KR101167857B1 - 공중 풍력 발전 시스템 - Google Patents
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Abstract
공중 풍력발전 시스템은, 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개, 수평 꼬리날개 및 수직 꼬리날개가 구비된 제1 부양체; 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개, 수평 꼬리날개 및 수직 꼬리날개가 구비된 제2 부양체; 상기 제1 부양체가 제1 고도와 제2 고도 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제1 부양체의 주날개의 피치각을 조절하여 상기 주날개의 양력 및 항력을 제어하는 제1 피치각 조절수단; 상기 제2 부양체가 제3 고도와 제4 고도 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제2 부양체의 주날개의 피치각을 조절하여 상기 주날개의 양력 및 항력을 제어하는 제2 피치각 조절수단; 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기가 결합되는 와이어 권취수단; 상기 제1 부양체에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향으로 감겨지는 제1 와이어 수단; 상기 제2 부양체에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향과 반대의 방향인 제2 방향으로 감겨지는 제2 와이어 수단; 및 상기 제1 부양체가 상승 운동을 할 때는 상기 제2 부양체가 하강 운동을 하고, 상기 제1 부양체가 하강 운동을 할 때는 상기 제2 부양체가 상승 운동을 하도록, 상기 제1 피치각 조절수단 및 제2 피치각 조절수단을 제어하는 제어부를 포함한다.
Description
본 발명은 공중 풍력발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 부양체를 이용하여 상승 운동 및 하강 운동을 연동시켜 연속적으로 발전을 할 수 있는 공중 풍력발전 시스템에 관한 것이다.
우리나라는 현재 에너지원 단위(국내 총생산당 소비에너지)가 세계에서 가장 높은 수준이며, 에너지 국외 의존도는 전체 사용량의 약 97%이고, 대부분이 화석연료 및 핵발전에 의한 것이다. 그리고 재생에너지는 전체 사용량의 2%이하에 불과하므로, 환경을 고려할 때 재생에너지의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
이러한 재생에너지의 발전 방법에는 태양에너지를 이용한 태양광발전, 해양파 에너지를 이용한 조력발전, 바람을 이용한 풍력발전 등이 있다.
태양광발전 및 조력발전은 시설투자비가 많이 소요되고, 아직까지 발전효율이 높지 않다는 문제점을 가지고 있어서, 상대적으로 풍력발전장치가 많이 개발되고 있다.
일반적으로 풍력발전기는 풍력을 받아 회전력을 발생시키는 다수개의 블레이드를 갖는 풍차와, 상기 풍차의 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기와, 상기 풍차와 발전기를 지지하는 지지장치로 구성되어 있다. 이러한 풍력발전기가 안정적인 발전조건을 유지하기 위하여는 풍량이 일정하고 일정 이상의 강한 풍속이 유지되는 장소에 설치해야 하므로 설치 장소에 제약이 뒤따르고, 바람의 흐름이 정상류에 가까운 높은 고도에 풍차가 위치해야 하므로 풍차의 지지장치가 과도하게 높아져서 많은 설치비용이 요구되는 어려움이 뒤따르는 단점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 공개특허공보 제10-2011-0108633호에는 지상의 한정된 공간에서 탈피하여 높은 고도에서 강한 바람을 통해 발전효율을 높일 수 있도록, 부양기체가 주입된 부양체에 바람에 의해 회전되는 터빈익이 설치된 풍력발전수단을 장착하고, 이 부양체를 와이어 권취수단에 연결된 고정와이어에 의해 연결하여 공중에 부상시켜 운전하는 공중풍력발전장치가 개시되어 있다(도 13 참조).
그러나, 이러한 공중 풍력발전장치는 터빈익이 설치된 풍력발전수단이 공중에 부상되어 있는 부양체에 장착됨으로써, 부양체에 작용하는 하중이 너무 커서 부양체의 크기가 과도하게 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 공개특허공보 제10-2010-0112323호에는 내부에 공기보다 가벼운 가스가 충전되어 공중으로 부상 가능한 2개의 공기튜브 각각을 길이가 다른 2개의 와이어에 연결하고, 이 와이어들을 2개의 회전 샤프트에 연결하여, 상기 공기튜브가 바람의 저항을 많이 받을 때 와이어가 상기 회전 샤프트로부터 풀어지면서 상기 회전 샤프트를 회전시켜, 그 회전력에 의해 발전기를 구동시키는 공중풍력발전기가 개시되어 있다(도 14 참조).
그러나, 이러한 공중 풍력발전장치는 2개의 공기튜브에 각각 연결된 와이어의 길이를 다르게 하고 와이어를 공기튜브에 중심 위치와 편심위치에 연결하여, 와이어의 길이차에 의해 공기튜브를 바람에 대하여 누운 상태와 세워진 상태를 조절하는 방식인데, 이러한 방식에 의해 공기튜브의 바람에 대한 자세를 제어할 경우에는 정확한 제어가 어려워서 안정적인 발전을 달성하기 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 고려하여, 본 발명에 따르면, 한 쌍의 부양체로 이루어진 공중 풍력발전 시스템에서, 제 1 부양체가 상승 운동을 할 때는 제 2 부양체가 하강 운동을 하고, 제 1 부양체가 하강 운동을 할 때는 제 2 부양체가 상승 운동을 하도록 제어되어, 제 1 부양체의 제 1 와이어 수단과 제 2 부양체의 제 2 와이어 수단에 의해 항상 와이어 권취수단이 회전함으로써 지속적인 발전이 이루어질 수 있는 공중 풍력발전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템은, 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개, 수평 꼬리날개 및 수직 꼬리날개가 구비된 제1 부양체; 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개, 수평 꼬리날개 및 수직 꼬리날개가 구비된 제2 부양체; 상기 제1 부양체가 제1 고도와 제2 고도 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제1 부양체의 주날개의 피치각을 조절하여 상기 주날개의 양력 및 항력을 제어하는 제1 피치각 조절수단; 상기 제2 부양체가 제3 고도와 제4 고도 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제2 부양체의 주날개의 피치각을 조절하여 상기 주날개의 양력 및 항력을 제어하는 제2 피치각 조절수단; 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기가 결합되는 와이어 권취수단; 상기 제1 부양체에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향으로 감겨지는 제1 와이어 수단; 상기 제2 부양체에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향과 반대의 방향인 제2 방향으로 감겨지는 제2 와이어 수단; 및 상기 제1 부양체가 상승 운동을 할 때는 상기 제2 부양체가 하강 운동을 하고, 상기 제1 부양체가 하강 운동을 할 때는 상기 제2 부양체가 상승 운동을 하도록, 상기 제1 피치각 조절수단 및 제2 피치각 조절수단을 제어하는 제어부를 포함한다.
전술한 공중 풍력발전 시스템에 따르면, 제 1 부양체가 상승 운동을 할 때는 제 2 부양체가 하강 운동을 하고, 제 1 부양체가 하강 운동을 할 때는 제 2 부양체가 상승 운동을 하도록 제어되어, 제 1 부양체의 제 1 와이어 수단과 제 2 부양체의 제 2 와이어 수단에 의해 항상 와이어 권취수단이 회전함으로써 지속적인 발전이 이루어질 수 있으며; 한쪽 부양체가 하강 운동을 하여 와이어 수단이 느슨하게 처질 때에는 다른쪽 부양체가 상승 운동을 하면서 와이어 권취수단을 회전시키고, 이 와이어 권취수단의 회전에 의해 느슨하게 처진 와이어 수단을 와이어 권취수단에 감음으로써 와이어 수단이 느슨하게 처지는 것을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제1 부양체의 제1 고도와 제2 고도와의 높이차(△h1)가 상기 제2 부양체의 제3 고도와 제4 고도와의 높이차(△h2)와 동일하며, 상기 제1 부양체의 최고 고도인 제2 고도가 상기 제2 부양체의 최저 고도인 제3 고도 보다 낮게 설정되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 제1 부양체의 제1 고도와 제2 고도와의 높이차(△h1)가 상기 제2 부양체의 제3 고도와 제4 고도와의 높이차(△h2)와 동일하게 됨으로써, 제 1 부양체의 상승 또는 하강 운동이 제 2 부양체의 하강 또는 상승 운동과 정확하게 연동될 수 있게 된다. 또한, 제1 부양체의 최고 고도인 제2 고도가 제2 부양체의 최저 고도인 제3 고도 보다 낮게 설정함으로써, 제 1 부양체 및 제 2 부양체는 서로 다른 높이의 영역에서 왕복운동을 하게 되어 양 부양체가 서로 겹치지 않게 되어 충돌이 발생하지 않게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제1 부양체에는 상기 제1 부양체의 동체 중앙부를 상하로 관통시키는 수직의 원통부재가 설치되며, 상기 제2 부양체의 제2 와이어 수단이 상기 원통부재의 내부를 관통할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서, 예를 들어, 윗쪽에 위치한 제 2 부양체와 아래쪽에 위치한 제 1 부양체를 향하여 부는 바람의 방향이 서로 달라질 경우, 상기 부양체들은 서로 다른 방향으로 이동하려고 한다. 이렇게 될 경우, 제 1 와이어 수단 및 제 2 와이어 수단의 와이어 권취수단에 감김 또는 풀림동작이 원활하지 않게 될 수 있으므로, 제 1 와이어 수단과 제 2 와이어 수단이 서로 멀리 떨어지지 않게 할 필요가 있다. 따라서, 제 2 부양체의 제 2 와이어 수단을 제 1 부양체의 동체에 설치된 내부원통의 내부로 관통시키면, 제 1 와이어 수단과 제 2 와이어 수단이 항상 일정한 거리를 유지할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 원통부재는 그 중간부에서 전후방향의 회전축 및 좌우방향의 회전축에 의해 상기 제1 부양체에 결합될 수 있다. 이와 같이, 상기 원통부재가 중간부에서 전후방향의 회전축 및 좌우방향의 회전축에 의해 결합되면, 원통부재의 상단부 또는 하단부가 전, 후, 좌, 우로의 운동이 가능해지므로, 제 1 부양체 및 제 2 부양체가 서로 다른 방향으로 이동하려고 할 때, 제 2 와이어 수단이 원통부재의 상단부 또는 하단부에서 간섭되는 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 와이어 수단은 중앙에 관통 구멍이 형성된 상대 회전을 할 수 있는 상하 두개의 디스크를 포함하는 제 1 회전판 조인트에 의해 상기 제 1 부양체에 연결되며, 상기 제 2 와이어 수단은 상대 회전을 할 수 있는 상하 두개의 디스크를 포함하는 제 2 회전판 조인트에 의해 상기 제 2 부양체에 연결된다. 그리고, 상기 제 2 와이어 수단은 상기 제 1 부양체의 원통부재 및 제 1 회전판 조인트의 관통 구멍을 관통할 수 있다. 또한, 상기 제 1 회전판 조인트 및 상기 제 2 회전판 조인트는 각각 상부디스크와 하부디스크를 포함하고, 상기 상부디스크와 상기 하부디스크가 결합부재 및 체결부재에 의해 결합되며, 상기 상부디스크와 상기 하부디스크의 맞물림면에 복수의 제 1 볼이 배치되고, 상기 상부디스크와 상기 결합부재의 맞물림면에 복수의 제 2 볼이 배치될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 제 1 회전판 조인트 및 제 2 회전판 조인트는 상하 2개의 디스크가 서로 상대 회전운동을 할 수 있는 베어링 구조로 이루어질 수 있다. 상기 제 1 회전판 조인트의 상부 디스크는 제 1 부양체에 연결되어 장력을 받으며, 하부 디스크는 제 1 와이어 수단에 의해 연결되어 장력을 받게 된다. 또한 상기 제 2 회전판 조인트의 상부 디스크는 제 2 부양체에 연결되어 장력을 받으며, 하부 디스크는 제 2 와이어 수단에 의해 연결되어 장력을 받게 되며, 상기 제 2 와이어 수단은 상기 제 1 부양체의 원통부재 및 제 1 회전판 조인트의 중앙의 관통 구멍을 관통한다. 따라서, 부양체가 요잉운동을 할 때, 상기 제 1 회전판 조인트의 상부 디스크는 자유롭게 회전을 하지만 하부 디스크는 와이어 수단에 작용하는 장력에 의해 고정되므로, 상기 제 1 부양체 및 제 2 부양체가 서로 다른 방향으로 회전하더라도 제 1 와이어 수단과 제 2 와이어 수단이 서로 꼬이는 현상이 방지될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 와이어 권취수단은 윈치로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체의 제 1 와이어 수단은 제 1 윈치에 제 1 방향으로 감기며, 상기 제 2 부양체의 제 2 와이어 수단은 제 2 윈치에 상기 제 1 방향과는 반대의 방향인 제 2 방향으로 감길 수 있으며; 상기 제 1 부양체가 제 1 고도로 설정되고, 상기 제 2 부양체가 제 4 고도로 설정된 상태에서, 상기 제 1 윈치와 상기 제 2 윈치가 결합될 수 있다.
상기와 같이, 상기 제 1 부양체가 제 1 고도로 설정되어 상승 운동의 시작점에 위치되고, 상기 제 2 부양체가 제 4 고도로 설정되어 하강 운동의 시작점에 위치된 상태에서, 상기 제 1 윈치와 제 2 윈치가 서로 결합됨으로써 상기 제 1 부양체의 상승 또는 하강 운동이 상기 제 2 부양체의 하강 또는 상승운동과 연동될 수 있게 된다. 즉, 상기 제 1 윈치 및 제 2 윈치가 서로 같은 방향으로 회전을 하여도 상기 제 1 부양체 및 제 2 부양체는 서로 다른 방향으로 상승 또는 하강운동을 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 윈치 및 제 2 윈치는 상기 제 1 와이어 수단 및 제 2 와이어 수단의 장력 방향(부양체가 와이어 수단을 당기는 방향)으로 회전 가능하게 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 와이어 수단 및 제 2 와이어 수단은 각각 전기 전도성 재질층, 상기 전기 전도성 재질층을 둘러싸는 탄소섬유층 및 상기 탄소섬유층의 외부에 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체 및 제 2 부양체가 각각 상승 운동을 할 때, 상기 제 1 부양체의 주날개 및 상기 제 2 부양체의 주날개의 각각의 양력 및 항력이 최적이 될 수 있는 받음각(angle of attack)을 가지도록, 상기 제어부가 상기 제 1 피치각 조절수단 및 상기 제 2 피치각 조절수단을 제어한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체 및 제 2 부양체 각각이 한 쌍의 동체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체가 2개이며, 상기 제 2 부양체가 2개로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 한 쌍의 부양체로 이루어진 공중 풍력발전 시스템에서, 제 1 부양체가 상승 운동을 할 때는 제 2 부양체가 하강 운동을 하고, 제 1 부양체가 하강 운동을 할 때는 제 2 부양체가 상승 운동을 하도록 제어되어, 제 1 부양체의 제 1 와이어 수단과 제 2 부양체의 제 2 와이어 수단에 의해 항상 와이어 권취수단이 회전함으로써 지속적인 발전이 이루어질 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 부양체의 상승 운동을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 부양체의 하강 운동을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 기본원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 공중 풍력발전 시스템의 제 1 부양체의 "A" 부분을 확대하여 나타낸 도면으로서, 원통부재와 제 2 와이어 수단의 결합상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 공중 풍력발전시스템의 회전판 조인트의 운동을 나타내는 도면이다.
도 8은 공중 풍력발전시스템에 이용되는 회전판 조인트의 내부 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템의 윈치 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템의 와이어 수단의 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래 기술의 공중 풍력발전장치를 나타내는 도면이다.
도 14는 종래 기술의 다른 공중 풍력발전장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 부양체의 하강 운동을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 기본원리를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 공중 풍력발전 시스템의 제 1 부양체의 "A" 부분을 확대하여 나타낸 도면으로서, 원통부재와 제 2 와이어 수단의 결합상태를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 공중 풍력발전시스템의 회전판 조인트의 운동을 나타내는 도면이다.
도 8은 공중 풍력발전시스템에 이용되는 회전판 조인트의 내부 구성을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템의 윈치 구조를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템의 와이어 수단의 구조를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래 기술의 공중 풍력발전장치를 나타내는 도면이다.
도 14는 종래 기술의 다른 공중 풍력발전장치를 나타내는 도면이다.
전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다.
특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 출원의 명세서에서 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 출원의 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "～사이에"와 "바로 ～사이에" 또는 "～에 인접하는"과 "～에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 출원의 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원의 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 부양체의 상승 운동을 나타내는 도면이며; 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 부양체의 하강 운동을 나타내는 도면이며; 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템의 기본원리를 설명하는 도면이며; 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이며; 도 5는 도 4의 공중 풍력발전 시스템의 제 1 부양체의 "A" 부분을 확대하여 나타낸 도면으로서, 원통부재와 제 2 와이어 수단의 결합상태를 나타내는 도면이며; 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이며; 도 7은 도 6의 공중 풍력발전시스템의 회전판 조인트의 운동을 나타내는 도면이며; 도 8은 공중 풍력발전시스템에 이용되는 회전판 조인트의 내부 구성을 나타내는 단면도이며; 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템의 윈치 구조를 나타내는 도면이며; 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템의 와이어 수단의 구조를 나타내는 도면이며; 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전시스템을 나타내는 도면이며; 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템은, 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개(120), 수평 꼬리날개(130) 및 수직 꼬리날개(140)가 구비된 제1 부양체(100); 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개(220), 수평 꼬리날개(230) 및 수직 꼬리날개(240)가 구비된 제2 부양체(200); 상기 제1 부양체(100)가 제1 고도(h1)와 제2 고도(h2) 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제1 부양체(100)의 주날개(120)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(120)의 양력 및 항력을 제어하는 제1 피치각 조절수단; 상기 제2 부양체(200)가 제3 고도(h3)와 제4 고도(h4) 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제2 부양체(200)의 주날개(220)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(220)의 양력 및 항력을 제어하는 제2 피치각 조절수단; 회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기가 결합되는 와이어 권취수단; 상기 제1 부양체(100)에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향으로 감겨지는 제1 와이어 수단(150); 상기 제2 부양체(200)에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향과 반대의 방향인 제2 방향으로 감겨지는 제2 와이어 수단(250); 및 상기 제1 부양체(100)가 상승 운동을 할 때는 상기 제2 부양체(200)가 하강 운동을 하고, 상기 제1 부양체(100)가 하강 운동을 할 때는 상기 제2 부양체(200)가 상승 운동을 하도록, 상기 제1 피치각 조절수단 및 제2 피치각 조절수단을 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제1 부양체(100)의 제1 고도(h1)와 제2 고도(h2), 제2 부양체(200)의 제3 고도(h3)와 제4 고도(h4)는 바람이 지표면과의 마찰의 영향을 덜 받는 고도로 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 제1 고도(h1), 제2 고도(h2), 제3 고도(h3), 제4 고도(h4)는 지표면으로부터 약 600m에서 1200m 범위의 고도내에서 설정될 수 있다. 또한, 바람의 세기가 강한 지역에서는 상기 고도범위보다 낮은 고도로 설정될 수도 있다.
또한, 상기 제1 부양체(100) 및 제2 부양체(200)의 상승 및 하강 운동 거리, 즉 상기 제1 부양체(100)의 제1 고도(h1)와 제2 고도(h2)와의 높이차(△h1)와 제2 부양체의 제3 고도와 제4 고도와의 높이차(△h2)는, 예를 들어, 약 30m 내지 100m 범위로 설정될 수 있다. 또한, 상기 제1 부양체(100) 및 제2 부양체(200)가 각각 복수인 경우 또는 제1 부양체(100) 및 제2 부양체(200)의 각각의 동체가 한 쌍으로 이루어진 경우에는 높이차(△h1, △h2)가 상기와 다른 범위로 설정될 수도 있다.
본 발명에 따른 공중 풍력발전 시스템에 이용되는 부양체(100, 200)의 내부에는 공기 보다 가벼운 기체가 충전되어 부양체(100, 200)가 공중에 부양이 가능하게 된다. 부양체 내부에 충전되는 기체는, 예를 들어, 헬륨, 수소 등이 이용될 수 있다. 또한, 상기 부양체(100, 200)에는 적어도 한 쌍의 주날개(120, 220), 한 쌍의 수평 꼬리날개(130, 230) 및 수직 꼬리날개(140, 240)가 구비된다. 상기 부양체(100, 200)의 주날개(120, 220)에는 피치각 조절수단(미도시)이 각각 구비되어, 상기 부양체(100, 200)의 주날개(120, 220)의 피치각을 조절하여 주날개(120, 220)에 작용하는 양력 및 항력을 제어하게 된다. 본 발명에 이용되는 부양체(100, 200)는 비행선 등의 부양체로 이루어질 수 있다.
상기 부양체(100, 200)에는 와이어 수단(150, 250)의 일단이 연결되며, 상기 와이어 수단(150, 250)의 타단은 지상에 배치된 와이어 권취수단에 감겨진다. 이와 같이, 상기 부양체(100, 200)가 와이어 수단(150, 250)에 의해 와이어 권취수단에 연결됨에 따라, 상기 부양체(100, 200)가 주날개(120, 220)에 작용하는 양력에 의해 상승 운동을 할 경우에는 와이어 수단(150, 250)에 장력이 작용하여 와이어 수단이 와이어 권취수단으로부터 풀리면서 와이어 권취수단이 회전을 하게 된다. 상기 와이어 권취수단에는 발전기가 부착되는데, 상기와 같이 부양체(100, 200)의 상승 운동에 따라 와이어 권취수단이 회전 운동을 하면, 이 와이어 권취수단의 회전 운동에 의해 발전기가 함께 회전되어 전기를 발전하게 된다. 상기 와이어 권취수단은 윈치로 이루어지는 것이 바직하다.
본 발명에 따른 공중 풍력발전 시스템에서 부양체(100, 200)들과 와이어 권취수단을 연결하는 와이어 수단(150, 250)들은 상기 부양체(100, 200)들의 상승력에 의해 와이어 권취수단을 회전시키 장력에 충분히 견딜 수 있는 강도로 제작되어야 한다. 또한, 공중에 부양되어 있는 부양체(100, 200)들은 낙뢰에 노출될 우려가 많으므로, 낙뢰에 의한 충격 전류를 지하로 흘려보낼 수 있는 구조가 필요하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 부양체(100, 200)의 소정 위치에 공지 기술의 피뢰침이 설치될 수 있으며, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 와이어 수단(150)은 각각 내부층을 전기 전도성 재질층(151)으로 형성하여 통전이 가능하게 구성하며, 외부층을 탄소섬유층(152)으로 구성할 수 있다. 이 경우, 와이어 수단의 내부 전기 전도성 재질층은 일단은 부양체에 설치관 피뢰침과 접속되며, 타단은 지하에 접지된다. 또한, 상기 탄소섬유층(152)의 외부에 코팅층(153)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 와이어 수단(150)의 외부에 코팅층(153)을 형성함으로써 와이어 수단을 자외선에 의한 노출 및 다른 부재와의 마찰로부터 내구성이 향상될 수 있다. 상기 코팅층(153)은, 예를 들어, 폴리우레탄재질로 이루어질 수 있다. 제 2 와이어 수단(250)도 제 1 와이어 수단(150)과 동일하게 전기 전도성 재질층, 탄소섬유층 및 코팅층으로 구성된다.
이어서, 본 발명에 따른 공중 풍력발전 시스템에서 와이어 수단들의 꼬임을 방지할 수 있는 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서, 예를 들어, 윗쪽에 위치한 제 2 부양체(200)와 아래쪽에 위치한 제 1 부양체(100)를 향하여 부는 바람의 방향이 서로 달라질 경우, 상기 부양체(100, 200)들은 서로 다른 방향으로 이동하려고 한다. 이렇게 될 경우, 제 1 와이어 수단(150) 및 제 2 와이어 수단(250)의 와이어 권취수단에 감김 또는 풀림동작이 원활하지 않게 될 수 있으므로, 제 1 와이어 수단과 제 2 와이어 수단이 서로 멀리 떨어지지 않게 할 필요가 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제1 부양체(100)에 동체부(110) 중앙부를 상하로 관통하는 수직의 원통부재(180)가 설치되며, 상기 제2 부양체(200)의 제2 와이어 수단(250)을 상기 원통부재(180)의 내부를 관통시킨다. 이와 같이 구성하면, 상기 제 1 와이어 수단(150)과 제 2 와이어 수단(250)이 항상 일정한 거리를 유지할 수 있게 된다.
또한, 상기 원통부재(180)는 그 중간부에서 전후방향의 회전축 및 좌우방향의 회전축에 의해 상기 제1 부양체(100)에 결합될 수 있다. 이와 같이 구성하면, 상기 원통부재(180)의 상단부 또는 하단부가 전, 후, 좌, 우로의 운동이 가능해지므로, 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)가 서로 다른 방향으로 이동하려고 할 때, 제 2 와이어 수단(250)이 원통부재(180)의 상단부 또는 하단부에서 간섭되는 현상을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 제 1 와이어 수단(150)은 상대 회전을 할 수 있고 중앙에 관통 구멍(160c)이 형성된 상하 두개의 디스크(160a, 160b)로 이루어지는 제 1 회전판 조인트(160)에 의해 상기 제 1 부양체(100)에 연결될 수 있다. 상기 제 1 회전판 조인트(160)의 상부 디스크(160a)는 적어도 2지점에서 상기 제 1 부양체(100)에 연결될 수 있다. 상기 제 2 와이어 수단(250)은 상대 회전을 할 수 있는 상하 두개의 디스크로 이루어지는 제 2 회전판 조인트(260)에 의해 상기 제 2 부양체(200)에 연결될 수 있다. 상기 제 2 회전판 조인트(260)의 상부 디스크는 적어도 2지점에서 상기 제 2 부양체(200)에 연결될 수 있다. 이와 같은 구성에서, 상기 제 2 와이어 수단(250)은 상기 제 1 부양체(100)의 원통부재(180) 및 제 1 회전판 조인트(160)의 관통 구멍(160c)을 관통하게 된다. 상기 제 1 회전판 조인트(160) 및 상기 제 2 회전판 조인트(260)는 각각 상하 2개의 디스크가 서로 상대 회전운동을 할 수 있는 베어링 구조로 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제 1 회전판 조인트의 구성을 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 상부디스크(160d)와 하부디스크(160e)가 구비되며, 상부디스크(160d)와 하부디스크(160e)는 결합부재(160f)와 체결부재(160i)에 의해 결합되며, 상기 상부디스크(160d)와 하부디스크(160e)의 맞물림면에는 복수의 제 1 볼(160g)이 배치되고, 상기 상부디스크(160d)와 결합부재(160f)의 맞물림면에는 복수의 제 2 볼(160h)이 배치되는 구성으로 이루어질 수 있다. 제 2 회전판 조인트(260)도 중앙에 관통 구멍이 형성되지 않은 것을 제외하고는 상기 제 1 회전판 조인트(160)의 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 상기 제 1 회전판 조인트(160)의 상부 디스크는 제 1 부양체(100)에 연결되어 장력을 받으며, 하부 디스크는 제 1 와이어 수단(150)에 의해 연결되어 장력을 받게 된다. 또한 상기 제 2 회전판 조인트(260)의 상부 디스크는 제 2 부양체(200)에 연결되어 장력을 받으며, 하부 디스크는 제 2 와이어 수단(250)에 의해 연결되어 장력을 받게 되며, 상기 제 2 와이어 수단(250)은 상기 제 1 부양체(100)의 원통부재(180) 및 제 1 회전판 조인트(160)의 중앙의 관통 구멍(160c)을 관통한다. 따라서, 부양체가 요잉운동을 할 때, 상기 회전판 조인트의 상부 디스크는 자유롭게 회전을 하지만 하부 디스크는 와이어 수단에 작용하는 장력에 의해 고정되므로, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)가 서로 다른 방향으로 회전하더라도 제 1 와이어 수단(150)과 제 2 와이어 수단(250)이 서로 꼬이는 현상이 방지될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 와이어 권취수단은 윈치로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 와이어 권취수단은 제 1 부양체(100)의 제 1 와이어 수단(150)을 감는 제 1 윈치(170)와 제 2 부양체(200)의 제 2 와이어 수단(250)을 감는 제 2 윈치(270)가 독립적으로 구성될 수 있다. 이와 같이, 각 부양체(100, 200)의 윈치를 독립적으로 구성하면, 제 1 부양체(100)를 제 1 고도(h1)에 세팅하고, 제 2 부양체(200)를 제 4 고도(h4)에 세팅한 상태에서 제 1 윈치(170)와 제 2 윈치(270)를 서로 결합시키면, 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)의 작동위치를 용이하게 설정할 수 있게 된다. 상기와 같이, 상기 제 1 부양체(100)가 제 1 고도(h1)로 설정되어 상승 운동의 시작점에 위치되고, 상기 제 2 부양체(200)가 제 4 고도(h4)로 설정되어 하강 운동의 시작점에 위치된 상태에서, 상기 제 1 윈치(170)와 제 2 윈치(270)가 서로 결합된다. 상기 구성에서, 각 윈치(170, 270)에 와이어 수단(150, 250)이 감기는 방향은 서로 반대방향이며, 제 1 윈치(170) 및 제 2 윈치(270)가 서로 결합된 상태에서 두 개의 윈치가 함께 회전할 경우, 하나의 윈치에 연결된 부양체가 상승 운동을 하면, 다른 하나의 윈치에 연결된 부양체는 하강 운동을 하게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 와이어 권취수단 또는 제 1 윈치(170) 및 제 2 윈치(270)는 상기 제 1 와이어 수단(150) 및 제 2 와이어 수단(250)의 장력 방향(부양체들(100, 200)이 와이어 수단들(150, 250)을 당기는 방향)으로 회전이 가능하도록 설치될 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 지상에 회전지지체(400)를 설치하고, 상기 회전지지체(400) 위에서 자유롭게 회전할 수 있는 회전판상에 윈치(170, 270) 및 발전기(300)를 설치하면, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)가 바람의 방향에 따라 이동하더라도 항상 와이어 권취수단 또는 제 1 윈치(170)와 제 2 윈치(270)가 제 1 와이어 수단(150)과 제 2 와이어 수단(250)의 장력 방향을 향하여 배향되므로, 윈치에 의한 와이어 수단의 감김 및 풀림동작이 원활하게 될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)가 각각 상승 운동을 할 때, 상기 제 1 부양체(100)의 주날개(120) 및 상기 제 2 부양체(200)의 주날개(220)의 각각의 양력 및 항력이 최적이 될 수 있는 받음각을 가지도록, 상기 제어부(미도시)가 상기 제 1 피치각 조절수단(미도시) 및 상기 제 2 피치각 조절수단(미도시)을 제어한다. 여기서, 제어부와 피치각 조절수단의 상세한 구성 및 작용에 대하여는 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체(100)및 제 2 부양체(200)에 설치되는 소형의 블레이드 타입의 풍력발전기 또는 태양광발전판을 이용하여 생성된 전원에 의해 상기 제어부, 상기 제 1 피치각 조절수단 및 상기 제 2 피치각 조절수단이 구동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)에는 GPS장치와 3차원 자이로스코프 센서가 설치되어, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)의 자세 및 고도에 대한 정보를 상기 제어부로 전송하며, 상기 제어부에서는 상기 GPS장치와 3차원 자이로스코프 센서로부터 전송된 정보에 기초하여 상기 제 1 부양체 및 제 2 부양체의 상승 또는 하강 운동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200) 각각이 하나의 동체로 이루어질 수 있지만, 도 6 또는 도 11에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 동체로 이루어질 수도 있다. 이와 같이, 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200)가 각각 2개의 동체를 구비함으로써, 부양체의 상승력이 증가되어 발전 능력을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 부양체(100, 100')가 2개이며, 상기 제 2 부양체(200, 200')가 2개로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 제 1 부양체(100, 100') 및 제 2 부양체(200, 200')를 2개로 구성함으로써, 부양체의 상승력이 증가되어 발전 능력을 증대시킬 수 있다.
이어서, 본 발명에 따른 공중 풍력발전 시스템의 작용효과에 대하여 설명한다.
제 1 부양체(100)는 공중 풍력발전을 위해 상기 제 1 부양체(100)의 내부에 충전된 기체의 부양력에 의해 기저고도인 제 1 고도(h1)까지 상승된다. 전술한 바와 같이, 상기 제 1 부양체(100)는 제 1 와이어 수단(150)에 의해 와이어 권취수단에 연결되어 있으므로, 제 1 고도(h1)에서의 제 1 부양체(100)의 부양시스템 전체의 무게는 제 1 부양체(100)의 무게(M1)와 와이어 권취수단에서 제 1 고도(h1)까지의 제 1 와이어 수단(150)의 무게(m1)를 합한 것이 된다. 또한, 상기 제 1 부양체(100)가 여기고도인 제 2 고도(h2)까지 상승하였을 때의 제 1 부양체(100)의 부양시스템 전체의 무게는 제 1 부양체(100)의 무게(M1)와 와이어 권취수단에서 제 2 고도(h2)까지의 제 1 와이어 수단(150)의 무게(m2)를 합한 것이 된다.
상기 제 1 부양체(100)의 내부에 충전되는 기체의 양(V1)은 제 1 부양체(100)가 제 1 고도(h1)의 위치에 유지될 수 있는 부양력(LVF1)을 발생시킬 수 있는 양으로 정해진다.
제 1 부양체(100)의 주날개(120)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(120)에 양력을 발생시켜서 제 1 부양체(100)를 제 1 고도(h1)로부터 제 2 고도(h2)까지 상승시킬 때 발생하는 상승력1은 하기의 식(1)과 같다.
상승력1 = LF + DF + TDF ------------------------------------ (1)
여기서, LF는 주날개에 작용하는 양력, DF는 주날개에 작용하는 항력, TDF는 와이어 수단에 작용하는 항력이다.
제 1 부양체(100)가 제 1 고도(h1)에서 제 2 고도(h2)로 상승 이동하는 동안 주날개(120)의 피치각은 피치조절수단에 의해 식(1)의 상승력1("LF + DF + TDF"의 합력)이 최대가 되는 각도로 계속적으로 변하도록 전자제어 되어진다.
상기 상승력1은 제 2 고도(h2)와 제 1 고도(h1) 차이 만큼의 제 1 와이어 수단(150)의 무게(m2 - m1)를 들어올리는 힘과 발전을 위해 제 1 와이어 수단(150)을 잡아당겨서 와이어 권취수단을 회전시키는 힘으로 이용된다.
제 1 부양체(100)의 주날개(120)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(120)에 다운포스를 발생시켜서 제 1 부양체(100)를 제 2 고도(h2)로부터 제 1 고도(h1)까지 하강시킬 때 발생하는 하강력1은 하기의 식(2)와 같다.
하강력1 = DWF + (m2 - m1) - DF - TDF ---------------------- (2)
여기서, DWF(-LF)는 주날개에 작용하는 다운포스, DF는 주날개에 작용하는 항력, TDF는 와이어 수단에 작용하는 항력, (m2 - m1)은 제 1 고도(h1)에서 제 2 고도(h2)까지의 제 1 와이어 수단의 무게이다.
이어서, 제 2 부양체(200)의 하강 및 상승 운동에 대하여 설명한다.
제 2 부양체(200)는 공중 풍력발전을 위해 제 2 부양체(200)의 내부에 충전된 기체의 부양력에 의해 여기고도인 제 4 고도(h4)까지 상승된다. 전술한 바와 같이, 상기 제 2 부양체(200)는 제 2 와이어 수단(250)에 의해 와이어 권취수단에 연결되어 있으므로, 제 4 고도(h4)에서의 제 2 부양체(200)의 부양시스템 전체의 무게는 제 2 부양체(200)의 무게(M2)와 와이어 권취수단에서 제 4 고도(h4)까지의 제 2 와이어 수단(250)의 무게(m4)를 합한 것이 된다. 또한, 상기 제 2 부양체(200)가 기저고도인 제 3 고도(h3)까지 하강하였을 때의 제 2 부양체(200)의 부양시스템 전체의 무게는 제 2 부양체(200)의 무게(M2)와 와이어 권취수단에서 제 3 고도(h3)까지의 제 2 와이어 수단(250)의 무게(m3)를 합한 것이 된다.
상기 제 2 부양체(200)의 내부에 충전되는 기체의 양(V2)은 제 2 부양체(200)가 제 4 고도(h4)의 위치에 유지될 수 있는 부양력(LVF2)을 발생시킬 수 있는 양으로 정해진다.
제 2 부양체(200)의 주날개(220)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(220)에 다운포스를 발생시켜서 제 2 부양체(200)를 제 4 고도(h4)로부터 제 3 고도(h3)까지 하강시킬 때 발생하는 하강력2는 하기의 식(3)과 같다.
하강력2 = DWF + (m4 - m3) - DF - TDF ------------------------- (3)
여기서, DWF(-LF)는 주날개에 작용하는 다운포스, DF는 주날개에 작용하는 항력, TDF는 와이어 수단에 작용하는 항력, (m4 - m3)은 제 4 고도(h4)에서 제 3 고도(h3)까지의 제 2 와이어 수단의 무게이다.
제 2 부양체(200)의 주날개(220)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(220)에 양력을 발생시켜서 제 2 부양체(200)를 제 3 고도(h3)로부터 제 4 고도(h4)까지 상승시킬 때 발생하는 상승력2는 하기의 식(4)와 같다.
상승력2 = LF + DF + TDF ---------------------------------------- (4)
여기서, LF는 주날개에 작용하는 양력, DF는 주날개에 작용하는 항력, TDF는 와이어 수단에 작용하는 항력이다.
제 2 부양체(200)가 제 3 고도(h3)에서 제 4 고도(h4)로 상승 이동하는 동안 주날개(220)의 피치각은 피치조절수단에 의해 식(4)의 상승력2("LF + DF + TDF"의 합력)이 최대가 되는 각도로 계속적으로 변하도록 전자제어 되어진다.
상기 상승력2는 제 4 고도(h4)와 제 3 고도(h3) 차이 만큼의 제 2 와이어 수단(250)의 무게(m4 - m3)를 들어올리는 힘과 발전을 위해 제 2 와이어 수단(250)을 잡아당겨서 와이어 권취수단을 회전시키는 힘으로 이용된다.
본 발명에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 예를 들어, 하나의 제 1 부양체(100)와 하나의 제 2 부양체(200)가 제 1 와이어 수단(150), 제 2 와이어 수단(250) 및 와이어 권취수단에 의해 연결되며, 상기 제1 부양체(100)가 상승 운동을 할 때는 상기 제2 부양체(200)가 하강 운동을 하고, 상기 제1 부양체(100)가 하강 운동을 할 때는 상기 제2 부양체(200)가 상승 운동을 하도록 제어부(미도시)에 의해 제어된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 부양체(100)와 제 2 부양체(200) 중 하나가 상승하는 동안 다른 하나는 하강하고, 다음 주기에서는 서로 반대로 연동하여 운동을 하면서 지상의 와이어 권취수단에 결합된 발전기를 회전시키게 된다. 이와 같이, 제 1 부양체(100)와 제 2 부양체(200)가 서로 상반된 운동을 하는 구성으로 이루어지므로, 와이어 권취수단에서의 제 1 와이어 수단(150)의 감김방향(제 1 방향)과 제 2 와이어 수단(250)의 감김방향(제 2 방향)은 서로 반대방향으로 된다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 부양체(100)가 기저고도인 제 1 고도(h1)에서 여기고도인 제 2 고도(h2)까지 상승 운동을 할 때, 제 2 부양체(200)는 여기고도인 제 4 고도(h4)에서 기저고도인 제 3 고도(h3)까지 하강 운동을 하고; 다음 주기에서는 제 1 부양체(100)가 제 2 고도(h2)에서 제 1 고도(h1)까지 하강 운동을 할 때, 제 2 부양체(200)는 제 3 고도(h3)에서 제 4 고도(h4)까지 상승 운동을 하는 사이클을 반복하면서, 와이어 권취수단 또는 윈치를 왕복 회전운동시켜 발전기를 회전시켜 전기를 발생시키는 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 상기 제 1 부양체(100) 및 제 2 부양체(200) 각각이 한 쌍의 동체로 이루어질 수 있는데, 제 1 부양체(100)의 상승 또는 하강 운동을 제 2 부양체(200)의 하강 또는 상승 운동에 대응시켜 양 부양체(100, 200)가 서로 상반된 운동을 함으로써 와이어 권취수단을 왕복회전운동시키는 작용은 제 1 부양체 및 제 2 부양체가 각각 하나의 동체로 이루어진 시스템과 동일하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 공중 풍력발전 시스템에서는, 제 1 부양체(100, 100')가 2개이며, 제 2 부양체(200, 200')가 2개로 이루어질 수 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 제 1 부양체(100, 100')는 경계고도 이하에서 상승 또는 하강운동을 하고, 제 2 부양체는 경계고도 이상에서 하강 또는 상승운동을 한다. 이와 같이, 제 1 부양체(100, 100,)의 상승 또는 하강 운동을 제 2 부양체(200, 200,)의 하강 또는 상승 운동에 대응시켜 양 부양체(100, 100')(200, 200')가 서로 상반된 운동을 함으로써 와이어 권취수단을 왕복회전운동시키는 작용은 제 1 부양체 및 제 2 부양체가 각각 하나로 이루어진 시스템과 동일하다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
100, 100' : 제 1 부양체 110 : 동체부
120 : 주날개 130 : 수평 꼬리날개
140 : 수직 꼬리날개 150 : 제 1 와이어 수단
151 : 전기 전도성 재질층 152 : 탄소섬유층
153 : 코팅층 160 : 제 1 회전판 조인트
170 : 제 1 윈치 180 : 원통부재
200, 200' : 제 2 부양체 250 : 제 2 와이어 수단
260 : 제 2 회전판 조인트 270 : 제 2 윈치
300 : 발전기 400 : 회전 지지체
120 : 주날개 130 : 수평 꼬리날개
140 : 수직 꼬리날개 150 : 제 1 와이어 수단
151 : 전기 전도성 재질층 152 : 탄소섬유층
153 : 코팅층 160 : 제 1 회전판 조인트
170 : 제 1 윈치 180 : 원통부재
200, 200' : 제 2 부양체 250 : 제 2 와이어 수단
260 : 제 2 회전판 조인트 270 : 제 2 윈치
300 : 발전기 400 : 회전 지지체
Claims (14)
- 공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개(120), 수평 꼬리날개(130) 및 수직 꼬리날개(140)가 구비된 제1 비행선(100);
공기 보다 가벼운 기체가 내부에 충전되어 공중으로 부상이 가능하며, 주날개(220), 수평 꼬리날개(230) 및 수직 꼬리날개(240)가 구비된 제2 비행선(200);
상기 제1 비행선(100)이 제1 고도(h1)와 제2 고도(h2) 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제1 비행선(100)의 주날개(120)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(120)의 양력 및 항력을 제어하는 제1 피치각 조절수단;
상기 제2 비행선(200)이 제3 고도(h3)와 제4 고도(h4) 사이에서 상승 운동 또는 하강 운동을 할 수 있도록, 상기 제2 비행선(200)의 주날개(220)의 피치각을 조절하여 상기 주날개(220)의 양력 및 항력을 제어하는 제2 피치각 조절수단;
회전력에 의해 전기를 생산하는 발전기(300)가 결합되는 와이어 권취수단;
상기 제1 비행선(100)에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 제1 방향으로 감겨지는 제1 와이어 수단(150);
상기 제2 비행선(200)에 일단이 연결되며, 타단이 상기 와이어 권취수단에 상기 제1 방향과 반대의 방향인 제2 방향으로 감겨지는 제2 와이어 수단(250); 및
상기 제1 비행선(100)이 상승 운동을 할 때는 상기 제2 비행선(200)이 하강 운동을 하고, 상기 제1 비행선(100)이 하강 운동을 할 때는 상기 제2 비행선(200)이 상승 운동을 하도록, 상기 제1 피치각 조절수단 및 제2 피치각 조절수단을 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 제1 비행선(100)의 제1 고도(h1)와 제2 고도(h2)와의 높이차(△h1)가 상기 제2 비행선(200)의 제3 고도(h3)와 제4 고도(h4)와의 높이차(△h2)와 동일하며,
상기 제1 비행선(100)의 최고 고도인 제2 고도(h2)가 상기 제2 비행선(200)의 최저 고도인 제3 고도(h3) 보다 낮게 설정되는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 비행선(100)에는 상기 제1 비행선의 동체 중앙부를 상하로 관통시키는 수직의 원통부재(180)가 설치되며,
상기 제2 비행선(200)의 제2 와이어 수단(250)이 상기 원통부재(180)의 내부를 관통하는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 원통부재(180)는 그 중간부에서 전후방향의 회전축 및 좌우방향의 회전축에 의해 상기 제1 비행선(100)에 결합되는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 와이어 수단(150)은 중앙에 관통 구멍이 형성된 상대 회전을 할 수 있는 상하 두개의 디스크를 포함하는 제 1 회전판 조인트(160)에 의해 상기 제 1 비행선(100)에 연결되며,
상기 제 2 와이어 수단(250)은 상대 회전을 할 수 있는 상하 두개의 디스크를 포함하는 제 2 회전판 조인트(260)에 의해 상기 제 2 비행선(200)에 연결되며, 상기 제 1 비행선(100)의 원통부재(180) 및 제 1 회전판 조인트(160)의 관통 구멍을 관통하는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 제 1 회전판 조인트(160) 및 상기 제 2 회전판 조인트(260)는 각각 상부디스크(160d)와 하부디스크(160e)를 포함하고, 상기 상부디스크(160d)와 상기 하부디스크(160e)가 결합부재(160f) 및 체결부재에 의해 결합되며, 상기 상부디스크(160d)와 상기 하부디스크(160e)의 맞물림면에 복수의 제 1 볼(160g)이 배치되고, 상기 상부디스크(160d)와 상기 결합부재(160f)의 맞물림면에 복수의 제 2 볼(160h)이 배치되는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 와이어 권취수단은 제 1 윈치(170)와 제 2 윈치(270)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 비행선(100)의 제 1 와이어 수단(150)은 제 1 윈치(170)에 제 1 방향으로 감기며, 상기 제 2 비행선(200)의 제 2 와이어 수단(250)은 제 2 윈치(270)에 상기 제 1 방향과는 반대의 방향인 제 2 방향으로 감기고,
상기 제 1 비행선(100)이 제 1 고도(h1)로 설정되고, 상기 제 2 비행선(200)이 제 4 고도(h4)로 설정된 상태에서, 상기 제 1 윈치(170)와 상기 제 2 윈치(270)가 결합되어 함께 회전운동을 하게 되는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 1 윈치(170) 및 제 2 윈치(270)는 상기 제 1 와이어 수단(150) 및 제 2 와이어 수단(270)의 장력 방향으로 회전 가능하게 설치되는, 공중 풍력발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 와이어 수단(150) 및 제 2 와이어 수단(250)은 각각 전기 전도성 재질층, 상기 전기 전도성 재질층을 둘러싸는 탄소섬유층(152) 및 상기 탄소섬유층의 외부에 형성된 코팅층(153)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 비행선(100) 및 제 2 비행선(200) 각각이 한 쌍의 동체로 이루어진 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 비행선(100)이 2개이며, 상기 제 2 비행선(200)이 2개인 것을 특징으로 하는 공중 풍력발전 시스템.
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