KR20180095633A - 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 방법 - Google Patents

풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력 발전 설비(100)의 방위각을 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 나셀(104)에 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)를 설치하는 단계, GNSS-수신기들의 수신 신호들을 비교하는 단계, 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계를 포함하고, 이 경우 적어도 2개의 GNSS-수신기는 풍력 측정 지지 프레임에 설치되고, 본 발명은 나셀에 조준경(700)을 설치하는 단계, 조준경을 이용해서 베어링 각(bearing angle; β)으로 방향 탐지 객체(710)의 방향을 탐지하는 단계, 방향 탐지 객체 및/또는 풍력 발전 설비의 실제 좌표와 베어링 각(β)의 비교로부터 방위각을 도출하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것으로, 이 경우 조준경은 풍력 측정 지지 프레임에 설치되고, 본 발명은 나셀에 GNSS-수신기를 설치하는 단계, 나셀을 그 자체 축을 중심으로 회전시키고 회전의 다양한 위치들로부터 GNSS-수신기의 수신 신호들을 비교하는 단계, 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것으로, 이 경우 적어도 하나의 GNSS-수신기는 풍력 측정 지지 프레임에 설치된다. 본 발명은 또한 풍력 발전 설비에 관한 것이다.

Description

풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 방법
본 발명은 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 타워, 나셀 및 로터를 포함하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
풍력 발전 설비에서, 특히 풍력 발전 설비의 설치와 운전 시작 시 그리고 프로토타입 배열(prototype constellation)의 측량 시, 풍력 발전 설비의 방위각의 결정이 중요하다. 풍력 발전 설비의 방위각은 "설비 뷰 방향(viewing direction)"이라고도 하고, 풍력 발전 설비의 로터 허브 또는 스피너가 가리키는 방위방향을 도(degree) 또는 각도 표시로 나타낸다. 방위각의 결정을 위해 풍력 발전 설비의 운전 시작 시 일반적으로 풍력 발전 설비, 대개 로터 허브 또는 스피너는 나침반 방위(compass bearing)에 의해 멀리서 방향 탐지되고, 그로부터 방위각이 도출된다.
본 출원의 우선권 주장 출원 시 독일 특허청에 의해 하기 간행물, 즉 DE 20 2007 008 066 U1, EP 2 333 316 A2 및 KR 10 2014 0 054 680 A가 조사되었다.
본 발명의 과제는, 방위각 결정 시 정확성을 개선하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따라 상기 과제는 풍력 발전 설비의 나셀에 적어도 2개의 GNSS-수신기를 설치하는 단계, GNSS-수신기들의 수신 신호들을 비교하는 단계, 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계를 포함하는, 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 방법에 의해 해결된다. 또한, 적어도 2개의 GNSS-수신기는 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계에 설치되는 것이 제공된다.
본 발명은, 특히, 풍력 발전 설비에서, 구체적으로 나셀에서 방위각을 결정하기 위한 방법이 실시됨으로써 그리고 종래 방식처럼 풍력 발전 설비가 멀리서 방향 탐지되지 않음으로써, 풍력 발전 설비의 방위각의 결정 시 정확성이 높아질 수 있다는 사실에 기초한다. 이는 또한 후속해서 설명되는 제 2 양태에 따른 해결 방법에도 적용된다. 적어도 2개의 GNSS-수신기, 또는 후속해서 설명되는 바와 같이, 조준경을 풍력 발전 설비의 나셀에 설치함으로써 그리고 GNSS-수신기들의 수신 신호들 또는 조준경에 의해 수행된 방향 탐지에 기초해서 방위각을 결정함으로써 정확성이 높아질 수 있는데, 그 이유는 풍력 발전 설비의 나셀 상의 GNSS-수신기들 또는 조준경의 위치들이 공개되기 때문이다. 본 발명에 따른 방법에 의해 방위각의 더 정확한 결정은 설치와 운전 시작 시 그리고 예를 들어 프로토타입 배열(prototype constellation)의 측량 시 수행될 수 있을 뿐만 아니라, 예를 들어 기존의 풍력 발전 설비에서도 방위각의 보정 또는 재조정에 이용될 수 있다.
풍력 발전 설비의 방위각의 정확한 결정은 특히 프로토타입의 전력 곡선의 최적화에 매우 중요하다. 풍향 보정 특성 곡선은, "설비 뷰 방향"이 가급적 직접 풍력을 가리키도록 설정되는데, 그 이유는 풍력 발전 설비의 입사 유동이 잘못된 경우 풍력으로부터 얻어지는 전력이 적을 수 있기 때문이다. 풍력 발전 설비에서, 풍력 특성에 관한 데이터, 즉, 주로 풍속 및/또는 풍향에 관한 데이터는 통상적으로 나셀에 배치된 풍력 측정 지지 프레임에서 풍속계 및 풍향계에 의해 결정된다. 특히 풍향 센서 또는 풍향계가 풍향에 관한 잘못된 데이터를 제공하지 않도록 하기 위해, 풍향 센서 또는 풍향계는 보통 나셀에서, 풍향 센서가 정확히 설비 뷰 방향을 가리키도록, 즉 풍력 발전 설비의 설비 뷰 방향이 직접 풍력을 가리키도록 정렬된다. 그러나, 이것은, 풍력 발전 설비의 로터가 회전하지 않는 경우에만 적용된다. 풍력 발전 설비의 운전 시 로터 블레이드에 의해 선회하는 공기 유동은, 풍향 센서 또는 풍향계 전방의 유동에 영향을 미쳐서, 풍향 센서 또는 풍향계에 의해 실제 풍향이 측정되지 않는 현상을 야기한다. 이러한 영향의 강도는 특히 구동 팁 속도 비에 의존한다. 이러한 영향을 보상하기 위해, 일반적으로 프로토타입에서 전력 곡선의 최적화 시 교정 함수가 결정되고, 상기 교정 함수는 풍력 발전 설비를 다시 풍력으로 직접 정렬시킨다. 이 경우 풍력 측정 마스트에서 결정된 풍향이 기준으로써 이용된다. 기준 풍향과 설비 뷰 방향(방위각)의 차이는 교정 함수의 값을 이룬다. 이러한 풍향 교정 함수는 풍력 발전 설비 제어부에 저장되고, 팁 속도 비의 함수이다. 풍향 교정 함수의 목적은, 일련의 풍력 발전 설비 전체에 대해 전력 곡선과 수확을 킬로와트시(kilowatt hour)로 최적화하는 것이다. 풍향 교정 함수의 결정은 일반적으로 풍력 발전 설비들의 프로토타입의 테스트 단계에서 이루어진다. 풍향 교정 함수의 결정을 위해 풍력 측정 마스트에서 측정된 기준 풍향과 방위각은 둘 다 가능한 한 정확해야 한다. 특히, 방위각, 즉 풍력 발전 설비의 설비 뷰 방향은 풍력 발전 설비의 실제 정렬과 가능한 한 정확히 일치해야 한다. 풍력 발전 설비의 방위각의 정확성의 향상은 풍향 교정 함수의 개선에 기여할 수 있고, 따라서 풍력을 향한 풍력 발전 설비의 정렬이 개선될 수 있음으로써 풍력 수율도 높일 수 있다. 풍향 교정 함수는 추후에 일련의 풍력 발전 설비의 연속 제어부에 설치된다.
풍력 발전 설비 제조업체는, (풍향계의 기능도 포함하지만) 간단히 풍속계라고 하는, 풍향계와 풍속계의 조합인 풍력계를 종종 사용한다.
또한, 풍향 교정 함수와 무관하게 풍력 발전 설비의 방위각을 정확하게 결정하는 것은, 예를 들어 풍력 발전 설비의 섹터별 조절 시 매우 중요하다. 예를 들어, 섹터에 따라 풍력 발전 설비는 상이한 운전 파라미터로 구동될 수 있다. 특정한 섹터에서 바람이 불면, 지역 주민을 보호하기 위해, 풍력 발전 설비는 예를 들어 소음 저감되어 운전될 수 있다. 또한, 풍력 발전 단지에서 상류에 위치한 풍력 발전 설비들은 풍향에 따라 스로틀되어 작동할 수 있으며, 이로써 특히 난류 및 설비 부하가 감소하여, 하류에 위치한 풍력 발전 설비들에서 "난류가 줄어들 수 있다". 방위각의 더 정확한 결정은 이로써 다양한 장점들을 수반한다.
약어 GNSS는 Global Navigation Satellite System(글로벌 위성 항법 시스템)을 의미하고, GPS(Global Positioning System), GLONASS(Global Navigation Satellite System), Galileo 또는 Beidou 또는 위치 정확성을 높이는 다양한 (위성 지원) 보완 시스템 또는 추가 시스템, 예를 들어 DGPS(Differential Global Positioning System), RTK GPS(Real Time Kinematics Global Positioning System) 또는 위성 기반 증강 시스템(Satellite Based Augmentation Systems; SBAS)과 같은 기존 시스템 및 향후의 글로벌 위성 시스템의 이용에 대한 집합적 용어이다. 여기에서 지역 내비게이션 위성 시스템(Regional Navigation Satellite Systems, RNSS)도 용어 GNSS에 의해 포함되는 것으로서 파악된다. 특히 DGPS/RTK/GPS와 같은 시스템들을 이용해서 2개의 수신기 사이의 상대 위치가 이제는 수 센티미터로 정확하게 결정될 수 있다.
적어도 2개의 GNSS-수신기의 수신 신호들의 비교에 의해 비교 결과로부터 풍력 발전 설비의 방위각이 도출될 수 있다. 특히, 2개의 GNSS-수신기는 공개된, 서로 예정된 간격으로 나셀에 설치되는 것이 바람직하고, 이 경우 20cm 이상, 특히 50cm 이상, 바람직하게는 적어도 1 또는 2m 이상의 간격이 바람직하다.
적어도 2개의 GNSS-수신기의 수신 신호들은 적어도 2개의 GNSS-수신기의 각각의 위치에 관한 정확한 데이터를 전달한다. 2개의 상이한 수신 신호들로부터 GNSS-수신기들의 2개의 위치 사이의 각도 및 풍력 발전 설비의 방위각이 결정될 수 있다.
바람직하게는 3개 이상의 GNSS-수신기가 제공될 수도 있고, 상기 수신기들은 방법의 신뢰성 및/또는 측정 정확성을 높일 수 있다. 적어도 2개, 3개 또는 그 이상의 GNSS-수신기는 바람직하게 일시적으로 및/또는 분리 가능하게 나셀에 장착되고, 대안으로서 영구적으로 및/또는 분리 불가능하게 나셀에 장착될 수도 있다. 적어도 2개의 GNSS-수신기는 개별 부재로서 서로 별도로 풍력 발전 설비의 나셀에 설치될 수 있다.
수신 신호들의 비교 및 비교 결과로부터의 방위각의 도출은 예를 들어 다음과 같이 이루어질 수 있다. 2개의 수신기 간의 간격 및 상이한 수신 신호들의 위상 변이로부터 위성에 대한 수신기 연결축의 각도가 결정될 수 있다. 위성의 궤도력(ephemeris)에 의해 또한 북쪽 방향을 향해 GNSS-수신기들 사이의 연결축의 정렬이 결정될 수도 있다. 풍력 발전 설비의 나셀에 대한 GNSS-수신기들의 공개된 배치에 의해 그리고 풍력 발전 설비에 있는 GNSS-수신기들 사이의 연결축의 공개된 위치에 의해 풍력 발전 설비의 방위각이 결정될 수도 있다. 이러한 방식으로 10분의 1도 내지 100분의 1도의 범위의 측정 정확성이 달성될 수 있다. 이러한 방법에 의해 최대 +/-2°, 바람직하게는 최대 +/-1°의 실제 방위각과의 편차가 발생하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 2개의 GNSS-수신기는, 2개의 GNSS-수신기의 연결축이 설비 뷰 방향에 대해 평행하게 또는 상기 방향과 일치하게 정렬되도록, 나셀 상에서 정렬된다.
바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기는 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계에 지지 수단을 이용해서 설치된다. 또한, 지지 수단은, 풍력 측정 지지 프레임의 정렬, 특히 풍력계의 정렬을 위한 정렬 장치, 구체적으로 레이저 장치를 분리 가능하게 수용하도록 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 적어도 2개의 GNSS-수신기는 방위각의 결정 후에 분해되는 것이 바람직하다.
바람직한 개선예에 따라, 적어도 2개의 GNSS-수신기는 나셀에 설치된 위치 결정 장치, 특히 GNSS-컴파스의 부분이다. 적어도 2개의 GNSS-수신기가 구조적으로 위치 결정 장치 내에 통합되고 상기 위치 결정 장치의 부분으로서 나셀에 설치되는 경우에, 바람직하다.
위치 결정 장치는 예를 들어 빔, 바람직하게는 절첩식(telescopable) 빔으로서 형성될 수 있다. 적어도 2개의 GNSS-수신기는 바람직하게 빔의 2개의 단부에 배치될 수 있다.
바람직하게 위치 결정 장치는 GNSS-컴파스로서 형성될 수 있고, 상기 컴파스는 GPS-컴파스 또는 위성 컴파스라고도 한다. 특히, 적어도 2개의 GNSS-수신기를 포함하는 장치를 GNSS-컴파스라고 하고, 상기 GNSS-수신기는 수신 신호들을 수신할 수 있고, 상기 수신 신호들로부터 수신기 연결축 또는 GNSS-컴파스의 다른 기준축의 정렬, 특히 북쪽 방향에 대한 정렬을 결정할 수 있다.
특히, 위치 결정 장치에서, 특히 GNSS-컴파스에서 GNSS-수신기들의 수신 신호들의 비교가 실행되는 것이 바람직하다. 또한, 위치 결정 장치에서, 특히 GNSS-컴파스에서 방위각의 도출이 실행되는 것이 바람직하다. GNSS-컴파스는 평가 유닛을 포함할 수 있고 및/또는 상기 평가 유닛에 (유선으로 및/또는 무선으로) 연결될 수 있다.
위치 결정 장치, 특히 GNSS-컴파스에 대한 적어도 2개의 GNSS-수신기의 통합 및 바람직하게는 GNSS-수신기들의 수신 신호들의 비교 및/또는 위치 결정 장치, 특히 GNSS-컴파스에서의 방위각의 도출도, 풍력 발전 설비의 나셀에 하나의 일체형 유닛만이 설치되면 되는 장점을 갖고, 상기 유닛은 경우에 따라서 (신호 기술적으로) 접속되고 또는 판독되어야 한다. 적어도 2개, 경우에 따라서는 3개 이상의 GNSS-수신기들의 개별적인 설치와 달리 위치 결정 장치에 대한 GNSS-수신기들의 통합은 이로써 방법 및 경우에 따라서 신호들의 평가를 훨씬 용이하게 하고 간단하게 한다. 이로 인해 방법의 신뢰성도 높아지고, 오류 민감성은 감소될 수 있다. 또한, 예를 들어 필요 시, 위치 결정 장치에서의 방위각의 도출을 위한 알고리즘 또는 계산 단계들의 변경 또는 개선은, 위치 결정 장치에서 중앙 소프트웨어 업데이트에 의해 간단하고 신뢰적으로 실시될 수도 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따라 전술한 과제는 풍력 발전 설비의 나셀에 조준경을 설치하는 단계, 조준경을 이용해서 베어링 각(bearing angle)으로 방향 탐지 객체의 방향을 탐지하는 단계, 방향 탐지 객체 및/또는 풍력 발전 설비, 특히 조준경의 실제 좌표와 베어링 각의 비교로부터 방위각을 도출하는 단계를 포함하는 방법에 의해 해결된다. 또한, 조준경은 풍력 측정 지지 프레임, 특히 풍력계에 설치되는 것이 제공된다.
상기 방법의 이러한 변형예는 또한, 전술한 바와 같이, 상기 방법이 풍력 발전 설비에서, 특히 나셀에서 실시됨으로써 정확성이 개선될 수 있다는 사실에 기초한다. 상기 방법의 이러한 변형예에서 조준경은 바람직하게 일시적으로 및/또는 분리 가능하게 나셀에 장착되고, 조준경에 의해 방향 탐지 객체는 방향 탐지된다. 바람직하게는 방향 탐지 객체의 실제 좌표들이 공개되거나 사전에 측정되거나 다른 방식으로 결정된다. 설비 방향과 조준경-방향 탐지 객체 연장부 사이의 각도는 베어링 각이다. 상기 베어링 각과 방향 탐지 객체의 실제 좌표 및 풍력 발전 설비의 실제 좌표, 즉 풍력 발전 설비의 위치, 특히 조준경의 실제 좌표로부터 풍력 발전 설비의 방위각이 도출될 수 있다. 풍력 발전 설비 또는 조준경의 위치와 방향 탐지 객체 사이의 직선들과 북쪽 축 사이의 베어링 각은 예를 들어 벡터 계산을 이용해서 결정될 수 있다.
본 방법이 풍력 발전 설비의 방위각의 보정을 위해 사용되는 경우, 방위각을 도출하는 단계는 다음과 같이 실시되고 및/또는 변형될 수 있다. 베어링 각은 설비의 기존의 방위각, 즉 보정할 방위각에 가산 또는 감산될 수 있으며, 그 결과 얻어지는 각도는 각도 A라고 한다. 방향 탐지 객체 및 풍력 발전 설비 또는 조준경의 실제 좌표로부터 얻어지는 또는 계산된 설비 방향과 북쪽 축 사이의 각도는 각도 B라고 한다. 상기 2개의 각도 A와 B의 차이로부터 풍력 발전 설비의 방위각의 소위 오프셋이 얻어지고, 이로써 상기 오프셋만큼 풍력 발전 설비의 방위각이 보정될 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 따라 상기 과제는 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 방법에 의해 해결되고, 상기 방법은, 풍력 발전 설비의 나셀에 GNSS-수신기를 설치하는 단계, 풍력 발전 설비의 나셀을 그 자체 축을 중심으로 회전시키고 회전의 다양한 위치들로부터 GNSS-수신기의 수신 신호들을 비교하는 단계, 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계를 포함한다. 또한, 적어도 하나의 GNSS-수신기는 풍력 측정 지지 프레임, 특히 풍력계에 설치되는 것이 제공된다.
상기 방법의 이러한 변형예도 또한, 앞서의 2개의 양태처럼, 상기 방법은 풍력 발전 설비에서, 특히 나셀에서 실시됨으로써 정확성이 개선될 수 있다는 사실에 기초한다. 방법의 이러한 변형예에서 하나의 GNSS-수신기만이 필요하다(그러나 2개, 3개 또는 그 이상의 수신기가 사용될 수도 있음). 방위각의 결정을 위해 바람직하게는 중심축 및 회전점과 관련해서 공개된 고정적인 위치에 설치된 GNSS-수신기를 포함하는 나셀은 바람직하게 수직 축을 중심으로 그리고 또한 바람직하게는 완전한 360°로 회전된다. 나셀의 이러한 회전 동안 GNSS-수신기는 바람직하게 연속해서, 그러나 적어도 시간 간격 또는 각도 간격을 두면서 수신 신호들을 수신하고, 상기 수신 신호들로부터 좌표가 도출될 수 있다. 회전의 상이한 위치들에서 얻어진 이러한 데이터의 비교에 의해 방위각이 결정될 수 있다.
특히, 나셀의 회전점 외부의 GNSS-수신기는 나셀의 실질적으로 수평 길이방향 축 상에 설치되고, 방위각의 도출은 회전 동안 GNSS-수신기의 수신된 수신 신호들로부터 결정된 좌표들의 최북단 좌표를 따른 나셀의 정렬을 포함하는 것이 바람직하다. 이로 인해 북쪽으로 설비 뷰 방향의 특히 간단한 정렬이 달성될 수 있다.
다른 바람직한 개선예에 따라 방법, 특히 제 1 양태 및/또는 제 2 양태 및/또는 제 3 양태에 따른 방법은, 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경이 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계에 설치됨으로써 개선될 수 있다.
적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경은 풍력 발전 설비의 나셀에서의 설치에 대한 대안으로서 또는 추가로, 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계에 설치될 수 있다. 풍력계는 일반적으로 풍력 발전 설비의 나셀에, 예를 들어 풍력 측정 지지 프레임에 배치된다. 풍력 발전 설비의 나셀에서의 설치는 풍력 측정 지지 프레임에서의 설치를 포함한다. 풍력 발전 설비의 나셀에서의 설치는 이로써 일반적으로 나셀 상의 풍력 측정 지지 프레임에 배치된 풍력계에서의 설치도 포함한다. 풍력계는 예를 들어 풍속의 결정을 위한 풍속계 또는 풍향의 결정을 위한 풍향계 또는 풍향 센서일 수 있다. 바람직하게는 특히 초음파 풍향계 및/또는 초음파 풍속계가 사용된다.
상기 방법의 바람직한 개선예에 따라, 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경은 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계에 지지 수단을 이용해서, 설치되는 것이 제공된다. 또한, 지지 수단은 풍력계의 정렬을 위한 정렬 장치, 특히 레이저 장치를 분리 가능하게 수용하도록 형성되는 것이 바람직하다.
정렬 장치는 예를 들어 레이저 장치일 수 있다. 예를 들어, 나셀에 대해서 풍력계의 정렬은 정렬 장치를 이용해서 이루어지고, 상기 정렬 장치는 풍력계에 분리 가능하게 지지 수단을 이용해서 고정되는 것이 제공될 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경을 풍력계에, 바람직하게는 또한 분리 가능하게, 설치하기 위해, 전술한 바와 같은 또는 동일한 지지 수단이 이용되는 경우, 특히 바람직하다. 이로 인해 한편으로는 지지 수단이 재사용될 수 있고, 다른 한편으로 상기 지지 수단을 이용한 풍력계를 보호하는 간단한 설치가 선택될 수 있다.
특히 바람직한 실시예에 따라, 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경은 방위각의 결정 후에 분해되는 것이 바람직하다.
이러한 개선예에서, 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경은 일시적으로만 및/또는 분리 가능하게 나셀에, 특히 풍력계에 장착되는 것이 제공된다. 이는 여러 장점을 제공한다. 한편으로는 이는 특히 저렴한 변형예인데, 그 이유는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경은, 방위각이 차례로 결정되고 따라서 풍력 발전 설비의 수명 동안 이러한 방위각을 유지할 필요가 없는 복수의 풍력 발전 설비를 위해 이용될 수 있기 때문이다. 풍력 발전 설비의 수명 동안 방위각의 체크 및/또는 보정이 필수적이더라도, 이러한 체크 또는 보정을 위해 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경은 (다시) 나셀에, 특히 풍력계에 설치될 수 있고 방위각의 (재)결정이 실시될 수 있다. 또한, 일반적으로 풍향 교정 함수를 위한 방위각의 결정은 하나의 프로토타입에만 및/또는 풍력 발전 설비 시리즈의 소수의 개별 풍력 발전 설비에만 필요하고, 시리즈 전체에는 필요하지 않다.
대안으로서 나셀에, 특히 풍력계에, 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경의 영구적인 장착 및/또는 분리 불가능한 장착이 제공될 수도 있다.
다른 양태에 따라 전술한 과제는, 방위각의 결정을 위해 적어도 하나의 GNSS-수신기, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경이 나셀, 즉 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계에 배치되는 것을 특징으로 하며 타워, 나셀 및 로터를 포함하는 풍력 발전 설비에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 풍력 발전 설비 및 그것의 가능한 개선예들은, 다양한 양상들 및 그것의 다양한 개선예에 따라 본 발명에 따른 전술한 방법들을 실시하기에 특히 적합한 특징들을 갖는다.
풍력 발전 설비 및 그 가능한 개선예들의 장점, 변형 실시예 및 세부적인 실시예들에 대해 해당하는 방법 특징들에 관한 전술한 설명이 참조된다.
다른 양태에 따라 상기 과제는 풍력 측정 지지 프레임, 특히 풍력계에서 방위각의 결정을 위한 풍력 발전 설비 상의 적어도 하나의, 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경을 사용하는 것에 의해 해결된다.
이러한 다른 양상 및 그것의 가능한 개선예들의 장점, 변형 실시예 및 세부적인 실시예들에 대해 해당하는 방법 특징들에 관한 전술한 설명이 참조된다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 예시적으로 첨부된 도면들을 참고로 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전 설비의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 3a는 본 발명에 따른 방법의 다른 예시적인 실시예를 도시한 도면.
도 3b는 본 발명에 따른 방법의 예시적인 제 3 실시예를 도시한 도면.
도 4는 위치 결정 장치가 설치된 풍력 발전 설비의 나셀의 개략도.
도 5는 위치 결정 장치의 예시적인 제 1 실시예의 평면도.
도 6은 위치 결정 장치의 예시적인 제 2 실시예의 측면도.
도 7은 초음파 풍력계의 입체도.
도 8은 풍력계, 특히 도 7에 따른 풍력계와 함께 이용하기 위한 지지 수단의 입체도.
도 9는 도 3에 따른 방법에 의한 방향 탐지 과정의 개략도.
도 10은 방향 탐지 과정의 다른 개략도.
도 11은 초음파 풍력계가 배치되고 정렬 장치를 포함한 지지 수단이 배치된 풍력 측정 지지 프레임의 입체도.
도 12는 초음파 풍력계가 배치된 풍력 측정 지지 프레임의 다른 실시예의 입체도.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 포함하는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 나셀(104)에 3개의 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 가진 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는 작동 시 풍력에 의해 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동시킨다.
스피너(110)가 정렬되는 방위방향을 풍력 발전 설비(100)의 방위각 또는 뷰 방향이라고 한다. 나셀(104) 및 로터(106)가 가능한 한 항상 풍향으로 정렬되고, 스피너(110) 및 설비 뷰 방향이 직접 풍력을 향하도록 하기 위해, 나셀(104)에 일반적으로 풍력 측정 지지 프레임(160; 도 11 참조)이 배치되고, 상기 프레임에는, 여기에서 조합된 풍속계 및 풍향계로서 형성되며 4개의 암(171)을 가진 초음파 풍력계(170; 도 7 및 도 11 참조)가 배치된다.
풍향 교정 함수의 결정 그리고 풍력 발전 설비(100)의 섹션별 조절에 중요한 방위각의 결정 시 정확성을 높이기 위해, 예를 들어 도 2 및/또는 도 3에 따른 방법들이 바람직하다.
도 2에 따라 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 예시적인 방법은 풍력 발전 설비의 나셀에 적어도 2개의 GNSS-수신기를 설치하는 단계(201), GNSS-수신기들의 수신 신호들을 비교하는 단계(202), 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계(203) 및 방위각의 결정 후에 적어도 2개의 GNSS-수신기를 분해하는, 바람직하게는 선택적인 단계(204)를 포함한다.
도 3a에 따라 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 예시적인 방법은 풍력 발전 설비의 나셀에 조준경을 설치하는 단계(211), 조준경을 이용해서 베어링 각으로 방향 탐지 객체의 방향을 탐지하는 단계(212), 방향 탐지 객체 및/또는 풍력 발전 설비, 특히 조준경의 실제 좌표와 베어링 각의 비교로부터 방위각을 도출하는 단계(213) 및 방위각의 결정 후에 조준경을 분해하는, 바람직하게는 선택적인 단계(214)를 포함한다.
도 3b에 따라 풍력 발전 설비의 방위각을 결정하기 위한 예시적인 방법은 풍력 발전 설비의 나셀에 GNSS-수신기를 설치하는 단계(221), 풍력 발전 설비의 나셀을 그 자체 축을 중심으로 회전시키고 회전의 다양한 위치들로부터 GNSS-수신기의 수신 신호들을 비교하는 단계(222) 및 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계(223)를 포함하고, 이 경우 바람직하게 나셀의 회전점 외부의 GNSS-수신기는 나셀의 실질적으로 수평 길이방향 축 상에 설치되고, 방위각의 도출은 회전 도중에 GNSS-수신기의 수신된 수신 신호들로부터 결정된 좌표들의 최북단 좌표를 따른 나셀의 정렬을 포함한다.
도 9는 도 3에 212로 표시된 방향을 탐지하는 단계를 상세히 도시한다. 도 9에는, 후속해서 상세히 설명되는 지지 수단(600)에 조준경(700)이 분리 가능하게 배치되고, 상기 조준경에 의해 거리를 두고 위치 설정된 방향 탐지 객체, 여기에서는 다른 풍력 발전 설비(710)가 베어링 각(α)으로 방향 탐지되는 것이 개략적으로 도시된다.
도 10은 방향 탐지 객체(P)와 풍력 발전 설비(100) 사이의 방향 탐지 과정을 도시한다. 도 10에서는 조준경이 도시되지 않는다. 설비 방향과 조준경-방향 탐지 객체 연장부 사이의 각도는 베어링 각(β)이다. 이러한 베어링 각(β)과 방향 탐지 객체의 실제 좌표 및 풍력 발전 설비의 실제 좌표, 즉 풍력 발전 설비의 위치, 특히 조준경의 실제 좌표로부터 풍력 발전 설비의 방위각이 도출될 수 있다.
풍력 발전 설비의 방위각의 보정을 위해 상기 방법이 사용되는 경우, 방위각을 도출하는 단계는 다음과 같이 실시되고 및/또는 변경될 수 있다. 베어링 각(β)은 설비의 기존의 방위각, 즉 보정할 방위각(α)에 가산되고 또는 감산될 수 있으며, 그 결과 얻어지는 각도는 각도 A라고 한다. 방향 탐지 객체 및 풍력 발전 설비 또는 조준경의 실제 좌표로부터 얻어지는 또는 계산된 설비 방향과 북쪽 축(N) 사이의 각도는 각도 B(γ)라고 한다. 상기 2개의 각도 A와 B의 차이로부터 풍력 발전 설비의 방위각의 소위 오프셋이 얻어지고, 이로써 상기 오프셋만큼 풍력 발전 설비의 방위각이 보정될 수 있다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)는, 나셀(104)에 설치된, 빔(400)으로서 형성된 위치 결정 장치의 부분일 수 있다. X로 표시된, 2개의 GNSS-수신기(300) 사이의 간격은 바람직하게 대략 2m이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 위치 결정 장치는 간단한 빔(400)으로서 형성될 수 있고, 상기 빔의 각각의 단부에 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)가 배치된다. 위치 결정 장치는 바람직하게 절첩식 빔으로서 형성된다. 도 5에 있어서, 또한, 위치 결정 장치(400)는 계속해서 상세히 설명되는 지지 수단(600)에 분리 가능하게 고정되는 것을 알 수 있다.
도 6에는, 2개의 GNSS-수신기(300)가 GNSS-컴파스(500) 또는 위성-컴파스로서 형성된 위치 결정 장치의 부분으로서 형성될 수도 있는 것이 도시된다. 이러한 GNSS-컴파스(500)는 또한 풍력 발전 설비의 풍력 측정 지지 프레임 또는 나셀에 설치될 수 있다. 바람직하게는, 2개의 GNSS-수신기는 GNSS-컴파스(500)의 가급적 서로 멀리 이격된 단부들에 또한 배치된다.
도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 풍력 측정 지지 프레임(160)에 설치된 풍력계(170) 상에, 도 8에도 도시된 지지 수단(600)이 설치될 수 있다. 지지 수단(600)은 그 하부면에 4개의 리세스(601)를 갖고, 상기 리세스 내로 풍력계(170)의 4개의 암(171)이 삽입될 수 있다. 또한, 지지 수단(600)은 돌출한 지지 플레이트(602)를 포함하고, 상기 지지 플레이트에 정렬 장치가 분리 가능하게 배치될 수 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 돌출한 지지 플레이트(602)에, 예를 들어 레이저 장치(800)가 분리 가능하게 고정될 수 있다. 레이저 장치(800) 형태의 정렬 장치는 예를 들어, 풍력 측정 지지 프레임(160) 상에 정확히 설비 뷰 방향으로 풍력계(170)를 정렬하는 데 이용될 수 있다. 지지 수단(600), 특히 돌출한 지지 플레이트(602)는 정렬 장치의 분해 후에, 적어도 2개의 GNSS-수신기, 특히 위치 결정 장치 및/또는 조준경을, 풍력계, 예컨대 풍력계(170) 또는 풍력 측정 지지 프레임(160)에 고정하는 데 이용될 수도 있다.
도 12에 초음파 풍력계(170')가 배치된 풍력 측정 지지 프레임(160')의 다른 실시예가 도시된다.
방위각의 결정을 풍력 발전 설비(100) 자체로 옮기고, 이로 인해 풍력 발전 설비의 방위각이 원거리에서 방향 탐지에 의해 결정되는 종래의 방법과 달리 방위각의 결정 시 정확성을 현저하게 높이는 본 발명의 사상은 이로써 다양한 장점들을 수반한다. 한편으로는 풍향 교정 함수의 최적화에 의해 풍력 수율이 증가할 수 있다. 다른 한편으로 풍력 발전 설비의 섹션별 조절에 의해 소음 부하와 특히 난류 부하 및 설비의 재료 부하가 감소될 수 있고, 풍력 발전 단지에서도 풍력 수율이 높아질 수 있다. 방위각의 결정을 위해 사용되는 부재들의 분리 가능성과 재사용 가능성에 의해 상기 방법은 또한 효율적으로 그리고 저렴하게 실시될 수 있다.

Claims (15)

  1. 풍력 발전 설비(100)의 방위각을 결정하기 위한 방법으로서,
    - 풍력 발전 설비의 나셀(104)에 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)를 설치하는 단계,
    - 상기 GNSS-수신기(300)들의 수신 신호들을 비교하는 단계,
    - 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)는 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계(170)에 설치되는 것인 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)는 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 상기 풍력계(170)에 지지 수단을 이용해서 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 지지 수단은, 상기 풍력계(170)의 정렬을 위한 정렬 장치, 특히 레이저 장치를 분리 가능하게 수용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)는 방위각의 결정 후에 분해되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 GNSS-수신기(300)는 상기 나셀(104)에 설치된 위치 결정 장치(400, 500)의, 특히 GNSS-컴파스의 부분인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치 결정 장치(400, 500)에서, 특히 GNSS-컴파스에서 상기 GNSS-수신기(300)들의 수신 신호들의 비교가 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치 결정 장치(400, 500)에서, 특히 GNSS-컴파스에서 방위각의 도출이 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 풍력 발전 설비(100)의 방위각을 결정하기 위한 방법으로서,
    - 풍력 발전 설비의 나셀(104)에 조준경(700)을 설치하는 단계,
    - 상기 조준경(700)을 이용해서 베어링 각(bearing angle; β)으로 방향 탐지 객체(710)의 방향을 탐지하는 단계,
    - 상기 방향 탐지 객체(710) 및/또는 풍력 발전 설비, 특히 상기 조준경(700)의 실제 좌표와 상기 베어링 각(β)의 비교로부터 방위각을 도출하는 단계
    를 포함하고,
    - 상기 조준경(700)은 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계(170)에 설치되는 것인 방법.
  9. 풍력 발전 설비(100)의 방위각을 결정하기 위한 방법으로서,
    - 풍력 발전 설비의 나셀(104)에 GNSS-수신기(300)를 설치하는 단계,
    - 풍력 발전 설비의 나셀을 그 자체 축을 중심으로 회전시키고, 상기 회전의 다양한 위치들로부터 상기 GNSS-수신기(300)의 수신 신호들을 비교하는 단계,
    - 비교 결과로부터 방위각을 도출하는 단계
    를 포함하고,
    - 적어도 하나의 상기 GNSS-수신기(300)는 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계(170)에 설치되는 것인 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 나셀(104)의 회전점 외부의 상기 GNSS-수신기(300)는 나셀의 실질적으로 수평 길이방향 축 상에 설치되고, 방위각의 도출은, 상기 회전 동안 수신된 상기 GNSS-수신기(300)의 수신 신호들로부터 결정된 좌표들의 최북단 좌표를 따른 나셀의 정렬을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 GNSS-수신기(300) 및/또는 상기 조준경(700)은 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 상기 풍력계(170)에 지지 수단을 이용해서 설치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 지지 수단은, 상기 풍력계(170)의 정렬을 위한 정렬 장치, 특히 레이저 장치를 분리 가능하게 수용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 GNSS-수신기(300) 및/또는 상기 조준경(700)은 방위각의 결정 후에 분해되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 타워, 나셀(104) 및 로터(106)를 포함하는 풍력 발전 설비(100)에 있어서, 방위각의 결정을 위해 적어도 하나의 GNSS-수신기(300), 바람직하게 적어도 2개의 GNSS-수신기(300), 특히 위치 결정 장치(400, 500) 및/또는 조준경(700)이 상기 나셀(104)에, 즉 풍력 측정 지지 프레임에, 특히 풍력계(170)에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전 설비.
  15. 풍력 측정 지지 프레임, 특히 풍력계(170)에서의 방위각의 결정을 위한 풍력 발전 설비(100) 상의 적어도 하나의 GNSS-수신기(300), 바람직하게는 적어도 2개의 GNSS-수신기(300), 특히 위치 결정 장치(400, 500) 및/또는 조준경(700)의 용도.
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