KR101834597B1 - 풍력 및/또는 수력용 윈드/워터 (윈드트래커)가 구비된 트윈 터빈 시스템 - Google Patents

풍력 및/또는 수력용 윈드/워터 (윈드트래커)가 구비된 트윈 터빈 시스템 Download PDF

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Abstract

풍력 및/또는 수력용 터빈 시스템에 있어서, 나란히 평행하게 배향된 2개의 레이디얼 터빈(1, 2)은 수직 회전 샤프트와 함께 배열되고 터빈 샤프트(18)에 평행한 피벗 샤프트 주위에서 피벗회전가능하고 이에 연결되며, 피벗 샤프트와 V-형 윈드 스플리터(3)는 터빈 샤프트들을 연결하는 라인의 외측에 배치되고 연결 라인의 동일한 측면에 배치된다.

Description

풍력 및/또는 수력용 윈드/워터 (윈드트래커)가 구비된 트윈 터빈 시스템{Twin turbine system which follows the wind/water (windtracker) for wind and/or water power}
본 발명은 청구항 제1항의 전단부에 따른 2개의 레이디얼 터빈을 포함하는 터빈 시스템에 관한 것이다.
항공기-유형의 블레이드와 수평 회전 축을 갖는 공지된 3-블레이드 윈드 제너레이터를 비교함으로써, 레이디얼 터빈은 바람의 입사 방향과는 독립적으로 작동되는 주요한 이점을 갖는다. 따라서, 수직 회전축을 갖는 레이디얼 터빈은 바람에 대해 방향전환되지 않는다.
특히 경제적인 실시 형태에서, 레이디얼 터빈은 편향기 플레이트가 제공되며, 이 편향기 플레이트는 집중된 형태로 레이디얼 터빈의 블레이드 상으로 바람 에너지를 편향시키고 이 바람 에너지를 수집한다. 그러나, 이는 편향기 플레이트로 인해 바람의 방향으로부터 독립성이 구현되지 못하는 단점을 갖는다. 따라서, 편향기 플레이트를 포함하는 레이디얼 터빈이 바람에 대해 트래킹된다(track).
국제 특허 출원 제WO 2011/059760 A2호(2009년 10월 29일자의 우선권을 가짐)에 따른 장치가 공지되었고, 임의의 경우 이 장치는 공기역학적으로 최적화되지 않았으며 바람을 향하도록 자체적으로 자동으로 배향되지 않는다. 이 경우에, 경제적인 작동이 가능하지 않다. 이는 특히 저 고도의 연풍 영역에서 더 용이하게 작동되는 VAWT(수직 축 윈드 터빈)의 윈드 제너레이터에 적용된다.
게다가, 전술된 특허 출원의 원리는 2개월 더 앞선 특정 구성(2009년 8월 28일자의 우선권을 갖는 제WO 2011/022836 A8호 참조)에 대해 이미 적용되었다. 이 장치는 연결식 제너레이터 및 파워 트랜스미션을 포함하는 대략 1 m의 터빈 직경을 갖는 이 장치는 재현에 의해 용이하게 입증될 수 있는, 저 풍속에서 자체가 바람을 향하도록 자동으로 방향설정되지 않는다.
본 발명의 목적: 입사하는 바람에 대해 최적의 각 위치로 자동으로 방향전환되고 이를 위해 필요한 트래킹 장치 없이 자가-트래킹되며, 편향기 플레이트를 포함하는 레이디얼 터빈이 사용된다. 레이디얼 터빈 내에서 편향기 플레이트의 이점은 입사하는 바람의 방향으로부터 레이디얼 터빈의 독립성과 조합된다.
이 목적은 청구항 제1항에 의해 본 발명에 따라 구현된다.
본 발명의 선호되는 실시 형태는 종속항에서 특정된다.
또 다른 중요한 고려사항으로는, 터빈 위에 그리고 아래에 부착되는 추가 베벨구성된 집중 플레이트를 가지며, 편향기 플레이트(deflector plate)에 의해 둘러싸인 시스템 내에 2개의 터빈을 제공하는 것이 제안된다. 추가 집중 플레이트와 폐쇄된 시스템의 결과로서, 마그누스 효과가 최적의 상태로 이용되고, 마스트 상에 장착되는 본 발명에 따른 시스템의 결과로서, 최적의 바람 유동을 항시 받으며 바람에 대해 자동으로 회전할 수 있다. 이 "바람에 대해 방향전환된"은 자연풍에서의 다수의 특수한 모델로서 입증된다.
하인리히 구스타프 마그누스(Heinrich Gustav Magnu)(1802-1870)가 발견한 마그누스 효과는 유체역학에서의 현상이며, 구체적으로 유동 내에서 둥근 회전하는 몸체(실린더 또는 볼)가 경험하는 가로방향 힘 효과(힘)이다.
마찰 효과에 따라, 회전하는 롤러는 이를 둘러싸는 유체 내에서 회전을 유발한다. 추가로 롤러에 걸쳐 유동이 있는 경우, 유체의 다양한 속도들이 중첩된다. 그 결과, 유체는 그 외의 다른 측면에서(롤러의 나머지 시스템에서)보다 회전하는 롤러 주위에서 더 빠르게 유동한다. 마찰 효과가 더 큰 롤러의 측면에서 유체가 더 빠르게 유동하는 경우에도 발생된다. 이는 롤러의 "편향"을 야기하며, 이에 따라 롤러는 하향 가압된다(도 4 참조).
예시
● 축구 선수는 공이 호를 이루어 골 내로 날아가도록 스핀을 이용하여 볼을 찬다. 공이 더 빠르게 회전할수록 경로가 더욱 편향된다(컬링 크로스, 너클볼).
● 탁구 선수와 테니스 선수는 예를 들어, 탑스핀 및 슬라이스와 같이 이 효과를 이용한다.
● 야구에서는 너클볼, 소프트볼에서는 라이즈볼.
● 스리켓에서는 스핀-볼링(Spin-bowling).
● 골프공은 딤플로 알려진 다수의 작은 함몰부(depression)를 갖는다. 터뷸레이터(turbulator)로서, 이는 회전에 의해 수반되고 볼에 대해 배치되는 경계 층의 접합(adhesion)을 향상시킨다. 이는 마그누스 효과로 인해 볼의 터뷸런스(turbulence) 및 이와 연계된 편향의 형성을 증가시킨다. 골프 클럽이 웨지형으로 형성됨에 따라 골프 공이 후방으로(backward) 회전하기 때문에, 이는 캐논볼과 같이 단순하게 날지 않는 대신에 상승을 경험한다. 좌측 또는 우측으로부터 추가 편향이 가능하고, 또한 이 기술을 숙달한 플레이어가 이를 사용할 수 있다. 게다가, 임계초과의 난류 순환(turbulent circulation)은 공기 저항을 감소시키고, 이는 날아가는 거리를 증가시킨다.
본 발명에 따라서, 동력 출력에 관해 비용-효율성이 항공기-날개 유형의 블레이드 및 수평 샤프트를 포함하는 공지된 윈드 제너레이터에서보다 더 크도록 저렴한 설치 비용과 조합하여 고성능이 구현된다.
비용-효율성을 증가시키기 위하여, 링 제너레이터가 동력 생성을 위해 제공된다. 추가로, 비용-효율성을 더 증가시키기 위하여, 마스트 및 윈스 스플리터가 광고 공간으로서 사용될 수 있다.
수평 샤프트 및 3개의 블레이드를 포함하는 공지된 윈드 제너레이터와는 대조적으로, 본 발명에 따른 레이디얼 터빈은 심지어 상대적으로 낮은 풍속에서 작동될 수 있다. 마그누스 효과에 따라, 본 발명에 따르는 레이디얼 터빈은 바람을 끌어당기며, 낮은 바람의 속도를 증폭시킨다. 또한, 예를 들어, 본 발명에 따른 레이디얼 터빈은 또한 3개의 블레이드 윈드 제너레이터가 블레이드 크기로 인해 전적으로 작동되는 높은 높이에서보다 더 낮은 높이 아래에서 풍속이 더 큰 순환하는 바람에 대해 사용될 수 있다. 임의의 경우 공지된 3-블레이드 터빈에 대한 풍속이 너무 낮을 경우에 본 발명의 레이디얼 터빈은 에너지를 생성하기에 충분하다.
바람의 방향이 변화할 때, 본 발명에 따른 레이디얼 터빈은 마그누스 효과로 인하여 부분적으로 자동으로 자체적으로 조절되며, 심지어 1 m/s 미만의 풍속의 경우에도 최적의 방향으로 즉시 회전한다. 이 유형의 제너레이터의 신속한 적응은 공지된 3-블레이드 터빈으로는 불가능하다.
본 발명에 따르는 레이디얼 터빈은 단지 작은 공간만을 차지하기 때문에, 이는 예를 들어, 도로 조명에 대한 부착품과 같이 빌딩 또는 구조적 요소의 기존 부분에 대해 추가되어 사용될 수 있다.
도 1은 2개의 레이디얼 터빈을 포함하는 본 발명에 따른 윈드 제너레이터의 사시도.
도 2는 도 3에서의 A-A를 따라 측면으로부터 본 관형 마스트 마운팅 시스템과 같이 실시 형태의 구조적 상세도.
도 3은 윈드 제너레이터의 평면도.
도 4는 둘러싸인 유체를 갖는 회전식 롤러의 도면.
도 5는 스레드 시험을 도시하는 도면.
도 6 내지 도 8은 추가 집중 플레이트(30) 및 변형된 윈드 스플리터(29)에 따른 추가 변형예를 도시하는 도면.
도 9는 토크 대 회전 속도 특성을 나타내는 도면.
도 10은 추가 특성을 나타내는 도면.
도 11은 2개의 추가 편향기 플레이트(38, 39)를 포함하는 도면.
도 12는 "노즈" 형태의 최적화된 편향기 플레이트를 포함하는 도면.
도 13b는 도 13a에서 단면 A-A의 평면도.
도 1은 나란히 평행하게 배향되어 상호 연결된 2개의 레이디얼 터빈(1, 2) 및 V-형 윈드 스플리터(3)를 포함하는 본 발명에 따른 윈드 제너레이터의 사시도이다. 상기 레이디얼 터빈은 수직 회전 샤프트 및 각각 차례로 각 터빈으로부터 챔퍼링된 외부 변부를 가지는 윈드 가이드 플레이트에 고정된 상부 및 하부 수평 단부를 가지며, 레이디얼 터빈 및 윈드 스플리터는 수직 축 주위에서 전체적으로 회전(피벗회전)가능하도록 스틸 마스트(5) 또는 또 다른 기저 부분(6)에 부착된다.
제너레이터의 효율은 실질적으로 터빈 샤프트 및 터빈 블레이드에 대한 거리와 기울기에 따라 V-형 윈드 스플리터의 위치에 의존된다. 윈드 제너레이터는 추가로 바람직하게는 풍속에 따라 윈드 스플리터의 최적의 위치가 설정될 수 있도록 기술적으로 장착된다. 이러한 설정는 한편으로는 평균(가장 가능성 있음) 풍속에 대한 정해진 설정으로서 수행될 수 있으며, 다른 한편으로는 또한 현재의 풍속에 따른 최적의 위치로 자동으로 재설정될 수 있다.
20 m의 총 높이의 경우, 터빈의 높이는 10 m이다. 터빈은 1 m의 직경을 갖는다. 윈드 제너레이터가 순환하는 해안풍(coastal wind)을 포착하는 해안의 지점에서 예상된 용량(capacity)은 대략 21,700 kWh이고, 효율은 연간 38%로 평균화된다.
도 2에는 도 3에서 A-A에 해당하는 측면으로부터 본 관형 마스트 마운팅 시스템과 같은 실시 형태의 구조적 세부사항이 도시된다. 3개의 지지 플레이트(7, 8, 9)는 스틸 마스트(5)의 종방향 축 주위에서 회전할 수 있도록 베어링(10, 11, 12, 13, 14)에 의해 20 m의 긴 스틸 마스트(high steel mast, 5)에 부착된다. 하부 지지 플레이트(7)는 터빈 샤프트(18) 상의 2개의 터빈 베어링(16, 17)과 스틸 마스트(5) 상의 3개의 회전 베어링(10)을 갖는다. 중앙 터빈 플레이트(8)는 3개의 회전 베어링(12)과 2개의 터빈 베어링(19, 20)을 가지며, 상부 지지 플레이트(9)는 3개의 회전 베어링(14)과 2개의 터빈 베어링(21, 22)을 갖는다. 터빈 베어링(17, 20, 22)은 도 2에 도시되지 않고 다른 터빈과 연계된다. 피벗 샤프트(15)는 상기 터빈 샤프트에 평행하고 연결 라인의 동일한 측면에 있는 터빈의 양측과 함께 터빈 샤프트들 사이에서 수평으로 연장되며 연결 라인 외측에 배치된 수직 축에 대해 회전하기 위한 상기 V-형 윈드 스플리터와 상기 터빈을 지지한다.
한편으로는 회전 베어링(10, 11) 그리고 다른 한편으로는 회전 베어링(13, 14)은 스페이서 칼라(spacer collar, 23, 24)에 의해 떨어져 배치된다. 스페이서 칼라는 중공 튜브의 형태이다.
도 3는 윈드 제너레이터의 평면도이다. 터빈 블레이드(25)가 도시될 수 있다. V-형 윈드 스플리터(3)의 선단이 바람에 대해 반대방향으로 향하도록 본 발명에 따른 윈드 제너레이터가 방향에 대해 “‡향전환될 때, 바람의 방향은 화살표로 또한 나타내진다.
스레드 시험(thread test)이 본 발명에 따른 시스템에서 수행된다(도 5). 최대 6 m/s까지의 바람(28)이 시스템 내로 송풍된다. 바람에 대한 터빈의 원주 속도의 비율은 최대 3:1이었다. 스레드 방향이 끝나는 지점이 도 5에 명확히 도시된다(도면의 하부에서). 본 발명에 따르는 시스템은 단지 이동하는 공기의 운동 에너지로부터가 아니라 바람의 포텐셜 에너지 또는 압력 차이로부터 에너지를 추출할 수 있다.
도 5에서 대부분의 도면부호는 도면부호의 나열에서 볼 수 있다.
부차적 효과로는 핑-퐁 볼이 비스듬한 공기스트림 내에서 "떠 있는(suspend)" 것이다. 코안다 효과(Coanda effect)의 결과로서, 공기스트림의 유동이 볼로부터 제거되지 않지만(strip) 제거됨이 없이 이 볼을 둘러싼다(거의). 볼이 다소 공기스트림의 중앙 아래에서 떠 있기 때문에, 공기가 볼 주위에서 대칭구조로 유동하지 않는다. 더 많은 공기가 하향 편향되며, 이는 유동 속도 및 유동 단면이 상부 측면에서보다 볼의 하부에서 더 작기 때문이다. 이는 마그누스 효과(Magnus effect)(볼 회전)를 중복 발생시킨다. 이 두 효과 각각은 볼이 하향으로 떨어지는 것을 방지하고 단지 볼이 공기스트림의 하측을 따라 미끄러지도록 한다. 공기 유동에 대한 볼의 저항에 따라 볼은 노즐로부터 떨어진 상태로 유지되고, 중력은 볼이 쉽사리 날아가는 것을 방지한다. 따라서, 볼은 다소 안정적인 위치에서 부유할 수 있다.
도 6 내지 도 8에는 변형된 편향기 표면(29) 및 추가 집중 플레이트(concentration plate, 30)를 갖는 추가 변형예가 도시된다.
뫼르스(Moers)에서 직경이 1 m이고 길이가 1 m인 본 발명에 따른 윈드 터빈에 대한 정적 및 동적 토크 측정의 평가
하기 데이터는 이 평가를 직접 또는 간접적으로 고려한다:
● 2010년 9월 24일로부터 26일까지의 정적 토크 측정(정지 토크(stationary torque))
● 2010년 11월 4일로부터 8일까지의 동적 토크 측정
코일 전류를 변화시킴으로써 다양한 제동력이 설정될 수 있는 와전류 제동이 또한 각각의 경우 동적 특정 동안에 사용된다.
이 측정 값은 타당성에 대해 체크되고, 다양한 평균 및 필터링 방법을 사용하여 평가된다.
2 m/s 내지 8 m/s의 풍속에 대한 결과 데이터가 하기 표에서 편집된다.
뫼르스에서 직경이 1 m이고 길이가 1 m인 본 발명에 따른 윈드 터빈에 대한 정적 및 동적 토크 측정의 평가의 결과 데이터(2010년 9월/11월)
풍속 [m/s] 회전 속도[rpm] 토크 [Nm] 기계적 동력 [W] (이로부터 계산됨)
2 0 0.45 0.0
2 17 0.90 1.6
2 20 0.69 1.4
2 55 0.16 0.9
2 78 0.00 0.0
3 0 0.90 0.0
3 27 1.85 5.2
3 35 1.48 5.4
3 35 1.40 5.1
3 40 1.27 5.3
3 42 0.93 4.1
3 50 0.87 4.6
3 55 0.52 3.0
3 60 0.70 4.4
3 80 0.21 1.8
3 105 0.00 0.0
3 107 0.00 0.0
3 115 0.00 0.0
4 0 1.45 0.0
4 50 2.45 12.8
4 55 2.15 12.4
4 57 1.90 11.3
4 60 1.80 11.3
4 65 1.55 10.6
4 69 1.25 9.0
4 80 0.82 6.9
4 80 1.12 9.4
4 95 0.64 6.4
4 107 0.28 3.1
4 137 0.00 0.0
4 139 0.00 0.0
4 145 0.00 0.0
5 0 2.00 0.0
5 75 3.00 23.6
5 78 3.30 27.0
5 85 2.80 24.9
5 85 2.23 19.8
5 85 1.85 16.5
5 93 1.42 13.8
5 110 1.35 15.6
5 120 0.31 3.9
5 120 0.98 12.3
5 127 0.71 9.4
5 165 0.00 0.0
5 174 0.00 0.0
5 177 0.00 0.0
6 0 2.70 0.0
6 100 3.65 38.2
6 113 2.70 31.9
6 115 3.35 40.3
6 116 2.15 26.1
6 120 1.81 22.7
6 140 1.53 22.4
6 152 0.34 5.4
6 160 0.75 12.6
6 195 0.00 0.0
6 209 0.00 0.0
6 210 0.00 0.0
7 0 3.50 0.0
7 130 4.30 58.5
7 147 3.27 50.3
7 160 1.65 27.6
7 175 0.79 14.5
7 225 0.00 0.0
7 245 0.00 0.0
8 0 4.25 0.0
8 162 4.85 82.3
8 190 3.75 74.6
8 210 0.84 18.5
8 250 0.00 0.0
8 275 0.00 0.0
도 9 및 도 10은 해당 내삽된 선에 대한 그래프이다.
도 9: 토크 대 회전 속도 특성, 평균 동력 계수(PC) 35%에 따른 내삽(interpolation).
토크 [Nm] 대 회전 속도 [rpm]; 파라미터 풍속 [m/s]
Figure 112013061944787-pct00001
도 10: 특성
기계적. 동력
평균 PC = 35%에 따른 최대 동력 범위 내에서 외삽(extrapolation)
기계적 동력 [W] 대 토크 [rpm]; 파라미터 풍속 [m/s]
그래프에 대한 약어:
Figure 112013061944787-pct00002
따라서 동적 측정이 상대적으로 약한 제동력으로만 수행되기 때문에, 이에 따라 형성되는 측정 범위 이외의 내삽이 점선으로 도시된다. 이 문헌에서, 최대 동력 지점에서 35%의 동력 계수가 달성되는 것으로 가정된다. 결과 데이터의 분산으로부터 사용된 측정 기술에 대한 충분히 정밀한 교정 검증(calibration verification)은 임시로 대략 30% 내지 40%로 놓일 수 있다. 이와는 달리, 측정 기술의 계통 오차(systematic error)가 추가로 고려된다. 동력 계수는 더 놓은 제동력에서의 추가 측정이 고려되는 경우 더욱 정밀하게 결정될 수 있다.
본 발명에 따르는 터빈 시스템은 또한 해양 터빈 시스템(marine turbine system)과 같이, 물의 유동으로부터 에너지를 수득하기 위하여 수중에서 사용하는 것이 선호될 수 있다.
벤투리 효과로 공지된 것에 따라 2개의 추가 편향기 플레이트(38, 39)(도 11 참조)가 부착된다. 벤투리 효과는 터빈의 효율을 증가시킨다.
개발에 따라, 예비 논문에서 소용돌이 바람 내의 입증된 고 효율 값을 갖는 추가 실시 형태가 존재한다.
"노즈" 형태의 편향기 플레이트 및 독립 방위각 조절을 위한 피벗 지점이 최적화된다(도 12 및 도 13a 참조). 이 경우에, 터빈 시스템은 터빈 지지 시스템이 적절히 장착될 때 대략 1.0 m/s로부터의 바람에 대해 최적의 상태로 변환된다.
바람직하게는, 상부 타워 섹션은 하부 타워 섹션에 대해 회전가능하게 장착된다. 장착은 대략 1.0 m/s이 풍속 초과에서 풍압을 고려하여 방위각 토크가 베어링의 제동력을 안전히 극복하기에 충분하도록 구성된다.
국제 특허 출원 제WO 2011/059760 A2(2009년 10월 29일의 우선일을 가짐)의 공고된 해결 방법과는 대조적으로, 이 경우에 본 발명은 바람에 대해 자체가 자동으로 배향되는 공기역학적으로 최적화된 시스템에 관한 것이다. 바람을 향하는 배향이 추가 에너지 없이(또는 거의 없이) 수행될 수 있는 것이 보장되는 경우에만 효율적 작동이 가능하다. 이는 저 고도의 연풍 영역에서 더 용이하게 작동되는 VAWT 타입의 윈드 제너레이터 모두에 적용된다.
게다가, 전술된 특허 출원의 원리는 2개월 더 앞선 특정 구성(2009년 8월 28일자의 우선권을 갖는 WO 2011/022836 A8 참조)과 같이 이미 적용된 것으로 주지되어야 한다. 더 빠른 우선권 일자를 갖는 전술된 출원으로부터의 구별에 따라, 이 장치는 낮은 풍속에서 자체적으로 바람을 향하도록 배향되지 못하며, 이는 예를 들어, 연결 제너레이터 및 파워 트랜스미션을 포함하는 대략 1 m의 터빈 직경으로 인해 재현(reproduction)에 의해 용이하게 입증될 수 있다. 기재된 날개(sail) 대신에, "노즈" 형태의 공기역학적으로 최적화된 이중 편향기 플레이트는 이 경우에 추가로 사용되고, 이는 전체 시스템의 효율을 증가시키고 동시에 풍력(1)으로부터의 연풍을 포함하는 연관 에너지를 갖는 모든 바람의 경우 바람을 향하도록 자동으로 배향되는 것이 보장된다.
본 발명에 따르는 V-형 "노즈"(윈드 스플리터로 지칭됨)는 주요하게 가속기 또는 편향기로서 개발되지 않는다. 게다가, 이는 대략 1 Hz 내지 10 Hz(즉, 무음(silent)) 범위의 초저주파음파에 대한 공명 챔버로서 제공된다. 노즈 및 로터 블레이드는 노즈의 내측에서 로터 블레이드와 노즈 사이의 압력 맥동을 생성하기 위한 공기 가이드 장치를 형성한다. 이 압력 맥동은 터빈이 회전하는 상태에서 수행된다. 이 무음 압력 맥동(silent pressure oscillation)과 일반적으로 매우 작은 진동 구성에 의해, 터빈의 효율은 현저히 도시 지역에서 사용하기에 적합할 수 있도록 연풍 영역에서 증가된다.
터빈과 V-형 윈드 스플리터 간의 거리는 바람직하게는 변화가능하고 조절가능하여 최적의 작동 조건이 모든 바람 조건에 대해 구현될 수 있다.
V-형 윈드 스플리터(3)의 에지는 바람직하게는 휘슬링(whistling)의 경향을 방지하고 난류 형성을 방지하기 위하여 둥글게 형성된다.
이 실시 형태를 특징으로 하기 위한 추가 파라미터는 터빈 및/또는 터빈 열의 높이이다. 기능적으로, 높이는 원하는 경우 크게 조절될 수 있으며, 작동 지점에 따라 터빈의 반경의 대략 0.3 내지 100 배일 수 있고, 높은(또는 긴) 터빈은 포지티브-끼워맞춤 커플링(positive-fit coupling)에 의해 선택적으로 유연하게 연결되는 샤프트에 복수의 터빈을 포지티브-끼워맞춤 커플링으로서 구성될 수 있다.
실시 형태에서, 대략 20인 반경에 대한 높이의 비율이 설정된다. 이 경우에, 터빈은 모두가 대략 5 m 떨어져서 장착되고, 유연한 포지티브-끼워맞춤 커플링에 의해 상호연결되며, 샤프트의 단부에서 기어박스를 통하여 직접 또는 간접적으로 전류 생성기에 연결되고, 베어링은 마스트의 회전식 부분에 확고히 연결된다.
추가 변형예는 터빈의 상부 또는 하부 단부에 관한 것이다. 선택적으로 다소 그리고 대략 45°로 외부 변부에서 터빈으로부터 챔퍼링된 평면형 윈드 가이드 플레이트에 의해, 바람은 보다 효과적으로 터빈 상으로 변부 영역에서 편향될 수 있다(도 13a 및 도 13b 참조). 도 13b에는 도 13a에서의 단면 A-A의 평면도이다. 게다가, 이에 따라 터빈 서스펜션의 안정성이 향상된다.
폭풍우 시에 위험을 피하고 및/또는 줄이기 위하여, 시스템은 터빈들이 특정 풍속 초과의 상태에서 서로 더 근접하게 이동되도록 자가-댐핑 제어 시스템이 설치될 수 있으며, 이에 따라 "노즈" 뒤의 후방에서 동적 압력이 증가하고 이에 따라 궁극적으로 회전 속도가 감소되며, 이 댐핑 시스템이 적절한 치수를 가질 때 회전 속도는 안전한 범위 내에서 유지될 수 있다. 댐핑은 두 터빈 샤프트들 사이의 거리가 3 x R1(R1 = 터빈의 반경) 미만일 때 확인될 수 있다. 추가 기계식 브레이크가 유지보수 작업 또는 매우 발생하기 힘든 응급 시에만 필요할 수 있다.
터빈 시스템의 목적은 바람으로부터 최적 양의 에너지를 수득하는 데 있으며, 여기서 전기 에너지를 수득하는 것이 우선시 된다. 추가로, 터빈 시스템에 적합한 제너레이터는 논-포지티브(non-positive) 또는 포지티브-끼워맞춤(positive fit) 방식으로 기어박스를 통하여 직접 또는 간접적으로 터빈 샤프트에 기계적으로 연결되고, 이 샤프트는 터빈으로부터 제너레이터로 동력의 전달을 보장하기 위하여 비-포지티브 또는 포지티브-끼워맞춤 방식으로 터빈에 연결된다. 이 경우에, 하나의 제너레이터가 2개의 터빈에 대해 사용될 수 있거나 또는 각각의 터빈이 개별적으로 제너레이터에 연결될 수 있다.
제너레이터는 생성된 동력을 제어함으로써 전자기 제동 토크가 터빈에 전달되며, 에너지 변환을 위한 최적의 선단 속도 비(TSR)가 비제동 터빈의 선단 속도 비를 기초로 45% 내지 65% 사이에서 설정되도록 풍속에 따라 제어된다. 그 결과, 최대 가능 에너지가 항시 수득될 수 있다.
생성된 전기 에너지(직류, 교류, 3-상 전류)가 다수의 방식으로 이용될 수 있다:
a) 이는 그리드-동기식 교류 전압(grid-synchronous alternating voltage)으로 변환될 수 있고, 퍼블릭 파워 그리드(public power grid)에 공급될 수 있으며,
b) 이는 국부 배터리 시스템, 즉 타워 내에 배치된 배터리 시스템에서 버퍼링될 수 있으며, 단속적으로 고도의 효율을 갖는 일관된 수용 배터리 시스템(consistently receptive battery system)의 유지보수를 고려하여 네트워크 오퍼레이터의 요건에 따라 그리드-동기식 교류 전압으로 변환된다.
이 변형예에서, 단지 충전이 수행되고, 단지 방전이 수행되며 전기 에너지가 그리드에 공급되고, 또는 충전 및 방전이 동시에 수행되는 시간이 있을 것이다. 선택적으로, 이 변형예에 따라 또한 저전류 업테이크(current uptake) 시에 그리드로부터 전류의 버퍼링이 허용되며, 이 유형의 실시 형태는 내부 그리고 외부에서 사용될 수 있는 통합 저장 구성요소를 포함하는 조합된 풍력 에너지 시스템일 수 있다.
그리드 공급에 대한 변류기의 과적 또는 배터리 시스템의 과충전을 안전하게 방지하기 위하여, 이 실시 형태에서 제어 시스템은 안전하고 마모가 없는 방식으로 그리드 내에 공급되지 않고 배터리 내로 충전되지 않을 수 있는 과도 생성된 전기 에너지가 초퍼 레지스터에 의해 열로 변환될 수 있다. 이 제어 시스템에 의해 연관 풍속의 적용 범위가 최적의 상태로 확장될 수 있다.
추가 변형예는 광고 매체 또는 가로 조명으로서의 사용에 관한 것이다. 임의의 원하는 고효율 광원, 예를 들어, 광고 조명 또는 가로 조명을 위한 LED가 터빈 시스템에 부착될 수 있는 동시에 외부 형태 구조물(터빈, 노즈-편향기 플레이트, 상부 및 하부 커버)에 장착될 수 있다. 전류는 배터리 시스템으로부터 직접 공급될 수 있고, 이에 따라 이는 그리드로부터 독립적이다.
터빈 시스템의 제어 시스템은 또한 그리드로부터 독립적인데, 이는 영구적으로 모니터링되고 방화 방식으로(fireproof manner) 보관되는 독립적 배터리에 의해 전력이 공급되기 때문이다.
추가 변형예는 도시 기반시설, 예를 들어 경보 장치, 감시 카메라, 휴대폰 안테나, 도시 WLAN 인트라넷, 디스플레이 보드, 교통 유도 장치, 광대역 인터넷 연결부, 등을 위한 지지부로서의 사용에 관한 것이다. 이 경우에, 독립적 전류원(배터리 저장장치)인 특정 이점이 이 위치에서 국부적으로 이용될 수 있다.
전기 에너지에 대한 요구가 적을 때, 풍력 및 태양광 에너지는 추후 사용을 위해 국부적으로 저장될 수 있으며 피크 시간에 선택적으로 방전됨으로써 특정 경제적 사용이 구현될 수 있다.
추가 실시 형태에서, 특수한 어큐뮬레이터 및 터빈 마운팅 시스템을 위한 프레임(frame)으로서 사용되고 및/또는 사용될 수 있는 그리드 마스트 구조물은 고정 마스트에 고정되는 회전 연결부 위에 제공된다(도 13a 참조). 회전 연결부 내에는 터빈으로부터의 전력 및 전자 신호를 전달하는 어큐뮬레이터 링이 일체구성된다. 그리드 마스트 내의 공동은 부하 제어를 위해 그리고 어큐뮬레이터의 안전한 설치/고정을 위한 충분한 공간을 제공하며, 동시에 제너레이터로부터의 케이블 길이가 짧게 유지될 수 있어서 옴 손실이 낮게 유지된다.
분산식 네트워크-통신 에너지 공급 시스템 및 다른 응용을 형성하기 위하여 복수의 윈드트래커(windtracke)들을 서로 통합시키는 것이 선호된다. 따라서, 예컨대, 도로, 고속도로, 철도 라인 및 운하와 같은 교통 기반시설을 따라 윈드트래커 및/또는 본 발명에 따르는 터빈 시스템의 장치를 제공하는 것이 제안되며, 이 장치는 안전 공간을 제공하고 및/또는 광고 매체 및/또는 도로 조명으로서 사용하며 및/또는 저 전류 업테이크(current uptake) 시에 그리드로부터 전류를 버퍼링하거나 또는 원격 통신을 위해 추가로 제공된다.
1, 2: 레이디얼 터빈
3: 윈드 스플리터
5: 스틸 마스트
6: 기저 플레이트
7, 8, 9: 지지 플레이트
10, 11, 12, 13, 14: (회전) 베어링
15: 종방향 축
16, 17: 터빈 베어링
18: 터빈 샤프트
19, 20, 21, 22: 터빈 베어링
23, 24: 스페이서 칼라
25: 터빈 블레이드
26: 상부 칼라 플랜지
27: 가이드 플랜지
28: 바람
29: 변형된 편향기 표면
30: 집중 플레이트 또는 집중 표면
31: 마그누스 효과
32: 코안다 효과
33: 마그누스/코안다 중첩
34: 높은 리프트
34: 음압
36: 과압
37: 스레드 방향 제동
38, 39: 외부 편향기 표면
40: 터빈 또는 터빈 블레이드
41: 터빈의 회전 중심
42: 터빈 시스템의 방위각 회전 중심
43: 노즈 편향기 플레이트
44: 상부 및/또는 하부 윈드 가이드 플레이트의 한계
301: 터빈 또는 터빈 블레이드의 외부 반경
302: 윈드 가이드 플레이트의 라운딩
303: 윈드 가이드 플레이트
304: 그리드 마스트
305: V-형 윈드 스플리터

Claims (19)

  1. 윈드 또는 워터 제너레이터에 있어서,
    나란히 평행하게 배향된 2개의 상호 연결된 레이디얼 터빈, 상기 레이디얼 터빈은 각각 수직 회전 샤프트 및 차례로 각 터빈으로부터 챔퍼링된 외부 변부를 가지는 윈드 가이드 플레이트에 고정된 상부 및 하부 수평 단부를 가지고;
    V-형 윈드 스플리터; 및
    터빈 샤프트에 평행하고 연결 라인의 동일한 측면에 있는 터빈의 양측과 함께 터빈 샤프트들 사이에서 수평으로 연장되며 연결 라인 외측에 배치된 수직 축에 대해 회전하기 위한 상기 V-형 윈드 스플리터와 상기 터빈을 지지하는 피벗 샤프트로 구성되는 것을 특징으로 하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2개의 터빈이 상반된 방향으로 회전하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 피벗 샤프트는 상부, 하부 및 중간 베어링과 함께 제공되어 상부 및 하부 둥근 단부 표면 및 V-형 윈드 스플리터와 함께 터빈을 보유하는 그리드 마스트인 것을 특징으로 하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
  4. 제1항에 있어서, 회전 연결부 내에 일체구성되어 상기 터빈으로부터의 전력 및 전자 신호를 전달하는 어큐뮬레이터 링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
  5. 제1항에 있어서, V-형 윈드 스플리터(3)와 동일한 측면에 외부 편향기 표면(38, 39)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
  6. 제1항에 있어서, 소정의 풍속에 도달될 때 레이디얼 터빈들을 서로에 대해 더 근접하게 자동으로 이동시키기 위한 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
  7. 제1항에 있어서, 제1항에 있어서, V-형 윈드 스플리터(3)의 선단이 둥글게 형성되는 것을 특징으로 하는 윈드 또는 워터 제너레이터.
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