KR20230061124A - 복합 풍력 발전 설비 - Google Patents

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Abstract

복합 풍력 발전 설비가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 복합 풍력 발전 설비는 부유체에 설치되고, 나셀부를 갖는 풍력발전기; 상기 부유체에 설치되고 파도의 고저차에 의해 압축된 공기 유동이 발생되는 케이슨 부재; 및 상기 케이슨 부재를 통해 제공되는 공기 유동에 의해 구동하는 터빈을 포함하되; 상기 터빈은 상기 나셀부와 연결되어 상기 터빈의 회전력을 상기 나셀부의 회전축에 제공한다.

Description

복합 풍력 발전 설비{COMPOSITE WIND FORCE GENERATION APPARATUS}
본 발명은 복합 풍력 발전 설비에 관한 것이다.
일반적으로 신재생에너지는 연료전지, 수소에너지 등의 신에너지와 태양광, 태양열, 바이오, 풍력, 수력 등의 재생에너지를 합친 것으로, 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지이다. 이는 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원을 그 특성으로 한다. 신재생에너지는 화석연료의 고갈 및 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응, 그리고 환경문제 등으로 그 중요성이 커지게 되었다.
재생에너지의 활용에 대한 관심이 고조되면서 다양한 해양재생에너지를 이용하는 발전이 논의되어 실현되고 있으며, 이런 배경에서 풍력발전, 조력발전과 파력발전도 가능성이 있는 해상재생에너지의 한 축으로 이해되고 있다.
따라서 해상에서 주로 이용되는 재생에너지원으로 풍력발전, 조력발전, 그리고 파력발전은 각각의 에너지원을 이용하여 발전하기 위한 시스템이 설치된다. 각각의 시스템은 설치비용이 많이 소요된다. 그럼에도 불구하고 풍력발전은 바람이 없거나 약하게 부는 때에 효율이 낮고, 조력발전은 조수 간만의 차가 작거나 밀물과 썰물이 이동하지 않은 때에 효율이 낮으며, 파력발전은 파랑이 잦아들거나 약한 경우에 효율이 낮은 문제가 있었다
종래에 해상에너지원으로 해상에서 부는 바람에 의한 풍력에너지와 파력을 이용한 복합 발전 시스템이 제안되었으나, 풍력 발전과 파력 발전이 별개로 운영되는 구조로 이루어져 있어서 발전 효율이 낮은 문제점이 있었다.
본 발명은 해양 재생 에너지원으로 풍력 에너지와 파력 에너지를 상호 보완이 가능한 복합 발전으로 해양 재생 에너지의 효율성을 높일 수 있는 풍력과 파력을 이용한 복합 풍력 발전 설비를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 부유체에 설치되고, 나셀부를 갖는 풍력발전기; 상기 부유체에 설치되고 파도의 고저차에 의해 압축된 공기 유동이 발생되는 케이슨 부재; 및 상기 케이슨 부재를 통해 제공되는 공기 유동에 의해 구동하는 터빈을 포함하되; 상기 터빈은 상기 나셀부와 연결되어 상기 터빈의 회전력을 상기 나셀부의 회전축에 제공하는 복합 풍력 발전 설비가 제공될 수 있다.
또한, 상기 터빈은 회전축을 포함하고, 상기 회전축은 상기 나셀부의 기어박스에 연결되는 회전력을 전달할 수 있다.
또한, 상기 케이슨 부재는 수면 아래에 위치되고 해수가 유입 및 유출되도록 개방된 일단과 상기 개방된 하단을 통해 유입된 물에 의해 공기가 압축되는 압축공간부를 갖는 케이슨들; 및 상기 풍력 발전기를 지지하는 타워 내부에 제공되고, 상기 케이슨들로부터 압축된 공기가 모이는 중앙 터널을 포함할 수 있다.
또한, 상기 케이슨 부재에서 압축된 공기를 팽창시켜 회전력을 발생시키는 익스팬더와 상기 익스팬더와 직결 구동되어 외부 공기를 흡입해 압축한 후 상기 터빈을 향해 송출하는 콤프레셔를 갖는 공압부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 케이슨 부재는 파도에 의한 상기 케이슨 내부의 수면 변화에 따라 선택적으로 외부 공기가 상기 케이슨 내부로 유입되도록 제공되는 베큠 브레이커를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 해상에서 형성된 바람에 의한 풍력에너지와 파랑에 의하여 형성되는 파력에너지로부터 복합 발전이 가능하므로 풍력에너지와 파력에너지를 이용하여 상호 보완이 가능한 복합 발전으로 지속적이고 극대화된 발전이 이루어지며, 해양재생에너지의 이용에 따른 효율성을 제고할 수 있는 각별한 효과를 갖는다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 풍력 발전 설비를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 복합 풍력 발전 설비의 정면도이다.
도 3은 도 2에 표시된 a-a선을 따라 절취한 평단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 베큠 브레이커에서의 공기 유입을 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 풍력 발전 설비를 보여주는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 도 5의 요부 확대도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합 풍력 발전 설비를 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 복합 풍력 발전 설비의 정면도이며, 도 3은 도 2에 표시된 a-a선을 따라 절취한 평단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 복합 풍력 발전 설비(10)는 부유체(100), 풍력 발전기(200), 케이슨 부재(300) 그리고 터빈(400)을 포함할 수 있다.
부유체(100)는 이후 설명될 풍력 발전기(200) 및 케이슨 부재(300)을 설치한 상태로 지지하는 구조물이다. 이러한, 부유체(100)는 해상에서 부유하도록 부력을 가지는 구조물일 수 있다.
부유체(100)는 수선면에 위치하여 지지 타워(290)를 지지한다. 부유체(100)는 원뿔 형상을 갖는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 부유체(100)는 복합 풍력 발전 설비의 설치 위치에 따라 다양한 형태를 가질 수 있다.
풍력 발전기(200)는 부유체(100) 상에 설치되어, 해상에서 발생되는 풍력을 이용하여 전력을 생산하는 발전설비이다. 이러한, 풍력발전기(200)는 부유체(100)의 상부 중심에 배치된 상태로 상방으로 돌출되도록 부유체(100)에 설치될 수 있다.
일 예로, 풍력 발전기(200)는 풍향에 의해 회전되는 로터(210), 로터(210)의 회전력으로 전력을 생산하는 발전기 등을 감싸는 나셀(220), 상단부가 나셀(220)에 연결되는 지지타워(290)를 포함할 수 있다.
로터(210)는 피치각이 제어되는 블레이드(211), 복수개의 블레이드(211)가 동일한 각도로 이격되어 설치된 허브(212)를 포함한다. 로터(210)는 지지타워(29)의 상단부에 설치되고, 전방에서 불어오는 바람을 받아 블레이드(211)가 회전하면서 블레이드(211)에 결합된 허브(212)가 회전한다.
블레이드(11)는 허브(12)를 중심으로 배치되어 전방에서 불어오는 바람을 받아 일 방향으로 회전하는 것으로, 일정한 회전 속도를 유지하도록 조절될 수 있다. 블레이드(211)가 바람을 받아 회전함에 따라 허브(212)와 주축(222)도 함께 회전하게 된다.
나셀(220)은 허브(212)와 연결되어 허브(212)의 회전력을 이용하여 전기를 생산하는 엔진룸을 말한다. 나셀(220)은 허브(212)와 연결된 주축(222), 허브(212)로부터 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 기어박스(224), 발전기(226) 등을 포함할 수 있다.
주축(222)은 허브(212)에 회전 가능하게 결합되어 블레이드(211)의 주축(22)이 된다. 또한, 주축(22)은 허브(212)로부터 전달받은 회전력을 나셀(220) 내의 발전기(226)에 전달한다.
기어박스(224)는 주축(222)의 회전력을 발전기(60)에 전달하는 역할을 한다.
발전기(226)는 블레이드(211)의 회전으로 발생된 기계적 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 역할을 하며, 복합 풍력 발전 설비에는 적어도 하나 이상의 발전기(226)가 설치될 수 있다. 발전기(226)는 주축(222) 및 기어박스(224)를 통해 전달받은 회전력을 이용하여 전기를 생산한다.
지지타워(290)는 풍력 발전기의 기둥을 이루는 것이다. 지지타워(290)는 바람 및 파도로부터 최소의 변위를 가질 수 있도록 중공형의 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 지지타워(290)의 상단부는 나셀(220)과 연결되고, 하단부는 부력을 형성하는 부유체(100)와 연결된다.
케이슨 부재(300)는 파도의 고저차에 의해 압축된 공기 유동을 발생시키기 위한 구조물이다. 케이슨 부재(300)는 케이슨(310)들과 중앙터널(320)을 포함할 수 있다.
케이슨(310)은 단면 직경이 큰 거대 파이프(pipe)일 수 있다. 케이슨(310)은 수선 아래까지 잠기도록 지지타워(290)를 기준으로 방사상으로 복수개가 배치될 수 있다. 케이슨(310)은 하단이 수면 아래에 위치되고 해수가 유입 및 유출되도록 개방된다. 케이슨(310)의 상단은 수면 위에 위치되며 중앙 터널(320)과 연결되도록 제공될 수 있다. 케이슨(310)의 내부는 개방된 하단을 통해 유입된 물에 의해 공기가 압축되는 압축공간부(312)를 제공한다. 한편, 케이슨(310)의 압축공간부(312)상부에는 베큠 브레이커(330)가 설치된다. 베큠 브레이커(330)는 케이슨(310)의 압축공간부(132)로 공기가 유입되도록 제공될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 베큠 브레이커에서의 공기 유입을 보여주는 도면들이다.
도 4a와 같이 파고에 의해 해수면이 내려가면 베큠 브레이커(330)를 통해 케이슨(310)의 압축 공간부(312)로 공기가 유입된다. 반대로 도 4b와 같이 파고에 이해 해수면이 올라가면 베큠 브레이커(330)는 차단되고, 이때 압축공간부(132)에서 공기가 압축된다.
터빈(400)은 케이슨 부재(200)를 통해 제공되는 공기 유동에 의해 구동된다. 터빈(400)은 나셀(220)과 연결되어 터빈(400)의 회전력을 나셀(220)의 기어박스(224)에 제공하는 전달축을 갖는다.
상술한 구성을 갖는 복합 풍력 발전 설비는 파도가 높은 경우 이를 이용해 터빈을 돌림으로써 발전기의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 복합 풍력 발전 설비를 보여주는 도면이고, 도 6a 및 도 6b는 도 5의 요부 확대도이다.
도 5 내지 도 6a에 도시된 복합 풍력 발전 설비(10a)는 부유체(100a), 풍력 발전기(200a), 케이슨 부재(300a) 그리고 터빈(400a)을 포함하며, 이들은 도 1에 도시된 부유체(100), 풍력 발전기(200), 케이슨 부재(300) 그리고 터빈(400)과 대체로 유사한 구성과 기능으로 제공되므로, 이하에서는 본 실시예와의 차이점을 위주로 제2실시예를 설명하기로 한다.
본 실시예에서, 복합 풍력 발전 설비(10a)는 공압부(500)를 갖는다는데 그 특징이 있다. 공압부(500)는 케이슨 부재(300a)에서 압축된 공기를 팽창시켜 회전력을 발생시키는 익스팬더(510)와 익스팬더(510)와 직결 구동되어 외부 공기를 흡입해 압축한 후 터빈(400)을 향해 송출하는 콤프레셔(520)를 포함할 수 있다. 익스팬더(510)와 콤프레셔(520)는 동축으로 연결된다. 콤프레셔(520)에 인접한 지지타워(290)에는 공기 유입구들이 제공된다. 공기 유입구를 통해 유입된 공기는 콤프레셔(520)에 의해 압축된 후 터빈(400)으로 제공된다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100 : 부유체 200 : 풍력 발전기
300 : 케이슨 부재 400 : 터빈

Claims (5)

  1. 부유체에 설치되고, 나셀부를 갖는 풍력발전기;
    상기 부유체에 설치되고 파도의 고저차에 의해 압축된 공기 유동이 발생되는 케이슨 부재; 및
    상기 케이슨 부재를 통해 제공되는 공기 유동에 의해 구동하는 터빈을 포함하되;
    상기 터빈은 상기 나셀부와 연결되어 상기 터빈의 회전력을 상기 나셀부의 회전축에 제공하는 복합 풍력 발전 설비.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈은 회전축을 포함하고, 상기 회전축은 상기 나셀부의 기어박스에 연결되는 회전력을 전달하는 복합 풍력 발전 설비.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이슨 부재는
    수면 아래에 위치되고 해수가 유입 및 유출되도록 개방된 일단과 상기 개방된 하단을 통해 유입된 물에 의해 공기가 압축되는 압축공간부를 갖는 케이슨들; 및
    상기 풍력 발전기를 지지하는 타워 내부에 제공되고, 상기 케이슨들로부터 압축된 공기가 모이는 중앙 터널을 포함하는 복합 풍력 발전 설비.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이슨 부재에서 압축된 공기를 팽창시켜 회전력을 발생시키는 익스팬더와 상기 익스팬더와 직결 구동되어 외부 공기를 흡입해 압축한 후 상기 터빈을 향해 송출하는 콤프레셔를 갖는 공압부를 더 포함하는 복합 풍력 발전 설비.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 케이슨 부재는
    파도에 의한 상기 케이슨 내부의 수면 변화에 따라 선택적으로 외부 공기가 상기 케이슨 내부로 유입되도록 제공되는 베큠 브레이커를 더 포함하는 복합 풍력 발전 설비.
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