KR20150038617A - 부유 풍력 터빈 안전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 부유 풍력 터빈은 하나 이상의 센서(202,203)를 포함하고, 센서(202)로부터 전후방 경사 신호를 수신하는데, 전후방 경사 신호는 전후방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 경사를 나타낸다. 측방-대-측방 경사 신호도 센서(203)로부터 수신되는데, 측방-대-측방 경사 신호는 측방-대-측방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 경사를 나타낸다. 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터는 상기 전후방 경사 및 상기 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 변경된다.
Description
본 발명은 풍력 터빈 안전 시스템에 관한 것으로서, 특히 부유 풍력 터빈 안전 시스템에 관한 것이다.
전력을 발생시키도록 풍력 에너지를 효과적으로 이용하는 풍력 터빈은 전력을 발생시키는 전통적인 방법들에 대한 대체 에너지로서 점점 인기가 높아지고 있다. 적절한 크기의 전력을 발생시키기 위하여, 풍력 터빈들은 종종 풍력 플랜트로서 지칭되는 커다란 그룹으로 함께 위치된다. 풍력 플랜트는 수십개의 풍력 터빈으로부터 수백개의 풍력 터빈으로 또는 심지어 미래에는 수천개의 풍력 터빈으로 크기가 변화될 수 있다.
통상적으로, 풍력 플랜트들은 가용의 풍력 에너지가 안정된 발전에 적절한 영역에서 지상에 위치되었다. 그러나, 더 많은 풍력 단지(wind farm)들이 세워지므로, 안정된 수준의 전력 발생을 가능하게 하는 적절한 바람의 유동(예를 들어, 바람의 흐름이 언덕, 나무, 빌딩등에 의해 영향받지 않는 바람의 유동)을 제공하는 지상의 적절한 가용 위치들이 적어진다.
따라서, 예를 들어 대양, 바다, 호수등과 같이 풍력 단지를 해안을 벗어나게 위치시키는 움직임이 있다. 이것은 인구 밀집 지역 및 장애물로부터 벗어나 있으므로 바람 유동이 항상 차단되지 않는 몇가지 장점을 가진다.
현재, 풍력 터빈들은 적절한 기초 구조를 필요로 하는 매우 크고 무거운 구조체이다. 이것은 지상에 위치된 풍력 터빈들에는 문제가 되지 않지만, 해안을 벗어나서 위치된 풍력 터빈들에는 문제가 된다.
비록 이론적으로는 해저에 터빈들을 장착하는 것이 상대적으로 얕은 물에서만 가능하고, 예를 들어 30 미터의 수심까지만 가능할지라도, 얕은 물에서 각각의 풍력 터빈은 해저에 있는 기초상에 장착될 수 있거나 그러한 기초를 가질 수 있다. 그러나, 최대 30 미터까지의 수심은 일반적으로 해안에 가까우며 대도시에 가깝게 위치된 대부분의 연안 위치들에서 해저는 매우 급속하게 100 m 보다 큰 깊이로 강하하는 경향이 있으며, 예를 들어 미국의 동부 연안이 그러하다.
따라서, 풍력 터빈을 해저에 장착하는 것이 실행 불가능한, 해안에서 더 벗어난 위치 또는 해저에 기초를 제공할 수 없는 해안에 가까운 위치에서 풍력 터빈을 부양시킬 수 있는 소망이 있다.
따라서, 부유 플랫폼(floating platform)상에 풍력 터빈들을 장착시키려는 움직임이 있다.
부유 풍력 터빈은 그것에 작용하는 당야한 힘들을 겪게 되는데, 예를 들어, 풍력, 풍력 터빈의 시동시의 추가적인 힘, 파도 및 물의 움직임등을 겪게 된다. 부유 풍력 터빈은 실질적으로 똑바로 유지되고 안전 허용 오차내에 유지되는 것이 중요하다. 부유 플랫폼은 플랫폼의 움직임이 안전 허용 오차(safety tolerance)내에 있는 것을 보장하도록 통상적으로 플랫폼의 움직임을 모니터하는 메카니즘을 가진다.
그러나, 본 발명자들은 플랫폼 안전 시스템들과 독립적으로 또는 협동하여 작동하는 안전 제어 시스템들을 터빈 자체에 포함시킬 필요성을 인식하였다.
본 발명은 위에서 설명된 필요성 및 단점들중 적어도 부분적으로, 일부 또는 전부를 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 부유 풍력 터빈이 하나 이상의 센서들을 포함하는 부유 풍력 터빈의 안전 시스템을 작동시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은: 센서로부터 전후방 경사 신호를 수신하는 단계로서, 전후방 경사 신호는 전후방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는, 수신 단계; 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 센서로부터 수신하는 단계; 및, 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호중 어느 한쪽 또는 양쪽에 기초하여 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키는 단계;를 포함한다.
따라서 본 발명이 유리하게는 풍력 터빈의 작동 파라미터들이 풍력 터빈의 경사에 기초하여 변경되는 부유 풍력 터빈의 안전 시스템이 구현될 수 있게 한다. 하나 이상의 센서들은 예를 들어 롤 센서 및/또는 틸트 센서와 같은 그 어떤 센서들일 수 있으며, 이들은 풍력 터빈의 경사를 측정할 수 있고 그러한 목적을 위한 분리된 장치들일 수 있거나, 또는 광 검출 및 레인징(Light Detecting and Ranging; LiDAR) 장치와 같은 다른 장치들의 일부이거나 그것과 조합될 수 있다.
상기 방법은 하드웨어로, 소트트웨어로 또는 이들의 그 어떤 조합으로도 구현될 수 있다. 상기 방법은 부유 풍력 터빈에서 하나 또는 그 이상의 콘트롤러들에 의해 구현될 수 있다.
풍력 터빈에 대하여, 전후방 방향은 (허브 및 블레이드들이 장착되는) 나셀의 전방으로부터 나셀의 후방으로의 라인을 따르는 전방/후방 방향으로서 간주될 수 있다. 따라서, 나셀이 요우(yaw) 운동을 할 때 전후방 방향은 나셀의 전방에 대하여 전방/후방 방향으로서 항상 간주되도록 전후방 방향이 나셀을 따른다.
측방-대-측방 방향은 전후방 방향에 직각인 방향으로서 간주될 수 있으며, 다시, 나셀이 요우 운동할 때, 측방-대-측방 방향은 나셀을 따른다.
상기 방법은 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하는 단계; 및 만약 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호가 미리 정해진 쓰레숄드보다 더 크다면 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
따라서, 전후방 방향 및/또는 측방-대-측방 방향에서의 풍력 터빈의 경사는 풍력 터빈의 작동 파라미터들을 변경시켜야 하는지 여부를 판단하도록 미리 정해진 쓰레숄드와 비교될 수 있다. 미리 정해진 쓰레숄드는 부유 풍력 터빈을 위한 미리 정해진 안전 한계일 수 있다. 쓰레숄드는 수직 또는 수평 평면으로부터의 각도일 수 있다.
상기 방법은 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호에 기초하여 부유 풍력 터빈을 위한 전체적인 경사 신호를 판단하는 단계; 부유 풍력 터빈의 전체적인 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하는 단계; 및 만약 전체적인 경사 신호가 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 상기 방법은 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호 양쪽을 조합하거나 또는 평가함으로써 풍력 터빈의 전체적인 경사 값을 판단할 수 있다. 풍력 터빈의 전체적인 경사는 이후에 미리 정해진 쓰레숄드와 비교될 수 있어서 풍력 터빈의 작동 파라미터들을 변경시킬지 여부를 판단한다. 미리 정해진 쓰레숄드는 부유 풍력 터빈의 미리 규정된 안전 한계일 수 있다. 쓰레숄드는 수직 평면 또는 수평 평면으로부터의 각도일 수 있다.
미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈의 경사에 대한 경계 형상을 정할 수도 있다. 예를 들어, 풍력 터빈의 움직임은 타원 경로를 반영하거나 대응할 수 있으므로 경계는 타원 형상을 한정할 수 있다. 따라서, 경사는 미리 정해진 경계에 비교되어 풍력 터빈이 미리 규정된 안전 한계들보다 더 크게 경사지는지 여부를 판단할 수 있다.
미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈의 위치에서 풍력 터빈에 영향을 미치는 조건, 힘들에 기초하여 변경될 수 있고, 예를 들어, 하나 이상의 예상 데이터, 조건들의 모델들, 경험적 데이터, 풍력 터빈이 전개되었다면 실제 데이터등에 기초할 수 있다.
상기 방법은 미리 정해진 쓰레숄드를 변경시키는 단계들을 더 포함할 수 있다. 미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈의 위치에서 풍력 터빈에 작용하는 힘 및 조건들에 따라서 또는 계절적인 변화에 기인하여 그 어느 때라도 변경될 수 있다. 미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈의 콘트롤러에 의해 자동적으로 변경될 수 있다. 그러한 경우에, 콘트롤러는 적절하게 미리 정해진 쓰레숄드를 자동적으로 선택하기 위하여 미리 정해진 쓰레숄드 및 조건들의 순람표(look up table)를 참조할 수 있다.
상기 방법은 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 예상된 조건들, 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 실제 조건들 및 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 경험적인 조건들중 하나 이상에 기초하여 미리 정해진 쓰레숄드를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
부유 풍력 터빈의 작동 파라미터의 변경 단계는 부유 풍력 터빈의 작동 중지를 개시하는 단계를 더 포함한다.
따라서, 만약 풍력 터빈의 경사가 미리 정해진 쓰레숄드보다 더 크다면, 풍력 터빈의 작동 파라미터들이 변경될 수 있으며, 이것은 풍력 터빈이 더욱 기울어져서 궁극적으로 쓰러지는 것을 방지하도록 안전상의 이유로 풍력 터빈의 작동 중지의 개시를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안으로서, 풍력 터빈의 다른 작동 파라미터들은 풍력 터빈의 경사에 맞대응하도록 변경될 수 있는데, 예를 들어, 풍력 터빈상의 부하/힘을 감소시키도록 피치 제어 시스템을 통하여 터빈 블레이드들의 피치를 변경시키고, 풍력 터빈상의 부하/힘을 감소시키도록 요우 제어 시스템(yaw control system)을 통하여 나셀의 방향을 변경시키는 등과 같은 것이다.
센서는 제 1 경사계 및 제 1 가속도계를 포함할 수 있으며, 상기 방법은: 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 1 경사 신호를 제 1 경사계로부터 수신하는 단계; 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 1 가속도 신호를 제 1 가속도계로부터 수신하는 단계; 및, 수신된 제 1 경사 신호 및 제 2 가속도 신호에 기초하여 전후방 경사 신호를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
센서는 전후방 방향에서의 경사를 판단하기 위한 틸트 센서 또는 다른 센서일 수 있다. 센서는 경사계 및 가속도계를 포함할 수 있다. 경사 신호는 경사계로부터 수신될 수 있고, 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 경사를 나타낸다. 경사는 부유 풍력 터빈에 작용하는 힘 및 움직임에 기인하여 부유 풍력 터빈이 정지 상태이지 않거나 또는 일정한 속도로 움직일 때의 표시이다. 따라서 경사계에 의해 측정된 이론적인 경사일 수 있다. 부유 풍력 터빈상에 작용하는 힘 및 움직임을 고려하기 위하여, 가속도 신호는 전후방 방향에서의 가속도와 관련하여 가속도계로부터 수신된다. 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 실제 경사(또는 그것의 양호한 근사치)에 해당하는 전후방 경사 신호는 전후방 방향에서의 수신된 경사 신호 및 가속도 신호에 기초하여 판단될 수 있다.
센서는 제 2 경사계 및 제 2 가속도계를 더 포함할 수 있으며, 방법은: 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 2 경사 신호를 제 2 경사계로부터 수신하는 단계; 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 2 가속도 신호를 제 2 가속도계로부터 수신하는 단계; 및 수신된 제 2 경사 신호 및 제 2 가속도 신호에 기초하여 측방-대-측방 경사 신호를 판단하는 단계;를 포함한다.
센서는 롤 센서(roll sensor) 또는 측방-대-측방 방향에서의 경사를 판단하기 위한 다른 센서일 수 있다. 센서는 경사계 및 가속도계를 포함할 수 있다. 경사 신호는 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 경사계로부터 수신될 수 있다. 경사는 부유 풍력 터빈에 작용하는 힘 및 움직임에 기인하여 부유 풍력 터빈이 정지 상태에 있지 않거나 또는 일정한 속도로 움직일 때의 표시이다. 따라서 경사계에 의해 측정된 경사는 이론적인 경사로서 간주될 수 있다. 부유 풍력 터빈에 작용하는 힘 및 움직임을 고려하기 위하여 가속도 신호는 측방-대-측방 방향에서의 가속도와 관련하여 가속도계로부터 수신된다. 측방-대-측방 경사 신호는 측방-대-측방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 실제 경사(또는 그것의 양호한 근사치)에 대응하며, 측방-대-측방 방향에서의 수신된 경사 신호 및 가속도 신호에 기초하여 판단될 수 있다.
제 1 및 제 2 경사계는 동일한 경사계일 수 있거나 또는 상이한 경사계일 수 있다. 마찬가지로, 제 1 및 제 2 가속도계는 동일한 가속도계일 수 있거나 또는 상이한 가속도계일 수 있다.
전후방 경사 신호를 판단하는 단계는 일정한 이득으로 제 1 가속도 신호를 곱하는 단계 및, 제 1 경사 신호로부터 일정한 이득에 의해 곱해진 제 1 가속도 신호를 차감하는 단계를 더 포함할 수 있다.
측방-대-측방 경사 신호를 판단하는 단계는 일정한 이득으로 제 2 가속도 신호를 곱하는 단계 및, 제 2 경사 신호로부터 일정한 이득으로 곱해진 제 2 가속도 신호를 차감하는 단계ㅣ를 더 포함할 수 있다.
가속도 신호는 풍력 터빈이 전개되거나 또는 놓인 위치에서 풍력 터빈의 요건들에 안전 시스템을 효과적으로 튜닝하기 위하여 일정한 이득으로 곱해질 수 있다. 일정한 이득은 풍력 터빈의 위치에서 풍력 터빈에 영향을 미치는 조건, 힘등에 기초하여 튜닝될 수 있고, 일정한 이득은 예를 들어 하나 이상의 예측 데이터, 조건의 모델들, 경험적인 데이터, 풍력 터빈이 전개되었다면 실제 데이터등에 기초할 수 있으므로 현저한 장점이 제공된다.
방법은 일정한 이득을 튜닝하는 단계들을 더 포함할 수 있다. 일정한 이득은 풍력 터빈의 위치에서 풍력 터빈에 작용하는 조건 및 힘들에 따라서 또는 계절적인 변화에 기인하여 그 어느 때라도 변화될 수 있고 미세 조정될 수 있다. 일정한 이득은 풍력 터빈의 콘트롤러에 의해 자동적으로 미세 조정될 수 있다. 이러한 경우에, 콘트롤러는 적절한, 일정한 이득을 자동적으로 선택하기 위하여 일정한 이득 및 조건들의 순람표를 참조할 수 있다.
방법은 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 하나 이상의 예측 조건ㄷ르, 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 실제 조건들 및 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 경험적인 조건들에 기초하여 일정한 이득을 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
방법은 제 1 경사 신호, 제 2 경사 신호, 제 1 가속도 신호, 제 2 가속도 신호, 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호중 하나 이상을 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
안전 시스템의 신호는 안전 시스템의 정확도를 증가시키고 그리고/또는 다양한 신호들의 원치 않거나 무용한 성분들의 효과를 감소시키기 위하여 저역 필터 및/또는 고역 필터들에 의해 필터링될 수 있다. 그러나, 필터들의 이용은 부유 풍력 터빈의 경사를 판단하는 프로세서에 지체 또는 지연을 도입할 수 있다. 따라서, 실제 경사가 실질적인 지연 없이 쓰레숄드 위에 있을 때 풍력 터빈을 작동 중지시키는 성능 및 필터들에 의해 도입된 지체가 안전 시스템에 해롭지 않을 것을 보장하는 필터들의 설계가 고려될 필요가 있다.
하나 이상의 센서들은 제 3 가속도계를 더 포함할 수 있고, 방법은 Z 축(또는 수직 평면)에서의 가속도를 나타내는 제 3 가속도 신호를 수신하는 단계 및, 제 3 가속도 신호에 기초하여 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호를 판단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
Z 축에서의 가속도는 작을 수 있고 낮은 주파수이며 따라서 안전 시스템의 정확도 및 효율에 작은 효과를 가진다. 그러나, 부유 풍력 터빈이 위치하는 물의 움직임 때문에 부유 풍력 터빈은 수직 평면에서도 움직일 것이므로 Z 축에서의 가속도의 고려는 유리할 수 있다. 따라서, 수직 방향에서의 가속도에 기초하여 부유 풍력 터빈의 경사를 판단하는 것은 안전 시스템의 정확도를 향상시킬 수 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 가속도계는 동일한 가속도계일 수 있거나, 상이한 가속도계일 수 있거나 또는 그것의 그 어떤 조합일 수 있다. 예를 들어, 만약 가속도계가 3 축 가속도계라면, 3 축들 각각에 대한 가속도 신호가 가속도계에 의해 제공될 수 있다.
본 발명의 제 2 양상에 따르면, 부유 풍력 터빈이 제공되는데, 이것은 하나 이상의 센서들; 전후방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 전후방 경사 신호를 센서로부터 수신하도록 적합화된 제 1 프로세서; 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 센서로부터 수신하도록 적합화된 제 2 프로세서; 및 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경하도록 적합화된 제 3 프로세서;를 포함한다.
본 발명의 제 3 양상에 따르면, 부유 풍력 터빈이 제공되는데, 이것은 전후방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 전후방 경사 신호를 센서로부터 수신하기 위한 수단; 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 센서로부터 수신하는 수단; 및 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경하는 수단;을 포함한다.
본 발명을 구현하는 수단은 하나 이상의 콘트롤러들, 하나 이상의 프로세서들일 수 있으며, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 그 어떤 조합일 수 있다.
부유 풍력 터빈은 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하도록 적합화된 제 4 프로세서;를 더 포함할 수 있고, 만약 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호가 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면 제 3 프로세서는 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키도록 더 적합화된다.
부유 풍력 터빈은 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호에 기초하여 부유 풍력 터빈을 위한 전체적인 경사 신호를 판단하도록 적합화된 제 5 프로세서; 부유 풍력 터빈을 위한 전체적인 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하도록 적합화된 제 6 프로세서;를 더 포함할 수 있고, 만약 전체적인 경사 신호가 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키도록 제 3 프로세서가 더 적합화된다.
제 3 프로세서는 부유 풍력 터빈 작동 중지를 개시함으로써 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시킬 수 있다.
센서는 제 1 경사계 및 제 1 가속도계를 포함할 수 있고; 제 1 프로세서는 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 1 경사 신호를 제 1 경사계로부터 수신하고; 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 1 가속도 신호를 제 1 가속도계로부터 수신하고; 수신된 제 1 경사 신호 및 제 1 가속도 신호에 기초하여 전후방 경사 신호를 판단하도록 더 적합화될 수 있다.
센서는 제 2 경사계 및 제 2 가속도계를 더 포함할 수 있고; 제 2 프로세서는 측방-대-측방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 2 경사 신호를 제 2 경사계로부터 수신하고; 측방-대-측방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 2 가속도 신호를 제 2 가속도계로부터 수신하고; 수신된 제 2 경사 신호 및 제 2 가속도 신호에 기초하여 측방-대-측방 경사 신호를 판단하도록 더 적합화될 수 있다.
제 1 프로세서는 일정한 이득으로 제 1 가속도 신호를 곱하고; 일정한 이득으로 곱해진 제 1 가속도 신호를 제 1 경사 신호로부터 차감하도록 더 적합화될 수 있다.
제 2 프로세서는 일정한 이득으로 제 2 가속도 신호를 곱하고; 일정한 이득으로 곱해진 제 2 가속도 신호를 제 2 경사 신호로부터 차감하도록 더 적합화될 수 있다.
부유 풍력 터빈은 제 7 프로세서를 더 포함할 수 있으며, 제 7 프로세서는 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 하나 이상의 예측된 조건들, 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 실제 조건들 및, 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 경험적 조건들에 기초하여 일정한 이득을 판단하도록 적합화된다.
부유 풍력 터빈은 하나 이상의 필터링 수단을 더 포함할 수 있는데, 이것은 제 1 경사 신호, 제 2 경사 신호, 제 1 가속도 신호, 제 2 가속도 신호, 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호중 하나 이상을 필터링하도록 적합화된다.
하나 이상의 센서들은 제 3 가속도계를 더 포함할 수 있고, 부유 풍력 터빈은 Z 축(또는 수직 평면)에서의 가속도를 나타내는 제 3 가속도 신호를 수신하도록 적합화된 제 8 프로세서를 더 포함할 수 있고; 제 2 프로세서 및/또는 제 3 프로세서는 제 3 가속도 신호에 기초하여 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호를 판단하도록 더 적합화될 수 있다.
제 1, 제 2 및 제 3 가속도계들은 동일한 가속도계, 상이한 가속도계 또는 이들의 그 어떤 조합일 수도 있다. 예를 들어, 만약 가속도계가 3 축 가속도계라면, 3 축들 각각에 대한 가속도 신호가 가속도계에 의해 제공될 수 있다.
부유 풍력 터빈은 본 발명의 특징들, 프로세서들 및 기능들의 전부 또는 임의의 것을 구현하도록 적합화될 수 있는 그 어떤 수단, 장치, 소프트웨어 또는 하드웨어 또는 임의의 조합을 더 포함할 수 있다.
제 1 내지 제 8 프로세서는 동일한 프로세서일 수 있거나, 상이한 프로세서일 수 있거나 또는 이들의 그 어떤 조합일 수도 있다.
본 발명의 제 4 양상에 따르면 콤퓨터에서 독출 가능 및 실행 가능한 코드를 포함하는 콤퓨터 프로그램 제품이 제공되는데, 상기 코드는, 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 전후방 경사 신호를 센서로부터 수신하고; 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 센서로부터 수신하고; 전후방 경사 신호 및 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들은 이제 오직 하나의 예로서만 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 부유 풍력 터빈의 개략도를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 많은 실시예들에 다른 부유 풍력 터빈의 나셀(nacelle)의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 2 는 본 발명의 많은 실시예들에 다른 부유 풍력 터빈의 나셀(nacelle)의 단순화된 개략도를 도시한다.
도 1 을 참조하면, 부유 풍력 터빈(101)은 특히 부유 플랫폼(102) 및, 상기 부유 플랫폼(102)상에 위치된 풍력 터빈(103)을 구비할 수 있다.
도 1 에서, 부유 플랫폼(102)은 단순화되어 도시되고 전체적으로 박스로서 도시되어 있는데, 현재 부유 플랫폼의 몇가지 디자인이 존재하고 미래에 더 많은 것이 설계될 수 있을 것이다. 본 발명의 실시예들은 부유 플랫폼(102)의 그 어떤 유형 또는 디자인과도 작동될 수 있다. 예를 들어, 공지의 부유 플랫폼(102)은 부표(buoy) 유형의 플랫폼, 상호 연결된 부유 칼럼등을 포함할 수 있다.
부유 플랫폼(102)은 플랫폼 움직임이 필요하거나 한정된 안전 한계내에 있음을 보장하는 안전 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 플랫폼(102)은 센서, 능동 밸러스트 시스템(active ballast system)의 일부 형태등을 포함할 수 있다. 그러나, 플랫폼에 작용하는 다양한 힘들에 응답하는 플랫폼(102)의 응답은 느릴 수 있다. 예를 들어, 플랫폼의 능동 균형 시스템의 경우에, 플랫폼에 작용하는 힘들에 대응하도록 밸러스트가 능동적으로 움직이는데 30 분의 범위가 소요될 수 있다. 더욱이, (예를 들어 수직에 대한 경사와 관련하여) 플랫폼에 대한 안전 허용 오차는 풍력 터빈의 안전 허용 오차와 상이할 수 있다.
따라서, 풍력 터빈이 플랫폼 안전 시스템에 의존적이지 않고 정확한 조치가 필요하다는 점을 식별하거나 독립적으로 판단할 수 있도록, 예를 들어 풍력 터빈의 작동 조건을 변경하거나 특히 풍력 터빈의 작동 중단을 시작하도록, 플랫폼의 그 어떤 안전 시스템들에 추가하거나 또는 그와 함께 작용하는, 풍력 터빈의 추가적인 안전 시스템에 대한 필요성이 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 만약 풍력 터빈(103)이 안전 한계를 지나서 경사진다면 풍력 터빈(103)을 작동 중단시키거나 또는 작동 파라미터들을 변경시킬 수 있도록 (부유 풍력 터빈(101)의 플랫폼(102)과 분리되거나 또는 그것에 추가하여) 풍력 터빈에서 하나 이상의 안전 시스템들을 포함하는 것이 부유 풍력 터빈(101)을 위하여 유리할 것이다.
안전 시스템은 전후(fore-aft) 방향 및 측방 대 측방(side-to-side) 방향에서 풍력 터빈(103)의 경사를 판단하기 위한 메카니즘을 구비한다. 풍력 터빈에 대하여, 풍력 터빈에 대하여, 전후방 방향은 (허브 및 블레이드가 장착되는) 나셀(nacelle)의 전방으로부터 나셀의 후방으로 선을 따르는 전방/후방 방향이다. 따라서, 나셀이 요우(yaw)로 움직이면, 전후방 방향은 나셀을 따라감으로써 항상 전방 방향/후방 방향으로서 간주된다. 측방-대-측방 방향은 전후방 방향에 직각인 방향이며, 나셀이 요우 움직임을 하면 측방-대-측방 방향은 나셀을 따라간다.
풍력 터빈이 물에 부유할 때 안전 시스템은 부유 풍력 터빈의 실제 경사를 식별하거나 또는 판단하기 위하여 힘과 움직임(예를 들어, 파도의 힘/움직임, 풍력, 작동력 등)을 고려하여야 한다.
도 2 를 참조하면, 이것은 본 발명에 다른 나셀(201)의 단순화된 개략도를 도시하며, 부유 풍력 터빈의 나셀(201)은 하나 또는 그 이상의 센서들을 포함하고, 예를 들어 틸트 센서(tilt sensor, 202) 및 롤 센서(roll sensor, 203)를 포함하고, 상기 센서들은 전후방 방향 및 측방-대-측방 방향에서 각각 부유 풍력 터빈의 경사를 판단하는데 이용될 수 있다.
전후방 방향 및 측방-대-측방 방향에서의 경사를 측정하는 하나의 센서 또는 풍력 터빈의 경사가 측정될 수 있게 하는 센서들의 세트(set)가 있을 수 있다.
(풍력 터빈상에 작용하는 힘을 고려하는) 전후방 방향 및 측방-대-측방 방향에서의 실제 경사는 나셀에 있는 센서(202,203)로부터의 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호에 대응할 수 있거나, 또는 풍력 터빈상에 작용하는 힘 및 움직임(예를 들어, 파도의 힘, 바람의 힘 등)을 고려하여 전후방 경사 신호 및/또는 측방-대-측방 경사 신호의 프로세싱을 더 필요로 할 수 있다.
실제 경사는 풍력 터빈의 파라미터가 변경될 필요가 있는지의 여부, 예를 들어, 안전상의 이유로 풍력 터빈을 작동 중지해야 하는지의 여부를 판단하는데 이용될 수 있다. 특히, 만약 부유 풍력 터빈이 수직으로부터 또는 수평으로부터 미리 정해진 쓰레숄드보다 더욱 경사진다면, 풍력 터빈은 안전상의 이유로 작동 중지되어야 하거나 또는 풍력 터빈의 다른 작동 파라미터들이 변경된다 (예를 들어, 요우 제어 시스템(yaw control system), 피치 제어 시스템(pitch control system) 등).
미리 정해진 쓰레숄드는 본 발명의 안전 시스템의 목적을 위한 그 어떤 적절한 쓰레숄드일 수 있다.
예를 들어, 미리 정해진 쓰레숄드는 전후방 방향에서의 경사(전후방 경사)에 대한 하나의 쓰레숄드 값 및 측방-대-측방 방향에서의 경사(측방-대-측방 경사)에 대한 하나의 쓰레숄드 값일 수 있다. 따라서, 이러한 예에서, 전후방 방향 및/또는 측방-대-측방 방향에서 수직 또는 수평으로부터의 경사는 풍력 터빈이 작동 중지되어야 하는지의 여부를 판단하도록 쓰레숄드 값과 비교될 수 있다. 방향들 각각에 대한 상이한 쓰레숄드 값들이 있을 수 있거나, 또는 동일한 쓰레숄드 값일 수 있다. 쓰레숄드 값은 수직 또는 수평으로부터의 각도일 수 있다.
쓰레숄드는 상기의 예에서와 같이 단일의 값일 수 있거나, 또는 대안으로서 예를 들어 타원 형상 경계와 같은 경계를 한정할 수 있다. 전후방에서의 경사는 풍력 터빈 경사의 단일의 조합된 값을 결정하도록 측방-대-측방 방향에서의 경사와 조합될 수 있거나 또는 평가될 수 있으며, 이것은 풍력 터빈이 허용된 안전 한계보다 더 경사지는지의 여부를 판단하기 위하여 미리 정해진 타원형 경계와 비교될 수 있다.
이해되는 바와 같이, 풍력 터빈이 수직 또는 수평으로부터 경사지는지 여부를 판단하는데 이용되는 미리 정해진 쓰레숄드(들)는 구분된 값일 수 있거나 또는 형상화된 경계를 한정할 수 있는 그 어떤 적절한 미리 정해진 쓰레숄드일 수 있다.
미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈의 위치에서 풍력 터빈에 영향을 미치는 힘, 조건등에 기초하여 변경될 수 있고, 예를 들어, 하나 이상의 예상 데이타, 조건의 모델, 경험적인 데이터(historical data) 또는 풍력 터빈이 전개되었다면 실제 데이터에 기초할 수 있다.
미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈 위치에서 풍력 터빈에 작용하는 힘과 조건에 따라서 또는 계절적인 변화에 기인하여 그 어느 때라도 변경될 수 있다. 미리 정해진 쓰레숄드는 풍력 터빈에 있는 콘트롤러에 의해 자동적으로 변경될 수 있다. 그러한 경우에, 콘트롤러는 적절한 미리 정해진 쓰레숄드를 자동적으로 선택하기 위하여 미리 정해진 쓰레숄드 및 조건들의 순람표(look-up table)를 참조할 수 있다. 미리 정해진 쓰레숄드의 판단은 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 예측된 조건들, 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 실제 조건들 및 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 경험적 조건들중 하나 이상에 추가적으로 또는 대안으로서 기초할 수 있다.
단일의 경사 값(전후방 경사, 또는 측방-대-측방 경사 또는 이들의 조합)은 경사가 변경될 풍력 터빈의 작동 파라미터들 및 쓰레숄드보다 큰지 여부를 판단하도록 쓰레숄드와 비교된다. 그러나, 안전 시스템의 효율 및 효과을 증가시키기 위하여, 미리 결정된 시간 주기 동안 경사가 쓰레숄드보다 큰지를 추가적으로 점검할 수 있다. 실시예들은 안전 시스템에 대한 것이므로, 미리 결정된 시간 기간은 예를 들어 1 초, 2 초, 3 초등과 같은 것일 수 있으며, 바람직스럽게는 만약 풍력 터빈이 미리 정해진 안전 한계보다 더 크게 경사진다면 정확한 작용이 개시될 수 있을 정도로 짧은 시간 기간이지만, 잘못된 측정이 예를 들어 작동 중지와 같은 작용이 불필요하게 개시되지 않게 할 정도로 긴 시간 기간일 수 있다.
따라서, 많은 실시예들에서 풍력 터빈의 경사는 하나 이상의 센서들로부터 판단될 수 있고, 이것은 다음의 실시예들에서 풍력 터빈내의 틸트 센서(tilt sensor) 및/롤 센서(roll sensor)(202,203)이다. 풍력 터빈의 작동에 안전한 것보다 더 크게 수직으로부터 (또는 수평으로부터) 풍력 터빈이 경사지는 경우에, 풍력 터빈이 작동 중지되어야 하는지의 여부 또는 다른 작동 파라미터들이 변경되어야 하는지의 여부를 식별하기 위하여, 센서들로부터의 측정치들이 프로세싱될 수 있다.
틸트 센서(202) 및 롤 센서(203)가 바람직스럽게는 풍력 터빈의 나셀(nacell) 안에 위치되지만 본 발명의 목적을 위하여 풍력 터빈 안의 그 어떤 적절한 위치에 위치될 수 있다. 바람직스럽게는, 틸트 센서 및 롤 센서가 나셀을 지지하는 타워의 중심과 정렬되어 위치된다.
풍력 터빈이 물에 떠 있으면서 다양한 힘과 작용을 겪는 동안 틸트 센서(202) 및 롤 센서(203)는 전후방 방향 및 측방-대-측방 방향에서 풍력 터빈의 실제 경사를 판단할 목적에 적절한 다양한 센서들을 이용하여 구현될 수 있다.
그러나, 풍력 터빈의 안전 시스템을 위한 구현이므로, 튼튼하고 신뢰성이 있게 구현되어야 한다. 따라서, 많은 실시예들에서 틸트 센서(202) 및 롤 센서(203)는 튼튼하고 신뢰성 있는 경사계(inclinometer, 206,208) 및 가속도계(205,207)를 이용하여 구현된다.
풍력 터빈의 나셀(201)은 장비, 기계류, 전자 부품, 유압기등의 많은 양을 포함하며, 이것은 용이한 참조 및 단순화를 위해서 도 2 에서 생략되어 있다.
나셀(201)은 특히 가속도계(205) 및 경사계(206)를 포함하는 틸트 센서(202), 가속도계(207) 및 경사계(208)를 포함하는 롤 센서(203) 및, 적어도 하나의 콘트롤러(204)를 구비한다. 틸트 센서(202), 롤 센서(203) 및 적어도 하나의 콘트롤러(204)는 부유 풍력 터빈을 위한 안전 시스템을 형성한다.
이러한 예에서, 틸트 센서(202), 롤 센서(203) 및 콘트롤러(204)는 풍력 터빈의 나셀(201)에 도시되어 있다. 그러나, 이해될 바로서, 안전 시스템의 구성 요소들은 풍력 터빈의 타워, 풍력 터빈의 허브(hub) 또는 본 발명의 실시예들의 여러 목적을 위해서 적절한 풍력 터빈 안의 그 어떤 다른 지점에라도 위치될 수 있다.
이들 실시예들에서, 틸트 센서 및 롤 센서는 각각 경사계 및 가속도계를 포함할 수 있다. 대안으로서, 만약 2 축(또는 3 축) 가속도계가 구현된다면, 2 방향(전후방 방향 및 측방-대-측방 방향)의 각각에서 부유 풍력 터빈의 경사를 판단하도록 단일의 가속도계가 이용될 수 있다. 마찬가지로, 만약 경사계가 2 축에서 경사를 측정한다면, 2 방향(전후방 방향 및 측방-대-측방 방향)의 각각에서 부유 풍력 터빈의 경사를 판단하도록 단일의 경사계가 이용될 수 있다. 따라서, 이해될 바로서, 틸트 센서 및 롤 센서는 분리된 경사계 및 가속도계를 포함할 수 있거나 또는 경사계 및/또는 가속도계 양쪽 모두를 또는 어느 하나를 공유할 수 있다.
도 2 를 참조하면, 틸트 센서(202)의 작동이 이제 설명되는데, 여기에서 틸트 센서(202)는 전후방 방향에서의 실제 경사(예를 들어, 실제 전후방 경사)를 판단하도록 이용된다. 이해될 바로서, 롤 센서(203)의 작동은 실질적으로 틸트 센서(202)의 작동과 일치하지만, 측방-대-측방 방향에서의 실제 경사(예를 들어, 실제 측방-대-측방 경사)를 판단하도록 이용된다.
틸트 센서(202)를 형성하는 가속도계(205) 및 경사계(206)가 바람직스럽게는 실질적으로 같이 위치되거나 또는 실질적으로 가깝게 함께 위치되며, 바람직스럽게는 나셀을 지지하는 타워의 중심과 정렬된다. 콘트롤러(204)는 같이 위치될 수 있거나 또는 풍력 터빈의 임의의 적절한 지점에 위치될 수 있으며, 풍력 터빈 제어 시스템의 일부일 수 있고, 풍력 터빈의 분리된 제어 박스 안에 위치되거나 또는 풍력 터빈으로부터 멀리 위치될 수 있고, 예를 들어 분리된 제어 센터에 위치될 수 있다.
통상적으로 경사계(206)는 2 개의 직각 방향에서 가속도를 측정하며, 경사계가 부착된 실재물의 경사를 판단하기 위하여 총 가속도(net acceleration)의 방향을 고정 축(fixed axis)과 비교한다. 통상적으로, 만약 경사계 센서가 정지 상태이거나 또는 일정한 속도로 움직인다면 (따라서 경사계 센서가 부착된 실재물이 정지 상태이거나 또는 일정한 속도로 움직인다면) 고정된 축에 대한 판단된 총 가속도 사이의 각도는 가속도계 센서가 부착된 실재물의 경사에 대응한다.
그러나, 풍력 터빈이 다양한 움직임들 및 힘들, 예를 들어, 풍력, 플랫폼을 통한 파도의 움직임의 힘, 풍력 터빈 작동의 힘등을 겪을 것이므로, 풍력 터빈은 실질적으로 정지 상태이지 않거나 또는 일정한 속도에서 움직일 것이다. 따라서, 풍력 터빈의 나셀에 부착된 경사계(206)에 의해 측정된 전후방 방향에서의 이론적인 경사는 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 힘 및 움직임에 기인하여 실질적으로 수직 위치(또는 수평 위치)로부터의 풍력 터빈의 현실적이거나 또는 실제의 전후방 경사에 대응하지 않을 것이다.
부유 풍력 터빈의 실제 전후방 경사를 판단하기 위하여, 가속도계(205)는 경사계(206)와 협동하여 이용됨으로써, 콘트롤러(204)는 풍력 터빈의 실제 전후방 경사(또는 그것의 양호한 근사치(近似値)를 판단하도록 풍력 터빈에 영향을 미치거나 또는 작용하는 (그리고 그에 의해 경사계(206)에 영향을 미치는) 움직임 또는 힘을 고려할 수 있다.
바람직스럽게는 가속도계(25)가 경사계(206)와 함께 또는 실질적으로 인접하게 위치되거나 또는 설치됨으로써, 가속도계(205)에 의해 측정된 전후방 방향에서의 가속도는, 전후방 방향에서의 경사를 측정하는 경사계(206)에 영향을 미치는 전후방 방향에서의 가속도에 대응한다.
콘트롤러(204)는 경사계(206)로부터 전후방 경사 신호를 수신하는데, 전후방 경사 신호는 나셀의 경사의 측정치를 포함한다. 경사계(206)는 미리 정해진 신호 주기에서 전후방 경사의 측정치를 취할 수 있다. 예를 들어, 경사계(206)는 100 밀리초 내지 200 밀리초 마다 경사 측정치를 취할 수 있다. 이해될 바로서, 경사 측정치 사이의 시간 주기는 본 발명의 목적을 위한 그 어떤 적절한 시간 주기일 수 있다. 특히, 나셀(201)의 실제 전후방 경사가 콘트롤러(204)에 의해 특정의 경사에 도달하는 풍력 터빈의 실시간으로 또는 예를 들어 1 초, 2 초, 3 초와 같은 수초 이내에 판단될 수 있도록 경사 측정치가 취해져야만 한다.
경사계(206)로부터의 전후방 경사 신호는 경사계(206)에 의해 또는 콘트롤러(204)에 의해 필터링될 수 있다. 만약 경사 신호가 필터링된다면, 경사 신호에 대한 타워 움직임의 영향을 감소시키기 위하여 필터는 저역 필터(low pass filter)일 수 있다. 경사 신호는 필터링되지 않을 수도 있으며, 이러한 예에서 필터링되지 않은 전후방 경사 신호는 콘트롤러(204)에 의해 사용된다.
이후에 설명될 바로서, 풍력 터빈의 나셀의 현실적인 또는 실제 경사의 식별 또는 판단을 보조하기 위하여 신호들을 평활화(smooth)시키거나 또는 신호로부터 특정의 효과를 감소시키거나 또는 성분들을 필터링하도록 필터들이 프로세스의 다양한 부분들에 적용될 수 있다. 그러나, 이해될 바로서, 각각의 필터는 실제 경사의 판단 프로세서에서 지체(lag)를 일으키며, 따라서 특정의 경사에 도달하고 그러한 경사를 판단하는 나셀의 합리적인 시간 프레임(time frame)내에서 특정 신호의 필터링과 실제 경사의 판단 사이에 균형(trade-off)이 있다.
콘트롤러(204)는 수신된 전후방 경사 신호에서의 측정치 또는 전후방 경사 신호의 필터링된 버젼(version)에 기초하여 풍력 터빈의 이론적인 전후방 경사를 판단할 수 있다. 그러나, 위에서 설명된 바와 같이, 풍력 터빈은 일정한 속도로 움직이거나 또는 정지 상태에 있지 않으므로 풍력 터빈의 이론적인 전후방 경사는 풍력 터빈 움직임의 효과 때문에, 특히, 풍력 터빈이 부유 플랫폼상에 장착될 때, 실제의 전후방 경사가 아니다.
따라서, 본 발명의 많은 실시예들에서, 콘트롤러(204)는 가속도계(205)로부터 전후방 가속도 신호를 더 수신한다. 전후방 가속도 신호는 나셀의 가속도의 측정치를 포함할 수 있는데, 가속도 측정치들은 미리 결정된 시간 주기에서 취해진다. 이러한 예에서, 미리 결정된 시간 주기는 40 밀리초일 수 있지만, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 가속도계(205)의 측정치 또는 데이터를 취하는 빈도는 본 발명의 목적을 위해서 적절한 그 어떤 것일 수 있다.
나셀의 실제의 전후방 경사 (또는 그것의 양호한 근사치(近似値)를 판단하는 것에 대하여, 경사계(206)에 영향을 미치는 가장 큰 가속도들은 타워의 움직임으로부터의 결과된 것이며 따라서 경사계(206)에 의해 취해진 경사 측정치의 에러에 대한 가장 큰 기여일 것이다. 따라서, 이러한 예에서, 수신된 전후방 가속도 신호는 타워의 움직임 때문인 가속도를 추출하기 위하여 고역 필터(high pass filter)를 통하여 필터링될 수 있다. 따라서 필터링은 수신된 전후방 가속도 신호로부터, 플랫폼과 같은 다른 인자들의 가속의 효과를 제거하거나 또는 감소시키는 것으로서 간주될 수 있다. 필터링은 가속도계(205), 콘트롤러(204) 또는 다른 회로에 의해 수행될 수 있다.
경사계(206)로부터의 전후방 경사 신호와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 필터링 신호들은 지체(lag)를 프로세스에 도입하며, 따라서 전후방 가속도 신호를 필터링하기 위한 필터는 요건에 따라서 생략될 수 있거나 또는 포함될 수 있다. 그러나, 이러한 예에서는 전후방 가속도 신호가 필터링된다.
필터링된 전후방 가속도 신호는 다음에 일정한 이득(constant gain)에 의해 곱해질 수 있다.
필터링된 전후방 가속도 신호를 유효하게 곱하는 일정한 이득의 선택은 풍력 터빈이 위치되거나 전개되는 위치에서 풍력 터빈의 요건들에 대하여 안전 시스템이 튜닝(tuning)될 수 있게 한다. 풍력 터빈의 위치에서 풍력 터빈에 영향을 미치는 조건, 힘등에 기초하여 일정한 이득이 튜닝될 수 있기 때문에, 그리고 예를 들어 하나 이상의 예상 데이터, 조건의 모델, 경험적인 데이터 또는 풍력 터빈이 전개되었다면 실제 데이타 등에 일정한 이득이 기초할 수 있기 때문에, 현저한 장점이 제공된다. 더욱이, 부유 풍력 터빈을 향하는 조건들에 따라서 일정한 이득 값은 부유 풍력 터빈의 수명 동안 미세 튜닝될 수 있고 변화될 수 있다.
특정의 풍력 터빈을 위해서 사용되는 일정한 이득의 선택은 절충(trade-off)을 나타내는데, 왜냐하면 부유 풍력 터빈에 대하여 높은 파도 조건 및/또는 거센 난류 조건에서는 크고 일정한 이득이 실제 경사의 양호한 근사치를 제공해야 하는 반면에, 안정된 바람 및/또는 무시할만한 파도 조건에서는 낮은 이득이 실제 경사의 우수한 근사치를 제공하여야 하기 때문이다.
일정한 이득은 판단되어야 하는 실제 경사의 최상의 근사치를 가능하게 하는 그 어떤 적절한 이득일 수도 있다. 풍력 터빈이 전개될 위치에서 풍력 터빈이 겪거나 또는 겪도록 예상되는 조건에 따라서 일정한 이득은 1 내지 5 사이일 것으로 생각된다. 일정한 이득은 그 위치에서 풍력 터빈에 작용하는 힘 및 조건들에 따라서, 또는 계절적인 변화에 기인하여 그 어떤 시기에라도 미세 튜닝 및 변화될 수 있다. 일정한 이득은 풍력 터빈에서 콘트롤러에 의해 자동적으로 미세 튜닝될 수 있다. 이러한 경우에, 콘트롤러는 적절한, 일정한 이득을 자동적으로 선택하기 위하여 일정한 이득 및 조건들의 순람표(look-up table)를 참조할 수 있다.
실제의 전후방 경사(또는 그것의 양호한 근사치)는, 콘트롤러(204)에 의하여, 수신된 전후방 경사 신호로부터 (선택된 일정한 이득으로 곱해졌던) 수신 및 필터링된 전후 가속도 신호를 차감함으로써 판단될 수 있다.
판단된 실제 전후방 경사 신호는 예를 들어 저역 필터인 필터를 겪음으로써 실제 전후방 경사 신호를 평활화할 수 있다. 그러나, 이해될 바로서, 실제 전후방 경사 신호의 필터링은 하기의 유사한 이유들 때문에 선택적인데, 여기에서 필터는 프로세에 지체(lag)를 도입한다. 이러한 예에서, 실제 전후방 경사 신호는 신호를 평활화시켜서 안전 시스템의 정확도를 향상시키도록 필터링된다. 실제 전후방 경사 신호를 필터링시킴으로써, 잘못된 트리거(false trigger)의 수는 감소될 수 있어서 안전 시스템을 더욱 튼튼하고 효율적으로 만든다.
실제 전후방 경사 신호는 풍력 터빈의 나셀의 실제 전후방 경사에 대응하여, 풍력 터빈의 나셀이 전후방 방향에서 미리 정해진 안전 한계보다 더 큰 각도로 수직으로부터 경사지고 있는지의 여부를 식별하도록 콘트롤러(204)가 실제 전후방 경사를 쓰레숄드와 비교할 수 있게 한다. 만약 나셀이 전후방 방향에서 미리 정해진 안전 한계보다 더 크게 경사진다는 점이 결과적인 신호 및 쓰레숄드의 비교에서 나타나면, 예를 들어 (이해될 바로서 미리 정해진 안전 한계가 풍력 터빈의 안전에 적절할 수 있을지라도) 수직으로부터 12 도 더 크게 경사진다면, 콘트롤러(204)는 풍력 터빈의 안전 작동 중지를 개시하거나 촉발시킬 수 있고, 경고를 발생시킬 수 있고 그리고/또는 풍력 터빈의 작동 파라미터들을 변경시킬 수 있으며, 예를 들어 풍력 터빈을 경사지게 할 수 있는 풍력 터빈상의 부하/힘을 감소시키도록 터빈 블레이드들의 피치를 변경시킬 수 있다.
콘트롤러는 몇가지 차후의 연속적인 실제 전후방 경사를 쓰레숄드와 더 비교함으로써 미리 결정된 시간 기간 동안 풍력 터빈이 쓰레숄드보다 더 크게 경사지는지 판단될 수 있다. 미리 결정된 시간 기간은 1 초, 2 초, 3 초등일 수 있다. 미리 결정된 시간 기간은 풍력 터빈이 기울어지고 잘못된 측정치가 취해지지 않을 것을 보장할 정도로 충분히 길어야 하지만, 만약 풍력 터빈이 미리 정해진 안전 한계보다 크게 경사진다면 적절한 보정 작용(들)이 취해질 수 있는 것을 보장할 정도로 충분히 짧아야 한다.
콘트롤러(204)는 나셀의 실제 전후방 경사의 로그(log)를 유지 또는 보전하거나 또는 정보를 외부 시스템에 제공할 수 있어서, 실제의 전후방 경사 데이터는 안전 시스템이 최적으로 그리고 효율적으로 작동됨을 보장하도록 분석될 수 있다. 로그는 일정한 이득이 미세 조정될 수 있거나 미세 조정되어야만 하는지 여부를 분석하는데 이용될 수도 있다.
상기 설명에서, 실제 전후방 경사가 판단되고 쓰레숄드에 비교되었다. 완전한 안전 시스템이 되기 위하여, 실제의 측방-대-측방 경사도 판단되어야 하고 쓰레숄드와 비교되어야 한다.
많은 실시예들에서 측방-대-측방 경사는 롤 센서(roll sensor, 203)를 통해 측정되는데, 상기 롤 센서는 경사계(208) 및 가속도계(207)를 포함한다. 실제의 측방-대-측방 경사는 실제의 전후방 경사의 판단에 대하여 위에서 설명된 것과 실질적으로 동일한 방식으로 판단될 수 있고 쓰레숄드와 비교될 수 있으며, 따라서 단순하게 하도록 여기서 반복 설명되지 않는다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 풍력 터빈의 경사가 쓰레숄드를 초과하는지 여부를 식별하기 위하여 풍력 터빈의 실제 경사가 판단될 수 있게 하고, 특히 부유 풍력 터빈의 실제 경사가 판단될 수 있게 하는 안전 시스템을 설명하며, 여기에서 쓰레숄드는 작동을 계속하는데 안전하지 않다고 간주되어 풍력 터빈의 작동 중지가 지시되는 각도일 수 있다.
안전 시스템이 유리하게는 틸트 센서(들) 및 롤 센서(들)를 이용함으로써 (풍력 터빈에 작용하는 힘들 및 움직임을 고려하여) 풍력 터빈의 실제 경사를 판단하고, 실제 경사(들)를 쓰레숄드와 비교함으로써 풍력 터빈이 작동 중지될 필요가 있는지 여부를 식별한다. 더욱이, 많은 실시예들이 유리하게는 2 개의 튼튼하고 잘 시험되었으며 상대적으로 비용 효율적인 센서(예를 들어, 경사계 및 가속도계)들을 이용하여, 튼튼하고 효과적인 안전 시스템을 생산하도록 틸트 센서 및 롤 센서를 구현한다.
상기 설명된 실시예들에서, 전후방 방향 및 측방-대-측방 방향에서의 실제 경사는 어느 한 방향 또는 양쪽 방향에서의 실제 경사가 허용된 안전 한계보다 큰지 여부를 식별하도록 개별적으로 쓰레숄드(들)과 비교되고 판단된다. 대안으로서 또는 추가적으로, 2 방향들에서의 실제 경사는 풍력 터빈의 단일의 전체적인 실제 경사를 발생시키도록 조합될 수 있으며, 단일의 전체적인 실제 경사는 (타원형 경계와 같은 경계를 한정하거나 또는 개별 값일 수 있는) 쓰레숄드와 비교될 수 있다.
가속도계(들)가 롤/틸트 센서들의 일부를 형성하거나 또는 롤/틸트 센서들에 추가하여 제공될 수 있는 많은 실시예들에서, 가속도계(들)는 수직 방향 또는 Z 축 방향에서의 가속도를 더 측정할 수 있고, 풍력 터빈의 (전후방 방향 및 측방-대-측방 방향)에서의 실제 경사의 판단은 수직 방향에서의 가속 측정에 기초할 수도 있다. Z 축에서의 가속도는 통상적으로 작고 낮은 주파수일 것이며 따라서 안전 시스템의 정확도 및 효율에 작은 효과를 가질 것이다. 그러나, 부유 풍력 터빈이 위치된 물의 움직임 때문에 부유 풍력 터빈은 수직 평면에서도 움직이므로 Z 축에서의 가속도를 고려하는 것도 유리할 수 있다. 따라서, 수직 방향에서의 가속도에도 기초한 실제 경사의 판단은 안전 시스템의 정확도를 향상시키며, 그러나 그것은 프로세싱 요건들에 대한 선택적인 추가이며, 여기에서는 실제 경사(또는 그것의 양호한 근사치)가 실질적으로 실시간으로 또는 터빈이 주어진 경사에 도달하는 수 초 이내에 판단될 것을 보장하는 것이 중요하다.
위에 설명된 많은 실시예들에서, 풍력 터빈의 나셀의 전후방 방향 및 측방-대-측방 방향에서의 실제 경사 (또는 그것의 양호한 근사치)의 판단은 안전 시스템으로서 이용된다. 즉, 수직으로부터의 경사가 너무 크고 설정된 안전 한계를 지나칠 때 풍력 터빈이 작동 중지되어야 하는지 여부를 식별하도록 실제 경사 판단이 이용된다. 그러나, 이해될 바로서, 실제 경사의 판단은 경사에 맞대응하기 위하여 작동 파라미터(예를 들어, 피치 제어 시스템)를 변경시키는 풍력 터빈의 제어에서 이용될 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 플랫폼이 능동 밸러스트 시스템(active ballast system)을 포함하여 풍력 터빈의 경사에 맞대응하도록 밸러스트의 이전을 개시하는 경우에, 실제 경사는 플랫폼에 입력을 제공하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 많은 실시예들의 다른 장점은 안전 센서가 모든 조건들에서 작동할 수 있고 풍력 터빈이 전개된 지점에 대하여 최적의 안전 시스템을 제공할 수 있도록 안전 센서를 튜닝하는 능력이다. 안전 시스템은 전후방의 방향 및 측방-대-측방 방향에서 가속도 신호로써 곱해지는 일정한 이득을 변화시킴으로써 튜닝될 수 있다. 경험적인 데이터, 예상된 데이터, 모델링된 데이터 및 현실 데이터(live data)의 그 어떤 조합에라도 기초하여, 안전 시스템은 각각의 개별적인 부유 풍력 터빈 또는 함께 위치된 부유 풍력 터빈들의 그룹에 대한 일정한 이득을 변경시킴으로써 튜닝되고 최적화될 수 있다.
실시예들은 주로 안전 시스템에 관한 것이므로, 실제 경사는 실질적으로 실시간으로 판단되거나, 또는 적어도 경사에 도달된 이후에 미리 정해진 시간 기간 이내에 판단되는 것이 바람직스럽다. 예를 들어, 미리 정해진 시간 기간은 1 초, 1 초, 2 초, 3 초 등이다.
당업자에게 이해될 바로서, 필터링 기술은 신호들일부 또는 전부에 적용될 수 있거나 전혀 적용되지 않을 수 있으며, 적절한 필터들이 필터의 기능 및 사용에 따라서 이용될 수 있다. 이전에 설명된 바와 같이, 필터들의 이용은 풍력 터빈의 실제 경사를 판단하는 프로세스에 지체(lag)가 도입되게 한다.
따라서, 필터들에 의해 도입되는 지체가 안전 시스템에 해롭지 않을 것을 보장하도록, 그리고 실제 경사가 실질적인 지연 없이 쓰레숄드 보다 위에 있을 때 풍력 터빈을 작동 중지시키는 성능을 보장하도록, 필터들의 설계를 고려할 필요가 있다.
많은 실시예들에서 다양한 신호들에 적용되는 필터들은 실제 경사의 판단의 정확도를 향상시키도록 이용될 수 있다; 그러나, 실제 경사의 근사치가 그러한 필터들 없이 결정될 수 있을 때만 필터들의 사용이 바람직스럽다. (안전 시스템에서 해로운 지체를 발생시키지 않도록) 필터들의 설계 및 구현에 따라서, 부유 풍력 터빈의 실제 경사의 판단 정확도를 향상시키기 위하여 그 어떤 신호들의 조합이라도 필터링될 수 있다.
본 발명의 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 그러한 실시예들은 오직 일 예로서만 설명된 점이 이해될 것이다. 첨부된 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위를 이탈하지 않으면서 다양한 변형, 변화 및 대체가 당업자에게 가능할 것이다. 따라서, 다음의 청구항들은 본 발명의 범위 및 사상에 속하는 모든 그러한 변형 및 등가물을 포괄할 것으로 의도된다.
101. 터빈 102. 부유 플랫폼
103. 풍력 터빈
103. 풍력 터빈
Claims (19)
- 하나 이상의 센서들을 포함하는 부유 풍력 터빈에서 안전 시스템을 작동하는 방법으로서,
상기 부유 풍력 터빈의 전후방 방향에서의 경사를 나타내는 전후방 경사 신호를 상기 센서로부터 수신하는 단계;
상기 부유 풍력 터빈의 측방-대-측방(side-to-side) 방향에서의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 상기 센서로부터 수신하는 단계; 및,
상기 전후방 경사 신호 및 상기 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 상기 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경시키는 단계;를 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전후방 경사 신호 및/또는 상기 측방-대-측방 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드(predefined threshold)와 비교하는 단계; 및,
만약 상기 전후방 경사 신호 및/또는 상기 측방-대-측방 경사 신호가 상기 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면 상기 부유 풍력 터빈의 상기 작동 파라미터를 변경하는 단계;를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 전후방 경사 신호 및 상기 측방-대-측방 신호에 기초하여 상기 부유 풍력 터빈의 전체적인 경사 신호를 판단하는 단계;
상기 부유 풍력 터빈의 전체적인 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하는 단계; 및,
만약 상기 전체적인 경사 신호가 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면, 상기 부유 풍력 터빈의 상기 작동 파라미터를 변경하는 단계;를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
상기 부유 풍력 터빈의 상기 작동 파라미터를 변경시키는 상기 단계는,
상기 부유 풍력 터빈의 작동 중지를 개시하는 단계를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 제 1 경사계 및 제 1 가속도계를 포함하고, 상기 방법은:
상기 전후방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 1 경사 신호를 상기 제 1 경사계로부터 수신하는 단계;
상기 전후방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 1 가속도 신호를 상기 제 1 가속도계로부터 수신하는 단계; 및,
상기 수신된 제 1 경사 신호 및 상기 제 1 가속도 신호에 기초하여 상기 전후방 경사 신호를 판단하는 단계;를 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 제 2 경사계 및 제 2 가속도계를 더 포함하고, 상기 방법은:
상기 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 2 경사 신호를 상기 제 2 경사계로부터 수신하는 단계;
상기 측방-대-측방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 2 가속도 신호를 상기 제 2 가속도계로부터 수신하는 단계; 및,
상기 수신된 제 2 경사 신호 및 상기 제 2 가속도 신호에 기초하여 상기 측방-대-측방 경사 신호를 판단하는 단계;를 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 제 5 항에 있어서,
상기 전후방 경사 신호를 판단하는 상기 단계는:
상기 제 1 가속도 신호를 일정한 이득(gain)으로 곱하는 단계; 및,
상기 일정한 이득으로 곱해진 상기 제 1 가속도 신호를 상기 제 1 경사 신호로부터 차감하는 단계;를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 제 6 항에 있어서,
상기 측방-대-측방 경사 신호를 판단하는 상기 단계는:
상기 제 2 가속도 신호를 일정한 이득으로 곱하는 단계; 및,
상기 일정한 이득으로 곱해진 상기 제 2 가속도 신호를 상기 제 2 경사 신호로부터 차감하는 단계;를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
상기 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 예측된 조건들, 상기 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 실제 조건들 및, 상기 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 경험적인 조건들중 하나 이상에 기초하여 상기 일정한 이득을 판단하는 단계를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈의 안전 시스템 작동 방법. - 하나 이상의 센서들;
전후방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 전후방 경사 신호를 상기 센서로부터 수신하도록 적합화된 제 1 프로세서;
측방-대-측방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 상기 센서로부터 수신하도록 적합화된 제 2 프로세서; 및,
상기 전후방 경사 신호 및 상기 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 상기 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경하도록 적합화된 제 3 프로세서;를 포함하는, 부유 풍력 터빈. - 제 10 항에 있어서,
상기 전후방 경사 신호 및/또는 상기 측방-대-측방 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하도록 적합화된 제 4 프로세서를 더 포함하고,
만약 상기 전후방 경사 신호 및/또는 상기 측방-대-측방 경사 신호가 상기 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면, 상기 제 3 프로세서는 상기 부유 풍력 터빈의 상기 작동 파라미터를 변경하도록 더 적합화되는, 부유 풍력 터빈. - 제 10 항에 있어서,
상기 전후방 경사 신호 및 상기 측방-대-측방 경사 신호에 기초하여 상기 부유 풍력 터빈의 전체적인 경사 신호를 판단하도록 적합화된 제 5 프로세서;
상기 부유 풍력 터빈의 상기 전체적인 경사 신호를 미리 정해진 쓰레숄드와 비교하도록 적합화된 제 6 프로세서;를 더 포함하고,
만약 상기 전체적인 경사 신호가 상기 미리 정해진 쓰레숄드보다 크다면, 상기 제 3 프로세서는 상기 부유 풍력 터빈의 상기 작동 파라미터를 변경하도록 더 적합화되는, 부유 풍력 터빈. - 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 3 프로세서는 상기 부유 풍력 터빈의 작동 중지를 개시함으로써 상기 부유 풍력 터빈의 상기 작동 파라미터를 변경하는, 부유 풍력 터빈. - 제 10 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 제 1 경사계 및 제 1 가속도계를 포함하고,
상기 제 1 프로세서는:
상기 전후방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 1 경사 신호를 상기 제 1 경사계로부터 수신하고;
상기 전후방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 1 가속도 신호를 상기 제 1 가속도계로부터 수신하고;
상기 수신된 제 1 경사 신호 및 상기 제 1 가속도 신호에 기초하여 상기 전후방 경사 신호를 판단하도록; 더 적합화되는, 부유 풍력 터빈. - 제 10 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 센서는 제 2 경사계 및 제 2 가속도계를 더 포함하고,
상기 제 2 프로세서는:
상기 측방-대-측방 방향에서 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 제 2 경사 신호를 상기 제 2 경사계로부터 수신하고;
상기 측방-대-측방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 가속도를 나타내는 제 2 가속도 신호를 상기 제 2 가속도계로부터 수신하고;
상기 수신된 제 2 경사 신호 및 상기 제 2 가속도 신호에 기초하여 상기 측방향-대-측방향 경사 신호를 판단하도록; 더 적합화되는, 부유 풍력 터빈. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 프로세서는:
상기 제 1 가속도 신호를 일정한 이득으로 곱하고;
상기 일정한 이득으로 곱해진 상기 제 1 가속도 신호를 상기 제 1 경사 신호로부터 차감하도록; 더 적합화되는, 부유 풍력 터빈. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 2 프로세서는:
상기 제 2 가속도 신호를 일정한 이득으로 곱하고;
상기 일정한 이득으로 곱해진 상기 제 2 가속도 신호를 상기 제 2 경사 신호로부터 차감하도록; 더 적합화되는, 부유 풍력 터빈. - 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 예측된 조건들, 상기 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 실제 조건들 및 상기 부유 풍력 터빈에 영향을 미치는 경험적인 조건들중 하나 이상에 기초하여 상기 일정한 이득을 판단하도록 적합화된 제 7 프로세서를 더 포함하는, 부유 풍력 터빈. - 전후방 방향에서의 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 전후방 경사 신호를 센서로부터 수신하고;
측방-대-측방 방향에서 상기 부유 풍력 터빈의 경사를 나타내는 측방-대-측방 경사 신호를 상기 센서로부터 수신하고;
상기 전후방 경사 신호 및 상기 측방-대-측방 경사 신호중 어느 하나 또는 양쪽 모두에 기초하여 상기 부유 풍력 터빈의 작동 파라미터를 변경하는;
컴퓨터가 독출 및 실행 가능한 코드를 포함하는, 콤퓨터 프로그램 제품.
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