대용량 풍력발전기용 하이브리드 직접구동형 발전기 개념설계

박형준(Hyung Joon Park),김양균(Yang Gyun Kim),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.12

대용량 풍력발전기에 사용되는 직접구동형 발전기는 증속기가 필요한 간접구동형 발전기에 비해 전력밀도와 유지보수 측면에서 유리하여, 관련기업에서 많은 관심을 갖고 개발되고 있다. 직접구동형 발전기는 자속방향에 따라 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 및 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet) 방식으로 나누어지며 서로 다른 구조적인 특징을 가지고 있다. AFPM 발전기는 폭이 좁은 형상적인 특징을 가지고 있어, 축 방향으로의 적층을 통해 전력생산을 증대시키기에 용이하다. 이에 반하여 RFPM 발전기는 폭이 넓은 경우에 적용할 수 있는 특징을 갖고 있다. 본 연구에서는 축 방향으로의 적층이 용이한 중공축과 한 쌍의 선회베어링으로 구성된 2.5MW급 AFPM 발전기를 2단으로 적층하고, 추가적으로 중공축에 1.2MW급 RFPM 발전기가 장착된 6.2MW급 하이브리드 직접구동형 발전기를 제안하였다. 전자기 해석을 통해 제안된 발전기의 출력을 검증하였으며, 전자기-구조 연성해석을 통하여 적층에 따른 경량설계가 이루어졌다. 허용공극(Air-Gap)의 변화를 만족하는 조건에서, 제안된 6.2MW급 하이브리드 직접구동형 발전기의 총중량은 133tonf으로 기존의 발전기와의 비교를 통해 유사함을 확인하였다. Direct-drive generators for offshore large-scale wind turbines have attracted much interest because of their higher energy density compared with gear train-type generators. Direct-drive generators in the ways of magnetic flux direction are classified as axial flux permanent magnet (AFPM)- and radial flux permanent magnet (RFPM)-type machines. The AFPM-type machine is highly efficient in terms of generating electricity owing to its structural features, such as narrow width compared with RFPM-type machines. If an AFPM-type machine is applied, an increase of the electric power production is easily achieved using multi-stages in the axial direction. However, RFPM-type machines can be applied to geometric features having wide width. In this study, a hybrid direct-drive 6.2MW generator is proposed, where a two-stage 5MW AFPM-type machine was composed of each topology model for 2.5MW with a hollow-shape rotor that has an annular disc, stator, and main shaft mounted on coupled slew bearings. In addition, a 1.2MW RFPM-type machine is inserted into the hollow shape of the rotor. The power production of the proposed machine is calculated using electromagnetic analysis. From the perspective of achieving a light-weight design, electromagnetic-structural interaction analysis is performed to determine the optimal shape of the proposed machine that meets the requirement of the allowed air-gap clearance between the stator and permanent magnet. The total weight of the proposed machine was obtained as 133tonf. Considering the light-weight design, the results showed that the proposed machine has similar characteristics when compared with conventional direct-drive generators.

폐열발전 OCR 시스템 적용을 위한 고효율 영구자석형 동기발전기 설계

김영중(Yeong-Jung Kim),양승진(Seung-Jin Yang),문채주(Chae-Joo Moon) 한국전자통신학회 2023 한국전자통신학회 논문지 Vol.18 No.1

고가의 발전기를 사용하는 발전 방법은 일부 도서의 경우 전력수요 증가로 인한 예비전력 부족과 고비용의 디젤 발전기 운영과 같은 문제점들을 안고 있다. 이를 해결하기 위한 방법으로 폐열을 열원으로 이용하는 ORC시스템 적용을 통하여 발전 설비의 효율을 증가시킬 필요가 있다. 따라서 가격 경쟁력과 고신뢰성의 ORC 발전시스템의 현장 기술이 요구되며 발전기의 최적화 기술의 효과가 크기 때문에 본 연구에서는 2개의 발전기 설계를 수행하여 최적화된 30kW 출력을 갖는 고효율의 발전기를 얻었다. 2개의 설계된 모델들에 대한 모의 데이터 비교 결과 발전기의 12,000rpm 기준에서 SPM factor 46.2%의 경우 약 23.2kW의 출력과 92.1%의 효율을 보였고, SPM factor 44.46%의 경우 발전기의 출력은 27.9kw와 93.6%의 효율을 확인하였다. SPM factor 44.46%를 갖는 개선된 설계모델의 시제품 검증을 위하여 110kW 모터 동력계를 갖는 시제품 시험시스템을 설치하였으며 2,000rpm 기준 정격용량 25kW의 조건에서 92.08% 효율을 얻었으며, 시제품 발전기의 시험결과 발전기 설계의 유효성을 확인하였다. The power generation method using expensive diesel has operation problems such as high cost diesel generator and a lack of reserved power due to increase of power demand in some islands, requiring expansion of power generation facilities. To solve this problems, it is necessary to improve the efficiency of power generation facilities through an ORC(Organic Rankin Cycle) system application that uses waste heat as a heat source. Therefore, localized application technology of price competitive and highly reliable ORC power generation system is needed, and optimization technology of generators is having great effect, so this study performed two generator designs get to a high-efficiency generator with an optimized 30kW output. The comparison of simulation data for two designed models showed that a generator with SPM factor of 46.2% had an efficiency of 92.1% and a power ouput of about 23.2kW based on 12,000rpm, a generator with SPM factor of 44.46%, had a power output of 27.9kW and efficiency of 93.6% based on above rpm. For the verification of improved design model with SPM factor of 44.46%, the prototype test system with 110kW motor dynamometer was installed and got to the efficiency of 92.08% with conditions of the rated capacity 25kW at 12,000rpm, the test results of prototype generator showed the validity of generator design.

열유동 연성해석을 통한 대용량 직접구동형 발전기 냉각시스템의 적합성 평가

박형준(Hyung Joon Park),한승호(Seung Ho Han) 대한기계학회 2021 大韓機械學會論文集B Vol.45 No.1

해상의 일정한 풍속과 우수한 풍질로 해상풍력발전기가 선호되는 추세이나, 설치비용 및 유지 · 보수 비용이 상대적으로 높아 단위 발전기당 발전용량을 올리기 위하여 터빈이 대형화되고 있다. 저자 등에 의해 제안된 대용량 6.2 MW 하이브리드 직접구동형 발전기는 2단의 AFPM(axial flux permanent magnet) 발전기와 RFPM(radial flux permanent magnet) 발전기를 조합하여, 단위 체적 및 중량 대비 발전량이 높은 출력성능을 보여주었다. 그러나 대용량 발전기에서는 전력 생산 시 구리 및 철 손실에 의한 발열이 심하여 고정자에서 절연손상 그리고 영구자석에서 불가역 감자현상이 나타날 수 있다. 대용량 발전기의 초기설계 단계부터 고정자 및 영구자석 주위의 열전달 특성을 분석하여 발열 시 이를 냉각시킬 수 있는 냉각장치의 설계가 요구된다. 본 연구에서는 6.2 MW급 하이브리드 발전기에 적합한 강제대류 및 히트 파이프를 이용한 공랭식과 수랭식 냉각장치를 대상으로 실제 작동조건을 고려한 전자기 및 열-유동 연성해석으로 발전기의 열전달 특성을 해석적으로 평가하였다. 고정자 절연손상의 한계온도를 규정한 IEC 60076-11에 의거하여 두 냉각장치 모두 B등급을 만족하였으며, 영구자석의 불가역 감자현상에 대한 한계온도인 90°C도 충족함을 확인하였다. Offshore wind speeds tend to be faster and steadier than land wind speed. Hence, the electricity generated by offshore wind power is higher per amount of capacity in installed wind turbines. Wind turbines used in offshore environments are generally larger and taller because of reduced building and maintenance costs. The authors developed a 6.2 MW class hybrid direct-drive generator, which was constructed in two stages using 2.5 MW axial-flux permanent-magnet (AFPM) and 1.2 MW radial-flux permanent-magnet (RFPM) machines. Because heat was significantly generated owing to copper and iron losses, the AFPM and RFPM machines experienced insulation failure of stators and demagnetization of permanent magnets under sever thermal conditions. In this study, the heat transfer in the 6.2 MW class hybrid direct-drive generator using the developed cooling systems, e.g., forced-air-type and liquid-cooled-type systems, was analyzed numerically, and the actual operation conditions were considered. The results for the thermal-fluid interaction analysis of the designed cooling systems showed that the temperatures of the stators and permanent magnets decreased significantly. The cooling systems satisfied the IEC 60076-11 requirements, in which the limit temperature of the stator insulation failure was specified, and the limit temperature for the irreversible demagnetization of permanent magnets was 90°C.

가변속 발전기 적용에 따른 컨테이너선박 에너지 효율성 비교

이헌석,오진석 한국마린엔지니어링학회 2019 한국마린엔지니어링학회지 Vol.43 No.7

In this paper, when the variable speed generation (VGS) system is applied by replacing the constant velocity generator of the container line, the fuel consumption is compared. The ship’s electric power system has an independent power system that differs from the land power system. Therefore, power generators will be installed inside the ship to supply power on their own. The power generation system of the vessel consists of a prime mover and an alternator. Most ship power systems currently in operation have alternating current power of 60 Hz or 50 Hz. The ship uses a generator that rotates at constant speed to produce alternating current power at a fixed frequency. In the case of constant speed generators, the efficiency decreases owing to the low load operation of the prime mover. To solve the problem of low efficiency due to the independent power system of the constant speed generator, the VSG system was applied and energy efficiency was compared. The differences in energy efficiency were predicted through simulation using the power data of container ships operated at low load rates. Simulation results showed that the energy efficiency of the VGS increased energy efficiency by approximately 7% compared with the constant speed generator. 본 논문에서는 컨테이너선의 정속도 발전기를 대체하여 가변속도 발전기를 적용하였을 때, 연료소모량을 비교하고자 한다. 선박의 전력 계통은 육상의 전력 계통과 달리 독립 전력시스템의 형태를 갖추고 있다. 이에 선박 내부에 발전기를 탑재하여 자체적으로 선내 전력을 공급하게 된다. 선박에 탑재되는 발전기는 원동기와 교류발전기로 이루어져 있으며, 현재 운행되어지고 있는 대부분의 선박의 전력시스템은 60Hz 또는 50Hz의 교류전력을 적용하고 있다. 선박에서는고정 주파수의 교류전력 생산을 위해 정속도로 회전하는 발전기를 적용하고 있으며, 이러한 정속도 발전기의 경우 원동기의 저부하 운전에 따라 효율이 낮아지게 된다. 본 논문에서는 이러한 정속도 발전기 적용에 따른 효율 저하 문제를해결하기 위하여 가변속도 발전기를 적용하여 에너지 효율을 비교하였다. 통상적으로 낮은 부하율에서 운전되어지고 있는 컨테이너 선박의 전력데이터를 이용하여 가변속도 발전기를 적용하였을 시 에너지 효율 변화를 시뮬레이션을 통하여예측하였다. 시뮬레이션 결과 가변속도 발전기를 적용하였을 때 정속도발전기에 비하여 약 7%의 에너지 효율이 증가함을 확인할 수 있었다.

두 대의 협력적인 발전기를 갖는 풍력발전기의 외란관측기 기반 제어기의 설계 및 검증

이국선(Kook Sun Lee),조황(Whang Cho),백주훈(Ju Hoon Back),최익(Ick Choy) 한국전자통신학회 2017 한국전자통신학회 논문지 Vol.12 No.2

본 논문은 외란관측기 개념을 이용하여 두 대의 협력적인 발전기를 갖는 풍력발전기의 발전 및 요잉 제어기 설계 방법을 제안한다. 협력형 풍력발전기란 날개축으로부터 공급된 풍력 에너지를 두 대의 발전기를 통하여 협력적으로 전기 에너지로 변환하는 차별화된 구조의 풍력발전기를 의미한다. 이 구조에서 두 대의 발전기는 독립적으로 제어가 가능하기 때문에 두 발전기의 발전부하를 적절하게 협력적으로 제어함으로써 발전과 동시에 추가적인 요잉 메커니즘 없이 넛셀의 요잉제어가 가능하다. 이러한 구조적 특징을 이용하여 본 논문에서는 협력형 풍력발전기의 발전 및 요잉제어가 안정적으로 실행될 수 있도록 외란관측기를 기반으로 하는 제어기를 설계하고 이를 소형발전기 시스템에 적용하여 그 성능을 실험적으로 검증하였다. This paper proposes a disturbance observer based controller design method for generating and yawing control of windturbine with two cooperative generators. Windturbine system with two cooperative generators is a distinct structure in which the wind energy supplied by blade axis is converted into electrical energy by two cooperative generators. In this structure, two generators can be controlled independently and therefore they can generate power, simultaneously performing yawing control of nacelle without extra yawing mechanism by cooperatively controlling generating load in appropriate manner. Using this structural trait, this paper designs a disturbance observer based controller that enables the windturbine system with cooperative generators to generate and yaw stably, and verifies the performance of the controller experimentally by applying it to a small-scale windturbine system with the same structure.

직류배전용 가변속 디젤발전기 개발에 관한 연구

박기도,김종수 해양환경안전학회 2019 해양환경안전학회지 Vol.25 No.1

In this study, research and a demonstration for applying DC distribution systems to ships as an environmental and energy conservation solution in domestic and foreign countries were actively carried out. In order to apply a generator to a DC distribution system, a variable speed engine was used. Both engine speed and fuel consumption were reduced. In this paper, a DC generator for DC distribution was constructed using a diesel generator, a generator controller, a governor, and an AVR. A system configuration method for a generator, power quality test, and the power characteristics of a variable speed generator were analyzed. The voltage (250-440VAC) and frequency (34-60Hz) of the variable speed generator were set to 60-100% of the rated value, and the engine was set to operate from 1100-1800rpm. It was confirmed that the voltage, current, and frequency of the generator output fluctuated in a stable manner according to the power amount when changing the engine speed of the generator according to the load variation. 본 연구에서는 국내외적으로 환경문제 및 에너지절감의 일환으로 직류배전시스템을 선박에 적용하려는 연구 및 실증이 활발히 수행되고 있으며, 발전기를 직류배전시스템에 적용하기 위해서는 가변속 엔진을 적용하여 저부하 영역에서 발전기의 엔진 회전수를 줄여 연료소모량을 절감할 수 있는 방안이 제시되고 있다. 본 논문에서는 기존의 디젤발전기를 이용하여 발전기 컨트롤러, 가버너, AVR을 이용하여 직류배전용 가변속발전기를 구성하였으며, 발전기의 시스템 구성 방법, 가변속 발전에 따른 전력품질 시험(전압 및 주파수 변동특성, 부하변동 특성)을 통해 가변속 발전기의 전력특성을 분석 하였다. 가변속 발전기의 전압(250~440VAC) 및 주파수(34~60Hz)는 정격의 60~100%로 구성하였으며, 엔진은 1100~1800rpm 범위에서 운전되도록 설정 하였다. 부하변동에 따라 발전기의 엔진속도를 변경시켜서 발전기 출력의 전압, 전류, 주파수가 전력량에 따라 안정적으로 변동되는 것을 확인하였다.

15 MW급 초전도 풍력 발전기의 설계 및 전자기 해석

정가은,성해진,박민원,유인근 한국산업정보학회 2019 한국산업정보학회논문지 Vol.24 No.1

고온 초전도 (HTS) 발전기는 무게, 크기 및 효율의 장점 때문에 활발히 연구되어왔다. 대규모의 초전도 풍력 발전기는 매우 저속의 고토크 회전 기계이다. 이 기계에서는 높은 전자기력과 토크가 중요한 문제이다. 하나의 축에 직렬로 연결된 2개의 발전기는 고토크의 문제를 극복하기위한 하나의 해결 방안이 될 수 있다. 본 논문에서 저자는 15 MW 급 HTS 발전기를 설계하고 분석했다. 3D 유한 요소법을 사용하여 15 MW HTS 발전기의 자기장 분포 및 토크 성능을 확인하였다. 결과적으로 설계된 발전기는 기존의 발전기보다 적은 토크를 생성한다. 제시된 15 MW 초전도 발전기의 설계방식은 대용량 초전도 풍력 발전기의 제작에 있어 고토크로 인한 문제를 해결하는데 활용될 수 있다.

수직이착륙 비행로봇 발전기 개발

장은영,최성욱 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

본 논문에서는 수직이착륙 비행로봇에 장착되는 소형 BLDC 발전기에 대한 해석, 설계, 제작 및 시험 과정을 소개한다. 비행로봇 발전기의 설계를 위해 요구도에 대한 분석이 이루어 졌으며, 전자기장 해석을 통해 발전기를 설계하였다. 시험치가 존재하는 기존의 소형 발전기를 해석하여 해석도구의 정확도를 검증하고, 설계된 비행로봇 발전기에 대한 시제품을 제작하여 벤치테스트를 수행하였다. 이 과정을 통해 발전기의 형상을 변화시켜 주어진 요구조건을 만족하는 발전기 형상을 얻을 수 있었다. 제작된 발전기는 비행로봇에 장착되었으며, 향후 지상시험을 통해 장착 성능을 파악할 예정이다. In this paper, the procedures of the analysis, design, fabrication, and test for the small BLDC generator of the VTOL Aerial Robot will be introduced. The basic requirement for the generator was analyzed and the electromagnetic field analysis was used for the design of the generator. The analysis tool was verified by the calculation of the small existing generator which has test results. The bench test for the prototypes fabricated from initial design have been conducted and a final configuration of the generator satisfying the requirement was obtained. The generator was installed on the air vehicle and the ground test will be conducted for the performance evaluation.

전자기 해석을 통한 1 kW급 축방향 영구자석 외전형 발전기의 형상 최적설계

박형준,강효림,안대균,한승호 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.1

An urban wind turbine with small scale generator adopts darrieus type vertical blades which make possible to start easily turbine and to produce electricity even under the conditions of weak and irregular winds. The generator for a highly efficient power production should be required, so that the design using a direct-driven permanent magnet synchronous generator has been considered owing to reduction of additional mechanical losses during the power production. In this study, 1 kW-class outer rotor type generator with two stage was proposed, in which an axial-flux permanent magnet was applied to 10 pole/12 slot combination and distributed windings with double layer. Finite element model was prepared by taking into account of single-stage and half geometry of the generator, and then electro-magnetic analysis was carried out to calculate the active powers under given loading conditions and electrical parameters. To meet the requirement of the target specification such as the active power with 250 W, the shape optimal design was conducted, in which 7 design variables were varied and design space was explored under a constraint of weight minimization. As a result, the optimized design variables of the generator were found to satisfy the target specification, and the weight of the generator was maintained at the same level of that for the initial design model. 도시형 소형 풍력발전기는 풍속조건의 허용범위가 넓은 경우에도 기동이 용이하도록 수직형 블레이드가 채용되고 있으며, 높은 효율의 전력생산을 위한 발전기가 요구되고 있다. 따라서, 전력 생산 시 부가적인 기계적 손실을 줄이기 위하여, 증속기가 없는 직접구동 방식의 발전기 설계가 필요하다. 본 연구에서는 개념설계를 통하여 2단 적층 구조를 갖는 1 kW급 축방향 외전형 직접구동형 발전기를 제안하였으며, 10극/12슬롯 조합과 분포형 이층구조 방식의 권선모델이 적용된 초기설계가 수행되었다. 초기 설계로 얻어진 1단 1/2-유한요소모델에 대하여 회로정수 및 부하조건을 고려한 전자기 해석이 수행되었으며, 이를 통해 발전기의 유효전력을 구하였다. 목표사양인 유효전력 250 W를 제약조건으로 발전기의 설계인자 7개에 대한 형상 최적설계가 수행되었으며, 이를 통해 발전기의 중량이 초기모델과 동일한 수준을 유지하며, 발전기의 목표사양을 만족하는 설계인자의 최적해가 얻어졌다.

신형-해양발전기

이영수(Yong Shou Lee),이순선(Sunseon Lee) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

신형-해수력발전기 해양에너지의 100분의 1만 사용할 수 있어도 전 인류가 쓰고도 남는다고 합니다. 하지만 현재 재생에너지분야에서 해양에너지가 차지하는 비중은 극히 적은 것으로 나타나고 있습니다. 95%의 투자가 태양광과 풍력에 집중되고 있는 것이 현 상황입니다. 우리나라는 다른 나라들과 비교해 땅이 적습니다. 그러므로 많은 땅을 필요로 하는 태양광과 풍력에 제한이 있을 수밖에 없습니다. 대신 우리나라는 삼면이 바다여서 해양에너지가 아주 풍부하며 4,000개 정도의 무인도가 있어서 이것을 잘 활용하기만 하면 2030의 국가목표는 물론 에너지자립과 에너지강국으로 부상할 수 있으며 다가오는 수소사회에 발 빠르게 대응할 수 있습니다. 해양에너지에는 파력, 조력, 온도차, 염분차, 파랑, 해수력 등 여러 가지가 많지만 많은 전문가들의 시선이 다 눈에 선명하게 띄는 큰 에너지에만 매달려 있다는 것이 문제가 된 것입니다. 예를 들면 집채 같음 파도를 보면서 그 위에 뭔가를 띄워서 발전하겠다, 바다 속의 거센 물살을 보면서 바다 밑에 프로펠러를 설치하여 발전기를 돌리겠다는 방식으로 큰 에너지에만 집착한 결과 많은 애로와 어려움에 부딪치게 되면 나중에는 포기하고 말거나 사라남아 있다고 해도 겨우 연명할 정도입니다. 그러므로 재생에너지 하면 대부분이 태양광고 풍력에만 의지하려고 하지 해양에너지는 아예 한쪽으로 밀려나 있는 상태입니다. 저희 회사는 해양에너지가 최종 답이라고 결론 내리고 모든 해양에너지의 장단점을 분석함과 동시에 현재로써의 인간의 지혜로서는 해결할 수 없는 분야는 될수록 피하는 방식으로써 가능성이 제일 큰 방향으로 방법을 찾기 시작하였으며 결국 사람들이 여태껏 홀시하여 왔던 분야의 에너지에서 답을 찾게 되었습니다. 그것이 바로 바다 밑의 무질서한 해류의 움직임을 에너지화 한 신형 해수력 발전기입니다. 바다 밑에 흔들거리는 해초를 혹시 본적 있으시나요? 낮이나 밤이나 태풍이 부나 비가 오나 상관없이 그냥 바다 밑에서 하늘거리며 흔들리고 있는데 강약이 다르고 방향이 불규칙적이고 그냥 말 그래도 제 마음대로 움직이고 있습니다. 약해 보이지만 엄연히 바다 밑에는 무질서하게 움직이는 해류가 있습니다. 때로는 강하게 때로는 약하게 무질서한 이 흐름을 규칙적인 운동으로 바꿔주는 아이디어를 얻어서 특허등록도 마쳤으며 현재는 시제품을 제작 중에 있습니다. 본 발전기는 태풍이 불어도 상관없고 바다 밑에 대량으로 설치가 가능하기 때문에 많은 발전을 할 수 있으며, 선박의 영향도 받지 않고 땅도 차지하지 않으며 환경파괴가 없을 뿐 더러 재질은 폐플라스틱을 대량으로 재활용할 수 있습니다. 산더미처럼 쌓여가는 폐플라스틱을 처리하지 못해서 골머리를 앓지만 저희 회사의 발전기는 폐플라스틱을 요구도 높지 않고 그냥 녹여서 흔들이 추를 만들어 바다 밑에 깔기만 하면 끊임없이 바다 밑에서 흔들면서 깨끗한 청정전기를 생산해낼 수 있습니다. 비싼 탄소섬유를 쓰는 풍력발전기와 비기면 저희 회사의 해수력 발전기는 99%가 폐플라스틱을 원자재로 사용하기에 단가도 싸고 재활용도 완벽하고 무한한 그린에너지를 생성하여 바다물을 전기 분해하여 수소를 생성하여 수소사회에 진입할 수 있는 기회를 마련할 수 있습니다.