WO2014104697A1 - 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기 - Google Patents

피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기 Download PDF

Info

Publication number
WO2014104697A1
WO2014104697A1 PCT/KR2013/012065 KR2013012065W WO2014104697A1 WO 2014104697 A1 WO2014104697 A1 WO 2014104697A1 KR 2013012065 W KR2013012065 W KR 2013012065W WO 2014104697 A1 WO2014104697 A1 WO 2014104697A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
blade
drive shaft
pitch
load
blades
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2013/012065
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
고석환
김석우
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Energy Research KIER
Original Assignee
Korea Institute of Energy Research KIER
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Energy Research KIER filed Critical Korea Institute of Energy Research KIER
Publication of WO2014104697A1 publication Critical patent/WO2014104697A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05B2270/331—Mechanical loads
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine for producing electricity by wind, and more particularly to a wind turbine having a variable pitch blade for controlling the pitch of the blade so that the load applied to each blade is directed to the drive shaft of the wind turbine. will be.
  • Wind power generators that produce electrical energy using the power of wind are being researched as an alternative energy source due to the depletion of natural resources such as oil, coal, and natural gas due to the development of industry and population growth.
  • Wind power generation is a technology that converts the kinetic energy of air flow into mechanical energy and then produces electrical energy again. It uses eco-friendly wind as an energy source, and it is eco-friendly without cost. Doing.
  • the structure of the wind power generator is, as shown in Figure 1, a high-rise tower (1) standing on the ground, and installed in the top of the tower (1), the nacelle (2) for supporting the rotation of the blade (3), (2) inside the drive shaft connected to the rotating shaft of the blade, the speed increaser connected to the drive shaft, the generator connected to the speed increaser to produce electricity and a control device (not shown) for controlling the rotational speed of the blade (3), the blade
  • the rotational force of (3) is configured to reach the generator via the drive shaft via the rotation shaft of the hub (4).
  • the wind turbine having the structure as described above increases the load of the wind turbine when it is rotated above the rated output in the high wind speed section, and when the output exceeds the rated capacity of the generator, a big problem occurs in the safety of the wind turbine due to the burnout of the generator. do.
  • a technique of controlling the rotation speed of the blade 3 in the high wind speed section has been known by varying the wind speed direction of the blade 3 and the inclination angle P (hereinafter, 'pitch') of the blade 3.
  • the conventional wind turbine having a variable pitch blade has the following additional problems.
  • the blade 3 is loaded by the wind speed during rotation.
  • the load of the blade (3) acts differently when rotating the section adjacent to the tower (1), and when rotating the section not adjacent to the tower (1), the tower (when rotating the section adjacent to the tower (1) Due to the shear load by 1), the load is relatively less than that of the section rotation not adjacent to the tower (1). Therefore, the drive shaft direction moment of the load on the blade 3 when the blade 3 rotates does not act the same on the drive shaft, that is, the drive shaft direction moments of the respective blades are different from each other, thereby causing vibration in the drive shaft.
  • the vibration of the drive shaft in the high wind speed exceeds the wind turbine design load, there is a problem that the output degradation, as well as the durability and damage to the parts related to the drive shaft of the wind turbine.
  • the present invention was derived to solve the above problems, an object of the present invention, while controlling the blade pitch of the plurality of wind turbines configured, the direction of the drive shaft direction acting on each blade according to the rotation position of each blade It is to provide a wind turbine having a variable pitch blade that will control each blade in real time so that the sum is orthogonal to the drive shaft of the wind turbine.
  • Wind turbine of the present invention a tower standing on the ground, and installed on the top of the tower, the drive shaft, the speed increaser, the natsel is installed in the generator, connected to the drive shaft, and rotates in the axial direction of the natsel
  • the wind turbine includes a hub installed upstream of the natsel and a plurality of blades disposed radially on the hub, wherein the wind turbine is characterized in that the blade and the pitch so that the pitch angle with respect to the wind speed direction of the blade is variable; A pitch variable stage connecting the hub; And a controller for controlling the pitch angle of the blade. Includes, wherein the control unit, independently controlling the pitch angle of each of the blades so that the load of each of the blades is applied in the direction of the drive shaft.
  • the wind power generator a load sensing unit provided in the root of each blade;
  • the control unit may receive the drive shaft direction moment of each of the blades from the load sensing unit and independently control the pitch of each blade so that the sum of the drive shaft direction moments is orthogonal to the drive shaft.
  • the load sensing unit may be a three-dimensional accelerometer sensor to measure the widthwise load, the longitudinal load, and the drive shaft direction moment of the blade.
  • control unit is characterized in that it operates in a high wind speed section above the rated output of the wind turbine.
  • the wind turbine having the variable pitch blade of the present invention according to the above configuration, regardless of the rotational position of the blade so that the direction of the drive shaft direction moment received by the blade is orthogonal to the drive shaft of the wind turbine high wind speed section or more of the wind turbine rated output In the stable and efficient operation of the wind turbine is effective. In particular, even in the mountainous terrain where high wind speed turbulence above the design load of wind power generators occurs, the durability of the wind power generator is ensured, thereby reducing the cost of maintenance.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conventional variable pitch wind turbine
  • FIG. 2 is a perspective view of the pitch variable wind power generator of the present invention
  • FIG. 3 is a load distribution diagram of the blade of the present invention
  • blade 31 first blade
  • load detection unit 51 first load detection unit
  • the present invention relates to a wind turbine comprising a tower, a nacelle, a blade, a means for varying the pitch of the blade, a load sensing unit and a control unit.
  • the present invention was invented to prevent the drive shaft and related components from being damaged by preventing the vibration of the drive shaft of the nacelle even when the wind speed is strongly generated above the rated output and the blade rotation speed exceeds the rated output rotation speed. Therefore, the wind turbine of the present invention maintains the maximum rotational speed of the blades close to the static output rotational speed even at high wind speed and instantaneous high wind speed turbulence, and prevents vibration of the driving shaft due to the imbalance of the driving shaft direction of each blade.
  • the present invention configures the load sensing unit by the number of blades, and controls the pitch of each blade by the control unit according to the load information of each load sensing unit.
  • the load is relatively less than the load at the spaced apart rotation in the tower to compensate for this to reduce the vibration of the drive shaft and further increase the durability of the wind turbine.
  • FIG. 2 is a perspective view of a wind turbine having a variable pitch blade according to an embodiment of the present invention. 2, the wind power generator according to an embodiment of the present invention, the tower 10, the nacelle 20, the blade 30, the hub 40, the load sensing unit 50, the pitch variable means (not shown) ) And a controller (not shown).
  • Tower 10 may be formed in the vertical direction.
  • the lower end of the tower 10 is fixed to the ground, the upper end may be formed with a coupling portion (not shown) for coupling the natsel 20.
  • the tower 10 and the natsel 20 may be coupled to each other so that the natsel 20 may be rotatable in a direction horizontal to the ground. This is to position the upstream end of the nacelle 20 in the wind speed direction.
  • Coupling portion can be applied to the conventional configuration for the coupling of the tower 10 and the nacelle 20 bar detailed description thereof will be omitted.
  • Natsel 20 is a core configuration of the wind turbine, is hinged through the coupling portion to the tower 10 to pitch movement to optimize the position of the blade 30 according to the wind speed direction.
  • the blade 30 Upstream of the natsel 20, the blade 30 may be coupled to be rotatable with the rotational axis as the wind speed direction.
  • the inside of the natsel 20 may be provided with a drive shaft connected to the rotating shaft of the blade 30, a speed increaser and a generator connected to the drive shaft. That is, the natsel 20 may be configured such that the rotational force of the rotor blades 30 reaches the generator through the drive shaft.
  • a plurality of blades 30 are radially connected around the hub 40 connected to the drive shaft of the natsel 20. Two or more blades 30 may be coupled to the hub 40. At this time, the blade 30 may be coupled to the hub 40 through a pitch variable means (not shown) so that the inclination angle and pitch of the blade and the blade are variable.
  • the pitch varying means couples the blade 30 to the hub 40 such that the pitch of the blade 30 is variable so that the pitch can be rotated (P).
  • the pitch variable means is a configuration for changing the pitch of the blade 30, for example, a conventional configuration for pitch rotation (P) of the blade 30 by a geared motor or hydraulic pressure can be applied bar detailed description.
  • the number of blades is not limited to three, and the number may vary depending on the capacity and use of the generator.
  • three blades 30 are applied, and for convenience, the upper blade 30 is defined as the first blade 31 and the second blade 32 along the clockwise direction with respect to the first blade 31. And a third blade 33 will be described.
  • the rotor blade 30 is a blade that is commonly used in wind power generators will be omitted a detailed configuration thereof.
  • the root part of the blade 30 is provided with a load sensing part 50.
  • the load sensing unit 50 may be installed on the wind incident surface of the blade 30.
  • the load sensing unit 50 is composed of an acceleration sensor for measuring the load applied to the blades 30, and a plurality of load sensors 50 may be configured to correspond to the respective blades 30. That is, the root of the first blade 31 is provided with a first load sensing unit 51, and the root of the second blade 32 is provided with a second load sensing unit 52, and The third load sensing unit 53 may be provided at the root.
  • the load sensing unit 50 is configured to detect the load of each blade (31, 32, 33) and transmit it to the control unit (not shown), the control unit according to the load signal of the load sensing unit 50 is the pitch variable means It drives to control the pitch rotation (P) of the blade (30).
  • the present invention is the first to third blade by using the load information of each of the first to third blades (31, 32, 33) received from each of the first to third load sensing unit (51, 52, 53) (31, 32, 33) It is comprised so that each pitch rotation can be controlled independently.
  • the controller (not shown) receives a load signal of each of the first to third load sensing units 51, 52, and 53, and the pitch motion of each of the first to third blades 31, 32, and 33 ( P) Drive the pitch variable means for control.
  • the blade 30 is pitch angle is controlled in real time according to the rotation position, the pitch angle may be controlled to receive more load of the wind speed than when rotating the separation section in the tower 10 when rotating the adjacent section to the tower (10). . This is because the blade 30 receives less wind load than when the blade 30 rotates at an interval in the tower 10 due to the shear load by the tower 10 when the blade 30 rotates adjacent to the tower 10.
  • the difference between the load of the blade 30 to rotate the portion of the tower 10 and the load of the blade 30 to rotate the upper portion of the wind turbine is generated rapidly, to compensate for this.
  • each blade 30 in real time at the same time to prevent the imbalance of the drive shaft direction moment of each blade 30, there is an advantage that can significantly reduce the vibration of the drive shaft.
  • the present invention classifies and detects the load received by the blade 30 into the widthwise load, the longitudinal load and the drive shaft direction load of the blade. Configured.
  • the load sensing unit 50 of the present invention applies a three-dimensional acceleration sensor.
  • the first load detection unit 51 mounted on the first blade 31 measures the load Bq1 acting in the width direction of the first blade 31, the load Bd1 acting in the longitudinal direction, and the drive shaft direction moment Bw1.
  • the second load sensing unit 52 mounted to the second blade 32 may include a load Bq2 acting in the width direction of the second blade 32, a load Bd2 acting in the longitudinal direction, and a driving shaft direction moment Bw2.
  • the third load sensing unit 53 which can be measured and mounted on the third blade 33 includes a load Bq3 acting in the width direction of the third blade 33, a load Bd3 acting in the longitudinal direction, and a drive shaft direction moment Bw3. Can be measured.
  • the controller controls the pitch of each of the first, second, and third blades 31, 32, and 33 so that the direction sum of the Bw1, Bw2, and Bw3 is orthogonal to the drive shaft direction DT. Therefore, even if the load applied to each blade is changed by the independent pitch control of each blade, the external force applied to the drive shaft except for the rotational force of the drive shaft can be removed to prevent the vibration of the drive shaft.
  • the control unit is configured to be driven only when wind speeds above the rated output occur. This is because it is possible to overcome the structural stiffness according to the design load even if the external force occurs in the drive shaft at the wind speed below the rated output, and to maximize the power generation efficiency by maximizing the wind speed below the rated output.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

본 발명은 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 블레이드의 하중이 풍력발전기의 구동축을 향하도록 블레이드의 피치각을 제어하는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.

Description

피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기
본 발명은 풍력에 의해 전기를 생산하는 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 블레이드에 가해지는 하중이 풍력발전기의 구동축을 향하도록 블레이드의 피치를 제어하는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기에 관한 것이다.
바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 생산하는 풍력발전기는 산업의 발달과 인구 증가에 의한 석유, 석탄, 천연가스 등의 천연자원의 고갈에 따라 대체 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다.
풍력발전이란 공기 유동이 갖는 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시킨 후 다시 전기에너지를 생산하는 기술로서, 자연에 존재하는 바람을 에너지원으로 이용하므로 비용이 들지 않으면서도 친환경적인 바, 점차 사용 범위가 증가하고 있다.
풍력발전기의 구조는 도 1에 도시한 바와 같이, 지면상에 세워지는 고층의 타워(1)와, 타워(1) 상단에 블레이드(3)의 회전을 지지하는 낫셀(2)을 설치하고, 낫셀(2) 내부에는 블레이드의 회전축에 연결되는 구동축, 구동축에 연결되는 증속기, 증속기에 연결되어 전기를 생산하는 발전기 및 블레이드(3)의 회전속도 제어를 위한 제어장치(미도시)를 두어, 블레이드(3)의 회전력이 허브(4)의 회전축을 거쳐 구동축을 통해 발전기에 이르도록 구성된다.
상기와 같은 구조의 풍력발전기는 고 풍속 구간에서 정격 출력 이상으로 회전할 경우 풍력발전기의 하중이 증가되고, 발전기의 정격용량 이상의 출력 발생 시 발전기의 소손 등으로 인해 풍력발전기의 안전에 큰 문제가 발생 된다. 이를 해결하기 위해 종래에는 블레이드(3)의 풍속 방향과 블레이드의 경사각(P, 이하 ‘피치’)을 가변시켜 고 풍속 구간에서 블레이드(3)의 회전수를 제어하는 기술이 공지된 바 있다. 이에 따라 풍력발전기의 정격 출력을 위한 풍속보다 높은 풍속의 고 풍속 구간에서도 블레이드(3)의 회전수를 풍력발전기의 정격 출력 이하로 제어하여 풍력발전기의 최대 효율을 유지할 수 있었다. 그러나 종래의 피치 가변형 블레이드를 갖는 풍력발전기는 다음과 같은 문제점이 추가적으로 발생한다.
블레이드(3)는 회전 시 풍속에 의해 하중을 받게 된다. 이때 블레이드(3)의 하중은 타워(1)에 인접한 구간을 회전 할 때와, 타워(1)에 인접하지 않은 구간을 회전할 때 서로 다르게 작용하며, 타워(1)에 인접한 구간 회전 시 타워(1)에 의한 쉐어 하중으로 인해 타워(1)에 인접하지 않은 구간 회전 시보다 상대적으로 적은 하중을 받게 된다. 따라서 블레이드(3) 회전 시 블레이드(3)에 미치는 하중의 구동축 방향 모멘트가 상기 구동축에 동일하게 작용하지 않아 즉 각각의 블레이드의 구동축 방향 모멘트가 서로 상이하여 이로 인해 구동축에 진동이 발생하게 된다. 특히 고 풍속 구간에서 구동축의 진동이 풍력발전기 설계 하중 이상으로 발생할 경우 출력 저하는 물론 풍력발전기의 구동축과 관련된 부품 내구도 저하 및 파손까지 우려되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제로 국제전기기술위원회(IEC)의 기술기준의 풍력발전기 설계 범위를 초과하는 고 풍속 난류가 자주 발생되는 산간지형에서는 풍력발전기의 고장 및 유지보수로 인한 비용손실이 야기되고 있다.
따라서 풍력발전기의 설계 하중 이상의 고 풍속 구간에서도 풍력발전기의 구동축 진동을 방지하여 풍력발전기를 안정적으로 운용할 수 있는 풍력발전기 기술의 개발이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서 본 발명의 목적은, 복수 개 구성되는 풍력발전기의 블레이드 피치를 제어하되, 블레이드 각각의 회전 위치에 따라 각각의 블레이드에 작용되는 구동축 방향 모멘트 방향 합이 풍력발전기의 구동축에 직교하도록 실시간으로 각각의 블레이드를 제어하게 되는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기를 제공함에 있다.
본 발명의 풍력발전기는, 지면상에 세워지는 타워와, 상기 타워의 상단에 설치되며 내부에 구동축과, 증속기와, 발전기가 설치되는 낫셀과, 상기 구동축에 연결되고, 상기 낫셀의 축방향으로 회전 하도록 상기 낫셀의 상류 측에 설치되는 허브와, 상기 허브에 복수 개가 방사상으로 배치되는 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서, 상기 풍력발전기는, 상기 블레이드의 풍속방향에 대한 피치각이 가변되도록 상기 블레이드와 상기 허브를 연결하는 피치가변수단; 및 상기 블레이드의 피치각 제어를 위한 제어부; 를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 블레이드 각각의 하중이 상기 구동축 방향으로 가해지도록 상기 블레이드 각각의 피치각을 독립적으로 제어한다.
이때, 상기 풍력발전기는, 상기 블레이드 각각의 루트에 구비되는 하중감지부; 를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 블레이드 각각의 상기 구동축 방향 모멘트를 상기 하중감지부로부터 전달받아 상기 각각의 구동축 방향 모멘트의 합이 상기 구동축에 직교하도록 상기 블레이드 각각의 피치를 독립적으로 제어한다.
또한, 상기 하중감지부는, 상기 블레이드의 폭 방향 하중, 길이 방향 하중 및 구동축 방향 모멘트의 측정이 가능하도록 3차원 가속도계 센서로 된다.
아울러, 상기 제어부는, 상기 풍력발전기의 정격 출력 이상의 고 풍속 구간에서 동작하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기는, 블레이드의 회전 위치에 상관없이 블레이드가 받는 구동축 방향 모멘트의 방향이 풍력발전기의 구동축에 직교하도록 하여 풍력발전기 정격출력 이상의 고 풍속 구간에서 안정적이고, 효율적으로 풍력발전기의 운용이 가능한 효과가 있다. 특히 풍력발전기의 설계 하중 이상의 고 풍속 난류가 자주 발생하는 산간 지형에서도 풍력발전기의 내구성이 보장되어 유지 보수에 따른 비용 감소의 효과가 있다.
도 1은 종래의 피치 가변형 풍력발전기 사시도
도 2는 본 발명의 피치 가변형 풍력발전기 사시도
도 3은 본 발명의 블레이드의 하중 분포도
<부호의 설명>
10 : 타워
20 : 낫셀
30 : 블레이드 31 : 제1 블레이드
32 : 제2 블레이드 33 : 제3 블레이드
40 : 허브
50 : 하중감지부 51 : 제1 하중감지부
52 : 제2 하중감지부 53 : 제3 하중감지부
본 발명은 타워, 낫셀, 블레이드, 블레이드의 피치 가변을 위한 수단, 하중감지부 및 제어부를 포함하여 구성되는 풍력발전기에 관한 것이다. 본 발명은 풍속이 정격출력 이상으로 강하게 발생하여 블레이드의 회전수가 정격출력 회전수를 초과 할 경우에도 낫셀의 구동축 진동을 방지하여 구동축 및 이와 관련된 부품이 손상되는 것을 방지하기 위해 발명되었다. 따라서 본 발명의 풍력발전기는 고 풍속 구간 및 순간적인 고 풍속 난류 발생 시에도 블레이드의 회전수를 정력출력 회전수에 근접하도록 최대한 유지시키며, 각각의 블레이드의 구동축방향 모멘트 불균형으로 인한, 구동축의 진동을 방지하도록 블레이드 각각의 회전 위치에 따라 블레이드 피치 제어를 독립적으로 수행하는 풍력발전기를 제공함에 그 특징이 있다. 블레이드 각각의 독립적인 피치 제어를 위해 본 발명은 블레이드의 수만큼 하중감지부를 구성하며, 하중감지부 각각의 하중 정보에 따라 제어부에 의해 블레이드 각각의 피치를 제어하게 된다.
따라서 본 발명은 블레이드가 타워에 근접 회전 시 하중이 타워에서 이격 회전 시의 하중보다 상대적으로 적은 하중을 받게 됨에 따라 이를 보상하도록 하여 구동축의 진동을 저감시키고 나아가 풍력발전기의 내구성이 증대되는 효과가 있다.
이하, 상기와 같은 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일실시 예에 따른 피치 가변형 블레이드를 갖는 풍력발전기의 사시도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 풍력발전기는 타워(10), 낫셀(20), 블레이드(30), 허브(40), 하중감지부(50), 피치 가변수단(미도시) 및 제어부(미도시)를 포함하여 이루어진다.
타워(10)는 상하 길이방향으로 형성될 수 있다. 타워(10)의 하단은 지면에 고정되며, 상단에는 낫셀(20)의 결합을 위한 결합부(미도시)가 형성될 수 있다. 타워(10)와 낫셀(20)은 상기 결합부를 통해 낫셀(20)이 지면에 수평한 방향으로 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 이는 낫셀(20)의 상류단을 풍속 방향으로 위치시키기 위함이다. 결합부는 타워(10)와 낫셀(20)의 결합을 위한 통상의 구성이 적용될 수 있는바 이에 대한 세부 구성 설명은 생략한다.
낫셀(20)은 풍력발전기의 핵심 구성으로, 풍속 방향에 따라 블레이드(30)의 위치를 최적화하기 위해 피치 운동하도록 타워(10)에 상기 결합부를 통해 힌지 결합된다. 낫셀(20)의 상류측에는 블레이드(30)가 풍속 방향을 회전축으로 하여 회전 가능하도록 결합될 수 있다. 낫셀(20)의 내부에는 블레이드(30)의 회전축과 연결되는 구동축, 상기 구동축에 연결되는 증속기 및 발전기가 구비될 수 있다. 즉 낫셀(20)은 로터 블레이드(30)의 회전력이 구동축을 통해 발전기에 이르도록 구성될 수 있다.
블레이드(30)는 낫셀(20)의 구동축에 연결되는 허브(40)를 중심으로 복수 개가 방사상으로 연결된다. 블레이드(30)는 2개 이상 다수개가 허브(40)에 결합될 수 있다. 이때 블레이드(30)는 퐁속 방향과 블레이드의 경사각 즉 피치가 가변되도록 피치 가변수단(미도시)을 통해 허브(40)에 결합될 수 있다. 상기 피치 가변수단은 블레이드(30)의 피치가 가변되도록 블레이드(30)를 허브(40)에 피치 회동(P) 가능하도록 결합시킨다. 피치 가변수단은 블레이드(30)의 피치가변을 위한 구성 예를 들면 기어드 모터 또는 유압에 의해 블레이드(30)를 피치 회동(P)시키는 통상의 구성이 적용될 수 있는바 상세한 설명은 생략한다. 블레이드(30)는 도면상에 3개로 도시되어 있으나, 그 수를 3개로 한정하는 것은 아니며, 발전기의 용량 및 용도에 따라 그 수가 가변될 수 있다. 본실시 예에서는 3개의 블레이드(30)를 적용하였고, 편의상 상측의 블레이드(30)를 제1 블레이드(31)라고 정의하고 제1 블레이드(31)를 기준으로 시계방향을 따라 제2 블레이드(32) 및 제3 블레이드(33)로 정의하여 설명하기로 한다. 로터 블레이드(30)는 풍력발전기에 통상적으로 사용되는 블레이드가 사용되는 바 이에 대한 세부 구성 설명은 생략하기로 한다.
블레이드(30)의 루트(root)부에는 하중감지부(50)가 구비된다. 하중감지부(50)는 블레이드(30)의 풍력 입사면에 설치될 수 있다. 하중감지부(50)는 블레이드(30)에 가해지는 하중을 측정하기 위한 가속도 센서로 구성되며, 각각의 블레이드(30)에 대응되도록 복수 개가 구성될 수 있다. 즉 제1 블레이드(31)의 루트에는 제1 하중감지부(51)가 구비되며, 제2 블레이드(32)의 루트에는 제2 하중감지부(52)가 구비되고, 제3 블레이드(33)의 루트에는 제3 하중감지부(53)가 구비될 수 있다. 하중감지부(50)는 각각의 블레이드(31, 32, 33)의 하중을 감지하여 제어부(미도시)에 전달하도록 구성되며, 하중감지부(50)의 하중 신호에 따라 제어부는 상기 피치 가변수단을 구동하여 블레이드(30)의 피치회동(P)을 제어한다. 또한 본 발명은 각각의 제1 내지 제3 하중감지부(51, 52, 53)에서 전달 받은 제1 내지 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 하중 정보를 이용하여 제1 내지 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 피치 회동을 독립적으로 제어할 수 있도록 구성된다.
제어부(미도시)는 상술한 바와 같이 제1 내지 제3 하중감지부(51, 52, 53) 각각의 하중신호를 입력받아 제1 내지 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 피치 운동(P) 제어를 위해 피치 가변수단을 구동시킨다. 블레이드(30)는 회전 위치에 따라 실시간으로 피치각이 제어되며, 타워(10)에 인접구간 회전 시에는 타워(10)에서 이격구간 회전 시보다 풍속의 하중을 더 받도록 피치각이 제어될 수 있다. 이는 블레이드(30)가 타워(10)에 인접구간 회전 시 타워(10)에 의한 쉐어 하중으로 인해 블레이드(30)가 타워(10)에서 이격구간 회전 시보다 풍속의 하중을 덜 받기 때문에 풍력발전기의 타워(10) 부분을 회전하는 블레이드(30)의 하중과, 풍력발전기의 상부를 회전하는 블레이드(30)의 하중의 차이가 급격히 발생하게 되며, 이를 보상하기 위함이다. 특히 각각의 블레이드(30)를 동시에 실시간으로 제어하여 각각의 블레이드(30)의 구동축 방향 모멘트의 불균형을 방지하고, 구동축의 진동을 현저하게 감쇄시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 각각의 블레이드(30)를 보다 정밀하게 제어하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(30)가 받는 하중을 블레이드의 폭 방향 하중, 길이 방향 하중 및 구동축 방향 모멘트 하중으로 분류하여 감지하도록 구성하였다. 이를 위해 본 발명의 하중감지부(50)는 3차원 가속도 센서를 적용하였다. 이에 따라 제1 블레이드(31)에 장착되는 제1 하중감지부(51)는, 제1 블레이드(31)의 폭 방향으로 작용하는 하중 Bq1, 길이방향으로 작용하는 하중 Bd1 및 구동축 방향 모멘트 Bw1 의 측정이 가능하며, 제2 블레이드(32)에 장착되는 제2 하중감지부(52)는 제2 블레이드(32)의 폭 방향으로 작용하는 하중 Bq2, 길이 방향으로 작용하는 하중 Bd2, 구동축 방향 모멘트 Bw2 의 측정이 가능하고, 제3 블레이드(33)에 장착되는 제3 하중감지부(53)는 제3 블레이드(33)의 폭 방향으로 작용하는 하중 Bq3, 길이방향으로 작용하는 하중 Bd3, 구동축 방향 모멘트 Bw3 의 측정이 가능하다.
이때, 제어부는 상기 Bw1과, Bw2와, Bw3의 방향 합이 구동축 방향(DT)에 직교하도록 제1 , 제2 및 제3 블레이드(31, 32, 33) 각각의 피치를 제어한다. 따라서 각각의 블레이드에 가해지는 하중이 달라져도 블레이드 각각의 독립적인 피치 제어에 의해 구동축의 회전력을 제외한 구동축에 작용되는 외력이 제거되어 구동축의 진동을 방지할 수 있다. 특히 제어부는 정격 출력 이상의 풍속이 발생할 경우에만 구동되도록 구성된다. 이는 정격출력 이하의 풍속에서는 구동축에 외력이 발생하여도 설계 하중에 따른 구조적 강성을 통해 극복이 가능하기 때문이며, 정격 출력 이하에서는 풍속을 최대한 활용하여 발전 효율이 최대가 되도록 하기 위함이다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (4)

  1. 지면상에 세워지는 타워와, 상기 타워의 상단에 설치되며 내부에 구동축과, 증속기와, 발전기가 설치되는 낫셀과, 상기 구동축에 연결되고, 상기 낫셀의 축방향으로 회전 하도록 상기 낫셀의 상류 측에 설치되는 허브와, 상기 허브에 복수 개가 방사상으로 배치되는 블레이드를 포함하는 풍력발전기에 있어서,
    상기 풍력발전기는,
    상기 블레이드의 풍속방향에 대한 피치각이 가변되도록 상기 블레이드와 상기 허브를 연결하는 피치가변수단; 및
    상기 블레이드의 피치각 제어를 위한 제어부; 를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 블레이드 각각의 하중이 상기 구동축 방향으로 가해지도록 상기 블레이드 각각의 피치각을 독립적으로 제어하는, 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 풍력발전기는,
    상기 블레이드 각각의 루트에 구비되는 하중감지부; 를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 블레이드 각각의 상기 구동축 방향 모멘트를 상기 하중감지부로부터 전달받아 상기 각각의 구동축 방향 모멘트의 합이 상기 구동축에 직교하도록 상기 블레이드 각각의 피치를 독립적으로 제어하는, 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하중감지부는,
    상기 블레이드의 폭 방향 하중, 길이 방향 하중 및 구동축 방향 모멘트의 측정이 가능하도록 3차원 가속도계 센서로 되는, 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 풍력발전기의 정격 출력 이상의 고 풍속 구간에서 동작하는 것을 특징으로 하는 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기.
PCT/KR2013/012065 2012-12-26 2013-12-24 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기 Ceased WO2014104697A1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2012-0153976 2012-12-26
KR1020120153976A KR20140083832A (ko) 2012-12-26 2012-12-26 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014104697A1 true WO2014104697A1 (ko) 2014-07-03

Family

ID=51021670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2013/012065 Ceased WO2014104697A1 (ko) 2012-12-26 2013-12-24 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20140083832A (ko)
WO (1) WO2014104697A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106050563A (zh) * 2016-08-10 2016-10-26 徐州工程学院 一种大型风力发电机叶轮转角调节机构及其工作方法
CN119900658A (zh) * 2024-12-24 2025-04-29 北京威浮科技有限责任公司 利用水流发电的装置

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101941676B1 (ko) 2018-04-26 2019-01-23 (주)한진산업 풍력발전기의 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전시스템
KR102065612B1 (ko) 2018-04-26 2020-01-14 주식회사 한진산업 풍력발전기의 개별 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전시스템

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007231911A (ja) * 2006-03-03 2007-09-13 Nabtesco Corp 風車用センサ機構及び風車の減振方法
JP2010255625A (ja) * 2009-03-30 2010-11-11 Ａ−Ｗｉｎｇインターナショナル株式会社 可変ピッチ装置
KR20110023446A (ko) * 2009-08-31 2011-03-08 주식회사 효성 풍력 발전기용 로터와 이를 적용한 풍력 발전기 및 이의 동작 제어 방법
KR20120029676A (ko) * 2010-09-17 2012-03-27 한국과학기술원 풍력 터빈 및 풍력 터빈 블레이드의 피치 제어 방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007231911A (ja) * 2006-03-03 2007-09-13 Nabtesco Corp 風車用センサ機構及び風車の減振方法
JP2010255625A (ja) * 2009-03-30 2010-11-11 Ａ−Ｗｉｎｇインターナショナル株式会社 可変ピッチ装置
KR20110023446A (ko) * 2009-08-31 2011-03-08 주식회사 효성 풍력 발전기용 로터와 이를 적용한 풍력 발전기 및 이의 동작 제어 방법
KR20120029676A (ko) * 2010-09-17 2012-03-27 한국과학기술원 풍력 터빈 및 풍력 터빈 블레이드의 피치 제어 방법

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106050563A (zh) * 2016-08-10 2016-10-26 徐州工程学院 一种大型风力发电机叶轮转角调节机构及其工作方法
CN106050563B (zh) * 2016-08-10 2018-11-06 徐州工程学院 一种大型风力发电机叶轮转角调节机构及其工作方法
CN119900658A (zh) * 2024-12-24 2025-04-29 北京威浮科技有限责任公司 利用水流发电的装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20140083832A (ko) 2014-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2588751B1 (en) Rotational positioning system in a wind turbine
EP1918581B1 (en) Methods and apparatus for operating a wind turbine
US8232664B2 (en) Vertical axis wind turbine
DK1870596T3 (en) Device for balancing a rotor
EP2084400B1 (en) A wind turbine and a method for damping edgewise oscillations in one or more blades of a wind turbine by changing the blade pitch
EP2098726B1 (en) A blade support limb structure of vertical axis wind power generator
DK2522853T3 (en) Wind turbine torque-speed control
CN107041149B (zh) 竖向风电设备以及操作这种设备的方法
US20120133138A1 (en) Plant power optimization
WO2013095033A1 (ko) 나셀 펜스를 갖는 풍력발전기
EP2273106B1 (en) Wind turbine aerodynamic separation control
WO2014104697A1 (ko) 피치 가변 블레이드를 갖는 풍력발전기
WO2018079863A1 (ko) 풍력발전기용 블레이드 피치 조절장치
KR20230090230A (ko) 풍력 터빈 작동 및 보조 전원 충전 방법
WO2019209036A1 (ko) 풍력발전기의 피치 제어 시스템 및 이를 포함하는 풍력발전시스템
CN202073704U (zh) 收放式水平风叶风能发电机
CN101949354B (zh) 一种垂直轴风力机
CN208845304U (zh) 风力发电机及垂直轴风轮
EP2963288A1 (en) Downwind type windturbine and method of stopping such windturbine
WO2010071339A2 (ko) 풍력발전용 가변발전장치
CN201314277Y (zh) 垂直轴风力发电装置
RU2352809C1 (ru) Ветроэнергетический агрегат болотова
ES3062600T3 (en) Wind turbine control
KR20100118741A (ko) 다단 풍력발전장치
KR102647729B1 (ko) 블레이드를 조정할 수 있는 드래그 겸 리프트 기반 풍력 터빈 시스템

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13869136

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13869136

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1