KR20140023867A - 풍력 전환 시스템 - Google Patents

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KR20140023867A
KR20140023867A KR1020137010288A KR20137010288A KR20140023867A KR 20140023867 A KR20140023867 A KR 20140023867A KR 1020137010288 A KR1020137010288 A KR 1020137010288A KR 20137010288 A KR20137010288 A KR 20137010288A KR 20140023867 A KR20140023867 A KR 20140023867A
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아니스 엠 아우이니
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사폰 에너지 리미티드
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Abstract

본 발명은 풍력을 기계 에너지로 전환한 후 전기 에너지로 전환하는 시스템으로 구성된다. 이 시스템 (SCEE) 은 이론적인 벳츠 한계 (59%) 가 적용되지 않는다. 시스템 (SCEE) 은 주위 전체에 일련의 블레이드가 장착된 휠 (F) 을 구비한다. 휠 (F) 은 피봇 연결되어 고정축 (L) 을 중심으로 회전한다. 고정축 (L) 에 설치된 지지부 (E) 는 일련의 복동식 작동 실린더 (D) 의 단부 플레이트를 고정한다. 상기 작동 실린더 (D) 의 로드는 보디 (A) 에 최대 공간 자유도를 제공하기 위하여 보디 (A) 와 볼 조인트 연결된다. 강성 암 (C) 은 일 측이 상기 휠 (F) 에 설치되고 타 측이 U 형상의 섹션 피스 (B) 에 피봇 연결 상태로 유지된다. 순환 위성 운동을 하는 상기 섹션 피스 (B) 는 상기 보디 (A) 의 주변 영역에 걸쳐 미끄러지면서 회전한다. 바람이 상기 보디 (A) 에 작용하는 때에, 상기 보디 (A) 가 상기 섹션 피스 (B) 와 선회하며 상기 복동식 작동 실린더 (D) 의 로드를 밀게 된다. 순환 위성 운동을 하는 상기 섹션 피스 (B) 는 상기 보디 (A) 의 주변 영역에 걸쳐 미끄러지면서 회전하고, 따라서 상기 보디 (A) 에 가해지는 상기 바람의 합력의 모멘트의 지점 (상기 섹션 피스 (B) 의 피봇 연결부) 을 변경한다. 그에 따라서 상기 작동 실린더 (D) 의 로드는 순환 병진 운동을 하면서 밀고 당겨질 것이다. 상기 고정축 (L) 에 설치된 나셀 (J) 은 조속 기어를 통해 연결될 수 있는 유압 모터 (H) 및 발전기 (G) 를 주로 포함한다. 작동 실린더 (D) 의 피스톤의 왕복 운동 동안 상기 작동 실린더 (D) 의 피스톤을 밀거나 당김으로써 일 세트의 밸브는 "진행 및 복귀" 유압 회로 내의 유압 유체를 일 방향으로 흐르게 한다. 상기 "진행 및 복귀" 유압 회로는 상기 유압 모터 (H) 에 추가로 링크된다. 상기 시스템 (SCEE) 이 바람을 향해 유지되고 기둥 (I) 을 중심으로 선회하도록, 상기 시스템 (SCEE) 이 지지부를 통해 상기 나셀 (J) 에 고정된 꼬리 날개 (K) 에 의해 배향될 수 있다.

Description

풍력 전환 시스템{SYSTEM FOR CONVERTING WIND ENERGY}
이 기술 명세서의 주제인 본 발명은 풍력을 기계 에너지로 전환한 후 전기 에너지로 전환하는 시스템 (SCEE) 으로 이루어진다.
후술되는 이 풍력 전환 시스템 (SCEE) 은 이론적인 벳츠 한계 (Betz limit; 59%) 가 적용되지 않는다. 따라서, 본 발명은 현재 사용되는 풍력 터빈 (wind turbines) 의 효율보다 훨씬 뛰어난 효율을 제공한다.
풍력 전환 시스템 (SCEE) 은 주위 전체에 일련의 블레이드가 장착된 휠 (F) 을 구비한다 (도 1 참조). 휠 (F) 은 블레이드를 통과하는 바람의 운동 에너지에 의해 고정축 (L) 을 중심으로 피봇 연결되어 회전하고, 따라서 휠 (F) 에 회전 기계 에너지를 제공한다.
축 (L) 에 설치된, 상당히 강성인 지지부 (E) 는 일련의 복동식 (double-acting) 작동 실린더 (D) 의 단부 플레이트 (또는 후방 단부) 를 고정한다. 일련의 복동식 작동 실린더는 하나 이상의 복동식 작동 실린더로 이루어질 수 있다 (도 1 참조). 이 명세서를 간략화하기 위하여, 이 시스템 (SCEE) 은 일련의 세 개의 복동식 작동 실린더를 가진다. 지지부 (E) 상의 일련의 복동식 작동 실린더 (D) 는 더 우수한 작동을 보증하기 위하여 명확하게 정의된 방식으로 분포 및 위치되어야 한다 (도 1 의 상세도 1 참조).
일련의 복동식 작동 실린더 (D) 의 피스톤의 로드는, 보디에 최대 공간 자유도를 제공하기 위하여, 보디 (A) 와 볼 조인트 연결되고, 따라서 바람을 향한 보다 유동적인 운동 및 거동을 허용한다 (도 1 의 상세도 1 및 도 7 참조). 이 보디 (A) 는, 더 높은 기체 역학적 (aerodynamic) 저항 인자 및 포착된 바람의 최대 합력을 달성하는 것을 각각 목적으로 하며, 적절히 결정된 형태 및 표면을 가진다. 게다가, 보디 (A) 는 가능한 한 가벼워야 한다. 이를 위해, 비제한적인 방식으로, 보디 표면의 일부는, 예컨대, 거즈로 덮여질 수 있다 (도 2 참조).
따라서, 휠 (F) 이 보디 (A) 와 무관하게 그리고 자유롭게 회전하기 위하여, 휠의 작용면 (바람을 향하는 면) 은 영구히 바람에 노출되어 유지된다 (도 3, 도 4, 도 5 및 도 6 의 정면도 참조).
보디 (A) 상의 복동식 작동 실린더 (D) 의 피스톤의 로드의 고정은 보디 (A) 를 구동하는 바람의 합력의 벡터 방향과 일치하는 축으로부터 이격되어야 한다 (도 1 의 상세도 1 참조).
강성 암 (C) 은 일 측이 휠 (F) 에 설치되고 타 측이 피봇 연결되어 U 형상의 섹션 피스 (B) 에 유지된다. 그 결과, 순환 위성 운동 (circular satellite motion) 을 갖는 섹션 피스는 휠 (F) 과 함께 회전하면서 보디 (A) 의 주변 영역에 걸쳐 미끄러진다 (도 2 참조). 섹션 피스 (B) 의 미끄럼 마찰을 최소화하기 위하여, 섹션 피스는 롤러 또는 유사체를 통해 보디 (A) 의 주변 영역의 표면과 접촉상태에 있을 수 있다. 게다가, 보디 (A) 의 주변 영역은 상당히 매끄럽고 강성이어야 한다.
바람이 보디 (A) 에 작용하면, 보디 (A) 는 바람의 합력의 모멘트의 효과 하에서 선회하고, 지점 (fulcrum) 으로서 섹션 피스 (B) 의 지점을 가지며; 따라서 보디 (A) 는, 막힘 (jamming) 없이, 볼 조인트 연결되어, 섹션 피스 (B) 에 대해 정반대의 영역에 존재하는 복동식 작동 실린더 (D) 의 로드를 밀어낸다. 반대 영역 (섹션 피스 (B) 측의 영역) 에 존재하는 복동식 작동 실린더 (D) 의 로드는 당겨지는 경향이 있다 (도 3 참조).
순환 위성 운동을 하는 섹션 피스 (B) 는 회전하면서 보디 (A) 의 주변 영역에 걸쳐 미끄러지고, 따라서 보디 (A) 에 가해지는 바람의 합력의 모멘트의 지점 (섹션 피스 (B) 의 피봇 연결부) 을 변경한다. 그 결과, 복동식 작동 실린더 (D) 의 로드는 밀고 당겨질 것이며, 순환 병진 운동을 할 것이다 (도 3, 도 4, 도 5, 및 도 6 참조). 따라서, 보디 (A) 에 의해 포착된 풍력은 복동식 작동 실린더 (D) 의 피스톤에 대한 병진 기계 에너지로 전환되고, 따라서 복동식 작동 실린더의 피스톤에 압력을 생성한다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6 의 정면도, 좌측면도, 평면도 및 사시도는 보디 (A) 의 주변 영역에서의 섹션 피스 (B) 의 상이한 위치 (0°, 90°, 180°및 270°) 에 대하여, 복동식 작동 실린더 (D) 의 로드에서의 보디 (A) 의 작동뿐만 아니라 바람을 향하는 시스템 (SCEE) 의 거동을 도시한다.
나셀 (J) 은 축 (L) 에 설치된다. 이 나셀 (J) 은 조속 기어 (speed-increasing gear) 를 통해 연결될 수 있는 발전기 (G) 및 유압 모터 (H) 를 주로 포함한다 (도 1 참조).
일련의 복동식 작동 실린더 (D) 의 피스톤의 왕복 작동 중에, 복동식 작동 실린더는 일 세트의 밸브를 이용하여 당기거나 밀어냄으로써 유압 유체를 진행 (go) 유압 회로 (적색) 를 향해 일 방향으로 밀어낸다 (도 7 참조). 또한, 일 세트의 밸브는 "당김 또는 밀어냄 작동에 상관없이" 일 방향으로 유압 유체를 복귀 유압 회로 (청색) 를 통해 복동식 작동 실린더 (D) 로 빨아들일 수 있다.
진행 유압 회로 (적색) 는 유압 모터 (H) 의 입력부에 연결된다. 복귀 유압 회로 (청색) 는 유압 모터 (H) 의 출력부에 연결된다 (도 7 참조). 따라서, 유압 유체의 가압된 유동은, 조속 기어를 통해 발전기 (G) 의 축에 연결되는 모터 (H) 의 축의 회전 운동으로 전환되고, 따라서 실제의 전기 에너지가 발생한다 (도 7 참조).
바람을 향하여 유지되는 배향을 허용하기 위하여, 시스템 (SCEE) 은 이 시스템을 다운스트림 또는 업스트림 모드로 기둥 (I) 에 대해 선회시키고 보디 (A) 및 휠 (F) 을 바람을 향하여 영구히 유지시킬 수 있는 자동 배향 시스템을 구비할 수 있다. 게다가, 지지부를 통해 나셀 (J) 에 고정된, 알맞게 결정된 치수의 꼬리 날개 (tail vane; K) 를 이용하여 배향시킬 수 있다 (도 1 참조). 이 경우에 있어서, 비제한적인 방식으로, 시스템 (SCEE) 의 배향 작업을 간략화시키기 위하여, 해결책인 꼬리 날개 (K) 가 설명적인 실시예로서 유지된다.
따라서, 보디 (A) 에 의해 포착된 풍력은 각각 일련의 작동 실린더 (D) 의 로드와 유압 모터 (H) 를 통해 병진 기계 에너지로 전환된 후, 회전 기계 에너지로 전환된다. 이어서 이 기계 에너지는 발전기 (G) 를 이용하여 전기 에너지로 전환된다. 병진 기계 에너지의 회전 기계 에너지로의 전환에 관하여, 이 에너지 전환 사슬의 연결은, 비제한적인 방식으로, 커네팅 로드-크랭크 또는 유사체와 같은 복수의 다른 메커니즘을 통해 다뤄질 수 있다.
기술 명세서의 전반부에 나타낸 바와 같이, 이 시스템 (SCEE) 은 이론적인 벳츠 한계 (16/27%) 가 적용되지 않고 더 우수한 풍력 전환 효율을 제공한다. 벳츠 한계가 적용되는 유일한 구성 요소는 시스템 (SCEE) 의 전체 작용면에 관해 최소 작용면을 가지는 휠 (F) 뿐이다. 게다가, 이 휠 (F) 은 순환 운동에 의해 섹션 피스 (B) 의 위치를 변경하기 위해서만 이용되고, 전술한 에너지 전환 사슬에 있어서, 또는 회수된 최종 에너지에 있어서, 포착되는 에너지는 고려되지 않는다.

Claims (10)

  1. 주위 전체에 일련의 블레이드가 장착된 휠 (F) 을 구비하는 풍력 전환 시스템 (SCEE) 으로서,
    상기 휠 (F) 은 고정축 (L) 을 중심으로 피봇 연결되어 회전하고,
    상기 고정축 (L) 에 설치된 지지부 (E) 는 일련의 복동식 (double-acting) 작동 실린더 (D) 의 단부 플레이트를 고정하고,
    상기 작동 실린더 (D) 의 로드는 보디 (A) 에 최대 공간 자유도를 제공하기 위하여 보디 (A) 와 볼 조인트 연결되고,
    강성 암 (C) 은 일 측이 상기 휠 (F) 에 설치되고 타 측이 U 형상의 섹션 피스 (B) 에 피봇 연결 상태로 유지되며,
    바람이 상기 보디 (A) 에 작용하는 때에, 상기 보디 (A) 가 상기 섹션 피스 (B) 와 선회하며 상기 복동식 작동 실린더 (D) 의 로드를 밀고,
    순환 위성 운동을 하는 상기 섹션 피스 (B) 는 상기 보디 (A) 의 주변 영역에 걸쳐 미끄러지면서 회전하고, 따라서 상기 보디 (A) 에 가해지는 상기 바람의 합력의 모멘트의 지점 (fulcrum; 상기 섹션 피스 (B) 의 피봇 연결부) 을 변경하고, 그에 따라서 상기 작동 실린더 (D) 의 로드는 순환 병진 운동을 하면서 밀고 당겨지고,
    상기 고정축 (L) 에 설치된 나셀 (J) 은 조속 기어를 통해 연결될 수 있는 유압 모터 (H) 및 발전기 (G) 를 주로 포함하고,
    일 세트의 밸브는 상기 작동 실린더 (D) 의 피스톤을 밀거나 당김으로써 "진행 및 복귀" 유압 회로 내의 유압 유체를 일 방향으로 흐르게 하고,
    상기 "진행 및 복귀" 유압 회로는 상기 유압 모터 (H) 에 추가로 링크되며,
    상기 시스템 (SCEE) 이 바람을 향해 유지되고 기둥 (I) 을 중심으로 선회하도록, 상기 시스템 (SCEE) 이 지지부를 통해 상기 나셀 (J) 에 고정된 꼬리 날개 (K) 에 의해 배향될 수 있는, 풍력 전환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 이론적인 벳츠 한계 (Betz limit; 59%) 가 적용되는, 블레이드를 이용하는 시스템과는 달리, 상기 시스템 (SCEE) 은 상기 이론적인 벳츠 한계와는 무관하게, 이론상으로 상기 보디 (A) 에 의해 포착된 풍력의 전부를 기계 에너지로 전환한 후 전기 에너지로 전환하는, 풍력 전환 시스템.
  3. 제 1 항 및 제 2 항에 있어서, 바람에 노출된 표면을 이용하고, 선회하거나 회전하고, (평면 표면, 거즈 등) 시간에 따라 변동 유지되는 작용면을 갖는 시스템과는 달리, 상기 풍력의 전체를 포착하는 상기 보디 (A) 의 작용면은 상기 바람을 향해 영구적으로 유지되고, 따라서 안정적인, 풍력 전환 시스템.
  4. 제 1 항, 제 2 항 및 제 3 항에 있어서, 상기 바람에 대한 상기 보디 (A) 의 이동 없이 상기 보디 (A) 에 의해 상기 풍력이 병진 기계 에너지로 전환되고, 이는 순환 위성 운동으로 회전하는 상기 섹션 피스 (B) 가 상기 보디 (A) 에 가해지는 상기 바람의 합력의 모멘트의 지점 (상기 섹션 피스 (B) 의 피봇 연결부) 만을 변경하기 때문에 달성되며, 따라서 상기 보디 (A) 가, 상기 모멘트의 효과 하에서, 전체적으로 유동성을 갖고서 그리고 항상 상기 바람의 방향으로, 상기 작동 실린더 (D) 의 로드를 미는, 풍력 전환 시스템.
  5. 제 1 항, 제 2 항 및 제 3 항에 있어서, 상기 풍력을 전환하는 회전 요소 (블레이드 또는 유사체) 를 구비하는 현재 시스템과는 달리, 어떠한 마모나 관성 문제와는 무관한 상기 보디 (A) 는 보디 (A) 의 축선을 중심으로 회전하지 않고, 따라서 시스템 (SCEE) 은 더 긴 수명 및 더 큰 보전성 및 신뢰도를 나타내면서, 파손된 블레이드, 튀어나온 파편, 분무된 눈, 조류에 대한 위험 등으로부터 기인할 수 있는 사고의 위험을 최소화할 수 있는, 풍력 전환 시스템.
  6. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항 및 제 5 항에 있어서, 상기 풍력을 전환하는 회전 요소 (블레이드 또는 유사체) 를 구비하는 현재 시스템과는 달리, 상기 시스템 (SCEE) 의 전체 작용면에 비해 최소의 작용면을 갖는 휠 (F) 만이 상기 고정축 (L) 의 주위를 회전하고, 따라서 시스템 (SCEE) 은 더 낮은 소리 레벨 (소음) 을 내는, 풍력 전환 시스템.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항에 있어서, 상기 시스템 (SCEE) 의 작동 중에, 상기 고정축 (L) 에 대해 회전하지 않는 보디 (A) 는 (포스터나 유사체로 광고하는) 클래드 표면 (clad surface) 을 구비할 수 있어서, 상기 클래드 표면을 풍경으로 통합시킬 수 있고, 자연 환경, 시골 환경 및/또는 도시 환경으로 보다 나은 지속성 및 균일성을 보장할 수 있는, 풍력 전환 시스템.
  8. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항에 있어서, 상기 풍력을 전환하는 회전 요소 (블레이드 또는 유사체) 를 구비하는 시스템과는 달리, 상기 고정축 (L) 에 대해 회전하지 않는 보디 (A) 는, 상기 시스템 (SCEE) 의 작동 중에, 특수한 제조나 코팅 재료를 사용할 필요 없이, 전파, 텔레비전 수신파 및 레이다파에 무시할 수 있는 영향을 주는, 풍력 전환 시스템.
  9. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 5 항 및 제 6 항에 있어서, 난기류의 바람과 직면한, 덜 효율적인, 상기 풍력을 전환하는 회전 요소 (블레이드 또는 유사체) 를 이용하는 시스템과는 달리, 난기류의 바람의 경우에 있어서, 상기 보디 (A) 는, 상기 보디 (A) 의 적절히 결정된 형태에 의해, 더 높은 기체 역학적 (aerodynamic) 저항 인자로부터 이득을 얻고, 따라서 포착된 풍력의 합력이 증가하고, 난기류의 바람에 직면한 시스템 (SCEE) 의 보다 우수한 성능을 초래하는, 풍력 전환 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템 (SCEE) 은 현존하는 시스템보다 훨씬 더 경제적이면서 더 우수한 효율 및 성능을 제공하는, 풍력 전환 시스템.
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