KR20140083832A - 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 블레이드의 하중이 풍력발전기의 구동축을 향하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기{Wind Turbine Generator with Variable Pitch Blade}

본 발명은 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 블레이드에 가해지는 하중이 풍력발전기의 구동축을 향하도록 블레이드의 피치를 제어하는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 생산하는 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.

풍력발전기의 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(1)와, 타워(1) 상단에 블레이드(3)의 회전을 지지하는 낫셀(2)을 설치하고, 낫셀(2) 내부에는 블레이드의 회전축에 연결되는 구동축, 구동축에 연결되는 증속기, 증속기에 연결되어 전기를 생산하는 발전기 및 블레이드(3)의 회전속도 제어를 위한 제어장치(미도시)를 두어, 블레이드(3)의 회전력이 허브(4)의 회전축을 거쳐 구동축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다.

상기와 같은 구조의 풍력발전기는 고 풍속 구간에서 정격 출력 이상으로 회전할 경우 풍력발전기의 하중이 증가되고, 발전기의 정격용량 이상의 출력 발생 시 발전기의 소손 등으로 인해 풍력발전기의 안전에 큰 문제가 발생 된다. 이를 해결하기 위해 종래에는 블레이드(3)의 풍속 방향과 블레이드의 경사각(P, 이하 '피치')을 가변시켜 고 풍속 구간에서 블레이드(3)의 회전수를 제어하는 기술이 공지된 바 있다. 이에 따라 풍력발전기의 정격 출력을 위한 풍속보다 높은 풍속의 고 풍속 구간에서도 블레이드(3)의 회전수를 풍력발전기의 정격 출력 이하로 제어하여 풍력발전기의 최대 효율을 유지할 수 있었다. 그러나 종래의 피치 가변형 블레이드를 갖는 풍력발전기는 다음과 같은 문제점이 추가적으로 발생한다.

블레이드(3)는 회전 시 풍속에 의해 하중을 받게 된다. 이때 블레이드(3)의 하중은 타워(1)에 인접한 구간을 회전 할 때와, 타워(1)에 인접하지 않은 구간을 회전할 때 서로 다르게 작용하며, 타워(1)에 인접한 구간 회전 시 타워(1)에 의한 쉐어 하중으로 인해 타워(1)에 인접하지 않은 구간 회전 시보다 상대적으로 적은 하중을 받게 된다. 따라서 블레이드(3) 회전 시 블레이드(3)에 미치는 하중의 구동축 방향 모멘트가 상기 구동축에 동일하게 작용하지 않아 즉 각각의 블레이드의 구동축 방향 모멘트가 서로 상이하여 이로 인해 구동축에 진동이 발생하게 된다. 특히 고 풍속 구간에서 구동축의 진동이 풍력발전기 설계 하중 이상으로 발생할 경우 출력 저하는 물론 풍력발전기의 구동축과 관련된 부품 내구도 저하 및 파손까지 우려되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제로 국제전기기술위원회(IEC)의 기술기준의 풍력발전기 설계 범위를 초과하는 고 풍속 난류가 자주 발생되는 산간지형에서는 풍력발전기의 고장 및 유지보수로 인한 비용손실이 야기되고 있다.

따라서 풍력발전기의 설계 하중 이상의 고 풍속 구간에서도 풍력발전기의 구동축 진동을 방지하여 풍력발전기를 안정적으로 운용할 수 있는 풍력발전기 기술의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복수 개 구성되는 풍력발전기의 블레이드 피치를 제어하되, 블레이드 각각의 회전 위치에 따라 각각의 블레이드에 작용되는 구동축 방향 모멘트 방향 합이 풍력발전기의 구동축에 직교하도록 실시간으로 각각의 블레이드를 제어하게 되는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기를 제공함에 있다.

본 발명의 풍력발전기는, 지면상에 세워지는 타워와, 상기 타워의 상단에 설치되며 내부에 구동축과, 증속기와, 발전기가 설치되는 낫셀과, 상기 구동축에 연결되고, 상기 낫셀의 축방향으로 회전 하도록 상기 낫셀의 상류 측에 설치되는 허브와, 상기 허브에 복수 개가 방사상으로 배치되는 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 풍력발전기는, 상기 블레이드의 풍속방향에 대한 피치각이 가변되도록 상기 블레이드와 상기 허브를 연결하는 피치가변수단; 및 상기 블레이드의 피치각 제어를 위한 제어부; 를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 블레이드 각각의 하중이 상기 구동축 방향으로 가해지도록 상기 블레이드 각각의 피치각을 독립적으로 제어한다.

이때, 상기 풍력발전기는, 상기 블레이드 각각의 루트에 구비되는 하중감지부; 를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 블레이드 각각의 상기 구동축 방향 모멘트를 상기 하중감지부로부터 전달받아 상기 각각의 구동축 방향 모멘트의 합이 상기 구동축에 직교하도록 상기 블레이드 각각의 피치를 독립적으로 제어한다.

또한, 상기 하중감지부는, 상기 블레이드의 폭 방향 하중, 길이 방향 하중 및 구동축 방향 모멘트의 측정이 가능하도록 3차원 가속도계 센서로 된다.

아울러, 상기 제어부는, 상기 풍력발전기의 정격 출력 이상의 고 풍속 구간에서 동작하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기는, 블레이드의 회전 위치에 상관없이 블레이드가 받는 구동축 방향 모멘트의 방향이 풍력발전기의 구동축에 직교하도록 하여 풍력발전기 정격출력 이상의 고 풍속 구간에서 안정적이고, 효율적으로 풍력발전기의 운용이 가능한 효과가 있다. 특히 풍력발전기의 설계 하중 이상의 고 풍속 난류가 자주 발생하는 산간 지형에서도 풍력발전기의 내구성이 보장되어 유지 보수에 따른 비용 감소의 효과가 있다.

도 1은 종래의 피치 가변형 풍력발전기 사시도
도 2는 본 발명의 피치 가변형 풍력발전기 사시도
도 3은 본 발명의 블레이드의 하중 분포도

본 발명은 타워, 낫셀, 블레이드, 블레이드의 피치 가변을 위한 수단, 하중감지부 및 제어부를 포함하여 구성되는 풍력발전기에 관한 것이다. 본 발명은 풍속이 정격출력 이상으로 강하게 발생하여 블레이드의 회전수가 정격출력 회전수를 초과 할 경우에도 낫셀의 구동축 진동을 방지하여 구동축 및 이와 관련된 부품이 손상되는 것을 방지하기 위해 발명되었다. 따라서 본 발명의 풍력발전기는 고 풍속 구간 및 순간적인 고 풍속 난류 발생 시에도 블레이드의 회전수를 정력출력 회전수에 근접하도록 최대한 유지시키며, 각각의 블레이드의 구동축방향 모멘트 불균형으로 인한, 구동축의 진동을 방지하도록 블레이드 각각의 회전 위치에 따라 블레이드 피치 제어를 독립적으로 수행하는 풍력발전기를 제공함에 그 특징이 있다. 블레이드 각각의 독립적인 피치 제어를 위해 본 발명은 블레이드의 수만큼 하중감지부를 구성하며, 하중감지부 각각의 하중 정보에 따라 제어부에 의해 블레이드 각각의 피치를 제어하게 된다.

따라서 본 발명은 블레이드가 타워에 근접 회전 시 하중이 타워에서 이격 회전 시의 하중보다 상대적으로 적은 하중을 받게 됨에 따라 이를 보상하도록 하여 구동축의 진동을 저감시키고 나아가 풍력발전기의 내구성이 증대되는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 피치 가변형 블레이드를 갖는 풍력발전기의 사시도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기는 타워(10), 낫셀(20), 블레이드(30), 허브(40), 하중감지부(50), 피치 가변수단(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함하여 이루어진다.

타워(10)는 상하 길이방향으로 형성될 수 있다. 타워(10)의 하단은 지면에 고정되며, 상단에는 낫셀(20)의 결합을 위한 결합부(미도시)가 형성될 수 있다. 타워(10)와 낫셀(20)은 상기 결합부를 통해 낫셀(20)이 지면에 수평한 방향으로 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 이는 낫셀(20)의 상류단을 풍속 방향으로 위치시키기 위함이다. 결합부는 타워(10)와 낫셀(20)의 결합을 위한 통상의 구성이 적용될 수 있는바 이에 대한 세부 구성 설명은 생략한다.

낫셀(20)은 풍력발전기의 핵심 구성으로, 풍속 방향에 따라 블레이드(30)의 위치를 최적화하기 위해 피치 운동하도록 타워(10)에 상기 결합부를 통해 힌지 결합된다. 낫셀(20)의 상류측에는 블레이드(30)가 풍속 방향을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 낫셀(20)의 내부에는 블레이드(30)의 회전축과 연결되는 구동축, 상기 구동축에 연결되는 증속기 및 발전기가 구비될 수 있다. 즉 낫셀(20)은 로터 블레이드(30)의 회전력이 구동축을 통해 발전기에 이르도록 구성될 수 있다.

블레이드(30)는 낫셀(20)의 구동축에 연결되는 허브(40)를 중심으로 복수 개가 방사상으로 연결된다. 블레이드(30)는 2개 이상 다수개가 허브(40)에 결합될 수 있다. 이때 블레이드(30)는 퐁속 방향과 블레이드의 경사각 즉 피치가 가변되도록 피치 가변수단(미도시)을 통해 허브(40)에 결합될 수 있다. 상기 피치 가변수단은 블레이드(30)의 피치가 가변되도록 블레이드(30)를 허브(40)에 피치 회동(P) 가능하도록 결합시킨다. 피치 가변수단은 블레이드(30)의 피치가변을 위한 구성 예를 들면 기어드 모터 또는 유압에 의해 블레이드(30)를 피치 회동(P)시키는 통상의 구성이 적용될 수 있는바 상세한 설명은 생략한다. 블레이드(30)는 도면상에 3개로 도시되어 있으나, 그 수를 3개로 한정하는 것은 아니며, 발전기의 용량 및 용도에 따라 그 수가 가변될 수 있다. 본실시 예에서는 3개의 블레이드(30)를 적용하였고, 편의상 상측의 블레이드(30)를 제1 블레이드(31)라고 정의하고 제1 블레이드(31)를 기준으로 시계방향을 따라 제2 블레이드(32) 및 제3 블레이드(33)로 정의하여 설명하기로 한다. 로터 블레이드(30)는 풍력발전기에 통상적으로 사용되는 블레이드가 사용되는 바 이에 대한 세부 구성 설명은 생략하기로 한다.

블레이드(30)의 루트(root)부에는 하중감지부(50)가 구비된다. 하중감지부(50)는 블레이드(30)의 풍력 입사면에 설치될 수 있다. 하중감지부(50)는 블레이드(30)에 가해지는 하중을 측정하기 위한 가속도 센서로 구성되며, 각각의 블레이드(30)에 대응되도록 복수 개가 구성될 수 있다. 즉 제1 블레이드(31)의 루트에는 제1 하중감지부(51)가 구비되며, 제2 블레이드(32)의 루트에는 제2 하중감지부(52)가 구비되고, 제3 블레이드(33)의 루트에는 제3 하중감지부(53)가 구비될 수 있다. 하중감지부(50)는 각각의 블레이드(31, 32, 33)의 하중을 감지하여 제어부(미도시)에 전달하도록 구성되며, 하중감지부(50)의 하중 신호에 따라 제어부는 상기 피치 가변수단을 구동하여 블레이드(30)의 피치회동(P)을 제어한다. 또한 본 발명은 각각의 제1 내지 제3 하중감지부(51, 52, 53)에서 전달 받은 제1 내지 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 하중 정보를 이용하여 제1 내지 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 피치 회동을 독립적으로 제어할 수 있도록 구성된다.

제어부(미도시)는 상술한 바와 같이 제1 내지 제3 하중감지부(51, 52, 53) 각각의 하중신호를 입력받아 제1 내지 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 피치 운동(P) 제어를 위해 피치 가변수단을 구동시킨다. 블레이드(30)는 회전 위치에 따라 실시간으로 피치각이 제어되며, 타워(10)에 인접구간 회전 시에는 타워(10)에서 이격구간 회전 시보다 풍속의 하중을 더 받도록 피치각이 제어될 수 있다. 이는 블레이드(30)가 타워(10)에 인접구간 회전 시 타워(10)에 의한 쉐어 하중으로 인해 블레이드(30)가 타워(10)에서 이격구간 회전 시보다 풍속의 하중을 덜 받기 때문에 풍력발전기의 타워(10) 부분을 회전하는 블레이드(30)의 하중과, 풍력발전기의 상부를 회전하는 블레이드(30)의 하중의 차이가 급격히 발생하게 되며, 이를 보상하기 위함이다. 특히 각각의 블레이드(30)를 동시에 실시간으로 제어하여 각각의 블레이드(30)의 구동축 방향 모멘트의 불균형을 방지하고, 구동축의 진동을 현저하게 감쇄시킬 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 각각의 블레이드(30)를 보다 정밀하게 제어하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(30)가 받는 하중을 블레이드의 폭 방향 하중, 길이 방향 하중 및 구동축 방향 모멘트 하중으로 분류하여 감지하도록 구성하였다. 이를 위해 본 발명의 하중감지부(50)는 3차원 가속도 센서를 적용하였다. 이에 따라 제1 블레이드(31)에 장착되는 제1 하중감지부(51)는, 제1 블레이드(31)의 폭 방향으로 작용하는 하중 Bq1, 길이방향으로 작용하는 하중 Bd1 및 구동축 방향 모멘트 Bw1 의 측정이 가능하며, 제2 블레이드(32)에 장착되는 제2 하중감지부(52)는 제2 블레이드(32)의 폭 방향으로 작용하는 하중 Bq2, 길이 방향으로 작용하는 하중 Bd2, 구동축 방향 모멘트 Bw2 의 측정이 가능하고, 제3 블레이드(33)에 장착되는 제3 하중감지부(53)는 제3 블레이드(33)의 폭 방향으로 작용하는 하중 Bq3, 길이방향으로 작용하는 하중 Bd3, 구동축 방향 모멘트 Bw3 의 측정이 가능하다.

이때, 제어부는 상기 Bw1과, Bw2와, Bw3의 방향 합이 구동축 방향(DT)에 직교하도록 제1 , 제2 및 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 피치를 제어한다. 따라서 각각의 블레이드에 가해지는 하중이 달라져도 블레이드 각각의 독립적인 피치 제어에 의해 구동축의 회전력을 제외한 구동축에 작용되는 외력이 제거되어 구동축의 진동을 방지할 수 있다. 특히 제어부는 정격 출력 이상의 풍속이 발생할 경우에만 구동되도록 구성된다. 이는 정격출력 이하의 풍속에서는 구동축에 외력이 발생하여도 설계 하중에 따른 구조적 강성을 통해 극복이 가능하기 때문이며, 정격 출력 이하에서는 풍속을 최대한 활용하여 발전 효율이 최대가 되도록 하기 위함이다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

10 : 타워
20 : 낫셀
30 : 블레이드 31 : 제1 블레이드
32 : 제2 블레이드 33 : 제3 블레이드
40 : 허브
50 : 하중감지부 51 : 제1 하중감지부
52 : 제2 하중감지부 53 : 제3 하중감지부

Claims (4)

1. 지면상에 세워지는 타워와, 상기 타워의 상단에 설치되며 내부에 구동축과, 증속기와, 발전기가 설치되는 낫셀과, 상기 구동축에 연결되고, 상기 낫셀의 축방향으로 회전 하도록 상기 낫셀의 상류 측에 설치되는 허브와, 상기 허브에 복수 개가 방사상으로 배치되는 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
   상기 풍력발전기는,
   상기 블레이드의 풍속방향에 대한 피치각이 가변되도록 상기 블레이드와 상기 허브를 연결하는 피치가변수단; 및
   상기 블레이드의 피치각 제어를 위한 제어부; 를 포함하며,
   상기 제어부는, 상기 블레이드 각각의 하중이 상기 구동축 방향으로 가해지도록 상기 블레이드 각각의 피치각을 독립적으로 제어하는, 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 풍력발전기는,
   상기 블레이드 각각의 루트에 구비되는 하중감지부; 를 더 포함하며,
   상기 제어부는,
   상기 블레이드 각각의 상기 구동축 방향 모멘트를 상기 하중감지부로부터 전달받아 상기 각각의 구동축 방향 모멘트의 합이 상기 구동축에 직교하도록 상기 블레이드 각각의 피치를 독립적으로 제어하는, 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 하중감지부는,
   상기 블레이드의 폭 방향 하중, 길이 방향 하중 및 구동축 방향 모멘트의 측정이 가능하도록 3차원 가속도계 센서로 되는, 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 풍력발전기의 정격 출력 이상의 고 풍속 구간에서 동작하는 것을 특징으로 하는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.

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