하는 속도센서로부터 검출정보를 전달받아 이를 비교 분석하여 서보모터를 작동하여 자기작용을 조정한다.

제1발전기의 자기작용 조정하기 위해 전기자를 상하로 이동시키는 서보 모터의 작동에 필요한 직류전기는 축전장치로부터 공급된다. 그럼으로 제1발전기는 동력 전환·전달 장치의 중심축으로부터 전달받는 회전에너지의 속도변동(규정회전속도를 기준으로)에 대응하여 전기자를 이동시켜 자기작용이 조정됨으로 그 변동을 전압의 가변으로 보상하면서 규정 주파수의 전기에너지를 유도할 수 있고, 동시에 중심축을 정격속도로 회전하도록 제어하는 역할을 한다.

▲ 제1발전기 구성도 © 특허뉴스

◉ 제2발/전동기 장치

고배율 변속기어장치와 일체로 구성되는 제2발/전동기가 타워-3F의 하단 플레이트에 고정된다. 고배율 변속기어장치의 일축이 스플라인 커플링을 통해 제1발전기축에 결합된다. 제2발/전동기 케이스의 양측 앤드 실드에 구비된 슬리브 베어링에 제2발/전동기 축이 회전 가능하게 지지되고 축을 중심으로 회전자가 키 고정된다. 제2발/전동기 케이스의 원주 내면에는 회전자의 외주를 감싸도록 전기자가 설치된다. 발전기 케이스 내부에 설치된 전기자가 축 방향으로 소정 거리(5cm)범위 내에서 왕복 이동이 가능하게 발전기 케이스의 원주내면과 전기자 프레임의 외주면에는 전기자의 축 방향 이동을 가이드하기 위한 복수 열의 LM 가이드 기구가 형성되어 있다. 이에 따라 전기자는 원주 방향으로의 회전에 대해서는 고정되고, 축 방향으로는 소정의 여유 공간 범위 내에서 이동이 허용되어 회전자와의 상대적 위치가 변화될 수 있게 구성되어 있다.

제2발/전동기의 회전자 프레임의 원주외면에는 강철소재의 회전자용 자기철편의 하단 일부가 삽입되어 볼트로 고정되어 있다. 회전자용 자기철편은 측 단면 형상이 U자형으로 그 가운데에 움푹 파인 부분이 제1슬롯을 형성하고 있고, 발전기축과 수직되는 반지름 방향으로 연장하고 있는 회전자 자기철편의 제1슬롯의 양측 상단에 철부인 회전자 자극부와 요부인 회전자 비자극부가 축 방향을 따라 교대로 반복하여 형성되어 있다.

원주방향으로 서로 소정 간격을 두고 연이어 설치된 회전자용 자기철편 각각의 가운데 제1슬롯과 서로 이웃하는 자기철편들 사이에 형성된 제2슬롯에 영구자석들이 매설된다. 회전자용 자기철편의 철부인 회전자 자극부에는 세로로, 요부인 회전자 비자극부에는 가로로 그 벽면 상단 높이에 맞추어 모든 영구자석들이 회전자 자기철편의 벽면을 사이에 두고 서로 같은 극성이 밀접하게 고정된다.

전기자용 자기철편은 회전자용 자기철편과는 요철 형상 및 요철 폭(길이)의 크기가 동일한 것으로서, 단면이 U자 형상을 가지도록 규소철판소재를 사용하여 제작된다. 전기자 자기철심의 보빈 외주에 코일을 감아 전기자 권선이 형성되고, 결선되어 출력단자로 유도되어 있다.

제1발전기축(또는 중심축)의 회전속도를 실시간 검출하는 속도센서로부터 검출정보를 전달받아 이를 비교 분석하는 중앙 운영 시스템으로부터 명령을 받은 제2발/전동기의 운전 제어부는 제2발/전동기 케이스의 일측에 장착된 서보모터를 작동시켜 전기자가 축 방향으로 정밀하게 왕복 이동된다. 반복되는 요철 형태의 구조 중 철부분의 1피치(3cm) 짧은 구간 내에서의 전기자의 이동으로 회전자와 전기자간의 자기작용이 최소에서 최대까지 조정될 수 있다. (참고로 1피치가 3cm인 철부보다 요부의 1피치는 5cm이다.) 제2발/전동기의 운전 제어와 서보모터의 작동에 필요한 직류전기는 축전 장치로부터 공급된다. 제2발/전동기에 유도되는 전기에너지는 컨버터를 통해 직류 전기로 변환되어 축전 장치의 배터리에 저장되고 배터리에서 방전되는 직류 전기는 인버터를 통해 교류 전기로 변환되어 제2발/전동기를 구동하는 전원으로 사용된다.

제1발전기의 발전용량에 비해 제2발/전동기의 변환용량은 1/10∼1/20 가량이다. 제1발전기에 비해 제2발/전동기의 자기작용이 훨씬 정밀하게 조정될 수 있다. 발전기로서 역할을 하도록 제1발전기가 구성된 것과 달리 제2 발/전동기는 정격회전속도를 유지할 수 있게 자기작용을 정밀하게 조정하는 역할과 낮은 풍속이 지속되는 경우 규정 주파수에 상관없이 전기를 유도하는 역할과 제1발전기축에 회전력을 보강하기 위해 축전 장치의 배터리에 보존된 에너지를 회전에너지로 재생하는 전동기로서 역할을 하도록 구성된 것이다.

제2발/전동기의 회전자 극수(4극)와 기어장치의 배율과 제1발전기의 회전자 극수와 중심축의 정격회전속도는 대응되어 있다.

특별히 제2발/전동기는 에너지 저장·재생 시스템의 축전장치와 긴밀한 동조관계를 가지며 Archista의 시동운전과 규정운전 그리고 확대운전을 실시하는 매우 중요한 역할을 담당한다. 제2발/전동기에서 유도된 전기에너지는 컨버터를 통해 직류전기로 변환되어 감지 센서들과 제어 장치들의 작동을 위해 공급되고 축전 장치의 배터리에 저장된다.

제2발/전동기의 주된 임무는 제1발전기가 정격 주파수와 전압의 고품질 전기에너지를 유도할 수 있도록 하는데 있다. 그럼으로 제2발/전동기는 Archista의 규정 운전을 실현하는 정밀한 조속기로서 역할을 담당한다. 특히 발전장치 시스템에서 제2발/전동기는 동력 전환·전달 장치의 정밀한 조속기능을 수행하고, 제1발전기의 효율적 운전이 이루어지게 하고, 축전 장치에 저장된 에너지를 회전에너지로 재생함으로써 발전운전의 활성화와 운전 시간의 확장 그리고 고품질의 전기에너지가 유도되도록 한다.

▲ 제2발/전동기 자기작용 조정 운전 © 특허뉴스

◉ 기어장치

타워-3F의 바닥 중심에 설치되고 제1발전기축의 하종단과 직결되는 변속기어장치의 다른 일축으로 자기작용 자율 조정기능을 갖는 제2발/전동기축과 결합된다. 제2발/전동기가 발전기로서 역할을 할 때 기어장치는 제1발전기축의 회전에너지를 고속도 저 토크로 변환하여 제2발/전동기축에 전달하고, 한편 축전장치의 배터리에 보존된 직류전기의 투입으로 전동기로서 역할을 할 때 기어장치는 제2발/전동기축의 회전에너지를 저속도 고 토크로 변환하여 클러치를 통해 제1발전기축에 전달하는 기능을 실행한다.

◉ 전력변환장치

전력변환장치는 타워-3F의 내부에 설치된다. 전력변환장치는 제2발/전동기에서 유도되는 교류전기를 직류전기로 변환하는 컨버터와 제2발/전동기에서 회전에너지를 발생시키기 위해 축전 장치의 배터리에 저장되어 재생되는 직류전기를 교류전기로 변환하는 인버터로 구성된다.

◉ 자동전압조정기

제1발전기와 제2발전기에서 유도되는 전기에너지를 전기수요처와 전력계통에 공급하기 위해 적합한 전압으로 변환하는 자동변압조정기가 구비된다.

◉ 발전장치 시스템 운전 제어부

발전장치 시스템의 운전 제어부는 Archista의 중앙 운영 시스템과 동기화되어 있다. 그럼으로 중앙 운영 시스템은 풍력 획득 장치의 운전 제어부와 동력 전환·전달 장치의 운전 제어부와 에너지 저장·재생 시스템의 운전 제어부와 공조하여 최적의 발전운전을 실행할 수 있다. 발전장치 시스템의 운전 제어부는 역률보상장치 및 소프트 스타터 등의 부속 제어기기를 통제한다.

제1발전기 운전 제어부, 제2발/전동기 운전 제어부는 중앙 운영 시스템에 의해 통합 관리될 수 있다.

◎ Archista 발전장치 시스템 작동

사용에 적합한 품질의 전기에너지가 유도될 수 있도록 중앙 운영 시스템의 컨트롤 패널에 규정 속도(또는 규정 주파수)를 간단하게 설정된다. 중앙운영시스템과 동기화된 발전기 장치 시스템은 설정 값을 제1발전기의 자기작용 자율 조정 장치의 운전 제어부와 제2발/전동기의 자기작용 자율 조정 장치의 운전 제어부에 등록시킨다. 그럼으로 설정 값은 정상운전상태에서 발전기에서 유도되는 전기에너지의 주파수와 플라이휠 중심축의 회전속도를 결정한다.

중심축의 회전속도가 규정 속도보다 빨라지는 경우, 실시간 중심축의 회전속도를 감지하는 속도센서는 검출정보를 중앙 운영 시스템에 전달한다. 중앙 운영 시스템은 속도센서의 검출정보를 비교분석하여 처리 값을 발전장치 시스템의 운전 제어부에 전달한다. 발전장치 시스템의 통합 운전 제어부는 제2발/전동기의 운전 제어부와 제1발전기의 운전 제어부에 처리 값을 하달한다. 발전장치 시스템의 통합 운전 제어부는 우선 제2발/전동기의 서보모터를 구동하여 전기자를 이동시킨다. 이에 제2발/전동기의 회전자의 자기철심 철부와 전기자의 자기철심 철부가 서로 맞대응하는 부분이 확대되어 제2발/전동기의 전기자에 인가되는 자속양이 증가하게 되는 만큼 증가된 전압과 규정 주파수의 전기에너지가 유도되고, 동시에 제2발/전동기에서 증가된 전압의 크기만큼 더 커진 유기기전력에 비례하는 크기의 역기전력이 제2발전기축을 통해 중심축의 회전에 부하로 작용하여 중심축의 규정 회전속도가 유지될 수 있다.

반면에 중심축의 회전속도가 규정 속도보다 느려지는 경우, 실시간 중심축의 회전속도를 감지하는 속도센서는 검출정보를 중앙 운영 시스템에 전달한다. 중앙운영 시스템은 속도센서의 검출정보를 비교분석하여 처리 값을 발전장치 시스템의 통합 운전 제어부에 전달한다. 발전장치 시스템의 통합 운전 제어부는 제2발/전동기의 운전 제어부와 제1발전기의 운전 제어부에 처리 값을 하달한다. 발전장치 시스템의 통합 운전 제어부의 명령 따라 우선 제2발/전동기의 서보모터가 구동되어 전기자가 이동된다. 이에 제2발/전동기의 회전자의 자기철심 철부와 전기자의 자기철심 철부가 서로 맞대응하는 부분이 축소되어 제2발/전동기의 전기자에 인가되는 자속양이 작아지는 만큼 감소된 전압과 규정 주파수의 전기에너지가 유도되고 동시에 제2발/전동기에서 감소된 전압의 크기만큼 더 작아진 유기기전력에 비례하는 크기의 역기전력이 제2발전기축을 통해 중심축의 회전에 부하로 작용하여 중심축의 규정 회전속도가 유지된다.

앞에서 언급하바와 같이, 제2발/전동기의 자기작용 조정이 제1발전기의 자기작용 조정보다 정밀하게 실행될 수 있다. 때문에 중앙 운영 시스템은 제2발/전동기의 자기작용 조정이 우선한다. 즉 제2발/전동기의 자기작용 자율 조정이 최소 또는 최대에 도달한 단계에 이르게 되면, 중앙 운영 시스템은 제1발전기의 자기작용이 조정되도록 함으로 제2발/전동기의 자기작용 조정 한계가 자동 해제된다.

기동 시, 중앙 운영 시스템은 축전 장치에 보존된 에너지를 투입하여 제2발/전동기를 구동하여 회전에너지를 발생시킴으로 치 결합된 변속기어장치에서 그 회전에너지는 저속도(중심축의 규정회전속도), 고 토크로 변환되어 제1발전기축의 회전력이 강화된다. 따라서 제1발전기축에 직결된 중심축은 신속하게 정격회전속도에 도달할 수 있다. 중심축이 정격회전속도에 도달하게 되면, 제2발/전동기는 자기작용을 조정하여 변동을 전압의 가변으로 보상하면서 규정 주파수의 전기에너지를 유도하는 발전기로 자동으로 복귀하게 된다. 그러나 2.5㎧이하의 풍속이 지속되어 중심축이 규정 속도이하로 회전하는 경우 중앙 운영 시스템은 제2발/전동기에 공급되는 축전 장치의 직류전기를 차단시켜 제2발/전동기가 발전기로서 역할을 하게 된다. 이때 제2발/전동기에서 유도되는 전기에너지는 컨버터를 통해 직류전기로 변환되어 축전 장치의 배터리에 저장된다. 축전장치의 배터리에 저장된 에너지는 중앙 운영 시스템의 감지 센서 및 운전관리 제어장치의 작동에 사용되는 직류전기의 전원이다. 또한 제1발전기축의 회전을 촉진 또는 증강시키기 위해 제2발/전동기를 구동하는데 축전 장치에 보존된 에너지가 사용된다. 그럼으로 Archista의 발전장치 시스템에서는 제공된 회전에너지의 변동에도 불구하고 이를 고품질의 전기에너지로 온전히 변환한다.

◎ Archista 발전기 장치 시스템 특징 및 장점

자기작용 조정 제1발전기와 자기작용 조정 제2발/전동기로 구성되는 Archista의 발전장치 시스템은 풍속의 변동에 따른 회전에너지의 크기가 증감하는 것에 대응하여 발전기의 회전자와 전기자간의 자기작용 범위가 조정되어 유기기전력이 증감되고 이에 비례하는 역기전력이 제1발전기축을 통해 중심축의 회전운동에 반대로 작용하게 됨으로 중심축이 정격 회전속도를 유지하게 되고 발전장치에서는 규정 주파수의 전기에너지가 유도된다.

Archista 발전장치 시스템을 구성하는 제1발전기와 제2발/전동기는 자기작용을 자율 조정함으로써 자연 바람의 변동으로 인해 풍력 획득 장치에 작용하는 풍압의 증감에 동력 전환·전달 장치의 회전에너지의 속도가 일정하게 유지될 수가 있다. 그럼으로 발전기의 자기작용 조정은 토크의 증감에 비례하는 전압의 크기를 가변함으로써 일정한 속도로 자기교번이 실행되어 규정 주파수의 전기에너지가 유도될 수 있다.

그럼으로 Archista의 발전장치 시스템은 자기작용 조정을 통해 규정 주파수의 전기에너지를 유도하면서 중심축이 규정 속도로 회전하도록 제어하는 조속기 역할을 하는 뛰어난 장점을 지닌다. 발전장치 시스템이 풍력 획득 장치와 동력 전환·전달 장치와 에너지 저장·재생 시스템과 상호 유기적으로 공조함으로써 풍력 획득 장치에서 피치 제어를 작동하는 비생산적인 출력 제어나, 동력 전환·전달 장치에서 비생산적인 브레이크 장치를 작동하는 출력 제어가 불필요하다.

또한 전력계통의 부하급증으로 인한 사고와 과속도으로 인한 오작동으로부터 발전장치가 보호될 수 있다. 뿐만 아니라 제2발/전동기는 정격회전속도를 보다 정밀하게 유지할 수 있게 자기작용을 조정하고, 2.5㎧ 이하의 낮은 풍속이 지속되는 경우에도 발전운전을 실시하여 규정 주파수보다 낮은 전기에너지라도 유도할 수 있고 이를 축전 장치에 저장할 수 있다. 한편 축전 장치의 배터리에 보존된 에너지는 제2발/전동기를 통해 회전에너지로 재생되어 제1발전기의 정상발전운전이 활성화되도록 함으로 운전 시간이 확장될 수 있고 전기에너지의 고품질화가 가능하다. 특히 제1발전기에는 영구자석 다극 회전자가 장착됨으로 여자시스템이나 증속장치가 채용될 필요가 없다. 기성 발전기에 비해 변환 효율이 높고 생산 효율이 뛰어날 뿐만 아니라 역률 변동의 방지뿐만 아니라 와전류와 고조파 발생의 방지, 유지관리가 용이하고, 내구성이 높다.

또한, 제1발전기와 제2발/전동기의 회전자와 전기자에 채용되는 U자형 자기철편의 가운데에 형성되는 공간인 제1슬롯과, 그 자기철편과 이웃하여 배치되는 자기철편들 사이에 형성되는 공간인 제2슬롯에 영구자석이 매설됨으로 회전자의 원주외면에는 별도로 이격된 공간이나, 극성을 차단하기 위한 차폐물이 없어 교호가 급격하게 이루어지지 않아 회전자 자극부와 전기자 자극부가 교우하는 자기작용과정이 원만하게 이루어지고, 회전자의 다극 구성이 매우 용이하다. 또 다른 장점으로, 자기철편의 U자형 구조에서는 잔류자기가 반대편 자기철심으로 상호교차 이동되기 때문에 전하로 변환되지 못한 잔류자기에 의한 히스테리시스가 발생하지 않아 변환효율이 우수하다.

Archista 발전장치 시스템의 총 발전용량은 제2발/전동기의 발전용량과 제1발전기의 발전용량의 합이다. 50㎧의 풍속에서 발전용량이 최대가 되도록 결정된다.

다음편은...

[단독/집중기획⑦] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 에너지 저장·재생 시스템

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