WO2010087600A2 - 자연력변환시스템 - Google Patents

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WO2010087600A2
WO2010087600A2 PCT/KR2010/000363 KR2010000363W WO2010087600A2 WO 2010087600 A2 WO2010087600 A2 WO 2010087600A2 KR 2010000363 W KR2010000363 W KR 2010000363W WO 2010087600 A2 WO2010087600 A2 WO 2010087600A2
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Definitions

  • the present invention utilizes natural forces, ie renewable energy such as sunlight, wind, ocean currents and algae, to convert it into power such as electricity or hydraulic or pneumatic.
  • Fossil energy is based on photosynthesis, but it is matured at high temperatures and pressures in the earth's crust over one million to 100 million years, and is converted into physically new material.
  • Textile mills and sawmills before the Industrial Revolution were located in mountain valleys for hydropower.
  • the plant was equipped with boilers and steam engines to have independent energy sources, which started production activities independently of nature, and urbanization proceeded.
  • Fossil fuels react rapidly with the oxidant to produce heat, which is converted into mechanical drive energy through cycles that do not deviate from the second law of thermodynamics to produce work or power.
  • the mechanical energy conversion efficiency is around 20-30%, the rest is a waste of warming the surroundings, and it causes heat island phenomenon in the city.
  • Natural forces have lower energy densities than fossil fuels and lower power densities. Compared to the area of coal mine or oil field, the output of 1,000 ⁇ 10,000W / m 2 is about 10W / m 2 of hydro power, 2W / m 2 of wind power, 20W / m 2 of solar power, 0.45W / of sugarcane ethanol in Brazil.
  • the low power density, such as m 2 requires a large area of land or sea.
  • Natural forces (sunlight, wind, ocean currents, and algae) have low power densities, which results in lower power productivity compared to the cost of an energy harvesting device.
  • Lens firings were carried out in ancient China, and Archimedes repelled the Roman fleet with a well-polished shield.
  • the present invention is to solve the method and apparatus for obtaining power from a remote location by using a natural force, such as erecting a dam without using a natural force, to increase the density of the fluid or to increase the sweep area.
  • a natural force such as erecting a dam without using a natural force
  • Figure 1 shows a prior art floating windmill with three blades.
  • the area A written here is the circle 1 drawn with a dotted line. In other words, the blade is rotated and used area.
  • the area A written per unit time is the area (2) drawn by the comb line in Fig. 3.
  • Figure 4 shows a typical generator with a water turbine.
  • the configuration consists of a sail 3, a mast 4, a water wheel 5, and a generator 6.
  • the aberration 4 and the generator 5 will produce electricity.
  • the aberration generator makes relative motion with the liquid, and from the standpoint of the energy converter, it has the effect of increasing the used area and increasing the density of the fluid.
  • Figure 6 is a prior art consisting of a float (11), aberration (12), generator (13), a floating water flow generator bound to the pile (9) and the rope (10) in the middle of the river flowing in the direction of the arrow (8).
  • the key 14 is added to the control surface.
  • the hull-shaped float changes the fluid force coefficient (lift coefficient, drag coefficient, and moment coefficient) with respect to the river and moves in the vertical direction with respect to the river flow.
  • the pendulum moves in the section (arc) in the range allowed by the float ratio of the float around the circle centered on the pile (9). Therefore, the aberration increases the waste area A in absorbing the flow energy.
  • Figure 7 shows that when a glider-shaped underwater kite (15; paravane) moves on a river or algae indicated by an arrow (8), it pulls the generator carrier (17) through the tow line (16), and the generator carrier is a rail.
  • the wheel 19 rotates and the motor (permanent magnet or electromagnet) of the generator linked to the wheel rotates to generate electricity to the stator (wire coil) of the generator. Electricity can be transferred to the rails via a brush like an electric vehicle.
  • Underwater flight posture operation of the underwater kite is connected to the two or four wire ropes like the acrobatic bands to manipulate the length of the wire ropes, or it sends the wired signal to the electric servo motor as if it sends a wireless control signal to the control plane of the model airplane. Maneuver the control surface of the underwater kite.
  • the kinetic energy of the generator carrier body As the elastic energy of the mechanical or pneumatic spring (20) to return to the kinetic energy of the generator device carrier changed direction.
  • the kinetic energy of the generator carrier is changed to potential energy and then returned to the changed kinetic energy.
  • the example in Figure 7 is based on the premise of building bridges and rails at sea or rivers, but at sea there may be a problem of impeding vessel traffic. If you try to install such a device underwater, it is difficult to transfer the generated electricity to a rail consisting of wires or conductors through a brush.
  • the linear generator Like the linear motor, the linear generator has a stator composed of iron cores wound with wires, and induction electricity is generated when a mover (permanent magnet or electromagnet) moves along the stator. Therefore, the electric transmission through the brush can be omitted.
  • the problem here is that the speed of the algae is not so high, so the speed of the motor carrier of the generator is not high, and thus the power generation efficiency is low (the linear speed of the rotor of a general rotary generator is 40-200 m / s). Therefore, it is necessary to increase the circumferential rotational linear movement speed of the exerciser by increasing the relative speed with the stator through the gearbox interlocked with the wheel or the rotation speed doubling device such as the timing belt and the pulley or by increasing the radius from the rotational center supporting the rotational movement of the athlete.
  • the rail consists of an open circuit. In addition to having to change direction at both ends, there is a problem that only one generator is accommodated.
  • Fig. 8 is an example of a closed loop rail composed of a stator of a linear generator composed of an iron core 21 and an electric wire coil 22, as shown in Fig. 9, showing the starting point of an upstream movement section of a river or seawater.
  • a plurality of carriers 24 of the linear generator apparatus 25 with a vane 23 driven by absorbing the flow force of the seaweed along the rail having a high altitude is driven.
  • vanes or blades only the posture control on one axis is required, so the device is simple.However, in the case of river water or algae, the high velocity near the surface of the water makes the 3-axis posture control and distance control possible.
  • a device like a bundled hydrofoil is good for speeding up and sweeping area.
  • the height of the track not only has the advantage of converting and storing kinetic energy into potential energy, but also the vertical motion along the height of the track is a vertical motion with respect to the flow of the fluid, so that the lift mode can be maintained across the flow of the fluid. It can be used to help increase the area used. Therefore, if the track does not cost a lot of construction cost, it is possible to incline up and down each section (ie, crossing, crossing, crossing) to increase power productivity.
  • the turbine blade absorbs the flow force and performs linear motion, but cannot move indefinitely, so it is constrained by the rotation axis (hub) and turns into a rotation movement about the rotation axis, and the blade absorbs the flow force.
  • the drive speed of the blade near the rotational axis is slowed down, and the speed near the tip blade is increased by being acted on at the same time. Therefore, the length of the blade in order to increase the sweep area is subject to the constraints of sound velocity or cavitation.
  • a mechanism eg, a generator carrier
  • a mechanism eg, a sail
  • a linear movement eg, a mast
  • a linear movement of the mechanism eg, a mast
  • a density e.g., a density. It generates electricity by driving the generator of the generator through mechanisms such as wheels and aberrations while doing relative movement with high water, ground or rigid structures (eg rails).
  • the traction line 10 bears both the flow force experienced by the float 11 and the drag along the rotation to develop the aberration 12.
  • the range in which the aberration 12 can be moved is the arc 26, which is part of the circumference of which the length of the traction line 10 is the radius and the pile 9 is the center of rotation, or the actual effective sweep area is perpendicular to the fluid flow (river).
  • the length of the string 27, which is one component, is multiplied by the diameter of the aberration 12.
  • the effective string 27 of the path where the aberration 12 travels is placed close to the center of rotation 9 of the tow line to increase the effective sweep area within the range of the wire or tow line of a given length.
  • a mechanism capable of receiving aerodynamic forces such as a sail, is installed on the float 11 to generate a force (lift in air force) perpendicular to the string 27, which is an effective movement path of the float and aberration, to the river 8.
  • a force lift in air force
  • the advantage of this method is that the wind and water flows can be converted into a single device.
  • Figure 10-1 the lift applied to float along by the float 11 in the area of the river flow (8) flowing at a rate of V are water movement V float to the right in the Figure relative the relative speed V L is generated and this float and
  • the above figure shows the drag D float and the drag D turbine derived from the rotation of the aberration, balancing the drag L a and the drag D a generated by aerodynamically energized mechanisms such as sails.
  • Figure 10-2 shows a view of the float in the direction of travel, in which the direction of the flow of water (28) is the balance between the forces of the forces of the air force (27) and the forces in the flow of the river. ).
  • the weight of the ballast is used to put the weight center below the buoyancy center to have stability or to cater for the catamaran and the multi copper line to put the buoyancy center on the center of gravity.
  • This method has the advantage of continuing stability even when going or stopping, but there is a problem that the weight of the structure increases and the resistance occupied by the hull is large.
  • Figure 11 is an example of minimizing the rotation moment by constructing a structure that supports the bending moment of the mechanism driven by aerodynamic force such as sail or airfoil and the mechanism driven by water current such as hydrofoil. Since the rotation moment is generated only when traveling by pneumatic or water flow force, it can be generated only when the force to offset it is advanced. When the sail 30 is inclined toward the center of the structure, the moment of action of the lift force applied to the sail passes near the center of mass of the structure, thereby giving a rotation moment generated by reducing the moment arm.
  • Figure 12 shows the rotational moments generated by the wind on the sails and masts (31) by hydrofoils (32) (aka Hapa: HAPAs, which act as independent keels, unlike conventional keels attached to the hull). It is offset by the tensile force through (33).
  • a mechanism 36 for adjusting the angle of attack of the water is used in conjunction with a float 34 or a surface sliding vane 35 capable of detecting the position of the water surface (eg, UP3762353). , WO86 / 05757).
  • Underwater hydrofoils that interlock with devices that can detect the position of the water surface have the advantage of automatically maintaining a constant depth with a simple structure, but are sensitive to intermittent conditions such as waves. If you move on the windy side and move to the windy side, the mechanisms associated with the hydrofoil hapa are inverted, so if you want to use only one, you have to use a very complicated mechanism or two on the left and right.
  • the harmonic resistance of fast-moving objects on the surface of the water is proportional to the weight of the object, so it is important to reduce the weight and to reduce the surface area of the object moving in the water near the water surface.
  • the hydrofoil hap 36 is the main hydrofoil 38 for bearing the tensile force due to the aerodynamic force transmitted to the rope 37, the subsidiary fin 39 for adjusting the depth, and the attitude of the hydrofoil lower wave.
  • the control surface 40 is comprised.
  • a water gauge 41 capable of measuring the depth of water is mounted on the center or the fuselage 42 of the main hydrofoil 38.
  • another depth gauge 43 is mounted on one side (left or right) of the main hydrofoil so as to know the posture of the hydrofoil (either straight or upside down).
  • the depth of the hydrofoil can be known by comparing the depth of the depth gauge 41 and another depth gauge 43. Therefore, the depth of measurement of the depth gauge 41 depends on the desired depth. If not, it is commanded to the control surface 40 to control the posture of the secondary wing 39 to meet him.
  • Wing sails have improved aerodynamic performance but do not bloom, which is accompanied by a complex mechanism. Therefore, they also use rotorors.
  • Rotary wing sails allow windmills, such as vertical windmills or horizontal windmills, to be mounted on the mast and auto-rotate. Instead of gaining power by turning the windmill or gaining the thrust of the screw, the free-wheeling windmill can be fixed with a brake to fold the sails, or the pitch angle of the windmill's wings can be adjusted to provide a finer footprint for the effective sweep area of the rotor blade sail. Adjustment is possible.
  • Conventional sails, wing sails, rotary wing sails are limited in size because they use a mast that bears the bending moment in transmitting wind force or motion accordingly.
  • a mastless sail eg UP4497272
  • a flexible kite or flexible wing is one way.
  • the self-inflating flexible kite (UP2546078) of the Logallo couple showed the possibility of a kite-free kite with a single canopy and bridle line, and a double-layered canopy. It is divided into several cells with a rib shaped rib, and it is inflated by ram air entering through the open hole in the front part. And improved stability.
  • the inflated bladder in front of the Genu Brothers is filled with compressed air by a hand pump or the like, which inflates itself and supports structural forces such as bending moments on the wings, that is, leading edge inflatable kite. (UP4708078), kitesurfing developed while being able to fly again on the water.
  • Wind speed is generally proportional to altitude.
  • the flow force is proportional to the square of the velocity and the flow energy is proportional to the third power of the velocity. Since the bending moment is the distance multiplied by the force, it can be considered that it is approximately proportional to the third power of the speed. Therefore, if the wind is transmitted by the mast, there is no technical benefit of the enlargement. However, if the tensile force is transmitted by the traction line like kites, the cost of the structure is proportional to the square of the speed, but the energy produced is proportional to the third power of the speed.
  • asymmetric airfoils on wing sails requires the addition of complex mechanisms (e.g. UP 711456), but the kite is free to control the distance and posture, so that the aerodynamic performance is optimal even when the wind direction changes due to reversing or turning. You can take a stance to make a difference.
  • complex mechanisms e.g. UP 711456
  • Wings that are inflated by ram air are used for paragliding, and fore-wing blades are used for kite surfing, but there are points to improve each.
  • the ram air wing has good aerodynamic performance because it maintains the wing shape by the pressure of ram air drawn through the open hole in the front part, but the pressure is weak so that it does not endure the bending moment in the span direction and the cord direction. Because of the need to spread the bending moment by attaching the bridle, the drag caused by the bridle will increase, and the bridle may be tangled.
  • the entire wing forms a semi-circular shape because the bending moment in the span direction is distributed by the lift force of the compressed air tube and the wings at both ears. Therefore, the effective wing area is smaller than the actual wing area, and when the tube is enlarged, the diameter of the tube is increased, thereby degrading the aerodynamic performance of the wing. Therefore, it is necessary to combine these advantages.
  • the rigid structure is a stress applied to the cross section of the member in response to the bending moment, and compressive force is applied below and tensile force is applied above.
  • Figure 14-2 illustrates the stress on the bending moment on the air tube beam, which is an inflated structure. Supports the bending moment to the limit of the tensile force that the skin of the upper part of the air tube bears, so long as the compressive force applied to the lower part of the air tube beam does not exceed the internal pressure of the air tube. It is strictly the ultimate tensile strength per unit area multiplied by the actual area and ultimately the ultimate tension per unit thickness multiplied by the actual thickness.
  • the fabric is reinforced with carbon fiber or Dinima fabric that is stronger than the raw material (e.g. Ripstop Nylon) in the longitudinal direction of the beam along the top of the air tube circumference.
  • the reinforcing tape is bonded after processing, or the same material or thick cloth as the raw material is used, or the reinforcing tape of the same material is bonded after processing.
  • the skin of the upper part of the air tube beam which is mainly subjected to the tensile force due to the bending moment, is made of the same material. Reinforce with fabric of different material which is bigger.
  • Moving power generators use a cord reel, but for fast-moving power generators it is necessary to mitigate the overwhelming task.
  • it is necessary to synchronize the speed change of each generator or to make the speed of the generator moving all the time uniform.
  • the timing of the change in the cross section and the cross section of the fluid flow is synchronized between the respective generators so as to perform a flight operation.
  • the spare power can be stored and supplemented in the section where the speed drops, or it can be supplemented by the power support from the generator in the section with the spare power.
  • the pitch of the aberration By controlling the pitch of the aberration, it can act as a propeller, and in the case of a fixed pitch aberration, use a separate propeller. Unlike fossil fuel engines, most generators and pumps act as motors when powered back. By sharing the spare power among the power produced by each power converter, the running speed of each power converter can be kept constant while omitting or reducing the energy storage device.
  • the mechanism driven by the flow force is driven along the flow of the fluid (the drag mode) unless the action is taken otherwise, it must be driven in the direction of the flow across the flow of the fluid (lift mode) and the reciprocating or circular trajectory or Proceed along a pre-made trajectory or means for adjusting the direction of travel of the power converter (e.g. steering) to draw the 8-way trajectory.
  • Figures 16-1 and 16-2 show two sails 46, two or four hydrofoils 47, horizontal axles and rotary generators, with the wind relative to water in the direction of the symbol (45). (48), two rows of wires (49), a power converter consisting of masts, strings and beams that connect them mechanically.
  • the hydrofoil shown in Figure 16-1 is connected to the beam and ball socket structure 50 to have three degrees of freedom.
  • One gimbal instead of a ball socket has one degree of freedom, and two gimbals have two degrees of freedom.
  • the hydrofoil shown in Figure 16-2 has tension and equilibrium in the traction line, leading to a bridle line 51 connected to the traction line, and having five degrees of freedom.
  • the hydrofoil In order for the hydrofoil to act as a hapa to maintain a given degree of freedom and to remain stable to external disturbance, the hydrofoil itself has a static stability or a command to operate the control surface to maintain a stable state by reading state variables from the sensor. From the control unit. Even if there is a control device, it is common to make the hapa have static stability in case of breakage or failure of the control device.
  • the form in which the mechanism driven by the flow force has a static stability to the posture itself is clearly described in Wright Brother's Flying Machine UP821393.
  • Figures 17-1 and 17-2 show that externally disturbing or power-transformers are in equilibrium with a statically stable mechanism driven by a fluid flow force, constrained by a bridle string connected to the tow line, and positive tension on the tow line. If the hydrofoil 47 moves up and down from the check according to the change of state, the surface sliding wing 35 or float tries to stay on the water surface, so there is a change in the angle of attack to offset it in proportion to the up and down movement, thus maintaining a certain depth. do.
  • Fig. 18-1 shows a hydrofoil 47 for controlling posture by manipulating the length of a control surface (not shown) and a leash by a servomotor (not shown) driven by a remote control, a horizontal axle and a rotary generator 48, It is in operation as a power converter unit consisting of one line of wires 49, a kite 53 for posture control by adjusting the length of a bridle line by a servomotor driven by remote control, and a tow line 54 connecting them. to be.
  • Figure 18-2 shows that the kite is waiting on the water with its tow-line wound (not shown).
  • Figure 18-3 shows that the kite is suspended in the air by a lighter device (filled with hydrogen or helium) 55 than the air.
  • Auxiliary stimulants such as the balloon or airship, are helpful when there is no wind or when they are weak, but when the kite rises to a high altitude, devices for adapting the pressure difference are likely to be burdened.
  • Detachable, adjustable-length straps are used to connect the auxiliary buoyant material.
  • Power conversion systems operating at sea or in rivers are preferred to have a frame that is folded and bloomed for maintenance, wind-free or harmless algae, soaked with a flexible material, or floated or hulled with a swollen structure, such as a rubber boat. .
  • Figure 20 shows that the coupling mechanism box 59 attached to the chain for the track of the open circuit consisting of the chain 57 and the sprocket wheel 58 reciprocates by the flow force of the wind 45 by the wing sail 60
  • a generator connected to the sprocket wheel produces electricity in rotational motion.
  • Wing sail (60) has a rotating shaft in the 25% portion of the cord is free yawing 61 around the mast attached to the coupling mechanism (59).
  • the wing sail is fixedly equipped with a jig 62 which provides two stable positions and the rest of the unstable positions, and a boom 63 and a vertical wing connected to a pitchable gimbal (rotating up and down on a horizontal line).
  • the control surface 64 was provided.
  • the boom 63 is located to be deflected to either the left or the right in the rear direction of the wing sail.
  • the boom is located on the right side of the wing sail, whereby the wing sail is yawing forward to the left and the wing sail is driven to the left to move in the direction of the arrow (65).
  • the fixture 66 When the floats and wing sails continue to the left and the boom touches the fixture 66, the boom shifts to the left of the wing sails, yawing to the right and wing sails and carts move to the left. You get When moving to the left and the boom touches the device (67) is again positioned to the right, the wing sails and wagon moves to the right and repeats the reciprocating motion.
  • the detection of the turning point of the reciprocating motion was dependent on the externally mounted devices 66 and 67.
  • the position of the turning point is determined by comparing its position with the stored position coordinates using a satellite navigation receiver such as GPS. It is a control device composed of a servo device that can change the shape of a wing sail or manipulate a control surface.
  • the controller reads the azimuth from the wind, and compares the azimuth from which the vanes rotate about the generator axis from a sensor measuring a rotational angle, such as a potentiometer or encoder, to give the command to manipulate the control plane.
  • Fig. 22 shows a control panel 64 connected to a boom 63, with a skeleton kite 68 supported by levitation by means of the instrument 55 with two bridles 69 on the connector box 59. It is bound.
  • the coupling mechanism box 59 is attached to the chain, and the chain 57 constitutes a closed circuit having a horizontal axis as in the wind 45 direction. Running along a track of a closed loop with a horizontal axis allows continuous traversal of the wind, allowing several to run on a single track.
  • Figure 23 shows that the kitoon and the kite 53 are constrained by the wagon 70 and are driven by the wind 45, and the wagon 70 drives the generator and motor 72 fixed through the tow line 71. do. If the kite 53 omits the cart and tow the tow line 71 directly, the kite is driven along the wind, and as a result, the relative wind speed is less than 1/2 of the wind speed. However, the movement confined by the cart can have a relative wind speed of up to 2-3 times the wind speed. Therefore, the energy productivity is 64 to 216 times higher than when the cart is omitted.
  • Figure 24-1 consists of a wheel 75 with a mast 73 and a wing sail 74 steering, a generator linked to the wheel (not shown in the wagon), an electric wire 76 and rotating on the mast. It is a power inverter unit that adds a wagon to disperse the moment, and Fig. 24-2 shows that several power inverter units constitute a flight formation and are driven by wind (45). However, by maintaining a certain distance between each unit to reduce the work of wire take-up.
  • the reciprocating system is easy to manage, but to increase energy productivity, each power converter shares the power produced, allowing each power converter to draw an eight-way trajectory while maintaining the movement speed.
  • these systems appear to be sinusoidal, as seen in ribbon dance or waves.

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Abstract

바람이나 해조류와 같은 유동력을 경제적으로 활용하기 위하여, 유동력에 의해 구동되는 기구가 유체의 흐름을 가로지르며 휩쓰는 면적을 넓히기 위한 방법과 장치이다. 상기 기구의 유동력에 의한 선형운동을 운동전환기를 거쳐 동력변환기를 구동하거나, 직접 동력변환기에 선형운동을 전달하여 상기 동력변환기가 주변 유체 또는 지면에 대한 상대적 선형운동에 의하여 전기 또는 유공압류를 생산토록 하여 이를 소비장소로 전송한다.

Description

[규칙 제26조에 의한 보정 02.04.2010]　자연력변환시스템
본 발명은 자연력, 즉 햇빛, 바람, 해류 및 조류와 같이 재생가능한 에너지를 활용하여, 전기 또는 수압류, 공압류 같은 동력으로 변환하는 것이다.
화석에너지는 광합성에 근원을 두었지만, 백만년에서 1억년에 걸쳐 지각에서 고온고압으로 숙성되어 물성적으로 새로운 물질로 변환된 것이다. 장점으로는 에너지집적도가 높아 수송이 용이하다는 것이다(볏짚이나 장작=12~15MJ/Kg, 석탄=25~30MJ/Kg, 원유 또는 정제유=42~44MJ/Kg).
산업혁명 이전의 방직공장과 제재소는 수력을 이용하기 위하여 산간 계곡에 위치하였었다. 화석연료와 더불어 공장은 보일러와 증기기관을 갖추어 독자적 에너지원을 갖춤으로써 자연과 무관하게 생산활동을 하기 시작하였고 도시화가 진행되었다. 화석연료는 산화제와 급격히 반응(연소)하여 열을 발생하고, 이는 열역학 제2법칙을 벗어나지 못하는 사이클을 통하여 기계적 구동에너지로 전환되어 일을 하거나 전력을 생산한다. 기계적 에너지 전환 효율은 20-30%정도이고 나머지는 쓸데없이 주변을 데우는 낭비이며, 도시에 열섬현상을 일으키기도 한다.
화석연료는 식물과 동물의 폐기물에서 비롯된 것이기에 황을 포함(석탄은 2%, 석유나 천연가스는 1%정도)하고 있으므로 연소와 더불어 공기를 오염시키며, 지구온난화를 야기한다. 따라서 재생가능한 자연력(햇빛, 풍력, 강물의 흐름, 해류, 조류)를 이용하여야 한다.
자연력은 화석연료에 비하여 에너지밀도가 낮다는 것과 더불어, 파워밀도(단위면적당 생산하는 에너지생산율)가 낮다. 석탄광이나 유전이 차지하는 면적에 대하여 1,000 ~10,000W/m2의 출력을 내는데 비하여 수력발전 10W/m2, 풍력발전 2W/m2, 태양광발전 20W/m2, 브라질의 사탕수수에탄올 0.45W/m2 과 같이 파워밀도가 낮기에 많은 면적의 땅 또는 바다 같은 공간을 필요로 한다.
현재 인류가 쓰는 에너지(2004년에 15TW 사용)의 87%를 화석연료에 의존하고 있으므로, 이를 자연력으로 대체하자면 원격지(사막, 산간협곡, 바다)에서도 자연력을 채집하여 전달하여야 한다.
자연력(햇빛, 바람, 해류, 조류)은 파워밀도가 낮기에, 에너지를 채집하기 위한 장치의 비용에 비하여 파워 생산성이 낮다.
바람은 밀도(1.2041 kg/m3)가 낮고, 해조류는 밀도가 높지만(1,025 kg/m3 ) 속도가 낮다(걸프해류= 2.1m/s, 울돌목 조류=3.6m/s). 이러한 자연력을 활용하기 위하여 햇빛에 렌즈나 거울을 이용하여 집중시키듯이 파워밀도를 높일 필요가 있다. 렌즈를 이용한 발화는 고대중국에서 시행되었었으며, 아르키메데스는 잘 닦인 방패를 이용하여 로마함대를 격퇴하기도 하였다.
수력발전은 댐으로 강물을 가두고, 수위 차가 있는 좁은 수로를 통하여 흐르도록 하여 높은 유동속도를 얻는다. 그러나 댐은 거대한 토목공사와 더불어 생태계 파괴라는 문제가 있다. 유동장의 운동에너지 P는 유체밀도ρ, 유동속도 Ｖ, 쓸은면적(swept area) Ａ에 의하여 P =0.5ηρＶ3Ａ 로 표현된다. η는 발전효율이며 근래의 수평축 풍력터빈은 0.4~0.5로서 베쯔의 이론적 최대치인 0.593의 80%에 달하고 수차의 경우 수위차가 높을 경우 대개 0.9를 넘기에 기술 성숙도는 포화하였다고 보인다. 따라서 유체밀도를 높이든지, 쓸은면적을 높여야 한다.
본 발명은 댐을 세우는 등 자연에 대규모 변형을 하지 않으며 자연력을 이용함에 있어, 유체밀도를 높이거나 쓸은면적을 높이는 효과를 얻어 원격지에서 동력을 얻기 위한 방법과 장치를 해결하고자 한다.
그림 1은 종래기술인, 바다에 계류되어 있는 부유식풍차로서 3개의 블레이드가 있다. 여기에서 쓸은면적 Ａ는 점선으로 그려진 원(1)이다. 즉 블레이드가 회전하면서 쓸은면적이다.
그림 2는 부유식풍차가 계류되지 않고, 블레이드가 회전하면서 t=0 의 위치에서 바람부는 방향에 대하여 수직방향인 t=1 의 위치로 이동한 것을 표현한다. 이 경우에 단위시간당 쓸은면적 Ａ는 그림 3의 빗줄로 그려진 면적(2)이 된다.
그림 4는 통상적인 요트에 수차발전기를 달은 것이다. 구성은 돛(3)과 돛대 (4),수차(5), 발전기(6)로 되어 있다. 이러한 배가 그림 5와 같이 바람의 힘에 의하여 바람방향의 수직으로 t=0의 위치에서 t=1의 위치로 이동하면 돛과 돛대가 쓸은면적(7)에 담겨져 있던 바람의 운동에너지를 흡수하여 수차(4)와 발전기(5)로 전기를 생산하게 된다. 기체의 운동에너지를 사용함에 있어 수차발전기가 액체와 상대운동을 하도록 함으로서, 에너지변환장치의 입장에서 보면 쓸은면적을 넓이면서 유동매체의 밀도를 높이는 효과를 얻었다.
그림 6은 화살표(8) 방향으로 흐르는 강물 한가운데 말뚝(9)과 줄(10)에 구속된 부유식 수류발전기로 플로트(11),수차(12), 발전기(13)로 구성되어 있는 종래기술인데 조종면으로 키(14)를 추가한 것이다. 키를 조작하면 선체모양의 플로트는 강물에 대하여 유체력계수(양력계수, 항력계수, 모멘트계수)가 바뀌어 강물의 흐름에 대하여 수직방향의 운동을 하게 된다. 그러나 줄에 구속되어 있기에 말뚝(9)을 중심으로 하는 원의 둘레 중 플로트가 갖는 양항비가 허락하는 범위의 구간(호)에서 진자운동을 한다. 따라서 수차가 유동에너지를 흡수함에 있어 쓸은 면적 Ａ를 증가시키게 된다. 진자운동의 구간을 키우려면 줄(10)을 길게 한다.
그림 7은 글라이더 형태의 수중연(15;water kite, paravane)이 화살표(8)로 표시된 강물이나 해조류에 대하여 운동을 하면 견인줄(16)을 통하여 발전기 운반체 (17)를 견인하고, 발전기운반체가 레일(18)에 대하여 상대운동을 하므로서 수레바퀴(19)는 회전운동을 하고 수레바퀴에 연동된 발전기의 운동자(영구자석 또는 전자석)가 회전을 함으로서 발전기의 고정자(전선코일)에 전기가 생산된다. 전기는 전동차와 같이 브러시를 통하여 레일로 전달할 수 있다. 수중연의 수중비행자세조작은 곡예연과 같이 2줄 또는 4줄의 굴레줄로 연결하여 굴레줄의 길이를 조작하거나, 모형비행기의 조종면에 대한 무선조종신호를 보내듯 유선신호를 보내어 전기서보모터로 수중연의 조종면을 조작할 수 있다. 레일의 양끝에서 방향전환하는 시간을 단축하기 위하여 발전장치운반체의 운동에너지를 기계적 또는 공기압 스프링(20)의 탄성에너지로 저장하였다가 방향이 바뀐 발전장치운반체의 운동에너지로 돌려주도록 한다. 또는 레일 양끝의 고도를 높게 건설하여 발전장치운반체의 운동에너지를 위치에너지로 바꾸었다가 다시 방향이 바뀐 운동에너지로 돌려주도록 한다.
그림 7의 예는 바다나 강에 다리를 세우고 레일을 깐다는 전제이지만, 바다에서는 선박의 통행을 방해한다는 문제가 있을 수 있다. 이러한 장치를 수중에 설치하려 한다면 발생된 전기를 브러시를 통하여 전선이나 전도체로 구성된 레일로 전송하기 어렵다. 이 경우에는 선형발전기를 쓰도록 한다. 선형발전기는 선형모터와 마찬가지로 전선이 감긴 철심으로 구성된 고정자를 쭉 펼쳐 놓은 상태를 하고 있고, 운동자(영구자석 또는 전자석)가 고정자를 따라 움직이면 유도전기가 발생한다. 따라서 브러시를 통한 전기전달을 생략할 수 있다.
이때의 문제는 해조류의 속도가 그리 높지 않기에 발전장치의 운동자운반체의 속도도 높지않고, 따라서 발전효율도 떨어진다(일반적인 회전식발전기의 회전자의 선형속도는 40~200m/s 임). 따라서 바퀴에 연동한 기어박스 또는 타이밍벨트와 풀리 같은 회전속도 배가장치를 통하거나 운동자의 회전운동을 지지하는 회전중심으로부터 반지름을 키워서 운동자의 원주회전 선형운동속도를 높여 고정자와의 상대속도를 높일 필요가 있다. 그림 7의 예는 레일이 개회로로 구성되어 있는데, 양단에서 방향전환을 하여야 한다는 것과 더불어, 하나의 발전장치 밖에 수용하지 못한다는 문제가 있다. 이를 개선하기 위하여 레일을 폐회로로 구성하도록 한다. 그림 8은 그림 9와 같은 철심(21)과 전선코일(22)로 구성된 선형발전기의 고정자로 구성된 폐회로 레일의 예로서, 강물이나 해조류의 물의 흐름을 거슬러가는 방향(upstream)의 운동구간의 시작점의 고도를 높게 구축한 레일을 따라 해조류의 유동력을 흡수하여 구동되는 베인(23)이 부착된 선형발전장치운동자(25)의 운반체(24) 다수가 주행하는 모습이다. 베인이나 블레이드의 경우 1축에 대한 자세조종만 필요하기에 장치가 간단하다는 장점이 있으나, 강물이나 해조류의 경우 수면근처의 유속이 높기에 3축 자세조종과 거리조종이 가능한 수중연, 또는 줄에 묶인 수중익글라이더 같은 기구가 운동속도를 높이고 쓸은면적을 높이기에 좋다.
궤도의 높낮이는 운동에너지를 위치에너지로 전환하여 비축하였다가 사용한다는 장점뿐 아니라 궤도의 높낮이에 따른 상하운동은 유체의 흐름에 대하여 수직방향의 운동이기에, 유체의 흐름을 가로지르는 양력모드를 지속할 수 있으며 쓸은면적을 넓히는데 도움이 된다. 따라서 건설비가 크게 들지 않는 궤도라면 각각의 구간(즉 가로지르는, 거스르는, 가로지르는, 따르는 구간)에 대하여 경사를 두어 오르락 내리락 하는 것이 동력생산성을 높인다.
풍력발전이나 댐없는 수류발전에서 종래기술과의 차이는 다음과 같다.
풍차나 수차의 경우(종래기술), 유동력을 터빈블레이드가 흡수하여 선형운동을 하지만 무한히 운동할 수 없으므로 회전축(허브)에 구속받아 회전축을 중심으로 하는 회전운동으로 바뀌고, 블레이드는 유동력을 흡수하여 구동되는 동시에 자신의 운동을 전달하는 기구역할을 하게 됨으로써 회전축 근처의 블레이드의 운동속도는 느려지고, 팁블레이드 근처는 속도가 빨라진다. 따라서 쓸은면적을 넓이기 위하여 블레이드의 길이를 키우는데 있어 음속이나 캐비테이션에 의한 제약이 따른다. 수직축터빈(H-로터,보쓰슈나이더추진기)의 경우, 블레이드의 운동을 전달하는 암이 별도로 있어 블레이드가 트위스트되지 않아도 되었으나, 결국 회전운동을 그대로 전달하기에 상기 제약에 대한 개선은 크지 않다.
본 발명에서는 유동력을 흡수하여 선형운동을 하는 기구(예:돛)와 그 기구의 선형운동을 전달하는 기구(예: 돛대)에 의하여 선형운동을 전달받은 기구(예:발전장치운반체)가 밀도가 높은 물이나 지면이나 강성구조물(예:레일)과 상대운동을 하면서 바퀴나 수차와 같은 기구를 통하여 발전장치의 운동자를 구동시키므로 발전을 한다. 유동력을 흡수하여 구동되는 기구와 그 기구의 선형운동을 전달하는 기구로 서로 역할을 분담함으로써 상기 제약으로부터 비교적 자유롭기에 쓸은면적을 쉽게 늘릴 수 있다. 발전장치의 위치를 폭넓게 선택할 수 있고 유동매체의 밀도를 바꾸는 효과를 얻을 수도 있으며 동시에 강물의 돌이나 해조류에서의 통나무, 밧줄조각과 같은 장애물에 의한 피해를 유동력을 흡수하는 기구로만 국한할 수 있다.
그림 6의 경우를 다시 돌아보면, 견인줄(10)이 플로트(11)가 겪는 유동력과 수차(12)가 발전하기 위한 회전에 따른 항력을 모두 감당하고 있다. 따라서 수차(12)가 움직일 수 범위는 견인줄(10)의 길이가 반지름이고 말뚝(9)을 회전중심으로 하는 원주 중의 일부인 호(26)이나 실제 유효한 쓸은면적은, 유체흐름(강물)에 수직한 성분인 현(27)의 길이에 수차(12)의 지름을 곱한 것이다. 주어진 길이의 전선 또는 견인줄의 범위 내에서 유효한 쓸은면적을 키우기 위하여 수차(12)가 이동하는 경로의 유효현(27)을 견인줄의 회전중심(9)에 가까이 두도록 한다. 이를 위하여 플로트(11)에 돛과 같은 공기역학적 힘을 받을 수 있는 기구를 설치하여 플로트 및 수차의 유효 이동경로인 현(27)에 수직인 힘(공기력중 양력)을 발생시켜 강물(8)에 의한 플로트 및 수차에 걸리는 항력을 상쇄하도록 한다. 이러한 방법의 장점은 풍력에너지와 수류에너지를 하나의 장치로 변환할 수 있다.
그림 10-1 은 강물의 흐름(8)이 Vwater의 속도로 흐르는 곳에서 플로트(11)가 그림에서 오른쪽으로 Vfloat로 운동함으로써 상대속도 Vrelative 가 생성되고 이에 따라 플로트에 걸리는 양력 Lfloat과 항력 Dfloat, 그리고 수차가 회전함으로써 파생되는 항력 Dturbine을, 돛과 같이 공기역학적 힘을 받는 기구에 발생하는 양력 La과 항력 Da이 힘의 균형을 맞춘 것을 위에서 본 그림이다. 그림 10-2는 플로트의 진행방향에서 바라본 그림으로서 공기력(27)과 강물의 흐름에서 생기는 힘들의 합력중 강물흐름방향 성분(28)이 힘의 균형을 이루나, 이들에 의하여 파생되는 회전 모멘트(29)가 있음을 보여준다. 이러한 모멘트를 견디기 위하여 요트에서 많이 쓰는 방법으로 추(발라스트)를 달아 부력중심보다 무게중심을 밑으로 놓아 안정성을 갖도록 하거나 쌍동선 및 다동선으로 하여 부력중심을 무게 중심 위에 놓도록 하는 것이다. 이러한 방법은 진행하거나 정지시에도 계속 안정성을 갖는 장점은 있으나 구조물의 중량이 늘어나고 선체가 차지하는 저항이 크다는 문제가 있다.
그림 11은 돛 또는 에어포일과 같이 공기역학적 힘을 받아 구동되는 기구와 수중익같이 수류의 힘을 받아 구동되는 기구들을 휨모멘트를 지탱하는 구조재로 구성하여 회전모멘트를 최소화하기 위한 예들이다. 공기력 또는 수류력에 의해 진행할 때만 회전모멘트가 발생하니 그를 상쇄하기 위한 힘을 진행할 때만 발생시킬 수 있다. 돛(30)을 구조물의 중심쪽으로 기울이면 돛에 걸리는 양력의 작용선이 구조물의 질량중심 가까이 지나기 때문에 모멘트암이 줄어들어 발생하는 회전모멘트가 준다.
구조설계에서 휨모멘트를 견뎌야 하는 구조보다 인장력만으로 지탱할 수 있는 구조가 되면 대부분 중량이 1/5로 줄어든다. 그림 12는 돛과 돛대(31)에 바람에 의하여 발생하게 될 회전모멘트를 수중익(32)[일명 하파:HAPA:통상적인 용골이 선체에 붙어 있는 것과 달리 독립적인 용골의 역할을 하는 수중익]이 줄(33)을 통하여 인장력으로 상쇄하고 있다. 여기에서 수중익이 항상 물속에 있도록 하기 위하여 수표면의 위치를 감지할 수 있는 플로트(34)나 표면활주익(35)에 연동하여 물에 대한 받음각이 조절되는 기구(36)를 쓴다(예; UP3762353, WO86/05757).
플로트나 표면활주익과 같이 수표면의 위치를 감지할 수 있는 장치와 연동하는 수중익 하파는 간단한 구조로 자동으로 일정한 수심을 유지한다는 장점이 있으나, 파도 등 수표면의 불규칙한 상태에 민감하게 연동하는 문제와 바람불어오는 쪽에 있다가 바람이 불어가는 쪽으로 옮기게 되면 수중익 하파와 연동된 기구들이 뒤집어진 상태로 되므로 하나만 쓰려면 아주 복잡한 메카니즘을 사용하거나, 왼쪽과 오른쪽에 두 개를 써야 한다는 문제가 있다. 한편, 수면상을 빠르게 진행하는 물체에 걸리는 조파저항은 물체의 중량에 비례하기에 중량을 줄이는 것과 수표면 근처의 물속을 진행하는 물체의 표면적을 줄이는 것이 중요하다.
수중익을 항상 물에 잠기게 하는 또 다른 방법은 그림 13과 같다. 그림 13에서 수중익 하파(36)는 줄(37)로 전달되는 공기력에 의한 인장력을 감당하기 위한 주수중익(38)과 수심을 조정하기 위한 부수중익(39), 그리고 수중익 하파의 자세를 조정하기 위한 조종면(40) 등으로 구성되어 있다. 수중익의 수심을 알기 위하여 수압을 재어 수심을 알 수 있는 수심계(41)를 주수중익(38)의 중앙 또는 동체(42)에 장착한다. 한편 수중익의 자세(반듯한지, 뒤집어졌는지)를 알기 위하여 주수중익의 한편(왼쪽 또는 오른쪽)에 또 다른 수심계(43)를 장착한다. (그림 13은 주수중익의 중앙과 왼쪽에 설치한 사례임) 수심계(41)와 또 다른 수심계(43)의 수심을 비교하여 수중익의 자세를 알 수 있으므로 수심계(41)의 측정수심이 원하는 수심에 못 미칠 경우 그를 충족시키기 위한 부수중익(39)의 자세를 조종하는 조종면(40)에 대한 명령을 주도록 한다.
바람의 힘을 이용하기 위한 돛에 관한 기술은 수천년 넘게 개량되어 왔으며, 초기에는 동물의 가죽을 사용하다가 직물이 발전하여 무명같은 천연섬유로부터 나일론, 다크론, 아라미드섬유같이 가벼우면서 늘어지지 않는 합성직물을 쓴다. 돛은 말았다 피었다 할 수 있는 장점이 있으나 돛 자체가 공기역학적으로 그다지 좋은 성능(높은 양항비 등)을 내지 못한다. 따라서 항공기에 쓰이는 날개처럼 어느 정도 두께가 있는 날개돛(wingsail 또는 airfoil)을 쓰기도 한다. 날개돛은 항공기 날개처럼 알루미늄 리브와 알루미늄스킨으로 구성된 강성구조로 하거나, 돛대만 강성구조로 하고 그 주위에 유연한 소재로 된 리브와 바튼을 두고 직물로 된 스킨으로 둘러싸는 형태의 유연한(flexible) 구조로 한다. 날개돛은 공력성능이 개선되긴 하나 말았다 피었다 하기에는 복잡한 메카니즘이 수반된다. 따라서 회전날개돛 (rotorsail)을 쓰기도 한다. 회전날개돛은 수직형풍차나 수평축풍차 같은 풍차를 돛대에 달고 자유회전(auto-rotation)하도록 한다. 풍차를 돌려서 발전을 하거나 스크류를 돌리는 추진력을 얻는 것이 아니라 자유회전하는 풍차를 브레이크로 고정시키어 돛을 접는 효과를 얻거나, 풍차 날개의 피치각을 조정하므로서 회전날개 돛의 유효한 쓸은면적에 대한 미세한 조정이 가능하다. 종래의 돛, 날개돛, 회전날개돛은 바람의 힘 또는 그에 따른 운동을 전달함에 있어 휨모멘트를 감당하는 돛대를 쓰고 있기에 대형화하는데 한계가 있다.
그림12의 돛대를 생략하는 방법으로, 돛대 없는 돛(예: UP4497272) 즉, 유연한 연(flexible kite 또는 flexible wing)이 하나의 방편이 된다.
연도 수천 년 전부터 사용되었으며 초기에는 대나무로 된 하나 또는 둘 이상의 뼈대(스파)에 비단 또는 종이를 붙여서 사용하였었다. 1951년 로갈로부부의 스스로 부풀어지는 유연한 연(self-inflating flexible kite, UP2546078)은 한겹의 카누피와 굴레줄(bridle line)만으로 뼈대 없이 형태를 유지하는 연의 가능성을 보여주었으며, 두겹으로 된 카누피를 날개모양의 리브로 칸막이를 하여 여러 개의 셀로 구분하고 앞전부분에 열린 구멍을 통하여 인입하는 램에어로 부풀어지므로서 날개형상을 유지하는 잘베르의 램에어로 부풀어지는 날개(UP3285546)는 뼈대가 전혀 없는 연의 조종성과 안정성을 향상시켰다. 이후 르게누형제의 앞전의 공기튜브(inflated bladder)가 손펌프 등에 의한 압축공기로 충진되어 스스로 부풀어지고 날개에 걸리는 휨모멘트 등의 구조적 힘을 지탱하는 구조, 즉 앞전날개부풀림연 (Leading Edge Inflatable Kite:UP4708078)과 더불어 물 위에 떨어져도 다시 날릴 수 있으면서 카이트서핑이 발전하였다.
바람의 속도는 대체적으로 고도에 비례한다. 유동력은 속도의 제곱에 비례하며, 유동에너지는 속도의 3승에 비례한다. 휨모멘트는 힘 곱하기 거리이므로 대략 속도의 3승에 비례한다고 볼 수 있으므로 돛대에 의하여 풍력을 전달한다면 대형화에 따른 기술적인 이득은 없다. 그러나 연과 같이 견인줄에 의하여 인장력을 전달한다면 구조물의 비용은 속도의 제곱에 비례하나 생산하는 에너지는 속도의 3승에 비례하므로 높은 고도의 바람을 받을 수 있게끔 대형화할수록 경제성이 향상된다.
날개돛에서 비대칭형 에어포일을 쓰고자 하면 복잡한 메카니즘의 추가(예: UP 711456)가 필요하나, 연은 거리와 자세의 조종이 자유로워 후진을 하거나 선회를 하여 바람 방향이 바뀌더라도 최적의 공력성능을 낼 수 있는 자세를 취할 수 있다.
램에어로 부풀어지는 날개는 파라글라이딩에 많이 쓰이고 앞전날개부풀림연은 카이트서핑에 많이 쓰이고 있으나, 대형화하기에는 개선하여야 할 점이 각각 있다. 램에어날개는 앞전부분의 열린 구멍을 통하여 인입하는 램에어의 압력으로 날개 모양을 유지하기에 공기역학적 성능은 좋으나 그 압력은 미약하여 스팬방향과 코드방향의 휨모멘트를 견딜 정도는 아니기에 많은 수의 굴레줄을 달아서 휨모멘트를 분산시켜야 하기에 굴레줄에 의한 항력이 커지고, 굴레줄이 엉키게 될 소지가 많다. 앞전날개부풀림연에서 굴레줄은 스팬 양끝에만 설치하는 대신, 스팬방향의 휨모멘트를 앞전의 스팬방향으로 설치된 압축공기튜브와 양귀에 있는 날개의 양력으로 분산하기에 전체 날개가 반원형을 이루게 된다. 따라서 실제 날개면적에 비하여 유효한 날개면적이 적어지며, 대형화시 튜브의 직경이 커져서 날개의 공기역학적 성능이 저하된다. 따라서 이들의 장점을 결합하여 쓸 필요가 있다.
램에어날개에 강성골조를 결합 또는 행글라이더에서 많이 쓰이는 방식으로 한겹의 카누피 날개에 스팬방향과 코드방향의 휨모멘트를 감당하는 강성골조를 삽입한 복합형연은 앞서의 문제들이 대부분 해결된다. 그러나 강성골조로 대형화할 때에는 비운행시 관리 및 운송에 수반되는 문제가 있다. 2단 또는 3단의 접는 우산에 쓰는 방식으로 골조를 접을 수 있도록 하거나, 중량도 가볍게 하고 접고 피고를 자동화 또는 기계화하기 쉽도록 부풀어지는 구조를 이용하도록 한다.
그림 14-1은 강성구조물(캔티레버빔)이 휨모멘트에 대응하여 부재의 단면에 걸리는 응력으로서 아래에는 압축력, 위에는 인장력이 작용한다. 그림 14-2는 부풀어지는 구조인 에어튜브빔에 걸리는 휨모멘트에 대한 응력을 설명하고 있다. 에어튜브빔의 아래부분에 걸리는 압축력이 에어튜브의 내부압력을 초과하지 않는 범위 내에서 에어튜브 윗부분의 스킨이 감당하는 인장력의 한계치까지 휨모멘트를 지탱한다. 엄밀하게 실제면적 곱하기 단위면적당 궁극적인장력(ultimate tensile strength)이고 결국 실제두께 곱하기 단위두께당 궁극적인장력이다. 따라서 에어튜브의 직경을 키우지 않으며 휨모멘트강도를 높이기 위하여, 에어 튜브 원둘레 상단을 따라서 빔의 길이방향으로 원소재(예;립스톱나일론)보다 강도가 큰 카본파이버 또는 디니마 소재직물로 보강한 천 또는 가공후 보강테이프를 접착하거나, 원소재와 같은 소재이나 두꺼운 천을 쓰거나 가공후 같은 재질의 보강테이프를 접착하도록 한다. 그림 15의 확대한 원에 있는 보강재(44)로 에어튜브빔의 휨모멘트강도를 높이기 위하여 휨모멘트에 의한 인장력이 주로 걸리는 에어튜브빔 상부의 스킨을 같은 소재로서 스킨의 두께를 증가시키거나 인장강도가 더 큰 다른 재질의 직물로 보강한다.
전기가 실용화된 이후 동력전달에 있어 전선을 통한 전력전송이 보편화되었으나, 자연력을 이용한 발전의 경우에는 공급시기와 수요시기 불일치대책으로서 대용량 전력저장 수단(예:바테리)이 아직 경제적이지 못하여, 플라이휠, 압축공기 또는 양수댐에 펌프하여 올린 물로 에너지를 저장할 경우에는 직접적인 전력생산보다 공압펌프 또는 수압펌프 같은 로타리펌프, 축류펌프를 작동하여 가압된 유체를 내압 호스를 통하여 전송하여 저장하였다가 필요시 전력을 생산하는 것이 바람직할 수 있다.
전선을 통한 전력전송은 3상교류 또는 단상교류로 전송하는 것이 보편적이나, 전력선망이 구축되지 아니한 원격지에서는 단상교류 또는 직류를 두선 또는 단선(single wire)에 의한 전송 또는 무전선(wireless) 전력전송이 바람직할 수 있다. 무전선 전력전송은 마이크로웨이브 빔을 쏘고 이를 렉테나( rectenna: rec tifying an tenna )로 직류전력을 수신한다. 단선전력전송은 단상교류 또는 직류전력을 한 극은 하나의 도체로 된 전선으로 송전하고 나머지 한 극은 땅이나 바닷물에 접지를 하는 것이다(예: UP0593138). 발전장치가 고정된 위치에 있다면 통상적인 전선주를 세우고 전선을 전선주 위에 절연체를 통하여 매달리도록 한다. 이동하는 발전장치에서는 전선감개(cord reel)를 쓰지만 빠른 속도로 움직이는 발전장치의 경우 전선감개에 걸리는 업무가 과하여 이를 경감시킬 필요가 있다. 발전장치간의 거리를 일정하게 유지하려면 각각의 발전장치들의 속도변화를 동조시키거나, 전주기적으로 움직이는 발전장치의 속도를 균일하게 하도록 한다. 속도변화를 동조시키기 위하여는 유체의 흐름에 거스르는 구간 및 가로지르는 구간에서의 변환하는 타이밍을 각각의 발전장치간에 동기화하도록 하여 편대운행을 하도록 한다. 전주기적으로 발전장치의 주행속도를 일정하게 하기 위하여는 여유동력을 비축하였다가 속도가 떨어지는 구간에서 보충하거나, 여유동력이 있는 구간에 있는 발전장치로부터 동력을 지원받아 보충할 수 있다. 수차의 피치를 조종하면 프로펠러의 역할을 할 수 있으며 고정식 피치인 수차의 경우 별도의 프로펠러를 쓰도록 한다. 화석연료기관과 달리 대부분의 발전기나 펌프들은 역으로 동력을 공급하면 모터 역할을 한다. 각각의 동력변환장치가 생산한 동력 중 여유동력을 서로 간에 공유하므로서 에너지 비축장치를 생략하거나 규모를 축소하면서, 각각의 동력변환장치의 주행속력을 일정하게 유지할 수 있다.
도 1 - 도 6: 쓸은면적의 증가에 대한 개념설명
도 7 - 도 9: 궤도에 대한 설명
도 10, 도 11: 힘의 균형과 회전모멘트에 대한 설명
도 12 : 하파에 대한 종래기술
도 13 : 새로운 개념의 하파
도 14 : 에어튜브 빔의 휨모멘트에 대한 응력 설명
도 15 : 새로운 개념의 유연한 연
도 16 - 도 23 : 새로운 개념의 자연력 변환 장치 사례
도 24 : 새로운 개념의 자연력 변환 시스템 운용사례
유속이 낮거나 유체밀도가 낮다는 문제를 안고 있는 바람 또는 강물, 해조류와 같은 자연력을 기계적 구동에너지 또는 전기로 변환하는 데 있어 경제성을 높이기 위하여, 유동력에 의하여 구동되는 기구(돛, 연, 수중연 등)의 선형운동을 줄이나 푸쉬로드,레버, 마스트 같은 기계적 링크로 전달하여 고정되어 있는 동력변환장치의 회전부를 구동하거나, 동력변환기에 선형운동을 전달하여 동력변환기가 주변의 유체 또는 강성구조물이나 지면에 대하여 상대적 운동을 함에 따라 동력변환기에 부착된 운동전환기구의 회전운동을 유발하여 동력변환기를 구동한다. 동력변환장치의 선형운동을 무한히 지속할 수 없기에 왕복운동을 하게 하거나 폐회로 원형 무한궤적 또는 8자 궤적을 그리도록 한다. 유동력에 의하여 구동되는 기구는 달리 조치를 하지 않으면 유체의 흐름을 따라(항력모드) 구동되므로, 경제성을 높이기 위하여 유체의 흐름을 가로지르는 방향으로(양력모드) 구동되도록 하고 또 왕복 또는 원형궤적 또는 8자 궤적을 그릴 수 있도록 동력변환기의 진행방향을 조정하는 수단(예:조향장치) 또는 미리 만들어진 궤도를 따라 진행하도록 한다.
강물은 물론이고, 해조류 및 바람도 수평방향의 흐름이 주도적이다.궤도의 축이 수평이라면 폐회로를 따라 움직이는 장치가 지속적으로 유체의 흐름을 가로지를 수 있다. 그러나 수평축 폐회로는 대개 시설비용이 많이 든다. 수직축회로의 경우 개회로를 구성하여 왕복운동을 유도하거나, 폐회로를 구성하되 유체의 흐름을 거스르거나 따르는 구간에 대한 대비가 필요하다. 거슬러가는 구간을 진행하기 위하여는 다른 동력원에 의지하는 수단 또는 가로지르는 구간에서의 여유동력(운동에너지)을 비운동에너지(탄성, 위치, 전력,전기화학, 압력 등) 또는 운동에너지(예:플라이휠, 운반체의 관성에너지)로 비축하였다가 쓰도록 한다. 여러 개의 동력변환기를 운용한다면 유체의 흐름을 가로지르는 구간의 동력변환기로부터 여유동력을 유체의 흐름을 거스르거나 따르는 구간의 동력변환기에 보충할 수 있다.
그림 16-1과 16-2는 물에 대한 바람의 상대속도가 기호 (45)의 방향으로 있는 상황에서, 두 개의 돛(46), 2개 또는 4개의 수중익(47), 수평축수차와 회전식발전기(48), 두 줄의 전선(49), 이들을 기계적으로 연결하여주는 돛대와 줄 그리고 빔으로 이루어진 동력변환장치다. 그림 16-1의 수중익은 빔과 볼소켓구조(50)으로 연결되어 3개의 자유도가 있다. 볼소켓 대신 1개의 짐발로 연결하면 하나의 자유도, 2개의 짐발이면 2개의 자유도를 갖는다. 그림16-2의 수중익은 견인줄에 인장력이 걸리고 평형상태를 이루고 있으며, 견인줄에 이어진 굴레줄(51)로 이어져 5개의 자유도를 갖고 있다. 이러한 하파의 역할을 하는 수중익이 주어진 자유도를 유지하며 외부교란에 안정적인 상태를 유지하기 위하여는 수중익 자체가 정적인 안정성을 갖거나, 센서로부터 상태변수를 읽어서 안정상태를 유지하도록 조종면에 대한 작동명령을 제어장치에서 주도록 한다. 제어장치가 있다 하더라도 제어장치의 파손 또는 고장에 대비하여 하파가 정적안정성을 갖도록 하는 것이 일반적이다. 유동력에 의해 구동되는 기구가 기구 스스로 자세에 대한 정적 안정성을 갖는 형태에 대하여는 라이트형제의 날으는 기계(UP821393)에 알기 쉽게 기술되어 있다.
그림 17-1과 17-2는 유체유동력에 의해 구동되는 기구가 정적인 안정성을 갖고, 견인줄에 이어진 굴레줄에 구속되어 있으며 견인줄에 양의 인장력이 있는 평형상태에서 외부교란 또는 동력변환장치의 상태변화에 따라서 수중익(47)이 수표로부터 상하운동이 있게되면 표면활주익(35) 또는 플로트는 수표면에 그대로 머물려고 하므로 상하운동에 비례하여 그를 상쇄하기 위한 받음각의 변화가 있어 일정수심을 유지한다.
그림 18-1은 원격조종에 의해 구동되는 서보모터(미도시)에 의해 조종면(미도시)과 굴레줄의 길이를 조작하여 자세를 조종하는 수중익(47), 수평축수차와 회전식발전기(48), 한 줄의 전선(49), 원격조종에 의해 구동되는 서보모터에 의해 굴레줄의 길이를 조절하여 자세조종이 되는 연(53), 이들을 이어주는 견인줄(54)로 이루어진 동력변환장치 단위 하나로서 운행중 모습이다.
그림 18-2는 대기중에 줄감개(미도시)로 견인줄을 감고 연이 물위에서 대기하고 있는 상태이다. 그림 18-3은 상기 연이 공기보다 가벼운 기구(수소나 헬륨을 채운 기구)(55)에 의하여 공중에서 부양된 상태로 대기하고 있는 모습이다. 상기 기구 또는 비행선과 같은 보조부양재가 바람이 없을 때나 약할 때는 도움이 되나 연이 높은 고도로 올라갈 때는 기압차이를 적응하기 위한 장치들이 짐이 되기 쉽다. 착탈 가능하고 길이를 조절할 수 있는 줄로 보조부양재와 연결하도록 한다.
바다나 강에서 작동하는 동력변환시스템들은 정비 및 무풍 또는 무해조류를 대비하여 접었다 피었다 하는 골조를 갖고 유연한 소재로 스킨을 씨우거나, 고무보트같이 부푸는 구조로 된 플로트 또는 선체를 구비함이 바람직하다.
그림 19는 산간 계곡의 공중에 케이블(56) 또는 레일을 가설하고, 발전기(48)가 도르래를 통해 매달린 상태에서, 바람(45)에 의하여 구동되는 키툰(Kytoon=Kite+ Balloon)과 연(53)에 의해 견인되므로서, 발전을 하여 전선(미도시)을 통해 송전하는 것이다.
그림20은 체인(57)과 스프로킷 휠(58)로 구성된 개회로의 궤도를 체인에 부착된 연결기구 상자(59)가 날개돛(60)에 의해 바람(45)의 유동력으로 왕복운동을 하고, 스포로켓 휠과 연결된 발전기가 회전운동으로 전기를 생산한다. 날개돛(60)는 코드의 25% 부분에 회전축이 있어 연결기구 상자(59)에 부착된 돛대를 중심으로 요우잉(61)이 자유롭다. 날개 돛은 두 개의 안정된 위치와 나머지는 불안정한 상태의 위치를 제공하는 치구(62)를 고정된 상태로 구비하고, 피칭이 가능한 짐발(수평선을 축으로 위아래 회전)에 연결된 붐(63)과 수직날개 조종면(64)을 구비하였다. 따라서 붐(63)은 날개돛의 후미 방향으로 왼쪽이나 오른쪽, 어느 한쪽으로 편향되게 위치한다. 그림에서 붐은 날개돛의 후미쪽으로 오른 쪽에 위치하였고, 이로써 날개돛은 전방을 향하여 왼쪽으로 요우잉이 일어나고 날개돛은 왼쪽으로 구동되어 화살표(65) 방향으로 움직인다. 수레와 날개돛이 왼쪽으로 계속 이동하여 붐이 장치물(66)에 닿게 되면, 붐은 날개돛의 왼쪽으로 자리를 옮기게 되고 날개돛은 오른쪽으로 요우잉이 일어나고 날개돛과 수레는 왼쪽으로 움직이는 힘을 얻게 된다. 왼쪽으로 움직이어 붐이 장치물(67)에 닿게 되면 다시 오른쪽으로 위치하게 되어, 날개돛과 수레는 오른쪽으로 움직이며 왕복운동을 반복한다. 이 경우에는 왕복운동의 전환점을 감지하는 것을 외부에 설치된 장치물(66),(67)에 의존하였으나, 지피에스와 같은 위성항법수신기로 자신의 위치를 파악하고 기억된 위치좌표와 비교하여 전환점을 판단하고 서보장치로 구성된 제어장치로 날개돛의 형상을 바꾸거나 조종면을 조작할 수 있다.
그림 21은 앞서와 같이 두개의 안정된 위치를 제공하는 치구를 구비하고, 피칭이 가능한 짐발에 연결된 붐과 조종면을 구비한 3 개의 날개(60)를, 고정된 발전기의 축을 중심으로 회전하는 암에 설치된 수직축풍차이다. 종래 기술에 본발명의 기술을 접목하여 소형시스템에 적용한 예이다. 날개의 위치가 바람불어오는 쪽(ψ=0°)에서 바람부는 쪽(ψ=180°)까지를 하나의 기준선으로 보아, 오른쪽으로 진행하다가 왼쪽으로 진행하기 시작하는 점(ψ=90°)와 왼쪽으로 진행하다가 오른쪽으로 진행하기 시작하는 점(ψ=270°)을 풍향계와 연동된 장치물(66)(67)로 표현되어 있다. 실제 구현에서는 풍향계로 바람부는 방위각을 읽고, 날개가 발전기 축을 중심으로 회전하는 방위각을 포텐쇼미터나 엔코더와 같은 회전각을 재는 센서로부터 읽어 비교하여 조종면을 조작하는 명령을 제어장치를 통하여 주도록 한다.
그림 22는 붐(63)에 연결된 조종면(64)을 구비하고, 기구(55)에 의해 공중부양을 지원받는 뼈대있는 연(68)이 두 개의 굴레줄(69)로 연결기구 상자(59)에 구속되어 있다. 연결기구 상자(59)는 체인에 부착되어 있고, 체인(57)은 바람(45) 방향과 같은 수평축을 갖는 폐회로를 구성하고 있다. 수평축을 갖는 폐회로의 궤도를 따르는 주행은 지속적으로 바람을 가로지르는 운행이 가능하므로 여러 개를 하나의 궤도로 운행이 가능하다.
그림 23은 키툰과 연(53)이 수레(70)에 의해 구속을 받으며 바람(45)에 의해 구동되고, 수레(70)은 견인줄(71)을 통하여 고정되어 있는 발전기겸 모터(72)를 구동한다. 여기서 수레를 생략하고 연(53)이 견인줄(71)을 직접적으로 견인한다면 연은 바람을 따라 구동되고, 결과적으로 상대풍속도는 바람 속도의 1/2을 넘기 힘들다. 그러나 수레에 의해 구속된 운동은 상대풍속도가 바람 속도의 2-3배까지 가능하다. 따라서 에너지 생산성은 수레를 생략했을 때에 비하여 64~216배 높아진다.
그림 24-1은 돛대(73)와 날개돛(74) 조향장치를 구비한 바퀴(75), 바퀴와 연동된 발전기(수레에 포함되어 미도시), 전선(76)으로 구성되고 돛대에 걸리는 회전모멘트를 분산시키는 수레를 추가한 동력변환장치 단위이며, 그림 24-2는 여러 개의 동력변환장치 단위가 편대를 구성하고 바람(45)에 의하여 구동되는데 바람을 가로지르는 방향(77)으로 왕복운동을 하지만 각 단위간에 일정거리를 유지함으로 전선감개의 업무를 경감시키는 것이다.
왕복운동하는 시스템은 관리가 쉽지만 에너지 생산성을 높이려면 각각의 동력변환장치가 생산한 동력을 공유하도록 하여 이동속력을 같이 유지하면서 각각의 동력변환장치로 하여금 8자 궤적을 그리도록 한다. 이러한 시스템을 위에서 보면 리본춤또는 파도에서 보듯이 정현파운동을 하는 것처럼 보인다.

Claims (34)

  1. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    유동에너지가 유동력에 의해 구동되는 기구의 선형운동으로 전환되는 단계:
    상기 기구의 선형운동이 기계적 연결기구를 통하여 동력변환기의 선형운동으로 전달되는 단계:
    상기 동력변환기의 주변유체 또는 지면이나 강성구조물에 대한 상대적 선형운동이 상기 동력변환기에 부착된 바퀴 또는 수차 같은 운동전환기를 통하여 동력변환기의 운동자가 고정자에 대하여 운동하는 단계:
    상기 동력변환기의 운동자가 운동하므로 전기가 발생하거나 가압된 유체의 흐름으로 동력이 변환되는 단계:
    변환된 동력을 전선 또는 호스를 통하여, 또는 무전선전송으로 동력소비장치의 장소로 전송하는 단계:
    로 이루어진 방법
  2. 제 1항에 있어, 동력변환기와 연결된 제 2의 유동력에 의해 구동되는 기구 또는 운동전환기가 주변유체 또는 지면이나 강성구조물에 대하여 상대적 운동을 함에 따라 생기는 반응력이 기계적 연결기구를 통하여 제1의 유동력에 의해 구동되는 기구에 전달되어 상기 기구의 운동에 변형을 주는 단계를 더 포함하는 방법
  3. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    유동에너지가 유동력에 의해 구동되는 기구의 선형운동으로 전환되는 단계:
    상기 선형운동이 기계적 연결기구를 통하여 운동전환기의 선형운동단에 전달되는 단계
    상기 선형운동단의 선형운동이 운동전환기에 의하여 회전이나 왕복운동으로 전환되는 단계:
    상기 회전이나 왕복운동이 동력변환기의 운동자로 전달되어 전기나 가압된 유체의 흐름으로 동력이 변환되는 단계:
    변환된 동력을 전선이나 호스를 통하여, 또는 무전선전송으로 동력소비장치의 위치로 전송하는 단계:
    로 이루어진 방법
  4. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    동력변환기: 상기 동력변환기는 동력변환기 내의 운동자가 구동되면 전기를 발생시키는 회전식발전기 또는 선형발전기, 또는 압축공기 흐름 또는 가압된 수류를 발생하는 공압펌프나 수압펌프와 같은 동력변환기;
    운동전환기:상기 운동전환기는 상기 동력변환기에 구속되어 선형운동을 하면서 왕복운동 또는 회전운동을 생산하는 것으로서, 상기 동력변환기의 주변유체 또는 지면이나 강성구조물에 대한 상대적 선형운동을 동력변환기 운동자의 회전운동, 또는 크랭크와 레버기구를 통하여 동력변환기 운동자의 왕복운동으로 전환하는 바퀴, 도르래, 수직축수차, 수평축수차 또는 풍차와 같은 운동전환기;
    동력전달기: 상기 동력전달기는 변환된 동력을 동력소비장치의 장소로 전송하기 위한 전선, 호스, 전기브러시와 전선 또는 마이크로웨이브 빔전송기와 같은 동력전달기;
    연결기구:상기 유동력에 의해 구동되는 기구, 상기 동력변환기, 상기 동력전달기들을 이어주는 견인줄, 굴레줄, 돛대, 스트러트, 프레임, 빔 들의 조합으로 이루어진 구조로 된 연결기구;
    로 구성된 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  5. 제 4 항에 있어서, 적어도 하나의 제2의 유동력에 의해 구동되는 기구: 상기 기구는 상기 연결기구에 연동되어 구동되며, 상기기구의 자세를 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 주변의 유체에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 유동력에 의해 구동되는 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 연, 수중연, 수중돛, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 유동력에 의해 구동되는 기구;를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  6. 제 4 항에 있어서, 적어도 하나의 제2의 유동력에 의해 구동되는 기구: 상기 기구는 상기 연결기구에 연동되어 구동되며, 상기기구의 자세를 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 주변의 유체에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 유동력에 의해 구동되는 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 연, 수중연, 수중돛, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 유동력에 의해 구동되는 기구;를 더 포함하여 구성되고, 제1과 제2의 유체의 흐름이 이루는 상대속도에 대하여 가로지르는 방향으로 구동되는 특징을 갖는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어, 제1 또는 제 2의 유동력에 의해 구동되는 기구로 액체의 유동력에 의해 구동되는 기구는 상기기구가 수면에 대한 상대적 위치를 감지할 수 있는 수단으로 표면활주익, 플로트, 수심계 중 어느 하나 이상을 구비하고, 감지된 상대적 위치의 변화에 비례하여 상기 기구의 수평축을 회전축으로 하는 자세각의 변화를 제공하는 수단을 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  8. 제 4항에 있어, 상기 운동전환기에 피치조절이 가능한 수차를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  9. 제 4항에 있어, 플로트 또는 선체와 같은 부력수단을 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  10. 제 4항에 있어, 궤도: 상기 궤도는 상기 동력변환장치의 운동을 구속하는 레일이나 케이블로 이루어진 개회로 또는 폐회로 궤도;를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  11. 제 4항에 있어, 연중 빈도가 높은 유체의 흐름방향에 대해 수직인 개회로 궤도를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  12. 제 4항에 있어, 연중 빈도가 높은 유체의 흐름방향과 같은 수평축을 회전축으로 하는 폐회로 무한궤도를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  13. 제 4항에 있어, 연중 빈도가 높은 유체의 흐름방향에 대하여 수직인 축을 회전축으로 하며 회전축 방향으로 변위차이가 있는 폐회로 무한궤도를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  14. 제 4항에 있어, 조향장치를 구비한 바퀴를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  15. 제 4항에 있어, 조향장치를 구비한 바퀴를 더 포함하여 주변 유체의 흐름을 가로지르는 방향으로 구동되는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  16. 제 4항에 있어, 동력비축장치를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  17. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    운동전환기: 선형운동을 회전운동이나 왕복운동으로 전환하여 동력변환기의 운동자를 구동하는 기구로서 선택적으로 크랭크와 레버를 포함하는 바퀴와 벨트, 줄과 도르래, 줄과 줄감개, 체인과 스프로킷 휠 또는 회전축을 중심으로 회전하는 암 들로 이루어진 군에서 선택된 것;
    연결기구: 상기 유동력에 의해 구동되는 기구의 선형운동을 상기 운동전환기의 선형운동단에 전달하는 기구로서 견인줄, 굴레줄, 돛대, 스트러트, 프레임, 빔들의 조합;
    동력변환기: 상기 동력변환기는 동력변환기 내의 운동자가 구동되면 전기를 발생하는 회전식발전기 또는 선형발전기, 또는 압축공기 또는 가압된 수류를 발생하는 공압펌프나 수압펌프와 같은 동력변환기;
    동력전달기: 상기 동력전달기는 변환된 동력을 동력소비장치의 장소로 전송하기 위한 전선, 호스, 전기브러시와 전선 또는 마이크로웨이브 빔전송기와 같은 동력전달기;
    로 구성된 동력변환장치
  18. 제 17항에 있어, 연중 빈도가 높은 유체의 흐름방향에 대해 가로 지르는 방향으로 선형운동단이 구동되는 운동전환기를 더 포함하는 동력변환장치
  19. 제 17항에 있어, 연중 빈도가 높은 유체의 흐름방향과 같은 수평축을 회전축으로 하는 폐회로 무한궤도 운동전환기를 더 포함하는 동력변환장치
  20. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    조향장치와 바퀴를 구비한 수레: 상기 유동력에 의해 구동되는 기구에 의하여 견인되는 수레;
    줄감개: 상기 수레에 의해 견인되는 줄을 감았다 풀었다 하는 줄감개;
    동력변환기:상기 줄감개에 연동되어 운동자가 구동되는 동력변환기;
    연결기구: 상기 유동력에 의해 구동되는 기구, 상기 수레, 상기 줄감개를 연결하는 견인줄 및 돛대, 굴레줄, 스트러트들의 조합;
    들로 구성된 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  21. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    조향장치와 바퀴를 구비한 수레: 상기 유동력에 의해 구동되는 기구에 의하여 견인되는 수레;
    줄감개: 상기 수레에 의해 견인되는 줄을 감았다 풀었다 하는 줄감개;
    동력변환기:상기 줄감개에 연동되어 운동자가 구동되는 동력변환기;
    연결기구: 상기 유동력에 의해 구동되는 기구, 상기 수레, 상기 줄감개를 연결하는 견인줄 및 돛대, 굴레줄, 스트러트들의 조합;
    들로 구성되고, 상기 유동력에 의해 구동되는 기구가 유체의 흐름을 가로지르는 방향으로 구동되는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  22. 제 4항, 제 5항, 제 6항, 제 17항, 제 20항, 제 21항 중 어느 한 항에 있어 기체의 유동력에 의해 구동되는 기구로서, 에어튜브빔의 원둘레 중 상부에 빔의 길이 방향으로 유연한 재질의 보강재를 강화한 에어튜브빔 골조에, 한 겹의 카누피와, 적어도 두 개의 굴레줄로 이루어진 연을 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  23. 제 4항, 제 5항, 제 6항, 제 17항, 제 20항, 제 21항 중 어느 한 항에 있어 기체의 유동력에 의해 구동되는 기구로서, 에어튜브빔의 원둘레 중 상부에 빔의 길이 방향으로 유연한 재질의 보강재를 강화한 에어튜브빔 골조에, 두 겹의 카누피와, 두 겹의 카누피 사이에 놓인 여러 개의 리브로 나누어진 여러 개의 셀들이 앞전에 열린 구멍으로 인입하는 램에어로 부풀어지며, 적어도 두 개의 굴레줄로 구속되는 연을 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  24. 제 4항, 제 17항, 제 20항, 제 21항 중 어느 한 항에 있어 주변유체보다 가벼운 기구, 키툰, 공기주머니, 플로트와 같은 보조부양재에 연결된 유동력에 의해 구동되는 기구를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  25. 제 4항, 제 17항, 제 20항, 제 21항 중 어느 한 항에 있어, 착탈가능하고 길이가 조절되는 줄을 통해, 독자적으로 부양할 수 있는 비행선, 줄에 묶인 기구, 선박과 같은 보조 부양재로부터 부양을 지원받는, 유동력에 의해 구동되는 기구를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  26. 제 4항, 제 5항, 제 6항, 제 17항, 제 20항, 제 21항 중 어느 한 항에 있어, 유동력에 의해 구동되는 기구의 위치를 감지하는 수단을 구비하고, 감지된 위치에 따라서 상기 기구의 자세를 조절하거나, 상기 기구의 유체역학적 특성을 변화시키는 조종면을 조작하는 제어장치를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  27. 제 14항, 제 15항, 제 20항, 제21항 중 어느 한 항에 있어, 유체의 흐름방향을 감지하는 수단과 유동력에 의해 구동되는 기구의 위치를 감지하는 수단을 갖추고, 감지된 방향과 위치에 따라 조향장치를 조작하는 제어장치를 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  28. 제 4항, 제 17항, 제 20항, 제21항 중 어느 한 항에 있어, 견인줄감개와 같은 연결기구 조절수단을 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  29. 제 4항에 있어, 전선감개 또는 호스감개와 같은 동력전달기 조절수단을 더 포함하는 동력변환장치의 조합으로 이루어진 동력변환시스템
  30. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    동력변환기: 상기 동력변환기는 동력변환기 내의 운동자가 구동되면 전기를 발생시키는 회전식발전기 또는 선형발전기, 또는 압축공기 흐름 또는 가압된 수류를 발생하는 공압펌프나 수압펌프와 같은 동력변환기;
    운동전환기:상기 운동전환기는 상기 동력변환기에 구속되어 선형운동을 하면서 왕복운동 또는 회전운동을 생산하는 것으로서, 상기 동력변환기의 주변유체 또는 지면이나 강성구조물에 대한 상대적 선형운동을 동력변환기 운동자의 회전운동, 또는 크랭크와 레버기구를 통하여 동력변환기 운동자의 왕복운동으로 전환하는 바퀴, 도르래, 수직축수차, 수평축수차 또는 풍차와 같은 운동전환기;
    동력전달기: 상기 동력전달기는 변환된 동력을 동력소비장치의 장소로 전송하기 위한 전선, 호스, 전기브러시와 전선 또는 마이크로웨이브 빔전송기와 같은 동력전달기;
    연결기구:상기 유동력에 의해 구동되는 기구, 상기 동력변환기, 상기 동력전달기들을 이어주는 견인줄, 굴레줄, 돛대, 스트러트, 프레임, 빔 들의 조합으로 이루어진 구조로 된 연결기구;
    로 구성된 동력변환장치 단위 여러 개가 각각 생산한 동력 중 여유동력을 공유하는 특징을 갖는 동력변환시스템
  31. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    동력변환기: 상기 동력변환기는 동력변환기 내의 운동자가 구동되면 전기를 발생시키는 회전식발전기 또는 선형발전기, 또는 압축공기 흐름 또는 가압된 수류를 발생하는 공압펌프나 수압펌프와 같은 동력변환기;
    운동전환기:상기 운동전환기는 상기 동력변환기에 구속되어 선형운동을 하면서 왕복운동 또는 회전운동을 생산하는 것으로서, 상기 동력변환기의 주변유체 또는 지면이나 강성구조물에 대한 상대적 선형운동을 동력변환기 운동자의 회전운동, 또는 크랭크와 레버기구를 통하여 동력변환기 운동자의 왕복운동으로 전환하는 바퀴, 도르래, 수직축수차, 수평축수차 또는 풍차와 같은 운동전환기;
    동력전달기: 상기 동력전달기는 변환된 동력을 동력소비장치의 장소로 전송하기 위한 전선, 호스, 전기브러시와 전선 또는 마이크로웨이브 빔전송기와 같은 동력전달기;
    연결기구:상기 유동력에 의해 구동되는 기구, 상기 동력변환기, 상기 동력전달기들을 이어주는 견인줄, 굴레줄, 돛대, 스트러트, 프레임, 빔 들의 조합으로 이루어진 구조로 된 연결기구;
    로 구성된 동력변환장치 단위 여러 개가 전부 또는 일부가 서로 간의 거리를 일정하게 유지하는 특징을 갖는 동력변환시스템
  32. 강물, 해조류 및 바람과 같은 자연력을 이용하여 동력으로 변환함에 있어,
    적어도 하나의 기구: 상기 기구는 기체나 액체의 유동력에 의하여 구동되며, 상기기구의 운동을 구속하는 굴레줄의 길이 또는 지지물의 길이 또는 자세각을 조절하거나, 상기기구에 부착된 조종면을 조작하여, 유체흐름에 대하여 적어도 한 축의 자세조종이 가능한 기구로서 돛, 날개돛, 회전날개돛, 뼈대 있는 연, 뼈대 없는 연, 앞전날개부풀림연, 수중연, 베인, 수중익, 파라글라이더 들로 이루어진 군에서 선택된 하나의 기구;
    동력변환기: 상기 동력변환기는 동력변환기 내의 운동자가 구동되면 전기를 발생시키는 회전식발전기 또는 선형발전기, 또는 압축공기 흐름 또는 가압된 수류를 발생하는 공압펌프나 수압펌프와 같은 동력변환기;
    운동전환기:상기 운동전환기는 상기 동력변환기에 구속되어 선형운동을 하면서 왕복운동 또는 회전운동을 생산하는 것으로서, 상기 동력변환기의 주변유체 또는 지면이나 강성구조물에 대한 상대적 선형운동을 동력변환기 운동자의 회전운동, 또는 크랭크와 레버기구를 통하여 동력변환기 운동자의 왕복운동으로 전환하는 바퀴, 도르래, 수직축수차, 수평축수차 또는 풍차와 같은 운동전환기;
    동력전달기: 상기 동력전달기는 변환된 동력을 동력소비장치의 장소로 전송하기 위한 전선, 호스, 전기브러시와 전선 또는 마이크로웨이브 빔전송기와 같은 동력전달기;
    연결기구:상기 유동력에 의해 구동되는 기구, 상기 동력변환기, 상기 동력전달기들을 이어주는 견인줄, 굴레줄, 돛대, 스트러트, 프레임, 빔 들의 조합으로 이루어진 구조로 된 연결기구;
    로 구성된 동력변환장치 단위 여러 개가, 전부 또는 일부가 운동속력을 같이하는 편대운행을 하는 것을 특징으로 하는 동력변환시스템
  33. 제 30항, 제 31항, 제 32항 중 어느 한 항에 있어, 상기 동력변환장치 단위의 운동방향을 조절하기 위한 수단으로 제 2의 유동력에 의해 구동되는 기구, 조향장치를 구비한 바퀴, 궤도에 구속된 바퀴, 케이블에 구속된 도르래 중 어느 하나를 더 구비한 동력변환장치 단위 여러 개로 구성된 동력변환시스템
  34. 제 30항, 제 31항, 제 32항 중 어느 한 항에 있어, 유동방향을 감지하는 수단과 상기 동력변환장치 단위의 위치를 감지하는 수단을 구비하고, 감지된 방향과 위치에 따라 동력변환장치의 운동방향을 제어하는 수단을 더 구비한 동력변환장치 단위 여러 개로 구성된 동력변환시스템
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