KR20150027249A - 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈 - Google Patents

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KR20150027249A
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흄베르토 안토니오 루비오
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루비오, 애나 엘리사
흄베르토 안토니오 루비오
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Abstract

본 발명에 따른 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈은 평행육면체 형상을 가진 반경(R)의 정육각형 구조물을 포함하는바, 상기 정육각형 구조물 안에서는 위에서 볼 때 육각형의 중심에 위치한 수직축에서 3개 이상의 베인들을 구비한 로터가 회전하고, 상기 베인들은 회전할 때 반경(Rt)의 원을 형성한다. 상기 터빈은 6개의 관절식 디플렉터 베인들을 더 포함하는바, 상기 관절식 디플렉터 베인들은 터빈의 바람 또는 액체 유입부 측으로부터 유입되는 공기 또는 액체를 받아들여 로터 베인들 상에 상기 공기 또는 액체의 유동을 집중시키고, 터빈의 바람 또는 액체 유입부의 반대측에서 로터 베인들로부터 나가는 공기 또는 액체의 유동을 방산시킨다.

Description

유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈{VERTICAL AXIS WIND AND HYDRAULIC TURBINE WITH FLOW CONTROL}
본 발명은 작동 환경에 따라서 공기 또는 물의 유동 제어가 가능한 풍력 및 수력용 수직축 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈에 관하여:
사보니우스 로터(savonious rotor)는 풍력을 회전 샤프트 상에서의 토크로 변환시키는데에 이용되는 수직축 풍력 터빈의 일 유형이다. 사보니우스 로터는 1922년에 핀란드 엔지니어인 시거드 제이. 사보니우스(Sigurd J. Savonious)에 의하여 발명되었다.
사보니우스 터빈은 가장 단순한 터빈들 중의 하나이다. 공기역학적으로, 사보니우스 터빈은 두 개 또는 세 개의 베인들을 포함하는 항력(drag) 또는 저항 기기이다. 그 로터를 상부에서 보면, 베인들이 S자 형상을 형성한다. 그 곡률때문에, 베인들이 움직이는 방향에서 바람에 반하여 이동하는 때에 적은 저항을 받는다. 이와 같은 차이로 인하여 사보니우스 터빈이 회전하게 된다. 항력 기기라는 관점에서, 사보니우스 기기는 유사한 크기의 양력 터빈(lift turbine)에 비하여 훨씬 적은 바람의 힘을 인출한다. 한편, 그 터빈을 바람의 방향에 맞게 배치할 필요가 없고, 난류를 더 우수하게 지원하며, 낮은 풍속에서도 회전을 시작할 수 있다. 그것은 이용하기에 가장 쉽고 저렴한 터빈들 중 하나이다.
사보니우스 터빈은 효율보다는 비용이 더 중요한 경우에 사용된다. 예를 들어, 대부분의 풍속계들은 사보니우스 터빈(또는 그로부터 파생된 설계형태)인데, 왜냐하면 이 경우에 효율은 전혀 중요하지 않기 때문이다. 훨씬 더 큰 사보니우스 터빈이 심해 부이(deep water buoy)에서 전기를 발생시키기 위하여 사용되어 왔는데, 심해 부이는 적은 양의 전력을 필요로 하며 또한 유지보수를 별로 필요로 하지 않기 때문이다. 사보니우스 터빈의 가장 흔한 적용예는 플렛트너 통풍기(Flettner ventilator)인데, 이것은 밴(van)과 버스의 지붕들에서 흔히 사용되는 냉각 기기이다. 그 송풍기는 독일 엔지니어 안톤 플렛트너에 의하여 발명되었다. 오늘날, 작은 전기기기들에 전력을 공급하기 위한 사보니우스 터빈의 사용이 점진적으로 증가하고 있다.
다리우스 풍력 터빈(Darrieus wind turbine)은 바람에 보유되어 있는 에너지로부터 전기를 생산하기 위하여 이용되는 수직축 풍력 터빈의 일 유형이다. 이 터빈은 다수의 양력 표면(lift surface)들을 포함하며, 상기 양력 표면들은 항상 그런 것은 아니지만 통상적으로 회전하는 샤프트 또는 프레임에 수직으로 장착된다. 이와 같은 설계형태의 풍력 터빈은 1931년에 프랑스 엔지니어 조제스 진 마리 다리우스(Georges Jean Marie Darrieus)가 특허받은 것이다.
전통적이고 차별적인 시스템들인 사보니우스와 다리우스는, 로터에서의 변화하는 장력과 난류를 발생시키는데, 이들은 시스템 제어와 성능을 제한하는 진동 및 기생 힘(parasitic force)으로 귀결된다.
미국특허 제6,824,349호에는 낮은 풍속에서 작동하는 로터가 개시되어 있는바, 그것은 베이스(base), 수직축을 중심으로 시계방향으로 움직이도록 상기 베이스에 회전가능하게 지지되는 로터 프레임, 및 폐쇄된 제1 위치와 개방된 제2 위치 사이에서 수직축을 중심으로 시계방향으로 움직이도록 상기 로터 프레임에 피봇가능하게 마련되어 바람을 받아들이는 베인 유형의 복수의 스크린들을 포함한다. 본 발명과 미국특허 제6,824,349호의 주된 차이점은, 상기 미국특허는 공기 유동 개선기(airflow enhancer)가 없는 직접작용식 장치라는 점이다. 또한 그것은 로터에 있는 움직이는 부분들을 포함하는데, 이들은 속도 및 성능을 저하시킨다. 그것은, 복잡한 메카니즘으로 되어 있어서 침식과 마모에 취약하며 윤활의 문제가 뒤따른다. 또한, 상기 시스템은 소음이 많고 느린 편이어서 전체적인 성능에 크게 기여하지 못한다.
미국특허 제4,468,169호에는 높은 토크로 조절되는 유연성 베인들을 구비한 풍력 터빈이 개시되어 있는바, 이것은 수직의 중심 축을 중심으로 하여 수평 평면에서 회전하도록 장착되는 프레임, 상기 프레임의 주변부 가까이에서 상기 프레임에서의 회전을 위해 지지되는 복수의 2차 축들, 2차 축들 각각의 일 단부 가까이에 장착된 베인, 상기 베인들의 회전을 제한하기 위하여 축들로부터 반경방향 내측에서 프레임에 배치된 복수의 베인 정지부들을 포함하는 수평 장착식 윈드 휠(wind wheel)로 이루어져 있다. 상기 2차 축들 각각은 상기 수평 평면의 수직에 대해서 기울어진 축 가까이에서 회전하도록 장착되고, 그 결과 각각의 베인은 수직선으로부터 각각의 축의 경사방향에 의해 정해지는 바람직한, 미리 정해진 휴지 위치(rest position)를 갖는다. 본 발명과 미국특허 제4,468,169호의 주된 차이점은 미국특허 제4,468,169호 역시 공기 유동 개선기가 구비되어 있지 않은 직접작용식 장치라는 것이다. 또한 그것은 로터에 있는 움직이는 부분들을 포함하는데, 이들은 속도 및 성능을 저하시킨다. 그것은, 복잡한 메카니즘으로 되어 있어서 침식과 마모에 취약하며 윤활의 문제가 뒤따른다. 또한, 상기 시스템은 소음이 많고 느린 편이어서 전체적인 성능이 우수하지 못한 것으로 나타난다.
미국특허 제7,083,382호에는 수직축 풍력 터빈이 개시되어 있는바, 이 풍력 터빈은 유체 유동의 에너지를 이용하기 위한 1차 모터를 구비하고, 상기 1차 모터는 구조물에 회전가능하게 장착되도록 구성되고 회전축을 갖는 샤프트를 포함하며, 상기 샤프트는 샤프트로부터 반경방향으로 연장되고 적어도 하나의 베인을 포함하는 적어도 하나의 아암을 포함하며, 상기 베인 또는 각각의 베인은 베인에서의 유동의 작용이 회전축에 영향을 미치도록 배치되고, 상기 베인 또는 각각의 베인은 아암에 움직일 수 있도록 장착되며, 각각의 베인은 제1 항력을 제공하는 제1 위치로부터 제2 항력을 제공하는 제2 위치로 움직일 수 있고, 상기 제1 항력은 제2 항력보다 높다.
상기 1차 모터 구동부는 종래 기술의 주 터빈 또는 엔진에 비하여 증가된 토크 출력과 유체 유동에서 실질적으로 감소된 항력을 제공한다. 본 발명과 미국특허 제7,083,382호의 주된 차이점은 미국특허 제7,083,382호 역시 공기 유동 개선기가 구비되어 있지 않은 직접작용식 장치라는 것이다. 또한 그것은 많은 움직이는 부품들을 포함하는데, 이들은 속도 및 성능을 저하시킨다. 그것은, 복잡한 메카니즘으로 되어 있어서 침식과 마모에 취약하며 윤활의 문제가 뒤따른다. 또한, 소음이 많고 느린 편이어서 전체적인 성능이 우수하지 못한 것으로 나타난다.
스페인 출원 제2,161,650호의 공보에는 풍력 에너지를 이용하는 시스템이 개시되어 있는바, 이 시스템은 복수의 반경방향 아암들이 돌출되어 있는 수직축을 갖는 윈드밀(windmill)을 포함하고, 상기 아암들은 서로 대향되어 쌍을 이루어 힌지에 장착되고, 이 아암들 각각의 단부에는 관절식으로 되어 있는 반경방향 아암 각각에 직각인 평면에 수직으로 배치된 사각형의 베인이 구비된다. 한 쌍 중 반대측에 있는 베인들은 바람 방향에 대해 직각으로 배치되어 휴지 상태에 있게 되어, 추력을 유지할 수 있게 하고 상기 베인들의 쌍이 기울어지게 하며, 상기 베인들의 각도 변화는 정지부에 의하여 제한된다. 상기 베인들 각각에는 복구 요소가 구비되는데, 상기 복구 요소는 추력이 멈추는 때에 상측 아암을 아암이 힌지결합되어 있는 상기 베인에 대해 직각으로 위치되게 한다. 본 발명과 스페인 출원 제2,161,650호의 주된 차이는, 해당 스페인 출원이 유동 집중기 또는 개선기를 구비하지 않고, 로터에 움직이는 부품들을 구비한다는 것이다. 그것은 각각의 선회시에 작동하는 로터 조정 기능을 갖는 직접작용식 메카니즘을 구비하는데, 이것은 에너지 손실 문제가 있고 눈이 많은 지역에서 실용적이지 않으며, 풍속이 극도로 높은 경우에 있어서의 완전한 페쇄가 불가능하고, 윤활, 소음, 낮은 성능, 마모, 낮은 속도의 문제가 있으며, 또한 그 속도의 통제가 불가능하고, 유지보수를 위해 완전히 정지시킬 수 없으며, 최종 속도가 낮다.
ES 2,020,711 에 대응되는 스페인 출원공보에는 풍력 터빈용 회전 샤프트가 개시되어 있는데, 상기 풍력 터빈은 지면에 설치되어 수직의 주된 축을 수립하는 고정식 타워를 포함하고, 상기 타워의 위에 있는 상측 단부에는 복수의 반경방향 수평 아암들이 등각 분포로 고정접합되는데, 상기 아암들 각각에는 바람의 작용을 받는 수단을 형성하는 하나 이상의 판 또는 베인들이 구비된다. 특히, 상기 베인들은 수직 힌지 축의 도움을 받아 상기 아암에 관절식으로 부착되고, 상기 아암들이 바람을 받는 사이클의 유효한 절반 동안에는 보호구(armor)의 도움을 받아 그러한 아암들에 맞도록 구성될 수 있고, 사이클의 유효하지 않은 - 상기 아암이 바람 방향에 반하여 복귀하는 - 절반 동안에는 상기 바람 방향에 대해 평행한 구성을 취하게 된다. 본 발명과 스페인 공보 제2,020,711호의 주된 차이는, 스페인 공보에 개시된 발명이 매 선회시마다 작동하는 움직이는 부품들 및 로터 조정 기능을 갖는 직접작용식 메카니즘을 갖는다는 것인데, 이것은 에너지 손실 문제가 있고 눈이 많은 지역에서 실용적이지 않으며, 풍속이 극도로 높은 경우에 있어서의 완전한 페쇄가 불가능하고, 윤활, 소음, 낮은 성능, 마모의 문제가 있으며, 또한 그 속도의 통제가 불가능하고, 유지보수를 위해 완전히 정지시킬 수 없으며, 마지막으로 그 구성형태 때문에 풍력 터빈용 회전 샤프트가 낮은 최종 속도를 갖는다.
스페인 공보 ES 2,310,965 에는 터빈의 고정된 구조물을 형성하는 복수의 얇은 수직벽 노즐들을 포함하는 풍력 또는 수력 터빈이 개시되어 있다.
이 구조물에는 수직축을 이루는 러너(runner)가 있는데, 상기 러너에는 베인들이 제공되며, 상기 베인들은 러너에 단단히 앵커링된 아암들에 힌지 결합되며, 또한 유입되는 흐름의 속도에 따라서 최대 개방도와 최소 개방도 사이의 중간 위치를 취할 수 있다. 상기 베인들의 점진적인 개방은 해당되는 에너지를 완전히 이용하기 위한 것으로서, 이것은 권취 드럼과 케이블로 이루어진 인장 장치에 의하여 자동적으로 수행되는데, 이 경우에서 상기 케이블의 단부들은 러너에 고정된 드럼과 베인에 고정된다. 방사상의 터빈은 커버에 의하여 완성되는바, 상기 커버는 노즐들의 벽들의 브레이싱 비임(bracing beam)들 또는 판에 안착되고, 상기 터빈은 움직이는 물 또는 공기의 운동에너지를 포획하기 위하여 사용된다. 본 발명과 스페인 공보 제2,310,965호의 주된 차이는, 스페인 공보에 게재된 발명이 유동 개선기를 구비하지 않고 로터에 가동성 부재들을 포함하여서, 소음, 마모, 윤활 문제, 연마제에 대해 노출된다는 문제를 발생시킨다는 것이다. 또한, 상기 장치는 시스템에 대한 전체적으로 우수하지 못한 성능을 제공하고, 각각의 회전시마다 작동하는 움직이는 장치이기 때문에 유지보수와 관련하여 훨씬 더 복잡하다. 그 구조는 에너지 손실이 커서 눈이 많은 지역에서 실용적이지 못하며, 강풍의 경우에도 완전한 밀폐를 가능하게 하지 못한다.
스페인 공보 ES 2,149,638 에는 움직이는 유체의 에너지를 포획, 집중, 방향전환, 및 이용하기 위한 수직축 장치가 개시되어 있는바, 그것의 로터축에 대해 직각인 평면에 의해 구성되는 섹션은 유체를 포획하는 고정된 반경방향 수직 표면들의 외부 구역을 보이며, 그 유체는 고정된 기울어진 수직 표면들의 중간 구역으로 가게 되어, 유체의 충격 방향으로 회전할 수직축 로터가 위치되어 있는 내측 구역으로 유체의 방향을 전환시킨다. 상기 장치의 설계안은 이동하는 물 또는 바람을 이용하여 로터를 회전시킬 수 있는 다목적 시스템을 구성하는데, 그 로터의 회전은 적합한 용도에 유용한 기계 또는 전기 에너지를 생산하는데에 이용될 수 있다. 본 발명과 스페인 공보 ES 2,149,638 에 개시된 발명 간의 차이점은, 후자의 설계안이 발전기를 포함하지 않으며 다른 구성요소들 간의 구성관계없이 고립적인 부품들로 이루어져 있어서 시스템 자체에 관련되지 않은 고정된 구조로 이루어져 있고, 유동 개선 메카니즘을 구비하지 않으며, 유지보수를 위한 완전한 폐쇄가 가능하지 않고, 극한의 바람이 있는 경우에 로터가 노출되며, 제작이 용이하지 않고, 많은 설치 공간을 필요로 하고, 그 형상으로 인하여 플랫폼 보트(platform boat)와 같은 작은 장소나 빌딩에 설치될 수 없고 휴대가능한 기기로서 이용될 수 없다는 것이다.
미국 공보 제2008/0007067호에는 본 발명과 가장 근접한 종래 기술의 풍력 터빈이 개시되어 있는바, 상기 풍력 터빈은 돌출된 실린더형 부분과 하측 베이스 블록을 구비한 지지 유닛을 포함하고, 로터리 실린더(rotary cylinder)는 상기 돌출 부분에 의하여 회전가능하게 지지되며, 상기 로터리 실린더의 중앙으로부터 연장된 회전 샤프트가 동일한 방향으로 회전하고, 상기 회전하는 실린더를 지지하도록 돌출되어 설치된 상측 베어링이 구비되며, 상기 로터리 실린더를 지지하기 위하여 하측 베어링 블록이 하측 베이스에 설치되고, 복수의 베인들은 일정한 각도 간격으로 상기 로터리 실린더의 외측 원주를 따라서 설치되어 상기 로터리 실린더의 외측 원주와 긴밀히 접촉하도록 가깝게 또는 상기 로터리 실린더에 대해 외향으로 개방되며, 각도 제한 수단은 바람의 방향에 대해 상대적인 위치에 따라서 각각의 베인이 미리 정해진 각도를 초과하여 개방됨을 방지한다. 본 발명과 미국 공보 제2008/0007067호에 개시된 발명 간의 주된 차이점은, 후자에 공기 유동 개선기가 구비되어 있지 않고, 따라서 공기 포획 성능이 열악하며, 그 시스템도 극한의 바람에 노출된다는 점이다.
수력 터빈에 관하여:
최근 수년 동안에 자연 자원으로부터의 신재생 에너지(renewable energy)의 발생은 주요 관심 분야이고 많은 개발이 있어 왔다. 다양한 에너지 형태들 중에서 수력식 수직 터빈에 대해 가능한 에너지는 파도 에너지와 조류 에너지이다.
파도 에너지는 조수(tides)로부터 추출하여 얻어지는데, 그 시스템은 교류발전기에 연결됨으로써 전기를 발생시키도록 이용될 수 있고, 이로써 파도 에너지가 보다 안정적이고 유용한 형태의 에너지인 전기 에너지로 변환된다. 그것은 1차 에너지 공급원이 이용에 의하여 고갈되지 않기 때문에 신재생 에너지의 일 유형에 해당되며, 에너지 변환에 있어서 고체, 액체, 또는 기체의 오염 부산물이 발생하지 않기 때문에 청정 에너지이다. 그러나, 현재의 수단으로서 얻어질 수 있는 에너지의 양과 에너지 처리를 위한 장치를 설치하기 위한 경제 및 환경적 비용 간의 관계로 인하여, 이와 같은 유형의 에너지 분야에 있어서의 현저한 돌파구가 저해되어 왔다.
조류 발전은 조류에 담겨있는 운동에너지를 이용하는 것이다. 그 에너지의 포획 과정은 풍력 터빈과 유사한 운동에너지 변환기에 기초한 것이되, 해저 설비를 이용한다는 점에서 상이하다.
수력 터빈은 회전 움직임을 발생시키기 위하여 수력 터빈을 지나가는 유체의 에너지를 이용하는 터보 수력 기계인데, 그 에너지는 샤프트에 의하여 전달되어서 기계적 에너지를 전력으로 변환시키는 기계 또는 발전기를 직접 구동하며, 이것은 수력발전 플랜트의 주요 기관이다.
공지된 수력 터빈 중에는 펠톤 터빈(Pelton turbine)이 있는데, 이것은 가장 효율적인 수력 터빈들 중 하나이다. 이것은 터보방식의 직교류(cross flow), 부분 흡입식의 작용 기계이다. 이것은 휠(러너 또는 로터)를 포함하는데, 상기 휠의 주변부에는 스푼(spoon)들이 제공되어 있으며, 그 스푼들은 스푼들로 돌진하는 워터 제트(water jet)의 에너지를 변환시키도록 만들어진다.
펠톤 터빈은 다량의 저유동 수력 도약(low flow hydraulic jump)을 추출하도록 설계된다. 이와 같은 유형의 터빈이 구비되어 있는 수력 플랜트는 대개의 경우에 프레셔 갤러리(pressure gallery)라 불리우는 긴 파이프를 포함하는데, 이 파이프는 높은 높이, 종종 200미터 이상의 높이로부터의 유체를 이송한다. 상기 프레셔 갤러리의 끝에서, 물은 하나 이상의 니들 밸브(needle valve)(인젝터(injector)라 불리기도 함)를 통해 터빈으로 공급되는데, 상기 니들 밸브는 상기 스푼으로 돌진하는 유동 속도를 증가시키기 위하여 노즐의 형태를 갖는다. 펠톤 터빈은 수력 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위하여 큰 높이 차이(수력 도약)을 필요로 한다는 단점이 있고, 유체 유동의 제어가 결여되어 있다는 단점이 있다.
프란치스 터빈(Francis turbine)은 제임스 비. 프란치스(James B. Francis)에 의해서 개발되었다. 이것은 반응 및 혼합 유동 터보 기계(reaction and mixed flow turbo machine)이다.
프란치스 터빈은 폭넓은 점프와 유동에 대해 설계될 수 있는 터빈이므로, 6미터 내지 수백 미터까지의 다양한 높이 범위에서 작동할 수 있다. 이것은, 그 터빈의 높은 효율과 함께, 이 유형의 터빈이 세계에서 가장 폭넓게 사용되게 하였는데, 주로 수력 플랜트에 의하여 전기를 발생시키는 용도로 사용된다. 프란치스 터빈에는 유체 유동 제어가 결여되어 있다.
터보 터빈은 중간 구배의 점프(medium gradient jump)를 위해 설계된 충동식 수력 터빈(impulse water turbine)이다. 이것은 1919년에 길케스(Gilkes)사가 펠톤 터빈을 변형함으로써 개발하였다.
터보 터빈은 충동 유형의 터빈이다. 수압은 터빈의 베인들을 통과함에 따라서 변화하지 않는다. 물의 포텐셜 에너지(potential energy)는 유입 노즐 또는 인젝터에서 운동에너지로 변환된다. 워터 제트는 고속으로 터빈의 베인들로 향하게 되어서 거기에서 흐름방향이 변하거나 역전된다. 그로부터 말미암은 충격이 터빈의 러너(runner)를 회전시키고, 이것은 그 에너지를 터빈의 축으로 전달한다. 최종적으로 물은 매우 적은 에너지만을 가지고 나오게 된다. 터보 터빈의 러너는 90% 이상의 성능을 가질 수 있다.
터보 러너(Turgo runner)는 절반으로 나뉘어진 펠톤 러너와 유사하게 보일 수 있다. 동일한 동력을 위해서는, 터보 러너의 직경이 펠톤 러너의 절반으로 되고 비속도(specific speed)는 두 배로 된다. 터보 러너는 펠톤 러너보다 더 많은 양의 물을 처리할 수 있는데, 이는 나오는 물이 인접한 베인들과 간섭되지 않기 때문이다.
터보 러너의 비속도는 프란치스 터빈과 펠톤 터빈의 속도로부터 나온다. 하나 이상의 노즐 또는 인젝터가 사용될 수 있다. 인젝터의 개수가 증가하면 러너의 비속도가 제트의 개수의 제곱근으로 증가한다 (즉, 4개의 제트가 있는 경우, 동일한 터빈에 대한 제트의 비속도는 2배로 된다). 터보 터빈은 유체 유동 제어를 갖지 않는다.
위에서 언급된 스페인 공보 제2,310,965호는 터빈의 고정된 구조물을 형성하는, 수직의 얇은 벽 노즐들을 복수개 포함하는 풍력 또는 수력 터빈에 관한 것이다.
이 구조물에는 수직축의 러너가 있고, 여기에는 러너에 고정식으로 앵커링된 아암들에 관절식으로 결합된 베인들이 제공되는데, 이것은 유입되는 흐름의 속도에 따라서 최대 개방도와 최소 개방도 사이의 중간 위치들을 취할 수 있다. 상기 베인들의 점진적인 개방은 해당되는 에너지의 이용을 최대화시키기 위한 것으로서, 이것은 권취 드럼과 케이블로 이루어진 인장 장치에 의하여 자동적으로 수행되는데, 이 경우에서 상기 케이블의 단부들은 러너에 고정된 드럼과 베인에 고정된다. 방사상의 터빈은 커버에 의하여 완성되는바, 상기 커버는 노즐들의 벽들의 브레이싱 비임(bracing beam)들 또는 판에 안착되고, 상기 터빈은 움직이는 물 또는 공기의 운동에너지를 포획하기 위하여 사용된다. 본 발명과 스페인 공보 제2,310,965호의 주된 차이는, 스페인 공보에 게재된 발명이 유동 개선기를 구비하지 않고 로터에 가동성 부재들을 포함하여서, 진동, 마모, 윤활 문제를 발생시킨다는 것이다. 또한, 상기 장치는 시스템에 대한 전체적으로 우수하지 못한 성능을 제공하고, 각각의 회전시마다 작동하는 움직이는 장치이기 때문에 유지보수와 관련하여 훨씬 더 복잡하다. 그 구조는 에너지 손실이 크고, 유지보수를 위한 셧다운(shutdown) 시에도 완전한 밀폐가 가능하지 않다.
위에서 언급된 스페인 공보 ES 2,149,638 에는 움직이는 유체의 에너지를 포획, 집중, 방향전환, 및 이용하기 위한 수직축 장치가 개시되어 있는바, 그것의 로터축에 대해 직각인 평면에 의해 구성되는 섹션은 유체를 포획하는 고정된 반경방향 수직 표면들의 외부 구역을 보이며, 그 유체는 고정된 기울어진 수직 표면들의 중간 구역으로 가게 되어, 유체의 충격 방향으로 회전할 수직축 로터가 위치되어 있는 내측 구역으로 유체의 방향을 전환시킨다. 상기 장치의 설계안은 이동하는 물 또는 바람을 이용하여 로터를 회전시킬 수 있는 다목적 시스템을 구성하는데, 그 로터의 회전은 적합한 용도에 유용한 기계 또는 전기 에너지를 생산하는데에 이용될 수 있다. 본 발명과 스페인 공보 ES 2,149,638 에 개시된 발명 간의 차이점은, 후자의 설계안이 발전기를 포함하지 않으며 다른 구성요소들 간의 구성관계없이 고립적인 부품들로 이루어져 있어서 시스템 자체에 관련되지 않은 고정된 구조로 이루어져 있고, 유동 개선 메카니즘을 구비하지 않으며, 유지보수를 위한 완전한 폐쇄가 가능하지 않고, 극한의 바람이 있는 경우에 로터가 노출되며, 제작이 용이하지 않고, 많은 설치 공간을 필요로 하고, 그 형상으로 인하여 플랫폼 보트(platform boat)와 같은 작은 장소나 빌딩에 설치될 수 없고 휴대가능한 기기로서 이용될 수 없다는 것이다.
특허출원 공개공보 GB 2,485,574 에는 해저 또는 강에 장착될 수 있는 수직 타워 내부에 장착되는 수직축 수력 터빈이 개시되어 있다. 그것의 로터는 유수량 집중기(water flux concentrator) 없이 직접적인 작용을 하는바, 그 로터는 로터에 대해 접하는 속도가 유동 속도이기 때문에 성능이 낮으며, 로터의 중앙 구역에서는 난류가 발생하여 에너지가 손실되고, 로터 회전의 상당 부분에서 반대방향 유동의 역류가 발생할 수 있어서 상기 타워의 포획 유입을 저해한다. 앵커링 시스템은 미리 정해진 깊이에서 작동하는바, 이것은 물 유동의 깊이 변화에 따라서 변화할 수 없고, 앵커는 일방향성이거나 또는 물이 단 하나의 방향으로만 유동함을 허용한다.
특허출원 공보 GB 2,486,697 에는 강의 흐름과 파도로부터 전기를 발생시키기 위한 터빈과 같은 발전 장비에 관한 것이고, 그것은 강 바닥에 설치되는 지지 구조물 또는 몸체, 부유하는 에너지 발전기, 및 벨트를 움직이게 하는 크랭크 샤프트를 포함하며, 이 발전기는 개선기가 없는 직접식 시스템으로서, 해결하기 어려운 절연 문제가 있으며, 자동식 라우팅(automatic routing)이 없고 운용비용이 고가이며, 파손과 사고의 위험이 있는 고가의 트랜스미션 라인들(transmission lines)을 구비한다.
특허출원 공보 GB 2,486,911 에는 물의 유동흐름으로부터 에너지를 발생시키기 위한 장치 및 방법이 개시되어 있는데, 여기에 개시된 시스템은 표층수(surface water)와 해양 바닥 사이의 무어링(mooring)과 같은 유지 수단에 의해서 지지되는 발전기의 장착을 포함한다. 상기 발전기의 조립체는 발전기의 수직축을 통해서 회전할 수 있고 개선기는 없는 직접 작용식 시스템에 해당되는데, 낮은 범위의 유동 방위를 가져서 와류 및 난류를 발생시키며, 이로 인하여 엔진 세트의 효율이 감소되며, 그것의 반대 순환류는 기생 교차류(crosscurrent)를 발생시킨다. 발전기는 해수면의 아래에 배치되는데, 이것은 고립과 전달의 문제를 유발하며 고속의 유체에 의하여만 작동하게 된다. 그것의 로터의 접선 속도는 액체 유동 속도와 유사하다.
미국특허 제3,986,787호에는 강(river)용 터빈이 개시되어 있는바, 그 터빈은 1차 노즐 안에 동축으로 장착되되 전력 발생 장비를 보유하는 플랫폼 아래의 강 흐름 안에 지지되도록 장착된 수평 샤프트에 설치된 휠 터빈이다. 상기 터빈의 샤프트와 1차 노즐은 물속에 잠기며, 강 흐름의 유동의 일부분이 터빈 휠 및 노즐을 통과함을 허용하도록 배치된다. 이 터빈은 차별력(differential force) 작동식 메카니즘이고, 주된 노즐을 좁힘에 의하여 출력 유동을 가속시킨다. 상기 시스템은 복잡한 구성을 가지고 유지보수에 많은 비용이 소요되며, 퇴적물 드래깅(sediment dragging)으로 인한 캐비테이션(cavitation)에 취약하다. 프로펠러에 의해 받아들여지는 유동의 증가 또는 성능에 관한 개선이 실질적으로 없으므로 이 로터 시스템은 효율적이지 못하며, 또한 작동 깊이가 조절될 수 없는 경우에는 내구성이 약하게 된다. 이 시스템은 앵커링(anchoring) 및 방향설정이 어려우며, 일 방향의 흐름에만 적합할 뿐이다.
미국특허 제4,104,536호에는 강 또는 수류를 위한 동력 터빈이 개시되어 있는데, 상기 터빈은 반경방향으로 연장된 베인들을 구비한 종장형의 실린더를 포함하고, 각각의 베인은 자신의 지지대에 축방향으로 이격된 복수의 핀(fin)들과 그에 대응되는 개구들을 개폐하는 밸브들을 구비한다. 상기 밸브들은 자동적으로 개방되어서, 베인들이 파도의 꼬리부로 들어가거나 거기에서 압력을 해제시킨다. 상기 터빈은 수평축 유형의 직접 작용식 시스템으로서 유동 개선기를 구비하지 않으며 가동 베인들을 구비하여, 소음 뿐만 아니라 많은 마모가 발생하여, 물의 표면 밖으로 배치되어 얻어지는 높이가 최소인 경우에는 성능 면에서의 장점이 별로 없다. 그것은 유지보수를 위한 접근이 곤란하고 습기에 노출된 발전기를 갖는다.
미국특허 제4,205,943호에는 수력 발전기가 개시되어 있는바, 상기 수력 발전기의 효율은 개방 단부 타워 튜브(open end tower tube)들을 제공함으로써 개선되는데, 상기 개방 단부 타워 튜브들은 축에 가까운 유입유동 단부들과 베인 팬 터빈(vane fan turbine)의 주변부에 가까운 유출유동 단부들을 갖는다. 상기 베인 팬 터빈에 의하여 생성된 워터 제트는 팬 베인들의 주변부에서 터빈 베인들을 향해 지향된다. 상기 장치는 바다와 강과 같은 수류에 장착되기에 적합하다. 이것은 복잡한 구성을 가지며, 유수량 집중기 없이 직접적 작용에 의해서 물기둥(water column)을 상승시킴으로 인한 에너지 손실 때문에 성능이 낮은 시스템이다. 그것은 배치가 곤란하고 안정적이지 못하다.
미국특허 제4,236,866호에는 바다 또는 강의 흐름이나 공기를 통제하여 전력을 얻기 위한 시스템이 개시되어 있는바, 상기 시스템은 세 개의 동심적인 회전 몸체들을 포함하는 사이클론 변환기(cyclone converter)를 포함하는데, 상기 몸체들 중에는 베인들 또는 원통형 레일들에 구비된 것이 있다. 롤러들 등에 의하여 고정된 전자기적 시스템은 가상 또는 실제의 기하학적 축 주위로 상기 그룹이 회전함을 가능하게 한다. 이것은 직접 작용식 장치이기 때문에 낮은 성능의 시스템이고, 물과 같이 밀도가 높은 매체 안에서 작동하는 경우에는 유동 난류를 발생시키며, 장비의 중앙에 있는 물기둥의 체적이 증가함에 따라서 동력이 손실된다. 이것은, 물 속에서 이용된다면 절연과 유지보수의 곤란함이 있는 시스템이다.
미국특허 제7,105,942호에는 물 안에 전력을 발생시키기 위한 회전 부재를 구비한 발전 플랜트가 개시되어 있는바, 상기 발전 플랜트는 고정식으로 장착된 부유 구조물과, 구조물에 의해 지지되고 물 흐름에 의하여 제어되는 복수의 교체가능한 발전기 유닛들을 포함한다. 이것은 가변적인 곡률을 갖는 프로펠러들을 이용한는 차별 작용 시스템(differential action system)인데, 발전기는 수분 침투의 위험을 가진 채 물 표면 아래에 있게 되고, 가변적 프로펠러는 침식에 노출되며, 자체적으로 위치선정가능하지 못한, 고가의 내구성 약한 메카니즘에 해당된다.
미국특허 제7,471,009호에는 물 또는 공기의 유체로부터 전력을 발생시키기 위하여 터빈으로서 구성된 장치가 개시되어 있는데, 상기 장치는 "수중익(hydrofoil)"으로 되어 있는 복수의 베인들을 갖는 적어도 하나의 디스크 로터, 위치 베인들, 원통형 하우징, 및 발전 수단을 포함한다. 그것은 로터 베인들의 끝에 포함되어 있는 발전기를 구비한 차별 작용 시스템인데, 이것을 수력 터빈으로서 이용함은 비용이 많이 소요되고 낮은 성능을 나타내며, 고립시키기가 곤란하고, 보수가 필요한 경우에는 시스템 전체를 이동시켜야 한다. 물 속에서 앵커링이 복잡하고 안정적이지 못하며, 흐름에 노출된 전기 메카니즘을 갖는다.
미국특허 제8,210,805호에는 샤프트 상에 장착된 러너를 구비한 터빈이 개시되어 있다. 상기 러너는 샤프트 상에 장착된 원통형 중앙 휠과, 휠의 중앙으로부터 반경방향으로 연장된 복수의 베인들을 구비한다. 상기 베인들은 휠의 중앙에 용접되고, 러너의 각 단부에는 단부 플레이트가 구비된다. 인접한 베인들, 휠의 중앙 및 단부 플레이트들에 의하여, 물을 받아들이기 위한 방수 챔버가 형성된다. 유입구는 러너가 회전하게끔 물을 러너로 향하게 한다. 베인들은 곡선의 형상을 가지며, 베인의 다른 가장자리가 유입구의 상부와 정렬된 때에 유입구의 가장 높은 부분 아래로는 베인의 어떤 부분도 연장되지 않는다. 이 시스템은 물의 표면에서만 이용될 수 있는 수평축 터빈에 해당되는데, 이것은 심해류에 적합하지 않으며, 앵커링이 곤란하고, 위치선정이 번잡스러우며, 고가이고 자동으로 작동하지 않는다.
본 발명은 작동 환경에 따라서 공기 또는 물의 유동 제어가 가능한 풍력 및 수력용 수직축 터빈을 제공함을 목적으로 한다.
상기 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈이 바람 속에서 작동하는 때에, 상기 공기 유동 제어는 로터 베인의 폭과 연계된 치수를 가진 관절식 디플렉터 베인들의 사용에 의하여 달성된다. 각각의 관절식 디플렉터 베인은, 움직일 수 있는 방향전환 베인(moveable deflecting vane)을 형성하는 가동 디플렉터 부분(moveable deflector part)과, 고정된 방향전환 베인(fixed deflecting vane)을 형성하는 고정 디플렉터 부분(fixed deflector part)을 포함한다.
그것은 기본적으로 6세트의 움직일 수 있는 방향전환 베인들을 포함하는데, 상기 움직일 수 있는 방향전환 베인 각각은 상기 고정된 방향전환 베인과 연계되며, 이들은 유체(공기)의 역학에 있어서 상이한 역할을 수행한다.
상기 움직일 수 있는 디플렉터는 상기 베인들이 없을 경우에 로터가 포획할 수 있는 양보다 많은 양의 움직이는 공기를 포획할 수 있는 형상을 가지며, 상기 고정된 디플렉터는 유체를 집중시키고 유체가 외부의 바람 속도보다 더 빠른 속도로 로터 베인들로 향하게끔 직접 지향시킨다.
상기 로터는 저항력에 기초하여 작동하는바, 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은 저항력과 높은 속도에 기초하여 작동하기 때문에, 종래 기술의 수직축 터빈에 비하여 큰 장점을 갖는다.
상기 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 때, 즉 유체가 물인 경우에, 상기 유동 제어는 로터 베인의 폭과 연계된 치수를 갖는 관절식 디플렉터 베인의 사용을 통해서 얻어진다. 각각의 관절식 디플렉터 베인은, 움직일 수 있는 방향전환 베인을 형성하는 가동 디플렉터 부분과, 고정된 방향전환 베인을 형성하는 고정 디플렉터 부분을 포함한다.
그것은 기본적으로 6세트의 움직일 수 있는 방향전환 베인들을 포함하는데, 상기 움직일 수 있는 방향전환 베인 각각은 상기 고정된 방향전환 베인과 연계되며, 이들은 유체(본 경우에 있어서는 물과 같은 액체)의 역학에 있어서 상이한 역할을 수행한다.
상기 움직일 수 있는 디플렉터는 상기 베인들이 없을 경우에 로터가 포획할 수 있는 양보다 많은 양의 움직이는 유체를 포획할 수 있는 형상을 가지며, 상기 고정된 디플렉터는 유체를 집중시키고 유체가 상기 수력 터빈이 설치되어 있는 곳의 외부 유체 속도보다 더 빠른 속도로 로터 베인들로 향하게끔 직접 지향시킨다.
상기 로터는 저항력에 기초하여 작동하는바, 수력 모드에서 유동 제어를 갖는 수직축 터빈은 저항력에 기초하여 작동하기 때문에, 종래 기술의 수직축 터빈 시스템에 비하여 큰 장점을 갖는다.
여기에서 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈은 유동 제어를 가진 풍력 또는 수력 모드에서 작동할 수 있다.
본 발명의 터빈이 풍력 모드에서 작동하는 경우의 모습이 도 1 내지 도 12 에 도시되어 있는바, 아래에서는 이 경우를 "유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈"이라고 칭한다.
도 1 에는 공기 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기는 가동 부분(2) 및 고정 부분(3)을 구비하되 개방된 상태에 있는 관절식 디플렉터 베인(1)들, 상기 가동 부분의 상측 표면(4)과 하측 표면(5)에 해당되는 영역들, 로터(6), 육각형 구조물(7), 육각형(8)의 중심으로부터 취한 로터 반경(Rt), 및 육각형의 대응 반경(R)이 도시되어 있다.
도 2 에는 공기 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에는 폐쇄된 모습의 관절식 디플렉터 베인(1)들, 육각형 구조물(7), 육각형 반경(R), 및 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분(2)의 평균곡률선(mean curvature line)(LCM)이 도시되어 있다.
도 3 에는 개방 위치에 있는 가동 부분(2)과 고정 부분(3)을 포함하는 관절식 디플렉터 베인(1)이 도시되어 있는데, 여기에는 로터 베인들의 회전에 의해 생성되는 원 반경(circle radius; Rt), 가동 부분의 상측 표면(4) 및 하측 표면(5)에 해당되는 구역, 곡률 반경(r)이라 알려진 반경을 형성하고 가동 부분의 프로파일의 가장 좁은 부분에서 예각을 형성하는 리딩 에지(leading edge; 10), 가동 부분의 외측 단부에 해당하고 가동 부분의 에어포일(airfoil)을 감안하여 형성되는 트레일링 에지(trailing edge; 9)가 도시되어 있다. 반경(r')은 가동 부분에 가장 가까운 고정 부분(3) 측의 반경에 해당되고, 반경(Rt')는 로터에 가장 가까운 고정 부분(3) 측의 반경에 해당된다. 도면에는 상기 가동 부분(2)에 대한 평균곡률선 (LCM)이 도시되어 있다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 고정 부분(3)에 가까운 로터의 최종 섹션(final section)에서는 그 곡률이 변화하여, 유체가 상기 로터 베인들의 회전에 의해 발생되는 반경(Rt) 안으로 접선방향으로 들어감에 있어서의 높은 성능을 얻을 수 있게 된다.
도 4 에는 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에는 개방된 상태에 있는 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분(2); 및 육각형의 꼭지점(13)들을 구비한 육각형 구조물(7)로서, 수직 축들이 육각형의 중심축(8)에 대해 평행한, 육각형 구조물;이 도시되어 있다. 최외측 점선(12)의 원주는 관절식 디플렉터 베인들이 폐쇄된 때에 관절식 디플렉터 베인들의 6개의 가동 부분(2)들의 평균곡률선들이 모두 조합된 것에 해당되고, 육각형 구조물의 기초부에는 점선으로 표시된 가동 부분들의 잠금 시스템(locking system)이 도시되어 있는데, 이것은 육각형의 중심축(8)에 중심을 둔 고리형 부재(annular piece; 11)에 의하여 형성되며, 회전시 각도형성 스트랩(angular strap; 16)들에서의 응력을 변화시키는 결절부(protuberance; 14)를 구비한다. 상기 각도형성 스트랩은 관절식 디플렉터 베인들의 6개의 가동 부분(2)들의 저부에 배치된 돌출부(15)들에 힘을 작용하여 가동 부분의 폐쇄를 유발한다.
도 5 에는 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에서는 보다 용이한 이해를 위하여 육각형 구조물이 도시되어 있지 않다. 이 도면의 상부에 수직선들로 표시된 바람은 가동 부분(2) 및 고정 부분(3)을 구비하고 개방되어 있는 관절식 디플렉터 베인(1)들에 포획되는데, 상기 가동 부분들은 상부로부터 오는 바람을 포획하여 바람이 고정 부분(3)에 충돌하게 하여서, 바람이 로터(6)에 집중되게끔 한다. 로터에 가까운 고정 부분(3)의 최종 섹션은 그 곡선의 경로 및 방향이 변화하여, 공기가 상기 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경 안으로 접선방향으로 진입함에 있어서의 높은 성능이 얻어질 수 있도록 한다.
도 6 에는 각각의 관절식 디플렉터 베인의 6개의 가동 부분들의 사시도가 도시되어 있다.
도 7 에는 관절식 디플렉터 베인의 측면 사시도가 도시되어 있다.
도 8 에는 로터 부위로부터 본 관절식 디플렉터 베인의 사시도가 도시되어 있다.
도 9 에는 평행육면체 형상의 형태를 가진, 반경(R)의 정육각형 구조물 아래로부터 본 측면 사시도가 도시되어 있다.
도 10 에는 공기 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈의 측면도가 도시되어 있는바, 여기에는 우물형 공간(well) 안에서의 보호를 위한 시스템이 도시되어 있는데, 이 경우에는 터빈이 상기 우물형 공간 안에 놓여질 수 있으며, 상기 시스템은 풍력 터빈을 정지시키는 수단, 샤프트를 발전기와 결합시키는 수단, 및 샤프트를 눕혀진 채로 유지시키는 샤프트 홀더(shaft holder)를 구비한다.
도 11 에는 우물형 공간 안에 수직축 풍력 터빈을 보호하기 위한 시스템을 구비한, 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈의 측면도가 도시되어 있다. 이 경우, 상기 터빈은 망원경 방식으로 신축가능한 피스톤을 구비한 유압 시스템에 의해서 상승되거나 또는 우물형 공간 안으로 하강되며, 상기 우물형 공간은 게이트(gate)에 의하여 덮일 수 있다.
도 12 에는 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈을 지면, 또는 서로의 위에 적층되어 있는 하나 이상의 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈 사이에 결합시키는 내진 모듈이 도시되어 있다. 이 모듈은 6개의 탄성 충격 흡수기들에 의하여 연계되어 있는 두 개의 링들을 포함하고, 상기 탄성 충격 흡수기들 각각은 내부에 탄성 수단, 유압 수단, 공압 수단, 그리고 무엇보다도 고충격 고무와 같은 수단을 포함하는 피스톤과 하우징을 포함한다.
본 발명의 유동 제어를 갖는 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 경우는 하기의 도 1a, 2a, 3, 4, 5a, 6 내지 9, 및 10a 에 도시되어 있다 (풍력 모드와 관련하여 제시된 도 3, 4, 6, 7, 8, 및 9 는 수력 모드로 변형된 터빈의 경우에도 공통된다). 아래에서는 이 경우를 "유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈"이라고 칭한다.
도 1a 에는 액체 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에는 가동 부분(2)과 고정 부분(3)을 구비하고 개방된 상태의 관절식 디플렉터 베인(1)들, 가동 부분의 상측 표면(4) 및 하측 표면(5)에 해당되는 부위들, 6개의 베인들을 구비한 중공형태의 로터(6), 육각형 구조물(7), 육각형의 중심(8)으로부터 취한 로터 반경(Rt), 및 육각형의 반경(R)이 도시되어 있다. 로터 베인들은 상어 지느러미 형태를 갖는다.
도 2a 에는 액체 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에는 폐쇄된 모습의 관절식 디플렉터 베인(1)들, 육각형 구조물(7), 육각형 반경(R), 및 관절식 디플렝터 베인의 가동 부분(2)의 평균곡률선(LCM)이 도시되어 있다. 이것은 상어 지느러미 형태를 갖는 6개의 베인들을 구비한 중공형 로터를 구비한다.
도 3 에는 가동 부분(2) 및 고정 부분(3)을 구비하고 개방 위치에 있는 관절식 디플렉터 베인(1)이 도시되어 있는바, 여기에는 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 원 반경(Rt), 상기 가동 부분의 상측 표면(4) 및 하측 표면(5)에 해당되는 구역들, 곡률 반경(r)이라 알려진 반경을 형성하고 가동 부분의 프로파일의 가장 좁은 부분에서 예각을 형성하는 리딩 에지(leading edge; 10), 가동 부분의 외측 단부에 해당하고 가동 부분의 에어포일(airfoil)을 감안하여 형성되는 트레일링 에지(trailing edge; 9)가 도시되어 있다. 반경(r')은 가동 부분에 가장 가까운 고정 부분(3) 측의 반경에 해당되고, 반경(Rt')는 로터에 가장 가까운 고정 부분(3) 측의 반경에 해당된다. 도면에는 상기 가동 부분(2)에 대한 평균곡률선 (LCM)이 도시되어 있다. 고정 부분(3)에 가까운 로터의 최종 섹션에서는 그 곡선의 경로 및 방향이 변화하여, 유체가 상기 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경 안으로 접선방향으로 진입함에 있어서의 높은 성능이 얻어질 수 있도록 한다.
도 4 에는 액체 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에는 개방된 상태에 있는 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분(2); 및 육각형의 꼭지점(13)들을 구비한 육각형 구조물(7)로서, 수직 축들이 육각형의 중심축(8)에 대해 평행한, 육각형 구조물;이 도시되어 있다. 최외측 점선(12)의 원주는 관절식 디플렉터 베인들이 폐쇄된 때에 관절식 디플렉터 베인들의 6개의 가동 부분(2)들의 평균곡률선들이 모두 조합된 것에 해당되고, 육각형 구조물의 기초부에는 점선으로 표시된 가동 부분들의 잠금 시스템(locking system)이 도시되어 있는데, 이것은 육각형의 중심축(8)에 중심을 둔 고리형 부재(annular piece; 11)에 의하여 형성되며, 회전시 각도형성 스트랩(angular strap; 16)들에서의 응력을 변화시키는 결절부(protuberance; 14)를 구비한다. 상기 각도형성 스트랩은 관절식 디플렉터 베인들의 6개의 가동 부분(2)들의 저부에 배치된 돌출부(15)들에 힘을 작용하여 가동 부분의 폐쇄를 유발한다.
도 5a 에는 유체 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈의 평면도가 도시되어 있는데, 여기에서는 보다 용이한 이해를 위하여 육각형 구조물이 도시되어 있지 않다. 이 도면의 상부에 수직선들로 표시된 수력 유동은 가동 부분(2) 및 고정 부분(3)을 구비하고 개방되어 있는 관절식 디플렉터 베인(1)들에 포획되는데, 상기 가동 부분들은 상부로부터 오는 유체 전부를 포획하여 유체가 고정 부분(3)에 충돌하게 하여서, 유체가 중공의 로터(6)에 집중되게끔 한다. 상기 중공의 로터 베인들의 상어 지느러미 형상은 지느러미의 내측 부분에서의 유체 유동의 포획을 개선시켜서, 이용되지 않은 유체가 지느러미의 외부 부분을 통해 이탈함을 허용한다. 또한, 고정 부분(3)에 가까운 로터의 최종 섹션은 그 곡선의 경로 및 방향이 변화하여, 액체 유체가 상기 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경을 갖는 원의 안으로 접선방향으로 진입함에 있어서의 높은 성능이 얻어질 수 있도록 한다.
도 6 에는 개구를 구비한 6개의 관절식 디플렉터 베인들을 구비하는 가동 부분의 사시도가 도시되어 있고, 여기에 회전을 유발하기 위하여 샤프트가 도입된다.
도 7 에는 구멍을 구비한 관절식 디플렉터 베인의 측면 사시도가 도시되어 있고, 여기에 회전을 유발하기 위하여 샤프트가 도입된다.
도 8 에는 개구를 구비한 로터 구역으로부터 본 관절식 디플렉터 베인의 사시도가 도시되어 있는데, 여기에 회전을 유발하기 위하여 샤프트가 도입된다. 동일하게, 로터에 가까운 고정 부분(3)의 최종 섹션은 그 곡선의 경로 및 방향이 변화하여, 유체(액체)가 상기 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경의 원 안으로 접선방향으로 진입함에 있어서의 높은 성능이 얻어질 수 있도록 한다.
도 9 에는 평행육면체 형상의 형태를 가진, 반경(R)의 정육각형 구조물 아래로부터 본 측면 사시도가 도시되어 있다. 각각의 관절식 디플렉터 베인의 구멍 안에는 개별의 축이 삽입되어서 관절식 디플렉터 베인이 그 축을 중심으로 회전함이 가능하게 된다.
도 10a 에는 액체 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈의 측면도가 도시되어 있는바, 여기에서 상어 지느러며 형태를 갖는 12 개의 중공형 베인 로터(6)는 더 많은 베인들을 구비하기 때문에 더 큰 크기를 갖는 한편, 관절식 디플렉터 베인(1)들에서는 도 1a 의 유체 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈에 비하여 고정 부분(3)의 크기가 작다.
본 발명에 따른 유동 제어를 갖는 풍력 및 수력 터빈(아래에서는 "유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈"이라 함)이 풍력 모드에서 작동하는 경우:
상기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은 로터 베인들의 길이 전체를 따라서 동력을 가지며 균일한 공기를 받아들이고, 상기 수직축 풍력 터빈의 가동 부분들에 의해서 관절식 디플렉터 베인의 개방도가 통제되어서 임의의 방향으로부터 유입되는 공기의 진입이 제어되고, 그와 관련된 고정 부분들은 공기를 더 높은 속도로 균일하게 로터 베인들에 집중되도록 한다.
상기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은 평행육면체 형상을 갖는 반경(R)의 정육각형 형태의 구조물을 포함하는바, 상기 정육각형 구조물의 내부에는 위에서 볼 때 육각형의 중심에 배치된 수직축을 중심으로 회전하고 세 개의 베인들을 구비한 로터가 있으며, 상기 베인들은 회전할 때에 반경(Rt)을 갖는 원을 발생시킨다. 상기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은 관절식 디플렉터 베인들을 더 포함하는바, 상기 관절식 디플렉터 베인들은 터빈의 바람 유입부 측으로부터 유입되는 공기들을 받아들여 로터 베인들 상에 그 공기의 흐름을 집중시키고, 터빈의 바람 유입부의 반대측에서 로터 베인들로부터 나가는 공기 유동을 방산시킨다.
상기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은 6개의 관절식 디플렉터 베인들을 구비한 것으로서, 상기 관절식 디플렉터 베인은 상기 정육각형 구조물에 포함된 고정 부분과, 외측 벽에서 원호 형상을 갖는 가동 부분을 구비한다. 상기 가동 부분은 위에서 볼 때 상기 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 각각에 있고 로터 축에 평행한 축들을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 상기 고정 부분은 유입되는 공기 유동을 이용하는 수직의 풍력 터빈 개선기를 포함하고, 각각의 베인의 상기 고정 부분은 가동 부분에 가장 가까운 부분에서 상기 가동 부분의 곡률과 이어지는 원호를 포함하는데, 그 곡선은 로터에 가까운 최종 섹션에서 경로와 방향이 변화한다. 상기 곡선의 경로 및 방향의 변화는, 유체(공기)가 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경의 원 안으로 접선방향으로 진입함에 있어서의 성능을 개선시킨다.
공기는 베인들의 두 개의 고정 부분들 사이의 공간 안으로 강제되는데, 상기 고정 부분들은 축의 방향으로 좁아지며, 로터에 가까운 고정 부분의 최종 섹션에서 곡선의 경로 및 방향이 변화함으로써 더 최적화되어서, 유체가 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경의 원에 대해 접선방향으로 들어감에 있어서의 성능이 더 높아질 수 있게 되는바, 이로써 공기 유동은 상기 로터의 근처에서 가속되어 전기를 제공할 에너지를 얻게 된다.
공기가 상기 시스템에 들어가는 측에 있는 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분은 로터 베인들 상에서 유기유동 집중기로서의 역할을 하며, 공기가 상기 시스템으로부터 나가는 측에 있는 관절식 디플렉터 베인은 로터 베인의 회전을 유발한 공기의 유동 방산기(flow diffuser)로서의 역할을 한다.
아치 형상을 갖는 외측 벽을 구비한 6개의 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분들 각각은, 임의의 방향으로 입사하는 바람을 이용할 수 있도록 로터의 회전과 같은 방향으로 배치된 층류 구성형태의 수직판들을 포함한다.
6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분은, 위에서 볼 때 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 각각에 있고 로터의 축에 대해 평행한 축들에 배치되어 있어서, 정육각형 구조물의 각 꼭지점에 배치되어 있고 로터의 축에 대해 평행한 대응되는 축을 중심으로 회전할 수 있다. 따라서, 상기 관절식 디플렉터 베인들이 바람 유입구 측에 배치되어 있다면 상기 관절식 디플렉터 베인과 다음 관절식 디플렉터 베인 사이에서 로터를 향하는 바람 유입구를 폐쇄시킬 수 있고, 상기 관절식 디플렉터 베인들이 상기 바람 유입구 측의 반대측에 배치되어 있다면 상기 관절식 디플렉터 베인과 다음 관절식 디플렉터 베인 사이에서 로터로부터 나오는 바람을 폐쇄시킬 수 있다.
상기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은, 상기 육각형 시스템의 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분이 회전하여 상기 관절식 디플렉터 베인들 사이에서 상기 로터로 향하는 바람의 유입구 또는 상기 로터로부터 나오는 유출구가 폐쇄되는 때에, 상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분의 평균곡률선이 위에서 볼 때에 (상기 육각형의 6개의 꼭지점들 사이에 부착되면) 반경(R)의 원을 형성한다는 특징을 갖는다.
각각의 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분의 평균곡률선은 각각의 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분의 중간을 통과하고 정육각형 구조물의 중심으로부터 반경(R)로 연장된 원호와 동등하다. 이 평균곡률선은 반경(R)의 원주의 1/6에 해당되는 원호와 동등하여, 6개의 곡률선들을 조합하면 반경(R)의 원이 생성된다.
마찬가지로, 각각의 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분의 중간을 통과하고 반경(R)의 정육각형 구조물의 중심으로 연장되는 원호도, 반경(R)의 원주의 1/6에 해당되는 원호와 동등하다.
상기 로터의 크기에 따라서 각 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분의 크기를 조절함으로써, 동일하게 입사하는 바람의 유동에 대해 더 높거나 낮은 로터 속도가 얻어지는바, 즉, 상기 고정 부분이 작고 로터의 크기가 클수록 로터 회전 속도가 더 느려지고, 이와 유사하게 고정 부분의 크기가 크고 로터의 크기가 작을수록 로터 회전 속도가 더 빨라진다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분이 항공기 날개 형태로 공기역학적으로 설계된 프로파일을 가지는바, 이는 상부에 있는 소위 상측 표면과 하부에 있는 하측 표면에 대해서도 마찬가지이다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분의 프로파일을 항공기 날개로서 고려할 때, 가동 부분은 상기 평균곡률선에 의하여 분리된 상측 표면 상의 상측 볼록 영역 및 하측 표면 상의 하측 오목 영역을 구비하고, 상기 상측 볼록 영역은 상기 프로파일의 가장 폭넓은 부분에서 반경(r)을 갖는 볼록한 반원에 의해 상기 하측 오목 영역에 연결되는데, 이 때 상기 반경(r)은 리딩 에지의 곡률반경이라 한다. 프로파일의 폭이 상대적으로 작은 부분에서는 예각이 형성되는데, 이것은 에어포일을 고려할 때 트레일링 에지라 일컬어지는 가동 부분의 외측 단부에 해당된다.
각 베인의 가동 부분은 반경(R)의 원의 1/6에 해당되는 평균 곡률을 갖는다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 고정 부분은 하측 구역에서 가동 부분의 상측 표면의 볼록 영역 및 가동 부분의 하측 표면의 오목 영역과 이어지는 프로파일을 갖는바, 상기 고정 부분의 로터에 가까운 최종 섹션에서는 곡선의 경로 및 방향이 변화하여 유체가 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경의 원에 대해 접선방향으로 유입됨에 있어서의 성능이 높게 됨을 가능하게 한다. 상기 곡선의 변화는 상측 부분의 볼록함을 오목함으로 변화시키고, 동일한 방식으로 하측 부분의 오목함을 볼록함으로 변화시킨다.
상기 상측 볼록 영역은 상기 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분 측에서 반경(r)의 오목한 반원에 의하여 상기 가동 부분의 하측 구역과 연결되고, 이 때 전술된 곡선의 변화로 인하여 r'> r 의 관계가 있으며, 상측의 오목 영역은 로터 측에서 반경(Rt')의 오목한 반원에 의하여 하측의 볼록 영역과 연결되고, 여기에는 Rt' > Rt 의 관계가 있다.
반경(r)보다 큰 상기 가동 부분 측의 반경(r')의 반원의 오목함은 상기 가동 부분이 상기 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 중 하나에 있고 로터 축에 대해 평행한 대응 축을 중심으로 회전함을 가능하게 하여, 반경(r)과 반경(r')의 반원들에 의해서 상기 오목한 원형 벽과 볼록한 원형 벽 사이에 마찰이 일어나지 않게끔 한다.
반경(r')의 오목한 반원의 중심과 반경(r)의 볼록한 반원의 중심은 일치한다.
상기 로터 측의 고정 부분에 있고 반경(Rt)보다 큰 반경(Rt')을 갖는 반원의 오목함은, 회전할 때 반경(Rt)을 생성하는 로터 베인들이 로터 측에 있는 고정 부분의 오목한 원형 벽들과 문질러지지 않게끔 한다.
상기 반경(Rt')의 반원의 중심과 상기 반경(Rt)의 중심은 반경(R)의 정육각형 구조물의 중심과 일치한다.
평행육면체의 형상을 갖는 유각형 시스템의 가장자리에 있는 파이프, 프로파일, 또는 판은 벽과 조립되지 않는 것이이 바람직한데, 이는 필요한 때에 공기가 출입함을 저해하는 측벽들이 없도록 하기 위함이다. 반경(R)을 갖는 평행육면체의 형상을 갖는 정육각형 구조물을 형성하는 상기 파이프, 프로파일, 또는 판은 금속 또는 크기에 따라서 제품의 요구사항을 지원하는 임의의 다른 재료로 만들어질 수 있다.
바람직한 재료들에는, 금속, 플라스틱, 나무, 또는 건설에 사용되는 임의의 재료가 포함되며, 이들이 조합된 재료도 사용될 수 있다.
상기 재료와 같은 재료는, 상기 로터와 관절식 디플렉터 베인들의 제작을 위해 사용될 수 있다.
상기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈의 로터는 세 개의 베인들을 포함하는바, 상기 베인들은 서로에 대하여 분리되고 구분된 구역들을 형성하며, 상기 베인들은 임의의 방향으로 입사하는 바람을 이용하기 위해서 로터의 회전 방향과 동일한 방향으로 지향된 층류 구성형태(laminar configuration)의 수직판들을 포함한다.
각 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분의 개방 또는 폐쇄를 조절하기 위하여, 여기에서 설명된 풍력 터빈은 구조물의 무결성(integrity)을 손상시킬 수 있는 강풍이 있는 경우에 가동 부분을 폐쇄시킬 수 있는 전기식, 기계식, 유압식, 또는 공압식 수단을 포함한다.
그러한 전기식, 기계식, 유압식, 또는 공압식 수단은 상기 가동 부분의 폐쇄를 가능하게 하고, 상기 구조물에 포함되어 있는 풍속계에 의하여 검출되는 바람의 속도가 미리 정해진 속도를 초과하는 때에 자동적으로 작동될 수 있다.
유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈의 무결성을 보호하기 위하여, 상기 수직축 풍력 터빈은 태풍 또는 토네이도가 있는 경우에 지하로 숨겨짐을 가능하게 하는 상승 및 하강 수단을 구비한다.
상기 시스템은 매우 짧은 시간 내에 셧다운(shutdown)될 수 있어서, 태풍 또는 토네이도가 있는 경우에 지하에 숨겨질 수 있다.
이 경우, 풍력 에너지(실제로는 이동하는 공기의 운동에너지)가 로터에 기계적 에너지를 제공하며, 상기 로터는 발전기(통상적으로는 3상 교류발전기)의 로터를 회전시키는 기계적 구동 시스템을 통해서 기계적인 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.
여기에서 설명되는 풍력 발전기는 에너지, 특히 전기를 발생시키기 위하여 임의의 방향으로부터 불어오는 바람을 이용함을 가능하게 하는 기술적 특징들을 갖는바, 그 구성형태와 설치가 간편하여 가정용 또는 임의의 다른 용도에 사용되기에 이상적이다.
로터 베인들은 수직 위치에서 층류 구성형태를 가지고, 평면도로 볼 때 곡선형의 프로파일을 가지며, 상기 곡선화된 프로파일은 임의의 방향으로부터 불어오는 바람을 이용하여 관절식 디플렉터 베인에 의해 유발되는 회전의 방향으로 배치된다.
이 풍력 발전기는 중앙 회전축이 바람의 방향으로 정렬되도록 배치될 필요가 없다는 장점을 가지는바, 임의의 유입되는 바람이 상기 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분에 의하여 받아들여짐에 따라서 바람은 로터 베인을 움직이게 된다.
강한 바람 또는 폭풍의 경우에 기계에 대한 손상을 방지하기 위하여, 상기 장치는 바람에 대해 노출되는 표면이 없는 원주 형태를 형성하게끔, 움직이는 베인들을 폐쇄시키는 메카니즘을 구비한다.
유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈들 다수는 서로 인접하거나 적층될 수 있는 모듈의 형태로 설치될 수 있다.
적층된 모듈들은 로터들의 축과 동일한 축을 공유할 수 있는데, 이 경우의 추가적인 장점은 육각형 구조물들이 규칙적으로 오프셋(offset)되면 이 구성형태가 받아들이는 바람에 의하여 성능이 개선될 수 있다는 점이다.
지진이 있는 지역에서의 설치를 위하여, 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈은 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈과 지면 사이, 또는 서로 적층된 공기 유동 제어를 갖는 하나 이상의 수직축 풍력 터빈들 사이에 결합되는 지진 모듈을 포함할 수 있다. 이 모듈은 6개의 탄성 충격 흡수기에 의하여 연계되는 두 개의 링들을 포함하는데, 그 각각은 예를 들어 고충격 고무나, 탄성 수단, 유압 수단, 또는 공압 수단을 내부에 포함하는 피스톤과 하우징을 포함한다. 상기 링에는 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈이 장착된다.
수직축 풍력 시스템과의 차이 및 대비되는 장점
상기 시스템과 관련된 가동 및 고정식 베인들은 몇 배 더 큰 공기량을 포획할 수 있고, 그 속도를 증가시켜서 로터 베인에 직접 충돌하게끔 함으로써 그 에너지를 전달할 수 있다.
공기 유동이 균일화되어서 베인에 가해지는 압력이 더 균일하게 되므로 가용한 동력의 손실과 관련된 진동 및 응력을 회피할 수 있게 되며, 제작의 간편성과 용이성이 증진된다.
상기 시스템은 움직이는 베인들의 개방도를 증가시킴으로써 사보니우스 시스템과 유사하게 시작 속도를 통제할 수 있으며, 저항력과 높은 속도에 의존하여 작동하기 때문에 다리우스 시스템에 비하여 속도 및 전체적인 성능이 우수하므로, 이들 두 가지 종래 기술의 수직축 풍력 시스템들의 장점들을 포함한다.
정리하자면, 본 발명은 다음과 같은 장점들을 갖는, 직접 구동식 고속 풍력 터빈이다:
* 로터 베인에 직접 충돌하는 바람의 속도를 증가시킴으로써 벡터로서 전달되는 풍력 에너지 이용의 극대화
* 관절식 디플렉터 베인들 각각의 로터에 가장 가까운 고정 부분의 끝에서 공기 유출구가 좁아짐으로 인한 증가
수평축 풍력 시스템에 대비되는 일반적인 장점
* 로터의 둘 이상의 지점들이 구조물에 지지되어 부품의 피로와 진동이 억제됨
* 울림(sonority)이 적거나 최소화됨
* 적층된 모듈로서의 이용이 가능함
* 오프셋된 베인들을 구비한 독특한 로터에 의하여 시작이 용이하고 기생 주파수 및 진동이 저지됨
* 발전기가 지면 높이 또는 지하에 있어서 유지보수 측면에서의 월등한 장점이 있음. 작업자가 높은 높이에서 작업해야 하는 위험이 없으며 낮은 비용으로 작업할 수 있음
* 윤활 장비(탱크, 펌프, 필터, 등)가 지면 높이에 있음
* 전체적인 모듈식 구조물 시스템이 공장에서 제작될 수 있어서, 예를 들어 높은 산악 또는 바다와 같은 접근이 곤란하고 항상 강한 바람이 있는 지역에서 신속하고 확고한 조립이 가능함
* 통상적인 재료의 이용(수지 및 스테인리스 스틸만으로도 가능)
* 음향 및 시각적 충격이 적어서 야생동물, 특히 새에게 위협적이지 않은 견고하고 안정적인 구조
* 로터 베인들이 고정된 베인들에 의하여 보호되는 장치 안에 설치되어 분리될 수 없기 때문에 안전하며, 따라서 도시 지역의 빌딩, 타워 등에서 이용가능함
* 다양한 높이와 베인 길이로 설계될 수 있는 유일한 장치임
* 육각형 베이스를 구비한 구조물이기 때문에, 가동 베인의 폭과 고정 베인의 폭의 합이 베인의 폭과 같으며, 따라서 최선의 유체공학적 작동에 따라서 그 파라미터들을 선택하는 것이 가능함
* 해상 및 강의 플랫폼, 선박, 부표 등에서 사용되기에 적합함
* 다방향성이고 완전히 자동적이기 때문에 난류의 바람도 이용할 수 있음
* 움직이는 베인들을 간편하게 폐쇄시킬 수 있기 때문에(폐쇄 시스템의 평면도 참조), 마모 또는 문질러짐이 없는 간편한 제동 시스템(braking system)임
* 최소 3km/hour 부터 70km/hour 까지의 넓은 범위의 풍속에서 이용가능
* 날씨 경보시, 상기 시스템은 완전히 폐쇄되어 셧다운될 수 있으며 재시작은 즉각적으로 이루어질 수 있음
* 완전히 지하에 설치될 수 있기 때문에, 태풍 지역에서 이용될 수 있는 유일한 풍력 설비임
* 제작 및 유지보수에 소요되는 시간 및 비용이 적어 오늘날 풍력 설비보다 월등히 우수하며, 그린 본드(green bond) 또는 에너지 본드(energy bond)와 같은 채권을 발행함으로써 그 운용과 연계된 금융 계획 하에서의 사용이 가능함
* 보험료가 저렴하게 될 수 있음
본 발명의 유동 제어를 갖는 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 경우, 아래에서는 그 터빈을 "유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈"이라 칭한다.
상기 액체 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈은 로터 베인의 길이 전체에 걸쳐서 균일화되고 동력을 가진 유동의 유체를 받아들이고, 임의의 방향으로 들어오는 액체의 진입을 제어하는 가동 베인에 의해서 상기 관절식 디플렉터 베인의 개방도가 조절되며, 고정 베인은 상기 로터 베인들 상의 유체의 유동을 보다 높은 속도와 균일도로 집중시킨다.
상기 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈은 평행육면체 형상이고 반경(R)을 갖는 정육각형 구조물을 포함하는데, 상기 구조물 안에서는 위에서 볼 때 육각형의 중심에 배치된 수직축을 중심으로하여 세 개의 베인들을 구비한 로터가 회전하고, 상기 베인들은 상어 지느러미 형상을 가지며 회전할 때 반경(Rt)의 원주를 형성한다. 또한 상기 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈은 6개의 관절식 디플렉터 베인들을 더 포함하는데, 이들은 액체 유입구로부터 터빈으로 향해서 상기 로터 베인들로 진입하는 액체의 유동을 포획하고 집중시키며 또한 액체 유입구 측에 대해 반대인 측으로부터 로터 베인들을 이탈하는 액체의 유동을 방산시킨다.
유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈은 6개의 관절식 디플렉터 베인들을 구비하고, 상기 관절식 디플렉터 베인은 정육각형 구조물 안에 포함되어 있는 고정 부분과 외측 벽이 원호 형상인 가동 부분을 포함한다. 상기 가동 부분은 위에서 볼 때 정육각형인 구조물의 6개의 꼭지점들 각각에 있고 로터의 축에 대해 평행한 축을 중심으로 회전할 수 있다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 고정 부분은 유입되는 유체 유동을 이용하기 위, 수직형 수력 터빈의 개선기를 포함하는데, 각 베인의 상기 고정 부분은 상기 가동 부분에 대해 가까운 영역에서 상기 베인들의 가동 부분의 곡률과 이어지는 원호를 포함한다. 상기 관절식 디플렉터 베인들의 상기 고정 부분은 유입되는 공기 유동을 이용하는 수직형 풍력 터빈의 개선기를 포함하는바, 각각의 베인의 상기 고정 부분은 상기 가동 부분에 대해 가장 가까운 측에서 상기 베인들의 가동 부분의 곡률과 이어지는 원호를 포함하는데, 그 원호의 곡선의 경로 및 방향은 로터의 최종 섹션 가까이에서 변화한다.
상기 곡선의 경로 및 방향의 변화는 유체(공기)가 상기 로터 베인들의 회전에 의하여 형성되는 반경을 갖는 원에 대해 접선방향으로 유입됨에 있어서의 성능이 높아짐을 가능하게 한다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 고정 부분은 상기 가동 부분의 상측 표면의 볼록 영역과 하측 구역에서 상기 가동 부분의 하측 표면의 오목 영역을 잇는 프로파일을 갖는다. 상기 고정 부분의 로터에 가까운 최종 섹션에서, 상기 곡선의 경로 및 방향의 변화는 상기 로터 베인들의 회전에 의하여 형성되는 반경의 원에 대해 접선방향으로 유체가 진입함에 있어서의 성능이 높아짐을 가능하게 하는바, 즉 상기 곡선의 변화 덕분에 상기 축의 방향에서 좁아지는 두 개의 고정된 베인들 사이의 공간 안으로 강제되는 유입 유체를 포착함을 원활하게 한다. 이로써 상기 로터의 근처에서 전기를 제공하기 위한 에너지를 갖는 유체의 유동이 가속된다.
액체가 시스템에 들어가는 측에 있는 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분은 로터 베인들에 대한 공기 유동 집중기로서의 역할을 하고, 공기 유동이 상기 시스템으로부터 나가는 측에 있는 관절식 디플렉터 베인은 로터 베인을 회전시킨 액체의 유동 방산기로서의 역할을 한다.
외측 벽이 원호 형상을 가진 6개의 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분들 각각은, 임의의 방향으로 유동하여 입사하는 유체를 이용할 수 있도록, 로터의 회전 방향과 동일한 방향으로 향하는 층류 구성형태의 수직판들을 구비한다.
6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 고정 부분도 층류 구성형태의 수직판을 포함한다.
위에서 볼 때 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 각각에 있고 로터 축에 대해 평행한 축들에 배치되어 있는 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분은, 상기 정육각형 구조물의 꼭지점 각각에 배치되고 상기 로터 축에 평행한 축을 중심으로 회전하여, 상기 관절식 디플렉터 베인들이 유체 유입 측에 배치되어 있다면 상기 관절식 디플렉터 베인과 다음 관절식 디플렉터 베인 사이에 있고 로터를 향하는 유체 유입구를 폐쇄시키거나, 상기 관절식 디플렉터 베인들이 상기 액체 유입구 측의 반대측에 있다면 상기 관절식 디플렉터 베인과 다음 관절식 디플렉터 베인 사이에 있고 로터로부터 멀리 향하는 유체 유출구를 폐쇄시킬 수 있다.
상기 유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈은, 상기 육각형 시스템의 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분이 회전하여 상기 관절식 디플렉터 베인들 사이에서 상기 로터로 향하는 유체의 유입구 또는 상기 로터로부터 나오는 유출구가 폐쇄되는 때에, 상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분의 평균곡률선이 위에서 볼 때에 (상기 육각형의 6개의 꼭지점들 사이에 부착되면) 반경(R)의 원을 형성한다는 특징을 갖는다.
각각의 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분의 평균곡률선은 각각의 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분의 중간을 통과하고 정육각형 구조물의 중심으로부터 반경(R)로 연장된 원호와 동등하다. 이 평균곡률선은 반경(R)의 원주의 1/6에 해당되는 원호와 동등하다. 마찬가지로, 각각의 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분의 중간을 통과하고 반경(R)의 정육각형 구조물의 중심으로 연장되는 원호도, 반경(R)의 원주의 1/6에 해당되는 원호와 동등하다.
상기 로터의 크기에 따라서 각 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분의 크기를 조절함으로써, 동일하게 입사하는 바람의 유동에 대해 더 높거나 낮은 로터 속도가 얻어지는바, 즉, 상기 고정 부분이 작고 로터의 크기가 클수록 로터 회전 속도가 더 느려지고, 이와 유사하게 고정 부분의 크기가 크고 로터의 크기가 작을수록 로터 회전 속도가 더 빨라진다.
일반적으로 이와 같은 유형의 수력 터빈에 있어서는, 관절식 디플렉터 베인의 고정 부분을 작게 하고 로터의 직경을 크게 하는 것이 필요한데, 각 베인의 상기 고정 부분은 상기 가동 부분에 가장 가까운 부분에서 상기 베인의 가동 부분의 곡률과 이어지는 원호를 포함하는 한편, 그 곡선의 경로 및 방향은 상기 로터에 가까운 최종 섹션에서 변화한다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분이 항공기 날개 형태로 공기역학적으로 설계된 프로파일을 가지는바, 이는 상부에 있는 소위 상측 표면과 하부에 있는 하측 표면에 대해서도 마찬가지이다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분의 프로파일을 항공기 날개로서 고려할 때, 가동 부분은 상기 평균곡률선에 의하여 분리된 상측 표면 상의 상측 볼록 영역 및 하측 표면 상의 하측 오목 영역을 구비하고, 상기 상측 볼록 영역은 상기 프로파일의 가장 폭넓은 부분에서 반경(r)을 갖는 볼록한 반원에 의해 상기 하측 오목 영역에 연결되는데, 이 때 상기 반경(r)은 리딩 에지의 곡률반경이라 한다. 프로파일의 폭이 상대적으로 작은 부분에서는 예각이 형성되는데, 이것은 에어포일을 고려할 때 트레일링 에지라 일컬어지는 가동 부분의 외측 단부에 해당된다.
각 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분은 반경(R)의 원의 1/6에 해당되는 평균 곡률을 갖는바, 6개의 곡선들이 조합되면 반경(R)의 원이 형성된다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 상기 고정 부분은 상기 가동 부분의 상측 표면의 볼록 영역과 하측 구역에 있는 상기 가동 부분의 하측 표면의 오목 영역을 잇는 프로파일을 갖는바, 그 곡선은 고정 부분의 로터에 최종 섹션에서 경로와 방향이 변화한다. 상기 곡선의 경로 및 방향의 변화는, 유체가 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경의 원 안으로 접선방향으로 진입함에 있어서의 성능을 개선시켜서, 상기 곡선의 변화 덕분에 상기 유입되는 유체의 포획을 유리하게 한다. 상기 유체는 두 개의 베인들의 고정 부분들 사이의 공간 안으로 강제되는데, 상기 고정 부분들은 축의 방향으로 좁아져서, 유체 유동은 상기 로터의 근처에서 가속되어 전기를 제공할 에너지를 얻게 된다.
상기 관절식 디플렉터 베인들의 고정 부분은 상기 가동 부분에 가장 가까운 구역에서 상측 부위에 있는 가동 부분의 상측 표면의 볼록 영역 및 하측 부위에 있는 가동 부분의 하측 표면의 오목 영역과 이어지는 프로파일을 갖는바, 상기 고정 부분의 로터에 가까운 최종 섹션에서는 곡선의 경로 및 방향이 변화하여서, 상기 고정 부분에 있는 상측 볼록 영역이 오목 영역으로 변화하고 상기 하측 오목 영역이 볼록 영역으로 변화하게 된다. 상기 상측 볼록 영역은 반경(r)의 오목한 반원에 의하여 상기 가동 부분의 하측 오목 영역과 연결되고, 이 때 r'> r 의 관계가 있으며, 상측의 오목 영역은 로터 측에서 반경(Rt')의 오목한 반원에 의하여 하측의 볼록 영역과 연결되고, 여기에는 Rt' > Rt (Rt는 로터 베인들에 의하여 형성되는 원의 반경)의 관계가 있다.
반경(r)보다 큰 상기 가동 부분 측의 반경(r')의 반원의 오목함은 상기 가동 부분이 상기 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 중 하나에 있고 로터 축에 대해 평행한 대응 축을 중심으로 회전함을 가능하게 하여, 반경(r)과 반경(r')의 반원들에 의해서 상기 오목한 원형 벽과 볼록한 원형 벽 사이에 마찰이 일어나지 않게끔 한다.
반경(r')의 오목한 반원의 중심과 반경(r)의 볼록한 반원의 중심은 일치한다.
상기 로터 측의 고정 부분에 있고 반경(Rt)보다 큰 반경(Rt')을 갖는 반원의 오목함은, 회전할 때 반경(Rt)을 생성하는 로터 베인들이 로터 측에 있는 고정 부분의 오목한 원형 벽들과 문질러지지 않게끔 한다.
상기 반경(Rt')의 반원의 중심과 상기 반경(Rt)의 중심은 반경(R)의 정육각형 구조물의 중심과 일치한다.
평행육면체의 형상을 갖는 유각형 시스템의 가장자리에 있는 파이프, 프로파일, 또는 판은 벽과 조립되지 않는 것이이 바람직한데, 이는 필요한 때에 공기가 출입함을 저해하는 측벽들이 없도록 하기 위함이다.
반경(R)을 갖는 평행육면체의 형상을 갖는 정육각형 구조물을 형성하는 상기 파이프, 프로파일, 또는 판은 금속 또는 크기에 따라서 제품의 요구사항을 지원하는 임의의 다른 재료로 만들어질 수 있다.
바람직한 재료들에는, 금속, 플라스틱, 나무, 또는 건설에 사용되는 임의의 재료가 포함되며, 이들이 조합된 재료도 사용될 수 있다.
상기 재료와 같은 재료는, 상기 로터와 관절식 디플렉터 베인들의 제작을 위해 사용될 수 있다.
유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈의 로터는 상어 지느러미와 유사한 형상을 갖는 3개 이상의 베인들을 구비한 중공의 로터를 포함하고 베인들에 비하여 큰 크기의 축을 갖는다. 6개의 베인들을 구비한 중공의 로터가 사용될 수 있는데, 그들은 동일한 개수의 서로 연계된 독립적이고 구분된 영역들을 형성한다. 상기 베인들은 임의의 방향으로 입사하는 유체든 이용할 수 있도록, 로터의 회전과 동일한 방향으로 지향된 층류 구성형태의 수직판으로 이루어진다.
상기 로터의 상어 지느러미 형상을 갖는 베인들은 삼각형 형상을 이루는데, 상기 로터에 부착되지 않은 삼각형의 측면들은 각각 볼록한 곡면과 오목한 곡면을 이루어서, 상기 베인의 오목한 측면에서는 물이 로터를 구동하고 넘치는 유체는 볼록한 영역을 넘어 지나가서 다음 베인의 오목한 영역에 부딪친다 (도 5a 참조).
수력 터빈의 설치 현장에 존재하는 유체 유동에 따라서 필요하다면, 상기 로터의 축은 개선된 유동 제어를 위하여 더 많은 개수의 베인들을 포함하도록 증대될 수 있다.
헬름홀츠 이론(theorem of Helmholtz)에 따라서, 본 발명의 수력 터빈에서 상기 충돌하는 유체의 운동에너지의 손실 방지를 위해 중공형(hollow) 로터를 사용하는 것이 바람직하다.
여기에 개시된 수력 터빈은, 각각의 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분의 개방 또는 폐쇄를 변형하기 위해서, 독립된 전기식, 기계식, 유압식, 또는 공압식 수단을 구비하며, 이로써 구조물을 손상시킬 수 있는 강한 액체 흐름이 있는 경우에 그 수단을 이용함으로써 가동 부분을 폐쇄할 수 있게 된다.
그와 같은 독립된 전기식, 기계식, 유압식, 또는 공압식 수단은, 상기 구조물에 포함된 유량을 판별하는 속도계에 의하여 검출된 유체 유동의 속도가 미리 정해진 속도를 초과하는 때에 자동적으로 작동되어서 상기 가동 부분을 폐쇄시킬 수 있다.
유동 제어를 갖는 수직축 수력 터빈의 무결성을 보호하기 위하여, 상기 수직축 수력 터빈은 수력 터빈에 손상을 가할 수 있는 속도를 가진 흐름이 있는 경우에 상기 액체의 수위 위로 상승될 수 있게 하는 상승 및 하강 수단을 구비한다.
상기 시스템은 매우 짧은 시간 내에 셧다운(shutdown)될 수 있어서, 상기 액체 수위 위로 신속하게 상승될 수 있다.
이 경우, 수력 에너지(실제로는 이동하는 유체의 운동에너지)가 로터에 기계적 에너지를 제공하며, 상기 로터는 발전기(통상적으로는 3상 교류발전기)의 로터를 회전시키는 기계적 구동 시스템을 통해서 기계적인 회전 에너지를 전기 에너지로 변환시킨다.
여기에서 설명되는 수력 발전기는 바다 또는 강의 흐름 속에 설치된 때에 에너지, 특히 전기를 발생시키기 위하여 임의의 방향으로부터 유동해 오는 액체를 활용할 수 있도록 설계되는 기술적 특징들을 갖는바, 그 구성형태와 설치가 간편하여 모든 규모로 사용되기에 이상적이다.
로터 베인들은 수직 위치에서 층류 구성형태를 가지고, 평면도로 볼 때 상어 지느러미와 유사한 곡선형의 프로파일을 가지며, 상기 곡선화된 프로파일은 임의의 방향으로부터 입사해 들어오는 액체를 이용하여 관절식 디플렉터 베인에 의해 유발되는 회전의 방향과 같은 방향으로 지향되도록 배치된다.
이 수력 발전기는 중앙 회전축이 액체의 입사 방향으로 정렬될 필요가 없다는 장점을 가지는바, 임의의 입사하는 액체가 상기 관절식 디플렉터 베인들의 가동 부분에 의하여 받아들여짐에 따라서 액체가 로터의 상어 지느러미 형태를 갖는 베인들을 움직이게 된다.
매우 강한 액체 흐름이 있는 경우에 기계에 대한 손상을 방지하기 위하여, 상기 장치는 액체 흐름에 대해 노출되는 표면이 없는 원주 형태를 형성하게끔, 움직이는 베인들을 폐쇄시키는 메카니즘을 구비한다.
유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈들 다수는 바다 또는 강의 바닥에 근접하여 또는 섬과 유사한 부유하는 구조물 상에 적층될 수 있는 모듈의 형태로 설치될 수 있다.
예를 들어 인공섬에 설치되어 있고 적층되어 있는 모듈들은 로터들의 축과 동일한 축을 공유할 수 있는데, 이 경우의 추가적인 장점은 육각형 구조물들이 규칙적으로 오프셋(offset)되면 이 구성형태가 받아들이는 바람에 의하여 성능이 개선될 수 있다는 점이다.
바람직하게는 타워 형상을 갖는 구조물이 육각형 하우징을 지지하고, 상기 타워는 터빈이 매달려 있도록 유지하고 로터 베인들에 대한 손상을 방지하는 작용만 한다. 바람직하게는, 조류 흐름에 맞도록 그리고 동력의 최적화를 위해서, 상기 타워는 방향을 변화시킬 수 있는 메카니즘에 장착될 수 있다. 상기 타워 구조물은 수력 터빈이 조수의 다양한 깊이들에 도달함을 가능하게 함으로써 포착되는 에너지에 의한 출력 전력이 최대화될 수 있게 한다. 그 설계안은 수력 터빈이 설치되는 다양한 바다 또는 강의 요구조건을 충족시키게끔 적합화될 수 있다.
예를 들어, 상기 수력 터빈은 강 어귀에서 항해가능한 깊이에 설치되는 때에는 높고 좁게 설계될 수 있고, 항해가 불가능한 강의 얕은 영역에 설치되는 때에는 폭넓고 낮게 설계될 수 있다. 에너지를 발생시키는 수단은 유지보수를 위해 접근이 용이하도록 워터 타워(water tower)의 위와 아래에 있을 수 있다. 상기 에너지 발생 수단이 물의 위에 있는 경우에는 항해와 관련된 위험이 낮게 된다.
상기 타워는 깊은 물속에 있는 단일의 말뚝 또는 세발 구조물에 의하여, 또는 얕은 강이나 어귀에 마련된 콘크리트 블록에 의하여 강이나 바다의 바닥에 설치될 수 있다.
상기 타워는 앵커링(anchoring)되어 있는 주교(pontoon) 또는 선창(quay)의 다리들 중 하나를 형성하는 것이 바람직하며, 대안적으로는 부유하고 있는 플랫폼으로부터 아래로 매달려 있을 수 있다.
바람직하게는, 상기 타워가 대칭적인 설계형태를 가지며, 조류 흐름 속에 배치된 때에 양방향(조수의 위와 아래) 모두에서 동력을 포획할 수 있도록 양방향성으로 작동한다.
여기에서 설명된 수력 터빈은 흐름에 맞게 장치의 깊이를 적절히 변화시킬 수 있는 앵커링된 부유 플랫폼(anchored floating platform)에 의해 지지될 수 있다.
본 발명의 수력 터빈의 바람직한 실시예에서는, 절연 및 유지보수와 관련된 장점들을 갖기 위하여 발전기가 물 밖에 배치된다.
본 발명에 따른 수력 터빈에서는, 로터에 충돌하는 유체의 운동에너지의 손실을 방지하기 위하여 로터가 중공형으로 되는 것이 바람직하다.
와류의 중앙에는 기체 또는 액체인 움직이는 유체에 기생 힘(parasitic forces)만 존재하는데, 헬름홀츠 이론에 따르면, "소용돌이의 중앙에서 이상 유체(ideal fluid)에는 에너지의 손실이 없고, 따라서 이 에너지를 전달하여 이용할 수 없다". 그러므로, 중공형 로터의 사용은 여기에서 설명된 수력 터빈에 보다 유리하다.
유사하게, 공기보다 점도가 높은 액체 또는 물의 경우에서는, 발생하는 회전수가 많지 않으므로, 많은 판들을 구비한 로터를 사용하는 것이 바람직하다.
3개 이상, 예를 들어 6개, 10개, 또는 12개의 베인들을 구비한 로터를 사용함이 바람직하다.
수직축 수력 시스템과의 차이 및 대비되는 장점
상기 장치의 연계된 가동 베인 및 고정 베인은 몇배 더 많은 질량의 액체를 포획할 수 있고, 로터 베인들에 직접 충돌하는 속도를 증가시키는 방식으로 그 에너지를 전달할 수 있다.
유체 흐름을 균일화시킴으로써 상기 베인들에 가해지는 압력이 보다 균일하게 되고, 따라서 그 구조 설계가 쉽고 단순화될 뿐만 아니라 가용한 동력의 손실을 유발하는 진동과 응력을 회피할 수 있다.
상기 시스템은 움직이는 베인들의 개방도를 증가시킴으로써 사보니우스 시스템과 유사하게 시작 속도를 통제할 수 있으며, 저항력과 높은 속도에 의존하여 작동하기 때문에 다리우스 시스템에 비하여 속도 및 전체적인 성능이 우수하므로, 이들 두 가지 종래 기술의 수직축 수력 시스템들의 장점들을 포함한다.
정리하자면, 본 발명은 다음과 같은 장점들을 갖는, 직접 구동식 수력 터빈이다:
* 로터 베인에 직접 충돌하는 액체의 속도를 증가시킴으로써 벡터로서 전달되는 수력 에너지 이용의 극대화
* 관절식 디플렉터 베인들 각각의 로터에 가장 가까운 고정 부분의 끝에서 유체 유출구가 좁아짐으로 인한 증가
수평축 수력 설비에 대비되는 일반적인 장점
* 로터의 둘 이상의 지점들이 구조물에 지지되어 부품의 피로와 진동이 억제됨
* 진동이 적거나 최소화됨
* 적층된 모듈로서의 이용이 가능함
* 오프셋된 베인들을 구비한 독특한 로터에 의하여 시작이 용이하고 기생 주파수 및 진동이 저지됨
* 발전기가 액체 수위 위로 상승될 수 있어서 유지보수 측면에서의 월등한 장점이 있음. 작업자가 수중에서 작업해야 하는 위험이 없으며 낮은 비용으로 작업할 수 있음
* 윤활 장비(탱크, 펌프, 필터, 등)
* 전체적인 모듈식 구조물 시스템이 공장에서 제작될 수 있어서, 예를 들어 바다 또는 강과 같은 접근이 곤란한 장소의 항시적인 수력 흐름 속에서 신속하고 확고한 조립이 가능함
* 통상적인 재료의 이용(수지 및 스테인리스 스틸만으로도 가능)
* 음향 및 시각적 충격이 적은 견고하고 안정적인 구조
* 로터 베인들이 고정된 베인들에 의하여 보호되는 장치 안에 설치되어 분리될 수 없기 때문에 안전하며, 따라서 바다와 강 속에서 이용가능함
* 설치 장소에 존재하는 수력 흐름에 따라서 베인의 길이와 높이를 다양하게 설계할 수 있는 유일한 장치임
* 육각형 베이스를 구비한 구조물이기 때문에, 가동 베인의 폭과 고정 베인의 폭의 합이 베인의 폭과 같으며, 따라서 최선의 유체공학적 작동에 따라서 그 파라미터들을 선택하는 것이 가능함
* 해상 및 강의 플랫폼, 선박, 부표 등에서 사용되기에 적합함
* 다방향성이고 완전히 자동적이기 때문에 난류의 수력 자원도 이용할 수 있음
* 움직이는 베인들을 간편하게 폐쇄시킬 수 있기 때문에(폐쇄 시스템의 평면도 참조), 마모 또는 문질러짐이 없는 간편한 제동 시스템(braking system)임
* 날씨 경보시, 상기 시스템은 완전히 폐쇄되어 셧다운될 수 있으며 재시작은 즉각적으로 이루어질 수 있음
* 제작 및 유지보수에 소요되는 시간 및 비용이 적어 오늘날 수력 설비보다 월등히 우수하며, 그린 본드(green bond) 또는 에너지 본드(energy bond)와 같은 채권을 발행함으로써 그 운용과 연계된 금융 계획 하에서의 사용이 가능함
* 보험료가 저렴하게 될 수 있음

Claims (29)

  1. 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈으로서,
    반경(R)을 갖는 평행육면체(parallel pipe) 형상의 정육각형 구조물(regular hexagonal structure)로서, 상기 정육각형 구조물 안에는 위에서 볼 때에 육각형의 중앙에 배치된 수직축에서 회전하는 3개 이상의 베인(vane)들을 구비한 로터(rotor)가 배치되고, 상기 베인들은 회전함에 따라서 반경(Rt)의 원을 형성하는, 정육각형 구조물; 및
    바람 또는 액체 흐름의 유입구 측으로부터 터빈의 로터 베인들로 들어오는 공기 또는 액체의 유동을 포획 및 집중시키고, 상기 바람 또는 액체 흐름의 유입구의 반대측에서 터빈의 로터 베인들로부터 나오는 공기 또는 액체의 유동을 방산(放散; diffuse)시키는, 6개의 관절식 디플렉터 베인(articulated deflector vane)들;을 포함하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각은 상기 정육각형 구조물 안에 포함되어 있는 고정 부분과 가동 부분을 포함하고, 상기 가동 부분은 위에서 볼 때 상기 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 각각에 있고 로터 축에 대해 평행한 축을 중심으로 회전할 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각은, 임의의 방향으로부터 입사하는 바람 또는 유체 유동을 이용하기 위하여, 상기 로터의 회전방향과 동일한 방향으로 향하는 층류 구성형태(laminar configuration)의 수직판(vertical plate)들을 포함하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    위에서 볼 때 상기 정육각형 구조물의 6개의 꼭지점들 각각에 있고 로터 축에 대해 평행한 축에 배치되어 있는 상기 6개의 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분 각각은 상기 정육각형 구조물의 꼭지점 각각에 배치되고 로터 축에 대해 평행한 해당 축을 중심으로 회전할 수 있어서, 상기 관절식 디플렉터 베인들이 터빈의 바람 또는 액체 유입구 측에 있다면 상기 관절식 디플렉터 베인과 다음 관절식 디플렉터 베인 사이에서 로터로 향하는 바람 또는 액체의 유입구를 폐쇄할 수 있고, 상기 관절식 디플렉터 베인들이 터빈의 바람 또는 액체 유입구의 반대측에 있다면 상기 관절식 디플렉터 베인과 다음 관절식 디플렉터 베인 사이에서 로터로부터의 바람 또는 액체의 유출구를 폐쇄할 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 육각형 시스템의 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동 부분들이 회전되어서, 상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 사이에 있고 로터 베인들로 향하는 바람 또는 유체의 유입구와 상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 사이에 있고 로터 베인들로부터의 바람 또는 유체의 유출구를 폐쇄하는 때에, 상기 6개의 관절식 디플렉터 베인들 각각의 가동부분들의 평균곡률선이 위에서 볼 때 반경(R)의 원을 형성하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  6. 제2항에 있어서,
    각각의 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분은 반경(R)을 갖는 원의 1/6에 해당되는 평균곡률선을 갖는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 관절식 디플렉터 베인 각각의 가동 부분의 평균곡률선은, 관절식 디플렉터 베인 각각의 고정 부분의 중간을 관통하는 원호와 동일하고, 반경(R)을 갖는 정육각형 구조물의 중심으로 연장되는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 관절식 디플렉터 베인의 가동 부분은 항공기 날개의 형상으로 공기역학적으로 설계된 프로파일(profile)을 가지고, 상기 가동 부분의 상측 표면에는 상측 볼록 영역이 구비되고 가동 부분의 하측 표면에는 하측 오목 영역이 구비되며,
    상기 상측 볼록 영역은 상기 프로파일의 가장 폭넓은 부분에서 반경(r)을 갖는 볼록한 반원에 의해 상기 하측 오목 영역에 연결되고, 상기 가동 부분의 외측 단부에 해당되는 프로파일의 폭이 상대적으로 작은 부분에서 예각을 형성하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 관절식 디플렉터 베인들의 고정 부분은, 상측 구역에서 상기 가동 부분의 상측 표면의 볼록 영역과 이어지고 하측 구역에서 상기 가동 부분의 하측 표면의 오목 영역과 이어지는 프로파일을 가지고,
    상기 고정 부분의 로터에 가까운 최종 섹션(final section)에서는 곡선의 경로 및 방향이 변화하여 유체가 로터 베인들의 회전에 의하여 생성되는 반경의 원주에 대해 접선방향으로 유입됨에 있어서의 성능이 높게 됨을 가능하게 하며,
    상기 상측 볼록 영역은 r'> r 의 관계가 있는 반경(r)을 갖는 오목한 반원에 의하여 상기 가동 부분의 하측 오목 영역과 연결되고, 상측의 오목 영역은 로터 측에서 Rt' > Rt 의 관계가 있는 반경(Rt')을 갖는 오목한 반원에 의하여 하측의 볼록 영역과 연결되고, 상기 반경(Rt)은 로터 베인들의 회전에 의해 형성되는 원의 반경인, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  10. 임의의 앞선 청구항에 있어서,
    상기 터빈이 풍력 모드(wind mode)에서 작동하는 경우, 상기 로터 베인들이 서로 연계되되 독립적이고 구분된 3개의 영역들을 형성하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    수력 모드(hydraulic mode)에서 작동하는 경우, 상기 로터는 6개 이상의 베인들을 구비하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  12. 제11항에 있어서,
    수력 모드에서 작동하는 경우, 상기 로터는 10개 이상의 베인들을 구비하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  13. 제11항에 있어서,
    수력 모드에서 작동하는 경우, 상기 로터는 12개 이상의 베인들을 구비하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터의 베인 각각은 임의의 방향으로 입사하는 바람 또는 액체를 이용하기 위하여 상기 로터의 회전방향과 동일한 방향으로 지향된 층류 구성형태의 수직판을 포함하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  15. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 관절식 디플렉터 베인은, 상기 구조물의 무결성(integrity)을 손상시킬 수 있는 강한 바람 또는 강한 조류가 있는 경우에 사용하기 위하여 또는 상기 구조물의 유지보수를 수행하기 위하여, 가동 부분을 폐쇄시킬 수 있는 절연된 전기식, 유압식, 기계식, 또는 공압식 수단을 구비하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가동 부분은, 상기 구조물에 포함되어 있는 풍속계(anemometer)에 의한 속도가 미리 정해진 속도를 초과하는 때에 상기 전기식, 유압식, 기계식, 또는 공압식 수단에 의해 자동적으로 작동되어 폐쇄되거나, 또는 상기 구조물 안에 포함되어 있는 물의 속도계에 의해 판별되는 속도가 미리 정해진 속도를 초과하는 때에 자동적으로 폐쇄되는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈.
  17. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 터빈이 풍력 모드에서 작동할 때 태풍 또는 토네이도가 있는 경우에 수직축 풍력 터빈이 지하로 숨겨짐을 가능하게 하는 구조물의 상승 및 하강을 위한 수단을 구비하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈.
  18. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 평행육면체 형상을 가진 반경(R)의 정육각형 구조물은 파이프(pipes), 프로파일(profiles), 또는 판(plates)으로 만들어진, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 파이프, 프로파일, 또는 판은 금속, 플라스틱, 나무, 또는 건설 용도의 임의의 재료나, 이들의 조합으로 만들어질 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  20. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터 베인 및 관절식 디플렉터 베인은 금속, 플라스틱, 나무, 또는 건설 용도의 임의의 재료나, 이들의 조합으로 만들어질 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 터빈.
  21. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈은 서로의 위에 적층되거나 또는 인접하게 배치되어 사용될 수 있는 모듈로서 구성될 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  22. 앞선 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈은 수력 모드에서 작동하는 때에 타워(tower)에 장착될 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 때에 상기 타워는, 깊은 물속에 있는 단일의 말뚝 또는 세발 구조물에 의하여 또는 얕은 강이나 어귀에 마련된 콘크리트 블록에 의하여, 강이나 바다의 바닥에 설치되는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  24. 제21항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈은, 수력 모드에서 작동하는 때에 적절한 흐름이 나타날 때까지, 상기 장치의 깊이를 변화시킬 수 있는 앵커링된 부유 플랫폼(anchored floating platform)에 의하여 지지될 수 있는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  25. 제22항, 제23항, 또는 제24항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 때에 상기 발전기는 절연 및 유지보수를 위해서 물 밖에 배치되는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  26. 제11항 내지 제14항 및 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 때에 상기 로터는 로터에 충돌하는 액체의 운동에너지 손실을 방지하기 위하여 중공(hollow)으로 구성되는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  27. 앞선 청구항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈이 수력 모드에서 작동하는 때에 상기 중공의 로터는 상어 지느러미(shark fin) 형태의 베인들을 구비하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  28. 제1항 내지 제10항 및 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수직축 풍력 및 수력 터빈이 풍력 모드에서 작동하는 때에 상기 터빈은 내진 모듈(antiseismic module)을 더 포함할 수 있고, 상기 내진 모듈은 풍력 모드에서 작동하는 상기 공기 유동 제어를 갖는 수직축 터빈을 지면에 결합시키거나 또는 서로의 위에 적층된 하나 이상의 상기 공기 유동 제어를 갖는 수직축 풍력 터빈들 사이에 개재되는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
  29. 제28항에 있어서,
    풍력 모드에서 작동하는 때에, 상기 내진 모듈은 6개의 탄성 충격 흡수기(elastic shock absorber)들에 의하여 연계된 두 개의 링들을 포함하고, 상기 탄성 충격 흡수기들 각각은 예를 들어 고충격 고무(high impact rubber)나, 탄성 수단, 유압 수단, 또는 공압 수단을 내부에 포함하는 피스톤과 하우징(housing)을 포함하는, 유동 제어를 가진 수직축 풍력 및 수력 터빈.
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