KR20120061336A - 풍력발전기용 기어 박스의 온도 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

풍력발전기용 기어 박스의 온도 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 시스템은 기어 박스의 온도를 측정하는 온도 센서; 온도 센서에 의하여 측정된 기어 박스의 온도에 따라 기어 박스의 온도를 조절하는 온도 조절부; 블레이드의 피치각을 조절하는 피치 조절부; 및 측정된 기어 박스의 온도가 기어박스의 정상 작동 온도 범위보다 낮을 경우 블레이드가 히팅용 회전속도로 회전하도록 피치 조절부를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

풍력발전기용 기어 박스의 온도 제어 시스템 및 방법{SYSTEM FOR CONTROLLING THE TEMPERATURE OF GEAR BOX OF WIND TURBINE AND METHOD USING THE SAME}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다. 보다 상세히, 풍력 발전기용 기어 박스의 온도 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 풍력발전기의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 풍력 발전기(1)는 타워(2), 상기 타워(2) 상부에 형성되는 나셀(5), 상기 나셀(5)의 전방 측에 회전가능하게 형성되는 허브(4) 및 블레이드(3)를 포함한다.
이때, 나셀(5)에는 블레이드(3)에 의하여 얻어진 회전력을 전기 에너지로 변환시키기 위한 구성 요소들이 구비된다. 나셀(5)은, 하우징(7) 내부에, 블레이드(3) 및 허브(4)와 연결된 주축(6), 주축(6)의 저속 회전을 고속회전으로 변환하는 기어 박스(8), 그리고 기어 박스(8)와 연결된 발전기(9)를 포함한다.
기어 박스(8) 및 발전기(9)는 타워(2)의 상단부에 설치되는 메인 프레임(11) 상에 설치되어 지지된다.
이상과 같은 구성으로 이루어지는 풍력 발전기는 개별 부품들의 온도 조건이 작동 온도 이상이 되어야 발전이 가능하다.
그 중, 특히 기어 박스 부분은 많은 기어와 베어링으로 구성되며, 이와 같은 기어 및 베어링의 마찰시 마모를 방지하기 위하여 기어 박스에는 윤활 시스템이 설치된다.
이 때, 기어 박스에 연결되는 윤활 시스템은 윤활유, 히팅 장치 및 쿨링 장치를 포함하여 기어 박스 내부로 공급되는 윤활유의 온도를 적절히 조절할 수 있도록 형성된다.
이 때, 기어 박스의 적정 작동 온도는 기어 박스 내부의 기어 및 베어링이 원활하게 작동할 수 있도록 하기 위하여 윤활유의 점도가 적절한 수준의 온도를 의미할 수 있다.
윤활유는 온도 변화에 의하여 점도 변화가 심하기 때문에 적정 온도 이상에서는 윤활유에 의하여 기어박스가 잘 보호되나 적정 온도 이하에서는 윤활유의 점도가 증가하여 기어박스 내부의 기어 및 베어링을 잘 보호하지 못하는 경우가 발생한다.
이에 따라 기어 박스를 가동하고자 하는 경우 윤활유의 점도를 적정 수준으로 확보하기 위하여 히팅 장치를 이용하여 윤활유를 가열하도록 한다.
그런데, 이와 같이 윤활유를 가열하는 데에는 시간이 많이 소요된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 윤활유가 빨리 적정 온도에 도달하도록 하기 위하여 히팅 장치의 히팅 용량을 증가시키는 방법을 사용하였다.
그러나, 이와 같이 히팅 장치의 히팅 용량을 증가시키기 위하여는 보다 많은 에너지를 히팅 장치에 공급해야 하므로 부가적인 에너지가 필요하였으며, 그에 의하여 히팅 용량을 증가시키더라도 윤활유가 빨리 적정 온도에 도달하지 못하는 경우가 많았다.
본 발명의 일 실시예는 풍력 발전기의 기어 박스 온도를 보다 빨리 상승시킬 수 있는 풍력 발전기의 기어 박스 온도 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드와 발전기를 연결하는 기어 박스의 온도 제어 시스템으로서, 상기 기어 박스의 온도를 측정하는 온도 센서; 상기 온도 센서에 의하여 측정된 상기 기어 박스의 온도에 따라 상기 기어 박스의 온도를 조절하는 온도 조절부; 상기 블레이드의 피치각을 조절하는 피치 조절부; 및 측정된 상기 기어 박스의 온도가 상기 기어박스의 정상 작동 온도 범위보다 낮을 경우 상기 블레이드가 히팅용 회전속도로 회전하도록 상기 피치 조절부를 제어하는 제어부를 포함하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 히팅용 회전속도는 상기 기어 박스를 소정의 시간 이내에 상기 기어 박스의 정상 작동 온도 범위까지 히팅하기 위하여 필요한 블레이드의 회전 속도일 수 있다.
이 때, 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 시스템은 상기 블레이드의 회전 속도를 측정하는 속도 센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 낮을 경우 상기 피치 조절부를 제어하여 상기 블레이드 피치각을 감소시키고, 상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 높을 경우 상기 피치 조절부를 제어하여 상기 블레이드 피치각을 증가시킴으로써 상기 블레이드의 회전 속도를 제어할 수 있다.
이 때, 상기 온도 조절부는, 상기 기어 박스의 온도가 정지 상태의 블레이드를 회전시키기 위하여 필요한 히팅 필요 온도보다 낮을 경우 상기 기어 박스의 온도를 증가시키기 위한 히터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 풍력 발전기의 블레이드와 발전기를 연결하는 기어 박스의 온도 제어 방법으로서, 상기 기어 박스의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 기어 박스의 온도가 상기 기어 박스의 정상 작동 온도 범위보다 낮을 경우 상기 블레이드를 회전시킴으로써 상기 기어 박스를 히팅하는 단계를 포함하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법이 제공된다.
이 때, 상기 기어 박스를 히팅하는 단계에서, 상기 블레이드의 피치각을 제어함으로써 상기 블레이드를 회전시킬 수 있다.
이 때, 상기 기어 박스를 히팅하는 단계에서, 상기 기어 박스를 히팅하기 위한 상기 블레이드의 회전 속도는 상기 발전기로부터 전기를 생산하기 위하여 상기 블레이드가 회전해야 하는 발전용 회전 속도보다 낮을 수 있다.
이 때, 상기 기어 박스를 히팅하기 위한 상기 블레이드의 회전 속도는 상기 발전용 회전 속도의 20~30%일 수 있다.
이 때, 상기 기어 박스를 히팅하는 단계는, 상기 기어 박스를 소정의 시간 이내에 히팅하기 위하여 필요한 회전 속도인 히팅용 회전속도를 지령하는 단계; 상기 블레이드의 회전 속도를 측정하는 단계; 및 상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 낮을 경우 상기 블레이드 피치각을 감소시키고, 상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 높을 경우 상기 블레이드 피치각을 증가시킴으로써 상기 블레이드의 회전 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 기어 박스를 히팅하는 단계 이전에, 상기 기어 박스의 온도가 정지된 블레이드를 회전시키기 위하여 필요한 히팅 필요 온도보다 낮을 경우 상기 기어 박스에 연결된 히터를 이용하여 상기 기어 박스의 온도를 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 제어 시스템 및 방법을 이용하면 풍력 발전기의 기어 박스 온도를 보다 빠른 속도로 상승시킬 수 있다.
도 1은 풍력 발전기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 방법을 수행하기 위한 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 시스템의 구성도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 피치각을 조절하는 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 조절 방법을 사용한 경우 기어 박스의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 조절 방법을 사용할 경우 블레이드의 속도 변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 방법을 수행하기 위한 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 시스템(10)의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 시스템(10)은 온도 조절부(40), 피치 조절부(20) 및 제어부(60)를 포함한다.
온도 조절부(40)는 기어 박스(8)에 연결되며, 기어 박스(8)의 온도를 높이기 위한 히터 및 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 상한 보다 높아졌을 때 기어 박스(8)를 냉각하기 위한 쿨러를 포함할 수 있다.
이때, 본 실시예에서 기어 박스의 온도는 기어 박스 자체의 온도뿐 아니라 기어 박스의 내부에 존재하는 윤활유의 온도를 포함하는 것으로 규정하며, 기어 박스의 온도를 조절한다는 의미는 기어 박스 내부의 윤활유의 온도를 조절하는 의미를 포함하는 것으로 규정한다.
온도 조절부(40)에 의하여 기어 박스(8)의 온도를 조절하기 위하여 기어 박스(8)에는 온도 센서(50), 온도 조절부(40) 및 제어부(60)가 연결된다.
온도 센서(50)는 기어 박스(8)의 온도를 측정하며, 온도 센서(50)에서 측정된 기어 박스(8)의 온도는 후술하는 제어부(60)로 전달되어, 제어부(60)로부터 받은 온도 조절 신호에 따라 온도 조절부(40)가 기어 박스(8)의 온도를 조절할 수 있도록 형성된다.
피치 조절부(20)는 블레이드(3)에 연결된 허브 내에 설치되어 블레이드(3)의 피치각을 조절할 수 있도록 형성된다.
피치(pitch)란 블레이드(3)의 비틀린 각도를 의미한다. 피치 조절부(20)에 의하여 조절되는 블레이드(3)의 피치각은 풍력 발전기가 발전을 하지 않는 아이들링(idling) 상태에서 90도이다. 이 때, 블레이드(3)는 즉 바람이 불어오는 방향과 나란한 방향으로 배열되고, 블레이드(3)의 받음각은 0도 상태를 유지한다.
이와 같이 블레이드(3)의 피치각이 90도 정도를 유지하면 바람이 블레이드(3)를 그냥 지나치게 되므로 블레이드(3)가 회전하지 않기 때문에 블레이드(3)의 회전에 의한 발전이 이루어지지 않는다.
블레이드(3)가 회전을 하기 위하여는 블레이드(3)의 피치각이 90도 이하 즉, 받음각이 0도 이상으로 유지되어야 한다. 블레이드(3)의 회전에 의하여 발전이 이루어질 수 있는 발전용 회전 속도에서 블레이드(3)의 피치각은 대략 0도의 각도를 유지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피치 조절부(20)는 블레이드(3)가 이이들링 상태로 회전하고 있지 않은 상태에서 기어 박스(8)의 온도를 상승시키도록 하기 위하여 제어부(60)에 의하여 피치 조절각 값을 지령 받아 블레이드(3)의 피치각을 조절하도록 형성된다.
제어부(60)는, 기어 박스(8)의 온도가 기어 박스(8)의 정상 작동 온도 범위(도 5에서 정상 작동 온도 하한(C2)부터 정상 작동 온도 상한(C3)까지의 범위)에서, 예를 들어 정상 작동 온도 하한(C2)보다 낮을 경우, 블레이드(3)가 발전기(9)로부터 전기를 생산하기 위하여 회전해야 하는 발전용 회전 속도(V2)보다 낮은 속도인 히팅용 회전속도로 회전가능하도록 피치 조절부(20)를 제어한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템(10)은 속도 센서(30)를 포함한다. 도 2를 참조하면 속도 센서(30)는 주축(6)에 연결되어 블레이드(3)의 회전 속도를 측정할 수 있다. 이 때, 속도 센서(30)는 주축(6)에 직접 결합되거나 혹은 기어 박스(8) 내부에 위치되어 주축(6)에 의하여 회전하는 기어의 회전 속도를 측정함으로써 블레이드(3)의 회전 속도를 측정하도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 속도 센서(30)에 의하여 측정된 블레이드(3)의 회전 속도에 따라 제어부(60)가 피치 조절부(20)를 제어하여 블레이드(3)의 피치각을 증가시키거나 감소시키도록 형성된다.
보다 상세히, 제어부(60)는 기어 박스를 소정의 시간(도 5의 T2) 이내에 기어 박스(8)의 정상 작동 온도 범위 이내, 즉 정상 작동 온도 범위 하한(도 5의 C2) 이상까지 히팅하기 위하여, 블레이드(3)의 회전 속도가 필요한 회전 속도 보다 낮을 경우 블레이드 피치각을 감소시킨다.
또한, 제어부(60)는 블레이드의 회전 속도가, 기어 박스를 소정의 시간(도 5의 T2) 이내에 기어 박스의 정상 작동 온도 범위 이내, 즉 정상 작동 온도 범위 하한(도 5의 C2) 이상까지 히팅하기 위하여 필요한 회전 속도 보다 높을 경우, 블레이드 피치각을 증가키는 방식으로 상기 블레이드(3)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
도 3은, 이상과 같은 구성을 갖는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템(10)을 이용하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스 온도 제어 방법을 수행하는 순서도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 블레이드 피치각을 조절하는 과정의 순서도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 조절 방법을 사용한 경우 기어 박스의 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 조절 방법을 사용할 경우 블레이드의 속도 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5 및 도 6에서 (A)는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 조절 시스템을 이용하여 풍력 발전기의 기어 박스 내부를 온도 조절한 경우 기어 박스 온도(CG) 변화를 나타낸 그래프이며, (B)는 종래의 기어 박스 온도 조절 시스템에서 히터만을 이용하여 풍력 발전기의 기어 박스 내부 온도를 조절한 경우의 기어 박스 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
앞서 도 2를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 시스템(10)의 구성부(예를 들어, 피치 조절부(20), 속도 센서 (30), 온도 조절부(40), 온도센서(50) 및 제어부(60))는 그 명칭에 상관없이 기능단위로 세분화되거나 또는 통합되어 다양하게 구현될 수 있다.
따라서, 이하 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 방법을 설명함에 있어서 그 주체는 온도 제어 시스템(10)으로 설명하며, 본 발명의 이해를 도모하기 위해서 보다 구체적으로 설명이 필요한 경우에는 도 2의 해당 구성부를 구체적으로 명시하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 풍력 발전기의 블레이드(3)가 아이들링 상태 즉, 정지 상태이며 블레이드(3)의 피치각이 90도로 유지되고 있는 경우에는, 블레이드(3)의 회전에 의한 발전이 이루어지지 않는다.
이와 같은 상황에서 블레이드(3)를 회전시켜 발전을 수행하고자 할 경우 우선, 기어 박스의 온도를 측정하여, 블레이드(3)가 회전함으로써 발전할 수 있는 회전 속도로 작동할 수 있는지 여부를 확인한다. (S301)
이 때, 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 범위 이내, 즉 정상 작동 범위 하한(C2) 보다 높고 정상 작동 온도 상한(C3) 보다 낮을 경우에는 블레이드(3)가 발전할 수 있는 상태라고 판단할 수 있다. (S302) 이와 같이 블레이드(3)가 회전하여 발전을 수행할 수 있는 정도의 기어 박스(8) 온도가 유지되는 경우에는 블레이드(3)의 피치각을, 예를 들어, 90도로부터 0도까지 조절하여 블레이드(3)가 발전을 수행할 수 있는 회전 속도로 회전하도록 함으로써 발전이 이루어질 수 있도록 한다. (S306)
만일 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 하한(C2) 보다 낮은 경우에는 기어 박스(8)의 온도를 증가시켜 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 하한(C2) 보다 높도록 해야 하는데, 그에 앞서 기어 박스 온도(CG)가 히팅 필요 온도(C1)보다 높은지 여부에 대하여 판단하는 과정을 수행한다. (S303)
이 때, 기어 박스 온도(CG)가 히팅 필요 온도(C1)보다 낮은 경우에는 히터를 이용하여 기어 박스(8)를 히팅한다. (S304)
기어 박스의 온도(CG)가 히팅 필요 온도(C1)보다 낮은 경우에는 기어 박스(8) 내부의 윤활유의 점도가 매우 크므로, 블레이드(3)의 피치각을 조절하여 블레이드(3)가 바람에 의하여 자체적으로 회전하도록 한다 하더라도 기어 박스(8) 내부에서 기어의 맞물림 상태가 블레이드(3)의 회전 자체를 방해할 수 있으며, 이와 같은 경우 기어 박스(8) 내부의 기어가 파손되거나 피로가 증가될 수 있다.
이와 같은 문제점을 방지하기 위하여 기어 박스(8) 내부의 기어가 회전할 수 있도록 하기 위한 최소한의 온도 즉, 히팅 필요 온도(C1)까지는 히터에 의하여 강제적인 가열이 필요할 수 있다.
이때, 히팅 필요 온도(C1)는 풍력 발전기(9)가 설치된 지역과 계절 및 날씨 등의 영향에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 겨울에 영하 수십도 이하까지 기온이 떨어지는 경우에는 풍력 발전기(9)의 블레이드(3)를 회전시키기 위하여 우선적으로 히팅 필요 온도(C1)까지 기어 박스(8)를 가열하는 과정이 필요할 것이다. 그러나, 동일한 지역이라도 여름과 같이 더운 계절에는 기어 박스의 온도가 히팅 필요 온도 보다 항상 높게 유지될 경우 별도의 히팅이 필요 없을 수도 있다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 히팅된 기어 박스(8)는 소정의 시간(T1)이 경과한 후 풍력 발전기(9)의 블레이드 히팅 필요 온도(C1)까지 가열된다.
이에 따라, 풍력 발전기(9)는 히팅 필요 온도(C1)에 걸리는 시간(T1) 이후에 블레이드(3)의 피치각을 조절하였을 때 블레이드(3)가 회전할 수 있는 상태를 유지하게 된다.
다음으로 기어 박스(8)의 히팅이 완료되어 기어 박스 온도(CG)가 히팅 필요 온도(C1)보다 높은 경우 또는 히팅이 필요없는 경우에는 블레이드(3)를 회전시킨다. (S305)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 블레이드(3)를 회전시킴으로써 기어 박스(8)의 온도가 상승된다.
이 때, 블레이드(3)를 회전시키면 기어 박스(8)에서 회전하는 복수의 기어 및 베어링의 마찰열이 발생되며, 이와 같이 발생된 마찰열이 기어 박스(8) 내부의 윤활유의 점도를 낮추고, 이와 같이 윤활유의 점도가 낮아짐에 따라 기어 박스(8)는 풍력 발전기의 블레이드가 발전용 회전 속도로 회전하더라도 기어 및 베어링에 파손이 발생하지 않는 상태를 유지할 수 있게 된다.
이와 같이 블레이드(3)를 회전시켜 기어 박스(8)의 온도가 상승하면 기어 박스(8)의 온도를 측정하는 과정을 다시 반복한 후 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 하한 보다 높을 경우 발전을 시작한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기 기어 박스(8)의 온도 제어 방법은 종래에 히팅 만으로 기어 박스(8)의 온도(CG)를 증가시키던 것과 비교할 때 블레이드(3)의 회전을 통하여 기어 박스(8) 내부의 기어 및 베어링의 회전에 따른 마찰열을 추가적으로 발생시킴으로써 보다 빠르게 기어 박스의 온도를 증가시킬 수 있다.
이 때, 기어 박스(8)의 온도(CG)를 증가시기 위하여 블레이드(3)를 회전시키는 것은 정지되어 있는 풍력 발전기(9)의 블레이드(3)의 피치각을 조절하여 블레이드(3)가 바람에 의하여 자연적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 달성될 수 있다. 이하, 블레이드(3)의 피치각을 조절하는 과정을 도 4를 참조하여 설명한다.
도 4를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 블레이드(3)가 회전하고 있지 않은 상태에서 블레이드(3)는 아이들링 상태이며, 이 때, 블레이드(3)의 피치각은 90도로 유지된다. (S401)
이 때, 기어 박스(8)의 온도(CG)가, 블레이드(3)가 자연적으로 회전하더라도 기어 박스(8) 내부의 기어 및 베어링이 손상되지 않고 작동할 수 있는 히팅 필요 온도(C1) 이상으로 판단된 경우, 제어부(60)에서는 기어 박스(8)를 히팅하기 위한 블레이드(3)의 회전 속도(V1)를 지령한다. (S402)
이 때, 기어 박스(8)를 히팅하기 위한 블레이드(3)의 회전 속도(V1)는 0보다는 크고 블레이드(3)의 회전에 의하여 발전을 하기 위한 발전용 회전 속도(V2)보다는 작은 것이 바람직하다.
보다 상세히, 기어 박스(8)를 히팅하기 위한 블레이드의 히팅용 회전 속도(V1)는 발전용 회전속도(V2)의 20~30%일 수 있다.
히팅용 회전 속도(V1)가 발전용 회전 속도(V2)에 비하여 20~30 % 정도의 낮은 속도를 갖도록 하는 이유는, 기어 박스(8)의 내부에 위치되는 윤활유의 점도가 발전용 속도(V2)로 빠르게 회전하는 블레이드(3)의 회전력을 전달하지 못하는 정도로 낮은 상태에서 기어 박스(8) 내부에 위치되는 기어의 파손이 발생하지 않는 정도의 속도로 블레이드(3)를 회전시켜야 하기 때문이다.
이에 따라 히팅용 회전 속도(V1)는 발전용 회전 속도(V2)의 20~30% 정도인 저속으로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 풍력 발전을 하기 위하여 블레이드(3)가 시간당 7~8 회전할 경우 기어 박스(8)를 히팅하기 위한 블레이드의 회전 속도는 2~3 회 정도 일 수 있다.
그러나, 이와 같은 블레이드(3)의 히팅용 회전속도(V1)는 풍력 발전기(9)가 설치되는 지역의 날씨, 기후 변화 등의 외부적인 환경 변화 및 풍력 발전기(9)의 블레이드(3)의 크기, 기어 박스(8) 내부의 윤활유의 종류 및 특성, 그리고 기어 박스 자체의 성능에 따라 다르게 설정될 수 있는 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한 히팅용 회전 속도(V1)는 앞서 설명한 요건을 고려하여 실험에 의하여 정해진 값으로 제어부에 미리 설정되어 있을 수 있다.
또한 기어 박스(8)의 온도 변화에 따른 윤활유의 점도 변화가 풍력 발전기(9)의 블레이드(3) 회전 속도에 영향을 미칠 수 있기 때문에 기어 박스(8)의 온도 변화에 대응하여 블레이드(3)의 피치각을 조절하도록 제어부(60)가 피치 조절부(20)를 제어하는 것도 가능하다.
제어부(60)에서 블레이드(3)를 회전시키기 위하여 블레이드(3) 피치 조절부(20)에 피치각 값을 지령하면, 피치 조절부가 블레이드(3)의 피치각을 조절하고, 이에 따라 피치각이 감소한다. (S403) 이와 같이 피치각이 감소하면 블레이드(3)가 바람에 의하여 회전하기 시작한다. (S404)
블레이드(3)가 회전하기 시작하면, 기어 박스(8)의 온도는 도 5에서 알 수 있는 바와 같이 증가하게 되며, 점진적으로 증가한 기어 박스(8)의 온도는 소정의 시간이 경과한 후(T2) 블레이드(3)의 정상 작동 온도 하한(C2)에 도달하게 된다.
만일 히팅 만으로 기어 박스(8)의 온도를 향상시킨 경우에는 기어 박스(8)의 온도를 정상 작동 온도까지 올리는데 T3의 시간이 걸리나, 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 박스(8)의 온도 제어 방법을 사용함으로써 기어 박스(8)의 온도를 정상 작동 온도 하한(C2)까지 올리는데 T2의 시간이 소요되므로, 결국 T3-T2의 시간이 단축되는 효과를 갖는다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 박스(8)의 온도 제어 방법에서는 히팅과 동시에 블레이드(3)의 피치각을 조절하여 블레이드(3)의 회전에 의한 마찰열을 증가시켜 기어 박스의 온도를 증가시킬 수 있다.
그러나, 히터를 이용하여 히팅 필요 온도까지만 기어 박스(8)를 히팅한 후, 블레이드(3)의 피치각을 조절하는 작동 만으로 기어 박스(8)의 온도(CG)를 정상 작동 온도 하한(C2)까지 올릴 수 있는 경우라면 히터를 동시에 가동하지 않는 것도 가능할 것이다. 히터를 작동하기 위하여는 별도의 구동원이 필요하므로, 이와 같이 할 경우 히터를 구동하기 위한 전력의 사용을 줄일 수 있다.
한편, 제어부(60)는 히팅용 회전 속도(V1)를 제어부(60)에서 지령한 상태에서 블레이드(3)의 실제 회전속도(V)가 히팅용 회전 속도(V1)보다 낮거나 높은 경우 히팅용 회전 속도(V1)에 맞추어 블레이드(3)가 회전하도록 피치 조절부(20)을 제어하여 블레이드(3)의 속도를 제어한다. (S405)
블레이드(3)의 속도 제어는 앞서 설명한 바와 같이 피치 조절부(20)를 제어하여 블레이드(3)의 피치각을 증가(S406) 또는 감소(S407)시킴으로써 이루어질 수 있다.
이때, 만일 히팅용 회전속도(V1)가 기어 박스(8)의 온도에 따라 제어부(60)에 의하여 즉각적으로 피드백제어 되는 경우가 아니라 소정의 설정값으로 셋팅되어 있는 경우에는 블레이드(3)의 회전 속도가 소정의 설정값에 수렴하도록 블레이드(3)의 피치각 제어가 이루어질 수 있다.
한편, 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 블레이드(3)는 풍력 발전기를 가동하기 위하여 최초 기어 박스(8)를 히팅하기 시작한 후 히팅 필요 온도(C1)가 만족되는 T1의 시간이 지난 후부터 회전하기 시작하며, 블레이드(3)의 히팅용 회전 속도가 V1으로 설정되어 있는 경우, T2의 시간 즉, 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 하한(C2)에 이르는 시간까지 V1의 속도로 회전하도록 구성된다.
그리고 기어 박스(8)의 온도가 정상 작동 온도 범위의 하한(C2)을 넘게 되면 풍력 발전기의 블레이드(3) 속도는 발전용 회전속도(V2)까지 증가하도록 피치가 조절된 후 T2 시간 이후부터 블레이드(3)의 회전을 이용하여 발전을 수행할 수 있게 된다.
따라서, 종래의 풍력 발전기가 히팅에 의하여만 기어 박스(8)를 가열할 때에는 실질적으로 T3의 시간 이후부터 풍력 발전기의 블레이드 회전에 의한 발전이 이루어진 것과 비교할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 기어 박스 온도 조절 방법을 사용함으로써 T2의 시간 이후부터 발전이 이루어질 수 있고, 이에 따라 T3-T2 만큼 발전 시간이 증가될 수 있다.
극한 지역에서는 히터를 이용하여 기어 박스를 가열하기 위하여 10여 시간 이상의 히팅이 필요하다는 점을 고려할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 박스 온도 조절 방법을 사용하여 기어 박스 가열을 위한 시간을 현저히 줄일 수 있다.
이 때, 풍력 발전기의 블레이드 히팅용 회전 속도에 따라 기어 박스의 온도를 정상 작동 온도 범위 내까지 이르게 하는데 걸리는 시간는 상황에 따라 달라질 수 있으며, 이는 실험적으로 미리 측정되어 미리 제어부에 설정되어 있도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 풍력 발전기 2 타워
3 블레이드 4 허브
5 나셀 6 주축
7 하우징 8 기어 박스
9 발전기 10 기어 박스 온도 제어 시스템
11 메인 프레임 20 피치 조절부
30 온도 센서 40 히터
50 온도 센서 60 제어부

Claims (9)

  1. 풍력 발전기의 블레이드와 발전기를 연결하는 기어 박스의 온도 제어 시스템으로서,
    상기 기어 박스의 온도를 측정하는 온도 센서;
    상기 온도 센서에 의하여 측정된 상기 기어 박스의 온도에 따라 상기 기어 박스의 온도를 조절하는 온도 조절부;
    상기 블레이드의 피치각을 조절하는 피치 조절부; 및
    측정된 상기 기어 박스의 온도가 상기 기어박스의 정상 작동 온도 범위보다 낮을 경우 상기 블레이드가 히팅용 회전속도로 회전하도록 상기 피치 조절부를 제어하는 제어부
    를 포함하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템.
    여기서, 상기 히팅용 회전속도는 상기 기어 박스를 소정의 시간 이내에 상기 기어 박스의 정상 작동 온도 범위까지 히팅하기 위하여 필요한 블레이드의 회전 속도임.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전 속도를 측정하는 속도 센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 낮을 경우 상기 피치 조절부를 제어하여 상기 블레이드 피치각을 감소시키고,
    상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 높을 경우 상기 피치 조절부를 제어하여 상기 블레이드 피치각을 증가시킴으로써 상기 블레이드의 회전 속도를 제어하는, 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도 조절부는, 상기 기어 박스의 온도가 정지 상태의 블레이드를 회전시키기 위하여 필요한 히팅 필요 온도보다 낮을 경우 상기 기어 박스의 온도를 증가시키기 위한 히터를 포함하는, 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 시스템.
  4. 풍력 발전기의 블레이드와 발전기를 연결하는 기어 박스의 온도 제어 방법으로서,
    상기 기어 박스의 온도를 측정하는 단계;
    상기 기어 박스의 온도가 상기 기어 박스의 정상 작동 온도 범위보다 낮을 경우 상기 블레이드를 회전시킴으로써 상기 기어 박스를 히팅하는 단계
    를 포함하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 기어 박스를 히팅하는 단계에서,
    상기 블레이드의 피치각을 제어함으로써 상기 블레이드를 회전시키는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기어 박스를 히팅하는 단계에서,
    상기 기어 박스를 히팅하기 위한 상기 블레이드의 회전 속도는 상기 발전기로부터 전기를 생산하기 위하여 상기 블레이드가 회전해야 하는 발전용 회전 속도보다 낮은 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 기어 박스를 히팅하기 위한 상기 블레이드의 회전 속도는 상기 발전용 회전 속도의 20~30%인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 기어 박스를 히팅하는 단계는,
    상기 기어 박스를 소정의 시간 이내에 히팅하기 위하여 필요한 회전 속도인 히팅용 회전속도를 지령하는 단계;
    상기 블레이드의 회전 속도를 측정하는 단계; 및
    상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 낮을 경우 상기 블레이드 피치각을 감소시키고, 상기 블레이드의 회전 속도가 상기 히팅용 회전 속도 보다 높을 경우 상기 블레이드 피치각을 증가시킴으로써 상기 블레이드의 회전 속도를 제어하는 단계
    를 포함하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 기어 박스를 히팅하는 단계 이전에,
    상기 기어 박스의 온도가 정지된 블레이드를 회전시키기 위하여 필요한 히팅 필요 온도보다 낮을 경우 상기 기어 박스에 연결된 히터를 이용하여 상기 기어 박스의 온도를 증가시키는 단계를 더 포함하는 풍력 발전기 기어 박스의 온도 제어 방법.
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