KR101089425B1 - 공중풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공중에서 풍향의 변화에 신속하게 대응함으로써 발전효율을 높일 수 있는 공중풍력 발전장치를 제공함에 있다. 따라서, 본 발명인 공중풍력발전장치는, 대기중에서 부력을 가지는 기체가 주입되는 부양체와, 상기 부양체에 설치되고 임펠러를 포함하는 풍력발전기와, 상기 부양체를 지상의 고정체와 연결하는 지지케이블과, 상기 부양체와 상기 지지케이블을 연결하는 것으로 상기 부양체의 길이방향의 일측이 항상 풍향 측으로 위치하도록 상기 일측 방면으로 치우쳐 설치되는 체결부를 포함하는 공중풍력발전장치에 있어서, 상기 부양체는 전체 형상에 대한 중심축을 가지고, 상기 체결부는 상기 중심축과 수직으로 교차하고 상기 부양체의 회전중심이 되는 체결축을 가지며, 상기 임펠러는 상기 중심축 방향을 향하도록 배치되고, 상기 부양체의 형상은 상기 중심축과 상기 체결축을 모두 포함하는 평면을 기준으로 양측이 대칭이고, 상기 중심축을 포함하고 상기 체결축과는 수직으로 만나는 평면을 기준으로 하여 양측이 대칭인 형상이며, 상기 체결축은 상기 부력과, 상기 체결축을 중심으로 선회하는 모든 구성요소의 전체 중량에 의해서 토크가 발생하지 않는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

풍력, 부양, 부력, 모멘트, 발전, 공중

Description

공중풍력 발전장치{A aerial wind power generating system}

본 발명은 공중풍력 발전장치에 관한 것으로, 구체적으로는 헬륨과 같이 공기보다 비중이 낮은 가스를 이용하여 발전기를 고공에 체류시키면서 풍력으로 전기를 생산하는 발전장치에 관한 것이다.

풍력발전 시스템이란 다양한 형태의 풍차를 이용하여 바람 에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 그 기계적 에너지를 이용하여 발전기에서 전력을 얻어내는 시스템을 말한다.

근래, 세계기후변화협약과 같은 국제 환경의 변화와 유가상승, 국내 사용 에너지의 96%를 수입에 의존하고 있는 현실적인 문제에 대응하기 위하여 풍력발전 시스템에 대한 관심이 높다.

종래의 풍력발전장치는 바람이 많은 지역을 선정하여 지상에 설치하였으나, 보다 품질 좋은 풍력을 활용하기 위하여 기구의 내부에 비중이 낮은 가스를 충진시켜 발전기를 고공에 체류시키면서 풍력에 의한 발전이 이루어지는 방식이 많이 시도되고 있다.

그러한 공중풍력발전장치는 도1과 같이 여러 개의 로프(12)로써 기구(11)의 위치가 고정되거나, 도2와 같이 하나의 로프(22)가 연결되어 고정되는 방식으로 설치되고 있는데 그 경우, 난기류 등 불규칙한 풍향의 변화, 특히 상하로 소정각도가 변하는 풍향(14,24)에 대하여 신속하게 대처할 수 없으므로 임펠러(13,23)가 풍향에 대하여 정확히 마주하도록 방향을 잡기 어려운 문제점이 있었다. 즉, 도1에서는 여러 개의 로프(12)가 기구(11)를 지지하고 있으므로 기구(11)가 상하방향으로 기울어지는 것이 매우 어려운 구조이고, 도2에서는 하나의 로프(22)가 기구(21)를 지지하고 있더라도 기구(21)의 하부에 체결되어 있음에 따라 그 체결점에서 풍력에 의한 회전모멘트(M_F)가 발생되고[풍력으로 인하여 기구가 받는 합력은 F이고 그 합력이 작용하는 위치는 상기 체결점에서 소정거리(a)만큼 이격되어 있어 상기 체결점에서 그것으로 인한 회전모멘트가 발생한다], 이로 인해 도2의 점선과 같은 상태로 기구(21)가 기울어짐에 따라 임펠러(23)는 풍향에 대하여 정확히 마주하지 못하고 소정각도로 기울어진 상태에서 풍력을 받게 된다. 따라서, 상기와 같은 기구(11,21)의 고정구조는 임펠러(13,23)가 정확한 자세를 잡지 못함으로 인해 풍력에 대한 발전효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

또한, 종래의 공중풍력발전장치는 풍력에 대한 효율을 높이기 위하여 큰 용량의 임펠러(13,23)를 설치할 필요가 있으나, 기구(11,21)의 부양력에 한계가 있으므로 임펠러(13,23)의 크기가 제한될 수 밖에 없고, 보다 높은 발전효율을 구현하는데 어려움이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명은 공중에서 풍향의 변화에 신속하게 대응함으로써 발전효율을 높일 수 있는 공중풍력 발전장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 발전기를 통과하는 풍속을 증대시킴으로써 발전효율을 보다 높이는 공중풍력 발전장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 공중풍력발전장치는, 대기중에서 부력을 가지는 기체가 주입되는 부양체와, 상기 부양체에 설치되고 임펠러를 포함하는 풍력발전기와, 상기 부양체를 지상의 고정체와 연결하는 지지케이블과, 상기 부양체와 상기 지지케이블을 연결하는 것으로 상기 부양체의 길이방향의 일측이 항상 풍향 측으로 위치하도록 상기 일측 방면으로 치우쳐 설치되는 체결부를 포함하는 공중풍력발전장치에 있어서, 상기 부양체는 전체 형상에 대한 중심축을 가지고, 상기 체결부는 상기 중심축과 수직으로 교차하고 상기 부양체의 회전중심이 되는 체결축을 가지며, 상기 임펠러는 상기 중심축 방향을 향하도록 배치되고, 상기 부양체의 형상은 상기 중심축과 상기 체결축을 모두 포함하는 평면을 기준으로 양측이 대칭이고, 상기 중심축을 포함하고 상기 체결축과는 수직으로 만나는 평면을 기준으로 하여 양측이 대칭인 형상이며, 상기 체결축은 상기 부력과, 상기 체결축을 중심으로 선회하는 모든 구성요소의 전체 중량에 의해서 토크가 발생하지 않는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 부양체의 형상은 원기둥, 타원기둥, 다각기둥, 원추, 다각추 중 선택된 하나의 형상인 것이 바람직하다.

또다른 관점에서 본 발명인 공중풍력발전장치는, 대기중에서 부력을 가지는 기체가 주입되는 부양체와, 상기 부양체에 설치되고 임펠러를 포함하는 풍력발전기와, 상기 부양체를 지상의 고정체와 연결하는 지지케이블과, 상기 부양체와 상기 지지케이블을 연결하는 것으로 상기 부양체의 길이방향의 일측이 항상 풍향 측으로 위치하도록 상기 일측 방면으로 치우쳐 설치되는 체결부를 포함하는 공중풍력발전장치에 있어서, 상기 부양체는 전체 형상에 대한 중심축을 가지고, 상기 체결부는 상기 중심축과 수직으로 교차하고 상기 부양체의 회전중심이 되는 체결축을 가지며, 상기 임펠러는 상기 중심축 방향을 향하도록 배치되고, 상기 부양체의 형상은 원기둥 또는 원추의 형상이며, 상기 부력의 합력과, 상기 공중풍력발전장치의 구성요소 중 상기 체결축을 중심으로 선회하는 모든 구성요소의 전체 중량의 합력은 각각 상기 중심축 상에 그 작용점이 존재하고, 상기 체결축은 상기 부력의 합력과 상기 전체 중량의 합력에 의한 각 토크가 서로 상쇄되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 부양체에 상기 중심축을 그 중심축으로 하여 바람이 유동할 수 있도록 관통되는 공기유동공이 형성되고, 상기 공기유동공은 상기 일측에서부터 그 단면이 점점 작아지는 테이퍼 형상을 가지며, 상기 공기유동공의 내부에 상기 풍력발전기가 상기 중심축을 중심으로 설치되는 것을 또다른 특징으로 한 다.

상기 공기유동공은 풍력발전기가 설치된 위치까지 점점 작아지는 테이퍼 형상이고, 상기 풍력발전기가 설치된 위치에서 상기 부양체의 타측까지는 확대되는 형상인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 체결부가 상기 부양체가 상기 체결축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 케이블과 결합되고, 상기 체결부에는 상기 체결축을 따라 튜브가 삽입되며, 상기 튜브의 내측에는 상기 풍력발전기의 송전선이 설치되는 것을 또다른 특징으로 한다.

한편, 상기 풍력발전기는 상기 부양체의 외곽면 이상으로 돌출된 부분이 발생되지 않도록 상기 외곽면의 안쪽에 위치하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명에 따른 공중풍력발전장치는 풍향에 대하여 신속하게 대응할 수 있는 구조로 이루어져 불규칙한 풍향 변화에 대하여도 임펠러가 풍향을 정확히 마주하는 자세를 취함으로써 임펠러로 유입되는 바람의 불필요한 마찰을 줄이고, 바람이 진입하는 각도가 가장 최적화될 수 있도록 하여 발전효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

둘째, 본 발명은 풍력발전기의 임펠러가 설치된 터널부의 입구가 테이퍼 형상으로 구성되어 상기 회전날개가 위치하는 부분에서 풍속이 증가하도록 구성함으로써 풍력발전기의 임펠러를 기동시키기 위한 최소한의 풍력을 쉽게 얻을 수 있고, 한정된 용량의 임펠러에 대하여 풍속을 증대시킴으로써 발전효율을 높일 수 있다.

셋째, 본 발명은 풍력발전기가 부양체의 내부에 안정적으로 내입되어 있고 외부에 돌출되지 않으므로 본 발명의 발전장치가 추락하는 경우가 발생하더라도 사고를 유발하지 않고, 상기 풍력발전기도 파손없이 보호될 수 있다.

본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명한다.

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 사시도이고, 도4는 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 중심축(X-X) 방향의 종단면도이며, 도5는 체결축(Y-Y) 방향의 횡단면도이다.

도3 내지 도5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치(100)는 부양체(110), 부양체의 내부에 형성된 공기유동공(120), 공기유동공에 설치되는 풍력발전기(130), 상기 부양체를 지지하는 지지케이블(140), 상기 부양체(110)에 지지케이블(140)을 연결하기 위한 체결부(150)를 포함하여 구성된다.

상기 부양체(110)는 내부에 공기보다 비중이 낮은 가스, 예컨대 헬륨가스가 충진되어 공기 중에서 부력을 가짐으로써 풍력발전기(130)를 지상에서 수백m 까지 상승시키는 수단이다. 상기 부양체(110)의 중심부에는 상기 부양체(110)를 관통하는 터널형상의 공기유동공(120)이 형성되어 상기 부양체(110)를 향하는 바람에 의한 공기의 흐름을 허용한다.

본 실시예에서 상기 부양체(110)의 전체적인 형상은 상기 공기유동공(120)의 중심축(X-X)을 그 중심축으로 하는 원기둥 형상으로서, 그 길이가 특정범위로 한정되는 것은 아니나 단면에 비해 길게 형성되어 풍향에 대하여 길이방향이 수평을 이룰 수 있도록 구성되어 있다. 이는 후술하는 체결부(150)의 체결축(Y-Y)을 중심으로 부양체가 선회할 경우 부양체(110)의 일측인 정면, 즉 상기 공기유동공(120)의 유입구(121)가 위치하는 측이 풍향을 마주할 수 있도록 구성하여, 바람이 불필요한 저항없이 공기유동공(120)으로 진입할 수 있도록 구성하는 것을 의미한다. 상기 부양체(110)의 길이가 너무 짧을 경우, 상기 부양체(100)의 정면에서 바람에 대하여 받는 항력이 상대적으로 커지므로 공기유동공(120)의 유입구(121)가 풍향을 마주하는 자세를 취하기 어렵고 체결축(Y-Y)을 중심으로 회전되어 옆이나 뒷쪽을 향하는 자세로 변경될 것이다.

또한, 본 실시예에서 상기 부양체(110)의 원기둥 형상은 상기 중심축(X-X)이 풍향을 향하여 배치될 때, 상기 중심축을 기준으로 풍력에 대한 항력이 대칭적으로 발생하여 상기 중심축이 풍향에 대하여 기울어지지 않는 형상이다. 그러나, 그러한 형상은 원기둥 형상에 한정되는 것은 아니고, 타원기둥이나, 원추의 형상도 가능하고, 상기와 같은 특성을 가질 수 있는 사각기둥, 사각 추 등 다각기둥과 다각추의 형상 등이 모두 가능할 것이다. 상기와 같은 형상들이 가지는 공통된 특징은 상기 중심축(X-X)과 후술하는 체결축(Y-Y)을 모두 포함하는 평면을 기준으로 양측이 대칭이고, 상기 중심축을 포함하고 후술하는 체결축과는 수직으로 만나는 평면을 기준으로 하여 양측이 대칭인 형상이다. 그러한 형상은 상기 부양체(100)의 정면이 풍향을 마주하는 상태에서 좌우측의 양측이 서로 간에 동일한 항력이 발생되도록 하고, 상하측 양측도 서로 간에 동일한 항력이 발생함으로써 풍향에 대하여 상기 중심축이 기울어짐이 없이 상기 부양체(100)의 정면이 풍향을 정확히 마주할 수 있도록 하는 것이다.

상기 풍력발전기(130)는 공기유동공(120)의 내부에 그 중심축을 중심으로 설치되어 공기유동공(120)을 흐르는 유속에 의해 전기를 생산하는 수단이다. 상기 풍력발전기(130)는 제너레이터를 포함하는 나셀과 풍력에 의해 상기 풍력발전기에 회전운동을 발생시키는 임펠러(132; 회전날개)로 이루어진다. 금속재질의 상기 풍력발전기(130)는 상기 공기유동공(120)의 내부에 설치되어 부양체(110)의 외곽면 이상으로 돌출되지 않도록 구성함으로써 추락시 부양체(110)가 쿠션작용을 하여 사고의 위험이나 풍력발전기(130)의 파손을 방지한다. 바람직하게는 부양체(110)의 일측에 있는 상기 공기유동공(120)의 유입구(121)를 도4와 같이 단면이 점점 작아지는 테이퍼(taper) 형상으로 구성하고 단면이 가장 좁아진 부분 즉, 공기의 유속이 가장 빠른 부분에 상기 풍력발전기(130)가 위치하도록 구성한다. 또한, 상기 풍력발전기(130)에서 부양체(110) 후측까지의 부분 즉, 공기유동공(120)의 유출구(122) 부분은 풍력발전기(130)에 유입되는 공기가 보다 원활히 배출됨으로써 유입되는 공기의 흐름에 저항을 발생시키지 않도록 구멍이 확대되도록 형성하는 것이 바람직하다.

상기 임펠러(132)는 부양체(110)의 중심축 방향을 향하도록 배치되어 상기 중심축이 풍향을 향하는 경우, 상기 임펠러(132)가 풍향 측으로 정확히 방향을 잡을 수 있도록 배치된다.

상기 지지케이블(140)은 부양체(110)를 지상의 고정체와 연결함으로써 소정의 영역에 고정될 수 있도록 하고, 상기 풍력발전기(130)에서 생산된 전기를 지상으로 전송하기 위한 송전선(134)을 안내하게 된다.

상기 체결부(150)는 부양체(110)에 지지케이블(140)을 연결하기 위한 연결수단으로써 본 실시예에서는 부양체(110)의 외측에서 공기유동공(120)이 형성된 내측까지 관통하는 구멍을 형성하고, 튜브를 삽입하여 구성한다. 상기 튜브(152)는 강성을 고려하여 금속재질로 형성하는 것이 바람직하고, 그 외측 단부에 상기 지지케이블(140)이 연결된다.

상기 체결부(150)가 설치되는 구조를 도5에서 도시하고 있다.

도5에서 도시하는 바와 같이 상기 튜브(152)는 공기유동공(120)을 기준으로 양측에 각각의 튜브(152)를 삽입하고, 상기 튜브(152)의 외측 단부에 환형홈(153)을 각각 형성하여 지지케이블(140)이 감겨 안착되도록 연결하며, 지지케이블(140)이 상기 튜브의 단부에 형성된 환형홈(153)에 체결되어 안착될 때에는 윤환유를 게재시킨 슬립링(154)을 먼저 설치한 후에 체결함으로써 튜브와 상기 체결된 지지케이블(140)의 상대적인 회전이 가능하도록 한다. 또한 상기 각각의 지지케이블(140)은 단일의 지지케이블에 모아져 지상의 고정체와 연결된다.

상기 튜브(152)의 내측에는 상기 풍력발전기에서 나온 송전선(134)이 설치되어 안내됨으로써 송전선의 설치 및 고정이 보다 용이하고, 송전선(134)이 공기유동공(120)의 내부에서 부양체(110)의 외표면을 돌아 나오게 되는 구성상의 번잡함을 해소할 수 있다.

한편, 본 실시예의 부양체(110)는 부양체의 원통형상과 공기유동공(150)의 중심축이 일치하는 형상으로써 상기 체결부(150)의 체결축은 부양체(110)의 중심축과 수직으로 교차하도록 결속되어야 한다. 또한, 상기 공기유동공(120)의 중심축에 수직으로 결속되는 체결부(150)가 중심축에서의 설치되는 위치는 전체적인 회전모멘트(토크)를 고려하여 설정되어야 한다. 이는, 풍향이 상하방향으로 경사지게 변화되더라도 정확하게 풍향의 방향으로 자세를 변화시키기 위한 것으로 그러한 작용에 대하여는 도6 및 도7을 참고하여 아래에서 설명한다.

도6은 부양체(110)의 중심부를 관통하는 공기유동공(120)이 형성되고 공기유동공(120)의 중심축상에 체결부(150)의 체결위치(O)와 무게중심(A) 및 부력중심(B)이 위치하는 상태를 도시하고 있다.

상기 체결부(150)의 체결위치(O)는 지지케이블(140)이 부양체(110)와 연결되는 위치로서, 중량(G)과 부력(B)에 의해 토크 즉, 회전모멘트의 합이 0이 되는 위치이다.

상기 무게중심(A)은 상기 체결축(Y-Y)을 중심으로 선회하는 구성요소들의 충 중량의 합력이 작용하는 작용점으로써 지지케이블(140)을 제외하고 체결축을 중심으로 선회하는 부양체(110)와 발전기(130) 및 기타 부속기기의 중량을 고려하여 계산된 전체 중량(G)의 작용점이다.

상기 부력중심(B)는 부양체(100) 내에 주입된 가스 예컨대 헬륨가스가 대기 중에서 가지는 전체 부력(F)의 합력이 작용하는 작용점이다.

상기 체결부(150)의 체결위치(O)는 상기 무게중심(A)과 부력중심(B)에서 각 각 작용하는 전체 중량(G)과 전체 부력(F)에 의한 각각의 회전모멘트가 서로 상쇄되는 위치이다. 따라서, 상기 체결위치(O)에서는 상기 부력 및 중량에 의한 회전모멘트가 작용하지 않고, 상기 체결위치(O)에 지지케이블(140)이 체결되어 있는 경우에 공기부양체(110)는 공중에서 풍향이 변화하는 경우를 제외하면 상기 체결위치(O)를 중심으로 회전하지 않는다.

도6을 참고하여 체결위치(O)에서의 부력과 중량에 의한 회전모멘트를 수식으로 표현하면,

여기에서, 총부력(F)은 총중량(G)보다 크게 설계되어야 전체 발전장치가 공중으로 상승할 수 있다. 이에 따라, 부양체(110)의 중심축이라 할 수 있는 공기유동공(150)의 중심축 상에서 회전모멘트(Mo)가 0이 되는 상기 체결위치(O)가 발생하기 위해서는 무게중심(G)은 체결위치(O)로부터 부력중심(B)보다 더 멀리 떨어져 있어야 한다. 이것을 실현하기 위한 하나의 방법은 예컨데, 타 구성요소들에 비해 비교적 무거운 풍력발전기(130)를 공기유동공(120)의 출구측(122)에 가깝게 설치하는 것이다. 총 부력 및 총 중량은 실측(實測)에 의해 구할 수 있고, 각각의 작용하는 부력중심과 무게중심의 위치는 형상과 중량의 분포를 고려하여 공지의 수학적 방법 으로 구할 수 있다. 또한, 부력중심과 무게중심의 위치가 결정되면 X₁이 결정되므로 상기 체결위치(O)에서의 회전모멘트(Mo)가 0이 되도록 X2를 계산하여 체결위치(O)를 정할 수 있다.

한편, 상기 체결부(150)의 체결위치(O)는 소정의 비율로 축소제작된 모형의 시험을 통하여 정할 수도 있다. 이는 실제 발전장치와 동일한 구조 및 형태의 축소모형을 제작하여 중심축 상의 복수의 지점에서 회전모멘트(Mo)가 발생하는지 여부를 반복하여 시험하고, 회전모멘트(Mo)가 발생하지 않는 상기 체결위치(O)를 찾아내어 축소비율에 따라 실제의 발전장치에 적용할 수 있다. 상기 회전모멘트(Mo)가 0이 되지 않는 지점에 체결위치(O)가 설정되면, 부양체(110)가 공중에서 수평을 유지하지 못하고 부력 또는 중량의 영향으로 상기 체결위치(O)를 중심으로 상측 또는 하측으로 기울어지게 될 것이다. 이러한 설계방법은 설계 시 복잡한 수학적 계산을 피하고 보다 실제적이고 단순하게 체결위치(O)를 정할 수 있는 잇점이 있다.

위와 같이, 상기 체결위치(O)에 지지케이블(140)이 체결되면 체결위치(O)를 중심으로 회전모멘트가 발생하지 않으므로 전방에서 불어오는 바람의 방향에 의해서만 공기유동공(120)의 유입구(121)가 향하는 방향이 결정된다.

도7은 도6의 발전장치에서 부양체의 중심축이 풍향에 의해서 그 방향이 결정되는 것을 예를 들어 설명하기 위한 것으로, 중력의 작용방향과 중심축의 방향이 서로 수직인 경우를 기준으로, 중심축이 각도 θ만큼 기울어지고 풍향과도 일치하지 않는 경우를 도시하고 있다. 상기의 경우 O점에서 작용하는 회전모멘트(Mo)는 아래 수식과 같다.

따라서, 상기 기울어진 각도에서도 O점에서 작용하는 회전모멘트는 부력의 합력(F)과 중량의 합력(G)에 의해 발생하는 회전모멘트에 cosθ를 각각 승산하여 구하는 값이므로, O점에서 작용하는 회전모멘트(Mo)가 영(0)이 되도록 설계된 경우라면, 소정의 각도(θ)로 기울어지더라도 부력 및 중량에 의한 회전모멘트(Mo)는 여전히 발생하지 않는다. 따라서, 풍력에 의해서만 O점에서의 회전모멘트가 영향받게 될 것이고, 도 7과 같이 풍향에 대하여 소정의 각도(θ)로 기울어져 있는 부양체(점선 표시)는 측부에 풍력이 작용하여 중심축이 풍향을 향하는 상태(실선 표시)로 복귀하게 될 것이다.

다음은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 공중풍력발전장치를 설명한다.

도8 내지 도10을 참조하면, 본 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 구성은 전술한 실시예와 부양체의 형상에 있어서 차이가 있다. 본 실시예의 부양체(210)는 원추형상으로 구성된다.

상기 부양체(210)의 중심부에도 상기 부양체(210)를 관통하는 터널형상의 공기유동공(220)이 형성되어 상기 부양체(210)를 향하는 바람에 의한 공기의 흐름을 허용한다.

상기 부양체(210)의 전체적인 형상은 상기 공기유동공(220)의 중심축을 그 중심축으로 하는 원추 형상의 경사면(211)이 상기 부양체(210)의 선단부(212)에서부터 정상(頂上)부(213)까지 형성되어 있다. 상기 경사면(211)은 부양체(210)의 내부에 가스를 주입하게 되면 두툼하게 부풀어 오르게 되므로 그 경사모양에 약간의 오차가 있을 수는 있으나, 그 단면형상이 전체적으로 공기유동공(220)의 중심축을 기준으로 양측이 대칭의 경사를 이루고 있는 형상이다.

상기 공기유동공(220)은 상기 부양체를 원추 형상으로 볼 때, 그 원추형상의 꼭지점에 해당하는 부분과 상기 원추 형상의 밑면의 중심부에 해당하는 부분을 연결하는 방식의 터널로 형성되어 있다.

상기 체결부(250)가 설치되는 위치는 전술한 실시예와 같이 부양체 내부가스의 부력에 의한 회전모멘트와, 체결축(Y-Y)을 중심으로 선회하는 구성요소들의 중량에 의한 회전모멘트가 서로 상쇄되는 위치에 설치되도록 한다. 이 경우 대부분의 중량을 차지하는 발전기(230)가 공기유동공(220)의 후방으로 설치되어 전체 중량의 중심은 공기유동공의 후방에 위치하고 전체적인 부력의 중심은 그보다 전방에 위치하도록 하며, 상기 체결부(250)는 원추형태의 꼭지점에 인접하도록 설치하게 될 것이다.

본 실시예와 같이 부양체(210)의 형상을 원추형으로 구성하는 경우, 부양체(210)의 후측부가 바람에 대한 저항을 많이 받도록 테이퍼 형태로 경사져 있으므로 후측부가 방향타의 역할을 하게 된다. 이는 풍향에 대하여 부양체(210)의 중심축이 일치하지 않을 경우 기둥 형상의 경우보다 상기 경사면(211)에서 더 많은 저항을 받음으로써 신속하게 풍향의 변화에 대응하여 중심축(X-X)을 풍향에 일치시키 는 자세로 변경이 가능하다. 별도의 방향타 역할을 하는 꼬리날개를 부가하는 경우, 부양체(210)가 통상 연질PVC 로 구성되어 있으므로 꼬리날개의 접합이 쉽지 않고, 강한 풍력이 지속적으로 작용하여 항력이 증가되고 접합부위가 쉽게 파손되는 등 내구성의 문제가 있을 수 있으나, 상기와 같은 원추형상으로 구성함으로써 별도의 꼬리날개의 부착이 불필요하여, 주변의 공기흐름에 대하여 항력을 증가시키거나 응력집중이 발생될 수 있는 돌출부위를 형성시킬 필요가 없다.

한편, 상기와 같은 부양체(210)의 형상은 풍향에 대하여 후측부에 지속적인 부하가 작용하게 됨으로써 기둥형상의 부양체(110)에 비하여 후측부의 떨림이나 요동이 저감되므로 부양체를 포함한 본 발전장치의 내구성을 높이는 효과도 있다.

도1는 종래 공중풍력발전장치의 사시도

도2는 종래 또다른 공중풍력발전장치의 설명도

도3은 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 사시도

도4는 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 중심축방향의 단면도

도5는 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 체결축방향의 단면도

도6은 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 체결위치에서 발생하는 회전모멘트 설명도

도7은 본 발명의 일실시예에 따른 공중풍력발전장치의 작용설명도

도8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 사시도

도9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 단면도

도10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 공중풍력발전장치의 체결부의 세부구성도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

100,200 : 공중풍력발전장치 110,210 : 부양체

120,220 : 공기유동공 121 : 유입구

122 : 유출구 130,230 : 풍력발전기

132 : 임펠러(회전날개) 134,234 : 송전선

140,240 : 지지케이블 150,250 : 체결부

152,252 : 튜브 153 : 환형홈

154,254 : 슬립링 211 : 경사면

212 : 선단부 213 : 정상(頂上)부

Claims (7)

1. 대기중에서 부력을 가지는 기체가 주입되는 부양체와,

   상기 부양체에 설치되고 임펠러를 포함하는 풍력발전기와,

   상기 부양체를 지상의 고정체와 연결하는 지지케이블과,

   상기 부양체와 상기 지지케이블을 연결하는 것으로 상기 부양체의 길이방향의 일측이 항상 풍향 측으로 위치하도록 상기 일측 방면으로 치우쳐 설치되는 체결부를 포함하는 공중풍력발전장치에 있어서,

   상기 부양체는 전체 형상에 대한 중심축을 가지고,

   상기 체결부는 상기 중심축과 수직으로 교차하고 상기 부양체의 회전중심이 되는 체결축을 가지며,

   상기 임펠러는 상기 중심축 방향을 향하도록 배치되고,

   상기 부양체의 형상은 상기 중심축과 상기 체결축을 모두 포함하는 평면을 기준으로 양측이 대칭이고, 상기 중심축을 포함하고 상기 체결축과는 수직으로 만나는 평면을 기준으로 하여 양측이 대칭인 형상이며,

   상기 체결축은 상기 부력과, 상기 체결축을 중심으로 선회하는 모든 구성요소의 전체 중량에 의해서 토크가 발생하지 않는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 부양체의 형상은 원기둥, 타원기둥, 다각기둥, 원추, 다각추 중 선택된 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치
3. 대기중에서 부력을 가지는 기체가 주입되는 부양체와,

   상기 부양체에 설치되고 임펠러를 포함하는 풍력발전기와,

   상기 부양체를 지상의 고정체와 연결하는 지지케이블과,

   상기 부양체와 상기 지지케이블을 연결하는 것으로 상기 부양체의 길이방향의 일측이 항상 풍향 측으로 위치하도록 상기 일측 방면으로 치우쳐 설치되는 체결부를 포함하는 공중풍력발전장치에 있어서,

   상기 부양체는 전체 형상에 대한 중심축을 가지고,

   상기 체결부는 상기 중심축과 수직으로 교차하고 상기 부양체의 회전중심이 되는 체결축을 가지며,

   상기 임펠러는 상기 중심축 방향을 향하도록 배치되고,

   상기 부양체의 형상은 원기둥 또는 원추의 형상이며,

   상기 부력의 합력과, 상기 공중풍력발전장치의 구성요소 중 상기 체결축을 중심으로 선회하는 모든 구성요소의 전체 중량의 합력은 각각 상기 중심축 상에 그 작용점이 존재하고,

   상기 체결축은 상기 부력의 합력과 상기 전체 중량의 합력에 의한 각 토크가 서로 상쇄되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 부양체에는 상기 중심축을 그 중심축으로 하여 바람이 유동할 수 있도록 관통되는 공기유동공이 형성되고,

   상기 공기유동공은 상기 일측에서부터 그 단면이 점점 작아지는 테이퍼 형상을 가지며,

   상기 공기유동공의 내부에 상기 풍력발전기가 상기 중심축을 중심으로 설치되는 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 체결부는 상기 부양체가 상기 체결축을 중심으로 회전할 수 있도록 상기 케이블과 결합되고,

   상기 체결부에는 상기 체결축을 따라 튜브가 삽입되며,

   상기 튜브의 내측에는 상기 풍력발전기의 송전선이 설치되는 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치
6. 제4항에 있어서,

   상기 풍력발전기는 상기 부양체의 외곽면 이상으로 돌출된 부분이 발생되지 않도록 상기 외곽면의 안쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치
7. 제4항에 있어서,

   상기 테이퍼 형상은 상기 풍력발전기가 설치된 위치까지 점점 작아지는 형상이고,

   상기 풍력발전기가 설치된 위치에서 상기 부양체의 타측까지는 공기유동공이 확대되는 형상인 것을 특징으로 하는 공중풍력발전장치

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