KR20090021300A

KR20090021300A - 공중풍력발전장치

Info

Publication number: KR20090021300A
Application number: KR1020090003670A
Authority: KR
Inventors: 김정열
Original assignee: 김정열
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2009-03-02

Abstract

본 발명은 중위도 대류권 제트기류 영역에, 정지된 상태로 체공하면서 전기에너지를 생산하는 공중풍력발전장치(sWEs)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발전장치의 체공이 가능한 크기의 양력을 생성할 수 있는 익형(Airfoil)장치를 궁형(Segment of a circle)의 형태를 갖는 다수의 종축 프레임구조에 종렬로 설치하고, 그 프레임의 종축과 회전자 축이 중첩된 형태로 장착된 다수의 회전자 발전장치를 설치하여, 그 회전력을 이용하여 생성된 전기에너지를 지상으로 송전하여 이용하기 위한 풍력발전 시스템과 주요 장치에 관한 것이다.

현재 운용되거나 상용화를 앞두고 있는 지상 및 공중 풍력발전장치는 유효풍력의 지속성 문제와 대형화에 따른 구조적 문제 및 그에 따른 복합적인 환경문제가 예상되고 있으며, 특히 공중풍력발전장치에 있어서 제한된 양력(Lift)에 의존하는 일반적인 연(Kite) 또는 기구(Balloon)의 원리를 이용한 발전장치는 대형화를 통한 적정 용량 발전의 한계가 존재할 뿐 아니라, 고공 강풍 영역에서 장치의 운용시 수반되는 항력(Drag)과 공기요란(Turbulance)에 대한 대응능력이 미흡하고, 고속회전이 요구되는 발전회전자 축의 불안정에 따른 구조적 한계와 낮은 회전 효율성에 대한 문제점 및 공중 체공 장치의 운용 안정성(Operation Safeties) 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 지구상 중위도 대류권 중,고고도에 존재하는 일정풍속(80KTS)이상의 제트기류 영역에, 기본적으로 전체 구조장치의 부양이 가능한 크기의 양력을 갖는 다수의 익형(날개)장치와, 회전자 축이 프레임과 중첩된 형태로 설치된 다 수의 발전 팬로타 등으로 구성된 공중풍력발전장치(sWEs)를 운용하여, 발전 용량의 확대와 안정된 장치 운영의 기술을 제공한다.

공중풍력발전장치(sWEs), 대류권, 중고고도, 제트기류, 익형 구조, 궁형 프레임, 축의 중첩, 가변 회전자축, 바람개비형 팬로타

Description

공중풍력발전장치{sky Wind Energy system}

본 발명은 중위도 대류권 제트기류 영역(남, 북위 30-40도, 고도 15000-40000피트)에, 80 KTS(92 MPS) 이상의 풍력 조건 상태에서 익형에 의해 발생된 자체 양력으로 체공되고, 지상 스테이션에 설치된 프레임과 케이블에 의해 보조 지지되어, 정지 체공 형태로 위치하는 풍력발전장치의 회전자 발전장치를 통하여 전기에너지를 생산하기 위한 sWEs 관한 것으로, 더욱 상세하게는 궁형(Segment of a circle) 형태를 갖는 나란한 종축 프레임 구조에 날개형상의 익형을 종렬 형태로 일정 개수를 설치하여 부양 가능한 양력(Lift)을 발생하게 하고, 그 프레임 종축과 발전회전자축이 중첩된 형태의 회전자를 다수 설치하여, 그 회전력을 통해서 생성된 전기에너지를 지상으로 송전하여 이용하기 sWEs에 관한 것이다.

일정한 크기와 무게를 갖는 특정 장치를 지구상의 고공 강풍 영역에 지상 연결 줄에 고정되어 정지 체공 상태 유지를 시도할 경우에 있어서, 이 장치는 연결 줄의 무게를 포함한 장치 전체의 무게가 지구 중심으로 향하는 중력 성분과 상대풍에 의해 풍하 방향으로 작용하는 항력 성분이 복합적으로 장치에 작용하게 된다. 이러한 조건 상태에서 장치의 정지 체공을 위해서는 전체 중량(중력성분) 보다 큰 양력이 요구되고, 또한 바람이 물체에 작용하는 항력 성분 이상의 장력(Pulling Forces)이 요구된다. 더욱이 실제로 익형(Airfoil)에 의한 양력은 상대풍에 대한 받음각(AOA)을 고려하면 풍하 방향으로 경사각을 갖는 형태로 발생하여, 양력의 수평 성분과 수직 성분으로 분산되어 나타나게 되고, 바람의 마찰 항력에 대응하기 위한 지상 연결 줄의 장력도 수평 장력(Horizontal Pull) 성분과 수직 장력(Vertical Pull) 성분으로 발생함으로써, 이러한 장치가 정지 체공이 가능하게 하기 위해서는 장치의 총 중량(Total Weight)과 연결 줄의 수직 장력 성분을 합한 량보다 큰 양력(총 양력)이 요구되고 또한, 풍하 방향으로 장치에 작용하는 항력(Drag) 성분과 양력의 풍하방향 수평성분의 합한 량보다 큰 수평장력(총 수평장력)이 요구된다. 따라서 장치의 대형화를 통하여 발전요구 용량 확대를 가능하게 하기 위해서는, 보다 큰 규모의 총 양력 발생과 총 수평장력 통제를 위한 최적화된 방법이 요구된다.

그러나 종래의 공중풍력장치는 연이나 기구 등의 체공원리를 이용한 제한된 양력에 높은 의존도를 나타내어 장치의 대형화를 통한 적정 요구용량 발전이 어렵고, 고공 강풍대의 공기항력과 공기요란에 대응할 수 있는 장치의 체공 안정성(Stability)과 공중체공하는 대형 구조물의 운용 안정성(Safeties)이 미흡하여 지속적인 고효율의 에너지 발전에 한계가 존재하였다.

종래의 공중풍력장치에서 채택한 연이나 기구 등의 일반적인 원리를 이용한 방법은 양력 발생 능력의 한계로 발전장치의 대형화를 통한 적정 요구 용량의 대량 발전이 어렵고, 고공 강풍대의 마찰항력과 청천난류(CAT: Clear Air Turbulance)에 대응하는 기술적 한계가 존재하여 체공 안정성이 미흡하고, 체공장치의 역학적 제한에 따른 상대풍에 대한 수직축 발전방식을 적용함으로써 저효율의 회전력 활용이 예상되는 등의 문제점과, 최초 이륙 및 체공 발전 단계와 의도적 착륙 등의 각 운영 단계에서 발전장치의 안정적인 통제를 위한 여러 가지의 제한사항이 발견되었다.

현재 지구상의 중,고고도 상공에는 연중 10개월 이상의 기간에, 풍속 50~250 KTS 즉, 초속 약 25 미터~126 미터의 제트기류가 특정 범위 안에서 풍향과 풍속이 일정한 상태로 존재하고 있으며(www.icao.int/anb/wafsopsg/), 특별히 한반도 주변과 호주대륙 상공에서는 위의 기간 중 100 KTS 이상의 균일한 풍향과 풍속이 관찰되었다. 이러한 풍력원을 바탕으로, 통상의 제트기류 분류 기준 풍속인 80 KTS를 최소 요구 풍속으로 적용한 적정한 크기(Size)와 형태(Shape)의 익형 구조 장치를 이용하여 발명실시의 필요충분조건인 최소 요구 양력 생성이 가능하였다. (www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/freesoftware_page.htm, (Foilsim ∥ 1.5 beta))

따라서 본 발명에서는, 대량의 발전 능력을 구비한 대형 장치의 안정적인 정지체공을 위해 충분한 양력 생성이 가능하다고 판단되는 풍속 80 KTS ( 92 MPS ) 이상의 제트기류대에, 긴 활꼴(궁형:Segment of a circle) 형태를 갖는 나란한 종축 프레임(101) 구조에, 복합소재를 사용한 다수의 경량 날개형상 익형(Airfoil)(102)을 종렬 형태로 설치하여 요구하는 양력(Lift)을 발생하게 하고, 그 프레임 종축(201)과 회전자 축(502,506)이 중첩된 형태로 장착된 다수의 회전자 발전장치(103)를 일정 간격에 설치하여, 팬 로타의 회전력을 이용하여 전기에너지를 생산하는 sWEs를 한 개 또는 다수의 병렬로 연결된 sWEs 집단을 설치하여 대량 발전이 가능한 기술을 제공한다.

또한, 종축 프레임에 연결되어 지지 되는 다수의 익형 구조와, 프레임 종축과 중첩된 회전자 축을 갖는 발전장치의 구조를 통하여, 강한 항력과 요란에 대응할 수 있는 구조적 강도를 유지하고, 회전자 축이 상대풍 방향과 나란하게 수렴하면서 회전 할 수 있도록 종축 방향과 근접한 방향으로 발전축이 유지되게 하여, 수평축 발전형식이 가능하게 하여 회전력 효율성을 고려하였으며, 복합소재의 인성과 탄성을 이용한 바람개비 형태의 팬로타(도4)를 적용하여 설계상으로 허용되는 경사진 회전축(Rotation axis substantially in wind direction)과 강풍 및 요란에 따른 팬로타의 적응력을 향상하고, 각 팬의 회전 괘적면이 연형(Kitefoil)을 형성하도록 하여 발전장치의 안정된 체공에 기여하게 하였다. 또한, 바람개비 형상의 팬로타 루트(Root)와 발전기 통(Nacelle)(401)이 단일 구성되게 즉, 바람개비 내부에 나셀이 위치한 형태로 구성되어 로타의 회전력(Torque)이 발전기 회전자에 직접 적용되도록 하여, 구조적 단순성과 회전에너지 전달의 효율성을 고려하였다.

또한, 원동기(발전기) 회전축이 발전장치의 운영 단계별(이륙/착륙, 체공발전)로 변환이 용이하도록 가변 축(Variable axis)(502,506)의 구조로 구성되고, 상단프레임(213)의 팬로타들이 전동 프로펠러 역할로 작동하여 추력을 발생하게 하여, 상단 익형(도3)에 내재하여 설치된 보조 블레이드 장치(Aux Blade Unit)(302)와 통합 작동하여 장치 자체의 역량으로 최초 이륙과 의도적 착륙이 가능하게 하였고, 요구풍속 이상의 체공발전 단계에서는 익형에 장착된 Elevon(304)과 종축프레임에 장착된 수직날개(204)를 조절하여 발전장치의 운용 고도와 경로변경이 가능하게 하였다.

위와 같이 본 발명실시를 위한 기본적 전제조건인 자체의 양력장치와 통제장치를 작동하여 공중체공 발전이 가능한 상태에서, 부가적으로 풍력발전장치의 프레임 구조 유지와 통제 역량을 보강하기 위하여, 전체 발전구조장치의 프레임을 지지하는 지상 프레임 스테이션(208)과, 익형과 로타팬이 설치된 발전 장치의 활꼴 프레임 (101)을 도르래 원리를 적용하여 활시위(Bowstring) 형태의 통제선(207)을 지지 조정하고, 기초 프레임 상단(214)과 연결된 지지 케이블(210)을 통제하는 지상 로프 스테이션(209) 및 각 익형들과 프레임을 지지하는 보조 지지선(206) 등을 설치하여, 체공의 모든 단계에서 발전장치의 프레임의 구조 유지와 통제를 용이하게 하였다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 sWEs가 체공 발전단계에서 전기에너지를 생산하는 형상도이다.

(101) 궁형(활꼴) 프레임은 지상 프레임 스테이션(108)에 연결된 기초프레임(211) 이 지지케이블(210)과 만나는 부분(214)으로 부터 상단 익형(102)과 만나는 부분까지의 프레임이 활꼴 형태를 유지하고, 그 직선이 지상과 이루는 각도는 30 내지 45도의 경사각을 유지하면서 지지 된다. 또한 프레임의 종단면은 익형의 경량 부착물을 좌우 대칭되게 각각 설치하여 각 프레임의 횡적 간격 유지에 기여하고, 그 경량 부착물의 내부 공간에는 송전선과 지상 통제선이 내재하게 설치되었다. 또한 전체 프레임은 기초 프레임(211)과 궁형 프레임으로 구분되고, 궁형 프레임(101)은 중간 프레임(212)과 상단 프레임(213))으로 구분된다.

(211)기초 프레임은 지상 프레임 스테이션(208)과 대형 커플링 고리(701)로 연결되어, 지상장치에 의해 프레임의 기울기 조절이 가능한 구조로서, 재료의 인력(압축력)과 강도를 현저히 고려하여 설치된 고중량의 구조물이며, 익형장치의 양력 발생 상황이나 팬로타의 추력 발생 상황등에 따라 sWEs의 전체 하중이 작용 될 수 있는 부분이나, 공중 체공을 위한 부하(Load)로 작용되지 않는 지상작동 구조물이며, 전체 프레임 길이의 약 10 % 범주에서 설계된다. 또한 지지케이블(210)이 기초 프레임 상단에서 로프 스테이션(209)까지 설치되어, sWEs의 최초 이륙과 체공 발전등 단계별 운용의 용이성과 프레임의 안정성을 향상할 수 있게 하였다.

(212)중간 프레임은 재료의 인장력과 복원력이 고려된 재질로 설치되고, 기초 프레임 끝에서 상단 보조 로프선(206)이 종축과 만나는 구간(215)을 나타내며, 익형이 설치되지 않고 각각의 프레임에는 주변 팬 로타의 와류(Vortex) 간섭이 최소화되는 간격으로 다수의 팬 로타 발전장치가 계단식으로 프레임 축에 중첩된 형태로 구성되어, 본 sWEs의 주 발전 용량을 담당하도록 설계되었으며, 프레임의 길이와 발전 장치(팬로타)의 장착 수는 상단 프레임의 익형장치가 생성하는 양력의 크기와 유효 풍력 고도에 따라서 결정된다. 또한 이 프레임은 익형이 생성한 양력에 의존하여 지지되나, 본 발명에서 적용하는 바람개비 형태의 가변 축 팬 로타(도4)의 회전 괘적으로 형성된 연형(Kitefoil) 원판이 생성하는 부분적인 양력을 활용하여, 회전자를 장착한 중간 프레임 축의 안정성이 유지되게 하였다.

(213)상단 프레임은 sWEs의 요구 양력의 크기에 따라 다수의 익형장치가 설치되고, 그 각각의 익형 사이에 익형 와류를 고려하여 팬로타 발전/전동 겸용장치가 프레임 축에 설치된다. 상단 프레임은 종렬로 설치된 각 익형장치를 직접 지지하고, 주요 지점에 지지 케이블로 연결되어 익형장치와 궁형 프레임의 고착력을 강화하여 구조적 강도를 유지한다.

(102)익형장치(날개)는 설계상으로 기초 프레임(211)을 제외한 전체 sWEs의 부양을 위한 양력을 생성하고, 궁형 프레임과는 30~45도의 각도가 유지되게 수직판(215)으로 고정 지지 되게 설치하고, 예상 발전 고도에서의 상대풍과는 15~25도의 각도로 설치된다. 또한 전체 익형의 요구 양력 발생의 기준은 각 익형의 실속버젼(Stall Version)에서의 양력 크기의 합이 전체 중량의 1.3배 크기의 양력발생이 될수 있도록, 익형의 크기와 형태를 결정한다. 익형의 주요 재질은 중량비 강도를 현저히 고려하여 경량 금속 또는 섬유계통의 복합소재를 사용하고, 일반적인 저속 항공기에 적용되는 NACA계열 익형을 설계 적용하고, 각 익형은 구조적 안정성을 위하여 서로 연결 케이블로 보조 지지 된다. 각 익형의 내부에는 좌우 한쌍의 보조 블레이드 장치(301,302)와 후단면 좌우에 Elevon(304)이 설치되고, 익형 하단과 활꼴 프레임 이 만나는 수직면에 보조날개(Rudder)(215)가 설치되어, 익형에 장착된 각종 장치에 의해 측정된 sWEs의 고도정보, 각 프레임 구간별 상대풍 정보, 익형의 AOA, Bank등의 자세정보 등을 통합 관리하는 자동체공장치(303)에 의해 자동 조정되거나 지상 신호에 의해 조정되어, sWEs는 항상 평형 유지를 포함한 자세유지가 가능하게 하였다.

(103)팬로타와 나셀은 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 단일 구조 장치로서, 다음의 도4와 도5에서 내용을 상세히 기술한다.

(107)지상 로프 스테이션은 복합 도르래 장치로 구성되어, 상단 익형 중앙과 궁형 프레임 상단 끝 부분을 연결한 부분(306)에서 지상 로프 스테이션(107)까지 연결된 조정통제선(106)을 견인 지지한다. 조정통제선은 Vectran 소재의 로프를 사용하여 활의 시위 형태로 구성되어, 로프스테이션의 통제에 따라 익형의 양력에 의해 유지되는 궁형 축의 요구 경사각을 보조 지지하고, 전체 sWEs에 풍상 방향으로의 수평장력을 지원하며, 상황 요구에 따라 장력의 가감을 통하여 sWEs의 상승 강하 전환을 보조 지원하는 역할로 설치되었다.

(108)지상 프레임 스테이션은 최초 지상 이륙 단계에서 지상 기계장치에 의해 커플링 고리에 연결된 프레임 경사각을 상향 경사로 조정하고 지지케이블(109)과 복합 작용하여 sWEs의 초기 부양을 지원하고, 발전 고도 도달 후에는 sWEs의 정지 체공을 위한 주요 수평 장력을 제공하며, 좌우 회전이 가능하여 sWEs에 미치는 상대풍의 항력 방향에 따라 자유 회전하여 방향 전환에 대응할 수 있도록 하였다.

도 2는 sWEs의 주 종축인 궁형 프레임에 각각의 익형(202)과 발전 팬 로타(203) 및 통제선(207)과 지지선(206,210)을 보여주는 측면 구조도이며, 주 종축 프레임은 익형이 생산하는 주요 양력과 로타팬의 회전 괘적으로 형성된 연형(Kitefoil) 면이 생성하는 부분적인 양력을 통해서 종축 프레임의 경사각(Slant)이 유지된다. 또한 지상의 로프 스테이션(209)과 프레임 스테이션(208)의 설치 단면을 예시하며, 로프 스테이션은 프레임 스테이션보다 후방에 위치하여, 500 내지 1000 피트의 높은 위치에 설치되고, 로프(Rope)로 구성된 통제선(207)은 프레임의 지지 통제가 용이하게 일정 경사각이 유지된 활의 시위 형태로 설치한다.

도 3은 익형 구조의 평면 구조도이다.

(301)보조 블레이드 장치(Aux Blade Unit)는 sWEs의 최초 이륙과 지상 착륙시 추력을 생성하여 팬 로타의 추력을 보조하고, 또한 최소 요구풍속 이하에서 좌우 ABU의 추력을 조절하여 전체 장치의 균형 유지를 가능하게 하고, 요구풍속(80 KTS) 이상에서는 풍압에 의해 자동으로 ABU의 슬라이딩 도어(302)가 닫히게 구성되었다. 이후 날개 후면의 Elevon(304)이 익형의 경사각 조절과 고도 조절 등을 담당한다.

또한, 장착된 각종 장치에 의해 측정된 sWEs의 고도정보, 각 프레임 구간별 상대풍 정보, 익형의 AOA, Bank등의 자세정보 등을 통합 관리하는 자동체공장치(303)을 날개 중앙에 내재 되게 설치하여, 체공 안정성과 발전 효율성을 도모한다.

도4는 풍력에 의한 팬로타의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치의 구조도이며, 일반적인 바람개비를 변형한 형태로 세 개의 팬 블레이드를 갖는 회전장치이나, 본 발명의 실시를 위해 요구되는 기능을 수행할 수 있도록, 각 블레이드 면이 특정한 비율로 설계된 복합소재의 판(Plate)을 성형가공(Bending)하여 중첩된 팬로타(403)로 구성되어 강도를 유지하고, 바람개비의 상부면과 하부면 사이에 나셀(401)이 장착되어, 회전력 생성과 발전을 동시에 수행하는 단일구조의 팬로타 발전장치이다.

(402)팬로타 축은 sWEs의 활꼴 종축을 나타내며, 나셀의 전방 25~30% 내측 위치에서 중첩된 축의 형태로, 프레임 종축과 팬로타/나셀과 힌지(503)로 연결되어 지지되고, 팬 블레이드가 상대풍의 수풍면으로 작용하여 발전단계로 작동할 경우(501)와 팬 블레이드가 지상 전원에 의해 프로펠라 역할로 작동할 경우(505) 등에 따라서 발전기 종축이 자동으로 변환된다. 또한 중첩 축의 내부 고정점인 힌지 전후 부분에 지지틀(504)을 설치하여, 축 변환 상태에서 발전장치 축과 sWEs의 종축과의 고착력을 보강하였다. 이러한 자동 축의 변환 기능은 sWEs의 이륙과 착륙 및 발전 단계뿐만 아니라, 비정상적인 상황에서 자유회전(Auto Rotation)중에도 장치의 효과적인 통제가 가능하게 하였다. 또한 팬로타의 주요 재질은 복원력이 우수한 복합소재를 사용하여, 제트 기류대의 강풍과 회전축 변환에 따른 비틀림 요소에 대응하면서 고속 고부하 회전이 가능하게 하였다.

도 1: sWEs의 체공발전 형상도

도 2: sWEs의 종축에 설치된 각종 장치의 측면 구조도

도 3: 익형장치의 평면 구조도

도 4: 팬로타 발전장치의 구조도

도 5: 팬로타 발전장치의 측면 구조도

도 6: 지상 프레임 스테이션의 구조도

Claims

다수의 날개형상 익형구조(Airfoil)(102)를 궁형(활꼴) 형태(101)를 갖는 나란한 2 종축 또는 그 이상의 횡렬 프레임 구조에 종렬 형태로 설치하여, 요구하는 양력을 발생하게 하고, 그 프레임 종축(201)과 발전 회전자 축(502)이 중첩된 형태로 장착된 다수의 개선된 바람개비 형태의 회전자 발전장치(103)를 일정 간격에 설치하여 전기에너지를 생산하는 구조와 방법
1항의 중첩된 축(201,502)으로 구성된 회전자 발전장치에 있어서,

원동기 축이 가변축(Variable axis)(502,506) 형식으로 구성되어 발전장치의 운영 단계별(이륙/착륙, 체공발전) 변환을 용이하게 하고, 장치의 최초 이륙과 의도적 착륙 단계에서 팬로타가 지상전원에 의한 전동 프로펠러 역할(505)로 추진력을 생성할 수 있게 하고, 익형에 내재 된 보조 블레이드(ABU)(301)가 추력 발생과 자세통제 역할을 가능하게 하여, 궁형 프레임의 경사진 축과 복합적으로 작용하여, sWEs가 자체의 역량으로 이륙과 착륙 및 체공 통제를 가능하게 한 구조와 방법