WO2013065979A1 - 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법 - Google Patents

싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법 Download PDF

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buoyancy
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강왕구
황인성
김승조
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한국항공우주연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a high-altitude wind power generation system, and more particularly, to a high-powered wind power generation system capable of generating lift and thrust by transmitting a driving force to the rotary shaft in a power generation mode, and generating a driving force in the motor mode. .
  • a buoyancy mechanism such as an aerostat or a balloon is disposed substantially parallel to a flow direction of a fluid, ie, a wind direction blowing from the front, while being suspended from the buoyancy mechanism.
  • the horizontal axis method has a general horizontal axis and a radial blade having one end coupled to the horizontal axis and having a radial blade that rotates like a pinwheel with respect to the horizontal axis.
  • the wind power generation system shown in FIG. 1 of Korea Patent Publication Publication No. 10-2011-0108485, published date October 06, 2011
  • FIG. 1 of Korea Patent Publication Publication No. 10-2011-0108485, published date October 06, 2011
  • FIG. 1 of Korea Patent Publication Publication No. 10-2011-0108485, published date October 06, 2011
  • the conventional horizontal axis method is a structure that rotates at a high speed in the state that the edge of the blade is mostly open, there is a problem that the risk of safety accidents such as a large radius of the blade hit the buoyancy mechanism when operating in high altitude have.
  • the present invention has been made to solve the above problems, the object is to generate power generated by receiving the rotational force of the rotary shaft in the power generation mode, the structure is improved so as to generate a lift or thrust by transmitting a driving force to the rotary shaft in the motor mode To provide a high altitude wind power generation system.
  • Another object of the present invention is to provide a method for operating the high-air wind power generation system.
  • the high-air wind power generation system comprises: a high-pressure wind power generation system for generating power by wind while staying in high air, the buoyancy mechanism being expanded by injecting buoyancy generating gas therein; Is disposed at the lower end of the buoyancy mechanism, and a plurality of rotational axis disposed substantially horizontally with the ground, and the pitch center line is extended along the circumferential direction of the rotation axis in a state extending in parallel with the center line of the rotation axis, The pitch centerline is substantially perpendicular to the flow direction of the fluid flowing from the front spaced apart from the rotation axis by a predetermined distance, the pitch angle is individually adjusted around the pitch centerline, the pitch centerline is A cycloidal turbine including a blade that rotates about the rotation axis in parallel with the center line of the rotation axis; It is connected to the rotational shaft of the cycle turbine, the power generation mode receives the rotational force of the rotational shaft power generation, and in the motor mode,
  • the cycled turbine the center is spaced apart from each other fixed to both ends of the rotation shaft, respectively, rotatably fixed, and both ends of the blade at the ends of the radial spokes extending in the radial direction of the rotation shaft, respectively It is preferred to include a pair of support hubs that are rotatably supported.
  • the said buoyancy mechanism is a buoyancy type parafoil which will have an airfoil cross section at the time of expansion.
  • one end is connected to the other end of the mooring line fixed to the ground so that it can stay at a predetermined altitude and position.
  • the mooring line is preferably adjusted in length by a ground winch fixed to the ground.
  • a method of operating a high wind power generation system comprising: a buoyancy generating gas injection step of expanding and expanding a buoyancy generating gas into the buoyancy mechanism; A buoyancy and lifting force securing step of securing buoyancy generated by the buoyancy mechanism and aerodynamic lift generated from the buoyancy mechanism; An altitude placement step of placing the buoyancy mechanism at a predetermined altitude and position; It characterized in that it comprises a; wind power generation step of generating electricity by operating the combined motor generator in power generation mode.
  • buoyancy and lifting force securing step it is preferable that additional lifting force is generated by the cycloidal turbine by operating the motor-generator in motor mode.
  • the wind power generation step is performed only when the wind speed of the wind blowing from the front is higher than the predetermined wind speed, and if the wind speed of the wind blowing from the front is lower than the predetermined wind speed, the combined motor generator It is preferable to have a; altitude maintenance step by which the additional lift is generated by the cycloidal turbine by using in the motor mode.
  • a cycloidal turbine including a plurality of blades rotating about the rotational axis with a rotational axis and a pitch centerline arranged substantially parallel to the ground and parallel to the centerline of the rotational axis, and a rotational axis of the cycleal turbine.
  • FIG. 1 is a perspective view of a high wind power generation system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a state in which the pitch angle is adjusted in accordance with the rotation angle of the blade shown in Figure 1 in the power generation mode.
  • FIG. 3 is a graph showing a pitch angle according to the rotation angle of the blade shown in FIG. 2 in the power generation mode.
  • FIG 4 is a view showing a state in which the pitch angle is adjusted in accordance with the rotation angle of the blade shown in Figure 1 in the motor mode.
  • FIG. 5 is a graph showing a pitch angle according to the rotation angle of the blade shown in FIG. 4 in the power generation mode.
  • FIG. 6 is a flowchart for describing a method of operating the high-air wind power generation system shown in FIG. 1.
  • FIG. 1 is a perspective view of a high-air wind power generation system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing a state in which the pitch angle is adjusted in accordance with the rotation angle of the blade shown in Figure 1 in the power generation mode
  • 3 is a graph showing a pitch angle according to the rotation angle of the blade shown in FIG. 2 in the power generation mode.
  • the high-altitude wind power generation system 100 according to a preferred embodiment of the present invention, the high-wind wind power generation to generate power by the wind while staying in the high altitude of about 300m to 500mm from the ground (G)
  • the system includes a buoyancy mechanism 10, a cycle turbine 20, and a motor-generator 30.
  • the buoyancy mechanism 10 is a nonrigid mechanism made of an airtight fabric, a synthetic resin sheet, or the like, and is a buoyancy mechanism inflated by injecting a buoyancy generating gas having a lower density than air.
  • a buoyancy mechanism 10 a buoyancy parafoil that can be folded and stored on the ground at normal times and has an airfoil cross section at the time of expansion is used.
  • helium gas is used as the buoyancy generating gas.
  • the cycloidal turbine 20 is a device that can generate a thrust or lift by forcibly rotating by obtaining a rotational force for wind power generation from the wind (W) blowing from the front or by receiving a driving force from the outside, the It is arranged under the buoyancy mechanism 10.
  • the cycle turbine 20 includes a rotation shaft 21, a blade 22, and a support hub 23.
  • the rotation shaft 21 is an axis disposed substantially perpendicular to the direction of the wind W blowing from the front in a posture that is substantially horizontal with the ground G, and is rotatable about the rotation axis center line C. It is prepared.
  • the support hub 23 is a disk-shaped member provided with a pair, and each center portion thereof is rotatably fixed to both ends of the rotation shaft 21 while being spaced apart from each other.
  • the support hub 23 is formed with a plurality of radial spokes 24 extending in the radial direction of the rotation shaft 21 and spaced apart by a predetermined interval along the circumferential direction of the rotation shaft 21.
  • the blade 22 is a blade having a cross section of an airfoil shape that rotates around the rotation shaft 21, and blade support portions 25 protruding on the quarter demonstration are formed at both ends.
  • each of the blades 22 has a structure capable of individually adjusting the pitch angle ⁇ based on the virtual pitch centerline P formed on the quarter demonstration.
  • the distance between the pitch center line P of each said blade 22 and the said rotation axis center line C is the same.
  • the blade 22 is a wind (W) that the pitch centerline (P) is blown from the flow direction of the fluid, that is, the front (W) in the state in which the pitch centerline (P) is extended in parallel with the rotation axis centerline (C) Disposed substantially perpendicular to the direction.
  • the cycle turbine 20 is equipped with a pitch angle adjusting unit (not shown) in which the pitch angle ⁇ can be automatically adjusted according to the phase angle ⁇ of the blade 22.
  • a pitch angle adjusting unit (not shown) in which the pitch angle ⁇ can be automatically adjusted according to the phase angle ⁇ of the blade 22.
  • the contents thereof are known to those skilled in the art, and the pitch control unit 140 of the Korean registered patent publication (Inventor: Kim Seung-jo et al., Registration number: 10-0558462, application date: October 09, 2003) Since it is described in detail in the description, such a detailed description thereof will be omitted.
  • each rotation angle ⁇ periodically It is possible to have a predetermined pitch angle ⁇ at the position.
  • the cycle turbine 20 has a pitch angle ⁇ pattern according to the rotation angle ⁇ of the blade 22 as shown in FIGS. 2 and 3 in a power generation mode that generates electricity by wind power.
  • the pitch generator ⁇ has a pitch angle ⁇ pattern according to the rotation angle ⁇ of the blade as shown in FIGS. 4 and 5. do.
  • the point at which the rotation angle ⁇ is 0 ° is a downstream side of the wind W blowing from the front
  • the point at which the rotation angle ⁇ is 180 ° is upstream of the wind W blowing from the front. to be.
  • the blade 22 has the maximum pitch angle ⁇ at the point where the rotation angle ⁇ is 180 °, and as shown in FIG. 5, in the motor mode, The blade 22 has the maximum pitch angle ⁇ at the point where the rotation angle ⁇ is 90 °.
  • the pitch angle of the blade 22 so that the thrust T generated in the motor mode coincides with the direction of ⁇ 90 °, that is, only the purely vertical lifting force T is generated in the motor mode. ⁇ ) is adjusted.
  • the combined motor generator 30 is a motor-generator capable of switching between a power generation mode for generating electricity and a motor mode for generating a driving force, and a pair thereof is provided, and a rotation shaft of the cycle turbine 20 is provided. (21) It is connected to both ends, respectively.
  • the combined motor generator 30 receives wind power from the rotating shaft 21 in a power generation mode to perform wind power generation.
  • a rotary driving power is supplied from an external power source such as a battery (not shown) installed on the ground. It is transmitted to the rotating shaft 21.
  • Upper ends of the pair of motor generators 30 are each rotatably coupled to the first coupling parts 14 formed at both ends of the upper frame 12 formed in the 'c' shape, and the pair of motors are combined.
  • the lower end of the generator 30 is rotatably coupled to the second coupling part 15 formed at both ends of the lower frame 13 formed in the 'c' shape.
  • the upper frame 12 and the lower frame 13 may be disposed in a form capable of wrapping the cycle turbine 20 up and down.
  • the buoyancy mechanism 10 is connected to a line connecting portion 16 formed at the upper end of the upper frame 12 by a plurality of lines 11.
  • the mooring line connecting portion 17 is formed at the lower end of the lower frame 13, and the other end of the mooring line 40 having one end fixed to the ground G is connected to the mooring line connecting portion 17.
  • an electric wire (not shown) for transmitting electricity generated by the combined motor generator 30 to the ground, or transmitting electricity for driving the motor from the ground to the combined motor generator 30. Is equipped.
  • One end of the mooring line 40 is fixed to the ground G by being connected to the ground winch 50 fixed to the ground G.
  • the above ground winch 50 is a winch that can wind or unwind the mooring line 40 by rolling, and can firmly fix one end of the mooring line 40 so that the mooring line 40 does not loosen when stopped.
  • the pitch angle adjusting unit (not shown) of the cycle turbine 20 is adjusted to adjust the pitch angle ⁇ of the blade 22 in FIGS. 2 and 3.
  • the blade 22 is moved forward by the wind (W) from the front.
  • the above-described steps may include various sensors (not shown) for measuring the wind speed of the wind (W) blowing from the front or the altitude of the buoyancy mechanism 10, the cycloidal turbine 20, and a motor-generator ( 30 may be automatically performed by a control device (not shown) capable of automatically controlling.
  • the high wind power generation system 100 having the above-described configuration includes a rotation shaft 21 disposed substantially horizontally with the ground surface G, and the rotation shaft with the pitch centerline P in parallel with the centerline C of the rotation shaft.
  • a cycle turbine 20 including a plurality of blades 22 rotating around the center 21, and a motor-generator 30 connected to the rotation shaft 21 of the cycle turbine 20. Therefore, in the power generation mode, the wind power is generated by receiving the rotational force of the rotating shaft 21, and in the motor mode, the driving force of the combined motor 30 of the motor generator 30 is transmitted to the rotating shaft 21 to generate lift or thrust. There is this.
  • the high-wind wind power generation system 100 unlike the conventional horizontal axis system, the cycloidal turbine of the vertical axis method is disposed substantially perpendicular to the wind (W) direction from which the rotary shaft 21 blows forward ( 20), the same power can be made smaller than the conventional radius of the blade 22 on the basis of production, there is an advantage that can reduce the size of the overall system.
  • the high-velocity wind power generation system 100 includes the cycle turbine turbine 20 of the vertical axis type, as shown in FIG. 1, a pair of motor-generators 30 are connected to the rotary shaft 21.
  • a pair of motor-generators 30 are connected to the rotary shaft 21.
  • the high-altitude wind power generation system 100 is easy to mount the cycloidal turbine 20 and the motor-generator 30 to the buoyancy mechanism 10, the ground winch 50 is the mooring line 40 ) When winding or unwinding, there is an advantage of maintaining a stable posture.
  • both ends of the blade 22 are closed by the support hub 23. Therefore, there is an advantage that a safety accident such as hitting the buoyancy mechanism 10 or a person does not occur when the blade 22 is operated.
  • the high-altitude wind power generation system 100 the buoyancy mechanism 10 is normally buoyancy parafoil that can be stored folded on the ground and having an airfoil-shaped cross section when inflated, so that when stored on the ground Since the volume of the buoyancy mechanism 10 is small, it is easy to store, and the cycloidal turbine 20 and the motor-generator 30 are lifted by the aerodynamic lift generated from the airfoil shape of the buoyancy mechanism 10. There is an advantage in that it can secure additional lift.
  • the high-altitude wind power generation system 100 has a smaller volume of buoyancy mechanism in order to exert the same lift force as compared to the case where the buoyancy mechanism 10 is a spherical balloon that cannot generate aerodynamic lift. As can be used (10), there is an advantage that the overall manufacturing cost is reduced.
  • the high wind power generation system 100 includes the mooring line 40 connected to the ground winch 50 fixed to the ground G.
  • the buoyancy mechanism 10 is controlled by adjusting the length of the mooring line 40. It is convenient to raise or lower), and it is easy to fix the buoyancy mechanism 10 to stay at a predetermined altitude and position.
  • the operation method of the above-described high wind power generation system in the buoyancy and lifting force securing step (S20), the additional lift is generated by the cycloidal turbine 20 by operating the motor generator 30 in a motor mode. Therefore, even when the buoyancy and lift by the buoyancy mechanism 10 is insufficient to float the cycloidal turbine 20 and the motor-generator 30, etc., the cycloidal turbine 20 and the motor-generator 30 ) Can be easily injured.
  • the wind power generation step (S40) is performed only when the wind speed of the wind (W) blowing from the front is higher than the predetermined wind speed (V W ), and blows from the front
  • the additional lift force is generated by the cycloidal turbine 30 by using the combined motor generator 30 in a motor mode. Since the altitude maintaining step S50 is provided, even when the wind speed of the wind W blowing from the front is lower than the predetermined wind speed V W or there is no wind W blowing from the front, the buoyancy mechanism ( 10) has the advantage of maintaining a constant altitude.
  • the pitch angle ⁇ may be adjusted so that the vertical lift and the horizontal thrust may occur simultaneously.

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Abstract

본 발명은 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법에 관한 것으로서, 고공 풍력 발전 시스템은, 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템에 있어서, 내부에 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창되는 부력 기구; 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과, 피치 중심선을 중심으로 피치각이 개별적으로 조절되며, 상기 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈; 상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있으며, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 모터 겸용 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 고공 풍력 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법
본 발명은 고공 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 고공 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.
기존의 고공 풍력 발전 시스템에서는, 비행선(aerostat)이나 풍선(balloon)과 같은 부력 기구와, 상기 부력 기구에 매달린 상태로 유체의 유동방향, 즉 전방에서 불어오는 바람 방향에 대하여 실질적으로 나란하게 배치된 수평축과, 일단이 상기 수평축에 결합되어 상기 수평축을 기준으로 바람개비처럼 회전 운동하는 방사형의 블레이드를 구비하는 수평축 방식이 일반적이었다. 예컨대, 한국공개특허공보(공개번호 10-2011-0108485, 공개일자 2011년10월06일)의 도 1에 도시된 풍력발전시스템이 수평축 방식이다.
그러나, 이러한 종래의 수평축 방식은, 요구되는 전력을 생산하기 위해서 반경이 매우 큰 블레이드의 장착이 불가피한데, 이렇게 큰 반경의 블레이드로 인하여 상기 블레이드를 상기 부력 기구에 장착하기 위한 구조가 복잡해지고, 전체적인 시스템의 부피와 중량이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 수평축 방식은, 대부분 블레이드의 끝단이 오픈된 상태에서 고속으로 회전하는 구조인 바, 고공에서 운용시 큰 반경의 블레이드가 상기 부력 기구를 타격하는 등의 안전 사고 위험이 증대되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있도록 구조가 개선된 고공 풍력 발전 시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 고공 풍력 발전 시스템을 운용하는 방법을 제공하기 위함이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고공 풍력 발전 시스템은, 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템에 있어서, 내부에 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창되는 부력 기구; 상기 부력 기구의 하단부에 배치되어 있으며, 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과, 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란하도록 길게 연장된 상태로 상기 회전축의 원주 방향을 따라 복수 개 배치되어 있으며, 상기 피치 중심선이 전방에서 흘러오는 유체의 유동방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된 상태로 상기 회전축과 미리 정한 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 피치 중심선을 중심으로 피치각이 개별적으로 조절되며, 상기 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈; 상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있으며, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 모터 겸용 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 싸이클로이달 터빈은, 서로 이격된 상태로 중심부가 상기 회전축의 양단부에 각각 회전 불가능하게 고정되어 있으며, 상기 회전축의 반경 방향으로 복수 개 연장된 방사형 스포크의 끝단부에는 상기 블레이드의 양단부가 각각 회전 가능하게 지지되어 있는 한 쌍의 지지 허브를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 부력 기구는, 팽창시에 에어포일 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일인 것이 바람직하다.
여기서, 미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록, 일단이 지상에 고정된 계류선의 타단에 연결되어 있는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 계류선은 지상에 고정된 지상 윈치에 의하여 길이가 조절되는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 고공 풍력 발전 시스템을 운용하는 방법으로서, 상기 부력 기구에 부력 발생 가스를 주입하여 팽창시키는 부력 발생 가스 주입 단계; 상기 부력 기구에 의하여 발생되는 부력과 상기 부력 기구로부터 발생되는 공기역학적 양력을 확보하는 부력 및 양력 확보 단계; 상기 부력 기구를 미리 정한 고도와 위치에 배치하는 고공 배치 단계; 상기 모터 겸용 발전기가 발전 모드로 작동하여 전기를 발생시키는 풍력 발전 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 부력 및 양력 확보 단계에서는, 상기 모터 겸용 발전기가 모터 모드로 작동함으로써, 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 풍력 발전 단계는 전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 높은 풍속일 경우에만 수행되고, 전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 낮은 풍속일 경우에는 상기 모터 겸용 발전장치를 모터 모드로 사용함으로써 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 고도 유지 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 복수 개의 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈과, 상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있는 모터 겸용 발전기를 구비함으로써, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 고공 풍력 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 고공 풍력 발전 시스템의 사시도이다.
도 2는 발전 모드에서, 도 1에 도시된 블레이드의 회전각에 따라 피치각이 조절되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 발전 모드에서, 도 2에 도시된 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 나타낸 그래프이다.
도 4는 모터 모드에서, 도 1에 도시된 블레이드의 회전각에 따라 피치각이 조절되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 발전 모드에서, 도 4에 도시된 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 고공 풍력 발전 시스템의 사시도이며, 도 2는 발전 모드에서, 도 1에 도시된 블레이드의 회전각에 따라 피치각이 조절되는 상태를 나타내는 도면이다. 도 3은 발전 모드에서, 도 2에 도시된 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 지면(G)으로부터 고도 300m 내지 500mm 정도의 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템으로서, 부력 기구(10)와, 싸이클로이달 터빈(20)과, 모터 겸용 발전기(30)를 포함하여 구성된다.
상기 부력 기구(10)는, 기밀 가능한 직물이나 합성수지 재질 시트 등으로 제조된 연식(nonrigid) 기구로서, 내부에 공기보다 밀도가 낮은 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창(inflated)되는 부력 기구이다. 본 실시예에서는, 상기 부력 기구(10)로서, 평상시 지상에서는 접어서 보관될 수 있으며, 팽창시에 에어포일(airfoil) 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일(parafoil)이 사용되고 있다. 본 실시예에서는, 상기 부력 발생 가스로서, 헬륨 가스를 사용하고 있다.
상기 싸이클로이달 터빈(cycloidal turbine)(20)은, 전방에서 불어오는 바람(W)으로부터 풍력 발전을 위한 회전력을 얻거나 외부로부터 구동력을 받아서 강제 회전됨으로써 추력이나 양력을 발생시킬 수 있는 장치로서, 상기 부력 기구(10)의 하측에 배치되어 있다. 상기 싸이클로이달 터빈(20)은, 회전축(21)과, 블레이드(22)와, 지지 허브(23)를 구비한다.
상기 회전축(21)은, 지면(G)과 실질적으로 수평한 자세로 전방에서 불어오는 바람(W) 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치되어 있는 축으로서, 회전축 중심선(C)을 기준으로 회전가능하게 마련되어 있다.
상기 지지 허브(23)는, 한 쌍이 마련되는 원판형 부재로서, 서로 이격된 상태로 각각의 중심부가 상기 회전축(21)의 양단부에 회전 불가능하게 고정되어 있다.
상기 지지 허브(23)에는, 상기 회전축(21)의 반경 방향으로 연장되며, 상기 회전축(21)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격되어 배치된 복수 개의 방사형 스포크(24)가 형성되어 있다.
상기 블레이드(22)는, 상기 회전축(21)을 중심으로 회전하는 에어포일 형상의 단면을 가진 날개(blade)로서, 양단에는 1/4 시위 상에 돌출된 블레이드 지지부(25)가 형성되어 있다.
상기 블레이드 지지부(25)는, 상기 방사형 스포크(24)의 끝단부에 각각 회전 가능하게 지지됨으로써, 상기 회전축(21)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격되어 복수 개 배치된다. 따라서, 상기 각 블레이드(22)는, 1/4 시위 상에 형성된 가상의 피치 중심선(P)을 기준으로 개별적으로 피치각(pitch angle)(θ) 조절이 가능한 구조이다. 여기서, 상기 각 블레이드(22)의 피치 중심선(P)과 상기 회전축 중심선(C)과의 거리를 동일하다.
상기 블레이드(22)는, 상기 피치 중심선(P)이 상기 회전축 중심선(C)과 나란하도록 길게 연장된 상태로, 상기 피치 중심선(P)이 유체의 유동방향, 즉 전방에서 불어오는 바람(W) 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된다.
상기 싸이클로이달 터빈(20)에는, 상기 블레이드(22)의 회전각(phase angle)(φ)에 따라 피치각(θ)이 개별적으로 자동 조절될 수 있는 피치각 조절 유니트(미도시)가 장착되어 있으나, 그에 대한 내용은 당업자에게 공지된 기술로서, 한국등록특허공보(발명자: 김승조 외 2인, 등록번호: 10-0558462, 출원일자: 2003년10월09일)의 피치제어부(140)에 대한 기재 등에서 상세히 설명되어 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.
상기 피치각 조절 유니트(미도시)를 조절하게 되면, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(22)가 상기 회전축(21)을 중심으로 회전하는 동안, 주기적으로 각 회전각(φ) 위치에서 미리 정한 피치각(θ)을 가질 수 있게 된다.
상기 싸이클로이달 터빈(20)은, 풍력에 의하여 전기를 발생시키는 발전 모드에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 블레이드(22)의 회전각(φ)에 따른 피치각(θ) 패턴을 가지며, 상기 모터 겸용 발전기(30)가 상기 회전축(21)에 구동력을 발생시키는 모터 모드에서는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 블레이드의 회전각(φ)에 따른 피치각(θ) 패턴을 가지게 된다. 여기서, 상기 회전각(φ)이 0°인 지점이 전방에서 불어오는 바람(W)의 하류 측이며, 상기 회전각(φ)이 180°인 지점이 전방에서 불어오는 바람(W)의 상류 측이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 발전 모드에서는 상기 회전각(φ)이 180°인 지점에서 상기 블레이드(22)가 최대 피치각(θ)을 가지며, 도 5에 도시된 바와 같이, 모터 모드에서는 상기 회전각(φ)이 90°인 지점에서 상기 블레이드(22)가 최대 피치각(θ)을 가지게 된다. 본 실시예에서는, 모터 모드에서 발생되는 추력(T)이 φ= 90°인 방향과 일치하도록, 즉 모터 모드에서 순수하게 수직방향의 양력(T)만 발생하도록 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)이 조절된다.
상기 모터 겸용 발전기(30)는, 전기를 발생시키는 발전 모드와 구동력을 발생시키는 모터 모드의 전환이 가능한 모터 겸용 발전기(motor-generator)로서, 한 쌍이 마련되며, 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 회전축(21) 양단에 각각 연결되어 있다.
상기 모터 겸용 발전기(30)는, 발전 모드에서는 상기 회전축(21)의 회전력을 전달받아 풍력 발전을 수행하며, 모터 모드에서는 지상에 설치된 배터리(미도시) 등의 외부전원으로부터 전기를 공급받아 회전 구동력을 상기 회전축(21)으로 전달한다.
상기 한 쌍의 모터 겸용 발전기(30)의 상단부는, 'ㄷ'자형으로 형성된 상부 프레임(12)의 양단에 형성된 제1 결합부(14)에 회전 불가능하게 각각 결합되며, 상기 한 쌍의 모터 겸용 발전기(30)의 하단부는, 'ㄷ'자형으로 형성된 하부 프레임(13)의 양단에 형성된 제2 결합부(15)에 회전 불가능하게 각각 결합되어 있다.
상기 상부 프레임(12) 및 하부 프레임(13)은, 상기 모터 겸용 발전기(30)와 결합되었을 때, 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 상하로 감쌀 수 있는 형태로 배치된다.
상기 부력 기구(10)는, 복수 개의 산줄(11)에 의하여, 상기 상부 프레임(12)의 상단부에 형성된 산줄 연결부(16)에 연결되어 있다.
상기 하부 프레임(13)의 하단부에는 계류선 연결부(17)가 형성되어 있으며, 상기 계류선 연결부(17)에는 일단부가 지면(G)에 고정된 계류선(40)의 타단부가 연결되어 있다.
상기 계류선(40)에는, 상기 모터 겸용 발전기(30)에 의하여 발전된 전기를 지상으로 송전하거나, 모터 구동을 위한 전기를 지상으로부터 상기 모터 겸용 발전기(30)로 송전하기 위한 용도의 전선(미도시)이 장착되어 있다.
상기 계류선(40)의 일단부는, 지면(G)에 고정된 지상 윈치(50)에 연결됨으로써, 지면(G)에 고정되어 있다.
상기 지상 윈치(50)는, 전동에 의하여 상기 계류선(40)을 감거나 풀 수 있는 권양기로서, 정지시에는 상기 계류선(40)이 풀리지 않도록 상기 계류선(40)의 일단부를 견고히 고정할 수 있다.
이하에서는, 상술한 구성의 고공 풍력 발전 시스템(100)을 운용하는 방법의 일례를 설명하기로 한다.
먼저, 지상에서 상기 부력 기구(10) 내에 헬륨 가스를 주입하게 되면, 상기 부력 기구(10)가 팽창하면서 에어포일(airfoil) 형상의 단면을 가지게 되며, 외부 공기와의 밀도 차에 의한 부력으로 인하여, 상기 부력 기구(10)가 지면(G)에서 부상하게 된다. 이렇게 상기 부력 기구(10)가 지면(G)에서 떠오르게 되면, 상기 산줄(11)은 팽팽한 상태로 되며, 상기 산줄(11)에 의하여 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)가 부력을 받게 된다. (부력 발생 가스 주입 단계, S10)
이때, 전방에서 불어오는 바람(W)이 있는 경우에는, 상기 부력 기구(10)의 에어포일 형상으로부터 발생되는 공기역학적 양력에 의하여, 추가적으로 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등이 상승력을 받아 지면(G)으로부터 떠오르게 된다. 여기서, 상기 부력 기구(10)에 의한 부력 및 양력이 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 부상시키기에 부족한 경우에는, 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 모터 모드에서 구동함으로써, 상기 블레이드(22)에 의하여 발생되는 양력을 추가적으로 이용할 수도 있다. (부력 및 양력 확보 단계, S20)
이어서, 상기 지상 윈치(50)를 가동하여 상기 계류선(40)을 풀어주게 되면, 상기 부력 기구(10)는 계속 상승하게 되고, 상기 부력 기구(10)가 지면(G)으로부터 고도 300m 내지 500mm 정도의 고공에 도달하였을 때, 상기 지상 윈치(50)를 정지시키게 되면, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)의 고공 배치가 완료된다. (고공 배치 단계, S30)
이렇게, 상기 부력 기구(10)가 미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록 고정된 후, 상기 부력 기구(10)의 고도가 유지될 수 있을 정도로 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 미리 정한 풍속(VW)보다 높은 풍속인 것이 확인되면, 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 피치각 조절 유니트(미도시)를 조절하여, 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)을 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 풍력에 의하여 전기를 발생시키는 발전 모드로 조절하고, 아울러 상기 모터 겸용 발전기(30)를 발전 모드로 설정하면, 전방에서 불어오는 바람(W)에 의하여 상기 블레이드(22)가 앞전 쪽의 회전방향(R)으로 회전하게 되고, 상기 지지 허브(23)에 의하여 상기 블레이드(22)와 연결된 상기 회전축(21)도 같은 회전방향(R)으로 회전하게 되며, 상기 회전축(21)에 연결된 모터 겸용 발전기(30)에 의하여 풍력 발전이 이루어진다. (풍력 발전 단계, S40)
한편, 이렇게 풍력 발전이 이루어지다가, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 약해지면 상기 부력 기구(10)의 양력이 감소하게 되며, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 상기 미리 정한 풍속(VW)보다 낮은 풍속일 경우 상기 부력 기구(10)의 부력 및 양력만으로 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등의 고도를 유지하기 힘들어진다. 따라서, 이때에는 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 피치각 조절 유니트(미도시)를 조절하여, 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)을 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 모터 모드로 조절하고, 아울러 상기 모터 겸용 발전기(30)를 모터 모드로 설정한다. 이렇게 하면, 지상에서 공급된 전기에 의하여 상기 모터 겸용 발전기(30)로부터 발생되는 모터 구동력이 상기 회전축(21)에 전달되고, 상기 블레이드(22)의 강제 회전에 의하여 수직방향의 양력(T)이 발생함으로써, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등의 고도 하강이 방지되어 미리 정한 고도가 유지된다.(고도 유지 단계, S50)
상술한 단계들은, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속을 측정하거나 상기 부력 기구(10)의 고도를 측정하는 각종 센서들(미도시)과, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)를 자동제어할 수 있는 제어장치(미도시)에 의하여, 자동으로 수행될 수 있다.
상술한 구성의 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 지면(G)과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축(21)과, 상기 피치 중심선(P)이 상기 회전축의 중심선(C)과 나란한 상태로 상기 회전축(21)을 중심으로 회전하는 복수 개의 블레이드(22)를 포함하는 싸이클로이달 터빈(20)과, 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 회전축(21)과 연결되어 있는 모터 겸용 발전기(30)를 구비하고 있으므로, 발전 모드에서는 상기 회전축(21)의 회전력을 전달받아 풍력 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축(21)으로 상기 모터 겸용 발전기(30)의 모터 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 종래의 수평축 방식과 달리, 상기 회전축(21)이 전방에서 불어오는 바람(W) 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된 수직축 방식의 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 구비하고 있으므로, 동일한 전력을 생산을 기준으로 상기 블레이드(22)의 반경을 종래보다 더 작게 만들 수 있는 바, 전체적인 시스템의 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있다.
그리고, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 수직축 방식의 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 구비하고 있으므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 모터 겸용 발전기(30)를 상기 회전축(21)의 양단에 각각 장착함으로써, 상기 계류선(40)을 중심으로 좌우 대칭적인 형상의 구조를 형성할 수 있는 바, 상기 부력 기구(10)에 장착된 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)의 무게 중심이 상기 계류선(40)과 나란하게 위치할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)를 상기 부력 기구(10)에 장착하기 용이하며, 상기 지상 윈치(50)가 상기 계류선(40)을 감거나 풀어낼 때에, 안정적인 자세를 유지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 블레이드의 끝단이 오픈된 상태에서 고속 회전하는 종래의 수평축 방식과는 달리, 상기 블레이드(22)의 양끝단이 상기 지지 허브(23)에 의하여 폐쇄되어 있으므로, 상기 블레이드(22)가 운용시 상기 부력 기구(10)나 사람을 타격하는 등의 안전 사고가 발생하지 않는 장점이 있다.
한편, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 상기 부력 기구(10)가 평상시 지상에서는 접어서 보관될 수 있으며 팽창시에 에어포일 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일이므로, 지상에서 보관할 때 상기 부력 기구(10)의 부피가 작아서 보관이 용이하며, 상기 부력 기구(10)의 에어포일 형상으로부터 발생되는 공기역학적 양력에 의하여 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 상승시킬 수 있는 추가적인 상승력을 확보할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 상기 부력 기구(10)가 공기역학적 양력을 발생시킬 수 없는 구형 풍선(balloon)인 경우와 비교할 때, 동일한 상승력을 발휘하기 위하여 더 작은 부피의 부력 기구(10)를 사용할 수 있는 바, 전체적인 제조 비용이 감소되는 장점이 있다.
그리고, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 지면(G)에 고정된 지상 윈치(50)에 연결된 계류선(40)을 구비하고 있으므로, 상기 계류선(40)의 길이 조절을 통하여 상기 부력 기구(10)를 상승시키거나 하강시키는 것이 편리하며, 상기 부력 기구(10)를 미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록 고정하는 것이 용이하다는 장점이 있다.
한편, 상술한 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 부력 및 양력 확보 단계(S20)에서, 상기 모터 겸용 발전기(30)가 모터 모드로 작동함으로써 상기 싸이클로이달 터빈(20)에 의하여 추가적인 양력이 발생되므로, 상기 부력 기구(10)에 의한 부력 및 양력이 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 부상시키기에 부족한 경우에도, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 용이하게 부상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 풍력 발전 단계(S40)는 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 미리 정한 풍속(VW)보다 높은 풍속일 경우에만 수행되고, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 상기 미리 정한 풍속(VW)보다 낮은 풍속일 경우에는 상기 모터 겸용 발전장치(30)를 모터 모드로 사용함으로써 상기 싸이클로이달 터빈(30)에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 고도 유지 단계(S50)를 구비하고 있으므로, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 상기 미리 정한 풍속(VW)보다 낮거나 전방에서 불어오는 바람(W)이 없는 경우에도, 상기 부력 기구(10)의 고도를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.
본 실시예에서는, 모터 모드에서 발생되는 추력(T)이 φ= 90°인 방향과 일치하도록, 즉 순수하게 수직방향의 양력(T)만 발생하도록 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)을 조절하고 있으나, 수직방향의 양력과 전후 수평방향의 추력이 동시에 발생할 수 있도록 상기 피치각(θ)을 조절할 수 있음은 물론이다. 상기 싸이클로이달 터빈(20)이 전후 수평방향의 추력을 발생시키게 되면, 상기 부력 기구(10)의 고도 유지뿐만 아니라, 수평 위치 조절도 가능해지는 장점이 있다.
이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

Claims (8)

  1. 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템에 있어서,
    내부에 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창되는 부력 기구;
    상기 부력 기구의 하측에 배치되어 있으며, 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과, 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란하도록 길게 연장된 상태로 상기 회전축의 원주 방향을 따라 복수 개 배치되어 있으며, 상기 피치 중심선이 전방에서 흘러오는 유체의 유동방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된 상태로 상기 회전축과 미리 정한 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 피치 중심선을 중심으로 피치각이 개별적으로 조절되며, 상기 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈;
    상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있으며, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 모터 겸용 발전기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 싸이클로이달 터빈은,
    서로 이격된 상태로 중심부가 상기 회전축의 양단부에 각각 회전 불가능하게 고정되어 있으며, 상기 회전축의 반경 방향으로 복수 개 연장된 방사형 스포크의 끝단부에는 상기 블레이드의 양단부가 각각 회전 가능하게 지지되어 있는 한 쌍의 지지 허브를 포함하는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부력 기구는,
    팽창시에 에어포일 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일인 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록, 일단이 지상에 고정된 계류선의 타단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 계류선은 지상에 고정된 지상 윈치에 의하여 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재되어 있는 고공 풍력 발전 시스템을 운용하는 방법으로서,
    상기 부력 기구에 부력 발생 가스를 주입하여 팽창시키는 부력 발생 가스 주입 단계;
    상기 부력 기구에 의하여 발생되는 부력과 상기 부력 기구로부터 발생되는 공기역학적 양력을 확보하는 부력 및 양력 확보 단계;
    상기 부력 기구를 미리 정한 고도와 위치에 배치하는 고공 배치 단계;
    상기 모터 겸용 발전기가 발전 모드로 작동하여 전기를 발생시키는 풍력 발전 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 부력 및 양력 확보 단계에서는,
    상기 모터 겸용 발전기가 모터 모드로 작동함으로써, 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 것을 특징으로 하는 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 풍력 발전 단계는 전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 높은 풍속일 경우에만 수행되고,
    전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 낮은 풍속일 경우에는 상기 모터 겸용 발전장치를 모터 모드로 사용함으로써 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 고도 유지 단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법.
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