KR20090048554A - 구면축 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기에너지를 생산하는 풍력발전장치의 축의 구조가 구면 축(spherical surface axis)으로 구성된 것을 특징으로 하는 풍력 터빈(wind energy turbine)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 원구(spherical surface) 형태의 프레임(101)을 포함하는 구면축 프레임(spherical surface frame)(도1)이 기본 축 구조로 구성되고, 그 구면축 프레임과 직각을 이루는 하나의 대원(great circle)(103)을 기준으로, 그 대원의 전방과 후방의 일정한 소원(small circle)(104)(105)이 서로 연결되어 너비를 갖는 판(plate) 형태로 구성된 외구면(outer spherical surface)(201)이 구면축의 중심과 그 중심을 공유하는 동심 구면판(concentric sphere surface plate)(도2) 장치로 구성되고, 그 동심 구면판의 외구면의 둘레에 외접하여 로타 블래이드(rotor blade)(도4) 장치가 구성된 터빈구조에 관한 것이다.

이는 일반적인 터빈 구조에 구면판 장치가 추가된 구조로서, 발전기의 회전자 역할을 하는 로타 블래이드 장치와 고정자 역할로 부착된 동심구면판의 발전 장치들이 상호 작동하여 전기에너지를 생산하게 되고, 또한 로타 블래이드 장치를 외구면에 장착한 동심구면판의 가상의 회전축(shaft)이 기본 구면축 프레임의 동심축과 그 중심을 공유하면서, 바람의 방향에 따라 3차원적으로 상하 좌우 원추형 방향으로 동심구면판의 방향이 자유 변화할 수 있는, 가변 방향축의 방식으로 터빈 회전축의 변화가 가능한 구면축 풍력 터빈(Spherical surface Axis Wind Energy Turbine)에 관한 것이다.

현재의 지상 및 공중 풍력발전장치에서 광범위하게 채택되고 있는 수평축 또는 수직축 구조의 풍력 발전장치는 지상 지지대(pole) 등에 고정 장착하거나, 요잉시스템(yawing system)을 적용하여 회전축의 방향을 좌우 2차원으로 변화할 수 있게 운용되고 있다. 따라서 자연계에 존재하는 공기나 물 등 단위 유체의 상하 좌우 방향성이 일정하지않는 경우나, 발전장치를 지지하는 축의 비대칭 경사 등이 요구되는 공중 풍력발전장치 또는 수중 해수력 발전장치 등에 적용할 경우에 있어서, 유체의 방향성 변화에 능동적으로 대응하고, 회전자 축의 가변 경사요구를 충족하기 위하여 상하 좌우 3차원적 가변축 구조의 터빈이 요구되었다. 이에 본 발명을 통하여 기존의 수평축 방식의 발전이 가능할 뿐만 아니라, 지상의 지지대나 지형을 이용하여 설치된 경사진 프레임 축이나, 공중 체공장치에 연결된 경사진 프레임, 또는 로프에 직접 본 구면축터빈을 장착하여, 회전축 설치 방향의 제한성과 유체의 방향성 변화에 자동 대응하여 항상 수평축 발전방식으로 전기에너지 생산이 가능하게 하여, 광범위한 영역에서 다수의 발전장치의 운용이 가능한 기술을 제공한다.

구면축, 구면프레임, 동심구면판, 로타블래이드 장치, 원구, 대원, 소원, 외구면, 원추형 축 방향, 가상 회전축

Description

구면축 풍력 터빈{ Spherical Surface Axis Wind Energy Turbine}

본 발명에서 전기에너지를 생산하는 발전장치의 축의 구조가 구면축(spherical surface axis)(도1)으로 구성되게 하기 위해서, 원구(spherical surface)(101) 형태의 프레임을 포함하는 구면축 프레임(spherical surface frame)(101)(102)이 기본 축 구조로 구성되고, 그 구면축 프레임의 종축의 방향과 직각을 이루는 하나의 대원(great circle)(103)을 기준으로 전방과 후방의 일정한 소원(small circle) (104)(105)으로 구성된 외구면(outer spherical surface)(201)이 판(plate) 형태로 서로 연결되어 구면 축의 중심(106)과 그 중심을 공유하면서 축의 방향이 자유롭게 움직이는 가상 회전축(ideal shaft)(203)을 갖는 형태의 동심 구면판(concentric sphere surface plate)(도2)에 발전장치의 고정자 역할로 작동하는 일정한 장치가 부착되고, 그 동심구면판의 외구면의 둘레에 외접하여 풍력 에너지를 회전 에너지로 전환하는 회전자 즉, 로타블래이드 장치(rotor blade device)(도4)가 장착되어, 부착된 각 장치들이 상호 작동하여 전기에너지를 생산하게 되고, 동심구면판(도2)의 가상의 회전축(203)이 기본 구면축 프레임의 동심축(106)과 그 중심을 공유하면서 바람의 방향에 따라 3차원적으로 상하 좌우 원추형으로 동심구면판의 가상 회전축(203) 방향이 자유 변화할 수 있는, 가변 방향축의 방식으로 터빈 회전축의 변화 가 가능한 구면축 풍력 터빈에 관한 것으로. 기존의 수평축 방식의 발전이 가능할 뿐만 아니라, 지상의 지지대나 지형을 이용하여 설치된 경사진 프레임 축이나, 또는 해저굴곡이 있는 수중 장치나, 공중 체공장치에 연결된 경사진 프레임 또는 로프에 직접 구면축 기술을 적용하여, 회전축 설치방향의 제한성과 유체의 방향성 변화에 자동 대응하여 항상 수평축 발전방식으로 전기에너지 생산이 가능한 기술을 제공한다.

현재의 풍력발전장치에서 광범위하게 채택되고 있는 수평축 또는 수직축 구조의 풍력 발전장치는 지상 지지대(pole)나 공중체공 장치 등에 장착되어, 변화하는 바람의 방향에 적응하기 위해서 요잉시스템(yawing system)을 적용하여 회전축의 방향을 좌우 2차원으로 변화할 수 있게 하거나, 공중 체공장치 전체를 풍상방향으로 정렬하여 원하는 회전축의 방향을 유지하거나 조정하고 있다.

이러한 장치는 대류권에 실제적으로 존재하는 상하향 기류(up/down wind)의 변화 등 단위 유체의 상하 좌우 방향성이 일정하지 않는 경우나, 발전장치를 지지하는 축의 비대칭 경사등이 요구되는 공중 풍력발전장치 또는 수중 해류력발전장치 등에 적용할 경우에 있어서, 유체의 방향성 변화에 능동적으로 대응하고 회전자 축의 가변 경사요구를 충족하여 회전자의 구조적 문제와 회전력 효율성의 문제를 해결하기 위하여, 상하 좌우 3차원 가변축 구조의 터빈이 요구되었다.

종래의 수평축 또는 수직축 풍력터빈은 각각의 장단점을 고려하여 선택적으로 특정한 회전축을 적용하여 운용되고 있으나, 고공 강풍대(jet streem)의 풍력발전장치 운용이나 지상 고지대의 풍력발전장치를 운용할 경우에 있어서, 대류권에 실제적으로 존재하는 상하향 기류(up/down wind)의 변화 등 단위 유체의 상하 좌우 방향성이 일정하지 않는 경우나, 발전장치를 지지하는 축의 비대칭 경사등이 요구되는 경우에 있어서, 유체의 방향성 변화와 회전자 축의 경사에 의한 비대칭 부하가 회전자에 부과되어, 이에 따른 구조적 문제와 회전력 효율성의 문제가 발견되었다.

상기 과제를 해결함에 있어서, 유체의 방향 변화에 능동적으로 대응하고, 회전자 축의 가변 경사요구를 충족하기 위하여, 발전장치의 회전축 구조를 원구(spherical surface) 형태의 프레임을 포함하는 구면축 프레임(spherical surface frame)을 기본 축 구조로 구성하고, 그 구면축 프레임과 직각을 이루는 대원(great circle)을 기준으로 전방과 후방의 일정한 소원(small circle)으로 구성된 외구면(outer spherical surface)이 판(plate) 형태로 서로 연결되어 구면축의 중심과 그 중심을 공유하는 동심구면판(concentric sphere surface plate)을 장착하고, 그 동심구면판의 외구면의 둘레에 접하여 풍력 에너지를 회전 에너지로 전환하는 로타 블래이드 장치(rotor blade device)를 장착한다.

또한 발전기의 회전자 역할을 하는 로타 블래이드 장치와 고정자 역할로 동심구면 판에 부착된 각종 장치들이 상호 작동하여 전기에너지를 생산하게 하고, 또한 로타 블래이드 장치를 외구면에 장착한 동심구면판의 가상의 회전축이 기본 구면축 프레임의 동심축과 그 중심을 공유하면서 바람의 방향에 따라 3차원적으로 상하 좌우 원추형 방향으로 동심구면판의 가상 회전축 방향이 자유 변화할 수 있도록, 가변 방향축의 방식으로 터빈 회전축의 변화가 가능한 구면축 풍력 터빈(Spherical surface Axis Wind Energy Turbine)을 적용하여 상기의 문제점을 해결할 수 있게 하였다.

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

도1은 터빈을 지지하는 기본 축(basic axis)의 구조가 원구(spherical surface) 형태의 프레임을 포함하는 구면축 프레임(spherical surface frame)으로 구성된 것을 나타내며, 일반적인 프레임에 원구(spherical surface) 형태의 프레임(101)을 중첩하여 구성된 것으로, 동일한 프레임에 한 개 또는 다수의 구면축 프레임을 종렬로 장착하여 운용하거나, 또는 각각의 단일 구면축 프레임을 연결고리로 연결하여 대량 운용이 가능하게 하였다.

원구프레임(101)은 발전장치의 설계 용량과 날개구조 크기 및 형태에 따라서 원구의 크기와 두께 및 강도가 결정되고, 속이 빈 원구의 내면은 보조 프레임(102)에 중첩 부착되어 원구와 보조 프레임의 고착력을 강화하였다. 또한 원구 프레임의 외구면 표면은 동심구면판(201)에 내접하여 부착된 베어링 장치(202)의 미끄럼 운동이 가능하도록 그 강도와 매끈함을 유지한다.

대원(103)과 소원(104)(105)을 설정함에 있어서 각각의 소원 간의 간격은 동심구면판(도2)의 가상 회전축의 요구각도(requird shaft angle)(이론적 각도:0도~179도)와 회전장치의 회전 안정성을 고려하여 결정되나, 본 고안에서는 요구 각도를 상하좌우 45도 각도로 설정하여, 대원 원둘레의 1/4(25%)을 각 소원 간의 간격, 즉 동심구면판의 폭(width)으로 적용하였다. 또한 원구프레임의 외구면과 보조프레임의 접점에는 보조 링을 설치하여, 구면판 가장자리(204)와 보조프레임(102)과의 접촉 항력을 완화하였다.

도2는 기본 구면축 프레임의 외구면에 외접하여 장착될 동심구면판에 관한 것으로, 구면축 프레임과 직각을 이루는 대원(great circle)을 기준으로 전방과 후방의 일정한 소원(small circle)으로 구성된 외구면(outer spherical surface)(201)이 일정한 넓이의 판(plate) 형태로 서로 연결되어 구면축의 중심(원구프레임(101)의 중심과 보조프레임(106)의 접점)과 그 중심을 공유하지만, 축의 방향이 서로 같거나 서로 다른 가상 회전축(ideal shaft)(203)을 갖는 형태의 동심구면판(concentric sphere surface plate)(도2)에 발전장치의 고정자 역할로 작동하는 필요 장치가 부착된다. 동심구면판(concentric sphere surface plate)에 장착되는 장치에는 다수의 소형발전기(205) 또는 권선(winding wire)을 설치할수 있는데, 본 고안에서는 다수의 소형 발전기(205)을 구면판의 외구면에 장착한다.

또한 구면판의 내구면 양단에 베어링 장치(202)를 장착하여 상대풍의 방향에 따라 구면축 프레임의 축(axis)(106) 방향과 동심구면판의 회전축(203)이 원추형 형태로 자유변화가 가능하게 하였다. 내구면 후단의 베어링을 지지하는 지지틀의 구조는 시간지연 푸시버턴(time delay push buton) 형식으로 설치되어, 구면판의 외구면 둘레에 설치될 팬 브레이드 장치(도4)의 회전중 비대칭 모멘텀을 감지하는 균형장치(balancing monitor)가, 설정된 기준 이상의 쏠림 모멘텀을 감지할 경우 베아링틀을 압착하여 베아링이 설정 시간 동안 구면축(101) 면에 돌출되어 작용하여, 구면축 프레임의 회전축을 변화시킬 수 있게 되고, 설정시간 경과 후 또는 회전자의 균형상태에서는 베아링이 틀을 기준으로 함몰되는 형식 즉, 베아링의 외부틀이 돌출되어 구면축면에 제동장치(parking brake)로 작동되어, 회전축의 비틀림 설정 한계 내에서는 고정 고착되어 안정성이 유지된다.

도3은 기본 구면축 프레임에 동심구면판 장치를 설치한 구조를 나타내며, 구면축의 종단면을 기준으로 동심구면판의 가상 회전축이 상하 45도, 좌우 45도 범위 내에서 상대풍의 각도에 따라 본 고안이 설정한 각도로 움직일 수 있게 된다.

도4는 팬로타 블래이드의 회전에 의한 블래이드의 괘적을 나타내며, 실제 세개의 날개를 가진 팬블래이드(501)가 고속 회전시 원형판 형태로 형성되어, 공중 또는 고고도 발전장치의 안정성 유지에 기여한다. 팬 블래이드는 중량비 강도와 유연성을 현저히 고려한 경량의 복합재료를 사용하여 성형 가공한 판으로써, 여러 겹의 판(plate)을 겹쳐서 구성된 일반적인 바람개비 형상의 구조로서, 특정 최대 풍압 이상에서는 풍하방향으로 휨(bending)이 허용되어, 돌풍(gust)등의 비정상 상황에서 구조적 안정성을 유지한다. 또한 팬블래이드 장치는 동심구면판의 연결 하우징(204)에 의해 지지되어 회전하고, 내구면 양단(inner surface edges)에 내접기어 또는 체인(403)이 부착되어, 로타의 회전 에너지를 피니언을 통하여, 동심구 면판에 설치된 다수의 발전기 축을 고속 회전시키게 된다.

도5와 도6은 기본 구면축 프레임과 동심구면판 장치 및 로타 블래이드가 복합 구성되어, 완성된 단위 형태의 구면축 풍력 터빈(Spherical surface Axis Wind Energy Turbine)의 작동 형상도(도5)이며, 바람의 방향에 따른 회전축의 자유변화(도6)를 특징적으로 나타낸다. 또한 이 장치는 요구 발전용량에 따른 규모나 설치 위치 및 방법에 따라 케이블선이나 로프 등으로 보조 프레임(102)의 다양한 구성이 가능하고, 필요시 한쪽 방향의 보조 프레임을 제거하거나, 단위 구조의 연결형태를 다양하게 하여 광범위한 분야에서 운용을 가능하게 하였다.

도1은 기본 구면축 프레임 구조도

도2는 동심구면판 장치의 구조도

도3은 기본 구면축 프레임에 동심구면판 장치를 장착한 구조도

도4는 로타 블래이드 장치의 구조와 팬의 회전 괘적 형상도

도5는 기본 구면축 프레임에 동심구면판 장치와 로타 블래이드 장치를 장착한 구면축 풍력 터빈의 단위 구조도

도6은 일정한 방향 축 프레임을 기준으로 구면축 풍력 터빈의 회전축 변화도

Claims (2)

1. 발전장치의 회전축 구조가 원구(spherical surface) 형태의 프레임을 포함하는 구면축 프레임(spherical surface frame)(도1)을 기본 축 구조로 구성되고, 그 구면축 프레임과 직각을 이루는 하나의 대원(great circle)(103)을 기준으로, 그 대원의 전방과 후방의 일정한 소원(small circle)(104)(105)이 서로 연결되어 너비를 갖는 판(plate) 형태로 구성된 외구면(outer spherical surface)이 구면축의 중심과 그 중심을 공유하는 동심구면판(concentric sphere surface plate) 장치(도2)로 구성되고, 그 동심구면판의 외구면(도3)의 둘레에 외접하여 로타 블래이드(rotor blade) 장치(도4)로 구성된 구면축 풍력 터빈(Spherical surface Axis Wind Energy Turbine)(도5)의 구조
2. 동심구면판 장치(도2)가 발전장치의 회전자 역할을 하는 로타 블래이드 장치(도4)를 외구면에 장착하여 그 회전 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하게 하고, 동심구면판의 가상의 회전축(203)이 기본 구면축 프레임(도1)의 동심축(105)과 그 중심을 공유하면서 바람의 방향에 따라 3차원적으로 상하 좌우 원추형 방향으로 동심 구면판 장치의 방향이 자유 변화하는 가변 방향 축의 방식(도6)으로 터빈 회전축의 변화가 가능한 방법

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