KR20090059132A - 고고도 풍력을 이용한 수차발전 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 발전시스템으로서, 높은 고도일수록 강하면서도 안정된 바람을 이용하기 위하여 원격명령에 의하여 조작되는 서보모터에 의해 조종되는 파라글라이더로 바닷 속의 수차(hydro turbine)를 견인하도록 하였다.

따라서 공중에 부양하는 구조물의 중량을 줄이어 안전성을 높히고, 풍차에 비하여 수차의 날개 깃(rotor balde)의 길이를 1/20이하로 줄일 수 있으므로 제작비용을 낮추었으며, 대부분의 기계적 구동부분은 바다표면 또는 낮은 수심의 바다에 위치토록 하여 정비가 편리하도록 하였다.

Description

고고도 풍력을 이용한 수차발전{ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM USING HYDRO TURBINE TRACTED BY PARAGLIDER}

본 발명은 풍력에너지를 이용한 발전에 관한 것으로, 고공의 풍력에너지를 이용하여 비행하는 파라글라이더에 의해 견인되는 수차(hydro turbine) 발전기로 발전하는 방법에 관한 것이다

바람의 힘을 전기로 변환하기 위하여 풍차를 이용하는 것이 직접적인 방법이지만 효율을 높이고자 하면 상충되는 문제들이 많다. 대표적인 문제는 약한 바람도 이용하려고 하는 풍차는 돌풍이나 강풍에 취약하다. 근원적인 문제는 지표면 근처의 바람은 높은 고도의 바람에 비하여 강하지도 못하면서 변덕스럽기 때문이다.

높은 고도의 바람을 이용코자 하면 높은 탑을 세워야 하므로 건설비용이 많이 든다. 이러한 문제를 피하기 위하여 비행선에 매달린 풍차 또는 헬리콥터의 로터와 같은 풍차로서 풍차 스스로 부양력을 얻도록 하여 공중에 매달린 풍차발전 방식을 채택하기도 한다.(미국특허 No. 4,470,563, U.S. Pat. No. 6,781,254 B2 등)

이러한 방식은 높은 고도일수록 더 풍부하고 깨끗한 풍력을 활용하는 장점은 있지만 공중에 매달린 로터는 안전상의 문제와 정비가 어렵다는 단점이 있다.

기술적 과제

지구의 대기권까지 도달하는 태양에너지는 인류가 필요로 하는 에너지 총량의 10,000배에 가깝다. 그 태양에너지의 30％(맑은 날)에서 99％(흐린 날)까지 대기 중에 흡수되어 기계적 에너지, 즉 바람으로 바뀐다. 따라서 지구대기중의 풍력에너지는 인류가 필요로 하는 에너지 총량의 270배에 달한다고 한다. 그러나 이들 풍력 에너지가 지구상에 골고루 퍼져 있는 것이 아니라 한정된 지역의 고고도 상공에 집중되어 있다.

북위 20도에서 35도사이의 5km 상공에서 평균풍속은 20m/s 이며, 10-12km 상공의 평균풍속은 40m/s 에 달한다고 한다. 이러한 지역의 풍력에너지는 5,000 ∼ 10,000 watt/㎡ 에 달한다. 또한 상공의 바람은 지상풍과 달리 꾸준하면서도 거의 일정한 풍속을 유지하기에 바람직한 에너지 자원으로 기대되고 있으나 안전하며 경제적으로 구현하는 방법이 쉽지 아니하다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 고도가 높을수록 더 깨끗하고 풍부한 풍력에너지를 전기로 바꾸는 발전시스템의 구성 요소 중, 높은 고도에서 작동되는 부분품(sub-system)의 기계적 메커니즘과 중량을 최소화하여 안전문제를 줄이고자 한다.

기술적 해결방법

본 발명에서는 전기 서보모터(3)로 조종되는 파라글라이더(paraglider)에 의하여 견인되는 유선형 선체(ship like floating platform)(5)에 매달린 수차(hydro turbine)(7)를 구동시키도록 하여 풍력에너지를 채취하고, 이를 수중 또는 선상에 위치한 발전기(8)를 돌리어 전기에너지를 얻도록 한다.

이러한 발전시스템은 해상에서 비교적 자유롭게 이동할 수 있어 원치 않는 태풍예상지역을 피할 수도 있으며, 나아가 이상적인 바람환경지역으로 이동할 수도 있어 가동률이 우수하지만 풍력에너지를 구하지 못 할 경우도 있다. 이 경우에는 조류가 센 해역으로 이동하여 닻을 내려서 정박하고 조류의 힘으로 수차를 구동시키도록 한다.

이러한 발전시스템을 견인하는 파라글라이더의 날개(parafoil) (1)는 일반적인 파라글라이더와 같이 스스로 부풀려지도록 공기흡구(air-intake) (2)를 갖는 날개모양의 셀(airfoil cell)조합으로 되어 있으나, 한계치 이상의 풍속에서는 공기흡구(air-intake) (2)를 서보모터(3)에 의하여 당겨지는 줄(4)에 의하여 필요한 만큼 닫히도록 하여 날개면적을 줄이도록 한다. 따라서 날개면적이 줄므로서 양력이 줄게 되며 self-inflatable wing이 음값의 앙각( negative angle-of-attack)을 갖는 효과를 얻을 수 있다.

공기흡구(air-intake) (2)를 필요한 만큼 닫을 수 있는 특징 외로 3축 자세조종, 즉 pitch, yaw, roll 조종은 일반적인 파라글라이더 조종과 같이 leading edge의 앙각조절, trailing edge의 앙각조종을 조종줄(control line)을 손으로 당겨서 하는 방식은 같으나 유선 또는 무선으로 원격조종되는 서보모터 (3)에 의하여 구동되도록 한다.

일반적인 파라글라이딩(free-flying paragliding)에서는 파라글라이더에 매달린 인체의 무게를 좌우로 이동시키어 roll control을 하는 경우도 있는데, tethered paraglider에서는 tether line으로부터 왼쪽과 오른쪽 날개의 web airfoil까지 연결시키는 riser의 길이를 달리 하므로서 roll control 효과를 얻을 수 있으며, 이 또한 원격조종되는 서보모터(3)에 의하여 구동된다.

이와 같이 tethered paraglider의 3축 자세조종을 자유롭게 할 수 있으므로 풍력에너지에 의하여 견인되는 힘의 크기와 방향을 자유롭게 선택할 수 있다.

유리한 효과

본 발명의 방법은 고고도 대기 중에 산재한 양질의 풍력에너지를 채취하기 위한 구조물(tethered paraglider)은 단위면적당 질량이 작아서 심각한 안전문제가 대부분 해결되고, 구조물에 걸리는 힘의 대부분이 인장력이므로 전체 중량도 가볍다. 또한 기계적 구동부분이 많지 아니하여 주기적인 정비 요구를 감소시켰다.

한편 풍력에너지를 원천적으로 사용하지만 공기밀도의 800배인 물에 의하여 수차(hydro turbine)가 구동되는 방식을 채택하므로서 수차의 blade 길이가 windmill rotor blade 길이에 비하여 1/20 이하로 줄어 듦으로서 turbine 제작비용을 절감시킬 수 있다.

또한 이동이 비교적 자유로워서 태풍위험을 피하기도 하고 상층대기의 유통이 계절적으로 변동이 있으므로 풍력에너지 채취가 더 유리한 지역으로 이동하여 시스템가동률을 높힌다. 풍력에너지를 도저히 이용할 수 없는 경우에는 조류가 센 해역으로 이동하여 정박시키고 조류를 이용한 발전도 가능하다.

도 1은 바람에 의하여 비행하는 파라글라이더에 의하여 견인되는 수력발전시 스템

도 2는 높은 고도의 파라글라이더가 견인하는 줄의 하중을 줄이기 위하여 파라글라이더를 직렬로 연결하는 개념도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명*

1 : 파라글라이더의 날개

2: 파라글라이더 날개 셀의 공기흡구

3: 원격명령으로 조작하는 전기서보모터

4: 공기흡구를 닫기 위한 줄

5: 선박형태의 platform

6: 견인 줄

7: hydro turbine

8: 발전기

발명의 실시를 위한 최선의 형태

본 발명에서는 상층대기권의 풍부한 풍력에너지를 이용코자 tethered paraglider controlled by FBY(Fly-By-Wire)를 해발고도 500M 이상까지 띄워 올리게 된다. 비록 기계적구동이 최소화되어 있으나 de-icing을 위한 전력과 항공기의 안전운항을 위한 경광등과 FBW를 위한 전력 등이 필요하다. 이에 필요한 전력은 주기적인 점검시 전지를 보충하는 방법 또는 전선을 통해서 선상에서 공급시키는 방법도 있을 수 있으나 통상의 풍차에 의한 발전 또는 태양전지에 의한 발전으로 공중에서 필요한 전력은 공중에서 해결한다면 주기적인 점검을 위하여 tethered paraglider 를 착륙시키는 빈도가 현저히 줄 것이다.

수차와 발전기는 floating platform의 밑에 설치하는 것이 platform의 파도에 대한 안정성을 키우지만 정비작업이 힘들다는 단점이 있으므로 주기적인 정비시에는 선상으로 들어 올릴 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 tethered paraglider의 실용보급이 되어 고고도 tethered paraglider 인근을 비행하는 항공기에 대한 운항관제에 대한 기술과 제도가 확립되면 다단계 tethered paraglider기법을 활용하여 10km 고도대역의 바람을 이용하는 것이 바람직하다.

발명의 실시를 위한 형태

본 발명을 구성하는 기술은 대부분 현존하는 기술들로 구성되어 있기에 특별히 실용상 제약이 없기에 발명의 실시를 위한 최선의 형태를 어려움 없이 구현할 수 있다.

본 발명의 방법에 따르면 발전비용은 크게 감소하나 전기에너지를 전선을 통하여 전송하는 방법은 복잡한 문제를 야기시킨다. 따라서 전기분해에 의한 수소를 발생시키고 이를 액체수소로 저장하였다가 부두에서 배달하거나, 연료전지를 충전하여 배달할 수 있다.

또한 해발고도 500 meter이상 또는 5km 이상의 공중에 준상시적으로 체공하고 있는 platform 군(group)으로 이어지는 tethered paraglider network의 산업상 이용가치는 다양하다. 해양생태계의 감시에서부터 조난선원의 수색구조, 전파중계 기능 등 청정에너지를 저렴하게 생산하면서 인류의 복지에 기여할 것이다.

Claims (4)

1. 바다에서 높은 고도의 바람을 이용하기 위하여 원격명령에 의하여 조작되는 서보모터로 조종하는 Paraglider에 의하여 견인되는 해수면하의 수력발전기(hydro turbine for generating electrical power)로 전기를 얻는 방법과 그 장치
2. Free flying paraglider의 wing과 같이 스스로 부풀려지도록 하는 구조의 parafoil에서 negative angle of attack 효과를 얻기 위하여 원격명령으로 조작되는 전기서보모터에 연결된 줄로 공기흡구(air intake)를 필요한 만큼 막는 방법과 그 장치
3. 청구항 1에 있어, 높이 부양되어 있는 파라글라이더에 매달아서 통신중계를 하는 방법
4. 청구항 1에 있어, 높이 부양되어 있는 파라글라이더가 수력발전기를 견인하기 위한 줄의 하중을 줄이기 위하여 파라글라이더를 직렬로 연결하는 방법

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