KR102174164B1 - 카이트 풍력 에너지 수집기 - Google Patents

Abstract

아크 형태로부터 왜곡되지 않은 평면 형태로, 그리고 그 역으로 옮겨지는 이중 모드 동작을 갖는 윙이 기술되었으며, 윙은 이러한 인접한 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3) 중 적어도 한 쌍 사이에 삽입된 적어도 하나의 관절 조인트(2, 3)를 통해 직렬로 접속되고 상호 연결되는 셋 이상의 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3)로 구성된다.

Description

카이트 풍력 에너지 수집기{KITE WIND ENERGY COLLECTOR}

본 발명은 이중 모드 동작을 갖는 윙(wing)에 관한 것이다.

예를 들어 가스 터빈 블레이드 및 비행기 캐리어 표면과 같은 모든 보통의 공기역학적 응용들에서, 공기역학적 프로파일의 궁극적인 목적은 블레이드 또는 윙의 베이스를 향해 분산된 부하를 전달하는 것이다. 예를 들어 더블-T 세로방향 부재를 통해 획득된 구조적인 저항은 분산된 부하에 의해 생성된 굽힘 모멘트(flexural moment)에 대립하는 것을 가능하게 한다.

바람으로부터 에너지를 추출하기 위해 사용되는 시스템에 속한 파워 윙 프로파일의 경우에서, 오직 순수한 장력 활동의 존재만이 윙 개구부의 아크 구성으로 하여금 동시에 자체의 형태를 유지하고 에너지를 발생시키기 위해 유용한 공기역학적 리프트를 발생시키게 한다.

알려진 바와 같이, 순수한 장력 활동의 구성은 굽힘 모멘트가 존재하는 경우에 대해 훨씬 더 낮은 구조적 저항을 필요로 한다. 결과적으로, 파워 윙 프로파일의 공기역학적 프로파일이 공기역학적 효율성, 즉 저항 비율에 대한 리프트를 향상시키고, 궁극적으로 바람으로부터 에너지를 추출하기 위한 높이에서의 플랜트의 에너지 성능을 향상시키도록 얇아질 수 있다.

윙으로부터의 에너지의 추출은 장력 구조적 모드에서 높은 윙 부하를 겪는, 높은 공기역학적 효율성을 가진 초경량 윙을 포함하는 시스템을 통해 발생한다.

동일 출원인의 특허 출원 번호 제WO2008120257호는 스마트 제어 시스템에 의해 자체적으로 제어되는 서보-지원형 윈치(servo-assisted winch)에 의해 구동되는, 직렬 접속된 일련의 파워 윙 에어포일들을 통해 바람으로부터 에너지를 추출하기 위한 시스템을 개시한다. 풍류에 몰입된 파워 윙 프로파일은 따라서 적어도 하나의 로프를 통해 대류권에서 포획된 풍력 에너지를 전류로 변환하는 독립형 발전기에 접속된다. 파워 윙 에어포일은 자신이 접속된 모듈을 드래그하고 적어도 하나의 발전기/모터를 포함하는 적어도 하나의 발전 시스템을 통해 풍력 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것을 가능하게 하도록 구동된다. 로프는 모듈을 드래그하기 위해 윙 프로파일로부터 그리고 윙 프로파일을 향해 역학적 에너지를 전송하고 윙 프로파일 자체의 비행 궤적을 검토하도록 적응된다.

윙 프로파일이 바람으로부터 추출할 수 있는 파워는 윙 프로파일 및 그의 면적의 공기역학적 효율 모두의 함수이다. 특히, 이러한 파워는 공기역학적 효율의 제곱과 함께, 그리고 면적과 선형으로 커진다.

윙 프로파일의 효율은 프로파일의 형태에 의존한다. 그러나 이러한 최적의 형태는 윙 프로파일이 저항-리프트(드래그-리프트) 힘의 스트레스를 겪을 때에도 유지되어야만 한다. 이러한 목적을 위해서, 반강성(semi-rigid) 윙 프로파일을 사용해야만 하는 것이 가능하다.

완전히 가요성인 윙 프로파일과는 상이하게, 반강성 윙 프로파일에는 예를 들어 극도의 경량 프레임이 장착되며, 이로 인해 윙 프로파일이 글라이더의 강성 윙들 중 하나와 유사한 형태를 가정할 수 있다. 윙 프로파일은 예를 들어 중합체로 제조된 마름모꼴로 구조화될 수 있다. 더 나은 공기역학적 효율로 인해서뿐만 아니라, 더욱 이른 구동으로 인해서, 반강성을 사용하는 것은 성능의 강한 증가를 보장한다.

특히, 강성은 상응하는 복구 시스템 내의 윙 프로파일을 복구하는 데에 유용한 측면 신축성을 보장하기 위해 윙 프로파일의 두 사이즈들에 대해 비대칭일 수 있다.

초경량 윙을 포함하는 시스템을 통한 바람으로부터의 에너지의 추출을 다루는 제1 문제점은 공기역학적 힘을 겪는 윙 프로파일의 공기력 탄성(aero-elastic)에 의해 주어진다. 재료들의 사이징 및 선택에 따라, 윙 로프에 따른 강성이 프로파일 형태를 유지하기에 충분하지 않을 가능성이 존재하며, 그 결과 성능 및 효율이 감소되는 위험을 가진다. 윙의 아크 형태는 윙 섹션의 리프트 경사도를 이용하여 비행 동안에 공기역학적으로 유지되며, 세로방향 부재의 필요성을 감소시키거나 없앤다.

초경량 윙을 포함하는 시스템을 통한 바람으로부터의 에너지의 추출을 다루는 제2 문제점은 윙 사이드슬립 상태(wing sideslip attitude) 및 생산적, 즉 파워 발생 상태를 가정하는 이중 모드 비행 양상의 관리에 의해 주어진다. 사이드슬립 상태에서, 윙은 단일 통제 로프를 통해 회수된다. 충분한 안정성을 갖기 위해서, 이러한 단계에서, 생산적 상태 하의 비행의 아크 형태는 플라잉 구성에 유리하게 포기되어야만 한다.

특허 출원 번호 제WO2011121557호는 제1 문제점을 다루며, 풍력 에너지를 전기 에너지 또는 역학적 에너지로 변환하기 위해 적어도 두 개의 케이블을 통해 제어되는 파워 윙 프로파일의 비행에 대한 커맨드를 작동하기 위한 시스템으로서, 케이블의 유사한 풀림-감김 동작을 가하기 위한 제1 유닛 및 케이블에 대한 차동 제어 동작을 수행하도록 파워 윙 프로파일과 제1 유닛 사이에 삽입된 제2 유닛을 포함하는 시스템을 기술한다. 이 시스템은 제2 케이블 제어 유닛을 작동시키는 단일 모터를 포함하고, 제1 유닛은 각각의 상호 오버랩된 공통의 수평 축 상에 배치되고 케이블과 오버랩하지 않는 두 일련의 감김 도르래를 각 케이블에 대해 포함한다.

특허 출원 번호 제WO2009035492호는 제2 문제점을 다루며, 파워 생성 단계 동안 파워 윙 프로파일의 비행의 제어 하에 유지하기 위해 제1 제어 요소가 사용되는 제1 힘 구성으로 동작하는 제1 제어 요소를 포함하고 복구 단계 동안 파워 윙 프로파일의 비행을 검토하기 위해 사용되는 제2 제어 요소를 더 포함하는 파워 윙 프로파일을 기술하며; 이러한 제2 단계에서, 구성과 연관된 힘은 파워 생성과 연관된 제1 단계에 대해 감소된다.

본 발명의 목적은 윙 프로파일의 형태를 변하지 않게 유지시키는 것을 가능하게 하고 이중 모드 비행 양상을 가능하게 하는 파워 윙 에어포일들로 이루어진 윙을 제공함으로써 전술된 종래기술의 문제점들을 해결하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 파워 윙 에어포일들의 로프의 방향을 따라 하나 이상의 평행한 범프(bump)에 접속된 윙 표면을 포함하는 윙을 제공하는 것이며, 이러한 윙은 한 쌍의 외부 범프들 및 한 쌍의 내부 클로스(cloth) 에지들에 각각 접속된 외부 클로스 에지들로 구성된 적어도 하나의 조인트를 더 포함하며, 이러한 조인트는 파워 윙 에어포일들에 속한 로프에 대해 대칭적으로 수렴한다.

이어지는 설명으로부터 드러나는 바와 같이, 본 발명의 전술된 목적 및 장점과 그외의 목적 및 장점이 청구항 제1항에 청구된 바와 같은 이중 모드 동작을 갖는 윙을 이용하여 획득된다. 본 발명의 바람직한 실시예들 및 사소하지 않은 변화들이 종속항들의 주제사항이다.

첨부된 모든 청구항들은 본 명세서의 일체화된 부분인 것으로 의도된다.

(예를 들어 등가의 기능을 갖는 형태, 크기, 배치 및 부분과 관련된) 기술된 내용에 대한 다수의 변화 및 수정이 첨부된 청구항들로부터 알 수 있는 바와 같은 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 즉시 명백해질 것이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 비-제한적인 예시로서 제공된 본 발명의 일부 바람직한 실시예들에 의해 더욱 잘 설명될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 윙의 바람직한 실시예의 전면도;
도 2 및 3은 각각 도 1의 윙의 하부 및 상부 표면의 평면도;
도 4 및 5는 각각 도 1의 윙의 확대된 부분 Ⅳ 및 Ⅴ을 도시한 도면;
도 6은 도 1의 윙의 측면도;
도 7은 도 6의 윙의 확대된 부분 Ⅶ을 도시한 도면;
도 8 및 9는 각각 도 1의 윙의 하부 및 상부 표면의 입체도;
도 10 및 11은 각각 도 8의 윙의 확대된 부분 X 및 XI를 도시한 도면; 및
도 12 및 13은 각각 도 9의 윙의 확대된 부분 XII 및 XIII를 도시한 도면.

도면들을 참조하면, 이중 모드 동작을 갖는 본 발명에 따른 윙이 인접한 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3) 중 적어도 한 쌍 사이에 삽입된 적어도 하나의 관절 조인트(articular joint)(2, 3)를 통해 직렬로 접속되고 상호 연결되는 셋 이상의 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3)로 구성됨을 인지하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 이러한 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3)의 각각이 적어도 하나의 단단한 외각(quoin)으로 구성되고, 이러한 외각은 특히 조인트(2, 3) 내에서 가능한 상태 진동을 집중시키는, 본 발명에 따른 윙의 이중 모드 기능을 가능하게 하도록 이러한 조인트(2, 3)의 각각을 삽입함으로써 상호 연결된다. 사실, 파워 생성 단계 및 윙 사이드슬립 복구 동작 모두를 적절하게 관리할 수 있기 위해서, 윙 프로파일들(1-1, 1-2, 1-3)의 세트가 이중 모드 동작이 획득되는 두 형태들: 발생 단계 동안의 아크 형태(arc shape) 및 윙 사이드슬립 복구 동작에 대한 왜곡되지 않은 평면 형태를 통과할 수 있어야만 한다.

각각의 윙 프로파일(1-1, 1-2, 1-3)은 외골격으로서 동작하는 하나 이상의 외부 범프(5)에 접속된 적어도 하나의 윙 표면(4)을 포함한다. 윙 로프의 방향을 따라 평행하게 배치되고 윙 표면(4)의 외부에 있는 범프(5)는 공기역학적 저항을 미세하게 증가시키는 장점을 갖지만, 각각의 윙 프로파일(1-1, 1-2, 1-3)의 형태의 유지를 보장하는 장점을 가진다.

대안적으로, 하나 이상의 범프(5)가 윙 표면(4)의 오목한 영역을 따라 배치되도록 제공하는 것이 가능하다.

윙 표면(4)은 바람직하게는 열가소성 또는 열경화성 레진으로 코팅된 매우 저항성의 클로스로 제조되며: 특히, 이러한 클로스는 파워 발생 단계 동안 아크 형태에 도달하면 스트레스에 대해 저항하는 기능 및 윙 사이드슬립 복구 단계 동안 왜곡되지 않은 평면 구성으로 본 발명에 따른 윙을 다시 가져가는 데에 유용한 탄력적인 강성을 제공하는 기능의 이중 기능을 수행한다.

도 4, 5, 10, 11, 12 및 13을 참조하면, 각 조인트(2, 3)는 한 쌍의 외부 범프들(5-1, 5-2) 및 한 쌍의 내부 클로스 에지들(8, 9)에 각각 접속된 외부 클로스 에지들(6, 7)로 구성된다. 각 조인트(2, 3)는 클로스 에지들(8, 9)이 따라서 수렴하는 로프(10)에 대해 대칭이다.

윙 사이드슬립 복구 단계와 연관된, 본 발명에 따른 윙의 왜곡되지 않은 평면 형태를 갖는 구성은 펼쳐진 위치(도 5, 11 및 13)에 있는 조인트(3)에 대응하고, 스트레치되며 윙 표면(4)에 접하는 내부 클로스 에지들(8, 9)에 의해 특징지어진다.

파워 발생 단계와 연관된, 본 발명에 따른 윙의 아크 형태 구성은 수축된 위치(도 4, 10 및 12)에 있는 조인트(2)에 대응하고, 윙 프로파일 내에서 구부러져 외부 클로스 에지들(6, 7)의 쌍의 로프(10)에 따른 수렴 및 접촉을 가능하게 하는 내부 클로스 에지들(8, 9)에 의해 특징지어진다.

또한, 적어도 두 말단 파워 윙 프로파일들(1-1, 1-3), 특히 본 발명에 따른 윙의 제어 굴레들이 접속되는 이러한 프로파일들을 구성하는 단단한 외각에 적어도 이러한 두 개의 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-3) 상에서 이러한 굴레에 의해 유도되는 부하를 분산시키도록 적응된 보강 구조물이 장착된다.

본 발명은 구조물의 강성이 윙 사이드슬립 상태를 가정하는 왜곡되지 않은 구성을 유지하고 파워 발생 상태를 가정하는 아크 구성을 획득하기 위해 구조물을 왜곡하는 것을 가능하게 하는 아크 구성에서 공기역학적 부하에 의해 왜곡되는 평면 구성 내의 왜곡되지 않은 윙을 통해 그 목적을 획득한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 윙의 형태는 스키딩(skidding) 단계에 있어서 비대칭을 유용하게 활용할 수 있도록 비대칭적이다. 이러한 구성은 공기역학적으로 효율적인 윙 로프 방향을 따라 특히 단단한 세그먼트들을 만드는 가능성을 제공한다.

Claims (11)

1. 아크 형태(arc shape)로부터 왜곡되지 않은 평면 형태로, 그리고 그 역으로 옮겨지는 이중 모드 동작을 갖는 윙(wing)으로서,
   인접한 파워 윙 에어포일들(power wing airfoils)(1-1, 1-2, 1-3) 중 적어도 한 쌍 사이에 삽입된 적어도 하나의 연결된 조인트들(joints)(2, 3)을 통해 직렬로 접속되고 상호 연결되는 셋 이상의 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3)로 구성되고;
   상기 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3)의 로프 방향을 따라 하나 이상의 평행하는 범프(bump)(5)에 접속된 적어도 하나의 윙 표면(4)을 포함하며;
   상기 조인트들(2, 3)은 한 쌍의 외부 범프들(5-1, 5-2) 및 한 쌍의 내부 클로스 에지들(cloth edges)(8, 9)에 각각 접속되는 외부 클로스 에지들(6, 7)로 구성되고, 각각의 조인트(2, 3)는 상기 내부 클로스 에지들(8, 9)이 수렴하는 로프(10)에 대해 대칭인 것을 특징으로 하는, 윙.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-2, 1-3)의 각각이 적어도 하나의 단단한 코너로 구성되는 것을 특징으로 하는, 윙.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 왜곡되지 않은 평면 형태에 있는 구성이 펼쳐진 위치에 있는 상기 조인트들(2, 3) 중 하나에 대응하고, 상기 내부 클로스 에지들(8, 9)이 스트레치되며 상기 윙 표면(4)에 접하는 것을 특징으로 하는, 윙.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 아크 형태에 있는 구성이 수축된 위치에 있는 상기 조인트들(2, 3) 중 하나에 대응하고, 상기 내부 클로스 에지들(8, 9)이 상기 파워 윙 에어포일(1-1, 1-2, 1-3) 내에서 구부러지는 것을 특징으로 하는, 윙.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 범프(5)가 상기 윙 표면(4) 외부에 존재하며 외골격 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는, 윙.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 범프(5)가 상기 윙 표면(4)의 오목한 영역을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는, 윙.
7. 제 2 항에 있어서,
   적어도 두 말단의 상기 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-3) 및 상기 윙의 제어 굴레들이 접속되는 상기 파워 윙 에어포일들을 구성하는 상기 단단한 코너에는 상기 굴레에 의해 적어도 상기 두 개의 파워 윙 에어포일들(1-1, 1-3) 상에 유도된 부하를 분산시키도록 적응된 보강 구조물이 장착되는 것을 특징으로 하는, 윙.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 윙 표면(4)이 열가소성 또는 열경화성 레진으로 코팅된 클로스로 제조되는 것을 특징으로 하는, 윙.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 윙은 비대칭적인 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 윙.
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