KR102021051B1 - 공중풍력발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공중풍력발전 시스템에 대한 것으로서, 특히, 카이툰을 이용한 공중풍력발전 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 중심이 편심된 우산 형태의 연과 헬륨이 충진된 부력챔버가 결합된 카이툰을 이용하여 안정적으로 공중풍력발전기의 공기 유입 방향을 바람 방향과 일치시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 중심이 편심된 우산 형태의 연과 헬륨이 충진된 부력챔버가 결합된 카이툰을 이용하여 강한 바람에도 최고 양력을 발생시킬 수 있다. 본 발명은 벤추리 구조이며 후방턱이 형성된 터빈을 사용하여 풍속을 극대화할 수 있다. 본 발명은 수평날개와 수직날개를 구비하여 피치 에러와 요 에러를 최소화할 수 있다. 본 발명은 터빈의 외면을 헬륨충진체로 감싸, 터빈에 양력을 부가하고 외부 충격으로부터 터빈을 보호할 수 있다. 또한, 본 발명은 센서를 이용하여 고도별 바람자료를 실시간으로 모니터링하여 소정시간마다 바람자원이 가장 좋은 고도에 공중풍력발전기가 위치할 수 있도록 자동으로 고도를 조정할 수 있다. 본 발명은 연결부재를 이용하여 테더와 공중풍력발전기를 간접연결하여 마찰에 의한 테더 절단을 방지할 수 있다. 본 발명은 카이툰의 끝단과 공중풍력발전기를 연결하여, 테더가 끊어지더라도 공중풍력발전기는 카이툰에 매달려 있으므로 공중풍력발전기가 지상으로 낙하하는 안전사고를 방지할 수 있다.

Description

공중풍력발전 시스템{airborne wind power generating system}

본 발명은 공중풍력발전 시스템에 대한 것으로서, 특히, 카이툰을 이용한 공중풍력발전 시스템에 관한 것이다.

공중풍력발전은 기구 등을 이용하여 지상 수백m 내지 수십km 높이에 풍력발전기를 띄워 전기를 생산하는 것을 의미한다. 또한, 공중풍력발전을 하기 위해서는 공중풍력발전 시스템을 구비하여야 하며, 공중풍력발전 시스템은 일반적으로 풍선이나 기구를 포함하는 비행체와, 비행체에 연결된 풍력발전기를 포함한다. 또한, 비행체는 케이블에 의해 지상에 고정된다.

하지만, 공중풍력발전의 경우 풍력발전기의 공기 유입구 방향을 바람 방향과 맞춰주는 것이 중요한데, 기존의 공중풍력발전 시스템은 주로 기구를 이용하기 때문에, 공중풍력발전기의 방향을 바람 방향과 맞추기 어려워 발전효율이 저하되는 문제가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0886214호(2009.02.23. 등록)

본 발명의 목적은 강한 바람이 불더라도 바람 방향과 공중풍력발전기의 방향을 맞출 수 있는 공중풍력발전 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 일단이 서로 접하며 타단이 서로 이격된 다수개의 지지대와, 상기 다수개의 지지대 사이에 형성된 다수개의 지지면을 포함하며, 상기 일단이 편심된 우산 형태의 연, 및 상기 연의 오목한 내부에 구비된 부력 챔버를 포함하는 카이툰과, 상기 지지대의 서로 접한 지지대 일단과 테더(케이블)로 연결된 윈치, 및 상기 테더(케이블)에 구비된 공중풍력발전기를 포함하는 공중풍력발전 시스템을 제공한다.

상기 공중풍력발전기는, 터빈과, 상기 터빈의 외주면을 감싸는 헬륨충진체를 포함하며, 상기 터빈은, 중공이되 벤추리 구조인 터빈 본체와, 상기 터빈 본체의 내부에 구비된 로터를 포함한다.

상기 터빈 본체는, 공기가 유입되는 입구에서 공기가 배출되는 출구로 갈수록 내부 지름이 감소하는 노즐부와, 상기 노즐부의 출구에서 연장되며, 상기 공기가 유입되는 입구에서 공기가 배출되는 출구로 갈수록 내부 지름이 증가하는 확산부를 포함하며, 상기 노즐부와 상기 확산부의 길이는 동일한 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 확산부의 외주연을 감싸도록 돌출 형성된 후방턱을 더 포함할 수 있으며, 상기 확산부의 좌우에 구비된 한 쌍의 수평날개를 더 포함할 수 있다.

상기 확산부의 상하에 구비되며, 상기 수평날개보다 길이가 짧은 한 쌍의 수직날개를 더 포함할 수 있다.

상기 테더(케이블)와 상기 공중풍력발전기 사이에 구비되며, 상기 테더(케이블)와 하나의 접점으로 연결된 연결용 고리를 포함할 수 있다.

본 발명은 중심이 편심된 우산 형태의 연과 헬륨이 충진된 부력챔버가 결합된 카이툰을 이용하여 안정적으로 공중풍력발전기의 공기 유입 방향을 바람 방향과 일치시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 중심이 편심된 우산 형태의 연과 헬륨이 충진된 부력챔버가 결합된 카이툰을 이용하여 강한 바람에도 최고 양력을 발생시킬 수 있다.

본 발명은 벤추리 구조이며 후방턱이 형성된 터빈을 사용하여 풍속을 극대화할 수 있다.

본 발명은 수평날개와 수직날개를 구비하여 피치 에러와 요 에러를 최소화할 수 있다.

본 발명은 터빈의 외면을 헬륨충진체로 감싸, 터빈에 양력을 부가하고 외부 충격으로부터 터빈을 보호할 수 있다.

또한, 본 발명은 센서를 이용하여 고도별 바람자료를 실시간으로 모니터링하여 소정시간마다 바람자원이 가장 좋은 고도에 공중풍력발전기가 위치할 수 있도록 자동으로 고도를 조정할 수 있다.

본 발명은 연결부재를 이용하여 테더와 공중풍력발전기를 간접연결하여 마찰에 의한 테더 절단을 방지할 수 있다.

본 발명은 카이툰의 끝단과 공중풍력발전기를 연결하여, 테더가 끊어지더라도 공중풍력발전기는 카이툰에 매달려 있으므로 공중풍력발전기가 지상으로 낙하하는 안전사고를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 카이툰의 평면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 공중풍력발전기의 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 공중풍력발전기의 정면도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 개략 단면도.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 헬륨충진체의 분리된 평면도.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 헬륨충진체의 정면도.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 개념도.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 공중풍력발전기의 정면도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 카이툰의 평면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 바람에 의해 공중에 띄워지는 카이툰(100)과, 지상에 구비된 윈치(200), 카이툰(100)과 윈치(200)를 연결하는 테더(300), 및 테더(300)에 연결되어 카이툰(100)과 함께 공중에 띄워지는 공중풍력발전기(400)를 포함한다.

카이툰(100)은 일방으로 치우친 우산 형태인 연과, 연의 내부에 구비된 부력 챔버(미도시)를 포함한다.

연은 바람에 의해 본 발명에 따른 카이툰을 공중에 띄우기 위한 것으로서, 하방이 개방된 우산 형태이되 테더(300)가 연결되는 중심이 편심된 것을 특징으로 한다. 이러한 연은 도 2에 도시된 바와 같이, 지지대(110)와 지지대(110)에 의해 구획되는 지지면(120)을 포함한다.

지지대(110)는 지지면(120)을 지지하기 위한 것으로서, 다수개가 서로 이격되어 구비된다. 본 실시예는 다수개의 지지대(110)로 8개의 지지대, 즉, 제1 지지대(111)와 제2 지지대(112), 제3 지지대(113), 제4 지지대(114), 제5 지지대(115), 제6 지지대(116), 제7 지지대(117) 및 제8 지지대(118)를 예시한다. 이때, 도시된 바와 같이, 제1 지지대(111) 내지 제8 지지대(118)는 일단이 서로 연결되며 타단은 서로 이격된다. 또한, 제1 지지대(111)와 제2 지지대(112)의 길이는 동일하며, 제3 지지대(113)와 제8 지지대(118)의 길이가 동일하다. 제4 지지대(114)와 제7 지지대(117)의 길이가 동일하며, 제5 지지대(115)와 제6 지지대(116)의 길이가 동일하다. 여기서, 제1 지지대(111)와 제3 지지대(113), 제4 지지대(114) 및 제5 지지대(115)의 길이는 서로 상이하며, 제1 지지대(111)와 제3 지지대(113), 제4 지지대(114) 및 제5 지지대(115)의 순서대로 길이가 길어진다. 또한, 제1 지지대(111)와 제8 지지대(118) 사이의 각도와, 제2 지지대(112)와 제3 지지대(113) 사이의 각도는 동일하며, 제3 지지대(113)와 제4 지지대(114) 사이의 각도와, 제7 지지대(117)와 제8 지지대(118) 사이의 각도는 동일하다. 또한, 제4 지지대(114)와 제5 지지대(115) 사이의 각도와, 제6 지지대(116)와 제7 지지대(117) 사이의 각도도 동일하다. 이때, 각각의 지지대 사이의 각도는, 제1 지지대(111)와 제6 지지대(116) 사이의 각도, 제4 지지대(114)와 제5 지지대(115) 사이의 각도, 제1 지지대(111)와 제2 지지대(112) 사이의 각도, 제3 지지대(113)와 제4 지지대(114) 사이의 각도 및 제2 지지대(112)와 제3 지지대(113) 사이의 각도 순으로 커진다. 다만, 제2 지지대(112)와 제3 지지대(113) 사이의 각도와 제3 지지대(113)와 제4 지지대(114) 사이의 각도는 동일할 수도 있다. 이러한 구조의 지지대(110)는 카본 재질인 것이 효과적이다. 하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 튜브 등에 사용되는 재질, 예를 들어, 합성고무, 폴리에테르, 강화폴리비닐 등을 이용하여 중공의 지지대를 형성하고, 그 내부를 헬륨으로 충진할 수도 있다.

지지면(120)은 다수개의 지지대(110) 사이에 형성되어 바람에 의해 본 발명에 따른 카이툰(100)이 부양될 수 있도록 한다. 이러한 지지면(120)은 제1 지지대(111) 내지 제8 지지대(118) 사이에 형성된 8개의 지지면을 포함하며, 이는, 제1 지지대(111)와 제2 지지대(112) 사이에 구비된 제1 지지면(121)과, 제2 지지대(112)와 제3 지지대(113) 사이에 형성된 제2 지지면(122) 제3 지지대(113)와 제4 지지대(114) 사이에 형성된 제3 지지면(123), 제4 지지대(114)와 제5 지지대(115) 사이에 형성된 제4 지지면(124), 제5 지지대(115)와 제6 지지대(116) 사이에 형성된 제5 지지면(125), 제6 지지대(116)와 제7 지지대(117) 사이에 형성된 제6 지지면(126), 제7 지지대(117)와 제8 지지대(118) 사이에 형성된 제7 지지면(127), 및 제8 지지대(118)와 제1 지지대(111) 사이에 형성된 제8 지지면(128)을 포함한다. 각각의 지지면은 제1 지지대(111) 내지 제8 지지대(118)의 끝단을 직선으로 연결하도록 가장자리가 형성되며, 이에 따라 본 발명에 따른 중심이 편심되며 하부가 개방되고, 상부로 오목하여 오목한 내부가 부력 챔버 장착 공간이 되는 우산 형태의 연이 형성된다. 이러한 형태에 의해서, 본 발명에 따른 카이툰(100)은 유체역학상 후방에서 양력이 발생하며, 이러한 양력은 카이툰(100)을 바람에 의해 기울어지지 않도록 하며 오히려 수직으로 유지시킨다.

한편, 본 발명에 따른 지지면(120)은 튜브 형태로서, 내부에 헬륨 가스를 충진할 수 있으며, 지지면(120)과 지지대(110) 내부를 연통시켜 지지면(120)과 지지대(110) 모두를 헬륨 가스로 충진할 수도 있다.물론, 지지면(120)보다 지지대(110)의 두께를 두껍게 하거나 보강바를 덧대어 지지대(110)의 강도를 증가시키는 것이 바람직하다.

부력 챔버는 연의 부력 챔버 장착 공간에 장착되어 본 발명에 따른 카이툰(100)의 부력을 증가시킨다. 이러한 부력 챔버는 부력 챔버 장착 공간에 하나만이 구비될 수도 있으나, 본 발명은 다수개의 부력 챔버가 부력 챔버 장착 공간에 장착되는 것을 예시한다. 이에 따라, 본 발명은 다수개의 부력 챔버 사이에 공간이 생겨, 해당 공간으로 바람이 연의 하부면을 효과적으로 밀어올릴 수 있다. 또한, 다수개의 부력 챔버는 서로 연통되어 있으며, 이에 따라, 다수개의 부력 챔버에 개별적으로 헬륨을 충진하지 않고, 하나의 부력 챔버에만 헬륨을 주입하면 나머지 부력 챔버에도 헬륨이 주입되므로 부력 챔버에 충진되는 헬륨의 양을 효과적으로 제어할 수 있다. 한편, 본 발명에 따른 부력 챔버는 풍선 형태인 원형 또는 타원형일 수 있으나, 내부에 헬륨 충진 공간이 형성되는 메쉬 형태의 튜브로 형성될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 공중풍력발전기의 개략 단면도이다.

공중풍력발전기(400)는 테더(300)에 고정되어 공중에서 풍력에 의해 전기를 생산하기 위한 것으로서, 풍력에 의해 전기를 생산하는 터빈과, 터빈의 외주연을 감싸는 헬륨충진체(500)(미도시)를 포함한다.

터빈은 중공의 터빈 본체(410)와, 터빈 본체(410) 내에 구비된 로터(450), 터빈 본체(410)의 외면에 구비된 수직날개(430)와 수평날개(440)를 포함한다.

터빈 본체(410)는 벤추리(venturi) 구조로서, 바람이 유입되는 노즐부와, 노즐부로 유입된 바람이 확산되는 확산부를 포함한다. 또한, 확산부의 외주연에는 후방턱(420)이 형성된다.

노즐부는 공기가 유입되는 영역이며, 노즐부 입구에서 노즐부 출구로 갈수록 내부 지름이 감소된다. 이에 따라, 노즐부 입구로 유입된 공기는 노즐부 출구로 갈수록 풍속이 점점 강해진다.

확산부는 노즐부 출구에서 연장되어 형성되며, 확산부 입구에서 확산부 출구로 갈수록 내부 지름이 증가된다. 본 발명은 노즐부와 확산부의 결합에 의해 벤추리 구조가 형성되며, 노즐부 출구, 즉, 노즐부와 확산부의 결합 영역, 즉, 경계 영역에서 공기의 풍속이 더욱 강해진다. 또한, 본 발명은 노즐부의 길이와 확산부의 길이는 동일한 것을 예시한다. 이는 노즐부 길이와 확산부 길이의 길이가 동일한 위치에서 가장 강한 풍속이 생성되기 때문이다.

후방턱(420)은 확산부의 외주연을 둘러싸도록 형성된다. 이에 따라, 터빈 본체(410)의 후방은 터빈 본체(410)의 전방보다 지름이 커지며, 후방 와류로 인해 터빈 본체(410) 후방의 압력이 낮아져 터빈 본체(410) 입구에서 바람이 빨려드는 형태로 빠르게 유입된다. 따라서, 후방턱(420)이 형성될 경우 터빈 본체(410) 입구, 즉, 노즐부 입구에서 풍속이 가장 빨라지므로 터빈 본체(410)에 유입되는 공기의 풍속을 더욱 증가시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 후방턱(420)의 전방, 즉, 공기가 유입되는 방향이 경사지도록 형성할 수 있다. 이 경우, 공중에서 강한 바람이 발생되더라도 공중풍력발전기(400)의 자세나 위치에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에서 확산부 입구에서의 풍속 강도는 후방턱(420) 높이(h)에 따라 상이하다. 후방턱(420)의 높이(h)를 증가시키면 풍속이 강해지지만 강한 바람에서의 안정성 등을 고려하면, 후방턱(420) 높이(h)는 벤추리 목 길이(L)의 20 내지 30%의 높이가 되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 터빈 본체(410)는 노즐부 입구에서 후방턱(420)까지 지름이 감소하도록 형성할 수 있으며, 이 경우, 터빈 본체(410)의 외주연은 수평에 대해 θ1만큼 각도를 가지게 된다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 공중풍력발전기의 정면도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 개략 단면도이다.

공중풍력발전기(400)는 마스터에 고정하는 육상풍력발전기와 동일하게 요(yaw) 에러가 발생할 뿐만 아니라 피치(pitch) 에러까지 추가적으로 발생된다. 따라서, 본 발명은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 요 에러를 감소시키는 수직날개(430)와 피치 에러를 감소시키는 수평날개(440)를 구비한다.

수직날개(430)는 요 에러를 감소시키기 위한 것으로서, 터빈 본체(410)의 일측에 구비된 제1 수직날개와, 제1 수직날개와 동일한 형상이며 터빈 본체(410)의 타측에 구비된 제2 수직날개를 포함한다.

수평날개(440)는 피치 에러를 감소시키기 위한 것으로서, 제1 수직날개와 제2 수직날개 사이의 일측에 구비된 제1 수평날개와, 제1 수직날개와 제2 수직날개 사이의 타측에 구비된 제2 수평날개를 포함한다. 제1 수평날개와 제2 수평날개는 서로 동일한 형상이다.

본 발명은 카이툰(100)의 방향 안정성의 영향으로 요 에러가 매우 작다. 하지만, 공중풍력발전기(400)는 공중에 매달려 있기 때문에 피치 에러가 크게 발생된다. 따라서, 수평날개(440)를 수직날개(430)에 비해 1.5배 크게 하여 피치 에러 발생을 최소화한다. 즉, 수직날개(430)와 수평날개(440)는 크기만 상이한 서로 동일한 형상이되, 끝단으로 갈수록 폭이 좁아지는 삼각형의 형태인 것이 바람직하다. 또한, 수직날개(430)와 수평날개(440)는 끝단으로 갈수록 좁아지는 삼각형의 형태로 형성하며, 바람 방향에 대해서 소정 경사(θ2)를 가지게 하여 와류를 최소화하면서 바람 방향에 잘 적응하도록 한다. 여기서, 소정 경사(θ2)는 15도 내지 20도를 예시한다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 헬륨충진체의 분리된 평면도이고, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 헬륨충진체의 정면도이다.

헬륨충진체(500)는 노즐부 입구와 확산부 출구를 제외한 터빈의 외면을 감싸도록 구비되며, 도 6에 도시된 바와 같이, 터빈의 상부를 덮는 헬륨충진체 상판(510)과, 터빈의 하부를 덮는 헬륨충진체 하판(520)을 포함한다.

헬륨충진체 상판(510)은 내부에 헬륨충진 공간이 형성된 튜브 형태이며, 터빈의 상부 형상과 동일하게 형성된다. 이러한 헬륨충진체 상판(510)은 노즐부 상판(511)과, 노즐부 상판(511)과 연결된 확산부 상판(512)을 포함한다.

헬륨충진체 하판(520)은 터빈의 하부 형상과 동일하게 형성되며, 본 실시예에서는 헬륨충진체 상판(510)과 동일한 형상으로 형성된다. 또한, 헬륨충진체 하판(520) 역시 내부에 헬륨충진 공간이 형성되며, 노즐부 하판(521)과 확산부 하판(522)이 연결되어 형성된다. 여기서, 헬륨충진체 상판(510)과 헬륨충진체 하판(520)은 벨크로 등으로 연결할 수 있다. 또한, 도 6 및 도 7을 참조하면, 헬륨충진체(500)를 터빈에 견고하게 고정시키기 위해서, 노즐부 입구와 확산부 출구에는 헬륨충진체(500)를 고정할 수 있는 구조가 형성될 수 있다. 이는 예를 들어, 노즐부 입구와 확산부 출구에 구비되어 헬륨충진체(500)의 가장자리에서 연장된 다수개의 연장판과 결합되는 벨크로일 수 있다.

테더(300)는 카이툰(100)과 윈치(200)를 연결하며, 윈치(200)에 권취되거나 권출되며 카이툰(100)이 공중에 띄워질 높이 이상의 길이로 구비되는 것이 바람직하다. 이러한 테더(300)는 강한 강도와 유연성을 가져야 하며, 경량이어야 한다. 물론, 테더(300) 내부를 통해 지지면(120)과 지지대(110) 중 적어도 어느 하나에 헬륨을 주입하거나 배출시킬 수 있다. 이 경우, 헬륨의 양을 제어함으로써 카이툰(100)의 부력을 제어할 수 있다.

윈치(200)는 테더(300)를 권취하거나 권출하며, 이에 따라 테더(300)의 길이를 제어하여 공중에 띄워지는 카이툰(100)의 높이를 제어한다. 윈치(200)를 제어하기 위해서는 사용자가 버튼을 통해 수동으로 테더(300)를 권취하거나 권출할 수 있으며, 카이툰(100)의 높이를 입력함으로써 테더(300)가 자동으로 권취되거나 권출되도록 할 수도 있다. 또한, 본 발명은 윈치(200) 자동 제어장치가 구비될 수 있으며, 이 경우, 센서로부터 획득된 풍속과 고도 등을 이용하여 카이툰(100)의 높이를 자동으로 제어할 수도 있다. 이는 예를 들어, 지상에서 300m 내지 1km 내의 테더(300)에 풍속 센서와 GPS를 포함하는 센서를 구비시키고, 고도별 30분 평균 풍속을 측정하여 가장 풍속이 뛰어난 고도에 공중풍력발전기(400)가 위치되도록 카이툰(100)의 높이를 조절할 수 있다. 물론, 이를 위해서, 센서와 공중풍력발전기(400)의 위치 차이를 미리 입력시켜야 한다. 물론, 센서가 공중풍력발전기(400) 또는 공중풍력발전기(400)와 근접한 테더(300)에 구비될 경우, 센서에 의해 측정된 고도는 공중풍력발전기(400)의 고도이므로 단순히 높이만 조절하면 된다.

한편, 본 발명은 공중풍력발전기(400)에서 생성되는 에너지를 지상에서 저장하는 에너지 저장 장치를 구비할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예는 중심이 편심된 우산 형태의 연과 헬륨이 충진된 부력챔버가 결합된 카이툰(100)을 이용하여 안정적으로 공중풍력발전기(400)의 공기 유입 방향을 바람 방향과 일치시킬 수 있다. 또한, 본 실시예는 중심이 편심된 우산 형태의 연과 헬륨이 충진된 부력챔버가 결합된 카이툰(100)을 이용하여 강한 바람에도 최고 양력을 발생시킬 수 있다. 본 실시예는 벤추리 구조이며 후방턱(420)이 형성된 터빈을 사용하여 풍속을 극대화할 수 있다. 또한, 본 실시예는 수평날개(440)와 수직날개(430)를 구비하여 피치 에러와 요 에러를 최소화할 수 있다. 본 실시예는 터빈의 외면을 헬륨충진체(500)로 감싸, 터빈에 양력을 부가하고 외부 충격으로부터 터빈을 보호할 수 있다. 또한, 본 실시예는 센서를 이용하여 고도별 바람자료를 실시간으로 머니터링하여 소정시간마다 바람자원이 가장 좋은 고도에 공중풍력발전기(400)가 위치할 수 있도록 자동으로 고도를 조정할 수 있다.

다음은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 후술될 본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 설명 중 전술된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명한다.

도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템의 개념도이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템에서 공중풍력발전기의 정면도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 바람에 의해 공중에 띄워지는 카이툰(100)과, 지상에 구비된 윈치(200), 카이툰(100)과 윈치(200)를 연결하는 테더(300), 카이툰(100)과 함께 공중에 띄워지는 공중풍력발전기(400), 및 테더(300)와 공중풍력발전기(400)를 연결하는 연결부재(310)를 포함한다. 여기서, 카이툰(100)과 윈치(200), 테더(300) 및 공중풍력발전기(400)의 설명은 전술된 본 발명의 제1 실시예에 따른 공중풍력발전 시스템과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

테더(300)에 공중풍력발전기(400)를 직접 연결할 경우, 강풍에 의해 테더(300)의 인장력이 매우 강하게 발생하므로 공중풍력발전기(400)의 터빈 본체(410), 즉, 하우징을 매우 강하게 제작해야 한다. 하지만, 터빈 본체(410)를 강하게 제작할수록 터빈 본체(410)의 무게가 증가하는 문제가 있다. 또한, 테더(300)와 공중풍력발전기(400)의 연결부위에서 마찰이 발생하므로 테더(300) 절단이 될 가능성이 높다. 따라서, 본 실시예는 연결부재(310)를 이용하여 공중풍력발전기(400)와 테더(300)를 연결한다.

연결부재(310)는 테더(300)와 공중풍력발전기(400)를 약하게 연결한다. 즉, 공중풍력발전기(400)가 두 개의 접점에서 테더(300)와 연결되면 카이툰(100)이 드래그되는 경우 테더(300)의 기울기에 영향을 받아 요(yaw)가 발생하게 되므로, 한 개의 접점에서 연결되게 하여 테더(300)의 기울기 영향을 최소화한다. 이에 따라, 테더(300)와 공중풍력발전기(400)는 독립적이면서도 의존적이므로 카이툰(100)의 움직임에 따라 공중풍력발전기(400)도 움직인다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 공중풍력발전기(400)의 끝단을 카이툰(100)의 끝단과 연결하여 요(yaw)를 더욱 감소시킬 수도 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시예는 연결부재(310)를 이용하여 테더(300)와 공중풍력발전기(400)를 간접연결하여 마찰에 의한 테더(300) 절단을 방지할 수 있다. 또한, 본 실시예는 카이툰(100)의 끝단과 공중풍력발전기(400)를 연결하여, 테더(300)가 끊어지더라도 공중풍력발전기(400)는 카이툰(100)에 매달려 있으므로 공중풍력발전기(400)가 지상으로 낙하하는 안전사고를 방지할 수 있다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 카이툰 110: 지지대
111: 제1 지지대 112: 제2 지지대
113: 제3 지지대 114: 제4 지지대
115: 제5 지지대 116: 제6 지지대
117: 제7 지지대 118: 제8 지지대
120: 지지면 121: 제2 지지면
122: 제2 지지면 123: 제3 지지면
124: 제4 지지면 125: 제5 지지면
126: 제6 지지면 127: 제7 지지면
128: 제8 지지면 200: 윈치
300: 테더 310: 연결부재
400: 공중풍력발전기 410: 터빈 본체
420: 후방턱 430: 수직날개
440: 수평날개 450: 로터
500: 헬륨충진체 510: 헬륨충진체 상판
511: 노즐부 상판 512: 확산부 상판
520: 헬륨충진체 하판 521: 노즐부 하판
522: 확산부 하판

Claims (8)

1. 일단이 서로 접하며 타단이 서로 이격된 다수개의 지지대와, 상기 다수개의 지지대 사이에 형성된 다수개의 지지면을 포함하며, 상기 일단이 편심된 우산 형태의 연, 및 상기 연의 오목한 내부에 구비된 부력 챔버를 포함하는 카이툰과,
   상기 지지대의 서로 접한 지지대 일단과 테더로 연결된 윈치, 및
   상기 테더에 구비된 공중풍력발전기를 포함하며,
   상기 공중풍력발전기는, 터빈과, 상기 터빈의 외주면을 감싸는 헬륨충진체를 포함하고,
   상기 터빈은, 중공이되 벤추리 구조인 터빈 본체와, 상기 터빈 본체의 내부에 구비된 로터를 포함하며,
   상기 터빈 본체는, 공기가 유입되는 입구에서 공기가 배출되는 출구로 갈수록 내부 지름이 감소하는 노즐부와, 상기 노즐부의 출구에서 연장되며, 상기 공기가 유입되는 입구에서 공기가 배출되는 출구로 갈수록 내부 지름이 증가하는 확산부를 포함하고, 상기 노즐부와 상기 확산부의 길이는 동일하며,
   상기 확산부의 외주연을 감싸도록 돌출 형성된 후방턱을 포함하는 공중풍력발전 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 확산부의 좌우에 구비된 한 쌍의 수평날개를 더 포함하는 공중풍력발전 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 확산부의 상하에 구비되며, 상기 수평날개보다 길이가 짧은 한 쌍의 수직날개를 더 포함하는 공중풍력발전 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 테더와 상기 공중풍력발전기 사이에 구비되며, 상기 테더와 하나의 접점으로 연결된 연결용 고리를 포함하는 공중풍력발전 시스템.

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