KR20230167109A - 수소 생산을 포함한 풍력 터빈 시스템용 안전 시스템 - Google Patents

수소 생산을 포함한 풍력 터빈 시스템용 안전 시스템 Download PDF

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사무엘 호킨스
핀 다우가르드 매드젠
예스페르 엘리엇 페테르젠
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지멘스 가메사 리뉴어블 에너지 아/에스
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Abstract

풍력 터빈 시스템(100)의 안전 시스템이 제공된다. 풍력 터빈 시스템(100)은 적어도 하나의 풍력 터빈(110) 및 풍력 터빈(110)에 의해 생성된 전력을 이용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템(120)을 포함한다. 안전 시스템은 수소 생산 시스템(120)의 오작동을 검출하기 위해 풍력 터빈 시스템(100)을 모니터링하도록 구성된 모니터링 시스템(12)을 포함한다. 또한, 안전 시스템은 모니터링 시스템(12)에 의해 수소 생산 시스템(120)의 오작동이 검출되면 풍력 터빈 시스템(100)의 안전 기능을 개시하도록 구성된 제어 시스템(11)을 더 포함한다.

Description

수소 생산을 포함한 풍력 터빈 시스템용 안전 시스템
본 발명은 적어도 하나의 풍력 터빈 및 수소 생산 시스템을 포함하는 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템 작동 방법 및 이러한 안전 시스템을 작동하기 위한 개개의 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
풍력 터빈들은 전통적으로 전기 생산에 사용되어 왔다. 그러나 기체 수소 생산에 풍력 터빈들을 사용하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 멀리 떨어진 수소 생산 시설이 아닌 풍력 터빈이 위치한 곳에서 수소를 생산하면 많은 이점들이 있다. 예를 들어, 바다에서 취수한 물을 수소 생산에 사용할 수 있다. 또한, 발생된 전기를 장거리들에 걸쳐 운송할 필요가 없어 전기 손실들을 줄일 수 있다.
예를 들어, 문헌 WO 2020/095012 A1은 담수화 유닛과 전기분해 유닛이 있는 부유식 타워 구조물을 포함하는 대규모 수소 생산을 위한 해상 풍력 터빈 시스템을 설명한다.
이러한 해상 풍력 터빈은 일반적으로 주위 공기로부터 밀폐되어 있거나, 내부 및 외부 공기의 교환을 제한하거나 방지하는 디바이스들을 포함할 수 있다. 이러한 조치들을 통해, 염분 수준이 높은 공기가 풍력 터빈에 유입되어 내부 부품들이 빠르게 부식시킬 수 있는 것을 방지할 수 있다. 마찬가지로, 육상 풍력 터빈들의 경우, 오염 물질들, 날벌레들, 농작물 잔해들 등이 풍력 터빈 내부로 유입되어 구성요소들에 손상을 입힐 수 있으므로 외부 공기로부터의 밀폐가 각각 제공된다. 또한, 육상 및 해상 터빈들 모두에 있어서 내부의 습도를 조절하는 것은 부식 방지를 위해 매우 중요하며, 이에 따라 이는 나셀과 타워를 충분히 밀폐해야 하는 또 다른 이유가 되기도 한다. 그러나 통상적으로 사용되는 풍력 터빈들의 이러한 구성들을 고려할 때, 수소 생산과 함께 위험들이 발생할 수 있다. 이러한 위험들을 완화하고 개개의 풍력 터빈 또는 그 주변에서 위험한 상황들을 방지하는 것이 바람직하다.
문헌 US 2020/0173047 A1에서는 추운 지역의 원격 위치에 있는 건물 내에 수소 생산 장치가 제공되는 수소 생산 시스템에 대해 설명한다. 수소 생산 시스템에 전력을 제공하는 시설의 정전 시 불활성 가스로 수도관들과 수소관들을 정화하기 위해 질소가 포함된 불활성 가스 실린더가 제공된다.
문헌 US 2007/0145752 A1에서는 풍력 발전 설비의 화재 방지 시스템에 대해 설명한다. 연료 셀은 풍력 발전 설비의 철탑 내에 배열되어 풍력 터빈 내에 존재하는 산소를 소비함으로써 불활성 대기를 생성한다. 불활성 대기는 화재 발생을 방지한다.
따라서, 위에서 언급한 단점들 중 적어도 일부를 완화할 필요가 있으며, 특히 수소 생산이 동시에 이루어지는 풍력 터빈에서 발생할 수 있는 위험한 상황들을 방지할 필요가 있다.
이러한 필요성은 독립 청구항들의 특징들에 의해 충족된다. 종속 청구항들은 본 발명의 실시예들을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템이 제공되며, 여기서 풍력 터빈 시스템은 적어도 하나의 풍력 터빈 및 풍력 터빈에 의해 생성된 전력을 사용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템을 포함한다. 안전 시스템은 수소 생산 시스템의 오작동을 검출하기 위해 풍력 터빈 시스템을 감시하도록 구성된 모니터링 시스템과, 모니터링 시스템에 의해 수소 생산 시스템의 오작동이 검출되면 풍력 터빈 시스템의 안전 기능을 개시하도록 구성된 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템에 의한 안전 기능의 개시는 제어 시스템이 풍력 터빈의 작동을 수정하는 것을 포함한다.
이러한 안전 시스템은 수소 생산 시스템의 오작동으로 인해 발생하는 임의의 잠재적 손상을 신속하고 효율적으로 검출하고, 신속하고 효율적인 완화 조치들을 취할 수 있게 해준다. 이러한 안전 시스템을 통해, 특히 풍력 터빈 시스템 내에 수소가 축적될 수 있는 그러한 오작동으로 인해 그러한 수소가 점화되어 시스템에 상당한 손상을 초래하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 안전 시스템은 특히 풍력 터빈 시스템 내의 수소 농도가 인화성 또는 폭발성 한계 미만으로 유지되도록 구성할 수 있다.
안전 기능의 개시는 특히 제어 시스템에 의한 안전 기능의 실행을 포함할 수 있다. 예를 들어, 안전 기능을 개시하면 제어 시스템이 풍력 터빈 및/또는 수소 생산 시스템을 안전 모드로 작동시키거나 풍력 터빈 및/또는 수소 생산 시스템을 정지(shutdown)시킬 수 있다.
수소 생산 시스템은 적어도, 적어도 하나의 풍력 터빈을 포함하는 풍력 발전소, 예를 들어 풍력 단지 또는 풍력 파크의 일부를 형성할 수 있다. 수소 생산 시스템은 특히 풍력 터빈과 함께 배열될 수 있으며; 예를 들어 풍력 터빈 내에 구성되거나 풍력 터빈에 인접하여 배열될 수 있다. 수소 생산 시스템은 풍력 터빈에 바로 인접하여(예를 들어, 동일한 해상 플랫폼 또는 인접한 해상 플랫폼에) 배열되는 것이 바람직하며, 풍력 터빈 내에, 예를 들어 풍력 터빈의 타워 또는 지지 구조물 내에 구성되는 것이 더욱 바람직하다. 예를 들어, 풍력 터빈으로부터 500 m 미만, 200 m 미만 또는 100 m 미만 내에 배열될 수 있다. 수소 생산 시스템은 또한 풍력 발전 단지의 복수의 풍력 터빈들과 연관될 수 있다. 수소 생산 시스템은 풍력 터빈 시스템의 복수의 풍력 터빈들에 인접하여 배열될 수 있는데, 예를 들어 해상 풍력 발전 단지 내에 배열된 전용 해상 플랫폼 상에 배열될 수 있다. 구체적인 예로서, 수소 생산 시스템은 부유식 해상 풍력 터빈의 일부를 형성할 수 있으며, 이는 문헌 WO 2020/095012 A1에 설명된 것과 유사하게 구성될 수 있다.
풍력 터빈은 바람직하게는 급전망(utility grid) 또는 일반 전력망을 거치지 않고 직접 또는 컬렉터 그리드를 통해 수소 생산 시스템에 전력을 공급한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 모니터링 시스템은 오작동을 검출하기 위해 수소 생산 시스템으로부터 수소의 누출을 검출하도록 구성된 누출 검출기를 포함한다. 특정 구현예에서, 모니터링 시스템, 예를 들어 이러한 누출 검출기는 적어도 하나의 수소 가스 센서를 포함하며, 적어도 하나의 수소 가스 센서에 의해 검출된 수소 농도가 미리결정된 임계값을 초과하는 경우 수소 생산 시스템의 오작동이 검출된다. 이러한 구성은 풍력 터빈 시스템에서 위험 상황의 시작을 빠르고 효율적으로 검출할 수 있게 하며; 특히 위험한 수소 농도들이 발생하기 전에 안전 기능을 개시할 수 있게 한다. 다른 구현예들에서, 모니터링 시스템은 누출 형태의 오작동을 검출하여 안전 기능을 개시할 수 있는 초음파 검출기를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 수소 가스 센서는 예를 들어, 풍력 터빈 내에 배열된 수소 가스 센서 및/또는 수소 생산 시스템 내에 배열된 수소 가스 센서를 포함할 수 있다. 수소 가스 센서는 예를 들어, 풍력 터빈의 타워 및/또는 나셀 내에 배열될 수 있다. 바람직하게는, 개개의 시스템의 상부에 배열된다. 일반적으로, 수소가 상승함에 따라, 모니터링 시스템의 감도가 향상될 수 있다. 적어도 하나의 수소 센서는 하나의 유형 또는 서로 다른 유형들의 수소 센서들을 포함할 수 있으며, 여기서 수소 센서들의 유형들은 예를 들어, MOSFET-형 센서, 전기 화학 센서, 촉매 센서, 열 전도성 센서 및/또는 금속 산화물 센서들을 포함한다. 모니터링 시스템은 화염 검출기, 스파크 검출기, 연기 검출기 등과 같은 추가 센서들의 하나 또는 조합을 포함할 수 있다. 이러한 센서들은 수소 가스 센서와 함께 제공될 수 있으며, 점화원을 신속하게 검출할 수 있어 풍력 터빈 시스템의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템에 의한 안전 기능의 개시는 수소 생산 시스템의 작동 수정; 풍력 터빈 또는 수소 생산 시스템의 환기 포트 개방; 및 경보 기능 활성화 중 하나 또는 그 조합을 더 포함할 수 있다. 바람직하게는, 안전 기능을 개시하는 것은 이러한 안전 조치들 중 적어도 두 가지 또는 적어도 세 가지를 임의의 원하는 조합으로 포함할 수 있다. 따라서, 안전 시스템은 오작동 발생 시 신속하게 반응하여 수소 농도들의 증가로 인한 풍력 터빈 시스템의 손상을 방지할 수 있다.
환기 포트는 예를 들어, 타워 또는 나셀과 같은 풍력 터빈의 밀폐된 공간에 배열될 수 있으며, 특히 그 상부, 예를 들어 개개의 밀폐된 공간의 가장 높은 지점에 배열될 수 있다. 수소는 공기보다 가볍기 때문에 이러한 환기 포트를 개방함으로써 수소 농도를 효율적으로 낮출 수 있다.
경보 기능을 활성화하는 것은 예를 들어, 풍력 터빈의 로컬 및 원격 운영자들이 볼 수 있는 경보의 활성화를 포함할 수 있다. 경보는 풍력 터빈 시스템에 높은 농도의 기체 수소가 존재한다는 것을 나타내도록 구성될 수 있다. 이러한 경보는 풍력 터빈 내 가청 경보를 포함할 수 있으며, 이는 화재 경보들과 같은 다른 가청 경보들과 구별되는 것이 바람직하다. 따라서, 풍력 터빈 내의 직원들은 잠재적으로 위험한 상황에 대한 정보를 받을 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 경보는 수소 농도 상승과 연관된 미리결정된 색상 및/또는 미리결정된 타이밍 패턴의 경고등을 갖는 시각적 경보를 포함할 수 있다. 경보는 또한 통신 연결을 통해 운영자에게 전달되어 원격 운영자에게 상황 및 오작동에 대한 정보를 제공할 수 있다. 경보의 유형은 안전 기능 개시(trigger)에 따라 달라질 수 있다. 수소 농도가 낮은 경우, 소리, 색상, 패턴 등과 같은 한 가지 유형의 경보가 포함될 수 있는 안전 모드 작동이 개시될 수 있으며, 농도가 높은 제2 수소 농도의 경우, 제2 안전 기능이 개시되어 제2 유형의 경보가 활성화될 수 있다. 따라서, 경보의 유형은 검출된 수소 농도가 얼마나 높은지를 나타낼 수 있다. 또한, 제어 시스템이 취한 완화 조치들, 예를 들어, 안전 모드 작동 또는 풍력 터빈 시스템의 정지를 나타낼 수도 있다.
풍력 터빈의 작동을 변경하는 것은 풍력 터빈의 적어도 하나의 하위 시스템의 작동을 정지시키거나 비활성화하는 것을 포함할 수 있고, 그리고/또는 수소 생산 시스템의 작동을 변경하는 것은 수소 생산 시스템의 적어도 하나의 전해조 유닛을 정지시키거나 수소 생산 시스템을 정지시키는 것을 포함할 수 있다. 개개의 정지는 예를 들어 모니터링 유닛에 의해 오작동, 특히 수소 농도 상승이 검출되는 풍력 터빈 시스템의 부품에 따라 제어기에 의해 수행될 수 있다. 따라서, 손상 위험을 줄이는 표적 완화 조치들이 취해질 수 있다.
제어 시스템은 모니터링 시스템에 의해 검출된 오작동과 연관된 위험 수준에 따라 사용 가능한 복수의 안전 기능들 중 적어도 하나를 개시하도록 구성될 수 있다. 위험 수준은 특히, 예를 들어 수소 가스 센서를 사용하여 모니터링 시스템에 의해 측정된 수소 농도에 대응할 수 있다. 예를 들어, 높은 위험 수준과 연관된 안전 기능은 낮은 위험 수준과 연관된 안전 기능보다 풍력 터빈 시스템의 더 많은 구성요소들을 비활성화할 수 있다. 따라서, 위험 수준들이 높을수록 더 적극적인 안전 기능들이 활성화되어 실제 위험에 따라 완화 조치들을 점진적으로 취할 수 있다. 따라서, 풍력 터빈 시스템의 기능들은 안전이 보장되는 한 계속 활성화 상태를 유지할 수 있다.
예를 들어, 제1 임계값을 초과하는 수소 가스 농도는 첫 번째 낮은 위험 수준에 대응할 수 있고, 제2 높은 임계값을 초과하는 수소 가스 농도는 두 번째 높은 위험 수준에 대응할 수 있는데, 이 경우 첫 번째 낮은 위험 수준과는 서로 다른 안전 기능이 연관된다.
특정 예에서, 모니터링 시스템이 (수소 가스 센서에 의해) 수소 가스 농도가 제1 임계값을 초과함을 검출하여 오작동을 검출하는 경우, 제어 시스템은 풍력 터빈 시스템의 제1 안전 기능을 개시하도록 구성되고, 모니터링 시스템이 (수소 가스 센서에 의해) 수소 가스 농도가 제2 임계값을 초과함을 검출하여 오작동을 검출하는 경우, 제어 시스템은 풍력 터빈 시스템의 제2 안전 기능을 개시하도록 구성되며, 제2 임계값은 제1 임계값보다 높을 수 있다. 이는 하나의 예일 뿐이며, 안전 시스템에 의해 개개의 추가 안전 기능들이 있는 추가 임계값이 사용될 수 있거나, 안전 시스템이 수소 농도 상승 시 점진적으로 추가 안전 기능들을 호출할 수 있다는 점을 분명히 해야 한다.
예를 들어, 제1 임계값은 공기 중 0.2 vol％ 내지 1 vol％의 범위에서 선택된 수소 농도에 대응할 수 있고, 그리고/또는 제2 임계값은 공기 중 1.0 vol％ 내지 10 vol％의 범위에서 선택된 수소 농도에 대응할 수 있다. 바람직하게는, 제1 임계값은 0.3 내지 0.5 vol％의 범위, 예를 들어 약 0.4 vol％(예를 들어, 4,100 ppm에 대응하는 0.41 vol％)에서 선택될 수 있다. 제1 임계값은 예를 들어, 공기와 폭발성 혼합물을 형성하는 기체 수소의 농도들에 대한 하한선의 약 10 ％에 대응할 수 있다. 이러한 임계값을 선택함으로써, 수소의 농도들은 풍력 터빈 제어기에 의해 안전 기능이 여전히 수행될 수 있고, 풍력 터빈의 일부가 계속 작동할 수 있으며, 풍력 터빈이나 인력이 위험에 처하지 않고 안전하게 풍력 터빈에서 대피할 수 있을 정도로 충분히 낮다. 바람직하게는, 제2 임계값은 1 내지 5 vol％의 범위의 수소 농도, 예를 들어 1.5 내지 3 vol％, 예를 들어 약 2 vol％(예를 들어, 2.05 vol％ 또는 20,500 ppm)에 대응할 수 있다. 이러한 임계값은 공기와 함께 개개의 폭발성 혼합물이 형성되는 수소 농도에 대한 하한선의 약 50 ％에 대응할 수 있다. 수소는 일반적으로 1 기압의 압력에서 공기의 약 4.1 vol％ 내지 70.4 vol％의 농도 사이에서 일반 공기와 혼합될 때 가연성을 띈다. 이러한 임계값은 제어 시스템이 손상 위험을 줄이기 위해 제2 안전 기능을 수행할 수 있을 정도로 여전히 낮다.
모니터링 시스템이 수소 농도가 개개의 임계값에 도달하거나 이를 초과하는 것을 검출하여 오작동 발생을 검출하면, 제어 시스템으로 전달되는 신호를 생성하여 개개의 안전 기능을 개시한다.
안전 기능, 특히 제1 안전 기능(즉, 안전 모드에서의 작동)을 개시하는 것은 특히 풍력 터빈 또는 풍력 터빈의 마지막 부분에서 수소 농도 증가가 검출된 적어도 하나, 바람직하게는 모든 회전 전기 기계들(발전기들 및 모터들)의 작동을 비활성화(중지)시키는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 이러한 기계들의 슬립 링들 등으로 인해 발생할 수 있는 아킹(arcing)을 방지할 수 있다.
예를 들어, 제1 안전 기능을 개시하는 것은 다음 중 하나 또는 그 조합의 수행을 포함할 수 있다: 풍력 터빈의 제어된 중지(특히 풍력 터빈의 전력 생성 시스템, 즉 풍력 터빈 로터, 발전기, 전력 변환기의 중지); 수소 생산 시스템의 적어도 일부의 정지(예를 들어, 전해조의 정지); 하나 이상의 모터 접촉기들 및/또는 모터 차단기들의 작동 비활성화; 풍력 터빈의 하나 이상의 펌프들, 특히 유압유 및/또는 기어 오일 펌프들의 작동 비활성화; 하나 이상의 팬들, 특히 냉각 또는 환기 팬들의 작동 비활성화; 호이스팅 모터의 비활성화, 공기 압축 장치, 특히 에어컨 시스템의 비활성화. 이러한 조치들을 통해 예를 들어 차단기 작동, 모터 활성화 및 비활성화 중에 발생할 수 있는 전기 아크들이 점화원으로 작용하지 않도록 할 수 있다. 제1 안전 기능을 개시하는 것은 풍력 터빈 제어기의 작동을 계속하는 것; 풍력 터빈 주회로 차단기를 폐쇄 포지션으로 유지하는 것; 및 감시 제어 및 데이터 수집(SCADA) 통신 장비의 작동을 계속하는 것을 더 포함할 수 있다. 따라서, 풍력 터빈의 최소한의 기능이 유지되어 운영자가 풍력 터빈과 통신하여 풍력 터빈을 모니터링하고 제어할 수 있다. 제1 안전 기능을 개시하는 것은 안전 시스템의 작동 지속; 항공 및/또는 장애물 조명의 작동 지속; 로컬 제어 인터페이스들 등의 작동 지속을 더 포함할 수 있다. 제1 안전 기능의 개시와 관련하여 상기한 조치들은 제1 안전 기능의 개시 시 풍력 터빈 시스템이 작동되는 안전 모드의 일부를 형성할 수 있다. 이러한 안전 모드는 상기 언급된 조치들 중 선택된 조치를 포함할 수 있으며, 이러한 조치들의 임의의 바람직한 조합을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 안전 기능을 개시하는 것은 적어도 풍력 터빈의 제어된 중지 및 풍력 터빈 제어기의 작동을 계속하고, 풍력 터빈 주 회로 차단기를 폐쇄 위치로 유지하는 것을 포함한다. 또한, 위에 설명된 조치들 중 임의의 조치를 더 포함할 수 있다.
풍력 터빈의 제어된 중지는 특히 주 동력 흐름을 제공하는 풍력 터빈 전기 구동 트레인의 적어도 하나의 전기 구성요소, 특히 발전기, 바람직하게는 발전기 및 전기 구동 트레인의 전력 변환기를 비활성화하는 것을 지칭할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 정지 모드에서의 작동에 대응할 수 있는 제2 안전 기능의 개시는, 풍력 터빈의 제어된 중지가 수행되었음을 확인하거나 풍력 터빈의 제어된 중지를 수행하는 단계; 수소 생산 시스템의 적어도 일부가 정지되었음을 확인하거나 수소 생산 시스템의 적어도 일부의 정지를 수행하는 단계; 풍력 터빈의 완전 전력 정지를 수행하는 단계; 및 풍력 터빈을 전력망 또는 컬렉터 시스템(예를 들어, 컬렉터 그리드)에 전기적으로 연결하는 풍력 터빈의 주 회로 차단기를 (자동) 개방하는 단계 중 하나 또는 조합을 포함할 수 있다. 이러한 제2 안전 기능이 개시되면 풍력 터빈이 거의 완전히 또는 완전히 정지될 수 있다. 따라서, 풍력 터빈 또는 수소 생산 시스템 내의 내부 대기에서 폭발 하한을 초과할 수 있는 국부적인 수소 농도들의 발화 위험이 크게 감소할 수 있다. 특히, 제2 안전 기능의 개시는 안전 작동 모드 동안, 즉 제1 안전 기능의 개시 시 전원이 공급된 상태를 유지했던 시스템들을 포함하여 풍력 터빈 시스템 내의 모든 또는 거의 모든 내부 시스템들에 대한 전원 공급을 비활성화하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 안전 기능의 개시에는 SCADA 통신 장비의 정지 및/또는 풍력 터빈 제어기의 정지가 포함될 수 있다. 개개의 차단기들은 개개의 풍력 터빈 시스템들, 특히 고농도들의 기체 수소에 노출된 풍력 터빈 시스템들을 차단하는 데 사용될 수 있다. SCADA 장비와 풍력 터빈 제어기가 정지 모드에 포함된 경우, 정지가 발생한 후에는 더 이상 원격 통신이나 제어가 불가능할 수 있다. 이 경우 풍력 터빈의 재가동은 안전한 수소 농도 수준들에 도달한 후 로컬에서만 가능할 수 있다.
또한, 풍력 터빈 시스템의 구성요소들은 고농도들의 수소에 노출될 위험이 있는 시스템 영역들에서만 비활성화되는 것도 생각할 수 있다. 예를 들어, 모니터링 시스템은 오작동을 검출하기 위해 풍력 터빈 시스템의 서로 다른 위치들에서 수소 농도를 모니터링하도록 구성될 수 있고, 제어 시스템은 증가된 수소 농도가 검출된 풍력 터빈 시스템의 위치에서 전기 구성요소에 대한 오작동을 검출하면 안전 기능을 개시하도록 구성될 수 있다. 일 예로서, 개개의 위치에서의 풍력 터빈의 동력 시스템, 모터, 펌프 등 또는 수소 생산 시스템의 전해조가 정지될 수 있다.
안전 기능을 개시할 때, 특히 안전 모드에서 작동할 때, 제어기는 미리결정된 포지션들, 특히 수소 생산 시스템 아래의 포지션들, 풍력 터빈 외부, 수소 생산 시스템 외부, 수소 생산 시스템이 배열된 부분과 분리된 풍력 터빈의 일부 및/또는 환기가 (잘) 되는 풍력 터빈의 일부, 특히 공기 교환을 제공하는 환기 시스템을 포함하는 일부에서 시스템들을 계속 작동할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 일부 영역들에서 높은 수소 농도들이 측정되더라도, 그러한 농도들에 노출될 가능성이 낮은 영역들에서의 장비는 계속 작동할 수 있다.
일 실시예에서, 제어 시스템은 수소 생산 시스템의 오작동이 제거되면, 특히 수소 농도가 임계값 미만으로 떨어진 것이 모니터링 시스템에 의해 검출되면 개시된 안전 기능을 비활성화하도록 구성된다. 따라서, 오작동이 해결된 후에도 풍력 터빈의 작동을 계속할 수 있다. 예를 들어, 안전 모드에서 작동하는 경우, 수소 농도가 충분히 낮아진 후 안전 모드를 다시 떠날 수 있다.
특정 구현예에서, 제어 시스템은 수소 농도가 제3 임계값 미만으로 떨어지지만 제4 임계값을 초과하는 경우, 제2 안전 기능을 비활성화(특히, 제1 안전 기능의 실행 중인 풍력 터빈 시스템의 작동을 재개)하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어 시스템은 수소 농도가 제4 임계값 미만으로 떨어지면, 제1 안전 기능을 비활성화(특히, 풍력 터빈 시스템의 정상 작동을 재개)하도록 구성될 수 있다. 또한, 이러한 두 개 이상의 레벨 시스템에서 풍력 터빈 시스템은 정상 작동을 재개할 수 있다. 이는 특히 상위 레벨 안전 기능들에서 제어기 작동이 여전히 유지되는 경우 가능한다.
제3 및/또는 제4 임계값은 예를 들어, 각각 제2/제1 임계값의 30 ％ 내지 100 ％의 범위 내에, 예를 들어 제2/제1 임계값의 약 40 ％ 내지 60 ％의 범위 내에, 예를 들어 50 ％에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제3 임계값은 공기 중 수소 농도 약 1 vol％, 예를 들어, 10,000 ppm에 있고, 제4 임계값은 공기 중 수소 농도 약 0.2 vol％, 예를 들어, 약 2,000 ppm에 있을 수 있다. 따라서, 개개의 안전 기능 수준에서 이전에 비활성화되었던 시스템들에 전원이 자동으로 복원될 수 있다. 여기에는 예를 들어 개개의 경보가 중단되고 풍력 터빈이 자동으로 작동 상태로 돌아가는 것이 포함될 수 있다.
상기 예시적인 구현예들은 제1 및 제2 안전 기능을 포함하는 2-레벨 보호 시스템과 관련되지만, 다른 실시예들은 더 많은 레벨들, 예를 들어 제3, 제4, ... 안전 기능을 구현할 수 있으며, 각각의 레벨은 특히, 시스템들로부터 전원을 제거하거나, 그리고/또는 추가적인 환기를 제공함으로써 수소 농도 점화 위험을 더욱 감소시킨다는 점을 분명히 해야 한다. 따라서, 수소 농도의 수준들이 높을수록 더욱 적극적인 완화 조치들을 취할 수 있다.
수소 생산 시스템의 오작동에는 특히, 수소 생산 시스템 또는 이에 연결된 임의의 수소 라인의 누출이 포함될 수 있다. 수소 생산 시스템의 오작동의 검출은 특히, 풍력 터빈 또는 수소 생산 시스템에서 수소 농도의 증가를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 적어도 하나의 풍력 터빈과 풍력 터빈에 의해 생성된 전력을 사용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템을 포함하는 풍력 터빈 시스템이 제공된다. 풍력 터빈 시스템은 본 명세서에 설명된 구성들 중 임의의 구성을 갖는 안전 시스템을 더 포함한다. 수소 생산 시스템은 바람직하게는 풍력 터빈 내에, 특히 풍력 터빈의 타워 또는 지지 구조물 내에 배열된다. 따라서, 수소 생산 시스템이 환경으로부터 효율적으로 보호되고, 전력을 단거리들로만 운송할 필요가 있는 컴팩트한 구성을 달성할 수 있다. 풍력 터빈은 해상 풍력 터빈일 수 있으며, 수소 생산 시스템은 해상에 배열되어 풍력 터빈과 함께 배열될 수 있다. 예를 들어, 수소 생산 시스템은 풍력 터빈의 해상 플랫폼 상에 배열되거나 풍력 터빈에 인접한 해상 플랫폼에 배열될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예에 따르면, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 작동하는 방법이 제공된다. 풍력 터빈 시스템은 적어도 하나의 풍력 터빈과 풍력 터빈에 의해 생성된 전력을 사용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템을 포함한다. 이 방법은 수소 생산 시스템의 오작동을 검출하기 위해 풍력 터빈 시스템을 모니터링하는 단계; 및 모니터링 시스템에 의해 수소 생산 시스템의 오작동이 검출되면 풍력 터빈 시스템의 안전 기능을 개시하는 단계를 포함한다. 이러한 방법에 의해, 위에서 추가로 언급된 것들과 유사한 이점들이 달성될 수 있다.
이 방법은 안전 시스템과 관련하여 본 명세서에 설명된 방법 단계들 중 임의의 단계를 포함할 수 있다. 이 방법은 본 명세서에 설명된 구성들 중 임의의 구성을 갖는 안전 시스템에 의해 수행될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시예는 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 작동하기 위한 컴퓨터 프로그램을 제공하며, 여기서 컴퓨터 프로그램은 풍력 터빈 시스템의 제어 시스템의 처리 유닛에 의해 실행될 때, 처리 유닛이 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법을 수행하도록 하는 제어 명령들을 포함한다. 컴퓨터 프로그램은 휘발성 또는 비휘발성 데이터 캐리어 또는 저장 매체에 제공되거나, 컴퓨터 프로그램 제품으로서 제공될 수 있다.
전술한 특징들과 이하에서 설명하지 않은 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 개시된 개개의 조합들뿐만 아니라 다른 조합들로 또는 단독으로 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 특히, 본 발명의 서로 다른 양태들 및 실시예들의 특징들은 상반되는 언급이 없는 한 서로 결합될 수 있다.
본 발명의 전술한 그리고 다른 특징들 및 장점들은 첨부된 도면들과 함께 읽은 이하의 상세한 설명으로부터 추가로 명백해질 것이다. 도면들에서, 동일한 참조 부호들은 동일한 요소들을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법을 예시하는 흐름도이며, 흐름도는 도 3a에 도시된 제1 부분과 도 3b에 도시된 제2 부분을 포함한다.
도 3a는 도 3의 흐름도의 제1 부분이다.
도 3b는 도 3의 흐름도의 제2 부분이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예들에 대한 다음의 설명은 예시의 목적으로만 제공되며, 제한적인 의미로 받아들여져서는 안 된다는 것을 이해해야 한다. 도면들은 개략적인 표현들에 불과한 것으로 간주되어야 하며, 도면들 내의 요소들은 반드시 서로 실척대로 그려지는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 오히려, 다양한 요소들의 표현은 당업자에게 그 기능 및 일반적인 목적이 명백해지도록 선택된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은 문맥에서 달리 명시되지 않는 한 복수 형태들도 포함하는 것으로 의도된다. "포함하는", "갖는" 및 "수용하는"이라는 용어들은 달리 명시되지 않는 한 개방형 용어들(즉, "포함하는(그러나, 이에 제한되지 않음)"의 의미)로 해석되어야 한다.
다음에서는 풍력 터빈 시스템에서 수소 생산 시스템의 작동과 연관된 위험을 완화하기 위한 안전 시스템의 실시예들을 설명한다. 기체 수소는 가연성 연료이며 수소의 생산, 운송 및 저장과 연관된 안전 위험들이 있다. 수소는 일반 공기와 혼합하면 인화성이 매우 높다. 수소는 공기 중에 쉽게 분산되며 1 atm(101 kPa)의 압력에서 일정 부피 내에서 공기의 4.1 ％ 내지 74 ％를 차지할 경우 가연성이 있다. 이러한 이유들로 수소는 종종 위험 물질로 분류된다(예를 들어, NFPA 704 표준에서 수소는 가연성 점수가 4로 가장 높다). 기체 수소는 질식성 가스이기도 하며 산소를 대체하여 저산소증을 유발할 수 있다. 저산소증을 유발할 수 있는 농도들은 부피 기준으로 약 15 ％에서 30 ％이다. 이는 수소 농도들이 폭발성 대기를 형성하는 농도 제한치인 4 ％보다 상당히 높은 수치이다. 따라서, 건강 및 안전 위험들은 일반적으로 수소가 질식성 가스로서 작용할 가능성보다는 폭발성 대기 위험에 의해 결정된다.
따라서, 풍력 터빈 위치에서 수소를 생산하면 기체 수소와 연관된 특정 위험들에 노출될 수 있다. 기체 수소의 일부 특성들은 화재나 폭발의 위험을 피하는 데 도움이 된다. 수소는 공기보다 훨씬 가볍기 때문에 빠르게 상승하고 분산된다. 따라서, 실시예들에서 구현될 수 있는 수소의 위험들을 완화하기 위한 안전 조치들에는 배출된 수소가 위로 방출될 수 있도록 하는 환기 디바이스들이 포함될 수 있다.
특히, 해양 환경에서 풍력 터빈들은 종종 외부 공기로부터 밀폐되어 있다. 기체 수소의 가연성과 누출된 수소가 풍력 터빈 내부에 갇힐 수 있는 가능성이 결합되어 풍력 터빈을 수소 생산에 사용할 경우 수소 관련 화재 또는 폭발의 위험이 있다. 수소는 풍력 터빈 자체를 손상시킬 수 있을 뿐만 아니라 무취이며 일반적으로 폭발성 환경에서 무의식적으로 작업할 수 있는 인력이 검출할 수 없기 때문에 이는 상업적 및 안전상의 위험이 될 수 있다. 따라서, 연관된 위험들을 완화하는 안전 시스템의 실시예들이 후술된다.
도 1은 일 실시예에 따른 안전 시스템(10) 및 풍력 터빈 시스템(100)을 나타내는 개략도이다. 풍력 터빈 시스템(100)은 풍력 터빈(110)을 포함하며, 본 예에서는 해상 풍력 터빈이지만, 육상 풍력 터빈일 수도 있다. 풍력 터빈(110)은 나셀(112)이 장착되는 타워(111)를 포함한다. 풍력 터빈 로터(113)는 나셀(112)에 의해 지지되며, 풍력 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하고, 이는 나셀(112)에 배열된 발전기에 의해 전력으로 변환된다. 풍력 터빈 시스템(100)은 풍력 터빈(110)과 함께 배치된 수소 생산 시스템(120)을 더 포함한다. 본 예에서, 수소 생산 시스템(120)은 풍력 터빈(110) 내에, 특히 타워(111) 내에, 또는 풍력 터빈(110)의 지지 구조물(116) 내에 배열된다. 따라서, 수소 생산 시스템(120)이 환경으로부터 효율적으로 보호되는 비용 효율적인 해결책이 달성될 수 있다. 예를 들어, 타워(111)는 관형 강철 및/또는 콘크리트 구조물일 수 있으며, 사다리 시스템들, 서비스 리프트들, 플랫폼들을 지지하고 기능적인 풍력 터빈 구성요소들을 인양하기 위한 내부 보조 구조물들을 가질 수 있다.
수소 생산 시스템은 전해조(121)에 담수화된 해수를 제공하는 담수화 유닛(122)을 포함한다. 전해조는 풍력 터빈(110)으로부터 전원 연결부(115)를 통해 공급되는 전력을 사용하여 전기 분해를 통해 물에서 수소를 생산한다. 생산된 수소(H2) 가스는 반출 파이프(124)를 통해 육상 사이트 또는 수집 선박으로 이송된다. 해수는 해수 흡입구(123)를 사용하여 주변 해수로부터 직접 유닛(122)에 의해 흡수될 수 있다. 수소 생산 시스템은 공지된 구성들 중 임의의 구성을 가질 수 있으며, 따라서 본 명세서에서는 더 자세히 설명하지 않는다.
수소 생산 시스템(120)은 예를 들어, 타워(111)의 내부 플랫폼(117) 상에 배열될 수 있다. 기초부(116)는 해저에 고정될 수 있으며; 예를 들어 재킷 구조물 등을 포함할 수 있다. 타워(111)의 내부는 일반적으로 외부 해양 환경으로부터 밀폐된다. 다른 구현예들에서, 풍력 터빈(110)은 부유식 풍력 터빈일 수 있으며, 여기서 지지 구조물(116)은 개개의 부력 요소들을 포함할 수 있다.
전기 연결부(115)는 수소 생산 시스템을 작동시키기 위해, 즉 전기 분해에 의한 수소 생산에 사용되도록 풍력 터빈에 의해 생성된 전력을 수소 생산 시스템에 제공할 수 있다. 전원 연결부(115)는 통신/제어 연결을 포함할 수 있다. 풍력 터빈(110)의 풍력 터빈 제어기는 예를 들어, 조정 목적들 및 수소 생산 시스템의 상태 획득을 위해, 수소 생산 시스템(120)을 제어하거나 적어도 수소 생산 시스템(120)과 통신할 수 있다.
안전 시스템(10)은 수소 생산 시스템(120)의 오작동을 검출하기 위해 풍력 터빈 시스템(100)을 모니터링하도록 구성되는 모니터링 시스템(12)을 포함한다. 모니터링 시스템(12)은 수소 생산 시스템(120)으로부터 수소의 누출을 검출하기 위한 누출 검출기에 연결되거나 누출 검출기를 포함할 수 있다. 특히, 수소 가스 센서들(31 및 32)을 포함할 수 있다. 도 1의 예에서, 타워(111) 내의 공간은 밀폐될 수 있고, 수소 센서(31)는 타워 내의 상승하는 임의의 수소를 검출하기 위해 타워(111)의 상부에 배치될 수 있다. 추가의 수소 센서(32)는 전해조(121)에 인접하여 배치되어 전해조로부터 빠져나가는 수소를 검출할 수 있다. 예를 들어, 타워(111)와 나셀(112) 사이에서 공기가 교환되는 경우, 나셀(112) 내에 추가 수소 센서가 배치될 수 있다. 이들은 수소 센서들의 예시적인 배치들일 뿐이며, 추가적인 수소 센서들이 제공되거나 수소 센서들이 다른 적절한 위치들에 제공될 수 있다는 점을 분명히 해야 한다. 따라서, 모니터링 시스템(12)은 수소 농도의 증가 및 이에 따른 수소 생산 시스템(120)의 오작동, 특히 수소 누출을 검출할 수 있다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 개개의 임계값들이 검출에 사용될 수 있다.
이러한 상승된 수소 농도들을 검출할 때, 모니터링 시스템(12)은 제어 시스템(11)에 개개의 신호를 제공할 수 있다. 이러한 신호를 수신하면, 제어 시스템(11)은 완화 조치들을 취하고, 특히 풍력 터빈 시스템(100)의 안전 기능을 개시한다. 이러한 안전 기능의 개시는 수소 농도가 제1 임계값에 도달하거나 이를 초과할 때 풍력 터빈 시스템(100)을 안전 모드에서 작동시키고, 수소 농도가 제2 임계값에 도달하거나 이를 초과할 때 풍력 터빈 시스템(100)을 정지 모드에서 작동시킴으로써 수행될 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 안전 기능들의 추가 임계값들 및 더 세분화된 안전 기능들이 사용될 수 있다.
도 3은 수소 농도에 대한 두 개의 임계값들을 사용할 때 안전 시스템(10)에 의해 수행될 수 있는 개개의 방법을 예시하는 흐름도이다. 도 3의 흐름도는 도 3a 및 도 3b에 도시된 두 부분들을 포함하며, 흐름도의 두 부분들은 점선을 따라 연결되어야 한다. 단계(S1)에서, 수소의 농도는 모니터링 시스템(12)을 사용하여 모니터링된다. 결정 단계(S2)에서는, 수소 센서들(31, 32) 중 하나에 의해 검출된 농도가 제1 임계값을 초과하는지를 확인한다. 제1 임계값은 예를 들어 폭발 환경을 형성하는 기체 수소의 하한의 약 10 ％, 예를 들어, 약 0.4 vol％일 수 있다. 그렇지 않은 경우, 모니터링은 단계(S1)에서 계속된다. 농도가 제1 임계값을 초과하는 경우, 측정된 수소 농도가 제2 임계값을 초과하는 경우 추가 결정 단계(S3)에서 확인한다. 그렇지 않은 경우 단계(S4)에서 제1 안전 기능이 개시된다. 제1 안전 기능의 개시는 특히, 풍력 터빈 시스템(100)을 안전 모드에서 작동시킴으로써 수행된다. 이러한 안전 모드는 단계(S5)에서 풍력 터빈 및 수소 생산 시스템(120)의 제어된 중지를 수행하는 것을 포함한다. 풍력 터빈(110)의 제어된 중지는 모든 시스템들이 정지되는 것을 의미하는 것이 아니라, 생성된 전력의 주 전력 흐름을 제공하는 전기 구동 트레인이 정지되고 풍력 터빈 로터의 회전이 중지되는 것만을 의미한다.
안전 모드에서 풍력 터빈을 작동시키는 것은, 예를 들어, 전기 구동 접촉기들, 펌프들, 팬들 등과 같은 모터들 및 공기 압축 장비의 비활성화와, 예를 들어 타워(111)의 상부 섹션 또는 나셀(112)의 상부 섹션에 제공될 수 있는 개개의 환기 포트들을 개방하여 환기를 제공하는 것을 단계(S6)에 포함할 수 있다. 따라서, 점화원들이 비활성화되고, 환기를 제공함으로써 수소 농도가 감소된다. 단계(S7)에서, 풍력 터빈 제어기 및 안전 시스템(10)과 같은 제어 및 모니터링 시스템들을 향한 전력이 유지된다. 또한, 배출된 수소로 인한 폭발성 대기 위험을 운영자 또는 서비스 인력에게 알리기 위해 하나 이상의 경보들이 설정된다. 이러한 경보는 개개의 광 신호들, 청각 신호들을 포함할 수 있으며, 통신 링크를 통해 개개의 제어 센터로 전송되는 통신 신호를 포함할 수 있다. 단계(S7)에서 몇몇 시스템들을 비활성화하지 않으면, 풍력 터빈(110)이 풍력 터빈의 (원격) 제어 및 작동 재개를 허용하는 상태로 유지된다는 이점이 있다. 추가 센서들 및 모니터링 시스템들, 항공 및/또는 장애물 조명 및/또는 기타 항공기 및/또는 선박 항법 보조 장치들, 터치 패널들 및/또는 키패드들과 같은 로컬 제어 인터페이스들 및 SCADA 통신 장비는 계속 전원이 공급될 수 있다. 그런 다음 단계(S1)에서 모니터링을 계속한다.
단계(S3)에서 수소 농도가 제2 임계값을 초과하는 것으로 측정되면, 제2 안전 기능이 단계(S8)에서 개시된다. 풍력 터빈 시스템(10)은 특히 정지 모드에서 작동될 수 있다. 단계(S9)에서, 풍력 터빈 및 수소 생산 시스템이 (특히 제2 임계값에 도달하기 전에) 중지된 것이 확인된다. 그렇지 않은 경우, 예를 들어 제2 임계값에 매우 빠르게 도달했기 때문에, 풍력 터빈 및 수소 생산 시스템은 단계(S9)에서 전원을 차단할 수 있다. 단계(S10)에서는 하나 이상의 경보들이 설정되어 운영자 또는 서비스 인력에게 폭발성 대기 위험을 알린다. 단계(S10)에서 설정된 경보는 더 위험하고 서로 다른 수소 농도를 나타내기 위해 단계(S7)에서 설정된 경보와 서로 다를 수 있다. 다시 말하지만, 개개의 경보는 가시 및 청각 신호들과 개개의 통신 신호를 통한 원격 운영자의 알림을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 및/또는 청각 신호들은 더 높은 수소 농도를 나타내기 위해 서로 다를 수 있다.
단계(S11)에서, 풍력 터빈(110)은 완전 전력 정지 상태에 놓인다. 여기에는 예를 들어, 수소 가스에 노출될 수 있는 실질적으로 모든 내부 시스템들의 정지가 포함될 수 있다. 예를 들어, 타워(111) 내의 모든 전기 시스템이 포함될 수 있다. 수소 가스가 나셀(112)로 유입될 수 있는 경우, 나셀(112) 내의 모든 전기 시스템들이 포함될 수 있다. 이는 풍력 터빈(110)의 풍력 터빈 제어기에도 영향을 미칠 수 있다. 단계(S11)에서의 정지는 단계(S10)에서 경보를 설정한 후에 발생하므로, 단계(S11)에서 풍력 터빈의 제어기가 정지되더라도 경보가 설정된다. 풍력 터빈 제어기가 단계(S10)에서 계속 작동하는 경우, 단계(S11)도 단계(S10) 이전에 발생할 수 있다. 그런 다음 이 방법은 단계(S1)에서 수소 농도 모니터링을 계속할 수 있다. 모니터링 시스템이 마찬가지로 단계(S11)에서 정지되는 경우, 특히 모든 전기 시스템들이 단계(S11)에서 정지되는 경우, 방법은 단계(S11) 이후에 종료될 수 있다. 풍력 터빈 시스템(100)의 시동은 개개의 오작동이 제거된 후에 서비스 인력에 의해서만 가능할 수 있다.
단계(S1)에서 모니터링을 계속할 때, 수소 농도가 먼저 제1 임계값을 초과하여 상승하고 이어서 제2 임계값을 초과하여 상승하면, 제1 안전 기능이 먼저 개시되고, 이어서 제2 안전 기능이 개시될 것이다. 안전 기능이 개시된 경우 수소 농도가 동일한 범위 내에 유지되면 다시 개시되지 않음을 분명히 해야 한다. 즉, 개개의 안전 기능이 이미 개시된 경우(도 3에는 도시되지 않음) 단계들(S4 및 S8) 이전에 추가 점검이 있을 수 있으며, 이 경우 개개의 안전 기능이 활성 상태에 있는 상태에서 모니터링이 계속된다.
제어 시스템은 안전 기능들이 개시된 후 해제할 수도 있다. 제2 안전 기능이 활성화되어 있는지, 즉 개시되었는지 여부는 단계(S12)에서 확인할 수 있다. 그렇지 않은 경우, 제1 안전 기능이 활성화되어 있는지, 즉 개시되었는지 단계(S13)에서 확인할 수 있다. 그렇지 않은 경우 단계(S1)에서 모니터링을 계속한다.
단계(S12)에서 제2 안전 기능이 개시되었다고 판단되면, 단계(S14)에서 수소 농도가 제3 임계값 미만으로 떨어졌는지 확인한다. 이 경우, 제2 안전 기능은 단계(S15)에서 해제될 수 있다. 제3 임계값은 예를 들어 제2 임계값보다 낮을 수 있으며, 예를 들어 제2 임계값의 30 ％ 내지 100 ％ 이내일 수 있다. 바람직하게는, 예를 들어 약 1 vol％ 수소 농도에서 제2 임계값의 약 50 ％이다. 이러한 '히스테리시스'를 사용함으로써, 수소 농도가 제2 임계값에 근접할 때 제2 안전 기능의 반복적인 활성화/비활성화가 발생하지 않는다. 단계(S16)에서는 모니터링, 제어 및 통신 시스템들에 가능한 한 전원이 복구된다(위에서 설명한 대로 현장 서비스 인력의 수동 재시작만 가능하도록 정지될 수도 있다). 수소 농도를 모니터링하면서 단계(S1)에서 작동을 계속할 수 있다. 제3 임계값 미만으로 떨어진 후에도 수소 농도가 여전히 제1 임계값을 초과할 수 있으므로, 제1 안전 기능이 개시된 상태에서 작동을 계속하거나(단계(S4)), 단계(S15)에서 제2 안전 기능이 해제된 후 제1 안전 기능이 자동으로 활성화될 수 있음이 명확할 것이다.
단계(S13)에서 제1 안전 기능이 활성화된 것으로 판단되면, 단계(S17)에서 수소 농도가 제4 임계값 미만으로 떨어졌는지 확인한다. 단계(S17)에서 수소 농도가 제4 임계값 미만으로 떨어지지 않은 경우, 단계(S1)에서 모니터링을 계속한다. 단계(S17)에서 농도가 제4 임계값 미만으로 떨어졌다면, 단계(S18)에서 제1 안전 기능이 해제된다. 제4 임계값은 예를 들어 제1 임계값 미만일 수 있으며, 예를 들어 제1 임계값의 30 ％ 내지 100 ％ 이내일 수 있다. 바람직하게는, 예를 들어, 약 0.1 vol％ 수소 농도에서, 제1 임계값의 약 50 ％이다. 단계(S19)에서, 모터들 및 공기 압축이 재시작된다. 선택적으로, 환기가 중단될 수 있다(예를 들어, 염분이 함유된 공기가 타워 또는 나셀로 유입되는 것을 방지하기 위해). 단계(S19)에서는 특히, 풍력 터빈 시스템의 정상 작동이 재개될 수 있다. 그런 다음 단계(S1)로 돌아가 모니터링이 계속된다.
단계들(S14 또는 S17)에서 결정된 바와 같이 수소 농도의 강하는 예를 들어, 일부 또는 전체 수소 생산 시스템의 정지에 의해 야기될 수 있다. 예를 들어, 수소가 누출되는 전해조가 정지될 수 있다. 이러한 전해조는 정상 작동 모드에서 작동을 재개할 때 또는 정지 모드로부터 안전 모드로 변경할 때, 계속 정지된 상태로 유지될 수 있다. 또한, 수소가 충분히 희석된 환경으로 수소를 환기시키는 환기 시스템의 활성화로 인해 수소 농도가 떨어질 수 있다. 또한, 수소 생산 시스템이 완전히 정지되고 수소 레벨들이 충분히 낮아진 경우에도, 풍력 터빈(110)은 계속 작동할 수 있고, 예를 들어 수소 생산 시스템 대신 전력망에 전력을 제공할 수 있다는 점을 더욱 명확히 해야 한다.
도 3은 단지 예시의 목적으로만 제공되며, 예시적인 구현예에서는 4 개의 임계값들이 병렬로 모니터링될 수 있다는 점을 분명히 해야 한다. 더 많거나 더 적은 임계값들과 개개의 안전 기능들이 제공될 수 있다. 또한, 단계(S1)는 반드시 수소 농도를 모니터링할 필요는 없지만, 수소 생산 시스템의 임의의 종류의 오작동을 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 누출은 예를 들어, 초음파 센서와 같은 누출 센서를 사용하여 모니터링될 수 있다. 개개의 임계값들은 예를 들어, 누출량에 따라 정의될 수 있다.
도 1로 돌아가서, 개개의 제어 기능들은 제어 시스템(11)에 의해 수행될 수 있다. 제어 시스템(11)은 이러한 목적을 위해 예를 들어, 풍력 터빈(110)의 풍력 터빈 제어기 및/또는 수소 생산 시스템(120)의 제어기와 통신할 수 있다. 풍력 터빈 제어기는 또한 수소 생산 시스템(120)을 제어할 수 있으므로, 그러한 풍력 터빈 제어기와의 통신으로 충분할 수 있다.
제어 시스템(11)은 또한 풍력 터빈 제어기 내에 구현될 수도 있다. 이러한 경우, 제어기(20)는 풍력 터빈 제어기일 수 있다. 제어 시스템(11)은 예를 들어, 풍력 터빈 제어기의 제어 기능일 수 있다. 마찬가지로, 모니터링 시스템(12)은 풍력 터빈 제어기 내에 구현될 수 있으며, 이에 따라 수소 센서들(31, 32)을 향한 개개의 통신 연결들이 제공될 수 있다. 다른 구현예들에서, 제어 시스템(11) 및/또는 모니터링 시스템(12)은 전용 제어기(20)에 구현될 수 있다. 이러한 제어기는 예를 들어 풍력 터빈(110), 예를 들어 나셀(112) 또는 타워(111)에 배열될 수 있고; 대안적으로 수소 생산 시스템(120)에 배열될 수도 있다.
제어기(20)는 처리 유닛(21) 및 메모리(22)를 포함할 수 있다. 제어 시스템(11) 및 모니터링 시스템(12)은 처리 유닛(21)에서 실행되는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 메모리(22)는 처리 유닛(21)에서 실행될 경우, 본 명세서에 설명된 방법들 중 임의의 방법이 수행될 수 있도록 구성된 개개의 제어 명령들을 저장할 수 있다. 처리 유닛(21)은 마이크로프로세서, 주문형 집적 회로, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 임의의 유형의 프로세서를 포함할 수 있다. 메모리(22)는 휘발성 및 비휘발성 메모리, 특히 RAM, ROM, 플래시 메모리, 하드 디스크 드라이브 등을 포함할 수 있다. 제어기(20)는 예를 들어, 센서들(31, 32)로부터 데이터를 수신하고, 예를 들어 풍력 터빈 제어기 또는 수소 생산 시스템(120)의 제어기로 제어 명령들을 전송하기 위한 입력 및 출력 인터페이스들을 더 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 시스템을 변형한 것으로서, 위의 설명들은 동일하게 적용 가능하며 차이점들에 대해서만 설명한다. 도 2의 실시예에서, 수소 생산 시스템(120)은 풍력 터빈(110)의 외부에서 및 이에 인접하여 배치된다. 예를 들어, 해상 플랫폼(130)은 예를 들어 지지 구조물(116)을 통해 해저면에 지지되고, 풍력 터빈(110) 및 수소 생산 시스템(120)은 해상 플랫폼(130) 상에 배치된다. 지지 구조물(116)은 본질적으로 풍력 터빈 타워(111)의 연장일 수 있으며, 플랫폼(130)은 그러한 지지 구조물에 장착된다는 점을 명확히 해야 한다. 유사한 방식으로, 수소 생산 시스템(120)은 육상 풍력 터빈에 인접하여 배치될 수 있다. 수소 생산 시스템(120)의 구성요소들은 환경, 특히 (염분이 함유된) 공기 및 해수로부터 구성요소들을 보호하도록 구성된 용기들 내부에 배열된다. 수소 센서(32)는 전해조(121)의 용기 내부에 포지셔닝되는 구성이며; 추가적인 수소 센서들은 필요하지 않을 수 있다. 그러나, 담수화 유닛(22) 및/또는 풍력 터빈(110)에 추가 센서들이 제공될 수 있다는 점을 분명히 해야 한다. 안전 기능을 개시하는 것은 예를 들어, 제어 시스템(11)이 수소 생산 시스템(120), 특히 전해조(121)의 용기의 환기 포트를 개방하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 다른 완화 조치들 중 임의의 조치, 특히 수소 생산 시스템(120)의 부분적 또는 전체적 정지를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 개개의 경보 시스템이 활성화될 수 있고, 풍력 터빈(110)은 전술한 바와 같이 그리고 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 선택적으로, 부분적으로 또는 전체적으로 정지될 수 있다. 제어기(20)는 개개의 환기 포트를 제어하고, 그리고/또는 시스템(120)의 일부 또는 전부를 정지시키기 위해 수소 생산 시스템(120)에 대한 통신 연결을 포함할 수 있다. 풍력 터빈 제어기로서 구현될 때, 그러한 통신 연결은 이미 존재하거나 전원 연결부(115)와 함께 제공될 수 있다.
전술한 실시예들에 따르면, 풍력 터빈 시스템(100)의 구성요소들 중 하나에서 폭발성 대기가 전개될 위험 및 화재 또는 폭발이 발생할 위험이 현저히 감소될 수 있다. 수소 가스, 특히 개개의 화재 및 폭발로 인한 인력의 건강 및 안전 위험들이 감소될 수 있으며, 풍력 터빈 시스템(100)에 대한 손상을 방지할 수 있다. 따라서, 안전 위험 및 상업적 위험이 감소될 수 있다.
본 명세서에는 구체적인 실시예들이 개시되어 있으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경들 및 수정들이 이루어질 수 있다. 본 실시예들은 모든 측면들에서 예시적이고 비제한적인 것으로 간주되어야 하며, 첨부된 청구항들의 의미 및 균등 범위 내에 있는 모든 변경 사항들은 그 안에 포함되도록 의도된다.

Claims (16)

  1. 풍력 터빈 시스템(100)의 안전 시스템으로서,
    상기 풍력 터빈 시스템(100)은 적어도 하나의 풍력 터빈(110) 및 상기 풍력 터빈(110)에 의해 생성된 전력을 이용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템(120)을 포함하며, 상기 안전 시스템은,
    - 상기 수소 생산 시스템(120)의 오작동을 검출하기 위해 상기 풍력 터빈 시스템(100)을 모니터링하도록 구성된 모니터링 시스템(12) ― 상기 모니터링 시스템(12)은 누출 검출기, 수소 가스 센서(31, 32) 또는 초음파 누출 검출기 중 적어도 하나를 포함함 ―; 및
    - 상기 모니터링 시스템(12)에 의해 상기 수소 생산 시스템(120)의 오작동이 검출되면, 상기 풍력 터빈 시스템(100)의 안전 기능을 개시하도록 구성된 제어 시스템(11) ― 상기 제어 시스템(11)에 의한 안전 기능의 개시는 적어도 상기 제어 시스템(11)이 상기 풍력 터빈(110)의 작동을 수정하는 것을 포함함 ―
    을 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 모니터링 시스템(12)은 상기 풍력 터빈 내에 배열된 적어도 하나의 수소 가스 센서(31) 및/또는 상기 수소 생산 시스템 내에 배열된 적어도 하나의 수소 가스 센서를 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 제어 시스템(11)에 의한 안전 기능의 개시는,
    - 상기 제어 시스템(11)이 상기 풍력 터빈(110)의 적어도 하나의 회전 전기 기계를 비활성화하는 것;
    - 상기 제어 시스템(11)이 상기 수소 생산 시스템(120)의 작동을 수정하는 것;
    - 상기 제어 시스템(11)이 상기 풍력 터빈(110) 및/또는 상기 수소 생산 시스템(120)의 환기 포트를 개방하는 것; 및
    - 상기 제어 시스템(11)이 경보 기능을 활성화하는 것
    중 적어도 하나를 더 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 수소 생산 시스템(120)의 작동을 수정하는 것은 상기 수소 생산 시스템의 적어도 하나의 전해조 유닛(121)을 정지시키거나 상기 수소 생산 시스템(120)을 정지시키는 것을 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈(110)의 작동을 수정하는 것은 상기 풍력 터빈(110)의 적어도 하나의 서브시스템의 작동을 정지시키거나 비활성화하는 것을 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템(11)은 상기 모니터링 시스템(12)에 의해 검출된 오작동과 연관된 위험 수준에 따라 복수의 이용 가능한 안전 기능들 중 적어도 하나를 개시하도록 구성되는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링 시스템(12)이 수소 가스 농도가 제1 임계값을 초과하는 것을 검출하여 오작동을 검출하는 경우, 상기 제어 시스템(11)은 상기 풍력 터빈 시스템의 제1 안전 기능을 개시하도록 구성되고, 상기 모니터링 시스템(12)이 수소 가스 농도가 제2 임계값을 초과하는 것을 검출하여 오작동을 검출하는 경우, 상기 제어 시스템(11)은 상기 풍력 터빈 시스템의 제2 안전 기능을 개시하도록 구성되며, 상기 제2 임계값은 상기 제1 임계값보다 높은, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 임계값은 공기 중 0.2 vol％ 내지 1 vol％의 범위로부터 선택된 수소 농도에 대응하고, 그리고/또는 상기 제2 임계값은 공기 중 1.0 vol％ 내지 10 vol％의 범위로부터 선택된 수소 농도에 대응하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  9. 제7 항 또는 제8 항에 있어서,
    상기 제1 안전 기능의 개시는,
    - 상기 풍력 터빈(110)의 전기 구동 트레인의 적어도 하나의 구성요소의 비활성화;
    - 상기 풍력 터빈(110)의 제어된 중지;
    - 상기 수소 생산 시스템(120)의 적어도 일부의 정지;
    - 하나 이상의 모터 접촉기들 및/또는 모터 차단기들의 작동 비활성화;
    - 상기 풍력 터빈(110)의 하나 이상의 펌프들, 특히 유압 유체 및/또는 기어 오일 펌프들의 작동 비활성화;
    - 하나 이상의 팬들, 특히 냉각 또는 환기 팬들의 작동 비활성화;
    - 호이스팅 모터의 비활성화;
    - 공기 압축 유닛, 특히 에어컨 시스템의 공기 압축 유닛의 비활성화;
    - 풍력 터빈 제어기의 계속 작동;
    - 풍력 터빈 주회로 차단기들의 폐쇄 포지션에의 유지; 및
    - 상기 풍력 터빈(110)의 감독 제어 및 데이터 수집, SCADA, 통신 장비의 작동 지속
    중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  10. 제7 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 안전 기능의 개시는,
    - 상기 풍력 터빈(110)의 제어된 중지가 수행되었음을 확인하거나 상기 풍력 터빈(110)의 제어된 중지를 수행하는 것;
    - 상기 수소 생산 시스템(120)의 적어도 일부가 정지되었음을 확인하거나 상기 수소 생산 시스템(120)의 적어도 일부의 정지를 수행하는 것;
    - 상기 풍력 터빈(110)의 전체 전력 정지를 수행하는 것; 및
    - 상기 풍력 터빈을 전력망 또는 컬렉터 시스템에 전기적으로 연결하는 풍력 터빈(110)의 주 회로 차단기를 개방하는 것
    중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모니터링 시스템(12)은 상기 풍력 터빈 시스템(100)의 서로 다른 위치들에서 수소 농도를 모니터링하여 오작동을 검출하도록 구성되고, 상기 제어 시스템(11)은 상기 모니터링 시스템(12)에 의해 수소 농도 증가가 검출된 풍력 터빈 시스템(100)의 위치에서 전기 구성요소를 비활성화함으로써 오작동 검출 시 상기 안전 기능을 개시하도록 구성되는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 시스템(11)은 상기 수소 생산 시스템(120)의 오작동이 제거될 때, 특히 수소 농도가 임계값 미만으로 떨어진 것이 상기 모니터링 시스템(12)에 의해 검출될 때, 개시된 안전 기능을 비활성화하도록 구성되는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템.
  13. 풍력 터빈 시스템으로서,
    - 적어도 하나의 풍력 터빈(110);
    - 상기 풍력 터빈(110)에 의해 생성된 전력을 사용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템(120); 및
    - 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 안전 시스템(10)
    을 포함하는, 풍력 터빈 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 수소 생산 시스템(120)은 상기 풍력 터빈(110) 내에, 특히 상기 풍력 터빈(110)의 타워(111) 또는 지지 구조물(116) 내에 배열되는, 풍력 터빈 시스템.
  15. 풍력 터빈 시스템(100)의 안전 시스템을 작동하는 방법으로서,
    상기 풍력 터빈 시스템(100)은 적어도 하나의 풍력 터빈(110) 및 상기 풍력 터빈(110)에 의해 발전된 전력을 이용하여 수소를 생산하도록 구성된 수소 생산 시스템(120)을 포함하고, 상기 방법은,
    - 상기 수소 생산 시스템(120)의 오작동을 검출하기 위해 모니터링 시스템(12)에 의해 상기 풍력 터빈 시스템(100)을 모니터링하는 단계 ― 상기 모니터링 시스템(12)은 누출 검출기, 수소 가스 센서(31, 32) 또는 초음파 누출 검출기 중 적어도 하나를 포함함 ―; 및
    - 상기 모니터링에 의해 상기 수소 생산 시스템(120)의 오작동이 검출되면 상기 풍력 터빈 시스템(100)의 안전 기능을 개시하는 단계 ― 상기 안전 기능의 개시는 적어도, 상기 풍력 터빈(110)의 작동을 수정하는 것을 포함함 ―
    를 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 작동하는 방법.
  16. 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 작동하기 위한 컴퓨터 프로그램으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은 상기 풍력 터빈 시스템의 제어기(20)의 처리 유닛(21)에 의해 실행될 때, 상기 처리 유닛(21)이 제15 항의 방법을 수행하도록 하는 제어 명령들을 포함하는, 풍력 터빈 시스템의 안전 시스템을 작동하기 위한 컴퓨터 프로그램.
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