KR101458786B1 - 풍력발전단지, 풍력발전단지의 배치구조, 풍력발전단지의 제어방법 및 풍력발전 유닛. - Google Patents

풍력발전단지, 풍력발전단지의 배치구조, 풍력발전단지의 제어방법 및 풍력발전 유닛. Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 풍력발전단지는, 블레이드가 동일한 방향으로 회전되는 적어도 1개 이상의 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 회전방향과 반대방향으로 블레이드가 회전하는 적어도 1개 이상의 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'을 포함하며, '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되되, 상호 반대방향으로 블레이드가 회전됨으로써 각각의 블레이드 회전으로 인하여 발생되는 와류의 영향을 상호 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력발전단지의 배치구조는, 블레이드가 동일한 방향으로 회전되는 적어도 2개 이상의 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 상호간의 와류간섭을 피하기 위하여 일정거리 이격되어 설치되며, 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 회전방향과 반대방향으로 블레이드가 회전하는 적어도 1개 이상의 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 간격 사이, 앞과 뒤 또는 좌측과 우측에 배치되며, 제1회전방향을 갖는 풍력 발전 유닛과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고, 상호 반대방향으로 블레이드가 회전됨으로써 각각의 블레이드 회전으로 인하여 발생되는 와류의 영향을 상호 감소시키는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전단지, 풍력발전단지의 배치구조, 풍력발전단지의 제어방법 및 풍력발전 유닛. {a wind farm, an arranging structure thereof and a control method thereof, a wind generator unit}
본 발명은 풍력발전 유닛의 집적도를 향상시킨 풍력발전단지, 풍력발전단지의 배치구조, 풍력발전단지의 제어방법 및 풍력발전 유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 풍력발전 유닛 상호간의 와류간섭을 최소화하여 동일 면적에 보다 많은 풍력발전 유닛을 배치할 수 있게 하는 풍력발전단지, 풍력발전단지의 배치구조, 풍력발전단지의 제어방법 및 풍력발전 유닛에 관한 것이다.
풍력발전은 바람의 운동에너지를 블레이드의 회전에너지로 전환시키고 최종적으로 나셀 내부의 발전기를 구동시켜 전기를 생산하는 발전설비에 해당한다.
일반적으로 풍력발전단지의 경우 도 1에 도시된 바와 같이 블레이드가 시계방향으로 회전하는 복 수개의 풍력발전 유닛을 포함하며, 상호간의 간섭을 회피하기 위하여 상호간에 충분한 종(앞뒤) 방향 간격과 횡(좌우) 방향 간격을 확보하여 배치된다. 따라서, 수 개, 수십 개, 수백 개의 풍력발전 유닛을 포함하는 풍력발전단지를 조성함에 있어서 최우선 과제는 충분한 토지를 확보하는 것이다.
한편, 단위 토지당 발전용량을 높이기 위하여 풍력발전 유닛 사이의 간격을 좁히는 것을 고려할 수 있으나, 이 경우 각 풍력발전 유닛의 블레이드 회전으로 인하여 발생하는 와류의 간섭으로 블레이드에 진동이 발생하게 된다. 이러한 진동의 영향으로 풍력발전 유닛의 수명이 단축되어, 현실적으로 풍력발전 유닛 사이의 간격을 좁히는 데에는 한계가 존재한다.
보다 구체적으로 도 2a와 같이 종(앞뒤) 방향으로 인접하는 풍력발전 유닛 사이에는 블레이드를 통과한 바람은 블레이드와 충돌하면서 블레이드 회전방향과 반대방향으로 회전하는 후방 와류를 발생시킨다. 즉, 도 2a를 기준으로 A1의 경우 블레이드가 시계방향으로 회전함에 따라 반시계방향의 후방 와류가 발생되어 B1으로 전달된다.
도 3은 이러한 후방 와류의 영향을 보다 구체적으로 나타낸 것에 해당한다. 도 3에 도시된 바와 같이 A1, B1, C1 의 풍력발전 유닛은 모두 종(앞뒤) 방향으로 배치되었으며, 블레이드가 모두 동일한 시계방향으로 회전하고 있다. 이 경우, 종(앞뒤) 방향의 모든 풍력발전 유닛은 시계반대방향으로 회전하는 후방 와류가 발생되며, A1에서 B1, C1 측으로 갈수록 후방 와류가 상호 중첩되어 점진적으로 증폭되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 종래의 풍력발전단지에서는 이러한 종(앞뒤) 방향의 후방 와류의 영향을 회피하기 위하여 상술한 바와 같이 충분한 간격을 두고 풍력발전 유닛을 종(앞뒤) 방향으로 배치하게 된다.
한편, 횡(좌우) 방향으로 인접하는 풍력발전 유닛 사이에는 각 풍력발전 유닛의 블레이드를 통과한 바람은 블레이드와 충돌하면서 블레이드 회전방향과 반대방향으로 회전하는 와류를 발생시킨다. 즉 도 5a를 기준으로 A1의 경우 시계반대방향으로 회전하는 와류가 발생되며, A2의 경우도 동일하게 시계반대방향으로 회전하는 와류가 발생된다. 이러한 와류는 회전 경계면에서 상호 충돌하면서 각 블레이드에 진동을 발생시킨다.
보다 구체적으로, 종래의 경우, 다수의 풍력발전 유닛을 설치할 경우 전방에 설치된 풍력발전 유닛이 발생시킨 후류 유동으로 인한 후방에 설치된 풍력발전 유닛의 효율감소와 진동방지를 위해서는 약 7배의 로터(Rotor) 직경에 상당한 종(앞뒤) 방향 간격을 유지하여야 하며, 좌우에 설치된 풍력발전 유닛이 발생시킨 와류의 간섭으로 인한 풍력발전 유닛의 효율감소와 진동방지를 위해서는 약 4배의 로터 직경에 상당한 횡(좌우) 방향 간격을 유지하여야 하였기 때문에 풍력발전단지에서 풍력발전 유닛의 집적도를 높이는 것에 한계가 존재하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 하기 위하여, 풍력발전단지의 단위 면적 당 풍력발전 유닛 설치대수를 증가시켜 토지의 이용률을 높임과 동시에 상호 와류에 의한 영향을 감소시킴으로써 풍력발전 유닛의 수명을 향상시키는 풍력발전단지 및 풍력발전단지의 배치구조를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 풍력발전단지는, 상호간의 와류간섭을 피하기 위하여 적어도 1개 이상의 제1회전방향(예로서 시계방향)을 갖는 풍력발전 유닛과 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 블레이드 회전방향과 반대방향으로 회전하는 적어도 1개 이상의 제2회전방향(예로서 시계반대방향)을 갖는 풍력발전 유닛을 횡 방향 또는 종 방향으로 일정거리 이격되게 배치하되 상호 인접한 위치에 번갈아 배치시켜, 상호 반대방향으로 블레이드를 회전되게 함으로써 각각의 블레이드로 인하여 발생되는 종 방향 과/또는 횡 방향 와류의 영향을 상호 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 인접하는 풍력발전 유닛 사이의 종 방향 또는 횡 방향 와류의 영향을 감소시킴으로써 보다 근접한 배치가 가능하도록 한다. 따라서, 와류의 영향으로 발생하는 진동에 의한 제품 수명단축의 문제점을 해소하면서 토지 이용률을 크게 높일 수 있다.
또한, 와류의 영향감소에도 불구하고 부득이하게 발생되는 와류는 그 정도에 따라, 피치제어와 요제어를 통하여 지나친 진동으로부터 제품 수명단축을 미연에 방지할 수 있다.
보다 구체적으로, 전방에 배치된 풍력발전 유닛과 회전방향을 반대로 설정하고 전방의 풍력발전 유닛과의 종(앞뒤) 방향 간격에 따라 변화하는 유입 유동의 백터(Vector)성분에 적합하도록 피치제어와 요제어를 실행하면 약 2~7배 이하의 로터 직경에 상당한 종(앞뒤) 방향 간격 만으로 전방에 배치된 풍력발전 유닛이 발생시킨 후류 유동으로 인한 효율감소와 진동발생을 최소화할 수 있다.
또한 좌우에 배치된 풍력발전 유닛과 회전방향을 반대로 설정하고 좌우에 배치된 풍력터빈과 횡(좌우) 방향 간격에 따라 변화하는 유동간섭의 범위를 피치제어와 요제어를 이용하여 최소화시킬 수 있으므로 약 2~4배 이하의 로터 직경에 상당한 횡(좌우) 방향 간격 만으로 좌우에 배치된 풍력발전 유닛이 발생시킨 회전유동을 효율적으로 이용하고 유동간섭으로 인한 효율감소와 진동발생을 최소화할 수 있으므로 제한된 면적의 풍력발전단지에서 전기출력을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
요컨대, 적어도 2개 이상의 수평축 풍력발전 유닛이 배치된 풍력발전단지에 있어서, 블레이드의 회전방향 선정, 블레이드의 각도를 조절하는 피치제어(Pitch control), 풍향의 변화에 따라 로터 회전축 좌우각도를 조절하는 요제어(Yaw Control)를 통하여 각 풍력발전 유닛 간의 유동간섭을 최소화하고 주변 풍력발전기가 발생시킨 유동을 이용하여 특별한 추가적인 설비나 장치 없이 제한된 풍력발전단지 면적에서 풍력발전 유닛의 설치수량을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래의 풍력발전단지를 나타내는 배치도에 해당한다.
도 2는 종래의 풍력발전단지에 있어서, 종 방향으로 이웃하는 풍력발전 유닛을 나타내는 발췌도에 해당한다.
도 3은 도 2의 종 방향 와류의 후류 간섭 정도를 나타내는 개념도에 해당한다.
도 4는 종래의 풍력발전단지에 있어서, 종 방향으로 이웃하는 풍력발전 유닛의 속도와 힘을 나타내는 도식(Speed and force diagram)에 해당한다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 도 4의 A1-1, B1-1, B1-2를 나타내는 확대도에 해당한다.
도 5는 종래의 풍력발전단지에 있어서, 횡 방향으로 이웃하는 풍력발전 유닛을 나타내는 발췌도에 해당한다.
도 6은 도 5의 횡 방향 와류의 좌우 간섭 정도를 나타내는 개념도에 해당한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전단지의 종 방향 풍력발전 유닛의 배치를 나타내는 배치도에 해당한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 종 방향 와류의 후류 간섭 정도를 나타내는 개념도에 해당한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 종 방향으로 이웃하는 풍력발전 유닛의 속도와 힘을 나타내는 도식(Speed and force diagram)에 해당한다.
도 9a 내지 도 9d는 각각 도 9의 A1-1, B1'-1, B1'-2, C1-1을 나타내는 확대도에 해당한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전단지의 횡 방향 풍력발전 유닛의 횡 방향 배치를 나타내는 발췌도에 해당한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 횡 방향 와류의 좌우 간섭 정도를 나타내는 개념도에 해당한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전단지를 나타내는 배치도에 해당한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전단지의 각 유닛 사이의 종 방향 배치각도(θT), 횡 방향 배치각도(θs), 종 방향 배치간격(T), 횡 방향 배치간격(S), 로터(Rotor) 직경(D) 및 풍력발전 유닛의 회전축 높이(H)를 나타내는 개념도에 해당한다.
도 13b 내지 도 13g는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전 유닛의 배치 방법을 나타낸다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 요제어를 나타내는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 상세히 살펴보기로 한다.
먼저, 도 7 이후 도면은 본 발명에 따른 풍력발전단지의 배치구조를 나타낸다. 첨부된 도면에 있어서, A 내지 E 등 알파벳은 열을 나타내며, 1 내지 5 등의 숫자는 행을 나타낸다.
한편, 위첨자 '는 해당 풍력발전 유닛이 기준이 되는 풍력발전 유닛의 블레이드 회전방향(예로서 시계방향)과 반대방향(예로서 시계반대방향)으로 회전하는 블레이드를 갖는 풍력발전 유닛을 나타낸다.
즉, A1을 기준으로 B1'는 종(앞뒤) 방향으로 인접하며 반대방향으로 회전하는 풍력발전 유닛을 나타내며, A2'은 횡(좌우) 방향으로 인접하며 반대방향으로 회전하는 풍력발전 유닛을 나타낸다.
본 발명에 따른 풍력발전단지는 기본적으로 풍력발전 유닛이 종 방향 및 횡 방향으로 일정거리 이격되어 배치되며, 적어도 1개 이상의 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 적어도 1개 이상의 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'을 포함한다.
여기서, '적어도 1개 이상'은 회전방향의 개수가 아니라 풍력발전 유닛의 개수를 의미한다.
또한. '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 반대방향으로 회전하는 블레이드를 가지는 풍력발전 유닛 각각을 지칭하는 의미로 사용된다. 예를 들어, '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 시계방향으로 회전하는 블레이드를 갖는 풍력발전 유닛이라면, '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 반시계방향으로 회전하는 블레이드를 갖는 풍력발전 유닛을 의미한다. 물론 그 반대 또한 성립된다.
그리고, 공간활용 효율을 높이는 동시에 상호간의 와류의 중첩 및 간섭을 최소화 시키기 위하여 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 상호 인접한 위치에 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 회전방향과 반대방향으로 회전하는 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'을 번갈아 배치하게 된다.
블레이드가 동일한 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛을 인접하게 배치할 경우, 와류의 중첩과 간섭으로 지나친 진동이 발생되어 풍력발전 유닛의 수명을 크게 단축시킬 우려가 있지만, 본 발명에 따른 실시예는 블레이드가 반대방향으로 회전되는 풍력발전 유닛을 인접한 위치에 번갈아 배치함으로써 이러한 와류의 중첩을 상쇄하고, 간섭을 최소화시켜 공간활용 효율을 높이는 동시에 진동에 의한 풍력발전 유닛의 수명단축 문제를 해소시킬 수 있다.
즉, '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'을 종 방향 과/또는 횡 방향으로 상호 인접한 위치에 번갈아 배치하면, 상호 반대방향으로 블레이드가 회전함으로써 각각의 블레이드로 인하여 발생되는 와류의 영향을 상호 감소시키게 된다.
이하, 각각의 경우에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 2 내지 도 4는 블레이드가 동일한 회전방향을 가지는 풍력발전 유닛을 종(앞뒤) 방향으로 배치하는 경우의 문제점을 나타낸다.
도 2b는 종래의 풍력발전단지에 있어서, 종(앞뒤) 방향으로 이웃하는 풍력발전 유닛을 나타내는 발췌도에 해당하며, 종(앞뒤) 방향으로 A1, B1, C1의 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 배치된다.
도 3에서 주풍방향(Prevailing energy wind direction)에서 1번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 A1은 비록 전방에 배치된 풍력발전 유닛이 없는 관계로 강한 후류 유동은 없으나 아음속 유동장에서 나타나는 전방 유동은 풍력발전 유닛의 회전방향(시계방향)과 반대되는 방향(시계반대방향)의 나선형 형태의 약한 유동이 발생하며, 이 유동은 1번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 A1을 통과하면서 풍력발전 유닛의 회전방향과 반대방향으로 회전하는 강한 나선형 유동으로 바뀌게 되며 이 강한 나선형 유동은 풍력발전 유닛 간의 종(앞뒤) 방향 간격이 작을수록 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1에 더욱 강력하게 유입되고 2번째 열에 배치된 같은 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛 B1을 통과함에 따라 회전력이 더욱 발달하여 3번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 C1으로 유입된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1의 블레이드에 도달한 블레이드 회전방향과 반대방향으로 회전하는 강한 나선형 유동은 풍력발전 유닛의 수평축과 수직되는 유동성분을 포함하고 있어 블레이드 회전에 의하여 발생하는 상대속도를 증가시키는 반면 풍력발전 유닛 수평축과 평행한 유동성분(풍속)은 상대적으로 감소하게 되어 도 4a 및 도 4b에서 θw2가 θw1 보다 증가하여 에어포일(Air Foil)형 블레이드 단면각도(Pitch angle)를 풍력발전 유닛 후방으로 조정해야만 효율적인 유동입사각을 유지할 수 있게 된다.
이러한 현상은 3번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 C1의 경우에는 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1 통과로 인하여 회전력이 더욱 발달한 풍력발전 유닛 회전방향과 반대방향으로 회전하는 나선형 유동으로 인해 보다 더 심화되어 나타날 수도 있다.
따라서 도 4c에 도시된 바와 같이 블레이드 단면을 기준으로 효율적인 유동입사각 유지를 위해서는 블레이드 단면각도(Pitch angle)를 풍력발전 유닛 후방으로(Pitch angle 값이 음수, 즉 - α값이 되도록) 조정하여야 하며 이렇게 되면 블레이드의 양력이 반대로 작용하는 효과가 발생하여 결과적으로 공력효율이 현저히 저하되거나 또는 심할 경우 기대하였던 회전방향과 반대방향으로 회전력이 발생하게 되어 역회전 현상이 발생하게 된다.
이러한 역회전 현상을 방지하기 위해서는 비록 유동입사각이 비효율적이라도 기존의 유동입사각을 유지할 수 밖에 없게 되는데 이 경우 역시 공력효율 저하와 에어포일(Air Foil)형 블레이드 단면에서 최적유동 입사각과 실제유동 입사각의 불일치로 인해 공력진동이 발생하게 된다.
그리고, 도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 배치 구조로서, 블레이드 회전방향이 상호 반대인 풍력발전 유닛을 종(앞뒤) 방향으로 일정거리 이격하여 번갈아 배치한 구조를 나타낸다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전단지의 종(앞뒤) 방향 풍력발전 유닛의 배치를 나타내는 배치도로, '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 A1 뒤쪽에 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 B1'가 배치되고, '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 B1' 뒤쪽에 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 C1이 배치되는 형태로 회전방향이 상호 반대인 풍력발전 유닛이 종(앞뒤) 방향으로 인접하게 번갈아 배치된다.
도 8에 도시된 바와 같이 주풍방향(Prevailing energy wind direction)에서 1번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 A1은 비록 전방에 배치된 풍력발전 유닛이 없는 관계로 강한 후류 유동은 없으나 아음속 유동장에서 나타나는 전방 유동은 풍력발전 유닛 회전방향과 반대되는 방향의 나선형 형태의 약한 유동이 발생하며, 이 유동은 1번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 A1을 통과하면서 풍력발전 유닛의 회전방향과 반대방향으로 회전하는 강한 나선형 유동으로 바뀌게 되며 이 강한 나선형 유동은 풍력발전 유닛 간의 종(앞뒤) 방향 간격이 작을수록 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1'에 더욱 강력하게 유입되고 2번째 열에 배치된 반대 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛인 B1'을 통과함에 따라 유동의 회전방향이 반대로 바뀌게 되고, 회전방향이 반대인 입구유동의 영향으로 출구유동의 회전력도 상당히 약화된 상태로(수평방향 유동성분이 회복된 상태로) 3번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 C1으로 유입된다.
2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1'의 블레이드는 전방의 풍력발전 유닛과 반대방향으로 회전하는 까닭에, 도 9에 도시된 바와 같이, 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1'에 도달한 후류 유동은 B1' 블레이드 회전방향과 같은 회전방향을 갖게되고, 이 나선형 유동이 포함하고 있는 풍력발전 유닛의 수평축과 수직되는 유동성분은 블레이드 회전에 의하여 발생하는 상대속도를 감소시키는 반면 풍력발전 유닛 수평축과 평행한 유동성분(풍속)은 상대적으로 감소하게 하여 결국 도 9a 및 도 9b에서 θw20θ w10 보다 감소하여 에어포일(Air Foil)형 블레이드 단면각도(Pitch angle)를 도 9c에 도시된 바와 같이 풍력발전 유닛 전방으로 조정해야만 효율적인 유동입사각을 유지할 수 있게 된다.
이러한 현상은 3번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 C1의 경우에는 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1' 통과로 인하여 회전력이 저하된 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1'의 회전방향과 반대방향으로 회전하는 나선형 유동으로 인해 더욱 완화되어 1번째 열에 배치된 풍력발전인 유닛 A1의 입사유동과 유사하게 나타나며 3번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 C1 이후에도 이러한 나선형 유동의 강도는 완화된 상태를 유지하게 된다.
따라서, 도 9c에 도시된 바와 같이, 블레이드 단면을 기준으로 효율적인 유동입사각 유지를 위해서는 블레이드 단면각도(Pitch angle)를 풍력발전 유닛 전방으로(Pitch angle 값이 양수, 즉 + 값이 되도록) 조정하여야 하며 이렇게 되면 블레이드의 양력이 정방향으로 작용하여 결국 블레이드는 기대하였던 회전방향과 동일방향으로 회전력이 발생하게 되고 에어포일(Air Foil)형 블레이드 단면의 정회전으로 공력효율을 일부분 정상화할 수 있다.
이러한 경우에는 에어포일(Air Foil)형 블레이드 단면에서 최적유동 입사각과 실제유동 입사각이 일치하도록 피치제어를 통하여 달성할 수 있어 공력효율 저하를 부분적으로 개선할 수 있고 공력진동도 방지할 수 있다.
뿐만 아니라 3번째 열과 3번째 열 이후에 배치된 풍력발전 유닛의 경우 즉 C1 이후에는, 2번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 B1'와 달리, 입구유동의 나선형 회전강도가 완화됨으로 인하여 전방에 배치된 풍력발전 유닛의 후류 영향을 최소화할 수 있어 1번째 열에 배치된 풍력발전 유닛인 A1과 유사한 공력효율을 기대할 수 있게 된다.
결론적으로 전방의 풍력발전 유닛과 동일한 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛의 종(앞뒤) 방향 배열에서는 위와 같은 이유로 전방에 배치된 풍력발전 유닛과 충분한 종(앞뒤) 방향 간격을 유지하여야만 하였으나 전방의 풍력발전 유닛과 반대방향으로 회전하는 풍력발전 유닛의 종(앞뒤) 방향 배열에서는 이러한 종(앞뒤) 방향 간격을 최소화할 수 있어 제한된 풍력발전단지 면적에서 풍력발전 유닛 설치수량을 극대화할 수 있는 이점이 있다
이와 같이 종(앞뒤) 방향으로 상호 인접하는 위치에 블레이드 회전방향이 상호 반대인 풍력발전 유닛을 번갈아 배치함으로써 풍력발전 유닛과의 종 방향 간격을 최소화함과 동시에 상호 인접하는 풍력발전 유닛 사이의 종 방향 와류의 영향을 감소시킬 수 있어 결과적으로는 각 풍력발전 유닛 사이의 종 방향 간격을 좁혀 공간 활용도를 증가시키게 된다.
한편, 이하에서는 횡(좌우) 방향 와류의 영향을 나타낸 도 5, 도 6, 도 10 및 도 11을 중심으로 본 발명을 일 측면을 살펴보기로 한다.
도 5 및 도 6은 동일한 회전방향을 가지는 풍력발전 유닛을 횡(좌우) 방향으로 배치하는 경우의 문제점을 나타낸다.
도 5b는 종래의 풍력발전단지에 있어서, 횡(좌우) 방향으로 이웃하는 풍력발전 유닛을 나타내는 발췌도에 해당하며, 횡(좌우) 방향으로 A1과 A2, B1과 B2, C1과 C2와 같이 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 배치된다.
도 6에서 블레이드가 동일한 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛을 횡(좌우) 방향으로 배열하면 각 풍력발전 유닛의 회전방향과 반대되는 회전방향을 갖는 나선형 유동이 풍력발전 유닛 후방에 발생하게 되고 풍력발전 유닛의 횡(좌우) 방향 간격이 좁을 경우 이 나선형 유동은 서로 부딪히게 되고 또한 회전방향이 동일한 까닭에 부딪히는 면에서 서로 엉클어져서 예측하기 어려운 난류로 변하게 되어 유동간섭이 심화될 뿐만 아니라 이러한 현상은 뒤쪽 열에 배치된 풍력발전 유닛에는 이러한 후류 영향이 점차적으로 확대되어 유동간섭이 더욱 악화된다.
따라서 풍력발전 유닛 자체의 공력효율과 공력진동 발생에 악영향을 미치게 되므로 기대하는 공력효율 달성과 진동방지를 위해서는 충분한 횡(좌우) 방향 간격을 유지 할 수 밖에 없다.
반면, 도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 배치구조로서, 횡(좌우) 방향으로 인접하는 풍력발전 유닛이 상호 반대방향으로 회전하게 배치된 경우를 나타낸다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전단지의 횡(좌우) 방향 풍력발전 유닛의 배치를 나타내는 배치도로, '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 A1 우측에 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 A2'가 배치되고, '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 B1' 우측에 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 B2가 배치되는 형태로 회전방향이 상호 반대인 풍력발전 유닛이 횡(좌우) 방향으로 인접하게 번갈아 배치된다.
도 11에서 블레이드가 반대방향으로 회전하는 풍력발전 유닛을 횡(좌우) 방향으로 배열하면 각 풍력발전 유닛의 회전방향과 반대되는 회전방향을 갖는 나선형 유동이 풍력발전 유닛 후방에 발생하게 되고 풍력발전 유닛의 횡(좌우) 방향 간격이 좁을 경우 이 나선형 유동은 서로 부딪히게 되나 회전방향이 반대인 까닭에 부딪히는 면에서 서로 엉클어지지 않고 각 유동의 회전방향을 유지할 수 있게 되어 유동간섭이 저감되어 유동간섭이 완화될 뿐만 아니라 이러한 현상은 뒤쪽 열에 배치된 풍력발전 유닛에는 이러한 후류 영향이 완화된 상태로 유지되어 유동간섭이 감소된다.
따라서 풍력발전 유닛 자체의 공력효율과 공력진동 발생에 미치는 악영향을 최소화 할 수 있어 블레이드가 동일한 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛의 횡(좌우) 방향 배열 보다 작은 횡(좌우) 방향 간격에서도 기대하는 공력효율을 달성할 수 있다,
뿐만 아니라 설정된 횡(좌우) 방향 간격에 따라 나선형 유동간섭을 최소화하여 공력효율을 극대화 할 수 있도록 피치제어를 수행한다면, 블레이드 회전으로 인하여 발생하는 나선형 유동의 크기와 회전강도를 효율적으로 제어할 수 있으므로 설정된 횡(좌우) 방향 간격에서 공력효율을 극대화할 수 있다.
더불어 도 14에 도시된 바와 같이, 요제어를 통하여 풍력발전 유닛의 회전축의 방향을 개별적으로 적절히 제어하면 나선형 유동의 간섭범위를 제어할 수 있으므로 설정된 종(앞뒤) 방향 간격과 횡(좌우) 방향 간격에서 진동방지와 더불어 공력효율을 최적화할 수 있다.
결론적으로 블레이드가 동일한 방향으로 회전하는 풍력발전 유닛의 횡(좌우) 방향 배열에서는 위와 같은 이유로 좌우에 배치된 풍력발전 유닛과 충분한 횡(좌우) 방향 간격을 유지하여야만 하였으나 인접한 좌우의 풍력발전 유닛과 반대방향으로 회전방향을 설정하고, 피치제어와 요제어를 통하여 나선형 유동의 간섭범위를 제어할 수 있어 횡(좌우) 방향 배열로 배치된 풍력발전 유닛에서 횡(좌우) 방향 간격을 최소화할 수 있고 제한된 풍력발전단지 면적에서 풍력발전 유닛 설치 수량을 극대화할 수 있는 이점이 있다
도 12는 상술한 도 7의 종(앞뒤) 방향 배치가 복수 열 적용된 배열과 도 10의 횡(좌우) 방향 배치를 복수 횡 적용된 배열을 종합한 것이라 할 것이다.
즉, 도 7과 도 10을 기준으로, 각 풍력발전 유닛은 해당 풍력발전 유닛을 중심으로 전/후/좌/우 풍력발전 유닛과 반대방향으로 회전되도록 배치되어 상호간의 종(앞뒤) 방향 및 횡(좌우) 방향 와류간섭을 동시에 감소시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 중심에 위치된 C3를 기준으로 살펴볼 때, 전방에 위치된 B3', 후방에 위치된 D3', 좌측에 위치된 C2', 우측에 위치된 C4'는 모두 블레이드가 반대방향으로 회전된다.
이는 C3 뿐만 아니라, 도 12에 나타내어진 모든 풍력발전 유닛에서 공통으로 적용 가능하다.
도 12에서 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' A1의 후방과 우측에는 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 B1'와 A2'가 각각 배치되며, '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'인 B1' 후방과 우측에는 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' C1과 B2가 각각 배치되어, '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 상호 인접하며 번갈아 배치된다.
여기서 A1, A2', A3, A4', A5는 개념적으로 일부만을 나타낸 것으로 A6', A7... 등 횡(좌우) 방향으로의 확장을 고려할 수 있다. 그리고 마찬가지로 A1, B1', C1, D1', E1 또한 개념적으로 일부만을 나타낸 것으로서 F1', G1... 등 종(앞뒤) 방향으로의 확장을 고려할 수 있다.
따라서 도 1에서의 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 포함되지 않은 A1과 B1 그리고 C1와의 종(앞뒤) 방향 간격과 A1과 A2 그리고 A3와의 횡(좌우) 방향 간격은 도 12에서 나타낸 것과 같이 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'을 인접한 위치에 번갈아 배치함으로써 밀집되었음은 자명하다.
한편, 도 13a에서는 본 발명의 풍력발전단지에 배치되는 각 풍력발전 유닛의 회전축을 R.A.(Rotational Axis)로 나타내며 상기 회전축을 평면상에 투영한 선 또는 주풍방향을 기준으로 종(앞뒤) 방향 및 횡(좌우) 방향에서 풍력발전 유닛의 배치범주를 나타낸 것이다.
θT 는 인접한 풍력발전 유닛 간의 종(앞뒤) 방향 배치각도를, θs 는 횡(좌우) 방향 배치각도를, T 는 종(앞뒤) 방향 간격을, S 는 횡(좌우) 방향 간격을, D 는 로터(Rotor) 직경을, H 는 회전축 높이를 각각 나타낸다.
도 13b와 도 13c는 본 발명의 풍력발전단지에서 풍력발전 유닛의 배치는 지형적, 기후적 또는 환경적인 영향으로 주풍방향을 기준으로 정확하게 수직선상 또는 수평선상에 배치할 수 없으므로 종(앞뒤) 방향 배치각도 θT 는 주풍방향의 수직선 기준으로 좌우 각 45° 이하 범위에 풍력발전 유닛을 배치할 수 있음을 나타내고, 횡(좌우) 방향 배치각도 θS 는 주풍방향에 직각인 수평선 기준으로 좌우 각 45° 이하 범위에 풍력발전 유닛을 배치할 수 있음을 나타낸다.
도 13d와 도 13e는 본 발명의 풍력발전단지에 배치되는 다양한 로터(Rotor) 직경을 갖는 풍력발전 유닛을 배치하는 방법을 나타낸다. 여기서 A1, B1'와 A1, A2'는 개념적으로 일부만 나타낸 것으로 앞뒤 또는 좌우로 위치를 바꾸어 배치할 수도 있으며 앞뒤 또는 좌우방향으로 확장도 고려할 수 있다.
도 13f와 도 13g는 본 발명의 풍력발전단지에 배치되는 다양한 회전축 높이를 갖는 풍력발전 유닛을 배치하는 방법을 나타낸다. 여기서 A1, B1'와 A1, A2'는 개념적으로 일부만 나타낸 것으로 앞뒤 또는 좌우로 위치를 바꾸어 배치할 수도 있으며 앞뒤 또는 좌우방향으로 확장도 고려할 수 있다.
도 14는 본 발명의 풍력발전단지에서 인접한 앞뒤 또는 좌우의 풍력발전 유닛에 의하여 발생된 나선형 유동으로 인한 와류간섭을 풍력발전 유닛의 회전축 방향을 개별적으로 적절히 좌우방향으로 회전하게 하는 요제어를 통하여 최소화하기 위한 방법을 개념적으로 일부만 나타낸 것으로 앞뒤 열 또는 좌우 행으로 확장을 고려할 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해 개념적으로 풍력발전 유닛의 배치관계를 일부만 나타낸 것으로서, 실시 풍력발전 유닛의 구조적 사양과 설치부지의 지리적, 기후적 및 환경적 조건에 따라 그 배치관계는 달라질 수 있다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함하여 본 발명에서 사용되는 모든 용어들은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다고 할 것이다. 아울러, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 할 것이다.
이상에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 상기 실시예는 물론, 본 발명에 기존의 공지기술을 단순 조합하거나, 본 발명을 단순 변형한 실시 또한, 당연히 본 발명의 권리범위에 해당한다고 보아야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 수평으로 회전하는 회전축;
    상기 회전축의 전방 단부에 위치된 허브;
    상기 허브에 방사형으로 설치되는 적어도 2개 이상의 에어포일 형태의 블레이드;
    상기 허브에 설치된 상기 블레이드의 피치각도를 조절하는 피치제어 시스템
    상기 회전축의 방향을 풍향에 대응되도록 타워를 기준으로 나셀을 포함한 회전축을 수평 회전시키는 요제어 시스템을 포함하는 복 수개의 풍력발전 유닛으로 구성된 풍력발전단지로서,
    상호간의 와류간섭을 피하기 위하여 일정거리 이격되어 배치되며, 동일한 방향으로 회전되는 블레이드를 가지는 적어도 1개 이상의 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 및
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'에 앞뒤 또는 좌우로 인접한 위치에 배치된 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 블레이드 회전방향과 반대방향으로 회전하는 블레이드를 가지는 적어도 1개 이상의 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'을 포함하되,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 상기 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고, 상호 반대방향으로 블레이드가 회전됨으로써 각각의 블레이드로 인하여 발생되는 와류에 의한 공력효율 감소와 공력진동 발생을 방지하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고,
    후방에 배치되는 풍력발전 유닛은 전방에 배치되는 풍력발전 유닛으로부터 종(앞뒤) 방향 배치각도(θT)가 주풍방향의 수직선 기준으로 좌우 각 0° 이상 45° 이하 범위에 배치되며,
    상기 풍력발전 유닛의 종(앞뒤) 방향 간격은 전방에 배치된 풍력발전 유닛의 로터 직경(D)의 2배 이상 7배 이하인 것을 특징으로 하는 풍력발전단지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고,
    좌측 또는 우측에 배치되는 풍력발전 유닛은 기준점에 배치되는 풍력발전 유닛으로부터 횡(좌우) 방향 배치각도(θS)가 주풍방향에 직각인 수평선 기준으로 좌우 각 0° 이상 45° 이하 범위에 배치되며,
    상기 풍력발전 유닛의 횡(좌우) 방향 간격은 좌측 또는 우측에 배치된 풍력발전 유닛 중 가장 작은 로터 직경(D)의 2배 이상 4배 이하인 것을 특징으로 하는 풍력발전단지.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 적어도 각 1개 이상 배치되고, 종(앞뒤) 방향 및/또는 횡(좌우) 방향으로 인접한 위치에 상호 번갈아 배치되되,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 중에서, 적어도 1개 이상의 풍력발전 유닛은 로터 직경(D)이 타 유닛과 다른 것을 특징으로 하는 풍력발전단지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 적어도 각 1개 이상 배치되고, 종(앞뒤) 방향 및/또는 횡(좌우) 방향으로 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되되,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 중에서, 적어도 1개 이상의 풍력발전 유닛은 회전축의 높이(H)가 타 유닛과 다른 것을 특징으로 하는 풍력발전단지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 적어도 각 1개 이상 배치되고, 종(앞뒤) 방향 및/또는 횡(좌우) 방향으로 인접한 위치에 상호 번갈아 배치되되,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 중에서 적어도 1개 이상 풍력발전 유닛은 회전축 수평방향을 종(앞뒤) 방향 또는 횡(좌우) 방향으로 인접한 위치에 배치된 다른 풍력발전 유닛의 회전축의 수평방향과 다르게 요제어 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지.
  7. 수평으로 회전하는 회전축
    상기 회전축의 전방 단부에 위치된 허브
    상기 허브에 방사형으로 설치되는 적어도 2개 이상의 에어포일 형태의 블레이드
    상기 허브에 설치된 상기 블레이드의 피치각도를 조절하는 피치제어 시스템
    상기 회전축의 방향을 풍향에 대응되도록 타워를 기준으로 나셀을 포함한 회전축을 수평 회전시키는 요제어 시스템을 포함하는 복 수개의 풍력발전 유닛을 배치하는 풍력발전단지의 배치구조로서,
    블레이드가 상호 동일한 방향으로 회전되는 적어도 2개 이상의 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 상호간의 와류간섭을 피하기 위하여 일정거리 이격되어 설치되고,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 블레이드 회전방향과 반대방향으로 블레이드가 회전하는 적어도 1개 이상의 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 간격 사이, 앞과 뒤 또는 우측과 좌측에 배치되며,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고, 상호 반대방향으로 블레이드가 회전됨으로써 각각의 블레이드 회전으로 인해 발생되는 와류의 영향을 상호 감소시키는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 배치구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고,
    후방에 배치되는 풍력발전 유닛은 전방에 배치되는 풍력발전 유닛으로부터 종(앞뒤) 방향 배치각도(θT)가 주풍방향의 수직선 기준으로 좌우 각 0° 이상 45° 이하 범위에 배치되며,
    상기 풍력발전 유닛의 종(앞뒤) 방향 간격은 전방에 배치된 풍력발전 유닛의 로터 직경(D)의 2배 이상 7배 이하인 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 배치구조.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'은 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되고,
    좌측 또는 우측에 배치되는 풍력발전 유닛은 기준점에 배치되는 풍력발전 유닛으로부터 횡(좌우) 방향 배치각도(θS)가 주풍방향에 직각인 수평선 기준으로 좌우 각 0° 이상 45° 이하 범위에 배치되며,
    상기 풍력발전 유닛의 횡(좌우) 방향 간격은 좌측 또는 우측에 배치된 풍력발전 유닛 중 가장 작은 로터 직경(D)의 2배 이상 4배 이하인 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 배치구조.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 간격 사이, 앞과 뒤 또는 우측과 좌측에 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 적어도 각 1개 이상 배치되고, 종(앞뒤) 방향 및/또는 횡(좌우) 방향으로 인접한 위치에 상호 번갈아 배치되되,
    상기 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 중에서 적어도 1개 이상 풍력발전 유닛은 로터 직경(D)이 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 상호 다른 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 배치구조.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'의 간격 사이, 앞과 뒤 또는 우측과 좌측에 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'이 적어도 각 1개 이상 배치되고, 종(앞뒤) 방향 및/또는 횡(좌우) 방향으로 상호 인접한 위치에 번갈아 배치되되,
    상기 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 중에서 적어도 1개 이상 풍력발전 유닛은 회전축의 높이(H)가 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 상호 다른 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 배치구조.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 '제1회전방향을 갖는 풍력발전 유닛'과 '제2회전방향을 갖는 풍력발전 유닛' 중에서 적어도 1개 이상 풍력발전 유닛은 회전축 수평방향을 종(앞뒤) 방향 및/또는 횡(좌우) 방향으로 인접한 위치에 배치된 다른 풍력발전 유닛의 회전축의 수평방향과 다르게 요제어 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전단지의 배치구조.
  13. 삭제
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