KR20180108611A

KR20180108611A - 풍력 터빈, 그 용도 및 터빈에서 사용하기 위한 베인

Info

Publication number: KR20180108611A
Application number: KR1020187021367A
Authority: KR
Inventors: 빌헬무스 헬레나 헨드리쿠스 요스텐
Original assignee: 빌헬무스 헬레나 헨드리쿠스 요스텐
Priority date: 2016-02-03
Filing date: 2017-02-02
Publication date: 2018-10-04
Also published as: BR112018014492A2; US10359024B2; CN108603489A; EP3411593A1; JP2019508618A; WO2017134145A1; CN108603489B; ES2763400T3; US20190024632A1; EP3203063A1; EP3411593B1

Abstract

본 발명은 바람을 기계적 에너지로 변환시키며, 지지체 및 상기 지지체에 회전 연결되는 베인을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것으로서, 본질적으로 형성되는 연장된 몸체 및 윈드 리셉터클을 포함하는 상기 베인은 리셉터클이 리드가 몸체로부터 떨어져 힌지되는 개방 구조, 및 리드가 몸체를 향해 힌지되는 폐쇄 구조를 채택할 수 있도록 몸체에 대해 힌지될 수 있는 리드이며, 리드는 리셉터클이 개방 구조를 취할 때 바람으로부터 떨어져 지향되는 표면인 외부 표면, 및 대향하는 내부 표면을 갖되, 리드의 내부 표면은 내부 표면으로부터 돌출되고, 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 연장되는 하나 이상의 프로파일들을 구비하고, 상기 하나 이상의 프로파일들은 리드가 상기 몸체에 힌지되는 상기 위치를 향해 발산한다. 본 발명은 또한 바람을 일로 변환시키기 위한 풍력 터빈의 용도, 및 풍력 터빈에서 사용하기 위한 베인에 관한 것이다.

Description

풍력 터빈, 그 용도 및 터빈에서 사용하기 위한 베인

본 발명은 바람을 기계적 에너지로 변환시키며, 지지체 및 상기 지지체에 회전 연결되는 베인을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것으로서, 본질적으로 형성되는 긴(elongated) 몸체 및 윈드 리셉터클을 포함하는 베인은 리셉터클이 리드가 몸체로부터 떨어져 힌지되는 개방 구조, 및 리드가 몸체를 향해 힌지되는 폐쇄 구조를 채택할 수 있도록 몸체에 대해 힌지될 수 있는 리드이고, 리드는 리셉터클이 개방 구조를 취할 때 바람으로부터 떨어져 지향되는 표면인 외부 표면, 및 대향하는 내부 표면을 가지며, 특히 본 발명은 리드의 내부 표면이 내부 표면으로부터 돌출되고, 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 연장되는 하나 이상의 프로파일들을 구비하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 본 발명은 또한 바람을 일로 변환시키기 위한 풍력 터빈의 용도, 및 풍력 터빈에서의 사용을 위한 베인에 관한 것이다.

풍력 터빈들은 통상적으로 바람을 일로 변환시키기 위해 수세기 이래로 사용된다. 풍력 터빈은 전형적으로 임펄스 터빈이다. 터빈은 바람의 흐름의 방향을 변화시키고 결과로 초래된 임펄스는 터빈을 회전시키고 감소된 운동 에너지를 갖는 바람을 남긴다. 기계적 에너지가 전기를 생산하기 위해 사용되는 경우, 장치는 풍력 발전기 또는 풍력 충전기로 칭하여 질 수 있다. 기계적 에너지가 곡물을 분쇄하거나 물을 펌핑하기 위한 것과 같은 기계를 구동하기 위해 사용되는 경우, 장치는 통상 풍차 또는 풍력 펌프로 칭하여 진다. 천년에 걸쳐 개발된, 오늘날의 풍력 터빈들은 수직 및 수평 차축 유형들의 범위로 제조된다. 가장 통상적이고 가장 오래된 것들은 수평 차축 터빈들이며, 여기서 차축들은 바람의 방향(즉 바람이 부는 방향)과 일치하여 위치된다. 가장 작은 터빈들은 요트들 상의 배터리 충전 또는 보조 전원장치와 같은 응용에 대해 사용되는 반면, 터빈들의 대형 그리드-연결형 어레이들은 점점 더 큰 상업용 전력의 소스가 되고 있다. 지난 수십 년간의 발전들 중 하나는 저 풍속들(전형적으로 10 m/s 아래, 약 5 보퍼트(Beaufort))에 적절한 풍력 터빈들을 고안하는 것이다. 특히 더 낮은 높이들에서, 육지 위에서 그리고 빌딩들의 존재에서, 풍속은 종종 너무 낮아서 통상의 풍력 터빈들로부터 에너지를 경제적으로 추출할 수 없다. 최근 발전들은 5 m/s(약 3 보퍼트) 아래의 풍속에서도 기계적 에너지를 생성할 수 있는 다리우스(Darrieus)(자이로밀 및 사이클로터빈을 포함함) 및 사보니우스(Savonius) 풍력 터빈들을 포함한다. 사보니우스 풍력 터빈과는 달리, 다리우스는 리프트 유형 터빈이다. 터빈을 드래그하는 컵들 주위에서 바람을 수집하기보다, 다리우스는 회전을 생성하기 위해 에어로포일들을 때리는 바람에 의해 생성되는 양력들을 사용한다. 이들 터빈들의 경우, 차축들은 베인들이 바람에 지향될 필요가 없는 추가적인 이점을 갖는 (바람과 "일렬(in line)"인 것과 대조적으로) 바람에 횡으로 위치된다. 대부분의 경우들에서, 차축들은 수직으로 위치되지만(통상 사용되는 약어 VAWT: vertical axle wind turbine를 설명함), 그들은 또한 전형적으로 바람이 부는 방향에 실질적으로 수직인, 차축이 바람에 가로 놓여있기만 하면(따라서, TAWT - transverse axle wind turbine-이 더 정확한 약어일 수 있음) 수평으로 위치될 수 있다. 그러나, 이들 풍력 터빈들은 수개의 단점들을 갖는다. 첫째, 이들 터빈들의 기계적 에너지로의 운동 에너지의 전체 변환율이 개선될 것이다. 둘째, 특히 다리우스 풍력 터빈들은 자기 기동(self-starting)하지 않는다. 따라서, 소형 동력 모터가 회전을 시작하기 위해 요구되고, 그 다음, 그것이 충분한 속도를 가질 때 에어로포일들을 횡단하는 바람이 토크를 생성하기 시작하고 회전자가 바람에 의해 회전된다. 대안적인 구성은 회전을 시작하기 위해 다리우스 터빈의 샤프트 상에 장착되는 하나 이상의 작은 사보니우스 회전자의 사용이다. 그러나, 이들 사보니우스 회전자들은 그것이 진행할 때 다리우스 터빈을 감속시킨다.

WO2009/153772(Kirpitznikoff, 2008년 출원됨)로부터, 전제부(상기, 발명 섹션의 부분)에 기재되는 바와 같은 풍력 터빈은 공지되어 있다.

WO2014/006075로부터, 전제부에 설명되는 바와 같은 풍력 터빈은 리드의 내부 표면 상의 하나 이상의 프로파일들을 제외하고, 공지되어 있다. 이러한 터빈의 베인들은 다수의 분리된 윈드 리셉터클들 및 리셉터클들이 바람의 방향으로부터 독립한 개방 또는 폐쇄 구조를 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단을 구비한다. 이러한 공지된 풍력 터빈의 장점들은 에너지 변환이 특히 저 풍속들에서, 보다 종래의 풍력 터빈들에 대하여 상당히 더 높다는 것이다. 또한, 리셉터클들이 중력 및/또는 바람의 힘에 대해 구성을 능동적으로 취하도록 강제될 수 있다는 사실로 인해, 터빈이 회전을 시작하기 위해 매우 낮은 풍속만을 필요로 한다는 것을 확실하게 한다. 이 다음으로, 2개의 구성들 중 어느 하나를 채택하기 위해 바람의 방향으로부터 독립되게 함으로써, 터빈은 모션으로 풍력의 매우 높은 최대 변환을 달성하는 것을 허용한다.

CN 101737252A로부터 또한 전제부에 따른 풍력 터빈이 공지되어 있다. 이러한 풍력 터빈은 다리우스 유형의 터빈을 시동하기 위해 사용된다. 그러나, 단점은 다른 VAWT의 단점과 마찬가지로, 전체 에너지 변환율이 상대적으로 낮다는 것이다.

US 5,570,997은 베인이 바람의 방향으로 이동할 때 개방되고 베인이 바람의 방향을 거슬러 이동할 때 폐쇄되는 윈드 리셉터클을 구비하는 베인을 갖는 풍력 터빈을 개시한다. 이러한 방식으로, 윈드 리셉터클의 최대 용량은 풍력이 베인의 모션으로 변환되어야 할 때 사용되는 반면, 레셉터클은 베인이 바람의 방향을 거슬러 이동할 때 이러한 변환을 거의 방해하지 않는다. 리셉터클은 베인에 걸쳐 부는 바람의 작용에 의해 개방되고 바람 작용이 감소할 때 중력 하에 폐쇄된다.

본 발명의 목적은 기존 풍력 터빈들과 비교할 때 개선된 에너지 변환을 가질 수 있는 풍력 터빈을 고안하는 것이다.

본 발명의 목적을 충족시키기 위해, 전제부에 따른 풍력 터빈은 고안되었으며 이 터빈에서 리드의 내부 표면은, 내부 표면으로부터 돌출되고 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 (배타적으로) 연장되는 하나 이상의 프로파일들을 구비하며, 여기서 터빈은 리드가 몸체에 힌지되는 위치를 향해 (높이 및/또는 폭으로) 발산하는 하나 이상의 프로파일들에 의해 추가적으로 개선된다.

이러한 종류의 터빈을 사용할 때, 바람은 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 방해받지 않으면서 하나 이상의 프로파일들을 따라 리드의 내부 표면에 걸쳐 자유롭게 흐를 수 있지만, 바람은 베인의 길이 방향과 평행한 방향으로 리드의 내부 표면에 걸친 그것의 자유 흐름에서 방해 받는다. 출원인은 리드의 내부 표면에 그러한 프로파일들을 제공함으로써, 즉 리드의 표면을 가로질러 연장되고, 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 연장되는(다시 말하면, 베인의 내부 표면을 가로질러 존재하는 프로파일들 중 어느 것도 베인의 길이 방향으로 연장되지 않음) 프로파일들을 가짐으로써, WO2014/006075로부터 특히 공지된 바와 같은 터빈의 에너지 변환이 약 10-25% 이상 개선될 수 있다는 점을 발견하였다. 이에 대한 이유는 100% 명확하지 않지만 이론에 구애됨이 없이 그것은 본 발명에 따른 프로파일이 이중의 긍정적 효과를 가진다는 점이 예상된다. 먼저, 그것은 베인이 그것이 바람의 방향으로 완전히 이동하고 있는 위치, 즉 바람의 방향에 수직으로 연장될 때의 위치에 접근하고 있을 때 베인의 몸체로부터 떨어져 리드를 힌지하는 것을 돕는 역할을 할 수 있다고 믿어진다. 베인이 여전히 바람의 방향으로 더 큰 부분에 대해 연장되고 있을 때 바람이 프로파일을 거슬러 측면으로 불게 함으로써, 이것은 리드가 베인의 몸체로부터 떨어져 힌지하도록 강제하는 것을 도울 수 있다. 이러한 방식으로, 리드가 위치(개방된, 바람 포획 위치에 있는 것과 다른 리셉터클)에서 떨어져 힌지되게 함으로써 에너지 변환에 대한 긍정적인 추가는 조기에 도달된다. 이것은 전반적인 에너지 변환에 대해 긍정적이다. 둘째, 그것은 바람을 리드의 폭(즉, 베인의 길이 방향으로 연장되는 리드의 치수)에 걸친 그것의 자유 흐름에서 방해함으로써, 추가적인 에너지 변환을 제공하기 위한 증가된 항력(drag) 및/또는 양력(lift)이 있다는 것이 믿어진다. 이것은 스포츠카들의 상단 상의 윈드 디퓨저 또는 그 하단에 대한 윈드 디퓨저가 갖는 효과와 비교 가능한 효과일 수 있을 것이다. 하나 이상의 프로파일들의 발산 형태로, 그것은 프로파일을 거슬러 측면으로 불어오는 바람에 의한 리드의 개방에 대한 효과가 더 증가된다는 것이 예상된다. 또한, 발산 프로파일은 바람이 터빈의 효율을 더 증가시키는 증가된 항력 및/또는 양력을 초래할 수도 있는 리드의 내부 표면에 걸쳐 이동함으로써 다소 방해 받는다는 것을 의미한다.

그것은 EP0931933로부터 프로파일들을 갖는 리드들을 사용하는 풍력 터빈이 공지되어 있다는 점이 주목된다. 그러나, 이러한 공지된 풍력 터빈은 각각의 및 모든 위치에서의 프로파일들이 바람의 방향으로 연장되도록 지향되는 것을 의미하는 항력 유형(drag type)이다. 이러한 원리는 회전 풍차로 채택될 수 없다. 그것은 또한 WO2012/041961이 베인에 부착되는 힌지된 리드들을 갖는 풍력 터빈을 도시하며, 리드들은 정교한 버킷 형상 윈드 리셉터클을 생성하기 위해 그들의 측면 에지들 상에 직립벽들을 갖는다는 것이 주목된다. 이것은 본 발명의 경우와 같이 내부 표면을 가로지르는 프로파일들과 대립된다. 에지들 상의 측면 벽들은 에지들 주위에 큰 난류를 야기하고 바람에 의한 리드의 자동 개방을 방해할 것이다. US 2008217925는 WO2012/041961과 유사하게, 또한 정교한 버킷 형상 윈드 리셉터클들을 도시한다. 버킷은 너무 많은 난류를 야기함으로써 에너지 변환이 부정적으로 영향을 받는다. 이를 회피하기 위해, 그리고 에너지 변환 상에 긍정적인 효과를 실제로 제공하기 위해, 그것은 프로파일들이 에지들 상에 벽들을 형성함으로써 그것을 측면으로 폐쇄하는 것 대신에, 내부 표면으로부터 연장되는, 즉 이러한 표면을 가로질러 진행되는 것이 중요하다.

본 발명의 장점은 에너지 변환이 단순한 프로파일들을 사용함으로써, 저 풍속들에서도, 상당히 개선될 수 있다는 점이다. 그러한 프로파일들은 일정하고 정의에 의해 에너지를 요구하지 않는, 터뷸레이터(turbulator) 또는 거칠기 요소(roughness element)와 같은, 수동 장치라는 장점을 갖는다. 밸브들과 같은 능동 제어 요소들은 액추에이터들 및 따라서 에너지를 요구한다.

본 발명은 또한 바람을 일(work)로 변환시키기 위한 상기 정의된 바와 같은 풍력 터빈의 용도에 관한 것이다. WO2014/006075로부터 공지된 바와 같이, 본 개선된 터빈은 유리하게는 다리우스 풍차와 결합될 수 있을 것이다. 본 발명은 또한 상기 정의된 바와 같은 리셉터클을 구비하는 베인에 관한 것이다.

그것은 본 발명에 따른 풍력 터빈이 전형적으로 수직 방향으로 연장되는 지지체(예컨대 회전 또는 고정 차축)를 갖는, 그라운드 평면에 동작적으로 연결될 수 있지만, 또한 예를 들어 수직 연장 벽에 대해 지지체를 장착함으로써 (베인의 회전 축이 바람에 횡으로 연장되는 한) 수평 방향으로 연장되는 그것의 지지체와 배치될 수 있다는 점이 주목된다. 또한, 터빈은 예를 들어 플로팅 래프트 상에 배치되거나 수위 위에 연장되는 폴 상에 배치될 수 있다.

정의들

바람으로부터 떨어져 지향되는 표면은 바람이 불어나오는 방향에 대면되는 표면인 바람들을 향해 지향되는 표면과 대조적으로, 바람이 부는 방향을 대면하는 표면이다.

방향으로 연장되는 요소는 요소가 본질적으로 그것의 전체 길이에 걸쳐 그러한 방향으로 기껏해야 30°의 각도 아래로 전환하는, 바람직하게는 상기 방향으로 29°, 28°, 27°, 26°, 25°, 24°, 23°, 22°, 21°, 20°, 19°, 18°, 17°, 16°, 15°, 14°, 13°, 12°, 11°미만 또는 심지어 10°미만으로 전환하는, 상기 방향과 평행하게 진행하는 것을 의미한다.

본 발명의 의미에서 표면으로부터 돌출되는 프로파일은 적어도 2 밀리미터의 거시적 높이를 갖는다.

베인은 축을 따라 장착될 때 베인을 가로질러 흐르는 가스 또는 유체에 의해 회전되는 통상 상대적으로 얇고, 강건하고 평탄한 요소이다. 전형적인 예들은 터빈의 블레이드 또는 풍차 상의 세일(sail)이다.

객체의 구성은 서로 및 공간과 관련하여 객체의 부분들의 배열로 결정되는 형태이다.

바람의 방향은 바람이 부는 주요 방향이다.

윈드 리셉터클은 바람의 힘을 바람의 방향의 모션으로 변환시키기 위해 바람의 방향에 수직인 방향으로 연장될 수 있는 요소이다.

바람의 방향으로 본질적으로 이동하는 베인은 베인이 바람의 힘을 모션으로 순방향(positively) 변환시키고 있다는 것을 의미한다(전진 이동).

바람의 방향을 거슬러 본질적으로 이동하는 베인은 에너지가 베인이 바람을 통해 뒤로 이동하도록 강제하기 위해 요구된다는 것을 의미한다(후진 이동).

본 발명의 실시예들

본 발명에 따른 풍력 터빈의 제1 실시예에서, 하나 이상의 프로파일들은 리드가 몸체에 힌지되는 위치를 향해 발산하는 원뿔 형상이다.

본 발명에 따른 풍력 터빈의 다른 실시예에서, 하나 이상의 프로파일들은 베인의 길이 방향으로 리드의 길이의 적어도 1%와 동일한 리드의 내부 표면에 대한 최대 높이를 갖는다. 그것은 적어도 최대 높이가 프로파일(들)을 추가함으로써 터빈을 생산하는 추가적인 비용을 상회하는 에너지 변환에서의 개선에 도달하기 위해 최소값을 충족시켜야 한다는 점을 나타낸다. 최대 높이는 전형적으로 프로파일의 전체 길이에 걸쳐 적응되는 높이가 아니다. 리드의 팁(상류 단부) 근처, 즉 리드가 베인의 몸체에 힌지되는 위치로부터 가장 멀리 떨어진 위치에서, 높이는 리드가 베인의 몸체를 향해 완전히 힌지될 수 있다는 것을 확실하게 하기 위해 심지어 제로(0)에 가깝거나 동일할 것이다. 전형적으로, 리드가 베인의 몸체에 힌지되는 위치 근처에서, 프로파일의 높이는 리드의 폐쇄(closure)를 방해하는 것 없이 최대일 수 있다. 실시예들에서, 리드의 내부 표면에 대한 높이는 베인의 길이 방향으로 리드의 길이의 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 또는 심지어 9%와 동일하다. 다른 실시예에서, 하나 이상의 프로파일들은 베인의 길이 방향으로 리드의 길이의 적어도 10%와 동일한 리드의 내부 표면에 대한 최대 높이를 갖는다.

본 발명에 따른 풍력 터빈의 더 다른 실시예에서, 베인은 에어로포일 형상 몸체이며, 리드는 상기 몸체의 하류 단부에 인접한 위치에서 몸체에 힌지된다.

또 다른 실시예에서, 베인은 다수의 리셉터클들을 포함한다. 그것은 다수의 리셉터클들을 사용할 때, 에너지 변환을 증가시키기 위해 터빈을 동작시키는 자유도가 추가로 개선될 수 있다는 점이 인식되었다. 그러나, 더욱 중요하게, 그것은 다수의 리셉터클들을 갖는 것이 베인의 대응하는 길이에 걸쳐 연장되는 하나의 (큰) 리셉터들을 사용할 때보다 상당히 더 긴 길이의 베인들의 사용을 허용한다는 점이 인식되었다. 즉, 높은 회전 속도들에서, 베인의 팁 근처에서 베인 상에 생성되는 힘들은 지지체 근처에서 베인 상에 생성되는 힘들보다 상당히 더 크다. 다수의 독립적인 리셉터클들을 가짐으로써, 하나는 예를 들어 베인 상의 기계적 충격을 감소시키기 위해, "외부(outer)" 리셉터클들이 풍력을 모션으로 변환시키기 위해 더 낮은 용량을 갖는 구성을 취하는 것을 허용할 수 있다. 이것은 매우 강건한 기계적 구조들을 반드시 요구하는 것 없이, 그것의 회전시 더 큰 베인들을 사용하는 것을 허용한다. 추가적인 실시예에서, 베인은 베인의 상단 측에 제1 리셉터클 및 베인의 하단 측에 제2 리셉터클을 포함한다. 이러한 실시예에서, 바람 에너지를 모션으로 변환시키기 위해 리셉터클들 및 그들 용량의 거의 최적의 사용이 이루어질 수 있다.

대안적인 실시예에서, 베인은 베인의 길이를 따라 위치되는 다수의 개별 리셉터클들을 포함한다. 그것은 베인의 길이를 따라 유체역학(공기의 흐름)이 지지체에 가까운 위치(터빈의 중심 근처)로부터 베인의 팁으로 이동할 때 상당히 변한다는 점이 인식되었다. 베인의 길이를 따라 개별 리셉터클들을 사용함으로써, 리셉터클들은 유체역학에서의 차이들에 수용되는 베인의 길이를 따라 상이한 구성들을 가질 수 있다. 추가적인 실시예에서, 지지체에 가까이 위치되는 리셉터클은 지지체로부터 더 떨어져 위치되는 리셉터클보다 더 큰 단면을 갖는다. 이러한 방식으로, 베인의 길이를 따라 상이한 부분들의 절대 이동 속도의 변화가 수용될 수 있다. 전형적으로 팁에 인접해, 속도가 너무 높아서 리셉터클의 작은 단면이 구조가 베인의 강성을 유지하기 위해 매우 무거울 필요가 있다는 점을 방지하기 위해 요구될 수 있다. 이러한 개념은 리셉터클이 바람의 방향과 독립적으로 상기 구성들 중 적어도 하나를 채택하도록 강제하는 상이한 수단을 갖거나 심지어 이를 갖지 않는 터빈에 대해 적용될 수 있다. 특히, 리셉터클들이 바람 및 중력의 힘들 하에서만 개방 및 폐쇄되는 경우에도, 베인의 길이에 따라 풍력을 모션으로 변환시키는 감소하는 최대 용량(maximum capacity)을 갖는 다수의 리셉터클들을 갖는 특징은 더 큰 베인 길이들을 허용하기 위해 풍력 터빈에서 유리하게 사용될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 다수의 개별 리셉터클들 각각은 상기 본 명세서에서 정의된 바와 같은 하나 이상의 프로파일들을 포함한다.

또한, 본 발명은 베인이 바람의 방향을 거슬러 이동할 때 리셉터클이 폐쇄된 구성을 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단을 구비하는 풍력 터빈으로 구체화될 수 있다. 본 발명을 사용시, 베인이 바람의 방향으로 이동할 때 리셉터클이 개방 구조를 취하도록 강제하는 수단이 존재할 필요가 없다. 프로파일(들)의 존재로 인해, 에너지 변환율은 리셉터클의 더 쉽고 더 빠른 개방이 가능하여, 여하튼 상당히 개선된다. 여전히, 그것은 에너지 변환 손실을 최소화하기 위해 리셉터클의 강제 폐쇄를 갖는 것이 유리하다. 리셉터클이 구성을 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단은 역학 분야의 당업자에 의해 이해되는 바와 같은 다양한 실시예들을 가질 수 있다. 수단은 단순한 기계적 부품들 예컨대 레버들, 바들 및 스프로켓들, 캠샤프트들, 레일들 및 팔로워들을 사용하여, 선택적으로 유압식 기계를 사용함으로써 구성될 수 있거나, 전기기계 부품들 예컨대 (전기-)자석들, 인듀서들(inducers), 코일들 등을 사용하여 구성될 수 있을 것이다. 순수한 기계와 순수한 전기 사이의 스펙트럼(또는 심지어 외측)의 어딘가에서의 다양한 다른 구성들이 물론 사용 가능하다.

마지막으로, 본 발명은 베인이 바람의 방향으로 이동할 때 리셉터클이 폐쇄 구조를 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단을 구비하는 풍력 터빈으로 구체화된다. 이러한 실시예에서, 베인은 예를 들어 터빈이 너무 빨리 회전하는 것을 방지하기 위해, 바람이 너무 빠른 속도로 불 때 폐쇄될 수 있다.

실시예들
본 발명은 이제 다음 도면들 및 실시예들을 사용하여 더 설명될 것이다.
도 1은 기술 분야로부터 공지된 바와 같은 풍력 터빈을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 프로파일들을 갖는 리드(lid)를 개략적으로 도시한다.
도 3은 도 2의 리드의 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 2개의 리드들을 포함하는 에어로포일 베인(aerofoil vane)을 개략적으로 도시한다.
도 5는 베인 상의 다수의 개별 리드들의 구성을 도시한다.

실시예 1은 본 발명에 따른 풍력 터빈을 사용한 에너지 변환에 관한 데이터를 제공한다.

도 1

도 1은 WO2014/006075로부터 공지된 바와 같은 풍력 터빈을 도시한다. 터빈은 회전자(166)의 일부인 2개의 베인들(6 및 16)을 포함한다. 도 1은 베인이 (좌측 베인(16)에 대해 도시된 바와 같이) 바람의 방향(V)을 거슬러 이동하고 있는 경우에도, 리셉터클들(7)(리드들(10-14, 10'-14', 110-114 및 110'-114') 각각을 포함함)이 폐쇄 구조를 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단(200, 200')을 도시한다. 이러한 도면에서, WO2014/006075의 도 2에 도시된 베인(6)과 실질적으로 동일한 구조인 2개의 베인들(6 및 16)을 포함하는 풍력 터빈(1)이 도시된다. 각각의 베인은 10개의 리셉터클들(베인(6): 리드들(10-14) 및 베인의 대응하는 하단 부분들에 의해 형성되는 리셉터클들(7)뿐만 아니라, 리드들(10'-14') 및 베인(6)의 상단 측의 대응하는 부분들에 의해 형성되는 리셉터클들; 베인(16): 리드들(110-114) 및 베인의 대응하는 하단 부분들에 의해 형성되는 리셉터클들뿐만 아니라, 리드들(110'-114') 및 베인(6)의 상단 측의 대응하는 부분들에 의해 형성되는 리셉터클들)을 포함한다. 터빈(1)은 리드들(110 내지 114)을 포함하는 리셉터클들이 상기 수단의 동작에 의해 본질적으로 폐쇄 구조를 채택하도록 동작 가능한 제1 수단(200)으로 구성된다. 이들 수단(200)은 제1 레버(201)를 포함하며, 이는 리드(10)를 아래로 강제하는 중력 및 바람으로 인해 하향으로 이동한 서브-리드(120)의 푸싱 힘(pushing force)에 의해 하향으로 푸시된다. 레버(201) 상의 하향력은 레버(202)를 상향으로 푸시하기 위해 사용된다. 이러한 방식으로, 리드(110)(베인(16) 뒤쪽; 도시되지 않은 것과 같음)는 그것의 대응하는 서브-리드(1120)(미도시) 상에 작용하는 레버(202)에 의해, 리드(110)를 포함하는 리셉터클이 (사실상) 폐쇄 구조를 취하도록 상향으로 푸시된다. 레버(201)로부터 레버(202)로의 이동을 정확하게 변환시키기 위해, 수단(200)은 컨버터(204)를 포함한다. 수단(200)은 베인들과 함께 이동하기 위해 베어링(203)을 사용하여 지지체(5)를 중심으로 회전할 수 있다. 컨버터(204)는 리셉터클들이 베인이 바람의 방향(V)으로 이동할 때(도 1의 베인(6) 참조) 개방 구조를 채택하고, 베인이 바람을 거슬러 이동할 때(도 1의 베인(16) 참조) 폐쇄 구조를 채택하는 것을 확실하게 하기 위해 레버들 상에 작용한다. 이를 위해, 컨버터는 전자적으로(전자기기는 미도시) 바람의 방향에 정렬된다. 대안적인 실시예에서, 컨버터는 바람에 자동으로 정렬되는 통상 공지된 베인을 사용하여 바람에 정렬되며, 그 베인은 그것의 회전시 컨버터에 동작적으로 연결된다.

수단(200)과 함께 상기 설명된 바와 동일한 방식으로, 레버들(201' 및 202')뿐만 아니라, 컨버터(204') 및 베어링(203')을 포함하는 대응하는 수단(200')은 베인이 바람의 방향으로 이동할 때 개방 구성을 채택하기 위해, 리드들(10'-14') 및 리드들(110'-114')(여기서, 리드들(10'-110')은 각각 서브-리드들(120'-1120')을 구비함)을 포함하는 베인들의 상단 상의 리셉터클들 강제하도록 제공된다. 대응적으로, 리드들(110' 내지 114')이 중력 및 바람의 작용시에 폐쇄될 때 해제되는 에너지는 대응하는 리셉터클들이 제1 구성을 취하도록 리드들(10'-14')이 상향으로 움직이게 강제하기 위해 레버(201')가 작동되도록 컨버터(204')를 통해 전달된다.

도 2

도 2는 발명에 따른 프로파일들(500 및 501)을 갖는 리드(10)를 개략적으로 도시한다. 리드(10)는 리드가 베인(미도시)의 몸체에 힌지되는 위치(405)에 인접한 하류 에지(401)를 갖는다. 리드는 측면 에지들(402 및 403)을 갖는다.

리드의 내부 표면은 숫자 400으로 표시된다. 이러한 표면으로부터 2개의 발산 프로파일들(500 및 501)이 돌출된다. 이들 프로파일들은 리드의 표면으로부터 돌출될 뿐만 아니라, 베인의 길이 방향에 수직인 방향, 즉 리드(10)의 하류 에지(401)와 평행한 방향으로만 연장된다. 프로파일들은 이러한 경우에서 둥근 상부 표면을 갖는 원뿔 형상이다. 다른 실시예(미도시)에서, 원뿔들은 2개의 각진 평탄 측면들을 갖도록 형상화된 삼각형이다.

도 3

도 3은 도 2의 리드(10)의 측면도이다. 이러한 도면에서, 그것은 원뿔형 프로파일이 리드의 하류 에지(401)에 인접하여 그것의 최대 높이를 갖는다는 것을 알 수 있다. 높이는 이러한 경우에서 (에지(401)를 따라 측정된 바와 같이) 리드의 폭의 16%이다. 리드의 상류 단부에서 프로파일의 높이는 도 3에 도시된 바와 같이 제로(0)이다.

도 4

도 4는 본 발명에 따른 2개의 리드들을 포함하는 에어로포일 베인을 개략적으로 도시한다. 베인(6)은 WO2014/006075로부터 공지된 바와 같은 에어로포일 형상을 갖는다. 리드들(10 및 10')은 베인의 몸체의 전방(하류 팀)에 힌지된다. 리드들은 그들이 베인의 몸체로부터 떨어져 힌지되는 구성으로 도시되며, 따라서 리셉터클(7)을 그것의 개방 구성으로 형성한다.

도 5

도 5는 하나의 베인을 형성하는 다수의 개별 리드들의 구성을 도시한다. 리드들(10 내지 12 및 10' 내지 12')은 도 1에 표시된 바와 동일한 방식으로 배열된다. 그들은 연속적인 리드들의 2개의 행들(rows)로 구성되며, 하나는 베인(6)의 상단, 다른 하나는 하단에 있다. 각각의 리드는 삼각형 형상의 단면을 갖는, 도 2 및 도 3의 프로파일에 형상으로 대응하는 하나의 프로파일(500)(501, 502, 500', 501', 502')을 구비한다. 그러한 구조에 의해, 풍속에 따라, 25% 이상까지의 개선된 에너지 변환이 WO2014/006075로부터 공지된 바와 같은 풍력 터빈에 대해 획득될 수 있다.

실시예 1

실시예 1은 본 발명에 따른 풍력 터빈의 모델들을 사용한 에너지 변환에 관한 데이터를 제공한다. 이러한 실시예에서, 터빈의 3개의 상이한 모델들이 사용된다. 각각의 모델은 지지체 및 이에 연결되는 920 cm의 길이를 갖는 에어로포일 몸체를 갖는 베인을 포함한다. 몸체에 일련의 5개의 개별 인접 상부 리드들, 및 5개의 개별 인접 하부 리드들이 연결되며, 리드는 약 20cm의 길이들을 갖는다. 이러한 구성은 도 4에 도시된 바와 같은 베인의 구성에 대응한다.

제1 모델(모델 "0")은 10개의 힌지된 리드들의 내부 표면들로부터 돌출되는 프로파일들을 갖지 않는다. 제2 모델(모델 "1")은 리드들의 내부 표면에 걸쳐 균일하게 분포되는(상부 행에 3개 및 하부 행의 대응하는 위치에 3개), 6개의 프로파일들을 갖는다. 프로파일들은 단면이 삼각형이고, 발산하지 않고(그들은 그들의 전체 길이에 걸쳐 균일한 단면을 가짐) 약 3 cm의 균일한 높이를 갖는다. 프로파일들은 리드들의 상류 단부로부터 리드들이 몸체에 대해 힌지되는 위치에 인접한 하류 단부로 연장되고, 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 정확하게 진행한다. 제3 모델(모델 "2")은 모델 "1"의 그것들과 동일한 구성의 10개의 프로파일들을 갖고 또한 10개의 리드들(각각의 리드는 하나의 프로파일을 가짐)의 내부 표면에 걸쳐 균일하게 분포된다.

비교 실험에서, 모델은 정적으로 위치되고 3, 4, 5, 6 및 7 m/s의 다양한 속도들의 바람은 개방 위치의 리드를 갖는 베인을 거슬러 불어온다. 각각의 풍속에서, 베인이 제공하는 토크(Nm)는 지지체에서 측정된다. 토크는 5개의 상이한 풍속들에 대한 평균이다. 이러한 수는 실제 터빈에 적용될 때 베인의 에너지 변환 용량(conversion capacity)에 대응한다. 이러한 평균 토크는 베인이 바람에 대해 상이한 각도들에 위치된 채 각각의 모델에 대해 측정된다. 0°의 각도는 베인이 바람과 정확하게 평행하다는 것을 의미하며, 90°의 각도는 베인이 바람의 방향에 수직인 것을 의미한다.

여기서, 결과들은 아래 표 1에 제공된다.

바람에 대해 상이한 각도들에서의 베인들에 대한 평균 토크

각도 [°]	토크, 모델 0 [Nm]	토크, 모델 1 [Nm]	토크, 모델 2 [Nm]
30	5.4	5.9	6.0
60	8.6	9.3	9.3
90	7.3	8.3	8.6
120	4.3	5.1	5.3
평균	6.4	7.1	7.3

그것은 리드들의 내부 표면들을 가로지르는 프로파일들에 의해 평균적으로 토크의 14% 증가가 획득될 수 있었다는 점을 나타낸다. 최고 증가(23%)는 바람과의 각도가 120°이었을 때, 10개의 프로파일들을 갖는 리드로 획득될 수 있었다.

Claims

바람을 기계적 에너지로 변환시키며, 지지체 및 상기 지지체에 회전 연결되는 베인을 포함하는 풍력 터빈으로서, 본질적으로 형성되는 긴 몸체 및 윈드 리셉터클을 포함하는 상기 베인은 상기 리셉터클이 상기 리드가 상기 몸체로부터 떨어져 힌지되는 개방 구조, 및 상기 리드가 상기 몸체를 향해 힌지되는 폐쇄 구조를 채택할 수 있도록 상기 몸체에 대해 힌지될 수 있는 리드이며, 상기 리드는 상기 리셉터클이 상기 개방 구조를 취할 때 상기 바람으로부터 떨어져 지향되는 표면인 외부 표면, 및 대향하는 내부 표면을 갖되, 상기 리드의 상기 내부 표면은, 상기 내부 표면으로부터 돌출되고 상기 베인의 길이 방향에 수직인 방향으로 연장되는 하나 이상의 프로파일들을 구비하며, 상기 하나 이상의 프로파일들은 상기 리드가 상기 몸체에 힌지되는 상기 위치를 향해 발산하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로파일들은 상기 리드가 상기 몸체에 힌지되는 상기 방향을 향해 발산하는 원뿔 형상인 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제2 항 중 임의의 항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로파일들은 상기 베인의 상기 길이 방향으로 상기 리드의 상기 길이의 적어도 10%와 동일한 상기 리드의 상기 내부 표면에 대한 최대 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제3항 중 임의의 항에 있어서,
상기 하나 이상의 프로파일들은 상기 베인의 상기 길이 방향으로 상기 리드의 상기 길이의 적어도 1%와 동일한 상기 리드의 상기 내부 표면에 대한 최대 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제4항 중 임의의 항에 있어서,
상기 베인은 에어로포일 형상 몸체이며, 상기 리드는 상기 몸체의 하류 단부에 인접한 위치에서 상기 몸체에 힌지되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제5항 중 임의의 항에 있어서,
상기 베인은 다수의 리셉터클들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제6항 중 임의의 항에 있어서,
상기 베인은 상기 베인의 상단 위치에서의 제1 리셉터클 및 상기 베인의 하단 측에서의 제2 리셉터클을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제7항 중 임의의 항에 있어서,
상기 베인은 상기 베인의 상기 길이를 따라 위치되는 다수의 개별 리셉터클들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제8항에 있어서,
상기 다수의 개별 리셉터클들 각각은 제1항에 정의된 바와 같은 하나 이상의 프로파일들을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제1항 내지 제9항 중 임의의 항에 있어서,
상기 터빈은 상기 베인이 상기 바람의 상기 방향을 거슬러 이동할 때 상기 리셉터클이 상기 폐쇄 구성을 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈
제1항 내지 제10항 중 임의의 항에 있어서,
상기 터빈은 상기 베인이 상기 바람의 상기 방향으로 이동할 때 상기 리셉터클이 상기 폐쇄 구성을 채택하게 강제하도록 동작 가능한 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
바람을 일로 변환시키기 위한 제1항 내지 제11항 중 임의의 항에 따른 풍력 터빈의 용도.
제1항 내지 제11항 중 임의의 항에 정의된 바와 같은 리셉터클을 구비하는 베인.