KR20130099974A - 최적의 블레이드 형상을 갖는 풍력 및/또는 수력용 바람/물 (윈드트래커)가 구비된 트윈 터빈 시스템 - Google Patents

최적의 블레이드 형상을 갖는 풍력 및/또는 수력용 바람/물 (윈드트래커)가 구비된 트윈 터빈 시스템 Download PDF

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Abstract

풍력 및/또는 수력용 터빈 시스템으로서, 레이디얼 터빈은 하나 이상의 터빈 블레이드를 포함하고 샤프트 주위에서 회전할 수 있는 로터를 포함하며, 터빈 블레이드는 로터에 대해 평행하게 배향되고, 터빈 블레이드는 외부 반경(R1)과 내부 반경(R2)을 가지며 샤프트 주위에서 동심을 이루어 배열되는 원통형 쉘 내에 배열되고, 터빈 블레이드는 특정 기하학적 형상을 가지며, 평행하게 그리고 나란히 정렬된 2개의 레이디얼 터빈(1, 2)이 배열되고, 상기 레이디얼 터빈(1, 2)은 서로 연결되고, 터빈 축(18)에 대해 평행한 피벗회전 축(15) 주위에서 피벗회전할 수 있으며, 피벗회전 축과 가이드 표면(3, 4)은 터빈 축들 사이의 연결 라인 상에 배치되지 않고 연결 라인의 동일한 측면 상에 배치된다. 요약서는 임의의 도면 없이 공고된다.

Description

최적의 블레이드 형상을 갖는 풍력 및/또는 수력용 바람/물 (윈드트래커)가 구비된 트윈 터빈 시스템{TWIN TURBINE SYSTEM WHICH FOLLOWS THE WIND/WATER (WINDTRACKER) FOR WIND AND/OR WATER POWER, WITH OPTIMIZED BLADE SHAPE}
본 발명은 청구항 제1항이 전단부에 따르는 터빈 시스템에 관한 것이다.
사보니우스 터빈은 공지되었다(또한, 도 6 참조). 이들 로터는 수직 로터 샤프트에 부착되는 2개의 수평 원형 디스크로 구성될 수 있고, 상기 원형 디스크들 사이에 2개의 반-원 만곡 블레이드가 수직 방향으로 부착된다.
회전하는 동안에 유동으로부터 주기적으로 변화하는 하중 강도의 결과로서 결정적인 불균형(unbalance)은 심지어 중량 분포가 완벽히 균형을 이룰 때에도 사보니우스 로터의 특성이다. 하중 교번(load alternation)으로 인한 이 불균형은 2개 대신에 일반적으로 3개의 블레이드를 배열함으로써 최소화될 수 있다. 그러나, 이는 사보니우스 로터의 효율을 대략 30% 만큼 상당히 감소시킨다.
항공기 유형의 블레이드와 수평 회전 축을 갖는 공지된 3-블레이드 윈드 제너레이터를 비교함으로써, 레이디얼 터빈은 입사하는 바람의 방향과는 독립적으로 작동되는 주요한 이점을 갖는다. 따라서, 수직 회전축을 갖는 레이디얼 터빈은 바람에 대해 방향전환되지 않는다.
특히 경제적인 실시 형태에서, 레이디얼 터빈은 편향기 플레이트가 제공되며, 이 편향기 플레이트는 집중된 형태로 레이디얼 터빈의 블레이드 상으로 바람 에너지를 편향시키고 이 바람 에너지를 수집한다. 그러나, 이는 편향기 플레이트로 인해 바람의 방향으로부터 독립성이 구현되지 못하는 단점을 갖는다. 따라서, 편향기 플레이트를 포함하는 레이디얼 터빈이 바람에 대해 트래킹된다(track).
사보니우스 터빈에 편향기 플레이트가 설치되는 경우, 이 터빈은 낮은 풍속에서 수득되지만 더 높은 풍속에서 더 많이 손실된다.
본 발명의 목적은 종래의 사보니우스 터빈에서보다 더 높은 효율성을 가지며 바람 에너지를 보다 잘 이용하는 데 있다. 또한, 종래의 사보니우스 터빈을 구동하기 위한 바람이 심지어 너무 약할 때, 윈드 터빈을 사용할 수 있다.
윈드 터빈은 이들이 도시 지역의 거주 빌딩에서 사용될 수 있기 때문에 소음이 없고 진동이 거의 없어야 한다.
또한, 입사하는 바람에 대해 최적의 각 위치로 자동으로 방향전환되고 이를 위해 필요한 트래킹 장치 없이 자가-트래킹되며, 편향기 플레이트를 포함하는 레이디얼 터빈이 사용된다. 레이디얼 터빈 내에서 편향기 플레이트의 이점은 입사하는 바람의 방향으로부터 레이디얼 터빈의 독립성과 조합된다.
고성능의 최소의 불균형이 특정 구조 및 기하학적 형상에 따라 구현된다.
이 목적은 청구항 제1항에 의해 본 발명에 따라 구현된다.
본 발명의 선호되는 실시 형태는 종속항에서 특정된다.
사보니우스 및 다리우스 로터는 재차 편향기 플레이트의 결과로서 이의 성능을 발휘하지 못하는 것으로 알려졌다. 사보니우스 로터는 약한 바람에서는 우수하지만 이는 속도를 조건으로 하며, 이에 따라 더 높은 풍속에서는 손실이 야기된다. 터빈이 바람의 방향에 의존되기 때문에, 이는 전체 효율이 감소된다.
이 문제는 본 발명에 의해 해결된다.
a) 신규한 구조의 터빈과 함께 공기역학적 노즈(윈드 스플리터)의 결과로서, 에너지 산출량은 모든 바람 강도에서 증가된다.
b) 회전 연결부를 포함하는 공기역학적 부분의 최적의 배열의 결과로서, 터빈 시스템은 모터 구동부 없이 모든 방향으로 바람을 따른다.
청구항 제1 항에 제시된 파라미터 범위에 따라 윈드 스플리터와 함께 터빈 블레이드의 특정 형상 및 배열에 따라, 공지된 사보니우스 터빈에서보다 최대 3배 높은 회전 속도가 구현되며, 종래의 터빈에서는 28%의 효율이 구현되는 것과는 대조적으로 최대 66%의 효율이 달성된다. 본 발명에 따르는 터빈은 심지어 종래의 사보니우스 터빈을 구동하는데 불충분할 수 있는 매우 약한 바람에서 사용될 수 있다.
사보니우스 로터와는 대조적으로, 본 발명에 따르는 윈드 터빈은 심지어 3개의 터빈 블레이드가 제공되는 특히 선호되는 실시 형태에서도 전술된 유형의 불균형이 제공되지 않는다.
또한 윈드 스플리터로 공지된, 청구항 제2항에 따른 편향기 표면을 갖는 터빈 블레이드의 발명에 따른 기하학적 형상을 조합하는 것이 특히 선호된다.
또 다른 중요한 고려사항으로는, 터빈 위에 그리고 아래에 부착되는 추가 베벨구성된 집중 플레이트 및/또는 윈드 가이드 플레이트를 가지며, 편향기 플레이트(deflector plate)에 의해 둘러싸인 시스템 내에 2개의 터빈을 제공하는 것이 제안된다. 윈드 가이드 플레이트 및/또는 추가 집중 플레이트와 폐쇄된 시스템의 결과로서, 마그누스 효과가 최적의 상태로 이용되고, 마스트 상에 장착되는 본 발명에 따른 시스템의 결과로서, 최적의 바람 유동을 항시 받으며 바람에 대해 자동으로 회전할 수 있다. 이 "바람에 대해 방향전환된"은 저연풍에서의 다수의 특수한 모델로서 입증된다.
하인리히 구스타프 마그누스(Heinrich Gustav Magnu)(1802-1870)가 발견한 마그누스 효과는 유체역학에서의 현상이며, 구체적으로 유동 내에서 둥근 회전하는 몸체(실린더 또는 볼)가 경험하는 가로방향 힘 효과(힘)이다.
마찰 효과에 따라, 회전하는 롤러는 이를 둘러싸는 유체 내에서 회전을 유발한다. 추가로 롤러에 걸쳐 유동이 있는 경우, 유체의 다양한 속도들이 중첩된다. 그 결과, 유체는 그 외의 다른 측면에서(롤러의 나머지 시스템에서)보다 회전하는 롤러 주위에서 더 빠르게 유동한다. 마찰 효과가 더 큰 롤러의 측면에서 유체가 더 빠르게 유동하는 경우에도 발생된다. 이는 롤러의 "편향"을 야기하며, 이에 따라 롤러는 하향 가압된다(도 10 참조).
예시
● 축구 선수는 공이 호를 이루어 골 내로 날아가도록 스핀을 이용하여 볼을 찬다. 공이 더 빠르게 회전할수록 경로가 더욱 편향된다(컬링 크로스, 너클볼).
● 탁구 선수와 테니스 선수는 예를 들어, 탑스핀 및 슬라이스와 같이 이 효과를 이용한다.
● 야구에서는 너클볼, 소프트볼에서는 라이즈볼.
● 스리켓에서는 스핀-볼링(Spin-bowling).
● 골프공은 딤플로 알려진 다수의 작은 함몰부(depression)를 갖는다. 터뷸레이터(turbulator)로서, 이는 회전에 의해 수반되고 볼에 대해 배치되는 경계 층의 접합(adhesion)을 향상시킨다. 이는 마그누스 효과로 인해 볼의 터뷸런스(turbulence) 및 이와 연계된 편향의 형성을 증가시킨다. 골프 클럽이 웨지형으로 형성됨에 따라 골프 공이 후방으로(backward) 회전하기 때문에, 이는 캐논볼과 같이 단순하게 날지 않는 대신에 상승을 경험한다. 좌측 또는 우측으로부터 추가 편향이 가능하고, 또한 이 기술을 숙달한 플레이어가 이를 사용할 수 있다. 게다가, 임계초과의 난류 순환(turbulent circulation)은 공기 저항을 감소시키고, 이는 날아가는 거리를 증가시킨다.
본 발명에 따라서, 동력 출력에 관해 비용-효율성이 항공기-날개 유형의 블레이드 및 수평 샤프트를 포함하는 공지된 윈드 제너레이터에서보다 더 크도록 저렴한 설치 비용과 조합하여 고성능이 구현된다.
비용-효율성을 증가시키기 위하여, 링 제너레이터가 동력 생성을 위해 제공된다. 추가로, 비용-효율성을 더 증가시키기 위하여, 마스트 및 윈스 스플리터가 광고 공간으로서 사용될 수 있다.
서로에 대한 2개의 터빈의 특정 배열과 개별 터빈의 본 발명에 따른 블레이드 형상에 따라, 특히, 2개의 터빈이 서로 방해하지 않고 서로에 대한 부스트(boost) 대신에 심지어 낮은 풍속에서 V-형 윈드 스플리터의 후방 공동에서 발생되는 저-주파수 압력 진동에 의해 보조될 수 있는 것이 특히 선호된다.
수평 샤프트 및 3개의 블레이드를 포함하는 공지된 윈드 제너레이터와는 대조적으로, 본 발명에 따른 레이디얼 터빈은 심지어 상대적으로 낮은 풍속에서 작동될 수 있다. 마그누스 효과에 따라, 본 발명에 따르는 레이디얼 터빈은 바람을 끌어당기며, 낮은 바람의 속도를 증폭시킨다. 또한, 예를 들어, 본 발명에 따른 레이디얼 터빈은 또한 3개의 블레이드 윈드 제너레이터가 블레이드 크기로 인해 전적으로 작동되는 높은 높이에서보다 더 낮은 높이 아래에서 풍속이 더 큰 순환하는 바람에 대해 사용될 수 있다. 임의의 경우 공지된 3-블레이드 터빈에 대한 풍속이 너무 낮을 경우에 본 발명의 레이디얼 터빈은 에너지를 생성하기에 충분하다.
바람의 방향이 변화될 때, 본 발명의 레이디얼 터빈은 마그누스 효과로 인하여 부분적으로 자동으로 자체적으로 조절되며, 심지어 1 m/s 미만의 풍속의 경우에도 최적의 방향으로 즉시 회전한다. 이 유형의 제너레이터의 신속한 적응은 공지된 3-블레이드 터빈으로는 불가능하다.
본 발명에 따르는 레이디얼 터빈은 단지 작은 공간만을 차지하기 때문에, 이는 예를 들어, 도로 조명에 대한 부착품과 같이 빌딩 또는 구조적 요소의 기존 부분에 대해 추가되어 사용될 수 있다.
도 1은 특히 선호되는 실시 형태에 따른 본 발명에 따른 윈드 터빈을 절단한 예시적인 단면도.
도 2는 종래의 사보니우스 윈드 터빈(하부 곡선 및 원)과 본 발명에 따른 윈드 터빈(상부 곡선 및 십자가)에 관한, 풍속에 대해 나타내진 프리-러닝 회전 속도의 그래프.
도 3 내지 도 5는 시간에 대해 나타내진, 풍속 및 바람의 유입 유동 각도에 따른 종래의 사보니우스 윈드 터빈과 본 발명에 따른 윈드 터빈이 회전 속도의 그래프.
도 6은 종래의 사보니우스 윈드 터빈 및 이의 작동 모드를 나타내는 예시적인 단면도.
도 7은 2개의 레이디얼 터빈을 포함하는 본 발명에 따른 윈드 제너레이터의 사시도.
도 8은 도 9에서 A-A를 따라 측면으로부터 본 관형 마스트 마운팅 시스템의 실시 형태의 구성도.
도 9는 윈드 제너레이터의 평면도.
도 10은 주변 유체에 따라 회전하는 롤러를 도시하는 도면.
도 11은 스레드 시험을 도시하는 도면.
도 12 내지 도 14는 추가 집중 플레이트(30) 및 변형된 윈드 스플리터(29)에 따른 추가 변형예를 도시하는 도면.
도 15는 토크 대 회전 속도 특성을 나타내는 도면.
도 16은 추가 특성을 나타내는 도면.
도 17 내지 도 26은 추가로 개선된 본 발명에 따른 윈드 제너레이터의 다양한 사시도.
도 27a는 특수한 어큐뮬레이터 및 터빈 마운팅 시스템에 대해 사용될 수 있고 또는 사용되는 그리드 마스트 구조물을 도시하는 도면.
도 27b는 단면 A-A를 도시하는 도면.
도 28은 샤프트 상의 회전 부분에 고정되는 "지지 하트"를 도시하는 도면.
바람은 주 바람 방향(101) 및 보조 바람 방향(102, 103)으로 도 1의 발명에 따라서 윈드 터빈(wind turbine) 상으로 유동한다. 도 1에서 나머지 도면부호의 대부분은 하기의 표 1 및 2에 도시되고, 이는 또한 두 실시 형태에서 파라미터의 특정 선호되는 값 및 파라미터에 대한 본 발명에 따른 값의 범위를 특정한다.
그리드 마스트 구조물(grid mast construction)은 회전 연결부(rotary connection) 위에 제공되고, 특수한 어큐뮬레이터 장착 시스템(accumulator mounting system) 및 터빈 시스템에 대한 프레임으로서 사용되고 사용될 수 있다.
마스트의 외부 쉘, 바람직하게는 두꺼운 벽 구조의 스틸 튜브에 의해 보호되고 접지되는(earth) 안전 공간은 다양한 고감도 기술적 구성요소를 포함할 수 있으며, 임의의 추가 비용 없이 회전 연결부 아래에 배치된다. 터빈 시스템의 본 발명에 따른 사용에 따라 안전 공간을 형성할 수 있으며, 기존의 기반시설(도로, 레일, 등)에서 게다가 구성이 불가능한 영역에서 윈드 제너레이터(wind generator)를 사용할 수 있다.
도 2에는 사보니우스 윈드 터빈(Savonius wind turbine) 및 본 발명에 따르는 윈드 터빈의 프리-러닝 회전 속도(free-running rotational speed)에 대한 측정 결과치가 도시된다. 분당 회전수의 회전 속도는 m/s로 풍속에 대하여 나타내진다. 상부 곡선은 십자를 사용하여 나타내진 본 발명에 따르는 윈드 터빈의 회전 속도 값에 대한 최적선이다. 종래의 사보니우스 윈드 터빈에 대한 측정 값은 원으로 도시된다. 하부 곡선이 최적선이다.
대략 0.7 m/s 내지 1.8 m/s 범위의 풍속에서, 종래의 사보니우스 터빈은 정지된 상태이지만 본 발명에 따르는 윈드 터빈은 분당 50 내지 150회의 회전속도로 회전한다. 대략 1.7 m/s 내지 2.7 m/s 범위의 풍속에서, 본 발명에 따르는 윈드 터빈은 종래의 사보니우스 터빈의 회전 속도의 대략 2배 내지 15배로 회전한다.
표 1: 파라미터 파라미터에 대한 값의 범위(제1 대안예 ) 제1 실시 형태:
R1 = 터빈의 반경 요구에 따름 0.125 m
R2 = 회전 중심(지점 P0)으로부터 내부 블레이드 단부(지점 P1)까지의 거리
= f1 x R1		 f1 = 0.28 - 0.32 0.036 m
R3 = 지점 P1에 인접한 블레이드의 원통형 쉘의 곡률 반경
= f2 x R1		 f2 = 1.2 - 2.4 0.165 m
R4 = 터빈의 외부 반경 상에서 지점 P2에 인접한 블레이드의 원통형 쉘의 곡률 반경
= f3 x R1		 f3 > 0.7 0.125 m
R5 = 블레이드의 2개의 원통형 쉘들 사이의 킨크의 곡률 반경
= f4 x R1		 f4 = 0.02 - 0.08 0.003 m
A1 = 제2 종방향 단면 5(제1 종방향 단면 4에 대해 수직임)으로부터 터빈을 향하는 편향기 플레이트의 변부(지점 P3)이 거리
= f5 x R1		 f5 = 1.04 - 1.10 0.135 m
A2 = 제1 종방향 단면 4(= 주 바람 방향)로부터 터빈을 향하는 편향기 플레이트의 변부(지점 P3)의 거리
= f6 x R1		 f6 = 0.25 - 0.30 0.035 m
B1 = 터빈 블레이드의 폭(지점 P1과 P2 사이의 거리)
= f7 x R1		 f7 = 0.9 - 1.0 0.120 m
B2 = 터빈 블레이드의 외부 실린더 쉘의 폭(즉, 블레이드의 2개의 원통형 쉘의 각각 추정된 원의 교차부와 지점 P2 사이의 거리)
= f8 x R1		 f8 = 0.11 - 0.16 0.016 m
B3 = 편향기 플레이트의 폭
= f9 x R1		 f9 = 0.7 - 1.0 0.110 m
D1 = 샤프트의 직경
= f10 x R1		 f10 = 0.09 - 0.13 0.012 m
α1 = 주 바람 방향에 대한 편향기 플레이트의 입사각 α1 = 40°- 60° 45°
동일한 바람 조건에 모두가 노출되는, 종래의 사보니우스 윈드 터빈 및 본 발명에 따른 윈드 터빈의 특성에 대한 일련의 측정 결과치가 도 3 내지 도 5에서 그래프로 도시된다. 상부 곡선(110)은 +80° 내지 -80° 범위의 바람의 각각의 입사각을 나타낸다. 곡선(111)은 0 내지 6.5 m/s의 범위로 이 그래프에서 풍속을 나타낸다. 곡선(112)은 분당 0 내지 500 회의 회전 속도 범위로 본 발명에 따른 윈드 터빈의 회전 속도를 나타낸다. 곡선(113)은 종래의 사보니우스 윈드 터빈에 대한 해당 회전 속도를 나타낸다. 사보니우스 윈드 터빈이 종종 이들 풍속에서 정지되기 때문에, 곡선(113)은 항시 제로선(zero line)에 근접하거나 또는 심지어 이 제로선에 있다.
도 6은 종래의 방식으로 도시된 사보니우스 윈드 휠의 예시적인 도면이다. 공기의 유동 방향 및 회전 방향이 도시된다.
종래 기술에 관하여, 두 가지의 기본적인 유형의 윈드 제너레이터가 다음의 성과를 달성하였다:
a) 축방향으로 입사하는 바람을 이용한 수평-축 윈드 터빈(HAWT)
b) 축방향에 대해 가로방향으로 입사하는 바람을 이용한 수직-축 윈드 터빈(VAWT).
본 명세서에 개시된 본 발명의 해결 방법은 또한 축방향에 대해 가로방향으로 유동하는 입사 바람에 따른 수평 마운팅이 특정 경우에 가능할지라도 주요하게 VAWT에 관한 것이다.
또한, 다음의 2가지의 기본적인 유형(예를 들어, 독일 위키페디아 "윈드터빈" 참조)으로부터 시작하여 상용 입수가능한 VAWT 시스템들 간의 다수의 변형/개조가 있다:
-사보니우스 로터
-자이로밀/다리우스 로터(Giromill/Darrieus rotor).
본 발명에 따른 터빈과는 달리, 사보니우스 로터는 편형기 플레이트 또는 편향기 표면으로 인해 빠르게 구동하지 못할 수 있다. 그러나, 이는 본 발명에 따라 입증된다.
변형예는 로터 블레이드의 개수 및 특정 형상, 윈드 가이드 요소의 부착, 및 일부 경우에 회전하는 동안에 더욱 일정한 속도를 구현하기 위한 나사-형 형상과 관련된다. 따라서 본 발명에 따르는 해결 방법은 특히 전개 공정에서 특히 효과적인 것으로 밝혀진 특정의 상대적으로 정밀하게 정해진 형상 및 배열과 관련된다.
이에 따라, 본 발명의 이 기술 내용은 하기와 같이 형상을 설명하는 표 1과 유사한 추가 좁게 형성된 파라미터 공간에 따라 추가 실시 형태에 의해 보완된다.
본 발명에 따르는 윈드 터빈의 추가 실시 형태는 또한 도 1에 해당하며, 바람은 주 바람 방향(101) 및 보조 바람 방향(102, 103)으로 유동한다. 도 1에서 대부분의 나머지 도면부호는 상기 표 2에서 볼 수 있으며, 이는 또한 제2 실시 형태에서 파라미터의 특정 선호되는 값 및 파라미터에 대한 본 발명에 따른 값의 보조 또는 확장된 범위를 특정한다.
완전성을 위해, 터빈의 높이(또는 길이)는 반경에 대한 넓은 범위의 비율일 수 있다. 즉, 사용 위치에 따라 터빈의 높이 또는 길이는 터빈 반경의 대략 0.3배 내지 100배이고, 또한 구조 또는 안전성의 요인으로 인해 포지티브 커플링(positive coupling)에 의해 선택적으로 연결될 수 있는 샤프트에 대해 복수의 터빈의 포지티브 커플링으로서 길거나 높은 터빈이 형성될 수 있다.
터빈 시스템의 목적은 최적의 방식으로 바람으로부터 에너지, 즉 우선적으로 전기 에너지를 수득하는 것이다. 이를 위해, 제너레이터는 터빈 시스템에 적합한 방식으로 트랜스미션을 통하여 포지티브하게 또는 논-포지티브하게, 직접 또는 간접적으로 터빈 샤프트에 기계적으로 연결되고, 상기 터빈 샤프트는 터빈으로부터 제너레이터로 힘 전달을 보장하기 위하여 터빈에 포지티브하게 또는 논-포지티브하게 연결된다. 이 문헌에서, 두 터빈에 대해 하나의 제너레이터가 사용될 수 있거나 또는 각각의 터빈이 각각의 제너레이터에 개별적으로 연결될 수 있다.
표 2: 파라미터 R파라미터에 대한 값의 범위(제2 대안예 ) 제1 실시 형태:
R1 = 터빈의 반경 요구에 따름 0.510 m
R2 = 회전 중심(지점 P0)으로부터 내부 블레이드 단부(지점 P1)까지의 거리
= f1 x R1		 f1 = 0.19 - 0.32 0.110 m
R3 = 지점 P1에 인접한 블레이드의 원통형 쉘의 곡률 반경
= f2 x R1		 f2 = 1.2 - 2.4 0.685 m
R4 = 터빈의 외부 반경 상에서 지점 P2에 인접한 블레이드의 원통형 쉘의 곡률 반경

= f3 x R1		 f3 > 0.7 > 0.50 m
R5 = 블레이드의 2개의 원통형 쉘들 사이의 킨크의 곡률 반경
= f4 x R1		 f4 = 0.01 - 0.08 0.005 m
A1 = 제2 종방향 단면 5(제1 종방향 단면 4에 대해 수직임)으로부터 터빈을 향하는 편향기 플레이트의 변부(지점 P3)이 거리
= f5 x R1		 f5 = 1.00 - 1.10 0.534 m
A2 = 제1 종방향 단면 4(= 주 바람 방향)로부터 터빈을 향하는 편향기 플레이트의 변부(지점 P3)의 거리
= f6 x R1		 f6 = 0.25 - 0.55 0.275 m
B1 = 터빈 블레이드의 폭(지점 P1과 P2 사이의 거리)
= f7 x R1		 f7 = 0.9 - 1.0 0.535 m
B2 = 터빈 블레이드의 외부 실린더 쉘의 폭(즉, 블레이드의 2개의 원통형 쉘의 각각 추정된 원의 교차부와 지점 P2 사이의 거리)
= f8 x R1		 f8 = 0.11 - 0.19 0.081 m
B3 = 편향기 플레이트의 폭
= f9 x R1		 f9 = 0.7 - 2.5 1.12 m
D1 = 샤프트의 직경
= f10 x R1		 f10 = 0.03 - 0.13 0.020 m
α1 = 주 바람 방향에 대한 편향기 플레이트의 입사각 α1 = 40°- 60° 43°
제너레이터는 생성된 동력을 조절함으로써 전자기 토크기 터빈에 전달되어 비제동된 터빈의 선단 속도 비율(tip speed ratio)의 45% 내지 65%인 에너지 변환을 위한 최적의 선단 속도 비율(TSR)로 설정되도록 풍속에 적합한 방식으로 제어된다. 이에 따라 최대 가능한 에너지가 항시 "수득"될 수 있다.
실시 형태에서, 대략 20의 높이:반경 비율이 설정되고, 샤프트 상의 터빈은 대략 5 m 마다 개별적으로 장착되며, 가요성 포지티브 커플링을 통하여 상호연결되며, 전류 제너레이터를 포함하는 트랜스미션을 통하여 직접 또는 간접적으로 샤프트의 단부에 연결된다.
효율 증가를 위해, 2개의 터빈 편향기 플레이트 시스템은 바람직하게는 예를 들어, 수직 회전축을 이용하여 좌측 편향기 플레이트가 좌측 터빈으로 바람을 편향시키고 주 바람 방향으로 도시된 바와 같이 우측 편향기 플레이트가 우측 터빈으로 바람을 편향시키도록 윈드 스플리터 시스템(wind splitter system)와 같이 반사 대칭 구조로 형성될 수 있다. 이 문헌에서, 편향기 플레이트(deflector plate)는 바람직하게는 폐쇄된 윈드 가이드 시스템, 즉 윈드 스플리터를 형성하기 위하여 2개의 편향기 플레이트들 사이의 연결부와 같이 둥근 "브리지(bridge)"를 갖는 "노즈(nose)"의 형태일 수 있다.
도 7은 2개의 레이디얼 터빈(1, 2) 및 V-형 윈드 스플리터(3)를 포함하는 본 발명에 따른 윈드 제너레이터의 사시도이며, 레이디얼 터빈 및 윈드 스플리터는 수직 축 주위에서 전체적으로 회전(피벗회전)가능하도록 스틸 마스트(5) 또는 또 다른 기저 부분(6)에 부착된다.
바람직하게는, 터빈과 V-형 윈드 스플리터 사이의 거리는 변화가능하고 조절가능하여 모든 바람 조건에 대한 최적의 작동 조건이 달성된다.
풍속의 함수로서, V-형 윈드 스플리터는 터빈 샤프트 및 터빈 블레이드에 대한 거리 및 기울기에 따라 최적의 위치로 보내진다.
20 m의 총 높이의 경우, 터빈의 높이는 10 m이다. 터빈은 1 m의 직경을 갖는다. 윈드 제너레이터가 순환하는 해안풍(coastal wind)을 포착하는 해안의 지점에서 예상된 용량(capacity)은 대략 21,700 kWh이고, 효율은 연간 38%로 평균화된다.
도 8에는 도 9에서 A-A에 해당하는 측면으로부터 본 관형 마스트 마운팅 시스템과 같은 실시 형태의 구조적 세부사항이 도시된다. 3개의 지지 플레이트(7, 8, 9)는 스틸 마스트(5)의 종방향 축(15) 주위에서 회전할 수 있도록 베어링(10, 11, 12, 13, 14)에 의해 20 m의 긴 스틸 마스트(high steel mast, 5)에 부착된다. 하부 지지 플레이트(7)는 터빈 샤프트(18) 상에 2개의 터빈 베어링(16, 17)과 스틸 마스트(5) 상에 3개의 회전 베어링(10)을 갖는다. 중앙 터빈 플레이트(8)는 3개의 회전 베어링(12)과 2개의 터빈 베어링(19, 20)을 가지며, 상부 지지 플레이트(9)는 3개의 회전 베어링(14)과 2개의 터빈 베어링(21, 22)을 갖는다. 터빈 베어링(17, 20, 22)은 도 8에 도시되지 않고 다른 터빈과 연계된다.
회전 베어링(10, 11, 13, 14)은 스페이서 칼라(spacer collar, 23, 24)에 의해 떨어져 배치된다. 스페이서 칼라는 중공 튜브의 형태이다.
도 9는 윈드 제너레이터의 평면도이다. 터빈 블레이드(25)가 도시될 수 있다. V-형 윈드 스플리터(3)의 선단이 바람에 대해 반대방향으로 향하도록 본 발명에 따른 윈드 제너레이터가 방향에 대해 ?향전환될 때, 바람의 방향은 화살표로 또한 나타내진다.
스레드 시험(thread test)이 본 발명에 따른 시스템에서 수행된다(도 11). 최대 6 m/s까지의 바람(28)이 시스템 내로 송풍된다. 바람에 대한 터빈의 원주 속도의 비율은 최대 3:1이었다. 스레드 방향이 끝나는 지점이 도 11에 명확히 도시된다(도면의 하부에서). 본 발명에 따르는 시스템은 단지 이동하는 공기의 운동 에너지로부터가 아니라 바람의 포텐셜 에너지 또는 압력 차이로부터 에너지를 추출할 수 있다.
도 11에서 대부분의 도면부호는 도면부호의 나열에서 볼 수 있다.
부차적 효과로는 핑-퐁 볼이 비스듬한 공기스트림 내에서 "떠 있는(suspend)" 것이다. 코안다 효과(Coanda effect)의 결과로서, 공기스트림의 유동이 볼로부터 제거되지 않지만(strip) 제거됨이 없이 이 볼을 둘러싼다(거의). 볼이 다소 공기스트림의 중앙 아래에서 떠 있기 때문에, 공기가 볼 주위에서 대칭구조로 유동하지 않는다. 더 많은 공기가 하향 편향되며, 이는 유동 속도 및 유동 단면이 상부 측면에서보다 볼의 하부에서 더 작기 때문이다. 이는 마그누스 효과(Magnus effect)(볼 회전)를 중복 발생시킨다. 이 두 효과 각각은 볼이 하향으로 떨어지는 것을 방지하고 단지 볼이 공기스트림의 하측을 따라 미끄러지도록 한다. 공기 유동에 대한 볼의 저항에 따라 볼은 노즐로부터 떨어진 상태로 유지되고, 중력은 볼이 쉽사리 날아가는 것을 방지한다. 따라서, 볼은 다소 안정적인 위치에서 부유할 수 있다.
도 12 내지 도 14에는 변형된 윈드 스플리터(29) 및 추가 집중 플레이트(concentration plate, 30)를 갖는 추가 변형예가 도시된다.
뫼르스(Moers)에서 직경이 1 m이고 길이가 1 m인 본 발명에 따른 윈드 터빈에 대한 정적 및 동적 토크 측정의 평가
하기 데이터는 이 평가를 직접 또는 간접적으로 고려한다:
● 2010년 9월 24일로부터 26일까지의 정적 토크 측정(정지 토크(stationary torque))
● 2010년 11월 4일로부터 8일까지의 동적 토크 측정
코일 전류를 변화시킴으로써 다양한 제동력이 설정될 수 있는 와전류 제동이 또한 각각의 경우 동적 특정 동안에 사용된다.
이 측정 값은 타당성에 대해 체크되고, 다양한 평균 및 필터링 방법을 사용하여 평가된다.
2 m/s 내지 8 m/s의 풍속에 대한 결과 데이터가 하기 표에서 편집된다.
뫼르스에서 직경이 1 m이고 길이가 1 m인 본 발명에 따른 윈드 터빈에 대한 정적 및 동적 토크 측정의 평가의 결과 데이터
풍속 [m/s] 회전 속도[rpm] 토크 [Nm] 기계적 동력 [W] (이로부터 계산됨)
2 0 0.45 0.0
2 17 0.90 1.6
2 20 0.69 1.4
2 55 0.16 0.9
2 78 0.00 0.0
3 0 0.90 0.0
3 27 1.85 5.2
3 35 1.48 5.4
3 35 1.40 5.1
3 40 1.27 5.3
3 42 0.93 4.1
3 50 0.87 4.6
3 55 0.52 3.0
3 60 0.70 4.4
3 80 0.21 1.8
3 105 0.00 0.0
3 107 0.00 0.0
3 115 0.00 0.0
4 0 1.45 0.0
4 50 2.45 12.8
4 55 2.15 12.4
4 57 1.90 11.3
4 60 1.80 11.3
4 65 1.55 10.6
4 69 1.25 9.0
4 80 0.82 6.9
4 80 1.12 9.4
4 95 0.64 6.4
4 107 0.28 3.1
4 137 0.00 0.0
4 139 0.00 0.0
4 145 0.00 0.0
5 0 2.00 0.0
5 75 3.00 23.6
5 78 3.30 27.0
5 85 2.80 24.9
5 85 2.23 19.8
5 85 1.85 16.5
5 93 1.42 13.8
5 110 1.35 15.6
5 120 0.31 3.9
5 120 0.98 12.3
5 127 0.71 9.4
5 165 0.00 0.0
5 174 0.00 0.0
5 177 0.00 0.0
6 0 2.70 0.0
6 100 3.65 38.2
6 113 2.70 31.9
6 115 3.35 40.3
6 116 2.15 26.1
6 120 1.81 22.7
6 140 1.53 22.4
6 152 0.34 5.4
6 160 0.75 12.6
6 195 0.00 0.0
6 209 0.00 0.0
6 210 0.00 0.0
7 0 3.50 0.0
7 130 4.30 58.5
7 147 3.27 50.3
7 160 1.65 27.6
7 175 0.79 14.5
7 225 0.00 0.0
7 245 0.00 0.0
8 0 4.25 0.0
8 162 4.85 82.3
8 190 3.75 74.6
8 210 0.84 18.5
8 250 0.00 0.0
8 275 0.00 0.0
도 15 및 도 16은 해당 내삽된 선에 대한 그래프이다.
도 15: 토크 대 회전 속도 특성, 평균 동력 계수(PC) 35%에 따른 내삽(interpolation).
토크 [Nm] 대 회전 속도 [rpm]; 파라미터 풍속 [m/s]
Figure pct00001
도 16: 특성
기계적. 동력
평균 PC = 35%에 따른 최대 동력 범위 내에서 외삽(extrapolation)
기계적 동력 [W] 대 토크 [rpm]; 파라미터 풍속 [m/s]
그래프에 대한 약어:
Figure pct00002
따라서 동적 측정이 상대적으로 약한 제동력으로만 수행되기 때문에, 이에 따라 형성되는 측정 범위 이외의 내삽이 점선으로 도시된다. 이 문헌에서, 최대 동력 지점에서 35%의 동력 계수가 달성되는 것으로 가정된다. 결과 데이터의 분산으로부터 사용된 측정 기술에 대한 충분히 정밀한 교정 검증(calibration verification)은 임시로 대략 30% 내지 40%로 놓일 수 있다. 이와는 달리, 측정 기술의 계통 오차(systematic error)가 추가로 고려된다. 동력 계수는 더 놓은 제동력에서의 추가 측정이 고려되는 경우 더욱 정밀하게 결정될 수 있다.
본 발명에 따르는 터빈 시스템은 또한 해양 터빈 시스템(marine turbine system)과 같이, 물의 유동으로부터 에너지를 수득하기 위하여 수중에서 사용하는 것이 선호될 수 있다.
도 17 내지 도 26은 추가로 향상된 본 발명에 따른 윈드 제너레이터의 다양한 사시도이다. 윈드 제너레이터가 실제로 소음이 없고 매우 적은 진동으로 작동되는 것으로 밝혀졌다. 임의의 압축 진동(compression oscillation)이 20 Hz 미만의 들리지 않는 범위 내에 있다. 회전 부분의 경량 및 균형이 잘 유지된 구조에 따라 관찰된 진동이 줄어든다. 그 결과, 이 윈드 제너레이터는 도시 지역 및/또는 빌딩에서 사용하기에 적합하다.
추가 실시 형태에서, 특수한 어큐뮬레이터 및 터빈 마운팅 시스템을 위한 프레임(frame)으로서 사용되고 및/또는 사용될 수 있는 그리드 마스트 구조물은 고정 마스트에 고정되는 회전 연결부 위에 제공된다(도 27a 및 도 27b의 단면 A-A 참조). 그리드 마스트 내의 공동은 부하 제어를 위해 그리고 어큐뮬레이터의 안전한 설치/고정을 위한 충분한 공간을 제공하며, 동시에 제너레이터로부터의 케이블 길이가 짧게 유지될 수 있어서 옴 손실이 낮게 유지된다.
회전 연결부 아래에 있는 타워의 하부 부분은 스틸 관으로 제조되기 때문에, 이는 고감도 기술부(highly sensitive technology)를 안전하게 설치하기 위해 사용될 수 있는 공동을 형성하며, 이는 특히 대기 습도에 대한 환기 및/또는 가열 및/또는 적합한 공기 컨디셔닝이 제공될 수 있기 때문이다.
기저 부분은 추가 에너지 저장소 또는 물 용기 또는 오일 저장소로서 사용될 수 있으며, 이에 따라 설계될 수 있다. 열 펌프(열 파이프를 가짐)는 기저 부분 내로 통합될 수 있다.
본 발명에서, 터빈 블레이드(에어 포일)이 복수의 밀링된 지지 암 상에 장착되고, 차례로 서로 나사체결되는 2개의 "지지 하트(support heart)"에 의해 양 측면 상에서 샤프트 상의 회전 부분에 체결된다. 이는 중량을 감소시키고, 터빈이 이의 최대 속도에 신속히 도달되도록 한다(도 28 참조).
추가로, 지지 하트에 따라 나사체결에 의해 터빈 블레이드를 개별적으로 교체할 수 있다. 사보니우스 터빈에서 통상적이며 회전을 수반하는 매우 중량의 고정된 원형 디스크가 더 우수한 바람 유입을 위해 추가로 둥글게 형성된 고정식 그릴 면 패널(stationary grille face panel)로 교체된다. 그 결과, 회전 부분의 중량과 톰 효과(Thom effect)로부터의 손실이 상당히 감소된다. 풍 에너지는 높은 수준의 효율로 수득될 수 있다.
본 발명에 따라 사용되는 지지 하트는 상당히 경량이다. 그릴 면 패널은 사보니우스 터빈 내에서 통상적인 중량의 프레임 구조물에 대한 기능적 대체물인 마스트에 의해 서로 고정된다.
분산식 네트워크-통신 에너지 공급 시스템 및 다른 응용을 형성하기 위하여 복수의 윈드트래커(windtracke)들을 서로 통합시키는 것이 선호된다. 따라서, 예컨대, 도로, 고속도로, 철도 라인 및 운하와 같은 교통 기반시설을 따라 윈드트래커 및/또는 본 발명에 따르는 터빈 시스템의 장치를 제공하는 것이 제안되며, 이 장치는 안전 공간을 제공하고 및/또는 광고 매체 및/또는 도로 조명으로서 사용하며 및/또는 저 전류 업테이크(current uptake) 시에 그리드로부터 전류를 버퍼링하거나 또는 원격 통신을 위해 추가로 제공된다.
1, 2: 레이디얼 터빈
3: 윈드 스플리터
5: 스틸 마스트
6: 기저 플레이트
7, 8, 9: 지지 플레이트
10, 11, 12, 13, 14: (회전) 베어링
15: 종방향 축
16, 17: 터빈 베어링
18: 터빈 샤프트
19, 20, 21, 22: 터빈 베어링
23, 24: 스페이서 칼라
25: 터빈 블레이드
26: 상부 칼라 플랜지
27: 가이드 플랜지
28: 바람
29: 변형된 편향기 표면
30: 집중 플레이트 또는 집중 표면
31: 마그누스 효과
32: 코안다 효과
33: 마그누스/코안다 중첩
34: 높은 리프트
34: 음압
36: 과압
37: 스레드 방향 제동
110: 상부 곡선
111, 112, 113: 곡선
201: 밀링된 지지 암
202: 지지 하트
203: 터빈 블레이드
301: 터빈 또는 터빈 블레이드의 외부 반경
302: 집중 플레이트 및/또는 윈드 가이드 플레이트의 라운딩
303: 집중 플레이트 및/또는 윈드 가이드 플레이트
304: 그리드 마스트
305: V-형 윈드 스플리터

Claims (26)

  1. 2개의 레이디얼 터빈을 포함하는 풍력 및/또는 수력용 터빈 시스템으로서,
    레이디얼 터빈은 하나 이상의 터빈 블레이드를 포함하고 샤프트 주위에서 회전할 수 있는 로터를 포함하며, 터빈 블레이드는 로터에 대해 평행하게 배향되고, 터빈 블레이드는 외부 반경(R1)과 내부 반경(R2)을 가지며 샤프트 주위에서 동심을 이루어 배열되는 원통형 쉘 내에 배열되고,
    내부 반경은 R2 = f1 x R1이고,
    여기서 f1= 0.19 내지 0.32이고,
    각각의 터빈 블레이드는 내부 반경(R2)으로부터 외부 반경(R1)으로 연장되는 제1 영역을 가지며, 샤프트를 향하여 만곡되고,
    곡률 반경 R3 = f2 x R1을 가지며,
    여기서 f2= 1.2 내지 2.4이고,
    제1 영역의 외부에 인접한 제2 영역이 원통형 쉘의 외측에 배치되고 샤프트를 향하여 곡률을 가지며, 곡률은 제1 영역의 곡률과 동일한 측면을 향하고, 제2 영역의 곡률 반경(R4)은 R4 = f3 x R1이고,
    여기서 f3 > 0.7이고,
    제2 영역은 폭 B2 = f8 x R1을 가지며,
    여기서 f8 = 0.11 내지 0.19이고,
    나란히 평행하게 배향된 2개의 레이디얼 터빈(1, 2)은 수직 회전 샤프트와 함께 배열되고 상호 연결되며, 터빈 샤프트(18)에 평행한 피벗 샤프트(15) 주위에서 피벗회전가능하고, 피벗 샤프트와 V-형 윈드 스플리터(3)는 터빈 샤프트들을 연결하는 라인의 외측에 배치되고 연결 라인의 동일한 측면에 배치되는 터빈 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 로터에 평행하게 배향된 편향기 표면은 원통형 쉘의 외측에 배열되고, 폭 B3 = f9 x R1을 가지며,
    여기서 f9= 0.7 내지 2.5이고,
    터빈 샤프트를 향하는 편향기 표면의 변부(P3)는 거리 A2 = f6 x R1에 배열되고,
    여기서 터빈 샤프트를 통하여 제1 종방향 단면으로부터 f6 = 0.25 내지 0.55이고, 거리 A1 = f5 x R1이며,
    여기서 터빈 샤프트를 통하여 제2 종방향 단면으로부터 f5 = 1.00 내지 1.10이고, 제2 종방향 단면은 제1 종방향 단면에 수직이며,
    편향기 표면은 제1 종?향 단면에 대해 α = 40° 내지 60°의 경사각을 갖는 터빈 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 터빈 블레이드의 총 폭은 B1 = f7 x R1이고, 여기서 f7 = 0.9 내지 1.1인 터빈 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 터빈 블레이드의 제1 영역과 제2 영역 사이의 이탈된 변부는 곡률 반경 R5 = f4 x R1을 가지며, 여기서 f4 = 0.01 내지 0.08인 터빈 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 샤프트는 직경 D1 = f10 x R1을 갖는 축의 형태이며, 여기서 f10 = 0.03 내지 0.13인 터빈 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 3개의 로터 블레이드가 제공되고 상기 로터 블레이드는 샤프트 주위에 균등하게 분포되며 균형이 유지되는 터빈 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 2개의 터빈이 상반된 방향으로 회전하는 터빈 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 링 제너레이터가 전류를 발생시키기 위해 제공되는 터빈 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 제너레이터는 터빈의 최적의 선단 속도 비율을 설정하도록 제어될 수 있는 터빈 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 바람 및/또는 물 제너레이터는 회전 연결부를 통하여 마스트(5), 폰툰(pontoon), 기저 부분, 빌딩 지붕 또는 이와 유사한 것에 고정되는 터빈 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 복수의 이들 바람 및/또는 물 제너레이터는 마스트 상에서 나린히 및/또는 상하로 배열되는 터빈 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 바람 및/또는 물 제너레이터는 모터-구동식 트래킹 수단, 제어 시스템, 및 추가 편향기 표면 없이 최적의 바람 또는 물 유동 방향으로 자동으로 회전하는 터빈 시스템.
  13. 제1항에 있어서, V-형 윈드 스플리터(3)와 터빈 사이의 거리는 조절가능한 터빈 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 편향기 표면 및/또는 마스트의 하부 영역은 광고 공간 또는 광고 매체로서 형성되는 터빈 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 피벗 샤프트(15)는 회전 연결부를 포함하고, 어큐뮬레이터 시스템 및/또는 터빈 지지 시스템이 고정될 수 있는 그리드 마스트는 회전 연결부 위에 제공되는 터빈 시스템.
  16. 제1항에 있어서, 소정의 풍속에 도달될 때 레이디얼 터빈들을 서로에 대해 더 근접하게 자동으로 이동시키기 위한 수단이 제공되는 터빈 시스템.
  17. 제1항에 있어서, 레이디얼 터빈은 샤프트를 따라 개별적으로 장착된 복수의 개별 터빈으로 분할되는 터빈 시스템.
  18. 제1항에 있어서, 보호되고 접지된 안전 공간이 민감한 기술적 구성요소를 수용하기 위하여 회전 연결부 아래에 제공되고, 안전 공간은 바람직하게는 특히 대기 습도에 대한 환기 및/또는 가열 및/또는 적합한 공기 컨디셔닝을 포함하는 터빈 시스템.
  19. 제1항에 있어서, 기저 부분은 추가 에너지 저장소 또는 물 용기 또는 오일 저장소로서 사용될 수 있는 터빈 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 열 펌프는 기저 부분 내로 통합되는 터빈 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 편향기 표면이 복수의 밀링된 지지 암 상에 장착되고, 서로 나사체결되는 2개의 지지 하트에 의해 양 측면 상에서 샤프트 상의 회전 부분에 체결되는 터빈 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 고정식 그릴 면 패널은 터빈의 상부 및 하부 단부에 제공되고, 그릴 면 패널은 전방 영역에서 둥글게 형성되는 터빈 시스템.
  23. 제1항에 있어서, LED 요소가 터빈 블레이드에 부착되고, 광고 효과를 달성하기 위해 회전 기능부로서 작동될 수 있는 터빈 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 터빈 마운팅 및 터빈을 포함하는 그리드 마스트가 마스트의 회전 연결부에 체결되는 터빈 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 윈드트래커 및/또는 본 발명에 따르는 터빈 시스템의 장치는 예컨대, 도로, 고속도로, 철도 라인 및 운하와 같은 교통 기반시설을 따라 제공되며, 안전 공간을 제공하고 및/또는 광고 매체 및/또는 도로 조명으로서 사용하며 및/또는 저 전류 업테이크 시에 그리드로부터 전류를 버퍼링하거나 또는 원격 통신을 위해 추가로 제공되는 터빈 시스템.
  26. 광고 공간 또는 광고 매체로서 그리고 추가 네트워크 및 통신 구성요소를 위한 지지부로서 제1항에 따르는 바람 및/또는 물 제너레이터의 마스트 및/또는 윈드 스플리터(3) 및/또는 터빈 블레이드의 사용.
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