KR20230164669A - 트윈 블레이드 및 경사 회전 축을 갖는 횡류 풍력 터빈 - Google Patents

Abstract

발전기(30)에 연결된 트윈 횡류 터빈(10, 20)을 포함하는 풍력 터빈(1)으로서, 발전기는 상기 터빈이 회전될 때 회전되도록 설계된 샤프트를 포함하고, 풍력 터빈은: - 제1 회전 축(Δ₁)을 중심으로 회전 이동될 수 있고 상기 제1 회전 축을 중심으로 분포된 몇 개의 블레이드(11, 12, 13)를 포함하는 제1 터빈(10); 제2 회전 축(Δ₂)을 중심으로 회전 이동될 수 있고 제2 회전 축을 중심으로 분포된 몇 개의 블레이드(21, 22, 23)를 포함하는 제2 터빈(20)을 포함하고; - 제1 회전 축 및 제2 회전 축은 수직 축(Z)에 대해서 서로 대칭적인, 풍력 터빈에 있어서; 풍력 터빈은: - 제1 회전 축 및 제2 회전 축이 25° 내지 50°의 경사 각도로 수직 축에 대해서 경사지는 것을 특징으로 한다.

Description

트윈 블레이드 및 경사 회전 축을 갖는 횡류 풍력 터빈

본 발명의 기술 분야는 횡류 풍력 터빈이다.

재생 에너지가 강력한 성장세를 보이고 있다. 결과적으로, 최근 수십 년 동안 육상 및 해상 모두에서 대규모 풍력 터빈 설비가 급격히 증가하였다. 설치된 대부분의 풍력 터빈은 수평-축 풍력 터빈(HAWT)이고, 그 회전 축은 입사 바람의 방향에 평행하다.

다른 유형의 풍력 터빈은 횡류 터빈을 포함하고, 여기에서 회전 축은 입사 바람의 방향에 직각이다. 회전 축은 일반적으로 수직이다. 이러한 유형의 풍력 터빈은 일반적으로 수직-축 풍력 터빈(VAWT)으로 지칭된다.

수직 회전 축을 갖는 풍력 터빈은 JP 59190482, FR2973843 및 US7189051에서 설명되어 있다. 이들은 사보니우스(Savonius) 풍력 터빈이다.

다리우스(Darrieus) 횡류 풍력 터빈은 직선형 또는 곡선형 블레이드를 포함할 수 있다. 곡선형 블레이드를 갖는 수직 풍력 터빈은, 파일론(pylon)을 또한 형성하는, 중앙의 수직 회전 샤프트 주위에서 연장되는 블레이드를 갖는다. 이러한 유형의 풍력 터빈의 개발은, 특히 매우 키가 큰 터빈의 경우에 취약하다는 평판으로 인해 개발이 더디게 진행되었다. 수평 풍력 터빈과 달리, 매우 키가 큰 수직 풍력 터빈은 높은 곳에서 안정적인 바람의 영향을 받지만, 또한 지면에 더 가까이에서, 난류가 발생하기 쉬운 "경계 층"으로 알려진 구역의 영향을 받는다. 결과적으로 피로에 확실히 민감하다.

경직도(stiffness)를 개선하기 위해서, 곡선형의 키가 큰 블레이드를 갖는 수직 풍력 터빈은 터빈의 상단부와 지면 사이에서 연장되는 케이블에 의해서 경직화될 수 있다. 그러나, 이는 설치 면적(footprint)을 상당히 증가시키고, 이는 특히 해상 설비에 불리하다. 또한, 케이블은 하향 압력을 베어링에 인가하여 샤프트의 회전을 가능하게 한다. 이는 특히 강건한 베어링의 사용을 필요로 하고, 이는 풍력 터빈의 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 또한, 각각의 블레이드의 중심에 위치되는 중실형(solid) 회전 샤프트의 존재는 난류(카르만(Karman) 와류)를 생성하여, 풍력 터빈의 성능에 영향을 미친다. 마지막으로, 블레이드 회전 중에, 주기적인 공기역학적 힘의 영향 하에서, 중앙 회전 샤프트 및 유지 케이블은 진동의 영향을 받을 수 있고, 이는, 특히 중앙 샤프트의 키가 매우 크고 케이블이 매우 길 때, 공진 불안정성을 초래할 수 있다.

오늘날, 고-파워 풍력 터빈의 대부분은 수평 풍력 터빈이다. 그러나, 그러한 풍력 터빈은 많은 단점을 갖는다: 블레이드의 회전으로부터 전기를 생산하는 발전기가 나셀(nacelle) 상에 매달리고 높은 높이까지 상승된다. 기어박스, 브레이크, 및 제어 시스템과 같은 주요 트랜스미션 및 제어 구성요소에도 동일한 내용이 적용된다. 결과적으로, 나셀은 높은 높이에 설치되고 큰 중량을 지탱하며, 이는 피칭 및 롤링에 매우 민감하기 때문에 안정성에 있어서 불리하다. 이러한 단점을 보상하기 위해서, 나셀 및 블레이드를 지지하는 기둥은 중실형인데, 이는 이러한 기둥이 육지 및 바다 모두에서 전체 조립체를 지지하는 기초부이기 때문이다. 나셀의 높이는 또한 유지 보수 작업을 복잡하게 한다. 수평 풍력 터빈의 다른 단점은 블레이드의 크기가 매우 크다는 것이고, 이는 기둥의 크기와 조합되어, 특히 블레이드가 단일 부품으로 제조되는 경우에, 운반 및 설치 모두를 복잡하게 한다. 이러한 블레이드는 일반적으로 무겁고, 이는 풍력 터빈의 큰 중력 하중을 초래한다. 블레이드는 또한 복잡한 형상을 가질 수 있고, 이는 비용을 증가시킨다.

수직 직선-블레이드형 다리우스 풍력 터빈이 또한 제안되었다. 수직 풍력 터빈의 현저한 장점은, 수평-축 터빈과 달리, 발전기 및 전기기계적 트랜스미션 체인이 낮은 높이에 배치될 수 있다는 것이다. 다른 장점은 모든 풍향에 민감하다는 것이고, 이는 풍력 터빈의 요 각도(yaw angle)를 조정할 필요성을 제거한다. 또한, 직선-블레이드형 풍력 터빈은 더 작은 설치 면적을 가지고, 높이에 따른 풍속의 차이에 덜 민감하다.

US2020/0217297은 곡선형 블레이드를 갖는 다양한 수직-축 다리우스 터빈을 갖춘 풍력 터빈을 설명한다. 터빈들은 서로 이격되고, 긴 수평 샤프트에 의해서 발전기에 연결된다. 결과적으로 큰 설치 면적을 갖는 부피가 큰 풍력 터빈이 초래된다.

문헌 WO2017153676은 직선형 블레이드를 갖는 트윈 수직-축 다리우스 터빈을 포함하는 풍력 터빈을 설명하고, 여기에서 터빈들은 수직 중간-평면을 중심으로 서로 대칭적으로 위치된다. 반대-회전 터빈이 중앙 기둥에 의해서 지지되고, 중간 평면에 직각인 2개의 수평 지지부가 상기 기둥의 상단부로부터 연장된다. 각각의 터빈의 수직 블레이드의 단부들이 성형된 수평 아암(arm)에 의해서 연장되어, 수직 회전 축을 중심으로 회전한다. 일반적으로, 단일 터빈에 비해서 더 높은 트윈 터빈의 효율은, 블레이드가 터빈-간 구역 내에서 이동할 때 발생되는 부분적인 측방향 차단 효과와 연계된다. 이러한 구역 내에서, 반대-회전 터빈들 사이의 수직 중간 평면은 입사 유동이 터빈으로부터 멀리 전환되는 것을 방지한다. 그러나, 이하의 2가지 조건이 만족되어야 한다: 터빈들은 동일한 속력으로 그리고 동일한 각도 위치 관계로 회전되어야 한다. 2개의 터빈들의 동기화는 이러한 2가지 조건의 만족을 필요로 한다. 다른 한편으로, 블레이드는 이러한 구역 내에서 역풍 방향(upwind direction) 또는 순풍 방향으로 회전될 수 있다.

그러나, 이러한 유형의 설계는, 회전 중에 터빈의 수직 블레이드에 작용하는 원심력과 관련된 단점을 갖는다. 원심력의 영향 하에서, 수직 블레이드는 굽힘 응력을 받고, 그에 따라 터빈들을 측방향으로 팽창시키는, 즉 그 직경을 증가시키는 경향을 갖는다. 이는 효율에 영향을 미치는 바람직하지 못한 진동을 초래한다. 또한, 대형 터빈의 수평 아암은 수직 블레이드의 중량으로 인해서 하향 변형되고, 이는 터빈이 정지되어 있을 때, 원심력이 더 이상 중력을 보상하지 않을 때 발생된다. 이는 아암/블레이드 결합부에서 피로 효과를 초래한다.

마지막으로, 순풍 방향 또는 역풍 방향으로 수직 부분에 작용하는 주기적인 공기역학적 힘은 각각의 블레이드의 대칭성을 주기적으로 파괴한다. 공기역학적 힘은 수직 블레이드가 역풍 회전될 때 터빈의 내측을 향해서 그리고 수직 블레이드가 반대 방향으로 회전될 때 터빈의 외측을 향해서 지향된다. 결과적으로 주기적인 비대칭성이 초래되고, 이는 각각의 회전 중에 진동을 생성한다.

트윈 터빈은 풍력 터빈의 효율 증가에 도움을 준다. 그러나, 터빈에 각각 연결된 2개의 발전기의 이용은 소정 정도의 복잡성을 초래한다. 발전기들이 전자 파워 시스템에 의해서 제어되어 터빈들을 동기화하고, 이는 부가적인 비용을 수반하고 규칙적인 리셋을 필요로 한다.

또한, 터빈의 유지 구조물은 굽힘 응력을 생성하기 쉽고, 이는 진동을 유발할 수 있다. 이는 또한 구조물의 조기 마모로 이어질 수 있다.

본 발명은 앞서 나열한 단점의 방지하거나 줄이도록 설계된 풍력 터빈을 제안한다.

본 발명의 목적은 발전기에 연결된 트윈 횡류 터빈을 포함하는 풍력 터빈을 제공하는 것으로서, 발전기는 터빈의 회전의 영향 하에서 회전 구동되도록 설계된 샤프트를 포함하고, 풍력 터빈은:

- 제1 회전 축을 중심으로 회전 이동될 수 있는 제1 터빈으로서, 제1 회전 축을 중심으로 분포된 몇 개의 블레이드를 포함하는, 제1 터빈,

- 제2 회전 축을 중심으로 회전 이동될 수 있는 제2 터빈으로서, 제2 회전 축을 중심으로 분포된 몇 개의 블레이드를 포함하는, 제2 터빈을 포함하고,

- 제1 회전 축 및 제2 회전 축은 바람직하게 수직 축에 대해서 서로 대칭적이고,

- 제1 회전 축 및 제2 회전 축은 25° 내지 50°의 경사 각도, 바람직하게 동일한 경사 각도로 수직 축에 대해서 경사진다.

유리하게, 풍력 터빈은 중간 평면을 형성하고, 중간 평면은:

· 제1 회전 축 및 제2 회전 축을 포함하는 하류 평면에 직각이고,

· 제1 회전 축 및 제2 회전 축의 교차점을 통과한다.

중간 평면은 풍력 터빈의 대칭 평면을 형성할 수 있다. 중간 평면은 특히 수직일 수 있다. 하류 평면도 마찬가지 이다.

유리하게, 각각의 회전 축이 단일 발전기에서 수렴하고, 그에 따라 발전기의 바람직하게 수평인 샤프트가 제1 터빈 및 제2 터빈에 의해서 회전 구동된다.

바람직하게,

- 각각의 터빈은 하부 단부와 상부 단부 사이에서 회전 축의 주위에서 연장되고, 하부 단부는 상부 단부보다 발전기에 더 근접하고,

- 각각의 터빈의 하부 단부 및 상부 단부는 상기 터빈의 회전 축과 정렬되고,

- 터빈의 각각의 블레이드는:

· 하부 단부로부터 연장되는 하부 부분,

· 상부 단부로부터 연장되는 상부 부분을 포함하고,

- 각각의 블레이드가 하부 단부로부터 상부 단부를 향해서 연장되고, 그에 따라:

· 하부 부분을 따른 블레이드와 회전 축 사이의 거리에 상응하는 블레이드의 반경은, 하부 단부로부터의 거리가 증가됨에 따라, 점진적으로 증가되고,

· 블레이드의 반경은, 상부 단부로부터의 거리가 감소됨에 따라, 상부 부분을 따라서 점진적으로 감소된다.

유리하게,

- 하부 단부에서, 하부 부분은 회전 축과 하부 개방 각도를 형성하고, 하부 개방 각도는 예각이고,

- 상부 단부에서, 상부 부분은 회전 축과 상부 개방 각도를 형성하고, 상부 개방 각도는 예각이다.

바람직하게, 상부 개방 각도 및 하부 개방 각도는 동일하고, 동일한 개방 각도를 형성한다. 개방 각도는 40° 내지 60°일 수 있다.

바람직하게, 각각의 블레이드는 직선형 하부 부분 및/또는 직선형 상부 부분을 갖는다.

일 실시형태에 따라,

- 각각의 블레이드는 하부 부분과 상부 부분을 연결하는 적도 부분을 가지고,

- 적도 부분 내에서, 블레이드의 반경은 최대 반경에 도달한다.

일 실시형태에 따라,

- 각각의 블레이드의 높이는, 회전 축에 평행한, 하부 단부와 상부 단부 사이의 거리에 상응하고,

- 각각의 블레이드는, 블레이드의 높이와 블레이드의 최대 반경의 2배 사이의 비율에 상응하는, 폼 팩터(form factor)를 가지고,

- 각각의 블레이드의 폼 팩터는 1.3 내지 1.5이다.

바람직하게,

- 적도 부분이 곡선형이고,

- 적도 부분을 따라서, 하부 부분으로부터, 반경은 블레이드의 최대 반경까지 점진적으로 증가되고, 이어서 상부 부분까지 점진적으로 감소된다.

하나의 옵션에 따라, 각각의 터빈에서:

- 적도 평면이 회전 축에 직각으로 연장되고, 적도 평면은 터빈의 각각의 블레이드의 최대 반경을 통과하고,

- 적도 평면은 터빈의 대칭 평면을 형성한다.

각각의 블레이드는:

- 하부 부분과 적도 부분 사이의 접합부에 상응하는 하부 접합부,

- 상부 부분과 적도 부분 사이의 접합부에 상응하는 상부 접합부를 포함할 수 있고,

각각의 블레이드는:

- 회전 축에 평행한, 하부 접합부와 상부 접합부 사이의 거리가 적도 부분의 높이를 형성하도록,

- 적도 부분의 상대적인 높이가 적도 부분의 높이와 블레이드의 높이 사이의 비율에 상응하도록,

- 각각의 블레이드의 상대적인 높이가 0.5 초과 및 0.8 미만이 되도록, 구성된다.

일 실시형태에 따라,

- 2개의 상이한 터빈들에 속하는 2개의 블레이드들이, 각각의 회전 축을 중심으로 하는 회전 중에, 최소 갭에 의해서 분리되고,

- 풍력 터빈의 폼 팩터는 최소 갭과 최대 반경의 2배 사이의 비율에 상응하고,

- 풍력 터빈의 폼 팩터는 0.1 내지 0.3이다.

일 실시형태에 따라, 각각의 터빈은 2개의 블레이드를 포함하고, 각각의 블레이드는 터빈의 회전 축에 대해서 서로 대칭적이다. 다른 실시형태에 따라, 각각의 터빈은, 터빈의 회전 축의 주위에서 균일하게 이격된 3개의 블레이드를 갖는다.

바람직하게,

- 제1 터빈은:

· 그 하부 단부에서 제1 하부 회전 샤프트에 연결되고,

· 그 상부 단부에서 제1 상부 회전 샤프트에 연결되며,

· 제1 하부 회전 샤프트, 제1 상부 회전 샤프트, 및 제1 회전 축은 동축적이고,

- 제2 터빈은:

· 그 하부 단부에서 제2 하부 회전 샤프트에 연결되고,

· 그 상부 단부에서 제2 상부 회전 샤프트에 연결되며,

· 제2 하부 회전 샤프트, 제2 상부 회전 샤프트, 및 제2 회전 축은 동축적이고,

- 풍력 터빈은 유지 구조물을 포함하고, 유지 구조물은:

· 발전기를 지지하는 나셀,

· 나셀로부터 수직으로 연장되는 기둥으로서, 기둥은 중간 평면에 대해서 센터링되고(centered), 기둥은 하류 평면에 직각인 길이방향으로 후퇴 거리(setback distance) 만큼 하류 평면으로부터 후퇴되는, 기둥,

· 기둥으로부터 제1 상부 지지부까지 연장되는 제1 상부 아암으로서, 제1 상부 지지부는 제1 상부 회전 샤프트를 유지하는, 제1 상부 아암,

· 기둥으로부터 제2 상부 지지부까지 연장되는 제2 상부 아암으로서, 제2 상부 지지부는 제2 상부 회전 샤프트를 유지하는, 제2 상부 아암을 포함하고,

· 제1 상부 아암 및 제2 상부 아암은 수직 축에 대해서 경사진다.

하나의 옵션에 따라,

- 제1 상부 지지부는, 제1 상부 회전 샤프트가 내부에 삽입되는 베어링을 포함하고,

- 제2 상부 지지부는, 제2 상부 회전 샤프트가 내부에 삽입되는 베어링을 포함한다.

유지 구조물은 또한:

- 하류 평면으로부터 멀어 지는 쪽으로 기둥으로부터 연장되는 킹 포스트(king post),

- 킹 포스트와 제1 상부 아암 사이에서 연장되는 제1 브레이스(brace),

- 킹 포스트와 제2 상부 아암 사이에서 연장되는 제2 브레이스를 포함할 수 있다.

하나의 옵션에 따라,

- 제1 브레이스가 킹 포스트와 제1 상부 지지부 사이에서 연장되고,

- 제2 브레이스가 킹 포스트와 제2 상부 지지부 사이에서 연장된다.

일 실시형태에 따라, 제1 상부 아암 및 제2 상부 아암은 제1 상부 지지부 및 제2 상부 지지부를 향해서 각각 연장되는 연속적인 기본 아암들을 포함하고, 각각의 기본 아암은, 상기 기본 아암이 제1 상부 지지부 또는 제2 상부 지지부에 접근함에 따라, 수직에 대해서 더 경사진다.

일 실시형태에 따라, 적어도 하나의 스트럿이 기둥과 나셀 사이에서 연장되고, 스트럿은 수직에 대해서 경사지고 기둥으로부터 하류 평면을 향해서 연장된다.

일 실시형태에 따라, 나셀은 기둥이 그 주위에서 연장되는 수직 회전 축을 중심으로 회전 이동될 수 있고, 그에 따라 소정 방향으로 부는 바람은, 그러한 바람에 의해서 각각의 터빈에 가해지는 추력의 영향 하에서, 터빈을 상기 방향으로 기둥의 하류에 자발적으로 위치시킨다. 다른 실시형태에 따라, 나셀은 회전되지 않게 고정되고, 풍력 터빈은, 터빈이 우세 풍향에 상응하는 방향으로 기둥의 하류에 배열되도록, 구성된다.

일 실시형태에 따라, 각각의 하부 회전 샤프트는 각도 트랜스미션에 의해서 발전기의 샤프트에 연결된다.

일 실시형태에 따라, 브레이크가 각각의 각도 트랜스미션과 각각의 터빈의 각각의 개별적인 하부 단부 사이에 배열된다. 각각의 브레이크는 터빈에 고정적으로(rigidly) 연결된 디스크, 및 각도 트랜스미션에 고정적으로 연결된 슈(shoe)를 포함할 수 있다.

일 실시형태에 따라, 적어도 하나의 가로 단편(crosspiece)이 동일한 터빈의 2개의 상이한 블레이드들 사이에 배열된다. 가로 단편과 2개의 블레이드 사이의 접합부는 필렛(fillet)을 형성할 수 있다. 하나의 옵션에 따라, 동일한 터빈의 2개의 상이한 블레이드들은 적도 평면보다 터빈의 상부 단부 및 하부 단부 각각에 더 근접하여 배열된 상부 가로 단편 및 하부 가로 단편에 의해서 연결된다.

일 실시형태에 따라, 기둥은, 하류 평면(P_a)에 접근할 때, 볼록 상류 단부와 하류 단부 사이에서 중간 평면(P_m)에 평행하게 연장되는 수평 섹션을 갖는다. 기둥의 수평 섹션은 유리하게 상류 단부와 하류 단부 사이에서 테이퍼링될 수 있다.

일 실시형태에 따라, 각각의 아암은 선행 연부와 후행 연부 사이에서 연장되는 성형된 수직 섹션을 가지고, 후행 연부는 하류 평면을 향해서 배향된다.

이하의 도면을 참조하여 제공된, 이하의 설명에 개시된 예시적인 실시형태로부터 본 발명이 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.

도 1a는 2개의 블레이드를 갖는 풍력 터빈의 예시적인 실시형태의 개요이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 풍력 터빈의 측면도이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 풍력 터빈의 하류 도면이다.
도 2a는 이전 도면에 도시된 풍력 터빈으로부터의 터빈의 도면이다.
도 2b는 풍력 터빈의 하류 평면 내에 배치되는 터빈의 도면이다.
도 2c는 도 2b의 상세 부분이다.
도 3a는 선행 도면을 참조하여 설명되는 풍력 터빈의 상면도이다.
도 3b 및 도 3c는 풍력 터빈의 상부 지지 구조물을 도시한다.
도 3d는 도 3a와 유사하다. 도 3d는 상부 지지부 주위에서, 수평 평면에서 작용하는 힘을 도시한다.
도 4는 선행 도면에서 설명된 풍력 터빈의 상류 도면이다.
도 5a는 각각의 터빈이 3개의 블레이드를 갖는 풍력 터빈 구성을 도시한다.
도 5b 및 도 5c는 풍력 터빈의 유지 구조물을 형성하는 아암의 가능한 프로파일을 도시한다.
도 5d는 도 5a에 도시된 풍력 터빈의 다른 도면이다.*
도 5e 및 도 5f는, 기둥이 역풍 모드(도 5e) 또는 순풍 모드(도 5f)에서 동작하기에 적합한 수평 섹션을 가지는 변형예를 도시한다.
도 6a는 터빈 당 3개의 블레이드를 갖는 터빈을 위해서 설계된 가로 단편을 도시한다.
도 6b는 도 6a의 상세 부분이다.
도 6c는 터빈 당 2개의 블레이드를 갖는 터빈을 위해서 설계된 가로 단편을 도시한다.
도 6d 및 도 6e는 가로 단편과 블레이드를 조립하기 위해서 이용되는 인터페이스 부품의 사용을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 각각의 블레이드와 발전기 사이의 기계적 트랜스미션을 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 풍력 터빈의 추가적인 실시형태이다.

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 풍력 터빈의 예의 도면을 도시한다. 풍력 터빈은 곡선형 블레이드를 갖는 횡류 다리우스 유형의 제1 터빈(10) 및 제2 터빈(20)을 포함한다. 제1 터빈(10)은 제1 회전 축(Δ₁)을 중심으로 회전 이동될 수 있다. 제2 터빈(20)은 제2 회전 축(Δ₂)을 중심으로 회전 이동될 수 있다. 제1 회전 축 및 제2 회전 축은 공통-평면적이다. 상기 회전 축들은, 하류 평면으로 알려진, 동일한 수직 평면(P_a) 내에 위치된다. "하류 평면"이라는 용어는, 이하에서 설명되는, 그러한 평면이 풍력 터빈의 유지 구조물의 하류에 위치된다는 사실을 참조한다. 하류라는 용어는 풍력 터빈을 통해서 유동하는 바람을 참조하여 해석되어야 한다. 하류 평면 내에서, 제1 회전 축(Δ₁) 및 제2 회전 축(Δ₂)은 수직 축(Z)에 대해서 동일한 경사 각도(α)로 경사진다. 하류 평면(P_a)은 수직이다.

"횡류 터빈"은, 각각의 회전 축에 대해서 횡방향으로 부는 바람의 영향 하에서 터빈이 회전한다는 것을 의미한다. 이러한 경우, 하류 평면(P_a)은 바람직하게 풍향(W)에 직각이다. 도 1b는 하류 평면(P_a)에 직각인 측면도이다. 도 1c는 하류 평면(P_a)에 평행한, 풍력 터빈의 상류 도면이다.

제1 회전 축(Δ₁) 및 제2 회전 축(Δ₂)은 각각의 터빈으로부터 동일한 거리에 있는 교차점(Ω)에서 수렴한다. 하류 평면(P_a)에 직각이고 교차점(Ω)을 통과하는 평면은 풍력 터빈의 중간 평면(P_m)을 형성한다. 제1 터빈(10) 및 제2 터빈(20)은 중간 평면(P_m)의 2개의 측면 상에 대칭적으로 배열되고, 중간 평면은 대칭 평면을 형성한다. 제1 터빈 및 제2 터빈은 그에 따라, 상기 터빈들이 중간 평면에 대해서 서로 대칭적이라는 의미에서, 트윈이다. 중간 평면(P_m)은 수직 평면이다. 후술되는 바와 같이, 중간 평면(P_m)은 또한 각각의 터빈을 유지하는 유지 구조물(50)의 대칭 평면을 형성한다.

각각의 터빈은 적어도 2개의 블레이드, 그리고 바람직하게 2개 또는 3개의 블레이드를 갖는다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 예에서, 각각의 터빈은 2개의 블레이드를 갖는다: 제1 터빈(10)은 제1 블레이드(11) 및 제2 블레이드(21)를 가지는 한편, 제2 터빈(20)은 제1 블레이드(21) 및 제2 블레이드(22)를 갖는다. 바람직하게, 제1 터빈(10) 및 제2 터빈(20)이 반대로 회전하도록, 블레이드들이 배열된다. 도 5d를 참조하여, 3개-블레이드 터빈의 예를 이하에서 설명한다.

제1 터빈(10)은, 제1 회전 축(Δ₁) 상에 위치된, 제1 하부 단부(10_i)와 제1 상부 단부(10_s) 사이에서 연장된다. 제2 터빈(20)은, 제2 회전 축(Δ₂) 상에 위치된, 제2 하부 단부(20_i)와 제2 상부 단부(20_s) 사이에서 연장된다.

풍력 터빈은 터빈의 회전으로부터 전기를 생성하도록 설계된 발전기(30)를 포함한다. 제1 및 제2 회전 축은 동일 발전기(30) 상에서 수렴한다. 발전기(30)는 제1 터빈(10) 및 제2 터빈(20) 모두에 의해서 구동되는 회전자를 포함한다. 도시된 예에서, 발전기는 발전기(30)의 2개의 측면에서 연장되는 제1 피동 회전 샤프트(A_r,1) 및 제2 피동 회전 샤프트(A_r,2)를 포함한다. 제1 및 제2 피동 회전 샤프트(A_r,1, A_r,2)의 각각은 회전을 제1 터빈(10) 및 제2 터빈(20)으로부터 발전기(30)의 회전자에 전달한다. 터빈은 역풍형(즉, 블레이드가 기둥에 근접할 때 역풍 회전) 또는 순풍형(즉, 블레이드가 기둥에 근접할 때 순풍 회전)일 수 있다.

제1 터빈(10)은, 각도 트랜스미션을 통해서, 제1 하부 단부(10_i)로부터 발전기(30)의 제1 피동 회전 샤프트(A_r,1)까지 연장되는 제1 하부 회전 샤프트(A_i,1)에 연결된다. 대칭적으로, 제2 터빈(20)은, 각도 트랜스미션 시스템을 통해서, 제2 하부 단부(20_i)로부터 발전기의 제2 피동 회전 샤프트(A_r,2)까지 연장되는 제2 하부 회전 샤프트(A_i,2)에 연결된다. 각각의 하부 회전 샤프트(A_i,1, A_i,2)는 피벗 링크에 의해서 각각의 하부 단부에서 각각 유지된다. 각각의 하부 회전 샤프트는 각도 트랜스미션에 의해서 발전기의 피동 샤프트(A_r,1, A_r,2)에 전달되는 구동 작용을 갖는다. 발전기의 피동 샤프트는, 발전기의 2개의 측면 상에서 연장되는, 발전기의 단일 구동 샤프트에 기계적으로 커플링된다. 따라서, 발전기의 구동 샤프트는 양 터빈(10 및 20)에 의해서 동시에 회전 구동되고, 이는 본 발명의 주목할 만한 가치가 있는 양태이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하여, 각각의 하부 단부와 발전기 사이의 기계적 트랜스미션 체인에 관한 상세 부분을 설명한다.

2개의 수렴하는 회전 축을 중심으로 회전하는 2개의 터빈(10, 20)을 이용하여 단일 발전기를 동시에 구동하도록 의도된 풍력 터빈의 설계는 터빈들이 기계적으로 동기화되게 할 수 있다. 몇 개의 터빈을 이용하여 동일한 발전기를 구동하는 것은, 필요한 발전기의 수를 줄임으로서, 풍력 터빈의 비용을 줄인다. 또한, 이는 다수의 발전기를 동기화하기 위한 전자 동기화 시스템(이는, 종래 기술에서 설명된 바와 같이, 규칙적인 리셋을 필요로 한다)의 필요성을 제거한다.

발전기는 비동기식 다람쥐-통 발전기, 기어박스를 갖는 가변-속력 발전기, 기어박스를 갖는 동기식 릴럭턴스 발전기(영구적인 희토류 자석은 없음), 또는 직접-구동 동기식 발전기일 수 있다. 발전기는 또한 다른 유형의 발전기일 수 있다.

기계적 동기화에 더하여, 발전기를 향한 회전 축들의 수렴은, 중간 평면과 관련하여 센터링된 콤팩트한 발전기가 사용될 수 있게 한다.

터빈에 관한 설명

전술한 바와 같이, 수직에 대한 각각의 회전 축의 경사 각도(α)는 바람직하게 25° 내지 50°, 그리고 바람직하게 30° 내지 40°, 예를 들어 35°이다. 그러한 각도 범위는 수직 방향(축(Z))의 터빈의 높이(H)와 수평 방향의 터빈의 폭(L) 사이의 양호한 절충을 제공한다. 터빈의 폭(L)은 중간 평면(P_m)에 직각인 측방향 축(Y)에 평행하게 규정된다. 본 발명에 따라, 수직 방향의 터빈의 높이(H)는 전방 면적을 증가시킬 수 있을 정도로 충분히 높게, 그러나 풍속이 균일한 것으로 간주될 수 있는 바람 층을 활용할 수 있을 정도로 충분히 낮게 최적화되어야 한다. 또한, 높이를 제한하는 것은 풍력 터빈의 중력 중심을 충분히 낮게 유지한다. 높이(H)는 일반적으로 몇 미터 내지 수백 미터, 예를 들어 5 m 내지 150 m의 범위이다. 높이(H) 및 폭(L)은 경사 각도(α)에 의해서 연계된다.

회전 축을 틸팅시키는 것은 풍력 터빈의 폭(L)을 증가시킨다. 풍력 터빈의 전방 면적을 최대화하기 위해서, 높이(H) 및 폭(L)의 직사각형 둘레(R) 내에서 각각의 터빈이 차지하는 표면적이 바람직하게 최적화된다. 둘레(R)는 도 1c에서 점선 직사각형 윤곽선에 의해서 표시되어 있다. 둘레(R)는 유형적인 것이 아니라, 가상의 직사각형이다. 충진을 최적화하기 위해서, 즉 둘레 내에서 각각의 터빈이 커버하는 표면적을 최적화하기 위해서, 블레이드의 형상을 후술되는 바와 같이 최적화할 수 있다.

도 2a는 제1 터빈(10)의 제1 블레이드(11) 및 제2 블레이드(12)를 도시한다. 도 2a는 제2 블레이드(12)의 선행 연부(12_a) 및 제1 블레이드(11)의 후행 연부(11_f)를 도시한다. 제1 블레이드는 상부 가로 단편(14_s) 및 하부 가로 단편(14_i)을 갖는다. 가로 단편은 제1 회전 축(Δ₁)에 직각이고 각각의 블레이드 사이에 배열된다. 가로 단편은 터빈을 경직화하도록 의도된다. 가로 단편의 사용은 선택적이고, 대형 터빈에서만 사용될 수 있다. 유사하게, 제2 터빈(20)은 하부 가로 단편(24_i) 및 상부 가로 단편(24_s)을 갖는다. 가로 단편의 바람직한 형태를 도 6a 내지 도 6e를 참조하여 설명한다.

각각의 블레이드는 터빈(10)의 하부 단부(10_i)와 상부 단부(10_s) 사이에서 연장되어, 트로포스케인 곡선(troposkein curve), 즉 회전 축을 중심으로 일정한 각속도로 회전하는 로프에 의해 형성되는 곡선에 근접한다. 트로포스케인 형상은 각각의 블레이드에 가해지는 인장 응력을 증가시키고, 이는 굽힘 응력을 최소화한다. 종래 기술에서 언급된 바와 같이, 터빈 블레이드에 인가되는 굽힘 응력은 바람직하지 못한 진동을 생성하여, 풍력 터빈의 동작 및 성능에 부정적인 영향을 미친다. 인장 응력의 생성을 촉진하는 것은, 블레이드가 회전 축을 중심으로 회전될 때 발생되는 바람직하지 못한 진동의 위험을 감소시키거나 제거한다. 터빈이 회전됨에 따라, 각각의 블레이드는 원심력을 받고, 이는 터빈을 확장하는 경향을 갖는다. 결과적으로, 2개의 하부 단부(10_i, 20_i)와 2개의 상부 단부(10_s, 20_s) 사이에서, 각각의 블레이드를 따라서 인가되는 인장 응력이 초래된다.

각각의 블레이드의 형상이 트로포스케인 곡선을 향하는 경향이 있는 경우, 몇 개의 동일하고 균일하게-이격된 블레이드들의 조합에 의해서 형성된 각각의 터빈은 테이퍼링된 형상을 가질 것이다.

종래 기술에서 트로포스케인 터빈과 달리, 각각의 터빈은 상부 단부(10_s)와 하부 단부(10_i) 사이에서 회전 축과 동축적인 중앙 샤프트를 가지지 않는다.

도 2b는 제1 터빈(10)의 상세 부분을 도시한다. 이러한 예에서, 제1 블레이드(11)는 제1 회전 축(Δ₁)과 관련하여 제2 블레이드(12)에 대해서 대칭적이다. 설명의 나머지에서, 블레이드의 지점과 회전 축 사이의 거리를 "반경"으로 지칭한다. 각각의 블레이드는, 회전 축에 평행하게 측정되는, 하부 높이(h_i)에 걸쳐 하부 단부(10_i)로부터 연장되는 하부 부분(11_i, 12_i)을 갖는다. 하부 부분(11_i(또는 12_i))을 따라서, 반경(즉, 블레이드와 회전 축 사이의 거리)은, 하부 단부(10_i)로부터의 거리가 증가됨에 따라, 점진적으로 증가된다. 바람직하게, 각각의 블레이드의 반경은 (회전 축에 평행한) 중간 지점에서, 즉 하부 단부 및 상부 단부로부터 동일한 거리에서 가장 크다. 각각의 블레이드는, 회전 축에 평행하게 측정되는, 상부 높이(h_s)에 걸쳐 상부 단부(10_s)로부터 연장되는 상부 부분(11_s, 12_s)을 갖는다. 유사하게, 반경은 상부 단부(10_s)에 근접할수록 상부 부분(11_s)(또는 12_s)을 따라서 감소된다.

도시된 예에서, 각각의 블레이드의 하부 및 상부 부분은 직선형이다. 하부 및 상부 부분은 동일한 하부 및 상부 개방 각도로 제1 회전 축에 대해서 경사진다. 도시된 예에서, 하부 개방 각도는 상부 개방 각도와 동일하고, 이는 바람직한 실시형태이다. 이하에서, 하부 및 상부 개방 각도는 개방 각도(Φ)로서 상호 교환 가능하게 지칭된다. 개방 각도(Φ)는 예각이다. 각각의 블레이드의 하부 및 상부 부분이 직선형일 때, 반경은 하부 단부(또는 상부 단부)로부터의 거리 및 sin(Φ)에 따라 선형적으로 증가된다. 개방 각도(Φ)는 도 2b 및 도 2c에 도시되어 있다.

대안적으로, 상부 개방 각도는 하부 개방 각도보다 크다. 이러한 옵션에 따라, 하부 개방 각도가 더 작아서 공간을 절감한다. 상부 개방 각도가 더 크고, 그에 따라 블레이드의 상부 부분 내에서 토크를 증가시킨다.

도시된 예에서, 각각의 블레이드(11, 12)는 상기 블레이드의 하부 부분과 상부 부분 사이에서 연장되는 적도 부분(11_e, 12_e)을 갖는다. 도시된 예에서, 적도 부분은 곡선형이다. 적도 부분(11_e)을 따라서, 하부 부분(11_i)과의 하부 접합부(11_ei)로부터, 블레이드의 반경(r)은 최대 반경(r_max)까지 점진적으로 증가되고, 이어서 상부 부분(11_s)과의 상부 접합부(11_es)까지 감소된다. 직선형 하부 부분, 곡선형 적도 부분, 및 직선형 상부 부분의 연속은 직선형-곡선형-직선형(SCS) 구조로 알려져 있다.

회전 축에 직각이고 각각의 블레이드 상의 최대 반경의 지점을 통과하는 적도 평면이 규정될 수 있다. 터빈은 바람직하게 적도 평면에 대해서 대칭적이다. 도 2b는 제1 터빈(10)의 적도 평면(P_e,1)의 라인을 도시한다. 이어서, 각각의 블레이드의 최대 반경은 적도 부분의 중간 지점(h_e/2)에 위치되고, 중간 지점은 회전 축에 평행하게 결정된다. 도시된 예에서, 적도 평면에 대한 각각의 블레이드의 대칭성으로 인해서, 각각의 블레이드의 최대 반경은 블레이드의 중간 지점(h/2)에 위치되고, 이러한 중간 지점은 회전 축에 평행하게 결정된다.

전술한 바와 같이, 그에 따라 얻어지는 형상은 트로포스케인 곡선에 근접한다. 블레이드가 그 회전 축을 중심으로 회전할 때, 블레이드에 가해지는 주 응력은 인장 응력이고, 이는 도 2b에서 블레이드(11)를 따라서 이중 화살표에 의해서 표시되어 있다. 회전의 영향 하에서, 각각의 블레이드는 상부 단부와 하부 단부 사이에서 장력 하에서 유지되고, 그에 따라 트로포스케인 곡선을 참조한다. 블레이드의 각속도의 증가는 블레이드 내의 장력을 증가시킨다. 결과적으로, 종래 기술에서 설명된 풍력 터빈에 영향을 미치는 굽힘 응력은 인장 응력에 유리하게 감소된다.

개방 각도(Φ)는, 도 1c를 참조하여 설명한 직사각형 둘레(R) 내에서 각각의 터빈이 커버하는 표면적을 최적화할 수 있을 정도로 충분히 커야 한다. 바람직하게, 개방 각도(Φ)는 40° 내지 50°, 예를 들어 45°이다. 이는 각각의 터빈의 최적의 "충진"을 보장한다. 이러한 충진은 둘레(R)의 면적에 대한 각각의 터빈이 커버하는 표면적에 상응한다.

터빈(10 및 20)은, 중간 평면(P_m)과 관련하여, 서로 대칭적이다. 각각의 회전 중에, 도 1c 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 각각의 터빈의 2개의 블레이드는 최소 갭(U)을 가지고 서로 접근한다. 앞서 규정된 충진을 최적화하기 위해서, 갭(U)을 최소화하여 2개의 터빈들 사이의 자유 공간을 감소시키는 것이 바람직하다. 그러나, 안전성 또는 성능 관련 고려 사항은 갭(U)이 최소 값 미만이 되지 않아야 하고, 특히 구조적 위험을 일으키지 않아야 하거나, 하나의 터빈이 다른 터빈에 과도한 영향을 미쳐 바람직하지 못한 진동을 일으키지 않아야 할 것을 요구한다. 개방 각도(Φ)가 증가될 때, 최소 갭(U)은 감소된다. d_i가 측방향 축(Y)에 평행한 2개의 하부 단부들(10_i, 20_i) 사이의 거리인 경우, α = Φ일 때, U = d_i이다. Φ > α인 경우, U < d_i이고, 그에 의해서 최소 갭(U)을 감소시킨다. 최소 갭(U)은 d_i, 각도(α) 및 각도(Φ)에 따라 달라진다. 일반적으로, 0.6Φ ≤ α ≤ Φ인 것이 바람직하다. 도시된 예에서, α = 35° 및 Φ = 45°이고, 그에 따라 0.78Φ이다.

갭(U)은, 각각의 터빈의 블레이드 상에 각각 위치되는, 근접 지점으로서 지칭되는, 2개의 지점들(P_u) 사이의 거리에 의해서 특징 지어지는, 터빈들 사이의 자유 공간을 정량화한다. 각각의 터빈의 2개의 개별적인 블레이드들이 서로 대면될 때, 하나의 터빈의 블레이드의 근접 지점은 다른 터빈의 블레이드에 가장 가까운 지점에 상응한다. 2개의 터빈의 2개의 개별적인 블레이드들의 2개의 개별적인 근접 지점들 사이의 거리는 갭(U)에 상응한다. 바람직하게, 터빈의 근접 지점(P_u)은 터빈의 적도 부분(11_e)에 위치된다. 사실상, 블레이드의 적도 부분은 가장 생산적인 부분으로 이해된다. 도 2b는 블레이드(12 및 21)의 근접 지점(P_u,12 및 P_u,21)을 각각 도시한다.

r_u는 근접 지점(P_u)에서의 블레이드의 반경이다. 반경(r_u)은, 블레이드의 회전 축에 직각인, 회전 축과 근접 지점 사이의 거리이다. 도 2b는 블레이드(12)의 반경(r_u)을 도시한다. 반경(r_u)은 양 터빈의 모든 블레이드에서 동일하다.

충진을 최적화하고 풍력 터빈의 성능을 증가시키기 위해서, 거리(d_i)를 줄이면서 갭(U)을 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 안전 고려 사항은, 갭(U)이 최소 값 미만이 되지 않을 것을 요구한다. 이는, 특히 급격한 바람의 변화로 인한 전체 유지 구조물에서의 공진 현상, 또는 바람의 국지적인 난류성 돌풍으로 인한 블레이드의 길이방향 진동의 결과로서의 구조적 문제를 방지하기 위한 것이다. 본 발명에 따라

이다.

도 2b의 예에서, 이다.

절반 갭(U/2)은, 도 2c에 도시된 바와 같이, 터빈의 블레이드와 중간 평면(P_m) 사이의 가장 가까운 거리에 상응한다.

개방 각도(Φ) 및 경사 각도(α)와 관련하여, 이하의 부등식이 그에 따라 준수되어야 한다:

α < Φ

전술한 충진과 관련하여 최적이 아닌, 터빈의 축이 수직인 구성으로부터 벗어나기 위해서, 0.6Φ≤α인 것이 바람직하다.

직사각형 둘레(R)의 보다 양호한 충진에 더하여, 터빈들 사이의 자유 공간의 감소는 중간 평면(P_m)의 2개의 측면들 상의 입사 유동의 차단에 의해서 달성된다. 입사 유동은 각각의 터빈의 상류의 공기 유동을 지칭한다. 따라서, 이러한 입사 유동의 차단은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 2개의 블레이드들의 2개의 적도 부분들을 분리하는 최소 갭(U)에서, 특히 블레이드의 생산적인 부분에서 활용된다. 2개의 상이한 터빈들의 역풍-회전 블레이드들을 서로 더 가까이 가져가는 것은, 각각의 터빈이 서로 격리된 배열에 비해서, 10%까지 효율을 높이는 것으로 추정된다.

각각의 터빈의 효율을 높이기 위해서, 본 발명은, 각각의 블레이드의 높이에 대해서, 각각의 블레이드의 각각의 적도 부분(11_e, 12_e)의 높이(h_e)를 제공한다. 그에 따라, 각각의 적도 부분은 상대적인 높이(Γ)에 의해서 특성화될 수 있고, 그에 따라

가 되며,

여기에서:

- h_e는 블레이드의 회전 축에 평행한 각각의 블레이드의 적도 부분의 높이이고,

- h는 각각의 블레이드의 높이, 즉 블레이드의 회전 축에 평행한, 하부 단부와 상부 단부 사이의 거리이다.

간행물 [W. Tjiu, T. Marnoto, S. Mat, M. H. Ruslan, K. Sopian "Darrieus vertical axis wind turbine for power generation I: Assessment of Darrieus VAWT configurations", Renewable Energy 75 (2015) 50-67]에서 설명된 바와 같이, Γ ≥ 0.5인 것이 바람직하다.

바람직하게, 0.5 ≤ Γ ≤ 0.8이다. 예를 들어, Γ = 0.6이다.

상대적 높이(Γ)는 각각의 블레이드의 곡선형 적도 부분의 상대적인 비율을 규정한다.

폼 팩터(δ)가 또한 이하가 되도록 각각의 블레이드에 대해서 규정될 수 있고,

여기에서:

- h는 회전 축에 평행한 각각의 블레이드의 높이이고,

- r_max는 블레이드의 최대 반경이다.

블레이드가 회전 축을 중심으로 회전될 때, 값(2r_max)은 적도 평면 내에서 터빈에 의해서 설명되는 직경에 상응한다.

1.3 ≤ δ ≤ 1.5인 것이 바람직하다.

Γ = 0.6 및 Φ = 45°인 경우, 이하를 이용하여 δ = 1.4를 입증할 수 있다:

폼 팩터(δ)는 Γ에 따라 증가된다. Γ가 일정할 때, Φ가 증가됨에 따라 폼 팩터는 감소되는데, 이는 Φ가 증가될 때 r_max도 증가되기 때문이다.

폼 팩터(Λ)가 또한 이하가 되도록 풍력 터빈에 대해서 규정될 수 있다:

이러한 폼 팩터는 2개의 상이한 터빈들의 2개의 블레이드들 사이의 최소 갭(U)과, 각각의 블레이드에 의해서 규정되는 최대 반경의 2배 사이의 비율이다. 0.05 ≤ Λ ≤ 0.3 또는 0.1 ≤ Λ ≤ 0.3인 것이 바람직하다. 도시된 예에서, Λ = 0.12이다.

전술한 내용으로부터, 각각의 블레이드의 기하형태가, 풍력 터빈의 효율을 최적화하기 위한, 적도 부분의 상대적 높이(Γ)(비율()), 각각의 블레이드의 폼 팩터(δ)(비율()), 및 풍력 터빈의 폼 팩터(Λ)(비율())의 최적화로부터 초래된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

유지 구조물에 관한 설명

풍력 터빈은 전술한 블레이드를 지지하기 위해서 유지 구조물(50)을 포함한다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 유지 구조물은, 발전기(30)를 지지하는 나셀(40)로부터 연장된다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 실시형태에서, 나셀(40)은 정적 지지부(60)를 중심으로 회전 이동될 수 있다. 지지부(60)는 필라(pillar)(61)의 상단부에 배열된다.

필라(61)는, 풍력 터빈이 위에 놓이는 기부로부터 수직으로 연장된다. 기부는 지면 상에 배열될 수 있다. 기부는 또한 부유 바지(floating barge) 상에서 바다에 설치될 수 있다. 얕은 물에서, 기부는 해저에 연결될 수 있다. 필라(61)는, 종래 기술에서 설명된 바와 같이, 터빈(10, 20)이 경계 층 위에 배열될 수 있게 한다. 경계 층은, 바람이 균일하지 않은, 기부로부터 연장되는 층을 의미하고, 기부 주위의 지형으로 인해서 불규칙적인 영향을 받을 수 있다. 경계 층은 난류를 일으키기 쉽고, 이는 피로로 이어질 수 있다. 필라(61)는 터빈(10, 20)이 경계 층 위로 상승될 수 있게 한다. 그에 따라, 터빈은 더 균일한 바람에 노출된다. 본 발명에 따른 풍력 터빈이 특히 적합한 해양 적용예에서, 필라(61)의 높이는 5 m 내지 50 m이다. 전술한 바와 같이, 테이퍼링된 터빈 형상의 사용은, 필라(61)의 높이를 제한하면서, 가장 생산적인 부분인 적도 부분을 경계 층 위로 상승시키는데 도움을 준다. 터빈의 특정 형상은 필라(61)의, 그리고 나셀(40) 주위에 위치된 풍력 터빈 구성요소의 높이를 줄이는데 도움을 준다. 이는, 기부 또는 기부 상에 위치된 나셀에의 접근을 필요로 하는 유지 보수 작업이 상당한 높이에서 이루어 지지 않는다는 것을 의미한다. 풍력 터빈이 전도될 위험이 또한 감소된다. 제안된 구조는 그에 따라, 매우 높은 필라를 필요로 하지 않고도, 경계 층 위의 바람을 이용할 수 있다.

유지 구조물(50)은 나셀(40)로부터 수직으로 연장되는 기둥(50_i)을 포함한다. 중간 평면(P_m)은 기둥의, 그리고 보다 일반적으로 전체 유지 구조물의 대칭 평면을 형성한다. 중간 평면에 평행한 수평 길이방향 축(X)을 따라서, 기둥(50_i)은 하류 평면(P_a)으로부터 후퇴 거리(d)만큼 후퇴된다. 이어서, 기둥은 풍향을 고려할 때 하류 평면(P_a)의 상류에 위치된다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 각각의 블레이드가 기둥(50_i)에 근접하여 통과하여 편향부 효과(deflector effect)를 형성하도록, 후퇴 거리(d)가 조정된다. 후퇴 거리는 0.75 r_max 내지 1.25 배의 r_max일 수 있다.

유지 구조물(50)은 이하에 의해서 형성되는 상부 부분(50_s)을 포함한다:

- 기둥(50_i)으로부터 제1 터빈(10)의 상부 단부(10_s)에 인접한 제1 상부 지지부(51_s)까지 연장되는 제1 상부 아암(51),

- 기둥(50_i)으로부터 제2 터빈(20)의 상부 단부(20_s)에 인접한 제2 상부 지지부(52_s)까지 연장되는 제2 상부 아암(52).

도 3a는 풍력 터빈의 상면도이다. 도시된 바와 같이, 유지 구조물(50)과 하류 평면(P_a) 사이의 거리는 유지 구조물의 상이한 구성요소들 사이에서 달라지고: 수직 기둥(50_i)과 하류 평면(P_a) 사이의 거리는 일정하고 전술한 후퇴 거리(d)와 동일하다. 각각의 상부 아암(51, 52)과 하류 평면(P_a) 사이의 거리는 상부 지지부(51_s 및 52_s)에 근접할수록 감소된다. 도 3a는 풍향(W) 및 각각의 터빈의 변위를 점선으로 도시한다. 풍력 터빈은 기둥(50_i)이 각각의 터빈의 상류에 위치되도록 배열되고, "상류"라는 용어는 풍향에 대한 것으로 이해된다. 길이방향 축(X)이 기둥(50_i)으로부터 하류 평면을 향해서 배향되기 때문에, 상부 아암은 수직 축(Z)과 축(X) 모두를 따라서 연장된다. 상부 아암이 축(Z)을 따라서 연장될 때, 상부 아암은, 각각의 터빈의 상부 단부(10_s 및 20_s)를 포함하는 하류 평면(P_a)에 더 근접하게 이동한다.

기둥(50_i)은 킹 포스트(53)에 연결되고, 이러한 킹 포스트는 수직 축에 대해서 경사지고 기둥(50_i)으로부터 하류 평면(P_a)으로부터 멀어 지는 쪽으로 연장된다. 따라서, 수직 축에 대한 킹 포스트(53)의 경사는 수직에 대한 상부 아암(51 및 52)의 각각의 경사에 반대가 된다. 유지 구조물은:

- 킹 포스트(53)와 제1 상부 지지부(51_s) 사이에서 연장되는 제1 브레이스(54),

- 킹 포스트(53)와 제2 상부 지지부(52_s) 사이에서 연장되는 제2 브레이스(55)를 포함한다.

제1 상부 아암(51)은 제1 상부 지지부(51_s)까지 연장된다. 제1 상부 지지부(51_s)는, 제1 회전 축(Δ₁)과 동축적이고 제1 터빈(10)의 제1 상부 단부(11_s)에 연결된 제1 상부 샤프트(A_s,1)를 수용하도록 배열된다. 유사하게, 제2 상부 아암(52)은 제2 상부 지지부(52_s)까지 연장된다. 제2 상부 지지부(52_s)는, 제2 회전 축(Δ₂)과 동축적이고 제2 터빈(20)의 제2 상부 단부(21_s)에 연결된 제2 상부 샤프트(A_s,2)를 수용하도록 배열된다. "상부 샤프트"는, 상부 단부를 가지고 상부 단부를 상부 지지부에 연결하는 회전 기계 요소를 의미한다. 각각의 상부 아암(51, 52)은 중간 평면(P_m)의 2개의 측면 상에서 기둥(50=)으로부터 연장된다. 기둥, 브레이스, 및 후술되는 스트럿에 의해서 형성되는 유지 구조물은 중간 평면(P_m)에 대해서 대칭적이다.

제1 상부 지지부(51_s) 및 제2 상부 지지부(52_s)는 각각 유지 구조물(50) 및 제1 터빈(10) 및 제2 터빈(20)의 사이에서 피벗 링크를 형성한다. 각각의 터빈의 하부 단부는 피벗 링크에 의해서 나셀(40)에 연결된다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 이러한 피벗 링크는 각각의 터빈의 회전을 발전기(30)에 전달한다. 상부 지지부(51_s, 52_s)는, 상부 샤프트(A_s,1, A_s,2)가 자유롭게 회전하게 하는 피벗 링크를 형성한다. 블레이드가 피벗 링크에 의해서 각각의 단부(상부 및 하부)에서 유지된다는 사실은 특정 강성(rigidity)을 유지하고, 회전의 영향 하에서 장력을 받을 때 블레이드가 변형되는 것을 방지한다. 각각의 상부 지지부는, 각각의 상부 지지부 내에서 회전 축(Δ₁ 또는 Δ₂)을 중심으로 하는 상부 샤프트(A_s,1 또는 A_s,2)의 회전을 가능하게 하는 볼 또는 롤러 베어링(56)을 갖는다.

도 3b는 제2 상부 지지부(51_s)의 횡단면이다. 이러한 도면은 제2 회전 축(Δ₂) 및 제2 상부 회전 샤프트(A_S,2)를 도시하고, 제2 상부 회전 샤프트는 제2 터빈(20)과 제2 상부 지지부(52_s) 사이의 기계적 링크를 제공한다. 제2 상부 지지부(52_s)는, 회전 축(Δ₂)을 중심으로 연장되고 상부 지지부(20_s) 내에 삽입된 샤프트(A_s,2)의 회전을 가능하게 하는 환형 베어링(56)을 포함한다.

각각의 상부 아암(51, 52)은 킹 포스트(53)에 연결된 브레이스(54, 55)와 터빈(10, 20) 사이에서 파일론으로서 작용하고, 상기 터빈은 상부 지지부(51_s, 52_s)와 나셀(40) 사이에서 장력 하에서 유지된다. 수직 평면에서, 도 3c에 도시된 바와 같이, 각각의 상부 지지부(51_s, 52_s)에 인가되는 힘은 중력 및 원심력이다. 도 3c는 제2 상부 지지부(52_s)의 지점(S)에 작용하는 수직 평면(YZ) 내의 힘을 도시한다. 힘(F₁)은 수직으로 배향된 중력이고, 힘(F₂)은 회전 축(Δ₂)을 따라서 지향된 원심력이다. 원심력은 회전의 영향 하에서 터빈에 의해서 가해지는 견인력으로부터 초래된다. 터빈(20)이 회전될 때, 블레이드들(21, 22)은 원심력에 의해서 서로로부터 멀어 지는 경향을 가지고, 그에 따라 상부 지지부(52_s) 내에서 결과적인 힘(F₂)을 생성한다. 힘(F₃)은 상부 아암(52)의 압축 강도이다. 힘(F₄)은 브레이스(55)에 의해서 가해지는 장력에 기인하는 인장력이다. 도 3b는 힘(F₁ 내지 F₄), 및 이하의 결과적인 힘을 도시한다:

- F₁₊₂ = F1 + F2: 이는 터빈에 의해서 인가되는 인장력이고,

- F₃₊₄ = F3 + F4: 이는 유지 구조물: 상부 아암(52) 및 브레이스(55)에 의해서 인가되는 힘이다.

따라서, 상부 아암(52)은 2개의 브레이스가 양 측면으로부터 연장되는 파일론으로서 작용하고: 실제 브레이스(55) 및 브레이스와 유사한 방식으로 거동하는 터빈(20)은 회전 중에 인장 응력을 상부 아암에 인가한다. 결과적으로, 힘의 삼각화(triangulation)로 인해, 브레이스 및 터빈의 장력의 영향 하에서, 상부 아암(52)에 압축력이 가해진다. 현수교에 비교될 수 있는 이러한 유형의 구조는 특히 견고하다. 이러한 상황은, 브레이스(54) 및 회전 중에 브레이스로서 작용하는 제1 터빈(10)에 연결된, 제1 상부 지지부(51_s)에서 자연스럽게 대칭적이다. 이러한 유형의 삼각형 메시는 힘의 삼각화를 촉진하고, 인장/압축 응력에 유리하고, 굽힘 응력을 최소화한다.

수평 평면(XY)에서, 유지 구조물에 작용하는 힘은 추력의 결과이다. 균형은, 킹 포스트(53) 및 2개의 상부 아암(51 및 52)으로부터 연장되는 브레이스(54, 55)에 의해서 각각 형성된 "V" 형상 개방 하류(즉, 축(X))에 의해서 보장된다. 수평 평면에서, 상부 아암(51, 52) 및 킹 포스트(53)는 파일론과 유사한 압축 강도 작용을 갖는다. 각각은, 그렇게 형성된 각각의 파일론의 2개의 측면 상에서 대칭적인 것으로 간주될 수 있는 인장 작용을 하는 두 개의 브레이스에 연결된다. 다양한 삼각형 메시를 이용하여 특히 이하의 힘을 삼각화할 수 있다:

- 브레이스(54, 55)에 연결된 킹 포스트(53),

- 도 3b를 참조하여 설명되는 바와 같이, 견인력을 가하는, 브레이스(55) 및 제2 터빈(20)에 연결된 제2 상부 아암(52),

- 터빈(20)과 유사하게 견인력을 가하는, 브레이스(54) 및 제1 터빈(10)에 연결된 제1 상부 아암(51).

도 3d는 상부 지지부(52_s) 상의 수평 평면 내에서 작용하는 힘의 삼각화를 도시한다: 힘(F₅, F₆ 및 F₇)은 상부 아암(52)에 의해서 가해지는 압축 강도, 브레이스(55)에 의해서 가해지는 견인력, 및 회전의 영향 하에서 터빈(20)에 의해서 가해지는 견인력, 그리고 보다 정확하게 각각의 블레이드에 가해진 원심력의 수평 성분에 각각 상응한다. 힘(F₆₊₇)은 F₆ + F₇의 합이다.

하류 평면(P_a)에 평행한 수직 평면(YZ)에서 작성된 도 1c는, 브레이스(54), 킹 포스트(53) 및 상부 아암(51)에 의해서 형성된 다른 삼각형 메시를 도시한다. 킹 포스트(53) 및 상부 아암(51)은, 인장 응력을 받는 브레이스(54)에 의해서 압축되어 유지된다. 굽힘 응력의 형성이 다시 최소화된다. 대칭적으로, 브레이스(55), 킹 포스트(53) 및 상부 아암(52)은 다른 삼각형 메시를 형성한다.

풍력 터빈의 유지 구조물은 또한 틸팅-방지 경직화 효과를 갖는 스트럿(41)을 포함한다. 2개의 스트럿(41)이 기둥(50_i)으로부터 발전기(30)를 지지하는 나셀(40)을 향해서 연장된다. 스트럿들은 V-형상으로 배열되어, 상기 스트럿들이 나셀(40)에 접근함에 따라 개방된다. 그 목적은, 스트럿이 풍향에 평행하게 각각의 터빈에 가해지는 추력의 영향 하에서 압축 응력을 받을 때, 기둥(50_i)에 가해지는 굽힘력을 감소시키는 것이다. 굽힘 응력을 받는 유지 구조물의 유일한 부분은 스트럿(41)과 상부 아암(51, 52) 사이에서 연장되는 기둥의 부분이다.

스트럿들이 나셀(40)에 접근함에 따라 스트럿들이 길이방향 축(X)의 2개의 측면 상에서 서로로부터 멀어 지는 V-형상은 롤링-방지 효과를 갖는다. 따라서, 스트럿(41)은 풍력 터빈의 틸팅(축(Y)을 중심으로 하는 중간 평면(P_m)의 회전)-방지 기능 및 롤링(축(X)을 중심으로 하는 중간 평면(P_m)에 직각인 평면 내의 회전)-방지 기능을 갖는다. 기둥(50)이 터빈의 상류에 위치된다는 사실에 의해서, 스트럿(41)의 사용이 가능해 진다. 따라서, 터빈 상류의 기둥(50_i)의 위치는 기둥에 인가되는 굽힘 응력을 감소시켜, 스트럿을 사용할 수 있게 한다.

스트럿(41)의 배열, 특히 길이방향 축(X)에 대한 각각의 스트럿의 경사는 블레이드의 회전을 가능하게 하도록 설계된다.

도 1a 내지 도 1c에 도시된 바와 같이, 나셀(40)은, 기둥(50_i)이 그 주위에서 연장되는 수직 회전 축(O)을 중심으로 지지부(60)에 대해서 자유롭게 회전될 수 있다. 나셀(40)은 유지 구조물(50)에 의해서 형성된 조립체, 터빈 및 발전기(30)가 수직 회전 축(O)을 중심으로 회전할 수 있게 한다. 수직 축(O)은 도 1b에 도시되어 있다. 도 3a에서, 회전 축(O)은 롤링 경로(62)의 중심에 상응한다.

풍력 터빈이 중간 평면(P_m)에 대해서 대칭적이기 때문에, 나셀의 회전은 풍력 터빈이 풍향에 대해서 자가-조정될 수 있게 한다. 힘이 바람에 의해서 각각의 터빈에 인가되어 상기 터빈을 기둥의 전방으로 이동시키고, 그에 따라 하류 평면(P_a)은 피동적으로 풍향(W)에 직각으로 배향되는 경향을 갖는다. "피동적"은 전기 슬레이브 제어가 필요하지 않다는 것을 의미한다. 이는 피동적 요 배향으로 알려져 있다. 그러한 배향에서, 길이방향 축(X)을 따라서 각각의 터빈에 의해서 개별적으로 가해지는 추력은, 중간 평면(P_m)에 대한 전체적인 대칭으로 인해서, 대칭적이고 균형을 이룬다. 풍향이 변화되는 경우, 추력은 불균형이 되기 시작하고, 이는 풍력 터빈 자가-조정으로 이어져 추력이 균형을 이루게 하고: 풍력 터빈의 배향은 자가-조정되고, 그에 따라 하류 평면(P_a)은 항상 바람에 직각으로 배향된다. 자가-조정은 중간 평면에 대한 풍력 터빈의 대칭성으로부터 초래된다. 도 1a 내지 도 1c에 도시된 예에서, 나셀은 정적 지지부(60) 상에서 원형 롤링 경로(62)를 따라 롤러(41) 상에서 회전 이동될 수 있다. 롤링 경로(62) 및 하류 평면에 대한 기둥의 배향이 도 3a에 도시되어 있다. 롤링 경로는 수평 주행 표면(P_r)을 따라서 연장된다. 주행 표면은 도 1b 및 도 2c에 도시되어 있다.

대안적으로, 나셀(40)은 지지부(60)에 대해서 정적일 수 있다. 이러한 경우, 기둥 및 터빈의 배향은 가장 빈번한 풍향에 따라 미리 결정된다. 이러한 구성은, 우세 풍향이 결정될 수 있는 해양 적용예에서 적합하다. 이어서, 나셀과 지지부의 접촉은 임베딩(embedding)의 형태를 취할 수 있다.

선택된 구성(정적 또는 회전 이동 가능)과 관계없이, 기둥은 블레이드의 상류에 위치되고, "상류"는 풍향을 참조로 한다.

하류 평면(P_a)으로부터의 기둥(50_i)의 후퇴 거리(d)가 최적화될 수 있다. 회전 축과 기둥(50_i) 뒤쪽 사이에서 블레이드가 회전될 수 있도록, 각각의 블레이드의 반경(r_max)은 거리(d)의 감소에 비례하여 감소되어야 한다. r_max의 감소는 풍력 터빈의 전방 면적을 감소시킨다. 반경(r_max)은 후퇴 거리(d)가 증가되는 것에 비례하여 증가될 수 있지만, 더 롤 민감도가 더 커지고 설치 면적이 더 커지게 된다. 본 발명에 따라, 비율(d/r_max)은 바람직하게 0.4 내지 0.6이어야 하고, 예를 들어 0.5에 근접하여야 한다.

굽힘 응력을 감소시키는 것 및 피동적 요 배향을 가능하게 하는 것에 더하여, 기둥(50_i)을 각각의 터빈의 상류에 배치하는 것의 다른 장점은, 기둥이 블레이드에 대해서 가질 수 있는 마스킹 효과(masking effect)이다. 이러한 유리한 효과는, 예를 들어 블레이드가 기둥에 가장 근접한 궤적을 따라 역풍 회전되도록 배열될 때(역풍 모드), 발생된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 마스킹 효과는 기둥(50_i)에 의해서 제공될 수 있으나, 상부 아암의 일부에 의해서도 제공될 수 있다. 도 4는 풍력 터빈의 상류 도면이다. 기둥(50_i)은 각각의 블레이드의 적도 부분의 일부에 영향을 미치는 바람을 마스킹하기 위한 치수를 가질 수 있다. 상부 아암(51 및 52)이 또한 마스킹 효과에 기여할 수 있다. 마스킹 효과는, 블레이드가 구동되지 않는 즉, 블레이드가 생산적인 것으로 간주되지 않는 구역 내에서, 블레이드가 아암 근접하여 역풍 이동할 때, 발생된다. 따라서, 마스킹 효과는 풍력 터빈의 효율 증가에 도움을 준다.

마스킹 효과는, 각각의 상부 아암이 기본 아암들의 연속을 포함하는 도 5a에 도시된 구성에서 향상될 수 있다. 따라서, 제1 상부 아암(51)은 기둥(50_i)으로부터 연장되는 제1 기본 아암(51₁), 및 제1 기본 아암(51₁)과 상부 지지부(51_s) 사이에서 연장되는 제2 기본 아암(51₂)을 포함한다. 제2 상부 아암(52)은 유사하게 배열된 기본 아암(52₁ 및 52₂)을 포함한다. 기본 아암이 기둥(50_i)으로부터 멀어짐에 따라, 수직에 대한 각각의 기본 아암의 경사가 증가된다.

기본 아암의 사용은 또한 유지 구조물의 강성을 증가시킨다. 이는 또한 상부 아암의 좌굴을 방지한다. 유지 구조물은, 킹 포스트(53)로부터 2개의 연속적인 기본 아암들 사이의 각각의 접합부를 향해서 연장되는 경직화 스트럿(58₁, 58₂)을 포함할 수 있다. 경직화 스트럿들은, 인장/압축 응력을 촉진하는 삼각형 메시를 형성하도록 배열된다. 대안적으로, 2개 초과의 연속적인 기본 아암이 있을 수 있다.

역풍 모드 및 순풍 모드 모두에서의 기둥의 유리한 효과가 도 5e 및 도 5f를 참조하여 설명된 변형예에서 구체적으로 설명된다.

아암 프로파일

바람직하게, 상부 아암(51 및 52)의 각각은, 도 4 및 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 낮은-상반형 날개(low-dihedral wing)와 같은 프로파일을 갖는 수직 횡단면을 갖는다. 도 5a는, 날개 세그먼트로 만들어 진 기본 상부 아암의 특정 에어호일 형상을 도시한다. 성형된 단면은 도 5b에서 확인할 수 있는 선행 연부(A), 및 선행 연부에 대향되는 후행 연부(F)를 갖는다. 선행 및 후행 연부는 측방향 날개 표면(V)에 의해서 서로 연결된다.

이러한 아암의 프로파일은 중간 평면(P_m) 및 풍향(W) 모두에 평행한 평면 내의 그 수직 횡단면에 의해서 통상적으로 규정된다. 이러한 프로파일은, 볼록한 상부 표면 및 마찬가지로 볼록한 하부 표면을 가지는, 그러나 후행 연부를 향한 국소적인 오목부를 가지는, 두꺼운 날개 프로파일로 알려져 있다. 도 5c에서, 하부 표면의 국소적인 오목부는 심볼(C)로 도시되어 있다. 그 주요 기능은 바람에 대한 터빈의 구조적 지지에 기여하는 것이다. 프로파일은, 프로파일의 최대 두께와 프로파일의 코달 길이(chordal length) 사이의 비율로서 정의되는, 상대 두께에 의해서 특성화될 수 있다. 상대 두께는 특히, 높은 구조적 강도를 보장하기 위해서, 0.5에 근접할 수 있다. 그러나, 이러한 상대 두께는, 큰(그리고 그에 따라 유리한) 양력-대-항력비를 얻기 위해서, 0.35에 가까워야 하고: 양력은 스트럿(41)을 통해서 기둥(50_i)에 그리고 이어서 나셀(40)에 인가되는 압축력을 감소시키는 한편, 항력은 원치 않는 틸팅 토크를 생성한다. 절충 값은, 받음각(angle of attack)이 임계 받음각의 하부 범위 내에 있도록, 즉 10°내지 20°, 예를 들어 15°의 값이 되도록, 두꺼운-날개 프로파일을 배치하는 것이다.

받음각은, 일반적으로 "코드 라인(chord line)"으로 지칭되는, 선행 연부를 후행 연부에 연결하는 직선형 라인(AF)에 의해서 형성된 수평에 대한 각도이다.

양력을 제공하도록 그렇게 형성된 아암(51 및 52)은 제3의 장점을 제공한다. 상기 아암은 양력을 생성하기 위해서 지면을 향해서 공기 유동을 방출하는 날개의 쌍과 비교될 수 있다. 이러한 공기 유동의 일부가 상부 지지부(51_s 및 52_s)에 근접하여 방출된다. 이러한 구역 내에서, 터빈은 직선형 상부 부분을 따라서 충격을 받고, 이는 크게 생산적이지 않고, 별다른 효과를 가지지 않는다. 이어서, 공기 유동은 아암의 후행 연부를 따라서, 블레이드의 적도 부분 및 더 생산적인 부분을 향해서 이동한다.

이러한 구조는 하류 평면(P_a)에 직각으로 바람을 직선화하는데 도움을 줄 수 있고 터빈을 타격하는 바람의 세기를 증가시키는데 도움을 줄 수 있다. 이러한 직선화는, 터빈이 순풍 방향 또는 역풍 방향으로 회전하는 지의 여부에 따라, 선행 연부(A) 및 후행 연부(F)를 연결하는, 직선형 라인(AF)의 특정 배치를 필요로 한다. 격리된 직선형 블레이드 및 효율-향상 편향부를 갖는 다리우스 터빈에 관한 문헌은, 역풍 방향에서, 블레이드가 역풍 궤적의 약 2/3를 이동한 후에 직선형 라인(AF)이 바람직하게 블레이드의 경로와 교차하도록 에어호일 형상의 받음각이 구성되어야 한다는 것을 보여 준다. 순풍 방향에서, 블레이드가 순풍 궤적을 따라서 절반을 이동한 후에 직선형 라인(AF)이 블레이드의 경로와 교차되도록, 에어호일 형상의 받음각이 구성되어야 한다.

또한, 특정 조건 하에서, 에어호일 형상은 소정 정도의 양력을 상부 아암에 제공하여, 바람의 영향 하에서 유지 구조물을 가볍게 하는 경향이 있다. 이는, 스트럿(41)을 통해, 기둥(50_i)에 의해서 나셀(40)에 인가되는 압축력을 감소시킨다.

일반적으로, 도 5a 내지 도 5d를 참조하여 설명된 변형예에 따라, 각각의 아암은 선행 연부와 후행 연부 사이에서 연장되는 성형된 수직 섹션을 가지고, 후행 연부는 하류 평면(P_a)을 향해서 배향된다. 선행 연부와 후행 연부를 연결하는 라인은 유리하게 10° 내지 20°의 받음각으로 수평에 대해서 경사질 수 있다.

도 5a에서, 각각의 터빈은, 120°만큼 서로 각도적으로 이격된 3개의 블레이드를 갖는다. 그러한 구성은 또한 도 5d에 도시되어 있고, 제1 터빈(10)은 3개의 블레이드(11, 12, 13)를 갖는다. 제2 터빈(20)은 3개의 블레이드(21, 22, 23)를 갖는다. 본 발명에 따라, 터빈은 바람직하게 180°로 각도적으로 이격된 2개의 블레이드, 또는 120°로 각도적으로 이격된 3개의 블레이드를 갖는다. 3개 초과로 블레이드의 수를 증가시키는 것은 유리한 것으로 간주되지 않는다.

기둥 프로파일

도 5e 및 도 5f는, 기둥(50_i)이 최적화된 프로파일의 수평 횡단면을 갖는 변형예를 도시한다. 이러한 변형예에 따라, 기둥은 중앙 축(O)을 중심으로 연장된다. 기둥이 회전 이동되는 경우, 중앙 축(O)은 회전 축이 된다. 중앙 축(O)은 하류 평면(P_a)으로부터 거리(l)에 배치된다. 이어서, 기둥은 풍향을 고려할 때 하류 평면(P_a)의 상류에 위치된다. 기둥은, 폭(w)을 따라서, 중간 평면(P_m)에 직각으로 연장된다. 중앙 축(O)과 하류 평면 사이의 거리는 l이다. 터빈이 역풍 방향 또는 순풍 방향으로 설정되었는지의 여부에 따라, 거리(l) 및 폭(w)뿐만 아니라, 축(O)에 직각인 평면(수평 평면) 내의 기둥의 단면의 형상을 조정하여, 이하에서 설명되는 바와 같이, 기둥이 터빈 성능에 긍정적인 영향을 미치게 할 수 있다:

역풍 방향에서, 유지 구조물(50)의 지지에 더하여, 기둥(50_i)은, 간행물 [Jin X, Wang Y, Ju W, He J, Xie S. Investigation into parameter influence of upstream deflector on vertical axis wind turbines output power via three-dimensional CFD simulation. Renew. Energ. 2018;115:41-53]에 설명되어 있는 바와 같이, 공기역학적 편향부로서 작용할 수 있다. 이러한 연구에서 편향부는 2개의 긍정적인 효과를 조합하여 성능을 증가시킨다:

- 고압 항력을 받는, 편향부 하류의 압력 강하로부터 초래되는, 터빈-간 구역 내의 브레이킹 효과,

- 구동력의 증가를 초래하는, 블레이드 상의 입사 유동의 직선화 효과. 직선화 효과는, 절반-디스크의 최상류 지점과 터빈-간 구역, 즉 2개의 터빈 사이의 지역 사이의 섹터 내에서 블레이드가 휩쓸고 지나가는 상류 절반-타원에서 느껴진다.

(중간 평면(P_m)에 직각인) 터빈-간 구역의 최소 폭은 전술한 갭(U)이다. 곡선형 블레이드를 갖는 다리우스 터빈에 대한 적용을 위해서 변환된 이러한 간행물의 결과는 비율(w/2r_u = 0.33)이 허용 가능한 폭의 상한선을 구성한다는 것을 보여 주고, 본 발명에 다른 하한선은 0.25이다.

0.25 < w/2r_u < 0.33

두 번째로, 비율(l/2r_u = 0.7)은 허용 가능 폭의 상한선을 구성하고, 본 발명에 따른 하한선은 0.6이다.

0.6 < l/2r_u < 0.7

공기역학적 편향부 효과가 단순히 하류 평면(P_a)으로부터 거리(l)에 위치되는 폭(w)의 하류 평면(P_a)에 평행한 판에 의해서 획득될 수 있는 경우, 기둥의 상승 기능에 의해서 부여되는 제약 및 터빈 블레이드가 2개의 측면 상에서 통과할 수 있게 하기 위한 필요성은 2-차원적인 T-빔 또는 삼각형 박스 섹션의 사용을 제시한다. 다시 말해서, 기둥의 수평 섹션이 하류 평면(P_a)에 평행하게 연장되고 편향부를 형성하는 구성요소 뿐만 아니라, 편향부 하류의 공기 유동을 직선화하기 위해서 하류 평면(P_a)에 직각으로 연장되는 편향부 하류의 구성요소를 가지는 것이 바람직하다. "직선화"라는 용어는 편향부 상류의 입사 유동의 방향을 향하는 경향을 의미한다. 도 5e는 역풍 방향으로 회전하는 터빈에 대한 최적화된 횡단면의 실시형태를 도시한다. 이러한 도면에서, 기둥의 수평 섹션은 바람에 노출되는 볼록 상류 단부 및 하류 단부로부터 연장된다. 상류 단부와 하류 단부 사이에서, 기둥의 수평 섹션은, 중간 평면에 대해서 서로 대칭적인 2개의 볼록 부분에 의해서 형성된다. 하류 단부 내의 오목부는 상류 단부에 의해서 이전에 직선화된 유동에 대한 브레이킹 효과를 갖는다.

도 5f는 순풍 방향으로 동작하는 터빈에 대한 최적화된 횡단면의 실시형태를 도시한다. 순풍 방향으로, 유지 구조물(50)을 지지하는 것에 더하여, 기둥(50_i)은 터빈-간 구역 내의 입사 유동을 직선화하는데 있어서 긍정적인 역할을 할 수 있다. 사실상, 순풍 방향으로, 터빈-간 구역은 상당한 와류 분리의 영향을 받는다. 유리하게, 기둥은, 적은 항력을 가지고, 중간 평면(P_m)을 따라서 대칭적인, 볼록 상류 단부를 갖는, 두꺼운 프로파일을 가지며, 그 공기역학적 중심은 회전 축(O) 상에 놓이고, 그 두께(w)는 0.15 < w/2r_u < 0.25가 되도록 결정된다.

기둥의 공기역학적 중심은, 0.6 < l/2r_u < 0.7가 되도록, 평면(P_a)으로부터 상류의 거리(l)에 위치된다.

"공기역학적 중심"이라는 용어는 날개 분야에서 알려진 개념이다.

일반적으로, 기둥은 유리하게, 하류 평면(P_a)에 접근할 때, 볼록 상류 단부와 하류 단부 사이에서 중간 평면(P_m)에 평행하게 연장되는 수평 섹션을 갖는다. 바람직하게, 기둥의 수평 섹션은 상류 단부와 하류 단부 사이에서 테이퍼링된다. 바람직하게, 기둥의 수평 횡단면은 중간 평면(P_m)에 대해서 대칭적이다. 터빈이 역풍 방향으로 회전하도록 설계되는 경우, 기둥의 수평 섹션은, 중간 평면에 대해서 대칭적으로 배열된, 상류 단부와 하류 단부 사이의 2개의 오목 섹션을 갖는다.

가로 단편

도 6a 내지 도 6c는 3개-블레이드 터빈 및 2개-블레이드 터빈에 각각 적합한 강성의 성형된 가로 단편을 도시한다. 전술한 바와 같이, 가로 단편은 회전 축에 직각으로 연장되고, 각각의 터빈을 경직화하는데 도움을 준다. 이러한 가로 단편은 항력을 감소시키도록 성형된다. 도 3a에 도시된 가로 단편은, 회전 축에 배치된 중심으로부터 120°로 연장되는, 3개의 레그(leg)를 갖는다. 각각의 가로 단편은 상이한 블레이드들의 2개의 각각의 직선형 부분들 사이에, 또는 상이한 블레이드들의 직선형 부분과 적도 부분 사이의 접합부에 근접하여 배열될 수 있다. 가로 단편의 포함이 적도 평면 내의 강성과 관련하여 특히 유리하지만, 이는 또한 에너지 소산의 원인이 되는 난류를 유발한다. 적도 평면보다 터빈의 하나의 단부(각각 상부 및 하부 단부)에 더 근접하여 배치되는 상부 가로 단편 및 하부 가로 단편을 이용하는 것이 바람직하다.

각각의 가로 단편은 터빈의 회전 축에 직각인 평면에 대해서 대칭적인 공기역학적 프로파일을 갖는다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 필렛(14')을 형성하도록, 각각의 가로 단편과 블레이드의 접합부가 최적화될 수 있다. 필렛은 블레이드의 선행 연부로부터 후행 연부까지 감소되는 반경을 형성할 수 있다.

도 6d는 가로 단편(이러한 경우 상부 가로 단편(14_s))을 블레이드(이러한 경우 블레이드(12))에 연결하는 인터페이스 부품(14_a)을 도시한다. 인터페이스 부품은 3개의 단부를 갖는 T의 형상을 갖는다. 인터페이스 부품은 가로 단편(14_s) 내에 또는 그 주위에, 그리고 블레이드(12₁, 12₂)의 2개의 부분 내에 또는 그 주위에 삽입되도록 설계된다. 인터페이스 부품은 2개의 블레이드 부분들(12₁, 12₂) 사이에서 블레이드의 곡률이 계속 이어지도록 설계되고, 이에 대해서는 도 6e를 참조한다. 인터페이스 부품은 피팅 길이(fitting length)를 따라서 가로 단편 또는 블레이드의 각각의 부분 내에 또는 주위에 결합된다. 이는 힘이 피팅 길이를 따라서 분포될 수 있게 한다. 이는 접합부에서 피로 효과가 나타나는 것을 제한한다.

전기기계적 트랜스미션 체인

도 7a 및 도 7b는, 발전기를 구동하는, 풍력 터빈의 전기기계적 트랜스미션 체인을 도시한다. 각각의 하부 단부에서, 각각의 터빈은 각각의 하부 단부와 각도 트랜스미션(31, 32) 사이에서 연장되는 하부 회전 샤프트(A_i,1, A_i,2)에 연결된다. 각각의 하부 회전 샤프트(A_i,1, A_i,2)는 회전 축(Δ₁, Δ₂)에 각각 평행하다. 각각의 각도 트랜스미션은, 측방향 축(Y)에 평행하게, 수평에 대해서 경사진 하부 회전 샤프트(A_i,1, A_i,2)와 발전기(30)의 수평 피동 샤프트(A_r,1, A_r,2) 사이에서 기계적 연결을 형성한다. 각각의 피동 샤프트는 단일 발전기(30)의 통과-샤프트를 구동한다. 각각의 피동 샤프트와 발전기의 관통-샤프트 사이의 연결은, 발전기의 2개의 측면 상에 배열된 2개의 가요성의, 바람직하게 일정-속도의 커플링에 의해서 보장될 수 있다. 가요성 커플링은 피동 샤프트(A_r,1, A_r,2)를 발전기(30)의 관통-샤프트에 연결한다. 각각의 커플링의 가요성은, 예를 들어 터빈의 진동 또는 흔들림으로부터 초래되는 임의의 오정렬을 보상한다.

도 7b는 터빈(20)으로부터 각도 트랜스미션(32)까지 요소의 스택(stack)의 상세 부분을 도시한다. 이러한 스택은 블레이드 루트 플랜지(blade root flange)(38), 브레이크 디스크(37), 브레이크 슈(36), 판 기어박스(34)의 일 단부를 형성하는 판(35)을 포함한다. 판 기어박스의 사용은 회전 축에 평행한 치수를 최소화하는데 있어서 바람직하다. 이는 임의의 레버-아암 효과를 최소화한다. 회전은, 플랜지(38)를 판(35)의 둘레에 연결하는 나사에 의해서, 이어서 기어박스(34)에 연결된 하부 샤프트(A_i,2)에 의해서 전달된다. 하부 샤프트(A_i,2)는, 각도 트랜스미션(32) 내에 피팅되는 커플링 스플라인(33)을 갖는다. 그러한 배열은, 브레이크 디스크(37) 및 브레이크 슈(36)를 포함하는 브레이크 스테이지를 포함하는, 피벗 링크를 형성한다. 브레이크 슈(36)는 기어박스(34)에 의해서 지지된다. 상기 브레이크 슈는, 플랜지(38)에 고정적으로 연결된 브레이크 디스크(37)에 대해서 지탱되도록 설계된다. 이러한 배열은 브레이크 스테이지가 각각의 터빈에 가능한 한 근접하여, 그리고 더 구체적으로 기어박스와 터빈 사이에 배열될 수 있게 한다. 이는 브레이킹 토크가 기어박스를 통해서 전달되는 것을 방지한다. 부가적인 브레이크 디스크가 발전기(30)와 기어박스(34) 사이에 피팅될 수 있다. 그러한 부가적인 브레이크 디스크는 비상 브레이킹 중에 필요할 수 있다. 하나의 변형예에서, 일부 또는 모든 증배(multiplication)가 각도 트랜스미션 내에 부분적으로 통합될 수 있다. 이러한 경우, 각도 트랜스미션은 상이한 수의 치형부를 갖는 피니언을 포함하여, 증배를 보장한다.

도 7b에 도시된 스택은 콤팩트하여, 나셀의 크기를 감소시킨다. 스택의 조립은 단순하고, 2개의 주요 구성요소: 각도 트랜스미션(32) 및 기어박스(34)를 포함한다. 각도 트랜스미션은 나셀에 대항하여 지탱되고, 기어박스는 각도 트랜스미션과 터빈 사이에 개재되고 플랜지(38)에 의해서 터빈에 연결된다.

스택은 자가-지지 유닛을 형성하고, 나셀에의 연결을 위한 유지 부품을 필요로 하지 않는다. 이는 특히 콤팩트한 나셀을 초래한다. 이는 각각의 터빈의 하부 단부 주위의 자유 공간을 최대화하는데 도움을 주고, 그에 의해서 번거로운 나셀 또는 유지 고정 부품으로 인한 와류(eddy)의 형성을 방지한다.

스택은 또한 터빈의 하부 단부와 나셀 사이의 거리를 최소화한다. 이는 레버 아암 효과를 줄인다. 2개의 회전 축의 경사는, 발전기의 2개의 측면 상에서 각각의 터빈에 연결된 각도 트랜스미션들(32)이 서로 더 근접하게 한다.

풍력 터빈은, 터빈의 회전 속력을 계속적으로 최적화하는 제어 유닛(미도시)을 포함한다.

변형예

도 2a 및 도 2c를 참조하여 설명한 블레이드의 형상은 본 발명의 최적의 구성에 상응한다. 그러나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 블레이드는 다른 형상을 가질 수 있다. 도 8a 및 도 8b는, 최적이 아니지만, 사용될 수 있는 블레이드의 예를 도시한다. 그러한 블레이드는 더 단순하고 제조비가 낮다는 장점을 갖는다.

도 8a 및 도 8b에서, 각각의 블레이드는, 개방 각도(Φ)로 회전 축에 대해서 경사진, 하부 부분 및 직선형 상부 부분을 갖는다. 전술한 바와 같이, 상부 단부에 인접한 개방 각도는 하부 단부에서의 개방 각도와 상이할 수 있다. 도 8a에 도시된 블레이드에서, 적도 부분은 하부 부분과 상부 부분 사이의 교차 지점으로 제한된다.

도 8b에서, 각각의 블레이드는 편평한 적도 부분을 가지며, 여기에서 반경이 가장 크다. 적도 부분은 블레이드의 회전 축에 평행하게 하부 부분과 상부 부분 사이에서 연장된다.

Claims (24)

1. 발전기(30)에 연결된 트윈 횡류 터빈(10, 20)을 포함하는 다리우스(Darrieus) 유형의 풍력 터빈(1)으로서, 상기 발전기는 상기 터빈의 회전의 영향 하에서 회전 구동되도록 설계된 샤프트를 포함하고, 상기 풍력 터빈은:
   - 제1 회전 축(Δ₁)을 중심으로 회전 이동될 수 있는 제1 터빈(10)으로서, 상기 제1 회전 축을 중심으로 분포된 몇 개의 블레이드(11, 12, 13)를 포함하는, 제1 터빈(10),
   - 제2 회전 축(Δ₂)을 중심으로 회전 이동될 수 있는 제2 터빈(20)으로서, 상기 제2 회전 축을 중심으로 분포된 몇 개의 블레이드(21, 22, 23)를 포함하는, 제2 터빈(20)을 포함하고,
   - 상기 제1 회전 축 및 제2 회전 축은 수직 축(Z)에 대해서 서로 대칭적이고,
   상기 풍력 터빈은:
   - 각각의 터빈(10, 20)이 하부 단부(10_i, 20_i)와 상부 단부(10_s, 20_s) 사이에서 회전 축의 주위에서 연장되도록 - 상기 하부 단부는 상기 상부 단부보다 상기 발전기에 더 근접함 -,
   - 각각의 터빈의 상기 하부 단부 및 상부 단부가 상기 터빈의 회전 축과 정렬되도록, 구성되고,
   - 각각의 터빈 블레이드는:
   · 상기 하부 단부(10_i)로부터 연장되는 하부 부분(11_i, 12_i),
   · 상기 상부 단부(10_s)로부터 연장되는 상부 부분(11_s, 12_s)을 포함하고,
   - 각각의 블레이드는 상기 하부 단부로부터 상기 상부 단부를 향해서 연장되고, 그에 따라:
   · 상기 하부 부분(11_i, 12_i)을 따른 상기 블레이드와 상기 회전 축 사이의 거리에 상응하는 상기 블레이드의 반경(r)은, 상기 하부 단부(10_i)로부터의 거리가 증가됨에 따라, 점진적으로 증가되고,
   · 상기 블레이드의 반경은, 상기 상부 단부(10_s)로부터의 거리가 감소됨에 따라, 상기 상부 부분(11_s)을 따라서 점진적으로 감소되는, 풍력 터빈에 있어서,
   상기 풍력 터빈은:
   - 상기 제1 회전 축 및 제2 회전 축은 25° 내지 50°의 동일한 경사 각도(α)로 상기 수직 축에 대해서 경사지고,
   - 그에 따라, 각각의 회전 축이 단일 발전기에서 수렴하고, 그에 따라 상기 발전기의 수평 샤프트가 상기 제1 터빈 및 제2 터빈에 의해서 회전 구동되며,
   - 상기 풍력 터빈은 중간 평면(P_m)을 형성하고, 상기 중간 평면은:
   · 상기 제1 회전 축(Δ₁) 및 제2 회전 축(Δ₂)을 포함하는 하류 평면(P_a)에 수직이고,
   · 상기 제1 회전 축 및 제2 회전 축의 교차점을 통과하고,
   - 상기 중간 평면은 상기 풍력 터빈의 대칭 평면을 형성하는 것을 특징으로 하는, 풍력 터빈.
2. 제1항에 있어서,
   각각의 블레이드(11, 12)에 대해:
   - 상기 하부 단부에서, 상기 하부 부분(11_i, 12_i)은 상기 회전 축(Δ₁)과 하부 개방 각도(Φ)를 형성하고, 상기 하부 개방 각도는 예각이고,
   - 상기 상부 단부에서, 상기 상부 부분(11_s, 12_s)은 상기 회전 축과 상부 개방 각도(Φ)를 형성하고, 상기 상부 개방 각도는 예각인, 풍력 터빈.
3. 제2항에 있어서,
   상기 하부 개방 각도 및 상부 개방 각도가 동일하고, 동일한 개방 각도(Φ)를 형성하는, 풍력 터빈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 개방 각도가 40° 내지 60°인, 풍력 터빈.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하부 부분(11_i, 12_i)이 직선형이 되도록 및/또는 상기 상부 부분(11_s, 12_s)이 직선형이 되도록, 각각의 블레이드가 구성되는, 풍력 터빈.
6. 제5항에 있어서,
   - 각각의 블레이드는 상기 하부 부분과 상부 부분을 연결하는 적도 부분(11_e, 12_e)을 가지고,
   - 상기 적도 부분(11_e, 12_e) 내에서, 상기 블레이드의 반경은 최대 반경(r_max)에 도달하는, 풍력 터빈.
7. 제6항에 있어서,
   - 각각의 블레이드의 높이(h)는, 상기 회전 축에 평행한, 상기 하부 단부와 상부 단부 사이의 거리에 상응하고,
   - 각각의 블레이드는, 상기 블레이드의 높이와 상기 블레이드의 최대 반경의 2배 사이의 비율에 상응하는, 폼 팩터를 가지고,
   - 각각의 블레이드의 상기 폼 팩터(δ)는 1.3 내지 1.5인, 풍력 터빈.
8. 제7항에 있어서,
   각각의 블레이드에 대해:
   - 상기 적도 부분(11_e, 12_e)이 곡선형이고,
   - 상기 적도 부분을 따라서, 상기 하부 부분(11_i, 12_i)으로부터, 상기 반경은 상기 블레이드의 최대 반경(r_max)까지 점진적으로 증가되고, 이어서 상기 상부 부분(11_s, 12_s)까지 점진적으로 감소되는, 풍력 터빈.
9. 제8항에 있어서,
   각각의 터빈에 대해:
   - 적도 평면(P_e,1)이 상기 회전 축에 직각으로 연장되고, 상기 적도 평면은 상기 터빈의 각각의 블레이드의 최대 반경을 통과하고,
   - 상기 적도 평면은 상기 터빈의 대칭 평면을 형성하는, 풍력 터빈.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    각각의 블레이드는:
    - 상기 하부 부분과 적도 부분 사이의 접합부에 상응하는 하부 접합부(11_ei),
    - 상기 상부 부분과 적도 부분 사이의 접합부에 상응하는 상부 접합부(11_es)를 포함하고,
    각각의 블레이드는:
    - 상기 회전 축에 평행한, 상기 하부 접합부와 상부 접합부 사이의 거리가 상기 적도 부분의 높이(h_e)를 형성하도록,
    - 상기 적도 부분의 상대적인 높이(Γ)가 상기 적도 부분의 높이와 상기 블레이드의 높이(h) 사이의 비율에 상응하도록,
    - 각각의 블레이드의 상대적인 높이(Γ)가 0.5 초과 및 0.8 미만이 되도록, 구성되는, 풍력 터빈.
11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 2개의 상이한 터빈들에 속하는 2개의 블레이드들이, 상기 각각의 회전 축을 중심으로 하는 회전 중에, 최소 갭(U)에 의해서 분리되고,
    - 상기 풍력 터빈의 폼 팩터(Λ)가 상기 최소 갭과 상기 최대 반경의 2배 사이의 비율에 상응하고,
    - 상기 풍력 터빈의 폼 팩터는 0.1 내지 0.3인, 풍력 터빈.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 터빈(10, 20)은 2개의 블레이드를 포함하고, 각각의 블레이드는 상기 터빈의 회전 축(Δ₁, Δ₂)에 대해서 서로 대칭적인, 풍력 터빈.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 터빈은, 상기 터빈의 회전 축의 주위에서 균일하게 분포된, 3개의 블레이드를 가지는, 풍력 터빈.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 상기 제1 터빈(10)은:
    · 그 하부 단부(10_i)에서 제1 하부 회전 샤프트(A_i,1)에 연결되고,
    · 그 상부 단부(10_s)에서 제1 상부 회전 샤프트(A_s,1)에 연결되며,
    · 상기 제1 하부 회전 샤프트, 제1 상부 회전 샤프트, 및 제1 회전 축(Δ₁)은 동축적이고,
    - 상기 제2 터빈(20)은:
    · 그 하부 단부(20_i)에서 제2 하부 회전 샤프트(A_i,2)에 연결되고,
    · 그 상부 단부(20_s)에서 제2 상부 회전 샤프트(A_s,2)에 연결되며,
    · 상기 제2 하부 회전 샤프트, 제2 상부 회전 샤프트, 및 제2 회전 축은 동축적이고,
    - 상기 풍력 터빈은 유지 구조물(50)을 포함하고, 상기 유지 구조물은:
    · 상기 발전기를 지지하는 나셀(40),
    · 상기 나셀(40)로부터 수직으로 연장되는 기둥(50_i)으로서, 상기 기둥은 상기 중간 평면에 대해서 센터링되고, 상기 기둥은 상기 하류 평면에 직각인 길이방향으로 후퇴 거리(d) 만큼 상기 하류 평면으로부터 후퇴되는, 기둥(50_i),
    · 상기 기둥(50_i)으로부터 제1 상부 지지부(51_s)까지 연장되는 제1 상부 아암(51)으로서, 상기 제1 상부 지지부는 상기 제1 상부 회전 샤프트를 유지하는, 제1 상부 아암(51),
    · 상기 기둥(50_i)으로부터 제2 상부 지지부(52_s)까지 연장되는 제2 상부 아암(52)으로서, 상기 제2 상부 지지부는 상기 제2 상부 회전 샤프트를 유지하는, 제2 상부 아암(52)을 포함하고,
    · 상기 제1 상부 아암 및 제2 상부 아암은 수직 축에 대해서 경사지는, 풍력 터빈.
15. 제14항에 있어서,
    - 상기 제1 상부 지지부(51_s)는, 상기 제1 상부 회전 샤프트(A_s,1)가 내부에 삽입되는 베어링을 포함하고,
    - 상기 제2 상부 지지부는(52_s)는, 상기 제2 상부 회전 샤프트(A_s,2)가 내부에 삽입되는 베어링을 포함하는, 풍력 터빈.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 유지 구조물은 또한
    - 상기 하류 평면으로부터 멀어 지는 쪽으로 기둥으로부터 연장되는 킹 포스트(53),
    - 상기 킹 포스트와 제1 상부 아암 사이에서 연장되는 제1 브레이스(54),
    - 상기 킹 포스트와 제2 상부 아암 사이에서 연장되는 제2 브레이스(55)를 포함하는, 풍력 터빈.
17. 제16항에 있어서,
    - 상기 제1 브레이스(54)가 상기 킹 포스트와 상기 제1 상부 지지부 사이에서 연장되고,
    - 상기 제2 브레이스(55)가 상기 킹 포스트와 상기 제2 상부 지지부 사이에서 연장되는, 풍력 터빈.
18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 상부 아암 및 제2 상부 아암은, 상기 제1 상부 지지부(51_s) 및 제2 상부 지지부(52_s)를 향해서 각각 연장되는, 연속적인 기본 아암들(51₁, 51₂, 52₁, 52₂)을 포함하고, 각각의 기본 아암은, 상기 기본 아암이 상기 제1 상부 지지부 또는 제2 상부 지지부에 접근함에 따라, 수직에 대해서 더 경사지는, 풍력 터빈.
19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 스트럿(41)이 상기 기둥(50_i)과 상기 나셀 사이에서 연장되고, 상기 스트럿은 수직에 대해서 경사지고 상기 기둥(50_i)으로부터 상기 하류 평면(P_a)을 향해서 연장되는, 풍력 터빈.
20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나셀은 상기 기둥(50_i)이 그 주위에서 연장되는 수직 회전 축(O)을 중심으로 회전 이동될 수 있고, 그에 따라 소정 방향(W)으로 부는 바람은, 그러한 바람에 의해서 각각의 터빈에 가해지는 추력의 영향 하에서, 상기 터빈을 상기 방향으로 상기 기둥의 하류에 자발적으로 위치시키는, 풍력 터빈.
21. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나셀은 회전되지 않게 고정되고, 상기 풍력 터빈은, 상기 터빈(10, 20)이 우세 풍향에 상응하는 방향으로 상기 기둥의 하류에 배열되도록, 구성되는, 풍력 터빈.
22. 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 하부 회전 샤프트(A_i,1, A_i,2)는 각도 트랜스미션(32)에 의해서 상기 발전기(30)의 샤프트에 연결되는, 풍력 터빈.
23. 제22항에 있어서,
    브레이크(36, 37)가 각각의 각도 트랜스미션(32)과 각각의 터빈의 각각의 개별적인 하부 단부 사이에 배열되는, 풍력 터빈.
24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가로 단편(14_s, 14_i)이 동일한 터빈의 2개의 상이한 블레이드들 사이에 배열되는, 풍력 터빈.

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