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KR102588198B1 - 풍력 터빈 피치 캐비닛 온도 제어 시스템 - Google Patents

풍력 터빈 피치 캐비닛 온도 제어 시스템 Download PDF

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KR102588198B1
KR102588198B1 KR1020160174757A KR20160174757A KR102588198B1 KR 102588198 B1 KR102588198 B1 KR 102588198B1 KR 1020160174757 A KR1020160174757 A KR 1020160174757A KR 20160174757 A KR20160174757 A KR 20160174757A KR 102588198 B1 KR102588198 B1 KR 102588198B1
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KR
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energy storage
wind turbine
electric motor
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토비아스 뢰스만
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케바 인더스트리얼 오토매이션 저머니 게엠베하
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Abstract

에너지 저장 장치의 온도를 유지하기 위한 풍력 터빈 온도 제어 시스템은 에너지 저장 장치에 열을 공급하기 위한 차단 저항과 차단 저항에 전류를 흐르게 하는 전원을 구비한다.

Description

풍력 터빈 피치 캐비닛 온도 제어 시스템{A WIND TURBINE PITCH CABINET TEMPERATURE CONTROL SYSTEM}
본 발명은 에너지 저장 장치 및 제어 회로를 위한 온도 제어 시스템의 개선에 관한 것이다. 특히, 그러나 배타적이지 않고서, 이는 풍력 터빈 로터 블레이드의 비상 피치 제어를 위하여 피치 모터에 전력공급하고 그를 제어하는 데 사용되는 비상 에너지 저장 장치 및 제어 회로의 온도를 유지하기 위한 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
로터 블레이드가 로터에 장착된 풍력 터빈은 로터 블레이드의 회전 속도를 제한하기 위한 선회가능한 로터 블레이드를 사용하여 강한 바람이 발생할 때 풍력 터빈에 대한 구조적 손상을 방지하거나 회전을 어떻게든 정지시킬 수 있다. 로터 블레이드가 바람을 향하도록 또는 그렇지 않도록 경사지게 함으로써, 로터 블레이드가 겪는 회전 토크가 제어되고, 풍력 터빈의 회전 속도 및 생성된 전력이 작동 한계 내에서 조절 및 유지될 수 있다. 각각의 로터 블레이드의 받음각을 조절하기 위하여 풍력 터빈의 소위 피치 구동부(pitch drive)를 위한 AC 모터를 사용하는 것은 통상적이었다. 요즘에는 DC 모터에 대한 동향이 있고, 결과적으로 DC 주파수 변환을 위한 중간 회로가 피치 구동부의 DC 공급을 위하여 이용된다. 그러나, 이는 과전압에 의한 손상을 피하기 위하여 부하가 에너지를 중간 회로에 다시 공급할 때 전압을 제어해야 할 필요성이 동반한다. 때때로, 제동 유닛이라고도 또한 지칭되는 소위 제동 초퍼(braking chopper)가 이를 위하여 사용된다. 이러한 제동 초퍼는, 그의 기능으로 인하여 추가로 본 명세서에서 제동 저항기라고 불리는, 각각의 DC 모터에 대한 추가 부하로서 작용을 하는, 저항기를 포함한다.
풍력 터빈이 과부하 또는 구조적 안전 임계치에 근접하고 있는 경우와 같이 로터가 정지되거나 그렇지 않으면 그의 속도가 제한되게 하는 것이 중요한 상황에서, 적어도, 로터 블레이드가 로터를 정지시키게 할 소위 페더링(feathering) 위치로 모든 로터 블레이드를 바꾸는 데 필요한 기간 동안 피치 제어 메커니즘이 제 기능을 하는 것이 중요하다. 따라서, 이러한 피치 제어 메커니즘에 비상 백업 전력 공급부를 제공하여 풍력 터빈이 전력 손실 또는 다른 고장이 발생할 경우에도 로터 속도를 감소시킬 수 있게 하는 것은 표준 관행이 되어 왔다.
비상 전력 공급부는 종종 커패시터 형태로 제공된다.
소정 온도 미만에서, 커패시터의 내부 저항은 상당히 증가하다. 결과적으로, 비상 시 커패시터에 의해 방전되는 에너지의 일부가 열로서 낭비될 것이다. 기껏해야, 이는 백업 전력 공급부의 비효율성을 나타내며, 최악의 경우에, 커패시터의 감소된 출력은 로터 블레이드의 피치를 적절하게 변경하기에 충분하지 못할 수 있어서, 궁극적으로 풍력 터빈에 대한 손상을 일으킬 수 있다. 풍력 터빈은 다양한 환경과 기후에서 채용되기 때문에, 백업 커패시터의 온도 제어는 중대한 문제이다. 종래 기술의 해결책은 자체 내부 저항에 의해 자체를 가열하기 위하여 비상 에너지 장치를 방전하는 것이었다.
종래 기술의 다른 해결책은 주요 내부 구성요소를 최적의 온도로 유지하도록 작동하는 히터, 통상적으로는 팬 히터를 풍력 터빈에 갖추는 것이었다. 공간을 차지하고 무게를 추가하는 것 이외에, 이러한 전통적인 팬 히터는 온도를 제어할 때 히스테리시스(hysteresis)를 겪는 것으로 알려져 있다. 더욱이, 그는 AC 전력에 의존하다. 많은 현대의 풍력 터빈이 DC 모터 및 DC 중간 주파수 컨버터 회로를 사용하기 때문에, 이러한 전통적인 팬은 풍력 터빈의 설계에 대한 고비용이고 복잡한 변형/부가 없이는 채용될 수 없다. 전기 안전 요건을 충족시키기 위하여, AC 히터를 사용하기 위한 그러한 변형은 피치 캐비닛(pitch cabinet)을 통하여 중성선(neutral line)의 루트(route)를 정하는 것을 포함하는데, 이는 추가 비용을 발생시킨다.
더욱이, 풍력 터빈의 부품 수를 증가시킴으로써, 설치 및 유지보수의 비용 및 복잡성 둘 모두가 증가된다.
따라서, 추가 구성요소에 대한 필요성을 최소화하면서 피치 제어 메커니즘에 열을 제공하는 능력은 바람직하다. 제어 회로와 같은 피치 제어 메커니즘의 다른 구성요소를 위하여 열을 제공하는 능력도 있다.
본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 결점의 일부를 완화하는 것이다.
본 발명의 태양에 따르면, 전력 공급부, 에너지 저장 장치, 전기 모터 및 제동 저항기를 포함하는 풍력 터빈이 제공되는데, 전기 모터는 제동 저항기와 가끔 전기 접촉하여 제1 전류가 제동 저항기를 통하여 흐르게 하고 발전기 모드에서 작동하는 전기 모터의 과잉 운동 에너지가 열로 변환되게 하고; 전력 공급부는 제동 저항기를 통하여 제2 전류가 흐르게 하여 제동 저항기가 열을 생성하게 하도록 구성되고, 제동 저항기 및 에너지 저장 장치는 제동 저항기가 에너지 저장 장치에 열을 제공하도록 배열된다.
에너지 저장 장치를 위한 열원으로서 제동 저항기의 사용의 새로운 모드를 제공함으로써, 풍력 터빈의 기존 구성요소의 유용성이 최적화된다. 제동 저항기는 또한 풍력 터빈의 다른 중요한 구성요소의 온도를 유지하는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 부가적인 독립형 가열 요소에 대한 필요성이 그의 연관된 단점과 함께 제거된다. 종래의 AC 전력공급형 팬 히터는 히스테리시스를 겪고 부가적인 회로를 필요로 하는 것으로 알려져 있다. 이러한 요소를 제거함으로써, 풍력 터빈의 전체 부품 수가 감소되어, 공간, 무게를 절약하고, 설치 및 유지보수의 비용 및 복잡성을 낮춘다.
바람직하게는, 풍력 터빈은 제동 저항기에 대해 배열된 제어 회로를 추가로 포함하여 제동 저항기가 제어 회로에 열을 제공하게 한다. 이는 응축이 제어 회로의 작동에 간섭하는 것을 방지하는 데 도움이 되어, 또한 저온과 연관된 다른 손상을 방지한다.
바람직하게는, 저항기, 에너지 저장 장치 및 제어 회로는 인클로저(enclosure) 내에 수용된다. 이는 제동 저항기로부터 출력된 열을 수용하는 것을 돕고 에너지 저장 장치 및 제어 회로의 국소 열 환경을 한정하여, 그들의 온도가 더 정밀하게 제어되게 한다. 전술된 바와 같이, 종래의 AC 전력공급형 팬 히터의 경우인 것과 같이, 모든 구성요소에는 DC 전력공급되고 인클로저를 통하여 중성선의 루트를 정할 필요가 없다. 이러한 제약을 제거하면 풍력 터빈의 배선 효율이 더 극대화되게 하여, 또한 앞서 논의된 바와 같이 부품이 더 적은 장점을 제공한다. 추가로, 제동 저항기 및 에너지 저장 장치를 동일한 인클로저 내에 위치시키면 유지보수를 위하여 둘 모두에 대한 액세스가 더 용이하게 되어, 또한 제동 저항기가 달리 설치될 수 있는 위치에서, 확보하기 더 어려울 수 있는 공간을 절약할 수 있다. 통상, 풍력 터빈 내의 제동 저항기는 제동 저항기에 의해 생성된 열을 가능한 빨리 소산시키도록 환기가 우수한 장소에 위치된다. 그러나, 본 발명은, 선택된 제동 저항기의 특성이 적절하게 선택되는 경우, 환기 요건이 무시해도 될 정도가 되도록 제동 저항기가 드물게 사용되는 것을 실현하였다.
바람직하게는, 인클로저 내측에 기류를 분배하도록 구성된 팬이 있다. 팬은 제동 저항기에 전력을 공급하는 동일한 전력 공급부에 의해 전력공급될 수 있고, 가열된 공기를 인클로저 전체에 분배함으로써 가열 효율을 증가시킨다.
바람직하게는, 전기 모터와 제동 저항기 사이에 스위칭 수단이 존재한다. 이는 제동 저항기가 전기 모터의 중간 AC 컨버터 회로로 스위칭되게 할 수 있어서, 전류 형태의 과잉 운동 에너지를 인출하고 이를 열로서 소산시킬 수 있다.
바람직하게는, 전력 공급부와 제동 저항기 사이에 스위칭 수단이 존재한다. 이는 제동 저항기에 전류가 요구 시 공급되게 할 수 있어서, 에너지 저장 장치 및/또는 제어 회로의 온도를 조절하는 데 사용되는 열을 출력할 수 있다.
스위칭 수단은 기계식 릴레이, 솔리드 스테이트 릴레이 및 사이리스터 중 하나에 의해 제공될 수 있다.
바람직하게는, 전력 공급부와 통신하는 프로세서가 존재하며, 프로세서는 제동 저항기로의 전력 공급부의 출력을 제어하도록 구성된다. 프로세서는 제동 저항기에 공급되는 전류의 크기 및 타이밍의 미세한 제어를 가능하게 한다. 따라서, 에너지 저장 장치 및 제어 회로의 온도는 프로세서로부터의 명령에 따라 정밀하게 유지되거나 변경될 수 있다.
바람직하게는, 프로세서와 통신하는 온도 센서가 존재하며, 온도 센서는 에너지 저장 장치, 인클로저, 및 제어 회로 중 적어도 하나의 온도를 모니터링하도록 구성된다. 이는 상이한 구성요소들의 정확한 온도가 정밀하게 모니터링되게 한다. 프로세서와 함께, 이는 제동 저항기로의 전력 공급부의 출력 및 구성요소의 온도의 결과적인 변화를 조절 및 교정하는 피드백 루프를 생성한다.
바람직하게는, 에너지 저장 장치는 풍력 터빈 로터 블레이드의 비상 피치 제어를 가능하게 하도록 구성된 피치 모터의 백업 에너지 저장 장치이다.
바람직하게는, 에너지 저장 장치는 커패시터이다. 커패시터는 넓은 범위의 작동 온도를 가지며 상당한 손실이 있기 전까지 오랜 기간 동안 변화를 수용할 수 있다. 더욱이, 커패시터는 풍력 터빈의 전력 출력에 의해 빠르고 용이하게 재충전된다. 이는 커패시터가, 특히 원격 응용예의 경우, 적합하게 신뢰할 수 있는 백업 전력원이 되게 한다.
바람직하게는, 에너지 저장 장치는 울트라커패시터이다. 울트라커패시터는 -40℃ 내지 60℃에 걸친 매우 넓은 범위의 작동 온도를 갖는다.
바람직하게는, 에너지 저장 장치의 온도는 -20℃보다 높게 유지된다. 이러한 온도보다 높은 경우, 울트라커패시터의 내부 저항은 관리가능하고 그의 출력 용량에 지나치게 영향을 미치지 않는다.
대안적으로, 에너지 저장 장치는 -10℃보다 높게 유지된다. 이러한 온도보다 높은 경우, 울트라커패시터에 저장된 실질적으로 모든 에너지는 최소의 손실로 출력될 수 있다. 이는 커패시터의 전하를 충전하여야 함으로써 더 적은 에너지가 낭비되고, 풍력 터빈의 전체적인 에너지 효율이 증가하는 것을 의미하다.
대안적으로, 에너지 저장 장치는 0℃보다 높게 유지된다.
대안적으로, 에너지 저장 장치는 15℃ 내지 20℃의 범위 내에서 유지된다.
번호가 매겨진 항목:
1. 전력 공급부, 에너지 저장 장치, 전기 모터 및 제동 저항기를 포함하고,
전기 모터는 제동 저항기와 가끔 전기 접촉하여 제1 전류가 제동 저항기를 통하여 흐르게 하고 전기 모터의 과잉 운동 에너지가 열로 변환되게 하고;
전력 공급부는 제동 저항기를 통하여 제2 전류가 흐르게 하여 제동 저항기가 열을 생성하게 하도록 구성되고, 제동 저항기 및 에너지 저장 장치는 제동 저항기가 에너지 저장 장치에 열을 제공하도록 배열된, 풍력 터빈.
2. 항목 1에 있어서, 제동 저항기에 대해 배열된 제어 회로를 추가로 포함하여 제동 저항기가 제어 회로에 열을 제공하게 하는, 풍력 터빈.
3. 항목 1에 있어서, 제동 저항기 및 에너지 저장 장치는 인클로저(enclosure) 내에 수용되는, 풍력 터빈.
4. 항목 3에 있어서, 인클로저는 또한 피치 구동부의 제어 회로를 수용하는, 풍력 터빈.
5. 항목 3 또는 항목 4에 있어서, 인클로저 내측에 기류를 분배하도록 구성된 팬을 추가로 포함하는, 풍력 터빈.
6. 항목 1 내지 항목 5 중 어느 한 항목에 있어서, 전력 공급부와 제동 저항기 사이에 스위칭 수단을 추가로 포함하는, 풍력 터빈.
7. 항목 6에 있어서, 스위칭 수단은 기계식 릴레이, 솔리드 스테이트 릴레이(solid state relay) 및 사이리스터(thyristor) 중 하나인, 풍력 터빈.
8. 항목 1 내지 항목 7 중 어느 한 항목에 있어서, 전력 공급부와 통신하는 프로세서를 추가로 포함하고, 프로세서는 제동 저항기로의 전력 공급부의 출력을 제어하도록 구성되는, 풍력 터빈.
9. 항목 8에 있어서, 프로세서와 통신하는 온도 센서를 추가로 포함하며, 온도 센서는 에너지 저장 장치, 인클로저, 및 제어 회로의 온도 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성되는, 풍력 터빈.
10. 항목 1 내지 항목 9 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치는 풍력 터빈 로터 블레이드의 비상 피치 제어를 가능하게 하도록 구성된 피치 전기 모터의 백업 에너지 저장 장치인, 풍력 터빈.
11. 항목 1 내지 항목 10 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치는 커패시터인, 풍력 터빈.
12. 항목 11에 있어서, 에너지 저장 장치는 울트라커패시터(ultracapacitor) 인, 풍력 터빈.
13. 항목 1 내지 항목 12 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치의 온도가 -20℃보다 높게 유지되는, 풍력 터빈.
14. 항목 1 내지 항목 12 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치의 온도가 -10℃보다 높게 유지되는, 풍력 터빈.
15. 풍력 터빈 내의 에너지 저장 장치의 온도를 제어하기 위한 방법으로서,
전기 모터, 제동 저항기 및 에너지 저장 장치를 포함하는 풍력 터빈을 제공하는 단계로서,
전기 모터는 제동 저항기와 가끔 전기 접촉하여 제1 전류가 제동 저항기를 통하여 흐를 수 있게 하고 전기 모터의 과잉 운동 에너지를 열로 변환할 수 있게 하는, 풍력 터빈을 제공하는 단계;
추가로, 제동 저항기를 통하여 제2 전류가 흐르게 하여 열을 생성하도록 구성된 전력 공급부를 포함하는 가열 시스템을 제공하는 단계, 및 제동 저항기가 에너지 저장 장치에 이러한 열을 제공할 수 있도록 제동 저항기와 에너지 저장 장치를 배열하는 단계를 포함하는, 방법.
16. 항목 15에 있어서, 제어 회로를 제공하는 단계, 및 제동 저항기가 제어 회로에 열을 제공할 수 있도록 제어 회로를 제동 저항기에 대해 배열하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
17. 항목 15 또는 항목 16에 있어서,
전력 공급부를 이용하여 제동 저항기에 전류를 공급하는 단계, 및
제동 저항기로부터 에너지 저장 장치로 열을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
18. 항목 16 및 항목 17에 있어서, 제동 저항기로부터 제어 회로로 열을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
19. 항목 15 내지 항목 18 중 어느 한 항목에 있어서, 전기 모터와 제동 저항기 사이에 스위칭 수단을 추가로 포함하는, 방법.
20. 항목 16에 있어서, 스위칭 수단은 기계식 릴레이, 솔리드 스테이트 릴레이 및 사이리스터 중 하나인, 방법.
21. 항목 15 내지 항목 20 중 어느 한 항목에 있어서, 적어도 제동 저항기 및 에너지 저장 장치를 인클로저 내측에 배열하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
22. 항목 21에 있어서, 팬을 제공하는 단계, 및 인클로저 내측에 기류를 분배하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
23. 항목 14 내지 항목 22 중 어느 한 항목에 있어서, 전력 공급부와 통신하는 프로세서를 제공하는 단계, 및 프로세서에 의해 전력 공급부의 출력을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
24. 항목 23에 있어서, 프로세서와 통신하고 에너지 저장 장치와 열적으로 접촉하는 온도 센서를 제공하는 단계, 온도 센서를 이용하여 에너지 저장 장치의 온도를 측정하는 단계, 및 측정된 온도에 응답하여 전력 공급부의 출력을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법
25. 항목 15 내지 항목 24 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치로서 커패시터를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
26. 항목 25에 있어서, 에너지 저장 장치로서 울트라커패시터를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
27. 항목 15 내지 항목 26 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치의 온도를 -20℃보다 높게 유지하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
28. 항목 15 내지 항목 26 중 어느 한 항목에 있어서, 에너지 저장 장치의 온도를 -10℃보다 높게 유지하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
29. 첨부된 관련 도면을 참조하여 실질적으로 본 명세서에 기재된 바와 같은, 풍력 터빈.
본 발명의 일 실시예가 첨부 도면을 참조하여, 단지 예로서, 이제 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 터빈의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
추가 구성요소에 대한 필요성을 최소화하면서 비상 에너지 저장 장치의 온도를 유지할 수 있은 풍력 터빈 온도 제어 시스템을 제공하기 위하여, 본 발명에 따른 풍력 터빈 온도 제어 시스템이 제공된다.
도 1은 풍력 터빈(10)의 개략도를 도시한다. 풍력 터빈(10)은 적어도 전기 모터(15), 전력 공급부(30), 제동 저항기(40) 및 에너지 저장 장치(50)를 포함한다.
전기 모터(15)는 풍력 터빈의 로터 블레이드를 그의 종축을 중심으로 회전시키기 위한 종래의 DC 전기 모터이다. 강한 돌풍이 있는 동안, 로터 블레이드는 가속될 수 있고, 전기 모터가 로터 블레이드를 회전시키는 대신, 전기 모터를 회전시킬 것이다. 이러한 경우에, 전기 모터는, 부하가 전기 모터를 가속시킬 때, 발전기 모터로 되어 공지된 방식으로 짧은 시간 동안 전기를 생성한다. 과잉 에너지가 소산될 수 없는 경우 발전기 모드에서, 공급 전압보다 더 높은 전압이 나타날 수 있는데, 이는 회로에 손상을 일으킬 수 있다. 따라서, 이러한 상황이 검출되는 경우에, 소위 제동 저항기를 전기 모터(15)에 접속시켜 열 형태의 과잉 에너지를 소산시키고 그에 따라서 발전기 모드에서 전기 모터(15)에 의해 생성된 전압을 낮추는 것이 통상적이다.
전력 공급부(30)는 공지된 전력 공급부이다. 추가 실시예에서, 전력 공급부(30)는 저장된 에너지의 공급원 예를 들어 배터리 또는 커패시터를 포함한다. 이와 같이, 제동 저항기(40)에 전류를 제공하기 위한 임의의 공지된 적합한 수단이 채용될 수 있다. 이러한 전력 공급부(30)는 본 기술분야에서 공지되어 있다.
전기 모터(15) 및 전력 공급부(30) 둘 모두는 제동 저항기(40)에 전류를 공급하도록 구성된다.
제동 저항기(40)는 전류에 의해 공급될 때 열을 생성하도록 구성된다. 당업자에게 본 발명의 문맥에서 용어 '제동 저항기'가 '부하 저항기', '감쇠 저항기', '흡수 저항기' 및 '초퍼 저항기'와 상호교환가능하다는 것은 명백할 것이다.
제동 저항기(40)는 전기 에너지를 열로 변환시킴으로써 서지(surge) 또는 과잉 에너지를 필터링하기 위하여 전기 모터(15)의 중간 컨버터 회로로 스위칭될 수 있다. 종래 응용예에서, 제동 저항기로부터의 열은 원치 않는 2차적인 부작용이며 폐열로서 열 싱크를 통하여 환경으로 환기된다.
에너지 저장 장치(50)는 공지된 비상 에너지 저장 장치이다. 일 실시예에서, 에너지 저장 장치(50)는 커패시터이다. 바람직한 실시예에서, 비상 에너지 저장 장치(50)는 -10℃보다 높은 최적 작동 온도 및 -20℃의 최소 작동 온도를 갖는 울트라커패시터이다. 비상 에너지 저장 장치(50)는 제동 저항기(40)로부터 비상 에너지 저장 장치(50)로 열의 효율적인 전달을 가능하게 하도록 제동 저항기(40)와 함께 배열된다. 제동 저항기(40)는 비상 에너지 저장 장치(50)와 열적으로 접촉할 수 있거나 물리적으로 접촉할 수 있거나, 또는 둘 모두일 수 있다. 일 실시예에서, 비상 에너지 저장 장치(50)는 제동 저항기(40)에 인접하고 있다. 추가 실시예에서, 비상 에너지 저장 장치(50)는 제동 저항기(40)에 가까이 근접하여 있다. 다른 추가 실시예에서, 비상 에너지 저장 장치(50)는 제동 저항기(40)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있다.
선택적으로, 풍력 터빈은 제어 회로(55)를 추가로 포함한다. 제어 회로(55)는 제동 저항기(40)로부터 제어 회로(55)로 열의 효율적인 전달을 가능하게 하도록 제동 저항기(40)와 함께 배열된다. 제동 저항기(40)는 제어 회로(55)와 열적으로 접촉할 수 있거나 물리적으로 접촉할 수 있거나, 또는 둘 모두일 수 있다. 일 실시예에서, 제어 회로(55)는 제동 저항기(40)에 인접하고 있다. 추가 실시예에서, 제어 회로(55)는 제동 저항기(40)에 가까이 근접하여 있다. 다른 추가 실시예에서, 제어 회로(55)는 제동 저항기(40)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있다.
선택적으로, 제동 저항기(40)는 스위칭 수단(16)에 의해 전기 모터(15)에 전기적으로 접속된다. 바람직한 실시예에서, 스위칭 수단(16)은 기계적으로 작동되는 릴레이이다. 추가 실시예에서, 스위칭 수단(16)은 솔리드 스테이트 릴레이이다. 다른 추가 실시예에서, 스위칭 수단(16)은 사이리스터이다. 이와 같이, 제동 저항기(40)와 전기 모터(15)의 선택적 전기 접속을 가능하게 하기 위한 임의의 공지된 적합한 수단이 채용될 수 있다. 이러한 스위칭 수단(16)은 당업계에 공지되어 있다.
선택적으로, 풍력 터빈(10)은 인클로저(20)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 인클로저(20)는 전력 공급부(30), 제동 저항기(40) 및 비상 에너지 저장 장치(50) 및 제어 회로(55)를 수용한다. 일 실시예에서, 인클로저(20)는 열적으로 절연된다. 당업자에게 본 발명의 문맥에서 인클로저(20)가 '피치 캐비닛', '피치 박스', '축 캐비닛' 또는 '축 박스'로 지칭될 수 있다는 것은 명백할 것이다.
선택적으로, 제동 저항기(40)는 스위칭 수단(35)에 의해 전력 공급부(30)에 전기적으로 접속된다. 일 실시예에서, 스위칭 수단(35)은 인클로저(20) 내에 수용된다. 대안적인 실시예에서, 스위칭 수단(35)은 인클로저(20)의 외측에 위치된다. 바람직한 실시예에서, 스위칭 수단(35)은 기계적으로 작동되는 릴레이이다. 추가 실시예에서, 스위칭 수단(35)은 솔리드 스테이트 릴레이이다. 다른 추가 실시예에서, 스위칭 수단(35)은 사이리스터이다. 이와 같이, 제동 저항기(40)와 전력 공급부의 선택적 전기 접속을 가능하게 하기 위한 임의의 공지된 적합한 수단이 채용될 수 있다. 이러한 스위칭 수단(35)은 당업계에 공지되어 있다. 대안적인 실시예에서, 스위칭 수단(35) 및 스위칭 수단(16)의 기능은 단일 스위칭 수단에 의해 제공된다.
선택적으로, 풍력 터빈(10)은 팬(60)을 포함한다. 팬(60)은 인클로저(20) 내에 수용되고 인클로저(20) 내에서 공기를 순환시키도록 배열된다. 일 실시예에서, 팬(60)은 DC 팬이고 전력 공급부(30)에 의해 전력공급된다. 이를 위하여, DC/DC 컨버터(미도시)는 중간 회로의 DC 전압을 팬의 공칭 전압에 조정할 수 있고, 예를 들어 DC 중간 전압을 24 볼트로 하향 변환한다.
선택적으로, 풍력 터빈(10)은 프로세서(70)를 포함한다. 일 실시예에서, 프로세서(70)는 인클로저(20) 내에 수용된다. 대안적인 실시예에서, 프로세서(70)는 인클로저(20)의 외측에 위치된다. 프로세서(70)는 제동 저항기(40)로의 전력 공급부(30)의 출력의 크기를 제어하도록 구성된다. 일 실시예에서, 프로세서(70)는 추가로 스위칭 수단(35)을 작동시키도록 구성된다.
선택적으로, 풍력 터빈(10)은 온도 센서(80)를 포함한다. 온도 센서(80)는, 적어도 비상 에너지 저장 장치(50), 인클로저(20) 및 제어 회로(55)의 온도를 측정하고 이러한 온도 데이터를 프로세서(70)에 제공하도록 구성된다. 일 실시예에서, 온도 센서(80)는 비상 에너지 저장 장치(50)의 온도를 직접 측정한다. 대안적인 실시예에서, 온도 센서(80)는 인클로저(20) 내의 공기의 온도를 측정하여, 비상 에너지 저장 장치(50)의 간접 측정 온도를 제공한다. 온도 센서(80)는 일 실시예에서는 연속적으로 측정하고, 다른 실시예에서는 일정 간격으로 측정한다. 프로세서(70)는, 이러한 온도 데이터를 수신하고 비상 에너지 저장 장치(50) 및/또는 제어 회로(55)를 설정된 온도로 유지하는데 필요한 제동 저항기(40)로의 전력 공급부(30)의 출력을 계산하도록 구성된다. 프로세서(70)는 이러한 계산을 공지된 방식으로 수행한다. 일 실시예에서, 프로세서(70)에는 전력 공급부(30)의 출력과 온도 센서(80)에 의해 검출된 온도의 결과적인 변화 사이의 교정이 제공된다. 추가 실시예에서, 이러한 교정은 사용 시 프로세서에 의해 동적으로 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 프로세서(70)는 제어 루프 피드백 메커니즘을 채용한다. 바람직한 실시예에서, 프로세서는 비상 에너지 저장 장치를 -10℃보다 높게 유지하는데 필요한 제동 저항기(40)로의 전력 공급부(30)의 출력을 계산한다. 추가 실시예에서, 프로세서는 비상 에너지 저장 장치를 -20℃보다 높게 유지하는데 필요한 제동 저항기(40)로의 전력 공급부(30)의 출력을 계산한다. 따라서, 프로세서는 비상 에너지 저장 장치를 임의의 특히 원하는 온도 또는 온도 범위로 유지할 수 있다.
사용 시, 상술된 바와 같은 풍력 터빈의 전기 모터(15)는 때때로 가속되어 발전기 모드로 될 수 있다. 이러한 전류가 과잉 상태이거나 필요 이상으로 과도한 경우에, 또는 전기 모터에 대한 부하가 증가되는 어떤 다른 이유가 있을 때, 제동 저항기(40)는 스위칭 수단(16)에 의해 전기 모터(15) 회로에 접속된다. 이러한 방식으로, 제동 저항기(40)는 전기 모터로부터 에너지를 흡수하여 이를 열로서 소산시킨다. 그러나, 이러한 상황은 비교적 드물어서, 전형적으로는 일주일에 단 한 번 발생하다. 따라서, 비상 에너지 저장 장치 또는 임의의 다른 구성요소가 제동 저항기(40)에 의해 과열되는 위험은 풍력 터빈의 정상 작동 중에 매우 낮다.
스위칭 수단(16)의 상태 및 전기 모터(15)와 제동 저항기(40) 사이의 접속과는 무관하게, 단계(S101)에서 온도 센서(80)는 비상 에너지 저장 장치(50)의 온도를 연속적으로 측정하고 데이터를 프로세서(70)에 제공한다.
단계(S102)에서, 프로세서(70)는 먼저 비상 에너지 저장 장치(50)를 원하는 온도보다 높게 유지하기 위하여 추가의 열이 필요한지 여부를 판정한다. 단계(S102)에서, 프로세서(70)가 추가의 열이 필요하다고 판정하면, 프로세스는 단계(S113)로 진행한다. 프로세서(70)가 추가의 열이 필요하지 않다고 판정하면, 프로세스는 단계(S123)로 진행한다.
단계(S113)에서, 프로세서(70)는 제동 저항기(40)를 통과하는 전류의 크기 및 이러한 전류가 얼마나 오래 동안 흘러야 하는지를 계산한다. 이러한 계산은 공지된 방식으로 수행된다.
단계(S114)에서, 프로세서(70)는 스위칭 수단(35)을 작동시킴으로써 전력 공급부(30)를 제동 저항기(40)에 접속시키고, 단계(S115)에서 전력 공급부(30)의 출력을 필요한 전류로 설정한다. 이들 단계가 임의의 순서로 수행될 수 있거나 또는 단일 단계로 결합될 수 있음은 당업자에게 명백할 것이다.
단계(S116)에서, 이러한 전류는 옴 가열(Ohmic heating)을 통하여 열을 생성하는 제동 저항기(40)를 통과한다. 이어서, 제동 저항기를 둘러싸는 고온 공기는 전력 공급부(30)에 의해 전력공급되는 팬(60)에 의해 인클로저(20) 전체에 분배된다. 인클로저(20)는 제동 저항기로부터 출력되는 열을 수용하는 것을 돕고 비상 에너지 저장 장치(50)의 국소적인 열 환경을 한정하여, 그의 온도가 더 정밀하게 제어되게 한다. 모든 구성요소가 DC 전력공급됨에 따라, AC 전력공급형 팬 히터를 채용하는 종래의 풍력 터빈(10)의 경우와 같이, 인클로저(20)를 통하여 중립선의 루트를 정할 필요는 없다. 이러한 제약을 제거하면 풍력 터빈(10)의 배선 효율이 더 극대화되게 하여, 또한 앞서 논의된 바와 같이 부품이 더 적은 장점을 제공한다. 추가로, 제동 저항기(40) 및 비상 에너지 저장 장치(50)를 동일한 인클로저(20) 내에 위치시키면 유지보수를 위하여 둘 모두에 대한 액세스가 더 용이하게 되어, 또한 제동 저항기(40)가 달리 설치될 수 있는 위치에서, 확보하기 더 어려울 수 있는 공간을 절약할 수 있다.
따라서, 열은 비상 에너지 저장 장치(50)에 제공된다. 비상 에너지 저장 장치(50)를 위한 열원으로서 제동 저항기(40)의 사용의 이러한 2차 모드를 제공함으로써, 풍력 터빈(10)의 기존 구성요소의 유용성이 최적화된다. 더욱이, 이는 부가적인 독립형 가열 요소에 대한 필요성을 그와 연관된 단점과 함께 제거한다. 종래의 AC 전력공급형 팬 히터는 히스테리시스를 겪고 부가적인 회로를 필요로 하는 것으로 알려져 있다. 이러한 요소를 제거함으로써, 풍력 터빈(10)의 전체 부품 수가 감소되어, 공간, 무게를 절약하고, 설치 및 유지보수의 비용 및 복잡성을 낮춘다.
이어서, 단계들의 시퀀스는 단계(101)로 리셋되는데, 여기서 온도 센서(80)는 비상 에너지 저장 장치(50)의 온도를 계속 측정하고 프로세스는 재시작된다. 단계(S101 내지 S116)는 온도를 일정한 레벨로 유지하기 위하여 폐쇄 제어 루프를 형성한다. 따라서, 비상 에너지 저장 장치(50)의 온도는 프로세서(70)로부터의 명령에 따라 정밀하게 유지되거나 변경될 수 있다.
단계(S102)에서 가열이 필요 없다는 결정에 이어서, 단계(S123)에서, 프로세서(70)는 스위칭 수단(35)을 작동시킴으로써 제동 저항기(40)를 전력 공급부(30)로부터 접속해제한다.
따라서, 전력 공급부(30), 비상 에너지 저장 장치(50), 전기 모터(15) 및 제동 저항기(40)를 포함하는 풍력 터빈(10)이 제공되는데, 전기 모터(15)는 제동 저항기(40)와 가끔 전기 접촉하여 제1 전류가 제동 저항기(40)를 통하여 흐르게 하고 전기 모터(15)의 과잉 운동 에너지가 열로 변환되게 하고, 전력 공급부(30)는 제동 저항기(40)를 통하여 제2 전류가 흐르게 하여 제동 저항기(40)가 열을 생성하게 하도록 구성되고, 제동 저항기(40) 및 비상 에너지 저장 장치(50)는 제동 저항기(40)가 비상 에너지 저장 장치(50)에 열을 제공하도록 배열된다.

Claims (15)

  1. 전력 공급부, 에너지 저장 장치, 전기 모터 및 제동 저항기를 포함하고,
    상기 전기 모터는 상기 제동 저항기와 가끔 전기 접촉하여 제1 전류가 상기 제동 저항기를 통하여 흐르게 하고 상기 전기 모터의 과잉 운동 에너지가 열로 변환되게 하고;
    상기 전력 공급부는 상기 제동 저항기를 통하여 제2 전류가 흐르게 하여 상기 제동 저항기가 열을 생성하게 하도록 구성되고, 상기 제동 저항기 및 에너지 저장 장치는 제동 저항기가 상기 에너지 저장 장치에 열을 제공하도록 배열된, 풍력 터빈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제동 저항기에 대해 배열된, 상기 전기 모터의 피치 제어를 위한 제어 회로를 추가로 포함하여 상기 제동 저항기가 상기 제어 회로에 열을 제공하게 하는, 풍력 터빈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제동 저항기 및 에너지 저장 장치는 인클로저(enclosure) 내에 수용되는, 풍력 터빈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인클로저는 또한 피치 구동부의 제어 회로를 수용하는, 풍력 터빈.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 인클로저 내측에 기류를 분배하도록 구성된 팬을 추가로 포함하는, 풍력 터빈.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 공급부와 상기 제동 저항기 사이에 스위칭 수단을 추가로 포함하는, 풍력 터빈.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 공급부와 통신하는 프로세서를 추가로 포함하고, 상기 프로세서는 상기 제동 저항기로의 상기 전력 공급부의 출력을 제어하도록 구성되는, 풍력 터빈.
  8. 제7항에 있어서, 상기 프로세서와 통신하는 온도 센서를 추가로 포함하며, 상기 온도 센서는 상기 에너지 저장 장치, 인클로저, 및 상기 전기 모터의 피치 제어를 위한 제어 회로의 온도 중 적어도 하나를 모니터링하도록 구성되는, 풍력 터빈.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 풍력 터빈 로터 블레이드의 비상 피치 제어를 가능하게 하도록 구성된 피치 전기 모터의 백업 에너지 저장 장치인, 풍력 터빈.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 커패시터인, 풍력 터빈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 에너지 저장 장치는 울트라커패시터(ultracapacitor) 인, 풍력 터빈.
  12. 풍력 터빈 내의 에너지 저장 장치의 온도를 제어하기 위한 방법으로서,
    전기 모터, 제동 저항기 및 에너지 저장 장치를 포함하는 풍력 터빈을 제공하는 단계로서,
    상기 전기 모터는 상기 제동 저항기와 가끔 전기 접촉하여 제1 전류가 상기 제동 저항기를 통하여 흐를 수 있게 하고 상기 전기 모터의 과잉 운동 에너지를 열로 변환할 수 있게 하는, 풍력 터빈을 제공하는 단계;
    추가로, 상기 제동 저항기를 통하여 제2 전류가 흐르게 하여 열을 생성하도록 구성된 전력 공급부를 포함하는 가열 시스템을 제공하는 단계, 및 상기 제동 저항기가 상기 에너지 저장 장치에 이러한 열을 제공할 수 있도록 상기 제동 저항기와 에너지 저장 장치를 배열하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전기 모터의 피치 제어를 위한 제어 회로를 제공하는 단계, 및 상기 제동 저항기가 상기 제어 회로에 열을 제공할 수 있도록 상기 제어 회로를 상기 제동 저항기에 대해 배열하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 전력 공급부를 이용하여 상기 제동 저항기에 전류를 공급하는 단계, 및
    상기 제동 저항기로부터 상기 에너지 저장 장치로 열을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 제동 저항기로부터 상기 제어 회로로 열을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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