집중기획④ 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 풍력 획득 시스템에 이어 집중기획⑤에서는 인류 에너지 문명을 변혁할 수 있는 혁명적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템인 ‘Archista’가 구현된 첨단 과학 기술들 중 Archista 동력 전환·전달 시스템에 관한 논문을 세계 최초로 게재한다.

    

Archista 동력 전환·전달 시스템

 

◈ 기술 분야

 

동력 전환·전달 장치는 풍력 획득 장치의 터보 임펠러에 작용한 풍압을 비틀림 힘으로 전달받아 이를 회전운동으로 전환하여 발전기축에 전달하는 역할뿐만 아니라 풍력 획득 장치와 직접 결합되기 때문에 풍력 획득 장치의 실질적인 지지 장치로서 풍력 획득 장치의 중량하중과 풍력 획득 장치가 받는 진동과 충격까지를 감당한다. 한편으로 발전기 장치에서 발생하는 역기전력이 작용하는 기계 장치이기도 하다. 따라서 동력 전환·전달 장치의 구성과 효율은 발전기에서 유도되는 전기에너지의 품질뿐만 아니라 풍력발전기의 생산 효율에 크게 영향을 미친다.

 

 풍력 획득 장치에 작용하는 풍압을 에너지 손실 없이 회전에너지로 전환하고, 이를 발전에 적합한 속도로 가공하여 발전기축에 전달할 수 있고, 또는 필요 시 풍력 획득 장치와 발전기 장치의 가동을 정지시키거나 단속할 수 있는 동력 전환·전달 장치의 기술에 관한 것이다.

 

◎ 기술 배경 및 종래 기술

 

기존 풍력발전기의 동력 전환·전달 장치는 일반적으로 블레이드와 축이 결합하는 허브와 축을 회전가능하게 지지하는 베어링과 축의 회전에너지의 속도를 높이기 위한 변속 장치와 축의 회전속도를 제어하는 브레이크 장치, 등으로 구성된다.

 

동력 전환·전달 장치로부터 불안정한 회전에너지를 전달받은 발전기에서는 불량한 품질의 전기에너지가 유도됨으로 회전에너지를 적정한 속도로 높이기 위해 증속장치를 채용한 증속운전 방식과, 증속장치를 채용하지 않는 가변속 운전방식이 있다. 증속장치를 채용한 증속 운전방식은 장치구성이 간단하고 유도발전기가 채용된다. 어느 정도 일정한 주파수의 전기가 유도될 수 있다. 하지만, 증속장치에서 기계적 마찰로 인해 소음과 저주파가 심하게 발생하고, 급격한 풍압의 변동으로 인한 진동과 충격이 축을 통해 바로 증속장치에 작용함으로 인해서 마모가 심하고, 유지관리가 어렵고, 교체주기가 짧다는 문제가 있다. 한편 증속장치를 채용하지 않는 가변속 운전방식은 풍속의 변화에 따른 회전에너지가 바로 발전기축에 전달되기 때문에 동기발전기에서 불규칙한 주파수의 전기가 유도됨으로 전력계통과의 연계를 위해서는 별도로 전력변환장치를 갖추어야 한다.

 

동력 전환·전달 장치에는 출력을 제어하는 방식으로 브레이크 시스템이 있다. 브레이크 시스템의 작동만으로는 블레이드에 작용하는 풍압의 변동에 대응하여 기계회전에너지의 속도를 일정하게 유지시킬 수는 없다. 수평축 풍력발전기의 경우 23m/s 이상의 풍속에서 브레이크를 작동하여 정지해야 한다. 기존 풍력 발전기의 동력 전환·전달 장치에는 발전에 적합한 회전속도를 일정하게 조정하고 유지시키기 위한 효율적인 제어 방식이 개발되어 않았다.

 

◎ Archista 동력 전환·전달 장치 기술 과제

 

풍력 획득 장치로부터 전달되는 비틀림 힘을 회전에너지로 효과적으로 전환할 수 있고, 진동과 충격을 완화시킬 수 있고, 회전속도를 발전에 적합한 속도로 일정하게 유지시킬 수 있고, 필요 시 즉각 회전속도를 제어하거나 제동할 수 있고, 회전에너지를 손실 없이 발전기축에 전달할 수 있는 효율성이 뛰어난 동력 전환·전달 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉 터보 임펠러가 원주외면에 일체화될 수 있고 플라이휠 효과와 자동조심이 높게 발휘되고 고 토크를 발휘하는 플라이휠을 개발할 필요가 있다. 또한, 플라이휠과 중심축 그리고 제1발전기축과 회전자의 중량하중에 의한 마찰을 방지하고 중심축과 제1발전기축이 원활하게 회전할 수 있도록 하는 기술 방안을 개발할 필요가 있다. 또한, 중심축의 회전을 제동하고 정지상태를 안정되게 유지시킬 수 있는 장치를 개발할 필요가 있다. 아울러, 제1발전기의 회전자를 다극 구조로 구성함으로써 기계적 마찰과 증속부하가 심하게 발생하는 증속장치를 채용하지 않도록 한다.

 

◎ Archista 동력 전환·전달 장치 구성

 

Archista 동력 전환·전달 장치는 고 토크 관성모멘트를 발휘하는 플라이휠과, 자동조심과 내진을 해소하며 플라이휠의 중량을 가감할 수 있는 유체유동장치와, 플라이휠을 지지하면서 비틀림 힘이 모이고 회전모멘트가 발생되는 중심축과, 직립하는 중심축과 제1발전기축을 회전 가능하게 지지하는 슬리브베어링과, 플라이휠과 중심축 그리고 제1발전기축과 회전자의 중량하중을 상쇄시키는 자기척력발생장치와, 중심축을 정지상태로 유지시킬 수 있는 제동 장치와, 중심축과 제1발전기축을 연결하는 플렌지 커플링으로 구성된다.

 

▲ Archista 동력 전환·전달 장치 구성도     © 특허뉴스

 

 

◉ 플라이휠

 

원통형인 타워의 원주보다 내경이 약간 크고 타워-5F의 길이와 같은 원통형의 파이프를 중심에 두고 그의 상단에 파이프 지름의 약 3∼4배의 원형 플레이트가 결합되어 원탁형의 플라이휠 프레임이 이루어진다. 그의 중심에는 직립되게 일정한 높이의 중심축 보스가 구비되고, 중심축 보스에 중공의 중심축이 삽입되어 키 볼트 고정된다.

 

플라이휠 프레임의 원형 플레이트 상단에는 반구형 돔이 직립하는 중심축 보스를 중심에 두고 덥도록 고정되고, 원형 플레이트의 배면에는 유체유동장치가 구비된다. 또한, 플라이휠 프레임의 하단 원통 파이프에서 원형 플레이트까지의 원주외면에 부메랑 구조의 블레이드가 일정하게 배열된 터보 임펠러가 장착된다. 또한, 플라이휠 프레임의 원형 파이프와 플레이트가 결합된 배면에 중심축 보스를 중심에 두고 수평이 되게 원통 파이프의 내경과 같은 크기의 자기척력발생장치-1의 상판이 아래쪽을 향하게 설치되고, 플라이휠 프레임의 하단 파이프의 종단에는 오일필터링에 잠기는 두 겹 이상의 스커트가 구비되어 있다.

 

▲ 플라이휠 구성도     © 특허뉴스

 

◉ 유체유동장치

 

 플라이휠 프레임의 상부 원판과 원통 파이프의 상단이 접하는 원판의 배면에 내부에 투입된 철 구슬과 오일이 유동할 수 있도록 허브(hub)와 허브의 외측에 복수개의 스포크들(spokes)이 수평이 되게 방사상으로 고정되고 스포크들 각각의 종단에 링 형태의 파이프 림(rim)이 결합된 휠 구조이다. 허브의 상측 일단에 연결된 주입구가 플라이휠 돔에 구비된다. 플라이휠이 회전함에 따라 유체유동장치 내부에 주입된 철 구슬과 오일에 원심력이 작용하여 허브로부터 스포크를 통해 림으로 무게가 높은 철 구슬이 쏠리게 됨으로 원환체와 같이 플라이휠 효과가 높다.

 

 플라이휠의 회전 시, 원심관성력의 증대와 자동조심이 촉진되고, 열전도를 늦추고 진동이나 충격을 흡수하는 효과와 플라이휠의 회전속도가 급격하게 변동하는 것을 방지하는 효과가 있다. 플라이휠의 돔의 일 측에 주입구가 마련되어 있어, 필요 시 유체유동장치 내부에 주입된 철 구슬과 오일의 꺼내거나 추가 투입함으로써 플라이휠의 중량을 어느 정도 조정할 수 있기 때문에 자기척력발생장치의 자기력이 반감되는 시기에 유체유동장치 내부에 주입된 철 구슬과 오일을 꺼냄으로서 플라이휠의 중량을 줄일 수 있음으로 자기척력발생장치의 교체수명이 연장된다.

 

 특히 플라이휠이 회전함에 따라 발생하는 원심력이 유체유동장치 내부의 철 구슬과 오일에 작용하여 허브로부터 스포크를 통해 림으로 철 구슬이 이동하게 됨으로 플라이휠은 원환체와 같이 플라이휠 효과를 발휘하게 된다. 원심관성력의 증대와 자동조심의 향상 그리고 진동이나 충격의 완화뿐만 아니라 플라이휠의 회전속도가 급격하게 변동하는 것을 방지하는 효과를 위해 유체유동 장치가 장착된다.

 

◉ 중심축

 

 플라이휠의 중심에 직립되게 구비되는 축 보스에 중공의 중심축의 상단이 삽입되어 키, 볼트로 고정되고, 타워-5F의 상단 중심과 타워-4F의 상단 중심에 구비된 슬리브 베어링에 그의 일단이 회전 가능하게 지지되어 직립하며, 그의 하종단은 제1발전기축의 상단과 판 플렌지 커플링에 의해 결합된다.

 

터보 임펠러의 블레이드에 작용하는 풍압은 플라이휠을 통해 비틀림 힘으로 중심축에 모이고, 그 비틀림 힘은 슬리브 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 중심축에서 회전모멘트로 발생된다. 따라서 중심축의 상단의 플라이휠에서 관성모멘트를 발휘하도록 지지하면서 그의 하단에 결합된 발전기축에 회전력을 전달 할뿐만 아니라 발전기에서 발생하는 역기전력을 플라이휠에 전달하는 역할을 한다.

 

중심축의 정격회전속도는 발전기 장치의 운전 제어부의 설정 주파수에 따른 자기작용 조정 장치에 의해 결정된다. 시설 지역의 풍황에 따라, 발전기 장치의 회전자 극수에 따라, 용도에 따라 중앙 운영 시스템에서 규정한다.

 

한편, 중심축의 중공내부 상단과 하단에 설치되는 베어링의 내윤에 피뢰침이 설치되고 그의 내부에 피뢰선이 매설되는 피뢰 봉인 파이프의 하단이 고정됨으로 중심축의 회전에도 피뢰선의 꼬임이 방지된다. 파이프 내부에 수용되는 피뢰선은 중심축과 발전기축의 중공을 통해 발전기축의 하단에서 안내 블레이드에 구비된 관로를 통해 접지봉에 연결된다.

 

◉ 슬리브 베어링

 

 타워-5F의 상단 중심과 타워-5F의 하단 중심에 슬리브 베어링이 구비되어 수직하는 중심축의 측면을 회전 가능하게 지지하고, 타워-4F의 상단 중심과 타워-4F의 하단 중심에 구비되는 슬리브 베어링은 직립하는 중심축과 제1발전기축을 회전 가능하게 지지한다. 플라이휠의 중심에 직립되어 키 볼트 결합되는 중심축의 하단을 회전이 가능하게 지지하고 중심축에 모이는 비틀림 힘을 기계회전에너지로 변환하는 베어링은 동력 전환·전달 장치에서 가장 중요한 구성요소이다.

 

 자기척력발생장치를 채용함으로써 플라이휠의 내부하면에 작용하는 자기척력으로 플라이휠과 플라이휠에 결합된 중심축 그리고 중심축에 결합된 제1발전기축과 회전자의 중력하중이 상쇄되어 하중마찰부하의 발생이 없음으로 슬리브 베어링은 단지 중심축과 제1발전기축의 측면 일단을 회전 가능하게 지지한다. 슬리브 베어링을 채용함으로 저렴하고, 유지 관리 및 교체가 매우 용이하며, 제작이 쉽고, 세로방향으로 분할된 구조로 교체가 쉽다.

타워-5F의 상단 중심에, 타워-4F의 상단 중심에, 타워-3F의 상단 중심에 구비된 각각의 슬리브 베어링의 윤활과 냉각을 위해 오일순환장치가 구비된다.

 

◉ 자기척력발생장치

 

고 중량 플라이휠과 중심축뿐만 아니라 중심축의 하단에 결합된 제1발전기축과 제1발전기축의 회전자의 수직하중은 자기척력발생장치를 채용하여 발생되는 자기척력으로 플라이휠을 부상시킴으로 하중마찰부하가 해소되고, 플라이휠의 회전에 따른 원심력의 증가에 자기척력의 일부는 플라이휠에 양력으로 작용한다. 따라서 수직하는 중심축과 제1발전기축의 하중이 자기척력으로 상쇄됨으로 단지 슬리브 베어링이 직립하는 중심축과 제1발전기축을 회전이 가능하게 지지한다.

 

타워의 지름과 같은 크기의 한 쌍의 두꺼운 철판의 중심에 플라이휠 중심축이 통과하는 홀이 형성되고, 그 홀을 중심으로 둘레에 동심원 요 홈들이 일정한 간격과 일정한 깊이로 성형된다. 각 동심원 구조의 요 홈에 대응되는 영구자석들이 제작된다. 각 동심원 구조의 요 홈에 링 자석이 형성되도록 영구자석들이 매설되되, 홀수 동심원에는 영구자석의 N극이 중심축을 향하게 하여 서로 밀착되게 매설한 후 금속접착제를 사용하여 고정한다. 짝수 동심원에는 영구자석의 S극이 중심축을 향하게 하여 서로 밀착되게 매설하고 금속접착제를 사용하여 고정한다.

 

 동심원 구조의 요 홈에 영구자석의 매설이 완료됨으로써 서로 내외로 인접하는 영구자석의 링과 영구자석의 링은 철부인 부벽을 사이에 두고 동극으로 대응하기 때문에 해당 철부에서는 타극성의 강한 자기장 링이 형성된다. 동심원 구조의 철부에서 극성을 교대로 하는 자기장 링들이 형성되는 한 쌍의 자기척력발생장치-1이 제작된다.

 

자기척력발생장치-1 중 어느 하나(자기척력발생장치-1 상판)는 플라이휠 프레임의 하단에 중심축을 중심으로 수평이 되게 동심원 구조가 아래로 향하도록 고정된다. 다른 하나(자기척력발생장치-1 하판)는 타워-5F의 상단 중심에 구비된 슬리브 베어링을 중심에 두고 수평이 되게 동심원 구조가 위로 향하도록 고정된다. 그럼으로 타워-5F의 상단 중심과 타워-5F의 상단 중심에 구비된 슬리브 베어링에 플라이휠 중심축이 삽입되어 그의 측면이 지지되어 직립하게 됨으로 플라이휠 프레임의 원통 파이프의 내부 하단에 설치된 자기척력발생장치-1 상판의 동심원 구조와 타워5의 상단에 설치된 자기척력발생장치-1 하판이 위아래에서 서로 동심원 구조의 동극 자기장 링으로 맞대응하게 됨으로써 자기척력이 발생한다. 그럼으로 플라이휠 프레임의 하면에 자기척력이 작용하여 플라이휠과 중심축과 제1발전기축의 회전자의 수직하중이 상쇄되어 플라이휠과 중심축과 제1발전기축과 회전자가 부상됨으로 슬리브 베어링에 하중마찰부하가 발생하지 않는다. 보다 강력한 자기척력이 필요가 있는 경우, 중심축 하단과 제1발전기축 상단을 결합하는 플렌지 커플링의 하단에 자기척력발생장치-2 상판이 설치되고 이에 대응하는 자기척력발생장치-2 하판이 타워-5F 하단에 설치된다.

 

자기척력발생장치의 냉각을 위해 자기척력발생장치-1 하판과 자기척력발생장치-2 하판 각각의 테두리를 약간 높게 하고, 영구자석 동심원 레일위에 오일이 얇게 덮인 상태가 유지되도록 하고, 자기척력발생장치의 냉각을 위한 오일을 순환시킴으로써 자기척력발생장치의 영구자석을 열로부터 보호하고 영구자석의 산화를 방지할 수 있다.

 

▲ 자기척력발생장치 구성도     © 특허뉴스

 

◉ 제동장치

 

타워-5F의 중심에 직립하는 중심축의 일단에 브레이크 드럼과 래칫기어가 설치되고, 타워5의 바닥에 유압장치를 포함하는 브레이크 블록이 설치된다.

 

중앙 운영 시스템의 명령에 의해 유압 펌프가 작동하여 마스터실린더 내의 밀폐된 브레이크액에 압력이 생성되고 파스칼 원리에 따라 피스톤에 전달된 압력은 중심축에 구비된 브레이크 패드(pad)가 중심축에 압착력을 작용한다. 중앙 운영 시스템은 중심축이 완전히 정지된 것을 확인한 다음 래칫 기어를 작동하여 잠금 상태가 유지되도록 한다.

 

운전을 정지시키기 위한 일반적인 절차는 먼저 펜더 블레이드를 완전 개방하여 터보 임펠러에 작용하는 풍압이 최소화되도록 하고, 동시에 제1발전기와 제2발/전동기의 자기작용이 최대로 조정되도록 함으로써 마침내 플라이휠 관성모멘트의 완전한 소진으로 중심축이 정지되면, 중앙 운영 시스템은 제동 장치를 작동하여 정지를 확인하고 잠금장치를 유지시킨다. 중심축의 회전운동을 제어하는 것보다 주로 운전을 정지상태로 유지하기 위해 잠금장치가 작동된다. 브레이크 장치의 사용을 줄임으로써 에너지 손실과 기계 진동 및 발열 그리고 브레이크 패드의 마모를 방지할 수 있다.

 

◉ 플렌지 커플링

 

플라이휠 중심축의 하단과 제1 발전기의 축 상단은 판 플렌지 커플링을 통해 키 볼트 체결된다. 그럼으로 중심축의 회전에너지가 제1발전기축으로 전달되고 동시에 제1발전기와 제2발/전동기의 임피던스가 역기전력으로 중심축에 전달된다. 보다 강력한 자기척력을 발생시킬 필요가 있는 경우, 플렌지 커플링의 하단에 자기척력발생장치-2 상판이 설치되고 이에 대응하는 자기척력발생장치-2 하판이 타워-5F 하단에 자기척력발생장치-2 상판과 상·하로 대응되게 수평으로 설치된다.

      

◉ 스플라인 클러치 커플링

 

제1발전기축의 하종단과 타워-3F의 하단 중심에 설치된 변속기어장치의 일축은 스플라인 클러치 커플링에 의해 결합된다. 그럼으로 제1발전기축의 회전에너지가 변속기어장치를 통해 고 회전 저 토크로 변환되어 제2발/전동기로 전달되거나, 또는 제2발/전동기에서 발생되는 기계회전에너지가 변속기어장치를 통해 저 회전 고 토크로 변환되어 제1발전기축로 전달된다. 제2발/전동기의 발전기로서 역할과 전동기로서 역할을 바꾸는데 클러치의 제어가 필요하다. 플라이휠이 정지 상태에서 정격속도로 회전하게 되면, 플라이휠에 원심력의 증가로 플라이휠과 중심축 그리고 제1발전기축과 회전자의 수직하중이 감소된다. 따라서 수직하중이 감소한 만큼의 자기척력이 플라이휠에 작용하여 중심축과 제1발전기축이 약 0.5cm 더 부상되게 된다. 제1발전기축의 하종단과 변속기어 장치의 결합에 스플라인 클러치 커플링이 채용된다.

 

◎ Archista 동력 전환·전달 장치 작동

 

 플라이휠의 원주외면 둘레에 일체로 형성된 터보 임펠러에 작용한 풍압은 플라이휠을 통해 중심축에 비틀림 힘으로 모인다. 중심축을 회전 가능하게 지지하는 슬리브 베어링을 통해 비틀림 힘은 회전에너지로 전환되고, 중심축의 종단과 플렌지 커플링에 의해 결합되는 제1발전기축에 회전에너지가 전달된다. 필요 시 중앙 운영 시스템의 명령에 의해 브레이크 블록의 유압펌프기 작동하여 중심축의 회전을 제어한다.

 

 고 중량 플라이휠의 관성모멘트는 중심축의 회전속도를 급격하게 변동하는 것을 방지한다. 플라이휠이 회전함에 따라 발생하는 원심력이 작용하여 유체유동장치 내부에 주입된 철 구슬과 오일이 허브로부터 스포크를 통해 림으로 쏠리게 됨으로 플라이휠의 중량이 원환체와 같이 플라이휠 효과가 높아지고 자동조심이 높아진다. 유체유동장치의 내부 철 구슬과 오일은 열전도를 느리게 하고 진동이나 충격을 흡수한다.

 

자기척력이 플라이휠에 작용하여 플라이휠과 중심축과 제1발전기축과 회전자가 부상된다. 플라이휠이 정격회전속도에 도달하면 원심력의 증가로 자기척력이 원심양력으로 플라이휠에 작용하여 플라이휠과 플라이휠에 결합된 중심축 그리고 제1발전기축과 회전자가 0.5 cm가량 더 부상하게 된다.

 

 

◎ Archista 동력 전환·전달 장치 특징 및 장점

 

 고 중량 플라이휠이 채용됨으로 관성모멘트와 고 토크가 발휘되고, 플라이휠의 원주외면에 임펠러 블레이드가 설치되고, 터보 임펠러의 블레이드에 작용하는 풍압을 중심축에 전달하고, 내부에 자동조심을 실행하고 진동을 흡수하며 중량을 가감할 수 있는 유체유동장치가 설치될 수 있다. 플라이휠 효과가 높아 중심축의 회전속도가 급변하는 것이 방지할 수 있다. 자기척력발생장치에서 발생되는 자기척력이 플라이휠의 중력하중이 상쇄될 수 있기 때문에 수천 톤의 플라이휠의 장착이 가능하다.

 

 

 플라이휠에 유체유동장치가 장착됨으로 플라이휠의 회전 시, 원심관성력의 증대와 자동조심이 촉진되고, 열전도를 늦추고 진동이나 충격을 흡수하고 플라이휠 효과가 높다.

 

 플라이휠과 중심축 그리고 제1 발전기축과 회전자의 수직하중이 자기척력으로 상쇄됨으로 하중마찰이 발생하지 않아 중심축에 모이는 비틀림 힘이 회전에너지로 용이하게 전환될 수 있다. 에너지 손실이 최소화 되고 유지관리가 쉽고, 제작비가 저렴하다. 수직하중이 해소됨으로 고 중량 대형 플라이휠의 개발과 장착이 가능하여 고 토크의 실현과 터보 임펠러를 대형화할 수 있어 단기 대용량 Archista의 개발이 가능하다.

 

플라이휠과 중심축 그리고 중심축과 결합된 제1발전기축과 회전자의 중력하중이 자기척력으로 상쇄되어 하중마찰부하가 없음으로 슬리브 베어링은 단지 중심축과 제1발전기축이 직립하도록 측면 일단을 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다. 슬리브 베어링은 저렴하고, 유지 관리 및 세로방향으로 분할된 구조를 채용함으로 교체가 쉽다. 기후악조건에 노출되는 동체인 플라이휠과 플라이휠에 형성되는 임펠러 블레이드가 철 소재로 제작됨으로 플라이휠과 임펠러 블레이드의 내구성이 높고, 유지관리가 용이하고, 수명이 길다. 아울러 터보 임펠러의 블레이드에 진동이나 뒤틀림 등이 발생하지 않음으로 에너지 손실을 방지할 수 있다.

 

▲ 동력 전환·전달 장치의 구성 및 특징     © 특허뉴스

 

 

다음편은...

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

 

 

 

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