KR102436264B1 - 풍력 발전 시스템 - Google Patents

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KR102436264B1 KR1020210054216A KR20210054216A KR102436264B1 KR 102436264 B1 KR102436264 B1 KR 102436264B1 KR 1020210054216 A KR1020210054216 A KR 1020210054216A KR 20210054216 A KR20210054216 A KR 20210054216A KR 102436264 B1 KR102436264 B1 KR 102436264B1
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Abstract

풍력 발전 시스템이 제공된다. 풍력 발전 시스템은, 수평 방향의 이동 경로를 제공하는 레일, 레일의 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하도록 구성된 복수의 이동체 - 복수의 이동체 각각은 복수의 이동체 상에 각각 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 복수의 이동체 각각의 이동을 위한 동력을 제공하는 블레이드를 구비 - , 복수의 이동체 각각에 구비된 블레이드의 상단에 체결되고, 블레이드에 의해 제공되는 동력을 기반으로 이동하는 결합체 및 결합체의 이동에 연동하여 회전함으로써 전력을 생성하는 발전기가 구비된 나셀 (nacelle) 을 포함한다.

Description

풍력 발전 시스템{A SYSTEM FOR WIND POWER GENERATION}
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수의 블레이드를 구비하는 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
풍력 발전기는 바람이 지니고 있는 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 장치이다. 불어오는 바람은 풍력 발전기의 날개를 회전시키게 된다. 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산할 수 있다. 구체적으로 풍력 발전기는 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성될 수 있다. 날개는 바람에 의해 회전되어 풍력 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이다. 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다.
이와 같은 풍력 발전은 기존의 화석 연료를 대체하기 위한 신재생 에너지로서 주목받고 있으나, 통상적인 구성의 날개 회전식 풍력 발전기에서는 보다 큰 전기 에너지를 얻기 위해 회전 날개의 대형화가 필수적인 반면, 회전 날개의 대형화는 주변에 소음을 발생시키는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제 10-2032550 호 ("풍력 발전 장치", 주식회사 더조은에너지)
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 레일이 제공하는 이동 경로를 따라 이동하는 복수의 블레이드 및/또는 이동체의 이동을 이용하여 발전기의 회전 축이 회전하도록 구성함으로써, 종래 대형 회전 날개의 회전에 따른 소음 발생 문제를 해결할 수 있는 풍력 발전 시스템을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 수평 방향의 이동 경로를 제공하는 레일; 상기 레일의 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하도록 구성된 복수의 이동체로서, 상기 복수의 이동체 각각은 상기 복수의 이동체에 각각 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 상기 복수의 이동체 각각의 이동을 위한 동력을 제공하는 블레이드를 구비하는, 복수의 이동체; 상기 복수의 이동체 각각에 구비된 블레이드의 상단에 체결되고, 상기 블레이드에 의해 제공되는 동력을 기반으로 이동하는 결합체; 및 상기 결합체의 이동에 연동하여 회전함으로써 전력을 생성하는 발전기가 구비된 나셀 (nacelle) 을 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 발전기는 발전기 중심 회전 축 및 상기 발전기 중심 회전 축에 결합된 원형 톱니 기어를 구비하고, 상기 결합체의 상기 발전기를 대향하는 면에는 복수 개의 톱니 산이 구비되며, 상기 결합체의 이동에 따라 상기 톱니 산이 상기 원형 톱니 기어와 맞물려 이동함에 따라 상기 발전기 중심 회전 축이 회전하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 풍력 발전 시스템은, 상기 결합체의 이동에 연동하여 회전하는 동력 전달 샤프트를 더 포함하고, 상기 동력 전달 샤프트에 구비된 회전 풀리와 상기 발전기의 발전기 중심 회전 축에 구비된 회전 풀리가 회전 벨트에 따라 회전 연동하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 레일은 루프를 형성하고, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 상기 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 상기 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 적응적으로 회전하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 블레이드들 각각의 회전은, 지면에 수직인 회전축을 기준으로 수행될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 레일은 루프를 형성하고, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성되어 복수의 에어 포켓을 구비하며, 상기 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 상기 복수의 에어 포켓 중 적어도 하나의 에어 포켓에 대한 공기 충전량을 제어함으로써 상기 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상으로 변형되도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 대한 정보는, 상기 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 위치 신호 수신 장치가, 상기 루프 내에 복수 개 구비되는 위치 식별 신호 발생 장치 중 적어도 하나로부터의 위치 식별 신호를 수신하는 것에 의해 획득될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 바람의 방향에 관한 정보는, 상기 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 풍향 센서로부터 획득될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 상기 목표 이동 방향이 바람의 방향과 일치한다는 결정에 응답하여, 풍하 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성되고, 상기 목표 이동 방향이 바람의 방향과 반대라는 결정에 응답하여, 풍상 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 높이 방향으로 구분된 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드를 구비하고, 상기 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드는 서로 독립적으로 회전 가능하도록 구성되며, 상기 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드가 각각 배치된 높이에서의 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로 각각 상기 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 적응적으로 회전하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 레일이 형성하는 루프는, 제 1 방향의 이동 경로를 제공하는 제 1 부분; 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향의 이동 경로를 제공하는 제 2 부분; 상기 제 1 부분으로부터 상기 제 2 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 1 조인트 부분; 및 상기 제 2 부분으로부터 상기 제 1 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 2 조인트 부분을 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 풍력 발전 시스템은, 상기 루프의 내부에 형성되어 상기 루프보다 더 짧은 이동 경로를 제공하는 내부 루프를 더 포함하고, 상기 발전기는, 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성되며, 풍속에 관한 정보를 기반으로, 상기 목표 회전 속도에 더 가까운 회전 속도를 달성하도록 상기 루프 및 상기 내부 루프 중 어느 하나의 결합체의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 풍속에 관한 정보는, 풍속 센서로부터 획득될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 결합체와 상기 복수의 블레이드들 각각은, 상기 복수의 블레이드들 간의 간격의 조정하기 위해 이동 가능하도록 체결될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 레일은 직선 구간 및 곡선 구간을 포함하고, 상기 복수의 블레이드들은, 상기 직선 구간에 위치할 때보다 상기 곡선 구간에 위치할 때 더 좁은 간격으로 배치될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 풍력 발전 시스템은, 상기 복수의 블레이드들이 격납되는 격납고; 상기 레일에 포함되는 분기점; 및 상기 분기점으로부터 상기 격납고 까지의 이동 경로를 제공하는 격납 레일을 더 포함하고, 상기 복수의 블레이드들은 상기 분기점 및 격납 레일을 경유하여 상기 격납고에 격납되도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 풍력 발전 시스템은, 상기 레일이 관통하도록 구성된 격납고를 더 포함하고, 상기 복수의 블레이드들은 상기 레일을 따라 이동하여 상기 격납고에 격납되도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 블레이드들 각각은, 상기 결합체에 대한 설치 위치 변경을 통해 상기 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 인접하는 블레이드와 결합되도록 하는 체결 수단을 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 복수의 블레이드들은, 상기 이동체에 대한 설치 위치 변경을 통해 상기 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 가장 좌측에 위치하는 제 1 블레이드와 가장 우측에 위치하는 제 2 블레이드를 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 제 1 블레이드 및 상기 제 2 블레이드는 각각 체결 수단을 구비하며, 상기 제 1 블레이드의 체결 수단 및 상기 제 2 블레이드의 체결 수단이 상호 체결되는 것에 의해 상기 복수의 블레이드들이 결합되도록 구성될 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 블레이드는, 90 m 의 수평 길이를 가지고, 120 m 의 수직 높이를 가질 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 발전기는, 상기 이동체 각각의 이동 속도가 1.9 m/s 에 가까워지도록 상기 루프 및 상기 내부 루프 중 어느 하나의 결합체의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 따르면, 레일이 제공하는 이동 경로를 따라 이동하는 복수의 블레이드 및/또는 이동체의 이동을 이용하여 발전기의 회전 축이 회전하도록 구성함으로써, 종래 대형 회전 날개의 회전에 따른 소음 발생 문제를 해결할 수 있다.
또한, 대량의 전력을 생산할 수 있는 윈드팜 (Wind Farm) 을 구성함에 있어서 종래의 날개 회전 방식의 풍력 발전기에 비해 공간 효율성을 증대시킬 수 있고, 건설 비용 역시 감축시킬 수 있다.
또한, 바람의 방향에 적응적으로 블레이드가 회전 가능하도록 구성하는 것에 의해, 기상 조건의 변화에 구애받지 않고 높은 효율로 전력을 생산할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 개념도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프형 풍력 발전 시스템의 사시도이다.
도 3 은 제 1 측면에 따른 블레이드 및/또는 이동체와 발전기 중심 축 간의 동력 전달 구조를 나타낸다.
도 4 는 제 2 측면에 따른 블레이드 및/또는 이동체와 발전기 중심 축 간의 동력 전달 구조를 나타낸다.
도 5 는 베르누이의 정리에 대한 개념도이다.
도 6 은 바람과 범주 형태에 따른 세일링 요트의 속력을 나타낸다.
도 7 은 일 측면에 따른 블레이드 지지대의 단면도이다.
도 8 은 일 측면에 따른 고도 분리형 블레이드의 예시도이다.
도 9 는 일 측면에 따른 레일, 이동체 및 블레이드의 결합 관계도이다.
도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이다.
도 11 은 블레이드 간격 조절이 가능한 풍력 발전 시스템의 상면도이다.
도 12 는 발전기 중심 축의 배치에 대한 예시도이다.
도 13 은 기어 변환이 가능한 풍력 발전 시스템의 예시도이다.
도 14 는 분리 건설되는 격납고에 대한 예시도이다.
도 15 는 레일 상에 건설되는 격납고에 대한 예시도이다.
도 16 은 블레이드 간 체결 형태에 대한 예시도이다.
도 17 은 지면 방향으로 폴딩 가능한 블레이드의 예시도이다.
도 18 은 동심을 가지는 복수 레일 배치 형태에 대한 예시도이다.
도 19 는 적층형 복수 레일 배치 형태에 대한 예시도이다.
도 20 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 개념도이다.
도 21 은 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 개념도이다.
도 22 는 도 21 의 실시 형태에서 이동체와 발전기 중심 축 간의 동력 전달 구조를 나타낸다.
도 23 은 기존 풍력 발전기와 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 출력에 대한 비교 결과를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 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.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 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. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
전술한 바와 같이, 풍력 발전은 기존의 화석 연료를 대체하기 위한 신재생 에너지로서 주목받고 있으나, 통상적인 구성의 날개 회전식 풍력 발전기에서는 보다 큰 전기 에너지를 얻기 위해 회전 날개의 대형화가 필수적인 반면, 회전 날개의 대형화는 주변에 소음을 발생시키는 문제점이 있다. 회전 소음에 따른 피해를 최소화 하기 위해, 풍력 발전기의 설치 위치를 해상으로 변경하는 시도가 이루어지기도 했으나, 해상 설치의 경우 건설 비용의 증대로 풍력 발전의 장점인 경제성을 오히려 악화시키는 문제점이 있으며, 환경적인 측면에서도 큰 문제를 발생시킬 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 레일이 제공하는 이동 경로를 따라 이동하는 복수의 블레이드 및/또는 이동체의 이동을 이용하여 발전기의 회전 축이 회전하도록 구성함으로써, 종래 대형 회전 날개의 회전에 따른 소음 발생 문제를 해결할 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
<제 1 실시 형태>
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 개념도이이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 루프형 풍력 발전 시스템의 사시도이다. 도 1 또는 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템 (100) 은 레일 (10), 이동체 (20), 복수의 블레이드 (30) 및 발전기가 구비된 나셀 (nacelle) (40) 을 포함할 수 있다.
레일 (10) 은 이동체 (20) 및/또는 복수의 블레이드 (30) 가 슬라이딩되어 이동할 수 있는 이동 경로를 제공할 수 있다. 도 1 을 통해 도시된 실시예에서 레일 (10) 은 이동체 (20) 의 측면에서 이동 경로를 제공하는 것으로 예시되어 있으나, 레일 (10) 은 이동체 (20) 및/또는 복수의 블레이드 (30) 가 슬라이딩되어 이동할 수 있는 이동 경로를 제공할 수 있는 다양한 설계 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 기차 레일이나 모노 레일과 같은 형태가 채용될 수도 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레일 (10) 은 지면에 설치되거나 지지대를 통해 설치되어 이동체 (20) 및/또는 복수의 블레이드 (30) 들의 수평 방향의 이동 경로를 제공하도록 구성될 수 있다.
이동체 (20) 는 레일 (10) 이 제공하는 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하도록 구성될 수 있고, 복수의 블레이드 (30) 들은 이동체에 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 이동체 (20) 의 이동을 위한 동력을 제공할 수 있다. 즉, 바람이 불면, 바람이 제공하는 에너지가 블레이드 (30) 들에 작용하고 블레이드 (30) 들 및 상기 블레이드들이 연결된 이동체 (20) 가 이동하도록 구성된다. 도 1 에 도시된 실시예에서는 이동체 (20) 가 레일 (10) 접촉하고 이동체 (20) 상에 복수의 블레이드 (30) 가 설치되는 것으로 예시되어 있으나, 레일 (10), 이동체 (20) 및 블레이드 (30) 의 설치 형태 및 구조는 다양한 변형이 채용될 수 있다. 예를 들어, 일 측면에서 블레이드 (30) 들 각각이 레일 (10) 상에서 슬라이드 이동 가능하도록 구성되고, 이동체 (20) 는 복수의 블레이드 (30) 를 연결하는 구성으로서 기능할 수도 있다. 일 측면에서 이동체 (20) 는 도 1 에 도시된 바와 같이 일체 형태일 수도 있고, 다른 측면에서 복수의 분절 구조를 가지는 체인 형태일 수도 있다. 또한, 실시 형태에 따라 이동체 (20) 는 가요성을 가지는 재질로서 구성될 수도 있다.
다시 도 1 을 참조하면, 이동체 (20) 및/또는 블레이드 (30) 와 인접하여, 발전기가 구비된 나셀 (40) 이 배치될 수 있다. 일 측면에 따라, 발전기는 발전기 중심 회전 축에 결합된 발전기 중심 축 기어 (45) 의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전기일 수 있으며, 상기 발전기의 중심 회전 축은 이동체 (20) 및 블레이드 (30) 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다. 도 1 에는 이동체 (20) 의 이동에 연동하여 발전기 중심 회전 축이 회전하는 구성이 예시되어 있다.
관련하여, 도 3 은 제 1 측면에 따른 블레이드 및/또는 이동체와 발전기 중심 회전 축 간의 동력 전달 구조를 나타내고, 도 4 는 제 2 측면에 따른 블레이드 및/또는 이동체와 발전기 중심 회전 축 간의 동력 전달 구조를 나타낸다.
도 3 에 도시된 바와 같이, 발전기는 발전기 중심 회전 축 (45c) 및 발전기 중심 회전 축 (45c) 에 결합된 원형 톱니 기어 (45) 를 구비하고, 이동체 (20) 및 블레이드 (30) 중 적어도 하나의 발전기를 대향하는 면에는 복수 개의 톱니 산 (20a) 이 구비되며, 이동체 (20) 및 블레이드 (30) 중 적어도 하나의 이동에 따라 톱니 산 (20a) 이 원형 톱니 기어 (45) 의 톱니 산 (45a) 와 맞물려 이동함에 따라 발전기 중심 회전 축 (45c) 이 회전하도록 구성될 수 있다. 도 3 에는 이동체 (20) 에 톱니 산 (20a) 이 구비되는 것으로 예시적으로 도시되었으나, 블레이드 (30) 의 발전기를 대향하는 면에 톱니 산 (20a) 이 구비될 수도 있다.
또는, 도 4 에 도시된 바와 같이, 예를 들어 블레이드 (30) 의 발전기를 대향하는 측면으로 블레이드 동력 전달 막대 (30a) 가 구비될 수 있고, 블레이드 동력 전달 막대 (30a) 가 이동하면서 발전기 중심 축 기어 (45) 에 형성된 기어 톱니 산 (45a) 에 작용하는 것에 의해 발전기 중심 회전 축 (45c) 이 회전하도록 구성될 수도 있다. 도 4 에 도시된 바와 달리, 이동체 (20) 의 발전기를 대향하는 측면으로 소정 간격을 가지고 동력 전달 막대가 구비되어 중심 회전 축 (45c) 의 회전을 유발하도록 구성될 수도 있다.
도 12 는 발전기 중심 축의 배치에 대한 예시도이다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 발전기 중심 축은 레일과의 관계에서 다양한 실시 형태를 가질 수 있다. 일 측면에 따르면, 도 2 또는 도 12 에 도시된 바와 같이 레일 (10) 및 이동체 (20) 가 루프를 형성하는 실시 형태에서, 발전기 중심 회전 축 (1210, 1220) 은 루프의 외부에 위치할 수도 있고, 루프의 내부에 위치할 수도 있다. 또한 발전기 중심 회전 축 (1210, 1220) 의 회전은 이동체 및/또는 블레이드의 이동에 직접 연동될 수도 있고, 발전기 중심 회전 축 (1230) 과 같이 매개 수단을 구비하여 회전 연동하도록 구성될 수도 있다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 이동체 (20) 및 블레이드 (30) 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전하는 동력 전달 샤프트 (1231) 를 더 포함하고, 동력 전달 샤프트 (1231) 에 구비된 회전 풀리와 발전기의 발전기 중심 회전 축 (1230) 에 구비된 회전 풀리가 회전 벨트 (1233) 에 따라 회전 연동하도록 구성될 수도 있다. 회전 벨트 (1233) 는 예를 들어 컨베이터 벨트 또는 체인 형태로서 구성될 수도 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 레일 (10) 은 루프를 형성하도록 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 레일 (10) 은 복수의 상부 프레임 지지대 (13) 에 의해 지지되는 상부 프레임 (11) 을 더 포함할 수 있고, 상부 프레임 (11) 은 블레이드 (30) 의 상부를 이동 가능하게 유지하여 블레이드 (30) 들의 기립 안정성을 향상시키도록 구성될 수 있다.
레일 (10) 이 루프로 형성되는 것에 의해, 복수의 블레이드들 및/또는 이동체의 이동 경로는 순환되는 구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수의 블레이드 (30) 들 각각은, 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드 (30) 들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 적응적으로 회전하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 블레이드 (30) 들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성되어 복수의 에어 포켓을 구비하며, 루프 내에서의 복수의 블레이드들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 복수의 에어 포켓 중 적어도 하나의 에어 포켓에 대한 공기 충전량을 제어함으로써 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상으로 변형되도록 구성될 수도 있다.
목표 이동 방향과 관련하여, 도 10 을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이다. 도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레일 (10) 이 형성하는 루프는, 예를 들어 제 1 방향의 이동 경로를 제공하는 제 1 부분 (1010), 제 1 방향과 반대인 제 2 방향의 이동 경로를 제공하는 제 2 부분 (1030), 제 1 부분으로부터 제 2 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 1 조인트 부분 (1020) 및 제 2 부분으로부터 제 1 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 2 조인트 부분 (1040) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 루프 내에서 블레이드들이 시계 방향으로 이동하도록 구성될 수 있으며, 따라서 제 1 부분 (1010) 에서 블레이드들의 목표 이동 방향은 도 10 에서 (우 → 좌) 방향일 수 있고, 제 1 조인트 부분 (1020) 에서 블레이드들의 목표 이동 방향은 블레이드가 제 1 부분 (1010) 에서 제 2 부분 (1030) 으로 이동한 정도에 따라, (우 → 좌) 방향에서, (하 → 상) 방향으로, 그리고 다시 (좌 → 우) 방향으로 점진적으로 변화하게 된다. 한편, 제 2 부분 (1030) 에서의 블레이드들의 목표 이동 방향은 (좌 → 우) 방향으로 결정되며, 제 2 조인트 부분 (1040) 에서의 블레이드들의 목표 이동 방향은 블레이드가 제 2 부분 (1030) 에서 제 1 부분 (1010) 으로 이동한 정도에 따라, (좌 → 우) 방향에서, (상 → 하) 방향으로, 그리고 다시 (우 → 좌) 방향으로 점진적으로 변화하게 된다. 즉, 블레이드들의 목표 이동 방향은 루프 내에서의 각각의 블레이드의 위치에 따라 각기 다르게 결정될 수 있다.
각 블레이드들의 목표 이동 방향이 결정되면, 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 각 블레이들의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 각 블레이드의 배향이 변경되도록, 각 블레이드를 적응적으로 회전하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 블레이드들 각각의 회전은, 지면에 수직인 회전축을 기준으로 수행될 수 있다.
바람 방향에 따른 목표 이동 방향으로의 동력 최대화와 관련하여, 도 5 는 베르누이의 정리에 대한 개념도이고, 도 6 은 바람과 범주 형태에 따른 세일링 요트의 속력을 나타낸다. 도 5 에 도시된 바와 같이 베르누이의 정리는 공기의 흐름에 대한 속도를 변화시켜 압력 차이를 발생시킴으로써 양력을 발생되는 현상을 설명할 수 있으며, 베르누이의 정리를 적용하여 바람의 방향에 빠라 원하는 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화 시키도록 블레이드들이 배향되도록 구성할 수 있다. 또한, 도 6 은 바람과 범주 형태에 따른 세일링 요트의 속력을 나타낸다. 도 6 에 도시된 바와 같이 세일링 요트는 돛 (sail) 의 방향을 적절히 조절하는 것에 의해 동일 바람 방향에 대해서도 원하는 방향으로 배가 진행하도록 동력을 생성할 수 있다. 이와 유사한 원리로, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에서도 블레이드의 위치에 따라 목표 이동 방향이 결정되었을 때, 바람의 방향을 고려하여 목표 이동 방향으로의 동력이 최대화될 수 있도록 블레이드들을 회전시켜 블레이드의 배향을 변경시킬 수 있다.
예를 들어, 복수의 블레이드들 각각은, 목표 이동 방향이 바람의 방향과 일치한다는 결정에 응답하여, 풍하 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성되고, 목표 이동 방향이 바람의 방향과 반대라는 결정에 응답하여, 풍상 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 도 10 에서, 바람의 방향이 (우 → 좌) 방향일 때, 제 1 부분 (1010) 에서는 풍하 범주를 수행하는 방향으로 블레이드가 회전되고, 제 2 부분 (1030) 에서는 풍상 범주를 수행하는 방향으로 블레이드가 회전할 수 있다. 제 1 조인트 부분 (1020) 및 제 2 조인트 부분 (1030) 에서는 블레이드들 각각의 위치에 따른 목표 이동 방향에 따라 동력이 최대화되도록 블레이드가 회전될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각각의 블레이드는 세일링 요트의 돛 (sail) 과 같은 형태로 구성될 수 있다. 각각의 블레이드가 지지대를 구비하고, 돛 (sail) 형태의 박막이 지지대에 의해 유지되도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템은 대형 회전 날개를 구비하는 종래의 풍력 발전기에 비해 현저하게 감축된 설비 비용으로 구성하는 것이 가능하다. 돛 형태의 박막은 마포나 면포와 같은 천막 재질로 형성되거나, 테트론과 같은 합성 섬유, 또는 폴리머 융합체가 사용될 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 베르누이의 원리 및/또는 세일링 요트의 진행 방향 조정 원리와 관련하여, 블레이드들 (30) 각각이 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상을 가지도록 변형시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 베르누이의 정리에 따라, 블레이드의 일 측면의 구배를 증가시키고 타 측면의 구배에 비해 커지도록 함으로써 블레이드 양 측면에서의 공기 흐름 속도를 변화시키는 것에 따라 블레이드의 특정 측면으로부터 반대 측면으로의 동력을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에서, 복수의 블레이드들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성될 수 있고, 복수의 에어 포켓을 구비하며, 복수의 에어 포켓 중 특정 에어 포켓에 선택적으로 공기 충전량을 변경시키는 것에 의해, 소정 바람 조건 하에서 원하는 방향으로 블레이드가 동력을 가지는 형상을 구현할 수 있다. 공기 충전량 변경을 위해서는 예를 들어 공기 펌프가 사용될 수 있다.
다른 실시예에서는, 별도의 에어 포켓을 구비하지 않는 박막 형태의 블레이드가 분절 단위로 각도 변경이 가능한 격자 형태의 지지대에 의해 제어될 수 있고, 각각의 격자 단위로 회전량을 변화시키는 것에 의해 주어진 바람 조건 하에서의 원하는 이동 방향으로의 동력을 최대화 시키는 형상으로 블레이드를 변형하도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 각각의 블레이드의 회전은 예를 들어 지면에 수직인 회전 축을 기준으로 수행될 수 있다. 도 7 은 일 측면에 따른 블레이드 지지대의 단면도이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드들의 지지대는 돛 형태의 박막을 지지하도록 구성되는 상부 지지대 (31) 및 상기 상부 지지대 (31) 가 회전 가능하게 결합되는 하부 지지대 (32) 를 포함할 수 있다. 하부 지지대 (32) 는 상부 지지대 (31) 에 결합된 블레이드 회전 축 (35) 이 통과할 수 있는 공동을 제공한다. 블레이드 회전 축 (35) 은 모터 축 (34) 과 연결되어 모터 (33) 로부터의 회전력을 기반으로 회전하는 것에 의해 상부 지지대를 회전 시키고, 돛 형태의 박막의 배향을 원하는 방향으로 조정하도록 할 수 있다.
한편, 도 8 은 일 측면에 따른 고도 분리형 블레이드의 예시도이다. 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 전력 생산 효율을 극대화시키기 위한 적절한 블레이드의 크기는 상당히 큰 규모일 수 있고, 고도에 따라 바람의 방향이 상이할 수 있다. 따라서, 고도에 따라 바람의 방향이 각기 상이한 경우에도, 블레이드 (30) 의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키기 위해, 블레이드는 고도에 따라 구분되는 제 1 부분 (37a), 제 2 부분 (37b) 및 제 3 부분 (37c) 을 구비하고, 제 1 조인트 (38a), 제 2 조인트 (38b) 및 제 3 조인트 (38c) 를 구비하여, 각 조인트 부분을 각각 회전 가능하도록 구성하는 것에 의해, 각 부분들에 포함된 돛 형태의 박막의 배향을 각기 다르게 설정할 수 있다. 즉, 복수의 블레이드 (30) 들 각각은, 높이 방향으로 구분된 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드를 구비하고, 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드는 서로 독립적으로 회전 가능하도록 구성되며, 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드가 각각 배치된 높이에서의 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로 블레이드 (30) 의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 회전될 수 있다.
블레이드의 목표 이동 방향을 결정하기 위한 위치 정보, 바람의 방향에 관한 정보 등의 획득은 통상적인 센서 시스템 중 임의의 것을 채용하는 것에 의해 달성될 수 있고, 블레이드의 배향 결정 및 변경을 위한 제어 시스템 역시 통상의 제어 시스템 중 임의의 것을 선택할 수 있다.
예를 들어, 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 대한 정보는, 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 위치 신호 수신 장치가, 루프 내에 복수 개 구비되는 위치 식별 신호 발생 장치 중 적어도 하나로부터의 위치 식별 신호를 수신하는 것에 의해 획득될 수 있다. 또 다른 측면에서, GPS 와 같은 위치 결정 시스템에 의해 각 블레이드의 위치 정보를 결정할 수 있다. 블레이드의 위치에 따른 목표 이동 방향은 데이터베이스에 저장된 테이블 정보에 따라 결정될 수도 있고, 각 위치 및 루프 형상을 기반으로 컴퓨팅 디바이스가 실시간으로 계산하도록 구성될 수도 있다. 한편, 바람의 방향에 관한 정보는, 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 풍향 센서로부터 획득되어, 각 블레이드 마다의 바람의 방향에 대한 정확한 정보를 사용하도록 할 수도 있다. 배향 결정과 같은 연산을 수행하는 제어 시스템은, 각각의 블레이드 마다 별도의 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서가 구비되도록 설정될 수 있고, 또는 각각의 블레이드와 정보를 송수신하도록 구성된 통합 제어 시스템을 구비하여 통합 제어 시스템이 각각의 블레이드에 대한 제어를 수행하도록 구성할 수도 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템 (100) 은 복수의 나셀을 구비할 수 있다. 예를 들어 나셀 (40) 은 발전기 중심 축 기어 (45-1) 를 구비하는 발전기를 구비할 수 있고, 발전기 중심 축 기어 (45-2) 를 구비하는 추가적인 발전기가 포함된 별도의 나셀이 더 구비될 수도 있다.
한편, 풍력 발전기의 형태에 따라, 나셀 (40) 에 구비된 발전기는 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성될 수도 있다. 또는, 필요에 따라 목표 회전 속도를 조정하는 것이 요구될 수 있다.
관련하여, 복수의 블레이드 (30) 들 각각은, 이동체 (20) 에 대한 설치 위치가 변경 가능하도록 구성될 수 있고, 따라 블레이드 (30) 들 간의 간격이 조정될 수도 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 블레이드 (30) 들 각각이 레일 (10) 상에서 슬라이딩 가능하도록 구성되고, 이동체 (20) 는 각각의 블레이드 (30) 를 연결하는 체인 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우에도, 이동체 (20) 와 블레이드 (30) 의 결합은 재조정이 가능한 형태로 구성될 수 있다. 도 9 는 일 측면에 따른 레일, 이동체 및 블레이드의 결합 관계도이다. 도 9 에 도시된 바와 같이, 레일 (10) 상에서 복수의 블레이드 (30) 들이 슬라이딩 이동 가능하도록 구비될 수 있고, 이동체 (20) 는 각각의 블레이드들 (30) 을 연동시키되, 결합 위치가 재조정이 가능한 형태로 구비될 수 있다. 다만, 도 9 의 레일, 이동체 및 블레이드의 결합 관계도는 일 예시적인 형태이며, 레일 (10) 상에서 이동체 (20) 및/또는 블레이드 (30) 가 슬라이딩 이동 가능하도록 구성되는 다양한 실시 형태가 채용될 수 있다.
도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이고, 도 11 은 블레이드 간격 조절이 가능한 풍력 발전 시스템의 상면도이다. 발전기 중심 회전 축의 회전 속도 조절을 위한 측면에서, 블레이드의 이동 속도가 제어되는 형태가 가능하다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 레일은 직선 구간 (1110) 및 곡선 구간 (1120-1, 1120-2) 을 포함할 수 있고, 복수의 블레이드들은, 직선 구간 (1110) 에 위치할 때보다 곡선 구간 (1120-1, 1120-2) 에 위치할 때 더 좁은 간격으로 배치되도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 앞서 도 2 에 예시된 바와 같이 레일 (10) 이 루프를 형성하도록 구성될 수 있고, 루프의 내부에 형성되어 루프보다 더 짧은 이동 경로를 제공하는 내부 루프를 더 포함하고, 발전기는, 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성되며, 풍속에 관한 정보를 기반으로, 상기 목표 회전 속도에 더 가까운 회전 속도를 달성하도록 상기 루프 및 상기 내부 루프 중 어느 하나의 이동체 및 블레이드 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 13 은 기어 변환이 가능한 풍력 발전 시스템의 예시도이다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 루프 (1310) 와, 제 1 내부 루프 (1320) 및 제 2 내부 루프 (1330) 를 포함할 수 있다. 제 1 내부 루프 (1320) 는 루프 (1310) 보다 더 짧은 이동 경로를 가지도록 구성되고, 제 2 내부 루프 (1330) 는 제 1 내부 루프 (1320) 보다도 더 짧은 이동 경로를 가지도록 구성된다. 동일한 풍속에도, 루프 (1310), 제 1 내부 루프 (1320) 및 제 2 내부 루프 (1330) 는 각기 다른 이동 속도를 가지도록 구성될 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 발전기는 목표 회전 속도를 가지도록 구성될 수 있으므로, 풍속에 따라 상기 발전기의 목표 회전 속도에 가장 적합한 회전 속도를 제공할 수 있는 루프에 선택적으로 회전 연동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 13 에 도시된 바와 같이, 발전기 중심 회전 축 (1340) 은 제 1 회전 벨트 (1341) 를 통해 루프 (1310) 에 대한 제 1 회전 연동 샤프트 (1311) 와 연결될 수 있고, 제 2 회전 벨트 (1342) 를 통해 제 1 내부 루프 (1320) 에 대한 제 2 회전 연동 샤프트 (1321) 와 연결될 수 있고, 제 3 회전 벨트 (1343) 를 통해 제 2 내부 루프 (1330) 에 대한 제 3 회전 연동 샤프트 (1331) 와 연결될 수 있다. 제 1 회전 벨트 (1341) 내지 제 3 회전 벨트 (1343) 각각은, 발전기 중심 회전 축 (1340) 과 회전 연동이 온/오프 가능하도록 구성될 수 있어, 제 1 회전 벨트 (1341) 내지 제 3 회전 벨트 (1343) 중 어느 하나를 선택적으로 발전기 중심 회전 축 (1340) 와 회전 연동시킬 수 있다. 다만 도 13 에 도시된 실시 형태는 예시적인 것이며, 기어 박스와 같이 다양한 실시 형태를 통해 복수의 루프 중 어느 하나의 루프가 발전기의 중심 회전 축을 회전시키도록 선택되는 구성이 달성될 수 있다.
여기서, 풍속에 관한 정보는 풍속 센서로부터 획득될 수 있다. 풍속 센서는 단일 개 구비될 수도 있고, 또는 각각에 루프마다, 또는 각각의 블레이드마다 설치되어 각각의 풍속에 따른 각 루프의 예상 이동 속도를 연산하도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 태풍의 발생과 같이 풍력 발전 시스템의 정상적인 작동이 담보되지 않는 상황에서는 블레이드를의 보호를 위한 조치가 필요할 수 있다. 관련하여, 예를 들면 블레이드들의 보관을 위한 격납고가 설치되거나, 블레이들 간의 체결에 이루어지거나, 블레이드가 지면을 향해 폴딩되는 형태로 블레이드의 보호 조치가 수행될 수 있다.
도 14 는 분리 건설되는 격납고에 대한 예시도이다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 복수의 블레이드들이 격납되는 격납고 (1430), 레일에 포함되는 분기점 (1410) 및 분기점으로부터 격납고 까지의 이동 경로를 제공하는 격납 레일 (1420) 을 더 포함하고, 복수의 블레이드 (30) 들은 분기점 (1410) 및 격납 레일 (1420) 을 경유하여 격납고 (1430) 에 격납되도록 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이 이동체 (20) 및/또는 블레이드 (30) 의 레일 (10) 에 대한 결합관계는 다양한 실시 형태를 가지고 구현될 수 있으며, 블레이드 (30) 자체가 레일 (10) 상에서 슬라이딩 이동 가능하게 구성되는 경우, 보호 조치가 필요한 시점에 블레이드 (30) 들은 레일 (10) 상의 분기점 (1410) 에서 격납 레일 (1420) 로 이동되도록 조치되고, 격납 레일 (1420) 을 따라 슬라이딩 이동 되어 격납고 (1430) 에 격납 조치될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 이동체 (20) 가 레일 (10) 상에서 슬라이딩 이동 되고, 블레이드 (30) 는 이동체 (20) 상에서 설치 위치가 변경 가능하도록 구비될 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 이동체 (20) 는 루프의 일부분이 분리 가능하도록 구성되고, 블레이드의 보호 조치가 필요한 시점에 이동체 (20) 의 루프 일부분이 분리되어 분기점 (1410) 을 경유하여 격납 레일 (1420) 을 따라 격납고 (1430) 까지 연장되도록 이동할 수 있다. 블레이드들은 이동체 (20) 상에서 설치 위치가 변경 가능하므로, 격납 레일 (1420) 을 따라 연장된 이동체 (20) 상에서 이동되어 격납고 (1430) 에 격납될 수 있다.
도 15 는 레일 상에 건설되는 격납고에 대한 예시도이다. 도 15 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 레일 (10) 이 관통하도록 구성된 격납고 (1530) 를 더 포함하고, 복수의 블레이드 (30) 들은 레일 (10) 을 따라 이동하여 격납고 (1530) 에 격납되도록 구성될 수도 있다. 도 15 에 의해 예시된 실시예에서도, 도 14 에서와 같이 이동체 및/또는 블레이드의 레일과의 결합 관계에 따라 다양한 방법으로 블레이드 (30) 들이 격납고 (1530) 로 이동될 수 있다.
도 16 은 블레이드 간 체결 형태에 대한 예시도이다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 블레이드 (1630-1) 내지 블레이드 (1630-2) 의 복수의 블레이드들은 태풍에 대한 보호 조치가 필요할 때 상호 결합되도록 할 수 있다.
일 측면에 따르면, 복수의 블레이드들 각각은, 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 인접하는 블레이드와 결합되도록 하는 체결 수단을 포함할 수 있다. 즉, 인접 블레이드 간의 체결을 통해 결과적으로 복수 블레이드들이 전부 결합되어, 태풍에 대한 저항력을 향상시킬 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 블레이드들은, 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 가장 좌측에 위치하는 제 1 블레이드 (1630-1) 와 가장 우측에 위치하는 제 2 블레이드 (1630-2) 를 포함하고, 제 1 블레이드 (1630-1) 및 제 2 블레이드 (1630-2) 는 각각 체결 수단을 구비하며, 제 1 블레이드의 체결 수단 및 제 2 블레이드의 체결 수단이 상호 체결되는 것에 의해 복수의 블레이드들이 결합되도록 구성될 수도 있다. 이외에도 다양한 실시 형태를 통해 복수의 블레이드들이 결합되는 구성이 가능하다.
도 17 은 지면 방향으로 폴딩 가능한 블레이드의 예시도이다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 복수의 블레이드들 각각은, 지면 방향을 향해 폴딩 가능하도록 구성될 수 있다. 평상시에 정상 위치 (1730) 에 위치하여 바람의 에너지를 기반으로 동력을 생성하는 블레이드들은, 태풍 위험과 같이 보호 조치가 필요한 시점에는 지면 인접 위치 (1740) 로 폴딩되어, 바람의 영향을 최소화하도록 할 수 있다.
한편, 대용량의 전력을 발생시킬 수 있는 윈드 팜 (Wind Farm) 의 형태로 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 관련하여, 도 18 은 동심을 가지는 복수 레일 배치 형태에 대한 예시도이고, 도 19 는 적층형 복수 레일 배치 형태에 대한 예시도이다. 도 18 에 도시된 바와 같이, 제 1 루프 (1810), 제 2 루프 (1820) 및 제 3 루프 (1830) 가 동심을 가지되 상이한 이동 길이를 가지도록 배치되어, 공간 활용도를 향상시킬 수 있다. 또는 도 19 에 도시된 바와 같이, 제 1 루프 (1810), 제 2 루프 (1820) 및 제 3 루프 (1830) 가 수직 방향으로 차례로 적층되어, 공간 활용도를 향상시킬 수 있다. 도 18 및 도 19 의 실시 형태가 복합적으로 구현될 수도 있다.
한편, 도면들에 레일은 지면에 완전히 수평적인 형태로 도시되었으나, 지형에 따라 상당한 수준의 굴곡이 레일에 적용될 수도 있고, 또한 직선 형태가 아닌 다수의 커브를 포함하는 형태의 레일이 구현되는 것도 가능하다. 본 발명에서 “수평 방향”은 위와 같이 완전한 수평 방향 뿐만 아니라, 수직 방향 이외의 대략적인 경사를 가지는 방향을 전부 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
<제 2 실시 형태>
도 20 은 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 개념도이다. 도 20 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템 (2000) 은 레일 (2010), 이동체 (2020), 복수의 블레이드 (2030), 결합체 (2050) 및 발전기가 구비된 나셀 (nacelle) (2040) 을 포함할 수 있다.
레일 (2010) 은 복수의 이동체 (2020) 가 슬라이딩 되어 이동할 수 있는 수평 방향의 이동 경로를 제공할 수 있다. 여기서 수평 방향은 전술한 바와 같이 수학적 의미의 완전한 수평방향 뿐만 아니라, 대략적으로 지면 또는 수면을 따르는 이동 경로로 이해될 수 있다. 도 20 을 통해 도시된 실시예에서 레일 (2010) 상에 이동체 (2020) 가 슬라이딩 되도록 이동 경로를 제공하는 것으로 예시되어 있으나, 앞서 예를 들어 도 1 또는 도 2 에 도시된 바와 같이 레일 (2010) 이 이동체 (2020) 의 측면에서 이동 경로를 제공하는 형태를 포함하여, 레일 (2010) 은 이동체 (2020) 가 슬라이딩 되어 이동할 수 있는 이동 경로를 제공할 수 있는 다양한 설계 형태를 가질 수 있다. 도 20 에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레일 (2010) 은 지면에 설치되거나 지지대를 통해 설치되어 이동체 (2020) 들의 수평 방향의 이동 경로를 제공하도록 구성될 수 있다.
복수의 이동체 (2020) 는 레일 (2010) 이 제공하는 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하도록 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 이동체 (2020) 각각은 복수의 이동체에 각각 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 복수의 이동체 각각의 이동을 위한 동력을 제공하는 블레이드 (2030) 를 구비할 수 있다. 즉, 각각의 이동체 (2020) 는 바람을 기반으로 하는 블레이드 (2030) 의 동력에 따라 레일 (2010) 이 제공하는 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동할 수 있다.
환언하면, 복수의 블레이드 (2030) 들은 이동체 (2020) 에 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 이동체 (2020) 의 이동을 위한 동력을 제공할 수 있다. 즉, 바람이 불면, 바람이 제공하는 에너지가 블레이드 (2030) 들에 작용하고 블레이드 (2030) 들 및 이러한 블레이드들이 연결된 이동체 (2020) 가 이동하도록 구성된다. 도 20 에 도시된 실시예에서는 이동체 (2020) 가 레일 (2010) 접촉하고 이동체 (2020) 상에 블레이드 (2030) 가 설치되는 것으로 예시되어 있으나, 레일 (2010), 이동체 (2020) 및 블레이드 (2030) 의 설치 형태 및 구조는 다양한 변형이 채용될 수 있다.
도 20 에 도시된 바와 같이, 복수의 이동체 각각에 구비된 블레이드의 상단에 체결되고, 블레이드에 의해 제공되는 동력을 기반으로 이동하는 결합체 (2050) 가 구비될 수 있다. 일 측면에서 결합체 (2050) 는 도 20 에 도시된 바와 같이 일체 형태일 수도 있고, 다른 측면에서 복수의 분절 구조를 가지는 체인 형태일 수도 있다. 또한, 실시 형태에 따라 결합체 (2050) 는 가요성을 가지는 재질로서 구성될 수도 있다.
다시 도 20 을 참조하면, 결합체 (2050) 와 인접하여, 발전기가 구비된 나셀 (2040) 이 배치될 수 있다. 일 측면에 따라, 발전기는 발전기 중심 회전 축에 결합된 발전기 중심 축 기어 (2045) 의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전기일 수 있으며, 상기 발전기의 중심 회전 축은 결합체 (2050) 의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다. 도 20 에는 결합체 (2050) 의 이동에 연동하여 발전기 중심 회전 축이 회전하는 구성이 예시적으로 도시되어 있다.
관련하여, 앞서 제 1 실시 형태와 관련하여 설명된 바와 같이, 도 3 은 제 1 측면에 따른 블레이드 및/또는 이동체와 발전기 중심 회전 축 간의 동력 전달 구조를 나타내고, 도 4 는 제 2 측면에 따른 블레이드 및/또는 이동체와 발전기 중심 회전 축 간의 동력 전달 구조를 나타낸다. 관련하여, 제 2 실시 형태의 결합체 (2050) 와 발전기 중심 회전 축 간의 동력 전달 구조에도 도 3 및 도 4 의 동력 전달 구조가 채용될 수 있다.
예를 들어, 도 3 에 도시된 바와 같이, 발전기는 발전기 중심 회전 축 (45c) 및 발전기 중심 회전 축 (45c) 에 결합된 원형 톱니 기어 (45) 를 구비할 수 있고, 결합체 (도 20 의 2050) 의 발전기를 대향하는 면에는 복수 개의 톱니 산이 구비되며, 결합체 (2050) 의 이동에 따라 톱니 산이 원형 톱니 기어 (45) 의 톱니 산 (45a) 와 맞물려 이동함에 따라 발전기 중심 회전 축 (45c) 이 회전하도록 구성될 수 있다.
유사한 취지로, 이하, 제 1 실시 형태 및 관련 도면을 통해 설명되었던 본 발명의 특징들은 제 2 실시 형태에도 적용될 수 있다. 이하 설명에서는 제 1 실시 형태의 레일 및 이동체의 도면 부호와 함께 설명되나, 통상의 기술자라면 해당 설명에 따라 제 2 실시 형태에 대해서도 쉽게 적용할 수 있을 것이다.
도 12 는 발전기 중심 축의 배치에 대한 예시도이다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 발전기 중심 축은 레일과의 관계에서 다양한 실시 형태를 가질 수 있다. 일 측면에 따르면, 도 12 에 도시된 바와 같이 레일 (10) 및 이동체 (20) 가 루프를 형성하는 실시 형태에서, 발전기 중심 회전 축 (1210, 1220) 은 루프의 외부에 위치할 수도 있고, 루프의 내부에 위치할 수도 있다. 또한 발전기 중심 회전 축 (1210, 1220) 의 회전은 결합체 (2050) 의 이동에 직접 연동될 수도 있고, 발전기 중심 회전 축 (1230) 과 같이 매개 수단을 구비하여 회전 연동하도록 구성될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 결합체 (2050) 의 이동에 연동하여 회전하는 동력 전달 샤프트 (1231) 를 더 포함하고, 동력 전달 샤프트 (1231) 에 구비된 회전 풀리와 발전기의 발전기 중심 회전 축 (1230) 에 구비된 회전 풀리가 회전 벨트 (1233) 에 따라 회전 연동하도록 구성될 수도 있다. 회전 벨트 (1233) 는 예를 들어 컨베이터 벨트 또는 체인 형태로서 구성될 수도 있다.
한편, 도 1 및 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 레일 (10) 은 루프를 형성하도록 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 제 2 실시 형태에서 있어서 레일 (2010) 은 복수의 상부 프레임 지지대에 의해 지지되는 상부 프레임을 더 포함할 수 있으며, 상부 프레임은 결합체 (2050) 를 이동 가능하게 유지하여 블레이드 (2030) 들의 기립 안정성을 향상시키도록 구성될 수 있다.
레일 (10, 2010) 이 루프로 형성되는 것에 의해, 복수의 블레이드들 및/또는 이동체의 이동 경로는 순환되는 구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수의 블레이드 (2030) 들 각각은, 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드 (2030) 들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 적응적으로 회전하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 블레이드 (2030) 들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성되어 복수의 에어 포켓을 구비하며, 루프 내에서의 복수의 블레이드들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 복수의 에어 포켓 중 적어도 하나의 에어 포켓에 대한 공기 충전량을 제어함으로써 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상으로 변형되도록 구성될 수도 있다.
목표 이동 방향과 관련하여, 도 10 을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이다. 도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레일 (10) 이 형성하는 루프는, 예를 들어 제 1 방향의 이동 경로를 제공하는 제 1 부분 (1010), 제 1 방향과 반대인 제 2 방향의 이동 경로를 제공하는 제 2 부분 (1030), 제 1 부분으로부터 제 2 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 1 조인트 부분 (1020) 및 제 2 부분으로부터 제 1 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 2 조인트 부분 (1040) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 루프 내에서 블레이드들이 시계 방향으로 이동하도록 구성될 수 있으며, 따라서 제 1 부분 (1010) 에서 블레이드들의 목표 이동 방향은 도 10 에서 (우 → 좌) 방향일 수 있고, 제 1 조인트 부분 (1020) 에서 블레이드들의 목표 이동 방향은 블레이드가 제 1 부분 (1010) 에서 제 2 부분 (1030) 으로 이동한 정도에 따라, (우 → 좌) 방향에서, (하 → 상) 방향으로, 그리고 다시 (좌 → 우) 방향으로 점진적으로 변화하게 된다. 한편, 제 2 부분 (1030) 에서의 블레이드들의 목표 이동 방향은 (좌 → 우) 방향으로 결정되며, 제 2 조인트 부분 (1040) 에서의 블레이드들의 목표 이동 방향은 블레이드가 제 2 부분 (1030) 에서 제 1 부분 (1010) 으로 이동한 정도에 따라, (좌 → 우) 방향에서, (상 → 하) 방향으로, 그리고 다시 (우 → 좌) 방향으로 점진적으로 변화하게 된다. 즉, 블레이드들의 목표 이동 방향은 루프 내에서의 각각의 블레이드의 위치에 따라 각기 다르게 결정될 수 있다.
각 블레이드들의 목표 이동 방향이 결정되면, 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 각 블레이들의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 각 블레이드의 배향이 변경되도록, 각 블레이드를 적응적으로 회전하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 블레이드들 각각의 회전은, 지면에 수직인 회전축을 기준으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 복수의 블레이드들 각각은, 목표 이동 방향이 바람의 방향과 일치한다는 결정에 응답하여, 풍하 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성되고, 목표 이동 방향이 바람의 방향과 반대라는 결정에 응답하여, 풍상 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 도 10 에서, 바람의 방향이 (우 → 좌) 방향일 때, 제 1 부분 (1010) 에서는 풍하 범주를 수행하는 방향으로 블레이드가 회전되고, 제 2 부분 (1030) 에서는 풍상 범주를 수행하는 방향으로 블레이드가 회전할 수 있다. 제 1 조인트 부분 (1020) 및 제 2 조인트 부분 (1030) 에서는 블레이드들 각각의 위치에 따른 목표 이동 방향에 따라 동력이 최대화되도록 블레이드가 회전될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각각의 블레이드는 세일링 요트의 돛 (sail) 과 같은 형태로 구성될 수 있다. 각각의 블레이드가 지지대를 구비하고, 돛 (sail) 형태의 박막이 지지대에 의해 유지되도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템은 대형 회전 날개를 구비하는 종래의 풍력 발전기에 비해 현저하게 감축된 설비 비용으로 구성하는 것이 가능하다. 돛 형태의 박막은 마포나 면포와 같은 천막 재질로 형성되거나, 테트론과 같은 합성 섬유, 또는 폴리머 융합체가 사용될 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 베르누이의 원리 및/또는 세일링 요트의 진행 방향 조정 원리와 관련하여, 블레이드들 (30) 각각이 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상을 가지도록 변형시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 베르누이의 정리에 따라, 블레이드의 일 측면의 구배를 증가시키고 타 측면의 구배에 비해 커지도록 함으로써 블레이드 양 측면에서의 공기 흐름 속도를 변화시키는 것에 따라 블레이드의 특정 측면으로부터 반대 측면으로의 동력을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에서, 복수의 블레이드들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성될 수 있고, 복수의 에어 포켓을 구비하며, 복수의 에어 포켓 중 특정 에어 포켓에 선택적으로 공기 충전량을 변경시키는 것에 의해, 소정 바람 조건 하에서 원하는 방향으로 블레이드가 동력을 가지는 형상을 구현할 수 있다. 공기 충전량 변경을 위해서는 예를 들어 공기 펌프가 사용될 수 있다.
다른 실시예에서는, 별도의 에어 포켓을 구비하지 않는 박막 형태의 블레이드가 분절 단위로 각도 변경이 가능한 격자 형태의 지지대에 의해 제어될 수 있고, 각각의 격자 단위로 회전량을 변화시키는 것에 의해 주어진 바람 조건 하에서의 원하는 이동 방향으로의 동력을 최대화 시키는 형상으로 블레이드를 변형하도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 각각의 블레이드의 회전은 예를 들어 지면에 수직인 회전 축을 기준으로 수행될 수 있다. 도 7 은 일 측면에 따른 블레이드 지지대의 단면도이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드들의 지지대는 돛 형태의 박막을 지지하도록 구성되는 상부 지지대 (31) 및 상기 상부 지지대 (31) 가 회전 가능하게 결합되는 하부 지지대 (32) 를 포함할 수 있다. 하부 지지대 (32) 는 상부 지지대 (31) 에 결합된 블레이드 회전 축 (35) 이 통과할 수 있는 공동을 제공한다. 블레이드 회전 축 (35) 은 모터 축 (34) 과 연결되어 모터 (33) 로부터의 회전력을 기반으로 회전하는 것에 의해 상부 지지대를 회전 시키고, 돛 형태의 박막의 배향을 원하는 방향으로 조정하도록 할 수 있다.
한편, 도 8 은 일 측면에 따른 고도 분리형 블레이드의 예시도이다. 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 전력 생산 효율을 극대화시키기 위한 적절한 블레이드의 크기는 상당히 큰 규모일 수 있고, 고도에 따라 바람의 방향이 상이할 수 있다. 따라서, 고도에 따라 바람의 방향이 각기 상이한 경우에도, 블레이드 (30) 의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키기 위해, 블레이드는 고도에 따라 구분되는 제 1 부분 (37a), 제 2 부분 (37b) 및 제 3 부분 (37c) 을 구비하고, 제 1 조인트 (38a), 제 2 조인트 (38b) 및 제 3 조인트 (38c) 를 구비하여, 각 조인트 부분을 각각 회전 가능하도록 구성하는 것에 의해, 각 부분들에 포함된 돛 형태의 박막의 배향을 각기 다르게 설정할 수 있다. 즉, 복수의 블레이드 (30) 들 각각은, 높이 방향으로 구분된 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드를 구비하고, 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드는 서로 독립적으로 회전 가능하도록 구성되며, 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드가 각각 배치된 높이에서의 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로 블레이드 (30) 의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 회전될 수 있다.
블레이드의 목표 이동 방향을 결정하기 위한 위치 정보, 바람의 방향에 관한 정보 등의 획득은 통상적인 센서 시스템 중 임의의 것을 채용하는 것에 의해 달성될 수 있고, 블레이드의 배향 결정 및 변경을 위한 제어 시스템 역시 통상의 제어 시스템 중 임의의 것을 선택할 수 있다.
예를 들어, 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 대한 정보는, 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 위치 신호 수신 장치가, 루프 내에 복수 개 구비되는 위치 식별 신호 발생 장치 중 적어도 하나로부터의 위치 식별 신호를 수신하는 것에 의해 획득될 수 있다. 또 다른 측면에서, GPS 와 같은 위치 결정 시스템에 의해 각 블레이드의 위치 정보를 결정할 수 있다. 블레이드의 위치에 따른 목표 이동 방향은 데이터베이스에 저장된 테이블 정보에 따라 결정될 수도 있고, 각 위치 및 루프 형상을 기반으로 컴퓨팅 디바이스가 실시간으로 계산하도록 구성될 수도 있다. 한편, 바람의 방향에 관한 정보는, 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 풍향 센서로부터 획득되어, 각 블레이드 마다의 바람의 방향에 대한 정확한 정보를 사용하도록 할 수도 있다. 배향 결정과 같은 연산을 수행하는 제어 시스템은, 각각의 블레이드 마다 별도의 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서가 구비되도록 설정될 수 있고, 또는 각각의 블레이드와 정보를 송수신하도록 구성된 통합 제어 시스템을 구비하여 통합 제어 시스템이 각각의 블레이드에 대한 제어를 수행하도록 구성할 수도 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템 (100) 은 복수의 나셀을 구비할 수 있다. 예를 들어 나셀 (40) 은 발전기 중심 축 기어 (45-1) 를 구비하는 발전기를 구비할 수 있고, 발전기 중심 축 기어 (45-2) 를 구비하는 추가적인 발전기가 포함된 별도의 나셀이 더 구비될 수도 있다.
한편, 풍력 발전기의 형태에 따라, 나셀 (40) 에 구비된 발전기는 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성될 수도 있다. 또는, 필요에 따라 목표 회전 속도를 조정하는 것이 요구될 수 있다.
관련하여, 제 2 실시 형태에서, 결합체 (2050) 와 복수의 블레이드 (2030) 들 각각은, 복수의 블레이드들 간의 간격을 조정하기 위해 이동 가능하도록 체결될 수 있다. 여기서, 일 측면에 따르면 결합체 (2050) 는 각각의 블레이드 (2030) 를 연결하는 체인 형태로 구성될 수도 있다. 이 경우에도, 결합체 (2050) 와 블레이드 (2030) 의 결합은 재조정이 가능한 형태로 구성될 수 있다.
도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이고, 도 11 은 블레이드 간격 조절이 가능한 풍력 발전 시스템의 상면도이다. 발전기 중심 회전 축의 회전 속도 조절을 위한 측면에서, 블레이드의 이동 속도가 제어되는 형태가 가능하다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 레일은 직선 구간 (1110) 및 곡선 구간 (1120-1, 1120-2) 을 포함할 수 있고, 복수의 블레이드들은, 직선 구간 (1110) 에 위치할 때보다 곡선 구간 (1120-1, 1120-2) 에 위치할 때 더 좁은 간격으로 배치되도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 레일 (2010) 이 루프를 형성하도록 구성될 수 있고, 루프의 내부에 형성되어 루프보다 더 짧은 이동 경로를 제공하는 내부 루프를 더 포함하고, 발전기는, 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성되며, 풍속에 관한 정보를 기반으로, 상기 목표 회전 속도에 더 가까운 회전 속도를 달성하도록 상기 루프 및 상기 내부 루프 중 어느 하나의 결합체의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 13 은 기어 변환이 가능한 풍력 발전 시스템의 예시도이다. 도 13 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 루프 (1310) 와, 제 1 내부 루프 (1320) 및 제 2 내부 루프 (1330) 를 포함할 수 있다. 제 1 내부 루프 (1320) 는 루프 (1310) 보다 더 짧은 이동 경로를 가지도록 구성되고, 제 2 내부 루프 (1330) 는 제 1 내부 루프 (1320) 보다도 더 짧은 이동 경로를 가지도록 구성된다. 동일한 풍속에도, 루프 (1310), 제 1 내부 루프 (1320) 및 제 2 내부 루프 (1330) 는 각기 다른 이동 속도를 가지도록 구성될 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이, 발전기는 목표 회전 속도를 가지도록 구성될 수 있으므로, 풍속에 따라 상기 발전기의 목표 회전 속도에 가장 적합한 회전 속도를 제공할 수 있는 루프에 선택적으로 회전 연동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 13 에 도시된 바와 같이, 발전기 중심 회전 축 (1340) 은 제 1 회전 벨트 (1341) 를 통해 루프 (1310) 에 대한 제 1 회전 연동 샤프트 (1311) 와 연결될 수 있고, 제 2 회전 벨트 (1342) 를 통해 제 1 내부 루프 (1320) 에 대한 제 2 회전 연동 샤프트 (1321) 와 연결될 수 있고, 제 3 회전 벨트 (1343) 를 통해 제 2 내부 루프 (1330) 에 대한 제 3 회전 연동 샤프트 (1331) 와 연결될 수 있다. 제 1 회전 벨트 (1341) 내지 제 3 회전 벨트 (1343) 각각은, 발전기 중심 회전 축 (1340) 과 회전 연동이 온/오프 가능하도록 구성될 수 있어, 제 1 회전 벨트 (1341) 내지 제 3 회전 벨트 (1343) 중 어느 하나를 선택적으로 발전기 중심 회전 축 (1340) 와 회전 연동시킬 수 있다. 다만 도 13 에 도시된 실시 형태는 예시적인 것이며, 기어 박스와 같이 다양한 실시 형태를 통해 복수의 루프 중 어느 하나의 루프가 발전기의 중심 회전 축을 회전시키도록 선택되는 구성이 달성될 수 있다.
여기서, 풍속에 관한 정보는 풍속 센서로부터 획득될 수 있다. 풍속 센서는 단일 개 구비될 수도 있고, 또는 각각에 루프마다, 또는 각각의 블레이드마다 설치되어 각각의 풍속에 따른 각 루프의 예상 이동 속도를 연산하도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 태풍의 발생과 같이 풍력 발전 시스템의 정상적인 작동이 담보되지 않는 상황에서는 블레이드를의 보호를 위한 조치가 필요할 수 있다. 관련하여, 예를 들면 블레이드들의 보관을 위한 격납고가 설치되거나, 블레이들 간의 체결에 이루어지거나, 블레이드가 지면을 향해 폴딩되는 형태로 블레이드의 보호 조치가 수행될 수 있다.
도 14 는 분리 건설되는 격납고에 대한 예시도이다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 복수의 블레이드들이 격납되는 격납고 (1430), 레일에 포함되는 분기점 (1410) 및 분기점으로부터 격납고 까지의 이동 경로를 제공하는 격납 레일 (1420) 을 더 포함하고, 복수의 블레이드 (30) 들은 분기점 (1410) 및 격납 레일 (1420) 을 경유하여 격납고 (1430) 에 격납되도록 구성될 수 있다. 복수의 이동체 (2020) 가 레일 (2010) 상에서 슬라이딩 이동 가능하게 구성되는 경우, 보호 조치가 필요한 시점에 블레이드 (2030) 를 구비하는 이동체 (2020) 들은 레일 (2010) 상의 분기점 (1410) 에서 격납 레일 (1420) 로 이동되도록 조치되고, 격납 레일 (1420) 을 따라 슬라이딩 이동 되어 격납고 (1430) 에 격납 조치될 수 있다.
도 15 는 레일 상에 건설되는 격납고에 대한 예시도이다. 도 15 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 레일 (10) 이 관통하도록 구성된 격납고 (1530) 를 더 포함하고, 복수의 블레이드 (30) 들은 레일 (10) 을 따라 이동하여 격납고 (1530) 에 격납되도록 구성될 수도 있다. 제 2 실시 형태에서, 블레이드 (2030) 를 구비하는 복수의 이동체 (2020) 들은 레일 (2010) 을 따라 이동하여 격납고에 격납되도록 구성될 수 있다.
도 16 은 블레이드 간 체결 형태에 대한 예시도이다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 블레이드 (1630-1) 내지 블레이드 (1630-2) 의 복수의 블레이드들은 태풍에 대한 보호 조치가 필요할 때 상호 결합되도록 할 수 있다.
일 측면에 따르면, 복수의 블레이드들 각각은, 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 인접하는 블레이드와 결합되도록 하는 체결 수단을 포함할 수 있다. 즉, 인접 블레이드 간의 체결을 통해 결과적으로 복수 블레이드들이 전부 결합되어, 태풍에 대한 저항력을 향상시킬 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 블레이드들은, 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 가장 좌측에 위치하는 제 1 블레이드 (1630-1) 와 가장 우측에 위치하는 제 2 블레이드 (1630-2) 를 포함하고, 제 1 블레이드 (1630-1) 및 제 2 블레이드 (1630-2) 는 각각 체결 수단을 구비하며, 제 1 블레이드의 체결 수단 및 제 2 블레이드의 체결 수단이 상호 체결되는 것에 의해 복수의 블레이드들이 결합되도록 구성될 수도 있다. 이외에도 다양한 실시 형태를 통해 복수의 블레이드들이 결합되는 구성이 가능하다.
<제 3 실시 형태>
도 21 은 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 풍력 발전 시스템에 대한 개념도이다. 도 21 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템 (2100) 은 레일 (2110), 이동체 (2120), 복수의 블레이드 (2130) 및 발전기가 구비된 나셀 (nacelle) (2140) 을 포함할 수 있다.
레일 (2110) 은 복수의 이동체 (2120) 가 슬라이딩 되어 이동할 수 있는 수평 방향의 이동 경로를 제공할 수 있다. 여기서 수평 방향은 전술한 바와 같이 수학적 의미의 완전한 수평방향 뿐만 아니라, 대략적으로 지면 또는 수면을 따르는 이동 경로로 이해될 수 있다. 도 21 을 통해 도시된 실시예에서 레일 (2110) 상에 이동체 (2120) 가 슬라이딩 되도록 이동 경로를 제공하는 것으로 예시되어 있으나, 앞서 예를 들어 도 1 또는 도 2 에 도시된 바와 같이 레일 (2110) 이 이동체 (2120) 의 측면에서 이동 경로를 제공하는 형태를 포함하여, 레일 (2110) 은 이동체 (2120) 가 슬라이딩 되어 이동할 수 있는 이동 경로를 제공할 수 있는 다양한 설계 형태를 가질 수 있다. 도 21 에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 레일 (2110) 은 지면에 설치되거나 지지대를 통해 설치되어 이동체 (2120) 들의 수평 방향의 이동 경로를 제공하도록 구성될 수 있다.
복수의 이동체 (2120) 는 레일 (2110) 이 제공하는 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하도록 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 이동체 (2120) 각각은 복수의 이동체에 각각 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 복수의 이동체 각각의 이동을 위한 동력을 제공하는 블레이드 (2130) 를 구비할 수 있다. 즉, 각각의 이동체 (2120) 는 바람을 기반으로 하는 블레이드 (2130) 의 동력에 따라 레일 (2110) 이 제공하는 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동할 수 있다.
환언하면, 복수의 블레이드 (2130) 들은 이동체 (2120) 에 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 이동체 (2120) 의 이동을 위한 동력을 제공할 수 있다. 즉, 바람이 불면, 바람이 제공하는 에너지가 블레이드 (2130) 들에 작용하고 블레이드 (2130) 들 및 이러한 블레이드들이 연결된 이동체 (2120) 가 이동하도록 구성된다. 도 21 에 도시된 실시예에서는 이동체 (2120) 가 레일 (2110) 접촉하고 이동체 (2120) 상에 블레이드 (2130) 가 설치되는 것으로 예시되어 있으나, 레일 (2110), 이동체 (2120) 및 블레이드 (2130) 의 설치 형태 및 구조는 다양한 변형이 채용될 수 있다.
다시 도 21 을 참조하면, 이동체 (2120) 및/또는 블레이드 (2130) 와 인접하여, 발전기가 구비된 나셀 (2140) 이 배치될 수 있다. 일 측면에 따라, 발전기는 발전기 중심 회전 축에 결합된 발전기 중심 축 기어 (2145) 의 회전에 따라 전력을 생산하는 발전기일 수 있으며, 상기 발전기의 중심 회전 축은 이동체 (2120) 및 블레이드 (2130) 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전하도록 구성될 수 있다. 도 21 에는 이동체 (2120) 의 이동에 연동하여 발전기 중심 회전 축이 회전하는 구성이 예시되어 있다. 관련하여, 도 21 의 예시적인 실시예에서는 이동체 (2120) 의 발전기를 대향하는 면에 동력 전달 막대 (2125) 가 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 22 는 도 21 의 실시 형태에서 이동체와 발전기 중심 축 간의 동력 전달 구조를 나타낸다. 도 22 에 도시된 바와 같이, 발전기는 발전기 중심 회전 축 (2145c) 및 발전기 중심 회전 축 (2145c) 에 결합된 원형 톱니 기어 (2145a) 를 구비하고, 예를 들어 이동체 (2120) 의 발전기를 대향하는 측면으로 블레이드 동력 전달 막대 (2125) 가 구비될 수 있고, 블레이드 동력 전달 막대 (2125) 가 이동하면서 발전기 중심 축 기어 (2145) 에 형성된 기어 톱니 산 (2145a) 에 작용하는 것에 의해 발전기 중심 회전 축 (2145c) 이 회전하도록 구성될 수도 있다. 도 22 에 도시된 바와 달리, 블레이드 (2130) 의 발전기를 대향하는 측면으로 동력 전달 막대가 구비되어 중심 회전 축 (2145c) 의 회전을 유발하도록 구성될 수도 있다.
유사한 취지로, 이하, 제 1 실시 형태 및 관련 도면을 통해 설명되었던 본 발명의 특징들은 제 3 실시 형태에도 적용될 수 있다. 이하 설명에서는 제 1 실시 형태의 레일 및 이동체의 도면 부호와 함께 설명되나, 통상의 기술자라면 해당 설명에 따라 제 3 실시 형태에 대해서도 쉽게 적용할 수 있을 것이다.
도 12 는 발전기 중심 축의 배치에 대한 예시도이다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 발전기 중심 축은 레일과의 관계에서 다양한 실시 형태를 가질 수 있다. 일 측면에 따르면, 도 2 또는 도 12 에 도시된 바와 같이 레일 (10) 및 이동체 (20) 가 루프를 형성하는 실시 형태에서, 발전기 중심 회전 축 (1210, 1220) 은 루프의 외부에 위치할 수도 있고, 루프의 내부에 위치할 수도 있다. 또한 발전기 중심 회전 축 (1210, 1220) 의 회전은 이동체 및/또는 블레이드의 이동에 직접 연동될 수도 있고, 발전기 중심 회전 축 (1230) 과 같이 매개 수단을 구비하여 회전 연동하도록 구성될 수도 있다. 도 12 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 이동체 (20) 및 블레이드 (30) 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전하는 동력 전달 샤프트 (1231) 를 더 포함하고, 동력 전달 샤프트 (1231) 에 구비된 회전 풀리와 발전기의 발전기 중심 회전 축 (1230) 에 구비된 회전 풀리가 회전 벨트 (1233) 에 따라 회전 연동하도록 구성될 수도 있다. 회전 벨트 (1233) 는 예를 들어 컨베이어 벨트 또는 체인 형태로서 구성될 수도 있다.
한편, 도 1 및 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 레일 (10) 은 루프를 형성하도록 구성될 수 있다. 일 측면에 따르면, 제 3 실시 형태에서 있어서 레일 (2110) 은 복수의 상부 프레임 지지대에 의해 지지되는 상부 프레임을 더 포함할 수 있으며, 상부 프레임은 이동체 (2120) 에 구비된 블레이드들 (2130) 을 이동 가능하게 유지하여 블레이드 (2130) 들의 기립 안정성을 향상시키도록 구성될 수도 있다.
레일 (10, 2110) 이 루프로 형성되는 것에 의해, 복수의 블레이드들 및/또는 이동체의 이동 경로는 순환되는 구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수의 블레이드 (2130) 들 각각은, 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드 (2130) 들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 적응적으로 회전하도록 구성될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 블레이드 (2130) 들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성되어 복수의 에어 포켓을 구비하며, 루프 내에서의 복수의 블레이드들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 복수의 에어 포켓 중 적어도 하나의 에어 포켓에 대한 공기 충전량을 제어함으로써 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상으로 변형되도록 구성될 수도 있다.
목표 이동 방향과 관련하여, 도 10 을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이다. 도 10 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레일 (10) 이 형성하는 루프는, 예를 들어 제 1 방향의 이동 경로를 제공하는 제 1 부분 (1010), 제 1 방향과 반대인 제 2 방향의 이동 경로를 제공하는 제 2 부분 (1030), 제 1 부분으로부터 제 2 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 1 조인트 부분 (1020) 및 제 2 부분으로부터 제 1 부분으로의 이동 경로를 제공하는 제 2 조인트 부분 (1040) 을 포함할 수 있다. 예를 들어, 루프 내에서 블레이드들이 시계 방향으로 이동하도록 구성될 수 있으며, 따라서 제 1 부분 (1010) 에서 블레이드들의 목표 이동 방향은 도 10 에서 (우 → 좌) 방향일 수 있고, 제 1 조인트 부분 (1020) 에서 블레이드들의 목표 이동 방향은 블레이드가 제 1 부분 (1010) 에서 제 2 부분 (1030) 으로 이동한 정도에 따라, (우 → 좌) 방향에서, (하 → 상) 방향으로, 그리고 다시 (좌 → 우) 방향으로 점진적으로 변화하게 된다. 한편, 제 2 부분 (1030) 에서의 블레이드들의 목표 이동 방향은 (좌 → 우) 방향으로 결정되며, 제 2 조인트 부분 (1040) 에서의 블레이드들의 목표 이동 방향은 블레이드가 제 2 부분 (1030) 에서 제 1 부분 (1010) 으로 이동한 정도에 따라, (좌 → 우) 방향에서, (상 → 하) 방향으로, 그리고 다시 (우 → 좌) 방향으로 점진적으로 변화하게 된다. 즉, 블레이드들의 목표 이동 방향은 루프 내에서의 각각의 블레이드의 위치에 따라 각기 다르게 결정될 수 있다.
각 블레이드들의 목표 이동 방향이 결정되면, 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 각 블레이들의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 각 블레이드의 배향이 변경되도록, 각 블레이드를 적응적으로 회전하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 복수의 블레이드들 각각의 회전은, 지면에 수직인 회전축을 기준으로 수행될 수 있다.
예를 들어, 복수의 블레이드들 각각은, 목표 이동 방향이 바람의 방향과 일치한다는 결정에 응답하여, 풍하 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성되고, 목표 이동 방향이 바람의 방향과 반대라는 결정에 응답하여, 풍상 범주를 수행하는 방향으로 회전하도록 구성될 수 있다. 도 10 에서, 바람의 방향이 (우 → 좌) 방향일 때, 제 1 부분 (1010) 에서는 풍하 범주를 수행하는 방향으로 블레이드가 회전되고, 제 2 부분 (1030) 에서는 풍상 범주를 수행하는 방향으로 블레이드가 회전할 수 있다. 제 1 조인트 부분 (1020) 및 제 2 조인트 부분 (1030) 에서는 블레이드들 각각의 위치에 따른 목표 이동 방향에 따라 동력이 최대화되도록 블레이드가 회전될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 각각의 블레이드는 세일링 요트의 돛 (sail) 과 같은 형태로 구성될 수 있다. 각각의 블레이드가 지지대를 구비하고, 돛 (sail) 형태의 박막이 지지대에 의해 유지되도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템은 대형 회전 날개를 구비하는 종래의 풍력 발전기에 비해 현저하게 감축된 설비 비용으로 구성하는 것이 가능하다. 돛 형태의 박막은 마포나 면포와 같은 천막 재질로 형성되거나, 테트론과 같은 합성 섬유, 또는 폴리머 융합체가 사용될 수도 있다.
한편, 전술한 바와 같이 베르누이의 원리 및/또는 세일링 요트의 진행 방향 조정 원리와 관련하여, 블레이드들 (2130) 각각이 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상을 가지도록 변형시키는 것이 가능하다. 예를 들어, 베르누이의 정리에 따라, 블레이드의 일 측면의 구배를 증가시키고 타 측면의 구배에 비해 커지도록 함으로써 블레이드 양 측면에서의 공기 흐름 속도를 변화시키는 것에 따라 블레이드의 특정 측면으로부터 반대 측면으로의 동력을 생성하도록 구성될 수 있다.
일 예시적인 실시예에서, 복수의 블레이드들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성될 수 있고, 복수의 에어 포켓을 구비하며, 복수의 에어 포켓 중 특정 에어 포켓에 선택적으로 공기 충전량을 변경시키는 것에 의해, 소정 바람 조건 하에서 원하는 방향으로 블레이드가 동력을 가지는 형상을 구현할 수 있다. 공기 충전량 변경을 위해서는 예를 들어 공기 펌프가 사용될 수 있다.
다른 실시예에서는, 별도의 에어 포켓을 구비하지 않는 박막 형태의 블레이드가 분절 단위로 각도 변경이 가능한 격자 형태의 지지대에 의해 제어될 수 있고, 각각의 격자 단위로 회전량을 변화시키는 것에 의해 주어진 바람 조건 하에서의 원하는 이동 방향으로의 동력을 최대화 시키는 형상으로 블레이드를 변형하도록 구성될 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 각각의 블레이드의 회전은 예를 들어 지면에 수직인 회전 축을 기준으로 수행될 수 있다. 도 7 은 일 측면에 따른 블레이드 지지대의 단면도이다. 도 7 에 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드들의 지지대는 돛 형태의 박막을 지지하도록 구성되는 상부 지지대 (31) 및 상기 상부 지지대 (31) 가 회전 가능하게 결합되는 하부 지지대 (32) 를 포함할 수 있다. 하부 지지대 (32) 는 상부 지지대 (31) 에 결합된 블레이드 회전 축 (35) 이 통과할 수 있는 공동을 제공한다. 블레이드 회전 축 (35) 은 모터 축 (34) 과 연결되어 모터 (33) 로부터의 회전력을 기반으로 회전하는 것에 의해 상부 지지대를 회전 시키고, 돛 형태의 박막의 배향을 원하는 방향으로 조정하도록 할 수 있다.
한편, 도 8 은 일 측면에 따른 고도 분리형 블레이드의 예시도이다. 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 전력 생산 효율을 극대화시키기 위한 적절한 블레이드의 크기는 상당히 큰 규모일 수 있고, 고도에 따라 바람의 방향이 상이할 수 있다. 따라서, 고도에 따라 바람의 방향이 각기 상이한 경우에도, 블레이드 (30) 의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키기 위해, 블레이드는 고도에 따라 구분되는 제 1 부분 (37a), 제 2 부분 (37b) 및 제 3 부분 (37c) 을 구비하고, 제 1 조인트 (38a), 제 2 조인트 (38b) 및 제 3 조인트 (38c) 를 구비하여, 각 조인트 부분을 각각 회전 가능하도록 구성하는 것에 의해, 각 부분들에 포함된 돛 형태의 박막의 배향을 각기 다르게 설정할 수 있다. 즉, 복수의 블레이드 (30) 들 각각은, 높이 방향으로 구분된 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드를 구비하고, 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드는 서로 독립적으로 회전 가능하도록 구성되며, 제 1 부분 블레이드 및 제 2 부분 블레이드가 각각 배치된 높이에서의 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로 블레이드 (30) 의 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키도록 회전될 수 있다.
블레이드의 목표 이동 방향을 결정하기 위한 위치 정보, 바람의 방향에 관한 정보 등의 획득은 통상적인 센서 시스템 중 임의의 것을 채용하는 것에 의해 달성될 수 있고, 블레이드의 배향 결정 및 변경을 위한 제어 시스템 역시 통상의 제어 시스템 중 임의의 것을 선택할 수 있다.
예를 들어, 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 대한 정보는, 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 위치 신호 수신 장치가, 루프 내에 복수 개 구비되는 위치 식별 신호 발생 장치 중 적어도 하나로부터의 위치 식별 신호를 수신하는 것에 의해 획득될 수 있다. 또 다른 측면에서, GPS 와 같은 위치 결정 시스템에 의해 각 블레이드의 위치 정보를 결정할 수 있다. 블레이드의 위치에 따른 목표 이동 방향은 데이터베이스에 저장된 테이블 정보에 따라 결정될 수도 있고, 각 위치 및 루프 형상을 기반으로 컴퓨팅 디바이스가 실시간으로 계산하도록 구성될 수도 있다. 한편, 바람의 방향에 관한 정보는, 복수의 블레이드들 각각에 구비되는 풍향 센서로부터 획득되어, 각 블레이드 마다의 바람의 방향에 대한 정확한 정보를 사용하도록 할 수도 있다. 배향 결정과 같은 연산을 수행하는 제어 시스템은, 각각의 블레이드 마다 별도의 컴퓨팅 디바이스 또는 프로세서가 구비되도록 설정될 수 있고, 또는 각각의 블레이드와 정보를 송수신하도록 구성된 통합 제어 시스템을 구비하여 통합 제어 시스템이 각각의 블레이드에 대한 제어를 수행하도록 구성할 수도 있다.
다시 도 2 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템 (100) 은 복수의 나셀을 구비할 수 있다. 예를 들어 나셀 (40) 은 발전기 중심 축 기어 (45-1) 를 구비하는 발전기를 구비할 수 있고, 발전기 중심 축 기어 (45-2) 를 구비하는 추가적인 발전기가 포함된 별도의 나셀이 더 구비될 수도 있다.
한편, 풍력 발전기의 형태에 따라, 나셀 (40) 에 구비된 발전기는 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성될 수도 있다. 또는, 필요에 따라 목표 회전 속도를 조정하는 것이 요구될 수 있다.
제 3 실시 형태에서, 복수의 이동체 (2120) 들은 레일 (2110) 상에서 각각 이동 가능하여, 이동체 (2120) 간의 간격이 변경될 수 있다. 도 10 은 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 상면도이고, 도 11 은 블레이드 간격 조절이 가능한 풍력 발전 시스템의 상면도이다. 발전기 중심 회전 축의 회전 속도 조절을 위한 측면에서, 블레이드의 이동 속도가 제어되는 형태가 가능하다. 도 11 에 도시된 바와 같이, 레일은 직선 구간 (1110) 및 곡선 구간 (1120-1, 1120-2) 을 포함할 수 있고, 복수의 블레이드들은, 직선 구간 (1110) 에 위치할 때보다 곡선 구간 (1120-1, 1120-2) 에 위치할 때 더 좁은 간격으로 배치되도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템에 있어서, 태풍의 발생과 같이 풍력 발전 시스템의 정상적인 작동이 담보되지 않는 상황에서는 블레이드를의 보호를 위한 조치가 필요할 수 있다. 관련하여, 예를 들면 블레이드들의 보관을 위한 격납고가 설치되거나, 블레이들 간의 체결에 이루어지거나, 블레이드가 지면을 향해 폴딩되는 형태로 블레이드의 보호 조치가 수행될 수 있다.
도 14 는 분리 건설되는 격납고에 대한 예시도이다. 도 14 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 복수의 블레이드들이 격납되는 격납고 (1430), 레일에 포함되는 분기점 (1410) 및 분기점으로부터 격납고 까지의 이동 경로를 제공하는 격납 레일 (1420) 을 더 포함하고, 복수의 블레이드 (30) 들은 분기점 (1410) 및 격납 레일 (1420) 을 경유하여 격납고 (1430) 에 격납되도록 구성될 수 있다. 제 3 실시 형태와 같이, 각각의 이동체 (2120) 에 구비되는 블레이드들 (2130) 이 레일 (2110) 상에서 슬라이딩 이동 가능하게 구성되는 경우, 보호 조치가 필요한 시점에 블레이드 (2130) 가 구비된 이동체 (2120) 들은 레일 (2110) 상의 분기점 (1410) 에서 격납 레일 (1420) 로 이동되도록 조치되고, 격납 레일 (1420) 을 따라 슬라이딩 이동 되어 격납고 (1430) 에 격납 조치될 수 있다.
도 15 는 레일 상에 건설되는 격납고에 대한 예시도이다. 도 15 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은, 레일 (10) 이 관통하도록 구성된 격납고 (1530) 를 더 포함하고, 복수의 블레이드 (30) 들은 레일 (10) 을 따라 이동하여 격납고 (1530) 에 격납되도록 구성될 수도 있다. 도 15 에 의해 예시된 실시예에서도, 도 14 에서와 같이 이동체 및/또는 블레이드의 레일과의 결합 관계에 따라 다양한 방법으로 블레이드 (30) 들이 격납고 (1530) 로 이동될 수 있다. 제 3 실시 형태에서, 복수의 이동체 (2120) 들이 레일 (2120) 을 따라 이동하여 격납고에 격납되도록 구성될 수도 있다.
도 16 은 블레이드 간 체결 형태에 대한 예시도이다. 도 16 에 도시된 바와 같이, 블레이드 (1630-1) 내지 블레이드 (1630-2) 의 복수의 블레이드들은 태풍에 대한 보호 조치가 필요할 때 상호 결합되도록 할 수 있다.
일 측면에 따르면, 복수의 블레이드들 각각은, 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 인접하는 블레이드와 결합되도록 하는 체결 수단을 포함할 수 있다. 즉, 인접 블레이드 간의 체결을 통해 결과적으로 복수 블레이드들이 전부 결합되어, 태풍에 대한 저항력을 향상시킬 수 있다.
다른 측면에 따르면, 복수의 블레이드들은, 복수의 블레이드들의 간격이 최소화되었을 때 가장 좌측에 위치하는 제 1 블레이드 (1630-1) 와 가장 우측에 위치하는 제 2 블레이드 (1630-2) 를 포함하고, 제 1 블레이드 (1630-1) 및 제 2 블레이드 (1630-2) 는 각각 체결 수단을 구비하며, 제 1 블레이드의 체결 수단 및 제 2 블레이드의 체결 수단이 상호 체결되는 것에 의해 복수의 블레이드들이 결합되도록 구성될 수도 있다. 이외에도 다양한 실시 형태를 통해 복수의 블레이드들이 결합되는 구성이 가능하다.
도 17 은 지면 방향으로 폴딩 가능한 블레이드의 예시도이다. 도 17 에 도시된 바와 같이, 복수의 블레이드들 각각은, 지면 방향을 향해 폴딩 가능하도록 구성될 수 있다. 평상시에 정상 위치 (1730) 에 위치하여 바람의 에너지를 기반으로 동력을 생성하는 블레이드들은, 태풍 위험과 같이 보호 조치가 필요한 시점에는 지면 인접 위치 (1740) 로 폴딩되어, 바람의 영향을 최소화하도록 할 수 있다.
<실험예>
본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템은 종래 대형 팬 방식의 풍력 발전기에 비해 개선된 발전 효율 및 저감된 소음 발생을 달성할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 풍력 발전 시스템의 발전 성능 및 소음 발생에 대한 실험을 위해 실험예의 풍력 발전 시스템에 대한 컴퓨터 유체역학 모델은 아래와 같은 설계 조건으로 구현될 수 있다.
- 복수의 블레이드들이 루프를 형성하는 레일 상에 순차적으로 배치되어 바람을 기반으로 구동 에너지를 형성
- 계산 영역 크기 : 300 x 250 x 200 (m3) (제주 가시리 발전소와 동일 규모)
- 터빈 익형 (NACA0009 - 돛 모양) : 수평 길이 = 90 (m) / 수직 높이 = 120 (m) / 최대양력 입사각 = 5.5 degree / 터빈 간 거리 = 150 (m) / 레일 상 이동 속도 = 1.9 m/s (제너레이터 최대효율 기준)
- 풍황 조건 : 평균 풍속 = 11.4 m/s (Rechord
Figure 112021049081661-pat00001
7 x 107) / 풍황조건 = 0 (headwind), 45, 90 (crosswind), 180 (tailwind) 도
컴퓨터 유체역학 해석이 상기 모델의 이동하는 블레이드들이 레일 상의 직선 영역에서 발생시키는 에너지를 기반으로 하는 전력 생성 양에 대한 측정을 위해 사용되었으며, 종래의 풍력 발전 시스템의 효율과 비교하였다.
기존 풍력 터빈 대비 출력 측정을 위한 발전기 (Power generator) 의 선정/특성과 관련하여, 94.4 % 의 효율을 가지는 제너레이터를 기준으로 평가하였다. 허브 (기어) 는 레일에 연결되어 발전기 나셀의 중심 축으로 토크 (torque) 를 전달하도록 구성된다. 허브 및 나셀의 속성은 5 MW NREL 의 참조 풍력 터빈에 의해 결정되었다 (https://www.nrel.gov/docs/fy09osti/38060.pdf 참조).
출력을 측정하기 위한 방법으로서, 측풍 (Crosswind) 내의 흐름 (Flow) 및 소용돌이 (Vortex) 를 고려하였다. 하기의 수학식 1 에 따라 생성되는 전력을 추산하였다.
Figure 112021049081661-pat00002
여기서,
Figure 112021049081661-pat00003
는 블레이드의 이동 방향의 유닛 벡터를 나타낸다.
풍향 별 출력 계산 값은 아래의 표 1 과 같다.
풍향 X 방향
힘		 Y 방향
힘		 추산된
전력
0° - headwind 338.0 KN -48.9 KN -87.7 KW
45° - headwind 245.3 KN 136.8 KN 245 KW
90° - crosswind 57.9 KN 166.2 KN 298.1 KW
180° - tailwind 전 -23.9 KN 1183 KN 2122 KW
후 -13.1 KN 725 KN 1300 KW
도 23 은 기존 풍력 발전기와 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템의 출력에 대한 비교 결과를 나타낸다. 도 23 에는, 기존 풍력 발전기 (NREL's EMD turbine installed in California, USA (rotor diameter 77m)) 와 비교하여, 예측되는 전력 출력이 도시된다. 관련하여, 최대 출력이 발생하는 tailwind 를 받는 개별 터빈의 경우 범용 풍력터빈 대비 유사하거나 높은 출력을 보이는 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라, 소음의 발생과 관련된 압력 손실이 기존 범용 터빈의 65분 1 정도로 작은 것으로 나타났다 (최대압력손실 기준 260 Pa,) (참조: Li et al., 2020, Renewable Energy).
유체역학 분석 결과, 개별 돛 모양 터빈의 경우 tailwind 와 가까운 풍향의 경우 기존 범용 풍력 터빈과 유사하거나 더 우수한 출력을 기대할 수 있었고, 다만 레일을 따라 터빈의 입장에서 풍향이 tailwind에서 벗어나 headwind 경향의 풍향으로 바뀌면 급격한 출력의 저감이 있어 전체적으로 같은 설비 용량의 기존 풍력단지 대비 출력이 낮은 것으로 평가된다. 다만, 본 발명의 일 측면에 따라 바람의 방향에 따라 적응적으로 블레이드의 회전을 통해 최대의 동력을 받도록 하는 경우, 출력 저감 문제가 해소될 것으로 예상된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전 시스템은 기존 풍력 터빈 대비 구동부가 적고, 구조가 단순하여 더 큰 규모의 터빈을 사용하면 추가적인 출력의 향상을 기대할 수 있다. 나아가, 풍력 발전 소음과 직결된 압력 손실이 동 규모의 기존 풍력 터빈 대비 65분의 1 수준 (최대 압력손실 기준) 으로 저소음 운전의 강점이 있는 것으로 나타났다.
이상, 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위가 상기 도면 또는 실시예에 의해 한정되는 것을 의미하지는 않으며 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 일련의 기능 블록들을 기초로 설명되고 있지만, 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 실시 예들의 조합은 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 구현 및/또는 필요에 따라 전술한 실시예들 뿐 아니라 다양한 형태의 조합이 제공될 수 있다.
전술한 실시 예들에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로서 순서도를 기초로 설명되고 있으나, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 순서도에 나타난 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나, 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시 예는 다양한 양태의 예시들을 포함한다. 다양한 양태들을 나타내기 위한 모든 가능한 조합을 기술할 수는 없지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 다른 조합이 가능함을 인식할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 특허청구범위 내에 속하는 모든 다른 교체, 수정 및 변경을 포함한다고 할 것이다.
10 : 레일
11 : 상부 프레임
13 : 상부 프레임 지지대
20 : 이동체
20a : 이동체 톱니 산
30 : 블레이드
30a : 블레이드 동력 전달 막대
31 : 상부 지지대
32 : 하부 지지대
33 : 모터
34 : 모터 축
35 : 블레이드 회전 축
40 : 나셀
45 : 발전기 중심 축 기어
45a : 기어 톱니 산
45c : 발전기 중심 축
100 : 풍력 발전 시스템

Claims (3)

  1. 풍력 발전 시스템으로서,
    수평 방향의 이동 경로를 제공하는 레일;
    상기 레일의 이동 경로에 따라 슬라이딩 되어 이동하도록 구성된 이동체;
    상기 이동체에 설치되어 바람에 따른 에너지를 기반으로 상기 이동체의 이동을 위한 동력을 제공하는 복수의 블레이드; 및
    상기 이동체 및 블레이드 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전함으로써 전력을 생성하는 발전기가 구비된 나셀 (nacelle) 을 포함하고,
    상기 레일은 루프 및 상기 루프 내부에 형성되어 상기 루프보다 더 짧은 이동 경로를 제공하는 적어도 하나의 내부 루프를 포함하고,
    상기 발전기는, 미리 결정된 목표 회전 속도를 가지도록 구성되며, 풍속에 관한 정보를 기반으로, 상기 목표 회전 속도에 더 가까운 회전 속도를 달성하도록 상기 루프 및 상기 내부 루프 중 어느 하나의 이동체 및 블레이드 중 적어도 하나의 이동에 연동하여 회전하도록 구성되고,
    상기 복수의 블레이드들 각각은, 가요성을 가지는 소재로 구성되어 복수의 에어 포켓을 구비하며, 상기 루프 또는 상기 내부 루프 내에서의 상기 복수의 블레이드들 각각의 위치에 따라 결정되는 목표 이동 방향에 관한 정보 및 바람의 방향에 관한 정보를 기반으로, 상기 복수의 에어 포켓 중 적어도 하나의 에어 포켓에 대한 공기 충전량을 제어함으로써 상기 목표 이동 방향으로의 동력을 최대화시키는 형상으로 변형되도록 구성되고,
    상기 루프 또는 상기 내부 루프는 직선 구간 및 곡선 구간을 포함하고 상기 복수의 블레이드들 각각은, 상기 복수의 블레이드들 간의 간격을 조정하기 위하여 이동 가능하도록 체결되어, 상기 직선 구간에 위치할 때보다 상기 곡선 구간에 위치할 때 더 좁은 간격으로 배치되는 풍력 발전 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
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