KR101595357B1 - 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기 - Google Patents

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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명의 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기는 회전하는 로터(20)로 발전이 이루어지는 도중 바다에 떠 해상에 위치하여 해풍과 파도의 세기 변화로 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)이 발생하는 풍력터빈(10), 내부공간에서 이동 가능한 액체(200)가 풍력터빈(10)의 종 방향을 따르는 이동지연에 의한 액체력(Liquid Force)으로 y축의 피치모션(pitch motion)과 x축의 롤모션(roll motion)형성을 늦추어 풍력 터빈(10)의 바람응시시간이 길게 유지되도록 하는 밸러스트(100)를 포함함으로써 해상환경의 악 조건 속에서도 풍력터빈(10)의 발전 자세를 안정화시켜 주고 동시에 발전 효율성도 크게 향상시키는 특징을 갖는다.

Description

자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기{Floating Offshore Wind Turbine for Stabilizing Motion Control}
본 발명은 해상용 풍력발전기에 관한 것으로, 특히 해풍과 파도의 세기 변화에서도 풍력터빈이 바람을 정면으로 응시하는 시간을 길게 유지할 수 있는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기에 관한 것이다.
최근 들어 친환경 및 대체에너지 수단으로 각광받는 풍력발전기는 발전설비 구축에 따른 많은 공간상 제약이 있는 육상을 벗어나 해상으로 그 공간 확장이 이루어지고 있다.
특히, 해상공간은 육상공간대비 안전성과 경제성이 낮음에도 불구하고, 발전설비에 필요한 입지제약 해소가 가능함과 더불어 풍속과 풍향의 변화가 적으면서 육상풍속의 약 1.5배 이상에 달하는 풍속 세기가 지속될 수 있다는 장점을 제공할 수 있다.
해상공간에 적용된 해상용 풍력발전기의 예로, 고정식 해상용 풍력발전기와 부유식 해상용 풍력발전기가 있다. 상기 고정식 해상용 풍력발전기는 해저기반 기초의 토대 위에 풍력발전기의 지지대를 고정함으로써 연근해에 주로 적용된다. 반면, 상기 부유식 해상용 풍력발전기는 해상의 부유구조물 위에 풍력발전기의 지지대를 고정함으로써 연근해를 벗어날 수 있는 장점을 제공한다.
국내특허공개공보 10-2015-0031795(2015년03월25일)
하지만, 부유식 해상용 풍력발전기는 강한 바람과 파랑 및 와류와 더불어 바람 및 파도의 세기 변화 등에 의한 진동과 같이 육상 환경에 존재하지 않는 해상 환경에 노출됨으로써 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)이 끊임없이 변할 수밖에 없다. 여기서, 3차원 모션(3 dimension motion)은 x축의 롤모션(roll motion), y축의 피치모션(pitch motion), z축의 요모션(yaw motion)을 의미한다.
특히, 3차원 모션(3 dimension motion)의 변화는 풍력터빈의 로터(rotor)가 바람을 정면으로 응시하는 시간을 짧게 하고, 이는 부유식 해상용 풍력발전기의 전기 생산 저하로 이어질 수밖에 없다.
이로 인해, 부유식 해상용 풍력발전기는 고정식 해상용 풍력발전기에 비해 연근해를 벗어나 설치된다는 장점에도 불구하고 그 이용성이 낮은 현실이다.
이에 상기와 같은 점을 감안한 본 발명은 해풍과 파도의 영향으로 끊임없이 변화는 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)하에서 풍력터빈 스스로 자세제어를 수행함으로써 풍력터빈 스스로 바람응시시간의 연장을 능동적으로 하고, 특히 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션(pitch motion)과 x축의 롤모션(roll motion)의 진행을 직접 지연해줌으로써 풍력터빈의 자세제어 효율성도 매우 우수한 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기는 바다에 떠 해상에 위치하여 해풍과 파도의 세기 변화로 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)이 발생하고, 회전하는 로터로 발전이 이루어지는 풍력터빈; 내부공간에 이동 가능한 액체가 채워지고, 상기 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션(pitch motion)과 x축의 롤모션(roll motion) 형성 시 상기 풍력터빈의 종방향을 따르는 상기 액체의 이동지연에 의한 액체력(Liquid Force)으로 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)의 진행을 억제하고, 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)의 진행억제로 상기 풍력터빈의 바람응시시간을 길게 유지시켜주는 밸러스트; 를 포함한 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예로서, 상기 액체는 물(water)이고, 상기 밸러스트는 상기 풍력터빈의 외부에서 하부로 위치된다.
바람직한 실시예로서, 상기 밸러스트는 상기 액체를 담은 내부공간이 형성된 배플 하우징(baffle housing), 상기 액체의 이동이 이루어지는 복수의 채널 G-1,G-2,G-3을 내벽과의 간격으로 각각 형성하면서 상기 내부공간을 다수의 챔버공간으로 구획하여 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)에 대해 상기 액체의 이동시간을 지연시키는 복수의 판 배플(plate baffle)로 구성된다. 상기 판 배플(plate baffle)은 직사각형상의 판상 구조이고, 상기 채널의 각각을 지그재그로 형성시켜준다.
바람직한 다른 실시예로서, 상기 밸러스트는 상기 액체를 담은 내부공간이 형성된 배플 하우징(baffle housing), 상기 액체의 이동이 이루어지는 슬롯 G를 다수로 형성하면서 상기 내부공간을 2개의 챔버공간으로 구획하여 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)에 대해 상기 액체의 이동시간을 지연시키는 슬롯 배플(slot baffle)로 구성된다. 상기 슬롯 G는 상기 슬롯 배플에 등간격을 갖고 다수로 형성된다.
바람직한 또 다른 실시예로서, 상기 밸러스트는 상기 액체를 담은 내부공간이 형성된 배플 하우징(baffle housing), 상기 액체의 이동이 이루어지는 복수의 채널 G-1,G-2,G-3을 내벽과의 간격으로 형성하면서 상기 내부공간을 다수의 챔버공간으로 구획하여 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)에 대해 상기 액체의 이동시간을 지연시키는 복수의 판 배플(plate baffle), 상기 피치모션(pitch motion)의 검출 시 상기 채널 G-1,G-2,G-3이 조절되도록 상기 제1,2,3 판 배플의 각각을 이동시키는 모션 어저스터로 구성된다. 상기 모션 어저스터는 중력센서의 검출데이터와 풍속센서의 검출 데이터로 상기 피치모션(pitch motion)을 검출한다. 상기 모션 어저스터는 상기 제1,2,3 판 배플의 각각을 이동시키는 출력신호가 발생되는 제어기, 상기 제어기의 출력신호로 상기 제1,2,3 판 배플의 각각을 이동시키는 액추에이터로 구성된다.
바람직한 실시예로서, 상기 풍력터빈은 해상에 수직하게 세워진 타워로 지지되고, 상기 타워는 수심이 깊은 해상에 부유할 수 있도록 부력을 제공하는 플로터와 연결되며, 상기 플로터는 해저면에 고정된 무빙라인과 연결된다.
이러한 본 발명의 부유식 해상용 풍력발전기는 해상에 위치된 풍력터빈 스스로 능동적인 자세제어를 수행함으로써 다음과 같은 장점 및 효과를 제공한다.
첫째, 바람과 파도의 세기가 시시각각 변화되는 해상환경에서도 풍력터빈과 로터(rotor)가 바람을 응시하는 시간을 길게 가짐으로써 발전효율이 크게 향상된다. 둘째, 3차원 모션(3 dimension motion)중 y축의 피치모션(pitch motion)과 x축의 롤모션(roll motion)을 직접 억제해줌으로써 풍력터빈의 자세제어 효율성이 매우 우수하다. 셋째, 풍력터빈의 자세제어가 무동력으로 이루어짐으로써 장치나 설비의 추가에 따른 비용 증가가 없어 경제적이다. 넷째, 부유식 해상용 풍력발전기의 발전효율을 크게 높여줌으로써 부유식 해상용 풍력발전기의 저변을 확장할 수 있다. 다섯째, 바람조건이 좋은 심해설치가 가능하면서 설치 및 해체 작업도 간편한 부유식 해상용 풍력발전기의 장점으로 규모 증가가 이루어지는 시장에서 기술우위로 경쟁력을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 밸러스트(ballast)가 무동력으로 작동되는 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 무동력 밸러스트(ballast)의 변형예이고, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 무동력 밸러스트(ballast)의 동작 조건과 동작을 통한 해상용 풍력발전기의 발전자세 제어상태이며, 도 6은 본 발명에 따른 밸러스트(ballast)가 액체의 이동 지연을 능동적으로 제어하는 액티브 밸러스트(Active ballast)의 구성도이고, 도 7은 본 발명에 따른 액티브 밸러스트(Active ballast)를 이용해 발전자세제어가 구현되는 능동형 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기의 예이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기의 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 해상용 풍력발전기(1)는 풍력터빈(10), 터빈 축(10-1), 로터(20), 타워(tower)(30), 플로터(floater)(40), 무빙라인(moving line)(50), 밸러스트(ballast)(100), 액체(200)로 구성된다.
구체적으로, 상기 풍력터빈(10)과 상기 로터(20)는 터빈 축(10-1)으로 연결된 풍력 발전기로 작용하여 전기를 생산하고, 상기 타워(30)는 지지대로 작용하여 풍력 터빈(10)의 하부와 연결되며, 상기 플로터(40)는 수심이 깊은 해상에 부유할 수 있도록 부력을 제공하여 해상에서 일정 높이로 수직하게 세워진 타워(30)가 종방향으로 연결되고, 상기 무빙라인(50)은 앵커 등으로 해저면에 고정된 상태에서 플로터(40)와 연결되어 조류에 의한 플로터(40)의 지정위치이탈을 방지한다. 그러므로, 상기 해상용 풍력발전기(1)는 부유식 해상용 풍력발전기이고, 바람과 파도의 세기가 시시각각 변화되는 해상환경으로 인해 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)인 x축의 롤모션(roll motion), y축의 피치모션(pitch motion), z축의 요모션(yaw motion)이 지속적으로 변환된다. 이 경우, 상기 y축의 피치모션(pitch motion)은 바람에 의한 영향으로 크게 받음으로써 x축의 롤모션(roll motion)과 z축의 요모션(yaw motion)에 비해 상대적으로 크게 형성되고, 상기 x축의 롤모션(roll motion)은 y축의 피치모션(pitch motion)에 비해 상대적으로 작은 크기로 형성되나 로터(20)의 회전에 의한 영향으로 좌우로 움직임으로써 무시할 수 없는 크기로 형성될 수 있다. 또한, 상기 해상용 풍력발전기(1)는 도시되지 않았으나 생산된 전기를 송전하는 송전라인과 연결된다.
구체적으로, 상기 밸러스트(100)는 그 내부공간으로 이동 가능하도록 채워진 액체(200)를 구비하고, 풍력터빈(10)과 결합됨으로써 풍력터빈(10)의 x,y,z 좌표계의 x축의 롤모션(roll motion), y축의 피치모션(pitch motion), z축의 요모션(yaw motion)과 연동된다. 특히, 상기 밸러스트(100)는 피치모션(pitch motion)및 롤모션(roll motion)과 연동되도록 풍력터빈(10)의 종방향(x축)으로 배열됨으로써 액체(200)의 이동은 종방향(x축)을 따라 전후 이동된다. 상기 액체(200)는 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)이 시작되려고 할 때 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)에 반하여 풍력터빈(10)의 종방향을 따르는 이동이 지연됨으로써 풍력터빈(10)의 무게중심이동을 더디게 하여 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion) 의 진행을 억제하여 준다.
본 실시예에서, 상기 밸러스트(100)는 풍력터빈(10)의 외부에 결합되고, 특히 풍력터빈(10)의 하부로 위치된다. 또한, 상기 액체(200)는 오일과 같이 점성이 있는 물질의 사용도 제약이 없으나 물(water)을 적용함이 바람직하다.
한편, 도 2 및 도 3은 밸러스트(100)의 상세구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 밸러스트(100)는 채널 밸러스트(channel ballast)(100-1)로 구성된다.
상기 채널 밸러스트(100-1)는 액체(200)를 담은 내부공간이 형성된 배플 하우징(baffle housing)(110), 액체(200)가 이동하는 방향에서 이동시간을 지연시키는 복수의 판 배플(plate baffle)(120-1,120-2,120-3), 커버(130)로 구성된다.
구체적으로, 상기 배플 하우징(110)의 내부공간은 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)을 더디게 할 수 있는 액체(200)의 부피보다 더 큰 체적으로 형성된다. 이를 위해, 상기 배플 하우징(110)의 가로길이 L, 세로길이 W, 높이 H는 액체(200)의 총 사용량과 풍력터빈(10)에 걸리는 총중량 또는 해상용 풍력발전기(1)의 사이즈와 총중량에 맞춰 특정 값으로 계산된다. 하지만, 본 실시예는 사이즈와 총중량이 특정한 값으로 설정된 해상용 풍력발전기(1)를 대상으로 하지 않음으로써 가로길이 L, 세로길이 W, 높이 H는 특정값으로 계산되지 않는다.
구체적으로, 상기 판 배플(120-1,120-2,120-3)은 3개의 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)로 구성되고, 상기 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각은 사각형상 또는 직사각형상의 판상으로 이루어진다. 그러므로, 상기 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각은 배플 하우징(110)의 내부공간을 구획간격 L-1,L-2,L-3,L-4로 구분하도록 수직하게 고정됨으로써 배플 하우징(110)의 내부공간을 제1,2,3,4 챔버(110-1,110-2,110-3,110-4)로 구획하고, 배플 하우징(110)의 내벽과 거리를 유지하는 한쪽의 채널 G-1,G-2,G-3으로 액체(200)의 이동 통로를 형성한다.
특히, 상기 구획간격 L-1,L-2,L-3,L-4는 모두 동일한 크기일 수 있으나 필요시 서로 다를 수 있다. 또한, 상기 채널 G-1,G-2,G-3은 모두 동일한 크기일 수 있으나 필요시 서로 다를 수 있으며, 서로에 대해 반대방향으로 엇갈리게 형성됨으로써 액체(200)의 이동속도를 더욱 늦춰주고, 이러한 이동속도 지연은 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)을 더디게 하여 준다. 일례로, 제1 판 배플(120-1)의 채널 G-1과 제3 판 배플(120-3)의 채널 G-3이 동일한 방향으로 한쪽에 형성되면, 제2 판 배플(120-2)의 채널 G-2는 채널 G-1,G-3의 반대쪽으로 형성된다.
구체적으로, 상기 커버(130)는 배플 하우징(110)의 상면에 결합되고, 배플 하우징(110)의 내부공간을 외부와 차단한다. 상기 커버(130)와 상기 배플 하우징(110)의 체결은 용접이나 볼트 체결되며, 액체(200)의 누수를 차단하도록 기밀처리될 수 있다.
도 3을 참조하면, 밸러스트(100)는 슬롯 밸러스트(slot ballast)(100-2)로 구성된다.
상기 슬롯 밸러스트(100-2)는 액체(200)를 담은 내부공간이 형성된 배플 하우징(baffle housing)(110), 액체(200)가 이동하는 방향에서 이동시간을 지연시키는 1개의 슬롯 배플(slot baffle)(120), 도시되지 않은 커버로 구성된다. 그러므로, 상기 슬롯 밸러스트(100-2)와 상기 슬롯 밸러스트(100-1)의 배플 하우징(baffle housing)(110)은 서로 동일하고, 반면 상기 슬롯 밸러스트(100-2)의 슬롯 배플(120)은 상기 슬롯 밸러스트(100-1)의 판 배플(120-1,120-2,120-3)과 달리 다수의 슬롯 G가 등간격으로 형성된 차이가 있다.
그러므로, 상기 슬롯 밸러스트(100-2)는 배플 하우징(110)의 내부공간이 슬롯 밸러스트(100-2)에 의해 제1,2 챔버(110-1,110-2)로 구획되며, 구획간격 L-1,L-2는 서로 동일한 크기일 수 있으나 필요시 서로 다를 수 있다. 또한, 상기 배플 하우징(110)의 가로길이 L, 세로길이 W, 높이 H는 채널 밸러스트(100-1)의 설계조건과 동일하다.
한편, 도 4 및 도 5는 무동력으로 동작하는 밸러스트(100)의 작용으로 해상용 풍력발전기(1)의 발전자세가 제어됨으로써 풍력터빈(10)이 바람 방향을 최대한 길게 유지하는 상태를 나타낸다. 이 경우, 밸러스트(100)는 채널 밸러스트(100-1)가 적용된 경우로 설명된다.
도 4를 참조하면, 해상용 풍력발전기(1)는 시시각각 바람과 파도의 세기 변화가 일어나는 해상환경에 노출됨으로써 x,y,z 좌표계의 롤모션(roll motion)(x축), 피치모션(pitch motion)(y축), 요모션(yaw motion)(z축)이 끊임없이 변화된다.
그 결과, 바다 속 플로터(40)의 부유력으로 수직하게 세워진 타워(30)의 상단에 구비된 풍력터빈(10)은 롤모션(roll motion)(x축), 피치모션(pitch motion)(y축), 요모션(yaw motion)(z축)을 그대로 전달받고, 이중 피치모션(pitch motion)(y축)을 가장 큰 힘으로 받으면서 동시에 상대적으로 작으나 롤모션(roll motion)을 받을 수밖에 없다.
이로 인해, 상기 피치모션(pitch motion)(y축)의 진행은 풍력터빈(10)의 자세를 뒤로 젖히거나 앞으로 숙여줌으로써 풍력터빈(10)은 바람을 정면으로 응시하기 어렵고, 이러한 풍력터빈(10)의 자세 변화는 로터(20)의 회전 성능을 저하시킴으로써 발전 효율이 크게 낮춰질 수밖에 없다. 또한, 상기 롤모션(roll motion)은 로터(20)를 좌우로 움직이게 함으로써 로터(20)의 바람 대응자세도 불안정할 수 밖에 없다. 하지만, 상기 풍력터빈(10)은 그 하부부위로 액체(200)의 지연이동이 일어나는 채널 밸러스트(100-1)가 구비됨으로써 종방향의 무게중심이동이 지연되고, 무게중심이동의 지연은 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)의 진행을 억제해줌으로써 풍력터빈(10)의 바람응시시간이 더 길게 유지될 수 있다.
도 5를 참조하면, 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)이 뒤로 젖혀지는 pitch(+)에서 액체(200)는 채널 밸러스트(100-1)의 제1 챔버(110-1)에서 제4 챔버(110-4)쪽으로 이동하려는 경향(실선화살표)을 갖는다. 하지만, 제1 판 배플(120-1)의 채널 G-1과 제2 판 배플(120-2)의 채널 G-2 및 제3 판 배플(120-3)의 채널 G-3은 서로 반대 방향을 가짐으로써 배플 하우징(110)의 내부공간을 흐르는 액체(200)는 채널 G-1을 통해 한쪽으로 쏠린 후 채널 G-2를 통해 반대쪽으로 쏠린 다음 채널 G-3을 통해 채널 G-1과 동일한 쪽으로 쏠림으로써 지그재그 이동경로를 형성한다. 그 결과, 액체(200)는 배플 하우징(110)의 제1챔버(110-1)에서 제4챔버(110-4)로 모두 이동 완료되는 시간이 크게 늦춰짐으로써 이동지연상태의 액체(200)의 액체력(Liquid Force)은 풍력터빈(10)의 앞쪽에서 전방저항력(Ff)으로 작용한다. 이로 인해, 풍력터빈(10)의 종방향의 전방쪽 무게중심이동도 함께 지연됨으로써 pitch(+)의 진행도 그 만큼 지연된다.
반면, 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)이 앞으로 숙여지는 pitch(-)에서 액체(200)는 채널 밸러스트(100-1)의 제4 챔버(110-4)에서 제1 챔버(110-1)쪽으로 이동하려는 경향(점선화살표)을 갖는다. 하지만, 액체(200)는 채널 G-3를 통해 한쪽으로 쏠린 후 채널 G-2를 통해 반대쪽으로 쏠린 다음 채널 G-1을 통해 채널 G-3와 동일한 쪽으로 쏠림으로써 지그재그 이동경로를 형성한다. 그 결과, 액체(200)는 배플 하우징(110)의 제4챔버(110-4)에서 제1챔버(110-1)로 모두 이동 완료되는 시간이 크게 늦춰짐으로써 이동지연상태의 액체(200)의 액체력(Liquid Force)은 풍력 터빈(10)의 뒤쪽에서 후방저항력(Fr)으로 작용한다. 이로 인해, 풍력터빈(10)의 종방향의 후방쪽 무게중심이동도 함께 지연됨으로써 pitch(-)의 진행도 그 만큼 지연된다.
상기와 같은 pitch(+)나 pitch(-)의 지연은 바람과 파도의 세기 변화에 따른 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)형성시점에서 계속적으로 반복된다.
한편, 롤모션(roll motion)에 의한 액체이동지연의 작용은 pitch(+)나 pitch(-)에 의한 작용에 비해 다소 작게 작용하나 그 원리는 동일하다. 일례로, 배플 하우징(110)이 좌우로 흔들리면, 액체(200)는 채널 G-1, G-2, G-3로 쏠리면서 동시에 서로 지그재그인 채널 G-1, G-2, G-3의 이동경로를 이용해 제1내지 제4 챔버(110-1,110-2,110-3,110-4)의 각각으로 이동하려는 경향을 형성한다. 하지만, 채널 G-1, G-2, G-3의 지그재그 형상은 엑체(200)가 배플 하우징(110)이 좌측에서 우측으로 이동하려는 움직임 또는 우측에서 좌측으로 이동하려는 움직임을 지연함으로써 롤모션(roll motion)의 진행도 그 만큼 지연된다. 상기와 같은 좌우의 롤모션(roll motion)의 지연은 바람과 파도의 세기 변화에 따른 로터(20)의 회전하에 좌우로 움직임이는 롤모션(roll motion) 형성시점에서 계속적으로 반복된다.
그 결과, 해상용 풍력발전기(1)는 풍력터빈(10)과 연동되어 무동력으로 동작하는 밸러스트(100)의 작용으로 풍력터빈(10)과 로터(20)가 바람을 정면으로 응시하는 시간을 보다 길게 할 수 있고, 이는 풍력터빈(10)의 전기 생산 향상으로 나타난다.
한편, 도 6은 밸러스트(100)가 능동적으로 제어되는 액티브 밸러스트(Active ballast)(100-3)로 구성된 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 액티브 밸러스트(100-3)는 액체(200)를 담은 내부공간이 채널 G-1,G-2,G-3을 형성한 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)로 구획된 배플 하우징(110), 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각을 이동시켜 채널 G-1,G-2,G-3을 조절하는 모션 어저스터(300), 모션 어저스터(300)에 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)의 정보를 데이터로 제공하는 복수의 센서(400,500)로 구성된다. 이 경우, 상기 모션 어저스터(300)와 상기 센서(400,500)는 필요로 하는 전원이 풍력터빈(10)을 통해 자체적으로 공급되도록 구성된다.
구체적으로, 상기 배플 하우징(110)과 상기 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3) 및 상기 채널 G-1,G-2,G-3은 도 2 및 도 4,5를 통해 기술된 채널 밸러스트(100-1)의 구성요소와 동일하다. 다만, 상기 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각은 채널 G-1,G-2,G-3의 간격을 좁히거나 넓히도록 배플 하우징(110)에서 이동가능하다는 차이가 있다. 이를 위해, 상기 배플 하우징(110)은 기밀 처리된 홀을 형성하여 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각을 위치시켜줄 수 있다.
구체적으로, 상기 모션 어저스터(300)는 제어기(310)와 액추에이터(330)로 구성된다. 또한, 상기 센서(400,500)는 바람과 파동의 세기 변화로부터 풍력터빈(10)이나 타워(30) 또는 플로터(40)의 흔들림에 따른 자세변화를 검출하는 중력센서(400), 바람의 풍속을 검출하는 풍속센서(500)로 구성된다.
일례로, 상기 제어기(310)는 중력센서(400)의 데이터로 풍력터빈(10)이나 타워(30) 또는 플로터(40)의 흔들림을 진동 크기로 파악하고, 풍속센서(500)의 데이터로 바람세기를 파악하며, 파악된 진동 크기와 바람세기를 입력값으로 하여 채널 G-1,G-2,G-3의 간격을 넓히거나 좁혀주는 출력을 생성한다. 상기 출력은 ON/OFF 신호일 수 있으나 PWM(Pulse Width Modulation)의 DUTY 출력이 바람직하다. 특히, 상기 출력은 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각에 개별적인 출력신호이거나 동일한 출력신호일 수 있다.
일례로, 상기 액추에이터(330)는 제어기(310)의 출력신호로 동작하여 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 각각을 밀거나 당겨줌으로써 채널 G-1,G-2,G-3의 간격을 넓히거나 좁혀 액체(200)의 이동지연시간을 조정하여 준다. 이를 위해, 상기 액추에이터(330)는 직선 이동되는 축을 구비한 솔레노이드나 직선운동변환기구를 갖춘 모터일 수 있다.
한편, 도 7은 액티브 밸러스트(100-3)를 이용하여 해상용 풍력발전기(1)가 능동형 해상용 풍력발전기(1-1)로 구현된 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 능동형 해상용 풍력발전기(1-1)는 풍력터빈(10), 터빈 축(10-1), 로터(20), 타워(30), 플로터(40), 무빙라인(50), 액티브 밸러스트(100-3)로 구성된다.
구체적으로, 상기 풍력터빈(10), 상기 터빈 축(10-1), 상기 로터(20), 상기 타워(30), 상기 플로터(40), 상기 무빙라인(50)은 도 1내지 도 5를 통해 기술된 해상용 풍력발전기(1)와 동일한 구성요소이다. 다만, 액티브 밸러스트(100-3)가 배플 하우징(110), 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3), 액체(200), 제어기(310), 액추에이터(330), 중력센서(400), 풍속센서(500)로 구성됨으로써 밸러스트(100)의 구성요소에서 차이를 갖는다. 특히, 상기 중력센서(400)는 풍력터빈(10)이나 타워(30) 또는 플로터(40)에 설치될 수 있으나 상기 풍속센서(500)는 로터(20)의 회전영역을 벗어난 위치에서 타워(30) 또는 플로터(40)에 설치될 수 있다.
그러므로, 상기 능동형 해상용 풍력발전기(1-1)는 시시각각 바람과 파도의 세기 변화가 일어나는 해상환경으로 인해 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)이 발생되면, 액티브 밸러스트(100-3)의 작용을 이용해 풍력터빈(10)의 피치모션(pitch motion)과 롤모션(roll motion)을 제어함으로써 풍력터빈(10)의 바람응시시간이 더 길게 유지될 수 있다.
특히, 상기 액티브 밸러스트(100-3)는 진동 크기와 바람세기를 입력값으로 하는 제어기(310)의 출력으로 액추에이터(330)가 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)을 이동시키고, 제1,2,3 판 배플(120-1,120-2,120-3)의 이동으로 채널 G-1,G-2,G-3의 간격이 넓혀지거나 좁혀짐으로써 채널 밸러스트(100-1) 또는 슬롯 밸러스트(100-2)에 비해 보다 정밀한 제어가 이루어질 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기는 회전하는 로터(20)로 발전이 이루어지는 도중 바다에 떠 해상에 위치하여 해풍과 파도의 세기 변화로 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)이 발생하는 풍력터빈(10), 내부공간에서 이동 가능한 액체(200)가 풍력터빈(10)의 종 방향을 따르는 이동지연에 의한 액체력(Liquid Force)으로 y축의 피치모션(pitch motion)과 x축의 롤모션(roll motion)형성을 늦추어 풍력터빈(10)의 바람응시시간이 길게 유지되도록 하는 밸러스트(100)를 포함함으로써 해상환경의 악 조건 속에서도 풍력터빈(10)의 발전 자세를 안정화시켜 주고 동시에 발전 효율성도 크게 향상시킬 수 있다.
1 : 해상용 풍력발전기 1-1 : 능동형 해상용 풍력발전기
10 : 풍력터빈 10-1 : 터빈 축
20 : 로터 30 : 타워(tower)
40 : 플로터(floater) 50 : 무빙라인(moving line)
100 : 밸러스트(ballast) 100-1 : 채널 밸러스트(channel ballast)
100-2 : 슬롯 밸러스트(slot ballast)
100-3 : 액티브 밸러스트(Active ballast)
110 : 배플 하우징(baffle housing)
120 : 슬롯 배플(slot baffle)
120-1,120-2,120-3 : 제1,2,3 판 배플(plate baffle)
130 : 커버 200 : 액체
300 : 모션 어저스터 310 : 제어기
330 : 액추에이터 400 : 중력센서
500 : 풍속센서

Claims (13)

  1. 해풍으로 회전되는 로터에 의해 발전을 하는 해상용 풍력 발전기에 있어서, 풍력터빈의 x,y,z 좌표계의 3차원 모션(3 dimension motion)중 해풍과 파도의 변화에 의한 y축의 피치모션(pitch motion)과 x축의 롤모션(roll motion)에 대해 무게 중심의 이동을 지연시킴으로서, 상기 피치모션의 변화가 감소되고 상기 로터의 회전에 유리한 바람응시자세가 유지되는 풍력터빈;
    상기 풍력터빈에는 내부공간에 이동 가능한 액체를 채운 밸러스트(ballast)가 구비되고, 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion) 형성 시 상기 밸러스트에서 상기 액체의 이동지연에 의한 액체력(Liquid Force)이 유지되어 상기 무게중심의 이동이 지연되며, 상기 무게중심 이동의 지연이 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)의 진행을 억제하여 상기 바람응시자세의 유지시간을 연장시키며, 상기 밸러스트는 상기 액체를 담은 내부공간이 형성된 배플 하우징(baffle housing), 상기 액체의 이동이 이루어지는 채널을 내벽과의 간격으로 형성하면서 상기 내부공간을 다수의 챔버공간으로 구획하여 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)에 대해 상기 액체의 이동시간을 지연시키는 제1,2,3 판 배플(plate baffle), 상기 피치모션(pitch motion)과 상기 롤모션(roll motion)의 검출 시 상기 채널이 조절되도록 상기 제1,2,3 판 배플의 각각을 이동시키는 모션 어저스터를 포함하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 액체는 물(water)인 것을 특징으로 하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 밸러스트는 상기 풍력터빈의 외부에 결합된 것을 특징으로 하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 1,2,3 판 배플(plate baffle)의 각각은 직사각형상의 판상 구조이고, 상기 채널의 각각을 지그재그로 형성시켜주는 것을 특징으로 하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 모션 어저스터는 중력센서의 검출데이터와 풍속센서의 검출 데이터로 상기 피치모션(pitch motion)을 검출하는 것을 특징으로 하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 모션 어저스터는 상기 제1,2,3 판 배플의 각각을 이동시키는 출력신호가 발생되는 제어기, 상기 제어기의 출력신호로 상기 제1,2,3 판 배플의 각각을 이동시키는 액추에이터로 구성된 것을 특징으로 하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 풍력터빈은 해상에 수직하게 세워진 타워로 지지되고, 상기 타워는 수심이 깊은 해상에 부유할 수 있도록 부력을 제공하는 플로터와 연결되며, 상기 플로터는 해저면에 고정된 무빙라인과 연결된 것을 특징으로 하는 자세제어방식의 부유식 해상용 풍력발전기.
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