KR20080103936A

KR20080103936A - 풍력발전비행체

Info

Publication number: KR20080103936A
Application number: KR1020080100177A
Authority: KR
Inventors: 김정열
Original assignee: 김정열
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2008-11-28

Abstract

본 발명은 고공 제트기류 영역에 정지체공 상태에서 전기에너지를 생산하는 풍력발전비행체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 회전자발전장치를 연형상으로 구성되게 설치한 연형구조발전장치가 날개형상의 대형 익형구조장치에 부착된 형태의 비행체로서, 이 비행체의 회전자발전장치를 통하여 생산된 전기에너지를 지상으로 송전하여 이용하기 위한 풍력 발전시스템과 각 장치에 관한 것이다. 현재 운용되고 있는 지상풍력발전장치는 유효 풍력원의 지속성 문제와 환경 저해요소 및 대형화에 따른 구조적 문제가 대두 되고 있으며, 또한 최근 상용화를 앞두고 있는 고공풍력발전장치는 이륙 및 체공기술의 한계성과 공중체공하는 회전자 축의 불안정에 따른 회전력 효율성에 대한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 지구상 중위도 구간에 존재하는 고고도 제트기류대 영역에 풍력발전비행체를 자체의 양력과 지상통제선 및 자체의 통제장치를 이용하여, 기술적 정지체공과 안정된 회전자발전축을 유지하게 하여 지속적인 발전을 가능하게 한 것이다. 본 발명을 통하여, 고고도 풍력자원을 이용한 대량의 친환경 에너지를 생산하여, 미래의 에너지 수요를 충족하고, 온실가스 감축 등을 통하여 지구환경을 개선 보전할 뿐만 아니라, 청정에너지 개발체제에 의한 권리를 확보하여 경제적 이익을 극대화하고, 관련 제반 산업발전을 촉진하여 미래사회를 위한 녹색성장과 저탄소 사회 진입을 앞당기게 될 것이다.

고공풍력원, 고공풍력발전장치, 익형구조장치, 연형구조발전장치, 정지체공, 축의중첩, 회전자발전장치, 파일럿회전자발전장치, 아암축, 수풍면

Description

풍력발전비행체 { Flying Wind Power Generator Devices }

본 발명은 고공 제트기류대(Jet Stream)에 정지체공(Hovering)하면서 전기에너지를 생산하는 풍력발전비행체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 회전자발전장치를 장착한 연형구조발전장치(102)의 종축의 구조와 횡축 안정판의 구조 및 회전 팬을 연형상(Kitefoil)으로 설치하여, 날개형상(Airfoil)의 대형 익형구조장치(101)에 부착된 형태의 발전 비행체(도1)로서, 이 비행체의 회전자발전장치(103)를 통하여 생산된 전기에너지를 지상으로 송전하여 이용하기 위한 풍력 발전시스템과 각 장치에 관한 것이다.

현재 운용되고 있는 지상 풍력발전장치는 풍력원(Wind Sources)의 지역성과 적시성 제한이 존재할 뿐 아니라, 요구되는 풍력을 획득하기 위해서 광범위한 지역을 점유해야 하거나, 또는 단일 구조물로 유효 풍력 및 발전용량을 확대하기 위하여, 회전자 크기를 최대한 증가시켜야 하는 기술적 문제에 도달하였으며, 그 예로서 유럽의 Vesta, Re Power사 등에서 추진되고 있는, 대용량 지상 풍력발전설비(4.5MW-5MW급)를 구축하기 위해 회전자 길이가 400 FT-450 FT(약 130-150 미터), 상부무게(THM : Total Head Mass)가 500 톤(Ton)이 요구되는 등, 대형화에 따른 풍력 터빈의 한계상황으로 판단되고, 또한 고공 발전분야에서는 브리자테크놀로지의 HWT(Hovering Wind Turbine)나 Sky Wind Power의 FEG(Flying Electronic Generator) 발전시스템 및 Maggen Power Inc의 MARS(Maggen Air Rotor Systems)등에서 기구나 연의 원리를 이용하여 시도하고 있는 고공 풍력장치는, 원하는 고공 제트기류대에 발전구조장치를 최초 위치 및 지속 체공시키는 방법상 기술과 구조 장치를 조정 통제하는 기술 및 체공 회전자축의 불안정성에 따른 단위장치의 발전용량의 한계등으로 광범위한 상용화를 위해서는 향상된 해결 방안이 요구되었다.

〈참고문헌 1〉 국제에너지협회 연감(Energy Resodrces International). 2005.

〈참고문헌 2〉 한국산업자원부 에너지수입현황. 2006.

〈참고문헌 3〉 UN.KDI 미래예측보고서. 2008.8.28. 매일경제 기사.

〈참고문헌 4〉 신재생에너지 보급촉진을 위한 메뉴얼 관련 및 관련제도개선방안 연구.산업자원부.2006.12./ 국회전자도서관

〈참고문헌 5〉 미국 에너지부 보고서. 2008. 5. 13

〈참고문헌 6〉 MARS Product Roadmap. Maggen Power Inc. USA

〈참고문헌 7〉 Sky Wind Power. Califonia Space Institute.

///WWW.Calspace.ucsd.edu

〈참고문헌 8〉 VINDMOLLEINDUSTRIEN.///WWW.windpower.org 〈참고문헌 9〉 Plane Simple Truth. Norris, G. et al. 2005. P51.

현재 운용되고 있는 지상 풍력발전장치는 지상 풍원(Wind Sources) 유효 강도의 지속성의 문제점과 광범위한 지역 점유에 따른 2차 환경문제 및 대용량 발전 요구에 따른 풍력터빈의 구조적 한계성을 해소하기 위하여, 강력한 풍력원이 존재하는 고공상층풍 제트기류대 영역에 발전비행체를 체공시켜서 대량발전을 지속적으로 가능하게 하는 기술을 제공하는 것이며, 또한 현재 상용화를 앞두고 있는 고공 풍력발전장치는, 발전장치의 고공 최초 목표 지점까지 위치시키는 기술의 한계와 목표한 고고도에서 체공 통제의 불안정성 및 각 회전자장치의 회전축 불안정에 따른 저효율의 회전력 활용이 예상되고, 또한 요구되는 발전 용량을 충족하기 위해 다수의 소형 발전장치를 대량으로 설치해야 하는 등의 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명에서는 고양력 (High Lift)을 생산하는 대형 익형구조장치(101)와 다수의 회전자발전장치(103)를 부착한 연형구조발전장치(102)로 구성된 풍력발전비행체를 이용함에 있어서, 비행체의 최초 이륙 기술과 정지 체공하는 발전비행체의 효과적인 조정 통제 기술, 및 안정된 회전축을 유지하여 풍력 효율을 개선하고, 회전팬의 강도를 보강한 회전자발전장치의 구조와 설치 기술을 제공하고, 나아가서는 대용량의 전기에너지를 지속적으로 생산 가능하게 할 것이다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로, 본 발명에서는 고공 제트기류대에 조정 통제 가능한 풍력발전비행체를 지속 체공하게 하고, 고속 고부하 회전하 는 회전자축의 안정성을 유지하여, 적정 용량의 전기적 에너지를 생산하기 위한 기술을 제공하는 것으로서, 본 발명을 실현하기 위하여, 우선적으로 고고도 풍력원자료(Wind Sources Data)를 분석하여 실제 발명의 최소실시 요구기준을 충족하는지의 여부를 명확히 하고, 이후 최소 요구풍력 이상의 영역에서 대형 익형구조장치의 체공과 통제기술을 제시하고, 또한 익형구조장치에 부착된 연형구조발전장치의 구조적 형태와 발전을 위한 각 구조의 작동기술을 제시한다. 또한 전체 풍력발전체를 지상에서 운영 고도까지 최초 위치이동시키는 이륙상승단계(도6a,b)와 적정고도에 도달 후 비행체의 체공통제 및 발전단계 그리고 구조물 손상이나 요구되는 최저풍속 이하 상태 등 비정상적 상황대처 등의 기술을 단계적으로 제공한다.

본 발명은 고고도 제트기류대에 체공하는 풍력발전비행체의 회전자발전장치를 통하여, 상대풍의 바람방향과 평행에 수렴하는 회전축에 의해 생산되는 회전력을, 기어리스(Gearless) 기준에 적용되는 동기발전기를 통하여, 대량의 친환경 전기에너지를 생산함으로써, 미래에 증가하는 에너지 수요를 충족하고, 청정에너지 개발체제 (UN. CDM 인증제) 인증을 통하여 이산화탄소 배출권 확보 등 경제적 이익을 극대화할 뿐 아니라, 궁극적으로 지구의 제한된 화석연료에 의존한 탄소에너지를 대체하고, 온실가스 감축 등을 통하여 지구환경을 개선 보전할 것이다. 또한 신재생 에너지의 확산을 통하여 현재의 산업 가정분야 등 국가의 전반적 에너지 수급 및 이용에 대한 패러다임을 바꾸는 일대 혁신을 가져올 것이며, 모든 에너지 분야의 산업 발전을 촉진할 것이다.

본 발명을 구체적으로 실시하기 위하여, 우선적으로 발명을 위한 기본 조건인 자연상태의 고고도 풍력 자원을 국제민간항공기구 기상 자료(Area E/F/G Wx, FL 250-FL 400,ICAO Forecast Chart)를 근거로 분석 정의하고, 그 풍력자원이 본 발명 비행체의 체공 기본조건 충족 상태를 확인하고, 그 결과를 토대로 풍력발전 비행체에 대한 구체적 발명 내용을 기술한다. 현재 지구상에서 가장 강력하고 안정적인 방향성을 가진 제트기류가 특별하게 관찰되고 있는 지역 중에서, 한반도 부근의 북반구 중위도 지역(도7a)과 호주대륙 부근의 남반구 중위도(도7b)지역의 특정 일자의 기상자료를 통하여 살펴보면, 도7a는 고도 38,000 피트에서 정서풍 210 KTS(초속 107 미터)의 제트기류를 나타내고 있으며, 도7b는 고도 38,000 피트에서 정서풍 190 KTS(초속 96 미터)를 나타내고 있다. 이와 같은 연간 고고도 기상자료들을 분석한 결과, 각 반구별로 연간 10개월 이상의 기간 동안 발명 실시를 위한 설정 고도 영역 30,000 피트 - 40,000 피트(지상 약 9-13 KM)고도에서 지속적인 80 KTS(초속 41 미터, 시속 148 킬로미터) 이상의 강한 풍력자원이 지속적으로 관찰 되었으며, 상기 10개월을 제외한 2개월 동안의 고공 풍력은 계절적 영향으로 다소의 편차가 존재하였으나, 50 KTS(초속 24 미터)이상의 양호한 풍속은 연중 지속 되었다, 한편 북반구 지역의 제트기류의 전반적인 약화 시기(연중 7,8월)에는 위도상 반대 위치인 남반구 지역에 계절적 시차가 적용되어, 북반구의 동절기와 동일하게 설정 기준 풍속을 충족하는 안정적인 풍력원이 관찰되었다. 결론적으로 지구상 가장 강력한 제트기류가 통과하고 있는 한반도 주변지역과 호주지역의 고공 풍력원을 관찰 분석한 결과, 지구상의 남북 반구간 유기적인 네트워크를 통해서, 연중 순간풍속 및 풍향이 지속적이고 안정적인 풍력원을 확보할 수 있는 상태로 나타나서 발명 실시를 위한 풍력기준을 충족하였다. 또한 반구별 해당 지역의 풍력원을 독립적으로 이용할 경우에는, 보다 낮은 풍력 기준 설정이 가능한 발전시스템을 운용하거나, 전력의 비축과 운반 등의 관련 기술을 활용하고, 다른 대체에너지를 통한 상호 보완적 시스템으로 연중 지속적인 발전이 가능할 것으로 판단되었다.(자료출처:World Area Forecast Centre (www.icao.int/anb/wafsopsg/) 본 발명의 실시를 보다 구체화하기 위하여, 최초 발명을 수행하기 위한 단위 풍력발전비행체의 예상 발전용량을 20MW 규모로 설정하고, 일반적인 풍력발전기의 발전용량 산출 기준을 근거로 하여, 연형회전자발전장치의 요구 규모와 예상 중량을 산정하였고, 연형발전장치를 포함한 발전비행체의 총 중량을 안정되게 체공가능하게 할 수 있는 요구 양력의 크기에 의해 익형구조의 크기(Size)와 형태(Shape)가 결정되었다. 따라서 비행체의 체공에 필요한 요구 양력 크기의 기준은 해당 에어포일(익형)의 실속 모델 버전(Stall Model Version)에서의 발생 양력 크기가 비행체 전체 중량의 1.3 배 크기의 양력을 발생할 수 있도록 하고, 이러한 실속 모델에서 총 중량의 1.3배 크기의 양력을 발생하는 익형구조가 이상적 플로우 버전(Ideal Flow Version)에서 발생하는 양력의 크기를, 본 발명 실시를 위한 기본 요구 양력의 크기로 설정하였다. 따라서 FOILSIM 데이터(NASA Program)의 분석을 통하여, 실속 모델의 양력은 이상적 플로우의 양력과 양력계수 크기의 58% 범주에 있으므로, 본 발 명의 익형구조장치에 요구되는 양력의 크기는 전체 풍력발전비행체 무게의 2.24 배(1.3×100／58)의 크기, 즉 (총 요구 양력

2.24×총 발전비행체 무게)로 설정하여, 비행체의 안정적 체공 조건 확보를 최우선 고려하였다. 따라서 실시 계획상의 전체 발전비행체의 무게는 240톤 규모로서, 각각을 살펴보면 익형구조장치 중량 90톤, 연형구조장치 중량 94톤(20개 회전자 발전장치 32톤, 4개 종축 프레임 40톤, 5개 횡축 프레임 22톤), 길이 20KM를 기준으로 송전선과 통제선의 중량 40톤과 예비중량 16톤으로 설정하여, 최대 장치 중량은 240톤(약 53만 LBS)으로 설정하였고, 전체 중량에 요구되는 양력의 크기는 총 중량의 2.24 배를 적용한 538톤(약 118만 LBS)으로 설정하였다. 도8a,b,c는 상기 분석된 풍력자원을 토대로, 고도 30,000 Ft, 풍속 80 KTS(92 MPH)의 기준을 적용한 시험비행(Flt Test) 결과를 미국 연방항공우주국(NASA) Airfoil 풍동실험 Program인 FOILSIM Data를 통해 표시한다. 상기 FOILSIM Program을 구동하여, 본 발명의 실시를 위한 계획 규모 날개 크기의 약 1/5 비율로 축소된 형태의 에어포일이 발생하는 양력의 결과를 비례식으로 산출한 결과, 설정된 요구 양력 크기의 조건을 충족하였다. 그 예로써 날개 크기(WIng Size) Wing Chord 20-Ft, Wing Span 80-Ft, 가로 세로비 4, 단면적 1,600 Sq Ft를 기준으로 기준 풍력 92 MPH를 적용시 첨부의 Data와 같이 49,005 LBS(약 22,275 Kg)의 양력(Lift)이 발생되어, 본 발명의 실시를 위한 설정 규모인 날개폭 Chord 100-Ft, 날개길이 Span 400-Ft, 단면 40,000 Sq Ft로 환산하고 가로세로비를 고려(Aspect Ratio-On)하여 적용하면, 1,225,125 LBS(약 556,875 Kg) 약 556 톤의 양력을 생성하여, 발명 실시를 위한 기 준 중량 240톤의 발전비행체 구조물을 안정되게 체공 가능하게 하는 538톤 이상의 양력이 산출되었다. 또한 Kite Modeler(NASA Program)를 통하여 연(Kite) 형상으로 구성되어 설치된 회전자발전장치(103)와 캠브진 횡축(302)을 통하여 이론적인 양력 발생이 관찰되었다.(자료출처:FOILSIM Data (NASA Foilsim Ⅱ 1.5 beta-2.Feb 02./ Kite Modeler (WWW.grc.nasa.gov)) 상기의 풍력원의 분석과 익형구조장치의 체공 가능성을 토대로, 풍력발전비행체의체공과 발전을 위한 각 구조의 형태와 장치의 원리를, 익형구조장치(101) 연형구조발전장치(102)등의 순으로 설명하면 다음과 같다. 도1(101)은 익형구조장치를 나타내는 것으로, 본 발명에서 익형구조장치는 기본적으로 연형구조회전자발전장치를 안정적으로 체공하게 하는 주요 구조물로서, 장치구성의 기본적 원리는 일반적 항공공학과 유체역학 등의 관련이론을 토대로 설계 제작될 것이나, 본 발명은 지상에 고정되어 정지 체공된 비행체 구조로서, 일반적 비행체에 미치는 힘의 성분, 즉 양력(Lift) 성분의 힘과 여러 형태의 항력(Drag) 성분의 힘, 그리고 비행체 전체 무게(Weight)가 중력에 미치는 힘이 복합적 힘의 방향성분(Vector)으로 나타나게 되는데, 본 비행체는 두 개의 견고한 지상 연결줄에 정지 고정되어 있음으로써, 이론적으로 무제한의 수평항력 성분의 힘을 상쇄하도록 설계되어, 비행체에 미치는 항력 요소는 지상 연결 줄의 수평장력(Horzontal Pull)과 수직장력(Vertical Pull)을 고려한 지상 연줄(통제선)(104)의 강도의 선정과, 연줄 고삐점(통제선상의 연결점, Bridle Point)(105)에서 연줄 경사각을 설정하는데 주로 고려하였으며, 실제 체공 비행체에서 고려되는 힘의 성분은 익형구조 장치가 생성하는 양력의 성분과 전체 비행체의 무게가 중력에 미치는 힘의 성분을 주로 고려하여, 비행체 전체 중량 대비 양력의 크기를 최적화하여 원활한 체공의 조건을 도출하였다. 익형구조장치의 전반적 형상은, 날개가 크고 몸에 비해 꽁지깃이 긴 특징인 조류(솔개:Black kite)의 정지체공 형상을 응용하여, 날개의 단면이 익형(Airfoil)(도2)을 형성하도록 하고, 날개의 가로 세로비(Aspect Ratio)를 최대화하여 공중 체공을 용이하게 하였다. 또한 날개의 크기와 형태는 비행체 중앙에 부착된 연형발전장치의 무게와 날개 자체의 무게 및 비행체를 지상과 연결한 연결줄(통제선과 송전선:주재료는 Vectran소재 Rope와 경량 케이블선)의 무게를 안정되게 체공 가능한 양력 크기 기준인, 비행체 총 중량의 2.24 배의 양력 생성이 가능한 크기로 제작한다. 익형장치를 제작 설치 함에 있어서 최소 요구 풍속 환경에서 발생된 양력으로 체공을 가능하게 하기 위하여, 익형장치를 구성하는 표면 재료는 중량(Weight) 대비 강도(Strenth)를 현저히 고려하여, 카본 화이버 에폭시(Carbon Fiver Epoxy) 소재와 화이버 글래스 에폭시 (Fiber Glass Epoxy)로 제작하고, 상대적으로 익형의 높은 양력 계수 값이 요구되는 비행체에 적용하는 NACA 5계열 형태로 설계 제작한다. 또한 익형의 내부에는 장치의 골조를 유지하는 주 프레임(201)이 설치되고, 익형의 표면(Skin)(202)과 접하는 내부의 면에 경량의 스티로폼(Styrofoam)(203) 소재를 압축 부착하여 익형장치의 형태 유지에 기여하게 하였고, 모든 익형의 내부 잉여 공간에는 다수의 경량 헬륨 공(He Ball)(204)을 내재하여, 고공 기압 변화에 따른 팽창 효과를 이용하여, 익형 구조 형태 유지와 체공 역량을 향상 하도록 하였으며, 다수의 산줄(Riser)(103)이 익형의 각 부분에서 연결줄의 통제점(105)으로 연결되어, 상대풍에 따른 익형의 안정적 형태유지와 통제를 가능하게 하였다. 또한 익형구조장치의 후단면(Wing Trailing Edge)에 피치(Pitch)와 롤(Roll)을 복합적으로 조정하는 Elevon(Combine the function of the elevator, airleron)(107)을 설치하여 비행체의 고도와 자세유지를 위한 주 통제 장치로 사용하게 하였고, 익형구조장치의 익단 후면 부분의 익형에 내재되어 설치된 통제 조정용 팬(108)을 설치하여, 지상에서 비행체의 최초 이륙 상승 단계와 체공 단계에서 Elevon의 효과가 감소되는 기준 풍속 이하의 상황에서, 통제 조정용 팬을 작동 조정하여 비행체의 일정한 평형자세를 유지한다. 또한 익형장치의 특정 부분에 비행체의 비행정보를 수집하는 일반적인 부수 장치물 (위치식별장치, 방향측정장치, 상대풍속측정장치, 동정압계통장치, AOA Vane, 착빙방지장치, 충돌방지표시등, 및 자체 충전가능 축전기) 등을 설치한다. 도1(102)은 연형구조발전장치를 나타내는 것으로, 이 장치는 조류(솔개)의 긴 꽁지깃의 형상으로, 익형구조장치(101)의 종축을 연장한 구조물의 형태로 부착 설치된 발전장치로서, 익형구조장치와 연형구조발전장치가 고정된 동일 프레임에 위치하지 않고, 익형의 무게중심 영역의 대칭된 위치에 네 개의 각 축이 힌지(Hinge)(109)로 연결되어, 비행체의 최초 이륙 상승단계에서 비행체를 상승 견인하는 추진체(프로펠라)(603)로 역할 변환을 용이하게 하고, 체공 발전 단계에서 익형의 연장 종축의 역할로 비행체의 종축 안정에 기여하고, 연형구조장치 전체에 미치는 상대풍의 대응각에 따른 축의 변화 요소와 실시간의 수직항력 성분의 변화요소가 익형에 미치 는 영향을 최소화하여, 익형장치가 독립적으로 안정적인 양력 발생을 가능하게 하였고, 비정상 상태, 즉 비행체의 손상, 연결 줄 절단 등의 자유낙하 상황 발생시 연형구조의 회전 팬 축들이 후방 직립 형상 상태에서 자유회전(Autorotation)하여 익형의 활공능력과 안정성을 향상할 수 있도록 각각 분리 설치함으로써, 비행체의 복합적 상황에 대처할 수 있도록 하였다. 연형구조발전장치는 강한 바람과 작용하여 회전력을 생성하는 다수의 회전자 장치로서, 여러 종류의 마찰 항력(Drag)에 직접적으로 대응하게 되어, 체공 발전단계에서 발전비행체의 주요 부하요소로 작용한다. 따라서 이 마찰 항력에 효과적으로 대응하기 위하여 회전자발전장치들의 구조를 연의 형상으로 설치함에 있어서, 연형구조발전장치 프레임(Frame)의 형태는 일반적인 방패연의 장살(기둥살:주종축)(301)과 휨살(횡축)(302)의 구조를 유지하도록 구성하고, 그 장살(주종축)에 다수의 원판, 즉 고속 회전하는 Fan Rotor Blade 수풍면의 통합 괘적(괘적의 적분(Integral)값)으로 생성된 원판(도5a)을 부착한 형태의 연 형상의 구조물이다. 이는 연형구조발전장치의 체공의 용이성과 안정성을 향상하여 익형구조장치의 양력에 대한 의존도를 감소시켜서, 전체 비행체 구조물의 안정된 체공을 가능하게 하였다. 또한 고공발전장치의 운영에 있어서 고속회전과 고부하를 전달하는 회전자발전축의 안정성은 비행체의 안정된 체공 능력과 함께 중요한 두 가지 요소이므로, 연형구조장치에서의 주요 종축 프레임과 발전기 위치, 캠브진 횡축 등을 설치함에 있어서 발전기 회전 안정성을 중점적으로 고려하였고, 연형구조의 종축 종단에 위치한 파일럿회전자발전장치(Pilot Rotor Generator Devices)(303)는 아암축 구조(304)와 캠브판 구 조(305), 가드프레임(306)으로 구성되어, 비행체의 최초 지상 이륙시 상승 추력을 선도하고, 체공중 연형구조의 안정적 자세 통제가 가능하게 하였다. 익형구조장치에 힌지로 연결된 연형구조발전장치는, 익형장치의 횡방향 축으로부터 일정한 구간 내에서 자유롭게 회전이 가능한 상태로 부착 설치되고, 각 종축 프레임(301)상의 일정 간격에 종축과 일정 각도(18-20도)(308)를 유지한 다수의 회전자 발전축(402)과 회전자(403)를 설치하고, 각 종축은 두께가 얇은 캠브판으로 구성된 횡축 안정판(302)이 서로 연결 고정되어 축간 안정성을 유지할 수 있도록 하였다. 또한 모든 종축은 8-10도(313)의 동일한 비율로 풍하 방향으로 가운데가 아래로 휘어진 형태로 구부러져 있는 사각 프레임형태(도3)로서, 이는 연형(kite foil) 형성을 용이하게 하고, 고공강풍과 청천난류(CAT)에 대응하여 전체 구조물의 적응 강도를 향상시키도록 구성되었다. 도3은 각 종축 프레임에 설치된 회전자발전장치(103)를 나타내는 것으로, 각 발전장치의 축은 18-20도 각도를 유지한 상태로 주종축 프레임상에 축이 중첩되어 위치한 형태로서, 이는 주종축이 8-10도의 동일 비율로 풍하 방향으로 휘어진 형태와 다음에 설명할 파일럿회전자발전장치(303)의 역할과 복합적으로 작용하여 체공발전 단계에서 연형회전자발전장치의 각 회전자 발전축은 항상 상대풍의 풍상 방향으로 수렴한다. 또한 최초 지상 이륙단계에서 파일럿회전자발전장치의 선도(Pilotage)에 따라 18-20도의 자체의 상방향 경사를 이용하여 종축의 이륙상승 단계 전환을 용이하게 설치 되었다. 또한 고공 발전장치에서 회전자의 축이 절대고정(Positively Fixation)되고, 축의 방향이 상대풍과 나란한 조건에서, 회전 팬의 최대 회전 효율 을 획득하고, 회전하는 팬에 미치는 비대칭 모멘텀을 최소화할 수 있는데, 이를 위해서는 여러 역할의 프레임과 장치들이 추가적으로 구비되어야 가능하기 때문에, 이에 따른 중량과 항력의 증가가 필연적이므로, 본 발명에서는 최소한의 장치 구성을 통한 최대의 에너지 생산을 위해서 최적화된 방법을 선택하였다. 따라서 각 장치의 구조와 역할 즉, 주종축의 경사각(307), 주종축과 회전자발전장치 축의 경사각(308) 및 파일럿회전자발전장치의 역할로 연형회전자발전장치 축과 팬이 상대풍과 최대한 평행 방향으로 수렴하여 작동하도록 설계 제작되었다. 그러나 각 단계의 변환 과정에서 발생이 예상되는 회전팬과 발전축의 비평형 비대칭 모멘텀에 대응하기 위해, 개선된 회전 팬의 구조 형태 및 회전 모멘텀의 전달 방법 등은 발전기회전자(도5a,b)의 구조도에서 설명한다. 또한 각 종축 프레임에 설치된 팬로터를 위치함에 있어서, 횡축을 기준으로 가운데 두 개의 Fan Rotor를 측면 관점에서 전방 상향의 위치에 상대적으로 돌출된 형태로 횡렬을 유지하게 설치하여, 체공 발전단계에서 풍하 방향으로 휘어진 주종축(301)의 측단면과 계단식 배열로 구성될, 팬로터의 회전괘적들의 측단면 연장 괘적이 최대한 동일 형상을 유지하게 하여, 이상적 연형(Kitefoil) 형성에 기여하고, 각 팬로터 회전 작동시 발생되는 와류(Vortex) 간섭을 최소화하였다. 또한, 비행체 종축 중앙을 기준으로 각 종축 프레임에 설치된 회전자발전장치(103)가 좌우 균형된 개수로 설치되어 있는데, 이 좌우 회전팬의 회전 방향을 비행체의 가상 진행 방향(실제 정지체공)의 외측 방향으로, 즉 상호 반대 방향으로 회전하도록 설치되어, 연형발전장치에 작용되는 회전모멘텀(Torque Reaction)을 중립화하여 연형구조의 안정성을 도모하였다. 도5b는 연형발전장치의 구성요소 중 직접적으로 풍력을 이용하여 회전력을 생산하는 회전자(Fan Rotor Blade) 형태를 나타내는 것으로, 일반적인 지상풍력장치에서 사용되는 금속재질의 회전자는 고공 체공을 위해 소형화 또는 경량화 구조로 전환시 회전력(Torqe)의 감소로 고공 풍력장치에서는 효율성이 저하되어, 본 발명에서는 팬로타가 상대풍과 대응하여 형성하는 수풍면의 회전괘적이 충분한 원판으로 형성되게 하여, 방패연의 연종이 역할과 같은 연형구조의 수풍면(501)을 형성하도록 하기 위하여, 통상적인 바람개비의 구조적 원리에 착안하여, 각 팬의 강도와 풍력의 효율성을 향상할 수 있도록 설계 제작된, 개선된 바람개비 형태(도5b)의 회전자를 사용한다. 회전자의 기본 재질은 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 복합소재 또는 카본 화이버 에폭시(Carbon Fiber Epoxy)소재를 사용하여 탄성과 인장력 및 중량비 강도를 고려하여 제작한다. 복합 소재로 만든 판(Plate)을 성형 가공하여 만들어진 세 개의 날개를 가진 회전자는, 크기가 일정하게 서로 다른 판을 순차적으로 중첩하여 겹쳐진 형태로 구성(505)된 상태를 나타내며, 각 판(Plate)은 도5a와 같이 설계된 단면을 성형 가공하여 제작한 것으로, 각 단면을 설계함에 있어서, 지정된 각도(50-51도)(504)등에 따른 비율의 크기는 반복된 실험적 통계를 통해서 도출한 결과를 적용한 것으로, 팬 회전괘적을 기준으로 하부 주수풍면(501)의 넓이와 휨판의 단위 넓이(502) 및 상부 지지면(503)과의 크기비율이 고려되어 최적화된 각도를 나타내며, 이러한 기준을 만족한 중첩된 바람개비 형태의 팬은, 지상의 대형 회전 날개에 비해 상대적으로 소형 경량 회전자로서의 회전력(Torque) 의 보완요구를 해소하고, 풍력원을 활용함에 있어서 유효 팬 회전 괘적을 최대로 확장하기 위해, 각각의 단위 팬 단면에서 수풍면의 유효범위(501)를 확대하도록 설계하였고, 수풍면에 작용한 상대풍의 와류(506) 흐름을 원활하게 하는 최적 공간을 확보하도록 하였으며, 중첩된 구조를 적용하여 자료상 최대 측정 고공 상층풍인 풍속 250 KTS(초속 128미터)의 강풍과 제트기류대에 통상적으로 존재하고 있는 강한 청천난류(Clear Air Tubulence)에 대응할 수 있는 구조적 강도를 유지하도록 하였다. 또한 팬의 하부 수풍면(507)과 상부 지지면(509)을 연결하는 휨판(Bending Plate)(508) 부분의 단위 면적(도5a)이 최대 수풍면 면적의 19-21% 비율로 수풍면과의 이상적 비율로 구성 되어 팬 회전시 휨판의 측면 괘적을 최소화하고, 최소화된 괘적이 괘적방향과 접선방향으로 회전할 수 있도록 휨판의 경사도 비율을 고려하여 설계하였다. 통상의 바람개비에서 상기 휨판 부분의 비율이 하부수풍면 대비 구조 비율이 크고, 괘적을 따라 회전시 회전방향과 직각의 방향으로 넓은 단위평면 형태로 회전하여 바람개비의 회전을 방해하는 요소로 작용하고, 회전팬의 유효 회전 괘적면을 축소하는 역할로 작용되는 것을 방지하여, 팬의 회전 효율성을 향상하고, 단위 수풍면의 유효 회전 괘적면을 확대하였고, 또한 휨판이 상부 지지면과 하부 수풍면을 강한 장력으로 연결하게 하여, 전체 회전자의 구조적 강도를 보강하였다. 또한 팬 로터 블래이드 수풍면에서 생성된 상대풍과의 마찰 회전력을 팬루트(Fan Root)를 통해서 발전회전자(404)에 전달 함에 있어서, 일반적인 금속 재질의 풍력발전장치의 블래이드와 비교하여, 판(Plate) 형태로 구성된 회전 팬의 루트(Root) 부분의 부하 내성(Torque Tolerance)을 보강하고, 설계상 허용된 축의 경사로 인한 비평형 비대칭 모멘텀을 완화하기 위하여, 상부면이 하부면 팬루트의 부하를 분담하여 일정량의 회전 모멘텀을 발전회전자에 동시에 전달되도록 블래이드와 발전기회전자의 고착력을 강화하여, 회전모멘텀 전달능력을 향상하였다. 도4는 팬의 회전력을 이용하여 고정자와 회전자의 작용으로 전기적 에너지를 생산하는 발전기의 구조와 장착 상태를 나타내며, 발전기통(Nacelle)을 지지하는 발전기의 종축(405)은 고공 체공하는 회전장치의 회전 안정성을 최우선적으로 고려하여 축이 회전하지 않고 주종축(301)과 중첩되어 주종축과 18-20도 경사진 상태로 고정 장착되어 고정자(406)의 역할로 작동하고, 발전기 나쎌(510)는 바람개비 형태의 회전팬 내부 중심 공간, 즉 회전팬의 상부지지면(509)과 하부수풍면(507) 사이에 나쎌이 위치하여, 회전팬의 회전모멘텀이 상부지지면과 하부수풍면으로부터 직접 동시에 나쎌의 회전자에 전달되도록 하였다. 또한 3엽 팬이 회전을 통하여 형성하게 될 괘적의 측면 모양에 있어서, 팬의 상부면(509)과 휨판(508)을 연하는 부분의 회전 괘적은 종형(Bell Type)을 형성하여, 이 구조를 통해 팬로타 중앙부분으로 미치는 상대풍을, 괘적의 경사면을 통해 가속 하여 하부 수풍면에 전달함으로써 팬의 회전효율을 향상하였고, 팬로타블래이드의 회전중 안정성을 향상하였다. 도3에서 연형구조 종축프레임(301)의 종단에 위치한 파일럿회전자발전장치(303)는 팬의 크기가 일반 회전팬의 20% 확대된 크기로서 4개의 파일럿회전자발전축(309)으로 구성된다. 이 장치는 기본적으로 연형구조회전자발전장치의 단위 발전장치이나, 추가된 주요 기능을 수행하도록 장착되었다. 이 장치는 본 발명의 비행체가 최초 지상 이륙하는 단계에서 지상 전원에 의해 전동모터로 변환되고, 아암축(304)과 인장코일스프링(310)에 의해 상승 추진력을 발생할 수 있도록 파일럿회전자축이 주종축 프레임의 90도 상방 방향으로 변환(311)하여, 추력을 발생하는 추진 프로펠라 역할로 작동하여, 종축의 다른 전동 팬로터 장치를 초기 이륙상승 단계에 진입할 수 있도록 선도(Pilotage)하는 장치이며, 또한 체공 발전 단계에서는 다수의 회전자 발전축이 위치한 연형회전자발전장치의 주종축을 상대풍과 나란한 상태로 수렴하게 지속적으로 작용하여, 회전자 발전축이 수평축 발전 형식으로 작동이 가능하게 하고, 모든 체공 단계에서 좌우 외측 회전자의 회전수를 통제하는 제어장치(Fan Brake)를 통해서 연형구조의 자세를 조정통제하는 주요장치이다. 그리고 이 장치는 연형구조의 종축프레임(301)과 평행하나, 축이 서로 만나지 않고 이격된 상태로 간격이 있는 아암축(Arm axis)(304)으로 연결되어, 연형구조의 자세 및 작동 단계별로 상대풍(Relative Wind)에 따라, 고정된 종축 프레임의 상방 방향으로 90도 이내에서 자유롭게 회전이 용이하게 하여, 요구풍속 이하의 풍력상태에서 파일럿발전장치의 종축은 주종축에 위치한 일반 회전자발전축과 동일한 축방향으로 작동하게 가드프레임(Guard Frame)에 의해 지지되어 있으나, 설정된 요구풍속 이상의 상태에서는 아암축의 작용과 가드프레임의 상단 내부에 설치된 인장코일스프링(310)의 역할로, 회전자 발전축이 용이하게 상대풍과 나란한 수평축 풍력발전기형식으로 변환되어 작동하여, 전체 연형구조의 종축을 상대풍과 나란한 방향으로 수렴하게 한다. 또한 가운데가 위로 휜 켐브판(Chamber Plate)(305) 모양의 안정판이 장치의 후단에 각각의 축들과 서로 연결되어, 회전축의 흔들림 현상을 상호 상쇄할 수 있도록 하여 발전축의 안정성을 강화하였다. 또한 이 캠브진 안정판은 부분적인 에어포일을 형성하고 자유롭게 상대풍의 각도(AOA)에 대응하여, 아암축과 코일스프링의 복합적 작용으로 풍상 방향을 지향하는 모멘텀을 생성하도록 설치되어, 파일럿발전장치의 회전축은 항상 상대풍과 평행한 방향으로 수렴되어 수평축 발전 방식을 유지하고, 이를 통해서 전체 연형구조의 종축들의 방향을 상대풍과 나란하게 선도한다. 또한 필요시 파일럿발전장치의 회전자의 상부면과 하부면의 간격을 기계적으로 조절할 수 있게 하여, 단위 팬의 하부 수풍면의 단면적을 조절, 즉 상하부의 간격을 확대하여 수풍면의 단면적을 축소함으로써 상대풍의 강도와 방향 및 각 상황 단계별로 움직이는 발전체 축과의 비평형 현상이 발생될 경우에 각각 팬에 부과될 비대칭 모멘텀을 감소시켜 구조적 제한치를 확대하고, 상 하부의 간격을 축소하여 하부 수풍면의 단면적을 확대함으로써 필요시 최초 설계된 풍력보다 적은 바람 상태에서도 원하는 일정량의 회전 모멘텀을 획득할 수 있게 하는 피치시스템(Pitch System) 역할을 할 수 있도록 하였다.

도6b는 풍력발전비행체와 지상 또는 해상 통제소의 관계를 나타내는 일반적인 구성도이며, 여기에서는 발전비행체를 최초 지상에서 이륙하는 단계와 체공 발전단계, 비정상 대처 단계를 중심으로 기술한다. 위 연형구조발전장치의 설명에 부연하여, 각 파일럿회전자발전장치(303)는 발전기-전동기 겸용장치로서, 최초 지상에서 발전`장치의 회전자가 무회전 정지상태에서는, 지상 통제소(601)와 익형장치 통제선(연줄)(104) 및 연형발전장치의 주종축(장살)(301)의 연장선이 일직선 상에 위치하나, 각각의 전동기(파일럿발전장치와 종축의 발전장치의 변환)에 지상전원을 공 급하면, 아암축으로 연결된 파일럿회전자전동장치의 전동축이 종축을 기준으로 상방향 수직으로 변환되어, 회전자(Fan Rotor Blade)를 통한 강한 추력(Thrust)이 생성되어, 각 종축(301)에 상방향 경사(18-20도)를 가지고 장착된 회전자전동장치(602)를 선도하여, 지상 스테이션을 구심점으로한 상방향 회전 모멘텀 방향으로 익형장치를 포함한 전체 발전비행체를 이륙 부양하게 하는 이륙 상승 단계(Mode)(도6a)로 진입하게 된다. 이륙 상승 단계에서 발전비행체의 자세 조정을 위하여, 익형장치(101) 익단 후면에 설치된 조정 통제팬(108)과 파일럿발전장치의 회전 제어장치 및 지상통제소와 연결된 통제선을 유기적으로 조절 통제하여, 최초 원하는 풍력원이 존재하는 고도(기준풍속 80 KTS 고도영역)에 도달하게 되면, 익형장치에 장착된 Elevon이 피치와 롤 조절을 시작하게 되고, 조정 통제팬(2개)과의 유기적 작동으로 통제선 상단에 위치한 고삐점(Bridle Point)(105)에서의 연줄 각도(Tan θ)가 유지되면서, 이때부터 익형장치에서 생성되는 양력을 이용하여, 비행체는 체공 발전 단계로 전환한다. 이 단계에서 주종축이 상향 방향 수직 변환되었던 연형회전자발전장치는 익형장치에 메달린 형상(도1)의 체공 발전 모드로 위치 변환되고, 각 회전자장치는 전동모드에서 발전모드로 변환하게 되며, 필요시 적정 발전기 출력 유지를 위해, 각 고도별 풍향과 풍속을 고려하여, 비행체의 체공 고도와 위치를 조정한다. 또한 발전비행체의 주기적 정비 상황이나, 기상 급변에 따른 비행체의 의도적인 지상 착륙(Landing)이 요구 될 경우 또는, 유사시 지상과 연결된 통제선의 절단등 비행체의 구조적 손상이 발생하는 경우 등의 비정상적 상황에서는, 직접 조정 또는 원격 조종을 통한 비행체의 이륙(Take Off) 단계의 반대 순 서로 각 장치의 변환이 진행되게 하였다. 이러한 비행체의 각 단계의 변화와 장치들의 형태적 변환은 익형구조장치에 미치는 상대풍과 양력 발생 등을 종합적으로 고려되어 유연하고 점진적으로 진행 된다. 또한 익형장치 중앙내부에 설치된 통제용 컴퓨터는 지상 통제선을 통한 직접 조정과 IT 기술을 활용한 원격 조정으로 작동이 가능하게 하였고, 자동 체공 시스템( Auto Hovering System)을 채택하여, 모든 단계에서 비행체의 고도, 상대풍 정보, 자세정보, 발전상황 등의 정보가 통합 관리되고, 다른 비행체와 항공기 간의 충돌 회피능력 등을 구비하여 풍력 발전비행체의 체공 안전을 향상한다. 또한 풍력발전 비행체의 운영과 통제, 그리고 발전한 전기 에너지를 이용하기 위한 적절한 관련 지상시설물, 즉 지상 또는 해상의 발전비행체 통제소, 송전시설, 전력의 변환 및 보관 등에 요구되는 전기시설 및 장치의 구성 등은 일반적 전력 운영기술이 적용될 것이다.

공지되어 알고 있는 바와 마찬가지로, 고공 제트기류의 풍력원을 단 1% 만 활용하여 전기 에너지로 이용한다면, 미국 전체의 에너지 수요량을 충족가능 할 것이란 보고서에서 볼 수 있듯이, 이미 그 활용의 잠재성이 검증된 양질의 신재생에너지인 고고도 풍력 자원이, 지구상의 특정한 일부 지역에서 강한 풍속과 일정한 풍향을 가지고 존재하고 있는데, 특히 한반도 주변의 북반구 중위도 지역에서 가장 강력한 제트기류대가 관찰되어, 이러한 천문학적인 원유(Crude oil) 매장량을 능가하는 신재생에너지 자원을 활용해야 할 시점에 도달하였다. 이에 본 발명을 적용한 보다 확대된 규모의 풍력발전비행체를 대단위 풍력발전벨트에 다수 설치 운용하여, 대량 생산된 전기에너지를 이용 함으로써, 국제적으로 에너지 해외 의존도와 국가 에너지 위험도가 가장 높은 국가의 일원으로서, 미래의 에너지 자립을 달성하고, 나아가서는 제한된 매장량과 지구 환경 파괴의 주원인으로 판단되는, 화석 연료에 의존한 탄소 에너지를 대체하고, 지구 환경을 개선 보전하여 녹색 성장과 저탄소 사회 진입을 앞당기게 할 것이다.

도1은 풍력발전비행체의 형상 구조도

도2는 익형(날개형상)구조장치 측단면 구조도

도3는 연형구조발전장치 측면 구조도

도4는 연형구조발전장치의 회전자발전장치(발전기) 측면 구조도

도5a는 회전 팬의 성형 가공 이전의 평면도면(정삼각형 플래이트 표시, 굵은 선은 절단 면, 원은 각 면의 회전 괘적면)

도5b는 회전 팬의 구조와 나쎌의 위치도

도6a는 풍력발전비행체의 이륙 상승 단계 구상도

도6b는 풍력발전비행체의 이륙전 지상 구성도

도7a는 북반구 한반도 부근의 고공상층풍 기상도

도7b는 남반구 호주대륙 부근의 고공상층풍 기상도

도8a는 FOILSIM DATA(익형의 비행조건에 따른 양력크기)

도8b는 FOILSIM DATA(익형의 형태(shape)에 따른 양력크기)

도8c는 FOILSIM DATA(익형의 크기(size)에 따른 양력크기)

Claims

날개 형상의 익형구조장치가 다수의 회전자발전장치로 구성된 연형구조발전장치를 힌지로 연결되어,메달고 있는 형상의 발전비행체.
제1항에 있어서, 익형구조장치의 요구 양력 크기를 결정함에 있어서, 실속 모델 버전과 이상적 플로우 버전 및 비행체의 총 중량과의 관계를 수식으로 정의한 관계식, 즉 [요구양력
2.24×총발전비행체]의 관계식.
제1항에 있어서, 무풍 또는 설정 기준 풍속 이하에서 익형장치의 통제 조정을 위하여, 익형구조장치의 익단 후면에 익형에 내재되어 설치된 통제 조정용 팬 구조.
제1항에 있어서, 익형장치 표면과 접하는 내부의 면에 경량 스치로폼을 압축 부착하고, 모든 내부 잉여 공간에 다수의 헬륨 공을 내재한 익형 구조.
제1항에 있어서, 익형구조장치와 연형구조장치가 힌지로 연결되어, 각 단계에서 형태 변화와 역할의 변환을 할 수 있게 한 방법.
회전자발전장치를 연형으로 설치함에 있어서, 종축의 구조와 횡축의 구조, 나쎌의 위치 및 회전 팬의 구조를 통해서, 연형을 형성하는 방법.
제6항에 있어서, 종축이 8-10도의 일정비율로 가운데가 아래로 휜 종축과 동일한 축으로 중첩되어 구성된 발전장치의 축의 구조.
제6항에 있어서, 종축의 프레임상에 종축과 18-20도의 각도를 가지고 장치된 회전자발전장치 및 발전기통의 축 구조.
제6항에 있어서, 바람개비 형태의 팬 구조의 단면을 설계함에 있어서, 지정된 각도(50-51도)와 그 각도와 연관되어 결정된 팬의 각 부분별 비율 구조.
제9항에 있어서, 바람개비 형태의 팬을 제작함에 있어서, 단면의 크기가 일정비율로 서로 다른 판 형태의 단면을 성형 가공하여 제작한 팬들을, 순차적으로 중첩하여 겹쳐진 형태로 구성된 팬 구조.
제6항에 있어서, 발전기통을 설치함에 있어서, 바람개비 형태의 하부주수풍면과 상부지지면 사이 즉, 회전팬 내부 중심 영역에 발전기통(Nacelle)이 위치하게 설치된 발전기의 설치 구조.
파일럿회전자발전장치가 종축에 아암축으로 연결되고, 가드프레임의 인장코일스프링에 지지되어, 발전 장치축이 일정 범위에서 상대풍 또는 팬 추진력에 의해 자유로운 회전과 안정된 지지가 가능하도록 설치한 구조.
제12항에 있어서, 파일럿회전자발전장치의 작용을 통해서, 연형구조장치의 종축을 상대풍과 나란히 수렴하게 하여, 안정된 발전축을 유지하게 하는 방법.
비행체의 최초 지상 이륙시 파일럿회전자발전장치의 역할과 경사를 가진 각 발전 팬의 변환 및 익형의 조정 통제용 팬의 작동으로 비행체를 발전 체공 고도에 도달하게 하는 방법.