KR20140009482A

KR20140009482A - 자연 에너지 인출 장치

Info

Publication number: KR20140009482A
Application number: KR1020137029872A
Authority: KR
Inventors: 히로미치 아키모토
Original assignee: 고도가이샤 알바트로스 테크놀로지
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2014-01-22
Also published as: JP5936291B2; US20140147248A1; EP2716908B1; EP2716908A1; US10047723B2; JP2015194157A; WO2012165444A1; JP5818743B2; CN103562547A; KR101558444B1; CN103562547B; JP2013032771A; EP2716908A4

Abstract

[과제] 세로 회전축과, 세로 회전축을 지지하는 부체(浮體)를 포함하는 자연 에너지 인출 장치로서, 종래기술에 비해 부체의 내부 구조가 간소하며, 부체와 계류 장치가 소형화되어, 제조 비용이 낮은 장치를 제공한다.
[해결 수단] 자연 에너지 인출 장치는, 요동 가능한 세로 회전축을 형성하는 제1 부체; 계류되어 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체; 및 제2 부체에 장착되어 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치를 포함하고, 물 위에 설치된다.

Description

자연 에너지 인출 장치 {NATURAL ENERGY EXTRACTION APPARATUS}

본 발명은 자연 에너지 인출 장치에 관한 것이다.

세로 회전축과, 세로 회전축을 지지하는 부체(浮體, floating body)와, 부체 내에 설치되고 세로 회전축에 작동 결합하여 회전 구동되는 발전기를 구비하고, 부체가 물 위에 계류(係留)된, 해상 풍력 에너지(offshore wind energy) 인출 장치가 특허문헌 1에 개시되어 있다.

국제 공개공보 WO03/089787

특허문헌 1의 장치에는, 세로 회전축을 회전 가능하게 지지하는 지지 장치와, 발전기를 부체 내에 설치하므로, 부체의 내부 구조가 복잡하게 되어, 제조 비용이 상승한다는 문제가 있다. 또한, 세로 회전축이 대략 연직(鉛直)으로 연장되는 것이 예정되어 있어, 그 예정을 달성하기 위하여, 부체와 계류 장치가 대형화된다는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 세로 회전축과, 세로 회전축을 지지하는 부체를 구비하는 자연 에너지 인출 장치로서, 종래 기술에 비해 부체의 내부 구조가 간소하며, 부체와 계류 장치가 소형화되어, 제조 비용이 낮은 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 요동 가능한 세로 회전축을 형성하는 제1 부체; 계류되어 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체; 및 제2 부체에 장착되어 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치를 포함하고, 물 위에 설치되는 것을 특징으로 하는 자연 에너지 인출 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서는, 세로 회전축은 제1 부체로서 물의 부력으로 지지되므로, 종래기술의 부체에 상당하는 제2 부체는 제1 부체의 지지 구조를 필요로 하지 않는다. 제1 부체는 요동 가능하므로, 종래기술의 부체에 상당하는 제2 부체는 제1 부체의 요동을 저지할 필요가 없다. 동력 전달 장치는 제1 부체와 제2 부체 사이의 개방 공간(open space)에 설치된다. 따라서, 종래기술의 부체에 상당하는 제2 부체의 내부 구조는 종래기술에 비해 간소화되고, 제2 부체와 계류 장치는 종래기술에 비해 소형화되어, 제2 부체의 제조 비용은 종래기술에 비해 감소한다. 피구동 기구로서, 발전기, 펌프, 압축기, 에너지 저장용의 플라이휠(flywheel) 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서는, 전술한 자연 에너지 인출 장치와, 상기 장치의 제1 부체에 고정되어 위쪽으로 연장되는 세로 회전축 풍차를 포함하고, 피구동 기구는 발전기인 것을 특징으로 하는 풍력 발전 장치를 제공한다.

위쪽으로 연장되는 세로 회전축 풍차를 제1 부체에 고정하고, 제1 부체의 회전 운동 에너지를 발전기의 구동 토크로 변환하여, 최종적으로 전기 에너지로 변환함으로써, 풍력 발전 장치를 얻을 수 있다. 제1 부체는 큰 관성 모멘트를 가지므로, 풍속 변동을 흡수하여 발전 출력을 평준화할 수 있고, 또한 자이로 효과(Gyro effect)에 의해, 풍차 회전축의 방향을 안정시킨다.

본 발명의 바람직한 태양(態樣, aspect)에 있어서는, 풍력 발전 장치에는 복수의 동력 전달 장치와 발전기가 설치되어 있다.

복수의 동력 전달 장치와 발전기를 설치함으로써, 단일의 대용량의 동력 전달 장치와 발전기를 설치하는 경우에 비해 동력 전달 장치와 발전기가 소형화되어 동력 전달 장치와 발전기의 개발비와 제조 비용이 감소한다. 또한, 발전을 계속하면서 어느 동력 전달 장치와 발전기를 보수하거나 교환하는 것이 가능해진다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 풍력 발전 장치는 제1 부체의 하단부에 고정되거나, 또는 제1 부체의 하단으로부터 매달린 추를 포함한다.

제1 부체의 하단부에 추를 고정하거나 또는 제1 부체의 하단으로부터 추를 매닮으로써, 파랑(波浪)이나 횡풍(橫風)에 대한 풍력 발전 장치의 복원력이 강화된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 풍력 발전 장치는 세로 회전축 풍차에 장착된 피뢰침을 구비한다.

낙뢰의 전류는, 피뢰침으로부터 세로 회전축 풍차와 제1 부체를 통하여 수중에 방출되고, 제2 부체에 장착된 동력 전달 장치, 나아가서는 피구동 기구인 발전기에는 흐르지 않는다. 그 결과, 발전기가 낙뢰로부터 보호된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 풍력 발전 장치는 제1 부체에 수용되어 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 출몰 가능한 제동체(制動體), 또는 제1 부체의 원주 측면에 장착되어 제1 부체의 원주 측면을 따라 연장되는 폐쇄 위치와 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 돌출된 개방 위치 사이에서 요동 가능한 제동체를 포함한다.

제동체를 제1 부체에 설치함으로써, 사고 발생 시 등에 회전 중인 제1 부체를 긴급 정지시키는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 제1 부체는 밸러스트수(ballast water, 선박평형수) 수납 공간을 구비하고, 발전 시에는 제1 부체에 밸러스트수가 주입되어 있다.

풍차의 보수 점검 시에, 밸러스트를 배출하여 제1 부체를 부상시켜 옆으로 쓰러뜨리고, 추를 매달고 있는 경우에는 현수용의 밧줄을 풀어 추를 바닥에 다다르게 하는 동시에 밸러스트를 배출하여 제1 부체를 부상시켜 옆으로 쓰러뜨려, 세로 회전축 풍차를 수면에 접근시켜, 보수 점검 작업을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 풍력 발전 장치는 한 쌍의 제1 부체; 상기 한 쌍의 제1 부체에 고정되어 위쪽으로 연장되는 한 쌍의 세로 회전축 풍차; 계류되어 상기 한 쌍의 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체; 및 제2 부체에 장착되어 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치를 포함하고, 제2 부체는 중간 부이(buoy) 부착 다점(多点) 계류되고, 제2 부체와 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄은, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있다.

제2 부체와 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄이, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있으므로, 풍력 발전 장치의 가동 시에, 제2 부체는 중간 부이의 바람이 불어 가는 쪽에 있고, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선은 바람에 정면으로 마주하여, 한 쌍의 세로 회전축 풍차는 서로 역방향으로 회전한다. 그 결과, 한 쌍의 제1 부체로부터 제2 부체에 전달되는 토크가 상쇄되어, 제2 부체의 회전이 방지된다. 또한 한 쌍의 세로 회전축 풍차가 마그누스 효과(Magnus effect)에 의해 받는 가로 방향의 힘도 서로 상쇄된다. 그 결과, 계류가 용이하게 되어 계류 비용이 감소한다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 풍차는 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 풍차이며, 상기 복수의 날개는 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 풍차 세로 회전축 주위에서 비틀려 있다.

복수의 상하로 연장되는 날개를 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 풍차 세로 회전축 주위에서 비틀면, 상면에서 볼 때, 각각의 날개가 기부(基部)에서 선단을 향해 풍차 세로 회전축 주위에 원주 방향으로 연장되게 된다. 그 결과, 풍차 회전 시의 토크 변동이 감소한다. 또한 정지하고 있었던 풍차가 기동할 때, 복수의 날개 중 어느 것의 일부가, 날개 트레일링 에지(trailing edge, 뒤 가장자리)에서 날개 리딩 에지(leading edge, 앞 가장자리)로 향하는 공기류(空氣流) 중에 놓이게 되어, 날개 앞쪽 가장자리 측에 소용돌이가 발생하여 부압(負壓)이 발생하고, 기동 토크가 발생한다. 그 결과, 풍차의 기동이 용이하게 된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 풍차는 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 풍차이며, 상기 날개는, 상단이 풍차 세로 회전축에 근접한 제1 위치와 상단이 풍차 세로 회전축으로부터 이격된 제2 위치 사이에서 요동 가능하다.

풍차의 유지보수 시에, 날개를 요동시켜서 날개 상단을 수면에 접근시켜, 유지보수 작업을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 풍차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되고 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암(arm)을 포함하고, 날개형 단면(斷面)의 커버가 암에 고정되어 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 풍차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되고 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 암에 장착되어 있고, 상기 커버의 전체가 암의 길이 축선 주위로 회전 가능하거나, 또는 상기 커버의 트레일링 에지부가 암의 길이 축선에 평행한 축선 주위로 회전 가능하다.

세로 회전축 풍차가 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되어 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 구비하는 경우, 암의 공기 저항을 감소시키기 위하여, 암에 날개형 단면(斷面)의 커버를 장착하는 것이 바람직하다.

특허문헌 1의 해상 풍력 에너지 인출 장치에서는 세로 회전축은 대략 연직으로 연장되므로, 세로 회전축과 날개를 연결하는 암에 날개형 단면의 커버를 장착해도 커버가 형성하는 날개는 상대 공기류에 대하여 영각(迎角)을 가지지 않고, 양력을 발생시키지 않는다. 그러나, 본 발명에 따른 풍력 발전 장치에서는, 세로 회전축 풍차는 바람이 불어 가는 쪽으로 경사지므로, 커버는 상대 공기류에 대하여 영각을 가지고, 양력을 발생시키는 동시에 날개 단부(端部)에 유도 저항도 발생시킨다. 따라서, 양력과 유도 저항이 세로 회전축 풍차의 토크에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다.

커버의 가로 세로 비(aspect ratio)가 큰 경우, 유도 저항이 작고 양항비(揚抗比, lift-drag ratio)가 크기 때문에, 커버를 암에 고정하고, 커버에 발생하는 양력을 세로 회전축 풍차의 토크에 기여시키는 것이 바람직하다. 커버의 가로세로비가 작은 경우에는, 유도 저항이 크고 양항비가 작으므로, 커버를 회전 가능하게 하거나, 또는 커버의 트레일링 에지부를 회전 가능하게 하여 커버에 의한 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생을 억제하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 전술한 자연 에너지 인출 장치와, 상기 장치의 제1 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차를 포함하고, 피구동 기구는 발전기인 것을 특징으로 하는 수류(水流) 발전 장치를 제공한다.

아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차를 제1 부체에 고정하고, 제1 부체의 회전 운동 에너지를 발전기의 구동 토크로 변환하여, 최종적으로 전기 에너지로 변환함으로써, 수류 발전 장치를 얻을 수 있다. 제1 부체는 큰 관성 모멘트를 가지므로, 수류 속도 변동을 흡수하여 발전 출력을 평준화할 수 있고, 또한 자이로 효과에 의하여, 수차 회전축의 방향을 안정시킨다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 수류 발전 장치에는 복수의 동력 전달 장치와 발전기가 설치되어 있다.

복수의 동력 전달 장치와 발전기를 설치함으로써, 단일의 대용량의 동력 전달 장치와 발전기를 설치하는 경우에 비해 동력 전달 장치와 발전기가 소형화되어 동력 전달 장치와 발전기의 개발비와 제조 비용이 감소한다. 또한, 발전을 계속하면서 어느 동력 전달 장치와 발전기를 보수하거나 교환하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 수류 발전 장치는 세로 회전축 수차의 세로 회전축의 하단부에 고정되거나, 또는 세로 회전축의 하단으로부터 매달린 추를 포함한다. 세로 회전축 수차의 세로 회전축의 하단부에 추를 고정하거나 또는 세로 회전축의 하단으로부터 추를 매닮으로써, 파랑이나 조류에 대한 수류 발전 장치의 복원력이 강화된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 수류 발전 장치는 제1 부체에 수용되어 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 출몰 가능한 제동체, 또는 제1 부체의 원주 측면에 장착되어 제1 부체의 원주 측면을 따라 연장되는 폐쇄 위치와 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 돌출된 개방 위치 사이에서 요동 가능한 제동체를 포함한다.

제동체를 제1 부체에 설치함으로써, 사고 발생 시 등에 회전 중인 제1 부체를 긴급정지시키는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 제1 부체와 세로 회전축 수차는 밸러스트수 수납 공간을 포함하고, 발전 시에는 제1 부체와 세로 회전축 수차에 밸러스트수가 주입되어 있다.

수차의 보수 점검 시에, 밸러스트를 배출하여 제1 부체와 세로 회전축 수차를 부상시켜 옆으로 쓰러뜨리고, 추를 매달고 있는 경우에는 현수용의 밧줄을 풀어 추를 바닥에 다다르게 하는 동시에 밸러스트를 배출하여 제1 부체와 세로 회전축 수차를 부상시키고 옆으로 쓰러뜨리고, 세로 회전축 수차를 수면에 접근시켜, 보수 점검 작업을 용이하게 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 수류 발전 장치는 한 쌍의 제1 부체; 상기 한 쌍의 제1 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 한 쌍의 세로 회전축 수차; 계류되어 상기 한 쌍의 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체; 및 제2 부체에 장착되어 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치를 포함하고, 제2 부체는 중간 부이 부착 다점(多点) 계류되고, 제2 부체와 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄은, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있다.

제2 부체와 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄이, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있으므로, 수류 발전 장치의 가동 시에, 제2 부체는 중간 부이의 하류 쪽에 있고, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선은 수류에 정면으로 마주하여, 한 쌍의 세로 회전축 수차는 서로 역방향으로 회전한다. 그 결과, 한 쌍의 제1 부체로부터 제2 부체에 전달되는 토크가 상쇄되어, 제2 부체의 회전이 방지된다. 또한 한 쌍의 세로 회전축 수차가 마그누스 효과에 의해 받는 가로 방향 힘도 서로 상쇄된다. 그 결과, 계류가 용이하게 되어 계류 비용이 감소한다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 수차는 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 수차이며, 상기 복수의 날개는 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 수차 세로 회전축 주위에서 비틀려 있다.

복수의 상하로 연장되는 날개를 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 수차 세로 회전축 주위에서 비틀면, 상면에서 볼 때, 각 날개가 기부(基部)로부터 선단을 향해 수차 세로 회전축 주위에 원주 방향으로 연장되게 된다. 그 결과, 수차 회전 시의 토크 변동이 감소한다. 또한 정지하고 있던 수차가 기동할 때, 복수의 날개 중 어느 것의 일부가, 날개 트레일링 에지에서 날개 리딩 에지를 향하는 수류 중에 놓이게 되어, 날개 리딩 에지 측에 소용돌이가 발생하여 부압(負壓)이 발생하고, 기동 토크가 발생한다. 그 결과, 수차의 기동이 용이하게 된다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되고 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 암에 고정되어 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되고 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 암에 장착되어 있고, 상기 커버의 전체가 암의 길이 축선 주위로 회전 가능하든지, 또는 상기 커버의 트레일링 에지부가 암의 길이 축선에 평행한 축선 주위에 회전 가능하다.

세로 회전축 수차가 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되고 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하는 경우, 암의 유체 저항을 감소시키기 위하여, 암에 날개형 단면의 커버를 장착하는 것이 바람직하다.

특허문헌 1의 해상 풍력 에너지 인출 장치에서는 세로 회전축은 대략 연직으로 연장되므로, 세로 회전축과 날개를 연결하는 암에 날개형 단면의 커버를 장착해도 커버는 상대 공기류에 대하여 영각을 가지지 않아, 양력을 발생시키지 않는다. 그러나, 본 발명에 따른 수류 발전 장치에서는, 세로 회전축 수차는 하류 측으로 경사지므로, 커버는 상대 수류에 대하여 영각을 가져, 양력을 발생시키는 동시에 날개 단부에 유도 저항도 발생시킨다. 따라서, 양력과 유도 저항이 세로 회전축 수차의 토크에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다.

커버의 가로세로비가 큰 경우, 유도 저항이 작고 양항비가 크기 때문에, 커버를 암에 고정하고, 커버에 발생하는 양력을 세로 회전축 수차의 토크에 기여시키는 것이 바람직하다. 커버의 가로세로비가 작은 경우에는, 유도 저항이 크고 양항비가 작으므로, 커버를 회전 가능하게 하거나, 또는 커버의 트레일링 에지부를 회전 가능하게 하여 커버에 의한 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생을 억제하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 전술한 자연 에너지 인출 장치를 포함하고, 피구동 기구는 발전기이며, 발전기에 공급되는 전력을 제1 부체의 회전 에너지로 변환하여 제1 부체에 저류(貯留)하는 것을 특징으로 하는 에너지 저류 장치를 제공한다.

발전기에 공급되는 전력을 제1 부체의 회전 에너지로 변환함으로써, 에너지 저류 장치를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 에너지 저류 장치는 한 쌍의 제1 부체와, 계류되어 상기 한 쌍의 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체를 포함하고, 제2 부체는 중간 부이 부착 다점 계류되고, 제2 부체와 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄은, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있다.

에너지 저류 장치의 가동 시에, 한 쌍의 제1 부체를 서로 역방향으로 회전시키면, 발전기로부터 제2 부체에 전달되는 토크가 상쇄되어 제2 부체의 회전이 방지된다. 그 결과, 계류가 용이하게 되어 계류 비용이 감소한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 구조도이다. (a)는 제1 부체가 직립되었을 때의 부분 측면도이며, (b)는 상면도이며, (c)는 롤러와 지지 암의 모식적인 사시도이며, (d)는 제1 부체가 경사졌을 때의 부분 측면도이며, (e)는 제1 부체가 위쪽으로 이동했을 때의 제1 부체 원주 측면 위에서의 롤러 맞닿음부의 궤적과 롤러의 자세와의 관계를 나타낸 부분 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예의 측면도이다. (a)는 풍력 발전 장치의 측면도이며, (b)는 수류 발전 장치의 측면도이며, (c)는 에너지 저류 장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예의 사시도이다. (a), (c)는 풍력 발전 장치의 사시도이며, (b), (d)는 수류 발전 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예인 풍력 발전 장치의 구조도이다. (a)는 사시도이며, (b)는 (a)의 b-b에서 본 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예인 풍력 발전 장치의 계류 상태를 나타낸 구조도이다. (a)는 한 쌍의 풍차를 가지는 풍력 발전 장치의 사시도이며, (b)는 한 쌍의 풍차를 가지는 풍력 발전 장치의 풍차를 제거한 상태에서의 상면도이며, (c)는 단일의 풍차를 가지는 풍력 발전 장치의 사시도이며, (b)는 단일의 풍차를 가지는 풍력 발전 장치의 풍차를 제거한 상태에서의 상면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예인 풍력 발전 장치의 구조도이다. (a)는 사시도이며, (b), (c)는 상면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예인 풍력 발전 장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예인 풍력 발전 장치가 구비하는 암과 암에 장착한 날개형 단면의 커버의 부분 구조도이다. (a)는 사시도이며, (b)는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치의 응용예인 풍력 발전 장치가 구비하는 암과 암에 장착한 날개형 단면의 커버의 단면도이다.

본 발명의 실시예에 따른 자연 에너지 인출 장치를 설명한다.

도 1 (a)(b)(c)에 나타낸 바와 같이, 자연 에너지 인출 장치(A)는, 세로 회전축, 즉 상하로 연장되는 회전축을 형성하는 원기둥형의 제1 부체(1)와, 수상 계류되어 제1 부체(1)를 둘러싸는 제2 부체(2)를 구비하고 있다.

제2 부체(2)는, 상면에서 볼 때, 제1 부체(1)를 중심으로 하는 정삼각형의 각 정점에 설치된 원기둥형의 부체(2a)와, 인접하는 부체(2a)끼리를 연결하는 암 부재(arm member)(2b)를 가지고 있다. 3개의 암 부재(2b)는 동일 평면상에 있다.

U형의 양(兩)다리부(3a')와 양다리부의 기부(基部)로부터 연장되는 축부(3a")를 가지는 소리굽쇠 형상 부재인 제1 부분(3a)과, U형의 양다리부(3b')와 양다리부의 기부로부터 연장되는 축부(3b")를 가지는 한 쌍의 소리굽쇠 형상 부재가 양다리부(3b')를 서로 붙여 일체화된 제2 부분(3b)을 가지고, 제2 부분(3b)의 양(兩)축부(3b")가 제1 부분(3a)의 양다리부(3a')에 회전 가능하게 지지된 구조를 가지는 지지 암(3)이, 제1 부분(3a)의 축부(3a")를 암 부재(2b)에 직교시켜, 암 부재(2b)의 길이 방향 중앙부에 장착되어 있다. 지지 암(3)은, 3개의 암 부재(2b)가 포함되는 평면 내에서, 제1 부체(1)의 중심 축선(L)을 향해 연장되어 있다. 제1 부분(3a)의 축부(3a")는, 그 축부의 중심 축선 주위로 회전 가능하게, 또한 도시하지 않은 스프링의 부세력(付勢力)을 받아, 소정의 스트로크 내에서 암 부재(2b)로부터 출몰 가능하게, 암 부재(2b)에 장착되어 있다. 각각의 암 부재(2b)에 1개의 지지 암(3)이 장착되어 있다.

각각의 지지 암(3)의 제2 부분(3b)에, 두꺼운 원반형의 롤러(4)가 회전 가능하게 장착되어 있다.

롤러(4)는, 원반의 중심 축선(X) 주위와, 원반의 두꺼운 부분 중심 평면 내에서 축선(X)과 직교하여 제1 부체(1)의 중심 축선(L)을 향해 연장되는 축선(Y) 주위와, 원반의 두꺼운 부분 중심 평면 내에서 축선(X)과 축선(Y)의 교점을 지나고 또한 상기 2축선과 직교하는 축선(Z) 주위에, 회전 가능하게, 지지 암(3)에 의해 지지되어 있다.

3개의 롤러(4)가, 상면에서 볼 때, 원주 방향으로 120도씩 간격을 두고 제1 부체(1)를 둘러싸고 있어, 롤러(4)의 원주 측면이 제1 부체(1)의 원주 측면과 맞닿아 있다. 롤러(4)의 원주 측면은, 암 부재(3)의 축부(3a")를 부세(付勢)하는 전술한 도시하지 않은 스프링에 의하여, 제1 부체(1)의 원주 측면에 밀어 붙여져 있다.

롤러(4)에 발전기(5)가 장착되어 있다.

자연 에너지 인출 장치(A)는 물 위에 설치되어 있다. 제2 부체(2)는 도시하지 않은 앵커(anchor) 및 체인(chain) 또는 와이어(wire)에 의해 계류되어 수면에 떠 있고, 제1 부체(1)는 롤러(4)에 의해 수평 이동이 제약되는 점을 제외하고 자유 상태로 수면에 떠 있다. 롤러(4)와 발전기(5)는 수면보다 위쪽에 있다.

자연 에너지 인출 장치(A)에 있어서는, 제1 부체(1)의 회전이, 롤러(4)에 전달되고, 롤러(4)에 장착된 발전기(5)가 구동되어 발전된다. 제1 부체(1)의 회전 운동 에너지가 발전기(5)의 구동 토크로 변환되고, 최종적으로 전기 에너지에 변환되어 인출된다.

롤러(4)는, 중심 축선인 축선(X) 주위뿐만 아니라, 축선(X)과 직교하는 축선(Y, Z) 주위에도 회전 가능하므로, 회전하는 제1 부체(1)로부터 받는 저항이 최소가 되는 자세로 제1 부체(1)와 맞닿는다. 그 결과, 도 1 (d)에 나타낸 바와 같이 제1 부체(1)가 요동하여 경사지면, 롤러(4)는, 축선(Z) 주위로 회전하고, 축선(X)을 제1 부체(1)의 중심 축선(L)에 평행하게 연장되게 하여, 제1 부체(1)의 원주 측면과 맞닿고, 제1 부체(1)에 의해 회전 구동된다. 파도를 받아 회전 중인 제1 부체(1)가 상하 이동하면, 롤러(4)는, 축선(Y) 주위로 회전하고, 도 1 (e)에 나타낸 바와 같이, 제1 부체(1)의 원주 측면 위의 롤러(4) 맞닿음부의 궤적(S)의 연장 방향으로 원주 측면을 향하게 하여, 제1 부체(1) 원주 측면과 맞닿고, 제1 부체(1)에 의해 회전 구동된다.

롤러(4)는, 전술한 바와 같이 제1 부체(1)의 원주 측면에 밀어 붙여져 있으므로, 제1 부체(1)가 요동하여 경사지고, 상하 이동하거나, 또는 수평 이동해도, 확실하게 제1 부체(1)의 원주 측면과 맞닿고, 제1 부체(1)에 의해 회전 구동된다.

종래기술의 세로 회전축에 상당하는 제1 부체(1)는, 물의 부력으로 지지되므로, 종래기술의 부체에 상당하는 제2 부체(2)는 제1 부체(1)의 지지 구조를 필요로 하지 않는다. 제1 부체(1)는 요동 가능하므로, 종래기술의 부체에 상당하는 제2 부체(2)는 제1 부체(1)의 요동을 저지할 필요가 없다. 또한 롤러(4)와 발전기(5)는 제1 부체(1)와 제2 부체(2)의 사이의 개방 공간에 설치된다. 그 결과, 종래기술의 부체에 상당하는 제2 부체(2)의 구조는 종래기술에 비해 간소화되고, 제2 부체(2)와 계류 장치는 종래기술에 비해 소형화되어, 제2 부체(2) 나아가서는 자연 에너지 인출 장치(A)의 제조 비용은 종래 기술에 비해 감소한다.

복수의 롤러(4)와 발전기(5)를 설치함으로써, 단일의 큰 치수의 롤러와 대용량의 발전기를 설치하는 경우에 비해 롤러(4)와 발전기(5)가 소형화되고 롤러(4)와 발전기(5)의 개발비와 제조 비용이 감소한다. 롤러(4)와 발전기(5)의 개수를 4 이상으로 하면, 발전을 계속하면서 어느 롤러(4)와 발전기(5)를 보수하거나 교환하는 것이 가능하게 된다.

도 2 (a)에 나타낸 바와 같이, 위쪽으로 연장되는 세로 회전축 풍차(B)의 세로 회전축(B')을, 자연 에너지 인출 장치(A)의 제1 부체(1)의 상단에 고정하고, 제1 부체(1)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써, 풍력 발전 장치(C)를 얻을 수 있다. 제1 부체(1)는 큰 관성 모멘트를 가지므로, 풍속 변동을 흡수하여 발전 출력을 평준화할 수 있고, 또한 자이로 효과에 의하여, 세로 회전축(B')의 방향을 안정시킨다.

도 2 (b)에 나타낸 바와 같이, 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차(D)의 세로 회전축(D')을, 자연 에너지 인출 장치(A)의 제1 부체(1)의 하단에 고정하고, 제1 부체(1)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써, 수류 발전 장치(E)를 얻을 수 있다. 제1 부체(1)는 큰 관성 모멘트를 가지므로, 수류 속도 변동을 흡수하여 발전 출력을 평준화할 수 있고, 또한 자이로 효과에 의하여, 세로 회전축(D')의 방향을 안정시킨다.

도 2 (c)에 나타낸 바와 같이, 자연 에너지 인출 장치(A)에 있어서, 발전기(5)와 롤러(4)를 통하여 전력을 제1 부체(1)의 회전 에너지로 변환함으로써, 에너지 저류 장치(F)를 얻을 수 있다. 제1 부체(1)에 저류된 운동 에너지는, 필요 시에 전기 에너지로서 인출할 수 있다.

자연 에너지 인출 장치(A)를, 바다, 호수와 늪, 하천 등에 설치하여, 풍력 발전 장치, 수류 발전 장치, 에너지 저류 장치를 구성할 수 있다.

상기 실시예에서는, 제1 부체(1)의 회전 운동 에너지를 발전기(5)의 구동 토크로 변환하여, 최종적으로 전기 에너지로서 인출하였으나, 제1 부체(1)의 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하지 않고, 펌프, 압축기 등의 구동 토크에 직접 변환하여도 되거나, 또는 별도의 플라이휠 등의 에너지 저장 장치의 구동 토크에 직접 변환하여도 된다.

도 2 (a)의 풍력 발전 장치(C)에 있어서, 도 3 (a)에 나타낸 바와 같이 제1 부체(1)의 하단으로부터 추(6)를 매달거나, 도 2 (b)의 수류 발전 장치(E)에 있어서, 도 3 (b)에 나타낸 바와 같이 세로 회전축 수차(D)의 세로 회전축(D')의 하단으로부터 추(6)를 매달아도 된다. 제1 부체(1)로부터 추(6)를 매달거나 세로 회전축(D')으로부터 추(6)를 매닮으로써, 파랑이나 횡풍이나 조류에 대한 제1 부체(1), 나아가서는 풍력 발전 장치(C), 수류 발전 장치(E)의, 복원력이 강화된다. 제1 부체(1)의 하단으로부터 추(6)를 매달거나 세로 회전축(D')의 하단으로부터 추(6)를 매다는 것에 대신하여, 제1 부체(1)의 하단부에 추(6)를 고정하거나 세로 회전축(D')의 하단부에 추(6)를 고정시켜도 된다.

도 2 (a)의 풍력 발전 장치(C)에 있어서, 도 4 (a)에 나타낸 바와 같이, 세로 회전축 풍차(B)의 세로 회전축(B')이나 세로 회전축 풍차(B)의 날개인 날개(13)에 피뢰침(7)을 장착해도 된다. 낙뢰의 전류는, 피뢰침(7)으로부터 세로 회전축 풍차(B)와 제1 부체(1)를 통하여 수중에 방출되고, 제2 부체(2)에 장착된 동력 전달 장치인 롤러(4), 나아가서는 피구동 기구인 발전기(5)에는 흐르지 않는다. 그 결과, 발전기(5)가 낙뢰로부터 보호된다.

도 2 (a)의 풍력 발전 장치(C)에 있어서, 도 4 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 부체(1)에 수용되어 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 출몰 가능한 제동체(8), 또는 도 4 (b)에 나타낸 바와 같이, 제1 부체(1)의 원주 측면에 장착되어 제1 부체(1)의 원주 측면을 따라 연장되는 폐쇄 위치와 제1 부체(1)의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 돌출된 개방 위치 사이에서 요동 가능한 제동체(9)를 설치해도 된다. 제동체(8, 9)를 제1 부체(1)에 설치함으로써, 사고 발생시 등에 회전 중인 제1 부체(1)를 긴급 정지시키는 것이 가능하게 된다.

도 2 (a)의 풍력 발전 장치(C)에 있어서, 제1 부체(1)에 밸러스트수 수납 공간을 설치하고, 발전 시에 제1 부체(1)에 밸러스트수를 주입하여 도 3 (a)에 나타낸 바와 같이 제1 부체(1)를 직립시키도록 구성해도 된다. 세로 회전축 풍차(B)의 보수 점검 시에, 제1 부체(1)의 밸러스트수를 배출하고 제1 부체(1)를 부상시키고 옆으로 쓰러뜨리고, 제1 부체(1)가 추(6)를 매달고 있는 경우에는 도 3 (c)에 나타낸 바와 같이 현수용의 밧줄을 풀어 추(6)를 바닥에 다다르게 하는 동시에 제1 부체(1)의 밸러스트수를 배출하고 제1 부체(1)를 부상시키고 옆으로 쓰러뜨리고, 세로 회전축 풍차(B)를 수면에 접근시켜, 보수 점검 작업을 효율화할 수 있다.

도 5 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 제1 부체(1)와, 한 쌍의 제1 부체(1)에 고정되어 위쪽으로 연장되는 한 쌍의 세로 회전축 풍차(B)와, 한 쌍의 제1 부체(1)를 둘러싸는 제2 부체(2)와, 제2 부체(2)에 장착되고 한 쌍의 제1 부체(1)와 맞닿는 한 쌍의 3개의 롤러(4)와, 각각의 롤러(4)에 장착된 발전기(5)로, 풍력 발전 장치를 구성하고, 제2 부체(2)를 중간 부이 부착 다점 계류해도 된다. 제2 부체(2)와 중간 부이(10)를 연결하는 2개의 계류 밧줄(11)을, 상면에서 볼 때, 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')의 상기 한 쌍의 제1 부체(1) 사이의 중간점을 지나고 제1 직선(X')과 직교하는 제2 직선(Y')에 대하여 선대칭으로 설치한다.

제2 부체(2)와 중간 부이(10)를 연결하는 2개의 계류 밧줄(11)이, 상면에서 볼 때, 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')의 상기 한 쌍의 제1 부체(1) 사이의 중간점을 지나고, 제1 직선(X')과 직교하는 제2 직선(Y')에 대하여 선대칭으로 설치되어 있으므로, 풍력 발전 장치의 가동 시에, 제2 부체(2)는 중간 부이(10)의 바람이 불어 가는 쪽에 있어, 상기 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')은 바람을 정면으로 마주하고, 한 쌍의 세로 회전축 풍차(B)는 서로 역방향으로 회전한다. 그 결과, 한 쌍의 제1 부체(1)로부터 제2 부체(2)에 전달되는 토크가 상쇄되어 제2 부체(2)의 회전이 방지된다. 또한 한 쌍의 세로 회전축 풍차(B)가 마그누스 효과에 의해 받는 가로 방향 힘도 서로 상쇄된다. 그 결과, 계류가 용이하게 되어 계류 비용이 감소한다.

단일의 세로 회전축 풍차(B)와 단일의 제1 부체(1)와 제2 부체(2)로 이루어지는 풍력 발전 장치를 계류할 때는, 도 5 (c), (d)에 나타낸 바와 같이, 직경 방향 바깥쪽으로 연장되는 암 부재(12)를 제2 부체(2)에 고정하고, 암 부재(12)에서 중간 부이(10)로 계류 밧줄(11)을 연장시켜, 제2 부체(2)를 중간 부이 부착 일점(一点) 계류하는 것이 바람직하다. 암 부재(12)를 설치하여 제2 부체(2)의 회전 레버(rotating lever)를 증가시킴으로써, 제1 부체(1)로부터 제2 부체(2)에 전달되는 토크를 없애기 때문에 계류 밧줄(11)에 발생하는 장력을 감소시킬 수 있다.

도 2 (a)의 풍력 발전 장치(C)에 있어서, 도 6 (a)에 나타낸 바와 같이, 세로 회전축 풍차(B)를 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 장척(長尺)의 날개(13)를 가지는 양력형 세로 회전축 풍차(B1)로 하고, 상기 복수의 날개(13)를 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 풍차 세로 회전축(B1') 주위에서 비틀어, 양력형 세로 회전축 풍차(B1)를 나선 풍차로 해도 된다. 복수의 상하로 연장되는 날개(13)를 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 풍차 세로 회전축(B1') 주위에서 비틀면, 도 6 (b)에 나타낸 바와 같이, 상면에서 볼 때, 각 날개(13)가 기부에서 선단을 향해 풍차 세로 회전축(B1') 주위에 원주 방향으로 연장되게 된다. 그 결과, 풍차 회전 시의 토크 변동이 감소한다. 또한 정지하고 있었던 풍차(B1)가 기동할 때, 도 6 (c)에 나타낸 바와 같이, 복수의 날개(13) 중 어느 것의 일부가, 날개 트레일링 에지(13a)에서 날개 리딩 에지(13b)로 향하는 공기류 중에 놓이게 되어, 날개 리딩 에지(13b) 측에 소용돌이가 발생하여 부압(負壓)이 발생하고, 기동(起動) 토크가 발생한다. 그 결과, 풍차(B1)의 기동이 용이하게 된다.

도 7 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 세로 회전축 풍차를, 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 장척의 날개(13)를 가지는 양력형 세로 회전축 풍차(B1)로 하고, 상기 날개(13)를, 도 7 (a)에 나타낸 상단이 세로 회전축(B1')에 근접한 제1 위치와, 도 7 (b), (c)에 나타낸 상단이 세로 회전축(B1')으로부터 이격된 제2 위치 사이에서 요동 가능하게 해도 된다. 날개(13)의 요동은, 세로 회전축(B1')과 날개(13)를 연결하는 와이어(14)의 길이를 가변 제어하여 행한다. 강풍 시에는 날개(13)를 도 7 (a)에 나타낸 제1 위치에 위치결정하여 날개(13)를 보호하고, 적정풍 시에는 날개(13)를 도 7 (b)에 나타낸 날개(13)가 적당히 요동한 제1 단계의 제2 위치에 위치결정하여 발전하고, 세로 회전축 풍차(B1)의 보수 점검 시에는, 날개(13)를 도 7 (c)에 나타낸 대략 90도 요동한 제2 단계의 제2 위치에 위치결정하고, 날개(13)를 수면에 접근시켜, 보수 점검 작업을 용이하게 할 수 있다.

날개(13)를 요동 가능하게 구성한 양력형 세로 회전축 풍차(B1)에 있어서, 도 7 (d)에 나타낸 바와 같이, 세로 회전축(B1')과 날개(13)를, 3개 이상의 선회 관절(15)을 가지는 링크 기구(16)로 연결하면, 날개(13)의 기부로부터 뿐만 아니라, 날개(13)의 길이 방향 중간부로부터도, 세로 회전축(B1')을 통하여 제1 부체(1)에 회전 토크를 전달할 수 있다. 그 결과, 날개(13)의 내구성(耐久性)이 향상된다.

도 2 (b)의 수류 발전 장치(E)에 있어서, 제1 부체(1)와 세로 회전축 수차(D)의 날개(17)에 밸러스트수 수납 공간을 설치하고, 발전 시에 제1 부체(1)와 날개(17)에 밸러스트수를 주입하여, 도 3 (b)에 나타낸 바와 같이 세로 회전축 수차(D)를 직립시키도록 구성해도 된다. 세로 회전축 수차(D)의 보수 점검 시에, 제1 부체(1)와 날개(17)의 밸러스트수를 배출하고 날개(17)를 부상시켜, 옆으로 쓰러뜨리고, 세로 회전축 수차(D)로부터 추(6)를 매달고 있는 경우에는 도 3 (d)에 나타낸 바와 같이 현수용의 밧줄을 풀어 추(6)를 바닥에 다다르게 하는 동시에 제1 부체(1)와 날개(17)의 밸러스트를 배출하고 날개(17)를 부상시켜 옆으로 쓰러뜨리고, 세로 회전축 수차(D)를 수면에 접근시켜, 보수 점검 작업을 용이하게 할 수 있다.

도 2 (b)의 수류 발전 장치(E)에 있어서, 도 4 (a), (b)와 마찬가지로, 제1 부체(1)에 수용되어 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 출몰 가능한 제동체, 또는 제1 부체(1)의 원주 측면에 장착되어 제1 부체(1)의 원주 측면을 따라 연장되는 폐쇄 위치와 제1 부체(1)의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 돌출된 개방 위치 사이에서 요동 가능한 제동체를 설치해도 된다. 제동체를 제1 부체(1)에 설치함으로써, 사고 발생 시 등에 회전 중인 제1 부체(1)를 긴급정지시키는 것이 가능하게 된다.

한 쌍의 제1 부체(1)와, 한 쌍의 제1 부체(1)에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 한 쌍의 세로 회전축 수차(D)와, 한 쌍의 제1 부체(1)를 둘러싸는 제2 부체(2)와, 제2 부체(2)에 장착되어 한 쌍의 제1 부체(1)와 맞닿는 한 쌍의 3개의 롤러(4)와, 각각의 롤러(4)에 장착된 발전기(5)로, 수류 발전 장치를 구성하고, 제2 부체(2)를 중간 부이 부착 다점 계류해도 된다. 도 5 (b)와 마찬가지로, 제2 부체(2)와 중간 부이(10)를 연결하는 계류 밧줄(11)을, 상면에서 볼 때, 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')의 상기 한 쌍의 제1 부체(1) 사이의 중간점을 지나고 제1 직선(X')과 직교하는 제2 직선(Y')에 대하여 선대칭으로 설치한다.

제2 부체(2)와 중간 부이(10)를 연결하는 계류 밧줄(11)이, 상면에서 볼 때, 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')의 상기 한 쌍의 제1 부체(1) 사이의 중간점을 지나고 제1 직선(X')과 직교하는 제2 직선(Y')에 대하여 선대칭으로 설치되어 있으므로, 수류 발전 장치(E)의 가동 시에, 제2 부체(2)는 중간 부이(10)의 하류 쪽에 있고, 상기 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')은 수류에 정면으로 마주하여, 한 쌍의 세로 회전축 수차(D)는 서로 역방향으로 회전한다. 그 결과, 한 쌍의 제1 부체(1)로부터 제2 부체(2)에 전달되는 토크가 상쇄되어 제2 부체(2)의 회전이 방지된다. 또한 한 쌍의 세로 회전축 수차(D)가 마그누스 효과에 의해 받는 가로 방향 힘도 서로 상쇄된다. 그 결과, 계류가 용이하게 되어 계류 비용이 감소한다.

단일의 세로 회전축 풍수차(D)와 단일의 제1 부체(1)와 제2 부체(2)로 이루어지는 수류 발전 장치를 계류할 때는, 도 5 (d)와 마찬가지로, 직경 방향 바깥쪽으로 연장되는 암 부재(12)를 제2 부체(2)에 고정하고, 암 부재(12)에서 중간 부이(10)로 계류 밧줄(11)을 연장시켜, 제2 부체(2)를 중간 부이 부착 일점 계류하는 것이 바람직하다. 암 부재(12)를 설치하여 제2 부체(2)의 회전 레버를 증가시킴으로써, 제1 부체(1)에서 제2 부체(2)로 전달되는 토크를 없애기 때문에 계류 밧줄(11)에 발생하는 장력을 감소시킬 수 있다.

도 2 (b)의 수류 발전 장치(E)에 있어서, 도 6 (a)와 마찬가지로, 세로 회전축 수차(D)를 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 장척의 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 수차로 하고, 상기 복수의 날개를 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 수차 세로 회전축 주위에서 비틀어, 양력형 세로 회전축 수차를 나선 수차로 해도 된다. 복수의 상하로 연장되는 날개를 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 수차 세로 회전축 주위에서 비틀면, 도 6 (b)와 마찬가지로, 상면에서 볼 때, 각각의 날개가 기부에서 선단을 향해 수차 세로 회전축 주위에 원주 방향으로 연장되게 된다. 그 결과, 수차 회전 시의 토크 변동이 감소한다. 또한 정지하고 있던 수차가 기동할 때, 도 6 (c)와 마찬가지로, 복수의 날개 중 어느 것의 일부가, 날개 뒤쪽 에지에서 날개 리딩 에지로 향하는 수류 중에 놓이게 되어, 날개 리딩 에지 측에 소용돌이가 발생하여 부압이 발생하고, 기동 토크가 발생한다. 그 결과, 수차의 기동이 용이하게 된다.

도 3 (a), 도 4 (a), 도 5 (a), 도 5 (c), 도 6 (a)의 풍력 발전 장치에 있어서, 세로 회전축(B', B1')으로부터 직경 방향으로 연장되는 세로 회전축 풍차(B, B1)의 날개인 장척의 날개(13)에 연결되어 날개(13)를 지지하는 암(18)의 공기 저항을 감소시키기 위하여, 암(18)에 날개형 단면(斷面)의 커버를 장착하는 것이 바람직하다.

특허문헌 1의 해상 풍력 에너지 인출 장치에서는 세로 회전축은 대략 연직으로 연장되므로, 세로 회전축과 날개를 연결하는 암에 날개형 단면의 커버를 장착해도, 커버는 상대 공기류에 대하여 영각을 가지지 않아, 양력을 발생시키지 않는다. 그러나, 도 3 (a), 도 4 (a), 도 5 (a), 도 5 (c), 도 6 (a)의 풍력 발전 장치에서는, 도 3 (a)로부터 알 수 있듯이, 풍력 발전 장치의 가동 시에 세로 회전축 풍차(B, B1)는 바람이 불어 가는 쪽으로 경사지므로, 도 8 (a)에 나타낸 바와 같이, 암(18)에 장착한 날개형 단면의 커버(20)는 상대 공기류에 대하여 영각을 가져, 양력을 발생시키는 동시에 날개 단부(端部)에 유도 저항도 발생시킨다. 따라서, 양력과 유도 저항이 세로 회전축 풍차(B, B1)의 토크에 미치는 영향을 고려할 필요가 있다.

도 8 (b)에 나타낸 바와 같이, 양력은 커버(20)의 리딩 에지 방향으로 경사지므로 세로 회전축 풍차(B, B1)의 토크에 기여한다. 커버(20)의 가로세로비를 크게 하면 유도 저항이 작아져 양항비가 커지므로, 암(18)에 고정된 커버(20)는 세로 회전축 풍차(B, B1)의 토크 발생에 기여한다.

커버(20)의 가로세로비가 작은 경우에는, 유도 저항이 커지고 양항비가 작아지므로, 커버(20)는 세로 회전축 풍차(B, B1)의 토크 발생에 대한 저항이 된다. 이 경우에는, 도 9 (a), (b)에 나타낸 바와 같이, 커버(20)를 암(18)의 길이 축선 주위로 회전 가능하게 하고, 커버(20)가 상대 공기류에 대하여 영각을 가지지 않도록 하여, 커버(20)에 의한 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생을 억제하는 것이 바람직하다. 그리고, 커버(20)의 리딩 에지 내부 또는 리딩 에지 외부에, 균형추(21)를 설치할 필요가 있다.

커버(20)의 가로세로비가 작은 경우에, 도 9 (c), (d)에 나타낸 바와 같이, 현의 길이 방향 중앙부가 암(18)에 고정된 커버(20)의 트레일링 에지부(20a)를 암(18)의 길이 축선과 평행하게 연장되는 축선 주위로 회전 가능하게 하고, 트레일링 에지부(20a)가 상대 공기류에 대하여 영각을 가지지 않고, 트레일링 에지부(20a)에서의 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생이 억제되도록 하여, 커버(20)에 발생하는 유도 저항을 감소시켜도 된다. 그리고, 커버 트레일링 에지부(20a)의 리딩 에지부에, 균형추(22)를 설치할 필요가 있다.

도 3 (b)의 수류 발전 장치에 있어서도, 전술한 풍력 발전 장치와 마찬가지로, 세로 회전축(D')으로부터 직경 방향으로 연장되는 세로 회전축 수차(D)의 날개인 장척의 날개(17)에 연결되어 날개(17)를 지지하는 암(19)의 유체 저항을 감소시키기 위하여, 암(19)에 날개형 단면의 커버를 장착하는 것이 바람직하다.

도 3 (b)로부터 알 수 있듯이, 수류 발전 장치의 가동 시에 세로 회전축 수차(D)는 하류 쪽으로 경사지므로, 전술한 풍력 발전 장치와 마찬가지로, 암(19)에 고정한 커버의 가로세로비를 크게 하여 커버에 발생하는 양력을 세로 회전축 수차의 토크에 기여하게 하여, 커버의 가로세로비가 작은 경우에는, 커버를 암(19)의 길이 축선에 회전 가능하게 장착하여 커버에 의한 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생을 억제하거나, 또는 암에 고정한 커버의 트레일링 에지부를 암의 길이 축선에 평행하게 연장되는 축선 주위로 회전 가능하게 하고, 트레일링 에지부에서의 양력 발생, 나아가서는 유도 저항 발생이 억제되도록 하여, 커버에 발생하는 유도 저항을 감소시켜도 된다. 이 경우도, 커버의 리딩 에지부에 균형추(21)와 동일한 추를 설치하고, 또한 커버 트레일링 에지부의 리딩 에지부에 균형추(22)와 동일한 추를 설치할 필요가 있다.

도 2 (c)의 에너지 저류 장치(F)에 있어서, 도 5 (b)와 마찬가지로, 한 쌍의 제1 부체(1)와, 한 쌍의 제1 부체(1)를 둘러싸는 제2 부체(2)와, 제2 부체(2)에 장착되고 한 쌍의 제1 부체(1)와 맞닿는 한 쌍의 3개의 롤러(4)와, 각각의 롤러(4)에 장착된 발전기(5)로, 에너지 저류 장치(F)를 구성하고, 제2 부체(2)를 중간 부이 부착 다점 계류해도 된다. 제2 부체(2)와 중간 부이(10)를 연결하는 2개의 계류 밧줄(11)을, 상면에서 볼 때, 한 쌍의 제1 부체(1)의 회전 축선을 연결하는 제1 직선(X')의 상기 한 쌍의 제1 부체(1) 사이의 중간점을 지나고 제1 직선(X')과 직교하는 제2 직선(Y)에 대하여 선대칭으로 설치한다.

에너지 저류 장치(F)의 가동 시에, 한 쌍의 제1 부체(1)를 서로 역방향으로 회전시키면, 모터나 발전기로부터 제2 부체(2)에 전달되는 토크가 상쇄되어 제2 부체(2)의 회전이 방지된다. 그 결과, 계류가 용이하게 되어 계류 비용이 감소한다.

본 발명에서 사용하는 세로 회전축 풍차, 세로 회전축 수차는, 특정 형식의 것에 한정되지 않는다. 다리우스형(Darrieus type), 자이로밀(Gyromill type), 사보니우스형(Savonius type), 크로스플로우형(cross flow type) 등, 다양한 형식의 것을 사용 가능하다.

[산업 상의 이용 가능성]

본 발명은 물 위에 설치하는 발전 장치, 에너지 저류 장치, 피구동 기구의 구동 장치 등에 널리 이용 가능하다.

A: 자연 에너지 인출 장치
B, B1: 세로 회전축 풍차
B', B1': 세로 회전축
C: 풍력 발전 장치
D: 세로 회전축 수차
D': 세로 회전축
E: 수류 발전 장치
F: 에너지 저류 장치
X: 중심 축선
Y, Z: 축선
X': 제1 직선
Y': 제2 직선
1: 제1 부체
2: 제2 부체
2a: 부체
2b: 암 부재
3: 지지 암
4: 롤러
5: 발전기
6: 추
7: 피뢰침
8, 9: 제동체
10: 중간 부이
11: 계류 밧줄
12: 암 부재
13, 17: 날개
14: 와이어
15: 선회 관절
16: 링크 기구
18, 19: 암
20: 커버
20a: 트레일링 에지부
21, 22: 균형추

Claims

요동 가능한 세로 회전축을 형성하는 제1 부체;
계류되어 상기 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체; 및
상기 제2 부체에 장착되어 상기 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치
를 포함하고,
물 위에 설치되는, 자연 에너지 인출 장치.
제1항에 기재된 자연 에너지 인출 장치, 및 상기 자연 에너지 인출 장치의 제1 부체에 고정되어 위쪽으로 연장되는 세로 회전축 풍차를 포함하고, 피구동 기구는 발전기인, 풍력 발전 장치.
제2항에 있어서,
복수의 동력 전달 장치와 발전기가 설치되어 있는, 풍력 발전 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제1 부체의 하단부에 고정되거나, 또는 상기 제1 부체의 하단으로부터 매달린 추를 포함하는, 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 풍차에 장착된 피뢰침를 포함하는 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부체에 수용되어 상기 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 출몰 가능한 제동체, 또는 상기 제1 부체의 원주 측면에 장착되어 상기 제1 부체의 원주 측면을 따라 연장되는 폐쇄 위치와 상기 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 돌출된 개방 위치 사이에서 요동 가능한 제동체를 포함하는 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부체는 밸러스트수(ballast water) 수납 공간을 포함하고, 발전 시에는 상기 제1 부체에 밸러스트수가 주입되어 있는, 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
한 쌍의 제1 부체, 상기 한 쌍의 제1 부체에 고정되어 위쪽으로 연장되는 한 쌍의 세로 회전축 풍차, 계류되어 상기 한 쌍의 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체, 및 상기 제2 부체에 장착되어 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치를 포함하고,
상기 제2 부체는 중간 부이(buoy) 부착 다점 계류되고,
상기 제2 부체와 상기 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄은, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 상기 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있는, 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 풍차는 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 풍차이며,
상기 복수의 날개는 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 풍차 세로 회전축 주위에서 비틀려 있는, 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 풍차는 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 풍차이며,
상기 날개는, 상단이 풍차 세로 회전축에 근접한 제1 위치와 상단이 풍차 세로 회전축으로부터 이격된 제2 위치 사이에서 요동 가능한, 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 풍차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면(斷面)의 커버가 상기 암에 고정되어 있는, 풍력 발전 장치.
제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 풍차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 상기 암에 장착되어 있고,
상기 커버의 전체가 상기 암의 길이 축선 주위로 회전 가능하거나, 또는 상기 커버의 트레일링 에지부가 상기 암의 길이 축선에 평행한 축선 주위로 회전 가능한, 풍력 발전 장치.
제1항에 기재된 자연 에너지 인출 장치, 및 상기 자연 에너지 인출 장치의 제1 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 세로 회전축 수차를 포함하고, 피구동 기구는 발전기인, 수류 발전 장치.
제13항에 있어서,
복수의 동력 전달 장치와 발전기가 설치되어 있는 수류 발전 장치.
제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 세로 회전축 수차의 세로 회전축의 하단부에 고정되거나, 또는 상기 세로 회전축의 하단으로부터 매달린 추를 포함하는 수류 발전 장치.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부체에 수용되어 상기 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 출몰 가능한 제동체, 또는 상기 제1 부체의 원주 측면에 장착되어 상기 제1 부체의 원주 측면을 따라 연장되는 폐쇄 위치와 제1 부체의 원주 측면으로부터 직경 방향으로 돌출된 개방 위치 사이에서 요동 가능한 제동체를 포함하는 수류 발전 장치.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부체와 상기 세로 회전축 수차는 밸러스트수 수납 공간을 포함하고, 발전 시에는 상기 제1 부체와 상기 세로 회전축 수차에 밸러스트수가 주입되어 있는, 수류 발전 장치.
제13항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
한 쌍의 제1 부체, 상기 한 쌍의 제1 부체에 고정되어 아래쪽으로 연장되는 한 쌍의 세로 회전축 수차, 계류되어 상기 한 쌍의 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체, 및 상기 제2 부체에 장착되어 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 운동 에너지를 피구동 기구의 구동 토크로 변환하는 동력 전달 장치를 포함하고,
상기 제2 부체는 중간 부이 부착 다점 계류되고,
상기 제2 부체와 상기 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄은, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 상기 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있는, 수류 발전 장치.
제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 수차는 원주 방향으로 서로 간격을 두고 설치된 복수의 상하로 연장되는 날개를 가지는 양력형 세로 회전축 수차이며,
상기 복수의 날개는 원주 방향의 상대 위치 관계를 유지하면서, 수차 세로 회전축 주위에서 비틀려 있는, 수류 발전 장치.
제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 상기 암에 고정되어 있는, 수류 발전 장치.
제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 세로 회전축 수차는 세로 회전축으로부터 직경 방향으로 연장되는 날개에 연결되어 날개를 지지하는 암을 포함하고, 날개형 단면의 커버가 상기 암에 장착되어 있고,
상기 커버의 전체가 상기 암의 길이 축선 주위로 회전 가능하거나, 또는 상기 커버의 트레일링 에지부가 상기 암의 길이 축선에 평행한 축선 주위로 회전 가능한, 수류 발전 장치.
제1항에 기재된 자연 에너지 인출 장치를 포함하고, 피구동 기구는 발전기이며, 상기 발전기에 공급되는 전력을 제1 부체의 회전 에너지로 변환하여 상기 제1 부체에 저류하는 에너지 저류 장치.
제22항에 있어서,
한 쌍의 제1 부체, 및 계류되어 상기 한 쌍의 제1 부체를 둘러싸는 제2 부체를 포함하고,
상기 제2 부체는 중간 부이 부착 다점 계류되고,
상기 제2 부체와 상기 중간 부이를 연결하는 계류 밧줄은, 상면에서 볼 때, 상기 한 쌍의 제1 부체의 회전 축선을 연결하는 제1 직선의 상기 한 쌍의 제1 부체 사이의 중간점을 지나고 상기 제1 직선과 직교하는 제2 직선에 대하여 선대칭으로 설치되어 있는, 에너지 저류 장치.