KR101400177B1 - 풍력발전기 및 풍력발전기의 운용방법 - Google Patents

풍력발전기 및 풍력발전기의 운용방법 Download PDF

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Abstract

풍력발전기 및 풍력발전기의 운용방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기는 타워에 지지되어 회전하는 허브의 회전 에너지를 메인 샤프트에 의해 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 것으로서, 타워의 상단에 설치되는 제 1 프레임; 제 1 프레임에 의해 지지되고, 메인 샤프트를 지지하는 제 2 프레임; 제 1 프레임과 제 2 프레임 사이에 개재되어 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는 각도 조정부; 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정하는 풍속계; 및 풍속계로부터 측정된 풍속 정보를 기초로 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 결정하고, 결정된 바람의 속도가 기준 값 이상이면, 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하도록 각도 조정부를 제어하는 제어부를 포함하고, 기준값 이상의 바람이 메인 샤프트를 포함하는 축계에 발생시키는 응력은 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하여 메인 샤프트가 전방으로 쏠림으로써 축계에 발생하는 응력에 의해 상쇄되어 저감된다.

Description

풍력발전기 및 풍력발전기의 운용방법{Wind power generator and operating method of wind power generator}
본 발명은 풍력발전기 및 풍력발전기 운용방법에 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 해당 기술에 대한 연구와 개발이 활발히 진행되고 있다.
풍력발전기는 지면 등에 설치된 타워 상단에 나셀이 설치되고, 나셀에 설치된 허브가 전방에서 불어오는 바람에 의해 블레이드와 함께 회전하면서 전기에너지를 생성한다. 이 과정에서 허브의 회전 에너지는 메인 샤프트에 의해 발전기로 전달되고 발전기는 전달된 회전 에너지를 전기에너지로 변환한다.
풍력발전기는 발전하는 과정에서 돌풍을 만날 수 있다. 돌풍이 풍력발전기로 불면, 허브와 연결된 메인 샤프트가 후방으로 밀리면서 메인 샤프트를 포함하는 축계에 응력이 집중되고, 심한 경우 축계에 심한 손상이 발생할 수 있다.
일본 공개특허공보 특개2011-226486호(2011.11.10.)
본 발명의 실시예는, 돌풍에 의해 메인 샤프트를 포함하는 축계에 발생하는 응력을 저감하도록 구성된 풍력발전기 및 풍력발전기의 운용방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 타워에 지지되어 회전하는 허브의 회전 에너지를 메인 샤프트에 의해 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 풍력발전기로서, 상기 타워의 상단에 설치되는 제 1 프레임; 상기 제 1 프레임에 의해 지지되고, 상기 메인 샤프트를 지지하는 제 2 프레임; 상기 제 1 프레임과 상기 제 2 프레임 사이에 개재되어 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는 각도 조정부; 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정하는 풍속계; 및 상기 풍속계로부터 측정된 풍속 정보를 기초로 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 결정하고, 상기 결정된 바람의 속도가 기준 값 이상이면, 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하도록 상기 각도 조정부를 제어하는 제어부를 포함하는, 풍력발전기가 제공될 수 있다.
상기 각도 조정부는, 상기 제 1 프레임의 길이방향으로 상호 이격 배치되는 복수의 각도 조정 유니트를 포함하고, 상기 각도 조정 유니트는 유압 실린더 또는 공압 실린더일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 결정된 바람의 속도가 상기 기준 값 이상인 경우, 상기 결정된 바람의 속도 크기에 상응하여 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정할 수 있다.
상기 풍력발전기가 정지 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 소정의 시간 동안 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정한 후 이를 평균하여 얻어지고, 상기 풍력발전기가 운전 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 상기 풍속계에서 측정된 순간 속도일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 타워에 지지되어 회전하는 허브의 회전 에너지를 메인 샤프트에 의해 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 풍력발전기의 운용방법으로서, 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정하는 단계; 상기 측정된 풍속 정보를 기초로 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 결정하는 단계; 상기 결정된 바람의 속도가 기준 값 이상인지 여부를 판단하는 단계; 상기 결정된 바람의 속도가 상기 기준 값 이상이면 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하도록 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는 단계를 포함하는, 풍력발전기의 운용방법이 제공될 수 있다.
상기 결정된 바람의 속도가 상기 기준 값 이상인 경우, 상기 결정된 바람의 속도 크기에 상응하여 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정할 수 있다.
상기 풍력발전기가 정지 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 소정의 시간 동안 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정한 후 이를 평균하여 얻어지고, 상기 풍력발전기가 운전 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 상기 풍속계에서 측정된 순간 속도일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 풍력발전기로 돌풍이 부는 경우, 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하도록 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정함으로써, 돌풍에 의해 메인 샤프트를 포함하는 축계에 발생하는 응력이 저감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기를 측면에서 바라본 도면이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 일부를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기가 돌풍에 의한 축계 응력을 저감하는 과정을 설명하는 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 도면이다. 도 1에서 볼 때 좌측은 풍력발전기의 전방을, 우측은 풍력발전기의 후방을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력발전기(10)는 타워(100)와 나셀(200)과 허브(300)와 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.
타워(100)의 상단에는 나셀(200)이 회전 가능하게 설치된다. 타워(100)와 나셀(200) 사이에는 요 베어링(미도시)이 개재되어 나셀(200)이 타워(100)에 대해 회전할 수 있다.
에너지 변환 장치(220)는 메인 샤프트(330)를 통해 허브(300)에서 전달되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 에너지 변환 장치(220)는 발전기(221) 및 증속기(222)를 포함한다.
나셀(200)의 전방에는 허브(300)가 제공된다. 허브(300)는 나셀(200)의 전방으로 돌출된 메인 샤프트(330)와 결합하고, 메인 샤프트(330)를 통해 에너지 변환 장치(220)와 연결된다. 허브(300)의 회전 에너지는 메인 샤프트(330)를 통해 에너지 변환 장치(220)에 전달된다. 허브(300)는 강도가 우수한 재질, 예컨대 금속 재질로 제공될 수 있다.
블레이드(400)는 복수 개 제공되며, 허브(300)를 중심으로 방사상으로 배치된다. 블레이드(400)는 루트(root)가 허브(300)에 결합한다. 블레이드(400)들은 익형(airfoil) 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(300)를 회전시키고, 회전력은 나셀(200)에 전달되어 전기 에너지로 변환된다.
블레이드(400)의 루트와 허브(300) 사이에는 피치 베어링(미도시)이 개재될 수 있다. 피치 베어링은 피치 제어부(미도시)의 제어에 의해, 블레이드(400)를 허브(300)에 대해 상대 회전시킴으로써 블레이드(400)의 피치각을 조정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기의 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2에서 볼 때 좌측은 풍력발전기의 전방을, 우측은 풍력발전기의 후방을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 풍력발전기는 제 1 프레임(500), 제 2 프레임(600), 각도 조정부(700), 풍속계(800) 및 제어부(900)를 포함한다.
제 1 프레임(500)은 타워(100)의 상단에 설치된다. 제 1 프레임(500)은 타워에 대해 회전할 수 있다. 이를 위해 제 1 프레임(500)과 타워(100) 사이에 요 베어링(미도시)이 개재될 수 있다.
제 1 프레임(500)은 제 2 프레임(600)을 지지한다. 제 2 프레임(600)은 메인 샤프트(330) 및 발전기(221)를 지지한다. 제 2 프레임(600)은 발전기(221)의 전방에 위치하는 증속기(222)를 지지한다.
메인 샤프트(330)는 축 베어링(230)에 의해 제 2 프레임(600)에 회전 가능하게 지지된다. 메인 샤프트(330) 및 축 베어링(230) 등은 풍력발전기(10)의 축계를 구성한다.
제 1 프레임(500)과 제 2 프레임(600) 사이에 각도 조정부(700)가 개재될 수 있다. 각도 조정부(700)는 메인 샤프트(330)의 틸트 각도를 조정한다.
각도 조정부(700)는 제 1 프레임(500)의 길이방향으로 상호 이격 배치되는 복수의 각도 조정 유니트(710)를 포함할 수 있다. 복수의 각도 조정 유니트(710)는 각각 설치 위치 별로 제 1 프레임(500)과 제 2 프레임(600) 사이의 거리를 조정함으로써, 메인 샤프트(330)의 틸트 각도를 조정한다.
각도 조정 유니트(710)는 유압 실린더 또는 공압 실린더일 수 있으나 이에 국한되지 않으며, 제 1 프레임(500)과 제 2 프레임(600) 사이의 거리를 조정할 수 있는 다양한 형태의 각도 조정 유니트(710)가 제안될 수 있다.
각도 조정 유니트(710)가 유압 실린더 또는 공압 실린더인 경우, 신장 또는 수축을 통해 제 1 프레임(500)과 제 2 프레임(600) 사이의 거리를 조정한다.
예를 들어, 메인 샤프트(330)가 도 2에서 볼 때 반시계 방향으로 틸팅하기 위해, 복수의 각도 조정 유니트(710)는 전방에서 후방으로 갈수록 길어지도록 변형된다. 이 경우, 전방에서 후방으로 갈수록 제 1 프레임(500)과 제 2 프레임(600) 사이의 거리가 길어져, 메인 샤프트(330)가 반시계 방향으로 틸팅한다.
각도 조정 유니트(710)가 유압 실린더 또는 공압 실린더인 경우, 각도 조정 유니트(710)의 양단부에 힌지 결합부가 형성될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
풍속계(800)는 풍력발전기(10)로 부는 바람의 속도를 측정한다.
제어부(900)는 풍속계(800)로부터 측정된 풍속을 수신한다. 제어부(900)는 풍속계(800)에 의해 측정된 풍속를 기초로 풍력발전기(10)로 부는 바람의 속도를 결정한다.
예를 들어, 제어부(900)에 의해 결정된 바람의 속도(이하, "결정 풍속"이라 함)는 소정의 시간 동안 풍력발전기(10)로 부는 바람의 속도를 측정한 후 이를 평균하여 얻어질 수 있다. 또는 결정 풍속은 풍력발전기(10)로 부는 바람을 실시간으로 측정한 실시간 측정값일 수 있다.
예컨대, 풍력발전기(10)가 정지 상태에 있을 때, 결정 풍속은 소정의 시간 동안 측정된 풍속을 평균하는 방식으로 결정될 수 있다. 풍력발전기(10)가 정지 상태인 경우는 풍력발전기(10)가 작동 상태인 경우에 비해 순간적인 돌풍에 의한 손상 가능성이 적다. 따라서 풍력발전기(10)가 정지 상태인 경우, 소정의 시간 동안 측정된 풍속을 평균하여 결정 풍속을 결정함으로써, 메인 샤프트(330)의 틸트 각도 조정이 필요 이상으로 빈번하게 일어나는 것을 방지할 수 있다.
또는 풍력발전기(10)가 작동 상태에 있을 때, 결정 풍속은 풍속계(800)에서 측정한 실시간 측정값일 수 있다. 풍력발전기가(10)가 작동 상태에 있을 때 돌풍이 발생하면 순간적으로 메인 샤프트(330)를 포함하는 축계에 과도한 응력이 집중될 수 있다. 따라서 풍력발전기(10)가 작동 상태인 경우, 풍속계(800)에서 측정한 실시간 측정값을 결정 풍속으로 결정함으로써, 순간적인 돌풍에 신속하게 대처할 수 있다.
제어부(900)는 결정 풍속이 기준 값 이상인지 여부를 판단한다. 예를 들어, 기준 값이 30 m/s이고, 결정 풍속이 40 m/s인 경우, 제어부(900)는 결정 풍속이 기준 값을 넘는 것으로 판단한다. 여기서 기준 값은 풍력발전기(10)의 메인 샤프트(330)를 포함하는 축계, 예를 들어 메인 샤프트(330)와 축 베어링(230)의 연결 부위, 축 베어링(230)과 제 2 프레임(600)의 연결 부위 등에 응력을 집중시켜 손상을 줄 가능성이 있는 돌풍의 속도로서, 실험적, 경험적으로 얻을 수 있다.
제어부(900)는 결정 풍속이 기준 값 이상인 것으로 판단되면, 메인 샤프트(330)의 전단이 아래를 향하도록 각도 조정부(700)를 제어한다. 이와 같이 메인 샤프트(330)의 전단이 아래를 향하는 경우, 메인 샤프트(330) 등의 자중에 의해 메인 샤프트(330)가 전방으로 쏠리면서 돌풍에 의해 발생하는 응력과 반대 방향의 응력이 축계에 발생하여 돌풍에 의한 응력이 상쇄될 수 있다.
제어부(900)는 결정 풍속이 기준 값 이상인 경우, 결정 풍속의 속도 크기에 상응하여 메인 샤프트(330)의 틸트 각도를 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(900)는 결정 풍속이 50 m/s인 경우 결정 풍속이 40 m/s인 경우 보다 메인 샤프트(330)의 틸트 각도를 더 크게 조정한다. 결정 풍속이 클수록 돌풍에 의해 축계에 발생하는 응력이 커지기 때문에 이를 상쇄하기 위해 메인 샤프트(330)의 틸트 각도가 더 크게 조정된다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기가 돌풍에 의한 축계 응력을 저감하는 과정을 설명하는 도면이다.
먼저 도 3을 참조하면, 풍력발전기(10)로 바람(Wg)이 부는 경우, 풍속계(800)는 바람(Wg)의 속도를 측정한다. 이후, 제어부(900)는 풍속계(800)에서 측정된 풍속 정보를 기초로 풍력발전기(10)로 부는 바람의 속도를 결정한다.
이후, 제어부(900)는 결정 풍속이 기준 값 이상인지 여부를 판단한다.
이후, 제어부(900)는 결정 풍속이 기준 값 이상인 것으로 판단되면, 메인 샤프트(330)를 포함하는 축계를 손상시키는 돌풍이 부는 상황으로 인식하여 도 4와 같이 메인 샤프트(330)의 전단이 아래를 향하도록 메인 샤프트(330)의 틸트 각도를 조정한다.
이 경우, 메인 샤프트(330)의 자중에 의해 메인 샤프트(330)를 포함하는 축계가 전방으로 쏠리면서 돌풍에 의해 축계에 발생하는 응력과 반대 방향의 응력이 축계에 발생하여 돌풍에 의한 응력이 상쇄되어 저감될 수 있다. 따라서 돌풍에 의해 축계에 발생하는 극한 응력에 의해 풍력발전기(10)가 손상되는 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 : 증속기 230 : 축 베어링
300 : 허브 330 : 메인 샤프트
400 : 블레이드 500 : 제 1 프레임
600 : 제 2 프레임 700 : 각도 조정부
710 : 각도 조정 유니트 800 : 풍속계
900 : 제어부

Claims (7)

  1. 타워에 지지되어 회전하는 허브의 회전 에너지를 메인 샤프트에 의해 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 타워의 상단에 설치되는 제 1 프레임;
    상기 제 1 프레임에 의해 지지되고, 상기 메인 샤프트를 지지하는 제 2 프레임;
    상기 제 1 프레임과 상기 제 2 프레임 사이에 개재되어 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는 각도 조정부;
    상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정하는 풍속계; 및
    상기 풍속계로부터 측정된 풍속 정보를 기초로 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 결정하고, 상기 결정된 바람의 속도가 기준 값 이상이면, 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하도록 상기 각도 조정부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 기준값 이상의 바람이 상기 메인 샤프트를 포함하는 축계에 발생시키는 응력은 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하여 상기 메인 샤프트가 전방으로 쏠림으로써 상기 축계에 발생하는 응력에 의해 상쇄되어 저감되는, 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도 조정부는,
    상기 제 1 프레임의 길이방향으로 상호 이격 배치되는 복수의 각도 조정 유니트를 포함하고,
    상기 각도 조정 유니트는 유압 실린더 또는 공압 실린더인, 풍력발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결정된 바람의 속도가 상기 기준 값 이상인 경우, 상기 결정된 바람의 속도 크기에 상응하여 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는, 풍력발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전기가 정지 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 소정의 시간 동안 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정한 후 이를 평균하여 얻어지고,
    상기 풍력발전기가 운전 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 상기 풍속계에서 측정된 순간 속도인, 풍력발전기.
  5. 타워에 지지되어 회전하는 허브의 회전 에너지를 메인 샤프트에 의해 발전기로 전달하여 전기를 생산하는 풍력발전기의 운용방법에 있어서,
    상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 풍속 정보를 기초로 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 결정하는 단계;
    상기 결정된 바람의 속도가 기준 값 이상인지 여부를 판단하는 단계;
    상기 결정된 바람의 속도가 상기 기준 값 이상이면 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하도록 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는 단계를 포함하고,
    상기 기준값 이상의 바람이 상기 메인 샤프트를 포함하는 축계에 발생시키는 응력은 상기 메인 샤프트의 전단이 아래를 향하여 상기 메인 샤프트가 전방으로 쏠림으로써 상기 축계에 발생하는 응력에 의해 상쇄되어 저감되는, 풍력발전기의 운용방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 결정된 바람의 속도가 상기 기준 값 이상인 경우, 상기 결정된 바람의 속도 크기에 상응하여 상기 메인 샤프트의 틸트 각도를 조정하는, 풍력발전기의 운용방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 풍력발전기가 정지 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 소정의 시간 동안 상기 풍력발전기로 부는 바람의 속도를 측정한 후 이를 평균하여 얻어지고,
    상기 풍력발전기가 운전 상태에 있을 때, 상기 결정된 바람의 속도는 풍속계에서 측정된 순간 속도인, 풍력발전기의 운용방법.
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