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[단독/집중기획③] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... 혁명적인 재생에너지 획득 ‘Archista’

“이제, 인류 에너지 문명의 변혁이 시작된다”

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특허뉴스 이성용 기자
기사입력 2019/07/17 [15:31]

 

에너지 수요 급증에 따른 재래식 화력발전과 연소 엔진에서 배출하는 막대한 오염물질과 이산화탄소로 인한 환경오염의 확산, 기후변화의 가속화로 지구생태계가 빠르게 붕괴되고 있다. 그럼에도 불구하고 제한된 화석연료를 쟁취하기 위한 갈등이 심화되어 세계 경제가 요동을 치고 있고, 세계 평화가 위협을 받고 있다. 더욱이 지구공멸을 담보하는 위험한 에너지인 원자력발전을 확대해야 한다는 무도한 목소리가 다시 커지고 있다.  

 

재생에너지 자원을 이용하여 청정에너지를 풍부하고 저렴하게 생산 공급할 수 있는 획기적인 과학기술방안의 시급한 개발에 지구생물들과 인류의 운명이 달려있다.

하지만 재생에너지원의 낮은 에너지 밀도와 간헐성과 편중성 때문에 계획적인 에너지 생산이 불가능하고, 경제성을 높이는 것이 어렵다. 탄소 배출권에 대한 압박으로 신재생에너지에 대한 무분별한 투자와 개발로 역효과까지 발생되고 있다. 기존의 풍력 발전시설과 태양광 발전시설은 지난 30년 동안 파격적인 정책지원과 후원에도 불구하고 재래식 발전시설의 보조적 역할도 못하고 있다.

 

에너지 공학자 신덕호 회장은 지난 20년 동안 재생에너지 연구에 전념하여 마침내 인류 에너지 문명을 변혁할 수 있는 대량으로 청정에너지를 생산하고 저렴하게 공급할 수 있는 혁명적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템인 ‘Archista’의 개발에 성공했다. 이에 Archista가 구현한 첨단 과학 기술들에 대한 논문들을 특허뉴스가 세계 최초 단독으로 집중 게재한다.

 

다음은 획기적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템인 ‘Archista’에 대한 논문내용이다.

   

▲ 에너지공학자이자 Archista 개발자 신덕호 회장     © 특허뉴스

 

 

Archista 개발 기술 결집

 

개발 기술의 명칭

 

획기적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템: ‘Archista’

Archista'archi'(chief) + 'sta'(structure)가 조합된 으뜸 구조물이라는 의미를 지닌다.

 

Archista 정의

 

‘Archista’는 혁명적인 재생에너지 획득 생산 공급 저장 재생 시스템의 명칭이다.

Archista는 베이스와 다단 타워로 구성되어, 설치된 각종 부품들과 장치들을 지지 보호하는 기초 및 본체 그리고 안내 블레이드, 펜더 블레이드, 바이패스장치, 터보 임펠러 등으로 구성되어, 바람의 운동 에너지를 기계적 에너지로 획득하는 풍력 획득 시스템 그리고 플라이휠, 유체유동장치, 중심축, 플렌지 커플링, 제동장치 등으로 구성되어, 획득된 비틀림 힘을 회전에너지로 전환하여 발전기축에 전달하는 동력 전환·전달 시스템 그리고 자기작용 조정 장치가 채용된 제1발전기, 자기작용 조정 장치가 채용된 제2/전동기, 자동전압조정장치, 전력변환장치 등으로 구성되어, 전달된 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전장치 시스템 그리고 축전 장치, 축기 장치, 축수(열수) 장치, 퍼텐셜 에너지 저장 재생 장치 등으로 구성되어, 잉여 전력을 저장이 가능한 에너지 형태로 변환 하여 보존하고 필요 시, 사용에 적합한 에너지로 재생하는 에너지 저장·재생 시스템 그리고 감지 센서 및 계측기기 관리 프로그램, 개별 장치 운전 제어 프로그램, 통합 장치 운전 제어 프로그램, 전력계통 연계 프로그램 등으로 구성되어, 센서들의 관리와 장치들의 운전을 제어하는 중앙 운영 시스템으로 이루어진다.

 

Archista 요약

 

Archista는 기초 및 본체(foundation & main body)에 풍력 획득 장치(wind power acquisition device)과 동력 전환·전달 장치(mechanical energy transfer device)과 발전장치 시스템(generator system)과 에너지 저장·재생 시스템(energy storage & reproduction system)과 중앙 운영 관리 시스템(central operation & management system)이 일체로 구성되어 유기적인 풍력 획득, 동력 전환, 전력 생산, 에너지 저장 및 재생을 실행한다.

 

 

먼저, 외측과 내부에 설치되는 장치들을 지지 보호하는 Archista 기초 및 본체는 지중에 타설되어 지면에 지지되는 철근 콘크리트 복층 구조물인 언더그라운드 베이스와 그라운드 베이스로 구성된 베이스와, 베이스의 중심에 하단이 지지되어 지상에 일정 높이로 직립하는 원통형 철 파이프로 제작된 다단 타워로 구성되어 있다.

 

이어서, 바람의 운동에너지를 최대로 획득하기 위한 Archista 풍력 획득 시스템은 전 방향의 바람을 대량으로 포집하고 이를 상승 곡풍으로 유도하는 기능을 하는, 타워의 원주외면에 방사상으로 설치되는 나선형 구조의 안내 블레이드(guide blade) 그리고 바람을 집약하여 유속과 밀도를 높여 풍압면(windage)에 집중시키거나 바람의 방향과 양을 조절하는 기능을 하는, 안내 블레이드 상단에 힌지(hinge)로 결합되어 서보모터에 의해 개폐가 실행되어 유도되는 바람의 방향과 양을 조절하기 위한 바이패스장치가 구비되고 터보 임펠러의 아래 부분을 근접하여 감싸는 형태로 설치되는 펜더 블레이드(fender blade) 그리고 펜더 블레이드로부터 유입되는 바람이 충돌하여 바람의 운동에너지가 풍압으로 작용하고 이를 기계에너지로 획득하는, 곡률효과가 높은 3차원 구조의 부메랑 형태의 백여 개 블레이드들이 플라이휠의 원주외면에 형성된 터보 임펠러(turbo impeller)로 구성되어 있다.

 

이어서, 터보 임펠러의 블레이드에서 획득된 기계에너지를 고 토크 회전에너지로 전환하여 발전기로 전달하기 위한 Archista 동력 전환·전달 시스템은 터보 임펠러의 블레이드에 작용한 풍압을 중심축에 전달하고 고 토크와 원심관성모멘트의 증진과 자동조심 기능을 하는, 반구의 돔이 원환체의 상단에 덮이고 원환체의 내측에 중공의 원기둥의 상단이 결합되고 그 중심에 수직되게 중심축 보스가 구비되고 원주외면에 터보 임펠러의 블레이드가 장착된 고 중량의 플라이휠(flywheel) 그리고 플라이휠 내부에 플라이휠의 중량가감과 플라이휠 효과와 자동조심을 실행하는, 내부에 철 구슬과 오일이 유동할 수 있도록 중공의 휠 구조의 유체유동장치(fluid flow device) 그리고 플라이휠과 중심축 그리고 제1발전기축과 회전자의 중량하중을 자기척력으로 상쇄하여 하중마찰부하를 방지하는 기능을 하는, 영구자석들이 동심원 구조의 요 홈들에 매설되는 상판은 플라이휠 하단에 설치되고 하판은 타워-5F의 상단 윗면에 설치되어 동극으로 상·하 맞대응되어 자기척력을 발생하는 한 쌍의 자기척력발생장치-1(magnetic repulsive force generating device-1) 그리고 플라이휠을 통해 전달되는 비틀림 힘이 회전모멘트로 발생되는, 플라이휠의 축 보스에 그의 상단이 삽입되어 키 볼트로 고정되고 베어링에 측면이 지지되는 중공의 중심축(central axis) 그리고 중심축의 하단과 제1발전기축을 회전 가능하게 측면을 지지하는, 타워-5F의 상단 중심과 타워-5F의 하단 중심 그리고 타워-4F의 상단 중심과 타워-4F의 하단 중심과 타워-3F의 상단 중심에 구비되는 슬리브 베어링(sleeve bearing) 그리고 중심축의 회전을 제어하고 정지상태로 유지하기 위한, 중심축의 일단과 타워-5의 내부에 구비되는 브레이크(break)과 잠금장치(lock-device)를 포함하는 제동장치(breaking device) 그리고 중심축의 회전에너지를 제1발전기축에 전달하고 동시에 제1발전기축에 인가되는 역기전력을 중심축에 전도하는, 중심축의 하단과 제1발전기의 축 상단이 결합되도록 하는 플렌지 커플링(flange coupling) 등으로 구성되어 있다. 필요 시, 플렌지 커플링의 하단에 자기척력발생장치-2의 상판이 구비된다. 이에 대응되는 자기척력발생장치-2의 하판이 타워-5F의 바닥에 구비된다.

 

이어서, 동력 전환·전달 장치로부터 전달되는 회전에너지를 고품질의 전기에너지로 변환하고, 아울러 중심축의 회전속도가 일정하게 유지되도록 하는 역할과 재생 발전운전을 실행할 수 있는 Archista 발전장치 시스템은 플렌지 커플링을 통해 중심축과 결합되어 회전에너지를 전달받는 제1발전기축(1st generator shaft)과 제1발전기축을 중심에 고정되는 상단에 요철 구조를 지닌 U자형 자기철심에 영구자석이 매설된 다극 회전자(rotor)와 회전자의 둘레를 공극을 두고 감싸고 제1발전기축의 방향을 따라 축 방향으로 왕복이동이 가능하게 설치되는 상단에 요철 구조를 지닌 U자형 요철 자기철심에 권선이 매설된 전기자(amateur)와 전기자가 상·하로 이동될 수 있게 전기자 프레임(amateur frame)의 원주외면에 설치되는 복열의 가이드 레일(guide rails)과 전기자 프레임을 이동시키는 수단인 서보모터(servo motor)와 전달되는 기계회전에너지의 변동과 전기수요부하의 변동에 대응하여 자기작용을 조정하기 위해 전기자를 이동시키는 수단인 서보 모터에 명령하는 운전 제어부(operating control unit)로 이루어진 자기작용 조정 장치(magnetic action adjusting device)가 채용된 제1발전기(1st generator) 그리고 제1발전기축의 하단에 구비된 클러치(clutch)와 클러치에 의해 회전에너지가 전달 또는 차단되는 기어장치(gear box)와 기어장치에 축 결합되어 제1발전기축의 기계회전에너지를 전달받거나 또는 축전 장치에 저장된 에너지가 투입되어 구동함으로써 발생하는 회전에너지를 제1발전기축에 전달하는 제2/전동기축(2nd generator/motor shaft)과 제2/전동기축을 중심에 두고 고정된 상단에 요철 구조를 지닌 U자형 요철 자기철심에 영구자석이 매설된 회전자(rotor)와 회전자의 둘레를 공극을 두고 감싸되 제2/전동기축 방향을 따라 왕복이동이 가능하게 설치되는 전기자(amateur)와 전기자의 축 방향으로 이동을 지지하는 전기자 프레임(amateur frame)의 원주외면에 설치되는 복열의 가이드 레일(guide rails)과 전기자를 적합한 위치로 이동시키는 수단인 서보모터(servo motor)와 자기작용을 조정하기 위해 전기자를 이동시키는 서보 모터에 명령하는 운전 제어부(operating control unit) 등으로 이루어진 자기작용 조정 장치(magnetic action adjusting device)가 채용된 제2/전동기(2nd generator/motor) 그리고 전력계통이나 전기수요처에 적합한 전압의 전기에너지를 송전하기 위한 자동전압조정기(automatic voltage regulator) 그리고 제2/전동기나 제1발전기 또는 전력계통에서 발생하는 잉여 전력을 축전 장치에 저장하기 위해 직류 전기로 변환하거나 축전 장치로부터 방전된 직류 전기를 교류 전기로 변환하기 위한 전력변환장치(electric power conversion device) 그리고 전력계통 연계 시설(electric power grid connection facility) 등으로 구성되어 있다.

 

이어서, 잉여 전력을 저장하여 보존하고 필요 시 사용에 적합한 에너지로 재생하기 위한 Archista 에너지 저장·재생 시스템은 축전 장치(electric power storage device)와 축기 장치(air storage device)와 축수 장치(water storage device) 그리고 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치(potential energy storage & reproduction device)로 구성되어 있다. 먼저, 각종 감지 센서들(sensors)과 제어 장치들(control devices)의 작동을 위한 직류 전원으로 제공하고 필요 시, 이를 제2/전동기에 투입하여 회전에너지로 재생하여 제1발전기축에 제공함으로써 회전에너지를 보강하기 위해, 2/전동기에서 생산되는 전기에너지와 잉여전력이 화학적 에너지로 저장되는 배터리(battery)와 배터리에 저장된 용량과 충전 및 방전을 위한 배터리 관리 장치(battery managing unit)로 이루어진 축전 장치(electric power storage device) 그리고 탱크에 저장된 압축공기를 터보 임펠러의 블레이드 풍압면에 분사시켜 작용 풍압을 높이고 아울러 터보 임펠러의 블레이드 풍압면(windage)을 세척하는데 사용하기 위해, 잉여 전력을 사용하여 공기를 압축시키는 에어컴프레서(air-compressor)와 압축공기가 저장되는 에어탱크(air-tank)와 에어탱크에 구비되는 압력센서(pressure sensor)와 공기탱크에 저장된 공기의 배출을 위한 솔레노이드 밸브(solenoid valve)와 호스(air hose)와 분사노즐(ejection nozzle)로 이루어진 축기 장치(air storage device) 그리고 탱크에 저장된 물을 가열하여 수요처에 공급하거나 또는 탱크에 저장된 물을 분사시켜 터보 임펠러의 블레이드 풍압면을 세척하거나 냉각하기 위해, 잉여 전력을 사용하여 물을 양수하는 양수펌프 모터(water-pumping motor)와 물이 저장되는 물탱크(water tank)와 물탱크에 저장된 물을 가열하는 히터(heater)와 수온센서(thermo sensor)와 수관(water pipe)으로 이루어진 축수 장치(water storage device) 그리고 결여전력의 발생 시 중량물에 보존된 위치에너지를 기계회전에너지로 전환하고 이를 전기에너지로 재생하여 전기수요처로 공급하기 위해, 장치들과 부품들을 지지하는 프레임(frame)과 직립하는 프레임의 상부에 설치되어 잉여 전력을 기계회전에너지로 변환하거나 또는 전달되는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 자기작용 조정 발/전동기(MAA generator/motor)와 발/전동기축과 축 결합되어 회전에너지를 고토크 저속도로 변환하여 주축에 제공하거나 또는 주축으로부터 전달받은 회전에너지를 고속도 저토크로 변환하여 발/전동기축에 제공하는 기어장치(gear box)와 기어장치에 결합되어 회전에너지를 전달받거나 또는 회전에너지를 전달하는, 지면에 대해 수평방향으로 설치된 베어링(bearing)에 의해 회전 가능하게 지지되는 주축(main shaft)와 주축을 중심에 두고 키 고정되는 복열 스프로켓(sprocket)과 복열 스프로켓에 치 결합되어 회전운동을 병진운동으로 또는 병진운동을 회전운동으로 전환하는 복열 체인벨트(chain belt)와 복열 체인벨트의 일 종단에 결합되는 중량물 케이지(weight cage)와 중량물 케이지에 적재되는 납 바벨(lead barbel)과 중량물의 이동을 제어하기 위해 프레임의 양편에 수직방향으로 구비되는 선형 기어(linear gear)와 중량물 케이지의 양측에 구비되어 선형 기어와 치 결합하는 스톱 바(stop bar) 및 래칫 기어(ratchet gear)와 중량물 케이지의 이동속도와 위치를 감지하는 속도·위치 센서(speed & position sensor)와 위치에너지의 저장과 재생을 실행하는 운전 제어부(operating control unit)로 이루어진 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치(potential energy storage & reproduction device) 등으로 구성되어 있다.

      

이어서, Archista 중앙 운영 시스템은 각종 감지·감시 센서들(detection sensors)과 계측 장치들(measuring units)을 관리하는 감지 장치 제어 소프트웨어 프로그램(DUCP)과 각 장치를 효율적으로 운전 관리하는 개별 장치 운전 제어 프로그램(IDOCP), 장치들 간의 상호 유기적인 운전 관리를 실행하는 통합 운전 프로그램(SOCSP), 생산전력의 품질관리와 전력계통과의 연계 또는 전력수요처로 전기를 공급하는 전력수급 관리 프로그램(EPSDMP)로 구성되어 있다.

 

그럼으로 Archista는 바람의 운동에너지를 최대로 획득할 수 있고, 획득된 풍압을 효과적으로 전환할 수 있고, 전달받은 기계회전에너지를 고품질의 전기에너지로 유도할 수 있고, 생산되는 전기에너지를 전력계통과 전기수요처로 공급할 수 있고, 잉여 전력을 저장이 가능한 에너지 형태로 변환하여 보존할 수 있고, 필요시 이를 사용에 적합한 전기에너지로 재생할 수 있을 뿐만 아니라 장치들의 유기적인 공조 운전을 최적으로 실행할 수 있다.

 

Archista 시스템의 기술 과제

 

기술성, 생산성, 환경성, 경제성 등 모든 면에서, 기존의 신·재생에너지 발전시설들뿐만 아니라 재래식 화력발전시설과 원자력발전시설에 비해 단연 우월한 신 개념의 재생에너지 획득 변환 생산 공급 저장 재생 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

 

상기한 목적을 달성하기 위해, 다음과 같은 과제들이 수행될 필요가 있다.

먼저, 풍향의 변화에 영향을 받지 않으면서, 많은 바람을 받아 이를 집중시켜 유속과 밀도를 높이고, 일정한 방향으로 유도하여 바람이 풍압작용면에 정면으로 충돌하도록 하고, 작용 풍속을 높이는 방향으로 풍압작용면이 이동하게 하고, 아울러 바람이 지닌 운동에너지의 대부분이 풍압으로 작용하게 하여 이를 기계에너지로 온전히 획득할 수 있는 고효율 풍력 획득 기술 장치의 개발이 요구된다.

 

이어서, 풍력 획득 기술 장치에 작용한 풍압이 비틀림 힘으로 전달되고 이를 회전모멘트로 전환함에 있어, 고 토크 관성모멘트가 발휘되고, 자동조심이 양호하고, 진동이 해소되며, 수직하중을 자기척력으로 상쇄시켜 하중마찰부하를 방지하고, 발전에 적합한 속도로 가공하여 발전기축에 전달할 수 있는 효과적인 동력 전환·전달 기술 장치의 개발이 요구된다.

 

이어서, 전달받은 회전에너지의 변동이나 전기사용부하의 변동에 대응하여 자기작용을 조정하여 변동만큼을 전압의 가변으로 보상하면서 규정 주파수의 전기가 유도될 수 있고, 아울러 규정 회전속도가 유지될 수 있도록 생산적으로 제어하고, 필요 시 축전장치의 배터리에 저장된 에너지가 회전에너지로 재생되도록 하며, 전력계통과 수요처에 적합한 전압의 전기에너지를 공급할 수 있는 발전기 장치의 개발이 요구된다.

 

이어서, 잉여 전력을 저장하고 필요 시 재생함으로써 발전운전 시간을 확장할 수 있고 전력 품질을 높일 수 있도록 고집적 대용량 에너지 저장·재생 장치가 풍력 발전 시스템에 일체화될 필요가 있다.

 

이어서, 각종 감지·감시 센서들을 관리하는 감지·감시 장치 관리 제어 프로그램과, 기술 장치들 각각의 운전 관리와 장치들 간의 유기적인 운전 관리와 전력계통과의 연계 또는 전력수요처에 전력을 공급하기 위한 전력수급 운영을 자동으로 실행할 수 있는 중앙 운영 시스템의 개발이 요구된다.

 

이어서, 장치들과 부품들이 설치되고 안전하게 지지되고 보호될 수 있는 본체의 개발이 요구된다.

 

▲ 장치별 기술 과제     © 특허뉴스

 

Archista 시스템의 기술 장치 구성

 

Archista는 풍력 획득 장치 시스템, 동력 전환·전달 장치, 발전장치 시스템, 에너지 저장·재생 시스템, 중앙 운영 시스템 그리고 본체가 일체로 구성된다.

 

 

 

1. Archista 기초 및 본체

 

기술 분야

 

통상 풍력 발전 장치는 풍력을 획득하는 블레이드와 블레이드에 작용된 풍압을 기계회전에너지로 전환하고 이를 발전기로 전달하는 동력 전환·전달 장치와 전달되는 기계회전에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기 장치와 각 장치의 운전과 관리를 위한 감지 센서와 제어 장치들로 이루어진다. 그럼으로 본체에 그러한 장치들이 설치되고 지지 보호된다. 풍력 획득 장치인 블레이드의 구조와 크기에 따라 본체의 구조와 폭과 높이가 결정된다.

 

기술 배경 및 종래 기술

 

기존 풍력발전기의 토목 기초는 수직하중뿐만 아니라 블레이드의 회전에 따른 편심하중과 진동을 받기 때문에 이를 감안하여 토목 기초가 건설되어야 하고, 타워 역시 블레이드의 회전에 따른 편심하중과 진동을 받는다. 특히 타워의 상단에 고 중량 블레이드뿐만 아니라 로터 허브, 주축, 증속장치, 제동장치, 발전기과 각종 제어장치들이 설치됨으로 중량이 타워의 상부에 치중되고, 바람의 변동에 따라 작용하는 풍압에 대응하여 회전하는 블레이드의 받침점 역할을 하는 타워에서 동적 요소들에서 발생하는 진동을 완화시키기 어렵다. 또한, 블레이드에서 발생하는 진동과 뒤틀림이 전도되는 기계장치들을 타워가 견고하게 지지할 수 없음으로 인해 기계장치들의 효율이 떨어지는 문제가 있다. 또한, 바람을 더 많이 받기 위해서 에어포일 블레이드의 길이가 길어지게 되고 이를 수평방향으로 설치해야함으로 타워가 높게 설치되어야 하는 문제가 있다. 또한, 블레이드에 진동이 심하게 발생하여 블레이드가 휘어지게 되어 타워와 충돌하는 문제가 있다. 또한, 타워가 기류의 방향을 바꾸어 블레이드에 작용하는 풍압을 낮추는 문제가 있다. 특히 해양에 설치되는 풍력발전기의 경우 타워를 수중에 지지하기 위한 토목 기초를 건설하거나 또는 부양 장치를 건설하는 것이 어렵다.

 

Archista 기초 및 본체 기술 개발 과제

 

Archista는 풍력 획득 장치와 동력 전환·전달 장치와 발전기 시스템과 에너지 저장·재생 시스템과 중앙 운영 시스템 그리고 각종 감지 센서들과 제어장치들이 일체로 구성되어 상호 유기적인 운전과 관리가 이루어지는 융복합체이다. 특히 기초위에 건설되는 베이스와 그 중앙에 하단이 일체로 고정되어 지지되는 다단 타워의 상단에 고 중량 플라이휠이 설치되어 회전하고 타워의 내부 중심에 구비되는 슬리브 베어링에 직립되게 설치되어 회전하는 중심축과 제1발전기축이 수직으로 수용되고, Archista를 구성하는 거의 모든 장치들이 그의 내부에 설치되어 보호 지지될 수 있고, 그의 원주외면에 방사상으로 나선형 구조의 안내 블레이드가 설치되어 견고하게 지지하는 Archista 기초 및 본체를 개발할 필요가 있다.

 

Archista 기초 및 본체 구성

 

Archista의 본체는 지중에 하단과 측면이 지지되고 그의 내부에 시설물들이 수용되고 그 중심에 타워의 하단이 직립하도록 지지하는 베이스와, 베이스의 중심에 직립되게 일체로 설치되며 지상에 일정 높이로 직립하는 원통형의 다단 타워로 구성된다.

 

▲ Archista 기초 및 본체 구성도     © 특허뉴스

 

기초(foundation)

 

땅을 굴착하여 파일을 박아 중력하중이 분산될 수 있게 파일들 상단이 결합되게 철근 용접하여 그물구조가 되도록 한 후 콘크리트를 타설하는 토목구조이다.

 

베이스(base)

 

지중에 타설된 기초위에 일체가 되도록 건설되는 철근 콘크리트 복층 구조물이다. 정방형인 언더그라운드 베이스는 지중에 그 하단과 측면이 지지되고 반구형 돔 형태와 유사한 그라운드 베이스는 지상에 노출되게 건설된다. 그 중심에 원통형 철관 파이프 또는 철근 콘크리트로 건설되는 타워-B와 타워-1F의 하단과 측면을 지지한다.

언더그라운드 베이스의 하단에서 그의 외부에 설치된 두 개의 지중관로가 연결되고, 지중관로1에는 전력선이 수용되고, 다른 지중관로에는 수관이 수용된다. 언더그라운드 베이스의 내부에는 축수(열수) 장치, 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치 등이 설치된다.

그라운드 베이스의 외측에 펜스가 설치되고, 일 측에 출입구와 복수개의 창호가 설치되고, 그의 외측 상단에는 방사상으로 안내 블레이드의 하종단이 고정되고, 그의 내부에는 운전 상황실, 중앙 운영 시스템 및 통신시설, 관로 등이 설치된다.

선박에 설치되는 Archista의 베이스는 선체가 되고, 건물 복합형 Archista의 베이스는 건물의 골격이 되도록 한다.

 

▲ Archista 기초 및 베이스 도면     © 특허뉴스

 

타워(tower)

 

타워는 원통형 철 파이프가 다단 결합되어 직립되는 일정 높이의 구조물이다. 그의 하단인 타워-B와 타워-1F는 베이스의 중심에 일체로 직립되어 지지되고, 타워-1F의 상단과 타워-2F의 하단은 판 플렌지에 볼트 체결되고, 타워-2F의 상단과 타워-3F의 하단 역시 판 플렌지에 볼트 체결되고, 타워-3F의 상단과 타워-4F의 하단 역시 판 플렌지에 볼트 체결되고, 타워-4F의 상단과 타워-5F의 하단 역시 판 플렌지에 볼트 체결되고, 타워-5F의 상단과 타워-6F의 하단 역시 판 플렌지에 볼트 체결 된다.

 

타워-B에서 타워-3F까지 내부 일 측에 엘리베이터와 퍼텐셜 에너지 저장 장치가 설치되고, 타워-2F의 내부 일 측에 축기 장치가 설치되고, 타워-3F 내부 하단의 중심에 설치되는 변속기어장치의 일축에 제1 발전기축의 하종단이 결합 지지되고, 1 발전기축의 하단에 구비된 기어와 치 결합하는 기어장치가 구비되고, 그 기어장치와 일체로 축 결합하는 제2 /전동기와 제2 /전동기의 운전 관리 제어부와 에어컨 장치가 구비된다.

 

타워-4F 내부 하단의 중심과 상단의 중심에 구비되는 슬리브 베어링에 수직되게 제1 발전기축이 지지되고 하단에 제1 발전기의 전기자 케이스와 전기자를 상하 이동시키는 수단인 스텝 모터와 제1 발전기의 운전 관리 제어부가 설치된다. 타워-5F 내부 하단의 중심과 상단의 중심에 구비되는 슬리브 베어링에 수직되게 플라이휠 중심축이 지지되고, 중심축의 일단에 설치되는 브레이크 드럼(래칫 기어 포함)과 이에 대응하는 브레이크 블록(래칫 기어 블록 포함)이 일 측에 설치되고, 플라이휠 중심축의 하종단과 제1 발전기축의 상종단이 판 플렌지 커플링에 결합된다. (판 플렌지 커플링에 자기척력발생장치-2 상판이 설치되고 이에 대응하는 자기척력발생장치-2 하판은 타워-5F의 하단 플렌지 위에 설치되어 상하로 동극 대응되어 자기척력이 발생된다.)

 

타워-2F의 하단에서 타워-4F의 상단까지의 원주외면에 안내 블레이드의 내측이 경사지게 설치 고정되고, 타워-4F의 상단에 오일 여과 링이 설치되고, 타워-5F의 상단 판 플렌지 위에 수평이 되게 자기척력발생장치-1의 하판이 설치되고, 타워-5F의 상단에 플라이휠이 설치됨으로써 플라이휠 프레임의 원통 파이프의 원주내면에 공극을 두고 타워-5F의 원주외면이 감싸이게 된다.

 

Archista의 다단 타워는 공장에서 제작하고, 설치 장소로 운반하여 각 타워의 내부에 해당 기계장치들을 설치하고, 적층하여 볼트 체결함으로써 완성된다. 대용량의 Archista의 타워는 세로 방향으로 분할 제작하여 설치 장소로 운반하고, 각 타워는 조립 결합(볼트 및 용접)된 후 다단 적층하여 볼트 체결함으로써 완성된다.

 

선박에 설치되는 Archista의 타워 하단은 선박의 하단에 고정되도록 하고 타워의 높이는 안내 및 펜더 블레이드가 설치될 수 있는 높이에 적합하다. 그럼으로 발전선박의 Archista 타워의 높이는 육상에 설치되는 Archista의 타워보다 높지 않다.

건물 복합형 Archista의 경우 타워가 건물의 골격이 되도록 하되 타워의 높이는 최소한 안내 및 펜더 블레이드가 설치될 수 있어야 한다.

 

▲ 본체 설치 내용     © 특허뉴스

 

Archista 본체 특징 및 장점

 

본체의 베이스는 지중에 건설되는 철근 콘크리트 구조물로 그 중심에 직립되는 타워의 하단을 견고하게 지지한다. 본체에 하중이 크게 작용하는 반면에 동적 장치들에서 발생되는 진동은 거의 작용하지 않음으로 베이스의 건설이 용이하고 저렴하다. 베이스의 내부에 수용 공간이 확보되기 때문에 축수(열수) 장치와 퍼텐셜 에너지 저장·재생 장치, 엘리베이터(리프트) 그리고 지중관로 등이 설치될 수 있다.

 

타워의 제작과 운송 그리고 설치가 용이하다. 각 타워의 내부에 미리 기계 장치들을 조립·설치하여 다단 적층하여 볼트 체결됨으로 설치가 간단하다.

타워의 외부에 설치되는 풍력 획득 장치와 플라이휠을 제외한 모든 장치들이 본체의 내부에 설치되어 효과적으로 보호될 수 있다. 특히 외부로부터 먼지, 모래, 습기, 염분 등이 차단될 수 있으며, 효과적으로 적합한 온도를 유지할 수 있기 때문에 유지관리가 용이하고, 설치 지역에 제한을 덜 받는다. 또한 Archista의 본체와 타워에는 수평적 부하는 매우 적게 작용하지만, 수직하중은 대단히 크게 작용한다. 베이스와 타워의 높이와 크기는 그의 외측에 설치되는 풍력 획득 장치와 내측에 설치되는 동력 전환·전달 장치, 발전기 시스템, 에너지 저장 시스템의 용량 그리고 설치 환경에 의해 결정된다.

 

건물복합형은 건물에 본체가 일체가 되도록 건설됨으로 시설비가 절감된다. 특히 중·대형 선박의 갑판에 장착되는 Archista 본체의 구조와 크기는 해당 선박의 용량크기와 여건에 따라 결정된다. 즉 선박에 설치되는 Archista의 본체는 선체가 베이스 역할을 하고 타워는 최소한 안내 및 펜더 블레이드가 설치될 수 있는 높이가 되도록 한다. 건물 복합형 Archista의 경우 건물축이 베이스이고 타워는 최소한 안내 및 펜더 블레이드가 설치될 수 있는 높이가 되도록 한다.

 

예를 들어, 발전용량 20인 단독형 Archista의 타워 높이는 약 33m이다. 이에 비해 기존 발전용량 3.5수평축 풍력발전기의 타워의 높이는 90m이고, 블레이드의 회전 반경을 고려하면 수평축 풍력발전기의 높이는 170m 이상이다. (기존 풍력발전기의 타워가 높아야만 하는 주된 이유는 블레이드의 형태 때문이다. 블레이드의 길이가 길어질수록 타워의 높이가 더 높아져야 한다. 높은 곳에 설치해야 바람이 강해서 가 아니고 수평축 풍력 발전기의 블레이드 형태로 인한 구조 때문이다.)

 

다음편은...

[단독/집중기획] 에너지 패권을 장악할 재생에너지’... Archista 풍력 획득 시스템

 

 

 

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