KR20120127191A

KR20120127191A - 풍력 발전 시스템

Info

Publication number: KR20120127191A
Application number: KR1020120020918A
Authority: KR
Inventors: 모토후미 다나카; 나오히코 시무라; 쇼헤이 고시마; 히사시 마츠다; 히로유키 야스이; 도시키 오사코; 마사히로 아사야마
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-11-21
Also published as: JP5657597B2; KR101295296B1; DK2522852T4; EP2522852A1; JP2012255431A; US8456790B2; DK2522852T3; EP2522852B1; EP2522852B2; US20120287549A1

Abstract

실시형태의 풍력 발전 시스템(10)은, 날개 표면에 갖는 리셉터(70), 리셉터(70)를 접지하는 피뢰(避雷) 도선(73)을 구비한 낙뢰 보호 장치와, 날개 표면에 설치되어, 유전체(63)를 통해 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62)을 구비한 기류 발생 장치(60)와, 제 1 전극(61)을 출력 단자(84)에 접속 가능한 스위치(90), 제 2 전극(62)을 출력 단자(85)에 접속 가능한 스위치(91), 제 1 전극(61) 또는 제 2 전극(62)을 선택적으로 접지 도선(100)에 접속 가능한 스위치(92)를 구비하는 방전용 전원(65)과, 뇌운의 접근에 따른 정보를 검지하는 뇌운 검지 장치를 구비한다. 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되었을 경우, 제 2 전극(62)을 접지 도선(100)에 접속하고, 제 1 전극(61) 및 제 2 전극(62)과 전압 인가부(83)의 출력 단자(84, 85)와의 접속을 차단한다.

Description

풍력 발전 시스템{WIND POWER GENERATION SYSTEM}

본 출원은 2011년 5월 13일자로 출원된 일본 특허 출원 제2011-107812호에 기초한 것으로서 그 출원의 우선권을 주장하며, 그 출원의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 통합된다.

본 명세서에 기술된 실시형태들은 일반적으로 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

현재, 지구 온난화 방지의 관점에서, 전(全) 지구 규모로 재생 에너지 발전 시스템의 도입이 진행되고 있다. 그러한 상황 가운데, 풍력 발전은 보급이 진행되고 있는 발전 방식 중 하나이다. 그러나, 일본에서는, 풍력 발전의 보급율은 유럽 등에 비하여 낮다.

일본에서 풍력 발전이 보급되기 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.

풍력 발전 시스템에 있어서는, 뇌격(雷擊)에 의한 날개의 손상이 빈번하게 발생한다. 그 때문에 금속 전극을 구비하는 기류 발생 장치를 풍차의 날개에 적용했을 경우, 뇌격시에 금속 전극을 뇌전류가 통류하여 전극이나 전원을 파손할 뿐만 아니라, 기류 발생 장치 부근의 날개 본체를 손상시킬 가능성이 있다. 실제의 풍차에 기류 발생 장치를 적용하기 위해서는, 기류 발생 장치에의 수뢰(受雷)나, 대(大) 전류의 통류를 방지하기 위한 구조나 운용 방법을 확립할 필요가 있다.

일 실시형태에서, 풍력 발전 시스템은, 날개에 설치된 수뢰부, 및 상기 수뢰부로부터 상기 날개의 내부, 풍차 본체를 통해 땅 속에 걸쳐 설치되고, 상기 수뢰부에 낙뢰한 뇌전류(雷電流)를 땅 속으로 유도하는 피뢰(避雷) 도선을 구비한 낙뢰 보호 장치와, 상기 날개에 설치된 제 1 전극과, 그 제 1 전극과 유전체를 통해 이간(離間)되고, 상기 유전체에 매설된 제 2 전극을 구비한 기류 발생 장치를 구비한다. 또한, 풍력 발전 시스템은, 상기 기류 발생 장치의 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가 가능하고, 상기 제 1 전극을 전압 인가부의 한쪽의 단자 또는 접지 도선에 전기적으로 접속 가능하며, 상기 제 2 전극을 전압 인가부의 다른쪽의 단자 또는 접지 도선에 전기적으로 접속 가능한 전압 인가 기구와, 뇌운(雷雲)의 접근에 따른 정보를 검지하는 뇌운 검지 장치를 구비한다.

그리고, 상기 뇌운 검지 장치에 의해 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되었을 경우, 상기 제 2 전극이 상기 접지 도선에 전기적으로 접속되며, 또한 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 상기 전압 인가부의 단자와의 전기적인 접속이 차단된다.

도 1은 실시형태의 풍력 발전 시스템을 나타내는 사시도.
도 2는 실시형태의 풍력 발전 시스템에 설치된 기류 발생 장치를 설명하기 위한, 날개의 전연부의 단면을 나타낸 도면.
도 3은 실시형태의 풍력 발전 시스템에 설치된 날개의 사시도.
도 4는 실시형태의 풍력 발전 시스템의 전기 배선 계통을 모식적으로 나타내는 도면.
도 5는 실시형태의 풍력 발전 시스템의 통상 운전시에 있어서의 전기 배선 계통을 모식적으로 나타내는 도면.
도 6은 실시형태의 풍력 발전 시스템의 뇌운의 접근시에 있어서의 전기 배선 계통을 모식적으로 나타내는 도면.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)을 나타내는 사시도이다. 도 2는 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)에 설치된 기류 발생 장치(60)를 설명하기 위한, 날개(42)의 전연부(前緣部)의 단면을 나타낸 도면이다. 도 3은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)에 설치된 날개(42)의 사시도이다. 또한, 이하에 있어서, 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여, 중복하는 설명을 생략 또는 간략한다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 풍력 발전 시스템(10)에 있어서, 지면(20)에 설치된 타워(30)의 꼭대기부에는, 발전기(도시 생략) 등을 수용한 나셀(nacelle)(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, 예를 들면 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 1에 나타내는 바와 같이, 바람의 풍향이나 속도를 계측하는 풍향 풍속계(50)가 설치되어 있다.

날개(42)의 전연부에는, 도 2에 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. 또한, 제 1 전극(61)은 유전체(63)의 표면에 설치되고, 제 2 전극(62)은 유전체(63) 내에 매설되어 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, 유전체(63)는 복수 종류의 재료를 조합하여 구성되어도 된다.

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 위가 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 위치를 날개(42)의 전연부에 배치하는 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 2에 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 1에 나타내는 바와 같이, 날개(42)의 익근부(翼根部)에서 익단부(翼端部)를 향하는 날개폭 방향으로, 복수 독립하여 배치된다. 이 경우, 각 기류 발생 장치(60)는 각각 단독으로 제어할 수 있다. 예를 들면 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 인가되는 전압 조건(파고값, 주파수, 파형, 변조 주파수, 듀티비 등)을 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 2에 나타내는 바와 같이, 각각 케이블 배선(64a, 64b)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(정(正)극성, 부(負)극성, 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.

또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 날개(42)의 날개폭 방향의 선단부(42b), 및 날개(42)의 선단부(42b)측에 있어서의 복측(腹側) 및 배측의 표면에는, 수뢰부로서 기능하는 리셉터(70)가 설치되어 있다. 또한, 도 3에는 날개(42)의 배측의 표면이 나타나 있다.

리셉터(70)는 날개(42)의 의도하지 않은 부분에 낙뢰하여 날개(42)가 손상되는 것을 방지하기 위해 설치되어 있다. 즉, 리셉터(70)는 날개(42)의 다른 부분에 낙뢰하지 않도록 낙뢰를 유도하여, 미리 낙뢰점을 특정하기 위해 설치되어 있다. 리셉터(70)는, 예를 들면 낙뢰시의 용손량(溶損量)이 작은 금속 재료로 구성되는 것이 바람직하고, 예를 들면 구리-텅스텐의 합금, 알루미늄 등으로 구성된다.

리셉터(70)는 날개(42)의 내부, 풍차 본체로서 기능하는 허브(41), 나셀(31) 및 타워(30)를 통해 땅 속에 걸쳐 설치된, 후술하는 피뢰 도선(73)에 접속되어 있다. 리셉터(70)에 낙뢰한 뇌전류는, 이 피뢰 도선(73)에 의해 땅 속으로 유도된다. 또한, 회전부와 정지부는, 예를 들면 브러쉬나 방전 갭에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 리셉터(70)와 피뢰 도선(73)을 구비함으로써 낙뢰 보호 장치로서 기능한다.

여기에서, 풍력 발전 시스템(10)의 전기 배선 계통에 대해서 설명한다.

도 4는 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)의 전기 배선 계통을 모식적으로 나타내는 도면이다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 리셉터(70)는 피뢰 도선(73)과 전기적으로 접속됨으로써 접지되어 있다. 여기에서, 피뢰 도선(73)은 케이블 배선(71)과, 인하(引下) 도선(72)으로 구성되어 있다. 케이블 배선(71)은 리셉터(70)로부터 날개(42) 등의 회전부 내에 배선되고, 인하 도선(72)은 일단측이 케이블 배선(71)과, 예를 들면 브러쉬나 방전 갭에 의해 전기적으로 접속부(74)에서 접속되고, 타단측이 땅 속에 매설되어 있다.

낙뢰시에는, 수십 kA에나 달하는 대(大) 전류가 피뢰 도선(73)에 통류하기 때문에, 케이블 배선(71)이나 인하 도선(72)은 그것에 충분히 견딜 수 있는 도선 직경으로 설계되어 있다. 또한, 접속부(74)에 있어서의 접속 저항은 충분히 낮아지도록 설계되어 있다.

방전용 전원(65)은, 1차 전원(80)으로부터 공급된 전력으로부터 고주파 전압을 생성하는 발진기(81)와, 이 발진기(81)의 출력을 변압하는 트랜스(82)를 갖는 전압 인가부(83)를 구비하고 있다. 전압 인가부(83)는 2개의 출력 단자(84, 85)를 갖고 있다.

기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)에 접속된 케이블 배선(64a)은, 제 1 가동 접촉자로서 기능하는 스위치(90)에 의해 전압 인가부(83)의 출력 단자(84)에 전기적으로 접속 또는 차단된다. 기류 발생 장치(60)의 제 2 전극(62)에 접속된 케이블 배선(64b)은, 제 2 가동 접촉자로서 기능하는 스위치(91)에 의해 전압 인가부(83)의 출력 단자(85)에 전기적으로 접속 또는 차단된다.

또한, 방전용 전원(65)은 일단측이 땅 속에 매설된 접지 도선(100)을 구비하고 있다. 이 접지 도선(100)은 피뢰 도선(73)과는 별도의 계통으로 설치되어 있다. 즉, 접지 도선(100)과 피뢰 도선(73)은 각각 독립한 접지 계통을 구성하고 있다. 또한, 접지 도선(100)의 경로 중에는, 피뢰 도선(73)과 마찬가지로 브러쉬나 방전 갭 등에 의해 전기적으로 접속되는 부분을 포함해도 된다.

또한, 방전용 전원(65)은, 이 접지 도선(100)에, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극 또는 제 2 전극을 선택적으로 전기적으로 접속 가능한 제 3 가동 접촉자로서 기능하는 스위치(92)를 구비하고 있다. 즉, 접지 도선(100)에 전기적으로 접속된 스위치(92)는, 케이블 배선(64a) 또는 케이블 배선(64b)으로 전환하여 전기적으로 접속 가능하게 설치되어 있다.

상기한 구성에 더하여 풍력 발전 시스템(10)은, 뇌운의 접근에 따른 정보를 검지하는 뇌운 검지 장치(도시 생략)를 더 구비하고 있다. 뇌운 검지 장치로서, 예를 들면 뇌운의 접근에 수반하는 리셉터(70) 등의 전압 상승에 따른 정보를 검지하는 전압 검지 장치를 사용할 수 있다. 전압 검지 장치로서는, 예를 들면 전압계를 사용할 수 있고, 예를 들면 피뢰 도선(73)(케이블 배선(71) 또는 인하 도선(72))의 전압을 측정한다. 즉, 뇌운의 접근에 수반하는 리셉터(70)의 전압 상승에 따른 정보로서, 전압계로부터의 출력을 들 수 있다.

또한, 뇌운 검지 장치로서, 예를 들면 선구 방전(先驅放電)에 수반하여 리셉터(70)에 생기는 전류에 따른 정보를 검지하는 전류 검지 장치를 사용할 수 있다. 전류 검지 장치로서는, 예를 들면 전류계를 사용할 수 있고, 예를 들면 피뢰 도선(73)(케이블 배선(71) 또는 인하 도선(72))의 전류를 측정한다. 즉, 선구 방전에 수반하여 리셉터(70)에 생기는 전류에 따른 정보로서, 전류계로부터의 출력을 들 수 있다.

또한, 뇌운 검지 장치로서, 예를 들면 외부로부터 발생된, 뇌운의 접근에 따른 정보를 무선 또는 유선에 의해 수신하는 수신 장치를 사용할 수 있다. 수신 장치로서는, 예를 들면 무선 LAN이나 유선 네트워크 기능을 갖는 컴퓨터 등을 사용할 수 있다. 수신 장치에 의해 수신된 낙뢰 예보 등에 따른 정보로부터 풍차 설치 지역의 낙뢰 확률 등의 정보를 선정하여, 그 확률이 미리 설정된 임계값을 초과하고 있다고 판단함으로써 뇌운의 접근에 따른 정보를 특정한다. 그리고, 뇌운의 접근에 따른 정보를 특정했을 경우, 수신 장치로부터 그에 수반하는 소정의 신호를 출력한다.

뇌운 검지 장치는 각 스위치(90, 91, 92)와 전기적으로 접속되고, 상기한 뇌운 검지 장치로부터의 출력 신호에 의거하여, 직접적으로 각 스위치(90, 91, 92)를 작동하도록 구성해도 된다.

또한, 풍력 발전 시스템(10)은 뇌운 검지 장치로부터의 정보에 의거하여 방전용 전원(65)의 각 스위치(90, 91, 92)를 제어하는 제어 장치를 구비해도 된다. 이 제어 장치는, 예를 들면 연산 장치(CPU), 판독 전용 메모리(ROM), 랜덤 액세스 메모리(RAM) 등으로 주로 구성되고, CPU에서는, ROM이나 RAM에 저장된 프로그램이나 데이터 등을 이용하여 각종 연산 처리 등을 실행한다. 이 제어 장치가 실행하는 처리는, 예를 들면 컴퓨터 장치 등에서 실현된다.

제어 장치는 뇌운 검지 장치, 각 스위치(90, 91, 92)와 전기 신호의 입출력이 가능하게 접속되어 있다. 또한, 제어 장치는 전압 인가부(83)의 출력을 제어하여, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이에 인가하는 전압을 제어하는 기능을 구비해도 된다.

제어 장치는 뇌운 검지 장치로부터 출력된, 예를 들면 출력 신호 등의 정보나, 미리 설정된 뇌운 검지 장치로부터 출력된 정보에 대응하는 각 스위치(90, 91, 92)의 상태에 따른 정보 등에 의거하여 각 스위치(90, 91, 92)를 제어한다. 스위치(90, 91, 92)의 상태에 따른 정보로서는, 예를 들면 스위치(90, 91)에 대해서는 ON 상태, OFF 상태, 스위치(92)에 대해서는 케이블 배선(64a) 또는 케이블 배선(64b)과의 접속 상태 등의 정보를 들 수 있다. 뇌운 검지 장치로부터 출력된 정보에 대응하는 이들 정보는, 예를 들면 제어 장치의 메모리에 기억시켜도 된다.

또한, 제어 장치와 전기 신호의 출입력이 가능하게 접속된 기억 장치 등을 별개로 구비하고, 이 기억 장치에 뇌운 검지 장치로부터 출력된 정보에 대응하는 각 스위치(90, 91, 92)의 상태에 따른 정보 등을 기억시켜도 된다.

예를 들면, 뇌운 검지 장치가 상술한 피뢰 도선(73)(케이블 배선(71) 또는 인하 도선(72))의 전압을 측정하는 전압계로 구성될 경우에는, 제어 장치는 전압계로부터 출력된 신호와, 메모리 등에 기억된, 미리 설정된 전압계로부터 출력된 신호에 대응하는 각 스위치(90, 91, 92)의 상태에 따른 정보에 의거하여 각 스위치(90, 91, 92)를 제어한다.

미리 설정된, 전압계로부터 출력된 신호에 대응하는 각 스위치(90, 91, 92)의 상태에 따른 정보로서, 예를 들면 전압계로부터의 출력의 임계값이나, 이 임계값 이하 또는 이 임계값을 초과했을 경우에 있어서의 각 스위치(90, 91, 92)의 상태 등이 기억되어 있다. 예를 들면, 제어 장치는 기억된 정보에 의거하여 출력이 임계값을 초과했다고 판정했을 경우에는, 후술하는 뇌운의 접근시에 있어서의 전기 배선 계통이 되도록 각 스위치(90, 91, 92)를 제어한다.

뇌운 검지 장치가 상술한 피뢰 도선(73)(케이블 배선(71) 또는 인하 도선(72))의 전류를 측정하는 전류계로 구성될 경우에는, 미리 설정된 전류계로부터 출력된 신호에 대응하는 각 스위치(90, 91, 92)의 상태에 따른 정보로서, 예를 들면 전류계로부터의 출력의 임계값이나, 이 임계값 이하 또는 이 임계값을 초과했을 경우에 있어서의 각 스위치(90, 91, 92)의 상태 등이 기억되어 있다. 예를 들면, 제어 장치는 기억된 정보에 의거하여 출력이 임계값을 초과했다고 판정했을 경우에는, 후술하는 뇌운의 접근시에 있어서의 전기 배선 계통이 되도록 각 스위치(90, 91, 92)를 제어한다.

뇌운 검지 장치가 상술한 수신 장치로 구성될 경우에는, 상술한 바와 같이, 수신 장치에 의해 수신된 낙뢰 확률에 따른 정보 등으로부터, 제어 장치는 뇌운의 접근에 따른 정보를 특정한다. 그리고, 뇌운의 접근에 따른 정보를 특정했을 경우에는, 제어 장치는 후술하는 뇌운의 접근시에 있어서의 전기 배선 계통이 되도록 각 스위치(90, 91, 92)를 제어한다.

다음으로, 풍력 발전 시스템(10)의 동작에 대해서 설명한다.

(통상 운전시)

우선, 뇌운 검지 장치에 의해 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되고 있지 않은 통상 운전시의 동작에 대해서 설명한다.

도 5는 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)의 통상 운전시에 있어서의 전기 배선 계통을 모식적으로 나타낸 도면이다.

풍력 발전 시스템(10)이 통상 운전되고 있을 경우, 도 5에 나타내는 바와 같이 스위치(90)를 ON 상태로 하여 케이블 배선(64a)을 전압 인가부(83)의 출력 단자(84)에 전기적으로 접속하고, 스위치(91)를 ON 상태로 하여 케이블 배선(64b)을 전압 인가부(83)의 출력 단자(85)에 전기적으로 접속한다. 즉, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)이 전압 인가부(83)의 출력 단자(84)와, 제 2 전극(62)이 전압 인가부(83)의 출력 단자(85)와 전기적으로 접속된 상태가 되어서, 기류 발생 장치(60)를 작동하는 것이 가능한 상태가 된다.

또한, 접지 도선(100)에 전기적으로 접속된 스위치(92)를 케이블 배선(64a)에 전기적으로 접속한다. 즉, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)이 접지 도선(100)과 전기적으로 접속된 상태가 된다.

상기한 전기 배선 계통의 상태에서, 1차 전원(80)으로부터 전력을 공급하고, 발진기(81)로부터 고주파 전압이 발진되어, 제 1 전극(61)과 제 2 전극(62) 사이가 일정한 임계값 이상의 전위차가 되면, 제 1 전극(61)의 근방에 방전이 유기된다. 이때 생성된 전자나 이온은 전계(電界)에 의해 구동되어, 그들이 기체 분자와 충돌함으로써 운동량이 기체 분자로 이행한다. 이에 따라, 제 1 전극(61) 부근에 플라즈마 유도기류가 발생한다.

예를 들면, 우천이나 오손 등에 의해 수지 등의 절연 재료로 이루어진 날개(42)의 절연 저항이 저하하는 경우에도, 제 1 전극(61)은 접지되어 있기 때문에 제 1 전극(61)으로부터 날개(42)의 표면을 통하여 지상 설비에 누전하지는 않는다. 그 때문에, 안전성이 우수한 운전을 행할 수 있다.

(뇌운의 접근시)

다음으로, 뇌운 검지 장치에 의해 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지된 뇌운의 접근시의 동작에 대해서 설명한다.

도 6은 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)의 뇌운의 접근시에 있어서의 전기 배선 계통을 모식적으로 나타낸 도면이다.

뇌운 검지 장치에 의해 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되었을 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 스위치(90)를 OFF 상태로 하여 케이블 배선(64a)과 전압 인가부(83)의 출력 단자(84)를 전기적으로 차단하고, 스위치(91)를 OFF 상태로 하여 케이블 배선(64b)과 전압 인가부(83)의 출력 단자(85)를 전기적으로 차단한다. 즉, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)이 전압 인가부(83)의 출력 단자(84)와, 제 2 전극(62)이 전압 인가부(83)의 출력 단자(85)와 전기적으로 차단된 상태가 된다. 이와 같이, 뇌운의 접근시에는, 기류 발생 장치(60)는 작동할 수 없는 상태가 된다.

또한, 접지 도선(100)에 전기적으로 접속된 스위치(92)를 케이블 배선(64b)에 전기적으로 접속한다. 즉, 기류 발생 장치(60)의 제 2 전극(62)이 접지 도선(100)과 전기적으로 접속된 상태가 된다.

여기에서, 도 5에 나타낸 통상 운전시에 있어서의 전기 배선 계통 상태에서, 뇌운이 접근했을 경우, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)은 외표면에 노출된 접지 전극이기 때문에, 리셉터(70)와 마찬가지로 수뢰부로서 작용할 가능성이 있다. 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61)은 리셉터(70)와 같은 수뢰를 상정한 구조가 아니기 때문에, 수뢰하여 대전류가 통류하면 전극이 용손하거나 부근의 유전체를 손상시킬 가능성이 있다.

예를 들면, 부극성의 뇌운이 접근했을 경우에는, 대지(大地)로부터 정극성의 전하가 공급됨으로써 리셉터(70) 및 제 1 전극(61)이 정극성의 유도 전위를 갖는다. 그 때문에, 제 1 전극(61)의 에지부로부터 정극성의 스트림이 진전(進展)하는 선구 방전이 발생하여, 이에 따라 유뢰(誘雷)의 확률이 증가한다.

그래서, 뇌운이 접근했을 경우에, 도 6에 나타낸 전기 배선 계통 상태로 함으로써 제 2 전극(62)을 접지 전위로 할 수 있다. 이 경우에 있어서, 부극성의 뇌운이 접근했을 때에는, 대지로부터 정극성의 전하가 공급됨으로써 리셉터(70) 및 제 2 전극(62)이 정극성의 유도 전위를 갖는다. 한편, 제 1 전극(61)에는, 유전체(63)의 정전 용량에 의해 정해지는 부극성의 전하가 유도된다. 그 결과, 뇌운에 의해 생기는 제 1 전극(61) 부근의 전계가 약해져, 제 1 전극(61) 부근에의 유뢰 확률이 저하한다.

리셉터(70)에 있어서는, 정극성의 유도 전위를 갖기 때문에 선구 방전을 발생하여 유뢰 확률이 상승한다. 이와 같이, 유뢰하기 쉬운 리셉터(70)와, 유뢰하기 어려운 제 1 전극(61)을 날개면 위에 존재시킬 수 있기 때문에, 낙뢰는 리셉터(70)에 발생한다. 이에 따라, 제 1 전극(61)에의 낙뢰의 발생을 방지할 수 있어서 낙뢰에 의한 제 1 전극(61)의 용손 등을 방지할 수 있다.

상기한 바와 같이, 실시형태의 풍력 발전 시스템(10)에 의하면, 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되었을 경우에, 전기 배선 계통을, 통상 운전시의 전기 배선 계통 상태로부터 뇌운의 접근시의 전기 배선 계통 상태로 전환함으로써 기류 발생 장치(60)에의 뇌격이나 대전류의 통류를 방지할 수 있다. 그 때문에, 우수한 안전성을 갖는 풍력 발전 시스템을 제공할 수 있다.

(낙뢰 시험)

여기에서는, 풍차 날개의 스케일 모델을 이용하여, 상술한 통상 운전시의 전기 배선 계통 상태(도 5) 및 뇌운의 접근시의 전기 배선 계통 상태(도 6)에서 낙뢰 시험을 행했다.

날개(42)의 익근부로부터 익단부를 향하는 날개폭 방향의 길이가 1.5m인 모델 날개를 사용했다. 또한, 이 모델 날개의 익현장(翼弦長)은, 최대로 0.2m였다. 모델 날개는, FRP(Fiber Reinforced Plastics)로 구성된 것을 사용했다.

모델 날개의 전연부에, 날개폭 방향으로 2개의 기류 발생 장치(60)를 설치하고, 도 3에 나타내는 바와 같이, 모델 날개의 날개폭 방향의 선단부, 및 모델 날개의 선단부측에 있어서의 복측 및 배측의 표면에 리셉터(70)를 설치했다. 모델 날개의 표면에 설치된 리셉터(70)는, 직경이 20㎜인 원형 형상의 것을 사용했다.

낙뢰 시험에서는, 모델 날개를 바닥면으로부터 높이가 1m의 위치에 설치하고, 모델 날개의 상방에 설치한 하전(荷電) 로드에 부극성 뇌(雷) 임펄스 전압을 인가하여, 기류 발생 장치(60)의 제 1 전극(61), 리셉터(70), 지상의 각각에 낙뢰하는 횟수를 조사했다. 낙뢰 시험은, 통상 운전시의 전기 배선 계통 상태(도 5) 및 뇌운의 접근시의 전기 배선 계통 상태(도 6)에서 각각 20회 실시했다.

표 1에는 낙뢰 시험의 결과가 나타나 있다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 뇌운의 접근시의 전기 배선 계통 상태(도 6)에서는, 통상 운전시의 전기 배선 계통 상태(도 5)에 비하여, 제 1 전극(61)에의 낙뢰 횟수는 적음이 분명해졌다. 이 결과에서, 뇌운의 접근시의 전기 배선 계통 상태(도 6)로 함으로써, 제 1 전극(61)에의 낙뢰의 발생을 방지할 수 있음을 알 수 있었다.

[표 1]

이상 설명한 실시형태에 의하면, 날개에 기류 발생 장치를 구비한 풍차에 있어서, 기류 발생 장치에의 뇌격이나 대전류의 통류를 방지할 수 있어서 우수한 안전성을 갖는 것이 가능해진다.

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

날개에 설치된 수뢰부(受雷部), 및 상기 수뢰부로부터 상기 날개의 내부, 풍차 본체를 통해 땅 속에 걸쳐 설치되고, 상기 수뢰부에 낙뢰한 뇌전류(雷電流)를 땅 속으로 유도하는 피뢰(避雷) 도선을 구비한 낙뢰 보호 장치와,
상기 날개에 설치된 제 1 전극과, 당해 제 1 전극과 유전체를 통해 이간(離間)되고, 상기 유전체에 매설된 제 2 전극을 구비한 기류 발생 장치와,
상기 기류 발생 장치의 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전압을 인가 가능하고, 상기 제 1 전극을 전압 인가부의 한쪽의 단자 또는 접지 도선에 전기적으로 접속 가능하며, 상기 제 2 전극을 전압 인가부의 다른쪽의 단자 또는 접지 도선에 전기적으로 접속 가능한 전압 인가 기구와,
뇌운의 접근에 따른 정보를 검지하는 뇌운 검지 장치를 구비하고,
상기 뇌운 검지 장치에 의해 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되었을 경우, 상기 제 2 전극이 상기 접지 도선에 전기적으로 접속되며, 또한 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 상기 전압 인가부의 단자와의 전기적인 접속이 차단되는 풍력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전압 인가 기구는, 상기 제 1 전극을 전압 인가부의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속 가능한 제 1 가동 접촉자, 상기 제 2 전극을 전압 인가부의 다른쪽의 단자에 전기적으로 접속 가능한 제 2 가동 접촉자, 및 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극을 선택적으로 접지 도선에 전기적으로 접속 가능한 제 3 가동 접촉자를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치에 의해 뇌운의 접근에 따른 정보가 검지되어 있지 않을 경우,
상기 제 1 전극이, 상기 제 1 가동 접촉자에 의해 상기 전압 인가부의 한쪽의 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 2 전극이, 상기 제 2 가동 접촉자에 의해 상기 전압 인가부의 다른쪽의 단자에 전기적으로 접속되고,
상기 제 1 전극이, 상기 제 3 가동 접촉자에 의해 상기 접지 도선에 전기적으로 접속되는 풍력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 뇌운의 접근에 수반하는 상기 수뢰부의 전압 상승에 따른 정보를 검지하는 전압 검지 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 뇌운의 접근에 수반하는 상기 수뢰부의 전압 상승에 따른 정보를 검지하는 전압 검지 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 뇌운의 접근에 수반하는 상기 수뢰부의 전압 상승에 따른 정보를 검지하는 전압 검지 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 선구 방전(先驅放電)에 수반하여 상기 수뢰부에 생기는 전류에 따른 정보를 검지하는 전류 검지 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 선구 방전에 수반하여 상기 수뢰부에 생기는 전류에 따른 정보를 검지하는 전류 검지 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 선구 방전에 수반하여 상기 수뢰부에 생기는 전류에 따른 정보를 검지하는 전류 검지 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 외부로부터 발생된 뇌운의 접근에 따른 정보를 무선 또는 유선에 의해 수신하는 수신 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 외부로부터 발생된 뇌운의 접근에 따른 정보를 무선 또는 유선에 의해 수신하는 수신 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 뇌운 검지 장치가, 외부로부터 발생된 뇌운의 접근에 따른 정보를 무선 또는 유선에 의해 수신하는 수신 장치를 구비하는 풍력 발전 시스템.