KR102655634B1 - 와류 동적 발전 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 원통형 캐비티, 구동 장치 및 발전 장치로 이루어진 와류 동적 발전 구조물를 제공한다. 수직 원통형 캐비티는 그 측면에 복수의 유체 입구를 갖고 그 상부 표면의 중앙에 유체 출구를 가진다. 구동 장치는 투과성 블레이드 세트로 구성되며 회전 축대가 원통형 캐비티의 중앙에 설치된다. 본 발명의 특징은 다음과 같다. 외부 유체는 접선 방향으로 원통형 캐비티 내로 흘러 와류를 형성하고, 이 와류는 토네이도처럼 자동으로 계속 가속된다. 이 와류는 구동 장치를 밀어 회전시키고, 투과성 블레이드는 와류가 나선형 경로를 유지할 수 있도록 한다. 투과성 블레이드는 회전 에너지를 피드백하여 와류를 더욱 가속한다. 와류의 중심 부분은 원통형 캐비티의 축을 따라 흘러 출구로 배출된다. 발전 장치는 구동 장치에 연결되고 구동 장치에 의해 구동되어 전기를 생성한다.

Description

와류 동적 발전 구조물{VORTEX DYNAMIC POWER GENERATION STRUCTURE}
본 발명은 와류 동적 파워를 사용하여 전기를 생성하는 구조물에 관한 것이며, 특히 원통형 캐비티(cavity)를 적용하여 와류를 생성 및 가속하고, 투과성 블레이드(permeable blade)를 적용하여 상기 와류의 운동 에너지를 흡수하여 전기를 생성하는 장치에 관한 것이다.
대규모 수평축 풍력 터빈(HAWT: Horizontal Axis Wind Turbine)의 경우, 취약한 블레이드, 높은 무게 중심, 복잡한 구조, 제조, 운송, 설치, 유지 관리, 갱신, 철거 및 재활용의 어려움, 조류에 대한 위험, 소음 등의 문제가 있다. 전반적으로, 수명 주기가 짧은 반면 비용이 높다.
수직축 풍력 터빈(VAWT: Vertical Axis Wind Turbine)의 경우, 취약한 축과 블레이드로 인해 강한 바람을 견딜 수 없으므로, 그 크기가 제한된다.
본 발명자는 다음과 같이 본 발명과 명백히 다른 US4452562A에 주목하였다:
US4452562A의 경우, "내벽과 외벽이 이격되어 있고 중앙 구멍이 있는 수직으로 배치된 바람 수집 탑을 개시하고 있다. 이 바람 수집 탑의 상단은 개방되어 있는 반면 이 구조물의 하단은 바람 흡입 챔버와 연통한다. 사각형 바람 흡입 챔버 내의 유입 유체(inflow)는 와류를 형성할 수 없으며, 토네이도처럼 자동으로 가속되지 않는다.
본 발명의 경우, 원통형 캐비티는 단일 벽 구조이고, 상부 표면은 중앙 부분을 제외하고 완전히 덮이며, 하부는 연통하는 바람 흡입 챔버를 갖지 않는다. 유입 유체는 원통형 캐비티의 측벽에 있는 복수의 유체 입구를 통과하고, 원통형 캐비티의 상부 표면 중앙에 있는 유체 출구를 통해 배출되어, 원통형 캐비티 내에 전체 바람 장(wind field)을 형성하고 토네이도처럼 가속된다.
US4452562A의 경우, 축이 있는 터빈이 바람 수집 탑과 바람 흡입 챔버 사이에 설치된다. 터빈의 블레이드는 투과성이 없다. 기류는 블레이드를 한 번만 통과한다. 블레이드는 기류 흐름을 더욱 가속하기 위해 운동 에너지를 피드백할 수 없다.
본 발명의 경우, 구동축을 구비한 복수의 투과성 블레이드가 바람 흡기 챔버 없이 원통형 캐비티의 내부에 설치된다. 유입 유체는 투과성 블레이드와 충돌한 후에, 나선형 경로를 유지하고 계속 가속되어 토네이도처럼 와류를 강화시킬 수 있다.
본 발명자는 CFD를 사용하여 본 발명의 원통형 캐비티 내의 바람 장을 시뮬레이션하였으며, 이를 통해 와류가 원통형 캐비티 내에 형성되고, 와류의 가장자리에서 속도가 더 낮고, 와류의 중심에서 속도가 훨씬 더 높고, 와류의 가장자리에서 압력이 더 높고, 와류의 중심에서 압력이 훨씬 더 낮으며, 와류의 중심은 출구를 향해 흐른다는 것을 확인했다. 이들 모두는 사이클론이나 토네이도의 특성과 일치한다.
위의 내용을 바탕으로, 본 발명자는 HAWT 및 VAWT 모두에서 발생하는 모든 문제를 해결하는 혁신적인 장치를 제공한다.
토네이도는 높은 운동 에너지를 포함한다. 본 발명은 원통형 캐비티의 컴팩트한 구조를 적용하여 그 내부에서 소형 토네이도를 생성하고, 이 토네이도의 운동 에너지를 투과성 블레이드에 의해 수집하여 전기를 생산한다.
위의 요구 사항을 충족시키기 위해, 본 발명은 다음과 같은 기술적 수단을 채용했다:
본 발명은 원통형 캐비티, 구동 장치 및 발전 장치로 구성된 와류 동적 발전 구조물이다. 여기서 상기 구동 장치는 상기 원통형 캐비티 내부에 설치된다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 유체가 상기 원통형 캐비티 내로 흘러들어 와류를 형성한다. 이 와류는 상기 구동 장치를 밀어 회전시킨다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 구동 장치는 상기 발전 장치에 연결되어 상기 발전 장치를 구동한다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 원통형 캐비티는 복수의 유체 입구와 단일의 유체 출구를 갖는다. 상기 유체 입구들은 상기 원통형 캐비티의 측면에서 개방되고, 상기 유체 출구는 상기 원통형 캐비티의 상부 표면 중앙에서 개방된다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 각각의 유체 입구들은 유입되는 흐름의 부피를 조절하기 위해 적어도 하나의 흐름 조절기를 갖는다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 외부 유체는 상기 유체 입구를 통해 접선 방향으로 상기 원통형 캐비티 내로 흐른다. 상기 유입 유체는 상기 원통형 캐비티의 내부 표면을 따라 진행한 다음, 와류를 형성하는 나선형 경로를 따라 중심을 향해 흐른다. 상기 유입 유체가 중앙에 접근하면 압력을 받아 상기 유체 출구 쪽으로 방향 전환되어 배출된다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 구동 장치는 상기 원통형 캐비티의 중앙에 설치되는 회전 축대와 이 회전 축대에 연결되는 블레이드 세트로 구성된다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 블레이드 세트는 복수의 방사상으로 분포된 브래킷들을 갖는다. 상기 블레이드는 투과성이며 상기 브래킷들에 부착된다. 상기 블레이드는 그물(mesh), 격자(grid), 막대(bar) 또는 분리된 평면 형상일 수 있다. 상기 블레이드는 또한 상기 회전 축대에 직접 부착될 수도 있다.
위에서 언급한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 유입 유체는 상기 블레이드 세트를 밀고, 상기 블레이드 세트는 상기 회전 축대를 구동하며, 상기 회전 축대는 상기 발전 장치를 구동하여 전기를 생산한다.
위에서 언급한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 원통형 캐비티는 상기 흐름을 가속하기 위해 내부에 히터를 구비한다.
전술한 와류 동적 발전 구조물에서, 상기 회전 축대의 적어도 일 단부는 상기 발전 장치에 연결될 수 있는 연결부를 갖는다. 내부에 복수의 구동 장치를 가진 복수의 원통형 캐비티가 적층되는 경우, 복수의 구동 장치가 연결 부품에 의해 연결될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 외부 구조의 개략도이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1 실시예의 원통형 캐비티의 평면도 및 측면도이다.
도 2a, 2b, 2c, 2d 및 2e는 본 발명의 제1 실시예의 다양한 블레이드 형상을 갖는 구동 장치의 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발전 장치의 개략적인 평면도이다.
도 3b는 본 발명의 제1 실시예의 발전 장치의 개략적인 측면도이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시예의 원통형 캐비티 내의 유체 경로의 개략적인 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 제1 실시예의 원통형 캐비티 내의 유체 경로의 개략적인 측면도이다.
도 4c는 본 발명의 제1 실시예의, 도 4a에서 A 부분의 벡터 분석도이다.
도 5a는 본 발명의 제2 실시예의 원통형 캐비티 내의 유체 경로의 개략적인 평면도이다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시예의 원통형 캐비티 내의 유체 경로의 개략적인 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예인 와류 동적 발전 구조물을 구성하기 위해 발전 장치 위에 적층되는 구동 장치를 내부에 가진 복수의 원통형 캐비티의 개략도이다.
도 7은 유입 유체의 부피, 압력 및 속도를 증가시키기 위해 외부 배플(baffle)을 가진 본 발명의 제1 실시예이다.
본 발명의 다양한 실시예의 개략도인 도 1 내지 도 6을 참조한다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명은 원통형 캐비티(1), 구동 장치(2) 및 발전 장치(3)로 구성된 와류 동적 발전 구조물이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 캐비티(1)는 측면에 복수의 유체 입구(11)를 갖고 상부 표면의 중앙에 단일의 유체 출구(12)를 갖는다. 외부 유체가 유체 입구(11)를 통해 접선 방향으로 원통형 캐비티(1) 내로 흐르고, 유체 출구(12)를 통해 빠져나간다. 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 유체 입구(11)는 흐름 조절기(13)를 갖는다. 흐름 조절기(13)는 유체 입구(11)의 개폐를 제어하여 유입 유체(41)의 부피, 압력 및 속도를 조절한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 구동 장치(2)는 원통형 캐비티(1)의 내부에 설치된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서, 구동 장치(2)는 회전축대(21)와 블레이드 세트(22)로 구성된다. 회전 축대(21)는 원통형 캐비티(1)의 중심에 위치하고, 블레이드 세트(22)는 회전 축대(21)에 연결된다. 블레이드 세트(22)를 밀어 회전 축대(21)를 구동할 수 있고, 구동 장치(2)는 그에 따라 운동 에너지를 생성할 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서, 블레이드 세트(22)는 방사상으로 분포된 브래킷(221)과 복수의 투과성 블레이드(222)로 구성된다. 브래킷(221)은 회전 축대(21)에 연결되고, 투과성 블레이드(222)는 브래킷(221)에 부착되거나 또는 회전 축대(21)에 직접 부착된다(도 2d 참조). 투과성 블레이드(222)는 그물(mesh) 형상(도 2b 참조), 격자 형상(도 2c 참조), 막대 형상(도 2d 참조) 또는 분리된 평면 형상(도 2e 참조)일 수 있다. 블레이드(222)는 투과성이므로, 유입 유체(41)를 통과시킬 수 있고, 그 나선형 경로(51)를 유지할 수 있으며, 가속시킬 수 있다. 블레이드(222)는 그 운동 에너지를 피드백(feedback)시켜 와류를 가속시킬 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서, 원통형 캐비티(1)는 유체를 가속하기 위해 내부에 히터(23)를 갖는다. 폐열을 포함하는 모든 종류의 열원이 적용될 수 있다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 발전 장치(3)는 구동 장치(2)에 연결되어 구동됨으로써, 발전 장치(3) 내의 발전기(31)가 전기를 생성할 수 있도록 한다.
도 4a 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명은 외부 유체(예를 들면, 바람)를 원통형 캐비티(1) 내로 접선 방향으로 흐르도록 안내한다. 유입 유체(41)는 배후의 지속적인 압력으로 인해 캐비티(15)의 내부 표면을 따라 진행한 다음, 축(16)에 접근할 때까지 나선형 경로(51)를 따라 진행하고 최종적으로 출구(12)를 향해 방향 전환된다. 이와 같이 유체 입구(11)에서 유체 출구(12)까지의 유동 장이 형성된다. 유체 입구(11)에서 및 캐비티(15)의 내부 표면을 따라 압력이 가장 높다. 유출(42) 방향은 대기 바람 방향에 확실히 수직이므로, 유체 출구(12)에서의 압력이 가장 낮다(베르누이 효과). 압력은 캐비티(15)의 내부 표면에서 축(16)으로 감소하는 반면 속도는 캐비티(15)의 내부 표면에서 축(16)으로 증가한다. 원통형 캐비티(1)는 토네이도와 유사하게 내부에 가속 유동 장을 생성한다.
도 4a 및 도 4c에 도시된 바와 같이, 압력은 캐비티(15)의 내부 표면에서 축(16)으로 감소한다. 나선형 경로(51)를 따라 진행하는 유체 분자(43)는 축(16)을 향하는 압력 구배력(pressure gradient force)(52)과 나선형 경로(51)에 수직인 코리올리 힘(Coriolis force)(53)을 받는다. 위의 두 힘은 유체 분자(43)의 속도("v")를 증가시키는 결합된 벡터 힘(54)을 생성한다. 한편, 유체 분자(43)의 선회 반경은 나선형 경로(51)를 따라 감소하며 이는 각속도("ω")를 증가시킨다. 코리올리 힘[F = -2m(ωv)]의 공식에 따르면 F, ω 및 v는 상호작용 피드백으로 인해 동시에 증가한다. 원통형 캐비티(1)의 독특한 구조는 유입 유체(41)를 자동으로 가속한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예는 원통형 캐비티(1)에서 유입 유체(41)를 자동으로 가속시키는 구조이다. 입구(11)는 더 많은 유입 유체(41)를 수용하기 위해 깔때기 형상이다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 유입 유체(41)는 나선형 경로(51)를 따라 가속되고 블레이드 세트(22)를 회전시킨다(도 2a 참조). 블레이드 세트(22)의 내부 부분은 외부 부분보다 더 많은 추진력(thrust)을 받으며, 블레이드 세트(22)는 더욱 추진되어 유입 유체(41)를 가속할 것이며, 이는 유입 유체(41)와 블레이드 세트(22) 사이의 상호작용 피드백을 유발한다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에서, 구동 장치(2)의 회전 축대(21)의 적어도 하나의 단부에는 연결부(도시하지 않음)가 제공된다. 복수의 원통형 캐비티(1)를 적층하여 와류 동적 발전 구조물을 구성하는 경우, 복수의 원통형 캐비티(1) 내의 복수의 구동 장치(2)가 연결될 수 있고, 발전 장치(3)는 말단 구동 장치(2)에 연결된다. 복수의 원통형 캐비티들 사이의 단부 표면들의 중심이 유체가 통과할 수 있도록 개방된다. 발전 장치(3)는 다양한 풍력 규모에 맞추기 위해 여러 발전기의 조합일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 관련된 도 7을 참조한다. 상기 유입 유체의 부피 및 속도를 증가시키기 위해 배플(19)이 유체 입구(11)의 외부에 설치된다.
본 발명의 제1 실시예에서, 원통형 캐비티(1)는 강 또는 해류에 설치되어 유입 유체(41)로서 물을 적용할 수 있다. 발전 장치(3)는 원통형 캐비티(1)의 상부에 설치될 수 있고, 유체 출구(12)는 배수관을 하류 쪽으로 하여 바닥에 있을 수 있다. 캐비티(15)의 내부 표면에서의 유속은 더 느리며 이는 더 높은 압력을 야기한다. 유입 유체(41)의 코리올리 힘(53)은 압력 구배력(52)과 함께 결합된 벡터 힘(54)을 생성하며, 이는 유입 유체(41)를 가속하여 축(16)을 향해 흐르게 한 다음, 유체 출구(12)를 향해 하방으로 방향 전환하게 한다. 유입 유체(41)는 블레이드 세트(22)를 밀어 회전 축대(21)를 회전시키며, 이는 발전 장치(3)의 회전 축대(21)를 구동하여 전기를 발생시킨다.
요약하면, 본 발명의 와류 동적 발전 구조물은, 복수의 유체 입구가 원통형 캐비티의 수직 측면에서 개방되고, 유체 출구가 원통형 캐비티의 단부 표면 중앙에서 개방된다. 외부 유체가 상기 입구를 통해 접선 방향으로 원통형 캐비티 내로 들어가서 상부 표면의 출구를 통해 나온다. 원통형 캐비티 내부에 있는 구동 장치는 회전 축대와 투과성 블레이드 세트로 구성된다. 상기 유입 유체는 복수의 투과성 블레이드 세트를 밀어 회전 축대를 회전시킨다. 복수의 투과성 블레이드를 적용함으로써, 상기 유입 유체는 나선형 경로를 유지하고 가속할 수 있으며, 또한 발전 장치를 구동하여 전기를 생성할 수 있다.

Claims (10)

  1. 와류 동적 발전 구조물에 있어서,
    원통형 캐비티로서, 그 수직 측면에 복수의 유체 입구를 갖고 그 상부 표면 중앙에 유체 출구를 가지며, 외부 유체가 상기 유체 입구를 통해 접선 방향으로 상기 원통형 캐비티 내로 흐르고, 상기 원통형 캐비티의 내부 표면을 따라 진행한 다음, 나선형 경로를 따라 축을 향해 흐르고 최종적으로 상기 출구를 향해 방향 전환하여 배출되어, 상기 원통형 캐비티 내에 토네이도와 유사한 바람 장을 생성하는, 원통형 캐비티;
    구동 장치로서, 상기 원통형 캐비티 내부에 설치되고, 회전 축대와 블레이드 세트로 구성되며, 상기 회전 축대는 상기 원통형 캐비티의 상기 축에 위치하며, 상기 블레이드 세트는 브래킷과 복수의 투과성 블레이드로 구성되고 상기 회전 축대에 연결되어, 유입 유체가 상기 블레이드 세트를 밀어 상기 회전 축대를 구동하게 하며, 상기 유입 유체는 나선형 경로를 유지하고 복수의 투과성 블레이드와 충돌 후에도 계속해서 가속할 수 있으며, 상기 블레이드는 그 회전력을 피드백하여 상기 와류를 더욱 가속할 수 있는, 구동 장치;
    상기 구동 장치에 연결되고 상기 구동 장치에 의해 구동되어 전기를 생성하는 발전 장치;
    를 포함하는, 와류 동적 발전 구조물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 유체는 접선 방향으로 상기 원통형 캐비티 내로 흐른 다음, 상기 나선형 경로를 따라 상기 축을 향해 흐르며, 최종적으로 상기 출구를 향해 방향 전환하여, 자동 유체 가속 구조를 형성하는, 와류 동적 발전 구조물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유체 입구들은 상기 유입 유체의 부피를 제어하는 흐름 조절기를 구비하는, 와류 동적 발전 구조물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발전 장치는 상기 구동 장치의 두 단부 중 하나에 연결되고, 상기 원통형 캐비티의 내부 또는 외부에 설치된, 와류 동적 발전 구조물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원통형 캐비티의 내부에 히터가 제공된, 와류 동적 발전 구조물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 블레이드 세트는 복수의 투과성 블레이드를 구비한 복수의 방사상으로 분포된 브래킷을 가지며, 상기 브래킷은 상기 회전 축대에 연결되고, 상기 블레이드는 상기 브래킷에 부착되거나 상기 회전 축대에 직접 부착되는, 와류 동적 발전 구조물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투과성 블레이드는 그물, 격자, 막대, 또는 분리된 평면 형상인, 와류 동적 발전 구조물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전 축대의 하나 이상의 단부에 연결부가 제공되며, 내부에 복수의 구동장치를 구비한 복수의 원통형 캐비티가 적층되는 경우, 상기 원통형 캐비티들 사이의 단부 표면들의 중앙은 유체가 통과할 수 있도록 개방되며, 상기 회전 축대들 모두는 상기 연결부에 의해 연결될 수 있는, 와류 동적 발전 구조물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 유입 유체의 부피, 압력 및 속도를 증가시키기 위해 배플들이 상기 유체 입구들 외부에 설치되는, 와류 동적 발전 구조물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 발전 장치는 다양한 풍력 규모에 맞게 조합된 복수의 발전기로 구성된, 와류 동적 발전 구조물.
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