KR100933514B1 - 공중부양 비행선을 이용한 풍력 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공중부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템에 관한 것으로서, 공중부양 비행선에 풍력발전기장치를 설치하고, 지상에 윈치장치를 통해 케이블을 감거나 풀어주어 고도조절을 하게 하며, 상기 비행선에는 비행 자세를 검출하기 위해 설치된 자동항법장치와, 비행선에 설치되는 풍향 및 풍속계로부터 자세정보와 풍향 및 풍속 정보를 입력받아 자세제어를 하는 자세제어 콘트롤러가 설치되고, 자세제어 콘트롤러에 의해 비행선에 설치된 2개의 수평제어팬장치와, 2개의 수평제어익과, 하나의 수직제어팬장치와, 하나의 수직제어익의 각 모터 구동을 제어하여 비행선이 바람이 불어오는 정방향으로 향하고 수평자세를 유지하게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
풍력, 발전기, 공중부양, 비행선, 자세제어
Description
본 발명은 공중부양 비행선을 이용한 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 공중 부양 비행선의 자세를 제어하여 안정된 상태를 유지하면서 풍력에 의해 발전할 수 있도록 한 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
신, 재생 에너지에 대해서 전 세계적으로 관심이 높아지면서 우리나라에서도 정부는 물론 민간업체에서 집중적인 연구개발과 자본의 투자가 이루어지고 있는 추세인데, 신, 재생 에너지로서 태양전지, 풍력, 지력, 파고력, 등등 여러 가지 아이디어는 물론 새로운 기법들에 대해 다양하게 연구되고 있다. 신, 재생에너지원으로서 이용되고 있는 하나로서 풍력 발전기는 오래전부터 에너지원으로서 이용되던 방식이며, 누구나 쉽게 접근할 수 있는 방법 중 하나이다.
풍력 발전기의 최대 약점은 에너지원인 풍력(바람)이 없으면 무용지물이 되는 것인데, 바람의 속도는 지표면에서 공중으로 높이 올라갈수록 빨라지는 특성이 있으며, 그러한 특성을 이용하여 바람의 속도가 빠른 공중에 발전기를 설치하는 기법이 최근 들어 제안되고 있다.
종래 공중 부양 방식을 이용한 기술로는 한국등록특허 10-0886214호 '튜브부양체를 이용한 공중풍력발전시스템'이 제안된바 있는데, 이는 튜브 부양체(기구)에 터널을 구비하여 그 터널을 통과하는 바람의 풍력에 의해서 전기에너지를 얻도록 하는 것이다.
그런데, 지상과 달리 공중에서는 바람은 빠른 풍속을 얻을 수는 있으나, 바람의 속도, 바람의 방향, 순간 폭풍 등 지상과는 달리 제어해야할 팩터들이 많다. 지상에 설치된 지상 풍력발전기는 타워가 있으며, 모든 힘의 받침이 타워에 집중되어 있으므로 날개의 방향전환, 날개 Stall 제어, 날개 피치 제어가 용이하다.
그러나, 공중 부양체를 이용한 경우, 공중 부양체 자체가 무게의 중심인데 바람의 속도나 방향에 의하여 상하좌우로 부양체가 움직이기 때문에 부양체의 자세제어 없이는 공중 부양체에 설치된 풍력발전기의 효율을 최대로 얻을 수가 없다.
또한 지상과 달리 바람의 방향이 상승기류, 하강기류에 의한 제어가 필요하여 실제 고용량 발전기를 구동할 경우 반작용과 바람의 방향 등에 의하여 '세차운동'이 발생되며 지상과 연결된 케이블의 신뢰도가 저하된다.
본 발명의 목적은 공중 부양 비행선에 풍력 발전기를 탑재하고, 공중 부양 비행선의 자세제어 시스템을 구비시켜 안정된 자세에서 효율적으로 풍력 발전기를 운전시킬 수 있도록 한 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 비행선에 탑재되는 발전기를 고전압 출력이 가능한 고전압 발전기로 제작 설치하여 전선을 굵기를 최소화할 수 있도록 함으로써, 케이블의 체적을 줄여 부양능력을 키울 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 낙뢰에 의해 비행선에 탑재된 장비를 보호하기 위한 낙뢰접지선을 설치하여 시스템을 보호하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 공중의 일정지역에 고정되어야 하므로 비행선과 유사한 형태로 설계하여 수평 복원력 및 안정성과 제어성을 크게 향상시킬 수 있도록 하기 위한 것이다.
또한 본 발명은 바람의 상태에 따라 고도를 조절하여 효율적으로 풍력 에너지를 얻을 수 있도록 하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템은,
가스를 주입하여 공중 부양 시키는 비행선 본체에 수평 및 수직 자세제어를 위한 자세 제어수단이 설치된 비행선과;
상기 비행선의 하면에 프레임으로 고정설치되어 바람에 의해 회전되는 날개에 의해 발전기를 구동시켜 전기를 생산하는 적어도 하나 이상의 풍력발전기와;
상기 비행선의 하면에 프레임에 의해 고정설치되고, 상기 비행선에 설치된 풍향 및 풍속계와, 자동항법장치에 의거하여 상기 비행선이 바람이 불어오는 정방향을 향하면서 수평 자세를 유지하도록 자동제어하는 자세제어 콘트롤러와;
상기 풍력발전기의 출력 전력을 송전하기 위한 전원선 및 상기 자세제어 콘트롤러의 통신선이 포함되는 전력 및 통신 케이블과, 상기 비행선에 설치된 피로침 장치의 낙뢰 케이블을 지상으로 연결하여 감고 풀어지는 기능에 의해 상기 비행선의 고도를 조절하기 위한 윈치 장치와;
상기 윈치장치의 전단에서 상기 낙뢰케이블을 전기적으로 지상 접지선과 연결시켜 윈치장치와 절연시킴과 아울러 전력 및 통신케이블과 낙뢰케이블을 통과시켜 윈치장치에서 감거나 풀어줄 수 있도록 하는 낙뢰접지장치와;
상기 윈치장치 후단에서 전력 및 통신케이블의 전원선과 연결되어 송전을 위한 전력으로 처리하여 송전시키기 위한 송전장치와;
상기 윈치장치 후단에서 전력 및 통신케이블의 통신선과 연결되어 풍속 및 오퍼레이터의 조작에 의거하여 자동 또는 수동으로 상기 윈치 장치를 제어하여 비행선의 고도를 자동제어하고, 비행선의 착륙 및 부양 제어를 하는 시스템 콘트롤러를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 비행선 본체는,
가스를 주입하여 공중 부양이 가능하도록 이루어지되, 외형이 소정의 부피를 가지고 양 날개부를 가지는 유선형 삼각형상을 이루고, 내부가 다수의 격벽으로 분리되어 각각 독립적으로 가스를 주입할 수 있도록 이루어지며, 상면에 수직 꼬리 날개부가 돌출 형성되고, 풍향 및 풍속계와 피뢰침 장치와 경광등장치가 설치되어 구성된다.
상기 비행선 본체에 설치되는 자세제어수단은,
상기 비행선 본체의 양 날개부에 수직으로 수직 관통홀이 형성되고, 수직 관통홀에 수평제어 팬이 설치되어 수평 자세를 제어하기 위한 2개의 수평제어 팬 장치와;
상기 비행선 본체의 수직 꼬리 날개부에 수평으로 수평 관통홀이 형성되고, 수평 관통홀에 수직제어 팬이 설치되어 수직자세를 제어하기 위한 하나의 수직제어 팬 장치와;
상기 비행선 본체부의 양 날개부 후면에 설치되는 2개의 수평제어익과;
상기 수직 꼬리 날개부의 후면에 수직으로 설치되는 수직제어익을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 풍력발전기는,
상기 비행선 본체의 하면에 프레임에 의해 고정 설치되고, 프로펠러형의 전면 날개와 후면날개가 하나의 발전기에 쌍으로 설치되며, 적어도 하나 이상 복수개의 풍력발전기가 설치됨을 특징으로 한다.
또한, 비행선에 탑재되는 발전기를 고전압 출력이 가능한 고전압 발전기로 제작 설치하여 전선을 굵기를 최소화할 수 있도록 함으로써, 케이블의 체적을 줄여 부양능력을 키울 수 있도록 한다.
또한, 풍력발전기는,
상기 발전기의 발열을 냉각시키기 위한 냉각장치와,
상기 발전기에서 생산된 전력을 안정화시켜 상기 전력 및 통신케이블의 전원선을 통해 송전시킴과 아울러 통신선을 통해 지상의 시스템 콘트롤러와 통신하는 전력전송제어장치와,
상기 전력전송 제어장치로부터 전원을 공급받아 정류시킴과 아울러 충전지를 통해 충전시켜 안정된 전원으로 상기 냉각장치 구동전원을 공급함과 아울러 상기 비행선에 설치되는 경광등 구동전원을 공급하는 정류 및 밧데리 전원장치를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 자세제어 콘트롤러는,
비행선의 비행 자세를 검출하기 위한 자동항법장치(예; 자이로스코프)와, 비행선에 설치되는 풍향 및 풍속계로 부터 비행선의 자세정보와 풍향 및 풍속 정보를 입력받고, 2개의 수평제어팬장치와, 2개의 수평제어익과, 하나의 수직제어팬장치와, 하나의 수직제어익을 제어하여 비행선이 바람이 불어오는 정방향으로 향하고 수평자세를 유지하게 제어하도록 구성된다.
또한, 상기 풍향 및 풍속계에서 검출되는 풍향 및 풍속에 대한 정보는 상기 통신선을 통해서 지상의 시스템 콘트롤러로 전송되도록 구성된다.
상기 전력 및 통신 케이블은 하나의 절연 피복부 속에 복수의 전원선과 복수의 통신선 및 예비선이 감싸져서 하나의 케이블로 구성되고, 상기 피로침장치의 피복되지 않은 복수의 낙뢰접지선의 둘레에 도전 나선철망부가 일체로 형성되어 낙뢰케이블을 구성하며, 상기 전력 및 통신 케이블과 낙뢰케이블은 일정한 간격이 이격되게 절연 연결부에 의해 연결되어 윈치 장치에서 전력 및 통신케이블과 낙뢰 케이블을 동시에 감거나 풀어줄 수 있도록 구성된다.
이와 같은 본 발명은, 공중 부양된 비행선의 자세제어를 통해서 풍력발전기가 바람이 불어오는 방향을 향하여 수평 자세를 유지하게 되므로 풍력에 의한 발전 효율을 향상시킬 수 있고, 풍속에 따른 고도조절과, 낙뢰에 대한 대비 장치가 구비되어 있어서 시스템의 안전성을 확보할 수 있으며, 공중에서 풍력발전기를 운전하게 되므로 지상에 설치된 풍력발전기에 비해 더 강한 바람을 받을 수 있어서 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 공중부양 풍력발전 시스템의 비행선의 구성을 보인 도면이고, 도 4는 본 발명에 의한 공중부양 풍력발전 시스템의 지상장치 의 구성도이다.
본 발명에 의한 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템은,
가스를 주입하여 공중 부양 시키는 비행선 본체(110)에 수평 및 수직 자세제어를 위한 자세 제어수단이 설치된 비행선(100)과;
상기 비행선(100)의 하면에 프레임(201)으로 고정설치되어 바람에 의해 회전되는 날개에 의해 발전기(230)를 구동시켜 전기를 생산하는 적어도 하나 이상의 풍력발전기장치(200)와;
상기 비행선(100)의 하면에 프레임(201)에 의해 고정설치되고, 상기 비행선(100)에 설치된 풍향 및 풍속계(410)와, 자동항법장치(310)에 의거하여 상기 비행선(100)이 바람이 불어오는 정방향을 향하면서 수평 자세를 유지하도록 자동제어하는 자세제어 콘트롤러(300)와;
상기 풍력발전기장치(200)의 출력 전력을 송전하기 위한 전원선(511) 및 통신선(512)이 포함되는 전력 및 통신 케이블(510)과, 상기 비행선(100)에 설치된 피로침 장치(420)의 낙뢰 케이블(520)을 지상으로 연결하여 감고 풀어지는 기능에 의해 상기 비행선(100)의 고도를 조절하기 위한 윈치 장치(600)와;
상기 윈치장치(600)의 전단에서 상기 낙뢰케이블(520)을 전기적으로 지상 접지선(701)과 연결시킴과 아울러 전력 및 통신케이블(510)과 낙뢰케이블(520)을 통과시켜 윈치장치(600)에서 감거나 풀어줄 수 있도록 하는 낙뢰접지장치(710)와;
상기 윈치장치(600) 후단에서 전력 및 통신케이블(510)의 전원선(511)과 연결되어 송전을 위한 전력으로 안정화시켜 송전시키기 위한 송전장치(800)와;
상기 윈치장치(600) 후단에서 전력 및 통신케이블(510)의 통신선(512)과 연결되어 풍속 및 오퍼레이터의 조작에 의거하여 자동 또는 수동으로 상기 윈치 장치(600)를 제어하여 비행선(100)의 고도를 자동/수동 제어하고, 비행선(100)의 착륙 및 부양 제어를 하는 시스템 콘트롤러(900)를 포함하여 구성된다.
상기 비행선 본체(100)는,
가스를 주입하여 공중 부양이 가능하도록 이루어지되, 외형이 소정의 부피를 가지고 양 날개부를 가지는 유선형 삼각형상을 이루고, 내부가 다수의 격벽으로 분리되어 각각 독립적으로 가스를 주입할 수 있도록 이루어지며, 상면에 수직 꼬리 날개부(120)가 돌출 형성되고, 풍향 및 풍속계(410)와 피뢰침 장치(420)와 경광등장치(430)가 설치되어 구성된다.
상기 비행선(100)에 설치되는 자세제어수단은,
상기 비행선 본체(110)의 양 날개부에 수직으로 수직 관통홀이 형성되고, 수직 관통홀에 수평제어 팬이 설치되어 수평 자세를 제어하기 위한 2개의 수평제어 팬 장치(130)와;
상기 비행선 본체(110)의 수직 꼬리 날개부(120)에 수평으로 수평 관통홀이 형성되고, 수평 관통홀에 수직제어 팬이 설치되어 수직자세를 제어하기 위한 하나의 수직제어 팬 장치(150)와;
상기 비행선 본체(110)의 양 날개부 후면에 설치되는 2개의 수평제어익(140)과;
상기 수직 꼬리 날개부(120)의 후면에 수직으로 설치되는 수직제어익(160)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 수평제어팬장치(130), 수직제어팬장치(150), 수평제어익(140), 수직제어익(160)은 각각 모터에 의해 제어되도록 구성된다.
또한, 상기 수직 꼬리날개부(120)와 연결되어 비행선 본체(110)의 상면에 보조날개(121)가 더 설치되고, 상기 보조날개(121)에는 수평관통홀이 형성되며, 수평관통홀에 보조 수직제어팬장치(151)가 더 설치된다. 이는 꼬리날개부(120)의 방향제어기능을 더욱 원활하게 할 수 있도록 보조적으로 설치된다.
상기 풍력발전기장치(200)는,
상기 비행선 본체(110)의 하면에 프레임(201)에 의해 고정 설치되고, 프로펠러형의 전면 날개(210)와 후면날개(220)가 하나의 발전기(230)에 쌍으로 설치되며, 적어도 하나 이상 복수 개의 풍력발전기장치(200)가 설치된다. 여기서 도면에서는 2개의 풍력발전기가 설치된 것을 예로 하였다.
또한, 비행선(100)에 탑재되는 발전기(230)를 고전압 출력이 가능한 고전압 발전기로 제작 설치하여 전선을 굵기를 최소화할 수 있도록 함으로써, 케이블의 체적을 줄여 부양능력을 키울 수 있도록 한다.
도 7은 본 발명에 의한 풍력발전기장치의 제어장치 구성도이다.
또한, 풍력발전기장치(200)는, 도 7에 도시된 바와 같이,
상기 발전기(230)의 발열을 냉각시키기 위한 냉각장치(260)와,
상기 발전기(230)에서 생산된 전력을 안정화시켜 상기 전력 및 통신케이블(510)의 전원선(511)을 통해 송전시킴과 아울러 통신선(512)을 통해 지상의 시스 템 콘트롤러(900)와 통신하는 전력전송제어장치(240)와,
상기 전력전송 제어장치(240)로부터 전원을 공급받아 정류시킴과 아울러 충전지를 통해 충전시켜 안정된 전원으로 상기 냉각장치(260)의 구동전원과, 상기 비행선(100)에 설치되는 경광등장치(430)의 구동전원을 공급하는 정류 및 충전기(250)를 포함하여 구성된다.
도 6은 본 발명에 의한 비행선 자세제어 콘트롤러의 제어 구성도이다.
상기 자세제어 콘트롤러(300)는, 도 6에 도시된 바와 같이,
비행선(100)의 비행 자세를 검출하기 위한 자동항법장치(예; 자이로스코프)(310)와, 비행선(100)에 설치되는 풍향 및 풍속계(410)로 부터 비행선(100)의 자세정보와 풍향 및 풍속 정보를 입력받고, 2개의 수평제어팬장치(130)와, 2개의 수평제어익(140)과, 하나의 수직제어팬장치(150)와, 하나의 수직제어익(160)의 각 모터 구동을 제어하여 비행선(100)이 바람이 불어오는 정방향으로 향하고 수평자세를 유지하게 제어하도록 프로그램이 구성된다.
또한, 상기 풍향 및 풍속계(410)에서 검출되는 풍향 및 풍속에 대한 정보는 상기 통신선(512)을 통해서 지상의 시스템 콘트롤러(900)로 전송되도록 구성된다.
도 5는 본 발명에 의한 전력 및 통신 케이블과 낙뢰 케이블의 구성도이다.
상기 전력 및 통신 케이블(510)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 복수의 전원선(511)이 피복부속에 들어있는 전원케이블과, 복수의 통신선(512)이 피복부속에 들어있는 통신케이블과, 복수의 예비선이 피복부속에 들어있는 예비 케이블이 하나의 절연 피복부(514) 속에 감싸져서 하나의 케이블로 구성되고, 상기 피로침장 치(420)의 복수의 낙뢰접지선(521)의 둘레에 도전 나선철망부(522)가 일체로 형성되어 낙뢰케이블(520)을 구성하며, 상기 전력 및 통신 케이블(510)과 낙뢰케이블(520)은 일정한 간격이 이격되게 절연 연결부(530)에 의해 연결되어 윈치 장치(600)에서 전력 및 통신케이블(510)과 낙뢰 케이블(520)을 동시에 감거나 풀어줄 수 있도록 구성된다. 여기서 도면에 도시되지는 않았으나, 강선(예; 피아노선)이 케이블에 더 포함되어 구성하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성되는 본 발명은, 비행선(100)은 헬륨 가스를 주입하여 공중 부양시키도록 구성하되, 공중부양시 자세제어에 용이하도록 삼각형상으로 양 날개부를 구비하는 형태로 외형을 제작하고, 상면 후방부에 수직 꼬리날개부(120)를 형성하며, 비행선 본체(110)의 내부를 복수의 격벽으로 칸을 막고 각 칸별로 독립적으로 헬륨 가스를 주입할 수 있도록 주입구를 형성함으로써, 어느 하나의 칸이 파손되거나 공기 누설이 발생된다 하더라도 공중 부양 상태를 유지할 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명에서 비행선(100)의 핵심은 자세제어수단을 설치하여 비행선(100)의 자세를 제어할 수 있도록 한다는 것이다.
비행선(100)의 자세제어수단으로는, 비행선 본체(110)의 양 날개부에 수직으로 관통홀을 형성하여 수직관통홀 내부에 상하로 공기를 송풍시킬 수 있는 수평제어 팬장치(130)를 설치한다. 이는 양 날개부에 각각 설치하여 비행선(100)이 좌우 어느 한쪽으로 기울어짐을 방지하고 기울어지는 자세를 제어함으로써 좌우 수평제 얼가 가능해진다. 아울러 비행선 본체(110)의 후면부에 양쪽으로 각각 수평제어익(140)을 설치하여 전후 방향의 수평을 유지하도록 자세를 제어할 수 있게 된다. 이는 앞쪽에서 바람이 불어오기 때문에 강제 송풍이 아니더라도 수평제어익(140)을 제어함으로써 비행기의 날개 제어와 같은 원리로 비행선(100)의 전후 방향의 수평제어가 가능해진다.
또한, 수직 꼬리 날개부(120)에는 수평 관통홀을 형성하고, 수평관통홀에는 수평으로 송풍시킬 수 있는 수직제어팬장치(150)를 설치한다. 수직제어팬장치(150)를 구동시켜 비행선의 방향을 회전시킬 수 있게 된다. 또한, 수직날개부(120)의 후면에는 수직으로 수직제어익(160)이 설치되어 있어서 수직제어팬장치(150)를 구동시키지 않더라도 정면에서 불어오는 바람에 의해 비행선(100)의 후면부 좌우 방향을 조절함으로써 바람이 불어오는 정방향으로 비행선(100)이 자세를 유지하도록 제어할 수 있게 된다. 그리고, 보조날개(121)와 보조 수직제어팬장치(151)가 더 설치되어 방향전환을 더욱 원할하게 제어할 수 있도록 한다.
상기와 같은 자세제어수단들은 모두 모터에 의해 구동시킬 수 있도록 구성되며, 자세제어 콘트롤러(300)에서는 자동항법장치(310)인 자이로스코프를 이용하여 비행선(100)의 자세 정보를 획득하고, 아울러 풍향 및 풍속계(410)로부터 풍향 및 풍속정보를 획득한다. 이와 같이 비행선(100)의 자세정보와 풍향 및 풍속정보에 의거하여 자세제어 콘트롤러(300)는 2개의 수평제어팬장치(130), 2개의 수평제어익(140), 하나의 수직제어팬장치(150) 및 하나의 수직제어익(160)을 제어하여 비행선(100)이 바람이 불어오는 정방향으로 수평자세를 유지하도록 제어하게 된다.
한편, 풍력발전기장치(200)는, 비행선(100)의 하면에 정면을 향하도록 프로펠러형 전면 날개(210)가 설치되고, 전면 날개(210)의 회전축에 의해 회전축이 회전되도록 발전기(230)가 설치되며, 상기 발전기(230) 회전축에 후면날개(220)의 회전축을 연결하여 전면날개(210)와 후면날개(220)에 의해 발전기(230)를 구동시키도록 설치된다. 이와 같은 풍력발전기장치(200)는 적어도 하나 이상 복수개를 수평으로 배치하여 설치할 수 있고, 수평배치뿐만 아니라 수직배치도 가능하다.
풍력발전기장치(200)는 도 7에 도시된 바와 같이, 발전기(230)에서 발생되는 발열을 강제 냉각시킬 수 있도록 냉각장치(260)를 더 설치하여 구성하는데, 이는 바람에 의한 자연 냉각이 이루어지기는 하지만, 자연냉각만으로 부족할때를 대비하여 펠티어효과들을 이용하여 전기적으로 강제 냉각시킬 수 있는 냉각장치(260)를 더 설치한 것이다. 물론 방열판이나 온도센서등을 포함하여 구성되고, 온도검출에 의해 냉각장치(260)가 자동으로 운전/정지가 제어되도록 구성된다.
그리고, 발전기(230)에서 생산되는 전기는 적정한 전압으로 안정화시켜 전력 케이블을 통해서 송전시킬 수 있도록 하며, 정류 및 충전기(250)에서 정류하여 일정한 전압으로 충전기에 충전시킴과 아울러 충전된 일정한 전압의 전원을 상기 냉각장치(260) 구동전원으로 공급하고, 경광등 장치(430)의 구동전원으로도 공급한다.
비행선(100)은 공중 부양 상태를 유지하는 것이므로, 경광등을 설치하게 되며, 경광등 장치(430)는 비행선 본체(100)의 앞과 좌우 뒤쪽 모서리 및 꼬리 날개부의 상면등에 설치하며, 필요에 따라 임의의 위치, 예를 들어 풍력발전기장 치(200)의 하부 케이블 연결고리 부분 등에 설치하여 안전을 도모한다.
그리고 비행선(100)에는 피뢰침 장치(420)를 설치하며, 비행선 본체(110)의 상면 부위에 복수의 위치에 피뢰침을 설치하여 각 피뢰침들의 낙뢰접지선(521)들은 낙뢰케이블(520)로 연결하며, 낙뢰케이블(520)은 피복되지 않은 낙뢰접지선(521)들이 나선철망부(522)에 의해 감싸지는 형태로 케이블이 구성되어 지상으로 연결된다.
전력 및 통신 케이블(510)은 복수의 전원선(511), 복수의 통신선(512), 복수의 예비선(513)은 각각 절연 피복도선들로 구성되고, 각각 절연 케이블로 구성되고, 각 절연 케이블들이 하나의 절연 피복부(514) 속에 내장되게 구성된다. 이와 함께 전력 및 통신케이블(510)에 절연 연결부(530)를 통해 일체형으로 낙뢰케이블(520)이 연결되며, 도면에 도시되지는 않았으나 강선을 더 포함하여 구성함으로써 케이블의 파손이나 비행선(100)의 이탈을 방지할 수 있도록 한다.
지상의 장치로는 윈치장치(600)에 전력 및 통신 케이블(510)과 낙뢰케이블(520)이 함께 감길수 있도록 연결되며, 윈치장치(600) 앞단에서 낙뢰케이블(520)의 나선철망부(522)와 전기적으로 연결되면서도 케이블을 슬라이드시키면서 지상 접지선(701)으로 연결하는 낙뢰접지장치(710)를 설치한다. 상기 낙뢰접지장치(710)로는 팬더그라프를 설치한다. 상기 낙뢰접지장치(710)의 하부에는 전력 및 통신 케이블(510)과 낙뢰케이블(520)이 윈치장치(600)의 상부에서 좌우 이동이 가능하도록 슬라이드홈이 형성된 슬라이드 장치(700)가 설치된다. 이는 비행선(100)의 유동에 따라 케이블에 의해 윈치장치(600)에 충격이 가해지는 것을 방지하기 이한 것이다.
상기 윈치장치(600)는 하부에 윈치의 회전방지를 위한 클램프장치(도면에 미도시)가 더 설치되고, 클램프장치는 시스템콘트롤러(900)의 제어에 의해 잠김/해제가 제어되도록 한다. 또한 윈치 클램프장치 이외에도 케이블 클램프 장치를 더 설치하여 케이블에 의해 윈치에 직접 힘이 가해지는 것을 방지하도록 한다. 이는 윈치작동시에는 케이블 클램프장치가 케이블 잠금 해제상태로 유지하고, 윈지 작동이 완료되면 케이블을 고정시켜 윈치에 케이블에 의한 당겨지는 힘이 직접 전달되지 않도록 하며, 이러한 케이블 클램프 장치는 상기 슬라이드 장치(700)의 슬라이드 홈을 클램프 장치로서 구성하여 시스템 콘트롤러(900)에 의해 자동으로 제어되게 구성하는 것이 바람직하다.
그리고, 윈치장치(600)의 후단에는 슬립링(610) 구성에 의해 전력 및 통신 케이블(510)의 전원선(511)과 통신선(512)이 인출되게 구성하고, 전원선(511)은 송전장치(800)에 연결하며, 통신선(512)은 시스템 콘트롤러(900)에 연결한다. 즉, 윈치장치(600)의 일측단부에 슬립링(610)을 설치하여 케이블을 인출하게 함으로써, 윈치 회전시 케이블이 꼬이는 것을 방지하도록 한다.
송전장치(800)는 풍력발전기(200)로부터 생산된 전력을 강압기와, 그리드 인버터 및 수배전반을 통해서 안정화된 전력으로 송전할 수 있도록 구성되며, 이는 통상의 발전기 송전장치와 같은 구성이면 된다.
상기 시스템 콘트롤러(900)는 통신선(512)을 통해서 자세제어 콘트롤러(300)와, 전력전송 제어장치(240)와 통신하여 시스템의 전반적인 운전제어를 담당하고, 풍속정보에 의거하여 윈치장치(600)를 제어하여 비행선의 고도를 자동제어하도록 한다. 즉, 강풍이 불어오는 경우 고도를 낮추는 방향으로 제어하며, 풍속이 낮은 경우 고도를 높이는 방향으로 제어하고, 시스템의 한계 풍속 이상이 되면 비행선(100)을 착륙시키도록 제어하게 된다. 또한, 시스템 콘트롤러(900)에는 오퍼레이터가 수동으로 운전제어를 함과 아울러 강제 착륙을 제어할 수 있도록 하고, 비상시 경보를 발생하는 운전판넬이 더 포함되어 구성된다.
따라서, 본 발명에 의한 공중부양 비행선을 이용한 풍력발전 시스템은, 비행선(100)을 공중에 부양시킨 상태에서 자세 제어로 수평 및 방향을 유지하면서 풍력발전기를 운전시킬 수 있으므로, 풍력발전기를 효과적으로 운전할 수 있으며, 공중에서 풍력발전기를 구동시키므로 지상보다 강한 풍속에서 지속적으로 전력을 생산할 수 있게 되는 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 의한 공중부양 풍력발전 시스템의 비행선의 구성을 보인 도면.
도 4는 본 발명에 의한 공중부양 풍력발전 시스템의 지상장치의 구성도.
도 5는 본 발명에 의한 전력 및 통신 케이블과 낙뢰 케이블의 구성도.
도 6은 본 발명에 의한 비행선 자세제어 콘트롤러의 제어 구성도.
도 7은 본 발명에 의한 풍력발전기장치의 제어 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 비행선 110 : 비행선 본체
120 : 수직 꼬리날개부 121 : 보조 날개부
130 : 수평제어팬장치 140 : 수평제어익
150 : 수평제어팬장치 151 : 보조 수평제어팬장치
160 : 수직제어익 200 : 풍력발전기장치
201 : 프레임 210 : 전면 날개
220 : 후면 날개 230 : 발전기
240 : 전력송전 제어장치 250 : 정류 및 충전기
260 : 냉각장치 300 : 자세제어 콘트롤러
410 : 풍향 및 풍속계 420 : 피뢰핌장치
430 : 경광등장치 500 : 케이블장치
510 : 전력 및 통신 케이블 511 : 전원선
512 : 통신선 513 : 예비선
520 : 낙뢰케이블 521 : 낙뢰접지선
522 : 나선철망부 530 : 절연 연결부
600 : 윈치장치 701 : 지상 접지선
710 : 낙뢰접지장치 700 : 슬라이드장치
800 : 송전장치 900 : 시스템 콘트롤러
Claims (10)
- 가스를 주입하여 공중 부양 시키는 비행선 본체(110)에 수평, 수직, 방향 자세제어를 위한 자세제어수단이 설치되고, 자세제어 콘트롤러(300)에 의해 상기 자세제어수단이 제어되어 자동으로 자세제어가 이루어지는 비행선(100)과;상기 비행선(100)의 하면에 설치되는 적어도 하나 이상의 풍력발전기장치(200)와;상기 풍력발전기장치(200)의 출력 전력을 송전하기 위한 전원선(511) 및 통신선(512)이 포함되는 전력 및 통신 케이블(510)과, 상기 비행선(100)에 설치된 피로침 장치(420)의 낙뢰 케이블(520)을 지상으로 연결하여 감고 풀어지는 기능에 의해 상기 비행선(100)의 고도를 조절하기 위한 윈치 장치(600)와;상기 윈치장치(600)의 전단에서 낙뢰케이블(520)을 전기적으로 연결하여 지상 접지선에 연결하는 낙뢰접지장치(710)와,상기 윈치장치(600)의 후단에서 전력 및 통신케이블(510)의 전원선(511)과 연결되어 송전을 위한 전력으로 안정화시켜 송전시키기 위한 송전장치(800)와;상기 윈치장치(600) 후단에서 전력 및 통신케이블(510)의 통신선(512)과 연결되어 풍속 및 오퍼레이터의 조작에 의거하여 자동 또는 수동으로 상기 윈치 장치(600)를 제어하여 비행선(100)의 고도를 자동/수동 제어하고, 비행선(100)의 착륙 및 부양 제어를 하는 시스템 콘트롤러(900)를 포함하여 구성되되,상기 자세제어수단은,상기 비행선 본체(110)의 양 날개부에 수직으로 수직 관통홀이 형성되고, 수직 관통홀에 수평제어 팬이 설치되어 수평 자세를 제어하기 위한 2개의 수평제어 팬 장치(130)와;상기 비행선 본체(110)의 수직 꼬리 날개부(120)에 수평으로 수평 관통홀이 형성되고, 수평 관통홀에 수직제어 팬이 설치되어 수직자세를 제어하기 위한 하나의 수직제어 팬 장치(150)와;상기 비행선 본체(110)의 양 날개부 후면에 설치되는 2개의 수평제어익(140)과;상기 수직 꼬리 날개부(120)의 후면에 수직으로 설치되는 수직제어익(160)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 비행선 본체(100)는,가스를 주입하여 공중 부양이 가능하도록 이루어지되, 외형이 소정의 부피를 가지고 양 날개부를 가지는 유선형 삼각형상을 이루고, 내부가 다수의 격벽으로 분리되어 각각 독립적으로 가스를 주입할 수 있도록 이루어지며, 상면에 수직 꼬리 날개부(120)가 돌출 형성되고, 풍향 및 풍속계(410)와 피뢰침 장치(420)와 경광등장치(430)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 자세제어 콘트롤러(300)는,비행선(100)의 비행 자세를 검출하기 위해 설치된 자동항법장치(310)와, 비행선(100)에 설치되는 풍향 및 풍속계(410)로부터 비행선(100)의 자세정보와 풍향 및 풍속 정보를 입력받고, 2개의 수평제어팬장치(130)와, 2개의 수평제어익(140)과, 하나의 수직제어팬장치(150)와, 하나의 수직제어익(160)의 각 모터 구동을 제어하여 비행선(100)이 바람이 불어오는 정방향으로 향하고 수평자세를 유지하게 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 자세제어수단은,상기 수직 꼬리날개부(120)와 연결되어 비행선 본체(110)의 상면에 보조날개(121)가 더 설치되고, 상기 보조날개(121)에는 수평관통홀이 형성되며, 수평관통홀에는 상기 자세제어콘트롤러(300)의 제어를 받는 보조 수직제어팬장치(151)가 더 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 풍력발전기장치(200)는,상기 비행선 본체(110)의 하면에 프레임(201)에 의해 고정 설치되고, 프로펠러형의 전면 날개(210)와 후면날개(220)가 하나의 발전기(230)에 쌍으로 설치되며, 적어도 하나 이상 복수 개의 풍력발전기장치(200)가 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 풍력발전기장치(200)는,상기 발전기(230)의 발열을 냉각시키기 위한 냉각장치(260)와,상기 발전기(230)에서 생산된 전력을 안정화시켜 상기 전력 및 통신케이블(510)의 전원선(511)을 통해 송전시킴과 아울러 통신선(512)을 통해 지상의 시스템 콘트롤러(900)와 통신하는 전력전송제어장치(240)와,상기 전력전송 제어장치(240)로부터 전원을 공급받아 정류시킴과 아울러 충전지를 통해 충전시켜 안정된 전원으로 상기 냉각장치(260)의 구동전원과, 상기 비행선(100)에 설치되는 경광등장치(430)의 구동전원을 공급하는 정류 및 충전기(250)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전력 및 통신 케이블(510)은,복수의 전원선(511)이 피복부속에 들어있는 전원케이블과, 복수의 통신선(512)이 피복부속에 들어있는 통신케이블과, 복수의 예비선이 피복부속에 들어있는 예비 케이블이 하나의 절연 피복부(514) 속에 감싸져서 하나의 케이블로 구성되고,비행선(100)에 설치되는 다수의 피로침장치(420)들의 각 피복되지 않은 낙뢰접지선(521)들이 도전 나선철망부(522)가 일체로 형성되어 낙뢰케이블(520)을 구성하며,상기 전력 및 통신 케이블(510)과 낙뢰케이블(520)은 일정한 간격이 이격되게 절연 연결부(530)에 의해 연결되어 윈치 장치(600)에서 전력 및 통신케이블(510)과 낙뢰 케이블(520)을 동시에 감거나 풀어줄 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 8 항에 있어서, 상기 전력 및 통신 케이블(510)과 상기 낙뢰케이블(520)과 함께 강선이 케이블에 더 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 낙뢰접지장치(710)는,팬더그라프를 설치하며,상기 낙뢰접지장치(710)의 하부에는 전력 및 통신 케이블(510)과 낙뢰케이블(520)이 윈치장치(600)의 상부에서 좌우 이동이 가능하도록 슬라이드홈이 형성된 슬라이드 장치(700)가 더 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 공중 부양 비행선을 이용한 풍력발전시스템.
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