KR20100005051U

KR20100005051U - 풍력발전기의 풍속 측정 장치

Info

Publication number: KR20100005051U
Application number: KR2020080014860U
Authority: KR
Inventors: 신형기; 방형준; 김석우; 김현구; 장문석
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-17

Abstract

본 고안은 풍력발전기에 장착되는 풍속 측정 장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 정확한 풍속을 얻을 수 있고, 이를 기반으로 최적의 발전 제어가 가능하며, 정확한 모니터링이 가능한 풍속 측정 장치에 관한 것이다.

본 고안은 로터블레이드(200)를 포함하는 풍력발전기용 풍속 측정 장치에 있어서, 상기 풍속 측장 장치의 측정용 프루브(410)는 상기 로터블레이드(200)의 허브 선단에 설치되는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치를 제공한다.

풍력발전기, 풍속계, 허브, 장착, 측정

Description

풍력발전기의 풍속 측정 장치 {A Wind-Velocity Measuring Apparatus of Aerogenerator}

본 고안은 풍력발전기에 장착되는 풍속 측정 장치에 관한 것으로, 좀 더 자세하게는 풍속 측정을 위한 측정 프루브(probe)가 로터의 허브 선단에 배치되어 정확한 유속 측정이 가능한 풍속 측정 장치에 관한 것이다.

바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 발생시키는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.

풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.

종래의 풍력발전기의 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(5) 상단에 로터블레이드(2)를 회동 지지하는 나셀(3)을 회전 가능하도록 설치하고, 나셀(3) 내부에는 증속기, 발전기 및 제어장치(미도시)를 두어, 로터블레이트(2)의 회전력이 허브(6)를 거쳐 주축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다. 한편, 공기 유동 후류에 해당하는 나셀(3)의 상단에는 풍향풍속계(4)가 배치된다. 이는 바람의 속도에 따라 전체 시스템을 최적 제어하고 발전량을 모니터링하기 위 함인데, 풍향풍속계(4)에서 측정되는 풍향과 풍속에 기반하여 로터블레이드(2)의 피치 각도를 조절하고 나셀(3)의 방향을 전환하여 발전 효율을 극대화한다.

그러나 도 1에 도시한 것과 같은 종래의 풍력발전기의 풍속계 배치 구조 즉, 나셀(3) 후상단에 풍향풍속계(4)를 설치하는 것은 로터블레이드(2)를 통과한 후의 바람의 방향과 풍속을 측정하게 되어 버려 실제의 바람 방향 혹은 유속과 완전히 일치하지 않는 문제점이 있다. 도 2에 이와 같은 문제점을 도시하였는데, 특히 풍속이 시간에 따라 급격하게 불규칙 변동을 보이는 바, 시간평균치를 구하여 풍력발전기의 제어에 이용할 수밖에 없다. 만약 불일치 정도가 허용 오차범위 내라면 문제가 없으나, 대형 풍력발전기의 경우 허용범위를 벗어나는 경우가 많아 제어 오차가 커져 버리고, 최적 제어는 불가능하게 된다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정확한 풍속을 얻을 수 있고, 이를 기반으로 최적의 발전 제어가 가능하며, 정확한 모니터링이 가능한 풍력발전기의 풍속 측정 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 로터블레이드(200)를 포함하는 풍력발전기용 풍속 측정 장치에 있어서, 상기 풍속 측장 장치의 측정용 프루브(410)는 상기 로터블레이드(200)의 허브 선단에 설치되는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치를 제공한다.

상기 측정용 프루브는 피토관(410)인 것이 특징이다.

여기서, 상기 피토관(410)은 아날로그 신호를 전기적 신호로 변환하는 변환기(420)에 연결되고, 상기 변환기(420)는 풍속 신호를 전기적 신호로 변환하여 데이터수신부(800)로 전달하게 된다.

더우기, 상기 변환기(420)는 풍속 신호를, 상기 로터블레이드(200)의 회전 주축(700)을 통해, 슬립링(740)을 경유하여 데이터수신부(800)에 전달하는 것이 바 람직하다.

더우기, 상기 변환기(420)는 풍속 신호를, 무선 통신 방식으로 데이터수신부(800)에 전달하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 측정용 프루브(410)의 일단에는 히터(450)가 더 포함되어, 프루브(410)가 결빙되는 경우 프루브(410)를 가열함으로서 제상을 행하는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 상기 제상은 프루브(410)로부터의 풍속신호가 비정상인 경우에 행해지는 것이 바람직하다.

본 고안에서 제공하는 풍속 측정 장치를 이용하여 정확하게 풍속 측정을 할 수 있어 최적의 발전 제어 및 발전 상화 모니터링이 가능해진다.

본 고안의 일실시예를 첨부한 도면을 참조하여 자세히 설명한다. 여기서 도 3은 본 고안의 제1실시예로서 풍력 측정 장치의 설치 구조를 설명하는 부분 절개 단면도이고, 도 4는 본 고안의 제2실시예를 표시하는 부분 절개 단면도이며, 도 5 는 본 고안의 제3실시예를 나타내는 부분 개략도이다. 종래 기술과 다르지 않은 부분으로서 필요하지 않은 사항은 설명에서 제외하나, 본 고안의 기술적 사상과 그 보호범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

(제1실시예)

먼저 도 3을 이용하여 본 고안의 풍속 측정 장치의 제1실시예의 세부적인 기술적 구성과 기능을 상세히 설명한다.

본 고안의 풍력발전기의 풍속 측정 장치는, 로터블레이드(200)를 회동 지지하는 주축(700)의 회전 중심(100)을 따라 로터블레이드(200)를 지지하는 허브(600)의 선단에 설치되는 것이 특징이다.

로터블레이드(200)를 지지하는 허브(600)의 내측에는 풍속 측정 장치가 배치되는 장착공간(610)이 마련된다. 장착공간(610)의 일측에는 풍속 측정용 프루브(probe)가 삽입되는 센터홀(620)이 포함된다. 센터홀(620)은 주축(700)의 회전 중심선(100) 상에 위치하도록 형성하는 것이 바람직하다. 상기 측정용 프루브는 초음파식, 열선식, 압력식 혹은 프로펠러식일 수 있으며, 도 3에서는 그 중 일례로서 압력식인 피토관(410)을 도시하였다.

피토관(410)의 일단에는 피토관(410)으로부터 측정되는 정압 및 전압을 전기 적인 신호로 변환하기 위한 변환기(420)가 연결된다. 변환기(420)는 허브(600)의 장착공간(610)에 배치되는 것이며, 변환기(420)로부터 도출되는 신호선(430)은 중공 회전축 형상의 주축(700)에 마련된 중공(710)을 지나 슬립링(740)으로 연결된다.

슬립링(740)은 회전하는 주축(710)에 의해 신호선(430)이 꼬이는 것을 방지하기 위한 것으로 주축(700)을 회동 지지하는 지지부(720)의 베어링(730) 사이에 배치되어 풍속 신호를 데이터수신부(800)로 전달한다. 데이터수신부(800)는 도 3에 도시한 바와 같이 나셀(300) 내부에 설치될 수도 있고 모니터링을 위해 풍력발전기를 벗어나 설치될 수도 있다.

바람이 풍력발전기로 불어 공기 유동이 형성되면 운동에너지를 받은 로터블레이드(200)가 회전하고, 이를 지지하는 허브(600)도 함께 회전하며 주축(700)으로 에너지를 전달한다. 주축(700)의 일단에는 증속기(미도시)와 발전기(미도시)가 나셀(300)의 내부로 배치되어 있어 전기에너지를 생산한다. 허브(600)의 선단에 배치된 피토관(410)에 의해 풍속이 측정된다. 피토관(410)을 이용한 풍속 측정 원리는 당 기술분야의 주지 기술에 해당하므로 설명은 생략한다. 본 고안의 피토관(410)은 로터블레이드(200)의 상류 측에 배치되어 풍속을 측정하는 것인 바, 로터블레이드(200)에 의한 웨이크(wake) 효과가 배제되어 정확한 풍속 측정이 가능하다. 피토관(410)으로부터의 아날로그 신호는 변환기(420)에서 전기적 신호로 변환되어 신호 선(430)을 통해 데이터수신부(800)로 전달된다. 상기 전달된 신호는 풍력발전기의 나셀(300)의 방향 제어 및 로터블레이드(200)의 피티각 제어에 활용된다.

본 고안의 제1실시예에서는 풍속 측정용 피토관(410)이 허브(600)와 함께 회전하며 정압 및 전압을 측정하는 바, 정압 측정치에는 피토관의 회전 속도 성분에 의한 영향이 포함된다. 상기 피토관의 직경에 기인한 정압홀(도 5의 412번 참조)의 원주 방향 회전 속도는 로터블레이드(200)의 회전수를 알면 상호 곱에 의해 쉽게 알 수 있는 바, 간단한 보정을 통해 상기 영향은 배제될 수 있고, 그로부터 피토관(410)을 지나는 진정한 풍속값을 얻을 수 있다. 상기 보정은 당 기술분야에서 통상의 유체역학 지식을 가진 자가 일의적으로 도출할 수 있는 것에 해당하는 바, 자세한 설명은 생략한다.

상기 제1실시예에서는 피토관(410)이 허브(600)와 함께 회전하는 식의 구성을 도시하고 있으나, 피토관(410)은 허브(600)에 고정되지 않고 상대 회전 가능하고, 정지해 있는 상태로 풍속을 측정하게 할 수 있으며, 이 때는 상기 피토관(410)의 회전 속도 보정은 불필요하게 된다.

(제2실시예)

다음으로 도 4를 이용하여 본 고안의 제2실시예를 설명한다. 제2실시예는 전기적 신호로 변환된 풍속이 무선 방식으로 전달된다는 점을 제외하고는 제1실시예 와 구성이 같다.

본 고안의 제2실시예에는 슬립링(740)을 대신하여 변환기(420)의 후단으로 무선송신부(440)가 포함된다. 상기 무선송신부(440)는 변환기(420)의 풍속 신호를 무선 신호로 변환하여 데이터수신부(800)로 송신한다. 한편, 제2실시예의 데이터수신부(800)는 무선 안테나를 포함하고 있어 무선송신부(440)와 통신이 가능하며, 풍속 신호를 수신하여 낫셀(300) 등의 방향 제어에 풍속값을 이용하게 한다.

제2실시예에서와 같이 무선 통신에 의해 데이터가 전달되는 바, 정확한 풍속의 측정이 가능할 뿐만 아니라, 주축(700)의 지지구조도 훨씬 간단해질 수 있다.

(제3실시예)

다음으로 도 5를 이용하여 본 고안의 제3실시예를 상세히 설명한다. 제3실시예는 풍속을 측정하기 위한 피토관(410)의 일단에 제상용 히터(450)가 추가로 포함된다는 점을 제외하고는 제1실시예와 구성이 실질적으로 같다.

본 고안의 제3실시예의 피토관(410) 일측에는 히터(450)가 더 포함된다. 통상 노지에 설치되는 풍력발전기는 겨울에도 운전되는 것이나, 종래 풍속계의 경우에는 눈이나 결빙으로 인해 오동작 하는 경우가 비일비재했다. 특히 피토관(410)을 이용하는 압력식 풍속 측정의 경우 정압 혹은 전압 홀(411, 412)에 결빙이 발생하 는 경우 풍속 측정 자체가 불가능하게 된다.

본 고안의 히터(450)는 피토관(410)의 일단에 배치되어 결빙이 발생하는 경우 상기 피토관(410)을 가열함으로서 제상을 행하는 메카니즘을 구현한다. 통상 피토관(410)은 전열 성능이 우수한 금속 재질인 바, 히터(450)의 열은 길이 방향으로 빠르게 전달되어 결빙을 해제하게 된다. 피토관(410)의 결빙 여부는 변환기(420)를 거쳐 수신되는 풍속신호의 변동으로부터 쉽게 판단할 수 있는 바, 측정되는 풍속신호가 비정상인 경우 상기 히터(450)가 작동된다.

본 고안에 따른 풍속 측정 장치는 이 출원에서 제시하는 방식대로 풍력발전기에 설치되어 정확한 풍속 측정이 가능하도록 하며 고효율 풍력 발전이 가능하도록 하는 산업상 이용 가능성을 갖는다.

도 1은 종래의 풍력발전기 구조와 풍속계의 설치 위치를 표시하는 측면도

도 2는 종래의 풍속계의 풍속 측정 결과를 표시하는 그래프

도 3은 본 고안의 제1실시예로서 풍력 측정 장치의 설치 구조를 설명하는 부분 절개 단면도

도 4는 본 고안의 제2실시예를 표시하는 부분 절개 단면도

도 5는 본 고안의 제3실시예를 나타내는 부분 개략도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

200 : 로터블레이드 300 : 나셀

410 : 피토관 420 : 변환기

440 : 무선송신부 450 : 히터

600 : 허브 700 : 주축

710 : 중공 740 : 슬립링

800 : 데이터수신부

Claims

로터블레이드(200)를 포함하는 풍력발전기의 풍속 측정 장치에 있어서,

상기 풍속 측장 장치의 측정용 프루브(410)는 상기 로터블레이드(200)의 허브 선단에 설치되는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치
제 1 항에 있어서, 상기 측정용 프루브는

피토관(410)인 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치
제 2 항에 있어서, 상기 피토관(410)은

아날로그 신호를 전기적 신호로 변환하는 변환기(420)에 연결되고, 상기 변환기(420)는 풍속 신호를 전기적 신호로 변환하여 데이터수신부(800)로 전달하는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치
제 3 항에 있어서, 상기 변환기(420)는

풍속 신호를, 상기 로터블레이드(200)의 회전 주축(700)을 통해, 슬립링(740)을 경유하여 데이터수신부(800)에 전달하는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치
제 3 항에 있어서, 상기 변환기(420)는

풍속 신호를, 무선 통신 방식으로 데이터수신부(800)에 전달하는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치
제 1 항 내지 제 5 항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서, 상기 측정용 프루브(410)는

일단에 히터(450)를 더 포함하여, 프루브(410)가 결빙되는 경우 프루브(410)를 가열함으로서 제상을 행하는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치
제 6 항에 있어서, 상기 제상은

프루브(410)로부터의 풍속신호가 비정상인 경우에 행해지는 것이 특징인 풍력발전기의 풍속 측정 장치