KR20140092215A - 부동 파운데이션 부분 피치 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드를 가진 로터 허브가 형성된 로터 평면에 회전 가능하도록 장착된 로터 허브 상부에 설치된 나셀을 구비한 풍력 타워를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 상부 섹션을 갖는 부동 파운데이션은 풍력 터빈 바닥에 설치되고, 파운데이션은 약 40m 또는 그 이상 의 수심을 가진 해상에 설치되도록 구성된 부력 몸체를 가진다. 풍력 터빈 블레이드는 피치 접합부에 의하여 외부 블레이드 섹션과 결합된 내부 블레이드 섹션을 포함하며, 피치 메카니즘은 제1 풍속보다 높은 풍속에서 내부 블레이드 섹션을 기준으로 외부 블레이드 섹션의 피치를 조절하도록 구성된 피치 제어시스템과 결합된다. 이것은 구조에 작용하는 다른 추진력에 의해 야기되는 풍력 터빈의 기우러짐을 방지하는데 피칭이 사용되도록 허용한다. 블레이드 섹션이 로터 허브에 작용하는 더 일정한 추진력을 제공하고, 그것은 차례로 풍력터빈에 발생된 큰 음의 댐핑(damping) 부하와 스트레스가 제거되도록 허용하기 때문에 이것은 구조내에 발생된 모멘트에 대한 더 나은 선형 제어를 허용한다.

Description

부동 파운데이션 부분 피치 풍력 터빈{Partial pitch wind turbine with floating foundation}

본 발명은 상단과 바닥을 가진 풍력 터빈 타워; 풍력 터빈 타워의 상단에 제공되는 나셀; 나셀에 회전하도록 장착된 로터 허브; 로터 허브에 장착된 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드, 여기서 풍력 터빈 블레이드는 로터 평면을 형성하고, 상부 섹션을 가지는 부동 파운데이션(floating foundation)은 풍력 터빈 타워의 바닥에 설치되고, 상기 파운데이션은 부력 몸체를 가지며 일정 수심을 갖는 해상에 설치되도록 구성되고, 또한 부력 몸체(buoyant body)를 가진 부동 파운데이션에 설치된 풍력 터빈 타워의 상단에 제공된 나셀(nacelle)에 회전하도록 장착된 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드를 포함하는 풍력 터빈의 제어 방법에 관한 것이며, 풍력 터빈 블레이드는 제1 풍속보다 높은 평균 풍속에서 회전하도록 구성된 풍력 터빈에 관한 것이다.

풍력 터빈은 일반적으로 그룹으로 정렬하여 가능한 많은 에너지를 생산할 수 있는 육상 또는 해상의 위치에 풍력 터빈을 설치하는 것으로 알려져 있다. 최근 몇 년 동안, 풍력 터빈의 높이와 크기는 이러한 대형 풍력 터빈에 의해 생산될 수 있는 최대 출력과 함께 증가해왔다.

출력은 풍력 터빈 블레이드의 크기와 길이에 비례하기 때문에, 이들은 또한 크기와 길이에 있어서도 풍력 터빈 타워의 높이가 증가하고 있다. 오늘날, 소음 제한 및 기타 요인으로 인하여 해상 지역(offshore locations)에 대형 풍력 터빈을 배치하기 위한 수요가 증가하고 있다.

해상 풍력 터빈은 일반적으로 해저에 박아 넣은 모노폴(monopole)이나 중력 또는 삼각대에 의해 해저에 안정되게 고정된 해상 파운데이션(때로는 연안(near-shore) 파운데이션이라고 함)에 설치된다. 그러나, 이러한 파운데이션은, 약 40 m 이하의 깊이를 가진 바다에서만 사용할 수 있으며, 비용이 많이 소요된다. 한 개 또는 3 개의 부력 챔버를 갖는 부동 파운데이션은 일반적으로 깊은 바다에 사용된다. 그러나, 이러한 부동 파운데이션은 일반적으로 매우 고가이며 또한 풍력 터빈을 위한 안정적인 플랫폼을 제공하여야 하므로 종종 매우 큰 부피이다. 로터 평면에 작용하는 바람의 추진력(때로는 바람 추진력 또는 로터 추진력이라고 함)은 들어오는 바람의 밀도에 따라 달라지며 부동 파운데이션 즉 부동 요소의 크기와 무게를 결정할 때 중요한 요소이다.

해상 풍력 터빈은 육지에서의 바람 프로파일과 다른 바람 프로파일을 받는다. 해상 풍력 프로파일은 육상 풍력 프로파일보다 더 일정하고 종종 높은 평균 풍속을 가진다. 육상 풍력 프로파일은 종종 평균 풍속을 감소시키는 바람 시어(shear) 및 난류에 의하여 어려움을 겪는다. 또한, 부동 파운데이션은 파운데이션의 침수 부분에 작용하는 해류(marine current)와 파도의 움직임 및 유체 정력학적(hydrostatic) 추진력을 받기 쉽다. 구조에 작용하는 다양한 추진력 때문에 풍력 터빈을 흔들리게 하는 풍력 터빈의 기울어짐 또는 각도 회전은 바람 속도가 10-14 ㎧ 이상 ,예를 들어, 12 ㎧의 풍속에서 주요 문제가 된다(또한 정격 전력이라고 함).

스톨-조절된(stall-regulated) 풍력 터빈은 여름과 겨울 동안 들어오는 바람의 밀도에 민감하며, 특정 풍속의 정격 전력에서 난류는 블레이드의 역풍 측면에 일어날 것이고, 스톨을 일으키고 그리하여 점점 더 많은 부하와 진동을 일으킨다. 따라서 그러한 풍력 터빈은 해상에서 사용하기에는 크고, 무겁고, 비싼 솔루션이며, 솔루션으로 바람직하지 않다. 또한, 이러한 풍력 터빈에 작용하는 바람으로부터의 추진력 또는 부하는 정격 전력 상황에 영향을 주어 풍력 터빈 블레이드 주위에 난류(tubulence)가 발생할 수 있다. 이것은 풍력 터빈에 상당한 폭풍 부하 및 스트레스를 받게 하여 풍력 터빈이 실패하는 원인이 된다. 극단적으로 높은 풍속 또는 바람 돌풍에서 풍력 터빈이 겪는 부하와 스트레스는 지수함수적으로 증가할 것이다. 이 때문에 풍력 터빈이 그러한 높은 하중과 스트레스를 견딜 수 있도록 건설되고 평가되도록 요구된다. IEC에 의해 정의된 이러한 평가 요구 사항을 달성하기 위해, 풍력 터빈 제조업체는 일반적으로 보강재를 추가하고 및/또는 구조의 다양한 부품의 크기와 강도를 증가시킨다. 이것은 그래서 풍력 터빈의 생산 비용을 증가시킨다. 이러한 풍력 터빈은 풍력 터빈을 효율적으로 제어할 수 있게 허용하지 않는다.

해양용 피치-조절 풍력 터빈은 정격 출력 상황에서 상대적으로 일정한 출력을 유지하도록 일반적으로 전체 풍력 터빈 블레이드를 바람 속으로 혹은 바람 밖으로 피치(pitch)한다. 풍력 터빈 블레이드가 바람 밖으로 피치되면, 로터 허브에 작용하는 추진력은 감소되고, 풍력 터빈 블레이드가 바람 속으로 피치되면 추진력은 증가한다. 이것이 풍력 터빈이 부동 파운데이션에 위치할 때 풍력 터빈이 중요한 문제인 구조의 무게 중심을 기준으로 반복적으로 기울어지거나 각지게(angularly) 회전하는 원인이 된다. 풍력 터빈은 바람을 향해 기울어지기 때문에 그것은 추가 적은 바람을 일으킬 것이며, 그리하여 부딪히는 상대적인 바람이 증가한다. 풍력 터빈이 바람으로부터 뒤쪽으로 멀리 기울어질 때 그것은 바람과 함께 움직일 것이고 그리하여 로터 평면에 부딪히는 상대적인 바람이 감소한다. 이것은 풍력 터빈이 부동 파운데이션에 위치하면 들어오는 바람의 속도가 일정하다 할지라도 풍력 터빈에 부딪히는 상대적은 바람에 반복적인 변화를 보게 될 것을 의미한다. 이러한 음의 감쇄(damping) 진동은 풍력터빈에 자체적으로 상당히 강화된 영향력을 미칠 수 있고 구조를 전복시키거나 구조의 실패로 이어질 수 있다.

또한, 해류와 파도로 인해 부동 파운데이션에 작용하는 유체 역학 및 순환 추진력은 구조의 무게 중심 기준에 대하여 구조물이 반복적으로 기울어지거나 각을 이루어 회전하게 한다. 해양 자연 주파수가 로터 허브에 작용하는 추진력의 주파수와 실질적으로 일치하는 경우에 구조물에 자체적으로 강한 영향력을 미칠 수 있다. 풍력 터빈의 이러한 진동 운동은 구조물을 상당한 스트레스와 피로 하중에 이르게 하며, 그래서 풍력 터빈, 특히 타워는 구조적 강도가 증가하도록 추가적 재료로 보강해야 한다. 이것은 차례로 풍력 터빈의 생산 비용을 증가시킨다.

이러한 기울어짐 문제를 해결하는 한 가지 방법은 부동 파운데이션의 크기와 무게를 증가시키는 것이다; 그러나 이러한 솔루션은 부동 파운데이션의 생산 비용을 증가시키며, 그래서 매우 비싼 솔루션이 된다. 이러한 솔루션은 역시 부동 파운데이션의 증가된 크기와 무게 때문에 설치비용이 또한 증가할 수 있다.

WO 03/004869 A1 에는 다수의 앵커 케이블에 의해 해저에 안정되게 고정된 부동 파운데이션에 설치된 세 개의 전통적인 풍력 터빈 블레이드와 풍력 터빈이 개시되어 있다. 부동 파운데이션은 수면 근처에 부유하는 파운데이션을 허용하도록 파운데이션의 몸체 내에 형성되는 부력 챔버를 포함한다. 하나의 실시 예에서 부양 챔버는 다수의 밸러스트 챔버를 포함할 수 있으며, 밸러스트는 풍력 터빈의 기울어짐을 보상하기 위해 조정될 수 있다. 예를 들어, 파운데이션의 바닥에 가동(movable) 레버 암(가로대)에 배치된 웨이트(weight) 또는 ,예를 들어, 해저에 접촉하는 기둥과 결합된 장력(tension) 시스템은 밸러스트 챔버에서 밸러스트(ballast)를 조정하는 대신에 사용될 수 있다. 모든 개시된 실시 예들은 파운데이션의 크기 및 전체 비용을 증가시키는 부동 파운데이션과 결합되어 비교적 복잡하고 높은 비용 솔루션으로 기술되어 있다. 또한, 다른 챔버들에서 밸러스트의 조정은 다른 챔버들 사이 밸러스트의 움직임에 시간이 걸리고 풍력 터빈의 반복적인 기울어짐에 의하여 공명이 시작될 수 있기 때문에 수용 가능한 솔루션을 제공하는 것으로 여겨지지 않는다.

미국특허 7,156,037 B2 에는 세 개의 전통적인 풍력 터빈 블레이드를 가진 풍력 터빈이 해저에 중추적으로 안정되게 고정되어 연장된 부력 파운데이션에 설치되어 있는 다른 솔루션을 개시하고 있다. 파운데이션은 부분적으로 물이 가득찬 밸러스트 룸을 포함한다. 나셀은 로터 허브의 위치를 기울어지게(tilt) 기우러짐 조인트(tilting joint)를 이용하여 타워 상단에 결합되고, 그래서 로터 축은 항상 수평 위치에 위치한다. 해저에 위치한 플렛폼에 연결된 앵커케이블 또는 풍력 터빈에 연결된 세 개의 앵커 케이블은 풍력 터빈을 안정화하는데 사용된다. 이러한 솔루션은 풍력 터빈의 선단(tip)이 타워가 뒤로 기울어져 있을 때 타워를 타격할 위험이 있을 수 있다는 단점이 있다. 이러한 구성은 풍력 터빈의 비교적 큰 기우러짐(tilting) 동작을 허용하여 로터 평면에 부딪히는 상대적인 풍속에서 비교적 큰 변화를 초래한다. 또한 틸팅 조인트는 실패할 가능성이 있는 약한 조인트를 제공한다.

WO 2012/069578 A1 에는 다수의 고정 케이블에 의하여 해저에 안정되게 고정된 부동 파운데이션에 설치된 피치-조절된(pitch-regulated) 풍력 터빈이 개시되어 있다. 파운데이션은 부분적으로 밸러스트로 채워진 1-4 개의 부력 챔버와 파운데이션에서 바깥쪽으로 연장된 다수의 안정화된 가로대(arm)를 포함한다. 회전하는 프로펠러는 각 부력 챔버의 바닥에 배치되며 프로펠러의 동작과 방향을 제어하는 제어 시스템과 결합된다.

가속도계 또는 GPS 수신기 형태의 GNSS 수신기는 진동(oscillation)이 감쇄(dampen)되도록 반대 방향으로 움직임을 제공하기 위해 프로펠러가 사용되는 풍력 터빈의 진동을 측정하기 위해 사용된다. 이러한 솔루션은 부동 파운데이션의 복잡성 및 크기가 부가된 풍력 터빈에 대하여 상대적으로 안정적인 플랫폼을 제공하는 프로펠러 시스템의 사용이 요구되어 전체적인 비용이 상승한다. 또한, 이러한 솔루션은 해류와 다수의 안정화 암의 사용과 파도에 기인하는 파운데이션의 움직임 또는 회전을 보상하기 위해서 3 개 이상의 부력 챔버가 요구된다.

이러한 모든 해결책은 부동 파운데이션의 외부에 결합되거나 풍력 터빈의 반복적 기울어짐을 방해하도록 부동 파운데이션 내부에 위치하는 추가적인 시스템의 사용을 요한다.

WO 2005/090781 A1에는 풍력 터빈 타워의 바닥에 해저에 위치한 앵커와 연결된 부동 풍력 터빈이 개시되어 있다. 풍력 터빈은 타워의 움직임을 방해하기 위하여 로터 허브에 작용하는 평균 추진력에 따라 블레이드의 피치 각도를 조절하는 피치 제어 시스템에 연결된 세 개의 전통적인 블레이드를 포함한다. 제어 시스템은 구조의 움직임(movement)을 방해하기 위하여 풍력 터빈 블레이드의 피치 각도를 조절한다; 이것은 바람의 방향에 대하여 최적이 아닌 위치에서 풍력 터빈 블레이드를 배치한다. 이것은 로터 허브에 작용하는 추진력을 감소시킬 뿐만 아니라, 시스템의 효율성을 감소시킨다. 이러한 세 개의 블레이드 풍력 터빈의 타워는 정지 상태 동안 타워의 위험한 각도 움직임으로 이어질 수 있는 높은 바람으로 매우 높은 부하를 겪게 된다.

소에란 크리스티안(Soeren Christiansen)의 논문 "바람과 파도에 노출된 밸러스트 안정화된 부동 풍력 터빈의 모델-기반 제어" 논문은 부동 파운데이션에 배치된 풍력 터빈 제어에 대한 다양한 제어 방법이 개시되어 있다. 제어 방법은 장력 와이어(tensioning wire)를 사용하여 해저에 앵커된 익형 부표(spar buoy)와 같은 형상의 파운데이션에 배치된 세 개의 전통적인 블레이드를 가진 5MW 풍력 터빈(Hywind 라고 함)을 기반으로 한다. 이 논문의 페이퍼(C)에는 세 개의 블레이드가 로터 허브에 작용하는 최소 추진력에 의하여 기울어지도록 하는 제어 방법이 개시되어 있다. 그러나, 감소된 발전기 속도가 발전기 토크를 증가시키기 때문에, 메인 로터 샤프트의 구조적 강도와 드라이브 트레인이 증가해야 한다. 논문(Paper, D)에는 블레이드의 피치 각도를 제어하기 위한 전통적인 육상 제어기를 이용하는 또 다른 제어 방법이 개시되어 있다. 이 제어 방법은 플랫폼 및 전체 시스템의 안정화를 위한 추가적인 제어 루프를 필요로 한다. 이것은 복잡성과 풍력 터빈 구조의 비용을 증가시킨다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 동작시 높은 풍속에서 풍력 터빈의 기울어짐이 감소하도록 허용하는 풍력 터빈 구성을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 감소된 크기와 무게를 갖는 부동 파운데이션을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 높은 풍속에서 동작하는 피치할 수 있는 풍력 터빈 블레이드의 피치를 조절하는 다른 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 또 다른 과제는 동작 중에 높은 풍속에서 구조 내의 피로 하중이 감소되게 허용하는 풍력 터빈 구성을 제공하는 것이다.

본 발명 과제의 해결수단은 풍력 터빈에 있어서, 상단과 바닥을 가진 풍력 터빈 타워(3); 풍력 터빈 타워(3)의 상단에 제공되는 나셀(4); 나셀에 회전 가능하도록 설치된 로터 허브(5); 로터 허브(5)에 설치되고 로터 평면을 형성하는 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(6); 풍력 터빈 타워(3)의 바닥에 설치되도록 구성된 상부 섹션(11)을 가지며, 부력 몸체를 가지고 일정한 수심을 가진 해상에 설치되도록 구성된 부동 파운데이션; 상기 풍력 터빈 블레이드(6)는 제1 공기 역학적 프로파일을 가진 내부 블레이드 섹션(13)과 제2 공기 역학적 프로파일을 가진 외부 블레이드 섹션(14)을 포함하며, 상기 내부 블레이드 섹션(13)은 로터 허브(5)에 설치되고 외부 블레이드 섹션(14)은 제1 풍속(W1) 보다 높은 풍속에서 내부 블레이드 섹션(13)을 기준으로 외부 블레이드 섹션(14)를 피치하도록 구성된 적어도 하나의 피치 접합부(15)에 의하여 내부 블레이드 섹션(13)과 결합된 풍력 터빈을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 과제의 해결수단은 풍력 터빈 제어방법에 있어서, 부력 몸체(7)를 가진 부동 파운데이션(2)에 풍력 터빈 타워(3)를 설치하고, 상기 풍력 터빈 타워(3) 상단에 나셀이 제공되며, 상기 나셀에 회전할 수 있게 로터 허브(5)가 설치되고, 상기 로터 허브(5)에 설치된 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(6)를 포함하며, 상기 풍력 터빈 블레이드(6)는 제1 풍속(W1)보다 높은 평균 풍속에서 피치되고, 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에서 정의된 것과 같은 풍력 터빈 블레이드(6)의 내부 블레이드 섹션(13)을 기준으로 풍력 터빈 블레이드(6)의 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절하는 풍력 터빈 제어방법을 제공한다.

본 발명은 동작시 높은 풍속에서 풍력 터빈의 기울어짐이 감소하도록 허용하는 풍력 터빈 구성을 제공할 수 있는 유리한 효과가 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 감소된 크기와 무게를 갖는 부동 파운데이션을 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 높은 풍속에서 동작하도록 피치할 수 있는 풍력 터빈 블레이드의 피치를 조절하는 다른 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 또 다른 효과는 동작 중에 높은 풍속에서 구조 내의 피로 하중이 감소되게 허용하는 풍력 터빈 구성을 제공할 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 단지 실시 예를 기술한다.
도 1은 부동 파운데이션에 설치된 풍력 터빈의 바람직한 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 내부 블레이드 섹션에 대하여 피치된 외부 블레이드 섹션를 가진 도 1에 도시된 풍력 터빈을 나타낸 것이다.
도 3은 전통적으로 피치-조절된 풍력 터빈에 비교하여 본 발명에 따른 풍력 터빈에 대한 풍속에 대하여 로터 허브에 작용하는 추진력의 그래프를 도시한 것이다.
후술될 내용에서, 도면은 하나씩 기술될 것이며 도면에 나타난 다른 부품과 위치는 다른 도면에서도 동일한 번호로 부여될 것이다. 특정 도면에 표시된 모든 부품과 위치들이 그 도면과 함께 반드시 모두 다 기술되지는 않을 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 살펴본다.

본 발명의 목적은 부동 파운데이션에 설치되는 풍력 터빈에 의하여 이루어지며; 풍력 터빈 블레이드는 제1 공기 역학적 프로파일을 가진 적어도 하나의 내측 브레이드 섹션과 제2 공기 역학적 프로파일을 가진 하나의 외측 브레이드 섹션을 포함하며, 내측 블레이드 섹션은 로터 허브에 장착되고, 외측 블레이드 섹션은 제1 풍속보다 높은 풍속에서 내측 블레이드 섹션에 대하여 외측 블레이드를 피치하도록 구성된 적어도 하나의 피치 접합부(junction)에 의하여 내측 블레이드 섹션과 결합된다.

이것은 깊은 물에 적용하기에 적합한 부분 피치 풍력 터빈의 구성을 제공한다. 두 개의 블레이드 섹션은 블레이드 섹션 중 적어도 하나가, 예를 들어, 외측 섹션이 다른 블레이드 섹션, 예를 들어, 내측 섹션에 대하여 피치될 수 있도록 허용한다. 피칭 시스템은 풍력 터빈의 출력 성능을 개선하기 위한 피칭을 조절하도록 및/또는 로터 허브에 작용하는 추진력 값의 상대적인 변화를 감소시키도록 구성되어 있다. 이것이 구조에 야기된 피로 하중과 스트레스를 감소시키고, 차례로 풍력 터빈의 구조적 강도 및 재료, 예를 들어, 풍력 터빈 타워와 요(yaw) 베어링이 최소화되게 하고, 그리하여 풍력 터빈의 생산 비용을 감소시킨다.

부분 피치 풍력 터빈의 사용은 구조물의 기울어지는 동작이 줄어들도록 허용하고, 나셀 및 풍력 터빈 블레이드의 크기와 무게로 인하여 구조 내에 발생되는 밴딩 모멘트(bending moment)의 더 나은 선형 제어를 허용한다. 이것은 전통적인 피치-조절 풍력 터빈보다 로터 허브와 나셀에 작용하는 더 일정한 추진력을 제공하는 풍력 터빈 블레이드의 한 섹션만을 피칭(pitching)함에 의하여 달성된다. 이것은 피칭으로 인하여 풍력터빈에 발생되는 큰 음(negative)의 뎀핑 하중과 스트레스가 제거되거나 적어도 상당히 감소되도록 허용한다. 풍력 터빈의 최대 허용 가능한 기울기(tilting)는 ± 2°, ± 1°, ± 0.5° 또는 이하일 수 있다. 내측 블레이드 섹션에 대한 외측 블레이드 섹션의 피칭은 밴딩 모멘트가 감소되는 것을 허용한다. 이것은 차례로 풍력 터빈을 위한 보다 안정된 플랫폼을 제공하여 부동 파운데이션의 크기와 중량을 최적화 또는 감소되도록 허용하고 부동 파운데이션의 생산 비용을 감소시킨다. 또한 이러한 구성은, 그렇지 않는다면, 풍력 터빈의 비용에 추가될 풍력 터빈 타워의 상단에 설치되는 임의의 뎀핑 메커니즘에 대한 필요성을 제거한다. 또한, 단 두 개의 풍력 터빈 블레이드의 사용은 세 개의 블레이드의 사용에 비해 높은 바람 정지 동안에 풍력 터빈 타워가 겪는 하중을 상당히 감소시킨다; 이것은 타워가 위험한 각도로 움직일 리스크를 감소시킨다.

풍력 터빈 블레이드는 기단(root end)으로부터 선단(tip end)까지 일(1)의 상대적 길이에 대응하는 35m 또는 그 이상(1)의 길이를 가질 수 있다. 블레이드 섹션 중 적어도 하나의 피칭은 전통적인 피치-조절된 풍력 터빈보다 풍력 터빈 블레이드내에 발생된 피로 하중 및 스트레스를 훨씬 더 균일하게 분포되도록 허용한다. 이것은 피치할 수 있는(pitchable) 부품의 전체 크기 및 중량이 감소되기 때문에 피칭 시스템의 크기 및 무게가 최적화 또는 감소되게 한다. 전통적인 피치-조절 풍력 터빈에서는 전체 풍력 터빈 블레이드가 피치되고, 그것은 크고 강한 피치 시스템을 요한다. 부분적 피쳐블한(pitchable) 풍력 터빈 블레이드의 사용은 피칭의 빠르고 더 나은 제어를 허용할 수 있고, 그것은 풍력 터빈 블레이드와 구조물에서 진동과 스트레스를 적게 발생시킨다.

하나의 실시 예에 따르면, 내측 블레이드 섹션은 스톨-제어된 공기 역학적 프로파일을 가지며 외측 블레이드 섹션은 피치-제어된 공기 역학적 프로파일을 가지고, 상기 두 개의 블레이드 섹션은 로터 허브에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 값을 정의한다.

부분 피치 풍력 터빈의 사용은 전통적인 피치-조절 풍력 터빈보다 로터 허브에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 또는 힘에 대하여 더 나은, 더 효과적인 제어를 허용한다. 이것은 각 블레이드 섹션의 공기역학적 프로파일이 미리 설정된 한 세트의 사양에 따라 최적화되도록 허용하고, 차례로 결과로서 얻은 추진력에 대해 더 최적의 조절을 허용한다. 두 개의 블레이드 섹션은 같은 공기 역학적 프로파일 또는 다른 공기 역학적 프로파일을 가질 수 있다. 내측 블레이드 섹션은 풍력 터빈에 작용하는 풍속에 대하여 수동 또는 능동 스톨-제어된 블레이드 프로 파일의 특성을 갖는 추진력 값을 제공하는 스톨-제어된 공기 역학적 프로파일을 갖도록 구성될 수 있다. 외측 블레이드 섹션은 풍력 터빈에 작용하는 풍속에 상대적으로 피치-제어된 블레이드 프로파일의 특성을 갖는 추진력 값을 제공하는 피치-제어된 공기 역학적 프로파일을 갖도록 구성될 수 있다. 두 개의 블레이드 섹션은 선택적으로, 예를 들어, 스톨 또는 피치-제어된 동일한 공기 역학적 프로파일을 가질 수 있으며, 동일한 세트 또는 다른 세트의 사양에 따라 최적화될 수 있다. 두 개의 블레이드 섹션은 전체 풍력 터빈 블레이드에 대한 결과로서 얻은 추진력 값을 정의한다. 내측 블레이드 섹션의 프로파일은 외측 블레이드 섹션의 프로파일 후에 구성될 수 있으며, 그래서 결과로서 얻은 추진력 값은 정격 풍속과 컷-오프 풍속사이 풍속에서 실질적으로 일정하다. 이것이 추진력이 수동적으로 조절되게 한다.

하나의 실시 예에 따르면, 내측 블레이드 섹션은 풍력터빈 블레이드의 기단(root end)에서부터 피치 접합의 위치까지 연장되고, 외측 블레이드 섹션은 풍력 터빈 블레이드의 선단(tip end)으로부터 피치 접합의 위치까지 연장되며, 피치 접합은 기단(root end)을 기준으로 0.20과 0.50±10%사이의 상대적인 길이에 위치하며, 바람직하게는 0.30과 0.40±10%사이에 위치한다.

이것은 각 블레이드 섹션의 길이와 피치 접합의 위치가 최적화되게 허용한다. 전체 스윕(swept) 영역은 블레이드 섹션 사이에 분포하며, 그래서 내부 스윕 영역 및 외부 스윕 영역을 정의한다. 내부 블레이드 섹션의 상대적인 길이는 외측 블레이드 섹션의 길이에 비해 증가할 수 있고, 또는 역도 가능하다. 내부 스윕 영역을 기준으로 외부 스윕 영역사이의 비는 증가될 수 있다. 제2 추진력 값이 결과로서 얻은 추진력(resultant thrust) 값에 더 기여하기 때문에 이것은 로터 허브에 작용하는 결과로서 얻은 추진력에 대해 더 동적인 제어를 허용한다. 내부 스윕 영역을 기준으로 외부 스윕 영역 사이의 비는 감소될 수 있다. 제2 추진력 값이 결과로서 얻은 추진력 값에 덜 기여하기 때문에, 이것은 로터 허브에 작용하는 더 정적인 결과로서 얻은(resultant) 추진력을 허용한다. 상기 결과로서 얻은 추진력의 제어를 개선하기 위해, 적어도 하나의 중간 블레이드 섹션이 두 접합부를 통해 두 블레이드 섹션사이에 배치될 수 있다. 중간 블레이드 섹션은 적어도 하나의 피치 접합부에 의하여 두 개의 블레이드 섹션에 결합된 피치어블(pitchable) 블레이드 섹션으로 구성될 수 있다. 두 개의 피치어블(pitchable) 블레이드 섹션은 동일한 피치 제어 시스템 또는 두 개의 분리된 피치 제어 시스템을 통해 함께 및/또는 서로에 대하여 피치(pitched)될 수 있다.

내부 블레이드 섹션은 0.20과 0.80 사이의 상대적인 길이를 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.30과 0.70사이이다. 외부 블레이드 섹션은 0.20과 0.80사이 상대적인 길이를 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.30과 0.70사이이다. 피치 접합부의 상대적인 길이는 원하는 구성에 따라 달라질 수 있으며, 0.02 이하로 할 수 있다. 인용된 상대적인 길이는 ±10%, ±5% ±2% 또는 ±1% 의 허용 오차를 가질 수 있다.

하나의 실시 예에서, 내부 블레이드 섹션의 공기 역학적 프로파일은 흡입 측면과 그 블레이드 섹션의 압력 측면 둘로 정의된 제1 표면 영역으로 정의되며, 외부 블레이드 섹션의 공기 역학적 프로파일은 흡입 측면과 그 블레이드 섹션의 압력 측면 둘로 정의된 제2 표면 영역으로 정의되고, 제2 표면 영역을 기준으로 제1 표면 영역사이의 비는 0.5와 1.5± 10% 이며, 바람직하게는 1± 10%이다.

이것은 두 개의 블레이드 세션의 표면적과 각 블레이드 섹션의 양력 및 견인력이 최적화되도록 허용한다. 내부 블레이드 섹션은 들어오는 바람이 큰 표면적과 부딪히고 내부 블레이드 섹션의 양력이 증가하도록 외부 블레이드 섹션에 비해 상대적으로 증가될 수 있다. 이것은 더 큰 부하가 내부 블레이드 섹션으로 전달되도록 허용하여 그 결과 풍력 터빈 블레이드 내에 루트 모멘트와 스트레스를 감소시킨다. 이것은 풍력 터빈의 구성과 구조적 요구 조건이 감소된 모멘트에 따라 최적화되는 것을 허용한다. 외부 블레이드 섹션의 표면적은 들어오는 바람이 작은 표면적에 부딪히고 외부 블레이드 섹션의 양력과 견인력이 감소하도록 내부 블레이드 섹션에 비해 상대적으로 감소될 수 있다. 이것은 외부 블레이드 섹션에서의 하중과 스트레스를 감소하도록 허용하며 풍력 터빈 블레이드 내에 루트 모멘트가 감소하도록 허용한다.

내부 블레이드 섹션 및/또는 외부 블레이드 섹션의 두께 분포 및/또는 코드(chord) 분포는 그 블레이드 섹션의 표면적이 증가될 수 있도록 최적화되거나 또는 증가될 수 있다. 제2 표면적에 대한 제1 표면적의 비는 풍속이 컷-오프 풍속을 향하여 증가하므로 상대적으로 작은 음(negative)의 탄젠트를 갖도록 허용하는 결과로서 얻은 추진력 값을 허용하는 0.5 내지 0.75 사이, 예를 들어 0.5, 일 수 있다.

비율은 풍속이 컷-오프 풍속을 향하여 증가하므로 결과로서 얻은 추진력 값이 상대적으로 작은 양(positive)의 탄젠트를 갖도록 허용하는 0.75 내지 1.25사이, 예를 들어, 1 일 수 있다. 비율은 선택적으로 1.25 내지 1.5 사이, 예를 들어, 1.5 일 수 있고, 양의 탄젠트의 결과로서 얻은 추진력 값이 증가하도록 허용한다.인용된 비율은 ± 10%, ± 5%, ± 2%, 또는 ± 1% 의 오차를 가질 수 있다.

하나의 실시 예에 따르면, 상기 피치 제어 시스템은 설정된 출력에 따라 외부 블레이드 섹션의 피치 각도를 조절하도록 구성된다.

피치 제어 시스템은 증가하는 전력 출력 프로파일, 감소하는 출력 프로파일 또는 일정한 또는 명시적인 출력 프로파일과 같은 선택된 전력 출력 프로파일에 따라 외부 블레이드 섹션의 피치 각도를 조절하도록 구성될 수 있다. 이것은 외부 블레이드 섹션이 들어오는 바람에 대하여 최적으로 배치될 수 있게 허용하여, 그리하여 풍력 터빈의 효율이 증가한다.

특정 실시 예에 따르면, 내부 블레이드 섹션에 작용하는 풍속은 제1 추진력 값을 정의하고, 외부 블레이드 섹션에 작용하는 풍속은 제2 추진력 값을 정의하며, 상기 피치 제어 시스템은 외부 블레이드 섹션을 피칭함에 의하여 제1 추진력 값에 대하여 제2 추진력 값을 조절하도록 구성되어 있고, 그리하여 결과로서 얻은 추진력 값이 실질적으로 일정하게 유지된다.

부분 피치 풍력터빈의 피칭은 로터 허브에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 값(resultant thrust value)이 제1 풍속보다 높은 풍속에 대하여 실질적으로 일정한 값에 유지하도록 구성할 수 있다. 내부 블레이드 섹션은 외부 블레이드 섹션의 피칭에 대한 기준 파라미터로 사용되는 기준 추진력 값을 정의할 수 있다. 외부 블레이드 섹션의 동적 추진력 값은 결과로서 얻은 추진력 값이 실질적으로 일정한 값으로 유지되도록 기준 값에 대하여 조절될 수 있다. 외부 블레이드 섹션의 피칭은 밴딩 모멘트가 다양한 동작 풍속에서 실질적으로 최소로 유지되도록 허용할 수 있다. 이러한 제어 방법을 사용한 출력은 발생된 출력의 일부가 더 자주 외부 블레이드 섹션을 피치하는데 사용되기 때문에 앞서 기술한 제어 방법보다 낮을 수 있다.

결과로서 얻은 추진력 값은 예를 들어 ± 10%, ± 5%, ± 2%, ± 1% 또는 이하의 상수 값 오차 범위 내에서 조절할 수 있다. 상수 값은 풍력 터빈의 정격 또는 명목상 풍속에서 결정할 수 있으며, 그 풍속에서 얻어진 결과의 추진력 값의 80 내지 120% 사이 일 수 있고, 바람직하게는 90 내지 110%사이이다.

하나의 실시 예에 따르면, 상기 피치 제어 시스템은 그것의 수직 위치에 대하여 풍력 터빈의 기우러짐을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 측정 시스템과 전기적으로 연결되어 있으며, 상기 피치 제어 시스템은 측정된 기울기를 바탕으로 외부 블레이드 섹션의 피치를 조절하도록 구성되어 있다.

이것은 피칭이 풍력 터빈의 측정된 기울기에 기초하여 추가로 조절되게 한다. 예를 들어 가속도계, GPS 유니트, 각속도 센서 또는 다른 적절한 측정 유니트와 같은 하나 이상의 측정 유니트는 나셀 또는 부동 파운데이션에 배치될 수 있으며, 전기적으로 피치 제어 시스템에 연결될 수 있다. 하나 이상의 스트레인 게이지 또는 다른 적절한 하중 센서는 구조물인, 예를 들어, 타워 또는 나셀에 설치될 수 있으며, 타워의 기울기를 측정하는데 사용될 수 있다. 피치 제어 시스템은 피칭이 구조를 공진하지 않도록 설정된 주파수 대역에서 피치를 조절하도록 구성될 수 있다. 이것은 풍력 터빈의 진동이 수용 가능한 레벨로 뎀핑 또는 감소되도록 허용한다. 하나 이상의 측정 유니트, 예를 들어, 풍속계 또는 기상 마스트, 타코미터 또는 다른 적절한 측정 유니트는, 피치 제어 시스템과 결합될 수 있고, 풍속 및/또는 드라이브 트레인의 풍속 또는 로터 속도를 측정하도록 구성될 수 있다. 피칭은 풍력 터빈의 기울기 및/또는 로터 평면에 부딪히는 풍속을 바탕으로 조절될 수 있고, 그래서 풍력 터빈이 풍속에 의하여 발생되는 추진력 뿐만아니라 해류와 파도에 의하여 발생되는 추진력을 보상한다. 이것은 하나 이상의 측정된 부하 파라메터 및/또는 기상 데이터에 기초하여 피칭이 조절되도록 허용한다.

하나의 실시 예에 따르면, 제1 풍속은 10㎧ 내지 14㎧,예를 들어, 12㎧ 또는 그 이상의 평균값을 가진다.

부분 피치 풍력 터빈의 사용은 피치 조절된 외부 블레이드 섹션이 스톨 조절된 내부 블레이드 섹션의 부정적 영향을 보상하기 위해 사용될 때에 10 내지 14㎧, 예를 들어, 12㎧ 또는 더 높은 평균 풍속에 특히 효과적이다. 제1 풍속은 풍력 터빈에 대한 정격 전력을 정의한다. 제1 풍속은 풍력 터빈이 명목상 또는 정격 출력에 도달하는 풍속으로 정의될 수 있다. 풍속이 컷-오프 풍속, 예를 들면, 25㎧ 또는 그 이상을 초과할 경우에, 풍력 터빈은 극단적인 하중(extreme load) 절차를 활성화한다.

본 발명의 목적은 또한 풍력 발전기를 제어하는 방법을 달성하는 것이며, 풍력 터빈의 내부 블레이드 섹션에 대하여 풍력 터빈 블레이드의 외부 블레이드 섹션의 피치를 조절하는 것을 특징으로 한다.

이 방법은 전통적인 피치 조절된 풍력 터빈보다 풍력 터빈에 작용하는 추진력 또는 힘에 대한 더 나은 더 효과적인 제어를 제공한다. 이것은 풍력 터빈의 반복적 기우러짐을 제거하거나 적어도 상당히 감소시키거나 또는 뎀프되게 허용하여 구조물에서 발생되는 피로 하중 및 스트레스를 감소시킨다. 풍력 터빈의 구조적 강도 및 재료는, 예를 들어, 풍력 터빈 타워는, 감소될 수 있으며, 그래서 풍력 터빈의 생산 비용을 감소시킬 수 있다. 또한 방법은 풍력 터빈이 기우러질 때 구조물에서 발생된 밴딩 모멘트의 보다 나은 그리고 보다 효과적인 제어를 제공한다. 이것은 풍력 터빈의 최대 기우러짐 각도가 수용 가능한 수준으로 감소되기 때문에 밴딩 모멘트가 감소되도록 허용한다. 이것은 차례로 부동 파운데이션의 크기와 중량을 최적화 또는 감소를 허용하여 풍력 터빈을 위한 플랫폼의 안정성을 증가시키고, 그리하여 부동 파운데이션의 제조 비용을 감소시킨다.

외부 블레이드 섹션의 피칭은 풍력 터빈의 기울어짐이 감소되게 허용하고 풍력 터빈 타워의 상부에 위치한 뎀프닝 메카니즘(dampening mechanism)의 필요성을 제거하고, 그리하여 풍력 터빈의 비용을 감소시킨다. 블레이드 섹션의 적어도 하나가 적어도 하나의 다른 블레이드 섹션을 기준으로 피치되기 때문에 부분 피치 풍력 터빈의 사용은 로터 허브에 작용하는 출력 성능 및/또는 추진력이 보다 정밀하게 조절되도록 허용한다.

하나의 실시 예에 따르면, 피칭은 설정된 출력을 기준으로 조절된다.

외측 블레이드 섹션은 풍력 터빈의 출력을 조절하기 위하여 내부 블레이드 섹션을 기준으로 피치된다. 이것은 선택된 출력 프로파일에 따라 수행될 수 있고 고효율이 유지된다. 또한 이것은 피치 조인트가 평균 풍속의 변화에 따라 활성화되기 때문에 피칭 동작을 감소시킨다. 이것은 또한 그 때문에 피치 조인트의 마모(wear)를 줄일 수 있고 수명을 증가시킨다.

하나의 실시 예에 따르면, 내부 블레이드 섹션은 제1 추진력 값을 정의하고 외부 블레이드 섹션은 제2 추진력 값을 정의하며 피칭은 제1 추진력 값에 대하여 조절되며 결과로서 얻은 추진력 값은 실질적으로 일정한 값으로 유지된다.

외부 블레이드 섹션은 대신에 내부 블레이드에 대하여 피치될 수 있다. 그래서 로터 허브에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 값은 실질적으로 일정한 값으로 유지된다. 내부 블레이드 섹션은 외부 블레이드 섹션의 피칭을 위한 제어 파라미터로서 사용되는 기준 추진력 값을 정의할 수 있다. 이것은 외부 블레이드 섹션의 동적 추진력이 실질적으로 일정한 값을 유지하기 위하여 기준 값에 대하여 조절되도록 허용한다. 결과로서 얻은 추진력 값은 일정한 값의 수용 가능한 오차내에서, 예를 들어 ±10%, ±5%, ±2%, ±1% 또는 이하 범위에서 조절될 수 있다. 일정한 값(상수)은 풍력 터빈의 정격 또는 명목상 풍속에서 결정될 수 있으며, 그 풍속에서 결과로서 얻은 추진력 값 중에서, 80 내지 120% 사이일 수 있으며, 바람직하게는 90 내지 110% 사이일 수 있다. 외측 블레이드 섹션의 피칭은 또한 해류와 파도로 인하여 풍력 터빈의 기울어짐을 보상하기 위해 사용될 수 있다. 외부 블레이드 섹션은 풍력 터빈의 기울어짐과 회전 각도가 그것의 수직 위치를 기준으로 예를 들어 ± 2°, ± 1°, ± 0.5° 또는 이하로 더 수용 가능한 레벨로 감소하거나 뎀프되도록 피치된다. 이것은 적극적으로 조절될 수 있는 얻어진 결과의 추진력 값을 허용한다. 또한 이것은 피치 조인트가 평균 풍속의 변화뿐만 아니라 해양 파도와 흐름으로부터 동적 충격의 변화에 따라 활성화되기 때문에 피칭 활동을 증가시킨다.

하나의 실시 예에 따르면, 구조물 상에 배치된 적어도 하나의 측정 유니트는 풍력 터빈의 기울어짐을 측정하고, 외부 블레이드 섹션의 피칭은 측정된 기울기에 기초하여 조절된다.

이것은 풍력 터빈의 측정된 기울기(tilt)를 바탕으로 외부 블레이드 섹션의 피칭이 조절되게 허용한다. 기울어짐은 하나 이상의 측정 유니트, 예를 들어, 피치 제어 시스템과 전기적으로 연결된 가속도계, GPS 유니트, 각속도 센서 또는 다른 적절한 측정 유니트를 사용하여 측정할 수 있다. 선택적으로 하나 이상의 스트레인 게이지 또는 다른 적절한 하중 센서는 타워의 기울기를 측정할 수 있다. 피칭은 피칭이 구조물을 공진하지 않도록 선택된 주파수 밴드에서 수행될 수 있다. 이것은 풍력터빈의 진동이 수용 가능한 레벨로 뎀프되거나 감소되도록 허용한다. 하나 이상의 측정 유니트, 예를 들어, 풍속계 또는 기상 마스트, 타코미터 또는 다른 적절한 측정 유니트는 풍속 및/또는 로터 속도를 측정할 수 있다.

이것은 풍력 터빈의 기울기 및/또는 풍력 터빈이 풍속의 변화뿐만 아니라 해류와 파도에 의하여 유도되는 기울기를 보상할 수 있도록 로터 평면에 부딪히는 풍속을 바탕으로 조절될 수 있게 피칭을 허용한다.

본 발명의 구체적인 기술적 구성을 도면을 바탕으로 살펴본다.

"기울어짐(tilting)"라는 용어는 회전 지점을 기준으로 적어도 하나의 설정된 방향으로의 풍력 터빈의 회전운동으로 정의된다. 기우러짐 동작은 X-축 둘레의 풍력 터빈의 롤링을 말한다.(풍향에 평행되게). 기우러짐 동작은 선택적으로 또는 추가적으로 Z-축 둘레의 풍력 터빈의 요잉(yawing)으로 언급될 수 있다(풍력 터빈 타워의 길이 방향에 평행). 기우러짐 동작은 선택적으로 또는 추가적으로 Y-축 둘레의 풍력 터빈의 피칭을 말한다.(바람의 방향과 풍력 터빈 타워의 길이 방향에 수직함).

도 1은 부동 파운데이션(2)에 설치된 풍력 터빈(1)의 바람직한 실시 예를 도시한 것이다. 풍력 터빈(1)은 파운데이션(2)을 향하는 바닥면과 파운데이션으로부터 멀리 향하는 상단면을 가진 풍력 터빈 타워(3)를 포함할 수 있다. 상단(top)에 설치된 하나 이상의 타워 섹션(미도시)은 풍력 터빈 타워(3)를 형성할 수 있다. 나셀(4)은 풍력 타워(3)의 상단에 제공될 수 있다. 로터 허브(5)는, 예를 들어, 로터 샤프트를 통해서 나셀(4)에 결합될 수 있으며(미도시) 한쪽 종단에서 로터 허브(5)에 설치되고 다른 종단에서 나셀(4)의 내부에 배치된 발전기(미도시)에 회전하도록 설치된다. 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(6)는 로터 허브(5)에 장착될 수 있으며 풍력 터빈 블레이드(6)는 로터 평면을 형성한다. 적어도 두 개 또는 세 개의 풍력 터빈 블레이드(6)는 도 1에서와 같이 바람직하게는 로터 허브(5)에 장착된다.

적어도 하나의 요잉 베어링(도시되지 않은)을 포함하는 적어도 하나의 요잉 메카니즘은 풍력 타워(3)의 상단에 배치될 수 있다. 나셀(4)은 로터 평면이 바람 속으로 이동되도록 풍력 터빈 타워(3)를 기준으로 적어도 상기 나셀(4)을 능동적 또는 수동적으로 요(yaw)하도록 구성할 수 있는 요잉 메카니즘과 결합할 수 있다. 이것은 로터 평면이 주 풍향에 실질적으로 수직하게 위치하도록 허용한다.

부동 파운데이션(2)은 수면(8) 아래 부분적으로 또는 완전히 침수되도록 구성된 부력 몸체(7)를 포함할 수 있다. 몸체(7)는 밸러스트 물질로 적어도 부분적으로 채워지도록 구성된 밸러스트 챔버의 형태로 적어도 하나 이상의 부력 챔버(9)를 포함할 수 있다. 밸러스트 물질은, 예를 들면, 바닷물과 같은 물 형태의 액체 또는 바위, 모래/자갈, 콘크리트, 금속 형태의 고체 또는 다른 적당한 물질일 수 있다. 몸체(7)는 부력 챔버(9)가 몸체(7)의 하부 섹션에 위치할 수 있도록 연장된 및/또는 원통형 몸체로 형성될 수 있다. 몸체(7)의 상부는 속이 비어있을 수 있고, 공기, 헬륨 또는 다른 적절한 기체 물질로 채워질 수 있다. 몸체(7)는 기체상 물질 및/또는 밸러스트 물질이 몸체(7) 내에 포함되어 있는 폐쇄된 몸체(7)를 형성할 수 있다. 몸체(7)는 수면(8)을 향하는 제1 단부와 해저(10)를 향하는 제2 단부를 가질 수 있다. 상부 섹션(11)은 제 1 단부에 배치 될 수 있고, 풍력 터빈 타워(3)의 바닥에 장착될 수 있도록 구성될 수 있다. 몸체(7)는 철, 강철 또는 다른 적절한 물질로 제조될 수 있다.

밸러스트 양 및/또는 가스 물질, 예를 들어 펌프 시스템을 조정하는 수단은, 부동 파운데이션(2) 상에 배치될 수 있다. 이는 부동 파운데이션의 부력 몸체(7)가 상부 섹션(11)이 도 1에 도시된 바와 같이 수위(8) 아래에 부분적으로 침수되도록 수위(8) 아래 설정된 깊이에 위치하도록 허용한다. 선택적으로, 상부 섹션(11)은, 서비스 또는 유지 보수 목적을 위하여 수면 위에 위치할 수 있고 예를 들어, 폭풍, 태풍 또는 그와 유사한 형태의 극단적 하중에 있는 동안에, 풍력 터빈의 추가적 안정성을 위하여 수면(8) 아래에 위치할 수 있다.

부동 파운데이션(2)은 대략 40m 또는 이상의 수심을 갖는 해양 위치에 설치되도록 구성될 수 있다. 부동 파운데이션(2)은 몸체(7)의 무게 중심 또는 중간에서 측정된 수면(8) 아래 약 5m 또는 그 이상에 위치할 수 있다. 부동 파운데이션(2)은 또한 몸체(7)의 제1 단부가 수위(8)로부터 약 5 m 또는 그 이하에 위치하도록 배치될 수 있다. 둘, 셋 이상의 앵커 케이블 또는 다른 적절한 앵커 메마니즘 또는 시스템 형태의 하나 이상의 앵커 수단(12)은 그 위치에서 부동 파운데이션(2)과 풍력 터빈(1)을 유지하도록 구성될 수 있다. 앵커링 케이블은 부동 파운데이션(2)과 해저(10)에 배치되거나 고정된 하나 이상의 앵커링 지지대(미도시)와 결합될 수 있다.

풍력 터빈(1)은 도 1 에 나타낸 바와 같이, 적어도 하나의 풍력터빈 블레이드(6)는 적어도 두 개의 블레이드 섹션(13, 14)을 포함하는 부분 피치 풍력 터빈으로 구성될 수 있다. 풍력 터빈 블레이드(6)는 피치 접합부(15)에 의해 외부 블레이드 섹션(14)에 결합된 내부 블레이드 섹션(13)을 포함할 수 있다. 내부 블레이드 섹션(13)은 로터 허브(5)를 향하는 직면하는 블레이드 루트(16)을 포함하고 볼트/너트 또는 그와 유사한 체결 수단에 의해 로터 허브(5)에 장착되도록 구성되어 있다. 외부 블레이드 섹션(14)은 로터 허브(5)로부터 멀리 향하는 선단(tip end) (17)를 포함할 수 있다.

피치 접합부(15)는 내측 블레이드 섹션(13)에 대하여 외부 블레이드 섹션(14)을 피치하도록 구성될 수 있다. 메케닉, 유압 또는 전기 기기의 형태로 피치 메카니즘(미도시)은 피치 접합부(15)에 배치될 수 있다. 피치 제어 시스템(미도시)은 피치 메카니즘과 결합될 수 있고, 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절하도록 구성될 수 있다. 이것은 바람의 내부 또는 외부로 외부 블레이드 섹션(14)을 피치되도록 허용할 수 있다. 도 1은 피치 접합부(15)에서 두 개의 블레이드 섹션(13,14)의 단면 프로파일이 서로 정렬되어 피치되지 않는 위치에서의 블레이드 섹션(13,14)을 나타낸다. 피치 메카니즘은 내부 블레이드 섹션(13)에 대하여 0 내지 90° 사이에서 외부 블레이드 섹션(14)을 피치하도록 구성될 수 있다.

풍력 터빈 블레이드(6)은 섬유 강화된 플라스틱으로 제조하거나 섬유가 유리, 탄소, 또는 유기 섬유로 제조될 수 있는 라미네이트를 형성하는 복합재료로 만들어질 수 있다. 라미네이트는 외부 시스템에, 예를 들어, 진공 주입 또는 주입 시스템에 의하여 공급되는 수지(resin), 예를 들어, 에폭시를 이용하여 주입(infused)할 수 있다.

도 2는 내부 블레이드 섹션(13)에 대하여 피치된 외부 블레이드 섹션(14)을 가진 풍력 터빈(1)을 보여준다. 피치 제어 시스템은 선택된 출력 프로파일 또는 일정한 추진력 값에 따라 내부 블레이드 섹션(13)에 대하여 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절하도록 구성될 수 있다. 두 개의 블레이드 섹션(13,14)은 차례로 풍력 터빈(1) 및/또는 부동 파운데이션(2)에 의하여 경험된 기울어짐 동작이 감소되는 구조물에 발생되는 밴딩 모멘트의 더 나은 제어를 제공한다. 피치 제어 시스템은 설정된 평균 풍속 10 내지 14㎧, 예를 들어, 12㎧ 또는 그 이상의 풍속에서 활성화할 수 있다. 이것은 나셀(4)과 풍력 터빈 블레이드(6)의 크기와 무게로 인하여 구조에서 발생되는 밴딩 모멘트에 대해서 더 나은 선형 제어를 허용한다. 외부 블레이드 섹션(14)은 풍력 터빈(1)이 그것의 수직 위치에 대하여 단지 ± 2° 기우러지도록 피치할 수 있다.

내부 블레이드 섹션(13)은 제1 추진력 값을 제공하는 설정된 한 세트의 사양에 의해 정의된 스톨-제어된 공기 역학적 프로파일을 가질 수 있다. 외부 블레이드 섹션(14)은 제2 추진력 값을 제공하는 설정된 한 세트의 사양에 의해 정의된 피치-제어된 공기 역학적 프로파일을 가질 수 있다. 두 개의 블레이드 섹션(13,14)의 제1 및 제2 추진력 값은 로터 허브(5)에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 값으로 정의할 수 있다. 피치 제어 시스템은 외부 블레이드 섹션(14)을 피칭함에 의하여 제2 추진력 값을 조절할 때 기준 파라미터로 제1 추진력 값을 사용하도록 구성될 수 있다.

내부 블레이드 섹션(13)은 기단(root end)(16)에서 피치 접합부(15)까지 기단(16)으로부터 연장할 수 있으며 내부 스윕 영역을 정의할 수 있다. 외부 블레이드 섹션(14)은 선단(tip end)로부터 피치 접합부(15)까지 선단(17)으로부터 연장될 수 있고 외부 스윕 영역을 정의할 수 있다. 내부 및 외부 스윕 영역은 풍력 터빈 블레이드(6)에 의해 스윕되는 전체 영역을 정의한다. 두 개의 블레이드 섹션(13,14)의 상대적인 길이는 내부 스윕 영역을 기준으로 외부 스윕 영역 사이의 비로 정의할 수 있다.

풍력 터빈 블레이드(6)은 일(1)의 상대적 길이에 대응하여, 기단(16)으로부터 선단(17)까지 35m 또는 이상의 길이를 가질 수 있다. 피치 접합부(15)는 기단(17)에 대하여 0.20 와 0.80±10%사이의 상대적인 길이에 위치될 수 있다. 내부 블레이드 섹션(13)은 0.20 와 0.80±10%사이의 상대적인 길이를 가질 수 있다. 외부 블레이드 섹션(14)은 0.20 와 0.80±10%사이의 상대적인 길이를 가질 수 있다.

내부 블레이드 섹션(13)의 공기 역학적 프로파일은 제1 표면 영역을 정의하는 블레이드 섹션의 흡입과 압력면을 형성할 수 있다. 외부 블레이드 섹션(14)의 공기 역학적 프로파일은 제2 표면 영역을 정의하는 블레이드 섹션의 흡입과 압력면을 형성할 수 있다. 두 표면 영역은 두 개의 블레이드 섹션(13,14)의 양력(lift forces) 및 견인력(drag forces)을 정의할 수 있다. 각 블레이드 섹션(13, 14)의 두께 분포 및/또는 코드 분포는 제2 표면 영역에 대하여 제1 표면 영역사이의 비율로 정의할 수 있고, 그것은 0.5와 1.5±10%사이 일 수 있다.

가속도계, GPS 유니트, 각속도 센서 또는 다른 적절한 측정 유니트 형태의 적어도 하나의 측정 유니트(미도시)는 피치 제어 시스템과 전기적으로 결합될 수 있다. 측정 유니트는 그것의 수직 위치를 기준으로 풍력 터빈(1)의 기우러짐을 측정하도록 구성될 수 있다. 피치 제어 시스템은 측정 된 기울기에 기초하여 상기 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절하도록 구성될 수 있다. 풍속계, 기상 마스트, 타코미터 또는 다른 적절한 측정 유니트의 형태로 선택적으로 또는 부가적으로 적어도 하나의 다른 측정 유니트는 피치 제어 시스템과 전기적으로 결합될 수 있다. 측정 유니트는 풍속 및/또는 풍력 터빈에서 드라이브 트레인의 회전 속도를 측정하도록 구성될 수 있다. 피치 제어 시스템은 풍력 터빈(1)이 풍속에 의하여 발생되는 추진력 뿐만 아니라, 해류(marine currents) 및 파도에 의해 발생되는 추진력을 보상하도록 풍력 터빈(1)의 기울기 및/또는 로터 평면에 부딪히는 풍속을 바탕으로 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절하도록 구성될 수 있다.

도 3은 전통적인 피치-조절된 풍력 터빈에 비해 본 발명에 따른 풍력 터빈(1)에 대한 풍속을 기준으로 로터 허브(5)에 작용하는 추진력의 그래프를 나타낸다.

제1 풍속(W1) 아래의 풍속에서, 외부 블레이드 섹션(14)은 피치되지 않은 위치, 예를 들면, 영의 피치 각도로 위치할 수 있다. 로터 허브(5)에 작용하는 추진력(18,19)은 로터 평면과 풍력 터빈(1)을 부딪히는 풍속이 증가할 때 증가할 수 있다.풍속이 제1 풍속(W1) 위로 증가할 때 피치 제어 시스템은 외부 블레이드 섹션(14)의 피치 각도를 조절하는 피치 메카니즘을 활성화한다. 제1 풍속은 풍력 터빈(1)이 정격출력에 도달하는 풍속으로 정의할 수 있다. 풍속이 제2 풍속(W2) 위로 증가할 경우 풍력 터빈은 그것의 극단적인 하중 절차를 활성화하고 전력 계통(power grid)에서 풍력 터빈을 해제한다. 제2 풍속(W2)은 풍력 터빈(1)의 컷-오프 풍속을 정의할 수 있다. 제1 풍속(W1)은 10-14㎧사이, 예를 들어, 12㎧ 또는 그 이상 일 수 있다. 제2 풍속은 25㎧ 또는 그 이상이 될 수 있다.

피치 제어 시스템은 풍력 터빈 블레이드(6)가 실질적으로 일정한 결과로서 얻은 추진력 값을 유지하도록 내부 블레이드 섹션(13)에 대하여 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절한다. 제1 곡선(curve, 18)은 전체 풍력 터빈 블레이드를 피칭할 때 전통적인 피치-조절된 풍력 터빈에 의해 만료된 추진력 값을 정의한다. 제2 곡선(19)은 본 발명에 따른 풍력 터빈(1)에 의해 이루어진 결과로서 얻은 추진력 값을 정의한다. 제1 포인트(20)는 풍력 터빈(1)이 도 3에 도시된 바와 같이 기울어진 위치에 있는 지점으로 정의하는 반면에, 제2 포인트(21)는 풍력 터빈(1)이 기우러지지 않은 위치로 정의할 수 있다. 제3 포인트(22)은 추진력 값(18,19)이 제2 포인트(21)에서 제1 포인트(20)을 향하여 이동/변경될 수 있도록 풍력 터빈(1)이 바람 속으로 피칭되는 중간 위치로 정의할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 내부 블레이드 섹션(13)에 대하여 외부 블레이드 섹션(14)의 피칭은 나셀(4)과 풍력 터빈 블레이드(6)의 크기 및 무게 때문에 구조물에서 발생되는 밴딩 모멘트에 대하여 더 나은 선형 제어를 제공한다. 피치 제어 시스템은 외부 블레이드 섹션(14)의 추진력 값의 피치를 조절할 때 기준 파라미터로서 내측 블레이드 섹션(13)의 제1 추진력 값을 사용할 수 있다. 이것은 피치 제어 시스템이 풍력 터빈(1)의 기울어짐 동작을 감소시키고 구조물에 발생되는 밴딩 모멘트를 감소시키는 실질적으로 일정한 값에서 로터 허브(5)에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 값을 유지하도록 피치 제어 시스템을 허용한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전통적인 피치-조절된 풍력 터빈에서의 피치의 조절(18)은 추진력 값을 상당히 변하게하여 풍력 터빈에 큰 부정적인 뎀프닝(dampening) 하중과 스트레스를 생성한다. 이러한 하중 및 스트레스는 부분 피치 풍력 터빈(1)의 사용에 의해 적어도 상당히 감소될 수 있다.

피치 제어 시스템은 구조물에 배치된 하나 이상의 측정 유니트, 예를 들어, 풍력 터빈(1)에 의해 측정된 풍력 터빈(1)의 기울기 및/또는 로터 평면에 부딪히는 풍속에 기초하여 상기 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절할 수 있다.

결과로서 얻은 추진력 값은 상수 값의 ±10% 내에서 조절될 수 있다. 상수 값은 풍력 터빈(1)의 정격 풍속, 예를 들어, W1에서 결정될 수 있으며, 그 풍속에서 결과로서 얻은 추진력 값의 80 내지 120% 사이에 있을 수 있다. 피칭은 풍력 터빈(1)이 그것의 수직 위치를 기준으로 단지 ±2° 기울어지도록 피치 제어 시스템에 의해 수행될 수 있다.

Claims (12)

1. 풍력 터빈에 있어서,
   상단과 바닥을 가진 풍력 터빈 타워(3);
   풍력 터빈 타워(3)의 상단에 제공되는 나셀(4);
   나셀에 회전 가능하도록 설치된 로터 허브(5);
   로터 허브(5)에 설치되고 로터 평면을 형성하는 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(6);
   풍력 터빈 타워(3)의 바닥에 설치되도록 구성된 상부 섹션(11)을 가지며, 부력 몸체를 가지고 일정한 수심을 가진 해상에 설치되도록 구성된 부동 파운데이션;
   상기 풍력 터빈 블레이드(6)는 제1 공기 역학적 프로파일을 가진 내부 블레이드 섹션(13)과 제2 공기 역학적 프로파일을 가진 외부 블레이드 섹션(14)을 포함하며, 상기 내부 블레이드 섹션(13)은 로터 허브(5)에 설치되고 외부 블레이드 섹션(14)은 제1 풍속(W1) 보다 높은 풍속에서 내부 블레이드 섹션(13)을 기준으로 외부 블레이드 섹션(14)를 피치하도록 구성된 적어도 하나의 피치 접합부(15)에 의하여 내부 블레이드 섹션(13)과 결합됨을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   내부 블레이드 섹션(13)은 스톨-제어된 공기 역학적 프로파일을 가지고 외부 블레이드 섹션(14)은 피치-제어된 공기 역학적 프로파일을 가지며, 상기 두 블레이드 섹션(13, 14)은 로터 허브(5)에 작용하는 결과로서 얻은 추진력 값을 정의함을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   내부 블레이드 섹션(13)은 풍력 터빈 블레이드(6)의 기단(16)에서 피치 접합부(15)의 위치까지 확장되고 외부 블레이드 섹션(14)은 풍력 터빈 블레이드(6)의 선단(17)에서 피치 접합부(15)의 위치까지 확장되며, 상기 피치 접합부(15)는 기단(16)을 기준으로 0.20 내지 0.80±10% 사이 상대적인 길이에 위치하며, 바람직하게는 0.30 내지 0.70±10%사이에 위치함을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   내부 블레이드 섹션(13)의 공기 역학적 프로파일은 그 블레이드 섹션의 흡입입suction) 면과 압력 면으로 정의되는 제1 표면 영역으로 정의되고, 외부 블레이드 섹션(13)의 공기 역학적 프로파일은 그 블레이드 섹션의 흡입 면과 압력 면으로 정의되는 제2 표면 영역으로 정의되며, 상기 제2 표면 영역을 기준으로 제1 표면 영역의 비는 0.5 내지 1.5±10%사이이며, 바람직하게는 1±10% 임을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   피치 제어 시스템은 설정된 출력에 따라 외부 블레이드 섹션의 피치 각을 조절하도록 구성됨을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   내부 블레이드 섹션(13)에 작용하는 풍속은 제1 추진력 값으로 정의되고 외부 블레이드 섹션(14)에 작용하는 풍속은 제2 추진력 값으로 정의되며, 상기 피치 제어 시스템은 외부 블레이드 섹션(14)을 피칭함에 의하여 제1 추진력 값을 기준으로 제2 추진력 값을 조절하도록 구성되고, 결과로서 얻은 추진력 값은 실질적으로 상수 값을 유지함을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   피치 제어 시스템은 그것의 수직 위치를 기준으로 풍력 터빈(1)의 기울기를 측정하도록 구성된 적어도 하나의 측정 유니트와 전기적으로 결합되고, 상기 피치 제어 시스템은 측정된 기울기를 바탕으로 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절하도록 구성됨을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   제1 풍속(W1)은 10 내지 14㎧ 또는 그 이상의 평균값을 가짐을 특징으로 하는 풍력 터빈.
   
9. 풍력 터빈 제어방법에 있어서,
   부력 몸체(7)를 가진 부동 파운데이션(2)에 풍력 터빈 타워(3)를 설치하고, 상기 풍력 터빈 타워(3) 상단에 나셀이 제공되며, 상기 나셀에 회전할 수 있게 로터 허브(5)가 설치되고, 상기 로터 허브(5)에 설치된 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(6)를 포함하며,
   상기 풍력 터빈 블레이드(6)는 제1 풍속(W1)보다 높은 평균 풍속에서 피치되고, 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에서 정의된 것과 같은 풍력 터빈 블레이드(6)의 내부 블레이드 섹션(13)을 기준으로 풍력 터빈 블레이드(6)의 외부 블레이드 섹션(14)의 피치를 조절함을 특징으로 하는 풍력 터빈 제어방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    피칭은 설정된 출력을 기준으로 조절됨을 특징으로 하는 풍력 터빈 제어방법.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    내부 블레이드 섹션(13)은 제1 추진력 값을 정의하고 외부 블레이드 섹션(14)은 제2 추진력 값을 정의하며, 상기 피칭은 제1 추진력 값을 기준으로 조절되며 결과로서 얻은 추진력 값은 실질적으로 상수 값(일정한 값)을 유지함을 특징으로 하는 풍력 터빈 제어방법.
    
12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    구조물 상에 배치된 적어도 하나의 측정 유니트는 풍력 터빈의 기울기를 측정하며, 상기 외부 블레이드 섹션(14)의 피칭은 측정된 기울기를 바탕으로 조절됨을 특징으로 하는 풍력 터빈 제어방법.

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