KR101411468B1 - 풍력 발전기용 블레이드 장치 및 풍력 발전기용 블레이드 분리 방법 - Google Patents

풍력 발전기용 블레이드 장치 및 풍력 발전기용 블레이드 분리 방법 Download PDF

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Abstract

풍력 발전기용 블레이드 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드 장치는 타워 및 나셀을 포함하는 풍력 발전기용 블레이드 장치로서, 상기 나셀에 회전 가능하게 결합하는 허브; 상기 허브에 결합되는 복수의 블레이드; 상기 블레이드를 상기 허브에 분리 가능하게 결합시키는 결합부재; 상기 풍력발전기에 걸리는 풍하중을 측정하는 풍하중 센서부; 및 상기 풍하중 센서부로부터 수신된 풍하중이 허용 하중 이상일 때 상기 결합 부재에 분리 신호를 인가하여 상기 블레이드를 상기 허브에서 분리시키는 제어부를 포함한다.

Description

풍력 발전기용 블레이드 장치 및 풍력 발전기용 블레이드 분리 방법{Blade apparatus for wind generator and method for separating blade for wind generator}
본 발명은 풍력 발전기용 블레이드 장치 및 풍력 발전기용 블레이드 분리 방법에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 바람 에너지는 풍력 발전기의 블레이드들을 통해 운동 에너지로 변환되고, 운동 에너지는 발전기에 의해 전기 에너지로 변환된다.
풍력 발전기는 바람 에너지의 효율적인 이용 및 바람 에너지로 인해 발생하는 풍하중을 제어하기 위하여 피치 시스템을 구비한다. 피치 시스템은 풍속에 따라 블레이드의 피치각을 조절하므로써 바람 에너지를 효율적으로 이용할 수 있고, 풍하중으로 인한 풍력 발전기의 손상을 예방할 수 있다.
고장 등의 이유로 피치 시스템이 제대로 작동하지 않는 경우, 일반적으로 풍력발전기를 정지한 상태에서 보수 작업을 수행한다. 그러나 태풍 또는 이상 기후 변화 등과 같이, 풍속이 블레이드를 정지시킬 수 있는 힘보다 큰 경우, 피치시스템을 보수할 수 없을 뿐만 아니라, 풍력 발전기에 전달되는 풍하중이 설계 허용 하중을 초과하여 풍력 발전기의 전체 시스템에 치명적인 손상을 줄 수 있다.
본 발명의 실시예는, 풍하중에 의한 풍력 발전기의 손상을 예방할 수 있는 풍력발전기용 블레이드 장치 및 풍력발전기용 블레이드 분리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전기용 블레이드 장치는 타워 및 나셀을 포함하며, 상기 나셀에 회전 가능하게 결합하는 허브; 상기 허브에 결합되는 복수의 블레이드; 상기 블레이드를 상기 허브에 분리 가능하게 결합시키는 결합부재; 상기 풍력발전기에 걸리는 풍하중을 측정하는 풍하중 센서부; 및 상기 풍하중 센서부로부터 수신된 풍하중이 허용 하중 이상일 때 상기 결합 부재에 분리 신호를 인가하여 상기 블레이드를 상기 허브에서 분리시키는 제어부를 포함한다.
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또한, 상기 결합부재는, 폭발 볼트, 파이로 볼트, 스마트 볼트, 가스팽창 분리형 볼트 및 볼 타입 볼트 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 풍하중 센서부는, 상기 타워에 걸리는 하중을 측정하는 타워하중센서; 및 상기 블레이드에 걸리는 하중을 측정하는 블레이드 하중 센서 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 풍하중 센서부는, 상기 나셀의 움직임을 측정하는 가속도 센서; 및 상기 풍력발전기로 부는 바람의 방향과 속도를 측정하는 풍향-풍속 측정 센서 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력발전기용 블레이드 분리 방법은 풍력발전기에 걸리는 풍하중을 측정하는 단계; 측정된 풍하중이 허용 하중 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 측정된 풍하중이 허용 하중 이상인 경우 블레이드를 허브에 분리 가능하게 결합시키는 결합부재에 분리 신호를 인가하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 결합 부재는, 폭발 볼트, 파이로 볼트, 스마트 볼트, 가스팽창 분리형 볼트 및 볼 타입 볼트 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 허용 하중 이상의 풍하중이 발생하는 경우 블레이드를 분리시킴으로써 풍력 발전기에 걸리는 풍하중의 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드 장치가 설치된 풍력 발전기를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 블레이드 장치의 일부를 분해한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이다.
도 4는 결합부재의 몸체가 절단되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5은 결합부재의 몸체를 절단하는 구성을 나타내는 레이아웃이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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 블레이드 장치가 설치된 풍력 발전기를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전기(10)는 산의 능선, 해상 또는 건물의 옥상과 같이 기류의 간섭이 최소화될 수 있는 장소에 설치될 수 있다. 풍력 발전기(10)는 타워(100), 나셀(200), 그리고 블레이드 장치(300)를 포함한다.
타워(100)는 예를 들어 지면에 고정 설치될 수 있다. 나셀(200)은 타워(100)의 상단에 설치될 수 있다. 나셀(200)은 타워(100)에 대해 회전 가능하도록 설치될 수 있다. 나셀(200)의 내부에는 블레이드 장치(300)에서 전달되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 각종 장치가 제공될 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 블레이드 장치의 일부를 분해한 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이고, 도 4는 결합부재의 몸체가 절단되는 모습을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 블레이드 장치(300)는 허브(400), 블레이드(500), 피치 베어링(610), 결합부재(620), 풍하중 센서부(도 5의 700), 그리고 제어부(도 5의 800)를 포함한다.
허브(400)는 나셀(200)의 전방에 위치하며, 나셀(200)에 회전 가능하게 결합된다. 허브(400)는 나셀(200) 내부의 발전기(미도시)와 연결된 샤프트(미도시)와 결합되는 샤프트 결합영역(410)과, 블레이드(500)가 결합되는 블레이드 결합영역(420)을 가질 수 있다.
블레이드(500)는 복수 개 제공되며, 허브(400)를 중심으로 방사상으로 배치된다. 블레이드(500)는 익형 단면을 가지며, 전방으로부터 불어오는 바람에 대해 소정의 피치각(angle of pitch)을 갖도록 배치된다.
풍력발전기(10)의 전방에서 불어오는 바람은 블레이드(500)의 표면을 스쳐 지나면서 양력을 발생시키고, 발생된 양력은 블레이드(500) 및 허브(400)를 회전시킨다.
허브(400)와 블레이드(500) 사이에 피치 베어링(610)이 개재될 수 있다. 도 3을 참조하면, 내륜(611)은 블레이드(500)와 결합되고, 외륜(612)은 허브(400)와 결합될 수 있다. 피치베어링(610)은 블레이드(500)를 허브(400)에 대해 회전시킴으로써 블레이드(500)의 피치각을 조절한다.
블레이드(500)의 피치각은 풍속에 따라 조절할 수 있다. 예를 들어, 풍속이 느린 경우, 풍력이 최대한 이용될 수 있도록 블레이드(500)의 피치각을 작게 한다. 그리고 풍속이 빠른 경우, 전방에서 불어오는 바람 일부가 블레이드(500)에 부딪히지 않고 흘러갈 수 있도록 피치각을 크게 한다.
피치 베어링(610)은 내륜(611), 외륜(612) 그리고 볼(613)을 포함할 수 있다.볼(613)은 내륜(611)과 외륜(612) 사이에 개재되며, 내륜(611)과 외륜(612)이 상호 상대 회전할 수 있도록 제공된다.
내륜(611)과 외륜(612)의 상대 회전으로, 블레이드(500)는 허브(400)에 대해 회전할 수 있다. 블레이드(500)의 회전으로 블레이드(500)의 피치각이 조절된다.
블레이드(500)는 결합부재(620)에 의해 허브(400)에 분리 가능하게 결합될 수 있다. 블레이드(500)는 설치과정에서 결합부재(620)에 의해 허브(400)에 결합되어 있다가 비상시 결합부재(620)가 분리되면서 허브(400)에서 분리될 수 있다.
이러한 결합부재(620)는 폭발 볼트(explosive bolt), 파이로 볼트(pyro-bolt), 스마트 볼트(smart bolt), 가스팽창 분리형 볼트(gas expansion bolt), 그리고 볼 타입 볼트(ball-type bolt) 중 어느 하나일 수 있다.
폭발 볼트는 두 개의 물체를 상호 연결하는 볼트 몸체와, 특정한 전기적 힘(전류/고전압)의 인가로 작동하는 착화장치, 그리고 착화장치 작동으로 발생하는 압력에 의해 작동하는 분리화약을 포함할 수 있다.
이러한 폭발 볼트는 원하는 시점에서 특정한 전기적 힘이 인가되면, 분리화약이 폭발하고 폭발력에 의해 볼트 몸체가 절단되도록 작동함으로써, 폭발 볼트에 의해 상호 결합되어 있던 두 개의 물체가 상호 분리될 수 있다.
파이로 볼트는 폭발 볼트와 달리 분리화약을 사용하지 않는다. 파이로 볼트는 부품들이 구조적으로 결합하고 있다가 압력 카트리지에서 발생하는 압력에 의해 결합된 부품이 해제되어 볼트 몸체가 분리되도록 작동한다.
스마트 볼트는 볼트 몸체의 소재를 형상기억합금으로 사용하며, 볼트 몸체가 일정한 온도로 가열되면 소재의 미세조직이 변화되면서 볼트 몸체 자체에서 스트레인(strain)이 발생하고, 이 스트레인이 볼트 몸체를 절단시키는 전단력으로 사용되는 메커니즘을 가진다.
가스 팽창 분리형 볼트는 분리화약 대신 비압축성 물질(오일, 물 등)을 사용하며, 압력 카트리지에서 발생하는 압력이 비압축성 물질을 압축하여 볼트 몸체를 절단하게 하는 메커니즘을 가진다.
볼 타입 볼트는 초경합금의 볼들이 볼트 몸체와 결합하고 있다가 압력 카트리지에서 발생하는 압력이 볼과 볼트 몸체를 분리하게 함으로써, 볼 타입 볼트에 의해 결합되어 있던 두 물체를 분리하는 메커니즘을 가진다.
결합부재(620)는 피치 베어링(610)에 결합될 수 있다.
결합부재(620)는 도 3에 도시된 바와 같이 피치 베어링(610)의 내륜(611)에 결합될 수 있다. 결합부재(620)는 일단이 블레이드(500)에 형성된 홀(510)에 삽입되고 타단이 내륜(611)에 형성된 홀(611a)에 삽입된 상태로 블레이드(500)를 피치 베어링(610)에 결합시킨다.
결합부재(620)는 도 2에 도시된 바와 같이 블레이드(500) 뿌리부의 둘레를 따라 복수 개 제공될 수 있다.
결합부재(620)는 제어부(도 5의 800)에서 인가된 분리 신호에 의해 도 4와 같이 몸체가 절단될 수 있다. 이 경우, 결합부재(620)는 내륜(611)에 결합된 영역과 블레이드(500)에 결합된 영역으로 분리될 수 있다.
복수의 결합부재(620)는 제어부(800)의 분리 신호에 의해 동시에 절단될 수 있다.
결합부재(620)의 몸체가 절단되면, 블레이드(500)는 자체 원심력과 중력에 의해 허브(400)에 고정 결합된 피치 베어링(610)으로부터 분리될 수 있다.
피치 베어링(610)의 외륜(612)은 연결부재(630)에 의해 허브(400)와 결합된다. 연결부재(630)는 몸통이 외륜(612)의 홀(612a)에 삽입되며, 끝단이 허브(400)에 고정 체결된다. 연결부재(630)에 의하여, 외륜(612)은 허브(400)에 고정 결합될 수 있다.
도 5는 결합부재의 몸체를 절단하는 구성을 나타내는 레이아웃이다. 도 3 내지 도 5를 참조하면, 풍하중 센서부(700)는 바람에 의해 풍력 발전기(10)(도 1 참조)에 걸리는 하중(이하, '풍하중'이라 한다)을 측정한다.
풍하중 센서부(700)는 타워 하중 센서(710) 및 블레이드 하중 센서(720)를 포함할 수 있다. 타워 하중 센서(710)는 타워(100)(도 1 참조)에 설치되며, 타워(100)에 발생하는 풍하중을 측정한다. 블레이드 하중 센서(720)는 블레이드(500)(도 1 참조)에 설치되며, 블레이드(500)에 발생하는 풍하중을 측정한다.
풍하중 센서부(700)는 가속도 센서(730) 및 풍향-풍속 센서(740)를 더 포함할 수 있다. 가속도 센서(730)는 바람에 의한 나셀(200)의 움직임을 측정한다. 나셀(200)의 움직임은 풍력 발전기(10)에 걸리는 풍하중의 크기를 정확하게 판단하거나 예측하기 위한 자료가 된다.
풍향-풍속 센서(740)는 풍력발전기(10)로 부는 바람의 방향 및 속도를 측정한다. 바람의 방향 및 속도는 풍력 발전기(10)에 걸리는 풍하중의 크기를 정확하게 판단하거나 예측하기 위한 자료가 된다.
제어부(800)는 풍하중 센서부(700)의 센서(710 내지 740)들과 연결되며, 센서(710 내지 740)들에서 측정된 데이터가 수신된다. 제어부(800)는 센서(710 내지 740)들에서 측정된 풍하중과 기 설정된 값, 예컨대 각 구성의 허용 하중과 비교하여 분리 신호 생성 여부를 판단한다.
제어부(800)는 타워(100)와 블레이드(500) 중 어느 하나 이상에서 허용 하중 이상의 풍하중이 측정될 경우, 분리 신호를 생성한다. 분리 신호는 특정한 전기적 힘(전류/고전압)일 수 있다.
허용 하중 이상의 풍하중이 타워(100)와 블레이드(500) 중 어느 하나 이상에 지속적으로 발생하는 경우, 풍력발전기(10)에는 치명적인 손상이 발생할 수 있기 때문에 제어부(800)는 분리 신호를 인가하여 블레이드(500)들을 풍력 발전기(10)로부터 분리시킴으로써, 풍력 발전기(10)가 받는 풍하중의 영향을 감소시키고 블레이드(500)들을 제외한 풍력 발전기(10)의 각 구성을 보호한다.
제어부(800)는 분리 신호를 결합부재(620)에 자동으로 인가할 수 있다. 이와 달리, 제어부(800)는 경고 알람을 관리자(900)에게 전달하고, 풍력 발전기(10)의 주변상황, 기후 환경 그리고 측정된 데이터들을 종합적으로 고려한 관리자(900)의 조작에 의해 분리 신호를 결합부재(620)에 인가할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 풍력발전기(10)로부터 블레이드(500)를 분리하는 방법을 설명한다.
풍하중 센서부(700)는 풍력발전기(10)에 걸리는 풍하중을 측정한다. 풍하중 센서부(700)는 타워(100)에 발생하는 하중, 블레이드(500)에 발생하는 하중, 바람에 의한 나셀(200)의 움직임, 그리고 바람의 방향 및 속도 중 적어도 어느 하나를 측정할 수 있다.
풍하중 센서부(700)에서 측정된 풍하중은 제어부(800)에 수신된다. 제어부(800)는 수신된 풍하중과 허용 하중을 비교한다. 수신된 풍하중이 허용 하중 이상으로 판단되는 경우, 제어부(800)는 결합부재(620)에 분리 신호를 인가한다. 분리 신호에 의하여 결합부재(620)는 몸체가 절단된다. 결합부재(620)의 몸체는 내륜(611)에 결합된 영역과 블레이드(500)에 결합된 영역으로 분리된다. 결합부재(620)의 분리로, 블레이드(500)는 풍력발전기(10)로부터 분리된다. 풍력발전기(10)에서 분리된 블레이드(500)는 중력에 의하여 지면으로 떨어진다.
상술한 실시예에서, 피치 베어링(610)은 내륜(611)과 외륜(612) 사이에 볼(613)이 개재되는 것으로 설명하였으나, 피치 베어링(610)은 상술한 볼 베어링에 한정되지 않으며 내륜(611)과 외륜(612)이 상대 회전할 수 있는 다양한 형태의 베이링이 적용될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 결합부재(620)가 허브(400)에 고정 결합된 피치 베어링(610)과 블레이드(500)를 상호 결합시키는 것으로 설명하였으나, 결합부재(620)는 블레이드(500)에 고정 결합된 피치 베어링(610)과 허브(400)를 상호 결합시킬 수 있다. 이 경우, 결합부재(620)가 분리될 때 블레이드(500)와 함께 피치 베어링(610)도 허브(400)로부터 분리될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 결합부재(620)가 피치 베어링(610)의 내륜(611)에 결합되는 것으로 설명하였으나, 결합부재(620)는 피치 베어링(610)의 내륜(611) 및 외륜(512)에 모두 적용될 수 있다. 내륜(611)과 결합된 결합부재(620) 및 외륜(612)과 결합된 결합부재(620)는 각각 제어부(800)의 분리 신호에 의해 선택적으로 절단될 수 있다.
이 경우, 내륜(611)과 결합된 결합부재(620) 및 외륜(612)과 결합된 결합부재 (620) 중 어느 하나가 오작동하여 몸체가 절단되지 않더라도 다른 하나의 몸체가 절단될 수 있으므로, 블레이드(500)가 안정적으로 풍력 발전기(10)로부터 분리될 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 블레이드(500)가 내륜(611)과 결합되고, 허브(400)가 외륜(612)과 결합되는 것으로 설명하였으나, 이와 달리 블레이드(500)가 외륜(612)과 결합되고 허브(400)가 내륜(611)과 결합될 수 있음은 물론이다.
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: 풍력 발전기 100: 타워
200: 나셀 300: 블레이드 장치
400: 허브 500: 블레이드
610: 피치 베어링 620: 결합부재
630: 연결부재 700: 풍하중 센서부
800: 제어부 900: 관리자

Claims (8)

  1. 타워 및 나셀을 포함하는 풍력 발전기용 블레이드 장치로서,
    상기 나셀에 회전 가능하게 결합하는 허브;
    상기 허브에 결합되는 복수의 블레이드;
    상기 블레이드를 상기 허브에 분리 가능하게 결합시키는 결합부재;
    풍력발전기에 걸리는 풍하중을 측정하는 풍하중 센서부; 및
    상기 풍하중 센서부로부터 수신된 풍하중이 허용 하중 이상일 때 상기 결합 부재에 분리 신호를 인가하여 상기 블레이드를 상기 허브에서 분리시키는 제어부를 포함하는, 풍력발전기용 블레이드 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합부재는, 폭발 볼트, 파이로 볼트, 스마트 볼트, 가스팽창 분리형 볼트 및 볼 타입 볼트 중 어느 하나인 풍력 발전기용 블레이드 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 풍하중 센서부는,
    상기 타워에 걸리는 하중을 측정하는 타워하중센서; 및
    상기 블레이드에 걸리는 하중을 측정하는 블레이드 하중 센서 중 어느 하나 이상을 포함하는, 풍력 발전기용 블레이드 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 풍하중 센서부는,
    상기 나셀의 움직임을 측정하는 가속도 센서; 및
    상기 풍력발전기로 부는 바람의 방향과 속도를 측정하는 풍향-풍속 측정 센서중 어느 하나 이상을 더 포함하는, 풍력 발전기용 블레이드 장치.
  7. 풍력발전기에 걸리는 풍하중을 측정하는 단계;
    측정된 풍하중이 허용 하중 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 측정된 풍하중이 허용 하중 이상인 경우 블레이드를 허브에 분리 가능하게 결합시키는 결합부재에 분리 신호를 인가하는 단계를 포함하는, 풍력발전기용 블레이드 분리 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 결합 부재는, 폭발 볼트, 파이로 볼트, 스마트 볼트, 가스팽창 분리형 볼트 및 볼 타입 볼트 중 어느 하나인, 풍력발전기용 블레이드 분리 방법.
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