KR102480248B1 - 지상에 부착된 고고도 풍력 발전소 - Google Patents

지상에 부착된 고고도 풍력 발전소 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지상에의 유연한 연결을 갖는 그리고 캐리어 가스를 에워싸는 덮개를 갖는, 서로 다른 고도들에서 전기 에너지를 발생시키기 위한 고고도 풍력 발전소에 관한 것이며, 상기 덮개는 적어도 일부 섹션에서, 바람직하게는 고정된 날개를 형성하고, 다수의 로터가 상기 날개 안에 수용된다.

Description

지상에 부착된 고고도 풍력 발전소
본 발명은 지상에의 유연한 (flexible) 연결을 갖는 그리고 캐리어 가스를 에워싸는 덮개를 갖는, 서로 다른 높이들에서 에너지를 발생시키기 위한 고고도 풍력 발전소에 관한 것이다.
풍차 또는 로터 (rotor) 를 포함하는 고고도 풍력 발전소들이 알려져 있다. 그것들은 또한 공기보다 가벼운 헬륨 또는 다른 가스로 부분적으로 충전되고, 따라서 그것들은 부양 작용을 달성한다. 고고도 풍력 발전소들은 통례적으로 지상에 앵커링된 케이블 (cable) 에 의해 홀딩된다 (US 2008/0290665 A1).
이 고고도 풍력 발전소들은 여러 가지 형태로도 존재하고, 대개는 둥근 형태로 존재한다. 그것들은, 예컨대 풍선 또는 연에 있어서와 같이, 하나의 재료 또는 유사한 재료로 형성된다 (DE 656194 C).
하지만, 알려져 있는 이 고고도 풍력 발전소들은 그것들이 보다 긴 시간에 걸쳐 공중에서 지속적으로 머무르게 그리고 모든 바람 및 날씨 상황들을 견뎌낼 수 있게 설계되어 있지 않다.
지상과의 유연한 연결을 근거로 그리고 모든 바람 및 날씨 상황들이 보다 긴 시간에 걸쳐 구조에 의해 받쳐져야 한다는 사실을 근거로, 이를 위해 자립적으로도 바람 방향으로 정렬될 수 있는, 바람 및 날씨에 견디는 날개 (wing) 가 존재해야 한다.
또한, 큰 높이들에서 공기압력이 지표면 위에서보다 훨씬 낮고, 평균 온도가 훨씬 더 낮다. 이는 풍력 발생을 위해 종래에 사용된 전자적 제어 유닛들이 더 이상 기능을 할 수 없는 것을 초래한다.
예컨대 헬륨과 같은 캐리어 가스를 수용하기 위한 부피는 날개의 크기에 의해 제한된다.
고고도 풍력 발전소에서 전류가 발생되면, 상기 전류는 운반에 적합하지 않은 전류 타입 (current type) 으로 존재할 수 있다. 게다가, 존재하는 메인 전압이 전류 운반에 적합하지 않을 수 있다. 고고도 풍력 발전소에서 압축공기가 발생되면, 상기 압축공기는 적합한 방식으로 지표면으로 운반되어야 한다.
그 밖의 문제 영역은 날개에서의 케이블의 고정이다. 큰 인장력들을 근거로 상기 케이블은 이 힘들을 흡수하기에 적합해야 한다.
종래에는, 하나의 로터를 갖는 고고도 풍력 발전소들만 알려져 있다. 이는 이 로터의 크기로의 성능 제한을 초래한다.
이 문제들의 적어도 일부는 본 발명에 따르면, 지상에의 유연한 연결을 갖는 그리고 캐리어 가스를 에워싸는 덮개를 갖는, 서로 다른 높이들에서 압축공기 또는 전기 에너지를 발생시키기 위한 고고도 풍력 발전소에 있어서, 상기 덮개가 적어도 일부 섹션에서 공기역학적 (aerodynamic) 날개를 형성하고, 다수의 로터가 상기 날개 안에 수용됨으로써 해결된다. 상기 로터 또는 로터들과 에너지 발생기 또는 에너지 발생기들 사이에, 바람직하게는 하나 또는 다수의 기어가 위치한다.
본 발명은 지상에 고정되는 그리고 2,000 m 와 15,000 m 사이의, 특히 8,000 m 와 12,000 m 사이의 (제트 기류) 큰 고도에 위치하는 고고도 풍력 발전소에 관한 것이다. 상기 고고도 풍력 발전소는 200 내지 500 km/h 의 공기 속도를 이용하기 위해 그리고 긴 시간 동안 이와 같은 고도에서 지속적으로 머무르기 위해 설계된다. 이를 위해, 상기 덮개는 모든 날씨 조건들을 견뎌낼 수 있기 위해 잘 찢어지지 않는 표면으로 구성된다. 상기 덮개에 수직 및 승강 방향타들이 설치된다. 또한, 캐리어 가스가 상기 고고도 풍력 발전소의 상기 덮개 안에 위치한다. 마찬가지로, 전자적 구성요소들을 위한 압력챔버 (pressure chamber) 가 상기 고고도 풍력 발전소 안에 위치한다.
발생된 전기 에너지를 변압하기 위해 또는 전환하기 위해 트랜스토머 (transformer) 가 상기 고고도 풍력 발전소 안에 위치한다. 압축공기를 발생시키기 위해 컴프레셔들 (compressors) 이 제공되고, 상기 컴프레셔들의 상류에 하나 또는 다수의 기어가 접속된다. 상기 컴프레셔들을 이용해 압축된 공기는 절연된 (insulated) 공기 호스들을 이용해 지표면으로 운반된다. 지표면에서 직접적으로 압축공기 저장 장치 또는 위치에너지 저장 장치가 이용 가능하다. 전류를 발생시키기 위해 상기 압축공기 저장 장치들은 비워지고, 이를 통해 제너레이터 (generator) 가 구동된다. 효율은 저장을 포함하여 약 65% 에 있다.
일정한 에너지 발생을 보장해야 하는 고고도 풍력 발전소는 모든 바람 및 날씨 상황들에 견딜 수 있어야 한다. 이에 상응하여 상기 덮개와 앵커링 케이블은 유연한 그리고 인장에 저항하는 (tension-resistant) 재료로, 특히 탄소 섬유 또는 폴리아라미드 (케블라 (kevlar)) 로 형성된다.
이를 위해, 예컨대 우박에 의한 손상을 견뎌낼 수 있기 위해, 로터들은 상기 날개의 내부에 설치된다.
이를 위해 상기 날개는 바람 및 날씨에 대해 안정적인 재료로 제조되어야 하고, 동시에 또한 바람 상황에 적응할 수 있는 능력을 가져야 한다. 이는 예컨대 상기 날개를 정렬하는 수직 및 승강 꼬리날개 장치들을 설치함으로써 수행된다.
상기 날개의 적어도 일부 안에 압력실 (pressure cabin) 및 열적 절연 (thermal insulation) 을 설치함으로써, 기능을 하는 제어 일렉트로닉을 안전하게 하는 조건들이 달성될 수 있다. 추가적으로 또한 필요시 가열 장치가 설치될 수 있다.
캐리어 가스의 부피를 높이기 위해 상기 날개들은 또는 상기 날개 안의 또는 상기 날개에서의 특별한 가스 탱크들은 상기 캐리어 가스로 충전된다. 상기 날개 안의 또는 상기 탱크 안의 압력이 높아지고, 이를 통해 상기 캐리어 가스의 부피와 상기 덮개의 강성이 높아진다.
전류 타입은 전환기를 통해 다른 전류 타입으로 전환되고, 필요시 전압 또는 전류강도가 바뀐다. 이는 안전을 이유로 상기 날개 안의 패러데이 케이지 (Faraday cage) 안에서 행해질 수 있다.
상기 트랜스포머는 에너지 저장 장치를 충전할 수도 있고, 따라서 전류를 전환하기 위해 라이트닝이 발생될 수 있다.
상기 덮개에서의 고정 부위에서의 케이블의 인장력들을 감소시키기 위해, 특히 예비 인장된 유압 실린더들 (hydraulic cylinders) 이 설치될 수 있고, 상기 유압 실린더들이 힘의 일부를 흡수한다.
대안적으로 또는 추가적으로, 에너지의 그 밖의 부분을 흡수할 수 있는 전자석들이 설치될 수 있다.
성능을 높이기 위해 다수의 로터가 상기 날개 안에 설치된다.
본 발명의 그 밖의 장점들, 특징들 및 상세내용들은 종속항들 및 다음의 설명에 나타나 있고, 이 설명에서는 도면을 참조로 본 발명의 특히 바람직한 실시예가 설명된다.
도 1 은 고고도 풍력 발전소의 정면도를 나타내고;
도 2 는 도 1 에 따른 고고도 풍력 발전소를 통한 세로방향 단면 II-II 을 나타내고;
도 3 은 도 1 에 따른 고고도 풍력 발전소의 평면도 III 를 나타낸다.
도 1 에서는 플라잉 윙 (flying wing) 형태의 날개 (10) 를 정면도로 볼 수 있다. 이 플라잉 윙 안에 다수의 로터 (12) 가 위치한다. 이때, 날개 (10) 는 덮개 (14) 에 의해 형성되고, 상기 덮개 안에는 로터들 (13) 이외에 캐리어 가스로 충전된 스태빌라이저들 (stabilizers, 16) 이 제공된다. 캐리어 가스를 위한 추가적 장소는 공기관 (air tube, 17) 의 유형으로도 덮개 (14) 위에 그리고/또는 아래에 위치한다. 스태빌라이저 (16) 및/또는 공기관 (17) 은 팽창하는 가스의 압력도 흡수할 수 있는 기상 관측 기구 (meteorological balloon) 의 유형에 따라 인장에 저항하는 재료로 구성된다. 이 스태빌라이저들 (16) 은 고유 강성 (inherent stiffness) 을 가지며, 압밀적이고 (pressure-tight), 덮개 (14) 와 로터들 (12) 을 위한 지지 구조물로서 쓰인다. 덮개 (13) 자체 안에는 마찬가지로 트러스 방식으로 받침대들이 배열된다. 날개 (10) 는 홀딩 케이블 (18) 에 고정되고, 이때 홀딩 케이블 (18) 안에 유압 실린더 (20) 가 삽입된다. 홀딩 케이블 (18) 은 유압 실린더 (20) 뒤에서 갈라지고, 날개 (10) 의 덮개 (14) 에서의 다수의 포인트들 (points) 을 붙잡는다. 날개 (10) 의 측면 단부들은 안정화를 위한 윙릿들 (winglets, 22) 을 구비한다. 에너지 운반은, 유압 실린더 (20) 뒤에서 홀딩 케이블 (18) 에 고정되는 전선을 이용해 수행된다. 마지막으로 전자석들 (26) 을 더 알아볼 수 있고, 상기 전자석들은 마찬가지로 날개 (10) 를 댐핑하는 데에 쓰인다.
도 2 는 도 1 에 따른 날개 (10) 를 세로방향 단면 II-II 으로 나타낸다. 공기관 (28) 안에 놓여 있는 로터 (12) 를 알아볼 수 있다. 날개 (10) 의 단부에는 윙릿들 (22) 중 2개가 도시된다. 공기관 (28) 안에 고정부 (30) 가 위치하고, 상기 고정부를 이용해 기계실 (machine cabin, 32) 이 홀딩된다. 예비 인장된 압력 실린더 또는 유압 실린더 (20) 를 갖는 그리고 전자석을 갖는 홀딩 케이블 (18) 과, 전선 (24) 은 날개 (10) 의 아랫면과 전방 단부를 붙잡는다. 기계실 (32) 안에 트랜스포머 (34) 와 가열 장치 (36) 가 위치한다. 바람 방향은 참조부호 (42) 로 도시된다.
도 3 은 날개 (10) 를 평면도로 나타낸다. 측면에서 윙릿들 (22) 이 도시되고, 상기 윙릿들은 날개 (10) 를 안정화시킨다. 날개 (10) 의 후방 단부에는 승강 및 수직 방향타들 (38) 이 위치한다. 모터실 (32) 은 열적 절연부 (40) 에 의해 둘러싸이고, 로터 (12) 를 위한 샤프트를 떠받친다.
날개 (10) 는 캐리어 가스 헬륨으로 충전되고, 따라서 날개 (10) 의 전체 무게가 상기 헬륨에 의해 떠받쳐진다. 이를 위해 헬륨은 날개 (10) 의 스태빌라이저들 (16) 안으로 채워 넣어진다. 날개 (10) 는 홀딩 케이블 (18) 을 통하여 지표면과 연결된다.
바람은 방향 (42) 으로 로터들 (12) 을 통해 흐르고, 이때 로터들 (12) 은 모터실 (32) 안에 위치하는 제너레이터들을 구동시키고, 이를 통해 바람의 에너지가 전기 에너지로 전환된다. 이 전기 에너지는 홀딩 케이블 (18) 에 고정된 전선 (24) 을 통하여 지표면으로 운반된다. 알맞은 전류 타입과 전압을 얻기 위해, 상기 발생된 전기 에너지는 트랜스포머 (34) 안에서 바뀐다. 대안적으로, 압축공기를 발생시키기 위한 컴프레셔들도 제공될 수 있고, 상기 컴프레셔들은 상기 로터들에 의해 구동된다.
수직 및 승강 방향타들 (38) 의 도움으로 날개 (10) 는 최적으로 바람 안으로 세워질 수 있다. 윙릿들 (22) 은 날개 (10) 의 안정성을 높인다.
공기관 (28) 의 내부에 안쪽에 부설된 로터들 (12) 은, 예컨대 우박에 의한, 손상을 저지한다. 게다가 공기는 최적으로 로터들 (12) 에 공급된다. 이때 공기관 (28) 에 공기 안내 박판들이 마련될 수 있고, 이웃한 로터들 (12) 은 반대방향일 수도 있다.
압력실로서 형성된 기계실 (32) 과, 가열 장치 (36) 는 지표면에서 마주칠 수 있는 주변조건들을 이룰 수 있다. 추가적으로, 이를 위해 또한 기계실 (32) 둘레의 또는 상기 기계실 안의 열적 절연부 (40) 가 사용된다.
바람에 의한 인장력들을 흡수하기 위해, 예비 인장된 압력 실린더 또는 유압 실린더 (20) 가 기계적 에너지의 일부를 흡수한다. 그 밖의 부분은 연결된 전자석들 (26) 에 의해 흡수될 수 있다. 전자석 (26) 은 상기 제너레이터로부터 전기 에너지를 받는다. 전자석 (26) 은 필요시에만 접속된다.
발생된 압축공기는 하나 또는 다수의 공기 호스들을 이용해 지표면으로 안내되고, 거기에서 저장되거나 또는 다른 에너지 타입으로, 예컨대 전기 에너지로 전환된다. 상기 공기 호스는 홀딩 케이블 (18) 에 고정된다.

Claims (19)

  1. 지상에의 유연한 연결 (18) 을 갖는 그리고 캐리어 가스를 에워싸는 덮개 (14) 를 갖는, 서로 다른 고도들에서 전기 에너지를 발생시키기 위한 고고도 풍력 발전소로서,
    상기 덮개 (14) 는 날개 (10) 를 형성하고, 다수의 로터 (12) 는 에너지 발생기를 위해 상기 날개 (10) 안에 제공되고, 로터들 (12) 은 상기 날개 (10) 의 내부에 설치되고,
    기계실 (32) 이 상기 날개 (10) 안에 제공되고, 상기 기계실은 상기 기계실 (32) 안의 높아진 압력을 발생시키기 위해 압력실을 구비하는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개 (10) 는 고정된 날개 (10) 로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 덮개 (14) 및/또는 상기 유연한 연결 (18) 은 사용 위치에서 생기는 모든 바람 및 날씨 상황들에 견디는 재료, 또는 폴리아라미드로 제조되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 날개 (10) 를 정렬하기 위해 수직 및 승강 방향타들 (38) 이 상기 날개 (10) 안에 또는 상기 날개에 장착되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 덮개 (14) 는 적어도 부분적으로 고정된 날개 (10) 를 형성하는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기계실 (32) 안에서 상승된 온도를 발생시키기 위해 열적 절연층 (40) 및/또는 가열 장치 (36) 가 상기 기계실 (32) 둘레에 또는 상기 기계실 안에 설치되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 날개 (10) 는 캐리어 가스를 수용하기 위해 특별한 스태빌라이저들 (stabilizers, 16), 및/또는 상기 덮개 (14) 위의 그리고/또는 아래의 공기관 (air tube, 17) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 고고도 풍력 발전소.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 스태빌라이저 (16) 및/또는 상기 공기관 (17) 은 인장에 저항하는 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    발생된 전류를 다른 전류 타입으로 또는 라이트닝으로 전환하기 위해 그리고/또는 변압하기 위해, 전류 트랜스포머 (current transformer) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전류 트랜스포머는 기계실 (32) 안에 배열되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  11. 제 9 항에 있어서,
    전류 트랜스포머를 위한 패러데이 케이지 (Faraday cage) 가 상기 날개 (10) 안에 제공되는 것을 특징으로 하는 고고도 풍력 발전소.
  12. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인장력의 일부를 흡수하기 위해, 상기 날개 (10) 와 상기 유연한 연결 사이에 적어도 하나의 압력 댐퍼 또는 유압 댐퍼 (hydraulic damper, 20) 가 제공되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압력 댐퍼 또는 유압 댐퍼 (20) 는 상기 날개 (10) 를 붙잡는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  14. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    인장력의 일부를 흡수하기 위해 전자석들 (26) 이 상기 날개 (10) 에 고정되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  15. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에너지 발생기는 공기를 압축하기 위한 컴프레셔 (compressor) 인 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 컴프레셔의 상류에 하나 또는 다수의 기어가 접속되고, 따라서 상기 로터들 (12) 은 상기 컴프레셔를 구동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 고고도 풍력 발전소.
  17. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    압축공기를 운반하기 위해, 컴프레셔를 지표면 위의 압축공기 저장 장치와 연결하는 하나 또는 다수의 공기 호스들이 제공되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나 또는 다수의 공기 호스들은 절연되는 것을 특징으로 하는, 고고도 풍력 발전소.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 공기 호스의 절연은 크립톤 가스, 에어로겔 또는 진공절연 (vacuum insulation) 을 이용해 수행되는 것을 특징으로 하는 고고도 풍력 발전소.
KR1020197029717A 2017-04-13 2018-04-13 지상에 부착된 고고도 풍력 발전소 KR102480248B1 (ko)

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