KR20130023908A - 요 구동 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 요 구동 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 풍력발전기의 요잉(yawing)을 적절히 제어하여 케이블의 꼬임을 방지할 수 있는 요 구동 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 요 구동 제어방법은, 나셀(nacelle), 타워(tower), 로터(rotor)로 구성되는 풍력 발전기의 요 구동 제어방법으로서, 풍속이 일정 속도 이하인 경우에 발전을 위해 작동하는 터빈을 중지하여 발전을 중지키고, 나셀(20)을 회전시켜 꼬여 있는 케이블을 푸는 것;을 특징으로 한다.

Description

요 구동 제어방법{Control Method Of Yaw Drive}

본 발명은 요 구동 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 풍력발전기의 요잉(yawing)을 적절히 제어하여 케이블의 꼬임을 방지할 수 있는 요 구동 제어방법에 관한 것이다.

풍력(바람의 힘)을 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.

일반적으로 풍력 발전기(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 나셀(nacelle, 2), 타워(tower, 3) 및 로터(rotor, 4)로 구성된다.

타워(tower, 3)는 지면에 세워지는 고층의 구조물로서, 타워(3) 상단에 증속기 등의 구동장치 및 발전장치, 제어장치를 포함하는 나셀(2)이 설치되고, 나셀(2)에는 복수의 블레이드(blade, 5) 및 이 블레이드가 결합되는 허브(hub, 6)로 구성되는 로터(rotor, 4)가 장착된다.

로터(4)를 회동 지지하는 나셀(3)은 타워(3) 상단에서 회전 가능하며, 로터(4)의 회전력이 주축을 거쳐 발전기에 이르러 전기 에너지를 발생시킨다.

풍력 발전기(1)는 항상 최대의 전기 에너지를 생산할 수 있도록 바람의 방향이 바뀔 때마다 블레이드(5)가 바람을 정면으로 맞이하도록 할 필요가 있으며, 이를 위해 로터(4)를 바람이 불어오는 방향에 위치하도록 나셀(2)을 회전시키는 데 이를 요(yaw) 구동이라 하고, 만약 로터(4))가 바람을 마주 볼 수 있도록 정렬되지 않는다면 풍력 발전기(1)는 요 에러(yaw error)가 발생하게 된다.

요 에러(yaw error)는 로터(4)에 적은 양의 풍력 에너지가 닿도록 하므로 풍력 발전기의 에너지 효율을 대폭 감소시키는 바, 로터(4)에 풍력이 효율적으로 전달되도록 하기 위해 요 에러는 방지되어야 한다.

따라서, 로터(4)에 풍력이 효율적으로 전달되도록 하기 위해 항상 바람의 방향이 로터(4)를 향하도록 나셀(3)의 방향을 제어하는 요 구동 제어(yaw drive control)를 하여야 한다.

그러나, 종래의 풍력 발전기(1)는 풍향과 나셀(3)의 방향의 차이에 따라 나셀이 바람이 부는 방향을 따라 움직이도록 요 구동 제어(yaw drive control)를 하는데, 나셀(3)이 한 방향으로 지속적으로 움직이게 되면 특정 방향으로의 계속적 회전이 이루어져 풍력 발전기에 설치된 각종의 케이블이 꼬이게 되는 문제점이 발생한다.

이렇게 꼬인 케이블은 한계에 다다를 경우 절단되는 사고가 발생할 수 있어 어느 정도의 꼬임이 발생하는 경우 발전을 중지하고 나셀(3)을 반대로 회전시켜 꼬인 케이블을 풀어주어야 한다.

이 때, 꼬인 케이블을 풀기 위한 발전 시스템의 잦은 중지는 전력 생산을 감소시키고, 잦은 중지 및 재가동에 불필요한 에너지를 낭비하게 되는 바 잦은 발전 시스템의 중지을 막기 위한 방안이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 풍력발전기의 요잉(yawing)을 적절히 제어하여 요 에러(yaw error)를 미연에 방지하고, 케이블의 꼬임도 방지하여 전력 손실 최소화 및 에너지 효율 극대화를 달성하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 나셀(nacelle), 타워(tower), 로터(rotor)로 구성되는 풍력 발전기의 요 구동 제어방법에 있어서, 풍속이 일정 속도 이하인 경우에 발전을 위해 작동하는 터빈을 중지하여 발전을 중지키고, 나셀(20)을 회전시켜 꼬여 있는 케이블을 푸는 것;을 특징으로 하는 요 구동 제어방법을 제공한다.

상기 나셀(20)은 회전하여 꼬여 있는 케이블을 푼 후 상기 로터(40)가 바람이 불어오는 방향으로 위치하도록 상기 나셀(20)을 회전하는 것;을 특징으로 한다.

상기 일정 속도 이하의 풍속은 상기 풍력 발전기의 운전이 가능한 최소한의 풍속 미만인 것;을 특징으로 한다.

상기 일정 속도 이하의 풍속은 2~4m/s 이하인 것;을 특징으로 한다.

상기 나셀(20)의 회전은 계통 전원을 공급받아 이루어지는 것;을 특징으로 한다.

작동 중지된 상기 터빈을 재가동하여 발전을 시작하는 경우에 재가동을 위한 초기 전력은 계통 전원을 사용하고, 재가동이 된 이후에는 계통전원 또는 상기 터빈에 의해 생산되는 전력을 이용하여 상기 풍력 발전기(1)를 가동시키면서 요 제어를 하는 것;을 특징으로 한다.

상기 타워(30)의 상부의 외주면에 형성되는 외주면 기어(31); 상기 나셀(20)의 하부에 형성되어 상기 외주면 기어(31)와 맞물리는 요 피니언 기어(21); 및 상기 피니언 기어를 구동시키는 요 모터(22);를 포함하되, 상기 나셀(20)은 상기 요 모터(22)의 구동에 의해 회전하는 것;을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 요 에러를 미연에 방지하여 풍력 발전기의 잦은 가동 중지 및 재가동을 막을 수 있고, 이로서 불필요한 에너지의 낭비를 줄일 수 있도록 한다.

또한, 풍력 발전의 중지 후 재가동시 정격 발전량에 가장 빠르게 도달할 수 있어 발전 중단 회복 시간을 단축할 수 있다.

또한, 풍력 발전의 중지 후 재가동시에는 계통전원을 사용하여 재가동하나, 재가동이 된 이후에는 재가동에 의해 생산되는 전력을 이용하여 고가의 계통전원 사용을 줄여 경비를 절감할 수 있다.

또한, 일정 풍속 이하 일 때 발전을 중지하는 경우 계통전원을 사용하여 꼬인 케이블을 푸는 작업을 하므로 발전 계속중에 케이블의 꼬임에 의한 케이블 절단 사고를 미연에 방지할 수 있다.

또한, 발전을 중지하고 케이블을 다 푼 후에는 바람이 불어오는 방향으로 로터를 대기시킴으로써 발전 설비를 재가동하는 경우 빠르게 정격 발전량에 도달할 수 있도록 하며, 이로써 발전 중단 회복 시간을 단축할 수 있다.

도 1은 종래의 풍력 발전기를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 요 구동 제어방법을 개략적으로 나타내는 평면도이며, (a)는 풍속이 일정 속도 이하인 경우 발전을 중지하는 경우를 도시한 도면이고, (b)는 발전 중지 후 계통 전원을 사용하여 케이블을 푼 후 바람이 불어오는 방향으로 로터를 위치시킨 도면이고, (c)는 발전을 재가동하는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 요 구동 제어방법을 개략적으로 나타내는 평면도이며, (a)는 풍속이 일정 속도 이하인 경우 발전을 중지하는 경우를 도시한 도면이고, (b)는 발전 중지 후 계통 전원을 사용하여 케이블을 푼 후 바람이 불어오는 방향으로 로터를 위치시킨 도면이고, (c)는 발전을 재가동하는 도면이다.

본 발명에 따른 요 구동 제어방법은, 도 2에 도시된 바와 같이, 풍속이 일정 속도 이하인 경우에 발전을 위해 작동하는 터빈(미도시)을 중지하여 발전을 중지시키고, 나셀(20)을 회전시켜 꼬여 있는 케이블을 푸는 방법을 제공한다.

이 때, 발전을 중지하는 최소의 풍속은 에너지 효율을 감안하여 풍력 발전기의 운전이 가능한 최소한의 풍속 미만이어야 하며, 발전설비의 용량 및 설치위치 등을 고려하여 풍력 발전기의 운전이 가능한 최소한의 풍속은 2~4m/s 인 것이 바람직하다.

나셀(20)이 회전하여 꼬여 있는 케이블을 푼 후에는, 도 2의 (b)에서와 같이, 로터(40)를 바람이 불어오는 방향을 향하도록 위치시켜 대기 시킬 수 있는데, 풍력 발전기의 운전이 가능한 최소한의 풍속 이상이 되면 바로 발전 설비를 재가동하여 발전을 할 수 있도록 하기 위함이다.

풍력 발전기의 운전이 가능한 최소한의 풍속 이하가 되면 발전 효율을 감안하여 발전을 중지하는데, 이 때 나셀(20)을 회전시키도록 하는 전원은 계통 전원으로부터 공급받아 나셀(20)을 회전시키도록 할 수 있다.

그러나, 계통 전원은 고가인 바, 풍속이 풍력 발전기를 운전할 수 있는 최소한의 풍속 이상이 되어 발전을 재가동하였다면, 계통전원을 계속 이용할 수도 있으나, 계통전원은 고가이므로 에너지 효율을 높이기 위해 계통 전원을 차단하고 발전으로 생산되는 전원을 이용하여 발전 설비를 가동시킬 수도 있다.

따라서, 작동 중지된 터빈을 재가동하여 발전을 시작하는 경우에 재가동을 위한 초기 전력은 계통 전원을 사용하고, 재가동이 된 이후에는 발전을 위한 터빈에 의해 생산되는 전력을 이용하여 풍력 발전기(1)를 가동시키면서 요 제어를 하는 것이 유리하다.

이러한 나셀(20)의 회전은, 도 3에 도시된 바와 같이, 요 모터(22)를 구동시켜 외주면 기어(31)와 맞물리는 요 피니언(21)기어를 회전시켜 이루어지며, 외주면 기어(31)는 타워(30)의 상부 외주면에 형성되고, 요 피니언 기어(21)는 나셀(20)의 하부에 형성되며, 요 모터(22)는 외주면 기어(31)와 맞물리는 요 피니언 기어(21)를 구동시킨다.

이하, 본 발명에 따른 요 구동 제어방법의 작용을 설명한다.

본 발명에 따른 요 구동 제어방법이 적용되는 풍력 발전기(1)에 운전이 가능한 최소한의 풍속이 3m/s라면, 3m/s 이하의 풍속이 부는 경우에 발전을 중지하며, 이 때 나셀(20)의 회전에 의해 꼬인 케이블이 있다면 계통전원으로부터 전력을 공급받아 나셀(20)을 회전시켜 꼬인 케이블을 풀게 된다.

꼬인 케이블을 푼 후에는 로터(40)를 바람이 불어오는 방향으로 위치시킨 후 풍속이 3m/s 이상이 될 때 바로 발전을 시작할 수 있도록 대기시킨다.

발전이 재가동되면, 계통전원을 끊고 발전에 의해 생산되는 전원으로 발전을 위한 각종 설비들에 전원을 공급한다.

이러한, 요 운전 제어방법에 의해 상술한 다양한 효과를 발휘할 수 있는 풍력발전기의 제작을 할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

20: 나셀 21: 요 피니언 기어
22: 요 모터 30: 타워
31: 외주면 기어 40: 로터
50: 블레이드

Claims (7)

1. 나셀(nacelle), 타워(tower), 로터(rotor)로 구성되는 풍력 발전기의 요 구동 제어방법에 있어서,
   풍속이 일정 속도 이하인 경우에 발전을 위해 작동하는 터빈을 중지하여 발전을 중지키고, 나셀(20)을 회전시켜 꼬여 있는 케이블을 푸는 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 나셀(20)은 회전하여 꼬여 있는 케이블을 푼 후 상기 로터(40)가 바람이 불어오는 방향으로 위치하도록 상기 나셀(20)을 회전하는 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 일정 속도 이하의 풍속은 상기 풍력 발전기의 운전이 가능한 최소한의 풍속 미만인 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 일정 속도 이하의 풍속은 2~4m/s 이하인 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 나셀(20)의 회전은 계통 전원을 공급받아 이루어지는 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   작동 중지된 상기 터빈을 재가동하여 발전을 시작하는 경우에 재가동을 위한 초기 전력은 계통 전원을 사용하고, 재가동이 된 이후에는 계통전원 또는 상기 터빈에 의해 생산되는 전력을 이용하여 상기 풍력 발전기(1)를 가동시키면서 요 제어를 하는 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 타워(30)의 상부의 외주면에 형성되는 외주면 기어(31);
   상기 나셀(20)의 하부에 형성되어 상기 외주면 기어(31)와 맞물리는 요 피니언 기어(21); 및
   상기 피니언 기어를 구동시키는 요 모터(22);를 포함하되,
   상기 나셀(20)은 상기 요 모터(22)의 구동에 의해 회전하는 것;
   을 특징으로 하는 요 구동 제어방법.

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