KR101691270B1 - 풍력 발전소의 회전 날개의 고정을 위한 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전소의 회전 날개를 고정하는 방법 및 조립체에 관한 것이다. 풍력 발전소는 회전 날개, 피치 조절 수단들, 회전 날개 및 브레이크 디스크에 대한 베어링을 포함한다. 전기-기계적 제동은 회전 날개의 피치 각의 기능인 제동 디스크에 제어된 제동력을 적용하도록 구성된다.

Description

풍력 발전소의 회전 날개의 고정을 위한 조립체{Assembly for Fixing a Rotor Blade of a Wind Power Plant}
본 발명은 풍력 발전소의 회전 날개의 고정을 위한 조립체에 관한 것이다.
근래의 풍력 발전소는 회전자(rotor)에 적용되는 공기 역학력의 변화에 의한 회전자 속도 및 힘의 제어를 제공한다. 대체로, 이는 회전 날개들의 피치의 변화에 의해 수행된다. 풍력 발전소 또는 풍력 터빈의 작동은 2개의 체제로 나누어 질 수 있다. 첫번째 체제에 따르면, 낮은 풍속에서, 발전소의 작동 동안에 피치 움직임이 필요치 않다. 상기 회전 날개는 최적의 공기 역학적 위치에서 유지 또는 고정된다. 두번째 체제에 따르면, 전형적으로 12 m/s 이상 또는 난류 상황의 높은 풍속에서, 피치 움직임-예로서 회전 날개들의 피치 각의 빈번한 조절-이 풍력 터빈의 작동 중에 필요하다. 이러한 두가지 체제 사이에서, 예를 들면 바람을 더하기 위해, 전이가 일어난다.
그러나, 주로, 상기 회전 날개는 예로서 낮은 풍속 및 풍력 터빈이 셧 다운될 때의 위치와 관련된, 2개의 고정된 위치 중 하나에 있다. 다음에 상기 회전 날개는 피치 드라이브(pitch drive)의 축에 적용된 제동력에 의한 특정 위치에서 유지된다. 다음에 상기 피치 드라이브는 꺼진다. 여기서 제동은 이중안정 제동(fail-safe brakes)이다. 이는 동력이 그들에 적용될 때 열리고 동력 공급이 단절될 때 닫히는 것을 의미한다. 이러한 종래기술의 장점은 제동이 기어 전달비(gear transmission ratio) 및 기어로 인한 제동 토크 보다 작은 크기일 수 있다.
이러한 해결책의 문제점 가운데 하나는 회전 날개의 기어박스의 드라이브 베벨(drive bevel)과 맞물리는 베어링의 고리 모양의 기어(annular gear)에 의한 행동을 야기하는 것이다.
만일 피치 드라이브 또는 회전 날개의 회전을 위한 다른 구성들이 교체될 때, 앞서 언급한 제동 시스템은 실패하고 서비스 작동이 완성되고나 또는 유지될 때까지 회전 날개가 고정될 수 없다. 또 다른 단점은 제동이 터빈 디자인으로부터의 최대 토크에 따른 크기를 가져야 한다는 것이다. 제동의 명목상의 토크는 피치 드라이브와 함께 달성되는 피크 토크보다 종종 크다. 만일 상기 제동이 실패로 인해 닫히면, 회전 날개는 더 이상 회전할 수 없고 상기 날개는 실패가 발생할 때 가정되는 위치에 놓여진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 상기 피치 드라이브는 제동력을 극복하기 위해 보다 더 큰 토크를 갖도록 구성된다. 이는 피치 드라이브의 비용과 크기를 증가시킨다.
독일 특허 출원 DE 10 2009 008607은 어떠한 임의의 위치에서 회전 날개의 고정을 위한 록킹 메커니즘을 개시한다. 그러나, 회전 날개가 잠기는 이상, 더 이상 움직일 수가 없다.
위와 같은 단점을 극복하기 위한 다른 가능성은, 최대 필요 토크의 절반이 각각 적용되도록 제공되는 2 개의 제동인, 다중 제동 시스템(redundant brake systems)이다. 만일 제동 가운데 하나가 실패하면, 피치 드라이브는 여전히 회전 날개를 돌릴 수 있다. 그러나, 다중 제동 시스템은 더 많은 구성을 필요로 한다.
전술한 단점을 극복할 수 있는 피치 각 조절 수단들을 갖는 풍력 발전소 뿐만 아니라, 방법 및 풍력 발전소의 회전 날개를 고정하는 조립체를 제공하는 것을 본 발명의 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이는 회전 날개 베어링 및 회전 날개 루트 사이에 결합된 제동 디스크 및 회전 날개에 대한 베어링, 피치 조절 수단들, 회전 날개를 포함하는 풍력 발전소의 회전 날개를 고정(특정 피치 각에서 회전 날개를 홀딩)하는 조립체이다. 상기 조립체는 회전 날개의 피치 각의 기능인 상기 제동 디스크에 제어된 제동력(controlled brake force)을 적용하도록 구성되는 전기-기계적 제동을 더 포함한다. 상기 전기-기계적 제동은 상기 회전 날개의 제1위치에서 상기 제동 디스크에 제1 제어된 제동력 및 상기 회전 날개의 제2위치에서 제2 제어된 제동력을 적용하도록 구성된다. 상기 제어된 제동력은 제동 디스크에 적용되고 이로 인해 회전 날개에 적용되는 기계적 제동 토크이다. 이는 회전 날개의 어느 피치 및 어느 때나 최적의 제동력이 적용되는 것을 허용한다.
상기 피치 조절 수단들은 전기적, 기계적 또는 수력 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 피치 조절 수단들은 피치 드라이브 및 피치 드라이브에 대한 기어를 포함할 수 있다. 상기 피치 조절 수단들은 싱글 피치 드라이브 또는 멀티 피치 드라이브들을 포함할 수 있다.
상기 제동 디스크는 회전 날개 베어링 및 회전 날개 루트 사이에 결합될 수 있다.
상기 제동 디스크는 회전 날개의 일체 구성이 될 수 있다. 이는 실질적으로 단순한 구조일 수 있다. 그러나, 회전 날개 루트에 위치한 분리된 제동 디스크는 회전 날개 루트의 안정화에 유용하다.
다른 실시예에 따르면, 제동 디스크 및 전기-기계적 제동은 회전 날개 루트의 외부에 위치할 수 있다.
제동 디스크는 풍력 발전소의 허브에 결합될 수 있다. 상기 전기-기계적 제동은 회전 날개 루트 상에 장착된다. 상기 전기-기계적 제동 및 제동 디스크는 둘 다 풍력 발전소의 허브의 외부에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 조립체는 어느 한 위치에서(하나의 피치 각) 노멀리-오프 제동(normally-off brake, 또한 positive brake라 언급됨)으로서, 및 다른 위치에서는(다른 피치 각) 노멀리-온 제동(normally-on brake, 또한 fails-safe brake 또는 negative brake라 언급됨)으로서 전기-기계적 제동을 제어하도록 구성된다. 2개의 위치 또는 피치 각들은 다시 말해 제1 및 제2 위치 또는 제1 및 제2 피치 각일 수 있다.
제1 위치(피치 각)에서, 상기 제동력은 상기 피치 드라이브에 의해 제공된 토크가 상기 제동력을 극복할 수 있는 것일 수 있다. 다시 말하면, 제1위치에서, 상기 제동력은 바람직하게는 상기에 의해 초래된 토크가 피치 조절 수단들에 의해 제공될 수 있는 최대 토크보다 적은 것으로 구성될 수 있다.
제1 위치는 바람직하게는 노멀 작동 위치 또는 워킹 위치(working position)(예로서, 회전 날개의 피치 각에 따른)일 수 있다. 상기 노멀 작동 위치는 또는 워킹 위치는 바람직하게는 날개(디자인된 날개에 대한)의 최적의 공기역학적 위치(피치 각)일 수 있다.
실시예에서, 상기 제1 위치(피치 각)은 0°-위치일 수 있다. 상기 0°-위치는 노멀 작동 위치일 수 있다.
제2위치에서(피치 각), 상기 제동력은 제동력을 극복할 수 없는 피치 드라이브에 의해 제공된 토크인 것으로 구성될 수 있다.
다시 말하면, 제2 위치에서, 상기 제동력은 바람직하게는 상기에 의해 초래된 토크가 피치 조절 수단들로부터 제공될 수 있는 최대 토크 보다 큰 것으로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 제2 위치(피치 각)은 90°-위치 또는 페더링 위치일 수 있다. 이는 풍력 터빈의 긴급 셧 다운에서 바람직하다. 이러한 경우에, 상기 로터는 가능한 빠르게 멈추고 따라서, 상기 회전 날개들은 페더링 위치 또는 90°의 피치 각으로 이동하여 최대 바람 저항을 생성하고 로터를 늦춘다. 이러한 90° 피치 각은 또는 “페더링 위치” 또는 페더-위치”라고 언급한다. 상기 페더링 위치는 또한 서비스 및 유지에 전담될 수 있다. 이 위치에서 회전 날개는 더 이상 회전할 수 없다.
회전 날개에 직접 결합된 제동 디스크에 제동력 및 제동 토크가 적용되는 연속된 조절 가능 제동력(예로서 조절 가능한 기계적 제동 코트)을 갖는 제동의 사용은 종래 기술의 다양한 단점을 극복할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제동은 전기적 제동 드리이브, 전기적 제동 드라이브를 제동 슈즈의 이동으로 전환하는 트랜스미션을 포함하는 전기기계적 제동이다. 전기-기계적 제동의 사용은 주요 동력 공급이 실패할 경우 긴급 동력 공급에 의해 작동되는 제동을 제공하는 점에서 장점이 있다. 풍력 발전소는 대체로 긴급 동력 공급을 갖춘다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 회전 날개의 미리 결정된 회전 각에 다다를 때 상기 제동력은 최대 제동력을 적용하도록 구성된다. 만일 피치 드라이브에 대한 안전 메커니즘이 실패할 경우, 상기 회전 날개는 제동에 의해 고정될 수 있다.
본 발명은 또한 본 발명의 실시예들에 따른 조립체를 포함하는 풍력 발전소를 제공한다.
본 발명은 본 발명에 다른 조립체를 포함하는 풍력 발전소를 포함하는 풍력발전 단지를 제공한다.
본 발명은 또한 풍력 발전소의 회전 날개를 고정하는 방법을 제공한다. 풍력 발전소는 회전 날개, 피치 조절 수단들, 회전 날개에 대한 베어링 및 제동 디스크를 포함한다. 제어된 제동 시스템은 회전 날개의 피치 각의 기능인 제동 디스크에 적용될 수 있다.
제1 제어된 제동력은 회전 날개의 제1 위치에서 제동 디스크에 적용될 수 있고, 제2 제어된 제동력은 회전 날개의 제2 위치에서 제동 디스크에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 도면을 참조한 본 발명의 실시예의 뒤따르는 설명에 의한다.
도 1은 단순화한 풍력 발전소를 나타낸다.
도 2는 도 1의 풍력 발전소의 단순화한 구체적 모습을 나타낸다.
도 3은 회전 날개 및 회전 날개 루트 및 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전소의 허브의 부분의 단순화한 단면도를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 작동의 단순화한 플로우 차트를 나타낸다.
도 1은 피치 각 αP에 의한 피치 축 PA 주위를 회전하는 회전 날개들(10), 이를 적재한 회전 허브(8)를 갖는 로터를 구비한 제네레이터(6)를 적재한 지지 구조체(4)를 갖는 풍력 발전소의 단순화한 모습이다. 도 2는 풍력 발전소(2)의 작동 동안에, 회전 축 RA 주위를 회전하는 회전 허브(8)의 단순화한 모습을 보다 구체적으로 나타낸 것이다. 상기 회전 허브(8)는 피치 각 αP에 의한 피치 축 PA 주위를 회전하는 회전 날개(10)를 적재한다. 고리 모양의 기어(12)(고리 모양의 베어링을 갖는)는 회전 날개(10)에 고정된다. 피치 드라이브(PD)는 회전 허브(8)에 고정된다. 상기 피치 드라이브(PD)는 유성 기어(epicyclic gear)(14)의 드라이브 축(패스트 축)에 장착된 드리븐 축(driven shaft)을 갖는 전기 모터(13)를 포함한다. 상기 유성 기어(14)의 드리븐 축은 고리 모양의 기어(12)에 연결된 드라이브 베벨(16)에 장착된다. 상기 피치 드라이브(PD)는 각 α에 의한 드라이브 베벨(16)의 회전에 의한 고리 모양의 기어(12)에 토크 M을 적용한다.
단순한 이해를 위해, 본 명세서에서, 토크 M은 상응하는 토크 벡터에 의한 것 대신에 회전 방향에 의한 것을 나타낸다. 이러한 점에서, 상기 회전 방향은 상응하는 토크 M에 따른 피치 드라이브 PD의 자유 동작에 따른다. 상응하는 토크 벡터는 알려진 오른손 법칙에 의해 회전 방향으로부터 유추된다. 따라서, 상기 피치 드라이브(PD)에 의해 적용된 상기 토크는 드라이브 베벨(16)의 회전 α 의 각으로서 동일한 방향에 대한 M에 의해 지칭된다.
다른 실시예에서, 다수의 피치 드라이브들이 사용될 수 있다.
게다가, 본 발명은 또한 수력 또는 기계적 가운데 하나에 따른 피치 조절 수단들이 적용될 수 있다. 상기 날개 토크(회전 MB로 지칭된)는 공기 역학 및 회전 날개 상의 중력에 기인하고 풍력 발전소(2)의 작동 중에 생성된다. 풍력 발전소(2)의 작동 중에 피치 바람 형(wind regime)에서 피치 활동이 필요치 않고, 회전 날개들(10)은 최적의 피치 각으로 세트될 필요가 있다. 이는 전형적으로 αP = 0° 또는 0°-위치로 언급된다. 상기 회전 날개(10)는 이러한 최적의 위치에서 고정 또는 유지되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전 날개는 전기-기계적 제동에 의해 이 위치에서 유지될 수 있다. 전기-기계적 제동에 의해 적용된 상기 토크는 회전 날개의 고정을 위해 충분히 클 수 있고, 다만 너무 크면 안되고, 따라서 피치 드라이브 또는 피치 드라이브들은 제동 토크를 극복할 수 있다.
그러나, 90°-위치에서, 상기 제동 토크는 증가될 수 있어 피치 드라이브가 제동 토크 또는 제동력을 더 이상 극복하지 못할 수 있다. 회전 날개 및 회전 날개 루트 및 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전소의 허브의 부분의 단순화한 단면도를 나타낸다. 피치 드라이브(PD)는 전기 모터(13) 및 상기 기어(14) 뿐만 아니라 각 αP에 의한 축 PA 주위의 회전 날개(10)(부분만 도시함)의 회전에 대한 고리 모양의 기어(12)(또는 베어링)의 내측에 결합된 드라이브 베벨(16)을 포함한다.상기 회전 날개(10)는 제동 디스크가 결합된 회전 날개 루트(20)를 갖는다. 상기 전기-기계적 제동(35)은 기계적 부분(33) 및 전기 모터(32) 뿐만 아니라 상기 기계적 부분(33)과 결합된 제동 슈즈(34)를 포함한다. 제어단 CNTL(풍력 발전소 어디든)로부터의 제동 제어 신호 Bc에 대응하여, 제동 디스크(31)에 제동 슈즈에 의해 적용된 상기 제동력은 조절된다.
제어단은 회전 각 αP 에 대응하여(기능으로서) 요구되는 제동 제어 신호 BC를 생성할 수 있다. 상기 제동력은 0°-위치에서 최대 또는 적어도 적은 값 및 90°-위치에서 최대로 추정하기 위해 증가될 수 있다. 풍력 발전소의 피해를 막기 위해, 제어단 CNTL은 전기-기계적 제동을 제어하여 특정 각 αP에 다다르거나 초과할 경우 최대 제동력을 제공하도록 구성될 수 있다.
제동 디스크(31)는 회전 날개 루트(20)에 결합되는 분리된 구성일 수 있다. 또한 이는 회전 날개의 일체로 된 부분일 수 있다. 제동 디스크(31)는 회전 날개의 가득한 내부 원주 위에서 제공될 수 있다.(예로서 360° 넘어서) 그러나, 상기 제동 디스크는 회전 날개 루트(20)의 내부 원주의 120°로 제한될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제동력은 허브에 장착될 수 있고, 상기 전기-기계적 제동은 회전 날개 루트 상에 장착될 수 있다. 도 4는 본 발명의 작동에 대해 단순화한 플로우 차트이다. 본 발명에 따른 조립체를 포함하는 풍력 발전소의 초기화 이후, 상기 피치 각 αP는 피치 조절 수단(예로서 피치 드라이브)들에 의해 단계 S1에서 조절된다. 피치 각 또는 회전 날개의 회전 각 αP이 변화할 때, 새로운 각이 S2 단계에서 결정된다. 피치 각 αP의 변화에 대응하여, 상기 제동력 또는 전기-기계적 제동의 제동 토크는 조절된다. 이는 위에서 언급한 바와 같이 유리하다. 단계 S2에서 제동력의 조절 이후, 상기 시스템은 조건들, -예로서 풍속 등-의 루프 내로 들어간다. 만일 조건의 변화가 피치 각 αP의 조절이 필요한 경우, 회전 날개는 단계 S1에서 회전하고, 새로운 각 αP가 결정되고 조절이 필요한 경우 제동력이 조절된다. 일반적으로 전기-기계적 제동에서 상기 제동력은 회전 날개의 피치 각의 기능으로서 조절된다.
비록 본 발명은 구체적 실시예로 묘사하였으나, 이러한 실시예들로 한정되는 것은 아니며 청구된 본 발명의 범위 내에서 당업자가 또 다른 대안을 생각해 낼 수 있음은 물론이다.

Claims (9)

  1. 회전 날개(rotor blade), 피치 조절 수단들(pitch adjusting means), 회전 날개에 대한 베어링 및 제동 디스크(brake disk)를 포함하고,
    회전 날개의 피치 각의 기능인, 상기 제동 디스크에 제어된 제동력(controlled brake force)을 적용하도록 구성되는 전기-기계적 제동을 더 포함하고,
    상기 전기-기계적 제동은 상기 회전 날개의 제1위치에서 상기 제동 디스크에 제1 제어된 제동력 및 상기 회전 날개의 제2위치에서 제2 제어된 제동력을 적용하도록 구성되며,
    제1위치에서, 상기 제동력은 상기 피치 조절 수단들에 의해 제공된 토크가 상기 제동력을 극복할 수 있고,
    제2위치에서, 상기 제동력은 상기 피치 조절 수단들에 의해 제공된 토크가 상기 제동력을 극복할 수 없는 것을 특징으로 하는,
    특정한 피치 각에서 회전 날개를 홀딩하는 것에 의해 풍력발전소의 회전 날개(rotor blade)를 고정하는 조립체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1위치는 0°-위치 또는 최적 작동 위치(optimum working position)인 것을 특징으로 하는 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2위치는 90°-위치 또는 페더링 위치(feathering position)인 것을 특징으로 하는 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 회전 날개의 미리 결정된 회전 각에 다다를 때 상기 전기-기계적 제동은 최대 제동력을 적용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조립체.
  8. 제1항의 조립체를 포함하는 풍력발전소.
  9. 피치 각에 의존하는 제동 디스크에 제어된 제동력을 적용하기 위해 전기-기계적 제동을 제어하는 단계를 포함하는,
    회전 날개, 피치 조절 수단들, 회전 날개에 대한 베어링 및 제동 디스크를 포함하는 풍력발전소의 회전 날개를 고정하는 방법에 있어서,
    상기 전기-기계적 제동은 상기 회전 날개의 제1위치에서 상기 제동 디스크에 제1 제어된 제동력 및 상기 회전 날개의 제2위치에서 제2 제어된 제동력을 적용하도록 구성되며,
    제1위치에서, 상기 제동력은 상기 피치 조절 수단들에 의해 제공된 토크가 상기 제동력을 극복할 수 있고,
    제2위치에서, 상기 제동력은 상기 피치 조절 수단들에 의해 제공된 토크가 상기 제동력을 극복할 수 없는 것을 특징으로 하는,
    풍력발전소의 회전 날개를 고정하는 방법.
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