(57)【要約】【課題】予想できない外部環境の危険要素が発生してもウィンドファームの全体ユニットが損傷することを防止するウィンドファーム、ウィンドファームの制御方法及び風力発電ユニットを提供する。【解決手段】複数個の風力発電ユニットを含むウィンドファームの制御方法であって、前記ウィンドファームの内部または外部の一定位置に設置された感知部から外部環境の危険要素を感知する危険要素感知段階と、前記危険要素感知段階の感知結果に基づいてウィンドファームの風力発電ユニットの運転条件を制御する風力発電ユニット制御段階と、を含む。また、前記外部環境の危険要素は、ほこりまたは砂が含まれた風、急激な局地的な風向変化、急激な局地的な風速変化である。【選択図】図３
2015127528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個の風力発電ユニットを含むウィンドファームであって、
外部環境の危険要素を感知する感知部と、
前記感知部から危険信号の入力を受けて前記ウィンドファーム内の風力発電ユニットを制御する制御部と、を含むこと
を特徴とするウィンドファーム。
【請求項２】
前記外部環境の危険要素は、ほこりまたは砂が含まれた風であることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項３】
前記外部環境の危険要素は、前記感知部が設置された周りのｉ）局地的な風向変化またはｉｉ）局地的な風速変化の中の少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項４】
前記感知部は、粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）または赤外線センサを含み、
前記赤外線センサは、発光部から一定出力量の赤外線を出力し、前記発光部に対応する受光部への前記赤外線の入力量に基づいて空気中のほこりまたは砂の密度を測定することを特徴とする請求項２に記載のウィンドファーム。
【請求項５】
前記感知部は、ｉ）前記ウィンドファームを形成する少なくとも一つ以上の前記風力発電ユニットに設置されるか、
ｉｉ）前記ウィンドファームを形成する前記風力発電ユニットの全体に設置されるか、
ｉｉｉ）前記ウィンドファームの縁部に位置した少なくとも一つ以上の前記風力発電ユニットに設置されるか、
ｉｖ）前記ウィンドファームを一定単位の面積に分割し、分割された単位面積当たり少なくとも一つ以上の風力発電ユニットに設置されることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項６】
前記風力発電ユニットが密集した地域から一定距離離隔された外部地域にセンシングロケーションを含み、
前記感知部は、前記センシングロケーションに設置されることを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項７】
前記制御部は、前記感知部から危険信号を感知する場合、各風力発電ユニットのブレードのピッチ角度を制御してブレードの回転速度を減少させることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のウィンドファーム。
【請求項８】
前記制御部は、前記感知部から危険信号を感知する場合、ブレードの回転速度を減少させるか停止させるようにブレーキ装置を制御し、
前記ブレーキ装置は、
ｉ）  ナセルのフレームとハブを相互固定させるハブブレーキと、
ｉｉ）  ナセルのフレームとシャフトを相互固定させるシャフトブレーキと、
ｉｉｉ）  発電器内部に設置されて発電器の回転子の回転を減少させる発電器ブレーキと、
の中のいずれか一つ以上を含むことを特徴とする請求項２または請求項３に記載のウィンドファーム。
【請求項９】
前記制御部は、前記感知部から危険信号を感知する場合、各風力発電ユニットのヨーイングシステムを制御して変化した風向に向けてナセルの正面が位置するようにナセルの方向を回転させることを特徴とする請求項３に記載のウィンドファーム。
【請求項１０】
前記制御部は、前記危険信号を感知する場合、
ｉ）  前記ウィンドファームを形成する風力発電ユニットの全体を一括制御するか、
ｉｉ）  前記感知部からの距離を基準として一定間隔により風力発電ユニットの制御群を分けて、近くの距離の制御群に属する風力発電ユニットから順次に制御するか、
ｉｉｉ）  前記ウィンドファームに設置された風力発電ユニットを一定面積を基準として制御群に分けて、前記制御群別に一定手順により制御することを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項１１】
前記制御部は、前記感知部から危険信号の伝達を受けて前記危険信号の真偽を判断し、前記危険信号が事実であると判断された場合にのみ前記危険信号を前記風力発電ユニットに伝達し、
前記危険信号の真偽の判断は、既に蓄積された参照データと感知部により測定された結果を比較して判断することを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項１２】
前記参照データは、前記感知部が設置された地域と同一地域において収集され、一定時間単位により１年周期のデータが蓄積され、
前記真偽の判断は、前記１年周期の中の感知日付の感知時間に蓄積された参照データと、実時間において前記感知部により測定されたデータと、の比較によることを特徴とする請求項１１に記載のウィンドファーム。
【請求項１３】
前記参照データは、前記感知部が設置された地域と同一地域において収集され、気象条件単位ごとに蓄積され、
前記真偽の判断は、現在の気象状況と一番類似な条件において蓄積された前記参照データと、実時間において前記感知部により測定されたデータと、の比較によることを特徴とする請求項１１に記載のウィンドファーム。
【請求項１４】
前記制御部は、電力グリッド網の有線通信及び／または無線通信網を利用して、前記感知部及び前記風力発電ユニットと危険信号及び制御信号を相互伝達することを特徴とする請求項１に記載のウィンドファーム。
【請求項１５】
前記制御部は、ｉ）  電力グリッド網の有線通信及びｉｉ）  無線通信網を利用して、前記感知部及び前記風力発電ユニットと危険信号及び制御信号を相互伝達し、
前記ｉ）電力グリッド網の有線通信の信号とｉｉ）無線通信網の信号とを相互比較して信号のエラー有無を検証することを特徴とする請求項１４に記載のウィンドファーム。
【請求項１６】
複数個の風力発電ユニットを含むウィンドファームの制御方法であって、
前記ウィンドファームの内部または外部の一定位置に設置された感知部から外部環境の危険要素を感知する危険要素感知段階と、
前記危険要素感知段階の感知結果に基づいてウィンドファームの風力発電ユニットの運転条件を制御する風力発電ユニット制御段階と、
を含むことを特徴とするウィンドファームの制御方法。
【請求項１７】
前記危険要素感知段階の前記外部環境の危険要素は、ほこりまたは砂が含まれた風を含むことを特徴とする請求項１６に記載のウィンドファームの制御方法。
【請求項１８】
前記危険要素感知段階の前記外部環境の危険要素は、ｉ）局地的な風向変化またはｉｉ）局地的な風速変化の中の少なくとも一つ以上を含むことを特徴とする請求項１６に記載のウィンドファームの制御方法。
【請求項１９】
前記感知部は、粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）または赤外線センサを利用して空気中のほこりまたは砂粒子の密度を測定し、
前記赤外線センサは、発光部から一定出力量の赤外線を出力し、前記発光部に対応する受光部への前記赤外線の入力量に基づいて空気中のほこりまたは砂の密度を測定することを特徴とする請求項１７に記載のウィンドファームの制御方法。
【請求項２０】
地面または海上に立てられたタワーと、
前記タワーの上端に位置されたナセルと、
前記ナセルの前方一側に位置されて風の運動エネルギーを回転エネルギーに転換させるブレードハブアセンブリーと、を含む風力発電ユニットであって、
前記風力発電ユニットの一側に外部環境の危険要素を感知する感知部をさらに含むことを特徴とする風力発電ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウィンドファーム、その制御方法、及び風力発電ユニットに係り、より詳しくは、急に変わる外部環境の危険要素を感知して風力発電ユニットを保護するウィンドファーム、その制御方法、及び風力発電ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電とは、風の運動エネルギーを利用してブレードを回転させて、ブレードの回転エネルギーを最終的に電気エネルギーに変換する風力発電方式である。最近、風力発電は、温室ガスが発生しない環境調和型エネルギーとして注目されている。
【０００３】
図１は、従来の一般的な風力発電ユニットの主要構成を示した概念図であり、図２は一般的な、ウィンドファーム及び外部環境の危険要素を示した概念図である。
【０００４】
風力発電は、単一風力発電ユニットが局地的に設置される場合もあるが、大部分の場合数十乃至数百機の風力発電ユニット２０が集まってウィンドファーム１０を形成する。
【０００５】
風力発電ユニット２０は、基本的に風の運動エネルギーを利用するので、外部気象環境の変化に敏感に反応する。
【０００６】
一般的な風力発電ユニット２０は、風向の変化によってナセル８全体を水平回転させるヨー制御（ｙａｗｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌ）を実行する。そして、風速の変化によってブレード２のピッチ角度を調節するピッチ制御（ｐｉｔｃｈ  ｃｏｎｔｒｏｌ）を実行して最適な空力性能を誘導すると同時に、過度に強風が吹く場合、回転速度を調節することにより、個別発電ユニットの損傷を防止する。
【０００７】
一方、このような一般的なピッチ制御及びヨー制御は、気象観測及び個別ユニットに設置された風速計６及び風向計７により測定された情報に基づいて個別ユニットを制御する。しかし、気象観測により予想されなかった急な気象変化が発生する場合、予測制御が不可能であり、個別ユニットは、風速計６及び風向計７により感知されると同時にユニット損傷が発生するようになる。
【０００８】
ウインドストーム、トルネード、局地的突風など極端な局地的気象変化が発生する場合、正常作動中であったユニット２０はこのような危険要素を感知してもその制御が行われる前に致命的な損傷を被るようになる。
【０００９】
特に、風向及び風速の急な変化が発生する場合、過度な回転速度の増加及びブレード２の振動が発生してユニットを損傷させる。
【００１０】
また、ウインドストームの場合、砂粒子が回転するブレード２にぶつかって、ブレード表面のコーティング及び外形を損傷させてブレード２表面の空力性能を低下させる。
【００１１】
すなわち、既存のウィンドファーム１０は、予想しなかった上述のような気象変化が発生する場合、ウィンドファーム内の全ての風力発電ユニット２０に損傷が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、予想できない局地的な外部環境の危険要素が発生してもウィンドファームの全体ユニットが損傷することを防止するウィンドファーム、ウィンドファームの制御方法及び風力発電ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記の目的を達成するための本発明によるウィンドファームは、複数個の風力発電ユニットを含むものであって、外部環境の危険要素を感知する感知部と、前記感知部から危険信号の入力を受けて前記ウィンドファーム内の風力発電ユニットを制御する制御部と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明によるウィンドファームの制御方法は、複数個の風力発電ユニットを含むウィンドファームの制御方法であって、前記ウィンドファームの内部または外部の一定位置に設置された感知部から外部環境の危険要素を感知する危険要素感知段階と、前記危険要素感知段階の感知結果に基づいてウィンドファームの風力発電ユニットの運転条件を制御する風力発電ユニット制御段階と、を含むことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による風力発電ユニットは、地面または海上に立てられたタワーと、前記タワーの上端に位置されたナセルと、前記ナセルの前方一側に位置されて風の運動エネルギーを回転エネルギーに転換させるブレードハブアセンブリーと、を含む風力発電ユニットであって、前記風力発電ユニットの一側に外部環境の危険要素を感知する感知部をさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明による危険要素感知装置は、ウィンドファームから一定距離が離隔された地点、すなわち、ウィンドファームの外部位置に設置されるものであって、前記外部環境の危険要素を感知する感知部を含み、前記外部環境の危険要素は、ほこりまたは砂が含まれた風であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、予想できない局地的な外部環境の危険要素が発生してもウィンドファームの全体ユニットが損傷することを防止できる。
【００１８】
より具体的には、感知部が設置された一部ユニットまたは外部センシングロケーションから危険信号の伝達を受け、これに基づいてウィンドファームの個別ユニットを安全にあらかじめ制御することにより、風力発電ユニットの損傷をあらかじめ防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の一般的な風力発電ユニットの主要部を示した概念図である。
【図２】一般的なウィンドファーム及び外部環境の危険要素を示した概念図である。
【図３】本発明の一実施例によるウィンドファームを示す概念図として、具体的には、感知部が設置された風力発電ユニットの配置を示す。
【図４】本発明の一実施例によるウィンドファームを示す概念図として、具体的には、感知部が設置された風力発電ユニットの配置を示す。
【図５】本発明の一実施例によるウィンドファームを示す概念図として、具体的には、感知部が設置された風力発電ユニットの配置を示す。
【図６】本発明の一実施例によるウィンドファームの制御範囲を示した概念図である。
【図７】本発明の一実施例によるウィンドファームの制御範囲を示した概念図である。
【図８】本発明の一実施例によるウィンドファームの制御範囲を示した概念図である。
【図９】本発明の一実施例によるウィンドファームの外部センシングロケーション及びその位置を示した概念図である。
【図１０】本発明の一実施例によるウィンドファームの外部のセンシングロケーション及びその位置を示した概念図である。
【図１１】本発明の一実施例によるウィンドファームの外部のセンシングロケーション及びその位置を示した概念図である。
【図１２】本発明によるウィンドファームの制御方法を示したフローチャートである。
【図１３】本発明の一実施例によるウィンドファームの制御方法の発電ユニット制御段階を具体的に示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照して本発明の具体的な実施例を詳しく説明する。
従来のウィンドファーム１０の制御は、局地的な気象変化が発生した場合、各ユニット２０により感知されてから該当ユニット２０の制御が行われるので、損傷が一次的に起きた状態であり、それ以上の損傷を阻むためのことに過ぎなかった。
【００２１】
しかし、本発明は、外部環境の危険要素をあらかじめ感知する感知部を備えて前記感知部により測定された情報に基づいてウィンドファーム１０に設置されたユニット２０の全体または一部を予測制御する。
【００２２】
本発明は、複数個の風力発電ユニット２０を含むウィンドファーム１０を前提とする。
【００２３】
また、外部環境の危険要素を感知する感知部と、前記感知部から危険信号の入力を受けてウィンドファーム１０内の風力発電ユニット２０を制御する制御部と、を基本的に含む。
【００２４】
感知部は、図３乃至図８に示したように、一部ユニット２１に内蔵設置されるか（以下、この場合、感知部２１と略称する）、あるいは図９乃至図１１に示したように、ウィンドファーム１０から一定距離離れた外部地域に独立した感知部５１として設置される。
【００２５】
まず、感知部が一部ユニットに内蔵設置された場合、感知部２１により突風、ウインドストーム、トルネードなど局地的で急激な気象変化、すなわち、外部環境の危険要素が感知されると、感知部２１は、ウィンドファーム１０全体を管掌する制御部にその信号を伝送して残りのユニット２０を制御することにより、少なくとも残りのユニットを外部環境の危険要素から保護する。
【００２６】
また、感知部５１がウィンドファーム１０の外部地域に備えられた場合には、感知部５１により外部環境の危険要素が感知されると、感知部５１はウィンドファーム１０全体を管掌する制御部にその信号を伝送して全てのユニットを制御することにより、ウィンドファーム１０の全てのユニットを外部環境の危険要素から保護する。前記制御部の具体的な制御に対しては後述する。
【００２７】
以下、本発明をより具体的に説明するために、前記外部環境の危険要素を
１．ほこりまたは砂が含まれた風の場合、
２．急激な風向変化の場合、
３．急激な風速変化の場合、
に分けて説明する。
【００２８】
これは具体的な制御対象と方式を詳しく説明するためであり、前記１乃至３の外部環境の危険要素は、複数個の要素を同時に伴うことができる。このような場合には、各要素の制御方式を同時に適用してもよい。
【００２９】
１．ほこりまたは砂が含まれた風の場合
まず、ほこりまたは砂が含まれた風を感知するための感知部２１、５１に対して詳しく説明する。
【００３０】
この場合、感知部２１、５１は、粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）からなる。
【００３１】
粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）とは、大気中のほこりの大きさと分布を測定する計測装備である。
【００３２】
粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）には、多様な方式があり、そのうちレーザーなどの光源の光の散乱を利用する場合の原理は、次のようである。
【００３３】
まず、真空ポンプなどを利用して測定しようとする空間の大気を集める。集められた空気は管に沿って移動して内部レーザー（光）センサーの前を通るようになる。きれいな空気中においてはきちんと直進してほこりなどがあれば光が散乱する原理を利用して散乱回数によりほこりの個数が分かる。散乱される光量によりほこりの大きさを測定する。
【００３４】
一方、感知部２１、５１は、赤外線センサーを利用してもよい。これは（光電式）赤外線煙警報器により煙を感知する方式と類似である。
【００３５】
具体的には、前記赤外センサは、発光部から一定出力量の赤外線を出力し、前記発光部に対応する受光部への前記赤外線の入力量、すなわち、受光量に基づいて空気中のほこりまたは砂の濃度または密度を測定する。
【００３６】
一方、上述した感知部２１、５１により砂またはほこりが一定程度以上の危険状態として感知される場合には、各風力発電ユニット２０のブレード２を減速させて稼動を完全中断させるか低速において回転させることが好ましい。
【００３７】
例えば、秒速３０ｍの砂風が吹く場合、ブレード２の回転速度を秒速５０ｍ程度と仮定する場合、ブレード２の表面に衝突する砂の相対速度は、秒速８０ｍ近くに増加するからである。したがって、回転速度を減速させることが砂またはほこりによるブレード２表面の損傷を防止する一番有効な解決方法である。
【００３８】
ブレード２の回転速度を減速させる具体的な方法には、ピッチ角度を調節する方法がある。ピッチ制御とは、ハブ１に設置されたブレード２の風に対する入射方向角を調節することを意味する。すなわち、風に対する羽の入射角を調節することにより、ブレード２に及ぶ揚力と衝突力の量を調節する。一般的なピッチ制御は、回転速度を増加させるために作動するが、その反対の原理を適用する。
【００３９】
一方、ブレード２の回転速度を減少させるか停止させるためにブレーキ装置を備えることができる。
【００４０】
前記ブレーキ装置には、多様なブレーキ方式を適用でき、以下においては、多様な例を説明する。
【００４１】
まず、ナセル８のフレームとハブ１を相互固定させるハブブレーキを適用できる。
【００４２】
ナセル８のフレームの前方にハブ１が設置され、前記ハブ１の側面に２乃至３個のブレード２が設置される。ここで、ハブブレーキは、ナセル８のフレームと、これを基準として回転するハブ１との間に別途の摩擦手段を備えて減速を実行することを意味する。
【００４３】
また、前記ブレーキ装置においては、ナセル８のフレームとシャフト３を相互固定させるシャフトブレーキを適用できる。
【００４４】
上述したハブ１と発電器５またはギアボックス４の間には、回転力を伝達するためのシャフト３が設置される。前記シャフトは、ナセル８のフレームの内部に設置され、ナセル８のフレームと前記シャフト３との間に別途の摩擦手段を備えてシャフト３の回転を減速させて、結果的にブレード２の回転速度を減速させる。
【００４５】
また他の例として、発電器５の内部に設置されて発電器５の回転子の回転を減少させる発電器ブレーキを適用できる。このような発電器ブレーキは、発電器５内部の電磁力を逆に利用して減速させる方式と、発電器５内部の回転軸の回転速度を直接減速させる方法などがある。
【００４６】
２．急激な局地的な風向変化に該当する場合
基本的に風向変化が感知された場合には、各風力発電ユニット２０のヨーイングシステムを制御して変化した風向に向けてナセル８の正面が位置されるようにナセル８の方向を回転させる。
【００４７】
ヨー制御（ｙａｗｉｎｇ  ｃｏｎｔｒｏｌ）とは、タワー９の上部に設置されたナセル８をタワー９を基準として水平に回転させて風向に向けてナセル８の正面を位置させる制御を意味する。
【００４８】
従来の風力発電ユニット２０にも風向計７が具備されて、風向変化が感知された場合、変化した風向に向けてナセル８の正面が位置されるようにヨー制御が行われているが、本発明におけるヨー制御は、他のユニットまたはウィンドファーム１０の外部において感知された風向情報に基づいてヨー制御を実施する。
【００４９】
一般的に、ヨー制御は、ナセル８の回転速度が非常に遅いので、個別ユニットにおいて初めて急激な風向変化が感知された場合には、変化の速度に従うことが難しい問題点がある。また、その過程においてブレード２に非正常的な方向から風が入射されることによって、不必要な振動が発生して風力発電機の寿命を短縮させる問題がある。
【００５０】
本発明の場合、離隔された位置の他のユニットまたはウィンドファーム外部の感知部２１、５１から風向変化を感知するので、ヨー制御を実施する十分な時間を確保できる長所がある。
【００５１】
また、本発明は、風向変化を予測してヨー制御を実施することにより、個別風力発電ユニット２０の発電量を向上させる。
【００５２】
一方、極端な風向変化により風力発電ユニット２０の安全性が憂慮される場合には、上述した１．ほこりまたは砂が含まれた場合のようにブレード２を減速させる制御を併用することが好ましい。
【００５３】
３．急激な局地的な風速変化に該当する場合
ブレード２の回転速度を減速させる具体的な方法には、ピッチ角度を調節する方法がある。ピッチ制御とは、上述のようにハブ１に設置されたブレード２の風に対する入射方向角を調節することを意味する。すなわち、風に対する羽の入射角を調節することにより、ブレード２に及ぶ揚力と衝突力の量を調節する。ここでは、急激に風速が増加する場合、ブレード２の回転速度を減少させて、風速が減少される場合には、回転速度を増加させる方向にピッチを調節する。
【００５４】
他の方法においては、ブレード２の回転速度を減少させるか停止させるようにブレーキ装置を具備する。この場合は、急激な風速の増加が感知された場合に該当する。
【００５５】
前記ブレーキ装置は多様なブレーキ方式を適用することができ、以下においては、多様な例を説明する。
【００５６】
まず、ナセル８のフレームとハブ１を相互固定させるハブブレーキを適用する。
ナセル８のフレームの前方にハブ１が設置され、前記ハブ１の側面に２乃至３個のブレード２が設置される。ここで、ハブブレーキは、ナセル８のフレームと、これを基準として回転するハブ１との間に別途の摩擦手段を備えて減速を実行することを意味する。
【００５７】
また、前記ブレーキ装置においては、ナセル８のフレームとシャフト３を相互固定させるシャフトブレーキを適用できる。
【００５８】
ハブ１と発電器５またはギアボックス４の間には、回転力を伝達するためのシャフト３が設置される。前記シャフトは、ナセル８のフレームの内部に設置され、ナセル８のフレームとシャフト３との間に別途の摩擦手段を備えてシャフト３の回転を減速させて、結果的にブレード２の回転速度を減速させる。
【００５９】
他の例として、発電器５の内部に設置されて発電器５の回転子の回転を減少させる発電器ブレーキを適用できる。このような発電器ブレーキは、発電器５内部の電磁力を逆に利用して減速させる方式と、発電器５内部の回転軸の回転速度を直接減速させる方法などがある。
【００６０】
以上においては、外部環境の危険要素を基として各場合について説明した。
以下、感知部の設置位置に対してより詳しく説明する。
【００６１】
感知部２１は、図３乃至図８に示したように、ウィンドファーム１０を形成する少なくとも一つ以上の風力発電ユニット２０に設置される。
【００６２】
より細かい感知のためには、ウィンドファーム１０を形成する風力発電ユニット２０の全体に設置してもよい。
【００６３】
また、効率的な感知のために、図３及び図４に示したように、前記ウィンドファーム１０の縁部に位置された少なくとも一つ以上の風力発電ユニット２０に設置できる。
【００６４】
また、図５及び図６に示したように、ウィンドファーム１０を一定単位の面積に分割し、分割された単位面積当たり少なくとも一つ以上の風力発電ユニット２０に感知部２１を設置できる。
【００６５】
上述の場合は、図３乃至図８に示したように、ウィンドファーム１０内部の風力発電ユニット２０に感知部２１を設置する場合であり、以下の内容は、図９乃至図１１に示したように、風力発電ユニット２０が密集された地域から一定距離離隔された外部地域にセンシングロケーション５０を備え、感知部５１をセンシングロケーション５０に設置する場合である。
【００６６】
このようにウィンドファーム１０の外部地域にセンシングロケーション５０を備えて感知部５１を設置することにより、予測制御を一層安全に実行できる。
【００６７】
ウィンドファーム１０の内部に感知部２１が具備された場合には、少なくとも１機以上の風力発電ユニット２０は、変化の感知と同時に被害を被るしかない問題がある。しかし、外部センシングロケーション５０に感知部５１を備える場合は、外部地域からウィンドファーム１０に外部環境の危険要素が移動する時間の間風力発電ユニット２０を予め制御して被害を予防できる。
【００６８】
また、外部センシングロケーション５０は、図９に示したように、外部環境の危険要素が移動する通り道に設置することが好ましい。
【００６９】
例えば、ウィンドファーム１０の西方からウインドストームが発生する場合には、ウィンドファーム１０を基準として西方に一定距離離隔された地点にセンシングロケーション５０を備えることが好ましい。
【００７０】
一方、ウィンドファーム１０を囲むように、図１０及び図１１に示したように、複数個の外部センシングロケーション５０を備え、相互間に一定距離及び／または角度を基準にして配置できる。
【００７１】
例えば、図１０に示したように、ウィンドファーム１０から半径ａｋｍが離れた地点に複数個の外部センシングロケーション５０を備えることができる。
【００７２】
また、図１１に示したように、ウィンドファーム１０を基準として放射状の角度θ間隔により複数個の外部センシングロケーション５０を備えてもよい。
【００７３】
図９乃至図１１は、例示的なものに過ぎず、このような配置構造に限定されるものではない。
【００７４】
一方、感知部２１が風力発電ユニット２０に設置される場合、風力発電ユニット２０の多様な位置に設置できる。設置位置ついては、ハブ１の正面部、ナセル８の上面後方、タワー９の上端部など全体的に比較的上部に位置することが好ましい。
【００７５】
また、外部センシングロケーション５０に設置される感知部５１も別途のタワー５２を備えてその上部に位置することが好ましい。
【００７６】
以上、感知部２１、５１の配置構造及び設置位置に対して説明した。
以下においては、制御部の制御範囲に対して説明する。
【００７７】
危険信号を感知する場合、ウィンドファーム１０を形成する風力発電ユニット２０の全体を一括制御する。例えば、最外部に設置された風力発電ユニット２０に具備された感知部２１により危険信号が感知された場合、残りの風力発電ユニット２０全体を一括減速させる。
【００７８】
これは一番安全な制御方法に該当するが、以下の段階的な制御に比べて多少非効率的な側面がある。
【００７９】
段階的な制御においては、まず、図７に示したように、感知部２１からの距離を基準として一定間隔により風力発電ユニット２０の制御群を分けて、近くの距離の制御群に属する風力発電ユニット２０から順次に制御する。
【００８０】
これは、外部環境の危険要素に順次接するようになる風力発電ユニット２０を段階的に制御する方法である。段階的に制御することにより、不必要にあらかじめ減速させる問題を解消する。
【００８１】
また、図８に示したように、ウィンドファーム１０に設置された風力発電ユニット２０を一定面積を基準として制御群を分けて、前記制御群当たり一定順序により制御できる。ここで、一定順序とは、上述のように感知部２１と制御群の距離を基準として近い制御群から順次に制御することである。
【００８２】
一方、誤った危険信号に基づいて不必要な減速制御が行われる場合が発生する。
このような点を解消するために、危険信号の真偽を判断する段階をさらに含むことができる。
【００８３】
すなわち、前記感知部から危険信号の伝達を受けて前記危険信号の真偽を判断し、前記危険信号が事実であると判断された場合にのみ前記危険信号を風力発電ユニット２０に伝達する。
【００８４】
このような危険信号の真偽判断は、既に蓄積された参照データと感知部２１、５１により測定された結果を比較して判断することが一番好ましい。
【００８５】
ここで、前記参照データは、前記感知部が設置された地域と同一地域において収集することが好ましい。また、一定時間単位により１年周期のデータを蓄積することにより、その信頼度を高めることができる。
【００８６】
すなわち、現時点において入手された危険信号を１年周期のデータと比較して平均程度に該当するか、特別な変動が発生したかを判断する。
【００８７】
例えば、現時点の空気中の砂の密度と平年の正常状態の該当日付に測定された空気中の砂の密度とを比較して、ウインドストームが発生したか否かを一層はっきりと判定できる。
【００８８】
現時点において比較的砂の密度が高くてもそれが平年の定常状態水準と類似な程度であれば、ウインドストームではないと判断して、制御部は危険信号を風力発電ユニット２０に伝達しない。
【００８９】
より詳しくは、前記１年周期のうち感知日付の感知時間に蓄積された参照データと、実時間において感知部２１、５１により測定されたデータと、を比較する。
【００９０】
一方、前記参照データは、同一な気象条件単位において蓄積することが好ましい。同一日付に該当しても、雪、雨などの気象条件によって砂の密度などが著しく変わるので、気象条件単位によっても収集することが好ましい。
【００９１】
この場合、前記真偽の判断は、現在の気象状況と一番類似な条件により蓄積された前記参照データと実時間において感知部２１、５１により測定されたデータとを比較することにより行われる。
【００９２】
以下、感知部２１、５１から制御部に危険信号を伝達し、また、制御部から各風力発電ユニット２０に制御信号を伝達する方式を説明する。
【００９３】
まず、別途の追加的な通信網を具備せずに既存の電力グリッド網の有線通信を利用して、感知部２１、５１及び風力発電ユニット２０と危険信号及び制御信号を相互伝達することが好ましい。
【００９４】
一方、別途の無線通信網を利用して、感知部２１、５１及び風力発電ユニット２０と危険信号及び制御信号を相互伝達してもよい。
【００９５】
有線方式の場合、通信網の物理的な破損により信号伝達に問題が発生し、無線方式の場合、無線通信撹乱などにより信号伝達に問題が発生する場合がある。
【００９６】
したがって、上述したｉ）電力グリッド網有線通信、及びｉｉ）無線通信網を併用して、危険信号及び制御信号を相互伝達することが好ましい。
【００９７】
また、追加的に、前記ｉ）電力グリッド網有線通信の信号と、ｉｉ）無線通信網の信号と、を相互比較して、信号のエラー可否を検証することが好ましい。
【００９８】
以上においては、本発明によるウィンドファーム１０の構成を説明した。
以下、本発明によるウィンドファームの制御方法を説明する。上述した内容と一部重複される内容は省略し、制御段階を中心として説明する。
【００９９】
本発明によるウィンドファームの制御方法は、複数個の風力発電ユニット２０を含むウィンドファームの制御方法である。
【０１００】
図１２に示したように、本発明の一実施例によるウィンドファームの制御方法は、ｉ）危険要素感知段階と、ｉｉ）危険信号伝達段階と、ｉｉｉ）危険信号真偽判断段階と、ｉｖ）発電ユニット制御段階と、を含む。
【０１０１】
まず、必須的な段階に該当する危険要素感知段階及び発電ユニット制御段階について説明する。
【０１０２】
危険要素感知段階は、ウィンドファーム１０の内部または外部の一定位置に設置された感知部２１、５１から外部環境の危険要素を感知する段階である。ここで、内部とは、ウィンドファーム１０の個別風力発電ユニット２０を意味し、外部とは、上述した外部センシングロケーション５０を意味する。
【０１０３】
一方、発電ユニット制御段階においては、前記危険要素感知段階の感知結果に基づいてウィンドファーム１０の風力発電ユニット２０の運転条件を制御する。
【０１０４】
また、前記危険要素感知段階の前記外部環境の危険要素については、ほこりまたは砂が含まれた風、感知部２１、５１が設置された周りの局地的な風向変化または局地的な風速変化がある。
【０１０５】
砂または風の場合、感知部２１、５１は、粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）を利用して空気中のほこりまたは砂粒子の密度を測定することが好ましい。粒子計数器に対して上述したので、その説明は省略する。
【０１０６】
また、感知部２１、５１は、赤外線センサを含み、前記赤外線センサは、発光部から一定出力量の赤外線を出力し、前記発光部に対応する受光部への前記赤外線の入力量に基づいて空気中のほこりまたは砂の密度を測定する。
【０１０７】
前記危険要素感知段階の感知部２１は、ウィンドファーム１０を形成する少なくとも一つ以上の風力発電ユニット２０に設置されて感知部２１周辺の外部環境の危険要素を測定する。
【０１０８】
ここで、前記危険要素感知段階の感知部２１は、ウィンドファーム１０を形成する風力発電ユニット２０の全体に設置されるか、ウィンドファーム１０の縁部に位置した少なくとも一つ以上の風力発電ユニット２０に設置されて、感知部２１周辺の外部環境の危険要素を測定する。
【０１０９】
また、前記感知部は、ウィンドファーム１０を一定単位の面積に分割し、分割された単位面積当たり少なくとも一つ以上の風力発電ユニット２０に設置されて、感知部２１周辺の外部環境の危険要素を測定する。
【０１１０】
また、前記危険要素感知段階の感知部５１は、風力発電ユニット２０が密集した地域から一定距離離隔された外部地域にセンシングロケーション５０が設置されて、前記外部地域の感知部５１周辺の外部環境の危険要素を測定する。
【０１１１】
図１３に示したように、発電ユニット制御段階は、ｉ）ピッチ制御段階、ｉｉ）ブレーキ段階、ｉｉｉ）ヨー制御段階の中の少なくとも一つを含む。
【０１１２】
ピッチ制御段階は、各風力発電ユニット２０のブレード２のピッチ角度を制御してブレード２の回転速度を減少させる。風速が減少された場合には、回転速度を増加させる方向に制御してもよい。
【０１１３】
また、ブレーキ段階は、ブレード２の回転速度を減速または停止させる。
ここで、前記ブレーキ段階は、ナセル８のフレームとハブ１を相互固定させるハブブレーキを作動させる方法、ナセル８のフレームとシャフト３を相互固定させるシャフトブレーキを作動させる方法、発電器５内部に設置されて発電器５の回転子の回転を減少させる発電器ブレーキを作動させる方法を適用する。
【０１１４】
また、ヨー制御段階は、感知部２１、５１から危険信号を感知する場合、各風力発電ユニット２０のヨーイングシステムを制御して変化した風向に向けてナセル８の正面が位置するようにナセル８の方向を回転させる。
【０１１５】
前記発電ユニット制御段階は、制御順序または範囲の観点から見る時、まず、ウィンドファーム１０を形成する風力発電ユニット２０全体を一括制御する。
【０１１６】
一方、感知部２１、５１からの距離を基準として一定間隔により風力発電ユニット２０の制御群を分けて、近くの距離の制御群に属する風力発電ユニット２０から順次に制御し、ウィンドファーム１０に設置された風力発電ユニット２０を一定面積を基準として制御群を分けて、前記制御群当たり一定手順により制御してもよい。
【０１１７】
また、前記危険要素感知段階において感知された前記危険信号が事実であると判断された場合にのみ、前記危険信号に対して、前記発電ユニット制御段階において、風力発電ユニット２０を制御するようにする危険信号真偽判断段階をさらに含むことが好ましい。
【０１１８】
前記危険信号真偽判断段階は、既に蓄積された参照データと感知部２１、５１により測定された結果を比較して判断することが好ましい。
【０１１９】
また、前記参照データは、前記感知部が設置された地域と同一地域において収集し、一定時間単位により１年周期のデータを蓄積する。前記真偽の判断は、前記１年周期の中の感知日付の感知時間に蓄積された参照データと、実時間において感知部２１、５１により測定されたデータと、を比較する。
【０１２０】
また、前記参照データは、前記感知部が設置された地域と同一地域において収集し、気象条件単位ごとに蓄積する。前記真偽の判断は、現在の気象状況と一番類似な条件により蓄積された前記参照データと、実時間において前記感知部２１、５１により測定されたデータと、を比較することが好ましい。
【０１２１】
一方、前記危険要素感知段階において、感知部２１、５１から危険信号を前記発電ユニット制御段階に伝達する危険信号伝達段階をさらに含む。
【０１２２】
前記危険信号伝達段階においては、具体的な信号伝逹において、電力グリッド網有線通信を利用して、感知部２１、５１及び風力発電ユニット２０と危険信号及び制御信号を相互に伝達する。
【０１２３】
また、無線通信網を利用して、感知部２１、５１及び風力発電ユニット２０と危険信号及び制御信号を相互に伝達することも可能である。
【０１２４】
より安全な信号伝逹のために、ｉ）電力グリッド網有線通信及びｉｉ）無線通信網を併用して、感知部２１、５１及び風力発電ユニット２０と危険信号及び制御信号を相互伝達することが好ましい。
【０１２５】
この場合、前記ｉ）電力グリッド網有線通信の信号とｉｉ）無線通信網の信号とを相互比較して信号のエラー有無を検証する信号伝逹エラー検証段階をさらに含むことができる。
【０１２６】
以上では、本発明によるウィンドファームの制御方法に対して説明した。
以下、本発明の一実施例を個別風力発電ユニットの観点から説明する。
【０１２７】
本発明の実施例による風力発電ユニットは、地面または海上に立てられたタワー９と、タワー９の上端に位置されたナセル８と、ナセル８の前方一側に位置して風の運動エネルギーを回転エネルギーに転換させるブレード−ハブアセンブリを基本的に含む。
【０１２８】
また、風力発電ユニット２０の一側に外部環境の危険要素を感知する感知部２１をさらに含むことが好ましい。前記一側は、上述したように、比較的上部に位置することが好ましく、ハブ１の正面部、ナセル８の上面部、タワー９の上部など多様な位置に設置する。
【０１２９】
以下、風力発電ユニット２０は、ほこりまたは砂が含まれた風による外部環境の危険要素を中心に説明する。
【０１３０】
感知部２１は、粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）を利用して感知するか、赤外線センサを利用して感知する。
前記粒子計数器及び赤外線センサは上述したので、その詳しい説明は省略する。
【０１３１】
一方、感知部２１から危険信号を感知する場合、ブレード２のピッチ角度を制御してブレード２の回転速度を減少させることが好ましい。ここで、感知部は、該当ユニットの感知部ではなく他のユニットまたは外部センシングロケーション５０に設置された感知部を意味する。
【０１３２】
また、ブレード２の回転速度を減少させるか停止させるようにブレーキ装置を含むことができ、具体的には、前記ブレーキ装置は、
ｉ）  ナセル８のフレームとハブ１を相互固定させるハブブレーキ、ｉｉ）ナセル８のフレームとシャフト３を相互固定させるシャフトブレーキ、ｉｉｉ）発電器５内部に設置されて発電器５の回転子の回転を減少させる発電器ブレーキの中のいずれか一つを含む。
【０１３３】
また、感知部２１により測定された結果を電力グリッド網を通じて送り出すか、無線通信網を利用して送り出す。
【０１３４】
本発明の一実施例による危険要素感知装置は、ウィンドファーム１０から一定距離離隔された地点に設置されるウィンドファーム１０の外部ロケーション５０に設置される感知装置を意味する。
【０１３５】
前記危険要素感知装置は、外部環境の危険要素を感知する感知部５１を含み、ここで、前記外部環境の危険要素は、ほこりまたは砂が含まれた風である。
【０１３６】
一方、感知部５１は、粒子計数器（ｐａｒｔｉｃｌｅ  ｃｏｕｎｔｅｒ）を含むか、赤外線センサーを含むことが好ましい。
【０１３７】
また、ウィンドファーム１０へ感知された危険信号を伝送するために、感知部５１により測定された結果を電力グリッド網により送り出す危険信号送信部を含むことが好ましい。場合によっては、無線通信網を利用してもよい。また、上述したようにこれらを併用することにより、信号伝送の信頼度を向上できる。
【０１３８】
これをより具体的に説明すれば、ｉ）有線通信及びｉｉ）無線通信網を利用して、感知部５１）から感知された危険信号を送り出し、前記ｉ）有線通信の信号とｉｉ）無線通信網の信号を相互比較して信号のエラー有無を検証する信号検証部をさらに含むことができる。
【０１３９】
本発明の好ましい実施例を説明するために使用された位置関係は、添付図面を中心として説明したもので、実施例によってその位置関係は変わることができる。
【０１４０】
また、特定しない限り、技術的や科学的な用語を含み本発明において使用する全ての用語は、本発明が属する技術分野において通常の知識を有した者であれば理解できるものである。また、本発明において明白に定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味により解釈してはならない。
【０１４１】
以上、本発明の実施例を部分的に記述したが、これはあくまでも例示に過ぎず、本発明の思想から逸脱しない範囲において様々な変形と変更が可能であるという事実は当業者には明らかである。また、そのような変形と変更が全部本発明の権利範囲に属することは、添付した請求の範囲によりより明らかになる。
【符号の説明】
【０１４２】
１  ハブ
２  ブレード
３  シャフト
４  ギアボックス
５  発電器
６  風速計
７  風向計
８  ナセル
９、５２  タワー
１０  ウィンドファーム
２０  風力発電ユニット
２１  感知部（感知部が内蔵設置された風力発電ユニット）
２３  感知グループ
３１、４０、４１、４２  制御グループ
５０  外部センシングロケーション
５１  感知部
【図１】
2015127528.tif 000003
【図２】
2015127528.tif 000004
【図３】
2015127528.tif 000005
【図４】
2015127528.tif 000006
【図５】
2015127528.tif 000007
【図６】
2015127528.tif 000008
【図７】
2015127528.tif 000009
【図８】
2015127528.tif 000010
【図９】
2015127528.tif 000011
【図１０】
2015127528.tif 000012
【図１１】
2015127528.tif 000013
【図１２】
2015127528.tif 000014
【図１３】
2015127528.tif 000015