KR101774217B1

KR101774217B1 - 보조선을 이용한 선상 멀티로터

Info

Publication number: KR101774217B1
Application number: KR1020170000924A
Authority: KR
Inventors: 신용오
Original assignee: 주식회사 웨스텍
Priority date: 2017-01-03
Filing date: 2017-01-03
Publication date: 2017-09-12

Abstract

본 발명은, 다수의 로터(rotor)가 설치된 프레임이 회동 가능하도록 설치하여 바람의 방향에 맞춰 로터의 방향이 조절되게 함으로써 출력을 높일 수 있고, 주선(主船)의 양측에 상하방향 진동을 흡수하면서 주선의 주위를 회전할 수 있는 보조선(補助船)을 설치하여 조류와 파도 영향을 최소화시킬 수 있는, 보조선을 이용한 선상 멀티로터를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 멀티로터는 물 위에 뜬 상태로 설치되는 주선(10)과, 주선(10)의 상면에 설치되는 주지지부(23)와, 주선(10)의 양옆에 각각 설치되는 보조선(15)과, 보조선(15)의 상면에 설치되는 보조지지부(24)와, 주지지부(23)와 보조지지부(24)의 상부에 설치되어 풍력발전에 의해 발전하는 멀티로터(20)를 기본적으로 구비하여 구성된다.

Description

보조선을 이용한 선상 멀티로터{Multi-rotor installed on boat using auxiliary boats}

본 발명은 선상(船上) 멀티로터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 바람의 방향에 맞춰 로터(rotor)의 방향이 조절되고, 상하방향 진동을 흡수해 주고 주선(主船)의 주위를 회전할 수 있는 보조선(補助船)을 주선의 양측에 각각 설치하여 조류와 파도 영향을 거의 받지 않고 발전할 수 있는, 보조선을 이용한 선상 멀티로터에 관한 것이다.

풍력발전은 발전기의 회전축에 터빈을 설치하여, 바람에 의해 터빈이 회전됨에 따라 발생하는 회전력을 이용하여 발전하는 방식이다. 이러한 풍력발전은 비교적 높은 풍속의 바람이 불어야만 터빈이 회전하면서 발전이 이루어지므로 바람이 많이 부는 특정한 지역을 제외하고는 풍력발전장치를 설치하는 것이 부적절한데, 우리나라의 경우에는 바람의 연평균 속도가 3∼4m/sec인 경우가 대부분이어서 바람의 에너지를 전기로 변환하는 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.

한편, 해상이나 폭이 넓은 강은 장애물이 없기 때문에 육상에 비해 바람의 질이 대체로 좋은 편이고, 경제성 확보를 위해서는 대규모 단지 확보가 요망되는 데 육상에는 이러한 단지를 구비하기가 어려워서 연안이나 근해의 해상이 해상 풍력단지로 떠오르고 있다. 풍력발전 설비를 해상에 설치하기 위한 구조는 크게 고정식과 부유식으로 나눌 수 있는데, 고정식 구조는 육상에서와 같이 구조물을 직접 해저에 고정시키는 방식이고, 부유식은 해수면 위에 부유 구조물을 띄우고 그 부유 구조물 위에 발전설비를 설치하는 방식이다.

최근까지 해상 풍력발전설비는 고정식으로 주로 얕은 수심에 설치되었으나, 바람은 육상에서 멀어질수록 강하고 일정해지므로 발전효율을 높일 수 있어서 해안에서 멀리 떨어진 곳이 더 적합한데, 고정식 구조는 구조물이 해저에 고정되어 있어 유리한 조업조건을 제공하지만 수심이 깊어지면 구조물의 규모가 너무 커지고 피로파괴의 위험성을 피하기 어렵고, 설비의 대형화 추세에 따라 구조물의 제작, 설치에 드는 비용이 천문학적으로 증가하게 된다는 문제가 있다.

하지만, 부유식은 부유물의 크기를 한정없이 크게 할 수 없기 때문에 풍력발전설비의 크기에 제한이 있다. 부유식 풍력발전을 예로 들면, 특허등록 제1368082호 "해양 부유 구조물 및 이를 이용한 해양 부유식 풍력발전장치"는 부유체의 하단에 연결한 앵커를 바닥에 고정시킨 구조인데, 부유체의 상단에 하나의 터빈이 설치되어 있어서 발전 용량에 한계가 있을 뿐만 아니라 낮은 풍속에서는 높은 출력을 낼 수 없으며, 부유체가 수직으로 세워지고 그 상단에 터빈이 설치되어 있으며 육지가 아닌 해양에 설치된 설비이기 때문에 고장 수리 및 유지 보수에 많은 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 다수의 로터(rotor)가 설치된 멀티로터를 회동 가능하도록 설치하여 바람의 방향에 맞춰 로터의 방향이 조절되게 함으로써 출력을 높일 수 있고, 주선(主船)의 양측에 상하방향 진동을 흡수해 주면서 주선의 주위를 회전할 수 있는 보조선(補助船)을 설치하여 조류와 파도 영향을 최소화시킬 수 있는, 보조선을 이용한 선상(船上) 멀티로터를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 보조선을 이용한 선상 멀티로터는, 상면이 평평하고 하부에는 평단면이 원형 형상인 보조보드가 돌출되게 형성된 보드(board)가 물 위에 뜬 상태로 설치되어, 상면의 네 모서리 부분에서 앵커에 의해 각각 지지되어 설치된 주선(主船); 파이프 형상으로, 양단(兩端)이 상기 주선의 상면과 파이프 형상의 상단 부분 사이에 고정되어 방사상으로 경사져서 설치된 지지바(bar)에 의해 지지되어 상기 주선의 상면 중앙에 수직방향으로 고정 설치된 주지지부; 상기 주선의 양측에 각각 설치되며, 상면 중앙에 수직방향으로 보조지지부가 설치된 보조선(補助船); 상기 주지지부의 상단에 수직으로 설치되며 주지지부에 대하여 회전 가능하도록 설치된 수직프레임과, 상기 보조지지부의 상단에 수직으로 설치된 수직보조프레임과, 수직프레임의 높이방향에서 등간격으로 수직프레임과 수직보조프레임에 연결되어 고정 설치된 수평프레임과, 각 수평프레임에 등간격으로 로터가 설치된 멀티로터(multi-rotor); 상기 수평프레임과 수직되는 방향으로 수직프레임의 높이방향에 등간격으로 설치된 보조날개;를 포함하여 구성되고, 상기 수직프레임과 보조지지부는 주선과 보조선에 대하여 각각 회전 가능하도록 설치되어, 풍향에 따라 멀티로터가 회전 가능하도록 설치된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 멀티로터의 각 로터는, 중앙에 본체가 위치하고, 본체를 중심으로 방사상으로 등간격으로 배치된 블레이드; 상기 블레이드의 회전에 의해 발전하고, 회전축이 상기 본체와 연결되어 본체의 후방에 배치된 발전기;를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 로터는 확산관의 내부에 배치되며, 확산관은, 일정 폭의 링(ring) 형상으로 구성되어 바람이 유입되는 쪽에 배치된 제1링과, 일정 폭을 갖는 링 형상의 평판부와 평판부의 일측에 직경이 점진적으로 증가하는 확관부가 일체로 구성되어 제1링의 후방에 배치된 제2링으로 구성되며, 상기 블레이드의 선단(先端)이 제1링에 고정 설치되고, 상기 발전기는 제2링의 평판부측 내부 중심부분에 배치되며, 발전기를 제2링의 내부에 고정시키기 위하여 발전기와 제2링의 평판부 사이를 연결하는 로드(rod)가 설치되며, 상기 로드는 발전기를 중심으로 짝수개가 방사상으로 배치된다.

바람직하게는, 보조선의 상면과 보조지지부 사이에는 쇽업쇼바(shock absorber)가 설치되어 보조선의 상하방향의 진동을 흡수해 준다.

본 발명에 따른 보조선을 이용한 선상(船上) 멀티로터는, 바다나 강에서 바지선(barge船)과 같은 선상(船上)에 설치되는데, 수직으로 설치된 수직프레임이 베어링에 의해 회동 가능하도록 설치된 구조이기 때문에 바람의 방향에 맞춰 로터의 방향이 조절되게 함으로써 출력을 최대한으로 높일 수 있고, 주선(主船)의 양측에 각각 설치된 보조선(補助船)에는 쇽업쇼바(shock absorber)를 설치하여 상하방향 진동을 흡수해 주면서 주선 주위를 회전하고 보조선 자체적으로도 회전할 수 있도록 하여 조류와 파도 영향을 최소화시킬 수 있다.

또한, 로터의 구조를, 단면적을 다르게 하여 풍속을 증가시킬 수 있는 확산관(diffuser)의 내부에 블레이드를 설치하여 구성함으로써, 블레이드의 풍속을 증가시켜 블레이드의 회전속도를 빠르게 해주기 때문에 낮은 풍속에서도 블레이드가 회전속도가 가속되면서(확산관이 없이 단순히 블레이드만 장착한 것보다 확산관을 설치함으로써 출력이 4∼5배 증가하게 된다) 풍력발전의 효율을 현저하게 높일 수 있다.

또, 본 발명은 멀티로터(multi rotor)를 사용하기 때문에 각 블레이드 크기를 작게 할 수 있어서 비대칭 진동을 줄일 수 있고, 낮은 풍속에서도 전력회수가 가능하고 싱글로터(single rotor)에 비해 안정된 전력을 얻을 수 있으며, 싱글로터는 고장시 전력회수가 불가능하지만 멀티로터는 로터가 다수개이기 때문에 고장난 로터를 제외한 나머지는 지속적으로 전력 생산이 가능하므로 전력회수율이 높다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티로터가 설치된 상태를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1에서 멀티로터의 1개 로터를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 멀티로터가 바람 등에 의해 회전하는 상태를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 보조선을 이용한 선상 멀티로터의 기술적 특징은, 바람의 방향에 맞춰 로터의 방향이 조절되게 함으로써 출력을 최대화시킬 수 있게 했다는 점과, 주선(主船)의 양측에 설치된 보조선(補助船)이 상하방향 진동을 흡수하면서 주선을 중심으로 회전할 수 있도록 함으로써 조류와 파도의 영향을 최소화시켰다는 점이다.

본 발명의 명칭에서 기재한 '선상(船上)'에서 '선(船)'이란 바다, 운하, 하천 등의 물에 띄워놓고 상면이 넓고 평평하여 구조물을 설치할 수 있는 모든 물체, 예를 들면, 바지선(barge船), 부이(buoy) 등과 같은 물체를 지칭하며, 본 발명의 명세서에서는 '보드(board)'로 명명했다는 점을 미리 밝혀둔다.

본 발명의 멀티로터(multi-rotor)는 물 위에 뜬 상태로 설치되는 주선(10)과, 주선(10)의 상면에 설치되는 주지지부(23)와, 주선(10)의 양옆에 각각 설치되는 보조선(15)과, 보조선(15)의 상면에 설치되는 보조지지부(24)와, 주지지부(23)와 보조지지부(24)의 상부에 설치되어 풍력발전에 의해 발전하는 멀티로터(20)를 기본적으로 구비하여 구성된다.

주선(主船)(10)은 물 위에 뜬 상태로 설치되는데, 상면이 평평하고 일정 두께를 갖는 보드(board)(11)이고, 보드(11)의 하부에는 평단면이 원형 형상인 보조보드(111)가 하향으로 돌출되게 형성되어 물 위에 뜬 상태로 설치되며, 상면의 네 모서리 부분에 앵커고정구(12)를 각각 설치하고 앵커(13)를 연결하여 각각 물속 바닥면에 고정 지지되어 설치된다. 앵커고정구(12)는 보드(11)의 상면에만 설치하지 않고 측면에도 설치했기 때문에 보드(11)가 회전할 때 앵커(13)가 꼬이지 않고 원활하게 회전할 수 있게 된다. 또한, 보조보드(111)의 단면 형상이 원형이기 때문에 조류가 보조보드(111)에 부딪힐 때 저항을 적게 받으므로 조류에 의한 영향을 최소화할 수 있다.

보조선(補助船)(15)은 주선(10)의 양측에 각각 설치되며, 도시하지는 않았지만, 주선(10)의 주위에 대칭되도록 4개 또는 그 이상의 보조선(5)을 설치할 수도 있다. 보조선(15)은 상면 중앙에 수직방향으로 보조지지부(24)가 설치되며, 보조선(15)은 주선(10)의 양측에 대칭적으로 설치되어야 구조물의 균형을 유지해 줄 수 있으므로, 4개 혹은 6개 등과 같이 짝수 개가 설치된다. 보조선(15) 상면과 보조지지부(24) 사이에는 쇽업쇼바(shock absorber)(16)가 설치되어 보조선(15)의 상하방향 진동을 흡수해서 충격을 최소화해 준다. 또한, 보조지지부(24)의 파이프 외주면에는 베어링이 설치되어 보조선(15)에 대하여 회전 가능하도록 설치된다. 이와 같이 주선(10)과 보조선(15)은 각각 회전할 수 있고, 보조선(15)은 상하방향 진동을 흡수해 주기 때문에 파도에 의한 상하좌우 진동에 상호 보완되면서 안정적 구조를 갖게 된다(도 2 참조).

주지지부(23)는 파이프 형상으로, 하단이 주선(10)의 상면에 고정되면서 다수의 지지바(bar)(231)가 고정 지지해서 설치된다. 지지바(231)는 하단이 주선(10)의 상면에 고정되고 상단이 파이프 형상의 상단 부근에 각각 고정되어 방사상으로 경사져서 설치되어 중앙에 위치하게 되는 주지지부(23)가 수직방향으로 고정 설치되도록 해준다(도 1 참조).

수직프레임(21)은 파이프 형상으로, 주선(10)에 고정 설치된 주지지부(23)의 상단에 수직으로 설치되며 베어링에 의해 주지지부(23)에 대하여 회전 가능하도록 설치된다. 또한, 수직보조프레임(211)은 보조지지부(24)의 상단에 수직으로 설치되고, 수평프레임(22)은 수직프레임(21)의 높이방향에서 등간격으로 수직프레임(21)과 수직보조프레임(211)에 연결되어 고정 설치되며, 도 1에 도시된 바와 같이, 구조물을 견고하게 하기 위하여 수평프레임(22)과 수직프레임(21) 및 수직보조프레임(211) 사이에도 다수의 지지프레임을 설치하여 서로 연결해 주는 것이 바람직하다.

보조날개(27)는 수평프레임(21)과 수직되는 방향, 즉 수직프레임(21)의 후방(바람이 불어오는 쪽의 반대편을 의미함)에 고정되어 설치되는데, 보조날개(27)는 1개만 설치할 수도 있으나, 멀티로터(20)의 규모가 큰 경우에는 수직프레임(21)의 높이방향에 등간격으로 다수개를 설치하는 것이 바람직하며, 로터(26)가 수직프레임(31)의 양측에 대칭으로 설치되어 있기 때문에 바람의 방향에 따라 멀티로터(20)의 전체 방향을 바꿔줘서 발전효율을 향상시킬 수 있다.

멀티로터(multi-rotor)(20)는 풍력발전을 위한 다수의 로터(rotor)(26)가 설치된 부분으로, 각 수평프레임(22)에 등간격으로 다수개가 설치된다. 각 로터(26)는 블레이드(261)와 발전기(263)를 기본적으로 구비한다. 블레이드(261)는 중앙에 본체(262)가 위치하고, 본체(262)를 중심으로 블레이드(261)가 방사상으로 등간격으로 배치되며, 발전기(263)는 블레이드(261)의 회전에 의해 발전하고, 발전기(263)의 회전축이 본체(262)와 연결되어 본체(262)의 후방에 설치된다.

도 3은 로터(26)가 블레이드(261)와 발전기(263)가 확산관(264) 내부에 설치된 상태를 상세하게 도시한 것이다. 확산관(diffuser)(264)은 단면적을 다르게 만든 관 형상인데, 유체의 속도가 증가하면 유체 내부의 압력이 낮아지고, 반대로 속도가 감소하면 내부 압력이 높아진다는 베르누이(Bernoulli)의 정리를 적용한 것으로, 확산관을 통해 풍속을 증가시켜 블레이드의 회전속도를 높일 수 있게 된다.

확산관(264)은 제1링(264a)과 제2링(264b)으로 구성된다. 제1링(264a)은 바람이 유입되는 쪽에 배치되는 구성으로, 일정 폭을 갖는 링(ring) 형상만으로 구성할 수도 있지만, 일정 폭을 갖는 링 형상의 평판부와 평판부 전방에 직경이 약간 커지는 확관부를 일체로 형성함으로써 확관부가 평판부 쪽으로 바람을 가이드하면서 평판부에서의 풍속을 가속시켜 주도록 형성할 수도 있다. 제1링(264a)과 제2링(264b)은 위치를 바꿔서 설치하여 제2링(264b) 쪽으로 바람이 유입되게 할 수도 있다.

블레이드(261)의 선단(先端)이 제1링(264a)에 고정되어 설치되어 있어서, 제1링(264a)은 블레이드(261)와 함께 회전하게 된다. 블레이드(261)가 방사상으로 다수개가 설치되므로 블레이드의 무게가 동일하더라도 블레이드가 회전하면서 위치가 변하기 때문에 좌우측의 무게가 동일할 수 없으므로 진동이 발생할 수밖에 없는데, 제1링(264a)이 블레이드(261)와 결합되어 일체로 형성되어 있으면 진동이 발생하더라도 진동을 최소화할 수 있다.

제2링(264b)은 제1링(264a)의 후방에 배치되는 구성인데, 일정 폭을 갖는 링 형상의 평판부와, 평판부의 일측에 직경이 점진적으로 증가하는 확관부가 일체로 구성된다. 물론 제2링(264b)의 평판부의 폭이 제1링(264a)의 평판부의 폭보다 커야 하고, 제2링(264b)의 확관부의 폭이 제1링(264a)의 확관부의 폭보다 커야 한다.

발전기(263)를 제2링(264b)의 내부에 고정시키기 위하여 발전기(263)와 제2링(264b)의 평판부 사이를 로드(265)가 연결하는데, 로드(265)는 발전기(263)를 중심으로 짝수개가 좌우 대칭을 이루며 방사상으로 배치되고, 로드(265) 중에서 수직방향으로 배치되는 상단바와 하단바('상단바'와 '하단바'는 발전기의 상단과 하단에 각각 수직방향으로 위치하는 로드를 말한다)는 제2링(264b)의 평판부 상부와 하부를 각각 관통하도록 설치되어, 바람의 방향에 따라 로터(26)가 회동하도록 구성할 수도 있다. 물론 보조날개(27)가 멀티로터 전체의 방향을 바꿔주기 때문에 각 로터(26)는 확산관(264)끼리를 연결대(26)로 연결하여 회동하지 않게 설치할 수도 있다.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 주선(主船) 11 : 보드(board)
111 : 보조보드 12 : 앵커고정구
13 : 앵커 15 : 보조선(補助船)
16 : 쇽업쇼바(shock absorber)
20 : 멀티로터(multi-rotor) 21 : 수직프레임
211 : 수직보조프레임 22 : 수평프레임
23 : 주지지부 231 : 지지바(bar)
24 : 보조지지부 25 : 연결대
26 : 로터 261 : 블레이드
262 : 본체 263 : 발전기
264 : 확산관 265 : 로드(rod)
27 : 보조날개

Claims

선상(船上)에 설치되어 풍력발전을 위한 다수의 로터(rotor)가 설치된 멀티로터에 있어서,
상면이 평평하고 하부에는 평단면이 원형 형상인 보조보드가 돌출되게 형성된 보드(board)가 물 위에 뜬 상태로 설치되어, 상면의 네 모서리 부분에서 앵커에 의해 각각 지지되어 설치된 주선(主船);
파이프 형상으로, 양단(兩端)이 상기 주선의 상면과 파이프 형상의 상단 부분 사이에 고정되어 방사상으로 경사져서 설치된 지지바(bar)에 의해 지지되어 상기 주선의 상면 중앙에 수직방향으로 고정 설치된 주지지부;
상기 주선의 양측에 각각 설치되며, 상면 중앙에 수직방향으로 보조지지부가 설치된 보조선(補助船);
상기 주지지부의 상단에 수직으로 설치되며 주지지부에 대하여 회전 가능하도록 설치된 수직프레임과, 상기 보조지지부의 상단에 수직으로 설치된 수직보조프레임과, 수직프레임의 높이방향에서 등간격으로 수직프레임과 수직보조프레임에 연결되어 고정 설치된 수평프레임과, 각 수평프레임에 등간격으로 로터(rotor)가 설치된 멀티로터(multi-rotor);
상기 수평프레임과 수직되는 방향으로 수직프레임의 높이방향에 등간격으로 설치된 보조날개;
를 포함하여 구성되고, 상기 수직프레임과 보조지지부는 주선과 보조선에 대하여 각각 회전 가능하도록 설치되어, 풍향에 따라 멀티로터가 회전 가능하도록 설치된 것을 특징으로 하는 보조선을 이용한 선상 멀티로터.
제1항에 있어서, 상기 멀티로터의 각 로터는,
중앙에 본체가 위치하고, 본체를 중심으로 방사상으로 등간격으로 배치된 블레이드;
상기 블레이드의 회전에 의해 발전하고, 회전축이 상기 본체와 연결되어 본체의 후방에 배치된 발전기;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 조류와 파도의 영향을 최소화한 선상 멀티로터.
제2항에 있어서,
상기 로터는 확산관의 내부에 배치되며,
확산관은, 일정 폭의 링(ring) 형상으로 구성되어 바람이 유입되는 쪽에 배치된 제1링과, 일정 폭을 갖는 링 형상의 평판부와 평판부의 일측에 직경이 점진적으로 증가하는 확관부가 일체로 구성되어 제1링의 후방에 배치된 제2링으로 구성되며,
상기 블레이드의 선단(先端)이 제1링에 고정 설치되고, 상기 발전기는 제2링의 평판부측 내부 중심부분에 배치되며, 발전기를 제2링의 내부에 고정시키기 위하여 발전기와 제2링의 평판부 사이를 연결하는 로드(rod)가 설치되며, 상기 로드는 발전기를 중심으로 짝수개가 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 보조선을 이용한 선상 멀티로터.
제1항에 있어서,
상기 보조선의 상면과 보조지지부의 사이에는 쇽업쇼바(shock absorber)가 설치되어 보조선의 상하방향의 진동을 흡수해 줄 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 보조선을 이용한 선상 멀티로터.