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KR200447478Y1 - 기구 풍력 집중식 발전기 - Google Patents

기구 풍력 집중식 발전기 Download PDF

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KR200447478Y1
KR200447478Y1 KR2020090011355U KR20090011355U KR200447478Y1 KR 200447478 Y1 KR200447478 Y1 KR 200447478Y1 KR 2020090011355 U KR2020090011355 U KR 2020090011355U KR 20090011355 U KR20090011355 U KR 20090011355U KR 200447478 Y1 KR200447478 Y1 KR 200447478Y1
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Abstract

본 고안은, 높은 고도의 빠른 바람을 이용하여 발전을 할 수 있고, 풍속을 증가시켜 발전량을 증가시키며, 바람의 방향과 속도에 따라 스스로 위치를 조정할 수 있으며, 이동과 설치가 자유로운 기구를 이용한 풍력 발전기에 관한 것으로서, 하부는 넓고 상부는 좁은 관통부가 중앙에 형성된 가벼운 기체로부터 부양력을 얻는 한 쌍의 기구, 관통부의 상부에 설치된 풍력 터빈, 기구를 복수의 지지 와이어 및 연결 와이어로 지상에 고정하는 기구 풍력 발전기를 제공한다.
풍력, 집중, 발전, 기구, 태양전지, 풍속추적, 이동설치

Description

기구 풍력 집중식 발전기{Balloon Wind Gathering Type Power Plant}
본 고안은 기구를 이용한 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가벼운 기체로부터 부양력을 얻는 기구를 이용하여 높은 고도에서 발전을 할 수 있고, 풍력집중을 통하여 풍속을 증가시켜 발전량을 증가시키며, 바람의 방향과 속도에 따라 스스로 위치를 조정할 수 있으며, 이동과 설치가 자유로운 기구를 이용한 풍력 발전기에 관한 것이다.
현재 전기 발전을 위해서 가장 많이 사용되는 에너지원은 석유, 석탄, 천연가스 등의 화석 연료이다. 화석 연료는 연소시 발생하는 일산화탄소, 질소산화물 등의 폐기 가스에 의해 대기 오염을 유발하고, 이산화탄소 등은 지구 온난화를 유발하여 환경을 파괴하고 있다. 또한, 화석 연료 고갈의 위험성은 화석 연료를 이용한 발전의 비용을 증가시키고 있고, 다른 에너지원에 대한 필요성을 증가시킨다. 이러한 화석 연료를 대체하기 위하여 친환경적이고 경제적인 다양한 풍력 발전을 포함한 에너지원이 시험되고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 풍력 발전기를 도시한다. 도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 풍력 발전기(10)는 지면에 수직하게 설치되는 지지부(11), 지지부(11)의 상단에 설치되는 발전부(12), 발전부(12)의 전방에 설치되는 회전날개(13) 및 발전부(12)의 후방에 설치되는 꼬리날개(14)를 포함한다.
바람이 불면 회전날개(13)가 회전하고, 회전날개(13)의 회전력은 발전부(12)에서 전력으로 변환된다. 꼬리날개(14)는 바람의 방향에 따라 발전부(12), 회전날개(13) 및 꼬리날개(14)가 지지부(11)에 대하여 회전하게 하여, 회전날개(13)가 항상 바람 방향에 수직하게 하여 발전 효율을 극대화하도록 한다.
하지만 풍력발전기에서 발전에너지
Figure 112009053300835-utm00001
(ρ: 공기밀도, A : 풍력 발전기 회전 면적, v : 풍속)에 의하여 풍속은 풍력발전의 가장 중요한 요소이지만, 자연 상태에서 풍속이 일정하지 않고 충분하지 않아 발전에 큰 어려움이 따른다. 또한 지면 가까이에서는 지면에 의한 저항에 의하여 바람이 약하게(고도가 증가할수록 풍속은 빨라진다) 되고, 지면에 고정된 풍력 발전기(10)는 경관을 훼손하고 소음을 유발하며 설치 공간의 제약을 받는다.
본 고안은 상술한 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 높은 고도의 빠른 바람을 이용한 풍력 발전기를 제공하는 것을 일목적으로 한다. 또한, 본 고안은 바람의 방향에 관계없이 발전하고, 풍속을 증가시켜 발전 효율을 극대화시킬 수 있는 풍력 발전기를 제공하는 것을 추가적인 목적으로 한다. 그리고, 본 고안은 이동설치와 보관이 자유로우며, 환경을 파괴하지 않고 설치 가능한 풍력 발전기를 제공하는 것을 추가적인 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기구 풍력 집중식 발전기는, 하부는 넓고 상부는 좁은 관통부가 중앙에 형성되고 공기보다 가벼운 기체로부터 부양력을 얻는 한 쌍의 단위 기구; 상기 관통부의 상부에 설치된 풍력 터빈; 상기 기구의 하부에 연결된 복수의 지지 와이어; 및 상기 지지 와이어와 고정부를 연결하는 연결 와이어를 포함하고, 상기 기구가 상기 지지 와이어와 상기 연결 와이어에 의해 상기 고정부에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 고안은, 상기 기구 하부 양단을 가로질러 설치되는 간격 와이어; 및 상기 기구 하부에 설치되어 상기 간격 와이어의 길이를 조절하는 윈치를 더 포함하고, 상기 풍력 터빈의 부하에 따라 상기 간격 와이어의 길이를 조절하여 상기 관통부 하부로 유입되는 공기 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 고안은, 상기 기구 상부에 위치하는 보조 기구; 상기 기구 및 상기 보조 기구의 사이에 위치하는 제 1 풍속계; 및 상기 지지 와이어 또는 상기 연결 와이어의 중간에 위치하는 제 2 풍속계를 더 포함하고, 상기 연결 와이어의 길이는 상기 제 1 풍속계 및 상기 제 2 풍속계에서 측정되는 풍속에 의해 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 고안은, 상기 기구를 보관할 수 있으며, 물을 채울 수 있는 고정부; 및 상기 고정부에 설치되어 상기 연결 와이어와 연결된 윈치를 더 포함하고, 상기 고정부에 기체를 제거한 기구를 보관하고, 상기 고정부에 채워진 물의 무게로 지상 혹은 수상에 상기 기구를 고정할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 보 고안은, 상부가 서로 인접하는 2개의 단위 기구로 구성되고, 상기 풍력 발전기는 상기 기구의 길이 방향을 따라 연장되어 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 기구의 외면에 부착되는 태양 전지를 갖는 태양광 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 고안에 따르면, 가벼운 기체로부터 부양력을 얻는 기구를 이용하여 높은 고도에서 부는 빠른 풍속의 바람으로 풍력 발전을 할 수 있고, 관통부의 폭을 넓게 하면 유입되는 풍력을 집중하여 풍속이 증가하므로 발전 효율을 증가시킬 수 있으며, 바람이 강한경우 관통부의 폭을 좁게 하면 풍속이 감소하여 풍력터빈에 과부하가 걸리지 않게 할 수 있다. 또한 기구의 상부와 하부에 설치된 풍속계를 통하여 실시간으로 고도에 따른 풍속을 감지하여 최적의 풍속을 찾아 발전할 수 있다. 또한 지지 와이어 및 연결 와이어에 의해 연결된 기구는 풍향에 따라 자세가 변하게 되어 바람의 이용을 극대화할 수 있다. 또한 경관을 훼손하거나 소음을 유발하지 않고 지상 혹은 수상에 설치 가능하며 보관 및 이동이 자유롭다. 또한 바람이 약한 맑은 날에는 태양전지 통하여 안정적인 발전을 할 수 있다.
이하, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 고안을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 고안의 일실시예에 따른 기구 풍력 집중식 발전기의 사시도이고, 도 3및 도4는 본 고안의 일실시예에 따른 기구 풍력 집중식 발전기의 단면도이며, 도 5는 본 고안에 따른 기구 풍력 발전기의 다른 실시예의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 고안에 따른 기구 풍력 발전기(100)는 2개의 단위 기구(110a, 110b)를 포함한다. 단위 기구(110a, 110b)는 공기보다 가벼운 기체로 채워진다. 그리하여, 기구 풍력 발전기(100)는 지표면으로부터 높은 고도에 위치하게 되고, 지표면보다 빠른 바람을 이용할 수 있다.
도 3의 단면도를 참조하면, 단위 기구(110a, 110b) 사이의 거리는 상부에서는 가깝고 하부에서는 멀게 배치된다. 이러한 배치는 단위 기구(110a, 110b)의 상부의 거리를 가깝게 고정시키면 자연스럽게 유지된다.
풍력 터빈(130)은 관통부(120)를 통과하는 바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 풍력 터빈(130)에서 생성된 전기는 후술할 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)를 통해 지상으로 전달되어 외부 전력망 또는 축전지로 전달된다.
1개 이상의 풍력 터빈(130)은 풍력 터빈 지지부(140)에 의해 단위 기구(110a, 110b) 사이에 위치하게 된다. 풍력 터빈 지지부(140)는 풍력 터빈(130)을 지지하는 역할 외에 단위 기구(110a, 110b)의 상부의 간격을 유지하는 역할을 한다. 단위 기구(110a, 110b)의 표면의 적어도 일부는 가볍고 경성(硬性)인 재질(예를 들면, 알루미늄)로 구성되고, 풍력 터빈 지지부(140)는 경성인 재질에 연결되어 풍력 터빈(130)을 지지한다.
풍력 발전에서 얻어지는 에너지(E)는 단위 시간당 통과하는 공기의 질량(M0)과 단위 질량당 운동 에너지(v 2/2)의 곱에 비례한다. 질량 보존의 법칙에 의해 관통부(120)의 하부와 상부에서 단위 시간당 통과하는 공기의 질량(M0)은 일정하므로 공기(바람)의 속도(v)가 클수록 더 많은 에너지를 생산할 수 있다. 관통부(120)의 하부에서 면적을 'A 1', 속도를 'v 1'이라 하고, 풍력 터빈(130)이 설치되는 관통부(120)의 상부에서 면적을 'A 2', 속도를 'v 2'라 하면, 질량 보존의 법칙에 의해 다음의 수학식 1이 만족된다. ( : 공기밀도)
Figure 112009053300835-utm00002
Figure 112009053300835-utm00003
Figure 112009053300835-utm00004
Figure 112009053300835-utm00005
수학식 1에서 볼 수 있듯이, 풍력발전 에너지를 증가시키기 위해서는 바람이 유입되는 관통부(120) 하부의 넓이(A1)를 증가시키거나, 관통부(120) 하부의 넓이(A1)에 비해 풍력 터빈(130)이 설치되는 관통부(120) 상부의 넓이(A2)가 작아져야 한다. 관통부(120)는 하부는 넓고 상부는 좁은 형태이므로, 관통부(120) 하부를 통해 들어온 바람은 풍속이 증가되어 발전 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 단위 기구(110a, 110b)의 하부는 관통부(120)를 가로지르는 간격 와이어(170)에 의해 연결된다. 간격 와이어(170)의 일단은 하나의 단위 기구(110a)의 하부에 연결되고 타단은 다른 단위 기구(110b)의 하부에 연결된다. 간격 와이어(170)의 적어도 일단에는 윈치(200b)가 설치되어 간격 와이어(170)의 길이를 조절할 수 있고, 그리하여 관통부(120) 하부의 넓이(A1)를 조절할 수 있다. 바람이 약한 경우, 도 3에서와 같이 간격 와이어(170)의 길이를 길게 하여 많은 바람이 유입되게 하고 풍력 터빈(130)을 통과하는 바람의 풍속을 증가시킬 수 있다. 바람이 강 한 경우, 도 4에서와 같이 간격 와이어(170)의 길이를 짧게 하면 기구로 유입되는 바람을 감소시켜 풍력 터빈(130)에 과부하가 걸리지 않도록 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 단위 기구(110a, 110b)의 상부에는 보조 기구(230) 및 풍속계(240a)가 보조 와이어(250)를 통해 연결될 수 있다. 그리하여, 풍속계(240a)는 단위 기구(110a, 110b) 상부에서 풍속을 측정할 수 있다. 그리고, 연결 와이어(190)에는 풍속계(240b)가 설치되어 단위 기구(110a, 110b) 하부에서 풍속을 측정할 수 있다.
기구 풍력 발전기(100)는 풍속계(240a, 240b)에서 측정된 풍속에 의해 높이를 조절할 수 있다. 예를 들면, 풍력 터빈(130)을 구동하는 바람의 세기가 약하고 풍속계(240a, 240b)에서 측정된 풍속에 의하면 단위 기구(110a, 110b) 상부에서 바람이 더 강한 것으로 판단되는 경우, 윈치(200a)는 연결 와이어(190)를 권출 하여 기구 풍력 발전기(100)가 더 높은 고도로 부상하게 한다. 또한, 풍속계(240a, 240b)에서 측정된 풍속은 바람의 세기가 강하여 풍력 터빈(130)에 과부하가 걸릴 우려가 있을 경우 이를 회피하기 위하여 이용될 수 있다.
단위 기구(110a, 110b)의 하부에는 복수의 지지 와이어(180)의 일단이 연결된다. 복수의 지지 와이어(180)의 타단은 서로 연결된다. 서로 연결된 지지 와이어(180)의 타단에는 연결 와이어(190)의 일단이 연결된다. 연결 와이어(190)의 타단은 지상에 연결되고, 윈치(200a)에 의해 감겨진다. 따라서 일축으로 바람이 부는 경우, 단위 기구(110a, 110b)는 바람의 방향에 따라 이동하려고 하고 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)는 이동하려는 단위 기구(110a, 110b)를 붙잡으므로, 기구 풍력 발전기(100)는 기울어지고 바람은 용이하게 관통부(120)의 하부로 유입된다. 그러므로, 바람의 방향에 따라 기구 풍력 발전기(100)의 방향을 제어하는 별도의 장치가 없이 최적의 자세를 유지할 수 있다.
지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)는 단위 기구(110a, 110b)의 부력 및 풍력에 대하여 저항력을 갖는 재질로 만들어진다. 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)는 풍력 터빈(130) 및 태양 전지(150)에서 생성된 전기를 외부 전력망 또는 축전지(미도시)로 전달하는 도선의 역할을 한다. 또한, 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)는 피뢰침(160)을 접지시켜 낙뢰를 유도하는 역할을 한다. 그리고, 풍력 터빈(130), 태양 전지(150), 항공용 발광부(260) 등을 제어할 필요가 있을 때, 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)는 이들을 제어하는 신호를 전달하는 도선의 역할을 한다.
고정부(210)는 기구 풍력발전기를 보관 할 수 있으며, 물을 채울 수 있게 제작된다. 물이 채워진 고정부(210)의 무게는 단위 기구(110a, 110b)의 부력에 의한 수직력에 저항하고, 고정부(210)와 지면 사이의 저항은 풍력에 의한 수평력에 저항한다. 이러한 경우, 고정부(210)는 지반(토양)을 파괴하는 별도의 기초 작업 없이 설치될 수 있고, 설치, 해체 및 이동이 용이하며, 육상 및 수상 모두에서 설치 가능하고, 기체 제거한 기구 풍력 발전기(100)를 고정부(210)에 수납하는 것이 가능 하다. 또한, 고정부(210)에 채워지는 물의 양을 조절하여 고정부(210)가 단위 기구(110a, 110b)에 의한 부력에 저항하는 동시에 물에 부상할 수 있게 하고, 고정부(210)는 닻 등을 이용하여 이동하지 못하도록 하면, 기구 풍력 발전기(100)는 수상에도 설치될 수 있다.
고정부(210)의 외면에는 연결 와이어(190)와 연결된 윈치(200a)가 설치될 수 있다. 또한 연결 와이어(190)의 길이를 조절하여 기구 풍력 발전기(100)의 고도를 조절한다. 또한, 강풍이 부는 경우 윈치(200a)는 기구 풍력 발전기(100)를 보호하기 위해 지상으로 유도하는 장치로 사용될 수 있다.
고정부(210)의 외면에는 제어부(220)가 설치될 수 있다. 제어부(220)는 풍력 발전을 최적으로 실행하기 위해 자동 또는 원격으로 작동하며, 윈치(200a)를 이용하여 단위 기구(110a, 110b)의 고도를 조정하거나, 윈치(200b)를 이용하여 관통부(120) 하부의 넓이(A 1 )를 조정할 수 있다.
단위 기구(110a, 110b)의 외면에는 태양 전지(150)가 설치될 수 있다. 태양 전지(150)는 주간에 태양광으로부터 전기를 생성한다. 일반적으로 날씨가 맑은 날은 태양빛은 강하고 바람은 약하며, 날씨가 흐린 날은 태양 빛은 약하고 바람이 강하므로 태양광발전과 풍력발전은 상호 보완적일 수 있다. 태양 전지(150)에 의해 생성된 전기는 후술할 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)를 통해 지상으로 전달되어 외부 전력망 또는 축전지로 전달된다.
단위 기구(110a, 110b)의 외면에는 피뢰침(160)이 설치될 수 있다. 피뢰침(160)은 낙뢰로부터 기구 풍력 발전기(100)를 보호하기 위해 설치된다. 피뢰침(160)은 후술할 지지 와이어(180) 및 연결 와이어(190)를 통해 접지된다.
단위 기구(110a, 110b)의 외면에는 항공용 발광부(260)가 설치될 수 있다. 항공용 발광부(260)는 야간에 점등하여 항공기가 기구 풍력 발전기(100)가 있음을 인지할 수 있게 한다.
상술한 실시 예에서, 길이 방향으로 연장된 2개의 단위 기구(110a, 110b)가 개시되었지만, 본 고안은 이에 제한되지 않고, 하부는 넓고 상부는 좁은 관통부를 형성할 수 있는 하나 이상의 단위 기구를 이용하는 것도 가능하다. 예를 들면, 도넛 형상이고 중앙에 형성된 관통구는 하부는 넓고 상부는 좁으며 좁아진 부분에 풍력 터빈을 설치하는 것도 가능하다. 또는 3개 이상의 단위 기구의 상부가 서로 인접하게 배치되고, 단위 기구의 상부가 가장 인접한 부분에 풍력 터빈을 설치하는 것도 가능하다.
본 고안은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 첨부된 실용신안청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 당해 고안이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 고안의 기술사상과 첨부된 실용신안청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형가능함은 물론이다.
도 1은 종래기술에 따른 풍력 발전기의 측면도,
도 2는 본 고안에 따른 기구 풍력 발전기의 일실시예의 사시도,
도 3 및 4는 본 고안에 따른 기구 풍력 발전기의 일실시예의 단면도, 및
도 5는 본 고안에 따른 기구 풍력 발전기의 다른 실시예의 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>
100: 기구 풍력 발전기 110a, 110b: 단위 기구
120: 관통부 130: 풍력 터빈
140: 풍력 터빈 지지부 150: 태양 전지
160: 피뢰침 170: 간격 와이어
180: 지지 와이어 190: 연결 와이어,
200a, 200b: 윈치 210: 고정부
220: 제어부 230: 보조 기구
240a, 240b: 풍속계 250: 보조 와이어
260: 항공용 발광부

Claims (6)

  1. 하부는 넓고 상부는 좁은 관통부가 중앙에 형성되고 공기보다 가벼운 기체로부터 부양력을 얻는 한 쌍의 단위 기구;
    상기 관통부의 상부에 설치된 풍력 터빈;
    상기 기구의 하부에 연결된 복수의 지지 와이어; 및
    상기 지지 와이어와 고정부를 연결하는 연결 와이어를 포함하고,
    상기 기구가 상기 지지 와이어와 상기 연결 와이어에 의해 상기 고정부에 연결되는 것을 특징으로 하는 기구 풍력 집중식 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구 하부 양단을 가로질러 설치되는 간격 와이어; 및
    상기 기구 하부에 설치되어 상기 간격 와이어의 길이를 조절하는 윈치를 더 포함하고,
    상기 풍력 터빈의 부하에 따라 상기 간격 와이어의 길이를 조절하여 상기 관통부 하부로 유입되는 공기 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 기구 풍력 집중식 발전기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구 상부에 위치하는 보조 기구;
    상기 기구 및 상기 보조 기구의 사이에 위치하는 제 1 풍속계; 및
    상기 지지 와이어 또는 상기 연결 와이어의 중간에 위치하는 제 2 풍속계를 더 포함하고,
    상기 연결 와이어의 길이는 상기 제 1 풍속계 및 상기 제 2 풍속계에서 측정되는 풍속에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 기구 풍력 집중식 발전기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구를 보관할 수 있으며, 물을 채울 수 있는 고정부; 및
    상기 고정부에 설치되어 상기 연결 와이어와 연결된 윈치를 더 포함하고,
    상기 고정부에 기체를 제거한 기구를 보관하고, 상기 고정부에 채워진 물의 무게로 지상 혹은 수상에 상기 기구를 고정할 수 있는 것을 특징으로 하는 기구 풍력 집중식 발전기.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 기구의 외면에 부착되는 태양 전지를 갖는 태양광 발전기를 더 포함하 는 것을 특징으로 하는 기구 풍력 집중식 발전기.
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