KR20170023069A - 터빈 블레이드 장치 - Google Patents

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Abstract

풍력 터빈 장치(70)는 회전 가능한 제1 블레이드 구조 및 제2 블레이드 구조를 포함한다. 제1 블레이드 구조는 제1 풍력 터빈(76)의 일부분을 형성하며 제2 블레이드 구조는 제2 풍력 터빈(74)의 일부분을 형성한다. 제2 풍력 터빈(74)은 제1 풍력 터빈(76)에 회전력을 제공할 수 있다. 제1 터빈(76)을 작동시키는데 필요한 풍속보다 낮은 풍속에서, 제2 터빈(74)은 작동 가능하며 제1 터빈(76)을 회전시키도록 동력을 제공한다.

Description

터빈 블레이드 장치{TURBINE BLADE ARRANGEMENT}
본 발명은 터빈용 블레이드 장치와, 이를 포함하는 터빈에 관한 것이다.
종래의 석탄, 석유, 가스 및 원자력 발전의 위험 및 환경 영향이 더 잘 이해되고 인식됨에 따라 대안적인 발전 형태에 대한 요구가 증가하고 있다. 최근 몇 년 동안, 에너지를 생성하는 더욱 성공적인 대안적인 발전 방법의 하나는 풍력이었다. 풍력 발전을 위한 많은 다른 공지된 장치가 있지만, 대부분은 풍력에 의해 회전하고 이로써 에너지를 생성하는 블레이드를 구비하는 터빈을 제공하는 방식에 의존한다.
그러한 풍력 발전에 따른 효율은 바람의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환될 수 있는 효율에 달려 있는데, 이는 블레이드가 회전축을 중심으로 회전할 수 있는 효율에 달려있다.
풍력 터빈이 작동하는 방식으로 인해, 바람의 영향을 받아 회전하는 블레이드는 종종 지면에 대해 수직으로 회전하도록 지향된다. 따라서 각각의 업-스트로크(up-stroke)에 대해 중력에 대해 블레이드를 들어 올릴 필요가 있다.
또한, 풍력 발전 중에 경험되는 알려진 문제점들 중 하나는 바람의 속도가 변화함에 따라 블레이드 장치(또는 바람에 의해 회전하는 부분)가 받는 힘이 크게 변화한다는 것이다. 따라서, 회전축에 대한 하중 배치를 변화시킴으로써 블레이드 장치의 관성 모멘트를 변화시키는 것이 알려졌다. 이러한 장치는, 예를 들어 국제특허 공개 공보 2004/011801에 개시된다. 그러나, 이러한 공지된 장치는 회전축에 대해 대칭적으로 관성 모멘트를 변화시킨다. 또한, 관성 모멘트를 변경하기 위해 제안된 수단은 비교적 고가이고 마찰을 유발하는 장치에 의존한다.
최근의 터빈들은 최소 풍속을 요구하며, 풍속이 증가함에 따라 출력이 거의 선형으로 증가하며, 달성될 경우, 풍력에 따라 증가하지 않는, 최대 정격 출력을 가진다. 터빈은 미리 설정된 풍속에서 터빈이 손상되지 않도록 터빈이 차단될 때까지 풍속이 더욱 증가함에 따라 최대 출력을 생성한다. 최근의 터빈들의 문제는 터빈이 동력을 생산할 수 있는 풍속의 범위가 제한된다는 것이다.
국제특허 공개 공보 2004/011801
본 발명의 제1 양태는 회전 가능한 제1 블레이드 구조와; 제1 블레이드 구조의 회전을 구동하도록 작동 가능하고 회전 가능한 제2 블레이드 구조를 포함하는 풍력 터빈 장치를 제공한다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조보다 더 낮은 풍속에서 회전 가능하다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는, 상기 제2 블레이드 구조가 포함하는 복수의 블레이드들보다 더 큰 직경을 가지는 복수의 블레이드들을 포함한다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 전기식 수단에 의해 상기 제2 블레이드 구조에 연결되며, 상기 제2 블레이드 구조에 의해 구동되도록 작동 가능하다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 공압 수단에 의해 상기 제2 블레이드 구조에 연결되며, 상기 제2 블레이드 구조에 의해 구동되도록 작동 가능하다.
바람직하게는, 상기 공압 수단은 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조로 구동되도록 작동 가능한 펌프와, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조를 구동시키도록 작동 가능한 임펠러를 포함하며, 상기 펌프는 상기 임펠러로 유체를 펌핑하도록 작동 가능하다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조에 연결되고, 상기 제2 블레이드 구조에 의해 기계적으로 구동되도록 작동 가능하다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 그 부분 또는 전체가 상기 제1 블레이드 구조의 나셀 내에 수용된다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조 및 상기 제2 블레이드 구조는 단일 구조체에 의해 지지된다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조 및 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 동일한 축 상에 배치된다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 제1 축에 대해 회전하며, 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 제2 축에 대해 회전하고, 상기 제1 축은 상기 제2 축 위에 있다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 제1 구조체에 의해 지지되며, 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 제2 구조체에 의해 지지된다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 제1 축에 대해 회전하는 복수의 블레이드들과, 상기 제1 축으로부터의 상기 제1 블레이드 구조의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 회전 각도를 검출하기 위한 회전 검출기와, 검출된 위치에 따른 관성 모멘트를 변경하는 컨트롤러를 더 포함하며, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 관성 모멘트는 상기 제1 축에 대한 상기 제1 블레이드 구조의 회전 각도에 의존한다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 각각의 블레이드는 다른 블레이드들의 관성 모멘트와 독립적으로 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 블레이드의 관성 모멘트는, 상기 블레이드의 운동이 중력에 반할 경우 감소하며, 상기 블레이드의 운동이 중력과 일치할 경우 증가한다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드들의 길이 방향은 지면과 실질적으로 수직하도록 배치되며, 상기 관성 모멘트는 12시 방향으로부터 측정되었을 때 상기 블레이드가 수선으로부터 약 7도 내지 180도로 회전할 경우에 증가한다.
바람직하게는, 상기 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 모든 블레이드들의 관성 모멘트를 동시에 변경하도록 작동 가능하다.
바람직하게는, 상기 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 풍속의 변화에 동시에 반응하여 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 모든 블레이드들의 관성 모멘트를 변경하도록 작동 가능하다.
바람직하게는, 상기 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 상기 블레이드에 구비되는 보이드와, 대응하는 상기 블레이드의 관성 모멘트를 변경하도록 상기 보이드 내외로 제1 유체를 펌핑하는 펌프를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 유체는 공기보다 밀도가 더 높다. 대안적으로, 상기 제1 유체는 공기보다 밀도가 더 낮을 수도 있다.
바람직하게는, 상기 제1 유체를 위한 제1 리저버를 더 포함하며, 상기 펌프는 상기 제1 리저버와 상기 보이드 사이에 상기 제1 유체를 펌핑하고, 상기 제1 리저버의 위치는 상기 보이드의 위치보다 상기 제1 축에 더 가깝다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 상기 블레이드와 상기 제1 축 사이의 거리를 변경하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 블레이드와 상기 제1 축 사이의 거리를 변경하기 위한 수단은 유압 실린더를 포함한다.
바람직하게는, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 상기 제1 축에 허브를 포함하며, 상기 허브는 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드에 연결되고, 상기 블레이드와 회전하며, 상기 제1 축으로부터 상기 허브의 관성 모멘트를 오프셋하기 위한 수단을 포함한다.
바람직하게는, 상기 허브의 관성 모멘트는 상기 제1 축에 대해 수직한 방향으로 상기 제1 축으로부터 오프셋된다.
바람직하게는, 상기 허브의 오프셋 관성 모멘트는 상기 제1 축에 대해 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조를 회전시키도록 회전력을 가한다.
바람직하게는, 상기 허브는 상기 제1 축으로부터 부분적으로 또는 전체적으로 오프셋된 복수의 챔버들을 포함하며, 각각의 챔버의 관성은 각각의 챔버 내외로 제2 유체를 펌핑함으로써 변경 가능하다.
첨부되는 도면들을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예들이 본 명세서에서 설명된다.
도 1은 블레이드 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 블레이드의 관성 모멘트를 제어하기 위한 장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 블레이드 장치를 개략적으로 도시한다.
도 4는 블레이드 및 허브 구조의 측면도이다.
도 5a는 블레이드 및 허브 구조의 개략적인 단면도이다.
도 5b는 또 다른 허브 구조의 개략적인 단면도이다.
도 6은 임펠러의 개략적인 단면도이다.
도 7은 제2 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 풍력 터빈의 출력에 대한 그래프를 도시한다.
도 1은 블레이드 장치(80)를 도시한다. 블레이드 장치(80)는 축(88)을 중심으로 화살표(90)의 방향으로 회전하도록 배열된 블레이드(82, 84, 86)를 포함한다. 블레이드(82)는 블레이드(82)의 축방향 단부에 위치한 앵커(82a)를 포함한다. 앵커(82a)는 앵커(82c)에 차례로 연결된 유압 실린더(82b)에 연결된다. 앵커(82c)는 블레이드(82)가 회전하는 축(88)에 연결된다. 유사한 방식으로, 블레이드(84)는 앵커(84c)에 부착된 유압 실린더(84b)에 부착된 앵커(84a)를 포함하고, 블레이드(86)는 차례로 앵커(86c)에 부착된 유압 실린더(86b)에 부착된 앵커(86a)를 포함한다. 두 앵커(84c, 86c)는 축(88)에 부착된다.
유압 실린더(82b, 84b, 86b)는 각각의 앵커(82a, 84a, 86a, 82c, 84c, 86c) 사이의 거리를 변화시키도록 작동한다. 이러한 방식으로, 유압 실린더(82b, 84b, 86b)는 블레이드(82, 84 및 86)의 단부의 축(88)으로부터의 거리를 변화시키도록 작동한다. 블레이드(82, 84 및 86) 각각의 관성 모멘트는 그에 따라 화살표(90)로 부분적으로 도시된 원에서의 회전함에 따른 블레이드의 위치에 의존하여 변화될 수 있다.
유압 실린더(82b, 84b, 86b)가 그와 대응하는 앵커(82a, 82c; 84a, 84c; 및 86a, 86c)와 상호 작용하는 정확한 방식은 도 1에 도시되어 있지 않다. 그러나, 당업자는 다른 많은 공지된 장치와 마찬가지로, 적절한 유압 펌프 장치가 이를 배치하는 적절한 방식이라는 것을 이해할 것이다.
유압 실린더(82b, 84b, 86b)는 축(88)에 대해 회전함에 따라 대응하는 블레이드(82, 84, 86)의 방사상 위치를 변화시킨다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 블레이드(82)는 축(88)으로부터 가장 멀리 위치되지만, 블레이드(84)는 축(88)과 가장 가깝다. 블레이드(86)는 블레이드(82)의 위치와 블레이드(84)의 위치 사이의 중간 위치를 차지한다.
블레이드(82, 84, 86)는 화살표(90)의 방향으로 회전한다. 따라서, 임의의 블레이드에 대한 업스트로크(upstroke)(중력에 반하는 스트로크)는 실질적으로 도 1에 도시된 블레이드(82)의 위치와 블레이드(84)의 위치 사이에서 발생한다. 이러한 업스트로크 중에 블레이드와 축(88) 사이의 거리가 감소하여 블레이드의 관성 모멘트를 감소시킨다.
도 2는, 예를 들면, 도 1에 도시된 블레이드의 관성 모멘트를 제어하기 위한 장치(200)를 도시한다. 장치(200)는 회전 가능한 장치의 회전 각도(회전의 원 안에서의 특정 블레이드의 위치)를 검출하는 센서(202)를 포함한다. 이러한 센서는 예를 들어 회전 가변 저항기를 포함할 수 있지만, 많은 다른 센서가 당업계에 공지되어 있으므로 본 명세서에서는 더이상 설명하지 않을 것이다.
장치(200)는 블레이드 구조(206)의 블레이드에 부착된 컨트롤러(204)를 더 포함한다. 위치 센서(202)는 블레이드가 그의 회전축을 중심으로 회전함에 따라 블레이드의 위치를 검출한다. 이러한 위치는 컨트롤러에 전달되며, 이러한 정보를 이용하여 블레이드 구조(206)의 각각의 블레이드의 관성 모멘트를 변화시켜 블레이드의 업스트로크에서의 모멘트를 감소시키고, 다운 스트로크에서 감소시킨다. 이러한 방식으로, 공지의 구조와 비교할 때, 이러한 구조에 따른 블레이드 구조를 회전시키기 위해 사용되는 에너지가 더 적다.
유리하게는, 블레이드 구조 내의 개별 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 전술한 구조가 함께 동작될 수 있다. 이러한 방식으로, 블레이드 구조 내의 모든 블레이드의 관성 모멘트가 동시에 변경될 수 있다. 이는 풍력 터빈의 효율이 지배적인 풍속에 따라 관성 모멘트를 조정함으로써 조정될 수 있는 풍력 터빈에서 특히 유리하다. 두 가지 양태가 함께 작동할 수 있음을 이해해야 한다(즉, 모든 블레이드의 관성 모멘트는 변화될 수 있고 각각의 블레이드의 관성 모멘트는 모든 블레이드가 변화되는 정도에 의해 결정되는 범위 내에서 변할 수 있다). 도 3은 본 발명의 일 실시예의 상세한 측면도이다.
도 3은 절단된 단일 블레이드(124)가 도시된 블레이드 구조(120)를 도시한다. 블레이드(124)는 축(122)을 중심으로 회전하는 하우징(123)에 연결된다. 블레이드(124) 및 하우징(123)은 샤프트(132)에 부착되고 바람과의 상호 작용으로 인한 블레이드(124)의 회전은 하우징 및 샤프트를 회전시킨다. 샤프트(132)는 블레이드 구조(120)가 공지된 풍력 발전기의 방식으로 전기를 발생시키도록 발전기(미도시)에 부착된다. 본 실시예에서, 나셀(nacelle)(140)은 제1 나셀 블레이드(142) 및 제2 나셀 블레이드(144)를 포함한다. 나셀 블레이드(142, 144)는 나셀(140)을 중심으로 회전하고 발전기(150)에 부착되어 나셀 블레이드(142, 144)의 운동은 공지된 방식으로 발전기(150)로써 전기를 발생시킨다. 나셀 블레이드(142, 144) 및 발전기(150)를 포함하는 소형 보조 풍력 터빈은 훨씬 더 낮은 컷 인 속도(cut in speed)를 가지므로, 주 블레이드(124)에 의해 요구되는 것보다 훨씬 낮은 풍속에서 작동할 것이다.
일 실시예에서, 소형 보조 풍력 터빈은 0.5m/s 이하의 컷 인 속도를 가지는 허니웰(Honeywell)(RTM) 사에 의해 제조된 윈드트로닉스(WindTronics)(RTM) 풍력 터빈이다. 이러한 소형 보조 터빈은 주 터빈의 어느 곳에나 장착할 수 있으며 반드시 나셀의 일부분을 형성하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 보조 터빈은 가능한 한 높은 풍속으로 이를 노출시키기 위해 가능한 한 높게 장착된다.
블레이드(142 및 144)의 작용에 의해 전기를 발생시키는 발전기(150)는 블레이드 구조(120)에 의해 생성된 전기 발전과 구별된다. 대신에, 발전기(150)는 차례로 펌프(128)에 연결되는 컨트롤러(126)에 연결된다.
펌프(128)는 리저버(reservoir)(134)에 연결된 도관(130)에 연결된다. 펌프(128)는 도관(136)에 의해, 블레이드(124) 내에 위치한 리저버(137)에 추가로 연결된다. 펌프(128) 및 유압 리저버(134)는 하우징(123)의 외부에 위치하며, 블레이드(124)와 함께 회전하지 않는다. 펌프(128)는 회전 유니언(union)(미도시)에 의해 도관(136)에 연결된다.
컨트롤러(126)는 회전축(122)을 중심으로 블레이드(124)의 회전 위치를 검출하기 위한 센서(미도시)를 포함한다. 또한, 컨트롤러(126)는 도관(130 및 136)을 통해 리저버(134)와 리저버(137) 사이에서 액체(본 경우에서, 물)를 펌핑하도록 펌프(128)를 작동시킨다.
도 3의 구조(120)은 바람을 사용하여 블레이드(124)의 관성을 변화시키기 위한 구조를 제어하도록 전력을 생성한다. 본 실시예에서, 나셀 블레이드(142, 144)는 지배적인 바람을 사용하여 블레이드의 관성 모멘트를 변경시키는 구조를 작동시키는데 요구되는 전력을 발생시킨다. 바람직하게는, 이는 전력이 요구되는 경우에만 (즉, 풍력 터빈이 작동하기에 충분한 지배적인 바람이 존재할 때) 필요한 전력을 발생시킨다.
전술한 실시예에서, 하나 이상의 블레이드의 관성 모멘트는 블레이드의 회전 위치에 따라 변한다. 바람직하게는, 블레이드가 수직으로부터 측정했을 때 약 7도 내지 180도로 회전할 때 관성 모멘트가 증가된다. 대안적으로, 블레이드가 수직에서 측정하여 25도 내지 135도로 회전할 때 관성 모멘트가 변경된다. 다른 실시예에서, 관성 모멘트는 블레이드가 회전함에 따라 정현파 방식으로 연속적으로 변화한다.
도 4는 블레이드 및 허브 구조를 도시한다. 나셀(41)은 복수의 주 블레이드(42)(부분적으로 도시됨)에 연결된다. 주 블레이드(42)는 중심축(44)을 중심으로 나셀(41)과 함께 회전하도록 작동할 수 있다. 허브(40)는 주 블레이드(42) 및 나셀(41) 구조의 후방에 위치한다. 허브(40)는 주 블레이드(42)에 연결되어 주 블레이드(42)의 회전 운동이 허브(40)로 전달되고, 그 반대의 경우도 가능하다. 허브(40) 및 주 블레이드 구조는 회전 운동으로부터 전력을 생성하기 위해 통상적인 터빈에 연결된다. 허브(40)는 유체 회로의 일부이며, 유체를 수용하거나(43a) 유체를 제공할 수 있다(43b). 중심축(44) 위의 지점에서 허브(40)에 의해 유체가 수용되고(43a), 중심축(44) 아래의 지점에서 허브에 의해 유체가 제공된다(43b). 주 블레이드(42)와 독립적으로 회전하고 주 블레이드(42)보다 낮은 풍속에서 작동 가능한 복수의 보조 블레이드는 도시되지 않았으며, 즉, 보조 블레이드는 더 낮은 컷-인 속도를 갖는다. 보조 블레이드는 유체를 허브(40)로 펌핑하는데(43a) 사용되는 전력을 생성하도록 작동하는 보조 터빈에 연결된다. 사용 시, 보조 블레이드는 낮은 풍속에서 회전된다. 이러한 낮은 풍속은 주 블레이드(42)를 회전시키기에 불충분하다. 보조 터빈에 의해 생성된 전력은 허브(40)로/허브(40) 밖으로 유체를 펌핑하는데 사용된다.
도 5a는 도 4의 A-A'선을 가로지르는 블레이드 및 허브 구조의 개략적인 단면도이다. 도 5a는 중심축(44) 둘레에 배치된 8개의 챔버를 포함하는 허브(40)를 도시한다. 4개의 챔버가 중심축(44)의 좌측에 있고, 4개의 챔버(40a, 40b, 40c, 40d)는 우측에 있다. 허브(40)는 화살표(45a)로 지시된 방향으로 블레이드와 함께 회전하도록 배치된다. 본 실시예에서, 8개의 챔버가 있다. 다른 실시예에서, 챔버의 수는 다양할 수 있지만, 3개 이상이어야 한다.
사용 시, 보조 터빈으로부터의 전력은 중심축(44)의 우측의 최상위 챔버인 제1 챔버(40d)로 유체를 펌핑하는데 사용된다. 허브(40)는 회전하고(45a) 제2 챔버(40c)는 제1 챔버(40d)의 위치를 점한다. 그리고 나서, 제2 챔버(40c)는 중심축(44)의 우측 최상부 챔버로서 유체를 수용하도록 위치된다. 유체는 제2 챔버(40c) 내로 펌핑되고, 허브(40)는 회전하고(45a) 허브의 제3 챔버(40b)는 중심축(44)의 우측에 있는 최상부 챔버에 위치되고 유체로 채워진다. 이는 제1 챔버(40d)가 중심축(44)의 우측 최하부 챔버이고 제4 챔버(40a)는 중심축(44)의 우측 최상부 챔버일 때까지 계속된다. 4개의 챔버(40a, 40b, 40c, 40d) 모두는 허브(40)의 상부 지점에서 그것들 안으로 펌핑된 유체를 포함하고, 이는 도 5a에 도시된다. 우측의 4 개의 챔버(40a, 40b, 40c, 40d)는 유체를 포함하는 것으로 표현하기 위해 음영 처리된다. 챔버가 중심축(44)의 우측 최하위 챔버가 될 때, 유체는 각각의 챔버(도 4의 화살표(43b)로 도시됨)로부터 펌핑되어 나온다. 유체의 허브 내외로의 펌핑은 유체의 출입이 허브의 회전을 돕기 위한 방식으로 수행된다.
대안적인 구조에서, 보조 터빈에 의해 생성된 전력은 허브(40)로부터 유체를 펌핑하는(43b) 제1 펌프 및/또는 허브(40) 내로 유체를 펌핑하는(43a) 제2 펌프에 전력을 공급하는데 사용된다. 전술한 중심축(44)의 일측면상의 챔버의 연속적인 충전 및 비우기는 허브(40)의 측면의 챔버의 질량을 비유체 충진 측의 챔버보다 더 크게 증가시킨다. 도 5a의 허브(40)의 관성 중심은 허브(40)의 챔버 내의 유체 질량의 불균일한 분포로 인해 중심축(44)의 우측에 있다. 관성의 오프셋 중심은 중심축(44)에 대한 모멘트 힘을 제공한다. 중심축(44)의 오른쪽에 있는 챔버가 유체로 연속적으로 채워지면, 중심축(44)으로부터 오프셋된 허브(40)에 작용하는 모멘트가 계속될 것이다. 이러한 오프셋 모멘트는 중심축(44)에 대해 허브(40)를 회전시키기 위한 일정한 힘을 제공한다. 허브(40)의 회전은 주 블레이드(42)의 대응 회전을 일으킨다. 주 블레이드 구조 내의 마찰력을 극복하기 위해 많은 양의 에너지를 필요로 하는, 주 블레이드의 초기 회전은 보조 블레이드의 움직임으로부터 생성되는 에너지를 사용하도록 한다.
펌핑은 유체를 허브 챔버로 부가하는 것에 대해 앞서 설명되었지만, 유체를 주입하기 위한 힘을 제공하기 위해 중력이 또한 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 후방으로부터의 허브의 충진에 한정되지 않아야 한다. 유체는 허브의 상부 표면을 통해 허브에 진입하고 하부 표면을 통해 빠져나올 수 있다. 챔버의 수는 둘 이상이어야 하지만, 허브는 또한 더 많은 수의 챔버를 포함할 수도 있다.
도 5b는 화살표(45b)의 방향으로 회전 가능한 다른 허브를 도시한다. 도 4에서, 허브(40)는 허브(40)의 후방을 통해 유체를 수용하고(43a) 제공할(43b) 수 있고 유체 회로의 일부이다. 도 5b에 도시된 실시예에서, 유체는 허브(40a)의 상부 지점(50a)에서 수용되고, 허브의 하부 지점(50b)에서 제거된다. 상부 지점(50a)은 최상부 지점 또는 상부 챔버의 최상부 지점에 가까운 지점이다. 하부 지점(50b)은 하부 챔버의 최하부 지점 또는 최하부 지점에 가까운 지점이다. 상부 지점(50a)에서, 유체는 수평 및 회전 방향(45b)에 대하여 예각으로 펌핑된다. 이것은 유체가 운동 방향(45a)으로 임펄스의 성분을 갖는 허브에 임펄스를 제공하기 위한 것이다. 하부 지점(50b)에서, 유체는 수평 및 회전 방향(45b)에 대해 예각으로 펌핑된다. 이는 적어도 허브와 허브를 나가는 유체 사이의 마찰력의 성분이 운동 방향(45a)에 있도록 하기 위한 것이다.
도 6은 보조 터빈을 주 터빈에 회전 가능하게 연결하기 위한 임펠러(60)를 도시한다. 임펠러(60)는 들어오는 유체를 수용하기 위한 개방된 입구로서 작용하는 중심 눈(60b)과 중심 눈(eye)(60b)으로부터 외측 가장자리까지 방사상으로 유체를 밀어내기 위한 복수의 베인(vanes)(60a)을 갖는다. 임펠러(60)는 축(64)을 중심으로 화살표(65)의 방향으로 회전 가능하다. 도 7은 도 6의 임펠러를 포함하는 공압 시스템(70) 주변에서 에너지를 전달하기 위한 공압 유체의 리저버를 제공하는 유체 저장소(71)를 도시한다. 유체가 유체 저장소(71)로 복귀되기 전에 임펠러(73)를 통해 유체 저장소(71)로부터 유체를 펌핑하도록 펌프(72)가 작동 가능하여 공압 회로를 완성할 수 있다. 펌프(72)는 보조 터빈(74)에 의해 동력을 공급 받고 펌프 커플링(75)에 의해 보조 터빈(74)에 연결된다. 일 실시예에서, 펌프 커플링(75)은 전기 전도체 및 모터를 포함하여 에너지가 보조 터빈(74)으로부터 전기를 사용하는 펌프(72)로 전달된다. 또 다른 실시예에서, 펌프 커플링(75)은 또 다른 임펠러에 연결된 또 다른 유체 펌프를 포함하고, 보조 터빈(74)의 회전은 또 다른 임펠러를 회전시켜 유체를 펌핑하여, 펌프(72)에 전원을 공급하며, 또 다른 실시예에서, 펌프 커플링(75)은 펌프(72)와 보조 터빈(74) 사이의 물리적 연결을 포함한다.
주 터빈(76)은 주 터빈 샤프트(77)에 의해 임펠러(73)에 연결된다. 주 터빈 샤프트(77)는 임펠러(73)를 주 터빈(76)에 기계적으로 연결한다. 임펠러(73)를 통과하여 펌프(72)에 의해 구동되는 공압 유체는 임펠러(73)를 회전시키며, 이는 주 터빈 샤프트(77)를 회전시키고 주 터빈(76)에 동력을 제공한다.
사용 시, 보조 블레이드 세트(미도시)의 동력 회전으로부터 보조 터빈(74)에 의해 생성된 에너지는 펌프(72)에 동력을 공급한다. 펌프(72)는 공압 회로 주위에서, 그리고 주 터빈(76)에 동력을 공급하고 주 터빈(76)에 연결된 주 터빈 블레이드 세트(미도시)의 회전에 동력을 공급하는 임펠러(73)를 통해 공압 유체를 펌핑한다. 다른 실시예에 따르면, 보조 터빈(74)에 연결된 보조 블레이드 세트는 주 터빈(76)에 연결된 주 터빈 블레이드를 회전시키는데 필요한 것보다 더 낮은 풍속으로 회전할 수 있다.
도 8은 수평축 상의 터빈이 받는 정상 풍속에 대해 풍력 터빈의 출력이 수직축 상에 도시된 그래프를 도시한다. 그래프 상에 도시된 실선은 종래의 풍력 터빈을 나타내며, 이에 의해 터빈을 회전시켜 전력을 발생시키는데 최소의 풍속이 요구된다. 이 최소 풍속, 또는 컷-인 속도는 그래프 상의 점 C에 해당한다. 풍속이 증가함에 따라, 터빈에 의해 생성된 전력은 정격 출력 풍속(E)에서 발생하는 최대 정격 출력(A)에 도달할 때까지 증가한다. 풍속이 더 증가하면, 터빈의 출력은 증가하지 않고 최대 정격 출력(A)으로 유지된다. 풍속이 컷-아웃(cut-out) 속도에 도달하면, 터빈은 셧 다운되어 손상으로부터 보호되고 발전된 전력은 0이다. 따라서, 발전을 제공하는 풍속의 분포는 그래프의 C에서 F까지이며, 정격 출력 A는 E 내지 F의 풍속 범위 사이에서 달성된다.
전술한 실시예에 따른 풍력 터빈은 상술한 풍속 범위를 증가시키는 장치를 제공한다. 낮은 풍속에서 작동할 수 있는 보조 터빈은 주 터빈 블레이드 군 또는 주 터빈 블레이드에 연결된 허브의 관성 모멘트를 상쇄시키는(offset) 데 사용된다. 부가적인 회전력은 오프셋 모멘트에 작용하는 중력에 의해 제공되며, 따라서 주 터빈 블레이드를 회전시키기 위해 이전에 요구된 것보다 낮은 풍속으로 주 터빈 블레이드를 회전시키는 힘을 제공한다. 부가적인 힘은 주 터빈의 컷-속도를 낮추고 주 터빈으로부터 전력을 생성하기 시작하는데 요구되는 바람의 컷-인 속도는 주 터빈 블레이드를 회전시키기 전에 요구된 속도보다 낮은 속도(도 8의 점 B)로 감소된다. 터빈의 출력은 추가적인 힘이 없는 터빈보다 낮은 풍속(D)에서 정격 출력(A)에 도달하지만, 본 발명의 실시예의 관성 오프셋 메커니즘은 구성 가능하므로, 터빈은 컷-아웃 풍속(F)에 도달할 때까지 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예가 장착된 풍력 터빈은 풍속(B 내지 F)의 확장된 범위에서 기능할 수 있고, 풍속(D 내지 F)의 확장된 범위에서 정격 출력을 달성할 수 있다.
풍력 터빈은 전술한 실시예들의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

Claims (34)

  1. 회전 가능한 제1 블레이드 구조; 및
    상기 제1 블레이드 구조의 회전에 동력을 전달하도록 작동 가능하며 회전 가능한 제2 블레이드 구조를 포함하는 풍력 터빈 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조보다 더 낮은 풍속에서 회전 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는, 상기 제2 블레이드 구조가 포함하는 복수의 블레이드들보다 더 큰 직경을 가지는 복수의 블레이드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 전기식 수단에 의해 상기 제2 블레이드 구조에 연결되며, 상기 제2 블레이드 구조에 의해 구동되도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  5. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 공압 수단에 의해 상기 제2 블레이드 구조에 연결되며, 상기 제2 블레이드 구조에 의해 구동되도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 공압 수단은 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조로 구동되도록 작동 가능한 펌프와, 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조를 구동시키도록 작동 가능한 임펠러를 포함하며,
    상기 펌프는 상기 임펠러로 유체를 펌핑하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  7. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조에 연결되고, 상기 제2 블레이드 구조에 의해 기계적으로 구동되도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 그 부분 또는 전체가 상기 제1 블레이드 구조의 나셀 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  9. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조 및 상기 제2 블레이드 구조는 단일 구조체에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조 및 회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 동일한 축 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 제1 축에 대해 회전하며,
    회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 제2 축에 대해 회전하고,
    상기 제1 축은 상기 제2 축 위에 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  12. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 제1 구조체에 의해 지지되며,
    회전 가능한 상기 제2 블레이드 구조는 제2 구조체에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조는 제1 축에 대해 회전하는 복수의 블레이드들과, 상기 제1 축으로부터의 상기 제1 블레이드 구조의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  14. 제13 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 회전 각도를 검출하기 위한 회전 검출기와, 검출된 위치에 따른 관성 모멘트를 변경하는 컨트롤러를 더 포함하며,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 관성 모멘트는 상기 제1 축에 대한 상기 제1 블레이드 구조의 회전 각도에 의존하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 각각의 블레이드는 다른 블레이드들의 관성 모멘트와 독립적으로 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 블레이드의 관성 모멘트는, 상기 블레이드의 운동이 중력에 반할 경우 감소하며, 상기 블레이드의 운동이 중력과 일치할 경우 증가하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  17. 제16 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드들의 길이 방향은 지면과 실질적으로 수직하도록 배치되며,
    상기 관성 모멘트는 12시 방향으로부터 측정되었을 때 상기 블레이드가 수선으로부터 약 7도 내지 180도로 회전할 경우에 증가되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  18. 제1 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 모든 블레이드들의 관성 모멘트를 동시에 변경하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 풍속의 변화에 동시에 반응하여 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 모든 블레이드들의 관성 모멘트를 변경하도록 작동 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  20. 제1 항 내지 제19 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 상기 블레이드에 구비되는 보이드와, 대응하는 상기 블레이드의 관성 모멘트를 변경하도록 상기 보이드 내외로 제1 유체를 펌핑하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 제1 유체는 공기보다 밀도가 더 높은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  22. 제20 항에 있어서,
    상기 제1 유체는 공기보다 밀도가 더 낮은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  23. 제19 항 내지 제22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 유체를 위한 제1 리저버를 더 포함하며,
    상기 펌프는 상기 제1 리저버와 상기 보이드 사이에 상기 제1 유체를 펌핑하고,
    상기 제1 리저버의 위치는 상기 보이드의 위치보다 상기 제1 축에 더 가까운 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  24. 제1 항 내지 제23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 상기 블레이드와 상기 제1 축 사이의 거리를 변경하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  25. 제24 항에 있어서,
    상기 블레이드와 상기 제1 축 사이의 거리를 변경하기 위한 수단은 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  26. 제1 항 내지 제25 항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드의 관성 모멘트를 변경하기 위한 수단은 상기 제1 축에 허브를 포함하며,
    상기 허브는 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조의 블레이드에 연결되고, 상기 블레이드와 회전하며, 상기 제1 축으로부터 상기 허브의 관성 모멘트를 오프셋하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  27. 제26 항에 있어서,
    상기 허브의 관성 모멘트는 상기 제1 축에 대해 수직한 방향으로 상기 제1 축으로부터 오프셋된 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  28. 제27 항에 있어서,
    상기 허브의 오프셋 관성 모멘트는 상기 제1 축에 대해 회전 가능한 상기 제1 블레이드 구조를 회전시키도록 회전력을 가하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  29. 제27 항 또는 제28 항에 있어서,
    상기 허브는 상기 제1 축으로부터 부분적으로 또는 전체적으로 오프셋된 복수의 챔버들을 포함하며,
    각각의 챔버의 관성은 각각의 챔버 내외로 제2 유체를 펌핑함으로써 변경 가능한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  30. 제29 항에 있어서,
    제1 챔버는 상기 복수의 챔버들 중 하나이며,
    상기 제2 유체는 제1 회전 지점에서 상기 허브의 상기 제1 챔버 내로 펌핑되고 제2 회전 지점에서 상기 제1 챔버 밖으로 펌핑되며,
    상기 제1 회전 지점은 상기 제2 회전 지점보다 더 큰 중력 포텐셜을 가지는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  31. 제30 항에 있어서,
    제2 챔버는 상기 복수의 챔버들 중 하나이며,
    상기 제2 유체는 상기 제1 회전 지점에서 상기 허브의 상기 제2 챔버 내로 펌핑되고 상기 제2 회전 지점에서 상기 제2 챔버 밖으로 펌핑되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  32. 제29 항 내지 제31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 챔버들은 상기 제1 축에 대해 등간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  33. 제29 항 내지 제31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 복수의 챔버들 내로 펌핑된 유체의 양은 상기 제1 축으로부터 상기 허브의 오프셋 관성 모멘트를 제어하도록 조정되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
  34. 제29 항 내지 제33 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 유체는 공기보다 밀도가 더 높은 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 장치.
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