KR100743931B1 - 풍력발전기 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전기 및 그 제어방법에 관한 것으로, 풍력발전기의 로터(4) 블레이드(4a)에 직접 풍향풍속계(5')를 장착하여 블레이드(4a)에 의해 교란이 발생하지 않은 풍향과 풍속을 정확하게 측정할 수 있게 됨으로써 블레이드 피치각 제어, 너셀 방향 제어 및 발전기 토크 제어 등의 각종 제어 수행시 보다 정확한 풍향과 풍속에 기반하게 됨으로써 풍력발전기의 효율과 장치의 안정성이 향상되는 효과가 있다.

Description

풍력발전기 및 그 제어방법{wind power generator and its control methods}

도 1은 종래 풍력발전기의 구성도 및 작동제어 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 구성도,

도 3은 초음파 풍향풍속계의 일예를 도시한 도면,

도 4는 블레이드에 작용하는 속도벡터를 도시한 도면,

도 5는 로터의 정면 개략도로서, 블레이드상의 풍향풍속계 설치위치를 설명하기 위한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 풍력발전기의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 타워, 2 : 너셀,

3 : 회전축, 4 : 로터,

4a : 블레이드, 5,5' : 풍향풍속계.

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 풍향 및 풍속을 보다 정확히 측 정하여 보다 효율적인 제어가 가능하도록 된 풍력발전기 및 그 제어방법에 관한 것이다.

풍력발전이란 공기의 유동 즉, 바람이 가진 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 뒤 이를 이용하여 전기에너지를 생산하는 기술로서, 어느 곳에나 존재하는 바람을 에너지원으로 이용함으로써 에너지원 사용에 소모되는 비용이 들지 않고, 또한 환경저해요인이 거의 없는 무공해 발전기술로서 점차 사용범위가 증가하고 있다.

풍력발전을 위한 풍력발전기는 대체로 도 1에 도시된 바와 같이, 지면에 견고하게 세워지는 타워(1)와, 상기 타워(1)의 상단에 회동가능하게 장착되며 그 내부에 증속기, 발전기 및 제어장치들을 갖춘 너셀(2)과, 상기 발전기의 회전축(3) 선단에 장착되는 로터(4)로 구성되며, 상기 로터(4)는 대부분 2 ~ 3개의 블레이드(4a)를 가지는 구조로 제작된다.

따라서, 전방으로부터 불어오는 바람에 의해 로터(4)가 회전되면, 회전축(3)을 매개로 발전기의 회전자가 회전되어 대응되는 고정자에 유도전류가 발생함으로써 전류가 생산되도록 되어 있다.

한편, 상기 풍력발전기는 바람이 많이 부는 노지(露地)에 설치되는 것으로, 강풍에 노출되었을 때 파손되지 않도록 안전성을 확보하고, 또한 불어오는 바람의 에너지를 최대한 활용하여 전력생산량을 극대화 즉, 발전효율을 최대화하기 위하여 상기 너셀(2)의 방향과 블레이드(4a)의 피치각도를 조절해주기 위한 너셀 방향 조절장치(=요잉시스템)와 블레이드 피치각 조절장치 및 발전기 토크 조절장치 등을 갖추고 있다.

상기 각종 조절장치들의 작동을 제어하기 위해서 필요한 중요한 인자가 바로 풍향과 풍속이며, 이의 측정을 위하여 종래에는 도시된 바와 같이 너셀(2)의 상단에 풍향풍속계(5)를 설치하였다.

따라서, 상기 풍향풍속계(5)에서 측정된 풍향과 풍속에 기반하여 블레이드의 피치각도를 장치 기동과 정격출력 유지 및 강풍에 대응하는 상태로 조절하고(블레이드의 피치각도를 측정하기 위한 센서도 구비되어 있다.), 너셀(2)의 방향을 풍향과 정면으로 마주보도록(풍향에 대해 로터(4)의 회전면이 수직이 되는 상태) 조절하며, 발전효율을 향상시키기 위해 발전기의 토크 제어를 실시하게 된다.

상기 너셀(2)의 방향을 풍향과 마주보도록 위치시키는 것은 공력을 최대한 이용할 수 있도록 함과 더불어, 블레이드(4a)에 발생하는 모멘트가 균형을 이루도록 하여 블레이드(4a)의 휨, 로터(4)의 진동 및 그 외 작동부분의 피로 하중 증가를 방지함으로써 장치가 안정적으로 작동하도록 하기 위함이다.

특히, 바람의 입력 속도와 로터(4) 즉, 블레이드(4a)의 각속도의 비로서 정의되는 선단속도비가 최대 효율을 낼 수 있는 상태로 일정하게 유지되어야만 풍력발전기가 입력되는 바람의 공력을 최대한 이용할 수 있게 된다.

한편, 풍력발전기에서 바람은 상기 블레이드(4a)를 통과하면서 항적효과(wake effect)에 의해 속도가 저하되고 난류 성분이 강한 상태로 변화되는데, 상기한 바와 같이 종래에는 풍향풍속계(5)가 로터(4)의 후방인 너셀(2)의 상단에 설치되어 있었으므로 상기 풍향풍속계(5)에서 측정된 풍향과 풍속은 실제로 로터(4)에 작용하는 풍향 및 풍속과는 다를 수 밖에 없었다.

따라서, 종래에는 풍향의 경우 오차를 무시하고 사용하였고, 풍속의 경우에는 정확한 측정이 가능한 회전축(3)의 회전속도를 측정하여 공력학식의 변수치환을 통해 입력 풍속을 산출하여 사용하고 있었다.

그러나 이 경우에도 장치의 구동으로 인한 에너지 손실분(마찰손실, 동력전달효율로 인한 손실)이 있으므로 로터(4)로 입력되는 실제 풍속과는 차이가 있을 수 밖에 없었으며, 결국 최적의 선단속도비를 유지하는 상태로 블레이드(4a)의 피치각 제어 및 발전기 토크 제어가 이루어질 수 없었으므로, 입력되는 공력을 최대한 활용할 수 없어서 발전효율이 저하되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 보다 정확한 풍향과 풍속의 측정이 가능해짐으로써 풍력발전기를 구성하는 각종 조절장치들의 작동제어를 보다 효율적으로 행할 수 있게 되어 발전성능 및 장치의 안정성을 향상시킬 수 있도록 된 풍력발전기 및 그 제어방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 장치는,

타워 상단에 너셀이 설치되고, 이 너셀 선단의 회전축에 수개의 블레이드로 이루어진 로터가 장착되며, 너셀 방향 조절장치와 블레이드 피치각 조절장치, 발전기 토크 조절장치 등을 포함하여 구성된 풍력발전기에 있어서,

상기 로터의 블레이드에 풍향풍속계가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 방법은 블레이드의 선단속도비가 최대 효율 선단속도비로 유지되도록 블레이드 피치각 및 발전기의 토크를 제어함에 있어서, 상기 블레이드에 장착된 풍향풍속계를 통해 측정된 실제 풍속으로 실제 선단속도비를 산출하고, 측정된 실제 선단속도비와 상기 최대 효율 선단속도비 간의 오차를 반영하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면을 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기의 사시도이다.

본 발명이 적용되는 풍력발전기는 타워(1)의 상단에 너셀(2)이 설치되고, 이 너셀(2) 선단의 회전축(3)에 2~3개의 블레이드(4a)로 이루어진 로터(4)가 장착된 구성으로 이루어지며, 상기 너셀(2)의 내부에 구비된 증속기, 발전기 및 너셀 방향 조절장치와 블레이드 피치각 조절장치, 발전기 토크 조절장치 등을 포함하고 있다.

또한, 상기 각 조절장치들을 제어하기 위한 입력요소로서 사용하기 위하여 풍향 및 풍속을 측정하는 풍향풍속계(5')를 갖추게 되는데, 본 발명은 상기 풍향풍속계(5')가 상기 로터(4)의 블레이드(4a)에 설치된 것에 그 특징이 있다.

즉, 상기 블레이드(4a)를 통과하면서 발생하는 항적효과에 의한 영향을 배제하고 로터(4)를 작동시키는 바람의 정확한 풍향과 풍속을 측정하기 위하여 상기 블레이드(4a)에 풍향풍속계(5')를 직접 설치하는 것이다.

그 실시예로서는 다음과 같은 경우를 들 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(4a) 선단(로터 회전방향쪽 단부=도 2에서 단면의 왼쪽 끝부분)에 풍향풍속계(5')를 장착하는 것이다.

풍향풍속계에는 초음파식, 열선식, 압력식, 프로펠러식 등 여러 가지가 있다. 어떤 형식의 것을 사용해도 무방하나, 가동부가 없어 고장이 적고 크기가 작으며 정확도가 우수한 초음파식 풍향풍속계를 사용하는 것이 바람직하며, 그 차원형식(2차원 및 3차원)에 관계없이 양자 모두 사용할 수 있다.

상기 초음파식 풍향풍속계(5')는 도 3에 도시된 바와 같이, 바디(5a')와, 바디(5a')의 일단에 3방향으로 장착된 지지대(5b')와, 각 지지대(5b')의 상호 마주보는 양단부에 각각 장착된 송신기(5c') 및 수신기(5d')로 이루어지며, 블레이드(4a)의 선단에 장착된 마운팅브라켓(6)에 상기 바디(5a')가 고정됨으로써 블레이드(4a)에 장착된다.

상기 송신기(5c') 및 수신기(5d')에 연결된 신호선들은 바디(5a')를 통하여 블레이드(4a) 내부에 구비된 풍향풍속계 제어모듈(5e')에 연결되며, 제어모듈(5e')로부터 풍력발전기의 메인 제어유니트(상기 각 조절장치들을 제어하는 제어유니트)로의 연결은 블레이드(4a)와 회전축(3)의 내부를 경유하는 실제 선으로 연결될 수도 있고, 각각에 송/수신기를 설치하여 무선통신으로 신호를 전달할 수도 있다.

한편, 공력을 발생하는 블레이드 입력 속도벡터는 도 4에 도시된 바와 같이, 각속도에 의한 블레이드 선단의 속도벡터 U, 바람의 속도벡터 V, 상기 U와 V에 의한 블레이드에 입력되는 속도벡터 C가 존재하게 된다.

그리고, 블레이드의 선단속도비 λ = ω·R/ V 이다.(ω는 각속도, R은 로터 반경, V는 풍속)

여기서, 상기 ω·R 은 상기 각속도에 의한 블레이드 선단의 속도벡터 U에 해당되고, 상기 각속도 ω는 회전축(3)에 설치된 속도센서로부터 추출이 가능하므로 상기 U를 알 수 있다.

그리고, 풍향풍속계(5')가 설치된 블레이드 상의 위치(R1; 도 5참조)를 알게 되면, R과 R1과의 비에 의해 풍향풍속계(5')에서 측정된 값을 R에 대한 C로 변환할 수 있다.

따라서, U와 C를 얻을 수 있고, 이를 통해 V를 알 수 있게 된다. 즉, 실제로 로터(4)를 통과하는 바람의 속도벡터(풍향 및 풍속)를 알 수 있게 된다.

이때 상기 풍향풍속계(5')가 설치된 블레이드(4a) 상의 위치(R1)는 설계시 결정되는 것이다. 따라서 상기 풍향풍속계(5')는 도 2와 같이 블레이드(4a)의 선단축을 따라 어느 곳에든 설치될 수 있으며, 도 6과 같이 블레이드(4a)의 팁(tip) 즉, 반경방향 외측 단부에도 설치될 수 있다.

한편, 상기와 같이 정확한 풍향이 측정됨에 따라 본 발명은 상기 너셀(2)을 풍향에 정확히 수직인 바람직한 상태로 위치시킬 수 있게 됨으로써 블레이드에 발생되는 모멘트의 불균형을 막아 장치의 진동을 저감시키고 작동부의 피로누적을 방지하여 내구수명을 연장시킬 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 정확한 풍속이 측정됨에 따라, 종래에 최대 효율 선단속도비를 추정하는 제어를 통하여 공력이용효율 즉, 발전효율을 최대화하고자 하는 블레이드 피치각 조절 및 발전기 토크 조절시 선단속도비가 일정하게 유지되는 것으로 가정하고 제어를 실시하였으나, 본 발명에서는 정확한 풍속 측정을 통해 실제 선단속도비를 알 수 있게 됨으로써 상기 블레이드 피치각 및 발전기 토크 조절시 선단속도비 오차(즉, 최대 효율 선단속도비 - 실제 선단속도비)를 반영하여 발전시 최대 효율 선단속도비를 유지할 수 있도록 함으로써 풍력발전기의 효율이 향상되게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 풍향풍속계를 로터의 블레이드에 직접 장착하여 실제 로터를 작동시키는 풍향 및 풍속을 정확하게 알 수 있게 됨으로써 풍력발전기 작동시 실시되는 너셀 방향 제어, 블레이드 피치각 제어, 발전기 토크 제어 등 각종 제어를 보다 정확하게 실시할 수 있게 되어, 발전기의 효율과 안정성이 향상되고, 내구수명이 연장되는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 타워(1) 상단에 너셀(2)이 설치되고, 이 너셀(2) 선단의 회전축(3)에 수개의 블레이드(4a)로 이루어진 로터(4)가 장착되며, 너셀 방향 조절장치와 블레이드 피치각 조절장치, 발전기 토크 조절장치 등을 포함하여 구성된 풍력발전기에 있어서,

   상기 로터(4)의 블레이드(4a)에 풍향풍속계(5')가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 풍향풍속계(5')가 상기 블레이드(4a)의 선단(회전방향쪽 단부)에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 풍향풍속계(5')에 연결된 신호선들은 블레이드(4a) 내부에 구비된 풍향풍속계 제어모듈(5e')에 연결되며, 이 제어모듈(5e')로부터 블레이드(4a)와 회전축(3)의 내부를 경유하여 메인 제어유니트로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 풍향풍속계 제어모듈(5e')과 상기 메인 제어유니트에 각각 송/수신기가 구비되어 상호 무선통신하도록 된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 풍향풍속계(5')가 상기 블레이드(4a)의 팁(tip)에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 블레이드(4a)의 선단속도비가 최대 효율 선단속도비로 유지되도록 블레이드 피치각 및 발전기의 토크를 제어함에 있어서, 상기 블레이드(4a)에 장착된 풍향풍속계(5')를 통해 측정된 실제 풍속으로 실제 선단속도비를 산출하고, 측정된 실제 선단속도비와 상기 최대 효율 선단속도비 간의 오차를 반영하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 제어방법.

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