KR100898996B1 - 순환형 파도 에너지 변환기 - Google Patents

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Abstract

시스템 및 방법이 파도로부터 동력을 추출하기 위하여 동적 블레이드 각 제어를 하는 순환형 프로펠러들을 사용한다. 그러한 구현을 위한 제어 시스템은 효율적인 에너지 추출 및/또는 반응력의 제어를 위하여 순환형 프로펠러들의 블레이드들을 위한 피칭 스케줄을 조절할 수 있다. 순환형 프로펠러들은 물이나 다른 액체의 본체의 바닥, 또는 수면의 플로우트에 설치될 수 있으며, 블레이드들은 파도의 특성에 따라 수직적 또는 수평적으로 연장할 수 있다. 몇 개의 순환형 프로펠러들은 반응력 및 토크를 최소화하기 위하여, 그리고 수평하게 또는 수직하게 유닛을 구동하기 위하여, 그리고/또는 유닛을 안정화하기 위하여 단일 유닛으로 조합될 수 있다. 그러한 유닛들은 최소의 정박 줄과 함께 설치될 수 있거나 정박 줄 없이 설치될 수 있다.
파도, 에너지, 변환기, 순환형

Description

순환형 파도 에너지 변환기{Cyclical wave energy converter}
본 발명은 순환형 프로펠러에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파도에서 에너지를 추출하는 순환형 프로펠러에 관한 것이다.
순환형 프로펠러들은 추진용으로 사용되어 왔으며, 그 분야에서 순환형 프로펠러들은 가장 통상적으로 포이쓰 슈나이더(Voith Schneider) 프로펠러 및 풍차라고 알려졌으며, 통상적으로 수직축 풍력 터빈(VAWT) 또는 다리우스(Darrieus) 회전차라고도 알려졌다. 통상적으로 사용되는 다른 용어는 사이클로이드(cycloidal) 프로펠러로서, 이것은 장치의 블레이드가 흐름 속도와 프로펠러 회전 속도 사이의 비율의 특정 범위를 좇아가는 경로에서 이름 붙여졌다. 여기에서는 사이클로이드 프로펠러라는 더 일반화된 용어를 채택하기로 하고, 이것은 회전하는 동안 주기적 또는 변화되는 피치(pitch) 변화를 보여주는 하나 이상의 블레이드들을 가진 터빈 및 프로펠러를 지시한다.
사이클로이드 프로펠러들에 대한 가장 초기의 문헌들중의 하나로서의 다리우스에 대한 미국 특허공보 제1,835,018호에는 프로펠러 축으로부터 반경방향으로 오프셋되어 부착된 하나 이상의 블레이드들을 가진 회전 디스크가 개시되어 있다. 도 1 은 미국 특허공보 제1,835,018호에 기재된 바와 같이 블레이드들(110)의 피치 각을 기계적으로 변화시키는 프로펠러(100)를 보여준다. 프로펠러(100)의 블레이드들(110)은 베이스(115)에 대하여 수직하면서 프로펠러(100)의 중앙축(130)에 평행하게 나온 피봇축들(120)을 가진다. 중앙축(130)에 의해 구동되고 블레이드들(110)에 부착된 메커니즘(140)은 블레이드들의 피치, 예를 들면 축(130)으로부터 블레이드(110)의 피봇(120)까지 연장하는 선과 각 블레이드(110) 사이의 각도를 주기적으로 변화시킨다. 프로펠러(100)에서, 블레이드들(110)의 공격 각의 변화는 블레이드들(110)이 유체에 모두 잠겼을 때 프로펠러(100)에 추진 방향을 제공한다. 이 유형의 프로펠러는 축(130)에서 베이스(115)에 평행하게 통과하는 어떠한 유체 흐름 방향으로도 토크를 발생시킬 수 있으며, 수직축 풍력 터빈 설치에서 성공적으로 사용되어 왔다.
유체 흐름 방향이 변화될 때 프로펠러의 메인 축에 수직한 어떠한 방향으로도 통과하는 유체 흐름으로부터 에너지를 추출할 수 있는 능력은 동력 추출에 있어서 매우 중요하고 바람직한 특성이다. 다리우스 순환형 프로펠러들은 이러한 능력을 가지고 있고, 또한 비교적 간단하기 때문에 구성하고 작동하는데 저렴하다. 그러나, 다리우스 순환형 프로펠러는 제어 시스템이 부족하고 전형적으로 정지상태에서 스스로 회전을 시작하지 않으며, 회전을 시작하기 위하여 외부 동력을 필요로 한다. 각 파도가 통과할 때 흐름 속도가 0에서 최대 속도까지 변화하는 환경에서 이러한 점은 그런 프로펠러들이 파도 동력 추출에 부적합하도록 만드는 요인이다. 뿐만 아니라, 이러한 프로펠러들의 최대 블레이드 피치가 메커니즘(140)과 메인 축(130)의 사이의 편심성에 의해서 고정되므로, 다리우스 프로펠러는 다른 속도의 흐름 필드에 적응하거나 조절될 수 없다. 그러므로 프로펠러는 오직 하나의 흐름 속도에서만 최적의 에너지 변환비를 갖게 될 것이고, 만약 프로펠러가 최적의 흐름과 다른 흐름 속도에서 작동된다면 크게 감소된 효율을 갖게 될 것이다.
파도로부터 동력을 추출하는 현재의 시스템은 각 파도가 지나감에 따라 위/아래로 진동하는 물 기둥(water column), 부표(buoy) 또는 유사한 플로우트(float)들에 주로 의존하였다. 이러한 파도 동력 변환기들은 이론적으로 일반적으로 50%보다 작은 것으로 제한된 에너지 변환 효율을 가진다.
100% 효율에 접근할 수 있는 더 효율적인 파도 에너지 변환기들이 요구된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물의 파도로부터 축 동력을 추출하는 장치는 동적 블레이드 각 제어를 수행하는 하나 또는 그 이상의 프로펠러들을 채용할 수 있다. 그런 장치에 대한 능동 제어 시스템은 파도 사이클 중에 유체 흐름이 방향 및 속도를 변화시킬 때라도 효율적으로 에너지를 추출하는데 필요한 만큼의 순환형 프로펠러들의 블레이드들의 피칭 스케줄을 만들고 적응시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 어떤 구성에서는, 순환형 프로펠러들은 높은 변환 효율을 달성하기 위하여 수직적 및 수평적 유체 흐름들로부터 에너지를 추출할 수 있다.
순환형 프로펠러들은 에너지가 차감되는 파도의 성질에 따라 다양한 장착 시스템을 채용할 수 있다. 예를 들면, 순환형 프로펠러들은 물의 본체의 바닥에 설치되거나 완전히 잠긴 플로우트에 설치되거나 또는 수면에 있는 플로우트나 배에 설치될 수 있다. 하나의 특정한 설치 방법은 프로펠러의 축을 수직하게 방향짓는 것이고, 이것은 파도 에너지가 주로 수평적인 유체 흐름인 경우에 얕은 물의 파도로부터 에너지를 추출하는데 특히 적합하다. 또 다른 설치 방법은 프로펠러의 축을 수평하게 방향짓는 것이고, 이것은 수평적이고 수직적인 유체 흐름들이 중요한 깊은 물의 파도에 대해서 대부분 유리하다.
몇 가지 순환형 프로펠러들은 반응력 및 토크를 최소화시키기 위하여 작동되 는 단일 유닛 또는 프로펠러 집단으로 조합될 수 있다. 그러한 유닛들은 물의 본체의 바닥에 정박 줄 없이 설치될 수 있거나 최소한의 정박 줄 또는 다른 연결 수단을 가지고 설치될 수 있다. 이것은 비싸거나 환경적으로 영향을 미칠 수 있는 설치 방법이 필요하지 않기 때문에 유리하다. 이러한 설치 방법은 또한 유닛의 배치 및 유지 보수와 관련된 비용을 크게 줄일 수 있다. 또한 프로펠러 집단의 동작은 파도 움직임으로 인한 충격을 줄이기 위하여 떠 있거나 수중에 잠긴 플랫폼을 안정화시킬 수 있으며, 이것은 본 발명에 다른 적용예들을 제공한다.
얕은 물 및 깊은 물의 파도로부터 파도 에너지를 추출할 수 있으며, 이론적으로 파도 에너지의 100%까지 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동적 피칭 제어를 가진 순환형 프로펠러들은 부유 플랫폼의 안정화 및 전기 발전과 같은 용도를 위하여 파도로부터 에너지를 효율적으로 추출할 수 있다.
도 2A 및 2B는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환형 프로펠러 시스템(200)을 보여준다. 프로펠러 시스템(200)은 프로펠러 시스템(200)에 의한 바람직한 동력 전달 및 유닛에 포함될 수 있는 유사한 순환형 프로펠러 시스템들의 개수에 따라 선택될 수 있는 크기와 개수를 가지는 블레이드들(210)을 사용한다. 동작 중에, 각 블레이드(210)는 적어도 부분적으로 물에 둘러싸이거나 잠겨질 것이고, 바람직하게는 완전히 물에 잠기게 된다. 바람직하게는, 파도 사이클 동안 유체 흐름의 평균 방향 이 블레이트 축들(212)에 거의 수직하도록 블레이드들(210)이 방향지어진다.
각 블레이드(210)는 파도의 작용 중에 예상되는 물의 흐름에 요구되는 특성을 가지는 포일(foil)을 제공하도록 선택되는 단면을 가진다. 일반적으로, 어떤 유형의 포일도 블레이드들(210)을 위해 채용될 수 있지만, 포일의 유형은 시스템(200)에서 채용된 특정 피치 변화 과정을 겪을 수 있다. 대부분의 자연 파도에 공통적인 낮은 흐름 속도에서, 특정한 포일 형상은 중요하지 않으며, 적당한 피칭 스케줄을 가지면 심지어 평평한 플레이트들도 블레이드들(210)과 같이 잘 수행할 수 있다.
시스템(200)은, 블레이드들(210)이 프로펠러 시스템(200)의 메인 축(220)으로부터 각 반경 방향으로 오프셋되어 디스크나 다른 베이스(215)에 장착되도록 블레이드들(210)의 오프셋 마운팅을 사용한다. 각 블레이드(210)는, 예를 들면 대응하는 서보 시스템(230)에 의하여 블레이드(210)의 제어된 회전을 허용하는 피봇 마운팅을 가진다. 각 서보 시스템(230)은 AC 또는 DC 서보 모터나 유압 또는 공압 시스템을 포함하는 다양한 시스템을 사용하여 구성될 수 있지만, 이에 한정되지 아니한다. 서보 시스템들(230)은 블레이드들(210)이 베이스(215)에 대하여 독립적으로 회전하도록 한다. 도 2A에 도시된 실시예에서, 각 서보 시스템(230)은 대응하는 블레이드(210)의 축(212)을 회전시키기 위하여 변속기, 기어 시스템, 벨트 및 풀리 시스템 등과 같은 관련 메커니즘(235)을 사용한다. 이와 달리, 서보 시스템(230)의 축(예를 들면, 전기 서보 모터 축)이 변속기 또는 다른 추가적인 메커니즘(235)없이 축(212)에 직접 부착되는 직접 구동 시스템 또한 가능하다. 베이스(215)에 대한 블레이드(210)의 각도를 지시하는 신호를 제공하는 각방향 위치 센서(252)도 블레이드(210)의 축(212)에 연결될 수 있다.
도 2A 및 2B의 시스템(200)에서 블레이드들(210)은 일 단부 또는 양 단부들에서 베이스들에 부착될 수 있다. 예를 들면, 도 3A는 블레이드들(210)이 일 단부에서만 베이스(215)에 부착된 순환형 프로펠러(310)의 일 실시예를 보여주며, 도 3B는 블레이드들(210)이 양쪽 단부에서 베이스들(215)에 부착된 순환형 프로펠러(320)의 일 실시예를 보여준다. 프로펠러(320)에서, 블레이드(210) 당 어느 하나 또는 두 개의 서보 모터들(230)은 블레이드 피치 각도를 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 동일한 블레이드(210)에 작용하는 두 개의 서보 모터들(230)은 블레이드(210)를 회전시킬 때 일체가 되어 동작하도록 동기화될 수 있다. 그러나, 이와 달리 도 3C에 도시된 바와 같이, 블레이드(210)에서의 두 개의 서보 모터들(230)은 블레이드(210)를 비틀기 위하여 특정 범위내에서 독립적으로 작동할 수 있다. 그 결과, 블레이드(210)의 반대 단부들에서의 블레이드 각도는 비틀림 각(θT)만큼 다를 수 있다. 블레이드 비틀림을 사용할 때, 블레이드(210)는 굽힘에 대항하여 뻣뻣한 반면, 비틀림에 대해서는 부드러운 것이 바람직하다.
도 3B의 순환형 프로펠러(320)에서의 각 블레이드(210)의 양쪽 단부에서 서보 모터를 사용함으로써 다른 흐름 조건에 대하여 프로펠러(320)의 단부들에서의 블레이드 각도들을 조절하는 것이 가능하다. 그러므로 프로펠러(320)는 블레이드 간격(span)을 따라 유체 흐름내에서의 변화의 축척에 비하여 비교적 길 수 있다. 각 블레이드(210)를 따라 동일한 흐름 조건에서조차, 순환형 프로펠러(320)는 파도와의 정렬이 잘 되지 않는 것을 보상하기 위하여 블레이드 비틀림을 사용할 수 있고, 블레이드(210)의 반대 단부들에서의 상이한 공격 각도를 사용함으로써 프로펠러(320)를 파도와 효율적으로 재정렬할 수 있다. 그러므로, 순환형 프로펠러(320)는, 비스듬한 파도들이 예를 들면 파도 방향의 변화로 인하여 서로 만났을 때, 전체 시스템을 회전시키지 않고도 적당한 정렬을 회복할 수 있다.
도 2A의 시스템(200)에서의 메인 축(220)은 블레이드들(210)에 링크 연결을 제공하는 베이스 또는 베이스들(215)에 부착되며, 그럼으로써 메인 축(220)이 축 동력을 사용하는 전기 발전기 또는 다른 시스템과 같은 장치(240) 및 블레이드들(210) 사이의 에너지 전달을 수행하게 한다. 일 단(single stage) 기어 시스템이나 유사한 기계적 구동 시스템(245)과 같은 선택가능한 변속기는 메인축(220)과 장치(240) 사이에 있으나, 이와 달리, 장치(240)는 메인 축(220)에 직접 연결될 수 있다. 동작 중에, 유체 흐름을 야기하는 블레이드들(210)로부터의 들어올림은 베이스(215), 메인 축(220), 및 메커니즘(245)을 회전시킴으로써, 예를 들면 전력 생산 또는 다른 유용한 작업을 위한 장치(240)를 구동한다.
도 2B는 메인 축(220) 방향을 따라 보았을 때의 베이스(215) 상의 네 개의 블레이드들(210)을 보여준다. 위에서 살펴본 바와 같이, 다른 실시예들은 어떠한 개수의 블레이드들(210)을 포함할 수 있으며, 블레이드들(210)은 그 일 단부 또는 양쪽 단부들에서 베이스들(215)에 부착될 수 있다. 도 2B에서, 블레이드 각(α)은 베이스(215) 및 메인 축(220)이 회전할 때 각 축(212)이 추종하는 원의 법선에 대한 블레이드(210)의 상대각을 정의한다. 회전각(θ)은 베이스(215)의 방향성을 정의하고, 그러므로 베이스(215)가 회전함에 따라 블레이드들(210)의 위치를 정의한다. 네 개의 블레이드들을 가진 것으로서, 도 2B는 베이스(215) 상에 90°씩 떨어져 위치되는 블레이드(210)를 보여주는데, 블레이드 각들은 도시된 유체 흐름(ν)의 방향에 대하여 α로 정해진다.
각 블레이드(210)의 공격 각은 일반적으로 대응되는 블레이드각(α), 회전각(θ), 및 베이스(215)의 각속도(ω)에 따라 달라진다. 더욱 구체적으로, 블레이드(210)의 포일의 베이스 선의 방향성은 각도 α와 θ에 따라 달라지며, 공격 각은 포일의 베이스 선과 포일에서의 유체 흐름 방향 사이의 각도이다. 자유 유체 흐름(ν)과 블레이드 속도의 벡터 합인 포일에서의 유체 속도는 자유 유체 흐름(ν), 회전각(θ), 및 베이스(215)의 각속도(ω)에 따라 달라진다. 시스템(200)은 공격 각을 변화시키는데 필요한 만큼 블레이드 각을 변화시킬 수 있고, 포일 주위의 효율적인 유체 흐름을 제공할 수 있으며, 그러므로 최적의 에너지 전달을 제공할 수 있다.
메인 축(220)과 블레이드 축(212)들은 각각의 축들(220, 212)의 방향성, 예를 들면 회전각(θ)과 블레이드 각(α)을 계측하는 각각의 각위치 센서들(254, 252)(도 2A)을 특징으로 한다. 시간상으로 어떠한 시점에서도, 서보 모터들(230)을 제어하는 제어 시스템(250)이 현재의 흐름 필드에 따라 각 블레이드(210)의 블레이드 각(α)을 변화시키기에 바람직한 피칭 스케줄을 결정할 수 있도록, 추가적인 센서들(256)이 자유 유체 흐름의 평균 속도 및 방향과 같은 유체 특성을 감지하는데 사용될 수 있다. 센서들(252, 254)은 각도를 지시할 수 있는 어떠한 분해기, 타코미터(tachometer), 또는 엔코더와 같은 표준 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 센서들(256)은 유체 흐름의 방향 및 크기의 계측을 포함하는 유체의 어떠한 바람직한 특성을 계측할 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니한다. 예를 들면, 유체 흐름 필드는 바람직하게는 메인 축(220)에 직교하는 어떠한 방향으로 방향지어질 수 있으며, 어느 유형 및/또는 풍향 베인(weather vane) 타입 장치의 풍향 풍속계(anemometer)를 사용하여 계측될 수 있다. 센서들(256)에 적합한 추가적인 감지 시스템들이 아래에 더욱 자세하게 기술된다.
도 2의 제어 시스템(250)은 블레이드들(210)의 각도를 변화하기 위한 피칭 스케줄을 제어하고 선택하도록 프로그램된 개인용 컴퓨터와 같은 범용 처리 시스템 또는 특정 목적용 하드웨어를 이용하여 구현될 수 있다. 제어 시스템(250)은 베이스(215)에 부착될 수도 있거나 베이스(215)로부터 분리될 수도 있으며, 유선 또는 무선 연결을 통하여 회전하는 베이스(215)의 시스템들(230, 252)와 송수신할 수 있다. 특히, 제어 시스템(250)은 피칭 스케줄을 결정하기 위하여 센서들(252, 254, 256)로부터 전송된 정보를 이용할 수 있고, 각 블레이드들(210)의 피치들을 개별적으로 변화시키기 위하여 서보 모터 시스템들(230)에 지시할 수도 있으며, 효율적인 에너지 전달을 제공하는, 예를 들면 바람직한 소용돌이 발산(vortex shedding) 패턴을 생성하기 위하여 필요한 정도로 블레이드들(210)이 회동(pitch)될 수 있는지 여부를 결정하기 위하여 각 센서들(252, 254)을 모니터할 수 있다. 블레이드 위치에서의 회전 속도와 자유 흐름 속도 사이의 비율인 팁 속도비(λ) 값들은 0과 매우 큰 값들 사이에서 선택될 수 있으며, 이로써 아래에 기술될 바와 같이, 파도의 진행 중에 만나게될 모든 흐름 상황들을 다룰 수 있다.
상기한 바와 같이, 도 2A의 시스템(200)에서의 센서들(256)은 피칭 스케줄의 선택 동안 제어 시스템(250)에 의하여 사용될 순간적인 유체 조건들을 감지할 수 있다. 유체 감지를 위한 몇가지 다른 접근법들이 채용될 수 있다. 전통적으로, 풍향 베인 장치가 풍차를 풍향에 정렬시키기 위하여 채용되어 왔다. 흐름 방향이 시간에 따라 점진적으로 변화할 때에는 풍향 베인이 잘 작동하는 반면, 파도가 유인된 흐름 필드에서와 같이 특히 얕은 물 파도에서는 풍향 베인이 순간적으로 방향이 뒤집어지는 흐름을 효과적으로 계측하지 못할 수 있다. 파도에 있어서, 흐름은 일반적으로 각 파도 진행시마다 180°씩 두번 방향을 바꾼다. 순간적인 방향 변화의 경우, 이 순간적인 시간에서의 흐름 속도는 작고 역전 후의 흐름은 베인의 방향에 있으므로 풍향 베인은 방향의 역전을 감지하는데 매우 느리고 오류가 많을 수 있으며, 그러므로 베인을 회전시키기 위한 모멘트를 거의 발생시키지 않는다. 그러므로 풍향 베인 타입 장치는 파도 흐름 방향을 검출하는데 아주 적합하지는 않을 수 있다.
피봇점에 장착된 물체를 유인하는 중립적으로 부양된 마찰이 순간적인 유체 속도를 측정하는 임무에 적합할 수 있다. 도 4는 구(410)의 허용된 움직임을 포함하는 표면에 접하는 평면에서의 유체 속도의 크기 및 방향에 대응하는 비율 및 방향으로의 마찰력(drag force)을 받는 구(410)와 같은 중립적으로 부양된 물체를 채택하는 센서를 예시적으로 보여준다. 센서(400)는, 예를 들면 도 2A의 시스템(200)에서의 베이스(215)에 평행한 평면에서의 유체 흐름을 계측하도록 방향지어질 수 있다. 센서(400)에서, 로드(412)는 구(410)를 피봇점(414) 및 두 개의 힘 변환기(422, 424)에 연결하거나, 일반적인 이중 축 힘 밸런스는 직접적으로 구(410)에 작용하는 마찰력을 검출한다. 어느 경우에든지, 2차원 흐름 벡터의 방향과 크기는 결정될 수 있다. 뿐만 아니라, 로드(412)의 길이 방향으로의 응력은 만약 제3 축으로의 흐름 정보가 요구된다면 측정될 수 있다.
프로펠러의 크기가 파도 유인된 흐름 필드의 공간적인 분포에 비하여 작을 때, 프로펠러 시스템은 피치 변화의 선택을 위하여 프로펠러 제어기에 필요한 흐름 정보를 제공하기 위하여 도 4에 도시된 유형의 단일 센서를 사용할 수 있다. 센서(400)는 회전 프로펠러 좌표 시스템에서의 흐름 속도를 측정하기 위하여 정지되어 있거나 프로펠러 자체에 부착될 수 있다. 긴 블레이드들을 가지거나 블레이드 비틀림을 채용하는 순환형 프로펠러에 있어서, 프로펠러의 어느 한쪽 단부에서 센서들(400)이 사용될 수 있다. 다른 한편으로, 만약 프로펠러의 직경이 흐름 특성들에 비하여 크다면, 별개의 흐름 방향 검출 센서(400)가 각 개별적인 블레이드를 위해 또는 블레이드 비틀림을 사용할 때 각 개별적인 블레이드에서 필요할 수도 있다.
위에서 기술된 바와 같이 순환형 프로펠러 시스템을 구현하기 위하여 전자적 감지, 신호처리 및 제어 시스템을 채용한다. 그러나, 도 4에 도시된 바와 같은 마찰 유인 물체 및 편심된 블레이드 제어 메커니즘 사이의 기계적인 링크 연결은 파도 동력 추출 목적으로의 가변 블레이드 피치를 가진 간단한 기계적 가변 피치 제어 순환형 프로펠러를 가능하게 한다.
흐름 필드를 감지하는 또 다른 접근법은 각 블레이드에 의해 받는 반응력(reactive force)를 사용한다. 전형적인 포일(foil)에 의하여 받는 피칭 모멘트, 들어올 림(lift) 및 마찰력은 블레이드의 공격 각 및 속도 크기의 함수이다. 그러므로, 블레이드 축이 받는 토크나 블레이드의 피봇점에서 작용하는 힘 중 어느 하나가 측정된다면, 힘 측정값이 블레이드에서의 순간적인 흐름 방향을 직접적으로 도출하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 2A의 시스템(200)이 서보 시스템(230)에 사용되는 전형적인 DC 서보 모터 설정을 사용한다면, 축(212)에서의 회전 토크는 모터의 전류에 비례할 것이다. 그러므로 만약 블레이드 각도가 피드백 제어기를 사용하여 예를 들어 일정하게 제어된다면, 블레이드 피칭 모멘트는 서보 모터 전류로부터 추론될 수 있다. 이런 방식으로, 추가적인 센서 하드웨어 없이도 서보 시스템들(230)은 피칭 모멘트를 측정할 수 있다. 일단 피칭 모멘트, 들어올림, 또는 마찰이 알려진다면, 예를 들면 간단한 풍향 풍속계를 가지고 흐름 속도의 크기를 결정할 수 있다.
흐름 방향을 측정하는 또 다른 접근법은 공격 각을 추론하기 위하여 블레이드들(210)의 포일들 주위의 표면 압력 분포를 채용한다. 블레이드(210)의 표면을 따라 적어도 두 지점들 사이에서의 상대적인 압력 또는 한 점에서의 절대 압력을 측정함으로써, 만약 풍향 풍속계를 이용하여 다시 측정될 수 있는 흐름 속도 크기가 알려진다면 공격 각이 도출될 수 있는 것으로부터, 순간적인 들어올림이 도출될 수 있다.
흐름 방향의 감지는 베이스(215)의 각각의 회전을 통하여 각 블레이드(210)의 블레이드 각을 정확하게 제어하는데 일반적으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 블레이드 각(α)은, 블레이드의 회전 속도가 유체 흐름의 방향에 평행하거나 수직일 때 최소 및 최대 크기를 가지며, 전형적으로 주기적으로 변화될 것이다. 흐름 속도 크기는 블레이드의 최대 공격 각을 제어하기 위하여 감지된다. 일반적으로, 프로펠러 주기 동안에 블레이드 각에서의 변화의 크기는 느린 자유 필드 유체 흐름 속도들에 대하여 더 커야 한다. 상기한 감지 방법들은 추가적인 장치 없이도 유체 방향 및 속도를 측정할 수 있으며, 제어 시스템이 파도 에너지의 효율적인 추출을 위한 블레이드 각(α)을 변화시키는 피칭 스케줄을 선택할 수 있게 한다.
블레이드 공격 각 제어의 가장 궁극적인 목적은 전통적으로 정적인 조건하에서 들어올림 손실을 초래하고 그럼으로써 효율의 손실을 초래하는 스톨(stall)이라고 알려진 효과 즉, 유체 흐름이 블레이드의 흡입 측으로부터 분리되는 것을 방지하는 것이다. 그러나, 최근의 연구는 공격 각이 스톨 각을 초과할 때 높은 들어올림 계수를 달성하기 위하여 흔히들 동적 들어올림이라고 알려진 현상을 순환형 프로펠러가 사용할 수 있다는 것을 발견하였다. 이러한 메커니즘은 파도 흐름에서 흔히들 만날 수 있는 것과 같은 저속 흐름에서 매우 유리하다. 여기에 인용에 의해 삽입(incorporation by reference)된 공동 소유의 미국 특허 출원번호 제11/375,817호는 동적 리프트를 달성할 수 있고 본 발명의 실시예들에서 효율적인 파도 에너지 추출을 할 수 있는 순환형 프로펠러의 작동에 관한 기재를 더 제공한다.
지금까지 기재된 순환형 프로펠러 변형예는 기본적인 모멘텀 이론 법칙과 제한 조건에 영향을 받는 것으로 여겨진다. 모멘텀 이론은 프로펠러가 부착된 장치는 추출된 에너지의 양에 비례하는 힘을 받으며, 그 힘은 유체 흐름 방향으로 작용한다는 것을 말해준다. 프로펠러를 위한 지지 구조에 의해 전형적으로 발생되는 이러 한 반응력(reactive force)은 일반적으로 지지 구조를 위한 강도, 예를 들면 전통적인 풍차를 지지하는 타워의 강도 요구조건을 결정한다. 잔잔한 바다의 흐름으로부터 에너지를 추출하는 전통적인 풍차에서, 바다 바닥에서의 지지물 또는 고정점(anchor point)은 반응력을 받으며 그러한 풍차에 들어가는 주요한 비용 요인이다. 그러나, 잔잔하지 않은 특성의 파도는 지지 구조를 최소화하는 유일한 기회들을 제공한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 파도 에너지 변환기들은 다양한 유형의 파도들에 대한 다양한 환경들에 있어서의 배치(deployment)를 위한 특유의 시스템들에서의 다중 순환형 프로펠러들을 채용할 수 있다.
모멘텀 이론하에서, 선형 파도 이론의 의미에서의 파도 에너지 변환기는 들어오는 파도에 대한 반대 위상에서 작동되는 파도 발생기로서 동작하며, 그럼으로써 들어오는 파도를 없애고 파도 에너지 변환기에 의해 발생된 파도를 중첩함으로써 그 에너지를 추출한다. 그러므로, 파도 에너지 변환기는, 만약 파도 에너지 변환기가 들어오는 파도에 대하여 동일한 반대 위상의 파도를 생성할 수 있다면, 들어오는 파도에서의 에너지 추출의 이론적인 한계인 100%를 달성할 수 있다. 본 발명에 기재된 바와 같이 2차원적인 장치는 (적어도 이론적으로는) 2차원적인 파도에 대하여 이것을 달성할 수 있는 반면, 2차원적인 파도에서의 진동하는 물 기둥 또는 부표와 같은 장치는 파도 꼭대기의 방향에서 파도의 방사로 인하여 에너지 추출에 대한 이론적으로 최대 효율인 50%만을 달성할 수 있다. 이로 인하여, 여기에 기재된 파도 에너지 추출 장치들은 현재의 진동하는 물 기둥 또는 부표형 장치들보다 우수하다.
두 개의 근본적으로 다른 유형의 물의 파도들이 하나는 얕은 물의 파도이고 다른 하나는 깊은 물의 파도로서 언급된다. 얕은 물의 파도는 물의 깊이에 대한 작은 파장의 비로 특징지어지는 반면, 깊은 물의 파도는 물의 깊이에 대한 큰 파장의 비로 특징지어진다. 이것들은 두 개의 극단적인 경우이지만, 모든 다른 가능한 깊이에 대한 파장의 비율은 이 두 개의 극단적인 경우의 사이에 포함될 것이다. 도 5는 두 가지의 파도 유형을 개략적으로 보여주며, 하나의 파도가 진행하는 동안 파도 입자들의 흐름 경로들(510, 520)을 지시하는 점선을 포함한다. 양쪽 경우에 있어서, 물 입자들과 흐름들은 폐쇄된 경로(510, 520)을 따른다. 그러나, 깊은 물의 파도에서의 흐름 경로(510)는 대체로 순환형인 반면, 얕은 물의 파도에서는 입자들이 수평적으로, 거의 직선적인 경로(520)로 전후진 하면서 진행한다. 본 발명의 실시예들은 얕은 물 및 깊은 물의 파도로부터 파도 에너지를 추출할 수 있으며, 모든 경우들은 양 경우의 범위내에 포함된다. 그러나, 다른 실시예들 및 구현예들이 다른 종류의 파도로부터 에너지 추출을 위하여 최적화될 수 있다.
얕은 물의 파도에서의 물의 흐름 경로들(520)은 수평적인 움직임에서의 대부분의 파도 흐름 에너지를 포함한다. 뿐만 아니라, 흐름 경로들(520)에서의 흐름 에너지는 바다 바닥과 표면의 사이에 수직 방향으로 더욱 균일하게 분포된다. 그러므로 순환형 프로펠러는 물 표면과 바다 바닥 사이의 어느 곳에 설치되며, 얕은 물의 파도로부터 유사한 양의 에너지를 추출할 수 있다. 얕은 물의 파도들의 진행 방향에서의 흐름 필드는 거의 일 차원적이기 때문에, 수직 방향으로 그 회전축을 가지는 순환형 프로펠러(540)는 최대 에너지를 추출할 수 있다. 파도의 진행 방향은 종종 바람의 방향에 의존하지만, 물의 표면을 따라 어느 방향으로 진행하는 파도들은 항 상 프로펠러(540)의 수직 블레이드들에 수직하게 진행하기 때문에, 수직 블레이드들을 가진 프로펠러(540)는 파도가 진행하는 방향이 바뀔 때 다시 정렬될 필요가 없다. 이것은, 예를 들면 도 5의 우측부에 나타난 바와 같이 바다 바닥에 프로펠러(540)를 위치시킴으로써, 파도 에너지 변환기로서 프로펠러(540)를 간단하게 설치할 수 있게 한다. 그러므로, 프로펠러(540)의 지지 구조는 동력 추출에서 나온 반응력을 바다 바닥으로 직접 전달할 수 있다. 다른 가능한 설치 방법은 순환형 프로펠러를 수면상의 배, 또는 표면과 바닥 사이의 어느 곳에 떠 있는 수중형 배에 부착하는 것을 포함한다. 그러나, 떠 있도록 설치하는 것은, 하나의 순환형 프로펠러만이 채용될 경우, 반응력을 바다 바닥으로 전달하기 위하여 정박 줄(mooring line) 및 고정점(anchor point)을 일반적으로 필요로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 플로우트(float), 수중체, 또는 바다 평상 구조에 두 개 이상의 프로펠러들을 장착한다. 예를 들면, 도 6은 두 개의 순환형 프로펠러들(620, 630)이 장착된 플로우트(610)를 포함한 파도 에너지 변환기(600)를 보여준다. 도시된 실시예에서, 프로펠러들(620, 630)은 얕은 물의 파도에서의 거의 수평적인 유체 흐름 경로들(640)로부터 효율적으로 예너지를 추출하게 해주는 수직 블레이드들을 가진다. 플로우트(610)에 있는 순환형 프로펠러들(620, 630)은 파장의 1/2만큼 떨어져 있어서, 파도의 전체 주기동안 프로펠러(620)는 프로펠러(630) 주위의 유체 흐름의 반대 방향으로의 유체 흐름속에 있게 된다. 그 결과, 프로펠러들(620, 630)에 의해 받는 반응력들은 반대 방향이 되고, 없어지는 경향이 있다. 특히, 흐름 속도가 같다면, 각 프로펠러(620, 630)에 작용하는 반응력은 대략적으 로 같지만 다른 프로펠러(630, 620)에 작용하는 반응력에는 직접적으로 반대된다. 이런 설정은, 플로우트(610)가 바다 평상에 전달될 필요가 있는 반응력을 거의 또는 아예 받지 않기 때문에 특히 유리하다. 실제, 비교적 작은 고정물(미도시)은 바람 및/또는 바다의 흐름 및 다른 알짜 반응력과 같은 반대 효과에 의하여 플로우트(610)의 고정 위치를 유지할 수 있다. 그러나, 예를 들면 프로펠러들(620, 630)의 블레이드 각 피치 스케줄들을 선택함으로써 각 프로펠러(620, 630)에 의해 추출된 에너지의 양을 적극적으로 조절하는 것은 바람 및 해류의 효과를 상쇄시킴으로써 플로우트(610)의 위치를 유지하기 위하여 파도 에너지 변환기(600)에서 알짜 반응력을 발생시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 순환형 프로펠러(620, 630)의 피칭 스케줄의 변화는 원하는 방향으로의 플로우트(610)의 추진을 위한 파도 동력을 사용하도록 조절될 수 있다.
순환형 프로펠러의 간격이 파도의 파장에 정확하게 맞춰진다면 두 개의 순환형 프로펠러(620, 630)들은 힘을 상쇄시키기에 충분하다. 하나 또는 두 개의 프로펠러들(620, 630)은 변환기(610)가 물의 파도의 다른 파장에 적합화되게 하는 이동가능한 마운트들에 위치될 수 있다. 그러나, 파도 에너지 변환기는 더욱 효율적인 에너지 추출 및 변화하는 파장을 가진 파도들이 있을 때에 반응력의 상쇄를 가능하게 하는 더욱 유연함을 제공하기 위하여 세 개 또는 그 이상의 프로펠러들을 채용할 수 있다. 예를 들면, 도 7A는 세 개의 순환형 프로펠러(720, 730, 740)를 가진 플로우트(740)를 채용하는 파도 에너지 변환기(700)를 보여준다. 모든 프로펠러들(720, 730, 740)은 최대 파도 에너지 변환비로 작동할 수 있으며, 플로우트(710) 는 반응력에서의 불균형을 보상하는 정박 줄 및 고정점들(750)로 일정하게 유지될 수 있다. 이 경우에, 반응력들간의 불균형은 프로펠러들의 홀수의 개수, 파도의 파장들 사이의 가능한 불합치 및 순환형 프로펠러들의 간격에 기인한다. 이와 달리, 파도 에너지 변환기(700) 또는 다른 시스템용 제어 시스템(미도시)는 프로펠러들(720, 730, 740)의 피칭 스케줄을 제어할 수 있어서, 원하는 방향으로 플로우트(710)를 움직이기 위한 외력을 이기거나 플로우트(710)를 일정하게 유지시키기 위하여 프로펠러들(720, 730, 740)의 별개의 에너지 추출에 의하여 야기된 반응력들의 벡터 합은 플로우트(710) 상의 외력들(예를 들면 바람과 해류)의 균형을 맞춘다. 에너지 변환비의 변화는 프로펠러 간격이 파장의 절반 미만일때 조차 다중 프로펠러 에너지 변환기에서 채용될 수 있다.
도 7A의 파도 에너지 변환기(700)는 본 발명의 범위내에서 다양한 방법으로 변화될 수 있다. 예를 들면, 1 차원 또는 2 차원적인 정렬로 프로펠러들을 정렬하는 다중 프로펠러 구성에서 어떠한 개수 및 유형의 순환형 프로펠러라도 채용할 수 있다. 심지어 다른 순환형 및 비순환형 프로펠러 유형의 조합도 가능하다. 예를 들면, 파도 에너지 변환기는 다수의 에너지 추출을 위해서는 많은 수의 고정 피치 프로펠러들을 포함할 수 있으며 위치 유지를 위해서는 몇 개의 가변 피치 프로펠러들을 포함할 수 있다. 단일 플로우트는 말 그대로 상한 없이 두 개 또는 그 이상의 유닛들을 채용할 수 있다. 세 개 또는 그 이상의 순환형 프로펠러들의 경우, 프로펠러들은 일직선을 따라 또는 이 차원적인 패턴을 따라 정렬되게 놓여질 수 있다. 또한 플로우트들은 큰 규모의 에너지 추출을 위한 파도 에너지 농장을 형성하기 위하여 집단화될 수 있다.
반응력을 감소시키는 것에 대한 이득은 플로우팅 시스템에만 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 다중 순환형 프로펠러들(720, 730, 740)이 도 7B에 도시된 바와 같은 잠수형 구성으로 또는 도 7C에 도시된 바와 같이 바다 평상에 배치될 수 있다. 도 7B의 잠수형 구성에 있어서, 순환형 프로펠러들(720, 730, 740)은 윈치(winch)(765) 시스템을 통하여 고정점들(750)에 부착된 부양 플랫폼(760)에 부착된다. 윈치들(765)는 수리를 위하여 플랫폼(760)을 수면에 떠오르게 하도록 작동될 수 있고 최적의 에너지 추출을 위하여 프로펠러들(720, 730, 740)의 깊이를 제어할 수 있다. 도 7C의 바다 평상(sea bed) 구성에 있어서, 순환형 프로펠러들(720, 730, 740)은 통상적인 바다 평상 플랫폼에 장착된다. 홀수개의 프로펠러들로 인하여 반응력은 상쇄되지 않도록 심지어 모든 프로펠러들(720, 730, 740)이 최대 파도 에너지 변환비로 작동된다면, 플랫폼들(760, 770)은 개별 유닛의 파워의 세배를 제공하면서 한 유닛의 반응력을 유지할 수 있는 바다 평상 부착물만을 요구한다.
위에서 알 수 있는 바와 같이, 가변 피치 스케줄들이 다중 프로펠러 유닛에서 사용된다면, 피치 제어 메커니즘은 반응력들의 균형을 맞추기 위하여 개별 유닛에 의해 추출된 에너지 양을 임시로 줄일 수 있다. 이 방법은 정박 줄 및 고정점들의 처분을 위해 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 파도 방향에 대하여 어느 방향으로든 부착된 플로우트 또는 수중체를 추진할 수 있다. 그러므로, 떠 있는 상태 또는 수중 상태로 장착된 파도 에너지 변환기는 해변으로부터 배치되게 하고, 유닛을 재위치시키 고, 심지어 외부 에너지 입력없이도 사람들이나 물품들을 운송하는 자가 추진형 배(vessel)일 수 있다.
수평 축 방향을 가진 순환형 프로펠러들은 얕은 물 또는 깊은 물 파도 동력 추출을 위해 사용될 수 있지만, 파도 전방부를 블레이드들에 평행하게 유지하기 위하여 능동 정렬 시스템을 요구할 수도 있다. 앞에서 기술한 바와 같이, 유체 흐름들이 주로 수평적인 얕은 물의 파도에 있어서, 수직 블레이드들을 사용함으로써 정렬 시스템의 필요성을 회피할 수 있다. 도 5의 왼쪽에 도시된 바와 같은 깊은 물의 파도에서, 물 입자들의 움직임이 원형이기 때문에 물 움직임의 에너지는 물의 수직적 및 수평적 움직임에 똑같이 포함된다. 그러므로, 흐름 방향이 절반의 시간동안 프로펠러의 축을 따라 있기 때문에 깊은 물 파도에서의 에너지의 절반이 수직적으로 방향지어진 축을 가진 순환형 프로펠러에는 접근할 수 없을 것이다. 들어오는 파도에 수평적이고 평행한 축을 가진 순환형 프로펠러는 깊은 물의 파도로부터 더욱 효율적으로 에너지를 추출할 수 있다. 또한 도 5는 깊은 물의 파도가 바다 바닥에서 0의 속도이고, 물의 표면에서 거리가 증가할 수록 속도가 감소되는 유체 흐름을 일으키는 것을 보여준다. 이것은 깊은 물의 파도를 위한 파도 에너지 변환기를 잘 배치하는 것은 물의 표면에 가깝게 될 때라는 것을 보여준다. 로컬(local) 흐름 분석에 기초한 상기 효율성에 관한 기술은 또한 먼 필드 직선형 2D 파도 이론에 의해 뒷받침되는데, 이 이론은 일 방향에서의 직선형 움직임을 단지 채용하는 파도 변환기의 효율이 깊은 물의 파도에 대하여 파도 에너지의 50%로 제한된다는 것이다. 대조적으로, 여기 기술된 이 차원적인 순환형 파도 에너지 변환기는 이론적인 한계에서 파도 에너지의 100%를 추출할 수 있다.
도 8은 깊은 물의 파도에 적합한 파도 에너지 변환기(800)를 보여준다. 변환기(800)에서, 네 개의 순환형 프로펠러들(820)이 플로우트(810)에 장착된다. 개별적인 순환형 프로펠러들(820)이 받는 반응력은 도 8에 도시된 바와 같이, 파도 사이클 동안 프로펠러를 직접 통과하는 흐름에 대응하는 이 차원 평면내에 있게 된다. 프로펠러들(820)은 파장의 1/4에 중심이 오도록 위치된다. 그 결과, 각 프로펠러(820)는 인접한 각 프로펠러(820)가 받는 반응력에 직교하는 반응력을 받게 되고, 네 개의 프로펠러들(820)은 하나의 완전한 파장내에 설치되었을 때 반응력을 완전히 상쇄시키기에 충분하다. 네 개의 프로펠러들을 가진 도시된 구성은 플로우트(810)를 치는 불균형적인 토크를 발생시킬 수 있다. 그러나, 상기한 바와 비슷한 방식으로 더욱 많은 프로펠러들이 힘과 모멘트의 균형을 위하여 채용될 수 있거나 가변 피치 유닛이 전체적인 힘과 모멘트 균형을 제어할 수 있다.
또한 도 8은 변환기(800)에서의 알짜 반응력을 제어하기 위한 피드백 시스템의 구현을 도시한다. 피드백 시스템은 가속 플로우트(810)의 방향 및 크기를 계측할 수 있는 가속기 또는 다른 장비들을 포함하는 관성(inertial) 계측 유닛을 포함한다. 동작 중에, 제어기(850)는 계측 유닛(840)으로부터의 가속 계측값을 받고 프로펠러들(820)을 위한 피칭 스케줄을 변경함으로써 반응한다. 특히, 제어기(850)는 계측된 가속도의 방향을 따라 또는 반대되는 분력을 가지고 현재 어떤 프로펠러들이 반응력을 받고 있는지를 결정하기 위하여 각 프로펠러들(820)의 제어 시스템 및 센서와 통신을 주고 받는다. 특히, 순환형 프로펠러들(820)의 각 메인 축들에는 프로 펠러에 작용하는 수평 및 수직 분력을 계측하는 센서가 구비될 수 있다. 제어기(850)는 전체적인 힘 분배의 균형을 맞추기 위한 반발력을 발생시키기 위하여 이러한 계측값들을 처리하고 각 프로펠러들(820)에 제어 신호를 보낸다. 특히, 제어기(850)는, 가속 방향으로의 반응 분력으로 프로펠러들(820)의 변환비를 감소시키고/감소시키거나 가속 방향과 반대되는 반응 분력으로 프로펠러들의 변환비를 증가시키기 위하여 피칭 스케줄들을 변화시킬 수 있다. 일정한 작동 환경에 대하여, 각 프로펠러(820)가 프로펠러의 회전 주파수에 맞춰 진동하는 제1 분력 및 파도 주파수에 맞춰 진동하는 제2 분력을 포함하는 피칭 스케줄에서 작동하도록, 각 프로펠러(820)에서의 반응력의 방향은 파도 주파수에 맞춰 회전한다.
도시된 예에서, 프로펠러(820)(예를 들면 제1 프로펠러)에서의 작은 윗방향 힘 및 다른 프로펠러(820)(예를 들면 제3 프로펠러)에서의 더 큰 아랫방향 힘은 플랫폼(810)이 물속으로 더욱 깊숙하게 잠기게 하는 알짜 아랫방향 힘에 추가될 것이다. 또한, 힘들이 그 길이 방향 중심에 있어서 플로우트의 추정된 무게 중심에 대칭되지 않기 때문에, 플로우트는 윗쪽으로 피치될 것이다. 그러므로 제어기(850)는 힘과 모멘트 모두의 균형을 맞추기 위하여 제4 프로펠러에 작용하는 양의 윗방향 힘을 발생시킬 필요가 있을 것이다. 제어기(850)는 예를 들면 바람이나 표면 파도에 영향을 미침으로써 야기되는 플랫폼(810)에 작용하는 제2의 힘들을 검출하기 위하여 프로펠러들(820)에서 계측된 힘들을 사용할 수 없다. 설정을 향상시키기 위하여, 관성 계측 유닛(840)은 피칭율 및 플랫폼의 어떠한 수직 및 수평 가속도를 검출한다. 유닛(840)으로부터의 입력을 제어기(850)에 의해 처리된 정보에 추가함으로써, 제어기(850)는 플랫폼에 작용하는 모든 힘들의 균형을 맞출 수 있다. 관성 계측 유닛(840)은 프로펠러들(820) 내의 힘 센서들 대신에 사용될 수 있다. 왜냐하면 계측 유닛(840)이 플랫폼(810)에 작용하는 알짜 힘을 검출할 수 있기 때문이다.
그러나, 조합된 시스템은 센서 노이즈 고려사항 뿐만 아니라 여유도(redundancy) 때문에 유리하다. 이 예에서, 도면 평면에 수평한 축 주위의 플랫폼의 안정성만이 예시되었으나, 이 개념은 모든 세 개의 공간 축들 주위의 안정성을 달성하도록 확장될 수 있을 뿐만 아니라 6 자유도 위치 제어라고 보통 일컬어지는 모든 세 공간 방향에서 유지되는 위치를 달성하기 위하여 확장될 수 있다.
또한, 깊은 물을 사용하는 것으로 도시된 수평 축 순환형 프로펠러들은 중간 물의 파도로부터 에너지를 추출할 수 있다. 중간 물의 파도는 물 입자의 경로가 수직 방향에서는 타원의 단축으로 그리고 수평 방향에서는 타원의 장축으로 타원형이 되기 때문에 수직 방향에서 더욱 작은 에너지를 포함한다. 그럼에도 불구하고, 모든 에너지는 프로펠러 축에 직접 수직하게 되고 그럼으로써 변환에 사용될 수 있다.
수평적 프로펠러들의 축은 최적의 에너지 추출을 위하여 파도 꼭대기(crest)의 방향에 평행하게 정렬되어야 한다. 정렬은 유닛을 정확하게 정박시킴으로서 달성될 수 있으나, 만약 파도가 방향을 바꾼다면 정박 줄은 재정렬될 필요가 있을 것이다. 상기한 다른 방안은 블레이드 비틀림을 채용하는 순환형 프로펠러를 사용하는 것이다. 또 다른 실시예는 정렬된 축들을 가진 적어도 두 개의 프로펠러들을 포함하는 집합을 사용하는 것이다. 예를 들면, 도 9는 파도의 진행 방향으로 세 개의 프로 펠러들 그리고 폭 방향으로 두 개의 프로펠러들을 가지는 구성에서 세 개의 플로우트들 또는 평저선(pontoon)에 장착된 여섯 개의 수평축 순환형 프로펠러들(920)를 포함하는 파도 에너지 변환기(900)를 보여준다. 변환기(900)는 대략 왼쪽 및 오른쪽에서 반응력들의 균형을 맞춤으로써 파도의 꼭대기에 평행하게 그 자체를 정렬, 예를 들면 회전시킬 수 있다. 도 7A 및 7B에 도시된 바와 같은 방식에서, 프로펠러들(920)의 끝에서의 평저선들(910)은 폭풍우의 경우에 깨지는 표면 파도 및 바람으로부터 변환기(900)가 손상되는 것을 보호하기 위하여 변환기(900)를 잠수시키거나 물 표면에 부유시키도록 사용될 수 있다. 얕은 물의 파도 집단에 대해서와 동일한 방식으로, 변환기(900)는 순환형 프로펠러들의 에너지 변환비를 조절하기 위하여 피칭 스케줄을 제어함으로써 배치시키고 재위치시키기위하여 자체적으로 추진할 수 있다.
수면에, 수중에 또는 바다 바닥에 파도 에너지 변환기들을 위치시키는 다른 배치방식들은 상대적인 장점과 단점들을 가지고 있다. 유지 보수의 용이함에 대해서, 표면 플로우트에 장착된 파도 에너지 변환기가 최적이다. 표면 플로우트에 장착하는 것에 대한 단점은 종종 거센 바람-파도 인터페이스에 노출될 있다는 점인데, 이것은 특히 폭풍우시에 변환기가 바람이나 깨지는 표면 파도에 의해 쉽게 손상받게 할 수 있다. 반면에, 바다 평상에 장착하는 것은 환경에 영향을 미칠 수 있다는 문제점이 있으며 깊은 물의 파도 에너지 변환을 위해서는 전혀 사용될 수 없다. 이러한 문제점들은 중간 또는 수중 장착 상승 방식이 가장 이로울 수 있다는 것을 보여준다. 이것을 달성하기 위한 단순한 방법은 도 7B에 도시되고 위에서 논의된 바와 같이 물의 깊이보다 덜 깊도록 짧아진 케이블을 사용하여 무거운 고정점을 약간 위로 부양된 어셈블리에 부착하는 방법이다. 이 설정은 바다 표면 아래의 수위에 파도 에너지 변환기를 유지시킬 수 있으나, 강철 케이블이 절단되는 경우에는 유닛이 표면으로 복귀되어 손실을 방지할 것이다. 또한 유닛은 유지 보수 및 배치를 위하여 수면에 뜰 수 있다.
대략 중립적으로 부양된 수평 축 순환형 프로펠러 어셈블리는 상기한 바와 같이 위치 피드백 제어를 사용하여 수직 반응력의 균형을 맞춤으로써 동적으로 설정되거나 조절가능한 깊이로 유지될 수 있다. 예를 들면, 깊이는, 파도 조건에서 최대 에너지를 추출하거나 폭풍으로부터 변환기를 보호하기 위하여, 파도 높이에 따라 조절될 수 있다. 기술적으로는 더욱 복잡한 반면, 이러한 진보된 정박(mooring) 방안은 불리한 표면 날씨 조건을 견딜 수 있는 능력에 있어서 다른 장점들을 제공한다. 예를 들면, 도 8의 변환기(800)는 변환기(800)의 위치나 깊이를 변화시키기 위하여 측면 또는 수직 반응력들을 발생시키기 위하여 또는 장착 플로우트(810)를 안정화시키기 위하여 수평적으로 장착된 네 개의 순환형 프로펠러들(820)을 사용할 수 있다.
상기한 수평 축 집합의 용량에 덧붙여, 수직 반응력에 대한 제어는 설정된 수직 수위에서 전체 유닛을 동적으로 안정화시키는데 사용될 수 있으며, 이것은 파도가 존재할 때 플랫폼이 요동치거나 흔들리지 않게 한다. 이 특징은 외부 동력에 대한 어떠한 필요성 없이 바다에서 누군가 거주하거나 거주하지 않을 수 있는 향상된 항공 모함 작전, 오일 채취 또는 인공섬을 위하여 에너지 추출 이외에도 사용될 수 있다.
본 발명이 특정한 실시예들을 참조하여 기술되었으나, 이러한 기술은 본 발명의 적용을 위한 예시일 뿐 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 여기 개시된 실시예들의 다양한 변형 및 특징의 조합들은 후술하는 청구범위에 의하여 정의된 본 발명의 보호범위에 속한다.
본 발명은 에너지 생산 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 기계적인 링크 기구에 의해 고정된 피칭 스케줄을 가지는 공지된 순환형 프로펠러을 보여준다.
도 2A 및 2B는 피칭 스케들의 동적 제어를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환형 프로펠러 시스템의 측면 및 축방향 단면을 보여준다.
도 3A 및 3B는 블레이드들의 오직 일 단부에서의 베이스 및 블레이드들의 양 단부들에서의 베이스들을 각각 채용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환형 프로펠러들을 보여준다.
도 3C는 블레이드의 양 단부에서의 서보 시스템들을 채용하는 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 블레이드 비틀림을 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 유닛의 동적 제어에 적합한 두 축 흐름 센서를 보여준다.
도 5는 깊은 물의 파도 및 얕은 물의 파도를 위한 파도 에너지 변환기들을 대략적으로 보여준다.
도 6은 에너지 추출 및 반응력의 균형을 위한 두 개의 수직 순환형 프로펠러들을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 떠 있는 프로펠러 유닛을 보여준다.
도 7A, 7B, 및 7C는 얕은 물의 파도로부터 에너지를 추출하기 위하여 다중 수직축 순환형 프로펠러들을 사용하는 본 발명의 실시예들에 따른 부유형, 수중형, 바다 바닥 부착형 파도 에너지 변환기들을 각각 보여준다.
도 8은 깊은 물의 파도로부터 에너지를 추출하기 위하여 수평 순환형 프로펠 러들을 사용하는 본 발명의 일 실시예에 따른 파도 에너지 변환기를 보여준다.
도 9는 변환기를 회전 또는 이동시키기 위하여 피칭 스케줄을 조절하는 본 발명의 일 실시예에 따른 파도 에너지 변환기를 보여준다.
다른 도면에서 사용한 동일한 도면 부호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.

Claims (33)

  1. 메인 축, 메인 축과 함께 회전하도록 부착된 제1 베이스, 각 블레이드들이 메인 축으로부터 오프셋되게 위치되는 하나 이상의 블레이드 세트, 및 각각은 블레이드의 블레이드 각도를 제어하기 위하여 블레이드들 중 대응하는 블레이드를 블레이드 축에 대하여 회전시킬 수 있으며 블레이드들의 제1 단부를 제1 베이스에 개별적으로 부착하는 제1 회전 시스템 세트를 구비하는 순환형(cyclical) 프로펠러;
    물에서의 유체 흐름의 방향과 크기를 감지할 수 있는 감지 시스템; 및
    감지 시스템 및 회전 시스템에 기능적으로 연결되는 제어 시스템;을 포함하며,
    제어 시스템은 블레이드들의 피칭(pitching) 사이클을 제어하며, 유체 흐름의 계측량에 따라 각 피칭 사이클의 크기와 주파수를 맞추는 파도 에너지 변환 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    각 회전 시스템은 제어 시스템의 제어 하에 대응하는 블레이드를 회전시키도록 연결된 서보 모터를 포함하는 파도 에너지 변환 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    각 블레이드는 수중으로 수직적으로 연장하는 파도 에너지 변환 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    각 블레이드들은 수중으로 수평적으로 연장하는 파도 에너지 변환 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서, 감지 시스템은,
    유체 흐름에서 저항력(drag force)을 받는 물체; 및
    물체에서의 저항력을 계측하도록 연결된 힘 변환기;를 포함하는 파도 에너지 변환 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    감지 시스템은 블레이드들 중에 대응하는 하나의 블레이드를 회전하는데 필요한 힘을 계측하는 파도 에너지 변환 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    감지 시스템은 블레이드들 중에 하나의 블레이드의 표면에서의 압력을 감지하도록 장착된 압력 센서를 포함하는 파도 에너지 변환 시스템.
  9. 제1 항에 있어서,
    제2 베이스; 및
    블레이드들의 제2 단부를 제2 베이스에 각각 부착하는 제2 회전 시스템 세트;를 더 포함하는 파도 에너지 변환 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    제어 시스템은 각 블레이드들을 독립적으로 비틀기 위해 제1 회전 시스템과 제2 회전 시스템을 제어할 수 있는 파도 에너지 변환 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    순환형 프로펠러가 장착되는 플랫폼을 더 포함하며, 플랫폼은 수면에 떠 있는 파도 에너지 변환 시스템.
  12. 제1 항에 있어서,
    순환형 프로펠러가 장착되는 플랫폼을 더 포함하며, 플랫폼은 물의 본체의 바닥에 장착되는 파도 에너지 변환 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    순환형 프로펠러가 장착되는 플랫폼을 더 포함하며, 플랫폼 플로우트(float)들은 수면과 물의 본체의 바닥 사이에 잠겨 존재하는 파도 에너지 변환 시스템.
  14. 액체에서 사용하기 위한 플랫폼;
    플랫폼에 장착된 복수의 순환형 프로펠러들; 및
    순환형 프로펠러들의 피칭 사이클을 개별적으로 제어하기 위해 연결된 제어 시스템;을 포함하며,
    제어 시스템은 순환형 프로펠러들이 액체의 파도에서 에너지를 추출하는 변환비를 정하고 그럼으로써 순환형 프로펠러들에서의 반응력(reactive force)을 제어하도록 피칭 사이클들을 조절하는 시스템.
  15. 제14 항에 있어서,
    제어 시스템은 순환형 프로펠러들에서의 알짜(net) 반응력을 제어하기 위하여 순환형 프로펠러들의 변환비를 정하는 시스템.
  16. 제15 항에 있어서,
    제어 시스템은 알짜 반응력을 최소화시키는 시스템.
  17. 제15 항에 있어서,
    제어 시스템은 변환기에서의 외력에 대항하기 위하여 알짜 반응력을 제어하 는 시스템.
  18. 제15 항에 있어서,
    제어 시스템은 플랫폼을 추진시키기 위하여 알짜 반응력을 제어하는 시스템.
  19. 제15 항에 있어서,
    제어 시스템은 순환형 프로펠러들의 깊이를 변화시키기 위하여 알짜 반응력을 제어하는 시스템.
  20. 제14 항에 있어서,
    제어 시스템은 플랫폼을 안정화시키기 위하여 반응력을 제어하는 시스템
  21. 제14 항에 있어서,
    플랫폼은 액체의 표면에 떠 있는 시스템.
  22. 제14 항에 있어서,
    플랫폼은 액체의 본체의 바닥에 장착되는 시스템.
  23. 제14 항에 있어서,
    플랫폼은 액체에 잠겨 있고, 액체의 표면과 액체의 본체의 바닥 사이에 존재하는 시스템.
  24. 제14 항에 있어서,
    적어도 하나의 순환형 프로펠러들은 액체로 수직적으로 연장하는 블레이드들을 가지는 시스템.
  25. 제14 항에 있어서,
    적어도 하나의 순환형 프로펠러들은 액체의 표면에 평행하게 연장하는 블레이드들을 가지는 시스템.
  26. 제25 항에 있어서,
    복수의 프로펠러들은 수평 블레이드들을 가지는 복수 행의 순환형 프로펠러들을 포함하고, 제어 시스템은 순환형 프로펠러들의 블레이드들을 액체에서의 파도 꼭대기(crest)에 정렬하는데 요구될 때의 순환형 프로펠러들의 변환비를 정하는 시스템.
  27. 제14 항에 있어서,
    플랫폼은 복수의 플랫폼들에서의 중앙 플랫폼이며, 복수의 순환형 프로펠라들은,
    복수의 플랫폼들 내에서의 제1 플랫폼과 중앙 플랫폼의 사이에 장착된 제1 순환형 프로펠러들 세트; 및
    복수의 플랫폼들 내에서의 제2 플랫폼과 중앙 플랫폼의 사이에 장착된 제2 순환형 프로펠러들 세트;를 포함하는 시스템.
  28. 파도가 전파되는 액체에서의 순환형 프로펠러의 블레이드들을 배치시키는 단계;
    파도에 의해 생긴 유체 흐름을 모니터링하는 단계; 및
    유체 흐름의 크기 및 방향에 대한 현재 계측량에 따라 순환형 프로펠러의 피칭 사이클의 크기 및 주파수를 조절하는 단계;를 포함하는 파도로부터의 에너지 추출 방법.
  29. 제28 항에 있어서,
    블레이드들을 배치시키는 단계는 블레이드들이 액체로 수직적으로 연장하도록 블레이드들을 배치시키는 단계를 포함하는 파도로부터의 에너지 추출 방법.
  30. 제29 항에 있어서,
    블레이드들을 배치시키는 단계는 블레이드들이 액체의 표면에 평행하게 연장하도록 블레이드들을 배치시키는 단계를 포함하는 파도로부터의 에너지 추출 방법.
  31. 파도가 전파되는 액체로 순환형 프로펠러들의 블레이드들을 배치시키는 단계; 및
    순환형 프로펠러들이 파도로부터 에너지를 추출하는 변환비를 정하고 그럼으로써 순환형 프로펠러들에서의 반응력을 제어하도록 피칭 사이클을 조절하는 단계;를 포함하는 복수의 순환형 프로펠러들이 장착되는 플랫폼을 포함하는 시스템의 작동 방법.
  32. 제31 항에 있어서,
    반응력은 시스템을 추진시키도록 제어되는 시스템의 작동 방법.
  33. 제31 항에 있어서,
    반응력은 플랫폼을 안정화시키도록 제어되는 시스템의 작동 방법.
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