KR20140064707A - 리트랙터블 벽 패널을 갖는 증강형 유체 터빈 및 공력 디플렉터 - Google Patents

리트랙터블 벽 패널을 갖는 증강형 유체 터빈 및 공력 디플렉터 Download PDF

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KR20140064707A
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Abstract

본 발명은 축소형 섹션부, 축소형 섹션부의 출구에 인접하는 유체 터빈 섹션부 및 유체 터빈 섹션부에 인접하는 확대형 섹션부를 포함하는 터빈용 유체 터빈 장치에 관한 것으로서, 유체는 축소형 섹션부를 통해 유입되고 확대형 섹션부를 통해 배출된다. 축소형 및 확대형 섹션부는 리트랙터블 벽 패널을 지지하는 모듈식 그리드형 구조부를 이용하여 제조된다. 디퓨저에 의해 생성된 내부 진공력과 축소형 및 확대형 섹션부 상의 바람의 전단력은 제한될 수 있다. 축소형 및 확대형 섹션부의 구조부는 우세한 풍속에 적합하도록 조절될 수 있다. 회전형 디플렉터의 베리어는 약풍 상태에서 축소형 및 확대형 섹션부의 유효 영역을 증가시키도록 이용된다. 수평 장착형 공력 디플렉터는 확대형 섹션부, 유체 터빈 섹션부, 및 축소형 섹션부의 측벽 상에 바람의 전단력과 유체 저항을 감소시키기 위해 이용될 수 있다.

Description

리트랙터블 벽 패널을 갖는 증강형 유체 터빈 및 공력 디플렉터{AUGMENTED FLUID TURBINE WITH RETRACTABLE WALL PANELS AND AERODYNAMIC DEFLECTORS}
본 발명은 일반적으로 윈드 터빈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대형의 축소형 및 확대형 섹션부를 이용하며, 그 섹션부들의 수직벽과 보다 작은 크기의 수평벽이 강풍상태에서 상당한 바람의 전단력 및 유체 저항을 발생시킬 수 있는 증강형 윈드 터빈에 관한 것이다.
일반적으로, 증강형 윈드 터빈에서 생성되는 힘은 그 전체의 벽 영역에 비례할 것이다. 벽의 영역이 더 클수록 지지형 구조 부재에 대해 벽에 작용하는 힘은 더 커지고, 바람의 전단력 및 유체 저항(drag) 효과는 전체적으로 증가한다. 강풍 상태또는 대형의 표면 영역을 포함하는 실시예에서, 이러한 힘은 상기 벽에 큰 손상을 유발시키거나, 축소형(convergent) 및 확대형(divergent) 섹션부를 파괴시키고, 특정영역에서 낙하하고 비행하는 물체에 대해 위협적이며, 터빈 타워의 전복을 발생시킬 수 있다. 증강형 터빈의 축소형 및 확대형 섹션부 내에 생성되는 진공력은 풍속이 증가함에 따라 같이 증가할 것이고, 벽 패널은 상기 벽과 축소형 및 확대형 섹션부의 붕괴를 방지하기 위해 점진적으로 축소되어야 한다. 풍력 에너지가 증가하고 감소할 때, 측벽의 패널은 점진적으로 전개되고 축소된다. 이러한 동작은 비정상적인 작동 상태에서, 운전자에게 경보 기능을 제공하는 컴퓨터에 의해 제어된다.
유체 터빈의 전면부에 위치된 축소형 섹션부 및 유체 터빈의 하류에 위치된 확대형 섹션부는 축소형 및 확대형 섹션부 사이에 위치된 터빈의 덕트형 채널부 내에서 흐름 유선형(flow streamline)의 속도 또는 운동에너지를 증가시킬 것이다. 이러한 운동에너지의 증가는 벤츄리 효과(Venturi effect)라고 알려져 있다.
풍력 생성 부재로 바람이 유입되기 전에, 디퓨저 보조식 윈드 터빈(DAWT)은 풍속을 증가시키도록 원피스형의 벽 장착식 구조부(one-piece walled structures)를 이용하는 윈드 터빈의 한 형태이다. 디퓨저 보조식 윈드 터빈은 디퓨저에 의해 발생된 밴츄리 효과의 결과로서, 강풍 상태에서 로터 블레이드를 통해 작동할 것이다. 이러한 디퓨저 구조물의 개념과 그 효과는 수십년간 알려져 있지만 시장에서는 널리 인식되지 못하고 있다.
상업적으로 디퓨저 보조식 윈드 터빈이 성공하지 못한 주요한 이유는, 디퓨저 구조물의 크기가 커짐으로 인해 적용되는 데 있어서 제한을 받기 때문이다. 디퓨저는 대부분 형상이 원추형이고, 디자인은 원피스형이다. 비증강형 터빈에 있어서 로터의 회전 영역을 단순히 증가시키는 것이 더욱 경제적이다. 디퓨저 크기를 제한하는 것은 경제적인 문제이며 디자인의 문제이다. 폭풍 상태에서, 대형 디퓨저는 강력한 힘을 발생시키고 이러한 힘에 저항하기 위해 필요한 구조물은 복잡하고 가격이 비싸다.
폭풍 상태에서 뒤집힘(overturning)과 휘어짐(bending)을 방지하기 위한 경우에, 모든 윈드 터빈들은 ISO 표준에 의해 반드시 설계되는 것이 구조적인 관점에서 요구된다. 종래의 디퓨저 보조식 윈드 터빈 구조물은 유체 저항의 특성이 우수하지 않다. 로터는 고형성(solidity)이 더욱 증가할수록 지지식 구조 부재 내의 3개의 날개 장착형 터빈(three bladed turbine), 요 베어링(yaw bearing), 파운데이션(foundation)보다 구조적인 측면에서 비용이 더 증가한다.
이러한 이유로 인해, 유틸리티 규모(utility-scale)에 있어서, 종래의 디퓨저 보조식 윈드 터빈은 풍력 에너지의 생산성을 향상시키는 해결책이 아니었다. 지금까지 그 힘이 증가하더라도, 구조적인 비용을 상쇄시키기에는 불충분한 것으로 판명되었다. 구조적인 문제점이 감소하는 약풍 상태에서, 동일한 비용으로 출력을 향상시킬 수 있는 것이 명백하게 나타난다면, 종래의 디퓨저 보조식 윈드 터빈은 표준형의 3개의 날개 장착형 윈드 터빈보다 더 향상된 성능을 갖출 수도 있다.
현재까지, 덕트형 터빈 섹션부에 연결된 축소형 및 확대형 섹션부를 이용하는, 유틸리티 규모의 증강형 터빈에 대한 상업적인 디자인은 존재하지 않고 있다. 비록 크기 면에서 확대형 섹션부에 비해 소형일지라도, 축소형 섹션부는 여전히 매우 대형의 구조물이고 강풍 상태에 견디면서 이와 같이 디자인이 변경될 수 있다. 축소형 및 확대형 섹션부는 곧고도 직선 형상을 생성하는 외부 벽을 갖거나, 원형이면서 원추형상을 생성할 수 있는 벽 또는 더욱 복잡한 형상을 생성하며 곧고도 곡면인 형상이 혼합된 벽을 포함할 수 있다.
터빈 작동시 보통의 풍속은 4 m/s로부터 12 m/s로 변화하고, 풍력 에너지의 대응 밀도는 39.3 W/m2로부터 1062.7 W/m2로 27배가 증가할 것이다. 약풍 상태에서 확실하게 작동하는 축소형 및 확대형 섹션부에 구조적인 디자인이 적용되지만, 이는 작동 비용을 크게 증가시키는 터빈에 의한 에너지 생산량을 크게 감소시킨다.
풍력 에너지가 풍속의 세제곱에 비례할 때, 4 m/s로부터 12m/s로 풍속을 3배 증가시키는 것은 풍력 에너지가 27(3 X 3 X 3 = 27)의 계수(factor)에 의해 증가되는 것을 의미한다. 모든 작동 상태에 있어서 상기 유닛들이 동일한 크기로 작동하도록 설계된다면, 지지형 구조 부재의 소망 중량과 크기 및 패널의 강도는 상기 터빈 장치가 경제적인 측면에서 구현되지 못하도록 한다. 4 m/s의 풍속으로 설계되며, 크기가 동일한 축소형 및 확대형 섹션부는 12m/s의 속도에서는 파괴되거나 구현되지 못한다.
풍력 에너지의 변화는 축소형 및 확대형 섹션부의 벽 상에서 2가지 효과를 유발한다. 첫째, 상기 구조물의 벽을 따라 유동하는 바람에 의해 발생된 유체 저항은 풍속의 세제곱에 비례하고, 둘째, 축소형 및 확대형 섹션부 내에서 생성된 진공력의 레벨은 풍속의 세제곱에 비례하며 또한 증가한다.
출원인(터빈 장치, 출원 번호. PCT/CA2009/000797)에 의한 종래의 PCT 특허 출원에 있어서, 축소형 및 확대형 구조부는 유동 속도를 최적으로 증가시키도록 적용된다. 로터에 전원을 공급하는데 이용되는 가스 상태가 공기일 때, 인용된 축소형 및 확대형 구조부는 대부분 적용이 가능하다. 레이놀즈 계수(Reynolds numbers)가 비슷하다면, 역학적 상사(dynamic similitude)의 현상에 의해 축소형 및 확대형 장치를 통해 유동하도록 그 결과는 동일하다.
대형의 증강형 윈드 터빈을 형성하기 위해, 강풍 상태에서의 전단력 및 진공력과 관련된 디자인의 문제가 제시되어야 하고, 그 해결책은 경제적이어야 하며, 매우 매끄러운(smooth) 내부 벽의 표면을 갖추어야 한다. 따라서 증강형 윈드 터빈을 통해 풍속을 증가시키도록 적용된, 형상이 다른 대형의 축소형 및 확대형 구조부와 관련되어있는, 강풍 상태에서의 전단력과 유체 저항 및 진공 상태에서의 문제점을 해결하기 위해서는 혁신적인 해결책이 요구된다.
본 발명의 목적은 전술한 하나 이상의 필요성을 충족시키는 장치를 제공하는 것이다.
본 장치의 디자인 상의 주요한 이점은 공기가 터빈 로터를 통해 통과할 때 공기의 운동 에너지를 최대화시키고, 리트랙터블 패널과 같은 벽을 형성하는 매우 대형의 축소형 및 확대형 섹션부를 이용하여, 풍속이 증가할 때, 축소형 및 확대형 섹션부의 크기를 점진적으로 감소시킬 수 있는 것이다. 이러한 2가지의 전술한 요소는 우세한 풍속에 적합하도록 축소형 및 확대형 섹션부의 크기를 조절하며, 순차적으로 터빈 설치시 전력비(cost/kWh)를 감소시키며, 더욱 경쟁력 있는 에너지원을 생성할 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 목적은 공기 유동에 의해 직접 구동되는 유체 터빈에 의해 전기를 효율적으로 발생시키는 장치를 제공하고, 최적의 크기를 갖는 축소형 및 확대형 섹션부를 이용하여 유체 유동의 속도를 최대화시키는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 풍속이 증가할 때, 축소형 및 확대형 섹션부의 적절한 벽 영역을 점진적으로 축소시킬 수 있는 원피스형 구조부에 비해 모듈식 구조부를 이용하는, 매우 대형의 축소형 및 확대형 섹션부의 형성에 의해 생성된 에너지를 최대화시키는 것이다.
본 발명의 제3 목적은 약풍 상태일 때 축소형 및 확대형 섹션부의 영역이 그의 전체 최대 형상내에 속하고, 강풍 상태일 때 축소형 및 확대형 섹션부가 그의 최소 형상이라고 가정할 때, 전체 에너지의 생산을 최적화시키는 장치를 제공하는 것이다. 이 장치는 상기 벽이 점진적으로 축소될 때, 로터 블레이드를 통과하는 풍속과 터빈 내로 생성된 진공력이 상대적으로 일정하도록 설계된다.
본 발명의 제4 목적은 풍속 에너지로부터 보다 비용이 저렴한 전기를 생산하는 장치를 제공하는 것이고, 이는 풍속이 증가할 때 전체 터빈 장치 및 타워 구조물 상에 생성되어 증가하는 유체 저항을 감소시키도록 설계되며, 진공력이 증가하는 레벨에서 그 형상을 유지하도록 설계된 벽 패널을 적용하도록 설계된, 매우 대형의 축소형 및 확대형 구조부를 이용할 수 있는 능력이 요구된다.
본 발명에 따라, 하나 이상의 유체 터빈용 유체 터빈 장치는
- 입구 및 출구를 포함하는 축소형 섹션부(convergent section)로서, 상기 입구는 상기 출구보다 큰 영역을 갖고, 상기 축소형 섹션부는 출구 영역에 대한 입구 영역인 제1 비율과, 복수의 축소형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 지지하는 모듈식 그리드형 구조부(modular grid-like structure)를 갖는, 축소형 섹션부;
- 상기 축소형 섹션부의 상기 출구에 인접하며 상기 하나 이상의 유체 터빈을 포함하고 중심축을 갖는 유체 터빈 섹션부;
- 상기 유체 터빈 섹션부에 인접하며 입구 및 출구를 포함하는 확대형 섹션부(divergent section)로서, 상기 입구는 상기 출구보다 작은 영역을 갖고, 상기 확대형 섹션부는 입구 영역에 대한 출구 영역인 제2 비율과, 복수의 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 지지하는 모듈식 그리드형 구조부를 갖는, 확대형 섹션부; 및
- 상기 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 선택적으로 전개하고 축소시키는 컨트롤러를 포함한다.
상기 유체는 상기 축소형 섹션부를 통해 유입되고 상기 확대형 섹션부를 통해 배출된다.
바람직하게, 본 발명의 전술한 다른 목적은 유체 터빈 로터와 접촉하는 속도를 증가시키는, 증강형 윈드 터빈을 제조하기 위해 모듈식의 리트랙터블 벽 섹션부를 갖는 축소형 및 확대형 구조부를 제공함으로써 구현된다. 이 터빈 장치는
- 상기 장치 둘레의 바람 유동에 의해 가해진 중량, 바람의 전단력 및 유체 저항의 형태로, 터빈 장치의 중량 및 수직력과 수평력을 지지하는 윈드 타워 구조물;
- 각각의 터빈 장치에서 리트랙터블 벽을 갖고, 입구 및 출구를 포함하는 축소형 섹션부로서, 상기 입구는 상기 출구보다 큰 영역을 갖고, 상기 축소형 섹션부는 출구 영역에 대한 입구 영역인 제1 비율을 갖는, 축소형 섹션부;
- 상기 유체 터빈을 포함하고, 상기 축소형 섹션부의 상기 출구에 인접하는 각각의 터빈 장치에서의 유체 터빈 섹션부,
- 상기 유체 터빈 섹션부에 인접하는 각각의 터빈 장치에서 리트랙터블 벽을 갖고, 입구 및 출구를 포함하는 확대형 섹션부로서, 상기 입구는 상기 출구보다 작은 영역을 갖고, 상기 확대형 섹션부는 입구 영역에 대한 출구 영역인 제2 비율을 갖는, 확대형 섹션부,
- 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽을 구성하는, 패널을 지지하는 그리드형 구조부,
- 확대형 섹션부에 의해 발생된 진공 상태에서 작동할 때 평평한 표면을 유지하도록, 리트랙터블 메커니즘의 방향으로 배향된 보강 바아를 갖추고, 축소되며 전개되는 한쌍의 가요성 패널,
- 에너지 생산량을 최대화시키고 구조적인 결함을 최소화시키기 위해, 축소형 및 확대형 섹션부의 특정 패널을 점진적으로 전개하거나 축소시키면서, 우세한 풍속을 관찰하는 컴퓨터 제어 장치,
- 실질적인 축소형 및 확대형 구조부와 그 특정 풍속에서의 프로그램화된 구조부 사이에서, 어떤 이상상태를 운전자에게 알려주는 경보 장치,
- 확대형 섹션부의 출구의 외주 둘레 및 축소형 섹션부의 입구의 외주 둘레에 위치된 한쌍의 리트랙터블 디플렉터
를 포함한다.
유체는 축소형 섹션부를 통해 유입되고 확대형 섹션부를 통해 배출되며, 유체 터빈 장치는 축소형 섹션부의 입구 영역에 대한 확대형 섹션부의 출구 영역인 제3 비율을 갖는다.
바람직하게, 축소형 섹션부, 유체 터빈 섹션부 및 확대형 섹션부가 결합되면서 벤츄리 효과가 반드시 발생되어야 한다. 벤츄리 효과는 베르누이의 원리 및 연속방정식의 결합으로 인해 나타난다. 축소형 섹션부는 유체 터빈 섹션부의 입구에 압력을 가하고, 확대형 섹션부는 유체 터빈 섹션부의 출구에서 진공력을 생성하도록 작용한다.
바람직하게, 상기 유체 터빈의 중심선을 따르는 유체 터빈 섹션부로부터 연장하고, 연속적으로 연결되는 복수의 구조 부재는 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 패널 및 벽을 지지한다.
바람직하게, 특정 거리에서, 터빈 섹션부의 구조부에 대한 상기 그룹화된 리트랙터블 벽이 제공됨으로써, 전술한 제1, 제2, 제3 비율은 풍속이 증가하고 감소할 때, 유체 터빈 섹션부를 통해 상대적으로 일정한 풍속을 유지하도록 설정된다. 또한 이 그룹화된 리트랙터블 벽은 윈드 타워 구조물에 대한 터빈 장치에 의해 풍속을 달리하여 생성된 유체 저항과 바람의 전단력을 조절하고 제한한다.
바람직하게, 유체 터빈 장치의 축소형 섹션부는 그의 출구보다 더 큰 입구를 갖는 섹션부로서 정의된다. 축소형 섹션부의 출구는 유체 터빈 섹션부의 입구와 접촉한다. 리트랙터블 벽을 적용하는 축소형 섹션부의 길이 및 구조는 강풍 상태에서 생성된 유체 저항을 최소화시키고, 축소형 섹션부의 출구에서 속도 프로파일이 균일하도록 조절됨으로써 더욱 많은 공기의 유동이 유체 터빈 섹션부의 입구에서 생성된다.
바람직하게, 확대형 섹션부는 그의 출구보다 더 작은 입구를 갖는 섹션부로서 정의된다. 확대형 섹션부의 입구는 유체 터빈 섹션부의 출구와 접촉한다. 리트랙터블 벽을 적용하는 확대형 섹션부의 길이 및 구조는 강풍 상태에서 생성된 유체 저항을 최소화시키고, 확대형 섹션부의 입구에서 속도 분포(velocity profile)가 일정하도록 조절됨으로써, 더욱 동일한 진공력이 유체 터빈 섹션부의 입구에서 생성되도록 한다.
바람직하게, 터빈 섹션부로부터 연장하는 구조 부재는 최소 1개에서 최대 8개의 수직형 및 수평형 모듈을 제공하도록 배치될 것이고, 각각의 모듈은 그의 외부 벽을 설정하는, 고정된 리트랙터블 벽 섹션부를 지지한다.
바람직하게, 단면의 형상은 다른 축소형 및 확대형 섹션부에서 다양해질 수 있다.(원형, 직사각형, 환형 등.) 하지만, 대형의 축소형 및 확대형 섹션부에서의 단면의 바람직한 형상은 직선형이다. 더 작은 축소형 및 확대형 섹션부는 원형일 수 있고, 바람직하게는 확대형 섹션부 내에서 층류(laminar flow)를 유지하도록 유체 터빈 섹션부의 출구에서의 단면 형상과 유사할 수 있다.
바람직하게, 유체 터빈 섹션부는 확대형 섹션부 및/또는 축소형 섹션부와는 다른 형상을 가질 수 있다. 이러한 경우에, 전이 섹션부(transition section)는 층류(laminar flow)를 유지시키기 위해 유체 터빈 섹션부와 확대형 섹션부 및/또는 축소형 섹션부 사이에서 설치된다.
추가적인 실시예에서, 리트랙터블 벽은 직물 재료와 보강재로 구성되거나 힌지된 금속 성분을 함유한 섹션부로 구성될 수 있다. 2가지 경우에, 구동 메커니즘은 리트랙터블 벽 패널 각각을 전개하고 축소시키는데 적용된다. 리트랙터블 벽 패널은 우세한 풍속의 작용으로 인해 결정된, 그룹화 상태에서 작동된다. 풍속이 증가할 때, 패널은 축소형 및 확대형 구조부 내로 진공력을 제한하도록, 점진적으로 축소되며, 구조물에 대한 바람에 의해 생성된 유체 저항을 제한하도록 점진적으로 축소되고, 구조적인 결함이 없으며 실현 가능한 최대 에너지 생산량이 유체 터빈에 의해 생성되는 것을 보장하도록 점진적으로 축소된다.
본 장치의 디자인 상의 주요한 이점은 공기가 터빈 로터를 통해 통과할 때 공기의 운동 에너지를 최대화시키고, 리트랙터블 패널과 같은 벽을 형성하는 매우 대형의 축소형 및 확대형 섹션부를 이용하여, 풍속이 증가할 때, 축소형 및 확대형 섹션부의 크기를 점진적으로 감소시킬 수 있는 것이다. 이러한 2가지의 전술한 요소는 우세한 풍속에 적합하도록 축소형 및 확대형 섹션부의 크기를 조절하며, 순차적으로 터빈 설치시 전력비(cost/kWh)를 감소시키며, 더욱 경쟁력 있는 에너지원을 생성할 수 있을 것이다.
본 발명의 목적 및 이점은 상세한 설명을 읽어보고 도면을 참조한다면 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 그 축소된 위치에서 그 벽을 갖는, 가능한 직선 형상의 축소형 및 확대형 섹션부의 개략적인 단면도.
도 2는 그 전개된 위치에서 그 벽을 갖는, 도 1에 도시한 가능한 직선 형상의 축소형 및 확대형 섹션부의 개략적인 단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 가능한 직선 형상을 갖는 패널에서의 모듈식 패널 섹션부의 개략적인 단면도.
도 4의 (a) 및 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 보강 바아를 갖는 모듈식 가요성 패널 및 그의 축소 및 전개된 메커니즘을 각각 도시하는 개략적인 측면 및 단면도.
도 5의 (a) 및 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 원형의 확대형 섹션부 및 수평 장착형 공력 디플렉터를 갖는 원형의 유체 터빈 섹션부를 각각 도시하는 개략적인 측면 및 단면도.
도 6의 (a) 및 (b)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 수평 장착형 공력 디플렉터를 갖는, 축소형 섹션부를 각각 도시하는 개략적인 측면 및 단면도.
본 발명은 모범적인 실시예와 결합되어 기술될 것이지만 본 발명의 기술 사상을 상기의 실시예로 제한하지는 않을 것이다. 그와는 반대로, 첨부한 청구항에 의해 정의되는 바와 같이 모든 대안의 변경 및 동등한 대안이 포함된다.
후술에서, 도면상의 유사한 특징은 유사한 참조 번호가 부여되고, 이미 몇몇의 요소가 이전 수치에서 확인되었다면 그 수치를 감소시키기 위해 몇몇 요소는 몇몇 수치로 참조되지 않는다.
리트랙터블 벽 패널(retractable wall panels)로 구성되고, 축소형 및 확대형 섹션부를 이용하는 새로운 유체 터빈 장치가 후술될 것이다. 비록 본 발명은 특정의 구체적인 실시예(들)의 관점에서 기술되지만, 본 명세서에 기재된 실시예(들)는 모범적인 예들에 의해서만 기술되고 본 발명의 기술 범위는 제한적이지 않다.
일반적으로 풍력 에너지 및 터빈 장치 상에 작용하는 힘, 특히 축소형 및 확대형 섹션부의 구조가 매우 다양한 것은 효율적으로 작동하도록, 축소형 및 확대형 섹션부의 디자인으로 인해 축소형 및 확대형 섹션부 벽의 영역을 점진적으로 감소시켜도록 적용되는 것을 의미한다. 이는 축소형 및 확대형 섹션부의 패널을 지지하기 위해 모듈식 그리드형 구조부를 필요로 한다. 단순히 언급하면, 풍속이 증가할 때, 선택된 패널은 축소되고, 풍속이 감소할 때, 선택된 패널은 전개된다.
상기 벽 상의 유체 저항(drag)과 진공력(vacuum force)을 조절하고, 모든 풍속에서 최대 에너지 생산량을 달성하기 위해 컴퓨터 제어 장치와 같은, 컨트롤러는 그 후 각각의 패널을 선택적으로 전개시키거나 축소시킨다. 축소형 및 확대형 섹션부와 함께 작동하는 디퓨저 보조식 윈드 터빈의 경제적인 실현 가능성을 보장하기 위해, 축소형 및 확대형 섹션부의 크기와 풍속을 적절하게 연관짓는 것이 절대적으로 요구된다.
상기 벽 패널의 전개에 있어서 컨트롤러가 비정상적인 상태를 검출하는 경우, 축소형 및 확대형 구조부 또는 터빈 장치에서 구조적인 결함이 발생하기 전에 운전자가 즉각적인 조치를 취할 수 있도록 경보 장치가 울린다.
축소형 섹션부가 확대형 섹션부와 함께 이용될 때, 확대형 섹션부의 경우, 현재 진공 상태에서 항상 작동하므로, 축소형 섹션부의 작동상태는 변화한다. 기류가 축소형 및 확대형 섹션부를 통과하여 전개할 때, 기류의 유동 조건은 그 효율성에 있어서 필수적이다. 가장 큰 문제는 경계층(boundary layer)의 분리이다. 측벽의 경사면을 따르는 공기의 유동이 주요한 공기 흐름의 부분에 대해 상당히 많은 에너지의 손실을 발생시킨다면, 경계층의 유동 흐름은 상기 벽으로부터 이탈되고 선회되기 시작한다. 축소형 또는 확대형 섹션부의 전체적인 효율은 감소되기 시작한다. 이는 평평하고 매우 매끄러운 내부의 벽 패널을 보장하기 위한 디자인이 요구되고, 축소형 및 확대형 섹션부의 구조 부재는 공기가 유동하도록 최소한의 차단부를 생성한다.
따라서, 상기 벽 패널이 유연성 재료로 제조된다면, 벽 패널은 확대형 섹션부에 의해 생성된 진공 상태하에서 구조 부재 사이의 패널이 곧은(평평한) 형상을 유지하도록 스팬(span)하는 보강 바아를 포함할 것이다. 상기 패널이 수평축 둘레에서 그 자체가 와인딩(winding)됨으로써 축소되면, 보강 바아는 패널 내에서 수평하게 배치된다. 상기 패널이 수직축 둘레에서 그 자체가 와인딩(winding)됨으로써 축소되면, 보강 바아는 패널 내에서 수직하게 배치된다.
확대형 섹션부 또는 확대형 섹션부의 일부분이 직선 형상보다는 원형 형상을 갖는 구조부라면, 바람의 전단력에서의 첼린지(challenge)는 다르게 나타난다. 바람이 터빈 덕트형 터널의 중심축에 대해 직각으로 확대형 섹션부를 강타할 수 있다면, 바람의 전단력 및 유체 저항의 첼린지가 주로 발생한다. 터빈이 바람을 따르도록 설계될 때는 완전히 비정상적인 상태이고, 바람의 전단력 및 유체 저항에 있어서는 상황이 더욱 악화된다.
바람의 전단력 및 유체 저항에 대한 대안으로는 그의 수평형 중심선을 따르는 원형 디퓨저의 양면 상에 공력 디플렉터를 설치하는 것이다. 공력 디플렉터는 바람이 불어오는 측면 상에서 전단력을 감소시키고, 바람이 가려지는 디퓨저의 측면 상에서 유체 저항을 감소시킨다.
보거 최적화 이론(Borger optimisation theory)을 이용하여 설계된 축소형 섹션부는(도면에 도시됨) 확대형 섹션부에서의 출구의 표면 영역보다 훨씬 더 작은 입구의 표면 영역을 갖게 될 것이다. 따라서 크기면에서 축소형 섹션부는 확대형 섹션부보다 작아질 것이고, 그 측벽의 높이는 그의 상부 및 하부의 폭보다 훨씬 감소될 것이다. 더 감소하는 측벽의 치수를 고려할 때, 상기 제안한 바와 같이, 원형 디퓨저 상에서, 축소형 섹션부의 양 측벽 상에, 형태가 동일한 공력 디플렉터를 장착하는 것이 가능해질 수 있다. 항상 수평 방향으로의 풍력의 세기는 수직 방향으로의 풍력의 세기보다 더욱 더 크다.
축소형 및 확대형 섹션부에 의해 생성된 진공력을 제한하기 위해, 리트랙터블 패널은 축소형 섹션부에서의 상부 및 하부의 섹션부 내에 설치된다. 이러한 패널을 축소시키고 전개시킴으로써, 축소형 섹션부의 효율은 증가 및 감소할 것이고 순차적으로 확대형 섹션부의 효율을 변경시킬 것이다. 단순히 축소형 섹션부의 효율을 감소시킴으로써, 확대형 섹션부에 의해 생성된 진공력을 제한하는 것이 가능해질 수 있다.
전술한 바와 같이, 축소형 섹션부 내에서 패널의 축소 및 전개는 바람직하게는 컴퓨터의 제어 상태하에서 이루어지고, 에너지 생산량을 최대화시키고 생성된 진공력을 제한하기 위해 프로그램 처리된다. 하지만, 바람의 전단력 및 유체 저항의 불안 요소는 축소형 섹션부와 원형의 확대형 섹션부 및 원형의 유체 터빈 섹션부의 수평벽 상에 장착된 디플렉터를 이용함으로써 발생된다.
도 1, 도 2 및 도 3은 증강형 터빈 장치로 고려될 수 있고, 직선형(rectilinear), 원추형(conical) 및 환형(annular)을 갖는 구조부를 포함하는, 주요한 축소형 및 확대형 섹션부의 구조부를 도시한다. 바람직한 실시예에서, 축소형 섹션부(2) 및 확대형 섹션부(4)는 직선형상이고 유체 터빈 섹션부(3)를 둘러싼다. 하지만, 원추형 및 환형을 갖는 축소형 및 확대형 섹션부가 또한 이용된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 리트랙터블 벽 패널(6)은 각각 제어된다. 풍속이 증가하기 시작하고, 윈드 터빈 장치 상의 유체 저항이 증가할 때, 유체 터빈 섹션부로터 가장 멀리 떨어진, 축소형 및 확대형 섹션부에서의 모듈식 섹션부 내의 리트랙터블 벽 패널은 축소된다. 계속해서 바람의 전단력과 유체 저항 및 내부 진공력이 증가한다면, 유체 터빈 섹션부로부터 그 다음으로 가장 멀리 떨어진 섹션부에서의 리트랙터블 벽 패널(6)은 축소된다. 계속해서 풍속이 증가한다면, 이러한 진행상태가 계속 유지될 것이고, 그 결과로 축소형 및 확대형 섹션부에서의 길이는 감소하고, 축소형 섹션부의 입구 영역 및 확대형 섹션부의 출구 영역이 작아질 것이다. 이러한 진행 순서는 풍속의 작용 및 터빈 발전기의 용량에 의해 좌우된다.
유사하게 풍속이 감소하기 시작한다면, 그 다음으로 멀리 떨어진 축소형 및 확대형 섹션부가 전개될 것이다. 이는 축소형 및 확대형 섹션부의 길이를 연장시킬 것이고, 축소형 섹션부의 입구 영역 및 확장형 섹션부의 출구 영역을 증가시킬 것이다. 그 목적은 전력 생산율을 균일하게 유지하고, 이에 의해 전기 장치의 하중을 최적화시키며, 축소형 및 확대형 구조 부재 및 터빈 타워 구조물 상에서 수평력을 제한시키는 것이다.
추가적으로 비도시된 축소형 및 확대형 섹션부의 바람직한 실시예에서, 가장 멀리 떨어진 축소형 및 확대형 섹션부의 단부 섹션부는 전진되고 축소된다. 이는 축소형 및 확대형 섹션부의 길이가 연장되도록 한다.
도 4의 (a) 및 (b)에서 더욱 잘 도시된 바와 같이, 바람직하게, 상기 장치는 인접하는 확대형 섹션부의 구조 부재(5) 사이에서 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널(6) 각각을 스패닝(spanning)하는 하나 이상의 보강 바아(7), 또는 인접하는 축소형 섹션부의 구조 부재(5) 사이에서 축소형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널(6) 각각을 스패닝하는 하나 이상의 보강 바아(7)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 리트랙터블 벽 패널(6)이 (패널 전개형 및 축소형 메커니즘(8)을 이용하는) 수평축 둘레에서 그 자체가 와인딩됨으로써 축소된다면, 그 보강 바아는 패널 내에 수평하게 배치된다. 리트랙터블 벽 패널이 수직축 둘레에서 그 자체가 와인딩됨으로써 축소된다면, 그 보강 바아는 패널 내에 수직하게 배치된다.
예를 들어 도 5의 (a) 및 (b)에 도시한 추가적으로 바람직한 실시예에서, 회전형 디플렉터(12)는 연속 베리어(continuous barrier)를 형성하도록 확대형 섹션부(4)의 출구 및 축소형 섹션부(2)의 입구 주위에 배치된다. 이러한 회전형 디플렉터(12)는 축소형 섹션부의 입구 및 확대형 섹션부의 출구에서 유효 표면 영역을 증가시키도록 기여하고, 약풍 상태에서도 홀로 전개된다. 그 역할은 약풍 상태에서 터빈의 축소형 및 확대형 섹션부 내에 생성된 진공력을 증가시키도록 보조하는 것이다. 그의 비작동 위치에서, 회전형 디플렉터(12)는 축소형 및 확대형 섹션부의 벽에 평행하고, 그의 작동 위치에서 회전형 디플렉터는 축소형 및 확대형 섹션부의 벽에 대해 직각이다. 회전형 또는 피봇형 메커니즘은 수압, 공압, 톱니바퀴 내장형 또는 전기, 또는 다른 동등한 장치이다.
바람직하게, 도 5의 (a) 부터 도 6의 (b) 에서 더욱 잘 도시되고 전술한 바와 같이, 축소형 섹션부, 확대형 섹션부 및 유체 터빈 섹션부는 바람의 전단력과 유체 저항을 최소화시키기 위해 수평 장착형 공력 디플렉터(13)를 각각 더 포함한다.
본 발명의 기술분야에 종사하는 당업자에게 숙지된 바와 같이, 예를 들면, 단일 또는 이중 벽을 갖는 터빈과 같은 예를 들면, 본 발명의 상기 장치로서 다양한 형태의 유체 터빈이 이용될 수 있다. 또한 각각의 유체 터빈에 있어서, 예를 들면 개수 및/또는 구조가 다른 블레이디드, 워터 터빈 섹션부의 벽과 터빈 로터 사이의 공간 등이 이용될 수 있다.
본 발명의 기술분야에 종사하는 당업자에게 숙지된 바와 같이, 축소형 및 확대형 섹션부의 파라미터(parameter)는 본 명세서에서 도시된 실시예보다 다를 수 있다. 유사하게, 유체 터빈 섹션부는 생성된 전력량에 따라 달라질 수 있다.
비록 본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에서 기술되고 첨부한 도면에서 도시되지만, 본 발명은 이러한 정확한 실시예에 대해 제한되지 않고, 본 발명의 기술범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경 및 수정이 가능해질 수 있다.
1. 풍력 타워 구조물
2. 축소형 섹션부
3. 유체 터빈 섹션부
4. 확대형 섹션부
5. 구조 부재
6. 리트랙터블 벽 패널
7. 보강 바아
8. 패널 전개형 및 축소형 메커니즘
9. 윈드 터빈 장치
12. 회전형 디플렉터
13. 수평 장착형 공력 디플렉터

Claims (11)

  1. 하나 이상의 유체 터빈용 유체 터빈 장치에 있어서,
    - 입구 및 출구를 포함하는 축소형 섹션부(convergent section)로서, 상기 입구는 상기 출구보다 큰 영역을 갖고, 상기 축소형 섹션부는 출구 영역에 대한 입구 영역인 제1 비율과, 복수의 축소형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널(retractable wall panels)을 지지하는 모듈식 그리드형 구조부를 갖는, 축소형 섹션부;
    - 상기 축소형 섹션부의 상기 출구에 인접하며 상기 하나 이상의 유체 터빈을 포함하고 중심축을 갖는 유체 터빈 섹션부;
    - 상기 유체 터빈 섹션부에 인접하며 입구 및 출구를 포함하는 확대형 섹션부(divergent section)로서, 상기 입구는 상기 출구보다 작은 영역을 갖고, 상기 확대형 섹션부는 입구 영역에 대한 출구 영역인 제2 비율과, 복수의 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 지지하는 모듈식 그리드형 구조부를 갖는, 확대형 섹션부; 및
    - 상기 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 선택적으로 전개하고 축소시키는 컨트롤러
    를 포함하며,
    상기 유체는 상기 축소형 섹션부를 통해 유입되고 상기 확대형 섹션부를 통해 배출되는,
    유체 터빈 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 축소형 섹션부의 입구의 외주 둘레에 디플렉터의 제1 연속 베리어 및 상기 확대형 섹션부의 출구의 외주 둘레에 디플렉터의 제2 연속 베리어를 더 포함하는,
    유체 터빈 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 컨트롤러에 의해 제어되도록 연결된 운전자 경보 장치를 더 포함하는,
    유체 터빈 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대형 섹션부의 상기 모듈식 그리드형 구조부는 상기 유체 터빈 섹션부의 중심축으로부터 연장하는 구조 부재를 포함하고,
    상기 확대형 섹션부의 구조 부재는 제2 비율을 조절하고 바람의 전단력과 생성된 내부 진공력을 제한하도록 전개되고 축소된 상기 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 지지하는,
    유체 터빈 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확대형 섹션부의 상기 모듈식 그리드형 구조부는 상기 유체 터빈 섹션부의 중심축으로부터 연장하는 구조 부재를 포함하고,
    상기 축소형 섹션부의 구조 부재는 제1 비율을 조절하고 바람의 전단력과 생성된 내부 진공력을 제한하도록 전개되고 축소된 상기 축소형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 지지하는,
    유체 터빈 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨트롤러는, 풍속 측정법 및 4.0 m/s 내지 12.0 m/s의 풍속 범위를 기반으로 하여, 바람의 전단력, 내부 진공력을 조절하고 최대의 전력 생산량을 유지하기 위해 그룹화된 특정 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널을 점진적이고도 선택적으로 전개하고 축소시키는,
    유체 터빈 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 경보 장치는 상기 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널의 프로그램화된 위치와 상기 축소형 및 확대형 섹션부의 리트랙터블 벽 패널의 실제 위치 사이에서 비정상적인 상태를 검출하는 경보 신호를 생성하는,
    유체 터빈 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 디플렉터의 제1 및 제2 연속 베리어는 상기 축소형 섹션부의 입구 및 상기 확대형 섹션부의 출구의 유효 영역을 증가시키기 위해 약풍 상태에서 선택적으로 전개되는,
    유체 터빈 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 축소형 섹션부, 상기 확대형 섹션부 및 상기 유체 터빈 섹션부 각각은 바람의 전단력 및 유체 저항을 최소화시키기 위해 수평 장착형 공력 디플렉터를 더 포함하는,
    유체 터빈 장치.
  10. 제4항에 있어서,
    인접하는 확대형 섹션부의 구조 부재들 사이에서 상기 확대형 섹션부의 상기 리트랙터블 벽 패널 각각을 스패닝(spanning)하는 하나 이상의 보강 바아를 더 포함하는,
    유체 터빈 장치.
  11. 제5항에 있어서,
    인접하는 축소형 섹션부의 구조 부재들 사이에서 상기 축소형 섹션부의 상기 리트랙터블 벽 패널 각각을 스패닝하는 하나 이상의 보강 바아를 더 포함하는,
    유체 터빈 장치.
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