KR100895760B1 - 풍력 발전소용 로터 블레이드 - Google Patents

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Abstract

로터 블레이드 노우즈를 가진 풍력 발전 설비용 로터 블레이드를 설명한다. 침착물 센서 장치는 상기 로터 블레이드 노우즈 영역에 배열된다. 이 침착물 센서는 전송 링크를 통한 신호의 무선 송신을 위한 송신기와 송신 링크를 통해 무선으로 송신된 신호를 수신하는 수신기를 갖는다. 표면 상의 침착물은 송신 링크를 통해 송신된 신호를 기초로 송신 링크 영역에서 감지될 수 있다.

Description

풍력 발전소용 로터 블레이드{ROTOR BLADE FOR A WIND POWER STATION}
본 발명은 풍력 발전 설비용 로터 블레이드 및 상응하는 로터 블레이드를 가진 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
풍력 발전 설비와 관련하여, 특히 1년 중 추운 시기에 적절한 해빙 조치를 취하기 위해 로터 블레이드 상의 결빙을 감지하는 것이 바람직하다. 결빙이 생기면 로터 블레이드의 무게가 증가하므로, 로터 블레이드의 결빙은 바람직한 것이 아니다. 또한 풍력 발전 설비의 작동 중에 로터 블레이드에서 떨어져 나오는 얼음 덩어리들은 위험한 투사물이 되어 사람에게 부상을 입히거나 재사에 손상을 입힐 수 있다. 뿐만 아니라, 로터 블레이드에서 떨어져 나오는 얼음 덩어리들은 로터 블레이드의 불균형을 일으킬 수 있고, 결국 설비를 중단해야 하는 결과를 초래할 수 있다. 그러나 경제적인 이유로 설비를 중단하는 것은 바람직하지 않다.
이를 막기 위해, 여러 풍력 발전 설비가 결빙의 최초 시작을 막기 위한 로터 블레이드용 가열 장치를 가지고 있다. 또한 풍력 발전 설비는 최초 결빙이 생겼을 경우에도 중단될 수 있다. 그러나 이와 같은 경우에는 최초 결빙을 신뢰성 있게 감지해야 한다.
풍력 발전 설비의 로터 블레이드 상의 결빙의 최초 시작을 감지하기 위해 알 려진 센서 시스템을 이용할 경우 상응하는 센서들은 설비의 포드에 설치된다. 그러나 이것은 서로 다른 흐름 상태가 로터 블레이드에 만연할 때 흐름과 결빙 상태의 직접적인 비교를 달성하는 것이 불가능함을 의미한다.
DE 202 06 704는 풍력 발전 설비용 얼음 센서를 보여준다. 이 얼음 센서는 로터 블레이드 팁 부근에 배치된다. 확인된 데이터는 적절한 조리를 취할 수 있도록 기본 기상 상태와 관련을 맺고 처리된다.
현시점에서 최근의 기술로서 일반적으로 하기의 공보에도 관심이 쏠리고 있다: DE 199 27 015 A1, DE 103 15 676 A1, DE 101 60 522 A1, DE 200 21 970 U1.
따라서 본 발명의 목적은 오물과 같은 침착물과 최초 결빙을 구분할 수 있는 풍력 발전 설비용 로터 블레이드를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1에 상술된 로터 블레이드와 청구항 11에 상술된 풍력 발전 설비에 의해 달성된다.
따라서 로터 블레이드 노우즈(nose)를 가진 풍력 발전 설비용 로터 블레이드가 구비되어 있다. 침착물 센서 장치는 로터 블레이드 노우즈 영역에 배치되어 있다. 이 침착물 센서 장치는 송신 링크를 통한 신호의 무선 송신을 위한 송신기와 송신 링크를 통해 무선으로 송신된 신호를 수신하는 수신기를 갖고 있다. 송신 링크를 통해 통신된 신호를 기초로 송신 링크 영역 내 표면 상의 침착물을 감지하는 것이 가능하다.
따라서 신속하고 신뢰성 있게 로터 블레이드 표면 상의 침착물을 감지할 수 있는 침착물 센서 장치를 가진 로터 블레이드가 구비되어 있다.
본 발명의 한 측면에서, 풍력 발전 설비의 로터 블레이드는, 변화를 결정하기 위해 송신기에 의해 송신되고 수신기에 의해 수신된 신호들을 비교하는 역할을 하는 비교 장치가 있다. 송신된 신호의 변화를 결정함으로써, 침착물이 직접 감지될 수 있도록 송신 링크의 송신 거동의 변화 정도를 직접 결정하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 비교 장치는, 데이터 뱅크가 설정되도록, 수신된 신호에 대하여 감지된 변화를 저장하는 저장 장치를 갖는다. 침착물이 발생하면, 빈도 및 상태와 관련한 결론은 데이터 뱅크를 기초로 확인될 수 있다.
본 발명의 바람직한 측면에서, 침착물 센서 장치는 광센서 장치를 나타낸다. 따라서 침착물의 감지는, 풍력 발전 설비의 전자 및 전기 부품과의 상호작용이 없도록 광신호에 기초하여 달성된다.
본 발명의 또 다른 측면에서, 송신기는 커플링 아웃(coupling-out) 렌즈를 갖고, 수신기는 커플링 인(coupling-in) 렌즈를 갖는다. 광신호의 송신과 관련된 효과는 이러한 방식으로 향상될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 측면에서, 송신기와 수신기는 모두 광 도파로(optical waveguide)를 통해 비교 장치에 각각 연결된다. 이러한 방식으로 번개로부터의 보호도 향상시키기 위해 로터 블레이드 내 전선을 피하는 것이 가능하다.
본 발명의 또 다른 측면은 첨부된 청구항들의 주요 내용이다.
본 발명과 그 예를 통한 실시예들은 도면을 참조하여 하기에 더 상세히 설명된다.
도 1은 제1 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 정면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 일부분의 단면도를 도시한다.
도 3은 도 1의 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 로터 블레이드의 일부분의 평면도를 도시한다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 풍력 발전 설비의 정면도를 도시한다. 이 배열에서 풍력 발전 설비는, 파일론(pylon)(10), 포드(pod)(20), 및 세 개의 로터 블레이드(30)를 갖는다. 침착물 센서(1)는 각 로터 블레이드에 배열된다. 바람직하게는 침착물 센서(1)는 로터 블레이드 노우즈에 배열된다. 침착물 센서(1)는 각각 광 도파로(2)를 통해 비교 장치(3)에 연결된다.
도 2는 도 1의 풍력 발전 설비의 로터 블레이드(30)의 일부분의 단면도를 도시한다. 특히 침착물 센서(1) 영역 내 로터 블레이드 부분이 여기에 도시되어 있다. 침착물 센서는 로터 블레이드(30)의 로터 블레이드 노우즈(31) 영역에 탑재되어 있다. 침착물 센서(1)는 실질적으로 광 송신기(11)와 광 수신기(12)를 갖는다. 광 송신기(11)에는 커플링 아웃 렌즈(11a)가 구비되어 있고, 광 수신기(12)에는 커플링 인 렌즈(12a)가 구비되어 있다. 광 송신기(11)와 광 수신기(12)는 광 도파 로(11b, 12b, 2)를 통해 각각 비교 장치(3)에 연결되어 있다. 광 송신 링크(13)는 커플링 아웃 렌즈(11a)와 커플링 인 렌즈(12a) 사이에 구비되어 있다. 이러한 광 송신 링크는 실질적으로 로터 블레이드 노우즈(31)의 표면에 평행하게 연장한다.
따라서 침착물 센서(1)는 풍력 발전 설비의 로터 블레이드에 직접 장착되어, 예를 들어 오물 및 결빙과 같은 이에 상응하는 침차물이 로터 블레이드 상에서 직접 확인될 수 있다. 바람직하게는 침착물 센서는 로터 블레이드의 바깥쪽 제3 위치(도 1 참조)에 배열되는데, 예를 들어 오물 및 결빙과 같은 침착물을 인지하는 것과 관련하여 더 높은 정확도가 이곳에 있기 때문이다. 이와 더불어서, 다중 중복성을 갖는 시스템을 얻는 것이 가능하도록, 다른 침착물 센서들(1)을 다른 위치에 배열하는 것도 가능하다.
풍력 발전 설비의 로터 블레이드 내 전선들은 번개로부터의 보호와 관련하여 바람직하지 않으므로, 본 발명에 따른 센서 시스템은 실질적으로 두 부분, 즉 실제 센서와 평가 장치로 구분된다. 바람직하게는, 이와 같은 경우 비교 유닛이 로터 블레이드의 블레이드 루트(root) 또는 머신 하우징의 회전 부분에 배열된다. 광센서 및 수신기는 이와 대조적으로 로터 블레이드 자체에 배열된다. 비교 장치로부터 광수신기로의 광 신호의 송신은, 바람직하게는 로터 블레이드 내 다른 전선들을 피하는 것이 가능하도록 광 도파로를 통해 달성된다. 다른 방법으로, 번개로부터의 적절한 보호가 제공되면, 비교 장치도 침착물 센서(1) 내 또는 상에 직접 배열될 수 있다.
바람직하게는 광 송신기(11) 및 광 수신기(12)와 각각의 광 도파로(11b, 12b, 2) 사이의 연결은 플러그 접촉 또는 나사 배열에 의해 보장된다. 다라서 이와 같은 경우 침착물 센서(1)는 전체 로터 블레이드를 교체할 필요없이 간단한 방법으로 교체될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 침착물 센서(1)는 바람직하게는 광 송신기(11)와 광 수신기(12) 사이의 광선의 낮은 감쇠 수준을 허용하기 위해 커플링 아웃 렌즈(11a)와 커플링 인 렌즈(12a)를 갖는다. 광 송신 링크(13)에 침착물이 발생하면, 곧바로 이 송신 링크(13)의 송신 특징이 변경되고, 이것은 비교 장치(3)에 의해 감지될 수 있다.
도 3은 침착물 센서(1) 영역에 있는 도 1의 로터 블레이드의 일부분의 평면도를 도시한다. 이 경우 침착물 센서(1)는 로터 블레이드(30)의 로터 블레이드 노우즈(31)에 단단히 연결된다. 이것은 나사 수단 또는 접착제에 의해 달성될 수 있다. 이 경우 광 송신 링크(13)는 로터 블레이드의 길이 방향으로 실질적으로 로터 블레이드 노우즈에 평행하게 방향이 놓일 수 있다. 바람직하게는 광센서(11) 및 광 수신기(12) 자리는 침착물이 시작될 가능성이 가장 높은 위치인 프로파일 정체점(stagnation point)의 영역에 배치되어야 한다. 도 3에 도시된 침착물 센서(1)의 외형은 침착물 센서(1) 주변의 낮은 유동 손실을 보장한다. 또한 에어갭(air gap) 영역, 즉 광 송신 링크(13)에서는 로터 블레이드 노우즈 주변의 흐름에 대한 채널링 효과(channeling effect)로 인해 도시된 침착물 센서(1)의 형상은 광 송신기 및 수신기에 오물이 묻는 것을 방지하는 역할을 한다. 침착물 센서의 독특한 형상으로 인해 흐름의 방향 벡터는 결코 광 송신기(11) 및 광 수신기(12) 또는 이들의 입구 또는 출구 위치의 방향으로 직접 놓이지 않는다.
오히려 흐름의 방향 벡터는 실질적으로 여기에 수직하게 배열된다. 광 송신 링크(13)로 인해 발생하는, 노우즈 외곽(contour) 내 침착물 센서(1)의 만입은 바람직하게는, 에를 들어 결빙과 관련된 형성 메카니즘을 눈에 띄게 변경하지 않을 정도로 충분히 넓고, 오물이 묻거나 블레이드의 변형으로 인한 광 송신 링크(13) 내 광선의 최소 감쇠 또는 영향을 보장할 정도로 충분히 좁아야 한다.
광 수신기(12)에 대한 태양 입사광의 영향을 감소시키기 위해서 송신 링크(13)를 통해 송신된 광선은 바람직하게는 펄스형이다. 적절하게 배열되면, 침착물 센서(1)의 소형화로써 래스터 제어(raster-controlled) 얼음 두께 측정을 수행하는 것이 가능하다.
도 4는 제 2 실시예에 따른 풍력 발전 설비용 로터 블레이드의 로터 블레이드 노우즈의 일부분의 평면도를 도시한다. 이 경우 제2 실시예에 따른 침착물 센서(1)는 제1 실시예에 따른 침착물 센서(1)와 동일한 작동 원리에 기초하는데, 즉 광 송신기(16), 광 수신기(17), 및 송신기(16)와 수신기(17) 사이에 광 송신 링크(18)가 구비되어 있다. 제1 실시예에서 침착물 센서가 실질적으로 로터 블레이드 노우즈의 외곽과 짝을 이루는 반면, 제 2 실시예의 침착물 센서는 프로파일 노우즈 또는 로터 블레이드 노우즈에서 나오는 바늘형 또는 핀형의 광 도파로에 의해 실행된다.
제2 실시예에서 침착물 센서(1)에는 로터 블레이드의 표면 밖으로 돌출하고 측면 빔 출구를 가진 두 개의 핀형 광 도파로(14, 15)가 장착된다. 적절한 렌즈 또 는 프리즘에 의한 광선의 90°편향은 로터 블레이드의 내부에서 렌즈(14, 15)의 아래쪽으로 광 도파로를 통과할 수 있음을 의미한다. 그 다음 광선은 렌즈와 쌍을 이루어 렌즈 또는 프리즘에 의해 각각 90°편향되어, 광선이 광 송신기(16)로부터 광 수신기(17)까지 광 송신 링크(18) 상에서 로터 블레이드의 표면에 실질적으로 평행하게 연장할 수 있다. 광 수신기(17)도 광선을 90°편향시키고 이것을 회귀하는 광 도파로와 쌍을 이루게 하기 위해 렌즈 또는 프리즘을 갖는다.
실질적으로 제2 실시예의 침착물 센서(1)의 원리상 구조는 제1 실시예의 것에 대응한다. 그러나 제2 실시예의 구조가 실질적으로 더 간단한 형상을 갖는다. 또한 노우즈 외곽에서의 로터 블레이드에 대한 수정은 매우 약간만 필요하다. 바람직하게는 광 송신기(16)와 광 수신기(17)는 필요할 때 쉽게 교체될 수 있도록 90°편향을 위한 대응 렌즈에 나사 결합되거나 플러그식으로 결합될 수 있게 설계된다.
바람직하게는 광 송신기(16)와 광 수신기(17)는 로터 블레이드 노우즈의 맨 앞 지점에 정밀하게 배열되지 않고 약간 어긋나게 배열된다. 다시 말해서 침착물 센서(1)는 블레이드 노우즈의 영역에 배열될 수 있다.
바람직하게는 제1 또는 제2 실시예에 따른 침착물 센서는 로터 블레이드 노우즈 영역에, 정체점 영역에 배열되어야 한다. 이와 관련하여 정체점은 기류가 블레이드에 부딪친 다음, 흡입측을 따라가는 제1 흐름과 압력측을 따라가는 제2 흐름으로 갈라지는 지점을 나타낸다. 이 정체점 영역에서 최초의 결빙이 시작되고, 그 다음 램덤 패턴으로 더 성장한다. 정체점의 위치에 대한 정밀한 예측은 불가능한데, 이는 이것이 로터 블레이드의 입사각에도 종속적이기 때문이다.
광 송신기(16) 및 광 수신기(17) 또는 이들의 렌즈의 높이는 로터 블레이드의 표면 상에서 조절 가능하도록 적용될 수 있다. 이는 로터 블레이드의 표면 밖으로 멀리 또는 짧게 돌출한 광 송신기(16) 및 광 수신기(17)에 의해 달성될 수 있다. 광 송신기(16)와 광 수신기(17) 사이의 간격은 10과 100mm 사이, 바람직하게는 20과 50mm 사이일 수 있다. 광 송신기(16)와 광 수신기(17) 사이의 광선과 로터 블레이드 표면 사이의 간격(즉, 로터 블레이드 표면으로부터의 광선의 간격)은 2와 10mm 사이, 바람직하게는 5와 6mm 사이이다. 로터 블레이드의 표면과, 광 송신기와 광 수신기 사이의 광선 간의 간격이 감지될 수 있는 얼음의 두께를 결정한다. 이와 관련하여 2mm 이하의 얼음 두께는 무시될 수 있지만, 바람직하게는 5 - 6mm 보다 더 두꺼운 얼음층은 상당한 문제를 초래할 있다.
단수화된 렌즈 교체를 허용하기 위해, 렌즈, 즉 광 송신기 또는 광 수신기가 끼워맞춤될 수 있는 로터 블레이드 소켓 슬리브가 제공되는 것이 가능하다. 바람직하게는, 예를 들어 베요넷 연결(bayonet connection)과 같은 단단히 잠금시키는 연결이 슬리브와 광 송신기 및 광 수신기 사이에 제공된다. 이와 달리 또는 이와 더불어서 슬리브와 광 송신기 및 광 수신기는 나사결합될 수 있다. 이것은 특히 광 수신기와 광 송신기가 최초 결빙으로부터 더 안정적으로 보호되고 결빙 제거 작업 중에 블레이드로부터 뜯어져 결빙과 함께 떨어지지 않는 효과에 유리하다.
제1 또는 제2 실시예에 기초한 또 다른 실시예에 따라 비교 장치(3)는, 작동 중에 실제 감지되는 값들과 비교될 수 있도록 독특한 침착물이 저장되는 저장 장치를 가질 수 있다. 따라서 예를 들어, 침착물이 단지 새에서 떨어진 오물 또는 먼지 만을 포함하는지, 아니면, 상황이 최초 결빙을 포함하는지를 구분하는 것이 가능하다. 이와 더불어서 비교 장치(3)는 풍력 발전 설비 주변으로부터 나온 데이터도 처리할 수 있다. 이들 데이터는 예를 들어, 결빙을 기대할 수 없는 온도인 3℃의 온도부터는 침착물 센서(1)의 스위치가 꺼질 수 있도록, 온도 데이터를 나타낼 수 있다.
또한 비교 장치는 감지된 변화가 저장될 수 있고, 가능하다면 예를 들어, 적절한 조기 인식을 허용하기 위해 결빙 패턴을 결정할 수 있도록 평가될 수 있는 데이터 뱅크 저장 장치를 가질 수 있다.
비교 장치는 또한 로터 블레이드의 바깥쪽에, 예를 들어 허브 영역에 배열될 수 있는데, 전선이 로터 블레이드에 놓일 필요가 없는 장점을 갖는다. 이와 같은 경우 로터 블레이드는 허브로의 이동 영역에서, 침착물 센서를 비교 장치에 연결시키기 위해 하나 이상의 적절한 연결부 또는 결합부를 갖는다. 이러한 방식으로 광 도파로만 로터 블레이드 놓여야 하는 것이 제공될 수 있는데, 특히 번개로부터의 보호와 관련하여 유리한 것으로 나타났다.

Claims (12)

  1. 로터 블레이드 노우즈(nose)(31)와,
    상기 로터 블레이드 노우즈(31) 영역에 배치되고, 송신 링크(13)를 통해 무선으로 신호를 송신하는 송신기(11)와 상기 송신 링크(13)를 통해 무선으로 송신된 신호를 수신하는 수신기(12)를 가진 침착물 센서 장치(1, 11, 12, 13)를 구비한 풍력 발전 설비용 로터 블레이드(30)로서,
    무선으로 송신된 신호의 송신 링크(13)의 직접적인 영역에 있는 로터 블레이드(30) 표면 상의 침착물은, 상기 송신 링크(13)를 통해 송신된 신호에 기초하여 감지되고,
    상기 송신기(11)와 상기 수신기(12) 사이의 상기 송신 링크(13)는 상기 로터 블레이드 노우즈(31)에 실질적으로 평행하게 연장하는 것인 로터 블레이드.
  2. 청구항 1에 있어서,
    수신된 신호 내의 변화를 감지하기 위해, 상기 송신기(11)에 의해 송신되고 상기 수신기(12)에 의해 수신된 신호들을 비교하는 비교 장치(3)를 가진 로터 블레이드.
  3. 청구항 1에 있어서,
    외부 비교 장치를 상기 침착물 센서 장치(1, 11, 12, 13)에 결합하는 연결부를 구비하고, 수신된 신호 내의 변화를 감지하기 위해 상기 송신기(11)에 의해 송신되고 상기 수신기(12)에 의해 수신된 신호들이 상기 비교 장치에서 비교되는 로터 블레이드.
  4. 청구항 1, 청구항 2, 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 침착물 센서 장치가, 연속적으로 침착물을 감지하거나 소정의 시간 간격으로 침착물을 감지하도록 된 로터 블레이드.
  5. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 비교 장치(3)가, 데이터 뱅크를 발생시키기 위해 감지된 변화를 저장하는 저장 장치를 갖는 로터 블레이드.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 침착물 센서 장치(1, 11, 12, 13)가 광학 센서 장치를 나타내는 로터 블레이드.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 송신기(11)가 커플링 아웃(coupling-out) 렌즈(11a)를 갖고, 상기 수신기(12)가 커플링 인(coupling-in) 렌즈(12a)를 갖는 로터 블레이드.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신기(11)와 상기 수신기(12)가 광 도파로(optical waveguide)(11b, 12b)를 통해 비교 장치(3)에 각각 연결되는 로터 블레이드.
  9. 삭제
  10. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신기(11)와 상기 수신기(12)가 핀형상으로 로터 블레이드 표면 밖으로 돌출하는 로터 블레이드.
  11. 삭제
  12. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항의 로터 블레이드를 적어도 하나 구비한 풍력 발전 설비.
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