KR20180121542A - 개선된 효율을 가지는 트윈 수직 축 터빈들을 가지는 부유식 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부유식 플랫폼(14) 및 플랫폼 상에 안착하는 터보머신(12)을 포함하는 부유식 풍력 터빈(10)에 관한 것으로서, 이 터보머신은 - 제1 평면에 대하여 대칭적으로 배치되는 제1 및 제2 횡단 흐름 터빈들(24). 그 각각의 터빈은 피봇팅 연결들(74, 76)에 의해 섀프트 요소들(52, 56)에 연결되는, 암들에 의해 그 끝단들에서 연장되는 중심 부분들(33)을 포함하는 날개들(32)을 포함하고, 각각의 터빈은 또한 상부 및 하부 페어링들(42, 44)을 포함하고; 및 터빈들과 터빈들의 날개들의 회전 축들(A, A')을 포함하는 제2 평면의 위쪽 사이에 수직 중간 철탑(28)을 포함하는 터빈들을 고정하기 위한 구조(26)를 포함한다.

Description

개선된 효율을 가지는 트윈 수직 축 터빈들을 가지는 부유식 풍력 터빈

본 특허 출원서는 프랑스 특허 출원 FR16/51913의 우선을 이익을 주장하는데, 이것은 본 명세서의 통합된 일 부분을 형성하는 것으로 간주될 것이다.

본 발명은 부유식 풍력 터빈에 관한 것으로서, 특히 해상에서 사용되기 위한 부유식 풍력 터빈에 관한 것이다.

육지에 설치되는 풍력 터빈들의 대부분은 일반적으로 3 개의 날개들을 포함하는 축-흐름 터빈들을 포함하는데, 그 회전 축은 풍력 터빈에 도달하는 입사풍의 방향에 평행하다. 이 풍력 터빈들은 HAWT(Horizontal-Axis Wind Turbine)로 지칭된다. 날개들은 탑의 상단에서 나셀(nacelle)에 의해 지탱된다. 다른 육상에 기초하는 풍력 터빈들은, VAWT(Vertical-Axis Wind Turbine)로 지칭되고, 또한 수평으로 대부분 종종 수직으로 배치되는, 그 회전 축이 바람 방향에 수직하는 교차-흐름 터빈들을 포함한다. 풍력 터빈들의 날개들은 (발전기로 지칭되는) 전기 발전기를 차례로 구동시키는 회전 섀프트를 구동시킨다.

현재의 경향은 해상에서 바람이 좀 더 거세고 좀 더 지속적이기 때문에, 해상에 풍력 터빈들의 설치를 위한 것이다. 현재 작동하는 해상 풍력 터빈들은 필수적으로 축-흐름 터빈들을 포함한다. 축-흐름 터빈을 지탱하는 탑의 하단은, 토양의 특성에 적절한 다양한 시스템들을 이용해, 50-60 m보다 작은 깊이에 있는 해저(sea bed)에 고정된다. 하지만, 얕은 깊이를 가지는 제한된 수의 장소들이 있고 또한 이로써 고정 시스템(anchoring systme)에 의해 해저에 연결되는 부유식 지지 구조를 포함하는, 부유식 풍력 터빈들(floating wind turbines)로 지칭되는, 해양 풍력 터빈들을 설계하는 것이 바람직하다.

부유식 풍력 터빈들을 위한 많은 제안된 디자인들은 HAWT를 이용한다. 이 선택은 육상에 기초하는 또는 설치되는 해상 풍력 터빈들에 적합한 해결책들과 연속성을 제공하기 때문에 안심이 된다. 하지만, 몇몇의 이유들로 인해 HAWT들은 해상 부유식 풍력 터빈들에 매우 적절치 않은 것으로 보이기 때문에, 모험적일 수 있다. 이 이유들 중 하나는 전력 전송 요소들(선택적으로 속도-증가 기어 세트로서 작동하는 기어박스를 가지는), 발전기 및 제어실을 포함하는, 나셀이 탑의 상부에 배치된다는 것이다. (나셀의 내용물들이 수면 또는 수중에 근접하게 하우징되는 VAWT와 비교했을 때) 탑의 상부에 위치되는 나셀의 높은 위치는 (a) 어려운 접근의 결과로 해상에서의 관리가 어렵고 (b) 무거운 요소들, 발전기 및 속도-증가 기어 세트의 상당한 중량의 결과로, 수직의 안정성을 달성하기 위해 플랫폼에 의한 요동(pitch and roll)에 대한 보상이 더 어렵고, 또한 (c) 대규모의 크레인들을 필요로 하므로, 설치가 더 어렵다는 것을 의미한다.

게다가, HAWT는 (d) VAWT는 바람 방향에 덜 민감한 반면, 이를 위한 서보 메카니즘이 또한 나셀에 연결되고, 탑의 상단에 위치되는, 편주(yaw)를 위한 공기역학적 조정, 및 (e) 나셀 안의 (발전기, 속도-증가 기어 세트) 열 조정과 같은, 추가적인 조정들을 필요로 하고; 이 기능은 물의 안정적인 영향으로부터 먼, 바다에서 이 높이에서 상당한 온도 편차들의 결과로서 치명적일 수 있다. 마지막으로, (f) HAWT의 날개들은 부유식 풍력 터빈들의 전력에 있어서의 증가와 함께 그 중량에 있어서의 증가로부터 발생하는 순환적인 중력 부하 스트레스에 종속된다. 이 증가는 이러한 종류의 풍력 터빈의 비용의 최적화로부터 발생된다. 이로써 디자인 단계에서의 스케일링(scaling)의 어려움들이 이로부터 결과된다.

HAWT보다 VAWT를 이용하는 부유식 풍력 터빈들을 개발하는 것이 더 유리한 것처럼 보인다. VAWT의 많은 예들이 설명되었다. 이러한 예들 중에서, VAWT로 분류되지만, 대향하는 날개들 사이에서 차동 항력(differential drag)의 원리로 작동하는, 사보니우스 타입의 수직 터빈들은, 매우 낮은 출력으로 인해 설치 및 관리의 비용을 정당화하기 위해 전력 수준들이 매우 높아야 하는 부유식 풍력 터빈 프로젝트들과는 양립불가하기 때문에 여기서 고려되지 않는다. 다른 한편으로, 두번째 타입의 VAWT들은 하나의 날개에서의 부양 원리로 작동하고 또한 트로포스킨 형태의 날개들(troposkein-shaped blades)을 가지는 다리우스 터빈들, 또는 H 구성, 또는 V-자형의, 곧은 또는 나선면의 날개들을 가지는 터빈들로 분리된다. 예를 들어, 문헌 WO2009/03617은 다리우스 터빈을 포함하는 부유식 VAWT를 기술하고 있고 또한 문헌 WO2010/120182는 곧은 날개들을 가지는 H-타입의 터빈으로 구성되는 부유식 VAWT를 기술하고 있다.

하지만, 두번째 타입의 VAWT들의 다수의 단점들은 여전히 존재하고, 이들 중 일부는 육지에서 실패로 이어지고, 제거되거나 또는 감소되어야 한다:

(i) 두번째 타입의 VAWT들에 의해 생성되는 전력은, 첫번째 타입의 VAWT들보다 높긴 하지만, 동일한 크기의 HAWT들에 의해 생성되는 전력보다 낮다는 것이 받아들여지고 있다. 수 개의 해결책들이 이 단점을 감소시키기 위해 시도되었다. H 터빈들은 사실상 암-날개 연결들(arm-blade connections)에서 및 호일 끝단들(foil ends)에서 나타나는 낭비적인 손실(dissipative losses)을 겪는다. 최적의 효율은 이때 전반적으로 매우 높지 않다. 이 효율은 이때 몰딩된 복합 재료를 사용하여 프로파일 된 날개-암 연결들을 가지고 항력을 감소시킴으로써 또한 특히 공격 각(angle of attack)을 조정하기 위한 장치를 설치함으로써 조금 증가될 수 있다. 이 장치는, 관리가 제한적이어야 하는 거친 해상 환경에서, 기계적인 복잡도를 도입시킨다. 다른 한편으로, 다리우스 터빈들의 최적의 효율은 감소된(0.3 이하) 견고함(solidity) S=2Nc/D (N은 날개들의 수이고, c는 코드이고 D/2는 터빈의 반경이고) 및 높은 최적 전진 변수 λ = ωD/2Vi (ω는 터빈의 회전 각 속도이고 Vi는 입사 풍속이다)(4 이상)로 인해 명백하게 더 높다. 터빈의 최대 부분에 비례하는, 획득되는 전력은 이 최대 부분이 증가됨에도 불구하고 낮다. 이것은 탑의 높이를 크게 증가시키는 것을 수반하는데, 이것은 가이들에 의해 고정되는 기계들에 있어서의 심각한 단점이다.

(ii) 시작은 어려워질 수 있고, 날개들은 주어진 각 위치들에서 움직이지 않는다.

(iii) 터빈의 각각의 회전 동안 각각의 날개에 미치는 접선의 및 수직의 공기역학적 힘들은 맥동한다. 이들은 연결 암들을 따라 그후 터빈의 구동 섀프트 상에 전달된다. 이 구동 섀프트의 바닥 부분에서, 특히 힘들의 수직 성분으로 인한 진동하는 휨 모멘트(bending moment)는, 이로부터 결과되고, 이로써 구조들 상에 상당한 피로로 이어진다. 이 모멘트는 2 개의 성분들을 가진다:

- 풍력 터빈을 바람 방향에 평행하게, 앞으로부터 뒤로 또는 그 역으로 기울어지게 하는, "앞뒤" 휨 모멘트("back-and-forth" bending moment)로 지칭되는, 제1 성분; 및

- 풍력 터빈을 바람 방향에 수직하는 평면에서, 좌에서 우로 또는 그 역으로 기울어지게 하는, "측면" 모멘트("side-to-side" moment)로 지칭되는, 제2 성분.

트윈 카운터-회전 터빈들(win counter-rotating turbines)의 병치는 단점들 (i) (ii) 및 (iii)을 제거 또는 감소시키는 터빈 엔진들을 정의하는 것을 가능하게 해준다는 것이 알려져 있다. 육상 기반의 응용을 위해 우선적으로 설계된 이러한 터빈 엔진들의 대부분에는 첫 번째 타입의 VAWT가 구비되어 있다. 대조적으로, 트윈 터빈들의 병치의 단점은 단일 VAWT들이 입사 풍향(incident wind direction)에 대해 둔감해지는데 따른 손실이다: 편주 조정이 필요하게 된다. 문헌 US 8,827,631이 언급될 수 있는데, 이는 두번째 타입의 터빈들을 가지는 해상 터빈을 기술하고 있고 또한 문헌 WO2013/175123은 측면 페어링들에 의해 측면에 위치하며, 상당한 양의 재료를 이용하는 중앙 직립형 구성요소에 의해 유지되는 이 두번째 타입의 터빈들을 가지는 풍력 터빈을 기술하고 있으며; 터빈이 구비되어 있는 공기역학적 조정 장비 또한 부피가 크다. 그러므로 부유식 풍력 터빈들의 전력 증가를 따르는 것은 가능하지 않다.

그러므로 재료에 있어서 경제적이면서 상기에서 언급되는 단점들 중 일부를 감소시키거나, 또는 제거하는, 트윈 터빈들을 포함하는 부유식 풍력 터빈을 제안하는 것은 바람직할 수 있다.

게다가, 부유식 풍력 터빈들은 해상으로부터 멀기 때문에, 구상된 해결책들은 비용이 많이드는 개입을 제한하기 위해 단순하게 유지되어야 한다.

일 실시예의 목적은 트윈 터빈들에 의해 형성되는 부유식 풍력 터빈들의 상기에서 언급된 단점들 중 일부 또는 모두를 극복하는 데 있다.

일 실시예의 다른 목적은 너무 많은 재료를 사용하지 않고 이러한 풍력 터빈들의 효율을 증가시키는 데 있다.

일 실시예의 다른 목적은 그들의 회전 동안 터빈들의 피봇 연결들에 가해지는 법선 부하들(normal loads)에 있어서의 편차들을 원만하게 하는 데 있다.

일 실시예의 다른 목적은 풍력 터빈의 아키텍쳐를 이용해, 수동으로 풍력 터빈의 바람방향으로의 방위를 제공하여, 편주 제어가 필요하지 않게 하는 데 있다.

이에, 부유식 플랫폼 및 상기 플랫폼 상에 안착하는 터빈 엔진을 포함하는 부유식 풍력 터빈을 위한 일 실시예가 제공되는데, 이 터빈 엔진은

- 제1 평면에 대하여 대칭적으로 배치되는 제1 및 제2 교차-흐름(cross-flow) 터빈들. 각각의 터빈은 중심 부분들(central parts)과 암들(arms)을 포함하는 날개들(blades)로 구성되고, 상기 중심 부분들은 회전하는 실린더들을 형성하고 또한 상기 암들에 의해 끝단들에서 연장되고, 상기 암들은 또한 피봇 연결들(pivot linkages)에 의해 축 요소들(axle elements)에 연결되고, 각각의 터빈은 섀프트(shaft)를 포함하지 않는, 지지 구조가 구비된, 상부 및 하부, 2 개의 수평 페어링들(horizontal fairings)에 의해 고정되고;

- 상기 터빈들 사이 그리고 상기 터빈들의 날개들의 회전 축들을 포함하는 제2 평면의 바람 방향에 대하여 위쪽으로 수직 중간 철탑(vertical median pylon)에 연결되는 상기 상부 및 하부 수평 페어링들에 의해 형성되는 시스템으로 구성되는 터빈들을 지지하기 위한 구조를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 터빈 엔진은 상기 바람 방향에 대하여 제2 평면의 위쪽에 위치되는 피봇 축 주위로 부유식 플랫폼에 대하여 피봇팅하기에 적절하다.

일 실시예에 따르면, 상기 암들은 날개들의 회전 축들에 수직한다.

일 실시예에 따르면, 각각의 날개의 중심 부분은 사분-원 엘보 부분(quarter-circle elbow portion)에 의해 각각의 대응하는 암에 연결된다.

일 실시예에 따르면, 각각의 날개의 중심 부분은 곧다.

일 실시예에 따르면, 각각의 날개의 중심 부분은 그 회전 동안 터빈에 의해 형성되는 실린더 안에 내접하여 남아 있는 한편 작은 경사 각 (<5°)을 가지는 편향(deflection)을 가진다.

일 실시예에 따르면, 각각의 날개에 있어서, 상기 날개의 회전 축에 평행하게 측정되는 상기 날개의 중심 부분의 높이는, 상기 날개의 중심 부분에 연결되는 2 개의 암들 사이에서, 상기 날개의 회전 축에 평행하게 측정되는, 높이의 2/3와 같거나 이보다 크다.

수평 페어링들에는

- 지지 구조의 제1 클래스가 구비되어 있고, 이때 MMESS 페어링((Moderately Material Efficient Supporting Structure)으로 지칭되는 전체는 암들을 입사풍으로부터 하우징하고 보호하는 것을 가능하게 해주고, 축 요소들 및 허브들은 페어링들 내부에 완전히 하우징된다. 일 실시예에 따르면, 각각의 MMESS 페어링은 상기 페어링의 축 요소에 고정되는 카울(cowl)에 의해 부분적으로 폐쇄되는 하우징을 포함하고, 환형 개구부(annular opening)는 상기 터빈의 날개들이 관통하도록 상기 카울의 모서리와 상기 페어링의 나머지 사이에 놓인다. 일 실시예에 따르면, 각각의 MMESS 페어링은, 상기 터빈의 날개들의 엘보 부분들의, 1/2과 전체 사이에서 변하는, 일 부분(a fraction)을 하우징한다. 이로써 상기 페어링은 하우징하는 엘보 부분의 그 부분과 관련하여, 터빈의 지름으로부터 그 일 부분까지 변할 수 있는 폭을 가진다. 일 실시예에 따르면, MMESS 페어링들은 또한 상기 바람 방향에 대하여 제2 평면의 아래쪽 제1 중간 평면에서 수직 안정장치 받침대(vertical stabilizer strut)에 연결되고; 또는

- 수평 페어링들에는 지지 구조의 제2 클래스가 구비되어 있고, 이때 조립체는 암들을 입사풍에 개방되게 남겨놓는 HMESS 페어링(Highly Material Efficient Supporting Structure)으로 지칭되고; 축 요소들 및 허브들은 페어링들 내부에 부분적으로 하우징된다. 각각의 HMESS 페어링은 끝단에서 하프-호일(half-foil)(곧은, 곡선의, 사다리꼴의, 타원형의, 등)에 의해 형성되고 또한 그 안에 이 하프-호일 외부로 연장되고 그 위에서 터빈의 날개들이 허브와 단일체(single piece)을 형성하는 회전 디스크를 통해 외부에 부착되는, 회전 허브를 포함하는 피봇 연결이 배치된다. 이 하프-호일은 피봇 연결이 요소들을 바로 넘어 연장되는 폭을 가진다.

일 실시예에 따르면, 부유식 풍력 터빈의 각각의 MMESS 페어링은 또한, 각각의 터빈에 있어서, 상기 터빈의 상부 및 하부 페어링들을 연결하고 또한 제1 평면에 대향하는 터빈의 일 측 상에 수직 측면 받침대를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 각각의 MMESS 페어링은 상기 중간 철탑에 제1 구조 관(first structural tube)에 의해 또한 상기 수직 안정장치 받침대에 제2 구조 관에 의해 연결되는 환형 관(annular tube)을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 각각의 HMESS 페어링은 중간 철탑을 피봇 연결에 연결하는 리딩 모서리(leading edge)에 근접하고 또한 각각의 하프-호일의 폭의 함수로 긴 환형 구조 관(elongated annular structural tube)을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 각각의 터빈은 상기 날개의 상부 반(upper half) 안에 위치되는 점으로부터, 상기 터빈의 상부 피봇 연결의 회전 성분까지 각각의 날개를 연결하는 대각 견인선(diagonal traction line) 및 상기 날개의 하부 반 안에 위치되는 점으로부터, 상기 터빈의 하부 피봇 연결의 회전 성분까지 각각의 날개를 연결하는 제2 대각 견인선을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 각각의 터빈은 상기 터빈의 각각의 날개를 상기 날개를 따라 중간에 근접하게 위치되는 높이에서 상기 터빈의 회전 축 상에 배치되는 공통 노드를 통해 상기 터빈의 다른 날개들에 연결하는 수평 견인선을 포함한다.

일 실시예에 따르면, 각각의 터빈은 상기 터빈의 하부 페어링 안에 하우징되고 또한 상기 터빈의 날개들에 의해 구동되는 전기 발전기(electric generator)를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발전기는 직류-구동 영구 자석 동기화 발전기(direct-driven permanent magnet synchronous generator)이다.

일 실시예에 따르면, 상기 발전기는 디스크 브레이크(disk brake)를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 발전기에 의해 생성되는 전력의 배출을 위한 및/또는 상기 발전기를 모니터링 및/또는 제어하기 위한 케이블들 및/또는 상기 디스크 브레이크는 상기 터빈의 하부 페어링의 환형 구조 관 내에 배치된다.

일 실시예에 따르면, 상기 터빈의 상부 및 하부 페어링들의 환형 구조 관들은 관리 에이전트(maintenance agent)가 관통하기에 적절하다.

일 실시예에 따르면, 부유식 풍력 터빈은 또한 상부 페어링들 중 하나의 상부 면에 고정되는 적어도 하나의 광전지 패널(photovoltaic panel)을 포함한다.

이러한 특성들 및 장점들 뿐만 아니라 다른 것들은, 첨부된 도면들을 참조하여 한정적이지 않게 주어진 특정 실시예들의 이하의 상세한 설명에서 상세하게 개시될 것이다.
도 1은 MMESS 페어링들을 가지는 부유식 풍력 터빈의 일 실시예의 대략적인 부분 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 터빈들 중 하나의 상부 부분 및 하부 부분 각각의 대략적인 부분 분해도들이다.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 터빈들 중 하나의 상부 부분 및 하부 부분의 대략적인 확대 부분 단면도들이다.
도 4는 MMESS 페어링들을 가지는 부유식 풍력 터빈의 대략적인 부분 사시도이다.

본 발명을 이해하기 위해 유용한 요소들만이 설명되고 도면들에 도시된다. 상세한 설명의 나머지에서, 달리 기술하지 않는 한, "대략", "실질적으로", 및 " 차수의"라는 표현들은 + 또는 - 10%, 바람직하게는 + 또는 - 5%를 의미한다. 게다가, "상부", "하부", "위", "아래", "상단", 및 "베이스"라는 용어들은 풍력 터빈의 터빈들의 회전 축에 대하여 정의되는데, 이것은 예를 들어 수직 방향에 실질적으로 대응한다.

도 1은 MMESS 페어링들을 가지는 부유식 풍력 터빈(10)의 일 실시예의 대략적인 부분 사시도이다. 부유식 풍력 터빈(10)은 부유식 플랫폼(14) 상에 안착하는 수위(water level) 위에 터빈 엔진(12)을 포함한다.

터빈 엔진(12)은 회전 축들(A 및 A')을 가지는 2 개의 병치하는 교차-흐름 터빈들(24)을 포함하고, 그 각각은 상부 및 하부 MMESS 페어링(42, 44)에 의해 고정되고, 지지 구조(26)는 이 회전 축들 주위 편평한 회전 타원체의 형태를 가지고, 이 페어링들에는 구조 관들(64)에 의해 중간 철탑(28)에 또한 구조 관들(64)에 의해 수직 안정장치 받침대(30)에 연결되는 (도 2에 도시된) 지지 구조들이 구비되어 있고, 이 철탑 및 이 수직 안정장치 받침대는 2 개의 터빈들(24)이 대칭적으로 배치되는 일 측 상의 중간 수직 평면에 포함되어 있다. 수직 안정장치 받침대의 단면은, 터빈들(24)의 회전 축들에 수직하는 평면에서, 대칭적인 호일 프로파일이다.

이 방식으로, 도 2, 도 3a, 및 도 3b에 상세하게 도시될, 상부 및 하부 MMESS 페어링들(42, 44)에 고정되는 피봇 연결에 의해 축(A 및 A')을 가지는 터빈들의 날개들(32)을 지탱하는 것이 가능하게 된다. 이로써 각각의 터빈(24)은, 상기에서 설명되는 교차-흐름 터빈들에 있는 것과 같이, 섀프트를 생략할 수 있다. 지지 기능은 이로써 중간 철탑(28) 및 수직 안정장치 받침대(30)에 의해 제공된다. 이것은 하부 피봇 연결을 향해 상부 피봇 연결로부터 발생하는 기생 휨 스트레스들을 생성하지 않고 이 2 개의 허브들 사이의 오정렬을 허용하는 하나의 동일한 터빈의 2 개의 허브들을 결합해제하는 것을 가능하게 해준다. 특히, 이것은 하부 피봇 연결을 향해 상부 피봇 연결로부터 발생하는 휨 모멘트들의 영향을 피하는 것을 가능하게 해준다.

일 실시예에 따르면, 철탑(28)은 중간 평면에 대하여 대칭적인 실질적으로 삼각형의 단면을 가지고, 원의 호인 위쪽 표면과 2 개의 편평하거나 또는 오목한 측면 표면들은 중간 평면에 포함되는 소실선(vanishing line)을 향해 아래쪽에서 만난다. 그 위쪽 부분에는 이 철탑이 축 0를 가지는 원통형 탑에 의해 부유식 지지부에 연결되고 또한 확장부의 깊이는 많아야 터빈의 지름의 1/2을 가진다. 일 실시예에 따르면, 축들(A 및 A')을 포함하는 평면과 축(A)과 철탑(28)에의 접선을 포함하는 평면 사이의 각은, 바람 방향에 따라 위쪽 측 상에서, 30°와 같거나 또는 이보다 작다.

바람 방향으로의 철탑의 곡선 형태는 터빈 엔진의 피치 축을 따르는 이차 모멘트에 반비례한다. 이제, 그 확장부의 깊이로 인해, 이 철탑의 모멘트는 동일한 최대 단면의 원형 탑의 모멘트보다 훨씬 더 크다. 이로써 철탑은 터빈들의 피봇 연결들을 통해 전달되는 길이 방향의 공기역학적인 또한 기계적인 정지상태의 스트레스들을 더 잘 흡수할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 각각의 터빈(24)은 날개들(32)을 포함하는데, 이것은 적어도 2 개이고, 예를 들어 도 1에서는 3 개이다. 도 1의 오른쪽에 도시된 터빈(24)을 위한 날개들(32)은 축 A 주위의 회전으로 움직일 수 있도록 장착되고 도 1의 왼쪽에 도시된 터빈(24)의 날개들은 축 A' 주위의 회전으로 움직일 수 있도록 장착된다. 바람직하게, 축들(A 및 A')은 평행하다. 움직일 때, 날개들(32)은 각각이 도 1의 오른쪽에 도시된 터빈(24)을 위한 축 A 및 도 1의 왼쪽에 도시된 터빈(24)을 위한 축 A'을 가지는, 지름 D의 회전의 실린더들 내에 내접하는 표면들을 쓸면서 지나간다. 각각의 날개(32)는 지름 D의 실린더 안에 포함되는 중심 부분(33)을 포함한다. 예를 들어, 중심 부분(33)은 곧고 축(A 또는 A')에 평행하다. 이 도면에서 중심 부분(33)만이 바람에 노출되지만, MMESS 페어링들의 다른 실시예들이 이하에서 설명되는 바와 같이 예측될 수 있다.

날개들(32)은 실린더들을 분리시키는 중간 평면에 대하여 이 실린더들 상에 대칭적으로 분포되는 프로파일들을 가진다. 이들은 이로써 반대 회전 방향을 가지는데, 이 방향은 날개들(32)이 중간 부분에서 바람을 안고 움직이게 된다.

회전 축(A 또는 A')에 수직하는 평면에는, 각각의 날개(32)의 단면은 속이 빈 대칭적인 또는 비대칭적인 양면이 볼록한 타입의, 또는 이중 곡률을 가지는, 프로파일에 대응할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 지름 D는 20 m와 80 m 사이에 포함된다.

도 1에 도시된 실시예에 있어서, 각각의 터빈(24)의 날개들(32)은 곧은 중심 부분(33)을 가지지만 이 날개(32)의 중심 부분(33)이 회전 실린더를 휩쓸고 지나간다면, 교차-흐름 터빈들로부터 발생하는 어떠한 종류의 날개들도 사용될 수 있다. 예를 들어, 특허 US 2011006534에서 설명되는 바와 같이, 터빈에는 그 중심 부분이 나선형인 날개들이거나 또는 그 중심 부분이 V자형인 날개들이 구비되어 있을 수 있는데, 그러나 그 휩쓸고 지나가는 것(sweep)은 효율의 급격한 저하를 야기시키지 않도록 10°를 초과할 수 없다. 나선형 날개들 또는 V자형 날개들의 사용은 날개들에 의해 공급되는 토크를 균일하게 만드는 장점을 가진다.

플랫폼(14)은 반-잠수식일 수 있고 또한 쓰리-플롯 플랫폼에 대응한다. 플랫폼(14)은 별 모양으로 배치되는 3 개의 부유식 기둥들 또는 실린더들(16)을 포함한다. 플랫폼(14)은 또한 트러스들(20)에 의해 부유식 실린더들(16)에 연결되는, 축 0를 가지는, 중심 탑(18)을 포함한다. 플랫폼(14)은 안정화되어 터빈들의 축들(A 및 A')은 수직 위치에 근접하고, 별 모양의 3 개의 부유식 기둥들(16)로 인한 정수압 경직(hydrostatic stiffness)에 의해서 뿐만 아니라, 기둥들의 하부 부분에 배치되는, 액체 밸러스트일 수 있는, 밸러스트에 의해서, 최대 수확 전력을 제공한다. 이 기둥들에 있어서의 액체의 분포는 자세의 상당한 변화가 발생하지 않도록 제어될 수 있다. 플랫폼(14)은 예를 들어 해저에 연결되는, 현수삭들(catenaries)을 포함하는, 고정 시스템(미도시)에 의해 제자리에 고정된다. 쓰리-플롯 플랫폼(14)의 장점은 원 재료들의 비용, 설치의 비용 및 해양에서의 성능 사이에서 그 만족할 만한 타협에 있다. 다른 종류들의 부유식 플랫폼들이 사용될 수 있다. 변형에 따르면, 플랫폼(14)은 문헌 WO2013/175124에 기술된 플랫폼에 대응할 수 있는데, 이것은 본 상세한 설명과 통합된 부분을 형성하는 것으로 간주된다. 변형에 따르면, 플랫폼(14)은 또한 바지(barge), "스파(spar)" 플랫폼, 또는 텐션-레그 플랫폼(tension-leg platform, TLP)에 대응할 수 있다. 수위는 도 1에 선들(22)에 의해 대략적으로 도시되어 있다.

바람직하게, 터빈 엔진(12)은 플랫폼(14)의 중심 탑(18) 상에 장착된다. 변형에 따르면, 피봇 연결 시스템은, 도 1에 도시되지 않았지만, 터빈 엔진(12)을 실질적으로 수직 축 0 주위로 부유식 플랫폼(14)에 대하여 자유 회전하도록 방치하기 위해 탑(18)의 상단에 제공될 수 있다. 이를 위해, 철탑(28)은 피봇 연결의 수 부분으로 행동하고 또한 피봇 연결의 암 부분으로 행동하는, 탑(18)에 제공되는 축 0를 가지는 실린더 개구부로 들어가는, 축 0를 가지는 실린더 부분에 의해 연장될 수 있다. 이 연결은 큰 롤러 베어링을 포함하고 HAWT 탑들의 상단에서 발견되는 슬루 링(slew ring)의 변형에 의해 제공될 수 있다.

이 피봇 연결은 터빈 엔진이 바람쪽으로 방향지어지도록 허용한다. 사실상 MMESS 페어링들(42, 44)에 의해 발생하는 피봇 연결들 상에 각각의 터빈에 의해 가해지는 최종 수직항력(normal forces)은, 사실상 회전 축 0의 아래쪽 축들(A 및 A')의 위치는 회전을 시작하지 않고, 바람쪽으로 그 각각의 순간에서 풍력 터빈을 안정화시키는 경향이 있기 때문에, 축 0 상에서 이들이 생성하는 모멘트들에 대하여 동일한 방식으로, 균형이 잡힌다.

MMESS 페어링들을 가지는 풍력 터빈들에 존재하는, 수직 안정장치 받침대(30)는, 정상 작동시 바람 방향에 평행한 터빈 엔진(12)의 대칭 축을 유지하는 데 기여한다. 사실상, 수직 안정장치 받침대(30)는 실질적인 레버를 가지는 꼬리 날개로서 행동한다. 결론적으로, 유리하게도, 편주 제어(yaw control)는 필요치 않다.

탑(18)의 상단에 연결 시스템이 제공되지 않는 단순화된 실시예에 있어서, 풍력 터빈의 편주 안정화는 바람직할 수 있다. 도 1에 도시된 플랫폼 부유식 지지부(14)는 이 교정 공기역학적 모멘트에 종속되는데, 이것은 이 종류의 부유식 지지부의 편주를 제어하는 현수삭들(catenaries)의 모멘트에 더해진다.

도 2a 및 도 2b는 도 1의 오른쪽에 도시된 터빈(24)의 상부 부분 및 하부 부분 각각의 대략적인 부분 분해도들이다. 터빈들(24)은 중간 평면에 대하여 서로 대칭인 구조들을 가진다. 도 1의 왼쪽에 도시된 터빈은 대칭적인 구조를 가진다는 것을 알고, 도 1의 오른쪽에 도시된 터빈(24)의 보다 상세한 설명이 이제 주어질 것이다.

각각의 날개(32)는 특히 수평이고, 날개(32)의 중심 부분(33)의 상부 단에 연결되는, 바람직하게 축(A 또는 A')에 실질적으로 수직인, 상부 암(34), 및 특히 수평이고, 날개(32)의 중심 부분(33)의 하부 단에 연결되는, 바람직하게 축(A 또는 A')에 실질적으로 수직인, 하부 암(36)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 각각의 날개(32)에 있어서, 상부 엘보(38)는, 바람직하게 실질적으로 반지름(D)의 사분-원의 형태를 가지고, 상부 암(34)에 각각의 날개(32)의 중심 부분을 연결하고 또한 하부 엘보(40)는, 바람직하게 실질적으로 반지름(D)의 사분-원의 형태를 가지고, 하부 암(36)에 각각의 날개(32)의 중심 부분(33)을 연결한다. 축(A)로부터 측정된 각각의 암(34, 36)의 길이(L)는 R + L = D/2이다. 공기역학적 관점에서만 보면, R의 값은 터빈에 의해 생성되는 전력을 최대화시키려는 타협으로부터 나온다. 일반적으로, 무한 매체에서 작동하는 이 터빈에 있어서, 낮은 R은 구동 부분(33)에 의해 휩쓸리는 표면적을 증가시키지만 간섭 항력(interference drag)을, 이로써 연관된 소실 소스(dissipation source)를 증가시킨다. 각각의 특정한 터빈 기하 배열(N, c, D, 등)에 대하여 최적이 찾아진다. R의 상부 한계는, 날개(32)의 중심 부분(33)에 연결되는 암들(34 및 36) 사이에서, 축(A)에 평행하게 측정되는, 거리의 1/6이거나 또는 다시 말하면 각각의 날개(32)의 중심 부분(33)의 축(A)에 평행하게 측정된 높이는 이 거리의 2/3와 같거나 또는 이보다 크다.

상부 암들(32)은 허브(50)를 관통하여 고정되는 디스크(51)를 통해, 상부 허브(50)에 연결된다. 상부 허브(50)는, 축(A)을 가지는 상부 수직 안내 축 요소(52) 주위에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 베어링들 또는 부시들을 통해 회전가능하게 장착되고, 상부 축 요소(52)는 상부 페어링(42)의 상부 내부면에 고정된다. 하부 암들(36)은 허브(54)를 관통하여 고정되는 디스크(55)를 통해, 하부 허브(54)에 연결된다. 하부 허브(54)는 축(A)을 가지는 하부 수직 안내 축 요소(56) 주위에서, 이 도면들에 도시된 베어링들 또는 부시들을 통해 회전가능하게 장착되고, 이 축 요소(56)는 하부 페어링(42)의 하부 내부면에 고정된다.

암들(34, 36) 및 엘보들(38, 40)은, 거기에 가해지는 전단 응력(shear stresses)에 있어서의 증가를 지탱하기 위해 날개들(32)의 중심 부분들(33)과는 다를 수 있는, 프로파일된 형태를 가진다. 각각의 날개(32)의 암들(34, 36)의 단면의 최대 두께는 날개(32)의 중심 부분(33)의 단면의 최대 두께보다 더 클 수 있는데, 예를 들어 날개(32)의 중심 부분(33)의 단면의 최대 두께의 2배와 같거나 또는 이보다 크다.

일 실시예에 따르면, 각각의 엘보 부분(38, 40)의 프로파일은, 엘보 부분이 연결되는 날개의 중심 부분의 프로파일의 특성으로부터, 엘보 부분이 연결되는 암의 프로파일의 특성까지, 단조 전이(monotonic transition)를 제공한다.

각각의 날개(32)는 탄소 섬유들을 이용한 합성 물질로부터 생산될 수 있다. 중심 부분에 대하여 겪는 스트레스들의 균일함을 고려하면, 동일한 패널들로 날개들을 생산하는 것이 이 부분을 따라 전개될 수 있다. 패널들의 생산은 또한 상부 및 하부 암들에 맡겨질 수 있고, 상부 및 하부 엘보들은 또한 별도로 생산될 수 있다. 이 패널들은 그후 날개를 재구성하기 위해 윙 조이너 및 포켓 시스템들을 이용해 현장에서 연결될 수 있어, 물류 및 설치 비용들을 감소시킨다. 마지막으로, 날개들의 곧은 패널들은 인발성형(pultrusion) 프로세스에 따라 저비용으로 생산될 수 있다.

도 1의 오른쪽에 도시된, 지금까지 설명된 터빈(24)은, 하부 및 상부 MMESS 페어링들에 연결된다. 터빈 날개들의 기하구조만을 덮음에도 불구하고, 도 4에 도시된 것과 같은 다른 실시예에 대응하는 HMESS 페어링들에 연결되는 터빈의 날개들과 동일하게 잘 형성될 수 있고 또한 상기에서 주어진 이 터빈의 날개들의 특성 모두가 유효하게 유지된다.

일 실시예에 따르면, 각각의 터빈(24)의 상단에는, 상부 암들(34) 및 엘보들(38)이 회전의 MESS 상부 페어링(42) 안에 제공되는, 하우징(46) 안에 하우징된다. 각각의 터빈(24)의 베이스에는, 암들(36) 및 엘보들(40)이 회전의 하부 페어링(44) 안에 제공되는 하우징(48) 안에 하우징된다.

각각의 MMESS 페어링(42, 44)은 실질적으로 편평한 판(71)의 모서리를 따라 이어지는 관(tube, 70)을 포함한다. 관(70)은 위쪽으로 중간 철탑(28)과 만나는 구조 관(64) 및 아래쪽으로 수직 안정장치 받침대(30)을 만나는 구조 관(64)에 연결된다. 각각의 페어링(42, 44)은 또한 축(A)를 가지는 실린더 부분(73)으로부터 방사되는 강화 립들(reinforcing ribs, 72)의 세트를 포함하고, 실린더 부분, 립들(72) 및 관(70)은 판(plate, 71)과 함께 단일체를 형성한다.

일 실시예에 따르면, 축(A)을 가지는 터빈(24)의 상부 MMESS 페어링(42)은 또한 하우징(46)을 덮고 또한 수직 안내 섀프트의 상부 요소(52)의 하부 단 상에서 회전의 가능성 없이 고정되는, 축(A)를 가지는 원형 카울(circular cowl, 58)을 포함한다. 환형 개구부는, 도 1에 도시되지 않았지만, 그 폭(e)이 날개들(32)의 중심 부분들(33)의 두께의 3 내지 5 배이고, 반지름은 D/2와 같고, 각각의 날개(32)의 중심 부분(33)의 상부 단이 하우징(46)에 들어가고 또한 엘보(38)와 암(34)을 통해 상부 허브(50)에 연결되는 것을 허용하기 위해 하우징(46)의 모서리와 카울(58) 사이에 배치된다. 카울(58)의 지름(Dp)은 D-e와 같다.

축(A)를 가지는 터빈(24)의 하부 MMESS 페어링(44)은 또한 하우징(48)을 덮고 또한 수직 안내 섀프트의 하부 요소(56)의 상부 단 상에서 회전의 가능성 없이 고정되는, 축(A)를 가지는 원형 카울(60)을 포함한다. 도 1에 도시된, 환형 개구부(62)는, 그 폭(e)이 날개들(32)의 중심 부분들(33)의 두께의 3 내지 5 배이고, 반지름은 D/2와 같고, 각각의 날개(32)의 중심 부분(33)의 하부 단이 하우징(48)에 들어가고 또한 엘보(38)와 암(34)을 통해 하부 허브(50)에 연결되는 것을 허용하기 위해 하우징(48)의 모서리와 카울(60) 사이에 배치된다. 카울(60)의 지름(Dp)은 D-e와 같다.

축(A)를 가지는 터빈(24)은 이로써 3 개의 영역들, 날개들(32)의 중심 부분들(33)이 지름 D의 실린더 상에 위치되고 입사풍에 종속되고 구동되는, 상부 및 하부의, 2 개의 페어링들(42, 44) 사이의 중간 영역, 및 암들(34, 36) 뿐만 아니라 허브들(50, 54)을 둘러싸는 상부 및 하부 페어링들(42, 44) 안의 2 개의 영역들 안에서 이 축을 따라 배치된다. 2 개의 후자 영역들 안에서, 암들(34, 36)은 단면 저항(profile drag)을 겪고 또한 터빈(24)의 작동에 구동 효과를 가지지 않는다. 하지만, 이 성분들에의 저항은 이 성분들이 MMESS 페어링들(42, 44)의 부재로 저항을 증가시킬 수 있는 입사풍에 연관된 흐름 성분을 벗어나기 때문에, 이 폐쇄된 공간에서 순수한 회전 운동으로부터만 결과된다. 이 명제(proposition)는 수평 암들(34)이 각각의 상부(42) 및 하부 페어링의 상부 및 하부 면들로부터 충분히 멀리 떨어진 범위까지 유지된다. 이에 더하여, 그 카울(58)이 구비된 상부 MMESS 페어링(42) 및 그 카울(60)이 구비된 하부 MMESS 페어링(44)은, 각각의 날개(32)에 대하여 또한 한 회전 동안 날개(32)의 각각의 각 위치에서, 비행기 날개의 끝단들에서 2 개의 큰 곧은 끝단의 작은 날개들에 의해 행해질 수 있는 역할을 채택하고, 또한 다리우스 H- 또는 나선형 터빈들에 있어서 명백한 바와 같이, 날개-끝단 저항을 감소시킨다.

다른 실시예에 따르면, 그럼에도 불구하고 대규모의 풍력 터빈들의 작동에 있어서 안정적으로 남아 있는 큰 치수의 카울(58, 60)을 생산하는 것은 어려울 수 있기 때문에, 카울(58, 60)의 지름의 값이 구조적인 이유들로 D-e보다 작은 것이 유리할 수 있다. 일 부분, 예를 들어 엘보들의 1/2까지, 간섭 항력을 증가시키지 않고 바람에 개방될 수 있다. 장점은 연관된 카울들 및 상부 및 하부 MMESS 페어링들의 지름을 감소시키는 데 있다.

마지막으로, 철탑은 4 가지의 공기역학적 기능들을 제공한다:

(i) 철탑(28)의 둥근 앞면은 날개들(32)의 업 윈드 움직임, 즉 속도가 느려지는 영역을 보호하고 이로써 성능을 향상시킨다.

(ii) 그 존재에 의해, 철탑은 각각의 터빈 주의의 전체 흐름을 입사 흐름에 평행하고 회전 축을 관통하는 평면에 대하여 비대칭적으로 만든다. 이제, 적어도 시작(start-up)에서 무한 매체에서 수직 터빈에 있어서의 이 흐름의 대칭은 시작을 어렵게 만들고, 날개들은 주어진 대칭적인 각 위치들에서 비활성인 채로 남아 있다.

(iii) 이 철탑의 위치 및 기하구조가 어떻게 다양한 방식으로 풍력 터빈의 역풍 안정화에, 이로써 그 편주 제어에 기여하는지, 특히 HMESS 페어링들의 사용 동안, 언급되는 바와 같이, 보여준다.

(iv) 축(A)를 가지는 터빈의 날개들(32)은 지지하는 중간 철탑(28)에 의해 고정되는, 상부 및 하부 MMESS 페어링들(42, 44) 사이 피봇 연결에 의해 발생된다. 도 2는 어떻게 상부(52) 및 하부(56) 축 요소들 주위에서 독립적으로 피봇팅하고 또한 각각의 터빈(24)에 있어서 섀프트 없이 가능하게 해 주는지 보여주는 것에 의해 이 점을 상세히 보여준다. 중심 섀프트의 부재(absence)는, 궁극적으로 중간 철탑(28)에 의해 수행되는 지지 기능으로부터 기인하고, 또한 축(A) 주위의 회전 동안 아래쪽 반쪽-디스크 안의 통과시 날개들(32)을 방해하는 소용돌이들, 특히 본 카르만 볼텍스 스트릿 시스템들(von Kαrmαn vortex streets systems)을 막는다. 이에 더하여, 이 시스템들의 주파수(무차원 변수 V_i/a, a는 섀프트의 지름이고 스트로홀 주파수로 지칭됨)는, Vi가 증가함에 따라, 탑의 고유 주파수에 가까워지기 때문에 문제들이 제기될 것이다. 이 문제들은 이로써 제거된다.

각각의 MMESS 페어링(42, 44)은 또한 피치-다운 움직임에 기여하는 호일의 역할을 채택할 수 있다.

이에 더하여, 페어링들 외부의 특정 접근 방법들(미도시)을 통해 페어링들 내부의 관리 에이전트들에의 접근 가능성, 수확된 전력의 배출을 위한 전기 케이블, 및 디스크 브레이크와 같은 발전기 케이싱 안의 성분들의 모든 전기적 모니터링/제어 회로들은 구조 관들(64)을 지나간다. 프로그램가능한 로직 컨트롤러들 및 다양한 전기적 장치들을 이용해 풍력 터빈의 기능들을 관리하는 제어 캐비넷은 중간 철탑(28)의 바닥에 및/또는 탑(18)의 바닥에 설치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 각각의 날개(32)에 있어서, 대각 휨방지 견인선(66)이 상부 수직 안내 축 요소(52)의 하부 단 주위에 특정 베어링 또는 부시에 의해 피봇가능하게 장착되는, 환형 부분(67)을 날개(32)에 그 상부 반 내에 위치되는 높이에서 연결하고 또한 대각 휨방지 견인선(미도시)이 하부 수직 안내 축 요소(56)의 상부 단 주위에 특정 베어링 또는 부시에 의해 피봇가능하게 장착되는, 환형 부분을 날개(32)에 그 상부 반 내에 위치되는 높이에서 연결한다. 견인선(66)은 케이블, 로프, 체인, 프로파일 등에 대응할 수 있다. 이 2 개의 선들은, 날개의 휨을 방사상 방향으로 균일하게 만들어주기 위해 중심 부분(33) 상에 적절하게 분포되고, 한편으로는 하부 케이블을 가지고 정상 동작시 공기역학적 힘들(양력 및 항력)에 대하여 우세한 원심력들에 맞서고 다른 한편으로는 상부 케이블을 가지고 터빈이 정지되는 때마다 중력의 영향 하에서 처지게 되는 축(A)를 가지는 터빈(24)의 암들(34, 36)의 수평을 유지하는 것을 가능하도록 해준다.

마지막으로, 각각의 터빈에 있어서, 프로파일된 외부 수직 측면 받침대들(68)은 유리하게도 터빈(24)의 MMESS 페어링들(42, 44)을 중간 평면에 반대되는 터빈(24)의 일 측 상에 연결한다.

중간 철탑(28), 수직 안정장치 받침대(30), 측면 받침대들(68) 및 페어링들(42, 44)은 날개들의 생산을 위해 항공학에서 사용되는 물질들, 예를 들어 합성 물질들로부터 생산될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 터빈들(24) 중 하나로부터 MMESS 페어링들을 가지는 부유식 풍력 터빈(10)의 상부 부분 및 하부 부분 각각의 대략적인 확대 부분 단면도들이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 상부 페어링(42)은 상부 허브(50)를 상부 축 요소(52)에 연결하는 피봇 연결(74)을 포함한다. 예를 들어, 피봇 연결(74)은 베어링들에 의해 형성된다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 하부 페어링(44)은 하부 허브(54)를 하부 축 요소(56)에 연결하는 피봇 연결(76)을 포함한다. 예를 들어, 피봇 연결(76)은 베어링들에 의해 형성된다. 하부 페어링(44)은 또한 터빈(24)에 의해 공급되는 기계적인 동력을 배출하는 발전기(80)를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 발전기(80)는 직류-구동 영구 자석 동기식 발전기이다. 발전기(80)의 스테이터(82)는 실린더 부분(73), 디스크(55) 및 판(71)에 의해 한정되는 엔클로져(88) 안에 배치되는 지지부(86) 상에 배치되는 와인딩(84)을 포함한다. 발전기(80)의 로터(90)는 와인딩(84)을 향해 배치되는 영구 자석들(94)이 구비되고 또한 허브(54)와 단일체를 형성하는 디스크(55)에 고정되는 축(A)를 가지는 실린더 부분(92)을 포함한다. 로서(90)는 또한 강화 립들(95)을 포함할 수 있다. 로터(90)와 스테이터(82) 사이에서 교환되는 흐름은 이로써 방사상이다. 직류-구동 영구 자석 동기식 발전기(80)는 속도-증가 기어 세트를 필요로 하지 않고, 가변적인 속도에서 작동할 수 있는 장점을 가지는데, 이 기어 세트는 하부 페어링(44) 안에 공간을 차지할 수 있고, 그 두께를 증가시키고, 높은 전력대중량 비(power-to-weight ratio)를 가지게 된다. 발전기(80)에는 로터(55)와 단일체를 형성하는 디스크(97) 및 하부 페어링(44)에 고정되는 캘리퍼(calliper)(98)를 포함하는 디스크 브레이크(96)가 구비되어 있어야 한다.

도 4는 상부(126) 및 하부(128) MMESS 페어링들을 가지는 부유식 풍력 터빈의 일 실시예의 대략적인 부분 사시도이다. 부유식 풍력 터빈(120)은 도 1에 도시된 부유식 풍력 터빈(10)의 모든 요소들을 포함하는데, 차이점은 각각의 터빈(24)에 있어서, 상부(42) 또는 하부(44) MMESS 페어링이 감소된 공간 요구조건을 가지는, HMESS 페어링으로 지칭되는, 상부 (126) 또는 하부(128) 지지 구조에 의해 대체된다는 것이다. 이에 더하여, 수직 안정장치 받침대(30)도 없다.

각각의 상부(126) 또는 하부(128) HMESS 페어링은 철탑(28)에 연결되는 (곧은, 곡선의, 사다리꼴의, 타원형의, 등) 하프-호일을 포함하고, 그 끝단에서 피봇 연결이 터빈들(24)에 대하여 배치된다(미도시). 상부(126) 및 하부(128) HMESS 페어링들은 상부 및 하부 축 요소들을 각각 (미도시) 포함한다. 상부(50) 및 하부(54) 허브들(부분적으로 도시된)은 이 도면에는 도시되지 않은 베어링들 또는 부시들을 이용해, 이 상부 및 하부 축 요소들 각각에 회전가능하게 장착되고, 원형 개구부는 HMESS페어링들 외측의 상기 허브들의 연장부들을 위해 남겨지게 된다. 이 허브들(50, 54)의 외부 부분들에 고정되는, 상부(51) 및 하부(55) 외부 디스크들은, 통합 부분을 형성하는, 터빈의 날개들(32)의 암들(34 및 36)에 의해 구동된다.

이 실시예에 있어서, 하부(126) 및 상부(128) HMESS 페어링들은 도 2a 및 도 2b에 도시된 MMESS 페어링들과 함께 소정의 공통 기능들을 제공한다((또한 이로부터 후속적인 장점들이 유래된다). 먼저, 지지 기능은 리딩 모서리에 근접하고 또한 중간 철탑에 연결되는, 각각의 하프-호일의 폭의 함수로서 길이 방향의 환형 구조 관들(미도시)에 의해 부분적으로 제공된다. 지지 기능은 그후 비행기 날개들에서 사용되는 종래의 수단(미도시)에 의해 제공된다: 이 관들에 평행한 스파들, 립들 및 내부 케이블들.

상부 페어링(126)에 있어서, 내부 케이블들에 더하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 철탑(28)의 정점에서 수직 바들의 상단으로부터 하프-호일들의 축 요소들까지 연결하는, 가잉 시스템(130)의 외부 케이블들이 추가될 수 있고, 외부 지지 바들(132)은 철탑(28)의 바닥으로부터 하프-호일들의 축 요소들까지 연결한다.

이로써, 하부 및 상부 HMESS 페어링들에 대하여, 환형 구조 관들은 관리 에이전트들에 페어링들의 내부 및 외부에서 날개들에 의해 생성되는 기계적인 전력의 전송을 위한 성분들로의 접근 가능성을 제공한다. 마지막으로, 하부 HMESS 페어링들에만 대하여, 이에 더하여 이 관들은 관리 에이전트들에게 수확되는 전력의 배출을 위한 전기적 케이블 및 디스크 브레이크와 같은 발전기의 케이싱 내부의 성분들의 전기적 회로들의 모니터링/제어에의 접근을 제공한다.

마지막으로, MMESS 페어링들과 공유되는 구조적 및 공기역학적 장점들을 가지는 구동 섀프트가 필요치 않다.

HMESS 페어링들은, 날개들(32)의 엘보들(38, 40) 및 암들(34, 36)이 페어링들의 외부에 남아 있기 때문에, 날개들(32)의 모양 자체에 기생 항력을 감소시키는 기능을 남겨 놓는다. 더 이상 보호되지 않는 암들(34, 36)은 MMESS 페어링보다 다 강한 항력을 겪을 수 있다. 한편으로, 축(A)에 수직하는 상부 및 하부 암(34, 36)에 의해 연장되는 날개(32)의 능동 부분(33)의 끝단에서 엘보(38, 40)에 의해 형성되는 조립체는 그 자체로 MMESS 페어링보다 작은 표면적을 가지는 작은 날개와 비교될 수 있다. 간섭 항력은 또한 엘보(38, 40)의 곡률 반지름을 조정함으로써 HMESS 페어링들과 함께 감소될 수 있다. 중심 섀프트의 부재 또한 축(A) 주위의 회전 동안 아래쪽 반쪽-디스크 안의 통과시 날개들(32)을 방해하는 소용돌이들, 특히 본 카르만 볼텍스 스트릿 시스템들(von Kαrmαn vortex streets systems)을 막는다. 결론적으로, HMESS 페어링들 및 MESS 페어링들의 존재에서 획득되는 기생 항력들을 감소시키는 데 있어서의 장점들은 전체적으로 실질적이고 상당히 남아 있게 된다.

이 장점들은 지지 구조가 구비되는 이 2 개의 종류들의 페어링들에 의해 지지되는 터빈들(24)에 의해 공급되는 전력 값들에 중요한 영향을 가진다. 사실상, 2 가지 종류들의 페어링들에 공통되는 풍력 터빈의 일반적인 아키텍쳐를 이용해, 회전 영역을 침범하지 않고도, 그 상단 및 하단 끝단에 의해 터빈들을 지탱하는 것이 가능하게 되었고, 페어링들을 지지하는 공통 철탑(28)은 이 영역들 외부에 있고, 이로써 유리하게도 양력의 원리에서 작동하는 VAWT의 2 개의 주요 변형들의 특성을 결합한다. 다리우스 터빈들로부터, 감소된 견고함(S) 및 그들의 높은 최적 전진 비율(λ_o)로부터 기인하는 효율성이 취해지고, H-터빈들로부터, 특히 견인선들에 의해 유지되는, 사각 형태로부터 발생하는, 주어진 높이에 있어서 다리우스 터빈들보다 상당히 더 큰 최대 단면이 취해진다.

일 실시예에 따르면, 원심력 및 중력들에 맞서기 위해, 도 1에서와 같이, 도 2에 도시된 부분(67)과 유사하지만 외부 상부 디스크(51)의 중심 주위에 고정되는 환형 부분을, 날개의 상부 반 안에 위치되는 고정 지점에서 날개(32)에 연결하는 대각 휨방지 견인선(66)(이 도 4에는 미도시)을 이용하는 것이 항상 가능하다. 유리하게도, 제2 대각 견인선(미도시)이 외부 하부 디스크(55)의 중심 주위에 고정되는 환형 부분을, 날개의 하부 반 안에 위치되는 고정 지점에서 날개(32)에 연결할 수 있다. HMESS 페어링들이 MMESS 페어링들에 대해서 상기에서 설명된 것과 다른 피봇 연결 상에 고정하는 방법을 제공하는 것에 유의해야 한다. 후자에 있어서, 디스크는 내부에 있고, 그러므로 단독으로 외부 요소 주위에 추가적인 베어링을 도입하는 것이 필요하고, 상부의 고정된 수직 축 요소(52)의 하부 끝단은 카울을 지지한다.

일 실시예에 따르면, 원심력에만 맞서기 위해, 수평 평면에서, 날개들(32)의 중간에 근접하게 위치되는 한 지점을 회전 축 상에 위치되는 한 지점에 연결하는, 휨방지 견인 선들을 도입하는 것 또한 가능하다. 도 4에 도시된 바와 같은, 2 개의 날개들을 가지는 터빈에 있어서, 이 휨 선들은 하나의 선으로 감소된다. 반대로, 이 해결책은 MMESS 페어링들의 존재에서 사용될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 도 1의 각각의 견인선(68) 또는 각각의 견인선(66)은, 날개(32)의 하부 반 상의 그 보완물과 함께, 프로파일된 슬리브를 덮는 케이블을 포함할 수 있고, 이 슬리브는 케이블이 날개들(32)에 접촉되는 영역들을 제외하고 케이블의 전체 길이에 대하여 실질적으로 연장된다. 슬리브는 폴리머로부터 만들어질 수 있다. 이것은 대칭적인 프로파일의 형태를 가질 수 있다.

상기에서 설명되는 탑(18)의 상단에 연결하기 위한 시스템이 제공되는 실시예에 있어서는 편주 제어가 필요치 않다. HMESS 페어링들(126, 18)에 의해 발생되는 피봇 연결들 상에 각각의 터빈(24)에 의해 가해지는 최종 수직항력은, 0에서 생성하는 모멘트들과 동일하게, 균형이 잡힌다. 회전 축 0의 아래쪽 축들(A 및 A')의 위치는 회전을 시작하지 않고, 매 순간 바람을 안고 풍력 터빈을 안정화시키는 경향이 있다. 예를 들어 터빈의 지름의 1/2에 도달하는 HMESS 페어링들을 갖는 풍력 터빈들(120) 내의 유익하게 연장된 철탑(28)은 바람의 안정화를 더욱 강조한다. 사실상, (i) 바람에 더 많이 노출되고 (ii) 그리고 철탑(28)의 축 0의 아래쪽에 주로 배치되는, 철탑의 측면 표면 상에 가해지는 바람의 행위는, 꼬리 날개와 같이 행동한다. 3번째 이유로, 바람에 가장 많이 노출된 터빈(24)은, 철탑(28)과 함께, 가장 적게 노출된 터빈(24)을 협력하여 보호한다. 첫번째 터빈(24)에 바람에 의해 가해지는 전체 항력은 두번째 터빈(24) 상의 전체 항력보다 더 크고 철탑(28)의 하단에서 예측된 최종 토크는 또한 교정 토크이다.

탑(18)의 상단에 연결하는 이 시스템이 제공되지 않는 실시예에 있어서, 도 1에 도시된 플랫폼 부유식 지지부(14)는 이 교정 공기역학적 모멘트에 종속되는데, 이것은 이 부유식 지지부의 편주를 제어하고 또한 정상 작동 하에서 바람 방향에 평행한 터빈 엔진(12)의 대칭 축을 고정하는 데 기여하는 현수선들의 모멘트에 더해진다.

도 4에 도시된 실시예에 따르면, 터빈에는 2 개의 날개들이 구비되어 있다. 이 선택은 응급 정지에 이어 터빈을 안정화시키는 데 매우 바람직하다: 이를 위해 그 2 개의 날개들이 터빈들의 날개들의 회전 축들을 포함하는 평면에 있는 각 구성(angular configuration)에 있어서 2 개 터빈들 모두를 정지할 필요가 있고 이를 위한 구성은 구동력들이 최소이거나, 또는 심지어 음이다.

서로 다른 변형들을 가지는 다양한 실시예들이 상기에서 설명되었다. 당업자는 진보적인 단계를 보여주지 않고 이러한 다양한 실시예들 및 변형들의 다양한 요소들을 결합할 수 있음에 유의해야 한다.

Claims (25)

1. 부유식 플랫폼(14) 및 상기 플랫폼 상에 안착하는 터빈 엔진(12)을 포함하는 부유식 풍력 터빈(10)에 있어서,
   - 제1 평면에 대하여 대칭적으로 배치되는 제1 및 제2 수직 축 터빈들(24). 각각의 터빈은 중심 부분들(33)과 측면 암들(34, 36)을 포함하는, 2와 같거나 이보다 큰 N 개의 날개들(32)을 포함하고; 상기 터빈들의 날개들의 회전 축들(A, A')은 상기 제1 평면에 수직하는 제2 평면에 포함되고, 회전시 상기 날개들의 중심 부분들은 상기 축들(A, A') 주위로 실린더들을 형성하고 또한 상기 암들에 의해 끝단들에서 연장되고, 상기 암들은 또한 피봇 연결들(74, 76)에 의해 축 요소들(52, 56)에 연결되고, 상기 암들(34, 36)은 상기 날개들(32)의 회전 축들(A, A')에 수직하고, 각각의 날개(32)의 상기 중심 부분(33)은 측면 엘보 부분(38, 40)을 통해 각각의 암(34, 36)에 연결되고, 이때, 각각의 날개(32)에 있어서, 상기 날개의 회전 축(A, A')에 평행하게 측정되는 상기 날개의 중심 부분(33)의 높이는, 상기 날개의 중심 부분에 연결되는 2 개의 암들(34, 36) 사이에서, 상기 날개의 회전 축(A, A')에 평행하게 측정되는, 높이의 2/3와 같거나 이보다 크고, 또한 이때 각각의 터빈은 지지 구조에 구비되는 상부 및 하부, 2 개의 수평 페어링들(42, 44; 126, 128)에 의해 지지되고 또한 축 요소들을 함께 연결하는 섀프트를 포함하지 않고; 및
   - 상기 터빈들 사이 수직 중간 철탑(28)에 연결되는, 지지 구조들이 구비되는 상기 상부 및 하부 수평 페어링들을 포함하여 구성되는 터빈들을 지지하기 위한 구조를 포함하는 부유식 풍력 터빈.
2. 제 1 항에 있어서, 어느 점에서든 각각의 엘보 부분(38, 40)의 곡률의 반지름은 사분-원의 반지름으로부터 5%보다 작은 만큼 벗어나는, 부유식 풍력 터빈.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각각의 엘보 부분(38, 40)의 프로파일은 상기 엘보 부분이 연결되는 상기 날개의 중심 부분의 프로파일의 특성으로부터, 상기 엘보 부분이 연결되는 상기 암의 프로파일의 특성까지, 단조 전이를 제공하는, 부유식 풍력 터빈.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 터빈의 상기 상부 및 하부 수평 페어링들은 상기 중간 철탑에 대하여 대칭적인 실질적으로 삼각 단면을 가지는, 터빈들 사이 수직 중간 철탑에 연결되고, 원의 호에서 바람 방향에 대하여 위쪽 표면과 2 개의 편평한 또한 오목한 측면 표면들이 중간 평면에 포함된 소실선을 향해 아래쪽에서 만나고, 그 위쪽 부분에서 이 철탑은 상기 터빈들의 날개들의 회전 축들을 포함하는 제2 평면의 위쪽에 배치되는 축 0와 실질적으로 원통형인 탑에 의해 부유식 지지부에 연결되는, 부유식 풍력 터빈.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 터빈(24)은 상기 날개의 상부 반 안에 위치되는 점으로부터, 상기 터빈의 상부 피봇 연결의 회전 성분까지 각각의 날개(32)를 연결하는 대각 견인선(66) 및 상기 날개의 하부 반 안에 위치되는 점으로부터, 상기 터빈의 하부 피봇 연결의 회전 성분까지 각각의 날개(32)를 연결하는 제2 대각 견인선을 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 터빈(24)은 상기 터빈의 각각의 날개(32)를 상기 날개를 따라 중간에 근접하게 위치되는 높이에 상기 터빈의 회전 축 상에 배치되는 공통 노드를 통해 상기 터빈의 다른 날개들에 연결하는 수평 견인선을 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 각각의 견인선은 측면 슬리브로 덮이고, 상기 슬리브는 상기 견인선이 상기 날개들(32)과 접촉하는 영역들을 제외한 상기 견인선의 전체 길이에 실질적으로 걸쳐 연장되는, 부유식 풍력 터빈.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 회전하는 동안, 상기 날개들(32)의 중심 부분들은 지름 D의 실린더들을 형성하고 또한 0.2보다 작은 견고함 S = 2Nc/D를 가지고, c는 상기 날개들의 프로파일들의 코드인, 부유식 풍력 터빈.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 철탑(28)은 상기 피봇 연결의 수 부분(male part)으로 동작하는 축 0를 가지는 실린더 부분에 의해 연장되고 또한 이를 이용해 상기 터빈 엔진(12)이 상기 부유식 플랫폼(14)에 대하여 피봇팅하기에 적절한, 피봇 연결의 암 부분(female part)으로 동작하는 탑(18) 안에 제공되는 축 0를 가지는 원통형 개구부로 진입하는, 부유식 풍력 터빈.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 및 하부 지지 구조가 구비된 각각의 수평 페어링(42, 44; 126, 128)은 고정된 축 요소를 포함하는 피봇 연결이 그 안에 배치되고 그 끝단에 하프-호일에 의해 형성되고, 회전 허브(50, 54)는 상기 하프-호일 외부로 연장되고 그 위에서 상기 터빈(24)의 상기 날개들(32)의 암들(34, 36)이 디스크(51, 55)를 통해 외부에 부착되는, 부유식 풍력 터빈.
11. 제 10 항에 있어서, 각각의 페어링(42, 44; 126, 128)의 상기 지지 구조는 상기 철탑(28)에 연결되고 상기 리딩 모서리에 근접하여, 각각의 하프-호일의 폭의 함수로 긴 환형 구조의 관 및 상기 페어링 내부에 스파들, 립들 및 케이블들을 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 상부 페어링에 있어서, 상기 철탑의 정점에서 상기 지지부들로부터 상기 하프-호일들의 축 요소들로 연결하는 가잉 시스템의 외부 견인선들 및 상기 하부 페어링에 있어서, 상기 하프-호일들의 축 요소들에 상기 철탑을 연결하는 외부 지지 바들을 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 환형 구조의 관은 관리 에이전트가 관통하기에 적절한, 부유식 풍력 터빈.
14. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 지지 구조가 구비된 각각의 상부 및 하부 수평 페어링(42, 44; 126, 128)은, 그 중심 하우징에서 편평한 회전 타원체로 형성되고 피봇 연결을 또한 바람으로부터 보호되며, 상기 페어링 내부에 고정되는 고정 축 요소(52, 56), 상기 축 요소 주위를 회전하는 허브(50, 54)를 포함하고, 회전 디스크(51, 55)에 연결되는 상기 터빈(24)의 상기 날개들(32)의 암들(34, 36)은 상기 회전 허브와 단일체를 형성하고, 또한 일 부분은 상기 터빈의 날개들의 엘보 부분들(38, 40)의 1/2과 전체 사이에서 변하는, 부유식 풍력 터빈.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 터빈의 각각의 페어링(42, 44)은 상기 페어링의 축 요소(52, 56)에 고정되는 카울(58, 60)에 의해 부분적으로 폐쇄되는 하우징(46, 48)을 포함하고, 상기 카울의 모서리와 상기 터빈의 날개들(32)이 관통하는 상기 페어링의 나머지 사이에 환형 개구부(62)가 남게되는, 부유식 풍력 터빈.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 베어링 구조(26)는 상기 바람 방향에 대하여 상기 제2 평면의 아래쪽 상기 제1 중간 평면에 수직 안정장치 받침대(30)를 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 페어링(42, 44)의 지지 구조는 상기 중간 철탑(28)에 제1 구조 관(64)에 의해 또한 상기 수직 안정장치 받침대(30)에 제2 구조 관(64)에 의해 연결되는 환형 관(70)을 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 제1 구조 관(64)은 관리 에이전트가 관통하기에 적절한, 부유식 풍력 터빈.
19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 터빈(24)은 상기 지지 구조가 구비된 상기 하부 수평 페어링 안에 또는 그 아래에 하우징되어 있는 상기 터빈의 날개들(32)에 의해 구동되는 전기 발전기(80)를 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 발전기(80)는 직류-구동 영구 자석 동기화 발전기인, 부유식 풍력 터빈.
21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 발전기(80)는 디스크 브레이크(96)를 포함하는, 부유식 풍력 터빈.
22. 제 17 항과 함께 제 19 항에 있어서, 상기 발전기(80)에 의해 생성되는 전력의 배출을 위한 및/또는 상기 발전기(80)를 모니터링 및/또는 제어하기 위한 케이블들 및/또는 상기 디스크 브레이크는 상기 구조 관들(64)에 배치되는, 부유식 풍력 터빈.
23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 날개(32)는 카본 섬유들을 이용해 합성 물질로부터 생성되는, 부유식 풍력 터빈.
24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 날개(32)는 패널들, 상기 중심 부분, 상기 상부 및 하부 암들에 생성되고, 상기 상부 및 하부 엘보들은 별도로 생성되는, 부유식 풍력 터빈.
25. 제 24 항에 있어서, 상기 패널들은 그후 상기 호일을 재구성하기 위해 현장에서 함께 연결되는, 부유식 풍력 터빈.

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