KR102261794B1 - 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치, 및 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법 - Google Patents

풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치, 및 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치는 해상에 설치되는 풍력 발전기의 블레이드의 설치를 위하여 기어리스 발전기에 전력을 공급하며, 상기 기어리스 발전기와 연결된 컨버터, 상기 컨버터와 연결되며 상기 컨버터에 구동용 전력을 공급하는 컨버터용 발전기, 및 복수의 배터리를 포함하며, 상기 컨버터를 매개로 상기 기어리스 발전기에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템을 포함할 수 있다.

Description

풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치, 및 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법{POWER SUPPLY APPARATUS FOR INSTALLING BLADE OF WIND TURBINE, AND INSTALLING METHOD FOR BLADE OF WIND TURBINE}
해상에 설치되는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치, 및 이를 이용하여 풍력 발전기의 블레이드를 설치하는 방법에 관한 것이다.
풍력발전(風力發電)이란 풍차를 이용해 바람이 가진 에너지를 기계적인 에너지(회전력)로 변환시키고, 이 기계적 에너지가 발전기를 구동함으로써 전기적인 에너지로 변환되어 전력을 얻는 발전 방식을 말한다.
풍력발전은 현재까지 개발된 신재생 에너지원 중에서 가장 경제성이 높을 뿐 아니라 무한정, 무비용의 청정에너지원인 바람을 이용하여 발전할 수 있는 장점 때문에 유럽은 물론 미주와 아시아 등지에서도 적극적인 투자가 이뤄지고 있는 실정이다.
이러한 풍력발전을 위한 풍력 발전기는 회전축의 방향에 따라 수직축 풍력 발전기와 수평축 풍력 발전기로 구분될 수 있다. 현재까지는 수직축에 비해 수평축 풍력 발전기의 효율이 높고 안정적이어서 상업용 풍력발전단지에는 대부분 수평축 풍력 발전기가 적용되고 있다.
종래에는 풍력 발전기를 설치함에 있어서 다수의 크레인을 이용하여 블레이드를 설치하거나, 특수한 장비를 이용해서 설치해야 하는 문제가 있다. 특히, 기어리스 타입의 풍력 발전기는 로터를 회전시키기 어려운 문제가 있다. 해상에 설치되는 기어리스 타입의 풍력 발전기의 로터를 회전시키기 위해서는 선박에 대형 발전기를 설치하고, 발전기와 로터를 연결하기 위해서 타워 내부에 고압 전선을 설치해야 한다. 그러나 타워 내부에 고압 전선을 설치하는 작업 시간이 수일 내지 수십일 소모되는 문제가 있다.
본 발명은 해상에 설치되는 풍력발전기의 기어리스 발전기를 용이하게 회전시켜서 블레이드를 용이하게 설치할 수 있는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치, 및 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치는 해상에 설치되는 풍력 발전기의 블레이드의 설치를 위하여 기어리스 발전기에 전력을 공급하며, 상기 기어리스 발전기와 연결된 컨버터, 상기 컨버터와 연결되며 상기 컨버터에 구동용 전력을 공급하는 컨버터용 발전기, 및 복수의 배터리를 포함하며, 상기 컨버터를 매개로 상기 기어리스 발전기에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기는 허브와 상기 허브에 결합된 블레이드를 갖는 로터와 상기 로터를 지지하는 나셀을 포함하며, 상기 에너지 저장 시스템은 상기 나셀의 상부에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 컨버터는 복수의 정류 소자와 상기 정류 소자들을 직렬로 연결하는 제1 정류 라인과 제2 정류 라인 및 상기 제1 정류 라인과 상기 제2 정류 라인을 연결하는 내부 연결 라인에 설치된 보호 커패시터를 포함하고, 상기 에너지 저장 시스템은 제1 외부 연결라인과 제2 외부 연결라인을 갖고, 상기 제1 외부 연결라인은 상기 제1 정류 라인에 연결되고, 상기 제2 외부 연결라인은 상기 제2 정류 라인에 연결되되, 상기 제1 외부 연결라인과 상기 제2 외부 연결라인은 상기 보호 커패시터를 사이에 두고 상기 컨버터에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 에너지 저장 시스템은 초기 저항과, 상기 초기 저항과 직렬로 연결된 제1 스위치와 상기 제1 스위치 및 상기 초기 저항과 병렬로 연결된 제2 스위치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 에너지 저장 시스템은 복수의 배터리를 포함하는 배터리 모듈과 상기 배터리 모듈의 충전과 방전을 제어하는 배터리 관리 모듈을 더 포함하고, 상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 및 상기 초기 저항은 상기 배터리 모듈과 상기 배터리 관리 모듈 사이에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 제1 외부 연결라인에는 바이패스 라인이 연결되고, 상기 바이패스 라인에 상기 초기 저항과, 상기 제1 스위치가 설치되고, 상기 제1 외부 연결라인에는 상기 제2 스위치가 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은, 허브와 블레이드를 갖는 로터와 상기 로터를 지지하는 나셀과 기어리스 발전기를 포함하는 풍력 발전기에 상기 블레이드를 설치하는 방법으로서, 상기 나셀에 설치된 에너지 저장 시스템을 이용하여 상기 기어리스 발전기에 전력을 공급하고, 상기 기어리스 발전기를 이용하여 상기 허브를 회전시키면서 상기 블레이드를 설치할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 에너지 저장 시스템은 상기 나셀 내부에 설치된 컨버터를 매개로 상기 기어리스 발전기에 전류를 공급할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 에너지 저장 시스템은 초기 저항과 상기 초기 저항과 직렬로 연결된 제1 스위치와 상기 제1 스위치 및 상기 초기 저항과 병렬로 연결된 제2 스위치를 포함하고, 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 에너지 저장 시스템을 상기 나셀의 내부에 설치된 컨버터와 연결하는 결선 단계와, 상기 제2 스위치가 개방된 상태에서 상기 제1 스위치를 연결하여 상기 컨버터에 전류를 공급하여 상기 컨버터의 내부에 설치된 보호 커패시터에 전류를 충전하는 초기 충전 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 에너지 저장 시스템은 제1 외부 연결라인과 제2 외부 연결라인을 갖고, 상기 컨버터는 복수의 정류 소자들과 상기 정류 소자들을 연결하는 제1 정류 라인과 제2 정류 라인을 포함하며, 상기 보호 커패시터는 상기 제1 정류 라인과 상기 제2 정류 라인을 연결하는 내부 연결 라인에 설치될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 결선 단계는 상기 제1 외부 연결라인을 상기 제1 정류 라인에 연결하고, 상기 제2 외부 연결라인을 상기 제2 정류 라인에 연결하되, 상기 제1 외부 연결라인과 제2 외부 연결라인 사이에 상기 보호 커패시터가 위치하도록 상기 제1 외부 연결라인과 상기 제2 외부 연결라인을 연결할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 에너지 저장 시스템과 상기 보호 커패시터의 전압 차이가 기 설정된 기준 전압 이하인지 여부를 판단하는 전압 판단 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 전압 차이가 기준 전압 이하인 경우 상기 제2 스위치를 연결하는 구동 전류 공급 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 발전기를 이용하여 상기 허브를 회전시키는 허브 회전 단계, 및 상기 허브에 블레이드를 조립하는 블레이드 조립 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 컨버터에 연결된 컨버터용 발전기를 이용하여 상기 컨버터의 구동을 위한 전류를 공급하는 컨버터 전류 공급 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 나셀의 상부에 에너지 저장 시스템과 상기 컨버터용 발전기를 설치하는 장치 설치 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법은 상기 컨버터와 전기적으로 연결된 변압기와 상기 컨버터의 전기적인 연결을 차단하는 계통 차단 단계를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 측면에 따르면, 에너지 저장 시스템을 이용하여 기어리스 발전기에 전력을 공급하고 허브를 회전시키므로 블레이드를 용이하게 조립할 수 있을 뿐만 아니라 기어리스 발전기를 구동하기 위한 전원을 용이하게 연결할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 허브가 발전기에 결합된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기에 전력 공급 장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 공급 장치와 컨버터의 연결을 자세히 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 풍력 발전기에 블레이드를 설치하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전기에 전력 공급 장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전기에 전력 공급 장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 제1 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는, 타워(110), 나셀(120), 로터(130)를 포함한다. . 본 실시예에 따른 풍력 발전기(10)는 기어박스를 갖지 않는 다이렉트 타입의 풍력 발전기로 이루어질 수 있으며, 특히 해상에 설치되는 해상 풍력 발전기로 이루어질 수 있다.
타워(110)는 해상에서 일정한 높이로 세워져 설치되며, 나셀(120)과 로터(130)를 지지한다. 타워(110)는 플로팅 타입 또는 해저에 고정되는 타입으로 설치될 수 있다. 타워(110)는 상단에서 하단으로 갈수록 직경이 증가하는 관형 형상을 가질 수 있다. 이때, 타워(110)는 복수의 관형 부재가 적층된 다단 형태로 이루어질 수 있다. 한편, 타워(110) 내부에는 유지 보수를 위해 작업자나 작업도구를 이송시키는 계단, 컨베이어 또는 승강기가 설치될 수 있다.
타워(110)의 상부에는 나셀(120)이 타워(110)에 대하여 요잉(yawing) 가능하도록 설치될 수 있다. 나셀(120)은 타워(110)의 상부에 위치하며 타워(110) 하부에 대하여 회전 가능하게 결합될 수 있다. 나셀(120)는 발전기 등을 수용하는 하우징으로, 육면체, 원통, 또는 원뿔 등의 형상으로 이루어질 수 있다. 나셀(120)의 상부에는 에너지 저장 시스템(210)와 컨버터용 발전기(220)가 설치될 수 있다. 나셀(120)에는 헬리콥터의 이착륙을 위한 헬리데크가 설치될 수 있으며, 에너지 저장 시스템(210)와 컨버터용 발전기(220)는 헬리데크에 설치될 수 있다.
로터(130)는 허브(135)와 복수의 블레이드(132)로 이루어지는데, 허브(135)는 나셀(120)의 전면에 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 복수의 블레이드(132)는 허브(135)의 외주면에 원주 방향을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 결합된다.
블레이드(132)는 바람에 의해 허브(135)의 중심축을 중심으로 회전한다. 블레이드(132)는 폭 방향으로 유선형 단면을 가지며, 내부에는 공간부가 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 허브가 발전기에 결합된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 허브(135)는 블레이드(132)에 작용되는 힘을 회전력으로 변환 시켜주는 부품으로서, 허브(135)는 복수의 블레이드(132)와 연결될 수 있다. 허브(135)는 정면에서 바라볼 때 대략 원형의 형상을 가지며, 측면에서 바라볼 때는 돔(dome) 형상을 가질 수 있다.
허브(135)의 후방에는 메인 구동축(131)이 연결 설치되고, 허브(135)의 전방에는 돔 형상의 노즈콘이 설치될 수 있다. 또한 허브(135)의 외주에는 블레이드(132)와의 결합을 위한 3개의 측부 플랜지(135a)가 형성되는데, 측부 플랜지(135a)에는 볼트의 삽입을 위한 복수의 홀이 형성될 수 있다.
또한 허브(135)의 전방에는 노즈콘의 결합을 위한 전방 플랜지가 형성되고, 허브(135)의 후방에는 메인 구동축(131)의 결합을 위한 후방 플랜지가 형성될 수 있다.
허브(135)의 후방에는 기어리스 발전기(150)가 설치되며, 기어리스 발전기(150)는 기어박스 없이 허브(135)에 직접 연결된다. 이와 같이 기어리스 타입의 발전기(150)는 기어박스를 갖지 아니하여 수동으로 허브(135)를 회전시키는 것이 용이하지 않다. 기어리스 발전기(150)는 직접 구동형 발전기라고 한다.
기어리스 발전기(150)는 메인 구동축(131)과 연결된 회전자(151)와 나셀(120) 내부에 설치된 메인 프레임(160)에 고정된 고정자(152)를 포함한다. 메인 프레임(160)은 타워(110)에 고정되어 기어리스 발전기(150)와 로터(130)를 지지한다. 고정자(152)에는 로터(130)의 회전을 방지하는 로터 락 장치(153)가 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기에 전력 공급 장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 공급 장치와 컨버터의 연결을 자세히 도시한 블록도이다.
도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 전력 공급 장치(201)는 컨버터(230), 컨버터용 발전기(220), 에너지 저장 시스템(210), 변압기(240)를 포함할 수 있다.
컨버터(230)는 기어리스 발전기(150)와 변압기(240)와 사이에 위치하며 기어리스 발전기(150)에서 생성된 교류 전류를 직류 전류로 변환한다. 또한 컨버터(230)는 에너지 저장 시스템(210)로부터 공급된 전류를 기어리스 발전기(150)로 전달할 수 있다. 컨버터(230)는 나셀(120) 내부에 설치될 수 있다.
컨버터(230)는 복수의 정류 소자(231)와 정류 소자들(231)을 직렬로 연결하는 제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262), 정류 소자들(231)과 연결된 내부 저항(236), 제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262)을 연결하는 보호 커패시터(234), 접지 라인(239)에 연결된 접지 커패시터(235)를 포함할 수 있다. 또한 컨버터(230)에는 복수의 스위치(237)가 설치될 수 있다.
정류 소자(231)는 다이오드(233)와 트랜지스터(232)를 포함할 수 있으며, 다이오드(233)와 트랜지스터(232)는 병렬로 연결될 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 정류 소자는 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 컨버터(230)는 4개의 정류 소자(231)를 포함할 수 있으며 2개의 정류 소자(231)가 직렬로 연결되어 정류 모듈(230a)을 형성하고 2개의 정류 모듈(230a)이 병렬로 연결될 수 있다.
제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262)은 정류 소자들(231) 사이에 위치하여 정류 소자들(231)을 직렬로 연결하며, 보호 커패시터(234)는 제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262) 사이에 설치되어 제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262)은 보호 커패시터(234)를 매개로 연결될 수 있다. 제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262)에는 제1 정류 라인(261)과 제2 정류 라인(262)을 연결하는 내부 연결 라인(IL1)이 설치되고 보호 커패시터(234)는 내부 연결 라인(IL1)에 설치될 수 있다.
각각의 정류 소자(231)에는 정류 소자(231)의 보호를 위한 내부 저항(236)이 설치될 수 있으며, 또한 접지 커패시터(235)는 접지 라인(239)에 연결되어 컨버터(230)를 보호할 수 있다.
변압기(240)는 컨버터(230)와 연결되어 컨버터(230)에서 정류된 전류의 전압을 변화시켜서 계통(250)으로 공급한다. 여기서 계통(250)은 풍력 발전기(10)에서 생산된 전력을 저장하는 장치 또는 전력을 소모하는 수용가로 이루어질 수 있다. 변압기(240)에는 과부하를 방지하는 퓨즈(241)가 설치될 수 있다.
컨버터용 발전기(220)는 컨버터(230)의 구동을 위한 전력을 공급하는 소형 발전기로 이루어지며, 디젤을 연료로 하는 발전기로 이루어질 수 있다. 컨버터용 발전기(220)는 나셀(120)의 상부에 설치될 수 있다.
에너지 저장 시스템(210)은 복수의 배터리를 포함하여 기어리스 발전기(150)에 구동 전원을 공급하는 장치이다. 에너지 저장 시스템(210)은 나셀(120)의 상부에 설치되며 나셀(120) 내부에 설치된 컨버터(230)와 전기적으로 연결된다.
에너지 저장 시스템(210)은 복수의 배터리를 갖는 배터리 모듈(212)과 배터리 모듈(212)의 충전과 방전을 제어하는 배터리 관리 모듈(213), 배터리 모듈(212)과 배터리 관리 모듈(213) 사이에 설치된 초기 저항(216), 초기 저항(216)에 직렬로 연결된 제1 스위치(214), 제1 스위치(214) 및 초기 저항(216)과 병렬로 연결된 제2 스위치(215)를 포함할 수 있다.
배터리 모듈(212)은 충전과 방전을 수행하는 복수의 배터리를 포함하며, 배터리들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 배터리 관리 모듈(213)은 배터리의 온도와 전압 등을 측정하고 배터리 모듈(212)의 충전과 방전을 제어하며, 보호회로를 포함할 수 있다.
제1 스위치(214), 제2 스위치(215), 및 초기 저항(216)은 배터리 모듈(212)과 배터리 관리 모듈(213) 사이에 설치될 수 있다. 배터리 모듈(212)과 배터리 관리 모듈(213)은 제1 전지 연결라인(CL1) 및 제2 전지 연결라인(CL2)을 매개로 연결되는데, 제1 전지 연결라인(CL1)에는 제2 스위치(215)가 설치될 수 있다. 또한, 제1 전지 연결라인(CL1)에는 바이패스 라인(BL1)이 연결 설치되며, 바이패스 라인(BL1)에는 초기 저항(216)과 제1 스위치(214)가 설치될 수 있다. 초기 저항(216)과 제1 스위치(214)는 제2 스위치(215)에 병렬로 연결될 수 있다. 초기 저항(216)은 컨버터(230)를 보호하기 위해서 설치되는 저항으로서 컨버터(230)에 과도한 전압이 걸리는 것을 방지한다.
에너지 저장 시스템(210)은 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)을 갖는데, 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)은 배터리 관리 모듈(213)과 컨버터(230)를 연결하여 컨버터(230)에 전류를 공급한다. 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)에는 저항(219)이 설치될 수 있다. 제1 외부 연결라인(217)은 제1 정류 라인(261)에 연결되고, 제2 외부 연결라인(218)은 제2 정류 라인(262)에 연결되며, 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)은 보호 커패시터(234)를 사이에 두고 컨버터에 연결될 수 있다.
즉, 제1 외부 연결라인(217)과 제1 정류 라인(261)이 연결된 접점은 보호 커패시터(234)의 전방에 위치할 수 있으며, 제2 외부 연결라인(218)과 제2 정류 라인(262)이 연결된 접점은 보호 커패시터(234)의 전방에 위치할 수 있다. 또한, 내부 연결 라인(IL1)은 제1 외부 연결라인(217)과 제1 정류 라인(261)이 연결된 접점과 제2 외부 연결라인(218)과 제2 정류 라인(262)이 연결된 접점 사이에서 제1 정류 라인(261) 및 제2 정류 라인(262)에 연결될 수 있다.
이에 따라 에너지 저장 시스템(210)에서 초기 저항(216)을 거쳐서 낮은 전압으로 보호 커패시터(234)에 전류가 충전될 수 있으며, 보호 커패시터(234)의 전압이 일정 수준 이상으로 상승하면 제2 스위치(215)를 연결하여 초기 저항(216)을 거치지 않고 높은 전압으로 컨버터(230)에 전류를 공급하여 컨버터(230)에 과부하가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 특히 에너지 저장 시스템(210)이 나셀(120)의 상부에 설치되므로 타워(110)에 케이블을 설치하는 과정을 생략할 수 있으므로 작업 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예의 풍력 발전기에 블레이드를 설치하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 블레이드 설치 방법은 바다에 설치되는 풍력 발전기(10)에 블레이드(132)를 설치하는 방법으로서, 풍력 발전기(10)는 기어리스 발전기(150)를 갖는다.
본 제1 실시예에 따른 블레이드 설치 방법은 장치 설치 단계(S110), 결선 단계(S120), 계통 차단 단계(S130), 컨버터 전류 공급 단계(S140), 초기 충전 단계(S150), 전압 판단 단계(S160), 구동 전류 공급 단계(S170), 허브 회전 단계(S180), 블레이드 조립 단계(S190)를 포함할 수 있다.
장치 설치 단계(S110)는 나셀(120)의 상부에 에너지 저장 시스템(210)와 컨버터용 발전기(220)를 설치한다. 장치 설치 단계(S110)는 크레인, 헬리콥터 등을 이용하여 나셀(120)의 상부에 설치된 헬리데크에 에너지 저장 시스템(210)와 컨버터용 발전기(220)를 설치할 수 있다.
결선 단계(S120)는 에너지 저장 시스템(210)을 나셀(120)의 내부에 설치된 컨버터(230)와 연결한다. 결선 단계(S120)는 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)을 나셀(120) 내부로 인입하여 나셀(120) 내부에 설치된 컨버터(230)에 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)을 결합시킨다.
결선 단계(S120)는 제1 외부 연결라인(217)을 제1 정류 라인(261)에 연결하고, 제2 외부 연결라인(218)을 제2 정류 라인(262)에 연결하되, 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218) 사이에 보호 커패시터(234)가 위치하도록 제1 외부 연결라인(217)과 제2 외부 연결라인(218)을 연결한다. 이와 같이 나셀(120)의 상부에 설치된 에너지 저장 시스템(210)과 나셀(120)의 내부에 설치된 컨버터(230)를 연결하면 결선 작업 시간을 현저히 단축시킬 수 있다.
종래에는 선박에 대형 발전기를 설치하고, 타워 내부에 고압 케이블을 설치하여 케이블을 통해서 기어리스 발전기에 전류를 공급하였다. 그러나 이러한 방법은 고압 케이블을 설치하는 작업이 수일씩 소요되는 문제가 있었다. 그러나 본 제1 실시예에 따르면 나셀(120)의 상부에 설치된 에너지 저장 시스템(210)과 컨버터(230)를 연결하므로 수시간만에 결선을 완료할 수 있다.
계통 차단 단계(S130)는 컨버터(230)와 계통(250)의 연결을 차단 하는데, 변압기(240)에 설치된 퓨즈(241)를 분리하여 컨버터(230)와 변압기(240)의 연결을 차단함으로써 컨버터(230)와 계통(250)의 연결을 차단할 수 있다. 컨버터(230)와 계통(250)의 연결이 차단되므로 에너지 저장 시스템(210)의 전류가 계통(250)으로 흐르는 것을 방지할 수 있다. 컨버터 전류 공급 단계(S140)는 컨버터(230)에 연결된 컨버터용 발전기(220)를 이용하여 컨버터(230)의 구동을 위한 전류를 공급한다.
초기 충전 단계(S150)는 제2 스위치(215)가 개방된 상태에서 제1 스위치(214)를 연결하여 컨버터(230)에 전류를 공급하며, 정류 소자(231) 사이에 설치된 보호 커패시터(234)에 전류를 충전한다. 초기 충전 단계(S150)는 제1 스위치(214)와 초기 저항(216)을 통해서 전류를 컨버터(230)에 공급하므로 초기 저항(216)에 전압이 걸려서 컨버터(230)에는 낮은 전압을 인가할 수 있다.
에너지 저장 시스템(210)은 기어리스 발전기(150)를 구동하기 위해서 높은 전압을 갖는데, 높은 전압이 컨버터(230)에 인가되면 컨버터(230)에 설치된 부품들이 손상될 수 있다. 그러나 초기 충전 단계(S150)를 포함하면 컨버터(230) 내부의 전압과 에너지 저장 시스템(210)의 전압 차이를 최소화하여 컨버터(230)의 손상을 방지할 수 있다.
전압 판단 단계(S160)는 에너지 저장 시스템(210)의 전압과 보호 커패시터(234)의 전압 차이가 기준 전압보다 작은지 여부를 판단한다. 여기서 기준 전압은 150V~250V로 이루어질 수 있다. 에너지 저장 시스템(210)의 전압과 보호 커패시터(234)의 전압 차이가 기준 전압보다 작으면 구동 전류 공급 단계(S170)로 이동하고, 에너지 저장 시스템(210)의 전압과 보호 커패시터(234)의 전압 차이가 기준 전압보다 크면 초기 충전 단계(S150)로 이동하여 보호 커패시터(234)에 충전을 실시한다.
구동 전류 공급 단계(S170)는 전압 차이가 기준 전압 이하인 경우 제1 스위치(214)를 연결하고, 제2 스위치(215)를 개방하여 제1 스위치(214)를 통해서 컨버터(230)에 전류를 공급한다. 이에 따라 컨버터(230)에 높은 전압을 갖는 전류가 공급될 수 있다.
허브 회전 단계(S180)는 컨버터(230)를 통해서 기어리스 발전기(150)에 전류를 공급하여 허브(135)를 원하는 위치로 회전시킨다. 기어리스 발전기(150)에 전류가 공급되면 기어리스 발전기(150)가 전동기로서 역할을 할 수 있으므로 허브(135)를 용이하게 회전시킬 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 블레이드 조립 단계(S190)는 허브(135)에 블레이드(132)를 조립하며, 이때, 블레이드(132)는 크레인 등에 의하여 상승될 수 있다. 블레이드 조립 단계(S190)에서 블레이드(132)는 허브(135)에 형성된 측부 플랜지(135a)에 결합될 수 있으며, 블레이드(132)에 설치된 볼트(132a)가 허브(135) 삽입될 수 있다. 하나의 블레이드(132)가 결합되면 다시 허브 회전 단계(S180)로 이동하여 기어리스 발전기(150)를 이용하여 허브(135)를 회전시킨 후에 블레이드 조립 단계(S190)로 이동하여 블레이드(132)를 허브(135)에 결합시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 제1 실시예에 따르면 에너지 저장 시스템과 컨버터(230)를 신속하게 연결할 수 있을 뿐만 아니라 컨버터(230)를 보호하면서 컨버터(230)를 매개로 기어리스 발전기(150)에 전류를 공급하여 신속하고 용이하게 블레이드(132)를 조립할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 공급 장치에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력 발전기에 전력 공급 장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 전력 공급 장치(202)는 에너지 저장 시스템(310)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 전력 공급 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
에너지 저장 시스템(310)은 복수의 배터리를 갖는 배터리 모듈(312)과 배터리 모듈(312)의 충전과 방전을 제어하는 배터리 관리 모듈(313), 에너지 저장 시스템(310)과 컨버터(230)를 연결하는 제1 외부 연결라인(317)과 제2 외부 연결라인(318)을 포함한다.
배터리 모듈(312)은 충전과 방전을 수행하는 복수의 배터리를 포함하며, 배터리들은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 배터리 관리 모듈(313)은 배터리의 온도와 전압 등을 측정하고 배터리 모듈(312)의 충전과 방전을 제어하며, 배터리 보호회로를 포함할 수 있다.
제1 외부 연결라인(317)과 제2 외부 연결라인(318)은 배터리 관리 모듈(313)과 컨버터(230)를 연결하여 컨버터(230)에 전류를 공급한다. 제1 외부 연결라인(317)은 제1 정류 라인(261)에 연결되고, 제2 외부 연결라인(318)은 제2 정류 라인(262)에 연결되며, 제1 외부 연결라인(317)과 제2 외부 연결라인(318)은 보호 커패시터(234)를 사이에 두고 컨버터(230)에 연결될 수 있다.
제1 외부 연결라인(317)에는 바이패스 라인(BL2)이 연결되며, 제1 외부 연결라인(317)에는 제2 스위치(315)가 설치될 수 있다. 바이패스 라인(BL2)에는 초기 저항(316)과 제1 스위치(314)가 설치될 수 있다. 제2 스위치(315)는 초기 저항(316)과 제1 스위치(314)에 병렬로 연결될 수 있다.
이에 따라 에너지 저장 시스템(310)에서 초기 저항(316)을 거쳐서 낮은 전압으로 보호 커패시터(234)에 전류를 충전할 수 있으며, 보호 커패시터(234)의 전압이 일정 수준 이상으로 상승하면 초기 저항(316)을 거치지 않고 높은 전압으로 컨버터(230)에 전류를 공급하여 컨버터(230)에 과부하가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 제2 실시예에 따른 블레이드 설치 방법은 초기 충전 단계를 포함하며, 초기 충전 단계는 제1 외부 연결라인(317)에 설치된 제2 스위치(315)를 개방하고, 바이패스 라인(BL2)에 설치된 제1 스위치(314)를 연결하여 제1 스위치(314)와 초기 저항을 거쳐서 컨버터(230)로 전류를 전달한다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 전력 공급 장치에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력 발전기에 전력 공급 장치가 연결된 상태를 도시한 블록도이다.
본 제3 실시예에 따른 전력 공급 장치(203)는 차단 스위치(280)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 전력 공급 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
컨버터(230)와 변압기(240) 사이에는 컨버터(230)와 변압기(240)의 연결을 제어하는 차단 스위치(280)가 설치되며, 차단 스위치(280)에 의하여 컨버터(230)와 계통(250)의 연결이 제어될 수 있다. 차단 스위치(280)가 설치되면 변압기(240)의 퓨즈를 분리하지 않고도 컨버터(230)와 계통(250)의 연결을 용이하게 차단할 수 있다.
또한, 본 제3 실시예에 따른 블레이드 설치 방법은 계통 차단 단계를 포함하며, 계통 차단 단계는 컨버터(230)와 변압기(240) 사이에 설치된 차단 스위치(280)를 이용하여 컨버터(230)와 계통(250)의 연결을 차단할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10: 풍력 발전기 110: 타워
120: 나셀 130: 로터
131: 구동축 135: 허브
135a: 측부 플랜지 132: 블레이드
150: 기어리스 발전기 151: 회전자
152: 고정자 160: 메인 프레임
201, 202, 203: 전력 공급 장치 210, 310: 에너지 저장 시스템
212, 312: 배터리 모듈 213, 313: 배터리 관리 모듈
214, 314: 제1 스위치 215, 315: 제2 스위치
216, 316: 초기 저항 217, 317: 제1 외부 연결라인
218, 318: 제2 외부 연결라인 220: 컨버터용 발전기
230: 컨버터 231: 정류 소자
232: 트랜지스터 233: 다이오드
234: 보호 커패시터 235: 접지 커패시터
236: 내부 저항 240: 변압기
241: 퓨즈 261: 제1 정류 라인
262: 제2 정류 라인 280: 차단 스위치

Claims (17)

  1. 해상에 설치되는 풍력 발전기의 블레이드의 설치를 위하여 기어리스 발전기에 전력을 공급하는 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치에 있어서,
    상기 기어리스 발전기와 연결된 컨버터;
    상기 컨버터와 연결되며 상기 컨버터에 구동용 전력을 공급하는 컨버터용 발전기; 및
    복수의 배터리를 포함하며, 상기 컨버터를 매개로 상기 기어리스 발전기에 전력을 공급하는 에너지 저장 시스템;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 풍력 발전기는 허브와 상기 허브에 결합된 블레이드를 갖는 로터와 상기 로터를 지지하는 나셀을 포함하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 나셀의 상부에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는 복수의 정류 소자와 상기 정류 소자들을 직렬로 연결하는 제1 정류 라인과 제2 정류 라인 및 상기 제1 정류 라인과 상기 제2 정류 라인을 연결하는 내부 연결 라인에 설치된 보호 커패시터를 포함하고,
    상기 에너지 저장 시스템은 제1 외부 연결라인과 제2 외부 연결라인을 갖고, 상기 제1 외부 연결라인은 상기 제1 정류 라인에 연결되고, 상기 제2 외부 연결라인은 상기 제2 정류 라인에 연결되되,
    상기 제1 외부 연결라인과 상기 제2 외부 연결라인은 상기 보호 커패시터를 사이에 두고 상기 컨버터에 연결된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 초기 저항과, 상기 초기 저항과 직렬로 연결된 제1 스위치와 상기 제1 스위치 및 상기 초기 저항과 병렬로 연결된 제2 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 복수의 배터리를 포함하는 배터리 모듈과 상기 배터리 모듈의 충전과 방전을 제어하는 배터리 관리 모듈을 더 포함하고,
    상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 및 상기 초기 저항은 상기 배터리 모듈과 상기 배터리 관리 모듈 사이에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 외부 연결라인에는 바이패스 라인이 연결되고, 상기 바이패스 라인에 상기 초기 저항과, 상기 제1 스위치가 설치되고, 상기 제1 외부 연결라인에는 상기 제2 스위치가 설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치.
  7. 허브와 블레이드를 갖는 로터와 상기 로터를 지지하는 나셀과 기어리스 발전기를 포함하는 풍력 발전기에 상기 블레이드를 설치하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법에 있어서,
    상기 나셀에 설치된 에너지 저장 시스템을 이용하여 상기 기어리스 발전기에 전력을 공급하고, 상기 기어리스 발전기를 이용하여 상기 허브를 회전시키면서 상기 블레이드를 설치하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 상기 나셀 내부에 설치된 컨버터를 매개로 상기 기어리스 발전기에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  8. 삭제
  9. 허브와 블레이드를 갖는 로터와 상기 로터를 지지하는 나셀과 기어리스 발전기를 포함하는 풍력 발전기에 상기 블레이드를 설치하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법에 있어서,
    상기 나셀에 설치된 에너지 저장 시스템을 이용하여 상기 기어리스 발전기에 전력을 공급하고, 상기 기어리스 발전기를 이용하여 상기 허브를 회전시키면서 상기 블레이드를 설치하며,
    상기 에너지 저장 시스템은 초기 저항과 상기 초기 저항과 직렬로 연결된 제1 스위치와 상기 제1 스위치 및 상기 초기 저항과 병렬로 연결된 제2 스위치를 포함하고,
    상기 에너지 저장 시스템을 상기 나셀의 내부에 설치된 컨버터와 연결하는 결선 단계,
    상기 제2 스위치가 개방된 상태에서 상기 제1 스위치를 연결하여 상기 컨버터에 전류를 공급하여 상기 컨버터의 내부에 설치된 보호 커패시터에 전류를 충전하는 초기 충전 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템은 제1 외부 연결라인과 제2 외부 연결라인을 갖고, 상기 컨버터는 복수의 정류 소자들과 상기 정류 소자들을 연결하는 제1 정류 라인과 제2 정류 라인을 포함하며, 상기 보호 커패시터는 상기 제1 정류 라인과 상기 제2 정류 라인을 연결하는 내부 연결 라인에 설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 결선 단계는 상기 제1 외부 연결라인을 상기 제1 정류 라인에 연결하고, 상기 제2 외부 연결라인을 상기 제2 정류 라인에 연결하되, 상기 제1 외부 연결라인과 제2 외부 연결라인 사이에 상기 보호 커패시터가 위치하도록 상기 제1 외부 연결라인과 상기 제2 외부 연결라인을 연결하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 에너지 저장 시스템과 상기 보호 커패시터의 전압 차이가 기 설정된 기준 전압 이하인지 여부를 판단하는 전압 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전압 차이가 기준 전압 이하인 경우 상기 제2 스위치를 연결하는 구동 전류 공급 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 발전기를 이용하여 상기 허브를 회전시키는 허브 회전 단계, 및 상기 허브에 블레이드를 조립하는 블레이드 조립 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 컨버터에 연결된 컨버터용 발전기를 이용하여 상기 컨버터의 구동을 위한 전류를 공급하는 컨버터 전류 공급 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 나셀의 상부에 에너지 저장 시스템과 상기 컨버터용 발전기를 설치하는 장치 설치 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 컨버터와 전기적으로 연결된 변압기와 상기 컨버터의 전기적인 연결을 차단하는 계통 차단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법.
KR1020200022876A 2020-02-25 2020-02-25 풍력 발전기의 블레이드 설치를 위한 전력 공급 장치, 및 풍력 발전기의 블레이드 설치 방법 KR102261794B1 (ko)

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