KR20190085080A - 빗방울 크기에 기초한 풍력 터빈 제어 - Google Patents

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히데야스 후지오카
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엠에이치아이 베스타스 오프쇼어 윈드 에이／에스
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Abstract

풍력 터빈(100)을 제어하는 방법(320)이 제시되며, 풍력 터빈은 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)을 가진 풍력 터빈 로터(102)를 포함하고, 풍력 터빈은 풍력 터빈 로터의 정격 각 회전 속력(214)을 가지며, 상기 방법은 하나 또는 그 이상의 블레이드들 상에 부딪히는 빗방울의 추정된 방울 크기(324)를 제공하는 단계(322); 축소 모드(reduced mode)에 따른 작동 진입 기준이 충족되었는지 여부를 판단하는 단계(326)로서, 상기 판단은 적어도 부분적으로 추정된 방울 크기(324)에 기초하는, 단계(326); 진입 기준이 충족된 경우, 축소 모드에 따라 풍력 터빈을 제어하는 단계(328);를 포함하고, 축소 모드에서 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값(216) 미만으로 제한되고, 각 회전 속력 문턱값은 풍력 터빈의 정격 각 회전 속력 미만이다.

Description

빗방울 크기에 기초한 풍력 터빈 제어
본 발명은 풍력 터빈을 제어하는 방법에 관한 것이며, 더 구체적으로는 비에 의해 야기되는 블레이드(blade)의 기계적 손상을 예방하기 위한 풍력 터빈을 제어하는 방법과, 대응하는 제어 시스템, 소프트웨어 그리고 풍력 터빈에 관한 것이다.
해상 풍력 터빈과 같은 풍력 터빈은, 당업계에 알려진 것처럼 풍력 터빈 타워(wind turbine tower)와 로터(rotor)를 포함한다. 로터는 하나 또는 그 이상의 로터 블레이드(rotor blade)를 포함하는데, 비와 같은 강수(precipitation)에 의해 야기되는 기계적 손상을 겪을 수 있다.
US 6,837,681 B2는 풍력 발전 설비들에 달려있는 로터 블레이드들이 예컨대 비, 눈, 우박 또는 곤충들과 같은 환경적 영향에 어느 정도 지배됨을 설명하고 있다. 특히 로터 블레이드의 앞 가장자리(leading edge)들은 그런 점에서 무겁게 실리게 된다. 그런 상황에서 로터 블레이드와 특히 그 앞 가장자리들은, 일정한 시간 후에, 고비용의 수리를 요하는 (기계적) 손상을 겪으며, 특히 그 목적으로 크레인(crane)이 자주 필요하고 풍력 발전 설비 전체가 수리를 위해 장기간 정지되거나 또는 어떤 상황 하에서는 심지어 개별 로터 블레이드들이 수리를 위해 수송되기까지 해야 한다. US 6,837,681 B2의 목적은 로터 블레이드들에서의 부식 피해를 줄이고, 전술한 단점들을 예방하는 것이다. US 6,837,681 B2는 센서에 부딪히는 입자의 숫자 및/또는 속력 및/또는 충돌량을 감지하는 적어도 하나의 센서와, 센서에 의해 감지된 측정 데이터를 처리하기 위한 데이터 처리 및 제어 장치를 포함하는 풍력 발전 설비를 운영하는 방법을 설명하고 있는데, 여기서 만약 센서에 의해 측정된 입자 측정값이 초과하게 되면 풍력 발전 설비의 로터의 로터리 속력(각 회전 속력으로도 지칭될 수 있으며 호환가능함)이 감소하고(데이터 처리/제어 장치에 의해) 그리고/또는 풍력 발전 설비가 정지한다. 그러나, 이것은 또한 풍력 발전 설비가 생산하는 총 전력을 감소시키는 결과를 낳는다.
풍력 발전 설비를 운영하는 발전된 방법은 유리하고, 특히 풍력 발전 설비가 생산하는 총 전력의 감소 및/또는 기계적 손상의 절감을 가능케 하는 방법이다.
본 발명은 해상 풍력 터빈에 적용가능하다.
본 발명의 목적은 기계적 손상 및/또는 풍력 터빈이 생산하는 총 전력의 감소를 저감함으로써 앞에서 언급된 문제점들을 해결 또는 완화하는 풍력 터빈을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적은 풍력 터빈을 제어하는 방법을 제공함으로써 본 발명의 제1 측면에 의해 달성되도록 의도되었으며, 예컨대 해상 풍력 터빈과 같은 풍력 터빈을 제어하고 부식을 최소화하는 방법이며, 상기 풍력 터빈은:
- 하나 또는 그 이상의 블레이드들을 가진 풍력 터빈 로터로서, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각 회전 속력을 가지는, 풍력 터빈 로터;
를 포함하고, 상기 방법은:
- 상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 빗방울의 추정된 방울 크기를 제공하는 단계;
축소 모드에 따른 작동의 진입 기준이 충족되었는지 여부를 판단하는 단계로서, 상기 판단은 적어도 부분적으로 상기 추정된 방울 크기에 기초하는, 단계;
상기 진입 기준이 충족된 경우 상기 축소 모드에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 축소 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값 미만으로 제한되고, 상기 각 회전 속력 문턱값은 상기 풍력 터빈의 상기 정격 각 회전 속력 미만이다.
본 발명은 특히, 그러나 비배타적으로, 부식을 최소화하는 방법을 획득하기에 유리하며, 따라서 하나 또는 그 이상의 풍력 터빈 블레이드들의 블레이드 앞 가장자리 보호(leading edge protection) 수명을 연장하는 것이 가능하고(즉 블레이드 수리 및 휴무에 소비되는 자원을 최소화하는 것이 가능해지고), 동시에 각 회전 속력의 감소로 인해 야기되는, 연간 에너지 생산과 같은 에너지 출력의 하락을 최소화할 수 있다. 또한 특히 주목하여야 할 것은, 빗방울 크기가 빗방울이 부딪힘으로서 야기되는 (부식이라고도 지칭되는) 기계적 손상에 관련된 매개변수임을 보일 수 있고, 빗방울 크기에 기초하여 풍력 터빈을 제어하는 것은 따라서 빗방울 크기에 대한 지식 또는 추정 없이 풍력 터빈을 제어하는 방법 보다 우수하거나 대안이 되는 방법이라는 것이다. 예컨대, 배양 시간은 본 출원의 다른 곳에 있는 공식에서 설명된 것처럼 빗방울 크기에 따라 달라진다. 그러므로, 추정된 빗방울 크기로, 비말 부식(droplet erosion)을 더 효과적으로 회피하는 것이 가능하다. 예컨대, 추정된 방울 크기를 알게 되면 강수 강도 및 빗방울의 종단 속도를 추정하는 것도 가능하며, 이것은 다시 (풍력 터빈의 동작 매개변수, 예컨대 각 회전 속력도 알려져 있다고 가정할 때) 배양 시간을 추정케 하는 것을 가능케 하는데, 이는 축소 모드에 따른 작동의 진입 기준이 충족되었는지 여부를 결정하는 것과 관련된 것이다.
'빗방울 크기'는 개별 빗방울들의 직경으로 이해될 수 있고, 예컨대 밀리미터(milimeter) 단위로 측정될 수 있다. 비-구형 빗방울들에 대해서는 직경 d는 다음 공식에 따라 빗방울의 체적 V로부터 추정될 수 있다.
Figure pct00001
'(풍력 터빈 로터의) 각 회전 속력'(ω)은 주어진 임의의 순간에 로터의 회전수를 시간으로 나눈 것이며, 초당 라디안(radian)으로 측정된다. 각 회전 속력(ω)과 로터 팁 속력(v) 사이의 관계는
Figure pct00002
이고 r은 로터의 반경이다. 각 회전 속력은 분당 회전수(rpm)로 측정될 수도 있다.
'(풍력 터빈 로터의) 정격 각 회전 속력'(ωrated)은 (예컨대 정상 모드에서)허용가능한 최대 각 회전 속력으로 이해될 수 있으며, (각 회전 속력과는 반대로) 고정값이다. 정격 각 회전 속력은 고정값을 취할 수 있으며, 예컨대 터빈이 설계되었을 때 설정된 수치일 수 있다.
'(풍력 터빈 로터의) 각 회전 속력 문턱값'(ωreduced)은 (축소 모드에서) 허용된 최대 각 회전 속력으로 이해될 수 있으며, (각 회전 속력과는 반대로) 고정값이고, 정격 각 회전 속력보다 작다. 각 회전 속력 문턱값은 논-제로(non-zero)임이 알려져 있으며, 예컨대 0보다 큰 양수이다.
'하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 빗방울들의 추정된 크기를 제공'은 추정된 방울 크기를 측정하거나 수신하는 것으로 이해된다.
'축소 모드에 따른 동작의 진입 기준이 충족되었는지 여부를 판단하되, 상기 판단은 적어도 부분적으로 추정된 방울 크기에 기초하는'은 추정된 방울 크기에 부분적으로 또는 전부 기초하여 값을 계산하고 그 값을 진입 크기 기준과 비교하는 것을 제공하는 것으로 이해될 수 있다.
'축소 모드'는 풍력 터빈이 작동될 수 있는 모드로서, 적어도 하나의 다른 모드와 상이하며, 적어도 하나의 다른 모드는 정상 모드(normal mode)로 지칭되고, 정상 모드에서 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 정격 각 회전 속력에 의해 제한되나, 예컨대 각 회전 속력 문턱값을 초과하는 것과 같이 정격 각 회전 속력까지 취할 수 있다. 축소 모드에서 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값에 의하여 제한되나, 각 회전 속력 문턱값까지의 값을 취할 수 있으며, 예컨대 0을 초과하는 각 회전 속력을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 진입 기준은 상기 추정된 방울 크기가 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값을 초과할 때 그리고 그 때에만 충족되는 방법이 제시된다. 이 실시예의 가능한 장점은 단순하다는 것이다. 증가하는 방울 크기에 따라 배양 시간이 감소하고, 따라서 방울 크기가 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값, 예컨대 미리 정해진 배양 시간 문턱값에 대응하는 문턱값을 초과하는 경우에 축소 모드로 들어갈 수 있다는 점이 보여질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 풍력 터빈에 부딪히는 강수의 추정된 강수 강도를 제공하는 단계;를 더 포함하고, 상기 판단하는 단계는 적어도 부분적으로 상기 추정된 강수 강도에 기초하는 방법이 제시된다. 이것의 가능한 장점은 배양 시간이 (빗방울 크기 외에) 강수 강도도 포함하는 복수의 요소들에 의존한다는 것이다. 그러므로, 빗방울 크기와 강수 강도 모두의 추정값들을 제공하는 것은 풍력 터빈의 향상된 제어를 낳을 수 있으며, 예컨대 부식의 발생을 더 정확하게 예견할 수 있다. 더 구체적으로는, 추정된 방울 크기와 추정된 강수 강도 모두를 제공하는 것에는 장점이 있는데, 배양 시간에 대한 공식에서 남아있는 매개변수들(본 출원의 다른 곳에서 설명됨)은 빗방울 크기에 관련되거나(예컨대 빗방울의 종단 속도) 또는 풍력 터빈의 작동 매개변수로서 얻어지기 때문이다(예컨대 팁 속력(tip speed)과 연관된 충돌 속력으로서, 이것은 다시 각 회전 속력과 연관됨). 그러므로, 빗방울 크기 및 강수 강도는, 날씨에 연관된 매개변수로서, 제어될 수 없고, 추정되는 것이 유리하다.
배양 시간 공식의 모든 날씨 매개변수들은 어느 정도 연결되어 있으며(방울 크기, 종단 속도, 강수 강도), 그러므로 추정된 방울 크기를 제공하는 것은 적어도 종단 속도와 강수 강도의 추정치를 제공하는 것의 대안으로서 보여질 수 있다. 그러나, 추정된 방울 크기와 추정된 강수 강도 모두를 제공하는 것의 장점은 이 두 매개변수들 사이의 불확정적 관계에 어느 정도 의존할 필요가 있는 경우(예컨대, 참조 표를 통하여)를 가능케 한다는 것이며, 실제로는 배양 시간에 대한 더 나은 추정치를 제공하는 것을 가능케 한다는 것이다.
'강수 강도'는 단위 시간당 면적당 비의 양으로 이해될 수 있으며, 시간 단위 당 높이의 단위로 측정될 수 있고, 예컨대 시간당 밀리미터로 측정될 수 있다.
'풍력 터빈에 부딪히는 강수의 추정된 강수 강도를 제공'하는 것은 추정된 강수 강도를 측정 혹은 수신하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 빗방울들에 더하여 다른 유형들의 공중 입자가 고려될 수 있다. 여기서 공중 입자(aerial particle)는 빗방울들, 우박 입자들, 눈 입자들, 벌레와 새(특히 벌레와 새들의 대단위 그룹, 예컨대 득실거리는 메뚜기나 이동하는 철새들), 먼지 입자들(모래 입자들, 화산재 및 오염 입자들)을 포함한다. 각각의 공중 입자 유형에 있어서, 축소 모드에 따른 동작의 진입 기준은 적어도 부분적으로 추정된 입자 크기에 기초하고 또한 선택적으로 공중 입자의 유형을 고려한다. 본 발명의 이 실시예에서, 여기에 언급된 (빗)방울들 또는 (방울) 크기들에 대해 여기에서 언급된 것과 유사한 측면들이 다른 유형들의 공중 입자들과 공중 입자 크기에 대해 고려될 수 있다. 특히, 전술한 물체들은 본 발명의 제1 측면의 이 실시예에서 풍력 터빈을 제어하는 방법을 제공함으로서, 해상 풍력 터빈과 같은 예컨대 풍력 터빈을 제어하고 부식을 최소화하는 방법으로서 의도되며, 그 풍력 터빈은:
하나 또는 그 이상의 블레이드들을 가진 풍력 터빈 로터로서, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각 회전 속력을 가지는, 풍력 터빈 로터;
를 포함하고, 상기 방법은:
상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 공중 입자들의 추정된 공중 입자 크기를 제공하는 단계;
축소 모드에 따른 작동 진입 기준이 충족되었는지 여부를 판단하는 단계로서, 상기 판단은 적어도 부분적으로 상기 추정된 공중 입자 크기에 기초하는, 단계;
상기 진입 기준이 충족된 경우 상기 축소 모드에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 축소 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값 미만으로 제한되고, 상기 각 회전 속력 문턱값은 상기 풍력 터빈의 상기 정격 각 회전 속력 미만이다.
제2 측면에서, 본 발명은 실행되었을 때 풍력 터빈에 대한 컴퓨터 장치나 제어 시스템으로 하여금 제1 측면에 따른 방법을 수행하도록 하는 명령어들을 구비한 컴퓨터 프로그램 제품과 관련된다.
제3 측면에서, 본 발명은 제1 측면 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위해 배열된 풍력 터빈을 위한 제어 시스템과 관련된다.
제4 측면에서, 본 발명은, 제3 측면에 따른 상기 제어 시스템을 포함하는 풍력 터빈과 관련된다.
많은 부수적인 특징들은 첨부된 도면들과 연계하여 뒤따르는 상세한 설명을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 선호되는 특징들은 적절하게 조합될 수 있으며, 본 발명의 임의의 다른 측면들과 조합될 수 있다.
도 1은 풍력 터빈을 도시한 것이다.
도 2는 각각 정상 모드와 축소 모드에 따른 각 회전 속력의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름도를 도시한 것이다.
이제 본 발명이 더 상세하게 설명될 것이다. 본 발명은 다양한 변형 및 대안적인 형태가 가능하지만, 특정한 실시예들이 예시로서 공개될 것이다. 그러나, 본 발명은 공개된 특정 형태에 한정되려는 의도가 아니다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 범위 내에 포함되는 모든 수정, 등가물 및 대안들을 포함하는 것이다.
도 1은 네번째 양태에 따른 퐁력 터빈(100)을 보여주는데, 여기서 상기 풍력 터빈은,
- 하나 또는 그 이상의 블레이드(103), 예컨대 세 개의 블레이드들을 가진 풍력 터빈 로터(102),
- 풍력 터빈 로터의 회전 에너지에 의해 구동되도록 구성된 발전기
를 포함한다. 구체적인 실시예에서, 묘사된 풍력 터빈(100)(풍력 터빈 발전기(wind turbine generator(WTG)로도 지칭될 수 있음))은 타워(tower)(101)도 포함한다. 로터는 타워(101)의 꼭대기에 장착되고 엔진실 내부에 위치된 발전기를 구동하도록 되어 있는 엔진실(nacelle)(104)에 연결된다. 광학 우량계(rain gauge)(106)는 엔진실 위에 위치한다. 풍력 터빈 로터(102)는 바람의 작용에 의해 로터 축(105) 주변으로 회전가능하다. 바람에 의해 유도된 블레이드(103)의 회전 에너지는 축을 통해 전기 발전기로 전송된다. 그러므로, 풍력 터빈(100)은 바람의 운동 에너지를 로터 블레이드들을 사용하여 기계적 에너지로, 이어서 발전기를 사용하여 전기 에너지로 변환할 수 있다. 발전기는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하기 위한 전력 변환기와 DC 전력을 급전망(utility grid)에 주입하기 위한 AC 전력으로 변환하는 전력 인버터(power inverter)를 포함할 수 있다. 발전기는 원하는 전력 요구에 대응하여 전력을 생산하도록 제어가능하다.
블레이드(103)들은 블레이드들의 공기역학적 특성을 변경하기 위하여, 예컨대, 풍력 에너지의 활용을 최대화하고 센 바람이 불 때 로터 블레이드들에 너무 큰 하중이 걸리지 않도록 보장하기 위해서, 피치(pitch)될 수 있다. 풍력 터빈(100)은 피치 신호를 결정하기 위해 배치되는 제어 시스템을 포함하고, 제어 시스템은 풍력 터빈에 대한 일반적인 제어기나 제어 요소로 구현될 수 있으며, 전용 피치 제어기와 같은 것이 그러한데, 예컨대, 여기서 블레이드들은 피치 제어 시스템에 의해 제어되는 피치 힘 시스템(pitch force system)과 함께 피치 시스템에 의해 개별적으로 피치되고, 피치 힘 시스템은 피치 제어 시스템으로부터 피치 신호에 따라 블레이드를 개별적으로 피칭하기 위한 공압 액추에이터와 같은 액추에이터(actuator)를 포함하고, 피치 신호는 하나 또는 그 이상의 각각의 블레이드들에 대응하는 하나 또는 그 이상의 개별 블레이드 피치 각도 제어 신호와 같은 것을 포함한다.
도 2는 정상 모드(normal mode)와 축소 모드(reduced mode) 각각에 대하여 풍속(u)의 함수로서 각 회전 속력(ω)을 나타낸 그래프이다. 정상 모드에서, 각 회전 속력(여기서는 임의 단위(arb.)로 도시되나, 예컨대 분당 회전수(revolutions per minutes, rpm)로 정량화될 수도 있다)은 풍속(여기서는 임의 단위(arb.)로 도시되나, 미터/초(m/s)로 정량화될 수도 있다)의 함수로서 (실선의, 두꺼운, 회색) 정상 모드 곡선(210)에 따라 제어된다. 축소 모드에서는, 각 회전 속력은 풍속의 함수로서 (점선의, 얇은, 검은색) 축소 모드 곡선(212)에 따라 제어된다.
현재 실시예에 따르면, 풍속이 특정 풍속값(uthreshold,I) 미만인 경우, 축소 모드에 따라 작동하는 진입 기준이 만족되는지 여부를 불문하고, 축소 모드의 각 회전 속력은 정상 모드에서와 동일하다. 그러나, 상기 특정 풍속(uthreshold,I)을 초과하면 각 회전 속력은 정상 모드와 축소 모드에서 다르게 제어되며, 특히 상이한 최대값들, 각각 위쪽 점곡선(214)으로 표시된 정격 각 회전 속력(rated angular rotation speed)(ωrated)과 아래쪽 점곡선(216)으로 표시된 각 회전 속력 문턱값(ωreduced)에 의해 제한된다. 다른 특정한 풍속값(uthreshold,II)을 초과하는 풍속에 대해서는 각 회전 속력은 각각의 최대값에서 일정하게 유지된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름도를 보여주며, 더 구체적으로는 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법(320)으로서, 풍력 터빈을 제어하고 부식을 최소화하기 위한 방법과 같은 것으로서, 상기 풍력 터빈은:
- 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)을 가진 풍력 터빈 로터로서, 풍력 터빈은 풍력 터빈 로터의 정격 각 회전 속력(214)을 가지고,
상기 방법은:
- 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 빗방울들의 추정된 방울 크기(324)를 제공하는 단계(322),
- 축소 모드에 따른 작동에 대한 진입 기준이 만족되는지 여부를 판단하되, 상기 판단은 적어도 부분적으로 추정된 방울 크기(324)에 기초하는 단계(326),
- 만약 진입 기준이 만족될 경우, 축소 모드에 따라 풍력 터빈을 제어하는 단계(328)
를 포함하고, 축소 모드에서 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값(216) 미만으로 제한되고, 각 회전 속력 문턱값은 풍력 터빈의 정격 각 회전 속력 미만이다.
보여진 특정 실시예에서, 단계 (322)~(326)은 추정된 방울 크기를 연속적으로 모니터링 한다거나, 축소 모드 운영를 위한 진입 기준이 충족되었는지 여부를 연속적으로 체크하는 것과 같이 복수번 반복될 수 있다. 고려 중인 실시예에 대하여, 도 3의 방법(320)의 단계 (322)~(336)에서 대략 방울 크기인 공기 입자들은 공기 입자 크기로 대체(별개도면으로 도시되지 않음)되었음을 이해하여야 한다.
흐름도에 도시된 실시예에 따르면 방법은 또한
- 진입 기준이 만족되었기 때문에 축소 모드에 따라 각 회전 속력을 제어하는 단계(328),
- 계속하여(예컨대 축소 모드에 진입한 것에 이어서) 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 빗방울들의 계속하여 추정된 방울 크기(332)를 제공하는 단계(330);
- 계속하여 축소 모드를 중단하기 위한 이탈 기준이 만족되는지 여부를 판단하는 단계(334)로서, 상기 계속하여 판단하는 것은 적어도 부분적으로 계속하여 추정된 방울 크기(332)에 기초하는 단계,
- 이탈 조건이 만족될 경우 축소 모드에 따른 풍력 터빈의 제어를 중단하는 단계(336)로서, 이탈 조건은 예컨대 계속하여 추정된 방울 크기(332)가 미리 정해진 방울 크기 이탈 문턱값 미만인 것과 같은 것인, 단계.
를 포함한다.
계속되는 단계 (330)~(336)의 장점은 그 단계들이 축소 모드를 따르는 운영을 중단할 수 있게 해준다는 것이다.
보여진 특정 실시예에서, 단계 (330)~(334)는 (계속하여) 추정된 방울 크기에 기초하여 각 회전 속력을 연속적으로 조절하는 것과 같이 복수번 반복될 수 있다.
미리 정해진 방울 크기 이탈 문턱값은 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값에 대하여 유사하거나 상이할 수 있다.
일 실시예에 따르면 방법이 제공되는데, 진입 기준은
- 만약 추정된 방울 크기(324)가 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값을 초과하는 경우
및/또는
- 만약 추정된 강수 강도가 미리 정해진 강수 강도 진입 문턱값을 초과하는 경우
에 만족된다.
이 실시예의 가능한 장점은 단순하면서, 동시에 강수 강도와 방울 크기를 모두 고려한다는 점이다.
일 실시예에 따르면 방법이 제공되는데, 상기 각 회전 속력 문턱값(216)은 정격 각 회전 속력의 99% 미만, 예컨대 97% 미만이다. 일 실시예에 따르면 방법이 제공되는데, 상기 각 회전 속력 문턱값(216)은 정격 각 회전 속력의 95% 미만, 예컨대 90% 미만, 예컨대 85% 미만, 예컨대 75% 미만, 예컨대 50% 미만, 예컨대 25% 미만이다.
일 실시예에 따르면 방법이 제공되는데, 상기 방울 크기는 이동 평균(running average)과 같은 평균으로 정의되고, 빗방울의 크기는 미리 정해진 시간 예컨대 10분 동안의 평균으로 정의된다.
일 실시예에 따르면 방법이 제공되는데, 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값은 0.5~5mm 범위 내이고, 예컨대 1~3mm 이내(예컨대 1 또는 2 또는 2.15 또는 3mm), 예컨대 1~1.5mm 이내(예컨대 1 또는 1.27 또는 1.5mm)이다. 방울 크기 진입 문턱값이 1~1.5mm 이내인 것의 장점은 방울 크기가 이 범위로 증가하면, 배양 시간이 크게 감소한다는 것을 보일 수 있다는 것이다. 일 실시예에 따르면, 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값이 1mm인 방법이 제시된다.
일 실시예에 따르면, 상기 강수 강도가 단위 시간 동안 누적 강우량으로 정의되고, 강수 강도가 10분과 같이 미리 정해진 시간 주기 동안의 높이로 측정되는 방법이 제시된다.
일 실시예에 따르면, 미리 정해진 강수 강도 진입 문턱값이 1.0~15mm/hr 범위이고, 예컨대 1.0~8.0mm/hr 범위, 예컨대 2.0~8.0mm/hr 범위, 예컨대 2.00~7.00mm/hr 범위, 예컨대 2.0~3.5mm/hr 범위, 예컨대 2.0 또는 2.5 또는 2.54 또는 2.8 또는 3.0 또는 3.5mm/hr인 방법이 제시된다. 일 실시예에 따르면, 미리 정해진 강수 강도 진입 문턱값이 2.5mm/hr인 방법이 제시된다.
일 실시예에 의하면, 다음 단계들을 더 포함하는 방법이 제시된다:
- 풍력 터빈(100) 상에 부딪히는 강수의 추정된 강수 강도를 제공하는 단계,
- 풍력 터빈(100) 상에 부딪히는 빗방울의, 풍력 터빈의 고정된 위치에 대한 종단 속력(terminal speed)과 같이, 추정된 빗방울 종단 속력을 제공하는 단계,
- 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103) 상에 부딪히는 빗방울의, 빗방울들이 부딪히면서 (블레이드 팁(blade tip)과 같은) 블레이드의 부분에 대한 충돌 속도와 같은, 추정된 빗방울 충돌 속력을 제공하는 단계,
- 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103) 상에 부딪히는 빗방울의 추정된 빗방울 충돌각을 제공하는 단계,
여기서 진입 기준은 추정된 배양 시간이 미리 정해진 배양 시간 진입 문턱값 미만일 때 만족되고,
배양 시간 tic는 아래 공식에 따라 결정되며:
Figure pct00003
여기서:
- tic는 (시간(hr)과 같은 단위를 가짐) 배양 시간을 나타내고,
- I는 (mm/hr와 같은 단위를 가짐) 강수 강도(단위 시간 당 누적 강우량)를 나타내고,
- Vt는 (m/s와 같은 단위를 가짐) 빗방울 종단 속력을 나타내고,
- V는 (m/s와 같은 단위를 가짐) 빗방울 충돌 속력을 나타내고,
- θ는 (라디안(radian)과 같은 단위를 가짐) 빗방울 충돌각을 나타내고,
- d는 (mm와 같은 단위를 가짐) 빗방울 직경을 나타내고,
- α는 상수로 예컨대 1이고,
- β는 상수로 예컨대 -1이고,
- γ는 상수로, 예컨대 6에서 7 사이, 예컨대 6 또는 6.05 또는 6.7 또는 7이고,
- ζ는 상수로, 예컨대 -1 또는 2.3~3 범위이다.
여기서 '배양 시간(incubation time)'은 강우가 시작된 후에 빗방울이 반복적으로 부딪히는 것에 따른 예컨대 블레이드 팁의 물질의 무게 감소가 더 이상 중요하지 않은 시간으로 이해된다. 따라서, '배양 주기'라 지칭되는, 강우의 시작부터 배양 시간에서 물질의 무게 감소가 중요치 않아지는 배양 시간까지의 주기가 있을 수 있다. 상수 α, β, γ, ζ는 예컨대 (α, β, γ, ζ) = (1, -1, 6.7, -1) 또는 (α, β, γ, ζ)=(1, -1, 6.5, 2.5)와 같은 값을 취할 수 있다.
배양 시간을 유도하는 공식은 저자 Springer, George S.에 의해 Scripta Pub. Co.가 1976년 출판한 "Erosion by liquid impact"라는 책에서 찾을 수 있으며, 여기에 그 전체가 참조로서 통합되며, 특히 제1장("General considerations"), 제2장("Erosion of homogeneous materials") 그리고 더 구체적으로는 유도된 결과의 요약을 가진 표 2-2에 대해 참조가 이루어진다. 이 실시예의 장점은 부식(erosion)을 피하면서도 동시에 출력의 불필요한 감소를 피할 수 있다는 것이며, 이는 부식을 피하기 위해 필요한 경우에 그리고 그 경우에만 축소 모드에 진입함으로써 달성된다. 미리 정해진 배양 시간 진입 문턱값은 강우의 특성 지속시간(characteristic duration)에 의해 주어질 수 있다. 이것의 장점은 배양 시간이 강우의 특성 지속시간 미만이 되면, 부식의 발생이 축소 모드로의 진입에 의해 예방된다는 것이나, 배양 시간이 강우의 특성 지속시간을 초과하면, 생산이 부식의 발생 없이 보통 모드에서 높게 유지된다는 것이다.
공식 속의 매개변수들은 상이한 시간 지점에 대해 그리고/또는 풍력 터빈 상의 상이한 위치들에 대해 상이한 값들을 취할 수 있음이 이해될 수 있다. 예컨대, 값들은 로터의 방위각(azimutal angle) 및/또는 블레이드 상의 상이한 위치들에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에 의하면, 배양 시간은 최악의 시나리오에 따라 계산되는데(예컨대 부식을 피하기 위해 블레이드의 구조 건전성을 보호하기 위하여 보수적인 추정치를 제공하기 위하여), 예컨대 최고 충돌 속도를 경험할 수 있는 블레이드의 앞 가장자리 상의 위치(예컨대 블레이드 팁)과 최고 충돌 속도를 생성하는 방위각(블레이드 팁의 속도 벡터가 부딪히는 빗방울들의 속도 벡터에 대해 역평행(anti-parallel)이거나 역평행에 가장 가까운 것과 같은)을 취할 수 있다.
일 실시예에서, 미리 정해진 배양 시간 진입 문턱값은, 예컨대 블레이드 팁들에 대해 계산된 미리 정해진 배양 시간 진입 문턱값인데, 8760시간이거나, 예컨대 4380시간, 예컨대 2190시간, 예컨대 1095시간, 예컨대 500시간, 예컨대 250시간, 예컨대 168시간, 예컨대 100시간, 예컨대 24시간, 예컨대 12시간, 예컨대 5시간, 예컨대 2시간, 예컨대 1시간일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 다음 중 어느 하나로 방울 크기를 추정하는 단계를 포함하는 추정된 방울 크기(324)를 제공(322)하는 방법이 제시된다:
- 우량계(rain gauge),
- 광학 우량계(106)
- 음향 우량계,
- RD-80 (스위스 Zumikon DISTROMET AG)와 같은 우적계(disdrometer),
- 음향 우적계, 또는
- 레이저 방울-측정계.
일 실시예에 따르면 다음 중 어느 하나로 강수 강도를 추정하는 단계를 포함한 추정된 강수 강도를 제공하는 방법이 제시된다:
- 우량계(rain gauge),
- 광학 우량계(106)
- 음향 우량계,
- RD-80 (스위스 Zumikon DISTROMET AG)와 같은 우적계(disdrometer),
- 음향 우적계, 또는
- 레이저 방울-측정계.
광학 우랑계는 한 행(row)의 수집 깔대기(collection funnels)를 가질 수 있다. 각각의 아래의 에워싸인 공간에는 레이저 다이오드와 광 트랜지스터 감지기가 있다. 충분한 물이 수집되어 단일 방울을 만들면, 바닥에서 떨어져서, 레이저 빔 경로로 낙하한다. 센서는 레이저에 직각으로 설정되어 충분한 빛이 산란되어 갑작으러운 번쩍이는 불빛으로 감지된다. 이 광 감지기들로부터의 플래시들(flashes)은 판독 및 전송 및 기록된다.
음향 우량계는 (또한 청류기(hydrophone)라고도 지칭됨) 비가 우량계 내부의 수면을 타격함에 따라 각 빗방울 크기에 대한 소리 시그니처(sound signatures)들을 감지할 수 있다. 각각의 소리 신호들은 고유하기 때문에, 수중 음향장을 변환하여 비 속에서 방울-크기 분포를 추정하는 것이 가능하다.
일반적으로, 센서는 우량계 중 어떤 것이라도 될 수 있어서, 광학 또는 음향 우량계, 음향 우적계와 같은 우적계, 또는 레이저 방울-측정계와 같은 것일 수 있고, 엔진실 상부와 같은 풍력 터빈 상에 설치될 수 있다. 그러나, 센서는 풍력 터빈 상에 설치되어야만 하는 것은 아니며, 예컨대 풍력 터빈 옆에 또는 풍력 터빈 주변에 설치될 수 있다.
일 실시예에 따르면 풍력 터빈(100)은:
- 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)의 원뿔각(pitch angle)을 제어하기 위한 피치 제어 시스템(pitch control system)
을 더 포함하고, 상기 방법은 추가적으로:
- 피치 제어 시스템으로 하나 또는 그 이상의 블레이드들의 원뿔각을 제어함으로써 각 회전 속력을 제어하는 단계
를 더 포함한다.
각 회전 속력을 제어하는 다른 방법들도 생각할 수 있는데, (예컨대 정격 풍속 미만에서) 적어도 일부 경우들에 채용될 수 있는, 제네레이터 토크(generator torque)를 통하는 등의 방법이다.
비록 본 발명이 특정한 실시예들과 관련하여 기술되었지만, 제시된 예들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 설정된다. 청구항의 맥락에서, 용어 "포함하는(comprising)" 또는 "포함한다(comprises)"은 다른 가능한 요소 또는 단계를 배제하는 것이 아니다. 또한, "하나(a)" 또는 "하나(an)"와 같은 지칭을 언급하는 것은 복수의 경우를 배제하는 것으로 해석되어서는 안된다. 청구항에서 도면에 표시된 요소들에 대한 참조 부호들을 사용하는 것도 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 게다가, 다른 청구항들에서 언급된 개별적인 특징들은, 유리하게 조합될 수 있으며, 다른 청구항들에서 이 특징들을 언급하는 것은 특징들의 조합이 가능하고 유리하지 않은 경우를 배제하지 않는다.

Claims (16)

  1. 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법(320)으로서, 상기 풍력 터빈은:
    하나 또는 그 이상의 블레이드들(blades)(103)을 가진 풍력 터빈 로터(wind turbine rotor)(102)로서, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각 회전 속력(angular rotation speed)(214)을 가지는, 풍력 터빈 로터;
    를 포함하고, 상기 방법은:
    상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 빗방울의 추정된 방울 크기(estimated drop size)(324)를 제공하는 단계(322);
    축소 모드(reduced mode)에 따른 작동의 진입 기준이 충족되었는지 여부를 판단하는 단계(326)로서, 상기 판단은 적어도 부분적으로 상기 추정된 방울 크기(324)에 기초하는, 단계(326);
    상기 진입 기준이 충족된 경우 상기 축소 모드에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계(328);를 포함하고,
    상기 축소 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값(angular rotation speed threshold)(216) 미만으로 제한되고, 상기 각 회전 속력 문턱값은 상기 풍력 터빈의 상기 정격 각 회전 속력 미만인; 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  2. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진입 기준은 상기 추정된 방울 크기(324)가 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값(drop size entry threshold)을 초과할 때 충족되는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  3. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은:
    상기 풍력 터빈(100)에 부딪히는 강수의 추정된 강수 강도(estimated precipitation intensity)를 제공하는 단계;
    를 더 포함하고, 상기 판단하는 단계는 적어도 부분적으로 상기 추정된 강수 강도에 기초하는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진입 기준은,
    상기 추정된 방울 크기(324)가 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값을 초과하는 경우; 그리고/또는
    상기 추정된 강수 강도가 미리 정해진 강수 강도 진입 문턱값(precipitation intensity entry threshold)을 초과하는 경우;에 충족되는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  5. 제2항 또는 제4항에 있어서,
    상기 미리 정해진 방울 크기 진입 문턱값은 1mm인, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 미리 정해진 강수 강도 진입 문턱값은 2.5mm/시간인, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 회전 속력 문턱값(216)은 정격 각 회전 속력의 95% 미만인, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100)에 부딪히는 강수의 추정된 강수 강도를 제공하는 단계;
    상기 풍력 터빈(100)에 부딪히는 빗방울들의 추정된 빗방울 종단 속력(estimated rain drop terminal speed)을 제공하는 단계;
    상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)에 부딪히는 빗방울들의 추정된 빗방울 충돌 속력(estimated rain drop impact speed)을 제공하는 단계;
    상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)에 부딪히는 빗방울들의 추정된 빗방울 충돌각(estimated rain drop impact angle)을 제공하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 진입 기준은 추정된 배양 시간(estimated incubation time)이 미리 정해진 배양 시간 진입 문턱값(incubation time entry threshold) 미만일 때 충족되고,
    상기 배양 시간 tic는 아래 공식으로 주어지며:
    Figure pct00004

    여기서
    tic는 배양 시간을 나타내고,
    I는 강수 강도(단위 시간당 누적 강우량)를 나타내고,
    Vt는 빗방울 종단 속력을 나타내고,
    V는 빗방울 충돌 속력을 나타내고,
    θ는 빗방울 충돌각을 나타내고,
    d는 빗방울 직경을 나타내고,
    α는 상수이고,
    β는 상수이고,
    γ는 상수이고,
    ζ는 상수인,
    풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추정된 방울 크기(324)를 제공하는 단계(322)는
    광학 우량계(rain gauge)(106)
    음향 우량계,
    우적계(disdrometer), 또는
    레이저 방울-측정계(laser drop-sizing gauge)
    중의 어느 하나로 방울 크기를 추정하는 단계;를 포함하는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  10. 제3항, 제4항, 제6항, 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    추정된 강수 강도를 제공하는 단계는
    광학 우량계(rain gauge)(106)
    음향 우량계,
    우적계(disdrometer), 또는
    레이저 방울-측정계
    중의 어느 하나로 강수 강도를 추정하는 단계;를 포함하는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  11. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은
    상기 진입 기준이 충족됨에 따라 상기 축소 모드에 따른 상기 각 회전 속력을 제어하는 단계(328);
    상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 빗방울들의 계속되는 추정된 방울 크기(332)를 계속 제공하는 단계(330);
    축소 모드 동작을 중단하기 위한 이탈 기준이 충족되었는지 여부를 계속 판단하는 단계(334)로서, 상기 계속된 판단은 적어도 부분적으로 계속된 추정된 방울 크기(332)에 기초하는, 단계(334);
    상기 이탈 기준이 충족된 경우 상기 축소 모드에 따른 풍력 터빈의 제어를 중단하는 단계(336);
    를 더 포함하는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  12. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(100)은:
    하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)의 원뿔각(pitch angle)을 제어하기 위한 피치 제어 시스템(pitch control system);
    을 더 포함하고, 상기 방법은:
    상기 피치 제어 시스템으로 상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들의 원뿔각을 제어함으로써 상기 각 회전 속력을 제어하는 단계;
    를 더 포함하는, 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
  13. 실행되었을 때 풍력 터빈(100)에 대한 컴퓨터 장치나 제어 시스템으로 하여금 전술한 항 중 어느 한 항에 따른 방법(320)을 수행하도록 하는 명령어들을 구비한 컴퓨터 프로그램 제품.
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법(320)을 수행하기 위해 배열된 풍력 터빈(100)을 위한 제어 시스템.
  15. 제14항에 따른 상기 제어 시스템을 포함하는 풍력 터빈(100).
  16. 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법(320)으로서, 상기 풍력 터빈(100)은:
    하나 또는 그 이상의 블레이드들(103)을 가진 풍력 터빈 로터(102)로서, 상기 풍력 터빈은 상기 풍력 터빈 로터의 정격 각 회전 속력(214)을 가지는, 풍력 터빈 로터(102);
    를 포함하고, 상기 방법은:
    상기 하나 또는 그 이상의 블레이드들에 부딪히는 공중 입자들의 추정된 공중 입자 크기(estimated aerial particle size)(324)를 제공하는 단계;
    축소 모드(reduced mode)에 따른 작동 진입 기준이 충족되었는지 여부를 판단하는 단계(326)로서, 상기 판단은 적어도 부분적으로 상기 추정된 공중 입자 크기(324)에 기초하는, 단계(326);
    상기 진입 기준이 충족된 경우 상기 축소 모드에 따라 상기 풍력 터빈을 제어하는 단계(328);를 포함하고,
    상기 축소 모드에서 상기 풍력 터빈 로터의 각 회전 속력은 각 회전 속력 문턱값(216) 미만으로 제한되고, 상기 각 회전 속력 문턱값은 상기 풍력 터빈의 상기 정격 각 회전 속력 미만인; 풍력 터빈(100)을 제어하기 위한 방법.
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