KR20070116159A - 풍력 발전설비의 로터 블레이드 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전설비의 로터 허브(12)에 접속되기 위한 로터 블레이드 접속부 및 로터 블레이드(10)의 반대 끝에 구비되는 블레이드 첨부(13)를 포함하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드(10)에 관한 것이다. 간단한 수단을 통해 굽힘 현상을 검출할 수 있는 로터 블레이드를 제공하기 위해 적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드 접속부에서 시작하여 로터 블레이드의 길이방향으로 확장되고 로터 블레이드 접속부로 되돌아오도록 로터 블레이드(10)의 길이 방향에 걸쳐 놓여지며, 그 일측에 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26)의 전기 저항을 감지할 수 있는 검출기(16)가 구비되며, 상기 검출기(16)가 전기 저항을 평가하는 평가수단에 연결설치된다.
이러한 관점에서, 본 발명은 로터 블레이드의 굽힘(flexing)이 항상 지지 구조물의 확장에 이르고, 상기 확장이 전기 도체로 전달될 경우 도체의 전기 저항이 변화에 이른다는 점에 착안한 것으로, 그것으로부터 저항 변화와 같은 로터 블레이드의 굽힘이 상기 도체의 확장에 비례하고 순차적으로 로터 블레이드의 굽힘에 비례한다는 것을 추론하는 것이 가능하다.
로터 블레이드, 굽힘, 저항, 펄스

Description

풍력 발전설비의 로터 블레이드{Rotor Blade of a Wind Power Plant}
본 발명은 풍력 발전설비의 로터 허브에 접속되기 위한 로터 블레이드 접속부 및 로터 블레이드의 반대 끝에 구비되는 블레이드 첨부를 포함하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드에 관한 것이다. 이와 같은 로터 블레이드는 일반적으로 오랫동안 알려져 왔고, 거의 모든 수평축 풍력발전 설비에 사용되어 왔다.
본 발명은 전술한 로터 블레이드를 포함하는 풍력 발전설비에 관한 것이다.
그러므로 본 발명의 목적은 간단한 수단에 의해 굽힘현상(flexing)이 검출될 수 있는 로터 블레이드를 제공하는 것이다.
본 발명의 도입부에서 언급한 종류의 로터 블레이드에 있어서, 상기 목적은 전기 도체가 로터 블레이드의 접속부에서 시작되며, 로터 블레이드의 길이방향으로 확장되고, 로터 블레이드 접속부로 되돌아가도록 로터 블레이드의 길이로 놓여지는 적어도 하나의 전기 도체가 구비되며, 전기 저항을 감지하는 검출기가 구비되고 상기 검출기가 전기 도체의 전기 저항을 평가할 수 있는 평가수단에 연결되는 것에 의하여 달성된다.
이때, 본 발명은 로터 블레이드의 굽힘(flexing)이 항상 지지 구조물의 확장에 이르고, 상기 확장이 전기 도체로 전달될 경우 도체의 전기 저항이 변화에 이른다는 점에 착안한 것이다.
상기 저항 변화가 도체의 확장에 비례함에 따라, 저항 변화는 로터 블레이드의 굽힘에 비례한다. 가장 간단한 경우로서, 저항 변화에 대한 임계값을 미리 설정할 수 있으며, 이를 초과할 때 구조적 손상을 야기할 수 있는 로터 블레이드의 굽힘을 알리게 된다. 그러므로 전술한 상황을 인지하는 것은 시의적절하게 로터 블레이드의 교환 또는 로터 블레이드를 교환하여야 하는지 아닌지의 여부를 결정하기 위한 검사를 가능하게 한다.
본 발명의 바람직한 실시 양태로서 풍력발전 설비의 부하는 로터 블레이드의 부하로부터 추론될 수 있고, 상기 풍력발전 설비는 미리 설정된 임계값을 초과하는 경우 작동을 멈추게 할 수 있다. 이는 보다 심각한 부하를 확실히 피할 수 있게 해 준다.
전기 도체의 저항에서 온도-의존 변화를 위한 보정 및/또는 다수의 측정 결과를 제공하기 위해, 다수의 전기 도체를 구비한다. 상기 도체는 로터 블레이드의 길이방향으로 확장되고 검출기에 접속된다. 이때 다수의 도체는 하나의 검출기에 접속될 수 있으며, 각각의 도체는 각각 독립적인 검출기에 접속될 수 있다. 온도 보정을 위해 제공되는 도체는 굽힘 부하(flexural loading)에 영향을 받지 않고 오직 저항의 온도-의존 변화를 감지하도록 정렬된다. 그리하여 저항의 온도-유도 변 화를 알 수 있고 이를 적절히 고려할 수 있다.
다수의 도체들은 또한 여분의 사용이 허용된다. 하나의 도체에 문제가 있는 경우에 저항의 변화는 여분의 도체들에 의해 항상 확실히 감지될 수 있다. 이는 도체의 고장으로 인한 고비용 점검 조작의 필요성을 없애준다.
추가적으로 도체들의 여분을 구비함으로써 또한 저항 변화의 상대적인 측정이 가능하다. 이러한 경우 도체들은 감지된 저항 변화에 대한 비교에 의해 각각의 상대적인 관계가 감시 될 수 있다.
특히 바람직한 형태로서, 적어도 하나의 전기 도체가 로터 블레이드의 길이방향으로 설정된 치수로 확장되는 바, 이때 상기 치수는 로터 블레이드의 길이보다 짧다. 상기 도체는 로터 블레이드 첨부까지 도달하지 않고 로터 블레이드의 설정된 위치에서 종료된다. 상기 각각의 도체는 로터 블레이드의 굽힘과 그에 따른 저항의 변화에 의존하여 독립적으로 다르게 영향을 받게 된다. 그러므로 굽힘 효과의 정확한 패턴은 저항의 변화에 따른 상이한 값들로부터 추론될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예로서 로터 블레이드 길이보다 짧은 도체들은 또한 전체 로터 블레이드 길이를 통해 확장되는 도체의 분지 형태일 수 있다. 그러한 목적으로 도체들은 로터 블레이드 길이에 따라 확장된 도체의 설정된 위치에 전기를 발생시키도록 연결된다. 그리하여 로터 블레이드 굽힘을 감지하는 분별 수준은 분지의 개수와 간격에 따라 다양해질 수 있다.
전기 도체들의 원하지 않는 변형을 피하기 위해, 이들은 바람직하게는 로터 블레이드의 지지 구조물에 연결설치되고, 특히 바람직한 형태는 로터 블레이드의 지지 구조물에 결합된다. 이때, 특히 선호되는 형태로서, 로터 블레이드의 굽힘에 의해 신장되는 도체가 지지 구조물 내로 에워싸여 진다. 상기 도체에 분지로서 전기를 발생시키도록 연결되고, 귀환(return) 도체의 기능을 수행하는 도체는 지지 구조물 밖, 예를 들어 케이블의 형태로 자유롭게 놓여질 수 있다.
이러한 관점에서 적어도 하나의 전기 도체가 로터 블레이드의 길이 방향에 대하여 각각의 지지 구조물에 구비되는 것은 특히 좋다. 이러한 배열은 적어도 다른 하나의 도체가 신장하지 않는 동안 전기 도체들 중 하나가 신장효과(Strength effect)에 의해 그 저항의 변화, 즉 저항의 증가로 인한 로터 블레이드의 굽힘 방향의 감지를 가능하게 한다. 오히려, 적절한 조립에 의해 상기 도체는 장력 부하 대신에 압축 부하를 받기 쉽고, 이에 따라 연장되기 보다는 압축된다. 그리하여 저항값은 반대방향으로만 변한다. 즉, 감소한다.
보다 바람직한 형태로서, 본 발명에 따른 전기 도체는 적어도 하나의 미리 설정된 알루미늄 구성부분 또는 알루미늄을 포함한다. 이리하여 도체의 탄성 변형 영역에서 이미 큰 저항 변화가 일어나며, 이러한 저항의 변화는 완전히 가역적이고 반복적이다. 동일한 방법으로, 로터 블레이드의 굽힘은 굽힘 효과가 발생한 후에 전기 도체 또는 전체적인 로터 블레이드의 교체가 필요 없이 지속적으로 감시 될 수 있다. 원칙적으로 어떠한 전기 도체도 센서로서 적절할 것이다. 그러나 이러 한 관점에서 상기 도체는 도체의 주변 물질과 역학적 연결이 잘 이루어지기 위해 미리 설정된 표면 거칠기 정도를 포함하여야 한다.
전기 도체 영역에서의 장애, 예를 들어 과확장 후 또는 재질 결함의 경우에, 전체 로터 블레이드를 교체하지 않도록 하기 위해 도체들은 지지 구조물에 연결되어 있지만, 분리 가능한 부분에 도입하는 것이 유리할 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 의해 이미 제조된 로터 블레이드를 장착되도록 할 수 있다.
본 발명을 도면에 나타낸 구체적인 예에 의하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 로터 블레이드(10)의 평면도이다. 상기 구조를 명확히 도시하기 위해 상기 로터 블레이드(10)는 부분적으로 단면화되어 두개의 도체(20, 22) 경로를 볼 수 있다.
상기 로터 블레이드(10)는 블레이드 루트(11)에 의하여 상기 도 1 또는 다른 도면에서 오직 방향을 정하는 목적을 위해 풍력발전 설비의 허브(12)에 연결설치된다. 첫 번째 도체(20) 및 두 번째 도체(22)는 로터 블레이드의 길이방향에 대하여 로터 블레이드 루트(11)로부터 로터 블레이드 첨부(13)까지 확장되고, 다시 되돌아와 확장된다. 그러므로 각각의 도체(20, 22)는 송출(outgoing) 도체(20a, 22a) 및 귀환(return) 도체(20b, 22b)를 포함한다. 양 도체(20, 22)는 양 도체(20, 22)의 전기 저항을 측정하는 검출기(16)에 연결설치되어 있다.
이때, 상기 첫 번째 도체(20)는 직선처럼 나타내진다. 이는 도체가 로터 블레이드 구조가 신장(stretch)됨에 따라 상기 도체(20)도 신장되도록 유도되는 로터 블레이드에 연결설치되었다는 사실을 나타낸다. 상기 두 번째 도체(22)는 로터 블레이드의 첨부(13) 부분에서 비 직선 형태로 놓여있는 것으로 나타낸다. 이는 상기 도체가 함께 변형되도록 로터 블레이드(10)에 연결설치되지 않는다는 것을 의미한다. 오히려, 상기 두 번째 도체(22)는 변형되지 않아야 한다. 이에 따라 도체의 저항이 온도에 따라 변화함으로써 저항의 변화에 따른 온도의 영향이 인지되고, 이는 첫 번째 전기 도체(20)의 저항 변화를 감지할 경우 고려될 수 있고, 잘못된 결과를 초래하지 않는다.
상기 검출기(16)는 로터 블레이드의 굽힘이 풍력 발전설비의 작동시 고려될 수 있도록 풍력 발전설비의 제어 시스템에 연결설치될 수 있다.
도 2는 도 1에 설명된 것과 유사한 구조를 나타낸다. 다만 네 개의 전기 도체(20, 22, 24, 26)가 도시되어 있다. 여기서 보다 명확한 도면을 위해 온도 보상을 위한 도체는 도시되어 있지 않으나, 본 실시예에서 당연히 구비될 수 있다.
도 2에서 모든 네 개의 전기 도체(20, 22, 24, 26)는 로터 블레이드(10)의 굽힘을 따라 상기 로터 블레이드(10)에 연결설치된다. 그러나 상기 도체는 로터 블레이드(10)의 길이방향으로 상이한 거리만큼 확장되기 때문에, 그 길이를 인지할 경우 각각의 도체 저항 변화로부터 로터 블레이드(10)의 변형을 확인하는 것이 가능하다.
만약 로터 블레이드 첨부(13)까지 확장되는 첫 번째 도체(20)만이 존재한다면 저항 변화로부터 굽힘 그 자체만을 확인할 수 있다. 그러나 두 번째 도체(22)가 로터 블레이드 첨부(13)까지 확장되지 않으므로 로터 블레이드 첨부에서 굽힘이 발생하는 것을 첫 번째 도체(20)의 저항 변화에 의해 결론지을 수 있다. 만약 다른 도체(22, 24, 26)와 관련하여 저항 변화가 없다면, 이는 신장-의존 저항 변화를 의미하는 것으로서, 이러한 굽힘이 오직 로터 블레이드(10)의 외측 영역인 로터 블레이드 종단 근처에 명확히 제한된다는 것이다.
만약 도체(26)의 저항이 변하지 않는 동안 상기 도체(20, 22 및 24)에서 저항 변화가 발생한다면, 이것은 로터 블레이드가 길이방향에 대하여 외측 중간에서 굽혀진다는 것을 의미한다.
도 2에서 상기 도체(20, 22, 24, 26)는 풍력발전 설비를 제어하기 위한 제어 시스템에 연결설치된 검출기(16)에 연결설치되어 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 도체(20)는 검출기(16)로부터 로터 블레이드의 전체 길이에 따라 로터 블레이드 첨부(13)까지 로터 블레이드(10) 내로 확장된다. 분지(28)는 전기를 발생시키는 갈바닉 접속수단(galvanic connection)(29)에 의하여 상기 도체(20)에 연결설치된다. 상기 분지의 개수 및 위치를 선택하는 것에 의해 로터 블레이드(10)의 어떠한 영역을 어떠한 정확도로 감시할 것인지 미리 결정할 수 있다. 달리 표현하면 어떠한 분별 수준(resolution)으로 로터 블레이드(10)의 어느 영역에서 그것의 굽힘은 감지하는지 결정할 수 있다.
특정적으로 본 발명의 실시예를 이 도면을 통해 명확히 알 수 있다. 로터 블레이드(10)의 제조단계에서 상기 도체(20, 28)는 상기 플러그 커넥터에 이미 연결설치될 수 있고, 그 연결 상태가 테스트될 수 있기 때문에 건설 현장에서 로터 블레이드 루트(11) 부분에서 플러그 커넥터의 사용(미도시)이 유리하다는 것을 로터 블레이드를 조립하는 경우, 검출기로 연결하기 위해 미리 조립되는 케이블을 사용하는 것이 가능하다. 이리하여 간단하고 오류가 적은 조립단계를 실현할 수 있다.
도 4는 굽어진 로터 블레이드(10)의 단순화된 측면도이다. 이 도면은 또한 블레이드 루트 영역(11), 암시된 허브(12) 및 검출기(16)를 나타낸다. 이때 상기 로터 블레이드(10)의 표면에 대한 도체의 간격은 절대 축척을 맞춘 것이 아니다. 오히려 상기 도체(20)가 로터 블레이드(10)의 표면에 대하여 가까이 확장될수록 굽힘 정도의 감지가 보다 정확하다. 명확한 설명을 위해 상기 로터 블레이드(10) 및 도체(20)의 표면은 본 도면에서 구별되도록 한다.
본 도면에서 상기 로터 블레이드(10)는 아래로 구부러져 있다. 이와 대응되게 굽힘 방향에 있는 로터 블레이드(10)의 면은 아래쪽이 되고 반대 측면이 위쪽이 된다.
하나의 도체(20)가 로터 블레이드(10)의 위쪽으로 구비되면, 다른 하나의 도체(21)는 아래쪽이 구비되는 것이 본 도면으로부터 명백히 확인된다. 로터 블레이드의 도시된 굽힘을 통하여 상기 로터 블레이드의 위쪽의 도체(20)는 신장되어 있고, 그것의 저항을 상당히 변화시켜 이는 검출기(16)에 의해 확실히 감지될 수 있다. 이러한 굽힘 과정에서, 로터 블레이드(10) 아래쪽면에 있는 도체(21)는 신장되지 않았고 기껏해야 압축된다. 그러므로 로터 블레이드의 굽힘 방향으로 로터 블레이드의 위쪽면에 있는 도체(20)의 저항 변화를 확실하게 확인할 수 있다.
도 5는 실제로 발생할 수 있는 로터 블레이드(10)의 굽힘에 의한 특정 경우를 나타낸다. 이때, 로터 블레이드는 중심영역에서 화살표 A 방향 아래쪽면으로 굽혀지고, 로터 블레이드 첨부(13) 근처의 바깥쪽 영역에서는 화살표 B방향 즉, 로터 블레이드의 위쪽면으로 굽혀진다. 로터 블레이드 첨부(13)까지 확장되는 도체(20, 21)를 가진 로터 블레이드(10)를 장착하는 것은 상기 양 도체에 신장효과를 적용하는 것을 의미한다.
만약 장애발생 상황을 제외한다면, 로터 블레이드(10)의 위험한 굽힘을 추론하는 것이 가능하며, 설비는 예를 들어 가동을 멈추는 것과 같이 적절히 제어될 수 있다. 그러나 로터 블레이드의 굽힘에 관련된 실질적 배열은 여전히 확인할 수 없다. 로터 블레이드 첨부(13)로 확장되지 않는 추가의 도체(22, 23)가 구비되므로, 전술한 굽힘 상황에서 상기 도체(22) 또한 신장되어지고 이에 따라 그 저항값이 증가한다. 이에 대응하여, 로터 블레이드 (10)의 실질적 굽힘은 도체(20, 21, 22, 23)의 저항 또는 저항 변화 감지로부터 확인될 수 있다. 이러한 관점에서 도체(20, 21, 22, 23)는 긴밀히 상호간에 나란히 놓여 있고 로터 블레이드(10)의 각 표면에 가능한 가깝게 확장되어 이 도면에서 명백히 가정되는 로터 블레이드 아래쪽면에서의 두 번째 도체(23)의 신장이 실제로 발생하지는 않는다.
도체 루프(loop)의 형태인 길이가 다른 다수의 도체(20, 21, 22, 23)를 갖는 실시예에 대한 대안으로서, 도 3에서 도시된 본 발명의 실시예는 당연히 로터 블레이드의 윗면 및/또는 아랫면에서 사용될 수 있다. 따라서 자연스럽게 여기에 기술된 장점이 있으며, 특정적으로 분지의 개수와 위치의 선택에 의해 로터 블레이드 굽힘을 감지하는 정확도의 정도를 미리 설정하는 것이 가능하다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 로터 블레이드 횡-단면의 간단화된 도이다. 길이방향으로 확장되는 상기 지지 구조물(34, 36)은 도 6의 로터 블레이드로 나타냈다. 상기 지지 구조물(34, 36)은 전체 로터 블레이드 길이에 걸쳐 확장하는 유리섬유 다발(bundle) 및 에폭시 수지로 형성된 지지 구조물이라 불리는 로빙 벨트(roving belt)가 될 수 있다.
전기 도체(20, 21, 22, 23)는 상기 지지 구조물(34, 36)에 삽입된다. 이러한 관점에서, 배출 및 귀환 도체는 로터 블레이드의 길이방향으로 로터 블레이드 루트로부터 확장되고 다시 귀환하는 도체를 포함하는 각각의 배열을 명확히 하기 위한 부호 a 및 b에 의해 각각 식별된다.
지지 구조물(34, 26)로 상기 도체(20, 21, 22, 23)의 도입을 통해 그것의 경로가 매우 정확하게 결정될 수 있다. 이는 또한 그것들이 로터 블레이드의 각 표면에 가능한 근접하게 확장되는 것을 보장하여 충분한 신뢰를 갖고 저항 변화에 대한 결론을 도출할 수 있도록 한다.
도 7도 지지 구조물(34, 36)을 나타낸다. 그러나 이 경우, 상기 도체(20, 21, 22, 23)는 그 자체로 상기 지지 구조물(34, 36)에 도입되지 않고 캐리어(38)에 도입되는 것을 나타낸다. 상기 캐리어(38)는 캐리어(38) 및 도체(20, 21, 22, 23) 간의 상호작용이 상기 지지 구조물(34, 36)과 도체간 상호작용과 일치하도록 상기 지지 구조물(34, 36)과 동일한 구조가 될 수 있다.
이 경우, 상기 케리어(38)는 지지 구조물(34, 36)에 고정이 되나 탈착 가능하도록 연결설치될 수 있다. 재료 결함 또는 다른 손상에 의해 도체의 교체가 요구되는 경우, 이는 완전한 로터 블레이드의 손실 또는 그것의 높은 수리비로 이어지지 않고 상기 대응되는 캐리어(38)는 지지 구조물(34, 36)로부터 탈착된 후 새로운 것에 의해 교체된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 상기 지지 구조물(34, 36) 및 캐리어(38) 간 또는 로터 블레이드(10)(당연히 그 내부) 및 캐리어(38) 간의 연결의 적절한 선택을 통해 이미 제조된 로터 블레이드의 재장착이 가능하다.
도 8은 인장응력에 따른 와이어의 전기 저항을 실험적으로 측정한 그래프를 나타낸다. 곡선의 왼쪽 영역(40)은 직선으로 확장되고, 곡선의 중간 영역(42)은 급격히 상승하며, 오른쪽 영역(44)에서 곡선이 다시 직선으로 확장되고, 후속적인 저항 감소를 수반하는 저항의 갑작스런 증가 및 최종적인 저항 상승이 있다.
상기 곡선의 오른쪽 영역(44)은 과도하게 높은 인장응력 수준에서 찢겨져 나간 전기 도체의 특성을 보여준다. 대조적으로 곡선의 중간 영역의 저항 변화는 전기 도체의 탄성 변형의 범위 내에 있다. 상기 곡선을 확인하기 위한 일련의 측정 에서, 상기 전기 도체의 탄성변형 영역은 길이방향에 대해 도체 길이의 1%이하, 알루미늄의 경우 특정적으로 약 0.3% 보다 낮게 신장되는 것이 확인되었다.
길이방향에 대한 0.3%의 알루미늄 와이어의 신장은 중대하고 감지할 수 있는 저항 변화에 이르는 탄성변형이다. 이는 일련의 측정에서 25mΩ까지로 확인되었다.
변형이 탄성적이므로 상기 전기 도체는 그것에 의해 손상을 입지 않고 상기 저항 변화는 확실히 재현성이 있다. 따라서 로터 블레이드의 굽힘은 동일한 전기 도체에 의해 반복적으로 감지될 수 있다.
도 9 및 도 10은 전술한 방법 또는 지금까지 개시된 해결방법에 대한 추가 및 대체방법을 각각 나타낸다. 상기 해결방법은 아날로그 및/또는 디지털 신호로 실행될 수 있다. 도 9 및 도 10에 나타낸 양자의 해결방법에서 공통적으로, 회로에서 상기 신호의 지연시간은 지연시간 검출과정에 포함되지 않는다. 따라서, 라인상에서 실질적인 지연시간이 확인될 수 있다.
도 9 및 도 10에서 상기 아날로그 및 디지털 해결방법의 구조는 대체로 유사하다. 양쪽 모두의 경우, 송신기 및 수신기 사이에 두개의 선 즉, 길이가 변하지 않는 기준(reference)선과 측정선이 함께 병렬로 배치되며, 상기 측정선의 신장에 의해 예를 들어, 로터 블레이드의 굽힘이 감지된다. 지연시간이 기준선 및 측정선 사이에서 비교될 수 있다는 것에 더하여, 두 선은 또한 동일한 열적 영향을 받아 그 효과가 보상된다.
아날로그 구조(첫 번째 해결방안)에 있어서, 상기 기준 신호(아날로그 전기 신호) 및 측정 신호는 휴지 상태(reset condition)에서 동일한 위상을 갖는다. 따라서 높은 진폭 이외의 동일한 주파수를 갖는 합산 신호가 된다.
만약 측정선의 신장으로 인하여 위상천이가 발생하면 상기 합산 신호도 당연히 변화된다. 한편으로는 피크에서 피크까지의 값은 동일한 위상신호보다 작지만 추가적으로 상기 합산 신호에 대한 변경된 포락선 곡선이 또한 제공된다.
상기 변화가 감지되는 방법은 당업자에게 잘 알려져 있다. 위상천이가 180ㅀ에 이르기까지 진폭이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 상기 영역을 넘어서는 하나의 완전한 주기까지 위상 위치와 관련된 신뢰할 수 있는 정보를 얻기 위하여 그 부호를 고려하여야만 한다.
디지털 해결방안의 경우, 수신기에 동일위상의 신호가 입력되면, 상기 구조는 가장 낮은 산술평균을 수반한다(또한 자연적으로 펄스 점유율(pulse duty factor)에 의존함). 그러나 펄스 점유율이 여전히 동일하다고 전제한다면, 상기 산술평균은 기준신호와 측정신호 간의 위상천이량 증가함에 따라 증가한다. 그러므로 이는 수신기에서 신호의 위상천이와 관련된 척도이다.
상술한 방법들은 전기 신호, 광 신호 및 또한 기본적으로 음향 신호로 구현될 수 있다. 기본적으로 상기 상황은 한 주기 내의 영역에서 각각의 위상천이를 얻기 위해 소량의 신장(stretch)인 경우 고주파수를 선택하는 것이 유리하고(즉 1 kHz 이상의 주파수, 바람직하게는 수 MHz), 다량의 신장인 경우 저주파수를 선택하는 것이 바람직하다.
본 발명은 독일 특허출원 38 21 642 및 37 12 780의 전체의 내용을 포함한 것이다. 전술한 출원으로부터 온도 또는 압력과 같은 물리적 파라미터의 변화에 의해 야기되는 길이 또는 간격의 변화가 물리적 파라미터가 적용된 광섬유 케이블에서 전기적 신호의 지연시간 측정 수단에 의해 어떻게 결정될 수 있는지 알려져 있다. 신호는 광 다중진동기(multivibrator)를 경유하여 광섬유 케이블로 공급된다. 이러한 상태에서, 다수의 펄스의 총 지연은 고주파 카운터에 의해 결정된다. 표준 카운팅 결과(참조)와 비교함으로써, 표준 카운팅 결과로부터 실제 확인된 카운팅 결과의 편차가 설정되고, 그로부터 발생한 길이 또는 간격의 차이가 결정되며, 이 길이 또는 공간의 차이는 설정될 물리적 파라미터로 변환된다.
DE 37 12 780은 선(line)에서의 전기적 불연속성에 대해서 시험되는 선의 길이에 대한 정확하고 신속한 측정을 위한 방법 및 장치를 설명하는 바, 여기서 펄스 에지(edge)는 펄스 에지 발생기에 의해 상기 선의 종단을 통과하고, 한 쪽 종단으로 불연속하여 되돌아온 반사된 펄스 에지가 검출되고, 펄스 에지 발생기는 그 선의 길이에서의 전송시간 지연과 관련된 주파수에서 펄스 에지를 반복적으로 생성하도록 야기하므로, 반사된 펄스 에지의 검출 후 기 설정된 시간이 지나면 펄스 에지의 생성이 트리거되고 그 주파수가 측정된다. 그러므로 DE 37 12 780은 선에서의 "불연속성"을 어떻게 검출할 수 있는지, 지연시간을 사용하는 대신에 역수, 구체적으로 다시 말해서 주파수를 사용하는 가능성을 개시한다.
DE 38 21 642에 따르면, 송신기와 수신기 사이의 선에서 지연시간이 검출되고, 펄스의 방출과 함께 현저하게 높은 주파수에서 신호 클록의 카운팅을 개시하는 소위 스톱워치(stopwatch) 과정을 수행하는 수단에 의한 영향을 받고, 전술한 카운팅 과정은 상기 수신기가 펄스를 수신할 때까지 진행된다. 이후, 카운트 값은 지연시간에 대한 척도가 된다.
도 9 및 도 10에서 이미 설명했듯이 로터 블레이드에 배열되고, 바람직하게 측정 와이어(또는 광섬유 케이블 또는 OFC)의 형태로 로터 블레이드 표면에 놓여지는 측정선을 포함하는 로터 블레이드를 기본적으로 도 11에 나타냈다. 기계적 부하(풍력 부하)는 로터 블레이드를 굽히고 측정선은 그 길이 내에서 신장 또는 어그러지게 된다. 그러므로 상기 부하의 변화는 길이의 변화에 비례한다.
Figure 112007076829632-PAT00001
0.0% 및 0.2% 사이의 길이 변화는 0.0% 및 100% 사이의 부하의 변화에 대응될 것으로 예상된다. 그러므로 가장 높은 가능 분별(resolution) 수준을 갖는 길이 변화를 결정하는 것이 과제이다.
첫 번째 해결방안으로, 와이어의 옴 저항이 길이 즉, 부하에 비례한다고 가정할 수 있다.
Figure 112007076829632-PAT00002
전류는 와이어로 흐르고 전압 강하는 도 2에 도시된 바와 같은 수단을 통하여 측정된다.
시험은 상기 원리가 가능하다는 것을 나타낸다.
그러나 신호가 절대값의 0.2%이고, 적어도 100 단계로 세분화되어야만 하기 때문에 매우 높은 수준의 측정 정확도(0.002%)가 요구되므로 몇 가지 문제가 있다. 또한, 와이어의 옴 저항은 와이어 온도에 따라 매우 심각하게 변한다. 전기장과 자기장에 의해 생성된 잡음이 신호에 중첩된다. 이는 특히 뇌우(thunderstorm)가 발생할 때 두드러진다. 전자장치에 접속된 와이어는 직접적인 번개의 타 격(lightning hits)에 의해 손상될 수 있다.
선택적인 해결방안은 도 13에 나타냈다. 이 경우 전송 와이어의 길이는 펄스의 지연시간에 의해 결정된다. 속도는 2/3rds 광속 즉, 대략 200,000km/s이다.
도 13에서 도시된 바와 같이,
Figure 112007076829632-PAT00003
이고, 전송시간은 이에 따라 변화한다.
선 길이가 40m라면, 이것은 0과 400ps 사이의 Δt 중첩을 갖는 t=200ns이다.
이 시간은 측정 과정에 의해 검출하는 것이 쉽지 않아, 역수를 취하며, 보다 특정적으로 다음과 같다.
Figure 112007076829632-PAT00004
이것은 주파수를 나타낸다.
주파수 값은 결정하기 매우 쉽고, 상기 측정값은 원하는 만큼 정밀하게 분별될 수 있다(주파수 카운터의 게이트 타임(gate time)의 채택에 의해).
주파수는 입력되는 펄스가 선으로 즉시 새로운 펄스를 전송하는 과정(스톱워치 공정)에 의해 신호의 지연시간으로부터 결정된다. 초당 전송되는 펄스의 개수가 주파수를 결정한다.
이러한 관점에서 도 14는 시간 다이어그램과 함께 이에 상응하는 회로도를 보여준다.
펄스는 예상되는 수준의 변화로 대체되며, 주파수는 아래와 같다.
Figure 112007076829632-PAT00005
, 이것은
Figure 112007076829632-PAT00006
이라 한다.
40m 길이의 선에 대해서는 다음과 같다.
Figure 112007076829632-PAT00007
부하의 영향 때문에, 2.5MHz 및 2.505MHz사이의 주파수 즉, 5000Hz값의 변화가 있다.
20ms의 게이트 타임을 갖는 주파수 카운터는 1%의 부하에 상응하는 분별 수준과 함께 초당 50개의 값을 전달한다. 전술한 값은 50개의 개별적인 길이 측정의 평균값을 포함한다.
그러므로 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 높고(0 V 또는 10V) 온도 변화로 인해 문제가 되는 지연시간 변화가 없기 때문에 민감한 아날로그 센서 시스템이 필요하지 않다는 장점이 있다.
이는 특정적으로 도 9 및 도 10에서 보인 구조, 즉 측정 선 이외에 기준선이 있는 구조에 따라 적용된다.
또한 전술한 해결방안은 광학적으로 구현될 수 있다. 이러한 경우 와이어는 광섬유 케이블로 대체되고 이에 대한 피드백은 도 15에서 도시된 것과 같이 OFC 송신기 및 OFC 수신기에 의해 실현된다.
이 경우에 특히 신호대 잡음비(signal to noise ratio)가 높고(점등 또는 소등) 온도 변화로 인해 문제가 되는 지연시간 변화가 없기 때문에 민감한 아날로그 센서 시스템이 필요하지 않다는 장점이 있다. 또한, 전기장 또는 자기장에서 광섬유 케이블에 잡음 방해가 없고, 또한 예상되는 낙뢰에 의한 영향이 없다.
실제로 블레이드의 굽힘은 1mm보다 적은 길이 변화로 확실히 측정될 것으로 이미 예상된다. 본 발명에 따른 해결방안이 로터 블레이드의 길이 변화에 따라 사용된다고 설명하는 본 발명의 범위에서, 만약 측정선이 로터 블레이드의 표면에 나선 모양으로 배열되어 로터 블레이드의 비틀림(twisting)이 자동적으로 측정선의 손상(wound) 길이의 변화를 알도록 한다면, 로터 블레이드의 비틀림을 측정하는 것은 가능하다는 것을 유념하여야 한다.
특히 본 발명에 따른 측정 방법은 부하와 세로 방향으로 신장하는 것과 관련된 로터 블레이드의 영역 부분에 대한 감시를 위해 사용될 수 있는 바, 이는 특정 적으로 돌풍이 발생할 때 주어진 블레이드 부하의 특히 개별적인 경우에 포함된 위험을 보다 잘 감지하기 위해 블레이드 첨부에서 보다 도움이 될 수 있다.
도 11 내지 도 14에서 설명한 것은 다른 그림에서 설명한 것과 쉽게 조합될 수 있다는 것이 명백히 지적되어야만 한다. 스톱워치 과정을 수행할 때, 그 중에서도 특히 스톱워치가 배출된 펄스의 수신에 따라 멈춤과 동시에 다시 시작하고 이에 따라 주어진 시간 범위, 예를 들어 1초에 멈춤/시작 사이클의 주파수를 의미한다는 것을 분명히 해야 한다.
이러한 관점에서 어떤 형태의 펄스 신호, 그 중에서도 특히 사인(sine) x/x 함수에 따른 처프(chirp) 펄스 신호를 사용하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 부분적으로 단면화된 로터 블레이드의 평면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 두 번째 실시예에 따른 부분적으로 단면화된 로터 블레이드의 평면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 세 번째 실시예에 따른 부분적으로 단면화된 로터 블레이드의 평면도를 나타낸다.
도 4는 첫 번째 방식으로 굽어진 로터 블레이드의 단순화된 측면도이다.
도 5는 두 번째 방식으로 굽어진 로터 블레이드의 단순화된 측면도이다.
도 6은 로터 블레이드의 단순화된 횡단면도를 나타낸다.
도 7은 로터 블레이드의 보다 단순화된 횡단도면를 나타낸다.
도 8은 본 발명에 사용된 도체의 저항 패턴을 나타낸다.
도 9는 아날로그 위상천이의 경우 측정 다이어그램 b) - e)와 함께 본 발명에 따른 로터 블레이드의 기본 구조를 나타낸다.
도 10은 디지털 위상천이 b)-d)의 경우 a) 로터 블레이드에 대한 본 발명에 의한 측정 장치의 기본 구조와 결과적인 측정 다이어그램을 나타낸다.
도 11은 측정선을 가진 로터 블레이드의 기본 구조를 나타낸다.
도 12는 도 11에 전류 또는 전압을 인가한 상태를 나타낸다.
도 13은 본 발명에 따른 입력 펄스를 입력으로 하는 측정 선을 가진 로터 블레이드와 출력 펄스 측정치 및 그에 따른 시간 다이어그램을 나타낸다.
도 14는 시간 다이어그램과 스톱워치 공정에 대한 스위치 다이어그램을 나타낸다.
도 15는 광학적 구조를 제외한 도 14의 회로도 및 이에 대응되는 측정 시간 다이어그램을 나타낸다.

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)는 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드의 굽힘 또는 길이 변화 또는 굽힘 및 길이변화에 따라 길이 변화를 감지함으로써 적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드(10)만큼 동일한 굽힘 부하의 영향을 받는 로터 블레이드(10)의 길이 방향에 걸쳐 놓여지고,
    상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드 루트(11)의 로터 블레이드 접속부에서 시작하여 로터 블레이드 첨부(13) 방향인 로터 블레이드(10)의 길이방향으로 확장되어 로터 블레이드 접속부로 되돌아오고,
    상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26)의 전기 저항을 감지하기 위한 검출기(16)에 전기적으로 연결되어지고,
    상기 검출기(16)가 전기 저항의 변화로부터 로터 블레이드의 굽힘을 평가하는 평가수단에 연결설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 허브(12) 및 로터 블레이드 루트(11)의 반대쪽 로터 블레이드의 끝의 블레이드 첨부(13)에 접속하기 위한 로터 블레이드(10)의 로터 블레이드 루트(11)를 포함하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    다수의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드 루트(11)에 서 로터 블레이드 접속부로부터 로터 블레이드(10)의 길이방향으로 왕복으로 배치되고 상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24,26, 28)가 검출기(16)에 연결설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드의 길이방향에 대해 로터 블레이드의 길이보다 짧게 설정된 거리만큼 확장되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26)가 로터 블레이드 첨부(13)까지 확장되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    적어도 하나의 전기 분지 도체(28)가 적어도 하나의 전기 도체(20)로부터 미리 설정된 위치에서 갈바닉 접속수단으로부터 분지되고, 로터 블레이드 길이 방향으로 확장되며 로터 블레이드의 굽힘 위치를 감지하는 분별이 사용된 전기 분지 도체(28)의 개수 및 공간에 의해 한정되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 로터 블레이드(10)가 지지 구조물(34, 36)을 포함하되, 적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26)가 지지 구조물(34, 36)에 견고하게 연결설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26)가 로터 블레이드(10)의 지지 구조물(34, 36)에 에워싸여진 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26)가 지지 구조물(34, 36)에 연결설치되었지만 지지 구조물(34, 36)로부터 분리될 수 있는 캐리어(38)에 에워싸진 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    적어도 하나의 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드의 길이 방향으로 각각의 지지 구조물(34, 36) 상 또는 내부에 구비되는 것을 특징으 로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)의 탄성 변형 영역에서 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)의 감지될 수 있는 저항변화가 일어날 수 있도록 적어도 하나의 미리 설정된 알루미늄 구성부분 또는 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)가 로터 블레이드의 주변 물질과 역학적 연결이 잘 이루어지기 위해 미리 설정된 표면 거칠기를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 로터 블레이드(10)는 로터 블레이드 루트(11) 영역에 각각의 플러그 커넥터가 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)에 연결된 전기 도체(20, 21, 22, 23, 24, 26, 28)를 위한 플러그 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도 보상을 위한 적어도 하나의 기준 도체(22)가 구비되되, 상기 적어도 하나의 기준 도체(22)가 로터 블레이드(10)의 굽힘 또는 길이 변화와 함께 변형되지 않도록 로터 블레이드(10)에 연결설치되지 않는 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템.
  14. 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론 중 하나가 되는 제품의 굽힘, 길이 변화 또는 굽힘 및 길이변화에 따라 길이 변화를 감지하는 측정선이 상기 제품내에 놓여있고, 상기 측정선에 연결설치된 신호 발생기에 의해 신호가 발생되는 단계;
    상기 발생된 신호가 측정선의 입력단으로 유입되는 단계;
    측정선의 출력단에 설치된 신호 수신기에 의하여 신호 발생기로부터 신호를 수신함에 따라 동시에 다른 신호를 출력하는 단계; 및
    미리 설정된 시간의 단위내에 출력된 신호의 개수를 측정하는 단계; 및
    미리 설정된 시간의 단위내에 출력된 신호의 개수로부터 제품의 굽힘, 길이변화, 굽힘 및 길이 변화 확인하는 단계를 포함하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론 중 하나가 되는 제품의 굽힘 또는 길이 변화를 측정하기 위한 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 측정선이 전기 도체 또는 광섬유 케이블인 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론 중 하나가 되는 제품의 굽힘 또는 길이 변화를 측정하기 위한 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 측정선은 적어도 측정선의 일측 종단이 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론에 확실고정관계로 연결설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론 중 하나가 되는 제품의 굽힘 또는 길이 변화를 측정하기 위한 방법.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호가 펄스 신호인 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론 중 하나가 되는 제품의 굽힘 또는 길이 변화를 측정하기 위한 방법.
  18. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전설비의 로터 블레이드 굽힘을 검출하기 위한 검출 시스템을 갖는 적어도 하나의 로터 블레이드(10)를 포함하는 풍력 발전설비.
  19. 제 18항에 있어서,
    평가수단이 풍력 발전설비의 제어 수단에 연결설치되어 저항 변화가 미리 설정된 값을 초과하면 풍력 발전설비가 멈출 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비.
  20. 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론의 굽힘 또는 길이변화를 측정하기 위한 장치가 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론의 굽힘, 길이 변화 또는 굽힘 및 길이변화에 따라 길이 변화를 감지하는 측정선이 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론내에 놓여있고, 신호를 발생시키고 발생된 신호를 측정선의 입력단으로 유입시키는 신호 발생기, 신호 수신기가 구비되어 신호 발생기로부터 신호를 수신함에 따라 동시에 다른 신호를 출력하는 측정선의 출력단에 구비된 신호 수신기, 및 미리 설정된 시간의 단위내에 배출 신호의 개수를 측정하기 위해 구비되어 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론의 굽힘, 길이변화, 굽힘 및 길이 변화가 저장된 표를 통하여 미리 설정된 시간의 단위 당 측정된 배출 신호의 개수를 비교함으로써 확인될 수 있도록 하는 수단을 포함하는 로터 허브 및 상기 허브에 연결설치된 적어도 하나의 로터 블레이드(10)가 구비된 로터를 포함하는 풍력 발전설비.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 측정선이 전기 도체 또는 광섬유 케이블인 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 전기 도체는 적어도 도체의 일측 종단이 풍력 발전설비의 로터 블레이드 또는 파일론에 확실고정관계로 연결설치된 것을 특징으로 하는 풍력 발전설비.
  23. 제 20항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호가 펄스 신호인 것을 특징으로 풍력 발전설비.
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