KR20190038652A - 풍력 발전 설비를 위한 측정 장치 - Google Patents

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파울 하프리첵
하이코 바움가르트
올리퍼 빈더
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보벤 프로퍼티즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 로터의 추력(220)을 결정하기 위한 풍력 발전 설비(100)를 위한 측정 장치에 관한 것이다. 측정 기기는 제1 높이에서 타워(102)의 제1 굽힘 모멘트를 검출하고, 제1 높이와 상이한 제2 높이에서 타워(102)의 제2 굽힘 모멘트를 검출한다. 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트는 각각 고유 모멘트 성분, 피칭 모멘트 성분 및 추력 성분으로 구성된다. 추력 결정 유닛은 제1 굽힘 모멘트와 제2 굽힘 모멘트의 비교에 근거해서 로터(106)의 추력(220)을 결정하므로, 고유 모멘트 성분과 피칭 모멘트 성분이 소거된다.

Description

풍력 발전 설비를 위한 측정 장치
본 발명은, 로터의 추력을 결정하기 위한 풍력 발전 설비의 측정 장치에, 측정 장치를 구비한 풍력 발전 설비에, 로터의 추력을 결정하기 위한 방법에, 그리고 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 풍력 발전 단지 및 풍력 발전 단지를 운전하기 위한 방법에 관한 것이다.
바람의 운동 에너지로부터 전기 에너지를 형성하여 전력 공급망에 공급하는 풍력 발전 설비들이 일반적으로 공개되어 있다. 오늘날, 이러한 풍력 발전 설비들은, 주로 풍력 발전 단지의 형태로, 즉 제한된 면적에 풍력 발전 설비들의 군집 형태로, 운전된다.
이러한 풍력 발전 단지의 설계 및 운전 시, 풍력 발전 단지의 개별 풍력 발전 설비들이, 서로 어떻게 영향을 미치는지에 유의해야 한다. 특히, 풍력 발전 설비의, 후류(wake)에, 즉 로터 뒤에, 강한 난기류가 형성될 수 있다. 앞쪽에 있는 풍력 발전 설비의 이러한 난기류 내에 정확히 위치한 풍력 발전 설비는, 이러한 난기류에 의해 영향을 받을 수 있으므로, 에너지 생산량이 감소하거나 또는 심지어 풍력 발전 설비는 손상된다.
이러한 이유로, 풍력 발전 단지의 설계 시, 각각의 개별 풍력 발전 설비의 후류에서의 난기류는, 개별 풍력 발전 설비들의 간격 설정을 위한 제한 요인으로서 고려된다. 시뮬레이션을 사용하여, 각기 다른 풍향에 대한 개별 풍력 발전 설비들 뒤의 난기류들이 시뮬레이션된 다음, 특정 위치의 풍향을 고려하여 그리고 안전 여유를 적용하여, 풍력 발전 설비들 사이의 최소 간격이 결정된다. 안전상의 이유로, 풍력 발전 설비들의 간격들은, 풍력 발전 단지의 운전 시 대부분의 시간이 필요로 하는 것보다 크게 선택되어야 한다. 결과적으로, 면적당 설치될 수 있는 풍력 발전 설비의 수가 크게 줄어들 수 있으며, 제한된 면적만을 주로 이용할 수 있는 풍력 발전 단지의 출력은 크게 제한된다. 또한, 극한 상황에서 또는 예를 들어, 바람이 지배적인 풍향으로부터 예상대로 불어 오지 않는 경우에도, 풍력 발전 설비들의 후류에서의 난기류 문제가 여전히 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 과제는, 전술한 문제들 중 적어도 하나를 해결하는 것이다. 특히, 선행 기술이 개선되어야 하며, 그리고 풍력 발전 설비의 후류에서의 난기류의 결정이 간단해지도록 그리고 결과적으로 풍력 발전 단지의 제어가 개선되도록 할 수 있는, 해결 방법이 제안되어야 한다.
상기 과제는, 본 발명에 따라, 로터의 추력을 결정하기 위한, 타워 및 적어도 하나의 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 구비하는 풍력 발전 설비의, 측정 장치로서,
- 제1 높이에서 타워의 제1 굽힘 모멘트 및 제1 높이와 상이한 제2 높이에서 타워의 제2 굽힘 모멘트를 검출하기 위한 측정 기기로서, 상기 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트는 각각, 고유 모멘트 성분, 피칭 모멘트 성분 및 추력 모멘트 성분으로 구성되는 것인, 측정 기기,
- 상기 제1 굽힘 모멘트와 상기 제2 굽힘 모멘트의 비교에 기초하여 결정되는 제1 비교값에 근거하여 추력을 결정하기 위한 추력 결정 유닛으로서, 상기 제1 비교값은 고유 모멘트 성분 및 피칭 모멘트 성분과 무관한 것인, 추력 결정 유닛
을 포함하는 것인, 측정 장치에 의해 달성된다.
상기 측정 기기는 상이한 높이들에서 풍력 발전 설비의 타워의 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트를 검출하고, 상기 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트는 각각, 고유 모멘트 성분, 피칭 모멘트 성분 및 추력 성분으로 구성된다는 사실은, 상기 추력 결정 유닛이, 상기 고유 모멘트 성분 및 상기 피칭 모멘트 성분과 무관한, 상기 제1 굽힘 모멘트와 상기 제2 굽힘 모멘트 사이의 제1 비교값에 근거하여 추력을 결정하는 것을 가능하도록 한다. 바람직하게, 고유 모멘트 성분과 피칭 모멘트 성분의 기여분들은 비교값에서 서로 상쇄되거나 소거된다. 로터의 추력이 후류에서의 난기류와 직접적으로 관련이 있다는 것이 공지되기 때문에, 추력은, 풍력 발전 설비에 의해 생성된 난기류를 평가하기 위한 직접적인 매개변수를 제공한다. 따라서, 풍력 발전 설비의 운전 도중에 추력 결정 유닛에 의해 추력을 적시에 결정함으로써, 풍력 발전 설비에 의해 생성된 후류에서의 난기류가 각 시점마다 결정될 수 있으므로, 언제든지 난기류가 제한되도록 풍력 발전 설비를 제어하는 것이 가능해진다.
고유 모멘트 성분은, 기관실의 중심이 타워의 수직 중심축과 일렬로 놓이지 않음으로써, 즉 기관실의 중심과 타워 중심축 사이의 수평 간격이 0보다 큼으로써, 발생한다. 고유 모멘트 성분은, 기관실에 작용하는 중량에 의한 힘 및 기관실의 중심과 타워의 중심축 사이의 간격에 의존한다. 고유 모멘트 성분은, 타워의 전체 높이에 일정하게 작용한다.
피칭 모멘트 성분은, 상이한 높이에서 로터 블레이드에 작용하는 풍압력에 의해 발생한다. 이러한 비균등성은, 또한 로터에 작용하며 그리고 로터를 통해 타워에 전달되는, 토크를 유발한다. 또한, 피칭 모멘트 성분은, 타워의 높이에 걸쳐 일정하게 작용한다. 추력 모멘트 성분은, 로터에 작용하는 추력에 의해 생성되며, 풍력 발전 설비의 타워의 높이에 의존한다.
또한, 측정 기기는, 제1 높이에서 타워의 제1 굽힘 모멘트를 검출하기 위한 제1 센서 및 제1 높이와 상이한 제2 높이에서 타워의 제2 굽힘 모멘트를 검출하기 위한 제2 센서를 포함하는 것이, 제안된다.
측정 기기는, 제1 높이 및 제2 높이에 각각 제1 센서 및 제2 센서를 구비하는 방식으로 구성되기 때문에, 굽힘 모멘트는, 타워의 개별적인 높이에서 직접 측정될 수 있다. 이는, 측정의 정확성 및 또한 측정값으로부터 추력의 결정의 정확성을, 현저히 개선한다.
또한, 제1 센서는 풍력 발전 설비의 기관실 바로 아래에 배치되며 그리고 제2 센서는 풍력 발전 설비의 기초부 근처에 배치되는 것이, 제안된다.
제1 센서가 풍력 발전 설비의 기관실의 바로 아래에 배치되며 그리고 제2 센서가 풍력 발전 설비의 기초부 근처에 배치된다는 사실은, 2개의 센서 사이의 최대 거리 및 최대 높이 차가 달성된다는 것을, 의미한다. 타워 상의 센서들의 간격이 클수록, 측정되는 제1 굽힘 모멘트와 측정되는 제2 굽힘 모멘트 사이의 차이도 크므로, 제1 비교값은 제1 굽힘 모멘트와 제2 굽힘 모멘트의 비교로부터 특히 정확하게 결정될 수 있다. 이로 인해, 추력의 결정의 정확성 또한 높아질 수 있다. 즉, 이와 관련해서, 센서들은, 기관실 또는 기초부에 가능한 한 가깝게, 특히 1m 내지 5m 미만의 거리에, 설치된다.
또한, 센서들이, 스트레인 게이지들을, 특히 풀 스트레인 게이지 브리지들을, 구비하는 것이, 제안된다. 스트레인 게이지들, 특히 풀 스트레인 게이지 브리지들은, 풍력 발전 설비의 타워의 굽힘 모멘트를 효율적이고 경제적으로 결정하는데 특히 적합하다.
또한, 추력 결정 유닛은, 제1 비교값으로서 제1 굽힘 모멘트와 제2 굽힘 모멘트 사이의 차이를 결정하는 것이, 제안된다.
제1 비교값이 제1 굽힘 모멘트와 제2 굽힘 모멘트 사이의 차이로서 결정된다는 사실은, 고유 모멘트 성분과 피칭 모멘트 성분이 제1 비교값에서 소거되며 그리고 추력 성분의 부분만이 제1 비교값에 남는 것이 보장된다는 것을, 의미한다. 이로써, 제1 비교값은 풍력 발전 설비의 추력 성분을 나타낸다.
또한, 추력 결정 유닛은, 제1 비교값 및 제1 높이와 제2 높이 사이의 높이 차에 기초하여, 특히 제1 비교값과 상기 높이 차의 비율로서, 로터의 추력을 결정하는 것이, 제안된다.
제1 비교값과, 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트가 결정되는 제1 높이와 제2 높이 사이의, 높이 차의 비율을 결정함으로써, 로터의 추력이 직접적으로 결정될 수 있다.
또한, 측정 기기는, 제3 높이에서 타워의 제3 굽힘 모멘트를 검출하기 위한 적어도 하나의 제3 센서로서, 상기 제3 높이는, 제1 높이와 제2 높이 사이에, 특히 중간에, 위치하는 것인, 제3 센서를 포함하는 것이, 제안된다.
측정 기기가, 제1 높이와 제2 높이 사이의 제3 높이에서 제3 굽힘 모멘트를 검출하기 위한 제3 센서를 포함한다는 사실은, 제1 높이 및 제2 높이의 센서들 중 하나의 센서의 고장 시에도 로터의 추력이 결정될 수 있는 것이 보장된다는 것을, 의미한다. 이는, 풍력 발전 설비의 운전 시 안전성을 높이고, 센서들 중 하나의 센서의 고장 시에도, 풍력 발전 설비의 지속적인 운전을 가능하게 한다.
또한, 추력 결정 유닛은, 제1 비교값 및 제1 높이와 제2 높이 사이의 높이 차에 기초하여 제1 추력을, 제2 비교값 및 제1 높이와 제3 높이 사이의 높이 차에 기초하여 제2 추력을 그리고 제3 비교값 및 제3 높이와 제2 높이 사이의 높이 차에 기초하여 제3 추력을 결정하도록 구성되는 것이, 제안된다.
제1 굽힘 모멘트와 제3 굽힘 모멘트 사이의 차이 및 제3 굽힘 모멘트와 제2 굽힘 모멘트 사이의 차이로부터 각각 제2 비교값 및 제3 비교값이 형성됨으로써, 제1, 제2 및 제3 비교값의 비교에 의해, 굽힘 모멘트의 결정 시, 정확성을 결정하는 것이 가능해진다. 제3 센서가 제1 센서와 제2 센서 사이의 중간에 배치되면, 예를 들어 제2 비교값과 제3 비교값은 가능한 한 유사해야 한다. 미리 결정된 관계식에서 편차들이 소정의 허용 한계를 초과하여 결정되면, 이것은, 관련 센서들 중 적어도 하나의 센서가 측정 오류를 제공하였고, 측정의 반복 시 결과가 개선되지 않으면, 센서가 오작동을 가짐을, 나타낸다. 따라서, 센서들 중 하나의 센서가 오작동을 가지면 적시에 감지될 수 있고, 오작동은 풍력 발전 설비의 조작자에게 보고될 수 있다.
또한, 추력 결정 유닛은, 적어도 하나의 제2 비교값과 제3 비교값을 결정하도록 구성되고, 상기 제2 비교값은 제1 굽힘 모멘트와 제3 굽힘 모멘트 사이의 차이로서 형성되며, 그리고 제3 비교값은 제3 굽힘 모멘트와 제2 굽힘 모멘트 사이의 차이로서 형성되는 것이, 제안된다.
제1, 제2 및 제3 비교값과 각각의 높이 차에 기초하여 바람직하게 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력이 결정됨으로써, 결정된 추력들을 비교하는 것이 가능해진다. 센서들의 오작동 또는 측정 오류가 없으면, 3개의 모든 추력은 미리 정의된 유사한 범위 이내여야 한다. 또한, 3개의 추력은, 추력 측정의 정확성을 높이는데, 특히 제1 내지 제3 추력의 평균값을 형성하는데 이용될 수 있다.
또한, 추력 결정 유닛은, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력 중 적어도 2개의 평균값으로서 로터의 추력을 결정하도록 구성되거나, 또는 추력 결정 유닛은, 로터의 추력을, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력의 가중치 조합(weighted combination)으로서 결정하도록 구성되고, 상기 조합의 가중치는, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력의 정확성의 척도에 기초하는 것이, 제안된다.
제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력의 가중치 조합으로부터 로터의 추력이 결정됨으로써, 로터의 결정된 추력의 정확성은 더 높아질 수 있고, 이 경우 조합의 가중치는, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력의 정확성의 척도에 기초한다. 특히, 센서들 사이의 높이 차가 클수록, 즉 제1 내지 제3 추력의 조합의 가중치가 특히 각각의 관련된 센서들의 높이 차에 의존하여 선택될수록, 추력의 값은 더 정확하다. 또한, 가중치는, 각각의 센서들의 측정 정확성에 관한 정보를 포함할 수 있을 것이다. 이로 인해, 로터의 추력을 높은 정확성으로 결정하는 것이 가능해진다.
본 발명에 따라 또한, 전술한 측정 장치를 포함하는 풍력 발전 설비로서, 상기 풍력 발전 설비는, 결정된 추력에 의존하여 운전되도록 구성되는 것인, 풍력 발전 설비가, 제안된다.
또한, 본 발명에 따라 전기를 생성하기 위한 풍력 발전 단지로서,
- 전술한 측정 장치를 구비하는 적어도 하나의 풍력 발전 설비;
- 풍력 발전 설비의 로터의 추력에 기초하여 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 난기류를 결정하기 위한 난기류 결정 유닛, 및,
- 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 난기류가 풍력 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비에 미치는 영향이 감소하도록, 풍력 발전 단지의 적어도 하나의 풍력 발전 설비를 제어하기 위한, 특히 풍력 발전 단지의 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 출력을 감소시키기 위한, 풍력 발전 단지 제어 유닛
을 포함하는 것인, 풍력 발전 단지가, 제안된다.
풍력 발전 설비의 후류에서의 난기류의 영향이 감소하도록, 풍력 발전 단지 조절 유닛이, 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비들의 출력을 각각의 풍력 발전 설비의 로터의 결정된 추력에 기초하여 조절함으로써, 면적당 더 많은 수의 풍력 발전 설비를 풍력 발전 단지에 통합하는 것이 가능해지므로, 면적당 풍력 발전 단지의 전체 출력은 증가할 수 있고, 이 경우 풍력 발전 설비의 운전의 안전성은 감소하지 않는다. 반대로, 풍력 발전 단지의 운전 시 안전성은, 시뮬레이션으로 예상하지 못한 상황에서도 각각의 풍력 발전 설비의 후류에서의 난기류의 값이 개별적으로 제어될 수 있음으로써 증가한다.
본 발명에 따라, 타워 및 적어도 하나의 로터 블레이드를 갖는 공기 역학적 로터를 구비하는 풍력 발전 설비의 로터의 추력을 결정하기 위한 방법으로서,
- 제1 높이에서 타워의 제1 굽힘 모멘트를 그리고 제1 높이와 상이한 제2 높이에서 타워의 제2 굽힘 모멘트를 검출하는 단계로서, 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트는 각각, 고유 모멘트 성분, 피칭 모멘트 성분 및 추력 모멘트 성분으로 구성되는 것인, 검출하는 단계,
- 적어도 제1 굽힘 모멘트 및 제2 굽힘 모멘트의 비교에 기초하여 결정되는 제1 비교값에 근거하여 추력을 결정하는 단계로서, 제1 비교값은 고유 모멘트 성분 및 피칭 모멘트 성분과 무관한 것인, 추력을 결정하는 단계
를 포함하는 것인, 로터의 추력을 결정하기 위한 방법이, 제안된다.
측정 장치의 전술한 실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 관한 설명으로부터 밝혀진 바와 같이 방법을 실행하는 것이 제안된다.
본 발명에 따라 또한, 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 측정 장치를 구비하는 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법으로서, 풍력 발전 설비는, 결정된 추력에 의존하여 운전되는 것인, 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법이 제안된다.
또한, 본 발명에 따라, 풍력 발전 단지를 운전하기 위한 방법으로서,
- 풍력 발전 설비의 로터의 추력에 기초하여 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 난기류를 결정하는 단계, 및
- 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 난기류가 풍력 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비에 미치는 영향이 감소하도록, 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비를 제어하는, 특히 풍력 발전 단지의 적어도 하나의 풍력 발전 설비의 출력을 감소시키는, 단계
를 포함하는 것인, 풍력 발전 단지를 운전하기 위한 방법이 제안된다.
청구항 제 1항에 따른 측정 장치, 청구항 제 11항에 따른 풍력 발전 설비, 청구항 제 12항에 따른 풍력 발전 단지 및 청구항 제 13항, 제 14항 또는 제 15항에 따른 방법들은, 특히 종속 청구항들에 규정된 바와 유사한 및/또는 동일한 바람직한 실시예들을 가질 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 계속해서, 첨부된 도면들과 관련해서 실시예들을 참조하여 예시적으로 설명된다.
도 1은 측정 장치를 구비하는 풍력 발전 설비를 도시한 개략도.
도 2는 풍력 발전 설비에 작용하는 굽힘 모멘트의 구성을 도시한 개략도.
도 1은, 타워(102)와 기관실(104)을 갖는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 기관실(104)에 로터 블레이드(108)와 스피너(110)를 갖는 공기 역학적 로터(106)가 배치된다. 로터(106)는, 풍력에 의한 운전 시 회전 운동하고, 이로 인해 기관실(104) 내의 발전기를 구동한다.
또한, 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)에 측정 기기가 배치되고, 상기 측정 기기는, 제1 센서(112), 제2 센서(114) 및 제3 센서(116)를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 센서(112, 114, 116)는 각각, 각각의 높이에서, 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)의 굽힘 모멘트를 결정하도록 구성된다.
제1, 제2 및 제3 센서(112, 114, 116)는, 이 실시예에서, 각각 적어도 2개의 풀 스트레인 게이지 브리지로 형성된다. 이 경우, 풀 스트레인 게이지 브리지는, 얇은 저항 와이어를 갖는 측정 그리드 필름이 타워(102)의 표면에 제공되도록 구현되고, 이 경우 특히 풀 브리지의 실시예에서, 휘트스톤 브리지 회로에 의해 저항 와이어의 저항의 변동으로서 저항 와이어의 길이의 변동이 측정될 수 있다. 이러한 스트레인 게이지 센서들은, 매우 높은 정확성으로, 지지체의, 즉 여기에서 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)의, 매우 작은 변동을, 특히 굽힘을, 결정하는 것을 또한 가능하게 한다.
도 2는, 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)의 결정된 굽힘 모멘트가 어떤 성분들로 구성되는지 개략적으로 도시한다. 기관실(104)의 질량은, 기관실(104)의 중심(201)에 작용하는 중량에 의한 힘(202)을 형성한다. 로터 블레이드(108)의 중량은 로터(106)의 방향으로 중심을 이동시키기 때문에, 기관실(104)의 중심(201)은 일반적으로 타워(102)의 수직 중심축(120) 외부에 수평 방향으로 위치한다. 이로 인해 기관실(104)의 질량은 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)에 고유 모멘트를 야기한다. 이러한 고유 모멘트는 기관실(104)에 작용하는 중량에 의한 힘(102) 및 기관실(104)의 중심(201)과 타워(102)의 중심축(120) 사이의 간격(203)으로부터 결정된다. 따라서 고유 모멘트에 대해 하기 식이 주어진다:
Mnat = Fg x l2,
이 경우, Mnat은 기관실(104)의 고유 모멘트이고, Fg는 기관실(104)에 작용하는 중량에 의한 힘(202)이고, l2는 기관실(104)의 중심(201)과 타워(102)의 중심축(120) 사이의 간격(203)이다. 기관실(104)의 고유 모멘트는, 타워(102)의 전체 높이(H)에 걸쳐 일정하게 작용하는 것이 고려되어야 한다.
또한, 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)에, 피칭 모멘트(210)가 작용한다. 피칭 모멘트(210)는, 통과하여 유동하게 되는 로터 영역에서 다양한 풍속들로 인해 야기된다. 따라서 일반적으로 풍속은, 전술한 로터 영역에 걸쳐 아래에서부터 위로 증가하고, 즉 기관실(104)의 상부에 위치한 로터 블레이드(108)는, 기관실(104)의 아래에 위치한 로터 블레이드(108)보다 높은 풍속에 노출된다. 로터 블레이드(108)에 이로 인해 발생하는 힘은 피칭 모멘트(210)를 형성하고, 이 경우 타워(102)의 전체 높이(H)에 걸쳐서도 피칭 모멘트(210)의 하중은 일정하다.
또한, 추력(220)은 바람의 방향으로 로터(106)에 작용하며, 이 경우 추력(220)은 로터(106)의 중심(201)에 직접 작용한다. 이로 인해, 추력(220)은, 타워(102) 상에 지렛대(leverage)로서 타워(102)를 통해 굽힘 모멘트를 가하게 된다. 특히 추력(220)의 굽힘 모멘트는 타워(102)의 높이(H)에 의존하고, 뒤따르는 법칙을 따른다:
Mthrust = Fthrust x H,
이 경우, Fthrust는 추력(220)이고, Mthrust는 추력(220)과 풍력 발전 설비(100)의 타워(102)의 높이(H)에 근거한 굽힘 모멘트이다.
그래프(300)는 풍력 발전 설비(100)의 높이에 따른 굽힘 모멘트의 값을 개략적으로 다시 도시한다. 이 경우 굽힘 모멘트는 x-축에 표시되고, 풍력 발전 설비의 높이는 y-축에 표시된다. 굽힘 모멘트의 개략적인 경과는, 각각의 높이에서 굽힘 모멘트가, 3개의 모멘트 성분, 즉 고유 모멘트 성분(301), 피칭 모멘트 성분(302) 및 추력 모멘트 성분(303)으로 구성되는 것을 보여준다. 고유 모멘트 성분(302)과 피칭 모멘트 성분(302)은 전술한 바와 같이 타워(102)의 높이(H)에 걸쳐 일정하기 때문에, 추력 모멘트 성분(303)만이, 타워(102)의 높이(H)에 의존하는, 특히 타워(102)의 높이(H)에 비례하는, 경과를 나타낸다. 결과적으로, 높이(H1)의 굽힘 모멘트로부터 높이(H2)의 굽힘 모멘트의 공제 시, 높이에 걸쳐 일정하고, 따라서 2개의 굽힘 모멘트에서 동일한 크기인, 고유 모멘트 성분(301)과 피칭 모멘트 성분 (302)은, 소거된다. 추력 모멘트 성분(303)의 부분은 남겨진다.
추력 모멘트 성분(303)은 타워(102)의 높이(H)에 직접 비례하기 때문에, 일반적으로 하기 식에 의해 로터(106)에 작용하는 추력(220)이 계산될 수 있고,
Fthrust = (B1- B2)/(H1 - H2),
상기 식에서 B1은 제1 굽힘 모멘트이고, B2는 제2 굽힘 모멘트이고, H1은, 개별적인 굽힘 모멘트의, 제1 높이이고, H2는 제2 높이이다.
풍력 발전 설비(100)의 타워(102)에 작용하는 굽힘 모멘트의 구성에 관한 상기 정보들에 기초하여, 즉 적어도 2개의 높이(H1, H2)에서의 굽힘 모멘트의 측정에 의해, 로터(106)에 작용하는 추력(220)이 결정될 수 있다.
여기에 도시된 실시예에서, 굽힘 모멘트는 각각 제1 높이(H1), 제2 높이(H2) 및 제3 높이(H3)에서, 제1 센서(112), 제2 센서(114) 및 제3 센서(116)에 의해 결정된다. 따라서, 하기 식에 의해, 제1 비교값(V1)이 결정될 수 있고,
V1 = B2 - B1
이 경우 V1은 제1 비교값이고, B1은 제1 센서(112)에 의해 측정된 굽힘 모멘트이며, B2는 제2 센서(114)에 의해 측정된 제2 굽힘 모멘트이다. 또한, 하식 식들에 의해, 제2 및 제3 비교값이 결정될 수 있고,
V2 = B3 - B1,
V3 = B2 - B3,
이 경우 V2는 제2 비교값이고, V3은 제3 비교값이며, B3은 제3 센서(116)에 의해 측정된 굽힘 모멘트이다.
개략도(300)에 제시되고 전술한 바와 같이, 3개의 모든 비교값은, 추력 모멘트 성분(303)의 부분들만을 포함한다. 개략도(300)에서 또한, 추력 성분(303)은 높이에 따라 일정하게 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 굽힘 모멘트가 정확하게 측정되면 제2 및 제3 굽힘 모멘트는 동일하고, 즉 V2 = V3이어야 한다. 이 실시예에서, 제3 센서(116)는 제1 센서(112)와 제2 센서(114) 사이의 중간에 설치되기 때문에, 또한, 제2 비교값과 제3 비교값은 제1 비교값의 정확히 절반의 크기여야 한다. 풍력 발전 설비의 운전 시, 계산된 비교값들이 전술한 상기 조건들에서 크게 벗어나면, 이는, 센서들 중 적어도 하나의 센서의 작동에 장애가 있는 것을 의미한다. 특히, 안전 여유가 정해질 수 있고, 상기 안전 여유 내에서, 센서들의 정확한 작동이 여전히 보장된다.
로터(106)의 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력은 전술한 바와 같이, 하기 식들에 의해, 계산될 수 있고,
Fthrust1 = V1/(H1 - H2),
Fthrust2 = V2/(H2 - H3),
Fthrust3 = V3/(H1 - H3)
이 경우 H1은 제1 센서(112)가 굽힘 모멘트를 측정하는 높이이고, H2는 제2 센서(114)가 굽힘 모멘트를 측정하는 높이이며, H3은 제3 센서(116)가 굽힘 모멘트를 측정하는 높이이다.
따라서 측정 정확성을 고려하여, 계산된 3개의 모든 추력은 동일해야 한다. 다양한 센서들의 측정 정확성을 고려하는 가운데 로터(106)의 추력(220)의 결정을 위해, 위에서 계산된 3개의 추력이 하기 식에 사용될 수 있다:
Figure pct00001
이 경우 i는 이 실시예에서 1 내지 3이고, Wi는 가중치이며, 상기 가중치는, 각각의 측정값의 정확성을 나타낸다. 가중치(Wi)에 대해 또한, 모든 가중치의 합이 1과 같아야 한다는 사실이 적용된다. 가중치(Wi)는 예를 들어 추력의 각각의 계산에 관련된 높이 차에 의존할 수 있다. 이 경우 더 큰 높이 차는 더 작은 높이 차보다 추력의 더 정확한 계산을 나타낸다. 또한, 가중치(Wi)는 개별 높이에서 사용된 센서들의 공개된 측정 정확성에 관한 정보를 포함할 수 있다. 이러한 전술한 방식으로 로터(106)에 작용하는 추력(220)의 특히 정확한 결정이 가능하다.
이는, 로터(106)의 결정된 추력(220)을 기초로 로터(106)의 후류에서의 난기류를 결정하는 것을 가능하게 한다. 특히 측정된 추력(220)으로부터 로터(106)의 추력 계수가 결정될 수 있다. 다음이 적용된다: 추력 계수의 값이 높을수록, 회전하는 로터(106)에 의해 후류에 더 많은 난기류가 발생한다.
이러한 직접적인 연관성에 의해, 추력(220) 또는 추력 계수에 기초한 풍력 발전 설비의 제어는, 로터(106)에 의해 후류에 발생하는 난기류의 직접적인 제어를 야기한다.
풍력 발전 단지 내에 풍력 발전 설비들(100)이 위치하면, 풍력 발전 설비(100)는, 풍력 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비들이 일정 수준 이상 영향을 받지 않도록, 추력(220)의 결정에 기초하여 난기류가 감소하도록 운전될 수 있다. 특히 임계적 추력의 경우, 풍력 발전 설비(100)는 출력 저감 모드에서 운전될 수 있다. 이로 인해, 설계 시 면적당 더 많은 풍력 발전 설비를 풍력 발전 단지에 통합하는 것이 가능해지고, 이 경우 안전에 위협이 되지 않으며, 동시에 에너지 생산량은 증가할 수 있다.
전술한 실시예에서 측정 장치는 3개의 센서를 포함한다. 그러나, 본 발명에 따른 다른 실시예에서, 측정 장치는 또한, 2개, 또는 3개 초과의 센서를 구비할 수 있을 것이다.
전술한 실시예에서, 센서로서 풀 스트레인 게이지 브리지들이 사용된다. 다른 실시예에서, 풍력 발전 설비의 타워의 굽힘 모멘트를 결정하도록 구성되는 다른 센서들이, 예를 들어 광학 스트레인 센서들이, 또한 사용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 로터(106)의 추력(220)을 결정하기 위한, 타워(102) 및 적어도 하나의 로터 블레이드(108)를 갖는 공기 역학적 로터(106)를 구비하는 풍력 발전 설비(100)의, 측정 장치로서,
    - 제1 높이(H1)에서 상기 타워(102)의 제1 굽힘 모멘트(B1)를 그리고 상기 제1 높이(H1)와 상이한 제2 높이(H2)에서 상기 타워(102)의 제2 굽힘 모멘트(B2)를 검출하기 위한 측정 기기로서, 상기 제1 굽힘 모멘트(B1) 및 제2 굽힘 모멘트(B2)는 각각, 고유 모멘트 성분, 피칭 모멘트 성분, 및 추력 모멘트 성분으로 구성되는 것인, 측정 기기,
    - 적어도 상기 제1 굽힘 모멘트(B1)와 상기 제2 굽힘 모멘트(B2)의 비교에 기초하여 결정되는 제1 비교값(V1)에 근거해서 추력(220)을 결정하기 위한 추력 결정 유닛으로서, 상기 제1 비교값(V1)은 상기 고유 모멘트 성분 및 상기 피칭 모멘트 성분과 무관한 것인, 추력 결정 유닛
    을 포함하는 것인, 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정 기기는, 상기 제1 높이(H1)에서 상기 타워(102)의 상기 제1 굽힘 모멘트(B1)를 검출하기 위한 제1 센서(112), 및 상기 제1 높이(H1)와 상이한 상기 제2 높이(H2)에서 상기 타워(102)의 상기 제2 굽힘 모멘트(B2)를 검출하기 위한 제2 센서(114)를 포함하는 것인, 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 센서(112)는 상기 풍력 발전 설비(100)의 기관실(104) 바로 아래에 배치되며, 그리고 상기 제2 센서(114)는 상기 풍력 발전 설비(100)의 기초부 근처에 배치되는 것인, 측정 장치.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 센서들(112, 114)은, 스트레인 게이지들, 특히 풀 스트레인 게이지 브리지들(full strain gage bridges)을 구비하는 것인, 측정 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추력 결정 유닛은, 제1 비교값(V1)으로서 상기 제1 굽힘 모멘트(B1)와 상기 제2 굽힘 모멘트(B2) 사이의 차이를 결정하도록 구성되는 것인, 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 추력 결정 유닛은, 상기 제1 비교값(V1) 및 상기 제1 높이(H1)와 상기 제2 높이(H2) 사이의 높이 차에 기초하여, 특히 상기 제1 비교값(V1)과 상기 높이 차의 비율로서, 상기 로터(106)의 추력(220)을 결정하도록 구성되는 것인, 측정 장치.
  7. 제 2항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 기기는, 제3 높이(H3)에서 상기 타워(102)의 제3 굽힘 모멘트(B3)를 검출하기 위한 적어도 하나의 제3 센서(116)로서, 상기 제3 높이(H3)는 상기 제1 높이(H1)와 상기 제2 높이(H2) 사이에, 특히 중간에, 위치하는 것인, 제3 센서를 포함하는 것인, 측정 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 추력 결정 유닛은, 적어도 제2 비교값(V2) 및 제3 비교값(V3)을 결정하도록 구성되고, 상기 제2 비교값(V2)은, 상기 제1 굽힘 모멘트(B1)와 상기 제3 굽힘 모멘트(B3) 사이의 차이로서 형성되며, 그리고 상기 제3 비교값은 상기 제3 굽힘 모멘트(B3)와 상기 제2 굽힘 모멘트(B2) 사이의 차이로서 형성되는 것인, 측정 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 추력 결정 유닛은, 상기 제1 비교값(V1) 및 상기 제1 높이(H1)와 상기 제2 높이(H2) 사이의 높이 차에 기초하여 제1 추력을, 상기 제2 비교값(V2) 및 상기 제1 높이(H1)와 상기 제3 높이(H3) 사이의 높이 차에 기초하여 제2 추력을 그리고 상기 제3 비교값(V3) 및 상기 제3 높이(H3)와 상기 제2 높이(H2) 사이의 높이 차에 기초하여 제3 추력을 결정하도록 구성되는 것인, 측정 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 추력 결정 유닛은, 로터의 추력(220)을, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력 중 적어도 2개의 평균값으로서 결정하도록 구성되거나, 또는 상기 추력 결정 유닛은, 로터의 상기 추력(220)을, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력의 가중치 조합(weighted combination)으로서 결정하도록 구성되고, 상기 조합의 가중치는, 제1 추력, 제2 추력 및 제3 추력의 정확성의 척도에 기초하는 것인, 측정 장치.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 측정 장치를 포함하는 풍력 발전 설비(100)로서,
    상기 풍력 발전 설비(100)는, 결정된 추력(220)에 의존하여 운전되도록 구성되는 것인, 풍력 발전 설비.
  12. 전기를 생성하기 위한 풍력 발전 단지로서,
    - 제 11항에 따른 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100);
    - 상기 풍력 발전 설비(100)의 로터(106)의 추력(220)에 기초하여 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100)의 난기류를 결정하기 위한 난기류 결정 유닛, 및,
    - 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100)의 난기류가 풍력 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비에 미치는 영향이 감소하도록, 풍력 발전 단지의 상기 풍력 발전 설비(100)를 제어하기 위한, 특히 풍력 발전 단지의 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100)의 출력을 감소시키기 위한, 풍력 발전 단지 제어 유닛
    을 포함하는 것인, 풍력 발전 단지.
  13. 타워(102) 및 적어도 하나의 로터 블레이드(108)를 갖는 공기 역학적 로터(106)를 구비하는 풍력 발전 설비(100) 상에서 로터(106)의 추력(220)을 결정하기 위한 방법으로서,
    - 제1 높이(H1)에서 상기 타워(102)의 제1 굽힘 모멘트(B1)를 그리고 상기 제1 높이(H1)와 상이한 제2 높이(H2)에서 상기 타워(102)의 제2 굽힘 모멘트(B2)를 검출하는 단계로서, 상기 제1 굽힘 모멘트(B1) 및 제2 굽힘 모멘트(B2)는 각각, 고유 모멘트 성분, 피칭 모멘트 성분 및 추력 모멘트 성분으로 구성되는 것인, 검출하는 단계,
    - 적어도 제1 굽힘 모멘트(B1)와 제2 굽힘 모멘트(B2)의 비교에 기초하여 결정되는 제1 비교값(V1)에 근거하여 추력(220)을 결정하는 단계로서, 상기 제1 비교값(V1)은, 고유 모멘트 성분 및 피칭 모멘트 성분과 무관한 것인, 추력(220)을 결정하는 단계
    를 포함하는 것인, 로터의 추력을 결정하기 위한 방법.
  14. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 측정 장치를 구비하는 풍력 발전 설비(100)를 운전하기 위한 방법으로서,
    상기 풍력 발전 설비(100)는, 제 13항에 따라 결정되는 추력(220)에 의존하여 운전되는 것인, 풍력 발전 설비를 운전하기 위한 방법.
  15. 풍력 발전 단지를 운전하기 위한 방법으로서,
    - 풍력 발전 설비(100)의 로터(106)의 추력(220)에 기초하여 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100)의 난기류를 결정하는 단계, 및
    - 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100)의 난기류가 풍력 발전 단지의 다른 풍력 발전 설비에 미치는 영향이 감소하도록, 풍력 발전 단지의 풍력 발전 설비들을 제어하는, 특히 풍력 발전 단지의 상기 적어도 하나의 풍력 발전 설비(100)의 출력을 감소시키는, 단계
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