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KR101515642B1 - 상승기류 풍력 터빈 - Google Patents

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KR101515642B1
KR101515642B1 KR1020087028519A KR20087028519A KR101515642B1 KR 101515642 B1 KR101515642 B1 KR 101515642B1 KR 1020087028519 A KR1020087028519 A KR 1020087028519A KR 20087028519 A KR20087028519 A KR 20087028519A KR 101515642 B1 KR101515642 B1 KR 101515642B1
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배리 로스 아일랜드
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월윈드 에너지 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 전기 생성 분야에 관한 것으로서, 특히 전기를 생성시키기 위한 풍력 터빈의 사용에 관한 것으로서, 수직축 풍력 터빈은 굴뚝의 상부에 장착되며, 로터 블레이드는 굴뚝의 외측에 배치되며, 회전 블레이드에 의해 생산된 기계 에너지는 짧은 구동 샤프트에 의해 제너레이터에 전달된다. 구동 샤프트는 스테이터내에 전압을 유도하도록 제어레이터내의 로터를 구동시키는데 사용된다. 선택적인 구성에 있어서, 풍력 터빈 및 제너레이터는 일체이다. 로터 블레이드는 회전, 고정체에 대해 회전되는 영구자석 또는 로터의 전류유도 세트, 전류생성 스테이터에 직접 결합된다. 다른 구성에 있어서, 로터 블레이드는 굴뚝 또는 탁월풍과 연관되는 상승기류를 사용하여 회전된다.

Description

상승기류 풍력 터빈{WIND AND UPDRAFT TURBINE}
본 발명은 전기 생성 분야에 관한 것으로서, 특히 전기를 생성하기 위한 풍력 터빈의 사용에 관한 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 알고 있는 바와 같이, 석탄, 기름 및 천연가스와 같은 에너지 공급원의 가용성은 연료에 대한 비용 상승으로 한정되고 있다. 이 비용 상승은 주거자에게는 상당하며, 이러한 비용이 연속 조업 및 파산 사이에서의 차이를 의미할 수 있는 제조업자와 같은 상업 사용자에 대해서는 특히 상당하다.
이러한 비용 상승의 결과로, 햇빛, 바람, 유수(flowing water), 생물학 프로세스 및 지열 히트 플로우와 같은 현재까지의 자연 프로세스로부터 그들의 에너지를 포획하는 재생가능한 에너지 공급원을 포함하는 서브-그룹의 다른 에너지 공급원을 개발하기 위한 강한 시도가 있어 왔다. 재생가능한 에너지 공급원은 직접 사용되거나 또는 다른 편리한 형태의 에너지를 창조하도록 사용될 수 있다. 직접 사용의 예는 지열을 포함하며, 간접 사용의 예는 전기를 생성하는데 사용된 풍력 터빈(wind turbine)을 포함한다.
풍력 터빈은 전기를 생산하도록 전기 제너레이터에 부착될 수 있다. 풍력 터빈은 터빈을 회전시키는 축(수평 또는 수직)에 기초한 2개의 일반적인 형태로 분리될 수 있다. 수직축 풍력 터빈(VAWT)에서는, 제너레이터는 타워가 VAWT를 지지할 필요가 없도록 장착되는 타워의 하부에 전형적으로 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 타워(20)에 장착된 VAWT(10)는 예를 들면 제조된 전기를 커패시터 또는 배터리(40)내에 저장하거나 또는 거주자 또는 상업 사용자(50)에게 직접적으로 분배할 수 있는 제너레이터(30)에 연결되어 있다. VAWT는 캐나다 온타리오 미시사우가의 클린필드 에너지 코퍼레이션에 의해 제공된 2.5 kW VAWT와 같은 거주지 또는 상업 사용을 위해 설계되었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 사설 VAWT는 중심 축(70)에 대해 회전하는 3개의 좁은, 3 미터 수직 블레이드(60)의 특징을 갖는다.
태양열 굴뚝은 가열된 공기의 대류에 의해 태양 에너지를 이용하기 위한 장치이다. 그의 간단한 형태에 있어서, 블랙-도장 굴뚝으로 구성된다. 낮 동안, 태양 에너지는 굴뚝(chimney)을 가열하며, 이에 의해 굴뚝내의 공기를 가열하며, 굴뚝내의 공기의 상승기류를 얻는다. 태양열 타워는 수집기 가까이의 공기를 따뜻하게 하기 위해 굴뚝의 하부에 위치된 태양열 수집기를 포함한다. 얻어지는 따뜻한 공기는 굴뚝내에 상승기류를 일으킨다. 태양열 타워의 한가지 구성에 있어서, 풍력 터빈은 굴뚝내에 위치되며 상승 공기에 의해 구동된다. 터빈은 제너레이터에 연결되며, 이에 의해 저장 또는 분배를 위한 전기를 생산한다. 맨프레드 피스처에 의해 발명되어 발명의 명칭 "Power Station Using Updraft Flowing Up Tall Chimney"로 1998년 5월 14일에 출원된 독일특허 DE 198 21 659호는 이러한 구성을 개시한다. 도 3을 참조하면, 이 특허의 요약은 굴뚝(B)으로 이루어지는 상승기류 발전소의 하부가 태양열 에너지 수집기 루프(A)에 의해 둘러싸여지며, 루프 아래의 디스크형상 환형 챔버로부터 굴뚝으로 공기를 유동시킨다. 하나 이상의 풍력 터빈(C)이 이러한 공기 유동내에 배치되어 있다.
VAWT 및 태양열 타워 또는 굴뚝 모두는 그 자체로 전기를 적절하게 제조할 수 있지만, 그들은 설계에 의해 제한을 받는다. 특히, VAWT는 작동을 위해 일정한 바람이 존재하는 특정의 지리적 영역으로 바람의 사용을 억제시켜야 한다. 태양열 굴뚝은 풍력 터빈을 구동시키기 위해 상승기류를 생산하도록 햇빛에 놓여야 하며, 따라서 그의 사용은 지리적으로 제한을 받는다. 기후의 폭넓은 변화에서 작동되는 풍력 터빈은 이상적인 것이다.
본 발명은 굴뚝의 상부에 장착된 수직 축 풍력 터빈을 제공하는 것에 의해 종래기술의 결함을 해소하기 위한 것이다. 로터 블레이드는 굴뚝의 외측에 배치되며, 회전 로터 블레이드에 의해 생산된 기계적 에너지는 짧은 구동 샤프트에 의해 제너레이터로 전달된다. 특히, 교류발전기(예컨대, 및 교류(AC) 제너레이터)가 사용되면, 구동 샤프트는 제너레이터 전동자 권선 또는 스테이터내에서 회전하는 AC 계자 권선 또는 로터를 구동시키는데 사용된다. 선택적으로, 풍력 터빈 및 제너레이터는 일체이다. 로터 블레이드는 고정식 전류생성 스테이터에 대한 회전을 위해 영구자석의 회전 전류유도 세트에 직접 결합된다.
예시적 실시예는, 굴뚝의 상부 외부에 또는 상부 외부 가까이에 장착가능하거나, 상기 굴뚝 상부 외부의 일체형 구성부품을 형성하는 풍력 터빈을 제공하며,
상기 상승기류 풍력 터빈은, 상기 굴뚝의 주 축과 적어도 일직선인 축에 대해, 상기 굴뚝의 상기 상부 외부 둘레에서 회전가능한 칼라에 결합된 로터 허브; 및 상기 회전가능한 로터 허브로부터 외측으로 연장하는 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드를 포함하며,
상기 2 이상의 바람-맞물림 블레이드 각각은, (ⅰ) 상기 굴뚝의 내부에 대한 상승기류; (ⅱ) 상기 굴뚝의 외부에 대한 상승기류; 및 (ⅲ) 탁월풍으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나로부터 선택된 상기 굴뚝에 대한 공기 이동의 작용으로 움직일 수 있다. 바람직하게는, 제너레이터는 상기 회전가능한 칼라에 의해 생산된 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해 상기 회전가능한 칼라에 작동가능하게 연결된다.
다른 예시적 실시예는 굴뚝의 상부 외부에 또는 상부 외부 가까이에 장착가능하거나, 상기 굴뚝 상부 외부의 일체형 구성부품을 형성하는 상승기류 풍력 터빈을 제공하며,
상기 상승기류 풍력 터빈은, 상기 굴뚝의 주 축과 적어도 일직선인 축에 대해 상기 굴뚝의 상기 상부 외부 둘레에서 회전가능한 영구자석의 전류유도 세트를 포함하는 전류유도 로터; 상기 로터 회전가 그 둘레에서 회전하는 하나 이상의 권선 코일을 포함하며, 상기 로터가 상기 하나 이상의 권선 코일 근처 가까이를 통과하는 자기장을 생성하는, 고정식 전류생성 스테이터; 및 상기 로터와 연관되는 외부 케이싱으로부터 외측으로 연장하는 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드를 포함하며,
상기 2 이상의 바람-맞물림 블레이드 각각은, (ⅰ) 상기 굴뚝의 내부에 대한 상승기류; (ⅱ) 상기 굴뚝의 외부에 대한 상승기류; 및 (ⅲ) 탁월풍으로 이루어진 그룹 중 적어도 하나로부터 선택된 상기 굴뚝에 대한 공기 이동의 작용으로 움직일 수 있다.
또 다른 예시적 실시예는, 고정식 원통형 폴의 상부 외부에 또는 상부 외부 가까이에 장착가능한 풍력 터빈을 제공하며,
상기 풍력 터빈은, 상기 원통형 폴의 주 축과 적어도 일직선인 축에 대해 상기 원통형 폴의 상기 상부 외부 둘레에서 회전가능한 영구자석의 전류유도 세트를 포함하는 전류유도 로터; 상기 전류유도 로터가 그 둘레에서 회전하는 하나 이상의 권선 코일을 포함하며, 상기 전류유도 로터가 상기 하나 이상의 권선 코일 근처 가까이를 통과하는 자기장을 생성하는, 고정식 전류생성 스테이터; 및 상기 전류유도 로터와 연관되는 외부 케이싱으로부터 수직으로 연장하며, 각각 탁월풍의 작용으로 움직일 수 있는, 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드를 포함하며,
상기 전류생성 스테이터는 원형 어레이의 권선 코일을 포함하며, 상기 원형 어레이의 권선 코일은 상기 원통형 폴의 원주 둘레로 연장하며 원통형 폴에 견고하게 부착되고,
상기 전류유도 로터는 원형 어레이의 영구자석을 포함하며, 상기 원형 어레이의 영구자석은 상기 스테이터의 원주 둘레로 연장하며 스테이터에 회전가능하게 부착된다.
또 다른 예시적 실시예는 원통형 폴의 상부 외부에 또는 상부 외부 가까이에 장착가능한 풍력 터빈을 제공하며,
상기 풍력 터빈은, 상기 원통형 폴의 주 축과 적어도 일직선인 축에 대해 상기 원통형 폴의 상기 상부 외부 둘레에서 회전가능한 영구자석의 전류유도 세트를 포함하는 전류유도 로터; 상기 전류유도 로터가 그 둘레에서 회전하는 하나 이상의 권선 코일을 포함하며, 상기 전류유도 로터가 상기 하나 이상의 권선 코일 근처 가까이를 통과하는 자기장을 생성하는 고정식 전류생성 스테이터; 및 상기 전류유도 로터와 연관되는 로터 허브로부터 수직으로 연장하며, 각각 탁월풍의 작용으로 움직일 수 있는, 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드를 포함하며,
상기 전류생성 스테이터는 복수의 원형 어레이의 권선 코일을 포함하며, 상기 복수의 원형 어레이의 권선 코일은 상기 원통형 폴의 원주 둘레로 연장하며 원통형 폴에 견고하게 부착되고,
상기 전류유도 로터는 복수의 원형 어레이의 영구자석을 포함하며, 상기 복수의 원형 어레이의 영구자석은 상기 원통형 폴의 원주 둘레로 연장하며 원통형 폴에 회전가능하게 부착되며, 상기 복수의 원형 어레이의 권선 코일은 상기 복수의 원형 어레이의 영구자석 근처 가까이에서 층을 이룬다.
본 발명의 이점은 쉽게 인식할 것이다. 본 발명의 풍력 터빈은 굴뚝과 연관되는 상승기류를 사용하거나 또는 탁월풍(prevailing wind)으로부터 전기를 생성시킬 수 있다. 본 발명은 그들의 전기 공급에 대해 적어도 부분적으로 자급자족할 수 있는 풍력 터빈을 허용하는 현존 구조체(예컨대, 공장 또는 주거지의 연기 굴뚝, 천연가스 연소 굴뚝, 아파트 굴뚝, 전화 폴 등)에 사용할 수 있다. 추가적으로, 제너레이터로부터 공장 또는 거주지까지의 수 마일에 대한 전력 분배선의 필요성이 제거된다.
도 1은 수직축 풍력 터빈을 사용하는 종래기술의 전기생성 시스템을 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 시스템에 사용될 수 있는 종래기술의 수직축 풍력 터빈을 도 시하는 도면,
도 3은 풍력 터빈과 일체의 종래기술의 태양열 타워를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명이 장착될 수 있는 전형적인 공장 굴뚝을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 제 1 실시예가 장착된 도 4의 굴뚝의 확대도,
도 6은 교류발전기의 기능적 블럭도를 도시하는 도면,
도 7(a)는 본 발명의 제 2 실시예가 장착된 도 4의 굴뚝의 확대도,
도 7(b)는 도 7(a)의 제 2 실시예의 평면도,
도 7(c)는 굴뚝에 평행하게 활주하는 로터 블레이드를 구비한 도 7(a)의 제 2 실시예를 도시하는 도면,
도 7(d)는 도 7(a) 및 7(c)의 실시예의 스테이터의 상세도,
도 7(e)는 도 7(a) 및 7(c)의 실시예의 로터의 상세도,
도 7(f)는 도 7(c)의 실시예의 로터 블레이드의 상세도,
도 8(a) 내지 8(c)는 도 7(a) 내지 7(f)의 실시예의 변형예를 도시하는 도면,
도 8(d)는 도 8(c)의 실시예의 변형예를 도시하는 도면,
도 9(a) 내지 9(l)은 본 발명의 풍력 터빈에 사용될 수 있는 다양한 블레이드 구성을 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 작동을 도시하는 도면 및
도 11은 풍력 터빈에 편입된 벤투리를 구비한 본 발명에 따른 풍력 터빈을 도시하는 도면이다.
본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 기술한다.
도 4는 본 발명이 장착될 수 있는 전형적인 공장 굴뚝(chimney) 또는 연기 굴뚝(smoke stack)(80)을 도시한다. 도 5는 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 제너레이터 구동 휠(90)은 구동 샤프트(110)를 통해 제너레이터(100)에 연결되어 있다. 사행형 벨트(120)는 제너레이터 구동 휠(90)을 움직인다. 제너레이터 구동 휠과 사행형 벨트(120) 사이의 크기 차이는 구동 샤프트(110)가 비교적 높은 분당 회전수(RPM)로, 가능하게는 1500 RPM 범위로 회전되도록 한다. 구동 샤프트(110)는 긴급 기계식 브레이크(도시되지 않음)와 선택적으로 끼워맞춤될 수 있다. 본 발명에 속하는 기술분야에서 이해할 수 있는 바와 같이, 구동 메카니즘은 사행형 벨트(120)에 한정되지 않는다. 구동 체인 및 톱니바퀴 배치가 구동 샤프트(110)을 회전시키도록 대체될 수 있으며, 본 발명은 이러한 다른 구동 메카니즘을 포함한다.
사행형 구동 벨트(120)는 상승기류 및 바람을 포획하고 로터 허브(140)로 그의 힘을 전달하는 바람-맞물림(wind-engaging) 로터 블레이드(130)에 의해 구동된다. 로터 허브(140)는 연기 굴뚝(80)의 방출단부에 또는 방출단부 가까이에 회전가능하게 장착되는 칼라(150)에 부착된다. 사행형 구동 벨트(120)는 연기 굴뚝(80)의 원주 둘레로 연장하는 칼라(150)에 기계식으로 결합되어 있다. 로터 블레이드(130) 및 로터 허브(140)는 산업계에서 종종 로터로 언급되는 것에 부착되는 것을 인식하여야 한다. 이는 하기에 상술하는 제너레이터(100)에 통합된 로터와 혼란되는 것은 아니다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 이해되는 바와 같이, 전기 제너레이터(100)는 기계 에너지 공급원으로부터 전기 에너지를 생산하는 장치이다. 교류발전기는 기계 에너지를 교류 전류로 변환시키는 제너레이터이다. 도체를 둘러싸는 자기장이 변경될 때, 전류 또는 에너지가 도체내에 유도된다. 도 6을 참조하면, 전형적인 교류발전기(참조부호 "100"으로 나타냄)에 있어서, 회전 자석 또는 로터(160)는 스테이터(170)내에서 회전되며, 도체의 고정 세트는 철 코어상에 코일로 감겨져 있다. 로터(160)가 회전되면, 그의 자기장은 스테이터(170)의 도체(또는 권선)를 가로질러 절단되며, 기계식 입력이 로터 회전을 일으키면 전류 또는 에너지를 생성시킨다. 로터(160)의 자기장은 슬립 링 및 브러시를 통해 직류(예컨대 여자전류)로 활성화된 로터 권선에 의해 생산될 수 있다. 직류 출력을 원한다면(예컨대 배터리(180) 충전), 교류 전압은 출력 다이오드(190)에 의해 맥동 직류 전압으로 변환된다. 추가적으로, 로터(160)로 전달된 여자전류를 조정하도록, 다이오드 트리오(diode trio)(200)는 더 많은 또는 더 작은 여자전류가 로터(160)의 자기장 강도를 증가 또는 감소시키도록 요구되는 것을 결정하는데 사용되는 배터리로부터의 통제전압 입력과 함께 레귤레이터(210)에 여자전류를 제공하는데 사용될 수 있다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 이 구성에 있어서, 제너레이터(100)는 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)의 상부에서 풍력 터빈내에 통합된다. 이 실시예에 있어서, 로터 블레이드(130)는 고정식 전류생성 스테이터(230)에 대한 회전을 위한 영구자석 또는 로터(220)의 회전 전류유도 세트에 직접 결합되어 있다. 로터(220)의 외부 케이싱은 로터(220)가 스테이터(230)에 대해 부드럽게 회전되도록 하는 상부 및 하부에 위치된 베어링(도시되지 않음)을 포함한다. 전통적인 제너레이터와 유사하게, 영구자석은 자기장을 생산한다. 그러나, 로터(220)는 스테이터(230) 둘레를 회전한다. 로터(220)의 자기장이 스테이터(230)의 도체를 가로질러 지나가면, 전압이 도체내에 유도된다. 스테이터(230)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 단상 또는 3상 교류전류 생성을 위해 권선될 수 있다. 이 구성의 주 이점은 칼라(150)를 제너레이터(100)에 결합시키기 위한 구동 샤프트가 불필요하다는 것이다. 이에 의해, 가동 부품의 수는 감소되며, 풍력 터빈의 낮은 유지보수 비용 및 최소 휴지 시간을 제공한다. 도 7(c)는 굴뚝에 평행하게 활주하는 로터 블레이드(130)를 구비한 도 7(a)의 제 2 실시예를 도시한다. 이 블레이드 구성은 소정 바람 상황에서 잘 가동된다. 특히, 수평 바람의 존재시에, 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 밀접하게 위치된 수직 블레이드로, 로터 블레이드(130)의 회전 속도는 바람이 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)을 때릴 때 상승하는 더 높은 속도의 공기 유동의 결과로서 증가된다. 증가된 회전 속도는 제너레이터(100)내의 증가된 마력(hp)으로 직접적으로 변환된다. 추가적으로, 로터 블레이드의 증가된 회전 속도는 또한 증가되는 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)을 따른 상승기류(후술함)내의 공기 속도로 얻어진다. 도 7(c)의 풍력 터빈은 로터 블레이드(130)를 구동시키도록 충분한 수평 바람에 노출되는 임의의 원통형 폴에 장착될 수 있다는 것을 인식하여야 하며, 예컨대 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 장착되는 것에 제한되는 것은 아니다.
도 7(d) 및 도 7(e)는 도 7(a) 및 도 7(c)에 도시된 실시예의 로터 및 스테이터의 상세도이다. 특히, 전류생성 스테이터(230)는 도 7(d)에 도시되어 있으며, 영구자석 또는 로터(220)의 전류유도 세트는 도 7(e)에 도시되어 있다. 도 7(f)는 로터(220)에 회전가능하게 부착되는 로터 블레이드(130)의 상세도이다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 도 7(a) 내지 도 7(c)의 실시예의 변형예를 도시한다. 이 변형예에 있어서, 원형 어레이의 권선 코일(240)(도 8(a) 참조)은 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 견고하게 고정되어 있으며, 원형 어레이의 영구자석(250)은 권선 코일(240) 근처 가까이에서 코일 위에 위치되어 있다. 영구자석(250)은 베어링(도시되지 않음)상의 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 대해 회전된다. 도 8(c)는 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 부착된 권선 코일(240)의 수평으로 배치된 조립 형태의 변형예를 도시한다. 영구자석(250)은 또한 수평으로 배치되며, 권선 코일(240) 근처 가까이에서 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 대한 회전을 위해 로터 허브(140)에 부착되어 있다. 영구자석(250)은 권선 코일(240)에 자기적으로 결합되어 있다. 특히, 영구자석(250)과 연관되는 자기장이 권선 코일(240)의 권선을 가로질러 절단되면, 생성된 전류는 저장되거나 또는 사용자에게 직접 분배될 수 있다. 도 8(d)는 수평으로 배치된 영구자석(250)의 열 근처 가까이에서 층을 이루는 도 7(c)의 실시예의 변형예를 도시한다. 도 8(c)의 실시예와 유사하게, 수평으로 배치된 권선 코일(240)은 연기 굴뚝 또는 굴뚝(80)에 부착되어 있으며, 수평으로 배치된 영구자석(250)은 로터 허브(140)에 부착되어 있다. 로터 블레이드(도시되지 않음)는 로터 허브(140)에 제거가능하게 부착되어 있으며, 이에 의해 수평으로 배치된 영구자석(250)이 로터 블레이드(도시되지 않음)의 움직임과 함께 회전되도록 한다.
도 9(a) 내지 도 9(l)에 도시된 바와 같이, 로터 블레이드(130)에 대한 다수의 구성이 본 발명의 풍력 터빈과 사용될 수 있다. 블레이드의 갯수에 있어서, 터빈 안정성 문제, 영역내의 풍력 및 생성되는 전기량을 포함하는 인자의 수에 따라 2 내지 30 개일 수 있다. 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 인식되는 바와 같이, 로터 블레이드(130)의 갯수 및 형상은 고속 또는 저속으로 풍력 터빈을 회전시키는데 효과적으로 사용될 수 있다. 도면을 참조하면, 형상의 변화가 가능하며, 각각은 서로다른 성능 특성을 제공한다. 일반적으로, 로터 블레이드(130)는 40°내지 60°사이의 수직 각도를 갖지만, 로터 블레이드는 도 7(c)에 관해 논의된 바와 같이 수직으로 배치될 수 있다. 도 9(a)는 20°내지 80°사이의 수직 경사일 수 있으며, 20°내지 80°사이의 측방으로 경사질 수 있는 블레이드를 도시한다. 도 9(e)는 블레이드가 연기 굴뚝(80)에 관해 그의 피치를 조정하도록 회전되거나 또는 경사 각도를 조정하도록 수직으로 움직이도록 하는 스크류(260) 형태의 조정가능한 블레이드 구성을 도시한다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 인식하는 바와 같이, 풍력 터빈에 사용된 에어포일(airfoil)(예컨대 로터 블레이드(130))의 2개의 기본 형태: 리프팅 형태; 및 드래그 형태가 존재한다. 드래그(drag) 형태 에어포일로, 로터 블레이드(130)는 일반적으로 바람과 부딪치고 회전을 일으키는 평탄 플레이트이다. 이 형태의 설계는 매우 낮은 바람 영역에 유망하며, 작동(제너레이터(100)에 연결된 샤프트를 회전시키는 것과 같은)을 실행시키기 위한 충분한 토크를 일으킨다. 그러나, 바람을 더 많이 일으키기 위한 매체에 있어서, 에너지를 생산하기 위한 그들의 능력은 제한된다. 리프팅 형태 에어포일은 가장 현대적인 수평축 풍력 터빈(HAWT)에 일반적으로 사용되며, 공기역학 원리에 따른 승강을 용이하게 하도록 비행기 날개의 일반적인 형상을 갖는다. 바람직하게 설계된 리프팅 에어포일은 중간 및 더 많은 바람으로 상당히 많은 힘을 변환시킬 수 있다. 추가적으로, 가장 큰 효율을 달성하기 위해, 약간의 블레이드(예컨대 3개)만이 사용된다. 도 9(a) 내지 도 9(l)로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 블레이드는 드래그 및 리프트 형태 양쪽을 사용한다.
로터 블레이드(130)를 직접 때리는 바람에 부가하여, 로터 블레이드(130)는 (a) 연기 굴뚝(80)으로부터의 열기 방출; (b) 연기 굴뚝(80)내의 내부 열의 대류에 의해 연기 굴뚝(80)의 외부면에 인접한 공기의 가열; (c) 태양열 복사에 의해 연기 굴뚝(80)내의 공기 및 연기 굴뚝(80)의 외부면에 인접한 공기의 가열; 및 (d) 연기 굴뚝(80)의 외부를 따라 바람과 부딪치고 상방향으로 힘을 가함(예컨대 상승기류)에 의해 생성된 상승기류의 이점을 취하도록 설계되어 있다. 상기 (c)에 관해, 연기 굴뚝(80)이 작동시에 폐기물을 배출하지 않는다는 것을 인식하여야 하지만, 그럼에도 불구하고 상승기류를 일으키는데 사용될 수 있다. 배경기술에서 논의된 태양열 굴뚝의 작동과 유사하게, 연기 굴뚝(80)이 어두운 색깔로 도장되어 있으면, 태양은 연기 굴뚝(80) 내측의 공기 및 연기 굴뚝(80)의 외부를 따른 공기를 가열하여, 공기를 상승시키고 상승기류를 일으킨다.
연기 굴뚝(80)의 직경은 1 인치 내지 25 피트로 변화될 수 있으며, 연기 굴뚝(80)의 높이는 10 피트 내지 1000 피트로 변화될 수 있다. 본 발명은 로터 블레이드(130)를 구동시킬 수 있는 상승기류가 생성될 수 있는 임의의 굴뚝상에 끼워맞춤되는 산업 및 주거 용도 양쪽에 적합할 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 본 발명에 있어서, 로터 블레이드(130)의 형상 및 각도는 연기 굴뚝(80)의 구성에 따라 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 연기 굴뚝(80)이 다수의 굴뚝 영역내에 위치된다면 더 많은 상승기류 및 더 적은 탁월풍이 존재할 것이며, 단일 연기 굴뚝(80)은 더 적은 상승기류 및 더 많은 탁월풍을 가질 것이다. 다른 상황에 있어서, 상승기류 및/또는 탁월풍은 힘을 생성하는데 사용될 수 있다. 탁월풍이 없는 상황에서, 상승기류는 본 발명의 풍력 터빈을 독립적으로 발전시킬 수 있다. 선택적으로, 공장이 가동되지 않고, 연기 굴뚝(80)으로부터 배출되지 않는다면, 연기 굴뚝(80)의 태양 가열 및/또는 탁월풍은 풍력 터빈을 독립적으로 구동시킬 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 작동시에 가열된 공기 또는 방출물(270)은 상승기류를 일으키도록 연기 굴뚝(80)을 따라 상승한다. 동시에, 연기 굴뚝(80)을 때리는 바람 또는 연기 굴뚝(80)에 인접한 가열된 공기(참조부호 "280으로 도시됨)가 또한 로터 블레이드(130)를 가로지르도록 상승된다. 추가적으로, 탁월풍(290)은 칼라(150)의 회전을 추가로 지원하도록 로터 블레이드(130)를 때린다. 가열된 공기 또는 방출물(270)은 로터 블레이드(130) 위의 배출된 공기가 로터 블레이드(130)를 통해 공기를 끌어당길 때 연기 굴뚝(80)을 따라 상승기류를 일으키는데 보조하는 것을 또한 인식하여야 한다. 인식되는 바와 같이, 도 7(c)에 도시된 블레이드 구성이 사용되는 확장에 대해, 상승기류가 블레이드 움직임의 제한된 효과를 가지기 때문에 탁월풍(290)은 로터 블레이드(130) 회전을 일으키기 위한 주 힘일 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 풍력 터빈은 중간부(310)에서 잘록하고 양 단부(320)에서 펼쳐진 동심 튜브 형태의 바람 편향기(wind deflector) 또는 벤투리(venturi)(300)를 또한 편입한다. 벤투리(300)의 단면은 이 특징의 묘사가 용이하도록 도시되어 있다. 인식되는 바와 같이, 벤투리 도입부에 도달하는 바람 또는 가열된 공기(280)의 속도는 동심 튜브의 잘록한 부분(310)을 통과할 때 증가될 것이다. 증가된 속도를 갖는 공기는 벤투리(300)를 빠져나가고 로터 블레이드(130)를 통과하여, 이에 의해 빠른 회전을 일으킨다.
본 발명은 첨부한 도면에 관한 실시예의 방식으로 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에 의해 다양한 변경 및 변형이 가능하다는 것을 인식하여야 하며, 이러한 변경 및 변형은 본 발명의 기술사상내에 포함되는 것으로 간주되어야 한다. 예를 들면, 도 7(c)에 관한 예에 있어서 본 발명은 굴뚝 또는 연기 굴뚝(80)에 장착될 수 있지만, 또한 임의의 원통형 폴, 예컨대 전화 폴에 장착될 수 있다. 이 구성에 있어서, 로터 블레이드(130)의 회전은 탁월풍으로부터 주로 달성된다.
본 발명의 풍력 터빈은 굴뚝과 연관되는 상승기류 또는 탁월풍을 사용하여 전기를 생성할 수 있다. 본 발명은 그들의 전기 공급에 대해 적어도 부분적으로 자급자족할 수 있는 풍력 터빈을 허용하는 현존 구조체(예컨대, 공장 또는 주거지의 연기 굴뚝, 천연가스 연소 굴뚝, 아파트 굴뚝, 전화 폴 등)에 사용할 수 있다.

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  21. 고정식 원통형 폴의 상부 외부에 장착가능한 풍력 터빈에 있어서,
    상기 원통형 폴의 주 축과 적어도 일직선인 축에 대해, 상기 원통형 폴의 상기 상부 외부 둘레에서 회전가능한 영구자석의 세트를 포함하는 전류유도 로터;
    상기 전류유도 로터가 그 둘레에서 회전하는 하나 이상의 권선 코일을 포함하며, 상기 전류유도 로터가 상기 하나 이상의 권선 코일 근처를 통과하는 자기장을 생성하는, 고정식 전류생성 스테이터; 및
    상기 전류유도 로터와 결합되는 외부 케이싱으로부터 수직으로 연장하며, 각각 바람의 작용으로 움직일 수 있는, 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드를 포함하며,
    상기 전류생성 스테이터는 원형 어레이의 권선 코일을 포함하며, 상기 원형 어레이의 권선 코일은 상기 원통형 폴의 원주 둘레로 연장하며 원통형 폴에 부착되며,
    상기 전류유도 로터는 원형 어레이의 영구자석을 포함하며, 상기 원형 어레이의 영구자석은 상기 스테이터의 원주 둘레로 연장하며 스테이터에 회전가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드는 상기 전류유도 로터와 결합되는 상기 외부 케이싱에 대해 회전 대칭으로 장착되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  23. 원통형 폴의 상부 외부에 장착가능한 풍력 터빈에 있어서,
    상기 원통형 폴의 주 축과 적어도 일직선인 축에 대해, 상기 원통형 폴의 상기 상부 외부 둘레에서 회전가능한 영구자석의 세트를 포함하는 전류유도 로터;
    상기 전류유도 로터가 그 둘레에서 회전하는 하나 이상의 권선 코일을 포함하며, 상기 전류유도 로터가 상기 하나 이상의 권선 코일 근처를 통과하는 자기장을 생성하는, 고정식 전류생성 스테이터; 및
    상기 전류유도 로터와 결합되는 로터 허브로부터 수직으로 연장하며, 각각 바람의 작용으로 움직일 수 있는, 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드를 포함하며,
    상기 전류생성 스테이터는 복수의 원형 어레이의 권선 코일을 포함하며, 상기 복수의 원형 어레이의 권선 코일은 상기 원통형 폴의 원주 둘레로 연장하며 원통형 폴에 부착되며,
    상기 전류유도 로터는 복수의 원형 어레이의 영구자석을 포함하며, 상기 복수의 원형 어레이의 영구자석은 상기 원통형 폴의 원주 둘레로 연장하며 원통형 폴에 회전가능하게 부착되며,
    상기 복수의 원형 어레이의 권선 코일은 상기 복수의 원형 어레이의 영구자석 근처에서 층을 이루는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 2 이상의 바람-맞물림 로터 블레이드는 상기 전류유도 로터와 결합되는 상기 로터 허브에 대해 회전 대칭으로 장착되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
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