KR20170125394A - 풍력 터빈을 작동시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대략 수평 회전축을 갖는 공기 역학적 로터, 발전기 및 작동 장치를 포함하는 풍력 터빈을 작동시키는 방법에 관한 것으로서, 상기 풍력 터빈은 전기를 전기 그리드에 공급하고 발전기를 시동하기 위해 시작 상태로 유지되도록 제공되고, 상기 시작 상태에서, 상기 풍력 터빈은 완전히 작동될 수는 없고, 특히 상기 발전기는 시동될 수 없다.

Description

풍력 터빈을 작동시키는 방법
본 발명은 풍력 터빈을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 풍력 터빈 및 복수의 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전 단지에 관한 것이다.
본 발명에 따른 풍력 터빈은 특히 수평축-풍력 터빈으로 알려져 있다. 이러한 풍력 터빈은 바람으로부터 에너지를 추출하여 이를 전기 에너지로 변환하는데, 이는 단순화하여 전기 에너지의 생성 또는 전력의 생성으로 부를 수도 있다.
이러한 풍력 터빈이 작동하는 한, 풍력 터빈은 이에 따라 일반적으로 전기 공급 네트워크에 공급되는 전력을 생성한다. 그러나 생성된 전력의 일부는 작동 장치에 공급하기 위해 사용된다. 제어 시스템, 즉 제어 컴퓨터 등에 공급하는 것 외에도, 때로는 좀 더 많은 전력을 필요로 하는 작동 장치가 제공되기도 한다. 여기에는 방위각 조정 장치, 즉 풍력 터빈의 정렬이 바람에 맞게 조정될 수 있게 하는 조정 장치가 포함된다. 이는 일반적으로 풍력 터빈의 나셀(nacelle)을 조정하기 위한 복수의 방위각 모터를 포함한다. 로터 블레이드를 조정하기 위한 장치도 여기에 포함되며, 이 장치에 의해 로터 블레이드의 피팅 각도가 또한 조정될 수 있는데, 이는 피치 각도의 피칭 또는 조정으로도 언급될 수 있다. 또한, 가열 장치가 제공되어, 로터 블레이드를 가열함으로써 특히 결빙을 방지하거나 또는 존재하는 얼음을 해동시키게 할 수 있다.
특히 바람이 약하기 때문에 풍력 터빈이 정지하는 즉시, 이러한 모든 장치들은 더 이상 필요하지 않다. 풍력 터빈은 이러한 경우에 기본적으로 이러한 장치들에게 더 이상 자체로 생성한 전력을 공급할 수 없고, 풍력 터빈이 작동될 때 전력을 공급하는 네트워크로부터 전력 공급을 공급받는 것은 매우 비용이 든다. 네트워크로부터 전기를 추출하는 비용은 종종 풍력 터빈 운전자가 동일한 양의 전기를 공급받을 때 받는 돈의 양보다 몇 배 더 크다. 따라서 풍력 터빈이 다시 작동되어야 한다면, 예를 들어 바람이 다시 세지면, 필요한 작동 장치를 그에 상응하게 작동시키기 위해, 종종 네트워크로부터 우선 전력을 비싸게 구입해야 한다.
발전 단지의 경우, 바람이 약해져서 풍력 터빈이 정지될 때 다른 방위각 방향으로 조정되어, 추후에 다시 바람이 세지는 경우 풍력 터빈 중 적어도 하나가 중반부에서 바람에 대해 유리하게 정렬되는 해결 방안이 이미 제안되어 있다. 이는 US-2007-0108769-A1호에 설명되어 있다. 거기에서는, 또한, 풍력 발전 단지 내의 풍력 터빈에 대해서만, 특히 램프업을 위해 네트워크로부터 가능한 한 적은 전력을 사용하도록 제안된다. 이러한 경우 전술한 풍력 터빈이 작동 중일 때, 이 풍력 터빈에 의해 생성된 전력은 풍력 발전 단지의 다른 풍력 터빈의 작동 장치를 작동하는 데 사용되어 이들 작동 장치를 램프업시킬 수 있다.
이러한 경우의 단점은 그 이외의 풍력 터빈은 이에 따라 풍력 터빈이 램프업될 때까지 우선 대기해야 한다는 것이다. 그러므로 이러한 풍력 발전 단지를 통한 전력의 생성은 지연되며, 이를 통해 다시 풍력으로부터 이미 추출될 수도 있었던 전력 손실이 발생하게 된다.
독일 특허청은 본 출원의 우선권 출원에서 다음과 같은 종래 기술, 즉 DE 10 2012 204 239 A1호, US 2008/0084070 A1호, 독일 n-tv의 기사 "Offshore-Windpark Riffgat startet ohne Kabel", 매니저 잡지 및 기사 "Die Schildburger lassen grußen. Dieselmotoren treiben Windrader an"를 조사하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히 바람으로부터 가능한 한 많은 전력을 추출하기에 적합하고, 바람으로부터의 적은 전력 또는 에너지도 가능한 한 손실되지 않는 해결 방안이 제안되어야 한다. 적어도 이전에 알려진 해결 방안에 대한 대안적인 해결 방안이 제안되어야 한다.
본 발명에 따르면, 청구항 제1항에 따른 방법이 제안된다. 따라서, 상기 방법은 대략 수평 회전축을 갖는 공기 역학적 로터, 발전기 및 작동 장치를 포함하는 풍력 터빈을 작동시키는 방법에 관한 것이다. 상기 풍력 터빈은 전기 에너지를 전기 공급 네트워크로 공급하기 위해 제공되고, 상기 발전기를 시동하기 위한 시동 상태에서 유지되며, 이때 상기 발전기는 시동될 수 없다.
발전기가 시동될 수 없는 이유는 예를 들어 충분한 바람이 존재하지 않는 것일 수 있다. 다른 가능성 또는 추가적인 가능성은 전기 공급 네트워크로 공급될 수 없거나 또는 공급되어서는 안 되는 상황이다. 특히 적어도 일시적으로 연결이 가능하지 않을 때, 전기 공급 네트워크로 공급될 수 없다. 또한 특히 네트워크에 방해가 있을 때, 특히 전기 기술적인 관점에서 네트워크가 붕괴될 때에도 전기 공급 네트워크로 공급될 수 없다. 이러한 경우, 네트워크 내의 방해가 얼마나 강한지에 따라, 네트워크로 공급이 될 수는 있지만, 규정에 의해, 특히 네트워크 운영자로 인해, 네트워크에 공급이 되어서는 안 되는 경우도 있다. 예를 들어, 네트워크 주파수가 예를 들어 공칭 주파수에서 2% 벗어날 경우, 풍력 터빈이 네트워크로 공급하지 못하게 할 수도 있다.
또한 특히 방해성 그림자의 발생 또는 방해성 소음의 발생을 방지하기 위해 지방 규정이 상기 발전기의 시동을 일시적으로 금지하는 경우도 있다. 이러한 경우 네트워크 운영자 측의 금지가 아니라 - 물론 여기에는 추가적인 것도 추가될 수 있음 - 환경 보호 상의 이유에 의해 금지된다. 특히 그림자는 종종 짧은 시간 후에 끝날 수 있는데, 즉, 태양이 상응하게 움직이고 그리고/또는 구름이 그림자를 드리우거나 또는 확산되는 광만 제공하는 경우, 작업 금지 이유가 될 수 없다.
소음 방출로 인한 작동 금지는 시간대에 의존하거나 또는 풍향에 의존할 수 있다.
어쨌든 발전기의 시동에 대해서는 반대하지만 곧 종료될 수 있는 상이한 이유들이 존재한다. 이러한 상태가 언제 종료될지는 종종 정확히 예측될 수 있다.
어쨌든 지금 당장 시동될 수는 없거나 또는 시동되어서는 안 되지만, 발전기를 시동 상태로 유지하는 것이 제안된다. 이러한 제안에는, 발전기가 시동될 수 있다는 것을 종종 예측할 수 있다는 인식이 기초가 된다. 빈번한 경우는 날씨 예측의 평가일 수 있고, 또는 일반적으로는 각각의 풍력 터빈 근처의 날씨 측정 스테이션의 평가일 수 있고, 이에 따라 예를 들어 언제 바람이 풍력 터빈을 구동하기에 충분한 세기로 다시 불어올지를 예상할 수 있다.
그러나 이러한 제안은 또한, 풍력 터빈이 발전기를 시동하기 위해 준비되는 동안, 많은 에너지가 손실될 수 있다는 인식에도 기초하고 있다. 이러한 에너지 손실은 때로는 너무 커서, 그 손실 회피가 심지어 풍력 터빈을 즉각적인 시동을 위해 지속적으로 유지시키는 것을 또한 정당화시키는 것으로 인식되었다. 예를 들어 풍력 터빈을 바람에 정렬시키기 위한 에너지, 또는 결빙을 회피하거나 또는 제거하기 위해 풍력 터빈 특히 로터 블레이드를 가열하기 위한 자체의 에너지와 같이, 시동을 위해 풍력 터빈을 유지시키기 위한 에너지는 비용이 든다.
바람직하게는, 풍력 터빈은 적어도 하나의 에너지 저장 장치로부터의 에너지를 사용하여, 발전기를 시동시키기 위한 시동 상태에서 유지된다. 그러한 에너지 저장 장치는 풍력 터빈의 작동 시에 풍력 터빈에 의해 충전되어, 전기 공급 네트워크로부터 고가의 전기를 추출하는 것이 회피될 수 있다. 경계 조건이 허락하는 즉시, 풍력 터빈은 바로 시동되어 즉시 에너지를 생성할 수 있다. 이상과 관련해서 이는 시동 조건이 이미 존재할 때에만 풍력 터빈이 시동될 수 있는 작동 유형에 대한 추가 에너지이다.
바람직하게는, 상기 풍력 터빈을 상기 시동 상태로 유지하는 것은, 이하의 작동, 즉 결빙 방지 또는 얼음 해동을 위해 상기 풍력 터빈, 특히 상기 로터의 로터 블레이드를 가열하는 것 그리고 상기 풍력 터빈을 바람에 정렬시키는 것 중 적어도 하나를 포함한다.
풍력 터빈을 바람에 정렬시키는 것, 즉 방위각 위치를 바람에 대해 조정하는 것은 반드시 매우 많은 에너지를 요구할 필요는 없고, 특히 풍향이 지속적으로 변화하지 않는 안정된 기상 조건이 존재하는 경우에는 많은 에너지를 필요로 하지 않는다. 바람직하게는, 여기서 방위각 위치가 재조정될 때까지 현재 정렬이 방위각 위치의 최적 정렬로부터 벗어날 수 있는 공차 각도는 정상 작동 시보다 크게 선택될 수 있다. 바람직하게는, 이 각도는 여기서 적어도 10도, 바람직하게는 적어도 20도가 될 수 있다. 그러면 풍력 터빈은, 바람이 충분한 경우 또는 다른 장애물의 제거 시, 가능하게는 최적의 방위각 위치가 아닌 경우에도 즉시 시동될 수 있다. 그러나 이는 매우 빠르게 조정될 수 있으며, 필요하다면 풍력 터빈이 이미 스스로 생성할 수 있는 에너지에 의해서도 또한 조정될 수 있다.
결빙 방지 또는 얼음 해동을 위해 상기 풍력 터빈, 특히 상기 로터의 로터 블레이드를 가열하는 데는 때로는 매우 많은 양의 에너지가 사용될 수 있다. 한편으로 가열은 기본적으로 비교적 많은 양의 에너지를 필요로 하고, 다른 한편으로는 현대의 풍력 터빈은 매우 큰 로터 블레이드 및 이에 따라 결빙이 발생할 수 있는 매우 넓은 면을 가지며, 그에 따라 상응하게 넓은 면의 가열을 유발한다.
다른 한편으로는, 존재하는 결빙을 먼저 제거해야 한다면, 풍력 터빈이 작동에 대한 장애물의 제거 이후에 실제로 작동되어 전력을 생산할 때까지의 기간이 매우 길어질 수 있다는 사실이 인식되었다. 따라서, 이러한 경우, 풍력 터빈이 실제로 다시 정상으로 작동될 때까지 경과하는 매우 긴 기간이 존재한다. 이 긴 기간 동안 그에 상응하게 또한 매우 많은 에너지가 바람으로부터 생성될 수 없으므로, 이러한 경우에는 매우 많은 에너지가 손실될 것이다. 따라서 이러한 많은 에너지 양은 로터 블레이드의 조기 가열에 대한 비용과 관련되어 설정되어야 한다.
즉, 로터 블레이드를 가열하기 위한 많은 에너지가 필요하지만, 이를 통해 더 많은 에너지가 얻어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 이상 제안된 방법에 따르면, 상기 풍력 터빈은, 방위각 정렬이 바람에 대한 최적의 정렬과 공차 각도 초과만큼 상이하게 되고 그리고/또는 미리 결정된 대기 시간보다 길게 상이하게 되는 즉시, 바람에 대한 정렬을 위해 방위각이 조정되고, 상기 공차 각도의 크기 및/또는 상기 대기 시간의 크기는 상기 발전기가 작동 중인지 여부 및/또는 풍속이 얼마나 큰지에 따르며, 특히 상기 공차 각도의 상기 크기 및/또는 상기 대기 시간의 상기 크기가 클수록, 상기 풍속이 작은 것을 특징으로 한다.
풍력 터빈에 있어서 바람에 대한 방위각의 정렬은 즉시 그리고 직접적으로 수행되는 것이 아니라, 편차가 클 때에만 또는 추가적으로 대기 시간이 경과한 때에만 수행된다. 그러한 공차 각도 및 대기 시간은 특히 발전기가 작동 중인지의 여부에 의존한다. 발전기가 작동 중이면, 가능한 한 가장 작은 공차 각도가 기초로서 취해지며, 가능한 한 적게, 바람직하게는 대기 시간이 없는 것이 기본으로 취해진다. 이러한 경우 풍력 터빈은 기본적으로 정상 작동 상태이며, 이때에는 또한 가능한 한 정확하게 바람에 맞추어진다.
그러나, 발전기가 작동하지 않는 경우에는, 보다 큰 공차 각도의 고려로 충분할 수 있고, 그 외에 또는 추가적으로, 바람에 대한 조정이 수행될 때까지 오랜 시간을 대기하는 것으로 충분할 수 있다. 특히 낮은 풍속에서는 위치가 재조정될 때까지 더 긴 시간을 대기할 수 있다. 보다 크게 설정될 수 있는 공차 각도에 대해서도 동일하게 적용된다. 특히 풍속이 너무 작아서 현재 풍력 터빈이 전혀 작동될 수 없다면, 바람의 속도가 아마도 기껏해야 대략 방향을 결정할 수 있을 정도의 크기일 때, 매우 신중한 바람 조정으로 충분할 수 있다.
더 높은 풍속에서는 바람 추적이 보다 덜 신중해야 하는데, 특히 풍력 터빈을 작동시키기에 충분한 바람이 이미 존재하기 때문이다. 이러한 경우, 예를 들어 구름이 그림자를 종료시킬 때와 같이, 작동을 방해하는 장애물이 제거되면, 풍력 터빈은 즉시 그리고 양호한 방위각 조정으로 작동될 수 있다.
바람직하게는, 바람이 없거나 또는 풍향을 측정하기 어려운 경우 풍력 터빈을 바람에 정렬하는 것, 즉, 상기 방위각 위치의 조정은, 측정 타워 또는 기상 관측소로부터 전송된 풍향에 기초하여 수행된다.
풍력 터빈에서 풍속이 매우 낮거나 또는 바람이 없는 경우 풍향 측정은 거의 불가능하거나 또는 전혀 불가능하다. 그러나, 특히 바람이 갑자기 충분히 강해질 때 즉각적인 작동을 위해 풍력 터빈을 제공하는 것이 제안된다. 따라서 심지어 바람이 없을 때에도 풍력 터빈을 바람에 정렬시키는 것이 유용할 수도 있다. 물론 바람이 없는 경우에 바람에 대한 정렬은 정의할 수는 없지만, 근처에서 측정된 바람에 대해 정렬이 가능하고, 때로는 정확히 측정되는 적어도 측정 타워에서의 바람은 풍향을 결정하기에 충분할 수도 있지만, 바람은 너무 약해서, 바람이 없는 것으로 감지되거나 또는 적어도 관련 풍력 터빈에서 측정될 수 없거나 또는 존재하지 않게 된다. 가능하게는 이런 방식으로 결정된 풍향을 가진 바람이 증가한다면, 풍력 터빈은 그럼에도 불구하고 이미 올바른 방향으로 또는 적어도 대략 올바른 방향으로 정렬되게 된다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 발전기가 작동 중일 때, 제1 공차 각도 및/또는 제1 대기 시간이 선택되고, 상기 발전기가 작동하지 않을 때, 제2 공차 각도 및/또는 제2 대기 시간이 선택되고, 선택적으로 상기 발전기가 작동하지 않고 측정 타워 또는 기상 관측소로부터 풍향이 얻어질 때, 제3 공차 각도 및/또는 제3 대기 시간이 선택되는 것을 특징으로 한다. 특히, 여기서, 제3 공차 각도가 제2 공차 각도보다 크고 제2 공차 각도가 제1 공차 각도보다 큰 것이 제안된다. 마찬가지로 특히 양호하게는, 제3 대기 시간이 제2 대기 시간보다 크고 제2 대기 시간이 제1 대기 시간보다 큰 것이 제안된다. 따라서 바람에 대한 방위각 위치의 조정이 더욱 주의 깊게 이루어질수록, 주어진 상황은 가능한 작동 상황에 더욱 강하게 의존한다. 제1 경우에, 즉 제1 공차 각도 및/또는 제1 대기 시간의 경우에, 풍력 터빈이 작동된다.
일 실시예에 따르면, 날씨 예보에 기초하여 상기 발전기를 포함하는 상기 풍력 터빈을 준비 기간 내에 작동시키기에 충분한 바람, 특히 상기 로터 블레이드를 가열하기 위해 필요한 에너지가 다시 생성될 수 있도록 강하고 지속적인 바람이 예상될 때, 특히 상기 로터 블레이드의 가열 장치가 시동되는 것이 제안된다. 이러한 경우에, 특히 풍력 터빈이 가능하게는 곧 작동될 수 있을 것으로 예상될 때, 가열 장치, 특히 로터 블레이드의 가열 장치가 시동된다. 즉, 여기서, 에너지는 초기에 터빈, 특히 로터 블레이드의 가열에 투자되고, 터빈이 곧 작동될 수 있고 이에 소비된 에너지도 또한 곧 다시 생성된다고 가정된다.
따라서 풍력 터빈이 실제로 작동될 수 있기 전에 가열 장치를 작동시키는 것이 여기서 명시적으로 제안된다. 가열은 예방 차원에서 이루어지므로, 풍력 터빈에서 생성되는 에너지를 직접 사용할 수 없다. 그 대신, 이 에너지는 다른 소스에서 가져와야 한다. 이를 위해 배터리 저장 장치 또는 기타 전기 에너지 저장 장치를 사용하는 것이 고려된다. 필요에 따라, 이를 위해, 다른 풍력 터빈이 이미 작동하기에 충분한 바람을 획득한 경우, 다른 풍력 터빈의 에너지를 사용하는 것이 고려될 수도 있다. 그러나 때로는 바람이 충분하지 않은 경우에는 풍력 발전 단지의 풍력 터빈, 즉 해당 풍력 터빈 근처의 풍력 터빈에 의해서도 에너지가 생성되지 않는다.
다른 가능성은 전기 공급 네트워크에서 이러한 에너지를 추출하고, 필요한 경우, 이를 비싸게 지불하는 것이 있다. 그러나 많은 바람이 예상된다면, 이러한 예방 차원의 가열은 그럼에도 불구하고 그 결과가 유리할 수 있는데, 왜냐하면 이와 같이 예상된 강한 바람이 발생하여 에너지가 즉시 생성될 수 있을 때 풍력 터빈은 즉시 시동 준비가 되고, 이러한 경우 너무 오래 지속되는 시작 공정에 의해 에너지가 손실되지 않기 때문이다.
따라서, 본 발명의 필수적인 양태는 풍력 터빈, 특히 발전기가 아직 시동될 수 없는 특정 시점에 이들을 시동 준비시키고 그리고/또는 시동 준비 상태로 유지하는 것이다. 이는 조기 시동을 예상하여 목표대로 수행할 수 있고 그리고/또는 지속적으로 수행할 수 있다.
발전기의 시동 준비는 최종적으로 풍력 터빈 전체의 시동 준비이다. 결과적으로 발전기의 시동 준비는 또한 풍력 터빈을 시동 준비시키도록 설계된다. 예를 들어, 풍력 터빈의 나셀의 정렬은, 특히 정상 작동 시보다 다소 주의 깊게 수행된다면, 지속적으로도 가능하다. 로터 블레이드의 가열과 같은 특히 에너지 집약적인 예비 조치의 경우, 블레이드가 더 이상 또는 더 많이 가열되어야 하기 전에, 발전기의 시동이 또한 예상되는 경우에만, 이를 수행하는 것이 고려된다. 결빙을 방지하거나 또는 존재하는 결빙 또는 얼음층을 해동하기 위해 로터 블레이드를 가열할 때, 이러한 현상은 결코 겨울에 연속해서 일어나지 않는다는 것을 명심해야 한다. 오히려 이를 위해서는 특별한 기상 조건이 필요하다. 여기에는 결빙이 특히 빙점 부근 및 빙점 바로 아래의 온도에서 발생한다는 사실이 포함된다. 또한 그러한 결빙을 위해 습한 공기가 필요하며, 예상되는 이러한 결빙을 위해서는 대부분의 경우 바람이 또한 필요하다.
따라서, 비록 로터 블레이드의 지속적인 가열은 높은 에너지 소비와 관련되어 있기 때문에 바람직하지 못하지만, 터빈이 작동하지 않더라도, 결빙을 방지하기 위한 제어 장치가 또한 지속적으로 작동될 수 있다. 이는 결빙 방지를 위한 제어 장치가 결빙이 일반적으로 예상되는지 여부를 고려할 때 특히 적용된다. 결빙이 발생하기 위해서는 종종 바람이 또한 필요하다는 것을 고려할 때, 결빙이 의심되는 경우, 풍력 터빈을 작동시키기 위한, 즉 발전기를 스위치 온(switch on)하기 위한 적절한 주변 조건이 매우 멀리 있지 않다는 것이 종종 예상된다.
따라서, 발전기가 작동 중이 아닌 경우에도, 결빙을 방지 및/또는 제거하기 위한 제어 장치가 또한 작동되는 것이 바람직하다.
유리한 실시예에 따르면, 상기 방법은 상기 풍력 터빈, 특히 상기 발전기가 시동될 수 있는 것으로 예상되는 시동 시점이 계산되거나 또는 예측되고, 상기 시동 시점 이전의 미리 결정된 예비 리드 타임(lead time)에 상기 풍력 터빈은 상기 발전기를 시동시키기 위한 시동 상태로 되고, 상기 발전기가 시동될 때까지 그 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 것이 제안된다. 즉 시동 시점이 먼저 계산되거나 또는 예측된다. 이는 날씨 예보를 기초로 하여, 예를 들어 시동 시점이 충분한 바람이 다시 나타나는 시점인 경우 수행될 수 있다. 그러나 이는 비-작동이 소음 방출 금지에 기반을 두고 있으며 이러한 소음 방출 금지가 특정 시점에 제거되는 시기일 수도 있다. 이는 또한 알려진 태양 위치로 인해 그림자 드리움이 더 이상 발생하지 않거나 또는 방해 장소에서 더 이상 발생하지 않는 시간이 될 수도 있다. 거기에서 계산되거나 또는 예측되는 전술한 시점은 나중에 실제 가능한 시동 시점과 상이할 수도 있다. 아마도 이러한 계산과는 달리 풍력 터빈의 시동은 초기에 또는 적어도 오랜 시간 동안 완전히 요구되지 않는다.
어쨌든 그러한 시동 시점이 계산되고, 날씨 예보에 기초한 경우에도 그러한 시동 시점의 예측에 참조할 수도 있다.
이와 같이 예측된 시동 시간 또는 계산된 시동 시간에 대해, 풍력 터빈을 미리 시동 준비하는 것이 제안된다. 이를 위해 예비 리드 타임이 미리 결정되는데, 이 예비 리드 타임은 각 플랜트마다 항상 동일할 수 있으므로 상수를 형성할 수 있다. 그러나 바람직한 실시예에서, 이러한 예비 리드 타임은 또한 경계 조건에 의존할 수 있는데, 예를 들어, 해동의 과정을 고려하기 위해, 여름보다 겨울에 더 크게 선택될 수 있다.
그러므로 이러한 예비 리드 타임으로 시동 시점보다 이른 시간에 풍력 터빈을 시동 준비시키는 것이 제안된다. 이는, 예를 들어, 해동으로 시작하여, 풍력 터빈의 방위각 위치를 바람에 대해 정렬시키고 그리고/또는 로터 블레이드의 피팅 각도를 그에 상응하게 바람에 대해 조정하는 것을 의미할 수 있다. 그 후 풍력 터빈이 시동 준비되고, 실제로 시동될 수 있을 때까지 이러한 상태로 유지된다. 최적으로는, 이것은 계산된 시동 시점에 수행되지만, 예를 들어 나중에 수행될 수도 있다. 바람직하게는 예비 리드 타임은 더 크게 선택되는데, 특히 시동을 위한 풍력 터빈의 준비에 요구되는 것보다 적어도 2배 크게 되도록 선택된다. 여기서 또한, 경계 조건이 시동을 허용할 때, 풍력 터빈이 또한 시동 준비되도록 보장하는 것은, 풍력 터빈을 시동 준비 상태로 유지하는 데 필요한 것으로 가정된 에너지를 절약하는 것보다 훨씬 더 중요하다는 것이 인식되었다.
본 발명에 따르면, 전술한 실시예 중 어느 하나에 따른 적어도 하나의 방법을 수행하도록 준비된 풍력 터빈이 또한 제안된다. 특히, 이러한 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 또는 이에 연결된 전기 시스템 네트워크가 에너지를 저장하고 전기 에너지를 전달하기 위한 적어도 하나의 에너지 저장 장치를 갖고, 상기 에너지 저장 장치는 상기 풍력 터빈의 상기 로터 블레이드를 가열하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있도록 치수가 설정되고, 특히 완전하게 동결된 로터 블레이드를 해동할 수 있도록 많은 에너지를 저장할 수 있고 그리고/또는 상기 로터 블레이드가 최대 가열 동력으로 미리 결정된 가열 기간 동안 가열될 수 있도록 많은 에너지를 저장할 수 있도록 치수가 설정되고, 상기 가열 기간은 바람직하게는 적어도 1시간, 특히 적어도 3시간인 것을 특징으로 하는 것이 제안된다.
따라서, 로터 블레이드를 가열하기 위한 충분한 에너지를 제공하기 위해, 풍력 터빈의 연결된 전기 시스템 네트워크를 통해서도 제공될 수 있는 에너지 저장 장치를 풍력 설비에 제공하는 것이 제안된다. 따라서 이 에너지에 의해 로터 블레이드를 가열하여 결빙이 방지되거나 또는 로터 블레이드를 가열하여 기존의 얼음이 해동될 수 있다. 상응하게, 이러한 에너지 저장 장치의 치수를 그에 상응하게 설정하는 것이 제안된다. 그러나, 양호하게는 이러한 에너지 저장 장치는, 풍력 터빈 자체를 작동시키지 않으면서 풍력 터빈의 추가의 작동 장치를 또한 작동시키도록 충분히 크다. 여기에는 특히 방위각 조정의 작동 및/또는 바람에 대한 그 피팅 각도를 정렬시키기 위해 로터 블레이드에 대한 피치 조정의 작동이 포함된다. 그러나, 로터 블레이드의 가열을 위한 에너지 부분은 다른 적용을 위한 에너지보다 명백히 커야 한다. 그에 상응하게, 에너지 저장 장치의 크기를 로터 블레이드의 가열에 필요한 에너지에 기초하여 치수 설정하는 것이 여기서 제안된다.
바람직하게는, 미리 결정된 가열 기간 동안 최대 가열 동력으로 로터 블레이드를 가열하기에 충분한 에너지가 저장될 수 있는 방식으로 치수가 정해진다. 이러한 가열 기간은 적어도 1시간, 특히 적어도 3시간으로 설정되는 것이 바람직하다. 로터 블레이드에 대한 기존의 가열 장치에 대한 최대 가열 동력은 각각의 풍력 터빈의 사전 설정된 알려진 값이며, 따라서 에너지 저장 장치는 사전 설정된 시간 주기에 걸쳐 명확하게 치수가 정해질 수 있다.
본 발명에 따르면, 실시예에 따라 전술한 바와 같이 적어도 2개의 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전 단지가 또한 제안된다.
바람직하게, 이러한 풍력 발전 단지는 하나 이상의 에너지 저장 장치를 포함한다. 풍력 발전 단지의 이러한 하나의 에너지 저장 장치 또는 모든 존재하는 에너지 저장 장치의 총합은, 풍력 발전 단지 내의 모든 풍력 터빈의 모든 로터 블레이드가 이에 상응하는 미리 결정된 가열 기간 동안 가열될 수 있고 그리고/또는 이러한 에너지에 의해 풍력 발전 단지의 모든 에너지 저장 장치의 에너지의 총합이 풍력 발전 단지 내의 모든 풍력 터빈의 모든 로터 블레이드를 해동시키기에 충분하도록 치수가 설정된다.
본 발명은 아래에서 첨부된 도면을 참조하여 실시예에 의해 예시적으로 보다 상세하게 설명된다.
도 1은 풍력 터빈을 개략적으로 도시한다.
도 2는 풍력 발전 단지를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예시적인 가열 프로세스를 설명하기 위한 4개의 시간 다이어그램을 도시한다.
도 1은 타워(102) 및 나셀(104)을 갖는 풍력 터빈(100)을 도시한다. 나셀(104) 상에는 3개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 갖는 로터(106)가 배치된다. 작동 시, 로터(106)는 바람에 의해 회전 운동하게 되고, 이를 통해 나셀(104) 내의 발전기를 구동시킨다.
도 2는 동일할 수도 있고 상이할 수도 있는 예를 들어 3개의 풍력 터빈(100)을 갖는 풍력 발전 단지(112)를 도시한다. 3개의 풍력 터빈(100)은 따라서 풍력 발전 단지(112)의 사실상 임의의 개수의 풍력 터빈을 나타낸다. 풍력 터빈(100)은 전력, 즉, 특히 생성된 전류를 전기 단지 네트워크(114)를 통해 제공한다. 이러한 경우, 각각의 풍력 터빈(100)의 각각의 생성된 전류 또는 전력은 합산되고, 통상적으로 변압기(116)가 제공되어, 단지 내의 전압을 승압시켜, 일반적으로 PCC라고도 하는 공급 지점(118)에서 공급 네트워크(120)로 공급한다. 도 2는 예를 들어 제어 장치가 물론 존재하지만, 예로서 어떠한 제어 장치도 도시하지 않는 풍력 발전 단지(112)의 단순화된 도면이다. 또한, 예를 들어, 풍력 발전 단지 네트워크(114)는 다르게 설계될 수 있는데, 예를 들어 또한 변압기가 또 다른 실시예를 도시하기 위해 각 풍력 터빈(100)의 출력부에도 존재한다.
도 3은 최하위 다이어그램에서 풍속의 가능한 경로를 개략적으로 도시한다. 이에 따르면, 처음 180분 즉 3시간 동안의 풍속(Vw)은 도시된 시작 풍속보다 낮고, 상기 도시된 시작 풍속은 초당 2미터로 간단하게 입력된다. 풍속의 정확한 값은 여기에서 중요하지 않다. 도 3의 다이어그램은, 그러나, 예를 들어, 현실적인 곡선에 따른 수치값을 표현하고자 시도한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 표현은 개략적이며, 도시 및 설명된 관계는 개략적인 관계로 이해되어야 하며, 특히 표시의 부정확성이 존재할 수도 있다.
180분이 되면, 풍속(Vw)은 상승하여 시동 풍속(VwStart)을 초과하게 된다. 약 240분이 되면, 즉, 1시간 이후에, 풍속은 초당 약 10미터의 값으로 되었다. 이러한 표현에서는 초당 12미터의 공칭 풍속이 적용되며, 풍속은 또한 240분 이후에도 공칭 풍속 미만으로 유지된다. 따라서 이 표현은 매우 약한 풍속, 즉, 풍력 터빈이 전혀 작동될 수 없을 만큼 약한 풍속이 보다 높은 값으로 상승하지만 여전히 공칭 풍속(VWN) 미만인 매우 현실적인 경우를 도시한다.
위쪽의 다이어그램은 풍력 터빈의 발전기에 의해 생성된 전력(PG)을 도시한다. 여기서, 지수 G는 다이어그램에서 가열 동력(PH)에 대한 차이를 설명하기 위해 선택된다.
바람이 너무 약하기 때문에, 발전기는 처음 3시간 동안 전력을 생성할 수 없다. 3시간 이후에는 풍속이 충분히 강하기 때문에 발전기가 시동될 수 있는데, 이는 그 전에는 가능하지 않다. 발전기는 그 다음에 시동되어, 풍속(Vw)에 상응하게 대응하는 전력을 생성한다. 이 다이어그램은 생성된 전력을 MW로 예시적으로 도시하며, 여기서 2MW의 공칭 전력(PN)을 가진 풍력 터빈이 사용되고, 이는 현재 중형 풍력 터빈 또는 소형 풍력 터빈이다. 풍속(Vw)이 공칭 풍속(VWN)에 도달하지 않았기 때문에, 발전기에 의해 생성된 전력(PG)도 또한 2MW의 공칭 전력값(PN)에 도달하지 못한다.
이러한 2개의 아래 다이어그램에서 풍속(Vw)이 초당 2미터의 시작 풍속(VWStart)를 초과하는 순간에 발전기가 또한 즉시 시동되고 전력(PG)이 생성될 수 있다는 것을 역시 알 수 있다.
이러한 전력(PG)은 처음에는 낮은데, 왜냐하면 풍속이 또한 아직 매우 낮기 때문이다. 이러한 경우 전력(PG)의 선형 증가가 이상적이다. 그래프는 다소 다르게 보일 수도 있지만, 풍속(Vw)이 도시된 바와 같이 거동한다면, 아마도 그렇게 유사하게 진행할 것이다.
아래로부터 세번째의 다이어그램은 마찬가지로 MW로 표시되는 가열 동력(PH)의 예시적인 그래프를 도시하고, 여기서 발전기 전력(PG)의 표현에 대한 것과 동일한 치수가 선택된다. 이러한 가열 동력(PH) 다이어그램는, 30분에 0으로부터 0.2MW, 즉 200kW로 가열 동력(PH)의 증가를 도시한다. 이 200kW는 예시적인 예에서 가열 동력에 대한 공칭값(PHN)이다. 이 다이어그램은, 결빙이 감지되었기 때문에, 도시된 30분에, 로터 블레이드가 해동되어야 한다고 풍력 터빈이 결정했다는 사실을 기반으로 한다. 그런 다음 제어 장치는 해동을 수행하는데, 로터 블레이드가 가열되고, 이는 하위 예제에서는 200kW의 가열 동력을 필요로 한다.
따라서 풍력 터빈이 전혀 작동하지 않고 그리고 풍속이 낮기 때문에 또한 전혀 작동이 수행될 수 없더라도, 로터 블레이드의 이러한 가열은 수행된다. 그러므로, 발전기는 작동될 수 없으므로, 또한 가열 동력을 제공할 수도 없다.
이러한 도시는 상기 가열 동력이 1시간 반 동안, 즉, 30 내지 120분 동안 필요하다고 가정한다. 120분이 경과하면, 해동은 성공적으로 완료되고, 로터 블레이드의 가열은 스위치 오프(switch off)되어, 가열 동력(PH)은 다시 값 0이 된다. 풍속은 여전히 발전기가 시동될 수 없는 값이다.
최상단 다이어그램은 풍력 터빈의 에너지 밸런스(energy balance)를 표현하지만, 여기서는 단순화하여 발전기에 의해 생성된 전력(PG) 및 가열 장치에 의해 소비되는 가열 동력(PH)만을 고려한다. 30분에 시작값으로 에너지 밸런스는 0이라고 가정한다. 에너지의 그래프는 E로 표시된다.
가열 과정은 30분에 시작되어 1시간 반 동안 지속된다. 이에 상응하게 300kWh가 소비된다. 120분에 에너지 밸런스는 음의 값이 되는데 이는 -300kWh이다. 이 값은 추가 시간동안 유지되는데, 즉 180분까지 존재하는데, 왜냐하면 이 시간에서 가열 동력(PH)이 소비되지 않았거나 또는 발전기 전력(PG)이 생성되지 않았기 때문이다.
풍속이 시작 풍속(VWStart)을 이미 초과했기 때문에, 180분에 발전기가 시동될 수 있다. 로터 블레이드는 해동되고, 본 발명에 따르면 그 외에 풍력 터빈이 시동 준비가 되고 따라서 전력은 존재하는 풍속에 상응하게 즉시 생성될 수 있다. 이는 이미 위에서 설명되었다.
180분 이후부터는 에너지(E) 또는 에너지 밸런스가 상승한다. 대략 40분 이상이 지나면 발전기는 로터 블레이드의 가열을 통해 소비되었던 만큼의 에너지를 생산한다. 이러한 경우 전력은 더욱 증가하고, 시간에 대한 전력의 적분인 에너지는 그에 따라 더 강하게 상승한다. 270분에, 즉 발전기의 시동 이후 1시간 30분에 에너지는 약 900kWh이다.
풍속이 풍력 터빈을 구동하기에 충분히 높았던 이후 1시간 30분에 에너지 밸런스가 이제 명백하게 양의 값의 에너지 밸런스라는 것을 알 수 있다. 1시간 30분은 로터 블레이드가 가열된 시간, 즉 30분에서 120분까지이므로, 이 도시에서 블레이드를 해동시키고 이에 따라 풍력 터빈을 시동 준비시키기 위해 1시간 30분이 필요했다. 로터 블레이드의 가열 및 이에 따른 해동이 아직 이루어지지 않았다면, 풍력 터빈은 이에 따라 180분에서 처음으로 시작되어야 했다. 도시된 가열 공정이 이미 공칭 전력, 즉 가열 장치의 공칭 전력(PHN)으로 가열되었기 때문에, 180분에서 시작된 제빙은 더 빠르지 않을 것이다. 즉, 풍력 터빈은 빨라야 270분에 시동 준비가 된다. 즉 빨라야 270분에 전력을 생성할 수 있고, 빨라야 그 때 양의 값의 에너지 밸런스에 기여할 수 있다.
그러나 실제로는 초기에 가열 동력을 필요로 하고, 따라서 초기에 에너지를 소비한다. 명확성을 위해, 이러한 변형은 도시되어 있지 않지만, 가열의 시작 시에 처음 180분에 에너지가 270분까지 -300kWh로 떨어졌다는 것이 바로 명백해야 한다. 제안된 해결 방안은 이 예에서 1.2MWh의 에너지 이득을 유발한다.
도 3의 개략적으로 도시된 전술한 프로세스는, 풍력 터빈 자체가 처음에 전기 에너지로 충전되어 있는 에너지 저장 장치로부터 가열에 필요한 에너지를 취할 수 있을 때 특히 효율적이다. 이러한 경우 가열 공정을 위해 값비싼 에너지를 네트워크로부터 구입할 필요가 없다. 또한, 어쨌든 적은 풍력이 네트워크에 공급되는 약한 풍속의 경우에, 가열을 위해 네트워크로부터 에너지를 추출하는 것이 반드시 도움이 되는 것은 아니다. 그러나 이는 물론 에너지 저장 장치가 없거나 또는 에너지 저장 장치가 충전되어 있지 않은 경우에 옵션(option)이 될 것이다.

Claims (14)

  1. 대략 수평 회전축을 갖는 공기 역학적 로터(106), 발전기 및 작동 장치를 포함하는 풍력 터빈(100)을 작동시키는 방법에 있어서,
    - 상기 풍력 터빈(100)은 전기 에너지를 전기 공급 네트워크(120)로 공급하도록 제공되고,
    - 상기 발전기를 시동하기 위한 시동 상태에서 유지되며, 이때 상기 풍력 터빈(100)은 완전히 작동될 수는 없고, 특히 상기 발전기가 시동될 수 없는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    - 충분한 바람이 존재하지 않음으로 인해 그리고/또는
    - 상기 전기 공급 네트워크(120)로 공급될 수 없거나 또는 공급되어서는 안 됨으로 인해 그리고/또는
    - 특히 방해성 그림자 또는 방해성 소음 발생을 방지하기 위해 지방 규정이 상기 발전기의 시동을 일시적으로 금지함으로 인해,
    상기 발전기는 시동될 수 없는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100)은 상기 발전기를 시동시키기 위한 상기 시동 상태에서 적어도 하나의 에너지 저장 장치로부터의 에너지로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100)을 상기 시동 상태에서 유지하는 것은 이하의 작동, 즉
    - 결빙 방지 또는 얼음 해동을 위해 상기 풍력 터빈(100), 특히 상기 로터(106)의 로터 블레이드(108)를 가열하는 것, 및
    - 상기 풍력 터빈(100)을 바람에 정렬시키는 것
    중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100)은, 방위각 정렬이 바람에 대한 최적의 정렬로부터 공차 각도를 초과하는 정도로 상이하게 되고 그리고/또는 미리 결정된 대기 시간보다 길게 상이하게 되는 즉시, 바람에 대한 정렬을 위해 방위각이 조정되고, 상기 공차 각도의 크기 및/또는 상기 대기 시간의 크기는,
    - 상기 발전기가 작동 중인지 여부 및/또는
    - 풍속이 얼마나 큰지
    에 따라 좌우되고, 특히 상기 공차 각도의 크기 및/또는 상기 대기 시간의 크기가 클수록, 상기 풍속은 작은 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    바람이 없거나 또는 풍향을 측정하기 어려운 경우, 풍력 터빈을 바람에 정렬하는 것, 즉, 상기 방위각 위치의 조정은, 측정 타워 또는 기상 관측소로부터 전송된 풍향에 기초하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    - 상기 발전기가 작동 중일 때, 제1 공차 각도 및/또는 제1 대기 시간이 선택되고, 그리고
    - 상기 발전기가 작동하지 않을 때, 제2 공차 각도 및/또는 제2 대기 시간이 선택되고, 그리고 선택적으로
    - 상기 발전기가 작동하지 않고 측정 타워 또는 기상 관측소로부터 풍향이 얻어질 때, 제3 공차 각도 및/또는 제3 대기 시간이 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    날씨 예보에 기초하여 상기 발전기를 포함하는 상기 풍력 터빈(100)을 준비 기간 내에 작동시키기에 충분한 바람, 특히 상기 로터 블레이드(108)를 가열하기 위해 필요한 에너지가 다시 생성될 수 있도록 강하고 지속되는 바람이 예상될 때, 특히 상기 로터 블레이드(108)의 가열 장치가 시동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발전기가 작동하지 않을 때에도, 결빙을 방지하고 그리고/또는 형성되어 있는 얼음을 제거하기 위한 제어 장치가 또한 작동되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 풍력 터빈(100), 특히 상기 발전기가 시동될 수 있는 것으로 예상되는 시동 시점이 계산 또는 예측되고, 그리고
    - 상기 시동 시점 이전의 미리 결정된 예비 리드 타임(lead time)에 상기 풍력 터빈(100)은, 상기 발전기를 시동시키기 위한 시동 상태로 되고, 상기 발전기가 시동될 때까지 그 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위해 준비된 풍력 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100) 또는 이에 연결된 전기 시스템 네트워크는, 에너지를 저장하고 전기 에너지를 전달하기 위한 적어도 하나의 에너지 저장 장치를 갖고, 상기 에너지 저장 장치는, 상기 풍력 터빈(100)의 상기 로터 블레이드(108)를 가열하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있도록 치수가 설정되고, 특히 완전하게 동결된 로터 블레이드(108)를 해동할 수 있도록 하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있고 그리고/또는 상기 로터 블레이드(108)가 최대 가열 동력으로 미리 결정된 가열 기간 동안 가열될 수 있도록 하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있도록 치수가 설정되고, 상기 가열 기간은 바람직하게는 적어도 1시간, 특히 적어도 3시간인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  13. 제11항 또는 제12항에 따른 풍력 터빈(100)을 적어도 2개 포함하는 풍력 발전 단지.
  14. 제13항에 있어서,
    적어도 하나의 에너지 저장 장치가 제공되고, 상기 적어도 하나의 에너지 저장 장치는 상기 풍력 발전 단지(112)에서 상기 풍력 터빈(100)의 상기 로터 블레이드(108)를 가열하기 위한 충분한 총 에너지를 저장할 수 있도록 치수가 설정되고, 특히 상기 풍력 발전 단지 내의 모든 풍력 터빈(100)의 완전하게 동결된 로터 블레이드(108)를 해동할 수 있도록 하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있고 그리고/또는 상기 풍력 발전 단지(112)의 모든 풍력 터빈(100)의 상기 로터 블레이드(108)가 최대 가열 동력으로 미리 결정된 기간 동안 가열될 수 있도록 하기에 충분한 에너지를 저장할 수 있도록 치수가 설정되고, 상기 가열 기간은 바람직하게는 적어도 1시간, 특히 적어도 3시간인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 단지.
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