KR20060059900A - 유동 유체로부터 에너지를 추출하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동 유체(5)로부터 에너지를 추출할 수 있는 적어도 하나의 제1 터빈(1)과 적어도 하나의 제2 터빈(2)을 구비하는 터빈 발전 단지에 관한 것이다. 상기 제2 터빈(2)이 제1 터빈(1)의 풍하측에 있는 경우에, 정격 출력 하에서 제1 터빈의 축방향 도입량이 제2 터빈(2)에 대해 저하되어 적어도 제2 터빈의 지점에서 난류를 대부분 감소시킨다.

Description

유동 유체로부터 에너지를 추출하는 방법 및 장치{METHOD AND INSTALLATION FOR EXTRACTING ENERGY FROM A FLOWING FLUID}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 터빈 발전 단지에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이를 위한 방법에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 상기 방법을 구현하기 위한 제어 시스템 및 제어 시스템 프로그램에 관한 것이다.

보다 일반적으로, 본 발명은 유동 유체로부터 에너지를 추출할 수 있는 방법 및/또는 장치에 관한 것이다. 유동 유체라는 용어는 바람과 흐르는 물(해수)을 모두 지칭하는 것으로 사용된다. 장치는 제어 시스템을 갖춘 터빈의 시스템[특히, 풍력 발전 단지(wind farm)]인 것으로 이해된다.

풍력 터빈을 이용하여 바람으로부터 에너지를 추출할 수 있는다는 것은 널리 알려져 있다. 풍력 터빈의 크기와 풍력 터빈의 개수는 모두 최근에 급속하게 증가되어 왔다. 여러 개의 터빈이 소위, 풍력 발전 단지에서 서로 나란히 설치되는 것은 점점 흔한 현상이다. (특히, 유럽에서) 육지에서의 공간 부족 때문에, 터빈이 근해에 설치되는 것은 더욱 흔해지고 있다. 이제는, 수십 대 이상의 터빈으로 이루어진 근해 풍력 발전 단지가 계획되고 있다. 이 점에 관해서는 전문가의 식견이 서로 다르지만, 풍력 에너지는 미래의 주요한 에너지원 중 하나인 것으로 보인다. 이것이 실현되면, 수백 개의 터빈으로 이루어진 많은 발전 단지가 필요할 것이다. 이 타입의 발전 단지는 고가이어서, 발전 단지의 생산량이 높은 것이, 즉 비용을 만족시키는 것이 매우 중요하다.

풍력 터빈은 바람으로부터 운동 에너지를 추출하기 때문에, 풍속은 터빈 후방에서 떨어지게 된다. 이 효과를 흔히 후류 효과(wake effect) 또는 그림자 효과(shadow effect), 그리고 간섭이라는 용어로 칭한다. 터빈이 풍하(風下)측에서 받는 손실을 그림자 손실 또는 후류 손실이라 부른다. 풍력 발전 단지에서의 후류 손실은 발전 단지 효율 도해를 도입함으로써 흔히 고려된다. 이 도해는 후류 손실이 없는 수율과 비교하여 후류 손실이 있는 수율 사이에 소정의 비율을 제공한다. 전형적인 값은 0.70 내지 0.99이다.

사실상 전세계의 모든 부분에서, 특정한 풍향이 훨씬 빈번하게 발생한다. 여기서, 연간 생산량의 대부분이 부분적인 부하 작동으로 경작되는 풍향으로서 규정되는 우세한 풍향을 말한다. 방해받지 않는 풍향이 터빈 또는 발전 단지의 지점에서의 풍향으로서 그 터빈 또는 발전 단지의 영향없이 규정된다. 일시적으로, 풍향은 실질적으로 짧은 시간(수초 내지 수분)에 걸쳐 변한다. 따라서, 풍향이라는 용어는 순간적인 값이 아니라, 예컨대 10 분에 걸쳐 평균값을 칭하도록 사용된다.

현재의 이론에 따르면, 터빈은, 유체가 터빈의 위치에서는 원래 속도의 약 2/3로 감속되고 터빈의 약 1 직경 후방에서는 1/3로 감속되는 경우에 유체로부터 최대량의 에너지를 추출한다. 로터의 위치에서 원래 속도의 1/3로 속도가 감소하는 감소 분율(fractional reduction)은 축방향 도입량으로 언급되고, 이는 문자 a 로 지시된다. 최대 에너지 추출의 경우에, a는 1/3 이다. 축방향 도입량을 1/3 미만으로 선택함으로써, 터빈은 바람을 작은 속도로 감속시키고, 해당 터빈은 바람으로부터 에너지를 덜 추출하는데, 이것은 종래 기술에 따르면 뒤의 터빈에 대해서는 유리한 것일 수 있다.

현재의 풍력 터빈은 축방향 도입량이 약 0.28이 되도록 주로 설계되고 있다. 이 값은 최적의 값보다는 작은데, 그 이유는 에너지 생산의 저하가 비교적 경미하면서도 상기 조처에 의해 상당한 부하 감소가 달성되기 때문이다. 풍력 터빈이 정격 풍속에서 최대 또는 정격 출력에 도달하면, 풍속이 (정격 풍속 이상으로) 증가함에 따라 출력은 증가하지 않는 일부 다른 방법이 제공된다. 제어는 수동적일 수도 있고, 능동적일 수도 있으며, 양자 모두의 경우에 축방향 도입량이 풍속 증가에 따라 감소하는 결과를 갖게 된다. 20 m/s 내지 25 m/s의 풍속에서, 축방향 도입량은 0.1 이하로 떨어질 수 있다.

축방향 도입량에 이어서, 바람에 의해 터빈에 가해지는 로터 샤프트 방향의 힘을 축방향 힘으로서 규정한다. 축방향 힘(F_ax)은 축방향 도입량과 F =4a(1-a)F_norm의 관계를 가지며, 여기서 F_norm은 규격화를 위하여 사용되는 힘이다. 이 힘은 1/2 ρV²A와 동일하며, 여기서 ρ는 유체의 밀도이고, V는 유체의 속도이고, A는 횡단 대상의 로터의 표면적이다. 로터의 표면적과 유체 밀도를 알고 있으면, 축방향 힘과 유체 속도의 측정치로부터 축방향 도입량을 결정할 수 있다.

제1 풍력 터빈이 유체로부터 최대량의 에너지를 추출하는 경우에, 터빈의 약 간의 후방(예컨대 1 직경)에서 풍속이 원래의 속도의 50% 미만으로 감소될 수 있다는 것은 일반적인 것이다. 바람으로부터 얻을 수 있는 출력이 풍속의 제3 출력에 비례하므로, 속도 강하는, 제1 풍력 터빈의 뒤의 상기 위치에 설치될 수 있는 제2 터빈이 풍상측의 제1 터빈에 비교하여 기껏해야 단지 출력의 1/8을 얻을 수 있다는 것을 의미하는 것이다.

실제로는, 그러한 급격한 출력 강하가 거의 일어나지 않는데, 그 이유는 풍력 터빈들이 상당히 멀리 떨어져 있기 때문이다. 터빈들 사이의 거리는 일반적으로 터빈 직경의 3 배 내지 10배이다. 상기 거리에 걸쳐서, 후류 중의 느린 바람은 그 둘레의 빠른 바람과 혼합되고, 그 결과 후속 터빈의 위치에서의 풍속은 원래의 풍속과 비교하여 그다지 많이 강하되지 않는다. 요약하면, 터빈들 사이의 거리를 증가시킴으로써 그림자 효과가 감소한다.

후류 문제는 풍상측에서 서로 순서대로 설치된 2개의 풍력 터빈 사이의 원치 않는 상호 작용으로만 한정되지 않고, 특히 풍력 발전 단지에서 상당한 수준으로 일어나는 것이다. 혼합의 결과로서의 운동 에너지의 손실(이 개념은 후술함)과 함께 풍력 발전 단지에서 풍상측의 풍력 터빈에 의해 추출된 에너지는 발전 단지의 나머지 터빈이 위치되어 있는 대기 경계층에서 불가피한 속도의 강하를 초래한다. 대기 경계층에서 에너지 배출이 있는 것으로 고려되고 있다. 보다 넓은 의미로, 상이한 풍력 발전 단지 사이에 그림자 효과가 있는 것으로 고려될 수 있다. 다른 발전 단지에 대하여 풍하측에 위치되어 있는 전체 발전 단지에서는 상당한 생산 감소가 있을 수 있다. 이미 언급한 출력의 강하 이외에도, 후류에서의 작동은 풍력 터빈에 보다 큰 피로 손상을 또한 초래할 수 있다.

순서대로 배치된 터빈의 수가 보다 많아지게 되면, 후류 손실을 적절한 수준으로 유지하기 위하여 터빈들 사이의 거리를 보다 크게 할 필요가 있다. 이는 큰 표면적이 필요하고, 터빈들 사이의 케이블 길이가 증가하며, 그에 따라 비용이 증가한다는 것을 의미한다. 지상에 설치하는 경우에, 터빈들 사이의 거리를 크게 한다는 것은 보다 긴 도로를 마련해야 한다는 것을 또한 의미하는데, 이는 비용의 현저한 증가를 나타내는 것이다. 풍력 터빈을 서로 멀리 떨어지게 배치하는 것이 그림자 효과를 줄이는 데에는 도움이 되지만, 큰 발전 단지에서 풍하측의 터빈에 의한 생산이 현저하게 감소하는 것을 피할 수 없을 것이다. 결과적으로 발전 단지가 경제성이 없게 될 정도로 생산량 감소가 클 수 있다. 30% 이상의 손실은 문헌에 일반적으로 공지되어 있는 것이다.

종래 기술에서, 풍력 발전 단지는 주로 우세한 풍향에 거의 수직으로 연장되도록 설계되어 있으며, 그 결과 그림자 효과를 줄일 수 있다. 그러나, 실제로는, 풍력 터빈의 배치에는 많은 다른 요인, 즉 풍력 터빈 조작자에게 어떠한 지상 또는 바다 표면적이 할당되는가, 면적의 다른 기능은 무엇인가, 터빈에 의해 어떠한 장애가 야기되는가, 기존의 출력 라인이 연장되는 방식 등의 요인에 의해 또한 제한을 받는다. 결과적으로, 이러한 옵션은 전술한 문제에 대한 제한된 해결책을 제공할 수 있을 뿐이다.

1998년 암스테르담에서 출판된 풍력 공학 및 인더스트리얼 에어로다이내믹스 저널 27호, "풍력 플랜트의 최적 제어"라는 제목의 스테인부치 엠. 보에르 드 더블 유. 더블유. 등에 의해 공저된 출판물에는 최대 에너지량이 추출될 수 있는 속도보다 낮은 블레이드 팁 속도를 갖는 발전 단지의 풍상(風上)측에서의 풍력 터빈의 작동은 총 발전 단지의 생산성을 상승시킬 수 있다. 가상 실험에 의해 확인된 결과에 대해서는 어떠한 물리적인 설명도 제시되지 않았다.

2001년 1월 8일 발표된 코튼 지. 피.(Corten, G.P.)의 논문 '터빈 블레이드에서의 흐름 분리(Flow Separation on Turbine Blades)'(ISBN 90-393-2592-0)에서는, 그 외부에서 고속 공기의 후류에서의 저속 공기를 혼합하는 동안에, 2 개의 매스 스트림(mass stream)의 충격량이 함께 유지되지만, 동역학적 에너지 일부는 열로서 손실된다는 것이 언급되어 있다. 최적의 동작으로 작동되는 단독 풍력 터빈의 경우에는, 혼합 손실이 터빈에 의해 발생되는 전력의 약 50%가 되어, 터빈이 흐름으로부터 추출하는 운동 에너지는 발생된 에너지와 동일하지 않고, 1.5 배이다. 이 출판물에서는, 터빈 발전 단지에서 풍상측에 있는 터빈의 축방향 도입량을 최적값 0.33(즉, a=0.30)보다 10% 낮게 선택하여, 전체 발전 단지의 생산성이 향상되게 하는 것을 제안하고 있다.

상기 문헌에도 불구하고, 후류는 더 양호하게 모델링될 수 있지만, 감소될 수는 없다는 것이 우세한 견해이다. 이것은 예를 들어, 1994년 11월 아르헴에서 출판된 케마-인더스트리엘르 에너지 시스템(Kema-industriele energie systemen)의 허팅 에치(Hutting H.) 저(著)의 'Samenvatting technisch onderzoek SEP-Proefwindcentrale(풍력 발전소 SEP 테스트에 대한 기술적 연구의 요약)'에서 알 수 있는데, 이로부터 다음과 같은 결론이 도출된다 ; '후류 상호작용을 고려함으로 써, 발전 단지 제어 시스템에서 생산성 증가는 이루어지지 않을 것 같다'

이러한 견지에 대한 더욱 최근의 증거는 덴마크 리소 내셔날 래버러토리에서 2002년 5월 23일에 개최된 회의의 의사록으로부터 찾아볼 수 있다. 이 회의에는 일부는 이 주제에 대해 1980년부터 연구해왔던 20명의 전문가가 참석했고, 모든 관심은 후류 손실의 모델링으로 집중되었다. 의사록에 따르면, 효과는 크지만, 그 효과가 어느 정도인지 그리고 그 효과를 결정하는 것이 정확히 무엇인지는 알려져 있지 않다. 모델링을 개선함으로써, 특정 장소에 대형 터빈 발전 단지를 얼마나 많이 만들 것인가를 미리 더 정확하게 평가할 수 있다. 이러한 정보는 물론, 투자자에게 긴밀하게 관련된 것이다. 회의 중에는, 터빈을 다른 방식으로 작동시킴으로써 후류 효과를 감소시키는 선택에 대한 관심은 전혀 없었다.

요약하자면, 현재의 생각은 그림자 효과가 생산성의 하락을 일으키고, 풍력 터빈을 더 이격시켜 배치하면 고비용(케이블 길이가 더 길어지고, 지상에서 진로가 더 길어진다)이 되고 유닛 표면적 당 출력이 더 낮아진다는 것이다. 공간이 부족하기 때문에, 이것은 중요한 난점이다. 주어진 표면적에서 더 적게 생산될 뿐 아니라, 오직 낮은 생산성이 예상된다면, 많은 면적(즉, 위치)이 다른 목적과 경쟁하여 손실되게 될 것이다. 우세한 견해는 비록 문제점이 더 양호하게 모델링될 수 있을지라도, 이러한 점은 해결될 수 없다는 것이다.

종래 기술에서의 추가적인 문제점은, 터빈의 축방향 도입이 증가함에 따라, 후류에서의 난류도 증가한다는 것이다. 다른 터빈의 후류에 있는 터빈은 (예를 들어, 풍속계 측정 또는 블레이드에서의 변동 부하로부터)이러한 점을 기록한다. 난 류가 증가함에 따라, 터빈에 해로운 증가하는 변동 부하가 있게 된다.

본 발명의 한 가지 목적은 난류의 발생을 억제하고, 터빈의 피로 부하 문제를 해결하는 소정의 방식을 제시하는 터빈 발전 단지를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 위해, 제2 터빈이 제1 터빈의 풍하측에 있는 경우, 정격 출력 하에서, 제1 터빈의 축방향 도입량이 제2 터빈에 대해 저하되어, 적어도 제2 터빈의 위치에서 난류를 대부분 감소시키는 것을 특징으로 하는 제1항의 특징부에 따른 터빈 발전 단지를 제공한다.

예상치도 못하게, 본 발명에 의해서 해결 방안이 개선된다. 본 발명에 따르면, 상기 문제점을 제거하려고 노력한다. 만약, 난류가 원하지 않는 부하에서 발생된다면(이것은 블레이드의 변동 부하 또는 풍속 측정계의 기록으로부터 알 수 있다), 난류가 발생하는 터빈은 더 낮은 축방향 도입으로 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 터빈 시스템은 이러한 방식으로 제어되는 것이 유리하다.

터빈 발전 단지에서 하나 이상의 터빈의 축방향 도입량을 0.25 이하 예를 들어, 0.2, 정확하게는 0.15의 값으로 낮추는 것이 제안된다. 축방향 도입량에 대한 이러한 값은 터빈에 의해 횡단되는 표면적에 대한 평균값이다. 수평 샤프트 터빈의 경우에, 그 값들은 로터에 의해 점유되는 40%R 내지 95%R(여기서, R은 로터의 직경이다) 사이의 일부 표면에 대한 평균값이어서, 수평 샤프트 터빈의 중앙에서 그리고 팁에서 평균값으로부터의 실질적인 이탈은 제거될 수 있다. 낮은 값은 터빈이 유체 통과성이 더 양호하게 만드는 것과 비교되어, 터빈 후방에서의 유체의 속도는 더 적은 범위에서 강하하고, 보충적인 측면으로, 이에 따라 풍하측으로의 터빈의 에너지 공급은 증가한다.

수치값으로부터, 치수는 전술한 이론에서 제시된 감소보다 더 진전되었음을 알 수 있다. 게다가, 도입량에서 하락(fall)이 어떻게 달성될 수 있는지가 나타나있다.

현재의 풍력 터빈과 함께 사용될 수 있는 유리한 실시예는 회전 속도의 감소 및/또는 페더링 위치(feathering position)를 향한 블레이드 각의 선회시키는 것이다. 그러한 치수는 또한 블레이드 시위(chord)의 감소와 조합될 수 있다. 본 발명에 따라 시위가 감소될 수 있는 정도를 나타내기 위해, 시위의 특성치를

Nc _r λ _r ² / r 으로 정의한다.

이러한 식에서, N은 블레이드의 개수이며, c_r은 특정 반경 방향 위치 r에서의 시위이며, λ_r은 국지적 높은 속도의 측정값으로서 국지적 블레이드 속도와 방해받지 않는 풍속 간의 비로 정의된다. 바람으로부터 최적의 출력(발전 단지 손실을 고려하지 않음)을 추출하기 위해 터빈(반경 R)의 경우, 0.5R과 0.8R 사이에서의 시위의 특성치는 4.0이하의 임의의 값에 도달하지 않는다. 통상 값은 50m보다 큰 직경의 로터를 갖는 터빈에 대해 4.2와 5.0 사이이다.

보다 작은 터빈의 경우, 시위의 특성치는 더 증가한다. 시위의 특성치가 보다 작도록 터빈을 설계함으로써 여러 가지 이점을 달성할 수 있다. 본 발명에 따른 하나의 실시예에 따르면, 그러한 시위의 특성치는 3.75보다 낮은 값, 예컨대 3.5이하의 값 또는 심지어는 3.0보다 낮은 값에 도달한다.

본 발명에 따른 터빈의 하나의 실시예에 따르면, 0.5R과 0.8R 사이에서 Nc _r /(0.3rR)을 적분하면 0.04보다 작고, 예를 들면 0.036이하 및 심지어는 0.03보다 낮은 값이 된다. 이러한 적분을 수식 형태로 나타내면, 다음과 같다.

그러한 터빈으로 달성되는 이점은 축방향 도입량이 작고, 그 결과 후류 손실(wake loss)을 감소시킨다는 점과, 블레이드의 시위가 비교적 작기 때문에 블레이드에 부하가 덜하다는 점이다. 이러한 후자의 이점은 터빈이 견딜 수 있는 최대 풍속인 생존 풍속(survival wind speed)에서 부하 이점을 생성할 수 있다.

또, 본 발명은, 정격 출력하에서 제2 터빈이 제1 터빈의 풍하(風下)측에 있는 경우 제2 터빈에 비해 제1 터빈의 축방향 도입량을 낮춰, 적어도 제2 터빈의 위치에서의 난류를 대부분 감소시키는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지를 운용하는 방법을 제공한다.

게다가, 본 발명은, 정격 출력하에서 제2 터빈이 제1 터빈의 풍하측에 위치하는 경우, 제2 터빈에 대해 제1 터빈의 축방향 도입량을 저하시켜, 적어도 제2 터빈의 위치에서의 난류를 대부분 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 전술한 바와 같은 터빈 발전 단지를 운용하기 위한 제어 시스템을 제공한다.

본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 터빈 발전 단지를 위한 설계 소프트웨어를 제공하는 것으로서, 그 소프트웨어는 터빈이 안내 기능을 가지며 정격 출력하에서 제2 터빈이 제1 터빈의 풍하측에 위치하는 경우, 제2 터빈에 대해 제1 터빈의 축방향 도입량을 저하시켜, 적어도 제2 터빈의 위치에서의 난류를 대부분 감소시키도록 장치에 안내 요소를 추가할 수 있고, 터빈 발전 단지에서의 그 영향을 계산할 수 있는 것을 특징으로 한다.

게다가, 본 발명은, 정격 출력하에서 제2 터빈이 제1 터빈의 풍하측에 위치하는 경우, 제2 터빈에 대해 제1 터빈의 축방향 도입량을 저하시켜, 적어도 제2 터빈의 위치에서의 난류를 대부분 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 전술한 바와 같은 터빈 발전 단지를 위한 제어 소프트웨어를 제공한다.

마지막으로, 본 발명은 전술한 바와 같은 제어 시스템이 마련된 터빈을 제공한다.

풍향의 함수로서 터빈의 축방향 도입량을 제어하는 제어 시스템을 터빈 발전 단지에 설치함으로써 이점을 달성할 수 있는 데, 대개 보다 큰 발전 단지 손실을 초래하는 터빈(풍상측 터빈)은 축방향 도입값을 낮게 설정하게 된다.

터빈 발전 단지에는 또한 방해받지 않는 바람에서 난류가 커지는 경우 적어도 하나의 터빈의 축방향 도입량을 감소시키는 제어 시스템이 구성될 수 있다. 이와 같은 식으로 달성되는 이점은 터빈이 비교적 상당한 변동 부하를 받고 있는 상황에서 터빈에 의해 난류가 덜 가해져 변동 부하에 상대적 하락이 존재하게 된다는 점이다.

터빈 발전 단지에는 또한 특히 후류측의 다른 터빈과의 거리 및/또는 후류측의 터빈의 개수를 기초로 적어도 하나의 터빈의 축방향 도입량을 설정하는 제어 시스템이 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 하나의 실시예에 따르면, 터빈 발전 단지에는 그 단지의 풍하측에 축방향 도입량이 낮은 터빈을, 우세한 풍향에 기초하여 설치할 수 있다. 따라서 축방향 도입량의 설정은 풍향에 무관할 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 발전 단지는 소정의 폭과 길이를 갖는다. 폭은 유체의 흐름의 우세한 방향에 대해 수직하게 측정되고, 길이는 흐름의 우세한 방향에서 측정된다. 폭은 2개의 터빈 사이에서 형성되는 것이 최대 폭이고, 길이는 터빈 발전 단지에 있어서 2개의 터빈 사이에 형성되는 것이 최대 길이이다. 사이의 거리가 측정되는 이들 터빈은, 터빈의 위치에 있어서 실질적으로 규칙적인 패턴이 존재하는 터빈 발전 단지의 일부분이어야 한다. 그 후, 길이와 폭의 곱으로부터 터빈 발전 단지의 표면적이 구해진다. 터빈 발전 단지에 있어서 터빈이 가로지르는 모든 표면적을 합하면(직경이 100 m인 2개의 수평 축 터빈의 경우, 점유 표면적은 2·π/4·100² ㎡), 터빈 발전 단지가 점유하는 전체 표면적이 얻어진다. 수평 축 터빈이 거리 8D(8개의 직경)로 떨어져 있는 터빈 발전 단지에 있어서, 상기 점유 표면적은 터빈 발전 단지의 표면적의 대략 1.2 %이다. 본 발명을 이용하여 터빈 발전 단지를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 50 개 이상의 터빈을 구비하는 터빈 발전 단지에 있어서, 점유 표면적의 백분율은 3% 이상, 특히 5% 이상, 그리고 심지어 10% 이상까지 상승할 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예는, 추가적인 제어 시스템을 필요로 하는 경우가 아니라, 풍상측의 터빈이 풍하측의 터빈보다 낮은 축방향 도입량으로 설정되는 경우이므로, 전술한 장점의 일부가 이미 달성되어 있다. 이는 특히 매우 우세한 풍향이 존재하는 경우에 양호한 실시예일 수 있다.

본 발명에 따라 작동되는 터빈 발전 단지는 종래 기술에 따른 장치보다 적은 후류 손실을 입는다. 종래의 후류 손실 제한 방식은 에너지 추출 요소(특히, 풍력 터빈) 사이의 거리를 증대시키는 것으로 이루어지므로, 터빈 발전 단지는 보다 고가의 것이 되고 표면적 이용의 효율이 더 낮아진다. 본 발명을 이용하면, 터빈은 보다 컴팩트한 구조로 제조될 수 있는 반면에, 후류 손실은 허용 가능하게 유지된다.

터빈은 수평 축 터빈 및 수직 축 터빈 이외에 래더 터빈(ladder turbine)일 수도 있고, 예컨대 비행 터빈(flying turbine), 병진 터빈(translating turbine), 팁 베인(tip vane) 또는 디퓨저 등의 집중 장치와 협력하는 터빈, 정전형 터빈, 항공기보다 가벼운 터빈, 타워 상의 다중 로터 터빈, 및 터빈 군(群)일 수도 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

확인된 바와 같이, 흐름으로부터 에너지를 추출하는 유익한 장치 및 이와 관련된 유익한 방법은 많은 요인에 의존한다. 이러한 를 설계하는 경우, 다양한 요소를 선택하고 이들 요소를 유익한 위치에 배치하기 위하여, 설치 계산을 반드시 실시하여야 한다. 물론, 이 설치 계산은, 사용되는 수동 또는 능동 요소의 특징, 이들 요소의 상관 위치, 지역, 기상학적 파라미터, 재정 관점 및 보험 관점 등의 그 밖의 다양한 관점의 함수이다. 복잡성 및 다수의 가능한 해결책은, 설계 소프트웨어에 의해 상기 설계 프로세스를 지원하는 데 있어서 인센티브를 제공한다. 상기 설비에 안내 요소가 추가될 수 있는 특별한 특징을 갖고 및/또는 터빈이 안내 함수를 가질 수 있으며 전술한 요소가 터빈 발전 단지에 미치는 영향이 예상될 수 있는 설계 소프트웨어는, 본 발명의 일부를 형성할 수 있다.

에너지 추출 장치(즉, 터빈 발전 단지)가 일단 설계되면, 축방향 도입량, 회전 속도, 블레이드 각도, 경사각, 순환 규모 및 터빈의 위치 등과 같은 다수의 관련 변수가 선택된다. 이들 변수의 최적 조합을 미리 결정하기는 곤란하다. 따라서, 선택적으로 특정의 물리학적 식견에 기초하여, 많은 수의 세팅 조합을 시험하는 제어 소프트웨어가 필요하다. 이러한 소프트웨어의 한 가지 실시예에 따르면, 이들 변수에 대한 파라미터는 특정 방법에 따라 달라진다. 터빈 발전 단지의 성능은 설정 가능한 파라미터의 함수로서 기억되고, 그 후 각각의 풍속 및 풍향에 대하여 최적 조건을 구한다.

또한, 여기에서 대기의 안정성 또는 온도 분포 등과 같은 그 밖의 기상학적 데이터도 가능한 파라미터로서 고려되기 시작한다. 국부적으로 구해진 최적 조건으로부터 시작하는 경우, 보다 나은 최적 조건을 구하기 위해 파라미터는 변경될 수 있다.

프로그램은 자체 학습할 수 있는 것이므로, 상기 장치를 보다 양호하게 제어할 수 있게 된다. 이러한 방식에서, 양호한 제어 방법은 시간의 흐름에 따라 확보되고, 나아가 터빈 발전 단지 등의 다른 에너지 추출 장치의 조정에 대해서도 기능적일 수 있는 데이터베이스가 수집된다.

또한, 이러한 정보를 통해, 새로운 터빈 발전 단지에 대한 설계 프로세스를 개선할 수 있다.

추가 특징 및 특성을 2개의 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 2대의 풍력 터빈으로만 이루어진 소형의 풍력 발전 단지의 개략적인 평면도.

도 2는 본 발명에 따른 소형의 풍력 발전 단지의 개략적인 평면도.

2대의 풍력 터빈, 즉 제1 터빈(1)과 제2 터빈(2)으로만 이루어진 소형의 풍력 발전 단지의 평면도를 도 1에서 볼 수 있다.

바람(5)은 화살표 5로 지시된 바와 같이 소정의 세기와 방향을 갖고 있다. 이 특정한 경우에, 방향은 전방 터빈(1)으로부터 후방 터빈(2)까지 평행하다.

도 1에서는, 제1 터빈(1)이 바람으로부터 최대량의 에너지를 추출하는 상황, 즉 이론상 1/3의 축방향 도입량( 및 실제로 대략 0.28)에서 스케치를 하였다.

바람(5)은 제1 터빈(1)을 통과하기 전에 균일한 풍속 프로파일(6)을 갖는다. 제1 터빈(1)을 통과한 후에, 터빈을 통해 부는 바람(5)의 속도는 실질적으로 속도가 떨어지는데, 이것은 제1 터빈(1)을 통과한 후에 풍속 프로파일(7, 8)로 변화하는 균일한 풍속 프로파일(6)로부터 알 수 있고, 여기서 프로파일의 중앙 부분(8)은 실질적으로 감속된 후류 공기를 나타내며, 이 후류 공기는 풍향이 제1 터빈(1)으로부터 윤곽(3) 내에서 연장되고, 프로파일의 외측부(7)는 본질적으로 제1 터빈에 의 해 영향을 받지 않는 흐름을 나타낸다.

풍속 프로파일의 부분(7, 8) 간의 속도차는 크고, 그 결과 상당량의 난류가 생성된다. 이것은 제2 터빈(2)에 심하게 변동하는 부하를 생성하고 바람의 보다 많은 운동 에너지가 열로서 손실되기 때문에 불리하다. 풍속 프로파일의 중앙부(8)에서의 공기 스트림은 풍하측에서 제2 터빈(2)에 대한 공급부로서의 역할을 하고, 또한 최대의 방식으로 바람으로부터 에너지를 추출하도록 설정된다. 그러나, 이것은 중앙부(8)에서의 풍속이 원래의 균일한 풍속(6)보다 훨씬 낮기 때문에 훨씬 적다. 제2 터빈(2)의 후방에서는, 추가의 풍속 프로파일(9, 10, 11)이 생성되는데, 이 프로파일에서 외측부(9)는 최소의 풍속 손실을 보이고, 중간 부분(10)은 약간의 풍속 손실을 보이며, 추가 중앙부(11)는 풍속이 실질적으로 떨어져 있다. 프로파일 중 추가 중앙부(11)는 풍향이 제2 터빈(2)으로부터 윤곽(4) 내에서 연장되는 실질적으로 감속된 후류 공기를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 소형의 풍력 발전 단지의 평면도를 개략적으로 도시하고 있다. 도 1과 도 2 모두에서, 2대의 터빈으로만 이루어진 소형의 풍력 발전 단지의 평면도를 볼 수 있다. 도 2에서, 도 1의 요소와 동일한 요소는 동일한 참조 번호로 지시한다.

도 1과 동일한 상황이 도 2에 도시되어 있지만, 제1 터빈(1)의 축방향 도입량은 본 발명의 실시예에 따라 감소되었다.

바람(5)은 제1 터빈(1)을 통과하기 전에 균일한 풍속 프로파일(6)을 갖는다. 제1 터빈(1)을 통과한 후에, 터빈을 통해 부는 바람(5)의 속도는 실질적으로 속도 가 떨어지는데, 이것은 제1 터빈(1)을 통과한 후에 풍속 프로파일(7', 8')로 변화하는 균일한 풍속 프로파일(6)로부터 알 수 있고, 여기서 프로파일의 중앙 부분(8')은 감속된 후류 공기를 나타내며, 이 후류 공기는 풍향이 제1 터빈(1)으로부터 윤곽(3') 내에서 연장되고, 프로파일의 외측부(7')는 본질적으로 제1 터빈에 의해 영향을 받지 않는 흐름을 나타낸다.

감소된 축방향 도입량의 결과는 도 2에 있어서 중앙 부분(8')의 속도가 도 1에 있어서 중앙 부분(8)의 속도보다 크다는 것이다.

외측부(7')와 중앙 부분(8') 간의 속도차가 또한 작고, 그 결과 난류가 적게 생성된다. 따라서, 제2 터빈(2)에 대한 공급부는 풍속이 높고 난류가 낮기 때문에 훨씬 유리하다. 이것은 수율과 부하 간에 양호한 관계를 의미한다.

또한, 운동 에너지가 바람으로부터 열로서 적게 손실되고, 이것은 터빈 발전 단지의 수율에 유리하다. 도 2의 제2 터빈(2)은 이 제2 터빈(2)의 후방에 추가 터빈이 전혀 없기 때문에, 바람으로부터 최대량의 에너지를 추출하도록 설정된다. 이에 따라, 추가 풍속 프로파일(9', 10', 11')이 제2 터빈(2) 후방에 생성된다. 이 프로파일을 균일한 풍속 프로파일(6)의 방해받지 않는 공급부와 비교하면, (이것을 도면으로부터 알 수는 없지만) 도 1에서의 상황에 비해 흐름(5)으로부터 보다 유용한 에너지를 추출할 수 있고/있거나 바람으로부터 운동 에너지가 적게 손실된다고 말할 수 있다.

본 발명을 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당업자라면 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 다른 방법으로 상기 이점이 또한 달성된다는 것을 즉각적으로 알 수 있을 것이다.

더욱이, 당업자라면 전술한 본 발명이 물의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 해중 터빈을 갖춘 터빈 발전 단지 등의 장치로 확장된다는 것을 이해할 것이다. 그러한 물의 흐름은 흐르는 강, 조수 흐름 및 지구상에서 발견되는 에너지를 추출할 수 있는 임의의 다른 물의 흐름일 수 있다. 더욱이, 본 발명은 또한 네덜란드 특허 출원 제NL 1021078호에 기술된 기법과 함께 채용될 수 있다는 점을 이해해야 한다. 그 경우에, 본 발명에 따른 유리한 실시예에 있어서, 축방향 도입량의 저하는 발전 단지를 통해 고속의 공기가 안내되도록 흐름에 대한 횡방향 힘의 발휘와 조합될 수 있다. 예컨대, 횡방향 힘은 소정 각도로 위치된 풍력 터빈에 의해 발생된다. 다른 명백한 조합으로는 주기적인 블레이드 각도 조정과의 조합이 있다. 로터 상단에서의 도입량이 바닥에서보다 크게 하는 조정(보다 유리한 후류)과 주기적인 역조정(낮은 부하)이 유리할 수 있다.

Claims (29)

1. 유동 유체(5)로부터 에너지를 추출할 수 있는 적어도 하나의 제1 터빈(1)과 적어도 하나의 제2 터빈(2)을 구비하는 터빈 발전 단지에 있어서,

   제2 터빈(2)이 제1 터빈(1)의 풍하(風下)측에 있는 경우에, 정격 출력 하에서 제1 터빈(1)의 축방향 도입량(a)이 제2 터빈(2)에 대해 저하되어 적어도 제2 터빈의 지점에서 난류를 대부분 감소시키는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
2. 제1항에 있어서, 상기 터빈 발전 단지의 전체 출력은 떨어지지 않는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 터빈(1)의 축방향 도입량(a)은 0.25 이하로 감소되는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축방향 도입량은 회전 속도의 감속 및/또는 로터의 블레이드 각도의 회전에 의해 달성되는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축방향 도입량의 저하는 블레이드의 시위를 감소시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 터빈은 적어도 로터를 갖고, 각 로터는 3.75 미만의 시위 특성,

   

   을 갖고, 여기서 r은 0.5R 내지 0.8R 연장되는 반경 방향 거리이며, 상기 R은 로터의 반경인 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제어 시스템이 마련되고, 이 제어 시스템은 발전 단지에서 적어도 하나의 제1 터빈의 축방향 도입량을 풍향의 함수로서 설정하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
8. 제7항에 있어서, 상기 제어 시스템은 적어도 하나의 터빈의 축방향 도입량을 바람 중의 난류의 함수로서 설정하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
9. 제8항에 있어서, 상기 제어 시스템은 실질적으로 제1 터빈(1)의 풍하측에 배치된 제2 터빈(2)에서 결정되는 난류의 측정값을 기초로 하여 제1 터빈(1)의 축방향 도입량을 설정하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 적어도 하나의 제1 터빈의 축방향 도입량을 풍하측에 배치된 적어도 하나의 제2 터빈에 대한 거리의 함수로서 설정하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 상기 발전 단지에 있는 모든 풍력 터빈 중 절반 이상의 축방향 도입량을 풍향의 함수로서 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 후류에 있는 다른 터빈에 대한 거리 및/또는 후류에 있는 터빈의 개수를 기초로 하여 적어도 하나의 터빈의 축방향 도입량을 설정하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
13. 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 개별 터빈의 축방향 도입량을 조정함으로써, 최대 수율 및/또는 정격 부하의 관점에서 측정된 발전 단지의 성능을 최적화하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
14. 제13항에 있어서, 상기 제어 시스템은 자체 학습하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 우세한 풍향을 기초로 하여 실질적으로 발전 단지의 풍상(風上)측에 배치된 적어도 하나의 제1 터빈의 적어도 하나의 풍속은 실질적으로 발전 단지의 풍하측에 배치된 적어도 하나의 제2 터빈과 축방향 도입량의 관점에서 평균 0.05 이상 만큼 상이한 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈 발전 단지는 50개 이상의 터빈을 구비하고, 터빈이 점유하는 표면적은 발전 단지 표면적의 3% 이상인 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전체 발전 단지의 축방향 힘은 풍하측에 배치된 다른 발전 단지의 출력이 증가되도록 감소되는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체는 물이고, 상기 터빈은 물의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 수력 터빈인 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지.
19. 유동 유체(5)로부터 에너지를 추출할 수 있는 적어도 하나의 제1 터빈(1)과 적어도 하나의 제2 터빈(2)을 구비하는 터빈 발전 단지용 방법에 있어서,

    제2 터빈(2)이 제1 터빈(1)의 풍하측에 있는 경우에, 정격 출력 하에서 제1 터빈(1)의 축방향 도입량(a)을 제2 터빈(2)에 대해 저하시켜 적어도 제2 터빈의 지점에서 난류를 대부분 감소시키는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 방법.
20. 유동 유체(5)로부터 에너지를 추출할 수 있는 적어도 하나의 제1 터빈(1)과 적어도 하나의 제2 터빈(2)을 구비하는 터빈 발전 단지용 설계 소프트웨어에 있어서,

    상기 설계 소프트웨어는 유리한 장치 및 유리한 터빈 발전 단지용 방법을 계산할 수 있고,

    상기 설계 소프트웨어는 안내 요소를 장치에 추가할 수 있으며, 상기 터빈은 안내 기능을 갖고,

    제2 터빈(2)이 제1 터빈(1)의 풍하측에 있는 경우에, 정격 출력 하에서 제1 터빈(1)의 축방향 도입량(a)이 제2 터빈(2)에 대해 저하되어 적어도 제2 터빈의 지점에서 난류를 대부분 감소시킴으로써, 터빈 발전 단지에서의 그 영향을 계산하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 설계 소프트웨어.
21. 유동 유체(5)로부터 에너지를 추출할 수 있는 적어도 하나의 제1 터빈(1)과 적어도 하나의 제2 터빈(2)을 구비하는 터빈 발전 단지용 제어 소프트웨어로서,

    상기 제어 소프트웨어는 풍속과 풍향, 온도 분포 및 대기 안정성을 비롯하여 기상학적 파라미터 중 적어도 하나를 결정할 수 있고, 축방향 도입량, 회전 속도, 로터 블레이드 각도, 경사각, 순환 규모 및 터빈의 위치를 비롯하여 설정될 수 있는 파라미터 중 적어도 하나의 함수로서 터빈 발전 단지의 출력을 결정 및 설정할 수 있는 터빈 발전 단지용 제어 소프트웨어에 있어서,

    제2 터빈(2)이 제1 터빈(1)의 풍하측에 있는 경우에, 설정 가능한 파라미터 중 적어도 하나를 설정함으로써, 정격 출력 하에서 제1 터빈(1)의 축방향 도입량(a)을 제2 터빈(2)에 대해 저하시켜 적어도 제2 터빈의 지점에서 난류를 대부분 감소시키는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 제어 소프트웨어.
22. 제21항에 있어서, 상기 소프트웨어는 설정 가능한 파라미터를 설정함으로써 터빈 발전 단지의 최적의 출력을 찾을 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 제어 소프트웨어.
23. 유동 유체(5)로부터 에너지를 추출할 수 있는 적어도 하나의 제1 터빈(1)과 적어도 하나의 제2 터빈(2)을 구비하는 터빈 발전 단지용 제어 시스템에 있어서,

    상기 제어 시스템은, 제2 터빈(2)이 제1 터빈(1)의 풍하측에 있는 경우에, 정격 출력 하에서 제1 터빈(1)의 축방향 도입량(a)을 제2 터빈(2)에 대해 저하시켜 적어도 제2 터빈의 지점에서 난류를 대부분 감소시키는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 제어 시스템.
24. 제23항에 있어서, 상기 제어 시스템은 발전 단지에 있는 적어도 하나의 제1 터빈의 축방향 도입량을 풍향의 함수로서 설정하는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 제어 시스템.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 제어 시스템은 발전 단지에 있는 모든 풍력 터빈 중 적어도 절반의 축방향 도입량을 풍향의 함수로서 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 터빈 발전 단지용 제어 시스템.
26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 제21항에 따른 제어 소프트웨어를 포함하는 것인 터빈 발전 단지용 제어 시스템.
27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 제어 시스템으로서 제공되는 것인 터빈 발전 단지용 제어 시스템.
28. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 제1 터빈을 위한 개별 제어 시스템으로서 제공되는 것인 터빈 발전 단지용 제어 시스템.
29. 제23항에 따른 제어 시스템을 구비한 터빈.

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