KR101397452B1 - 풍력발전기의 로터락 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

풍력발전기의 로터락 제어 시스템이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 중앙 관제 시스템에서 원격으로 관리되는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템은, 회전체인 로터의 허브에 고정되어 상기 로터의 회전축을 중심으로 형성되는 복수의 디스크 구멍을 포함하는 로터락 디스크, 고정체인 메인 프레임에 설치되며 인가되는 로터락 작동 신호에 따라 상기 디스크 구멍에 고정막대를 삽입하여 상기 로터가 회전하지 않도록 고정하는 로터락 실린더, 상기 로터의 회전력을 전달하는 샤프트의 축을 지지하는 메인 베어링부, 상기 복수의 디스크 구멍 중 미리 선정된 1번 디스크 구멍을 기준으로 하는 상기 메인 베어링부의 회전각을 측정하는 엔코더, 상기 중앙 관제 시스템으로부터 로터락 제어 명령을 수신하면 상기 메인 베어링부의 회전각이 상기 복수의 디스크 구멍 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것을 검출하여 로터락 작동 신호를 생성하는 제어기 및 상기 로터락 작동 신호에 따라 상기 로터락 실린더를 작동시키는 로터락 구동부를 포함한다.

Description

풍력발전기의 로터락 제어 시스템{ROTOR LOCK CONTROL SYSTEM OF WIND TURBINE}

본 발명은 풍력발전기의 로터락 제어 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 바람의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 이로부터 전기를 생산하는 것으로 무공해, 무한정의 바람을 이용함으로 환경에 미치는 영향이 적고, 국토를 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 풍력발전기가 여러 기 설치되어 있는 대규모 풍력발전단지의 경우에는 발전단가도 기존의 화석에너지 발전방식과 경쟁이 가능한 수준이어서 대체 에너지 산업으로서 빠르게 성장하고 있는 추세이다.

이러한 대규모 풍력발전단지에 설치되는 풍력발전기들은 통신망으로 연결되는 중앙관제센터에서 원격으로 그 운용상태를 관리하고 있다. 반면, 풍력발전기들이 육상이나 해상의 넓은 지역에 분포되는 지리적 특성상 현장 작업자가 작업을 위해 개별 풍력발전기에 일일이 접근하기에는 용이하지 않다.

특히, 해상풍력발전기는 육지에서 수십 Km 떨어진 곳에 설치 되기 때문에 접근성이 떨어지는 단점이 있다.

실제로 육상의 관제센터에서 해상풍력발전기에 접근하기 위해서는 보트나 헬리콥터를 이용하여야 하기 때문에 상당한 유지 비용이 발생된다. 그리고, 이러한 이동 수단을 자체적으로 보유하고 있지 않을 경우엔 가능한 업체를 통해 대여 하기 위하여 시간이 지체될 수 있다. 또한, 기상이나 해수의 조건에 따라서 해상풍력발전기로 접근이 불가능할 수도 있는 문제가 있다.

한편, 로터락 시스템(Rotor Lock System)은 작업자 및 풍력발전기 자체의 안전을 위한 것으로 발전기가 정지된 상태에서 외부의 강한 풍속에도 로터가 움직이지 않도록 기계적으로 고정하는 장치이다.

작업자는 유지보수를 위해 나셀 커버 위 혹은 허브에서 작업을 하거나 나셀 내부의 샤프트, 기어박스 등 로터와 관련된 부품에서 작업을 하는 경우엔 반드시 로터락(Rotor Lock)을 통하여 로터를 고정시켜놓고 작업을 해야 한다. 또한, 작업자의 작업 이외에도 주위의 환경 및 터빈 내부의 상태에 따라서 로터가 회전해서는 안되는 긴급한 상황이 발생된 경우에는 반드시 로터락을 사용하여 로터를 고정시켜야 한다.

현재 로터락 시스템을 가동하기 위해서는 작업자가 직접 나셀 위로 올라가서 눈으로 로터의 허브에 고정된 로터락 디스크의 구멍과 고정체에 설치된 로터락의 위치를 확인하고, 일치되는 순간에 버튼을 눌러 로터락이 로터락 디스크의 구멍에 삽입하여야만 한다.

그러나, 해상풍력발전기의 경우엔 해상 및 기상의 조건, 보트 혹은 헬기 등의 접근 장비 사용여부에 따라서 장기간 동안 접근이 불가능할 수가 있어, 적시에 로터락을 사용하지 못 할 경우 고가의 부품이 손상되거나 심하게는 해상풍력발전기 자체가 완전 파괴될 수 있는 문제점이 있다.

또한, 육상으로부터 해상풍력발전기로의 접근을 위하여 보트 혹은 헬기 등을 사용하여 고비용이 발생되므로 이를 해결하기 위한 대안이 절실히 요구된다.

특허문헌 1 : 한국등록특허 제0988920호 (2010.10.20. 공고)

본 발명의 실시 예는 풍력발전단지에 있어서 중앙 관제 시스템에서의 원격 관리를 지원하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 중앙 관제 시스템에서 원격으로 관리되는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템은, 회전체인 로터의 허브에 고정되어 상기 로터의 회전축을 중심으로 형성되는 복수의 디스크 구멍을 포함하는 로터락 디스크; 고정체인 메인 프레임에 설치되며 인가되는 로터락 작동 신호에 따라 상기 디스크 구멍에 고정막대를 삽입하여 상기 로터가 회전하지 않도록 고정하는 로터락 실린더; 상기 로터의 회전력을 전달하는 샤프트의 축을 지지하는 메인 베어링부; 상기 복수의 디스크 구멍 중 미리 선정된 1번 디스크 구멍을 기준으로 하는 상기 메인 베어링부의 회전각을 측정하는 엔코더; 상기 중앙 관제 시스템으로부터 로터락 제어 명령을 수신하면 상기 메인 베어링부의 회전각이 상기 복수의 디스크 구멍 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것을 검출하여 로터락 작동 신호를 생성하는 제어기; 및 상기 로터락 작동 신호에 따라 상기 로터락 실린더를 작동시키는 로터락 구동부를 포함한다.

또한, 상기 풍력발전기의 로터락 제어 시스템은, 상기 중앙 관제 시스템과 해저 케이블을 통해 연결되는 인터페이스를 통해 풍력발전기의 모니터링을 위한 상태정보 전송하고 상기 로터락 작동 명령을 수신하는 통신부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 메인 베어링부는, 결합부재를 통해 메인 프레임의 바닥에 고정된 하우징; 상기 메인 프레임에 고정되어 상기 샤프트의 축을 지지하는 외륜; 및 상기 샤프트의 축에 체결되어 상기 샤프트와 함께 회전하고 상기 외륜으로부터 축 방향으로 노출된 원통형의 외주연에 기어 이빨이 형성된 내륜을 포함 할 수 있다.

또한, 상기 메인 베어링부는, 고정체인 메인 프레임에 고정되어 상기 샤프트의 축을 지지하는 외륜 및 상기 샤프트의 축에 체결되어 상기 샤프트와 함께 회전하고 상기 외륜으로부터 축 방향으로 노출된 원통형의 외주연에 기어 이빨이 형성된 내륜을 포함할 수 있다.

또한, 상기 엔코더는, 상기 하우징의 내벽에 설치되어 상기 내륜의 기어 이빨과 맞물려 돌아가는 계측기어를 포함하며, 상기 계측기어의 회전량을 체크하여 상기 메인 베어링부의 회전각을 측정할 수 있다.

또한, 상기 메인 베어링부의 회전각은, 상기 로터, 로터락 디스크 및 샤프트의 회전각과 동일할 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 1번 디스크 구멍을 기준으로 하여 각 디스크 구멍의 각도를 계산하고, 상기 각 디스크 구멍의 각도를 로터락 작동 시점으로 설정할 수 있다.

또한, 상기 로터락 실린더는, 상기 메인 프레임의 외주면을 따라 복수로 설치되고 상기 로터락 작동 신호에 따라 동기된 동작을 할 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 로터락 작동 명령을 수신하면 상기 로터의 현재 속도를 기준속도 미만으로 줄일 수 있다.

또한, 상기 제어기는, 상기 로터의 회전속도를 블레이드의 페더링이나 샤프트 브레이크를 이용하여 기준속도 미만으로 줄인 상태에서 상기 로터락 실린더를 작동시키되, 나셀 내부에 설치된 별도의 로터락 제어기를 통해 상기 로터락 실린더를 제어할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 중앙 관제 시스템에서 원격으로 관리되는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템은, 회전체인 로터의 허브에 고정되어 상기 로터의 회전축을 중심으로 형성되는 복수의 디스크 구멍을 포함하는 로터락 디스크; 고정체인 메인 프레임에 설치되며 인가되는 로터락 작동 신호에 따라 상기 디스크 구멍에 고정막대를 삽입하여 상기 로터가 회전하지 않도록 고정하는 로터락 실린더; 상기 로터의 회전력을 전달하며 원통형의 외주연에 기어 이빨이 형성된 샤프트; 상기 기어 이빨과 맞물리는 계측기어의 회전량을 이용하여 미리 선정된 1번 디스크 구멍을 기준으로 하는 상기 샤프트의 회전각을 측정하는 엔코더; 상기 중앙 관제 시스템으로부터 로터락 제어 명령을 수신하면 상기 메인 베어링부의 회전각이 상기 복수의 디스크 구멍 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것을 검출하여 로터락 작동 신호를 생성하는 제어기; 및 상기 로터락 작동 신호에 따라 상기 로터락 실린더를 작동시키는 로터락 구동부를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 중앙 관제 시스템에서 원격지에 있는 풍력발전기에 대한 로터락을 자동으로 제어할 수 있으므로 유지보수 및 관리를 용이하게 할 수 있다.

그리고, 풍력발전단지내의 기반 통신시설을 이용하여 개별 풍력발전기의 로터락을 선택적으로 제어할 수 있으므로 긴급한 상황에서도 신속하게 대응할 수 있다.

또한, 해상풍력발전단지의 경우 작업자의 투입 없이 원격지의 해상풍력발전기에 대한 로터락 제어가 가능하여 헬기나 보트의 운용비용을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전단지의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 로터락 제어 시스템을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로터락 설비의 설치구성을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메인 베어링부와 엔코더를 나타낸 도 3의 A-A 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로터락 작동 시점 설정 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 로터락 디스크의 디스크 구멍 번호 선정 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 디스크 구멍 별 로터락 작동 시점 설정 테이블을 나타낸다. .
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 로터락 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기어 이빨 및 엔코더의 설치 구조를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메인 베어링과 엔코더를 나타낸 단면도를 나타낸다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이제 본 발명의 실시 예에 따른 풍력발전기의 로터락 제어 시스템에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명하되, 발명의 문제점 및 효과를 극대화하기 위하여 '해상풍력발전단지'를 가정하여 설명한다.

해상풍력발전단지를 운용함에 있어서 경우에 따라 해상풍력발전기 및 현장 작업자의 안전을 위해 해상풍력발전기를 정지시켜야 하는 경우가 발생되며, 일반적으로 해상풍력발전기를 정지시키기 위한 방법은 그 상황에 따라 다음의 3가지로 분류할 수 있다.

첫 번째, 해상풍력발전기는 주위의 풍속이 발전을 위해서 필요한 최소 풍속보다 작을 경우에 블레이드의 각도를 페더링하여 발전기를 정지시킨다. 이 경우는 낮은 풍속으로 인하여 발전효율이 떨어져 대기상태를 유지하는 것이 목적이며, 해상풍력발전기의 로터가 완전히 정지하지 않고 풍속에 따라서 조금씩 움직일 수 있다.

두 번째, 해상풍력발전기는 로터의 회전력을 전달하는 샤프트 쪽에 설치되는 브레이크를 사용하여 발전기를 정지시킨다. 이는 자동차의 브레이크 원리와 유사하게 샤프트에 브레이크 패드를 마찰시켜 정지시키는 것으로 이 경우에도 강한 풍속에서는 로터가 조금씩 움직이는 경우가 발생될 수 있다.

세 번째, 로터락 제어 시스템을 이용하여 창문의 잠금 장치와 같이 기계적인 결속을 통해 로터를 정지된 상태로 고정시키는 방법으로, 이는 로터를 정지시킨 상태에서 움직이지 못하도록 완전히 고정시킨다는 점에서 상기 2가지 방법과 다르다.

즉, 이하 본 발명의 실시 예에 따른 설명에 앞서서 로터락 제어 시스템을 통해 로터를 정지시킨다는 의미는 첫 번째의 블레이드의 페더링이나 두 번째의 샤프트 브레이크를 이용한 로터의 정지와 그 방법 및 효과에서 차이가 있음을 먼저 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전단지의 구성을 개략적으로 나타낸다.

첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전단지는 해상에서 서로 이웃하는 해상풍력발전기들과 수백 미터 내지 수 킬로미터의 간격으로 이격 설치되는 복수의 해상풍력발전기(100) 및 육상에서 해상풍력발전기(100)들의 운용상태를 통합 관리하는 중앙 관제 시스템(200)을 포함한다.

해상풍력발전기(100)는 블레이드에 의해 회전하는 로터(Rotor)를 중심으로 그 회전력을 전달하는 샤프트(Shaft), 회전속도를 적정속도로 변경하는 증속기 및 상기 회전력으로 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비와 이들을 제어하는 제어기를 포함한다.

중앙 관제 시스템(200)은 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)시스템이라고도 하며 풍력발전단지의 운용 상태를 모니터링하고, 각 해상풍력발전기(100)들의 가동(ON), 정지(OFF), 발전량 조절 등의 전반적인 동작을 관리한다.

중앙 관제 시스템(200)은 육상으로부터 해저 케이블을 이용하여 각 해상풍력발전기(100)들의 제어기와 연동할 수 있으며, 일반적으로 육상 및 해상의 모든 풍력발전단지에 적용되어 운용되는 시스템이다.

중앙 관제 시스템(200)은 개별 해상풍력발전기(100)로부터 상태정보를 수집하고 이를 분석하여 그 운용상태를 실시간으로 감시한다. 그리고, 태풍 등으로 인해 주변 기상이 악화되거나, 특정 해상풍력발전기(100)에 이상이 발생되는 경우 안전을 위하여 해당 해상풍력발전기(100)를 고정시키기 위한 제어 명령을 전달한다.

특히, 중앙 관제 시스템(200)은 해당 해상풍력발전기(100)의 안전 및 유지보수를 위해 투입된 현장 작업자의 안전을 위하여 해당 해상풍력발전기(100)에 로터락(Rotor Lock) 작동 명령을 전달할 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 로터락 제어 시스템을 나타낸다.

첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 로터락 제어 시스템은 로터락 설비(110), 메인 베이링부(120), 엔코더(130), 통신부(140), 제어기(150) 및 로터락 구동부(160)를 포함한다.

먼저, 로터락 설비(110)는 로터락 디스크(111), 디스크 구멍(112) 및 로터락 실린더(113)를 포함하며 다음의 도 3 및 도 4를 통해 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로터락 설비의 설치구성을 나타낸 사시도이다.

첨부된 도 3을 참조하면, 로터락 디스크(111)는 회전체인 로터의 허브에 고정되어 로터와 함께 회전하며 로터의 회전축을 중심으로 복수의 디스크 구멍(112)이 형성된다.

디스크 구멍(112)은 로터를 고정하기 위해 로터락 실린더(113)의 고정막대(piston)와 기계적인 결합이 이루어지는 구멍이다.

로터락 실린더(113)는 고정체인 메인 프레임에 설치되며 인가되는 로터락 작동 신호에 따라 디스크 구멍(112)에 고정막대를 삽입하여 상기 로터가 회전하지 않도록 고정한다. 상기 고장막대는 일종의 피스톤으로 작동 신호에 따라 전진 및 후진 동작을 한다.

즉, 로터락 실린더(113)는 로터가 회전하는 경우에도 항상 고정되어 있으며 로터락 작동 시에는 고정막대를 전진하여 디스크 구멍(112)에 삽입하고, 로터락 해제 시에는 상기 고정막대를 후진하여 삽입을 해제한다.

메인 베어링부(120)는 결합부재를 통해 나셀의 메인 프레임 바닥에 설치되며 로터의 회전력을 전달하는 샤프트의 축을 지지한다.

한편, 도 4를 통해 본 발명의 실시 예에 따른 메인 베어링부(120)와 엔코더(130)의 구성을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 메인 베어링부와 엔코더를 나타낸 도 3의 A-A 단면도이다.

첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 메인 베어링부(120)는 하우징(121), 내륜(122) 및 외륜(123)을 포함한다.

하우징(121)은 내측에 내륜(122), 외륜(123) 및 엔코더(130)를 수납하여 커버하고 이들과 결합되어 지지하는 역할을 한다.

내륜(122)은 샤프트의 축에 체결되어 로터 및 샤프트와 함께 회전하고, 외륜(123)은 메인 프레임에 고정되어 샤프트의 축을 지지한다.

특히, 내륜(122)은 외륜의 내측으로부터 일부가 축 방향으로 노출되고, 노출된 원통형의 외주연을 따라 다수의 기어 이빨(122-1)이 형성된다.

엔코더(130)는 하우징의 내벽에 설치되어 미리 선정된 하나의 디스크 구멍(112)을 기준으로 하는 상기 메인 베어링부의 회전각을 측정하되, 내륜(122)의 기어 이빨(122-1)과 맞물려 돌아가는 계측기어(131)의 회전량을 체크하여 메인 베어링부(120)의 회전각을 측정할 수 있다.

이 때, 엔코더(130)가 메인 베어링부(120)의 회전각을 측정한다는 것은 회전체인 로터뿐 아니라 로터와 동일 축 상에서 회전하는 로터락 디스크(111) 및 샤프트의 회전각을 측정하는 것과 동일한 의미를 가진다.

즉, 엔코더(130)는 회전체인 로터와 함께 회전하는 샤프트에 결합된 메인 베어링부(120)의 회전각을 측정함으로써 로터를 주축으로 하는 회전체 전체에 대한 회전각을 측정할 수 있다.

통신부(140)는 중앙 관제 시스템(200)과 해저 케이블을 통해 연결되는 인터페이스를 포함하며, 중앙 관제 시스템(200)로 풍력발전기의 모니터링을 위한 상태정보 전송 및 로터락 작동 명령을 수신한다.

제어기(150)는 해상풍력발전기(100)의 독립적인 동작, 발전 및 운용효율성 향상을 위한 샤프트 브레이크, 피칭(Pitching), 요잉(Yawing) 등의 전반적인 동작을 제어한다.

그리고, 제어기(150)는 해상풍력발전기(100)에서 발생되는 상태정보를 각종 센서를 통해 수집하여 중앙 관제 시스템(200)으로 전달하고, 중앙 관제 시스템(200)의 로터락 작동 명령에 따른 해상풍력발전기(100)의 동작을 제어한다. 여기서, 상기 상태정보는 나셀 온도, 외기 온도, 기어박스 온도, 발전기 온도, 로터 회전속도, 풍속, 풍향, 나셀 진동, 출력 전력 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 제어기(150)는 중앙 관제 시스템(200)으로부터 로터락 제어 명령을 수신하면, 엔코더(130)에서 측정된 메인 베어링부(120)의 회전각을 수집한다.

그리고, 제어기(150)는 엔코더(130)에서 측정된 메인 베어링부(120)의 회전각이 로터락 디스크(111)의 복수의 디스크 구멍(112) 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것을 검출하여 로터락 작동 시점을 알리는 로터락 작동 신호를 로터락 구동부(160)로 전달한다.

여기서, 상기 로터락 작동 시점은 로터락 실린더(113)와 로터락 디스크(111)의 디스크 구멍(112)이 마주보는 형태로 정확히 일치하는 결합 타이밍을 의미한다.

또한, 제어기(150)는 로터의 주축을 중심으로 로터락 디스크(111)에 형성된 복수의 디스크 구멍(112)의 개수에 따른 디스크 구멍 번호와 각 디스크 구멍(112)의 각도 정보를 저장하고, 상기 각 디스크 구멍(112)의 각도를 로터락 작동 제어를 위한 기준 값으로 설정한다.

한편, 다음의 도 5 내지 도 6을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 디스크 구멍(112)의 개수에 따른 번호 선정 및 번호 별 디스크 구멍(112)의 각도에 따른 로터락 작동 시점을 설정하는 방법을 설명한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 로터락 작동 시점 설정 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 6는 본 발명의 실시 예에 따른 로터락 디스크의 디스크 구멍 번호 선정 방법을 나타낸다.

첨부된 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기(100)를 설치할 때 로터락 디스크(111)의 디스크 구멍(112) 중 임의의 1개를 로터락 실린더(113)와 일치되게 결합 하여 로터를 고정시킨다(S11).

이 때, 로터락 실린더(113)와 일치한 맞은편의 디스크 구멍(112-1)을 1번으로 선정한다. 그리고, 선정된 1번 디스크 구멍(112-1)을 기준으로 형성된 나머지 디스크 구멍들을 순차적으로 2번 내지 16번으로 선정한다. 이하, 본 발명의 실시 예는 편의상 디스크 구멍(112)을 16개인 것으로 가정하여 설명하겠으나 그 수가 이에 한정되진 않는다.

그리고, 로터락 디스크(111)가 일 회전하는 360도를 디스크 구멍(112)의 개수로 나누어 디스크 구멍(112) 사이의 각도를 구하고, 상기 1번 디스크 구멍(112-1)을 기준으로 하여 각 디스크 구멍(112)의 각도를 계산한다(S12).

예를 들면, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 디스크 구멍 별 로터락 작동 시점 설정 테이블을 나타낸다. .

첨부된 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따르면 전술한 것과 같이 로터락 디스크 구멍(112)을 16개라고 가정을 할 경우 각 디스크 구멍(112) 사이의 각도는 22.5도가 된다.

이 때, 상기 도 6에서 선정한 1번 디스크 구멍(112-1)의 각도를 0도로 하면, 1번 디스크 구멍(112-1)을 기준으로 2번 디스크 구멍(112-1)의 각도는 22.5도, … 마지막 16번 디스크 구멍(112-16)의 각도는 337.5도가 된다.

따라서, 로터가 회전을 할 때, 엔코더(130)가 측정한 메인 베어링부(120)의 회전각이 '0'도일 경우 로터락 디스크(111)의 1번 디스크 구멍(112-1)이 로터락 실린더(113)의 정면에 위치한다. 또한, 메인 베어링부(120)의 회전각이 337.5도일 경우 16번 디스크 구멍(112-16)이 로터락 실린더(113)의 정면에 위치한다.

제어기(150)는 각 디스크 구멍(112)들의 각도를 로터락 작동 시점으로 설정한다(S13). 그래서, 엔코더(130)를 통해 측정되는 메인 베어링부(120)의 회전각이 저장된 16개의 디스크 구멍(112) 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것으로 로터락 작동 시점을 검출할 수 있다.

그리고, 제어기(150)는 후술되는 로터락 구동부(160)를 통해 상기 로터락 작동 시점에서 로터락 실린더(113)의 고정막대를 삽입하도록 하여 로터를 고정시킬 수 있다.

한편, 제어기(150)는 블레이드의 페더링이나 샤프트 브레이크를 이용하여 로터의 회전속도를 로터락 동작을 위해 미리 설정된 기준속도 미만으로 줄인 상태에서 로터락 작동 신호를 전달할 수 있다. 이는 로터가 기준속도 이상으로 빠르게 회전하고 있는 상태에서 무리하게 로터락을 시도하는 경우 발생될 수 있는 부품의 손상을 예방하기 위함이다.

로터락 구동부(160)는 제어기(150)로부터 로터락 작동 신호를 수신하면 로터락 실린더(113)를 구동하여 고정막대를 디스크 구멍에 삽입시켜 로터가 정지된 상태에서 움직이지 않도록 고정한다.

그리고, 로터락 구동부(160)는 제어기(150)로부터 로터락 해제 신호를 수신하면 로터락 실린더(113)의 고정막대를 후진시킨다.

또한, 로터락 구동부(160)는 로터락 실린더(113)가 복수로 구성되는 경우 로터락 실린더(113)와 로터락 디스크(111)의 디스크 구멍(112)이 일치하는 삽입 시점에 수신되는 로터락 작동 신호에 따라 동시에 동작할 수 있도록 동기된 제어를 할 수 있다.

예컨대, 로터락 구동부(160)는 복수개의 로터락 실린더(113)가 구성되는 경우 로터락 작동 신호에 따라 복수개의 로터락 실런더(113)의 각 고정막대를 대응되는 디스크 구멍(112)에 동시에 삽입함으로써 로터의 고정력을 높일 수 있다.

한편, 다음의 도 8을 통하여 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 로터락 제어 시스템이 그 로터락을 수행하는 방법을 설명하되, 해상풍력발전기(100)의 구성을 위주로 하여 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기의 로터락 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

첨부된 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 해상풍력발전기(100)의 제어기(150)는 중앙 관제 시스템(200)으로부터 로터락 작동 명령을 수신한다(S101). 이 때, 수신되는 상기 로터락 작동 명령은 중앙 관제 시스템(200)의 모니터링 결과에 의한 것으로 육상과 통신하는 통신부(140)를 통해 수신될 수 있다.

제어기(150)는 로터의 현재 회전속도를 체크하여(S102), 로터 회전속도가 미리 설정된 기준속도 이상인 경우(S103; 예), 로터의 회전속도를 상기 기준속도 미만으로 줄인다(S104).

이 때, 제어기(150)는 안전한 로터락 작동을 위하여 블레이드의 페더링이나 샤프트의 브레이크 중 적어도 하나의 제어를 통해 상기 로터의 회전속도를 상기 기준속도 미만으로 줄일 수 있다.

제어기(150)는 로터의 현재 회전속도가 상기 기준속도 미만인 것으로 판단되면(S103; 아니오), 엔코더(130)에서 측정되는 메인 베어링부(120)의 회전각이 디스크 구멍(112)의 각도와 일치하는 로터락 작동 시점을 확인한다(S105). 이 때, 엔코더(130)는 메인 베어링부(120)의 내륜(122)에 형성된 기어 이빨(122-1)과 맞물려 돌아가는 계측기어(131)의 회전량을 체크하여 메인 베어링부(120)의 회전각을 측정할 수 있다.

제어기(150)는 엔코더(130)를 통해 측정된 메인 베어링부(120)의 회전각이 로터락 디스크(111)의 복수의 디스크 구멍(112) 중 어느 하나의 각도와 일치하면 로터락 작동 시점으로 판단하고(S106; 예), 로터락 작동 신호를 생성하여 로터락 구동부(160)로 전달한다(S107).

로터락 구동부(160)는 수신된 로터락 작동 신호에 따라 로터락 실린더(113)의 고정막대를 로터락 디스크(111)의 디스크 구멍(112)에 삽입시켜 기계적으로 결합함으로써 로터가 회전하지 않도록 고정한다(S108).

제어기(150)는 로터락의 작동 상태를 확인하여 정상적으로 로터가 고정되었으면 중앙 관제 시스템(200)으로 로터락 고정이 정상적으로 완료되었음을 보고한다(S109).

이후, 도면에서는 생략되었으나 제어기(150)가 중앙 관제 시스템(200)으로부터 로터락 해제 명령을 수신하면, 로터락 구동부(160)를 통해 로터락 실린더(113)의 고정막대를 후진시킴으로써 로터락을 해제하고 해상풍력발전기(100)를 재가동할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따르면, 중앙 관제 시스템에서 원격지에 있는 풍력발전기에 대한 로터락을 자동으로 제어할 수 있으므로 유지보수 및 관리를 용이하게 하는 효과가 있다.

그리고, 풍력발전단지내의 기반 통신시설을 이용하여 개별 풍력발전기의 로터락을 선택적으로 제어할 수 있으므로 긴급한 상황에서도 신속하게 대응할 수 있은 효과가 있다.

이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.

예컨대, 도 2에 도시한 본 발명의 실시 예에서는 엔코더(130)가 메인 베어링부(120)의 회전각을 측정하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 로터의 회전력을 전달하는 샤프트의 회전각을 측정할 수 있다.

도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기어 이빨 및 엔코더의 설치 구조를 나타낸다.

첨부된 도 9를 참조하면, 상기 도 2에서의 메인 베어링부(120)의 내륜(122)과 마찬가지로 샤프트의 외주면을 따라 다수의 기어 이빨(122-1')이 고정 형성되며, 엔코더(130)는 샤프트를 감싸는 고정체의 내벽에 설치되어 기어 이빨(122-1')과 맞물리는 계측기어(131)의 회전량을 측정하여 샤프트의 회전각을 측정한다.

이 때, 엔코더(130)가 샤프트의 회전각을 측정한다는 것은 회전체인 로터와 동일 축상에 있는 메인 베어링부(120)의 회전각을 측정하는 것과 동일한 의미를 가지므로 설치 위치는 상이하나 동일한 결과를 예측할 수 있다.

이로써, 한정된 나셀 공간 내에서의 메인 베어링부(120) 또는 샤프트에 선택적으로 엔코더(130)를 설치할 수 있으므로 풍력발전기의 설계 시 다양한 방법을 적용하여 로터락 작동 시점을 계측할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 도 4의 메인 베어링부(120)는 하우징(121), 내륜(122) 및 외륜(123)을 포함하는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 하우징(121)이 생략되고 내륜(122) 및 외륜(123) 만을 포함하는 메인 베어링(120')으로 구성될 수 있다.

예컨데, 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 메인 베어링과 엔코더를 나타낸 단면도를 나타낸다.

첨부된 도 10을 참조하면, 기존의 육상용 풍력발전기의 경우에는 메인 프레임과 하우징(121)이 별도로 구성되었으나, 최근의 해상용 풍력발전기의 경우 별도 하우징(121) 없이 메인 프레임이 메인 베어링(120')을 둘러싸는 형태로 제작되고 있다.

즉, 해상용 풍력발전기는 육상용 풍력발전기의 메인 프레임과 하우징(121)을 일체화시킨 메인 프레임이 적용된다.

따라서, 해상용 풍력발전기의 경우 도 10에서와 같이 엔코더(130)가 메인 프레임의 내벽에 설치할 수 있다.

본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 해상풍력발전기 110: 로터락 설비
111: 로터락 디스크 112: 디스크 구멍
113: 로터락 실린더 120: 메인 베어링부
121: 하우징 122: 내륜
122-1: 기어 이빨 123: 외륜
130: 엔코더 131: 계측기어
140: 통신부 150: 제어기
160: 로터락 구동부 200: 중앙 관제 시스템

Claims (11)

1. 중앙 관제 시스템에서 원격으로 관리되는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템에 있어서,
   회전체인 로터의 허브에 고정되어 상기 로터의 회전축을 중심으로 형성되는 복수의 디스크 구멍을 포함하는 로터락 디스크;
   고정체인 메인 프레임에 설치되며 인가되는 로터락 작동 신호에 따라 상기 디스크 구멍에 고정막대를 삽입하여 상기 로터가 회전하지 않도록 고정하는 로터락 실린더;
   상기 로터의 회전력을 전달하는 샤프트의 축을 지지하는 메인 베어링부;
   상기 복수의 디스크 구멍 중 미리 선정된 1번 디스크 구멍을 기준으로 하는 상기 메인 베어링부의 회전각을 측정하는 엔코더;
   상기 1번 디스크 구멍을 기준으로 각 디스크 구멍의 각도를 계산하여 계산된 각 디스크 구멍의 각도를 로터락 작동 시점으로 설정하고, 상기 중앙 관제 시스템으로부터 로터락 제어 명령을 수신하면 상기 메인 베어링부의 회전각이 상기 복수의 디스크 구멍 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것을 검출하여 자동으로 로터락 작동 신호를 생성하는 제어기; 및
   상기 로터락 작동 신호에 따라 상기 로터락 실린더를 작동시켜 상기 로터가 회전하지 않도록 고정시키는 로터락 구동부를 포함하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 중앙 관제 시스템과 해저 케이블을 통해 연결되는 인터페이스를 통해 풍력발전기의 모니터링을 위한 상태정보를 전송하고 상기 로터락 작동 명령을 수신하는 통신부를 더 포함하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 베어링부는,
   결합부재를 통해 메인 프레임의 바닥에 고정된 하우징;
   상기 메인 프레임에 고정되어 상기 샤프트의 축을 지지하는 외륜; 및
   상기 샤프트의 축에 체결되어 상기 샤프트와 함께 회전하고 상기 외륜으로부터 축 방향으로 노출된 원통형의 외주연에 기어 이빨이 형성된 내륜을 포함하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 베어링부는,
   고정체인 메인 프레임에 고정되어 상기 샤프트의 축을 지지하는 외륜; 및
   상기 샤프트의 축에 체결되어 상기 샤프트와 함께 회전하고 상기 외륜으로부터 축 방향으로 노출된 원통형의 외주연에 기어 이빨이 형성된 내륜을 포함하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 엔코더는,
   상기 내륜의 기어 이빨과 맞물려 돌아가는 계측기어를 포함하며, 상기 계측기어의 회전량을 체크하여 상기 메인 베어링부의 회전각을 측정하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 메인 베어링부의 회전각은,
   상기 로터, 로터락 디스크 및 샤프트의 회전각과 동일한 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 로터락 실린더는,
   상기 메인 프레임의 외주면을 따라 복수로 설치되고 상기 로터락 작동 신호에 따라 동기된 동작을 하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어기는,
   상기 로터락 작동 명령을 수신하면 상기 로터의 현재 속도를 기준속도 미만으로 줄이는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 로터의 회전속도를 블레이드의 페더링이나 샤프트 브레이크를 이용하여 기준속도 미만으로 줄인 상태에서 상기 로터락 실린더를 작동시키되, 나셀 내부에 설치된 별도의 로터락 제어기를 통해 상기 로터락 실린더를 제어하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.
11. 중앙 관제 시스템에서 원격으로 관리되는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템에 있어서,
    회전체인 로터의 허브에 고정되어 상기 로터의 회전축을 중심으로 형성되는 복수의 디스크 구멍을 포함하는 로터락 디스크;
    고정체인 메인 프레임에 설치되며 인가되는 로터락 작동 신호에 따라 상기 디스크 구멍에 고정막대를 삽입하여 상기 로터가 회전하지 않도록 고정하는 로터락 실린더;
    상기 로터의 회전력을 전달하며 원통형의 외주연에 기어 이빨이 형성된 샤프트;
    상기 기어 이빨과 맞물리는 계측기어의 회전량을 이용하여 미리 선정된 1번 디스크 구멍을 기준으로 하는 상기 샤프트의 회전각을 측정하는 엔코더;
    상기 1번 디스크 구멍을 기준으로 각 디스크 구멍의 각도를 계산하여 계산된 각 디스크 구멍의 각도를 로터락 작동 시점으로 설정하고, 상기 중앙 관제 시스템으로부터 로터락 제어 명령을 수신하면 상기 메인 베어링부의 회전각이 상기 복수의 디스크 구멍 중 어느 하나의 각도와 일치하는 것을 검출하여 자동으로 로터락 작동 신호를 생성하는 제어기; 및
    상기 로터락 작동 신호에 따라 상기 로터락 실린더를 작동시켜 상기 로터가 회전하지 않도록 고정시키는 로터락 구동부를 포함하는 풍력발전기의 로터락 제어 시스템.

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