KR101762821B1 - 해상용 풍력 발전 시스템 - Google Patents

해상용 풍력 발전 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR101762821B1
KR101762821B1 KR1020150183257A KR20150183257A KR101762821B1 KR 101762821 B1 KR101762821 B1 KR 101762821B1 KR 1020150183257 A KR1020150183257 A KR 1020150183257A KR 20150183257 A KR20150183257 A KR 20150183257A KR 101762821 B1 KR101762821 B1 KR 101762821B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
power generation
blade
rotation
rotating shaft
shaft member
Prior art date
Application number
KR1020150183257A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170074126A (ko
Inventor
한순흥
히로미치 아키모토
김용욱
김진영
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020150183257A priority Critical patent/KR101762821B1/ko
Publication of KR20170074126A publication Critical patent/KR20170074126A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101762821B1 publication Critical patent/KR101762821B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/061—Rotors characterised by their aerodynamic shape, e.g. aerofoil profiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D13/00—Assembly, mounting or commissioning of wind motors; Arrangements specially adapted for transporting wind motor components
    • F03D13/20—Arrangements for mounting or supporting wind motors; Masts or towers for wind motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/005—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  the axis being vertical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/21—Rotors for wind turbines
    • F05B2240/211—Rotors for wind turbines with vertical axis
    • F05B2240/214—Rotors for wind turbines with vertical axis of the Musgrove or "H"-type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/90—Mounting on supporting structures or systems
    • F05B2240/93—Mounting on supporting structures or systems on a structure floating on a liquid surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/20—Geometry three-dimensional
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템은 해수면에 부유하며, 풍력에 의해 기울어져 회전될 수 있고, 회전축을 중심으로 원주상에 배치되는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는 회전부 및 상기 회전부가 상기 해수면과 맞닿는 일 지점에 제공되고, 상기 회전부의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전부를 포함하고, 상기 블레이드는 해수면으로부터 높이가 높아질수록 회전 반경이 증가되도록 설계될 수 있다.

Description

해상용 풍력 발전 시스템{WIND POWER GENERATION SYSTEM FOR MARINE}
본 발명은 해상용 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력 발전 시스템은 회전축 부재의 방향에 따라, 바람이 불어오는 방향과 블레이드의 회전축 부재 방향이 평행하게 설치된 수평축 풍력 터빈 방식(horizontal axis wind turbine, HAWT)과 바람이 불어오는 방향과 블레이드의 회전축 부재 방향이 수직으로 설치된 수직축 풍력 터빈 방식(vertical axis wind turbine, VAWT)으로 구분될 수 있다.
여기서, 수직축 풍력 터빈 방식은 바람의 방향에 관계없이 운전될 수 있고, 수평축 풍력 방식 보다 낮은 풍속에서 동작이 가능하므로, 한국, 일본 등과 같이 풍속 및 바람의 방향이 일정하지 않은 지역에 적합할 수 있다. 이에, 한국, 일본 등에서는 수직축 풍력 터빈 방식의 풍력 발전 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
그러나, 일반적인 수직축 풍력 터빈 방식의 풍력 발전 시스템은, 지면에서부터 상부로 갈수록 풍속이 변화하는 윈드 시어(wind shear)에 의해 최적의 주속비(Tip Speed Ratio, TSR)를 가질 수 없으며, 이에 따라, 최적의 출력 계수(Cpmax)를 도출할 수 없어 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
특허문헌: 국내 공개특허공보 10-2012-0061264호 (2012.06.13. 공개)
본 발명의 실시예들은 해수면으로부터의 높이가 높아질수록 회전 반경이 증가되도록 설계되어 최적의 출력 계수(Cpmax)를 보유한 블레이드를 구비하며, 풍속에 의해 기울어지더라도 발전 효율을 확보할 수 있는 해상용 풍력 발전 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해수면에 부유하며, 풍력에 의해 기울어져 회전될 수 있고, 회전축을 중심으로 원주상에 배치되는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는 회전부 및 상기 회전부가 상기 해수면과 맞닿는 일 지점에 제공되고, 상기 회전부의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전부를 포함하고, 상기 블레이드는 해수면으로부터의 높이가 높아질수록 회전 반경이 증가되도록 설계되는 해상용 풍력 발전 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 블레이드의 회전 반경은 [수학식 1]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
R(z)= C*U(z)
여기서, R(z)는 해수면으로부터의 높이 z에서의 블레이드의 회전 반경이고, C는 상수 인자이며, U(z)는 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속이다.
또한, 상기 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속은 [수학식 2]에 의해 결정될 수 있다.
[수학식 2]
U(z)=U0*(z/zo)p
여기서, U(z)는 해수면으로부터의 높이 z에서의 평균 풍속이고, U0은 기준 해수면으로부터의 높이 z0에서의 풍속이며, p는 풍속 전단 지수(wind shear exponent)이다.
또한, 상기 회전부는, 하부 회전축 부재, 상기 하부 회전축 부재로부터 연장되는 상부 회전축 부재 및 상기 블레이드의 적어도 하나 이상의 지점과 상기 회전축 부재를 연결하는 하나 이상의 연결 부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 하부 회전축 부재에 장착되는 부가 부유 부재를 더 포함하며, 상기 부가 부유 부재의 반경 또는 장착 개수에 따라 상기 회전부의 부력이 결정될 수 있다.
또한, 상기 발전부는, 상기 회전부의 일측에 마련되는 지지 프레임 및 상기 지지 프레임 상에 적어도 하나 이상 형성되는 발전 유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전 유닛은, 상기 지지 프레임 상에 형성되며, 상기 회전부의 기울어짐에 대응되도록 작동되는 서스펜션, 상기 서스펜션과 연결되며, 상기 회전부의 외주면과 접합하여 회전하는 적어도 하나 이상의 휠 및 상기 휠과 연결되며, 상기 휠의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 발전부를 계류시키는 계류부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 계류부는, 상기 지지 프레임에 적어도 하나 이상 연결되는 앵커 체인 및 상기 앵커 체인과 연결되어 해저면에 일부가 삽입되는 고정 부재를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실시예들은 풍력에 의해 기울어진 상태에서도 안정적으로 회전될 수 있으며, 해수면으로부터 높이가 높아질수록, 회전 반경이 증가되도록 설계된 블레이드를 구비함에 따라, 효율적인 전력 생산이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템을 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템의 회전부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템의 발전부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템의 계류부를 나타내는 사시도이다.
도 6은 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속을 나타내는 도면이다.
도 7은 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속에 따른 블레이드의 회전 반경을 나타내는 도면이다.
도 8은 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속에 따른 블레이드의 회전 반경을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 특정 해수면으로부터의 높이에서 블레이드의 각속도를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 ‘연결되어’ 있다거나 ‘접속되어’ 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템을 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템의 회전부를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템의 발전부를 나타내는 사시도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 풍력 발전 시스템의 계류부를 나타내는 사시도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 해상용 풍력 발전 시스템(10)은 회전부(100), 발전부(200) 및 계류부(300)를 포함할 수 있다.
회전부(100)는 해수면에 부유될 수 있으며, 풍력에 의해 기울어져 회전될 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 회전부(100)는 하부 회전축 부재(110), 부가 부유 부재(120), 상부 회전축 부재(130), 블레이드(140) 및 연결 부재(150)를 포함할 수 있다.
하부 회전축 부재(110)는 소정의 부력을 갖는 재질로 형성되어 해수면에 부유할 수 있으며, 회전부(100)에 부력을 제공하는 메인 부력 제공 부재일 수 있다. 여기서, 하부 회전축 부재(110)는 해수면에 독립적으로 부유할 수 있으며, 풍력에 의해 소정의 각도로 기울어지더라도, 기울어진 각도를 유지하면서, 풍력에 의하여 회전될 수 있다.
한편, 하부 회전축 부재(110)에는 적어도 하나 이상의 부가 부유 부재(120)가 삽입 장착될 수 있다. 이러한 부가 부유 부재(120)는 회전부(100)에 추가적으로 부력을 제공하는 보조 부력 제공 부재일 수 있다.
달리 말하면, 부가 부유 부재(120)는 하부 회전축 부재(110)의 길이를 늘리지 않으면서 회전부(100)의 전체적인 부력을 높이는 기능을 가지며, 하부 회전축 부재(110)에 끼워지도록 중앙에 삽입홀이 형성된 원형 기둥 형태를 가질 수 있다. 다만, 이것은 일 예에 불과하며, 하부 회전축 부재(110)의 외주면을 돌출시켜 제작하여 부가 부유 부재(120)를 형성할 수 있다.
이 때, 부가 부유 부재(120)의 반경 및/또는 장착 개수에 의해, 하부 회전축 부재(110), 나아가, 회전부(100)의 부력이 결정될 수 있으며, 이러한 부가 부유 부재(120)로 인해, 낮은 수심에서 회전부(100)의 길이를 짧게 형성하더라도, 회전부(100)가 필요로 하는 부력을 용이하게 확보할 수 있다.
한편, 하부 회전축 부재(110)의 최하부에는 중량 부재(125)가 장착될 수 있으며, 이러한 중량 부재(125)는 소정의 중량을 가지도록 제공됨에 따라, 회전부(100)의 무게 중심을 낮추는 역할을 수행할 수 있다.
상부 회전축 부재(130)는 하부 회전축 부재(110)로부터 상방으로 연장되는 위치에 제공될 수 있으며, 하부 회전축 부재(130)의 반경 보다 작은 반경을 갖도록 형성될 수 있으나, 이것은 일 예에 불과하다. 실시예에 따라, 상부 회전축 부재(130)의 반경은 하부 회전축 부재(130)의 반경과 동일하게 형성될 수도 있다. 또한, 하부 회전축 부재(110)가 상방으로 길게 연장되어, 하나의 회전축 부재로서 회전부(100)의 회전축 역할을 수행할 수도 있다.
블레이드(140)는 복수개로 제공될 수 있으며, 바람이 부는 경우, 바람의 방향에 관계없이 회전부(100) 전체와 함께 하부 회전축 부재(110)의 중심축을 회전축으로 회전할 수 있다.
구체적으로, 블레이드(140)는 회전부(100)의 회전축을 중심으로 원주상에 배치될 수 있으며, 예를 들어, 상부 회전축 부재(130)를 중심에 두고 원주상에서 소정의 간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 블레이드(140)는 소정의 회전 반경을 갖도록 구성될 수 있다. 여기서, 블레이드(140)의 회전 반경이란, 블레이드(140)의 각 지점에 대하여 블레이드(140)가 회전부(100)와 하부 회전축 부재(110)의 중심축을 회전축으로 회전하면서 만드는 원주의 반경을 의미할 수 있다.
한편, 블레이드(140)가 갖는 회전 반경은 해수면으로부터의 높이가 올라갈수록 증가하는 구조이다. 달리 말하면, 블레이드(140)의 회전 반경은 해수면으로부터의 높이에 따른 풍속에 대응되는 형상을 가질 수 있다. 한편, 풍속은 해수면이나 지면의 저항 또는 마찰, 경계층(boundary layer) 효과 등으로 인해, 해수면과 가까울수록 느리며, 해수면으로부터 높아질수록 급격히 빨라지다가 소정의 높이(예를 들면, 해수면으로부터 약 30m) 이상에서는 보다 천천히 빨라지는 양상이다.
연결 부재(150)는 상부 회전축 부재(130)와 블레이드(140) 사이에 구비될 수 있으며, 블레이드(140)의 적어도 하나 이상의 지점을 상부 회전축 부재(130)에 연결 및 고정시킬 수 있다.
발전부(200)는 수면에 부유하는 회전부(100)의 해수면과 맞닿는 일 지점에 형성될 수 있으며, 회전부(100)의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성하도록 구성된다. 이를 위해, 발전부(200)는 회전부(100)의 일측에 연결되는 지지 프레임(210) 및 지지 프레임(210) 상에 적어도 하나 이상 형성되는 발전 유닛(220)을 포함할 수 있다.
지지 프레임(210)은 발전 유닛(220) 및/또는 계류부(300)를 연결 지지하기 위해 회전부(100)의 하부 회전축 부재(110)가 해수면과 맞닿는 지점에 제공될 수 있다. 또한, 지지 프레임(210)은 회전부(100)와 마찬가지로 해수면에 부유할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 실시예에서는, 지지 프레임(210)이 일 측면에서 보았을 때, “ㄷ”자 구조를 가지면서, 대향하는 두 면에 사각홀이 형성되어, 상기 사각홀을 통해 해상용 풍력 발전 시스템(10)의 유지 보수 및 해상용 풍력 발전 시스템(10)으로의 접근을 용이하게 할 수 있는 것으로 설명하였으나, 지지 프레임(210)의 구조는 이에 한정되는 것이 아니며, 발전 유닛(220) 및/또는 계류부(300)를 연결 지지할 수 있으면서, 해상용 풍력 발전 시스템(10)의 유지 보수 및 해상용 풍력 발전 시스템(10)으로의 접근이 용이한 구조라면, 지지 프레임(210)의 구조로서 자유롭게 변형 실시가 가능하다.
발전 유닛(220)은 회전부(100)의 외주면에 적어도 셋 이상 마련되어 해수면에서의 회전부(100)의 수평 이동 또는 드리프트(drift)를 방지할 수 있으며, 회전부(100)로부터 전달되는 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성할 수 있다. 이를 위해, 발전 유닛(220)은 서스펜션(221), 휠(222) 및 발전기(223)를 포함할 수 있다.
서스펜션(221)은 지지 프레임(210) 상에 형성되어 발전기(223)와 연결될 수 있으며, 회전부(100)의 기울어짐에 대응되도록 작동될 수 있다.
구체적으로, 회전부(100)가 풍력에 의해 소정의 각도로 기울어지는 경우, 사용자는 도시하지 않은 별도의 수동식 메커니즘을 통해 회전부(100)가 기울어진 각도에 대응하도록 서스펜션의(221)의 회전 정도가 맞추어져, 서스펜션(221)이 수동적으로 제어될 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하고, 별도로 제공되는 제어부가 기 고안된 메커니즘에 의해 회전부(100)의 기울어진 각도에 대응하도록 서스펜션(221)이 자동적으로 제어되도록 구성되는 것도 가능하다.
휠(222)은 서스펜션(221)과 연결될 수 있으며, 하부 회전축 부재(110)의 외주면과 접하도록 형성될 수 있다. 구체적으로, 하부 회전축 부재(110)가 회전할 때, 휠(222)은 회전부(100)의 자중을 지지하면서 회전되기 때문에, 하부 회전축 부재(110)와 휠(222)은 면마찰되어 함께 회전될 수 있다. 달리 말하면, 휠(222)은 하부 회전축 부재(110)의 외주면과 소정의 압력 이상으로 가압되면서 접촉되어 하부 회전축 부재(110), 나아가 회전부(100)가 회전되는 과정에서 발생하는 회전력에 의해 회전될 수 있다.
또한, 휠(222)은 하나의 서스펜션(221)에 대하여 한 쌍씩 제공될 수 있으며, 하나의서스펜션(221)에 제공되는 한 쌍의 휠(222)은 서로 대향하도록 배치될 수 있다. 또한, 휠(222)은 도시하지 않은 조향 장치 구조와 연결됨으로써, 한 쌍의 휠(222)이 하부 회전축 부재(110)의 표면에 동등하게 접촉되도록, 하부 회전축 부재(110)의 기울어짐에 연동하여 휠(222)의 회전축이 하부 회전축 부재(110)와 평행하게 기울어지도록 구성될 수 있다.
발전기(223)는 휠(222)과 연결되어 휠(222)의 회전력을 전달받아 전기 에너지를 발생시킬 수 있다. 이를 위해, 발전기(223)는 휠(222)의 회전축에 연결되어 휠(222)과 함께 회전하는 로터(미도시)와 상기 로터의 주변부에 제공되는 코어(미도시)를 포함할 수 있다.
계류부(300)는 발전부(200)와 해저면 사이에 적어도 셋 이상 구비되어 발전부(200)를 안정적으로 계류시킬 수 있다. 이를 위해, 계류부(300)는 해저면과 발전부(200) 사이를 앵커 체인(310) 및 고정 부재(320)를 이용하여 연결 지지함에 따라, 발전부(200)를 계류시킬 수 있다.
구체적으로, 계류부(300)는 앵커 체인(310) 및 고정 부재(320)를 포함할 수 있다.
앵커 체인(310)의 일측은 발전부(200)의 지지 프레임(210)에 적어도 하나 이상 연결됨에 따라, 회전부(100)는 보다 견고하게 계류될 수 있으며, 일 예로 금속 등으로 이루어져 소정의 강성을 가질 수 있다.
고정 부재(320)는 앵커 체인(310)과 연결되어 해저면에 일부가 삽입될 수 있다. 고정 부재(320)는 일 예로 원형 등과 같은 형태를 갖는 닻을 포함할 수 있으나, 본 발명의 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 해수면으로부터의 높이가 높아질수록 회전 반경이 증가되도록 설계된 블레이드를 구비하는 해상용 풍력 발전 시스템의 작용 및 효과에 대해 설명하기로 한다.
도 6은 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속을 나타내는 도면이고, 도 7은 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속에 따른 블레이드의 회전 반경을 나타내는 도면이며, 도 8은 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속에 따른 블레이드의 회전 반경을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 9는 특정 해수면으로부터의 높이에서 블레이드의 각속도를 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 해상용 풍력 발전 시스템의 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 블레이드의 회전 반경(R(z))은 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 평균 풍속(U(z))에 비례한다.
해상용 풍력 발전 시스템의 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 블레이드의 회전 반경(R(z))은 [수학식 1]로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
R(z)= C*U(z)
여기서, R(z)는 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 블레이드의 회전 반경이고, C는 상수 인자이며, U(z)는 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 평균 풍속을 의미한다. [수학식 1]을 통해, 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 평균 풍속(U(z))와 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 블레이드의 회전 반경(R(z))는 비례함을 알 수 있다.
또한, 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 평균 풍속(U(z))은 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
U(z)=U0*(z/zo)p
여기서, U(z)는 해수면으로부터의 높이 z에서의 평균 풍속이고, U0은 기준 해수면으로부터의 높이 z0에서의 풍속이며, p는 풍속 전단 지수(wind shear exponent)이다. 일반적으로, 풍속 전단 지수(p)는 1/7이다. 이러한, 해상에서의 풍력 프로파일은 대체적으로 일정하며, 이러한 해상에서의 풍력 프로파일에 따라 블레이드의 형상이 결정될 수 있다.
한편, 상기 해상용 풍력 발전 시스템의 주속비(Tip speed ratio, λ)는 [수학식 3]과 같다. 여기서, 주속비(λ)란 바람의 공기 역학적 에너지가 블레이드의 운동 에너지로 변환되는 비율을 의미한다.
[수학식 3]
λ=ω*R/v
여기서, ω는 블레이드의 각속도이고, R은 블레이드의 회전 반경이며, v는 풍속을 나타낸다.
상기 블레이드가 회전하는 동안, 블레이드의 각속도(ω)가 변화하더라도, 상술한 바와 같이, 상기 해상용 풍력 발전 시스템은 풍속과 높이에 따라 블레이드의 회전 반경(R)이 다르게 설계된 블레이드를 구비함에 따라, 모든 높이에서 최적의 주속비(λopt)를 가지며, 나아가 출력 계수(Cp)도 최대값(Cpmax)을 가진다.
한편, 최적의 주속비(λopt)가 상기 해상용 풍력 발전 시스템의 회전 면적에 대한 블레이드의 전 투명 면적의 비인 솔리디티(solidity)에 의존하는 경우, 최적의 주속비(λopt)를 블레이드 반경(R)에 대한 함수로서 [수학식 4] 및 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
λopt=f(R)
[수학식 5]
f(R)=ω*R(z)/U(z)
일반적으로, 해상용 풍력 발전 시스템이 최대의 출력 계수(Cpmax)를 나타내는 주속비(λ)에서 운전되는 도중, 빨라진 풍속에 의해 주속비(λ)가 작아져 출력 계수(Cp)가 낮아지는 경우에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 해상용 풍력 발전 시스템은 [수학식 5]를 통해, 운전 중 풍속이 빨라지더라도, 해수면으로부터의 높이(z)에 따른 평균 풍속(U(z))에 비례하도록 블레이드의 회전 반경(R(z))이 설계되어 있기 때문에, 최적의 주속비(λopt)를 유지시킬 수 있다. 나아가, 최적의 출력 계수(Cpmax)를 도출할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 상기 해상용 풍력 발전 시스템은 해수면으로부터의 소정의 높이까지, 높이(z)가 증가할수록 회전 반경이 증가하는 블레이드를 구비하기 때문에, 상기 해상용 풍력 발전 시스템이 대형화되더라도, 최적의 발전이 가능하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
10: 해상용 풍력 발전 시스템 100: 회전부
110: 하부 회전축 부재 120: 부가 부유 부재
130: 상부 회전축 부재 140: 블레이드
150: 연결 부재 200: 발전부
210: 지지 프레임 220: 발전 유닛
221: 서스펜션 222: 휠
223: 발전기 300: 계류부
310: 앵커 체인 320: 고정 부재

Claims (9)

  1. 해수면에 부유하며, 풍력에 의해 기울어져 회전될 수 있고, 회전축을 중심으로 원주상에 배치되는 적어도 하나 이상의 블레이드를 포함하는 회전부; 및
    상기 회전부의 일측에 마련되는 지지 프레임 및 상기 지지 프레임 상에 적어도 하나 형성되는 발전 유닛을 포함하며, 상기 회전부의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전부를 포함하고,
    상기 블레이드는 해수면으로부터 높이가 높아질수록 회전 반경이 증가하며,
    상기 발전 유닛은,
    상기 지지 프레임 상에 형성되며, 상기 회전부의 기울어짐에 대응되도록 작동되는 서스펜션;
    상기 서스펜션과 연결되며, 상기 회전부의 외주면과 접합하여 회전하는 적어도 하나의 휠; 및
    상기 휠과 연결되며, 상기 휠의 회전력을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 발전기를 포함하는 해상용 풍력 발전 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블레이드의 회전 반경은 [수학식 1]에 의해 결정되는 해상용 풍력 발전 시스템.
    [수학식 1]
    R(z)= C*U(z)
    여기서, R(z)는 해수면으로부터의 높이 z에서의 블레이드의 회전 반경이고, C는 상수 인자이며, U(z)는 해수면으로부터의 높이에 따른 평균 풍속이다.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전부는,
    하부 회전축 부재;
    상기 하부 회전축 부재로부터 연장되는 상부 회전축 부재; 및
    상기 블레이드의 적어도 하나 이상의 지점과 상기 회전축 부재를 연결하는 하나 이상의 연결 부재를 포함하는 해상용 풍력 발전 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 회전축 부재에 장착되는 부가 부유 부재를 더 포함하며,
    상기 부가 부유 부재의 반경 또는 장착 개수에 따라 상기 회전부의 부력이 결정되는 해상용 풍력 발전 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전부를 계류시키는 계류부를 더 포함하는 해상용 풍력 발전 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 계류부는,
    상기 지지 프레임에 적어도 하나 이상 연결되는 앵커 체인; 및
    상기 앵커 체인과 연결되어 해저면에 일부가 삽입되는 고정 부재를 포함하는 해상용 풍력 발전 시스템.
KR1020150183257A 2015-12-21 2015-12-21 해상용 풍력 발전 시스템 KR101762821B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150183257A KR101762821B1 (ko) 2015-12-21 2015-12-21 해상용 풍력 발전 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150183257A KR101762821B1 (ko) 2015-12-21 2015-12-21 해상용 풍력 발전 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170074126A KR20170074126A (ko) 2017-06-29
KR101762821B1 true KR101762821B1 (ko) 2017-07-28

Family

ID=59280356

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150183257A KR101762821B1 (ko) 2015-12-21 2015-12-21 해상용 풍력 발전 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101762821B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102067906B1 (ko) * 2018-08-28 2020-01-17 한국조선해양 주식회사 부유식 풍력발전 시스템

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005061319A (ja) 2003-08-12 2005-03-10 Toshiba Plant Systems & Services Corp 全風向用風力発電装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005061319A (ja) 2003-08-12 2005-03-10 Toshiba Plant Systems & Services Corp 全風向用風力発電装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170074126A (ko) 2017-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10280901B2 (en) Wind power generation system
EP2877739B1 (en) Tilting wind turbine
EA024022B1 (ru) Система и способ для выработки электрической энергии из движущегося потока текучей среды
CN101193792A (zh) 用于浮动风力涡轮机设备的锚固装置
WO2015059772A1 (ja) 水流エネルギーを利用した発電装置
JP5347048B1 (ja) 水流エネルギーを利用した発電装置
JP2014218958A (ja) 洋上風力発電用浮体構造物
FR2990476A1 (fr) Eolienne sur support flottant comportant un systeme de maintien de l'eolienne en position priviligiee
JP2005180351A (ja) 水上用風力発電装置
KR101762821B1 (ko) 해상용 풍력 발전 시스템
US11499522B2 (en) Rotor assembly and a windmill comprising the rotor assembly
JP6176778B2 (ja) 潮力発電装置
KR102109502B1 (ko) 조력발전장치
KR101202156B1 (ko) 수상 부유 풍력 발전기
FR2984420A1 (fr) Eolienne a pales montee sur une plateforme rotative
KR101422476B1 (ko) 부양식 풍력발전시설
JP6032698B2 (ja) 自然エネルギー取出装置
KR101850900B1 (ko) 부유식 계류형 해류발전 장치
KR102234907B1 (ko) 기능성을 향상시킨 스크류형 유체 발전장치
KR101634712B1 (ko) 부유식 풍력발전기의 제어 시스템
WO2019073189A4 (en) Vertical axis wind turbine
CA2934152C (en) Angle-adjustable turbine
KR101375143B1 (ko) 해상풍력 발전장치의 설치 방법 및 설치 선박
JP7392926B2 (ja) 浮体式垂直軸型風車及び浮体式垂直軸型風車発電システム
EP2735735A1 (fr) Éolienne offshore comportant un support flottant optimisé

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant