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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

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The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

KIEE Vol. 73, No. 07, p.1147-1154

ISSN (print) :

1975-8359

ISSN (online) :

2287-4364

Received : 08 Jan 2024Revised : 25 Jan 2024Accepted : 02 Feb 2024

DOI :

https://doi.org/10.5370/KIEE.2024.73.7.1147

블레이드리스 풍력발전시스템용 원통형 리니어 발전기 개발에 관한 연구

A Study of Development of Cylindrical Linear Generator for Bladeless Wind Power Generation System

정성인 (Sung-In Jeong) ^†iD

^†Corresponding Author : Dept. of Electrical Engineering, Gwangju University, Korea E-mail : si.jeong@gwangju.ac.kr

License :

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Translated Abstract

This study focuses on the modeling and analysis of the cylindrical linear generator for a bladeless wind power generation to overcome the limitations and drawbacks of conventional wind turbines. A bladeless wind power generation system has the advantages of low land requirement for installation and maintenance cost compared to a blade wind power turbine. As a results, it is practicable to microgrid by installation on the roof of apartments and buildings, which can maximize unused efficiency. However, a comprehensive study of generator for bladeless wind power generation is still missing in terms of design process such as design and evaluation method. The goal of the research is to analyze the characteristics of cylindrical linear generator oscillating with back-iron and PM for bladeless wind power systems. The proposed generator will be analyzed using magnetic energy by two-dimensional equivalent magnetic circuit network method, and then it has been proved by finite element method and evaluated by manufacture and experiment. Finally, the results of this project will give elaborate information about new generator structures for wind power system and provide insights into the characteristics of bladeless wind power generation.

Key words

Bladeless wind power generation, Linear generator, Microgrid, Resonance, Vortex

1. 서 론

2016년 파리협정은 기존의 교토의정서를 대처하고, 전 세계적으로 탄소중립 및 NDC(Nationally Determined Contribution, 국가 온실가스 감축목표)를 제출하여 온실가스 배출량 감축을 목표하였다. 이에 따라 온실가스 배출량이 적은 태양광발전과 풍력 발전이 기술적ㆍ경제적으로 가장 경쟁력 있는 재생에너지로 개발되고 있다. 특히, 풍력발전시스템은 태양광발전시스템과 비교하였을 때, 투자 비용 및 설치 면적에 따라 높은 발전 용량을 생산한다^[1]. 그림 1은 한국풍력산업협회에서 제공하는 국내 풍력발전기 설치 현황에 대한 그래프이다. 2010년 28단지 370[MW]을 생산하던 풍력발전소가 2022년 115단지 1800[MW]까지 증가하고 있는 현황을 파악할 수 있다. 2010년 이전부터 지속적으로 풍력발전기에 대한 수요가 증가하는 추세를 확인할 수 있다^[2].

현재 일반적으로 상용화되고 있는 풍력발전기는 대형화된 수평축 풍력발전기의 형태이며 블레이드, 허브시스템, 회전축, 증속기, 요잉, 피치 시스템 및 브레이크로 구성되어 있다. 수평축 풍력발전기는 구조가 복잡하고 초기 투자 비용이 높으며, 블레이드 면적 및 발전 경제성을 고려한 연평균 풍속에 따라 설치 장소 선정에 어려움이 따른다. 또한, 블레이드와 같은 회전하는 부품이 존재하기 때문에 블레이드리스 대비 발전기 설치 시 넓은 면적이 필요하다^[3].

그림 1. 국내 풍력발전기 설치 현황

Fig. 1. Install State of Wind Power Generator in Domestic

본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고, 공간 효율성 극대화 및 소규모 독립형 전력망(마이크로그리드; Microgrid) 적용을 위하여 기존 풍력발전기에서 블레이드를 제거한 실린더 형태의 블레이드리스(Bladeless) 풍력발전기 개발을 진행하였다. 블레이드리스 풍력발전기의 동특성과 비선형을 고려한 발전기 개발을 통해 풍력발전기의 설계 규칙과 특성을 제공한다.

2. 블레이드리스 풍력발전시스템

블레이드리스 풍력발전시스템은 블레이드를 제거하고, 대류 현상에 의한 공기의 흐름에 따라 발생하는 운동에너지를 이용하여 전기를 생산하는 신재생에너지 발전 방식이다. 원형 기둥(Mast)과 공기 흐름의 상호작용으로 구조물에 진동을 발생시키는 플로터(Flutter)에 의해 진동하는 수직축의 운동에너지를 전기에너지로 변환한다.

그림 2는 블레이드리스 풍력발전시스템을 나타내며, 상부의 발전기가 진동하는 원형 기둥과 이를 지지하기 위하여 지면에 고정된 하부의 기둥의 두 부분으로 기둥 주변으로 와류(Vortex)가 발생하여 탄성 막대에 수직으로 부착된 경량의 실린더가 진동한다. 진동하는 실린더와 연결된 발전기의 영구자석과 전자석 링(Ring)이 서로 밀어내면서 진동을 증폭하고, 발생된 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생성하게 된다. 전후좌우 어느 방향이든지 풍향과 상관없이 바람의 수직 방향으로 진동하여 풍향 변화에도 빠르게 적응할 수 있다.

그림 2. 블레이드리스 풍력발전시스템

Fig. 2. Bladeless Wind Power Generation System

블레이드리스 풍력발전시스템은 원형 기둥 주위에 바람이 일으키는 와류가 에너지원이 되는 원리를 이용한다. 본 시스템에 적용되는 발전기는 원통형 리니어 형태의 진동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기이다.

2.1 공진(Resonance)

공진현상은 고유진동수(주파수)를 지닌 물체가 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받을 때 진폭과 에너지가 증가하는 현상이다. 본 연구에서 다루는 블레이드리스 풍력발전시스템은 와류와 원형 기둥 사이의 주파수를 동일한 크기로 형성하여 공진현상을 발생시킨다.

(1)

$h =D+\alpha\bullet X$

원형 기둥의 진폭인 $X$ , 레이놀즈수 $\alpha$ 및 원형 기둥의 지름인 $D$ 를 이용하여 원형 기둥의 특성 길이 $h$ 을 표현할 수 있다.

(2)

$\alpha =\dfrac{\nu_{air}\bullet h}{\nu_{vis}}$

여기서, 무차원수(Dimensionless Number)인 레이놀즈수는 점성률( $\nu_{vis}$ )과 관성의 비율로 측정되며, 원형 기둥 표면을 지나가는 공기의 상대 속도( $\nu_{air}$ )로 정의된다.

(3)

$f_{vor}=\dfrac{k\bullet\nu_{air}}{h}$

와류의 주파수는 식 (3)을 통해 구할 수 있다. 원형 기둥을 지나가는 공기의 속도 $\nu_{air}$ 와 비례 상수인 $k$ 을 통해 표현할 수 있다.

(4)

$f_{VIV}=\dfrac{k\bullet\nu_{air}}{h+\alpha\bullet X}$

식 (4)는 원형 기둥의 주파수를 나타내며, 식 (3)과 (4)를 통해 와류 주파수 $f_{vor}$ 와 원형 기둥 주파수 $f_{VIV}$ 를 구조적으로 동일하게 형성하여 공진현상을 발생시켜 진동에너지를 생성한다^[4].

2.2 발전시스템

본 연구에서는 실린더 형태의 블레이드리스 풍력발전시스템의 와류 주파수( $f_{vor}$ )와 원형 기둥 주파수( $f_{VIV}$ )를 동일하게 하여 공진현상을 발생시킨다. 이때 발생하는 진동을 통하여 선형운동을 형성하고, 이를 코일과 영구자석을 이용하여 전자기 유도현상을 일으켜 발전시키는 리니어 발전기를 개발하였다. 블레이드리스 풍력 발전용 발전기는 발전시스템의 핵심 기술로 고효율의 발전을 위한 요소 기술이며, 기존 회전형 발전기에 비해 구조가 간단하며, 저비용 및 유지 보수비용 절감의 효과가 크다.

그림 3은 블레이드리스 풍력발전시스템을 위한 전력변환장치(PCS; Power Conditioning System)를 통한 에너지 저장 통합시스템(ESS; Energy Storage System)을 나타낸다. 직류/교류를 변환하는 인버터 내장, 블레이드리스 풍력 발전 전류, ESS 전압 및 인버터 전압 디스플레이 등의 PCS와 ESS 연계한 전력 저장을 MPPT(Maximum Power Point Tracking)를 통해 효율적인 전력 변환과 발전의 성능 및 수익성을 극대화한다.

그림 3. PCS ESS 통합시스템

Fig. 3. The Integrated System of PCS for ESS

3. 블레이드리스 풍력발전기

블레이드리스 풍력발전시스템을 위한 발전기는 직선형 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 원통형 리니어 발전기(Cylindrical Linear Generator)를 적용한다. 리니어 발전기는 기존 로터리 방식 모션(Motion)의 단점인 구동 로드와 크랭크 기어 등의 부가적인 마찰, 중량, 부피와 이에 따른 소모성에 의한 효율 감소를 회피할 수 있으며, 기계적인 소모 감소, 크기의 소형화, 무게의 경량화와 셋업을 가능하게 한다^[5].

그림 4. 원통형 리니어 발전기

Fig. 4. Cylindrical Linear Generator

그림 4는 본 연구에서 적용된 5kW급 원통형 리니어 발전기를 나타낸다. 외곽의 전기자 코일로 구성된 고정자와 내측의 방사형 영구자석과 효율적인 자속의 경로 확보를 위한 철심(Back- iron)의 이동자로 구성되어 있다. 기존의 평각 형태(Flat-type)의 피스톤에 의한 진동은 동손의 증가와 단부 현상(End-effect)에 의해 원통 형태보다 비교열위의 특성을 가진다. 원통 형태의 리니어 발전기의 피스톤은 전기적인 특성의 영향 없이 자유로이 회전함(Free Piston)으로써 누설 자속의 영향이 상대적으로 적다는 장점이 있다^[6].

· 자연스러운 초기 위치 : 고정자 치와 이동자의 인력 평형으로 무부하 시 이동자는 중앙에 위치

· 3극 구조의 소프트 진동 : 이동 변위(Stroke)는 1극 피치로 설정

· 솔레노이드 코일 형태 : 코일 오버행 부재

3.1 리니어 발전기 모델링

원통형 리니어 발전기는 코일과 영구자석을 이용한 전자기 유도현상을 이용하여 전기에너지를 생산한다. 공진현상에 의해 진동하는 이동자인 영구자석의 변위에 따른 모델링을 위하여 공극을 포함한 공기 영역에서의 누설 릴럭턴스를 고려한 등가자기회로망법(EMC; Equivalent Magnetic Circuit)을 이용하여 특성을 분석하고자 한다.

그림 5. 모델링을 위한 원통형 리니어 발전기

Fig. 5. Cylindrical Linear Generator for Modeling

(5)

$\Theta_{a}= N_{c}\bullet I$

(6)

$\Theta_{m}=\dfrac{B_{r}\bullet(r_{1}-r_{2})}{\mu_{0}\bullet\mu_{r}}$

(7)

$R_{\delta}=\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\dfrac{\delta}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})\bullet\tau_{sw}}$

(8)

$R_{m}=\dfrac{1}{\mu_{0}\bullet\mu_{r}}\bullet\dfrac{r_{1}-r_{im}}{2\pi\bullet(r_{1}-r_{im})\bullet l_{m}}$

$\Theta_{a}$ 와 $\Theta_{m}$ 은 각각 코일과 영구자석에 의한 기자력을 나타내고, $R_{\delta}$ 와 $R_{m}$ 는 각각 공극과 영구자석에 의한 릴럭턴스를 나타낸다. 여기서, $N_{c}$ , $I$ 와 $B_{r}$ 은 각각 코일의 턴 수, 전류 및 잔류자속밀도를 의미한다.

최대 및 최소 자기에너지는 그림 6과 7에서와 같이 각각 비정렬 및 정렬 위치에서의 등가자기회로를 이용한 누설 릴럭턴스를 통하여 구할 수 있다.

그림 6. 최대 자기에너지

Fig. 6. Maximum Magnetic Energy

그림 7. 비정렬 위치에서의 퍼미언스

Fig. 7. Permeance at Unaligned Position

(9)

$R_{\sigma 1}=\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\dfrac{\delta}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})\bullet(l_{m}-\dfrac{\tau_{sw}}{2})}$

$+\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\dfrac{\pi}{9}\bullet\dfrac{1}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})}\bullet\dfrac{1}{\ln\left(\dfrac{l_{m}-\dfrac{\tau_{sw}}{2}}{\delta}\right)}$

(10)

$R_{\sigma 2}=\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\dfrac{\delta}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})\bullet(r_{im}-r_{s})}$

$+\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\dfrac{\pi}{2}\bullet\dfrac{1}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})}\bullet\dfrac{1}{\ln\left(\dfrac{r_{im}-r_{s}}{r_{1}-r_{im}}\right)}$

(11)

$P_{b}=\dfrac{1}{R_{b}}\sum\dfrac{2\pi\bullet(r_{cs}-r_{2})dx}{b_{0}+\pi\bullet x}=\int_{r_{1}}^{r_{cs}}\dfrac{\mu_{0}\bullet 2\pi\bullet(r_{cs}-r_{2})}{b_{0}+\pi\bullet x}dx$

$=\dfrac{\mu_{0}\bullet 2\pi\bullet(r_{cs}-r_{2})}{\pi}\bullet\ln\left(1+\dfrac{\pi\bullet(r_{cs}-r_{1})}{b_{o}}\right)$

식 (9)부터 (11)은 최대 자기에너지를 나타내는 비정렬 위치에서의 누설 릴럭턴스이다. 이는 그림 8에서와 같이, $R_{\sigma 1}$ , $R_{\sigma 2}$ 및 $R_{b}$ 의 세 부분으로 나누어 고려하였으며, 각각 왼편, 오른편 및 슬롯 오프닝(Slot-opening)의 누설 릴럭턴스를 나타낸다.

그림 8. 최소 자기에너지

Fig. 8. Minimum Magnetic Energy

그림 9. 정렬 위치에서의 퍼미언스

Fig. 9. Permeance at Aligned Position

(12)

$R_{\sigma 3}=\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\dfrac{\delta}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})\bullet\left(\dfrac{l_{s}}{2}-l_{m}\right)}$

$+\dfrac{1}{\mu_{0}}\bullet\left(\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{9}\right)\bullet\dfrac{1}{2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})}\bullet\dfrac{1}{\ln\left(\dfrac{r_{im}-r_{s}}{r_{1}-r_{im}}\right)}$

(13)

$P_{ns}=\dfrac{1}{R_{ns}}=\sum\dfrac{\mu\bullet 2\pi\bullet(r_{cs}-r_{2})dx}{\lim_{y →\infty}\dfrac{1}{y}+\pi\bullet x}=\int_{0}^{\delta}\dfrac{\mu_{0}\bullet 2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})}{\lim_{y →\infty}\dfrac{1}{y}+\pi\bullet x}dx$

$=\dfrac{\mu_{0}\bullet 2\pi\bullet(r_{2}-r_{1})}{\pi}\bullet\ln\left(1+\dfrac{\pi\bullet\delta}{\lim_{y →\infty}\dfrac{1}{y}}\right)$

식 (12)와 (13)은 최소 자기에너지를 나타내는 정렬 위치에서의 릴럭턴스이다. $R_{\sigma 3}$ 와 $R_{ns}$ 는 각각 대칭인 왼편/오른편 누설 릴럭턴스와 N극/S극 중앙의 공극에서 발생하는 누설 릴럭턴스를 나타낸다.

등가자기회로망법을 이용한 원통형 리니어 발전기의 모델링에서 최대 및 최소 자기에너지는 식 (14) 및 (15)와 같이 자속, 릴럭턴스 및 기자력 상호 간의 행렬식을 통해 표현할 수 있다.

(14)

$\begin{bmatrix}\phi_{1}\\\phi_{2}\\\phi_{3}\\\phi_{4}\\\phi_{5}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}R_{\sigma 1}&-R_{\sigma 1}&0&0&0\\-R_{\sigma 1}&R_{\sigma 1}+R_{b}&-R_{b}&0&0\\0&-R_{b}&R_{b}+R_{\sigma}&-R_{\sigma}&0\\0&0&-R_{\sigma}&R_{\sigma}+R_{\sigma 2}&-R_{\sigma 2}\\0&0&0&-R_{\sigma 2}&R_{\sigma 2}+R_{m}\end{bmatrix}^{-1}\bullet\begin{bmatrix}\Theta a\\0\\0\\0\\\Theta m\end{bmatrix}$

(15)

$\begin{bmatrix}\phi_{6}\\\phi_{7}\\\phi_{8}\\\phi_{9}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}\dfrac{R_{\sigma 2}}{2}&-\dfrac{R_{\sigma 2}}{2}&0&0\\-\dfrac{R_{\sigma 3}}{2}&\dfrac{R_{\sigma 3}}{2}+R_{ns}&-R_{ns}&0\\0&-R_{ns}&R_{ns}+R_{\sigma}&-R_{\sigma}\\0&0&-R_{\sigma}&R_{\sigma 2}+R_{m}\end{bmatrix}^{-1}\bullet\begin{bmatrix}\Theta a\\0\\0\\\Theta m\end{bmatrix}$

기하학적 파라미터에 의한 원통형 리니어 발전기의 전자계 힘은 식 (16)의 최대와 최소 자기에너지의 차이를 한 주기의 이동 변위로 나눈 값으로 구할 수 있다.

(16)

$\triangle W = W_{\max}-W_{\min}=(\dfrac{1}{2}\bullet\phi^{2}\bullet R_{\max})-(\dfrac{1}{2}\bullet\phi_{\min}^{2}\bullet R_{\min})$

$=\dfrac{1}{2}\bullet[(\phi_{\max}^{2}\bullet R_{\max}-\phi_{\min}^{2}\bullet R_{\min})]$

(17)

$F_{ave}=\dfrac{\triangle W}{\tau_{p}}$

3.2 유한요소분석

등가자기회로망법을 이용한 원통형 리니어 발전기의 모델링은 유한요소법을 통한 수치해석으로 타당성이 검증된다. 원통형 리니어 발전기의 자계 분포 특성방정식 수립은 다음 가정을 전제로 그림 10과 같이 표현할 수 있다.

전기강판의 상대 투자율은 유한함.

고정자 권선은 공간 및 시간 변화에서 등가전류 시트로 대체 가능하고, 전류 시트는 고정자와 공극 사이의 고정자 표면에 위치함.

그림 10. 각 영역에서의 자계 분포

Fig. 10. Analytical Field Model

각 영역에서의 특성방정식은 맥스웰 방정식을 통한 포와송 방정식에 의해 표 1과 같이 간단히 표현된다.

표 1 영역별 지배방정식

Table 1 Governing Partial Differential Equations

영역	$\mu_{r}$	방정식
고정자(Stator)	$\infty$	$\nabla^{2}A = 0$
코일(Coil)	1	$\nabla^{2}A = -\mu_{0}\times J$
공극(Air)	1	$\nabla^{2}A = 0$
영구자석(PM)	$\mu_{r}$	$\nabla^{2}A =\nabla\times B_{r}$
이동자 철심(Back-iron)	$\infty$	$\nabla^{2}A = 0$

그림 11. 등가전류 분포

Fig. 11. Equivalent Current Sheet Distribution

그림 11과 같이 전류 시트(Sheet) 분포 $J(z)$ 에 의한 시간 차분 자계 분포는 푸리에 급수를 통하여 식 (18)과 같이 표현할 수 있다.

(18)

$J(z)=\sum_{n-1,\: 2,\: ..}^{\infty}J_{n}\bullet\sin kn z$

$=\sum_{n-1,\: 2,\: ..}^{\infty}\left[\dfrac{4J_{0}}{\pi(2n-1)}\sin\dfrac{(2n-1)\tau_{w p}}{2\tau_{p}}\sin\dfrac{(2n-1)l_{c}}{2\tau_{p}}\right]kn z$

위 식에서 $kn=(2n-1)\pi /\tau_{p}$ 이고, $\tau_{p}$ 와 $\tau_{w p}$ 는 각각 극 피치와 코일 피치를 나타낸다.

로렌츠 힘에 의해 밴드로 처리된 공극의 자속은 식 (19)에 의해서 구할 수 있으며, 이를 통해 발생 힘은 식 (20)으로 표현된다.

(19)

$\psi_{\delta}=\int_{-\tau_{m}}^{\tau_{m}}2\pi\bullet r_{1}\bullet B_{\delta}dz$

(20)

$F =\int_{V}(J_{n}\times B)d V = 2\pi\bullet\Theta\bullet l_{m}\bullet\dfrac{\phi_{\delta}}{(r_{1}^{2}-r_{im}^{2})\pi}$

그림 12. 원통형 리니어 발전기의 자속 특성

Fig. 12. Characteristics of Cylindrical Linear Generator

등가자기회로망법을 통한 초기 설계 과정의 힘 특성 분석은 유한요소분석을 통해 그림 12와 같이 이동 변위(Stroke) 40[mm]의 초기 위치 0[mm], 상부 및 하부 각 20[mm]의 자속 특성을 보여주고 있다. 자기포화 현상을 고려하여 전 영역에서 최대 자속밀도는 1.8[T]을 초과하지 않는 범위에서 분석을 진행하였다.

3.3 분석 결과

그림 13은 원통형 리니어 발전기 개발을 위한 초기 설계 단계로써 등가자기회로망법과 그에 대한 타당성 검증을 위한 유한요소 분석을 통한 힘 특성 결과를 나타낸다. 등가자기회로망법과 유한요소법에 따른 결과 비교에서 약 8[%]의 오차가 존재한다. 이는 기하학적 형상의 고정자 슬롯 오프닝의 고려 유무와 다양한 철심 재질의 철손의 차이 및 자기포화 현상에 기인한다.

그림 13. 힘 특성 결과 비교

Fig. 13. Comparison of Average Force Characteristics

4. 리니어 발전기 제작 및 평가

등가자기회로망법과 유한요소법에 의한 설계 및 수치분석을 통해 본 본 연구에서 제안하는 원통형 리니어 발전기의 실제 기하학적 치수와 테스트 벤치가 각각 그림 14와 15에 제시되었다.

성능 평가를 위해 동기 서보 전동기의 전력 데이터를 통해 본 발전기에서 발생한 전압과 단락 전류를 계산한다. 본 실험을 통해 설계 과정과 결과를 확인하고, 그에 따른 발전기 성능을 측정하기 위한 결과를 제시한다. 실제 동기 발전기의 성능을 평가하기 위해서 개회로, 단락 및 부하시험의 평가가 이루어진다.

그림 14. 원통형 리니어 발전기 치수

Fig. 14. Dimension of the Cylindrical Linear Generator

4.1 개방 회로(Open Circuit) 시험

영구자석 이동자의 전압은 단자 전압과 동일하다. 즉, 부하와 연결되지 않은 단자와 계자 전류는 0으로 설정되었다. 이후 발전기를 정격 속도로 운전시키고, 계자 전류가 점진적으로 증가함에 따라 단자 전압은 주파수를 가변함으로써 측정된다.

(21)

$V_{s}=\left(R_{s}+j X_{d}\right)I_{s}+ V_{p}$

여기서, $V_{p}=j X_{d}I_{f}$ 이고, 고정자 저항은 상대적으로 큰 리액턴스로 인해 무시되었다.

그림 15. 테스트 벤치

Fig. 15. Test Environment for Measurement

그림 16. 무부하 등가회로

Fig. 16. Equivalent Circuit under No-load

그림 17. 무부하 시 주파수별 전압 특성

Fig. 17. Voltage Profile by Frequency in No-load

그림 17과 같이, 개회로 실험에서 발전기는 외부 회로와 단절되어 전압에 따라 속도가 증가한다. 고정자 전류가 0이므로 측정된 전압은 유도 전압이 된다. 개회로 실험에서 전압은 속도가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다.

4.2 단락(Short Circuit)시험

영구자석 이동자의 전압은 리액턴스 $-j X_{d}I_{k}$ 에 의한 전압강하로 0이 된다. 즉, 감자 현상이 발생하며, 이때의 전압 방정식은 식 (22)과 (23)이 된다.

(22)

$0 = j X_{d}I_{s}+ V_{p}$

(23)

$I_{s}= -I_{k}= -\dfrac{V_{p}}{j X_{d}}= j\dfrac{V_{p}}{X_{d}}$

실제 출력은 0이 되며, 단락시험은 무효 전력 상태이다. 그림 18은 이 경우 등가회로와 페이지 도를 나타낸다.

그림 18. 단락 회로 및 페이저 도

Fig. 18. Short Circuit and Phasor Diagram

그림 19. 단락시험 시 주파수별 특성

Fig. 19. Voltage by Frequency in Short Circuit Test

동기 리액턴스는 전기자반작용에 의한 리액턴스와 전기자 코일 누설 리액턴스의 결합으로 나타난다. 그림 19의 단락 전류는 개방 회로 결과와 유사하게 단락시험에 의한 전류도 선형적으로 변화한다. 본 결과는 유도 전압과 전기자반작용이 가장 클 때, 전류 범위에 대한 정보를 제공한다. 이는 동기 리액턴스의 근사화에 사용된다.

4.3 부하(On Load)시험

부하 실험은 부하 저항을 연결하여 저항을 가변함으로써 단자 전압, 전류 및 출력을 측정한다. 본 실험에서는 저항값을 0.6[Ω]과 0.9[Ω]의 가변 저항을 통해 특성을 살펴보았다. 부하 시, 측정을 위한 등가회로 및 페이저 도가 그림 20에 나타내었다.

그림 20. 부하 등가회로 및 페이저 도

Fig. 20. Equivalent Circuit and Phasor Diagram in Load

가변 저항을 통한 0.6[Ω]과 0.9[Ω]의 특성을 살펴보면 주파수가 증가할수록 출력, 단자 전압 및 부하 전류가 모두 증가한다. 반면에 단자 전압이 감소하면 발전기의 출력이 감소함을 알 수 있다. 본 측정에서 전기 저항은 0이고, 쇄교 자속은 일정하다는 가정을 전제로 진행하였다. 설계와 제작을 통한 발전기의 성능은 실험을 통해 평가할 수 있다. 본 실험은 개방 회로, 단락시험 및 부하시험에 의한 원통형 리니어 발전기의 성능 평가를 통해 더욱 정확하고 지속 가능한 동작을 위한 효과적인 결과를 제공한다.

그림 21. 부하시험 시 주파수별 저항 변화에 따른 특성

Fig. 21. Characteristics by Frequency/Resistance in Load

5. 결 론

전 세계적으로 탈(脫)탄소 전략과 정책 일환으로 신재생에너지에 관한 관심과 친환경 에너지 기술에 관한 수요가 급증하고 있다. 특히, 풍력 발전은 태양광발전과 함께 기술적·경제적으로 가장 경쟁력 있는 신재생에너지 기술로 주목받고 있다. 현재 적용되는 풍력발전기는 대형화된 수평축 풍력발전기 형태로 블레이드, 허브 시스템, 회전축 등으로 구성되어 있어 구조가 복잡하고 고비용이 발생한다. 또한, 발전사업 개발 시 사업 수행을 위한 투자 비용의 약 30% 수준의 유지관리비가 발생할 뿐만 아니라 설치 시 블레이드 등을 고려한 토지 요구율이 높다. 이러한 단점을 극복하고자 블레이드를 제거한 블레이드리스 풍력발전시스템은 원형 기둥과 공기 흐름의 상호작용으로 플로터에 의해 진동하는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 방식으로 발전된다.

본 연구에서는 블레이드리스 풍력발전시스템을 위한 원통형 리니어 발전기의 설계 방법으로 등가자기회로망법을 통하여 제시하고, 자기포화를 고려한 유한요소법을 통해 발전기의 정확한 모델링에 대한 검증이 이루어졌다. 마침내 제작과 실험을 통한 무무하, 부하 및 단락시험 결과는 기기의 성능 평가로 이루어졌다. 본 연구 결과는 원통형 리니어 발전기의 설계 방법과 병행으로 성능 데이터, 수학적 계산, 시뮬레이션 등의 설계 규칙에 대한 정교한 정보를 제공한다. 본 연구에서 제안한 방법은 기기의 정확한 설계 및 분석 시간의 최소화에 유용할 것이다.

Acknowledgements

This study was conducted by research funds from Gwangju University in 2024.

This research was supported by "Regional Innovation Strategy (RIS)" through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(MOE) (2021RIS-002).

References

Haeun Noh and Jae Young Lee, “Numerical Analysis for the Performance Test of a Piezoelectric Film used in Wind Energy Harvesting (WEH) Device,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - B, vol. 47, no. 6, pp. 289-296, 2023.

Korea Wind Energy Industry Association, “Installation Status in 2023,” 2023.http://www.kweia.or.kr/bbs/board.php?bo_table=sub03_03

Premalatha, M., Abbasi, T., Abbasi, and S.A., etal, “Wind energy: Increasing deployment,rising environmental concerns,” Renewableand Sustainable Energy Reviews, vol. 31, pp. 270–288, 2014.

D.J. Yáñez, “VIV Resonant Wind Generators,” 2018.https://vortexbladeless.com

Sung-In Jeong, “Design of Linear Transverse Flux Machine for Stelzer Machine using Equivalent Magnet Circuit and FEM,” Journal of Electrical Engineering & Technology, vol, 13, no, 4, pp. 1596-1603, 2018. https://doi.org/10.1007/s42835-023-01726-2

Sung In Jeong, Comparative Study of Linear Oscillating Generators, Dissertation an der Technischen Universität Braunschweig, 2015.

저자소개

정성인(Sung-In Jeong)

He received B.S. and M.S. degrees in Electrical Engineering from Dongguk and Hanyang University, South Korea, respectively. And then he was responsible for the development of electrical machine and its drive at Samsung Heavy Industry, Samsung Electronics, and Daewoo Electronics, in order. After he received Dr.- Ing. degree from Technical University Braunschweig, Germany, he was in the Daelim Motor, South Korea. Since March 2018, he has joined Gwangju University, where he is currently a professor in the dept. of electrical engineering. His research and development field and interest included design, analysis and drive of electric machine for seamless e-mobility.

KIEEThe Transactions ofthe Korean Institute of Electrical Engineers

The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

ISO Journal TitleTrans. Korean. Inst. Elect. Eng.

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A Study of Development of Cylindrical Linear Generator for Bladeless Wind Power Generation System

Translated Abstract

Key words

1. 서 론

2. 블레이드리스 풍력발전시스템

2.1 공진(Resonance)

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 발전시스템

3. 블레이드리스 풍력발전기

3.1 리니어 발전기 모델링

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

3.2 유한요소분석

(18)

(19)

(20)

3.3 분석 결과

4. 리니어 발전기 제작 및 평가

4.1 개방 회로(Open Circuit) 시험

(21)

4.2 단락(Short Circuit)시험

(22)

(23)

4.3 부하(On Load)시험

5. 결 론

Acknowledgements

References

저자소개

정성인(Sung-In Jeong)

Article Information (continued)

Key words

KIEEThe Transactions of
the Korean Institute of Electrical Engineers