KR101214277B1

KR101214277B1 - 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치

Info

Publication number: KR101214277B1
Application number: KR1020110065433A
Authority: KR
Inventors: 우정택
Original assignee: 우정택
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: KR101214277B9

Abstract

본 발명의 목적은 발전설비를 지상에 설치하여 공중에 체공하는 설비의 중량을 줄임으로써 상대적으로 부피가 작은 부양체에 의해 공중에서의 풍력발전이 가능하고, 추락시 안전사고의 위험을 최소화할 수 있는 구조의 공중풍력 발전장치를 제공하는 것이다. 이에 따라 본 발명에 따른 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치는, 내부에 공중부양을 위한 부양가스가 충전되고 수평방향의 중심축을 가지는 부양체와, 상기 중심축을 따라 양측으로 돌출되는 회전축부와, 상기 중심축에 직각방향으로 작용하는 풍력에 대하여 상기 회전축부의 회전이 발생하도록 상기 부양체의 외주면 둘레를 따라 설치된 다수의 날개와, 양측의 상기 회전축부에 각각 설치되는 한 쌍의 회전전달풀리를 포함하는 공중회전구조체; 지지체와, 상기 지지체에 고정되는 발전기와, 상기 발전기에 회전력을 전달하도록 설치되는 것으로 서로 소정의 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 발전풀리를 포함하는 지상발전체; 상기 한 쌍의 회전전달풀리와 상기 한 쌍의 발전풀리가 하나씩 서로 대응하여 연결되도록 설치되고 상기 회전축부의 회전을 상기 회전전달풀리로부터 상기 발전풀리로 전달하는 한 쌍의 발전케이블; 및 상기 공중회전구조체를 공중의 소정영역에 체류시키도록 상기 부양체의 양측을 각각 지상구조물과 연결하는 한 쌍의 지지케이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치{A aerial wind power generating system having an electric generator on the ground}

본 발명은 지상에 발전기가 설치된 공중풍력 발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 헬륨 등 부양가스가 채워진 부양체가 공중에서 풍력을 받아 회전할 수 있도록 하고, 상기 부양체의 회전력이 지상의 발전기에 전달되어 발전이 이루어지도록 구성한 공중풍력 발전장치에 관한 것이다.

공중풍력발전은 헬륨 등의 부양가스를 이용하여 발전기를 지상으로부터 소정의 높이 이상 체공시킨 상태에서 상층에 존재하는 고품질의 풍력을 이용하여 발전하는 것이다.

한국공개특허공보 제10-2009-0030519호에는 공중풍력발전장치의 일례를 도시하고 있다.

도 1을 참고하면, 상기 공중풍력발전장치는 부양가스를 채운 기구체(11)와, 상기 기구체(11)에 부착되어 공중에서 풍력을 받아 발전하는 발전체(21)와, 기구체(11)를 소정의 영역에서 지지하고 지면으로 끌어내릴 수 있도록 지상과 연결하는 와이어(31)로 구성된다. 또한, 별도의 전력케이블(41)이 설치되어 공중의 발전체(21)에서 생산한 전력을 지상으로 공급하고 있다.

한편, 한국등록특허공보 제10-0971308호에도 양측의 공중부양튜브(12) 사이에 풍력발전수단(22)을 설치하여 공중풍력을 활용하여 전기를 생산할 수 있고, 공중부양튜브(12)는 지상의 소정 지점에 고정되는 고정와이어(32)에 의해 지지되도록 구성되어 있다. 그러한, 공중풍력발전장치도 발전기를 포함하는 풍력발전수단(22)이 공중부양튜브(12)와 함께 공중에 위치하고, 공중에서 생산된 전력은 고정와이어(32) 등에 배선된 전선에 의해 지상으로 공급되고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 공중풍력 발전장치들은 모두 풍력을 이용하여 발전하기 위한 발전설비가 공중에 위치하게 됨으로써, 발전설비를 부양시키기 위해 큰 부양력을 요구한다. 따라서, 부양체의 부피가 증가하고, 주기적으로 충전해야 할 많은 양의 헬륨가스를 필요로 하므로 그 유지관리에 많은 비용과 시간을 요구하게 된다.

또한, 공중에 큰 중량의 발전설비가 설치됨으로써 부양체가 추락하는 등의 비상상황이 발생 시 지상의 인명피해 또는 시설물 파괴 등의 피해정도가 상대적으로 과대해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 발전설비를 지상에 설치하여 공중에 체공하는 설비의 중량을 줄임으로써 상대적으로 부피가 작은 부양체에 의해 공중에서의 풍력발전이 가능하고, 추락시 안전사고의 위험을 최소화할 수 있는 구조의 공중풍력 발전장치를 제공하는 것이다.

이에 따라 본 발명에 따른 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치는, 내부에 공중부양을 위한 부양가스가 충전되고 수평방향의 중심축을 가지며 상기 중심축에 직각방향으로 작용하는 풍력에 대하여 상기 중심축을 중심으로 하는 회전이 발생하도록 날개를 구비하는 부양체와, 상기 중심축을 따라 양측으로 돌출되도록 상기 부양체에 고정되는 회전축부와, 상기 중심축을 중심으로 설치되어 상기 회전축부와 함께 회전할 수 있는 회전전달풀리를 포함하는 공중회전구조체; 지지체와, 상기 지지체에 고정되는 발전기와, 상기 발전기에 결합되어 상기 발전기에 회전력을 전달하고 있는 발전풀리를 포함하는 지상발전체; 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리가 연결되도록 설치되고 상기 회전전달풀리의 회전을 상기 발전풀리로 전달하는 발전케이블; 및 상기 공중회전구조체를 공중의 소정영역에 체류시키도록 양측의 상기 회전축부를 각각 지상구조물과 연결하는 한 쌍의 지지케이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전전달풀리는 양측의 상기 회전축부에 각각 설치되어 한 쌍을 이루고, 상기 발전풀리는 서로 소정의 거리를 두고 위치하는 한 쌍으로 이루어지며, 상기 발전케이블은 상기 회전전달풀리의 한 쌍과, 상기 발전풀리의 한 쌍이 하나씩 서로 대응하여 연결되도록 설치되고 상기 회전축부의 회전을 상기 회전전달풀리로부터 상기 발전풀리로 전달하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은, 상기 공중회전구조체가 공중에 부양하여 상기 지지케이블이 팽팽하게 당겨진 상태에서, 상기 발전케이블은 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리에 각각 양단이 고정되어 감기도록 설치되되, 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리 중 어느 하나에서 풀리는 경우 나머지 하나에서는 감기는 것을 다른 특징으로 하고 있다.

한편, 다른 관점에서 본 발명에 따른 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치는, 내부에 공중부양을 위한 부양가스가 충전되고 수평방향의 중심축을 가지는 부양체와, 상기 중심축을 따라 양측으로 돌출되는 회전축부와, 상기 중심축에 직각방향으로 작용하는 풍력에 대하여 상기 회전축부의 회전이 발생하도록 상기 부양체의 외주면 둘레를 따라 설치된 다수의 날개와, 양측의 상기 회전축부에 각각 설치되는 한 쌍의 회전전달풀리를 포함하는 공중회전구조체; 지지체와, 상기 지지체에 고정되는 발전기와, 상기 발전기에 회전력을 전달하도록 설치되는 것으로 서로 소정의 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 발전풀리를 포함하는 지상발전체; 상기 한 쌍의 회전전달풀리와 상기 한 쌍의 발전풀리가 하나씩 서로 대응하여 연결되도록 설치되고 상기 회전축부의 회전을 상기 회전전달풀리로부터 상기 발전풀리로 전달하는 한 쌍의 발전케이블; 및 상기 공중회전구조체를 공중의 소정영역에 체류시키도록 상기 부양체의 양측을 각각 지상구조물과 연결하는 한 쌍의 지지케이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서, 발전케이블의 구체적 일 구성은, 공중회전구조체가 공중에 부양하여 상기 지지케이블이 팽팽하게 당겨진 상태에서, 발전케이블은 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리에 각각 양단이 고정되어 감기도록 설치되되, 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리 중 어느 하나에서 풀리는 경우 나머지 하나에는 감기도록 구성하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 구성에서, 상기 회전전달풀리와 상기 회전축부 사이에 설치되어 회전력의 전달을 단속시키는 제1전자클러치와, 상기 제1전자클러치가 상기 회전전달풀리와 상기 회전축부 사이의 회전력 전달을 차단시킬 때 상기 회전전달풀리가 상기 회전축부에 대하여 자유롭게 회전하도록 상기 회전전달풀리와 상기 회전축부 사이에 설치되는 베어링과, 상기 발전케이블을 감도록 상기 발전풀리를 회전시키는 권취전동기와, 상기 발전케이블이 상기 발전풀리에서 상기 회전전달풀리로 이동한 정도를 감지하는 발전케이블이동감지장치와, 발전케이블이 상기 회전전달풀리로 이동한 정도가 설정치에 도달한 상태를 상기 발전케이블이동감지장치가 감지한 경우 상기 회전전달풀리와 상기 회전축부 사이의 회전력 전달을 차단시키도록 상기 제1전자클러치를 작동시키고 상기 발전케이블을 상기 발전풀리에 감도록 상기 권취전동기를 작동시키는 제어장치를 더 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 발전풀리와 상기 발전기 사이에서 회전력의 전달을 단속하는 제2전자클러치와, 상기 제2전자클러치가 상기 발전풀리와 상기 발전기 사이의 회전력 전달을 차단시킬 때 상기 발전풀리가 상기 발전기에 대하여 자유롭게 회전하도록 상기 발전풀리와 상기 발전기의 발전축 사이에 설치되는 베어링이 더 설치되고, 상기 제어장치는 상기 권취전동기를 작동시키는 경우 상기 발전풀리와 상기 발전기 사이의 회전력 전달이 차단되도록 상기 제2전자클러치를 작동시키는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 풍향변화에 따라 수평면을 기준으로 상기 공중회전구조체의 자세변화의 상태를 감지할 수 있도록 상기 공중회전구조체에 설치되는 지피에스(GPS)수신기와, 상기 공중회전구조체의 자세변화에 따라 상기 발전케이블의 꼬임을 방지할 수 있도록 상기 지상발전체를 회전시키는 지상발전체회전장치를 더 포함하고, 상기 지피에스(GPS)수신기의 위치신호를 전달받아 상기 발전케이블의 꼬임을 방지하기 위해 상기 지상발전체회전장치의 작동을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 본 발명은 발전기가 공중에 체류하지 않고 지상에 설치된 상태에서 발전케이블에 의해 회전력이 공중에서 지상으로 전달되도록 구성하여, 큰 중량의 발전기를 공중에 체공시키기 위한 다량의 부양가스를 요구하지 않고, 큰 부피의 부양체를 필요로 하지 않는다.

둘째, 본 발명은 공중회전구조체의 중량이 감소됨으로써 지상으로 추락 시 인명이나 재산에 가할 수 있는 피해의 규모를 대폭 감소시키게 된다.

셋째, 공중의 풍력발전기에서 발전이 이루어져 지상으로 송전하는 종래의 발전장치에서는 송전을 위해 공중과 지상을 연결하는 동(銅)케이블이 설치됨으로써 부양체에 걸리는 중량부하를 증가시키는 원인이 되었으나, 본 발명은 공중회전구조체와 지상발전체 사이에서 풀리가 회전하는 정도의 장력을 부담하는 케이블이 설치되는 것이므로 종래 발전장치의 동케이블에 비해 보다 가벼운 케이블이 사용될 수 있다. 이에 따라, 공중의 부양체가 부담할 중량이 보다 감소하게 된다.

도 1은 종래의 공중풍력 발전장치의 구성도
도 2는 종래의 다른 공중풍력 발전장치의 구성도
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력 발전장치의 사시도
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력 발전장치의 정면구성도
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 회전전달풀리와 그 주변부의 구성을 보다 구체적으로 도시하는 단면구성도
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발전풀리와 그 주변부의 구성을 보다 구체적으로 도시하는 단면구성도
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력 발전장치의 발전작용에 대한 설명도
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 지상발전체회전장치의 작동과정을 설명하기 위한 설명도

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력 발전장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력 발전장치의 정면구성도이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 지상발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치는, 공중회전구조체(100)와, 지상발전체(200)와, 한 쌍의 발전케이블(310,320)과, 한 쌍의 지지케이블(410,420)을 포함한다.

상기 공중회전구조체(100)는 지상에서 소정 높이의 공중에 부양된 상태에서 공중의 풍력을 받아 회전력을 발생시키는 부분이다.

상기 공중회전구조체(100)는 내부에 공중부양을 위한 부양가스가 충전되고 수평방향의 중심축을 가지는 부양체(110)와, 상기 중심축을 따라 양측으로 돌출되는 회전축부(121,122)와, 상기 중심축에 수직으로 작용하는 풍력에 대하여 상기 회전축부(121,122)의 회전이 발생하도록 상기 부양체(110)의 외주면 둘레를 따라 설치된 다수의 날개(130)와, 양측의 상기 회전축부(121,122)에 각각 설치되는 한 쌍의 회전전달풀리(151,152)를 포함하고 있다.

상기 부양체(110)는 내부에 헬륨과 같은 부양가스가 충전되어 있는 기구체로서 그 외주면에 다수의 날개(130)가 설치되어 상기 중심축에 직각방향으로 작용하는 풍력을 받아 회전할 수 있도록 구성된다.

상기 회전축부(121,122)는 부양체(110)가 회전하는 중심축에 설치되는 것으로, 부양체(110)의 양측으로 돌출되어 지지케이블(410,420)의 베어링에 의해 지지되고 있다.

또한, 상기 한 쌍의 회전전달풀리(151,152)는 부양체(110)의 양측에서 회전축부(121,122)의 회전과 함께 회전할 수 있도록 설치되고, 후술하는 발전케이블(310,320)의 일단이 고정되어 감길 수 있다.

상기 부양체(110)는 내부의 부양가스에 의해 상승하려는 부양력과 지지케이블(410,420)에 의해 지지되는 장력과, 정면 등에서 불어오는 바람의 풍력이 균형을 이룬 상태로 공중의 소정영역에 체류하는 상태가 된다.

한편, 상기 지상발전체(200)는 공중회전구조체(100)의 회전력을 전달받아 지상에서 발전이 이루어지는 부분이다. 상기 지상발전체(200)는 지지체(210)와, 상기 지지체(210)에 고정되는 발전기(221,222)와, 상기 발전기(221,222)에 회전력을 전달하도록 설치되는 것으로 서로 소정의 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 발전풀리(231,232)를 포함한다.

상기 지지체(210)는 지상에 설치되는 발전기(221,222), 발전풀리(231,232), 견인전동기(271,272) 등의 설비를 지지하는 부분으로 긴 길이의 플레이트 형상으로 설치되는 것이 바람직하다. 발전기(221,222), 발전풀리(231,232), 견인전동기(271,272) 등의 설비는 상기 지지체(210)의 그 중심부를 기준으로 양단부에 대칭으로 각각 설치되어 있다.

상기 발전기(221,222)는 회전력을 전달받아 발전이 이루어지고 발전기(221,222)의 회전축에 발전풀리(231,232)가 결합된다. 발전풀리(231,232)는 공중회전구조체(100)의 회전전달풀리(151,152)와 발전케이블(310,320)로 연결되어 회전전달풀리(151,152)의 회전력을 전달받는다. 발전풀리(231,232)는 지지체(210)의 양측에 각각 발전기(221,222)와 함께 설치되어 쌍을 이루고, 좌측의 발전풀리(231)는 좌측의 회전전달풀리(151)와 좌측의 발전케이블(310)에 의해 연결되며, 우측의 발전풀리(232)는 우측의 회전전달풀리(152)와 우측의 발전케이블(320)에 의해 연결되어 있다. 상기 발전기(221,222)는 지지체(210)의 양측에 각각 설치되지 않고, 지지체(210)의 상면 중간부분에 하나만 설치되어 양측의 발전풀리(231,232)가 상기 발전기의 양측에서 발전축에 동시에 연결되도록 구성하는 것도 가능하다.

상기 발전케이블(310,320)은 공중회전구조체(100)와 지상발전체(200) 사이에서 회전력을 절달함으로써 지상에서 발전이 이루어지도록 한다. 발전케이블(310,320)은 상기 한 쌍의 회전전달풀리(151,152)와 상기 한 쌍의 발전풀리(231,232)가 하나씩 서로 대응하여 연결되도록 설치되고, 상기 회전축부(121,122)의 회전을 상기 회전전달풀리(151,152)로부터 상기 발전풀리(231,232)로 전달하는 한 쌍의 케이블로 이루어진다. 즉, 상기 공중회전구조체(100)가 공중에 부양하여 지지케이블(410,420)이 팽팽하게 당겨진 상태에서, 상기 발전케이블(310,320)은 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 발전풀리(231,232)에 각각 양단이 고정되어 감기도록 설치되되, 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 발전풀리(231,232) 중 어느 하나에서 풀리는 경우 나머지 하나에는 감기도록 한다. 이를 위해 발전케이블(310,320)은 지지케이블(410,420)보다 더 길게 형성되어 지지케이블(410,420)이 팽팽하게 당겨진 상태에서 발전케이블(310,320)은 회전전달풀리(151,152)와 발전풀리(231,232) 중 하나 이상에는 감겨 있는 상태이다.

상기 지지케이블(410,420)은 공중회전구조체(100)가 풍력에 의해 공중에서 이동하는 것을 방지하고, 지상에 고정된 위치를 중심으로 공중회전구조체(100)가 공중에 체류하도록 한다.

상기 지지케이블(410,420)은 일단이 상기 회전축부(121,122)에 베어링(413,423)을 매개로 결합되고 타단이 지상구조물에 고정된다. 상기 지상구조물은 지상에 고정된 별도의 구조물일 수 있으나, 상기 지상발전체(200)에 설치되는 견인전동기(271,272)의 풀리에 권취되도록 고정되는 것이 바람직하다. 발전케이블(310,320)은 지지케이블(410,420)과 같이 공중으로 연장되면서 회전전달풀리(151,152)와 발전풀리(231,232) 중 하나 이상에 감겨 있으므로 지지케이블(410,420)은 발전케이블(310,320)보다 짧은 길이로 형성되어 부양체(110)의 양측에 각각 쌍으로 설치된다.

상기 지지케이블(410,420)은 견인전동기(271,272)가 회전하면 견인전동기(271,272)의 풀리에 감기게 되어 공중회전구조체(100)를 지상으로 하강시킬 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 회전전달풀리(151,152)와 그 주변부의 구성을 보다 구체적으로 도시하는 단면구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발전풀리(231,232)와 그 주변부의 구성을 보다 구체적으로 도시하는 단면구성도이다.

도 5 및 도 6은 일측의 회전전달풀리(152)와 발전풀리(232)를 도시하고 있으나, 타측의 것도 동일하게 구성된다.

먼저, 도 5를 참조하면, 회전축(121,122)과 회전전달풀리(151,152) 사이의 회전력 전달을 단속하는 제1전자클러치(160)가 공중회전구조체(100)의 양측의 회전전달풀리(151,152)에 각각 설치된다. 회전전달풀리(151,152)는 베어링(152a)을 매개로 회전축부(121,122)와 연결된다. 그 베어링(152a)은 상기 제1전자클러치(160)가 회전전달풀리(151,152)와 상기 회전축부(121,122) 사이의 회전력 전달을 차단시킬 때 회전전달풀리(151,152)가 회전축부(121,122)에 대하여 자유롭게 회전하도록 한다.

상기 제1전자클러치(160)는 전자석(162)의 자화시 인력이 작용하도록 회전축부(121,122)에 용접 등으로 고정되는 철재디스크(163)와, 상기 철재디스크(163)와 간격을 두고 상기 철재디스크(163)에 대향하는 전자석(162)이 설치되며 회전축에 설치된 키(165)를 따라 슬라이딩되는 클러치디스크(161)와, 상기 클러치디스크(161)를 철재디스크(163)로부터 분리시키고 회전전달풀리(151,152) 측으로 가압하고 있는 스프링(164)을 포함한다.

상기 전자석(162)이 자화되지 않는 경우에는 스프링(164)에 의해 클러치디스크(161)가 회전전달풀리(151,152) 측으로 가압되어 표면에 접촉하고 있으므로, 클러치디스크(161)와 회전전달풀리(151,152)가 마찰력에 의해 일체로 회전할 수 있다. 또한, 클러치디스크(161)는 키(165)에 의해 회전축부(121,122)와 일체로 회전할 수 있으므로 회전축부(121,122)가 회전하면 회전전달풀리(151,152)가 함께 회전할 수 있다.

만일, 전자석(162)에 전류가 인가되어 자화될 경우에는, 전자석(162)과 철재디스크(163) 사이에 인력이 작용하고 철재디스크(163)는 회전축부(121,122)에 고정되어 있으므로 클러치디스크(161)가 키(165) 상에서 슬라이딩되어 스프링(164)의 탄성력을 이기고 철재디스크(163) 쪽으로 접근한다. 이에 따라, 클러치디스크(161)가 회전전달풀리(151,152)로부터 이격되고, 회전전달풀리(151,152)와 회전축부(121,122)는 베어링(152a)에 의해 연결되어 있으므로 회전축부(121,122)의 회전력이 회전전달풀리(151,152)에 전달되지 못하고 회전전달풀리(151,152)가 회전축부(121,122) 상에서 자유롭게 회전할 수 있는 상태가 된다. 이러한 상태는 발전케이블(310,320)이 풍력에 의해 회전전달풀리(151,152)에 완전히 감긴 후, 다시 발전케이블(310,320)이 풀려 지상의 발전풀리(231,232)에 감기기 위해 필요한 상태이다.

한편, 지상의 발전풀리(231,232)에도 발전풀리(231,232)와 발전기(221,222) 사이에는 회전력의 전달을 단속하는 제2전자클러치(260)가 설치된다.

도 6을 참조하면, 상기 제2전자클러치(260)에도 철재디스크(263)와 전자석(262)을 포함하는 클러치디스크(261)와 그 사이의 스프링(264)과, 클러치디스크(261)의 회전력을 발전축부(224)에 전달하기 위한 키(265)를 포함하고, 발전풀리(231,232)와 발전축부(224)는 베어링(232a)에 의해 결합된다. 발전풀리(231,232)의 회전력을 발전축부(224)에 전달하기 위한 상기 클러치디스크(261)의 작동은 전술한 제1전자클러치(160)와 동일하다.

상기 구성과 함께, 발전풀리(231,232)에는 발전풀리(231,232)를 회전시켜, 발전케이블(310,320)을 감도록 하는 권취전동기(250)가 설치된다. 그 권취전동기(250)가 회전하면 권취전동기(250)의 회전축에 결합된 피니언(251)과 발전풀리(232)의 일측 둘레에 형성된 기어부(232b)가 맞물려 발전풀리(231,232)가 발전케이블(310,320)을 감도록 회전한다.

또한, 발전케이블(310,320)이 발전풀리(231,232)에서 상기 회전전달풀리(151,152)로 이동한 정도를 감지하기 위하여 발전케이블이동감지장치(280,232c)가 더 설치된다. 발전케이블이동감지장치(280,232c)는 발전풀리(231,232)의 둘레 중 한 지점에 또는 둘레에 균일 간격으로 마커(예컨대, 거울, 자석 등)(232c)가 설치되고, 그것의 접근을 감지하는 감지수단(예컨대, 마커가 거울이면 반사형광감지센서, 마커가 자석이면 자력감지센서)(280)이 설치되어 발전풀리(231,232)의 회전수를 계측하게 된다. 발전풀리(231,232)의 회전수를 감지함에 따라 발전케이블(310,320)이 발전풀리(231,232)에 감기면서 이동해 온 정도를 계산할 수 있다.

한편, 본 실시예에는 발전케이블(310,320)에 의한 발전작용과 이동상태를 제어하기 위한 제어장치(미도시)가 더 설치된다. 상기 제어장치는 발전케이블이동감지장치(280,232c)의 감지신호를 입력받아 제1전자클러치(160) 및 제2전자클러치(260)의 전자석(162,262)의 작동과, 권취전동기(250)의 작동을 제어한다.

상기 제어장치는 발전케이블이동감지장치(280,232c)에서 감지한 발전케이블(310,320)이 회전전달풀리(151,152)로 이동된 정도가 설정치에 도달한 경우, 즉 제1전자클러치(160) 및 제2전자클러치(260)의 전자석(162,262)을 작동시키지 않은 상태에서 발전풀리(231,232)의 회전수가 설정치에 도달한 경우, 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 회전축부(121,122) 사이의 회전력 전달을 차단시키도록 상기 제1전자클러치(160)를 작동시킨다. 그리고, 상기 발전케이블(310,320)을 상기 발전풀리(231,232)에 감도록 상기 권취전동기(250)를 작동킨다. 이 때, 제2전자클러치(260)도 작동되어 발전축부와 발전풀리(231,232)의 회전력 전달이 차단된다. 권취전동기(250)가 발전기(221,222)의 발전축부를 회전시킬 수 있을 만큼 큰 용량의 전동기일 경우, 제2전자클러치(260)의 작동여부와 관계없이 발전풀리(231,232)를 회전(이 때 발전축부 224가 함께 회전하게 된다)시킬 수 있을 것이나, 제2전자클러치(260)를 작동시켜 발전축부(224)와 발전풀리(231,232)의 회전력 전달을 차단시킨 후 발전풀리(231,232)를 회전시켜 발전케이블(310,320)을 권취하는 것이 동력의 소모가 작고 효율적이다.

한편, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 실시예에는 수평방향을 기준으로 풍향의 변화 시 공중회전구조체(100)의 자세가 변함에 따라 발전케이블(310,320) 및 지지케이블(410,420)의 꼬임이 방지되도록 지상발전체회전장치가 설치된다.

상기 지상발전체회전장치는 지면에 환형의 레일이 지지블록(520) 위에 설치되어 있고, 지지체(210)의 하부 양측에 바퀴(213) 및 바퀴구동체(215)가 설치되어 상기 환형의 레일(510) 상에서 회전할 수 있도록 구성된다.

또한, 풍향변화에 따라 수평면을 기준으로 상기 공중회전구조체(100)의 자세변화의 상태를 감지할 수 있도록 상기 공중회전구조체(100)에 설치되는 지피에스(GPS)수신기(미도시)가 더 설치된다. 지피에스수신기는 복수로 설치되는 것이 바람직하나, 하나의 지피에스수신기일 경우에도 지상발전체(200)의 위치가 항상 동일하므로 지상발전체(200)의 위치와 지피에스수신기의 위치를 비교하여 공중회전구조체(100)의 자세를 계산할 수 있다. 지피에스수신기와 제어장치의 신호의 전달은 유선 또는 무선으로 가능하다.

도 10은 지상발전체회전장치의 작동과정을 설명하기 위한 작용설명도이다.

도 10의 (a)와 같은 상태에서 풍향의 변화 시, 도 10의 (b)와 같은 상태가 되어 공중회전구조체(100)의 자세가 변경되면 전술한 제어장치는 지피에스(GPS)수신기의 위치신호를 전달받아 공중회전구조체(100)의 자세를 감지한다. 이후 제어장치는 공중회전구조체(100)의 자세에 대응하도록 지상발전체(200)를 레일(510) 상에서 회전하여 그 자세를 변경시키도록 바퀴구동체(215)를 구동시킨다. 이에 따라, 발전케이블(310,320) 및 지지케이블(410,420)의 꼬임의 위험이 방지되고 항상 긴장된 상태를 유지할 수 있다.

다음은 본 발명의 실시예에 따른 공중풍력 발전장치의 발전 작용에 대하여 설명한다.

먼저, 도 7을 참고하면, 공중회전구조체(100)가 부양체(110)의 부양력에 의해 부양한 상태에서 부양력(F)과 지지케이블(410,420)의 장력(T) 및 풍력이 균형을 이루고 있고 공중회전구조체(100)는 공중의 소정영역에서 체류할 수 있다.

공중의 풍력이 부양체(110)의 날개(130)에 작용하면 부양체(110)를 회전시키고, 부양체(110)의 회전과 함께 회전축부(121,122)도 회전할 수 있다.

제1전자클러치(160)가 작동하지 않는 상태에서는 회전축부(121,122)와 회전전달풀리(151,152)가 함께 회전하여 발전케이블(310,320)을 회전전달풀리(151,152)가 감게 되므로 발전케이블(310,320)이 회전전달풀리(151,152)로 끌려 올라가게 된다. 이와 함께 지상발전체(200)에서는 발전풀리(231,232)에서 발전케이블(310,320)이 풀려나가면서 발전기(221,222)의 발전축부(224)를 회전시켜 발전이 이루어진다.

한편, 발전케이블이동감지장치(280,232c)가 발전풀리(231,232)의 회전수를 감지하여 발전케이블(310,320)이 공중회전구조체(100)로 이동한 정도가 설정치에 도달하면, 제어장치는 제1전자클러치(160)와 제2전자클러치(260)의 전자석을 작동시켜, 회전전달풀리(151,152)와 발전풀리(231,232)가 각각 회전축부(121,122)와 발전축부(224) 상에서 자유롭게 회전할 수 있는 상태가 되도록 한다.

이후, 제어장치는 권취전동기(250)를 작동시켜 발전풀리(231,232)를 회전시키면, 발전케이블(310,320)은 도 8과 같이, 회전축부(121,122)의 회전에 대하여 영향을 받지 않고 지상발전체(200)로 이동하여 발전풀리(231,232)에 감기게 된다. 그러한 작동과정에서 발전기(221,222)의 발전은 이루어지지 않는다.

발전케이블(310,320)이 지상발전체(200)로 이동하는 정도를 감지하여 그 정도가 설정치에 도달한 것으로 발전케이블이동감지장치(280,232c)가 감지하면, 제어장치는 제1전자클러치(160)와 제2전자클러치(260)의 전자석(162,262)의 작동을 해제시킴으로써, 회전전달풀리(151,152)와 발전풀리(231,232)가 각각 회전축부(121,122) 및 발전축부(224)와 일체로 회전하도록 한다.

이에 따라, 도 9와 같이, 발전케이블(310,320)이 다시 회전전달풀리(151,152)로 이동하면서 지상발전체(200)의 발전축부(224)가 회전하여 발전이 이루어진다.

상기와 같은 순서의 과정은 반복적으로 발생하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 상기의 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에 있는 일 실시예에 불과하며, 동업계의 통상의 기술자에 있어서는, 본 발명의 기술적인 사상 내에서 다른 변형된 실시가 가능함은 물론이다.

11; 기구체 21; 발전체
31; 와이어 41; 전력케이블
12; 공중부양튜브 22; 풍력발전수단
32; 고정와이어 100; 공중회전구조체
110; 부양체 121,122; 회전축부
130; 날개 151,152; 회전전달풀리
152a; 베어링 160; 제1전자클러치
161,261; 클러치디스크 162,262; 전자석
163,263; 철재디스크 164,264; 스프링
165,265; 키 200; 지상발전체
210; 지지체 213; 바퀴
215; 바퀴구동체 221,222; 발전기
224; 발전축부 231,232; 발전풀리
232a; 베어링 232b; 기어부
232c; 마커 250; 권취전동기
251; 피니언 260; 제2전자클러치
271,272; 견인전동기 280; 감지수단
310,320; 발전케이블 410,420; 지지케이블
413,423; 베어링 510; 레일
520; 지지블록 F; 부양력
T; 장력

Claims

내부에 공중부양을 위한 부양가스가 충전되고 수평방향의 중심축을 가지며 상기 중심축에 직각방향으로 작용하는 풍력에 대하여 상기 중심축을 중심으로 하는 회전이 발생하도록 날개를 구비하는 부양체(110)와,
상기 중심축을 따라 양측으로 돌출되도록 상기 부양체에 고정되는 회전축부(121,122)와,
상기 중심축을 중심으로 설치되어 상기 회전축부와 함께 회전할 수 있는 회전전달풀리(151,152)를 포함하는 공중회전구조체(100);
지지체(210)와,
상기 지지체에 고정되는 발전기(221,222)와,
상기 발전기에 결합되어 상기 발전기에 회전력을 전달하고 있는 발전풀리(231,232)를 포함하는 지상발전체(200);
상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리가 연결되도록 설치되고 상기 회전전달풀리의 회전을 상기 발전풀리로 전달하는 발전케이블(310,320); 및
상기 공중회전구조체를 공중의 소정영역에 체류시키도록 양측의 상기 회전축부를 각각 지상구조물과 연결하는 한 쌍의 지지케이블(410,420);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
제1항에 있어서,
상기 회전전달풀리는 양측의 상기 회전축부에 각각 설치되어 한 쌍을 이루고,
상기 발전풀리는 서로 소정의 거리를 두고 위치하는 한 쌍으로 이루어지며,
상기 발전케이블은 상기 회전전달풀리의 한 쌍과, 상기 발전풀리의 한 쌍이 하나씩 서로 대응하여 연결되도록 설치되고 상기 회전축부의 회전을 상기 회전전달풀리로부터 상기 발전풀리로 전달하는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 공중회전구조체가 공중에 부양하여 상기 지지케이블이 팽팽하게 당겨진 상태에서,
상기 발전케이블은 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리에 각각 양단이 고정되어 감기도록 설치되되, 상기 회전전달풀리와 상기 발전풀리 중 어느 하나에서 풀리는 경우 나머지 하나에서는 감기는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
내부에 공중부양을 위한 부양가스가 충전되고 수평방향의 중심축을 가지는 부양체(110)와,
상기 중심축을 따라 양측으로 돌출되는 회전축부(121,122)와,
상기 중심축에 직각방향으로 작용하는 풍력에 대하여 상기 회전축부(121,122)의 회전이 발생하도록 상기 부양체(110)의 외주면 둘레를 따라 설치된 다수의 날개(130)와,
양측의 상기 회전축부(121,122)에 각각 설치되는 한 쌍의 회전전달풀리(151,152)를 포함하는 공중회전구조체(100);
지지체(210)와,
상기 지지체(210)에 고정되는 발전기(221,222)와,
상기 발전기(221,222)에 회전력을 전달하도록 설치되는 것으로 서로 소정의 거리를 두고 위치하는 한 쌍의 발전풀리(231,232)를 포함하는 지상발전체(200);
상기 한 쌍의 회전전달풀리(151,152)와 상기 한 쌍의 발전풀리(231,232)가 하나씩 서로 대응하여 연결되도록 설치되고 상기 회전축부(121,122)의 회전을 상기 회전전달풀리(151,152)로부터 상기 발전풀리(231,232)로 전달하는 한 쌍의 발전케이블(310,320); 및
상기 공중회전구조체(100)를 공중의 소정영역에 체류시키도록 상기 부양체(110)의 양측을 각각 지상구조물과 연결하는 한 쌍의 지지케이블(410,420);
을 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
제4항에 있어서,
상기 공중회전구조체(100)가 공중에 부양하여 상기 지지케이블(410,420)이 팽팽하게 당겨진 상태에서,
상기 발전케이블(310,320)은 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 발전풀리(231,232)에 각각 양단이 고정되어 감기도록 설치되되, 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 발전풀리(231,232) 중 어느 하나에서 풀리는 경우 나머지 하나에서는 감기는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
제5항에 있어서,
상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 회전축부(121,122) 사이에 설치되어 회전력의 전달을 단속시키는 제1전자클러치(160)와,
상기 제1전자클러치(160)가 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 회전축부(121,122) 사이의 회전력 전달을 차단시킬 때 상기 회전전달풀리(151,152)가 상기 회전축부(121,122)에 대하여 자유롭게 회전하도록 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 회전축부(121,122) 사이에 설치되는 베어링(152a)과,
상기 발전케이블(310,320)을 감도록 상기 발전풀리(231,232)를 회전시키는 권취전동기(250)와,
상기 발전케이블(310,320)이 상기 발전풀리(231,232)에서 상기 회전전달풀리(151,152)로 이동한 정도를 감지하는 발전케이블이동감지장치(280,232c)와,
상기 발전케이블(310,320)이 상기 회전전달풀리(151,152)로 이동한 정도가 설정치에 도달한 상태를 상기 발전케이블이동감지장치(280,232c)가 감지한 경우 상기 회전전달풀리(151,152)와 상기 회전축부(121,122) 사이의 회전력 전달을 차단시키도록 상기 제1전자클러치(160)를 작동시키고, 상기 발전케이블(310,320)을 상기 발전풀리(231,232)에 감도록 상기 권취전동기(250)를 작동시키는 제어장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
제6항에 있어서,
상기 발전풀리(231,232)와 상기 발전기(221,222) 사이에서 회전력의 전달을 단속하는 제2전자클러치(260)와,
상기 제2전자클러치(260)가 상기 발전풀리(231,232)와 상기 발전기(221,222) 사이의 회전력 전달을 차단시킬 때 상기 발전풀리(231,232)가 상기 발전기(221,222)에 대하여 자유롭게 회전하도록 상기 발전풀리(231,232)와 상기 발전기(221,222)의 발전축 사이에 설치되는 베어링이 더 설치되고,
상기 제어장치는
상기 권취전동기(250)를 작동시키는 경우 상기 발전풀리(231,232)와 상기 발전기(221,222) 사이의 회전력 전달이 차단되도록 상기 제2전자클러치(260)를 작동시키는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치
제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
풍향변화에 따라 수평면을 기준으로 상기 공중회전구조체(100)의 자세변화의 상태를 감지할 수 있도록 상기 공중회전구조체(100)에 설치되는 지피에스(GPS)수신기와,
상기 공중회전구조체(100)의 자세변화에 따라 상기 발전케이블(310,320)의 꼬임을 방지할 수 있도록 상기 지상발전체(200)를 회전시키는 지상발전체회전장치와,
상기 지피에스(GPS)수신기의 위치신호를 전달받아 상기 발전케이블(310,320)의 꼬임을 방지하기 위해 상기 지상발전체회전장치의 작동을 제어하는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 지상 발전기를 구비하는 공중풍력 발전장치