KR101656482B1 - 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터 - Google Patents

Abstract

편하중에 의한 기어부의 피로와 그에 따른 토크변화를 측정할 수 있도록 형성된 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터에 관한 것이다. 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터는 로터부와, 구동부와, 기어부, 및 토크 트랜스듀서를 포함한다. 로터부는 일측에 회전 축이 형성된 허브와, 허브의 둘레를 따라 연결된 적어도 하나의 블레이드 시편을 구비한다. 구동부는 로터부의 전면에 이격 배치되어 로터부를 비접촉식으로 회전시킨다. 기어부는 로터부의 회전 축에 연결된다. 토크 트랜스듀서는 기어부의 회전 축에 연결되며, 기어부의 회전 축에 작용하는 외란 요소에 의한 토크변화를 측정한다.

Description

풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터{Simulator for endurance test of wind turbine}

본 발명은 풍력발전기 블레이드의 수풍면적에 고르게 분포하지 않는 풍하중이 로터샤프트 및 내부 회전부품 등에 미치는 영향과 이에 따른 전력품질의 변화를 토크를 통해 측정할 수 있도록 형성된 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력발전기는 바람이 가진 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 신재생 에너지원이다.

최근 들어 무분별한 화석 에너지 사용으로 인해 화석 에너지의 고갈 및 환경문제 등이 심각해지면서 신재생 에너지에 대한 연구 및 관심이 집중되고 있다. 따라서, 다양한 신재생 에너지가 개발되어 실용적으로 활용되고 있으며, 그 중에서도 풍력발전기는 각광받고 있는 에너지원 중의 하나이다.

그러나, 풍력발전기는 설치 시 초기 투자비용이 많이 들기 때문에 생산성이나 효율적인 면을 고려하여 설비 투자를 하게 되므로 풍력발전기를 한번 설치하고 얼마나 장기적으로 운전할 수 있느냐가 매우 중요한 문제이다. 또한, 풍력발전기의 대형화로 인해 로터부에 발생하는 하중 역시 크게 증가할 뿐만 아니라, 육지에서 해상으로 위치가 바뀌면서 유지보수가 점점 더 어려워 지고 있다.

이에 따라, 풍력발전기는 설치 전 내구성을 정확히 테스트해야 하며, 특히 블레이드의 수풍면적에 고르지 못한 풍하중이 가해질 때 로터샤프트의 벤딩에 의한 회전부품의 내구성을 평가하는 것이 중요하다.

그러나, 종래의 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터는 테스트하려는 로터부의 회전 축이 회전모터와 직접 연결되는 형태로 이루어져 있기 때문에, 풍하중으로 인해 로터부의 회전 축이 받는 벤딩을 구현 할 수 없는 문제가 있다.

공개특허공보 10-2012-0121485(2012.11.06 공개)

본 발명의 과제는 기어와 베어링 등의 회전부품들이 벤딩되는 로터의 회전 축에 의한 편하중을 전달 받도록 형성한 후, 회전축의 토크변화와, 온도 및 소음의 변화를 모니터링 함으로써 풍력발전기 내부에 설치된 회전부품들의 내구성 테스트 및 전력 품질의 변화를 측정할 수 있도록 형성된 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터를 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 로터부와, 구동부와, 기어부, 및 토크 트랜스듀서를 포함한다. 로터부는 일측에 회전 축이 형성된 허브와, 허브의 둘레를 따라 연결된 적어도 하나의 블레이드 시편을 구비한다. 구동부는 로터부의 전면에 이격 배치되어 로터부를 비접촉식으로 회전시킨다. 기어부는 로터부의 회전 축에 연결된다. 토크 트랜스듀서는 기어부의 회전 축에 연결되며, 기어부의 회전 축에 작용하는 외란 요소에 의한 토크변화를 측정한다.

본 발명에 따르면, 마그네틱 커플링을 이용하여 로터부를 비접촉식으로 회전시킴으로써, 로터의 회전 축이 베어링에 구속되지 않고 회전이 가능하게 된다. 이에 따라, 블레이드 시편에 장착된 영구자석으로 자력을 가하는 각각의 전자석에 원하는 크기의 전류를 공급해주게 되면, 실제 풍력발전기와 같이 수풍면적에 고르지 않은 풍하중에 의한 로터부의 회전축에 대한 벤딩과 이에 따른 회전 부품들에 가해지는 편하중을 구현할 수 있게 된다.

또한, 로터부의 회전축 벤딩에 따른 회전부품들의 온도변화와 소음의 발생 등을 모니터링함으로써 회전부품들의 내구성을 평가할 수 있게 되며, 기어부의 회전 축의 토크를 측정함으로써 생산되는 전력의 품질 변화를 보다 정확히 검출할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터의 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터의 측면을 도시한 도면.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터의 측면을 도시한 도면이다.

도 1및 도 2에 도시된 바와 같이, 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터(100)는 로터부(110)와, 구동부(120)와, 기어부(130), 및 토크 트랜스듀서(140)를 포함한다.

로터부(110)는 일측에 회전축이 형성된 허브(111)와, 허브(111)의 둘레를 따라 연결된 적어도 하나의 블레이드 시편(112)을 구비한다. 보다 구체적으로, 블레이드 시편(112)은 실제 풍력발전기 블레이드와 공탄성 특성이 유사하게 형성될 수 있으며, 형상 및 개수는 한정되지 않으나 테스트 하고자 하는 실제 풍력발전기의 시편의 형상 및 개수와 동일하게 이루어지는 것이 바람직하다.

구동부(120)는 로터부(110)의 전면에 이격 배치되어 로터부(110)를 비접촉식으로 회전시키는 역할을 한다. 여기서, 로터부(110)를 비접촉식으로 회전시키기 위해 구동부(120)는 회전 액추에이터(121)와, 제1 마그네틱 커플링(122)과, 제2 마그네틱 커플링(123)을 포함한다.

회전 액추에이터(121)는 회전 모터로 이루어질 수 있으며, 회전 축이 로터부(110)를 향하도록 수평방향으로 배치될 수 있다. 그리고, 회전 액추에이터(121)는 별도의 지지 프레임을 통해 지면으로부터 일정 간격 이격되게 배치될 수 있으며, 회전 축의 일측에 감속기(124)를 설치하여 액추에이터(121)의 회전속도를 감속시키도록 할 수 있다.

제1 마그네틱 커플링(122)은 회전 액추에이터(121)의 회전 축에 장착될 수 있다. 이에 따라, 회전 액추에이터(121)가 회전하게 되면 제1 마그네틱 커플링(122)이 함께 회전할 수 있게 된다.

제2 마그네틱 커플링(123)은 제1 마그네틱 커플링(122)에 의해 회전하는 것으로, 제1 마그네틱 커플링(122)과 마주보게 배치되고 로터부(110)의 전면에 장착될 수 있다.

여기서, 제1,2 마그네틱 커플링(122, 123)은 하우징 내부에 N극과 S극이 교번적으로 배열된 복수의 분할전극들이 결합된 마그네트를 구비함으로써, 자기의 흡인력 및 반발력을 이용하여 비접촉으로도 로터부(110)에 동력을 전달할 수 있게 된다.

이처럼 제1,2 마그네틱 커플링(122, 123)에 의해 로터부(110)가 비접촉식으로 회전할 수 있게 됨에 따라 로터부(110)에 작용하는 벤딩모션(bending motion)을 구현할 수 있게 된다. 즉, 실제 풍력발전기의 경우 로터부(110)의 회전 축 양단이 모두 자유롭게 이동 가능하도록 형성된 반면, 종래의 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터는 로터부의 회전 축이 액추에이터와 같은 구동부에 직접 연결된 형태로 이루어져 있으므로 풍하중에 의한 로터부의 회전 축에 대한 벤딩을 시뮬레이션 할 수 없는 문제가 있다.

그러나, 본 발명은 로터부(110)의 회전 축과 회전 액추에이터(121)의 회전 축에 각각 제1,2 마그네틱 커플링(122, 123)을 장착함에 따라 비접촉식으로 로터부(110)에 회전력을 전달할 수 있게 된다. 이에 따라, 로터부(110)의 회전 축이 구속되지 않게 되어 로터부(110)의 회전 축에 대한 벤딩모션을 보다 정확히 구현할 수 있게 되는 것이다.

기어부(130)는 로터부(110)의 회전 축, 즉 허브(111)의 회전 축에 연결될 수 있다. 이처럼 기어부(130)가 로터부(110)의 회전 축에 연결됨에 따라, 기어부(130)는 벤딩이 가해진 로터부(110)의 회전력을 전달받을 수 있게 된다. 여기서, 기어부(130)는 평기어로 이루어질 수 있다. 그리고 평기어의 구동풀리(131)는 블레이드 시편(112)의 회전 축에 연결되고, 종동풀리(132)는 후술되는 토크 트랜스듀서(140)에 연결될 수 있다.

토크 트랜스듀서(140)는 기어부(130)의 회전 축에 연결되며, 기어부(130)의 회전 축에 작용하는 외란 요소에 의한 토크변화를 측정하는 역할을 한다. 이처럼 외란 요소에 의한 기어부(130)의 회전 축에 작용하는 토크변화를 측정할 수 있게 형성됨에 따라, 측정된 토크변화 값을 이용하면 로터부의 운동을 통해 생산된 전력의 효율성을 검출할 수 있게 된다. 이를 위해, 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터(100)는 별도의 모니터링장치를 포함할 수 있다.

또한, 토크 트랜스듀서(140)에는 기어부(130)의 회전을 제동하기 위한 마그네틱 브레이크(150)가 장착될 수 있다.

한편, 로터부(110)의 블레이드 시편(112)으로 외란을 가하기 위해 블레이드 시편(112)의 전면에 각각 장착된 복수의 영구자석(160)과, 영구자석(160)과 각각 마주보게 배치되며 외부에서 전류를 공급받아 자력을 발생하는 전자석(170)을 더 포함할 수 있다.

영구자석(160)은 전류의 공급과 상관없이 항상 자기를 유지하는 것으로, 복수개 구비되어 블레이드 시편(112)의 전면에 각각 장착될 수 있다. 이때, 영구자석(160)의 개수는 한정되지 않으며, 블레이드 시편(112)의 개수와 동일하게 이루어지는 것이 바람직하다.

전자석(170)은 전류가 흐르면 자기화되고 전류를 끊으면 자기화되지 않은 원래의 상태로 되돌아가는 것으로, 영구자석(160)과 각각 마주보게 배치될 수 있다. 이처럼 전자석(170)이 영구자석(160)과 마주보게 배치됨에 따라, 전자석(170)이 외부로부터 전류를 공급받게 되면 자력이 발생하여 영구자석(160)으로 척력을 인가한다. 이에 따라, 영구자석(160)이 부착된 블레이드 시편(112)은 후방으로 밀려나게 되고, 블레이드 시편(112)이 연결된 허브(111)의 회전 축에는 벤딩이 작용하게 되는 것이다.

여기서, 로터부(110)로 외란을 가하기 위한 구성은 앞서 설명한 바와 같이 전자석(170)의 반발력 이외에도 에어샷, 접촉식 캠 등 실시자의 필요에 따라 다양한 구성으로 변환 가능하다.

한편, 각각의 전자석(170)으로 공급되는 전류의 크기는 제어 가능하도록 형성될 수 있다. 여기서, 자력의 크기는 실제 풍하중의 크기와 대응되는 것으로, 전자석(170)으로 공급되는 전류의 크기를 변화시켜주게 되면 전자석(170)에서 발생되는 자력의 크기를 조절할 수 있게 된다. 그리고, 각각의 전자석(170)마다 다른 크기의 전류를 공급해 줌으로써 비대칭적 풍하중에 따른 로터부(110)의 벤딩모션을 구현할 수도 있다.

즉, 전자석(170)에서 발생되는 자력의 크기를 변화시키게 되면 로터부(110)에 작용하는 벤딩의 크기를 변화시킬 수 있게 되므로, 다양한 크기를 갖는 풍하중에 따라 변화되는 전력의 효율성을 검출할 수 있게 된다.

또다른 실시예에 따르면, 로터부(110)에는 온도센서(180)가 장착될 수 있다. 이처럼 로터부(110)에 온도센서(180)가 장착됨에 따라 자력의 크기에 따른 로터부(110)의 온도변화를 측정할 수 있게 된다. 즉, 풍하중에 의해 로터부(110)가 벤딩되면 회전 축에 편하중이 가해지게 되어 회전 축 주위의 온도가 상승하기 때문에, 로터부(110) 주위의 온도를 측정한 후 이를 모니터링하게 되면 내구성 테스트 시에 이를 참고할 수 있다.

또한, 도시하지는 않았지만 로터부(110)에는 자력의 크기에 따른 로터부(110)의 동적 특성을 측정하기 위한 충격센서와, 내부 부품들의 고장에 따른 소리의 크기를 측정하기 위한 소음측정기 등이 장착될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터(100)는 마그네틱 커플링(122, 123)을 이용하여 로터부(110)를 비접촉식으로 회전시킴으로써, 로터부(110)의 회전 축이 베어링에 구속되지 않고 회전이 가능하게 된다. 이에 따라, 블레이드 시편(112)에 장착된 영구자석(160)으로 자력을 가하는 각각의 전자석(170)에 원하는 크기의 전류를 공급해주게 되면, 실제 풍력발전기와 같이 수풍면적에 고르지 않은 풍하중에 의한 로터부(110)의 회전축에 대한 벤딩과 이에 따른 회전 부품들에 가해지는 편하중을 구현할 수 있게 된다.

또한, 로터부(110)의 회전축 벤딩에 따른 회전부품들의 온도변화와 소음의 발생 등을 모니터링함으로써 회전부품들의 내구성을 평가할 수 있게 되며, 기어부(130)의 회전 축의 토크를 측정함으로써 생산되는 전력의 품질 변화를 보다 정확히 검출할 수 있게 된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100.. 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터
110.. 로터부 111.. 허브
112.. 블레이드 시편 120.. 구동부
130.. 기어부 140.. 토크 트랜스듀서
150.. 마그네틱 브레이크 160.. 영구자석
170.. 전자석 180.. 온도센서

Claims (6)

1. 일측에 회전 축이 형성된 허브와, 상기 허브의 둘레를 따라 연결된 복수의 블레이드 시편을 구비한 로터부;
   상기 로터부의 전면에 이격 배치되어 상기 로터부를 비접촉식으로 회전시키는 구동부;
   상기 로터부의 회전 축에 연결된 기어부;
   상기 기어부의 회전 축에 연결되며, 상기 기어부의 회전 축에 작용하는 외란 요소에 의한 토크변화를 측정하는 토크 트랜스듀서;
   상기 블레이드 시편들의 각 전면에 장착된 복수의 영구자석;
   상기 영구자석들과 각각 마주보게 배치되며, 외부에서 전류를 공급받아 자력을 발생시키되 공급받는 전류의 크기 변화에 따라 자력의 크기를 조절할 수 있게 되며, 자력에 의해 상기 각 영구자석으로 척력을 인가함에 따라 상기 블레이드 시편을 후방으로 밀려나게 하여 상기 허브의 회전축에 벤딩이 작용되게 하는 전자석들; 및
   상기 토크 트랜스듀서에 장착되어 상기 기어부의 회전을 제동하는 마그네틱 브레이크;
   를 포함하는 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는,
   회전 액추에이터와,
   상기 회전 액추에이터의 회전 축에 장착된 제1 마그네틱 커플링과,
   상기 제1 마그네틱 커플링과 마주보게 배치되고, 상기 로터의 전면에 장착된 제2 마그네틱 커플링을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 로터부에는 온도센서, 충격센서, 소음측정기 중 선택된 어느 하나가 장착된 것을 특징으로 하는 풍력발전기 내구시험용 시뮬레이터.
   
   

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