KR20230091242A - 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비상시 전원이 공급되지 않는 상태에서 블레이드의 피치를 페더링 조건이 되도록 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기에 관한 것으로서, 블레이드의 피치 상태를 제어하는 피치복원 구조를 가지며, 상기 피치복원 구조는 유압유닛의 구동으로 전후 방향으로 로드를 이동시키고, 솔레노이드 밸브를 포함하는 유압실린더와, 상기 유압실린더의 로드와 연결되고 상기 로드의 이동에 따라 이동되는 압력봉과 상기 압력봉과 연결된 압력판과 가이드 압력판 사이에 형성된 스프링 및 상기 압력판과 가이드 압력판 사이 거리에 따라 블레이드 피치각도를 제어하는 피치링크를 포함하고, 정전(단전) 상태에서 상기 유압실린더의 작동유 주입구를 제어하는 솔레노이드 밸브가 오픈 상태가 되고 유압실린더 내부 피스톤 앞뒤의 압력이 동일하게 되어 스프링의 복원력으로 압력판이 이동되면서 블레이드의 피치각도가 페더링 상태가 되는 것을 특징으로 한다.

Description

전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기{Wind power generation having power-off pitch control structure}

본 발명은 비상시 전원이 공급되지 않는 상태에서 블레이드의 피치를 페더링 조건이 되도록 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

풍력발전기는 타워, 나셀, 허브 및 블레이드를 포함한다. 이러한 풍력발전기는 풍속에 따라 발전량이 결정되는데 발전이 가능한가의 유무에 따라 발전이 불가능한 풍속(시동전 풍속, 극한 풍속)과 발전이 가능한 풍속(저풍속, 중풍속, 고풍속)으로 분류될 수 있다.

발전이 가능한 풍속에 있어서, 도 1을 참조하면, 저풍속 영역은 컷인(Cut-in) 이상 속도이며 동기화를 유지할 수 있는 풍속대를 가리킨다. 중풍속 영역은 발전기의 동기화를 유지할 수 있는 풍속 이상에서 정격출력을 생산할 수 있는 정격(rated) 풍속까지를 가리킨다. 또한, 중풍속 영역에서는 풍속에 따른 발전기의 최대 출력 확보를 위하여 출력계수(Cp)가 최대로 되는 피치 각도를 고정하여 지정하는데 이를 최적 피치(Fine pitch) 각도라고 한다.

그리고 고풍속 영역은 정격풍속 이상에서 컷아웃(Cut-out) 풍속까지를 가리킨다. 또한, 고풍속 영역에서는 발전기의 일정한 회전속도를 유지하기 위하여 피치 각도를 연속적으로 제어한다.

발전이 불가능한 풍속은 컷인(Cut-in) 이하 풍속 및 컷아웃(Cut-out) 이상 풍속이다. 이 때, 블레이드의 피치 각도는 페더링(Feathering) 상태에 있다. 여기서, 페더링 상태란 바람의 에너지를 받지 않도록 하는 상태를 말하며 블레이드의 피치 각도가 90도 근처를 가리키며, 피치(pitch) 각도란 블레이드가 장착된 중심선을 기준으로 돌아가는 각도를 의미한다.

풍력발전기에서 피치제어 기술은 양질의 전기를 최적(최대)으로 생산하기 위해서는 블레이드(blade)의 각도를 조절하여 큰 양력을 받도록 피치제어(fine pitch position control)를 하여야 한다. 다만, 이러한 피치제어 기술은 순간 돌풍이나 정전등의 긴급상황에 대응하지 못하는 문제점이 있었다.

KR 10-2221312 B KR 10-2191339 B

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로 비상시 전원이 공급되지 않는 상태에서 스프링과 유압실린더의 구조가 블레이드의 피치를 페더링 조건이 되도록 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기는 블레이드의 회전에 의해 전기 에너지를 발생시키는 풍력발전기에 있어서, 상기 블레이드의 피치 상태를 제어하는 피치복원 구조를 가지며, 상기 피치복원 구조는 유압유닛의 구동으로 전후 방향으로 로드를 이동시키고, 솔레노이드 밸브를 포함하는 유압실린더와 상기 유압실린더의 로드와 연결되고 상기 로드의 이동에 따라 이동되는 압력봉과 상기 압력봉과 연결된 압력판과 가이드 압력판 사이에 형성된 스프링 및 상기 압력판과 가이드 압력판 사이 거리에 따라 블레이드 피치각도를 제어하는 피치링크를 포함하고, 정전(단전) 상태에서 상기 유압실린더의 작동유 주입구를 제어하는 솔레노이드 밸브가 오픈 상태가 되고 유압실린더 피스톤 앞뒤의 압력이 동일하게 되어 스프링의 복원력으로 압력판이 이동되면서 블레이드의 피치각도가 페더링 상태가 되는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 피치링크는 유압실린더 로드가 전후 방향으로 이동하면 피치축을 회전시켜 블레이드의 피치각도를 제어하는 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 유압실린더의 솔레노이드 밸브는 유압실린더 피스톤 앞측 작동유 주입구와 유압실린더 피스톤 뒤측 작동유 주입구 사이의 연결관로에 위치하며, 페일 세이프 밸브 기능을 가지고, 상기 솔레노이드 밸브는 정전(단전) 상태에서 밸브가 열리는 상시 열림(Normal Open) 상태인 것을 특징으로 형성될 수 있다.

상기 솔레노이드 밸브는 단전상태에서 유압실린더의 로드가 허브 방향으로 이동되지 않도록 체크밸브를 형성될 수 있다.

상기와 같이 하여 본 발명에 의한 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기는 정상 운전 상태에서 제어장치의 명령에 따라 유압실린더의 로드가 전후방향으로 이동하여 블레이드의 피치 각도를 제어하고, 비상시인 정전 상태에서 기계적인 메커니즘만으로도 블레이드의 피치 각도가 페더링 상태가 되도록 하는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 유압유니트가 전원 비인가 상태에서 작동 압력을 발생시키지 않으므로 유압실린더 내부 피스톤의 앞뒤 압력이 동일하게 되므로 스프링이 실린더 로드를 뒤로 이동하게 하여 블레이드 피치각도가 페더링 상태가 되도록 할 수 있다.

도 1은 종래기술에서 풍력발전기의 풍속별 블레이드 피치 각도의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기의 정상운전(피치각 0°)시 동작관계를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기의 정상운전(피치각 45°)시 동작관계를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기의 비상정지(피치각 90°) 시 동작관계를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 본 발명의 주요부분인 스프링, 압력베어링 및 유압실린더의 작동관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5의 A부분을 확대한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 하기에 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떠런 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기의 정상운전(피치각 0°)시 동작관계를 나타낸 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기의 정상운전(피치각 45°)시 동작관계를 나타낸 단면도이다.

본 발명인 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기(100)는 도 2와 같이 피치각이 0°인 상태에서 정상작동을 하는 경우에 제어부(미도시)의 명령에 따라 유압유닛(110)의 동작한다. 상기 풍력발전기(100)는 유압유닛(110)의 구동으로 유압호스(115)로 연결된 유압실린더(120)의 로드(125)가 전후방향으로 이동하면서 양질의 전기를 최적(최대로) 생산하기 위하여 블레이드(105)의 피치각도를 제어한다.

상기 유압실린더(120)는 로드(125)를 전방향(이하, 허브(109) 측으로 이동하는 방향을 전방향이라 한다)으로 최대 이동하는 경우, 도 2와 같이, 상기 로드(125)와 연결된 압력베어링(131)이 압력봉(133)과 함께 전방향으로 최대 전진한다. 이 경우 상기 압력봉(133)은 압력판(135)과 가이드 압력판(147)의 사이가 최대로 짧게 된다. 상기 압력판(135)과 가이드 압력판(147) 사이에는 스프링(145)이 형성되는데, 이때 스프링(145)이 최대로 압축된다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스프링(145)이 최대로 압축된 상태는 풍향을 기준으로 피치각이 0°를 의미한다.

정상운전 상태에서 피치각이 30°, 45°, 60°인 것은 유압실린더(120)의 로드(125)의 이동에 따라 제어한다. 본 발명에서는 도3에 풍향을 기준으로 블레이드(105)의 피치각도가 45°인 것을 도시하였다.

상기 블레이드(105)의 피치각도는 압력판(135) 일측에 연결된 피치링크(140)의 이동으로 제어된다. 상기 피치링크(140)는 블레이드(105) 피치축(107)과 압력판(135) 사이에 형성된다. 상기 피치링크(140)는 유압실린더(120) 로드(125)가 전후 방향으로 이동하면서 피치축(107)을 회전시킨다. 정상 작동상태인 경우에는 제어부(미도시)에서 입력된 신호에 따라 유압유닛(110)이 구동하여 유압실린더(120)의 로드(125) 이동방향을 제어한다.

본 발명의 구성은 도2 내지 도3과 같은 정상작동으로 블레이드(105)의 피치 각도를 제어하는 것 뿐만 아니라 정전, 정비 혹은 돌풍 등과 같이 전기적 신호가 차단되는 정전(단전) 상태에서 스프링(145)의 탄성(복원력)으로 블레이드(105) 피치각도가 90°가 되도록 하는데 특징이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기(100)의 비상정지(피치각 90°) 시 동작관계를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 4에서 본 발명의 주요부분인 스프링(145), 압력베어링(131) 및 유압실린더(120)의 작동관계를 나타낸 도면이며, 도 6은 도 5의 A부분을 확대한 도면이다.

본 발명의 풍력발전기(100)는 정전(단전) 상태에서 블레이드(105) 피치각도가 풍향을 기준으로 90°가 되도록 하여 페더링 상태가 되도록 한다. 상기 블레이드(105)는 페더링 상태가 되면 풍향에도 블레이드(105)에 양력이 발생하지 않게 된다. 상기 블레이드(105)에 양력이 발생하지 않으면 풍력발전기(100)에 형성된 3개의 블레이드(105)가 원을 그리며 움직이는 회전력이 발생하지 않는다.

상기 풍력발전기(100)는 정전(단전) 상태에서 유압실린더(120)의 작동유 주입구를 제어하는 솔레노이드 밸브가 오픈 상태가 된다. 또한, 상기 유압유니트(110)는 정전(단전) 상태에서 작동 압력이 발생하지 않으므로 유압실린더(120) 내부 피스톤 앞뒤의 압력이 동일하게 된다. 이 상태에서 상기 스프링(145)은 정상운전 혹은 피치각을 제어하는 압축된 상태에서 원상태로 돌아가는 복원력을 가지게 된다. 상기 스프링(145)의 복원력은 압력판(135)을 후방향(이하, 허브(109)측에서 유압실린더(120) 방향으로 이동하는 방향을 후방향이라 한다)으로 이동하게 한다. 상기 압력판(135)은 스프링(145)의 복원력으로만 이동되면서 연결된 피치링크(140)가 이동되면서 블레이드(105)의 피치각도가 페더링 상태(90°)가 되도록 한다.

이때, 상기 유압실린더(120)는 솔레노이드 밸브(미도시)와 연동되도록 한다. 상기 솔레노이드 밸브는 정전, 정비 혹은 돌풍 등과 같이 전기적 신호가 차단되는 이상신호에 안전수단으로서 페일 세이프 밸브가 형성되도록 한다. 상기 유압실린더의 솔레노이드 밸브는 유압실린더 피스톤 앞측 작동유 주입구와 유압실린더 피스톤 뒤측 작동유 주입구 사이의 연결관로에 위치하고 페일 세이프 기능을 가진다. 상기 솔레노이드 벨브는 전원이 투입되지 않으면(단전 상태) 밸브가 열리는 상시 열림(NO, Normal Open)인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 솔레노이드 밸브는 체크밸브를 형성하여 정전(단전) 상태에서 유압실린더(120) 로드(125)가 허브(109) 방향으로 이동하지 않도록 한다.

따라서 본 발명에 의한 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기(100)는 정상 운전 상태에서 제어장치의 명령에 따라 유압실린더의 로드가 전후방향으로 이동하여 블레이드의 피치 각도를 제어하여 양질의 전기를 생산하도록 하고, 비상시인 정전(단전) 상태에서 스프링(145)의 복원력으로 블레이드(105)의 피치 각도가 페더링 상태가 되도록 하여 블레이드(105)에 양력이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.

이 외에도 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산 또는 분할되어 실시될 수 있으며, 마찬가지로 분산 또는 분할된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 통상의 기술자가 이해하는 범위 안에서 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기
103: 나셀베드프레임 109: 허브
110: 유압유닛 120: 유압실린더
133: 압력봉 145: 스프링
150: 발전기 153: 기어박스

Claims (4)

1. 블레이드의 회전에 의해 전기 에너지를 발생시키는 풍력발전기에 있어서,
   상기 블레이드의 피치 상태를 제어하는 피치복원 구조를 가지며,
   상기 피치복원 구조는
   유압유닛의 구동으로 전후 방향으로 로드를 이동시키고, 솔레노이드 밸브를 포함하는 유압실린더;
   상기 유압실린더의 로드와 연결되고 상기 로드의 이동에 따라 이동되는 압력봉;
   상기 압력봉과 연결된 압력판과 가이드 압력판 사이에 형성된 스프링; 및
   상기 압력판과 가이드 압력판 사이 거리에 따라 블레이드 피치각도를 제어하는 피치링크를 포함하고,
   정전(단전) 상태에서 상기 유압실린더의 작동유 주입구를 제어하는 솔레노이드 밸브가 오픈 상태가 되고 유압실린더 내부 피스톤 앞뒤의 압력이 동일하게 되어 스프링의 복원력으로 압력판이 이동되면서 블레이드의 피치각도가 페더링 상태가 되는 것을 특징으로 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 피치링크는 유압실린더 로드가 전후 방향으로 이동하면서 피치축을 회전시키면서 블레이드의 피치각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 유압실린더의 솔레노이드 밸브는 유압실린더 피스톤 앞측 작동유 주입구와 유압실린더 피스톤 뒤측 작동유 주입구 사이의 연결관로에 위치하며, 페일 세이프 밸브 기능을 가지고,
   상기 솔레노이드 밸브는 정전(단전) 상태에서 밸브가 열리는 상시 열림(Normal Open) 상태인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 솔레노이드 밸브는 단전상태에서 유압실린더의 로드가 허브 방향으로 이동되지 않도록 체크밸브를 형성하는 것을 특징으로 하는 전원 비인가형 피치복원 구조를 갖는 풍력발전기.
   

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