[단독/집중기획⑩] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 기술적 진보 및 장점

인류 에너지 문명을 변혁할 ‘Archista’

특허뉴스 이성용 기자 | 기사입력 2019/07/24 [11:51]

[단독/집중기획⑩] 에너지 패권을 장악할 ‘재생에너지’... Archista 기술적 진보 및 장점

인류 에너지 문명을 변혁할 ‘Archista’

특허뉴스 이성용 기자 | 입력 : 2019/07/24 [11:51]

 

집중기획에너지 패권을 장악할 재생에너지’... Archista 운영 및 적용에 이어 집중기획에서는 인류 에너지 문명을 변혁할 수 있는 혁명적인 재생에너지 획득·생산·공급·저장·재생 시스템인 ‘Archista’가 구현된 첨단 과학 기술들 중 Archista 기술적 진보 및 장점에 관한 논문을 세계 최초로 게재한다.

 

Archista의 기술적 진보 및 장점

 

바람의 에너지 저밀도, 바람의 시간적 간헐성, 바람의 공간적 편중성 문제를 효과적으로 해결할 수 있는 고효율 풍력 획득 기술 장치를 개발하였고, 중량하중에 따른 마찰부하를 없애고 기계적 마찰을 줄여 에너지 손실을 최소화할 수 있는 혁신적인 동력 전환·전달 장치를 개발하였고, 전달되는 기계회전에너지의 변동을 일정한 속도로 제어하면서 변동을 전압가변으로 보상하고 규정 주파수의 전기에너지로 변환할 수 있을 뿐만 아니라 기계회전에너지를 규정 속도로 제어할 수 있는 획기적인 발전기 장치를 개발하였고, 잉여 전력을 저장이 용이한 에너지 형태로 변환하여 보존하고 필요시 즉각 적합한 크기의 전기에너지로 재생할 수 있는 고집적 대용량 에너지 저장·재생 시스템을 개발하였고, 장치들을 설치하고 지지 보호할 수 있는 견고하고 미려한 본체를 개발하였고, 합체된 장치들의 유기적인 운전 관리가 효과적으로 실행될 수 있는 전자동 중앙 운전 시스템을 개발하였다.

 

 

이에 Archista를 구성하는 각 장치와 시스템의 기술적 특징 및 장점에 대해 아래에서 보다 구체적으로 기술한다. 먼저, Archista 본체의 기술 특징과 장점에 대해 언급한다. 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.

 

구조 역학적으로, Archista의 본체에는 수직하중이 매우 크게 작용하는 반면 동적부하는 거의 작용하지 않음으로 베이스의 건설이 용이하고 저렴하다. 또한 Archista의 타워의 제작과 운송 그리고 설치가 용이하다. 타워의 외부에 설치되는 풍력 획득 장치와 플라이휠을 제외한 모든 장치들이 본체의 내부에 설치되어 효과적으로 보호될 수 있다. 외부로부터 먼지, 모래, 습기, 염분, 등이 차단될 수 있고, 효과적으로 적합한 온도를 유지할 수 있기 때문에 유지관리가 용이하고, 운전 수명이 길고 특히 도심, 도서, 극지방, 열대지방, 사막에 설치 운전이 가능하다.

 

건물복합형은 건물이 베이스가 되고 발전선박형은 선체가 베이스가 됨으로 시설비가 절감되고 설치가 용이하다. 건물복합형과 발전선박형의 타워는 안내 및 펜더 블레이드가 설치될 수 있는 최소한의 높이면 된다. 기존의 대표적인 풍력 발전기는 에어포일 블레이드 방식의 풍력 획득 장치를 채용함으로 인해 발생하는 제 문제들로 기초와 타워를 제작 설치하는데 어려움이 많고 비용이 높다. 특히 해양에 설치되는 기존 풍력발전기의 기초(foundation)를 건설하는 것과 케이블을 설치하데 많은 어려움과 고비용이 발생한다.

 

이어서, Archista 풍력 획득 장치의 기술 특징과 장점에 대해 언급한다. 전 방향의 바람을 많이 포집하여 상승 곡풍을 유도하기 위한 안내 블레이드와 유도되는 바람을 집약시켜 유속과 밀도를 높여 풍압 중심점에 직각으로 충돌하게 바람을 집중 주입하기 위한 펜더 블레이드와, 바람에 정면으로 대응하고 바람에 직각방향으로 회전하여 풍압을 받기 위한 터보 임펠러로 이루어져 있음으로 풍향의 변화에 영향을 받지 않으면서, 많은 바람을 받고 이를 집중시켜 유속을 높이고 일정한 방향으로 유도하여 바람이 풍압중심점에 직각으로 충돌하게 하고, 유도되는 바람의 방향에 대해 직각방향으로 회전하여 작용 풍속을 높아 최대로 풍압이 작용하는 고 효율 풍력 획득 장치이다. 풍향의 변화에 영향을 전혀 받지 않는다.

 

Archista 풍력 획득 장치가 대응하는 바람의 양은 기존 수평축 풍력 발전기의 에어포일 구조 블레이드에 비해 800% 이상이다. 또한 Archista 풍력 획득 장치에 바람이 지닌 운동에너지의 약 80%가 풍압으로 작용한다. Archista 풍력 획득 장치에 바람의 운동에너지는 양력과 항력과 추력으로 작용한다. 또한 풍압중심점에 바람이 집중 충돌하기 때문에 작용하는 풍압이 온전히 비틀림 힘으로 발휘되는 장점이 있다.

 

Archista 풍력 획득 장치의 동체인 터보 임펠러의 회전으로 인해 발생되는 공기마찰력은 10% 미만으로 소음과 진동이 발생하지 않는다. 안내 블레이드와 펜더 블레이드에서 자연 바람의 풍속보다 약 30% 이상 풍속이 높게 유도되고 터보 임펠러의 블레이드에 작용하는 풍속은 자연 바람의 풍속보다 약 50% 이상 높다.

 

안내 블레이드와 펜더 블레이드와 터보 임펠러가 철 소재로 제작되어 내구성이 매우 뛰어나고, 유지관리가 용이하다. 특히 제작이 용이하고 운송과 설치가 쉽다. 또한 Archista의 단기 대용량화에 필수적인 대형 풍력 획득 장치의 개발이 용이하다. 구조적으로 안내 블레이드는 본체인 타워를 보다 견고하게 지지할 수 있고 타워와 결합하는 부위의 내부에 관로가 구비될 수 있어 케이블의 매설이 간편하고 보호관리가 쉽다. 바이패스 장치를 작동하여 펜더 블레이드의 개폐가 조정됨으로 80의 풍속에도 규정 주파수의 전기에너지를 유도하는 정상발전운전을 실행한다. 그럼으로 운전 한계풍속이 없음으로 운전 시간이 확장되고 강풍에 오작동과 고장이 발생할 우려가 없다.

 

이어서, Archista 동력 전환·전달 장치의 기술 특징과 장점에 대해 언급한다. 터보 임펠러가 원주외면에 설치된 플라이휠은 터보 임펠러의 블레이드에 작용하는 풍압을 중심축에 전달하고, 자동조심을 실행하고 진동을 흡수하며 특히 플라이휠에 유체유동장치가 채용됨으로 원심관성력이 증대되고 자동조심이 촉진되고, 열전도가 느리고 진동이나 충격이 흡수되어 플라이휠 효과가 높다.

 

플라이휠과 중심축 그리고 제1발전기축의 회전자의 중력하중이 자기척력발생장치에서 발생되는 자기척력으로 상쇄됨으로 하중마찰부하가 발생하지 않아 플라이휠 중심축의 기동이 원활하다. 하중마찰이 해소됨으로 중심축과 제1발전기축이 직립하게 측면 일단을 회전 가능하게 지지하는 슬리브 베어링이 채용될 수 있고, 대형 고 중량 플라이휠의 개발과 장착이 가능하여 고 토크의 실현과 터보 임펠러를 대형화할 수 있어 단기 대용량 Archista의 개발이 가능하다.

 

기후악조건에 노출되는 동체인 플라이휠과 플라이휠에 형성되는 임펠러 블레이드를 철 소재로 제작됨으로 플라이휠과 임펠러 블레이드의 내구성이 높고 유지관리가 용이하고 수명이 길다. 아울러 터보 임펠러의 블레이드에 진동이나 뒤틀림 등이 발생하지 않음으로 에너지 손실을 방지할 수 있다는 등의 많은 장점을 갖는다. 특별히 풍력 획득 장치의 바이패스 장치를 통해 출력이 효과적으로 제어되고, 발전장치 시스템의 자기작용 조정 장치에서 유기기전력의 크기가 정밀하게 조정됨으로 제동 장치를 사용할 필요가 거의 없다. 기계회전에너지로 전환하고 전달하는데 에너지 손실이 거의 발생하지 않는다.

                                                                    

이어서, Archista 발전장치 시스템의 기술 특징과 장점에 대해 언급한다. Archista의 발전장치 시스템은 자기작용 조정 제1발전기와 자기작용 조정 제2/전동기로 구성되어 있다. 풍속의 변동에 따른 회전에너지의 크기가 증감하는 것에 대응하여 발전기의 회전자와 전기자간의 자기작용 범위가 조정되어 유기기전력이 증감되고 이에 비례하는 역기전력이 제1발전기축을 통해 중심축의 회전에너지에 반대로 작용하게 됨으로써 기계회전에너지가 정격 속도를 유지하여 발전기에서 규정 주파수의 전기에너지가 유도되는 장점이 있다.

 

Archista 발전장치 시스템을 구성하는 제1발전기와 제2/전동기는 자기작용 조정을 함으로써 자연 바람의 변동으로 인해 풍력 획득 장치에 작용하는 풍압의 증감에 동력 전환·전달 장치의 회전에너지의 속도가 일정하게 유지될 수 있도록 토크를 조정하는 것이다. 그럼으로 발전기의 자기작용 조정은 토크의 증감에 비례하는 전압의 크기를 가변함으로써 일정한 속도로 자기교번이 실행되어 규정 주파수의 전기에너지를 유도하는 것을 실현한다. Archista의 발전장치 시스템은 자기작용 조정을 통해 규정 주파수의 전기에너지를 유도하면서 중심축이 규정 속도로 회전하도록 제어하는 조속기 역할을 하는 뛰어난 장점을 지닌다.

 

발전장치 시스템이 풍력 획득 장치와 동력 전환·전달 장치와 에너지 저장·재생 시스템과 상호 유기적으로 공조함으로써 풍력 획득 장치에서 비생산적인 출력 제어를 할 필요가 없고, 동력 전환·전달 장치에서 브레이크 장치를 작동하여 출력을 제어할 필요 없다. 또한 전력계통의 부하급증으로 인한 사고와 과속도와 오작동으로부터 발전장치가 자율적으로 보호하는 특징을 갖는다. 뿐만 아니라 제2/전동기는 정격회전속도를 보다 정밀하게 유지할 수 있게 자기작용을 조정하고, 2.5이하의 낮은 풍속이 지속되는 경우에도 발전운전을 실시하여 전기에너지를 유도한다. 이때 유도되는 전기에너지는 축전 장치의 배터리에 저장되고 필요 시 제2/전동기를 통해 회전에너지로 재생되어 제1발전기축에 제공될 수 있음으로 운전 시간이 확장되고 전기에너지의 고품질화가 가능하다.

 

특히 제1발전기에는 영구자석 다극 회전자가 장착됨으로 여자시스템이나 증속장치가 채용될 필요가 없다. 기존의 어떤 발전기에 비해 변환 효율이 높고 생산 효율이 뛰어날 뿐만 아니라 역률 변동을 스스로 방지하고, 와전류와 고조파 발생이 방지되고, 유지관리가 용이하고, 내구성이 높다. 또한, 1발전기와 제2/전동기의 회전자와 전기자에 채용되는 U자형 자기철편의 가운데에 형성되는 공간인 제1슬롯과, 그 자기철편과 이웃하여 배치되는 자기철편들 사이에 형성되는 공간인 제2슬롯에 영구자석이 매설됨으로 회전자의 원주외면에는 별도로 이격된 공간이나, 극성을 차단하기 위한 차폐물이 없어 교호가 급격하게 이루어지지 않아 회전자 자극부와 전기자 자극부가 교우하는 자기작용과정이 원만하게 이루어지고, 회전자의 다극 구성이 매우 용이하다.

 

또 다른 장점으로, 자기철편의 U자형 구조에서는 잔류자기가 반대편 자기철심으로 상호교차 이동되기 때문에 전하로 변환되지 못한 잔류자기에 의한 히스테리시스가 발생하지 않아 변환효율이 우수하다. Archista의 발전장치 시스템의 총 발전용량은 제1발전기의 발전용량과 제2/전동기의 발전용량의 합이고, 50m/s의 풍속에서 최대 발전용량에 도달할 수 있도록 결정된다.

 

이어서, Archista 에너지 저장·재생 시스템의 기술 특징과 장점에 대해 언급한다. 바람의 간헐적 특성으로 인해 Archista의 풍력 획득 장치에서 획득되는 에너지의 증감에 따라서 전력 생산량이 증감하고, 전기 수요량이 증감함으로 인해 발생하는 전력수급의 불균등화를 Archista 에너지 저장·재생 장치 시스템을 확충함으로써 해결할 수 있다. Archista에 에너지 저장·재생 시스템을 일체화 동조화함으로 잉여 전력이 발생 시 이를 보존이 용이한 에너지 형태로 변환하여 저장하였다가 결여 전력이 발생 시 즉각 저장된 에너지를 사용에 적합한 크기의 에너지로 재생함으로써 에너지 생산 효율과 에너지 사용 효율을 높일 수 있다. 더불어 기존 송전망의 송전제한 문제가 완화될 수 있다.

 

Archista 에너지 저장·재생 시스템을 확장함으로써 에너지 뱅크가 구축될 수 있기 때문에 도시 에너지 비축 기지와 재생에너지 기반의 수송에너지 공급에 기여할 수 있다. 특히 에너지 뱅크의 구축으로 전력생산량을 계획적으로 조정할 수 있는 기저 재생 발전시설로 Archista가 정립될 수 있다. 또한 교통망의 통합과 같은 분야 간의 동조화, 그리고 보다 광범위한 실행가능 기술들의 확대에 기여할 수 있다. 즉 전기자동차, 전기선박, 전기비행기의 충전을 위한 인프라 구축을 촉진할 수 있을 뿐만 아니라, IT의 팽창과 자동화 로봇산업의 발달로 인한 전력수요의 급증으로 인한 블랙다운의 발생을 방지할 수 있다.

 

Archista의 에너지 저장·재생 시스템은 전력시스템에 유연성을 제공할 수 있다. 특히 Archista 발전선박에서 생산되는 전기에너지를 대량으로 축기하여 운송할 수 있는 전용 축기 선박을 운용함으로써, 연안에 위치한 기저 재생 Archista 기지에 축기 전용선이 압축공기를 제공함으로써 Archista 기저 발전이 실현될 수 있다. 그럼으로 해저 케이블을 가설할 필요가 없고, 별도의 에너지 저장·재생 시설을 갖출 필요가 없다.

Archista 발전선박에서 생산되는 전력을 사용하여 해수를 가수분해하여 확보되는 산소, 수소, 질소를 탱크에 저장하고, 염화나트륨을 재처리하여 새로운 개념의 고집적 염화나트륨이온전지를 생산할 수 있다.

 

이어서, Archista 중앙 운영 시스템의 기술 특징과 장점에 대해 언급한다. Archista 중앙 운영 시스템은 Archista를 일체로 구성하는 풍력 획득 장치와 동력 전환·전달 장치와 발전장치 시스템과 에너지 저장·재생 시스템의 개별 운전 관리 제어는 중앙 운영 시스템의 통합 장치 운전 관리 제어 프로그램에 의해 유기적인 운전 관리가 활성화되어 운전 상태를 최적화 하고, 운전 시간을 확대하고, 생산 전력의 품질을 향상하고, 안전 운전을 실시하고, 전력계통과의 연계에 능동적으로 대응하고, 원격 자동 운전을 가능하게 하는 등의 탁월한 효과를 얻을 수가 있다.

 

자연 바람의 운동에너지를 측정하고 획득 풍력을 산정할 수 있으며 이를 기계에너지로 전환하는 효율성과 기계회전에너지양을 정확하게 계산하여 동력 전환·전달 장치의 작동 상태를 정밀하게 진단할 수 있다. 발전장치의 자기작용 조정이 정밀하게 제어되어 규정 주파수의 전기에너지가 유도되고 에너지 저장·재생 장치를 제어하여 사용에 적합한 전압의 전기에너지를 바로 전기수요처와 전력계통에 송전할 수 있다. 또한 잉여 전력을 에너지 저장·재생 시스템의 장치들에 저장하고 재생하며 부하차단 및 부하탈락 등을 실행하는 제어가 즉시 이루어져 전력사고가 방지될 수 있다.

 

배전 계통에 연계되던 소규모 풍력 발전 단지와 달리 Archista는 전력수급의 자주성을 행사할 수 있는 운전 제어를 할 수 있음으로 기저 전력계통의 운영자에 대해 동등한 위치에서 공조할 수 있다. 단기 Archista만으로도 소규모 에너지 뱅크가 구축됨으로 이를 기반으로 중·소 용량의 자립형 전력수급체계를 안정적으로 운영할 수 있다.

 

이어서, Archista의 기술 특징과 장점에 대해 종합적으로 언급한다. 상기에서 살펴본 것과 같이 Archista를 일체로 구성하는 기술 장치들 각각의 기술 완성도가 매우 높고 장치들 간의 유기적인 운전이 최적 활성화됨으로 Archista는 여타의 발전시설들에 비해 발전단가가 낮고, 에너지 생산과 사용 효율이 높다. 먼저, Archista를 제작하고 시설 현장으로 운송하고 조립함에 있어 대형물인 플라이휠과 안내 블레이드와 펜더 블레이드 그리고 타워의 분할 제작이 용이하고 시설 현장까지 운반이 용이하며 조립이 간편하다. 고 중량 대형물인 플라이휠과 플라이휠에 장착되는 터보 임펠러는 동일한 형태와 크기로 분할하여 철 주물로 제작되고, 안내 블레이드와 펜더 블레이드는 철판으로 분할 제작된다. 공장에서 각 타워의 내부에 필요한 장치들의 설치와 점검이 완료된 후 현장에서의 조립이 용이하다. 특히 대형 플라이휠과 안내 블레이드와 펜더 블레이드 그리고 타워의 분할 제작이 가능함으로 단기 200발전용량 Archista의 개발이 가능하다.

 

풍력 획득 효율이 높고 발전 효율이 높아 경제성이 확보됨으로 설치 지역이 확장된다. 발전운전 시간이 확대되고, 내구성이 높아 고장이 거의 없음으로 유지관리비가 매우 저렴하다. 연평균 풍속이 3m/s 이상인 지역에서 상업운전이 가능하다. 시설과 운전에 있어서 환경 훼손을 거의 야기하지 않으며, 시설비가 저렴하고 시설 공기가 짧다. 도시지역, 극지와 열대지역, 사막 등 시설 및 운전 지역에 거의 제한을 받지 않는다. 내구성이 뛰어나 유지관리가 용이하고 운전수명이 80년 이상이다. 낙뢰가 방지되고, 모래폭풍이나 결빙 등 악조건에서도 발전운전과 관리에 지장을 받지 않는다.

 

도심에 복합형 Archista의 설치 및 운전이 그리고 고집적 대용량 퍼텐셜 에너지 저장·재생 시스템의 확충으로 에너지 생산 효율과 사용 효율을 높임으로써 도시 에너지 비축 기지와 전기자동차 충전소의 확대가 용이하다. 아울러 도시의 전력수급을 균등화하는데 크게 기여할 수 있으며 나아가 도시지역 자립전력수급체계의 구축과 안정적 운영으로 확대가 가능하다. 또한 전력계통망의 송/변전소에 Archista와 에너지 뱅크 지점을 설치함으로써 전력생산과 재생발전운전 그리고 전력품질을 향상시킬 수 있고 전력사고의 방지에 크게 도움이 될 수 있다.

 

 

특히, ·대형 선박에 Archista의 설치와 운전이 가능하다. 그럼으로 대용량 Archista 발전선이 건조되고 Archista 발전선에서 생산되는 전기에너지를 사용하여 공기를 대량으로 압축하여 저장하고 이를 연안의 기저 재생 Archista로 운송하는 축기 운반 전용선박(LNG 선박과 같음)을 운영함으로써, 기존