KR20220047844A

KR20220047844A - 윈드 월

Info

Publication number: KR20220047844A
Application number: KR1020227008988A
Authority: KR
Inventors: 알프레도 라울 깔레 마드리드
Original assignee: 알프레도 라울 깔레 마드리드
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2039-08-20
Also published as: BR112022003081A2; US20220349375A1; JP7488604B2; CA3148702A1; EP3916215A4; EP3916215C0; PL3916215T3; MX2022001754A; CN114270029B; JP2022552593A; EP3916215A1; PE20220892A1; EP3916215B1; CO2022000658A2; ZA202203113B; AR119844A1; ES2966752T3; WO2021034203A1; US11971008B2; CN114270029A

Abstract

윈드 월은 하나 이상의 윈드 셀로 구성된 고형 구조로서, 순차적이며 대칭적으로 나란히 인접하게 배치되고, 전체적으로 연속적인 윈드 셀 구조이고 그 자체로 유지 가능하고 3개의 물리적 차원을 따라 모듈식으로 구성되며, 각각의 윈드 셀은 유입구와 유출구를 가지며, 유입구에서부터 유출구까지로 구성된 내부 표면은 회전하는 외호면(상부면) 블레이드 프로파일의 형상을 가지며, 유입구 및 유출구는 동일하거나 실질적으로 동일한 차원이다.
윈드 월의 구성요소인 윈드 셀은 임계 공간 내에서 풍속을 증가시켜 풍력 터빈의 로터가 사용할 수 있는 풍력을 증가시키도록 특별히 설계된 공기역학 구조이다. 풍속의 증가는 높은 압력 차이가 있는 환경과, 층류를 유지하고 난류를 완화하는 데 전념하는 환경을 동시에 의도적으로 생성함으로써 달성된다.
윈드 월은 그 자체로 풍력 터빈의 공기역학적 효율성뿐만 아니라 풍력 터빈을 둘러싼 구조 및 환경의 공기역학적 효율성을 기반으로 하는 차세대 풍력 시스템이다. 이러한 의미에서 윈드 월의 적용을 기반으로 하는 차세대 풍력 시스템은 풍속을 증가시킬 수 있으며, 따라서 자연에서 이용 가능한 풍력 자원이 동일하게 주어지면, 기본 전력의 밀도를 증가시킬 수 있으며, 이러한 방식으로 전력 생성 용량이 전반적으로 증가하게 된다.

Description

윈드 월

본 발명이 해당하는 기술 분야는 풍력 에너지에 속하며, 그 주요 속성은 차후의 사용과 전기 에너지로의 변환을 위해 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 프로세스를 증가 및 개선시키는 것에 관한 것이다.

여기서 "윈드 월(Wind Wall)"이라고 하는 본 발명은, 그 자체로서 새로운 풍력 시스템(wind system)을 말하며, 자연적으로 이용 가능한 풍력 운동 에너지를 이용하는 기존의 풍력 시스템(풍력 단지(wind farms))보다 훨씬 높은 생산 효율을 나타내는 풍력 시스템을 말한다. 이러한 의미에서, 윈드 월의 적용은 성능, 효율성, 전력을 향상시키고 결과적으로 풍력 에너지로부터 전력을 생성하는 능력을 향상시키는 데에 상당한 잠재력을 가지고 있다.

풍력 시스템의 기초

A) 바람의 운동 에너지: 바람은 고기압 지역에서 저기압 지역으로 수평 방향으로 규칙적으로 흐르는 운동을 하는 공기 덩어리이다. 움직이는 질량의 모든 요소는 속도(V)의 제곱과 질량(m)에 각각 비례하는 일정한 양의 운동 에너지(Ec)를 갖는다.

Ec = ½·m·(V) ²

B) 풍력: 풍력은 바람에 존재하는 운동 에너지뿐만 아니라 바람의 이동에 직면하고 그에 상응하여 운동 에너지가 빠진 몸체 또는 요소의 투영(projected) 및 공기역학(aerodynamic) 영역에 의해 측정된다. 풍력에 대한 방정식은 다음과 같다.

F = (동적 압력)·(투영 면적)·(공기역학 계수)

F = ½· p ·(V ² )·A·Cd

F = 풍력

p = 공기 밀도

V = 풍속

A = 기준 면적 o 바람에 직면하는 물체의 투영 면적

Cd= 공기역학 항력 계수(Drag aerodynamics coefficient)(저항)

풍력은 물리적으로 킬로그램미터/제곱초(Kilogram-meters/second squared) 또는 뉴턴(Newtons)으로 표시된다.

C) 바람에서 추출 가능한 최대 전력: 단위 시간 동안 기준면(A)을 통과하는 운동 에너지가 전력(P)이다. 바람이 운동 에너지를 가진 유체라는 점을 고려하면, 바람의 중간에 요소가 삽입되어 있으면 그것을 지나고 난 후의 바람은 원래 가지고 있던 V1보다 느린 V2의 속력을 갖게 될 것이다(운동 에너지의 감소). 유속의 변화는 인터포저(interposer)에 힘이 가해졌음을 의미한다. 즉, 에너지는 인터포저를 통해 시스템으로부터 나온다.

원통형 몸체를 통과하는 바람의 흐름을 고려하면, 해당 흐름의 이동에 개입되는 변수는 속도 V1을 갖는 입사풍(incident wind)의 방향에 수직으로 위치하는 로터(rotor) 또는 프로펠러 디스크(propeller disc)로 이루어진다. 원통형 몸체를 통해 이동하는 공기는 로터를 통과하여 운동 에너지의 일부를 제공하고, 속도를 V2로 감소시키고 원통형 몸체의 양쪽에 대응하는 압력 차이를 설정한다.

바람에서의 최대 추출 가능 전력(maximum extractable power)은 다음과 같이 표현되며, 이러한 물리적 표현은 초당 뉴턴-미터 또는 와트로 표시된다.

P = ½· p ·A·(V ³ )

P = 바람으로부터의 최대 추출 가능 전력

p = 공기 밀도

V = 풍속

A = 바람에 직면하는 물체의 투영 면적

따라서 평방 미터 또는 투영 면적(A) 당 최대 추출 가능 전력(P)은 다음과 같이 표현된다.

P/A = ½· p ·(V ³ )

기존 풍력 시스템:

현재, 기존의 풍력 시스템들은 풍력 에너지 확보를 위한 적절한 풍력 조건들을 가진 필드(풍력 단지)에서 서로 분산 및 분리된 개방형 풍력 터빈들의 세트로 구성된다. 기존의 풍력 터빈들은 자연에서 발생되는 바람의 운동 에너지를 이용하여 상기 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 설계되었으며, 이것은 특히 공기역학 프로펠러, 로터, 저속 및 고속 샤프트(shaft), 회전 배율기(revolution multiplier), 유압 및 기계식 브레이크(brake), 발전기, 전압 변압기, 냉각 유닛, 전자 센서 및 컨트롤러, 풍향 유도 시스템, 속도 조절 시스템 및 전력 조절 시스템 등으로 구성된 복잡한 공학 기술을 통해 달성된다.

A) 풍력 시스템의 에너지 변환: 기존 풍력 시스템에서 캡처 요소(capturing element)는 바람의 운동 에너지를, 전력으로 변환하기 위해 발전기로 전송되는 기계적 에너지로 변환하는 로터로 구성된다. 로터(또는 프로펠러)의 주요 요소는 블레이드(blade)이다.

풍력 시스템의 설계는 바람의 운동 에너지를 공기역학 추력(aerodynamic thrust)과 가능한 한 최소의 잔류 공기 에너지(residual air energy)를 갖는 후속 회전 모멘트로 변환하기 위해, 다양한 분야의 지식을 통합해야 하는 복잡한 작업이다. 공기역학 외에도, 특히 능률, 효율, 성능, 소음, 진동, 수명 등과 관련된 구조적 측면(정적 및 동적)을 고려해야 한다. 첫 번째 접근 방법으로서, 로터가 생성할 수 있는 전력, 시작 속도, 최대 허용 속도, 풍향의 배향 시스템(orientation system), 속도 및 전력 조절 시스템 등을 알아야 한다.

B) 풍력 시스템의 사용 수준과 바람의 유효 추출 가능 전력: 물리 법칙은 바람의 운동 에너지의 대부분을 사용하도록 허용하지 않는다. 바람의 최대 추출 가능 전력은 베츠 한계(Betz Limit)로 정의되며, 이것은 풍력 터빈이 풍력 터빈에 영향을 미치는 바람의 운동 에너지의 최대 59.26%를 기계적 에너지로 변환할 수 있음을 나타낸다.

풍력 시스템의 로터에 의해 캡처되는 풍력 에너지는 하네스 풍력 에너지(harnessed wind energy)로 알려져 있다. 변환 효율은 하네스 풍력 에너지와 이용 가능한 운동 에너지의 비율로 정의되는 변환 계수(Cc: Conversion Coefficient)로 기재된다. 즉, 바람의 운동 에너지의 일부만이 전력으로 변환된다.

변환 계수에 영향을 미치는 변수들은 베츠 한계(Betz Limit)에 의해 제한받을 뿐만 아니라 공기역학 손실, 바람의 베이불 분포(Weibull distribution), 기계적 변환 손실, 발전기 손실, 동작 파라미터 등에도 제한받는다. 그럼에도 불구하고, 바람의 운동 에너지를 하네싱(harnessing)하고 풍력 시스템 자체의 손실을 제한하는 것과 연관하여 얻어진 발전은 약 40%의 기술 수준에서 사용할 수 있는 운동 에너지를 산출한다.

이와 같이, 바람의 유효 추출 가능 전력 또는 풍력 시스템의 유효 전력(PE)은 바람의 최대 추출 가능 전력과 관련된 함수의 변환 계수와 동등한 분수이며, 바람의 유효 전력의 공식은 다음과 같다.

PE = ½· p ·A·(V ³ )·Cc

PE = 바람의 유효 추출 가능 전력 또는 풍력 시스템의 유효 전력

p = 공기 밀도

V = 풍속

A = 바람에 직면하는 물체의 투영 면적

Cc = 변환 계수

C) 풍력 시스템의 기술적 문제

● 속도 조절 시스템: 현재 대부분의 풍력 터빈은 일정한 속도를 가지고 있다. 즉, 풍속의 변화에도 불구하고 로터의 회전 속도는 거의 일정하게 유지되어야 한다. 또한, 강한 바람이 부는 경우, 장치는 전력을 제한하고 지나친 과운행(overexertion)으로부터 풍력 터빈을 보호해야 한다. 이러한 기능들은 속도 조절 시스템이 담당한다.

기존의 풍력 시스템에는 피치 각도(pitch angle)가 지속적으로 변경되는 조향 가능(steerable) 속도 조절 시스템이 있고, 대부분의 시스템은 넓은 풍속 범위에서 고정 블레이드를 고려한다. 이러한 방법에는 여러 가지 장점이 있다. 즉, 로터를 시동하는 데 도움이 되고, 최적의 동작점에 있도록 블레이드의 받음각(angle of attack)을 위치시키고, 발전기에 과부하가 걸리지 않도록 회전을 제어하고, 높은 풍속으로 인한 피해에 대해 전체 시스템을 보호한다.

● 전력 조절: 전력 관점에서 2가지 섹션이 있다. 하나는 회전이 동기 속도(synchronism speed)일 때 그리드(grid)에 발전기를 연결하는 것이다. 이 상태는 초과 토크가 없고 생성된 전력이 일정할 때 발생한다. 다른 하나는 로터 속도 제어로, 발전기 과부하 및 풍력 시스템 손상을 방지한다.

확산 풍력 장치와 증폭 풍력 장치의 차이점:

● 확산기(diffuser)는 바람의 입구가 바람의 출구보다 작은 물리적 요소이다. 압력의 관점에서, 확산기는 그 구조 주변에 고압 영역을 생성하고 바람의 출구에서 저압 영역을 생성하는 것이 특징이다. 유체 역학의 관점에서, 확산기는 공기를 빨아들이는 저압 환경을 만들어 그 구조를 통해 풍속을 높인다. 난류(turbulence)의 관점에서, 확산기는 생성하는 저압 환경과 동등한 고도의 난류 환경을 생성한다.

● 반면에 증폭기는 바람의 입구가 바람의 출구보다 큰 물리적 요소이다. 압력의 관점에서, 증폭기는, 우선 증폭기의 구조의 주변에서, 바람이 들어오는 부분에 고기압 영역을 생성하고 바람이 나가는 부분에 저기압 영역을 생성하는 특징이 있다. 유체 역학의 관점에서, 증폭기는 공기를 밀어내는 환경을 생성하여 구조를 통해 풍속을 높인다. 난류의 관점에서, 증폭기는 (확산기와 같이) 생성하는 저압 환경과 동등한 고도의 난류 환경을 생성한다.

본 발명의 윈드 월(Wind Wall)의 각 윈드 셀(Wind Cell)의 경우, 바람의 입구와 바람의 출구 모두가 동일한 크기여야 한다는 전제 조건을 가지고 있기 때문에, 확산기 또는 증폭기의 카테고리 내에서 정의될 수 없다. 또 다른 실질적인 차이점은 본 발명의 윈드 셀의 구성은 자체 구조 내에서 매우 낮은 압력 환경을 생성하고 더욱이 매우 낮은 난류를 발생시킨다는 점이다.

비전통적 풍력 시스템에 대한 배경 기술:

이 개념을 발전시키기 위해, 풍력 증폭 시스템과 연결된 비전통적인 풍력 시스템과 관련된 최신 기술의 선행 사례에 대한 논의에 초점을 맞출 것이다.

US 2012/0261925 A1, "풍력 터빈 시스템 및 쉴드를 사용한 풍력 터빈 시스템"

풍력 터빈(Wind Turbine)의 로터를 감싸는 원 형상의 본체를 가진 확산기를 이용한 풍력 시스템이다. 확산기의 동작은 공기 흐름의 출구에서 정적 압력의 강하를 생성하여 풍속을 증가시킨다. 성능의 관점에서, 본 발명은 원형 확산기의 원통형 본체의 벽에 가장 가까운 섹션에서 약 30~35%까지 풍속을 증가시킬 수 있다고 상정한다. 본 발명은 풍력 터빈의 전체 투영 영역에 걸쳐 얻어진 풍력 에너지의 증폭과 관련된 결과를 나타내지 않는다.

US 2010/0187828 A1, "풍력 에너지 사용을 위한 장비, 시스템, 방법 및 개선 사항"

각각의 2차 풍력 터빈을 둘러싸는 벤츄리 터널(Venturi tunnels)을 사용하여 추가 전기 에너지를 생성하기 위해 2차 풍력 터빈(풍력 단지 내 특정 위치에 배치)을 통합하여 풍력 단지의 개선을 제안하는 시스템이다. 매우 특정한 기하학적 형태(5차 다항식 곡선)로 건설된 벤츄리 터널의 동작은 2차 풍력 터빈(수평 또는 사보니우스(Savonius) 유형)의 풍속을 증가시키는 효과가 있다. 수율의 관점에서, 본 발명은 1차 풍력 터빈 뒤에 2차 풍력 터빈을 배치함으로써 신규 또는 기존 풍력 단지의 설치 용량을 증가시킬 수 있지만, 고도는 더 낮을 수 있다고 상정한다. 본 발명은 벤츄리 터널의 특정 기하학적 라인(geometric line)에 의해 생성된 속도 또는 압력 차이의 증가와 관련된 결과를 나타내지 않으며, 2차 풍력 터빈에 대한 1차 풍력 터빈에 의해 생성된 트레일(trail) 및 난류의 영향과 관련된 결과를 나타내지 않는다.

WO 2010/005289 A2, "확산기를 구비한 풍력 터빈"

풍력 터빈의 성능을 높이고 로터의 작동으로 인해 발생하는 소음을 줄이는 기능을 가진 특별한 특성의 확산기로 둘러싸인 수평축 풍력 로터로 구성된 풍력 터빈이다. 확산기의 출구(바람)의 직경은 입구(바람)의 직경보다 8% 커야 한다. 선택적으로, 확산기는 블레이드의 팁(tips) 높이에 위치한 소음 감소 장치에 통합된다. 성능의 관점에서, 본 발명은 확산기의 특정 구성이 기존의 다른 확산기들보다 소음 공해를 더 잘 감소시키도록 관리한다고 상정한다. 또한, 본 발명은 비용 및 생산 효율성의 관점에서, 가장 큰 이점이 더 작은 크기(직경 15미터 미만)의 확산기에서 달성된다고 상정하므로, 본 발명은 100kW 미만(바람직하게는 5kW)의 설치 용량을 갖는 풍력 터빈들에 적용할 수 있다. 이러한 선행기술은 확산기의 기하학적 라인에 의해 생성된 속도 또는 압력 차이의 증가와 관련된 결과를 나타내지 않는다.

US 2013/0266446 A1, "혼합 요소들이 있는 링형 프로파일(ringed profile)"

이것은 공기 흐름의 혼합체, 즉 확산기의 외부에 인접하여 확산기의 내부로 들어가는 공기의 흐름과 확산기의 입구를 통해 바람의 방향으로 로터를 통과하는 공기의 흐름을 구성할 목적으로 그 구조를 따라 사이에 삽입된 개구부를 갖는 링형 확산기로 감싸진 풍력 터빈이다. 성능의 관점에서, 본 발명은 확산기에 의해 생성된 압력 차이와 확산기의 프로파일을 가로지르는 개구부에 의해 생성된 유체의 혼합체에 의해 바람으로부터 에너지를 추출하는 수단을 개선한다고 상정한다. 두 효과 모두 터빈 시스템의 더 높은 에너지 생산을 생성한다. 본 발명은 확산기의 기하학적 라인에 의해 생성된 속도 또는 압력의 차이에서의 증가와 관련된 결과를 나타내지 않는다.

WO 2018/117875 A1, "단일 리프 쌍곡면(single leaf hyperboloid) 형태의 풍력 증폭기"

이것은 하나의 리프의 쌍곡면 형태의 풍력 증폭기로서, 풍력 증폭기의 구조를 통한 흐름(flow)의 지속적인 채널링(channeling)을 통해 주변 바람의 압력과 속도를 증가시킴으로써, 풍력 시스템의 블레이드를 통한 바람의 속도를 증폭시킨다. 성능의 관점에서, 이 선행기술은 풍속을 0.3배 증가시킬 수 있으며, 결과적으로 풍력과 운동 에너지를 증가시킨다. 본 발명과 관련된 잠재적인 이점은 전력 생성에 제한되지 않고 어떠한 목적을 위해 풍력 에너지를 이용하고자 하는 임의의 시스템과 관련된다. 그러나 0.3배의 증가는 풍속을 3.5배 증가시킬 수 있는 다른 배치 및 기하학적 형태에 비해 매우 작은 것으로 보여진다. 선행기술 WO 2018/117875 A1의 기하학적 형태는 원점에서 미완성 쌍곡면을 기반으로 하는 반면, 제안된 본 발명의 윈드 월은 원점에 2개의 미완성 쌍곡면(바람의 입구 및 출구에 대해 하나씩)이 있는 완전한 기하학적 구조로 처리된다. 마찬가지로, 이 선행기술은 어떤 구조 하에서도 둘러싸여 있지 않은 반면, 윈드 월은 내부 공기역학 챔버(Internal Aerodynamic Chamber)의 기하학적 모양을 둘러싸는 구조를 가지고 있다. 상기한 것에 추가하여, WO 2018/117875 A1은 상대적으로 낮은 유효 난류 억제기(turbulence suppressor)를 제시하는 반면, 본 발명은 제안된 난류 억제 공간(Tubulence Supressor Space)으로써 효과적인 방식으로 층류(laminar flow)를 제어하고 바람 출구로부터의 난류를 제거하도록 관리한다. 따라서, 이 선행기술은 증폭기의 기하학적 라인에 의해 생성된 속도 또는 압력 차이의 증가와 관련된 결과를 나타내지 않으며, 또한 난류 흐름의 관점에서 본 발명에 의해 생성된 효과를 나타내지 않는다. 다른 한편으로, 선행기술의 하나의 리프 형태의 풍력 증폭기의 쌍곡면은, 자체 공기역학으로 인해, 블레이드 프로파일에 의해 생성되는 유형의 양력(lift forces)과 상호 작용할 수 있는 기능이 없다. 즉, 하나의 리프 쌍곡면 형태의 윈드 앰프와 윈드 월 사이에 공유되는 유일한 것은, 그 저항 계수의 유사성뿐이다. 그러나 윈드 월은 공기역학 프로파일을 가진 윈드 셀 덕분에 적절한 양력 계수를 나타내지만, 하나의 리프의 쌍곡면 형태인 풍력 증폭기는 무시해도 될 정도의 양력 계수를 나타낸다.

바람의 운동 에너지를 보다 효율적으로 증폭하는 데 중점을 둔 제한적인 발전에 대한 해결책으로서, 본 발명은 물리적, 모듈식 및 공기역학 구조를 기반으로 하는 새로운 풍력 시스템(이하 "윈드 월(Wind Wall)"이라 함)을 통해 현재 기술의 단점을 해결하며, 윈드 월은 안정적인 고압력 차이와 안정적인 층류(laminar flow)를 갖는 환경을 의도적으로 생성하여, 자연에서 얻을 수 있는 풍력 에너지를 효율적으로 증폭하고, 임계 공간(Critical Space)(504) 내에서 풍속을 높이는 특성을 나타낸다. 이러한 의미에서, 자연에서 발견되는 특정 풍력 에너지가 주어지면, 윈드 월(101)은 바람의 운동 에너지 강도를 주도적으로 증가시켜 결과적으로 풍력 밀도의 유용한 증가를 얻을 수 있다.

또한, 윈드 월(101)은 유한한 개수의 개별 및 공기역학 단위(이하 "윈드 셀(Wind Cell)"이라고 함)로 완전히 구성된 고상 구조(solid structure)로 이해되어야 하며, 윈드 셀은 서로 인접하게 나란히 배치되고 순차적이며 대칭적으로 배치되며, 전체적으로 윈드 셀(104)의 연속적인 구조를 형성하고 자체적으로 유지 가능하고, 높이, 길이 및 너비의 3가지 물리적 차원을 따라 모듈식으로 구성된다. 즉, 윈드 셀(104)을 사용하여, 결과적인 공기역학 구조가 특정 환경, 기술 및 경제적 조건에 최적화된 구조가 되도록, 완전히 모듈식 차원의 윈드 월(101)을 구축하는 것이 가능하다.

보완적으로, 윈드 셀은 저절로 기능하는 공기역학적이고 개별적인 구조로 이해되어야 하며, 인접 외부 섹션(Adjacent External Section)(404)으로 구성되고, 다른 한편으로는 내부 공기역학 챔버(Internal Aerodynamic Chamber)(501)로 구성되고, 전방 섹션(front section), 중간 섹션(middle section) 및 후방 섹션(posterior section)의 순서로 구성된다.

인접 외부 섹션 또는 공유 폐쇄 코드(Shared Closed Chord)(404)는, 각 윈드 셀(104)이 부근에 위치한 다른 윈드 셀과 공유하는 인접 또는 이웃 섹션이다. 즉, 각각의 인접 외부 섹션(404)은 윈드 월(101)을 구성하는 각각의 윈드 셀(104)이 공유하는 물리적 한계이다.

내부 공기역학 챔버(501)는 회전 시 상부면 블레이드 프로파일(upper face blade profile)에 의해 압력 차이와 양력 및 항력이 생성되는 내부 공간에 해당하는 윈드 셀(104)의 내부 섹션이다.

대칭축에 평행한 단면에서 본 내부 공기역학 챔버의 블레이드 프로파일은, 대칭 공기역학 프로파일의 날개의 상부면 프로파일에 부분적으로 기반한다. 프로파일은 블레이드 프로파일의 외호면(extrados)(상부면)을 내부 공기역학 챔버(501)의 내부면으로 사용한다.

바람직하고 더욱 구체적인 실시예에서, 회전하는 블레이드 프로파일은 이중 쌍곡면 프로파일(double hyperboloid profile)의 형상을 포함하고, 이중 쌍곡면 프로파일은, 바람 유입구(406)에 인접하고 수직으로 배치된, 풍향에 직면하는 입력 쌍곡면(506)과, 바람 유출구(407)에 인접하고 수직으로 배치된, 풍향에 직면하지 않는 출력 쌍곡면(507)을 포함하게 된다. 여기서, 동일한 윈드 셀의 입력 쌍곡면(506)과 출력 쌍곡면(507)의 기하학적 형상은 서로 다르며, 입력 쌍곡면(506)의 크기 또는 내부 체적은 출력 쌍곡면(507)의 크기 또는 내부 체적보다 작고, 입력 쌍곡면(506)과 출력 쌍곡면(507)은 하나의 미완성 리프(unfinished leaf)이고 두 기하학적 모양 사이의 연결이 연속적으로 되도록 원점에서 동일한 원들로 결합된다. 즉, 입력 쌍곡면(506) 및 출력 쌍곡면(507)은 연속적인 축 회전 대칭을 갖는 기하학적 모양을 함께 형성한다.

내부 공기역학 챔버(501)는 사용된 프로파일의 사양 수준에 관계없이 구성요소가 있는 전체로서 3가지 구별 가능한 영역을 구성하며, 이것은 매우 상이한 관찰 가능한 물리적 크기들을 나타낸다. 풍향순으로 상기 구분 가능한 영역은 다음과 같다. i) 전방 섹션 또는 압력 발생 공간(503), ii) 중간 섹션 또는 임계 공간(504); 및 (iii) 후방 섹션 또는 난류 억제 공간(505). 압력 발생 공간(Pressure Generation Space)(503)은 축이 풍향과 일치하고 기준면이 풍향에 직면하는 공간으로서, 바람의 최대 저항력을 지지하고 최대 압력을 나타내는 공간이다. 임계 공간(504)은 압력 발생 공간(503)과 난류 억제 공간(505) 사이에 위치하는 공간으로서, 시스템의 풍속 및 동적 압력의 최고 기록을 나타내는 것이 특징이다. 이러한 의미에서 임계 공간(504)은 풍력 터빈 로터가 있어야 하는 공간을 구성한다. 난류 억제 공간(505)은 축이 풍향과 일치하지만 기준면이 풍향에 직면하지 않는 공간으로, 층류의 유지보수와 주변 환경에 대한 풍속 및 압력의 레벨링에 도움이 되는 공간을 제공하는 것을 특징으로 한다.

내부 공기역학 챔버(501)의 압력 발생 공간(503)에 위치하는 바람 유입구(406)의 평면으로 덮인 영역은, 동일한 내부 공기역학 챔버(501)의 난류 억제 공간(505)에 위치하는 바람 유출구(407)의 평면의 면적과 동일한 차원이거나 바람직하게는 실질적으로 동일한 차원이어야 함을 지적하는 것은 중요하다. 상술한 내용은 확산기 또는 증폭기 풍력 장치의 단점과 구별하게 하는 중요한 차이점이다.

상술한 내용은 현재 기술의 개선을 나타내는데, 윈드 월(101)은 기존 풍력 시스템의 성능을 능가하여, 풍속의 상당한 증가를 통해, 윈드 셀(104)의 내부 공기역학 챔버(501)의 임계 공간(504) 내에서 운동 에너지의 강도 증가(이것은 풍력 시스템의 전력 밀도 증가로 해석됨)를 달성한다.

우리가 수행한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션에 따르면, 윈드 월은 도달 가능한 풍속의 최대 증폭이 불확정(무한은 아님)임(투영 영역의 각각의 구성과 윈드 월 전체의 공기역학 계수에 따라 달라지기 때문)을 고려하여, 임계 공간(504) 내에서 풍속을 약 3.5배 증가시킬 수 있다.

도 1: 윈드 월의 입체도(solid view)
101 윈드 셀로 구성된 윈드 월의 정면도
102 윈드 셀로 구성된 윈드 월의 정면도 - 상단 중심
103 윈드 셀로 구성된 윈드 월의 정면도 - 하단 중심
104 윈드 월의 윈드 셀 구성요소
105 윈드 셀로 구성된 윈드 월의 사투상도(oblique view)
106 윈드 셀로 구성된 윈드 월의 평면도
107 윈드 셀로 구성된 윈드 월의 저면도
도 2: 윈드 월의 투명도(transparent view)
201 투명 윈드 월의 정면도
202 측면에서 본 투명 윈드 월의 사투상도
203 투명 윈드 월의 평면도
204 위에서 본 투명 윈드 월의 사투상도
도 3: 윈드 셀
301 윈드 셀의 정면도
302 뒤에서 본 윈드 셀의 사투상도
303 대칭면이 있는 윈드 셀의 정면도
304 대칭면이 있는 윈드 셀의 사투상도
305 윈드 셀의 투명 사투상도
306 윈드 셀의 투명 단면도
도 4: 윈드 셀 섹션
401 윈드 셀의 정면도
402 윈드 셀의 투명 측면도
403 윈드 셀의 강조 표시된 투명 측면도
404 인접 외부 섹션 또는 공유 폐쇄 스트링(Shared closed String)
405 윈드 셀 넥(Wind Cell Neck) (405)
501 내부 공기역학 챔버
502 이중 쌍곡면 프로파일 또는 상부면(외호면) 블레이드 프로파일
406 바람 유입구
407 바람 유출구
도 5: 내부 공기역학 챔버의 부품들
501 내부 공기역학 챔버
502 이중 쌍곡면 프로파일 또는 상부면(외호면) 블레이드 프로파일
503 압력 발생 공간
504 임계 공간
505 난류 억제 공간
506 입력 쌍곡면
507 출력 쌍곡면
405 윈드 셀 넥
406 바람 유입구
407 바람 유출구
도 6: CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션
601 윈드 셀의 단면도
602 기류의 경계층
603 주변 풍속 이상의 풍속을 나타내는 적갈색 범례 구역(maroon legend zone)
604 범례의 흰색 영역은 입력 또는 주변 풍속을 나타냄
605 주변 풍속 이하의 풍속을 나타내는 하늘색 범례 영역
606 CFD 시뮬레이션에서 표현되는 최소 속도 및 최대 속도 표시기
502 이중 쌍곡면 프로파일 또는 외호면(상부면) 블레이드 프로파일
503 압력 발생 공간
504 임계 공간
505 난류 억제 공간
406 바람 유입구
407 바람 유출구

운동하는 공기 질량의 요소인 바람은 질량에 비례하고 속도에 지수적으로 비례하는 일정량의 운동 에너지를 가지고 있다. 따라서 본 발명의 설명을 위해, 풍력과 가용 전력을 각각 지배하는 다음 방정식을 고려할 수 있다.

F = ½·ρ·( u ² )·S _ref ·C _A

P = ½·ρ·S _ref ·( u ³ )

PE = ½·ρ·S _ref ·( u ³ )·C _C

F = 풍력

P = 가용 전력

PE = 풍력 시스템의 유효 전력

ρ = 공기 밀도

u = 풍속

S_ref = 연구 대상 물체의 기준 표면

C_A = 바람에 직면하는 물체의 공기역학 계수

C_C = 변환 계수

위에서 설명한 방정식은 풍속이 변하는 경우, 가용 전력의 변화가 3차원 지수적(cubically exponential)임을 나타낸다. 즉, 풍속이 높을수록 풍력 시스템에 사용할 수 있는 전력이 커진다.

풍력은 물리적으로 킬로그램-미터/제곱초 또는 뉴턴으로 표현된다. 바람의 가용 전력은 물리적으로 초당 뉴턴 미터 또는 와트로 표시된다. 한편, 공기역학 계수는 연구하는 힘에 따라 항력 계수(drag coefficient), 양력 계수(lift coefficient) 또는 횡 계수(lateral coefficient)로 나타낼 수 있다. 또한, 기준면은 연구 중인 힘에 따라 투영 영역, 블레이드 표면 또는 횡 표면(lateral surface)으로 표현될 수 있다.

풍속과 가용 전력 사이의 지수적 관계로 인해, 풍속이 조금만 증가해도 가용 전력이 크게 증가한다. 즉, 윈드 월은 동적 압력과 풍속의 증가를 통해 풍력 터빈에서 발생하는 유효 전력에 상당한 영향을 미친다.

따라서 풍속과 바람의 가용 전력 사이의 지수적 관계를 설정하면, 풍속에 대한 윈드 월(101)의 입사각(incidence)도 설정된다.

윈드 월(101)은 윈드 시스템의 로터에 투영된 풍속에 긍정적인 영향을 미치는 공기역학 본체로서, 압력 차이의 증가를 통해 그리고 결과적으로 자연에 존재하는 풍속의 증가를 통해 달성된다. 이러한 발명에 대한 설명을 위해, 윈드 월(101)의 크기와 공기역학 계수를 지배하는 다음 방정식을 고려할 수 있다.

F _AMP = F _D + F _L + F _S

F _D = ½·ρ·( u ² )·A·C _D

F _L = ½·ρ·( u ² )·S _Lref ·C _L

F _S = ½·ρ·( u ² )·S _Sref ·C _S

S _Lref = S _Sref 인 경우, (C _L = C _S )이고 따라서 (F _L = F _S )

P = ½·ρ·A·( u ³ )

F_AMP = 윈드 월에 가해진 총 힘의 무차원 합계

F_D = 윈드 셀의 항력 또는 저항

F_L = 내부에서 외부로 측정된 윈드 셀의 양력(상측 및 하측)

F_S = 내부에서 외부로 측정된 윈드 셀의 횡력(좌측 및 우측)

P = 가용 전력

ρ= 공기 밀도

u = 풍속

A = 풍향에 수직인 윈드 셀 투영 영역

S_Lref = 양력에 대응하는 블레이드 표면 투영

S_Sref = 횡력에 대응하는 블레이드 표면 투영

C_D = 바람에 직면하는 물체의 저항 또는 항력의 공기역학 계수. 풍향과 반대 방향의 풍력 시스템의 공기역학 성능을 결정함.

C_L = 지속성(sustainability)의 공기역학 계수. 중력과 반대 방향의 풍력 시스템의 공기역학 성능을 결정함.

C_S = 횡측 공기역학 계수. 바람과 중력의 방향에 수직인 방향으로 풍력 시스템의 공기역학적 성능을 결정함.

윈드 월(101)의 구조적 기하학과 관련하여, 순차적이고 대칭적인 방식으로, 인접하게 나란히 위치하는 윈드 셀(104)이라고 하는 유한한 개수의 개별 및 공기역학 단위로 구성된 고상 구조로 이해해야 하며, 전체로서 윈드 셀(104)의 연속적인 구조를 형성하고, 그 무게는 윈드 셀(104)의 구조에 의해 자체적으로 지지되고, 그 구성은 높이, 길이 및 너비 측면에서 3개의 물리적 차원을 따라 구성 가능한 구조를 구축하게 하는 것을 특징으로 한다. 즉, 윈드 셀(104)을 사용함으로써, 결과적인 공기역학 구조가 특정 환경, 기술 및 경제적 조건에 최적화된 구조가 되도록 완전히 모듈식 차원의 윈드 월(101)을 구축하는 것이 가능하다.

이 명세서에서 유한한 개수의 윈드 셀(104)에 의해 구축된 윈드 월(101)에 대해 설명하고 있음에도 불구하고, 앞에서의 설명이 윈드 월(101)의 전체 차원을 포함하는 하나의 거대한 윈드 셀(도 3)을 기반으로 한 윈드 월(101)이 형성될 수 있는 가능성을 배제하는 것은 아니다. 이 경우 윈드 월(101)은 거대한 윈드 셀과 동등할 것이다.

또한, 윈드 셀(도 3)은 윈드 셀의 축을 따라 위치해야 하는 거울 또는 양방향 대칭인 평면을 유지해야 하며, 윈드 셀이 대칭 평면에 의해 반으로 잘릴 때 포인트의 수직 거리 및 그 이미지가 대칭 평면에 대해 동일하게 되도록, 축은 바람의 흐름에 평행하고 및/또는 바람 유입구(406) 및 바람 유출구(407)와 연결 및/또는 연통한다.

윈드 셀(104)은 인접 외부 섹션(404) 및 내부 공기역학 챔버(501)로 구성된, 자체적으로 기능하는 공기역학 및 개별적인 구조로 이해되어야 한다. 윈드 셀과 인접 외부 섹션(404) 및 내부 공기역학 챔버(501)가 전체의 일부임을 명시하는 것이 중요하며, 이것들은 아마도 그 경우와 같은 대칭인 거울 평면과 대칭인 평면 또는 축을 공유한다. 이러한 섹션 각각은 아래에서 설명된다(도 4).

a) 인접 외부 섹션 또는 공유 폐쇄 로프(Shared Closed Rope)(404): 기류 경계층(602)이 형성되는 윈드 셀(104)의 외부 섹션이다. 추가적으로, 인접 외부 섹션(404)은 윈드 셀(104)의 외벽에 해당하며, 주변에 위치한 윈드 셀(104)과 관련하여 인접 한계(adjacent limit)로서 기능한다. 인접 외부 섹션(404)의 구조는 축을 따라 기하학적 모양의 투영을 가져야 한다. 즉, 윈드 셀(104)의 축에 수직인 단면은, 전체 축을 따라 동일한 기하학적 모양을 갖는 인접 외부 섹션(404)을 나타내야 한다. 상기 기하학적 모양은 다각형, 단면이 원추형 또는 눈물방울 형상과 같을 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 이러한 의미에서, 인접 외부 섹션(404)은, 원추형 단면(타원, 포물선, 쌍곡선 또는 원주와 같은 원뿔과 평면 사이의 상이한 교차로 인한 곡선), 물결 모양(눈물방울 또는 웨이브) 또는 다각형(정다각형 또는 불규칙 다각형)인, 기하학적 모양의 베이스를 갖는 원통 형상일 것이다.

도 3은 정사각형 모양으로, 축에 수직인 평면에서 본 인접 외부 섹션(404)을 갖는 윈드 셀을 나타낸다. 그러나 윈드 셀(104)의 외부 형상은 정사각형으로 제한되지 않으며, 이전 단락에서 설명한 바와 같이, 원형, 삼각형, 육각형, 팔각형과 같은 기하학적 모양을 이러한 목적으로 사용할 수 있음을 이해해야 한다.

인접 외부 섹션(404)의 단면은 상기 기하학적 모양이 내부에 가상의 원을 포함할 수 있는 한, 임의의 기하학적 모양의 형상을 따를 수 있다. 이러한 상태의 이유는 가능한 한 각도를 억제할 필요가 있기 때문이며, 이것들이 내부 공기역학 챔버(501) 내에서 공기역학 손실을 생성할 수 있기 때문이다. 그러나 다른 한편으로, 각진 기하학적 모양(예: 다각형)은 공간 사용을 최적화하고 윈드 월(101)의 구성을 용이하게 한다.

인접 외부 섹션(404)을 공유 폐쇄 코드라고도 하는 이유는, 윈드 셀(104) 바깥 부분의 벽이 내부 공기역학 챔버(501)의 블레이드 프로파일의 코드와 일치하기 때문이다. 즉, 이론적으로, 윈드 셀(104)이 원형 실린더가 아니고 인접한 윈드 셀(104)이 존재하지 않는 윈드 월(101)의 끝에 배치되지 아닌 한, 각 윈드 셀(104)은 그 단면의 다각형 측면들이 있는 수만큼 블레이드 프로파일의 코드의 단면을 공유한다. 따라서 인접한 윈드 셀(104)은, 인접 외부 섹션 또는 공유 폐쇄 코드(404)를 통해, 인접 경계가 공유되는 단면 부분에서 동일한 코드를 공유한다.

인접 외부 섹션(404)의 중요성은, 고유한 기하학적 구조로 인해, 유한한 개수의 윈드 셀(104)로써 구성 가능한 차원의 윈드 월(101)을 구축할 수 있도록, 각각의 윈드 셀(104)이 모듈식 빌딩 블록(modular building block)으로 기능할 수 있다는 사실에 있다. 윈드 월(101)의 구성이 인접 외부 섹션(404)과 동일한 크기 및 동일한 기하학적 구조의 윈드 셀(104)에 국한되지 않고, 상이한 차원 및 상이한 기하학적 구조의 윈드 셀(104)이 사용될 수 있거나 둘 다의 조합이 제한 없이 사용될 수 있음을 나타내는 것은 중요하다.

요약하면, 인접 외부 섹션(404) 또는 공유 폐쇄 코드는 윈드 월(101)을 구성하는 각각의 윈드 셀(104)이 공유하는 물리적 한계이다. 이러한 방식으로, 인접 외부 섹션(404)은 단면의 관점에서 다각형, 물결 모양 또는 원추형 단면의 기하학적 베이스가 있는 원통 형상을 갖는 것이 특징이며, 그 구조적 투영은 2가지 중요한 속성을 구성한다. (i) 인접한 윈드 셀(104) 각각의 블레이드 프로파일의 공유 코드를 구성하는 섹션이며, 동시에 (ii) 윈드 셀(104)이 전체로서 윈드 월(101)의 구성에서의 모듈식 빌딩 블록으로 개별적으로 기능하게 하는 윈드 셀의 섹션이다.

b) 내부 공기역학 챔버(도 5): 압력 차가 발생하고 따라서 풍속 차가 형성되는 윈드 셀의 내부 섹션이다. 또한, 내부 공기역학 챔버(501)는 혁신적인 공기역학 프로파일에 의해 발생된 양력이 생성되는 윈드 셀의 공간에 해당한다.

내부 공기역학 챔버는 외호면 블레이드 프로파일과 같은 형상이다. 이 프로파일은 부분적으로 날개형 프로파일(airfoil profile)을 기반으로 한다. 프로파일은 블레이드 프로파일의 외호면(상부면)을 내부 공기역학 챔버(501)의 내부면으로 사용한다. 다시 말해, 블레이드 프로파일의 상부면만 사용하고 블레이드 프로파일 자체의 내호면(intrados)은 내버려둠으로써, 내부 공기역학 챔버(501)의 프로파일이 문제의 블레이드 파일의 코드를 따라 절단된 것과 같이 되고, 따라서 외호면의 프로파일에만 따르는 내부 공기역학 챔버(501)를 남긴다. 따라서 내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일은 윈드 셀의 축을 중심으로 한 외호면의 회전에 의해 달성되며, 그 결과 대칭 평면을 따라 연속적인 공기역학 프로파일이 생성된다. 내부 공기역학 챔버(501)의 프로파일이 중앙에 있어야 하고 인접 외부 섹션(404)의 형상에 맞게 조정되어야 하므로, 외호면 블레이드 프로파일(502)의 두께(프로파일의 에지와 로프 사이의 거리)는 윈드 셀의 각 섹션에서 다르게 될 것임을 명시하는 것이 중요하다.

추가적으로, 내부 공기역학 챔버(501)의 가장 좁은 영역은 원형일 수 있지만, 이러한 원 형상에만 국한되지 않고, 해당 형상의 끝이 둥글기만 하면, 다른 형상(예: 하나 이상의 풍력 터빈이 들어갈 수 있는 직사각형)도 될 수 있다. 이러한 대안 및 특수 구성의 경우 축을 중심으로 한 외호면의 회전으로 완전한 모양을 생성한다는 개념은 더 이상 적용되지 않는다. 그러나 단면에서 볼 때 외호면 블레이드 프로파일은 여전히 유지된다.

윈드 셀의 바람 유입구(406)와 바람 유출구(407)는 모두 동일해야 하며 동일한 차원 또는 적어도 실질적으로 동일한 차원을 가져야 한다는 점을 지적하는 것이 중요하다. 여기서 외호면(상부면) 블레이드 프로파일(502)의 리딩 에지(leading edge)는 바람 유입구(406)에 대해 인접하여 수직으로 배치되고 외호면(상부면) 블레이드 프로파일(502)의 트레일링 에지(trailing edge)는 바람 유출구(407)에 인접하여 수직으로 배치된다.

추가적으로, 기하학적 형상과 관련하여, 윈드 셀의 바람 유출구(407) 및 바람 유입구(406)에 대해 다음 대안 중 하나를 선택할 수 있다. (i) 인접 외부 섹션의 원통형 베이스와 동일한 기하학적 형상을 유지; (ii) 윈드 셀(405)의 넥(Neck)과 동일한 기하학적 모양을 보존; (iii) 윈드 셀(405)의 넥의 기하학적 모양의 마진(margin)에 원 모양(circular figure)을 유지.

바람직한 실시예에서, 내부 공기역학 챔버의 외호면 블레이드 프로파일은 특정 형상의 이중 쌍곡면 프로파일을 가질 수 있다. 이 프로파일은 원점에서 결합된 2개의 미완성 단일-리프 쌍곡면(single-leaf hyperboloids)을 사용하며, 각 쌍곡면의 기하학적 모양은 서로 다르다. 풍향에 수직인 원점에서의 미완성 리프의 제1 쌍곡면(이하, 입력 쌍곡면)이, 풍향에 반대인 원점에서의 미완성 리프의 제2 쌍곡면(이하, 출력 쌍곡면)의 바람 유출구(407)와 같은 바람 유입구(406)를 갖는 한, 내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일은 다양한 쌍곡면으로 조정될 수 있다.

추가적으로, 사전 조건으로서, 원점에서 미완성 리프의 각 쌍곡면의 대칭 원점(카테시안 공간(Cartesian space)에서의 원점)에서의 원들의 차원들은, 두 기하학적 모양 사이의 연결 부위(joint)가 완전하게 되도록 동일해야 하며, 즉, 입력 쌍곡면(506)과 출력 쌍곡면(507)이 함께 연속적인 축 회전 대칭을 갖는 기하학적 모양을 형성하도록 동일해야 한다. 다시 말해, 이중 쌍곡면 프로파일(502)은 원점에서 연결되는 서로 다른 입력 쌍곡면(506)과 출력 쌍곡면(507)으로 구성되며, 여기서 바람직하게는, 입력 쌍곡면(506)의 크기(또는 내부 체적)는 출력 쌍곡면(507)의 크기(또는 내부 체적)보다 작아야 하고, 두 쌍곡면은 원점에서 그 원들로 결합되어야 하고, 필수 조건으로서 입력 쌍곡면(506)과 출력 쌍곡면(507)의 원점에서의 원들이 일치하고 이중 쌍곡면 프로파일(502)이 축을 따라 연속적이고 대칭적인 구조가 되도록 동일한 차원이 되어야 한다. 윈드 셀의 입력 쌍곡면(506)에 위치한 바람 유입구(406)와 출력 쌍곡면(507)에 위치한 바람 유출구(407)는 동일하거나 실질적으로 동일한 차원의 원 형상이어야 한다는 것이 중요하다.

내부 공기역학 챔버(501)를 둘러싸고 있는 인접 외부 섹션(404)은 다른 기하학적 모양을 가질 수 있으므로, 공유 폐쇄 코드(404)와 내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일 사이의 거리는 윈드 셀(104)의 전체 범위에 걸쳐 가변적이며, 최대 거리는 윈드 셀(405)의 넥(neck) 높이로 되는 것을 예상해야 한다.

내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일은 다음과 같은 유사한 특성이 있다. (i) 내부 공기역학 챔버(501)의 바람 유입구(406) 및 바람 유출구(407)는 동일한 기하학적 형상을 유지해야 함. (ii) 윈드 셀의 내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일은 윈드 셀의 동일한 대칭 평면을 유지해야 함.

다른 윈드 셀 옆이나 일렬로 위치한 윈드 셀은, 횡단면에서 보았을 때 두 셀의 대칭 축을 통해 평행하게 통과하고, 더불어 이것들은 각 윈드 셀(104) 사이에서 공유되는 인접 외부 섹션(404)에 코드가 대응하는 완전한 블레이드 프로파일을 구축하고, 그 부분에 대해, 각 윈드 셀의 내부 공기역학 챔버(501)는 블레이드 프로파일의 외호면(또는 내호면)에 각각 대응한다는 것이 중요하다. 이것은 완전한 블레이드 프로파일을 활용하여 2개의 인접한 셀의 양쪽 개구를 통해 바람을 공기역학적으로 전환하여, 사용된 공간을 활용하고 제조에 사용된 재료의 양을 줄이면서, 풍속을 증가시키는 시너지 효과를 생성한다는 기술적 이점이 있다.

내부 공기역학 챔버(501)는, 사용된 프로파일의 사양 수준에 관계없이, 구성요소를 갖는 전체이며, 물리적으로 관찰할 수 있는 크기가 매우 다른 3가지 구분 가능한 영역을 구성한다. 풍향의 순서로, 상기 구분 가능한 영역은 다음과 같다. (i) 전방 섹션 또는 압력 발생기 공간, (ii) 중간 섹션 또는 임계 공간, 및 (iii) 후방 섹션 또는 난류 억제 공간.

i) 압력 발생 공간(503); 축이 풍향과 일직선이고 그 표면이 바람에 직면하는 공간이다. 압력 발생 공간(503)은 바람 유입구(406) 영역과 고속 임계 공간(504) 사이에 위치한 공간에 해당하며, 압력 발생 공간(503)은 바람의 가장 큰 항력을 견디고 가장 높은 수준의 압력을 나타내는 것에 특징이 있다. 물리적 관점에서, 압력 발생 공간(503)은 주변 압력보다 높은 스칼라 크기(scalar magnitudes)의 정적 압력을 갖는 공간 체적에 해당해야 한다.

ii) 임계 공간(504); 압력 발생 공간(503)과 난류 억제 공간(505) 사이에 위치한 공간이다. 임계 공간(504)은 가장 낮은 수준의 정적 압력과 가장 높은 풍속 및 동적 압력 기록을 모두 나타내는 것이 특징이다. 이 공간에 존재하는 물리적 크기의 특성으로 인해, 임계 공간(504)은 풍력 터빈 로터가 위치해야 하는 공간을 구성하여, 상기 공간에서 중심에 있는 상기 바람의 운동 에너지를 매우 집중적으로 이용할 수 있게 한다. 물리적 관점에서, 임계 공간(504)은 풍속 벡터 크기의 양의 차이(positive differentials)를 포함하는 공간 체적(spatial volume)에 해당해야 한다. 공교롭게도, 전체 축을 따라 횡단면으로 내부 공기역학 챔버(501)를 절단하면, 내부 공기역학 챔버(501)의 단면 영역이 가장 작은 평면을 찾을 수 있으며, 이것은 임계 공간(504) 내에 있을 것이다. 즉, 윈드 셀(405)의 넥이 임계 공간(504) 내에 있음을 예상해야 한다.

iii) 난류 억제 공간(505); 축이 풍향과 일치하지만 표면이 바람에 직접적으로 면하지 않는 공간이다. 난류 억제 공간(505)은 임계 공간(504)과 바람 유출구(407)의 영역 사이에 위치한 공간으로서, 바람의 최소 저항력을 견디고 주변 환경에 대해 풍속과 압력의 크기를 평준화하는 과정을 나타내는 것에 특징이 있는 공간이다. 물리적 관점에서, 난류 억제 공간(505)은 임계 공간(504) 이후 풍속의 벡터 크기의 음의 차이(negative differentials)를 기록하는 공간 체적에 해당해야 한다.

위에 표시된 내부 공기역학 챔버(501)의 구분 가능한 영역에는 미리 설정된 물리적 한계가 아니라, 지배적인 물리적 크기의 스칼라 한계가 있다. 즉, 내부 공기역학 챔버(501)의 구분 가능한 영역은, 각각의 공간이 윈드 셀 내에 존재하는 물리적 크기의 특정 거동을 특징으로 하기 때문에 서로 구별될 수 있다.

요약하면, 내부 공기역학 챔버(501)는 압력 및 풍속 차이가 발생하는 윈드 셀의 내부 공간으로서, 관찰 가능한 물리적 크기가 매우 다른 3개의 구분 가능한 영역으로 구성된 공간인 것이 특징이다. 상기 구분 가능한 영역은 풍향에 따라 다음과 같다. (i) 압력 발생 공간(503); (ii) 임계 공간(504); 및 (iii) 난류 억제 공간(505).

다음으로 윈드 월의 기초를 설명하는 것이 중요하다.

윈드 월(101)의 구성 부품을 설정한 후, 이 분석을 위해 중앙에 원형 구멍이 있는 평면(이하 "중공 플랫 디스크")을 가정한다. 중공 플랫 디스크는 윈드 셀(104)과 동일한 투영 영역을 가지며 윈드 셀(405)의 넥과 동일한 영역으로 중앙에 원형 구멍이 있다. 윈드 셀(104)과 "중공 플랫 디스크"가 동일한 투영 영역을 공유하므로 바람으로부터 동일한 양의 운동 에너지를 수신하더라도 두 물체의 공기역학 계수에서의 기존 차이가 문제의 공기역학 물체 각각에 의해 생성된 압력 경도(gradients)와 풍속의 차이를 설명하는 것임을 나타내는 것이 중요하다.

두 물체가 각각 풍력과 상호 작용한다는 사실에도 불구하고, 공기역학적 효과로 인해, 윈드 셀(104)의 항력은 "중공 플랫 디스크"에 바람이 가하는 항력보다 작고, 이것은 윈드 셀(104)이 특정 방식으로 "중공 플랫 디스크"에 비해 바람으로부터 더 적은 양의 운동 에너지를 흡수하여 상기 운동 에너지 간의 차이가 공기 자체의 움직임에 의해 보존되도록 한다는 것을 의미한다.

항력 계수에 직면하는 것 외에도, 윈드 셀(104)은 내부 공기역학 챔버(501)의 블레이드 표면을 따라 양력을 생성하는 고유한 공기역학적 기하학 구조에 의해 생성된 양력 계수와도 상호 작용한다. 이러한 의미에서 내부 공기역학 챔버(501)의 블레이드 표면이 원 형상이므로, 생성된 양력의 벡터는 내부 공기역학 챔버(501)의 내부를 향해 동심원으로 향하게 된다는 것을 나타내는 것이 중요하다. 이러한 양력은 임계 공간(504)에 집중될 때 풍속의, 결과적으로 동적 압력의 더 큰 증폭의 일시적인 상태를 생성한다.

상기한 내용은 윈드 셀(104)의 공기역학적 형상의 결과로서 보존 및 증폭된 바람의 운동 에너지 양이 임계 공간(504) 내에 집중된 양력의 결과이고, 압력의 차이와, 공기 질량(air mass)이 윈드 셀의 바람 유출구(407)를 향한 이동에 영향을 받는 풍속의 증가에 원인이 있음을 의미한다.

바람의 운동 에너지 증폭에서의 윈드 월(101)의 입사는 다음 2가지 요소, 즉 윈드 월(101)의 투영 면적의 크기 및 윈드 월(101)을 구성하는 윈드 셀(104)의 공기역학적 계수 덕분에 가능하다. 다시 말해, 윈드 월(101)에 의해 달성되는 가용 전력의 증가는, 투영 면적과, 적용되는 윈드 셀(104)의 공기역학 계수의 최적화뿐만 아니라, 주어진 풍력 시스템을 둘러싸고 있는 지배적인 풍력 자원의 특별한 특성들의 함수일 것이다.

CFD 시뮬레이션(도 6)에 따르면, 윈드 월(101)은 도달 가능한 풍속의 최대 증폭이 불확실하다는 점(그러나 무한은 아님)을 고려하여, 임계 공간(504) 내에서 약 3.5배까지 풍속을 증가시킬 수 있는데, 이것은 투영된 영역의 각각의 구성과 윈드 월(101) 전체의 공기역학 계수에 따라 달라지기 때문이다. 도 6은 하나의 범례를 나타내며, 여기서 흰색 영역(604)은 10m/s와 동등한 주변 풍속에 해당하고, 하늘색 영역(605)은 풍속이 주변 풍속 아래로 떨어지는 공간에 해당하며, 적갈색 영역(603)은 풍속이 주변 풍속 이상으로 상승하는 공간에 해당한다. 나타낸 바와 같이, 적갈색 영역은 주로 두 영역에 위치한다. 즉, 윈드 셀 외부, 특히 기류의 경계층(602)과 임계 공간(504)에 있다. 마찬가지로, 도 6의 범례는 CFD 시뮬레이션에 의해 계산된 최소 속도와 최대 속도(606)를 나타낸다.

윈드 월(101)을 적용한 결과인 풍속의 증폭 한계는 윈드 월(101)의 항력 계수와 양력 계수의 종속 함수로 정의된다는 점을 명시하는 것이 중요하다. 여기서 항력 계수는 반비례하고 양력 계수는 직접적인 관계를 갖는다. 이러한 의미에서, 윈드 월(101)의 더 큰 투영 영역이 더 큰 기준 스캐닝 표면(reference scanning surface)의 관점에서 유리할 수 있지만, 특정 포인트에서부터 윈드 월(101)의 투영 영역의 더 큰 차원은, 더 높은 항력 계수의 결과로서 윈드 월(101)의 일부 영역에서 감소되어 반환될 수 있음을 고려하는 것이 중요하다. 그러나 다른 한편으로, 항력 및 양력 계수는 양의 편도 함수(positive partial derivatives)를 갖는 곡선을 나타내며, 이는 더 높은 항력 계수의 부정적인 영향이 더 높은 양력 계수를 수반할 수 있고(관련되지 않음), 따라서 현재 양력의 더 높은 동적 압력 생성이 될 수 있다. 이러한 의미에서 윈드 월(101)의 이상적인 차원을 선택하기 위해, 특정 환경 조건에서, 항력 계수와 양력 계수가, 윈드 월(101)을 구성하는 윈드 셀(104)의 임계 공간 내의 바람의 가장 높은 동적 압력을 생성하는 최적점을 연구하고 찾는 것이 중요하다.

요약하면, 위에서 설명한 윈드 월(101)은 차세대 풍력 시스템으로서, 풍속을 증가시켜 윈드 셀(104) 내의 임계 공간(504)에 한정된 운동 에너지의 강도를 증가시키고, 결과적으로 일정하거나 일정하지 않은 바람의 특정 운동 에너지가 주어졌을 때, 가용 전력을 증가시켜 전기 에너지 생성에서 더 높은 성능을 나타낼 수 있다. 따라서 동일한 풍력 자원에 대해, 윈드 월(101)의 적용이 자연에서 이용 가능한 바람의 운동 에너지를 더 잘 사용하고 주어진 동일한 풍력 자원에서 전력 생산을 증가시킴으로써, 윈드 월(101)은 바람의 잠재적 운동 에너지의 낮은 사용과 관련된 기술적 문제를 해결한다.

윈드 월(101)의 구성과 관련하여, 유한한 개수의 윈드 셀(104)로 구성되어 있기 때문에, 단일 윈드 셀에 기반한 윈드 월(101)의 형성의 경우도 있고, 따라서 윈드 월(101)의 전체 구성은 각 윈드 셀의 개별 구성의 합을 기반으로 할 것이다.

반면에 윈드 셀은 개별적으로 동질의 구성(homogeneous configuration)을 가질 필요는 없다. 즉, 동질이고 대칭적인 윈드 셀(104)을 기반으로 윈드 월이 구축될 수 있지만, 인접 외부 섹션(404)의 다양한 크기, 차원 및 기하학적 형상 및/또는 내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일의 관점에서 다른 구성의 윈드 셀(104)을 기반으로 구축될 수도 있다. 즉, 윈드 월(101)의 구성에 대한 옵션은 무궁무진하다.

윈드 월(101)을 구성할 서로 다른 윈드 셀(104)의 가장 적합한 구성은, 윈드 월(101) 설치 장소의 지배적인 풍력 자원에 대한 연구를 기반으로 선택해야 하며, 또한 기술 파라미터, 경제적 제한, 예상 산출량, 가용 기술, 요구되는 환경 제한 및 특정 프로젝트에 대한 예상 운영 제한 등을 기반으로 선택해야 한다. 즉, 풍력 시스템이 생성되는 만큼의 최적의 윈드 월(101)의 형태가 있을 수 있다.

클램핑(고정) 및 지지 요소와 관련하여, 각 윈드 셀의 인접 외부 섹션(404)이 그 자체로 구조적 지지를 구성한다는 것을 나타내는 것이 중요하다. 윈드 셀(104)은 상당한 양력과 저항력에 노출되기 때문에, 윈드 셀의 안쪽 부분(즉, 환경에 직접 노출되지 않고 둘러싸인 부분)은 적절하게 충분히 보강되어야 한다. 마찬가지로 윈드 월(101)을 구성하는 윈드 셀(104)이 전체적으로 거동하므로, 윈드 월(101) 전체의 온전함(integrity)을 유지하기 위해 고정 구조의 구성을 고려하는 것이 중요하다. 이러한 의미에서, 클램핑 및 지지의 관점에서 윈드 월(101)은 기존 풍력 터빈의 경우와 같이 높은 수직 지지대가 필요하지 않고, 이를 구성하는 동일한 윈드 셀(104)을 기반으로 하는 자체 유지 구조이다. 그럼에도 불구하고, 윈드 월(101) 전체의 온전함을 유지하려면 고정 및 지지 구조의 결정이 필요하다. 윈드 월(101)에 필요한 클램핑 및 구조적 지지 요소의 구성에 사용되는 기술에 대해서는 이 논의에 맞지 않으며, 이 문제에 전문화된 공학 분야의 연구 및 기술 권고에 전적으로 따를 수 있다.

반면에 윈드 월(101)의 적용은 그 자체로서, 풍력 터빈의 기계적 및 공기역학적 효율성뿐만 아니라 윈드 월(101) 풍속과 기본적인 전력 밀도를 증폭하는 요소로서 윈드 월(10)의 구조적 및 공기역학적 효율성을 기반으로 하는 차세대 풍력 시스템을 제공한다. 이러한 의미에서, 윈드 월(101)의 적용으로 제공되는 장점은 다음과 같다.

● 풍력 밀도 증가: 본 발명에 의해 달성된 풍속의 유도된 증가로 인해, 자연에서 바람의 특정 운동 에너지가 주어지면, 윈드 월(101)은 기존의 풍력 시스템이 전달할 수 있는 것보다 더 큰 전력 밀도를 생성하며, 이것은 풍속을 증가시키기 위해 어떤 물리적 구조를 사용하지 않으나, 자연에서 발생하는 바람의 운동 에너지만 취한다.

● 특정 역률(power factor)의 증가: 시스템의 동일한 투영 표면이 주어지면, 윈드 월(101)은 기존 풍력 시스템에 비해 평방 미터당 훨씬 높은 수준의 전력(특정 역률 또는 전력 계수)을 제공한다. 사전에 수행된 분석 및 시뮬레이션에 따르면, 특정 역률은 기존 풍력 시스템에 비해 2배의 값이 된다.

● 풍력 터빈 로터의 작은 직경: 수정 없이 자연에서 이용 가능한 바람으로 동작하는 기존의 풍력 터빈에 비해, 풍력 터빈의 로터가 위치할 임계 공간(504) 내에서 풍속을 증가시킬 수 있는 윈드 셀의 공기역학 구조를 적용하여, 풍력 터빈의 더 작은 직경의 로터로 더 많은 전력을 생성할 수 있다.

● 발전 단위당 저비용: 윈드 월(101)이 제공하는 더 높은 전력 계수와 더 작은 크기의 풍력 터빈 로터의 결과로서, 킬로와트당 달러(US $/kW)로 측정된 전력 단위당 투자 수준은, 기존 풍력 시스템의 단위 전력당 투자 수준보다 낮다.

요약하면, 자연에서의 가용 풍력 자원이 동일하게 주어졌을 때, 윈드 월(101)은 풍력 밀도 및 특정 전력을 증가시키고 결과적으로 전력 생성 용량을 증가시키는 데 특별한 관련성이 있으며, 또한 낮은 비용을 발생한다.

Claims

하나 이상의 윈드 셀(104)을 포함하는 윈드 월에 있어서,
윈드 셀은 서로 인접하게 배치되어 전체적으로 연속적인 구조를 합성하고;
윈드 셀은 모듈식으로서, 각 윈드 셀은 동일하고 대칭적인 구성을 갖거나, 또는 윈드 월이 완전히 구성 가능한 차원을 갖도록 서로 상이하고 독립적이며;
각각의 윈드 셀은, 윈드 셀의 한쪽에 배치된 바람 유입구(406)로부터 윈드 셀의 반대쪽에 배치된 바람 유출구(407)까지의 경로를 바람이 통과하는, 그 자체로 기능적인 개별 구조를 가지며;
바람 유입구(406) 및 바람 유출구(407)는 연통되고 매우 동일한 차원을 가지며;
각각의 윈드 셀은 회전된 외호면(상부면) 블레이드 프로파일의 형상으로 그 내부에 내부 공기역학 챔버(501)를 포함하고;
각각의 윈드 셀은 윈드 셀의 외벽에 의해 형성된 인접 외부 섹션(404)을 포함하고;
각각의 윈드 셀은 윈드 셀을 따라 바람 유입구(406)와 바람 유출구(407) 사이에 위치하고, 임의의 포인트와 그 이미지에서부터 대칭면까지의 수직 거리가 동일하게 되도록 윈드 셀을 반으로 나누는, 대칭적인 미러 또는 좌우(bilateral) 평면을 유지하고;
각각의 윈드 셀은, 대칭인 미러 평면을 두 부분으로 나누고 그 대칭 포인트는 축으로부터 등거리에 있는 대칭 축 또는 축 평면을 유지하는 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제1항에 있어서,
축 대칭인 두 윈드 셀의 축을 평행하게 통과하는 단면에서 볼 때, 2개의 인접하는 윈드 셀 사이의 연결 부위(joint)가 완전한 블레이드 프로파일의 형상을 가지며, 두 윈드 셀은 동일한 스트링을 공유하여 배치되고, 여기서 상기 코드는 두 윈드 셀의 인접 외부 섹션(404)에 포함되며 공유 폐쇄 코드의 명칭을 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제1항에 있어서,
인접 외부 섹션(404)과 윈드 셀은 대칭인 동일한 미러 평면 및 대칭인 평면 또는 축을 공유하고;
윈드 셀의 축에 수직인 단면은 전체 대칭 축을 따라 동일한 기하학적 모양을 갖는 인접 외부 섹션(404)을 나타내고;
상기 기하학적 모양은 다각형 형상, 원추형 단면 형상, 물결 모양 또는 눈물방울 형상일 수 있는 인접 외부 섹션(404)의 원통형 베이스에 해당하는 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제1항에 있어서,
내부 공기역학 챔버(501)와 윈드 셀이 대칭인 동일한 미러 평면과 대칭인 평면 또는 축을 공유하는 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제4항에 있어서,
내부 공기역학 챔버(501)는 동일한 풍향에 위치하는 압력 발생 공간(503), 임계 공간(504), 윈드 셀(405)의 넥(neck) 및 난류 억제 공간(505)을 포함하고;
압력 발생 공간(503)은 바람 유입구(406) 영역과 임계 공간(504) 사이에 위치하며, 압력 발생 공간(503)은 가장 큰 항력을 지지하고 가장 높은 레벨의 압력을 나타내는 공간이며;
임계 공간(504)은 압력 발생 공간(503)과 난류 억제 공간(505) 사이에 위치하며, 임계 공간(504)은 가장 낮은 압력 수준을 가지며 풍속의 가장 높은 기록을 갖는 공간이고, 윈드 셀(405)의 넥이 위치하는 공간이며; 또한, 임계 공간(504)은 풍력 터빈의 로터를 배치하기에 적합한 영역이며;
난류 억제 공간(505)은 임계 공간(504)과 바람 유출구(407) 영역 사이에 위치하며, 난류 억제 공간(505)은 풍압 및 풍속이 주변 환경과 관련하여 정규화되기 시작하는 공간인 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제1항 및 제5항에 있어서,
내부 공기역학 챔버(501)의 회전된 외호면(상부면) 블레이드 프로파일은 이중 쌍곡면 프로파일의 형상을 포함하고, 이중 쌍곡면 프로파일은, 풍향에 직면하며 바람 유입구(406)에 인접하고 수직으로 배치된 입력 쌍곡면(506)과, 풍향에 직면하지 않으며 바람 유출구(407)에 인접하고 수직으로 배치된 출력 쌍곡면(507)을 포함하고;
동일한 윈드 셀의 입력 쌍곡면(506) 및 출력 쌍곡면(507)의 기하학적 형상은 서로 다르며, 입력 쌍곡면(506)의 크기 또는 내부 체적은 출력 쌍곡면(507)의 크기 또는 내부 체적보다 작고;
입력 쌍곡면(506) 및 출력 쌍곡면(507)은 미완성 리프(unfinished leaf)이고, 두 기하학적 모양 사이의 연결이 연속적이 되도록, 즉 입력 쌍곡면(506) 및 출력 쌍곡면(507)이 연속적인 축 회전 대칭을 갖는 기하학적 모양을 함께 형성하도록, 원점에서 동일한 원들로 연결되는 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제5항 및 제6항에 있어서,
외호면(상부면) 블레이드 프로파일은, 바람 유입구(406)에 대해 인접하고 수직으로 배치된 리딩 에지; 및 바람 유출구(407)에 인접하고 수직으로 배치된 트레일링 에지를 포함하고;
윈드 셀(405)의 넥은, 기하학적 각도에서 둥글고 내부 공기역학 챔버(501)의 축 대칭인 축이 대칭인 평면 축으로 교환될 수 있는 형상인 한, 원형의 기하학적 형상 또는 원형이 아닌 다른 기하학적 형상을 가지며;
윈드 셀의 바람 유출구(407) 및 바람 유입구(406)는 다음 형상들, (i) 원 형상; (ii) 원과 다를 경우 윈드 셀(405)의 넥과 동일한 기하학적 형상; 또는 (iii) 기하학적 각도로 둥근 인접 외부 섹션(404)의 원통형 베이스와 동일한 기하학적 형상; 중 어느 하나를 갖는 것을 특징으로 하는 윈드 월.
제1항에 있어서,
인접 외부 섹션(404)과 내부 공기역학 챔버(501)의 공기역학 프로파일 사이의 거리는, 윈드 셀의 전체 폭(span)을 통해 가변적이고, 최대 거리는 윈드 셀(405)의 넥의 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 윈드 월.