KR101102135B1 - 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기의 설치가 용이하고 운용 중에 부양체를 지지하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치를 제공하기 위한 것이다. 이에 따라, 본 발명인 공중풍력발전장치는, 부양체를 구비하는 공중풍력발전장치에 있어서, 상기 부양체의 양측에서 각각 연장되는 두 개의 케이블을 포함하는 것으로 상기 부양체와 지상의 고정구조물을 연결하는 지지케이블과; 상기 두 개의 케이블 사이에 설치되고 상기 두 개의 케이블에 의해 양측이 지지되는 발전기프레임과; 상기 발전기프레임에 설치되는 풍력발전기와; 상기 풍력발전기에 설치되는 임펠러를 포함하고, 상기 임펠러는 상기 두 개의 지지케이블 사이에 위치하여 상기 지지케이블과 접촉하지 않는 것을 특징으로 한다.

풍력발전, 부양, 케이블, 베어링, 접촉, 공중

Description

케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치{A aerial wind power generating system}

본 발명은 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치에 관한 것으로, 구체적으로는 헬륨과 같이 공기보다 비중이 낮은 가스를 채운 기구를 이용하여 발전기를 고공에 체류시키면서 풍력으로 전기를 생산하는 발전장치에 있어서, 발전기의 임펠러가 기구를 지지하는 케이블과 간섭되지 않도록 구성된 공중풍력 발전장치에 관한 것이다.

풍력발전 시스템이란 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 그 기계적 에너지를 이용하여 발전기에서 전력을 얻어내는 시스템을 말한다.

종래의 풍력발전장치는 바람이 풍부한 지역을 선정하여 지상에 설치하는 경우가 많았으나, 보다 품질 좋은 풍력을 활용하기 위하여 기구의 내부에 비중이 낮은 가스를 충진시키고, 발전기를 고공에 체류시키면서 풍력에 의한 발전이 이루어지는 방식이 많이 시도되고 있다.

도1은 종래의 공중풍력발전장치의 구성을 도시하고 있다.

도1을 참고하면, 기구(10)가 공중에 체류하는 상태에서 기구(10)와 지상의 고정구조물을 연결하는 케이블(20) 상에 풍력발전기(30)가 설치되고 풍력발전기(30)에는 풍력에 의한 회전력을 얻기 위하여 임펠러(32)가 설치된다.

그러나, 종래의 공중풍력발전장치는 바람이 강하게 불거나, 돌풍이 이는 경우 기구(10)가 밀려나가면서 기구(10)와 연결된 케이블(20)이 과도하게 경사지게 되고, 이에 따라 케이블(20)과 회전하는 임펠러(32)가 서로 접촉하게 되어 케이블(20) 및 임펠러(32)의 파손을 초래하는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 공중풍력발전장치는 케이블(20)에 풍력발전기(30)가 고정되어 있는 상태이므로 상하로 부는 풍향에 대하여 임펠러가 정확한 자세를 잡을 수 있도록 기울어질 수가 없으며, 기구(10)의 가스보충과 풍력발전기(30)의 점검 및 보수를 위해 지상으로 끌어내리는 경우, 대형의 풍력발전기(30)의 착지자세가 불안정하여 점검, 보수 등의 작업이 어렵고 착지 및 재부양시 파손의 위험도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 발전기의 설치가 용이하고 운용 중에 부양체를 지지하는 케이블과 임펠러의 접촉위험이 없는 공중풍력 발전장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 발전기가 풍향의 변화에 쉽게 대응할 수 있도록 함과 동시에 수평 유지가 용이하도록 함으로써 발전효율이 높은 공중풍력 발전장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 발전기가 지상에 착지 시 안정된 자세로 착지할 수 있는 공중풍력 발전장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치는, 부양체를 구비하는 공중풍력발전장치에 있어서, 상기 부양체의 양측에서 각각 연장되는 두 개의 케이블을 포함하는 것으로 상기 부양체와 지상의 고정구조물을 연결하는 지지케이블과; 상기 두 개의 케이블 사이에 설치되고 상기 두 개의 케이블에 의해 양측이 지지되는 발전기프레임과; 상기 발전기프레임에 설치되는 풍력발전기와; 상기 풍력발전기에 설치되는 임펠러;를 포함하고, 상기 임펠러는 상기 두 개의 지지케이블 사이에 위치하여 상기 지지케이블이 지면과 이루는 모든 경사각에서 상기 지지케이블과 접촉하지 않는 것을 특징으로 한다.

상기 발전기프레임의 양측은 상기 두 개의 지지케이블에 각각 설치된 베어링 에 의해 지지되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 발전기프레임의 하부에 설치되어 지면으로 하강시 착지하기 위한 착지다리를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 풍력발전기에는 풍향에 맞추어 상기 풍력발전기를 상하로 기울이기 위한 방향타가 설치된 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상기 두 개의 케이블에 의해 상기 발전기 프레임이 지지되는 지점은 상기 풍력발전기가 수평을 유지할 수 있는 무게중심이 위치하는 지점인 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 상기 임펠러는 상기 발전기프레임의 중심을 기준으로 양측에 대칭으로 2개가 설치되고, 상기 2개의 임펠러는 동일한 풍향에 대하여 서로 반대방향으로 회전하는 것을 또다른 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명에 따른 공중풍력발전장치는 임펠러가 양측의 케이블 사이에 위치하므로 풍력에 의해 부양체가 밀려나 지지케이블이 지면과 이루는 각도가 아주 작게 경사진다고 하더라도 임펠러와 케이블 간의 간섭이 발생하지 않는다.

둘째, 본 발명은 프레임이 양측 케이블에 의해 지지되는 지점이 풍력발전기가 수평을 이룰 수 있는 무게중심이 있는 지점이므로 풍력발전기가 풍향에 따라서만 방향을 변경함으로써 임펠러가 풍향을 향하도록 신속하고 정확하게 대응할 수 있다.

셋째, 본 발명은 대형의 풍력발전기가 점검이나 보수를 위해 지상으로 내려질 때 수평을 유지하면서 착지다리에 의해 지지되어 항상 동일한 자세로 지상에 안착됨으로써 착지나 재비행 시의 충격에 따른 파손의 염려가 없고, 점검 및 보수작업이 용이하다.

본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 정면도이고, 도3은 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 측면도이며, 도4는 발전기프레임(330)의 지지축(335) 부근의 확대도이다.

도2 및 도3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치는 부양체(100)와, 부양체(100)를 지상의 지지구조물과 연결하는 지지케이블(200)과, 지지케이블(200) 상에 설치되는 풍력발전기(300)와 지상에서 지지케이블을 지지하는 지지구조물(500)을 포함한다.

상기 부양체(100)는 내부에 공기보다 비중이 낮은 가스, 예컨대 헬륨가스가 충진되어 공기 중에서 부력을 가짐으로써 풍력발전기(300)를 지상에서 공중으로 상승시키는 수단이다. 상기 부양체(100)의 상부에는 덮개(120)를 형성하고 상기 덮개(120)가 양측으로 각각 연장되어 지지케이블(210,220)이 연결되는 체결날개(122)를 형성한다. 상기 부양체(100)는 부양체(100)의 성형이 용이하도록 구(球)형으로 형성하고 구형 부양체의 상부에서 덮개(120)를 모자형상으로 씌워 접합함으로써 복잡한 형상의 부양체(100)를 제작할 필요없이 제작이 용이하게 하는 것이 바람직하 다. 상기 덮개(120)의 양측은 하방으로 돌출되는 체결날개(122)가 부양체(100)와 접합되지 않은 채로 형성하고 덮개부(120)의 나머지 부분은 전체적으로 부양체(100)와 접합되는 것이 바람직하다.

상기 지지케이블(200)은 상기 부양체(100)의 양단에서 덮개(120)의 양측 체결날개(122)와 체결되며 양측에 연결된 두 개의 지지케이블(210,220)은 하나의 케이블(230)로 모아져 지상의 지지구조물(500)에 연결되어 있다.

상기 풍력발전기는 두 개의 지지케이블(210,220)에 의해 지지되는 발전기프레임(330)에 설치된다. 상기 발전기프레임(330)은 대략 타원형 고리형상으로 구성되고 그 양측의 외측에 지지축(335)이 각각 형성된다. 상기 지지축(335)은 두 개의 지지케이블(210,220) 상에 각각 설치된 베어링(340)에 끼워져 지지된다. 풍력발전기(300)는 상기 발전기프레임(330)의 고리형상의 안쪽에서 상기 타원형 고리의 내부구멍을 수직으로 관통하는 방향으로 설치되며 상기 풍력발전기의 전방에는 임펠러(320)가 설치되어 축연결되어 있다.

상기 임펠러(320)는 도2에서와 같이 상기 발전기프레임(330)의 중심선을 기준으로 양측에 대칭으로 2개가 설치되고, 두 개의 임펠러(320)는 양측의 지지케이블(210,220) 사이에 위치한다. 또한, 상기 2개의 임펠러는 동일한 풍향에 대하여 서로 반대방향으로 회전하도록 형성하고 회전시의 날개도 중심선을 기준으로 서로 대칭이 되도록 설치하여 임펠러의 회전에 따라 지지케이블(210,220)에 발생하는 동하중이 서로 상쇄될 수 있도록 한다. 상기 두 개의 임펠러의 회전축은 각각의 풍력발전기(300)에 연결된다.

도3은 본 발명에 따른 공중풍력발전장치의 측면도이다.

도3을 참고하면, 본 발명의 발전기프레임(330)에는 착지다리(400)가 설치되어 있다. 상기 착지다리(400)는 발전기프레임(330)의 풍력발전기(300)가 설치된 두 위치로부터 하방으로 각각 뻗어있는 형상으로 그 단부에는 발판이 풍력발전기(300)의 길이방향으로 길게 형성되어 풍력발전기(300)가 지면에 안전하게 착지할 수 있도록 한다. 상기 착지다리(400)는 풍력발전기(300)에 각각 부착되는 것도 가능하다. 또한 상기 착지다리(400)는 경량의 재질로 형성되어 그 중량에 의해 상기 지지축(335) 부분에 미치는 토크는 크지 않도록 구성한다.

도4는 상기 발전기프레임(330)의 지지축(335)이 지지케이블(210)의 베어링(340)에 체결되는 구성을 도시하고 있다. 도4를 참고하면, 타원형 고리형상의 발전기프레임(330)은 그 양측에 지지축(335)이 각각 돌출되어 형성되고 상기 지지축(335)은 지지케이블(210)의 베어링(340)에 삽입되어 상기 지지축(335)이 자유롭게 회전할 수 있는 상태에서 지지받고 있다. 상기 베어링(340)은 그 외측에 고정된 체결고리(350)에 의해 지지케이블(210)에 도4와 같이 고정되어 있다.

한편, 본 발명의 풍력발전기(300)에는 꼬리날개(370)가 설치되어 풍력을 받음으로써 풍력발전기(300)의 방향을 상하 및 좌우로 조절이 가능하다.

다음은 본 발명에 따른 공중풍력발전장치의 작용을 설명한다.

먼저, 공중의 풍향에 대하여 본 발명에 따른 풍력발전기(300)는 발전기프레임(330)이 양측의 베어링(340)에 의해 지지되어 자유롭게 상하로 각도의 변경이 가능하고, 상기 두 개의 케이블에 의해 상기 발전기프레임(330)이 지지되는 지점, 즉 지지축(335)은 상기 풍력발전기(300)가 수평을 유지할 수 있는 무게중심이 위치하는 지점이므로, 상기 풍력발전기(300)는 풍향에 따른 꼬리날개(370) 즉 방향타의 작용에 의해 임펠러(320)가 풍향을 마주하도록 신속하게 변경될 수 있다.

본 발명의 풍력발전기(300)의 꼬리날개(370)가 좌우측에서 풍향을 받는 경우에도 풍력발전기(300)는 공중에 떠있는 상태인 부양체(100)와 함께 풍향방향인 좌우로 선회가 가능하다.

한편, 강한 돌풍으로 인해 부양체(10)가 수평방향으로 밀림으로써 지지케이블(200)이 지면과 이루는 각도가 작아지는 경우에도, 본 발명에 따른 공중풍력발전장치는 두 개의 임펠러(320)가 양측의 지지케이블(210,220) 사이에 위치하여 지지케이블(210,220)과 간섭됨에 따른 파손이나 사고의 위험이 없다. 이는 도3에서 지지케이블(230)이 경사진 상태를 보여주는 바와 같이, 풍속이 매우 강하여 지지케이블(230)이 지면과 이루는 경사각(α)이 아주 작아지는 경우에도 본 발명에 따른 풍력발전기(300)의 임펠러(320)는 양측의 지지케이블(210,220)의 사이에 위치하게 되므로 임펠러(320)의 회전궤적이 지지케이블(210,220)과 접하지 않도록 구성되어 있다.

한편, 상기 두 개의 임펠러(320)는 날개의 형상이 서로 대칭으로 구성되고 서로 반대방향으로 회전하도록 구성되어 있다. 이에 따라, 임펠러(320)의 회전시 상기 지지케이블(210,220)에 미치는 동적하중이 균형을 이루어 상쇄되게 함으로써 지지케이블(210,220)이나 지지케이블(210,220)의 연결부에서 피로의 발생을 감소시킴으로써 발전장치의 전체적인 내구성 향상을 도모할 수 있다.

도5는 상기 풍력발전기(300)가 지상에 착지한 상태를 도시하고 있다. 상기 풍력발전기(300)는 지상의 고정구조물(500)에 설치된 권취기에 의해서 끌어내려져 착지다리(400)의 발판부분이 지상에 안착된 상태로 착지한다. 지상에서는 바람이 대체로 지면과 수평으로 불게 되므로 풍속이 있더라도 상기 풍력발전기(300)는 수평을 유지하고 그에 따라 상기 착지다리(400)도 지면과 수직을 유지한 상태에서 발판이 지면에 착지하게 되어, 발전기가 안정된 자세로 지면에 착지할 수 있다.

점검 및 보수가 완료된 부양체 및 발전기는 다시 공중으로 상승시키게 되고 상기 풍력발전기(300)는 안정된 상태에서 다시 공중으로 재상승할 수 있게 되어 착지와 상승과정에서 풍력발전기(300)의 파손을 방지할 수 있고, 점검 및 보수가 용이한 자세를 유지하게 된다.

다만, 착지다리(400)가 무게추의 역할을 하게 되므로 풍력발전기(300)를 수평으로 유지하는 작용을 함에 반하여, 풍력발전기(300)가 상하로 경사지는 작용을 방해할 수 있으나, 착지다리(400)를 경량의 재질로 형성시킴으로써 그 중량에 의하여 상기 지지축(335)에 미치는 토크는 꼬리날개가 받는 풍력에 비하여 그 영향이 미소하도록 구성한다.

도1은 종래 공중풍력발전장치의 사시도

도2는 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 정면도

도3은 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 측면도

도4는 본 발명의 실시예에 따른 발전기프레임의 지지축 부근의 확대도

도5는 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력발전장치가 지면에 착지한 상태도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100; 부양체 120; 덮개

122; 체결날개 130; 체결부

200,210,220,230; 지지케이블 300; 풍력발전기

320; 임펠러 330; 발전기프레임

335; 지지축 340; 베어링

350; 체결고리 370; 꼬리날개

400; 착지다리 500; 지지구조물

Claims (6)

1. 부양체를 구비하는 공중풍력발전장치에 있어서,

   상기 부양체의 양측에서 각각 연장되는 두 개의 케이블을 포함하는 것으로, 상기 부양체와 지상의 고정구조물을 연결하는 지지케이블과;

   상기 두 개의 케이블 사이에 설치되고 상기 두 개의 케이블에 의해 양측이 지지되는 발전기프레임과;

   상기 발전기프레임에 설치되는 풍력발전기와;

   상기 풍력발전기에 설치되는 임펠러;를 포함하고

   상기 임펠러는 상기 두 개의 지지케이블 사이에 위치하여 상기 지지케이블이 지면과 이루는 모든 경사각에서 상기 지지케이블과 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 발전기프레임의 양측은 상기 두 개의 지지케이블에 각각 설치된 베어링에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치
3. 제2항에 있어서,

   상기 발전기프레임의 하부에 설치되어 지면으로 하강시 착지하기 위한 착지다리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치
4. 제2항에 있어서,

   상기 풍력발전기에는 풍향에 맞추어 상기 풍력발전기를 상하로 기울이기 위한 방향타가 설치된 것을 특징으로 하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 두 개의 케이블에 의해 상기 발전기프레임이 지지되는 지점은 상기 풍력발전기가 수평을 유지할 수 있는 무게중심이 위치하는 지점인 것을 특징으로 하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치
6. 제5항에 있어서,

   상기 임펠러는 상기 발전기프레임의 중심선을 기준으로 양측에 대칭으로 2개가 설치되고, 상기 2개의 임펠러는 동일한 풍향에 대하여 서로 반대방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 케이블과 임펠러의 간섭이 방지되는 공중풍력 발전장치

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