KR101672653B1 - Mr 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워 - Google Patents

Mr 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중력식 형태, 모노파일 형태, 트라이포드 형태 또는 자켓 형태로 구성되는 풍력 발전 타워의 능동적 공진 방지를 위한 MR 유체(Magneto-Rheological fluid)를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워에 관한 것이다. 이를 위하여 MR 유체; MR 유체의 적어도 일측에 구비되어, MR 유체에 자기장을 제공하는 자기장 제공부; 및 자기장 제공부에서 발생되는 자기장의 세기를 제어하는 제어부;를 포함하고, 제어부의 자기장 제공부에서 발생되는 자기장의 세기의 제어를 통해 MR 유체의 강성이 조절되고, MR 유체의 강성의 조절로 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 조절되며, 고유 진동수의 조절로 풍력 발전 타워의 공진 회피가 수행되는, MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 제공할 수 있다. 이에 따르면 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 능동적으로 조절할 수 있게 되는 효과가 발생된다.

Description

MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워{Resonance Avoidance Apparatus of Wind Turbine Tower using Magneto-Rheological fluid, and Tower using thereof}
본 발명은 MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중력식 형태, 모노파일 형태, 트라이포드 형태 또는 자켓 형태로 구성되는 풍력 발전 타워의 능동적 공진 방지를 위한 MR 유체(Magneto-Rheological fluid)를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전기는 공기 유동이 가지는 운동에너지의 공기역학적(Aerodynamic) 특성을 이용하여 로터(Rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이러한 기계적 에너지를 변환하여 전기 에너지를 얻는 장치이다. 이러한 풍력발전기는 블레이드(Blade)와 허브(Hub)로 구성된 로터와 허브로부터 전달된 회전을 증속시켜 발전기를 구동시키는 증속장치(Gear box), 증속장치와 연결된 발전기, 제어장치, 유압 브레이크 장치와 전력제어장치, 그리고 풍력 발전 타워 등을 포함한다. 이러한 풍력 발전기는 풍력 발전 타워의 기본 진동수, 파랑에 의해 발생하는 진동, 로터의 회전에 의해 발생하는 진동 및 이들의 공진으로 인해 풍력 발전기의 내구성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 상술한 진동으로 인해 발전기의 위치가 가변되고 샤프트의 변형을 일으켜 발전 효율이 감소되는 문제점이 있다.
게다가 풍력 발전 타워는 세장비가 높은 구조 형상으로 인해 특히 진동하기 쉬운 구조이다. 진동 중심에서 로터의 허브까지의 높이가 상대적으로 더 높아질수록 진동에 대한 민감성은 증가하게 된다. 특히 해상 풍력 발전 타워는 진동 중심에서 로터의 허브까지의 높이가 육상 풍력 발전 타워보다 더 높을 수밖에 없어서 진동에 더욱 민감하게 된다. 모노파일 형태의 해상 풍력 발전 타워는 세굴에 의해 진동 중심에서 허브까지의 높이가 길어질 수 있어, 진동에 더욱 취약해질 가능성이 있다.
풍력 발전 타워의 진동 요소에 관하여, 파랑 주기 등에 의한 진동수, 회전 진동수(1P, the rotational frequency) 및 블레이드 통과 진동수(3P, the blade passing frequency)에 의해 발생되는 공명 현상, 다시 말해 공진 현상은 위에 기술된 풍력 발전 시스템 전체의 복합적 진동 문제들을 야기할 수 있으며, 이는 특히 풍력 발전 타워 상에서 발생할 수 있다.
도 1은 풍력 발전 타워에 발생할 수 있는 진동 요소들의 진동수의 예시를 도시한 그래프이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 풍력 발전 타워의 로터 진동수에 의한 진동인 1P와 풍력 발전 타워의 중심축에 블레이드가 통과한 뒤 다음 블레이드가 통과하여 발생되는 진동인 3P를 확인할 수 있다. 1P 이하의 고유 진동수 영역을 Soft-Soft 영역, 1P와 3P 사이의 영역을 Soft-Stiff 영역, 3P 이상의 영역을 Stiff-Stiff 영역이라 칭한다. 도 1에서 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 1P 또는 3P에 해당되는 진동수와 같은 경우 공진이 발생되게 되어 진동의 규모가 지나치게 커지게 된다.
따라서 이러한 풍력 발전 타워의 진동 문제를 해결하기 위해 가장 일반적으로는 풍력 발전 타워의 진동 자체를 감쇠시키는 방법이 이용되고 있었다. 진동 감쇠 방법에 따르면 진동 감쇠 적용 전 진동 규모가 진동 감쇠 방법에 따라 진동 감쇠 적용 후 진동 규모로 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
풍력 발전 타워의 진동 자체를 감쇠시키는 방법에 대해 구체적으로 살펴보면, 첫째로 미국 공개특허 US 2009/0142178 A1에서는 풍력발전기의 타워에 강성을 조절하기 위한 강선 또는 강봉을 설치하고 유압장치에 의해 강선 또는 강봉을 긴장하여 타워의 강성을 조절하는 장치를 개시하고 있다. 둘째로 유럽 등록 특허 EP 1 008 747 B1은 플라이휠 질량, 진자 로드(pendulum rod), 진자 베어링 또는 진자 조인트 및 감쇠 수단들을 포함하여 풍력 발전 설비 내에서 진동을 감쇠하기 위한 진동 흡수기를 기술하고 있다. 셋째로 풍력 발전기의 발전기 자체의 진동을 감쇠시키는 기술이 대한한국 공개실용신안 10-2012-0003512에 개시되어 있다. 상술한 공보에는 유압댐퍼를 이용하여 발전기의 진동을 억제시키는 기술이 개시되어 있다.
또한, 위의 진동 감쇠 방법뿐만 아니라, 풍력 발전 타워의 설계 시에 공진 영역을 회피하여 비공진 영역에 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 위치하도록 풍력 발전 타워를 설계하여 공진을 회피하는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나, 재료 특성의 다변성, 제작 및 시공의 오차, 구조물의 손상, 세굴 등에 의한 구조 시스템의 강성 변화 가능성이 있어, 설치 후 구조물의 고유 진동수가 공진 영역으로 진입할 수 있는 문제점이 있다.
풍력 발전 타워의 고유 진동수를 변경시켜 공진을 회피하는 방법에 대해 구체적으로 살펴보면, 첫째로 풍력 발전 타워의 설계 변경과 관련하여 기존에는 공진의 회피가 자켓의 안정성과 트레이드 오프 관계에 있었다. 즉, 기존의 공진 회피 방법은 공진을 회피하기 위해 자켓의 구조 효율성이 저하되는 방향으로 구성될 수 있다. 자켓의 경우 경사각(batter angle)을 크게 해 줄수록 구조 효율성이 향상되어 경제적인 설계가 가능한데, 자켓 지지 구조물의 경우 전체 지지 구조물(풍력 발전 타워와 자켓 지지 구조물)의 고유 진동수를 높여주는 효과가 있어 1P 영역에 가깝게 설계가 되는 경향이 있고, 3P 영역으로 조절하기 위해 구조물을 보다 유연하게 만들 필요가 있다. 이에 따라 자켓 구조물의 경사각이 0도에 가깝게 설계가 될 수밖에 없어 구조 효율성이 떨어지고, 그에 따라 경제적으로도 비효율적인 측면이 있다.
둘째로 대한민국 공개특허 10-2013-0048102에서는 풍력발전기의 타워에 국부적으로 중량물을 공급 및 배출하거나 이동시킴으로써 풍력발전기의 고유 진동수를 조절하여 풍력발전기에 공진이 발생하는 것을 방지하는 고유 진동수 조절장치를 개시하고 있다. 그러나 대한민국 공개특허 10-2013-0048102의 경우에는 고유 진동수의 정밀한 변경이 불가하고, 중량체를 설치해야하는 부담이 있었다.
따라서 기존에는, 공진 회피 방법의 위와 같은 문제점 때문에 공진 회피 방법보다 진동 감쇠 방법을 선호하고 있었다.
미국 공개특허 US 2009/0142178 A1 대한민국 공개특허 10-2013-0048102 유럽 등록 특허 EP 1 008 747 B1 대한한국 공개실용신안 10-2012-0003512
그러나 기존의 진동 감쇠 방법은 전체적인 진동 자체를 감쇠해주기는 하지만 공진의 발생을 원천적으로 방지하거나 회피할 수 없는 치명적 문제가 있었다.
구체적으로 미국 공개특허 US 2009/0142178 A1의 경우에는 케이블 정착부에 응력이 집중될 수 있으며 케이블 긴장을 위한 유압장치 및 도르래가 필요하고 요잉(yawing)에 의해 터빈의 방향이 바뀌는 것에 대응하려면 전방향으로 케이블이 설치되어야 하는 문제가 있었다. 유럽 등록 특허 EP 1 008 747 B1의 경우에는 진동의 직접적 원인이 되는 공진을 피할 수 없다는 문제점이 있었다. 대한한국 공개실용신안 10-2012-0003512의 경우에는 발전기 자체의 진동을 저감하므로, 풍력 발전 타워에서 공진이 발생하더라도 이를 개선할 수 없는 문제가 발생된다.
또한, 기존의 공진 회피 방법은 풍력 발전 장치의 고유 진동수가 변화하는 경우 신속하고 능동적인 공진 회피가 불가한 문제가 있었다. 게다가 풍력 발전 타워가 점점 대형화됨에 따라 1P와 3P 사이의 비공진 영역이 점차 좁아지게 되어, 공진 회피를 위한 설계가 어려워지고 있으며, 설치 후에도 구조물 특성의 변화에 따라 쉽게 공진이 발생할 수 있는 문제가 있는 실정이었다.
따라서 본 발명은 상기 제시된 문제점을 개선하기 위하여 창안되었다.
본 발명의 목적은, 중력식 형태, 모노파일 형태, 트라이포드 형태 또는 자켓 형태로 구성되는 풍력 발전 타워에서 MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치 및 이를 이용한 풍력 발전 타워를 제공하여 공진에 의한 진동을 원천적으로 해소하고, 능동적으로 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 조절하여 공진을 회피하는데에 있다.
이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 수단에 대하여 설명한다.
본 발명의 목적은, 자기장의 크기에 따라 강성이 변화하는 MR 유체; 상기 MR 유체의 적어도 일측에 구비되어, 상기 MR 유체에 자기장을 제공하는 자기장 제공부; 및 상기 자기장 제공부와 연결되어, 상기 자기장 제공부에서 발생되는 자기장의 세기를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 MR 유체는 풍력 발전 타워의 적어도 일부에 구성되며, 상기 제어부의 상기 자기장 제공부에서 발생되는 상기 자기장의 세기의 제어를 통해 상기 MR 유체의 강성이 조절되고, 상기 MR 유체의 강성의 조절로 상기 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 조절되며, 상기 고유 진동수의 조절로 상기 풍력 발전 타워의 공진 회피가 수행되는, MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 제공하여 달성될 수 있다.
또한 상기 자기장 제공부는, 상기 MR 유체에 상기 풍력 발전 타워의 종방향 또는 횡방향으로의 자기장을 제공하거나, 상기 풍력 발전 타워의 종방향 또는 횡방향의 반원 형태로 형성되는 자기장을 제공하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 자기장 제공부는, 상기 자기장 제공부에서 발생되는 자기장을 상기 풍력 발전 타워의 높이에 따라 다르게 제공하도록 구성될 수 있고, 상기 제어부는, 상기 자기장 제어부에서 발생되는 자기장의 세기를 상기 풍력 발전 타워의 높이에 따라 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은, 풍력 발전 타워의 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 전극 또는 자극이 되는 제1극; 상기 풍력 발전 타워의 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 상기 제1극과 상호 대응되어 마주보도록 구성되며, 전극 또는 자극이 되는 제2극; 상기 제1극과 상기 제2극 사이에 채워지는 MR 유체; 및 상기 제1극 및 상기 제2극과 연결되어 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나에 전류가 흐르거나 전압이 걸리면 상기 제1극과 상기 제2극은 상호 마주보는 면이 상호 반대되는 극을 갖도록 구성되며, 상기 제어부의 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압의 제어를 통해 상기 MR 유체의 강성이 조절되고, 상기 MR 유체의 강성의 조절로 상기 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 조절되며, 상기 고유 진동수의 조절로 상기 풍력 발전 타워의 공진 회피가 수행되는, MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 제공하여 달성될 수 있다.
또한 로터의 회전수를 측정하여 로터 회전수 정보를 생성하고, 상기 로터 회전수 정보를 상기 제어부로 송신하는 센서부;를 더 포함하고 상기 로터 회전수 정보가 상기 센서부에서 상기 제어부로 송신되면, 상기 제어부가 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압에 대한 제어를 시작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은, 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 전극 또는 자극이 되는 제1극; 상기 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 상기 제1극과 상호 대응되어 마주보도록 구성되며, 전극 또는 자극이 되는 제2극; 상기 제1극과 상기 제2극 사이에 채워지는 MR 유체; 및 상기 제1극 및 상기 제2극과 연결되어 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나에 전류가 흐르거나 전압이 걸리면 상기 제1극과 상기 제2극은 상호 마주보는 면이 상호 반대되는 극을 갖도록 구성되며, 상기 제어부의 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나에 대한 전류 또는 전압의 제어를 통해 상기 MR 유체의 강성이 조절되고, 상기 MR 유체의 강성의 조절로 고유 진동수가 조절되며, 상기 고유 진동수의 조절로 공진 회피가 수행되는, 풍력 발전 타워를 제공하여 달성될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면 이하와 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명의 일실시예에 따르면 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 능동적으로 조절할 수 있게 되는 효과가 발생된다. 이는 MR 유체의 상 변화가 가역적이기 때문이다.
둘째, 본 발명의 일실시예에 따르면 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 신속하게 조절하여 공진을 회피할 수 있게 되는 효과가 발생된다. 예를 들어, 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 1P와 3P 사이에 위치하다가 3P와 겹쳐서 공진이 발생하는 경우 신속하게 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 3P 이상으로 조절하여 공진을 신속하게 회피하는 것이 가능해지는 효과가 발생된다.
셋째, 본 발명의 일실시예에 따르면 풍력 발전에 의해 생성되는 전력으로 공진 회피 장치가 구동될 수 있으므로, 별도의 전원 장치가 요구되지 않는 효과가 발생된다.
넷째, 본 발명의 일실시예에 따르면 자켓 타입의 풍력 발전 타워에서 본 발명의 일실시예에 따른 공진 회피 장치로 진동을 조절할 수 있으므로, 자켓 구조에 대해서는 최대한 구조 효율성만을 따질 수 있게 되는 효과가 발생된다.
다섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면 모노파일 타입의 풍력 발전 타워에서 세굴에 의해 점진적으로 고유 진동수가 상향되는 문제에도 불구하고 능동적으로 공진을 회피할 수 있게 되는 효과가 발생된다.
여섯째, 본 발명의 일실시예에 따르면 MR 유체의 빙햄 유체 거동 활성화 높이나 위치를 조절하여, 보다 자유로운 공진 회피 및 진동 감쇠가 가능해지는 효과가 발생된다.
일곱째, 본 발명의 일실시예에 따르면 해상 풍력 지지 구조 설계 시 구조물의 공진 가능성에 구애받지 않고 설계할 수 있게 되는 효과가 발생된다.
여덟째, 육상 풍력 발전의 경우에도 운영시간이 지남에 따라 부식, 구조물 파괴 등에 따라 구조물의 강성이 변화할 수 있고 변화된 강성에 의해 구조물의 고유 진동수가 변화할 수 있어 1P, 3P 영역 안으로 들어갈 수 있어 공진 영역으로 진입할 가능성이 발생한다. 본 발명의 일실시예에 따르면 육상 풍력 발전의 경우에도 고유 진동수를 공진 회피 영역으로 조절시킬 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 풍력 발전 타워의 진동 요소들의 진동수의 예시를 도시한 그래프,
도 2는 MR 유체의 작동 기작을 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도,
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 A 단면에서 도시한 정단면도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전 타워의 작동 모식도,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 MR 유체의 구동 높이에 따른 풍력 발전 타워의 고유 진동수 변화를 도시한 그래프,
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 모식도,
도 9는 본 발명의 제1변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도,
도 10은 본 발명의 제2변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도,
도 11은 본 발명의 제3변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 투영도,
도 12는 본 발명의 제3변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 B 단면에서 도시한 측단면도,
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 방법을 도시한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
MR 유체
본 발명에서는 MR 유체를 이용하여 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 능동적으로 조절하여 풍력 발전 타워의 공진을 회피하게 된다. 본 발명에서 이용되는 MR 유체 관련하여, 도 2는 MR 유체의 작동 기작을 나타내는 모식도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, MR 유체는 자기장에 의해 상이 순식간에 변경되게 되는 스마트 유체의 일종이다.
보다 구체적으로, MR 유체는 자기장의 강도에 비례하여 그 역학적 특징이 변하는 유체를 통칭하는 것으로, 기본적으로 비전도성 용액(낮은 투자율의 용액)에 전도성의 입자(상자성 입자)를 분산시킨 현탁액이다. MR 유체에 자기장을 제공하면 유체 중에 분산된 입자가 유도 분극을 일으켜 자기장의 방향과 평행한 섬유상 구조의 고리를 형성함으로써 MR 유체는 뉴토니안(Newtonian) 유체와 같은 거동을 보이는 액상에서 항복 응력을 갖는 빙햄(Bingham) 유체의 거동을 보이는 고체로 바뀌며, 이 과정은 가역적으로 매우 빠르게 일어난다.
MR 유체는 자기장에 의하여 항복 응력(yield stress)과 가점성(apparent viscosity)이 변화하며, 유체의 이동이나 외부에서 가해지는 전단력에 대해 저항하게 된다.
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치
[제1실시예]
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치의 제1실시예와 관련하여, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 A 단면에서의 정단면도이다. 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 풍력 발전 타워(10)의 공진 회피 장치(20)는 MR 유체(21), 제1극(22), 제2극(23), 절연체, 제어부(25)를 포함할 수 있고, 타워 강판(11) 내부에 구성될 수 있다. 제1극(22)과 제2극(23)은 MR 유체(21)에 자기장을 제공하기 위한 자기장 제공부이다.
MR 유체(21)는 제1극(22)과 제2극(23)의 사이에 충진되며, 그 성질은 위에서 기술된 바와 같다.
제1극(22)은 제어부(25)와 연결된 전자석으로 구성될 수 있으며, 제1극(22)과 제2극(23) 사이에 충진된 MR 유체(21)에 특정 방향 및 특정 세기의 자기장을 형성하도록 구성될 수 있다.
제2극(23)은 제어부(25)와 연결된 전자석으로 구성될 수 있으며, 제1극(22)과 제2극(23) 사이에 충진된 MR 유체(21)에 특정 방향 및 특정 세기의 자기장을 형성하도록 구성될 수 있다.
절연체는 제1극(22) 및 제2극(23)과 타워 강판(11)의 사이에 구비될 수 있으며, 제1극(22)과 제2극(23)의 전자석에 전기 발생 시, 전자석과 타워 강판(11) 사이의 절연을 위한 절연체이다. 본 발명의 일실시예에 따르면 절연체는 그라우팅 접합 또는 에폭시 수지 접합 방법으로 구성되는 그라우트 또는 에폭시 수지 등의 절연 소재로 구성될 수 있다.
제어부(25)는 제1극(22) 및 제2극(23)과 연결되어 전자석에 흐르는 전류량을 조절함으로써, 제1극(22) 및 제2극(23) 사이에 충진된 MR 유체(21)에 걸리는 자기장을 특정 값으로 조절할 수 있도록 구성될 수 있다.
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치의 제1실시예에서는 위에 기술된 바와 같이 제어부(25)에서 제1극(22) 및 제2극(23) 사이에 충진된 MR 유체(21)에 걸리는 자기장의 세기를 조절하여 MR 유체(21)의 강성을 조절하게 된다. 본 발명의 제1실시예에서는 이를 통해 풍력 발전 타워(10)의 고유 진동수 조절이 자동화될 수 있게 된다. 이는 이하의 수학식 1에 의해 도출될 수 있다.
Figure 112015095697994-pat00001
fn은 고유 진동수, k는 구조 강성, m은 질량이다. 위 수학식 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따르면 풍력 발전 타워(10)의 구조 강성(k)를 변경하여 풍력 발전 타워(10)의 고유 진동수(fn)를 조절하게 되는 것이다.
본 발명의 다른 예에 따라 제1극(22) 및 제2극(23) 사이의 거리가 전자기 유도가 유효한 거리일 경우, 제어부(25)가 제1극(22)만 활성화하더라도 제2극(23)은 전자기 유도에 의해 극을 형성할 수 있으며, 제1극(22)과 제2극(23) 사이에 자기장이 형성될 수 있다.
[제2실시예]
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치의 제2실시예와 관련하여, 도 5은 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치는 MR 유체(21), 제1극(22), 제2극(23), 절연체, 제어부를 포함할 수 있고, 타워 강판(11) 내부에 구성될 수 있다. 특히 본 발명의 제2실시예에서 제1극(22) 및 제2극(23)은 상호 마주보며 대응되도록 구성되는 복수개의 쌍으로 구성될 수 있고, MR 유체(21)에 걸리는 자기장은 주로 풍력 발전 타워의 길이방향이 수직한 방향으로 걸리게 된다. 본 발명의 제2실시예에서 제1극(22) 및 제2극(23)의 각 쌍은 제어부에 의해 각각 연결되어 구동 여부가 각각 제어될 수 있다.
구체적으로, 도 6는 본 발명의 제2실시예에 따른 풍력 발전 타워의 작동 모식도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 풍력 발전 타워 상에서 높이에 따라 전자석의 구동 여부를 제어부에서 제어할 수 있다. 도 6의 예시에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따르면 상부의 제1극(22) 및 제2극(23)은 비구동 상태(off-state)로 제어하고, 하부의 제1극(22) 및 제2극(23)은 구동 상태(on-state)로 제어할 수 있다. 이때 발생되는 자기장의 차이에 의해 상부의 MR 유체(21)는 뉴토니안 유체 상태(210)를 나타내고, 하부의 MR 유체(21)는 빙햄 유체 상태(211)를 나타내게 된다. 이에 따라 본 발명의 제2실시예에서는 풍력 발전 타워의 높이에 따라 MR 유체(21)의 구동 여부를 달리하여 풍력 발전 타워의 고유 진동수를 변화시킬 수 있다.
자기장에 의해 빙햄 유체 거동을 나타내는 MR 유체(21)의 높이와 풍력 발전 타워의 고유 진동수와의 관계와 관련하여, 도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 MR 유체의 구동 높이에 따른 풍력 발전 타워의 고유 진동수 변화를 도시한 그래프이다. 도 7의 그래프는 연강(mild steel)의 물성치를 사용하였으며, 밀도 7,850 kg/m3, 인장 탄성 계수 200 GPa, 전단 탄성 계수 77 GPa, Poisson's ratio는 0.29, 항복 응력은 400 MPa로 설정하고, 높이 18m, 상단부 직경 0.65m, 하단부 직경 0.75m, 두께 15mm인 풍력 발전 타워를 가정하고 강제진동해석을 수행하였다.
도 7에 도시된 바와 같이, 자기장에 의해 빙햄 유체 거동을 나타내는 MR 유체(21)의 높이와 풍력 발전 타워(10)의 고유 진동수는 양의 비례 관계가 있으며, 자기장에 의해 빙햄 유체 거동을 나타내는 MR 유체(21)의 높이가 높을수록 풍력 발전 타워(10)의 고유 진동수는 높아지게 되는 효과가 발생된다.
따라서 본 발명의 제2실시예에 따르면, MR 유체(21)의 빙햄 유체 거동 활성화 높이나 위치를 조절하여, 보다 자유로운 공진 회피 및 진동 감쇠가 가능해지는 효과가 발생된다.
[제3실시예]
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치의 제3실시예와 관련하여, 도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 모식도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 풍력 발전 타워(10)의 공진 회피 장치(20)는 MR 유체(21), 제1극(22), 제2극(23), 절연체, 제어부(25)를 포함할 수 있고, 타워 강판(11) 내부에 구성될 수 있으며, 나아가 센서부(30)를 더 포함할 수 있다.
센서부(30)는 파랑 주기를 감시하는 파랑 주기 센서, 로터의 회전수를 감지하는 로터 회전수 센서, 풍력 발전 타워(10)의 진동수를 측정하는 진동 센서 등을 포함할 수 있다. 센서부(30)에서 추출된 정보는 곧바로 제어부(25)로 전송된다. 제어부(25)에서는 센서부(30)에서 추출되고 전송된 파랑 주기 정보, 로터 회전수 정보, 타워 진동 정보 등을 취합하여 공진 영역과 고유 진동수를 판단하게 되고, 곧바로 제1극(22) 및 제2극(23)의 제어를 통해 풍력 발전 타워(10)의 고유 진동수를 조절하게 된다.
특히 로터 회전수 정보는 공진 회피 장치(20)의 작동 트리거가 될 수 있다. 이는 풍력 발전 타워(10)가 로터에서 전기를 생성할 때만 공진 위험이 있기 때문이다. 결국, 본 발명의 일실시예에서는 공진 회피 필요 시 발전기에서 생성된 전기를 바로 공진 회피 장치(20)에 활용하여 적용하게 됨으로써, 별도의 전원이 요구되지 않는 효과가 있다.
파랑 주기 정보는 제어부(25)에서 공진 영역을 계산하는데에 있어서, 배경 진동(background vibration)으로 연산될 수 있다. 파랑 주기가 연산되지 않으면, 정확한 공진 영역이 계산되지 않을 수 있다.
풍력 발전 타워(10)의 진동수는 풍력 발전 타워(10)의 벽면에 가속센서 등이 장착되는 것으로 측정될 수 있다.
본 발명의 제3실시예는 본 발명의 제1실시예와 제2실시예 각각과 함께 적용될 수 있다.
[변형예]
본 발명의 제1,2,3실시예에 대한 변형과 관련하여, 도 9는 본 발명의 제1변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1변형예에 따르면 제1극(22)과 제2극(23)에 구성된 전자석 각각에서 N극-S극이 반복되도록 구성할 수 있다. 본 발명의 제1변형예에서 MR 유체(21)에 걸리는 자기장의 방향은 주로 반원 형태로 구성될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 측단면도이다. 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2변형예에 따르면 제1극(22)과 제2극(23) 중 하나만으로 MR 유체(21)에 자기장이 걸리게 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 제1극(22) 하나만으로 구성된다면, 제1극(22)에 구성된 전자석 각각에서 N극-S극이 반복되도록 구성할 수 있다. 본 발명의 제2변형예에서 MR 유체(21)에 걸리는 자기장의 방향은 주로 반원 형태로 구성될 수 있다.
도 11는 본 발명의 제3변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 도시한 투영도, 도 12는 본 발명의 제3변형예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 B 단면에서 도시한 측단면도이다. 도 11, 12에 도시된 바와 같이 본 발명의 제3변형예에 따르면 MR 유체(21)를 감싸거나 MR 유체(21)에 의해 둘러싸이도록 솔레노이드(24)가 구성될 수 있다. 본 발명의 제3변형예에서 MR 유체(21)에 걸리는 자기장의 방향은 주로 풍력 발전 타워(10)의 길이방향으로 구성될 수 있다.
MR 유체(21)는 본 발명의 다른 실시예에 따르면 ER 유체가 이용될 수 있으며, ER 유체가 이용되는 경우에는 제1극(22)과 제2극(23)이 전극으로 대체되고, 제어부(25)는 제1극(22)과 제2극(23) 사이의 전기장의 강도를 조절하게 된다.
본 발명의 일실시예가 육상 풍력 발전 타워에 적용될 때 발생될 효과와 관련하여, 육상 풍력 발전의 경우에도 운영시간이 지남에 따라 부식, 구조물 파괴 등에 따라 구조물의 강성이 변화할 수 있고 변화된 강성에 의해 구조물의 고유 진동수가 변화할 수 있어 1P, 3P영역 안으로 들어갈 수 있어 공진 영역으로 진입할 가능성이 발생한다. 이때 본 발명의 일실시예에 따른 MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 이용하여 고유 진동수를 공진 회피 영역으로 조절시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예가 해상 풍력 발전 타워에 적용될 때 발생될 효과와 관련하여, 해상풍력 지지 구조물로 가장 많이 쓰이는 두 가지 지지구조물 형식에 대해 이하에서 효과를 분석하였다.
첫째, 자켓 지지 구조물 경우 경사각(batter angle)을 크게 해 줄수록 구조 효율성이 향상되어 경제적인 설계가 가능하다. 하지만, 자켓 지지 구조물의 경우 전체 지지 구조물(풍력 타워+자켓 지지 구조물)의 고유 진동수를 높여주는 효과가 있어 3P 영역에 가깝게 설계가 되는 경향이 있고, 1P 영역으로 조절하기 위해 자켓 지지 구조물을 보다 유연하게 만들 필요가 있다. 이에 따라 자켓 지지 구조물의 경사각이 0도에 가깝게 설계가 되고 있어 구조 효율성이 떨어지는 문제가 발생된다. 이때 본 발명의 일실시예에 따른 MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 이용하면 자켓 지지 구조물을 보다 효율적인 형태로 설계할 수 있고, 이에 따라 자켓 지지 구조물의 경제적인 제작이 가능하다.
둘째, 모노 파일의 경우, 구조물의 고유 진동수는 수학식 1에 따라 구조물의 강성이 변함에 따라 변할 수 있고, 해상 풍력 발전의 경우 운영시간이 경과함에 따라 구조물의 부식, 해양생물 부착(marine growth), 세굴(scouring) 등의 환경 영향으로 인해 지지구조물의 고유 진동수 변화가 있을 수 있으며, 이 경우 고유 진동수가 1P, 3P 영역으로 진입하여 공진 가능성이 발생된다. 이때 본 발명의 일실시예에 따른 MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 이용하면 구조물을 안전하게 운영할 수 있다.
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 방법
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 방법의 일실시예와 관련하여, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 방법을 도시한 흐름도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 타워의 공진 회피 방법은, 센서부에서 풍력 발전 타워(10)의 진동수 및 로터 회전수를 감지하는 감지 단계(S10), 제어부(25)에서 풍력 발전 타워(10)의 공진 영역을 분석하는 단계(S12), 제어부(25)에서 제1극(22) 및 제2극(23)의 사이에 형성되는 자기장을 제어하여 분석된 공진 영역을 회피하는 공진 회피 단계(S14)를 포함할 수 있다.
MR 유체(21)는 본 발명의 다른 실시예에 따르면 ER 유체가 이용될 수 있으며, ER 유체가 이용되는 경우에는 제1극(22)과 제2극(23)이 전극으로 대체되고, 제어부(25)는 제1극(22)과 제2극(23) 사이의 전기장의 강도를 조절하게 된다.
MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치를 이용한 풍력 발전 타워
본 발명의 일실시예에 따른 풍력 발전 타워는, 이상에서 검토한 본 발명의 일실시예에 따른 MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치가 풍력 발전 타워의 벽면을 구성하는 타워 강판(11)과 접하도록 장착되어 이상에서 검토한 본 발명의 일실시예를 수행할 수 있다.
본 발명의 범위는 해상이나 육상의 풍력 발전 타워에 한정되지 않고, 해상과 육상 모두를 포함하는 범위로 청구될 수 있다. 또한, MR 유체의 조성에 대해서는 출원일 당시에 통상의 기술자들에게 인식되어 있고 본 발명의 일실시예와 동일한 효과를 나타낼 수 있는 모든 조성을 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 풍력 발전 타워
11: 타워 강판
20: 공진 회피 장치
21: MR 유체
22: 제1극
23: 제2극
24: 솔레노이드
25: 제어부
30: 센서부
210: 뉴토니안 상태의 MR 유체
211: 빙햄 유체 거동 상태의 MR 유체

Claims (6)

  1. 풍력 발전 타워의 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 전극 또는 자극이 되는 제1극;
    상기 풍력 발전 타워의 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 상기 제1극과 상호 대응되어 마주보도록 구성되며, 전극 또는 자극이 되는 제2극;
    상기 제1극과 상기 제2극 사이에 채워지는 MR 유체; 및
    상기 제1극 및 상기 제2극과 연결되어 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나에 전류가 흐르거나 전압이 걸리면 상기 제1극과 상기 제2극은 상호 마주보는 면이 상호 반대되는 극을 갖도록 구성되며,
    상기 제어부의 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압의 제어를 통해 상기 MR 유체의 강성이 조절되고, 상기 MR 유체의 강성의 조절로 상기 풍력 발전 타워의 고유 진동수가 조절되며, 상기 고유 진동수의 조절로 상기 풍력 발전 타워의 공진 회피가 수행되는, MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    로터의 회전수를 측정하여 로터 회전수 정보를 생성하고, 상기 로터 회전수 정보를 상기 제어부로 송신하는 센서부;
    를 더 포함하고,
    상기 로터 회전수 정보가 상기 센서부에서 상기 제어부로 송신되면, 상기 제어부가 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압에 대한 제어를 시작하는 것을 특징으로 하는, MR 유체를 이용한 풍력 발전 타워의 공진 회피 장치.
  3. 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 전극 또는 자극이 되는 제1극;
    상기 벽면 중 적어도 일부에 구성되고, 상기 제1극과 상호 대응되어 마주보도록 구성되며, 전극 또는 자극이 되는 제2극;
    상기 제1극과 상기 제2극 사이에 채워지는 MR 유체; 및
    상기 제1극 및 상기 제2극과 연결되어 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나의 전류 또는 전압을 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나에 전류가 흐르거나 전압이 걸리면 상기 제1극과 상기 제2극은 상호 마주보는 면이 상호 반대되는 극을 갖도록 구성되며,
    상기 제어부의 상기 제1극 및 상기 제2극 중 적어도 하나에 대한 전류 또는 전압의 제어를 통해 상기 MR 유체의 강성이 조절되고, 상기 MR 유체의 강성의 조절로 고유 진동수가 조절되며, 상기 고유 진동수의 조절로 공진 회피가 수행되는, 풍력 발전 타워.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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