KR101063112B1 - 풍력 발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명목적은, 각 고도별 풍속과 블레이드의 회전각에 대한 데이터 테이블을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 독립적으로 제어할 수 있는, 풍력 발전 시스템을 제공하는 것으로서, 이를 위해 본 발명은, 풍력 발전 시스템에 있어서, 다수의 블레이드; 허브를 통해 상기 다수의 블레이드와 연결되어 있으며 상기 블레이드의 회전에 따라 회전되는 주축; 상기 주축에 의해 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 나셀; 상기 나셀에 장착되어 풍속을 측정하기 위한 풍속계; 및 풍속과 각 블레이드의 회전각을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 제어하기 위한 제어장치를 포함하며, 상기 제어장치는, 상기 풍속계로부터 전송된 정보를 이용하여 풍속을 계측하는 풍속측정부; 풍속과 블레이드의 회전각에 따른 피치의 회전각에 대한 데이터 테이블을 저장하고 있는 저장부; 각 블레이드의 회전각을 측정하는 회전각 감지부; 상기 풍속측정부로부터 전송받은 풍속 정보, 상기 회전각 감지부로부터 전송받은 각 블레이드의 회전각 정보와 상기 데이터 테이블를 이용하여 각 블레이드의 피치각을 결정하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 각 블레이드 피치각을 변경시키는 피치 구동부를 포함한다.

풍력, 발전, 블레이드, 피치

Description

풍력 발전 시스템{WIND POWER GENERATION SYSTEM}

본 발명은 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히, 블레이드의 피치를 제어하는 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

풍력 발전 시스템의 블레이드는 적절한 익형선정과 분포를 가지도록 설계되어 운전영역에서 바람의 운전에너지를 최대로 흡수할 수 있도록 설계되어 있다.

도 1은 일반적인 풍력 발전 시스템의 구성을 나타낸 예시도이며, 도 2는 일반적인 풍력 발전 시스템에 미치는 지면 높이와 바람의 속도 관계를 나타낸 그래프이다. 또한, 도 3은 일반적인 풍력 발전 시스템에서의 풍속과 출력 관계를 나타낸 그래프이다.

풍력 발전 시스템은 허브(4)를 통해 연결되어 있는 블레이드(1)를 통해 바람으로부터 에너지를 받아들인다. 일반적인 풍력 발전 시스템의 경우 3개의 블레이드(1)를 통해 바람의 운동에너지를 흡수하도록 되어 있다. 각각의 블레이드(1)는 에너지를 최대한으로 흡수할 수 있도록 설계되어 있으나 규정속도 이상에서는 블레 이드 및 풍력 발전 시스템에 걸리는 부하를 줄이기 위해 피치를 조정하여 블레이드(1)가 흡수하는 에너지 비율을 줄이게 된다.

즉, 블레이드(1)가 바람으로부터 받는 하중은 풍력 발전 시스템의 주축에 토크로 작용하는 회전력과 바람방향으로 받는 저항력으로 나눌 수 있는데, 풍력 발전 시스템의 운전영역에서 블레이드(1)는 일정한 피치각에 주축의 토크와 회전수를 조절하여 최고의 에너지 흡수 효율을 가지게 된다. 그러나, 규정출력이 발생되기 시작하는 규정속도 이후에는 블레이드의 피치각을 증가시키는데 이렇게 하면 회전력이 유지되어 주축에 걸리는 토크가 유지되는 한편 아울러 속도의 삼배승으로 증가하는 저항력도 감소하게 된다. 블레이드(1)의 피치각 조절을 시작하는 규정속도값은 각 풍력 발전 시스템마다 조금씩 차이가 나지만 보통 10 ~ 15m/s 정도이다.

그러나, 실제로 풍력 발전 시스템이 받는 바람의 속도는 도 2에 도시된 바와 같이 균일하지 않고 지표면과의 마찰에 의해 보통 높이에 대한 지수구배를 따른다. 일반적으로 지수는 지면의 상황에 따라 차이가 나지만 육상에서는 0.2, 해상에서는 0.14를 사용한다. 아래의 [수학식 1]에서, Vz는 일정 높이(z)에서의 바람속도(m/s)를 나타내고, z_hub는 풍력 발전 시스템의 허브 높이(m)를 나타내고, V_hub는 허브에서의 바람속도(m/s)를 나타내며, a는 멱지수를 나타낸다.

따라서, 각 블레이드가 높이에 따라 받는 회전력과 저항력은 블레이드가 위치한 높이에 따라 각각 다르게 받는다. 즉, 블레이드는 지속적으로 회전하므로 회전각에 따라 저항력의 변동이 생기는데 이 변동은 풍력 발전 시스템의 주축 및 증속기, 발전기 등 주요 부분에 그대로 전달되어 큰 피로하중을 야기시킨다는 문제점이 있다.

부연하여 설명하면, 종래의 풍력 발전 시스템은 블레이드의 높이에 따른 바람의 속도를 고려하지 않고, 피치각을 3개의 블레이드 모두에 동일하게 적용시키고 있다는 문제점이 있다. 즉, 실제 풍력 발전 시스템에 부는 바람은 도 2에 도시된 바와 같이, 고도에 따라 속도가 틀려 각 블레이드에 걸리는 하중은 시간에 따른 변동을 겪게 되나, 종래의 풍력 발전 시스템은 모든 블레이드의 피치각을 동일하게 변경시키고 있다는 문제점이 있다.

한편, 일반적인 풍력 발전 시스템은 도 3에 도시된 바와 같이, 규정속도 이상에서 출력이 규정출력으로 고정되어 있다. 즉, 피치각을 제어하는 종래의 풍력 발전 시스템은, 규정속도 이상에서는 일률적으로 피치각을 제어하고 있는바, 규정속도(정격속도) 이상에서 이탈속도 사이의 다양한 풍속에 대하여 다양하게 피치각을 제어하지 못하고 있다는 문제점이 있다.

또한, 피치각을 제어하는 종래의 풍력 발전 시스템은, 스트레인 게이지 등의 센서를 통해 각 블레이드에 걸리는 하중을 측정하여 피치 제어에 이용하고 있다. 이처럼, 센서를 이용한 종래의 풍력 발전 시스템은 정확한 하중측정을 통해 하중 변동폭을 최소화할 수 있으나 센서의 오작동에 대한 우려가 크고 제어가 늦다는 문 제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 각 고도별 풍속과 블레이드의 회전각에 대한 데이터 테이블을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 독립적으로 제어할 수 있는, 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 풍력 발전 시스템에 있어서, 다수의 블레이드; 허브를 통해 상기 다수의 블레이드와 연결되어 있으며 상기 블레이드의 회전에 따라 회전되는 주축; 상기 주축에 의해 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 나셀; 상기 나셀에 장착되어 풍속을 측정하기 위한 풍속계; 및 풍속과 각 블레이드의 회전각을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 제어하기 위한 제어장치를 포함하며, 상기 제어장치는, 상기 풍속계로부터 전송된 정보를 이용하여 풍속을 계측하는 풍속측정부; 풍속과 블레이드의 회전각에 따른 피치의 회전각에 대한 데이터 테이블을 저장하고 있는 저장부; 각 블레이드의 회전각을 측정하는 회전각 감지부; 상기 풍속측정부로부터 전송받은 풍속 정보, 상기 회전각 감지부로부터 전송받은 각 블레이드의 회전각 정보와 상기 데이터 테이블를 이용하여 각 블레이드의 피치각을 결정하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라 상기 각 블레이드 피치각을 변경시키는 피치 구동부를 포함한다.

본 발명은 각 고도별 풍속과 블레이드의 회전각에 대한 데이터 테이블을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 독립적으로 제어함으로써, 블레이드, 주축, 증속기 및 발전기에 걸리는 하중 변동폭을 감소시킴으로써 풍력 발전 시스템의 피로수명을 연장시킬 수 있다는 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 풍력 발전 시스템에 걸리는 하중의 최대값을 감소시킴으로써 극한하중에서 더욱 안전하다는 우수한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 상세히 설명된다.

도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 일실시예 외부 구성도이다.

본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 각 블레이드의 피치를 개별적으로 제어하기 위한 것으로서, 그 구성은 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 블레이드(10), 허브(40)를 통해 다수의 블레이드와 연결되어 있으며 블레이드의 회전에 따라 회전되는 주축(50), 주축에 의해 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 나셀(60), 나셀을 지지하기 위한 타워(80), 풍속을 측정하기 위한 풍속계(70) 및 풍속과 블레이드의 회전각을 이용하여 블레이드의 피치각을 제어하기 위한 제어장치(90)를 포함하여 구성되어 있다. 여기서, 나셀(60)은 증속기(20) 및 발전기(30)를 구비하고 있다.

상기한 바와 같은 구성을 포함하는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은, 주 축(50)에 부착된 복수 개의 블레이드(10)가 풍력 에너지를 받아 회점됨에 따라 주축(50)이 함께 회전되고, 증속기(20)에 의해 증속된 후, 발전기(30)를 구동시켜 발전함으로써 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기능을 수행한다. 여기서, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 증속기(20)를 구비한 것으로 설명되었지만, 증속기를 사용하지 않는 다이렉트 드라이브 방식으로 구성될 수도 있다.

도 5는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 제어장치의 구성을 나타낸 예시도로서, 도 4에 도시된 제어장치(90)의 구성을 상세히 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 풍력 발전 시스템에 적용되는 제어장치(90)는 도 5에 도시된 바와 같이, 풍속계(70)로부터 전송된 정보를 이용하여 풍속을 계측하는 풍속측정부(91), 풍속과 블레이드의 회전각에 따른 피치각에 대한 데이터 테이블을 저장하고 있는 저장부(92), 각 블레이드의 회전각을 측정하는 회전각 감지부(93), 풍속측정부로부터 전송받은 풍속 정보와 회전각 감지부로부터 전송받은 각 블레이드의 회전각 정보를 이용하여 각 블레이드의 피치각을 결정하는 제어부(94), 제어부의 제어에 따라 각 블레이드 피치각을 변경시키는 피치 구동부(95) 및 제어부의 제어에 따라 각종 정보를 출력하는 출력부(96)를 포함하여 구성되어 있다.

풍속측정부(91)는 풍속계(70)로부터 전송된 정보를 이용하여 풍속을 계측하는 기능을 수행하는 것으로서, 현재 일반적으로 쓰이고 있는 풍속계를 이용하여 풍속을 측정하고 있다는 특징을 가지고 있다. 즉, 본 발명에 적용되는 풍속계는 발전기의 출력값으로부터 풍속을 역으로 추정하거나 도플러 유속계를 이용하여 풍속을 측정하는 것이 아니라, 일반적인 풍속계(70)를 이용하여 풍속을 측정하고 있다는 특징을 가지고 있다. 한편, 본 발명에 적용되는 풍속계는 나셀(60)의 상부에 위치되어 나셀 높이에서의 풍속을 실측하는 것으로서, 제어범위(규정속도~이탈속도)는 대략 12m/s ~ 25m/s이다. 부연하여 설명하면, 일반적인 풍력 발전 시스템은 규정속도 이상에서 출력이 도 3에 도시된 바와 같이 규정출력으로 고정되는바, 본 발명은 일반적인 풍속계를 이용하여, 규정속도 이상에서도 풍속을 측정할 수 있도록 함으로써, 풍속의 제안 없이 이탈 속도 내에서 풍속을 측정하여 피치각을 제어할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

저장부(92)는 풍속과 블레이드의 회전각에 따른 피치각에 대한 데이터 테이블을 저장하는 기능을 수행하는 것으로서, 제어부는 상기 저장부에 저장되어 있는 데이터 테이블을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 제어하게 된다.

회전각 감지부(93)는 각 블레이드의 회전각을 측정하는 것으로서, 회전각(15)은 도 1에 도시된 바와 같이, 지면에 대한 수직 방향으로부터 블레이드가 회전되어 있는 각을 말하는 것이다.

제어부(94)는 상기한 바와 같이, 풍속측정부에 의해 측정된 풍속과 회전각 감지부로부터 전송받은 각 블레이드의 회전각에 해당되는 피치각을 데이터 테이블로부터 추출하는 한편, 피치 구동부를 제어하여 각 블레이드의 피치를 상기 피치각 만큼 회전시키는 기능을 수행한다.

피치구동부(95)는 제어부에 의해 각 블레이드의 피치를 회전시키는 기능을 수행한다.

출력부(96)는 제어부의 제어에 따라 각종 정보, 예를 들어, 현재의 풍속, 각 블레이드의 회전각, 각 블레이드의 피치각 등을 출력하기 위한 것으로서, 풍력 발전 시스템을 관리하는 관리자가 모니터링할 수 있도록 관리 사무실에 배치되는 것이 바람직하다. 이를 위해, 출력부는 제어부와 유선 또는 무선을 통해 통신을 수행할 수 있다.

상기한 바와 같은 구성을 포함하는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은, 바람이 고도에 따라 속도가 틀려 각 블레이드에 걸리는 하중이 시간에 따른 변동을 겪게 되므로, 이 변동의 상한치와 하한치의 차이를 줄일 목적으로 제안된 것이다.

즉, 풍력 발전 시스템이 받는 바람의 속도는 도 2에 도시된 바와 같이 균일하지 않고 지표면과의 마찰에 의해 보통 높이에 대한 지수구배를 따르는바, 본 발명은 각 블레이드의 회전각에 따른 블레이드의 피치각을 각각 제어하고 있다.

예를 들어, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 제어장치를 이용하여, 블레이드의 회전각(15)이 0°일 때 피치각을 크게 하고, 180°일 때 피치각을 줄여줌으로써, 블레이드의 회전각에 따른 회전력과 저항력의 변동폭을 감소시키고 있다.

한편, 일반적으로 풍력 발전 시스템은 풍속 측정을 위해 나셀(60) 바깥 쪽에 풍속계(70)를 설치하는데 기준 고도 풍속으로 유속계의 고도(z_hub)와 측정되는 속도값(V_hub)을 활용하며, 이렇게 얻어진 풍력 발전 시스템의 기준 고도 풍속에 대해 [수학식 1]을 이용하여 각 고도에서의 풍속을 계산하거나 고도별 실측 속도자료를 활용하면 블레이드의 회전각(15)에 따른 풍속을 예상할 수 있는바, 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템은 이를 근거로 하여, 주요 회전각(15)에 대해 고도별 풍속에 대 한 블레이드(10)의 회전력과 저항력을 계산하고 회전각에 따라 주축에 걸리는 하중 변동을 최소화할 수 있는 적정 피치각을 미리 정하여, 저장부에 저장하여 두고 있다.

또한, 본 발명은 풍력 발전 시스템의 운전범위인 규정속도(rated velocity)(정격속도)와 이탈속도(cut-out velocity) 사이에서 0.5 ~ 2m/s간격으로 각 기준고도 풍속별로 회전각에 따른 피치각을 산정하는 방법을 이용하고 있으며, 이에 맞추어 피치 구동시스템을 제어하여 회전각에 따라 피치각이 변동되도록 함으로써 각 블레이드에 걸리는 하중 변동폭을 감소시킬 수 있다.

이때, 블레이드(10)에 걸리는 하중 가운데 저항력이 풍력 발전 시스템의 피로수명에 영향을 더 크게 미치고 또한 하중크기도 회전력에 비해 훨씬 크므로, 본 발명은 저항력의 변동폭을 기준으로 피치각을 제어한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의해, 대기경계층 블레이드가 회전하면서 윗부분에 위치할 때의 강한 바람과 아랫부분에 위치할 때의 약한 바람에 대해 윗부분에서의 피치각보다 아랫부분의 피치각을 더 크게 하면 블레이드가 회전하면서 바람으로부터 받는 굽힘력과 추력의 변동폭이 감소하게 된다. 한편, 블레이드가 받는 굽힘력과 추력은 그대로 풍력 발전 시스템의 주축과 증속기 및 발전기 같은 구동축에 전달되어 극한하중과 피로하중을 야기하게 되는데 본 발명을 통해 하중의 변동폭이 감소되면 피로하중도 감소할 뿐 아니라 극한하중도 감소하게 되어 풍력 발전 시스템의 안정성 및 수명 향상을 기대할 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하 는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

도 1은 일반적인 풍력 발전 시스템의 구성을 나타낸 예시도.

도 2는 일반적인 풍력 발전 시스템에 미치는 지면 높이와 바람의 속도 관계를 나타낸 그래프.

도 3은 일반적인 풍력 발전 시스템에서의 풍속과 출력 관계를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 일실시예 외부 구성도.

도 5는 본 발명에 따른 풍력 발전 시스템의 제어장치의 구성을 나타낸 예시도.

<도면의 주요 부호에 대한 설명>

1, 10 : 블레이드 20 : 증속기

30 : 발전기 4, 40 : 허브

50 : 주축 6, 60 : 나셀

7, 70 : 풍속계 8, 80 : 타워

90 : 제어장치 15 : 회전각

Claims (3)

1. 풍력 발전 시스템에 있어서,

   다수의 블레이드;

   허브를 통해 상기 다수의 블레이드와 연결되어 있으며 상기 블레이드의 회전에 따라 회전되는 주축;

   상기 주축에 의해 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 나셀;

   상기 나셀의 후방측 상부에 장착되어, 규정 출력이 발생되기 시작하는 규정 속도 내지 이탈 속도 범위의 풍속을 측정할 수 있는 풍속계; 및

   풍속과 각 블레이드의 회전각을 이용하여 각 블레이드의 피치각을 제어하기 위한 제어장치를 포함하며,

   상기 제어장치는,

   상기 풍속계로부터 전송된 정보를 이용하여 풍속을 계측하는 풍속측정부;

   풍속과 블레이드의 회전각에 따른 피치의 회전각에 대한 데이터 테이블을 저장하고 있는 저장부;

   각 블레이드의 회전각을 측정하는 회전각 감지부;

   상기 풍속측정부로부터 전송받은 풍속 정보, 상기 회전각 감지부로부터 전송받은 각 블레이드의 회전각 정보와 상기 데이터 테이블를 이용하여 각 블레이드의 피치각을 결정하는 제어부; 및

   상기 제어부의 제어에 따라 상기 각 블레이드 피치각을 변경시키는 피치 구동부를 포함하며,

   상기 규정속도와 이탈속도 사이에서 0.5m/s 내지 2m/s 사이의 기준고도 풍속별로 상기 각 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 산정하는,

   풍력 발전 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제어부의 제어에 따라 각종 정보를 출력하는 출력부를 더 포함하는 풍력 발전 시스템.
3. 삭제

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