KR20110000643A - 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력터빈의 성능을 향상시키기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 난기류의 감소 및/또는 속도의 증가 및/또는 기류의 압력 조절을 위하여, 노즐의 어레이로부터 터빈의 상류에서 기류 내로 공기를 주입하는 단계를 포함한다. 그로 인해, 터빈의 성능이 개선된다.

Description

터빈 향상 시스템{Turbine Enhancement System}

본 발명은 풍력터빈의 출력 및/또는 효율을 향상 또는 개선하기 위한 터빈 향상 시스템 및 방법에 대한 것으로, 보다 상세하게는 난기류(turbulence)의 감소 및/또는 풍압 및/또는 풍속의 증가를 위해, 터빈을 지나 흐르는 바람을 컨디셔닝하도록 구성된 시스템 및 방법에 관한 것이다.

오늘날의 지구 온난화와 환경에 대한 인식 하에서, 신재생 에너지의 형태로 가장 잘 알려진, 연근해에서의 풍력터빈을 이용한 신재생 에너지가 점점 중요해지고 있다. 풍력터빈이 전기 또는 다른 형태의 에너지를 생산하기 위한 실행 가능한 옵션임이 드러났으나, 이는 한계를 가지고 있다. 풍력터빈에 대한 주요 이슈 중 하나는 풍력터빈 성능의 최대 한계를 결정하는 '베츠의 한계(Betz limitation)'라고 알려진 현상이다. 이 현상은 블레이드의 바로 뒤에 있는 공기가 대기압보다 낮고 블레이드의 바로 앞에 있는 공기는 대기압보다 높은, 터빈의 로터를 가로지르는 압력 강하에 기인한다. 터빈 앞의 이러한 증가된 압력은 터빈 주위에서 공기의 일부 또는 상류 공기를 편향시키게 되고, 그래서 터빈에 의해 얻어질 수 있는 일의 양을 제한하게 된다.

그러나, 변동을 거듭하는 풍속 때문에 베츠의 한계는 대부분의 상용 풍력터빈에 있어서는 거의 도달되지 않으며, 이는 풍력터빈을 사용하는 경우의 또 다른 문제점이다. 풍속은 보장될 수 없으며, 풍력터빈에 의해 생산되는 동력은 일정하지 않다. 그리고 이는 소비를 위한 전기 공급에 있어 분명히 문제점들을 야기한다. 그 결과, 보통 풍력터빈이 위치할 장소를 신중히 선정할 필요가 있어서, 높은 탁월풍의 속도를 갖는 지역을 선택하고, 또한 보통 적당한 고도의 장소를 선택한다. 또한, 지표면에서의 항력(drag) 및 높은 곳에서의 공기의 낮은 점도(viscosity)에 의해, 높은 고도에서 보통 풍속이 높으므로, 터빈의 블레이드를 지면으로부터 소정의 높이만큼 이격되도록 위치시키는 것이 바람직하다. 그러나 높이와 무관하게, 터빈 블레이드와 같은 고체(solid body) 상의 기류에서, 난기류는 증가된 항력 및 열전달의 원인이 된다. 그래서 그러한 적용 예에서, 그리고 풍력터빈에 대한 이 사례에서, 블레이드 상을 흐르는 공기 또는 "바람"의 난기류가 커질수록 바람으로부터 터빈 블레이드로의 에너지 전달 효율은 줄어든다.

독일 특허출원 DE4323132는, 입력되는 바람이 노즐 어레이를 통과하도록 함으로써 입력되는 바람을 가속하고 바람을 로터 블레이드 상에서 소정의 각도로 향하도록 하기 위하여, 로터 상류에서 원형의 평면에 배치되는 환형(링형)의 노즐을 이용하여 바람의 동압(전압(total pressure), 피토압(Pitot pressure), 램압(ram pressure), 정체압(stagnation pressure))을 사용하는 제트형 풍력터빈(JWT)을 개시한다.

영국 특허출원 GB2297358은 시스템 내로 흐르는 공기 또는 물의 램 효과(ram effect)로부터 전기를 생산하는 터빈 시스템을 개시한다. 램 효과는 공기가 흡입구(inlet scoop, 2)와 케이싱(3) 내로 이동하도록 강제한다. 이 공기는 그 후 반대편에 위치한 게이트 유닛(9)의 부채꼴 형상의 개구부 내와, 샤프트(8)에 결합되어 게이트 유닛(9)와 함께 회전하는 터빈 휠(6)의 베인 통로 내로 공기를 부드럽게 가이드하는 고정된 가이드 베인 유닛(7) 내로 흐르게 된다. 동력은 연결된 제너레이터에서 생성되어 배터리를 충전시키거나 모터를 구동시킬 수 있다.

영국 특허출원 GB2230565는, 케이싱(a), 스테이터 블레이드(c), 로터 블레이드(d) 및 제너레이터 케이싱(e)을 포함하는 축류 풍력터빈을 제시한다. 환형 디스크부(g)는 케이싱의 외측에 흐르는 공기에 의해 장치의 하류에서 저압을 생성한다.

본 발명의 목적은 풍력터빈의 효율을 개선하는 대체 시스템 및 방법을 제공하는 것으로서, 이는 제조 및 운전이 상대적으로 간단하고, 새로운 풍력터빈에 적합할 뿐만 아니라 기존의 풍력터빈에 대해 개량하도록 구성된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 터빈의 블레이드를 지나 흐르는 제2 유체가 컨디셔닝 되도록, 터빈 상류의 제2 유체 흐름에 제1 유체를 주입하는 인젝터를 포함하는 터빈 향상 시스템이 제공된다.

바람직하게, 상기 인젝터는 상기 제1 유체의 적어도 하나의 제트를 분출하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 향상 시스템은 상기 인젝터에 상기 제1 유체를 공급하는 수단을 포함한다.

바람직하게, 상기 공급 수단은, 상기 터빈 상류의 제2 유체 흐름으로부터 떨어진 위치로부터 상기 인젝터에 상기 제1 유체를 공급하도록 배치된다.

바람직하게, 상기 인젝터는 상기 공급 수단과 유체 연통하는(in fluid communication) 입구와; 상기 제1 유체가 상기 상류의 제2 유체 흐름에 주입되는 출구를 포함한다.

바람직하게, 상기 인젝터는 관통하여 흐르는 상기 제1 유체를 가속시키는 형상과 치수를 갖는다.

바람직하게, 상기 인젝터는 상기 터빈의 블레이드의 목표된 스윕(sweep) 영역을 가로지르는 설계된 속도 프로파일을 제공하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 인젝터는 적어도 하나의 노즐 어레이를 포함한다.

바람직하게, 상기 인젝터는, 상기 터빈으로부터 제1 거리만큼 위치하는 제1 노즐 어레이와,

상기 터빈으로부터 제2 거리만큼 위치하는 제2 노즐 어레이를 포함한다.

바람직하게, 상기 인젝터는 상기 블레이드의 목표된 스윕 영역 상의 상기 제2 유체 흐름을 컨디셔닝 하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 노즐 중 적어도 일부는 공기 유도 노즐(air induction nozzle)을 포함한다.

바람직하게, 상기 공급 수단은 팬 및 모터를 포함한다.

바람직하게, 상기 공급 수단은 상기 팬으로부터 상기 인젝터로 연장되는 도관을 포함한다.

바람직하게, 상기 도관은 상기 인젝터의 지지체를 포함한다.

바람직하게, 상기 향상 시스템은 상기 인젝터를 상기 터빈에 장착하도록 구성된 커플링을 포함한다.

바람직하게, 상기 인젝터가 상기 터빈의 블레이드 세트를 따를 수 있도록, 상기 커플링은 상기 인젝터가 상기 터빈에 대해 상대적으로 변위하도록 구성된다.

바람직하게, 상기 공급 수단은 상기 터빈에 의해 동력을 얻는다.

바람직하게, 상기 향상 시스템은 상기 인젝터와 연관되어 작동하는(in operative association) 풍력터빈을 포함한다.

바람직하게, 상기 향상 시스템은 상기 상류의 제2 유체 흐름을 터빈 방향으로 이동시키는 형상 및 치수를 갖는 제1 가이드를 더 포함하며, 상기 인젝터는 상기 제1 가이드 내에서 상기 상류의 제2 유체 흐름에 상기 제1 유체를 주입하도록 배치된다.

바람직하게, 상기 향상 시스템은, 상기 상류의 제2 유체 흐름을 상기 터빈의 블레이드의 스윕 영역의 선택된 부분 상에 집중시키도록, 상기 제1 가이드와 상호 작용하는 제2 가이드를 포함한다.

바람직하게, 상기 인젝터는 상기 제1 가이드 및/또는 상기 제2 가이드 근방에 배치되는 노즐 어레이를 포함한다.

바람직하게, 상기 제1 가이드 및/또는 상기 제2 가이드의 치수는 변화될 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 가이드는 끝이 잘린 원추형 갓을 포함한다.

바람직하게, 상기 제2 가이드는, 상기 갓 내부에 동심으로 설치되는 원뿔 이 때, 상기 갓과 상기 원뿔 사이에 실질적으로 환형인 채널이 형성됨 을 포함한다.

바람직하게, 상기 향상 시스템은, 상기 블레이드의 하류 측으로 나가는 제2 유체의 적어도 일부를, 상기 블레이드의 상류 측으로 되돌려 재순환 시키는 수단을 포함한다.

바람직하게, 상기 공급 수단은 상기 제1 유체를 상기 인젝터에 공급하기 위해 기계적인 유도(mechanical induction)를 이용한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 터빈의 블레이드를 지나 흐르는 제2 유체가 컨디셔닝 되도록, 터빈 상류의 제2 유체 흐름 내로 제1 유체를 주입하는 단계를 포함하는 풍력터빈의 성능 향상 방법이 제공된다.

바람직하게, 상기 방법은, 상기 상류의 제2 유체 흐름 내로 상기 제1 유체의 적어도 하나의 제트를 분출하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은, 상기 터빈 상류의 제2 유체 흐름으로부터 떨어진 위치로부터 상기 인젝터에 상기 제1 유체를 공급하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은 상기 상류의 제2 유체 흐름 내로의 주입 동안, 상기 제1 유체를 가속하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은, 제1 위치로부터, 상기 제1 유체를 상기 상류의 제2 유체 흐름 내로 주입하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은, 상기 제1 위치와 떨어진 제2 위치로부터, 상기 제1 유체를 상기 상류의 제2 유체 흐름 내로 주입하는 단계를 포함한다.

바람직하게, 상기 방법은, 주입을 위한 상기 제1 유체의 공급에 영향을 미치기 위해, 상기 터빈으로부터 동력을 추출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 향상 시스템을 이용하면, 풍력터빈의 에너지 생산을 향상시킬 수 있으며, 터빈의 블레이드의 사이즈를 줄일 수 있고, 블레이드가 위치하는 높이를 낮출 수 있다. 그로 인해, 터빈의 초기 비용을 줄일 수 있고, 터빈이 배치될 장소의 수를 늘릴 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 터빈 향상 시스템의 제1 실시예의 부분을 나타내는 개략 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 터빈 향상 시스템의 제1 실시예의 전체 모습을 나타내는 사시도.
도 4는 상기 향상 시스템이 효과를 갖는 영역이 풍력터빈의 블레이드의 스윕 영역의 시야에 중첩되어 있는 모습을 나타내는 도면.
도 5는 3블레이드 풍력터빈의 전방에 설치된, 본 발명에 따른 터빈 향상 시스템의 제2 실시예의 전방 사시도.
도 6은 도 5에 도시된 터빈 향상 시스템의 배면도.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 터빈 향상 시스템의 측면도.
도 8은 풍력터빈의 성능을 보다 개선하기 위해 도 5 내지 도 7에 도시된 터빈 향상 시스템에 추가적인 요소가 구비된 모습을 나타내는 평단면도.

여기서 사용되는 “주입(injecting)”은, 기류의 방향/속도/압력을 수정하기 위해 단순히 전체 기류가 노즐 또는 갓을 통과하는 것이 아니라, 기류(airflow)를 수정하기 위하여 현존하는 기류 내에 공기와 같은 유체를 추가적으로 공급하는 것을 의미하도록 의도된 것이다.

여기서 사용되는 “상류 기류(upstream airflow)” 또는 기류(airflow)는, 풍력터빈을 지나 이동하는 공기(일반적으로 바람의 형태이지만 반드시 그렇지만은 않음)의 흐름을 의미하는 것으로 의도된 것이다. 여기서, 터빈은 바람의 통과에 대응하는 터빈 블레이드의 회전을 통해 에너지를 얻는다.

여기서 사용되는 “컨디션(conditions)”은 터빈을 향하고 터빈을 지나는 유체 흐름(특히 바람)의 난기류의 감소, 및/또는 속도의 증가, 및/또는 압력의 조정 또는 제어를 의미하는 것으로 의도된 것이다.

첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하면, 풍력터빈(T)과 같은 터빈에 장착되도록 개량된, 또는 일체로 형성된 터빈 향상 시스템의 제1 실시예(전체적으로 부호 10으로 지시됨)가 도시되어 있다. 이 향상 시스템(10)은 터빈에 직접 설치되는 것이 아니라, 기존의 풍력터빈(미도시)의 상류에 위치하도록 독립된 유닛으로 설계될 수도 있다. 본 발명의 향상 시스템(10)은, 이하에서 설명되는 바와 같이, 터빈(T)의 성능 또는 출력을 향상시키기 위해 본 발명의 방법에 따라 작동 가능하다.

종래의 풍력터빈에 있어서, 바람에 의해 생성되는 동력은 풍속에 매우 의존적이며 아래의 수식에 의해 결정된다.

동력 = ½ (p x A x V³)

여기서, p 는 공기의 밀도, A 는 블레이드의 면적, V 는 풍속이다.

풍력터빈은 이러한 동력의 일부를 얻어낼 포텐셜을 가지고 있으며, 이는 전술한 바와 같이 베츠의 법칙에 의해 59%로 제한된다. 또한, 생산되는 동력이 풍속의 세제곱에 비례함을 상기 동력 수식으로부터 확인할 수 있으며, 그래서 평균 풍속의 미세한 증가가 터빈에 의해 생산되는 동력의 커다란 증가를 가져올 수 있게 된다. 본 발명에 따른 향상 시스템(10)은 탁월풍 조건에 따라 터빈(T)을 지나는 풍속이 증가된 속도에서 유지되도록 설계되며, 그로 인해, 시스템을 작동시키는 데에 필요한 상대적으로 작은 입력 에너지로 터빈(T)에 의해 생산되는 동력을 현저히 증가시킨다.

상기 시스템(10)은 노즐(16)의 제1 어레이(12)와 제2 어레이(14) 형태의 인젝터를 포함하며, 이들은 사용 시에 터빈(T)의 블레이드(B)의 상류에 위치한다. 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 노즐(16)은 블레이드(B)를 지나 부는 제2 유체(예를 들면 바람 형태의 공기)의 난기류를 줄이고, 압력을 제어하며, 속도를 증가시킴으로써 상기 기류를 컨디셔닝 하는 속도 및 방향으로, 블레이드(B)를 향하여 제1 유체(예를 들면 공기)의 고속 제트를 분출한다. 따라서, 상기 언급된 기능을 달성하기 위하여 단일 어레이의 노즐(16)이 채용될 수도 있다는 것이, 특히 향상 시스템(10)의 작동에 대한 이하의 설명으로부터 이해될 수 있을 것이다. 또한, 노즐(16)의 개수 및 형상은 필요에 따라, 특히 블레이드(B)의 지름에 적합하도록 변경될 수도 있다. 사실, 노즐(16)은 터빈(T)의 상류에서 바람에 공기를 주입할 수 있는 다른 어떤 수단으로 대체될 수 있다. 덜 바람직하기는 하나, 노즐(16)은 공기 외의 다른 유체 또는 가스를 주입할 수도 있다.

개별 어레이(12, 14)는 사용 중에 노즐(16)에 공기를 공급하기에 적합한 공급수단의 일부를 구성하는 각각의 도관(18) 상에 지지된다. 그러나 노즐(16)의 어레이들(12, 14)이 터빈(T)의 블레이드(B)에 대해 정확한 위치 및 방향으로 노즐(16)을 홀딩하기에 적합한 다른 적절한 지지 구조를 구비할 수도 있음 역시 이해될 것이다. 그러한 지지구조는 노즐(16)에 공기를 공급하기 위한 도관으로도 사용될 필요는 없으며, 이는 별도의 요소로 구비될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 도시된 실시예에서, 도관(18)의 두 갈래(twp branches)가, 커플링(22)을 통해 기둥(C) 또는 터빈의 다른 지지구조(미도시)에 회전 가능하게(pivotally) 설치된 공통 붐(20, common boom)으로 연결되는 것을 확인할 수 있다. 커플링(22)은 팬(24)과 팬(24)을 구동하는 모터(26)를 받치는 지지체(미도시)를 포함하며, 이 둘은 노즐(16)에 공기를 공급하는 공급 수단의 일부를 형성한다. 팬(24)과 모터(26)는, 물론 노즐(16)에 공기를 공급할 수 있는 다른 어떤 수단으로 대체될 수 있다. 팬(24)은, 노즐(16)에 압축된 공기(pressurised air)를 공급하기 위해, 붐(20)과 도관(18) 내부에 압축된 공기를 공급한다. 그래서 노즐(16)은 도관(18)이 연결되는 입구(inlet), 및 터빈(T)을 향하며 공기 제트가 상류 기류로 분출되는 출구(outlet)을 포함한다. 상기 상류 기류는, 상류 기류와 가까이 있는 노즐을 통과하지는 않는다.

바람직하게, 상기 팬(24)은 상류 기류로부터 떨어진 자리에 위치하며, 상기 떨어진 자리로부터 상기 노즐(16)에 공기를 공급한다. 이렇게 하여, 종래기술의 경우와 같이 상기 상류 기류를 노즐 또는 갓(cowl) 등에 통과시킴으로써 상류 기류 그 자체를 나아가게 하여 컨디셔닝 하는 것과 대조적으로, 상기 상류 기류에 주입된 공기는 상기 상류 기류를 컨디셔닝 하는 데에 사용되는 추가적인 공기의 소스가 된다.

도시된 바람직한 실시예에서, 모터(26)는 터빈(T)에 의해 생산되는 에너지(바람직하게는 전기의 형태)로부터 동력을 얻는다. 그러나, 외부 전원이 모터(26)의 구동을 위해 이용될 수 있음 역시 이해될 것이다. 커플링(22)은, 어레이들(12, 14)이 바람을 따르면서 터빈의 블레이드를 뒤쫓아 회전할 수 있도록 한다. 탁월풍의 방향을 뒤쫓고, 기둥(C) 상의 커플링의 대응하는 변위에 영향을 미치는 다른 적당한 수단이 채용될 수도 있다. 따라서, 커플링(22)은 고정 헤드 풍력터빈(fixed head wind turbine)에서는 생략될 수 있다.

상기 향상 시스템(10)이 터빈(T)으로부터 독립적으로 설치된 독립 유닛으로서 제공될 수 있음 또한 예상될 수 있으며, 그러한 상황에서, 터빈(T)이 탁월풍을 향하도록 회전하는 동안, 어레이들(12, 14)이 터빈(T)을 뒤쫓을 수 있도록 하기 위한 수단들이 제공될 수 있다. 예를 들면, 탁월풍의 효과를 최대화 하기 위해, 상기 시스템과 터빈이 함께 회전하는 것을 확보하도록 풍향계 및 관련된 제어수단이 사용될 수 있다.

사용 시, 일단 터빈(T)이 동력을 생산하면, 팬(24)을 구동하기 위해 모터(26)는 켜지며, 이는 적당한 설계에 따를 수 있다. 그리하여, 팬(24)은 압축된 공기를 붐(20)과 도관(18) 내부로 펌핑하며, 이는 노즐(16)의 제1 어레이(12)와 제2 어레이(14) 모두에 공급된다. 도시된 바람직한 실시예에서, 노즐들(16)은 인덕션(induction) 타입이며, 블레이드(B)의 스윕 영역 또는 스윕 영역의 목표된 부분을 향하여 가속된 공기의 제트를 분출한다. 초기에 난기류 바람은 제1 어레이(12)를 지나 흐르고, 각각의 노즐(16)에서 분출되는 공기 제트는, 풍속을 증가시키고 이를 제2 어레이(14) 방향으로 향하도록 하는 한편, 바람의 난기류를 감소시킴으로써 상기 공기를 컨디셔닝 한다. 이 재지향을 최대화 하기 위하여, 상기 각각의 노즐(16)이 지시하는 방향은 탁월풍 조건에 맞추어 변경될 수도 있을 것이다. 또한, 제1 및 제2 어레이(12, 14)에 있어서 노즐의 개수 및 배치는 상당히 변경될 수 있으며, 사실 위치 조건 및/또는 터빈의 크기/디자인에 따라 변경되는 것이 요구될 수 있다.

그래서, 바람이 제2 어레이(14)에 도달하면, 그 속도는 향상되어 있는 반면, 난기류는 현저히 감소되어 있다. 노즐(16)의 제2 어레이(14)는 다시 바람의 난기류를 보다 더 감소시키는 데에 도움이 되는 고속의 제트를 분출하며, 우선적으로 블레이드의 스윕 전체에 걸쳐 요구된 또는 목표된 범위(coverage)를 달성하고, 그래서 터빈(T)으로부터 얻을 수 있는 동력(전기적이든 아니든)을 최대화 하기 위해, 풍속을 가속하도록 의도된다. 블레이드(B)의 스윕이 노즐(16)로부터의 범위가 겹쳐진 상태로 도 4에 도시되어 있다. 다시, 상기 제2 어레이(14)의 노즐(16)은 노즐을 지나는 바람의 컨디셔닝을 최적화 하기 위해, 방향, 압력 및 속도가 개별적으로 조정될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 블레이드(B)를 지나 흐르는 동안, 바람의 난기류, 속도 및 방향은 도 4에 도시된 바와 같이 터빈의 스윕 영역 상의 요구된 범위를 얻어야 한다. 그래서, 터빈에 설치 시, 상기 향상 시스템(10)은 가능한 한, 블레이드(B)의 목표된 스윕 영역의 전체에 걸쳐 설계된 속도 프로파일을 확보하기 위해 조정되는 것이 바람직하다.

제1 및 제2 어레이(12, 14)의 효과를 최대화 하기 위해, 이들을 블레이드(B)의 상류에 상대적으로 짧은 거리에 배치할 필요가 있다. 도시된 바람직한 실시예에서, 제1 어레이(12)는 블레이드(B)로부터 제1 거리에 위치하며, 제2 어레이(14)는 블레이드(B)로부터 제2 거리에 위치한다. 그러나, 이 거리가 상기 향상 시스템(10)의 성능을 최대화 시키기 위해 필요에 따라 변경될 수도 있음은 물론이다.

도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 터빈 향상 시스템의 제2 실시예(대략 110으로 지시됨)가 도시되어 있으며, 이 역시 풍력터빈(T’)에 장착되도록 개량되거나 풍력터빈(T’)에 일체로 형성된다. 본 제2 실시예에서, 유사한 구성에는 유사한 참조번호가 부여되었으며, 다른 언급이 없는 한 유사한 기능을 수행한다.

본 시스템(110)은 노즐(116)의 원형 어레이(112) 형태인 인젝터를 포함하며, 이는 사용 시에 터빈(T’)의 블레이드(B’)의 상류에 위치한다. 이하에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 상기 노즐(116)은 블레이드(B’)를 지나 부는 탁월풍의 난기류를 줄이고, 압력을 컨트롤하며, 속도를 증가시킴으로써 상기 기류를 조절하는 속도 및 방향으로, 블레이드(B’)를 향하여 고속 공기의 제트를 분출한다. 노즐(116)의 수 및 디자인은 필요에 따라, 특히 블레이드(B’)의 지름에 적합하도록 변경될 수 있을 것이다. 사실, 노즐(116)은 터빈(T’)의 상류에서 바람에 공기를 주입할 수 있는 다른 어떤 수단으로 대체될 수 있다. 덜 바람직하기는 하나, 노즐(116)은 공기 외의 다른 유체 또는 가스를 주입할 수도 있다.

전술한 제1 실시예와 제2 실시예의 주요 차이는, 사용 시에 터빈(T’)의 블레이드(B’)에 매우 가깝게 그리고 상류에 위치하는, 끝이 잘린 원추형 갓(30) 형상인 제1 가이드가 제공되는 것이다. 상기 시스템(110)은 도시된 바와 같이 갓(30) 내부에 동심으로 위치하며, 터빈(T’)의 블레이드(B’)와 거의 인접해 있는 원뿔(32) 형태의 제2 가이드를 더 포함한다. 상기 갓(30)과 원뿔(32)은 바람이 불어오는 방향에 대하여 블레이드(B’)의 상류에 위치한다. 상기 갓(30)과 원뿔(32)은 함께 그들 사이에 환형의 채널(34)을 한정하고, 채널(34) 그 자체는 공기가 갓(30) 내부로 흐르기 위한 출구를 한정하며. 사용 시에 채널(34)은 블레이드(B’)의 스윕 영역의 바로 앞에 정렬된다. 채널(34)의 치수 및 상대적인 위치는 블레이드(B’)의 스윕 영역의 보다 큰 또는 보다 적은 양을 커버하기 위하여 변경될 수도 있다. 이를 위해, 사용 가능한 동력의 대부분을 생산하는 풍력터빈의 개별 블레이드의 길이의 특정 부분이 존재한다는 것은 잘 알려져 있다. 그러므로, 환형의 채널(34)은 가급적 블레이드(B’)의 스윕 영역의 이 부분에 과도하게 배치되고, 치수화 된다.

그러므로 갓(30)은, 터빈(T’)으로부터 보다 많은 양의 동력을 추출하기 위하여, 보다 많은 양의 상류 기류를 포획하고, 이를 블레이드(B’)로 보내는 데에 도움이 된다. 갓(30)은 동력 생산을 위해 블레이드(B’)의 가장 효율적인 영역에 상류 기류를 집중시킬 수도 있다. 또한, 갓(30)은, 도시된 실시예에서 갓(30)의 내부 면에 설치되는 노즐들(116)의 원형 어레이(112)에 대한 지지체로서의 기능을 수행한다. 노즐들은 가급적 고압 공기의 제트를 갓(30)의 벽과 실질적으로 평행한 방향으로 향하게 하고, 블레이드(B’) 상의 환형 채널(34)을 통하게 한다. 상기 노즐(116)은 전술한 제1 실시예에서 설명된 노즐(16)과 동일한 기능을 수행한다. 즉, 난기류의 감소 및/또는 기류 속도의 증가를 통해 공기를 컨디셔닝 한다. 노즐들(116)은 채널(34)을 통해 흐르는 공기의 거의 모두에 대한 충분한 컨디셔닝을 확보하기 위하여, 가급적 인접한 노즐들(116)로부터의 공기 제트가 환형 채널(34) 내에서 조금 오버랩 되도록, 방향성을 가지며 충분한 수로 이루어진다.

본 제2 실시예에서 갓(30)에 동심으로 그리고 외부에 설치되는, 그리고 모터(126) 또는 적당한 다른 수단에 의해 구동되는 적당한 팬(124)에 의해 공기를 공급 받는 도관(118)의 환형 섹션을 포함하는 공급 수단이 노즐(116)에 공기를 공급한다. 도관(118)은 팬(124)의 단부에서 밀폐되며, 엘보 커넥터(36)에 의해 길이 방향을 따라 여러 위치에서 홈이 파여 있다. 엘보 커넥터(36)는 갓(30) 내에 대응되게 위치한 구멍(미도시)을 통과하며, 노즐(116)은 각 엘보 섹션(36)의 단부에 설치된다. 그러므로, 팬(124)과 모터(126)는 압축된 공기를 도관(118)을 통해 노즐(116)의 원형 어레이에 공급할 수 있다. 위에서 언급된 기능이 달성되는 한, 도시된 배열, 특히 도관(118)의 레이아웃이 변형될 수도 있음은 이해될 것이다.

블레이드(B’)로 향하는 기류 상에서 갓(30)과 원뿔(32)이 갖는 효과를 다양하게 하기 위해, 갓(30)과 원뿔(32)의 치수 및/또는 방향성은 변경될 수도 있으며, 이는 수동 또는 자동으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 갓(30)의 테이퍼 정도가 변경될 수 있고, 터빈(T’)에 바로 인접한 갓(30)의 개방된 단부의 치수가 변경될 수 있으며, 마찬가지로 원뿔(32)의 치수 및/또는 방향성이 변경될 수 있고, 갓(30) 내부의 원뿔(32)의 위치도 변경될 수 있다. 이에 따라, 예를 들면 현재의 바람 조건에 보다 더 적합하도록, 또는 블레이드(B’)의 스윕 영역의 최적 부분의 보다 양호한 범위를 제공하도록, 환형 채널(34)의 치수가 변경될 수 있다. 도시된 실시예에서, 갓(30)과 원뿔(32)은 프레임(38)에 설치되며, 갓(30) 및/또는 원뿔(32)을 설치하는 데에 이용되는 방법은 필요에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 원뿔(32)은 터빈(T’)의 허브(hub)에 설치되어 함께 회전할 수 있다. 갓(32)은 풍력터빈의 지지 기둥(미도시) 또는 이 외의 적당한 수단에 설치될 수 있다.

노즐의 추가적인 어레이 또는 제2 어레이(미도시)가 갓(32) 주변에, 예를 들면 어레이(112)의 상류에 또는 어레이(112)의 바로 내측에 구비될 수 있음 역시 이해될 것이다. 또한 노즐 어레이(미도시)가 원뿔(32)의 외측 표면에 장착될 수 있다.

도 8을 참조하면, 블레이드(B’)의 외곽 팁을 둘러싸도록 위치하며, 블레이드(B’)의 팁을 효과적으로 둘러싸도록 환형의 형상을 갖는 재순환 배플(40) 형태의 추가적인 그리고 선택적인 특징을 포함하는 시스템(110)이 도시되어 있다. 배플(40)은 갓(30)을 통해 블레이드(B’)를 통과하는 바람의 일부를 포획하고, 이를 블레이드(B’)의 전방으로 되돌려 재순환시켜 블레이드(B’)를 추가로 통과하도록 하는 기능을 수행한다. 배플(40)은 블레이드(B’)의 뒤쪽 또는 하류측으로부터 연장되고, 블레이드의 스윕 영역의 외측 에지 주위에서 되돌아 구부러지며, 블레이드(B’)의 바로 앞 또는 상류에서 갓(30)의 외표면에 인접하여 끝난다. 그래서, 배플(40)은 공기를 갓 (30) 내로 재순환시키지 않고, 갓 (30) 의 범위 외측에 놓이는 블레이드의 최외곽 부분 상에 공기를 재순환시킬 것이다. 배플(40)은 갓에 설치될 수도 있고, 다른 적당한 수단에 의해 제자리에 고정될 수도 있다.

본 발명의 상기 향상 시스템(10, 110)을 이용하게 됨으로써, 풍력터빈(T, T’)는 에너지 생산을 향상시킨다. 도시된 실시예에서, 모터(26, 126)가 터빈(T, T’)으로부터 에너지를 뽑아냈음에도 불구하고, 이는 향상 시스템(10, 110)에 의해 생산된 성능의 증가에 의해, 상쇄 이상이 된다.

터빈(T, T’)이 스윕 영역의 단위 면적(m²) 당 더 많은 에너지를 생산하게 될수록, 블레이드(B, B’)는 사이즈가 작아질 수 있고, 블레이드(B, B’)가 위치하는 높이 또한 낮아질 수 있다. 그로 인해, 터빈(T)의 초기 비용을 줄일 수 있고, 터빈이 배치될 장소의 수를 늘릴 수 있게 된다. 일반적으로, 풍력터빈은 상당한 고도와 지속적인 고속풍이 존재하는 장소를 요구하며, 그래서 적당한 장소의 수가 상당히 제한적이다. 본 발명의 향상 시스템(10, 110)은 적당하지 않은 것으로 인식된 여러 장소에도 풍력터빈이 위치할 수 있도록 할 것이다.

상기 두 실시예에서, 향상 시스템은 예를 들면, 지하 주차장이나 대형 오피스 빌딩 등에 사용되는 것과 같은 상대적으로 큰 스케일의 환풍 시스템(미도시)의 배기 위치 내의 터빈에 설치될 수 있다. 그래서, 배기 공기 내의 에너지를 낭비하는 것이 아니라, 상기 향상 시스템(10, 110)의 도움을 통해, 동력을 생산하기 위하여 터빈을 구동하는 데에 사용할 수 있다.

그리하여, 본 발명에 따른 상기 시스템(10, 100)은 단순하지만 풍력터빈의 성능을 향상시키는 데에 매우 영향력 있는 수단과 방법을 제공한다. 상기 시스템(10, 110)은 매우 작은 수의 이동부를 포함하며, 이는 비용을 최소화 하면서도 신뢰성에 도움이 된다. 상기 시스템(10, 110)의 다양한 구성들은 적당한 재질로 제작될 수 있으며, 바람직하게는 플라스틱, 합성물 등과 같은 가벼운 재질로 제작된다.

T, T' : 터빈 B, B' : 블레이드
10, 110 : 터빈 향상 시스템 12 : 제1 어레이
14 : 제2 어레이 16 : 노즐
18, 118 : 도관(ducting) 20 : 붐(boom)
22 : 커플링 24, 124 : 팬(fan)
26, 126 : 모터 30 : 갓
32 : 원뿔 34 : 채널
38 : 프레임 40 : 배플

Claims (33)

1. 터빈의 블레이드를 지나 흐르는 제2 유체가 컨디셔닝 되도록, 상기 터빈 상류의 제2 유체 흐름에 제1 유체를 주입하는 인젝터를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 인젝터는 상기 제1 유체의 적어도 하나의 제트를 분출하도록 구성된, 터빈 향상 시스템.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 인젝터에 상기 제1 유체를 공급하는 수단을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 공급 수단은, 상기 터빈 상류의 제2 유체 흐름으로부터 떨어진 위치로부터 상기 인젝터에 상기 제1 유체를 공급하도록 배치된, 터빈 향상 시스템.
   
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 인젝터는 상기 공급 수단과 유체 연통되는(in fluid communication) 입구와;
   상기 제1 유체가 상기 상류의 제2 유체 흐름에 주입되는 출구를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인젝터는 관통하여 흐르는 상기 제1 유체를 가속하는 형상과 치수를 갖는, 터빈 향상 시스템.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인젝터는 상기 터빈의 블레이드의 목표된 스윕 영역 전체에 걸쳐 설계된 속도 프로파일을 제공하는, 터빈 향상 시스템.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인젝터는 적어도 하나의 노즐 어레이를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 인젝터는,
   상기 터빈으로부터 제1 거리만큼 위치하는 제1 노즐 어레이와,
   상기 터빈으로부터 제2 거리만큼 위치하는 제2 노즐 어레이를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 블레이드의 목표된 스윕 영역 상의 상기 제2 유체 흐름을 컨디셔닝 하는, 터빈 향상 시스템.
    
11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 중 적어도 일부는 공기 유도 노즐을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
12. 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 수단은 팬 및 모터를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
13. 제12항에 있어서,
    상기 공급 수단은 상기 팬으로부터 상기 인젝터로 연장되는 도관을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 도관은 상기 인젝터의 지지체를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터가 상기 터빈에 설치되도록 하는 커플링을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 인젝터가 상기 터빈의 블레이드 세트를 뒤쫓아 움직일 수 있도록, 상기 커플링은 상기 인젝터가 상기 터빈에 대해 상대적으로 변위되게 하는, 터빈 향상 시스템.
    
17. 제3항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 수단은 상기 터빈에 의해 동력을 얻는, 터빈 향상 시스템.
    
18. 제1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터와 연관되어 작동하는(in operative association) 풍력터빈을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상류의 제2 유체 흐름을 터빈 방향으로 이동시키는 형상과 치수를 갖는 제1 가이드를 더 포함하며,
    상기 인젝터는 상기 제1 가이드 내에서 상기 상류의 제2 유체 흐름에 상기 제1 유체를 주입하도록 배치된, 터빈 향상 시스템.
    
20. 제19항에 있어서,
    상기 상류의 제2 유체 흐름을 상기 터빈의 블레이드의 스윕 영역의 선택된 부분 상에 집중시키도록, 상기 제1 가이드와 상호 작용하는 제2 가이드를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
21. 제19항 또는 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인젝터는 상기 제1 가이드 및/또는 상기 제2 가이드 주위에 배치되는 노즐 어레이를 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가이드 및/또는 상기 제2 가이드의 치수는 변화될 수 있는, 터빈 향상 시스템.
    
23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 가이드는 끝이 잘린 원추형 갓을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
24. 제23항에 있어서,
    상기 제2 가이드는, 상기 갓 내부에 동심으로 설치되는 원뿔을 포함하고, 상기 갓과 상기 원뿔 사이에 실질적으로 환형인 채널이 형성되는, 터빈 향상 시스템.
    
25. 제19항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블레이드의 하류 측에서 나오는 제2 유체의 적어도 일부를, 상기 블레이드의 상류 측으로 되돌려 재순환 시키는 수단을 포함하는, 터빈 향상 시스템.
    
26. 제3항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 수단은 상기 제1 유체를 상기 인젝터에 공급하기 위해 기계적인 유도(mechanical induction)를 이용하는, 터빈 향상 시스템.
    
27. 터빈의 블레이드를 지나 흐르는 제2 유체가 컨디셔닝 되도록, 상기 터빈 상류의 제2 유체 흐름 내로 제1 유체를 주입하는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    
28. 제27항에 있어서,
    상기 상류의 제2 유체 흐름 내로 상기 제1 유체의 적어도 하나의 제트를 분출하는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    
29. 제27항 또는 제28항에 있어서,
    상기 터빈 상류의 제2 유체 흐름으로부터 떨어진 위치로부터 주입을 위한 상기 제1 유체를 공급하는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    
30. 제27항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상류의 제2 유체 흐름 내로의 주입 동안, 상기 제1 유체를 가속하는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    
31. 제27항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 위치로부터, 상기 제1 유체를 상기 상류의 제2 유체 흐름 내로 주입하는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    
32. 제31항에 있어서,
    상기 제1 위치와 떨어진 제2 위치로부터, 상기 제1 유체를 상기 상류의 제2 유체 흐름 내로 주입하는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    
33. 제27항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈으로부터 동력을 추출하여 주입을 위한 상기 제1 유체의 공급에 영향을 미치는 단계를 포함하는, 풍력터빈의 성능 향상 방법.
    

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