KR20120124022A - 풍력 발전 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

실시형태의 풍력 발전 시스템(10)은, 허브(41) 및 날개(42)를 구비하는 로터(40)와, 로터(40)를 축지지하는 나셀(31)과, 나셀(31)을 지지하는 타워(30)와, 날개(42)의 전연부에 설치되고, 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62)을 유전체를 통해 이간(離間)하여 구비한 기류 발생 장치(60)와, 기류 발생 장치(60)의 전극간에 전압을 인가 가능한 방전용 전원(65)과, 방전용 전원(65)을 제어하는 제어부(110)를 구비한다. 제어부(110)는, 전압의 펄스 변조 주파수를 f로, 날개(42)의 익현장(翼弦長)을 C로, 날개(42)의 주속도(周速度)와 풍속을 합성한 상대 속도를 U로 했을 때에, 관계식 fC／U의 값이 0.1 이상 9 이하가 되도록 방전용 전원(65)으로부터의 전압을 펄스 변조 제어하고, 플라즈마 유도기류를 발생시킨다.

Description

풍력 발전 시스템 및 그 제어 방법{WIND POWER GENERATION SYSTEM AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 출원은 2011년 5월 2일자로 출원된 일본 특허 출원 제2011-103083호에 기초한 것으로서 그 출원의 우선권을 주장하며, 그 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.
본 명세서에 기술된 실시형태들은 일반적으로 풍력 발전 시스템 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재, 지구 온난화 방지의 관점에서, 전(全) 지구 규모로 재생 에너지 발전 시스템의 도입이 진행되고 있다. 그러한 상황 중, 풍력 발전은 보급이 진행되고 있는 발전 방식 중 하나이다. 그러나, 일본에서는, 풍력 발전의 보급율은 유럽 등에 비해 낮다.
일본에서 풍력 발전을 보급하기 어려운 것은 그 지리적 제약에 의한 점이 크다. 특히, 일본에서는 산악성 기상이기 때문에 풍력 및 풍향이 어지러울 정도로 빠르게 변화하여, 풍력 발전에 있어서 안정된 출력을 유지하는 것이 곤란해진다. 이와 같은 것이 원인이 되어, 풍차 1대당 발전 효율을 저하시키고, 결과적으로 풍력 발전 시스템의 도입 비용을 올리고 있다.
일본과 같은 풍속 풍향 변동이 심한 지역에서 대규모의 풍력 발전을 도입하기 위해서는, 이들 문제를 극복한 내(耐)변동형의 풍차 개발이 필수가 된다. 그래서, 유전체를 통해 대향 배치된 전극간에 전압을 인가하여 발생한 플라즈마에 의해 플라즈마 유도기류를 발생시키는 기류 발생 장치를, 풍차의 날개면에 배설(配設)함으로써, 바람의 변동에 대응한 제어가 가능한 풍력 발전 시스템이 제안되고 있다.
그러나, 지금까지, 실제의 회전장에서 기류 발생 장치를 동작시켜 풍차 효율에 대한 효과를 확인한 사례는 나타나 있지 않다. 그 때문에, 실제의 풍차에 있어서, 최적의 기류 발생 장치에서의 전압 인가 방법이나, 날개에서의 실속(失速) 상태를 제어하여 효율의 향상을 도모하는 운용 방법 등의 확립이 필요해진다.
일 실시형태에서, 풍력 발전 시스템은, 허브 및 상기 허브에 장착된 적어도 2매 이상의 날개를 구비하는 로터와, 상기 허브에 접속된 회전축을 통해 상기 로터를 축지지하는 나셀(nacelle)과, 상기 나셀을 지지하는 타워와, 상기 날개의 전연부에 설치되어, 제 1 전극과 제 2 전극을 유전체를 통해 이간(離間)하여 구비한 기류 발생 장치와, 상기 기류 발생 장치의 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가 가능한 전압 인가 기구와, 적어도 상기 전압 인가 기구를 제어하는 제어 수단을 구비한다.
그리고, 전압의 펄스 변조 주파수를 f로, 상기 날개의 익현장(翼弦長)을 C로, 상기 날개의 주속도(周速度)와 풍속을 합성한 상대 속도를 U로 했을 때에, 관계식 fC／U의 값이 0.1 이상 9 이하가 되도록, 상기 제어 수단이, 상기 전압 인가 기구에 의해 인가하는 전압을 펄스 변조 제어하고, 상기 기류 발생 장치에 의해 플라즈마 유도기류를 발생시킨다.
도 1은 일반적인 풍차에 있어서의 축방향 풍속과 풍차의 출력(발전량)의 관계를 나타내는 도면.
도 2는 일반적인 풍차에 있어서의 축방향 풍속의 변화를 나타낸 도면.
도 3은 실시형태의 풍력 발전 시스템을 나타내는 사시도.
도 4는 실시형태의 풍력 발전 시스템에 설치된 기류 발생 장치를 설명하기 위한, 날개의 전연부의 단면을 나타낸 도면.
도 5는 실시형태의 풍력 발전 시스템에 있어서의 펄스 변조 제어의 개요를 설명하기 위한 도면.
도 6은 실시형태의 풍력 발전 시스템의 제어 구성을 모식적으로 나타낸 도면.
도 7은 실시형태의 풍력 발전 시스템의 동작(제어예 1)을 설명하기 위한 플로우 차트.
도 8은 실시형태의 풍력 발전 시스템의 동작(제어예 2)을 설명하기 위한 플로우 차트.
도 9는 전연(前緣) 박리형의 단독 날개의 양력(揚力) 계수(C)와 영각(迎角)(α)의 관계를 나타내는 도면.
도 10은 날개의 전연에서 흐름이 실속(失速)했을 때, 기류 발생 장치를 동작시키지 않을 경우(OFF)의 날개를 따르는 흐름을 모식적으로 나타내는 도면.
도 11은 날개의 전연에서 흐름이 실속했을 때, 기류 발생 장치에 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)의 날개를 따르는 흐름을 모식적으로 나타내는 도면.
도 12는 날개의 전연에서 흐름이 실속했을 때, 기류 발생 장치에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)의 날개를 따르는 흐름을 모식적으로 나타내는 도면.
도 13은 기류 발생 장치에 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)에 있어서의 출력과 시간의 관계를 나타내는 도면.
도 14는 기류 발생 장치에 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)에 있어서의 출력과 축방향 풍속의 관계를 나타내는 도면.
도 15는 기류 발생 장치에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서의 출력과 시간의 관계를 나타내는 도면.
도 16은 기류 발생 장치에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서의 출력과 축방향 풍속의 관계를 나타내는 도면.
도 17은 기류 발생 장치에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서의 fC／U와 출력의 관계를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
우선, 일반적인 풍차에 있어서의 풍속과 풍차의 출력(발전량)의 관계에 대해서 설명한다. 도 1은 일반적인 풍차에 있어서의 축방향 풍속과 풍차의 출력(발전량)의 관계를 나타내는 도면이다.
축방향 풍속과 풍차의 출력(발전량)의 관계를 나타내는 도면을 파워 커브라 부른다. 도 1의 횡축에 나타난 Vi는 커트인 축방향 풍속, Vr은 정격 축방향 풍속, Vo는 커트아웃 축방향 풍속이다. 커트인 축방향 풍속(Vi)은 풍차가 이용 가능한 동력을 발생시키는 최소의 축방향 풍속이며, 커트아웃 축방향 풍속(Vo)은 풍차가 이용 가능한 동력을 발생시키는 최대의 축방향 풍속이다. 또한, 축방향 풍속이란, 풍차의 회전축 방향의 바람의 속도 성분이다.
풍차는, 축방향 풍속이 커트인 축방향 풍속(Vi) 이상에서 발전기의 기동 토크를 극복하여 회전을 시작하고, 도 1에 나타내는 바와 같이, 축방향 풍속의 증가와 함께 출력이 증대한다. 출력이 발전기의 정격에 달하면, 그 이상의 축방향 풍속을 받아도 출력이 증대하지 않도록 날개의 피치를 제어하여 출력을 일정하게 억제하고 있다. 커트아웃 축방향 풍속(Vo)을 초과하여서 날개나 타워를 손상시킬 리스크가 염려되는 축방향 풍속에 달하면, 날개가 바람으로부터 힘을 받지 않도록 피치나 요(yaw)를 제어하여 회전을 멈춘다.
커트인 축방향 풍속(Vi)에서 정격 축방향 풍속(Vr)까지의 영역을 부분 부하 영역, 정격 축방향 풍속(Vr)을 초과하여 커트아웃 축방향 풍속(Vo)까지의 영역을 정격 영역이라 부른다. 실제의 풍황(風況)에서는 부분 부하 영역이 되는 축방향 풍속의 출현 확률이 높은 것이나, 부분 부하 영역에서는 바람의 에너지가 그대로 출력에 반영되는 것 등으로부터, 이 부분 부하 영역에서의 날개의 수풍(受風) 효율을 향상시키는 것이 요구되고 있다.
여기에서, 발명자들은 축방향 풍속의 변동이 있을 경우에, 도 1에 나타난 파워 커브에 의해서는 나타낼 수 없는 사상이 존재하는 것을 발견했다. 즉, 도 1에서의 점 A에서 운전하고 있는 상태에서 축방향 풍속이 증대했을 때, 파워 커브 상의 점 C가 아니라, 그보다 출력이 작은 점 B로 이행하는 것을 발견했다. 그리고, 그 후, 동일한 축방향 풍속으로 장시간 유지해도, 점 B에서 안정되는 것을 발견했다.
또한, 축방향 풍속의 증대율을 바꾸어 시험을 반복했다. 도 2는 일반적인 풍차에 있어서의 축방향 풍속의 변화를 나타낸 도면이다. 도 2에 나타낸 V1과 같이 축방향 풍속이 완만하게 증대할 경우에는, 출력은 도 1에 나타낸 점 C로 이행할 때와 같이 파워 커브를 따라 증가했다. 한편, 도 2에 나타낸 V2와 같이 축방향 풍속이 급격히 증대할 경우에는, 출력은, 도 1에 나타낸 점 B로 이행할 때와 같이 파워 커브로부터 벗어나, 출력이 증가하지 않은 상태가 되었다. 이하 이 상태를 완전 실속(失速) 상태라고 한다. 풍속 풍향 변동이 심한 자연풍 하에서는, 항상 이와 같은 다양한 시정수(時定數)의 풍속 증대가 일어나고 있다.
발명자들은, 상기한 바와 같은 완전 실속 상태가 되는 현상을 포착하여, 이 완전 실속 상태가 되었을 경우에서도 조속히 그 상태를 해소하여 파워 커브를 따른 출력이 얻어지는 제어가 가능해지는 새로운 지견을 발견했다.
이하에, 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)에 대해서 설명한다.
도 3은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)을 나타내는 사시도이다. 도 4는 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)에 설치된 기류 발생 장치(60)를 설명하기 위한, 날개(42)의 전연부의 단면을 나타낸 도면이다. 또한, 이하에서, 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여, 중복하는 설명을 생략 또는 간략한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전 시스템(10)에 있어서, 지면(20)에 설치된 타워(30)의 꼭대기부에는, 발전기(도시 생략) 등을 수용한 나셀(31)이 장착되어 있다. 또한, 나셀(31)로부터 돌출된 발전기의 회전축에 로터(40)가 축지지되어 있다.
로터(40)는 허브(41), 및 이 허브(41)에 장착된 날개(42)를 구비하고 있다. 또한, 날개(42)는 피치각이 변경 가능하게 구비되어 있다. 또한, 여기에서는, 3매의 날개(42)를 구비하는 일례를 나타내고 있지만, 날개(42)는 적어도 2매 이상 구비되어 있으면 된다. 나셀(31)의 상면에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 바람의 풍향이나 속도를 계측하는 풍향 풍속계(50)가 설치되어 있다. 또한, 여기에서는, 날개(42)가 피치각을 변경 가능하게 구비된 일례를 나타냈지만, 피치각을 제어할 수 없는 날개여도 된다.
날개(42)의 전연부에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 기류 발생 장치(60)가 설치되어 있다. 기류 발생 장치(60)는 제 1 전극(61)과, 이 제 1 전극(61)과 유전체(63)를 통해 이간하여 배설된 제 2 전극(62)을 구비한다. 여기에서는, 제 1 전극(61)을 유전체(63)의 표면에 설치하고, 제 2 전극(62)을 유전체(63) 내에 매설(埋設)한 구성을 갖는 기류 발생 장치(60)를 나타내고 있다. 또한, 유전체(63)를 구성하는 유전 재료에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 사용되는 용도나 환경에 따라, 공지의 고체로 이루어지는 유전 재료로부터 적절히 선택할 수 있다.
또한, 기류 발생 장치(60)의 구성은 이에 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 날개(42)에 홈부를 구성하고, 이 홈부에 제 1 전극(61), 제 2 전극(62) 및 유전체(63)로 이루어지는 구성을 끼워넣도록 설치하고, 기류 발생 장치(60)가 날개(42)의 표면으로부터 돌출되지 않도록 구성해도 된다. 이 경우, 날개(42)가, 예를 들면 글래스 파이버를 합성 수지에 의해 고형화한 GFRP(글래스 파이버 강화 수지) 등의 유전 재료로 구성되어 있을 때에는, 유전체(63)로서 날개(42) 자체를 기능시킬 수 있다. 즉, 날개(42)의 표면에 직접 제 1 전극(61)을 배설하고, 이 제 1 전극(61)과 이간하여 날개(42)에 제 2 전극(62)을 직접 매설할 수 있다.
여기에서, 예를 들면 제 1 전극(61)의 제 2 전극(62)측의 단연(端緣)이, 날개(42)의 전연 상(上)이 되도록 제 1 전극(61)을 배치하고, 제 1 전극(61)보다 날개(42)의 배측(背側)(42a)이 되는 위치에 제 2 전극(62)을 배치할 수 있다. 또한, 기류 발생 장치(60)의 배치 위치는 날개면에 발생하는 박리 등을 제어할 수 있는 위치이면 되고, 특별히 한정되는 것이 아니다. 예를 들면, 적확하게 흐름을 제어하기 위해서는, 기류 발생 장치(60)의 배치 위치는 날개(42)의 전연부로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 기류 발생 장치(60)에서는, 발생하는 플라즈마 유도기류가 제 1 전극(61)측으로부터 제 2 전극(62)측을 향하여 흐르도록, 제 1 전극(61) 및 제 2 전극(62)이 배치되어 있다. 예를 들면, 도 4에 나타낸 기류 발생 장치(60)에서는, 플라즈마 유도기류는 날개(42)의 전연으로부터 날개면의 배측(42a)을 향하여 흐른다.
기류 발생 장치(60)는, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 날개(42)의 익근부(翼根部)로부터 익단부(翼端部)를 향하는 날개폭 방향으로, 복수개 독립하여 배치된다. 이 경우, 각 기류 발생 장치(60)를 각각 단독으로 제어할 수 있다. 예를 들면 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 인가되는 전압을 각 기류 발생 장치(60)마다 제어할 수 있다. 또한, 날개폭이 작을 경우에는, 예를 들면 1개의 기류 발생 장치(60)를, 날개(42)의 전연부에 날개폭 방향으로 배치할 수도 있다.
제 1 전극(61) 및 제 2 전극(62)은, 도 4에 나타내는 바와 같이, 각각 케이블 배선(64)을 통해, 전압 인가 기구로서 기능하는 방전용 전원(65)에 전기적으로 접속되어 있다. 이 방전용 전원(65)을 기동함으로써, 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 전압이 인가된다.
방전용 전원(65)은, 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에, 예를 들면 펄스 형상(정극성, 부극성, 정부의 양(兩)극성(교번 전압))의 펄스 변조 제어된 전압이나, 교류 형상(정현파, 단속 정현파)의 파형을 갖는 전압 등을 인가할 수 있다. 이와 같이, 방전용 전원(65)은, 전압값, 주파수, 전류 파형, 듀티비 등의 전류 전압 특성 등을 변화시켜, 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 전압을 인가할 수 있다.
예를 들면, 복수의 기류 발생 장치(60)를 구비할 경우, 방전용 전원(65)은 각 기류 발생 장치(60)마다 구비되어도 되고, 각 기류 발생 장치(60)를 독립하여 전압 제어할 수 있는 기능을 구비하는 1개의 전원으로 구성되어도 된다.
여기에서, 도 5는 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)에 있어서의 펄스 변조 제어의 개요를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 방전용 전원(65)으로부터의 인가 전압을 소정 시간 온(ON), 소정 시간 오프(OFF)로 하는 제어 방법을 펄스 변조 제어라 하고, 그 주파수를 펄스 변조 주파수(f)라 한다. 또한, 도 5에 나타난 기본 주파수란, 인가 전압의 주파수이다.
예를 들면, 전압을 펄스 변조 제어했을 때, 다음의 식 (1)의 관계식을 충족시키도록 펄스 변조 주파수(f)를 설정하는 것이 바람직하다.
0.1≤fC／U≤9 … 식 (1)
여기에서, C는 기류 발생 장치(60)가 구비된 날개부에 있어서의 날개(42)의 익현장이다. U는 기류 발생 장치(60)가 구비된 날개부에 있어서의, 날개의 주속도와 풍속을 합성한 상대 속도이다. 또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 기류 발생 장치(60)를 날개폭 방향으로 복수 구비했을 경우에 있어서도, 1개의 기류 발생 장치(60)는 날개폭 방향으로 소정의 폭을 갖고 있다. 그 때문에, 1개의 기류 발생 장치(60)에 있어서도, 익현장(C)이나 상대 속도(U)는 이 기류 발생 장치(60)의 폭방향으로 변화한다. 그래서, 익현장(C)이나 상대 속도(U)로서, 각 기류 발생 장치(60)가 구비된 날개부에 있어서의 날개폭 방향의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다.
여기에서, 상기 관계식을 충족시키도록 펄스 변조 주파수(f)를 설정함으로써, 상술한 도 1에 나타낸 점 B의 완전 실속 상태가 되었을 때에도, 파워 커브를 따른 정상적인 상태(예를 들면, 도 1의 점 C)로 확실히 이행할 수 있다.
다음으로, 풍력 발전 시스템(10)의 제어 방법에 대해서 설명한다.
(제어예 1)
도 6은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)의 제어 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전 시스템(10)은 풍속 센서(100)와, 풍향 센서(101)와, 회전수 센서(102)와, 제어부(110)와, 제어 데이터베이스(120)와, 방전용 전원(65)과, 피치 각도 구동 기구(130)를 구비하고 있다.
풍속 센서(100)는 날개(42)에 유입하는 바람의 속도를 계측하는 센서이다. 풍향 센서(101)는 날개(42)에 유입하는 바람의 풍향을 계측하는 센서이다. 이들 풍속 센서(100)나 풍향 센서(101)는, 예를 들면 도 3에 나타내는 바와 같이, 나셀(31)의 상측면에 설치된 풍향 풍속계(50) 등으로 구성된다.
회전수 센서(102)는 날개(42)의 회전수를 계측하는 센서이며, 예를 들면 나셀(31) 내에 설치된다.
제어 데이터베이스(120)는 풍속, 풍향, 회전수 등의 계측값에 의거하여 특정하기 위한, 실출력(측정 데이터에 의거하여 산출된 출력 또는 발전기에서의 출력의 계측값), 설정 출력, 설정 영각, 피치 각도 등의 데이터를 기억하고 있다. 예를 들면, 설정 출력은 풍차에서의 출력과 축방향 풍속의 관계를 나타내는 파워 커브에 따른 정보로서 기억시킬 수 있다.
또한, 제어 데이터베이스(120)는, 각 기류 발생 장치(60)가 구비된 날개부에 있어서의, 날개(42)의 익현장(예를 들면, 상기한 바와 같이 평균적인 익현장)이나 날개(42)의 익근부로부터 날개폭 방향의 거리(예를 들면, 기류 발생 장치(60)가 구비된 날개부에서의 날개폭 방향의 평균값) 등의 데이터를 기억하고 있다. 또한, 제어 데이터베이스(120)에는, 상술한 식 (1)의 관계식 및 이 관계식이 충족시키는 범위가 기억되고, 펄스 변조 주파수(f)를 산출할 때에 이용된다.
이 제어 데이터베이스(120)는 메모리, 하드 디스크 장치 등으로 구성된다. 또한, 제어 데이터베이스(120)에는, 도시하지 않은 키보드, 마우스, 외부 입력 인터페이스 등을 통해 데이터의 입력 등이 가능하다.
제어부(110)는 풍속 센서(100), 풍향 센서(101), 회전수 센서(102) 등의 각 센서로부터 출력된 정보 및 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터에 의거하여, 회전 속도, 상대 속도, 영각, 피치 각도, 풍력 발전 시스템(10)에서의 출력 등을 산출한다. 또한, 풍력 발전 시스템(10)에 있어서의 출력은, 발전기의 출력의 계측값을 사용해도 된다. 또한, 풍속 센서(100)로부터 출력된 정보, 및 제어 데이터베이스(120)에 기억된 파워 커브에 따른 정보 등에 의거하여, 미리 설정된, 풍력 발전 시스템(10)에서의 설정 출력 등을 특정한다.
또한, 제어부(110)는 상기 산출 결과에 의거하여, 방전용 전원(65), 피치 각도 구동 기구(130) 등을 제어한다. 이 제어부(110)는, 예를 들면 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 등으로 주로 구성되며, CPU에서는, ROM이나 RAM에 저장된 프로그램이나 데이터 등을 이용하여 각종 연산 처리를 실행한다. 이 제어부(110)가 실행하는 처리는, 예를 들면 컴퓨터 장치 등에서 실현된다. 또한, 제어부(110)는 풍속 센서(100), 풍향 센서(101), 회전수 센서(102), 제어 데이터베이스(120), 방전용 전원(65), 피치 각도 구동 기구(130), 발전기 등의 각 기기와 전기 신호의 출입력이 가능하게 접속되어 있다.
방전용 전원(65)은 제어부(110)로부터의 정보에 의거하여, 상술한 바와 같이, 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 펄스 변조 제어된 전압 등을 인가한다.
피치 각도 구동 기구(130)는 제어부(110)로부터의 정보에 의거하여, 날개(42)의 회전수에 따라 날개(42)의 각도를 구동 제어한다. 또한, 피치각을 제어할 수 없는 날개를 사용할 경우에는, 피치 각도 구동 기구(130)는 불필요해진다.
다음으로, 풍력 발전 시스템(10)의 동작(제어예 1)에 대해서 설명한다.
도 7은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)의 동작(제어예 1)을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 또한, 여기에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 날개(42)의 익근부로부터 익단부를 향하는 날개폭 방향으로, 기류 발생 장치(60)를 복수개 독립하여 배치했을 경우를 예시하여 설명한다.
우선, 제어부(110)는 풍속 센서(100), 풍향 센서(101)에 의해 계측된, 풍속, 풍향 등의 계측 정보, 회전수 센서(102)로부터 입력한 회전수, 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터에 의거하여, 풍력 발전 시스템(10)의 실출력 및 축방향 풍속을 산출한다(스텝 S150).
또한, 실출력으로서, 발전기의 출력의 계측값을 사용해도 된다. 축방향 풍속은 풍속, 풍향 등의 계측 정보에 의거하여 산출된다.
계속하여, 제어부(110)는 이 실출력이 얻어졌을 때의 축방향 풍속에 있어서의, 미리 설정된 풍력 발전 시스템(10)에서의 설정 출력을 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터로부터 판독하여, 실출력과 비교한다. 그리고, 제어부(110)는 실출력이 설정 출력보다 낮은지의 여부를 판정한다(스텝 S151).
여기에서, 실출력이 설정 출력보다 낮다는 것은, 실출력이 설정 출력의, 예를 들면 80％를 하회했을 경우를 말한다.
스텝 S151에서, 실출력이 설정 출력보다 낮지 않다고 판정했을 경우(스텝 S151의 No)에는, 스텝 S150의 처리를 다시 실행한다.
한편, 스텝 S151에서, 실출력이 설정 출력보다 낮다고 판정했을 경우(스텝 S151의 Yes)에는, 제어부(110)는 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 되고 나서 소정 시간을 초과하고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S152).
여기에서, 소정 시간은 5?10초 정도로 설정된다. 이 소정 시간을 설정함으로써, 로터의 관성에 의한 출력 응답 지연과, 박리 실속(剝離失速)에 의한 출력 저하를 분별할 수 있다. 또한, 지속적이 아니라, 순간적으로 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 될 경우를 제외할 수 있다.
스텝 S152에서, 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 되고 나서 소정 시간을 초과하고 있지 않다고 판정했을 경우(스텝 S152의 No)에는, 스텝 S150의 처리를 다시 실행한다.
한편, 스텝 S152에서, 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 되고 나서 소정 시간을 초과하고 있다고 판정했을 경우(스텝 S152의 Yes)에는, 제어부(110)는 방전용 전원(65)을 동작시켜, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 펄스 변조 제어된 전압을 인가하여서 플라즈마 유도기류를 발생시킨다(스텝 S152).
또한, 이때, 상술한 식 (1)의 관계식을 충족시키도록, 제어부(110)는 펄스 변조 주파수(f)를 설정한다. 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이가 일정한 임계값 이상의 전위차가 되면, 제 1 전극(61)의 근방에 방전이 유발된다. 이때 생성된 전자나 이온은 전계(電界)에 의해 구동되고, 그들이 기체 분자와 충돌함으로써 운동량이 기체 분자로 이행한다. 이에 따라, 제 1 전극(61) 부근에 플라즈마 유도기류가 발생한다.
계속하여, 제어부(110)는 풍속 센서(100), 풍향 센서(101)에 의해 계측된, 풍속, 풍향 등의 계측 정보, 회전수 센서(102)로부터 입력한 회전수, 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터에 의거하여, 기류 발생 장치(60)를 작동한 상태에서의 풍력 발전 시스템(10)의, 제 2 실출력으로서 기능하는 실출력 및 축방향 풍속을 산출한다(스텝 S154). 또한, 실출력으로서, 발전기의 출력의 계측값을 사용해도 된다.
계속하여, 제어부(110)는 이 실출력(제 2 실출력)이 얻어졌을 때의 축방향 풍속에 있어서의, 미리 설정된 풍력 발전 시스템(10)의, 제 2 설정 출력으로서 기능하는 설정 출력을 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터로부터 판독하여 실출력(제 2 실출력)과 비교한다. 그리고, 제어부(110)는 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮은지의 여부를 판정한다(스텝 S155).
여기에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮다는 것은, 상술한 경우와 마찬가지로, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)의, 예를 들면 80％를 하회했을 경우를 말한다. 또한, 제어부(110)는 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮은지의 여부를 판정하는 대신에, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)의, 예를 들면 80％ 이상에 도달했는지의 여부를 판정해도 된다.
스텝 S155에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮다고 판정했을 경우(스텝 S155의 Yes)에는, 스텝 S153으로부터의 처리를 다시 실행한다. 즉, 기류 발생 장치(60)가 작동되고 있는 상태가 유지된다.
한편, 스텝 S155에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮지 않다고 판정했을 경우(스텝 S155의 No)에는, 제어부(110)는 방전용 전원(65)의 작동을 정지하고, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에의 전압의 인가를 정지한다(스텝 S156).
여기에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮지 않은 상태로 이행한 후에 기류 발생 장치(60)를 정지시켜도, 그 상태를 유지할 수 있다. 그 때문에, 다시, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮은 상태로 이행하지 않는다. 이에 따라, 기류 발생 장치(60)에서 소비되는 에너지를 최소한으로 억제할 수 있다.
또한, 상기한 풍력 발전 시스템(10)의 동작(제어예 1)에서는, 복수 구비된 기류 발생 장치(60) 중 어느 것에 대해서도 동일한 제어가 이루어지는 일례를 나타내고 있다.
이와 같이, 풍력 발전 시스템(10)을 동작시킴으로써, 날개(42)의 전연의 하류에서 흐름이 박리하여서, 상술한 도 1에 나타낸 점 B의 완전 실속 상태가 되었을 때에도 파워 커브를 따른 정상적인 상태(예를 들면 도 1의 점 C)로 확실히 이행할 수 있다.
(제어예 2)
여기에서는, 상술한 제어예 1의 제어에 더하여, 날개(42)의 전연에 있어서의 영각에 의거하는 제어를 더해, 기류 발생 장치(60)를 개개로 제어하는 구성으로 하고 있다. 또한, 풍력 발전 시스템(10)의 제어 구성은 도 6에 나타낸 구성과 동일하다.
풍력 발전 시스템(10)의 동작(제어예 2)에 대해서 설명한다.
도 8은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)의 동작(제어예 2)을 설명하기 위한 플로우 차트이다. 또한, 여기에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 날개(42)의 익근부로부터 익단부를 향하는 날개폭 방향으로, 기류 발생 장치(60)를 복수개 독립하여 배치했을 경우를 예시하여 설명한다.
우선, 제어부(110)는 풍속 센서(100), 풍향 센서(101)에 의해 계측된, 풍속, 풍향 등의 계측 정보, 회전수 센서(102)로부터 입력한 회전수, 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터에 의거하여, 풍력 발전 시스템(10)의 실출력 및 축방향 풍속을 산출한다(스텝 S160).
또한, 실출력으로서, 발전기의 출력의 계측값을 사용해도 된다. 축방향 풍속은 풍속, 풍향 등의 계측 정보에 의거하여 산출된다.
계속하여, 제어부(110)는 이 실출력이 얻어졌을 때의 축방향 풍속에 있어서의, 미리 설정된 풍력 발전 시스템(10)에서의 설정 출력을 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터로부터 판독하여 실출력과 비교한다. 그리고, 제어부(110)는 실출력이 설정 출력보다 낮은지의 여부를 판정한다(스텝 S161).
여기에서, 실출력이 설정 출력보다 낮다는 것은, 실출력이 설정 출력의, 예를 들면 80％를 하회했을 경우를 말한다.
스텝 S161에서, 실출력이 설정 출력보다 낮지 않다고 판정했을 경우(스텝 S161의 No)에는, 스텝 S160의 처리를 다시 실행한다.
한편, 스텝 S161에서, 실출력이 설정 출력보다 낮다고 판정했을 경우(스텝 S161의 Yes)에는, 제어부(110)는 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 되고 나서 소정 시간을 초과하고 있는지의 여부를 판정한다(스텝 S162).
여기에서, 소정 시간은 5?10초 정도로 설정된다. 이 소정 시간을 설정함으로써, 로터의 관성에 의한 출력 응답 지연과, 박리 실속에 의한 출력 저하를 분별할 수 있다. 또한, 지속적이 아니라, 순간적으로 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 될 경우를 제외할 수 있다.
스텝 S162에서, 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 되고 나서 소정 시간을 초과하고 있지 않다고 판단했을 경우(스텝 S162의 No)에는, 스텝 S160의 처리를 다시 실행한다.
한편, 스텝 S162에서, 실출력이 설정 출력보다 낮은 상태가 되고 나서 소정 시간을 초과하고 있다고 판정했을 경우(스텝 S162의 Yes)에는, 제어부(110)는 입력된 계측 정보 및 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터에 의거하여 영각을 산출한다(스텝 S163).
여기에서, 영각은 각 기류 발생 장치(60)가 설치된 날개폭 방향의 각 위치에서의 날개 요소(翼素)에 대하여 산출된다. 예를 들면, 날개(42)의 전연의 날개폭 방향으로 5개의 기류 발생 장치(60)가 독립하여 설치되어 있을 경우에는, 각 기류 발생 장치(60)가 설치된 날개폭 방향의 5개소의 날개 요소에 대하여 영각이 산출된다. 또한, 1개의 기류 발생 장치(60)는 날개폭 방향으로 소정의 폭을 갖고 있다. 그 때문에, 영각으로서, 예를 들면 1개의 기류 발생 장치(60)가 구비된 날개부에 있어서의 날개폭 방향의 영각의 평균값을, 그 1개의 기류 발생 장치(60)가 설치된 부분의 영각으로서 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 날개 요소란, 날개(42)의 날개폭 방향에 대하여 수직인 날개(42)의 단면을 의미한다.
계속하여, 제어부(110)는 이 영각이 산출되었을 때의 풍속 및 날개(42)의 회전수에 있어서의, 미리 설정된 각각의 날개 전연의 영각을 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터로부터 판독하여, 산출된 영각과 비교한다. 그리고, 제어부(110)는 산출된 영각이 설정된 영각보다 큰지의 여부를 판정한다(스텝 S164).
여기에서, 상술한 바와 같이, 영각은 각 기류 발생 장치(60)가 설치된 부분의 각각의 날개 요소에 대하여 산출되기 때문에, 설정된 영각도 그 각 날개 요소에 대응하는 영각을 사용한다. 즉, 스텝 S164의 판정은 각 날개 요소마다 행해진다. 그 때문에, 산출된 영각이 설정된 영각보다 크다고 판정되는 날개 요소나, 산출된 영각이 설정된 영각 이하라고 판정되는 날개 요소가 존재한다.
스텝 S164에서, 산출된 영각이 설정된 영각 이하라고 판정되었을 경우(스텝 S164의 No)에는, 그 날개 요소에 대해서는 스텝 S160으로부터의 처리를 다시 실행한다.
한편, 스텝 S164에서, 산출된 영각이 설정된 영각보다 크다고 판정되었을 경우(스텝 S164의 Yes)에는, 제어부(110)는 그 날개 요소에 대한 방전용 전원(65)을 작동시켜, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 펄스 변조 제어된 전압을 인가하여서 플라즈마 유도기류를 발생시킨다(스텝 S165). 즉, 산출된 영각이 설정된 영각보다 크다고 판정된 날개 요소의 부분에 설치되어 있는 기류 발생 장치(60)만이 선택적으로 작동된다.
또한, 이때, 상술한 식 (1)의 관계식을 충족시키도록, 제어부(110)는 각 기류 발생 장치의 펄스 변조 주파수(f)를 설정한다.
계속하여, 제어부(110)는 풍속 센서(100), 풍향 센서(101)에 의해 계측된, 풍속, 풍향 등의 계측 정보, 회전수 센서(102)로부터 입력한 회전수 및 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터에 의거하여, 기류 발생 장치(60)를 작동한 상태에서의 풍력 발전 시스템(10)의, 제 2 실출력으로서 기능하는 실출력 및 축방향 풍속을 산출한다(스텝 S166). 또한, 실출력으로서, 발전기의 출력의 계측값을 사용해도 된다.
또한, 영각은 각 기류 발생 장치(60)가 설치된 부분의 각각의 날개 요소에 대하여 산출되지만, 풍력 발전 시스템(10)의 출력은 풍력 발전 시스템(10) 전체로서 얻어지는 1개의 값이다.
계속하여, 제어부(110)는 이 실출력(제 2 실출력)이 얻어졌을 때의 축방향 풍속에 있어서의, 미리 설정된 풍력 발전 시스템(10)의, 제 2 설정 출력으로서 기능하는 설정 출력을 제어 데이터베이스(120)에 기억된 데이터로부터 판독하여 실출력(제 2 실출력)과 비교한다. 그리고, 제어부(110)는 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮은지의 여부를 판정한다(스텝 S167).
여기에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮다는 것은, 상술한 경우와 마찬가지로, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)의, 예를 들면 80％를 하회했을 경우를 말한다. 또한, 제어부(110)는 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮은지의 여부를 판정하는 대신에, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)의, 예를 들면 80％ 이상에 도달했는지의 여부를 판정해도 된다.
스텝 S167에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮다고 판정했을 경우(스텝 S167의 Yes)에는, 스텝 S165로부터의 처리를 다시 실행한다. 즉, 산출된 영각이 설정된 영각보다 크다고 판정된 날개 요소의 부분에 설치되어 있는 기류 발생 장치(60)만이 선택적으로 작동되어 있는 상태가 유지된다.
한편, 스텝 S167에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮지 않다고 판정했을 경우(스텝 S167의 No)에는, 제어부(110)는 방전용 전원(65)의 작동을 정지하고, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에의 전압의 인가를 정지한다(스텝 S156). 즉, 산출된 영각이 설정된 영각보다 크다고 판정된 날개 요소의 부분에 설치되어 있는 기류 발생 장치(60)의 작동이 정지된다.
여기에서, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮지 않은 상태로 이행한 후에 기류 발생 장치(60)를 정지시켜도, 그 상태를 유지할 수 있다. 그 때문에, 다시, 실출력(제 2 실출력)이 설정 출력(제 2 설정 출력)보다 낮은 상태로 이행하지는 않는다. 이에 따라, 기류 발생 장치(60)에서 소비되는 에너지를 최소한으로 억제할 수 있다.
상기한 풍력 발전 시스템(10)의 동작(제어예 2)에서는, 조건에 따라, 복수 구비된 기류 발생 장치(60)를 개개로 독립하여 선택적으로 제어할 수 있다. 이와 같이, 풍력 발전 시스템(10)을 동작시킴으로써, 날개(42)의 전연의 하류에서 흐름이 박리하여서, 상술한 도 1에 나타낸 점 B의 완전 실속 상태가 되었을 때에도 파워 커브를 따른 정상적인 상태(예를 들면 도 1의 점 C)로 확실히 이행할 수 있다.
(기류 발생 장치(60)에 인가하는 전압의 영향)
(1) 양력 계수(C)와 영각(α)의 관계
도 9는 전연 박리형의 단독 날개의 양력 계수(C)와 영각(α)의 관계를 나타내는 도면이다. 도 9에 나타낸 결과는, 2차원 날개의 풍동 시험에 의해 얻어진 결과이다.
여기에서, 단독 날개의 전연에는, 도 4에 나타낸 구성과 마찬가지로, 기류 발생 장치(60)가 구비되어 있다. 도 9에는 실속했을 때에, 기류 발생 장치(60)를 작동시키지 않을 경우(OFF), 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스), 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 펄스 변조 제어를 행하지 않고 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)가 나타나 있다.
전연 박리형의 날개에서의 양력(揚力) 특성에서는, 영각(α)이 임계값을 초과하면 양력 계수(C)가 대폭으로 저하하는 실속 현상이 생긴다. 실속 현상이 생긴, 날개의 배측(음압측)의 날개면에서는, 후술하지만 대규모의 박리가 생기고 있다.
기류 발생 장치(60)를 작동시키면, 연속 및 펄스 중 어느 경우에 있어서도, 실속이 생기는 영각(α)이 커진다. 그러나, 연속의 경우와 펄스의 경우에서, 양력 계수(C)에 대한 영각(α)이 상이하다. 연속의 경우, 실속이 생기는 영각(α)이 커져서 최대의 양력 계수(C)가 증가하지만, 또한 영각(α)을 증가시키면 결국은 실속이 생겨서 양력 계수(C)가 급격히 저하하고 있다.
한편, 펄스의 경우에는, OFF의 경우에 있어서 실속하는 영각(α)보다 큰 측의 영역에서, 영각(α)의 증가에 수반하는 양력 계수(C)의 감소율이 OFF의 경우에 서의 영각(α)의 증가에 수반하는 양력 계수(C)의 감소율보다 작아져 있다. 즉, 양력 계수(C)의 감소율이 작음을 알 수 있다.
도 10은 날개의 전연에서 흐름이 실속했을 때, 기류 발생 장치(60)를 작동시키지 않을 경우(OFF)의 날개를 따르는 흐름을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 11은 날개의 전연에서 흐름이 실속했을 때, 기류 발생 장치(60)에 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)의 날개를 따르는 흐름을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 12는 날개의 전연에서 흐름이 실속했을 때, 기류 발생 장치(60)에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)의 날개를 따르는 흐름을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 10?도 12에 나타난 흐름은, PIV(Particle Image Velocimetry)를 사용하여 계측한 결과이다.
OFF의 경우에는, 날개의 전연 하류의 배측(음압측)에서, 대규모의 박리가 생기고 있음을 알 수 있다. 연속의 경우, 도 11에 나타내는 바와 같이, 완전히 흐름이 부착되어 있음을 알 수 있다. 펄스의 경우에는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 완전한 부착이 아니지만 흐름을 끌어당기는 효과가 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 연속의 경우와 펄스의 경우에서는, 기류 제어 효과로서 크게 상이한 현상이 생기고 있음을 알 수 있다.
(2) 실기(實機)에 의한 검증
여기에서는, 실기인 소형 풍차의 날개에 기류 발생 장치(60)를 배치하여 풍동 시험을 행하고, 기류 발생 장치(60)에 인가하는 전압의 영향을 조사했다.
풍동으로서, 정격 풍량이 1200㎥／min, 정격 압력이 11.8kPa의 취출(吹出)형 풍동을 사용했다. 풍동의 출구에 축류부(縮流部)를 설치하여, 풍속이 10m／s까지의 통풍을 가능하게 했다.
소형 풍차로서, 시판(市販)의 소형 풍차를 개조한 소형 풍차 모델을 사용했다. 소형 풍차로서, 풍동의 출구의 사이즈에 대응시켜, 목제인 3매의 날개를 갖고, 풍차 직경이 1.6m, 출력이 300Ｗ용의 풍차를 채용했다. 소형 풍차를, 요각이 0도이고, 풍동의 출구로부터 770㎜의 위치에 배치했다. 이 소형 풍차의 정격은, 풍속이 12.5m／s에서 발전량이 300Ｗ이다. 또한, 주류 속도는, 피트관 및 열전쌍을 이용하여 계측했다.
각 날개의 전연부에, 각각 1개의 기류 발생 장치(60)를 날개폭 방향으로 배치했다. 이때, 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 전극(61)의 제 2 전극(62)측의 단연이, 날개의 전연 상(上)이 되도록 제 1 전극(61)을 배치하고, 제 1 전극(61)보다 날개의 배측(42a)이 되는 위치에 제 2 전극(62)을 배치했다. 유전체인, 두께가 250㎛의 폴리이미드 수지 상에, 길이가 610㎜의 제 1 전극(61)을 배치했다. 플라즈마 유도기류가 날개의 배면측을 향하여 생기도록, 제 2 전극(62)을 폴리이미드 수지 내에 배치했다.
허브와 발전기 사이의 회전축 상에, 방전용 전원(65), 슬립 링을 배치했다. 회전수를 계측하기 위한 엔코더를 배치했다. 외부로부터, 입력이 0?100VAC, 변조 신호가 5VDC를 슬립 링을 통해 방전용 전원(65)에 입력했다. 전원 트랜스로부터의 고전압 출력은, 20kV 내압의 고전압용 케이블 배선(64)을 이용하여 노즈 콘(nose cone) 내에 배선했다. 방전용 전원(65)에 있어서의 고전압 진폭은, 입력 전압을 슬라이닥(slidac)으로 변화시킴으로써 조정했다.
펄스 변조 제어를 행할 경우, 펄스 변조시의 듀티비를 10％로 고정하고, 펄스 변조 주파수(f)를 1?900Hz의 범위에서 변화시켰다.
풍차의 타워축 내를 통해 외부에 도출되어 있는 배선의 양단에 부하로서 에레마 저항(R)을 접속하고, 이 저항의 양단 전압으로 발전기 출력을 평가했다.
시험에서는, 우선, 풍차가 저속으로 회전하고 있는 상태에서 풍속을 증가시켜, 상술한 도 1에 나타낸 점 B의 완전 실속 상태가 되도록 축방향 풍속의 증가율을 조정했다. 이 완전 실속 상태에서, 기류 발생 장치(60)를 작동시켰다. 시험 결과를 도 13?도 16에 나타낸다.
도 13은 기류 발생 장치(60)에 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)에 있어서의 출력과 시간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 14는 기류 발생 장치(60)에 연속적으로 전압을 인가했을 경우(연속)에 있어서의 출력과 축방향 풍속의 관계를 나타내는 도면이다. 도 15는 기류 발생 장치(60)에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서의 출력과 시간의 관계를 나타내는 도면이다. 도 16은 기류 발생 장치(60)에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서의 출력과 축방향 풍속의 관계를 나타내는 도면이다.
또한, 도 13 및 도 15의 횡축의 t0은, 기류 발생 장치(60)를 작동시켰을 때를 나타내고 있다. 또한, 도 15 및 도 16에서는, 상술한 식 (1)로 표시되는 fC／U가 1이 되도록, 펄스 변조 주파수(f)를 조정했을 때의 결과를 나타내고 있다.
도 13에 나타내는 바와 같이, 연속의 경우, t0에서 출력이 10％ 정도 증가했다. 이 효과를 파워 커브 상에 플롯하면, 도 14에 나타내는 바와 같이 되어 완전 실속 상태의 점 B로부터 점 B1로 이행했지만, 출력의 향상은 근소함을 알 수 있었다.
도 15에 나타내는 바와 같이, 펄스의 경우, t0에서 출력이 근소하게 증가한 후, 수분간 사이에 출력이 서서히 증가하여 원래의 출력의 8배 정도까지 증가하고, 그 후 완화됐다. 이때의 효과를 파워 커브 상에 플롯하면, 도 16에 나타내는 바와 같이 되어, 완전 실속 상태의 점 B로부터 파워 커브 상의 점 C로 이행함을 알 수 있었다. 또한, 점 C의 상태로 이행한 후에 기류 발생 장치(60)를 정지시켜도, 상태는 점 C에 머물러, 다시 점 B로 이행하지는 않았다.
다음으로, 기류 발생 장치(60)에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서, 펄스 변조 주파수(f)를 변화시켜 상술한 식 (1)의 fC／U와 출력의 관계를 조사했다.
이 시험에 있어서도, 우선, 풍차가 저속으로 회전하고 있는 상태에서 풍속을 증가시켜, 상술한 도 1에 나타낸 점 B의 완전 실속 상태가 되도록 축방향 풍속의 증가율을 조정했다. 이 완전 실속 상태에서, 기류 발생 장치(60)를 작동시켰다. 도 17은 기류 발생 장치(60)에 펄스 변조 제어된 전압을 인가했을 경우(펄스)에 있어서의 fC／U와 출력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 17에 나타내는 바와 같이, fC／U의 값이 0.1?9의 범위에서는, 완전 실속 상태의 점 B로부터 파워 커브 상의 점 C로 이행하는 현상이 생겨, 높은 출력이 얻어짐을 알 수 있었다. 또한, 점 C의 상태로 이행한 후에 기류 발생 장치(60)를 정지시켜도, 상태는 점 C에 머물러, 다시 점 B로 이행하지는 않았다.
이상 설명한 실시형태에 의하면, 날개면 상의 흐름을 최적화할 수 있음과 함께, 발전 출력을 향상시키는 것이 가능해진다. 본 실시형태에서는, 날개의 피치각을 제어 가능한 풍력 발전 시스템에 일례를 나타냈지만, 식 (1)의 fC／U의 관계는, 피치각을 제어의 유무에 관계없이 성립한다. 그 때문에, 식 (1)의 fC／U의 관계는, 날개의 피치각의 제어 기구를 갖지 않은 풍력 발전 시스템에 있어서도 적용할 수 있다.
몇몇 실시형태들을 설명하였지만, 이들 실시형태들은 다만 예시의 방법으로 제안된 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 의도되지 않는다. 게다가, 본 명세서에서 설명된 신규한 실시형태들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수도 있다. 또한, 본 명세서에서 설명된 실시형태들의 형식에서의 다양한 생략, 대체 및 변경이 본 발명의 사상을 일탈함 없이 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위들 및 그들의 등가물들은 본 발명의 범위 및 사상 내에 포함되는 이러한 형태들 또는 수정들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (4)

  1. 허브 및 상기 허브에 장착된 적어도 2매 이상의 날개를 구비하는 로터와,
    상기 허브에 접속된 회전축을 통해 상기 로터를 축지지하는 나셀(nacelle)과,
    상기 나셀을 지지하는 타워와,
    상기 날개의 전연부(前緣部)에 설치되고, 제 1 전극과 제 2 전극을 유전체를 통해 이간(離間)하여 구비한 기류 발생 장치와,
    상기 기류 발생 장치의 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가 가능한 전압 인가 기구와,
    적어도 상기 전압 인가 기구를 제어하는 제어 수단을 구비하는 풍력 발전 시스템으로서,
    전압의 펄스 변조 주파수를 f로, 상기 날개의 익현장(翼弦長)을 C로, 상기 날개의 주속도(周速度)와 풍속을 합성한 상대 속도를 U로 했을 때에, 관계식 fC／U의 값이 0.1 이상 9 이하가 되도록, 상기 제어 수단이 상기 전압 인가 기구에 의해 인가하는 전압을 펄스 변조 제어하고, 상기 기류 발생 장치에 의해 플라즈마 유도기류를 발생시키는 풍력 발전 시스템.
  2. 제 2 항에 있어서,
    상기 날개의 전연부에 날개폭 방향으로, 복수의 상기 기류 발생 장치가 설치되고, 복수의 상기 기류 발생 장치를 독립하여 제어하는 풍력 발전 시스템.
  3. 허브 및 상기 허브에 장착된 적어도 2매 이상의 날개를 구비하는 로터와,
    상기 허브에 접속된 회전축을 통해 상기 로터를 축지지하는 나셀과,
    상기 나셀을 지지하는 타워와,
    상기 날개의 전연부에 설치되고, 제 1 전극과 제 2 전극을 유전체를 통해 이간하여 구비한 기류 발생 장치와,
    상기 기류 발생 장치의 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가 가능한 전압 인가 기구와,
    적어도 상기 전압 인가 기구를 제어하는 제어 수단을 구비하는 풍력 발전 시스템의 제어 방법으로서,
    전압의 펄스 변조 주파수를 f로, 상기 날개의 익현장을 C로, 상기 날개의 주속도와 풍속을 합성한 상대 속도를 U로 했을 때에, 관계식 fC／U의 값이 0.1 이상 9 이하가 되도록, 상기 제어 수단이, 상기 전압 인가 기구에 의해 인가하는 전압을 펄스 변조 제어하고, 상기 기류 발생 장치에 의해 플라즈마 유도기류를 발생시키는 풍력 발전 시스템의 제어 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 날개의 전연부에 날개폭 방향으로, 복수의 상기 기류 발생 장치가 설치되고, 복수의 상기 기류 발생 장치를 독립하여 제어하는 풍력 발전 시스템의 제어 방법.
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