KR20120044939A - 풍력 터빈 - Google Patents

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KR20120044939A
KR20120044939A KR1020117030317A KR20117030317A KR20120044939A KR 20120044939 A KR20120044939 A KR 20120044939A KR 1020117030317 A KR1020117030317 A KR 1020117030317A KR 20117030317 A KR20117030317 A KR 20117030317A KR 20120044939 A KR20120044939 A KR 20120044939A
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blades
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피에이치디 이마드 마하위리
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이-넷, 엘엘씨
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Abstract

풍력 터빈은 회전축을 갖는 회전 샤프트, 샤프트에 의해 회전 운동에 대해 지지되는 복수의 터빈 블레이드, 회전 샤프트에 의해 지지되고 이로부터 외향으로 이격된 복수의 자석을 포함한다. 블레이드는 자석의 반경방향 내측에 있는 장착부(mount)에 의해 샤프트에 장착되고, 자석은 블레이드의 적어도 환형 속도(annular velocity)의 환형 속도를 갖는다. 터빈은 또한 자석 및 블레이드로부터 외향으로 위치된 전도성 코일을 포함하고, 코일은 자석 및 블레이드를 둘러싸며, 자석의 회전 이동이 코일의 전류 흐름을 유도하도록 자석에 충분히 근접하게 위치된다. 풍력 터빈으로부터 추출된 전력은 연속 방식, 펄스 방식, 또는 하이브리드 방식으로 획득될 수 있다.

Description

풍력 터빈{WIND TURBINE}
본 발명은 전반적으로 풍력 터빈과 풍력 터빈을 위한 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 비교적 낮은 풍속에서 작동되면서도 전기를 발생시킬 수 있는 풍력 터빈에 관한 것이다.
종래의 풍력 터빈은 통상적으로 풍속이 8 mph 이상일 때 작동하기 시작한다. 이는 한편으로는 터빈 블레이드의 중량 때문이고, 또한 다른 한편으로는 터빈 블레이드 샤프트와 발전기 사이의 기어 마찰 때문이다. 따라서, 현재 풍력 터빈은 통상적으로 8 mph 미만의 풍속으로부터는 에너지를 이용하지 못한다. 8 mph 미만의 풍속이 미국 및 다른 지역에서 전체 풍속 스펙트럼의 상당한 부분에 해당한다는 점을 고려하면, 현재 풍력 터빈은 잠재적인 상당한 에너지원을 간과하고 있는 것이다.
또한, 종래의 풍력 터빈은 비교적 고가이고, 설치, 유지 및 작동이 어려운 경향이 있으며, 주거지 또는 소규모 사업자의 전기 시스템에 용이하게 통합되지 못한다. 또한, 종래의 풍력 터빈은 풍속이 너무 강하면 손상될 수도 있다.
본 발명은 낮은 풍속으로부터 에너지를 이용하여 전기를 발생시킬 수 있는 풍력 터빈을 제공한다. 또한, 풍력 터빈은 비교적 단순하면서도 저렴한 구성요소들을 이용하여 조립될 수 있고, 아울러 이동이 쉽고 기존 구조물의 상부에 장착될 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 풍력 터빈은 풍력 터빈이 높은 풍속하에서 작동하더라도, 풍력 터빈의 작동 시에 발생하는 소음이 현저하게 감소하도록 구성될 수 있다. 선택적으로는, 풍력 터빈은 풍력 터빈의 효율성을 추가로 향상시키기 위해 풍력 터빈의 외측 주연을 지나는 바람을 에너지로 활용할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 일 태양에서, 풍력 터빈은 회전축을 갖는 회전자 샤프트와, 샤프트를 중심으로 회전 운동하도록 지지되는 복수의 터빈 블레이드와, 회전축으로부터 외향에, 즉 회전자 샤프트로부터 외향에 이격되어 지지되는 복수의 자석과, 코일을 포함한다. 블레이드는 자석의 반경방향 내향에 위치한 장착부에 의해 샤프트에 장착되고, 자석은 적어도 블레이드의 각속도의 각속도를 가진다. 또한, 코일은 자석의 외향에 위치되며, 선택적으로 코일은 자석을 둘러싸도록 위치된다.
본 발명의 다른 형태에서, 풍력 터빈은 지지체와, 지지체에 대해 회전 운동하도록 장착된 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 각각의 블레이드는 블레이드의 말단부 내측에 선단부를 가지며, 블레이드 각각의 말단부는 내측에 위치한 선단부보다 큰 폭을 가진다. 또한, 각각의 블레이드는 이의 길이를 따라 변화하는 대칭 단면을 가진다.
본 발명의 또 다른 형태에서, 풍력 터빈은 지지체와, 지지체에 대해 회전 운동하도록 장착된 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 각각의 블레이드는 블레이드의 말단부 내측에 선단부를 가지며, 블레이드 각각의 말단부는 내측에 위치한 선단부보다 큰 폭을 가진다. 또한, 각각의 블레이드는 이의 길이를 따라 변화하는 받음각(attack angle)을 가지며, 받음각은 블레이드의 말단부에서 가장 크고 블레이드의 선단부에서 가장 작다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 풍력 터빈은 지지체와, 지지체에 대해 회전 가능하게 장착되는 복수의 터빈 블레이드를 포함한다. 각각의 블레이드는 가요성 멤브레인으로 형성된다. 선택적으로, 지지체의 대향 측면에 위치한 블레이드는, 대향하는 블레이드에 작용하는 반경방향 힘이 균형을 이루도록 함께 고정된다. 또한, 블레이드는, 블레이드가 높은 풍속 조건하에서 지지체로부터 멀어지는 방향으로 이동할 수 있도록 탄성 부재 또는 스프링에 의해 함께 고정될 수 있다. 또한, 블레이드는 블레이드의 표면적과 이에 따른 솔리디티(solidity)를 감소시키기 위해 예컨대 폴드형 또는 압축형과 같은 보다 콤팩트한 구조를 취할 수 있도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 형태에서, 풍력 터빈은, 복수의 풍력 터빈 블레이드를 구비하며 평면에서 회전하도록 장착되는 터빈 휠과, 풍력 터빈 휠의 회전 평면에 대해 각을 이루는 방향으로 터빈 휠로부터 외향으로 연장되는 적어도 하나의 자석을 포함한다.
본 발명의 또 다른 형태에 따르면, 풍력 터빈은 복수의 고정자와 외부 림을 구비한 풍력 터빈을 포함한다. 고정자는 휠의 외부 림의 적어도 일부에 전체적으로 정렬되고, 고정자의 적어도 일부는 외부 림의 외주연부에 대해 반경방향 내측에 위치된다.
전술한 임의의 터빈에 있어서, 터빈 블레이드는 가요성 멤브레인으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 각각의 블레이드는 가요성 멤브레인이 적용된 프레임을 포함할 수 있다. 적절한 프레임은 알루미늄 프레임, 스테인리스 강 프레임 등과 같은 금속 프레임을 포함한다. 대안적으로는, 프레임은 멤브레인과 일체형으로 형성될 수 있다. 멤브레인은 나일론 또는 KEVLAR®을 포함한 직물과 같은 가요성 시트 재료, 또는 플라스틱과 같은 중합체로 형성될 수 있다. 따라서, 멤브레인은 예를 들면 용접, 스티치, 체결구 등에 의해 프레임에 장착된다.
대안적으로는, 블레이드는 유리 충전 나일론(glass-filled nylon), 폴리에틸렌(polyethylene), 탄소 섬유 강화 나일론(carbon fiber reinforced nylon), 또는 KEVLAR®를 포함한, 플라스틱과 같은 성형 가능한 재료로 성형될 수 있다. 예를 들면, 블레이드는 성형시에 일체형 프레임과 함께 형성될 수 있다. 예를 들면, 블레이드는 외부 림과, 외부 림 사이에 연장되는 얇은 웨브(web)와 함께 성형될 수 있으며, 림은 얇은 웨브를 보강한다. 또한, 웨브는 블레이드를 가로질러 연장되는, 선택적으로는 림의 2개의 대향 측면들 사이에서 연장되는 리브에 의해 보강될 수 있다. 이런 방식으로, 분리 프레임이 필요하지 않을 수 있다.
또한, 블레이드는 터빈의 솔리디티를 감소시키도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 터빈 블레이드는 풍속이 미리 정해진 풍속 이상으로 증가하면 보다 콤팩트한 구조를 취하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 블레이드는 블레이드에 개구가 형성되도록 구성될 수 있으며, 개구는 풍속이 미리 정해진 풍속 이상으로 증가하면 증가하게 된다. 일 형태에서, 터빈 블레이드는 분기형 멤브레인으로 분기되며, 멤브레인의 일 부분은 고정되고, 멤브레인의 다른 부분은 미리 정해진 풍속을 초과하는 풍속에 반응하여 고정된 멤브레인으로부터 분리된다.
다른 태양에서, 풍력 터빈은 중앙 허브와, 허브로부터 외향으로 연장된 복수의 스포크를 구비한 스포크 휠을 포함할 수 있으며, 복수의 스포크는 이들의 외측 말단부의 환형 링 또는 림을 지지한다. 터빈 블레이드는 스포크에 장착된다. 이 적용례에서, 자석은 휠의 환형 림에 장착될 수 있다.
또 다른 태양에 따르면, 자석은 자석이 휠과 동일한 평면에 놓이도록 림에 장착되어 스포크 휠 프레임의 반경을 따라 림으로부터 연장될 수 있다. 다른 형태에서, 자석은 휠의 회전 평면으로부터 각을 이루는 방향으로 연장되도록 장착될 수 있다. 예를 들면, 자석은 자석이 휠의 회전축을 중심으로 수평 방향으로 연장될 수 있도록 휠에 대해 대체로 직교하는 배향으로 림에 장착될 수 있다.
다른 태양에서, 고정자 코일 또는 고정자 코일들은 채널을 갖는 대체로 U 형상 단면으로 구성된다. 또한, 자석은, 코일이 적어도 양 측면에서 자석을 가로지르거나 둘러싸도록 채널로 연장된다. 또한, 코일은 코일의 U 형상 단면의 일 레그가 전류를 발생시키도록 구성될 수 있고, 발생된 전류는 코일의 U 형상 단면의 제2 레그에서 발생된 전류와 합쳐진다. 이런 방식에서, 자석이 코일을 통과하게 되면, 자석은 코일이 자석의 일 측면에만 위치되는 경우보다 코일에서 전기를 두 배로 발생시킨다.
다른 태양에서, 고정자 코일 또는 고정자 코일들은 자석의 원주방향 경로 주위에 적어도 부분적으로 연장되도록 구성된다. 선택적으로는, 코일 또는 코일들은 자석의 전체 원주방향 경로 둘레로 연장되도록 구성될 수 있다.
따라서, 본 발명은 낮은 풍속에서, 예를 들면 8 mph 이하, 6 mph 미만, 4 mph 미만, 및 심지어 2 mph, 예컨대 약 0.3 mph에서 작동할 수 있는 풍력 터빈을 제공한다.
다른 태양에 따르면, 본 발명은 풍력 터빈에 대한 손상을 방지하면서 풍력 터빈 시스템의 효율성을 향상시키는 방식으로 풍력 터빈의 배향과 이로부터의 전력 발생을 자동으로 제어하는 풍력 터빈 및 제어 시스템을 제공한다. 풍력 터빈 시스템은 주거지 및 이와 유사한 유형의 장소에 설치가 용이하며, 전체 시스템의 비용을 감소시키기 위해 자동차 배터리와 같은 하나 이상의 종래 부품을 포함할 수 있다.
다른 태양에 따르면, 바람으로부터 전기를 발생시키기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 풍력 터빈과, 풍력 터빈을 위한 제어 보조시스템을 포함한다. 풍력 터빈은 축을 중심으로 회전하여 출력 전압을 발생시키도록 구성된 복수의 블레이드를 포함한다. 풍력 터빈은 전기 임피던스를 가지고 제어 보조시스템은 제어기에 의해 제어되는 가변 임피던스를 가진다. 제어기는 풍력 터빈의 전기 임피던스의 이하 및 이상인 레벨들 사이에서 제어 보조 시스템의 가변 임피던스를 변화시킴으로써 펄스 방식으로 풍력 터빈으로부터 전력을 추출한다.
다른 태양에 따르면, 바람으로부터 전기를 발생시키기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 풍력 터빈과 제어 보조시스템을 포함한다. 풍력 터빈은 축을 중심으로 회전하여 출력 전압을 발생시키도록 구성된 복수의 블레이드를 포함한다. 제어 보조시스템은 풍속이 풍속 임계치보다 낮은 경우 대체로 연속 방식으로 풍력 터빈으로부터 전력을 추출하고, 제어 보조시스템은 풍속이 풍속 임계치보다 높은 경우 펄스 방식으로 풍력 터빈으로부터 전력을 추출한다.
다른 태양에 따르면, 축을 중심으로 회전하도록 구성된 복수의 블레이드를 갖는 풍력 터빈을 위한 제어 시스템이 제공된다. 제어 시스템은, 제1 센서, 제2 센서, 모터, 및 제어기를 포함한다. 제1 센서는 풍향을 판단하고, 제2 센서는 풍속을 판단하며, 모터는 풍력 터빈의 회전축의 배향을 변경한다. 제어기는 제1 및 제2 센서와 통신하고, 풍속이 임계치보다 낮은 경우 축이 풍향과 정렬되도록 모터를 작동시킨다. 또한, 제어기는 풍속이 임계치보다 큰 경우 풍향과 오정렬되도록 모터를 작동시킨다.
다른 태양에 따르면, 풍력으로부터 전기를 발생시키기 위한 시스템이 제공된다. 시스템은 풍력 터빈, 전압 센서, 이에 제한되는 것은 아니지만 버크 컨버터(buck converter)와 같은 스위칭 컨버터, 인버터, 변환 스위치, 배터리 및 제어기를 포함한다. 풍력 터빈은 축을 중심으로 회전하여 전압 출력을 발생시키도록 구성된 복수의 블레이드를 포함한다. 전압 센서는 풍력 터빈으로부터 출력 전압을 측정한다. 스위칭 컨버터는 풍력 터빈의 전압 출력과 전기적으로 통신하고 풍력 발전용 전압 출력의 전압 레벨을 감소시킨다. 인버터는 직류를 교류를 전환한다. 전환 스위치는 인버터의 출력 또는 전기 에너지의 유틸리티 공급원 중 어느 하나를 풍력 터빈이 전기 에너지를 공급하는 주거지 또는 사업자의 배전반에 선택적으로 커플링 시킨다. 제어기는 전압 센서, 버크 컨버터, 배터리 및 전환 스위치와 통신한다. 제어기는 배터리의 충전 레벨을 모니터링하고, 배터리의 충전 레벨이 충전 임계치 이하로 떨어지고 출력 전압이 전압 임계치 이하로 떨어지면 전기 에너지의 유틸리티 공급원을 배전반에 커플링되도록 전환 스위치를 스위칭한다.
다른 태양에 따르면, 제2 센서는 풍력 터빈 블레이드로부터 물리적으로 멀리 이격되어 있는 풍속계일 수 있고, 또는 복수의 블레이드의 속도를 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서일 수 있다. 제어기는 또한 풍속이 임계치 이상으로 증가하면 축과 풍향 사이의 오정렬량이 증가하도록 모터를 작동시킬 수 있다. 전압 조정기는 인버터 및 하나 이상의 배터리에 정전압을 공급할 수 있다. 풍력 터빈의 블레이드는, 다른 레벨의 솔리디티가 이용될 수 있지만, 블레이드의 회전에 의해 규정되는 원형 영역의 비교적 대부분을, 가령 50% 이상을 차지하는 프로파일을 가질 수 있다. 풍력 터빈 자체는 복수의 자석을 포함할 수 있고, 복수의 자석은 복수의 블레이드 외측 단부에 인접하여 장착된다. 제어기는 유틸리티 공급 전력의 손실을 검출할 시에 배터리를 배전반에 자동으로 커플링하도록 구성될 수 있다. 또한, 제어기는 배터리의 충전 레벨을 모니터하고 제어기가 유틸리티 공급 전력의 손실을 검출할 때를 제외하고는 배터리가 딥 사이클 방전(deep cycle discharge)을 경험하는 것을 방지하도록 구성될 수 있다. 제어기는 충전의 임계치 레벨이 도달될 때까지 실질적으로 일정한 전류를 배터리에 인가함으로써 배터리를 재충전할 수 있고, 이어서 충전의 임계치 레벨이 도달된 후에 실질적으로 일정한 전압을 배터리에 공급할 수 있다. 배터리는 종래의 자동차용 배터리일 수 있고, 또는 임의의 적절한 방식에 따라 전기적으로 함께 커플링되는 종래의 복수의 자동차용 배터리일 수 있다. 제어 보조시스템은 낮은 속도 임계치로 풍력 터빈을 감속하는 단계와 속도 제한 임계치로 풍력 터빈의 속도를 다시 가속하는 단계가 계속 번갈아가며 진행되는 펄스 방식으로 이의 전기적 임피던스를 충전할 수 있고, 이는 동일한 방식으로 반복된다.
또 다른 태양에 따르면, 제어기는 풍력 터빈에 의해 발생된 전압 레벨이 전압 임계치를 초과한 경우에 풍력 터빈에 의해 발생된 전기를 인버터로 직접 전달할 수 있다. 인버터는 전압이 북아메리카의 주거지 또는 소형 사업장에 직접 공급될 수 있도록 직류를 실질적으로 120 볼트의 전압을 갖는 교류로 전환할 수 있다. 다른 실시예에서, 인버터는 직류를 특정 국가 또는 지리구(예컨대, 유럽 거주지의 경우 230V)의 거주지에 공급된 전형적인 가정용 전압과 동일한 전압을 갖는 교류로 전환하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 풍속, 풍향, 배터리 충전 상태, 날짜별로 발생된 누적 에너지, 풍력 터빈에 의해 발생된 전압 중 하나 이상을 나타내는 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.
본 발명의 이들 목적 및 다른 목적, 장점, 용도 및 특징들은 도면을 참조하여 설명되는 이하의 상세한 설명으로부터 보다 더 자명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 풍력 터빈의 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 터빈의 측 단부도이다.
도 3은 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예의 정면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 터빈의 측 단부도이다.
도 5는 도 4에 도시된 고정자 코일의 부분 확대도로서, 고정자 코일에 의해 형성된 채널 내의 자석을 예시하는 도면이다.
도 6은 스포크 휠을 구비한 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예의 정면도이다.
도 7은 휠과 자석의 장착 구조를 나타내는 확대도이다.
도 8은 풍력 발전용 블레이드 장착 세부사항을 나타내는 확대도이다.
도 9는 명료함을 위해 터빈 블레이드가 제거된, 스포크 휠의 정면도이다.
도 10은 스포크 휠의 림에 대해 자석의 일 장착 구조를 나타내는 확대도이다.
도 11은 명료함을 위해 코일 커버 및 블레이드가 제거된, 도 6과 유사한 도면이다.
도 12는 고정자 코일 장착 구조의 확대도이다.
도 12a는 고정자 코일과 이들의 상호 접속 회로를 나타내는 개략도이다.
도 13은 고정자 코일 장착 구조 및 자석 장착 구조의 다른 확대도이다.
도 14는 터빈 블레이드의 확대도이다.
도 14a는 터빈 블레이드 프레임의 확대도이다.
도 15는 터빈 블레이드의 다른 실시예의 정면도이다.
도 15a는 도 15에 도시된 터빈 블레이드의 측면도이다.
도 15b는 터빈 휠에 장착된 도 15의 터빈 블레이드를 예시하는 확대도이다.
도 16은 터빈 블레이드 프레임에 장착된 부분 멤브레인을 포함하는, 터빈 블레이드의 다른 실시예의 확대도이다.
도 17은 프레임에 제2 부분 멤브레인을 이동 가능하게 장착하기 위해 프레임에 제2 부분 멤브레인 지지체가 장착된, 도 16의 터빈 블레이드를 예시하는 도면이다.
도 17a는 도 17에 도시된 멤브레인 지지체의 평면도이다.
도 18은 제2 부분 멤브레인이 프레임에 장착된, 도 16의 터빈 블레이드를 예시하는 도면이다.
도 19는 터빈 블레이드에 최대 솔리디티를 제공하는 위치에서 제2 부분 멤브레인을 바이어싱하기 위한 바이어싱 부재를 갖는, 도 18의 터빈 블레이드를 예시하는 도면이다.
도 20은 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예의 측 단부도이다.
도 21은 터빈 휠 및 자석 장착 구조의 확대도이다.
도 22는 자석 장착 구조의 확대도이다.
도 23은 도 21에 도시된 터빈 블레이드 휠의 부분 확대도로서, 자석 및 고정자 장착 구조를 예시하는 도면이다.
도 24는 휠 및 고정자 장착 구조의 다른 실시예의 확대도이다.
도 25는 고정자 코일 및 자석 장착 세부사항을 나타내는 확대도이다.
도 26은 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예의 정면도이다.
도 27은 도 26에 도시된 풍력 터빈의 측면도이다.
도 28은 풍력 터빈의 바람방향을 대면하는 쪽(windward facing side)에 장착된 집풍기(wind concentrator)를 포함하는, 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예의 정면도이다.
도 28a는 터빈 휠에 대해 고정자 코일 조립체 및 자석 장착 세부사항을 나타내는 부분 확대도이다.
도 28b는 고정자 코일 조립체 및 장착 세부사항을 나타내는 다른 부분 확대도이다.
도 28c는 집풍기의 장착 세부사항과 풍력 터빈 프레임을 나타내는 부분 확대도이다.
도 28d는 타이 지지체(tie support)에 의해 함께 커플링된 터빈 블레이드와, 풍력 터빈 프레임의 장착 세부사항을 예시하는 부분 확대도이다.
도 29는 터빈 휠을 위한 측방향 지지체 또는 안내부를 예시하는 부분 확대도이다.
도 29a는 측방향 지지체 또는 안내부의 다른 실시예를 예시하는 확대 정면도이다.
도 29b는 도 29a의 측방향 지지체 또는 안내부의 배면도로서, 터빈 휠에 대한 자석의 장착 세부사항을 예시하는 도면이다.
도 30은 도 28에 도시된 풍력 터빈의 커버를 나타내는 정면도이다.
도 30a 및 도 30b는 도 30에 도시된 커버의 2개의 섹션을 나타내는 사시도이다.
도 30c는 도 30에 도시된 커버의 단면도이다.
도 31은 선택적인 안정 장치를 구비한 풍력 터빈의 바람방향을 대면하는 쪽에 장착된 집풍기의 다른 실시예의 정면도이다.
도 32는 주거지의 상부에 장착된 본 발명의 풍력 터빈을 나타내는 개략도이다.
도 33은 4등급 풍속 분포를 예시하는 차트이다.
도 34는 풍속 발전용 터빈 및 제어 시스템을 포함하는 전기 발생 시스템의 정면도이다.
도 35는 도 34에 도시된 풍력 터빈의 측면도이다.
도 36은 전기 발생 시스템이 사용될 수 있는 예시적 환경을 도시하는, 주거지와 풍력 터빈의 정면도이다.
도 37은 풍력 터빈을 위한 제어 시스템의 여러 구성요소들의 상호 연결을 나타내는 다이어그램이다.
도 38은 도 37에 도시된 제어 시스템에 대한 보다 구체적인 다이어그램이다.
도 39는 충전 제어기의 여러 내부 구성요소에 대한 구체적인 다이어그램이다.
도 40은 도 34의 도면보다 더 많은 구성요소를 도시하는 전기 발생 시스템의 일 실시예의 도표이다.
도 41은 도 40의 시스템의 발전기 및 발전기 제어 구조의 도표이다.
도 42는 도 40의 시스템의 제어 시스템의 도표이다.
도 43은 본 명세서에 기술된 임의의 전기 발생 시스템에 의해 추정될 수 있는 다양한 상태들을 도시하는 차트이다.
도 44a는 소정 기간에 걸친 임의의 풍속을 예시하는 차트이다.
도 44b는 도 44a에서 도시된 풍속을 경험할 때 본 명세서에 개시된 풍력 터빈 시스템의 실시예에 의해 발생할 수 있는 전력을 예시하는 차트이다.
도 44c는 도 44a에 도시된 풍속을 경험할 때 본 명세서에 개시된 풍력 터빈 시스템의 다른 실시예에 의해 발생할 수 있는 펄스형 전력을 예시하는 차트이다.
도 1을 참조하면, 참조번호 10은 대체로 본 발명의 풍력 터빈의 일 실시예를 지칭한다. 아래에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 다른 풍력 터빈들뿐만 아니라 풍력 터빈(10)은 낮은 풍속에서 작동하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 풍력 터빈들은 8 mph 아래, 6 mph 아래, 4 mph 아래, 2 mph 아래 및 심지어 약 0.3 mph와 같이 낮은 풍속에서 작동하도록 구성될 수 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이것은 저중량 풍력 터빈 블레이드로부터 풍력 터빈을 형성함으로써 부분적으로 달성되고, 이에 따라 낮은 관성을 갖고, 기어가 없는(gearless) 터빈을 제공함으로써 또한 달성된다. 기어가 없는 터빈이 초기에 기술되었지만, 기어형 터빈이 또한 사용될 수 있다는 것을 알 수 있어야 한다. 또한, 종래의 풍력 터빈들을 넘어 소정의 풍속을 위하여 증가된 각속도로 소정 위치에 자석들을 장착함으로써, 증가한 전기 발생이 동일한 풍속에서 종래의 풍력 터빈들을 넘어 실현될 수 있고, 또한 자석의 양쪽 측면들로부터 자속을 이용함으로써 실현될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 풍력 터빈(10)은 프레임(12) 및 베이스(14)를 포함한다. 프레임(12) 및 베이스(14)는 그들의 용례에 따라 알루미늄 또는 스테인리스 강 구성요소들을 포함하는 적합한 금속 구성요소들로부터 형성될 수 있다. 몇몇 용례에서, 복합 재료들이 또한 적합할 수 있다. 프레임(12)은 외주(outer perimeter) 또는 환형 부재(18)와 버팀대 부재들(20)을 포함하고, 이는 주연 부재(18)에 의해 지지되고 풍력 터빈 블레이드 조립체(22)를 위해 장착 표면을 제공한다. 터빈 블레이드 조립체(22)는 중앙 디스크 또는 플레이트와 같은 허브(24)와, 허브(24)에 장착되고 허브(24)로부터 반경방향 외향으로 연장하는 복수의 터빈 블레이드(26)를 포함하고, 이는 샤프트(22a)에 의해 프레임(12), 즉 버팀대 부재(20)들에서 장착된다. 샤프트(22a)는, 예를 들어, 베어링(22b)들에 의해, 버팀대 부재(20)들에서 저어널링 되거나 회전가능하게 지지되고, 주연 부재(18)의 내향으로 허브(24) 및 블레이드(26)들을 회전가능하게 장착한다. 그러므로, 위에서 지적된 바와 같이, 기어를 포함할 수 있더라도, 블레이드 조립체와 블레이드 조립체를 위한 지지 구조 사이의 연결에는 기어가 없다.
자석(30)들을 지지하는 복수의 아암(28)들이 샤프트(22a)에 또한 장착된다. 적합한 자석들이 니켈 도금된 네오오디뮴 철 붕소 자석(neodymium iron boron magnet)을 포함한다. 자석의 크기는 다양할 수 있지만 적합한 크기는 1/2인치 두께로 2인치×2인치 자석을 포함하거나 약 0.7", 0.8" 또는 1.0" 두께 자석과 같은 더 두꺼운 자석을 포함할 수 있다. 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 자석(30)들은 고정자 코일 조립체(32)에 비교적 근접하여 위치되고, 이는 터빈 블레이드 조립체(22)가 샤프트(22a)와 함께 회전할 때, 아암(28)들 및 자석(30)들이 유사하게 회전하여 이에 의해 고정자 코일 조립체의 코일 내에서 전류 흐름을 유도하도록 주연 또는 환형 부재(18)에 지지된다.
예시된 실시예에서, 터빈 블레이드 조립체(22)는 샤프트(22a) 둘레에 균일하게 이격된 6개의 블레이드(26)를 포함한다. 터빈 블레이드 조립체의 직경은 집에서 사용을 위하여 지붕-상단 장착부 또는 상업적인 사용을 포함하는 용례에 따라 변경될 수 있으며, 더 크거나 더 작은 크기가 사용될 수 있지만, 약 6피트의 직경이 전기 발생과 함께 심미성 및 장착 계획성을 균형있게 하는 것을 발견하였다. 예를 들어, 터빈이 보트 배터리를 충전하도록 사용되는 해양 용례를 포함하는 다른 용례들에서, 크기는 더 작을 수 있다. 추가로, 블레이드들 및 자석들의 개수가 변경될 수 있다. 이하의 기술로부터 더욱 상세하게 인식될 수 있는 바와 같이, 크기가 컴팩트한 풍력 터빈을 만들 수 있는 것에 더하여, 풍력 터빈의 무게는 종래의 풍력 터빈들보다 상당히 적을 수 있다. 예를 들어, 무게는 크기에 따라 150 lbs보다 작거나, 125lbs보다 작거나, 혹은 100lbs보다 작을 수 있다.
또한, 블레이드들은 바람으로부터 회전 터빈 블레이드 시스템으로의 에너지 전송에 적합하기 위해서 공기역학적 프로파일로 설계될 수 있다. 예를 들어, 이러한 최적화된 공기역학적 블레이드 프로파일은 고속에서 바람 전단 및 블레이드 편향을 감소시키도록 블레이드 말단의 테이퍼링(tapering)을 채용할 수 있다. 적합한 블레이드들이 통상적으로 종래의 터빈들에 사용되는 상업적으로 이용가능한 블레이드들을 포함할 수 있지만, 블레이드들은 대안적으로 5도와 10도 사이의 바람 받음각을 갖는 직사각형 바아일 수 있으며, 이는 낮은 풍속에서 더욱 효율적인 작동을 제공할 수 있으며, 나아가 종래의 블레이드보다 낮은 비용으로 제조될 수 있다. 또한, 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 블레이드들은 그의 바람을 대향하는 모서리를 따라 가변 바람 받음각을 가질 수 있다. 블레이드 설계 선택 및 받음각은 소정의 터빈 크기 및 풍속 작동 레짐(regime)에 대해 변경될 수 있다. 추가로, 샤프트는 바람에 최소의 양력(drag)을 제공하도록 구성될 수 있고, 바람 레짐 및 무게 고려사항에 따라 둥근 단면을 포함하는 항공역학적 단면 프로파일로 이루어질 수 있다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 자석(30)들은 그들이 주연 프레임 부재(18) 내로 그리고 고정자 코일 조립체 내로 연장하도록 위치설정된다. 이러한 방식으로, 샤프트(22a)가 그의 회전축을 중심으로 회전할 때, 자석들은 고정자 코일 조립체에 대하여 이동될 수 있고, 이에 의해 고정자 코일 조립체의 코일에 전류 흐름을 유도할 수 있다. 고정자 코일 조립체 내의 코일의 더 상세설명을 위해, 미국 특허출원 제12/138,818호 및 제12/698,640호가 참조되고, 양쪽 모두는, 이마드 마하위리 박사에 의해, 터빈 에너지 발생 시스템(TURBINE ENERGY GENERATING SYSTEM)을 제목으로 하여, 각각 2008년 6월 13일 및 2010년 2월 2일자로 출원되었고, 양자의 개시내용은 본 명세서에서 전체로 참조된다.
아암(28)들은 알루미늄 로드를 포함하는 금속 로드와 같은 횡방향 로드(35)로부터 형성될 수 있고, 이는 터빈 블레이드 조립체(22)의 샤프트(22a)에 의해 지지됨을 알 수 있다. 이러한 방식으로, 로드(35)는 터빈 블레이드(26)로부터 독립적이지만 샤프트(22a)와의 회전에 의해 각각의 블레이드들과 단일로 회전한다. 단지 두 개의 아암들 또는 하나의 아암이 예시되었지만, 하나 보다 많은 로드 및 하나의 세트의 자석들이 터빈의 자석 개수의 2배, 3배 또는 4배로 사용될 수 있다는 것을 이해되어야 한다. 그러나, 증가된 개수의 자석들에 의해, 회전 시스템의 무게가 증가됨을 알 수 있어야 한다. 결과적으로, 증가한 개수의 자석들에 의해 터빈이 발생력을 개시할 수 있는 풍속이 증가될 수 있다.
로드의 단부들에서 자석들을 대체함으로써, 터빈 블레이드들은 고정자 하우징 내에서 자석들의 배치 및 정확성에 영향을 주지 않으면서 높은 풍속 하에서 편향하도록 허용되고, 이는 작동을 단순화시키고 전기 발생 성능을 확장할 수 있다. 그러나, 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 자석들은 터빈 블레이드들에 장착되는 림(rim) 또는 링에 의해 각각의 터빈 블레이드의 말단부들 또는 팁들에 지지될 수 있고, 이는 블레이드 편향을 감소시키고 이는 이하에서 더욱 상세하게 기술된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 도면부호 110은 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예를 전체로 지칭한다. 터빈(10)과 유사한 터빈(110)은 프레임(112) 및 베이스(114)를 포함한다. 프레임(112) 및 베이스(114)는 또한 알루미늄 또는 스테인리스 강 구성요소들을 포함하는 적합한 금속 구성요소들로부터 형성될 수 있고, 몇몇 용례에서는 복합 재료가 또한 적합할 수 있다. 예시된 실시예에서, 베이스(114)는 프레임(112)이 장착되는 회전가능한 베이스 부분(114b)와 고정 베이스 부분(114a)을 포함한다. 이러한 방식으로, 프레임은 예를 들어, 바람에 대하여 터빈 블레이드들을 재위치 설정하도록 재위치 설정될 수 있다. 터빈 블레이드 조립체 및 프레임의 위치를 제어할 뿐만 아니라 발생한 전기 에너지를 관리하기 위한 적합한 제어 시스템들이 이하에서 더욱 상세하게 기술된다.
프레임(112)은 환형 부재(118) 및 두 개의 환형 프레임 부재(120a 및 120b)를 포함하고, 이는 베이스(114) 상에, 더욱 구체적으로는 회전가능한 베이스 부분(114b) 상에서 환형 부재(118)를 지지한다. 프레임 부재들(120a 및 120b)은 또한 부재(20)와 유사하게 터빈 블레이드 조립체(122)의 샤프트(122a)를 지지하는 베어링(122b)들을 포함하는 터빈 블레이드 조립체(122)를 지지한다. 또한, 이전 실시예와 유사한 환형 부재(118)는 고정자 코일 조립체(132)를 지지하고, 이는 터빈 블레이드 조립체(122)의 반경방향 외향으로, 더욱 구체적으로는 터빈 블레이드(126)들의 반경방향 외향으로 지지된다.
예시된 실시예에서, 프레임 부재들(120a 및 120b)은 예를 들어 두 개의 동심의 환형 부재(134a 및 134b)를 형성하는 알루미늄 와이어 또는 로드들과 같은 무거운 게이지 금속 와이어 또는 소직경 로드로부터 형성된 와이어 프레임 부재들을 포함하고, 이는 복수의 반경방향 아암(136)을 지지한다. 반경방향 아암들(136)은 터빈 블레이드 조립체(122)의 샤프트(122a)를 회전가능하게 지지하는 부싱(122b)을 차례로 지지한다. 도 4에 가장 잘 도시된 바와 같이, 외부 환형 부재(134a)들은 예를 들어 한 쌍의 지주(114c) 상의 베이스(114)의 이동가능한 베이스 부분(114b)에 장착된다. 예를 들어, 환형 부재(134a)들은 용접될 수 있거나 그렇지 않으면 지주(114c)들에 체결된다.
환형 부재(118)는, 외부 환형 프레임 부재(134a)의 내향으로, 프레임 부재들(120a, 120b) 사이에서 장착된다. 이전 실시예와 유사하게, 자석(130)들은 샤프트(122a)에 장착되는 아암(128)들에 장착되어서, 자석(130)들이 고정자 코일 조립체(132) 내로 연장한다. 또한, 이러한 구성에 의해, 자석(130)들은 샤프트(122a)에 터빈 블레이드를 장착하는 허브의 각속도보다 더 크고 터빈 블레이드들의 각속도보다 같거나 더 큰 각속도를 갖는다. 제1 실시예를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 아암들은 샤프트(122a)와 회전하여서 터빈 블레이드가 회전할 때 회전된다.
도 5를 참조하면, 환형 부재(118)는 체결구에 의해 프레임 부재들(120a, 120b)에 장착되고, 고정자 코일 조립체(132)를 위하여 고정자 코일 조립체 하우징(140)을 형성한다. 하우징(140)은, 도시된 바와 같이, 터빈 블레이드의 통로 또는 통로의 일부분 둘레만을 완전하게 둘러싸도록 터빈 휠의 전체 주연 둘레로 연장할 수 있는 대체로 환형인 채널 형상 부재를 포함한다. 예를 들어, 이하에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 고정자 코일 조립체는 터빈 휠의 통로의 일부분 위로 연장할 수 있고 블레이드들의 최상부(12시 위치)에서 또는 최저부(6시)에서 또는 그 사이에서 위치설정될 수 있다.
고정자 코일 조립체 하우징(140)은, 지적된 바와 같이, 대체로 채널 형상 단면을 갖고 자석들(130)이 연장하는 개방 측면(140b)을 갖는 채널(140a)을 형성한다. 하우징(140)은 비자성 재료, 예를 들어 플라스틱으로 형성된다. 대향 고정자 하우징 측면 벽들 사이의 내부 공간은 회전 자석에 의해 감소된 플럭스의 감쇠를 감소시키도록 고정자 하우징의 각각의 측벽과 각각의 자석 사이에서의 갭(140c), 예를 들어 공기 갭을 최소화하도록 크기설정된다.
고정자 코일 조립체(132)는 구리 또는 알루미늄 와이어와 같은 전도성 와이어로 형성된 복수의 코일들을 포함한다. 예를 들어, 코일들은 하우징(140) 내부에 지지되는 약 10개 내지 26개의 범위에서 게이지의 이중-루프 구리 와이어로부터 이루어질 수 있다. 구리 와이어 게이지는 터빈 크기 및 전력 출력 설계 요건들에 따라 변경될 수 있다.
참조된 용례에서 기술된 바와 같이, 코일들은 전기 발생 효율을 증가시키는 방식으로 권선되는 전도성 와이어로부터 형성된다. 이것은 코일이 자석들의 두 개의 주 표면들 위로 연장 및 가로지르도록 구성함으로써 적어도 부분적으로 달성된다. 이러한 방식으로, 자석의 양쪽 측면들(주 표면들)로부터의 플럭스가 강화된다. 위의 참조된 출원에서 기술된 바와 같이, 전류가 부가되기 위해서, 코일들은 자석을 스트래들하는 두 개의 레그 부분(150a 및 150b)을 포함하고, 이는 선회(turn) 또는 교차(cross-over) 부분(150c)에 의해 상호연결되고, 교차부는 양쪽 레그(150a 및 150b)에서 유도된 전기 전류 흐름이 부가되는 것을 허용한다. 도 5에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 부가적인 전류 흐름을 최적화하기 위해서, 자석들은 그들이 코일 루프들 사이에서 정렬되도록 그리고 루프 선회부 또는 비틀림 영역으로부터(상부 및 하부 코일 선회 영역들 양쪽으로부터) 이격되도록 코일 루프들에 의해 형성된 채널 내로 충분히 더 연장하도록 위치설정된다. 또한, 고정자 하우징 채널에서 자석들의 위치설정을 용이하게 하기 위해서, 핀(142)은 자석의 단부에 또는 아암의 단부에 장착될 수 있고, 이는 하우징(140) 내에 형성된 안내 채널(144) 내로 연장한다.
이러한 방식으로, 자석 또는 자석들이 각각의 고정자 코일 조립체 또는 조립체들을 지나갈 때, 이동하는 자석에 의해 초래된 자속은 각각의 코일들을 통해 흐르는 전류를 유도한다. 또한, 고정자 하우징 단부의 어느 한 측면 상에 코일을 위치설정함으로써, 그리고 또한 그들의 전기 흐름을 추가하는 방식으로 코일을 연결함으로써, 본 발명의 터빈은 종래의 터빈의 샤프트의 소정의 회전에 대해 증가된 전기 출력을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 터빈들이 터빈 블레이드의 회전 이동을 전류의 유동을 유도하는 회전 이동으로 전환하도록 기어 박스를 사용할 필요가 없기 때문에, 본 발명의 다양한 터빈들이 기어들 또는 기어 박스들을 포함하는 종래의 터빈들보다 낮은 풍속에서 전기를 발생시킬 수 있다. 기어 또는 기어 박스는 전기 발생의 추가적인 소스를 제공하도록 예를 들어 발전기를 구동하도록 샤프트에 연결될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 6을 참조하면, 도면부호 210은 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예를 전체로 지칭한다. 터빈(10 및 110)과 유사한 터빈(210)은 프레임(212)과 베이스(214) 상의 프레임(212)에 의해 지지된 터빈 블레이드 조립체(222)를 포함한다. 프레임(212) 및 베이스(214)는 알루미늄 또는 스테인리스 강 구성요소들을 포함하여 적합한 금속 구성요소들 또는 몇몇 용례들에서 복합 재료들로 형성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 베이스(214)는 이동가능한 베이스 부분(214a)과 이동가능한 베이스 부분(214a)에 장착되고, 그리고 프레임(212)이 장착되는 프레임 장착부(214b)를 포함한다.
프레임(212)은 환형 커버(218), 지주(219), 버팀대 프레임 부재(220)들 및 터빈 블레이드 조립체(222)를 포함한다. 버팀대 프레임 부재(220)들은 커버(218) 및 터빈 블레이드 조립체(222)를 지주(219)에 장착하고, 이는 커버(218), 프레임 부재(220) 및 터빈 블레이드 조립체(222)를 베이스(214)에 차례로 장착한다. 커버(218)는 알루미늄 또는 스테인리스 강 시트와 같은 금속 시트 또는 플라스틱과 같은 중합체로 이루어질 수 있고, 다시 용례에 따라 복합 재료로 이루어질 수 있다.
예시된 실시예에서, 터빈 블레이드 조립체(222)는 복수의 터빈 블레이드(226)가 장착되는 휠(250)(도 9)을 포함한다. 도 9에 가장 잘 도시된 바와 같이, 휠(250)은 중앙 허브(250a)와 그들의 선단부에서 허브(250a)로부터 연장하고 그들의 말단부에서 링 또는 림(254)을 지지하는 복수의 반경방향 연장 스포크(252)들을 포함한다. 이해할 수 있는 바와 같이, 허브, 스포크, 및 림은 알루미늄 또는 스테인리스 강과 같은 금속 재료로 또한 형성될 수 있다. 도 7에 가장 잘 도시된 바와 같이, 스포크들은 그들의 연결부에서 허브에 대해 오프셋 되지만 림(도 8 및 도 10)에서 공통의 환형 통로를 따라 이격된 연결부들에서 장착되므로, 한 세트 또는 그룹의 스포크들은 하나의 원뿔형 표면상에 놓이고 나머지들은 바이크 휠(bike wheel)과 유사한 다른 원뿔형 표면상에 놓인다. 다른 방식으로 말하면, 제1 그룹의 스포크들은 허브에서 제1 세트의 이격된 연결부들로부터 림 상의 환형 통로를 따라 배치된 제2 세트의 이격된 연결부들까지 연장한다. 제2 그룹의 스포크들은 허브에서 제3 세트의 이격된 연결부들로부터 림 상의 제2 세트의 연결부들과 동일한 환형 통로를 따라 이격된 연결부들의 제4 세트까지 연장하고, 여기서 제1 세트의 이격된 연결부들은 허브의 회전축을 따라 제3 세트의 이격된 연결부들로부터 이격되고, 제1 그룹의 스포크들은 허브에서 제2 그룹의 스포크들로부터 오프셋 되지만 림에서 수렴한다. 이하에서 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이, 예시된 실시예에서, 스포크(252)들은 터빈 블레이드(226)들에 대해 터빈의 풍향 측면의 예를 들어 터빈의 풍향 측면의 약 50% 내지 70%까지의 높은 비율로 연장하는 장착 표면을 제공하고, 이는 약 50% 내지 70%의 터빈이 대략적인 솔리디티를 갖는 것을 의미한다. 기술되는 바와 같이, 터빈의 솔리디티 아래에서 변경될 수 있다.
도 7을 다시 참조하면, 휠(250)은 샤프트(250b)에 의해 버팀대 프레임 부재(220)들 내에 지지되고 저어널링되고, 이는 부재(220)들을 통해 연장하고 너트(250c) 및 선택적인 와셔(250d)들에 의해 그에 고정된다. 부재(220)들은 브래킷(260) 및 지주(262)들에 의해 지주(219)에 장착되고, 이는 지주(219)에 인접한 각각의 부재(220)를 통해 연장하는 볼트와 같은 체결구(264)들을 지주(219) 내로 수용한다. 그러므로, 위에서 지적된 바와 같이, 휠과 휠을 위한 지지 구조 사이의 연결에는 기어가 없다. 위에서 기술하였지만, 기어는 포함될 수 있다.
예시된 실시예에서, 그리고 도 10 및 도 11에서 가장 잘 도시된 바와 같이, 자석들(230)은 휠(250)에, 더욱 구체적으로는 체결구 또는 체결구들(268)에 의해 림(254)에 고정되는 브래킷(266)에 의해 림(254)에 장착된다. 브래킷(266)은 장착부(270)로부터 반경방향 외향으로 연장하는 프레임(272)을 지지하는 장착부(270)를 포함하고, 이는 내부에 자석(230)을 지지한다. 자석(230)들은 휠과 같은 동일한 평면에서, 그리고 블레이드들의 풍향 측면(다가오는 바람을 대향하는 측면)에 의해 한정된 평면과 블레이드들의 바람을 등지는 쪽(leeward)의 측면(바람이 불어가는 방향을 대면하는 측면)에 의해 한정된 평면 사이에서, 외향으로 연장하고 놓이도록(그들의 주 표면들이 놓임) 장착된다. 예시된 실시예에서, 휠(250)은 10개의 자석(230)을 포함하고, 이들은 휠 둘레에 동등하게 이격되지만, 더 많거나 적은 자석들이 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
도 11 및 도 13을 참조하면, 예시된 실시예에서, 고정자 코일 조립체(232)는 프레임 부재(220)에 장착되고 휠(250)의 외부 둘레에 배치된다. 또한, 예시된 실시예에서, 고정자 코일 조립체(232)는 휠의 주연의 일부분에서만 연장하고, 최상부 블레이드 위치(12시)에서 위치설정된다. 예를 들어, 고정자 코일 조립체(232)는 약 30도 내지 약 45도의 범위에서 원호형 스팬(span) 위로 연장할 수 있지만, 이는 풍력 터빈의 전체 360도 주연을 포함하는 더 넓은 범위에 걸쳐서 연장하도록 구성될 수 있음이 이해되어야 한다. 고정자 코일 조립체(232)는 프레임 버팀대 부재(220)에 장착되고 링(254)에 근접하여 위치되는 지지 조립체(236)를 포함한다. 또한, 도 12에 가장 잘 도시된 바와 같이, 지지 조립체(236)는 이격되고 각각 프레임 부재(220)들에 장착되는 한 쌍의 브래킷(236a 및 236b)으로 구성된다. 각각의 브래킷은 대체로 L자 형상 브래킷을 포함할 수 있고, 또한 내향으로 연장하고 이격된 관계로 고정자 코일(278a 및 278b)들을 지지하여 예를 들어 각각의 고정자 코일들 사이의 갭(280)을 한정하는 원통형 지주(276a)의 형태의 한 쌍의 지지부들을 포함한다. 고정자 코일 조립체(232)는 커버(218) 내에 수용되어 자석들이 그들의 주연 통로를 통해 이동할 때 고정자 코일 조립체들과 각각의 자석들을 보호한다.
도 12a를 참조하면, 각 쌍의 고정자 코일(278a, 278b)은 각각의 개별 코일로부터 국부적으로 직류(DC)를 발생시키는 정류기(279a)를 포함할 수 있는 회로(279)에 의해 상호연결된다. 만약 정류기들이 사용되지 않는다면, 교류(AC)가 생성된다. 이것은 필요하다면 이후 단계에서 정류될 수 있다. 전기 출력은 소형 12 볼트 DC 카 배터리를 충전하는 표준 12 볼트 DC로 또는 직접 사용을 위한 120 볼트 교류 표준 출력 전압으로 전환될 수 있다.
도 14 및 도 14a를 참조하면, 각각의 블레이드(226)는 와이어 프레임과 같은 프레임(282)과 나일론, 폴리에스테르 또는 케블라(KEVLAR) 또는 블레이드의 웨브를 형성하는 플라스틱과 같은 중합체 재료의 얇은 시트와 같은 직물(fabric)로 형성될 수 있는 가요성 멤브레인(284)으로 형성될 수 있다. 추가로, 멤브레인(284)은 단일 측면형 또는 프레임의 일 측면에 장착된 일 측면과 프레임의 다른 측면에 장착된 다른 측면을 갖는 두 개의 측면형일 수 있다. 프레임(282)(도 14a)은 두 개의 종방향 측면(282a, 282b)들을 갖는 대체로 등변 사다리꼴 형상을 갖고, 이는 휠의 반경방향 축을 따라 정렬하고, 프레임 부재들(282c, 282d 및 282e)을 가로지름으로써 상호 연결된다. 예를 들어, 프레임(282)은 알루미늄 또는 스테인리스 강과 같은 금속 로드 또는 다른 강성이지만 경량 재료로 형성될 수 있다. 멤브레인(284)은 예를 들어 접착제, 용접, 스티칭(stitching) 또는 체결구 등에 의해 프레임(282)에 고정된다.
블레이드(226)들은, 예를 들어, 높은 풍속에서 블레이드들이 바람에 평행하게 편향될 수 있도록 하기 위해서 스프링 재료 또는 탄성 재료로 형성된 클립을 포함하는 스냅(snap), 타이(tie) 등과 같은 체결구에 의해 그들의 길이를 따라 각각의 스포크(252)들에 장착된다. 또한, 도 8에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각각의 블레이드의 선단부[단부에 가장 가까운 허브(250a)]는 클립에 의해 하나의 스포크에 고정될 수 있지만, 블레이드의 다른 더 넓은 말단부는 블레이드의 말단부를 지지하도록 두 개 이상의 클립들에 의해 두 개의 스포크들에 연결될 수 있지만, 블레이드들의 말단부를 휠의 림에 고정할 필요는 없으며, 이에 의해 블레이드의 말단 모서리와 휠의 림 사이의 갭 또는 갭들을 형성하고 이는 블레이드의 굴곡을 허용한다. 선택적으로, 블레이드(226)는 수리 및 교체를 위해 제거가능하다.
스포크(252)들에 장착되었을 때, 블레이드(226)들은 휠의 중앙 평면에 대하여 각을 이룬다. 예를 들어, 블레이드들(226)은 예를 들어 약 5도 각도를 포함하는 2도 내지 10도의 범위에서 각이질 수 있다. 이러한 각도에서, 0.3 mph를 포함하는 1 mph 이하와 같이 저속에서 터빈이 전기를 발생시킨다는 것을 발견하였다. 사용된 특정 재료에 따라, 터빈은 또한 40 mph 또는 심지어 60 mph까지 작동할 것이라고 발견되었으나, 터빈의 속도를 제한하는 것이 바람직할 수 있다. 더 높은 속도에서, 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 마이크로프로세서 기반 제어 시스템이 제공되어, 풍속이 목표하는 최대 풍속을 초과할 때 터빈의 방향을 변경하고, 따라서 블레이드 상의 압력을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 제어 시스템은 터빈을 바람 쪽으로 돌려 블레이드와 휠 장착 구성요소 상의 응력을 감소시킬 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 바와 같이, 블레이드는 더 높은 속도에서 그들이 그들의 표면 영역을 감소시켜 터빈의 솔리디티를 감소시키고, 따라서 터빈 휠의 속도를 감소시키도록 설계될 수 있다.
도 15, 도 15a, 및 도 15b를 참조하면, 도면부호 1226은 터빈 블레이드의 다른 실시예를 지시한다. 예시된 실시예에서, 블레이드(1226)는 성형식 블레이드(molded blade)이며, 앞의 실시예와 유사하게 일측에서 스포크(spoke: 252)에 장착되고, 그의 말단부에서 다른 스포크에 장착된다. 도 15b에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 각 블레이드(1226)는 각각의 스포크(252)에 그의 최대 길이를 따른 일 에지를 따라 스냅(snap), 타이(tie) 등과 같은 체결구에 의해 장착되어, 블레이드는 일 에지를 따른 그의 길이를 따라 (이격된 간격으로 또는 연속적으로) 휠 스포크에 의해 충분히 지지되며, 따라서 풍력 터빈의 바람 작동(wind operation)의 전체 범위에서 편향(deflection)을 제한하게 된다. 그러나, 블레이드는 탄성 또는 스프링 재료로 만들어진 클립을 사용하여 장착되어, 예를 들어 높은 속도에서 블레이드 편향이 대체로 바람에 평행하게 만들 수 있다. 이는 터빈 휠 회전에 대한 자동 안전 제한을 제공할 수 있다.
예를 들어, 블레이드(1226)는 플라스틱 또는 나일론이나 케블라(KEVLAR)와 같은 섬유를 포함하는 중합체와 같은 성형가능 재료로 성형될 수 있다. 적합한 중합체는 유리 충전 나일론(glass-filled nylon), 폴리에틸렌, 또는 탄소 섬유 강화 나일론 등을 포함한다. 블레이드(1226)를 강화(stiffen)시키기 위해, 블레이드(1226)는 외부 주연 림(1228) 및 외부 림 사이에 연장되는 웨브(1230)를 갖도록 형성되거나 이들을 구비한다. 림(1228)은 웨브와 동일한 재료로 형성되고 단순히 웨브보다 더 큰 두께를 가질 수 있어서 사실상 강화 프레임을 형성하고, 또는 림(1228)은 예컨대 알루미늄 프레임과 같이 블레이드와 함께 성형되어 블레이드의 중량을 감소시키면서 더 큰 강성도(stiffness)를 부여하는, 금속 프레임과 같은 인서트 재료(insert material)로 형성되어 웨브를 위한 프레임을 형성할 수 있다.
예를 들어, 림(1228)은 예컨대 성형에 의해 일 재료로 형성되고, 그리고 나서, 예컨대 사출 성형에 의해 웨브를 형성하는 재료가 가해지는 주형 내로 삽입될 수 있다. 또한, 림은 앞의 실시예와 유사한 와이어 프레임(wire frame)으로서 프레임 위에 웨브가 성형되는 와이어 프레임을 포함할 수 있다. 다르게는, 블레이드는 이중 사출 성형(two-shot molding)을 사용하는 2개의 상이한 재료를 사용하여 성형될 수 있다. 또한, 웨브(1230)는 블레이드의 면[바람이 불어오는 쪽(windward) 또는 바람이 가려지는 쪽(leeward)]을 가로질러 연장되는 리브(1232)에 의해, 선택적으로 림(1228)의 2개의 대향된 측부들 사이에서 강화될 수 있다. 리브(1232)는 웨브(1230)보다 더 큰 두께를 가질 수 있고, 림(1228)과 동일하거나, 더 작거나 더 큰 두께를 가질 수 있다. 리브는 다시 예비 형성되고(pre-form), 그리고 나서 주형 내로 삽입되거나, 예를 들어 이중 사출 성형을 사용하는 것을 포함하는 성형 동안 웨브와 함께 형성될 수 있다.
일정한 풍속과 휠 회전 속도를 위해, 휠 허브에 가장 가까운 블레이드 루트(root)는 가장 느린 반경방향 속도를 경험한다. 반면, 휠 림에 가장 가까운 블레이드 팁은 최대 반경방향 속도를 경험할 것이다. 따라서, 도 15a 및 도 15b에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이 블레이드 받음각은 그의 길이를 따라, 효율적으로 공기역학적 에너지를 휠의 기계적 회전으로 전환시킬 수 있도록 변화될 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에서 블레이드(1226)의 받음각은 그의 길이를 따라 그의 블레이드 루트(선단부)(1226a)로부터 그의 블레이드 팁(말단부)(1226b)까지 감소될 수 있다. 따라서, 블레이드는 비대칭이다. 예를 들어, 블레이드 루트(1226a)는 예컨대 40도 내지 50도의 범위, 또는 42도 내지 48도 또는 대략 45도의 범위의 매우 가파른 받음각을 가질 수 있다. 팁의 받음각은 0도 내지 10도의 범위, 또는 2도 내지 5도 또는 대략 3도의 범위일 수 있다. 이는 블레이드의 바람이 불어오는 쪽(windward side)에서 오목하고 블레이드의 바람이 가려지는 쪽(leeward side)에서 볼록한 블레이드의 비대칭 형상에 의해 달성된다. 블레이드가 (그의 주연 림을 제외하고 중간 리브를 강화하도록) 얇은 웨브를 형성하도록 형성된다면, 블레이드를 그의 루트 단부(허브에 가장 가까운 단부)로부터 그의 말단부(팁)까지 형성하는 동안 블레이드를 비틂으로써 블레이드의 비대칭이 형성될 수 있다. 따라서, 이해될 수 있는 바와 같이 각 블레이드의 바람을 대면하는 표면은 유입되는 바람에 직각이 아니다. 이러한 설계 접근 방법은 양력 계수를 증가시키고, 다양한 풍속에서 블레이드 길이를 따라 항력을 최소화시킨다.
도 16 내지 도 18을 참조하면, 도면부호 226'는 블레이드가 터빈 휠의 솔리디티를 감소시키도록 구성된 블레이드의 다른 실시예를 지시한다. 전술한 바와 같이 솔리디티는 블레이드에 의해 커버된 블레이드 팁의 원주에 의해 한정된 표면 영역의 양을 말한다. 예를 들어, 100% 솔리디티는 블레이드가 전체 표면을 커버한다는 것을 의미할 것이다. 30% 솔리디티에 대해서 블레이드는 영역의 30%를 덮는다. 이하에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 각 블레이드(226')는 증가된 풍속에 응답하여 솔리디티를 자가 조정하도록 구성될 수 있다.
다시 도 16 내지 도 19를 참조하면, 블레이드(226')는 블레이드(226)와 유사한 프레임(282) 및 직물 또는 가요성 재료 등의 얇은 시트와 같은 가요성 재료로 유사하게 형성된 멤브레인(284')을 포함한다. 예시된 실시예에서 멤브레인(284')은 주된 고정식 부분 멤브레인을 포함하고, 프레임(282)의 내향 횡방향 부재(282c)로부터 중간 횡방향 부재(282d)로 연장되고, 따라서 프레임(282)의 일부만 커버한다. 솔리디티를 변화시키기 위해서, 터빈 블레이드(226')는, 풍속이 증가할 때 터빈 블레이드 조립체의 솔리디티가 감소되도록 터빈 블레이드 상에 작용하는 원심력을 이용하도록 구성된다.
다시 도 17 내지 도 19를 참조하면, 터빈 블레이드(226')는 제2 멤브레인(284a')을 포함한다. 멤브레인(284a')은 프레임(282)에 대해 장착되고 중간 횡방향 프레임 부재(282d)와 최외측 횡방향 프레임 부재(282e) 사이에 연장된다. 또한, 멤브레인(284a')은 그의 내향으로 대면하는 단부(286a')가 플레이트(290')의 형태로 이동가능 부재(288')에 고정되도록 장착된다. 플레이트(290')는 한 쌍의 세장형 안내 개방부(292')를 포함하고, 이는 플레이트(290')가 프레임(282)의 측부 프레임 부재(282a 및 282b)에 장착되고 프레임을 따라 활주되게 한다. 이러한 방법에서, 멤브레인(284a')의 내향으로 대면하는 단부(286a')는 프레임(282)에 대해 이동될 수 있고, 또한, 외부 단부(286b')를 향해 압축되어, 멤브레인들(284a' 및 284') 사이에 간극을 형성하고 따라서 각각의 터빈 블레이드의 솔리디티가 감소되게 할 수 있다.
멤브레인(284a')의 절곡(bending) 또는 절첩(folding)을 제어하기 위해 한 쌍의 스프링(294')이 제공된다. 스프링(294')은 일 단부에서 최외측 횡방향 프레임 부재(282e)에 커플링되고, 또한, 각각의 측부 프레임 부재(282a 및 282b)를 따라 연장되어 그들의 말단부에서 횡방향 부재(288')에 커플링된다. 또한, 장착되었을 때 스프링(294')이 압축됨으로써, 각각의 스프링이 횡방향 부재(288')를 프레임(282)의 횡방향 부재(282d)를 향해 편의시키고 가압하여 멤브레인(284a')을 그의 연장된 상태로 유지시키며, 하부 단부(286a')는 멤브레인(284')의 외부 단부(286')에 접한다. 풍속이 증가하고 각각의 멤브레인 상의 원심력이 증가할 때, 횡방향 멤브레인(288')은 스프링(294')을 압축할 것이며, 따라서 예컨대 절첩에 의해 멤브레인(284a')이 압축되게 할 것이다. 예를 들어, 부재(284a')는 멤브레인이 제어된 방식으로 압축되도록 주름질(pleat) 수 있다.
멤브레인(284')에 대한 2차 멤브레인(284') 크기의 비율은 블레이드의 솔리디티 변경을 변화시키도록 변화될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 각각의 스프링의 강성도는 터빈 블레이드의 민감성(responsiveness)을 조정하도록 변화될 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이 터빈의 블레이드는 풍속에 기반하여 그의 솔리디티를 감소시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 블레이드가 회전될 때 블레이드는 rpm에 기반하여 자가 개방될 수 있다.
다른 선택사양으로는, 다공성이 공기 압력과 함께 증가되어 솔리디티를 감소되는 재료로 형성된 멤브레인을 제공하는 것이다.
도 20을 참조하면, 도면부호 310은 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예를 지시한다. 앞의 실시예와 유사하게, 풍력 터빈(310)은 프레임(312) 및 지주(319) 상의 프레임(312)에 의해 지지되는 터빈 블레이드 조립체(322)를 포함하며, 지주는 베이스(314) 상에 프레임을 지지한다. 제2 실시예와 유사하게, 베이스(314)는 고정된 베이스 부분(314a)을 포함지만, 고정된 베이스 부분(314a)을 중심으로 회전 운동을 위해 지주(319)를 지지한다. 도 20에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 지주(319)는 베어링(314b)에 의해 베이스(314) 내에 장착되고, 또한, 베이스(314) 내에 하우징된 모터(314c)에 의해 구동될 수 있으며, 모터는 이하에 설명되는 임의의 제어 시스템이거나 다른 형태의 제어 시스템일 수 있는 제어 시스템에 의해 제어된다. 또한, 예시된 실시예에서, 고정된 베이스 부분(314a)은 베이스 플레이트(314e) 및 복수의 지지 레그(314d)를 포함할 수 있고, 지지 레그는 피벗식으로 베이스 플레이트(314e)에 장착되어 베이스(314a)의 높이와 풋프린트(footprint)가 필요에 따라 조정되게 한다. 레그(314d)는 버팀대 부재(brace member: 314f)에 의해 상호연결되고 강화될 수 있다. 앞의 실시예와 유사하게, 터빈 블레이드 조립체와 휠을 위한 지지 구조물 사이의 연결에는 기어가 없다.
터빈 블레이드 조립체(322)는 터빈 블레이드(222)와 유사한 구조일 수 있고, 따라서 휠(250) 및 휠(250)에 장착된 블레이드(226)의 상세에 대해서 앞의 실시예를 참조한다. 그러나, 예시된 실시예에서 자석(330)은 휠(250)의 회전 평면에 직각인 배향으로 휠(250)에 장착되어, 그들의 주요 표면이 대체로 수평 방향으로 연장된다. 자석(330)은 고정자 코일 조립체(332)로 연장되며, 고정자 코일 조립체는 그의 배향을 제외하고는 고정자 조립체(232)와 유사한 구조를 갖고, 앞의 실시예에서 도시된 고정자 코일 조립체(232)의 배향에 대해 90도 회전된다. 이러한 방법에서 휠(350)이 일부 요동(wobble)을 경험하면, 자석들은 고정자 조립체 내의 코일에 대체로 평행하게 이동할 것이며, 대체로 각각의 코일과 그들의 간극을 유지할 것이다.
도 20을 참조하면, 고정자 코일 조립체(332)는 유사하게 12시 위치에 장착되고, 또한, 약 30도 내지 45도의 범위에서 휠(250)의 원주의 아치형 부분 위로 연장될 수 있고(또는 휠의 전체 원주 둘레로 연장될 수 있음), 각각의 고정자 코일들(378a 및 378b) 사이의 간극(380)을 대체로 수평한 배열로 배향시키도록 장착되어, 도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이 그들의 각각의 수평 배향으로 자석(330)을 수용한다. 또한, 자석(330)은 브래킷(366)과 핀(366a)에 의해 휠(250)의 림(254)에 장착되고, 브래킷과 핀은 전술한 바와 같이 자석(330)을 지지하지만 휠(250)의 회전 평면에 대해 직각인 배열로 지지한다(도 22). 앞의 실시예와 유사하게, 휠(250)의 샤프트(250b)는 브래킷(260')에 의해 지주(319)에 회전식으로 장착되고, 또한, 도 21에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이 브래킷(319b)에 의해 지주(319)에 장착된 추가 지지 아암(319a)에 의해 장착된다. 이러한 방법에서, 회전 샤프트(250b)의 양 단부들이 지지된다. 예시된 실시예에서, 브래킷(260')은 체결구에 의해 지주(319)에 장착된 플랜지식 채널형 부재(flanged channel-shape member)를 포함하고, 체결구는 그의 플랜지를 통해 연장된다.
도 26 및 도 27을 참조하면, 도면부호(410)은 대체로 본 발명의 풍력 터빈 조립체의 다른 실시예를 지시한다. 앞의 실시예와 유사하게, 풍력 터빈(410)은 베이스(414) 상에 풍력 터빈 블레이드 조립체(422)를 지지하는 프레임(412)을 포함한다. 풍력 터빈 블레이드 조립체(422)는 터빈 블레이드(426)가 장착되는 휠(250)과 유사한 휠(450)을 포함한다. 휠(450)과 터빈 블레이드(426)에 대한 추가 상세를 위해 앞의 실시예를 참조한다. 프레임(412)은 휠(450)의 원주 둘레에 배열된 복수의 고정자 코일(432)을 지지하는 환형 부재(418)를 포함하고, 고정자 코일은 앞의 실시예를 참조하여 설명된 바와 같이 채널형 배열을 가짐으로써 휠(450)의 림(454)에 장착된 자석을 수용한다. 이러한 방법에서, 휠(450)이 그의 축(450a)을 중심으로 스핀할 때, 림(454)에 장착된 자석(430)은 터빈(210)과 유사하게 고정자 코일 내에 전류 흐름을 유도할 것이다.
프레임(412)은 지주(419) 및 지주(419)에 프레임(412)을 장착하는 반원형 프레임 부재(414a)에 의해 베이스(414) 상에 지지된다. 프레임 부재(414a)는, 예를 들어 체결구(414b)에 의해 프레임(412)의 중간 횡방향 프레임 부재(420a 및 420b)에 고정된다. 횡방향 프레임 부재(420a 및 420b)는 반원형 프레임 부재(414a)를 위한 장착 표면을 제공하는 횡방향 프레임 부재(421a 및 421b)에 의해 그들의 대향된 단부들에서 결합된다. 그리고 나서, 휠(450)의 샤프트(450b)는 예를 들어 부싱으로 횡방향 프레임 부재(420a 및 420b) 내에 지지된다. 다시 전술한 바와 같이, 프레임과 베이스를 형성하는 구성요소는 금속이거나 중합체이거나 합성 구성요소일 수 있다.
선택적으로 터빈(410)은 블레이드 아암(528) 상에 장착된 보조 터빈 블레이드 세트(526)를 포함하고, 블레이드 아암은 휠(450)의 샤프트(450b)에 회전가능하게 커플링된다. 이러한 방법에서, 휠(450)이 그의 회전축(450a)을 중심으로 회전될 때, 블레이드(526)는 휠(450)과 동시에 회전될 것이다. 따라서, 블레이드(526)는 휠(450)의 회전 속도를 증가시키기 위한 추가 표면 영역을 제공한다.
선택적으로 지주(419)는 베이스(415)에 회전가능하게 장착되고, 또한, 바람에 의해 베이스(414)를 중심으로 회전될 수 있다. 예를 들어, 풍향계(wind vane: 480)는 바람이 터빈(410)의 위치를 조정하도록 프레임(412)에 장착될 수 있다.
도 28을 참조하면, 도면부호 610은 대체로 본 발명의 풍력 터빈의 다른 실시예를 지시한다. 터빈(610)은 휠(250)에 장착된 복수의 블레이드(626)를 갖는 풍력 터빈 휠(250), 고정자 코일 조립체(322), 베이스(614), 및 커버(650)를 포함한다. 베이스(614)는 터빈(210)의 베이스(214)와 유사하고, 이는 앞의 실시예를 참조하여 설명되는 바와 같이 풍속과 풍향에 응답하여 풍력 터빈 휠(250)이 그의 블레이드와 함께 방향을 변경하게 한다.
예시된 실시예에서, 블레이드(626)는 블레이드(1226)를 참조하여 설명되는 바와 같이 플라스틱으로 성형되고, 유사하게 클립과 같은 체결구에 의해 휠의 스포크에 장착된다. 또한, 블레이드(1226)와 유사하게, 도 28d에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 블레이드(626)는 미리 선택된 임계치를 초과하는 풍속에 응답하여 블레이드를 편향시키는 클립을 사용하여 스포크에 장착될 수 있다. 각 블레이드의 종방향 에지는 복수의 클립에 의해 하나의 스포크에 고정될 수 있고, 다른 종방향 에지는 구속되지 않을 수 있지만 (구속되지 않은 종방향 에지의 단부에서) 블레이드의 말단부가 블레이드의 비대칭 형상을 수용하는 인접 스포크에 클립으로 장착될 수 있다. 따라서, 각각의 블레이드의 말단 에지(예를 들어 도 28d 참조)는 따라서 적어도 2개의 클립(하나는 구속된 종방향 에지의 단부에 그리고 다른 하나는 구속되지 않은 종방향 에지에)에 의해 휠에 연결되지만 림으로부터 디커플링된다. 이러한 방법에서, 각 블레이드의 말단 에지와 휠의 림 사이에 간극이 존재하여, 블레이드들의 말단부(뿐만 아니라 그들의 구속되지 않은 종방향 에지를 따라)에서 몇몇 자유도를 남김으로써, 블레이드가 높은 풍속 하에 굴곡(flex)되거나 절곡되게 한다. 휠과 블레이드의 추가 상세에 대해서는 앞의 실시예를 참조한다.
그러나 터빈(310)과 마찬가지로, 터빈(610)은 그의 자석이 휠(250)의 회전 평면에 대해 경사진 방향으로 휠(250)로부터 외향으로(도 28a, 도 29, 도 29a, 및 도 29b 참조) 그리고 고정자 조립체(622) 내로(도 28a 및 도 28b) 연장되도록 장착된다. 고정자 조립체(622)는 고정자 조립체(322)와 유사한 구조를 가지며, 그의 채널이 수평 평면 내에 존재하여 대체로 수평으로 배열된 자석을 수용하도록 배향된다.
앞의 실시예와 유사하게, 휠(250)은 브래킷(660)[브래킷(260')과 유사함]에 의해 샤프트(250b) 상의 지주(619)에 장착된다(도 28d). 복수의 횡방향 프레임 부재 또는 로드(620a, 620b, 620c)가 지주(619)에 장착되고, 함께 고정자 조립체(622)를 지주(619)에 장착한다. 선택적으로 횡방향 지지 부재(660a)는 대각선 지지 부재(620d 및 620e)에 의해 지지될 수 있다. 지주(619)와 부재(620a, 620b, 620c, 620d, 및 620e) 모두는, 알루미늄 또는 스테인리스 강 튜브형 부재를 포함하는 알루미늄 또는 스테인리스 강 부재를 포함하는 금속 구성요소로 형성될 수 있다.
도 28b에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 고정자 조립체(622)는, 체결구로 고정자 조립체(622)를 횡방향 지지 부재(620a, 620b, 및 620c)에 장착하는 비전도성 플레이트(non-conductive plate: 622b) 상에 장착되는 복수의 고정자 서브 조립체(622a)를 포함한다(예를 들어, 도 28b 참조).
유사하게, 커버(650)의 바람이 가려지는 쪽(바람이 부는 방향을 대면하는 쪽)은 체결구 또는 브래킷(미도시)에 의해 횡방향 지지 부재(660a, 660b, 및 660c)에 장착될 수 있다. 커버(650)의 바람이 불어오는 쪽은 중앙 프레임 부재(620f)의 샤프트(250b)의 대향된 단부를 지지하는 프레임(620)에 장착된다. 반경방향으로 연장되는 프레임 부재(620g)는, 예시된 실시예에서 블록(block)의 형태로 중앙 프레임 부재(620f)로부터 외향으로 연장되며, 이로써 커버(650)에 커플링된다. 이러한 방법에서 지주(619)는 휠(250), 고정자 조립체(322), 및 커버(650)를 지지한다.
다시 도 28d를 참조하면, 지주(619)는 베이스(614)의 상향으로 연장되는 지주(614a)에 장착되어 휠(250)을 위한 회전가능 장착을 제공한다. 지주(619)는 브래킷(619a)과 부싱(미도시)에 의해 지주(614a)에 회전가능하게 장착되고, 또한 이하의 제어 시스템에 대한 상세한 설명에서 설명되는 바와 같이 풍력 터빈 휠의 배향을 변경하도록 제어기에 의해 구동되는 구동기(614c)에 의해 지주(614a)에 대해 선택적으로 구동된다.
도 28d를 참조하면, 각 블레이드의 내부 단부는, 예를 들어 금속 로드와 같은 로드 또는 와이어 부재(600)에 의해 그의 대향된 블레이드의 내부 단부에 커플링될 수 있다. 부재(600)는, 각각의 블레이드 각각 내에 형성된 개방부를 통해 연장되어 각각의 블레이드 각각을 결합시키기 위한 루프 단부(600a)를 포함한다. 다른 적합한 장착 방법이 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 부재(600)는 블레이드에서 발생된 원심력을 밸런싱(balance)하고 샤프트 상의 응력을 감소시키도록 대향된 블레이드들을 함께 타이(tie)한다. 전술된 모든 풍력 터빈에서, 허브로부터 대향된 측 상의 블레이드는, 예를 들어 로드 또는 와이어 부재(600)와 같은 타이 지지부에 의해(예를 들어 도 6 참조), 일 단부에서는 하나의 블레이드에 커플링되고, 그리고 나서 그의 대향 단부에서는 대향된 다른 블레이드에 커플링되게, 함께 타이될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
또한, 블레이드(226, 1226, 226', 426)는 각각 그들의 외부 단부가 그들의 내부 단부에서 보다 더 크게 확장되도록 구성되기 때문에, 회전 샤프트에서의 응력은 더 감소될 수 있다. 이것이 부재(600)에 의해 원심력의 밸런싱과 결합되면, 보통 풍력 터빈 블레이드에서 발생되는 원심력으로 인한 각각의 터빈의 샤프트 상의 응력은 효과적으로 제거되지 않는다면 극히 감소될 수 있다.
선택적으로 타이 지지부는, 두 갈래로 분기된(bifurcate) 웨브를 갖는 블레이드를 참조하여 전술된 바와 같이 블레이드가 압축되면서 여전히 웜심력을 밸런싱하도록 연장되거나 스트레칭될 수 있는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 타이 지지부는 탄성중합체 재료로 만들어지거나, 예를 들어 로드 또는 와이어 내에 통합된 또는 그 내부에 형성된 스프링과 같은 스프링을 포함할 수 있다.
또한, 블레이드 상의 원심력을 밸런싱하는 것에 부가적으로, 풍력 터빈(610)은 자석 상의 원심력을 밸런싱할 수 있다. 예를 들어, 자석이 휠의 회전 평면에 대해 직교하게 배향되는 실시예에서, 추가 로드(602)(도 22 및 도 24)는 휠을 통해 연장될 수 있고, 예컨대 나사식 말단부와 같은 그들의 말단부는 예를 들어 너트에 의해 대향된 자석의 자석 장착 브래킷 내에 고정된다(도 24 참조). 다르게는, 로드의 단부는 각각의 브래킷에 용접되거나 각각의 브래킷과 함께 형성될 수 있다.
도 29로부터 가장 잘 이해되는 바와 같이, 각각의 풍력 터빈 각각은 측방향 지지부를 휠 또는 프레임에 제공하여 진동 또는 요동을 감소시키는 안내부를 포함할 수 있으며, 이에 따라 구성요소 상의 마모와 뜯김(tear)을 감소시킬 수 있다. 예시된 실시예에서, 각 휠은 고정자 하우징 상의 베어링을 위해 휠 또는 프레임에 장착된 중합체 롤러와 같은 롤러(632)의 형태로 2개 이상의 베어링(630)을 포함할 수 있다. (자석이 휠의 회전 평면에 직각으로 장착되는) 예시된 실시예에서, 롤러(632)는 브래킷(634)에 의해 휠의 림에 장착되고, 고정자 하우징의 외부 환형 면 상의 베어링을 위해 내향으로 연장되도록 장착된다. 이러한 방법에서, 휠이 그의 샤프트 상에서 그의 회전축을 중심으로 회전할 때, 휠은 그의 외부 주연에서 적어도 일부 측방향 지지부가 제공되며, 이는 풍속이 증가될 때 특히 유리할 수 있다.
도 29a 및 도 29b를 참조하여 안내부(630')의 다른 실시예가 예시된다. 안내부(630')는 금속 또는 플라스틱 플레이트와 같은 플레이트(632)로 형성된다. 또한, 플레이트(632)는 예를 들어 체결구 또는 용접에 의해 휠의 림에 장착되고, 각 자석 장착 브래킷에 인접하게 위치될 수 있으며, 또한 자석 장착 브래킷의 대향된 세트들을 함께 연결하는 타이 로드(602) 위로 연장되게 위치될 수 있다. 이러한 방법에서, 플레이트(632)는 원호형 또는 아치형 단면을 취하여, 휠 내의 임의의 요동에 대응하는 것을 돕고 안내를 돕고 터빈 휠을 그의 회전 평면 내에 유지시키는 캠 안내 표면을 제공한다. 또한, 추가 플레이트가 자석 위치들 사이에 위치될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 설명된 각각의 풍력 터빈에서 명시된 바와 같이, 고정자 조립체는 커버 내에 봉입될 수 있다. 도 30을 참조하면, 전술한 풍력 터빈의 임의의 프레임에 장착될 수 있는 커버(650)는 공기의 유동이 터빈 블레이드로 수렴되도록 구성되어, 다양한 풍력 터빈을 작동시키는 데 필요한 풍속을 더 감소시키고, 또한 풍력 터빈의 효율을 증가시킨다.
도 30, 도 30a, 및 도 30b에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 커버(650)는, 함께 연결되어 환형 커버를 형성하는 몇몇 아치형 부재(652, 654, 656, 및 658)로 형성될 수 있다. 커버(650)는 알루미늄 또는 스테인리스 강 또는 플라스틱과 같은 금속 또는 중합체 구성요소로 형성될 수 있고, 또한 선택적으로 합성 재료로 형성될 수 있다. 커버는 몇몇 부재로 형성되는 것으로 설명되었으나, 커버는 또한 단일 부재로 형성될 수 있다. 부재(652, 654, 656, 및 658)는 그들의 중첩되는 각각의 단부들에서 예를 들어 체결구에 의해 함께 체결된다. 도 30a 및 도 30b를 참조하면, 각 부재의 일 단부는 인접한 부재의 타 단부에 의해 중첩되고 체결구나 용접 등에 의해 거기에 고정되는 장착 플랜지(652a, 654a)를 포함할 수 있다.
도 30c를 참조하면, 각 부재(652, 654, 656, 및 658)는, 바람을 대면하기 위한 환형 발산 표면(650a)(대체로 도 30c에서 화살표로 표시됨)을 형성하는 단면 프로파일을 갖는 얇은 벽으로 된 부재를 포함한다. 또한, 각 부재(652, 654, 656, 및 658)는 커버를 가로질러 그 주위에 외향으로 재유도된 공기 유동을 유도하는 외부 환형 아치형 표면(650b)을 포함한다. 발산 표면(650a)의 내향으로는 각진 환형 표면(650c)이 존재하며, 이는 내향으로 유도된 공기 유동을 블레이드로 유도하여 공기 유동을 터빈 블레이드로 수렴시킨다.
다시 도 28을 참조하면, 선택적으로 본 발명의 임의의 풍력 터빈은 예를 들어 풍력 터빈의 바람이 불어오는 쪽을 대면하는 측부를 증가시키는 커버에 연장부 또는 바람 집중기를 포함할 수 있으며, 이는 풍력 터빈으로의 바람 입력을 증가시키도록 구성된다. 터빈(610)을 참조하였으나, 상기 연장부는 임의의 앞의 실시예에 형성되거나 장착될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
도 28 및 도 28c에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 연장부(670)는 대체로 절두원추형(frustoconical) 형상을 갖고, 복수의 체결구(670a)에 의해 커버의 외부 주연에서 커버(650)에 장착되어, 터빈 블레이드의 팁으로부터 반경방향 외향으로 연장되는 원뿔형 표면을 제공한다. 연장부(670)는 플라스틱, 직물(도 31에 도시된 바와 같음) 등과 같은 가요성 시트 재료로 형성되어, 연장부가 경량이 되고, 또한 장착하기 쉽고 또한 용이한 수송을 위해 제거되기 쉽게 할 수 있다. 시트는 가요성 시트로 형성되면 지지 아암(670b)에 의해 대체로 절두원추형 형상으로 유지될 수 있으며, 지지 아암은 체결구(670a)에 의해 커버(650)의 원주 둘레의 이격된 위치에서 커버(650)에 장착된다.
도 28c에서 가장 잘 알 수 있는 바와 같이, 아암(670b)은 선택적으로 시트 내에 형성되거나 제공된 포켓(670c) 내로 연장되고 그리고/또는 예를 들어 스탭 등과 같은 체결구에 의해 시트에 고정되어, 아암(670b)은 선택적으로 시트에 제거가능하게 장착될 수 있다. 이러한 방법에서, 연장부는 일단 제거되고 분해되면 완전히 접힐 수 있다.
연장부(670)는 연장부(670)가 풍력 터빈의 수집 표면(collection surface)을 증가시키도록 경사지고, 또한, 그렇지 않았으면 풍력 터빈을 지나쳤을 바람을 터빈 휠 내로 유도하도록 된다. 또한, 연장부는 또한 블레이드에 의해 제공되는 높은 솔리디티에도 불구하고 블레이드에서의 압력을 감소시키는 것을 돕는다. 예를 들어, 연장부(670)는, 20°내지 75°범위의 각도에서, 더 전형적으로는 약 30°내지 60°의 범위에서, 선택적으로는 약 60°에서 터빈 휠의 회전축으로부터 측정되는 바와 같이 커버로부터 외향으로 경사진다. 터빈이 30% 또는 더 높은 솔리디티를 가질 때, 블레이드에서의 동압(dynamic pressure)은 증가하는 경향이 있다. 따라서, 풍속은 감소하는 경향이 있다. 전술한 커버와 연장부의 설계로 인해, 풍속은 풍력 터빈 휠에 접근함에 따라 증가되고, 심지어 더 높은 솔리디티로 압력을 감소시킨다. 또한, 낮은 풍속에서, 유동은 양방향으로(풍력 터빈 휠 내로 및 커버 외부 둘레로) 가속된다. 바람이 풍력 터빈 휠 내로 가속될 때, 풍력 터빈 휠 내의 압력이 강하하며, 이는 더 많은 공기가 휠 내로 흡인될 수 있게 한다.
상술한 바와 같이, 연장부는 도 31에 도시된 바와 같이 나일론 코팅된 폴리에스터 같은 직물로 형성될 수 있다. 연장부(670')는 직물로 형성되며, 추가적 연장 부분(675, 677)을 더 포함하고, 이 추가적 연장 부분은 연장부(670')에 장착된 별개의 패널(675a, 677a)로 형성될 수 있거나, 단순히 이 연장부를 형성하는 시트의 연장 부분일 수 있다. 패널(675a, 677a)은 연장부(670')와 동일한 가요성 시트 재료로 형성될 수 있으며, 그 대체로 직사각형 또는 사다리꼴 형상의 가요성 시트 재료를 지지하면서 또한 아암(670b')의 단부에 대한 각각의 패널의 장착을 위한 장착 표면을 제공하도록 주연 프레임(675b, 677b)을 각각 구비한다. 패널(675a, 675b)은 좌측 및 우측 풍력 안정성을 제공하도록 바람이 가려지는 방향(바람이 유동하는 방향)으로 연장부(670')의 외부 주연(670c')의 후방에서 각져있다. 예로서, 패널(675a, 677a)은 터빈 휠의 회전축으로부터 측정될 때 20°내지 75°의 범위, 통상적으로, 30°내지 60°의 범위, 더욱 특정하게는 약 60°의 범위의 각도로 후향 연장할 수 있으며, 그래서, 각 패널은 함께 연장부의 분리된 각도 구획(discrete angular segment)에 걸쳐 연장부와 꼭지점을 형성하며, 이 역시 바람을 분리시키는 것을 돕는다. 패널은 평탄할 수 있거나, 예로서, 그 부착 지점에서 연장부에 대해 유사한 곡률 반경을 갖는 원호형일 수 있다.
도 32를 참조하면, 본 발명의 풍력 터빈들(10, 110, 210, 310, 410 또는 610) 중 임의의 풍력 터빈은 주택, 차고 또는 사무용 건물 같은 구조체에 장착될 수 있다. 예로서, 풍력 터빈은 예로서 주택의 지붕에 장착될 수 있으며, 인용된 동시계류중인 출원에서 더욱 상세히 설명된 바와 같이 주택의 전기 시스템에 전력을 제공할 수 있다.
도 33을 참조하면, 4등급(Class 4) 바람의 레일리(Rayleigh) 분포의 그래프가 제공되며, 이는 통상 시속 8마일(mph) 정도인 대부분의 통상적 터빈들을 위한 시동(cut-in) 풍속을 예시한다. 또한, 그래프는 플레이트 파워, 달리 말하면, 대부분의 종래의 터빈들의 풍력 터빈의 최대 용량이 통상적으로 약 28 mph에서 발생한다는 것을 예시한다. 또한, 대부분의 종래의 풍력 터빈은 터빈이 들어올려져(lift off) 날아갈(airborn) 가능성을 감소시키기 위해 약 34 내지 35 mph의 제한(cut-off) 풍속을 갖는다. 대조적으로, 본 발명은 저속에서 동작할 수 있는 풍력 터빈을 제공하며, 또한, 이 풍력 터빈은 8 mph 미만, 6 mph 미만, 4 mph 미만 그리고, 선택적으로 1 mph 미만 및 심지어 0.3 mph 만큼 낮은 시동 속도를 가질 수 있다. 상술한 바와 같이, 더 높은 풍속들을 수용하기 위해, 본 발명의 터빈은 더 높은 풍속에서 터빈의 솔리디티를 감소시키도록 자체 조절 또는 자체 구성되도록 구성된 그 각각의 터빈 블레이드를 가질 수 있으며, 그에 의해, 높은 풍속을 받을 때 터빈이 들어올려질 가능성을 제거한다. 터빈 블레이드의 솔리디티가 고정되는 경우, 제어 시스템은 저속화되고 및/또는 풍력 터빈의 배향을 조절할 수 있다. 예로서, 40 mph의 풍속에서, 제어 시스템은 선택적으로 터빈이 너무 빨라지는 것을 중지시키도록 고 파워 저항과 터빈을 연결하고-추가로, 풍력 터빈을 예로서 바람과 평행해지도록 돌린다. 동시계류중인 출원에 설명된 바와 같이, 풍력 터빈 상의 응력을 감소시키거나 바람 수용 각도가 터빈의 면에 대해 예로서 120도로 유지될 수 있도록 터빈의 방향을 최적화하기 위해, 터빈의 방향을 제어하도록 마이크로프로세서-기반 제어 시스템이 제공된다. 또한, 본 발명의 구성에서, 터빈은 그 전면 지향 방향으로부터 및/또는 그 후방 방향으로부터의 바람을 수용하도록 배향되며, 그래서 이는 양방향적이다.
본 발명의 몇몇 형태들을 도시 및 설명하였지만, 본 기술 분야의 당업자들은 이제 다른 형태들을 명백히 알 수 있을 것이다. 예로서, 선택적으로 자석의 양 측부 상에 코일을 제공하고 추가로 그 유도 전류 흐름 추가를 수행하는 것에 추가적으로 전력 출력을 증가시키기 위해 자석 크기가 증가될 수 있다. 예로서, 자석의 두께는 전술한 1/2 in로부터 0.7 in, 0.8 in 또는 1 in 두께로 증가될 수 있다. 또한, 효율을 증가시키기 위해, 자석들 사이의 간극이 감소될 수 있다. 예로서, 총 간극(예로서, 수평 자석의 경우에, 자석의 위의 간극 및 자석의 아래의 간극)은 50/1000 in 내지 400/1000 in의 범위일 수 있다. 자석이 수평 배열로 배열되고, 따라서, 휠 요동의 방향으로 연장할 때, 어떠한 요동 운동도 자석과 고정자 조립체 사이의 간극에 크게 영향을 주지 않는다. 또한, 상술한 바와 같이, 이 요동 운동은 상술한 커버 판 또는 롤러의 추가에 의해 감소될 수 있다. 또한, 일 터빈의 임의의 특징 또는 특징들은 본 명세서에 설명된 다른 터빈에 통합될 수 있으며, 추가로, 다른 종래의 터빈들에 통합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 발생 시스템(720)이 도 34에 도시되어 있다. 도시된 바와 같은 전기 발생 시스템(720)은 풍력 터빈(722) 및 제어 시스템(724)을 포함한다. 이하에 더 상세히 설명될 바와 같이, 풍력 터빈(722)은 터빈(722) 상의 복수의 팬 블레이드들(726)을 회전시키는 바람에 응답하여 전압을 생성하도록 구성된다. 달리 말하면, 풍력 터빈(722)은 바람으로부터 전기 에너지를 생성한다. 풍력 터빈(722)은 전술된 터빈 실시예 중 임의의 실시예에 따라 설계될 수 있거나[예를 들어, 이는 풍력 터빈(10, 110, 210, 310, 410 또는 510) 중 임의의 풍력 터빈과 동일할 수 있음] 또는 종래의 풍력 터빈일 수 있거나, 다른 방식으로 설계될 수 있다. 역시 이하에 더 상세히 설명될 바와 같은 제어 시스템(724)은, 풍력 터빈(722)을 과도한 풍속으로부터 보호하는 동시에 생성된 전기 에너지를 최적화하기 위한 적절한 각도로 풍력 터빈이 바람의 방향에 대면하도록 풍력 터빈(722)의 배향을 제어하도록 구성된다. 또한, 제어 시스템(724)은 충분한 전기가 생성될 때 하나 이상의 배터리를 충전하거나, 부하 수요가 터빈(722)에 의해 현재 생성되는 전기 에너지와 같거나 그를 초과할 때 전기 에너지를 직접적으로 거주지 또는 상업 부하로 전달하하는 것 같은 유용한 방식으로 생성된 전기를 처리하도록 구성될 수 있다.
도 34 내지 도 36에 도시된 실시예에서, 팬 블레이드(726)가 비교적 높은 솔리디티를 갖도록 터빈(722)이 구성된다. 즉, 블레이드들(726)의 크기 및/또는 수는 블레이드의 회전에 의해 형성된 원형 영역이 블레이드들에 의해 점유되지 않는 영역을 비교적 소량으로 갖도록 이루어진다. 또 다른 방식으로 말하면, 블레이드(726) 사이에 비교적 작은 양의 공간이 있다. 일부 실시예들에서, 블레이드들 사이의 공간의 양은 블레이드(726)의 회전에 의해 형성되는 원의 전체 영역의 50% 미만일 수 있다. 다른 실시예에서, 공간은 더 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 블레이드(726)의 총 면적은 블레이드(726)의 회전에 의해 형성되는 원의 전체 영역 중 70% 이상을 포함할 수 있다.
풍력 터빈(722)의 블레이드(726)의 비교적 높은 솔리디티의 목적은 비록, 이보다 매우 더 낮은 속도도 터빈(722)의 특정 구성에서 수용될 수 있지만, 풍력 터빈(722)이 시간당 1 또는 2 마일(mph)의 속도와 같은 비교적 낮은 풍속에서 회전을 시작할 수 있게(즉, 낮은 시동 풍속을 가질 수 있게) 하는 것이다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자들은 터빈(722)이 본 명세서에 설명된 바로부터 실질적으로 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예로서, 전기 발생 시스템(720)의 실시예는 비교적 높은 솔리디티를 갖지 않는 풍력 터빈(722)과 함께 사용될 수 있다. 또한, 전기 발생 시스템(720)은 도 34 내지 도 36에 도시된 풍력 터빈(722)과는 실질적으로 다른 물리적 구성인 풍력 터빈(722)을 포함할 수 있다.
도 35는 풍력 터빈(722)이 구성될 수 있는 한 가지 방식의 측면도를 도시한다. 물론, 다른 구성들이 가능하다. 도 35에 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(722)은 풍력 터빈(722)을 지지하는 스탠드 또는 장착부(728)(도 34)를 포함한다. 스탠드(728)는 도 35에 도시된 스탠드(728')의 것 및 다른 변형들 같은 다양한 다른 구성을 취할 수 있다. 장착부(728, 728') 상에는 수직 샤프트(730)가 지지되어 있다. 베어링 브래킷(732)은 임의의 적절한 수단에 의해 샤프트(730)에 고정된다. 베어링 브래킷(732)은 완전히 또는 부분적으로 수평 배향 액슬(734)을 지지하며, 이 액슬 둘레에서 팬 블레이드(726)가 회전한다. 도 35에는 도시되어 있지 않은 팬 블레이드(726)는 액슬(734)에 회전가능하게 장착된 프레임(736)에 고정된다. 일 실시예에서, 프레임(736) 및 액슬(734)은 팬 블레이드(726)가 적절히 장착되는 종래의 바이시클 휠(bicycle wheel)을 포함할 수 있다. 종래의 바이시클 휠의 사용은 기존의 대량 생산된 구성요소들을 포함함으로써 제조 비용을 감소시키는 것을 돕는다. 다른 실시예에서, 프레임(736) 및 액슬(734)은 맞춤식 제조되거나, 종래의 바이시클 휠 이외의 다른 구성요소 및/또는 재료를 사용하여 구성될 수 있다.
도 35에 도시된 실시예에서, 복수의 자석(738)이 일반적으로 프레임(736)의 주연 둘레에 장착된다. 자석(738)은 자석의 자속이 프레임(736)의 주연 둘레에 유사하게 위치된 복수의 고정자 코일(740)과 교차하도록 위치된다. 패러데이의 유도 법칙으로부터 잘 알려진 바와 같이, 고정 고정자 코일(740)에 대한 자석(738)으로부터의 자속의 이동은 고정자 코일(740)의 내부에 전압을 유도한다. 고정자 코일(740)은 그들 각각의 내부에 생성된 전압들이 함께 더해짐으로써 제어 시스템(724)에 인입되는 와이어 또는 케이블(742) 내에서 전류가 흐르게 하는 방식으로 물리적으로 배열되고 함께 전기적으로 결합된다.
다른 실시예들에서, 자석(738) 및 고정자 코일(740)은 그 둘레에서 블레이드(726)가 회전하는 액슬(734)의 대체로 부근에 위치된 기어박스의 내부에 위치될 수 있다. 이런 기어박스는 공지된 방식으로 블레이드(726)의 회전 속도에 대한 자석의 회전 속도를 증폭할 수 있으며, 그에 의해, 고정자 코일(740)과 교차하는 자속의 변화율을 증가시키고, 이는 순차적으로, 풍력 터빈(722)에 의해 생성되는 전압을 증가시킨다. 전술한 것들 및 다른 배열들 같은 자석(738) 및 고정자의 또 다른 물리적 배열이 가능하다. 제어 시스템(724)은 본 명세서에 설명된 풍력 터빈과 연계하여 사용될 수 있거나, 일부 실시예들에서, 임의의 유형의 풍력 터빈과 함께 사용될 수 있다.
풍력 터빈(722)은 또한 수직 샤프트(730)(도 35)의 저부 단부에 인접하게 위치된 모터(744)를 더 포함한다. 모터(744)는 기후의 영향으로부터 모터(744)를 차폐하도록 구성된 하우징(746) 내에 수납될 수 있다. 모터(744)는 모터(744)의 동작이 샤프트(730)가 그 수직 축을 중심으로 회전하게 하도록 수직 샤프트(730)와 상호작용하게 구성된다. 수직 샤프트(730)의 회전은 풍력 터빈(722)의 배향이 변하게 한다. 즉, 풍력 터빈(722) 면들의 방향은 모터(744)를 작동시킴으로써 변경될 수 있다. 따라서, 모터(744)는 풍력 터빈(722)을 바람에 대면하도록 회전시키거나, 풍력 터빈이 이하에 더 상세히 설명될 바와 같이 바람의 방향에 관하여 특정 각도로 위치되도록 풍력 터빈을 돌리기 위해 사용될 수 있다.
모터(744)의 동작은 제어 시스템(724)에 의해 제어된다. 제어 시스템(724)은 유선 연결(미도시) 또는 무선 연결에 의해 모터(744)에 모터 제어 명령들을 전송할 수 있다. 무선 연결이 사용될 때, 모터(744)는 제어 시스템(724)으로부터 명령을 수신하고 이들을 이에 따라 작동시키는 안테나(748)(도 35)를 포함할 수 있다. 모터(744)로의 명령들의 이러한 무선 전송 및 모터(744)로부터 제어 시스템(724)으로의 상태 정보의 전송은 블루투스(IEEE 802.15.1 표준), WiFi(IEEE 802.11 표준) 및 다른 무선 기술들 같은, 그러나, 이에 한정되지 않는 임의의 적절한 전송 프로토콜 또는 표준을 사용하여 수행될 수 있다. 제어 시스템(724)으로부터의 명령들의 수신에 추가로, 모터(744)는 또한 풍력 터빈(722)의 각도 배향(예를 들어, 북, 남, 동, 서 등 중 어느 쪽을 대면하는지) 및 다른 정보 같은 상태 정보를 제어 시스템(724)에 전송할 수도 있다.
적어도 하나의 실시예에서, 터빈(722)은 제어 시스템(724)으로 전압을 전송하기 이전에 터빈(722)에서 생성된 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 적절한 정류기를 포함한다. 일 실시예에서, AC 전압은 제어 시스템(724)에 의해 정류될 수 있거나, 정류 없이 사용될 수 있다.
풍속계(750)는 풍속 및/또는 풍향을 측정하기 위해 풍력 터빈(722)(도 35)에 인접하게 위치될 수 있다. 사용시, 풍속계(750)는 풍속 및/또는 풍향의 전자 판독치들을 생성하고, 임의의 적절한 방식으로 제어 시스템(724)에 이들 판독치들을 전달하도록 구성된다. 제어 시스템(724)으로의 이들 판독치들의 전송은 풍속계(750)에 부착되거나 그에 전기적으로 결합된 별개의 송신기를 통해 무선으로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 풍속계(750)는 그 판독치를 모터(744)에 의해 사용되는 송신기에 공급할 수 있다. 다른 실시예에서, 풍속계(750')의 판독치를 제어 시스템(724)에 전송하기 위해 유선 연결이 사용될 수 있다. 이런 유선 연결은 풍속계(750)와 제어 시스템(724) 사이의 별개의 와이어를 사용할 수 있거나, 이들은 제어 시스템(724)이 풍속계 판독치를 와이어(742)를 거쳐 제어 시스템(724)에 전송된 풍력 터빈(722)에 의해 생성된 전력으로부터 분리시킬 수 있게 하는 임의의 적절한 코딩 기술을 통해 전력 라인(742)을 통해 전송될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 풍속은 별개의 풍속계의 사용을 통해서가 아니라 풍력 터빈(722)에 직접적으로 부착된 적절한 센서에 의해 측정될 수 있다. 또는, 또 다른 실시예에서, 풍속은 속도 범위에 걸쳐 터빈(722)에 의해 생성된 전력의 양을 식별하는 풍력 터빈(722)의 알려진 풍속 프로파일과 조합하여 라인(742)을 통해 전송되는 전류의 양을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이런 프로파일은 제어 시스템(724)의 메모리에 저장될 수 있다.
전기 발생 시스템(720)은 거주지(752)(도 36) 같은 거주지의 전체 전기 수요를 공급하기 위해 사용될 수 있거나, 유틸리티 회사로부터 거주지(752)에 공급되는 전력을 보충하기 위해 사용될 수 있다. 더 상세히 후술될 바와 같이, 전기 발생 시스템(720)은 거주지 내의 기존 차단기 박스 또는 배전 패널에 시스템(720)을 통합시킴으로써 거주지 내의 하나 이상의 회로들에 전기 에너지를 공급하도록 쉽게 구성될 수 있다. 대안적으로, 전기 발생 시스템(720)은 사업지 또는 임의의 다른 전력 소비자들에게 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 다수의 전기 발생 시스템들(720)이 함께 조합되어 전기 에너지의 공급을 증가시킬 수 있다. 풍력 터빈 전기 발생 시스템(720)은 일부 실시예들에서, 거주지(752)(도 36) 상에 장착될 수 있게 하는 물리적 점유면적을 갖거나, 불합리한 양의 공간을 점유하지 않고 거주지 구내에 편리하게 위치설정될 수 있도록 하는 물리적 점유면적을 갖는다.
제어 시스템(724)의 일 실시예의 일반화된 개략도가 도 37에 예시되어 있다. 도 37에 도시된 실시예의 더욱 상세한 도면이 도 38에 예시되어 있다. 도 39는 제어 시스템(724)과 함께 사용될 수 있는 충전 제어기(754)의 일 실시예의 더욱 상세한 도면을 도시하고 있다. 본 기술 분야의 당업자는 제어 시스템(724)의 세부사항들이 본 명세서에 설명된 실시예들로부터 실질적으로 변경될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
제어 시스템(724)은 도 37 및 도 38에 도시된 실시예에서, 충전 제어기(754), 인버터(756), 하나 이상의 배터리(758) 및 풍력 터빈(722)과 하나 이상의 배전 패널(760)에 제어 시스템(724)을 연결하기 위한 적절한 전기 와이어들/케이블들을 포함한다. 하나 이상의 배전 패널(760)은 가정 또는 거주지 내에 설치되어 거주지 또는 사업지 전반에 걸쳐 전기를 공급하는 다양한 회로들 사이에서 유틸리티 공급 전력을 배전하기 위해 사용되는 종래의 배전 패널(760)일 수 있다. 이런 배전 패널은 통상적으로 거주지 또는 사업지의 다양한 영역들에 위치된 전기 인출구들(790)에 전기를 공급하는 거주지 또는 사업지 내의 전기 회로들 각각을 위한 퓨즈 또는 회로 차단기를 포함한다. 제어 시스템(724)은 배전 패널의 회로들 중 하나 이상이 전기 발생 시스템(720)으로부터 그 전기를 수용할 수 있게 하도록 이런 배전 패널에 쉽게 결합될 수 있다. 따라서, 예로서, 가정 또는 사업지가 온수 욕조(hot tub) 또는 온수기(water heater) 또는 가정 또는 사업지의 특정 방 또는 영역을 위한 별개의 회로를 포함하는 경우, 전기 발생 시스템(720)은 온수기 또는 방 또는 영역을 위한 전기가 유틸리티 회사가 아닌 시스템(720)에 의해 공급될 수 있게 하도록 배전 패널(760)에 결합될 수 있다. 물론, 더 상세히 후술될 바와 같이, 전기 발생 시스템(720)은 적어도 하나의 실시예에서, 충분한 풍력이 존재하지 않는 경우 및/또는 배터리(758)가 방전된 경우 시스템(720)이 유틸리티 회사로부터 원하는 전력을 공급하도록 자동으로 스위칭되도록 구성된다. 이 방식으로, 배터리(758)가 방전되어 있을 때, 그리고, 바람이 없는 상태에서도 연결된 회로에 전기가 공급된다.
또한, 전기 발생 시스템(720)은 가정 또는 사업지로의 유틸리티 공급 전기 에너지의 중단시, 시스템(720)이 자동으로 백업 모드로 절환되도록 구성되고, 이 백업 모드에서는 풍력 터빈(722)을 통해, 또는, 하나 이상의 배터리(758)(바람이 없거나 바람이 불충분한 상황에서)를 통해 가정 또는 사업지에 전기 에너지를 공급하게 된다. 이 방식으로, 시스템(720)은 유틸리티 공급 전력의 중단이 검출될 때 자동으로 작동되는 일종의 비상 발전기로서 작용하며, 그에 의해, 가정 또는 거주지에 연속적인 전기 서비스를 제공하고, 그에 의해, 또한, 가솔린이나 다른 연료 동력식 비상 발전기를 사람이 수동으로 시동하거나 다른 방식으로 작동시킬 필요성을 제거한다. 유틸리티 공급 전력의 이러한 중단 이후, 시스템(720)은 유틸리티 공급 전기가 복귀될 때까지 가능한 길게 가정 또는 사업지에 전기를 공급하기를 지속할 것이다. 유틸리티 생성 전력이 복귀되면, 시스템(720)은 터빈(722)으로부터 발전된 전력을 통해 또는 유틸리티 공급 전력을 통해, 또는 양자의 조합을 통해 배터리 또는 배터리들(758)을 재충전한다.
도 37 및 도 38에 예시된 바와 같이, 터빈 충전 제어기(754) 및 인버터(756)는 가정 내의 벽 또는 다른 적절한 구조체나 터빈(722)으로부터 전력을 수신하는 다른 설비에 장착될 수 있는 인클로져(762) 내에 수납될 수 있다. 인클로져(762)는 충전 제어기(754) 및 인버터(756)가 위치되는 인클로져(762)의 내부에 대한 접근을 가능하게 하도록 개방 및 폐쇄되는 도어(764)를 포함할 수 있다. 도어(764)는 인클로져(762)에 대한 무허가 접근을 방지하도록 쇄정부(lock, 766)를 포함할 수 있다.
도 38에 도시된 바와 같이, 케이블(742)은 포지티브 또는 "핫" 와이어(742a), 접지 와이어(742b) 및 어스 와이어(742c) 같은 복수의 개별 와이어들을 포함할 수 있다. 핫 와이어(742a)는 풍력 터빈(722)에 의해 발전된 직류를 제어 시스템(724)에 전달한다. 핫 와이어(742a)는 인클로져(762) 내로 인입되고, 충전 제어기(754)에 인입되기 이전에 퓨즈(768)를 통과한다. 접지 및 어스 와이어(742b, 742c)는 인클로져(762) 내부의 또는 인클로져에 인접한 적절한 커넥터들(770)에 부착된다. 이하에 더 상세히 설명될 바와 같이, 충전 제어기(754)는 핫 와이어(742a)의 전압 및 전류를 감시하고, 이들 전압 및 전류 레벨에 기초하여, 그리고, 제어 시스템(724)에 전기적으로 결합된 부하 및/또는 배터리들(758)의 충전 상태 같은 다른 조건들에 기초하여 다양한 조정 및 제어 판정을 수행한다.
또한, 충전 제어기(754)는 모터(744) 및 풍속계(750)와 통신한다. 이런 통신은 전술한 방법들 중 임의의 방법에 의해 이루어질 수 있다. 도 38에 도시된 바와 같이, 충전 제어기(754)는 모터(744)[안테나(748)를 통해] 및/또는 풍속계(750)에 의해 전송되는 무선 신호를 검출하는 안테나(772)와 통신하며, 이는 동일 안테나(748) 또는 소정의 다른 안테나를 통해 무선 신호를 전송할 수 있다. 대안적으로, 충전 제어기(754)는 다른 통신 채널을 통해 모터(744)로부터 배향 정보와 풍속계(750)로부터 풍속 및 풍향 정보를 수신할 수 있다. 충전 제어기(754)는 이 풍속 및 풍향 신호를 핫 와이어(742a) 내의 전압 및 전류의 측정치들과 조합하여, 배터리(758)의 충전, 모터(744)의 이동, 전달 스위치(774)의 상태, 제어기(754) 내부의 하나 이상의 DC-DC 컨버터의 동작(버크 컨버터 또는 더 상세히 후술된 다른 적절한 컨버터들 같은) 및 인버터(756)의 동작을 제어하기 위해 사용할 수 있다.
일반적으로, 충전 제어기(754)는 풍력 터빈(722)으로부터의 도입 DC 전류[핫 와이어(742a)를 통해 수신된]의 전압을 인버터(756) 및/또는 배터리(758) 중 어느 하나 또는 양자 모두에 인가될 수 있는 더욱 적절한 전압 레벨로 변환한다. 인버터(756)는 순차적으로 배터리(758) 및/또는 인버터(756) 중 어느 하나 또는 양자 모두로부터 수신한 DC 전류를 시스템(720)이 전력을 공급하는 가정 또는 사업지에 사용하기에 적합한 전압 레벨 및 주파수를 갖는 AC 전류로 변환한다. 따라서, 북미 가정 또는 사업지를 위해, 인버터(756)는 120 볼트, 60 헤르쯔(Hz) 교류 전류 신호를 출력한다. 유럽 가정 또는 사업지를 위해, 인버터(756)는 대략 50 Hz의 주파수로 230 볼트 AC를 출력하도록 구성될 수 있다. 인버터(756)가 유틸리티 회사에 전기를 재판매하기 위해 유틸리티 회사에 직접적으로 전기를 공급하는 것 같이 다른 부하에 전기를 공급하는 경우, 전압 레벨 및 주파수는 의도된 부하에 적합한 바에 따라 조절될 수 있다.
충전 제어기(754)의 일 실시예의 더욱 상세한 개략도가 도 39에 예시되어 있다. 본 기술 분야의 당업자는 충전 제어기(754)의 구성 및 설계가 도 39에 도시된 것으로부터 실질적으로 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 39의 실시예에서, 충전 제어기(754)는 입력 센서(776), 디지털 신호 프로세서(DSP)(778), 메모리(780), 복수의 버크 컨버터들(782) 및 출력 센서(784)를 포함한다. 입력 센서(776)는 핫 와이어(742a)에 결합되고, 핫 와이어(742a) 내의 전압 레벨 및 전류 레벨을 감지한다. 입력 센서(776)의 특정 구성은 임의의 적절한 형태를 취할 수 있으며, 핫 와이어(742a)의 전압 및 전류 레벨을 나타내는 디지털 신호를 DSP(778)로 출력하는 아날로그-대-디지털 변화기(미도시)를 포함할 수 있다. 입력 센서(776)를 통과한 이후, 핫 와이어(742a)는 핫 와이어(742a)의 DC 전압을 더욱 적절한 레벨로 감소시키는 복수의 병렬 배열된 버크 컨버터들(782)에 인입된다. 버크 컨버터들(782)의 출력은 함께 조합되어 출력 센서(784)에 공급되며, 출력 센서는 버크 컨버터들(782)의 조합된 출력의 전류 및 전압을 감지한다. 감지된 전류 및 전압 레벨은 DSP(778)에 피드백된다. 그 후, 버크 컨버터(782)로부터의 출력은 풍력 터빈(722)에 의해 현재 발생되는 전기의 양과 인버터(756) 및 배터리(758)의 전기 수요에 따라서 배터리(758) 또는 인버터(756) 또는 둘 모두에 커플링된다.
다른 설계가 사용될 수 있지만, 도 39에 도시된 실시예의 버크 컨버터(782)는 30KHz의 스위칭 주파수에서 작동한다. 스위칭된 출력은 스위칭된 DC를 제어된 DC 출력으로 평활화하는 토로이드 인덕터(도시되지 않음)에 공급되고, 제어된 DC 출력은 출력 센서(784)에 공급된다. 버크 컨버터(782)의 출력 전압 레벨은 PWM 라인 #1, #2 및 #3를 따라서 DSP(778)에 보내지는 펄스 폭 조절된(PWM) 신호에 의해 각각 제어된다. 이들 라인을 따라서 적절한 펄스 폭을 보냄으로써, DSP(778)는 배터리(758) 및/또는 인버터(756)에 공급될 수 있는 적절히 조정된 전압 레벨로 핫 와이어(742a)의 전압 레벨을 변경할 수 있다.
DSP(778)는 임의의 적절한 형태를 취할 수 있다. 일 실시예에서, DSP(778)는 부품 번호 TMS320F2802로 텍사스 인스트루먼트에 의해 생산되는 디지털 신호 프로세서일 수 있다. 물론, 다른 유형의 DSP가 사용될 수 있다. DSP(778)는 모든 전류 및 전압의 모니터링을 제공하고, 버크 컨버터(782)를 위한 DC 스위칭 제어를 제공한다. DSP(778)는 또한 풍속, 풍향 및 풍력 터빈(722)이 향하는 방향을 포함하는 풍력계(750) 및 모터(744)로부터의 입력을 수신한다.
풍력 터빈(722)에 의해 발생되고 핫 와이어(742a)에 공급되는 전압은 일부 실시예에서 350볼트만큼 높은 범위일 수 있다. 다른 실시예에서는, 더 높은 전압이 발생되고 제어 시스템(724)에 의해 처리될 수 있다. DSP(778)는 입력 센서(776)로부터의 감지된 전압 및 전류를 사용하여 임의의 시간에 풍력 터빈(722)으로부터의 전력 및 임피던스를 계산한다. 풍력 터빈(722)에 대한 시험된 전력 곡선으로부터 계산된 공지의 사전 계산된 최대 전력에 대한 임피던스를 사용하여, DSP(778)는 실시간으로 임피던스를 일치시켜서 소정 시간에 터빈(722)으로부터 사용될 수 있는 부하에 최대 전력을 제공한다. 따라서 DSP(778)는 소스 임피던스를 부하 임피던스에 일치시킴으로써 어떠한 풍속에서도 최대 전력 점을 달성하도록 구성된다.
상술한 바와 같이, 핫 와이어(742a)는 3개의 병렬 버크 컨버터(782)에 공급된다. 버크 컨버터는 MOSFET, MOSFET 드라이버 및 인덕터를 포함할 수 있다. 공지된 가용 전력에 비교되는 것과 함께, 계산된 입력 임피던스로부터 결정된 가용 전력에 기초하여, DSP(778)는 PWM 라인 #1, #2 및 #3를 따라 보내진 PWM 신호를 통해 MOSFET의 온 및 오프 시간을 조절할 것이다. 온 시간(즉, PWM 신호의 듀티 사이클)을 증가시킴으로써, 더 많은 전력이 부하에 전달될 것이다. 반대로, 온 시간을 감소시킴으로써, 더 적은 전력이 부하에 전달될 것이다. 또한, PWM 신호는 제어 시스템의 임피던스를 결정하고, 그 결과, 터빈 임피던스가 최대 전력 전달을 위해 제어 시스템의 임피던스와 일치되도록 PWM 신호가 제어될 수 있다.
도 39에 도시된 3개 이외에 4개, 5개 또는 다른 수로 제한되지 않는 버크 컨버터(782)와 같이 상이한 수의 버크 컨버터가 사용될 수 있다. 또한, 일부 실시예에서, 하나 초과의 버크 컨버터(782)가 동시에 온 상태일 수 있다. 예를 들어, 4개의 버크 컨버터(782)가 사용되면, 이들은 180도 위상 시프트된 방식으로, 따라서 2개의 버크 컨버터(782)가 온 상태이고, 다른 2개의 버크 컨버터(782)가 오프 상태로 사용될 수 있다. 이것은 버크 컨버터 내에서 발생된 열을 다수의 컨버터에 걸쳐 분산시킴으로써, 저비용의 버크 컨버터가 사용되는 것을 허용한다.
버크 컨버터(782)들은 병렬로 배치될 수 있고, 30KHz 및 이에 제한되지 않는 적절한 주파수에서 개별적으로 활용될 수 있으며, 이들의 개별적인 사용은 서로 동기화되고 120도만큼 위상 시프트된다. 위상 시프트는 한 번에 버크 컨버터들 중 하나만이 온 상태가 되는 것을 허용한다. 이것은 풍력 터빈이 3개의 버크 컨버터(782)가 사용될 때의 개별 버크 컨버터(782)의 주파수(예를 들어, 90KHz)의 세 배인 스위치 주파수를 만나게 하고, 버크 컨버터(782)에 의해 발생되는 열이 다수의 버크 컨버터들 사이에 퍼짐으로써, 더 낮은 비용의 MOSFET가 사용되는 것을 허용한다. MOSFET으로부터의 전압 출력은 버크 컨버터 내에서 DC 스위칭 리플을 매끈하게 하는 인덕터 및 캐패시터(도시되지 않음)에 공급된다. 그 결과는 스위칭 MOSFET의 온 시간에 비례하는 전압을 갖는 버크 컨버터(782)로부터의 제어된 DC 출력이다.
출력 센서(784)는 버크 컨버터(782)의 조합된 출력의 전압 및 전류를 감지하고, 이 정보를 DSP(778)에 전달한다. DSP(778)는 이 정보를 사용하여 충전을 위해 배터리(758)에 제공되거나 인버터(756)에 제공되거나 또는 둘 모두에 제공되는 출력 전압 및 전류를 계산한다. 배터리(758)의 충전이 필요한 경우[배터리(758)와 DSP(778) 사이의 적절한 접속에 의해 및/또는 이들 사이의 회로를 모니터링함으로써 판단됨], DSP(778)는 적어도 하나의 실시예에서 배터리(758) 또는 배터리(758)들을 충전하기 위해 다단계 충전 알고리즘을 사용할 것이다. 제1 단계에서, DSP(778)는 빠른 속도로 배터리의 충전 상태의 대략 70 내지 80%를 대체하는 벌크 충전을 제공한다. 이 벌크 충전 상태는 배터리에 일정한 전류를 공급하는 일정 전류 알고리즘을 사용한다.
일정 전류 재충전 단계에 이어서, DSP(778)는 흡수 단계를 실행한다. 흡수 단계는 상대적으로 느린 속도로 배터리를 완전 충전 상태로 가져감으로써 충전의 나머지 20 내지 30%를 채운다. 흡수 충전 단계는 배터리로의 일전한 전압을 유지하는 일정 전압 알고리즘을 공급한다. 흡수 단계 후에, 플롯 단계가 DSP(778)에 의해 제공될 수 있다. 플롯 단계는 배터리의 손상을 방지하고 배터리를 완전 충전 상태로 유지하기 위해 전압을 감소시키고 일정하게 유지한다.
다른 유형의 배터리가 사용될 수 있지만, 배터리(758)는 일 실시예에서 통상의 자동차 배터리일 수 있다. 또한, 지적한 바와 같이, 풍력 터빈(722)이 모든 분배 패널(760)의 전류 수요를 공급하는 것을 허용하기에 충분하지 않은 풍력 조건일 때 분배 패널(760)로의 공급을 위한 전기 에너지의 더 큰 비축량을 제공하기 위해 다수의 배터리(758)가 서로 묶일 수 있다. 일시적이지 않고 더 장기간의 전력을 공급하는 것과 같은 다른 유형의 배터리가 또한 사용될 수 있다. 실질적으로, 일부 실시예에서는, 자동차 배터리를 사용하는 것을 회피하는 것이 바람직한데, 그러한 배터리는 배터리가 딥 사이클(deep cycle)되지 않는 큰 전류의 단기간 공급을 위해 설계되기 때문이다. 전기 발생 시스템(720) 또는 전기 발생 시스템(820)(이하에서 더 논의됨)에서의 사용을 위해서는, 적어도 80%까지의 충전 상태로 여러 번 방전될 수 있는 배터리와 같은, 그러나 이제 제한되지 않는, 종종 딥 사이클되도록 특정적으로 설계된 배터리를 사용하는 것이 유리할 수 있다. 그러한 배터리는 일반적으로 스폰지 리드 플레이트보다는 단단한 리드 플레이트를 갖는다. 그러한 배터리는 전기 발생 시스템(720, 820)의 전기 사용을 시간-시프팅하는 것을 매우 용이하게 하고, 여기에서는 발전 사이의 시간(즉, 바람이 불 때)과 전기가 사용되는 시간이 더 많을 수 있다. 또한, 그러한 배터리는 바람이 없을 때 더 많은 전력이 가정 또는 사업장에 공급되는 것을 허용할 것이다. 딥 사이클 배터리의 다른 장점이 또한 생길 수 있다.
일부 실시예에서, DSP(778)가 유틸리티 공급 전력의 차단을 감지할 때를 제외하면, DSP(778)는 배터리(758)가 딥 사이클 방전을 겪는 것을 방지하도록 프로그래밍된다. 이 특징은 사용 중인 특정 유형의 배터리가 딥 사이클링에 의해 그 수명이 단축될 때에 실행된다. DSP(778)가 분배 패널(760)(도시되지 않음)로의 임의의 적절한 접속에 의해 또는 다른 공지된 수단에 의해 달성되는 유틸리티 공급 전력의 차단을 감지할 때, DSP(778)는 자동으로 배터리(758)를 분배 패널(760)에 커플링시키고 유틸리티 전력이 차단 상태로 유지되는 한 배터리(758)가 방전하는 것을 허용하도록 프로그래밍된다. 이 특징은 차단되지 않는 전력이 전기 발생 시스템(720)과 통합된 분배 패널(760)의 특정 회로 또는 회로들로부터 전력을 공급받는 전기 제품에 전달되는 것을 허용한다.
또한, DSP(778)는 유틸리티 공급 전력의 실패시에 배터리(758)로부터의 전력을 분배 패널(760)의 특정 회로에 선택적으로 적용하도록 프로그래밍된다. 예를 들어, DSP(778)는 정전시에 유지하는 것이 가장 중요하다고 여겨지는 회로에 배터리(758)를 커플링시키도록 프로그래밍된다. 그러한 회로는 예를 들어 가정 또는 사업장의 섬프 펌프, 노(furnace) 등에 전기를 공급하는 회로를 포함한다. 유틸리티 공급 전력이 복구된 것을 DSP(778)가 감지하면, DSP(778)는 하나 이상의 배터리(758)를 충전하기 시작한다. 일 실시예에서, 특정 시간에 바람이 불지 않으면, DSP(778)는 트랜스퍼 스위치(774)(도 38)에 명령을 보내서, 적절한 유틸리티 공급 전력을 배터리(758)에 커플링시켜서 재충전하게 하는 방식으로 스위칭하게 한다. 다른 실시예에서, 특정 시간에 바람을 이용할 수 없다면, DSP(778)는 충분한 바람이 회복될 때까지 하나 이상의 배터리(758)의 재충전은 대기한다. 다른 실시예에서, 현재 이용 가능한 바람이 불충분하고 분배 패널(760)에 적절히 공급하기에 충분하지 않게 배터리(58)가 충전되면, DSP(778)는 가정 또는 사업장의 전기 제품으로의 전력이 차단되지 않도록 분배 패널(760)의 모든 회로에 유틸리티 공급 전력을 커플링시킨다. 유틸리티 공급 전력은 충분한 풍력이 회복되어 다시 한 번 유틸리티 공급 전력을 스위치-오프시킬 때까지 지속적으로 공급될 것이다.
DSP(778)는 하나 이상의 배터리(758)로부터 전력을 공급받거나, 또는 유틸리터 공급 전원으로부터 전력을 공급받거나, 또는 풍력 터빈(722)으로부터 전력을 공급받거나, 또는 이들 3개의 전원의 임의의 조합으로부터 전력을 공급받을 수 있다. 전원이 무엇이든 간에, DSP(778)는 유틸리티 공급 전력의 정전 동안에도 제어 동작을 수행하기에 충분한 전력을 여전히 공급받도록 구성된다. 그 대신, 일부 실시예에서는, DSP(778)는 오로지 제어기(754) 및/또는 인클로져(762) 내에 수납된 다른 전기 구성요소에 전력을 공급하는 배터리(758)로부터 분리된 하나 이상의 배터리에 의해 공급될 수 있다.
풍력 터빈(722)의 손상을 방지하기 위해, DSP(778)는 모터(744)와 연통하고, 풍력계(750)에 의해 감지된 풍속 및 풍향에 기초하여 모터에 명령을 보낸다. DSP(778)는 제어기(754)의 메모리(780)에 저장된 임계치와 측정된 풍속을 비교함으로써 풍력 터빈(722)에 대해 바람이 과도한지를 반복적으로 판단한다. 임계치는 사용되는 특정 풍력 터빈(722)에 기초하며, 여러 풍력 터빈(722)의 모델마다 다를 수 있다. 메모리(780)에 저장된 임계치 풍속은 풍력 터빈(722)에 손상이 발생할 수 있는 최저 속도를 나타낸다. DSP는 풍력계(750)로부터의 측정된 풍속을 임계치 풍속과 비교하고, 측정된 풍속이 임계치 속도를 초과하면, DSP(778)가 모터(744)에 명령을 보내서, 풍력 터빈이 바람에 더 이상 정면으로 향하지 않도록 풍력 터빈(722)을 회전시킨다. 풍력 터빈(722)을 강풍 조건 동안 바람과의 일직선 정렬 상태를 벗어나도록 회전시킴으로써, 풍력 터빈(722)의 손상 가능성이 감소된다.
DSP(778)는 현재 측정된 풍속이 메모리(780)에 저장된 임계치 풍속을 초과하는 정도에 따라 모터(744)를 통해 풍력 터빈(722)을 더 회전시킨다. 현재 측정된 풍속이 임계치 풍속을 더 많이 초과할수록, DSP(778)는 풍향에 대해 풍력 터빈(722)의 오정렬 야이 더 커지도록 명령한다. 즉, 임계치보다 풍속이 높을수록, 풍력 터빈(722)은 풍향과의 정렬 상태를 벗어나 더 많이 회전한다. 풍력 터빈(722)을 더 많이 회전시키고 풍속의 증가시에도 풍향의 정렬 상태로부터 더욱 더 이탈시킴으로써, 블레이드(726)에 가해지는 풍압이 감소하고, 풍력 터빈(722)의 손상 가능성도 또한 감소된다.
DSP(778)는 현재의 풍속이 감소된 것을 감지하면, 모터(744)에 적절한 명령을 보내서 풍력 터빈(722)이 다시 현재의 풍향을 향해 회전하게 한다. 현재의 풍속이 임계치 풍속까지 또는 그 아래로 하강하면, DSP(778)는 모터(744)에 명령을 보내서 풍력 터빈(722)이 현재의 풍향과 일직선으로 정렬되도록 풍력 터빈을 회전시킨다. 따라서 DSP(778)와 모터(744)는 서로 협동하여, 풍속이 임계치 풍속 미만이면 언제든지 풍력 터빈(722)이 바람을 일직선으로 대면하고 임계치 속도가 초과되는 양과 관련된 양만큼 바람과의 정렬 상태를 벗어나는 것을 보장한다.
핫 와이어(742a)의 전압에 따라서, 전기 발생 시스템(720)에 전기적으로 커플링된 분패 패널(760)의 하나 이상의 회로에 공급하기에 충분한 전력이 풍력 터빈(722)에 의해 발생될 때, 프로세서(778)는 핫 와이어(742a)를 배터리(758)가 아닌 인버터(756)와 직접 커플링시킬 수 있다. 그러한 직접 커플링은 시스템(720)의 효율을 개선한다.
충전 제어기(754)는 디스플레이 패널(786)에 결합될 수 있고, 이것은 액정 디스플레이(LCD) 또는 다른 유형의 디스플레이 패널일 수 있다(도 38 및 도 39 참조). DSP(778)는 디스플레이 패널(786) 상에 여러 유형의 정보가 선택적으로 표시되는 것을 허용하도록 구성된다. 하나 이상의 버튼(788) 또는 다른 유형의 유저 인터페이스 장치가 또한 DSP(778)에 커플링되어, 어떤 정보가 디스플레이 패널(786)에 표시될지를 사용자가 제어할 수 있게 한다. DSP(778)는 일 실시예에서 디스플레이 패널(786) 상에 다음의 정보가 표시되는 것을 허용한다: 현재 발생되는 전력, 현재의 풍속, 현재의 풍향, 현재의 개방 전압, 현재의 부하 전압, 현재의 배터리 전압, 기한까지 발생되는 축적 에너지, 시간, 날짜, 년도, 충전 상태 및 임의의 결함.
전기 발생 시스템(720)은 그것이 발생시키는 임의의 초과 전기를 더미 저항 부하(도시되지 않음)에 싱크시키도록 구성될 수 있거나, 그러한 과도한 전력을 온수기에 공급할 수 있거나, 유틸리티에 다시 공급할 수 있다. 즉, 모든 배터리(758)가 완전히 충전되고 풍력 터빈(722)이 현재 분배 패널(760) 상의 관련 부하에 의해 요구되는 것보다 더 많은 전기를 공급할 때, 시스템(720)은 발생되고 있는 과도한 전기를 이들 중 임의의 것 또는 다른 목적지로 전달할 수 있다. DSP(778)는 그러한 과도한 전류의 발생 기간이 발생하는 빈도 및/또는 발생되는 과도한 전력의 양을 계속해서 추적하도록 구성될 수 있다. 이러한 정보는 패널(786) 상에 표시될 수 있고, 얼마나 자주 시스템(720)이 소비되는 것보다 많은 전기를 발생시키는지에 관하여 시스템(720)의 사용자에게 표시를 제공할 수 있다. 이것이 빈번히 발생하면, 사용자는 추가의 배터리(758)를 부가하고, 그리고/또는 시스템(720)을 패널(760) 내의 더 많은 회로에 커플링시키거나, 또는 시스템(720)을 더 많거나 더 빈번한 부하를 갖는 분배 패널(760) 내의 상이한 회로들에 커플링시키는 것을 희망할 수 있다.
도 40 내지 도 42는 전기 발생 시스템(820)의 일 실시예를 상세하게 도시한다. 도 40 내지 도 42에 도시된 실시예는 전기 발생 시스템(720)과 공통인 여러 구성요소들을 포함하고, 이들 공통의 구성요소들은 달리 지적하지 않는 한 시스템(720)에서 갖는 것과 동일한 도면부호를 가지며, 시스템(720)에서와 동일한 방식으로 작용한다. 따라서, 그러한 공통의 구성요소들은 상세히 설명될 필요가 없다.
도 40에 도시된 바와 같이, 전기 발생 시스템(820)은 풍력 터빈(722) 및 제어 시스템(824)을 포함한다. 케이블(742)이 풍력 터빈(722)을 제어 시스템(824)에 접속한다. 제어 케이블(796) 및 모터 회전 케이블(798)이 또한 풍력 터빈(722)과 제어 시스템(824) 사이를 통과한다. 케이블(796, 798)은 케이블(742)과 함께 다발을 이룰 수 있거나, 또는 따로따로 다발을 이룰 수 있다. 케이블(742, 796, 798)은 제어 시스템(824)이 제어 시스템(824)을 보관하기에 더 편리한 위치에 풍력 터빈(722)으로부터 물리적으로 떨어져 위치할 수 있도록 충분한 길이를 갖는다. 일례로서, 케이블(742, 796, 798)은 요소들로부터 보호되는 가정, 사업장, 창고 또는 기타 엄폐물의 내부에 제어 시스템(824)이 위치되는 것을 허용하기에 충분히 길 수 있다.
전기 발생 시스템(820)은 풍력 터빈(722)에 의해 발생된 소비되지 않은 전기를 저장하기 위한 하나 이상의 배터리(758)를 더 포함한다. 시스템(720)에서와 같이, 시스템(820)의 제어기(824)는 시스템(820)에 요구되는 전기를 초과하는 전기가 현재 터빈(722)에 의해 발생될 때 배터리(758)를 충전한다. 유사하게, 시스템(820)의 제어기(824)는 터빈(722)의 동시 발전 능력을 초과하는 전기 수요를 충족시키기 위해 배터리(758)를 사용하였다. 따라서 제어기(824)는 필요한 경우에 나중에 공급하기 위해 과도한 전기를 저장하기 위한 하나 이상의 배터리(758)를 사용한다.
도 40에 더 도시된 바와 같이, 전기 발생 시스템(820)은 시스템이 전기 유틸리티에 의해 공급되는 AC 전력에 선택적으로 커플링되고 커플링 해제되는 것을 허용하는 AC 트랜스퍼 스위치(774)를 포함한다. 그러한 커플링은 전기로 변환하기 위해 사용 가능한 바람이 현재 불충분하고 배터리(758)의 충전 레벨이 현재 전류 수요를 충족시키기에 불충분할 때 바람직하다. 그러한 커플링 해제는 배터리(758) 및/또는 풍력 터빈(722)이 시스템(820)의 현재 전류 수요를 충족시키기에 충분한 전기를 제공할 수 있다.
도 41에 더 상세히 도시된 바와 같이, 제어 케이블(796)은 터빈 인터페이스 인클로져(802) 내에 수납될 수 있는 제어 회로(800)에 작동적으로 커플링된다. 따라서, 제어 회로(800)는 풍력계(750)와 같은 풍속 센서 및 풍향 센서(804) 모두로부터 입력을 수용한다. 제어 회로(800)는 제1 및 제2 제한 스위치(806a, 806b)로부터 입력을 더 수용한다. 제한 스위치(806a, 806b)는 터빈(722)이 샤프트(730)를 중심으로 극한까지 회전되었을 때를 감지한다. 일 실시예에서, 터빈(722)은 샤프트(730)에 의해 규정된 수직축을 중심으로 대략 340도를 회전하도록 구성될 수 있다. 터빈(722)이 샤프트(730)를 중심으로 360도를 완전히 자유롭게 회전하는 구성을 포함하여, 다른 회전 범위가 또한 실시될 수 있다. 제어 회로(800)는 제한 스위치(806a, 806b) 중 하나로부터 신호를 수신하면, 로직 제어 케이블(796)을 따라서 제어 시스템(824)에 신호를 보낸다. 그 후, 제어 시스템(824)은 모터 회전 케이블(798)을 통한 모터(744)로의 전류 공급을 중단함으로써 회전 모터(744)로의 전력을 차단할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 제어 회로(800)가 직접 케이블(798)에 의해 회전 모터(744)에 공급되는 전력을 적절한 스위칭을 통해 불능화할 수 있다. 그러나 실시된 제한 스위치(806)는 모터(744)가 터빈(722)을 미리 정한 회전 동작 범위를 지나 회전하려하는 것을 방지하는 역할을 한다. 그와 같이, 회전 모터(744)로의 전력을 불능화하는 것은 제한 스위치가 작동하게 하는 방향으로 터빈(722)을 더 이동시키는 것을 불능화하는 것으로만 제한된다. 즉, 회전 모터(744)는 제한된 작동 범위의 외부 경계를 지나 이동하는 것이 방지되지만, 그 경계 내에서는 여전히 자유롭게 회전한다.
터빈 인터페이스 인클로져(802)는 전환 부하(diversion load) 제어부(808)를 더 포함할 수 있고, 이것은 제어 시스템(824)에 의해 안전하게 처리될 수 있는 것보다 많은 전기를 발생시킬만큼 풍속이 충분히 높을 때 풍력 터빈(722)에 의해 발생되는 과도한 전류를 싱크시키도록 작동한다. 적어도 하나의 실시예에서, 제어 시스템(824)은 풍력 터빈(722)으로부터의 170볼트DC를 처리할 수 있도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서는 이 숫자가 더 높거나 낮도록 달라질 수 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 전환 부하 제어부(808)는 터빈이 현재 170볼트 이상을 발생시키고 있는 경우에 전환 부하와 결합할 것이다. 그러한 결합은 제어 시스템(824)으로부터의 어떠한 입력 또는 신호 없이도 발생할 수 있다. 즉, 전환 부하 제어부(808)는 자체적으로 전환 부하와 결합하도록 작동할 수 있다.
전환 부하 제어부(808)는 또한 최대 출력 전압이 풍력 터빈(722)에 의해 초과되는 것을 방지하는 최대 과전압 보호 회로(810)를 포함할 수 있다. 일례로서, 그러한 최대 과전압은 250볼트로 설정될 수 있다. 물론 다른 값도 사용될 수 있다. 전환 부하 제어부(808)의 전환 부하가 전압을 제한하는데 실패하고 터빈(722)으로부터의 전압 출력이 250볼트를 넘어 증가하려하면(250볼트는 예시적인 최대값임), 회로(810)는 전압을 강제하고 퓨즈(812)를 끊을 것이다. 이것은 터빈 인터페이스 인클로져(802)의 하류에 있는 250볼트의 평가된 최대값을 갖는 구성요소들에 화재의 위험을 발생시키는 과전압 조건을 방지할 것이다. 그러한, 상황에서, 터빈은 구속을 벗어나, 제어되지 않은 속도로 회전할 것이다.
전술된 바와 같이, 터빈 인터페이스 인클로저(802)는 케이블(742, 796, 및 798)을 통해 제어 시스템(824)에 연결된다. 케이블(742)은 터빈(722)에 의해 생성된 DC 전압을 제어 시스템(824)에 공급한다. 제어 케이블(796)은 풍향, 풍속, 및 적어도 일부 실시예에서는 회전 모터(744)의 현 위치를 표시하는 제어 시스템(824)에 신호를 공급한다. 전술된 바와 같이, 케이블(798)은 회전 모터(744)에 전력을 공급하여, 회전 모터가 제어 시스템(824)에 의해 제어되는 방식으로 회전하게 유도한다. 다시 말해, 제어 시스템(824)은, 과도한 바람 상태에서는, 터빈(722)이 정격량의 전압을 초과하는 전압을 생성하는 것을 막기에 충분한 양의 바람의 바깥쪽으로 향하고, 과도한 바람 상태보다 덜한 상태에서는, 터빈(722)은 바람의 안쪽으로 향하도록, 회전 모터(744)를 제어한다.
도 42는 제어 시스템(824)의 실시예를 보다 상세하게 예시한다. 제어 시스템(724)과 공통되는 제어 시스템(824)의 부품은 달리 지시되지 않는다면, 전술된 것과 동일한 도면 부호로 표시되며, 동일한 방식으로 작동한다. 제어 시스템(824)은 충전 제어기(charge controller; 754) 및 인버터(756), 그리고 터빈 인터페이스 인클로저(802)와 결부되기 위한 다양한 전기 부품을 포함하는 I/O 기판(814)을 포함한다. 케이블(742, 796, 및 798)이 I/O 기판(814)에 공급된다. 보다 구체적으로, 케이블(742)은, 전류/전압 센서(776)를 통과하기 전, DC 누전 차단기(DC ground fault interrupter; 816)에 공급된다. 적절한 퓨즈가 케이블(742)과 GFI(816) 사이에 위치될 수 있다. 전류/전압 센서(776)는 전술된 것과 동일한 방식으로 작동하며, 풍력 터빈(722)에 의해 생성되는 현재의 전류 및 전압을 감지한다. 이러한 정보는, 전술된 방식으로 터빈(722)에 의해 생성된 전압을 처리하기 위해 정보를 사용하는, 디지털 신호 프로세서(778)를 포함하는 충전 제어기(754)를 통과한다.
제어 시스템(824)은 또한 제어 신호를 출력하는 회전 모터 제어 회로(815)를 포함하여, 회전 모터(744)가 바람직한 방식으로 회전하도록 유도한다. 회전 모터 제어 회로(815)는 격리된 논리 제어기(isolated logic control; 817)로부터의 제어 입력을 수신한다. 이후, 격리된 논리 제어기(817)는 논리 제어 케이블(796)로부터의 신호를 수신한다. 전술된 바와 같이 이러한 신호는 현재의 풍속 및 방향을 나타내고, 제한 스위치(806)가, 존재하는 경우, 활성화되는지를 나타낸다. 또한, 논리 제어 케이블(796)은 고립된 논리 제어 회로(817)에 모터(744)의 현재 회전 배향을 나타내는 정보를 전달할 수 있다. 고립된 논리 제어 회로(817)는, 존재한다면, 풍력 터빈(722)의 배향에 어떠한 변경이 가해져야 하는지를 결정하기 위해 제어 케이블(796)로부터 수신되는 정보를 사용한다. 이러한 변경이 존재한다면, 이는 회전 모터 제어기(815)와 통신된 이후 케이블(798)상의 적절한 신호를 회전 모터(744)에 보내어 원하는 방식으로 회전 모터(744)의 회전을 유도한다.
제어 시스템(824)은 충전 제어기(754)에 의해 출력된 전압 및 전류를 측정하는 출력 센서(784)를 더 포함한다. 제어 시스템(824)은 또한 제어 시스템(824)의 2개의 다른 위치를 통과하는 전류 및 전압을 측정하는 한 쌍의 추가 전류/전압 센서(818a 및 818b)를 포함한다. 센서(818a)는 제어 시스템(824)에 의해 출력되는 전압 및 전류를 측정한다. 즉, 센서(818a)는 얼마나 많은 전류 및 전압이, 집, 건물, 다른 설비 내에서의 사용을 위해 전기 발생 시스템(820)에 의해 공급되는지를 측정한다. 센서(818b)는 인버터(756)에 공급되는 전압 및 전류를 측정한다. DSP 프로세서(778)는, A/C 전환 스위치(774)를 제어하고 배터리(758)의 저장소(bank)의 충전/방전을 제어하는데 있어서 센서(818a 및 818b)로부터의 정보를 이용한다. 기재된 바와 같이, A/C 전환 스위치(774)는 집, 건물, 설비 또는 이러한 유닛들 중 하나 내의 특정 회로(들)에 전력을 제공하는 전기 유틸리티(AC 그리드) 및 전력을 제공하는 터빈(722) 사이에서 전환한다.
시스템(824)은 AC 그리드로의 전환 여부를 결정하기 위해 센서(818a)의 출력을 모니터링한다. 적어도 일 실시예에서, 시스템(824)은, 터빈(722)으로부터의 전기 생산 및 배터리(758)로부터의 전기 생산 모두를 고려하여, 전기 발생 시스템(820)에 위치되는 총 부하가 시스템(820)의 현재 전류 생산 능력을 초과할 때마다 AC 그리드로 전환되도록 구성된다. 따라서, 예를 들어, 1000W 부하가 시스템(820)에 공급된다는 것을 가정해야 한다. 또한, 시스템(820)이 배터리(758) 또는 충전 제어기(754)로부터 인버터(756)로 24V를 공급하도록 구성되었다는 것을 가정해야 한다. 또한, 현재, 풍력 터빈(722)으로부터 15A의 전류가 생성될 수 있는 속도로 바람이 불고 있다는 것을 가정해야 한다. 이후, 다른 26.6A의 전류가 1000W 요구를 충족시키기 위해 배터리로부터 도출하여야 할 것이다. 이후, 배터리(758)는 이러한 26.6A를 계속해서 공급함에 따라 서서히 방전될 것이다. 배터리가 방전되면, 시스템(824)은 스위치(774)에 의해 AC 그리드로 다시 전환될 것이며, 인버터(756)의 연결을 끊을 것이다. 또한, 시스템(824)은 풍력 터빈(722)으로부터 이용가능한 15A의 전류를 사용하여 배터리의 충전을 개시할 것이다. 배터리가 재충전되는 동안, AC 그리드는 부하에 1000W를 모두 공급할 것이다. 배터리(758)가 이들의 완전 충전 임계치(다양한 임계치일 수 있으며, 프로그래밍될 수 있음) 내로 충전되거나 또는 완전히 재충전된 이후에만, 시스템(824)은 AC 그리드의 연결을 끊을 것이며, 다시 풍력 터빈(722) 및 배터리로부터 전력을 수용할 것이다. 이러한 방식으로, 시스템(824)은, 전기적 요구가 존재하지 않고 배터리가 모두 충전되지 않는다면, 이용가능할 때마다 풍력 에너지를 사용하거나 저장한다.
도 43은 전기 발생 시스템(720 또는 820)에 의해 가정될 수 있는 다양한 상태의 차트를 도시한다. 물론, 이러한 상태는 시스템(720 및 820)에 적용될 수 있는 단 하나의 가능한 구성이며, 시스템(720 및 820) 중 하나 또는 둘 모두는 도 43에 도시된 것과 상이한 방식으로 구성될 수 있다는 것의 이해할 것이다. 도 43에 도시된 바와 같은 시스템(720 또는 820)의 현재 상태는 디스플레이 패드(786)의 LCD 스크린에서 볼 수 있다. 도 43의 가장 왼쪽 열은 시스템(720 또는 820)의 상태를 나타낸다. 다음 열은 설명을 제공한다. "충전기" 열은 충전 제어기(754)가 실행중인지, 대기중인지, 또는 일부 다른 상태인지를 나타낸다. "인버터" 열은 인버터(756)의 상태를 나타낸다. "TS" 열은 전환 스위치(774)의 상태를 나타낸다. "덤프(dump)" 열은 전기가 전환 부하 제어기(808)에 의해 전환 부하로 우회하는지의 여부를 나타낸다. 이에 따라, 도 43은 시스템(720 또는 820)이 제어 시스템(724 또는 824)을 통해 제어될 수 있는 일 예시적인 방법을 제공한다. 물론 다른 방법이 또한 이용될 수 있다.
전술된 바와 같이, 전기 발생 시스템(720 및 820)의 DSP(778)는, 버크 컨버터(782)로 보내지는 PWM 신호가 조절되어 소스 임피던스[터빈(722)]가 부하 [제어 시스템(724)] 임피던스와 일치하도록 프로그래밍될 수 있다. 이와 같은 실시예는 풍속을 따르는 전력을 생산하는 경향이 있다. 이러한 예시는 도 44a 및 44b에 도시된다. 도 44a는 시간에 대한 임의의 풍속을 도시하는데, 여기서 풍속은 곡선(792)에 의해 표시된다. 부하 임피던스가 터빈 임피던스와 일치하도록 DSP(778)가 계속해서 그 부하 임피던스를 조절하도록 프로그래밍 되면, 전력 출력은 일반적으로 전력 곡선(794)에 의해 도 44b에 도시된 바와 같이 풍속을 따르게 될 것인데, 이때, 전력 곡선의 형상은 일반적으로 도 44a의 풍속 곡선(792)의 형상과 일치한다. 그러나, 이러한 연속적인 임피던스 매칭는 전기 발생 시스템(720 및 820)의 일부 실시예에서 변경될 수 있다.
예를 들어, 전기 발생 시스템(720 및 820) 중 어느 쪽이든 [도 44a에 도시된 것과 같은 풍속으로 있을 때] 일반적으로 도 44c에 도시된 펄스(795)와 같은 전력 펄스를 생성하도록 변경될 수 있다. 도 44c에 도시된 실시예에서, DSP(778)는 터빈(722)의 임피던스보다 더 높은 임피던스와 더 낮은 임피던스 사이에서 교호적인 입력 임피던스를 생성하기 위해 버크 컨버터(782)를 제어한다. 이는 도 44c에 도시된 전력 피크를 생성한다. 이러한 전력 피크는 도 44b에 도시된 시스템에 의해 발생된 전력을 일시적으로 초과할 것이다. 환언하면, 예를 들면, 도 44b에서 참조 문자 B로 표시된 전력은, 2개의 전력 모두가 동일한 바람 상태 하에서 (참조 문자 "A"로 식별되는) 동일한 순간의 시간에 생성된다는 사실에도 불구하고, 도 44c의 참조 문자 C로 표시된 피크 전력보다 낮다. 도 44b의 시스템에 대해 도 44c의 시스템의 피크가 더 높기 때문에, 도 44c의 시스템은 특히 낮은 풍속에서, 배터리(758)를 충전하는데 있어서 도 44b의 시스템보다 더 효율적이다. 낮은 풍속으로 간주되는 것은 터빈으로부터 터빈으로 자연적으로 변화될 것이지만, 적어도 일 실시예에서는, 이와 같이 낮은 풍속이 7 mph 낮은 임의의 풍속으로 언급될 수 있다. 다른 실시예에서는, 기재된 바와 같이, 풍력 터빈이 설계되는 풍속에 따라서, 더 낮은 또는 더 높은 속도가 "낮은 속도"로 고려될 수 있다.
DSP(778)는 버크 컨버터(782)로 보내지는 펄스-폭 조절(PWM) 신호를 적절하게 변화시킴으로써 도 44c의 펄스를 생성하도록 제어 시스템의 입력 임피던스를 변경할 수 있다. 이러한 변경은, 펄스 동안에 그리고 펄스와 펄스 사이의 중간 주기에 PWM 신호의 듀티 사이클(duty cycle)의 변경을 포함할 수 있다. 도 44c에 도시된 전력 펄스의 형상은 단지 설명을 위한 것이며, 실질적인 형상은 통상적으로 정확한 직사각형 형상이 아니며 펄스 및 시스템의 전체 구조에 따라 변경되는 상향 및 하향으로 경사진 기울기를 갖도록 형성될 것이라는 것이 당업자에게 이해될 것이다.
도 44c에 도시된 펄스 전력 추출 기술의 성과 중 하나는, 펄스에서 터빈으로부터 터빈의 회전 블레이드의 특정 양의 운동 에너지를 추출하는 것이고, 이를 펄스 전기 에너지로 변환시키는 것이다. 회전 블레이드로부터의 운동 에너지의 이러한 펄스 추출은 에너지 추출 주기 동안 블레이드를 서서히 하강시키고, 바람이 지속적으로 분다고 가정하였을 때, 펄스와 펄스 사이의 중간 주기 동안 속도를 역행시키게 유도한다.
전술된 바와 같이, DSP(778)는 낮은 풍속 상태 동안 도 44c에 도시된 펄스 전력 추출 기술을 이용하도록 프로그래밍될 수 있다. 이러한 실시예에서, DSP(778)는 풍속계(750)에 의해 탐지되는 풍속을 점검하고, 이를 낮은 풍속 상태를 한정하는 임계값과 비교하고, 현재 풍속이 임계치를 초과할 때, 도 44b에 도시된 연속적인 전력 추출 기술을 사용하게 프로그래밍될 수 있다. 다른 한편, 현재 풍속이 임계치이거나 그 이하이면, DSP는 도 44c에 도시된 것과 같이, 펄스 전력 추출 기술로 전환할 것이다. 다양한 형태의 히스테리시스(hysteresis)가 임계치에서의 또는 그 부근에서의 변경가능한 속도의 바람의 과도한 전환의 회피를 돕는데 사용될 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, DSP(778)는 풍속이, 낮은 풍속 임계치보다 높게 설정되는 최대 풍속 임계치를 초과하는지를 확인하기 위해 점검되도록 프로그래밍될 수 있다. 최대 풍속 임계치보다 높은 풍속은, DSP(778)가 바람과의 똑바른 정렬에서 벗어나 풍력 터빈(722)을 회전시키게 유도하거나 또는 전력 생성을 완전히 중단하게 유도할 수 있다.
일부 실시예에서, DSP(778)는, 풍속의 직접적인 측정보다 터빈(722)에 의해 생성되는 전압에 기초하여, 도 44b 및 도 44c의 지속적인 전력 추출 기술과 펄스 전력 추출 기술 사이에서 전환할 수 있다. 전압과 풍속 이외의 다른 양이 이러한 전력 추출 기술 사이에서의 전환을 위해 이용될 수 있다. 또한, 펄스 전력 추출 기술과 연속적인 전력 추출 기술 사이에서의 전환을 위한 DSP(778)의 결정은, 다르게, 적어도 부분적으로 하나 이상의 연결된 배터리(758)들의 충전 수준 상태에 기초될 수 있다.
일부 실시예에서는, 터빈(722)에 의해 생성된 전압이 임계치보다 낮을 때, 터빈(722)으로부터 어떠한 전기도 획득하지 않는 것은 바람직할 수 있다. 그러나 일 예시에서와 같이, 터빈(722)이 50V보다 낮은 전압만을 생성하도록 풍속이 갖춰진다면 어떠한 전기도 획득하지 않는 것은 바람직할 수 있다. 정확한 임계값이 무엇이든 간에, 전압이 임계치보다 낮도록 풍속이 갖춰진다면 제어 시스템(724)은 터빈(722)의 자유로운 스핀을 허용하도록 프로그래밍될 수 있다. 따라서, 이러한 임계치는 본원에서 자유 스핀 임계치(free spin threshold)로서 언급될 것이다. 또한, 풍속이, 풍력 터빈(722)에 의해 50V를 초과하는 전압을 생성할 수 있도록 증가하지만 풍속이 (도 44c에 대해 전술된 바와 같이) 여전히 낮은 속도로 한정된다면, DSP(778)는 도 44c의 펄스 전력 추출 기술을 이용하도록 프로그래밍될 수 있다. 이와 같은 경우에, 각각의 펄스의 길이는 추출된 전압이 자유 스핀 임계치 아래로 감소할 때까지 이어질 수 있다. 일단 자유 스핀 임계치에 도달되면, 전력 추출의 펄스는, 풍력 터빈이 전력 추출의 다른 펄스에 대해 충분한 속도를 다시 획득하기 위한 기회를 가질 때까지 중단될 것이다.
바로 전술된 문단에 기재된 펄스 전력 추출 기술의 일 설명적인 예시가 보다 나은 개념 이해를 위해 본원에 제공될 것이다. 물론, 이러한 기재는 단지 예시적인 것이며, 기재된 정확한 값은 변경될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 예를 들어, 50V보다 낮은 전압에서 풍력 터빈(722) 자유 스핀을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 자유 스핀 임계치 위로 바람이 다소 증가하는 이러한 경우, DSP(778)는 펄스 방식으로 풍력 터빈(722)으로부터 전력을 추출하도록 프로그래밍될 수 있어서, 각각의 펄스는 자유 스핀 임계치로 또는 그 부근으로 전압을 낮추는데 걸리는 시간 동안 이어진다. 예를 들어, DSP(778)는, 터빈이 최대 60V까지 자유 스핀되게 하고, 이후, 전압이 50V로 떨어질 때까지 지속되는 펄스에서 전력을 추출하고, 이후, 터빈(722)이 60V에 다시 도달할 때까지 다시 자유롭게 스핀되게 하고, 이후, 전압이 50V로 떨어질 때까지 다른 펄스에서 다시 전력을 추출하는 것을 허용할 수 있다. 상한치(이 경우, 60V)는 변할 수 있지만, 도 44c에 대해 전술된 바와 같이 낮은 속도 바람 상태를 정의하는 임계치 전압에 대응할 수 있다. 펄스의 기간 또는 주기는, 풍속 또는 시간의 길이에 영향을 끼치는 다른 인자와 변화와 함께 변할 수 있으며, 이는 자유 스핀 임계치로의 저하를 위해 전압에 대해 취해진다.
다른 실시예에 있어서, 펄스 주기는 고정될 수 있거나 또는 풍속, 배터리 충전 레벨, 전기 부하와 같은 다른 인자 또는 또 다른 인자에 기초하여 변할 수 있다. 고정된 펄스 주기에서, DSP(778)는 PWM 신호를 변경할 수 있기 때문에, 이에 의해 유도되는 전압의 저하와 상관없이 고정된 시간 동안 입력 임피던스를 변경시킬 수 있다.
또 다른 실시예에서, DSP(778)는 풍력 터빈의 자유 스핀을 허용하지 않는 펄스 방식으로 전력을 추출할 수 있다. 이와 같은 경우에, DSP(778)는 교번적으로 풍력 터빈(722)의 임피던스보다 높은 레벨과 낮은 레벨 사이에서 제어 시스템(724)의 입력 임피던스를 변경시킬 수 있다. 낮은 임피던스는 계속해서 0으로 떨어지지 않을 수 있고, 또는 다르게, 풍력 터빈(722)의 자유 스핀을 유도할 수 있다. 대신, 임피던스는 풍력 터빈(722)의 임피던스 아래에 부합되지 않을 때에도 여전히 전기가 생성되게 유도하는 레벨로 떨어질 수 있다. 이러한 실시예는, 0 전력의 간섭 주기에 의해 이격된 일련의 펄스로부터, 0이 아닌, 그러나 (피크에 대해) 감소된 전력의 간섭 주기에 의해 이격된 일련의 펄스로 44c의 그래프를 변경시킬 것이다.
전술된 실시예에 기술된 특정 전자 및 전기 부품은 유사한 기능을 수행하는 다른 전기 부품 및 전자기기로 변경될 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 예를 들어, 본원에 기재된 버크 컨버터는 다른 전환 컨버터 또는 비전환 방식으로 작동하는 다른 컨버터로 대체될 수 있다. 유사하게, 버크 컨버터 또는 다른 형태의 컨버터의 제어는 펄스 폭 모듈레이션 신호를 이용하는 제어로부터 다른 형태의 제어 신호로 변환될 수 있다. 다른 변경 또한 가능하다.
도면에 도시되고 전술하여 기술된 실시예는 단지 예시적인 목적이며, 본 발명의 범주를 제한하려는 의도가 아니고, 본 발명은 등가물의 교시를 포함하는 특허법의 원리 하에서 규정되는 첨부된 청구범위에 의해 규정된다는 것을 이해해야 한다.

Claims (44)

  1. 풍력 터빈이며,
    회전축을 중심으로 회전하도록 회전 부재에 장착되는 복수의 풍력 터빈 블레이드로서, 상기 회전 부재와 상기 블레이드의 각각은 각속도를 갖는, 복수의 풍력 터빈 블레이드와,
    상기 회전축으로부터 외측으로 이격되어 지지되는 복수의 자석으로서, 상기 블레이드의 각속도 이상이며 상기 회전 부재의 각속도를 초과하는 각속도를 가지며, 회전축에 대체로 평행한 방향으로 연장하는 2개의 대향하는 주 표면을 각각 갖는, 복수의 자석과,
    전도성 코일을 포함하며,
    상기 전도성 코일은 상기 자석들 중 적어도 하나의 자석의 상기 주 표면들 중 적어도 하나에 충분히 밀접하게 위치되어, 상기 적어도 하나의 자석의 회전 운동이 상기 코일 내에 전류 흐름을 유도하는
    풍력 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코일은 상기 자석을 양단 지지하고, 상기 코일은 상기 적어도 하나의 자석의 상기 주 표면들 각각에 충분히 밀접하게 위치되고, 상기 코일은 상기 코일 내의 상기 자석의 상기 주 표면 모두에 의해 유도되는 전류 흐름이 부가되도록 구성되는
    풍력 터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 스포크 및 상기 스포크에 의해 지지되는 환형 림을 구비하는 휠을 더 포함하고,
    상기 자석은 상기 림에 장착되는
    풍력 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 상기 스포크에 장착되는
    풍력 터빈.
  5. 풍력 터빈이며,
    회전축을 중심으로 회전하도록 회전 부재에 장착되고, 상기 회전 부재에 인접하는 기단 단부와 말단 단부를 각각 갖는 복수의 풍력 터빈 블레이드와,
    상기 터빈 블레이드의 상기 말단 단부 주위에 연장되는 환형 림으로서, 상기 블레이드의 상기 말단 단부 각각은 상기 림으로부터 결합 해제되어 있는, 환형 림과,
    상기 림에 의해 지지되고, 상기 블레이드의 최대 각속도 이상의 각속도를 갖는 복수의 자석과,
    전도성 코일을 포함하고,
    상기 코일은 상기 자석 중 적어도 하나의 자석에 충분히 밀접하게 위치되어, 상기 적어도 하나의 자석의 회전 운동이 상기 코일 내에 전류의 흐름을 유도하는
    풍력 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    복수의 스포크를 구비한 휠을 더 포함하고, 상기 휠은 상기 림을 포함하고, 상기 림은 상기 스포크에 의해 지지되는
    풍력 터빈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드는 상기 스포크에 장착되는
    풍력 터빈.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 코일은 상기 적어도 하나의 자석의 2개의 대향 측부를 양단 지지하고, 상기 코일 내에서 상기 자석의 양 측부 모두에 의해 유도되는 전류 흐름이 부가되도록 구성되는
    풍력 터빈.
  9. 풍력 터빈이며,
    휠로서, 회전축 주위에 상기 휠을 장착하기 위한 허브, 림, 및 상기 허브에서 상기 림을 지지하는 복수의 스포크를 포함하는, 휠과,
    상기 스포크에 장착되는 복수의 풍력 터빈 블레이드를 포함하고,
    상기 스포크의 제1 그룹은 상기 허브에 있는 제1 세트의 이격된 연결부에서 상기 림 상의 환형 경로를 따라 배열되는 제2 세트의 이격된 연결부로 연장하고,
    스포크의 제2 그룹은 상기 허브에 있는 제3 세트의 이격된 연결부에서 상기 림 상의 상기 환형 경로를 따라 제4 세트의 이격된 연결부로 연장하고,
    상기 제1 세트의 이격된 연결부는 상기 제3 세트의 이격된 연결부로부터 회전축을 따라 이격되고,
    상기 제1 그룹의 스포크는 상기 허브에서 상기 제2 그룹의 스포크로부터 오프셋되는
    풍력 터빈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 휠은 고정자 조립체 내에서 전류 흐름을 유도하기 위한 복수의 자석을 지지하는
    풍력 터빈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 림은 상기 자석을 지지하는
    풍력 터빈.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드의 각각은 가요성 멤브레인을 포함하는
    풍력 터빈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드의 각각은 프레임을 포함하고, 상기 가요성 멤브레인은 상기 프레임에 장착되는
    풍력 터빈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가요성 멤브레인은 직물 시트 또는 중합체 시트를 포함하는
    풍력 터빈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 터빈 블레이드의 적어도 하나는 그의 솔리디티를 조절하도록 구성되는
    풍력 터빈.
  16. 풍력 터빈이며,
    회전축을 중심으로 회전 운동하도록 장착되는 회전 부재와,
    상기 회전 부재에 의해 지지되는 복수의 풍력 터빈 블레이드로서, 상기 블레이드의 각각은 블레이드 루트 및 블레이드 팁을 구비하며 상기 블레이드 팁에서 최대 각속도를 가지며, 상기 블레이드 루트는 상기 회전 부재에 인접하게 위치되고, 상기 블레이드 각각은 가변 받음각을 가지며, 상기 받음각은 상기 블레이드 루트에서 상기 블레이드 팁으로 감소되는, 복수의 풍력 터빈 블레이드와,
    상기 회전 부재로부터 외측으로 이격되어 지지되는 복수의 자석으로서, 상기 자석이 블레이드의 최대 각속도 이상의 각속도를 갖도록 위치되는 복수의 자석과,
    전도성 코일을 포함하고,
    상기 코일은 상기 자석의 회전 운동이 상기 코일 내에 전류 흐름을 유도하도록 상기 자석 중 적어도 하나에 충분히 밀접하게 위치되는
    풍력 터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 블레이드의 각각은 비대칭 단면을 갖는
    풍력 터빈.
  18. 제16항에 있어서,
    베이스를 더 포함하고, 상기 회전 부재는 다른 회전축을 중심으로 상기 베이스 주위를 회전 운동하도록 장착되는
    풍력 터빈.
  19. 풍력 터빈이며,
    회전축을 갖는 회전 부재와,
    상기 부재에 의해 상기 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 지지되는 복수의 풍력 터빈 블레이드로서, 상기 블레이드의 각각은 직물 시트 또는 중합체 시트로 형성되는 맞바람 표면을 갖는, 복수의 풍력 터빈 블레이드와,
    상기 회전축 및 상기 회전 부재로부터 외측으로 이격되어 지지되는 복수의 자석과,
    전도성 코일을 포함하고,
    상기 코일은 상기 자석의 회전 이동이 상기 코일 내에서 전류 흐름을 유도하도록 상기 자석 중 적어도 하나에 충분히 밀접하게 위치되는
    풍력 터빈.
  20. 제19항에 있어서,
    복수의 스포크 및 상기 스포크에 의해 지지되는 환형 림을 구비하는 휠을 더 포함하고, 상기 터빈 블레이드는 상기 스포크에 장착되는
    풍력 터빈.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 자석은 상기 림에 장착되는
    풍력 터빈.
  22. 풍력 터빈이며,
    회전축을 가지며, 복수의 반경방향으로 연장하는 아암을 갖는 회전 부재와,
    상기 아암에 의해 지지되는 복수의 풍력 터빈 블레이드를 포함하고,
    상기 블레이드의 각각은 가요성 커플러에 의해 상기 아암에 의해 지지되고,
    상기 블레이드는 선택된 최대 풍속을 초과하는 풍속을 갖는 바람에 반응하여 상기 회전축에 대체로 평행한 방향으로 이동하는
    풍력 터빈.
  23. 제22항에 있어서,
    복수의 자석을 더 포함하고,
    상기 자석은 블레이드의 각속도 이상의 각속도를 갖도록 회전축으로부터 외측으로 이격되어 지지되는
    풍력 터빈.
  24. 제23항에 있어서,
    전도성 코일을 더 포함하고,
    상기 코일은 상기 블레이드의 상기 팁으로부터 외측에 또는 상기 팁에 위치되고,
    상기 자석의 회전 운동이 상기 코일 내에 전류 흐름을 유도하도록, 상기 코일은 상기 자석 중 적어도 하나에 충분히 밀접하게 위치되는
    풍력 터빈.
  25. 풍력 터빈이며,
    회전축을 중심으로 회전 운동하도록 장착되고, 외부 주연부를 갖는 복수의 풍력 터빈 블레이드와,
    베이스를 포함하고,
    상기 터빈 블레이드는 상기 베이스에 대해 다른 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 장착되고,
    상기 풍력 터빈은 상기 터빈 블레이드의 외부 주연부 너머로부터의 바람을 동력원으로 이용하고 상기 터빈 블레이드 내로 유도하도록 구성되는
    풍력 터빈.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 블레이드 팁 주위에 연장하는 공기 수집기를 더 포함하고,
    상기 수집기는 상기 터빈 블레이드 내로 공기를 유도하기 위해 바람이 불어오는 방향에서 상기 블레이드 팁으로부터 반경방향 외측으로부터 연장하는 원뿔형 표면을 갖는
    풍력 터빈.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 원뿔형 표면은 상기 회전축에 대해 약 60°의 외향 각도에서 연장하는
    풍력 터빈.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 수집기는 상기 원뿔형 표면으로부터 외측으로 그리고 바람이 가려지는 방향으로 연장하는 연장 부분을 더 포함하고,
    상기 연장 부분은 상기 원뿔형 표면과 함께 정점을 형성하는
    풍력 터빈.
  29. 풍력 터빈 블레이드이며,
    프레임과,
    상기 프레임 사이에서 연장하며, 가요성 멤브레인으로 형성되는 웨브를 포함하는
    풍력 터빈 블레이드.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 웨브는 사전 선택된 풍속에 반응하여 블레이드의 솔리디티를 감소시키도록 구성되는
    풍력 터빈 블레이드.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 웨브는 상기 프레임의 일 부분 사이에서 연장하는 제1 웨브와, 상기 프레임의 다른 부분 사이에서 연장하는 제2 웨브를 포함하고,
    상기 제1 웨브는 상기 제2 웨브와 실질적으로 연속적이어서, 함께 상기 블레이드의 실질적으로 연속적인 맞바람 표면을 형성하고,
    상기 제2 웨브는 가요성 멤브레인으로 형성되고,
    상기 제2 웨브가 상기 제1 웨브와 상기 제2 웨브 사이에 개방부를 형성할 수 있게 하는 방식으로, 상기 제2 웨브는 상기 프레임에 장착되는
    풍력 터빈 블레이드.
  32. 바람으로부터 전기를 발생시키기 위한 시스템이며.
    축을 중심으로 회전하도록 구성되어 출력 전압을 생성하는 복수의 블레이드를 구비하며 전기 임피던스를 갖는 풍력 터빈과,
    상기 풍력 터빈용 제어 보조시스템을 포함하고,
    상기 제어 보조시스템은 제어기에 의해 제어되는 가변 임피던스를 가지며,
    상기 제어기는 상기 풍력 터빈의 상기 전기 임피던스의 위와 아래인 레벨들 사이에서 상기 제어 보조시스템의 상기 가변 임피던스를 변경함으로써 펄스 방식으로 상기 풍력 터빈으로부터 전력을 추출하도록 구성되는
    전기 발생 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제어 보조시스템의 상기 임피던스를 상기 풍력 터빈의 상기 전기 임피던스와 부합시키도록 추가로 구성되어, 전력은 풍속이 임계치 풍속 미만인 상태에서 비펄스 방식으로 추출되는
    전기 발생 시스템.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 제어기는 상위 임계치 전압 및 하위 임계치 전압을 저장하고,
    상기 제어기는 상기 상위 임계치 전압 및 하위 임계치 전압에 도달하는 상기 풍력 터빈의 상기 출력 전압을 기초로 상기 제어 보조시스템의 상기 가변 임피던스를 변경하고,
    상기 하위 임계치 전압은 상기 풍력 터빈이 자유롭게 회전하도록 설계되는 풍속 미만의 풍속에 대응하는
    전기 발생 시스템.
  35. 제32항에 있어서,
    풍향을 결정하기 위한 제1 센서와,
    풍속을 결정하기 위한 제2 센서와,
    상기 축의 배향을 변경하도록 구성되는 모터를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 제1 센서 및 제2 센서와 통신하고,
    상기 제어기는 풍속이 설정 풍속 미만일 때 상기 축이 풍향과 정렬되도록 상기 모터를 작동시키도록 구성되고,
    상기 제어기는 풍속이 상기 설정 풍속을 초과할 때 상기 축이 풍향과 오정렬되도록 상기 모터를 작동시키도록 추가로 구성되는
    전기 발생 시스템.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 전압 출력을 측정하기 위한 전압 센서와,
    상기 풍력 터빈 전압 출력과 전기적으로 소통하고, 상기 풍력 터빈 전압 출력의 전압 레벨을 감소시키도록 구성되는 버크 컨버터와,
    직류 전류를 교류 전류로 전환하도록 구성되는 인버터와,
    상기 인버터로부터의 출력 또는 전기 에너지의 유틸리티 공급 소스를 분배 패널에 선택적으로 결합시키도록 구성되는 전환 스위치와,
    배터리를 포함하고,
    상기 제어기는 상기 배터리의 충전 레벨을 모니터링하도록 구성되고, 상기 배터리의 상기 충전 레벨이 충전 임계치 아래로 떨어지고 상기 출력 전압이 전압 임계치 아래로 떨어지면 상기 분배 패널에 전기 에너지의 범용 공급 소스를 결합시키도록 상기 전환 스위치를 절환하게 구성되는
    전기 발생 시스템.
  37. 바람으로부터 전기를 발생시키기 위한 시스템이며,
    축을 중심으로 회전하도록 구성되어 출력 전압을 발생시키도록 구성되는 복수의 블레이드를 구비한 풍력 터빈과,
    상기 풍력 터빈용 제어 보조시스템을 포함하고,
    상기 제어 보조시스템은 풍속이 풍속 임계치 미만일 때 실질적으로 연속적인 방식으로 상기 풍력 터빈으로부터 전력을 추출하도록 구성되고,
    상기 제어 보조시스템은 풍속이 상기 풍속 임계치를 초과할 때 펄스 방식으로 상기 풍력 터빈으로부터 전력을 추출하도록 구성되는
    전기 발생 시스템.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제어 보조시스템은 펄스 방식으로 상기 제어 보조시스템으로의 입력 임피던스를 변화시킴으로써 펄스 방식으로 상기 풍력 터빈으로부터 전력을 추출하도록 구성되는 제어기를 포함하는
    전기 발생 시스템.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 제어기는 적어도 하나의 버크 컨버터를 제어하는 펄스 폭 변조된 제어 신호의 듀티 사이클을 변화시킴으로써 상기 제어 보조시스템으로의 입력 임피던스를 변경하는
    전기 발생 시스템.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 제어 보조시스템 내로의 상기 입력 임피던스를 상기 풍력 터빈의 임피던스에 매칭시킴으로써 상기 실질적으로 연속적인 방식으로 상기 풍력 터빈으로부터 전력을 추출하도록 구성되는
    전기 발생 시스템.
  41. 제38항에 있어서,
    상기 제어기는 상위 임계치 전압 및 하위 임계치 전압을 저장하고,
    상기 제어기는 상기 상위 임계치 전압 및 하위 임계치 전압에 도달하는 상기 풍력 터빈의 상기 출력 전압을 기초로 상기 제어 보조시스템의 상기 입력 임피던스를 변경하고,
    상기 하위 임계치 전압은 상기 풍력 터빈이 자유롭게 회전하도록 설계되는 풍속 미만의 풍속에 대응하는
    전기 발생 시스템.
  42. 축을 중심으로 회전하도록 구성되는 복수의 블레이드를 갖는 풍력 터빈용 제어 시스템이며,
    풍향을 결정하기 위한 제1 센서와,
    풍속을 결정하기 위한 제2 센서와,
    상기 축의 배향을 변경하도록 구성되는 모터와,
    상기 제1 센서 및 제2 센서와 통신하도록 구성되는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는 풍속이 임계치 미만일 때 상기 축이 풍향과 정렬되도록 상기 모터를 작동하게 구성되고,
    상기 제어기는 풍속이 임계치를 초과할 때 상기 축이 풍향과 오정렬되도록 상기 모터를 작동하게 추가로 구성되는
    풍력 터빈용 제어 시스템.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 제어기는 풍속이 상기 임계치 위로 증가함에 따라 축과 풍향의 오정렬 양이 증가하도록 상기 모터를 작동하게 추가로 구성되는
    풍력 터빈용 제어 시스템.
  44. 제42항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 주택 또는 건물 내의 적어도 하나의 회선에 전력을 공급하도록 구성되는 분배 패널에 전기적으로 결합되는
    풍력 터빈용 제어 시스템.
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