KR20130097171A - 디렉트 드라이브 윈드 터빈 및 에어 갭을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

디렉트 드라이브 윈드 터빈 및 에어 갭을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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KR20130097171A
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아르투로 로드리게즈 추오로우크디시안
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알스톰 윈드, 에스.엘.유.
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Abstract

본 발명은 허브와 복수의 블레이드를 포함하고 프레임 상에 회전가능하게 장착되는 로터와 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터를 포함하는 제너레이터를 포함하고, 로터와 제너레이터 로터 사이에 배열되고 적어도 부분적으로 축선방향으로 연장되는 하나 이상의 댐퍼를 더 포함하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈에 관한 것이다.

Description

디렉트 드라이브 윈드 터빈 및 에어 갭을 제어하기 위한 방법{DIRECT DRIVE WIND TURBINE AND METHOD FOR CONTROLLING AN AIR GAP}
본 발명은 윈드 터빈, 그리고 더 구체적으로 디렉트 드라이브 윈드 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 에어 갭을 제어하기 위한 방법, 그리고 더 구체적으로 디렉트 드라이브 윈드 터빈에서의 그러한 방법에 관한 것이다.
현대의 윈드 터빈은 전기 그리드에 전기를 공급하도록 흔히 사용된다. 이러한 종류의 윈드 터빈은 일반적으로 로터 허브와 복수의 블레이드를 갖는 로터를 포함한다. 로터는 블레이드 상의 윈드의 영향 하에서 회전으로 설정된다. 로터 샤프트의 회전은 직접적으로("직접적으로 구동됨") 또는 기어박스의 사용을 통해 제너레이터 로터를 구동한다. 디렉트 드라이브 윈드 터빈은 또한 "샤프트리스(shaftless)"일 수 있고; 이들 샤프트리스 윈드 터빈에서, 로터는 제너레이터를 직접적으로 구동한다.
예를 들어, WO 2005/103489로부터 공지된 바와 같은 디렉트 드라이브 윈드 터빈은 기어박스에 관련된 알려진 문제를 겪지 않는다. 그러나, 어떠한 스피드 증가도 없기 때문에, 제너레이터 샤프트는 매우 느리게 회전한다. 결과적으로, 효과적인 방식으로 전기를 발생시킬 수 있도록 크고 상대적으로 값비싼 제너레이터가 일반적으로 요구된다. 부가적으로, 벤딩 하중 및 움직임(및 대응하는 변형)이 로터 샤프트를 통해 제너레이터로 전달될 때, 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터 사이의 에어 갭을 제어하는 것이 가능하지 않을 수 있다. 높은 벤딩 하중은 제너레이터의 부분, 예를 들어, 베어링에 구조적 손상을 일으킬 수도 있다. 그러한 제너레이터 부분의 교체 또는 수리는 제너레이터와 그것의 컴포넌트의 크기 및 제반 비용으로인해 매우 값비쌀 수 있다.
WO 01/59296은 복수의 블레이드를 갖는 허브를 포함하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈을 개시하고, 허브는 축 부분에 관련해서 회전가능하게 장착된다. 터빈의 허브는 비틀림 스티프이나 벤딩 움직임에 항복하는 복수의 연결 부재에 의해 제너레이터 로터에 연결된다.
이러한 종류의 구성으로 허브와 블레이드의 중량으로 인한 하중이 프레임을 통해 타워로 더 직접적으로 전달되는 반면에, 로터는 제너레이터에 주로 토크를 전달하고, 따라서 제너레이터에서의 원치않는 변형을 실질적으로 감소시킨다. 이것은 다른 선행 기술 윈드 터빈에 대해서 개선을 나타낼 수 있으나, 로터로부터 제너레이터로의 벤딩 하중의 전달이 완전히 회피될 수는 없다.
따라서 로터 허브로부터 제너레이터로의 벤딩 하중 및 움직임의 전달이 실질적으로 감소될 수 있는 디렉트 드라이브 윈드 터빈에 대한 필요가 여전히 존재한다. 특히, 예를 들어, 윈드 거스트로부터 초래하는 이들과 같은 극심한 하중 경우 하에서, 에어 갭이 더 효과적으로 제어될 수 있는 디렉트 드라이브 윈드 터빈에 관한 요구 역시 여전히 존재한다.
이들 요구를 적어도 부분적으로 충족시키는 것이 본 발명의 목적이다. 본 발명의 또 다른 이점이 그것의 설명으로부터 명백해질 것이다.
제 1 측면에서, 로터와 제너레이터를 포함하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈을 제공하고, 로터는 허브와 복수의 블레이드를 포함하고 프레임 상에 회전가능하게 장착되며, 제너레이터는 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터를 포함하고, 로터와 제너레이터 로터 사이에 배열되고 축선방향으로 적어도 부분적으로 연장되는 하나 이상의 댐퍼를 더 포함한다. 프레임 상에 회전가능하게 장착되는 로터로 인해, 제너레이터 로터로의 벤딩 하중의 전달이 감소될 수 있고, 따라서 에어 갭을 제어하는 것이 더 쉬워질 수 있다. 부가적으로, 제너레이터 로터는 지지해야만 하는 하중이 감소될 수 있기 때문에 더 경량의 설계를 가질 수 있다. 그리고 허브의 벤딩 움직임의 에너지를 적어도 부분적으로 소멸시키는 댐퍼를 제공하는 것에 의해, 결과 제너레이터 로터의 움직임 또는 변형이 감소될 수 있다. 이런 점에서, 축선방향은 (통상 제너레이터 로터의 회전의 축에 대응할 수 있는) 로터의 회전의 축에 의해 규정된다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 댐퍼는 수동일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 댐퍼는 반-능동일 수 있다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 댐퍼는 능동일 수 있다. 임의의 종류의 댐퍼(예를 들어, 유압식(hydraulic) 댐퍼, 공압식(pneumatic) 댐퍼, 고체 마찰(solid friction) 댐퍼, 회전식 관성-점성(rotational inertia-viscous) 댐퍼, 회전식 마찰 댐퍼 등)가 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
수동 댐퍼 시스템은 일반적으로 변하지 않는(일정한) 감쇠 계수를 가진다. 반-능동 댐퍼 시스템에서, 감쇠 계수는 제어 시스템에 따라 변할 수 있다. 능동 댐퍼 시스템에서, 댐퍼는 예를 들어, 유체 챔버에서 압력을 증가시키거나 감소시키는 것에 의해 능동적으로 조종된다. 반-능동 댐퍼 시스템은 예를 들어, 가변-오리피스(variable-orific) 점성 댐퍼, 가변 스티프니스 댐퍼, 가변-마찰 댐퍼 또는 제어가능한 유체 댐퍼에 의해 형성될 수 있다. 바람직한 제어가능한 유체 댐퍼는 마그네토리올로지(magnetorheological) 유체 댐퍼이다. 마그네토리올로지 유체 댐퍼에서, 댐퍼 유체는 금속 입자를 포함한다. 댐퍼의 감쇠 계수는 전자석에 의해 매우 빠르게 제어될 수 있다. 따라서 제어 시스템은 감쇠 계수를 증가시키거나 감소시킬 수 있는 전자석에 제어 신호를 보낼 수 있다. 반-능동 댐퍼 및 능동 댐퍼의 일 측면은 그들이 순시(instantaneous) 하중 조건에 적응하도록 제어될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 높거나 갑작스러운 공기역학(aerodynamic) 하중 하에서, 댐퍼의 감쇠 계수는 적합하게 적응될 수 있다.
유리하게 사용될 수 있는 또 다른 제어가능한 유체 댐퍼는 예를 들어, 일렉트로리올로지(electrorheological) 유체 댐퍼이다. 일렉트로리올로지 유체는 전기 절연 유체에서 미세한 입자의 현탁액이다. 이들 유체의 점성은 전기장에 응답해서 역으로 그리고 매우 빠르게 변화될 수 있다. 그러한 댐퍼에서, 마찰 계수는 전기장을 적용시키는 것에 의해 따라서 변화될 수 있다.
본 발명의 일 측면에서, 동일한 윈드 터빈 내에, 수동 댐퍼와 반-능동 댐퍼 또는 능동 댐퍼의 조합을 포함하는 하이브리드 시스템이 제공될 수 있다.
하나 이상의 반-능동 또는 능동 댐퍼를 포함하는 실시예에서, 윈드 터빈은 하나 이상의 센서를 포함할 수 있고, 언급된 센서에 의해 수집된 데이터가 반-능동 또는 능동 댐퍼의 제어에 사용된다.
실시예에서, 댐퍼가 마찰 조인트로 로터 및/또는 제너레이터 로터에 부착될 수 있다. 마찰 조인트는 허브와 제너레이터 로터 사이에 일부 상대적 움직임을 허용할 수 있고 댐퍼에 의해 지지되도록 하중을 감소시킬 수 있다. 유사한 방법으로, 일부 실시예에서, 댐퍼가 로터 및/또는 볼-소켓 조인트로 로터 및/또는 제너레이터 로터에 부착될 수 있다.
일부 실시예에서, 댐퍼는 또한 실질적으로 방사상 방향으로 연장될 수 있다. 로터의 그리고 제너레이터의 설계에 따라서, 댐퍼는 또한 부분적으로 방사상 방향으로 배열될 수 있다. 댐퍼는 예를 들어, 로터 허브에, 루트 익스텐더에(존재한다면) 부착될 수 있고 그리고 또한 로터 블레이드에 부착될 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 또한 실질적으로 앞서 설명된 바와 같은 윈드 터빈에서 에어 갭을 조절하는 방법을 제공하고, 그 방법은 적어도 하나의 센서를 사용하여 로터의 가속도를 측정하거나 예측하는 단계, 및 로터로부터 제너레이터 로터로의 벤딩 움직임의 전달을 감소시키도록 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 단계를 포함한다.
일부 실행에서, 로터의 가속도는 허브 상에 장착되는 3축(triaxial) 가속도계로 측정된다. 허브의 가속도는 또한 댐퍼의 움직임(및 활동성)을 결정하기 위한 센서로 간접적으로 측정될 수 있다. 하나 이상의 댐퍼가 그러한 센서를 포함할 수 있다. 일부 실행에서, 로터의 가속도는 공기역학 하중을 예측하기 위한 LIDAR 시스템을 사용하여 간접적으로 예측될 수 있다.
일부 실행에서, 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 것은 또 다른 댐퍼와 다르게 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 것을 포함할 수 있다. 별개의 댐퍼의 다른 동작은 특정 비대칭 하중인 경우에 유용할 수 있다.
본 발명은 선행기술에 비해 에어 갭을 더 효과적으로 제어하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈 및 그에 관한 방법을 제공한다.
본 발명의 특정 실시예는 첨부된 도면에 대한 참조와 함께 비-제한적인 예시의 방식에 의해 다음에서 설명될 것이고, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 윈드 터빈의 제 1 실시예를 도식적으로 도시하고;
도 2a는 본 발명에 따른 윈드 터빈의 제 2 실시예를 도식적으로 도시하며;
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 부합해서 에어 갭을 제어하는 방법을 도식적으로 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 윈드 터빈(1)의 제 1 실시예를 도시한다. 윈드 터빈(1)은 프레임(20)이 회전가능하게 장착되는 타워(50)를 포함한다. 본 실시예에서, 프레임(20)은 두 개의 별개의 섹션을 포함한다: 전방 프레임(20a) 및 후방 프레임(20b). 도면 부호(55)는 후방 프레임(20b)이 윈드 터빈 타워의 종방향 축 주위로 회전되는 것을 허용하는 요 메커니즘의 존재를 나타낸다. 후방 프레임(20b) 및 전방 프레임(20a)은 내부 환형 플랜지를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 볼트가 이들 플랜지를 연결하도록 사용된다.
로터 허브(10)가 베어링(15, 16)을 통해 전방 프레임(20a) 상에 회전가능하게 장착된다. 로터 허브(10)는 복수의 블레이드(미도시)를 적재한다. 제너레이터(30) 역시 프레임(20) 상에 장착된다. 제너레이터 하우징(31)은 볼트를 통해 후방 프레임(20b) 상에 제공되는 환형 플랜지에 연결된다. 제너레이터 로터(33)를 회전가능하게 지지하는 적합한 베어링이 도면 부호(34)로 도식적으로 나타난다. 임의의 적합한 베어링이 사용될 수 있고, 예를 들면, 더블-테이퍼드 롤러 베어링과 같은 예를 들어, 롤링 엘리먼트 베어링이 있다.
제너레이터 로터(33)는 예를 들어, 영구 자석 또는 권선을 포함할 수 있으나 그들로 한정되지 않는 (전)자기 수단을 포함한다. 이들 (전)자기 수단은 베어링(34) 주위에 제공되는 제너레이터 로터의 적재 구조에 의해 적재되고 따라서 제너레이터 스테이터에 대해서 회전할 수 있다.
돌출부(12)가 허브(10)와 일체로 형성된다. 돌출부(12)는 제너레이터 로터 적재 구조(35)에 플렉시블하게 결합될 수 있고, 따라서 벤딩 하중의 전달을 제한한다. 이 점에서 플렉시블하게 결합된다는 것은 결합이 적어도 하나의 방향으로 하중 하에서 상대적으로 쉽게 항복할("받아들일") 것이라는 것을 의미한다. 바람직한 실시예에서, 결합은 적어도 축선방향으로 항복하고, 그래서 제너레이터에 대한 로터의 축선방향 움직임이 가능하다.
일부 실시예에서, 플렉시블한 소재의 엘리먼트가 돌출부(12)와 제너레이터 로터의 적재 구조의 부분 사이에 배열될 수 있다. 이들 플렉시블한 엘리먼트는 임의의 적합한 소재로 구성될 수 있고, 예를 들어, 엘라스틱 또는 엘라스토머 소재, 또는 엘라스토머와 금속의 조합 또는 더 다른 적합한 소재가 있다. 다른 또는 추가적인 플렉시블한 결합부 역시 사용될 수 있고: 결합부는 그들의 형상, 소재, 포지셔닝, 장착 또는 이들의 조합으로 인해 그들의 플렉시블한 특징을 얻을 수 있다.
일부 실시예에서, 이러한 연결부는 또한 더 강성(rigid)일 수 있다.
복수의 댐퍼(60)가 로터와 제너레이터 로터 사이에 장착된다. 도시된 실시예에서, 댐퍼가 허브(10)와 제너레이터 로터의 적재 구조(35) 사이에 장착되고 축선방향으로 그리고 실질적으로 방사상으로 연장된다. 다른 실시예에서, 댐퍼는 예를 들어, 허브 상에 장착된 익스텐더에 또는 블레이드에도 장착될 수 있다. 댐퍼는 허브의 우세한 벤딩 움직임이 국소적으로 댐퍼의 종방향으로 향하는 방식으로 배열될 때 가장 효과적일 수 있다.
도 1의 실시예에서, 댐퍼는 예를 들어, 수동 유압식 또는 공압식 댐퍼일 수 있다. 허브가 벤딩 하중에 영향받을 때, 그것은 돌출부(12)를 통해 제너레이터 로터 그리고 제너레이터 로터로의 그들의 연결부로 전달될 수 있는 벤딩 움직임을 수행할 수 있다. 댐퍼는 허브의 벤딩 움직임에 포함된 에너지의 적어도 일부를 소멸시킬 수 있고 따라서 제너레이터 로터에서의 결과 움직임 및 하중을 제한한다. 따라서 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터 사이의 에어 갭이 더 효과적으로 제어될 수 있다.
수동 댐퍼와 함께, 어떠한 또 다른 동작도 윈드 터빈의 작동 동안 필요하지 않다. 적합한 감쇠 계수는 우세한 하중 경우 및 예를 들어, 고유 모드(eigenmodes) 및 고유 주파수(eigenfrequencies)에 부합해서 결정될 수 있다.
도 2a는 도 1과 유사한 윈드 터빈을 도시하지만, 복수의 반-능동 또는 능동 댐퍼(60)가 제공된다. 실질적으로 일정한 에어 갭을 유지하는 방식으로 댐퍼를 제어하기 위해서, 하나 이상의 센서가 윈드 터빈에 제공될 수 있다.
도 2a의 실시예에서, 3-축(tri-axial) 가속도계(19)가 허브(10)에 제공된다. 부가적으로, 센서(39)가 댐퍼의 활동성을 등록하기 위해 댐퍼 상에 제공된다. 이들 센서(39)는 예를 들어, 로드 셀(load cells), 근접 프로브(proximity probes) 또는 선형 전위차계(linear potentiometers)일 수 있다. 또한, 순시 윈드 플로우와 관련한 LIDAR(78)에 의해 수집된 데이터 역시 댐퍼의 제어에 사용될 수 있다.
센서의 각각에 의해 수집된 데이터가 입력/출력-엘리먼트(74)와 연통하는 버스(72)에 전달된다. I/O 엘리먼트(74)는 도식적으로 나타낸 제어 시스템(76)에 데이터를 보낸다. 제어 시스템은 입력 데이터에 기반해서 제어 명령을 계산한다. 제어 명령이 I/O 엘리먼트(74)로부터 댐퍼(60)의 각각에 보내질 수 있다.
도 2b에 대해 참조하면서, 입력 신호(81, 82, 83, 84, 85)가 버스(72)에 보내질 수 있다. 명령 신호(91, 92, 93)가 세 개의 댐퍼에 보내질 수 있다. 본 실시예에서, 데이터는 LIDAR, 허브 상의 가속도계 및 댐퍼에서의 센서로부터 수집된다. 다른 실시예에서, 이들 센서의 일부만이 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 대안적인 센서 역시 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서는 또한 벤딩 하중 또는 변형을 등록하도록 프레임(20)에 연결될 수 있다. 센서, 댐퍼와 제어 시스템 사이의 통신은 와이어/ 케이블을 통해서일 수 있고 또는 무선일 수 있다.
일부 실시예에서, 그리고 특정 하중인 경우에 에어 갭을 제어하기 위해서 예를 들어, 피치 제어와 댐퍼의 제어를 조합하는 것이 유익할 수 있다.
하나의 가능한 제어 시스템만이 도 2a 및 도 2b에 도시되었다는 것이 명백할 것이다. 대안적인 제어 시스템 역시 사용될 수 있다. 또한, 또 다른 실시예에서, 댐퍼의 다른 수가 사용될 수 있다. 세 개 이상의 균등이격된(equispaced) 댐퍼의 제공은 다이나믹하게 밸런싱되는 이점을 가진다. 그러나, 일부 실시예에서 하나 또는 두 개의 댐퍼만이 제공될 수 있다.
본 발명이 특정 바람직한 실시예 및 예시의 문맥에서 개시됨에도, 본 발명이 구체적으로 개시된 실시예를 넘어서 다른 대안적인 실시예 및/또는 본 발명의 용도 및 명백한 수정 및 그것의 등가물로 확장한다는 것이 해당 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 여기에 개시된 본 발명의 범위가 이전에 설명된 특정 개시된 실시예에 의해 한정되는 것이 아니라, 이어지는 청구항의 정확한 해석에 의해서만 결정되어야한다는 것이 의도된다.

Claims (15)

  1. 허브와 복수의 블레이드를 포함하고 프레임 상에 회전가능하게 장착되는 로터 및 제너레이터 로터와 제너레이터 스테이터를 포함하는 제너레이터를 포함하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈으로서,
    상기 로터와 상기 제너레이터 로터 사이에 배열되고 적어도 부분적으로 축선방향으로 연장되는 하나 이상의 댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  2. 제 1항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 댐퍼는 수동인 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 댐퍼는 반-능동인 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  4. 제 3항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 반-능동 댐퍼는 마그네토리올로지 댐퍼 또는 일렉트로리올로지 댐퍼인 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 상기 댐퍼는 능동 댐퍼인 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  6. 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 센서를 더 포함하고, 상기 센서에 의해 수집된 데이터가 상기 반-능동 댐퍼 또는 상기 능동 댐퍼의 제어에 사용되는 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 댐퍼는 마찰 조인트로 상기 로터 및/또는 상기 제너레이터 로터에 부착되는 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 댐퍼는 볼-소켓 조인트로 상기 로터 및/또는 상기 제너레이터 로터에 부착되는 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 댐퍼는 또한 방사상 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 디렉트 드라이브 윈드 터빈.
  10. 제 3항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 윈드 터빈에서 에어 갭을 제어하는 방법으로서,
    적어도 하나의 센서를 사용하여 상기 로터의 가속도를 측정하거나 예측하는 단계, 및
    상기 로터로부터 상기 제너레이터 로터로의 벤딩 움직임의 전달을 감소시키도록 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 로터의 가속도는 상기 허브 상에 장착되는 3-차원 가속도계로 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 로터의 가속도는 상기 댐퍼의 움직임을 결정하기 위한 센서로 측정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터의 가속도는 LIDAR 시스템을 사용하여 예측되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 단계는 점성 유체 댐퍼의 점성을 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에서,
    상기 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 단계는 또 다른 댐퍼와는 다르게 적어도 하나의 댐퍼를 동작시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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