KR101822647B1 - 회전하는 3차원 초음파 풍속계 및 이를 이용한 3차원 풍속 측정 방법 - Google Patents

회전하는 3차원 초음파 풍속계 및 이를 이용한 3차원 풍속 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 3차원 초음파 풍속계, 3차원 풍속 측정 방법, 및 풍력 터빈이 개시된다. 상기 3차원 초음파 풍속계는 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기를 포함하고, 회전축을 중심으로 회전하는 회전체에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 회전체와 함께 회전하는 초음파 센서부, 상기 초음파 센서부가 감지하는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력하는 신호 처리부, 및 상기 회전체의 회전각(φ)을 이용하여 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 좌표 변환부를 포함한다.

Description

회전하는 3차원 초음파 풍속계 및 이를 이용한 3차원 풍속 측정 방법{Rotating 3 dimensional sonic anemometer, and method of measuring 3 dimensional direction and velocity of wind using the same}
본 발명은 회전하는 3차원 초음파 풍속계 및 이를 이용한 3차원 풍속 측정 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 회전체에 장착되어 회전하는 3차원 초음파 풍속계 및 이를 이용하여 3차원 풍속을 측정하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 풍속계는 고정된 상태에서 풍속을 측정하는데 활용되었다. 예를 들면, 회전하는 풍력 터빈으로 불어오는 풍속은 주로 풍력 터빈 후방의 나셀에 설치된 풍속계로 측정하고 있으며, 컵 풍속계(cup anemometer)나 프로펠러 풍속계(propeller anemometer)를 이용하여 풍속을 측정하고, 풍향계(wind vane)을 이용하여 풍향을 측정하였다. 이러한 풍속계와 풍향계를 대신하여 초음파 풍속계가 활용되기도 하지만, 풍력 터빈 후방의 나셀의 커버 상에 설치되기 때문에 풍력 터빈의 회전 블레이드의 회전에 의해 발생하는 후류의 영향을 직접적으로 받게 되어 정밀한 풍속 및 풍향 측정이 어려웠다. 그에 따라, 회전 블레이드의 회전축을 바람의 불어오는 방향에 일치시키는데 한계가 있어, 풍력 터빈의 발전 효율이 떨어지는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 풍력 터빈과 같은 회전체에 장착되어 회전체와 함께 회전하면서도 회전체로 불어오는 바람의 3차원 풍속을 측정할 수 있는 3차원 초음파 풍속계를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 풍력 터빈과 같은 회전체에 장착되어 회전체와 함께 회전하는 3차원 초음파 풍속계를 이용하여 회전체로 불어오는 바람의 3차원 풍속을 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 전방에 설치된 3차원 초음파 풍속계에 의해 측정된 3차원 풍향 풍속을 이용하여 제어되는 풍력 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 3차원 초음파 풍속계는 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기를 포함하고, 회전축을 중심으로 회전하는 회전체에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 회전체와 함께 회전하는 초음파 센서부, 상기 초음파 센서부가 감지하는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력하는 신호 처리부, 및 상기 회전체의 회전각(φ)을 이용하여 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 좌표 변환부를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 3차원 초음파 풍속계는 상기 초음파 센서부에 고정되어 상기 회전체와 함께 회전하는 중력 센서를 포함하고, 상기 중력 센서를 이용하여 상기 회전체의 회전각(φ)을 감지하고 상기 회전각(φ)을 상기 좌표 변환부에 출력하는 회전각 감지부를 더 포함할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 좌표 변환부는 상기 회전체를 포함하는 외부 장치로부터 상기 회전체의 회전각(φ)에 관한 정보를 실시간으로 수신할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)은 상기 초음파 센서부의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상에서 정의될 수 있다. 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 상기 회전축과 동일한 방향이고, 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축 및 Z축은 서로 수직할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축 상에 배치되도록 상기 초음파 센서부가 상기 회전축 상에 정렬된 경우, 상기 좌표 변환부는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 회전각(φ)을 기초로 U = Us, V = Vs cos(φ) - Ws sin(φ), 및 W = Vs sin(φ) + Ws cos(φ)와 같이 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 좌표 변환부는 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 제1 좌표 변환부, 및 상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 제2 좌표 변환부를 포함할 수 있다. 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격하도록 상기 초음파 센서부가 상기 회전체 상에 설치되고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우, 상기 제1 좌표 변환부는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 이격각(δ)을 기초로 U' = Us, V' = Vs - Rω sin(δ), 및 W' = Ws + Rω cos(δ)와 같이 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 산출할 수 있다. 상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제1 좌표 변환부는 상기 회전체의 회전각(φ)을 기초로 상기 각속도(ω)를 산출할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 이격 거리(R)는 무풍 상태에서 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)의 크기를 상기 각속도(ω)로 나눔으로써 산출될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 이격각(δ)은 무풍 상태에서 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 기초로 tan-1(-Vs/Ws)와 같이 산출될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제2 좌표 변환부는 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로 U = U', V = V' cos(φ) - W' sin(φ), 및 W = V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 좌표 변환부는 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')로 변환하는 제1 좌표 변환부, 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 제2 좌표 변환부, 및 상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 제3 좌표 변환부를 포함할 수 있다. 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 X''축은 상기 회전 좌표계(X')의 X'축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격한 축이고, 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 Y''축 및 Z''축은 각각 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축과 평행한 축들일 수 있다. 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 제1 축(X''축)을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계의 제2 축을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계의 제3 축을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계와 동일하도록 상기 초음파 센서부가 상기 회전체 상에 설치되고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우, 상기 제1 좌표 변환부는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 기초로
Figure 112017064580915-pat00001
와 같이 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 산출할 수 있다.
일 예에 따르면, 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)는 무풍 상태에서 측정된 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws), 이격 거리(R), 각속도(ω), 및 이격각(δ)를 기초로
Figure 112017064580915-pat00002
에 따라 산출될 수 있다. 상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제2 좌표 변환부는 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'') 및 상기 이격각(δ)을 기초로 U' = U'', V' = V'' - Rω sin(δ), 및 W' = W'' + Rω cos(δ)와 같이 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 산출할 수 있다. 상기 제3 좌표 변환부는 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로 U = U', V = V' cos(φ) - W' sin(φ), 및 W = V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출할 수 있다. 상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 3차원 풍속 측정 방법은 회전축을 중심으로 회전하는 회전체에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 회전체와 함께 회전하는 3차원 초음파 풍속계가 감지하는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 수신하는 단계, 상기 회전체의 회전각(φ)을 수신하는 단계, 및 상기 회전각(φ)을 이용하여, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함한다.
일 예에 따르면, 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 상기 회전축과 동일한 방향이고, 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축 및 Z축은 서로 수직할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축 상에 위치하는 경우, 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계에서, 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 회전각(φ)을 기초로 U = Us, V = Vs cos(φ) - Ws sin(φ), 및 W = Vs sin(φ) + Ws cos(φ)와 같이 산출될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계는, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 단계, 및 상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격하고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우, 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 이격각(δ)을 기초로 U'=Us, V'=Vs - Rω sin(δ), 및 W'=Ws + Rω cos(δ)와 같이 산출될 수 있다. 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)는 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로 U=U', V=V' cos(φ) - W' sin(φ), 및 W=V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 산출될 수 있다. 상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계는, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')로 변환하는 단계, 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 단계, 및 상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함한다. 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 X''축은 상기 회전 좌표계(X')의 X'축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격한 축이고, 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 Y''축 및 Z''축은 각각 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축과 평행한 축들일 수 있다. 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축을 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전시킨 축들일 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 제1 축(X''축)을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계의 제2 축을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계의 제3 축을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계와 동일하고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우, 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 기초로
Figure 112017064580915-pat00003
와 같이 산출될 수 있다. 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'') 및 상기 이격각(δ)을 기초로 U' = U'', V' = V'' - Rω sin(δ), 및 W' = W'' + Rω cos(δ)와 같이 산출될 수 있다. 3차원 고정 풍속(U, V, W)은 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로 U = U', V = V' cos(φ) - W' sin(φ), 및 W = V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 산출될 수 있다. 상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 터빈은 회전축을 따라 회전하는 허브, 상기 허브에 설치되어 풍력에 의해 상기 허브를 회전시키는 회전 블레이드들, 상기 허브의 회전에 의해 전기를 생성하는 나셀, 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 출력하는 3차원 초음파 풍속계, 및 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 이용하여 상기 회전 블레이드들의 피치각과 상기 회전축의 요각 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함한다. 상기 3차원 초음파 풍속계는, 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기를 포함하고, 상기 회전축을 중심으로 회전하는 상기 허브의 노즈콘에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 허브와 함께 회전하는 초음파 센서부, 상기 초음파 센서부가 감지하는 감지 좌표계(Xs, Vs, Ws) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력하는 신호 처리부, 및 상기 허브의 회전각(φ)을 이용하여 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 좌표 변환부를 포함한다.
본 발명에 따르면 3차원 초음파 풍속계가 풍력 터빈의 허브의 노즈콘에 설치될 수 있으므로 3차원 초음파 풍속계가 회전 블레이드의 회전에 의해 발생되는 후류의 영향을 받지 않아 정밀한 풍속 및 풍향 측정이 가능하다. 그에 따라, 회전 블레이드의 회전 축을 바람이 불어오는 방향에 일치시킬 수 있으므로, 풍력 터빈의 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 풍력 터빈의 일부를 확대한 측면도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 블럭도이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 블럭도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 센서부의 위치에 따른 감지 좌표계와 고정 좌표계 사이의 관계를 도시한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 좌표 변환부의 블럭도이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 초음파 센서부의 위치에 따른 감지 좌표계와 회전 좌표계 사이의 관계를 도시한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 좌표 변환부의 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 초음파 센서부의 위치에 따른 감지 좌표계와 오프셋 좌표계 사이의 관계를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열의 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1의 풍력 터빈의 일부를 확대한 측면도이다.
도 1 및 도 2을 참조하면, 풍력 터빈(200)은 수직축(11), 수직축(11)의 상단부에 배치되는 나셀(nacelle)(12), 나셀(12)의 전방에 배치되어 회전축(As)을 따라 회전하는 허브(14), 및 허브(14)에 설치되어 풍력에 의해 허브(14)를 회전시키는 회전 블레이드들(13)을 포함한다. 나셀(12)은 허브(14)의 회전에 의해 전기를 생성한다. 바람에 의해 회전 블레이드(13)가 회전하면서 허브(14)가 회전축(As)을 따라 회전하고, 나셀(12)에서는 회브(14)의 회전에 의해 전기가 생성된다.
풍력 터빈(200)은 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 출력하는 3차원 초음파 풍속계(100), 및 3차원 초음파 풍속계(100)에서 출력하는 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 이용하여 회전 블레이드들(13)의 피치각과 회전축(As)의 요각 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함한다. 상기 제어부는 도 1에 도시되지 않았지만, 상기 제어부는 나셀(12) 내에 설치되거나, 외부 장치로서 풍력 터빈(200)을 제어할 수 있다. 고정 좌표계(X, Y, Z)는 회전축(As)에 종속적으로 정의될 수 있다. 즉, 회전축(As)의 요각이 변하면, 고정 좌표계(X, Y, Z)도 함께 변할 수 있다. 예를 들면, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 회전축(As)과 동일한 방향이고, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축은 회전축(As)과 수직축(11)에 수직한 방향이고, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Z축은 X축과 Y축에 수직한 방향일 수 있다. 회전축(As)은 수직축(11)에 수직할 수 있으며, 수직축(11)은 중력 방향으로 연장될 수 있다. 다른 예에 따르면, 회전축(As)은 수평 방향, 즉, 중력 방향에 수직한 방향으로 연장되거나, 수평 방향보다 높게, 예컨대, 5도 이내로 연장될 수도 있다.
풍력 터빈(200)은 풍력을 이용하여 전기를 생성하는 장치이다. 바람이 불어오는 방향으로 회전 블레이드들(13)을 대향시킬 경우, 발전의 효율이 높아진다. 나셀(12)은 수직축(11) 상에서 수평 방향으로 회전할 수 있으며, 이를 위해 나셀(12) 또는 수직축(11)에는 제1 회전 구동 장치가 설치될 수 있다. 상기 제어부는 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 이용하여 바람이 불어오는 방향으로 회전 블레이드들(13)이 대향하도록, 즉, 3차원 고정 풍속(U, V, W) 중 풍속(V)가 최소가 되도록, 제1 회전 구동 장치를 제어할 수 있으며, 회전축(As)의 요각이 조절될 수 있다.
허브(14)에 설치된 회전 블레이드들(13)의 각도, 예컨대, 피치각은 조절될 수 있다. 회전 블레이드들(13)에 불어오는 바람의 풍속에 따라 회전 블레이드들(13)의 피치각이 조절됨으로써 발전 효율이 향상될 수 있다. 회전 블레이드들(13)의 피치각을 조절하기 위한 제2 회전 구동 장치가 허브(14) 또는 회전 블레이드들(13)에 설치될 수 있다. 상기 제어부는 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 이용하여 불어오는 바람의 풍속에 따라 회전 블레이드들(13)의 피치각을 조절하도록 제2 회전 구동 장치를 제어할 수 있다.
3차원 초음파 풍속계(100)는 초음파 센서부(110)를 포함한다. 초음파 센서부(110)는 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기(111a와 111b, 112a와 112b, 113a와 113b)를 포함하고, 회전축(As)을 중심으로 회전하는 허브(14)의 노즈콘에 설치되어 회전축(As)을 중심으로 허브(14)와 함께 회전한다.
초음파 센서부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 허브(14)의 노즈콘 상에 배치된다. 초음파 센서부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 회전축(As)에 정렬될 수 있다. 그러나, 초음파 센서부(110)는 제조 공정 상의 이유로 회전축(As)으로부터 이격하여 배치될 수도 있다. 초음파 센서부(110)가 허브(14)의 노즈콘 상에 배치됨으로써 회전 블레이드들(13)의 회전에 의해 발생하는 후류의 영향을 받지 않게 되며, 정밀한 3차원 풍속의 측정을 가능하게 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 센서부(110)는 3쌍의 초음파 송수신기(111a와 111b, 112a와 112b, 113a와 113b)를 포함하며, 각 쌍의 초음파 송수신기(111a와 111b, 112a와 112b, 113a와 113b)는 서로 다른 방향으로 대향하도록 배치된다. 3쌍의 초음파 송수신기(111a와 111b, 112a와 112b, 113a와 113b)는 제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b), 제2 쌍의 초음파 송수신기(112a, 112b), 및 제3 쌍의 초음파 송수신기(113a, 113b)를 포함할 수 있다.
제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b)는 서로 제1 초음파를 제1 방향으로 송신 및 수신하고, 제2 쌍의 초음파 송수신기(112a, 112b)는 서로 제2 초음파를 제2 방향으로 송신 및 수신하고, 제3 쌍의 초음파 송수신기(113a, 113b)는 서로 제3 초음파를 제3 방향으로 송신 및 수신할 수 있다. 예컨데, 제1 초음파 송수신기(111a)에서 발진된 제1 초음파는 제2 초음파 송수신기(111b)에서 수신되고, 제2 초음파 송수신기(111b)에서 발진된 제1 초음파는 제1 초음파 송수신기(111a)에서 수신된다. 제1 내지 제3 방향들은 서로 다른 방향일 수 있다. 제1 내지 제3 방향들은 서로 수직할 수 있다.
초음파의 속도는 풍속에 좌우된다. 따라서, 제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b)를 이용하여 측정된 제1 초음파의 속도를 기초로 제1 방향의 풍속이 측정될 수 있다. 제2 쌍의 초음파 송수신기(112a, 112b)를 이용하여 측정된 제2 초음파의 속도를 기초로 제2 방향의 풍속이 측정될 수 있다. 제3 쌍의 초음파 송수신기(113a, 113b)를 이용하여 측정된 제3 초음파의 속도를 기초로 제3 방향의 풍속이 측정될 수 있다. 예컨대, 제1 초음파의 속도는 제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b) 사이의 거리와 제1 초음파가 제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b) 사이에 이동한 시간을 기초로 산출될 수 있다.
제1 방향의 풍속, 제2 방향의 풍속, 및 제3 방향의 풍속은 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)으로 변환될 수 있다. 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)는 초음파 센서부(110)의 배치에 의해 미리 결정되며, Xs축은 3쌍의 초음파 송수신기(111a와 111b, 112a와 112b, 113a와 113b)을 지지하는 지지대가 연장하는 방향으로 미리 설정될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축은 회전축(As) 상에 위치할 수 있다.
3차원 초음파 풍속계(100)에 대해서는 아래에서 더욱 자세히 설명한다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 블럭도이다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 초음파 센서부의 위치에 따른 감지 좌표계와 고정 좌표계 사이의 관계를 도시한다.
도 4a 및 도 4b와 함께 도 3a을 참조하면, 3차원 초음파 풍력계(100)는 초음파 센서부(110), 신호 처리부(120) 및 좌표 변환부(130)를 포함한다.
초음파 센서부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기(111a와 111b, 112a와 112b, 113a와 113b)를 포함하고, 회전축(도 2의 As)을 중심으로 회전하는, 예컨대, 도 2의 허브(14)와 같은 회전체(101)에 설치되어 회전축(As)을 중심으로 회전체(101)와 함께 회전한다. 초음파 센서부(110)는 제1 초음파가 제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b) 사이에서 제1 방향으로 이동하는 시간에 대응하는 제1 신호(S1), 제2 초음파가 제2 쌍의 초음파 송수신기(112a, 112b) 사이에서 제2 방향으로 이동하는 시간에 대응하는 제2 신호(S2), 및 제3 초음파가 제3 쌍의 초음파 송수신기(113a, 113b) 사이에서 제3 방향으로 이동하는 시간에 대응하는 제3 신호(S3)를 출력할 수 있다.
신호 처리부(120)는 초음파 센서부(110)가 감지하는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력한다. 신호 처리부(120)는 초음파 센서부(110)로부터 제1 내지 제3 신호(S1, S2, S3)를 수신할 수 있다. 신호 처리부(120)는 제1 쌍의 초음파 송수신기(111a, 111b) 사이의 제1 거리, 제2 쌍의 초음파 송수신기(112a, 112b) 사이의 제2 거리, 및 제3 쌍의 초음파 송수신기(113a, 113b) 사이의 제3 거리에 관한 정보를 가질 수 있다. 신호 처리부(120)는 제1 내지 제3 신호(S1, S2, S3) 및 제1 내지 제3 거리에 관한 정보를 기초로 제1 내지 제3 방향으로 각각 이동하는 제1 내지 제3 초음파의 속도를 산출할 수 있다.
초음파의 속도는 풍속에 좌우된다. 신호 처리부(120)는 제1 방향으로 이동하는 제1 초음파의 속도에 기초하여 제1 방향의 풍속을 산출할 수 있다. 신호 처리부(120)는 제2 방향으로 이동하는 제2 초음파의 속도에 기초하여 제2 방향의 풍속을 산출할 수 있다. 신호 처리부(120)는 제3 방향으로 이동하는 제3 초음파의 속도에 기초하여 제3 방향의 풍속을 산출할 수 있다. 신호 처리부(120)는 제1 내지 제3 방향의 풍속들을 벡터 변환하여 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 생성할 수 있다. 제1 감지 풍속(Us)은 Xs축 방향의 풍속이고, 제2 감지 풍속(Vs)은 Ys축 방향의 풍속이고, 제3 감지 풍속(Ws)은 Zs축 방향의 풍속이다. 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)는 초음파 센서부(110)의 배치에 의해 미리 결정될 수 있다.
좌표 변환부(130)는 회전체(101)의 회전각(φ)을 이용하여 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력한다. 회전체(101)의 회전각(φ)은 회전체(101)가 회전한 각도를 의미하며, 초음파 센서부(110)가 회전체(101)와 함께 회전하므로 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 고정 좌표계(X, Y, Z)로부터 회전한 각도에 대응할 수 있다.
회전체(101)는 각속도(ω)로 회전할 수 있다. 좌표 변환부(130)는 회전각(φ)을 기초로 각속도(ω)를 산출할 수 있다. 예컨대, 좌표 변환부(130)는 회전각(φ)의 변화량을 기초로 각속도(ω)를 결정할 수 있다.
좌표 변환부(130)는 회전체(101)를 포함하는 외부 장치, 예컨대, 허브(14)를 포함하는 풍력 터빈(200)로부터 회전체(101)의 회전각(φ)에 관한 정보를 실시간으로 수신할 수 있다. 예컨대, 허브(14) 또는 나셀(12)에는 회전각(φ)을 감지할 수 있는 회전각 감지 센서를 포함할 수 있으며, 좌표 변환부(130)는 회전각 감지 센서로부터 회전각(φ)에 관한 정보를 수신할 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 초음파 센서부(110)가 풍력 터빈(200)의 허브(14)에 배치되는 경우, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 회전축(As)과 동일한 방향이고, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축, Z축은 서로 수직하도록 정의될 수 있다. 이때, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축은 회전축(As)과 수직축(11)에 수직한 방향일 수 있다. 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Z축은 대략적으로 중력 방향의 반대 방향으로 연장될 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 초음파 센서부(110)가 회전체(101)의 회전축(As)와 정렬하여 배치되는 경우, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 회전축(As) 상에 배치되도록 초음파 센서부(110)가 회전축(As) 상에 정렬된다. 이 경우, 도 4b에 도시된 바와 같이, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)은 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)와 동일하다. 따라서, 좌표 변환부(130)는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 회전각(φ)을 기초로 아래의 [수학식 1]에 따라 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출할 수 있다.
[수학식 1]
U = Us
V = Vs cos(φ) - Ws sin(φ)
W = Vs sin(φ) + Ws cos(φ)
초음파 센서부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이 풍력 터빈(200)의 전방에 위치하는 허브(14)에 설치될 수 있기 때문에, 회전 블레이드들(13)의 회전으로 인한 후류의 영향을 받지 않아 정밀한 풍속 및 풍향 측정이 가능하다. 그에 따라, 허브(14)의 회전축(As)을 바람이 불어오는 방향에 정확히 일치시킬 수 있으며, 풍력 터빈(200)의 발전 효율이 향상될 수 있다.
신호 처리부(120)와 좌표 변환부(130)는 예컨대 도 2의 허브(14), 또는 나셀(12) 내에 위치할 수 있는 마이크로 컨트롤러에 의해 구현될 수 있다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 블럭도이다.
도 3b을 참조하면, 3차원 초음파 풍력계(100a)는 초음파 센서부(110), 신호 처리부(120), 좌표 변환부(130) 및 회전각 감지부(115)를 포함한다. 초음파 센서부(110), 신호 처리부(120), 및 좌표 변환부(130)는 3차원 초음파 풍력계(100)의 초음파 센서부(110), 신호 처리부(120), 및 좌표 변환부(130)에 각각 대응하며, 도 3a를 참조하여 앞에서 설명하였으므로 이들에 대하여 반복하여 설명하지 않는다.
회전각 감지부(115)는 초음파 센서부(110)에 고정되어 회전체(101)와 함께 회전하는 중력 센서를 포함한다. 회전각 감지부(115)는 중력 센서를 이용하여 중력 방향을 감지하고 미리 설정한 방향과 중력 방향의 차이를 기초로 회전체(101)의 회전각(φ)을 감지할 수 있다. 회전각 감지부(115)가 감지된 회전각(φ)을 좌표 변환부(130)에 출력함으로써, 좌표 변환부(130)는 실시간으로 회전각(φ)을 수신할 수 있다. 회전축(As)이 중력 방향의 수직 방향으로 연장되지 않은 경우, 회전각 감지부(115)는 회전축(As)의 연장 방향과 중력 방향의 수직 방향의 차이에 관한 오프셋 각도 정보를 가질 수 있으며, 오프셋 각도 정보를 이용하여 회전체(101)의 회전각(φ)을 감지할 수 있다.
3차원 초음파 풍력계(100a)는 외부로부터 회전각(φ)에 관한 정보를 수신하지 않고, 스스로 회전각(φ)을 감지할 수 있기 때문에 기설치된 풍력 터빈과 같은 장치에 부착되기 용이하다는 장점을 갖는다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 좌표 변환부의 블럭도이다. 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따라 초음파 센서부의 위치에 따른 감지 좌표계와 회전 좌표계 사이의 관계를 도시한다.
도 6a 및 도 6b와 함께 도 5을 참조하면, 좌표 변환부(130a)는 제1 좌표 변환부(132a)와 제2 좌표 변환부(134a)를 포함한다. 좌표 변환부(130a)는 도 3a과 도 3b에 도시되는 좌표 변환부(130)를 대체할 수 있다.
제1 좌표 변환부(132a)는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환할 수 있다. 제2 좌표 변환부(134a)는 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력할 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 회전각(φ)만큼 회전된 축들일 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 설치 오차로 인하여, 초음파 센서부(110)는 회전체(101a)의 회전축(As)과 정렬되지 못할 수 있다. 즉, 초음파 센서부(110)는 회전축(As)으로부터 이격 거리(R)만큼 이격하여 회전체(101a) 상에 설치될 수 있다. 이 경우, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축은 회전축(As)으로부터 이격 거리(R)만큼 이격된다. 이때, 회전체(101a)의 전면은 평탄할 수 있다. 따라서, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축은 회전축(As)과 평행할 수 있다. 회전체는 회전축(As)을 중심으로 각속도(ω)로 회전할 수 있다.
초음파 센서부(110)가 회전축(As)으로부터 이격 거리(R)만큼 이격되어 있고 회전체(101a)가 각속도(ω)로 회전하고 있으므로, 초음파 센서부(110)는 이격 거리(R)와 각속도(ω)의 곱에 해당하는 속도로 회전축(As)을 중심으로 원주 방향으로 회전하게 된다. 따라서, 무풍 상태에서도 초음파 센서부(110)는 이격 거리(R)와 각속도(ω)의 곱에 해당하는 상대 풍속(Rω)을 감지하게 된다. 이러한 상대 풍속(Rω)은 회전체(101a)의 회전에 의한 것이므로, 바람이 존재하는 상태에서 감지한 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)에서 상대 풍속(Rω)을 감산해 주어야 한다.
무풍 상태에서는 감지되는 풍속이 없어야 하므로, 감지되는 풍속은 모두 회전에 의한 상대 풍속(Rω)에 대응된다. 따라서, 무풍 상태에서 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)의 크기, 즉, (Us2+ Vs2+ Ws2)1/2는 상대 풍속(Rω)과 동일하여야 한다. 따라서, 무풍 상태에서 회전체(101)를 각속도(ω)로 회전시킬 경우, 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)의 크기를 각속도(ω)로 나눔으로써 이격 거리(R)가 산출될 수 있다.
무풍 상태에서, 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)에서 Xs축 방향의 제1 감지 풍속(Us)은 원주 방향에 수직하므로 회전체(101a)의 회전의 영향을 받지 않는다. 따라서, 제1 감지 풍속(Us)은 0일 것이다. Ys축 방향의 제2 감지 풍속(Vs)와 Zs축 방향의 제3 감지 풍속(Ws)은 회전체(101)의 회전에 의한 상대 풍속(Rω)을 나타낸다.
초음파 센서부(110)가 회전축(As)과 정렬하지 못한 이유는 설치 시의 오차 때문이므로, 초음파 센서부(110)의 이격 거리(R)의 방향은 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축과 Zs축 사이의 특정 각도일 수 있다. 이러한 특정 각도는 이격각(δ)으로 표현될 수 있다. 이격각(δ)은 도 6b에 도시된 바와 같이 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
이 경우, 도 6b에 도시된 바와 같이, 무풍 상태에서 회전체(101)가 각속도(ω)로 회전하는 경우, 제1 감지 풍속(Us)은 0이고, 제2 감지 풍속(Vs)은 Rω sin(δ)에 해당하고, 제3 감지 풍속(Ws)는 -Rω cos(δ)에 해당한다. 회전체(101)가 각속도(ω)로 회전하더라도, 이격각(δ)은 회전체(101)와 함께 회전하는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)를 기준으로 정의되므로, 이격각(δ)은 변하지 않으며, 무풍 상태인 경우, 제2 감지 풍속(Vs)와 제3 감지 풍속(Ws)는 일정한 값을 갖게 된다. 이러한 점을 이용하여 무풍 상태에서 감지된 제2 감지 풍속(Vs)와 제3 감지 풍속(Ws)을 기초로 이격각(δ)이 산출될 수 있다. 예컨대, 이격각(δ)은 tan- 1(-Vs/Ws)와 같이 산출될 수 있다.
전술한 바와 같이, 초음파 센서부(110)가 회전축(As)로부터 이격 거리(R)만큼 이격하여 설치되는 경우, 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)에서 이격 거리(R)에 의한 상대 풍속(Rω)을 감산함으로써 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')으로 표현할 수 있다.
따라서, 제1 좌표 변환부(132a)는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws), 이격 거리(R), 각속도(ω) 및 이격각(δ)을 기초로 아래의 [수학식 2]에 따라 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 산출할 수 있다.
[수학식 2]
U' = Us
V' = Vs - Rω sin(δ)
W' = Ws + Rω cos(δ)
회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 회전각(φ)만큼 회전된 축들이다.
회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 도 3a, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 회전축(As)과 정렬하여 설치되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)과 동일하다. 제2 좌표 변환부(134a)는 도 3a의 좌표 변환부(130)에서 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 대신에 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 입력받는다는 점을 제외하고는 도 3a의 좌표 변환부(130)와 동일하다.
따라서, 제2 좌표 변환부(134a)는 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로 아래의 [수학식 3]에 따라 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출할 수 있다.
[수학식 3]
U = U'
V = V' cos(φ) - W' sin(φ)
W = V' sin(φ) + W' cos(φ)
좌표 변환부(130a)를 포함하는 3차원 초음파 풍속계(100)는 초음파 센서부(110)의 설치 오차를 보정할 수 있기 때문에 더욱 정밀한 풍속 및 풍향 측정이 가능하다. 그에 따라, 허브(14)의 회전축(As)을 바람이 불어오는 방향에 정확히 일치시킬 수 있으며, 풍력 터빈(200)의 발전 효율이 향상될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 초음파 풍력계의 좌표 변환부의 블럭도이다. 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 초음파 센서부의 위치에 따른 감지 좌표계와 오프셋 좌표계 사이의 관계를 도시한다.
도 8과 함께 도 7을 참조하면, 좌표 변환부(130b)는 제1 좌표 변환부(132b), 제2 좌표 변환부(134b) 및 제3 좌표 변환부(136b)를 포함한다. 좌표 변환부(130b)는 도 3a과 도 3b에 도시되는 좌표 변환부(130)를 대체할 수 있다.
제1 좌표 변환부(132b)는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')로 변환한다. 제2 좌표 변환부(134b)는 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환한다. 제3 좌표 변환부(136b)는 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력한다.
회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들로 정의될 수 있다. 회전 좌표계(X', Y', Z')는 도 3a, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 회전축(As)과 정렬하여 설치되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 도 3a, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 회전축(As)과 정렬하여 설치되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)과 동일하다. 제2 좌표 변환부(136b)는 도 3a의 좌표 변환부(130)에서 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 대신에 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 입력받는다는 점을 제외하고는 도 3a의 좌표 변환부(130)와 동일하고, 도 5의 제2 좌표 변환부(134a)와 동일하다.
오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 X''축은 회전 좌표계(X')의 X'축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격한 축이고, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 Y''축 및 Z''축은 각각 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축과 평행한 축들로 정의될 수 있다. 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')는 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')은 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)과 동일하다.
도 8에 도시된 바와 같이, 초음파 센서부(110)는 회전체(101)의 회전축(As)으로부터 이격 거리(R)만큼 이격되고, 회전체(101)의 전면의 굴곡에 따라 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)는 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')가 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)만큼 회전한 좌표계일 수 있다.
제1 회전 오프셋 좌표계(X''x, Y''x, Z''x)는 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')가 X''축을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계로 정의될 수 있다. 제2 회전 오프셋 좌표계(X''y, Y''y, Z''y)는 제1 회전 오프셋 좌표계(X''x, Y''x, Z''x)가 Y''x축을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계로 정의될 수 있다. 제3 회전 오프셋 좌표계(X''z, Y''z, Z''z)는 제2 회전 오프셋 좌표계(X''y, Y''y, Z''y)가 Z''y축을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계로 정의될 수 있으며, 이는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)와 동일할 수 있다. 예를 들면, 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 제1 축(X''축)을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계(예컨대, 제1 회전 오프셋 좌표계(X''x, Y''x, Z''x))의 제2 축(예컨대, Y''x축)을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계(예컨대, 제2 회전 오프셋 좌표계(X''y, Y''y, Z''y))의 제3 축(예컨대, Z''y축)을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계와 동일하도록, 초음파 센서부(110)가 회전체(101) 상에 설치될 수 있다.
따라서, 좌표계 회전 변환에 의하여 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')과 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)은 수학식 4와 같은 관계를 갖는다.
[수학식 4]
Figure 112017064580915-pat00004
수학식 4에서 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)와 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')의 위치를 바꾸면 수학식 5와 같은 관계를 갖는다.
[수학식 5]
Figure 112017064580915-pat00005
무풍 상태에서 회전체(101)가 각속도(ω)로 회전하는 경우, 전술한 바와 같이 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')은 (0, Rω sin(δ), -Rω cos(δ))이어야 한다. 이 때, 신호 처리부(120)가 출력하는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 수신하면, 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')와 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 모두 알고 있으므로, [수학식 5]에서 3개의 미지수인 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 계산할 수 있다.
예를 들면, 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)는 무풍 상태에서 측정된 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws), 이격 거리(R), 각속도(ω), 및 이격각(δ)를 기초로 [수학식 6]에 따라 산출될 수 있다. 여기서, 이격각(δ)은 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112017064580915-pat00006
따라서, 제1 좌표 변환부(132b)는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 기초로 [수학식 5]에 따라 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 산출할 수 있다.
전술한 바와 같이, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')는 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)와 실질적으로 동일하다. 따라서, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')은 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되는 초음파 센서부(110)의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)과 동일하다. 제2 좌표 변환부(134b)는 도 5의 제1 좌표 변환부(132a)에서 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 대신에 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 입력받는다는 점을 제외하고는 도 5의 제1 좌표 변환부(132a)와 동일하다.
따라서, 제2 좌표 변환부(134b)는 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'') 및 이격각(δ)을 기초로 [수학식 7]에 따라 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 산출할 수 있다.
[수학식 7]
U' = U''
V' = V'' - Rω sin(δ)
W' = W'' + Rω cos(δ)
한편, 전술한 바와 같이, 제3 좌표 변환부(136b)는 도 3a의 좌표 변환부(130)에서 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 대신에 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 입력받는다는 점을 제외하고는 도 3a의 좌표 변환부(130)와 동일하고, 도 5의 제2 좌표 변환부(134a)와 동일하다.
따라서, 제3 좌표 변환부(136b)는 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 회전각(φ)을 기초로 [수학식 8]에 따라 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출할 수 있다.
[수학식 8]
U = U'
V = V' cos(φ) - W' sin(φ)
W = V' sin(φ) + W' cos(φ)
좌표 변환부(130b)를 포함하는 3차원 초음파 풍속계(100)는 초음파 센서부(110)가 회전체(101) 상에 기울어지고 이격하여 설치되더라도 이러한 설치 오차를 보정할 수 있기 때문에, 더욱 정밀한 풍속 및 풍향 측정이 가능하다. 그에 따라, 허브(14)의 회전축(As)을 바람이 불어오는 방향에 정확히 일치시킬 수 있으며, 풍력 터빈(200)의 발전 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 풍속 측정 방법은 회전축(As)을 중심으로 회전하는 회전체(101)에 설치되어 회전축(As)을 중심으로 회전체(101)와 함께 회전하는 3차원 초음파 풍속계가 감지하는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 수신하는 단계, 회전체(101)의 회전각(φ)을 수신하는 단계, 및 회전각(φ)을 이용하여, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함한다. 여기서 3차원 초음파 풍속계는 도 3a 및 도 3b의 초음파 풍속계(100, 100a)와 상이하며, 좌표 변환부(130)를 포함하지 않으며, 초음파 센서부(110)와 신호 처리부(120)를 포함한다. 따라서, 3차원 초음파 풍속계는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 감지하여 출력한다.
고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 회전축(As)과 동일한 방향이고, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축 및 Z축은 서로 수직할 수 있다. 이때, 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축은 회전축(As)과 수직축(11)에 수직한 방향일 수 있다. 회전축(As)은 대략적으로 중력 방향에 수직한 방향일 수 있다.
예를 들면, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 회전축(As) 상에 위치하는 경우, 3차원 고정 풍속(U, V, W)는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 회전각(φ)을 기초로 [수학식 1]에 따라 산출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계는, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 단계, 및 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 회전각(φ)만큼 회전된 축들일 수 있다.
예를 들면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 회전축(As)으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격하고, 회전체(101a)가 회전축(As)을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우, 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 이격각(δ)을 기초로 [수학식 2]에 따라 산출될 수 있다. 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다. 또한, 3차원 고정 풍속(U, V, W)는 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 회전각(φ)을 기초로 [수학식 3]에 따라 산출될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계는, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')로 변환하는 단계, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 단계, 및 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 X''축은 회전 좌표계(X')의 X'축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격한 축이고, 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 Y''축 및 Z''축은 각각 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축과 평행한 축들일 수 있다. 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축을 각각 회전각(φ)만큼 회전시킨 축들일 수 있다.
예를 들면, 도 8에 도시된 바와 같이, 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 제1 축(X''축)을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계(예컨대, 제1 회전 오프셋 좌표계(X''x, Y''x, Z''x))의 제2 축(예컨대, Y''x축)을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계(예컨대, 제2 회전 오프셋 좌표계(X''y, Y''y, Z''y))의 제3 축(예컨대, Z''y축)을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계와 동일한 경우, 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 기초로 [수학식 5]에 따라 산출될 수 있다. 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'') 및 이격각(δ)을 기초로 [수학식 7]에 따라 산출될 수 있다. 이 때, 회전체(101)는 회전축(As)을 중심으로 각속도(ω)로 회전하고, 이격각(δ)은 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의될 수 있다. 3차원 고정 풍속(U, V, W)은 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 회전각(φ)을 기초로 [수학식 8]에 따라 산출될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 각 단계들에 대하여 명시적으로 순서를 기재하고 있거나 모순되지 않는다면, 각 단계들은 적당한 순서로 수행될 수 있다. 각 단계들의 기재된 순서에 따라 수행되는 것으로 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예를 들어 등)의 사용은 오로지 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것이며, 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어의 사용으로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 해당 기술 분야의 통상의 기술자는 특허청구범위 또는 그 균등물의 범위 내에서 설계 조건 및 팩터(factor)가 수정될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 앞에서 설명된 실시예들에 국한하여 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위가 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 3차원 초음파 풍속계
110: 초음파 센서부
120: 신호 처리부
130: 좌표 변환부
200: 풍력 터빈

Claims (23)

  1. 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기를 포함하고, 회전축을 중심으로 회전하는 회전체에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 회전체와 함께 회전하는 초음파 센서부;
    상기 초음파 센서부가 감지하는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력하는 신호 처리부; 및
    상기 회전체의 회전각(φ)을 이용하여 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 좌표 변환부를 포함하고,
    상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)은 상기 초음파 센서부의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상에서 정의되고,
    상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 상기 회전축과 동일한 방향이고, 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축 및 Z축은 서로 수직한 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  2. 서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기를 포함하고, 회전축을 중심으로 회전하는 회전체에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 회전체와 함께 회전하는 초음파 센서부;
    상기 초음파 센서부가 감지하는 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력하는 신호 처리부; 및
    상기 회전체의 회전각(φ)을 이용하여 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 좌표 변환부; 및
    상기 회전체와 함께 회전하는 중력 센서를 이용하여 상기 회전체의 회전각(φ)을 감지하고 상기 회전각(φ)을 상기 좌표 변환부에 출력하는 회전각 감지부를 포함하는 3차원 초음파 풍속계.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 좌표 변환부는 상기 회전체를 포함하는 외부 장치로부터 상기 회전체의 회전각(φ)에 관한 정보를 실시간으로 수신하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축 상에 배치되도록 상기 초음파 센서부가 상기 회전축 상에 정렬된 경우,
    상기 좌표 변환부는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 회전각(φ)을 기초로
    U = Us
    V = Vs cos(φ) - Ws sin(φ)
    W = Vs sin(φ) + Ws cos(φ)와 같이 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 좌표 변환부는,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 제1 좌표 변환부; 및
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 제2 좌표 변환부를 포함하고,
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들인 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격하도록 상기 초음파 센서부가 상기 회전체 상에 설치되고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우,
    상기 제1 좌표 변환부는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 이격각(δ)을 기초로
    U' = Us
    V' = Vs - Rω sin(δ)
    W' = Ws + Rω cos(δ)와 같이 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 산출하고,
    상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 좌표 변환부는 상기 회전체의 회전각(φ)을 기초로 상기 각속도(ω)를 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 이격 거리(R)는 무풍 상태에서 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)의 크기를 상기 각속도(ω)로 나눔으로써 산출되는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 이격각(δ)은 무풍 상태에서 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 기초로 tan- 1(-Vs/Ws)와 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 좌표 변환부는 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로
    U = U'
    V = V' cos(φ) - W' sin(φ)
    W = V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 좌표 변환부는,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')로 변환하는 제1 좌표 변환부;
    상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 제2 좌표 변환부; 및
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 제3 좌표 변환부를 포함하고,
    상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 X''축은 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격한 축이고, 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 Y''축 및 Z''축은 각각 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축과 평행한 축들이며,
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들인 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 제1 축(X''축)을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계의 제2 축을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계의 제3 축을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계와 동일하도록 상기 초음파 센서부가 상기 회전체 상에 설치되고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우,
    상기 제1 좌표 변환부는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 기초로
    Figure 112017064580915-pat00007

    와 같이 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  14. 제13 항에 있어서,
    제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)는 무풍 상태에서 측정된 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws), 이격 거리(R), 각속도(ω), 및 이격각(δ)를 기초로
    Figure 112017064580915-pat00008
    에 따라 산출되고,
    상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 제2 좌표 변환부는 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'') 및 상기 이격각(δ)을 기초로
    U' = U''
    V' = V'' - Rω sin(δ)
    W' = W'' + Rω cos(δ)와 같이 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 산출하고,
    상기 제3 좌표 변환부는 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로
    U = U'
    V = V' cos(φ) - W' sin(φ)
    W = V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 산출하며,
    상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 풍속계.
  16. 회전축을 중심으로 회전하는 회전체에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 회전체와 함께 회전하는 3차원 초음파 풍속계가 감지하는 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 수신하는 단계;
    상기 회전체의 회전각(φ)을 수신하는 단계; 및
    상기 회전각(φ)을 이용하여, 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 상기 회전축과 동일한 방향이고, 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축 및 Z축은 서로 수직한 것을 특징으로 하는 3차원 풍속 측정 방법.
  17. 삭제
  18. 제16 항에 있어서,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축 상에 위치하는 경우,
    상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계에서,
    상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 회전각(φ)을 기초로
    U = Us
    V = Vs cos(φ) - Ws sin(φ)
    W = Vs sin(φ) + Ws cos(φ)와 같이 산출되는 것을 특징으로 하는 3차원 풍속 측정 방법.
  19. 제16 항에 있어서,
    상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계는,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 단계; 및
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축으로부터 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전된 축들인 것을 특징으로 하는 3차원 풍속 측정 방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Xs축이 상기 회전축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격하고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우,
    상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 이격각(δ)을 기초로
    U'=Us
    V'=Vs - Rω sin(δ)
    W'=Ws + Rω cos(δ)와 같이 산출되고,
    상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)는 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로
    U=U'
    V=V' cos(φ) - W' sin(φ)
    W=V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 산출되고,
    상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 풍속 측정 방법.
  21. 제16 항에 있어서,
    상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계는,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상의 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')로 변환하는 단계;
    상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'') 상의 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')을 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 3차원 회전 풍속(U', V', W')로 변환하는 단계; 및
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z') 상의 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')을 상기 고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 X''축은 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축으로부터 이격 거리(R)만큼 이격각(δ)으로 이격한 축이고, 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 Y''축 및 Z''축은 각각 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축과 평행한 축들이며,
    상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 X'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축과 평행하고, 상기 회전 좌표계(X', Y', Z')의 Y'축과 Z'축은 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 Y축과 Z축을 각각 상기 회전각(φ)만큼 회전시킨 축들인 것을 특징으로 하는 3차원 풍속 측정 방법.
  22. 제21 항에 있어서,
    상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)가 상기 오프셋 좌표계(X'', Y'', Z'')의 제1 축(X''축)을 기준으로 제1 오프셋 각도(θx)만큼 회전한 좌표계의 제2 축을 기준으로 제2 오프셋 각도(θy)만큼 회전한 좌표계의 제3 축을 기준으로 제3 오프셋 각도(θz)만큼 회전한 좌표계와 동일하고, 상기 회전체가 상기 회전축을 중심으로 각속도(ω)로 회전하는 경우,
    상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'')는 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws) 및 상기 제1 내지 제3 오프셋 각도(θx, θy, θz)를 기초로
    Figure 112017064580915-pat00009
    와 같이 산출되고,
    상기 3차원 회전 풍속(U', V', W')은 상기 3차원 오프셋 풍속(U'', V'', W'') 및 상기 이격각(δ)을 기초로
    U' = U''
    V' = V'' - Rω sin(δ)
    W' = W'' + Rω cos(δ)와 같이 산출되고,
    3차원 고정 풍속(U, V, W)은 상기 3차원 회전 풍속(U', V', W') 및 상기 회전각(φ)을 기초로
    U = U'
    V = V' cos(φ) - W' sin(φ)
    W = V' sin(φ) + W' cos(φ)와 같이 산출되고,
    상기 이격각(δ)은 상기 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs)의 Ys축을 기준으로 Zs축을 향하는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 풍속 측정 방법.
  23. 회전축을 따라 회전하는 허브;
    상기 허브에 설치되어 풍력에 의해 상기 허브를 회전시키는 회전 블레이드들;
    상기 허브의 회전에 의해 전기를 생성하는 나셀;
    고정 좌표계(X, Y, Z) 상의 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 출력하는 3차원 초음파 풍속계; 및
    상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)을 이용하여 상기 회전 블레이드들의 피치각과 상기 회전축의 요각 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 3차원 초음파 풍속계는,
    서로 다른 방향으로 배치되는 3쌍의 초음파 송수신기를 포함하고, 상기 회전축을 중심으로 회전하는 상기 허브의 노즈콘에 설치되어 상기 회전축을 중심으로 상기 허브와 함께 회전하는 초음파 센서부;
    상기 초음파 센서부가 감지하는 감지 좌표계(Xs, Vs, Ws) 상의 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 출력하는 신호 처리부; 및
    상기 허브의 회전각(φ)을 이용하여 상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)을 상기 3차원 고정 풍속(U, V, W)으로 변환하여 출력하는 좌표 변환부를 포함하고,
    상기 3차원 감지 풍속(Us, Vs, Ws)은 상기 초음파 센서부의 감지 좌표계(Xs, Ys, Zs) 상에서 정의되며,
    상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축은 상기 회전축과 동일한 방향이고, 상기 고정 좌표계(X, Y, Z)의 X축, Y축 및 Z축은 서로 수직한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
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