KR20150015438A - 트렁크 및 상기 트렁크로부터 연장하는 복수의 가지를 포함하는 풍력 발전기 - Google Patents

트렁크 및 상기 트렁크로부터 연장하는 복수의 가지를 포함하는 풍력 발전기 Download PDF

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KR20150015438A
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라리비에르 제롬 미쇼
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뉴윈드
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Abstract

본 발명은 트렁크(10, 10`) 및 상기 트렁크(10)로부터 연장하는 복수의 가지(20, 21, 22, 23, 20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 211`, 202`, 212`)를 포함하는 풍력 발전기로서, 다른 가지들에 분포된 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```) 및 상기 터빈의 회전축 상의 각 터빈 안에 설치된 전기 발전기(50, 50`)를 포함하며, 각 터빈은 회전 수직축(40, 40`, 40``, 40```)을 구비하는 풍력 발전기(100, 100`)에 관한 것이다.

Description

트렁크 및 상기 트렁크로부터 연장하는 복수의 가지를 포함하는 풍력 발전기{AEROGENERATOR COMPRISING A TRUNK AND A PLURALITY OF BRANCHES EXTENDING FROM THIS TRUNK}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것이다.
풍력 발전기는 풍력 에너지로부터 전기를 생산하는 전기 발전기이며, 또는 풍력 발전용 터빈으로 알려져 있다.
보다 구체적으로, 본 발명은 트렁크 및 트렁크로부터 연장하는 복수의 가지를 포함하는 풍력 발전기에 관한 것이다.
상기 풍력 발전기는 실제 나무를 닮았으며 시각적 이질감을 최소화하면서 풍경에 잘 어울릴 수 있다.
특허문헌 WO 2011/132130은 전나무 형상의 풍력 발전기를 개시하며, 상기 풍력 발전기의 터빈들은 트렁크에 보관된 일반 샤프트(shaft)에 설치되며 전기 발전기의 로터(rotor)를 형성한다.
상기 디자인에서, 전기 발전기의 고장은 전기 생산의 완전한 차단을 나타낸다.
상기 문제점은 다른 디자인으로 해결될 수 있다.
예컨대, 특허문헌 US 2010/0289269는 나무 형태의 다른 풍력 발전기를 개시한다. 한 실시예에서 복수의 터빈이 구비되며, 터빈들 각각은 터빈 근처에 위치된 전기 발전기와 결합한다.
상기된 방법은, 만약 발전기가 고장 나도 여전히 전기 생산이 가능하다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 전기 발전기는 수평하게 배열된 가지의 끝에서 가지 내에 설치된다. 프로펠러(propeller) 형태의 터빈은 전기 발전기의 로터의 회전축 상에 설치된 허브(hub)를 구비한다.
하지만, 상기 구성은 기술적 및 미적 이유에서 최적화되지 않는다.
또한, 각 프로펠러 형태의 터빈은 상기 터빈을 지지하는 암(arm)에 방사상으로 연장하는 블레이드(blade)를 구비한다. 상기 구성은 바람에 의해서 회전할 수 있는 수평 프로펠러 샤프트를 얻기 위해서 필수적이다.
상기된 특징으로 서로 다른 터빈을 배열하기 위한 다양성을 제한하는 큰 방사상 크기를 초래한다. 게다가, 특허문헌 US2010/0289269는 같은 가지에 설치된 두 개의 터빈 사이에 차단 효과를 피하기 위해서, 각 가지의 끝에 상기 터빈들을 설치하는 것을 개시한다.
상기된 특징은 나무의 형상과 비교하기 어려운 일반적인 형상을 초래한다.
추가로, 가지 내에 설치된 전기 발전기를 구비하는 것은 냉각이 용이하지 않으며 과열의 위험을 증가시킨다.
본 발명의 목적은 상기된 문제점들 중 적어도 하나를 극복하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 터빈의 형상이 전기 발전기의 고장의 위험을 줄이며 각 터빈의 작동시간을 최적화하는 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
또한 특히, 본 발명의 또 다른 목적은 터빈의 형상 및 터빈의 배열이 다른 터빈들 사이의 차단 효과를 최소화하도록 최적화된 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
마지막으로, 본 발명은 트렁크 및 상기 트렁크로부터 연장하는 복수의 가지(branch)를 포함하는 풍력 발전기로서, 다른 가지들에 분포된 복수의 터빈 및 상기 터빈의 회전축 상의 각 터빈 안에 설치된 전기 발전기를 포함하며, 각 터빈은 회전 수직축을 구비하는 풍력 발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 풍력 발전기는 또한 하나 이상의 다음의 특징들 중 하나 또는 그 조합을 포함할 수 있다:
-각 터빈은 상기 축을 따라 연장하는 적어도 두 개의 곡선 구성을 구비하며, 상기 전기 발전기는 터빈 안에 보관되어 간극이 개구들의 모서리 및 전기 발전기 사이에 유지된다.
-상기 터빈들의 적어도 일부는 세로축이 터빈의 회전축과 일치하는 토페도(torpedo) 형상을 구비한다.
-상기 터빈들의 적어도 일부는 상기 개구들을 정의하기 위해서 서로 오프셋(offset)된 적어도 두 개의 반-원통형 곡선 구성을 구비하는 사보니우스 (Savonius) 종류의 터빈이다.
-80개 내지 150개의 터빈을 포함하며, 각 터빈은 총 표면적이 8㎠ 내지 64㎠인 곡선 구성을 구비한다.
-상기 터빈의 적어도 일부는 터빈의 회전축의 두 지점에 고정된 보강 프레임을 포함한다.
-보강 프레임은 터빈의 각 구성의 외부 윤곽을 따른다.
-각 터빈은 나뭇잎의 형상과 유사한 형상을 구비한다.
-각 터빈은 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polyethylene), 바람직하게는 비-산화성(non-oxidizable)인 금속, 철, 또는 대나무 같은 나무 중에서 선택된 물질로 만들어진다.
-상기 전기 발전기는: 환형이며 영구자석을 구비한, 터빈의 회전축 상에 설치된 적어도 하나의 로터(rotor); 및 환형이며 상기 로터의 영구자석과 상호작용하도록 설계된 코일을 포함하는, 터빈의 프레임 상에 설치된 스테이터(stator);를 포함한다.
-상기 전기 발전기는 두 개의 동일한 로터를 포함하며, 상기 로터는, 관련 로터의 영구자석과 마주보는 코일을 구비하는 각 스테이터의 표면에 스테이터(72)의 각 표면상에 배열된다.
-영구 자석은 상기 또는 각 로터의 모서리에 배열되며, 코일 또한 스테이터의 모서리에 배열된다.
-적어도 하나의 터빈을 지지하는 적어도 하나의 튜브를 포함하며, 적어도 하나의 튜브는 가지에 설치된다.
-상기 적어도 하나의 튜브는 상기 가지에 분리 가능하게 설치된다.
-각각의 가지는 복수의 터빈을 포함한다.
-상기 가지는 트렁크에 분리 가능하게 설치된다.
-상기 트렁크는 하나의 조각으로 만들어지며 상기 가지를 위한 복수의 리셉터클(receptable)을 포함하며, 상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 상기 트렁크 주위에 다른 각도상 위치에 배열된다.
- 상기 트렁크는 서로 부착된 복수의 구역을 포함하며, 각 구역은 가지를 위한 적어도 하나의 리셉터클을 포함하며, 상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 상기 트렁크 주위에 다른 각도상 위치에 배열된다.
본 명세서에 포함되어 있음.
본 발명은 첨부된 도면을 수반하는 다음의 상세한 설명을 통해 다른 목적, 특징 및 이점이 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력 발전기의 정면도를 도시하다.
도 2는 도 1의 풍력 발전기에 사용될 수 있는 본 발명의 예시적인 터빈의 사시도이다.
도 3은 도 1의 풍력 발전기에 사용될 수 있는 다른 예시적인 터빈의 사시도이다.
도 4는 도 1의 풍력 발전기에 사용될 수 있는 다른 예시적인 터빈의 상면도 및 사시도이다.
도 5는 도 1의 풍력 발전기에 사용될 수 있는 다른 예시적인 터빈의 두 개의 단면도 및 측면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 터빈의 변형이다.
도 7은 도 5에 도시된 터빈의 동력을 나타내는 곡선이다.
도 8은 다른 수반된 도면들에 도시된 어떠한 터빈에도 사용될 수 있는 전기 발전기의 분해 조립도이다.
도 9는 도 3에 도시된 터빈이 구비하는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 부분 집합된 사시도이다.
도 10은 본 발명에 따른 다른 풍력 발전기를 도시한다.
본 발명에 따른 풍력 발전기(100)는 도 1에 도시된다.
상기 풍력 발전기(100)는 트렁크(trunk)(10) 및 상기 트렁크(10)로부터 연장하는 복수의 가지(branch)(20, 21, 22, 23)를 포함한다.
도 1에서, 트렁크(10)는 다양한 가지를 형성하는 튜브 세트에 의해 형성된다.
하지만, 가지에 설치된 단일 조각(piece)으로 만들어진 트렁크를 구비할 수 있다.
다른 변형으로, 전담 구역(section)에 설치된 각각의 가지와 함께 다른 구역들에 고정됨으로써 만들어진 트렁크를 구비할 수 있다.
유리하게는, 가지들은 많은 구역 또는 단일 조각으로 만들어진 트렁크 상에 분리 가능하게 설치된다. 트렁크에 분리 가능하게 설치된 가지들(20, 21, 22, 23, 24)을 구비하는 것은 유지보수를 용이하게 한다.
각각의 가지(20, 21, 22, 23, 24)는 적어도 하나의 터빈을 포함한다. 예컨대, 가지(20)는 5개의 터빈(31, 32, 33, 34, 35)을 구비한다.
풍력 발전기(100)의 터빈들은 터빈의 회전축이 수직하게 배열된다.
각각의 터빈(31)은 로터(rotor) 및 스테이터(stator)를 포함하는 관련된 전기 발전기(50)를 구비한다. 터빈(31)의 회전축(40)은 로터의 세로축(회전축) 및 전기 발전기의 세로축에 상응한다.
상기 발전기들 중 하나가 고장나더라도, 풍력 발전기(100)는 계속해서 전기를 생산할 수 있다.
전기 발전기(50)는 터빈(31) 내에 보관된다.
상기된 특징은 몇몇 이점이 있다.
터빈(31) 내에 전기 발전기(50)를 배열함으로써, 전기 발전기는 바람에 노출된다. 이것은 냉각을 용이하게 하며 냉각의 실패 위험을 줄인다.
추가로, 터빈(31) 내에 전기 발전기(50)를 설치하는 것은 터빈(31) 및 전기 발전기(50)에 의해 형성된 어셈블리(assembly)를 강화시킨다. 따라서, 상기된 특징이 강풍 저항에 요구되는 강성 제한을 충족시킨다.
추가로, 상기된 특징으로, 전기 발전기(50) 없이 동일한 강성을 얻기 위해 요구되는 회전축의 직경에 비하여, 터빈(31)의 회전축의 직경이 줄어든다. 따라서, 터빈(31)의 반경(radial) 치수가 작아지며 다른 터빈의 차단 효과(shielding effect)가 감소한다.
차단 효과의 감소는, 바람직하게는 모든 터빈을 바람에 노출시키면서, 주어진 풍력 발전기 상에 터빈의 수의 증가를 허용하여 주목된다.
전기 발전기(50)는 특히 비용 제한에 따른 선택에 따라, AC 발전기 또는 DC 발전기일 수 있다.
본 발명에서 사용되며 회전 수직축을 가진 제 1 예시의 터빈(31)은 도 2에 도시된다.
상기 터빈(31)은 터빈의 세로축(40)을 따라 연장하는 두 개의 구성(310, 311)을 구비한다.
상기 세로축은 터빈(40)의 회전축과 일치한다.
유리하게는, 구성(310, 311)은 바람을 더 잘 타도록 곡선형이다. 이러한 특징이 터빈(31)이 회전 저항을 극복할 수 있는 임계값(threshold value)을 줄인다.
특히, 상기한 특징은, 비교할 만한 치수를 가진 특허문헌 US2010/0289269에 개시된 수평축을 가진 프로펠러-형상(propeller-shaped)의 터빈과 비교할 때 잘 드러난다.
따라서, 풍력 발전기(100)의 가동시간 및 수행 능력이 향상된다.
또한, 곡선형은 나뭇잎형(leaf shape)에 비하여 이점을 가진다. 따라서, 주변 풍경과 풍력 발전기(100)의 더 나은 조합이 달성된다.
추가로, 터빈(31)의 각 구성(310, 311)은 터빈(31)의 회전축(40)에 인접한 개구(312, 313)를 구비한다.
따라서, 전기 발전기(50)는 터빈(31)의 두 구성(310, 311) 사이에 보관된다.
전기 발전기(50) 및 개구들(312, 313) 각각의 배열은 상기 전기 발전기 및 상기 개구들(312, 313)의 모서리 사이에 간극(314)이 유지되도록 된다.
그리하여, 전기 발전기(50)는 터빈 축에 대하여 터빈(31)의 회전에 간섭되지 않는다.
추가로, 상기 간극(314)은 특별한 이점을 제공한다.
바람이 터빈(31)의 두 개의 구성(310, 311) 중 하나(310)를 강타할 때, 바람의 일부가 터빈(31)의 다른 구성(311)과 상호 작용을 허용하는 상기 공간(314)으로 들어간다.
상기한 특징이 터빈(31)이 회전 저항에 대항하여 작동할 수 있는 풍속 한계값을 좀 더 줄인다.
그리하여, 풍력 발전기(100)의 작동시간 및 성능을 더 향상시킨다.
상기한 특징인 터빈(31)의 두 개의 구성(310, 311) 사이에 상호작용 효과를 강화한다.
도 2에 도시된 터빈은 나선형 외부 모서리(310a, 311a)를 구비한 두 개의 구성(310, 311)을 구비한다.
하지만, 다른 형태의 터빈이 고려될 수 있다.
회전 수직축을 가진 제 2 예시의 터빈이 도 3에 관하여 이하에 설명될 것이다.
상기 예에서, 터빈(31`)의 두 개의 곡선 구성(310`, 311`)은 나선형 외부 모서리(310`a, 311`a)를 구비하면서, 터빈(31`)의 회전축과 일치하는 세로축을 구비한 토페도(torpedo) 형상을 정의한다.
따라서, 도 2에 도시된 실시예와 달리, 각 구성(310`, 311`)의 반지름은 터빈(31`)의 회전축(40`)을 따라 일정하지 않다.
터빈(31`)의 상기 형상은 나뭇잎의 형상과 더 비교될 수 있다.
전기 발전기(50)는 각 구성(310`, 311`)의 개구(313`)에 의해서 터빈(31`)의 두 개의 구성(310`, 311`) 사이에 설치된다.
추가로, 보강 프레임(stiffening frame)(60`)은 터빈(31`)을 강화하기 위해서 구비될 수 있다. 예컨대, 상기 프레임(60`)은 터빈(31`)의 회전축(40`) 상의 두 지점에 부착된다.
유리하게는, 프레임(60`)은 반지름 치수 및 결과적으로 다른 터빈의 차단 효과를 줄이기 위해서 터빈(31`)의 두 개의 구성(310`, 311`)의 외부 모서리(310`a, 311`a)를 따른다.
보강 프레임은 도 2를 참조하여 설명된 터빈(31)에 또한 설치될 수 있음을 주목해야 한다.
제 3 예시에서, 도 4에 도시되었듯이, 터빈(31``)은 간단한 "사보니우스(Savonius)" 종류의 터빈을 기반할 수 있다, 즉, 터빈의 두 개의 곡선 구성(310``, 311``)의 외부 모서리(310``a, 311``a)는 직선형이며, 가능하게는 상기 했듯이 보강 프레임을 구비할 가능성이 있다. 하지만, 상기 해결책은 미적인 측면에서 적은 이점이 있다. 도 4에서, 터빈(31``)은 왼쪽에서 상면도 및 오른쪽에서 상면도를 도시한다. "D"는 직경, "h"는 높이, 및 "e"는 축에 대한 곡선 구성들 사이의 오프셋(offset)이다.
알려진 방법에서, "사보니우스" 터빈은 두 개의 구성을 포함하는 회전의 수직축(40``)을 가진 터빈이며, 각 구성은 반-원통형이며 구성들 사이에 개구를 남기기 위해서 서로 오프셋(offset)되어 있다.
제 4 예에서, 도 5에 도시되었듯이, 터빈(31```)은 도 4의 터빈(31``)의 변형이다.
제 4 예시의 터빈은 곡선형 반-원통형 구성을 가진 "사보니우스" 터빈이며, 상기 곡선형 반-원통형 구성은 바람이 상기 구성들 사이로 지나가도록 개구를 정의하기 위해서 서로에 대하여 오프셋되어 있다. 하지만, 구성들/블레이드들(blade)(310```, 311```)의 외부 모서리(310```a, 311```a)는 바깥쪽으로 구배진다. 다시 말해, 토페도(torpedo) 형상의 터빈을 정의하는 외부 모서리(310```a, 311```a)를 가진 "사보니우스" 종류의 터빈이다. 토페도 형상은 세로축이 터빈(31```)의 회전축(40```)과 일치하는 것이다. 상기된 예의 터빈은 두 개의 곡선 구성을 구비한다.
상기된 예에서, 구성들은 바람직하게는 터빈의 회전축에 대하여 대칭적으로 배열되며, 이러한 대칭은 터빈의 작동을 최적화한다.
하지만, 터빈의 회전축을 따라 연장하는 두 개의 곡선 구성들 보다 많은 것을 구비한 터빈들 또한 가능하다.
상기된 예에서, 터빈의 회전축에 몰드(mold) 또는 부착된 터빈의 다른 구성들은 유리하게는 축에 대하여 일정한 각도의 간격으로 분포된다. 상기 분포는 터빈의 작동을 최적화한다.
모든 예에서, 상기된 터빈들은 터빈의 회전축을 따라 연장하는 복수의 곡선 구성뿐만 아니라 전기 발전기를 수용하기 위한 터빈의 회전축에 인접하여 상기 구성에 형성된 개구를 포함한다.
상기 개구들은 터빈의 구성들(블레이드)에 어떤 곳에도 형성될 수 있다. 도 2는 터빈(31)의 구성들(310, 311)의 모서리에서 회전축(40)을 따라 중심에 있는 개구(312, 313)를 도시한다. 도 3은 터빈(31`)의 구성들(310`, 311`)의 하부 지역에서 중심에서 벗어난 개구(313`)를 도시한다. 마지막으로, 도 6은 터빈에 형성된 두 개의 구성의 하단부에 위치된 개구를 도시한다.
도 6은 도 5의 변형이며, 터빈의 곡선 구성의 연장부가 전기 발전기를 수용하도록 터빈 내의 중공 내부공간(320```)을 정의한다. 따라서, 터빈 블레이드들은 상기 공간에 존재하지 않는다. 도 2, 3 또는 4에 도시된 다양한 터빈들은 하부에 상기와 같은 연장부를 구비할 수 있다.
"사보니우스" 형태을 기반으로한 터빈의 경우에, 다시 말해 도 4 및 5에 도시된 터빈들에서, 개구(300``, 300```)는 "사보니우스" 형태이며 바람이 하나의 블레이드에서 다른 블레이드로 이동하는 것을 허용하는 개구(300``, 300```)는 도 2 또는 3에 도시된 방식으로 터빈의 다른 구성이 뚫리는 것 없이 발전기를 충분히 수용할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 도 2 및 3에 도시된 터빈에 관하여, 개구(300``)(각각 300```)는 도 2의 두 개의 개구(312, 313)를 조합하여 형성된 개구에 상응한다는 것을 주목해야 한다. 회전의 수직축을 가진 터빈의 다른 형태들이 고려될 수 있다. 그리하여, "다리우스(Darrieus)" 형태의 터빈 또는 "다리우스" 및 "사보니우스" 기술의 조합을 고려할 수 있다. 상기한 터빈의 형태라면, 터빈의 다른 구성들에 개구를 만들지 않고, 전기 발전기가 여전히 바람에 노출될 수 있다. 상기한 해결책은 가능하지만 도 2 및 3의 예로 도시된 터빈들 보다 적은 이점을 갖는다.
전형적으로, 도 2 및 3에 도시된 터빈(31, 31`)은 약 600㎠의 바람 표면적을 구비할 수 있다. 예컨대, 도 2 또는 도 3에 도시된 터빈들(31, 31`)의 경우, 상기 접촉면은 약 40㎝의 높이 및 약 15㎝의 폭을 구비하는 터빈으로 이루어질 수 있다.
그리하여, 터빈의 회전은 풍속 2m/s 이하, 또는 심지어 1m/s에서도 시작한다.
추가로, 터빈(31, 31`)이 약 600㎠의 표면적을 가질 때, 약 300개의 터빈은 약 3kW의 총 전력을 생산한다.
하지만, 도 4, 5 또는 6에 도시된 터빈들은 도 2 또는 도 3에 도시된 터빈들 보다 동일 표면적당 산출량에 관하여는 더 효율적이다.
그리하여, 약 3kW의 총 전력을 생산하기 위해서, 터빈의 바람 표면적(wind capture surface area)이 8㎠ 내지 64㎠인 80 개 내지 150 개의 터빈을 설치할 수 있다. 바람 표면적은 터빈을 형성하는 모든 구성/블레이드의 총 표면적과 상응한다.
보다 구체적으로, 적어도 3kW를 생산하기 위해서, 10㎠ 내지 20㎠ 블레이드 표면적을 가진 터빈을 80개 내지 120개를 사용될 것으로 예상된다. 통상적으로, 풍력 발전기는 약 8m 높이의 나무로 정의한다.
우리는 또한 적어도 3kW를 생산하기 위해서, 10㎠ 내지 20㎠ 블레이드 표면적을 가진 터빈을 120개 내지 150개를 사용될 것으로 예상된다. 통상적으로, 풍력 발전기는 약 12m 높이의 나무로 정의한다.
도 5의 터빈(31```)의 성능은 l1=145㎜, l2=310㎜, l3=247㎜인 경우의 도 7에 나타난다. 폭(l1)은 터빈(31```)의 상단부에서 터빈의 폭이며, 폭(l2)는 터빈의 최대폭에 상응하며, 폭(l3)은 터빈(31```)의 하단부에서 터빈의 폭이다. 상기 터빈은, 로터와 결합된 반지름이 r=95㎜이며, 터빈의 하부에 배열된, 도 8을 참조하여 다음에 설명된 전기 발전기와 결합된다.
도 7은 속도비(람다)와 터빈의 동력 계수(Cp)의 관계를 도시한다.
동력 계수(Cp)는 터빈에 의해 생산된 실제 동력(Pturbine)과 바람으로부터 추출될 수 있는 최대 동력(Pwind)의 비, 또는 Cp=Pturbine/Pwind이다.
터빈의 동력은 측정된 데이터이다.
바람으로부터 추출될 수 있는 최대 동력은 다음의 공식으로 표현될 수 있다:
Pwind=1/2*ρair*S*V3
여기서:
ρair는 공기의 밀도; S는 터빈 블레이드의 표면적; 및 V는 풍속이다.
속도비(λ)는 다음의 공식으로 정의된다:
λ=(ωr*Rr)/V
여기서:
ωr은 터빈의 회전축의 각속도에 상응하는 전기 발전기의 로터의 회전 각속도; Rr은 전기 발전기의 로터의 반지름; 및 V는 풍속이다.
통상적으로, 상기 터빈(31```)의 폭 l1 및 l3은 0일 수 있다. 예컨대, 상기된 경우는 도 6의 길이(l1)인 경우이다.
터빈은 다음 중에서 선택된 물질로 만들어질 수 있다: 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polyethylene), 바람직하게는 비-산화성(non-oxidizable)인 금속, 철, 또는 대나무 같은 나무.
첨부된 도면의 일부는 발전기(50, 50`)를 개략적으로 도시한다.
그리하여, 로터를 형성하는 제1 디스크(disc)(71)는 터빈의 회전축(40, 40`, 40``, 40```)에 설치될 수 있다. 상기 제 1 디스크는 디스크의 모서리에 배열된 복수의 영구자석(710)을 포함한다. 상기 모서리를 따라 인접하는 자석들은 극이 교차로(N극/ S극) 배열된다. 그리하여, "N극" 자석(711) 및 "S극" 자석(712)이 있다.
제 2 디스크(72)는 제 1 디스크(71)와 마주하게 배열된다. 상기 제 2 디스크는 스테이터를 형성하며, 따라서 터빈의 지지 프레임(미도시)에 설치되어, 제 2 디스크는 터빈의 회전축에 의해 회전될 수 없다. 제 2 디스크는 로터(71)에 위치된 영구자석들(710)과 상호작용하도록 설계된 코일들(720)을 구비한다.
유리하게는, 도 8에 도시되었듯이, 제 3 로터 디스크(73)는 제 1 로터 디스크(71)와 동일하게 구비된다. 상기 제 2 로터(73)는 터빈의 회전축에 설치된다. 따라서, 스테이터(72)는 두 개의 로터(71, 73) 사이에 배열된다. 스테이터(72)는 제 1 로터(71)의 영구자석들(710)과 상호작용하도록 설계된 상기 스테이터의 제 1 표면의 모서리에 배열된 코일들(720) 및 제 2 로터(73)의 영구자석(730)과 상호작용하도록 설계된 스테이터(72)의 제 2 표면의 모서리에 배열된 코일들(도 8에 미도시)을 포함한다.
상기 코일들은 바람직하게는 인쇄회로에 설치된다.
이러한 종류의 발전기는 매우 소형(compact)이다. 따라서, 많은 수의 스테이터 바람, 및 최대 자석 수 또는 소형이며 특히 빠른 각각의 로터를 수용할 수 있는 장점들이 있다.
따라서, 다른 터빈에 의해 잡히는 바람의 양에 영향을 주는 터빈을 확대하지 않고, 터빈의 곡선/블레이드 구성들에 쉽게 보관될 수 있다.
추가로, 그리하여 터빈의 블레이드에 만들어진 개구는, 발전기가 얇기 때문에, 통상적으로 2-3㎝이하이기에, 상대적으로 얇을 수 있다. 이러한 특징은 블레이드에 형성된 개구들을 통하여 하나의 블레이드로부터 다른 블레이드로 이동하는 바람의 가능성을 유지하면서 높은 블레이드 표면적을 유지할 수 있기 때문에 주목된다. 따라서, 전기 발전기의 디스크 형상은 터빈 성능을 유지하기에 특히 적합하다.
도 9는 도 3에 도시된 터빈들을 구비하는 도 1에 도시된 풍력 발전기의 일부분을 도시한다.
풍력 발전기(100)의 가지(20) 에, 하나 이상의 터빈을 지지하는 하나 이상의 튜브(201, 202)가 바람직하게는 분리 가능하게 설치된다.
예컨대, 튜브(201)는 도 3의 터빈(31`)을 지지한다
분리 가능하게 가지(20) 상에 설치된 상기 튜브(201, 202)은 고장이 발생할 때 터빈(31`)의 분리를 용이하게 한다.
추가로, 튜브들(201, 202)은 바람직하게는 풍력 발전기(100) 상에 터빈들의 각각의 배열을 관리하는 것을 허용한다.
유리하게는, 모든 상기 터빈들은 이러한 튜브들(201, 202)에 의해서 가지상에 설치된다.
이러한 특징이 바람직한 형상의 풍력 발전기를 건설하는 것을 쉽게 한다. 심미적 이점이 있으며, 나무의 형성과 좀 더 유시한 풍력 발전기의 형상을 가능하게 한다. 상기한 튜브들(200, 201)로 달성된 배열은 터빈들 사이의 차단 효과를 제한하기 때문에 기술적으로 또한 이점이 된다. 도 10은 본 발명에 따른 다른 풍력 발전기(100`)의 상면도를 도시한다. 상기 풍력 발전기(100`)은, 상기되었듯이, 단일 조각으로 만들어지거나 서로 부착된 몇몇 세그먼트(segment)로 만들어진 트렁크(10`)를 포함한다. 각 가지는 도 4에 도시된 예처럼 터빈들(31`)과 함께 장착된다.
상기 종류의 트렁크(10`)는 터빈들 사이의 차단 효과를 제한하기 위해서 최적으로 배치될 수 있는 가지를 위한 리셉터클(receptacle)을 형성하는 것을 허용한다.
도 10에서, 그리하여 트렁크(10`) 주위에 다른 각도의 위치에 배열되고 같은 높이로 위치된 복수의 제 1 가지(20`, 21`, 22`)를 볼 수 있다.
풍력 발전기(100`)는 또한 상기 복수의 제 1 가지 보다 더 높이 위치되며 트렁크(10`) 주위에 다른 각도의 위치에 배열된 복수의 제 2 가지(201`, 211`)를 구비한다.
풍력 발전기(100`)는 상기 복수의 제 1 가지보다 더 낮은 높이에 위치되며 트렁크(10`) 주위에 다른 각도의 위치에 배열된 복수의 제 3 가지(202`, 212`)를 더 포함한다.
그리하여, 트렁크(10`)가 하나의 조각으로 만들어질 때, 리셉터클들이 트렁크(10`) 주위에 다른 각도의 위치들 및 트렁크(10`)를 따라 다른 높이에 배열된다.
트렁크(10`)가 서로 부착된 복수의 구역을 포함할 때, 각 구역은 가지를 위한 적어도 하나의 리셉터클을 포함한다. 그러면, 상기 리셉터클은 다양한 구역들의 각각의 위치들 때문에 트렁크(10`) 주위에 다른 각도의 위치들 및 트렁크(10`)를 따르 다른 높이에 배열된다. 도 9에 도시된 튜브들(201, 202)이 사용될 때, 터빈들 사이의 차단 효과를 제한하기 위해서 서로에 대한 다양한 터빈들의 최적의 위치가 달성된다.
상기된 발명은 트렁크(10, 10`) 및 트렁크(10, 10`)로부터 연장하는 복수의 가지들(20, 21, 22, 23, 20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 211`, 202`, 212`)을 포함하는 풍력 발전기(100, 100`)에 관한 것이며, 상기 풍력 발전기는 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다:
-다른 가지들 넘어 분포된 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```), 상기 터빈들은 회전 수직축(40, 40`, 40``, 40```)을 구비한다; 및
-상기 터빈의 회전축 상에 각 터빈 안에 설치된 전기 발전기(50, 50`).
이하에 설명된 다른 특징들은 상기 핵심 특징과 결합될 수 있다.
하지만, 본 발명은 트렁크(10, 10`) 및 트렁크(10, 10`)로부터 연장하는 복수의 가지들(20, 21, 22, 23, 20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 211`, 202`, 212`)을 포함하는 풍력 발전기(100, 100`)에 관한 것일 수 있으며, 상기 풍력 발전기는 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다:
-다른 가지들 넘어 분포된 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```), 상기 터빈들은 회전 수직축(40, 40`, 40``, 40```)을 구비한다; 및
- 환형 형상이고 로터(71, 73)의 모서리에 배열된 영구자석(710)이 구비되며, 각 터빈의 회전 축(40, 40`, 40``, 40```)에 설치된 적어도 하나의 로터(71, 73); 및 환형 형상이고 로터(71, 73)의 영구자석과 상호작용하도록 설계된 코일을 포함하는, 터빈의 프레임 상에 설치된 스테이터;를 포함하는 전기 발전기(50, 50`).
상기 풍력 발전기의 이점은 주로 전기 발전기의 작은 크기와 관련된다. 상기한 특징이 전기 발전기가 상기 터빈의 크기 또는 성능에 눈에 띄게 영향을 주지 않으면 터빈 내에 보관될 수 있도록 한다. 이것은 풍력 발전기의 다른 터빈들 사이의 잠재적 상호작용 효과를 제한한다. 상기 구성의 다른 이점들은 상술되었다.
이러한 핵심적인 특징은 다음의 특징들 하나 또는 특징들의 조합과 결합될 수 있다.
유리하게는, 두 개의 동일한 로터(71, 73)가 구비되며, 상기 로터는 각각의 스테이터(72) 표면 상에 관련된 로터(71, 73)의 영구자석(710, 730)과 직면하는 코일을 구비하는 스테이터(72)의 각각의 면에 배열된다.
통상적으로, 각 로터(71, 73)는 "S극"의 영구자석과 교차되는 "N극"의 영구자석을 구비할 것이다.
영구자석들은 유리하게는 상기 또는 각 로터의 모서리에 배열된다.
유리하게는, 각 전기 발전기(50, 50`)는 관련된 터빈의 안에 설치된다.
유리하게는, 각 전기 발전기(50, 50`)는 터빈의 하부 안에 설치된다.
추가로, 각 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```)은 상기 축을 따라 연장하는 적어도 두 개의 곡선 구성(310, 311, 310`, 311`)을 구비할 수 있으며, 각각의 상기 구성들은 상기 축에 인접한 개구(312, 313, 313`)을 구비하며, 전기 발전기(50, 50`)은 터빈 안에 보관되어서 간극(314)이 각 개구들의 모서리 및 전기 발전기 사이에 유지된다.
터빈들(31`, 31```)의 적어도 일부는, 바람직하게는 모든 터빈들은, 세로축이 터빈의 회전축과 일치하는 토페도 형상을 구비한다.
터빈들의 적어도 일부는, 바람직하게는 모든 터빈들은, 사보니우스 종류의 터빈이며, 사보니우스 종류의 터빈이라는 것은 상기 터빈들은 상기 개구들을 구획하기 위해서 서로 오프셋된 적어도 두 개의 반-원통형 곡선 구성을 구비한다는 것이다.
80개 내지 150개의 터빈이 구비될 수 있으며, 각 터빈은 총 표면적이 8㎠ 내지 64㎠인 곡선 구성을 구비한다.
터빈을 형성하는 물질들의 성격은 상기된 목록 중에서 선택될 수 있다.
보강 프레임 또한 상기되었듯이 구비될 수 있다.
게다가, 도 9 및 도 10에 도시된 나무 배열(트렁크, 등에 가지가 분리 가능하게 설치하며, 상기 나무에 튜브를 분리 가능하게 설치하는 튜브(200, 201)의 존재)은 본 발명의 상기 다른 정의에 적용될 수 있다.
그리하여, 풍력 발전기(100, 100`)은 적어도 하나의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```)을 지지하는 적어도 하나의 튜브(200, 201)을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 튜브는 가지(20)에 설치된다.
상기 적어도 하나의 튜브(200, 201)는 상기 가지(20)에 분리 가능하게 설치될 수 있다.
각각의 가지(20, 21, 22, 23)은 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```)을 포함할 수 있다.
트렁크(10`)는 하나의 조각으로 만들어질 수 있으며 상기 가지를 위한 복수의 리셉터클을 포함하고, 상기 리셉터클을 트렁크를 따라 다른 높이 및 트렁크 주위에 다른 각도상 위치들에 배열된다.
트렁크(10`)는 서로 부착된 복수의 구역을 포함할 수 있으며, 각 구역들은 가지를 위한 하나의 리셉터클을 포함하며, 상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 트렁크 주위에 다른 각도상 위치들에 배열된다.
본 발명의 다른 정의에 따르면, 트렁크(10, 10`) 및 상기 트렁크(10, 10`)로부터 연장하는 복수의 가지(20, 21, 22, 23, 20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 202`, 212`)를 포함하는 풍력 발전기(100, 100`)에 관한 것이며, 상기 풍력 발전기는 다음을 포함하는 것을 특징으로 한다:
-다른 가지에 배열된 80개 내지 150개의 복수의 터빈, 상기 터빈의 적어도 일부는 사보니우스 종류의 터빈이며, 사보니우스 종류의 터빈은 회전 수직축(40, 40`, 40``, 40```) 및 서로 오프셋되고 터빈에 개구를 정의하는 적어도 두 개의 반-원통형 곡선 구성을 구비하며, 상기 터빈의 곡선 구성은 8㎠ 내지 64㎠ 사이의 총 표면적을 구비한다; 및
-각 터빈의 회전축 상에 설치된 전기 발전기(50, 50`).
다양한 미적 제한(나뭇잎 형상) 및 이웃한 터빈들 사이의 차단효과 같은 기술적 제한을 고려하여, 터빈의 본질적인 특징들(형상, 표면적) 및 터빈의 수는 풍력 발전기에 의해서 생산될 전력을 최대화하도록 신중하게 결정된다.
유리하게는, 모든 터빈들은 사보니우스 종류의 터빈이다.
각 경우에, 각 터빈은 세로축이 터빈의 회전 축과 일치하는 토페도 형상을 구비할 수 있다.
게다가, 전기 발전기(50, 50`)는 관련된 터빈 안에, 예컨대 터빈의 하부에, 설치될 수 있다.
전기 발전기(50, 50`)가 터빈 내부에 보관될 때, 간극(314)는 개구의 모서리들 및 전기 발전기 사이에 제공된다.
추가로, 전기 발전기(50, 50`)는 다음을 포함할 수 있다: 환형이고 영구자석(710, 730)을 구비한, 각 터빈의 회전축(40, 40`, 40``, 40```)에 설치되는 적어도 하나의 로터(71, 73); 및 환형이며 로터(71, 73)의 영구자석과 상호작용하도록 설계된 코일(720)을 포함하는, 터빈의 프레임에 설치되는 스테이터.
유리하게는, 두 개의 동일한 로터(71, 73)를 가진 전기 발전기가 구비되며, 상기 로터는 관련된 로터의 영구자석과 마주하는 코일을 구비하는 스테이터(72)의 각 측면에, 각 스테이터의 표면에 배열된다.
유리하게는, 영구자석(710, 730)은 상기 또는 각 로터의 모서리에 설치된다. 유사하게, 코일(720)은 유리하게는 스테이터(72)의 모서리에 설치된다.
상기 했듯이, 보강 프레임 또한 구비될 수 있다.
게다가, 도 9 및 10에 도시된 나무 배열(트렁크 상에 가지를 분리 가능하게 설치하며, 나무 상에 분리 가능하게 설치된 튜브(200, 201)의 존재)은 본 발명의 다른 정의에 적용될 수 있다.
그리하여, 풍력 발전기(100, 100`)는 적어도 하나의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```)을 지지하는 적어도 하나의 튜브(200, 201)을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 튜브는 가지(20) 상에 설치될 수 있다.
상기 적어도 하나의 튜브(200, 201)는 상기 가지(20) 상에 분리 가능하게 설치될 수 있다.
각 가지(20, 21, 22, 23)는 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```)을 포함할 수 있다.
각 가지(20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 211`, 202`, 212`)는 트렁크(10`)에 분리 가능하게 설치될 수 있다.
트렁크(10`)는 하나의 조각으로 만들어지며 상기 가지를 위한 복수을 리셉터클을 포함할 수 있으며, 상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 상기 트렁크 주위의 다른 각도상 위치에 배열된다.
트렁크(10`)는 서로 부착된 복수의 구역을 포함하며, 각 구역은 가지를 위한 적어도 하나의 리셉터클을 포함하며, 상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 상기 트렁크 주위의 다른 각도상 위치에 배열된다.

Claims (18)

  1. 트렁크(10, 10`) 및 상기 트렁크(10)로부터 연장하는 복수의 가지(20, 21, 22, 23, 20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 211`, 202`, 212`)를 포함하는 풍력 발전기로서,
    다른 가지들에 분포된 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`, 31``, 31```) 및 상기 터빈의 회전축 상의 각 터빈 안에 설치된 전기 발전기(50, 50`)를 포함하며,
    각 터빈은 회전 수직축(40, 40`, 40``, 40```)을 구비하는 풍력 발전기(100, 100`).
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 터빈은 상기 축을 따라 연장하는 적어도 두 개의 곡선 구성(310, 311, 310`, 311`)을 구비하며,
    상기 전기 발전기(50, 50`)는 터빈 안에 보관되어서 간극(314)이 개구들의 모서리 및 전기 발전기 사이에 유지되는 풍력 발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 터빈들(31`, 31```)의 적어도 일부는 세로축이 터빈의 회전축과 일치하는 토페도 형상을 구비하는 풍력 발전기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 터빈들의 적어도 일부는 상기 개구들을 정의하기 위해서 서로 오프셋된 적어도 두 개의 반-원통형 곡선 구성을 구비하는 사보니우스 종류의 터빈인 풍력 발전기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    80개 내지 150개의 터빈을 포함하며, 각 터빈은 총 표면적이 8㎠ 내지 64㎠인 곡선 구성을 구비하는 풍력 발전기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터빈(31, 31`)의 적어도 일부는 터빈(31`)의 회전축(40`)의 두 지점에 고정된 보강 프레임(60`)을 포함하는 풍력 발전기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    보강 프레임(60`)은 터빈(31`)의 각 구성(310`, 311`)의 외부 윤곽(310`a, 311`a)을 따라 있는 풍력 발전기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 터빈은 나뭇잎의 형상과 유사한 형상을 구비하는 풍력 발전기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 터빈(31, 31`)은 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리에틸렌(polyethylene), 바람직하게는 비-산화성(non-oxidizable)인 금속, 철, 또는 대나무 같은 나무 중에서 선택된 물질로 만들어진 풍력 발전기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 발전기(50, 50`)는:
    환형이며 영구자석(710, 711)을 구비한, 터빈의 회전축(40, 40`, 40``, 40```) 상에 설치된 적어도 하나의 로터(71, 73); 및
    환형이며 상기 로터(71, 73)의 영구자석과 상호작용하도록 설계된 코일(720)을 포함하는, 터빈의 프레임 상에 설치된 스테이터(72);
    를 포함하는 풍력 발전기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 발전기(100, 100`)는 두 개의 동일한 로터(71, 73)를 포함하며,
    상기 로터는, 관련 로터의 영구자석과 마주보는 코일을 구비하는 각 스테이터의 표면에 스테이터(72)의 각 표면상에 배열되는 풍력 발전기.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    영구 자석(710, 730)은 상기 또는 각 로터(71, 73)의 모서리에 배열되며,
    코일(720) 또한 스테이터(72)의 모서리에 배열되는 풍력 발전기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`)을 지지하는 적어도 하나의 튜브(200, 201)를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 튜브는 가지에 설치되는 풍력 발전기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 튜브(200, 201)는 상기 가지(20)에 분리 가능하게 설치되는 풍력 발전기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 가지(20, 21, 22, 23)는 복수의 터빈(31, 32, 33, 34, 35, 31`)을 포함하는 풍력 발전기.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가지(20`, 21`, 22`, 23`, 201`, 211`, 202`, 212`)는 트렁크(10`)에 분리 가능하게 설치되는 풍력 발전기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트렁크(10`)는 하나의 조각으로 만들어지며 상기 가지를 위한 복수의 리셉터클을 포함하며,
    상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 상기 크렁크 주위에 다른 각도상 위치에 배열되는 풍력 발전기.
  18. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 트렁크(10`)는 서로 부착된 복수의 구역을 포함하며,
    각 구역은 가지를 위한 적어도 하나의 리셉터클을 포함하며,
    상기 리셉터클은 트렁크를 따라 다른 높이 및 상기 크렁크 주위에 다른 각도상 위치에 배열되는 풍력 발전기.
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