WO2018105969A1 - 에너지 변환 장치, 이를 포함하는 에너지 변환 시스템, 및 이의 작동 방법 - Google Patents

에너지 변환 장치, 이를 포함하는 에너지 변환 시스템, 및 이의 작동 방법 Download PDF

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명섭 리마이클
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주식회사 싸이트로닉
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Definitions

  • Embodiments according to the concepts of the present invention relate to an energy conversion device, in particular, when the fluid flow is applied to the turbine by an external force, measuring the response of the turbine, generating a measurement value corresponding to the measurement result, and control related to the measurement value
  • An energy conversion device capable of modifying the three-dimensional shape of the turbine based on a signal, a method of operating the same, and an energy conversion system including the energy conversion device are provided.
  • Energy harvesting refers to a technology that harvests energy by converting energy from natural energy sources such as wind, tidal, or wave power into electrical energy.
  • wind generators that convert wind energy into mechanical energy using devices such as wind turbines, which use this energy to generate electricity by turning generators, are used as means for producing electricity in many countries. .
  • Controlling the blades of the wind generator to produce a lot of electricity can increase the load on the wind generator, and increasing the number of wind generators reduces the strength of the wind the wind generator receives.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to generate a control signal corresponding to the turbine's response to the external force when the fluid flow is applied to the external force of the turbine, and to generate the three-dimensional shape of the turbine using the control signal.
  • the technical problem to be achieved by the present invention relates to an energy conversion system, by using the position information of the energy conversion device, the topographic information of the installed area of the energy conversion system including the energy conversion device, and the weather information of the area It is to provide a technology that can change the three-dimensional shape of each of the blades included in the energy conversion device.
  • an energy conversion device for converting mechanical energy obtained from a fluid flow into electrical energy measures a blade and a response of the blade when the fluid flow is applied to the blade by an external force.
  • a first measurement device for generating a first measurement value corresponding to a result, a memory for storing control values, a first of the control values from the memory in response to the first measurement value output from the first measurement device;
  • a controller configured to read a control value and generate a control signal using the first control value, and an actuator to deform the three-dimensional shape of the blade in response to the control signal output from the controller.
  • an energy conversion device for converting mechanical energy obtained from a fluid flow into electrical energy measures a blade and a response of the blade when the fluid flow is applied to the blade by an external force.
  • a measuring device for generating a first measured value corresponding to a result of?,
  • a controller for generating a control signal using the first measured value output from the first measuring device, and a response to the control signal output from the controller; It includes an actuator for deforming the three-dimensional shape of the blade.
  • the energy conversion device further comprises a memory for storing a computational fluid dynamics (CFD) program, the controller executes the CFD program stored in the memory, and causes the CFD program to cause the first measured value. To generate the control signal.
  • CFD computational fluid dynamics
  • an energy conversion device for converting mechanical energy obtained from a fluid flow into electrical energy measures a blade and a response of the blade when the fluid flow is applied to the blade by an external force.
  • Storing control values corresponding to a combination of measuring devices for generating measured values corresponding to a result of the first value and first values representing an internal environment of the energy conversion device and second values representing an external environment of the energy conversion device.
  • a controller that reads a control value of any one of the control values from the memory in response to the memory and the measurement values output from the measuring devices, and generates a control signal in response to the read one control value And tertiary of the blade in response to the control signal output from the controller.
  • an actuator that deforms the circular shape.
  • Wind power generation system is a first wind power generator including a first blade and a first actuator, a second wind power generator including a second blade, a measuring unit for measuring wind power and generating wind value And a memory for storing control values, a controller reading a first control value from among the control values from the memory in response to the wind power value output from the measuring instrument, and generating a control signal in response to the read first control value.
  • the first actuator deforms the three-dimensional shape of the first blade in response to the control signal output from the controller.
  • a wind power generation system includes a first wind power generator including a first blade and a first actuator, a second wind power generator including a second blade, a memory to store control values, and the first wind power generator.
  • a receiver for receiving at least one of weather information around a wind generator, topographic information of a location where the first wind power generator is installed, and position information on a position where the second wind power generator is installed; and at least one output from the receiver.
  • the first actuator responds to the control signal output from the controller.
  • a method of operating an energy conversion device for converting mechanical energy obtained from a fluid flow into electrical energy includes measuring a response of the blade when the fluid flow is applied to the blade by an external force. Generating a measurement value corresponding to the measurement result, and the controller reads a first control value from among control values from a memory in response to the measurement value output from the measurement device, and uses the first control value. Generating a control signal, and an actuator deforming the three-dimensional shape of the blade in response to the control signal output from the controller.
  • Each of the control values stored in the memory includes at least one of weather information around the energy conversion device, terrain information of a location where the energy conversion device is installed, and location information on a location where the energy conversion device and another energy conversion device are installed. According to different values.
  • the deforming of the three-dimensional shape of the first blade may be performed by the actuator in response to the control signal.
  • the pitch angle of the blade, opening and closing of a leading edge included in the first blade, or trailing included in the first blade may be determined.
  • the opening and closing of the edges are controlled to deform the three-dimensional shape of the first blade.
  • a method of operating a wind power generation system including a first wind power generator including a first blade and a first actuator and a second wind power generator including a second blade includes a controller configured to store control values in a memory. Storing at least one of weather information around the first wind power generator, terrain information on a location where the first wind power generator is installed, and location information on a location where the second wind power generator is installed; The controller selecting a first control value from the control values stored in the memory in response to the at least one output from the receiver, and generating a control signal in response to the first control value; An actuator deforms the three-dimensional shape of the first blade in response to the control signal output from the controller. It includes the system.
  • the operation method of the wind power generation system further includes the step of calculating, by the controller, the accumulated power generation amount of the first wind power generator, and the controller updating each of the control values according to the calculated power generation amount.
  • An energy conversion apparatus measures the response of the turbine to the external force when a fluid flow acts as an external force on the turbine, generates a measured value according to a measurement result, and based on the measured value, the turbine There is an effect that can modify the three-dimensional shape of the.
  • the energy converter has an effect of improving the energy conversion efficiency of the energy converter without significantly increasing the load on the energy converter.
  • the energy conversion device may deform the three-dimensional shape of the turbine included in the energy conversion device by using the position information indicating the position of another energy conversion device, so that the fluid flow used in the energy conversion device is different from the other energy conversion device. Since it can be transmitted to the device a lot, there is an effect that the energy conversion efficiency of the other energy conversion device is improved, there is an effect that can reduce the separation distance between the energy conversion devices.
  • An energy conversion apparatus is included in the energy conversion apparatus using at least one of terrain information, weather information, and location information of the energy conversion device and another energy conversion device for an area where an energy conversion system is installed. Since the three-dimensional shape of each of the turbines can be modified, there is an effect of improving the energy conversion efficiency of the turbine adaptively to the surrounding environment in which the energy conversion device is installed.
  • FIG. 1 is a block diagram of an energy conversion device according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of the energy conversion device illustrated in FIG. 1.
  • 3 to 8 illustrate an embodiment of control objects and control values stored in the memory illustrated in FIG. 1 or 2.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating another embodiment of the energy conversion device illustrated in FIG. 1.
  • FIG. 10 shows a conceptual diagram of an energy conversion system according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 11 illustrates an embodiment of control objects and control values stored in the memory illustrated in FIG. 10.
  • FIG. 12 illustrates a conceptual diagram of an energy conversion system according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 13 shows the structure of the turbine shown in FIG. 1, 2, 9, 10, or 12.
  • FIG. 14 illustrates an embodiment in which a three-dimensional shape of the turbine is modified by controlling a leading edge included in the turbine illustrated in FIG. 1, 2, 9, 10, or 12.
  • FIG. 15 illustrates an embodiment of modifying a three-dimensional shape of the turbine by controlling a trailing edge included in the turbine illustrated in FIG. 1, 2, 9, 10, or 12.
  • FIG. 16 is a flow chart illustrating the operation of the energy conversion device shown in FIG. 1, 2, or 9.
  • FIG. 17 is a flow chart illustrating the operation of the energy conversion system shown in FIG. 10 or 12.
  • the energy conversion device 100 includes a turbine 200, at least one measurement device 300, a memory 400, a controller 500, at least one actuator 600, and a receiver 700. It may include.
  • the energy conversion device 100 may be a fluid flow, a liquid flow, a fluid flow, or a substance (eg, gas, particles, liquid, Or a device capable of converting energy (eg, mechanical energy) obtained from the flow of a solid body (solid body) into electric power (eg, electrical energy).
  • the fluid flow may be broadly interpreted as a concept including a liquid flow, a fluid flow, or a material flow.
  • the fluid flow may refer to the movement of a fluid in motion (eg, including gas, particles, liquids, plasmas, and / or solid materials).
  • a fluid in motion eg, including gas, particles, liquids, plasmas, and / or solid materials.
  • the energy conversion apparatus 100 may be a generator using wind energy or a generator using sea energy, but is not limited thereto.
  • the energy conversion device 100 may be a wind generator, tidal generator, or wave generator, but is not limited thereto.
  • the energy conversion device 100 and its operation method to be described herein may be applied to a generator using geothermal energy.
  • the technical idea of the present invention to control the three-dimensional shape of the turbine (or blade) can be applied to a generator for generating electrical energy using the turbine (or blade).
  • the wind generator may include an onshore type wind generator and an offshore type wind generator.
  • the wind generator may include, but is not limited to, a floating offshore wind generator and a semi-submersible floating wind generator.
  • Wind power means converting wind (or wind) into power using a wind turbine
  • tidal power means generating power using the difference between the high and low tide of the sea
  • Wave power refers to the transfer of energy by sea wave or the production of power using the energy.
  • the turbine 200 may mean a rotary mechanical device that extracts energy from a fluid flow.
  • the turbine 200 may refer to a structure (or device) capable of converting energy obtained from the fluid flow into electric power in response to an external force applied to the turbine 200 by the fluid flow.
  • a turbine may be a blade, a turbine blade, a rotor blade, a wind turbine rotor blade, a tidal turbine blade, or It may mean a wind wave turbine blade.
  • the energy conversion device 100 may include a plurality of turbines (or a plurality of blades).
  • a turbine (or blade) may broadly mean a vertical-axis wind turbine (VAWT) blade or a horizontal axis wind turbine (HAWT) blade.
  • the measuring device 300 measures (e.g., directly or indirectly measures) the response of the turbine (or blade) 200 when the fluid flow is exerted on the turbine (or blade; 200) externally. Measured values (or response values) corresponding to the results can be generated.
  • the reaction or the measured value may be determined by the position of the turbine 200 (or the angle of rotation to be described with reference to FIG. 4), the restoring force of the turbine 200, the elastic force of the turbine 200, the turbine ( Aeroelastic of 200, fatigue load of turbine 200, vibration of turbine 200, stress of turbine 200, gravity of turbine 200, Buoyancy of the turbine 200, rotational speed of the turbine 200, revolutions per minute (RPM) of the turbine 200, pitch angle of the turbine 200, turbine 200 Strain or strain rate, the acceleration of the turbine 200, the amount of ultraviolet rays of the turbine 200, the insolation of the turbine 200, the speed (or density) of the fluid flow, the turbine 200 ), And the humidity of the turbine 200.
  • the measuring device 300 may mean a device (or sensor) capable of measuring the response of the turbine 200 to a fluid flow or external force, or a device (or sensor) capable of generating the measured value.
  • the measuring device 300 may collectively represent a plurality of measuring devices or a plurality of sensors. For example, when the measuring device includes a first measuring device and a second measuring device, the first measuring device can measure the restoring force of the turbine 200, and the second measuring device can measure the position (or rotational angle) of the turbine. ) Can be measured, but is not limited thereto.
  • the measuring device 300 includes an electricity meter, a voltmeter, an ammeter, a direction sensor, an inertial sensor, a strain sensor, an acceleration sensor, and a gravitational acceleration sensor.
  • Lidar solarimeter, UV radiometer, barometer, temperature sensor, humidity sensor, pressure sensor, acceleration sensor, image sensor, optical camera, high speed camera, sound wave sensor, ultrasonic sensor (ultrasonic sensor), acoustic detector, Raman-based distributed temperature sensor, water flow sensor, water pressure sensor, wave meter
  • the measuring device 300 may measure the pitch angle of the turbine 200 using an orientation sensor or an inertial sensor, measure a strain using a strain sensor, and measure acceleration using an acceleration sensor.
  • the time information and the space information of the turbine 200 may be measured by using a rider and an acoustic detector.
  • each of the strain sensor and the acceleration sensor may be located at the center of a rotor connected to the turbine 200, and may be disposed at regular intervals inside or on the surface of the turbine 200.
  • the UV photometer, solar meter, temperature sensor, and humidity sensor can be located in the center of the hub of the rotor.
  • the at least one measuring device 300 may measure the response of the turbine 200 to the external force, and generate at least one measured value according to the measurement result.
  • the measured value may be measured in various ways, such as wind direction, wind speed, stress, load, displacement, and accumulated fatigue life as described above. , Cumulative amount of ultraviolet light, residual life time ratio, and / or power production, but are not limited thereto.
  • the displacement means the degree to which the turbine 200 is bent by fluid flow
  • the load means a force transmitted perpendicular to the tower 120 shown in FIG. 2, and the cumulative fatigue life is The number of times the load is repeated (or the time under which the load is received) until the energy conversion device 100 that is repeatedly subjected to the load is destroyed, and the power production amount (or power generation amount) represents the amount of power generation of the energy conversion device 100.
  • the measuring apparatus 300 may measure the wind speed and wind speed applied to the turbine 200 by measuring the revolutions per minute of the turbine 200, and measure the strain and acceleration of the turbine 200 to displace the turbine 200.
  • the amount of ultraviolet rays applied to the turbine 200 and the solar radiation system may be measured to measure the cumulative amount of ultraviolet rays of the turban 200, and the temperature and humidity of the turbine 200 may be measured to determine the turbine 200.
  • the stress and the load may be measured, and the cumulative fatigue life of the turbine 200 may be measured using the stress and the load, but is not limited thereto.
  • the measurement may mean a calculation.
  • Wind direction and wind speed can be measured using a wind vane / anemometer installed in the nussel (140 of FIG. 2), the receiver 700 receives weather information including information on the wind direction and wind speed from a system that provides satellite or weather information. Can be received.
  • the controller 500 may calculate the remaining life of the turbine 200 by using the displacement, the cumulative amount of ultraviolet rays, and the cumulative fatigue life.
  • the measuring apparatus 300 may measure the wind direction and wind speed applied to the turbine 200 by using a wind vane and an anemometer installed in the nussel (140 of FIG. 2).
  • the memory 400 may store control values capable of deforming the three-dimensional shape of the turbine 200.
  • FIG. 1 illustrates that the memory 400 is disposed outside the controller 500, the memory 400 may be replaced with a cache memory or a data cache located inside the controller 500. Can be.
  • the controller 500 accesses the memory 400 disposed externally or internally to obtain at least one control value CTV corresponding to the at least one measured value MSR measured from the at least one measuring device 300. can do.
  • the acquisition may be performed by a read operation or a pre-fetch operation.
  • the measuring device 300 includes a first measuring device and a second measuring device.
  • the first measuring device includes a restoring force of the turbine 200, an elastic force of the turbine 200, an aeroelasticity of the turbine 200, a fatigue load of the turbine 200, a vibration of the turbine 200, a deformation force of the turbine 200, Gravity of turbine 200, buoyancy of turbine 200, rotational speed of turbine 200, pitch angle of turbine 200, strain of turbine 200, acceleration of turbine 200, ultraviolet ray of turbine 200 Amount, the solar radiation of the turbine 200, the speed (or density) of the fluid flow applied to the turbine 200, the temperature of the turbine 200, and the humidity of the turbine 200 is measured and according to the measurement result, Measured values can be generated.
  • the second measurement device generates a second measurement value BP1 or BP2 according to a measurement result of measuring the position (or rotation angle) of the rotating turbine 200.
  • the measured value BP1 measured at the first position has little influence on the power production of the other energy conversion device
  • the measured value BP2 measured at the second position has a influence on the power production of the other energy conversion device. Can be large.
  • the controller 500 reads (or selects) any one control value (eg, the first control value) among control values stored in the memory 400 in response to the first measurement value output from the first measuring device.
  • the control signal CTRL may be generated using the first control value CTV.
  • the actuator 600 responds to the control signal CTRL output from the controller 500 to the pitch angle of the turbine 200, the leading edge attached to the turbine 200, and / or the turbine 200. Attached trailing edges can be controlled. An embodiment of controlling the leading edge will be described with reference to FIG. 14, and an embodiment of controlling the trailing edge will be described with reference to FIG. 15. That is, the three-dimensional shape of the turbine 200 may be defined by pitch angle, leading edge, and / or trailing edge, but is not limited thereto.
  • the controller 500 may control the other control value among control values stored in the memory 400 in response to the first measurement value output from the first measurement device and the second measurement value output from the second measurement device.
  • the second control value may be read (or selected) and the control signal CTRL may be generated using the second control value CTV.
  • the actuator 600 is a pitch angle of the turbine 200, a leading edge attached to the turbine 200, and / or attached to the turbine 200 in response to the control signal CTRL output from the controller 500 The trailing edge can be controlled.
  • the receiver 700 may include weather information around the energy conversion device 100, terrain information of a location where the energy conversion device 100 is installed, and / or location information about a location where the energy conversion device 100 and other energy conversion devices are installed. And receive the weather information, the terrain information, and / or the location information to the controller 500. The controller 500 may generate a control value corresponding to the weather information, the terrain information, and / or the location information, and store the control value in the memory 400.
  • each of the control values stored in the memory 400 by the controller 500 has a different value according to at least one of the weather information, the terrain information, and the location information.
  • the controller 500 may mean a processor, a microprocessor, a CPU, or a computing device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an embodiment of the energy conversion device illustrated in FIG. 1.
  • a wind power generator 100A according to an embodiment of the energy conversion device 100 of FIG. 1 includes a foundation 110, a tower 120, a rotor 130, and a nacelle 140.
  • Each blade 200A corresponds to the turbine 200 of FIG. 1
  • at least one measuring device 300A corresponds to at least one measuring device 300 of FIG. 1
  • memory 400A corresponds to the memory of FIG. 1.
  • the controller 500A corresponds to the controller 500 of FIG. 1
  • each actuator 600-1, 600-2, and 600-3 corresponds to the actuator 600 of FIG. 1. .
  • An actuator is used herein to describe a system (eg, an energy converter, a wind generator, tidal generator, or wave generator, etc.) or a mechanical device used to move or control a component included in the system. It means the component of (component of machine).
  • the actuator may include, but is not limited to, an electric actuator, a hydraulic actuator, and a pneumatic actuator.
  • the Foundation 110 is installed on the ocean, seabed, or land.
  • the tower 120 supports the rotor 130 and the nacelle 130 and serves to elevate the rotor 130 and the nacelle 130 to obtain a large output at a strong wind speed.
  • the rotor 130 converts wind energy into mechanical energy
  • a rotor hub attached to the front end of the rotor 130 serves to support the plurality of blades 200A.
  • Each blade (or rotor blade) 200A serves to rotate the rotor 130 by capturing energy possessed by the wind.
  • Nacelle 140 is composed of a device for converting the mechanical energy generated by the rotor 130 into electrical energy.
  • Each blade 200A may comprise at least one leading edge 210, at least one trailing edge, and at least one measuring device 300A.
  • FIG. 2 an embodiment in which the measuring device 300A is disposed on the surface of each blade 200A is illustrated, but according to the exemplary embodiments, the measuring device 300A may be present inside each blade 200A.
  • the measuring device 300A when fluid or fluid flow is exerted on the blade 200A with an external force, reacts the blade 200A with the external force (e.g., a direct or indirect reaction). It can measure and generate measurement value (MSR) according to the measurement result.
  • MSR measurement value
  • the memory 400A may store each control value corresponding to each measured value MSR.
  • Each control value may be stored in the form of a lookup table 410, and various forms of the LUT 410 stored in the memory 400A will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 8.
  • the LUT 410 may store control values CTV corresponding to the measured values.
  • the controller 500A reads the control value CTV of any one (or at least one) among the control values stored in the memory 400A in response to the measured value MSR output from the measuring apparatus 300A, and controls the control value (
  • the control signal CTRL may be generated using the CTV.
  • the actuator 600-1, 600-2, or 600-3 may deform the three-dimensional shape of the blade 200A in response to the control signal CTRL1, CTRL2, or CTRL3 output from the controller 500A.
  • the first actuator 600-1 capable of deforming the three-dimensional shape of the blade 200A adjusts the pitch angle of the blade 200A in response to the first control signal CTRL1 to adjust the three-dimensional shape of the blade 200A. Can be modified.
  • the blade 200A includes at least one leading edge 210.
  • the second actuator 600-2 may open or close the leading edge 210 in response to the second control signal CTRL2, a gap GAP1 between the leading edge 210 and the blade 200A, and the leading edge 210.
  • at least one of the angles ANG1 between the blades 200A According to at least one of the gap GAP1 and the angle ANG1, the speed of the fluid flow applied to the blade 200A, the density of the fluid, and / or the direction of the fluid may be changed.
  • blade 200A includes at least one trailing edge 230.
  • the third actuator 600-3 may open or close the trailing edge 230 in response to the third control signal CTRL3, a gap GAP2 between the trailing edge 230 and the blade 200A, and the trailing edge.
  • At least one of the angle ANG2 between the 230 and the blades 200A may be adjusted.
  • the speed of the fluid flow through the blade 200A, the density of the fluid, and / or the direction of the fluid may be changed.
  • the control of the leading edge 210 and / or the control of the trailing edge 230 may be determined according to a numerical value (eg, a measured value) of the blade 200A's response to an external force applied to the blade 200A. .
  • the measurement object and the measured value measured by the measuring device 300 or 300A may include wind direction or wind speed, stress or load, displacement, cumulative fatigue life, cumulative ultraviolet light amount, residual life, and / or It may be a power output, but is not limited thereto.
  • the control object and the control value corresponding to the measurement object and the measured value may be stored in the memory 400 or 400A.
  • the control object and the control value corresponding to the measurement object and the measurement value may be stored in the memory 400 or 400A in the form of a first lookup table (LUT1).
  • the controller 500 or 500A determines the type (or measurement object) of the measuring device 300 or 300A or the sensor, and among the control objects (eg, pitch angle, leading edge, and trailing edge) according to the result of the determination. It is possible to determine how many control object (s) to control.
  • the control objects eg, pitch angle, leading edge, and trailing edge
  • the first lookup table LUT1 considers the wind speed and the load to generate the maximum amount of power generated by the wind generator 100A. It may include control values for controlling.
  • the wind direction and the wind speed are the first value (M1)
  • the stress and the load are the second value (L1)
  • the displacement is the third value (D1)
  • the cumulative fatigue life is the fourth value (F1)
  • the cumulative amount of ultraviolet light When the fifth value (U1), the remaining life is the sixth value (R1), and the power output is the seventh value (PO1)
  • the controller 500A is the first pitch angle (PA1)
  • the first leading edge control value LE1 and / or the first trailing edge control value TE1 may be output as the control value CTV.
  • the controller 500 or 500A reads one control value or a plurality of control values from the memory 400 or 400A by using the measured value output from one measuring device or the measured values output from the plurality of measuring devices. , Select, or search.
  • the measured object and the measured value measured by the first measuring device include the restoring force, elastic force, aeroelasticity, fatigue load, vibration, strain force, gravity, buoyancy force, rotational speed, and pitch angle of the blade 200 or 200A.
  • Strain, acceleration, amount of ultraviolet light, insolation, wind speed, temperature, and / or humidity, and the measurement object and the measured value measured by the second measuring device are assumed to be the positions of the blades 200 or 200A, but are not limited thereto.
  • each measuring device 300 or 300A collectively comprises one or more measuring devices (or sensors). Represented by Thus, each measuring device 300 or 300A can be understood to include a first measuring device and a second measuring device.
  • the control object and the control value corresponding to the measurement object and the measured value may be stored in the memory 400 or 400A.
  • the control object and the control value corresponding to the measurement object and the measured value may be stored in the memory 400 or 400A in the form of a second lookup table LUT2.
  • the controller 500 or 500A determines the measured values M1.
  • the first pitch angle PA1-1, the first leading edge control value LE1-1, and / or the first trailing edge control value TE1-1 corresponding to BP1) as the control values CTV. You can lead, select, or search.
  • the controller 500 or 500A determines the measured values M1. And the measured values M1 among the plurality of control values PA1-1, PA1-2, LE1-1, LE1-2, TE1-1, and TE1-2 stored in the memory 400 or 400A in response to BP2). And the second pitch angle PA1-2, the second leading edge control value LE1-2, and / or the second trailing edge control value TE1-2 corresponding to BP2) as control values CTV. You can lead, select, or search.
  • the controller 500 or 500A may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 in response to the retrieved control values CTV. Accordingly, the at least one actuator 600-1, 600-2, and / or 600-3 may select at least one of the pitch angle, the leading edge 210, and the trailing edge 230 of the blade 200 or 200A. Can be controlled. As a result, the three-dimensional shape of the blade 200 or 200A is changed.
  • the measured object and the measured value measured by the first measuring device include the restoring force, elastic force, aeroelasticity, fatigue load, vibration, strain force, gravity, buoyancy force, rotational speed, and pitch angle of the blade 200 or 200A.
  • the measurement object and the measured value measured by the second measuring device are the positions of the blades 200 or 200A, and the energy conversion device 100 or
  • the cumulative power output of 100A) is assumed to be a reference value, but is not limited thereto. It is assumed that the power output is measured by the third measuring device, and the accumulated power output is accumulated in the memory 400 or 400A by the controller 500 or 500A.
  • each measuring device 300 or 300A collectively represents one or more measuring devices.
  • each measuring device 300 or 300A may be understood to include a first measuring device, a second measuring device, and a third measuring device.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measured value, and the reference value may be stored in the memory 400 or 400A.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measurement value, and the reference value may be stored in the memory 400 or 400A in the form of a third lookup table LUT3.
  • the deformation force of the blades 200 or 200A is measured by the first measuring device and the position of the blades 200 or 200A is measured by the second measuring device, and the cumulative power production amount is set to the first value PO1-1.
  • the controller 500 or 500A has a plurality of control values PA1-3 to PA1-6 and LE1 stored in the memory 400 or 400A using the measured values M2 and BP1 and the reference value PO1-1.
  • TE1-3) may be read, selected, or retrieved as control values CTV.
  • the controller 500 or 500A may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 in response to the retrieved control values CTV. Accordingly, the at least one actuator 600-1, 600-2, and / or 600-3 may select at least one of the pitch angle, the leading edge 210, and the trailing edge 230 of the blade 200 or 200A. Can be controlled.
  • the measurement target and the measured value measured by the first measuring device include the restoring force, elastic force, aeroelasticity, fatigue load, vibration, strain force, gravity, buoyancy force, rotational speed, and pitch angle of the blade 200 or 200A.
  • the measurement object and the measured value measured by the second measuring device are the positions of the blades 200 or 200A, the topographic information, the weather information, And at least one of location information is assumed to be a reference value, but is not limited thereto.
  • the controller 500 or 500A receives at least one of the terrain information, the weather information, and the location information through the receiver 700, and stores the received information in the memory 400 or 400A.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measured value, and the reference value may be stored in the memory 400 or 400A.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measurement value, and the reference value may be stored in the memory 400 or 400A in the form of a fourth lookup table LUT4.
  • the terrain information includes information about a terrain (topograph or geographical features) in which the energy conversion device 100 or 100A is installed, and the weather information includes weather information of a place where the energy conversion device 100 or 100A is installed.
  • the location information includes information on the location where the energy conversion device 100 or 100A is installed and / or information on the location where the other energy conversion device is installed.
  • the elastic force of the blades 200 or 200A is measured by the first measuring device, and the position of the blades 200 or 200A is measured by the second measuring device, and at least one of the terrain information, the weather information, and the position information is determined.
  • the controller 500 or 500A uses the measured values M3 and BP2 and the reference value ECP2 to control the plurality of control values PA1-7 stored in the memory 400 or 400A.
  • the trailing edge control value TE1-10 may be read, selected, or retrieved as the control values CTV.
  • the controller 500 or 500A may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 in response to the retrieved control values CTV. Accordingly, the at least one actuator 600-1, 600-2, and / or 600-3 may select at least one of the pitch angle, the leading edge 210, and the trailing edge 230 of the blade 200 or 200A. Can be controlled.
  • the measured object and the measured value measured by the first measuring device include the restoring force, elastic force, aeroelasticity, fatigue load, vibration, strain force, gravity, buoyancy force, rotational speed, and pitch angle of the blade 200 or 200A.
  • Strain, acceleration, amount of ultraviolet light, insolation, wind speed, temperature, and / or humidity are the state of the part, and at least among the terrain information, weather information, and position information.
  • the component may include at least one blade 200 or 200A, at least one component included in the rotor 130, at least one component included in the nacelle 140, and / or at least included in the tower 120. It may mean one component, but is not limited thereto.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measured value, the location information, the terrain information, the weather information, and the part state may be stored in the memory 400 or 400A.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measured value, the location information, the terrain information, the weather information, and the part state may be stored in the memory 400 or 400A in the form of a fifth lookup table LUT5. Can be.
  • the controller 500 or 500A refers to the measured values MV1 and S1.
  • a first pitch angle PA3, a first reading among the plurality of control values PA3, PA4, LE3, LE4, TE3, and TE4 stored in the memory 400 or 400A using the values P1, T1, and W1.
  • the edge control value LE3 and / or the first trailing edge control value TE3 may be read, selected, or retrieved as the control values CTV.
  • the controller 500 or 500A may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 in response to the retrieved control values CTV. Accordingly, the at least one actuator 600-1, 600-2, and / or 600-3 may select at least one of the pitch angle, the leading edge 210, and the trailing edge 230 of the blade 200 or 200A. Can be controlled.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object, the measured value, the location information, the terrain information, and the weather information may be stored in the memory 400 or 400A.
  • control object and the control value corresponding to the measurement object and the measured value, location information, terrain information, and weather information may be stored in the memory 400 or 400A in the form of a sixth lookup table LUT6.
  • the controller 500 or 500A determines the measured values.
  • 14th pitch angle (PA3-14), 14th leading edge control value (LE3-14), and / or 14th trailing edge control value (TE3-14) among LE3-16 and TE3-1-TE3-16) Can be read, selected, or retrieved as control values CTV.
  • the controller 500 or 500A may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 in response to the retrieved control values CTV. Accordingly, the at least one actuator 600-1, 600-2, and / or 600-3 may select at least one of the pitch angle, the leading edge 210, and the trailing edge 230 of the blade 200 or 200A. Can be controlled.
  • the measurement object, the measurement value, the reference value, and the control object and the control value stored in each lookup table have been described, but the controller 500 or 500A is described.
  • the values not stored in the lookup tables LUT1 to LUT6 may interpolate adjacent control values to generate control signals CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3, collectively CTRL.
  • the controller 500 or 500A causes the pitch angles corresponding to the measured values M1 and M2.
  • the first control signal CTRL1 may be generated by searching for PA1 and PA2 and interpolating the pitch angles PA1 and PA2.
  • the first actuator 600-1 may adjust the pitch angle of the blade 200A based on the first control signal CTRL1.
  • the pitch angle may increase or decrease the lifting force generated in the blade 200A. For example, as the wind speed increases, the lift force generated in the blade 200A increases, so that the amount of power generated by the wind generator 100A increases, but the load applied to the wind generator 100A also increases, thereby reducing the load and maintaining the amount of power generated constant. To do this, the pitch angle may be adjusted in a direction to reduce the area of the blade 200A to be winded.
  • the second actuator 600-2 opens and shuts the leading edge 210 in response to the second control signal CTRL2, the leading edge 210 and the blade 200A.
  • the gap GAP1) or the angle ANG1 between the leading edge 210 and the blade 200A may be adjusted to deform the three-dimensional shape of the blade 200A.
  • the leading edge 210 When the wind generator 100A is located in an area where there is little wind, when the leading edge 210 is opened, the density of fluid flow between the leading edge 210 and the blade 200A is increased by the venturi effect. And lift force (lift force) increases because the pressure received by the blade (200A) increases. Therefore, since the rotational speed of the blade 200A increases, the leading edge 210 may perform a function of collecting a lot of wind around the wind generator 100A. In addition, as the leading edge 210 is opened more, the load of the wind generator 100A or the blade 200A is reduced. Therefore, unlike when the pitch angle is adjusted, if the lift force is increased, the load of the wind generator 100A or the blade 200A decreases.
  • the third actuator 600-3 may open or close the trailing edge 230 based on the third control signal CTRL3, and may open or close the trailing edge 230 between the blade 200A and the trailing edge 230.
  • the three-dimensional shape of the blade 200A may be modified by adjusting the gap GAP2 or the angle ANG2 between the trailing edge 230 and the blade 200A.
  • the trailing edge 230 may reduce turbulence and direct the direction of the propeller wash, wake stream, or slip stream to another wind generator. Therefore, the energy conversion efficiency of the other wind generator is effective to increase.
  • trailing edges 230 Although four trailing edges 230 are shown in FIG. 2, the technical idea of the present invention is not limited to the arrangement and number of trailing edges 230. In addition, although one leading edge 210 is illustrated in FIG. 2, the technical idea of the present invention is not limited to the arrangement and number of the leading edges 210.
  • FIG. 13 shows the structure of the turbine shown in FIG. 1, 2, 9, 10, or 12.
  • blade 200A includes a plurality of attachable and detachable parts A, B, C, and D, each of which A, B, C, and D) is a closed space (a, b, c, and d) for storing gas lighter than air or a material having a density less than that of the fluid (air or water) acting externally on the blade 200A. It may include.
  • each enclosed space (a, b, c, and d) is implemented in the blade (200A)
  • the weight of the blade (200A) is reduced, so that the load applied to the wind generator (100A) is reduced.
  • Each of the enclosed spaces a, b, c, and d may include injection ports 250-1, 250-3, 250-5, and 250-7 for injecting the gas or the substance.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating another embodiment of the energy conversion device illustrated in FIG. 1. 9, a wind generator 100B according to another embodiment of the energy conversion device 100 of FIG. 1 includes a blade 200A, a measuring device 300A, a memory 400B, a controller 500B, and an actuator. And the like 600-1, 600-2, and 600-3.
  • the structure and function of the blade 200A of FIG. 9 is the same as or similar to the structure and function of the blade 200A of FIG. 2, and the structure and function of the measuring device 300A of FIG. 9 is the measuring device 300A of FIG. 2.
  • the structure and function of each of the actuators 600-1, 600-2, and 600-3 of FIG. 9 are similar to those of the actuators 600-1, 600-2, and 600-3 of FIG. ) Is similar in structure and function.
  • the memory 400B of FIG. 9 corresponds to the memory 400A of FIG. 2
  • the controller 500B of FIG. 9 corresponds to the controller 500A of FIG. 2.
  • the memory 400B may store the fluid dynamics simulation program 430.
  • the controller 500B may read the hydrodynamic simulation program 430 from the memory 400B and execute the read hydrodynamic simulation program 430.
  • the controller 500B may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, or CTRL3 corresponding to the measured value MSR output from the measuring device 300A using the fluid dynamics simulation program 430. .
  • the energy conversion device 100B for converting the mechanical energy obtained from the fluid flow into electrical energy measures the blade 200A and the response of the blade when the fluid flow is applied to the blade 200A with an external force, At least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 using one or more measurement values corresponding to the result using the measurement device 300A and one or more measurement values output from the measurement device 300A.
  • the fluid dynamics simulation program may mean firmware, software, a program, or a simulation program.
  • the memory 400B may store a fluid dynamics simulation program, such as a computational fluid dynamics (CFD) program, or finite element method (FEM) software.
  • the controller 500B executes the CFD program 430 stored in the memory 400B, and causes the CFD program 430 to use at least one control signal (1) by using one or more measurement values output from the measuring device 300A.
  • CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 are examples of a fluid dynamics simulation program.
  • the memory 400B may further store any one of the lookup tables LUT1 to LUT6 described with reference to FIGS. 3 to 8 in addition to the fluid dynamics simulation program 430.
  • the controller 500B includes at least one of weather information around the energy conversion device 100B, topographic information of a place where the energy conversion device 100B is installed, and position information on a location where the energy conversion device 100B and another energy conversion device are installed.
  • the fluid dynamics simulation program 430 may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 using the at least one and one or more measured values output from the measuring device 300A.
  • the fluid dynamics simulation program 430 may use at least one of the lookup tables LUT1 to LUT6 stored in the memory 400B and one or more measurement values output from the measurement device 300A. Control signals CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 may be generated.
  • Each of the measurement devices included in the measurement device 300A may measure the position of one of the measurement objects described above with reference to FIG. 4 and the blade 200A, and generate measurement values corresponding to the measurement result.
  • the controller 500B or the fluid dynamics simulation program 430 may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3 using the measured values output from the measuring devices.
  • Each actuator 600-1, 600-2, and 600-3 responds to each control signal CTRL1, CTRL2, and CTRL3 to control the pitch angle of the blade 200A, control of the leading edge 210, and trailing. By controlling the edge 230, the three-dimensional shape of the blade 200A may be modified.
  • the energy conversion system 10 of FIG. 10 may be an energy harvesting system that includes a plurality of energy conversion devices (eg, wind generators) 100-1 and 100-2.
  • the energy conversion system 10 may be an embodiment of a wind farm, which may refer to a group of wind turbines (or wonder blades) used to produce electricity.
  • the energy harvesting system or the energy conversion system 10 may include a first wind power generator 100-1, a second wind power generator 100-2, and a measuring device 20.
  • the measuring device 20 refers to a device capable of measuring wind and wind speed.
  • the measurer 20 may measure wind power, generate wind power values WIND, and transmit the generated wind power values WIND to the controller 50.
  • weather information (or weather signal) output from the satellite or the lighthouse may be transmitted to the receiver 70.
  • each wind generator 100-1 and 100-2 includes a tower, a rotor, a nacelle, and a plurality of blades, each of the plurality of blades having at least one leading edge and / or at least one trailing edge. It may include.
  • Each actuator 600-1, 600-2, for controlling the pitch angle, each leading edge 210, and each trailing edge 230 of each blade of each wind generator 100-1 and 100-2, and 600-3, collectively 60, may be included in each wind generator 100-1 and 100-2.
  • the control center for controlling the operation of each wind generator 100-1 and 100-2 includes a memory 40, a controller 50, and a receiver 70.
  • the first wind power generator 100-1 includes the first blades 200-1 and the first actuators, each of the first actuators being the actuators 600-1, 600-2, and 600-3, respectively.
  • Corresponding to the first actuators 600-1, 600-2, and 600-3 correspond to and collectively correspond to the control signals CTRL1, CTRL2, and CTRL3 output from the controller 50.
  • the three-dimensional shape of each of the first blades 200-1 may be modified by controlling the pitch angle, the leading edge, and the trailing edge of each of the first blades 200-1 in response to each of the CTRL.
  • the second wind power generator 100-2 includes the second blades 200-2 and the second actuators, each of the second actuators being the actuators 600-1, 600-2, and 600-3, respectively.
  • Corresponding to the second actuators 600-1, 600-2, and 600-3 correspond to and collectively correspond to the control signals CTRL1, CTRL2, and CTRL3 output from the controller 50.
  • the three-dimensional shape of each of the second blades 200-2 may be modified by controlling the pitch angle, the leading edge, and the trailing edge of each of the second blades 200-2.
  • the memory 40 may store a control object and a control value corresponding to the input value to be described with reference to FIG. 11.
  • the controller 50 reads a first control value among control values stored in the memory 40 in response to the wind power value WIND output from the measuring device 20, and controls the control signal CTRL in response to the read first control value.
  • At least one of the first actuators may deform at least one three-dimensional shape of the first blades 200-1 in response to the control signal CTRL output from the controller 50.
  • Each of the control values stored in the memory includes weather information around each wind generator 100-1 and 100-2, topographic information of a place where each wind generator 100-1 and 100-2 is installed, and each wind generator 100-. 1 and 100-2 have different values according to at least one of the location information on the installed location.
  • the controller 50 may store the weather information, the terrain information, and / or the location information received through the receiver 70 in the memory 40.
  • One of the first actuators may modify the three-dimensional shape of each of the first blades 200-1 by adjusting the pitch angle of each of the first blades 200-1 in response to the control signal CTRL.
  • the other of the first actuators may open or close a leading edge in response to a control signal CTRL, a gap between the leading edge and each of the first blades 200-1, and the leading edge and the first blade.
  • the three-dimensional shape of each of the first blades 200-1 may be modified by adjusting at least one of the angles ANG1 between the fields 200-1.
  • Another one of the first actuators may open or close a trailing edge in response to a control signal CTRL, a gap between the trailing edge and each of the first blades 200-1, and the trailing edge.
  • three-dimensional shapes of each of the first blades 200-1 may be modified by adjusting at least one of angles between the first blades 200-1 and each of the first blades 200-1.
  • FIG. 11 illustrates an embodiment of control objects and control values stored in the memory illustrated in FIG. 10. 10 and 11, the wind power value, the input value, and the control object and the control value may be stored in the memory 40. According to embodiments, the control target and the control value corresponding to the wind power value, location information, terrain information, and weather information may be stored in the memory 40 in the form of a seventh look-up table LUT7.
  • the controller 50 determines the measured value WIND1 and the input values T1-2, W1-4, and P1.
  • the eighth leading edge control value LE3-8, and / or the eighth trailing edge control value TE3-8 may be read, selected, or retrieved as the control values CTV.
  • the controller 50 may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3, collectively CTRL, in response to the retrieved control values CTV. Therefore, the at least one first actuator may control at least one of the pitch angle, the leading edge, and the trailing edge of the first blade 200-1.
  • the controller 50 determines the measured value WIND1 and the input values T1-1, W1-1, and P1.
  • the first leading edge control value LE3-1, and / or the first trailing edge control value TE3-1 may be read, selected, or retrieved as the control values CTV.
  • the controller 50 may generate at least one control signal CTRL1, CTRL2, and / or CTRL3, collectively CTRL, in response to the retrieved control values CTV. Accordingly, the at least one first actuator may control at least one of the pitch angle, the leading edge, and the trailing edge of the first blade 200-1.
  • FIG. 12 illustrates a conceptual diagram of an energy conversion system according to embodiments of the present invention. Except for the meter 20, the structure and operation of the energy conversion system 10-1 of FIG. 12 are the same as or similar to the structure and operation of the energy conversion system 10 of FIG. 10.
  • control values stored in the memory 40-1 do not include the wind power value WIND measured from the meter 20.
  • the controller 50 through the receiver 70, weather information around each of the wind generators 100-1 and 100-2, terrain information of a place where each wind generator 100-1 and 100-2 is installed, and each wind power. At least one (INV) may be received from the position information on a location where the generators 100-1 and 100-2 are installed, and at least one INV may be stored in the memory 40-1.
  • the controller 50 uses a plurality of control values PA3-1 to PA3 stored in the memory 40 using input values T1-1, W1-1, and P1-1.
  • the control value TE3-1 may be read, selected, or retrieved as the control values CTV.
  • FIG. 16 is a flow chart illustrating the operation of the energy conversion device shown in FIG. 1, 2, or 9. 1, 2, 9, and 16, a method of operating the energy conversion device 100 for converting mechanical energy obtained from a fluid flow into electrical energy is measured by the measuring device 300.
  • the flow is applied to the blade 200 by an external force, it measures the response of the blade 200, and generates a measurement value corresponding to the measurement result (S110).
  • the controller 500 reads a first control value from among control values stored in the memory 400 in response to the measured value output from the measuring device 300, and uses the first control value to generate a control signal CTRL. It generates (S130).
  • the actuator 600 deforms the three-dimensional shape of the blade 200 in response to the control signal CTRL output from the controller 500 (S150).
  • Each of the control values stored in the memory 400 includes weather information around the energy conversion device 100, terrain information of a location where the energy conversion device 100 is installed, and a location where the energy conversion device 100 and other energy conversion devices are installed. It has different values according to at least one of the location information for.
  • FIG. 17 is a flow chart illustrating the operation of the energy conversion system shown in FIG. 10 or 12. 10, 12, and 17, the controller 50 receives at least one of weather information, terrain information, and location information through the receiver 70, and stores the received at least one memory 40 or 40. -1) to store it (S210).
  • the controller 50 reads a first control value among control values stored in the memory 40 or 40-1 in response to the at least one, and generates a control signal CTRL using the read first control value ( S230).
  • the actuator 60 deforms the three-dimensional shape of the blade in response to the control signal CTRL output from the controller 50 (S250).
  • the energy conversion device 100 for converting mechanical energy obtained from a fluid flow (or flow of fluid) into electrical energy includes a blade 200 or 200A, measuring devices. 300, memory 400, controller 500, and actuator 600.
  • the measuring devices 300 measure the response of the blades 200 or 200A when the fluid flow is exerted on the blades 200 or 200A and generate measurements corresponding to the results of the measurements.
  • the memory 400 includes first values representing an internal environment of the energy conversion device 100 and second values representing an external environment of the energy conversion device 100. Stores control values corresponding to a combination of the two values.
  • the controller 500 reads any one of the control values from the memory 400 in response to the measured values output from the measuring devices 300, and in response to the one of the read control values. Generate a control signal CTRL.
  • the actuator 600 deforms the three-dimensional shape of the blade 200 or 200A in response to the control signal CTRL output from the controller 500.
  • the memory 400 may be a cache memory embedded in the controller 500.
  • the internal environment includes the position information of the blade 200 or 200A, the cumulative amount of generation of the energy conversion device 100, the cumulative fatigue life of the blade 200 or 200A, the cumulative amount of ultraviolet light of the blade 200 or 200A, and the blade 200. Or at least one of the remaining lifespan of 200A), but is not limited thereto.
  • the measurement object described with reference to FIGS. 3 to 8 may also be included in the internal environment.
  • the controller 500 or 500A may update each of the control values stored in each lookup table LUT1 to LUT7 by using the internal environment of the energy conversion device 100.
  • the controller 500 or 500A may include predictive diagnosis technology, artificial intelligence (AI) technology, context awareness computing technology, cumulative power production of the energy conversion device 100, or energy.
  • AI artificial intelligence
  • Each of the control values stored in each of the lookup tables LUT1 to LUT7 may be updated using the result of monitoring the state of the component of the converter 100.
  • the external environment may include first location information about a first location where the energy conversion device 100 is installed, second location information about a second location where the energy conversion device 100 and another energy conversion device are installed, and the first location. At least one of weather information for at least one of the second locations, and terrain information including the first location information and the second location information.
  • the controller 500 or 500A may update each of the control values stored in each of the lookup tables LUT1 to LUT7 by reflecting the external environment.
  • the structure and operation of the wind power generators 100A, 100B, 100-1, and 100-2 are described as embodiments of the energy conversion device 100.
  • the technical idea of the present invention is as it is in the tidal generator and wave generator. Can be applied.
  • the present invention can be used in an energy conversion device, a wind power generation system including the energy conversion device, and a method of operating the energy conversion device.

Abstract

유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치가 개시된다. 상기 에너지 변환 장치는 블레이드와, 상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정 결과에 해당하는 측정값을 생성하는 측정 장치와, 제어 값들을 저장하는 메모리와, 상기 측정 장치로부터 출력된 상기 측정값에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 상기 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함한다.

Description

에너지 변환 장치, 이를 포함하는 에너지 변환 시스템, 및 이의 작동 방법
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 에너지 변환 장치에 관한 것으로서, 특히 유체 흐름이 터빈에 외력으로 가해질 때 상기 터빈의 반응을 측정하고 측정 결과에 해당하는 측정값을 생성하고, 상기 측정값에 관련된 제어 신호에 기초하여 상기 터빈의 3차원 형상을 변형할 수 있는 에너지 변환 장치와 그 작동 방법, 및 상기 에너지 변환 장치를 포함하는 에너지 변환 시스템을 제공하는 것이다.
에너지 하베스팅(energy harvesting) 이란 풍력, 조력, 또는 파력 등과 같은 자연적인 에너지원으로부터 발생하는 에너지를 전기 에너지로 전환시켜 수확하는 기술을 의미한다.
예컨대, 바람에너지를 풍력 터빈(Wind Turbine) 등의 장치를 이용하여 기계적 에너지로 변환시키고, 이 에너지를 이용하여 발전기를 돌려 전기를 생산하는 풍력 발전기는 수많은 국가에서 전기를 생산하기 위한 수단으로 사용된다.
많은 전기를 생산하기 위해서 풍력 발전기의 블레이드를 제어하면 풍력 발전기에 가해지는 하중이 증가할 수 있고, 풍력 발전기의 개수를 증가시키면 풍력 발전기가 받는 바람의 세기가 감소된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 유체 흐름이 터빈의 외력으로 가해질 때, 상기 외력에 대한 상기 터빈의 반응에 해당하는 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 신호를 이용하여 상기 터빈의 3차원 형상을 변형할 수 있는 에너지 변환 장치와 그 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 에너지 변환 시스템에 관한 것으로서, 에너지 변환 장치의 위치 정보, 상기 에너지 변환 장치를 포함하는 상기 에너지 변환 시스템의 설치된 지역의 지형 정보, 및 상기 지역의 기상 정보를 이용하여 상기 에너지 변환 장치에 포함된 블레이드들 각각의 3차원 형상을 변경할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른, 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치는 블레이드와, 상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정 결과에 해당하는 제1측정값을 생성하는 제1측정 장치와, 제어 값들을 저장하는 메모리와, 상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정값에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 상기 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른, 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치는 블레이드와, 상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정의 결과에 해당하는 제1측정값을 생성하는 측정 장치와, 상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함한다.
상기 에너지 변환 장치는 전산 유체역학(computational fluid dynamics(CFD)) 프로그램을 저장하는 메모리를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 메모리에 저장된 상기 CFD 프로그램을 실행시키고, 상기 CFD 프로그램으로 하여금 상기 제1측정값을 이용하여 상기 제어 신호를 생성하게 한다.
본 발명의 실시 예에 따른, 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치는 블레이드와, 상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정의 결과에 해당하는 측정값들을 생성하는 측정 장치들과, 상기 에너지 변환 장치의 내부 환경을 나타내는 제1값들과 상기 에너지 변환 장치의 외부 환경을 나타내는 제2값들의 조합에 상응하는 제어 값들을 저장하는 메모리와, 상기 측정 장치들로부터 출력된 상기 측정값들에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 어느 하나의 제어 값을 리드하고, 리드된 상기 어느 하나의 제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러와, 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템은 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기와, 제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기와, 풍력을 측정하고 풍력 값을 생성하는 측정기와, 제어 값들을 저장하는 메모리와, 상기 측정기로부터 출력된 상기 풍력 값에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 리드된 제1제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 제1액추에이터는 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형한다.
본 발명의 실시 예에 따른 풍력 발전 시스템은 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기와, 제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기와, 제어 값들을 저장하는 메모리와, 상기 제1풍력 발전기 주변의 기상 정보, 상기 제1풍력 발전기가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 제2풍력 발전기가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신하는 수신기와, 상기 수신기로부터 출력된 상기 적어도 하나에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 선택하고, 상기 제1제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 제1액추에이터는 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형한다.
본 발명의 실시 예에 따른 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치의 작동 방법은 측정 장치가, 상기 유체 흐름이 블레이드에 외력으로 가해질 때, 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정 결과에 해당하는 측정값을 생성하는 단계와, 컨트롤러가, 상기 측정 장치로부터 출력된 상기 측정값에 응답하여 메모리로부터 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 상기 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 단계와, 액추에이터가, 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계를 포함한다.
상기 메모리에 저장된 상기 제어 값들 각각은 상기 에너지 변환 장치 주변의 기상 정보, 상기 에너지 변환 장치가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 에너지 변환 장치와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는다.
본 발명의 실시 예에 따른, 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기와 제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법은 측정기가 풍력을 측정하고 풍력 값을 생성하는 단계와, 컨트롤러가 상기 측정기로부터 출력된 상기 풍력 값에 응답하여 메모리에 저장된 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 리드된 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제1액추에이터가 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계를 포함한다.
상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계는 상기 액추에이터가 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 피치 각, 상기 제1블레이드에 포함된 리딩 에지의 개폐, 또는 상기 제1블레이드에 포함된 트레일링 에지의 개폐를 제어하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형한다.
본 발명의 실시 예에 따른, 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기와 제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법은 컨트롤러가 제어 값들을 메모리에 저장하는 단계와, 수신기가 상기 제1풍력 발전기 주변의 기상 정보, 상기 제1풍력 발전기가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 제2풍력 발전기가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신하는 단계와, 상기 컨트롤러가 상기 수신기로부터 출력된 상기 적어도 하나에 응답하여 상기 메모리에 저장된 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 선택하고, 상기 제1제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 단계와, 상기 제1액추에이터가 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계를 포함한다.
상기 풍력 발전 시스템의 작동 방법은 상기 컨트롤러가 상기 제1풍력 발전기의 누적 발전량을 계산하는 단계와, 상기 컨트롤러가 계산된 누적 발전량에 따라 상기 제어 값들 각각을 업데이트하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 장치는 유체 흐름이 터빈에 외력으로 작용할 때 상기 외력에 대한 상기 터빈의 반응을 측정하고, 측정 결과에 따라 측정값을 생성하고, 상기 측정값에 기초하여 상기 터빈의 3차원 형상을 변형할 수 있는 효과가 있다.
따라서, 상기 에너지 변환 장치는 상기 에너지 변환 장치에 가해지는 하중을 크게 증가시키지 않으면서, 상기 에너지 변환 장치의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 에너지 변환 장치는 다른 에너지 변환 장치의 위치를 나타내는 위치 정보를 이용하여 상기 에너지 변환 장치에 포함된 터빈의 3차원 형상을 변형할 수 있으므로, 상기 에너지 변환 장치에서 사용된 유체 흐름이 상기 다른 에너지 변환 장치로 많이 전달될 수 있으므로, 상기 다른 에너지 변환 장치의 에너지 변환 효율이 향상되는 효과가 있고, 에너지 변환 장치들 사이의 이격 거리를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 장치는 에너지 변환 시스템이 설치된 지역에 대한 지형 정보, 기상 정보, 및 상기 에너지 변환 장치와 다른 에너지 변환 장치의 위치 정보 중에서 적어도 하나를 이용하여 상기 에너지 변환 장치에 포함된 터빈들 각각의 3차원 형상을 변형할 수 있으므로, 상기 에너지 변환 장치가 설치된 주변 환경에 적응적으로 상기 터빈의 에너지 변환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 에너지 변환 장치의 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 3부터 도 8은 도 1 또는 도 2에 도시된 메모리에 저장된 제어 대상들과 제어 값들의 실시 예를 나타낸다.
도 9는 도 1에 도시된 에너지 변환 장치의 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 시스템의 개념도를 나타낸다.
도 11은 도 10에 도시된 메모리에 저장된 제어 대상들과 제어 값들의 실시 예를 나타낸다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 시스템의 개념도를 나타낸다.
도 13은 도 1, 도 2, 도 9, 도 10, 또는 도 12에 도시된 터빈의 구조를 나타낸다.
도 14는 도 1, 도 2, 도 9, 도 10, 또는 도 12에 도시된 터빈에 포함된 리딩 에지(leading edge)를 제어하여 상기 터빈의 3차원 형상을 변형하는 실시 예를 나타낸다.
도 15는 도 1, 도 2, 도 9, 도 10, 또는 도 12에 도시된 터빈에 포함된 트레일링 에지(trailing edge)를 제어하여 상기 터빈의 3차원 형상을 변형하는 실시 예를 나타낸다.
도 16은 도 1, 도 2, 또는 도 9에 도시된 에너지 변환 장치의 작동을 설명하는 플로우 차트이다.
도 17은 도 10 또는 도 12에 도시된 에너지 변환 시스템의 작동을 설명하는 플로우 차트이다.
도 1은 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 장치의 블록도이다. 도 1을 참조하면, 에너지 변환 장치(100)는 터빈(200), 적어도 하나의 측정 장치(300), 메모리(400), 컨트롤러(500), 적어도 하나의 액추에이터(600), 및 수신기(700)를 포함할 수 있다.
예컨대, 에너지 변환 장치(100)는 유체 흐름(fluid flow), 액체(liquid)의 흐름, 유체(fluid)의 흐름, 또는 물질(예컨대, 기체(gas), 입자(particle), 액체 (liquid), 또는 고형 물질(solid body or solid))의 흐름으로부터 획득된 에너지(예컨대, 기계적인 에너지)를 전력(예컨대, 전기적인 에너지)으로 변환할 수 있는 장치를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 유체 흐름은 액체의 흐름, 유체의 흐름, 또는 물질의 흐름을 포함하는 개념으로 넓게 해석될 수 있다.
상기 유체 흐름이란 운동 중인(in motion) 유체(예컨대, 기체, 입자, 액체, 프라즈마, 및/또는 고형 물질을 포함함.)의 움직임을 의미할 수 있다.
상기 유체 흐름이 바람(wind), 조류(tide), 해류(ocean current or sea current), 심층수(deep water), 강물(river water)의 흐름, 파도(wave), 또는 풍랑 (wind wave)일 때, 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 장치(100)는 바람 에너지(wind energy)를 이용한 발전기 또는 바다 에너지(ocean energy)를 이용한 발전기일 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 에너지 변환 장치(100)는 풍력 발전기, 조력 발전기, 또는 파력 발전기일 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에서 설명될 에너지 변환 장치(100)와 이의 작동 방법은 지열 에너지 (geothermal energy)를 이용하는 발전기에 적용될 수 있다. 또한, 터빈(또는 블레이드)의 3차원 형상을 제어하는 본 발명의 기술적 사상은 상기 터빈 (또는 블레이드)를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전기에 적용될 수 있다.
상기 풍력 발전기는 육상(onshore type) 풍력 발전기와 해상(offshore type) 풍력 발전기를 포함할 수 있다. 상기 풍력 발전기는 부유식 해상(floating offshore) 풍력 발전기, 반-잠수식 플로팅(semi-submersible floating) 풍력 발전기를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
풍력 발전(wind power)은 풍력 터빈을 이용하여 바람(또는 풍력)을 전력으로 바꾸는 것을 의미하고, 조력 발전(tidal power)은 바다의 밀물과 썰물의 차이를 이용하여 전력을 생산하는 것을 의미하고, 파력 발전(wave power)은 해수면파(wind wave)에 의한 에너지의 전달 또는 상기 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 것을 의미한다.
터빈(200)은 유체 흐름으로부터 에너지를 뽑아내는 회전 기관(rotary mechanical device)을 의미할 수 있다. 터빈(200)은 유체 흐름에 의해 터빈(200)에 가해지는 외력(external force)에 반응하여 상기 유체 흐름으로부터 획득된 에너지를 전력으로 변환할 수 있는 구조(또는 장치)를 의미할 수 있다.
실시 예들에 따라, 터빈(turbine)은 블레이드(blade), 터빈 블레이드 (turbine blade), 로터 블레이드(rotor blade), 윈드 터빈 로터 블레이드(wind turbine rotor blade), 조류 터빈 블레이드(tidal turbine blade), 또는 풍랑 터빈 블레이드(wind wave turbine blade)를 의미할 수 있다. 에너지 변환 장치(100)는 복수의 터빈들(또는 복수의 블레이드들)을 포함할 수 있다. 예컨대, 터빈(또는 블레이드)은 수직축 풍력 터빈(vertical-axis wind turbine(VAWT)) 블레이드 또는 수평축 풍력 터빈(horizontal axis wind turbine(HAWT)) 블레이드를 넓게 의미할 수 있다.
측정 장치(300)는, 유체 흐름이 터빈(또는 블레이드; 200)에 외력으로 가해질 때, 터빈(또는 블레이드; 200)의 반응(response)을 측정(예컨대, 직접 측정 또는 간접 측정)하고, 측정의 결과에 해당하는 측정값(또는 반응 값)을 생성할 수 있다.
상기 반응 또는 상기 측정값은 터빈(200)의 위치(또는 도 4를 참조하여 설명될 회전 각도), 터빈(200)의 복원력(restoring force), 터빈(200)의 탄성력 (elastic force), 터빈(200)의 공탄성(aeroelastic), 터빈(200)의 피로 하중 (fatigue), 터빈(200)의 진동(vibration), 터빈(200)의 변형력(stress), 터빈(200)의 중력(gravity), 터빈(200)의 부력(buoyancy), 터빈(200)의 회전 속도, 터빈 (200)의 분당 회전수(revolutions per minute(RPM)), 터빈(200)의 피치 각(pitch angle), 터빈(200)의 변형률(strain or strain rate), 터빈(200)의 가속도 (acceleration), 터빈(200)의 자외선량, 터빈(200)의 일사량(insolation), 유체 흐름의 속도(또는 밀도), 터빈(200)의 온도, 및 터빈(200)의 습도 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
측정 장치(300)는 유체 흐름 또는 외력에 대한 터빈(200)의 반응을 측정할 수 있는 장치(또는 센서) 또는 상기 측정값을 생성할 수 있는 장치(또는 센서)를 의미할 수 있다. 측정 장치(300)는 복수의 측정 장치들 또는 복수의 센서들을 집합적으로 나타낼 수 있다. 예컨대, 측정 장치가 제1측정 장치와 제2측정 장치를 포함할 때, 상기 제1측정 장치는 터빈(200)의 복원력을 측정할 수 있고, 상기 제2측정 장치는 터빈의 위치(또는 회전각도)를 측정할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
측정 장치(300)는 전력량계(electricity meter), 전압계, 전류계, 방위 센서 (direction sensor), 관성 센서(inertial sensor), 변형률 센서(strain sensor), 가속도(acceleration) 센서, 중력 가속도 (gravitational acceleration) 센서, 라이더(lidar), 일사계(solarimeter), UV 광도측정계(UV radiometer), 기압계 (barometer), 온도 센서, 습도 센서, 압력 센서, 가속도 센서, 이미지 센서, 광학 카메라, 초고속 카메라, 음파 센서, 초음파 센서(ultrasonic sensor), 음향 검출기, 라만-기반 분포 온도 센서(Raman-based distributed temperature sensor), 유속 측정 센서(water flow sensor), 수압 센서(water pressure sensor), 파고 측정기(wave meter)로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 측정 장치(300)는 방위 센서 또는 관성 센서를 이용하여 터빈(200)의 피치 각을 측정할 수 있고, 변형률 센서를 이용하여 변형률을 측정할 수 있고, 가속도 센서를 이용하여 가속도를 측정할 수 있고, 라이더와 음향 검출기를 이용하여 터빈(200)의 시간 정보와 공간 정보를 측정할 수 있다.
예컨대, 변형률 센서와 가속도 센서 각각은 터빈(200)에 연결되는 로터 (rotor)의 중앙에 위치할 수도 있고, 터빈(200)의 내부 또는 표면에 일정한 간격으로 배치될 수 있다. 예컨대, UV 광도측정계, 일사계, 온도 센서, 및 습도 센서는 로터의 허브의 중앙에 위치할 수 있다.
적어도 하나의 측정 장치(300)는 외력에 대한 터빈(200)의 반응을 측정하고, 측정 결과에 따라 적어도 하나의 측정값을 생성할 수 있다. 상기 측정값은 앞에서 설명한 바와 같이 다양한 값들, 예컨대 유체 흐름에 의해 터빈(200)에 가해지는 풍향, 풍속, 응력(stress), 하중(load), 변위(displacement), 누적 피로 수명 (accumulated fatigue life), 누적 자외선량, 잔여수명(residual life time ratio), 및/또는 전력 생산량을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 상기 변위는 유체 흐름에 의해 터빈(200)이 휘는(banding) 정도를 의미하고, 상기 하중은 도 2에 도시된 타워(120)에 수직으로 전달되는 힘을 의미하고, 상기 누적 피로 수명은 반복적으로 상기 하중을 받는 에너지 변환 장치(100)가 파괴되기까지 상기 하중의 반복 횟수(또는 상기 하중을 받는 시간)를 의미하고, 상기 전력 생산량(또는 발전량)은 에너지 변환 장치(100)의 발전량을 의미할 수 있다.
측정 장치(300)는 터빈(200)의 분당 회전수를 측정하여 터빈(200)에 가해지는 풍향과 풍속을 측정할 수 있고, 터빈(200)의 변형률과 가속도를 측정하여 터빈 (200)의 변위를 측정할 수 있고, 터빈(200)에 가해지는 자외선량과 일사계를 측정하여 터번(200)의 누적 자외선량을 측정할 수 있고, 터빈(200)의 온도와 습도를 측정하여 터빈(200)의 응력과 하중을 측정할 수 있고, 상기 응력과 하중을 이용하여 터빈(200)의 누적 피로 수명을 측정할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서, 측정은 계산을 의미할 수 있다.
풍향과 풍속은 너셀(도 2의 140)에 설치된 풍향계/풍속계를 이용하여 측정될 수 있고, 수신기(700)는 인공위성이나 기상 정보를 제공하는 시스템으로부터 풍향과 풍속에 대한 정보를 포함하는 기상 정보를 수신할 수 있다.
복합 재료로 구성된 터빈(200)은 자외선에 약하므로, 누적 자외선량이 많으면 터빈(200)의 수명이 빨리 감소하고, 터빈(200)의 누적 피로가 증가하면 터빈 (200)이 약해져서 터빈(200)의 변위가 증가할 수 있다. 따라서 컨트롤러(500)는 상기 변위, 상기 누적 자외선량, 및 상기 누적 피로 수명을 이용하여 터빈(200)의 잔여 수명을 계산할 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 장치(300)는 너셀(도 2의 140)에 설치된 풍향계와 풍속계를 이용하여 터빈(200)에 가해지는 풍향과 풍속을 측정할 수 있다.
메모리(400)는 터빈(200)의 3차원 형상을 변형할 수 있는 제어 값들을 저장할 수 있다. 비록, 도 1에서는 메모리(400)가 컨트롤러(500)의 외부에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 메모리(400)는 컨트롤러(500)의 내부에 위치하는 캐시 메모리(cache memory) 또는 데이터 캐시로 대체될 수 있다. 컨트롤러(500)는 외부 또는 내부에 배치된 메모리(400)를 액세스하여 적어도 하나의 측정 장치(300)로부터 측정된 적어도 하나의 측정값(MSR)에 해당하는 적어도 하나의 제어 값(CTV)을 획득할 수 있다. 상기 획득은 리드 작동(read operation) 또는 프리-페치(pre-fetch) 작동에 의해 수행될 수 있다.
예컨대, 측정 장치(300)가 제1측정 장치와 제2측정 장치를 포함한다고 가정한다. 상기 제1측정 장치는 터빈(200)의 복원력, 터빈(200)의 탄성력, 터빈(200)의 공탄성, 터빈(200)의 피로 하중, 터빈(200)의 진동, 터빈(200)의 변형력, 터빈 (200)의 중력, 터빈(200)의 부력, 터빈(200)의 회전 속도, 터빈(200)의 피치 각, 터빈(200)의 변형률, 터빈(200)의 가속도, 터빈(200)의 자외선량, 터빈(200)의 일사량, 터빈(200)에 가해지는 유체 흐름의 속도(또는 밀도), 터빈(200)의 온도, 및 터빈(200) 습도 중에서 적어도 하나를 측정하고 측정 결과에 따라 제1측정 값을 생성할 수 있다.
상기 제2측정 장치는 도 4에 도시된 바와 같이 회전하는 터빈(200)의 위치(또는 회전 각도)를 측정하는 측정 결과에 따라 제2측정 값(BP1 또는 BP2)을 생성한다. 예컨대, 제1위치에서 측정된 측정 값(BP1)은 다른 에너지 변환 장치의 전력 생산에 미치는 영향이 적고, 제2위치에서 측정된 측정 값(BP2)은 다른 에너지 변환 장치의 전력 생산에 미치는 영향이 클 수 있다.
컨트롤러(500)는 상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정 값에 응답하여 메모리(400)에 저장된 제어 값들 중에서 어느 하나의 제어 값(예컨대, 제1제어 값)을 리드 (또는 선택)하고, 제1제어 값(CTV)을 이용하여 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다.
액추에이터(600)는 컨트롤러(500)로부터 출력된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 터빈(200)의 피치 각, 터빈(200)에 부착된 리딩 에지(leading edge), 및/또는 터빈 (200)에 부착된 트레일링 에지(trailing edge)를 제어할 수 있다. 상기 리딩 에지를 제어하는 실시 예는 도 14를 참조하여 설명될 것이고, 트레일링 에지를 제어하는 실시 예는 도 15를 참조하여 설명될 것이다. 즉, 터빈(200)의 3차원 형상은 피치 각, 리딩 에지, 및/또는 트레일링 에지에 의해 정의될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
컨트롤러(500)는 상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정값과 상기 제2측정 장치로부터 출력된 상기 제2측정 값에 응답하여 메모리(400)에 저장된 제어 값들 중에서 다른 하나의 제어 값(예컨대, 제2제어 값)을 리드 (또는 선택)하고, 제2제어 값(CTV)을 이용하여 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다. 이때, 액추에이터 (600)는 컨트롤러(500)로부터 출력된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 터빈(200)의 피치 각, 터빈(200)에 부착된 리딩 에지, 및/또는 터빈(200)에 부착된 트레일링 에지를 제어할 수 있다.
수신기(700)는 에너지 변환 장치(100) 주변의 기상 정보, 에너지 변환 장치 (100)가 설치된 장소의 지형 정보, 및/또는 에너지 변환 장치(100)와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보를 수신하고, 상기 기상 정보, 상기 지형 정보, 및/또는 상기 위치 정보를 컨트롤러(500)로 전송할 수 있다. 컨트롤러 (500)는 상기 기상 정보, 상기 지형 정보, 및/또는 상기 위치 정보에 해당하는 제어 값을 생성하고, 상기 제어 값을 메모리(400)에 저장할 수 있다.
즉, 컨트롤러(500)에 의해 메모리(400)에 저장된 제어 값들 각각은 상기 기상 정보, 상기 지형 정보, 및 상기 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는다. 실시 예들에 따라, 컨트롤러(500)는 프로세서, 마이크로프로세서, CPU, 또는 컴퓨팅 장치를 의미할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 에너지 변환 장치의 실시 예를 나타내는 도면이다. 도 1의 에너지 변환 장치(100)의 일 실시 예인 풍력 발전기(wind power generator; 100A)는 기초(foundation; 110), 타워(tower; 120), 로터(rotor; 130), 나셀(nacelle; 140), 복수의 블레이드들(blades; 200A), 적어도 하나의 측정 장치 (300A), 메모리 (400A), 컨트롤러(500A), 및 적어도 하나의 액추에이터들(600-1, 600-2, 및 600-3)를 포함할 수 있다.
각 블레이드(200A)는 도 1의 터빈(200)에 해당하고, 적어도 하나의 측정 장치(300A)는 도 1의 적어도 하나의 측정 장치(300)에 해당하고, 메모리(400A)는 도 1의 메모리(400)에 해당하고, 컨트롤러(500A)는 도 1의 컨트롤러(500)에 해당하고, 각 액추에이터(600-1, 600-2, 및 600-3)는 도 1의 액추에이터(600)에 해당한다.
본 명세서에서 액추에이터(actuator)는 시스템(예컨대, 에너지 변환 장치, 풍력 발전기, 조력 발전기, 또는 파력 발전기 등) 또는 상기 시스템에 포함된 구성 요소를 움직(moving)이거나 제어(controlling)하는 데 쓰이는 기계 장치의 구성 요소(component of machine)를 의미한다. 예컨대, 액추에이터는 전기식 액추에이터, 유압식 액추에이터, 및 공기압식 액추에이터를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
기초(110)는 해양, 해저, 또는 육지에 설치된다. 타워(120)는 로터(130)와 나셀(130)을 지지하고, 강한 풍속에서 큰 출력을 얻도록 로터(130)와 나셀(130)을 높여주는 역할을 한다.
로터(130)는 풍력 에너지를 기계적인 에너지로 변환하고, 로터(130)의 앞 단에 부착된 로터 허브(rotor hub)는 복수의 블레이드들(200A)을 지지하는 역할을 한다. 각 블레이드(또는 로터 블레이드; 200A)는 바람이 갖고 있는 에너지를 포획하여 로터(130)를 회전시키는 역할을 한다. 나셀(140)은 로터(130)에 의해 생성된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 장치로 구성된다.
각 블레이드(200A)는 적어도 하나의 리딩 에지(leading edge; 210), 적어도 하나의 트레일링 에지(trailing edge), 및 적어도 하나의 측정 장치(300A)를 포함할 수 있다. 도 2에서는 측정 장치(300A)가 각 블레이드(200A)의 표면에 배치되는 실시 예가 도시되었으나, 실시 예들에 따라, 측정 장치(300A)는 각 블레이드(200A)의 내부에 존재할 수 있다.
측정 장치(300A)는, 유체(fluid) 또는 유체 흐름(fluid flow)이 블레이드 (200A)에 외력으로 가해질 때, 상기 외력에 대한 블레이드(200A)의 반응(예컨대, 직접적인 반응 또는 간접적인 반응)을 측정하고 측정 결과에 따라 측정값(MSR)을 생성할 수 있다.
메모리(400A)는 각 측정값(MSR)에 해당하는 각 제어 값을 저장할 수 있다. 상기 각 제어 값은 룩업 테이블(410) 형태로 저장될 수 있고, 메모리(400A)에 저장되는 LUT(410)의 다양한 형태들은 도 3부터 도 8을 참조하여 상세히 설명될 것이다. LUT(410)는 측정값들에 해당하는 제어 값들(CTV)을 저장할 수 있다.
컨트롤러(500A)는 측정 장치(300A)로부터 출력된 측정값(MSR)에 응답하여 메모리(400A)에 저장된 제어 값들 중에서 어느 하나(또는 적어도 하나)의 제어 값 (CTV)을 리드하고, 제어 값(CTV)을 이용하여 제어 신호(CTRL)를 생성할 수 있다.
액추에이터(600-1, 600-2, 또는 600-3)는 컨트롤러(500A)로부터 출력된 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 또는 CTRL3)에 응답하여 블레이드(200A)의 3차원 형상을 변형할 수 있다. 블레이드(200A)의 3차원 형상을 변형할 수 있는 제1액추에이터(600-1)는 제1제어 신호(CTRL1)에 응답하여 블레이드(200A)의 피치 각을 조절하여 블레이드 (200A)의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
도 2와 도 14를 참조하면, 블레이드(200A)는 적어도 하나의 리딩 에지(210)를 포함한다. 제2액추에이터(600-2)는 제2제어 신호(CTRL2)에 응답하여 리딩 에지 (210)의 개폐, 리딩 에지(210)와 블레이드(200A) 사이의 갭(GAP1), 및 리딩 에지 (210)와 블레이드(200A) 사이의 각도(ANG1) 중에서 적어도 하나를 조절할 수 있다. 갭(GAP1)과 각도(ANG1) 중에서 적어도 하나에 따라 블레이드(200A)에 가해지는 유체 흐름의 속도, 유체의 밀도, 및/또는 상기 유체의 방향이 변경될 수 있다.
도 2와 도 15를 참조하면, 블레이드(200A)는 적어도 하나의 트레일링 에지 (230)를 포함한다. 제3액추에이터(600-3)는 제3제어 신호(CTRL3)에 응답하여 트레일링 에지(230)의 개폐, 트레일링 에지(230)와 블레이드(200A) 사이의 갭(GAP2), 및 트레일링 에지(230)와 블레이드(200A) 사이의 각도(ANG2) 중에서 적어도 하나를 조절할 수 있다. 갭(GAP2)과 각도(ANG2) 중에서 적어도 하나에 따라 블레이드 (200A)를 흐르는 유체 흐름의 속도, 유체의 밀도, 및/또는 상기 유체의 방향이 변경될 수 있다.
리딩 에지(210)의 제어 및/또는 트레일링 에지(230)의 제어는 블레이드 (200A)에 가해지는 외력에 대한 블레이드(200A)의 반응을 수치화한 값(예컨대, 측정 값)에 따라 결정될 수 있다.
도 3부터 도 8은 도 1 또는 도 2에 도시된 메모리에 저장된 제어 대상들과 제어 값들의 실시 예를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 측정 장치(300 또는 300A)에 의한 측정되는 측정 대상과 측정값은 풍향 또는 풍속, 변형력(stress) 또는 하중, 변위, 누적 피로 수명, 누적 자외선량, 잔여 수명, 및/또는 전력 생산량일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 측정 대상과 측정값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 대상과 측정값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제1룩업 테이블(lookup table; LUT1) 형태로 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다.
예컨대, 터빈(200) 또는 블레이드(200A)의 변형력이 응답 또는 측정값(MSR)일 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA1, LE1, TE1, PA2, LE2, 및 TE2) 중에서 제1측정 값(MSR=M1)에 해당하는 제1피치 각(PA1), 제1리딩 에지 제어 값(LE1), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값 (TE1)을 제어 값(CTV)으로서 리드(read) 또는 선택할 수 있다. 즉, 컨트롤러(500 또는 500A)는 메모리(400 또는 400A)로부터 제1측정 값(MSR=M1)에 해당하는 제어 값(PA1, LE1, 및/또는 TE1)을 검색할 수 있다.
실시 예로서, 풍력 발전기(200A)의 누적 전력 생산량(PO2)이 측정값 (MSR)일 때, 컨트롤러(500A)는 메모리(400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA1, LE1, TE1, PA2, LE2, 및 TE2) 중에서 제2측정 값(MSR=PO2)에 해당하는 제2피치 각(PA2), 제2리딩 에지 제어 값(LE2), 및/또는 제2트레일링 에지 제어 값(TE2)을 제어 값 (CTV)으로서 리드 또는 선택할 수 있다. 즉, 컨트롤러(500A)는 메모리(400A)로부터 제2측정 값(MSR=PO2)에 해당하는 제어 값(PA2, LE2, 및/또는 TE2)을 검색할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 측정 장치(300 또는 300A) 또는 센서의 타입(또는 측정 대상)을 판단하고, 판단의 결과에 따라 제어 대상들(예컨대, 피치 각, 리딩 에지, 및 트레일링 에지) 중에서 몇 개의 제어 대상(들)을 제어할지 결정할 수 있다.
풍속이 셀수록 풍력 발전기(100A)의 발전량은 증가하지만, 풍력 발전기 (100A)에 가해지는 하중은 증가하므로, 제1룩업 테이블(LUT1)은 풍속과 하중을 고려하여 풍력 발전기(100A)의 최대 발전량을 제어하기 위한 제어 값들을 포함할 수 있다. 예컨대, 풍향과 풍속이 제1 값(M1)이고, 응력과 하중이 제2 값(L1)이고, 변위가 제3 값(D1)이고 누적 피로 수명이 제4 값(F1)이고, 누적 자외선량이 제 5값 (U1)이고, 잔여 수명이 제6 값(R1)이고, 전력 생산량이 제7 값(PO1)일 때, 컨트롤러(500A)는 제1피치 각(PA1), 제1리딩 에지 제어 값(LE1), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값(TE1)을 제어 값(CTV)으로서 출력할 수 있다.
즉, 컨트롤러(500 또는 500A)는 하나의 측정 장치로부터 출력된 측정값 또는 복수의 측정 장치들로부터 출력된 측정값들을 이용하여 하나의 제어 값 또는 복수의 제어 값들을 메모리(400 또는 400A)로부터 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1측정 장치에 의한 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 복원력, 탄성력, 공탄성, 피로 하중, 진동, 변형력, 중력, 부력, 회전 속도, 피치 각, 변형률, 가속도, 자외선량, 일사량, 풍속, 온도, 및/또는 습도이고, 제2측정 장치에 의해 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 위치라고 가정하나 이에 한정되는 것은 아니다. 앞에서 설명한 바와 같이, 비록 도 1과 도 2에서는 하나의 측정 장치(300 또는 300A)가 도시되어 있으나, 각 측정 장치(300 또는 300A)는 하나 또는 그 이상의 측정 장치들(또는 센서들)을 집합적으로 나타낸다. 따라서 각 측정 장치(300 또는 300A)는 제1측정 장치와 제2측정 장치를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
측정 대상과 측정값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 대상과 측정값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제2룩업 테이블(LUT2) 형태로 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 예컨대, 제1측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 변형력이 측정되고 제2측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 위치가 측정될 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 측정값들(M1과 BP1)에 응답하여 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA1-1, PA1-2, LE1-1, LE1-2, TE1-1, 및 TE1-2) 중에서 측정값들 (M1과 BP1)에 해당하는 제1피치 각(PA1-1), 제1리딩 에지 제어 값(LE1-1), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값(TE1-1)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
예컨대, 제1측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 변형률이 측정되고 제2측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 위치가 측정될 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 측정값들(M1과 BP2)에 응답하여 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA1-1, PA1-2, LE1-1, LE1-2, TE1-1, 및 TE1-2) 중에서 측정값들 (M1과 BP2)에 해당하는 제2피치 각(PA1-2), 제2리딩 에지 제어 값(LE1-2), 및/또는 제2트레일링 에지 제어 값(TE1-2)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 액추에이터(600-1, 600-2, 및/또는 600-3)는 블레이드(200 또는 200A)의 피치 각, 리딩 에지(210), 및 트레일링 에지(230) 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다. 이에 따라, 블레이드(200 또는 200A)의 3차원 형상은 변경된다.
도 5를 참조하면, 제1측정 장치에 의한 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 복원력, 탄성력, 공탄성, 피로 하중, 진동, 변형력, 중력, 부력, 회전 속도, 피치 각, 변형률, 가속도, 자외선량, 일사량, 풍속, 온도, 및/또는 습도이고, 제2측정 장치에 의해 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 위치이고, 에너지 변환 장치(100 또는 100A)의 누적 전력 생산량은 참조 값이라고 가정하나 이에 한정되는 것은 아니다. 전력 생산량은 제3측정 장치에 의해 측정되고, 누적 전력 생산량은 컨트롤러(500 또는 500A)에 의해 메모리 (400 또는 400A)에 누적된다고 가정한다.
앞에서 설명한 바와 같이, 비록 도 1과 도 2에서는 하나의 측정 장치(300 또는 300A)가 도시되어 있으나 각 측정 장치(300 또는 300A)는 하나 또는 그 이상의 측정 장치들을 집합적으로 나타낸다. 따라서 각 측정 장치(300 또는 300A)는 제1측정 장치, 제2측정 장치, 및 제3측정 장치를 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
측정 대상과 측정값, 및 참조 값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 메모리 (400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 대상과 측정값, 및 참조 값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제3룩업 테이블(LUT3) 형태로 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다.
예컨대, 제1측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 변형력이 측정되고 제2측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 위치가 측정되고, 누적 전력 생산량이 제1 값(PO1-1)을 가질 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 측정값들(M2과 BP1)과 참조값(PO1-1)을 이용하여 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA1-3~PA1-6, LE1-3~LE1-6, 및 TE1-3~TE1-6) 중에서 제1피치 각(PA1-2), 제1리딩 에지 제어 값(LE1-3), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값(TE1-3)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 액추에이터(600-1, 600-2, 및/또는 600-3)는 블레이드(200 또는 200A)의 피치 각, 리딩 에지(210), 및 트레일링 에지(230) 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
도 6을 참조하면, 제1측정 장치에 의한 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 복원력, 탄성력, 공탄성, 피로 하중, 진동, 변형력, 중력, 부력, 회전 속도, 피치 각, 변형률, 가속도, 자외선량, 일사량, 풍속, 온도, 및/또는 습도이고, 제2측정 장치에 의해 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 위치이고, 지형 정보, 기상 정보, 및 위치 정보 중에서 적어도 하나는 참조 값이라고 가정하나 이에 한정되는 것은 아니다. 컨트롤러(500 또는 500A)는 수신기(700)를 통해 상기 지형 정보, 상기 기상 정보, 및 상기 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신하고, 수신된 정보를 메모리(400 또는 400A)에 저장한다.
측정 대상과 측정값, 및 참조 값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 메모리 (400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 대상과 측정값, 및 참조 값에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제4룩업 테이블(LUT4) 형태로 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다.
상기 지형 정보는 에너지 변환 장치(100 또는 100A)가 설치된 지형 (topograph 또는 geographical features)에 대한 정보를 포함하고, 상기 기상 정보 (weather information)는 에너지 변환 장치(100 또는 100A)가 설치된 장소의 기상 정보를 포함하고, 상기 위치 정보는 에너지 변환 장치(100 또는 100A)가 설치된 위치에 대한 정보 및/또는 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 정보를 포함한다.
예컨대, 제1측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 탄성력이 측정되고 제2측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 위치가 측정되고, 지형 정보, 기상 정보, 및 위치 정보 중에서 적어도 하나가 제2 값(ECP2)을 가질 때, 컨트롤러 (500 또는 500A)는 측정값들(M3과 BP2)과 참조 값(ECP2)을 이용하여 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA1-7~PA1-10, LE1-7~LE1-10, 및 TE1-7~TE1-10) 중에서 제4피치 각(PA1-10), 제4리딩 에지 제어 값(LE1-10), 및/또는 제4트레일링 에지 제어 값(TE1-10)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 액추에이터(600-1, 600-2, 및/또는 600-3)는 블레이드(200 또는 200A)의 피치 각, 리딩 에지(210), 및 트레일링 에지(230) 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1측정 장치에 의한 측정되는 측정 대상과 측정값은 블레이드(200 또는 200A)의 복원력, 탄성력, 공탄성, 피로 하중, 진동, 변형력, 중력, 부력, 회전 속도, 피치 각, 변형률, 가속도, 자외선량, 일사량, 풍속, 온도, 및/또는 습도이고, 제2측정 장치에 의해 측정되는 측정 대상과 측정값은 부품의 상태이고, 지형 정보, 기상 정보, 및 위치 정보 중에서 적어도 하나는 참조 값이라고 가정하나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 부품은 블레이드(200 또는 200A), 로터 (130)에 포함된 적어도 하나의 구성 요소(component), 나셀(140)에 포함된 적어도 하나의 구성 요소, 및/또는 타워(120)에 포함된 적어도 하나의 구성 요소를 의미할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
측정 대상과 측정값, 위치 정보, 지형 정보, 기상 정보, 및 부품 상태에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 대상과 측정값, 위치 정보, 지형 정보, 기상 정보, 및 부품 상태에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제5룩업 테이블(LUT5) 형태로 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다.
예컨대, 제1측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 진동이 측정되고 제2측정 장치에 의해 부품의 상태가 측정될 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 측정값들(MV1과 S1)과 참조 값들(P1, T1, 및 W1)을 이용하여 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA3, PA4, LE3, LE4, TE3, 및 TE4) 중에서 제1피치 각 (PA3), 제1리딩 에지 제어 값(LE3), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값(TE3)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 액추에이터(600-1, 600-2, 및/또는 600-3)는 블레이드(200 또는 200A)의 피치 각, 리딩 에지(210), 및 트레일링 에지(230) 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
도 8을 참조하면, 측정 대상과 측정값, 위치 정보, 지형 정보, 및 기상 정보에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 측정 대상과 측정값, 위치 정보, 지형 정보, 및 기상 정보에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제6룩업 테이블(LUT6) 형태로 메모리(400 또는 400A)에 저장될 수 있다.
예컨대, 제1측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 분당 회전속도가 측정되고 제2측정 장치에 의해 블레이드(200 또는 200A)의 위치가 측정될 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 측정값들(MV3과 BP2)과 참조 값들(T1-4, W1-7, 및 P1-2)을 이용하여 메모리(400 또는 400A)에 저장된 복수의 제어 값들(PA3-1~PA3-16, LE3-1~LE3-16 및 TE3-1~TE3-16) 중에서 제14피치 각(PA3-14), 제14리딩 에지 제어 값 (LE3-14), 및/또는 제14트레일링 에지 제어 값(TE3-14)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 액추에이터(600-1, 600-2, 및/또는 600-3)는 블레이드(200 또는 200A)의 피치 각, 리딩 에지(210), 및 트레일링 에지(230) 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
도 3부터 도 8을 참조하여, 각 룩업 테이블(LUT1~LUT6, 집합적으로 LUT)에 저장되는 측정 대상과 측정값, 참조 값, 및 제어 대상과 제어 값이 설명되었으나, 컨트롤러(500 또는 500A)는 각 룩업 테이블(LUT1~LUT6)에 저장되지 않은 값은 인접하는 제어 값들을 보간(interpolate)하여 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3, 집합적으로 CTRL)를 생성할 수 있다. 예컨대, 도 2와 도 3을 참조하면, 측정 값(MSR)이 측정값들(M1과 M2) 사이에 존재할 때, 컨트롤러(500 또는 500A)는 측정값들(M1과 M2)에 해당하는 피치 각들(PA1과 PA2)을 검색하고, 피치 각들(PA1과 PA2)을 보간하여 제1제어 신호(CTRL1)를 생성할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 제1액추에이터(600-1)는 제1제어 신호(CTRL1)에 기초하여 블레이드(200A)의 피치 각을 조절할 수 있다.
피치 각은 블레이드(200A)에 발생하는 양력을 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 예컨대, 풍속이 증가하면 블레이드(200A)에 발생하는 양력이 증가하여 풍력 발전기(100A)의 발전량이 증가하지만 풍력 발전기(100A)에 가해지는 하중도 증가하므로, 상기 하중을 줄여 상기 발전량을 일정하게 유지시키기 위해, 바람을 받는 블레이드(200A)의 면적을 줄여주는 방향으로 피치 각은 조절될 수 있다.
도 2와 도 14를 참조하면, 제2액추에이터(600-2)는 제2제어 신호(CTRL2)에 응답하여 리딩 에지(210)의 개폐(open and shut), 리딩 에지(210)와 블레이드 (200A) 사이의 갭(GAP1), 또는 리딩 에지(210)와 블레이드(200A) 사이의 각도(ANG1)를 조절하여 블레이드(200A)의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
풍력 발전기(100A)가 바람이 많이 불지 않는 지역에 위치할 때, 리딩 에지 (210)가 열리면 벤추리 효과(venturi effect)에 의해 리딩 에지(210)와 블레이드 (200A) 사이의 유체 흐름의 밀도가 증가하고 블레이드(200A)가 받는 압력이 증가하므로 양력(lift force)이 증가한다. 따라서 블레이드(200A)의 회전 속도가 증가하므로, 리딩 에지(210)는 풍력 발전기(100A) 주위의 바람을 많이 모이게 하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 리딩 에지(210)가 많이 열수록 풍력 발전기(100A) 또는 블레이드(200A)의 하중은 감소하는 효과가 있다. 따라서, 피치 각이 조절될 때와는 달리 양력이 증가하면 풍력 발전기(100A) 또는 블레이드(200A)의 하중은 감소한다.
도 2와 도 15를 참조하면, 제3액추에이터(600-3)는 제3제어 신호(CTRL3)에 기초하여 트레일링 에지(230)의 개폐, 트레일링 에지(230)와 블레이드(200A) 사이의 갭(GAP2), 또는 트레일링 에지(230)와 블레이드(200A) 사이의 각도(ANG2)를 조절하여 블레이드(200A)의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
유체의 속력이 빠를수록 블레이드(200A)에서 생성되는 난류(turbulence)는 증가한다. 트레일링 에지(230)는 난류를 감소시키고 후류(propeller wash, wake stream, 또는 slip stream)의 방향을 다른 풍력 발전기로 향하도록 수 있다. 따라서, 상기 다른 풍력 발전기의 에너지 변환 효율은 증가하는 효과가 있다.
도 2에는 4개의 트레일링 에지들(230)이 도시되어 있으나 본 발명의 기술적 사상은 트레일링 에지들(230)의 배치와 개수에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 2에는 1개의 리딩 에지(210)가 도시되어 있으나 본 발명의 기술적 사상은 리딩 에지 (210)의 배치와 개수에 한정되는 것은 아니다.
도 13은 도 1, 도 2, 도 9, 도 10, 또는 도 12에 도시된 터빈의 구조를 나타낸다. 도 13에 도시된 바와 같이, 블레이드(200A)는 탈부착 가능한(attachable and detachable) 복수의 부분들(parts; A, B, C, 및 D)을 포함하고, 각 부분(A, B, C, 및 D)은 공기보다 가벼운 기체 또는 블레이드(200A)에 외력으로 작용하는 유체(공기 또는 물)의 밀도보다 작은 밀도를 갖는 물질)을 저장하는 밀폐 공간(closed space; a, b, c, 및 d)을 포함할 수 있다.
따라서, 각 밀폐 공간(a, b, c, 및 d)이 블레이드(200A)에 구현됨에 따라, 블레이드(200A)의 무게는 감소하므로, 풍력 발전기(100A)에 가해지는 하중은 감소하는 효과가 있다. 각 밀폐 공간(a, b, c, 및 d)은 상기 기체 또는 상기 물질을 주입하기 위한 주입구(250-1, 250-3, 250-5, 및 250-7)를 포함할 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 에너지 변환 장치의 다른 실시 예를 나타내는 도면이다. 도 9를 참조하면, 도 1의 에너지 변환 장치(100)의 다른 실시 예에 따른 풍력 발전기(100B)는 블레이드(200A), 측정 장치(300A), 메모리(400B), 컨트롤러(500B), 및 액추에이터들(600-1, 600-2, 및 600-3)를 포함할 수 있다.
도 9의 블레이드(200A)의 구조와 기능은 도 2의 블레이드(200A)의 구조와 기능과 동일 또는 유사하고, 도 9의 측정 장치(300A)의 구조와 기능은 도 2의 측정 장치(300A)의 구조와 기능과 유사하고, 도 9의 각 액추에이터(600-1, 600-2, 및 600-3)의 구조와 기능은 도 2의 각 액추에이터(600-1, 600-2, 및 600-3)의 구조와 기능과 유사하다. 도 9의 메모리(400B)는 도 2의 메모리(400A)에 대응되고, 도 9의 컨트롤러(500B)는 도 2의 컨트롤러(500A)에 대응된다.
메모리(400B)는 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)을 저장할 수 있다. 컨트롤러(500B)는 메모리(400B)로부터 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)을 읽어오고, 읽어온 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)을 실행시킬 수 있다. 컨트롤러 (500B)는 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)을 이용하여 측정 장치(300A)로부터 출력된 측정값(MSR)에 해당하는 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및또는 CTRL3)를 생성할 수 있다.
유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치(100B)는 블레이드(200A)와, 상기 유체 흐름이 블레이드(200A)에 외력으로 가해질 때 블레이드의 반응을 측정하고, 측정의 결과에 해당하는 하나 또는 그 이상의 측정값들을 측정 장치(300A)와, 측정 장치(300A)로부터 출력된 하나 또는 그 이상의 측정값들을 이용하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/ 또는 CTRL3)를 생성하는 컨트롤러(500B)와, 컨트롤러(500B)로부터 출력된 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/ 또는 CTRL3)에 응답하여 블레이드(200A)의 3차원 형상을 변형하는 적어도 하나의 액추에이터(600-1, 600-2, 및/또는 600-3)를 포함한다. 여기서, 유체 역학 시뮬레이션 프로그램은 펌웨어, 소프트웨어, 프로그램, 또는 시뮬레이션 프로그램을 의미할 수 있다.
메모리(400B)는 유체 역학 시뮬레이션 프로그램, 예컨대 전산 유체역학 (computational fluid dynamics(CFD)) 프로그램, 또는 FEM(finite element method) 소프트웨어를 저장할 수 있다. 컨트롤러(500B)는 메모리(400B)에 저장된 CFD 프로그램(430)을 실행시키고, CFD 프로그램(430)으로 하여금 측정 장치(300A)로부터 출력된 하나 또는 그 이상의 측정값들을 이용하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/ 또는 CTRL3)를 생성하도록 할 수 있다.
메모리(400B)는 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430) 이외에 도 3부터 도 8을 참조하여 설명된 룩업 테이블들(LUT1~LUT6) 중에서 어느 하나를 더 저장할 수 있다.
컨트롤러(500B)는 에너지 변환 장치(100B) 주변의 기상 정보, 에너지 변환 장치(100B)가 설치된 장소의 지형 정보, 및 에너지 변환 장치(100B)와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신기(700)를 통해 수신할 수 있다. 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)은 상기 적어도 하나와 측정 장치(300A)로부터 출력된 하나 또는 그 이상의 측정값들을 이용하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/ 또는 CTRL3)를 생성할 수 있다. 실시 예들에 따라 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)은 메모리(400B)에 저장된 룩업 테이블들 (LUT1~LUT6) 중에서 어느 하나와 측정 장치(300A)로부터 출력된 하나 또는 그 이상의 측정값들을 이용하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/ 또는 CTRL3)를 생성할 수 있다.
측정 장치(300A)에 포함된 측정 장치들 각각은 도 4를 참조하여 설명된 측정 대상들 중에서 어느 하나와 블레이드(200A)의 위치를 측정하고, 측정 결과에 해당하는 측정값들을 생성할 수 있다. 컨트롤러(500B) 또는 유체 역학 시뮬레이션 프로그램(430)은 상기 측정 장치들로부터 출력된 측정값들을 이용하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3)를 생성할 수 있다.
각 액추에이터(600-1, 600-2, 및 600-3)은 각 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및 CTRL3)에응답하여 블레이드(200A)의 피치 각, 리딩 에지(210)의 제어, 및 트레일링 에지(230)의 제어하여 블레이드(200A)의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 시스템의 개념도를 나타낸다. 도 10의 에너지 변환 시스템(10)은 복수의 에너지 변환 장치들(예컨대, 풍력 발전기들; 100-1과 100-2)을 포함하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 시스템일 수 있다. 에너지 변환 시스템(10)은 원드 팜(wind farm)의 실시 예일 수 있고, 상기 윈드 팜은 전기를 생산하기 위해 사용되는 윈드 터빈들(또는 원드 블레이드들)의 그룹을 의미할 수 있다.
도 10을 참조하면, 에너지 하베스팅 시스템 또는 에너지 변환 시스템(10)은 제1풍력 발전기(100-1), 제2풍력 발전기(100-2), 및 측정기(20)를 포함할 수 있다. 측정기(20)는 풍력과 풍속을 측정할 수 있는 장치를 의미한다.
측정기(20)는 풍력을 측정하고 풍력 값(WIND)을 생성하고, 생성된 풍력 값(WIND)을 컨트롤러(50)로 전송할 수 있다. 실시 예들에 따라, 인공위성이나 등대로부터 출력된 기상 정보(또는 기상 신호)는 수신기(70)로 전송될 수 있다.
측정 장치(300A) 대신에 측정기(20)가 설치된 것을 제외하면, 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)의 구조는 도 2 또는 도 9에 도시된 풍력 발전기(100A 또는 100B)의 구조와 동일 또는 유사하다. 즉, 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)는 타워, 로터, 나셀, 및 복수의 블레이드들을 포함하고, 상기 복수의 블레이드들 각각은 적어도 하나의 리딩 에지 및/또는 적어도 하나의 트레일링 에지를 포함할 수 있다.
각 풍력 발전기(100-1과 100-2)의 각 블레이드의 피치 각, 각 리딩 에지 (210), 및 각 트레일링 에지(230)를 제어하기 위한 각 액추에이터(600-1, 600-2, 및 600-3, 집합적으로 60)는 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)에 포함될 수 있다.
각 풍력 발전기(100-1과 100-2)의 작동을 제어하는 제어 센터는 메모리(40), 컨트롤러(50), 및 수신기(70)를 포함한다.
제1풍력 발전기(100-1)는 제1블레이드들(200-1)과 제1액추에이터들을 포함하고, 제1액추에이터들 각각은 액추에이터들(600-1, 600-2, 및 600-3) 각각에 대응되고, 제1액추에이터들(600-1, 600-2, 및 600-3에 대응됨) 각각은 컨트롤러(50)로부터 출력된 제어 신호들(CTRL1, CTRL2, 및 CTRL3에 대응되고 집합적으로 CTRL) 각각에 응답하여 제1블레이드들(200-1) 각각의 피치 각, 리딩 에지, 및 트레일링 에지를 제어하여 제1블레이드들(200-1) 각각의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
제2풍력 발전기(100-2)는 제2블레이드들(200-2)과 제2액추에이터들을 포함하고, 제2액추에이터들 각각은 액추에이터들(600-1, 600-2, 및 600-3) 각각에 대응되고, 제2액추에이터들(600-1, 600-2, 및 600-3에 대응됨) 각각은 컨트롤러(50)로부터 출력된 제어 신호들(CTRL1, CTRL2, 및 CTRL3에 대응되고 집합적으로 CTRL) 각각에 응답하여 제2블레이드들(200-2) 각각의 피치 각, 리딩 에지, 및 트레일링 에지를 제어하여 제2블레이드들(200-2) 각각의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
메모리(40)는 도 11을 참조하여 설명될 입력 값에 대응되는 제어 대상과 제어 값을 저장할 수 있다.
컨트롤러(50)는 측정기(20)로부터 출력된 풍력 값(WIND)에 응답하여 메모리(40)에 저장된 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 리드된 제1제어 값에 응답하여 제어 신호(CTRL)를 생성한다. 제1액추에이터들 중에서 적어도 하나는 컨트롤러(50)로부터 출력된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 제1블레이드들(200-1) 중에서 적어도 하나의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
메모리에 저장된 제어 값들 각각은 각 풍력 발전기(100-1과 100-2) 주변의 기상 정보, 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)가 설치된 장소의 지형 정보, 및 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는다.
컨트롤러(50)는 수신기(70)를 통해 수신된 기상 정보, 지형 정보, 및/또는 위치 정보를 메모리(40)에 저장할 수 있다.
상기 제1액추에이터들 중에서 어느 하나는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 제1블레이드들(200-1) 각각의 피치 각을 조절하여 제1블레이드들(200-1) 각각의 3차원 형상을 변형할 수 있다. 상기 제1액추에이터들 중에서 다른 하나는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 리딩 에지의 개폐, 상기 리딩 에지와 제1블레이드들(200-1) 각각과의 사이의 갭, 및 상기 리딩 에지와 제1블레이드들(200-1) 각각과의 사이의 각도(ANG1) 중에서 적어도 하나를 조절하여 제1블레이드들(200-1) 각각의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
상기 제1액추에이터들 중에서 또 다른 하나는 제어 신호(CTRL)에 응답하여 트레일링 에지의 개폐, 상기 트레일링 에지와 제1블레이드들(200-1) 각각과의 사이의 갭, 및 상기 트레일링 에지와 제1블레이드들(200-1) 각각과의 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 제1블레이드들(200-1) 각각의 3차원 형상을 변형할 수 있다.
도 11은 도 10에 도시된 메모리에 저장된 제어 대상들과 제어 값들의 실시 예를 나타낸다. 도 10과 도 11을 참조하면, 풍력 값, 입력 값, 및 제어 대상과 제어 값은 메모리(40)에 저장될 수 있다. 실시 예들에 따라, 풍력 값, 위치 정보, 지형 정보, 및 기상 정보에 해당하는 제어 대상과 제어 값은 제7룩-업 테이블(LUT7) 형태로 메모리(40)에 저장될 수 있다.
예컨대, 측정기(20)로부터 출력된 풍력 값(WIND)이 제1풍력 값(WIND1)일 때, 컨트롤러(50)는 측정값(WIND1)과 입력값들(T1-2, W1-4, 및 P1-2)을 이용하여 메모리(40)에 저장된 복수의 제어 값들(PA3-1~PA3-16, LE3-1~LE3-16 및 TE3-1~TE3-16) 중에서 제8피치 각(PA3-8), 제8리딩 에지 제어 값 (LE3-8), 및/또는 제8트레일링 에지 제어 값(TE3-8)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(50)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3, 집합적으로 CTRL)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 제1액추에이터는 제1블레이드(200-1)의 피치 각, 리딩 에지, 및 트레일링 에지 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
또한, 측정기(20)로부터 출력된 풍력 값(WIND)이 제1풍력 값(WIND1)일 때, 컨트롤러(50)는 측정값(WIND1)과 입력값들(T1-1, W1-1, 및 P1-1)을 이용하여 메모리(40)에 저장된 복수의 제어 값들(PA3-1~PA3-16, LE3-1~LE3-16 및 TE3-1~TE3-16) 중에서 제1피치 각(PA3-1), 제1리딩 에지 제어 값(LE3-1), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값(TE3-1)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
컨트롤러(50)는 검색된 제어 값들(CTV)에 응답하여 적어도 하나의 제어 신호(CTRL1, CTRL2, 및/또는 CTRL3, 집합적으로 CTRL)를 생성할 수 있다. 따라서, 적어도 하나의 제1 액추에이터는 제1블레이드(200-1)의 피치 각, 리딩 에지, 및 트레일링 에지 중에서 적어도 하나를 제어할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 에너지 변환 시스템의 개념도를 나타낸다. 측정기(20)를 제외하면, 도 12의 에너지 변환 시스템(10-1)의 구조와 작동을 도 10의 에너지 변환 시스템(10)의 구조와 작동과 동일 또는 유사하다.
또한, 메모리(40-1)에 저장되는 제어 값들은 측정기(20)로부터 측정된 풍력 값(WIND)을 포함하지 않는다.
컨트롤러(50)는 수신기(70)를 통해 각 풍력 발전기(100-1과 100-2) 주변의 기상 정보, 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)가 설치된 장소의 지형 정보, 및 각 풍력 발전기(100-1과 100-2)가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나 (INV)를 수신하고, 적어도 하나(INV)를 메모리(40-1)에 저장할 수 있다.
도 11과 도 12를 참조하면, 컨트롤러(50)는 입력값들(T1-1, W1-1, 및 P1-1)을 이용하여 메모리(40)에 저장된 복수의 제어 값들(PA3-1~PA3-16, LE3-1~LE3-16 및 TE3-1~TE3-16) 중에서 제1피치 각(PA3-1), 제1리딩 에지 제어 값(LE3-1), 및/또는 제1트레일링 에지 제어 값(TE3-1)을 제어 값들(CTV)로서 리드, 선택, 또는 검색할 수 있다.
도 16은 도 1, 도 2, 또는 도 9에 도시된 에너지 변환 장치의 작동을 설명하는 플로우 차트이다. 도 1, 도 2, 도 9, 및 도 16을 참조하면, 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치(100)의 작동 방법은 측정 장치(300)가, 상기 유체 흐름이 블레이드(200)에 외력으로 가해질 때, 블레이드(200)의 반응을 측정하고, 측정 결과에 해당하는 측정값을 생성한다(S110).
컨트롤러(500)가 측정 장치(300)로부터 출력된 상기 측정값에 응답하여 메모리(400)에 저장된 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 상기 제1제어 값을 이용하여 제어 신호(CTRL)를 생성한다(S130). 액추에이터(600)가 컨트롤러(500)로부터 출력된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 블레이드(200)의 3차원 형상을 변형한다(S150).
메모리(400)에 저장된 상기 제어 값들 각각은 에너지 변환 장치(100) 주변의 기상 정보, 에너지 변환 장치(100)가 설치된 장소의 지형 정보, 및 에너지 변환 장치(100)와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는다.
도 17은 도 10 또는 도 12에 도시된 에너지 변환 시스템의 작동을 설명하는 플로우 차트이다. 도 10, 도 12, 및 도 17을 참조하면, 컨트롤러(50)는 수신기(70)를 통해 기상 정보, 지형 정보, 및 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신하고, 수신된 적어도 하나를 메모리(40 또는 40-1)에 저장한다(S210).
컨트롤러(50)는 상기 적어도 하나에 응답하여 메모리(40 또는 40-1)에 저장된 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 리드된 제1제어 값을 이용하여 제어 신호(CTRL)를 생성한다(S230). 액추에이터(60)는 컨트롤러(50)로부터 출력된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 블레이드의 3차원 형상을 변형한다(S250).
도 1부터 도 17을 참조하여 설명한 바와 같이, 유체 흐름(또는 유체의 흐름)으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치 (100)는 블레이드(200 또는 200A), 측정 장치들(300), 메모리(400), 컨트롤러 (500), 및 액추에이터(600)를 포함한다. 측정 장치들(300)은 상기 유체 흐름이 블레이드(200 또는 200A)에 외력으로 가해질 때 블레이드(200 또는 200A)의 반응을 측정하고, 측정의 결과에 해당하는 측정값들을 생성한다.
도 3부터 도 8, 및 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이, 메모리(400)는 에너지 변환 장치(100)의 내부 환경을 나타내는 제1값들과 에너지 변환 장치(100)의 외부 환경을 나타내는 제2값들의 조합에 상응하는 제어 값들을 저장한다.
컨트롤러(500)는 측정 장치들(300)로부터 출력된 상기 측정값들에 응답하여 메모리(400)로부터 상기 제어 값들 중에서 어느 하나의 제어 값을 리드하고, 리드된 상기 어느 하나의 제어 값에 응답하여 제어 신호(CTRL)를 생성한다.
액추에이터(600)는 컨트롤러(500)로부터 출력된 제어 신호(CTRL)에 응답하여 블레이드(200 또는 200A)의 3차원 형상을 변형한다. 메모리(400)는 컨트롤러(500)에 내장된 캐시 메모리일 수 있다.
상기 내부 환경은 블레이드(200 또는 200A)의 위치 정보, 에너지 변환 장치(100)의 누적 발전량, 블레이드(200 또는 200A)의 누적 피로 수명, 블레이드(200 또는 200A)의 누적 자외선량, 및 블레이드(200 또는 200A)의 잔여 수명 중에서 적어도 하나를 포함하나, 이에 한정되는 것은 아니고, 도 3부터 도 8을 참조하여 설명된 측정 대상도 상기 내부 환경에 포함될 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 에너지 변환 장치(100)의 내부 환경을 이용하여 각 룩업 테이블(LUT1~LUT7)에 저장된 제어 값들 각각을 업데이트할 수 있다. 예컨대, 컨트롤러(500 또는 500A)는 예지 진단(prognosis) 기술, 인공 지능(Artificial Intelligence(AI)) 기술, 상황 인식 컴퓨팅(Context Awareness Computing) 기술, 에너지 변환 장치(100)의 누적 전력 생산량, 또는 에너지 변환 장치(100)의 부품의 상태를 모니터한 결과를 이용하여 각 룩업 테이블(LUT1~LUT7)에 저장된 제어 값들 각각을 업데이트할 수 있다.
상기 외부 환경은 에너지 변환 장치(100)가 설치된 제1위치에 대한 제1위치 정보, 에너지 변환 장치(100)와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 제2위치에 대한 제2위치 정보, 상기 제1위치와 상기 제2위치 중에서 적어도 하나에 대한 기상 정보, 및 상기 제1위지 정보와 상기 제2위치 정보를 포함하는 지형 정보 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
컨트롤러(500 또는 500A)는 상기 외부 환경을 반영하여 각 룩업 테이블(LUT1~LUT7)에 저장된 제어 값들 각각을 업데이트할 수 있다. 본 명세서에서는 에너지 변환 장치(100)의 실시 예들로서 풍력 발전기(100A, 100B, 100-1, 및 100-2)의 구조와 작동을 설명하나, 본 발명의 기술적 사상은 조력 발전기와 파력 발전기에 그대로 적용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명은 에너지 변환 장치, 상기 에너지 변환 장치를 포함하는 풍력 발전 시스템, 및 상기 에너지 변환 장치의 작동 방법에 이용될 수 있다.

Claims (36)

  1. 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치에 있어서,
    블레이드;
    상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때, 상기 블레이드의 반응을 측정하고 측정 결과에 해당하는 제1측정 값을 생성하는 제1측정 장치;
    제어 값들을 저장하는 메모리;
    상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정 값에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 상기 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러; 및
    상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함하는 에너지 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드의 위치를 측정하고, 측정 결과에 해당하는 제2측정 값을 생성하는 제2측정 장치를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정 값과 상기 제2측정 장치로부터 출력된 상기 제2측정 값에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제2제어 값을 리드하고, 상기 제2제어 값을 이용하여 상기 제어 신호를 생성하는 에너지 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 유체 흐름은 바람(wind), 조류(tide), 또는 파도(wind wave)에 의해 생성되는 에너지 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 착탈 가능한 복수의 부분들을 포함하는 에너지 변환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 부분들 중에서 적어도 하나는 밀폐 가능한 밀폐 공간을 포함하는 에너지 변환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1측정 값은,
    상기 블레이드의 복원력, 상기 블레이드의 탄성력, 상기 블레이드의 공탄성 (aeroelastic), 상기 블레이드의 피로 하중, 상기 블레이드의 진동, 상기 블레이드의 변형력(stress), 상기 블레이드의 중력, 상기 블레이드의 부력, 상기 블레이드의 회전 속도, 상기 블레이드의 피치 각, 상기 블레이드의 변형률(strain), 상기 블레이드의 가속도, 상기 블레이드의 자외선량, 상기 블레이드의 일사량, 상기 유체 흐름의 속도, 상기 블레이드의 온도, 및 상기 블레이드의 습도 중에서 적어도 하나를 포함하는 에너지 변환 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 피치 각을 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 에너지 변환 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 리딩 에지를 포함하고,
    상기 액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 리딩 에지의 개폐, 상기 리딩 에지와 상기 블레이드 사이의 갭, 및 상기 리딩 에지와 상기 블레이드 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 에너지 변환 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 블레이드는 트레일링 에지를 포함하고,
    상기 액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 트레일링 에지의 개폐, 상기 트레일링 에지와 상기 블레이드 사이의 갭, 및 상기 트레일링 에지와 상기 블레이드 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 에너지 변환 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1제어 값은 서로 다른 복수의 값들을 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 서로 다른 복수의 값들을 보간하고, 보간 결과에 따라 상기 제어 신호를 생성하는 에너지 변환 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 메모리에 저장된 상기 제어 값들 각각은 상기 에너지 변환 장치 주변의 기상 정보, 상기 에너지 변환 장치가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 에너지 변환 장치와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는 에너지 변환 장치.
  12. 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치에 있어서,
    블레이드;
    상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정의 결과에 해당하는 제1측정 값을 생성하는 측정 장치;
    상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러; 및
    상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함하는 에너지 변환 장치.
  13. 제12항에 있어서, 전산 유체역학(computational fluid dynamics(CFD)) 프로그램을 저장하는 메모리를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 메모리에 저장된 상기 CFD 프로그램을 실행시키고, 상기 CFD 프로그램으로 하여금 상기 제1측정 값을 이용하여 상기 제어 신호를 생성하게 하는 에너지 변환 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 컨트롤러는 상기 에너지 변환 장치 주변의 기상 정보, 상기 에너지 변환 장치가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 에너지 변환 장치와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나와 상기 제1측정 값을 이용하여 상기 제어 신호를 생성하는 에너지 변환 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 블레이드의 위치를 측정하고, 측정 결과에 해당하는 제2측정 값을 생성하는 제2측정 장치를 더 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1측정 장치로부터 출력된 상기 제1측정 값과 상기 제2측정 장치로부터 출력된 상기 제2측정 값을 이용하여 상기 제어 신호를 생성하는 에너지 변환 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 블레이드는 리딩 에지 또는 트레일링 에지를 포함하고,
    상기 액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 피치 각, 상기 리딩 에지의 개폐, 또는 상기 트레일링 에지의 개폐를 제어하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 에너지 변환 장치.
  17. 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치에 있어서,
    블레이드;
    상기 유체 흐름이 상기 블레이드에 외력으로 가해질 때 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정의 결과에 해당하는 측정값들을 생성하는 측정 장치들;
    상기 에너지 변환 장치의 내부 환경을 나타내는 제1 값들과 상기 에너지 변환 장치의 외부 환경을 나타내는 제2 값들의 조합에 상응하는 제어 값들을 저장하는 메모리;
    상기 측정 장치들로부터 출력된 상기 측정값들에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 어느 하나의 제어 값을 리드하고, 리드된 상기 어느 하나의 제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러; 및
    상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 액추에이터를 포함하는 에너지 변환 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 메모리는 상기 컨트롤러에 내장된 캐시 메모리인 에너지 변환 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 내부 환경은 상기 블레이드의 위치 정보, 상기 에너지 변환 장치의 누적 발전량, 상기 블레이드의 누적 피로 수명, 상기 블레이드의 누적 자외선량, 및 상기 블레이드의 잔여 수명 중에서 적어도 하나를 포함하고,
    상기 외부 환경은 상기 에너지 변환 장치가 설치된 제1위치에 대한 제1위치 정보, 상기 에너지 변환 장치와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 제2위치에 대한 제2위치 정보, 상기 제1위치와 상기 제2위치 중에서 적어도 하나에 대한 기상 정보, 및 상기 제1위지 정보와 상기 제2위치 정보를 포함하는 지형 정보 중에서 적어도 하나를 포함하는 에너지 변환 장치.
  20. 제17항에 있어서, 상기 측정 장치들은,
    상기 블레이드의 복원력, 상기 블레이드의 탄성력, 상기 블레이드의 공탄성, 상기 블레이드의 피로 하중, 상기 블레이드의 진동, 상기 블레이드의 변형력, 상기 블레이드의 중력, 상기 블레이드의 부력, 상기 블레이드의 회전 속도, 상기 블레이드의 피치 각, 상기 블레이드의 변형률, 상기 블레이드의 가속도, 상기 블레이드의 자외선량, 상기 블레이드의 일사량, 상기 유체 흐름의 속도, 상기 블레이드의 온도, 및 상기 블레이드의 습도 중에서 적어도 하나를 측정하는 적어도 하나의 제1측정 장치; 및
    상기 블레이드의 위치를 측정하는 제2측정 장치를 포함하는 에너지 변환 장치.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 블레이드는 리딩 에지 또는 트레일링 에지를 포함하고,
    상기 액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 피치 각, 상기 리딩 에지의 개폐, 또는 상기 트레일링 에지의 개폐를 제어하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 에너지 변환 장치.
  22. 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기;
    제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기;
    풍력을 측정하고 풍력 값을 생성하는 측정기;
    제어 값들을 저장하는 메모리; 및
    상기 측정기로부터 출력된 상기 풍력 값에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 리드된 제1제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 제1액추에이터는 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 메모리에 저장된 상기 제어 값들 각각은 상기 제1풍력 발전기 주변의 기상 정보, 상기 제1풍력 발전기가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 제2풍력 발전기가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는 풍력 발전 시스템.
  24. 제22항에 있어서, 상기 제1액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 피치 각을 조절하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  25. 제22항에 있어서, 상기 제1블레이드는 리딩 에지를 포함하고,
    상기 제1액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 리딩 에지의 개폐, 상기 리딩 에지와 상기 블레이드 사이의 갭, 및 상기 리딩 에지와 상기 제1블레이드 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  26. 제22항에 있어서, 상기 제1블레이드는 트레일링 에지를 포함하고,
    상기 제1액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 트레일링 에지의 개폐, 상기 트레일링 에지와 상기 블레이드 사이의 갭, 및 상기 트레일링 에지와 상기 블레이드 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  27. 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기;
    제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기;
    제어 값들을 저장하는 메모리;
    상기 제1풍력 발전기 주변의 기상 정보, 상기 제1풍력 발전기가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 제2풍력 발전기가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신하는 수신기; 및
    상기 수신기로부터 출력된 상기 적어도 하나에 응답하여 상기 메모리로부터 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 선택하고, 상기 제1제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 제1액추에이터는 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제1액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 피치 각을 조절하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  29. 제27항에 있어서, 상기 제1블레이드는 리딩 에지를 포함하고,
    상기 제1액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 리딩 에지의 개폐, 상기 리딩 에지와 상기 블레이드 사이의 갭, 및 상기 리딩 에지와 상기 제1블레이드 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  30. 제27항에 있어서, 상기 제1블레이드는 트레일링 에지를 포함하고,
    상기 제1액추에이터는 상기 제어 신호에 응답하여 상기 트레일링 에지의 개폐, 상기 트레일링 에지와 상기 블레이드 사이의 갭, 및 상기 트레일링 에지와 상기 블레이드 사이의 각도 중에서 적어도 하나를 조절하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템.
  31. 유체 흐름으로부터 획득된 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 에너지 변환 장치의 작동 방법에 있어서,
    측정 장치가, 상기 유체 흐름이 블레이드에 외력으로 가해질 때, 상기 블레이드의 반응을 측정하고, 측정 결과에 해당하는 측정값을 생성하는 단계;
    컨트롤러가, 상기 측정 장치로부터 출력된 상기 측정값에 응답하여 메모리로부터 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 상기 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    액추에이터가, 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계를 포함하는 에너지 변환 장치의 작동 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 메모리에 저장된 상기 제어 값들 각각은 상기 에너지 변환 장치 주변의 기상 정보, 상기 에너지 변환 장치가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 에너지 변환 장치와 다른 에너지 변환 장치가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나에 따라 서로 다른 값을 갖는 에너지 변환 장치의 작동 방법.
  33. 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기와 제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법에 있어서,
    측정기가 풍력을 측정하고 풍력 값을 생성하는 단계;
    컨트롤러가 상기 측정기로부터 출력된 상기 풍력 값에 응답하여 메모리에 저장된 제어 값들 중에서 제1제어 값을 리드하고, 리드된 제1제어 값을 이용하여 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1액추에이터가 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계는,
    상기 액추에이터가 상기 제어 신호에 응답하여 상기 블레이드의 피치 각, 상기 제1블레이드에 포함된 리딩 에지의 개폐, 또는 상기 제1블레이드에 포함된 트레일링 에지의 개폐를 제어하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법.
  35. 제1블레이드와 제1액추에이터를 포함하는 제1풍력 발전기와 제2블레이드를 포함하는 제2풍력 발전기를 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법에 있어서,
    컨트롤러가 제어 값들을 메모리에 저장하는 단계;
    수신기가 상기 제1풍력 발전기 주변의 기상 정보, 상기 제1풍력 발전기가 설치된 장소의 지형 정보, 및 상기 제2풍력 발전기가 설치된 위치에 대한 위치 정보 중에서 적어도 하나를 수신하는 단계;
    상기 컨트롤러가 상기 수신기로부터 출력된 상기 적어도 하나에 응답하여 상기 메모리에 저장된 상기 제어 값들 중에서 제1제어 값을 선택하고, 상기 제1제어 값에 응답하여 제어 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 제1액추에이터가 상기 컨트롤러로부터 출력된 상기 제어 신호에 응답하여 상기 제1블레이드의 3차원 형상을 변형하는 단계를 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법.
  36. 제35항에 있어서,
    상기 컨트롤러가 상기 제1풍력 발전기의 누적 발전량을 계산하는 단계; 및
    상기 컨트롤러가 계산된 누적 발전량에 따라 상기 제어 값들 각각을 업데이트하는 단계를 더 포함하는 풍력 발전 시스템의 작동 방법.
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