KR20030071855A - 풍력 발전 단지를 위한 방위각 유도 기술 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파일론과 상기 파일론 상에 설치된 회전자를 구비하고 최소한 한개의 개별 조정 가능한 회전자 날개를 가진 풍력 발전 설비에 관한 것으로, 풍향을 검출하는 장치와 방위각 위치를 검출하는 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 본 명세서의 서두부에 개시된 종류의 풍력 발전 설비를 개발하여 방위각 구동 장치의 수명을 연장하고, 좀 더 잘 취급될 수 있는 소형 방위각 구동 장치를 사용하는 것을 가능하게 하는데 있다.
파일론과 상기 파일론 상에 설치된 회전자를 구비한 풍력 발전 설비는 최소한 한개의 개별 조정 가능한 회전자 날개를 구비하고, 풍향을 검출하는 장치와 방위각 위치를 검출하는 장치를 구비하고, 확인된 풍향과 검출된 방위각 위치 사이의 편차에 따라 회전자 날개를 제어함을 특징으로 한다.

Description

풍력 발전 단지를 위한 방위각 유도 기술{AZIMUTH GUIDANCE FOR A WIND ENERGY PLANT}
전술한 풍력 발전 설비는 일반적으로 바람의 방향을 추적하는 구동 장치를 지니고 있다. 풍력 발전 설비가 바람맞이형 회전자부의 형태인 경우에는 회전자 날개가 바람의 방향으로 향하도록 상기 구동 장치는 기계 하우징을 회전시킨다.
풍향을 추적하는 상기 구동 장치는 파일론의 꼭대기와 기계 하우징 사이에 보통 관련 방위각 베어링으로 처리된 방위각 구동 장치이다. 풍향을 추적하는 기계 하우징에 관련된 과정에 있어서, 작동 중인 풍향 측정 시스템은 특정 시간, 예를 들어 10초 동안, 풍향에 관한 평균치를 제공한다. 상기 평균치는 항상 기계 하우징의 방위각 위치의 순시 값과 비교된다.
주어진 값에 대해 편차가 발생하면, 전력 손실을 피하기 위해 풍향에 대해 회전자의 편차, 즉 침로 이탈 각도(yaw angle)를 가능한 작도록, 상기 기계 하우징은 풍향의 변화를 추적하여 조정된다.
풍력 발전 설비에 있어서 풍향 추적 과정은 1996년 출간된 에릭 하우(Erich Hau)의 풍력 발전(Winkraftanlagen) 제2판 제268쪽 내지 제316쪽에 상술되어 있다. 또한, 상기 풍향 추적 방법은 독일특허 공보 DE 199 20 504호에 개시되어 있다.
그런데, 전술한 종래 기술의 문제점은 전기 모터 형태로 흔히 구현되는 상기 방위각 구동 장치는 매번 풍향 추적 동작 때마다 작동되어야 한다는 점이다. 빈번한 작동은 많은 부하를 발생시키고, 그 결과 비교적 기계를 빨리 노화시키고 마모 손상의 정도를 배가시킨다.
더욱이, 종래 기술의 또 다른 문제점은 발전 설비의 크기가 증대됨에 따라서 운동을 조정하는데 필요한 구동 장치는 더욱 증대하게 된다는 점이다. 그런데, 고장이 발생하거나 교환이 필요한 경우에, 이와 같이 크기가 커다란 구동 장치를 사용하게 되면 기계 하우징 안으로 장착하거나 기계 하우징 밖으로 끄집어 낼 때에 대형 크레인 등을 이용하여 시공하여야 하므로 불편한 점이 발생한다.
130 m 또는 그 이상의 허브 높이를 염두에 두는 경우, 지상에 설치되는 설비는 이미 상당한 수준의 부담이 되며; 더욱이 만약 풍력 발전 설비가 해상에 세워질 경우 그 부담은 이미 수용할 수 있는 한계를 넘어 상승하게 된다. 그러한 구동 장치의 소요 공간 또한 증가한다는 점이 이해되어야 한다.
본 발명은 파일론(pylon)과 상기 파일론 상에 설치된 회전자(rotor)를 구성하고 개별적으로 조정될 수 있는 적어도 하나의 회전자 날개(rotor blade)를 구비한 풍력 발전 설비에 관한 것으로서, 특히 바람의 방향을 감지하는 장치와 방위각 위치를 감지하는 장치를 구비한 것에 관한 것이다.
도1은 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 기계 하우징을 평면도를 나타낸 도면.
도2는 수상 플랫포옴에 설치된 풍력 발전 설비를 나타낸 도면.
도3은 본 발명에 따른 제어를 나타낸 개략도.
도4는 4개의 구동 장치를 구비한 방위각 베어링으로의 사시도.
도5는 방위각 구동 모터의 회로도.
따라서, 본 발명의 목적은 본 명세서의 서두에 명시되어 있듯이 방위각 구동 장치의 수명을 보전하고, 더욱더 잘 취급될 수 있으면서도 소형인 방위각 구동 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면 본 명세서의 서두부에 기술되어 있는 풍력 발전 설비에서와 같이, 풍향(wind direction)과 방위각 위치(azimuthal position) 사이에 편차 (deviation)에 따라 회전자 날개(rotor blade) 조정을 제어함으로써 본 발명의 목적이 달성된다.
본 발명에 따른 풍향 추적 과정을 위해 요구되는 힘은 회전자 날개의 입사각을 적절히 조절함으로써 생성되기 때문에, 풍향 추적 동작의 상당 부분이 방위각 구동 장치를 작동시키지 아니하고도 이루어질 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 모터 구동과 함께 또는 대체 수단으로서 모터 구동 장치에 의한 보통의 방위각 조정 이외에, 풍향과 방위각 위치 사이의 편차에 따라 회전자 날개 조절을 제어함으로써 방위각 위치 조절을 구현할 수 있다.
어떤 경우 하에서는, 상기 내용은 오직 약간의 방위각 변화만이 구동되어져야 할 때에 특히 유용하다. 예를 들어 상기 모터 방위각 구동 장치가 두개 또는 그 이상의 비동기 모터로 구성되는 경우, 방위각 조절을 위해서 이 모터들은 해당 삼상 전류를 공급받을 수 있으나, 기계 하우징의 지연은 비동기 모터의 직류 전류 공급에 의해 발생되며, 상기 비동기 모터는 기계적 브레이크가 절대적으로 필요하지 않기 때문에 정지 상태 동안에 직류 전류 공급을 받게 된다.
만일 기계 하우징의 변위, 즉 방위각 조절이 회전자 날개 조절에 의해 실행되려면 모터 브레이크 동작이 중단되어야 하며, 이는 직류 전류가 매우 작은 값으로 감소되거나 또는 영(zero)으로 떨어져야만 실행된다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 운반 설비 (carrier)가 부상 플랫포옴(floating platform) 또는 수상 플랫포옴인 경우에는, 풍향과 방위각 위치 사이의 편차(deviation)는 수평 방향과 플랫포옴 사이의 편차 또는 풍력 발전 설비의 파일론과 수직 방향 사이의 편차에 의해 확인된다.
이와 같이 해서, 풍향과 방위각 위치 사이에 차이로 인해 필연적으로 발생되는 경사를 검출하는 것이 가능하다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 풍력 발전 설비는 평탄 베어링(plain bearing)의 형태를 지닌 방위각 베어링을 구비하고 있어, 선정된 미끄럼 특정에 의해 한편으로는 풍향이 급속히 변하는 경우 파일론 헤드의 충돌(knocking) 또는 펄럭거림(flapping)을 방지할 수 있고, 또 다른 한편으로는 충분히 큰 힘으로 모터 구동 장치 없이 풍향 추적을 가능하게 한다.
더욱이, 본 발명은 풍력 발전 설비의 회전자 날개의 입사 각도를 제어하는 방법을 제공한다. 본 발명은 풍향의 변화를 다음 열거하는 방법으로 확인한다.
- 풍향과 방위각 위치 사이의 차이 및/또는
- 플랫포옴이 수평 방향과 사이에 나타나는 편향 및/또는
- 파일론이 수평 방향과 사이에 나타나는 편향
풍향 변화의 크기와 이에 따른 기간은 선정된 임계값과 비교된다. 이와 같이 해서 풍향 추적이 구현되는 것이 필요한지가 인식된다. 본 발명에 따른 양호한 실시예들이 부속되는 청구항에 기술된다.
이하에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상술하기로 한다.
도1은 본 발명에 따라 기계 하우징(10)과 회전자 날개(rotor blade; 11, 12)를 구비한 풍력 발전 설비를 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
기계 하우징(machine housing; 10)의 회전 중심은 점(20)으로 표기되어 있으며, 수평축 회전자의 메인축(main axis)은 중앙선(14)으로 나타나 있다. 회전자의 메인축(14)과 도면에서 경사 화살 모양으로 나타낸 방향으로 부는 바람의 방향 사이에 편향이 생기면, 풍향 변화의 크기와 그 기간이 임계치에 도달하였는지 아닌지를 확인한다.
만일 임계치에 도달한 경우, 도면의 좌측에 나타낸 회전자 날개(11)의 입사각은 공기 저항이 감소되는 방식으로 변동된다. 그 결과, 두 회전자 날개(11, 12) 사이에 힘의 불균형이 발생하게 되고, 오른쪽 회전자 날개(12)에 힘이 더 크므로 힘 F는 회전 중심(20)에 나타낸 방향으로 토크를 발생시켜 기계 하우징(10)에 작용하게 된다.
이와 같이 해서, 방위각 구동 장치를 켤 필요없이 풍향을 추적해서 회전자 날개를 조절하는 것이 가능하게 된다. 회전자의 메인축(14)과 풍향 사이의 각도가 선정된 임계값을 초과하게 되면, 존재하는 방위각 구동 장치는 회전 운동을 돕기 위하여 켜지게 되고 비대칭적 부하를 경감시키는 방향으로 작동을 시작한다.
바람이 완전히 잔잔해져서 바람이 없는 기간 이후에 전술한 방법으로 추적 조절을 제외하는 다른 방향으로부터 부는 경우에 방위각 구동 장치는 필요하다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 도1에 도시한 상황에서, 좌측 회전자 날개(11)의 공기 저항을 줄이는 대신에 우측 회전자 날개(12)의 공기 저항을 증가시키는 것이 가능하다. 우측 회전자 날개(12)의 공기 저항을 증가시키는 것은 우측 회전자 날개(12)에 더 많은 부하를 인가하게 되며, 그 결과 수명 기간을 치명적으로 단축시키게 된다.
이와 같은 이유에서, 좌측 회전자 날개(11)의 공기 저항의 감소와 이에 따른 회전자 날개(11)에로의 부하 경감이 매우 바람직하다.
도2는 해상에 떠있는 플랫포옴(30) 상의 풍력 발전 설비를 나타내고 있으며, 적어도 두개의 정박용 체인(32)에 의해 선정된 위치에 고정되어 있다. 이 경우 플랫포옴(30)은 수면(2)의 아래에 놓이게 되고, 풍력 발전 설비의 파일론(8)은 수면 위로 돌출되어 기계 하우징(10)과 회전자 날개(12)를 지탱한다.
만일 바람이 도면에 도시한 발전 설비에 전면으로 정확히 불어닥친다면, 도2에 도시한 방향으로 풍력 발전 설비를 뒷쪽으로 편향시키는 모멘트만을 발생시키게된다.
그런데, 바람의 방향이 기울어져서 전면 방향 성분에 부가하여 측면 방향 성분이 더해지는 경우, 상기 측면 성분은 후면으로의 편향에 부가하여 측면 편향이 더해진다.
이는 한편으로는 수평 방향에 대해 플랫포옴(30)의 표면이 경사지도록 하거나, 선정된 양만큼 수직 방향에 대해 풍력 발전 설비의 파일론(8)이 경사지도록 되고, 이는 도면 상에 풍력 발전 설비의 파일론(8)에 각도 α로 표시되거나 플랫포옴 (30)의 표면에 각도 α로 표시되어 있다.
플랫포옴의 표면에서의 편향이 여전히 비교적 미세하지만, 파일론(8)의 꼭대기에서 수직 방향으로부터의 편향은 검출될 수 있는 크기가 이미 되어서, 그 결과 파일론(8)의 꼭대기에서의 검출은 풍향 변화의 검출과 이로 인한 편향을 검출을 위한 매우 민감한 장치의 실시예로서 제공한다.
편향을 검출함에 있어서 측면 방향의 바람 성분에 기인한 편향은 본 발명에 따른 제어 동작을 위해 관련된다.
도3은 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 제어를 나타낸 일 실시예를 나타낸 도면이다. 장치(40)는 풍향을 검출한다. 상기 장치(40)는 예를 들어 단순한 풍신기(weather vane)일 수 있으며, 풍력 발전 설비 상에 증분 전송기(incremental sender)와 함께 제공될 수 있다.
또 하나의 장치(42)는 방위각 위치를 확인한다. 상기 두 장치(40, 42)는 측정치 또는 데이터를 제어장치(44)로 보내서 풍향 검출 장치(40)와 방위각 검출 장치(42)로부터 보내온 두 가지 값을 평가하여, 필요하다면 선정된 특이값에 기초하여 조정장치(46)를 통해 회전자 날개의 입사각을 적절히 조정하게 된다.
이와 같은 관점에서, 풍향과 방위각 위치 사이에 차이의 크기에 대해 예를 들어 세개의 임계치를 미리 정할 수 있다. 만일 두개의 값 사이의 편차가 상기 세개의 임계치 가운데 제1 임계치에 도달하면, 회전자 날개(12)의 입사각은 예를 들어 피치 모터(도시하지 않음)와 같은 조정 장치(46)에 의해 제어 라인(48)을 경유하여, 회전자의 원호상의 주어진 구간에서 조절되며, 이 때에 공기 저항이 경감되어 회전자를 담고 있는 기계 하우징(10)은 풍향과 방위각 위치가 선정된 허용 한도 내로 다시 일치할 때까지 풍향과 추적 관계로 조절된다.
제어 장치(14)는 최적의 에너지 출력을 위해 필요한 회전자 날개(11, 12)의 셋팅을 제공한다. 만일, 풍향과 방위각 위치 사이의 편차가 제2 임계치인 것으로 판단되는 경우, 제어 장치(44)는 예를 들어 별개의 제어 라인(49)을 경유하여 방위각 구동 장치(22)를 스위치 온 시켜서, 그 결과 풍향 추적을 돕게 된다.
제3 임계치로 판명된 경우에는 풍향 추적 작동이 회전자 날개의 입사각에 있어서의 변화에 의해 더이상 불가능하게 되고 방위각 구동 장치(22)는 반드시 필요하게 된다.
도4는 모터 방위각 구동 장치에 의한 능동 풍향 추적 장치를 나타낸 도면이다. 상기 모터 구동 장치는 풍력 발전 설비의 기계 머리부를 회전시켜서 풍력 발전 설비의 회전자가 최적으로 풍향에 정렬되도록 한다. 이와 같은 풍향 추적 동작을 위한 능동 구동 장치는 해당 방위각 베어링(52)을 구비한 방위각 구동 장치(51)일 수 있다.
상기 방위각 베어링은 파일론 머리부(pylon head)와 기계 하우징 사이에 설치될 수 있다. 하나의 방위각 구동 장치가 소형 풍력 발전 설비에는 충분하며, 좀 더 큰 풍력 발전 설비에는 예를 들어 도4에 도시된 4개의 방위각 구동 장치와 같이 복수 개의 방위각 구동 장치가 구비될 수 있다.
상기 네개의 구동 장치(51)는 파일론 머리부의 둘레를 따라 균일하게(비균일한 분포도 가능함) 분포시킬 수 있다. 도시된 방위각 구동 장치는 비동기식 구동 기계에 사용되는 삼상전류 비동기식 모터일 수 있다.
조정을 위한 목적에서, 즉 능동 방위각 조절을 위해서 상기 삼상전류 비동기식 모터들에는 해당 삼상전류가 공급되고, 해당 토크가 발생된다. 기계 하우징 조절 과정이 끝나면(원하는 방위각 위치를 가정한 후) 네개의 삼상전류 비동기식 모터(ASM)는 스위치 오프되고 따라서 더이상 토크를 발생시키지 않는다.
균일하게 모터의 속력을 늦추고 또한 그 이후 브레이크 토크를 발생시키기 위해서, 모터들에는 삼상전류 네트워크로부터 분리된 후 가능한 즉시 이어서 직류 전류가 공급된다.
상기 직류 전류는 모터에 정자계를 발생시켜서 즉시 브레이크 토크를 발생시킨다. 상기 직류 전류 공급은 정지기간 동안 전체에 걸쳐서 계속되며 크기에 있어서 제한될 수 있다. 조정 동작 이후 ASM 구동 장치에는 단속 장치에 의해 단속 직류 전류(regulated direct current)로 공급된다(도5 참조).
비대칭적 바람의 돌풍에 의한 파일론 머리부의 느린 회전 운동은 낮은 직류전류(최소 전류의 약 10%)에 의해 댐핑(damp)되지만 수용된다. 더 빠른 회전 운동은 적응되는 높은 직류 전류에 의해 피해지고 그 결과 더 높은 브레이크 토크가 얻어진다. 매우 빠른 회전 운동 시에 직류 전류는 모터의 정상 전류 값으로 상승된다.
전술한 비동기식 모터는 정지 상태에서 직류 전류로 토크를 전혀 발생시키지 않는다. 그러나, 정상 회전 속도의 약 6%까지 회전 속도가 올라가면, 토크는 회전 양 방향으로 선형적으로, 대칭적으로 증가한다. 전류 변환기(current transformer)에 의해 방위각 구동 장치의 개별 모터가 결합되는 것이 적절하다.
비동기식 모터의 간단한 반대 결합이 그 점에서 개별 구동 장치를 안정화시킨다. 따라서, 만일 상기 비동기식 모터에 삼상전류의 능동 공급에 의해 방위각 조정이 실행되지 않는다면, 비동기식 방위각 구동 장치의 직류 전류는 영 전류로 설정되거나 또는 낮게 설정되어 방위각의 조정이 회전자 날개 각도 조절에 의해 실행된다.
예를 들어, 낮은 브레이크 반대 방향 모멘트를 유지하기 위해서, 비동기식 모터의 직류 전류를 정상 전류의 1% 내지 10% 사이의 값으로 제한해서, 베어링의 브레이크 동작에 모터 브레이크 모멘트가 제공될 수 있으며, 상기 브레이크 모멘트는 방위각 변화가 원하는 방식으로 과도한 편향 없이 이루어지도록 한다.
본 발명은 파일론과 상기 파일론 상에 설치된 회전자를 구비하고 최소한 한개의 개별 조정 가능한 회전자 날개를 가진 풍력 발전 설비에 관한 것으로, 풍향을검출하는 장치와 방위각 위치를 검출하는 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 목적은 본 명세서의 서두부에 개시된 종류의 풍력 발전 설비를 개발하여 방위각 구동 장치의 수명을 연장하고, 좀 더 잘 취급될 수 있는 소형 방위각 구동 장치를 사용하는 것을 가능하게 하는데 있다.
파일론과 상기 파일론 상에 설치된 회전자를 구비한 풍력 발전 설비는 최소한 한개의 개별 조정 가능한 회전자 날개를 구비하고, 풍향을 검출하는 장치와 방위각 위치를 검출하는 장치를 구비하고, 확인된 풍향과 검출된 방위각 위치 사이의 편차에 따라 회전자 날개를 제어함을 특징으로 한다.

Claims (13)

  1. 파일론과 상기 파일론 위에 설치된 회전자를 구비하는 풍력 발전 설비에 있어서, 불어오는 바람의 풍향을 검출하는 장치와 방위각 위치를 검출하는 장치를 구비하고, 확인된 풍향과 검출된 방위각 위치 사이의 편차에 의존해서 상기 회전자 날개 조정을 제어하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  2. 제1항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비의 운반자로서 수면 위 또는 수면 아래에 떠 있는 플랫포옴(30)에 설치됨을 특징으로 하는 풍력 발전 설비(8, 10, 12).
  3. 제2항에 있어서, 상기 플랫포옴(30)의 편향을 수평으로부터 검출하는 장치에 의해 특징되는 풍력 발전 설비.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비(8, 10, 12)의 파일론(8)의 편향을 수직으로부터 검출하는 장치로 특징되는 풍력 발전 설비.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 평면 베어링의 형태인 방위각 베어링으로 특징되는 풍력 발전 설비.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 방위각 회전 모멘트를 브레이크하는 브레이크 장치에 의해 특징되는 풍력 발전 설비.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 발전 설비의 방위각 위치 조절을 위하여 최소한 두개 바람직하게는 네개의 비동기식 모터를 구비하여, 회전자 날개 조절의 제어에 의한 방위각 조절 동안에 상기 비동기식 모터들은 직류 전류 없이 또는 매우 낮은 직류 전류에 의해 능동화되거나, 방위각 조절 운동으로 도울 삼상전류에 의해 능동화되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 특징되는 풍력 발전 설비의 회전자 날개의 입사 각도를 제어하는 방법에 있어서, 풍향의 변화는 풍향과 방위각 위치 사이의 차이에 의해 확인되고, 및/또는 플랫포옴(30)의 편향은 수평에 대해 확인되고, 및/또는 파일론(8)의 편향은 수직에 대해 확인되고 풍향의 변화의 크기와 그 기간이 선정된 임계치와 비교되는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서, 풍향 변화의 크기에 있어서, 제1 임계치와 선정된 기간이 초과되는 경우, 회전자 날개 원의 선정된 영역 내에 최소한 하나의 회전자 날개가 조절됨을 특징으로 하는 제어 방법.
  10. 제8항에 있어서, 풍향의 변화의 크기에 있어서 제2 임계치가 초과되면 회전자 날개 원의 선정된 영역 내에 최소한 하나의 회전자 날개가 조절되고, 방위각 구동 장치가 스위치 온 됨을 특징으로 하는 제어 방법.
  11. 제8항에 있어서, 풍향의 변화의 크기에 있어서 제3 임계치가 초과되면 추적 조정이 상기 방위각 구동 장치에 의해서만 이루어짐을 특징으로 하는 제어 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 날개 조정에 의해 방위각 조정을 돕기 위해서, 상기 방위각 구동 장치는 해당 전류를 공급받아 방위각 조정이 보다 빨리 이루어짐을 특징으로 하는 제어 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 방위각 구동 장치는 브레이크 모드에서 회전자 날개 조정에 의해 방위각 조정 동안 작동되고, 예를 들어 방위각 구동이 비동기식 모터의 형태로 나타나고 회전자 날개 조정에 의한 방위각 조절 동안 직류 전류, 예를 들어 정상 전류의 약 10% 이내의 직류 전류를 공급받는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
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