KR101400154B1 - 풍력 발전기의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기의 제어 방법이 제공된다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법은 바람이 불어오는 방향으로 병렬로 서로 인접하게 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 제어 방법으로서, 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드 회전시 상기 블레이드의 위상차를 소정 각도 범위 내로 유지한다.

Description

풍력 발전기의 제어 방법{Method for controlling wind turbine}

본 발명은 풍력 발전기의 제어 방법에 관한 것이다.

최근에는 내륙이라는 설치공간을 벗어나 해상의 저난류, 고풍속등의 우수한 풍력 자원을 이용하기 위해 대륙붕 연안과 수심이 30M이상에서 900M이내에 이르는 해상에까지 풍력 발전기를 설치하여 풍력 발전의 영역을 확대해 나아가고 있다.

이렇게 해안에서 멀리 떨어진 곳에서 얻을 수 있는 우수한 풍력자원을 활용하기 위해 풍력터빈이 수중에서 지지될 수 있는 여러형태의 구조물들이 제안되고 있는데, 그 중 일 예로서, 미국특허 US7156586에서는 부유체에 의해 수중에서 지지되는 풍력터빈을 제안한 바 있다.

미국특허 US7156586에서 제안된 부유식 풍력 발전기는 회전가능한 블레이드가 설치되는 나셀(nacelle)과 상기 나셀을 지지하는 타워를 포함하는 싱글 풍력 발전기가 부유식 지지대에 의하여 지지되는 형태의 구조물이다.

이 때, 전술한 싱글 형태의 부유식 풍력터빈의 부유식 지지대는 부유체(byoyancy bodies)들이 연결부재에 의하여 연결되어 삼각뿔 형태로 구성되거나 1개의 부유체로 제작된다.

한편, 해상 풍력 발전기의 다른 예로서, 본 출원인이 출원한 한국 공개 특허 제 2009-0041616호와 같이 복수의 풍력 발전기를 하나의 부유식 구조물에 설치한 형태의 멀티 부유식 풍력 발전기가 개발되고 있다.

그런데, 싱글 형태의 부유식 풍력터빈은 풍력터빈 하나마다 부유식 지지대를 비롯한 제반 설비를 갖추어야 하지만 파랑하중에 대해 견딜 수 있는 추가적인 구조물이 필요하지 않기 때문에, 멀티 부유식 풍력 발전기에 비하여 경제적으로 비용이 적게 든다. 그러나 싱글 형태의 부유식 풍력 발전기는 멀티 형태의 부유식 풍력터빈에 비해 수직의 높은 구조물을 해상에서 균형을 잡기 어려운 문제점이 있다.

한편, 멀티 형태의 부유식 풍력터빈은 해상에서 균형을 유지하기에는 유리하지만 구조물이 크기 때문에 파랑에 견딜 수 있는 추가적인 구조설계가 필요하므로 싱글 형태의 부유식 풍력 발전기에 비하여 더 많은 제작 비용이 소요된다.

이에 따라, 멀티 부유식 풍력 발전기는 해상에서 풍력자원을 활용하기에는 경제적인 측면에서 효율이 떨어지는 문제점이 있다.

미국 특허 US7,156,586호 한국 공개 특허 제 2009-0041616호

본 발명의 일 실시예는 서로 인접하게 배열되는 풍력 발전기의 효율을 높일 수 있는 풍력 발전기의 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예는 해상 풍력 발전기의 부유체 상에 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 발전 효율을 높일 수 있는 풍력 발전기의 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 바람이 불어오는 방향으로 병렬로 서로 인접하게 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 제어 방법으로서, 상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드 회전시 상기 블레이드의 위상차를 소정 각도 범위 내로 유지하는 풍력 발전기의 제어 방법이 제공된다.

이 때, 상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드가 반대 방향으로 회전할 경우 상기 블레이드의 위상차를 -10도 내지 10도 범위 내로 유지할 수 있다.

이 때, 상기 블레이드의 위상차를 0도로 유지할 수 있다.

한편, 상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드가 동일 방향으로 회전할 경우 상기 블레이드의 위상차를 80도 내지 100도 범위 내로 유지할 수 있다.

이 때, 상기 블레이드의 위상차를 90도로 유지할 수 있다.

한편, 상기 한 쌍의 풍력 발전기는 어느 하나의 풍력 발전기가 이웃하는 풍력 발전기의 공력 효율에 영향을 주는 범위 내에 위치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 인접하게 배열되는 풍력 발전기의 위상차를 일정 범위 내로 또는 특정 값으로 제어함으로써 풍력 발전기의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법을 수행하기 위한 풍력 발전기의 배치 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법에 따른 동일 방향 회전시 풍력 발전기의 위상차를 나타낸 도면이다.
도 3은 풍력 발전기가 동일 방향 및 반대 방향으로 회전시 풍력 발전기의 위상차에 따른 풍력 발전기의 출력 변화 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법을 수행하기 위한 풍력 발전기의 배치 상태를 나타내는 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법에 따른 동일 방향 회전시 풍력 발전기의 위상차를 나타낸 도면이다. 도 3은 풍력 발전기가 동일 방향 및 반대 방향으로 회전시 풍력 발전기의 위상차에 따른 풍력 발전기의 출력 변화 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법은 바람이 불어오는 방향으로 병렬로 인접하게 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 제어 방법에 관한 것이다.

육상에 설치되는 풍력 발전기는 윈드팜 형태로 이루어져 복수의 풍력 발전기가 일렬 또는 다열로 배열되는 형태로 이루어진다. 그리고 풍력 발전기의 요잉 및 주변 풍력 발전기의 블레이드를 통과하는 바람에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 최대한 풍력 발전기 사이의 간격을 넓히도록 하고 있다.

그러나, 해상에 설치되는 부유식 풍력 발전기의 경우 해상에 부유체를 설치한 후 부유체를 이동시킴으로써 풍력 발전기의 요잉이 불필요할 수 있다.

이 때 해상에 설치되는 부유체에는 한 개의 풍력 발전기를 설치하는 것보다 여러 대의 풍력 발전기를 설치함으로써 비용 대비 발전 효율을 높이도록 형성된다.

그런데 해상에 설치되는 부유체의 크기는 부유체를 크게 할수록 설치 비용이 증가하므로 부유체의 크기와 부유체에 설치되는 풍력 발전기의 설치 비용을 고려할 때 풍력 발전기의 발전 효율을 최대한 높일 수 있도록 설계되는 것이 필요하다.

해상의 부유식 풍력 발전기가 부유체 상에 설치되는 경우 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 풍력 발전기가 서로 인접하게 배열되도록 형성되는데, 이 때 서로 인접하게 배열되는 두 개의 풍력 발전기는 서로 이웃하는 풍력 발전기의 발전 성능에 영향을 줄 수 있다.

도 1에서 두 개의 풍력 발전기를 각각 제 1 풍력 발전기(10) 및 제 2 풍력 발전기(20)라 할 때, 제 1 풍력 발전기(10)의 전방측으로부터 제 1 풍력 발전기(10)를 향하여 불어온 바람 중 제 1 풍력 발전기(10)의 블레이드 사이를 통과하지 못하고 제 1 풍력 발전기(10)의 블레이드 외측으로 지나는 바람은 제 1 풍력 발전기(10)의 블레이드 토크 발생에 기여하지 못하고 제 2 풍력 발전기(20) 측으로 밀려남으로써 제 2 풍력 발전기(20)의 블레이드 토크에 기여하며, 반대로 제 2 풍력 발전기(20)의 블레이드 사이를 통과하지 못하고 제 2 풍력 발전기(20)의 블레이드 외측으로 지나는 바람은 제 2 풍력 발전기(20)의 블레이드 토크 발생에 기여하지 못하고 제 1 풍력 발전기(10) 측으로 밀려나 제 1 풍력 발전기(10)의 블레이드 토크에 기여한다.

만일 해상 풍력 발전기의 부유체 상에 설치되는 제 1 및 제 2 풍력 발전기(10, 20) 사이의 거리가 충분히 멀 경우, 예를 들어 제 1 및 제 2 풍력 발전기 사이의 거리가 블레이드 지름의 4배 이상 되는 경우 제 1 풍력 발전기의 블레이드 외측으로 지나는 바람이 제 2 풍력 발전기의 블레이드 토크에 기여하지 않을 수 있으나, 이와 같이 구성하기 위하여는 해상 풍력 발전기의 부유체의 크기가 매우 커져야 한다.

따라서, 해상 풍력 발전기의 설치시에는 해상 풍력 발전기의 설치 비용을 고려하여 서로 이웃하여 배열되는 풍력 발전기의 사이의 거리가 서로 인접한 풍력 발전기의 발전 효율에 영향을 주는 범위, 예를 들어 블레이드 지름의 1배 이상 4배 이내로 설계된다.

이와 같이 서로 인접하게 배열되는 두 개의 풍력 발전기의 사이 거리가 멀어질수록 이웃하는 풍력 발전기에 미치는 바람의 영향이 작아지고, 사이 거리가 가까워질수록 이웃하는 풍력 발전기에 미치는 바람의 영향이 커지게 된다.

본 발명의 발명자는 이와 같이 두 개의 풍력 발전기가 블레이드 지름의 1배 이상 4배 이내인 위치에서 두 개의 블레이드의 위상차를 제어함으로써 풍력 발전기의 발전 효율을 조절할 수 있음을 발견하였다.

보다 상세히, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 발명자는 제 1 풍력 발전기(10)의 제 1 블레이드(12)의 위치가 12시 방향인 경우를 위상각이 0도인 경우로 가정할 때 제 2 풍력 발전기(20)의 제 1 블레이드(22)의 위상각을 0도, 30도, 60도 및 90도로 설정한 후 제 1 풍력 발전기(10)와 제 2 풍력 발전기(20)가 동일 방향으로 회전하는 경우와 반대 방향으로 회전하는 경우 제 2 풍력 발전기(20)의 위상각에 따른 제 1 풍력 발전기(10)의 발전 효율을 계산하였다.

이 때, 도 1을 참조하면, 본 실시예에서 제 1 풍력 발전기(10)와 제 2 풍력 발전기(20)의 블레이드 지름은 90m 이며, 두 풍력 발전기 사이의 거리는 2.2R=102.3m로 설정되었다.

이와 같은 조건하에서 실험한 결과는 다음 표 1 과 같다.

<표 1>

표 1을 참조하면 풍력 발전기가 반대 방향으로 회전할 때 제 2 풍력 발전기(20)의 제 1 풍력 발전기(10)에 대한 위상각이 0도 일 경우 제 1 풍력 발전기(10)의 발전 효율이 0%로 최대값을 나타내며, 위상각이 30, 60 및 90도 인 경우 제 1 풍력 발전기(10)의 발전 효율이 각각 2.5%, 2.43% 2.03% 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 실험 결과를 통하여 서로 이웃하는 두 개의 풍력 발전기가 서로 반대 방향으로 회전할 경우 하나의 풍력 발전기가 이웃하는 풍력 발전기와 위상차가 0인 경우 발전 효율이 최대가 되며 위상차가 있을 경우 발전 효율이 저하됨을 확인할 수 있다.

또한, 풍력 발전기가 동일 방향으로 회전할 경우, 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 제 2 풍력 발전기(20)의 제 1 풍력 발전기(10)에 대한 위상각이 90도 인 경우 제 1 풍력 발전기(10)의 효율이 0.6%로 최대값을 나타내며, 위상각이 0, 30 및 60도일 때 각각 제 1 풍력 발전기(10)의 효율이 0%, -0.6% 및 0.09%를 나타내는 것을 확인할 수 있다.

이에 따라 서로 이웃하는 두 개의 풍력 발전기가 서로 동일한 방향으로 회전할 경우 하나의 풍력 발전기가 이웃하는 풍력 발전기와 위상차가 90인 경우 발전 효율이 최대가 되며 그 이외의 위상차가 있을 경우 발전 효율이 저하됨을 확인할 수 있다.

이와 같은 실험 결과를 바탕으로 제 1 풍력 발전기(10)에 대한 제 2 풍력 발전기(20)의 위상차를 연속적으로 변화시키며 실험한 그래프가 도 3에 도시되어 있다.

도 3을 참조하면 서로 이웃하는 풍력 발전기의 회전시 풍력 발전기는 동일 방향으로 회전하는 경우 80~100도 사이에서 높은 효율을 나타내며, 보다 바람직하게는 서로 이웃하는 블레이드 사이의 위상차가 90도인 경우 최대 효율을 나타낸다.

또한, 서로 이웃하는 풍력 발전기의 회전시 풍력 발전기는 반대 방향으로 회전하는 경우 -10~10도 사이에서 높은 효율을 나타내며, 보다 바람직하게는 서로 이웃하는 블레이드 사이의 위상차가 0도인 경우 최대 효율을 나타낸다.

그리고, 동일 조건하에서는 서로 반대 방향으로 회전하는 경우가 서로 동일 방향을 회전하는 경우보다 높은 발전 효율을 갖는다.

이와 같은 실험 결과에 따르면, 해상 풍력 발전기와 같이 서로 인접하는 풍력 발전기의 블레이드 회전시 블레이드의 위상차를 소정 각도 범위 내로 유지하도록 블레이드의 위상치를 제어함으로써 풍력 발전기의 발전 효율을 극대화할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 일 실시예에서 풍력 발전기의 발전 효율을 극대화하기 위하여 풍력 발전기의 위상차는, 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드가 반대 방향으로 회전할 경우 -10도 내지 10도 범위 내로 제어된다.

이 때, 바람직하게는 풍력 발전기의 발전 효율을 최대로 높이기 위하여 바람이 불어오는 방향에 대하여 서로 이웃하여 병렬로 나란하게 배열되는 풍력 발전기의 위상차가 0도로 유지되도록 풍력 발전기를 제어한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드가 동일 방향으로 회전할 경우 풍력 발전기의 발전 효율을 극대화하기 위하여 블레이드의 위상차는 80도 내지 100도 범위 내로 제어된다.

이 때, 바람직하게는 풍력 발전기의 발전 효율을 최대로 높이기 위하여 바람이 불어오는 방향에 대하여 서로 이웃하여 병렬로 나란하게 배열되는 풍력 발전기의 위상차가 90도로 유지되도록 풍력 발전기를 제어한다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 풍력 발전기의 제어 방법을 수행하기 위하여 해상 풍력 발전기는 풍력 발전기의 블레이드와 연결된 메인 샤프트에는 블레이드의 속도를 기계적으로 제어하기 위한 장치가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 풍력 발전기의 제어 방법을 수행하기 위하여 해상 풍력 발전기는 개별 회전 위상각, 로터 회전 속도 및 블레이드 피치 제어를 포함하는 풍력 발전기의 운용 정보 및 제어 정보를 유선 또는 무선으로 상호 전달하는 제어 시스템을 구비할 수 있다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 해상 풍력 발전기의 제어 방법을 수행하기 위하여 해상 풍력 발전기는 GPS, chirp signal 발산 등 시간 또는 주기를 갖는 외부 신호를 바탕으로 블레이드의 회전 위상각이 일정 범위 또는 특정값으로 조절되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는 해상에 설치되는 해상 풍력 발전기로서 부유체 상에 서로 인접하게 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 제어 방법을 예시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 아니하며 서로 인접하게 배열되는 풍력 발전기의 발전 효율을 높이기 위한 방법으로서 적용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

10 제 1 풍력 발전기
20 제 2 풍력 발전기

Claims (6)

1. 삭제
2. 바람이 불어오는 방향으로 병렬로 서로 인접하게 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 제어 방법으로서,
   상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드 회전시 상기 블레이드의 위상차를 소정 각도 범위 내로 유지하되,
   상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드가 반대 방향으로 회전할 경우 상기 블레이드의 위상차를 -10도 내지 10도 범위 내로 유지하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 제어 방법.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 블레이드의 위상차를 0도로 유지하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 제어 방법.
   
4. 바람이 불어오는 방향으로 병렬로 서로 인접하게 배열되는 한 쌍의 풍력 발전기의 제어 방법으로서,
   상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드 회전시 상기 블레이드의 위상차를 소정 각도 범위 내로 유지하되,
   상기 한 쌍의 풍력 발전기의 블레이드가 동일 방향으로 회전할 경우 상기 블레이드의 위상차를 80도 내지 100도 범위 내로 유지하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 제어 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 블레이드의 위상차를 90도로 유지하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 제어 방법.
   
6. 제 2 항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 풍력 발전기는 어느 하나의 풍력 발전기가 이웃하는 풍력 발전기의 발전 효율에 영향을 주는 범위 내에 위치되는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전기의 제어 방법.

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