KR20200106489A - 풍력 발전 스테이션 - Google Patents

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데니스 발렌티노비치 티야글린
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데니스 발렌티노비치 티야글린
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Abstract

이 기술은 풍력산업에 관한 것으로, 바람의 운동 에너지를 블레이드 (blade; blading)의 기계적인 회전 에너지로 바꾼 후, 이를 전력으로 변환시키도록 설계되었다. 풍력 발전 스테이션은 지지프레임과, 지지프레임 상에 고정된 샤프트, 샤프트 상에 고정된 블레이드 시스템을 포함한다. 샤프트는 수직축을 중심으로 회전가능하며 발전기에 기능적으로 연결된다. 지지프레임은 방사상으로 위치된 적어도 세개의 구조물 사이에 고정될 수 있다. 상술한 블레이드 시스템의 블레이드는 20-1000 m2의 표면적을 갖는다. 풍력 발전 스테이션은 샤프트 상에 위치되며 서로 포개어지도록 된 추가적인 블레이드 시스템들을 포함한다. 지지프레임이 방사상으로 위치된 세개의 구조물들 사이에 고정됨으로써, 구조의 견고성과 내구성이 증가된다; 그리하여, 더 큰 표면적을 갖는 블레이드들을 갖는 블레이드 시스템이 사용될 수 있고, 하나의 샤프트 상에 여러 개의 블레이드 시스템들이 설치될 수 있다. 방사상으로 위치된 세개의 구조물들에 의해 형성되는 공기 통로는 바람 방향이 어떻게 되더라도 상관없이 더 강한 바람의 흐름을 만들어 낸다. 청구항에 기재된 기술의 장점은 풍력 발전 스테이션의 효율성 개선이다.

Description

풍력 발전 스테이션
이 기술은 풍력산업에 관한 것으로, 바람의 운동 에너지를 블레이드 (blade; blading)의 기계적인 회전 에너지로 바꾼 후, 이를 전력으로 변환시키도록 설계되었다.
'풍력 발전 스테이션 (Wind Power Station)'은 선행기술로부터 알려져 있는 바와 같이, 하우징을 포함하며, 하우징에 고정되고 수직축 (vertical axis)을 중심으로 자유롭게 회전할 수 있는 작동 샤프트 (working shaft)를 포함하고, 이 샤프트에 고정되는 편평한 원뿔 (flattened cone) 형상으로 형성된 풍력 휠 (wind wheel)을 포함하며, 원뿔 라인들을 따라 블레이드 (blades)들이 고정된다. 하우징은 지지플레이트와 바닥플레이트를 갖고 있다.
러시아 (Russian Federation)에서 2015년 9월 20일자 공개된 실용신안 제 155147호 (IPC F03D 3/06, F03D 11/00)에 의하면, 공지된 해결방법과 청구항에 기재된 해결방법에 있어서의 공통된 특징들은 다음과 같다:
- 프레임;
- 이 프레임에 고정되며 수직축을 중심으로 자유롭게 회전가능한 샤프트로서, 발전기(power generator)에 기능적으로 연결됨;
- 이 샤프트에 고정된 풍력 휠 (wind wheel).
공지된 해결방법과 청구항에 기재된 해결방법의 차별되는 특징은 다음과 같다:
- 프레임이 방사상으로 위치된 세개의 구조물들 사이에 고정될 수 있다.
공지 기술의 약점은 풍력 발전 스테이션의 낮은 용량 (capacity)이다. 즉, 제안되는 하우징의 구조와 샤프트와 풍차 (wind mill)간의 고정 방법에 있어서의 변수 (the variants of fixing)로 인해 구조적 견고성을 보장해주지 못하고, 큰 표면적을 갖는 블레이드들로 이뤄진 블레이딩을 사용하기에 충분한 안정성이 확보되지 않았다.
“시로타 (SIROTA)”의 풍력 발전 타워는 선행기술로서 알려져 있는데, 가장 근접한 선행기술로 선택되었다. 풍력 발전 타워는 여러 개의 수직 타워들에 의해 둘러싸여진 지지프레임, 수직축을 중심으로 회전할 수 있도록 고정된 링형상의 플랫폼 (ring-shaped platform), 이 링형상 플랫폼 상에 고정된 블레이드들을 포함한다. 링형상 플랫폼은 지지프레임의 상부에서 지지프레임 상에 위치된다.
러시아에서 2014년 2월 27일자 공개된 특허 제 2508470 (IPC F03D 3/00, F03D 11/04)에 의하면, 공지된 해결방법과 청구항에 기재된 해결방법에 있어서의 공통된 특징들은 다음과 같다:
- 프레임;
- 수직축을 중심으로 자유롭게 회전가능한 샤프트로서, 발전기에 기능적으로 연결됨;
- 링형상의 플랫폼 상에 고정된 블레이드들.
공지된 해결방법과 청구항에 기재된 해결방법의 차별되는 특징은 다음과 같다:
- 프레임이 방사상으로 위치된 세개의 구조물들 사이에 고정될 수 있다.
이 기술의 불리한 점은 풍력 발전 스테이션 구조의 높은 물자소비 (material consumption)이다. 왜냐하면, 풍력 에너지의 포텐셜이 가장 효율적이면서도 극히 낮은 진동으로 거의 영구적인 작동에 근접할 수 있는 구조물의 높이에 도달하기 위해서는, 그 높이가 거의 200 미터가 되어야 한다는 것이다. 동시에, 링형상 플랫폼의 회전 진동수 (rotation frequency)가 풍력 발전 스테이션의 전체적 구조에 가하는 진동 부하를 배제할 수 있을 정도로 낮춰져야 한다는 점이다.
청구항에 기재된 해결방법의 목적은 공지 기술들의 약점을 극복하고 고효율과 신뢰성을 갖는 풍력 발전 스테이션을 제공하는 것이다.
청구항에 기재된 해결방법의 장점은 풍력 발전 스테이션의 효율개선을 가져오게 된다.
상술한 장점은 다음과 같은 구조의 풍력 발전 스테이션에 의해 달성될 수 있는 바, 풍력 발전 스테이션은 샤프트가 고정된 적어도 하나의 지지프레임을 갖고, 샤프트는 수직축을 중심으로 회전가능하며 파워 발생기와 기능적으로 연결되고, 샤프트에 블레이딩이 고정되며, 지지프레임은 방사상으로 설치된 (is positioned) 적어도 세개의 구조물들 사이에 고정되는 구조이다. 블레이드 시스템의 하나의 블레이드의 표면적은 20-1000 m2의 범위가 될 수 있다. 풍력 발전 스테이션은 샤프트 상에서 포개어지도록 위치된 추가적인 블레이드 시스템들을 가질 수 있다. 블레이드 시스템의 블레이드는, 예컨대, 돛 (sail)의 형상으로 형성될 수 있다.
지지프레임에 회전가능하도록 고정된 풍력 발전 스테이션의 샤프트는 알려진 어떤 방법으로든 발전기와 기능적으로 연결되며, 블레이드 시스템의 블레이드들에 부딛혀서 발생된 회전력을 발전기의 기계적인 회전 에너지로 전달하고, 이어서 전기적인 파워로 변환한다. 발전기는 회전하는 샤프트와 직접 연결될 수도 있고 서로 분리될 수도 있는데, 회전 전달에 있어서의 알려진 어떤 모드라도 이용될 수 있다. 샤프트는 프레임에 알려진 어떤 수단에 의해서도 고정될 수 있는데, 예를 들어, 두 지점: 지지프레임의 상부와 바닥부에 고정될 수 있다.
지지프레임을 지지프레임에 고정된 샤프트를 갖는 방사상으로 설치된 적어도 세개의 구조물들 사이에 설치하는 것은 전체 구조의 안정성과 신뢰성을 보장해준다; 이는 더 큰 파리미터들을 갖는 블레이드 시스템을 가능케 해주는데, 예컨대 한 블레이드가 20-1000 m2의 표면적을 갖도록 함으로써 풍력 발전 스테이션에 작용하는 진동 부하를 저감시킬 수 있고 효율과 용량을 증가시킬 수 있다.
게다가, 방사상으로 설치된 적어도 세개의 구조물들 사이에 지지프레임을 위치시킴으로써 풍력 발전 스테이션의 효율을 증가시킬 수 있는데, 이는 방사상으로 설치된 세개의 구조물들에 의해 형성된 공기 통로가 블레이드 시스템에 부딪히는 바람의 흐름을 그 방향과 상관없이 더 강하게 해주는 결과를 낳게 하기 때문이며, 심지어 바람의 흐름이 아직은 영구적인 작용을 하지 않는 높이에 위치하고 있을 때도 그러하다.
청구항에 기재된 해결방법을 더 잘 이해하기 위해 언급해야 할 사항은, 방사상으로 설치된 구조물들이 샤프트의 회전축에 대해 반경 방향으로 위치한 구조물들이라는 점이며, 모든 구조물들이 회전축으로부터 동일한 거리에 위치하고 있을 때의 위치 조건만으로 한정되는 것은 아니다. 구조물들은 샤프트의 회전축으로부터 서로 다른 거리에 위치할 수도 있다.
계산과 수학적 모델은, 빌딩들의 최적의 높이가 5 내지 800 m이어야 한다는 것을 설명하고 있으며, 이 때 제 1 블레이드 시스템은 5-15 m의 높이에 고정되어야 한다. 블레이드 시스템들은 회전자 (rotor)상에서 포개어지도록 위치될 수 있다. 이렇게 위치시킬 경우 블레이드들의 파라미터들과 개수는 빌딩들의 다양한 높이에 맞도록 개별적으로 계산되어야 한다.
수직축을 갖는 블레이드 시스템의 사용은 풍력 발전 스테이션의 효율과 이의 신뢰성을 증가시킨다. 왜냐하면, 바람의 방향이 바뀌는 경우, 풍력 발전 스테이션의 이와 같은 배열은 바람의 방향이 어떻게 바뀌더라도 바람의 역학적 에너지를 동등하게 잘 받아들일 수 있고, 이 시스템이 고정된 지지프레임 (풍력 발전 스테이션 구조물 전체와 마찬가지)에 바람의 흐름으로 인해 가해지는 상당한 강도의 부하가 경감될 수 있기 때문이다.
풍력 발전 스테이션에는 공기 흐름을 블레이드들로 되돌릴 수 있도록 페어링 (fairing; 정형(整形) 구조)이 장착됨으로써 풍력 발전 스테이션의 효율을 증가시킬 수 있다. 페어링은 지지프레임 상에 고정될 수 있다.
청구항에 기재된 해결방법의 장점은 풍력 발전 스테이션의 효율개선을 가져오게 된다.
도면에 예시된 실시예들을 참고하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 위에서 본 도면이다.
도 2는 옆에서 본 도면이다.
도 1과 도 2에서 사용된 인용부호는 다음과 같다: 1 - 지지프레임, 2 - 샤프트, 3 - 블레이드 시스템, 4 - 페어링
청구항에 기재된 해결방법은 다음과 같이 사용된다.
세개의 구조물들은 알려진 어떠한 방법으로든 세워질 수 있다; 이 세개의 구조물들은 세개의 다층 건물의 형상이 될 수도 있는 바, 이 경우 바람의 흐름이 구조물들 주위를 부드럽게 흘러갈 수 있다. 이 구조물들은 각각으로부터 동일 거리를 두도록 위치할 수도 있으며 구조물들 사이에 풍력 발전 스테이션을 위한 공간이 확보되도록 서로 다른 거리를 두고 위치할 수도 있다. 또한, 지지프레임 (1)이 구조물들의 베이스 프레임에 미리 계산된 높이의 적어도 세 지점에서 견고히 고정되는데, 예를 들어 80층 빌딩인 경우 밑바닥 블레이드 시스템은 8미터의 높이에 고정될 수 있다. 또한, 수직회전축을 갖는 샤프트 (2)가 지지프레임 (1)상에 고정되며 발전기와 기능적으로 연결된다. 샤프트 (2) 상에 블레이드 시스템 (3)이 위치된다. 블레이드의 개수와 특성은 설치될 지역의 바람 특성, 요구 전력, 빌딩들의 높이 등에 의거하여 계산된다. 세개의 구조물들에 의해 형성되는 공기 통로는 임의의 바람 방향에 대해 공기 흐름을 강화시킨다. 유선형 (streamlined) 요소들과 접촉함으로써, 이러한 공기 흐름은 블레이드 시스템 (3)이 위치된 중앙부로 유도되는 바, 바람의 운동 에너지를 흡수하고, 이 운동 에너지로 샤프트 (2)를 회전시키고, 이어서 발전기에 전달함으로써, 회전 에너지는 전기적 에너지로 변환된다. 수학적 계산에 의하면, 이러한 풍력 발전 스테이션은, 7-8개의 블레이드 시스템들이 80층으로 된 빌딩 사이에 있는 지지프레임에 고정된 샤프트 상에 포개어 지도록 위치될 경우, 각 블레이드 시스템마다 적어도 7.5 MW의 전기를 생산하는 세개의 80 층 빌딩들의 전력 에너지에 대한 요구를 커버할 수 있다. 축전기가 발전기에 연결될 수도 있다. 다음, 풍력 발전 스테이션에는 유입되는 공기 흐름을 블레이드로 되돌릴 수 있도록 페어링 (fairing)이 장착될 수 있다.
제시된 도면과 구조에 대한 설명은 변경 가능한 디자인들을 제한하지 않으며, 어떠한 경우에 있어서도 특허청구범위를 제한하지 않는다. 특허청구범위를 벗어나지 않는 다양한 대안 디자인이 가능할 것이다.
1 - 지지프레임
2 - 샤프트
3 - 블레이드 시스템
4 - 페어링

Claims (3)

  1. 적어도 하나의 지지프레임과, 상기 지지프레임 상에 고정되며 수직축을 중심으로 회전가능하고 발전기와 기능적으로 연결된 샤프트와, 상기 샤프트 상에 고정된 블레이드 시스템을 포함하며, 상기 지지프레임은 방사상으로 위치된 적어도 세개의 구조물 사이에 고정될 수 있도록 디자인된 것을 특징으로 하는 풍력 발전 스테이션.
  2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 시스템의 한 블레이드는 20~1000 m2인 풍력 발전 스테이션.
  3. 제1항에 있어서, 상기 샤프트 상에 위치되며, 서로 포개어 지도록 된 추가적인 블레이드 시스템들을 포함하는 풍력 발전 스테이션.
KR1020207014722A 2017-10-24 2018-10-16 풍력 발전 스테이션 KR20200106489A (ko)

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