KR20150080845A - 풍력 발전기용 블레이드의 제어장치, 제어방법, 및 이를 이용하는 풍력 발전기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 풍력 발전기용 블레이드에 전기전도성을 갖는 도전영역이 포함되고, 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성 변화를 측정하는 측정수단을 포함함으로써, 별도의 센서장비에 의존하지 않고서도 블레이드의 상태 확인이 용이하며, 그에 상응하여 블레이드 제어를 수행할 수 있는 풍력 발전기용 블레이드의 제어장치, 제어방법 및 이를 이용하는 풍력 발전기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 풍력 발전기용 블레이드의 제어장치, 제어방법 및 이를 이용하는 풍력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 블레이드를 구성하는 부재에서의 전기적 특성의 변화를 측정하여 블레이드를 제어하는 제어장치, 제어방법, 및 이를 이용하는 풍력 발전기에 관한 것이다.
자연 에너지인 풍력을 이용하여 발전을 일으키는 풍력 발전기가 알려져 있다. 풍력 발전기는 바람의 힘을 기계적 회전력으로 변환시켜 전기를 발생하는 장치로서, 블레이드, 나셀, 및 타워 등으로 구성된다.
풍력 발전기는 들어오는 바람과 작용하는 블레이드의 공기역학적 양력에 근거하여 필요한 회전력을 발생시킨다. 블레이드는 회전으로 인해 블레이드 주위의 공력분포에 대한 변화가 발생하며, 이러한 현상은 블레이드 자체에 굽힘 하중과 비틀림하중으로 작용하게 된다.
블레이드는 이러한 하중 작용과, 강우, 해수의 소금 부식, 공기 중 이물질과의 충돌 등과 같은 주변 환경 조건에 기인하여 블레이드 내, 외부에서 변형, 열화, 소재 박리 등과 같은 손상이 발생한다.
종래에는, 블레이드의 상태를 확인하기 위하여 풍력 발전기의 정기 점검시, 즉 블레이드의 회전이 정지되어 있을 때, 작업자가 육안으로 확인하는 과정을 거쳤다. 그리고 육안 확인으로 분석된 블레이드 상태 정보에 대응하여 블레이드의 보수, 운전 조건 변경, 교체 등과 같은 조치를 취하였다.
하지만, 이와 같은 방법은 블레이드가 정지된 상태에서만 블레이드 상태를 확인할 수 있었고, 더욱이 작업자가 육안으로 확인해야 하는 불편이 수반되는 등 많은 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하고자, 근래에는 풍력 발전기용 블레이드의 손상 여부를 진단하기 위한 다양한 기술이 제시되고 있다.
예컨대 광섬유 센서, 스트레인 게이지(Strain gauge) 등과 같은 측정 수단을 이용하여 블레이드의 상태를 확인하고, 블레이드의 상태에 상응하는 블레이드 제어를 실행하는 방법이 사용되고 있다.
블레이드 상태를 감지하는 장치의 구체적인 일례로는 한국 공개특허 제10-2013-0052965호에 개시된 “풍력발전 블레이드의 물리량 감지장치”를 들 수 있다.
상기한 공개특허는 광원으로부터 입사된 빛을 전반사시키는 광섬유와, 광섬유를 통하여 전달되는 광원 중 브래그 파장대의 빛을 반사시킴으로써 풍력발전 블레이드의 물리량을 감지하는 브래그 격자를 포함하는 블레이드의 물리량 감지장치에 관한 것이다.
상기한 공개특허는 전단 웹(shear web)의 상측 또는 하측에 광섬유 브래그 격자센서 및 온도 보상된 광섬유 브래그 격자센서를 필요한 수에 따라 부착하여 블레이드의 온도, 블레이드의 변형률, 및 블레이드의 처짐을 감지한다.
그러나, 상기한 광섬유 센서나 스트레인 게이지는 가격이 비싸고 취급이 까다로워 숙련된 인력이 아니면 설치가 곤란한 문제가 있다. 또한, 진동에 취약하기 때문에 설치 후에도 고장이 잦아 유지 보수에 어려움이 있다.
뿐만 아니라, 온도 변화에 민감하여 데이터 처리 기술을 활용하여 온도 영향에 의한 변화량을 제거하는 과정이 수반되는데, 이는 기술적으로도 어려울 뿐만 아니라 보정 과정이 수반됨으로써 획득 정보의 신뢰성을 확보하기 어려운 문제도 함께 지니고 있다.
특히, 상기 측정 수단들은 블레이드의 처짐 등과 같은 외부적인 변형을 감지할 수 있을 뿐 블레이드 내부 손상은 감지하지 못하는, 활용성 측면에서의 한계도 있다.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 저가의 비용으로 제공되는 동시에 측정 정보의 신뢰성이 확보되는 블레이드 상태 측정 수단을 이용하여 블레이드 제어를 실현하는 풍력 발전기용 블레이드 제어장치, 제어방법, 및 이를 이용하는 풍력 발전기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치는, 탄소섬유 소재로 형성된 도전영역을 포함하는 풍력 발전기용 블레이드의 상태를 측정하여 상기 블레이드의 회전조건을 제어하는 블레이드 제어장치로서, 상기 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성을 측정하는 측정부, 상기 측정부에서 측정된 측정값을 기준값과 비교하여 정상상태 또는 비상상태를 판단하는 판단부, 및 상기 판단부에서 판단된 상태에 대응하여 정상모드, 비상모드, 및 정지모드 중 어느 하나로 모드로 결정하며, 결정된 모드에 따라 상기 블레이드의 회전조건을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 측정구간은 상기 도전영역 내에서 정해지는 다수의 구간을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 측정부는 상기 측정구간의 전기적 특성을 반복하여 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 판단부는 상기 비상상태를 판단함에 있어서 상기 측정값과 상기 기준값의 차이에 따른 수준을 구분 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 회전속도 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 정지 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 피치 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 요(yaw) 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 외부 단말기로 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 전자메일 형태 또는 문자메시지 형태로 전송하거나, 또는 상기 외부 단말기의 표시화면에 표시되도록 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 비상상태로 판단된 경우에 경보등 또는 경보음 발생부에 제어 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기는, 전기전도성을 갖는 도전영역을 포함하는 블레이드를 포함하며, 상기 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성 변화를 측정하는 측정수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 도전영역은 탄소섬유 소재를 포함하여 전기전도성을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 측정구간은 상기 도전영역 내에서 정해지는 하나의 구간 또는 다수의 구간일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 블레이드는 스킨(skin), 스파 캡(spar cap), 및 전단 웹(shear web)을 포함하며, 상기 도전영역은 상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 적어도 어느 하나는 탄소섬유 소재를 포함하여 상기 도전영역이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 도전영역은 상기 스킨 및 상기 스파 캡의 결합 부위를 포함하면서 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 연속하여 형성되며, 상기 측정구간은 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 걸쳐 정해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 도전영역은 상기 스파 캡 및 상기 전단 웹의 결합 부위를 포함하면서 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 연속하여 형성되며, 상기 측정구간은 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 걸쳐 정해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 어느 하나는 유리섬유 소재를 포함하는 비도전성부로 이루어지며, 상기 비도전성부 내에 전기전도성을 갖는 도전체가 형성되어 상기 도전영역이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 도전체는 탄소섬유 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 측정수단은 상기 측정구간의 양단에 전기적으로 연결되어 상기 측정구간의 전기적 특성을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 측정부는 상기 측정구간의 전기적 특성을 반복하여 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 측정부에서 측정된 측정값을 기준값과 비교하여 정상상태 또는 비상상태를 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 판단부는 상기 비상상태를 판단함에 있어서 상기 측정값과 상기 기준값의 차이에 따른 수준을 구분 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 판단부에서 판단된 상태에 대응하여 정상모드, 비상모드, 및 정지모드 중 어느 하나로 모드로 결정하며, 결정된 모드에 따라 상기 블레이드를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 회전속도 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 정지 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 피치 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 요(yaw) 제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 외부 단말기로 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 전자메일 형태 또는 문자메시지 형태로 전송하거나, 또는 상기 외부 단말기의 표시화면에 표시되도록 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기에 있어서, 상기 제어부는 상기 판단부에 의해 비상상태로 판단된 경우에 경보등 또는 경보음 발생부에 제어 신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법은, 탄소섬유 소재로 형성된 도전영역을 포함하는 풍력 발전기용 블레이드의 상태를 측정하여 상기 블레이드의 회전 조건을 제어하는 블레이드 제어방법으로서, (a) 상기 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성을 측정하는 단계, (b) 상기 (a) 단계에서 측정된 측정값을 기준값과 비교하여 정상상태 또는 비상상태를 판단하는 단계, (c) 상기 (b) 단계에서 판단된 상태에 대응하여 정상모드, 비상모드, 및 정지모드 중 어느 하나로 모드로 결정하는 단계, 및 (d) 상기 (c) 단계에서 결정된 모드에 따라 상기 블레이드의 회전 조건을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 도전영역 내에서 정해지는 다수의 측정구간에 대하여 전기적 특성을 측정하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 측정구간의 전기적 특성을 반복하여 측정하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (b) 단계는 상기 비상상태를 판단함에 있어서 상기 측정값과 상기 기준값의 차이에 따른 수준을 구분 판단하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 회전속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드를 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 피치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 요(yaw) 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, (e) 상기 (d) 단계 이후에, 풍력 발전기의 발전량을 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 블레이드가 포함된 풍력 발전기는 풍력발전단지(wind farm)를 구성하는 다수의 풍력 발전기 중 어느 하나이고, 상기 풍력발전단지는 상기 다수의 풍력 발전기를 제어하는 통합 컨트롤러를 포함하며, (f) 상기 (e) 단계 이후에 상기 통합 컨트롤러로 상기 발전량 정보를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (c) 단계 이후에, (d’) 상기 결정된 모드 정보를 외부 단말기로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (d’) 단계는 상기 결정된 모드 정보를 전자메일 형태 또는 문자메시지 형태로 전송하거나, 또는 상기 외부 단말기의 표시화면에 표시되도록 전송하는 단계일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 (b) 단계에서 비상상태로 판단된 경우로서 상기 (b) 단계 이후에, (c’) 경보등이 점등되도록 하거나 또는 경보음이 발생되도록 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 블레이드는 스킨(skin), 상기 스킨에 결합되는 스파 캡(spar cap), 및 상기 스파 캡에 결합되는 전단 웹(shear web)을 포함하며, 상기 도전영역은 상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 적어도 어느 하나에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 도전영역은 상기 스킨 및 상기 스파 캡의 결합 부위를 포함하여 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 연속하여 형성되며, 상기 측정구간은 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 걸쳐 정해질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법에 있어서, 상기 도전영역은 상기 스파 캡 및 상기 전단 웹의 결합 부위를 포함하면서 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 연속하여 형성되며, 상기 측정구간은 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 걸쳐 정해질 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기용 블레이드를 구성하는 부재 자체에서 소재 상의 특성에 기인하여 도전영역을 포함할 수 있으며, 이 경우 도전영역 내의 측정구간에 대하여 전기적 특성의 변화를 확인함으로써 블레이드의 상태를 용이하게 확인할 수 있는 이점이 제공된다.
또한, 블레이드 구성 부재 자체가 센서 기능을 수행하게 되므로, 광섬유 센서 등과 같은 별도의 센서를 구비하지 않더라도 블레이드 상태를 확인할 수 있으며, 이로써 제조 비용이 절감됨은 물론이고, 블레이드의 제조에 있어서 센서 설치를 위한 불필요한 공정이 생략되어 블레이드 제조 편의성이 제고되는 이점을 제공받을 수 있다.
또한, 블레이드의 상태를 확인하는 과정이 블레이드 구성 부재 내에서 발생되는 전기적 특성의 변화를 측정하는 과정을 포함하게 됨으로써, 처짐이나, 이물질 부착, 아이싱 등과 같은 외부적인 손상은 물론이고, 크랙, 박리, 섬유 단락 등과 같은 내부적인 손상에 대해서도 상태 확인이 가능한 이점이 제공된다.
뿐만 아니라, 블레이드의 상태를 측정하는 수단이 블레이드 구성 부재 자체에서의 전기적 특성의 변화를 감지하는 구성으로 이루어지므로, 고장 발생 우려가 적은 점 및 신뢰성 확보가 용이한 이점이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 개략도.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 블레이드의 구조를 알 수 있는 요부 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법을 나타낸 순서도.
도 6은 도 4에 도시된 판단부의 알고리즘 순서도.
도 7은 도 4에 도시된 제어부의 알고리즘 순서도.
도 8은 풍력발전단지의 개략도.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 블레이드의 구조를 알 수 있는 요부 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법을 나타낸 순서도.
도 6은 도 4에 도시된 판단부의 알고리즘 순서도.
도 7은 도 4에 도시된 제어부의 알고리즘 순서도.
도 8은 풍력발전단지의 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기용 블레이드의 제어장치, 제어방법 및 이를 이용하는 풍력발전기에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기에 관하여, 도 1 내지 도 4을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기를 나타낸 개략도, 도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 블레이드의 구조를 알 수 있는 요부 구성도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어장치를 나타낸 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 기본적으로 로터(10), 나셀(20), 및 타워(30)를 포함한다.
로터(10)는 허브(12) 및 블레이드(14)를 포함한다. 허브(12)는 나셀(20)의 전방에 위치하고, 메인 샤프트(22)에 결합된다. 허브(12)는 내부가 빈 중공 형상을 가질 수 있고, 허브(12)의 내부에는 피치 조절부, 윤활 조절부 등이 제공될 수 있다.
블레이드(14)는 적어도 하나 이상의 개수로 구비될 수 있다. 블레이드(14)의 루트부(14a)가 허브(12)에 결합된 채, 허브(12)를 중심으로 방사상으로 배치된다. 블레이드(14)의 팁부(14b)는 루트부(14a)에 비하여 상대적으로 작은 단면적을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 블레이드(14)는 익형 단면을 가질 수 있다. 블레이드(14)는 전방으로부터 불어오는 바람에 대해 일정한 받음각을 갖도록 허브(12)에 결합된다. 풍력 발전기(1)의 전방에서 불어오는 바람은 블레이드(14)의 표면을 스쳐 지나면서 양력을 발생시키며, 양력은 로터(10)를 회전시킨다. 로터(10)의 회전력은 나셀(20)로 전달되어 전기 에너지로 변환된다.
나셀(20)은 타워(30)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 나셀(20)은 내부에 나셀 커버(21), 메인 샤프트(22), 베어링(23), 기어 박스(24), 발전기(25) 및 메인 프레임(26)을 포함하여 구성될 수 있다.
나셀 커버(21)는 타워(30)의 상단에 회전 가능하게 결합될 수 있으며, 메인 샤프트(22), 베어링(23), 기어 박스(24), 발전기(25) 및 메인 프레임(26)을 수용한다. 나셀 커버(21)는 비전도성 재질, 예컨대 섬유 강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastics, FRP) 재질로 제공될 수 있다.
메인 샤프트(22)는 베어링(23)에 의해 회전 가능하게 지지되며, 허브(12)와 기어 박스(24)를 연결하고, 허브(12)와 함께 회전하면서 허브(12)의 회전 에너지를 기어 박스(24)로 전달한다.
기어 박스(24)는 메인 샤프트(22)에서 입력되는 회전 속도를 발전용 속도로 증가시키고, 이를 출력하여 발전기(25)로 전달한다. 발전기(25)는 기어 박스(24)에서 출력되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
타워(30)는 중공 원통 형상을 가질 수 있으며, 나셀(20)을 지지한다. 나셀(20)과 타워(30) 사이에는 요(Yaw) 조절부가 제공될 수 있으며, 요 조절부는 로터(10)가 바람이 불어오는 방향을 향하거나 향하지 않도록 나셀(20)을 회전시킬 수 있다.
블레이드(14)는 구체적인 구조의 일례로서, 도 2에 도시된 바와 같이 뼈대(144), 뼈대(144)를 팽팽하게 휘감도록 형성되어 블레이드(14)의 외형을 이루는 스킨(skin,141), 뼈대(144)에 결합되어 길이 방향 보강재 기능을 수행하는 스파 캡(spar cap,142), 스파 캡(142)에 결합되어 두께 방향의 보강재 기능을 수행하는 전단 웹(shear web,143), 그리고 뼈대(144)의 에지에 결합되는 에지부(145)를 포함할 수 있다.
다만, 블레이드(14) 구조는 이와 같은 예로 한정되는 것은 아니다. 기본적으로 스킨(141), 스파 캡(142)이 포함되면서 전단 웹(143)이 더 포함될 수 있으며, 전술한 뼈대(144)나 에지부(145)가 포함되거나 생략될 수 있고, 또는 전술한 구성 이외의 블레이드(14)를 구성하는 다른 부재가 더 포함될 수 있는 등 다양한 다른 구조로서 이루어질 수 있다.
풍력 발전기용 블레이드는 섬유강화 플라스틱(FRP, fiber reinforced plastic)으로 제작될 수 있다. 여기서 사용되는 섬유는 세라믹 계열 (glass or carbon)의 섬유일 수 있다.
최근까지는 주로 유리섬유(glass fiber)를 강화한 GFRP(Glass FRP)가 사용되고 있으나, 최근 풍력발전 시스템의 효율향상을 위해 날개의 회전반경이 매년 증가하고 있고, 무게에 따른 효율 감소와 설치비용이 크게 늘어나면서 유리섬유를 대체하는 탄소섬유(carbon fiber)의 사용이 점차 늘어나고 있다.
탄소섬유는 유리섬유에 비해 비강도가 우수하여 대형 블레이드 제작의 경우 블레이드의 강성은 유지함과 동시에 그 무게를 유리섬유에 비해 줄일 수 있어 풍력발전 시스템 효율 증가에 큰 역할을 하고 있다.
블레이드(14)를 구성하는 구성 중 적어도 일부는 전술한 바와 같이 섬유 소재를 포함할 수 있다.
예컨대 스파 캡(142)은 적합한 열경화성 및/또는 열가소성 수지의 기재에 유리섬유, 탄소섬유, 및/또는 기타 섬유를 포함하는 적층체로 형성될 수 있다. 전단 웹(143) 또한 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하는 적층체로 형성될 수 있다. 그리고 스킨(141) 또한 유리섬유 또는 탄소섬유를 포함하는 샌드위치 구조로 형성될 수 있다.
여기서 탄소섬유는 탄소원소의 질량 함유율이 90% 이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료로서 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, 이하 PAN), 석유계ㆍ석탄계 탄화수소잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는 레이온으로부터 제조된 섬유형태의 유기 전구체물질(Precursor, 탄화시키기 전의 물질)을 불활성 분위기에서 열분해하여 얻어지는 섬유를 의미한다.
탄소섬유는 구성원소에 있는 탄소재료로서의 구조 및 조직특성과 섬유형태 특성을 합친 재료로서 내열성, 화학적 안정성, 전기 전도성, 저열팽창성에 따른 치수안정성, 저밀도, 마찰 마모특성, 유연성 등의 우수한 특징을 지니고 있다.
한편, 블레이드는 풍력 발전기의 핵심부품으로, 풍력 발전기가 대형화되면서 가격이나 중량 면에서 블레이드가 차지하는 비중이 증가하고 있다. 따라서, 이에 대한 유지관리의 중요성이 부각되고 있으며, 이에 따라, 블레이드의 상태에 관하여 지속적인 모니터링이 요구되고 있다.
블레이드는 운전 중 자중이나 주변 환경 조건의 영향을 받아 내, 외부에서 하중이 작용하게 되며, 때로는 오염물이 부착되기도 하고, 날씨의 영향으로 특정 조건에서는 블레이드의 일부 영역에 얼음이 생기는 이른바 아이싱(icing) 현상이 발생하기도 한다.
전술한 현상으로 인해 블레이드에 손상이 발생할 수 있으며, 손상의 종류로는 예컨대, i) 아이싱, 오염, 기공, 박리 등에 의한 표면 거칠음(surface roughness), ii) 아이싱, 균열을 통한 수분 침투 등으로 인한 질량 불균형(mass imbalance), iii) 블레이드 피치각 불일치, 공력학적 프로필의 제작공차, 운전 중 프로필의 변형 등으로 인한 공력학적 비대칭(aerodynamic asymetry), iv) 유리섬유 또는 탄소섬유 강화 플라스틱 구조의 박리(delamination), v) 표면균열 및 내부균열(crack) 등이 있다.
이러한 블레이드 상태의 모니터링을 위하여 종래에는 FBG(fiber Bragg grating) 센서를 이용한 블레이드 상태 모니터링이 수행되었다. 광섬유 센서를 이용한 블레이드의 스트레인 측정을 통하여 하중 이력 및 진동을 측정하고 피로 손상, 수명 등을 평가하였다.
또는 안전성 모니터링, 블레이드의 제어, 하중 모니터링 및 피로하중 산정 등을 위하여 FBG 스트레인 센서를 이용한 센서 시스템을 구축하기도 하였다.
하지만, 이러한 모니터링 시스템은 고가의 센서를 사용해야 하는 문제, 설치 곤란성, 블레이드의 내부에서 발생되는 손상 감지의 곤란성 등의 여러 문제점을 지니고 있다.
이에 본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 광섬유 센서 등과 같은 별도의 감지수단을 구비하지 않고서, 블레이드 구성 부재 자체의 소재상의 특성, 즉 전기 전도성을 갖는 특성을 이용하여 처짐, 크랙, 박리, 섬유의 단락 등과 같은 블레이드의 내, 외부적 상태를 모니터링할 수 있는 블레이드 상태의 측정장치를 제공한다.
본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 전술한 스킨(141), 스파 캡(142), 또는 전단 웹(143)이 탄소섬유를 포함하여 형성되는 경우, 블레이드(14)를 구성하는 부재 자체에 전기전도성을 갖는 도전영역을 포함하게 된다.
이때 블레이드(14)를 구성하는 부재의 내, 외부에서 상기한 종류의 손상이 발생하면, 손상 발생 부위에서 전기적 특성의 변화, 예컨대 측정구간 내에서의 저항치의 변화가 초래된다. 이러한 전기적 특성의 변화를 측정함으로써 블레이드(14)의 손상 여부, 즉 블레이드의 상태를 모니터링할 수 있다.
이를 위해서 본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 상기한 전기적 특성의 변화를 측정하는 측정수단을 포함한다.
우선, 블레이드(14)는 전술한 바와 같이 블레이드(14)를 구성하는 부재 자체에서 탄소섬유를 포함함으로써 부재 자체에 도전영역을 포함하게 된다.
예컨대, 스파 캡(142)이 전체적으로 탄소섬유를 포함하여 형성되는 경우, 스파 캡(142)은 전체 영역에서 도전영역을 갖게 된다. 스킨(141)이나 전단 웹(143)의 경우도 마찬가지일 수 있다.
이 도전영역 내에서 측정구간이 정해질 수 있는데, 측정구간은 스파 캡(142)의 내, 외에서 임의의 영역을 선택하여 정할 수 있다.
측정구간은 일례로서, 도 2A에 도시된 바와 같이 스파 캡(142)의 길이 상에서 일부를 차지하는 구간(M1)으로 정해질 수 있다. 또는 스파 캡(142)의 전체 길이가 측정구간으로 정해질 수 있다.
측정구간은 이처럼 하나의 구간을 포함할 수도 있고 또는 다수의 구간을 포함할 수 있다. 그리고, 측정구간은 스파 캡(142)의 길이 방향을 따라 정해지는 구간, 폭 방향을 따라 정해지는 구간, 두께 방향을 따라 정해지는 구간 등 스파 캡(142)의 내, 외에서 다양한 방향을 따라 정해질 수 있다.
측정구간은 스킨(141) 또는 전단 웹(143)의 내, 외에서 정해질 수도 있다. 스킨(141)이나 전단 웹(143)의 경우도 전술한 바와 같이 탄소섬유를 포함하여 형성되는 경우에 스킨(141), 전단 웹(143) 자체에서 도전영역을 포함하게 된다. 이 도전영역 내에서 스파 캡(142)의 경우에서처럼 측정구간(M1)이 정해질 수 있다.
뿐만 아니라, 측정구간은 도 2B에 도시된 바와 같이 블레이드(14)를 구성하는 부재 간 결합부위를 포함하여 2 이상의 부재를 걸쳐서 정해지는 구간(M2,M3)을 포함할 수도 있다.
예컨대, 측정구간은 스킨(141)과 스파 캡(142) 간 결합부위를 포함하여 스킨(141)에서 스파 캡(142)으로 걸쳐 정해지는 구간(M2)으로 정해질 수 있다. 스킨(141) 및 스파 캡(142)이 모두 탄소섬유를 포함하여 형성되는 경우, 전기전도성을 갖는 도전영역은 스킨(141)과 스파 캡(142)의 결합부위를 포함하여 스킨(141)에서 스파 캡(142)으로 이어질 수 있다. 이 경우, 측정구간이 스킨(141) 및 스파 캡(142)의 결합부위를 포함하여 스킨(141)에서 스파 캡(142)으로 걸쳐서 정해지고, 이러한 측정구간(M2)의 전기적 특성의 변화를 감지함으로써 스킨(141)과 스파 캡(142) 간의 결합부위에서의 손상을 확인할 수 있다.
또한, 측정구간은 스파 캡(142)과 전단 웹(143) 간 결합부위를 포함하여 스파 캡(142)에서 전단 웹(143)으로 걸쳐 정해지는 구간(M3)으로 정해질 수도 있다. 이 경우, 스파 캡(142)과 전단 웹(143) 간 결합부위에서의 손상에 대해서도 확인이 가능해진다.
한편, 전술한 스킨(141), 스파 캡(142), 및 전단 웹(143) 중 어느 하나는 탄소섬유가 아닌 유리섬유를 포함하여 형성될 수도 있다. 유리섬유를 포함하여 형성된 부재는 전기전도성을 갖지 못한다. 즉, 비도전성부로 이루어지게 되는데, 이와 같이 비도전성부로 이루어지는 부재에 대해서는 그 내부에 도전체(146)를 포함할 수 있다.
예컨대, 도 3에 도시된 스파 캡(142)이 비도전성부로 이루어지는 경우에는 스파 캡(142) 내에 전기전도성을 갖는 도전체(146)를 별도의 부재로써 결합되거나 또는 스파 캡(142)과 일체로 형성되도록 할 수 있다. 도전체(146)는 비도전성부 내에서 도전영역을 형성하게 되며, 이 도전영역 내에서 측정구간이 전술한 바와 같이 정해질 수 있다. 이때 도전체(146)는 전술한 바와 같이 탄소섬유를 포함하여 형성됨으로써 전기전도성을 가질 수 있다.
비도전성부는 스킨(141) 또는 전단 웹(143)일 수도 있으며, 이 경우 도전체(146)는 비도전성부로 이루어지는 스킨(141), 또는 전단 웹(143) 내에 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 측정구간에서의 전기적 특성 변화를 측정하는 측정수단을 포함한다.
측정수단은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기한 측정구간(M1,M2,M3)의 양단에 전기적으로 연결되는 측정부(410)를 포함할 수 있다. 전기적 특성을 측정하는 방법으로는 예컨대 저항을 측정하는 방법이 사용될 수 있다.
저항 측정을 위하여 측정구간에 전압 또는 전류가 인가될 수 있으며, 측정부(410)는 측정구간(M1,M2,M3)에서의 전기적 특성값을 측정하게 된다. 측정된 전기적 특성값(이하, '측정값'이라 한다)은 후술할 판단부(420)로 전송될 수 있다.
측정부(410)는 블레이드(14) 상태가 지속적으로 모니터링될 수 있도록, 측정구간에 대하여 시간 간격을 두고 반복적으로 전기적 특성을 측정하도록 설정될 수 있다.
본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 전술한 측정부(410)에서 측정된 측정값을 이용하여 블레이드(14)를 제어하는 블레이드 제어장치를 포함할 수 있다.
블레이드 제어장치는 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 전술한 측정부(410), 판단부(420), 제어부(430)를 포함할 수 있다. 여기서 제어부(430)는 하나의 풍력 발전기를 제어하도록 포함되는 것으로 후술할 통합 컨트롤러(500)와 구분하여 로컬 제어부로 볼 수 있다.
이하에서는 이와 같은 제어장치를 이용하여 블레이드(14)를 제어하는 일례의 방법을 도 5를 참조하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 블레이드 제어방법을 나타낸 순서도이다.
블레이드 제어방법은, 도 5에 도시된 바와 같이 우선 측정부(410)에 의하여 도전영역 내에서 정해진 측정구간의 전기적 특성을 측정하는 단계(S10)를 포함한다. 이때, 측정부(410)는 블레이드(14)의 상태가 지속적으로 모니터링되도록, 전술한 바와 같이 측정구간에 대한 전기적 특성 측정을 시간 간격을 두고 반복하여 수행할 수 있다.
다음, 판단부(420)에 의하여, 측정값과 기준값을 비교하는 단계(S20)가 수행될 수 있으며, 비교 결과에 따라 블레이드(14)의 상태가 정상상태인지 또는 비상상태인지를 판단하는 단계(S30)가 수행될 수 있다.
다음, 제어부(430)에 의하여, 상태 판단에 대응하는 모드로 결정하는 단계(S40)가 수행될 수 있으며, 여기서 모드는 정상모드, 비상모드, 또는 정지모드 중 어느 하나일 수 있다. 그리고 결정된 모드에 따라 블레이드(14)의 회전 조건을 제어하는 단계(S50)가 수행될 수 있다.
전술한 판단부(420) 및 제어부(430)의 구체적인 기능 및 기능 수행에 따른 블레이드 제어방법에 관하여, 도 6 및 도 7을 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 6은 도 4에 도시된 판단부의 알고리즘 순서도이고, 도 7은 도 4에 도시된 제어부의 알고리즘 순서도이다.
먼저 도 6에 도시된 바와 같이 판단부(420)는, 측정구간 별 기준값을 설정해 둘 수 있다(S201). 기준값은 예컨대 정상상태와 비상상태를 구분하는 경계값(A)을 포함할 수 있다. 또는 비상상태의 정도를 구분하는 수준값(B)을 포함할 수 있다.
여기서, 경계값(A) 또는 수준값(B)은 더욱 세분화된 값일 수도 있다. 도시된 바에서는 수준값으로, 비상운전제어가 필요한 수준과 운전정지제어가 필요한 수준을 구분하는 하나의 값(B)을 제시하고 있으나, 측정구간에서의 전기적 특성 변화의 정도, 즉 비상상태의 수준에 상응하여 구분된 블레이드(14) 제어가 가능하도록, 수준값은 세분화된 다수의 값을 포함할 수 있다.
그리고, 경계값(A)이나 수준값(B)은 특정값일 수도 있고, 또는 특정범위일 수도 있다.
판단부(420)는, 측정부(410)로부터 측정값(C)을 수신하면(S202), 측정값(C)과 기준값(A,B)을 비교할 수 있다(S203,S204). 비교 결과 측정값(C)이 경계값(B)보다 작거나 같으면 전기적 특성 변화가 크지 않은 경우로서 블레이드(14) 상태를 정상상태인 것으로 판단할 수 있다(S301).
판단부(420)는 측정값(C)이 경계값(A)보다 큰 경우에 블레이드(14) 상태가 비상상태인 것으로 판단할 수 있다. 비상상태는, 블레이드(14)의 처짐, 아이싱, 크랙, 적측 구조상에서의 박리, 또는 섬유의 단락 등의 현상이 발생한 경우로서, 블레이드(14)의 회전 조건을 제어할 필요가 있는 경우로 정해질 수 있다.
이때, 판단부(420)는 측정값(C)이 경계값(A)보다 크지만 수준값(B)보다 작거나 같은 경우에는 비상상태이지만 운전정지 제어가 필요한 정도는 아닌 경우로 판단할 수 있다(S302). 하지만, 측정값(C)이 수준값(B)보다 큰 경우에는 전기적 특성 변화가 큰 경우로서 블레이드(14)의 손상이 심각한 정도에 이른 것으로 보고 블레이드(14)의 운전을 정지해야 하는 상태로 판단할 수 있다(S303).
판단부(420)는, 이와 같이 블레이드(14)의 상태를 판단하여 그 판단 정보를 제어부(430)로 전송할 수 있다(S304). 제어부(430)는 획득한 판단 정보를 활용하여 블레이드의 최적 제어가 실현되도록 제어 신호를 출력한다.
한편, 제어부(430)에 의한 구체적인 제어 내용을 설명하기에 앞서, 먼저 블레이드의 최적 제어 방식의 예를 설명하면 다음과 같다.
방향과 크기가 불규칙적으로 변하는 바람으로부터 운동에너지를 최대한 많이 기계동력으로 변환시키기 위하여, 바람의 속도와 방향의 변화에 따른 블레이드의 피치, 요, 그리고 로터의 회전속도를 최적 제어해야 한다.
최적제어는 최대 출력 추출을 목표로 할 뿐만 아니라 풍력발전기의 제작비에영향을 주는 각 기계요소에 작용하는 정하중과 동하중을 최소화 하는 기능도 동시에 충족하도록 설계되어야 한다.
풍력발전기의 제어 방식은 다음과 같은 3가지 방식으로 이루어질 수 있다.
첫째 방식은, 가장 간단한 제어 형식으로 소위 “데니쉬 컨셉(Danish Concept)”으로 잘 알려진, 즉 유도발전기를 사용하여 로터의 회전속도가 풍속에 상관없이 거의 일정하게 유지되고, 피치각도 고정되어 피치 제어가 필요 없고, 풍향의 변화를 추종하는 요(yaw) 제어만 하는 경우이다.
이 방식은 정격 풍속 이상에서 스톨(stall)이라 부르는 유동박리 현상이 블레이드에서 발생하도록 설계 제작되어, 회전자의 출력을 발전기의 정격출력 이하로 제한한다. 그러나 회전축 방향의 축력이 정격풍속 이상의 풍속에서 지속적으로 높은 값을 유지하므로 결과적으로 무겁고 비싼 기계 구조물의 풍력 발전기가 된다.
둘째 방식은, 유도 발전기의 회전수는 일정하되 블레이드의 피치를 제어하여 정격풍속 이상의 풍속에서는 피치각을 감소시킴으로써 출력을 제어한다. 이 경우에 풍속이 증가함에도 불구하고 회전축 방향의 축력은 감소하게 되어 기계 구조물에 걸리는 하중을 크게 감소시킬 수 있다.
셋째 방식은, 최근 대형 풍력 발전기에서 주로 채택되고 있는 가장 이상적인 제어 형식으로, 피치와 요 제어 이외에 추가적으로 로터의 회전속도를 풍속에 따라 제어하여 정격풍속 이하의 풍속에서 익단비(tip speed ratio)를 항상 최적 설계 값으로 유지할 수 있도록 하여 에너지 추출을 극대화할 수 있게 한다. 이런 가변속 회전수의 제어는 발전기의 토크 제어로 이루어지며 정격풍속 이상에서는 토크와 피치의 동시 제어로 이루어진다.
요 제어는 위의 3가지 제어 방식과 상관없이 동일하게 풍력 발전기에 적용되며, 에너지 생산량에 매우 민감하게 영향을 준다. 회전자가 풍향변화에 따라 움직이도록 하는 요 장치의 제어 알고리즘은, 시간에 대한 풍향 변화 특성을 고려하여 최대의 에너지 수확량이 얻어지도록 설계될 필요가 있다.
이상의 설명에서와 같이 블레이드의 최적 제어가 실현되도록, 제어부(430)는 다음과 같은 제어 과정을 수행할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이 제어부(430)는, 판단부(420)로부터 블레이드(14)의 상태 정보를 수신하여(S401), 수신 정보에 대응하는 모드 결정단계를 수행할 수 있다(S402). 모드 결정단계(S402)에서 결정되는 모드는 정상모드, 비상모드, 정지모드 중 어느 하나일 수 있다.
제어부(430)는, 판단부(420)에서 수신된 상태 정보가 정상상태인 경우에는 정상모드로 결정할 수 있다(S403). 정상모드로 결정된 경우에는 블레이드(14)의 회전 조건에 대하여 정상운전제어가 실행된다(S501). 제어부(430)는 정상운전제어에 따라 출력되는 발전량을 확인할 수 있으며, 확인된 발전량 정보를 후술할 통합 컨트롤러(500)로 전송할 수 있다(S701).
제어부(430)는, 판단부(420)에서 수신된 상태 정보가 비상상태인 경우로서, 수준값(B)과의 비교 결과에 대응하여 '비상상태1'로 판단된 경우(S301, 도 5 참조) 비상모드로 결정할 수 있다(S404).
비상모드로 결정된 경우에 제어부(430)는 비상운전제어신호를 전송할 수 있다(S502). 비상운전제어신호는 블레이드(14)를 포함하는 로터(10)의 회전속도 제어신호, 블레이드(14)의 피치각을 제어하는 피치 제어신호, 또는 로터(10)의 풍향 대응 각도를 변화시키는 요 제어신호 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
회전속도 제어신호는 로터(10)의 회전속도를 조절하는 제동수단으로 전송될 수 있다.
피치 제어신호는 블레이드(14)의 피치 조절부로 전송될 수 있다. 피치란 블레이드(14)의 비틀린 각도를 의미하는 것으로, 피치 조절부에 의하여 조절되는 블레이드(14)의 피치각은 풍력 발전기가 발전을 하지 않는 아이들링(idling) 상태에서 90도이다. 이때, 블레이드(14)는 바람이 불어오는 방향과 나란한 방향으로 배열되고, 블레이드(14)의 받음각은 0도 상태를 유지하게 되어 하중을 가장 적게 작용받는다.
제어부(430)는, 블레이드(14)가 비상상태임이 확인된 경우로서 비상모드로 결정된 경우에 블레이드(14)가 작용받는 하중이 저감될 수 있게, 피치 조절부로 하여금 블레이드 피치를 조절하도록 제어신호를 전송할 수 있다.
요 제어신호의 경우도 마찬가지다. 제어부(430)는, 블레이드(14)가 작용받는 하중이 저감될 수 있도록, 로터(10)가 풍향을 적게 받는 위치로 방향이 전환될 수 있게 요 조절부로 하여금 요 제어가 수행되도록 제어신호를 전송할 수 있다.
제어부(430)는 이와 같이 비상운전제어신호를 전송(S502)하여 블레이드(14)를 제어한 다음, 비상운전제어에 따라 풍력 발전기(1)에서 출력되는 발전량의 감소분을 확인할 수 있으며, 이렇게 확인된 발전량 정보를 후술할 통합 컨트롤러(500)로 전송할 수 있다(S702).
제어부(430)는, 판단부(420)에서 수신된 상태 정보가 비상상태인 경우로서, 수준값(B)과의 비교 결과에 대응하여 '비상상태2'로 판단된 경우(S302, 도 5 참조) 정지모드로 결정할 수 있다(S405). 이 경우는 예컨대 블레이드(14)의 수리, 또는 교체 작업이 필요한 경우로서 블레이드(14)의 회전을 멈출 필요가 있는 경우일 수 있다.
정지모드로 결정된 경우에 제어부(430)는 운전정지제어신호를 전송할 수 있다(S503). 운전정지제어신호는 로터(10)의 회전 속도를 제어하는 제동수단에 전송될 수 있으며, 제동수단에 의하여 로터(10)는 정지될 수 있다. 이 경우에도 제어부(430)는 풍력 발전기(1)에서 출력되는 발전량의 감소량을 확인할 수 있으며, 확인된 발전량 정보를 후술할 통합 컨트롤러(500)로 전송할 수 있다(S703).
제어부(430)는 모드 결정단계(S402)를 수행한 이후에 관리자가 모드 정보를 확인할 수 있도록 모드 정보 전송 단계(S601,S602,S603)를 수행할 수도 있다. 모드 정보는, 예컨대 관리자가 휴대하는 휴대 단말기로 문자메시지 형태로 전송될 수 있다. 또는, 풍력 발전기(1)를 관리하는 지상 관리 시스템에 포함된 외부단말기의 표시화면에 표시되도록 전송될 수 있다. 또는 관리자의 이메엘 계정으로 전자메일 형태로 전송될 수 있다.
특히, 비상상태로 판단된 경우로서, 예컨대 제어부(430)에 의해 비상모드 또는 정지모드로 결정되는 경우에는, 제어부(430)는 경보등(미도시)이 점등되도록 하거나, 경보음 발생부(미도시)에서 경보음이 발생되도록 제어신호를 전송할 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 풍력 발전기(1)는 도 8에 도시된 바와 같이 풍력발전단지(wind farm)에 포함되는 다수의 풍력 발전기 중 어느 하나일 수 있다.
풍력발전단지는 예컨대 지상 관리 시스템에 의해 관리될 수 있으며, 이러한 시스템에는 다수의 풍력 발전기를 통합 제어하는 통합 컨트롤러(500)가 포함될 수 있다. 통합 컨트롤러(500)는 로컬 제어부와 통신하여 로컬 제어부가 담당하는 풍력 발전기를 제어할 수 있다.
로컬 제어부는 담당하는 풍력 발전기에서 출력되는 발전량에 관한 정보를 지속적으로 통합 컨트롤러(500)로 전송할 수 있다(S701,S702,S703, 도 7 참조). 통합 컨트롤러(500)는 이렇게 획득된 발전량 정보를 분석하여, 개개의 풍력 발전기에 대하여 필요한 출력 조정이 이루어지도록 제어할 수 있다. 예컨대, 로컬 제어부에서 전송된 정보에 의하여 해당 풍력 발전기에서의 발전량 감소가 확인된 경우에는 다른 풍력 발전기의 출력이 조정되도록 다른 로컬 제어부에 출력 조정에 필요한 제어신호를 전송할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 풍력 발전기 10: 로터
12: 허브 14: 블레이드
14a: 루트부 14b: 팁부
20: 나셀 21: 나셀 커버
22: 메인 샤프트 23: 베어링
24: 기어 박스 25: 발전기
26: 메인 프레임 30: 타워
141: 스킨 142: 스파 캡
143: 전단 웹 144: 뼈대
145: 에지부 146: 도전체
410: 측정부 420: 판단부
430: 제어부 500: 통합 컨트롤러
12: 허브 14: 블레이드
14a: 루트부 14b: 팁부
20: 나셀 21: 나셀 커버
22: 메인 샤프트 23: 베어링
24: 기어 박스 25: 발전기
26: 메인 프레임 30: 타워
141: 스킨 142: 스파 캡
143: 전단 웹 144: 뼈대
145: 에지부 146: 도전체
410: 측정부 420: 판단부
430: 제어부 500: 통합 컨트롤러
Claims (48)
- 탄소섬유 소재로 형성된 도전영역을 포함하는 풍력 발전기용 블레이드의 상태를 측정하여 상기 블레이드의 회전조건을 제어하는 블레이드 제어장치로서,
상기 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성을 측정하는 측정부;
상기 측정부에서 측정된 측정값을 기준값과 비교하여 정상상태 또는 비상상태를 판단하는 판단부; 및
상기 판단부에서 판단된 상태에 대응하여 정상모드, 비상모드, 및 정지모드 중 어느 하나로 모드로 결정하며, 결정된 모드에 따라 상기 블레이드의 회전조건을 제어하는 제어부를 포함하는 블레이드 제어장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 측정구간은 상기 도전영역 내에서 정해지는 다수의 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 측정부는 상기 측정구간의 전기적 특성을 반복하여 측정하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 판단부는 상기 비상상태를 판단함에 있어서 상기 측정값과 상기 기준값의 차이에 따른 수준을 구분 판단하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 회전속도 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 정지 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 피치 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 4에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 요(yaw) 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 외부 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 9에 있어서,
상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 전자메일 형태 또는 문자메시지 형태로 전송하거나, 또는 상기 외부 단말기의 표시화면에 표시되도록 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 비상상태로 판단된 경우에 경보등 또는 경보음 발생부에 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어장치. - 블레이드를 포함하는 풍력 발전기에 있어서,
상기 블레이드는 전기전도성을 갖는 도전영역을 포함하며,
상기 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성 변화를 측정하는 측정수단을 포함하는 풍력 발전기. - 청구항 12에 있어서,
상기 도전영역은 탄소섬유 소재를 포함하여 전기전도성을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 12에 있어서,
상기 측정구간은 상기 도전영역 내에서 정해지는 하나의 구간 또는 다수의 구간인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 12에 있어서,
상기 블레이드는 스킨(skin), 스파 캡(spar cap), 및 전단 웹(shear web)을 포함하며,
상기 도전영역은 상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 적어도 어느 하나에 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 15에 있어서,
상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 적어도 어느 하나는 탄소섬유 소재를 포함하여 상기 도전영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 16에 있어서,
상기 도전영역은 상기 스킨 및 상기 스파 캡의 결합 부위를 포함하면서 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 연속하여 형성되며,
상기 측정구간은 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 걸쳐 정해지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 16에 있어서,
상기 도전영역은 상기 스파 캡 및 상기 전단 웹의 결합 부위를 포함하면서 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 연속하여 형성되며,
상기 측정구간은 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 걸쳐 정해지는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 15에 있어서,
상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 어느 하나는 유리섬유 소재를 포함하는 비도전성부로 이루어지며,
상기 비도전성부 내에 전기전도성을 갖는 도전체가 형성되어 상기 도전영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 19에 있어서,
상기 도전체는 탄소섬유 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 12에 있어서,
상기 측정수단은 상기 측정구간의 양단에 전기적으로 연결되어 상기 측정구간의 전기적 특성을 측정하는 측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 21에 있어서,
상기 측정부는 상기 측정구간의 전기적 특성을 반복하여 측정하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 22에 있어서,
상기 측정부에서 측정된 측정값을 기준값과 비교하여 정상상태 또는 비상상태를 판단하는 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 23에 있어서,
상기 판단부는 상기 비상상태를 판단함에 있어서 상기 측정값과 상기 기준값의 차이에 따른 수준을 구분 판단하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 24에 있어서,
상기 판단부에서 판단된 상태에 대응하여 정상모드, 비상모드, 및 정지모드 중 어느 하나로 모드로 결정하며, 결정된 모드에 따라 상기 블레이드를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 25에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 회전속도 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 25에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 정지 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 25에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 피치 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 25에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 요(yaw) 제어신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 25에 있어서,
상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 외부 단말기로 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 30에 있어서,
상기 제어부는 상기 결정된 모드 정보를 전자메일 형태 또는 문자메시지 형태로 전송하거나, 또는 상기 외부 단말기의 표시화면에 표시되도록 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 청구항 25에 있어서,
상기 제어부는 상기 판단부에 의해 비상상태로 판단된 경우에 경보등 또는 경보음 발생부에 제어 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기. - 탄소섬유 소재로 형성된 도전영역을 포함하는 풍력 발전기용 블레이드의 상태를 측정하여 상기 블레이드의 회전 조건을 제어하는 블레이드 제어방법으로서,
(a) 상기 도전영역 내에서 정해지는 측정구간에 대하여 전기적 특성을 측정하는 단계;
(b) 상기 (a) 단계에서 측정된 측정값을 기준값과 비교하여 정상상태 또는 비상상태를 판단하는 단계;
(c) 상기 (b) 단계에서 판단된 상태에 대응하여 정상모드, 비상모드, 및 정지모드 중 어느 하나로 모드로 결정하는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계에서 결정된 모드에 따라 상기 블레이드의 회전 조건을 제어하는 단계를 포함하는 블레이드 제어방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 도전영역 내에서 정해지는 다수의 측정구간에 대하여 전기적 특성을 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 측정구간의 전기적 특성을 반복하여 측정하는 단계인 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 비상상태를 판단함에 있어서 상기 측정값과 상기 기준값의 차이에 따른 수준을 구분 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 36에 있어서,
상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 회전속도를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 36에 있어서,
상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드를 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 36에 있어서,
상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 상기 블레이드의 피치를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 36에 있어서,
상기 (d) 단계는 상기 (b) 단계에서 판단된 상기 비상상태의 수준에 대응하여 요(yaw) 제어를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 37 내지 40 중 어느 한 항에 있어서,
(e) 상기 (d) 단계 이후에, 풍력 발전기의 발전량을 확인하는 단계를 더 포함하는 블레이드 제어방법. - 청구항 41에 있어서,
상기 블레이드가 포함된 풍력 발전기는 풍력발전단지(wind farm)를 구성하는 다수의 풍력 발전기 중 어느 하나이고, 상기 풍력발전단지는 상기 다수의 풍력 발전기를 제어하는 통합 컨트롤러를 포함하며,
(f) 상기 (e) 단계 이후에 상기 통합 컨트롤러로 상기 발전량 정보를 전송하는 단계를 더 포함하는 블레이드 제어방법. - 청구항 33에 있어서, 상기 (c) 단계 이후에,
(d’) 상기 결정된 모드 정보를 외부 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 43에 있어서,
상기 (d’) 단계는 상기 결정된 모드 정보를 전자메일 형태 또는 문자메시지 형태로 전송하거나, 또는 상기 외부 단말기의 표시화면에 표시되도록 전송하는 단계인 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 (b) 단계에서 비상상태로 판단된 경우로서 상기 (b) 단계 이후에,
(c’) 경보등이 점등되도록 하거나 또는 경보음이 발생되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 33에 있어서,
상기 블레이드는 스킨(skin), 상기 스킨에 결합되는 스파 캡(spar cap), 및 상기 스파 캡에 결합되는 전단 웹(shear web)을 포함하며,
상기 도전영역은 상기 스킨, 상기 스파 캡, 및 상기 전단 웹 중 적어도 어느 하나에 형성되는 블레이드 제어방법. - 청구항 46에 있어서,
상기 도전영역은 상기 스킨 및 상기 스파 캡의 결합 부위를 포함하여 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 연속하여 형성되며,
상기 측정구간은 상기 스킨 내에서 상기 스파 캡 내로 걸쳐 정해지는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법. - 청구항 46에 있어서,
상기 도전영역은 상기 스파 캡 및 상기 전단 웹의 결합 부위를 포함하면서 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 연속하여 형성되며,
상기 측정구간은 상기 스파 캡 내에서 상기 전단 웹 내로 걸쳐 정해지는 것을 특징으로 하는 블레이드 제어방법.
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