KR20120103211A - 코리올리효과가 고려된 가스의 풍력발전시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 수직방향으로 흐르는 가스의 운동에너지를 이용하여 전기를 발생시키기 위한 풍력발전시스템에 관한 것으로, 굴뚝의 경로상 또는 끝에 굴뚝과 연결되고 지지하기위한 연결몸체와; 상기 연결몸체 내에 설치되며, 가스의 흐름방향에 직면하도록 배치된 하나 또는 그 이상의 회전 임펠러와; 상기 회전임펠러에 결합된 회전축과; 회전축으로부터 회전력을 전달받은 후 그 회전력을 전달하는 전달장치 및 상기 전달장치에 결합되어 전달된 회전력을 제공하는 변환구동 기어부와; 상기 전환된 회전력으로부터 전자기 유도에 의한 기전력을 발생시키는 발전부; 및 발생된 전기를 기존 계통에 연계시키기 위한 계통연계시스템을 포함하는 구성을 그 기술적인 구성상의 특징으로 한다.
본 고안에 의하면, 굴뚝내에서 배가스의 흐름 즉 운동에너지를 이용하여 굴뚝 경로상 또는 끝에서 전기를 생산함으로써 추가적인 에너지원의 소비없이 발전플랜트의 발전효율의 증가를 가져올 수 있어 온실가스 저감효과도 있고, 거의 풍량이 일정하게 흐르는 배가스의 특징에 따라 매우 안정적인 발전을 할 수 있으며, 또한 연속적으로 발전이 되므로 축전시스템이 필요치 않으며, 배가스의 방향이 일정하므로 기존 풍력발전시스템에 필요한 Yaw system(바람의 방향에 따라 풍력터빈의 방향을 바꾸어 주는 시스템)이 필요치 않다, 또한 축방향으로 일정한 속도의 배가스흐름이지만, 수직방향으로 배가스가 흐를때 생기는 코리올리 효과로 회전되면서 실제 좀더 빠른 속도로 흐르게 되므로 임펠러의 형상에 따라 동일한 면적에 동일한 양의 바람이 임렐러에 수직방향으로 흐르더라도 기존 수평 풍력발전에서 얻을 수 있는 것보다는 더 큰 발전량을 얻을 수 있다. 또한 1년중 Plant가 운전되는 동안 일정하게 발전되므로 기존 풍력발전 시스템의 단점인 계통연계도 상대적으로 쉬우며, 굴뚝 내에 또는 끝에 설치되므로 기존 풍력발전소가 가지는 부지문제도 거의 없다.
본 고안에 따르면 수직으로 세워진 굴뚝을 여러개 병렬로 설치하고 각각의 굴뚝 내부에 코리올리효과만을 이용하는 풍력발전시스템을 설치하면 계속적인 에너지의 소비없이도 대용량의 발전이 가능하다.
즉 본 특허의 주요 내용인 코리올리 효과에 의해 지구가 공급해주는 에너지가 있기 때문에 사람이 공급해준 에너지보다 더 많은 에너지를 회수할 수 있다.

Description

코리올리효과가 고려된 가스의 풍력발전시스템{Wind Power Plant System using Gases with coriolis effect}

풍력발전, 신재생에너지.

지구의 자전으로 인해 지축에 수직한 방향으로 흐르는 바람은 회전하게 되며 이를 코리올리 효과라 한다.실제로 태풍이 코리올리 힘을 받지는 않지만, 지구의 자전으로 인해 그러한 힘을 받는 것과 같은 거동을 가진다. 어떤 시스템에서 이러한 힘(코리올리 효과)을 이용할 수 있다면 지구의 자전에 의한 이 에너지는 태양에너지처럼 무한하다고 할 수 있다.

풍력발전은 신.재생에너지의 한 종류로서 지구 온난화 방지라는 관점에서 CO₂를 배출하지 않는 에너지원으로 최근 관심이 높아지고 있다. 특히 바람의 힘을 회전력으로 전환시켜 발생하는 유도전기를 전력계통이나 수요자에게 공급하는 발전시스템이기 때문에 기존 화력발전이나 열병합발전과는 달리 추가적인 에너지가 소모되지 않는 장점이 있다. 그러나 풍력발전을 하기위해서는 일정한 양 이상의 바람이 일정한 방향으로 지속적으로 불어주어야 하며, 태풍같이 과량의 바람은 풍력발전장치에 치명적이기 때문에 가능한 일정한 양의 바람이 부는 곳을 측정하여 풍력발전시스템을 설치하는 실정이다.

폐기물에너지는 폐기물이 가진 에너지를 활용하여 열, 전기 및 연료로 이용하는 것으로 고형연료화, 유화, 가스화 소각열 이용 등의 기술로 이루어진다. 배가스를 폐기물이라는 관점에서 보면 폐기물로서의 배가스가 가진 운동에너지를 활용하여 전기에너지를 얻는 것이라 표현할 수 있다.

일반적인 풍력발전시스템이 가지는 문제점으로 바람이 일정한 양이 지속적으로 불지 않고, 일정한 방향으로 불지 않으며, 설치를 위해서는 별도의 부지가 필요로 하다. 또한 위와 같은 문제점으로 인해 지속적인 발전이 되지않고, 사용시 필요한 전력이 나오지 않는 경우도 있어 축전지의 설치가 요구되며, 기존 계통에 연계하는 문제 또한 어려움에 속한다.

소각로, 대규모 에너지 소비 산업플랜트 또는 특히 발전플랜트에서 연소 또는 발전 후 대기로 흘러나가는 배가스는 일반적인 바람과 같이 운동에너지를 가지고 있지만, 그동안은 이러한 배가스가 가지는 운동에너지에 대한 관심이 적어 거의 유용하게 사용되지 않았다.

본 고안은 신재생에너지(풍력) 기술에 해당하며, 고유가로 인한 에너지 전쟁에 대비 및 온실가스 감축을 그 목적으로 한다. 특히 우리나라의 경우 소각로나, 화석연료의 소비가 많은 발전소 및 화학공장에서 일정량의 배가스가 배출되고 있다. 본 고안에 따르면 이러한 배가스의 흐름을 이용하여 안정적인 풍력 발전이 가능하다.

1. 일정한 바람이 불 것

풍력발전을 위해서는 바람의 풍속이 약 0.5~2m/s 이상이 되어야 발전이 가능하다. 효과적인 발전을 위해서는 10~20m/s의 바람이 필요하며, 50-60 m/s이상의 바람에서는 풍력발전장치에 무리가 가기 때문에 감속기 등을 사용한다. 풍력발전기의 이상적인 발전조건으로 풍력발전이 가능한 양의 바람이 계속해서 한방향으로 일정하게 흐르는 것을 들 수 있다. 이러한 조건은 현실적으로 불가능하기 때문에 바람의 양과 세기 방향의 변화 등에 대처하기 위해 요 제어 시스템(yaw control system), 피치 콘트롤, 회전속도 조절 등 여러 가지 기술들을 개발하고 있고, 풍향경 조사 등 최적의 설치 장소를 찾기 위해 많은 시간과 노력을 기울이고 있다.

2. 고장부위가 적을 것

발전량이 일정하지 않다면 역송전 및 수요처에서의 변동등 여러가지 문제가 발생되므로 바람속도의 변화에도 불구하고 일정한 발전량을 얻기 위해 감속 또는 가속이 동반되어야 한다. 따라서 풍력발전장치는 어느 정도의 감속 또는 가속이 항상 필요하기 때문에 이러한 구동부위의 고장이 잦은 편이다. 이러한 문제를 해결하기위해서는 구동부위의 고장이 가능한 적게 하는 기술을 개발하던가 바람이 일정하게 불도록 하여야 한다. 예를 들면 바람의 방향에 따라 발전기의 방향을 돌려주거나 바람의 방향과 수직으로 회전되도록 하여, 발전기의 입장에서 바람의 방향이 일정하거나 방향과 상관없이 일정하게 발전되도록 해주는 기술이 그 중 하나이다. 위에서 언급한 가속기나 감속기도 바람의 양과 속도의 변화에도 불구하고 발전기의 입장에서 바람이 일정하게 부는 것과 같은 효과(일정하게 발전)를 얻기 위해 사용되는 기술이라고 할 수 있다. 그러나 이러한 기술들 자체가 기존 화력발전이나 수력발전과 비교해 볼 때 터빈 자체의 방향을 움직여야 하는 등 구동부위가 상대적으로 많을 수밖에 없어, 그만큼 고장부위가 많아 질 수밖에 없는 것이 현실이다.

3. 지지체의 설계 및 설치

풍력발전기는 상대적으로 바람이 많이 불 수 있고, 블레이드가 회전할 수 있는 높은 위치에 설치가 되는 것이 대부분이기 때문에 발전용량이 큰 경우 자체무게로 인한 특별한 지지체의 설계가 필요하다. 또한 설치 및 유지보수도 고려하여야 하므로 풍력발전기를 설치하기에는 무게나 수리방법 등 여러 가지 제약이 따르게 된다.

예를 들어 산중턱에 있는 풍력터빈이 고장이 나는 경우 이를 수리하기 위한 교통 및 관련 유지보수 방안도 미리 검토 및 대비가 되어 있어야 한다.

4. 회전체의 단면적

바람의 힘을 전달받는 회전체의 단면적에 대해서 기존 풍력발전의 경우 회전체의 바깥쪽에 흐르는 바람은 일부 안쪽의 바람이 회전체를 타고 바깥으로 나오기 때문에 바깥쪽 바람이 가진 에너지를 전부 회전력으로 전달하지는 못한다. 즉 블레이드 회전원이 이루는 단면적으로 불어오는 바람의 전부가 회전력을 공급하지는 못한다. 수직형 풍력발전기의 경우 회전축에 대해 한쪽 방향으로 부는 바람은 발전에 사용되지만, 회전축의 다른쪽 방향으로 부는 바람은 오히려 회전을 방해하는 역할을 한다.

5. 재질선정

풍력발전은 바람을 이용하기 때문에 발전장치 특히 회전체의 재질 선정은 온도변화, 눈, 비에 대한 고려가 있지만 배가스는 그 구성이 매우 다양하고,화학적 성질도 매우 다르기 때문에 본 고안과 같이 배가스를 이용한 풍력발전의 경우에는 추가적으로 각각 배가스의 특성에 맞는 회전체 등의 재질선정이 필요하다.

6. 마찰이 균일 및 적을 것

일반적인 풍력발전시스템은 지구 중력에 의한 힘을 받기 때문에 무게에 따른 아래쪽의 마찰에 의한 손상은 필연적이다. 특히 블레이드의 회전축이나 요잉 시스템에 설치된 베아링 등이 마찰력을 줄여 이러한 손상을 줄이기 위한 장치라 할 수 있다. 그러나 지구 중력에 의한 손상되는 부분은 회전체의 아래쪽, 또는 타위를 기준으로 할 때 풍력발전기의 전단에는 무게의 대부분을 차지하는 블레이드가 있지만, 후단에는 발전기 정도로 전후단의 무게차이에 의한 요잉시스템 베아링에 균일하지 않는 힘이 작용된다. 이러한 마찰의 불균일은 풍력발전시스템이 장기간 사용되어질 때 고장의 원인이 된다.

7. 코리올리 효과를 고려할 것

일반적인 풍력발전시스템은 수평으로 흐르는 바람에 의한 운동에너지만을 고려하여 설계되어 있다. 그러나 수직으로 흐르는 배가스의 경우는 코리올리효과로 인해 회전하게 된다. 즉 지상에서 수직으로 일정한 속도로 상승하는 배가스의 경우 코리올리효과에 의해 회전하게 되며, 실제 상승속도는 일정하다고 해도 회전에 의해 실제 속도는 더 빨라지게 된다. 또한 코리올리에 의해 배가스가 회전하는 방향은 남반구와 북반구가 반대방향이기 때문에 블레이드의 회전방향도 남반구와 북반구가 달라야 한다.

8. 소음 등 환경오염이 적을 것

일반적인 풍력발전시스템은 풍량, 소음 등의 환경적인 문제로 인해 주거지역 근처에 설치되지 않고 있다. 또한 이로 인해 주거지역으로 부터 먼거리에 설치하게되어 유지보수 및 설치비용 등이 추가로 증가하게 된다. 또한 여러 구동부위로 인한 소음이 발생되기때문에 소음을 저감시키기위한 여러가지 연구가 추가적으로 필요하다.

9. 기존 시스템과의 연계

풍력발전시스템은 바닷가나 해상, 산위 또는 거주지역과 먼곳에 설치되는 것이 일반적이다. 또한 풍력에너지 자체가 항상 균일하지않기 때문에 풍력발전에만 의지하는 경우 축전설비 등이 필요하며, 기존 시스템과 연계할 경우에도 일정하게 발전되지 않는 특성을 고려하여야 하기때문에 어려움이 있다.

10. 회전력을 증가시킬 것

일반적인 풍력발전시스템에서는 회전력을 증가시키기 위해 회전블레이드의 반경을 증가시키고 있다. 그러나 이러한 방법은 지지체의 높이를 증가시키는 등의 문제를 동반한다.

11. 여러 개의 풍력발전 시스템을 병렬로 연결가능할 것

사용되는 가스가 배가스라면 stack의 경우에만 직렬로 연결 사용이 가능하다.

특히 상기 언급된 풍력발전 시스템은 회전반경이 stack의 직경이라는 한계가 있어 대규모 발전을 위해서는 추가적인 기술개발이 요구된다.

1. 일정한 바람이 불 것

본 고안에서는 풍력발전이 가능한 속도를 가진 가스가 일정한 양 및 수직의 일정한 방향으로 흐르는 발전소나 화학공장 또는 소각로 등 플랜트의 배기가스관 내부 또는 끝에 풍력발전기의 위치를 선정함으로써, 상기 기술한 여러 가지의 기술개발문제, 풍환경조사를 통한 위치선정 등 여러 가지 수펴으로 바람이 흐르는 풍력발전기가 가진 근본적인 단점을 해소할 수 있도록 하였다.

예를 들어 발전소의 stack을 지나가는 배가스의 속도는 10~20 m/s 정도로 거의 일정하게 흐르기 때문에 안정적인 발전이 가능하며, 감속기 또는 가속기의 사용도 그만큼 적어진다.

2. 고장부위가 적을 것

본 고안에서는 기존 풍력발전장치가 가진 문제점 가운데 근본적인 문제인 "바람이 일정하지 않다"라는 문제를 해결하고, 기존 화력이나 수력발전기처럼 발전기를 일정한 방향으로 고정함으로써 바람의 방향 변화에 따른 구동부위가 필요없어지므로 고장부위를 상대적으로 줄일 수 있다. 또한 일반적인 바람에 비해 대부분의 플랜트 배가스는 속도의 변화가 거의 없기 때문에 감속기나 가속기가 운전되는 경우가 거의 없고, 그만큼 구동부위가 적어져 고장부위가 적어진다.

3. 지지체의 설계 및 설치

본 고안에서는 배가스가 흐르는 굴뚝에 풍력발전기를 설치함으로써 배가스가 흐르는 어느 곳이나 일정한 속도로 일정한 양으로 흐르기 때문에 별도의 장소에 설치할 필요가 없으며 바다 위나, 산정상 등에 비해 유지보수가 상대적으로 편리한 곳에 설치가 가능해져 그 위치나 설계를 위한 많은 제약이 감소된다. 또한 구동부위 등이 적어져 무게가 감소하므로 지지체의 설계 및 설치에도 유리하다.

4. 회전체의 단면적

본 고안에서는 배가스를 이용한 풍력발전기로 유입되는 부분의 내부 모양을 일부 변경함으로써 풍력발전기로 유입되는 바람의 에너지를 가능한 많이 회전력으로 전달할 수 있다. 이것이 가능한 이유는 가스의 흐르는 방향을 발전이 가능한 한도내에서 자유로이 변경이 가능하기 때문이다. 예를 들어 배가스가 회전체와 접촉하기전 연결몸체의 내경을 일부 축소시키면 배가스의 흐르는 속도도 빨라지고, 대다수의 배가스가 가진 운동에너지를 회전체에 공급이 가능하다.

5. 재질선정

플랜트마다 다른 재질이 사용될 수는 있겠지만, 기존 공정에서 배가스와 접촉되는 부분에 사용되던 재질을 이용하여 회전체를 제작하거나, 내식성을 갖는 물질로 코팅하는 방법 등으로 여러 종류의 배가스에 적절한 회전체의 재질을 선정할 수 있다.

6. 마찰이 균일 및 적을 것

기준의 풍력발전 시스템은 수평으로 불어오는 바람의 방향에 따라 회전하여야 하므로 요시스템에 마찰이 수직방향으로 불균일하게 생기지만 본 고안에서는 요시스템 자체가 필요없다. 단 기존에 요시스템이 담당하였던 회전블레이드와 발전기 몸체에 대한 무게는 수직형으로 만들었기 때문에 전체적으로 차이없이 균일하게 담당할 수 있다. 특히 아래에서 위로 올라가는 배가스의 영향으로 회전블레이드에 추력이 작용하고 이로 말미암아 실제로 약간의 무게가 감소하는 효과를 얻을 수 있어 마찰에 의한 손상이 줄어든다.

또한 블레이드가 수평으로 놓여지므로 자석을 이용하여 아래에서는 척력을, 위쪽에서는 인력을 받을 수 있도록 자석을 지지대에 설치하면 추가적으로 전자기력에 의한 무게 감소의 효과를 얻을 수 있어 마찰에 의한 에너지 손실을 줄일 수 있다.

7. 코리올리 효과를 고려할 것

지구 표면에 수직으로 흐르는 가스의 흐름은 코리올리효과로 인해 회전하면서 속도가 빨라지므로 블레이드와 배가스가 충돌하는 면의 각도 및 블레이드의 형상에 따라 가스의 속도차에 의해 생기는 부력뿐만 아니라 충격력도 얻을 수 있어 수평으로만 흐르는 가스의 흐름에 비해 보다 많은 풍력발전을 할 수 있다.

굴뚝내에 수직방향으로 상승속도만 유지할 수 있도록 본 고안의 풍력발전시스템들을 설치하면, 코리올리 효과에 증가된 효과만큼만의 여러번 발전이 가능하다.

8. 소음 등 환경오염이 적을 것

구동부위가 기존 풍력발전에 비해 적어지고, 설치위치가 발전소, 또는 소각로, 또는 화학공장 등 산업설비에 포함되어 있으므로 똑같은 크기의 소음이 발생하여도 이로 인한 사람에게 미치는 환경오염은 적어진다.

또한 설치위치도 바람이 많이 부는 곳이 아니라, 타 설비 내에 포함되어 있으므로 상대적으로 거의 시공을 위한 환경파괴도 없으며, 설치 후에도 조류나, 비행기 등의 타분야에 미치는 영향 역시 상대적으로 적다.

9. 기존 시스템과의 연계

기존 공장의 굴뚝에 설치되면 타 풍력시스템처럼 장거리에 이르도록 전력선을 연결하지 않아도 되고, 발전소에서의 경우 일정하게 지속적으로 발전이 되므로 기존시스템과 축전 시스템이 필요없이 바로 연결하여 발전효율을 높이는 것도 가능하다. 또한 기존의 굴뚝에 설치하므로 별도의 tower를 건설하지 않아도 된다.

그리고 기존의 풍력발전시스템은 바람의 변동에 의한 보호/제어장치가 필요하지만, 거의 일정하게 배가스가 흐르므로 발전시스템의 보호/제어 장치가 간단해 질 수 있다.

10. 회전력을 증가시킬 것

환형으로 회전블레이드의 바깥쪽에 띠(roof or ring)를 만들면 회전체의 질량 증가의 효과 및 회선관성의 증가로 인하여 토오크가 증가하여 발전효율을 증가시킬 수 있다. 또한 이러한 방법은 나아가 외부의 띠를 발전부의 회전자로 그 외부를 발전부의 고정자로 사용할 수 있도록 만들 경우 gearless type의 배가스 풍력발전장치도 만들 수 있다.

11. 여러 개의 풍력발전 시스템을 병렬로 연결가능할 것

배가스가 아닌 대상 기체가 일반적인 기체이고, 아래쪽에 필요한 바람을 공급해 주는 fan이 설치된 stack을 여러개 병렬로 연결하고, 각각의 팬에 기체를 공급해 주기위해 내려오는 관을 공통으로 또는 각각 설치하고, 상승 또는 하강하는 가스의 흐름 내에서 코리올리에 의한 힘을 이용한 발전만 계속한다면, 초기에 fan을 돌리기 위한 전기 외에는 더 이상의 필요한 에너지 소모가 없이 계속적인 대용량의 발전이 가능하다.

본 고안에 의하면, 배가스라인상의 가스흐름 즉 배가스의 압력과 속도를 이용하여 배가스 배관상에서 전기를 생산함으로써 발전소나 배가스가 발생되는 여러 종류의 공장에서 보조전원 등의 용도로 활용할 수 있는 유용함을 제공할 뿐만아니라, 발전소의 발전효율을 높여 온실가스배출량을 저감시킬 수 있고, 배가스가 가진 운동에너지를 전기에너지로 회수하는 것이므로 폐기물에너지 활용 차원에서도 타 폐기물을 이용한 에너지기술에 비해 공정상으로는 매우 간단하다. 또한 본 고안에 의하면, 발전소나 화학공장 또는 소각장에서는 거의 일정한 유량의 배가스가 발생되기 때문에 기존 풍력발전장치가 가진 대표적인 문제점인 바람의 방향과 양이 일정하지 않아 바람이 없을 때를 대비한 축전기를 추가하거나, 바람이 매우 많을 때 회전속도를 일정하게 유지시키기 위한 감속기의 설치 등의 단점들도 제거되어 기존 풍력발전장치에 비해 간단한 구조가 가능하며, 안정적인 발전이 가능하다. 풍력발전장치의 무게에 대한 설계만 추가하면 지지체는 기존에 있던 굴뚝을 사용가능하므로 추가적인 지지체는 필요없다. 터빈의 지지부를 이용하여 굴뚝의 내경을 조절하여 배가스를 일정하게 모음으로써 기존 풍력발전에 비해 단면적 대비 운동에너지를 더 많이 사용가능하며, 보다 효율적인 이용이 가능하다. 또한 기존에 사용되던 재질을 회전체의 재질로 사용하기 때문에 여러 종류의 배가스에 따라 적절한 풍력발전장치를 제작할 수 있다.

또한 병렬로 연결할 경우 대용량의 풍력발전단지를 상대적으로 좁은 공간에 만들 수 있다.

도 1은 본 고안의 한 실시 예에 의한 배가스 풍력발전시스템의 설치예이다.
굴뚝의 제일 위에 있는 터빈 1은 코리올리에 의한 에너지와 배가스의 운동에너지를 함께 이용할 수 있도록 고안된 것이며, 아래의 두 터빈들(turbine2 &3)은 코리올리에 의한 에너지만 이용하며 외부에 띠를 만들어 터빈의 회전관성을 증가시켜 발전효율을 높인 것이다. 특히 제일 아래의 Turbine3은 띠 대신에 발전부의 회전자와 외부에 발전부의 고정자를 설치한 것으로 gearless type의 배가스 풍력장치이다. 이러한 조합은 필요와 현장의 환경에 따라 여러가지로 조합할 수 있다.
도2는 turbine 1의 확대된 그림이고,
도3는 turbine 2의 확대된 그림으로서 회전력의 증가 및 유입되는 가스의 속도를 빠르게 함으로써 발전효율을 증가시키기 위한 것이다.
도4는 turbine 3의 확대된 그림으로서 기어에 의한 에너지 손실이 없도록 한 gearless type이다.
도 5는 바람에 의해 터빈 블레이드가 받는 힘의 종류를 각기 그 방향에 따라 나타낸 그림으로 바람의 방향에 따라. 뒤로 밀리는 추력과 날개 형상에 따르는 양력 및 회전력(토크) 그리고 날개의 회전방향등이 나타나 있다.
도 6은 일반적인 수평으로 부는 바람에 의한 풍력발전시스템으로서 요우잉 회전축 Z를 기준으로 X 축 방향은 날개와 나셀의 무게차에 의한 요우잉 시스템에 위치별 중력에 의한 마찰력의 차이를 나타내고 있다.
그러나 도 7은 수직축으로 터빈을 세울 경우 이러한 요우잉 시스템이 필요없음과, 회전축 Z를 기준으로 X축 방향의 위치별 받는 힘의 차이도 없음을 나타내고 있다.
도 8은 본 특허의 이론적 배경이 되는 것으로 지구상에서 수직 방향으로 상승하는 유체는 지구의 코리올리 효과에 의해 회전함을 보여주고 있다.
도 9와 도 10은 회전하는 막대(블레이드)와 띠의 회전관성을 나타낸 것으로 같은 조건일 경우 띠가 막대에 비해 3배의 회전력을 가짐을 나타내고 있다.
도 11은 일반적인 기체를 이용하여 발전하는 경우 stack을 병렬로 연결하여 대용량의 발전이 가능토록 한 것이다. 이때 풍력터빈의 출력 일부는 아래의 fan이 돌아가는 기본적인 동력으로 소모되어야 한다. 특히 외부의 기체가 아닌 올라갔던 기체를 다시 내려오도록 배관이 구성되어 있다면, 상기 도3 또는 도 4와 같이 코리올리에 의한 힘만을 발전에 사용하는 것이 효과적이다. 이렇게 하면 stack 또는 배관에서 수직방향으로 손실되는 에너지만큼만 기체에 공급해 주면 계속적인 발전이 가능하며, 외부에 영향을 주거나 받는 것이 없이 지구의 자전에 의한 코리올리 효과만으로도 대용량의 발전이 가능하다.

본 고안은 기체의 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 얻기위한 가스 이용 풍력발전장치에 관한 것으로 기체가 수직으로 흐르는 가스관의 중간 또는 대기로 배출되기 직전의 최종 후단 부분에 연결하기위한 연결몸체와; 상기 연결몸체 내에 설치되며, 기체의 흐름을 이용하여 회전할 수 있도록 만든 회전체와; 상기 회전체의 회전운동을 이용하여 전자기 유도에 의한 유도기전력을 발생시키는 발전부를 포함하는 구성을 그 기술적인 구성상의 특징으로 한다. 다만 회전체의 회전운동을 이용하는 방법에는 직접적인 회전축의 회전운동뿐만 아니라, 기어나 벨트 등 여러 종류의 회전력 전달장치를 이용한 간접적인 회전운동을 포함한다.

도 1은 본 고안의 한 실시 예에 의한 배가스 풍력발전시스템의 설치예이다.

굴뚝의 제일 위에 있는 터빈 1은 코리올리에 의한 에너지와 배가스의 운동에너지를 함께 이용할 수 있도록 고안된 것이며, 아래의 두 터빈들(turbine2 &3)은 코리올리에 의한 에너지만 이용하며 외부에 띠를 만들어 터빈의 회전관성을 증가시켜 발전효율을 높인 것이다. 특히 제일 아래의 Turbine3은 띠 대신에 발전부의 회전자와 외부에 발전부의 고정자를 설치한 것으로 gearless type의 배가스 풍력장치이다. 이러한 조합은 필요와 현장의 환경에 따라 여러가지로 조합할 수 있다.

도2는 turbine 1의 확대된 그림으로서 (1)자석들은 인력에 의해 터빈을 위로 잡아당기는 조합으로 되어있다. (2) 베아링은 터빈의 회전축을 잡아 주는 목적으로 만들어진 것으로 중력에 의한 마찰의 불균형이 없도록 하였다. (3) 지지대는 터빈의 위와 가운데 그리고 아래에 연결되어 회전축이 틀어지는 것을 방지하며, 특히 (3-2)는 터빈의 전체의 무게도 감당한다. (4) 터빈 블레이드는 코리올리효과 및 가스의 상승에 의한 운동에너지를 함께 활용할 수 있도록 설계된 것이다.

(5)는 로터(허브)로서 세개의 터빈 블레이드를 잡아주며, 위도와 풍량에 따라 터빈 블레이드의 받음각을 조절할 수 있도록 되어있다.

(6)은 회전축으로서 터빈 블레이드의 회전력을 기어 및 발전부로 전달해 주는 역할을 한다.

(7)은 나셀(기어부 및 발전부)로서 저속의 회전을 고속으로 바꾸어 주고, 이를 이용하여 전기를 발생하는 장치이다.

(9)는 상기 언급된 터빈의 중심선이다.

도3는 turbine 2의 확대된 그림으로서 회전력의 증가 및 유입되는 가스의 속도를 빠르게 함으로써 발전효율을 증가시키기 위한 것이다.

(4-2) 블레이드는 코리올리에 의한 힘만을 발전에 이용하도록 된 것이며, (10)띠는 회전력을 증가시키기 위하여 터빈 블레이드의 외부를 ring으로 연결한 것이다.(12)지지대는 링과 터빈에 의한 무게를 일부 감당하는 역할과 내경이 좁아지는 효과를 주어 아래에서 올라오는 배가스의 흐름을 빠르게 하는 역할을 한다.

(11)베어링은 (10)띠와 (12)지지대의 마찰을 줄이기 위한 것이다.

도4는 turbine 3의 확대된 그림으로서 기어에 의한 에너지 손실이 없이 발생된 회전력이 전기의 발생으로 직접 사용되도록 한 gearless type이다.(8) 자석들은 점접점으로 이루어지며, 척력에 의해 아래에서 위로 터빈을 밀어 올리는 조합으로 마찰력의 감소를 주는 부분이다. (13)회전자는 발전부에서 회전자 이며, (14)고정자는 발전부의 고정자이다.

(1) 자석들 : 인력에 의해 터빈을 위로 잡아당기는 조합
(2) 베아링 : 터빈의 회전축이 흔들리지 않도록 고정하는 역할
(3) 지지대 : 터빈의 위와 가운데 그리고 아래에 연결되어 회전축이 틀어지는 것을 방지
(3-2) : 터빈 전체의 무게를 감당함
(4) 터빈 블레이드 : 코리올리효과 및 가스의 상승에 의한 운동에너지를 함께 활용하여 터빈의 회전운동에너지로 전환되도록 한 것.
(4-2) 터빈 블레이드 : 코리올리에 의한 힘만을 발전에 이용하도록 된 것
(5) 로터(허브) : 세개의 터빈 블레이드를 잡아주며, 위도와 풍량에 따라 터빈 블레이드의 받음각을 조절할 수 있도록 되어있음
(6) 회전축 : 터빈 블레이드의 회전력을 기어 및 발전부로 전달해 주는 역할을 함
(7) 나셀(기어부 및 발전부) :
(8) 자석들 : 점 접점이며, 척력에 의해 아래에서 위로 터빈을 밀어올리는 조합
(9) 중심선 : 터빈의 중심선
(10) 띠 : 회전력을 증가시키기 위하여 터빈 블레이드의 외부를 ring으로 연결한 것
(11) 베어링 : (10)띠와 (12)지지대의 마찰을 줄이기 위한 것
(12) 지지대 : (10) 띠와 터빈에 의한 무게를 일부 감당하는 역할과 내경이 좁아지는 효과를 주어 아래에서 올라오는 배가스의 흐름을 조금 빠르게 하는 역할을 함
(13)회전자는 발전부에서 회전자
(14)고정자는 발전부의 고정자

Claims (12)

1. 지표면에 수직한 방향으로 세워진 굴뚝의 내부 또는 끝부분에 연결된 가스 풍력발전장치 연결 몸체와;
   상기 연결 몸체 내에 설치되며 가스의 흐름을 이용하여 회전할 수 있도록 만들어진 회전체와;
   상기 회전체의 회전운동을 이용하여 유도기전력을 발생시키는 발전부와;
   발전부에서 얻어진 전기를 계통에 연계하는 계통연계부를 포함하는 구성으로 이루어진 가스 풍력발전시스템
2. 제 1항에 있어서,
   굴뚝의 내부 또는 끝 부분에 가스 풍력발전장치의 몸체를 굴뚝과 연결하기 위한 방법으로 일정한 모양의 package로 만들어서 꿀뚝내에 삽입하거나 위에 올려 놓은 방법
3. 제 1 항에 있어서,
   회전체는 상승하는 가스의 흐름 및 코리올리 효과에 의해 회전하는 흐름이 고려된 회전임펠러로서 날개의 갯수는 3개 또는 그 이상이 될 수 있다. 또한 꿀뚝 내부에 설치되는 가스 발전장치는 하나 또는 그 이상이 설치될 수 있다.
4. 제 3항에 있어서, 회전임펠러의 형상은 임펠러의 끝 부분들이 띠로서 연결되어 회전관성을 극대화된 형상
5. 제 3항에 있어서,
   굴뚝의 내부에 설치되는 회전임펠러는 가스가 가지는 운동에너지(상승 방향의 운동에너지 + 코리올리 효과에 의한 회전방향의 운동에너지) 중에서 회전방향의 운동에너지만을 이용하여 굴뚝을 통과하는 가스의 흐름 속도(수직방향)에 영향을 주지 않도록 설계된 형상으로 위도에 따라 남반구 또는 북반구에 따라 다름.
6. 제 3항에 있어서,
   굴뚝의 끝에 설치되는 회전임펠러는 가스가 가지는 전체 운동에너지를 가능한 많이 회수하도록 설계된 형상으로 위도에 따라 남반구 또는 북반구에 따라 다름.
7. 제 4항에 있어서,
   임펠러의 외부를 연결하는 띠는 회전체의 무게를 지탱할 수 있은 부분을 세 곳 또는 그 이상 둘 수도 있다. 이러한 지지대는 약간의 속도 증가효과를 준다,
8. 제 1항에 있어서,
   발전부는 회전임펠러와 동일축상에, 또는 기어나 벨트등의 동력전달장치를 지나서 별도의 위치에 연결될 수 있다.
9. 제 1항에 있어서,
   제 4항의 띠 부분을 발전부의 회전자로 이용할 경우, 회전력전달장치 없이 발전부를 회전임펠러의 바깥쪽 연결몸체에 둘 수 있다. 즉 연결몸체 전체가 발전부로 사용될 수 있다.
10. 제 1항에 있어서,
    가로로 된 지지대에 연결몸체를 거치하는 일반적인 방법과 위/아래쪽에서 자석을 이용하여 최대한의 마찰을 줄이는 방법이나, 띠와 지지대 사이에 자석을 사용하여 동일한 효과를 얻는 방법
11. 제 1항에 있어서,
    아래에 공기 또는 일반적인 가스를 공급하는 공급장치와, 공급된 기체의 상승에 의해 생기는 코리올리 효과만을 이용하여 발전하는 풍력발전시스템들이 직렬과 병렬로 여러개를 연결 설치하여 이루어진 대용량의 풍력발전 시스템.
12. 제 12항에 있어서
    하나의 굴뚝의 끝에서 다른 팬으로 가스가 유입되도록 내려오는 배관 또는 스택이 설치되고 이 부분에 또한 하강하는 흐름에 의한 코리올리 효과만을 이용한 풍력발전 시스템.

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