KR101368658B1 - 풍력발전기 및 풍력발전기의 결빙 방지 방법 - Google Patents

풍력발전기 및 풍력발전기의 결빙 방지 방법 Download PDF

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Abstract

풍력발전기 및 풍력발전기의 결빙 방지 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기는, 블레이드 주변의 구름수액량(CLOUD WATER CONTENT)을 감지하는 구름수액량 감지부; 블레이드 주변의 온도를 감지하는 온도 감지부; 블레이드의 표면에 양극(POSITIVE POLE) 또는 음극(NEGATIVE POLE)을 선택적으로 제공하는 극성 제공부; 및 구름수액량 감지부 및 온도 감지부에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 기초로 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하고, 산출된 극성과 동일한 극성이 블레이드의 표면에 제공되도록 극성 제공부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

풍력발전기 및 풍력발전기의 결빙 방지 방법{WIND POWER GENERATOR AND METHOD FOR PREVENTING ICING THEREOF}
본 발명은 풍력발전기 및 풍력발전기의 결빙 방지 방법에 관한 것이다.
최근 들어 지구온난화, 고유가 등의 문제를 해결하기 위해 석유 자원을 대체할 대체 에너지 개발이 한창이다. 이러한 대체 에너지 중에서 풍력발전은 오염물질의 배출이 전혀 없고 환경을 훼손할 우려가 없다는 점에서 각광 받고 있다.
풍력발전기는 산의 능선 또는 해상과 같이 바람이 원활하게 부는 야외 장소에 설치된다. 야외 장소에 설치되는 풍력발전기는 통상적으로 설치 장소의 기상 조건에 영향을 받는다.
특히, 풍력발전기가 추운 지역에 설치되는 경우, 풍력발전기에 결빙이 발생될 수 있다. 블레이드에 결빙이 발생하면 블레이드의 무게가 증가하여 발전 효율이 낮아지고, 외부의 작은 충격에도 파괴(fracture)가 일어날 가능성이 커진다.
따라서 블레이드의 결빙을 방지하기 위한 기술 개발의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
한국공개특허 제10-2012-0066382호(2012.06.22.) 한국공개특허 제10-2010-0077744호(2010.07.08.)
본 발명의 실시예는, 블레이드의 결빙을 효과적으로 방지하도록 구성된 풍력발전기 및 풍력발전기의 결빙 방지 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 블레이드를 가지는 풍력발전기로서, 상기 블레이드 주변의 구름수액량(CLOUD WATER CONTENT)을 감지하는 구름수액량 감지부; 상기 블레이드 주변의 온도를 감지하는 온도 감지부; 상기 블레이드의 표면에 양극(POSITIVE POLE) 또는 음극(NEGATIVE POLE)을 선택적으로 제공하는 극성 제공부; 및 상기 구름수액량 감지부 및 상기 온도 감지부에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 기초로 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하고, 상기 산출된 극성과 동일한 극성이 상기 블레이드의 표면에 제공되도록 상기 극성 제공부를 제어하는 제어부를 포함하는, 풍력발전기가 제공될 수 있다.
상기 구름수액량 감지부는, 라디오미터(MICROWAVE RADIOMETER) 또는 강우 레이더(MICRO RAIN RADAR)를 포함할 수 있다.
상기 극성 제공부는, 상기 블레이드의 표면에 부착되는 제 1 도체부; 상기 제 1 도체부와 마주보도록 상기 블레이드에 배치되는 제 2 도체부; 및 상기 제 1 도체부와 상기 제 2 도체부 사이에 양전압 또는 음전압을 선택적으로 제공하는 전압 제공부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 구름수액량 및 온도에 따라 물체 표면에 형성되는 얼음의 극성에 대한 실험 데이터에 상기 구름수액량 감지부 및 상기 온도 감지부에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 대입하여 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 블레이드를 가지는 풍력발전기의 결빙 방지 방법으로서, 상기 블레이드 주변의 구름수액량 및 온도를 감지하는 단계; 상기 감지된 구름수액량 및 온도를 기초로 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하는 단계; 및 상기 블레이드의 표면에 상기 산출된 극성과 동일한 극성을 제공하는 단계를 포함하는, 풍력발전기의 결빙 방지 방법이 제공된다.
상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하는 단계에서, 구름수액량 및 온도에 따라 물체 표면에 형성되는 얼음의 극성에 대한 실험 데이터에 상기 감지된 구름수액량 및 온도를 대입하여 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 블레이드의 표면에 형성되는 얼음과 동일한 극성을 블레이드의 표면에 제공함으로써, 전기적 척력에 의해 얼음이 블레이드의 표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기를 측면에서 바라본 개략적인 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 결빙 방지 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 결빙 방지 시스템의 극성 제공부를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 실시예에 따른 풍력발전기의 결빙을 방지하기 위해 사용되는 실험 데이터에 대한 그래프를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기를 측면에서 바라본 개략적인 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력발전기(10)는 타워(100), 나셀(200), 허브부(300), 블레이드(400)를 포함한다.
타워(100)는 예를 들어 지면 등에 고정 설치될 수 있다. 타워(100) 상단에는 나셀(200)이 설치된다.
나셀(200)은 나셀 커버(210)와 에너지 변환 장치(220)를 포함한다. 나셀 커버(210)는 에너지 변환 장치(220)가 수용되는 공간을 제공한다. 나셀 커버(210)는 비전도성 재질로 제공될 수 있다. 예컨대, 나셀 커버(210)는 FRP(Fiber Reinforced Plastics) 재질로 제공될 수 있다.
에너지 변환 장치(220)는 메인 샤프트(330)를 통해 허브부(300)에서 전달되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 에너지 변환 장치(220)는 발전기(221) 및 기어 박스(222) 등을 포함한다.
나셀(200)의 전방에는 허브부(300)가 제공된다. 허브부(300)는 허브(310)와 허브 커버(320)를 포함한다.
허브(310)는 나셀(200)의 전방으로 돌출된 메인 샤프트(330)와 결합하고, 메인 샤프트(330)를 통해 에너지 변환 장치(220)와 연결된다. 허브(310)의 회전 에너지는 메인 샤프트(330)를 통해 에너지 변환 장치(220)에 전달된다. 허브(310)는 강도가 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 제공될 수 있다.
허브 커버(320)는 허브(310)와 소정 간격을 유지하여 허브(310)를 둘러싼다. 허브 커버(320)는 비전도성 재질로 제공될 수 있다. 예컨대, 허브 커버(320)는 FRP(Fiber Reinforced Plastics) 재질로 제공될 수 있다.
블레이드(400)는 복수 개 제공되며, 허브(310)를 중심으로 방사상으로 배치된다. 블레이드(400)는 루트(root)가 허브(310)에 결합한다. 블레이드(400)의 루트는 원형 단면을 가질 수 있다. 블레이드(400)들은 익형 단면을 가지며, 전방으로부터 불어오는 바람에 대해 일정한 받음각(angle of attack)을 갖도록 배치된다.
풍력발전기(10)의 전방에서 불어오는 바람은 블레이드(400)들의 표면을 스쳐 지나면서 양력을 발생시킨다. 발생된 양력은 블레이드(400)들과 허브(310)를 회전시키고, 회전력은 나셀(200)에 전달되어 전기 에너지로 변환된다.
블레이드(400)의 루트와 허브(310) 사이에는 피치 베어링(미도시)이 개재될 수 있다. 피치 베어링은 피치 제어부(미도시)의 제어에 의해, 블레이드(400)를 허브(310)에 대해 상대 회전시킴으로써 블레이드(400)의 피치각을 조절한다.
블레이드(400)는 비전도성 재질 예컨대, FRP(Fiber Reinforced Plastics) 재질로 제공될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 결빙 방지 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 결빙 방지 시스템의 극성 제공부를 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력발전기(10)는 구름수액량 감지부(500), 온도 감지부(600), 극성 제공부(700) 및 제어부(800)를 포함한다.
구름수액량 감지부(500)는 블레이드(400) 주변의 구름수액량(LIQUID WATER CONTENT)을 감지한다. 구름수액량 감지부(500)는 라디오미터(MICROWAVE RADIOMETER) 또는 강우 레이더(MICRO RAIN RADAR)를 포함할 수 있다.
라디오미터는 대기로부터 장파복사를 수신하여 지정된 경로에서 밝기 온도를 관측하여 수증기량과 수액량을 실시간으로 산출한다. 그리고 강우레이더는 전자기파를 방사하여 구름 내부에 있는 물입자에 의해 반사되어 되돌아오는 신호를 측정하여 레이더 반사도와 입자의 낙하속도를 관측하고 이를 이용하여 강우강도, 수액량, 입자크기분포를 산출한다.
구름수액량 감지부(500)는 라디오미터 또는 강우 레이더 외에도 공지된 다양한 감지 수단을 포함할 수 있음은 물론이다.
온도 감지부(600)는 블레이드(400) 주변의 온도를 감지한다.
구름수액량 감지부(500) 및 온도 감지부(600)에서 각각 감지된 블레이드(400) 주변의 구름수액량 및 온도는 블레이드(400)의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하기 위한 데이터로 활용되는데 이에 대한 설명은 후술한다.
극성 제공부(700)는 블레이드(400)의 표면에 양극 또는 음극을 선택적으로 제공한다.
도 3을 참조하면, 극성 제공부(700)는, 제 1 도체부(710), 제 2 도체부(720) 및 전압 제공부(730)를 포함할 수 있다.
제 1 도체부(710)는 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(400)의 표면에 부착될 수 있다. 이 경우, 제 1 도체부(710)와 블레이드(400)의 표면 사이에 단차가 형성되지 않도록 제 1 도체부(710)는 블레이드(400)의 표면에 형성된 홈(420)에 삽입되어 부착된다.
제 1 도체부(710)는 판형으로 제작될 수 있다. 제 1 도체부(710)는 블레이드(400)의 표층(410) 두께 보다 얇은 박판 형상을 가질 수 있다.
제 2 도체부(720)는 제 1 도체부(710)와 마주보도록 블레이드(400)에 배치된다. 이때, 제 2 도체부(720)은 블레이드(400)의 표층(410)에 배치될 수 있다. 제 2 도체부(720)는 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(400)의 표층(410) 내측면에 부착될 수 있다. 제 2 도체부(720)는 블레이드(400)의 표층(410) 내측면에 형성된 홈(430)에 삽입되어 부착될 수 있다.
제 2 도체부(720)는 판형으로 제작될 수 있고, 블레이드(400)의 표층(410) 두께보다 얇은 박판 형상을 가질 수 있다.
제 1 도체부(710) 및 제 2 도체부(720)는 상호 소정의 간격을 두고 배치된다. 제 1 도체부(710) 및 제 2 도체부(720) 사이의 간격에 따라 제 1 도체부(710) 및 제 2 도체부(720)에 각각 모이는 전하량이 달라진다.
전압 제공부(730)는 제 1 도체부(710)와 제 2 도체부(720) 사이에 양전압 또는 음전압을 선택적으로 제공한다.
이와 같이 구성된 극성 제공부(700)는, 블레이드(400)의 표면에 양극 또는 음극을 선택적으로 제공하도록 작동한다.
예컨대 전압 제공부(730)가 제 1 도체부(710)와 제 2 도체부(720) 사이에 양전압을 제공하면 제 1 도체부(710)에는 양전하가 모이고, 제 2 도체부(720)에는 음전하가 모일 수 있다. 이 경우, 블레이드(400) 표면에 부착된 제 1 도체부(710)는 양극으로 작용한다.
또는 전압 제공부(730)가 제 1 도체부(710)와 제 2 도체부(720) 사이에 음전압을 제공하면 제 1 도체부(710)에는 음전하가 모이고, 제 2 도체부(720)에는 양전하가 모일 수 있다. 이 경우, 블레이드(400) 표면에 부착된 제 1 도체부(710)는 음극으로 작용한다.
제어부(800)는 극성 제공부(700)를 제어한다. 이하, 제어부(800)가 극성 제공부(700)를 제어하는 과정을 설명한다.
제어부(800)는 구름수액량 감지부(500) 및 온도 감지부(600)에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 기초로 블레이드(400)의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출한다.
블레이드(400)의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하기 위해, 먼저 도 4와 같은 실험 데이터를 획득한다. 위 실험 데이터는 구름수액량 및 온도에 따라 물체 표면에 형성되는 얼음의 극성에 대한 것이다. 실험 데이터를 획득하기 위한 실험은 예컨대 실험실에서 수행되고, 결빙 가능 온도인 영하 0도 이하에서 수행된다.
실험실 내에서 구름수액량 및 온도를 가변시키면서, 가변하는 구름수액량 및 온도에서 모형 블레이드와 같은 물체의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 측정한다. 이러한 실험을 반복하면 도 4와 같은 실험 데이터를 획득할 수 있다.
도 4의 실험 데이터를 살펴보면, 예컨대 구름수액량이 0.5 g/m3이고, 온도가 -5℃인 경우, 물체의 표면에 형성되는 얼음의 극성이 플러스이고, 구름 수액량이 0.5 g/m3이고, 온도가 -20℃인 경우, 물체의 표면에 형성되는 얼음의 극성이 마이너스임을 알 수 있다. 그리고 경계 라인(L)을 기초로 얼음의 극성이 바뀌는 것을 알 수 있다.
이와 같이 실험적으로 획득한 실험 데이터는 제어부(800)에 저장된다.
제어부(800)는 구름수액량 감지부(500) 및 온도 감지부(600)에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 미리 획득하여 저장한 실험 데이터에 대입하여 블레이드(400)의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출한다.
제어부(800)는 산출된 극성과 동일한 극성이 블레이드(400)의 표면에 제공되도록 극성 제공부(700)를 제어한다. 예컨대, 산출된 극성이 플러스인 경우, 제어부(800)는 블레이드(400)의 표면에 양극이 제공되도록 극성 제공부(700)를 제어한다. 또는 산출된 극성이 마이너스인 경우, 제어부(800)는 블레이드(400)의 표면에 음극이 제공되도록 극성 제공부(700)를 제어한다.
블레이드(400)의 표면에 형성되는 얼음의 극성과 동일한 극성이 블레이드(400)의 표면에 제공되면 얼음과 블레이드(400) 표면 사이에 척력이 발생하여 얼음을 블레이드(400) 표면에서 밀어낸다. 이 경우, 블레이드(400)의 표면에 형성되는 얼음은 블레이드(400)의 표면에 부착되지 못하기 때문에 블레이드(400)가 결빙되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 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 : 풍력발전기 100 : 타워
200 : 나셀 210 : 나셀 커버
220 : 에너지 변환 장치 221 : 발전기
222 : 기어 박스 300 : 허브부
310 : 허브 320 : 허브 커버
400 : 블레이드 410 : 표층
500 : 구름수액량 감지부 600 : 온도 감지부
700 : 극성 제공부 710 : 제 1 도체부
720 : 제 2 도체부 730 : 전압 제공부
800 : 제어부

Claims (6)

  1. 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 블레이드 주변의 구름수액량(CLOUD WATER CONTENT)을 감지하는 구름수액량 감지부;
    상기 블레이드 주변의 온도를 감지하는 온도 감지부;
    상기 블레이드의 표면에 양극(POSITIVE POLE) 또는 음극(NEGATIVE POLE)을 선택적으로 제공하는 극성 제공부; 및
    상기 구름수액량 감지부 및 상기 온도 감지부에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 기초로 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하고, 상기 산출된 극성과 동일한 극성이 상기 블레이드의 표면에 제공되도록 상기 극성 제공부를 제어하는 제어부를 포함하는, 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구름수액량 감지부는,
    라디오미터(MICROWAVE RADIOMETER) 또는 강우 레이더(MICRO RAIN RADAR)를 포함하는, 풍력발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 극성 제공부는,
    상기 블레이드의 표면에 부착되는 제 1 도체부;
    상기 제 1 도체부와 마주보도록 상기 블레이드에 배치되는 제 2 도체부; 및
    상기 제 1 도체부와 상기 제 2 도체부 사이에 양전압 또는 음전압을 선택적으로 제공하는 전압 제공부를 포함하는, 풍력발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    구름수액량 및 온도에 따라 물체 표면에 형성되는 얼음의 극성에 대한 실험 데이터에 상기 구름수액량 감지부 및 상기 온도 감지부에서 각각 감지된 구름수액량 및 온도를 대입하여 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하는, 풍력발전기.
  5. 블레이드를 포함하는 풍력발전기의 결빙 방지 방법에 있어서,
    상기 블레이드 주변의 구름수액량 및 온도를 감지하는 단계;
    상기 감지된 구름수액량 및 온도를 기초로 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하는 단계; 및
    상기 블레이드의 표면에 상기 산출된 극성과 동일한 극성을 제공하는 단계를 포함하는, 풍력발전기의 결빙 방지 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하는 단계에서,
    구름수액량 및 온도에 따라 물체 표면에 형성되는 얼음의 극성에 대한 실험 데이터에 상기 감지된 구름수액량 및 온도를 대입하여 상기 블레이드의 표면에 형성되는 얼음의 극성을 산출하는, 풍력발전기의 결빙 방지 방법.
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