KR101643143B1 - 풍력 발전 능동 제어 시스템 - Google Patents

풍력 발전 능동 제어 시스템 Download PDF

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김성훈
조성호
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남부대학교산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 풍력 발전 능동 제어 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 저속에서도 발전 및 발전량을 증가시킬 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 풍속 조건에 따라 능동제어(CVAC)를 통하여 증감속시켜 발전기를 구동시키고, 상기 발전기에 의하여 발생된 전력을 충전기에 충전시키는 풍력 발전 능동 제어 시스템이고, 상기 블레이드의 회전 속도를 증속 또는 감속하는 능동 제어 장치(무단 변속 CVT, 변속비 조정 모터); 상기 능동 제어 장치의 입력 및 출력 단에 각각 설치되어 상기 모터의 입력 회전수 및 출력 회전수를 측정하는 제1 엔코더 및 제2 엔코더; 및 미리 설정된 충전 구간을 저장하고, 상기 충전 구간 내에서 상기 측정된 모터의 입력 회전수 및 출력 회전수를 기초로 상기 측정된 풍속이 증가하는 제1 상태와 감소하는 제2 상태에 따라 상기 변속비 조정 모터로 무단 변속비를 변속시켜 상기 발전기가 정격 출력되도록 제어하는 능동 제어부를 포함하는 풍력 발전 능동 제어 시스템을 개시한다.

Description

풍력 발전 능동 제어 시스템{ACTIVE CONTROL SYSTEM FOR WIND TURBINE}
본 발명의 일 실시예는 풍력 발전 능동 제어 시스템에 관한 것이다.
풍력 발전이란 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여 로터(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지를 이용하여 전기를 얻는 기술이다.
이러한 풍력을 이용하는 풍력 발전기는 주요 구성 요소로서 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 로터와 회전에 의하여 구동되며 나셀(Nacelle) 내부에 위치되는 발전기로 구성된다.
이러한 풍력 발전기는 환경오염을 발생시키지 않고 무한정의 바람을 사용하므로, 세계적으로 환경에 대한 관심이 고조되고 있는 요즘, 전기 에너지의 발전 장치로서 관심이 높아지고 있다.
풍력발전은 운전방식에 따라 일정속 운전과 가변속 운전으로 나뉜다. 이 중 일정속 운전은 풍속의 변화에 관계없이 터빈을 일정한 속도로 회전시키는 방식으로, 터빈 속도를 제어할 필요가 없다는 장점이 있으나 설계 풍속을 벗어나는 다른 풍속에서는 에너지 변환 효율이 낮다. 특히 우리나라처럼 풍속이 일정치 않은 지역에서는 항상 낮은 효율을 지니므로 대용량 풍력발전 시스템에서는 점차 사용하지 않는 추세이다.
이와 달리, 가변속 운전 방식의 풍력발전은 풍속에 따라 최대 전력점이 변화하기 때문에 터빈속도를 블레이드의 최적 주속비(풍속에 대한 블레이드 끝점 속도의 비)로 동작하도록 피치(pitch) 제어함으로써 항상 최대전력을 얻을 수 있게 하는 방식을 말한다.
그런데, 이러한 종래 피치 제어 방식의 경우, 정격 운전 풍속보다 낮은 범위에서 정격 풍속보다 높은 범위로 변환되어 풍력 발전기가 운전이 될 환경에 많이 노출되기 쉽다.
특히, 우리나라와 같이 산간 지역, 태풍, 돌풍 등이 발생하기 쉬우므로 풍력 발전기의 발전기 측에 과도한 힘이 전달되기 쉽다.
부연하면, 갑작스러운 돌풍 등으로 인해 정격 풍속 범위로 변환될 때, 풍력 발전기의 에어로 토크(즉, 로터의 토크)가 갑작스럽게 증가되어 풍력 발전기의 발전기 측으로 과도한 힘이 전달된다. 이때, 로터의 과도한 회전으로 인해 로터 하중이 발생하게 되며, 이는 풍력 발전기 내부의 구동 트레인(Drive-train), 샤프트(shaft)에 피해를 가하게 된다.
공개특허공보 제10-2012-0090761호 '풍력 발전기' 공개특허공보 제10-2012-0135005호 '블레이드 피치 제어 장치, 풍력 발전 장치, 및 블레이드 피치 제어 방법'
본 발명의 일 실시예는 저속에서도 발전 및 발전량을 증가시킬 수 있는 풍력 발전 능동 제어 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 풍력 발전 능동 제어 시스템은 풍속 조건에 따라 능동제어(CVAC)를 통하여 증감속시켜 발전기를 구동시키고, 상기 발전기에 의하여 발생된 전력을 충전기에 충전시키는 풍력 발전 능동 제어 시스템이고, 상기 블레이드의 회전 속도를 증속 또는 감속하는 능동 제어 장치(무단 변속 CVT, 변속비 조정 모터); 상기 능동 제어 장치의 입력 및 출력 단에 각각 설치되어 입력 회전수 및 출력 회전수를 측정하는 제1 엔코더 및 제2 엔코더; 및 미리 설정된 충전 구간을 저장하고, 상기 충전 구간 내에서 상기 측정된 입력 회전수 및 출력 회전수를 기초로 상기 측정된 풍속이 증가하는 제1 상태와 감소하는 제2 상태에 따라 상기 변속비 조정 모터로 무단 변속비를 변속시켜 상기 발전기가 정격 출력되도록 제어하는 능동 제어부를 포함할 수 있다.
상기 능동 제어부의 입출력 회전수는, 풍속에 의한 블레이드의 속도를 엔코더로 측정하고, 상기 측정된 블레이드의 속도가 기준 입력회전수일 경우 상기 능동 제어 장치를 일정한 변속비로 구동시켜 상기 발전기의 정격 출력을 유지하도록 하고, 상기 측정된 블레이드의 속도가 기준 입력회전수 이하일 경우에는 상기 능동 제어 장치를 최저 변속비로 하여 상기 발전기의 출력을 정지 및 감속 시키고, 상기 측정된 블레이드의 속도가 기준 입력회전수 이상일 경우에는 상기 능동 제어 장치를 일정한 변속비로 하여 상기 발전기의 정격 출력을 유지하도록 할 수 있다.
상기 능동 제어부는 상기 측정된 입력회전수에 따라 상기 발전기의 충전 온오프(ON, OFF)로 구분하고, 상기 측정된 기준 입력회전수에 따라 상기 능동 제어 장치로 변속비(증속, 감속)로 변속한다.
상기 능동 제어부는 상기 측정된 입력회전수가 상기 발전기의 충전오프(OFF)의 회전수일 경우 상기 능동 제어 장치로 변속비(감속)로 변속한다.
상기 능동 제어부는 풍속이 계속 증가(입력회전수 증속)시 제어로직과 감속(입력회전수 감속)시 제어로직으로 구성되어 있다.
상기 능동 제어부는 풍속이 계속 증가(입력회전수 증속)시, 상기 측정된 입력회전수가 상기 발전기의 충전온(ON)의 회전수이거나 기준 입력회전수 미만일 경우에 상기 능동 제어 장치로 변속비(감속)로 변속한다.
상기 능동 제어부는 상기 측정된 입력회전수가 상기 발전기의 충전온(ON)의 회전수이고 기준 입력회전수 이상일 경우 상기 능동 제어 장치로 변속비(증속)로 변속한다.
상기 측정된 입력회전수가 발전기 충전온(ON)의 회전수이고, 기준 입력 회전수 이상일 경우에는, 상기 측정된 입력회전수가 충전을 시작하는 최저 회전수보다 크고 상기 능동 제어 장치의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 작은 경우 제1 변속비로 상기 발전기를 구동시켜 상기 충전기를 충전하고, 상기 측정된 입력회전수가 상기 능동 제어 장치의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 크고 상기 능동 제어 장치의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 작은 경우 제2 변속비로 상기 발전기를 구동시켜 상기 충전기를 충전하며, 상기 측정된 입력회전수가 상기 능동제어장치의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 큰 경우 제3 변속비로 상기 발전기를 구동시켜 상기 충전기를 충전할 수 있다.
상기 능동 제어부는 풍속이 계속 증가(입력회전수 감속)시, 상기 측정된 입력회전수가 발전기 충전온(ON)의 회전수이고 기준 입력회전수 이상일 경우에는, 상기 측정된 입력회전수가 충전을 시작하는 최저 회전수보다 크고 상기 능동 제어 장치의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 작은 경우 제1 변속비로 상기 발전기를 구동시켜 상기 충전기를 충전하고, 상기 측정된 입력회전수가 상기 능동 제어 장치의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 크고 상기 능동 제어 장치의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 작은 경우 제2 변속비로 상기 발전기를 구동시켜 상기 충전기를 충전하며, 상기 측정된 입력회전수가 상기 능동 제어 장치의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 큰 경우 제3 변속비로 상기 발전기를 구동시켜 상기 충전기를 충전할 수 있다.
상기 능동제어장치의 변속비는 감속 1.5배 내지 증속 1.5배일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 능동 제어 시스템은 다양한 풍속 조건에서 블레이드가 동일한 회전 속도로 회전하도록 함으로써, 발전기의 정격 출력을 가능하게 하고, 블레이드가 저속에서도 발전기 부하에 대하여 회전이 가능하도록 하며, 고속에서는 브레이킹이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 저속의 풍속에서 발전기의 입력 부하를 줄여 블레이드의 초기 기동을 원활하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 블레이드의 회전력이 약해지기 시작하면 발전기 부하를 줄여줌으로써, 블레이드의 회전력을 회복하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 능동 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 풍력 발전 능동 제어 시스템의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 3은 도 1의 능동 제어부에서 풍속에 따른 능동 제어 장치의 제어 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 풍력 발전 능동 제어 시스템의 실제 동작 예를 나타내는 표이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 능동 제어 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 풍력 발전 능동 제어 시스템의 동작을 나타내는 순서도이며, 도 3은 도 1의 능동 제어부에서 풍속에 따른 능동 제어 장치의 제어 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 풍력 발전 능동 제어 시스템의 실제 동작 예를 나타내는 표이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 능동 제어 시스템은 풍속에 의한 블레이드(10)의 회전을 제1 엔코더(32), 제2 엔코더(33)로 측정하여, 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))로 변속비(증감속)를 조절하여 발전기(40)를 구동시키고, 발전기(40)에 의하여 발생된 전력을 충전기(미도시)에 충전시키는 시스템이다.
본 발명에서의 발전기(40)는 풍속이 어느 정도 유지되는 산지나 해상에 설치되어 바람에 의해 전기를 생산하는 풍력 발전기(미도시)에 장착된다. 일반적으로, 상기 풍력 발전기는 타워(미도시)의 단부에 너셀(미도시)을 회전제어 가능하도록 설치되고 너셀의 회전축에 블레이드(10)가 설치된다. 또한, 너셀의 내부에는 회전축에 로터(미도시)가 포함된 발전기(40)가 장착되는데, 풍력에 의해 블레이드(10)가 회전하면서 로터도 회전하게 되어 발전기(40)가 전기를 생산하도록 되어 있다. 상기 블레이드(10)가 높은 발전 용량을 갖기 위해서는 대형화가 필수적으로 요구된다. 이러한 블레이드(10)의 대형화는 높은 무게 대 강성비를 요구되므로, 대형화에 따른 무게 증가를 효과적으로 감소시키고 강성비를 확보하기 위해 복합소재(composite material)를 적극적으로 사용하고 있다. 상기 복합 소재로는 GFRP(glass fiber reinforced plastic)와 PVC/발사우드가 흔히 혼용된다. 이때, 풍하중과 자중을 지지하기 위해 웹(shear web)이 위치하는 블레이드(10)의 중앙 부분은 강도가 높은 GFRP를 사용하고, 공기역학적 구조물을 형성하는 나머지 부분은 GFRP 스킨의 내부를 PVC 혹은 발사우드로 채워 넣어 무게를 줄이는 방법을 택하고 있다.
상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30))는 발전기(40)를 정격 회전(200rpm)시키기 위하여 발전기(40)에 무단변속 체인방식으로 맞물리거나 직접 연결되는 직접 방식으로 연결된다. 상기 능동 제어 장치(변속 조절 모터(31))는 일반 AC(Alternating Current), DC(Direct Current) 모터도 가능하고, 스텝핑(Stepping) 모터도 가능하다.
상기 종감속기어(20)는 블레이드(10)의 회전 속도를 증속 또는 감속하는 장치이다. 이러한 종감속기어(20)는 블레이드(10)의 회전 속도(RPM)를 증속하기 위하여, 베벨 기어로 서로 교차하여 운동을 전달하게 된다.
상기 제1 엔코터(32)는 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30))의 입력 단에 설치되어 블레이드(10)의 입력 회전수를 측정하는 장치이다.
상기 제2 엔코더(33)는 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30))의 출력 단에 설치되어 발전기(40)의 입력 회전수를 측정하는 장치이다.
상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 풍속 따라에 블레이드(10)의 회전을 증감속하여 발전기(40)를 구동시키고, 발전기(40)에 의하여 발생된 전력을 충전기에 충전시키도록 각 구성들의 동작을 제어한다. 이를 위하여, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 제1 엔코더(32)를 통해 블레이드(10)의 입력회전수 증가하는 제1 상태와 감소하는 제2 상태에 따라 변속시켜 발전기(40)가 정격 출력되도록 제어한다.
그리고, 제2 엔코더(33)로 출력회전수 즉 발전기(40)의 정격 회전수를 확인할 수 있다.
여기서, 회전수 증가 영역인 제1 상태에서의 충전 구간은 각각 V_cut_l(충전 시작 최저 회전수), V_inc_low(회전수 증가 시, 변속 증속을 시작하는 최저 회전수), V_inc_up(회전수 증가 시, 변속 증속을 중지하는 최고 회전수), V_cut_u(충전 중지 최고 회전수)으로 설정된다. 또한, 회전수 감소 영역인 제2 상태에서의 충전 구간은 V_cut_l(충전 시작 최저 회전수), V_dec_low(회전수 감소 시, 변속 증속을 시작하는 최저 회전수), V_dec_up(회전수 감소 시, 변속 증속을 중지하는 최고 회전수), V_cut_u(충전 중지 최고 회전수)으로 설정된다.
보다 구체적으로 설명하자면, 우선 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 제1 및 제2 엔코더(32, 33)로 측정된일 블레이드(10)의 회전수에 따라 일정한 변속비로 구동시킨다. 이때, 변속비는 능동 제어 장치(변속 조절 모터(31))를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전를 통해서 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30))을 감속 1.5배 내지 증속 1.5배일 수 있다.
상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))에 제1 및 제2 엔코더(32, 33)에 의하여 측정된 블레이드(10)의 회전수가 기준 이하일 경우에는 발전기(40)의 출력을 감소시키고, 제1 및 제2 엔코더(32, 33)에 의하여 측정된 블레이드(10)의 회전수가 기준 이상일 경우에는 발전기(40)의 정격 출력을 유지하도록 한다.
또한, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 풍속 즉 블레이드(10)의 회전수를 제1 및 제2 엔코더(32, 33)에 의하여 측정된 블레이드(10)의 회전수가 계속적으로 증속시(S20), 제1 및 제2 엔코더(32, 33)에 의하여 측정된 충전을 시작하는 최저 회전수 보다 크고 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 작은 경우(S21), 제1 변속비(Ga)로 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전한다. 또한, 상기 측정된 입력회전수가 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 크고 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 작은 경우(S22), 제2 변속비(Gb)로 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전한다. 또한, 상기 측정된 입력회전수가 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 큰 경우(S23), 제3 변속비(Gc)로 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전할 수 있다.
또한, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 블레이드(10)의 회전수를 제1 및 제2 엔코더(32, 33)에 의하여 측정된 블레이드(10)의 회전수가 계속 감속시(S20), 제1 및 제2 엔코더(32, 33)에 의하여 측정된 충전을 시작하는 최저 회전수 보다 크고 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 작은 경우(S30), 제1 변속비(Ga)로 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전한다. 또한, 상기 측정된 입력회전수가 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 크고 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 작은 경우(S40), 제2 변속비(Gb)로 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전한다. 또한, 상기 측정된 입력회전수가 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 큰 경우(S50), 제3 변속비(Gc)로 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전할 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 풍력 발전 능동제어시스템의 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 동작을 설명하자면, 우선 본 풍력 발전 능동 제어 시스템은 풍속이 기준 풍속 11m/sec일때 1kw 전력을 생산하고, 기준 풍속일 때 블레이드(10)의 회전수를 60rpm으로 회전하며, 60rpm을 증속하여 발전기(40)에 200rpm을 인가하면 1kw의 전력이 생산되는 것을 가정한다. 즉, 본 풍력 발전 능동 제어 시스템은 풍속이 기준 풍속 11m/sec 이하이면 그와 비례하여 전력 생산도 줄게 된다. 이때, 기준 풍속일 때의 발전기(40)의 입력 200rpm은 능동 제어없이 고정비를 갖는 동력 전달 방식으로 가능하다.
상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 풍속이 낮을 때 발전기(40)의 입력 부하를 줄여 블레이드(10)의 초기 기동을 원활하게 하고, 풍속이 충분하여 블레이드(10)의 회전력이 충분할 때 전력을 생산하며, 블레이드(10)의 회전력이 약해지기 시작하면 발전기(40) 부하를 줄여주어 블레이드(10)의 회전력 회복을 기다리도록 제어한다. 이를 위하여, 충전기로의 충전을 제어하는 충전시스템 온오프(On/Off)를 통하여 증진할 수 있게 된다. 이때, 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 운전 속도는 6초 내지 7초 사이에서 감속 1.5배 내지 증속 1.5배일 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 입력회전수에 따라 변속비를 결정하여 출력회전수 200rpm로 유지하도록 한다. 또한, 기계적 최대 증속 제한(Limit)은 1.5로 고정하고, 기계적 최대 감속 제한은 1.5로 고정한다. 또한, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 충전을 하고 있다가 블레이드(10)의 회전수가 20 rpm이하가 되면 충전을 차단하고, 블레이드(10)의 회전수가 30 rpm이상이 되면 충전을 시작한다. 또한, 회전 속도 체크(rpm Check)가 증속 영역인 (+)이고, 블레이드(10)의 회전 속도가 A=(45 rpm) 이상인 경우에는 출력 회전 속도가 200 rpm으로 유지하도록 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))를 자동 가감속하고, 회전 속도 체크(rpm Check)가 감속 영역인 (-)이고, 블레이드(10)의 회전 속도가 B=(48 rpm) 이상이면 출력 회전 속도가 200 rpm을 유지하도록 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))를 자동 가감속하며, 회전 속도 체크(rpm Check)가 감속 영역인 (-)이고, 블레이드(10)의 회전 속도가 B=(48 rpm) 이하이면 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))를 최대 감속(1.5배) 방향으로 운전한다. 이때, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 설치 전(변속비 초기값) 또는 블레이드(10)가 정지 시에 감속(1.5배) 위치로 위치시킨다. 따라서, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 블레이드(10)의 회전 속도가 45 rpm 이상에서 증속되기 시작하며, 회전 속도 체크(rpm Check)에 따라 증감속되기 시작한다. 이때, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 블레이드(10)의 회전 속도가 45 rpm에서 바람이 멈추어 블레이드(10)의 회전 속도가 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))가 작동할 수 있는 최소 rpm까지 도달 시간이 20sec 이상이라고 가정한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 능동 제어 시스템은 다양한 풍속 조건에서 블레이드(10)가 동일한 회전 속도로 회전하도록 함으로써, 발전기(40)의 정격 출력을 가능하게 하고, 블레이드(10)가 저속에서도 발전기(40) 부하에 대하여 회전이 가능하도록 하며, 고속에서는 브레이킹이 가능하도록 할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 저속의 풍속에서 발전기(40)의 입력 부하를 줄여 블레이드(10)의 초기 기동을 원활하게 할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 블레이드(10)의 회전력이 약해지기 시작하면 발전기(40) 부하를 줄여줌으로써, 블레이드(10)의 회전력을 회복하게 할 수 있다.
한편, 상기 모터(31)의 외표면에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 효과적으로 달성할 수 있는 오염방지 코팅용 조성물이 코팅된다. 상기 오염방지 코팅용 조성물은 붕산 및 탄산나트륨이 1 : 0.01 ~ 1 : 2 몰비로 포함되어 있고, 붕산 및 탄산나트륨의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~ 10 중량%이다. 또한, 상기 붕산 및 탄산나트륨은 몰비로서 1 : 0.01 ~ 1 : 2가 바람직한 바, 몰비가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 기재의 코팅성이 저하되거나 코팅후 표면의 수분흡착이 증가하여 코팅막이 제거되는 문제점이 있다.
또한, 상기 붕산 및 탄산나트륨은 전제 조성물 수용액중 1 ~ 10 중량%가 바람직한 바, 1 중량% 미만이면 기재의 코팅성이 저하되는 문제점이 있고, 10 중량%를 초과하면 코팅막 두께의 증가로 인한 결정석출이 발생하기 쉽다. 이러한 오염방지 코팅용 조성물이 적용되는 기재는 유리, 수지, 세라믹 및 금속 재료 그리고 기재 표면상에 유기물 또는 무기물이 코팅되어 있는 재료가 바람직하고, 본 발명에서 적용되기 위하여 가장 바람직하게는 유리재료일 수 있다. 또한, 상기 조성물을 기재 상에 코팅하는 방법으로는 침적법, 스프레이법, 플로우법 또는 러빙 등이 이용될 수 있으나, 기재의 크기가 크고 곡면의 대량생산 제조공정에 응용할 경우에는 스프레이법에 의해 코팅하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명 조성물에 의한 코팅이 이루어진 경우 기재상의 최종 코팅막 두께는 500 ~ 2000 Å이 바람직하며, 보다 바람직하게는 1000 ~ 2000 Å이다. 상기 코팅막의 두께가 500 Å 미만이면 고온 열처리의 경우에 열화되는 문제점이 있고, 2000 Å을 초과하면 코팅 표면의 결정석출이 발생하기 쉬운 단점이 있다. 한편, 기재상에 도포된 막의 제거에는 세정제로서 물을 사용하는 것이 바람직하며, 그 방법으로서는 세정수조에서의 침적, 초음파 장치에 의한 제거 및 고압스프레이에 의한 분사 등이 있고, 바람직하게는 고압스프레이에 의한 분사방법을 이용하는 것이다.
또한, 센서부(11)의 외표면에는 오지시 및 수명단축의 원인이 되는 표면오염문제를 해결하기 위하여 실리콘 성분을 포함한 코팅층이 형성된다. 상기 코팅층은 미생물 및 부유물 등의 부착을 억제하여 오지시를 방지하고 센서부(11)의 사용기간을 반영구적으로 연장할 수 있게 된다. 상기 코팅액을 제조하는 방법에 대하여 간략하게 설명하자면, 우선 에틸아세테이트(ethyl acetate)용액에 디메틸디클로로실란 용액을 부피비로 2-5% 용해시켜 코팅액을 제조한다. 이때, 상기 디메틸디클로로실란 용액의 함량이 2%에 미치지 못하면 코팅의 효과를 충분히 얻을 수 없고, 5%를 초과하면 코팅층이 너무 두꺼워져 효율이 떨어진다. 상기와 같은 비율로 용해된 코팅액은 코팅시간 및 코팅두께를 고려하여 용액의 점도가 0.8-2cp(센티포아제)의 범위인 것이 바람직하다. 이는 점도가 너무 낮으면 코팅시간을 오래해야 하며, 점도가 너무 높으면 코팅이 두껍게 일어나고 건조가 안되며 또한 불균일한 코팅으로 인하여 센서의 오지시를 유발할 수 있기 때문이다.
본 발명에서는 상기와 같이 제조된 코팅용액으로 센서부(11)의 표면을 1㎛이하의 두께로 코팅한다. 이때, 코팅층의 두께가 1㎛를 초과하면 오히려 센서의 감도를 저하시키기 때문에 본 발명에서는 코팅층의 두께를 1㎛이하로 한정한다. 또한, 상기와 같은 두께로 코팅하는 방법으로서는 센서부(11) 표면에 2-3회 정도 분사하는 스프레이 방법이 사용될 수 있다.
그리고, 모터(31)의 외면에는 온도에 따라 색이 변화하는 온도변색층이 도포될 수 있다. 이 온도변색층은, 소정의 온도 이상이 되었을 때 색이 변하는 두 가지 이상의 온도변색물질이 자동 조타 제어 장치의 표면에 코팅되어 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리됨으로써 단계적인 온도 변화를 판단할 수 있고, 온도변색층 위에는 온도변색층이 손상되는 것을 방지하기 위한 보호막층이 코팅된다.
여기서, 온도변색층은, 각각 40℃ 이상 및 60℃ 이상의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 코팅하여 형성될 수 있다. 온도변색층은 모터(31)의 온도에 따라 색이 변화하여 도료의 온도 변화를 감지하기 위한 것이다. 이러한 온도변색층은 소정의 온도 이상이 되었을 때 색깔이 변하는 온도변색물질이 모터(31)의 표면에 코팅됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 온도변색물질은 일반적으로 1~10㎛의 마이크로캡슐 구조로 구성되어 있고, 마이크로캡슐 내에 전자 공여체와 전자 수용체의 온도에 따른 결합 및 분리현상으로 인해 유색 및 투명색을 나타내도록 할 수 있다. 또한, 온도변색물질은 색의 변화가 빠르고, 40℃, 60℃, 70℃, 80℃, 등의 다양한 변색온도를 가질 수 있으며, 이러한 변색온도는 여러 방법으로 쉽게 조정될 수 있다. 이러한 온도변색물질은 유기화합물의 분자 재배열, 원자단의 공간 재배치 등의 원리에 의한 다양한 종류의 온도변색물질이 이용될 수 있다. 이를 위해, 온도변색층은 서로 다른 변색 온도를 가지는 두 가지 이상의 온도변색물질을 코팅하여 온도 변화에 따라 두 개 이상의 구간으로 분리되도록 형성되는 것이 바람직하다. 이 온도변색층은 상대적으로 저온의 변색온도를 갖는 온도변색물질과 상대적으로 고온의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 40℃이상 및 60℃이상의 변색온도를 갖는 온도변색물질을 사용하여 온도변색층을 형성할 수 있다. 이를 통해, 상기 모터(31)의 온도 변화를 단계적으로 확인할 수 있어 도료의 온도변화를 감지할 수 있으며, 이에 따라 모터(31)를 최적의 상태에서 운용할 수 있으며, 과열에 의한 모터(31)의 손상을 미연에 방지시킬 수 있다. 또한, 보호막층은 온도변색층 위에 코팅되어서 외부의 충격으로 인해 온도변색층이 손상되는 것을 방지하며, 온도변색층의 변색 여부를 쉽게 확인함과 동시에 온도변색물질이 열에 약한 것을 고려하여 단열 효과를 가지는 투명 코팅재를 사용하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 풍력 발전 능동 제어 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 블레이드 20: 감속 기어
30: 능동 제어 장치(무단 변속 CVT) 31: 능동 제어 장치(변속 조절 모터)
32: 제1 엔코더 33: 제2 엔코더
40: 발전기

Claims (5)

  1. 풍속 조건에 따라 변속 조절 모터(31)에 연결된 블레이드(10)의 회전을 조절하여 발전기(40)를 구동시키고, 상기 발전기(40)에 의하여 발생된 전력을 충전기에 충전시키는 풍력 발전 능동 제어 시스템이고,
    상기 블레이드(10)의 회전 속도를 증속 또는 감속하는 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31));
    입력 및 출력 단에 각각 설치되어 블레이드(10)의 입력 회전수 및 출력 회전수또는 발전기(40)의 입력 회전수를 측정하는 제1 엔코더 및 제2 엔코더(32, 33); 및
    풍속에 의한 블레이드(10)의 입력 회전수 및 출력 회전수를 기초로 상기 풍속이 증가하는 제1 상태와 감소하는 제2 상태에 따라 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))를 변속시켜 상기 발전기(40)가 정격 출력되도록 제어하는 능동 제어부를 포함하고,
    상기 능동 제어부는 상기 풍속에 의한 블레이드(10)의 회전수가 충전을 시작하는 최저 회전수보다 미만인 경우에, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))가 변속비를 최저비로 하며, 발전기(40)의 충전을 중지시키고,
    상기 능동 제어부는 상기 풍속에 의한 블레이드(10)의 회전수가 충전을 시작하는 최저 회전수보다 이상이나 기준 회전수 미만인 경우에, 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))가 변속비를 최저비로 하고, 발전기(40)를 충전시키고,
    상기 능동 제어부는 상기 풍속에 의한 블레이드(10)의 회전수가 충전을 시작하는 최저 회전수보다 이상며 기준 회전수 이상인 경우에, 능동제어장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))가 변속비를 증,감속으로 상기 발전기(40)를 구동시켜 충전기를 충전하며,
    상기 능동제어장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))는 상기 풍속에 의한 블레이드(10)의 회전수가 기준 이하일 경우에는, 상기 풍속이 충전을 시작하는 최저 회전수 보다 크고 상기 능동제어장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 작은 경우 상기 발전기(40)를 제1 변속비로 구동시켜 상기 충전기를 충전하고, 상기 측정된 입력회전수가 상기 능동제어장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 시작하는 최저 회전수보다 크고 상기 능동제어장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 작은 경우 상기 발전기(40)를 제2 변속비로 구동시켜 상기 충전기를 충전하며, 상기 측정된 입력회전수가 상기 능동제어장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))의 증속을 중지하는 최고 회전수보다 큰 경우 발전기(40)를 제3 변속비로 발전기(40)를 구동시켜 상기 충전기를 충전하고,
    상기 변속 조절 모터(31)의 외표면에는 오염물질의 부착방지 및 제거를 위한 오염방지 코팅용 조성물이 500 ~ 2000 Å의 두께로 코팅되거나 온도에 따라 색이 변화하는 온도변색층이 도포되되, 상기 오염방지 코팅용 조성물은 붕산 및 탄산나트륨이 1 : 0.01 ~ 1 : 2 몰비로 포함되어 있고, 붕산 및 탄산나트륨의 총함량은 전체 수용액에 대해 1 ~ 10 중량%이며, 상기 온도변색층은 1~10㎛의 마이크로캡슐 구조로 구성된 온도변색물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 능동 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 능동 제어부는 상기 풍속에 의한 블레이드(10)의 회전수가 기준 풍속일 경우 상기 능동 제어 장치(무단 변속 CVT(30), 변속 조절 모터(31))를 일정한 변속비로 구동시키되, 상기 측정된 블레이드(10)의 회전수가 기준 이하일 경우에는 상기 발전기(40)의 출력을 감소시키고, 상기 측정된 블레이드(10)의 회전수가 기준 이상일 경우에는 상기 발전기(40)의 정격 출력을 유지하도록 상기 블레이드(10)의 회전 속도를 증속 또는 감속시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 능동 제어 시스템.
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