KR101788423B1 - 풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법 - Google Patents

풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 실질적으로 수평 회전축을 갖는 로터 블레이드(8)를 포함하는 로터(6)를 구비한 풍력 발전 설비(1)를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 풍력 발전 설비(1)는, 풍력 발전 설비(1)의 방위각 위치가 방위각 조정 각도만큼 풍력(16)을 향한 방향 설정으로부터 편향되도록 방향 설정되고, 및/또는 로터 블레이드(8)의 블레이드 각도는 풍력(16)의 고도 프로파일에 의해 기인하는 변동 하중이 감소하도록 회전 주기에 따라 조절된다.

Description

풍력 발전 설비 및 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법{WIND TURBINE AND METHOD FOR OPERATING A WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 실질적으로 수평 회전축을 갖는 로터 블레이드를 포함하는 로터를 구비한 해당 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
풍력 발전 설비들은 일반적으로 공개되어 있으며, 오늘날 가장 흔한 풍력 발전 설비는 소위 수평축 풍력 발전 설비이다. 이 경우 로터 블레이드를 포함하는 로터는 실질적으로 수평 회전축을 중심으로 회전한다. 회전축은 예를 들어 몇 도 정도 약간 기울어질 수 있지만, 해당 분야에서는 예를 들어 소위 다리우스형 로터(Darrieus rotor)와 같은 완전히 다른 설비 유형과 구분하여 수평축이라고 한다.
이러한 수평축 풍력 발전 설비의 로터는 실질적으로 수직의 로터 평면 또는 로터 면을 스쳐 지나간다. 상기 로터 면은 최근의 풍력 발전 설비에서도 수직 방향으로 상당한 규모로 연장된다. 이때 각각의 로터 블레이드의 블레이드 팁은 처음 6시 위치에서 1회전시 상기 로터 면의 최저점에 도달하고, 12시 위치에서 상기 로터 면의 최고점에 도달한다. 상기 최고점은 최저점보다 수 배 높게 위치한다. 예를 들어 E-82모델의 ENERCON-풍력 발전 설비는 82 m의 로터 직경을 갖고, 78 m의 높이에 허브 높이, 즉 축 높이 또는 로터 면의 중심점이 배치되는 변형예가 제공된다. 최저점은 이 경우 37 m의 높이에 위치하고, 상기 최고점은 119 m의 높이에 위치한다. 최고점은 이로써 최저점보다 3배 이상 높다. 허브 높이가 더 큰 경우에도 로터 면의 상기 최저점과 최고점 사이에 상당한 높이차가 생긴다.
실질적인 관점에서, 풍력은 자연적인 고도 프로파일을 갖지만, 그에 따라서 풍력은 - 관련 높이에서 - 지상 고도가 증가할수록 커지고 또는 세지는 것이 고려되어야 한다. 스쳐 지나가는 로터 면의 높이차는 이로써, 상응하게 상이한 강도의 풍력이 나타나게 한다. 따라서 풍력은 최저점에서 가장 약하고, 최고점에서 가장 강하다. 다시 말해서 대기 경계층 내에 다소 차이가 있는 강도로 형성되는 전단 유동이 풍력 발전 설비에 유입된다. 이는 풍력 고도 프로파일이라고도 할 수 있고, 상기 풍력 고도 프로파일은 풍력 발전 설비의 운전시 로터 블레이드 상의 국부적인 받음각의 변동을 야기하므로, 소정의 변동 하중과 비균일 토크 출력이 발생할 수 있다. 로터 블레이드 상에서 유동 분리에 의해 심한 소음 방출이 발생할 수도 있다.
본 발명은 특히 이러한 문제를 풍력 고도 프로파일에 의해 고려하고 이를 참조로 하는 것에 주목해야 한다. 또한 물론 다양한 난류로 인해 다양한 상황의 고찰이 가능할 수 있다는 것에 어려움이 있다. 그러나 이러한 문제들은 여기에서 제외되는데, 그 이유는 그것은 대부분 무시될 수 있고, 또는 무시될 수 없는 경우에는 여기에서 대상으로 하지 않는 특수한 고찰을 필요로 하기 때문이다.
이러한 문제 또는 문제들을 해결하기 위해, US 6,899,523호에 상이한 팁 속도 비(tip speed ratio)를 위해 설계된 다양한 섹션들을 갖는 로터 디자인이 제안되었다. US 2010/0290916호에는 로터 블레이드가 가능한 한 큰 받음각 또는 붙임각에 걸쳐 만족스러운 양항비를 갖도록 로터 블레이드가 설계된 통합형 블레이드 디자인이 공개되어 있다. 따라서 상기 간행물에서 개별적으로 가능한 한 최적의 받음각에 블레이드를 가급적 최적화하는 것이 아니라, 최적의 받음각에 대해 양항비가 더 이상 완전히 최적이 아니더라도 받음각과 관련해서 약간 더 큰 범위를 가능하게 하는 것이 제안된다.
풍력 발전 설비의 크기가 커질수록 풍력 고도 프로파일에 의한 차이 및 그에 따른 문제점도 증가할 수 있다.
본 출원에 대한 우선권 주장 출원 시 독일 특허청에 의해 하기 간행물들이 조사되었다: US 6,899,523 B2, US 2010 / 0 074 748 A1, US 2010 / 0 078 939 A1, US 2010 / 0 092 288 A1, US 2010 / 0 290 916 A1 및 BOSSANYI, E.A.: Individual Blade Pitch Control for Load Reduction(Wind Energy, 제 6집, 2003년, 119-128 페이지 - Online-ISSN:1099-1824).
본 발명의 과제는 상기 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히 풍력 고도 프로파일에 기인하는 하중이 감소하고, 소음 방출이 감소하고 및/또는 수율이 증가하는 해결 방법을 제안하는 것이다. 적어도 대안적인 해결 방법이 제안되어야 한다.
상기 과제는 본 발명에 따라 청구범위 제1항에 따른 방법에 의해 해결된다.
따라서 풍력으로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 실질적으로 수직 회전축을 갖는 로터 블레이드를 포함하는 공기 역학적 로터를 구비한 풍력 발전 설비가 운전된다.
풍력 발전 설비는 이 경우, 방위각 위치가 방위각 조정 각도만큼 정확히 바람을 향한 방향 설정으로부터 편향되도록 방향 설정된다. 또한, 풍력을 최적으로 이용할 수 있도록 하기 위해, 지금까지 풍력 발전 설비들의 방위각 위치는 정확히 바람을 향해 방향 설정되었다. 또한, 풍력 발전 설비의 방위각 위치 또는 방위각 방향 설정을 의도대로 바람에 대한 상기 최적의 방향 설정과 달리, 요컨대 방위각 조정 각도만큼 조절하는 것이 제안된다. 이러한 방위각 조절에 의해 풍력 고도 프로파일에 기인하는 로터 블레이드에 대한 변동 하중이 감소할 수 있는 것이 밝혀졌다. 로터 블레이드는 이러한 경우에 바람에 대해 더 이상 완전히 수직으로 이동하는 것이 아니라, 바람에 대해 약간 기울어져 이동한다. 이러한 방위각 조절의 적절한 실행시 이는, 각각의 로터 블레이드가 바람에 대한 이러한 경사 이동에 의해 로터 면의 상부에서 바람으로부터 약간 멀어지게 이동하고, 하부에서는 바람을 향해 이동하는 것을 의미한다.
실시예에 따라, 풍력 발전 설비는 풍력 발전 설비로부터 바람을 향해 볼 때와 관련해서 바람을 향한 방향 설정으로부터 오른쪽으로 편향되고 또는 상기 풍력 발전 설비를 위에서 볼 때와 관련해서 상기 풍력 발전 설비의 방위각 위치는 바람을 향한 방향 설정에 대해 시계 방향으로 편향되는 것이 제안된다. 즉, 풍력 발전 설비의 방위각 위치는 오른쪽으로 조절된다. 이는 일반적으로 풍력 발전 설비의 관점에서 왼쪽으로 회전하고 또는 정면에서, 즉 적절하게 풍향으로부터 풍력 발전 설비를 볼 때 오른쪽으로 회전하는 로터의 회전 방향과 관련된다. 풍력 발전 설비가 이러한 일반적인 회전 방향과 달리 풍력 발전 설비의 관점에서 오른쪽으로 회전하고 또는 정면에서, 즉 적절하게 풍향으로부터 풍력 발전 설비를 볼 때 왼쪽으로 회전하는 경우에, 제안된 방위각 조절도 상응하게 조정되어야 한다.
0.5˚내지 3.5˚의 방위각 조정 각도는 바람직한 효과, 말하자면 블레이드 하중의 균일화, 즉 변동 하중의 감소를 야기할 수 있다. 바람직하게 상기 범위는 1˚내지 3˚이고, 특히 1.5˚내지 2.5˚의 범위가 제안되고, 상기 범위는 연구에서 매우 긍정적인 효과를 제공하였다. 이와 같은 비교적 작은 값들은 또한, 방위각 각도의 비최적 조절에 의한 수율 손실을 거의 고려하지 않아도 되는 장점을 제공한다. 바람에 대한 방위각 각도의 조절에 대한 수율의 의존성이 코사인 함수에 의해 제1 근사치에서 설명된다. 다시 말해서, 각도 0에 대해, 즉 최적의 방향 설정에 대해 1의 최대값이 주어지고, 상기 최대값은 코사인 함수로부터 공개된 바와 같이 각도 편차가 작을 때 감소해서 0이 되지 않는다.
실시예에 따라, 방위각 조정 각도는 탁월풍 풍속에 의존해서 선택되는 것이 제안된다. 즉, 예를 들어 약풍이 불 때 풍력 발전 설비를 직접 바람을 향한 최적의 방향 설정으로부터 약간만 조절하기 위해 더 작은 방위각 조정 각도가 선택될 수 있는데, 그 이유는 예를 들어 약풍이 불 때 절대 하중은 작아지고, 따라서 변동 하중도 더 적은 영향을 미치기 때문이고, 특히 피로 현상을 거의 야기하지 않기 때문이다. 탁월풍 풍속은 이 경우 예를 들어 풍력 발전 설비에서 풍속계에 의해 또는 다른 방법에 의해 측정될 수 있다.
추가로 또는 대안으로서, 로터 블레이드의 각각의 블레이드 각도는, 풍력의 고도 프로파일에 기인하는 변동 하중이 감소하도록 회전 주기에 따라 조절되는 것이 제안된다. 블레이드 각도는 이 경우 로터 블레이드의 받음각을 의미하고, 상기 각도는 피치각이라고도 한다. 블레이드 각도는 특히, 로터 면의 상부 영역에서 풍력을 약간 벗어나서 조절되고 로터 면의 하부 영역에서 거의 풍력 내로 조절되도록 조절될 수 있다. 이는 특히 회전 주기에 따라 이루어지고, 즉 지속적인 측정에 기초하지 않고 따라서 가능한 한 제어의 형태로 이루어지지 않으며, 각각의 블레이드의 각각의 회전 위치 또는 회전 위치의 범위에 할당된 정해진 값에 의해 이루어진다. 이 경우 이러한 할당은 다른 파라미터, 예를 들어 탁월풍 풍속, 장소 의존성, 풍향, 계절 및 낮시간을 고려할 수 있다. 예를 들어 블레이드 휨 측정에 의한 블레이드 하중의 연속 측정을 생략할 수 있다. 따라서 제어의 이용이 실행 선택적일 수 있지만, 제어에 의해 가능한 안정성 문제도 방지될 수 있다.
블레이드의 블레이드 각도의 회전 주기에 따른 조절에 의한 변동 하중의 감소는 사전에 기록된 측정값들 또는 사전에 계산된 값들 또는 이러한 또는 다른 설비의 경험값들에 기초할 수 있다. 따라서 각각의 로터 블레이드마다 블레이드 각도의 개별 조절이 단독으로 이루어진다. 개별 조절은, 풍력 발전 설비가 예를 들어 3개의 로터 블레이드를 포함하는 경우에, 각각의 블레이드마다 동일한, 즉 하나의 블레이드로부터 다음 블레이드로 120˚ 시프트된 설정 기능이 이용되도록 이루어질 수 있다. 이 경우 중요한 것은, 각각의 로터 블레이드는 고유의 로터 블레이드 조절 메커니즘을 갖는 것이다.
실시예에 따라, 블레이드 각도는 붙임각이 가능한 한 일정하게 유지되도록 회전 주기에 따라 조절되는 것이 제안된다. 이는 각각의 로터 블레이드마다 상응하게 개별적으로 제안된다. 붙임각은 이 경우 로터 블레이드가 블레이드 팁에 겉보기 바람(apparent wind)을 유입시키는 각도이다. 블레이드 팁 대신 또는 이에 추가하여 로터 블레이드의 외부 1/3 영역을 기초로 할 수 있고, 특히 로터축으로부터 측정할 때, 로터 블레이드 길이의 70%, 75%, 80% 또는 70% 내지 80%의 영역을 기초로 할 수 있다. 겉보기 바람은 이 경우 실제 바람과 로터의 회전 및 블레이드 팁의 이동에 의해 제공되는 이동 맞바람의 벡터합이다. 이러한 겉보기 바람은, 전술한 바와 같이 고도에 따라 진폭 및 각도와 관련해서 변한다. 블레이드의 블레이드 팁의 영역에서 겉보기 바람의 방향에 각각 매칭되도록 블레이드를 회전시키는 것이 제안된다. 로터 블레이드는 이로써 12시 위치에서, 즉 로터 블레이드가 위를 향해 수직일 때, 6시 위치에 있을 때보다, 즉 아래를 향할 때보다 풍력으로 더 강하게 회전한다. 따라서 중간값이 주어진다. 이로 인해 겉보기 바람의 방향에 맞게 유체 공학적으로 바람직한 조정 또는 부분 조정만이 이루어지는 것이 아니라, 로터 블레이드가 12시 위치에 있을 때, 풍력으로 더 강한 회전, 즉 일반적으로 상부 영역에서 제한적으로 로터 블레이드의 개선된 하중 지지가 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예는, 각각의 로터 블레이드의 블레이드 각도가 관련 회전 위치에 의존해서 각각 예정된 값만큼 조절되는 것이 제안되고, 이 경우 특히 예정된 값들은 사전에 표에 기록되었고 및/또는 회전 위치에 의존하는 함수에 의해 사전 설정된다. 이로써 개별적으로 상기 로터 블레이드의 각각의 회전 위치에 의존하는 각각의 로터 블레이드의 블레이드 각도의 제어가 제안된다. 로터의 위치 및 적어도 간단한 환산 후에 각각의 로터 블레이드의 위치는 풍력 발전 설비의 운전시 일반적으로 공개되거나 간단하게 검출 가능하다. 이에 기초해서 각각의 로터 블레이드 각도는 예정된 값에 따라 조절되고, 어떠한 측정을 필요로 하지 않는다. 예정된 값들은 사전에 기록되거나 계산된 또는 시뮬레이션에 의해 생성된 표에 저장될 수 있다. 이러한 표는 다른 파라미터, 예컨대 풍속 또는 풍향에 의존하고 현재 위치와 관련된 고도 프로파일을 고려할 수 있다.
다른 또는 보완적인 변형예는, 함수에 기초해서 회전 주기에 따른 블레이드 설정을 미리 정하는 것이다. 예를 들어 3개의 로터 블레이드를 포함하는 풍력 발전 설비의 예에서 로터 블레이드 각도 α1,α2, 및 α3은 하기 함수에 의해 사전 설정될 수 있다.
Figure 112015064969510-pct00001
상기 식에서 αN은 계산된 또는 사전 설정된 블레이드 각도이고, 상기 각도는 선행기술에서처럼 일반적으로 풍력 고도 프로파일을 고려하지 않고 계산된다. 각도 β는 로터 블레이드의 회전 위치이고, 이 경우 β= 0˚은 해당 로터 블레이드의 12시 위치에 상응한다. αA는 블레이드 조정 각도이다.
바람직하게 블레이드 각도는 개별적으로 및 탁월풍 풍속에 의존해서 제어되고, 특히 탁월풍 풍속 및 관련 로터 블레이드의 회전 위치에 의존해서 제어된다. 2개의 영향 변수들의 고려는 예를 들어 이차원표에 의해 실행될 수 있고, 상기 표는 해당하는 블레이드 각도를 포함하고, 상기 각도는 회전 위치 및 탁월풍에 의존해서 기재된다. 다른 방법은, 상기 방정식에 따라 계산이 이루어지는 것이고, 이 경우 조정 각도 αA는 탁월풍 풍속에 의존하고, 상기 풍속에 의존해서, 2개만 예를 들면, 예를 들어 해당하는 함수 또는 사전에 정해진 표의 값들에 의해 설정된다.
바람직하게 이로써 전술한 바와 같이, 운전시 모든 로터 블레이드에 관한 공통의 표준 로터 블레이드 각도가 사전 설정되고, 각각의 개별 로터 블레이드는 특히 사전 설정된 블레이드 각도 간격 내에서 로터 블레이드의 회전 위치에 의존해서 대략 상기 표준 로터 블레이드 각도만큼 변경된다. 이는 상기 방정식을 이용하여 실시할 수 있고, 따라서 로터 블레이드 각도는 조정 각도 ±αA만큼 변한다. 따라서 실시예에서 간격[αN-αA; αN +αA] 내에서 변경이 이루어진다.
다른 실시예에 따라, 풍력 발전 설비는 표준 운전점과 다른 프로파일 운전점에서 작동하는 것이 제안된다. 표준 운전점은 이 경우, 특히 부분 하중 범위에서 풍력 프로파일을 고려하지 않고 탁월풍에 대해 설계된 표준 블레이드 각도를 갖고 또한 풍력 발전 설비가 정확히 풍력으로 회전되는, 방위각 위치의 표준 방향 설정을 갖는 운전점이다. 프로파일 운전점은 방위각 조정 각도만큼 표준 방향 설정으로부터 편향된 프로파일 방위각 위치를 제공한다. 또한, 상기 프로파일 운전점은 블레이드 조정 각도만큼 표준 블레이드 각도로부터 편향된 프로파일 블레이드 각도를 갖는다. 이로써 하중을 감소시키기 위해, 방위각 위치 및 블레이드 각도의 조절을 조합하는 것, 즉 동시에 실행하는 것이 제안된다.
바람직하게 제1 프로파일 운전이 선택되고, 상기 운전시 블레이드 조정 각도는 해당 로터 블레이드의 12시 위치와 관련해서 방위각 조정 각도와 정반대이다. 12시 위치에서 로터 블레이드는 이로 인해 표준 운전과 달리 약간만 조절되는데, 그 이유는 2개의 각도는 여기에서 적어도 부분적으로 상쇄되기 때문이다. 방위각 각도 및 로터 블레이드 각도의 조절이 상이한 효과를 야기할 수 있고, 이로써 부분적인 상쇄에도 불구하고 하중에 긍정적으로 작용하는 시너지가 달성될 수 있는 것이 고려되어야 한다.
다른 실시예에 따라 제2 프로파일 운전이 제안되고, 상기 운전시 블레이드 조정 각도와 방위각 조정 각도는 해당 로터 블레이드의 12시 위치와 관련해서 로터 블레이드를 동일한 방향으로 조절한다. 따라서 이 경우 2개의 각도의 조합은 12시 위치에서 효율적으로 조절된 블레이드 각도를 높인다. 2개의 각도 조절의 이러한 긍정적인 중복도 하중을 감소시키는 시너지를 야기할 수 있다.
바람직하게 방위각 조정 각도와 블레이드 조정 각도 사이에 가중화가 실행되므로, 방위각 조정 각도의 크기는 방위각-가중 팩터만큼 블레이드 조정 각도의 크기보다 크거나, 블레이드 조정 각도의 크기는 블레이드-가중 팩터만큼 방위각 조정 각도의 크기보다 크고, 이 경우 방위각-가중 팩터와 블레이드-가중 팩터는 각각 1.2보다 크고, 바람직하게 1.5보다 크고, 특히 2보다 크다. 따라서 12시 위치와 관련해서 2개의 조절 각도, 즉 방위각 조정 각도와 블레이드 조정 각도는 상이한 값을 갖는 것이 고려된다. 특히, 12시 위치와 관련해서 효율적으로 블레이드 조절이 설정되지 않는 것이 방지된다.
따라서 풍력 발전 설비의 방위각 위치가 조절되고, 추가로 또는 선택적으로 회전 주기에 따라 로터 블레이드의 블레이드 각도가 조절됨으로써 풍력 고도 프로파일에 의한 문제들이 해결되거나 감소하는 방법이 제안된다. 풍력 고도 프로파일은 로터 블레이드의 위치에 의존해서 로터 블레이드에서 붙임각의 변동을 야기할 수 있다. 각도차는 상이한 양력 계수를 야기한다.
실제 풍력 고도 프로파일은 장소-, 방향- 및 계절 의존적일 수 있고, 제안된 조정 조치들은 실제 고도 프로파일에 의존할 수 있다. 바람직하게 방위각 설정 및/또는 블레이드 설정은 상기 고도 프로파일에 의존해서 실행하는 것이 제안된다. 특히 방위각 조정 각도를 고도 프로파일에 의존해서 선택하고, 추가로 또는 대안으로서 블레이드 조정 각도를 고도 프로파일에 의존해서 선택하는 것이 제안된다.
각각의 로터 블레이드의 블레이드 각도의 회전 주기에 따른 변경을 위해 특히, 상기 변경이 연속하는 곡선에 의존해서 이루어지는 것이 제안되고, 이 경우 상기 곡선 또는 특성곡선은 기본적으로 해당 로터 블레이드의 회전의 각각의 위치마다 연속해서 로터 블레이드 각도를 미리 정한다.
표에서 해당 값들의 저장 및/또는 함수 관계의 고려는 바람직하게 장소-, 계절-, 방향- 및 높이에 의존해서 및/또는 우세한 난류의 의존해서 이루어진다.
표든, 함수 관계든 또는 다른 방식으로 사전에 기록된 이러한 값들은 추가로 또는 대안으로서 현장에서 예를 들어 측정 기술적으로 조정될 수 있고, 특히 여기에서 적응적 조정이 제안된다.
하기에서 본 발명은 실시예를 참고로 첨부된 도면과 관련해서 예시적으로 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한 사시도.
도 2는 개략적으로 도시된 풍력 발전 설비와 관련해서 풍력의 예시적인 고도 프로파일을 도시한 도면.
도 3은 로터 블레이드의 보상을 포함해서 회전 각도 의존적 받음각 또는 붙임각을 예시적으로 도시한 다이어그램.
도 4는 다양한 방위각 설정을 위한 회전 각도 의존적인 국부적인 받음각 또는 붙임각을 예시적으로 도시한 다이어그램.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 구비한 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104)에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2 내지 도 4는 간단하게 계산된 또는 시뮬레이션된 값에 기초한다.
도 2는 대략 85 m의 허브 높이를 갖는 예시적인 풍력 발전 설비(1)에 기초한다. 풍력 발전 설비는 로터 블레이드(8)를 가진 로터(6)를 포함하는 나셀(4)을 구비한다. 또한 풍력 발전 설비(1)의 타워(2)는 지면 위에 설치되고, 상기 지면은 0 m로 표시된 높이를 갖고, 따라서 높이에 대한 기준값을 형성한다.
로터 블레이드(8)는 로터 영역을 스쳐 지나가고, 상기 로터 영역은 로터 면에 의해 제한되고 44 m의 최저 높이(12)로부터 약 126 m의 최고 높이(14)에 이른다.
또한, 바람(16)의 고도 프로파일이 제시되고, 상기 프로파일은 높이(z2)에 따른 풍속(V2)을 나타낸다. 또한 풍속(V2)은 [m/s]로 가로좌표에 표시되고, 높이(z2)는 [m] 단위로 세로좌표에 표시된다. 로터 면 내에, 즉 최저 높이(12)와 최고 높이(14) 사이에 배치된 고도 프로파일 부분(18)은 두껍게 도시된다.
따라서, 풍속은 최저 높이(12)로부터 최고 높이(14)에 이르고, 이 경우 풍속은 최저 높이(12)의 고도에서 대략 7 m/s 이상의 값을 갖는다. 최고 높이(14)에서 풍속은 대략 11.6 m/s의 값에 도달한다. 이 경우 대략 1.6의 고도 계수가 주어진다.
도 2의 다이어그램은 a = 0.5의 고도 지수로 풍력의 고도 프로파일을 도시한다.
도 2에 도시된 풍력 고도 프로파일 및 풍력 발전 설비(1)의 예에서 도 3은 해당 로터 블레이드의 회전 각도에 의존해서 국부적인 받음각, 즉 거기에 존재하는 또는 계산에 의해 가정된 겉보기 바람에 대한 실제 받음각을 도시한다. 다이어그램의 가로좌표에 로터 블레이드의 회전 각도가 도(˚)로 제시되고, 이 경우 0˚또는 360˚는 로터 블레이드의 12시 위치에 상응한다. 각각의 존재하는 또는 계산에 의해 가정된 겉보기 바람에 대한 붙임각을 제시하는 국부적인 받음각(20)은 12시 위치에서 9.4˚로부터 180˚의 회전 각도에 해당하는 6시 위치에서 5.7˚까지 변경된다. 국부적인 받음각의 각도는 예를 들어 다이어그램에서 좌측 세로좌표에 표시된다.
로터 블레이드 각도를 로터 블레이드의 회전 각도에 의존해서, 국부적인 받음각이 가능한 한 일정한 값을 갖도록, 즉 가급적 전체 회전 범위에 걸쳐, 즉 로터 블레이드의 회전 각도의 0˚내지 360˚의 전체 범위에 대해 받음각이 일정하도록 조절하는 것이 제안된다. 이를 위해 실시예에 따라, 블레이드 조정 각도라고 할 수도 있는 개별 블레이드 보상 각도(22)를 개입시키는 것이 제안된다. 블레이드 보상 각도(22)는 약 -1.8 내지 + 1.8˚의 로터 블레이드의 회전 각도에 걸쳐 변경되고, 상기 보상 각도의 값은 다이어그램에 도 3의 곡선에 상응하게 우측 세로좌표에 기재된다. 우측 세로좌표에 따른 블레이드 보상 각도의 스케일링은 팩터 2만큼 좌측 세로좌표에 따른 국부적인 받음각의 스케일링과 다르다. 이러한 블레이드 보상 각도(22)의 개입에 의해 국부적인 받음각은 바람직하게, 평균값을 상수값으로서 취할 수 있도록 보상될 수 있고, 이 경우 실제값은 물론 실제 경계 조건, 특히 실제 풍력 발전 설비에 의존한다. 보상된 국부적인 받음각(24)은 상응하게 도 3의 다이어그램에 수평으로 기재된다. 정확한, 일정한, 보상된 국부적인 받음각의 결과는 수학적 방법으로 결정 가능하고, 실제로는 다를 수 있다.
풍력 고도 프로파일로 인한 로터 블레이드 상의 받음각의 변경은 로터 블레이드 상의 국부적인 받음각의 변동이라고도 할 수 있고, 감소하거나 가급적 완전히 저지되어야 한다. 풍력 발전 설비의 로터 허브에 로터 블레이드가 고정된 경우에, 운전시 국부적인 받음각의 변동이 나타나고, 이러한 변동은 국부적인 받음각의 특성곡선(20)에 의해 도시된다. 블레이드 보상 각도 곡선(22)이 설명하는 바와 같이, 일반적으로 피치된다고 하는, 각각의 개별 로터 블레이드의 로터 블레이드 각도가 적절하게 조절되면, 받음각 변동이 보상될 수 있다. 이로써 이러한 로터 반경의 경우에 회전하는 블레이드의 각각의 위치에서 완전히 균일한 바람직한 받음각이 얻어지고, 이는 보상된 받음각을 도시하는 곡선(24)이 나타낸다. 이로 인해 하중 및 소음이 감소할 수 있다. 로터 블레이드의 받음각 및 입사 유동의 이러한 균일화에 의해 블레이드는 풍력으로 더 강하게 회전될 수 있고, 또는 피치될 수 있으므로, 수율이 증가한다.
도 3의 다이어그램은 허브(4)의 높이에서 대략 10 m/s의 평균 풍속과 vTip = 78 m/s의 블레이드 팁 속도일 때 받음각 변동의 보상이 이루어지는 풍력 발전 설비의 예를 도시한다. 국부적인 받음각(20)은 35.5 m의 반경과 관련된다.
도 4는 겉보기 바람의 국부적인 받음각 또는 붙임각의 균일화를 달성하기 위한 선택적인 또는 추가적인 방법을 설명한다. 도 4는 나셀(4;도 2에 따라)이 정확히 풍력을 향해 정렬된 방위각 위치에서 국부적인 받음각(20)을 도시한다. 상기 곡선은 알파벳 a로 표시되고, 도 3의 국부적인 받음각(20)에 해당한다. 이 경우에도 도 3에 따른 풍력 고도 프로파일 및 풍력 발전 설비(1)가 기초가 된다. 도 3에서처럼 이 경우에도 국부적인 받음각(20)은 0 내지 360˚의 값으로 가로좌표에 표시된 로터 블레이드의 회전 각도에 걸쳐 전사된다.
다이어그램 옆 우측에 풍력 발전 설비의, a 부터 i에 이르는 방위각 기록의 범례가 도시되고, 이 경우 a는 정확히 풍력을 향하고 상기 풍력에 대해 0˚만큼 조절된 방위각 위치에 대한 국부적인 받음각(20)을 나타낸다. 방위각 위치의 편향에 대한 국부적인 받음각의 다른 변동은 곡선 b 부터 곡선 i까지 도시된다. 이 경우 곡선 e는, 요컨대 12시 위치에서 거의 10시 위치까지 또는 2시 위치까지 최소 변화 또는 변동을 포함하는 것이 제시된다. 곡선 e는 이 실시예에서 방위각 위치의 조절에 해당한다. 따라서 방위각 각도의 간단한 조절에 의해, 특히 국부적인 받음각의 확실한 균일화 및 로터 블레이드에 대한 하중의 확실한 균일화가 특히 일정하게 달성될 수 있다. 따라서 방위각 위치에 대해 일정한 오프셋 각도, 즉 일정한 보정- 또는 조정 각도를 제공하는 것이 바람직하다.
이로써 풍력 발전 설비의 로터축 및 나셀은 설비를 위에서 볼 때 방위각 각도, 요컨대 특히 방위각 보상 각도만큼 시계방향으로 회전한다. 로터 블레이드 상의 국부적인 받음각의 값은 풍향으로 로터축에 대해 나셀의 방향 설정과 달리 균일해진다. 따라서 국부적인 받음각의 변동은, 로터축과 풍향 사이에서 방위각 각도에 오프셋이 형성될 때 현저히 감소한다.
이러한 조치에 의해 또한 하중과 소음이 감소한다. 이로써 로터 블레이드의 받음각 및 입사 유동이 전술한 바와 같이 균일해지면, 블레이드는 풍력으로 더 강하게 회전될 수 있으므로, 수율이 증가한다.
1 : 풍력 발전 설비
2 : 타워
6 : 로터
8 : 로터 블레이드
12 : 최저 높이
14 : 최고 높이
16 : 바람

Claims (12)

  1. 풍력 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위해 수평 회전축을 갖는 로터 블레이드(8)를 포함하는 로터(6)를 구비한 풍력 발전 설비(1)를 운전하기 위한 방법으로서,
    - 상기 풍력 발전 설비(1)는, 상기 풍력 발전 설비(1)의 방위각 위치가 방위각 조정 각도만큼 바람(16)을 향한 방향 설정으로부터 편향되도록 방향 설정되고,
    - 상기 풍력 발전 설비(1)는 상기 풍력 발전 설비(1)로부터 바람을 향해 볼 때와 관련해서 상기 바람(16)을 향한 방향 설정으로부터 오른쪽으로 편향되고 또는 상기 풍력 발전 설비(1)를 위에서 볼 때와 관련해서 상기 설비의 방위각 위치는 상기 바람(16)을 향한 방향 설정에 대해 시계 방향으로 편향되고, 방위각 조정 각도는 탁월풍 풍속(V2)에 의존해서 선택되고, 상기 풍력 발전 설비(1)는 표준 운전점과 다른 프로파일 운전점에서 작동하고, 이 경우
    - 표준 운전점은, 풍력 프로파일을 고려하지 않고 탁월풍에 대해 설계된 표준 블레이드 각도를 갖고, 상기 바람(16)을 향한 방위각 위치의 표준 방향 설정을 갖고,
    - 프로파일 운전점은 방위각 조정 각도만큼 표준 방향 설정으로부터 편향된 프로파일 방위각 위치를 갖고, 블레이드 조정 각도만큼 표준 블레이드 각도로부터 편향된 프로파일 블레이드 각도를 갖고,
    - 상기 로터 블레이드(8)의 블레이드 각도는, 상기 바람(16)의 고도 프로파일에 기인하는 변동 하중이 감소하도록 회전 주기에 따라 조절되고, 각각의 블레이드 각도는, 블레이드 팁의 영역에서 붙임각이 가능한 한 일정하게 유지되도록 각각 회전 주기에 따라 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 방위각 조정 각도는 0.5 내지 10˚이고, 그리고 방위각 조정 각도는 일정한 오프셋 각도로서 제공되므로, 풍력 발전 설비는 항상 상기 방위각 조정 각도 만큼 상기 바람(16)을 향한 방향 설정과 달리 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 로터 블레이드의 블레이드 각도는 각각의 회전 위치에 의존해서 각각 예정된 값만큼 조절되고, 이 경우 예정된 값들은 사전에 표에 기록되었거나, 또는 회전 위치에 의존하는 함수에 의해 사전 설정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 로터 블레이드의 블레이드 각도는 개별적으로 제어되고, 상기 블레이드 각도는 탁월풍 풍속(V2) 및 각각의 로터 블레이드의 회전 위치에 의존해서 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 운전시 모든 로터 블레이드(8)에 관한 공통의 표준 로터 블레이드 각도가 사전 설정되고, 각각의 개별 로터 블레이드는 회전 위치에 의존해서 상기 표준 로터 블레이드 각도만큼 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    - 블레이드 조정 각도가 해당 로터 블레이드의 12시 위치와 관련해서 방위각 조정 각도와 정반대인 제1 프로파일 운전이 선택되거나,
    - 블레이드 조정 각도와 방위각 조정 각도가 해당 로터 블레이드의 12시 위치와 관련해서 로터 블레이드를 동일한 방향으로 조절하는 제2 프로파일 운전이 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 방위각 조정 각도와 블레이드 조정 각도 사이에 가중화가 실행되므로, 방위각 조정 각도의 크기는 방위각-가중 팩터만큼 블레이드 조정 각도의 크기보다 크거나, 블레이드 조정 각도의 크기는 블레이드-가중 팩터만큼 방위각 조정 각도의 크기보다 크고, 이 경우 방위각-가중 팩터와 블레이드-가중 팩터는 각각 1.2보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 풍력 에너지로부터 전기 에너지를 생성하기 위한, 수평 회전축을 갖는 로터 블레이드(8)를 포함하는 로터(6)를 구비한 풍력 발전 설비(1)로서, 상기 풍력 발전 설비(1)는, 제1항 또는 제2항에 따른 방법에 의해 운전되도록 제공되는 풍력 발전 설비.
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