KR101235910B1

KR101235910B1 - 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법.

Info

Publication number: KR101235910B1
Application number: KR1020110112494A
Authority: KR
Inventors: 강왕구; 황인성; 김승조
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: US9422920B2; WO2013065979A1; US20140252776A1

Abstract

본 발명은 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법에 관한 것으로서, 고공 풍력 발전 시스템은, 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템에 있어서, 내부에 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창되는 부력 기구; 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과, 피치 중심선을 중심으로 피치각이 개별적으로 조절되며, 상기 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈; 상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있으며, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 모터 겸용 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 고공 풍력 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템 및 그 시스템의 운용 방법.{High-altitude Wind power generating system with cycloidal turbine and motor-generator and a method of using the same system.}

본 발명은 고공 풍력 발전 시스템에 관한 것으로서, 특히 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 고공 풍력 발전 시스템에 관한 것이다.

기존의 고공 풍력 발전 시스템에서는, 비행선(aerostat)이나 풍선(balloon)과 같은 부력 기구와, 상기 부력 기구에 매달린 상태로 유체의 유동방향, 즉 전방에서 불어오는 바람 방향에 대하여 실질적으로 나란하게 배치된 수평축과, 일단이 상기 수평축에 결합되어 상기 수평축을 기준으로 바람개비처럼 회전 운동하는 방사형의 블레이드를 구비하는 수평축 방식이 일반적이었다. 예컨대, 한국공개특허공보(공개번호 10-2011-0108485, 공개일자 2011년10월06일)의 도 1에 도시된 풍력발전시스템이 수평축 방식이다.

그러나, 이러한 종래의 수평축 방식은, 요구되는 전력을 생산하기 위해서 반경이 매우 큰 블레이드의 장착이 불가피한데, 이렇게 큰 반경의 블레이드로 인하여 상기 블레이드를 상기 부력 기구에 장착하기 위한 구조가 복잡해지고, 전체적인 시스템의 부피와 중량이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 종래의 수평축 방식은, 대부분 블레이드의 끝단이 오픈된 상태에서 고속으로 회전하는 구조인 바, 고공에서 운용시 큰 반경의 블레이드가 상기 부력 기구를 타격하는 등의 안전 사고 위험이 증대되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있도록 구조가 개선된 고공 풍력 발전 시스템을 제공하기 위함이다.

본 발명의 다른 목적은, 상기 고공 풍력 발전 시스템을 운용하는 방법을 제공하기 위함이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고공 풍력 발전 시스템은, 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템에 있어서, 내부에 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창되는 부력 기구; 상기 부력 기구의 하단부에 배치되어 있으며, 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과, 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란하도록 길게 연장된 상태로 상기 회전축의 원주 방향을 따라 복수 개 배치되어 있으며, 상기 피치 중심선이 전방에서 흘러오는 유체의 유동방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된 상태로 상기 회전축과 미리 정한 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 피치 중심선을 중심으로 피치각이 개별적으로 조절되며, 상기 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈; 상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있으며, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 모터 겸용 발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 싸이클로이달 터빈은, 서로 이격된 상태로 중심부가 상기 회전축의 양단부에 각각 회전 불가능하게 고정되어 있으며, 상기 회전축의 반경 방향으로 복수 개 연장된 방사형 스포크의 끝단부에는 상기 블레이드의 양단부가 각각 회전 가능하게 지지되어 있는 한 쌍의 지지 허브를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 부력 기구는, 팽창시에 에어포일 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일인 것이 바람직하다.

여기서, 미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록, 일단이 지상에 고정된 계류선의 타단에 연결되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 계류선은 지상에 고정된 지상 윈치에 의하여 길이가 조절되는 것이 바람직하다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 고공 풍력 발전 시스템을 운용하는 방법으로서, 상기 부력 기구에 부력 발생 가스를 주입하여 팽창시키는 부력 발생 가스 주입 단계; 상기 부력 기구에 의하여 발생되는 부력과 상기 부력 기구로부터 발생되는 공기역학적 양력을 확보하는 부력 및 양력 확보 단계; 상기 부력 기구를 미리 정한 고도와 위치에 배치하는 고공 배치 단계; 상기 모터 겸용 발전기가 발전 모드로 작동하여 전기를 발생시키는 풍력 발전 단계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 부력 및 양력 확보 단계에서는, 상기 모터 겸용 발전기가 모터 모드로 작동함으로써, 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 풍력 발전 단계는 전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 높은 풍속일 경우에만 수행되고, 전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 낮은 풍속일 경우에는 상기 모터 겸용 발전장치를 모터 모드로 사용함으로써 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 고도 유지 단계;를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 복수 개의 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈과, 상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있는 모터 겸용 발전기를 구비함으로써, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 고공 풍력 발전 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 고공 풍력 발전 시스템의 사시도이다.
도 2는 발전 모드에서, 도 1에 도시된 블레이드의 회전각에 따라 피치각이 조절되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 발전 모드에서, 도 2에 도시된 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 나타낸 그래프이다.
도 4는 모터 모드에서, 도 1에 도시된 블레이드의 회전각에 따라 피치각이 조절되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 발전 모드에서, 도 4에 도시된 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 고공 풍력 발전 시스템의 사시도이며, 도 2는 발전 모드에서, 도 1에 도시된 블레이드의 회전각에 따라 피치각이 조절되는 상태를 나타내는 도면이다. 도 3은 발전 모드에서, 도 2에 도시된 블레이드의 회전각에 따른 피치각을 나타낸 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 지면(G)으로부터 고도 300m 내지 500mm 정도의 고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템으로서, 부력 기구(10)와, 싸이클로이달 터빈(20)과, 모터 겸용 발전기(30)를 포함하여 구성된다.

상기 부력 기구(10)는, 기밀 가능한 직물이나 합성수지 재질 시트 등으로 제조된 연식(nonrigid) 기구로서, 내부에 공기보다 밀도가 낮은 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창(inflated)되는 부력 기구이다. 본 실시예에서는, 상기 부력 기구(10)로서, 평상시 지상에서는 접어서 보관될 수 있으며, 팽창시에 에어포일(airfoil) 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일(parafoil)이 사용되고 있다. 본 실시예에서는, 상기 부력 발생 가스로서, 헬륨 가스를 사용하고 있다.

상기 싸이클로이달 터빈(cycloidal turbine)(20)은, 전방에서 불어오는 바람(W)으로부터 풍력 발전을 위한 회전력을 얻거나 외부로부터 구동력을 받아서 강제 회전됨으로써 추력이나 양력을 발생시킬 수 있는 장치로서, 상기 부력 기구(10)의 하측에 배치되어 있다. 상기 싸이클로이달 터빈(20)은, 회전축(21)과, 블레이드(22)와, 지지 허브(23)를 구비한다.

상기 회전축(21)은, 지면(G)과 실질적으로 수평한 자세로 전방에서 불어오는 바람(W) 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치되어 있는 축으로서, 회전축 중심선(C)을 기준으로 회전가능하게 마련되어 있다.

상기 지지 허브(23)는, 한 쌍이 마련되는 원판형 부재로서, 서로 이격된 상태로 각각의 중심부가 상기 회전축(21)의 양단부에 회전 불가능하게 고정되어 있다.

상기 지지 허브(23)에는, 상기 회전축(21)의 반경 방향으로 연장되며, 상기 회전축(21)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격되어 배치된 복수 개의 방사형 스포크(24)가 형성되어 있다.

상기 블레이드(22)는, 상기 회전축(21)을 중심으로 회전하는 에어포일 형상의 단면을 가진 날개(blade)로서, 양단에는 1/4 시위 상에 돌출된 블레이드 지지부(25)가 형성되어 있다.

상기 블레이드 지지부(25)는, 상기 방사형 스포크(24)의 끝단부에 각각 회전 가능하게 지지됨으로써, 상기 회전축(21)의 원주 방향을 따라 미리 정한 간격만큼 이격되어 복수 개 배치된다. 따라서, 상기 각 블레이드(22)는, 1/4 시위 상에 형성된 가상의 피치 중심선(P)을 기준으로 개별적으로 피치각(pitch angle)(θ) 조절이 가능한 구조이다. 여기서, 상기 각 블레이드(22)의 피치 중심선(P)과 상기 회전축 중심선(C)과의 거리를 동일하다.

상기 블레이드(22)는, 상기 피치 중심선(P)이 상기 회전축 중심선(C)과 나란하도록 길게 연장된 상태로, 상기 피치 중심선(P)이 유체의 유동방향, 즉 전방에서 불어오는 바람(W) 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된다.

상기 싸이클로이달 터빈(20)에는, 상기 블레이드(22)의 회전각(phase angle)(φ)에 따라 피치각(θ)이 개별적으로 자동 조절될 수 있는 피치각 조절 유니트(미도시)가 장착되어 있으나, 그에 대한 내용은 당업자에게 공지된 기술로서, 한국등록특허공보(발명자: 김승조 외 2인, 등록번호: 10-0558462, 출원일자: 2003년10월09일)의 피치제어부(140)에 대한 기재 등에서 상세히 설명되어 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.

상기 피치각 조절 유니트(미도시)를 조절하게 되면, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 블레이드(22)가 상기 회전축(21)을 중심으로 회전하는 동안, 주기적으로 각 회전각(φ) 위치에서 미리 정한 피치각(θ)을 가질 수 있게 된다.

상기 싸이클로이달 터빈(20)은, 풍력에 의하여 전기를 발생시키는 발전 모드에서는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 블레이드(22)의 회전각(φ)에 따른 피치각(θ) 패턴을 가지며, 상기 모터 겸용 발전기(30)가 상기 회전축(21)에 구동력을 발생시키는 모터 모드에서는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같은 블레이드의 회전각(φ)에 따른 피치각(θ) 패턴을 가지게 된다. 여기서, 상기 회전각(φ)이 0°인 지점이 전방에서 불어오는 바람(W)의 하류 측이며, 상기 회전각(φ)이 180°인 지점이 전방에서 불어오는 바람(W)의 상류 측이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 발전 모드에서는 상기 회전각(φ)이 180°인 지점에서 상기 블레이드(22)가 최대 피치각(θ)을 가지며, 도 5에 도시된 바와 같이, 모터 모드에서는 상기 회전각(φ)이 90°인 지점에서 상기 블레이드(22)가 최대 피치각(θ)을 가지게 된다. 본 실시예에서는, 모터 모드에서 발생되는 추력(T)이 φ= 90°인 방향과 일치하도록, 즉 모터 모드에서 순수하게 수직방향의 양력(T)만 발생하도록 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)이 조절된다.

상기 모터 겸용 발전기(30)는, 전기를 발생시키는 발전 모드와 구동력을 발생시키는 모터 모드의 전환이 가능한 모터 겸용 발전기(motor-generator)로서, 한 쌍이 마련되며, 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 회전축(21) 양단에 각각 연결되어 있다.

상기 모터 겸용 발전기(30)는, 발전 모드에서는 상기 회전축(21)의 회전력을 전달받아 풍력 발전을 수행하며, 모터 모드에서는 지상에 설치된 배터리(미도시) 등의 외부전원으로부터 전기를 공급받아 회전 구동력을 상기 회전축(21)으로 전달한다.

상기 한 쌍의 모터 겸용 발전기(30)의 상단부는, 'ㄷ'자형으로 형성된 상부 프레임(12)의 양단에 형성된 제1 결합부(14)에 회전 불가능하게 각각 결합되며, 상기 한 쌍의 모터 겸용 발전기(30)의 하단부는, 'ㄷ'자형으로 형성된 하부 프레임(13)의 양단에 형성된 제2 결합부(15)에 회전 불가능하게 각각 결합되어 있다.

상기 상부 프레임(12) 및 하부 프레임(13)은, 상기 모터 겸용 발전기(30)와 결합되었을 때, 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 상하로 감쌀 수 있는 형태로 배치된다.

상기 부력 기구(10)는, 복수 개의 산줄(11)에 의하여, 상기 상부 프레임(12)의 상단부에 형성된 산줄 연결부(16)에 연결되어 있다.

상기 하부 프레임(13)의 하단부에는 계류선 연결부(17)가 형성되어 있으며, 상기 계류선 연결부(17)에는 일단부가 지면(G)에 고정된 계류선(40)의 타단부가 연결되어 있다.

상기 계류선(40)에는, 상기 모터 겸용 발전기(30)에 의하여 발전된 전기를 지상으로 송전하거나, 모터 구동을 위한 전기를 지상으로부터 상기 모터 겸용 발전기(30)로 송전하기 위한 용도의 전선(미도시)이 장착되어 있다.

상기 계류선(40)의 일단부는, 지면(G)에 고정된 지상 윈치(50)에 연결됨으로써, 지면(G)에 고정되어 있다.

상기 지상 윈치(50)는, 전동에 의하여 상기 계류선(40)을 감거나 풀 수 있는 권양기로서, 정지시에는 상기 계류선(40)이 풀리지 않도록 상기 계류선(40)의 일단부를 견고히 고정할 수 있다.

이하에서는, 상술한 구성의 고공 풍력 발전 시스템(100)을 운용하는 방법의 일례를 설명하기로 한다.

먼저, 지상에서 상기 부력 기구(10) 내에 헬륨 가스를 주입하게 되면, 상기 부력 기구(10)가 팽창하면서 에어포일(airfoil) 형상의 단면을 가지게 되며, 외부 공기와의 밀도 차에 의한 부력으로 인하여, 상기 부력 기구(10)가 지면(G)에서 부상하게 된다. 이렇게 상기 부력 기구(10)가 지면(G)에서 떠오르게 되면, 상기 산줄(11)은 팽팽한 상태로 되며, 상기 산줄(11)에 의하여 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)가 부력을 받게 된다. (부력 발생 가스 주입 단계, S10)

이때, 전방에서 불어오는 바람(W)이 있는 경우에는, 상기 부력 기구(10)의 에어포일 형상으로부터 발생되는 공기역학적 양력에 의하여, 추가적으로 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등이 상승력을 받아 지면(G)으로부터 떠오르게 된다. 여기서, 상기 부력 기구(10)에 의한 부력 및 양력이 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 부상시키기에 부족한 경우에는, 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 모터 모드에서 구동함으로써, 상기 블레이드(22)에 의하여 발생되는 양력을 추가적으로 이용할 수도 있다. (부력 및 양력 확보 단계, S20)

이어서, 상기 지상 윈치(50)를 가동하여 상기 계류선(40)을 풀어주게 되면, 상기 부력 기구(10)는 계속 상승하게 되고, 상기 부력 기구(10)가 지면(G)으로부터 고도 300m 내지 500mm 정도의 고공에 도달하였을 때, 상기 지상 윈치(50)를 정지시키게 되면, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)의 고공 배치가 완료된다. (고공 배치 단계, S30)

이렇게, 상기 부력 기구(10)가 미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록 고정된 후, 상기 부력 기구(10)의 고도가 유지될 수 있을 정도로 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 미리 정한 풍속(V_W)보다 높은 풍속인 것이 확인되면, 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 피치각 조절 유니트(미도시)를 조절하여, 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)을 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 풍력에 의하여 전기를 발생시키는 발전 모드로 조절하고, 아울러 상기 모터 겸용 발전기(30)를 발전 모드로 설정하면, 전방에서 불어오는 바람(W)에 의하여 상기 블레이드(22)가 앞전 쪽의 회전방향(R)으로 회전하게 되고, 상기 지지 허브(23)에 의하여 상기 블레이드(22)와 연결된 상기 회전축(21)도 같은 회전방향(R)으로 회전하게 되며, 상기 회전축(21)에 연결된 모터 겸용 발전기(30)에 의하여 풍력 발전이 이루어진다. (풍력 발전 단계, S40)

한편, 이렇게 풍력 발전이 이루어지다가, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 약해지면 상기 부력 기구(10)의 양력이 감소하게 되며, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 상기 미리 정한 풍속(V_W)보다 낮은 풍속일 경우 상기 부력 기구(10)의 부력 및 양력만으로 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등의 고도를 유지하기 힘들어진다. 따라서, 이때에는 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 피치각 조절 유니트(미도시)를 조절하여, 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)을 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 모터 모드로 조절하고, 아울러 상기 모터 겸용 발전기(30)를 모터 모드로 설정한다. 이렇게 하면, 지상에서 공급된 전기에 의하여 상기 모터 겸용 발전기(30)로부터 발생되는 모터 구동력이 상기 회전축(21)에 전달되고, 상기 블레이드(22)의 강제 회전에 의하여 수직방향의 양력(T)이 발생함으로써, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등의 고도 하강이 방지되어 미리 정한 고도가 유지된다.(고도 유지 단계, S50)

상술한 단계들은, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속을 측정하거나 상기 부력 기구(10)의 고도를 측정하는 각종 센서들(미도시)과, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)를 자동제어할 수 있는 제어장치(미도시)에 의하여, 자동으로 수행될 수 있다.

상술한 구성의 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 지면(G)과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축(21)과, 상기 피치 중심선(P)이 상기 회전축의 중심선(C)과 나란한 상태로 상기 회전축(21)을 중심으로 회전하는 복수 개의 블레이드(22)를 포함하는 싸이클로이달 터빈(20)과, 상기 싸이클로이달 터빈(20)의 회전축(21)과 연결되어 있는 모터 겸용 발전기(30)를 구비하고 있으므로, 발전 모드에서는 상기 회전축(21)의 회전력을 전달받아 풍력 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축(21)으로 상기 모터 겸용 발전기(30)의 모터 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 종래의 수평축 방식과 달리, 상기 회전축(21)이 전방에서 불어오는 바람(W) 방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된 수직축 방식의 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 구비하고 있으므로, 동일한 전력을 생산을 기준으로 상기 블레이드(22)의 반경을 종래보다 더 작게 만들 수 있는 바, 전체적인 시스템의 크기를 작게 할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 수직축 방식의 상기 싸이클로이달 터빈(20)을 구비하고 있으므로, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 모터 겸용 발전기(30)를 상기 회전축(21)의 양단에 각각 장착함으로써, 상기 계류선(40)을 중심으로 좌우 대칭적인 형상의 구조를 형성할 수 있는 바, 상기 부력 기구(10)에 장착된 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)의 무게 중심이 상기 계류선(40)과 나란하게 위치할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30)를 상기 부력 기구(10)에 장착하기 용이하며, 상기 지상 윈치(50)가 상기 계류선(40)을 감거나 풀어낼 때에, 안정적인 자세를 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 블레이드의 끝단이 오픈된 상태에서 고속 회전하는 종래의 수평축 방식과는 달리, 상기 블레이드(22)의 양끝단이 상기 지지 허브(23)에 의하여 폐쇄되어 있으므로, 상기 블레이드(22)가 운용시 상기 부력 기구(10)나 사람을 타격하는 등의 안전 사고가 발생하지 않는 장점이 있다.

한편, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 상기 부력 기구(10)가 평상시 지상에서는 접어서 보관될 수 있으며 팽창시에 에어포일 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일이므로, 지상에서 보관할 때 상기 부력 기구(10)의 부피가 작아서 보관이 용이하며, 상기 부력 기구(10)의 에어포일 형상으로부터 발생되는 공기역학적 양력에 의하여 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 상승시킬 수 있는 추가적인 상승력을 확보할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 상기 부력 기구(10)가 공기역학적 양력을 발생시킬 수 없는 구형 풍선(balloon)인 경우와 비교할 때, 동일한 상승력을 발휘하기 위하여 더 작은 부피의 부력 기구(10)를 사용할 수 있는 바, 전체적인 제조 비용이 감소되는 장점이 있다.

그리고, 상기 고공 풍력 발전 시스템(100)은, 지면(G)에 고정된 지상 윈치(50)에 연결된 계류선(40)을 구비하고 있으므로, 상기 계류선(40)의 길이 조절을 통하여 상기 부력 기구(10)를 상승시키거나 하강시키는 것이 편리하며, 상기 부력 기구(10)를 미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록 고정하는 것이 용이하다는 장점이 있다.

한편, 상술한 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 부력 및 양력 확보 단계(S20)에서, 상기 모터 겸용 발전기(30)가 모터 모드로 작동함으로써 상기 싸이클로이달 터빈(20)에 의하여 추가적인 양력이 발생되므로, 상기 부력 기구(10)에 의한 부력 및 양력이 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 부상시키기에 부족한 경우에도, 상기 싸이클로이달 터빈(20) 및 모터 겸용 발전기(30) 등을 용이하게 부상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 상기 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법은, 상기 풍력 발전 단계(S40)는 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 미리 정한 풍속(V_W)보다 높은 풍속일 경우에만 수행되고, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 상기 미리 정한 풍속(V_W)보다 낮은 풍속일 경우에는 상기 모터 겸용 발전장치(30)를 모터 모드로 사용함으로써 상기 싸이클로이달 터빈(30)에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 고도 유지 단계(S50)를 구비하고 있으므로, 전방에서 불어오는 바람(W)의 풍속이 상기 미리 정한 풍속(V_W)보다 낮거나 전방에서 불어오는 바람(W)이 없는 경우에도, 상기 부력 기구(10)의 고도를 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 실시예에서는, 모터 모드에서 발생되는 추력(T)이 φ= 90°인 방향과 일치하도록, 즉 순수하게 수직방향의 양력(T)만 발생하도록 상기 블레이드(22)의 피치각(θ)을 조절하고 있으나, 수직방향의 양력과 전후 수평방향의 추력이 동시에 발생할 수 있도록 상기 피치각(θ)을 조절할 수 있음은 물론이다. 상기 싸이클로이달 터빈(20)이 전후 수평방향의 추력을 발생시키게 되면, 상기 부력 기구(10)의 고도 유지뿐만 아니라, 수평 위치 조절도 가능해지는 장점이 있다.

이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.

＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 고공 풍력 발전 시스템 10 : 부력 기구
11 : 산줄 12 : 상부 프레임
13 : 하부 프레임 14 : 제1 결합부
15 : 제2 7결합부 16 : 산줄 연결부
17 : 계류선 연결부 20 : 싸이클로이달 터빈
21 : 회전축 22 : 블레이드
23 : 지지 허브 24 : 방사형 스포크
25 : 블레이드 지지부 30 : 모터 겸용 발전기
40 : 계류선 50 : 지상 윈치
C : 회전축 중심선 P : 피치 중심선
R : 회전방향 W : 바람
G : 지면

Claims

고공에 체류하면서 풍력에 의하여 발전을 하는 고공 풍력 발전 시스템에 있어서,
내부에 부력 발생 가스가 주입됨으로써 팽창되는 부력 기구;
상기 부력 기구의 하측에 배치되어 있으며, 지면과 실질적으로 수평하게 배치된 회전축과, 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란하도록 길게 연장된 상태로 상기 회전축의 원주 방향을 따라 복수 개 배치되어 있으며, 상기 피치 중심선이 전방에서 흘러오는 유체의 유동방향에 대하여 실질적으로 수직하게 배치된 상태로 상기 회전축과 미리 정한 거리만큼 이격되어 있으며, 상기 피치 중심선을 중심으로 피치각이 개별적으로 조절되며, 상기 피치 중심선이 상기 회전축의 중심선과 나란한 상태로 상기 회전축을 중심으로 회전하는 블레이드를 포함하는 싸이클로이달 터빈;
상기 싸이클로이달 터빈의 회전축과 연결되어 있으며, 발전 모드에서는 상기 회전축의 회전력을 전달받아 발전하며, 모터 모드에서는 상기 회전축으로 구동력을 전달하여 양력이나 추력을 발생시킬 수 있는 모터 겸용 발전기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 싸이클로이달 터빈은,
서로 이격된 상태로 중심부가 상기 회전축의 양단부에 각각 회전 불가능하게 고정되어 있으며, 상기 회전축의 반경 방향으로 복수 개 연장된 방사형 스포크의 끝단부에는 상기 블레이드의 양단부가 각각 회전 가능하게 지지되어 있는 한 쌍의 지지 허브를 포함하는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 부력 기구는,
팽창시에 에어포일 형상의 단면을 구비하게 되는 부력형 파라포일인 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
제 1항에 있어서,
미리 정한 고도와 위치에 머물 수 있도록, 일단이 지상에 고정된 계류선의 타단에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 계류선은 지상에 고정된 지상 윈치에 의하여 길이가 조절되는 것을 특징으로 하는 싸이클로이달 터빈과 모터 겸용 발전기를 장착한 고공 풍력 발전 시스템.
제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재되어 있는 고공 풍력 발전 시스템을 운용하는 방법으로서,
상기 부력 기구에 부력 발생 가스를 주입하여 팽창시키는 부력 발생 가스 주입 단계;
상기 부력 기구에 의하여 발생되는 부력과 상기 부력 기구로부터 발생되는 공기역학적 양력을 확보하는 부력 및 양력 확보 단계;
상기 부력 기구를 미리 정한 고도와 위치에 배치하는 고공 배치 단계;
상기 모터 겸용 발전기가 발전 모드로 작동하여 전기를 발생시키는 풍력 발전 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법.
제 6항에 있어서,
상기 부력 및 양력 확보 단계에서는,
상기 모터 겸용 발전기가 모터 모드로 작동함으로써, 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 것을 특징으로 하는 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법.
제 6항에 있어서,
상기 풍력 발전 단계는 전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 높은 풍속일 경우에만 수행되고,
전방에서 불어오는 바람의 풍속이 미리 정한 풍속보다 낮은 풍속일 경우에는 상기 모터 겸용 발전장치를 모터 모드로 사용함으로써 상기 싸이클로이달 터빈에 의하여 추가적인 양력이 발생되는 고도 유지 단계;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 고공 풍력 발전 시스템의 운용 방법.