KR20140035617A - 풍력 발전기 및 이의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

풍력 발전기가 개시된다. 상기 풍력 발전기는 로터, 및 선택 신호에 응답하여 상기 로터가 미리 결정된 상기 로터의 위치들 중 어느 하나로 자동으로 이동하도록 상기 로터를 제어하는 제어기를 포함한다.

Description

풍력 발전기 및 이의 제어 방법{WIND POWER GENERATOR AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 풍력 발전기에 관한 것으로, 특히 로터의 위치를 자동으로 제어하기 위한 풍력 발전기 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

풍력 발전기는 바람의 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 장치이다.

상기 풍력 발전기는 복수의 기계적인 구성품들을 포함한다. 예컨대, 상기 풍력 발전기는 로터(rotor), 기어 박스, 및 발전기 등을 포함한다. 상기 로터는 블레이드들(blades), 허브(hub), 및 스피너(spinner)를 포함한다. 상기 풍력 발전기의 로터는 바람에 의해 회전한다. 하지만, 실시 예에 따라 상기 풍력 발전기의 상기 로터는 회전되지 않도록 강제로 고정될 필요가 있다. 예컨대, 상기 허브 내에 사람이 직접 진입하여 작업을 하는 경우 또는 돌풍으로 발전기에 과부하가 우려되는 경우에 상기 로터는 회전되지 않도록 강제로 고정될 필요가 있다. 상기 로터가 정상적으로 고정되지 않을 때, 심각한 사고가 예상된다. 따라서 상기 로터가 자동적으로 고정될 필요가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 로터의 위치를 자동으로 제어하기 위한 풍력 발전기 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기는 로터, 및 선택 신호에 응답하여 상기 로터가 미리 결정된 상기 로터의 위치들 중 어느 하나로 자동으로 이동하도록 상기 로터를 제어하는 제어기를 포함한다.

상기 풍력 발전기는 상기 로터와 접속되는 샤프트, 및 상기 샤프트의 각도위치(angular position)를 나타내는 엔코더를 더 포함한다.

상기 샤프트의 상기 각도위치는 상기 로터의 위치와 대응된다.

상기 미리 결정된 상기 로터의 위치들은 상기 엔코더로부터 상기 샤프트의 각도위치에 대한 정보를 수신하여, 상기 로터의 제1위치를 설정하고, 상기 제1위치와 임의의 위상차를 가지는 상기 로터의 위치를 제2위치로 설정함으로서 결정된다.

상기 선택 신호는 상기 미리 결정된 상기 로터의 위치들 중 어느 하나를 나타낸다.

상기 제어기는 상기 선택된 로터의 위치로 이동하기 위해 이동 신호를 더 수신할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기의 제어 방법은 로터의 각각의 위치들을 설정하는 단계, 및 선택 신호에 응답하여 상기 설정된 로터의 각각의 위치들 중 어느 하나로 자동으로 이동하는 단계를 포함한다.

상기 로터의 각각의 위치들을 설정하는 단계는 상기 로터의 초기 위치를 제1위치로 설정하는 단계, 및 상기 제1위치와 임의의 위상차를 가지는 상기 로터의 위치를 제N위치(N은 2이상의 자연수)로 설정하는 단계를 포함한다.

상기 로터의 상기 초기 위치를 상기 제1위치로 설정하는 단계는 엔코더로부터 샤프트의 각도위치에 대한 정보를 수신하는 단계, 상기 각도위치를 제1도로 보정하는 단계, 및 상기 제1도를 상기 제1위치로 설정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전기 및 이의 제어 방법은 미리 로터의 위치들을 설정하여 선택하게 함으로써 로터의 위치가 자동으로 제어될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 로터와 나셀의 블록도를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 제어기의 패널의 일 실시 예를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4i는 도 1에 도시된 블레이드들의 다양한 위치들을 나타내는 다이어그램이다.
도 5는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템의 블록도를 나타내며, 도 2는 도 1에 도시된 로터와 나셀의 블록도를 나타낸다.

도 1과 도 2를 참조하면, 풍력 발전기(100)는 바람의 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다. 풍력 발전기(100)는 로터(10), 나셀(nacelle; 20), 풍향 풍속계(30), 지지대(40), 및 기초 구조물(50)을 포함한다.

로터(10)는 블레이드들(11)과 허브(13)를 포함한다.

블레이드들(11)이 정면에서 불어오는 바람을 받으면 상기 바람의 방향과 직각 방향으로 양력이 발생하고, 블레이드들(11)은 상기 양력을 이용하여 회전 운동을 한다. 블레이드들(11)의 개수는 실시 예에 따라 달라질 수 있다.

허브(13)는 블레이드들(11)이 연결되어 있는 중심 부분이다.

나셀(20)은 인코더(encoder; 21), 제1샤프트(shaft; 23), 기어 박스(gear box; 25), 브레이크(27), 제2샤프트(29), 발전기(31), 및 제어기(33)를 포함한다.

인코더(21)는 제1샤프트(23)의 각도위치(angular position)를 나타낸다.

제1샤프트(23)는 로터(10)와 접속된다. 구체적으로 제1샤프트(23)는 허브(13)와 접속된다. 로터(10)가 회전할 때, 제1샤프트(23) 또한 회전한다. 즉, 로터(10)는 기계적, 회전 에너지를 제1샤프트(23)로 전송한다. 실시 예에 따라 제1샤프트(23)는 메인 샤프트(main shaft)라고 호칭될 수 있다. 또한, 실시 예에 따라 제1샤프트(23)는 로우 스피드 샤프트(low speed shaft)라고 호칭될 수 있다.

기어 박스(25)는 제1샤프트(23)와 제2샤프트(29) 사이에 위치한다. 기어 박스(25)는 높은 효율성과 전력을 제공하기 위해 사용된다. 기어 박스(25)에 의해 제2샤프트(29)는 제1샤프트(23)보다 높은 속도를 가진다. 실시 예에 따라 제2샤프트(29)는 하이 스피드 샤프트(high speed shaft)라고 호칭될 수 있다.

브레이크(27)는 전력 오버로드(overload) 또는 시스템 실패의 경우에 대비하여 제2샤프트(29)의 회전을 제어하기 위해 사용된다.

제2샤프트(29)는 기어박스(25)와 발전기(31) 사이에 접속된다. 제2샤프트(29)는 제1샤프트(23)로부터 전송된 회전 에너지를 발전기(31)로 전달한다.

발전기(31)는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환한다.

제어기(33)는 시스템 파라미터들을 모니터링(monitoring)한다. 예컨대, 제어기(33)는 로터(10)의 위치를 자동으로 제어할 수 있다. 로터(10)의 위치를 제어하는 제어기(33)의 동작에 대해서는 도 3 내지 도 5에서 자세히 설명될 것이다.

풍향 풍속계(30)는 풍력 발전기(100)로 불어오는 바람의 방향과 속도를 측정한다.

지지대(40)는 나셀(20)의 하부에 연결될 수 있으며, 로터(10), 나셀(20), 및 풍향 풍속계(30)를 지지한다.

기초 구조물(50)은 지지대(40)를 세우기 위해 지상에 설치된다. 기초 구조물(50)은 지지대(40)의 하부에 위치하며, 지지대(40)를 고정시킬 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 제어기의 패널의 일 실시 예를 나타내며, 도 4a 내지 도 4i는 도 1에 도시된 블레이드들의 다양한 위치들을 나타내는 다이어그램이다.

도 1 내지 도 4i를 참조하면, 블레이드들(11)이 도 4a와 같이 위치할 때, 로터 락 풀리 인서트 버튼(rotor lock fully inserted button; 47)에 의해 생성되는 제어 신호에 응답하여 제어기(33)는 로터(10)를 라킹(locking)하도록 제어한다. 제어기(33)는 인코더(21)로부터 제1샤프트(23)의 각도위치에 대한 정보를 수신한다. 제어기(33)는 상기 각도위치에 대한 정보를 0도로 보정한다. 즉, 제어기(33)는 블레이드들(11)이 도 4a와 같이 위치할 때를 제1위치로 설정한다.

제어기(33)는 도 4b 내지 도 4i에 따른 블레이드들(11)의 각 위치를 제2위치 내지 제9위치로 설정한다. 도 4b 내지 도 4i에 도시된 블레이드들(11)의 각 위치는 도 4a에 도시된 블레이드들(11)의 위치와 일정한 위상차(예: 40도)를 가진다.

제어기(33)는 도 4a 내지 도 4i에 도시된 블레이드들(11)의 각 위치를 미리 설정함으로써 로터(10)를 자동으로 제어할 수 있다.

예컨대, 인칭 모드 버튼(41)이 턴 온되면, 제어기(33)는 선택 신호에 응답하여 로터(10)가 미리 결정된 로터(10)의 위치들 중 어느 하나로 이동하도록 로터(10)를 제어할 수 있다. 상기 선택 신호는 상기 미리 결정된 로터(10)의 위치들 중 어느 하나를 나타낸다. 상기 선택 신호는 위치 버튼(43)에 의해 생성될 수 있다. 위치 버튼(43)의 각 숫자는 도 4a 내지 도 4i와 각각 대응된다.

실시 예에 따라 제어기(33)는 로터(10)를 선택된 위치로 이동시키기 위해 이동 신호를 더 수신할 수 있다. 상기 이동 신호는 이동 버튼(45)에 의해 생성될 수 있다.

본 발명에서 제어기(33)는 나셀 내부에 위치하는 것으로 설명하고 있으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니라, 다양한 위치, 예를 들어 타워의 메인 제어기, 리모콘 형식의 무선 단말기 또는 집중 원격 감시 제어 시스템(SCADA)에 구비될 수도 있음은 물론이다.

도 5는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도를 나타낸다.

도 1내지 도 5를 참조하면, 제어기(33)는 로터(10)의 각각의 위치들을 설정한다(S10). 예컨대, 로터(10)의 각각의 위치들은 도 4a 내지 도 4i와 같이 도시될 수 있다. 즉, 로터(10)의 위치가 달라짐으로써 블레이드들(11)의 각 위치가 달라진다.

제어기(33)는 로터(10)의 초기 위치(예컨대, 도 4a)를 제1위치로 설정할 수 있다. 제어기(33)는 엔코더(21)로부터 제1샤프트(23)의 각도위치에 대한 정보를 수신한다. 제어기(33)는 상기 각도위치를 제1도(예컨대, 0도)로 보정한다. 제어기(33)는 상기 제1도를 상기 제1위치로 설정한다.

제어기(33)는 상기 제1위치와 임의의 위상차를 가지는 로터(10)의 위치를 제N위치(N은 2이상의 자연수; 예컨대, 도 4b 내지 도 4i 중 어느 하나)로 설정할 수 있다.

제어기(33)는 선택 신호에 응답하여 상기 설정된 로터(10)의 각각의 위치들 (도 4a 내지 도 4i) 중 어느 하나로 자동으로 이동하도록 로터(10)를 제어한다(S20).

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100; 풍력 발전기 29; 제2샤프트
10; 로터 31; 발전기
11; 블레이드들 33; 제어기
13; 허브 30; 풍향 풍속계
20; 나셀 40; 지지대
21; 인코더 50; 기초 구조물
23; 제1샤프트
25; 기어 박스
27; 브레이크

Claims (9)

1. 로터; 및
   선택 신호에 응답하여 상기 로터가 미리 결정된 상기 로터의 위치들 중 어느 하나로 자동으로 이동하도록 상기 로터를 제어하는 제어기를 포함하는 풍력 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 풍력 발전기는,
   상기 로터와 접속되는 샤프트; 및
   상기 샤프트의 각도위치(angular position)를 나타내는 엔코더를 더 포함하는 풍력 발전기.
3. 제2항에 있어서, 상기 샤프트의 상기 각도위치는 상기 로터의 위치와 대응되는 풍력 발전기.
4. 제2항에 있어서, 상기 미리 결정된 상기 로터의 위치들은,
   상기 엔코더로부터 상기 샤프트의 각도위치에 대한 정보를 수신하여, 상기 로터의 제1위치를 설정하고, 상기 제1위치와 임의의 위상차를 가지는 상기 로터의 위치를 제2위치로 설정함으로서 결정되는 풍력 발전기.
5. 제1항에 있어서, 상기 선택 신호는,
   상기 미리 결정된 상기 로터의 위치들 중 어느 하나를 나타내는 풍력 발전기.
6. 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
   상기 선택된 로터의 위치로 이동하기 위해 이동 신호를 더 수신하는 풍력 발전기.
7. 로터의 각각의 위치들을 설정하는 단계; 및
   선택 신호에 응답하여 상기 설정된 로터의 각각의 위치들 중 어느 하나로 자동으로 이동하는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 제어 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 로터의 각각의 위치들을 설정하는 단계는,
   상기 로터의 초기 위치를 제1위치로 설정하는 단계; 및
   상기 제1위치와 임의의 위상차를 가지는 상기 로터의 위치를 제N위치(N은 2이상의 자연수)로 설정하는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 제어 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 로터의 상기 초기 위치를 상기 제1위치로 설정하는 단계는,
   엔코더로부터 샤프트의 각도위치에 대한 정보를 수신하는 단계;
   상기 각도위치를 제1도로 보정하는 단계; 및
   상기 제1도를 상기 제1위치로 설정하는 단계를 포함하는 풍력 발전기의 제어 방법.
   
   

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