KR102225643B1 - 유동식 풍력 터빈 구조 - Google Patents

Abstract

유동식 풍력 터빈 구조는: 적어도 하나의 블레이드를 수반하는 회전자, 나셀을 지지하는 적어도 2개의 지지 아암들, 상기 적어도 2개의 지지 아암들은 상부 및 하부 부분을 포함하고, 상기 상부 부분은 상기 나셀에 연결되며, 상기 하부 부분은 유동체 형태의 수단에 연결되고, 적어도 하나의 지지 아암은 바람 방향에 대해 회전자로부터 상류에 위치되며, 적어도 하나의 지지 아암은 바람 방향에 대해 회전자로부터 하류에 위치되는 것을 포함하며, 상기 회전자는 상기 나셀을 중심으로 회전하도록 배치된 중공형 축이 제공된 것을 특징으로 한다.

Description

유동식 풍력 터빈 구조{FLOATING WIND TURBINE STRUCTURE}

본 발명은 유동식 풍력 터빈 구조에 관한 것이다. 보다 상세히는, 본 발명은 지지 아암의 형태를 이루는 수단을 포함하는 유동식 지지대에 관한 것이며, 그 상부는 풍력 터빈의 나셀(nacelle)과 연결되고, 그 하부는 유동체 형태의 수단에 연결되며, 선택적으로 밸러스트를 형성하는 수단, 부가된 질량, 및 완충 시스템에 연결된다.

풍력 터빈의 나셀 당 하나의 기둥을 이용하는 이러한 유형의 여러 가지 유동식 지지대들이 이미 종래 기술에 공지되어 있다.

그러나, 단일 지지 기둥 형태의 이러한 수단은, 기둥의 하부와 기둥의 헤드 부에 기계적 응력을 집중시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 응력은 유동체의 이동, 특히 바람의 변화에 기인하여 주기적이기 때문에, 상기 구조물의 치수는, 기계적인 피로의 관점에서, 특히, 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

마찬가지로, 단일 기둥의 형태와 같은 수단은 블레이드들의 끝단이 지면을 가리키는 수직 위치로 통과하는 도중에, 회전자의 블레이드 또는 블레이드들에 극단적으로 가까이 위치되는 것으로 알려져 있다. 상기 블레이드 또는 블레이드들이 기둥 근처에서 통과하는 때에는, 블레이드 또는 블레이드들 상의 공기 역학적 부하가 크게 변동되는데, 그 이유는 기둥의 직경이 크고, 블레이드들과 기둥 사이의 거리가 작을수록, 보다 큰 공기 역학적 교란이 발생하는 것에 기인하는 것으로 알려져 있다. 그러한 공기 역학적 부하의 변화는 주기적 힘, 기계적 응력 및 그에 관련된 피로를 발생시키는 것임을 잘 알 수 있다.

본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 에너지의 더 큰 회수율을 가능하게 하는, 보다 가볍고, 보다 경제적인 풍력 터빈 구조를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 견지는 나셀의 여러 가지 지지대 아암의 형태인 수단을 포함하고, 그 상부는 나셀과 연결되며, 그리고 그 하부는 유동체 형태의 수단에 연결되며, 또한 선택적으로 밸러스트, 부가 질량과 댐핑 시스템을 형성하는 수단에 연결되는 유동식 풍력 터빈 구조를 제공하는 것이다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 상기 나셀은 한편으로는, 바람에 의해서 이동되는 회전자의 블레이드(들)에 의해서 생성된 토크가, 일반적으로 자연적인 전기 또는 유압 에너지의 흐름으로 변화되도록 하고, 다른 한편으로는, 상기 회전자와 블레이드(들)을 제 위치에 유지될 수 있도록 허용하는 수단이다. 상기 구조는 바람의 방향에 관련하여 나셀의 적어도 상류 측에, 하나의 나셀의 지지 아암을 포함한다. 상기 구조는 바람의 방향에 관련하여 나셀의 적어도 하류 측에, 하나의 나셀의 지지 아암을 포함한다. 따라서, 상기 구조는 회전자의 이론적인 축을 중심으로 자유롭게 회전하는 하나 이상의 블레이드들로 형성된, 수평 또는 거의 수평의 스핀들을 갖는 풍력 터빈 회전자를 허용한다. 다르게 설명하면, 상기 구조는 상류 및 하류 아암들의 상부 단부들이, 회전자와 그 블레이드(들)의 회전을 방해하지 않고, 예를 들면 용접 또는 볼트에 의해서 견고하게 연결될 수 있도록 허용한다. 이러한 링크는 적어도 하나의 견고하게 연결된 연결 부재를 통해서, 또는 직접적으로 서로에 대해 아암의 상단부들을 고정함으로써 달성될 수 있다. 따라서, 상기 아암들 사이에는, 그 상부 단부에서 구조적 연속성이 있고, 상기 아암들과, 만일 존재하는 경우, 상기 적어도 하나의 연결 부재 사이에는 아무런 상대적인 움직임이 없다.

따라서, 이러한 구조의 자연적인 공진 주파수는 고정된 단일 기둥을 갖는 유동식 풍력 터빈 구조의 것보다 상당히 더 높아서, 이러한 풍력 터빈에서 발생하는 진동 문제가 상당히 감소된다. 실제적으로, 철제 기둥들을 갖는 이러한 풍력 터빈들의 자연 공진 주파수는, 상기 블레이드들의 회전에 의해서 야기된 여기 주파수의 범위 내이며, 이는 예를 들면, 상기 기둥의 직경이 상기 구조물의 고유 주파수를 상쇄시키기 위하여 커질 것을 필요로 하고, 따라서, 구조물의 비용이 증가한다.

상기 회전자는 종래 기술로부터 알려진 풍력 터빈과 같이, 상기 수직축을 중심으로 더 이상 완전하게 피벗할 수 없음을 잘 알 수 있다. 상기 각각의 아암들과, 상기 블레이드(들) 사이의 최소 거리는, 상기 아암들에 인접하여 블레이드의 통과 도중에 하나의 수직 기둥에 대하여 상당히 증가되고, 수직에 대한 상기 지지 아암들의 경사가 큰 경우에는, 더욱더 커진다는 것을 잘 알 수 있다. 블레이드 부분 및 지지 아암 사이의 최소 거리는, 상기 회전자의 회전 축에 대한 거리가 증가하는 경우에 더욱 커진다는 것을 잘 알 수 있으며, 이것은 바람의 에너지를 포획하는 주요 원인, 즉 에너지 생산의 주요 발생원인 상기 블레이드 부분들이 상기 회전자의 회전 축으로부터 가장 멀리 떨어지면 유리하다. 따라서, 상기 아암들의 경사는 풍력 터빈의 에너지의 회수율을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 수직에 대한 상기 아암의 경사는, 5 내지 55도, 또는 보다 바람직하게는 10 내지 45도 사이이다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 블레이드들을 지탱하는 회전자의 스핀들은 중공형 스핀들로서, 상기 나셀과 상기 지지 아암들의 상단부는 상기 중공형 스핀들 내에서 함께 연결될 수 있다. 상기 중공형 스핀들의 내경은, 상기 회전자 및 블레이드(들)의 외경, 즉 최대 크기의 블레이드의 단부에 의해서 형성된 직경에 대하여 상대적으로 클 수 있다. 이러한 두 가지 직경 사이의 비율은, 2 내지 50% 사이에 있을 수 있다. 따라서, 상기 블레이드(들)의 자유 길이는 공기 역학적 토크를 크게 저하시키지 않고서도 상기 블레이드(들)을 포함하는 회전자의 동일한 외경으로 축소될 수 있을 것이며, 그 이유는 상기 회전자의 중심에 가까운 블레이드 부분들은 토크를 발생시키지 않거나, 또는 단지 매우 작은 토크를 생성하기 때문이다. 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 상기 회전자와 그 블레이드(들)에 의해서 생성된 토크의 대부분은 상기 회전자의 회전축으로부터 가장 멀리 위치된 절반의 블레이드로부터 온다. 따라서, 상기 블레이드(들)의 길이를 상기 회전자-블레이드 조립체의 동일한 총 외경으로 줄이는 것은, 보다 짧은 블레이드들의 자유 길이를 발생시키고, 따라서 상기 블레이드들의 루트(root) 부분에서 기계적 응력을 저하시키며, 이는 블레이드들의 비용을 감소시킨다.

한편, 상기 중공형 스핀들의 직경을 증가시킴으로써, 상기 아암들을 그 상단부에서 연결시키는 데에 사용 가능한 공간은 증대되며, 특히 바람의 방향에서 상기 블레이드들 상에 가해지는 바람의 추력의 결과인, 기계적인 힘이 크게 분산 및 확산되도록 한다. 따라서, 상기 구조 내의 기계적 응력은 이렇게 구성함으로써 감소된다. 따라서, 상기 구조는 구현하기 쉽다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 지지 아암들은 상기 회전자의 블레이드들 상의 공기 역학적 교란을 감소시키고, 바람 표면을 줄이도록 가능한 한 유선형으로, 또는 그 윤곽이 정해진다. 상기 윤곽은 NACA 프로파일 형상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 항력 계수(Cd)는 0.5 미만, 또는 심지어는 0.2 미만이어야 한다. 이러한 유형의 프로파일은, 종래 기술에서 잘 알려진 풍력 발전기에는 적합하지 않으며, 그 이유는 상기 나셀이 선회할 수 있는 고정식 기둥없이 바람에 마주하기 때문이다. 이러한 종래 기술의 풍력 터빈에서, 프로파일이 형성된 단면을 갖는 기둥은 단지 하나의 바람 방향에 대한 공기 역학적 저항의 측면에서 유리할 것이다. 상기 바람이, 더 이상 상기 기둥의 프로파일이 형성된 단면의 코드(chord)와 정렬되지 않는 즉시, 공기 역학적 교란이 원형의 단면보다 커지는 것이다. 이러한 이유에서, 종래 기술의 풍력 터빈의 기둥들은, 대부분의 경우에 원형으로 형성되어 그 회수율은 바람의 방향과는 관계없이 동일하게 되는 이유이다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 나셀의 지지 아암들은 고정 아암들에 의해서 선택적으로 함께 연결될 수 있으며, 이것들은 베어링 구조체의 하부에서 선택적으로 수평으로 배치될 수 있다. 따라서, 상기 나셀의 지지 아암들은, 한편으로는 상기 나셀의 상단부에서, 그리고 다른 한편으로는 하부에서, 고정 아암들에 의해서 수면의 위 및/또는 아래에 견고하게 함께 연결된다. 이러한 장치는 구조가 더욱더 견고해 지도록 할 수 있다.

다른 실시 예에 따르면, 바람의 방향에 대한 풍력 터빈의 상대적인 배향은 하나 이상의 수단에 의해서 달성된다. 제1 수단은 그 계류 지점(들)에 대한 풍력 터빈의 자체적인-배향으로 구성되어 있다. 이를 위해서, 앵커 라인들의 계류 지점(들)은 바람에 대한 항해력(sail force)의 중심 위치의 상류 측에 배치된다. 이는 앵커 라인이 바다나 호수의 바닥에서 유동식 풍력 터빈을 연결하는 수단이고, 항해력의 중심은 블레이드(들) 상에 바람에 의해서 가해진 수평력의 중심(barycentre)이며, 상기 유동식 풍력 터빈의 돌출 부분들은 바람의 작용을 받는다는 것을 잘 수 있다. 따라서, 상기 풍력 터빈은 자동적으로 그 자체가 바람을 향하도록 배향되며, 이것은 바셀이 앵커에서 이루어지는 것과 동일한 방식이다. 제2 수단은 배향가능한 나셀에 의해서 형성되며, 이는 상기 블레이드들의 회전축에 직교하는 수직축 및/또는 수평축을 중심으로 상기 나셀의 지지 아암들의 선단에서 피벗한다. 비록 상기 지지 아암들의 존재에 의해서 제한되지만, 상기 수직 축의 주위에서 나셀의 회전 운동은, 풍력 터빈의 배향이 조절될 수 있도록 하여, 예를 들면, 공기 역학적 웨이크(wake)를 편향시키거나, 또는 스웰(swell)의 영향을 상쇄시키게 되며, 그것의 배향은 바람의 방향과는 다르게 될 것이다. 이것은 풍력 터빈의 공기 역학적 회수율이, 어떤 바람 및 스웰의 배향에 대해서도 보장될 수 있도록 한다. 당업자에 의해서 알려진 바와 같이, 풍력 터빈의 웨이크(wake)는 상기 풍력 터빈에 대한 바람의 하류 지역에 의해서 특징 지워지며, 여기서는 흐름의 평균 속도가 상기 풍력 터빈의 상류보다 낮고, 난류는 상기 풍력 터빈의 상류보다 높다. 상기 나셀을 회전시키는 상기 수단은, 상기 웨이크가 편향될 수 있도록 허용하고, 따라서 상기 웨이크 영역이 이동되는 것을 허용하여, 상기 웨이크 영역이 하류에 배치되는 유동식 또는 고정식 풍력 터빈의 공기 역학적 회수율을 교란하지 않는다. 당업자에 의해서 알려진 바와 같이, 풍력 터빈들은 때때로 풍력 발전소에서 함께 그룹화된다. 본 발명은 선택적으로 요동식(swinging) 나셀을 사용할 수 있으며, 이것은 상기 풍력 터빈의 나셀이 상기 회전자의 축에 대해 수평이고, 직교하는 축을 갖는 피벗 링크에 의해서 베어링 구조체에 연결되는 것으로 특징지워진다. 이것은 상기 회전자와 그 블레이드(들)의 배향이 조정되는 것을 허용하여, 그 블레이드들이 제공된 상기 회전자는, 상기 유동식 풍력 터빈의 경사와는 관계없이, 바람 벡터(vector)에 대해 수직이고, 바람의 추력을 받으며, 상기 스웰에 의해서 야기된 힘을 받는다. 이것은 또한, 상기 풍력 터빈의 웨이크가 편향되도록 허용하여, 하류에 배치된 풍력 터빈의 작동을 가능한 한 교란하지 않는다. 본 발명은 선택적으로, 원추형 회전자 또는 가변적인 답면(conicity)을 갖는 회전자를 사용할 수 있으며, 즉 상기 회전자의 블레이드들은 상기 회전자의 회전축에 대해 지향되거나, 또는 지향될 수 있어서, 상기 블레이드들은 디스크 형태 보다는 원추형 표면을 휩쓰는(sweep) 구조일 수 있다. 특허청구된 풍력 터빈의 구조는, 나셀 및 기둥 사이의 거리에 의해서 제한되는 종래의 구조보다는 이러한 유형의 원추형 회전자에 보다 잘 적응된다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 풍력 터빈 구조는 적어도 두 개의 동심 부로 형성된 릴의 외측부에 위치된 하나 또는 여러 개의 앵커 라인들의 하나 또는 여러개의 계류 지점들을 포함하고, 상기 두 개의 부분은 운동학적으로 하나의 수직 회전축을 갖는 적어도 하나의 피벗을 형성하며, 상기 릴의 내부는 상기 풍력 터빈의 유동식 구조물에 고정 부착되고, 상기 두 개의 부분들 사이에서 수직 회전축을 따라 그 중앙에서 오목하게 형성되어 있다.

상기 풍력 터빈 구조는 엠브리칼(umbilical)을 포함하며, 즉 상기 풍력 터빈의 구조에 고정 부착된 릴의 오목부를 통해서 통과하는, 전력 전송 케이블 및 데이터 전송 및 제어 케이블을 포함하는 요소를 포함한다. 따라서, 상기 엠브리칼은 바닥의 바닥에 대한 상기 풍력 터빈의 배향과는 무관하게, 앵커 라인과는 접촉하지 않는다.

즉, 다르게 설명하면, 상기 유동식 풍력 터빈 구조는 적어도 하나의 계류 지점에서 계류되도록 배열되고, 그리고:

- 수직 회전축을 갖는 적어도 하나의 피벗을 형성하도록 배치되어 상기 계류 지점에 대한 상기 풍력 터빈 구조의 피벗팅을 허용하는 관통형 오목 릴,

- 엠브리칼을 포함하고,

상기 엠브리칼이 상기 릴의 오목부 내로 통과하는 것을 특징으로 한다.

유동식 풍력 터빈을 구성하는 본 발명의 마지막 견지는,

- 유동식 지지대,

- 바람의 방향에 실질적으로 직교하는 평면 내에서, 바람의 영향하에 회전하도록 배치된 적어도 하나의 블레이드를 구비한 회전자, 여기서 상기 평면은 역풍(upwind) 풍력 터빈 영역과 순풍(downwind) 풍력 터빈 영역을 형성하고,

- 바람의 회전을 에너지 흐름으로 변환하도록 배치된 나셀,

- 상기 회전자를 지지하도록 배치된 프레임을 포함하고, 상기 프레임은 적어도 하나의 제1 아암 및 적어도 하나의 제2 아암을 포함하며, 이것들은 상기 유동체에 대하여 고정되고, 그리고 견고한 방식으로 서로 연결되어 있으며,

상기 적어도 하나의 제1 아암은 역풍 풍력 터빈 영역 내에 위치되고, 상기 적어도 하나의 제2 아암은 순풍 풍력 터빈 내에 위치되어 상기 역풍 및 순풍 풍력 터빈 영역 사이에서 구조적 연속성을 보장하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 주요 장점은 다음과 같다:

- 블레이드 - 아암 거리의 증가, 따라서 상기 블레이드(들) 상의 주기적인 힘과 기계적 피로 감소,

- 나셀의 통상적인 지지 기둥에 의해서 생성되는 공기 역학적 교란의 감소, 따라서 블레이드(들) 상의 주기적인 힘과 기계적 피로 감소, 상기 감소는 한편으로는, 하나의 기둥의 큰 직경에 비교하여 상기 지지 아암들의 작은 직경에 기인하고, 다른 한편으로는 상기 지지 아암들의 공기 역학적 형상에 기인하며, 상기 풍력 터빈의 전체 구조가 바람에 마주하는 것에 의해서 이루어질 수 있는 형상은, 단지 나셀만이 바람을 마주하고, 고정식 기둥이 바람의 모든 가능한 방향에 대하여 설계된 풍력 터빈을 위한 경우는 아니며,

- 유동식 풍력 터빈 구조에서 응력의 집중 저하, 이것은 한편으로는 상기 나셀의 지지 아암들과 그 위치의 증가에 의해서 가능하고, 다른 한편으로는, 상기 지지 아암들 및 상기 나셀의 상부 연결부에서 힘들을 분산시키고, 확산시키는데 사용될 수 있는 상기 회전자의 중공형 스핀들 내의 큰 가능한 공간에 의해서, 뿐만 아니라 상기 아암들의 서로에 대한 견고한 연결에 의해서 가능할 수 있으며,

- 종래 기술에서 잘 알려진 구조들에 비하여, 상기 구조의 고유 주파수의 증가, 이것은 상기 구조가 상기 고유 주파수를 상쇄시키기 위하여 과도하게 커지지 않도록 하며, 따라서 상기 구조가 회전자에 의해서 유발된 여기(excitation)와 함께 공명하지 않는 것을 보장하고,

- 상기 회전자-블레이드(들) 조립체의 동일한 총 외경으로 상기 블레이드(들)의 길이 축소, 이는 상기 블레이드들의 보다 짧은 자유 길이를 초래하고, 따라서 상기 블레이드의 루트부에서 보다 약한 기계적 응력을 초래하는 것을 포함한다.

본 발명은 단지 예로서 주어진 이하의 예들에 의해서 보다 잘 이해될 수 있을 것이다. 첨부된 도면은 본 발명을 예시한다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 3 차원으로 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 장치의 측면 프로파일을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치를 3 차원으로 개략적으로 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 2 개의 블레이드들은, 도면 중의 하나에 일반적인 부호(1)로 도시되어 있고, 도면에서 부호(2)로 표시된 회전자에 연결되어 있다. 상기 회전자는, 특히 전기 발전기의 회전자와, 상기 블레이드들을 조정하기 위해 필요한 구성 요소들을 포함하며, 도면에서 부호(3)으로 표시된 나셀에 피벗 가능하게 연결되어 있다. 도면상에서 그 중 하나가 부호(1)로 표시된 블레이드들과, 도면에서 부호(2)로 표시된 회전자로 이루어진 조립체는 프로펠라라고 한다. 상기 전기 발전기는 유압 펌프 시스템, 열 발생 장치 또는 에너지의 흐름을 허용하는 임의의 다른 시스템들에 의해서 대체될 수 있다. 설명의 편의를 위해서, 도면상에서 부호(4)로 표시된, 바람 상류의 나셀 지지 아암은, 부호(3)으로 표시된 나셀의 정중앙에 직접 연결되어 있다. 실제로, 상기 나셀은 그 중앙이 오목하게 형성되고, 예를 들면 3개의 아암(4),(4'),(4")들에 연결되며, 부호(4)로 표시된 상기 나셀 지지 아암은 도면상의 바람의 상류측에서, 도면에는 도시되지 않은 금속 관형 프레임 워크에 연결되어 있다. 아암(4),(4') 및 (4'), 및 이들을 연결하는 금속 프레임 워크로 이루어진 조립체는, 또한 프레임이라 한다. 상기 구조를 조립하기 위해서, 상기 나셀 및 블레이드들은 먼저 지상에서 조립되며, 그 다음 상기 조립체가 상기 나셀의 지지 아암들의 상부에 올려지며, 상기 지지 아암들에 나셀을 고정하게 된다. 상기 블레이드들은 바람에 평행한 수평축을 중심으로 그 회전시에, 상기 3개의 아암들에 의해서 경계가 정해진 사면체 기하학적 형상 내로 통과할 것임을 잘 알 수 있다. 상기 나셀 지지 아암들은 본 예에서 수평의 평편한 고정 아암들에 연결되어 있으며, 상기 고정 아암들 중의 하나는 도면상에서 부호(5)로 표시되어 있다. 상기 아암 조립체는 3 개의 수직 원통형 유동체에 연결되고, 상기 유동체 중의 하나는 도면상에서 부호(6)으로 표시되어 있다. 도면상에서 부호(7)로 표시된 릴의 외측 부분은, 상기 풍력 터빈 구조에 피벗 가능하게 연결되어 있다. 본 예에서, 3개의 쇠사슬-형 앵커 라인들이 상기 외측 부분에 계류되며, 상기 앵커 라인들 중 하나가 도면상에서 부호(8)로 표시되어 있다. 도면상에서 부호(9)로 표시된 엠브리칼은, 도면상에서 부호(7)로 표시된 상기 릴의 외측 부분의 수직 회전축을 따라서 통과한다. 도면상에서 부호(10)으로 표시된 상기 릴의 내측 부분은, 상기 풍력 터빈 구조에 고정적으로 부착되고, 상기 수직축을 따라 그 중앙이 오목하게 형성되어 상기 엠브리칼의 통과를 위한 공간을 남겨둔다.

도 2에 도시된 바와 같이, 부호(A)는 바람의 방향을 나타낸다. 도면상에서 부호(1),(1')로 부여된 적어도 하나의 블레이드와, 도면상에서 부호(2)로 부여된 상기 회전자로 이루어진 프로펠러는, 그 회전시에 대략적으로 평면의, 선택적으로 원추형 표면을 휩쓸게 된다. 이 표면은 두 영역으로 상기 공간을 분리한다. 제1 풍력 터빈 역풍 영역, 이는 또한 바람의 상류 영역이라고도 불리우며, 여기서는 도면상에서 부호(4)의 아암이 위치되어 있다. 풍력 터빈 순풍 영역, 이는 또한 바람의 하류 영역이라고도 불리우며, 여기서는 도면상에서 부호(4')의 아암이 위치되어 있다. 상기 평면은, 기준, 축 및 방향(A)에 의해서 표시된 바람 벡터에 대해, 일반적으로, ±20도의 직교로 형성된다. 따라서, 상기 평면은 바람 방향에 실질적으로 수직이다. 상기 나셀 및 프로펠러로 이루어진 장치는, 잭(jacks) 또는 치차형 크라운 및 피니언의 조립체와 같은 수단으로서, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이 방향을 조정할 수 있는 수단을 가질 수 있다. 도면상에서 부호(4) 및 (4')로 표시된 아암들은, 그 상단부에 의해서 견고하게 연결된다. 따라서, 도면상에서 부호(6)로 표시된 유동체, 도면상에서 부호(5)로 표시된 부교, 그리고 도면상에서 부호(4) 및 (4')로 표시된 아암들에 의해서 형성된 전체 구조에는 구조적인 연속성이 있으며, 이는 상기 구조를 보다 견고하게 할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도면상에서 부호(1) 및 (1')로 표시된 블레이드들은, 도면상에서 부호(2)로 표시된 회전자를 구동한다. 상기 회전자는 도면상에서 부호(3)으로 표시된 나셀들에 적어도 하나의 롤러 베어링, 바람직하게는 롤러 베어링 세트에 의해서 연결되어, 상기 나셀에 대한 상기 회전자의 피벗 연결된 동역학적 안내 작동을 보장한다. 발전기의 전기 회전자 기능을 갖는 상기 회전자의 일부분은, 선택적으로 하나 또는 두 개의 롤러 베어링을 사용하여 안내될 수 있으며, 이는 어떠한 항해 추력도 차지하지 않지만, 상기 발전기의 회전자와 고정자 부분 사이에서 높은 수준의 정밀도와 작은 간극을 보장한다. 본 예에서, 상기 발전기는 기어 감속 장치없이 직접 결합하여 사용된다. 상기 발전기의 회전자는 영구 자석 또는 권선된 회전자를 사용하고, 발전기의 고정자 주위에 배치되며, 그 내부에 배치되지는 않는다. 따라서, 그것은 외부 발전기 회전자이다. 도면상에서 부호(3)으로 표시된 나셀은, 이 경우에는 피벗을 통하여 지지 아암(4),(4')(4")들에 연결된다. 도 3은 도면상에서 부호(4)로 표시된 상류 지지 아암과, 부호(4'),(4")로 표시된 하류 지지 아암 사이에서 구조적인 연속성을 명확하게 나타낸다. 이러한 구조적인 연속성은 보다 더 견고하고, 더 경량의 유동식 구조가 달성될 수 있도록 한다. 따라서, 상기 유동식 구조는 재료의 적은 량으로 인해 생산하는 비용이 보다 저렴하다. 또한, 그러한 구조의 자연 공진 주파수는 단일 고정 기둥을 갖는 유동식 풍력 터빈 구조의 것보다 실질적으로 더 높다. 따라서, 종래 기술에서 잘 알려진 풍력 터빈에서 발생하는 진동 문제는 상당히 감소된다. 실제적으로, 당업자에 의해서 잘 알려진 바와 같이, 강철 기둥을 갖는 종래의 공지된 풍력 터빈의 자연 공진 주파수는, 상기 블레이드들의 회전에 의해서 야기된 여기 주파수 범위 내에 있으며, 이는 예를 들면 상기 기둥의 직경이 증가되어서 상기 구조의 고유 주파수를 상쇄시켜야 하기 때문에, 그에 따라 비용이 증가되어야만 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도면상에서 부호(2)로 표시된 회전자, 부호(1) 및 (1')로 표시된 그 블레이드들은, 상기 나셀로부터 캔틸레버로 배치된 것이 아니다. 결과적으로, 종래에 알려진 풍력 터빈과는 다르게, 도면상에서 부호(3)으로 표시된 나셀은, 상기 회전자와 상기 블레이드들의 질량 결과로 인한 큰 굽힘 모멘트를 받지 않는다. 이러한 약한 힘은 상기 구조의 치수를 줄이고, 따라서 비용이 감소될 수 있도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도면상에서 부호(3)으로 표시된 나셀은, 상기 유동식 구조에 대하여 피벗 가능하여, 도면상에서 부호(1) 및 (1')로 표시된 블레이드들에 의해서 휩쓸리는 표면의 방향을 조정할 수 있다. 상기 유동식 구조물이 바다, 또는 바람의 작용에 의해서 조정될 때, 상기 휩쓸리는 표면은, 예를 들면 잭 시스템에 의해서, 완벽하게 바람을 향하도록 배향될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도면상에서 부호(2)로 표시된 회전자의 중공형 스핀들의 직경과, 도면상에서 부호(1),(1')로 표시된 상기 블레이드에 의해서 휩쓸리는 원형 표면의 직경 사이의 비율은, 대략 20% 정도이다. 따라서, 상기 회전자에 직접 연결된 발전기의, 예를 들면 영구 자석 또는 권선 회전자 동기식 발전기는, 종래 기술에서 잘 알려진 풍력 터빈에서 사용되는 발전기보다 훨씬 더 큰 직경을 갖는다. 당업자에 의해서 알려진 바와 같이, 이러한 큰 직경은, 예를 들면 발전기의 정격 토크 수준과 같은, 임의 사양의 수준을 얻기 위해서 필요한 활성 물질의 질량 감소를 허용한다. 이에 따라서 상기 발전기의 비용이 감소된다. 또한, 상기 나셀 내에서 사용 가능한 공간은, 주요 표면들이 발전기의 토크, 항해력, 중력과 관성에 기인하는 힘들을 차지하도록 할 수 있다. 설명의 편의를 위해서, 바람 상류측에 위치된, 도면상에서 부호(4)로 표시된 지지 아암의 상단부는, 상기 사용 가능한 공간의 어느 것도 사용하지 않는다. 당업자에 의해서 알려진 바와 같이, 힘이 분산될 때에는, 국소적인 기계적 응력은 보다 약해지는 것이 알려져 있다. 따라서, 피로에 대한 상기 구조의 저항은 개선되며, 이는 상기 구조의 질량과 비용이 축소되는 것을 허용한다. 이와 유사하게, 상기 블레이드의 루트부에서 굽힘 모멘트는 종래 기술에서 잘 알려진 풍력 발전기에 비해 감소되며, 그 이유는 상기 블레이드들의 자유 길이가 상기 큰 직경의 회전자로 인하여 감소되기 때문이다. 따라서, 피로에 대한 상기 블레이드들의 저항이 개선되며, 이는 상기 블레이드의 질량과 비용이 축소되는 것을 허용한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도면상에서 부호(4),(4')(4")로 표시된 지지 아암들은, 경사지고 그리고 공기 역학적 교란의 감소를 가능하게 하는 윤곽으로 형성되며, 비 - 원형 단면이 제공되어 있으며, 이는 블레이드들의 개선된 공기 역학적 작동에 유리하다. 당업자에 의해서 알려진 바와 같이, 종래 기술에서 잘 알려진 풍력 터빈의 기둥은 체계적으로 수직이며, 그리고 상기 블레이드들을 지탱하는 회전자의 축은 몇도 정도, 예를 들면 6° 경사지게 형성되어 단지 상기 기둥과 상기 블레이드들 사이에서, 상기 기둥의 앞에서 블레이드들이 통과하는 도중에 단지 충분한 거리만을 제공하도록 되어 있다. 도 3에서 부호(1),(1')로 표시된 블레이드들과, 상기 지지 아암들 사이의 거리는, 상기 회전자에 대한 거리가 증가할수록 커진다는 것을 잘 알 수 있으며, 이는 상기 블레이드들의 개선된 공기 역학적 작동을 위해서 바람직한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 도면상에서 부호(7)로 표시된 릴의 외부 부분은 볼 및 소켓 조인트를 통해서 풍력 터빈 구조에 연결된다.

상기 장치는 어떤 유형의 유동체와도 무관하게, 수평축을 갖는 유동식 풍력 터빈 구조에 특히 적합하다. 이 장치는 다음과 같은 유형의 유동체에 특히 적합하다: 유동식 바지선(barge), SPAR, 완충 물 탱크가 제공된 반 잠수식 또는 유동식 플랫폼 등이다.

Claims (6)

1. 유동식 풍력 터빈 구조에 있어서,
   - 나셀(3);
   - 상기 나셀을 둘러싸며, 블레이드(1)를 지탱하는 회전자(2)로서, 상기 회전자는 상기 회전자가 상기 나셀에 대해 회전하도록 상기 나셀에 연결되며, 상기 나셀은 상기 회전자의 회전축에 수직인 축을 중심으로 피벗 가능하고; 및
   - 상기 나셀(3)의 제 1 및 제 2 지지 아암들(4,4')로서, 상기 제 1 및 제 2 지지 아암들은 상부 및 하부 부분을 포함하고, 상기 상부 부분은 상기 나셀(3)에 연결되며, 상기 하부 부분은 유동체(6) 형태의 수단에 연결되고, 상기 제 1 지지 아암(4)은 바람 방향에 대해 상기 회전자(2)의 상류(upstream)에 위치되고, 상기 제 2 지지 아암(4')은 바람 방향에 대해 상기 회전자(2)의 하류(downstream)에 위치되는 제 1 및 제 2 지지 아암들(4,4');을 포함하고,
   상기 회전자(2)는 상기 나셀(3)을 중심으로 회전하도록 배치된 중공형 스핀들을 구비하는 것을 특징으로 하는 유동식 풍력 터빈 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지지 아암들(4,4')의 상기 상부 부분은 서로 견고하게 연결된 것을 특징으로 하는 유동식 풍력 터빈 구조.
3. 제1항에 있어서, 계류 지점을 포함하고, 상기 계류 지점은 바람 방향에 대한 항해력(sail force) 중심의 상류에 위치된 것을 특징으로 하는 유동식 풍력 터빈 구조.
4. 제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 지지 아암들(4,4')은 상기 블레이드(1) 상에서 공기 역학적 교란을 제한하도록, 비-원형 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동식 풍력 터빈 구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 회전자(2)의 중공형 스핀들은 회전 구멍을 갖고, 상기 구멍의 직경과, 상기 나셀(3) 중심으로 상기 회전자의 회전시 상기 블레이드(1)의 단부에 의해서 정의되는 최대 외경 사이의 비율은 2 내지 50% 사이인 것을 특징으로 하는 유동식 풍력 터빈 구조.
6. 제1항에 있어서, 계류 지점을 통해서 계류되도록 배열되고, 그리고:
   - 수직 회전축을 갖는 피벗을 형성하도록 배치되어, 상기 계류 지점에 대한 유동식 풍력 터빈 구조의 피벗팅을 가능하게 하는 관통형(through-going) 오목 릴; 및
   - 상기 관통형 오목 릴의 오목부 내로 통과하는 엠브리칼(9);을 포함하는 것을 특징으로 하는 유동식 풍력 터빈 구조.
   
   

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