KR102631018B1 - 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기에 관한 것으로, 플라이휠을 회전 가능하게 지지하는 2축 짐벌이 회전부에 설치되고, 회전부는 고정부에 회전 가능하게 설치되며, 고정부에 회전부를 회전시킬 수 있는 구동부(모터)가 구비된다.
따라서 회전부의 요각을 제어하여 플라이휠 세차운동의 중심축 방향과 풍력발전기 부유체의 동요 방향을 일치시킴으로써 항상 효과적으로 풍력발전기의 동요를 감쇠시킬 수 있다.

Description

부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기{Inertia stabilizer of Floating offshore wind generator}

본 발명은 관성 안정기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부유식 해상 풍력발전기에 설치되어 파랑에 의한 풍력발전기의 동요를 감쇠시켜주는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기에 관한 것이다.

해상 풍력발전기는 수심이 깊은 바다에서는 기술적인 어려움, 경제성 부족으로 인해 해저에 구조물로 직접 고정하지 못하고 부유체를 이용하여 해상에 띄운 구조로 설치된다.

이러한 부유식 해상 풍력발전기는 계류장치로 위치 및 자세를 어느 정도 유지하고 있으나 파랑에 의한 횡/종 동요로 인해 출력 및 수명이 감소될 수 밖에 없다.

따라서 감요 수조, 핀 안정기, 동조 질량 감쇠기 등을 이용하고 있으나 부유체의 대대적인 구조 변경이 필요하거나, 감요 성능이 부족하거나, 감요 성능이 일정 방향에서만 우수하거나, 설치가 난해한 등의 문제점이 있었다.

한편, 대표적 해상 부유체의 하나인 선박에는 횡동요 감쇠를 위해 관성 안정기가 적용된다.

상기 관성 안정기는 통상 자이로스태빌라이저(gyrostabilizer)로 지칭되는 것으로, 도 1과 같이 고속 회전하는 플라이휠(1a)을 구비한 자이로스코프 기구(1)를 상기 플라이휠(1a) 세차운동(P)의 중심축 방향(X-X’축)과 선체(2)의 횡방향(A-B축)이 일치하도록 설치함으로써 자이로스코프 기구(1)에 발생하는 감요모멘트(M)에 의해 선체(2)의 횡동요(R)를 감쇠시키고 있다. 선박은 그 형태적인 특성상 종동요(pitching)는 작고 횡동요(rolling)가 크게 발생하므로(선박은 횡동요에 대해 낮은 감쇠특성을 가짐), 상기와 같이 관성 안정기를 설치하여 횡동요를 감쇠시킴으로써 선체(2)의 동요를 효과적으로 안정화시킬 수 있었다.

그러나 부유식 해상 풍력발전기의 부유체는 선박과 달리 대게 회전 대칭인 형상을 가지므로 감쇠 특성이 낮은 특정 방향이 존재하지 않는다. 따라서 상기와 같은 관성 안정기를 적용할 경우 여러 방향에서 들어오는 파랑에 의한 동요를 효과적으로 감쇠킬 수 없는 문제점이 있었다. 즉, 동요 발생 방향에 따라 감요 토크가 작게 발생할 수도 있고, 심지어는 전혀 발생하지 않을 수도 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1616427(2016.04.28.공고)

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 부유체의 구조 변경 없이 용이하게 설치할 수 있고, 부유체의 동요 방향 변화에 상관없이 항상 효과적으로 부유체의 동요를 감쇠시킬 수 있도록 된 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 풍력발전기의 부유체에 고정되는 고정부와, 상기 고정부에 회전 가능하게 설치된 회전부와, 상기 회전부에 고정된 2축 짐벌과, 상기 2축 짐벌에 회전 가능하게 설치된 플라이휠과, 상기 플라이휠과 회전부를 회전 구동하는 구동부와, 상기 구동부의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 2축 짐벌은 회전부에 고정된 복수의 고정레그와, 상기 고정레그들에 고정된 고정링과, 상기 고정링의 내부에 축으로 회동 가능하게 설치된 회동링을 포함하고, 상기 회동링의 내부에 상기 플라이휠이 회전축을 매개로 회전 가능하게 설치된다.

상기 구동부는 회동링에 설치되는 제1모터를 포함하고, 상기 제1모터는 상기 회전축을 매개로 플라이휠을 회전시킨다.

상기 구동부는 고정부에 설치된 제2모터를 포함하고, 상기 제2모터는 출력축에 구비된 구동기어가 고정부에 설치된 중간기어에 치합되고, 중간기어는 회전부의 외주면에 형성된 기어치에 치합되어 회전부의 요각을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명은 부유식 해상 풍력발전기의 파랑에 의한 동요 방향을 감지하는 모션감지부를 더 포함하고, 상기 제어부는 모션감지부에서 감지된 풍력발전기의 동요 방향과 상기 플라이휠의 세차운동 중심축 방향이 일치하도록 제2모터를 구동하여 상기 회전부를 회전시킨다.

상기 모션감지부는 상기 고정부에 설치된 모션센서일 수 있다.

또한, 상기 모션감지부는 풍력발전기의 부유체 근방 수면에 배치되어 파향과 파고를 측정하는 파랑 측정 부이일 수 있다.

상기 모션감지부는 상기 플라이휠 세차운동의 진폭을 측정하는 진폭측정센서일 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 부유체의 구조 변경 없이 관성 안정기를 단순히 부유체의 표면에 부가 장착하기만 하면 부유체 및 그에 연결된 풍력발전기의 동요를 감쇠시킬 수 있다. 따라서 관성 안정기의 적용이 용이하다.

또한 관성 안정기의 요각 제어가 가능함으로써 파랑의 방향이 변경되어 풍력발전기의 동요 방향이 변화되어도 플라이휠의 세차 운동 중심축 방향과 부유체의 동요 방향을 일치시킬 수 있게 된다.

따라서 부유체의 동요 방향과 정확히 반대 방향으로 감요모멘트가 발생함으로써 부유체의 동요 감쇠 작용이 항상 효과적으로 이루어질 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 부유체의 관성 안정기 설치 상태도.
도 2는 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 관성 안정기의 설치 상태도.
도 4는 본 발명에 따른 관성 안정기를 복수 개 설치한 예시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기는, 플라이휠(10), 짐벌(20), 회전부(30), 고정부(40), 구동부(50), 제어부(60), 모션감지부(70)를 포함한다.

플라이휠(10)은 원판형 중량체로서 짐벌(20)의 회동링(21)에 회전 가능하게 설치된다. 플라이휠(10)의 중앙을 관통하여 고정된 회전축(11)의 양단이 회동링(21)에 회전 가능하게 설치된다.

회전축(11)의 일단부에는 제1모터(51)가 연결되어 회전축(11)을 매개로 플라이휠(10)을 고속으로 회전시킨다. 제1모터(51)는 회동링(21)에 장착되고 제어부(60)에 의해 작동 제어된다.

짐벌(20)은 2축 짐벌(gimbal)로서 내측의 회동링(21)과 외측의 고정링(22)을 포함한다. 회동링(21)과 고정링(22)은 동심원 관계에 있고, 각 링의 지름 양단부가 각각 축(23)으로 연결되어 회동링(21)이 고정링(22)에 대해 회동 가능하다.

짐벌(20)의 한 축은 플라이휠(10)의 회전 중심축(상기 회전축(11))이고, 다른 한 축은 회동링(21)의 회전 중심축(상기 축(23))이다. 회동링(21)의 회전 중심축은 플라이휠(10) 세차 운동의 중심축으로서 회동링(21)의 회전 중심축과 플라이휠(10)의 회전 중심축은 서로 직교한다.

고정링(22)에는 원주 방향으로 동일한 간격마다 직선 봉 형상의 고정레그(24)가 복수 개 형성되고, 고정레그(24)들의 하단은 회전부(30)에 고정된다.

회전부(30)는 원판형 부재로서 고정부(40)의 상면에 회전 가능하게 설치된다. 회전부(30)의 외주면에는 구동을 위한 기어치(미도시)가 형성된다.

고정부(40)는 평판형 부재이다. 도 2에는 고정부(40)가 원판 형상으로 도시되어 있으나 그 형상에 특별한 제한은 없으며, 상기 회전부(30)가 설치된 상태에서 그 중심을 회전 중심축으로 하여 원활히 회전될 수 있기만 하면 된다. 고정부(40)는 해상 풍력발전기(100) 부유체(110)의 표면에 볼트 등으로 장착되어 부유체(110)에 대해 거동이 불가한 상태로 고정된다(도 3 참조).

구동부(50)는 제1모터(51)와 제2모터(52)를 포함한다. 제1모터(51)는 상기와 같이 플라이휠(10)을 회전시키기 위한 것이고, 제2모터(52)는 상기 회전부(30)를 회전시키기 위한 것이다.

제2모터(52)는 고정부(40)에 설치된다. 도면에 개략적으로 도시되었으나 제2모터(52)의 출력축에는 구동기어가 구비되고, 구동기어는 중간기어(53)에 치합되며, 중간기어(53)는 상기 회전부(30)의 외주면에 형성된 기어치에 치합된다. 중간기어(53)는 고정부(40)의 일정한 위치에 회전(자전)이 가능한 상태로 설치된다.

제2모터(52) 역시 상기 제어부(60)에 의해 작동 제어된다.

제어부(60)는 입력된 제어 프로그램에 의해 제1모터(51)와 제2모터(52)의 작동을 제어하는 마이크로컴퓨터를 포함하는 전자제어유니트(ECU: Electronic Control Unit)이다. 특히 제어부(60)는 모션감지부(70)에서 감지된 부유체(110)의 동요 방향과 플라이휠(10)의 세차운동 중심축 방향이 서로 일치하도록 제2모터(52)를 작동시켜 회전부(30)를 회전시킨다.

즉 제어부(60)는 회전부(30)의 요(yaw) 각도를 제어하여 부유체(110)의 동요 방향과 플라이휠(10)의 세차운동 중심축 방향을 일치시킴으로써 관성 안정기(200)(도 3 참조)에서 발생하는 감요모멘트가 부유체(110)의 동요 방향과 정확히 반대방향으로 발생하도록 해 준다.

모션감지부(70)로는 일 예로 모션센서를 이용할 수 있다. 모션센서는 고정부(40)에 설치되어 부유체(110)에 발생하는 동요의 방향을 감지하고, 이를 제어부(60)에 전달한다.

상기와 같은 구성의 관성 안정기(200)는 도 3 또는 도 4와 같이 설치될 수 있다. 부유식 해상 풍력발전기(100)는 하나 또는 그 이상의 부유체(110)를 포함하며, 복수의 부유체(110)는 연결부재(120)로 연결되어 전체가 하나의 강체로 작용하도록 되어 있다.

관성 안정기(200)는 도 3과 같이 하나의 부유체(110)에만 설치될 수도 있고, 또는 도 4와 같이 2개 이상의 부유체(110)에 각각 설치될 수도 있다.

이하, 본 발명에 따른 관성 안정기(200)의 작용 효과를 설명한다.

제1모터(51)에 의해 플라이휠(10)이 고속 회전하고 있는 상태에서 파랑에 의해 부유체(110)에 동요가 발생되면 플라이휠(10)에 세차운동이 발생한다. 짐벌(20)의 회동링(21)과 고정링(22)이 서로에 대해 회동이 가능하므로 부유체(110)와 일체로 고정부(40), 회전부(30), 고정링(22)이 동요할 때 플라이휠(10)이 세차운동하게 된다.

고속 회전하는 플라이휠(10)의 회전 관성에 의해 플라이휠(10)에 세차운동이 발생하면 세차운동의 중심축 방향으로 부유체(110)의 동요 방향과 반대 방향의 감요모멘트가 발생하고, 그 감요모멘트에 의해 파랑에 의한 부유체(110)의 동요가 감쇠된다.

따라서 상기 제1모터(51)의 회전 속도를 조절하여 플라이휠(10)의 회전 관성 및 회전 속도를 조절함으로써 감요모멘트의 크기를 조절할 수 있으며, 이에 부유체(110)에 발생하는 동요의 크기에 따라 적절한 크기의 감요모멘트를 발생시켜 풍력발전기(100)의 동요를 효과적으로 감쇠시킬 수 있다.

한편, 파랑의 방향이 바뀌어 부유체(110)의 동요 방향이 바뀌면 감요모멘트의 크기가 감소되어 부유체(110)의 자세 안정화 성능이 저하된다. 즉 부유식 해상 풍력발전기(100)의 자세 안정화 성능이 저하된다.

그러나 본 발명에 따른 관성 안정기(200)는, 상기 모션센서가 고정부(40)의 동요 방향(부유체(110)의 동요 방향과 동일함)을 감지하여 그 정보를 제어부(60)에 전달하고, 제어부(60)는 제2모터(52)를 작동시켜 상기 회전부(30)를 회전시킴으로써 플라이휠(10)의 세차운동 중심축 방향을 부유체(110)의 동요 방향과 다시 일치시킨다. 즉 모션센서를 이용하여 파랑에 의한 부유체(110)의 동요 진폭이 가장 큰 방향을 측정하고, 부유체(110) 동요 진폭이 가장 큰 방향과 플라이휠(10) 세차운동의 중심축 방향이 일치하도록 회전부(30)의 요각(yaw angle)을 제어하는 것이다.

따라서 부유체(110)의 동요 방향과 정확히 반대되는 방향으로 감요모멘트가 발생되므로 부유체(110)의 동요를 최대 효율로 진정시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 모션감지부(70)로서 모션센서 대신에 파랑 측정 부이(buoy)를 이용할 수 있다. 파랑 측정 부이(미도시)를 부유체(110) 근방의 수면에 배치하여 파향, 파고 등을 측정하고, 그 정보에 따라 부유체(110) 거동을 예측하며, 예측된 부유체(110)의 동요 방향과 플라이휠 세차운동 중심축의 방향을 일치시키도록 회전부(30)의 요각을 제어하는 것이다.

또한 모션감지부(70)로서 모션센서 대신에 플라이휠(10) 세차운동의 진폭을 측정하는 진폭측정센서를 이용할 수 있다. 요각 변화에 따른 플라이휠(10) 세차운동의 진폭값의 증감을 이용하여 부유체 동요 진폭이 가장 큰 방향과 플라이휠(10) 세차운동의 중심축이 일치되도록 회전부(30)의 요각을 제어하는 것이다.

상기와 같이 모션센서 대신에 파랑 측정 부이나 진폭측정센서를 이용할 경우 모션센서의 설치, 운영 및 유지 보수에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 플라이휠 11 : 회전축
20 : 짐벌 21 : 회동링
22 : 고정링 23 : 축
24 : 고정레그 30 : 회전부
40 : 고정부 50 : 구동부
51 : 제1모터 52 : 제2모터
53 : 중간기어 60 : 제어부
70 : 모션감지부 100 : 풍력발전기
110 : 부유체 120 : 연결부재
200 : 관성 안정기

Claims (8)

1. 풍력발전기의 부유체에 고정되는 고정부와;
   상기 고정부에 회전 가능하게 설치된 회전부와;
   상기 회전부에 고정된 2축 짐벌과;
   상기 2축 짐벌에 회전 가능하게 설치된 플라이휠과;
   상기 플라이휠과 회전부를 회전 구동하는 구동부와;
   상기 구동부의 작동을 제어하는 제어부;
   를 포함하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 2축 짐벌은 회전부에 고정된 복수의 고정레그와;
   상기 고정레그들에 고정된 고정링과;
   상기 고정링의 내부에 축으로 회동 가능하게 설치된 회동링;을 포함하고,
   상기 회동링의 내부에 상기 플라이휠이 회전축을 매개로 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 구동부는 회동링에 설치되는 제1모터를 포함하고,
   상기 제1모터는 상기 회전축을 매개로 플라이휠을 회전시키는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동부는 고정부에 설치된 제2모터를 포함하고,
   상기 제2모터는 출력축에 구비된 구동기어가 고정부에 설치된 중간기어에 치합되고, 중간기어는 회전부의 외주면에 형성된 기어치에 치합되어 회전부의 요각을 제어할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
5. 청구항 4에 있어서,
   부유식 해상 풍력발전기의 파랑에 의한 동요 방향을 감지하는 모션감지부를 더 포함하고,
   상기 제어부는 모션감지부에서 감지된 풍력발전기의 동요 방향과 상기 플라이휠의 세차운동 중심축 방향이 일치하도록 제2모터를 구동하여 상기 회전부를 회전시키는 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 모션감지부는 상기 고정부에 설치된 모션센서인 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 모션감지부는 풍력발전기의 부유체 근방 수면에 배치되어 파향과 파고를 측정하는 파랑 측정 부이인 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 모션감지부는 상기 플라이휠 세차운동의 진폭을 측정하는 진폭측정센서인 것을 특징으로 하는 부유식 해상 풍력발전기의 관성 안정기.