KR101304490B1 - 풍력터빈의 블레이드 처짐 감시 시스템 - Google Patents

풍력터빈의 블레이드 처짐 감시 시스템 Download PDF

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Abstract

풍력터빈의 블레이드 처짐 감시 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 처짐 감시 시스템은 풍력 발전기의 타워 내부에 설치되는 것으로, 전방을 향해 레이저 빔을 조사하고 상기 레이저 빔이 블레이드에 반사되어 되돌아오는 빛을 수광하여 상기 블레이드와 상기 타워 사이의 변위 신호를 획득하는 레이저 변위 센서부; 및 상기 레이저 변위 센서부로부터 상기 변위 신호를 수신받아 데이터로 가공 처리하는 데이터 처리부를 포함한다.

Description

풍력터빈의 블레이드 처짐 감시 시스템{BLADE DEFLECTION MONITORING SYSTEM OF WIND TURBINE}
본 발명은 블레이드 상태 감시 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 풍력터빈의 블레이드 처짐을 실시간으로 감시하는 시스템에 관한 것이다.
풍력발전기가 여러 기 설치되어 있는 풍력발전단지는 효율적이고 안정적으로 운영하는 것이 매우 중요하므로, 이를 위하여 다양한 유지보수 기술이 개발되고 있다. 특히, 풍력터빈 용량의 대형화와 함께 운영연구가 증가할수록 풍력터빈 블레이드의 파손 빈도가 증가하고, 이에 따라 유지보수 비용이 함께 증가하고 있는 바, 이러한 풍력터빈 블레이드 및 연결부의 손상 가능성을 사전에 감지하고 블레이드의 건전성을 평가하기 위한 기술은 그 중요도가 높아지고 있는 추세다.
이러한 추세는 풍력발전기의 구조적 손상에 따른 운영 사고가 급증하고 있는 데에 기인하고 있으며, 상기 구조적 손상의 원인으로 가장 큰 비중을 차지하는 것은 풍력터빈 블레이드의 파손이다.
풍력터빈 블레이드가 파손되는 원인은 다양할 수 있으나, 대표적인 원인으로는 블레이드의 처짐(deflection) 현상이 발생하여 풍력터빈 타워와 충돌하는 것을 들 수 있으며, 블레이드의 처짐 현상의 발생원인은 다음과 같이 정리될 수 있다.
첫째, 블레이드와 허브간의 결합력(결속력)이 약해짐에 따라 블레이드의 처짐 현상이 발생할 수 있다. 블레이드는 30 내지 42mm 직경의 대형 볼트를 이용하여 허브에 결합시키고 있으나, 상기 볼트 체결이 손상되거나 느슨해지는 경우 블레이드의 처짐 현상이 발생한다.
둘째, 풍력터빈 타워의 상부에 배치되는 나셀이 기울어짐에 따라 블레이드의 처짐 현상이 발생할 수 있다. 나셀이 기울어지면 로터 회전축도 함께 기울어지므로 이에 결합되어 있는 블레이드의 처짐 현상이 발생한다. 특히, 최근에는 블레이드의 강성을 증가시키기 위해 블레이드 단부인 팁 부분(블레이드 팁)을 타워 방향으로 휘어지게 성형하는 경우가 많아(예를 들면, Vestas사의 v112모델), 나셀이 기울어질 경우 블레이드 및 타워의 충돌 가능성이 더욱 높아지고 있다.
셋째, 블레이드가 번개 등으로 인해 손상되어 복수 개의 블레이드 사이에 질량차이가 발생하고, 이에 따른 회전 불균형으로 인해 회전축에 영향을 미쳐 블레이드의 처짐 현상이 발생할 수 있다. 일반적으로 블레이드는 허브에 3개 또는 4개가 설치되고 있으며, 이러한 블레이드 간의 질량 불균형이 일어날 경우에는 회전 불균형의 가능성이 높아진다.
상술한 블레이드의 처짐 현상은 풍력발전기의 파손 위험을 높이는 바, 기존 연구에서는 레이저 도플러 진동계를 사용하여 블레이드의 결함 여부를 파악하는 방법이 제시된 바 있다(비특허문헌 8,9 참조). 그러나, 상기 방법은 낮은 신호 대 잡음비의 문제가 있으며, 운용 중인 블레이드 전체를 스캐닝 레이저 도플러 진동계를 사용하여 스캐닝하거나 다수의 레이저 도플러 진동계를 사용하여야 하기에 높은 비용이 수반되고 설치가 복잡해지므로 풍력발전기에 실제로 적용되기에는 많은 한계가 존재하였다. 따라서, 보다 경제성 있는 방법으로 풍력발전기에 실제 적용 가능한 블레이드의 처짐을 감시할 수 있는 시스템이 모색되고 있다.
비특허문헌 1: 2009 Global Wind Report (Global Wind Energy Council) 비특허문헌 2: Summary of Wind Turbine Accident data to 30th September 2011 (Caithness Windfarm Information Forum). cited2011. Available from: http://www.caithnesswindfarms.co.uk/page4.htm 비특허문헌 3: Bolt Tensioning Technology for Wind Turbines (Torcup) 비특허문헌 4: Mollica J, Structural Integrity & Safety (Expanded Environmental Notification Form). 132293-11 비특허문헌 5: Wind Turbine Blade Structural Engineering (Wind Energy Handbook) 비특허문헌 6: Vidyadhar P, 2010 Lightning Protection of Wind Turbine (Warsaw: European Wind Energy Conference) 비특허문헌 7: Inman D. J., Engineering vibration 2nd international Ed. (Prentice Hall, 2001). 120-124 비특허문헌 8: Castellini P, Martarelli M and Tomasini E P 2006 Laser Doppler Vibrometry: Development of advanced solutions answering to technology's needs Mech. Syst. Signal Process. 20(6)1265-85 비특허문헌 9: Rumsey M, Hurtado J, Hansche B, Simmermacher T, Carrie T and Gross E 1998 In-field use of laser Doppler vibrometer on a wind turbine blade AIAA Journal 48 212-21 비특허문헌 10: On & Off Shore Wind Turbine Blade. KM Blade Spec (KM) 비특허문헌 11: The Repower product range (Repower). cited 2011. Available from: http://www.repower.de/produkte/windenergieanlagen/?L=1 비특허문헌 12: 2009 Wind Energy Targets for 2020 and 2030, European Wind Energy Association (Pure Power)
본 발명의 실시예들에서는 레이저 변위 센서부를 풍력 타워 내부에 설치하여 블레이드와 풍력 타워 사이의 변위 신호를 획득함으로써 블레이드 처짐 상태를 실시간으로 진단가능한 블레이드 처짐 감시 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면 풍력 발전기의 타워 내부에 설치되는 것으로, 전방을 향해 레이저 빔을 조사하고 상기 레이저 빔이 블레이드에 반사되어 되돌아오는 빛을 수광하여 상기 블레이드와 상기 타워 사이의 변위 신호를 획득하는 레이저 변위 센서부; 및 상기 레이저 변위 센서부로부터 상기 변위 신호를 수신받아 데이터로 가공 처리하는 데이터 처리부를 포함하는 블레이드 처짐 감시 시스템이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 레이저 변위 센서부는, 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부; 및 상기 블레이드에 의해 반사되어 되돌아오는 빛을 수광하는 레이저 수신부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저 조사부는, 레이저 신호를 출력하는 레이저 출력회로; 상기 레이저 신호를 레이저로 변환하는 레이저 다이오드; 및 상기 레이저를 집광시키는 제1 집광렌즈를 포함할 수 있다.
한편, 상기 레이저 수신부는, 수광되는 빛 중에 상기 레이저 빔이 블레이드에 반사되어 되돌아오는 빛만 통과시키는 광학필터; 및 상기 광학필터를 통과하여 집광되는 제2 집광렌즈를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 타워에는 상기 레이저 조사부 및 상기 레이저 수신부의 위치에 대응하여 적어도 하나 이상의 쓰루홀이 형성될 수 있다.
한편, 상기 레이저 변위 센서부는, 상기 레이저 수신부로부터 수신한 변위 신호를 증폭 및 보정하여 아날로그 신호로 출력하는 레이저 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 풍력 발전기의 타워 내부에는 상기 레이저 변위 센서부가 복수개 설치되고, 복수개의 상기 레이저 변위 센서부는 상기 블레이드의 부위별 변위 신호를 획득할 수 있다.
이 때, 상기 블레이드의 부위별 변위 신호를 기반으로 유한요소모델 또는 수치모델을 이용하여 상기 블레이드 전체의 변형 형상을 실시간으로 도출할 수 있다.
한편, 상기 데이터 처리부는, 상기 레이저 제어부로부터 출력된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 및 상기 신호 변환부에서 변환된 상기 디지털 신호를 기반으로 상기 블레이드의 처짐 상태 및 변형 형상을 실시간으로 진단하는 블레이드 평가부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 블레이드 평가부는 처짐이 없는 블레이드 변위 또는 이전 시간의 블레이드 변위를 기준값으로 하여 상기 블레이드의 처짐 상태를 실시간으로 진단할 수 있다.
한편, 상기 블레이드 평가부는, 상기 타워 및 블레이드 사이의 변위가 상기 기준값을 벗어나는 경우에 운영자에게 경고를 발생시키는 경고부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 블레이드 평가부는, 상기 타워 및 블레이드 사이의 변위 정보를 저장하는 데이터베이스부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 신호 변환부 및 상기 블레이드 평가부는 무선 네트워크를 통해 연결될 수 있다.
이 때, 상기 무선 네트워크는 지그비 통신 또는 블루투스 통신일 수 있다.
본 발명의 실시예들에서는 풍력 타워 내부에 설치된 레이저 변위 센서부를 통해 블레이드와 풍력 타워 사이의 변위 또는 블레이드의 변형 형상을 측정함으로써, 블레이드 처짐 상태를 실시간으로 진단 가능하므로 블레이드 유지 보수에 드는 비용을 효과적으로 절감 가능하다.
또한, 단일 레이저 변위 센서부를 이용하여 블레이드 처짐 상태를 진단 가능하므로, 개별 블레이드 내부에 과도한 센서를 부착함으로 인해 발생하는 경제적 손실을 절감할 수 있다.
또한, 데이터 처리부 및 블레이드 평가부를 무선 네트워크를 통해 구성하여 불필요한 자재 및 인력을 소요하지 않아도 되므로, 보다 경제성 있는 방법으로 풍력발전기에 적용 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 처짐 감시 시스템의 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 2b는 도 2a의 레이저 변위 센서부가 복수개 설치된 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 처짐 감시 시스템의 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 볼트 풀림 전후의 블레이드의 변위를 비교한 그래프이다.
도 5는 볼트 풀림 전후의 Blade 1의 변위를 비교한 그래프이다.
도 6은 볼트 풀림에 대한 블레이드 팁에서 센터방향으로의 거리에 따른 Blade 1의 처짐 분포 그래프이다.
도 7은 나셀 기울어짐 전후의 블레이드 변위를 비교한 그래프이다.
도 8은 나셀 기울어짐 전후의 Blade 1의 변위를 비교한 그래프이다.
도 9는 나셀 기울어짐에 대한 블레이드 팁에서 센터방향으로의 거리에 따른 Blade 1의 처짐 분포 그래프이다.
도 10은 블레이드의 질량 제거 전후의 모습을 촬영한 사진이다.
도 11은 블레이드 손상 전후의 블레이드 변위를 비교한 그래프이다.
도 12는 블레이드 손상 전후의 Blade 1의 변위를 비교한 그래프이다.
도 13은 블레이드 손상에 대한 블레이드 팁에서 센터방향으로의 거리에 따른 Blade 1의 처짐 분포 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 처짐 감시 시스템(100)의 개념을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전기(10)는 타워(11)의 상부에 나셀(12)이 설치되고, 나셀(12) 전방에는 블레이드(13)가 설치된다. 이 때, 블레이드(13)의 단부는 이하에서는 블레이드 팁(13a)이라 칭하기로 한다. 한편, 블레이드(13)의 개수는 제한되지 않으나, 설명의 편의를 위하여 이하에서는 블레이드(13)가 3개 설치되는 경우를 중심으로 설명하도록 한다. 이러한 타워(11), 나셀(12) 및 블레이드(13)는 풍력 발전기(10)의 통상적인 구성에 해당되는 바, 별도의 설명은 생략하도록 한다.
블레이드 처짐 감시 시스템(100)은 타워(11) 내부에 설치되어 전방을 향해 레이저(L)를 조사하고, 블레이드(13)에 상기 조사된 레이저(L)가 충돌할 때 반사되는 빛을 수신함으로써 타워(11) 및 블레이드(13) 사이의 변위를 측정할 수 있다. 즉, 본 명세서에서 타워(11) 및 블레이드(13) 사이의 변위는, 회전하는 블레이드(13)가 레이저(L)가 조사되는 방향에 위치하는 경우에서의 타워(11) 및 블레이드(13) 사이의 변위를 의미한다.
이하에서는 블레이드 처짐 감시 시스템(100)의 구성에 대하여 설명하도록 한다.
도 2a는 도 1의 A부분을 확대하여 도시한 도면이고, 도 2b는 도 2a의 레이저 변위 센서부(110)가 복수개 설치된 모습을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 처짐 감시 시스템(100)의 구성을 개념적으로 도시한 블록도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 3을 참조하면, 블레이드 처짐 감시 시스템(100)은 타워(11) 및 블레이드(13) 사이의 변위 신호를 획득하는 레이저 변위 센서부(110) 및 레이저 변위 센서부(110)로부터 상기 변위 신호를 수신받아 데이터로 가공 처리하는 데이터 처리부(130)를 포함한다. 또한, 레이저 변위 센서부(110) 및 데이터 처리부(130)에 전원을 공급하는 전원부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
레이저 변위 센서부(110)는 풍력 발전기(10)의 타워(11) 내부에 설치되는 것으로(예를 들면, 내부벽), 전방을 향해 레이저 빔(L1)을 조사하고 상기 레이저 빔(L1)이 블레이드(13)에 반사되어 되돌아오는 빛(L2)을 수광하는 역할을 수행한다.
레이저 변위 센서부(110)는 레이저 조사부(111) 및 레이저 수신부(113)을 포함할 수 있다. 레이저 조사부(111)는 레이저 빔(L1)을 전방을 향해 조사하는 역할을 수행하고, 레이저 수신부(113)는 레이저 빔(L1)이 블레이드(13)에 반사되어 되돌아오는 빛(L2)을 수광하는 역할을 수행한다.
따라서, 레이저 변위 센서부(110)는 레이저 조사부(111)에서 조사된 레이저 빔(L1)이 블레이드(13)에 반사되어 레이저 수신부(113)에 입사되는 빛(L2)의 위치정보를 이용하여 타워(11) 및 블레이드(13) 간의 변위를 측정할 수 있다. 한편, 설명의 편의를 위하여 이하에서는 블레이드(13)에 반사되어 되돌아오는 빛(L2)을 '반사광'으로 지칭하기로 한다.
레이저 조사부(111)는 레이저 신호를 출력하는 레이저 출력회로(미도시), 상기 레이저 신호를 레이저로 변환하는 레이저 다이오드(미도시), 상기 레이저를 집광시키는 제1 집광렌즈(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
또한, 레이저 수신부(113) 역시 수광되는 빛 중에 반사광만 통과시키는 광학필터(미도시), 상기 광학필터를 통과하여 집광되는 제2 집광렌즈(미도시) 등을 더 포함할 수 있다. 상술한 레이저 조사부(111) 및 레이저 수신부(113)는 레이저 변위 센서 분야에서 일반적인 것인 바, 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 풍력발전기(10)의 타워(11)에는 레이저 조사부(111) 및 레이저 수신부(113)의 위치에 대응하여 쓰루홀(11a)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 레이저 조사부(111) 및 레이저 수신부(113)가 타워(11)의 하단으로부터 50m 높이에 배치되어 있는 경우에, 레이저 빔(L1)의 경로에 해당하는 타워(11) 전방 표면에 쓰루홀(11a)이 형성될 수 있다. 또한, 상기 쓰루홀(11a)은 레이저 조사부(111) 및 레이저 수신부(113)의 크기에 대응하는 크기로 형성됨으로써, 레이저 빔(L1) 및 반사광(L2)이 충분히 통과될 수 있도록 할 수 있다. 이 때, 쓰루홀(11a)의 개수는 제한되지 아니하며, 풍력발전기(10)의 타워(11) 내부에 복수개의 레이저 변위 센서부(110)가 설치되는 경우에는 각각의 레이저 변위 센서부(110)에 대응하여 쓰루홀(11a)이 복수개 형성될 수 있다(도 2b 참조).
또한, 레이저 변위 센서부(110)는 레이저 수신부(113)로부터 수신한 변위 신호를 증폭 및 보정하여 아날로그 신호로 출력하는 레이저 제어부(115)를 더 포함할 수 있다. 레이저 제어부(115)는 신호 증폭 소자, 신호 보정 소자 등을 포함하여 구성될 수 있다.
레이저 변위 센서부(110)는 풍력 발전기(10)의 타워(11) 내부에 복수개가 설치되는 것이 가능하다. 예를 들면, 도 2b에 도시된 바와 같이 복수개의 레이저 변위 센서부(110)가 타워(11) 내부에 배치되고, 타워(11) 전방 표면에는 레이저 변위 센서부(110)의 개수에 대응하여 각각의 레이저 빔(L1)의 경로에 쓰루홀(11a)이 형성될 수 있다.
이 때, 상기 복수개의 레이저 변위 센서부(110)의 각각의 배치 위치는 한정되지 아니한다. 예를 들면, 블레이드(13)의 블레이드 팁(13a)에서부터 블레이드 루트(센터, 미도시) 방향으로 100mm부터 400mm 지점까지 100mm 간격으로 레이저 빔(L1)을 조사하고자 하는 경우, 100mm 지점(T1), 200mm 지점(T2), 300mm 지점(T3), 400mm 지점(T4) 각각에 레이저 빔(L1)을 조사하기 위하여 레이저 변위 센서부(110) 4개가 간격을 두어 타워(11) 내에 배치되는 것이 가능하다(도 2b 참조).
이 경우에, 레이저 변위 센서부(110) 각각은 블레이드(13)의 부위별 변위 신호를 획득할 수 있으므로, 상기 부위별 변위 신호를 기반으로 유한요소모델 또는 수치모델을 이용하여 블레이드(13) 전체의 변형 형상을 실시간으로 도출할 수 있어 블레이드 처짐 상태를 구체적인 형태로 구현화하여 진단 가능하다.
상기와 같이 구성된 레이저 변위 센서부(110)는 레이저 빔(L1) 및 반사광(L2)을 통해 타워(11) 및 블레이드(13) 사이의 변위 신호를 획득하여 데이터 처리부(130)로 실시간으로 송신할 수 있다.
데이터 처리부(130)는 레이저 변위 센서부(110)로부터 상기 변위 신호를 실시간으로 수신받아 데이터로 가공 처리하는 역할을 수행한다. 데이터 처리부(130)는 신호 변환부(131) 및 블레이드 평가부(133)를 포함할 수 있다.
신호 변환부(131)는 레이저 제어부(115)로부터 출력되는 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 수행한다. 이러한 데이터 처리부(130)는 통상적으로 사용되는 DAQ 시스템(Data Acquisition System)을 이용하여 구축 가능하다.
블레이드 평가부(133)는 신호 변환부(131)에서 변환된 디지털 신호를 수신하고, 상기 디지털 신호를 기반으로 타워(11) 및 블레이드(13)간의 변위를 측정하는 역할을 수행한다. 이 때, 상기 변위를 측정하는 방법으로 광삼각법(Triangulation measurement principles)을 이용할 수 있다.
또한, 블레이드 평가부(133)는 상기 측정된 변위를 기반으로 블레이드(13)의 처짐 상태 및 변형 형상을 실시간으로 진단하는 역할을 추가적으로 수행한다. 이 때, 블레이드(13)가 처져 있는 정도를 진단하기 위해서는 기준값을 필요로 하는데, 이러한 기준값으로는 처짐이 없는 블레이드(정상 상태의 블레이드)의 변위값을 이용하거나, 이전 시간에 측정된 블레이드의 변위값을 이용할 수 있다.
또한, 블레이드 평가부(133)는 타워(11) 및 블레이드(13) 사이의 변위가 상기 기준값을 벗어나는 경우에 운영자에게 경고를 발생시키는 경고부(미도시)를 포함할 수 있으며, 추후에 운영자 또는 전문가들이 상기 변위 정보를 관찰 가능하도록 변위 정보를 저장하는 데이터베이스부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
한편, 블레이드 평가부(133)는 신호 변환부(131)와 무선 네트워크를 통해 연결될 수 있다. 이 때, 상기 무선 네트워크는 지그비(Zigbee) 통신 또는 블루투스(Bluetooth) 통신 등과 같은 근거리 통신망을 이용하거나, 중계기 타워를 설치함으로써 구성할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.
이와 같이 블레이드 평가부(133)를 신호 변환부(131)와 무선 네트워크를 통해 연결하는 경우에는, 타워(11) 내부에 설치되는 레이저 변위 센서부(110)와 타워(11) 내외부에 설치되는 데이터 처리부(130)를 분리시키는 것이 가능하다. 따라서, 전원을 양쪽에 분리 공급할 수 있고 연결 케이블 등을 필요로 하지 않아 불필요한 자재 및 인력을 소요하지 않아도 되므로, 경제적 측면에서 보다 효율적이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서는 풍력 타워 내부에 설치된 레이저 변위 센서부를 통해 블레이드와 풍력 타워 사이의 변위 또는 블레이드의 변형 형상을 측정함으로써, 블레이드 처짐 상태를 실시간으로 진단 가능하므로 블레이드 유지 보수에 드는 비용을 효과적으로 절감 가능하다.
또한, 단일 레이저 변위 센서부를 이용하여 블레이드 처짐 상태를 진단 가능하므로, 개별 블레이드 내부에 과도한 센서를 부착함으로 인해 발생하는 경제적 손실을 절감할 수 있다.
또한, 데이터 처리부 및 블레이드 평가부를 무선 네트워크를 통해 구성하여 불필요한 자재 및 인력을 소요하지 않아도 되므로, 보다 경제성 있는 방법으로 풍력발전기에 적용 시킬 수 있다.
이하, 시험예를 통하여 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 시험예는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않음은 자명하다.
시험예
(1) 시험 준비
풍력발전기를 모사하기 위하여 1.05m 길이의 유리강화 폴리아미드 풍력 터빈 블레이드를 사용하였고, 3개의 날개편으로 구성되는 상기 블레이드를 회전 모터와 연결시켜 20 rpm의 회전속도로 회전 가능하도록 설치하였다. 이 때, 상기 회전속도는 2MW급 KM43 풍력터빈 블레이드가 장착된 발전기에서 평균 70 m/s 속도(블레이드 팁의 속도)로 직경 50m를 갖는 블레이드를 회전시킬 때의 회전 속도에 대응하는 값이다.
다음으로, 상기 블레이드에 레이저가 수직으로 조사될 수 있도록 레이저 변위 센서(SICK sensor intelligence, DT 50)를 블레이드 후방에 고정시키고, 레이저를 상기 블레이드에 조사하여 변위를 측정하였다.
이 때, 상기 레이저 변위 센서는 100mm의 측정 중심거리에서 최대 60mm의 변위를 측정할 수 있고, 샘플링 주파수는 최대 1kHz, 레이저 빔의 크기는 1.0Ⅹ2.0mm, 분해능은 50㎛이었다. 또한, 상기 레이저 변위 센서에서 레이저 빔은 반도체 레이저를 광원으로 하고, 파장은 780nm, 출력은 5mW이었다.
한편, 상기 레이저 변위 센서의 작동온도 범위는 -30℃ 내지 65℃이므로, 시험시 온도변화에 의한 변위 변화 가능성은 고려하지 않았다.
(2) 볼트 풀림에 의한 블레이드 처짐 모니터링
볼트 풀림에 의한 블레이드 처짐을 모사하기 위하여, 3개의 블레이드(Blade 1, Blade 2, Blade 3) 중 하나의 블레이드(Blade 1)에 대해 허브에 고정된 3개의 볼트 중 2개를 각각 1/4 및 1/2 바퀴만큼 풀었다.
다음으로, 블레이드를 20rpm의 속도로 회전시키면서, 블레이드 팁에서 센터(블레이드 루트) 방향으로 100mm부터 500mm 지점까지 100mm 간격으로 레이저 빔을 조사하여 변위를 획득하였다. 이러한 변위 측정은 볼트 풀림이 없는 정상 상태의 블레이드에도 동일하게 수행되었으며, 상기 정상 상태의 블레이드의 변위값을 기준값으로 사용하였다. 측정된 결과값은 도 4 내지 도 6에 나타내었다.
도 4는 볼트 풀림 전후의 블레이드의 변위를 비교한 그래프이고, 도 5는 볼트 풀림 전후의 Blade 1의 변위를 비교한 그래프이고, 도 6은 볼트 풀림에 대한 블레이드 팁에서 센터방향으로의 거리에 따른 Blade 1의 처짐 분포 그래프이다.
도 4를 참조하면, 변위신호가 측정되지 않은 구간은 로터의 회전 중 레이저 빔이 블레이드로부터 반사되지 않을 때를 의미한다. 도 4는 Blade 1을 연결하는 3개의 볼트 중 1,2번 볼트를 1/4 바퀴만큼 풀었을 경우의 블레이드 변위를 비교한 것으로 Blade 1에서의 급격한 변위 감소가 일어났음을 확인할 수 있으며, 이로부터 이상이 있는 블레이드를 쉽게 찾아낼 수 있다.
도 5를 참조하면, 변위 분포가 곡선형을 보이는 데, 이는 블레이드의 익형(airfoil)에 기인한 것이다. 한편, 변위 분포가 0.015~0.020s 구간에서 오류를 보이는 까닭은, 블레이드의 최대 캠버 부근에서 입사하는 레이저 빔이 난반사를 일으키기 때문이다. 볼트 풀림 전후의 Blade 1의 변위 차이를 상기 변위 분포의 양단의 평균값 차이로부터 도출하였으며, 그 값(Z1)은 4.16mm 이었다. 즉, 볼트 풀림에 의해 Blade 1이 기준값으로부터 4mm 가량 처짐이 발생한 것을 확인할 수 있다.
도 6을 참조하면, 볼트를 1/2 바퀴만큼 푼 경우와 볼트를 1/4 바퀴만큼 푼 경우에서의 변위차이를 비교하고 있으며 볼트를 1/2 바퀴만큼 푼 경우에 보다 처짐이 크게 발생함을 확인할 수 있다. 또한, 상기 처짐 정도는 센터(블레이드 루트)에 가까워질수록 낮아짐을 확인하였다.
(3) 나셀 기울어짐에 의한 블레이드 처짐 모니터링
나셀 처짐에 의한 블레이드 처짐을 모사하기 위하여, 블레이드 및 모터 연결부에 0.5mm 두께의 플레이트 부재를 삽입하여, 나셀이 기울어져 아래로 3mm 가량 기울어진 경우를 모사하였다.
다음으로, 블레이드를 20rpm의 속도로 회전시키면서, 블레이드 팁에서 센터(블레이드 루트) 방향으로 100mm부터 500mm 지점까지 100mm 간격으로 레이저 빔을 조사하여 변위를 획득하였다. 이러한 변위 측정은 나셀 기울어짐이 없는 정상 상태의 블레이드에도 동일하게 수행되었으며, 상기 정상 상태의 블레이드의 변위값을 기준값으로 사용하였다. 측정된 결과값은 도 7 내지 도 9에 나타내었다.
도 7은 나셀 기울어짐 전후의 블레이드 변위를 비교한 그래프이고, 도 8은 나셀 기울어짐 전후의 Blade 1의 변위를 비교한 그래프이고, 도 9는 나셀 기울어짐에 대한 블레이드 팁에서 센터방향으로의 거리에 따른 Blade 1의 처짐 분포 그래프이다.
도 7을 참조하면, 볼트 풀림에 의한 블레이드 처짐 신호와는 달리 모든 블레이드에서 처짐이 발생함을 확인할 수 있다. 또한, 도 8을 참조하면, 나셀 기울어짐 전후의 Blade 1의 변위 차이는 -45.47mm로 나타나 블레이드가 나셀 기울어짐에 의하여 타워 쪽으로 45.5mm 가량 처짐이 발생하였음을 확인할 수 있다. 마지막으로, 도 9를 참조하면, 센터(블레이드 루트)에서 블레이드 팁에 가까워질수록 처짐이 증가함을 확인할 수 있다.
이를 통하여, 모든 블레이드에서 처짐 현상이 발생하는 경우에는 블레이드 자체의 문제가 아닌 나셀이 기울어지는 문제(또는 회전축의 문제)임을 간접적으로 추정할 수 있었다.
(4) 블레이드 손상에 따른 블레이드 처짐 모니터링
블레이드 손상에 의한 블레이드 처짐을 모사하기 위하여, 3개의 블레이드(Blade 1, Blade 2, Blade 3) 중 하나의 블레이드(Blade 1)에 대해 블레이드 팁의 일부분을 제거하여 질량이 손실된 블레이드 손상을 모사하였다. 상기 손실된 질량값은 10g 및 30g의 두 가지 경우로 구분하였다.
이와 관련하여, 도 10은 블레이드의 질량 제거 전후의 모습을 촬영한 사진이다. 도 10에서와 같이 모사된 블레이드 손상은 번개 등에 의한 블레이드 손상과 유사한 상태에 해당한다.
다음으로, 블레이드를 20rpm의 속도로 회전시키면서, 블레이드 팁에서 센터(블레이드 루트) 방향으로 200mm부터 500mm 지점까지 100mm 간격으로 레이저 빔을 조사하여 변위를 획득하였다. 이러한 변위 측정은 나셀 기울어짐이 없는 정상 상태의 블레이드에도 동일하게 수행되었으며, 상기 정상 상태의 블레이드의 변위값을 기준값으로 사용하였다. 측정된 결과값은 도 11 내지 도 13에 나타내었다.
도 11은 블레이드 손상 전후의 블레이드 변위를 비교한 그래프이고, 도 12는 블레이드 손상 전후의 Blade 1의 변위를 비교한 그래프이고, 도 13은 블레이드 손상에 대한 블레이드 팁에서 센터방향으로의 거리에 따른 Blade 1의 처짐 분포 그래프이다.
도 11을 참조하면, 블레이드가 손상된 Blade 1에서는 변위가 증가되었음에 반하여, 블레이드가 손상되지 않은 Blade 2,3에서는 변위가 감소하였음을 확인할 수 있으며 이는 하나의 블레이드 손상에 따른 회전 불균형이 일어났음을 추정할 수 있다.
도 12를 참조하면, 블레이드가 손상된 Blade 1이 타워 반대 방향으로 3.63mm(Z1) 만큼 멀어진 것을 확인할 수 있으며, 도 13을 참조하면 10g의 질량 손실이 있는 경우보다 30g의 질량 손실이 있는 경우 변위 변화가 크다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 센터(블레이드 루트)에서 팁으로 가까워질수록 변위 변화가 커짐을 확인할 수 있다.
상술한 시험을 통하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 처짐 감시 시스템을 통하여 ⅰ) 블레이드의 처짐이 발생하였는지 여부, ⅱ) 복수개의 블레이드 중 처짐이 발생한 블레이드가 무엇인지 여부, ⅲ) 상기 처짐 발생이 블레이드 자체의 문제인지 또는 나셀/회전축의 문제인지 여부, ⅳ) 블레이드의 손상으로 인하여 회전 불균형이 발생하고 있는지 여부 등을 확인할 수 있어, 상기 블레이드 처짐 감시 시스템이 풍력 발전기의 블레이드 처짐 상태를 간편하면서도 효과적으로 진단할 수 있음을 확인하였다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 풍력 발전기 11: 타워
11a: 쓰루홀 12: 나셀
13: 블레이드 100: 블레이드 처짐 감시 시스템
110: 레이저 변위 센서부 L1: 레이저
L2: 반사광 111: 레이저 조사부
113: 레이저 수신부 115: 레이저 제어부
130: 데이터 처리부 131: 신호 변환부
133: 블레이트 평가부

Claims (14)

  1. 풍력 발전기의 타워 내부에 설치되는 것으로, 블레이드를 향해 레이저 빔을 조사하는 레이저 조사부와, 상기 블레이드에 의해 반사되어 되돌아오는 빛을 수광하는 레이저 수신부와, 상기 레이저 수신부로부터 수신한 변위 신호를 증폭 및 보정하여 아날로그 신호를 출력하는 레이저 제어부를 포함하는 레이저 변위 센서부; 및
    상기 레이저 제어부로부터 출력된 상기 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부와, 상기 신호 변환부에서 변환된 디지털 신호를 기반으로 처짐이 없는 블레이드 변위 또는 이전 시간의 블레이드 변위를 기준값으로 하여 상기 블레이드의 처짐 상태나 변형 형상을 실시간으로 진단하는 블레이드 평가부를 포함하는 데이터 처리부를 포함하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 조사부는,
    레이저 신호를 출력하는 레이저 출력회로;
    상기 레이저 신호를 레이저로 변환하는 레이저 다이오드; 및
    상기 레이저를 집광시키는 제1 집광렌즈를 포함하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 레이저 수신부는,
    수광되는 빛 중에 상기 레이저 빔이 블레이드에 반사되어 되돌아오는 빛만 통과시키는 광학필터; 및
    상기 광학필터를 통과하여 집광되는 제2 집광렌즈를 포함하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 타워에는 상기 레이저 조사부 및 상기 레이저 수신부의 위치에 대응하여 적어도 하나 이상의 쓰루홀이 형성되는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력 발전기의 타워 내부에는 상기 레이저 변위 센서부가 복수개 설치되고, 복수개의 상기 레이저 변위 센서부는 상기 블레이드의 부위별 변위 신호를 획득하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 블레이드의 부위별 변위 신호를 기반으로 유한요소모델 또는 수치모델을 이용하여 상기 블레이드 전체의 변형 형상을 실시간으로 도출하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드 평가부는,
    상기 타워 및 블레이드 사이의 변위가 상기 기준값을 벗어나는 경우에 운영자에게 경고를 발생시키는 경고부를 더 포함하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드 평가부는,
    상기 타워 및 블레이드 사이의 변위 정보를 저장하는 데이터베이스부를 더 포함하는 블레이드 처짐 감시 시스템.
  13. 삭제
  14. 삭제
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