KR20150038405A - 풍력 터빈 경사 최적화 및 제어 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력 터빈의 최적 경사각을 결정하기 위한 방법들, 컨트롤러들 및 컴퓨터 프로그램 제품들에 관한 것이다. 풍력 터빈에서의 및/또는 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들이 수신되고(402), 부지 조건들을 나타내는 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 풍력 터빈에 대한 최적 경사각이 결정된다(403). 이후 결정된 최적 경사각은 플랫폼 컨트롤러에 전송되어(404), 풍력 터빈이 최적 경사각으로 기울어질 수 있다.
Description
본 발명은 풍력 터빈에 관한 것으로, 특히 풍력 터빈의 경사 최적화 및 제어에 관한 것이다.
풍력 터빈들은 풍력 에너지를 효율적으로 동력화하여 전력을 생성하며, 전력 생산을 위한 전통적인 에너지원 대비 대체 에너지원으로서 점점 대중화되고 있다. 풍력 에너지를 동력화하는 것은 전력 생산을 위한 더욱 깨끗하면서도 더욱 지속가능한 에너지원으로 여겨지고 있다.
도 1을 참조하면, 풍력 에너지로부터 전력을 생산하기 위해, 터빈들(101)은 전형적으로 안정적인 기반(103)에 기초한 타워(102), 상기 타워(102) 상에 위치된, 발전기와 같은 전기 및 기계 장치를 실장하는 기관실(nacelle, 104), 및 상기 기관실에 연결된 하나 이상의 터빈 날개들(106)을 갖는 회전자(105)를 포함한다. 기본적이고 간단한 방식으로, 상기 터빈 날개들은 인가되는 풍력 에너지에 의해 회전되며 상기 풍력 에너지가 발전기를 구동하여 전력이 생산된다.
기존의 경우, 풍력 터빈들은 전형적으로 위쪽 방향에서 6도의 회전자 경사각을 갖도록 설계되었으며, 이는 교대로 터빈 날개들이 위쪽 방향으로 6도만큼 효율적으로 기울어짐을 의미한다. 상기 경사각은 수평 또는 회전 평면으로부터의 주샤프트 또는 기관실의 경사로 정의된다. 그러나, 회전자를 위쪽 방향으로 6도 기울어지게 함으로써, 터빈 날개들 상으로 인가되는 바람에 대한 유효 영역도 또한 감소되며, 이는 결과적으로 바람으로부터 획득되는 효율적인 에너지를 감소시키며, 부분 부하 조건들(partial load conditions)에서 전력 출력을 감소시킨다.
지면으로부터의 더욱 먼 바람이 지면에 더욱 가까운 바람보다 더 빠르게 이동하는 경우에 발생하는 수직 윈드 시어(wind shear)가 문제일 수 있다. 따라서, 수직 윈드 시어 조건들에서 상방을 가리키는 터빈 날개(106)는 하방을 가리키는 터빈 날개(106)보다 더 큰 풍속에 노출되게 된다. 수직 윈드 시어는, 1P 주파수(회전당 1)의, 의사-사인파 형태(pseudo-sinusoid shaped)의 터빈 날개 루트 휨 모멘트(turbine blade root bending moment)를 야기할 수 있고, 이는 터빈 날개의 피로에 현저한 원인이 될 수 있다. 만일 터빈 날개가 (도 1에 나타난 바와 같이) 3개의 터빈 날개들(106)을 포함하는 경우, 날개 루트 모멘트들(blade root moments)의 합은 3P(회전당 3)이 될 것이며, 다른 구성요소들과 함께 풍력 터빈의 메인 베어링(main bearing) 상에서 현저한 경사(tilt) 및 요(yaw) 모멘트들이 야기된다.
종래에는 윈드 시어의 효과가 회전자의 고정된 6도 경사각에 의해 감소되었다. 회전자의 고정된 경사각은, 위를 가리키는 풍력 날개에 대한 외관상의 풍속이 감소되고 그에 따라 의사-사인파 터빈 날개 루트 휨 모멘트의 크기가 감소됨을 의미한다.
상기 고정된 경사각은 풍력 터빈들이 전세계에서 경험할 수 있는 모든 풍속과 수직 윈드 시어 조건들에 걸쳐 "최적합"이 되도록 설계된다. 그러나, 상기 고정된 경사각은, 풍력 터빈이 위치되는 각각의 특정 부지에 대해서 또는 터빈이 놓이게 될 수 있는 기상 패턴들(예를 들어, 계절 패턴들)에 대해서, 에너지 획득에 또는 터빈 날개 루트 모멘트들 및 경사 및 요 모멘트들에 필수적으로 최적인 것은 아니다.
따라서, 본 발명은, 적어도 부분적으로 전술한 문제점들 및 단점들 모두 또는 일부를 해결하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계; 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있도록 하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.
따라서, 최적 경사각이 상기 풍력 터빈에서의 또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 상기 부지 조건들에 기초한 풍력 터빈에 대하여 결정될 수 있다. 상기 최적 경사각은 윈드 터빈이 부분 부하에서 더 많은 전력을 생성하고 완전 부하 및/또는 높은 윈드 시어 조건들에서의 풍력 터빈 상의 부하들 및 모멘트들을 최소화하는 것을 가능케 하는 각도일 수 있다.
상기 방법은 풍력 터빈 컨트롤러, 발전소 컨트롤러(power plant controller, PPC), 감시 제어 데이터 수집(supervisory control and data acquisition, SCADA) 컨트롤러에 의해 독립적으로 구현될 수 있고, 이들의 임의의 조합에 의해서도 구현될 수 있다.
상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 하나 이상의 수신된 신호들은, 수직 윈드 시어(vertical wind shear), 풍속, 풍향, 파도 조건들, 일기 예보들, 비대칭 부하, 및 요 방향(yaw direction) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 비대칭 부하 신호들은 터빈 날개 루트 휨 모멘트들(turbine blade root bending moments) 또는 임의의 다른 부하들/모멘트들 신호들을 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계; 및 상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 동작 포인트들은 상기 풍력 터빈의 하나 이상의 터빈 날개들의 피치 각도, 회전자 속도, 및 전력 출력 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 풍력 터빈의 기관실이 향하거나 바라보거나 그 내에 있는 구역(sector)을 확인하는 단계; 및 상기 확인된 구역에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 풍력 터빈 주변의 지역은 전형적으로 각각이 30도인 12개의 구역들로 분할된다.
상기 최적 경사각을 결정하는 단계는 룩업 테이블로부터 상기 최적 각도를 확인하는 단계를 포함할 수 있다. 산기 룩업 테이블을 통한 결정은, 하나 이상의 부지 조건들을, 룩업 테이블에 대한 기준값들로서 사용할 수 있다. 상기 룩업 테이블의 기준(값)은 상기 구역 및 상기 동작 포인트들 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 최적 경사각을 결정하는 단계는, 상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들을 소정 임계치와 비교하는 단계; 및 만일 상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치보다 큰 경우, 상기 최적 경사각을, 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치와 근접하거나 그 미만이 되도록 하는 경사각으로 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 상기 결정이 피드백 제어에 기초하여 풍력 터빈의 최적 경사각이 결정될 수 있다.
상기 피드백 제어에서 사용되는, 상기 풍력 터빈에서의 또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 신호는, 하나 이상의 터빈 날개들에 대한 터빈 날개 루트 휨 모멘트일 수 있다. 상기 피드백 제어에서 사용되는, 상기 풍력 터빈에서의 또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 신호는, 풍력 터빈의 전력 출력일 수 있다.
상기 방법은, 해양환경 데이터에 관한 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계; 및 해양환경 데이터에 관한 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 상기 결정된 경사각을 제한하는 단계를 더 포함할 수 있다. 따라서, 부유 풍력 터빈들의 경우, 경사각이 해양환경 데이터(예를 들어, 파도의 세기(forces), 움직임 등)에 의해 제한될 수 있고, 그에 따라 안전에 영향을 미칠 수 있거나, 가동중단(shutdown)을 야기할 수 있거나, 풍력 터빈이 엎어지거나 쓰러질 수 있는 특정 조건들에서 풍력 터빈이 너무 심하게 경사지는 것을 방지할 수 있다.
상기 방법은, 피드백 제어에 기초하여 상기 최적 경사각의 상기 결정을 최적화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은, 상기 결정된 최적 경사각을 경사 및 회전 각도로 변환하는 단계; 및 상기 경사 및 회전 각도를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 풍력 터빈이 다른 방향들로 바라보거나 흔들리게될(yawed) 수 있으므로, 경시각은 플랫폼에 대한 경사 및 회전 각도로 변환될 필요가 있다. 상기 변환은 풍력 터빈의 요 방향(yaw direction)에 기초할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 제1 입력; 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여, 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하도록 구성된 제1 프로세서; 및 상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있도록 구성된 제1 출력을 포함하는, 컨트롤러가 제공된다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하고; 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여, 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하며; 및 상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있도록 구성된 컨트롤러가 제공된다.
상기 컨트롤러는 풍력 터빈 컨트롤러, 발전소 컨트롤러(power plant controller, PPC), 감시 제어 데이터 수집(supervisory control and data acquisition, SCADA) 컨트롤러 또는 임의의 다른 컨트롤러일 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 제2 입력을 더 포함하고; 그리고 상기 제1 프로세서는, 상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하도록 더욱 구성된다.
상기 컨트롤러는, 상기 풍력 터빈의 기관실이 향하거나 바라보거나 그 내에 있는 구역(sector)을 확인하도록 구성된 제2 프로세서를 더 포함하고, 상기 제1 프로세서는, 상기 확인된 구역에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하도록 더욱 구성된다.
상기 제1 프로세서는 룩업 테이블로부터 상기 최적 각도를 확인하도록 더욱 구성될 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들을 소정 임계치와 비교하도록 구성된 제3 프로세서를 더 포함하고; 그리고 상기 제1 프로세서는, 만일 상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치보다 큰 경우, 상기 최적 경사각을, 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치와 근접하거나 그 미만이 되도록 하는 경사각으로 결정하도록 더욱 구성된다.
상기 컨트롤러는, 해양환경 데이터에 관한 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 제2 입력; 및 해양환경 데이터에 관한 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 상기 결정된 경사각을 제한하도록 구성된 제4 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 피드백 제어에 기초하여 상기 최적 경사각의 상기 결정을 최적화하도록 구성된 제5 프로세서를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는, 상기 결정된 최적 경사각을 경사 및 회전 각도로 변환하도록 구성된 제6 프로세서; 및 상기 경사 및 회전 각도를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하도록 구성된 제2 출력을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제6 프로세서들은 동일한 프로세서, 다른 프로세서, 또는 이들의 임의의 조합일 수 있다. 상기 제1 입력과 제2 입력은 동일한 입력 또는 다른 입력들일 수 있다. 상기 제1 출력 및 제2 출력은 동일한 출력 또는 다른 출력들일 수 있다.
상기 컨트롤러 및 구성요소들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구성될 수 있다. 상기 컨트롤러는 본 발명의 기능들 및 특징들 중 일부 또는 전부를 구현하도록 더욱 구성될 수 있다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계; 부지 조건들을 나타내는 상기 하나 이상의 수신된 신호들에 기초하여 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있도록 하는 단계를 포함하는, 컴퓨터로 판독 가능한 실행 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다.
상기 컴퓨터 프로그램 제품은 본 발명의 기능들 및 특징들 중 일부 또는 전부를 구현하기 위한 컴퓨터로 판독 가능한 실행 코드를 더 포함할 수 있다.
이제 본 발명의 실시예들이 단지 예시적인 방식으로 첨부의 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 고정된 육지 풍력 터빈의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 많은 실시예들에 따른 해상 부유 풍력 터빈의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 많은 실시예들에 따른 육지 풍력 터빈의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 많은 실시예들에 따른 흐름도를 나타낸다.
도 1은 고정된 육지 풍력 터빈의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 많은 실시예들에 따른 해상 부유 풍력 터빈의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 많은 실시예들에 따른 육지 풍력 터빈의 단순화된 개략도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 많은 실시예들에 따른 흐름도를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 종래의 풍력 터빈의 회전자는 수직으로부터 6도의 각도에서 고정된다. 그러나, 상기 회전자를 6도 경사지게 함으로써, 그리고 그에 따라 터빈 날개들도 경사지게 함으로써, 인가되는 바람에 대한 유효 영역이 감소되고 이는 부분 부하 조건들(예를 들어, 풍력 터빈을 위한 평가된(rated) 풍속보다 낮은 풍속들)에서 풍력 터빈의 효율을 감소시킨다.
또한, 완전 부하(예를 들어, 풍력 터빈을 위한 상기 평가된 풍속의 또는 그보다 높은 풍속들) 및 높은 윈드 시어 조건들에서, 6도로 고정된 회전자 각도는 의사-사인파 날개 루트 휨 모멘트의 효과를 감소시키지만, 상기 모멘트들은 여전히 현저한 피로 문제를 일으키는 것을 심화시킬(build up) 수 있다.
부유 플랫폼에 탑재된 해상(offshore) 풍력 터빈은 능동 밸러스트 시스템(active ballast system)을 포함할 수 있으며, 여기서 밸러스트는 상기 부유 플랫폼 주변을 이동할 수 있다. 상기 능동 밸러스트 시스템은 전형적으로, 풍력 터빈이 떠있는 물로부터의 힘 및 움직임에 따라, 바람에 의한 힘에 노출되는 풍력 터빈을 안정화하는데 활용된다. 상기 부유 플랫폼은 상기 부유 풍력 터빈 상에서 작용하는 힘들 및 움직임들에 직면하여 상기 풍력 터빈을 기울이거나 회전(roll)시키도록 활성화되거나 제어될 수 있다. 해상 부유 풍력 터빈의 일 예가 도 2에 나타난다. 상기 부유 풍력 터빈(201)은 타워(201), 기관실(203), 회전자(204), 터빈 날개들(205), 및 부유 플랫폼(206)을 포함한다.
이 예에서의 부유 플렛폼(206)은 3개의 밸러스트 탱크들(207)을 갖도록 나타나며, 여기서 밸러스트는 상기 부유 풍력 터빈을 안정화하도록 상기 밸러스트 탱크들 사이에서 이동할 수 있다. 그러나 이해될 바와 같이, 부유 플랫폼(206)은 임의의 종류의 부유 플랫폼, 예를 들어, 부표(buoy)로서, 부유 풍력 터빈 상에서 작용하는 힘들과 움직임들에 대하여 풍력 터빈을 안정화하도록 변경될 수 있는 능동 밸러스트 시스템을 포함하는 부표일 수 있다.
육지(onshore) 풍력 터빈은 전형적으로 풍력 터빈을 지지하는 견고 기반에 탑재되고 고정된다. 도 3에 나타난 이 실시예에서, 육지 풍력 터빈은 타워(302), 기관실(303), 회전자(304), 터빈 날개(305), 및 타워(302)와 기반들(307) 사이의 플랫폼(306)을 포함한다. 플랫폼(306)은, 유압 시스템과 같은, 능동 시스템을 포함할 수 있고, 여기서 3개의 유압 피스톤들(308)은 육지 풍력 터빈(301)을 지지한다. 상기 유압 피스톤들은 육지 풍력 터빈(301)을 기울이도록 활성화되거나 제어될 수 있다.
이 예에서의 플랫폼(306)은 3개의 유압 피스톤들(308)을 갖도록 나타나고, 여기서 상기 피스톤들(308)은 풍력 터빈(301)이 다양한 방향으로 기울어지게 하도록 동작될 수 있다. 그러나, 이해될 바와 같이, 상기 플랫폼은 풍력 터빈(301)을 기울이도록 변경될 수 있는 능동 시스템을 포함하는 임의의 종류의 플랫폼일 수 있다.
위 도 2 및 도 3에 나타난 예들에서, 풍력 터빈은 수평 축 풍력 터빈으로 나타나지만, 수직 축 풍력 터빈일 수 있다. 또한 상기 풍력 터빈은 3개의 터빈 날개들을 갖도록 나타났지만, 이해될 바와 같이, 상기 풍력 터빈은 하나 이상의 터빈 날개들을 포함할 수 있다. 또한, 위의 예들에서, 풍력 터빈은, 해상 플랫폼 및 육지 플랫폼이 플랫폼 컨트롤러에 의해 풍력 터빈을 임의의 방향으로 경사지거나 기울어지게끔 제어될 수 있어서, 다수의 축들 주변의 임의의 방향으로 경사질 수 있게 표현되었다. 그러나, 이해될 바와 같이, 상기 플랫폼은 하나 이상의 축들에 대해서만 기울어지도록 구현될 수도 있다.
상기 실시예들에서, 풍력 터빈의 기울어짐 또는 경사 각도는 풍력 터빈에 영향을 주는 조건들에 기초하여 능동적으로 제어되며 이는 흐름도(401)를 나타내는 도 4를 참조하여 설명될 것이다.
단계(402)에서, 컨트롤러는 풍력 터빈에서의 부지 조건 또는 풍력 터빈 근처의 부지 조건을 나타내는 하나 이상의 신호를 수신하며, 상기 컨트롤러는 풍력 터빈 컨트롤러, 발전소 컨트롤러(power plant controller, PPC), 감시 제어 데이터 수집(supervisory control and data acquisition, SCADA) 컨트롤러 또는 임의의 다른 컨트롤러일 수 있다. 상기 풍력 터빈에서의 또는 그 근처의 부지 조건들을 나타내는 신호들은, 수직 윈드 시어, 풍향, 풍속, 일기 예보, (풍력 터빈들을 띄우기 위한) 파도 조건들 또는 해양환경 데이터, 기관실 요 방향(nacelle yaw direction), 및 비대칭 부하들을 나타내는 신호 중 하나 이상일 수 있다. 상기 비대칭 부하들은 풍력 터빈 상의 날개 루트 휨 모멘트 및/또는 다른 부하들을 나타내는 하나 이상의 신호(들)을 포함할 수 있다.
단계(403)에서, 컨트롤러는 상기 풍력 터빈에서 또는 그 근처의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 수신된 신호들에 기초하여 최적 경사각을 결정할 수 있다. 상기 컨트롤러는, 최적 경사각을 연산하고, 룩업 테이블(lookup table)을 참조하거나, 이들의 조합에 의해, 최적 경사각을 결정할 수 있다.
단계(404)에서, 컨트롤러는 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송할 수 있고, 그에 따라 상기 플랫폼 컨트롤러는 풍력 터빈이 상기 요구되는 최적 경사각으로 기울어지도록 상기 플랫폼을 제어할 수 있다.
만일 컨트롤러가 풍력 터빈 컨트롤러인 경우, 상기 풍력 터빈 컨트롤러는 플랫폼 컨트롤러와 직접 교류(interact)하여 상기 결정된 최적 경사각을 전송할 수 있다. 만일 컨트롤러가 발전소 컨트롤러 또는 감시 제어 데이터 수집 컨트롤러인 경우, 상기 최적 경사각은 풍력 터빈 컨트롤러를 통해 플랫폼 컨트롤러로 직접 전송될 수 있다.
부유 플랫폼의 경우 및 육지 플랫폼의 경우, 결정된 최적 경사각은 경사 및 회전 각도로 변환될 필요가 있을 수 있다. 최적 경사각은, 경사지게 될 풍력 터빈의 기관실의 요 방향(yaw direction)에 기초하여, 경사 및 회전 각도로 변환될 수 있다. 이후, 상기 경사 및 회전 각도들은 플랫폼 컨트롤러로 전송되어 상기 플랫폼이 필요한 각도로 활성화된다. 선택적으로, 기관실의 현재 요 위치 및 최적 경사각이 플랫폼 컨트롤러로 전송될 수 있고, 상기 플랫폼 컨트롤러는 상기 최적 경사각을 요구되는 경사 및 회전 각도들로 변환할 수 있다.
예를 들어, 컨트롤러는, 하나 이상의 부지 조건들을 나타내는 수신된 신호들, 또는 현재 풍력 터빈의 전력 출력, 터빈 날개들의 피치각(pitch angle), 회전자 속도와 같은 다른 동작 포인트들 중 하나 이상에 기초하여, 풍력 터빈이 부분 부하, 완전 부하인지 그리고 윈드 시어가 높은지(예를 들어 소정 임계치 이상인지)를 식별할 수 있다.
부분 부하 및 낮은 윈드 시어 조건들에서, 풍력 터빈의 효율은 바람이 인가되는 터빈 날개의 유효 영역을 증가시킴으로써 증가될 수 있다. 이 경우, 풍력 터빈에서의 또는 그 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들에 기초하여, 컨트롤러는 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정한다. 상기 최적 경사각은 제어부에 의해 실시간으로 연산되거나 룩업 테이블로부터 확인될 수 있으며, 풍력 터빈에서 또는 그 부근의 부지 조건을 나타내는 수신된 신호들이 적어도 상기 룩업의 참조로 사용될 수 있다.
예를 들어, 수신된 신호들이 윈드 시어가 낮고 풍력 터빈이 부분 부하임을 나타내는 경우, 최적 경사각은 양의 방향으로(예를 들어, 바람을 향하여) 6도로 결정될 수 있고, 그에 따라 고정된 회전자 각도롤 효율적으로 제외시킴으로써 터빈 날개의 최대 유효 영역에 도달할 수 있다. 만일 음의 윈드 시어가 발생하는 경우, 최적 경사각은 상기 양의 방향으로 6도보다 더 크도록 결정될 수 있다.
만일 수신된 신호가 증가된 윈드 시어를 나타내는 경우, 최적 각도는 6도보다 낮은 각도로 결정될 수 있고, 그에 따라 풍력 터빈의 경사가 윈드 시어로 인한 풍력 터빈의 구성요소 상의 임의의 모멘트들을 최소화하면서도 터빈 날개의 유효 영역을 더 증가하게끔 할 수 있다. 따라서, 각각의 윈드 시어 및/또는 풍속 조건들에 대해 부분 부하에서의 최적 경사각을 확인하는 룩업 테이블이 생성될 수 있다.
풍력 터빈 주변의 영역 또는 지역(compass)은 구역들(sectors)로 분할될 수 있다. 전형적으로 30도의 12개 구역들이 있으며, 각각은 풍력 터빈 주변의 360도 지역을 정의한다. 풍력 터빈에 대한 최적 경사각의 결정은, 추가로 상기 풍력 터빈의 기관실이 현재 바라보고 있는 구역에 기초하여 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 룩업 테이블이, 풍력 터빈의 최적 경사각을 결정하거나 확인하기 위해 상기 구역을 더욱 참조하도록 포함될 수 있다.
추가적으로 또는 선택적으로, 최적 경사각 결정은 풍력 터빈의 추정된, 현재, 또는 예측된 동작 포인트들에 더욱 기초할 수 있다. 예를 들어, 동작 포인트들은 하나 이상의 전력 출력, 터빈 날개들의 피치각, 회전자 속도, 아이들링 조건들, 및 유지보수 동작들 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 따라서, 실시간으로 또는 룩업 테이블을 통해 이루어지는 최적 경사각의 결정은, 풍력 터빈의 동작 포인트들에 더욱 기초할 수 있다. 일부 동작 포인트들 하에서, 최적 경사각은 0도로 설정되어 풍력 터빈의 경사 최적화를 실질적으로 불필요하게 할 수 있다.
실시간 계산들 또는 룩업 테이블은 최적화될 수 있으며, 여기서 피드백 제어가 최적 경사각의 결정을 최적화하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 최적 경사각으로 결정된 소정의 경사각에 대해, 전력 출력이 최대 미만인 것으로 및/또는 부하들이 최소로 감소하지 않은 것으로 확인될 수 있는데, 이 경우 피드백이 최적 경사각의 결정을 갱신하는데 사용될 수 있다.
최적 경사각의 결정은 선택적으로 또는 추가적으로 피드백 제어에 기초할 수 있다. 예를 들어, 전력 출력값들이 최적 경사각을 결정하는 피드백으로서 사용될 수 있다.
따라서, 부분 부하에서 풍력 터빈은 기울어질 수 있고 그에 따라 임의의 소정 윈드 시어에 대한 풍력 터빈 상의 모멘트들을 최소화하면서 바람으로부터의 최적 에너지 획득이 달성될 수 있다.
만일 컨트롤러가 풍력 터빈이 완전 부하로 동작하는 것으로 결정하면, 상기 컨트롤러는, 풍력 터빈에서의 또는 그 주변의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들에 기초하여, 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정할 수 있다. 이 경우 풍력 터빈에 대한 최적 경사각은 풍력 터빈 상의 모멘트들을 감소시키도록 결정될 수 있고, 이는 풍력 터빈 내 많은 구성요소들의 피로도를 감소시킨다. 이는 완전 부하에서 풍력 터빈이 상기 풍력 터빈에 대해 평가된 풍속 또는 그 이상의 풍속에 노출되고, 종종 높은 윈드 시어에 노출되기 때문이다.
최적 경사각은 룩업 테이블을 통해 또는 피드백 제어를 통해 또는 이들의 임의의 조합에 의해 결정될 수 있다. 상기 룩업 테이블 메커니즘은 부분 부하 조건들과 관련하여 이전에 설명된 것과 유사한 방식으로 동작하고 참조될 수 있다.
또한 전술한 바와 같이, 수직 윈드 시어는 각각의 날개에서 1P 주파수의 의사-사인파 터빈 날개 루트 모멘트를 야기할 수 있다. 이 경우, 3개의 날개들을 갖는 풍력 터빈에서, 날개 루트 모멘트의 합은 3P 경사 및 요 모멘트들을 발생시킨다. 상기 터빈 날개 루트 휨 모멘트들은 터빈 날개들 상의 하나 이상의 센서들(예를 들어 스트레인 게이지들(strain gauges))에 의해 측정될 수 있고 풍력 터빈 상의 비대칭 부하를 지칭하는 신호들 중 하나로서 그리고 그에 따른 부지 조건들 중의 하나로서 컨트롤러에 제공될 수 있다. 따라서, 컨트롤러는 터빈 날개 루트 휨 모멘트 신호를 포함하는 피드백 루프(feedback loop)에 기초하여 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정할 수 있다. 다시 말해, 상기 풍력 터빈은, 의사-사인파 터빈 날개 루트 휨 모멘트 신호의 크기를 감소시키도록, 최적 경사각으로 이동하거나 기울어질 수 있다.
따라서, 컨트롤러는 의사-사인파 날개 루트 휨 모멘트들을 소정의 임계치(여기서 상기 임계치는 값, 신호, 또는 패턴일 수 있음)와 비교하여 최적 경사각에 도달하였는지 여부를 결정할 수 있다. 만일 사인파 날개 루트 휨 모멘트들이 상기 소정의 임계치보다 큰 경우, 상기 사인파 날개 루트 휨 모멘트들과 상기 소정 임계치 사이의 차를 더욱 감소시키도록, 새로운 최적 경사각이 결정된다.
완전 부하 및/또는 높은 윈드 시어 조건들에서, 최적 경사각은 바람으로부터 몇 도 떨어지게 될(예를 들어, 음의 방향으로 될) 수 있고, 그에 따라 풍력 터빈은 뒤로 기대거나 기울어지는 것처럼 보일 수 있다.
컨트롤러는 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러로 전송할 수 있고, 그에 따라 상기 플랫폼 컨트롤러는 풍력 터빈을 상기 최적 각도로 기울어지도록 상기 플랫폼을 제어하거나 동작할 수 있다. 이전 설명한 바와 같이, 상기 최적 경사각은 상기 플랫폼에 대한 경사 및 회전 각도로 더욱 변환될 수 있다.
능동 밸러스트 시스템을 갖는 부유 플랫폼 상에 탑재된 해상 풍력 터빈의 경우, 플랫폼 컨트롤러는 전형적으로 풍력 터빈의 안정성을 유지하기 위해 상기 플랫폼을 0도로 조절할 것이나. 그러나, 0도의 기준 각도는 컨트롤러(예를 들어, 풍력 터빈 컨트롤러, PPC, SCADA 컨트롤러)로부터 참조(예를 들어, 최적 경사각 또는 변환된 경사 및 회전 각도들)를 취하여 변경될 수 있고, 그에 따라 부유 플랫폼이 풍력 터빈을 요구되는 및 최적 경사각으로 기울어지게끔 할 수 있다.
부유 플랫폼도 상기 부유 플랫폼이 위치되는 물로부터의 움직임 및 힘들에 노출되기 때문에, 이 경우 시스템은 감시를 더 포함할 수 있다. 상기 감시는 해양환경 데이터 및 결정된 최적 경사각을 수신할 수 있고, 현재 또는 미래 해양환경 조건들에서 풍력 터빈을 상기 최적 경사각으로 기울어지게 하는 것이 안전한지 여부를 결정하거나 확인할 수 있다. 상기 감시는 해향환경 조건들에 기초하여 안전상의 이유로 풍력 터빈의 경사각을 제안할 수 있다. 선택적으로 또는 추가적으로, 상기 해양환경 데이터는 최적 경사각 결정을 위한 연산들 또는 룩업 테이블로 공급될 수 있다.
따라서, 능동 밸러스트 시스템을 갖는 부유 풍력 터빈 또는 능동적으로 이동될 수 있는 플랫폼 상에 탑재된 육지 풍력 터빈에 대한 본 발명의 실시예들 및 예들에서, 컨트롤러는 풍력 터빈의 기울어짐 또는 경사각에 대한 제어를 개시하거나 제어할 수 있다. 따라서, 상기 풍력 터빈은 고정된 회전자 경사각 문제들을 효율적으로 "극복"하기 위하여 유리하게 기울어지거나 경사질 수 있다.
수직 윈드 시어의 측정 또는 추정은, 풍력 터빈, 다른 센서들, 또는 예를 들어 날개 부하 센서들과 같은 터빈 부하 측정기들에 위치되거나 그와 이격된, 풍황계측 기상탑 데이터(MET mast data)로부터, 항공라이다 장치들(LiDAR devices)로부터, 또는 레이저 도플러 속도계(laser doppler velocimeter, LDV)로부터 결정될 수 있다. 풍력 터빈에 영향을 주는 풍속은 터빈 데이터로부터(예를 들어, 풍력 터빈의 전력 출력으로부터) 추산되거나 LiDAR(Light Detecting and Ranging) 장치, 풍속계와 같은 다른 센서들에 의해 측정 수 있고, 상기 풍속은 풍력 터빈에서 및/또는 풍력 터빈의 업스트림(upstream)에서 추정되거나 측정될 수 있다.
최적 경사각을 결정하는데 사용될 수 있는 룩업 테이블은 오프라인 또는 온라인에서 계산될 수 있다. 상기 룩업 테이블은 풍력 터빈의 비대칭 부하를 나타내는 신호들 또는 데이터를 사용하여 갱신될 수 있다. 예를 들어, 소정의 경사각에 대하여 사인파 날개 루트 모멘트들이 높은 경우, 룩업 테이블은 상기 조건들에 대한 최적 경사각을 변경하도록 갱신될 수 있다.
PPC 및 SCADA 컨트롤러와 같은 풍력 터빈 컨트롤러는, 상기 실시예들을 독립적으로 구현할 수 있거나, 상기 컨트롤러들 중 둘 이상들 사이에서 상기 실시예들의 제어를 분할할 수 있다.
최적 경사각이 결정되는 빈도는 본 발명의 목적에 따른 임의의 적절한 빈도일 수 있다. 예를 들어, 최적 경사각을 룩업 테이블을 통해 결정하는 경우, 프로세스는 매 10분마다 수행되거나, 임의의 다른 적절한 빈도로 수행될 수 있다. 피드백 제어를 통해 최적 경사각이 결정되는 경우, 신호들은 매 30초마다 샘플링 될 수 있고, 매 1분마다 최적 경사각이 결정될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하는 메커니즘을 설명하며, 여기서 상기 최적 경사각은, 유리하게, 부분 부하 조건들에서 바람으로부터 획득되는 전력을 증가시키는 것을 가능케 하고, 완전 부하 조건들 동안 타워 상의 부하들이 감소되는 것을 가능케 한다.
비록 본 발명의 실시예들이 나타나고 설명되었지만, 그러한 실시예들은 단지 예시적인 방식으로 설명된 것임이 이해될 것이다. 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 첨부의 청구항들에 정의된 바에 기초하여 다양한 변형들, 변화들, 및 대체들을 일으킬 것이다. 따라서, 이하의 청구항들이 모든 그러한 변형들 및 동들물들을 포함하고 본 발명의 사상과 범위 내에 해당하는 것으로 의도된다.
Claims (20)
- 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계;
부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있도록 하는 단계를 포함하는, 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 하나 이상의 수신된 신호들은, 수직 윈드 시어(vertical wind shear), 풍속, 풍향, 파도 조건들, 일기 예보들, 비대칭 부하, 및 요 방향(yaw direction) 중 적어도 하나를 포함하는, 방법. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계; 및
상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 청구항 3에 있어서,
상기 동작 포인트들은 상기 풍력 터빈의 하나 이상의 터빈 날개들의 피치 각도, 회전자 속도, 전력 출력 중 적어도 하나를 포함하는, 방법. - 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 터빈의 기관실이 바라보는 구역(sector)을 확인하는 단계; 및
상기 확인된 구역에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최적 경사각을 결정하는 단계는 룩업 테이블로부터 상기 최적 각도를 확인하는 단계를 포함하는, 방법. - 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 최적 경사각을 결정하는 단계는,
상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들을 소정 임계치와 비교하는 단계; 및
만일 상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치보다 큰 경우, 상기 최적 경사각을, 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치와 근접하거나 그 미만이 되도록 하는 경사각으로 결정하는 단계를 포함하는, 방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호는, 하나 이상의 터빈 날개들에 대한 하나 이상의 터빈 날개 루트 휨 모멘트들(turbine blade root bending moments)인, 방법. - 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
해양환경 데이터에 관한 하나 이상의 신호들을 수신하는 단계; 및
해양환경 데이터에 관한 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 상기 결정된 경사각을 제한하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
피드백 제어에 기초하여 상기 최적 경사각의 상기 결정을 최적화하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 전술한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정된 최적 경사각을 경사 및 회전 각도로 변환하는 단계; 및
상기 경사 및 회전 각도를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 제1 입력;
부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여, 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하도록 구성된 제1 프로세서; 및
상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있게 하도록 구성된 제1 출력을 포함하는, 컨트롤러. - 청구항 12에 있어서,
상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 제2 입력을 더 포함하고,
상기 제1 프로세서는, 상기 풍력 터빈의 동작 포인트들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하도록 더욱 구성되는, 컨트롤러. - 청구항 12 또는 13에 있어서,
상기 풍력 터빈의 기관실이 바라보는 구역(sector)을 확인하도록 구성된 제2 프로세서를 더 포함하고,
상기 제1 프로세서는, 상기 확인된 구역에 더욱 기초하여 상기 최적 경사각을 결정하도록 더욱 구성되는, 컨트롤러. - 청구항 12 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 프로세서는 룩업 테이블로부터 상기 최적 각도를 확인하도록 더욱 구성되는, 컨트롤러. - 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 하나 이상의 신호들을 소정 임계치와 비교하도록 구성된 제3 프로세서를 더 포함하고,
상기 제1 프로세서는, 만일 상기 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치보다 큰 경우, 상기 최적 경사각을, 부지 조건들을 나타내는 상기 수신된 신호가 상기 소정 임계치와 근접하거나 그 미만이 되도록 하는 경사각으로 결정하도록 더욱 구성되는, 컨트롤러. - 청구항 12 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
해양환경 데이터에 관한 하나 이상의 신호들을 수신하도록 구성된 제2 입력; 및
해양환경 데이터에 관한 상기 수신된 하나 이상의 신호들에 기초하여 상기 결정된 경사각을 제한하도록 구성된 제4 프로세서를 더 포함하는, 컨트롤러. - 청구항 12 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
피드백 제어에 기초하여 상기 최적 경사각의 상기 결정을 최적화하도록 구성된 제5 프로세서를 더 포함하는, 컨트롤러. - 청구항 12 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정된 최적 경사각을 경사 및 회전 각도로 변환하도록 구성된 제6 프로세서; 및
상기 경사 및 회전 각도를 상기 플랫폼 컨트롤러에 전송하도록 구성된 제2 출력을 더 포함하는, 컨트롤러. - 풍력 터빈에서의 및/또는 상기 풍력 터빈 부근에서의 부지 조건들을 나타내는 하나 이상의 신호들을 수신하는 것;
부지 조건들을 나타내는 상기 하나 이상의 수신된 신호들에 기초하여 상기 풍력 터빈에 대한 최적 경사각을 결정하는 것; 및
상기 결정된 최적 경사각을 플랫폼 컨트롤러에 전송하여 상기 풍력 터빈이 상기 최적 경사각으로 기울어질 수 있도록 하는 것을 포함하는, 컴퓨터로 판독 가능한 실행 코드를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201261675883P | 2012-07-26 | 2012-07-26 | |
| US61/675,883 | 2012-07-26 | ||
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