KR101464157B1 - 가변성 어택각 호일을 구비한 고효율 터빈 - Google Patents

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Abstract

고효율 터빈은 바람 또는 물 흐름과 같은 유체 유동으로부터 에너지를 생성한다. 터빈은 일반적으로 패들휠 배열로 중심축 주위로 회전 가능한 다수의 호일을 구비한 중심축을 갖는다. 각각의 호일은 중심축 및 호일의 길이에 평행한 호일축을 갖고, 자신의 호일축 주위로 회전 가능하다. 터빈의 작동 동안, 호일이 중심축 주위로 호일의 모멘트를 최대화하도록 중심축 주위로 회전할 때, 각각의 호일은 호일축 주위로 동적으로 제어된 어택각으로 유체 유동의 방향으로의 어택각을 취한다.

Description

가변성 어택각 호일을 구비한 고효율 터빈 {HIGH EFFICIENCY TURBINE WITH VARIABLE ATTACK ANGLE FOILS}
* 관련 출원의 교차 참조
이 특허 출원은 2007년 1월 22일 출원된 미국 가특허출원 제 60/886,025호 및 2007년 9월 12일 출원된 미국 특허출원 제 11/854,311호로부터 우선권을 주장하고, 이들 전체는 참조로 인용되었다.
본 발명은 터빈 설계 분야에 관한 것이고, 특히 어택각이 증가된 효율을 위해 컴퓨터 제어에 의해 변하는 호일(foils)을 가진 터빈에 관한 것이다.
바람과 물은 널리 이용 가능하고 재생 가능하며 깨끗한 에너지원이고, 풍력 및 수력 발전을 이용하는 혜택은 분명히 나타나 있다. 나무, 석탄 또는 석유를 태움에 의해 전기를 생성하는 것과 비교할 때, 풍력 및 수력 발전의 증가된 이용은 공기 품질에 악영향을 미치며 산성비, 그린하우스 효과, 및 세계 온난화를 일으키는 이산화탄소 및 다른 바람직하지 못한 오염물질의 배출을 감소시킴에 의해 환경 을 향상시킨다.
터빈은 전기 또는 기계적 에너지의 형태로 전력을 생성하기 위해 이러한 에너지원을 이용하도록 이용되어왔다. 따라서, 새로운 터빈 설계는 터빈을 통한 유체 유동의 주어진 양에 대해 전기의 더 많은 양을 제공하는데 더욱 효과적이어야 한다. 더욱 효과적인 터빈 설계로, 바람 및 물과 같은 소스로부터의 에너지 생성 비용은 감소되었다. 특히 전기를 생성하는데 덜 비싸게 되었고 더욱 이용 가능하게 되었다. 또한, 이러한 터빈은 비교적 설계하고, 제작하며, 설치하고, 유지하기 쉬운 것이 요구된다.
바람과 물은 느린 유체 유동을 제공하고, 이러한 유동의 총 에너지가 증가하는 동안 느린 유동의 "에너지 밀도"는 작아진다. 결과적으로, 기계적 시스템은 이러한 유체 유동으로부터 효과적으로 전력을 생성할 정도로 커야 한다. 또한, 바람 및 해양 흐름의 방향은 비교적 빠르게 변할 수 있기 때문에, 전력 생성 시스템은 이러한 변화에 빠르고 효과적으로 대응할 수 있어야 한다. 방향 변화에 응하여 빠르게 돌아가거나 또는 이동할 수 있는 기계적 시스템의 요구 및 큰 구조의 요구는 호환성이 없을 수 있고 이루기 어려울 수 있다.
따라서, 예를 들어 바람 및 물 소스와 같은 느리게 이동하는 유체 에너지원으로부터 전력을 생성하는데 있어서의 큰 향상이 요구된다.
일 태양에서 본 발명은 유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈을 제공한다. 터빈은 중심축과 상기 중심축을 주위로 회전 가능한 다수의 호일을 갖는다. 호일의 각각은 중심축 및 호일의 길이에 평행한 호일축을 갖고, 자신의 호일축 주위로 회전 가능하다. 각각의 호일은 터빈의 작동 동안 유체 유동의 방향으로 어택각을 취하고, 이 어택각은 중심축 주위로 호일의 모멘트를 최대화하도록 중심축 주위로 호일이 회전할 때 호일축 주위로 동적으로(dynamically) 제어된다. 또한, 각각의 호일의 어택각은 호일이 중심축 주위로 회전할 때 호일의 각 위치 및 속도, 유체 유동의 속도 및 방향에 응하여 유체 유동 방향으로 어택각을 취한다.
다른 태양에서, 본 발명은 유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위해 터빈을 작동시키는 방법을 제공한다. 터빈은 중심축 주위로 회전 가능한 다수의 호일을 갖는다. 호일의 각각은 중심축 및 호일의 길이에 평행한 호일축을 갖고, 각각의 호일은 자신의 호일축 주위로 회전가능하다. 이 방법은 중심축 주위로 호일의 모멘트를 최대화하도록 호일이 중심축 주위로 회전할 때 호일 주위로 유체 유동의 방향으로 각각의 호일의 어택각을 동적으로 제어하는 단계를 포함한다. 또한, 제어 단계에서, 각각의 호일의 어택각은 호일이 중심축 주위로 회전할 때 호일의 각 위치 및 속도, 유체 유동의 속도 및 방향에 응하여 유체 유동 방향으로 어택각을 취한다.
또 다른 태양에서 본 발명은 유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈을 제공한다. 이 터빈은 중심축; 상기 중심축 주위로 회전 가능한 다수의 호일; 및 상기 중심축 주위로 호일의 모멘트를 최대화하도록 중심축 주위로 호일이 회전할 때 호일 주위로 유체 유동의 방향으로 각각의 호일의 어택각을 동적으로 제어하기 위한 수단을 포함하고, 각각의 호일은 중심축 및 호일의 길이에 평행한 호일축을 가지며, 각각의 호일은 자신의 호일축 주위로 회전가능하다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면을 고려할 때 분명하게 나타날 것이다. 동일한 도면 부호가 본 발명의 다양한 태양 및 실시예의 이해를 돕도록 동일하거나 또는 유사한 구성요소 및 특징부들에 대해서 도면을 통해 가능한 많이 사용되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대표적인 터빈의 사시도이다.
도 2는 리딩 에지(leading edge)로부터 트레일링 에지(trailing edge)로 유체 유동 방향의 결과로서 호일 상의 총 힘 벡터, 압력의 중심, 생성된 양력 및 항력 벡터, 및 대칭적 호일을 도시한다.
도 3은 그래픽 데이터 및 표 데이터의 형태로 특히 대표적인 에어호일 NACA0015에 대한 어택각의 함수로(as a function of) 압력의 중심, 항력 및 양력을 도시한다.
도 4는 양의 그리고 음의 어택각으로 어떻게 양력 및 항력 벡터가 변하는지를 도시하도록 상이한 어택각을 가진 3개의 호일을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 호일의 위치, 유체 유동 방향 및 속도, 그리고 호일의 회전 속도에 따라서 제어된 8개의 회전 위치에 있는 터빈 호일의 어택각을 도시한다.
도 6은 도 1의 터빈의 기본 3개의 부품을 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 압력의 중심과 일치하도록 호일의 무게 중심이 어떻게 이동하는지를 도시하기 위한 호일의 코어드(chord) 단면이다.
도 8은 본 발명에 따른 터빈의 두 임의의 위치에서 호일 상의 어택각, 모멘트 및 생성된 힘 사이의 관계를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈을 위한 속도 센서 및 유체 유동 방향을 도시한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 터빈을 위한 최적의 어택각을 가진 16개의 회전 위치에서의 호일을 도시하고; 도 10b는 도 10a의 호일의 회전 위치에 따른 최적의 어택각의 플롯(plot)이다.
도 11a-11d는 도 10a 호일의 회전 위치에 대한 정규화된 양력, 항력, 힘들의 크기 및 모멘트의 플롯이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 4개의 호일을 가진 수평축 터빈의 3차원 도면을 도시한다.
도 13a는 본 발명의 일 실시예에 따른 호일에 통합된 고양력 장치를 도시하고; 도 13b는 어떻게 고양력 장치가 서로 작동하고 상호 작용하는지를 도시한다.
도 14a는 본 발명의 일 실시예에 따른 깊은 수력 터빈을 도시하고; 도 14b는 큰 안정성을 가진 깊은 수력 터빈을 도시한다.
본 발명의 실시예에 따른 향상된 터빈의 일반적인 그리고 대표적인 배열 및 작동이 도 1에서 도시된다. 터빈(10)은 호일(12)을 구비한 패들휠(paddlewheel)의 형태를 갖고, 유체 유동 하에서 중심축(11)을 주위로 회전한다. 이 예에서, 4개의 호일(12)은 터빈(10)의 작동 및 배열을 더 잘 도시하도록 선택되었다. 호일(12)의 각각은 중심축(11)과 평행한 축(13)을 갖고, 그 주위로 호일(12)이 회전할 수 있다. 작동시, 축(13) 주위로 호일(12)의 위치는 컴퓨터에 의해 제어되고 이하에서 설명되는 것처럼 유체 유동의 방향 및 중심축(11) 주위의 호일의 위치에 의존한다.
본 발명의 태양에 따라 작동하는 터빈에서의 호일의 작동은 어떻게 유체 매개물, 이 경우에 공기가 일반적으로 호일 상에 작용하는지에 관한 조사에 의해 가장 잘 이해될 것이다. 아래의 설명은 공기의 속도가 낮다고 가정하고, 유체 매개물은 물과 같은 액체일 수도 있다고 이해되어야 한다. 따라서 호일 및 에어호일과 같은 용어는 때때로 서로 교환 가능하게 이용되고, 에어호일의 설명의 대부분은 물에서 작동하는 호일에도 적용 가능하다.
유체 유동에서 호일에 의해 생성된 양력 및 항력의 크기는 아래에서 주어진다.
FL = KL(θ)*S*v2 (1)
FD = KD(θ)*S*v2 (2)
이 경우 FL, FD, KL, KD, θ, S 및 v는 각각 양력 및 항력, 양력 및 항력 계수, 어택각, 표면적, 유체 유동 속도이다. 도 2는 대칭적 에어호일을 도시하고, 리딩 에지로부터 트레일링 에지로의 유체 유동 방향에 따른 총 힘 벡터 및 압력의 중심에서 생성된 양력 및 항력 벡터를 도시한다. 이러한 방정식들은 20세기의 시작부터 광범위한 연구 및 실험에 기초한다. 예를 들어 M.S.Rice, Handbook of Airfoil Sections for Light Aircraft(1971); I.H.Abbott and A.E.Von Doenhoff, Theory of Wing Sections(1959); B.W.McCormick, Aerodynamics, Aeoronautics, and Flight Mechanics(1979)를 보라. 여기서 언급된 다른 참조들과 함께 이러한 참조들은 모두 참조로서 인용된다. 또한, 매우 널리 이용되는 소유권의 그리고 공공으로 이용 가능한 컴퓨터 시뮬레이션 프로그램이 있고, 이들은 유체 유동에서 3차원에서도 실제적으로 어떠한 호일 기하구조(geometry) 상에서 생성된 힘을 결정할 수 있다.
도 3은 상기 참조들 중 하나로부터 특히 에어호일, NACA0015에 대한 어택각에 따른 압력의 중심, 양력, 항력을 도시한다. 도 3에서 볼 수 있는 것처럼, 양력 및 항력 계수는 실속각(stall angle)에 이르는 어택각에 거의 선형적으로 비례한다. 또한, 압력 중심은 어택각과 함께 변하지만, 양력 및 항력 계수보단 훨씬 덜하다. 말할 것도 없이, 모든 상이한 에어호일은 도 3에서 도시된 것과 같이 상이한 특징을 갖고, 설계자는 그의 또는 그녀의 설계에 가장 적잘한 하나를 선택한다. 도 4는 각각 +19, +7, 및 -19 어택각을 가진 회전 위치 A, B, C에서의 3개의 에어호일을 도시하고, 이에 의해 양력 및 항력 벡터가 어떻게 여기서 설명된 것과 같은 도 1의 터빈의 작동에서 양의 그리고 음의 어택각(θ)으로 변하는지 도시한다. 양의 값은 중심축(11)에 대해 그리고 유사하게 호일축(13)에 대해 반시계 방향인 것으로 가정된다.
상기 방정식 (1) 및 (2)로부터 볼 수 있는 것처럼, 양력 및 항력은 에어호일 면적(S), 양력(KL) 및 항력(KD) 계수에 선형적으로 비례하고, 유체 유동 속도(v)에 2차원적으로(quadratically) 비례한다. 비교적 느린 것으로 가정된 주어진 유체 유동 속도에 대해서, 방정식 (1) 및 (2)에서 힘을 증가시키기 위한 유일한 방법은 어택각(θ)을 변화시키거나 또는 에어호일 면적(S)을 증가시키거나 또는 둘 모두를 하는 것이다. 따라서 느린 유체 유동으로부터 원하는 전력을 생성하기 위해, 전력 생성 시스템은 빠른 유체 유동 시스템에 대해서 설계된 동등한 전력 생성 시스템보다 훨씬 큰 면적을 가져야 한다.
느린 유체 유동은 바람 및 해양 흐름과 같이 유동의 이러한 유형은 자연에서 매우 일반적이므로 관심이 있다. 그러나 이러한 유동의 총 에너지는 크지만, 느린 유동의 "에너지 밀도"는 작다. 결과적으로, 기계적 시스템은 이러한 유체 유동으로부터 큰 양의 전력을 효과적으로 생성할 정도로 커야만 한다. 그러나, 이미 언급한 것처럼, 바람 및 해양 흐름은 비교적 빠르게 방향이 변할 수 있고 에너지 생성 시스템은 빠르게 그리고 효과적으로 이러한 변화에 응할 수 있어야 한다. 이는 모순된 요구를 가진 시스템을 유도하는데, 이는 빠르게 회전하거나 또는 이동하는 것이 필요한 큰 구조물과 같은 것이다. 예를 들면, 오늘날의 풍력 발전 지역 터빈의 대부분의 경우에 블레이드 회전축은 고정되거나 느리게 이동한다.
도 1에서 도시된 패들휠 구조는 이렇게 양립 불가능하게 보이는 요구들을 해결한다. 이 구조는 수직 또는 수평일 수 있는 중심 회전축(11) 주위로 대칭적이다. 일반적으로 바람 및 흐름들은 지면 및 물 표면에 대해 수평적으로 평행하게 이동하고, 각각의 유체에 대해서 경계(boundaries)를 형성한다. 중심축(11)이 유체의 경계에 대해 수평 또는 수직이라면, 구조는 유체 유동 방향에 대해 본질적으로 전방향성이다. 명백하게 이는 유체 유동 방향이 자주 변할 수 있는 분야 응용에서 매우 중요한 장점이다. 본 발명에 따른 수직 중심 회전축 구조를 가진 전력 생성 터빈은 최대 전력 생성을 위해 빠르게 그리고 효과적으로 유체 유동 변화에 이용될 수 있다.
도 1에서 예시된 것처럼, 다수의 호일(12)은 중심축(11) 주위로 원형으로 장착되고, 이 중심축을 주위로 호일(12)이 회전한다. 일정한 단면을 갖는 호일(12)은 또한 개별 호일축(13)을 주위로 회전할 수 있다. 각각의 호일(12)의 어택각, 유체 유동의 방향에 대한 호일(12)의 각은, 호일이 중심축(11) 주위로 회전할 때 유체 유동 속도 및 방향, 호일(12)의 각 위치 및 속도에 따라 컴퓨터에 의해 계산된다. 이는 도 5에서 도시되고, 이는 반시계 방향으로 중심축(11) 주위로 회전할 때 다수의 호일(12)의 중심축(11) 주위로 각(
Figure 112009051275058-pct00001
)에 의해 정의된 8개의 가능한 위치에서의 각(θ)에 의해 주어진 호일 어택각과 같은 호일 위치를 도시한다. 벡터(V) 에 의해 정의된 유체 유동의 방향에 대해 각
Figure 112009051275058-pct00002
= 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270 및 315도와 같은 8개의 호일 위치에서의 호일은 에어호일 NACA0015를 위한 유체 유동 방향에 대해 이러한 위치들에서의 최적의 호일 어택각을 도시한다.
다시 중심축(11)에 대해 그리고 유사하게 호일축(13)에 대해 반시계 방향이 양이라고 가정한다면, 각
Figure 112014041203762-pct00003
= 0°인 위치에서, 에어호일(12)을 위한 최적의 어택각(θ)은 양의 양력(중심축(11) 주위로 양의 모멘트)를 제공하도록 양의 값이고 각
Figure 112014041203762-pct00004
= 45°위치에서 그렇게 유지된다. 그러나 각
Figure 112014041203762-pct00005
=90° 위치에서, 최적의 어택각(θ)은 중심축(11) 주위로 양의 모멘트를 계속 제공하도록 음의 값이 된다. 최적의 어택각(θ)은 각
Figure 112014041203762-pct00006
= 135, 180 및 225°에 대해 음의 값으로 유지된다. 각
Figure 112014041203762-pct00007
= 270° 위치에서 최적의 어택각(θ)은 0°이고, 각
Figure 112014041203762-pct00008
= 315° 위치에서 어택각은 약간의 양의 값을 갖는다. 이러한 각들은 호일(12)의 일반적인 작동을 도시하는 것으로 이해되어야 한다. 특히 최적의 어택각은 에어호일 NACA0015에 대해서 도시되고 다른 어택각은 다른 호일에 대해서 최적일 수 있다. 또한, 매개물 유동 방향에 대한 호일의 어택각은 중심축(11) 주위로 호일(12)의 각속도 및 유체 유동 속도의 함수이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전력 생성 터빈의 상세한 내용은 도 6에서 도시된다. 터빈은 3개의 기본 부품을 갖는데, 중심축 어셈블리(20), 호일 케이지 어셈블리(foil cage assembly; 21) 및 호일(12) 그 자체이다. 중심축 어셈블리(20)는 고정 로드(22)에 의해 형성되고, 고정 로드(22)는 각각 풍력 터빈 및 수력 터빈 이용을 위한 기초(23)에 의해 그라운드 또는 해양 플로어에 장착된다. 고정 로드(22)는 중심축(11)을 형성한다. 기초(foundation; 23)는 또한 서비스 및 발전기 플랫폼(24)에서 기어, 벨트 또는 체인-구동된 전기 발전기를 지지한다. 고정 로드(22)는 베어링 및 장착점(25)을 갖고, 이에 의해 에어호일 케이지 어셈블리(21)의 중공형 중심 샤프트(27)가 로드(22) 주위로 회전하는 것을 가능하게 한다.
호일 케이지 어셈블리(21)는 고정 로드(22)를 주위로 쉽게 회전하는 중앙 샤프트(27) 및 이 샤프트(27)에 고정된 호일 지지 로드(28)의 쌍을 포함한다. 호일 지지 로드(28)는 중앙 샤프트(27)에 수직이고 도 6에서 그라운드에 대해 평행하다. 이 상부 및 바닥부의 쌍으로 된 호일 지지 로드(28)의 각각은 그 나머지와 평행하고, 호일 지지 로드(28)의 쌍의 숫자는 특별한 터빈 설계에서 호일(12)의 숫자와 동일하다. 호일 지지 로드(28)의 각각의 단부에는 호일 하우징(30)이 있고, 이 하우징은 어택각 제어 기구를 지지한다. 이 기구는 하나 이상의 스텝퍼 모터, 보조 모터, 유입식 또는 공압식 드라이버 시스템을 포함하고, 이는 상기 설명된 것처럼 적절한 호일 어택각을 위해 호일(12)의 길이에 평행한 호일축(13) 주위로 각각의 호일(12)을 회전시킨다. 더 작은 터빈 설계를 위해, 모터 또는 드라이브 시스템은 호일 지지 로드(28)의 쌍 중 오직 하나의 단부에 장착된다. 전력은 회전 구조물에서 종종 이용되는 것과 같이 전기적 브러쉬 커플링(electric brush couplings)을 통해 서비스 및 발전기 플랫폼(24)으로부터 로드(28)의 단부에서 어택각 제어 기구로 제공된다. 유사하게, 유사한 커플링은 유압식 및 공압식 드라이브 시스템을 위 해 이용될 수 있다.
대안적으로, 호일(12)의 각각의 단부에서 호일 지지 로드(28)의 쌍보다, 단일 호일 지지 로드(28)가 로드(28)를 통해 연장하는 호일축(13)을 가진 호일(12)의 중심에 위치할 수 있다. 호일 표면은 로드(28) 및 호일 하우징(30)을 수용하도록 두 개로 나뉜다.
샤프트 인코더(shaft encoder)는 터빈의 중심축(11)의 일부인 중심 샤프트(27)에 장착된다. 절대적 또는 상대적 샤프트 인코더가 이용될 수 있고, 절대적 샤프트 인코더는 터빈 설계를 단순화시킨다. 절대적 샤프트 인코더의 출력은 선택된 정적 기준점(selected static reference point)으로부터 회전 샤프트 각을 산출한다. 호일(12)은 호일 케이지 어셈블리(21) 상의 고정 위치에 위치하기 때문에, 기준점에 대한 각각의 호일(12)의 각(
Figure 112009051275058-pct00009
)과 같은 각 위치 또는 회전 위치는 샤프트 인코더로부터 쉽게 결정될 수 있다.
길이를 따라 일정한 호일 섹션을 갖는 호일(12)은 에어호일 케이지 어셈블리(21)에서 대응하는 호일 지지 로드(28) 사이에 각각 장착된다. 호일(12)은 이들 하우징(30)에 위치하고, 하우징은 모든 베어링 및 호일 어택각 제어 기구를 함유한다. 최소의 에너지로 호일축(13) 주위로 각각의 에어호일(12)이 회전하는 것을 가능하게 하기 위해, 호일 회전축(13)은 호일(12)의 무게 중심 및 압력 중심과 정렬되고, 그들 자체적으로 일치하도록 설계된다. 일반적으로, 어떠한 어택각에 대해 호일의 압력 중심은 무게 중심과 일치할 필요는 없다. 높은 회전 속도에서, 호일의 무게 중심 상에 작용하는 원심력은 큰 회전 모멘트를 생성할 수 있고, 이 모멘트는 어택각을 제어하는 보조 또는 스텝퍼 모터에 의해 극복되어야 한다.
도 7에서 호일 단면이 도시된 예시적 호일(12)은 어떻게 호일(12)의 무게 중심이 본 발명의 일 실시예에 따라서 압력 중심과 일치하도록 이동하는지를 도시한다. 도 7에서의 호일 섹션에 의해 추측될 수 있는 것처럼, 무게 중심(16)은 트레일링 에지를 향한 것과 같이 뒤에 호일 중심 근처에 위치한다. 무게 중심(16)을 이동시키기 위해, 금속, 분말로 된 금속, 금속 펠렛(pellets) 및 고체 안으로 결합된 모래(sand bonded into a solid)와 같은 치밀한 물질의 로드(17)가 리딩 에지 근처의 호일 안으로 삽입된다. 물질은 터빈의 특별한 이용에 대해서 선택된다. 로드(17)는 효과적으로 압력 중심(15)을 향해 앞으로 무게 중심(16)을 이동시킨다. 로드(17)의 위치 및 그 질량을 조정함에 의해, 무게 중심은 호일의 압력 중심과 거의 일치하게 되도록 이동될 수 있다. 도 3과 관련하여 이미 설명된 것처럼, 호일의 압력 중심은 어택각(θ)에서의 변화에 따라 약간씩 이동한다. 도 14a 및 14b에 대해 이하에서 설명되는 것과 같은 수력 터빈에 대해서, 로드(17)는 호일 상의 힘의 가능한 소스를 제거하도록 물에서의 중성 부력(neutral buoyancy)의 호일을 만드는데 이용될 수 있다.
각각의 호일(12)의 제어로 돌아가면, 호일(12)의 각 위치는 하나 이상의 보조 또는 스텝퍼 모터인 호일 지지 로드(28)의 단부에서의 호일 하우징(30)의 호일의 어택각 제어 기구의 일부에 의해 영향을 받는다. 또한, 국부적 참조(local reference)에 대해서 호일의 회전축(13) 주위로 호일의 각 위치를 주기 위한 각각 의 호일(12)을 위한 샤프트 인코더가 있다. 모든 호일 각들은 호일 지지 로드(28)에 그리고 메인 중심 회전 샤프트(27)에 참조되고, 각각의 호일(12)을 위한 컴퓨터에 의해 계산된 최적의 어택각은 메인 샤프트(27)의 회전 위치로 참조된다.
또한, 호일(12)이 리딩 에지 슬래트(leading edge slats) 또는 트레일링 에지 플랩(trailing edge flaps), 혹은 둘 모두와 같은 고양력 장치(high lift devices)를 포함한다면, 전기적, 유압식 또는 공압식 전력은 제어 신호에 따라서 고양력 장치를 위한 스텝퍼 또는 보조 모터를 위한 호일(12)로 공급된다.
바람직하게 하나 이상의 마이크로 제어기의 형태인 컴퓨터는 실시간으로 터빈을 작동시키는데 바람직하다. 컴퓨터는 도 6에서 박스(39)에 의해 표시된 서비스 및 발전기 플랫폼(24)에 위치하는 것이 바람직하고, 전력 라인에 평행한 제어 라인을 통해 통신한다. 대안적으로, 컴퓨터는 옮겨진 점선의 박스(39A)에 의해 표시된 것과 같이 중심축(11) 및 호일(12)로부터 옮겨질 수 있고, 서비스 및 발전기 플랫폼(24)으로부터 분리되어 위치할 수 있다. 이러한 실시예에서 컴퓨터는 무선으로 예를 들어 인코더 신호와 같은 입력 제어 신호들을 수신하고 출력 제어 신호들을 보낸다. 또한, 이러한 경우에 중심축(11) 및 호일축(13)을 위한 인코더는 송신기를 갖고, 호일 보조 또는 스텝퍼 모터는 트랜스시버(transceiver) 및 송신기를 모두 갖는 컴퓨터(39A)와 무선 통신을 위한 송신기를 갖는다.
이하에서 설명된 분석 컴퓨터의 컴퓨터 프로그램의 단축 버젼(abbreviated version)은 컴퓨터에 설치된다. 이러한 프로그램을 위한 매개변수식 설정은 호일(12)의 숫자, 유형 및 위치, 테이블 함수로서 어택각(θ)의 함수로써 양력/항력/압력 중심을 위한 호일 데이터, 그리고 회전 반경(R)을 포함한다. 입력 제어 신호는 각각의 호일의 동적 각 위치(
Figure 112014041203762-pct00010
), 터빈의 회전 속도(ω), 터빈에 대한 유체 유동의 방향 및 속도인 벡터(V)를 포함한다. 출력 제어 신호는 각각의 호일(12)을 위한 보조 또는 스텝퍼 모터로의 신호를 포함하고, 이에 의해 호일(12)을 위한 최적의 어택각을 가정하여 중심 회전축(11)에 대한 모멘트를 최대화한다. 호일(12)의 어택각(θ)은 각 위치(
Figure 112014041203762-pct00011
), 회전 속도(ω), 유체 매개물의 속도 및 방향(V)의 함수이다. 컴퓨터(39)는 이러한 계산이 호일(12)의 어떠한 숫자 및 호일 섹션의 어떠한 유형을 위해 실행되도록 하며, 이에 의해 터빈으로의 향상이 쉽게 이루어질 수 있다.
도 5의 모든 에어호일(12) 상의 벡터(34)에 의해 도시된 것처럼, 중심축(11) 주위로 반시계 방향 회전으로서 설명된 양의 모멘트는 이러한 컴퓨터-최적화된 어택각으로 생성된다. 모든 각 위치에서 양력, 항력 및 총 벡터가 계산되고 본 발명에 따른 터빈의 작동의 시각적 도시를 위해 도 5에서 도시된 것처럼 도시된다. 이러한 계산은 표준 미분 방정식으로 탄성 효과를 무시함에 의해 본 발명의 터빈 구조를 모델링함에 의해 이루어진다:
Figure 112009051275058-pct00012
및
Figure 112009051275058-pct00013
(4)
이 경우
Figure 112014041203762-pct00014
, M, I, Kf 및 ω는 각각 라디안으로 중심축(11) 주위로의 회전각, 모멘트, 관성 모멘트, 회전 마찰 계수 및 라디안/초 단위의 회전 속도이다. 호일(12)은 (1) 및 (2)에서 도시된 양력 및 항력 방정식에서 회전 속도(ω)로 회전하고, v는 m/sec로의 회전하는 호일(12)에 대한 상대적 유체 유동 속도의 크기이다. 회전 호일(12)에 대한 상대적 유체 유동 속도를 얻기 위해, 일정한 계산이 방정식 (1) 및 (2)를 방정식 (3)으로 바꾸는 것이 필요하다(substitute eqns.(1) and (2) into eqn.(3)).
도 8은 각각
Figure 112009051275058-pct00015
= 50°, 310°, 130° 및 230°의 대략적인 각 위치로서 여기서 도시된 임의의 위치(A, B, C, D)에서 도시된 호일(12)의 각 위치 사이의 관계를 도시한다. 특히, 위치(C, D)는 호일의 각 속도(ω), 관련 접선 방향 속도(Vt) 및 유체 속도(Vf)를 도시하고, 이는 더욱 자세하게 그 위치에서 효과적인 유체 유동 방향 및 속도를 나타낸다. 이는 이하와 같은 벡터 형태로 공식화될 수 있다:
Figure 112009051275058-pct00016
이 경우 카르테시안 좌표에서의 유체 속도는 다음과 같이 적시될 수 있다:
Figure 112009051275058-pct00017
Vx 및 Vy는 x 및 y 축을 따른 유체 성분이다. ω의 각속도 및 R의 반경을 가진 원점 주위로 회전하는 호일(12)의 원형 움직임의 매개변수식 표현(parametric represenatation)은 다음과 같이 적시될 수 있다:
Figure 112009051275058-pct00018
시간(t)에 대해서 상기 방정식을 직접 미분하면 벡터 형태로 접선 속도가 나온다:
Figure 112009051275058-pct00019
Figure 112009051275058-pct00020
이는 그래픽적으로 도 8에서 위치(C, D)에서 도시된다.
매개변수(k)는 유체 속도,
Figure 112009051275058-pct00021
의 크기에 대한 회전 속도(ω) 사이의 상대적 관계를 이해하는데 매우 도움이 된다. "임계적 회전 속도", ωcrit는 아래와 같이 유체 속도
Figure 112009051275058-pct00022
에 대한 반경(R)을 위한 대응하는 회전 속도로서 정의된다:
Figure 112009051275058-pct00023
다시 말하면, ω=ωcrit에서, 호일(12)의 접선 속도는 유체 속도
Figure 112009051275058-pct00024
와 동일하다. 승산기(multiplier) 계수(k)는 아래와 같이 정의된다:
k = ω/ωcrit (12)
ω, R, 그리고 유체 속도
Figure 112009051275058-pct00025
의 크기의 의미있는 조합을 쉽게 만들 수 있다.
k = 0, ω = 0
k = 1, ω = ωcrit
k > 1, ω > ωcrit 에 대해서.
상기 주어진 것과 같은 │V│와 관련된 Vx, Vy 쌍과 R의 조합을 위한 ω를 설정하도록 0 내지 2의 범위에 있는 k 승산기를 이용하는 것은 의미있는 결과를 유도한다. 도 9는 두 상이한 방향으로 k=0.2, 0.5, 1, 및 2에서 회전하는 터빈에 대한 그리고 정적인 k=0의 조건에 대한 컴퓨터 프로그램의 출력을 도시한다. 도 5는 최적의 어택각 계산에 이용되는 방정식 (1) 및 (2)의 결과로 최적의 어택각을 가진 8개의 상이한 위치에서 호일(12)의 기하구조를 도시한다.
도 8에서 도시될 수 있는 것처럼, 호일에 대한 상대적 유체 유동 속도는 시스템의 독립 변수들, 예를 들어
Figure 112014041203762-pct00026
, ω, R 및 V의 다소 복잡한 함수가 된다. 방정식 (1) 및 (2)에서의 양력 및 항력의 벡터 합은 도 2에서 도시된 것과 같은 총 힘 벡터(F)를 산출하기 때문에, 총 힘 벡터(F)는 또한 상기 방정식에서 호일(Vf)에 대해 유효 유체 속도의 크기에 2차원적으로 관련된다. 도 4에서 처럼 총 힘 벡터(F)에 의해 생성된 모멘트는 다음과 같이 주어진다:
Figure 112009051275058-pct00027
방정식 (13)에서 볼 수 있듯이, 결과적인 모멘트는
Figure 112009051275058-pct00028
, ω, R 및 V의 더욱 높은 비선형 함수이고, 프로그램을 가진 터빈 컴퓨터는 터빈에서 각각의 호일(12)에 대한 최적의 어택각(θ)을 계산하는데 유효 유체 속도 및 방향을 고려한다.
양의 모멘트는 호일 어택각(θ)을 제어함에 의해 거의 모든 호일 위치(
Figure 112014041203762-pct00029
)에서 생성된다. 일 위치에서 양의 어택각은 양의 모멘트를 초래하는 벡터합(sum vector)을 나타내는 양력 및 항력 벡터의 조합을 생성하고, 대향 위치에서의 음의 어택각은 양의 모멘트를 다시 초래하는 대향 벡터합을 생성한다.
본 발명의 터빈에 대한 유체 유동의 속도 및 방향을 결정하기 위해, 다수의 유체 유동 속도 및 방향 센서들이 도 9에서 도시된 것처럼 터빈 프로퍼(proper; 34) 부근에 위치한다. 터빈의 상부에 위치한 하나의 센서로 충분할 수도 있지만, 시간에 따라 변화하는 이러한 데이터 상의 더욱 정확한 정보를 갖는 것이 바람직하다. 도 9에서 도시된 것처럼, 적어도 3개의 센서(35)가 터빈 프로퍼(34) 주위 부근에 위치한다. 다수의 센서로부터 터빈에서의 유체 유동의 속도 및 방향을 결정하기 위해, 센서 데이터는 평균화된다. 또한, 유동 센서는 가능한 터빈에 가깝게 위치해야 하고, 유체 유동이 터빈 자체에 의해 방해받을 정도로 가까와서는 안된다. 결과적으로, 유체 유동 방향은 샤프트 인코더 기준점에 대해서 정확하게 참조된다(referenced).
터빈의 작동뿐만 아니라, 컴퓨터는 본 발명에 따라, 터빈의 설계의 작동 및 설계를 최적화하는데 이용된다. 분석 컴퓨터로의 입력 및 매개변수 설정은 유체 유동 속도 및 방향, 터빈의 호일 숫자 및 케이지 어셈블리(21)의 선택된 기준점에 대한 위치, 중심축(11)으로부터 호일(12)까지의 반경(R), 특정 호일(12)에 대한 어택각의 함수로서의 양력/항력/압력 중심에 대한 데이터 테이블, 터빈의 회전 속도, 그리고 호일(12)의 길이를 포함한다. 컴퓨터는 예를 들어 호일의 각 위치의 함와 같이 호일이 회전할 때 연속적으로 각각의 위치에서의 모든 호일(12)의 최적의 어택각을 계산한다. 또한, 컴퓨터는 각각의 호일(12) 상의 힘의 크기, 양력, 및 항력을 계산하고, 결과적인 모멘트 및 모멘트 적분(moment integrals)을 계산한다. 개별 모드에서, 분석 컴퓨터는 이러한 복잡한 전체 터빈 구조의 방정식을 특징화하는 미분 방정식을 푸는 것에 의해 터빈 구조의 움직임을 시뮬레이션한다. 터빈의 동적 시뮬레이션을 위한 이러한 계산이 분석되도록, 관성 모멘트를 계산하기 위해 전체 구조의 질량 분포 데이터와 같은 추가적인 정보가 이용된다. 분석 컴퓨터는 터빈 구조의 최적화, 호일의 선택, 그리고 설계 매개변수 상의 민감도 분석을 가능하게 한다.
도 10A는 중심축(11)의 회전 주위로 특정 호일(12)을 위한 16개의 동등하게 이격된 각 위치에서의 최적의 어택각(θ)을 도시한 것이고, 도 10B는 호일의 회전에 대한 이들의 최적의 어택각을 플롯한 것이다. 이러한 예에서의 호일은 에어호일 NACA0015이고, 매개물은 공기이다. 도 11a-11d는 각각 정규화된 양력, 항력, 호일(12) 상의 힘의 크기 그리고 축(11) 주위로 회전할 때의 모멘트를 플롯한 것이다. 도 11a 및 11b에서 도시된 것처럼, 시계 방향의 회전에 대해서, 각 위치
Figure 112014041203762-pct00030
= 270° 내지 90° 사이의 최적의 어택각은 양의 값이고 90° 내지 270°에서는 음의 값이다. 어택각(θ)은 회전의 절반 동안은 양의 값이고 나머지 절반 동안에는 음의 값이며, 이는 본 발명의 터빈이 비대칭적 호일로 작동 가능하지만 비대칭적 호일과 비교하여 대칭적 호일 섹션을 더욱 효과적으로 하는 것이다. 비대칭 호일에 의해 생성될 수 있는 증가된 모멘트에 대해서, 도 13a 및 13b에 대해 설명된 것과 같은 고양력 장치를 이용하는 것이 바람직하다.
도 11d에서 도시될 수 있는 것처럼, 하나의 에어호일에 대해 생성된 모멘트는 간략하거나(smooth) 또는 회전 위치의 일정한 함수가 아니다. 예를 들면, 도 11d에서 도시된 에어호일 NACA0015는 90°에서 465의 최대 모멘트를 그리고 -3의 정규화된 모멘트를 가진 270°에서의 최소값을 갖는다. 한편, 종래의 회전식 블레이드 터빈의 블레이드에 의해 생성된 모멘트는 더 간략한 작동을 초래하는 어떠한 각위치에서와 동일하다. 그러나, 본 발명의 실시예의 터빈의 다수의 호일(12)은 이러한 문제점을 개량한다. 셋 또는 그 초과의 에어호일이 동등하게 이격된 채로, 각 위치의 함수로서의 다수의 호일의 넷 모멘트(net moment)는 바람직하게 더 간략화된다(smoother). 호일들 사이의 간격, 또는 다시 말하면 이들의 숫자는 선택된 호일 섹션, 선택된 코어드, 길이, 패들휠의 반경 그리고 밀도, 점도, 유동 속도 등과 같은 유체의 물리적 매개변수의 함수이다. 홀수(odd number)를 향한 호일(12)의 개수를 가중하는(weights) 다른 인자는 하류의 효과(downstream effect)이다. 짝수의 호일의 경우, 하류 호일에서 방해될 것같은 유체 유동에서의 상류 호일 바로 뒤의 호일이 있기 쉽다. 홀수의 호일은 일정한 정도로 이러한 문제점을 피하게 한다.
0 내지 360° 사이의 도 11d에서 도시된 모멘트 커브의 적분은 터빈의 효율의 측정인데, 적분값이 높을수록 에너지 변환 효율이 더 좋은 것이다. 하나의 에어호일에 대해서, 호일이 회전할 때 각각의 각 위치에서의 최적의 어택각을 가진 모멘트 적분은 다음과 같다:
Figure 112009051275058-pct00031
어택각 사인이 변경되면, 모멘트 적분은 -9.688*104가 된다. 이러한 적분의 사인(sign)은 음의 최적 어택각을 적용함에 의해 간단하게 음으로 될 수 있는데, 즉 호일이 중심축(11) 주위로 회전할 때 유동 방향에 대해 호일의 어택각을 반대로 함에 의해 음으로 될 수 있다. 터빈의 대칭적 구조는 이하에서 추가적으로 설명되는 것과 같은 이러한 전방향성 능력을 가능하게 하고, 유체 방향에 대해서 호일 어택각을 제어함에 의해 어떠한 유체 유동 방향에서의 회전 방향을 선택할 수 있다. 호일의 리딩 에지는 유체 유동을 향한 면으로 제어될 필요가 있다. 어택각이 어떠한 고정값으로 설정되었다면, 이 적분은 0이 되고, 결과적으로 터빈에 대한 유지 불가능한 회전을 초래하며 동일한 결과는 하나 이상의 에어호일을 가진 터빈에 대해서도 적용된다.
반대로, 종래의 터빈에서의 수평 회전축의 경우, 전체 구조는 유체 유동 방향을 향하도록 회전되어야만 한다. 예를 들면, 현재 풍력 발전 지역에서의 회전 블레이드를 가진 풍차 터빈을 보라. 구조는 풍력 발전 및 수력 발전에 대해서 매우 크기 때문에, 이는 본 발명의 수직축 터빈과 비교할 때 느린 응답 시간뿐만 아니라 많은 문제점 및 추가적인 복잡성을 야기한다. 그럼에도 불구하고, 수평축 터빈은 일정한 이유 때문에 필요했었다면, 본 발명은 도 12에서 도시된 것처럼 수평축을 가진 터빈을 허용한다.
유체 유동을 변경하는데 있어서의 우월함 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 터빈은 비교되는 종래 터빈보다 더욱 효율적이다. 이는 종래 회전식 블레이드 터빈과 대응하는 본 발명에 따른 터빈의 모멘트 적분의 비교에 의해 도시된다.
공기 또는 물에서 작동되는지에 따라, 회전식 프로펠러 블레이드는 동적으로 매우 복잡해진다. 매우 정교한 3차원 컴퓨터 프로그램이 이러한 작동을 분석하고 그 기하구조를 최적화하는데 필요하다. 또한, 매우 어려운 바람 터널 실험들이 프로펠러의 구조를 최적화하는데 필요하다. 아마 성능에서 가장 중요한 인자는 방사상 성질(radial nature)이다. 프로펠러 블레이드는 일 단부에서 원형 움직임을 가진 복잡한 호일이기 때문에, 유체 유동 속도는 블레이드를 따라 다음과 같이 변한다:
V = ω*r (15)
여기서 ω 및 r은 각각 각속도 및 반경이다. 다시 말하면, 먼 에지에서의 상대적 유동 속도는 회전 중심에 더 가까운 에지에서보다 더 크다. 블레이드 팁에서 항력을 최소화하기 위해, 어택각은 거기서 중심 또는 루트(root) 영역에서와 비교할 때 감소되어야 하고, 이는 지금까지 모든 프로펠러 설계에서 이용되는 실행이다. 이는 프로펠러 블레이드의 효율을 감소시키고, 이 경우 블레이드의 길이의 대략 1/2 내지 1/3은 양력의 대부분을 생성한다. 프로펠러에 대해서 양력을 계산하기 위해, 양력(F)은 블레이드를 따라서 균일하게 분포된 것으로 가정한다. 루트로부터 팁 에지로 힘을 적분함에 의해, 블레이드에 의해 생성된 모멘트는 다음과 같다:
Figure 112009051275058-pct00032
비교에 있어서, 이미 설명된 본 발명의 패들휠 터빈 구조에서의 프로펠러와 동일한 길이를 갖는 호일은 다음과 같은 모멘트를 갖는다:
Figure 112009051275058-pct00033
이 경우 h는 높이(즉, 호일의 길이)이고, R은 도 8에서 도시된 것과 같은 호일 케이지 어셈블리의 반경이다. 도시된 것처럼, 동일한 공간을 차지하면서 터빈 모멘트는 회전식 프로펠러 블레이드의 두배이다. 또한, 증가된 길이를 가진 호일 그리고 더 큰 호일과 같은 큰 호일의 경우에 패들휠 배열은 공간의 동일한 양으로 2배의 모멘트를 만들 수 있다.
프로펠러 블레이드 팁에서의 어택각은 중심 영역 및 루트 영역에서보다 훨씬 작기 때문에, 방정식 (7)에 대해 더욱 현실적인 경계(bound)이다:
Figure 112009051275058-pct00034
또한, 블레이드 주위의 복잡한 유체 유동에 의해, 프로펠러 블레이드에 대한 모멘트 값은 방정식 (9)에서 주어진 것보다 작다. 분석을 완료하기 위해, 전체 회전에 걸친 모멘트는 적분되어야 하고 이에 의해 프로펠러 및 패들휠 터빈의 효율을 비교한다. 프로펠러 모멘트는 어떠한 각 위치에서 일정하기 때문에, 모멘트 적분은 다음과 같다:
Figure 112009051275058-pct00035
한편, 여기서 설명된 것과 같은 패들휠 터빈을 위한 모멘트 적분은 분석적으로 계산될 수 없다. 그러나, 수치적 계산은 다음을 산출한다:
Figure 112009051275058-pct00036
패들휠 구조 대 프로펠러를 비교하기 위한 방정식 (11) 대 (10)의 비율은:
Figure 112009051275058-pct00037
본 발명의 패들휠 터빈은 종래의 회전식 프로펠러 터빈보다 뛰어난 효율을 이룬다. 또한, 패들휠 터빈은 종래 터빈보다 제조, 설계, 구성 및 유지보수의 쉬움의 장점을 갖는다. 예를 들면, 패들휠 터빈의 호일은 종래의 터빈의 프로펠러 블레이드의 복잡한 형상과 비교하여 일정한 단면을 갖는다.
종래 터빈을 넘는 본 발명의 터빈의 장점은 증가될 수 있다. 추가적인 복잡함과 함께, 터빈은 본 발명의 다른 태양에 따라 증가된 효율을 가질 수 있다. 양력 및 항력을 증가시키고 더욱 중요하게 터빈의 호일(12) 상의 모멘트를 증가시키기 위해, 플랩 및/또는 리딩 에지 슬래트가 호일(12)에 추가될 수 있다. 도 13A에서 리딩 에지 슬래트(41) 및 트레일링 에지 플랩(42)으로 도시된 이러한 고양력 장치는 도 5에서 도시된 것처럼 중심축(11) 주위로 작동된다. 도 13B는 어떻게 슬래트(41) 및 플랩(42)이 "위" 그리고 "아래" 방향 모두로 상호 협력적으로 작동하는지를 도시한다. 도 13의 구성은
Figure 112014041203762-pct00038
= 270° 위치에서와 같이 최소의 항력 및 양력이 필요한 경우에 언제든지 이용된다. 도 13B에서의 "위" 그리고 "아래" 슬래트 및 플랩 구성은 θ 어택각이 각각 음의 그리고 양의 값일 때 이용된다. 도 13B의 "위" 구성으로부터 도 13A의 구성으로의 변화는 호일이 270° 위치에 도달하기 직전에 일어난다. 호일이 270° 위치를 지나서 이동할 때, 도 13A로부터 도 13B "위" 구성으로의 변화가 일어난다. "아래" 구성으로부터 도 13B의 "위" 구성으로의 다른 변화는 호일이 90° 위치에 도달하기 직전에 일어난다. 이러한 고양력 장치는 2의 인자(a factor of two)에 이르는 만큼 생성된 모멘트를 모든 각 위치에서 증가시킬 뿐만 아니라 도 11D에 대해 도시되고 설명된 것과 같은 270° 위치에서 생성된 매우 작은 모멘트를 완전히 제거한다. 터빈 효율은 증가되고, 더 간략한 모멘트가 더 간략한 작동에 대해 생성된다. 또한, 증가된 복잡성 및 제어는 이러한 고양력 장치에 대해서 필요하다. 각각의 호일(12)은 이용되는 고양력 장치의 숫자에 따라 하나 또는 둘 이상의 보조 또는 스텝퍼 모터, 또는 유압식 또는 공압식 드라이브 기구를 갖는다. 이들 모터는 이미 설명된 마이크로제어기에 의해 제어된다.
이미 언급된 것처럼, 본 발명은 수력 터빈에 이용될 수 있다. 이러한 터빈들은 만, 어귀 등과 같은 곳에서 발견되는 것과 같이 규칙적인 해양 흐름 또는 상당한 조수 물 움직임을 가진 얕은 물에 위치할 수 있다. 깊은 물에서는, 터빈 구조의 수직축은 바닥에 고정될 수 있을 수 없다. 이러한 경우에, 도 14A에서 도시된 것과 같은 구조와 같은 경우에, 물 표면(54) 상에 떠 있는 플랫폼(50)은 라인(53)에 의해 바닥에 앵커되고, 호일 케이지 어셈블리(51)는 물 안으로 플랫 폼(50)으로부터 매달려 있다. 고정된 중심 로드(52) 주위로 호일 케이지 어셈블리(51)는 회전하고, 고정된 중심 로드(52)는 플랫폼(50)에 고정된다. 본 발명의 이 실시예에서, 뗏목 보트 구조가 플랫폼(50)에 이용되고, 이 플랫폼 상에 전기 발전기 및 서비스 구조(55)가 장착된다.
변경이 도 14B에서 도시되고, 이 경우 밸라스트 탱크(ballast tank; 56)가 터빈 시스템에 더욱 안정성을 추가한다. 밸라스트 탱크(56)는 비어 있을 때 물 표면 상을 타고 가고, 이에 의해 위치로 견인된다. 이후 탱크(56)는 원하는 깊이까지 가라 앉도록 물에 잠긴다. 탱크(54)는 앵커 라인(53)을 플랫폼(50)으로 안정화시키고 짧게 할 뿐만 아니라, 호일 케이지 어셈블리(51)가 회전하는 중심 고정 로드(52)에 대해서 제 2 고정점(57)을 제공한다.
따라서, 본 발명은 매우 효율적이며, 종래의 풍력 및 수력 터빈과 비교하여 설계, 제작, 설치 및 유지보수가 비교적 쉬운 터빈을 제공한다. 다른 장점들은 더욱 미묘하다. 본 발명의 터빈의 작은 크기는 동일한 에너지 효율 능력을 가진 종래의 풍력 터빈과 비교할 때 심미학적 장애의 가능성을 감소시킨다. 또한, 회전 호일의 치밀한 외관은 새들이 더 잘 터빈을 피하도록 하고, 이러한 것은 현재의 풍력 발전 지역의 터빈의 중요한 장애였었다.
본 발명의 이러한 설명들은 도시 및 설명을 위한 목적으로 제시되었다. 설명된 정밀한 형태로 본 발명을 제한하는 의도는 아니고 많은 개조 및 변경이 상기 기술적 내용의 견지에서 가능하다. 실시예들은 본 발명의 원리 및 실제적인 응용들을 가장 잘 설명하도록 선택되었고 설명되었다. 이러한 상세한 설명은 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 특별한 이용에 적합한 다양한 실시예 및 다양한 개조에서 본 발명을 가장 잘 이용하고 실행하는 것을 가능하게 한다. 본 발명의 범위는 이하의 청구항에 의해 정의된다.

Claims (29)

  1. 유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈(10)으로서,
    중심축(11); 및
    상기 중심축(11)을 중심으로 회전 가능한 다수의 호일(foil)(12)들을 포함하고,
    상기 호일(12)들의 각각은 길이와, 상기 길이 및 상기 중심축(11)에 평행한 호일축(13)을 갖고,
    상기 호일(12)들의 각각은, 자신의 호일축(13)을 중심으로 회전 가능하며, 상기 호일(12)이 상기 중심축(11)을 중심으로 회전할 때, 상기 호일(12)의 각 위치 및 속도, 상기 유체 유동의 속도 및 방향에 응하여 상기 유체 유동의 방향에 대한 어택각(attack angle)을 취하고(assume),
    상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 모멘트가 최대가 되도록, 상기 중심축(11)을 중심으로 상기 호일(12)이 회전할 때, 상기 어택각이 상기 호일축(13)을 중심으로 동적으로(dynamically) 제어되는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈(10)에 대해서 상기 유체 유동의 속도 및 방향을 결정하도록 이루어진 하나 이상의 센서를 추가로 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 호일(12)들의 각각은 상기 호일의 길이에 수직인 단면을 갖고, 상기 단면은 균일한(uniform) 단면을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 호일(12)들의 각각은 상기 호일의 길이에 수직인 단면을 갖고, 상기 단면은 상기 단면의 코어드(chord)에 대해 대칭인,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 호일(12)의 각각의 어택각은 상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 회전의 절반 동안은 양(positive)이고, 상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 회전의 나머지 절반 동안은 음(negative)인,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 호일(12)들의 각각은 하나 또는 둘 이상의 고양력 장치들(high lift devices)을 포함하고, 상기 하나 또는 둘 이상의 고양력 장치들은 상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 모멘트를 증가시키도록 상기 호일의 단면을 동적으로 변화시키는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 또는 둘 이상의 고양력 장치들은 리딩 에지 슬래트들(leading edge slats)을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 하나 또는 둘 이상의 고양력 장치들은 트레일링 에지 플랩들(trailing edge flaps)을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 호일(12)들은 셋 이상의 호일들을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 호일(12)들의 각각은, 상기 호일의 무게 중심이 상기 호일의 압력 중심과 일치하도록 상기 호일의 내에 위치된 물질로 된 로드(rod)를 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 로드는 상기 터빈(10)이 물 아래에서 작동될 때 물에서 상기 호일(12)의 부력을 무력화시키는(neutralize),
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  13. 유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈(10)을 작동시키는 방법으로서,
    상기 터빈(10)은 중심축(11)을 중심으로 회전 가능한 다수의 호일(12)들을 갖고,
    상기 호일(12)들의 각각은 길이와, 상기 길이 및 상기 중심축(11)에 평행한 호일축(13)을 갖고,
    상기 호일(12)들의 각각은 자신의 호일축(13)을 중심으로 회전 가능하며, 상기 방법은,
    상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 모멘트가 최대가 되도록, 상기 중심축(11)을 중심으로 상기 호일(12)이 회전할 때, 상기 호일(12)의 각 위치 및 속도, 상기 유체 유동의 속도 및 방향에 응하여 상기 호일축(13)을 중심으로 하는 상기 유체 유동의 방향에 대한 각각의 호일(12)의 어택각을 동적으로 제어하는 단계를 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  14. 삭제
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 터빈(10)에 대해 상기 유체 유동의 속도 및 방향을 결정하는 단계를 추가로 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    셋 이상의 유체 유동 센서들로 상기 속도 및 방향을 결정하는 단계를 수행하는 단계; 및 상기 셋 이상의 유체 유동 센서들을 상기 중심축(11)으로부터 이동되도록(displaced) 그리고 상기 중심축을 중심으로 대칭적으로 배치하는 단계를 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 동적으로 제어하는 단계에서,
    상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 회전의 절반 동안 각각의 호일에 대해 양의 어택각을 제어하고, 상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 회전의 나머지 절반 동안 음의 어택각을 제어하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 모멘트를 증가시키도록 상기 호일들의 각각의 단면을 동적으로 변화시키는 단계를 추가로 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 단면을 동적으로 변화시키는 단계가 상기 호일(12)들의 각각의 리딩 에지를 변화시키는 단계를 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 단면을 동적으로 변화시키는 단계가 상기 호일(12)들의 각각의 트레일링 에지를 변화시키는 단계를 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  21. 제 13 항에 있어서,
    상기 다수의 호일(12)들에 대해 셋 이상의 호일들을 규정하는(defining) 단계를 추가로 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  22. 제 13 항에 있어서,
    상기 호일(12)들의 각각에, 상기 호일의 무게 중심이 상기 호일의 압력 중심과 일치하도록 하는 물질로 된 로드를 고정시키는 단계를 추가로 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 로드는 상기 터빈(10)이 물 아래에서 작동될 때 물에서 상기 호일(12)의 부력을 무력화시키는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하도록 터빈을 작동시키는 방법.
  24. 유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈(10)으로서,
    중심축(11);
    상기 중심축(11)을 중심으로 회전 가능한 다수의 호일(12)들로서, 상기 호일(12)들의 각각은 길이와, 상기 길이 및 상기 중심축(11)에 평행한 호일축(13)을 갖고, 상기 호일(12)들의 각각은 자신의 호일축(13)을 중심으로 회전 가능한, 다수의 호일(12)들; 및
    상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 모멘트가 최대가 되도록, 상기 중심축(11)을 중심으로 상기 호일(12)이 회전할 때, 상기 호일(12)의 각 위치 및 속도, 상기 유체 유동의 속도 및 방향에 응하여 상기 호일축(13)을 중심으로 하는 상기 유체 유동의 방향에 대한 각각의 호일(12)의 어택각을 동적으로 제어하기 위한 수단을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  25. 삭제
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 호일(12)의 각각의 어택각은 상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 회전의 절반 동안은 양의 어택각을 취하고, 상기 중심축(11)을 중심으로 하는 상기 호일(12)의 회전의 나머지 절반 동안은 음의 어택각을 취하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  27. 제 26 항에 있어서,
    각각의 호일(12)은 단면의 코어드에 대해 대칭인 단면을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 호일(12)들의 각각은 상기 호일의 길이에 수직인 단면을 갖고, 상기 단면은 균일한(uniform) 단면을 포함하는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
  29. 제 24 항에 있어서,
    각각의 호일(12)이 상기 유체에 상응하는 밀도를 갖는,
    유체 유동으로부터 에너지를 생성하기 위한 터빈.
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