KR20030045197A - 풍력 발전 설비 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매우 높은 풍속들 속에서 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 풍속들 내에 풍력 발전 설비의 회전자 날개(rotor blade)가 제1 선정 셋팅으로 놓이는 제1 풍속이 선정되어 있는 것에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 풍력 발전 설비를 제어하는 방법과 상기 방법을 수행하는 설비를 제공하는데 있으며, 극도의 바람으로 인하여 발생되는 풍력 발전 설비 상의 기계적 부하를 가능한 많이 경감시키기 위한 기술을 제공한다.

본 발명에 따른 풍력 발전 설비를 제어하는 방법은 기계 하우징과 최소한 한개 이상의 회전자 날개를 지닌 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 있어서, 상기 풍력 발전 설비의 회전자 날개는, 풍속이 20 ㎧ 이상 인 선정된 제1 속도(셧다운 속도, 제한 속도)에 도달하면 선정된 제1 위치에 놓이고, 풍속이 상기 제1 속도보다 현저히 큰 선정된 제2 속도에 도달하면 상기 기계 하우징(12)이 선정된 방위각 위치에 놓이게 되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법을 개시하고 있다.

Description

풍력 발전 설비 제어 방법{AZIMUTHAL CONTROL OF A WIND-ENERGY TURBINE DURING A STORM}

본 발명은 풍력 발전 설비에 관한 것으로서, 특히 방위각 구동과 최소한 하나의 개별적으로 조정 가능한 회전자 날개를 가진 회전자를 구비한 풍력 발전 설비의 제어 방법에 관한 것이다.

주요 청구범위의 항목에 기술된 풍력 발전 설비를 제어하는 방법과 청구범위 제10항의 항목에 기술된 풍력 발전 설비는 예를 들어 독일 특허 제195 32 409호로부터 알려져 있다.

높은 풍속에서의 풍력 발전 설비 제어 방법은 에릭 하우(Erich Hau)의 저서 "풍력 발전 설비(Windkraftanlagen)", 1996년 스프링거 베어락 제2판, 제89페이지 내지 제235페이지에 상술되어 있다.

전술한 알려진 기술은 매우 높은 풍속에서 풍력 발전 설비가 과부하에 걸리는 것을 방지하는 방법을 상술하고 있다. 그러한 점에서, 특히 설비 및/또는 개별부품에 손상이 입혀지는 것을 피하기 위하여 특히 기계적 부하가 고려된다.

기술되는 표준 방법은 보통 회전자 날개를 소위 깃털 위치(feathered position)에 두는 것이다. 그러나, 그와 같은 목적에서의 필요 조건은 회전자 날개의 공격 각도를 변화시키는 것, 즉 피치의 조정의 가능성이 있다.

만일, 그러한 가능성이 존재하지 않는다면, 풍력 발전 설비 상에 부하의 경감을 구현하기 위해서 회전자 날개에 유속 붕괴 혹은 실속(stall) 상태가 발생하게 된다.

그러나, 전술한 종래 기술의 단점은 선정된 제1 풍속 이상으로 계속 증가하는 풍속에 대해서 아무러한 대책이 없으며, 그 결과 설비의 완전 붕괴를 방지하고 피할 수 없는 첨예한 위험에 직면하는 것을 방지하기 위하여 설비의 크기가 적절히 설계되었다고 믿을 수 있는 것만이 가능하다.

본 발명은 매우 높은 풍속들 속에서 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 관한 것으로, 상기 풍속들 내에 풍력 발전 설비의 회전자 날개(rotor blade)가 제1 선정 셋팅으로 놓이는 제1 풍속이 선정되어 있는 것에 관한 것이다.

본 발명의 양호한 실시예는 첨부도면을 참조하여 상세히 이하에서 기술된다.

도1은 정상 동작의 풍력 발전 설비를 나타낸 도면.

도2는 제1 풍속에 도달한 후 본 발명에 따른 방법으로 조정되는 풍력 발전 설비를 나타낸 도면.

도3은 제2 선정된 풍속에 도달한 후 본 발명에 따른 방법에 의해 조정된 풍력 발전 설비를 나타낸 도면.

도1은 바람맞이 회전자 - 즉, 바람을 향하는 파일론(10)의 측면에 회전자가 있는 형태의 풍력 발전 설비를 나타낸 도면.

따라서, 본 발명의 목적은 풍력 발전 설비를 제어하는 방법과 상기 방법을 수행하는 풍력 발전 설비를 제공하는데 있으며, 매우 극한 풍속 상황에서 풍력 발전 설비 상의 기계적 부하를 가능한 많이 줄일 수 있는 위치에 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 풍력 발전 설비를 제어하기 위한 본 명세서의 서두에서 기술되어 있는 종류의 방법은 선정된 제2 속도에 도달하자마자 기계 하우징이 선정된 방위각 위치로 놓이게 되도록 함을 특징으로 한다.

이와 같이 함으로써, 회전자 날개를 적절히 조정함으로써 풍력 발전 설비를보호하고, 바람 저항이 특별히 적은 위치로 회전자를 조절함으로써 문제가 해결될 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 바람으로부터 떨어져 있는 풍력 발전 설비의 파일론(pylon)의 측면 위에 놓이도록 방위각 위치의 조정으로 회전자는 바람불어 가는 쪽으로 회전된다.

본 발명의 특별한 실시예로서, 기계 하우징의 방위각 위치 조정 및 바람 부는 방향으로의 회전자 편향 이외에, 조정 가능한 회전자 날개의 착수 각도가 바람에 대해 최소 수준의 저항을 갖도록 조절될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 전체 풍력 발전 설비 상의 부하가 현저히 경감될 수 있다. 이와 같은 목적에서, 회전자 날개들은 순차적으로 깃털 위치로 움직일 수 있다.

본 발명에 따른 제어 방법의 양호한 실시예로서, 하나 또는 그 이상의 회전자 날개들에 있어서의 부하가 검출될 수 있도록 할 수 있다. 예를 들어, 그와 같은 검출은 회전자 날개에서의 풍속을 확인함으로써, 회전자 날개의 변형을 확인하거나, 또는 다른 적절한 방법으로써 이루어질 수 있다(회전자 날개 또는 회전자 허브에서 인장력 또는 수축력의 측정).

본 발명의 양호한 실시예로서, 특별히 기계 하우징으로부터 파일론 안으로 이르는 또는 반대 방향의 케이블 꼬임은 기계 하우징의 방위각 위치를 조정하기 위한 운동 방향을 설정할 때에 고려되어야 한다. 이와 같이 해서, 피할 수 있는 손상을 피할 수 있다.

대략 20 ㎧의 크기를 갖는 선정된 제1 속도는 보통 셧다운 속도 또는 제한속도라 불린다. 상기 속도 또는 그 근처의 속도 값에서, 예를 들어 25 ㎧에서 대부분의 풍력 발전 설비는 셧다운(shut down), 즉 모든 회전자가 멈추고 더 이상의 전력 생산이 중단된다.

특히, 본 발명에 따른 방법의 양호한 실시예로서 방위각 브레이크 및/또는 회전자 브레이크는 설비에 대하여 맞선 바람이 자동적으로 바람 부는 방향으로의 회전자를 최저의 풍력 저항의 위치로 조절하게 되며, 동시에 회전자 날개에의 힘은 회전자의 가능한 회전에 의해 줄어들 수 있어 그 결과 본 발명에 따른 방법은 풍력 발전 설비가 가능한 바람의 힘을 피할 수 있도록 조정된다. 본 발명에 따른 양호한 실시예는 첨부 특허청구범위에 의해 특징된다.

파일론(10)의 선단에는 기계 하우징(12)이 발전기(도시하지 않음)와 회전자날개(14)와 함께 설치되어 있다.

이 도면에서 예로서 나타낸 풍력 발전 설비는 정상 동작에 있으며, 회전자 날개(14)는 전기에너지로 변환하기 위하여 화살표(20)로 나타낸 바람으로부터 최대 전력을 얻도록 조정되어 있다.

도2는 파일론(10)을 구비한 풍력 발전 설비를 도시하고 있으며, 선단에는 기게 하우징(12)이 있다. 이 도면은 회전자 날개(14)의 가능한 설정을 보여주고 있으며, 예를 들어서 20 ㎧와 같은 선정된 제1 풍속에 도달하거나 초과된 경우에 본 발명에 따른 제어에 의한 설정을 나타낸다.

그리고 나면, 회전자 날개(14)는 소위 깃털 위치로 회전되어 최소 수준의 풍력 저항을 포함하도록 위치하게 된다. 이와 같이 해서, 설비에 맞닥뜨려 불어오는 바람(20)이 회전자 날개(14)에 의해 풍력 발전 설비(8, 10, 12, 14)에 작용하는 부하가 현저하게 줄어들 수 있다.

또한, 이 위치에서 자연적으로 해당 상승력이 발생하지 않도록 회전자 날개 (14)에 맞서 유속이 견디지 않는다. 따라서, 어느 회전자 날개도 회전하지 않는다.

회전자 날개의 착수 각도의 변화가 가능하지 않은 풍력 발전 설비의 경우에는 본 발명에 따른 방법에 따른 제어의 부위에 반응이 예를 들어 회전자 날개의 한 부분일 수 있으며, 바람직하게는 회전자 날개에서의 유속이 중단되어 회전이 멈추도록 회전자 허브(도시하지 않음)로부터 가능한 멀리 떨어져 있는 외부가 조정된다.

그러나, 이 경우 회전자 날개(14), 기계 하우징(12) 및 파일론(10)에 작용하는 힘은 항상 비교적 크고, 특히 방위각 조절 배열은 상당한 부하를 견딜 수 있어야 한다.

손상을 피하기 위하여 본 발명에 따른 제어 방법은 예를 들어 30 ㎧ 내지 50㎧ 이상의 선정된 제2 속도를 도달하면, 회전자가 바람 부는 방향을 향하도록, 즉 바람으로부터 멀어지는 파일론(10)의 측면을 향하도록 기계 하우징(12)의 방위각 위치를 조정한다. 이것이 도3에 도시되어 있다.

기준이 질풍 또는 허리케인에 맞추도록 선정된 제2 풍속이 결정될 수 있다. 이와 같은 풍속에서는 방위각 브레이크와 회전자 브레이크가 설비의 완전한 정지를 위해 제공하기 때문에 풍력 발전 설비 상에 보통 아무 것도 움직이지 않는다.

도3에는 파일론의 선단의 기계 하우징(12)이 바람(20)이 우선 파일론(10)을 지나 회전자 날개(14)를 지닌 회전자에 도달하도록 위치되어 있다. 방위각 브레이크와 회전자 브레이크를 놓음으로써 그 상태에서 바람의 유입 유속으로부터 발생하는 힘과 특히 회전자 날개(14) 상에 작용하는 힘은 바람 방향의 변화에 따라 바람이 기계 하우징(12)을 태우도록 방위각 마운트에 있어 기계 하우징(12)의 자유로운 회전 운동을 초래한다.

도3에서 나타나 있듯이 회전자 날개(14)의 위치는 바람과 관련하여 불변으로 유지되며, 즉 최저 풍력 저항을 제공하는 소위 깃털 위치에서 회전자 날개가 있게 된다.

그러나, 풍력 발전 설비(10, 12, 14)의 기계 하우징(12)은 맞바람 위치에서바람을 등진 위치로 회전하였으므로, 즉 180°의 회전 운동을 했으므로, 회전자 날개(14) 또한 바람에 대해 그들의 위치를 유지하기 위하여 180°회전하게 된다.

따라서, 회전자 날개 마운트와 회전자 날개 구동은 상기 회전 운동을 허용해야 한다. 이런 점에서, 회전자 날개(14)의 위치를 변화시키기 위해 두개의 기초 방법과 중간 변형 방법이 가능하다.

회전자가 맞바람 방향에서 바람을 등진 방향으로 이동하도록 우선 기계 하우징(12)의 방위각 위치를 바꾸고, 이 조정 운동 동안에는 회전자 날개(14)의 위치를 불변하도록 하는 방법이 있다.

그런데, 이 방법은 약 90°의 회전 운동 후에, 전체 표면 면적으로 바람에 대해 회전자 날개(14)가 처분되어, 그 결과 바람에게 작용할 전체 면적을 제공하게 되는 효과가 있다.

여기서, 회전자 브레이크의 릴리스는 두 개의 회전자 중 하나는 회전자의 수평축 위로 다른 하나는 축의 아래로 바람에 의해 작용되어지기 때문에 제한적으로 치유를 제공한다.

바람직한 실시예로서, 방위각 위치 조정 동안에(바람에 대해 방향을 동일하게 유지하면서) 기계 하우징(12)에 대해 회전자 날개(14)의 위치에 있어 지속적인 변화에 의해 바람에 대한 회전자 날개(14)의 위치에 있어서의 지속적인 변화에 의해 바람에 대해 회전자 날개(14)의 위치를 유지하는 것을 포함할 수 있다.

그 결과, 바람 방향(20)에 대해 가로로 기계 하우징(12)의 위치에 있더라도, 회전자 날개(14)는 깃털 위치에 있고 여전히 최저 저항을 제공한다.

전술한 발명은 특별히 바다 위에 있는 풍력 발전 설비를 위하여 적합하다. 바다 해상 위에 설치된 풍력 발전 설비에 관한 것이므로, 설비가 매우 강한 폭풍에 노출되지만, 동시에 설비에 자그마한 손상이 발생한 경우에도 즉시 보수되어질 수 있다.

본 발명에 따르면, 회전자 날개의 깃털 위치로의 조정 또는 기계 하우징이 바람을 등진 방향으로 조절되는 것은 풍력 발전 설비 전체에 걸리는 부하를 최소화하기 때문에 크고 작은 손상을 피할 수 있게 된다.

Claims (14)

1. 기계 하우징과 최소한 한개 이상의 회전자 날개를 지닌 풍력 발전 설비를 제어하는 방법에 있어서, 상기 풍력 발전 설비의 회전자 날개는, 풍속이 20 ㎧ 이상 인 선정된 제1 속도(셧다운 속도, 제한 속도)에 도달하면 선정된 제1 위치에 놓이고, 풍속이 상기 제1 속도보다 현저히 큰 선정된 제2 속도에 도달하면 상기 기계 하우징(12)이 선정된 방위각 위치에 놓이게 되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 기계 하우징이 선정된 방위각 위치로 이동되면 회전자 날개들은 동시에 그들의 위치(깃털 위치)가 주된 바람 방향에 대해 변화하지 않는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 회전자 날개들(14)은 선정된 제2 풍속에 도달하면 선정된 제2 상태로 놓이게 됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 회전자 날개(14)들은 상기 기계 하우징(12)이 선정된 상태에 도달한 후 선정된 제2 상태에 놓여지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 회전자 날개들(14)의 선정된 제2 상태는 상기 기계 하우징(12)을 위한 선정된 조정 작동 도중에 구현됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 날개에 작용하는 부하는 부하 검출 수단에 의해 회전자 날개(14)에서 검출됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계 하우징(12) 내의 케이블의 꼬임이 기계 하우징(12)을 위한 새로운 방위각 위치에로의 운동 방향을 설정하는데 고려됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 특별히 풍향이 급변하는 경우에 있어 평균 풍향이 확인되고 상기 기계 하우징(12)의 운동 방향을 설정하는데 상기 평균 풍향이 고려됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계 하우징(12)의 운동 방향에 영향을 주는 복수 개의 파라미터의 경우에 파라미터의 웨이팅이 고려됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선정된 제2 풍속에 도달하면 상기 기계 하우징은 바람을 등진 방향으로 움직여서 회전자 날개는 깃털 위치를 취하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방위각 브레이크는 상기 제1 풍속 이상의 속도에 다다르면 릴리스 되고, 보다 바람직하게는 상기 제2 풍속에 다다르면 상기 방위각 브레이크가 릴리스 됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 브레이크가 릴리스 됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비 제어 방법.
13. 방위각 구동 장치와 최소한 하나 이상의 개별적으로 조정 가능한 회전자 날개를 구비하고, 풍속을 검출하여 풍속에 따라 회전자 날개(14)의 착수 각도 및/또는 기계 하우징(12)의 방위각 위치를 변경하는 회전자를 포함하는 제1항 내지 제12항에 따른 방법을 수행하는 풍력 발전 설비.
14. 제13항에 있어서, 상기 제어 장치에는 최소한 한 개의 마이크로프로세서가 있는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.