KR20160007521A - 가속 유체 기계 - Google Patents

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Abstract

가속 유체 기계는 차량 또는 장소(집, 건물, 공장 등)에 부분적으로 또는 전체적으로 동력을 제공하기 위해 재생 가능하고 청정한 기계적 에너지 및/또는 전기 에너지를 값싸게 발생시킬 수 있는 장치이다. 그러므로, 가속 유체 기계는 요즘의 지구 온난화 및 높은 에너지 비용을 감소시키는 경제적이고 효과적인 방식이다. 가속 유체 기계의 주된 구성품들은 유체-가속 챔버와 배기관, 및 내부에 배치된 하나 이상이 팬이다. 가속 유체 기계는 그 작동이 항공기 비행과 동일한 물리적 법칙에 기초하는 공기 역학적인 장치이다. 발생하는 에너지는, 하나 이상의 팬에 의해 생성되거나 주위 환경으로부터 포획되어 가속되는 챔버 내로 보내지는 유체 유동으로부터 초래된다. 가속 유체 기계는 오염 물질을 발생시키지 않으며, 전적으로 유체(일반적으로 공기 또는 물)에 의해 구동되기 때문에 연료가 전혀 필요하지 않다. 가속 유체 기계는 고정식, 또는 차량에 의해 운반되는 이동식일 수 있다.

Description

가속 유체 기계{ACCELERATED FLUID MACHINE}
본 발명은 가속 유체 기계(Accelerated Fluid Machine : AFM 또는 AF 기계)에 관한 것으로, 이전에 가속화된 유체에 의해 구동되어 경제적이고 효율적인 에너지 기계로 작동할 수 있는 장치이다. AF 기계는 유체에 의해 운반된 내부 또는 열 에너지의 일부를 추출하고, 어느 하나의 기계적 에너지 또는 전기 에너지로 변환시킨다. 일반적으로 기계가 가속 기류 기계(AAM), 가속 풍력 터빈(AWT), 또는 가속 수력 기계(AWM)인 경우에, 기계를 구동시키는 유체는 각각 공기, 바람 또는 물일 수 있다. 이러한 종류의 가속 유체 기계는 연료를 필요로 하지 않으며, 오염 물질을 전혀 발생시키지 않는다.
오늘날 높은 에너지 비용 및 예컨대, 탄소 및 석유와 같은 화석 연료의 연소로 주로 발생하는 지구 온난화로부터 행성을 보존하고 인간의 삶의 질을 효율적으로 향상시키기 위해 청정 에너지 및 재생 에너지를 생성하는 방법 및 기술이 시급하다. AF 기계는 전술한 목적을 달성하는데 중요한 역할을 할 것이다.
전세계의 대기, 강, 하천, 호수, 및 해저 유동에 포함된 거대한 에너지 저장부에도 불구하고, 오늘날 오직 적은 부분만이 에너지 장치에 의해 고 비용으로 추출되는 것은 놀라운 일이다. AF 기계는 매우 효율적이고 경제적인 방식으로 이러한 저장부를 이용하는 기능을 가지고 있어, 세계 에너지 패러다임의 확실한 변화를 야기한다.
현재 1MW를 초과하는 동력을 생성하는 풍력 터빈은 매우 큰 크기, 높이 및 무게를 가지고 있고, 구축하는 데에 고 비용이 들며, 날아다니는 조류 및 경치에 대한 피해를 유발한다. 이 기계의 다른 단점은 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 것이 어렵고, 베츠의 한계(Betz's limit)에 의해 제한되어 효율이 매우 낮다는 것이다.
반면에, 가속 유체 기계는 종래의 풍력 터빈보다 적은 비용으로 유사한 동력을 생성할 수 있으며, 크기, 높이, 및 무게를 감소시켜서 이동 가능한 장치일 수 있다. 또한, AF 기계는 이동식 장치일 수 있고, 베츠의 한계보다 훨씬 높은 효율을 달성할 수 있으며, 날아다니는 조류에 전해 피해를 주지 않는 장점도 있다.
AF 기계의 또 다른 흥미로운 특징은 이동성 특징으로 인해 전기적 또는 기계적 에너지가 필요한 장소에서 국부적으로 생성될 수 있다는 것이다. 국부적으로 전기가 필요한 모든 빌딩, 공장 또는 가정에서 AF 기계에 의해 생성될 수 있어 전력망, 긴 송배전 라인이 더 이상 필요하지 않기 때문에, 세계 에너지 패러다임에 큰 변화를 가져올 것이다.
땅, 바다 또는 하늘을 이동하는 임의의 운송 수단이 주위의 에너지 공간에 의해 둘러싸인다는 것을 감안하면, 이러한 운송 수단에 설치된 AF 기계는 주위 환경과 직접 접촉하여 배치될 때 주변 대기 또는 물로부터 상당한 에너지를 얻을 수 있다.
두 가지의 기본적인 물리적 원리가 AF 기계의 설계 및 작동에 이용되는데, 즉, 유체 수렴 노즐 내에서 유속 증가가 발생하고, 적절히 설계된 팬 블레이드 또는 유선형의 터빈 에어포일(airfoil)의 양력에 의해 거대한 기계적 동력이 발생될 수 있다.
적절한 어택 앵글 α로 배치되는 에어포일 형상의 본체 또는 팬 블레이드의 표면을 지나 흐르는 유체는 상기 표면에 표면력을 가한다(도 1). 양력 L은 다가오는 유동 방향에 직교하는 힘의 성분이다. 항력 D는 유동 방향에 평행한 표면력의 성분으로, 양력과 대조된다. 동일한 힘은 유체가 정적이고, 비행기 날개에서 일어나는 것과 같이, 블레이드가 속도 Vφ로 유체를 통해 이동하는 경우에 나타난다.
파이프 또는 덕트에서 유동하고, 유체 통로 내에 적절하게 배치되고 유동과 마주하는 (하나 또는 다수의)회전 블레이드의 세트에 충돌하는 유체에 대해, 레이놀즈 수는 Re= ρcVφ/μ로 정의되되, ρ와 μ는 유체 밀도 및 유체 점성, Vφ는 자유-흐름 유체 유동의 속도, 및 c는 블레이드의 코드(chord)이다. 레이놀즈 수가 대략 500,000보다 크고, 난류가 최소로 유지되는 경우, L/D 비율은 증가하는데, 일반적으로 1보다 훨씬 크다. 이 경우, 블레이드에 작용하는 힘이 기계적인 작업을 수행하도록 허용되면, 블레이드에 부착된 회전 샤프트에 발생되는 기계적인 동력이 Vφ 3에 비례하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 생성되는 유용한 동력은 유체 유동이 블레이드와 충돌하기 전에 유속 Vφ를 보강함으로써 간단히 증가될 수 있다. 이는 가속 챔버 또는 수렴 노즐에 의해 처음으로 유체 유동을 통과시킴으로써 이루어진다.
이하의 문헌들이 본 명세서에 참조된다.
참조 문헌 1: 유체 역학의 기본, 제6판 SI 버전, 저자: B.R 머드슨, D.F. 영, T.H. 오키시, W.W. 휩쉬, 출판사: 존 와일리& 썬즈, 2010
참조 문헌 2: 미국 특허 출원 공보, 공기 내부 에너지 및 장치의 사용, 발명자: 히르시버그, I, 공개 번호:US 2008/0061559 A1, 공개 날짜: 2008년 3월 13일
참조 문헌 3: 미국 특허 출원 공보, 열적 에어포일 터빈, 발명자: 루이스 인대폰소 솔로자노, 공개 번호: 20110097209 A1, 공개 날짜: 2011년 04월 28일
참조 문헌 4: 블레이드 요소 모멘텀 방법을 사용하여 풍력 터빈 블레이드 분석, 버전 1.1, 제작자: 그랜트 잉그램, 크레이티브 커먼즈 제작자 표시- 동일 조건 3.0 언포티드 라이센스, 2011년 10월 18일
이하에서, 일부 기본적인 가정이 이루어지는데, 첫 번째로, 안전하게 베르누이 방정식을 적용하기 위해, 유체가 층류, 비 압축성 및 비 점성으로 추정된다(참조 문헌 1의 99페이지). 액체 유체는 비 압축성으로 간주된다. 공기 또는 바람과 같은 가스 유체의 경우에, 공기 또는 바람에 대해 터빈 또는 팬 블레이드와 충돌하는 유체 유동 속도는 0.3 마하 미만, 즉, 102m/s 미만으로 유지되면 비 압축성으로 간주된다. 유체 점성은 비 점성 유체를 보장하도록 매우 작은 것으로 추정된다(참조 문헌 1의 94페이지). 둘째로, 터빈 블레이드의 레이놀즈 수는 500,000보다 작지 않다. 셋째로, 기계 내부의 유체와 접촉하는 내부 표면은 매우 매끄럽게 연마되어 있으며 또한 유체 입구 및 출구에서 이격되어 있고, 기계에서 유체 누설은 전혀 없다.
수렴 및 발산 노즐
수렴 및 발산 노즐은 가속 유체 기계의 중요한 구성 요소이다. 도 2는 유체 가속 챔버(FAC 또는 FA 챔버), 및 그 구성 부품의 여러 형태를 개략적으로 도시한다. 구성 부품을 수렴 노즐, 및 반대로 AF 기계에서 유체 배출로 사용될 수 있는 발산 노즐로 참조한다. 도 3에 개략적으로 도시된 발산 노즐은 180°회전시킴으로써 수렴 노즐이 되어서, 수렴 노즐 유체 입구는 발산 노즐 유체 출구가 되고, 발산 노즐 유체 입구는 수렴 노즐 유체 출구가 된다.
수렴 노즐의 입구에서 유체 유동에 의해 본 단면적은 아래의 식으로 주어진다.
AΦ1=(π/4)D1 2 (1)
수렴 노즐의 출구에서 유체의 유동에 의해 본 단면적은 아래의 식으로 주어진다.
AΦ2=(π/4)(D+d)(D-d) (2)
FAC의 입구 및 출구에서 각각의 유체 속도는 VΦ1 및 VΦ2이고, FAC의 입구 및 출구에서 각각의 단면적이 AΦ1 및 AΦ2이면, 연속 방정식을 적용함으로써 아래와 같이 나타낼 수 있다.
VΦ2=(AΦ1/AΦ2)VΦ1 (3)
유체 속도 승수(multiplier) kf 파라미터를 정의하면 아래와 같다.
kf=(AΦ1/AΦ2)=VΦ2/VΦ1 (4)
유체 속도 Vφ2는 1보다 큰 계수 kf를 곱함으로써, 즉, Aφ1>Aφ2에 의해 Vφ1보다 빠를 수 있다.
기하학적 파라미터 D와 d가 고정되면, 식 (2)에 따라 FAC 출구 단면적 Aφ2가 될 것이다. 따라서, 유체 속도 승수 kf는 FAC 출구 면적 Aφ2보다 유입 단면적 Aφ1을 크게 함으로써 증가될 수 있다.
Aφ1=(π/4)D1 2 (5)
Aφ1은 유입 직격 D1을 크게 함으로써 증가될 수 있다. 이를 위해, D1은 아래와 같이 정의된다.
D1=D+kd (6)
k는 정수이다(k=0, 1, 2, 3 ...). AF 기계에 수렴 노즐을 사용하지 않는 경우 k=0에 해당한다.
식 (6)을 식(5)에 대입하면 아래와 같은 식을 얻는다.
Aφ1=(π/4)(D+kd)2 (7)
식 (7)과 식 (2)를 식 (4)에 대입하면 아래와 같은 식을 얻는다.
kf=(D+kd)2/(D+d)(D-d) (8)
유체 가속 챔버는 많은 가능한 형상을 가질 수 있지만, 제조를 단순화하고, 난류를 최소화하기 위해, 도 2(e)에 도시된 형상이 바람직하다. 유체 가속 챔버는, 직경 D1의 원형 입구, 및 직경 d1의 작은 원으로 형성된 환형 출구, 및 직경 D의 주변 원을 갖는 큰 원뿔대 내부에 동심으로 배치된 기본적으로 직경 d, 길이 ln의 원형 베이스인 원뿔로 구성된다. 수렴 노즐을 보장하기 위해, D1>D>d>0이 충족되어야 한다. 원형 이외의 단면 형상을 갖는 원뿔대를 사용하는 것이 가능하지만, 전술한 이유로 원형 형상을 갖는 원뿔대가 바람직하다. 최소한의 난류 손실을 유지하기 위해, 도 2(f)에 도시된 바와 같이, 원추형 벽과 원추형 축선에 의해 형성된 경사 각도 β는 일반적으로 10°보다 크지 않은 낮은 각도로 유지되어야 한다.
수렴 노즐의 길이는 아래의 식으로부터 계산될 수 있다.
ln=kd/(2tan β) (9)
참조 문헌 2의 3-7페이지를 참조하면, 수렴 노즐에 의한 풍속의 증가는 기류 온도의 감소를 초래하고, 이러한 점은 수렴 노즐의 유용한 부산물로서 대기의 물을 추출하는데 이용될 수 있다.
도 2(c) 및 도 2(e)의 노즐에 도시된 내부 동심 원뿔대에 관해, 유체 유동이 가능한 직선이 되게 하고, 혼합 및 난류를 최소화하는 목적을 위해, 노즐로 들어가는 총 유동을 다수의 수렴 서브 유동으로 분할하는 가이드 베인으로 사용된다. 상기 가이드 베인은 금속, 플라스틱, 탄소 섬유, 유리 섬유 등과 같은 재료로 이루어질 수 있는 얇은 강성 요소이다. 서브 노즐의 수가 많을수록 난류가 적어지지만, 항력 및 FA 챔버의 무게는 커진다. 따라서, 절충이 되어야 한다. 도 4는 도 2(c) 및 도 2(e)에 도시된 유체 가속 챔버를 구성하는 원뿔대(8)를 도시한다.
기하학적 파라미터(원뿔대의 직경 및 길이)는 경사 각도 β를 일정하게 유지면서 TC1 부터 TC8까지 점진적으로 증가한다. 예를 들어, 원뿔대의 길이는 이하의 관계를 충족해야한다.
ln>ln7>ln6>ln5>ln4>ln3>ln2>ln1>0
도 5는 도 4의 원뿔대 TC6 및 TC7를 결합함으로써 형성된 수렴 유동 서브-경로를 도시한다. 반경 방향으로 두 개 이상의 더 작은 서브-경로로 분할함으로써 서브-경로를 추가적으로 분할하는 것이 가능하지만, 단순하게 도면을 유지하기 위해 수행되지 않는다.
도 3에는 발산 노즐 및 그 구성 부품의 여러 형태가 도시되어 있다. 발산 노즐은 AF 기계의 또 다른 중요한 구성 요소이고, 기계의 유체 배출구로서 사용된다. 발산 노즐은, 유입구를 통해 유입되는 유체가 Vφ3 속도로 감속되어 매우 낮은 속도 Vφ4로 되는 것을 제외하고 전술한 수렴 노즐과 동일한 형상이며, Vφ 3와 Vφ4 간의 관계는 아래와 같이 주어진다.
Vφ4=Vφ3/kf (10)
반면에, 각각의 발산 노즐 유입 및 유출 단면적 Aφ 3와 Aφ4는 아래와 같이 연관되어 있다.
Aφ3=(Aφ4/kf) (11)
kf는 식 (8)에 의해 주어진다.
kf=(D+kd)2/(D+d)(D-d) (8)
k는 정수이다(k=0, 1, 2, 3 ...). AF 기계에 발산 노즐이 사용되지 않는 경우에 k=0에 상당하다.
발산 노즐의 목적은 출구에서 유체 전력 손실을 최소화하기 위해 가능한 입구에서 유체 속도 Vφ 3를 감소시키는 것이다. 수렴 노즐의 경우에서와 같이, 발산 노즐의 경사 각도 β는 난류를 최소화하기 위해 10°보다 크지 않도록 취해진다. 동일한 형상 및 크기의 수렴 노즐 및 발산 노즐을 구비한 것으로 정의되는 대칭인 AF 기계의 경우에, 발산 길이 ln은 식 (9)로부터 계산될 수 있다.
도 6(a)는 두 개의 유체 터빈을 포함하는 개방된 챔버 AF 기계의 종방향 단면을 도시한다. 이와 달리, 유체 터빈 대신에 두 개의 전기 팬(electric fan)이 사용될 수 있다.
참조 문헌 3에 기재된 바와 같이, 유체 터빈은 열 에어포일 터빈과 유사한 것을 의미한다. 이 터빈의 예로서, 도 7은, 도 7(a)의 정면도에 도시된 바와 같이 직경이 d인 내부 실린더 또는 허브의 주변에 배치되며, 직경이 D(D>d>0)인 외부 실린더에 둘러싸여지는 8개의 에어포일로 구성된 유체 터빈을 개략적으로 도시한다.
열 에어포일 터빈의 다른 치수로, 도 7(b)의 측면도에 도시된 길이 lt가 있고, 에어포일의 치수, 즉, 코드 c, 스팬 s, 두께 t가 있다. 터빈에 배치될 수 있는 에어포일의 최대 개수에 관해서, 유일한 제한은 에어포일이 서로 상호 작용하지 않고, 지름이 (πd)(D-d)/2)(lt)인 환형 유체 통로를 차지한다는 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 가속 유체 기계의 기본 구성 요소는 다음과 같다.
첫째: 유체를 가속시키는 수렴 노즐의 형태의 구성 요소인 유체 가속 챔버(FAC 또는 FA 챔버). FA 챔버는 4가지의 변형이 가능하고, 도 2에 도시되어 있다. 도 2(b)는 가장 단순한 FA 챔버를 도시한다. FA 챔버는 단순히 직경이 D1인 큰 원형 입구, 및 직경이 D인 큰 원과 직경이 d인 작은 원에 의해 형성된 작은 환형 출구를 갖는 원뿔대로 이루어져 있다. 직경 D 및 d는 FA 챔버에 후속하는 벤튜리형 스로트의 크고 작은 직경에 상당하다. FAC 형상의 다른 가능성은 도 2(c)에 도시되어 있고, 도 2(a)에 도시된 것과 유사하지만, 원뿔대 형상인 여러 동심의 베인을 추가적으로 구비한다. 마지막으로, 도 2(e)는 유체의 층상화(laminarity)의 관점에서 최고의 성능을 제공하는 FA 챔버를 도시한다. 이는 도 2(c) 및 도 2(f)에 도시된 FA 챔버의 결합으로, 도 6에 나타난 것이다.
둘째: 유체 속도 Vφ가 최대이고, 일정한 AF 기계의 직선 및 좁은 부분인 벤튜리형 스로트 또는 짧은 스로트. 상기 스로트에는 열 에어포일 터빈과 유사한 하나 이상의 공기 역학 유체 터빈이 포함되어 있다. 공기 역학 유체 터빈은 도 7에 도시된 바와 같이, 직경이 d인 내부 중심 원형 실린더의 주변에 배치 및 부착되고, 직경이 D(D>d>0)인 다른 외부 원형 실린더에 의해 둘러 싸여지는 유선형의 회전 에어포일 또는 블레이트 세트에 의해 형성된다. 내부 실린더의 중심은 도 7에 도시된 바와 같이, 직경 ds<d, 길이 lt인 허브이고, 터빈 샤프트를 수용한다. 선택적으로, 스로트는 도 8(e)에 도시된 바와 같이, 직경이 D 및 d(D>d>0)인 두 개의 동심 실린더이며, 직경 D와 d인 실린더 사이에 배치된 동심 실린더의 형태인 하나 이상의 가이드 베인을 포함하는 하나 이상의 유동 교정기(Flow Straightener)를 추가로 포함할 수 있다. 도 8(b) 및 8(c)는 직경이 각각 Dv3, Dv2인 베인들(3 및 2)을 개략적으로 도시하고, 도 8(a)는 결합된 베인들(2 및 3)에 의해 형성된 유체 환형 서브-경로를 도시한다. 베인의 직경은 d<Dv1<Dv2<Dv3<Dv4<D 의 부등식을 만족한다. 유체 교정기의 주요 기능은 터빈 블레이드와 충돌하기 전에 유동의 층상화를 증가시키는 것이다. 유체 교정기에 여러 원통형 베인이 있을 수 있지만, 베인의 수와 그 무게, 및 베인이 가져오는 항력 사이에서 절충되어야 한다.
셋째: 도 2에 도시된 것과 같은 유형의 수렴 노즐을 180°로 회전시킨 결과인, 즉, 발산 노즐이며, AF 기계가 대칭이면, 유사한 기하학적 치수를 갖지만, 직경 Di와 상이한 큰 직경 Do, ln과 상이할 수 있는 길이 lo를 갖는 배기 챔버. 배기 챔버는 환경에 유출시키는 출구 역할을 한다. 도 9에 도시된 예와 같이, AF 기계는 단지 노즐 없이 벤튜리형 스로트를 포함하는 것이 가능하지만, 이러한 장치는 수렴 노즐의 부재로 인해 느린 유체 속도로 작동하기 때문에 효율이 낮다. 발산 노즐 배기의 부재는 유체 출구에서 많은 양의 난류 및 손실의 상승을 초래한다. 또한, 단지 스로트에 터빈(4)을 포함하는 AF 기계를 위해, 도 10에 도시된 바와 같이 스로트에 유체 교정 분리기 없이 오직 유체 터빈(또는 문제를 위해 전기 팬)을 구비하는 것이 가능하지만, 이 장치는 도 6에 도시된 AF 기계보다 낮은 층류 유체로 작동한다.
배기 챔버의 목적은 스로트에서의 유체 속도 Vφ를 배기 챔버 외부로 Vφο 속도로 점진적으로 감소시키는 것이고, 이에 따라 가능한 한 배출 유체의 힘을 감소시키는 것이다(도 3 참조).
도 6 및 도 10에 도시된 AF 기계의 전체 길이는 아래와 같다.
L=2ln+lth (12)
lth는 두 기계에 대한 4lt와 동일한 스로트 길이이다. 일반적으로,
lth=Nlt (13)
N은 스로트 길이에 수용될 수 있는 길이 lt의 공간의 전체 수이다.
AF 기계의 전체 폭은 아래와 같다.
W=D+kd (14)
AF 기계의 중요한 특징은 유체 터빈이 유체 유동의 방향에 직교하는 위치에 배치되어 다가오는 모든 유동에 블레이드가 직면한다는 것이다. 그 결과, 모든 터빈 블레이드는 유체 유동에 의해 동시에 영향을 받는다.
AF 기계의 변형들
일반적으로, AF 기계는 개방 챔버 및 폐쇄 챔버 AF 기계로 분류될 수 있다. 도 6 및 도 10에 도시된 바와 같이, 개방 챔버 종류에서, 작동 유체는 기계에 유입 및 유출될 수 있다. 반면에, 후술할 폐쇄 챔버 AF 기계는 외부 유체와 밀폐하여 폐쇄된다.
AF 기계 내에 유체 유동을 갖는 두 가지 방법이 있다. 유체 유동은 하나의 팬에 의해 FA 챔버 입구에서 또는 하나 이상의 팬에 의해 스로트 내에서 인위적으로 생성될 수 있다. 이 경우에, AF 기계는 개방 또는 폐쇄될 수 있다.
대안적으로, 유체가 기계 외부에 있으면, 유체를 챔버에 유입되는 것을 허용함으로써 FA 챔버에 의해 포획될 수 있다. 따라서, 개방 챔버 AF 기계를 위해, FA 챔버 또는 수렴 노즐은, 1. 유체 유동을 포획 또는 생성하는 기능, 2. 유체 속도를 증가시키는 기능, 3. 벤튜리형 스로트로 유동을 수행하는 기능을 갖는다. 스로트에서, 유동은 공기 역학 법칙에 따라 유동 열 에너지의 일부를 추출하는 하나 이상의 터빈 포일 또는 팬 블레이드의 세트에 영향을 준다. 따라서, AF 기계는 표 I의 계산 결과에 나타난 바와 같이, 유입 유동 운동 에너지보다 더 많은 기계적 에너지를 생성할 수 있다.
개방 챔버 AF 기계는 고정식일 수 있고, 외부 유체 유동은 바람의 유동, 조수의 유동, 해류의 유동, 여울 또는 강물의 유동일 수 있다. 대안적으로, AF 기계는 이동식일 수 있고, 외부 유체와 접촉할 수 있는데, 즉, 주변 유체를 통해 Vφ1로 이동하는 차량에 의해 운반될 수 있다. 이 경우에, AF 기계의 FA 챔버는 유체를 포획하고, 속도를 특정 값 Vφ2로 증가시키는 데에 사용될 수 있다. 사용된 AF 기계가 집의 방과 같이 고정된 위치 내에서 밀폐하여 폐쇄 또는 배치되는 경우에, 유체 유동은 FA 챔버에 배치된 하나의 팬 또는 스로트에 배치된 하나 이상의 팬에 의해 인위적으로 생성되어야 한다. 후자의 경우에, AF 기계는 개방 또는 폐쇄될 수 있다.
도 6, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 벤튜리형 스로트는 각각이 길이가 lt이고 직경이 다른 두 개의 동심 실린더이되, 외부 실린더는 직경이 D이고, 허브로 지칭되는 내부 실린더는 직경이 d인 실린더로 구성된 하나 이상의 섹션에 의해 형성된다. 직경은 0<d<D를 만족해야 한다. 일반적으로, 외부 실린더는 고정될 것이고, 내부 실린더는 고정 또는 회전할 수 있다. 두 가지 유형의 섹션, 즉, 유동 교정기 및 유체 터빈(유체 터빈 대신에, 팬이 사용될 수 있다)일 수 있다. 유동 교정기는 도 8에 도시된 바와 같이, 허브 및 하나 이상의 유체 관리 베인을 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 유체 터빈은 직경이 d인 내부 실린더 또는 허브로 구성되고, 많은 수의 블레이드 또는 포일이 유체 터빈의 주변 및 주위에 배치된다. 블레이드는 허브 축을 중심으로 회전할 수 있다. 일반적으로 터빈 또는 팬은 도 7에 도시된 바와 같이, 회전자의 직경이 d로 동일하고, 팬 블레이드의 폭 또는 스팬 s가 내부 및 외부 실린더 사이의 빈 공간 전체에 또는 많은 부분을 차지하도록 배치될 것이다.
벤튜리형 스로트는 동축으로 배치된 터빈 또는 팬을 수용한다. 팬 샤프트는 상호 연결될 수 있거나 또는 연결되지 않을 수 있다. 팬의 목적은 수렴 노즐에서 이전에 가속되어 유입되는 유체로부터 기계적 에너지 및/또는 전기 에너지를 생성하는 것이다. 도 7(b) 및 도 11(b)에서 알 수 있는 바와 같이, 일반적으로 터빈 에어포일 또는 팬 블레이드는 L/D 최대 비율을 위해 유동 방향에서 대략 45°의 설정 각도 γ를 형성하도록 배치되지만, 스톨이 발생하지 않는다. 반면에, 일부 팬은 유체 터빈이 아닌 펌프(모터 팬)로 작동되는 경우에 유체에 동적 에너지를 추가하는 데에 사용될 수 있다. 가속 유체 기계의 특정 종류, 대칭 AF 기계는 도 6 및 도 10에 도시된다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 유체 기계는 동일한 길이(ln), 동일한 원뿔 직경(d), 동일한 원뿔 내부 직경(D), 및 동일한 원뿔 외부 직경(유입부 직경 Di= 유출부 직경 Do)을 갖는 벤튜리형 스로트 및 동일한 수렴 및 발산 노즐로 이루어진다. 본원 명세서의 나머지 부분에서 구체적으로 명시되지 않는 경우에, Di=Do=D+kd이고, k=0, 1, 2 또는 더 큰 정수인 것으로 추정한다. AF 기계에 노즐이 사용되지 않는 경우에, k=0에 상당하다.
기계적 동력 계산
도 11(a)에 개략적으로 도시된 것과 같이, AF 기계의 벤튜리형 스로트에 유체 터빈(도 12에 도시된 것과 같이, 구동 모터 M을 갖는 전기 팬일 수 있다)이 배치되는 것으로 간주한다. 이러한 AF 기계의 유체 가속 노즐에 유입되는 유체의 절대 속도가 Vφ1이면, AF 기계의 스로트의 절대적인 유체 속도 Vφ2 및 Vφ 3는 동일하고, 아래와 같이 주어진다.
Vφ2=Vφ3=kfVφ1 (15)
유체 속도 승수 kf는 식 (8)에 의해 주어진다. 터빈 블레이드가 유입되는 풍속 Vφ2를 감속시켜 일반적으로 Vφ3<Vφ2인 스로트가 없기 때문에, 종래의 풍력 터빈보다 가치가 있다(참조 문헌 4의 6페이지). 그러나, AF 기계에서, 비 점성 유체로 가정하면, 스로트 속도의 존재로 인해, Vφ 3와 Vφ2는 동일하다.
도 11(b)는 터빈 허브 중심에서 거리 r에 위치되는 코드 c 및 면적 cdr의 블레이드 부재에 작용하는 힘 dL(양력) 및 dD(항력)을 도시한다. 도 11(a) 및 도 11(b)에 도시된 바와 같이, 스로트에서 Vφ2 속도의 유체가 직교하여 회전 면과 충돌하면, 터빈 블레이드 B는 회전 면과 유동 각도 φ를 형성하는 상대 속도 Vφ로 접근하는 유입 유체를 참조한다. 반면에, 블레이드 B는 아래의 식에 의해 속도 Vφ 및 Vφ2와 연관된 접선력으로 이동한다.
Vφ2=Vφ+VB (16)
겉보기 속도 Vφ 및 블레이드 코드 c에 의해 형성된 각도는 어택 앵글 α이고, 코드 c 및 회전 면에 의해 형성된 각도는 설정 각도 γ이다. 도 11(b)로부터 각도 α, γ, φ가 아래의 식으로 연관되어 있다는 것을 알 수 있다.
φ=α+γ (17)
이후로, 터빈 블레이드는 일정한 설정 각도 γ, 일정한 두께 t, 일정한 코드 c, 및 일정한 스팬 s를 갖는다고 가정한다. 스팬 s는 아래의 식으로 주어진다.
s=(D-d)/2 (18)
도 11(b)로부터 속도 Vφ2 및 Vφ는 아래와 같은 식으로 연관되어 있음을 알 수 있다.
Vφ=Vφ2/sinφ (19)
유동 각도 φ가 90°보다 작은 경우에, 식 (19) 및 식 (15)로부터 이하의 부등식이 AF 기계에 대해 충족되는 것을 알 수 있다.
Vφ>Vφ2>Vφ1 (20)
힘 dD 및 dL은 아래의 식으로 주어진다(참조 문헌 4의 10페이지).
dD=CDρVφ 2cdr/2 (21)
dL=CLρVφ 2cdr/2 (22)
CD는 블레이드의 항력 계수, CL은 양력 계수, ρ는 가속 유체의 밀도를 나타낸다.
블레이드 부재의 토크 dT는 아래의 식으로 나타낼 수 있다(참조 문헌 4의 11페이지).
dT=ρVφ 2(CLsinφ-CDcosφ)crdr/2 (23)
회전 중심 주위의 토크는 블레이드 부재의 회전 운동을 야기한다. 이에 따라, 터빈이 Nb개의 블레이드를 구비하면, 샤프트에서 터빈에 의해 발전된 평균 기계적 동력은 아래의 식으로 주어진다.
Pg=NbωρVφ 2(CLsinφ-CDcosφ)c(D2-d2)/16 (24)
ω는 n으로 전환될 수 있는 초당 라디안의 회전 속도이고, 분당 회전수(RPM)는 아래와 같다.
ω=πn/30 (25)
식 (24) 및 식 (25)를 결합함으로써, 아래와 같은 식을 얻는다.
Pg=(π/480)ρ(CLsinφ-CDcosφ)Nbc(D2-d2)nVφ 2 (26)
다른 한편으로, n은 아래와 같이 나타낼 수 있다.
n=15[NpρNb(D2-d2)c(CLsinφ-CDcosφ)/(πlt)]1/2Vφ (27)
lt는 회전 축을 중심으로 하는 터빈의 관성 모멘트이고, Np는 n=0으로 시작할 때, 일정한 속도 n에 도달하도록 터빈 회전 주기의 총 수(정수 또는 분수)이다. Np는 각 터빈에 대하여 실험적으로 측정될 수 있는 양이다.
식 (27)을 식 (26)에 대입함으로써, 아래의 식과 같은 중요한 관계를 얻는다.
Pg=[(πNp/(16lt)]1/2[ρNbc(D2-d2)(CLsinφ-CDcosφ)]3/2Vφ 3 (28)
식 (28)은 단일 터빈에 의해 생성된 기계적 동력을 극대화하기 위해, 계수 (CLsinφ-CDcosφ), Nb, c 및/또는 (D2-d2)를 증가시키는 것보다 속도 Vφ(벤튜리형 스로트에 유체 속도 Vφ2를 증가시켜)를 증가시키는 것이 더욱 효과적이라는 것을 명백하게 나타낸다. 이는 AF 기계를 설계하는 데에 사용되는 방법이고, 이러한 목적을 위해, 유입되는 유체 속도 Vφ 1를 증가시키는 데에 FA 챔버를 사용해서 유체는 벤튜리형 스로트에 최대 속도 Vφ2로 도달할 수 있다.
또한, 생성된 총 기계적 동력은 유체 터빈(또는 그 문제에 대해서는 팬)의 수를 증대시킴으로써 증가될 수 있다. Nb개의 블레이드를 각각 구비한 Nt개의 동일한 유체 터빈이 가속 유체 기계의 벤튜리형 스로트 내에 포함되면, Nt개의 유체 터빈에 의해 생성되는 총 기계적 동력은 아래와 같다.
Pg=(π/480)ρ(CLsinφ-CDcosφ)NbNtc(D2-d2)nVφ 2 (29)
AF 기계에 대한 기계적 동력 이득을 계산하면, AF 기계의 유입부에서 유체의 입력 동력은 아래의 식으로 주어진다.
Pφi=ρA1Vφ1 3/2 (30)
도 11(a)에 도시된 바와 같이, A1은 직경이 D+kd인 FA 챔버의 입구에서의 유입부 단면적이고, 일반적으로 아래의 식으로 주어진다.
A1=(π/4)(D+kd)2 (31)
입력 유체 동력은 아래의 식으로 표현될 수 있다.
Pφi=(πρ/8)(D+kd)2Vφ1 3 (32)
그러나, 식 (8)을 사용하면,
(D+kd)2=(D+d)(D-d)kf (33)
따라서, Pφi는 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
Pφi=(πρ/8)(D+d)(D-d)kfVφ1 3 (34)
식 (19)를 식 (15)와 결합함으로써, Vφ를 아래의 식으로 표현할 수 있다.
Vφ=kfVφ1/sinφ (35)
식 (35)를 식 (26)에 대입함으로써, 아래의 식을 얻을 수 있다.
Pg=(π/480)ρ(CLsinφ-CDcosφ)Nbc(D2-d2)nkf 2Vφ 1 2/sin2φ (36)
Nt개의 동일한 AF 터빈이 있으면 아래의 식으로 나타낼 수 있다.
Pg=(π/480)ρ(CLsinφ-CDcosφ)NbNtc(D2-d2)nkf 2Vφ 1 2/sin2φ (37)
AF 기계의 기계적인 동력 이득 또는 효율 Gpm을 정의하면 아래와 같다.
Gpm=Pg/Pφi (38)
식 (34) 및 식 (37)을 식 (38)에 대입함으로써, Nt개의 터빈에 대해 아래와 같은 이득을 얻는다.
Gpm=[kf/(60sin2φ)][ρ(CLsinφ-CDcosφ)NbNtc](n/Vφ1) (39)
기계적 동력 이득 Gpm은 유체 속도 승수 kf를 가능한 크게 함으로써 효율적으로 증가될 수 있는 것을 식 (39)로부터 알 수 있고, 식 (8)에서 알 수 있는 바와 같이, 가속 노즐에 대한 정수 k의 값을 증가함으로써 간단히 행해질 수 있다. 덜 효과적인 다른 방법으로, 비율(n/Vφ1), 및/또는 비율 CL/CD 및/또는 파라미터 c, Nb, Nt의 값을 증가시키는 것이다.
자체적으로 지속되는 유체 터빈의 운동 조건으로, 아래의 관계를 만족하면, 가속 유체 터빈 시스템은 자체적으로 유지되는 운동 체제로 작동한다.
Gpm>1 (40)
AF 기계에 대한 식 (39)에 따르면, 아래의 부등식과 같다.
[kf/(60sin2φ)][ρ(CLsinφ-CDcosφ)NbNtc](n/Vφ1)>1 (41)
식 (41)은 자체적으로 지속적인 운동을 달성하기 위한 AF 기계의 조건이며, 이하의 예에서 보여주는 바와 같이 얻는 것이 실현 가능하다.
수치 결과- 작동 유체가 바람인 특정 유형의 AF 기계로 가속 풍력 터빈(AWT)을 위한 가속 풍력 터빈은 식 (8), (9), (15), (19), (32), (37) 및 (38)을 각각 적용함으로써, D=50cm, d=30cm, CD=0.040163, CL=0.46852, c=15cm, s=10cm, φ=45°, Vφ1=5m/s, Nb=8 블레이드, Nt= 4 터빈, n=900rpm의 파라미터를 갖고, 표 I에 나타낸 바와 같이, k=1 및 k=2일 때, kf, ln, Vφ2, Vφ, Pφi, Pg 및 Gpm에 대한 결과가 나타난다.
가속 풍력 터빈에 대한 동력 계산 결과
k kf ln, m Vφ1, m/s Vφ2, m/s Vφ, m/s Pφi, W Pg, W Gpm
1 4 0.95 5 20 28.28 38.64 1,348.34 34.89
2 7.56 1.89 5 37.81 53.48 73.06 4,819.57 65.97
따라서, 특정 AWT 및 풍속으로 자체적으로 유지되는 운동을 달성하고 k=2일 때 4.820kw의 기계적 동력을 발생시키는 것이 가능하다.
AF 기계를 구현하기 위해 전기 팬 및 빌딩 블록의 사용
도 7에 도시된 것과 같이, CL/CD 비율이 가능한 높게 되도록 블레이드 또는 에어포일이 설계되어 있는 공기 역학적 유체 터빈 대신에, 가속 유체 기계는 종래의 팬을 사용하여 구현될 수 있다. 도 12는 상기 목적을 위해 두 개의 가능한 유형의 축류 팬, 즉, 도 12(a)의 정면도에 개략적으로 도시된 것과 같은 기계적인 팬(즉, 모터를 갖지 않는 회전 블레이드의 세트), 및 도 12(b)의 측면도에서 개략적으로 도시된 바와 같은 전기 팬(즉, 회전 팬 블레이드 세트와 구동 전기 모터 M으로 구성된 것)을 도시한다. 팬이 기계적이면, 유체 터빈으로 간주될 수 있다. 따라서, 기계적인 팬은 작동 유체가 공기, 물 또는 바람인지에 따라 공기 터빈, 수력 터빈 또는 풍력 터빈으로 실행될 수 있다.
도 13은 유체 터빈 대신에 사용될 수 있는 전형적인 시판되는 전기 축류 팬의 정면도 및 배면도이다. 전기 팬은 구동 전기 모터를 포함한다. 팬 모터는 교류 모터 또는 직류 모터일 수 있지만, 도 13에 도시된 특정 팬 모터는 무브러시 직류 팬 모터이다.
이후로, 도 14(e)에 도시된 도면의 공기 역학적 유체 터빈의 팬과 도 14(a)에 도시된 것과 같은 공기 역학적 유체 터빈의 개략도를 차별화하기 위해, 유체 터빈의 동일한 도면이지만 도 14(c)에 도시된 바와 같이 치수가 (D+kd)×(D+kd)×(lt)로 선택된 직사각형 박스에 둘러싸여 있고 박스 치수는 빌딩 블록의 일부로서, 전기 팬을 사용하여 AF 기계의 구성을 용이하게 하도록 선택된다. 유사하게, 도 14(b)에 도시된 것과 같은 유체 교정기 또한 전기 팬으로 구현되는 AF 기계의 빌딩 블록으로서 유체 교정기를 사용하기 위한 목적으로 도 14(d)에 도시된 바와 같은 유사한 직사각형 박스에 둘러싸인다.
마찬가지로, AF 기계의 모듈식 구성을 용이하게 하기 위해, 도 15(a) 및 도 15(b) 각각에 도시된 것과 같은 발산 및 수렴 노즐은 도 15(c)에 도시된 것과 같이 치수가 (D+kd)×(D+kd)×(ln)인 직사각형 박스에 동봉될 수 있다. 이는 도 15(d), 및 도 15(e) 각각에 도시되어 있는 발산 및 수렴 노즐 빌딩 블록이 된다.
두 가지 유형의 빌딩 블록의 정면 및 배면은 일반적으로 모듈의 상호 접속을 허용하도록 개방될 것이지만, 측면은 일반적으로 유체 누출을 방지하도록 폐쇄될 것이다. 이러한 빌딩 블록을 상호 접속시키면, 직경이 D+kd인 개방된 입구 노즐로부터 오직 외부 직경 D 및 내부 직경 d에 의해 구분되는 환형 유체 통로를 통해 스로트에 동축으로 배치된 하나 이상의 전기 팬으로 유체가 흐르는 것을 허용하여, 결국에 직경이 D+kd인 개방된 출구 노즐을 통해 기계를 빠져나가고, 상기 출구 노즐이 사용되면, 출구는 단지 스로트의 환형 단부 중 하나일 것이다.
전술한 빌딩 블록으로, 다양한 팬 AF 기계를 구축할 수 있다. 예로서, 도 16(a)는 4개의 전기 팬 및 4개의 유체 교정기를 구비한 AF 기계를 도시한다. 도 16(b)는 8개의 전기 팬을 구비하지만 유체 교정기가 없는 다른 AF 기계를 도시한다. 스로트 길이 lth는 스로트에서 나란하게 동축으로 배치된 팬 및 유체 교정기 길이의 합이다. AF 기계의 용이한 제조를 위해, 팬 및 유체 교정기의 길이는 동일한 길이 lt로 선택된다. 도 17에는 8 개의 팬으로 구현된 다른 AF 기계가 도시되어 있다. N이 유체 교정기 및 팬의 총 개수이면, lth는 아래와 같다.
lth=Nlt (42)
유체가 비 압축성이라고 가정하면, 스로트 내에서 동축으로 배치될 수 있는 팬 및 유체 교정기의 최대 개수는, 팬의 개수가 증가되는 것과 같이, 유동 경로를 폐쇄하는 경향이 있는 유체 점성 μ로 인해 내부 벽과 회전 블레이드에 나타나는 전단 응력에 의해서만 오직 제한된다. 이러한 상한은 실험적으로 확립되어야 한다. 유체가 물과 같은 액체이면, 모든 실제적인 공학 목적을 위해 비 압축성으로 간주될 수 있다(참조 문헌 1의 29페이지). 유체가 공기 또는 바람과 같은 가스이면, 스로트의 유체 속도가 대략 0.3마하 미만으로 유지되는 경우에 비 압축성으로 간주될 수 있다(참조 문헌 1의 128페이지). 일반적으로 유입되는 바람에서 동적 에너지를 추출하도록 설계되어, 이에 따라 속도가 감소되기 때문에 이는 일반적으로 종래의 풍력 터빈에서 달성될 수 없는 AF 기계의 중요한 특성이다. 반대로, 가속 유체 기계에서, 유입 유체는 벤튜리형 스로트에 배치된 터빈 에어포일 또는 팬과 충돌하기 전에 FA 챔버에서 처음으로 가속된다.
전기 팬의 전기 모터에 대한 두 가지 가능한 작동 모드가 있다. 적절한 전기 모터로 또는 전기 발전기로 작동할 수 있다. 제1 케이스의 경우에, 전원 공급 장치는 유체 유동을 생성하거나 강화하도록 모터 리드에 연결된다. 제2 케이스의 경우에, 모터 리드는 전기 부하에 연결되고, 회전 팬 블레이드는 블레이드에 영향을 주는 이전에 가속된 유체의 결과로서 회전할 수 있다. 가속 유체는 개시 모터로서 작용하는 하나 이상의 전기 팬에 의해 생성될 수 있거나, 또는 바람, 기류 또는 유체 가속 챔버 내로 유입으로 이루어진 물 유동과 같은 천연 공급원으로부터 유래할 수 있다.
가속 유체가 천연 공급원으로부터 유래되는 상황이 발생하면, 유체 가속 챔버는 외부 유체 유동을 포획한다. 팬 회전자의 주변부에 장착된 팬 블레이드는 팬 모터에 의해 구동되거나, 또는 가속 유체 유동에 의해 영향을 받을 때 회전한다. 패러데이의 법칙에 따라, 전압은 블레이드의 회전 운동을 전류로 변환할 수 있는 전기 발전기로 수행하는 팬 모터의 개방 리드 사이에서 발생 될 수 있다. 따라서, 전기 팬은 모터 또는 발전기로서 작동할 수 있다. 제1 케이스의 경우에는 팬을 모터 팬으로, 제2 케이스의 경우에는 발전기 팬 또는 유체(공기, 바람 또는 물) 터빈으로 나타낸다. 모터 팬(들) 및 발전기 팬(들)의 샤프트 축은 기계적으로 부착될 수 있거나 또는 부착되지 않지만 항상 동일 선상을 유지할 수 있다.
벤튜리형 스로트 내에는 발전기 팬으로 작동하는 적어도 하나의 팬이 있어야 하지만, 하나 이상의 전기 팬이 모터 팬으로 작동하는 것이 가능하다. 예를 들어, 도 17에서 8개의 팬 모두 발전기 팬으로 작동할 수 있지만, 다른 가능성이 있다. 예를 들어, 팬 F1, F3, F5, 및 F7은 모터 팬으로 작동할 수 있고, 팬 F2, F4, F6 및 F8은 발전기 팬으로 작동할 수 있다. 다른 모터-발전기 팬 조합이 가능하지만, 임의의 비율로 팬 중에서 적어도 하나는 유용한 전력을 발생시키기 위해 발전기 팬으로 작동되어야 한다.
두 모터 팬과 발전기 팬은 내부 전기 저항을 제외하고, 물리적으로 동일하거나 매우 유사할 수 있다. 실제로, 자체적으로 지속 가능한 유체 전기 발전기 섹션에 도시된 바와 같이, 일반적으로 발전기 팬의 전체 내부 저항이 팬 모터의 전체 내부 저항에 비해 훨씬 낮게 하는 것이 바람직하다. 또한, 모터와 발전기는 dc 또는 ac 기계 중 하나가 될 수 있다. 마찬가지로, 모터 팬과 발전기 팬 모두의 블레이드는 동일하거나 매우 유사할 수 있다.
가속 유체 기계는 기계 모터 또는 전기 발전기로 분류할 수 있다. 제1 케이스의 경우에, 전기 에너지가 발생되지 않지만, 이전에 가속된 유체에 의해 블레이드가 회전됨으로써 기계적인 팬 또는 유체 터빈에 의한 기계적인 에너지가 발생된다. 제2 케이스의 경우에, 발생된 기계적인 에너지는 하나 이상의 전기 발전기 팬 또는 터빈 샤프트에 부착된 애드 혹(ad hoc) 전기 발전기에 의해 전기적인 에너지로 변환된다. 따라서, 매개 유체가 공기, 물 또는 바람인지에 따라, 5가지 유형의 AF 기계 즉, 공기 모터(Air Motor : AM), 수력 모터(Water Moter : WM), 공기 발전기(Air Electric Generator : AEG), 수력 발전기(Water Electric Generator : WEG), 및 가속 풍력 터빈(Accelerated Wind Turbine : AWT)이 있다. 도 18, 도 19 및 도 20은 가속 풍력 터빈, 에어 전기 발전기 및 수직한 수력 전기 발전기를 각각 도시한다. 도 18(a)에 도시된 예에서 AW 터빈은 4개의 열 에어포일 터빈로 구현되고, 도 18(b)에 도시된 것은 4개의 전기 팬으로 구현된다. 풍력 터빈의 새로운 기능은 바람이 가능한 두 방향으로 유입 및 유출될 수 있어서 각 방향에 대한 동력을 생성할 수 있다는 것이다. 도 19(a)에 도시된 AE 발전기는 3개의 터빈과 수렴 노즐의 입구에 큰 전기 팬 F로 구현되지만, 도 19(b)에 도시된 AE 발전기는 3개의 전기 팬과 수렴 노즐의 입구에 큰 팬 F로 구현된다.
AEG에 대한 일부 작은 변화, 즉, 유체 가속 챔버의 입구에 큰 팬 F의 추가로 인해, 작동 유체가 바람, 공기 또는 물인지에 따라, 기본적으로 도 6에 도시된 동일한 AF 기계는 각각 AWT, AEG 또는 WEG 기계로 작동할 수 있다.
가볍고 환경에 의한 열화에 내성이 있다면, 플라스틱, 금속 등과 같은 임의의 적당한 소재가 유체 가속 챔버와 배기 챔버를 제조하는 데 사용될 수 있다. 벽의 전단 응력에 의해 야기되는 동력 손실을 최소화하기 위하여 챔버들의 내벽들은 가능한 한 매끄러워야 한다. 본 명세서의 나머지 부분에서는, 챔버의 내벽들이 완벽하게 연마되고 누설이 없다고 가정할 것이다. 챔버 벽들의 두께에 대해서는, 기계의 중량을 가능한 한 가볍게 유지하기 위하여 가능한 한 얇은 것이 바람직하지만, 그렇다고 차폐 특성을 손상시켜서는 안 된다.
AF 기계의 팬 블레이드들에 대해서는, 팬 블레이드들이 플라스틱 소재, 수지, 아크릴 또는 기타 소재로 만들어질 수 있다. 두 개의 실린더들은 알루미늄, 또는 가볍고 단단한 플라스틱 등과 같은 경량 소재로 만들어질 수 있지만, 소재의 내구성과 강도를 손상하지 않는 범위에서 중량은 최소화되어야 한다.
중요한 사항으로, 기하학적 파라미터들(D, d)이 가질 수 있는 값들에 대해, 이 값들이 반드시 충족시켜야 하는 유일한 요건은 0<d<D이다. 식 (28)에서 알 수 있듯이, 팬 또는 터빈 블레이드들에 의해 발생되는 유용한 동력(Pg)은 (D2-d2)3/2 및 Vφ 3 둘 다에 비례한다. 따라서 이 양들의 값들이 클수록, 발생되는 동력도 클 것이다.
유의해야 할 것은, k=0, 즉 노즐이 없는 유입구 및 유출구를 사용할 수 있지만, 배출기 말단의 더 큰 난류와 유입 유체 속도를 증폭시키는 수렴 노즐의 부재를 고려하면 이는 권장되지 않는다.
식 (4) 및 (10)에 의하면, 가속된 유체 기계가 대칭인 경우, 유체 가속 챔버가 유입 유체 속도(Vφ1)를 인자(kf)로 곱하는 반면, 배기 챔버는 유체 속도(Vφ3)를 스로트(throat)에서 동일한 인자로 나눈다는 점은 명확하다. 당연히, k의 값이 클수록, 식 (9)에 따른 기계의 크기, 식 (8)에 따른 파라미터(kf), 및 식 (37)에 따른 발생된 동력(Pg)도 클 것이다. 한편, k의 값이 클수록, 식 (10)에 따른 출구 속도(Vφ4) 및 출구에서의 난류와 동력 손실은 작을 것이다.
팬 블레이드에 인가되는 동력(Pφ2)은
Pφ2=ρAφ2Vφ2 3/2 (43)
그리고, 개방된 챔버 AF기계의 입구에서의 유체의 입력 동력은
Pφi=ρAφ1Vφ1 3/2 (30)
에 의해 정해진다.
식 (3), (4) 및 (30)을 조합하는 것에 의해 다음을 얻는다.
Pφ2=kf 2Pφi (44)
따라서, 중요한 사항으로, 식 (8) 및 (44)에 따르면, 파라미터(k)에 사용되는 값이 높을수록, 유체 속도 승수 (kf)와 터빈 블레이드들에 인가되는 유체 동력(Pφ2)이 높을 것이다. 수평 축선 풍력 터빈의 일반적인 구성에서는, 불어오는 바람 동력(Pφi)이 터빈 블레이드들에 바로 인가된다. 대조적으로, 본 발명의 가속 풍력 터빈들에서는, 불어오는 바람 동력(Pφi)이 우선 FA 챔버에 인가되어 최대 Pφ2까지 kf 2배로 증가된 다음, 터빈 블레이드들에 인가된다. 그 결과, 풍력 터빈들에 충돌하는 유체의 동력(Pφ2)은 외부 바람의 동력(Pφi)보다 여러 배 커질 수 있다. 이에 따라, 일반적인 HAWT 기계들보다 효율이 훨씬 높은 가속 풍력 터빈이 얻어진다.
이하에서, AF 기계가 단지 팬들만을 가지고 구현되는 것으로 도시되는 경우 AF 기계가 열 에어포일 터빈으로 실시될 수도 있다는 것은 확실하며, 그 반대의 경우도 마찬가지라는 점을 강조하는 바이다.
에너지 공간. 소정의 속도(Vφ1)로 유체 내에서 이동하는 차량은 그 유체가 동일한 속도로 유동하게 만든다. 유동은 이동하는 차량과 접촉하는 소정의 한정된 구역(certain finite neighborhood)에 존재한다. 이 유체 유동이 열과 운동 에너지를 포함하고 있음을 고려하면, 이 차량을 둘러싸는 공간은 에너지 공간으로 간주될 수 있다. 아직까지는 각 지점에서의 에너지 공간의 범위, 경계 및 특성이 평가되어야 한다. 그러나 이동 중인 차량에 배치되고 이 에너지 공간에 접촉되는 적당한 AF 기계가 에너지 공간에 들어있는 에너지의 일부를 추출할 수 있을 것이라는 점은 명백하다.
유체 패널(fluid panel)
본 명세서에서는 유체 패널을 주변 에너지 공간 내에 들어 있는 에너지의 일부를 포획하기 위한 목적으로 차량에 부착될 수 있거나, 혹은 플랫폼 또는 정지되어 있는 빌딩에 배치될 수 있는 벽 또는 평평한 판을 형성하는 한 개 이상의 AF 기계로 이루어진 임의의 구조체로 정의한다. 일반적으로, 에너지 공간 내의 유체가 각각 바람 또는 물이면, 유체 패널은 풍력 패널 또는 수력 패널일 수 있다. 첫 번째 경우, 풍력 패널은 차량, 고정된 빌딩, 또는 에너지 장에 잠겨 있는 플랫폼에 부착된다. 일반적으로, 유체 패널은 차량의 루프에 또는 측면에 탑재되어 바람을 마주보거나, 혹은 차량이 물에서 이동하는 경우에는 물에 잠길 수 있다.
대안적으로, 유체 패널은 바람으로부터 에너지를 추출하기 위해 집 또는 빌딩의 지붕과 같은 정지되어 있는 구조물에 배치될 수 있거나, 혹은 수중 유동으로부터 에너지를 추출하기 위해 개울(stream), 강, 바다 등과 같은 수역(body of water)의 바닥에 잠길 수 있다. 유체 패널을 구현하는 데 사용될 수 있는 기본 빌딩 블록이 도 18에 도시되어 있는데, 8개의 전기 팬들을 포함하고 있다. 빌딩 블록에 사용될 수 있는 유체 터빈들 또는 팬들의 최대 수량에 대해서는, 이는 벽들과 블레이드들에서 발생되는 전단 응력과 관련이 있기 때문에 실험적으로 결정되어야 한다. 적어도 한 개의 터빈 또는 팬이 있을 수 있다. 도 21은 8 개의 AF 기계들로 이루어진 유체 패널으로서, AF 기계들 각각이 8 개의 전기 팬들을 포함하여 총 64개의 전기 팬들을 포함하며, 전기 팬들 각각은 발전기 팬으로 작동하는 유체 패널을 도시한다. 양방향 화살표들은 유체가 유동하여 전기 팬 전선에 전류를 발생시킬 수 있는 방향을 나타낸다. 도 21에 도시된 것 같은 두 개 이상의 단일 유체 패널들을 조합할 수 있다. 예를 들어, 도 22는 기하학적으로 가능한 4 개의 방향들에서 유동들을 포획하도록 서로 직교하는 방향으로 배치된 두 개의 유체 패널들로 이루어진 복합 유체 패널을 도시한다. 다른 기하학적 방향들은 다른 유체 패널의 위에 배치되고 희망하는 방향들을 지향하는 더 많은 유체 패널들로 커버될 수 있다. 물론, 판들의 수량이 증가되면, 발생될 수 있는 동력도 증가된다. 예를 들어, 도 21의 유체 패널에 사용되는 AF 기계들이 각각 1kW를 발생시키는 모두 동일한 가속 풍력 터빈들이었다면, 유체 패널에 의해 발생되는 총 동력은 8kW일 것이다. 하나가 다른 하나의 위에 배치될 수 있는 유체 패널들의 최대 수량에 대해서는, 빌딩 또는 플랫폼이 지지할 수 있는 최대 중량 또는 차량이 견딜 수 있는 항력을 제외하면, 제한이 없다.
유체 발전기
유체 발전기(FEG 또는 FE 발전기)는 앞에서 가속된 유체 유동에서 전기 에너지를 발생시키는 AF 기계이다. FEG를 구현하기 위해, 두 개의 기본 요소들, 즉 첫 번째로, 벤튜리형 스로트 내의 가속된 유체 유동, 두 번째로 벤튜리와 동축으로 배치되는 한 개 이상의 전기 팬들이 필요하며, 전기 팬들의 허브 직경들은 내부 실린더의 직경(d)과 일치하고, 팬 블레이드들이 도 6의 (c) 및 도 10의 (c)에 도시된 스로트 내의 폭이 (D-d)/2인 빈 공간을 부분적으로 또는 전체적으로 차지한다.
스로트 내에 동축으로 배치된 전기 팬들 중 적어도 한 개는 발전기 팬 또는 발전기 터빈으로 작동되어야 한다. 즉, 전기 팬의 전선은 전원에 연결되지 않고 대신 개방되거나 혹은 전기 부하에 연결된 상태로 남아있고, 그 블레이드들은 가속된 유체가 충돌하는 결과로서 회전되게 된다.
유체 유동을 가속하기 위한 방법들에는 기본적으로 두 가지 방법들,
즉 1. 기계 외부에 있는 주변 유체를 연속 방정식에 의해 유체가 가속되는 유체 가속 챔버에 들어가게 하는 것에 의한 방법과,
2. 한 개 이상의 팬들을 적절한 모터로서 작동시켜 벤츄리형 스로트의 내부에 유체 유동을 인공적으로 발생시키는 것에 의한 방법이 있다.
첫 번째 방법의 경우, FA 챔버는 기계 주변의 유체 중 일부를 포획하는 기능을 가진다. 두 번째 방법은 모터 팬 전선을 전원에 연결하는 것에 의해 간단하게 행해진다. 첫 번째 경우에는, 유체 유동이 유체 가속 챔버 내에서 가속되어 스로트에서 최종 속도(Vφ2)에 도달한다. 유체 유동이 인공적으로 생성될 때, 유체 가속 챔버는 개방되거나 혹은 폐쇄될 수 있다. 이는 도 17에 도시된 장치를 가지고 행해질 수 있는데, 스로트 내부에 배치된 한 개 이상의 팬들이 유체 유동을 생성하거나 혹은 강화하는 모터로 작용한다. 팬들 중 적어도 하나의 팬은 기계적 또는 전기적 출력을 발생시키는 발전기, 즉 터빈으로서 작동되어야 한다.
다른 장치에서, 직경이 D1=D+kd보다 크지 않는 전기 팬을 도 19에 도시된 바와 같이 FE 발전기의 입구에 배치하는 것이 가능한데, 여기서는 좌측 입구에 배치된 전기 팬(F)에 의해 유체 유동이 생성된다. 전기 팬들(F1, F2, F3)이 전부 발전기 팬으로 작동할 수 있거나, 혹은 이들 중 한 개 이상이 모터 팬(F)을 보강하여 스로트 내부의 유체를 더욱 가속시키는 모터 팬들로 작동할 수 있다.
가속 풍력 터빈에 대해 그리고 수력 발전기들에 대해, 도 19의 왼쪽 입구에 있는 팬(F)이 제거되어야 하고, 모든 전기 팬들이, 가속 풍력 터빈에 대해서는 도 18에 그리고 가속 수력 기계 또는 수력 모터에 대해서는 도 20에 도시된 바와 같이, 유체 속도가 최고인 스로트(FE 발전기의 직선 구간)에 배치되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 터빈들(T1, T2)이 발전기(미도시)에 부착되면, 수력 모터는 수직 수력 발전기(도 24 및 수직 가속 수력 기계 항목 참조)로 사용될 수 있는 유체 발전기가 된다. 한편, 수평 수력 전기 기계로 사용될 수 있는 수평 FEG가 도 17과 도 25에 도시되어 있다.
모든 유체 발전기들에서, 모터 팬들에 의해 사용되는 전원은 팬 모터가 교류 기계인지 또는 직류 기계인지에 따라 교류이거나 혹은 직류일 수 있다. 또한, FE 발전기에서, 유체 터빈들에 의해 발생된 개별 전압들의 합으로서의 총 발생 전압을 얻도록 발전기 팬 출력들이 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 두 개 이상의 팬 모터들이 가속된 유체를 발생시키는 데 사용되는 경우, 스로트 내에서 가속된 유체의 속도를 증가시키기 위하여 팬 모터들이 병렬로 연결될 수 있다. 사용될 수 있는 팬의 수량에 대해서는, 한 개이거나 스로트 내에 물리적으로 배치될 수 있는 만큼 많을 수 있다. 팬들은 전부 동일한 샤프트 상에 배치될 수 있고, 이 경우 팬들은 전부 동일한 각속도로 회전한다. 그렇지 않으면, 팬들은 비록 공직선성(colinearity)을 유지하지만 물리적으로 분리될 수 있다.
도 20과 도 24에 도시된 수직 수력 발전기(WE 발전기)와 도 17 및 도 25에 도시된 수평 WE 발전기 둘 다에서, 모든 팬들이 발전기 팬들로 작동된다. 노즐들의 직경은 D+kd로 선택되는데, k는 0 이상의 정수이다. 수직 WEG의 상단 노즐 및 하단 노즐의 길이(lt)는 식 (9)로부터 계산될 수 있지만, 물 유동이 상단 노즐에서는 가속되고 있지만 하단 노즐에서는 감속되고 있다는 점 때문에 상단 노즐이 하단 노즐보다 짧을 수 있고, 이는 상측 말단에서 하측 말단에서보다 보통은 난류가 적다는 것을 시사한다.
가속 풍력 터빈
특정 형태의 유체 발전기는 가속 풍력 터빈(AWT 또는 AW 터빈)이며, 그 예가 도 18에 도시되어 있다. 이는 외풍이 노즐 말단들 중 한 개를 통해 들어갈 수 있는 AF 기계이다. AWT 작동 모드에서는, 팬들(F1, F2, 등)의 모터들 전부가 전원으로부터 분리되고, 임의의 노즐에서 풍속은 외부 값(Vφ1)에서부터 최대 값(Vφ2)까지 증가되고 나서, 스로트로 안내되어 전기 팬들의 회전 블레이드 세트에 충돌한다. 그러면, 팬 블레이드들은 가속된 바람에 의해 회전되고, 그 결과 이제는 발전기 팬들로(즉, 터빈처럼) 작동하는 팬들의 전선에 전압이 유도된다. 요구되는 출력 동력을 달성하기 위해 필요한 만큼 많은 팬들이 있을 수 있다. 총 유도 전압은, 발전기 팬들이 직렬로 연결되어 있는 경우, 발전기 팬들에 의해 발생되는 개별 전압들의 합과 동일하다.
연속 방정식을 적용하는 것에 의해, 풍속들(Vφ1, Vφ2) 간의 관계가 쉽게 다음의 식들 중 하나에 의해 정해진다는 것을 보여줄 수 있다.
Vφ2=kfVφ1 (15)
여기서, kf는 식 (8)에 의해 다음과 같이 정해진다.
kf=(D+kd)2/(D+d)(D-d) (8)
예
k=1, Vφ1=20Km/h, D=0.5m 그리고 d=0.31m라 가정하면, D+d=0.81m, Vφ1=85.26Km/h를 얻는다. 달리 말하면, 유체 가속 챔버는 이 경우에 진입 풍속을 4보다 큰 인자로 곱하며, 이는 AF 기계에 대한 기계적 동력 계산 및 기계적 동력 이득의 계산에 관한 부분에서의 식 (29) 및 식 (39)에서 알 수 있는 것처럼 AW 터빈의 발생 동력과 효율을 크게 증가시킨다.
통상의 수평 축선 풍력 터빈(HAWT)에서 더 높은 출력 동력을 달성하기 위하여, 일반적으로 블레이드가 휩쓸고 지나가는 면적을 증가시키도록 블레이드들의 크기(길이)가 늘어난다. 그러나 불어오는 바람이 블레이드와 충돌하기 전에 불어오는 바람의 속도를 증가시키는 것에 의해 더 높은 출력 동력을 얻는 시도는 일반적으로는 행해지지 않았다. 대조적으로, 본 발명의 가속 풍력 터빈에서는, 외부 바람의 속도가 유체 가속 챔버에서 식 (8)에 의해 주어지는 속도 승수 인자(kf)에 의해 증가된다. 식 (28) 기계적 동력 계산에 관한 부분에서 나타나는 것처럼 출력 동력이 블레이드와 충돌하는 풍속의 세제곱에 비례한다는 것과, 식 (27) 및 (28)에 의해 나타나는 것처럼 더 큰 블레이드는 더 무거운 블레이드, 더 큰 관성 모멘트(It) 및 그에 따른 낮은 터빈 회전 속도(n) 및 작은 발생 동력(Pg)을 의미한다는 것을 고려하면, 풍력 터빈의 효율을 증가시키기 위해 풍속을 상승시키는 이러한 접근법은 블레이드의 크기를 크게 만드는 것보다 훨씬 더 효과적이고 경제적이다.
전력 계산
유체 발전기는 하나의 입력과 하나의 출력을 구비한 시스템으로 보일 수 있다. 입력은 (배터리, 전기 공급선(mains) 또는 전원에 의해) 전기 모터 또는 모터들에 인가되는 전력이다. 출력은 전기 부하에서 발생되는 유용한 전력이다. 또한 처음에는 FEG를 두 개의 주요 능동 컴포넌트들, 즉 전기 모터와 균등한 컴포넌트 및 발전기와 균등한 컴포넌트로 이루어지는 것으로 볼 수 있다. 전기 모터의 목적은 가속된 유체를 발생시키는 것이다. 발전기의 목적은 가속된 유체로부터 에너지를 추출하고 이를 전기 에너지로 변환하는 것이다. 따라서, 편의상 모터와 발전기가 DC 기계라고 가정하면, FEG를 도 23에 도시된 모델에 의해 나타낼 수 있다. 유사한 분석이 AC 기계에 대해서도 도출될 수 있다. 최대의 동력 전달을 위해 부하 저항(RL)이 발전기(Ro)에 부합하는 것으로 가정할 수도 있다.
FEG의 전력 이득을 다음 식과 같이 정의할 수 있다.
Gpe=Po/Pi (45)
여기서, Po는 부하 저항(RL)에서 기계에 의해 발생되는 전력이고, Pi는 전원에 의해 전기 모터에 인가되는 전력이다.
자체 지속 가능한 유체 발전기
전력 이득(Gpe)이 일보다 크면 FEG 기계는 자체 지속 가능한 발전기로 작동될 수 있다. 이하에서는, 모터 입력 저항(Ri), 발전기 출력 저항(Ro), 인가된 입력 전압(vi) 및 기전력(vg) 사이의 특정 관계가 충족되면 FEG가 자체 지속 가능한 것이라는 점을 살펴볼 것이다. 최대 입력 동력이 가장 좋지 않은 경우에 대해, 역기전력(vgc)=0이고,
Pi=vi 2/Ri (46)
그러나, 최대 동력 전달에 대해서는, 다음과 같이 나타날 수 있다.
Po=vg 2/(4Ro) (47)
자체 지속 가능한 작동을 위해서는, 다음이 요구된다.
Gpe>1 (48)
또한, 이것은 차례로 다음의 조건을 요구한다.
Po>Poi (49)
또는
vg 2/(4Ro)>vi 2/Ri (50)
식 (50)으로부터, FE 발전기가 자체 지속 가능한 것이 되기 위해 필요한 조건을 최종적으로 다음과 같이 얻게 된다.
vg 2>2(Ro /Ri)1/2vi (51)
예. 만일 모터와 발전기가 Ro=10-2Ri이도록 선택되면, 자체 지속 가능한 작동을 위해서, 다음이 요구된다.
vg>0.2vi
실험 결과
도 30은, 도 13에 도시된 것들과 유사한 일반적인 상업용 전기 팬들을 가지고 구현되고 시험된 공기 발전기를 개략적으로 도시하고 있다. 다섯 개의 전기 팬들이 발전기 팬들로서 작동되었는데, G1, G2, G3, G4는 직렬로 연결되고, G5는 병렬로 연결되었다. 사용된 팬들 전부는 세 개의 서로 다른 종류의 직류 무브러시 축류 팬들이었다. 팬들(G1, G2, G3, G4)은 치수가 120mm X 120mm X 38mm인 48V 0.45A 팬들이며, 각각이 약 340옴의 내부 (측정) 저항을 갖는다. 한편, 팬들(M1, M2, M3)은 모터 팬들로서 사용되었고, 공기유동을 발생시키기 위해 병렬로 연결되었다. 이들은 치수가 120mm X 120mm X 38mm인 48V 3A 팬들이며, 각각이 약 60옴의 내부 (측정) 저항을 갖는다. 모터 팬들과 발전기 팬들(도 23)을 위한 등가 회로를 말하자면, 모터 팬들의 총 내부 저항은 Ri=20옴이었다. 직렬로 연결된 발전기 팬들의 총 출력 저항은 1360옴이었다. 부등식(44)에 나타난 바와 같은 자체 지속 가능한 운동을 위한 조건을 충족시키기 위하여, 이 큰 저항을 약 Ro=5.25옴까지 감소시킬 필요가 있었다. 이는 팬(G5)을 발전기 팬들(G1, G2, G3, G4)의 직렬 조합과 병렬로 연결하는 것에 의해 행해졌다. 팬(G5)은 다음과 같은 특성들, 즉 12V, 4.40A, 치수: 120mm X 120mm X 38mm, 및 내부 (측정) 저항 약 5.35옴의 특성들을 가졌다. 다음의 실험 결과는 도 30의 장치를 가지고서 얻어진 것이다.
입력 전압: vi=14.95V
개회로에서의 출력 전압: 15.54V
입력 동력 Pi=11.18W
출력 동력 Po=11.5W
부등식 (49)가 충족되었기 때문에, 이는 오히려 단지 자체 지속 가능한 기계로서 거동하는 기본적인 AE 발전기라는 결론에 이르렀다.
수직 가속 수력 기계
수직 가속 수력 기계는, 정확히는, 도 24에 도시된 바와 같이, 상부 저장소(superior reservoir)기 또는 물 탱크(1)와 하부 저장소 또는 물 탱크(2) 사이에 수직 또는 직립 자세로 위치되는 개방 챔버 가속 유체 기계이다. 두 개의 탱크들 모두 유사한 치수들을 가질 수 있으며, 단순함과 대량 생산의 용이함을 위해 D1=D2=D+kd이고 h1=h5이게 만들었다. 도 24에 도시된 예에서, 여덟 개의 팬들이 스로트 내에 배치되었다. 그러나, 팬은 한 개이거나 스로트의 길이(lf) 내에 배치될 수 있을 만큼 많을 수 있다. 모든 팬들이 기계식이라면, 즉 모든 팬들이 단지 기계적 에너지만 발생시킨다면, 수직 가속 수력 기계는 수직 가속 수력 모터 또는 줄여서 단지 수력 모터(WM)가 된다. 그러나, 팬들이 전기 팬이고 팬들 중 일부 또는 전부가 물 유동으로부터 추출된 에너지를 전기 에너지로 변환한다면, 기계는 수직 가속 수력 발전기, 또는 줄여서 간단히 수력 발전기(WEG 또는 WE 발전기)가 된다.
물 탱크(1)가 (노즐 직경(D1)과 비교하여) 크고, 공기가 들어갈 수는 있게 하지만 물이 누설되지는 않게 하는 어떤 미세한 구멍들이 만들어질 수 있는 레벨 0과 레벨 1의 모두에서 대기와 접촉하는 것으로 가정할 것이다. 따라서 물탱크의 레벨 0에서 압력 p0=0이고, 레벨 1에서 p1=0이다. 물의 속도는 레벨 0에서 V0=0이고, 레벨 1에서는 다음과 같다.
V1=√[2gh0] (52)
그러나, 연속 방정식에 의하면, 레벨 2에서의 물의 유동 속도는 다음과 같이 정해진다.
V2=A1V1/A2 (53)
여기서 레벨 1 및 레벨 2에서 내려가는 물줄기에 의해 보이는 단면적들 A1 및 A2는 다음과 같다.
A1=π(D+kd)2/4 (54)
A2=π(D+d)(D-d)/4 (55)
V2=(D+kd)2V1/[(D+d)(D-d)] (56)
레벨 2에서의 물의 속도가 레벨 1에서의 물의 속도(V1)를 물 속도 승수 인자(Kf)를 곱하는 것에 의해 얻어지고, kf는 다음과 같이 정해진다는 점에 유의하자.
kf=[(D+kd)2/(D+d)(D-d)] (8)
이 값은 만일 0<d<D이면 항상 1보다 큰데, 이는 AF 기계에 대해 언제나 적용되는 경우이다.
AWM의 길이(h1)는 공동현상(cavitation)이 일어나는 것을 방지하도록 선택되어야 한다. 즉, 레벨 2에서의 수압(p2)이 다음의 관계를 충족하게 해야 한다.
p2>30℃에서의 물의 증기압 pv=-97.09kPa (57)
한편, 베르누이 방정식을 레벨 1과 레벨 2 사이의 물 유동선에 적용하는 것에 의해, 정상류이고, 비점성이고, 비압축성인 유동이라 가정할 때, 다음을 얻는다.
p2=(1/2)ρ(V1 2-V2 2)+ρgh1 (58)
p2=(ρ/2)(V1 2)(1-kf 2)+ρgh1>pv (59)
h1=(1/ρg)p2+(kf 2-1)h0 (60)
그러면, 가속 수력 기계가 구현되기 위해서는, 다음이 요구된다.
p2>pv (61)
및
h1>0 (62)
이제 p2min을 식 (60)에 의해 정해지는 높이(h1)를 영과 동일하게 만드는 압력(p2)의 최소값으로 정의하자.
이에 따라, 식 (60)으로부터 다음을 얻게 된다.
p2min=(1-kf 2)(ρgh0) (63)
이제 kfmax를 p2min=pv인 kf의 최대값으로 정의하자. 이는 인자(kf)가 실현가능성 조건을 충족하는 상한이다.
p2>p2min>pv (64)
h1>0 (65)
및
kf<kfmax (66)
이에 따라,
kfmax=√[1-(pv/ρgh0) (67)
부등식들 (64)와 (66)이 충족되면, 공동현상은 일어나지 않을 것이다.
예: h0=0.3m, D=0.5m, d=0.3m, ρ=995.7Kg/m3, g=9.8m/s2이라고 가정하면,
k=1:
kfmax=5.85
kf=4<kfmax
k=2:
kfmax=5.85
kf=7.56>kfmax
따라서, k=2를 버리고 k=1을 취한다. 그러면,
V1=√[2(9.8)(0.3)]=2.42m/s
V2=kfV1=9.70m/s
그리고
P2min=(1-kf 2)(ρgh0)=-43,910.37Pa
다음을 취하자.
P2=-40,000.00Pa>-43,910.37Pa>pv=-97,090Pa
그러면,
h1=(1/ρg)p2+(kf 2-1)h0=0.40m
단지 중력을 이용한 자유 물 분사로 v2=9.70m/s를 얻기 위해, 요구되는 탱크 깊이(h0) 더하기 말단 길이(h1)는 다음과 같을 것이다.
h0+h1=V2 2/(2g)=4.8m
반면, 수력 모터로 동일한 속도를 얻기 위해서는 요구되는 것은 단지 다음과 같다.
h0+h1=0.3+0.4=0.7m, 그리고 p2=-40pa
85.42%나 높이가 감소하는데 이것은 통상의 수력 기계에 비해 본 발명의 가속 수력 기계의 확실한 장점이고, h1>0으로 그리고 p2>p2min으로 만드는 것에 의해 간단하게 달성될 수 있다.
레벨 2와 레벨 3에서 베르누이 방정식을 적용하고, V2=V3라는 것을 아는 것에 의해, 다음을 얻는다.
p3=p2+ρgh2 (68)
p2>pv면, p3, p4 등은 전부 pv보다 클 것이고, 공동현상은 발생하지 않을 것이다.
예. h2=0.25m이고 앞에서와 동일한 기하학적 파라미터라고 가정하면, 다음을 얻게 된다.
p3=p2+ρgh2=-40,000.00+(995.7)(9.8)(0.25)
p3=-37,560.54Pa>pv=-97,090Pa
수직 AW 기계에 대한 동력 계산
Nb 개의 블레이드들을 구비한 Nt 개의 동일한 축류 팬들(수력 터빈들)이 식 (55)에 의해 주어지는 단면적(A2)의 물 속도 증강기(water velocity enhancer) 내에 배치된다고 가정하자. 그러면, 다음의 파라미터들, 즉 블레이드 계수 값들: CD=0.040163, CL=0.46852, 블레이드 스팬 s=0.99m, 블레이드 코드 c=0.175m, D=0.5m, d=0.3m, φ=45°, h0=0.15m, n=900rpm인 Nb=8개의 블레이드를 구비한 단 한 개의 터빈(Nt=1)을 가지고서, 식 (8), (52), (53), (19), (30), (29), (38), (63), (67), (60) 및 (9)를 적용하는 것에 의해서, 파라미터(kf), 유체 속도들(V1, V2), 상대 유체 속도(Vφ), 입력 유동 동력(Pφi), 발생된 기계적 동력(Pg), 기계적 동력 이득(Gpm), p2min, kfmax, h1 및 노즐 길이(ln)에 대해 표 2에 도시된 결과들을 각각 얻는다. 계산은 파라미터(k)의 두 개의 값들, 즉 k=1 및 k=2에 대해 행해졌고, p2=-18,000Pa>p2min, ρ=995.7kg/m3, g=9.8m/s2이라 가정했다.
k=1에 대해서, 발생된 동력(Pg)(37.438kW)은 입력 동력(Pφi)(1.262kW)보다 훨씬 크고, 발전기를 구동하는 데 사용될 수 있는데, 이는 또한 펌프 및 집의 나머지 전기 장치들을 작동시키는 데 사용될 수 있다. 대안적으로 펌프는 회전 수력 터빈들에 의해 직접 구동될 수 있다. 이에 따라, 이 특별한 AW 기계에 대해, 자체 지속 가능한 운동(Gpm=29.68>1)을 달성하고 37.438kW의 기계적 동력을 발생시키는 것이 가능하다. 물론, 발생된 동력은 Nt>1인 수력 터빈들을 사용하는 것에 의해 간단하게 인자(Nt) 만큼 증가될 수 있다. 표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, k=2에 대해 실질적으로 더 우수한 결과들이 얻어진다. k=1에 대해, ln이 h1보다 큰 것으로 나타났기 때문에, 상단 노즐의 길이는 ln=0.95m 보다는 h1=0.41m로 취해지고, 상부 노즐들에서 물 유동이 가속됨에 따라 난류는 매우 적게 증가한다.
수직 가속 수력 기계의 동력 계산 결과
k kf v1,
m/s		 v2,
m/s		 vφ,
m/s		 Pφi,
W		 Pg,
W		 Gpm P2min,
Pa		 kfmax h1,
m		 ln,
m
1 4 1.71 6.86 9.70 1,262 37,438 29.68 -21,955 8.21 0.41 0.95
2 7.56 1.71 12.97 18.34 2,385 133,822 56.11 -82,246 8.21 6.58 1.89
수직 가속 수력 기계의 실현 가능성 조건. 가속 수력 에너지 기계를 실현 가능하게 하기 위하여, 다음의 조건들이 충족되어야 함을 고려하는 것이 중요하다.
h0>0 (69)
h1>0 (70)
p2>p2min (71)
그리고, 대칭형 AW 기계에 대해서 p2min은 식 (63)에 의해 정해진다. 식 (69)은 물 탱크(1)가 결코 빌 수 없음을 시사한다. 물 탱크(1)를 보충하기 위해 물 펌프가 사용되면, 물 탱크의 재충전 시간은 물 탱크를 비우는 데 필요한 시간보다 짧아야 한다. 따라서, 물 펌프로부터의 유수량(water flux)(QP)은 물 유량(Q1) 보다 커야 한다. 즉,
Qp>Q1 (72)
여기서,
Q1=A1V1 (73)
수평 수력 기계
개방 챔버 수평 수력 기계는 도 6과 도 10에 도시된 것과 같은 개방 챔버 AE 기계를 이용하여 실시될 수 있다. 개방 챔버 수평 수력 기계는 고정식이거나 이동식일 수 있다. 첫 번째 경우에, 개방 챔버 수평 수력 기계는 수면 아래에 혹은 바다, 강 또는 호수의 바닥에 배치되고 고정되어, 조수, 해중 또는 수중 조류를 이용하여 작동된다. 두 번째 경우에서는, 개방 챔버 수평 수력 기계가 도 25에 도시된 바와 같은 축류 전기팬들을 이용하여 실시될 수 있다. 기계는 물에 잠기고 바다, 호수 또는 강에서 이동하는 차량에 부착되어야만 하고, 이에 따라 기계의 수렴 노즐에 의해 포획되고 가속될 수 있는 물의 유동을 일으키는 이동 차량의 속도를 이용할 수 있다. 배, 잠수함 등과 같은 임의의 선박(water vessel)이 선박에 의해 요구되는 전기의 일부 또는 전부를 발생시키도록 개방 챔버 수력 발전기를 수면 아래에서 이동시키고 이 발전기를 선박에 부착시킬 수 있다(도 36 참조).
수평 수력 발전기의 설계는 수직 가속 수력 기계에 관한 부분에서 설명한 수직 수력 발전기의 설계와 매우 유사하며, 단지 중력이 작용하지 않는다는 차이만 있다. 또한, 깊이(h0)에서와 기계의 입구에서의 수압(p0)은 다음과 같다.
p0=ρgh0 (74)
이는 도 25에서 알 수 있는 바와 같이 대기압보다 크다.
3 개의 전기 팬들을 포함하며 깊이(h0)에 잠겨있는 수평 수력 발전기가 도 25에 개략적으로 도시되어 있음을 고려하자.
WE 발전기 내부의 위치 0과 위치 1 사이의 물 유동선에 대해, 그리고 정상류이고, 비점성이고, 비압축성인 유동을 가정하면, 베르누이 방정식은 다음과 같이 쓰여진다.
p0+ρ(V0 2)/2=p1+ρ(V1 2)/2
따라서,
p1=p0-ρ(V1 2-V0 2)/2
그러나, V1 2=kf 2V0 2이고,
그리고
V0=Vφi
그리고, kf는 식 (8)에 의해 주어진다. 그러면,
p1=p0-ρ(kf 2-1)V0 2/2 (75)
V0와 h0를 알고 있으면, kf는 공동현상의 발생을 방지하기 위해 p1이 반드시 pv=-97,079Pa보다 크도록 선택되어야만 한다.
따라서,
kfmax=√{1+[2(p0-pv)/ρV0 2]} (76)
그리고,
V0max=√{2(p0-pv)/[ρ(kf 2-1)]} (77)
물론, p0의 값이 높을수록, kfmax와 V0max의 값들도 높다.
원심 팬
도 26의 (a)와 도 26의 (b)에는 상업적으로 이용 가능한 두 개의 원심 팬들이 도시되어 있고, 도 26의 (b)에는 이들을 도식화하여 개략적으로 나타내고 있다. 입구는 일반적으로 유체가 팬으로 들어가는 곳이고, 출구는 일반적으로 유체가 팬 밖으로 나오는 곳이다. 입구는 아이(eye)와 회전 블레이드들로 이루어져 있다. 블레이드들이 회전함에 따라 유체가 케이스의 아이를 통해 흡인되고, 원심력에 의해 외측으로 유동하여 출구를 통해 나가거나 혹은 배출된다. 출구의 단면은 둥글거나 혹은 직사각형일 수 있다.
원심 팬들을 구비한 개방 유체 가속 기계. 원심 팬들을 이용하는 개방 유체 가속 기계는, 도 26에 도시된 것 같은 두 개의 원심 팬들을 직선부(straight section)를 이용하여 연결하고, 도 27에 도시된 것처럼 직선부에 축류 팬용의 벤튜리형 스로트를 배치하는 것에 의해 실시될 수 있다. 이는 개방 챔버 FE 발전기로서, 두 개의 전기 원심 팬들로 구현되는데, 하나는 모터팬으로 작동하고 다른 하나는 발전기 팬으로 작동한다. 또한 4개의 전기 축류 팬들이 원심 팬들 둘 다와 결합되는 직선부에 위치되어 있는 유체 가속 챔버 내에 배치된다. 축류 팬들은 전부 발전기 팬들로 작용할 수 있거나, 혹은 축류 팬들 중 일부는 모터팬들로 그리고 나머지는 발전기 팬들로 작용할 수 있다. 물론, 4개보다 많거나 적은 수의 축류 팬들이 있을 수 있다.
탠덤형 가속 유체 기계(Tandem Accelerated Fluid Machine). 도 28에 도시된 것들과 같은, 단면적이 서로 다른 두 개 이상의 AF 기계들이 도 29에 도시된 것과 유사한 장치를 이용하여 탠덤식형으로 연결될 수 있다. 이러한 상호연결을 달성하기 위한 요건은 두 기계들의 스로트 외경이 다음의 관계를 충족하는 것이다.
D2+k2d2=D1 (78)
여기서, D1은 도 28의 (b)에 도시된 것과 같은 기계 1의 스로트 직경이고, D2와 d2는 각각 기계 2의 외경과 내경이고, k2는 정수(k2=0, 1, 2, 3,...)이다. 그리고 기계 1의 노즐들의 더 큰 직경은 다음과 같이 정해진다.
D1+k1d1 (79)
여기서, k1은 정수(k1=0, 1, 2, 3,...)이다.
한편, AFM1 노즐에서의 유체 속도가 Vφ1이면, AFM1 스로트와 AFM2 스로트에서의 유체 속도들은 각각 다음과 같다.
Vφ1=kf1Vφi (80)
Vφ2=kf2Vφ1=kf1kf2Vφ1 (81)
여기서, kf1과 kf2는 식 (8)로부터 다음 식들에 의해 정해진다.
kf1=(D1+k1d1)2/[(D1+d1)(D1-d1)] (82)
kf2=(D2+k2d2)2/[(D2+d2)(D2-d2)] (83)
식 (81)은
j개(j=2, 3,...등)의 탠덤형 터빈들에 대해 일반화될 수 있고, n번째 터빈의 스로트에서의 유체 속도는 다음과 같다.
Vφj=kf1kf2...kfjVφ1 (84)
여기서,
kfj=(Dj+kjdj)2/[(Dj+dj)(Dj-dj)] (85)
물론, 각각의 AF 기계들에 의해 별도로 발생된 동력은 Pg1, Pg2, Pg3 등이고, j개의 탠덤형 기계들에 의해 발생되는 총 동력 Pg은 다음과 같을 것이다.
Pg=Pg1+pg2+...+Pgj (86)
AF 기계들을 위한 폐쇄 챔버. 가속 유체 기계들은 또한 작동 유체(일반적으로 공기 또는 물)가 갇혀있고 외부로 빠져나가지 못하는 폐쇄 챔버에서 실시될 수도 있다. 축류 팬들과 열 에어포일 터빈들에 사용될 수 있는 폐쇄 챔버로 가능한 두 개의 형상들은 도 31에 도시된 단면적이 일정한 환형체이다. 도 31의 (a)는 비어있는 챔버 환상체, 즉 직선부들과 만곡부들 사이에 완만한 연결부를 갖는 2-레그(leg)형 환상체(180° 굽힘부)를 도시한 평면도이다. 도 31의 (b)는 다른 비어있는 챔버 환상체, 즉 4-레그(leg)형 환상체(90° 굽힘부)를 도시한다. 도 32는 동일한 두 개의 탠덤형 AF 기계들로 이루어진 유체 전압 발생기를 도시하는데, AF 기계들은 도 29에 도시된 것과 유사하고, 각각이 2-레그형 환상체의 직선부에 배치되고, 직경들이 D2와 d2인 4개의 소형 터빈들 및 직경들이 D1와 d1인 두 개의 대형 터빈들로 이루어진다. 또한, 가속 노즐들(N1, N3)에서 가속된 후에 터빈을 회전하게 만들 유체를 생성하기 위한 목적으로, 직경이 각각 D1+kd1인 두 개의 유사한 전기 팬들이 환상체의 만곡부의 중앙에 배치된다. 팬들에 의해 생성된 유체는 일 방향, 예를 들어 시계 방향으로 순환하게 되고, 발산 노즐들(N2, N4)에서 감속된다. 도 33은 직경이 D1+kd1이고 환상체의 만곡부에 각각 위치되는 한 쌍의 전기 팬들을 이용한 다른 폐쇄 챔버 유체 전압 발생기를 도시한다. 또한, 동일한 두 개의 탠덤형 AF 기계들이 환상체의 직선부들에 배치된다. 각각의 탠덤형 기계들은 직경들이 D2와 d2인 4개의 소형 터빈들 및 직경들이 D1와 d1인 두 개의 대형 터빈들을 포함한다. 90° 굽힘부들에서 원심력의 변화로 인해 난류가 발생되는 것을 최소화하기 위해, 만곡된 동심의 고정식 실린더형 베인들이 각각의 만곡부 내부에 배치된다.
원심 팬들(소용돌이 팬들)을 가지고서 사용될 수 있는 폐쇄 챔버의 세 번째 형상은 동일한 두 개의 개방 챔버 AF 기계들로 이루어지는데, 이 두 개의 개방 챔버 AF 기계들은 도 34의 (a)에 도시된 것과 유사하며, 서로 나란히 배치되고, 도 34의 (b)에 도시된 것처럼 유체가 누설되는 것을 방지하기 위해 모든 아이 개구들을 폐쇄하도록 하나가 다른 하나에 붙어서 배치된다.
페쇄 유체 가속 챔버는, 개방 챔버를 요구하는 풍력 발전기 용도를 제외하고, 모든 AF 기계의 용도들에서 사용될 수 있다. 한편, 개방 유체 가속 챔버는 어떤 형태로 변형되더라도 가속 풍력 터빈 용도를 포함하는 모든 AFM 용도들에 사용될 수 있다.
산업상 이용 가능성
이하에서는 가속 유체 기계의 여러 가능한 응용들이 제시된다.
육상, 항공 및 해상의 운송 수단에 이동식 AF 기계
임의의 이동하는 육상, 항공 및 수상의 운송 수단은 차량의 구조물에 부착된, 개방 챔버 형식 또는 폐쇄 챔버 형식의 가속 유체 발전기를 이용하여 필요한 전기의 일부 또는 전부를 발생시킬 수 있다. 도 35 및 도 36에는 개방 챔버 가속 유체 기계의 응용들이 도시되어 있다. 이러한 모든 응용들에서, 개방 챔버 가속 유체 기계에 진입하는 유체의 속도는 차량의 속도와 동일하다. 그러나, 유체 속도는 AF 기계의 FA 챔버 내에서 더욱 증가된다. 대안으로, 주위 유체 유동의 일부를 포획하기 위해 몇 개의 AF 기계들을 수용하는 유체 패널이 단일 AF 기계 대신에 차량에 장착될 수 있다.
수력 발전기의 배터리
높은 출력 요건을 위해, 도 37에 도시된 바와 같이 동일한 물 탱크 또는 저장소로부터 공급되는 몇 개의 수력 발전기의 배터리가 사용될 수 있다. 대안으로, 워터 패널이 해류가 존재하는 물의 아래에 수평으로 잠겨져서 위치될 수 있다.
가속 풍력 터빈 어레이
여러 방향에서 오는 바람을 포획하기 위해, 도 38에 도시된 바와 같이 각각 다른 방향을 향하는 몇 개의 가속 풍력 터빈들이 서로 수직으로 분리된 수평 플랫폼에 위치되거나, 도 39에 도시된 바와 같이 트레이에 의해 분리된 다른 것의 상부에 위치될 수 있다. 유체 패널에 대한 부분에서 설명된 바와 같이, 어레이는 하나 이상의 윈드 패널과 함께 형성될 수도 있다.
도면들은 특정 비율로 도시된 것이 아니며 도면들 간에 기준 비율이 있는 것은 아니다.
도 1은 속도 Vφ인 유체와 충돌한 경우에 블레이드에 작용하는 힘을 도시한 도면이다.
도 2는 FA 챔버 또는 수렴 노즐 및 그 구성품들의 4개의 가능한 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 배기 챔버 또는 발산 노즐 및 그 구성품들의 4개의 가능한 형상을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 수렴 노즐 또는 발산 노즐의 중앙 원뿔(도 2 (d) 및 도 3 (d)에 도시됨)과 동축으로 일치하는 원뿔대를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 유동 경로의 층상화(laminarity)를 향상시키기 위해 두 개의 동축 원뿔대(TC7 및 TC8)로 형성된 수렴 유동 하위-경로를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 개략적으로 도시한, (a) 두 개의 터빈과 두 개의 유체 교정기(straightener)를 수용하는 AF 기계의 종방향 측면도, (b) AF 기계의 정면도, (c) AF 기계의 벤튜리형 스로트(venturi like throat)의 단면도이다.
도 7은 개략적으로 도시한, (a) 8개의 에어포일을 수용하는 공기 역학의 유체 터빈의 정면도, (b) 터빈의 측면도이다.
도 8은 유체 교정기 및 그 구성품들의 일부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 개략적으로 도시한, (a) 2개의 유체 터빈, 2개의 교정기를 구비하지만 노즐이 없는 단순한 AF 기계의 종방향 측면도, (b) AF 기계의 벤튜리형 스로트의 단면도이다.
도 10은 개략적으로 도시한, (a) 4개의 유체 터빈을 수용하지만 유체 교정기가 없는 AF 기계의 종방향 측면도, (b) AF 기계의 정면도, (c) AF 기계의 벤튜리형 스로트의 단면도이다.
도 11은 개략적으로 도시한, (a) 단일의 유체 터빈을 구비한 단순한 AF 기계의 종방향 측면도, (b) 유체 터빈 블레이드 부재에 작용하는 힘, 속도 및 관련 각도를 나타낸 도면이다.
도 12는 개략적으로 도시한, (a) 기계적인 축류 팬의 정면도, (b) 모터(M)를 보여주는 전기 축류 팬의 측면도이다.
도 13은 고정자에 중앙에 배치된 무브러시 직류 전기 모터에 의해 움직이는 일반적인 축류 팬의 정면도 및 배면도를 도시한 도면이다.
도 14는 전기 팬, 즉 (d) 박스에 둘러싸인 유동 교정기, (e) 박스에 둘러싸인 전기 팬을 이용하여 AF 기계 및 유체 패널을 실현하기 위한 두 개의 건물 블럭을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 15는 전기 팬, 즉 (d) 박스에 둘러싸인 발산 노즐, (e) 박스에 둘러싸인 수렴 노즐을 이용하여 AF 기계 및 유체 패널을 실현하기 위한 두 개의 건물 블럭을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 16은 개략적으로 도시한, (a) 4개의 유체 교정기 및 4개의 전기 팬으로 실현된 AF 기계의 종방향 측면도, (b) 8개의 전기 팬을 구비하지만 유체 교정기 없이 실현된 AF 기계의 종방향 측면도이다.
도 17은 8개의 전기 팬을 구비하지만 유체 교정기 없이 실현된, AF 기계 (풍력 발전기)의 종방향 측면도을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 18은 개략적으로 도시한, (a) 5개의 유동 교정기 및 4개의 열적 에어포일 터빈, (b) 5개의 유동 교정기 및 4개의 전기 팬으로 형성된 가속 풍력 터빈의 두 가지 가능한 예에 대한 종방향 측면도이다.
도 19는 개략적으로 도시한, (a) FA 챔버의 입구의 대형 팬, 두 개의 열적 에어포일 터빈 및 두 개의 유체 교정기로 실현된 공기 모터의 정면도, (b) 공기 모터의 종방향 측면도, (c) 두 개의 전기 팬과 두 개의 유동 교정기로 실현된 풍력 발전기의 정면도, (d) 풍력 발전기의 종방향 측면도이다.
도 20은 두 개의 열적 에어포일 터빈 및 세 개의 유동 교정기를 구비한 대칭적인 수직의 수력 모터를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 21은 각각 8개의 전기 팬을 수용하는 8개의 AF 기계로 구성된 유체 패널을 개략적으로 도시한 도면이며, 이러한 유체 패널은 바람 또는 물에서 전기를 발생시키는 풍력 패널 또는 수력 패널로서 사용될 수 있다.
도 22는 전체 128 개의 전기 팬을 수용하는 4개의 지리학적 방향으로 유동하는 유체를 덮는 수직으로 분리된 유체 패널들의 두 층을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 23은 유체 발전기의 등가 회로를 도시한 도면이다.
도 24는 수직 가속 수력 발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 25는 (수중 전기 에너지 발생을 위해) 깊이 h0에 잠겨 있는 수평 수력 발전기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 26은 두 개의 일반적인 원심 팬과 이들 개략적으로 도시한 도면이다.
도 27은 2개의 원심 팬과 원심 팬의 직선 부분에 배치된 4개의 축류 팬을 사용하는 개방 AF 기계의 4가지 가능한 실현 예들을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 28은 탠덤 AFM을 형성하기 위하여 상호 연결될 수 있는 상이한 크기의 두 개의 AF 기계의 사시도로 도시한, (a) AFM 1의 종방향 측면도, (b) AFM 1의 스로트의 정면도, (c) AFM 2의 종방향 측면도, (d) AFM 2의 스로트의 정면도이다.
도 29는 AFM 1 스테이지에 속한 2개의 대형 터빈 및 AFM 2 스테이지에 속한 4개의 소형 터빈을 수용하는 탠덤 AFM 기계의 종방향 측면도이다.
도 30은 실험적인 탠덤 풍력 발전기를 개략적으로 도시한, (a) 배면도, (b) 정면도, (c) 종방향 측면도이다.
도 31은 개략적으로 도시한, (a) 직선부와 곡선부 사이에 점진적인 전이부(두 개의 180° 굽힘부)를 구비한 도넛형 밀폐 챔버 유체 발전기의 비어 있는 챔버, (b) 직선부와 곡선부 사이에 점진적인 네 개의 90° 전이부를 구비한 도넛형 밀폐 챔버 유체 발전기의 비어 있는 챔버의 도면이다.
도 32는 두 개의 180° 굽힘부를 구비한 밀폐 챔버 유체 발전기를 개략적으로 도시한 도면이다. 이 발전기는 두 개의 동일한 탠덤 AF 기계를 포함하며 팬 F1 및 F2의 작동에 의해 안에서 순환하는 공기 또는 물로부터 전기를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
도 33은 네 개의 90° 굽힘부를 구비한 밀폐 챔버 유체 발전기를 개략적으로 도시한 도면이다. 이 발전기는 두 개의 동일한 탠덤 AF 기계를 포함하며 팬 F1 및 F2의 작동에 의해 안에서 순환하는 공기 또는 물로부터 전기를 발생시키기 위해 사용될 수 있다.
도 34는 개략적으로 도시한, (a) 양쪽에 아이(eye)를 구비한 두 개의 원심 팬과 원심 팬을 결합하는 직선부에 배치된 네 개의 축류 팬을 사용하는 개방 챔버 FEG의 도면, (b) 원심 팬을 위한 밀폐 챔버 가속 유체 기계의 3차원 도면이다.
도 35는 상부에 가속 풍력 터빈을 구비한 항공기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 36은 갑판에 5개의 풍력 발전기의 스택과 잠겨 있는 수평 수력 발전기를 구비한 화물선을 도시한 도면이다.
도 37은 6개의 수직 수력 발전기의 배터리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 38은 풍력 발전기 어레이를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 39는 두 개의 대각으로 배치된 AW 터빈을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 40은 개략적으로 도시한, (a) HWAT 기계의 측면도, (b) AWT 기계의 측면도이다.
본 명세서에서 설명하는 주된 혁신적인 것은 가속 유체 기계와 이에 대한 주요 변형들, 즉 수력 발전기, 풍력 발전기 및 가속 풍력 터빈이다. 또한, 유체 패널 같은 AF 기계 및 탠덤 AF 기계들의 조합들이 더욱 높은 전력 발생을 달성하기 위해 제안되었다. 조합들의 각각을 실현하기 위해 대칭적인 AF 기계 및 높은 유동률 Q를 갖는 무브러시 직류 전기 축류 팬을 채용하는 것을 제안한다. 수력 발전기를 실행하는 최상의 방식으로서, 이것은 수직 가속 수력 기계, 수직 AW 기계를 위한 동력 계산 및 수직 가속 수력 기계를 위한 실현성 조건에 대한 부분에서 이미 설명하였다.
풍력 발전기를 실현하는 최상의 방식과 관련하여, 설계 과정은 두 부분 즉, 동력 계산 및 전력 계산으로 나뉠 수 있다. 동력 계산은 동력 계산, AF 기계를 위한 동력 이득의 계산 및 유체 터빈의 자체 지속 운동의 조건에 대한 부분에서 설명한 것과 같이 실행된다. 이러한 계산의 목적은 필요한 팬의 개수 Nt, 소정 유체 속도 Vφ1에 대한 분당 회전수 n, 입력 동력 Pi, 발생 동력 Pg, 및 자체 지속 가능한 운동 즉 Gpm > 1을 보장하는 동력 이득 Gpm을 결정하기 위한 것이다. 일단 이것이 달성되면 전력 계산, 자체 지속 가능한 유체 발전기에 대한 부분에서 설명한 바와 같이 전력 계산이 실행되고, 전력 이득 Gpm은 자체 지속성을 위해 반드시 1보다 커야 한다는 것을 유의해야 하며, 모터 팬의 전체 입력 저항 Ri, 발전기 팬의 전체 출력 저항 Ro, 적용된 입력 전압 vi, 발생 전압 vg은 반드시 불균등 (51)을 충족시켜야 한다.
예
D = 0.5 m, d = 0.3 m, Nt = 동일한 4 개의 팬(각각의 팬은 Nb = 8 개의 블레이드를 구비), n = 900 rpm이고, 블레이드 파라미터로서 CD = 0.040163, CL = 0.46852, 스팬 s = 0.09 m, 코드 c = 0.175 m, φ = 45°, k = 1, Vφ1 = 8.25 m/s를 갖는 풍력 발전기를 가정하여 설명한다. 다음에, 식 (8), (9), (15), (32), (37), (38)을 각각 적용함으로써 kf, 노즐 길이 ln, Vφ2, Vφ, 입력 유체 동력 Pφi, 발생 동력 Pg, 동력 이득 Gpm에 대해 표 3에 나타낸 결과들이 얻어졌다.
풍력 발전기에 대한 동력 계산 결과
k kf ln, m Vφ1, m/s Vφ2, m/s Vφ, m/s Pφi, W Pg, W Gpm
1 4 0.95 8.25 33 46.67 173.58 4,282.65 24.67
가속 풍력 터빈을 실현하는 최상의 방식이 도 40 (b)에 개략적으로 도시되어 있다. 먼저, 전형적인 수평축 풍력 터빈으로 얻을 수 있는 동력 이득과 가속 풍력 터빈으로 얻을 수 있는 동력 이득을 비교한다. 도 40은 양자의 기계에 대한 측면도를 도시한다. 양자의 기계의 최대 직경은 동일한 것으로 가정한다. 즉 Di = D + kd이다. 양자의 기계 간에 성능 비교를 위하여, AW 터빈은 단지 하나의 팬을 가지며, 양자의 기계의 3개의 블레이드는 계수 CL 및 CD에 대한 동일한 값을 갖는다는 것을 가정할 것이다.
양자의 기계의 입구에서 유입되는 바람의 동력 Pφi는 아래의 식으로 주어진다.
Pφi = πρ(D + kd)2 Vφ1 3/8 (87)
전형적인 풍력 터빈에 대한 베츠의 법칙(Betz's Law)에 따라, 유입되는 바람으로부터 HAWT이 포획할 수 있는 최대 출력 Pi는 59.3%, 즉 HAWT 동력 효율 ≤ 59.3%이다.
식 (26)으로부터, Nb 블레이드, 코드 c를 갖는 HAWT에 대해 발생되는 유용한 동력 Pg는 아래의 식으로 쉽게 나타내어질 수 있다.
Pg = (π/480)ρ(CL sin φ - CD cos φ)Nb c[(D + kd)2 V-d2)]nVφ 1 2 (88)
한편 AWT에 대해서, Pg를 계산하기 위해 식 (26)을 사용한다.
Pg=(π/480)ρ(CLsinφ-CDcosφ)Nbc(D2-d2)nVφ 2 (26)
여기에서 Vφ는 식 (35)로서 주어진다.
Vφ=kfVφ1/sinφ (35)
그리고 양자의 기계에 대한 동력 이득(효율)은 식 (38)로 정의된다.
Gpm=Pg/Pφi (38)
식 (87), (88), (26), (35), (38)은 HAWT 및 AWT를 설계하기 위해 사용될 수 있다.
예
HAWT 및 AWT 기계 모두에 대해 동일하게 아래와 같은 데이터를 가정한다.
Vφ1 = 10 m/s, Nb = 3 개의 블레이드, k = 2, 계수 값 CD = 0.040163, CL = 0.46852, D = 0.5 m, d = 0.3 m, 블레이드 코드 c = 0.15 m, n = 900 rpm. 다음에, 이전의 데이터 및 식 (8), (9), (35), (87), (88) 또는 (26), (38)을 적용함으로써, 유체 속도 승수 kf, 노즐 길이 ln, AWT 스로트에서 상대 유체 속도 Vφ, 입력 동력 Pφi, 발생 동력 Pg, 동력 이득 Gpm에 대해 표 4에 나타낸 결과를 얻는다. HAWT에 의해 발생된 동력은 110.61 W인 반면에, 본 발명에 따른 AW 터빈에 의해 발생된 동력은 1,807.34 W로서 16배 크다. 한편, 이 AWT에서의 동력 이득 Gpm은 100%를 초과하는데, 이러한 동력 이득은 HAWT에서는 불가능한 것이다.
HAWT 와 AWT 기계에 대한 동력 계산 결과
기계 k kf ln, m Vφ1, m/s Vφ, m/s Pφi, W Pg, W Gpm
HAWT 2 적용불가 적용불가 10 적용불가 584.45 110.61 0.19
AWT 2 7.56 1.89 10 106.95 584.45 1,807.34 3.09

Claims (11)

  1. 세 개의 주된 구성품의 장치인 가속 유체 기계로서,
    본 명세서에 설명된 바와 같이 유체 유동이 주위 환경으로부터 포획되거나 팬에 의해 생성되어 가속되는 유체-가속 챔버 또는 수렴 노즐;
    줄지어 배치되거나 유체-가속 챔버에 후속하는 벤튜리형 스로트에서 유동 교정기에 의해 분리된 하나 이상의 팬; 및
    유체 유동을 감속하기 위해 벤튜리형 스로트에 후속하는 배기 노즐 또는 발산 노즐을 포함하며,
    효율을 향상시키기 위해 팬 대신에 열적 에어포일 터빈이 사용될 수 있고, 스로트 내의 팬이 열적 에어포일로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 가속 유체 기계.
  2. 각 블레이드에 작용하며 각 블레이드의 양측에서의 압력 차이로 유발되는 양력에 의해 발생되는 기계적 에너지 및/또는 전기 에너지를 생성하기 위하여 유입하는 유체 유동과 마주하여 배치된 블레이드를 구비한 유체 터빈으로 사용되는 일반적인 팬의 용도.
  3. 본 명세서에서 참고 문헌으로 인용되어 설명된 것에 대한 임의 변형들에서의 밀폐 챔버 가속 유체 기계.
  4. 본 명세서에서 설명되었고 주위의 에너지 공간으로부터 열적 에너지를 추출하고 상기 열적 에너지를 기계적 에너지 및/또는 전기 에너지로 변환하기 위한 전기 팬 또는 열적 에어포일 터빈을 구비하여 실현된 임의 변형들에서 유체 패널의 개념 및 기기.
  5. 본 명세서에서 설명된 임의 변형들에서 탠덤 가속 유체 기계의 개념 및 기기.
  6. 본 명세서에서 설명된 수력 모터(WM) 및 공기 모터를 포함하며, 유체 가속 챔버 내에 배치된 팬 블레이드에서 발생한 기계적 에너지가 발전기를 사용하여 전기 에너지로 더 이상 변환되지 않을 경우 차량, 가공기, 펌프 등을 가동하기 위해 사용될 수 있는 에너지가 얻어질 수 있는 임의의 기계적 모터.
  7. 본 명세서에서 설명된 바와 같이 네거티브 게이지 수류 압력을 이용하는, 임의 변형들에서의 가속 수력 기계 및 수력 발전기의 설계 방법.
  8. 본 명세서에 설명된 바와 같이 유체 가속 챔버 내의 풍속을 증가시키고 모든 블레이드가 유입되는 기존에 가속된 기류와 마주하여 벤튜리형 스로트 내에 터빈을 배치하는 것에 기초한 가속 풍력 터빈 및 수평 풍력 터빈에 대한 새로운 설계 방법.
  9. 본 명세서에 설명된 것과 같은 유체 발전기(FEG).
  10. 본 명세서에 설명된 바와 같이 이동하는 육상, 항공, 해상 차량에 의해 수송될 때 상기 차량이 필요로 하는 전기 에너지를 부분적으로 또는 전체적으로 발생시키기 위해 사용될 수 있는 이동식 가속 풍력 터빈 및 이동식 수력 발전기.
  11. 본 명세서에 도시되거나 설명된 에너지 적용 분야 및 다른 적용 분야에 사용되는 본 명세서에서 청구하는 장치 및 기계 그리고 본 명세서에서 청구하는 상기 장치와 기계를 사용하게 될 장래에 나타날 장치의 모든 장치.
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