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KR101195152B1 - 풍력 발전 장치 - Google Patents

풍력 발전 장치 Download PDF

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KR101195152B1
KR101195152B1 KR1020100112018A KR20100112018A KR101195152B1 KR 101195152 B1 KR101195152 B1 KR 101195152B1 KR 1020100112018 A KR1020100112018 A KR 1020100112018A KR 20100112018 A KR20100112018 A KR 20100112018A KR 101195152 B1 KR101195152 B1 KR 101195152B1
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KR
South Korea
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wind
airship
power
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power supply
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엄재광
김재홍
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

풍력 발전 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치는 지상으로부터 부양되는 비행선과, 비행선의 아래로 연장되는 복수의 와이어와, 복수의 와이어에 의해 지지되며, 바람에 의하여 발전하는 풍력 발전 유닛을 포함하고, 풍력 발전 유닛은, 바람에 의하여 회전하는 프로펠러와, 비행선의 길이 방향으로 연장되고, 프로펠러와 결합되어 프로펠러의 회전에 따라 회전하는 샤프트와, 샤프트의 회전에 대응하여 전력을 생성하는 발전기와, 발전기를 통해 생성된 전력을 지상으로 공급하는 전력 공급 라인을 포함한다.

Description

풍력 발전 장치{APPARATUS FOR PROVIDING WIND POWER GENERATION}
본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 특히 고공 풍력 발전 설비의 풍력 발전 효율을 높이는데 적합한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 석유, 석탄, 천연가스 등 화석연료는 지하자원의 한계로 인해 멀지 않아 고갈될 수 있으며, 연소시 발생하는 일산화탄소와 질소산화물 등의 폐기가스로 인해 대기오염뿐만 아니라 오존층의 파괴와 지구 온난화를 야기시켜 자연환경을 파괴하는 주범으로 대두되고 있다.
이에 따라, 영구적으로 사용가능하며 환경을 오염시키지 않으면서 기술적, 경제적으로도 가장 유리한 신재생 에너지 중의 하나인 풍력 발전 기술에 많은 관심이 모아지고 있다.
일반적으로 풍력 발전 기술은, 육상 풍력 발전 기술과 해상 풍력 발전 기술로 구분되는데, 이들 기술은 육상 및 해상에 고정식으로 설치되는 풍력 발전 기술로서, 블레이드(blade), 블레이드의 회전력을 이용한 발전기를 포함하는 나셀(nacelle), 나셀을 지지하는 메인 포스트(main post) 등으로 구성된다.
이와 같은 종래의 풍력 발전 기술은, 육상 및 해상의 고정된 위치에 설치되는 바, 무풍(無風) 조건에서는 가동이 불가능하며, 1기의 발전 설비에 1기의 발전기를 설치하는 구조이기 때문에 전력 효율을 증가시키기 위해서는 블레이드의 크기를 증가시키는 수밖에 없다. 게다가, 메인 포스트, 블레이드 등 비교적 강성체의 구조가 포함되기 때문에 돌풍에 의한 파손사고 위험이 커질 수 있다.
이와 같은 단점들을 보완하기 위하여, 비교적 유연한 재질의 포스트에 블레이드를 설치하고, 포스트 상부에 비행선을 설치하여 전체 구조의 낙하를 방지하는 형태를 취하는 기술이 제안된 바 있다.
그러나, 이러한 구조에서도 블레이드의 관리가 어려울 뿐만 아니라, 전력 효율을 높이는데 구조적인 한계가 있다는 단점이 있다.
이에 본 발명의 실시형태는, 고정 방식의 풍력 발전 장치에 비해 풍력 발전 효율을 높일 수 있는 풍력 발전 장치를 제안하고자 한다.
또한 본 발명의 실시형태는, 다수의 비행선들을 서로 연결하고, 각각의 비행선을 통해 발생되는 전기를 취합하여 와이어를 통해 지상으로 공급함으로써, 풍력 발전 효율을 높일 수 있는 풍력 발전 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 실시형태에 따른 풍력 발전 장치는, 지상으로부터 부양되는 비행선과, 상기 비행선의 아래로 연장되는 복수의 와이어와, 상기 복수의 와이어에 의해 지지되며, 바람에 의하여 발전하는 풍력 발전 유닛을 포함하고, 상기 풍력 발전 유닛은, 바람에 의하여 회전하는 프로펠러와, 상기 비행선의 길이 방향으로 연장되고, 상기 프로펠러와 결합되어 상기 프로펠러의 회전에 따라 회전하는 샤프트와, 상기 샤프트의 회전에 대응하여 전력을 생성하는 발전기와, 상기 발전기를 통해 생성된 전력을 상기 지상으로 공급하는 전력 공급 라인과, 상기 비행선의 길이 방향에 대하여 수직으로 소정의 수평폭을 갖는 연결빔과, 상기 연결빔 주위에 배치되는 상기 샤프트를 연결함과 더불어 다각형을 형성하는 지지보를 포함하고, 상기 샤프트는 상기 다각형의 꼭지점의 위치에 위치하고, 상기 연결빔은 상기 다각형의 수평 최장 내변의 위치에 위치할 수 있다.
여기서, 상기 전력 공급 라인은, 상기 발전기와 상기 비행선을 고정 및 연결하면서 상기 전력을 상기 비행선으로 공급하는 제1 전력 공급 라인과, 상기 비행선으로 공급된 상기 전력을 지상으로 공급하는 제2 전력 공급 라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 전력 공급 라인은 힌지 앵커(hinge anchor)에 의해 상기 비행선과 연결될 수 있다.
삭제
본 발명의 실시예에 따르면, 고공 비행선에 배치되는 다수의 프로펠러들의 회전에 대응하는 샤프트(shaft)의 회전력을 이용하여 발전기의 전기를 발생시키고, 발생된 전기를 와이어를 통해 지상으로 공급함으로써, 고정 방식의 풍력 발전 장치에 비해 풍력 발전 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 다수의 비행선을 듀얼(dual) 또는 멀티(multi) 행태로 서로 연결하고, 각각의 비행선을 통해 발생되는 전기를 취합하여 와이어를 통해 지상으로 공급할 수 있는 바, 풍력 발전 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치에 대한 구성도이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 정면도이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치로서, 두 개의 풍력 발전 장치를 서로 연결한 듀얼(dual) 풍력 발전 장치를 예시한 구성도이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치로서, 도 3의 듀얼 풍력 발전 장치를 멀티(multi) 형태로 구성한 멀티 풍력 발전 장치를 예시한 구성도이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 실시예에서는, 성층권(stratosphere)에 지속적으로 존재하는 제트 기류(jet stream)를 풍력 발전에 이용하여 보다 효율적으로 풍력 발전을 생성할 수 있는 고공 풍력 발전 장치를 제안하고자 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치에 대한 구성도로서, 비행선(10, 12), 와이어(100) 및 풍력 발전 유닛(104, 104', 106, 106', 108, 108', 110, 114)을 포함할 수 있다. 여기서, 비행선(10, 12)은 비행선 본체(10)와 비행선 꼬리날개(12)를 포함할 수 있다. 여기서, 풍력 발전 유닛(104, 104', 106, 106', 108, 108', 110, 114)은 샤프트(shaft)(104)(104'), 프로펠러(propeller)(106)(106'), 발전기(108)(108'), 제 1 전력 공급선(110), 및 제 2 전력 공급선(114)을 포함한다. 설명되지 않은 참조번호는 각각, 베어링(bearing)(102)(102'), 연결 빔(beam)(112), 힌지 앵커(hinge anchor)(116), 제3 전력 공급선(118), 및 변압실(120)이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 비행선을 이용한 풍력 발전 장치로서, 풍력 발전 장치를 대기 중에 부양시키기 위해 비행선 본체(10) 내부에는 불활성 가스, 예를 들어 헬륨 가스가 충전될 수 있다. 또한, 풍향에 따라 비행선 본체(10)의 방향을 조정할 수 있도록 비행선 꼬리날개(12)가 구비될 수 있다. 본 실시예에 따른 비행선 본체(10)는 제트 기류가 존재하는 높이, 예를 들어 지상 8km까지 상승할 수 있도록 설계될 수 있다.
이와 같은 비행선 본체(10)에는 다수의 와이어(100)가 연결될 수 있으며, 비행선 본체(10)로부터 연장되는 다수의 와이어(100)에 의해 다수의 베어링(102)이 지지되도록 구성될 수 있다.
다수의 베어링(102)은 바람, 즉 풍력에 의해 회전할 수 있는 다수의 샤프트(104)와 프로펠러(106)를 지지할 수 있는데, 프로펠러(106)가 회전할 때 이에 대응하여 샤프트(104)가 회전될 수 있다.
다수의 샤프트(104)의 중앙에는 프로펠러(106)와 샤프트(104)가 회전함에 따라 발생하는 전력을 생성할 수 있는 발전기(108)가 구비될 수 있다. 발전기(108)에 의해 생성된 전력은 발전기(108)와 비행선 본체(10)를 고정 및 연결하는 제 1 전력 공급선(110)을 통해 비행선 본체(10)로 1차 공급될 수 있다.
이러한 샤프트(104)의 하측으로 추가적으로 와이어(100)를 연장하여 풍력 발전 유닛을 추가적으로 더 형성할 수 있음은 물론이며, 이에 의하여 바람, 즉 풍력에 의한 발전용량을 증대시킬 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 추가되는 풍력 발전 유닛과의 사이에 연결 빔(112)를 형성할 수도 있다. 연결 빔(112)은 와이어(100) 간의 틀을 유지하여 주는 기능을 할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연결 빔(112)을 중간 축으로 하여 와이어(100)에 연장되는 추가적인 베어링(102'), 샤프트(104'), 프로펠러(106'), 발전기(108') 등이 더 구성될 수 있다.
제 1 전력 공급선(110)을 통하여 비행선 본체(10)로 1차 공급된 전력은 지상과 연결되는 제 2 전력 공급선(114)을 통해 지상(1)으로 공급될 수 있다. 여기서, 제 2 전력 공급선(114)은 비행선 본체(10)를 지상(1)과 연결하여 비행선 본체(10)가 지상(1)에 구속되도록 하는 기능을 할 수 있으며, 이를 위하여 제 2 전력 공급선(114)을 지상(1)에 고정 및 연결하기 위한 힌지 앵커(116)가 구비될 수 있다. 물론, 별도의 구속라인이 마련되고, 제 2 전력 공급선(114)이 구속라인에 내장되어 있을 수도 있다.
이러한 제 2 전력 공급선(114)으로부터 전달된 전력은 제 2 전력 공급선(114)와 연결된 제 3 전력 공급선(118)을 통해 변압실(120)로 전달될 수 있으며, 변압실(120)에서는 제3 전력 공급선(118)을 통해 제공되는 전력을 이용하여 지상으로 전기를 공급할 수 있게 된다.
이때, 상술한 제 1 전력 공급선(110) 및 제 2 전력 공급선(114)은 발전기(108)(108')에 의해 생성된 전력을 공급하는 역할을 할 뿐만 아니라, 발전기(108)와 비행선 본체(10), 또는 비행선 본체(10)와 힌지 앵커(116)를 고정/연결할 필요가 있기 때문에 와이어를 포함하는 형태, 바람직하게는 와이어 내에 제1 전력 공급선(110)[또는 제2 전력 공급선(114)]이 삽입되는 형태를 취할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치의 정면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에서 복수의 풍력 발전 유닛의 연결 구성 일례를 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 연결 빔(112) 주위에 다수 개 구비될 수 있는 프로펠러(106)가 다각형 구조로 서로 연결될 수 있도록 구현하고 있다.
이를 위해 본 발명의 실시예에서는, 연결 빔(112) 주위에 배치되는 샤프트(104)를 연결함과 더불어 다각형 구조를 형성하는 연결라인(122)을 더 포함할 수 있으며, 샤프트(104)는 다각형 구조의 꼭지점에 위치하고 연결 빔(112)은 다각형 구조의 수평 최장 내변에 위치하도록 구현할 수 있다. 여기서, 연결라인(122)은 예를 들어, 와이어 형태 또는 보 형태를 포함할 수 있다.
이러한 연결 빔(112)을 축으로 한 다각형 연결 구조는 비행선 본체(10)의 하측 선수쪽으로부터 불어오는 바람을 보다 효율적으로 활용할 수 있다는데 특징이 있다.
이때, 도 2에서의 다각형 연결 구조는, 프로펠러(106) 이외에 샤프트(104), 베어링(102), 발전기(108) 등이 마찬가지로 구비될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치로서, 두 개의 풍력 발전 장치를 서로 연결한 듀얼(dual) 풍력 발전 장치를 예시한 구성도이다.
편의상 두 개의 풍력 발전 장치를 제 1 풍력 발전 장치(20) 및 제 2 풍력 발전 장치(30)로 각각 지칭하기로 하며, 설명의 중복을 피하기 위해 도 1 및 도 2와 동일한 구성들에 대해서는 언급을 생략하기로 한다.
도 3의 실시예에 따른 듀얼 풍력 발전 장치는, 제 1 풍력 발전 장치(20)와 제 2 풍력 발전 장치(30)가 서로 직렬로 연결된 구조이며, 제 1 풍력 발전 장치(20)의 발전기(208)(208')를 통해 생성되는 전력과 제 2 풍력 발전 장치(30)의 발전기(308)(308')를 통해 생성되는 전력을 하나의 지상연결 와이어, 즉 하나의 제 2 전력 공급선(도 1의 114)을 이용하여 지상으로 공급할 수 있기 때문에, 도 1 및 도 2의 실시예와 비교하여 대략 2배의 발전 용량을 제공할 수 있다.
이때, 제 1 풍력 발전 장치(20)와 제2 풍력 발전 장치(30) 간의 충돌을 방지하기 위해, 제 1 풍력 발전 장치(20)와 제2 풍력 발전 장치(30)는 연결 봉(40)에 의해 서로 연결될 수 있다. 이때, 연결 봉(40)은, 바람이 없는 상황에서 제 1 풍력 발전 장치(20)와 제 2 풍력 발전 장치(30) 간의 충돌을 방지하고, 안전거리를 충분히 확보하기 위해 가볍고 딱딱한 재질, 예를 들어 알루미늄(Al) 등이 적용될 수 있다.
또한, 제 2 풍력 발전 장치(30)를 통해 생성된 전력을 제1 풍력 발전 장치(20)로 전달하기 위해 연결 봉(40) 내에 전력 공급선이 포함될 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았으나, 이러한 전력 공급선을 통해 전달되는 전력은 제 1 풍력 발전 장치(20)에서 지상으로 연결되는 지상연결 와이어를 통해 지상으로 공급될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전 장치로서, 도 3의 듀얼 풍력 발전 장치를 멀티(multi) 형태로 구성한 멀티 풍력 발전 장치를 예시한 구성도로서, 성층권의 제트 기류를 활용하기 위해 지상으로부터 높이에 따라 복수 개의 듀얼 풍력 발전 장치를 설치한 것을 특징으로 한다.
편의상 도면부호 20a 및 30a를 제 1 듀얼 풍력 발전 장치, 20b 및 30b를 제 2 듀얼 풍력 발전 장치, 20c 및 30c를 제 3 듀얼 풍력 발전 장치, 20d 및 30d를 제 4 듀얼 풍력 발전 장치라 각각 지칭하기로 하며, 설명의 중복을 피하기 위해 도 1 및 도 2 및 도 3과 동일한 구성들에 대해서는 언급을 생략하기로 한다.
도 4의 실시예에 따른 멀티 풍력 발전 장치는, 제 1 듀얼 풍력 발전 장치 및 제 2 듀얼 풍력 발전 장치 및 제 3 듀얼 풍력 발전 장치 및 제 4 듀얼 풍력 발전 장치가 각각 병렬로 연결된 구조이다. 제 1 내지 제 4 듀얼 풍력 발전 장치는 제 2 전력 공급선(400)에 의하여 지상(1)에 고정 장착된 힌지 앵커(404)에 연결되어 지상(1)에 구속될 수 있으며, 제 2 전력 공급선(400)을 통하여 전력을 지상으로 전달할 수 있다. 이러한 제 1 내지 제 4 듀얼 풍력 발전 장치를 통해 생성되는 전력을 하나의 제 2 전력 공급선(400)을 이용하여 지상으로 공급할 수 있기 때문에, 도 1 및 도 2 및 도 3의 실시예와 비교하여 장치 구성의 비용을 절감시킬 수 있다.
이때, 제 2 전력 공급선(400)은 생성된 전력을 공급하는 역할을 할 뿐만 아니라, 제 1 내지 제 4 듀얼 풍력 발전 장치와 힌지 앵커(404)를 고정/연결할 필요가 있기 때문에 와이어를 포함하는 형태, 바람직하게는 와이어 내에 제1 전력 공급선(400)이 삽입되는 형태를 취할 수 있다. 또한, 제 2 전력 공급선(400)은 제 1 내지 제 4 듀얼 풍력 발전 장치가 대기 중의 풍력에 강인하도록 지상으로 내려올수록 그 단면적이 증가하는 구성을 가질 수 있다.
힌지 앵커(404)를 통해서는, 제 1 전력 공급선(400)에 연장되는 제 2 전력 공급선(406)이 변압실(408)로 연결될 수 있으며, 변압실(408)에서는 제 2 전력 공급선(406)을 통해 제공되는 전력을 이용하여 지상으로 전기를 공급할 수 있게 된다.
한편, 도 4의 실시예에서는, 듀얼 풍력 발전 장치가 복수 개로 구성되는 멀티 풍력 발전 장치이기 때문에, 이러한 듀얼 풍력 발전 장치를 관리자가 용이하게 유지 및 보수할 수 있도록, 제 2 전력 공급선(400)을 오르내리는 승강기(402)가 더 구비될 수 있을 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예는, 고공 비행선에 배치되는 다수의 프로펠러들의 회전에 대응하는 샤프트의 회전력을 이용하여 발전기의 전기를 발생시켜 와이어를 통해 지상으로 공급하도록 하였으며, 다수의 비행선을 듀얼 또는 멀티 행태로 서로 연결하고, 각각의 비행선을 통해 발생되는 전기를 취합하여 와이어를 통해 지상으로 공급하도록 구현한 것이다.
10: 비행선 본체
12: 비행선 꼬리날개
100: 와이어(wire)
102: 베어링(bearing)
104: 샤프트(shaft)
106: 프로펠러(propeller)
108: 발전기
110, 114, 118: 전력 공급선
112: 연결 빔(beam)
120: 변압실

Claims (4)

  1. 지상으로부터 부양되는 비행선;
    상기 비행선의 아래로 연장되는 복수의 와이어; 및
    상기 복수의 와이어에 의해 지지되며, 바람에 의하여 발전하는 풍력 발전 유닛을 포함하고,
    상기 풍력 발전 유닛은,
    바람에 의하여 회전하는 프로펠러;
    상기 비행선의 길이 방향으로 연장되고, 상기 프로펠러와 결합되어 상기 프로펠러의 회전에 따라 회전하는 샤프트;
    상기 샤프트의 회전에 대응하여 전력을 생성하는 발전기;
    상기 발전기를 통해 생성된 전력을 상기 지상으로 공급하는 전력 공급 라인;
    상기 비행선의 길이 방향에 대하여 수직으로 소정의 수평폭을 갖는 연결빔; 및
    상기 연결빔 주위에 배치되는 상기 샤프트를 연결함과 더불어 다각형을 형성하는 지지보를 포함하고,
    상기 샤프트는 상기 다각형의 꼭지점의 위치에 위치하고, 상기 연결빔은 상기 다각형의 수평 최장 내변의 위치에 위치하는
    풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급 라인은,
    상기 발전기와 상기 비행선을 고정 및 연결하면서 상기 전력을 상기 비행선으로 공급하는 제1 전력 공급 라인과,
    상기 비행선으로 공급된 상기 전력을 지상으로 공급하는 제2 전력 공급 라인을 포함하는
    풍력 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 전력 공급 라인은 힌지 앵커(hinge anchor)에 의해 상기 비행선과 연결되는
    풍력 발전 장치.
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