KR101068203B1 - 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 전류센서를 이용하여 터빈 블레이드의 낙뢰전류를 측정함으로써, 블레이드의 손상정도를 모니터링 할 수 있는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 광원부로부터 출력된 빛이 광학 센서헤드로 입사되고, 상기 광학 센서헤드에서 제1편광판을 통해 입사광을 편광시킨 후, 상기 광학 센서헤드에서 편광된 빛이 페리자성가넷을 통과하면서 낙뢰전류에 의해 발생된 자기장으로 인해 편광이 달라지고 제2편광판을 통과하면서 빛의 세기가 달라지므로, 광수신부가 광신호를 전기신호로 변환함으로써 블레이드의 낙뢰전류를 측정할 수 있는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치를 제공한다.

상기 광학 센서헤드는 블레이드의 길이방향을 따라 다수 곳에 설치됨에 따라, 각각의 광학 센서헤드를 통해 검출된 낙뢰전류의 시간차를 이용하여 블레이드의 낙뢰위치를 알 수 있는 것을 특징으로 한다.

풍력발전, 블레이드, 낙뢰, 광학 센서헤드, 편광판, 페리자성가넷

Description

풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치{Apparatus for measuring lightning current to monitoring wind turbine blade}

본 발명은 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력발전용 블레이드의 낙뢰전류를 측정하여 블레이드의 손상정도를 모니터링하는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치에 관한 것이다.

일반적으로 자연 에너지인 풍력을 이용하여 전기에너지로 발전하는 풍력 발전 장치가 알려져 있다.

상기 풍력 발전 장치는 지주 상에 설치된 나셀(nacelle)에 풍차 날개를 설치하여 풍력을 회전력으로 변환하는 로터헤드와, 로터헤드와 일체로 연결되어 축 출력을 발생시키는 주축과, 주축과 연결되어 축 출력을 증속시키는 증속기와, 증속기의 축 출력을 구동원으로 사용하여 발전시키는 발전기로 구성된다.

상기 풍력 발전 장치는 풍차 날개의 선단이나 중간부 등에 대한 낙뢰의 문제 를 갖고 있다.

상기 낙뢰의 문제를 해결하기 위해 종래의 풍차 날개에 수뢰용의 금속편(소위, 리셉터)을 장착함으로써, 낙뢰에너지를 금속 수뢰부에 받아서 대지로 방전하는 낙뢰 보호 시스템이 채용되어 있다.

또한, 미국특허 제7,040,864호에는 풍차 날개의 표면부에 수뢰용 금속 도전 시트를 마련하고, 이 수뢰용 금속 시트에 낙뢰 에너지를 받아서 대지로 방전하는 낙뢰 보호 시스템이 개시되어 있다.

그러나, 종래의 낙뢰 보호 시스템은 수뢰한 낙뢰 에너지를 대지로 방전해서 풍차날개를 보호하는 것은 가능하지만, 낙뢰전류를 정량적으로 측정하지 못하기 때문에 낙뢰전류로 인한 풍차날개의 손상정도를 알 수 없다.

또한, 상기 풍차날개 손상의 주된 원인 중 하나가 번개에 의한 파손이므로, 이에 대한 모니터링의 필요성이 증대되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 광섬유 전류센서를 이용하여 터빈 블레이드의 낙뢰전류를 측정함으로써, 블레이드의 손상정도를 모니터링 할 수 있는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 번개가 블레이드에 쳤을 때 블레이드에 흐르는 낙뢰전류를 광섬유 전류센서를 이용하여 측정하기 위해,

광원부로부터 출력된 빛이 광학 센서헤드로 입사되고, 상기 광학 센서헤드에서 제1편광판을 통해 입사광을 편광시킨 후, 상기 광학 센서헤드에서 편광된 빛이 페리자성가넷을 통과하면서 낙뢰전류에 의해 발생된 자기장으로 인해 빛의 편광이 달라지고 제2편광판을 통과하면서 빛의 세기가 달라지므로, 광수신부가 광신호를 전기신호로 변환함으로써 블레이드의 낙뢰전류를 측정할 수 있는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치를 제공한다.

상기 광학 센서헤드는 블레이드의 길이방향을 따라 다수 곳에 설치됨에 따라, 각각의 광학 센서헤드를 통해 검출된 낙뢰전류의 시간차를 이용하여 블레이드의 낙뢰위치를 알 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.

1. 본 발명은 광섬유 전류센서를 이용하여 블레이드에 흐르는 낙뢰전류의 세기를 정량적으로 측정함으로써, 블레이드의 손상정도를 실시간으로 모니터링할 수 있다.

2. 상기 광섬유 전류센서는 크기가 작고 유연하여 블레이드의 제조 공정 중에 삽입하기가 용이하고, 전자기적 잡음에 무관하여 발전기에 적용하기 쉬우며, 멀티플렉싱(다중화)이 가능하여 하나의 광섬유로 블레이드 전체를 모니터링할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광학센서헤드가 적용된 풍력발전장치를 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에서 하나의 블레이드에 광학센서헤드가 적용된 상태를 보여주는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치를 나타내는 블럭도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류 측정장치를 나타내는 블럭도이고, 도 5는 본 발명에 따른 광학 센서헤드의 낙뢰전류 측정원리를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명은 풍력발전용 블레이드(21)의 낙뢰전류를 측정하여 블레이드(21)의 손상정도를 모니터링할 수 있는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치에 관한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치는 블레이드(21)의 낙뢰전류를 측정하기 위해 광섬유 센서를 이용한다.

상기 광섬유 센서는 크기가 작고 유연하여 블레이드(21)의 제조 공정 중에 삽입하기가 용이하고, 전자기적 잡음에 무관하여 발전기에 적용하기 쉬우며, 멀티플렉싱(다중화)이 가능하여 하나의 광섬유로 블레이드(21) 전체를 모니터링할 수 있다.

상기 블레이드(21)의 선단에는 수뢰용 금속편인 리셉터(22)가 설치되어 있고, 블레이드(21)의 길이방향을 따라 다운 컨덕터(23)(down conductor)가 설치되어 있다.

번개가 블레이드(21)에 떨어지는 경우 낙뢰전류가 다운 컨덕터(23)를 통해 안전하게 로터헤드(20)로 보내어지고, 이 낙뢰전류를 금속수뢰부에서 받아 대지로 방전한다.

여기서, 상기 다운 컨덕터(23)를 통해 흐르는 낙뢰전류는 주변에 자기장을 발생시키므로, 상기 자기장을 광섬유 전류센서를 이용하여 측정하면 낙뢰전류의 세기를 측정할 수 있다.

상기 자기장을 측정하기 위해 본 발명에 사용되는 광섬유 전류센서는 광원부(10), 광학 센서헤드(11), 광수신부(12), 데이터 수집 및 처리부(13) 및 데이터 출력부(14)를 포함한다.

상기 광원부(10)는 빛을 광학 센서헤드(11)에 조사한다.

상기 광학 센서헤드(11)는 로터헤드(20)에서 방사방향으로 형성된 각 블레이드(21)마다 적어도 하나씩 설치되며, 제1편광판(111a), 페리자성가넷(111b)(ferrimagnetic garnet), 제2편광판(111c)으로 구성되어 있다.

상기 제1편광판(111a)은 광원부(10)로부터 조사된 빛을 편광상태로 만들어서 페리자성가넷(111b)에 입사시키는 역할을 한다.

상기 페리자성가넷(111b)은 낙뢰전류(I)의 주변에 발생된 자기장(B)에 비례하여 제1편광판(111a)을 통해 입사된 광의 편광상태를 변화시켜준다. 상기 편광상태의 변화는 패러데이 회전(θ)으로 나타난다.

상기 제2편광판(111c)은 페리자성가넷(111b)을 통과하면서 변화된 편광상태의 빛을 통과시켜주는 역할을 한다.

상기 편광상태의 변화에 따라 페리자성가넷(111b)을 통과하는 빛의 세기가 달라지게 된다.

즉, 상기 낙뢰전류의 세기는 페리자성가넷(111b)을 통과하면서 빛의 세기로 변환된다.

상기 광수신부(12)는 포토다이오드 등과 같은 광-전기 신호변환기(O/E Converter)를 포함하고, 페리자성가넷(111b)을 통과하면서 달라진 빛의 세기를 수신하여 전기신호로 변환하는 역할을 수행하고, 상기 데이터 수집 및 처리부(13)는 광수신부(12)에서 변환된 전기신호를 받아 신호처리하여 출력신호를 보내며, 상기 데이터 출력부(14)는 오실로스코프 등을 포함하여 전기신호를 디스플레이 한다.

상기 광학 센서헤드(11)와 광수신부(12) 사이에는 편광유지 광섬유가 연결되어 있고, 상기 편광유지 광섬유는 제2편광판(111c)을 통해 출사된의 빛의 편광상태를 안전하게 유지하여 광수신부(12)로 전달하는 역할을 한다.

여기서, 상기 광학 센서헤드(11)는 각 블레이드(21)의 길이방향을 따라 낙뢰전류가 흐르는 다운 컨덕터(23) 주변의 다수곳, 예를 들어 블레이드(21)의 상단부와, 중간부, 하단부에 각각 설치된 제1 내지 제3광학 센서헤드(11a~11c)로 구성될 수 있고, 광학 센서헤드(11)의 위치에 따라 낙뢰전류가 검출되는 시간차를 이용하여 블레이드(21)에 수뢰된 낙뢰의 위치를 알 수 있다.

상기 광수신부(12)는 제1 내지 제3광학 센서헤드(11a~11c)에서 출력된 광신호를 전기신호로 바꿔주기 위해 제1 내지 제3광학 센서헤드(11a~11c)에 각각 연결된 제1 내지 제3광수신부(12a~12c)로 구성될 수 있다.

상기 번개가 블레이드(21)에 내려칠 때 다운 컨덕터(23)를 따라 블레이드(21)의 상단부에 위치한 리셉터(22) 측에서 블레이드(21)의 중심부에 위치한 로터헤드(20) 방향으로 흐르게 되므로, 블레이드(21)의 상단부에 번개가 치는 경우 제1광학 센서헤드(11a)를 통해 낙뢰전류가 먼저 검출되고 시간차를 두고 제2광학 센서헤드(11b)와 제3광학 센서헤드(11c)를 통해 낙뢰전류가 검출된다.

그리고, 블레이드(21)의 중간부에 번개가 치는 경우 제2광학 센서헤드(11b)를 통해 낙뢰전류가 먼저 검출되며, 블레이드(21)의 하단부에 번개가 치는 경우 제3광학 센서헤드(11c)를 통해 낙뢰전류가 검출된다.

이와 같이 블레이드(21)의 다수곳에 설치된 제1 내지 제3광학센서를 통해 검출된 낙뢰전류의 검출 시간차를 이용하여 번개가 블레이드(21)의 어느 곳에 떨어졌는지 알 수 있고, 또한 각 광학 센서헤드(11)마다 낙뢰전류의 크기를 측정할 수 있으므로 블레이드(21)의 어느 부분에서 낙뢰전류로 인한 손상정도를 알 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광학센서헤드가 적용된 풍력발전장치를 보여주는 사시도

도 2는 도 1에서 하나의 블레이드에 광학센서헤드가 적용된 상태를 보여주는 사시도

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치를 나타내는 블럭도

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류 측정장치를 나타내는 블럭도

도 5는 본 발명에 따른 광학 센서헤드의 낙뢰전류 측정원리를 설명하기 위한 개념도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 광원부 11 : 광학 센서헤드

11a : 제1광학 센서헤드 11b : 제2광학 센서헤드

11c : 제3광학 센서헤드 12 : 광수신부

12a : 제1광수신부 12b : 제2광수신부

12c : 제3광수신부 13 : 데이터 수집 및 처리부

14 : 데이터 출력부 20 : 로터헤드

21 : 블레이드 22 : 리셉터

23 : 다운 컨덕터 111a : 제1편광판

111b : 페리자성가넷 111c : 제2편광판

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 풍력발전용 블레이드(21)의 끝단에 설치된 리셉터(22);

   상기 리셉터(22)에서 블레이드(21)의 길이방향을 따라 형성되어 낙뢰전류가 흐르는 다운 컨덕터(23);

   상기 블레이드(21)에 수뢰된 낙뢰전류를 검출 및 측정하는 센서로서, 빛을 출력하는 광원부(10)와, 상기 다운 컨덕터(23)의 주변에 설치되고 상기 광원부(10)로부터 빛을 조사받아 블레이드(21)에 수뢰된 낙뢰전류의 세기를 빛의 세기로 변환하는 광학 센서헤드(11)와, 상기 광학 센서헤드(11)를 통과한 빛의 세기를 전기신호로 변환시키는 광수신부(12)와, 상기 변환된 전기신호를 수집 및 처리하는 데이터 수집 및 처리부(13)로 구성되는 광섬유 전류센서;

   를 포함하며,

   상기 광학 센서헤드(11)는 광원부(10)로부터 출력된 빛을 편광시켜주는 제1편광판(111a);

   상기 제1편광판(111a)을 통해 편광된 빛의 세기를 낙뢰전류의 세기에 비례하여 변화시켜주는 페리자성가넷(111b); 및

   상기 페리자성가넷(111b)에 의해 편광상태가 변화된 빛을 통과시켜주는 제2편광판(111c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 광학 센서헤드(11)는 블레이드(21)의 길이방향을 따라 다운 컨덕터(23) 주변의 다수곳에 설치되고, 상기 광학 센서헤드(11)에 의해 각각 검출된 시간차를 이용하여 블레이드(21)의 낙뢰위치를 인지할 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전 블레이드 모니터링용 낙뢰전류측정장치.

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