KR101118178B1 - 파력 발전소에서 발전을 위한 1차 부분 및 2차 부분을 가진 선형 발전기 및 파력 발전소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바람직하게는 축에 대해 동심으로 배치되고 중간 부재에 의해 서로 이격 배치된 다수의 링형 1차 코일들을 가진 1차 부분(20), 및 직류가 인가될 수 있고 초전도체 와인딩을 가지고 교대하는 극성으로 축 방향으로 나란히 배치된 다수의 2차 코일들을 가진 2차 부분(30)을 포함하는, 파력 발전소(50)에서 발전을 위한 선형 발전기(10)에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 선형 발전기를 포함하는 파력 발전소에 관한 것이다. 본 발명에 따라, 1차 부분(20) 내에 1차 코일(21)의 배치는 자화 불가능한 재료로 이루어진 중간 부재를 가진 공기 갭 와인딩으로서 이루어진다. 1차 부분 또는 2차 부분은 부표(70)에 의해 외부 작동식으로 축(A)에 대해 평행하게 움직이도록 작동되고, 1차 부분과 2차 부분 사이의 상대 운동에 의해 1차 코일에 유도되는 전류는 발전을 위해 인출될 수 있다.
링형, 코일, 초전도체 와인딩, 극성, 파력 발전소, 선형 발전기, 부표, 전류

Description

파력 발전소에서 발전을 위한 1차 부분 및 2차 부분을 가진 선형 발전기 및 파력 발전소{LINEAR GENERATOR WITH A PRIMARY PART AND A SECONDARY PART FOR POWER GENERATION IN A WAVE-DRIVEN POWER STATION AND WAVE-DRIVEN POWER STATION}
본 발명은 바람직하게는 축에 대해 동심으로 배치되고 중간 부재에 의해 서로 이격 배치된 다수의 링형 1차 코일들을 가진 1차 부분, 및 직류가 인가될 수 있고 초전도 와인딩을 가지고 교대하는 극성으로 축 방향으로 나란히 배치된 다수의 2차 코일들을 가진 2차 부분을 포함하고, 상기 부분들 중 하나의 부분이 다른 부분에 대해 축에 대해 평행하게 왕복 운동할 수 있는, 파력 발전소에서 발전을 위한 선형 발전기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 선형 발전기를 포함하는 파력 발전소에 관한 것이다.
DE 195 42 551 A1에는 중공 실린더형 1차 부분을 가진 선형 모터가 공지되어 있다. 상기 1차 부분은 2차 부분의 운동 축에 대해 동심으로 배치되고 다상 전류로 작동 가능한 링형 1차 코일을 갖는다. 1차 코일들 사이에 연자성 재료로 이루어진 링형 시트들이 배치되고, 상기 링형 시트들은 인접한 1차 코일들의 이격을 위한 중간 부재로서 사용되며 자화 가능한 톱니를 형성함으로써, 자속이 증대되고, 2 차 부분이 배치된 수용부로 안내된다. 1차 코일들 및 링형 시트들은 자화 가능한 재료로 이루어진 중공 실린더형 요크 내에 수용되고, 상기 요크는 백 아이언(back iron)을 형성한다. 2차 부분은 1차 부분으로 형성된 수용부 내부에 축 방향으로 운동 가능하게 배치된다. 2차 부분은 초전도체 와인딩들로 이루어진 다수의 계자들을 갖는다. 상기 계자들은 교대하는 극성으로 축방향으로 차례로 배치된다. DE 195 42 551에서는 2차 와인딩의 자계가 2차 부분의 축에 대해 수직이어야 한다. 이러한 자계 방향을 와인딩된 코일들에 의해 발생시키기 위해, 전류가 흐르는 개별 코일의 축이 선형 모터의 운동 축에 대해 수직이어야 한다. 영구 자석 또는 초전도 고체 자석을 사용하는 경우에만, 상기 자석들의 내주면이 자화 가능한 재료로 이루어진 실린더형 요크에 접촉할 수 있다. 상기 자석들은 링형으로 실시되지만 방사 방향으로 자화된다. 이와 달리, 와인딩된 2차 코일들의 경우에는, 와인딩된 코일들이 지지체의 외부면 상에서 원주 방향 및 축 방향으로 서로 나란히 오프셋되도록 배치되어야 한다. 1차 코일 및 2차 코일들에 전류가 인가되는 경우 생기는 자력은 1차 부분과 2차 부분 사이의 상대 운동을 발생시킨다.
EP 1 465 328 A1에는 1차 부분과 2차 부분이 역으로 배치됨으로써, 2차 부분이 외부에 놓여 1차 부분을 둘러싸는 선형 모터가 공지되어 있다.
연자성 톱니들의 자화 가능성은 연자성 재료의 자기 포화로 인해 제한된다. 1차 부분의 코일 내의 전류 밀도가 높을 때 1차 부분과 2차 부분 사이에서 더 높은 파워 밀도를 얻기 위해, 1차 코일들의 와인딩 개수를 증가시키거나 또는 자화 가능한 재료의 양을 증가시키는 것이 제안되었다. 실험 단계에서, 원형 또는 폴리솔레 노이드 선형 모터들에 있어서, 이러한 조치에 의해 약 8 N/㎠ 까지의 파워 밀도가 얻어졌다. 그러나, 선형 모터의 크기 및 중량이 훨씬 더 커져야 한다.
본 발명의 목적은 1차 부분 또는 2차 부분에서의 구조적 조치에 의해 그리고 파력 발전소의 구성에서의 조치에 의해 파도의 운동으로부터 높은 발전량이 얻어질 수 있는, 파력 발전소의 발전을 위한 선형 발전기 및 파력 발전소를 제공하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 선형 발전기 및 상기 선형 발전기를 사용하는 파력 발전소에서 청구항 1 및 청구항 2에 제시된 본 발명에 의해 달성된다. 본 발명에 따라, 1차 부분 내에 1차 코일들의 배치는 자화 불가능한 재료로 이루어진 중간 부재를 가진 공기 갭 와인딩으로서 실시되고, 2차 코일들은 고온 초전도체의 와인딩들로 이루어짐으로써, 18 N/㎠ 보다 큰 파워 밀도가 얻어질 수 있다. 2차 코일들은 링형으로 형성되고 지지체 둘레에 서로 동심으로 배치되며, 바람직하게는 2차 코일들 사이에 스페이서가 배치되고, 상기 스페이서에는 2차 코일이 축 방향으로 지지된다. 1차 부분과 2차 부분 사이의 상대 운동을 위해, 1차 부분 또는 2차 부분이 파력 발전소의 부표에 의해 외부 작동식으로 축에 대해 평행하게 운동할 수 있고, 1차 부분과 2차 부분 사이의 상대 운동에 의해 1차 코일에 유도된 전류는 발전을 위해 인출(tap off)될 수 있다. 1차 부분과 2차 부분 사이의 상대 운동에 의해, 1차 코일에 전류가 유도되고, 상기 전류는 발전을 위해 변환되어 사용된다. 1차 코일들의 배치 및 바람직하게는 2차 코일들의 배치도 공기 갭 와인딩으로 실시되기 때문에, 즉 1차 코일들 사이 및 2차 코일들 사이에 자속 가이드를 위한 자화 가능한 재료가 배치되지 않기 때문에, 본 발명에 따른 선형 모터에서는 파워 밀도가 포화 자화에 의해 제한되지 않는다.
1차 부분의 전류 분포, 즉 1차 부분의 축 방향 길이 당 원주 방향으로의 전류가 선형 발전기의 크기 증가 없이, 공지된 선형 발전기에 비해 커질 수 있기 때문에, 상기 전류 분포에 비례하는 파워 밀도가 포화 효과 없이 커진다. 1차 코일들 사이에 바람직하게는 자속의 번들링을 위한 자화 가능한 재료 또는 철이 배치되지 않는다. 77K보다 높은 전이 온도를 가진, 고온 초전도성 재료로 이루어진 2차 코일들을 2차 부분에 사용함으로써, 2차 코일들에 높은 직류가 인가될 수 있으므로, 아주 강한 자계가 수용부 내에 발생할 수 있다. 본 발명에 따른 선형 발전기의 다른 장점은 축 방향으로 거의 매끄러운 파워 곡선이 얻어진다는 것인데, 그 이유는 공기 갭 와인딩에 의해 자기 저항력(magnetic reluctance)이 실제로 거의 생기지 않으므로 코깅이 거의 일어나지 않기 때문이다. 또한, 1차 부분 및 2차 부분에서 영구 자석 및 자화 가능한 재료가 생략됨으로써 전류 공급의 차단시 자력이 생기지 않기 때문에, 선형 발전기가 비교적 간단히 유지 관리되거나 또는 세정될 수 있다.
기본적으로, 파력 발전소에서 발전을 위해 본 발명에 따른 선형 발전기를 사용하는 경우, 1차 부분도 움직일 수 있다. 파력 발전소에서 발전을 위해 특히 바람직한 실시예에서, 2차 부분은 상승 및 하강하는 부표에 의해 기계식으로 운동할 수 있다.
상응하는 선형 발전기 또는 파력 발전소의 바람직한 실시예에 따라, 2차 부분은 바람직하게는 강성 결합 또는 전달 부재, 예컨대 바아와 고정 연결될 수 있고, 상기 바아는 부표의 운동을 2차 부분에 전달하기 위해 부표에 연결된다. 부표에 직접적으로 또는 경우에 따라 간접적으로만 연결된 바아 또는 다른 지지체 프로파일을 운동의 전달을 위한 결합 부재로서 사용하는 것은 특히 오프-쇼어 영역에 사용됨으로써 극도로 거친 환경 영향에 노출된 전체 구성을 습기 침투에 대해 밀봉할 때 바람직하다. 파력 발전소의 전체 구성은, 기능에 중요한 모든 부품 및 공급 장치들이 폐쇄되거나 밀봉된 공간 내에 보호 방식으로 배치되고 힘의 전달을 위해 적합한, 바람직하게는 강성 결합 부재만이 상기 공간 밖으로 안내되도록 실시될 수 있다.
선형 발전기 또는 파력 발전소의 실시예에 따라, 부표는 부동 바디를 포함하고, 상기 부동 바디의 부력은 부표를 수면에 유지시킨다. 1차 부분은 수중 바디 내에 배치되고, 부표가 파도 운동에 의해 상기 수중 바디에 대해 상대 운동할 수 있다. 1차 부분 및 2차 부분은 수중 바디 내의 폐쇄된 수용부 내에 특히 바람직하게 배치될 수 있고, 상기 수중 바디는 그 상부면에 상기 운동을 기계식으로 전달하는 결합 부재용 통로를 갖는다. 부표의 부동 바디는 특히 수중 바디와 부표 사이의 운동에 대한 축 방향 가이드를 형성하는 중앙 통로 둘레에 배치될 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 실시예에서 수중 바디가 통로 내에서 안내되는 실린더형 외부 하우징 섹션을 가지며, 통로와 외부 하우징 섹션 사이에 베어링 부재들, 특히 슬라이딩 베어링 링들 또는 슬라이딩 패드들이 배치된다. 상기 베어링 부재들에 의해 부표와 수중 바디 사이의 슬라이딩 가이드가 개선되고, 경우에 따라 해수가 부표와 수중 바디 사이의 상대 운동으로 인해 이동되어 상기 상대 운동에 큰 저항을 제공하고 파력 발전소의 효율을 떨어뜨리는 것이 방지될 수 있다. 수중 바디는 바람직하게는 1차 부분과 단단히 결합된다. 실시예에 따라, 수중 바디는 밸러스트 바디와 연결되고, 상기 밸러스트 바디는 수중 바디와 해저 사이의 비교적 일정한 간격을 제공한다. 바람직하게는 수중 바디 또는 밸러스트 바디는 정박 수단에 의해 해저에 고정된다. 정박 수단은 고정 케이블을 포함할 수 있거나 또는 동시에 에너지 전달 케이블로서 사용되는 상기 고정 케이블로 이루어지거나 또는 전기 에너지를 먼저 해저로, 그 다음에 육지로 전달하기 위해 상기 고정 케이블을 포함한다. 대안으로서 또는 추가로 밸러스트 바디는 하나 이상의 플랫폼, 바람직하게는 2개 이상의 서로 수직으로 이격 배치된 플랫폼을 갖는다. 해수의 유입을 위한 플랫폼들 사이의 중간 공간은 개방되어 있거나 또는 개방 가능해서, 플랫폼에 의해 해저에 대한 수중 바디의 "고정" 부유 상태를 지원한다. 플랫폼을 구비한, 비교적 관성이 큰 수중 바디는 거의 수동적으로 바다 속에서 그 위치를 유지할 수 있는 한편, 훨씬 더 큰 주파수 및 진폭을 가진 파도 운동은 진동하고 수중 바디를 상이한 길이로 노출하는 한편, 관성이 훨씬 더 낮고 더 가벼운 부표는 그 부동 바디와 함께 수면에서 영구 부동하고 파도의 운동에 따라 함께 움직인다. 파도 및 그로 인해 부표가 예컨대 12초의 주기로 움직일 수 있다.
밸러스트 바디는 해수로 적어도 부분적으로 채워진 탱크를 포함할 수 있고, 바람직하게는 탱크의 충전 레벨이 변할 수 있어서, 부표와 수중 바디 사이의 주파수 및 간접적으로 선형 발전기의 2차 부분과 1차 부분 사이의 행정 및 운동 주파수가 변하고 공진 주파수와 비슷해진다. 즉, 밸러스트 바디와 수중 바디는 바람직하게는 부력을 발생시키고, 상기 부력은 수중 바디를, 파도의 운동에 따라, 1차 부분의 1차 코일이 배치된 수중 바디의 영역만이 수면 위로 돌출할 정도로, 수면에 가까이 또는 수면 아래에 가까이 유지시킨다.
더욱 바람직하게 부표는 상부 구조물을 가질 수 있고, 상기 상부 구조물에 기계식 결합 부재의 자유 단부가 고정되고, 상기 상부 구조물의 내부에 선형 발전기용 스위칭 및 공급 장치가 배치된다. HTS 초전도 코일을 전이 온도 미만으로 냉각시키기 위한 예컨대 저온 유지 장치에 공급을 위해 필요한 모든 장치 및 경우에 따라 1차 코일에 유도된 전류를 처리하고 방출하기 위한 스위칭 장치는 수면 상부에 보호 방식으로 배치될 수 있다. 기계식 결합 부재는 운동의 전달을 위해 중공 바아 또는 관 또는 다른 중공 프로파일로 이루어지는 것이 특히 바람직하다. 중공 바아 또는 관 또는 중공 프로파일의 중공 공간은 부표에 배치된 스위칭 및 공급 장치와 선형 발전기의 1차 부분 및 2차 부분 사이의 공급 라인용 라인 통로로서 사용된다.
선형 발전기 또는 파력 발전소의 대안적 실시예에 따라, 수중 바디는 실린더형 마스트 또는 외부 하우징 섹션을 가지며, 상기 마스트 또는 외부 하우징 섹션의 하단부는 밸러스트 바디와 연결되고, 상기 마스트 또는 외부 하우징 섹션의 외벽은 부표를 형성하는 수중 슬라이딩 부재용 축 방향 가이드로서 사용되고, 상기 수중 슬라이딩 부재는 수중 바디에 대해 상대 운동할 수 있고, 결합 부재의 자유 단부가 고정되는 상부 구조물을 갖는다. 1차 부분과 2차 부분은 바람직하게는 수중 바디 내의 폐쇄된 수용부 내에 배치될 수 있고, 수중 바디는 표면 부동 바디와 연결될 수 있다. 상기 표면 부동 바디는 그 상부면에 결합 부재용 통로를 갖는다. 상기 표면 부동 바디는 바람직하게는 상부 구조물용 또는 이것에 연결된 가이드 바아용 가이드 부재를 축 방향 가이드로서 갖는다. 파력 발전소의 상기 실시예에서, 서로 동축으로 안내되는 2개의 부재들이 상호 작용하지만, 1차 부분의 코일에 대한 2차 부분의 상대 운동은 완전히 수면 아래에서 이루어진다. 상부 구조물이 길면, 1차 부분과 2차 부분 사이의 상대 행정이 더 길어질 수 있다. 수중 슬라이딩 부재는 마스트 또는 1차 부분을 수용하는 수중 바디의 외부 하우징 섹션에 양호하게 안내될 수 있다. 선형 발전기를 위한 스위칭 및 공급 장치는 바람직하게 표면 부동 바디 내에 배치될 수 있다.
선형 발전기 또는 파력 발전소의 다른 실시예에 따라, 수중 바디는 해저에 고정될 수 있고, 바람직하게는 베이스 플레이트를 통해 해저에 고정될 수 있고, 수중 바디로부터 밖으로 안내된 결합 부재의 단부는 로프 또는 케이블에 의해, 수면에서 부동하며 파도 운동에 의해 상승 및 하강 운동하는 부표에 연결된다. 2차 부분이 기계식 복귀 수단, 예컨대 스프링의 복원력에 대항해서 부표에 의해 움직일 수 있으면 특히 바람직하다. 선형 발전기용 스위칭 및 공급 장치는 바람직하게는 수중 바디 내에 배치될 수 있는데, 그 이유는 수중 바디가 고정되고 부동하지 않기 때문이다. 모든 공급 라인은 해저에 설치될 수 있다.
파력 발전소의 다른 실시예에 따라, 부표는 수중 벨로서 형성될 수 있고, 상기 수중 벨은 파력에 의해 해저에 고정된 수중 바디에 대해 상대 운동할 수 있으며, 상기 수중 바디는 수중 벨에 의해, 가스로 채워진, 밀봉된 공진 장치에 대해 폐쇄된다. 공진 장치의 주파수는 경우에 따라 가스 압력에 의해, 충전 체적에 의해 또는 사용된 충전 가스에 의해 조절될 수 있다. 충전 가스로는 공기, 특히 바람직하게는 HTS-초전도체 코일용 냉각제와 함께 사용 가능한 가스가 사용될 수 있다. 모든 스위칭 장치 및 공급 장치를 포함하는 1차 부분 및 2차 부분은 바람직하게는 수중 바디와 수중 벨 사이에서 공진 장치의 수용 챔버 내에 배치될 수 있다. 더욱 바람직하게 수중 바디는 실린더형 외벽을 가질 수 있고, 상기 외벽은 수중 벨에서 실린더형 하우징 섹션용 축 방향 가이드를 형성하거나 또는 축 방향 가이드를 통해 상기 수중 벨과 상호 작용한다.
모든 실시예에서, 1차 코일을 가지며 전류 유도를 위해 사용 가능한 1차 부분은 초전도성 2차 코일을 가진 2차 부분의 섹션의 적어도 3배의 길이를 갖는다. 1차 부분의 높은 전류 분포는, 특히 1차 부분의 충전 팩터가 높게 선택됨으로써 이루어질 수 있다. 충전 팩터는 전류가 흐르는 1차 코일의 체적 대 중간 부재 및 경우에 따라 존재하는 1차 코일들 사이의 중간 공간의 체적의 체적 비로 정의된다. 1차 부분의 충전 팩터는 바람직하게 70% 보다, 특히 85%보다 더 크다. 축 방향으로 인접한 1차 코일들에는 바람직하게 120°만큼 위상 변이된 교류가 인가됨으로써, 선형 발전기는 3상 발전기(회전류 발전기)를 형성한다. 2상 발전기 또는 3개보다 많은 상을 가진 다상 발전기의 경우, 위상 변이는 달리 조정되거나 또는 선택될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 1차 코일은 특히 알루미늄 또는 구리로 이루어진 도체와 같은 표준 도체로 이루어진 와인딩을 가짐으로써, 1차 코일들은 경우에 따라 합리적인 비용으로 예컨대 액냉되거나 또는 가스 냉각될 수 있다. 예컨대 물 또는 오일에 의한 냉각이 특히 바람직하다. 표준 도체는 특히 중공 도체로 이루어질 수 있고, 상기 중공 도체의 내부 관이 냉각을 위해 사용된다. 대안으로서, 1차 코일들의 와인딩들은 초전도성, 특히 고온 초전도성 도체로 이루어지거나 또는 제조될 수 있다. 전류 인가는, 초전도 1차 코일들 내의 교류 손실이 적도록, 100 Hz, 특히 50 Hz 보다 낮은 주파수를 가진 교류로 이루어져야 한다. 그렇지 않으면, 상기 교류 손실이 추가 냉각에 의해 보상되어야 할 것이다. 주어진 최대 속도에 대해 최대 주파수를 발전기 작동 중에 제한하기 위해서는, 적합한 극 분할이 선택되어야 한다. 본 발명에 따른 선형 발전기에서는 18 N/㎠보다 큰 파워 밀도가 얻어질 수 있고, 2차 코일 및 1차 코일에 초전도체가 사용되는 경우에는 25 N/㎠보다 큰 파워 밀도가 얻어질 수 있다. 1차 코일들의 냉각을 위해, 코일들 사이에는 냉각제가 흐를 수 있는 냉각 라인이 형성될 수 있거나 또는 1차 코일들 및 경우에 따라 중간 부재들 사이에 갭이 제공될 수 있다. 중간 부재들은 링 세그먼트형으로 형성될 수 있고, 그로 인해 냉각제가 링 세그먼트에 의해 커버되지 않은 1차 코일의 단부면에 이를 수 있다. 중간 부재들은 전체 면이, 부분이 또는 중간 공간이 1차 코일의 방사 방향 높이에 걸쳐 연장될 수 있다. 중간 부재들은 충분한 기계적 안정성을 가지며 냉각제 흐름을 가능하게 하는, 격자 구조, 중공 바디 또는 슬라이딩 바디로 이루어질 수 있다.
더욱 바람직하게는 1차 코일들 및 2차 코일들이 요크에 의해 둘러싸이고, 상기 요크는 바람직하게는 자화 불가능한 재료, 특히 철 없는 가벼운 재료로 이루어진다. 대안으로서, 요크는 자계 차폐를 위해 철 함유 또는 자화 가능한 재료로 이루어질 수 있다. 요크 및 중간 부재들은 특히 1차 코일용 기계식 지지 골격을 형성한다. 중간 부재들을 축 방향으로 고정하기 위해, 요크는 그 내주에 홈을 가지며, 상기 홈 내로 중간 부재들이 형상 결합 방식으로 맞물린다. 중간 부재들을 요크에 고정함으로써, 1차 코일들이 축 방향으로 중간 부재들에 지지될 수 있어서, 요크가 1차 코일들에 작용하는 자력을 축 방향으로 흡수할 수 있다. 포화 효과를 피하면서 동시에 1차 부분 및 선형 기계의 특히 가벼운 구성을 얻기 위해, 1차 부분이 철 없이 형성되는 것이 특히 바람직하다. 대안으로서, 요크는 자속의 피드백을 위해 자화 가능한 재료를 포함할 수 있다.
1차 코일은 플라스틱, 바람직하게는 합성 수지, 특히 에폭시 수지 내로 주조될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 중간 부재들도 플라스틱, 바람직하게는 합성 수지, 특히 에폭시 수지로 제조되고, 예컨대 유리 섬유 재료의 삽입에 의해 섬유 강화될 수 있다.
초전도 2차 코일은 높은 전류 밀도, 바람직하게는 50 A/㎟ 보다 큰, 더 바람직하게는 70 A/㎟ 보다 큰, 특히 100 A/㎟ 보다 큰 전류 밀도를 전달할 수 있다. 따라서, 2차 코일에 의해 매우 큰 자계가 형성될 수 있다. 2차 부분에 의해 형성될 수 있는 자속 밀도는 공기 갭에서 0.5 Tesla 보다 크고, 바람직하게는 1 Tesla 보다 크고, 경우에 따라 2 Tesla 까지 이를 수 있다. 2차 부분은 바람직하게는 실린더형 지지체를 포함하고, 상기 지지체에 또는 그 외주 면에 2차 코일이 배치된다. HTS-도체의 와인딩으로 이루어진 2차 코일, 특히 바람직하게는 더블팬케익 코일로서 실시된 2차 코일의 배치는 2차 코일의 자계가 축에 대해 평행하게 배향되도록 이루어진다.
2차 부분의 지지체는 바람직하게는 비자성 재료로 제조되고, 예컨대 섬유 강화된 플라스틱으로 제조된다. 지지체는 자성 재료, 예컨대 철로 제조되거나 이루어질 수 있다. 실시예에서, 2차 코일은 링형으로 형성되고, 축에 대해 동심으로 2차 부분의 해당 지지체 상에 고정 배치된다. 축 방향으로 인접한 2차 코일들에는 작동 중에 반대 극 결선에 의해 역상으로 직류가 인가된다. 2차 코일들 사이에는 공기 갭 와인딩을 구현하기 위해 자화 불가능한 링형 스페이서들이 배치될 수 있고, 상기 스페이서들에 2차 코일들이 축 방향으로 지지된다. 이 실시예에서, 인접한 2차 코일들은 서로 간격을 가지며, 상기 간격은 각각의 2차 코일의 축 방향 폭의 2배보다 크다. 또한, 모두 동일한 전류 흐름 방향을 갖는(직렬 또는 병렬로 접속된) 다수의 코일들이 통합되어 하나의 패킷을 형성할 수 있다. 이 경우, 인접한 코일 패킷들에는 각각 반대 방향 전류가 가해진다.
본 발명의 다른 장점 및 특징은 도면에 개략적으로 도시된 선형 발전기 및 파력 발전소의 실시예를 참고로 설명된다.
도 1은 제 1 실시예에 따른 1차 부분 및 2차 부분을 구비한 본 발명에 따른 선형 발전기의 종단면도.
도 2는 도 1의 2차 부분의 사시도.
도 3은 제 1 실시예에 따른, 2차 부분이 부표에 의해 움직이는 선형 발전기를 구비한 파력 발전소.
도 4는 제 2 실시예에 따른, 2차 부분의 구동을 위한 부표를 구비한 파력 발전소.
도 5는 제 3 실시예에 따른, 2차 부분의 운동을 위해 수면 아래 배치된 부표를 구비한 파력 발전소.
도 6은 제 4 실시예에 따른, 2차 부분의 운동을 위해 수면에서 부동하는 부표를 구비한 파력 발전소.
도 7은 제 5 실시예에 따른, 2차 부분의 운동을 위한 부표를 구비한 수중 파력 발전소.
도 1에는 1차 부분(20)과 2차 부분(30)을 포함하는 선형 발전기(10)가 도시된다. 1차 부분(20)은 2차 부분(30)이 중심 축(A)을 따라 왕복 운동 가능하게 놓인 실린더형 수용부(11)를 한정한다. 1차 부분(20)은 도시된 실시예에서 축(A)에 대해 동심으로 배치된 5개의 1차 코일들(21)을 포함한다. 도면에는 전체 발전기 중 일부만이 도시되고, 예컨대 3상 모드에서는 코일들 또는 코일 패킷들의 수가 3의 배수이어야 한다. 1차 코일들(21)은 링 디스크 코일들로 이루어지고, 링 디스크 코일의 외주에서 도시되지 않은 접점을 통해 예컨대 120 °위상 변이된 교류 또는 회전류(3상 전류) 중 하나의 상이 인출될 수 있다. 1차 코일(21)의, 구리 도체로 이루어진 와인딩들은 기계적 안정화를 위해 에폭시 수지 내로 주조된다. 1차 코일들(21) 사이에 링형 중간 부재들(22)이 배치되며, 상기 중간 부재들에 1차 코일들(21)의 단부면들이 축 방향으로 지지된다. 중간 부재들(22)은 1차 코일(21)의 내주로부터 1차 코일들(21)의 외주까지 방사방향으로 연장된다. 중간 부재들(22)과 1차 코일들(21)의 외주에는 중공 실린더형 요크(23)가 접촉하고, 상기 요크에 중간 부재들(22)이 고정된다(도시되지 않음). 이로써, 요크(23) 및 중간 부재들(22)은 1차 코일(21)을 수용하는 기계식 지지 골격을 형성한다.
1차 부분(20) 둘레의 요크(23)는 자화 불가능한 재료로 이루어지거나 또는 차폐를 위해 자화 가능한 재료로 이루어질 수 있다. 후자의 경우, 파워 밀도의 증가가 나타날 수 있다. 요크(23)가 도전성 재료로 이루어지면, 요크는 바람직하게는 교류 손실을 줄이기 위해 시트화되며 슬롯을 가진 재료로 형성될 수 있다. 슬롯 형성 또는 시트화의 구체적인 방향은 요구에 따라 선택될 수 있다.
중간 부재(22)는 예컨대 유리 섬유 강화 플라스틱으로 이루어질 수 있고, 따라서 본 발명에 따라 자화 불가능하기 때문에, 1차 코일들(21)에 전류 인가시 수용부(11) 내에 생기는 자계가 중간 부재들(22)의 포화 자화에 의해 제한되지 않는다. 1차 코일들(21) 사이에는 자속 가이드를 위한 자화 가능한 재료가 배치되지 않는다. 따라서, 축 방향으로 서로 나란히 배치된 1차 코일들(21)의 배치는 소위 공기 갭 와인딩으로 구현된다. 1차 코일들(21) 사이의 상기 "공기 갭"은 경우에 따라 부분적으로 중공인 또는 절연을 위해서만 사용되는 중간 부재들(22)로 채워진다. 따라서, 1차 부분(20) 내에는 축 방향 길이당 많은 와인딩 개수를 가진 매우 넓은 1차 코일(21)이 사용될 수 있다. 중간 부재들(22)의 체적이 1차 코일들(21)의 체적의 일부만을 차지하기 때문에, 전류 발생 와인딩들에 의한 1차 부분의 충전 팩터는 50%보다 훨씬 더 크다.
도 1 및 도 2에 도시된 2차 부분(30)은 축(A)에 대해 동심으로 배치된, 고온 초전도체로 이루어진 링형 2차 코일들(31)을 갖는다. 20 K보다 큰 극저온(cryogenic temperature)에서 초전도성인 2차 코일들(31)에 직류가 인가되고, 축 방향으로 인접한 2차 코일들(31)이 역상으로 결선된다. 2차 부분(30) 내의 고온 초전도체 와인딩들 또는 2차 코일들(31)은 팬케익-코일들, 더블팬케익-코일들로서, 상기 팬케익-코일들로 이루어진 패킷들로서 또는 짧은 솔레노이드 코일들로서 구현될 수 있다. 2차 코일들(31) 사이에는 축(A)에 대해 동심으로 배치된 링형 스페이서들(32)이 배치된다. 스페이서들(32)은 유리 섬유 강화 에폭시 수지로 이루어지고, 2차 코일들(31)과 함께 중공 실린더형 지지 관(33) 상에 배치된다. 중공 실린더형 지지 관(33)은 연자성의, 자화 가능한 재료, 예컨대 연자성 철로 제조될 수 있거나 또는 예컨대 유리 섬유 강화 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 2차 코일들(31)을 예컨대 액상 질소로 냉각하기 위해, 저온 유지 장치(34; cryostat)에 2중 벽을 가진 관(36)이 제공된다. 관(36)의 "따뜻한" 외부 관 벽 및 "차가운" 내부 관 벽 사이의 도시되지 않은 중간 공간은 외부로부터 저온 유지 장치(34)로의 열 전달을 방지하거나 또는 줄이기 위해 진공화된다. 경우에 따라, 통상적으로 입수 가능한 초절연막으로 이루어진 절연층이 차가운 관 벽 둘레에 부착될 수 있다. 2차 부분(30)으로부터 저온 유지 장치(34)로의 힘 전달은 개략적으로 도시된 전달 부재들(35a, 35b)에 의해 이루어진다. 전달 부재들(35a, 35b)은 낮은 열 전도성 및 높은 기계적 강도를 가진 재료, 예컨대 유리 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진다. 2차 코일들(31)은 100 A/㎟ 까지의 전류 밀도로 작동될 수 있다. 1차 코일들의 공기 갭 와인딩을 가진 본 발명에 따라 구현된 1차 부분(20), 및 본 발명에 따라 구성된 2차 부분(30)을 포함하는 선형 발전기(10)에 의해, 1차 부분과 2차 부분 사이에서 수용부(11) 내에 18 N/㎠보다 큰 파워 밀도가 얻어질 수 있다.
도 3 내지 도 7은 부표의 상이한 구성 원리를 사용하는 파력 발전소를 도시하며, 상기 파력 발전소에서는 특히 전술한 구성을 가진 선형 발전기가 사용된다. 전체 도면에서, 선형 발전기는 각각 도면 번호 10으로, 1차 부분은 도면 번호 20으로 그리고 2차 부분은 도면 번호 30으로 표시된다. 도 3 내지 도 7은 각각 해당 파력 발전소를 좌측 절반에는 파도(51)의 물마루에 있는 위치로 그리고 우측 절반에는 파도(51)의 골에 있는 위치로 도시한다.
도 3은 해수에서 부동하는 파력 발전소(50)의 제 1 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 선형 발전기(10)는 파도(51)로 도시된 수면 근처에 배치된다. 1차 부분(20) 및 2차 부분(30)을 가진 전체 선형 발전기(10)는 선형 발전기(10)의 운동 축(A)에 대해 동축으로 형성된, 해수에서 부동하는 수중 바디(55)의 실린더형 외부 하우징 섹션(60)에 배치된다. 실린더형 외부 하우징 섹션(60)은 그 내부 공간과 함께 선형 발전기(10)용 실린더형 수용 챔버(61), 및 전체적으로 도면 번호 55로 표시된 수중 바디의 상부 섹션을 형성한다. 상기 수중 바디는 외부 하우징 섹션(60) 하부에 큰 체적의 밸러스트 탱크(65)를 가지므로, 전체적으로 수중 바디(55)에는 충분한 부력이 형성되고, 그 결과 상기 수중 바디가 해수에서 수면(51) 가까이에서 움직일 수 있다. 동시에, 밸러스트 탱크(65)는 수중 바디(55)에 충분한 관성을 제공하고, 상기 관성은 수중 바디(55)가 수면(51)에서의 파랑의 진폭보다 작은 진폭으로 움직이게 한다. 탱크로서 실시된 밸러스트 바디(65)는 적어도 부분적으로 해수로 채워지고, 오프쇼어(offshore)에 사용시 수중 바디(55)를 거의 고정적으로 위치 설정하기에 충분히 큰 체적을 가져야 한다. 정확한 밸런싱을 위해, 밸러스트 탱크는 추가로 물보다 높은 밀도를 가진 돌, 콘트리트, 강 또는 다른 물질도 포함할 수 있다. 파랑이 심할 때 그리고 해류가 심할 때 파력 발전소(50)의 속행을 방지하기 위해, 파력 발전소가 정박 수단(52)을 통해 여기에 도시되지 않은 해저에 고정될 수 있다. 수중 바디(55)의 훨씬 더 좁은, 실린더형 외부 하우징 섹션(60)은 베이스 플레이트(62)를 통해 밸러스트 바디(65)에 연결된다. 베이스 플레이트(62)에는 선형 발전기의 1차 부분(20)이 고정되고, 2차 부분(30)은 외부 하우징 섹션(60)의 수용 챔버(61) 내에 1차 부분의 축(A)에 대해 동심으로 배치된다. 축(A)는 실질적으로 수직으로 놓이고 전체 파력 발전소(50)는 축(A)에 대해 대칭으로 형성된다. 1차 부분(20)의 길이는 초전도성 HTS 코일을 구비한 2차 부분(30)의 길이의 2배 이상, 바람직하게는 3배 이상이다. 상기 2차 부분(30)은 1차 부분(20) 내부에서 축(A)에 대해 평행하게 상하로 움직일 수 있다. 파력 발전소(50)에서 1차 부분(20)에 대한 2차 부분(30)의 왕복 운동은 수면(51)의 운동에 의해서만, 즉 파도 진폭의 시간에 따른 변동에 의해 이루어진다. 도 3에서 파도의 진행 방향은 화살표 W로 표시되어 있다. 선형 발전기(10)에서 상대 운동을 발생시키기 위해, 2차 부분(30)은 축(A) 상에 배치된, 바람직하게는 둥근 외경을 가진 바 아(75) 또는 관으로 형성된 전달 또는 결합 부재에 고정 연결된다. 상기 전달 또는 결합 부재의 자유 상단부(76)는 상부 구조물(71)에 연결되고, 상기 상부 구조물(71)은 전체가 도면 번호 70으로 표시된 부표의 부동 바디(72)에 연결된다. 부표(70)의 부동 바디(72)의 부력은 도 3의 파력 발전소(50)의 좌측 도면과 우측 도면의 비교에서 잘 나타나는 바와 같이, 상기 부동 바디가 수면(51)에서 동일한 평균 잠수 깊이로 영구 부동하도록, 선택된다. 부표(70)는 화살표 B로 표시된 바와 같이 수중 바디(55)에 대한 수면(51)의 파도 운동의 주파수 및 진폭으로 행정을 실시하는데, 그 이유는 수중 바디(55)가 화살표 U로 표시된 바와 같이, 하나의 파도의 통과시 부표(70)보다 훨씬 더 적은 수직 운동을 하기 때문이다. 2차 부분(30)을 바아(75)를 통해 부표(70)에 고정 연결하기 때문에, 수중 바디(55)에 대한 부표(70)의 축 방향 운동은 선형 발전기(10)의 1차 부분(20)과 2차 부분(30)의 외부 작동식 이동을 일으키고, 그로 인해 선형 발전기에서 공지된 바와 같이, 2차 부분(30)에 자계가 존재할 때 1차 부분(20)의 1차 코일 내에 전류가 유도될 수 있고, 상기 전류는 발전을 위해 변화되어 사용될 수 있다. 2차 부분(30) 내의 자계는 전이 온도 아래에서 냉각되는 초전도성 코일(도시되지 않음)에 직류의 공급에 의해 형성된다. 1차 부분(20)과 2차 부분(30)이 수중 바디(55)의 상단부 영역에 배치되고, 파도 높이에 따라 수면 아래 놓일 수 있음에도 불구하고, 파력 발전소(50)에서는 비교적 간단한 방식으로 선형 발전기(10)용 수용 챔버(61)의 수밀 방식 밀봉이 이루어지는데, 그 이유는 선형 발전기(10)로부터 나와 주변과 접촉하는 단일 연결 부재가 바아(75) 내에 있기 때문이다. 습기 침투에 대한 밀봉을 위해, 바아(75)는 도시되지 않은 적합한 샤프트 시일을 통해 수중 바디(55)의 외벽 하우징 섹션(60)의 상부 부분(64) 내의 통로(63)를 관통할 수 있다.
파력 발전소(50)에서 1차 부분(20)과 2차 부분(30)의 동축 가이드는, 바아(75)의 종축이 선형 발전기(10)의 운동 축(A)과 일치하고 부동 바디(72)가 중앙에 중앙 통로(74)를 가지며 상기 통로가 축 방향 가이드의 방식에 따라 수중 바디(55)의 외부 하우징 섹션(60)의 외벽과 상호 작용함으로써, 구조적으로 지원된다. 파력 발전소(50)의 운동 바디들(72, 60) 사이의 가이드를 개선하기 위해, 부동 바디(72)의 통로(74)의 내부면에는 슬라이딩 패드, 대응 베어링을 가진 롤러, 가이드 내에서 안내되는 롤러 베어링 형태의 슬라이딩 또는 롤링 베어링 부재들(80)이 배치될 수 있다. 상기 베어링 부재들은 또한 해수가 수중 바디(60)와 부표(70)의 부동 바디(72) 사이의 운동을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
선형 발전기(10)의 작동을 위해 필요한 모든 공급 장치, 및 선형 발전기(10)의 1차 부분(20) 내에서 얻어진 에너지를 변환시켜 방출하기 위한 스위칭 장치(도시되지 않음)는 바람직하게는 부표(70)의 부동 바디(72)의 적합한 챔버 내에 또는 상부 구조물(71) 내부에 배치됨으로써, 모든 공급 및 스위칭 장치들이 수면(51) 상부에 영구 배치된다. 예컨대, 2차 부분(30)의 저온 유지 장치용 전류 케이블 또는 공급 케이블은, 강성인 동시에 중공인 바아(75)를 결합 부재로서 사용할 때 상기 바아의 내부 중공 공간을 통해 수중 바디(60)의 수용 챔버(61) 내로 안내되는 것이 특히 바람직할 수 있다. 밸러스트 바디(65)의 도시된 2중 원추형 탱크 형상은 탱크로서 구현된 밸러스트 바디의 많은 실시예들 중 하나를 예시적으로만 나타낸다. 부표(70)와 파력 발전소(50)의 수중 바디(55)를 파랑에 따라, 매우 효과적인 발전이 가능한 공진 주파수로 트리밍하기 위해, 상기 밸러스트 바디(65) 내의 물 레벨을 변화시킬 수 있는 장치는 도시되어 있지 않다. 밸러스트 바디(65)의 충전 량은 예컨대 개폐 가능한 밸브를 통해 변화될 수 있다.
도 4에 도시된 파력 발전소(150)에서, 부표(170)는 부동 바디(172), 및 1차 부분(20)과 2차 부분(30)을 가진 선형 발전기(10)를 수용하는, 수중 바디(155)의 외부 하우징 섹션(160)과 함께 도 3에 따른 실시예에서와 동일한 구성을 갖기 때문에, 여기서는 반복 설명하지 않는다. 물론, 도 3과 마찬가지로 2차 부분(30)은 바아(175)와 연결되고, 바아(175)는 부표(170)에 연결된다. 파력 발전소(150)는 밸러스트 바디(165)의 실시예에 있어서 파력 발전소(50)와 다르다. 밸러스트 바디(165)는 탱크로 이루어지지 않고 축(A)에 대해 평행하게 연장된, 긴 마스트(166)를 포함하고, 상기 마스트의 하단부 가까이에 2개의 편평한 그리고 축(A)에 대해 횡으로 연장된 대형 플랫폼(167, 168)이 고정된다. 플랫폼(167, 168)의 외부 치수, 특히 그 직경은 부표(170)의 부동 바디(172)의 외경보다 훨씬 크고, 적어도 2배이다. 밸러스트 바디(165)는 도시되지 않은 해저에 대한 수중 바디(155)의 상대 운동을 파력 발전소(50)에서보다 더 강력하게 방지하는 패시브 부재를 형성한다. 2개 이상의 플랫폼(167, 168)이 배치되며 상기 플랫폼들 사이에 해수가 유입될 수 있으면, 수중 바디(155)의 수동성 및 위치 안정성이 개선될 수 있다. 그러나, 특정 오프-쇼어 영역에서는 적절하게 설계된 단 하나의 플랫폼을 가진 밸러스트 바디로도 충분할 수 있다. 수중 바디는 로프(52)에 의해 해저에 고정된다. 대안으로서, 부표 부동 바디도 해저에 고정될 수 있다.
도 5는 2차 부분(30)이 부표(270)와 연결되고 상기 부표(270)가 수면(51) 아래 영구 배치되어 수중 슬라이딩 부재를 형성하는, 파력 발전소(250)의 제 3 실시예를 도시한다. 선형 발전기(10)용 액추에이터를 형성하는 2차 부분(30)과 발전을 위한 고정자를 형성하는 1차 부분(20) 사이의 상대 운동은 부표(270)와 수중 바디(255)의 중첩된 운동에 의해 이루어진다. 수중 바디(255)는 왕복 운동하는 부표를 형성하는 수중 슬라이딩 부재(270) 상부에 표면 부동 바디(280)를 가지며, 상기 부동 바디(280)의 부력이 조정됨으로써 표면 부동 바디(280)가 수면(51)에 영구 지지된다. 표면 부동 바디(280)는 축(A)에 대해 동심으로 배치된, 긴 마스트(260)를 통해 수중 슬라이딩 부재(270) 하부에 있는, 비교적 무거운 탱크 등으로 이루어진 밸러스트 바디(265)에 연결된다. 상기 밸러스트 바디의 기능은 특히 파력 발전소(250)의 운동 축(A)이 실질적으로 수직으로 유지되도록 하는 것이다. 밸러스트 바디(265)는 정박 수단(52)에 의해 해저에 연결된다. 밸러스트 바디(265)와 표면 부동 바디(280)를 연결하는 마스트(260)는 중공이고, 중공 공간(261) 내에 선형 발전기(10)의 1차 부분(20) 및 2차 부분(30)이 배치된다. 1차 부분(20)은 2차 부분(30)보다 3배 이상의 길이를 갖는다. 바람직하게는 공기 등으로 채워진, 밀봉된 중공 공간이 형성되도록, 마스트(260)가 표면 부동 바디(280)와 연결된다. 표면 부동 바디(280)는 여기에 개략적으로 도시된 다수의 축 방향 가이드들(281)을 구비하고, 상기 축 방향 가이드 내에, 축(A)에 대해 평행하고 부표를 형성하는 수중 슬라이딩 부재(270)와 연결된 가이드 바아들(277)이 안내된다. 가이드 바아들(277)은 브레이싱(273)을 통해, 축에 대해 평행하게 배치된 바아(275)에 연결되고, 상기 바아(275)에는 2차 부분(30)이 고정 연결된다. 선형 발전기(10)가 배치된 마스트(260) 내부의 중공 공간(261)을 습기 침투로부터 보호하기 위해, 바아(275)는 표면 부동 바디(280)의 상단부에, 샤프트 실링 등에 의해 적합한 방식으로 밀봉된 통로(263)를 갖는다. 마스트(260)의 외부 하우징 섹션 또는 외벽은 바람직하게 비교적 긴 가이드 리세스(278)를 가질 수 있는 수중 슬라이딩 부재(270)용 축 방향 가이드로서 사용된다. 파력 발전소(250)에서 부표(270)는 도 5의 좌측 및 우측 절반에 화살표 B로 표시된 바와 같이, 그리고 표면 부동 바디(280)는 화살표 U로 표시된 바와 같이, 각각 반대 방향으로 움직이기 때문에, 파도 운동에 따라 상이한 진폭 및 상대 운동이 발생할 수 있고, 이 진폭 및 상대 운동은 발전을 위해 사용될 수 있다. 스위칭 및 공급 장치들은 바람직하게 표면 부동 바디(280) 내에 배치될 수 있어서, 이들은 수면에 또는 수면 상부에 영구 배치된다.
도 6은 해저(53)에 고정된 수중 바디(355)를 가진 파력 발전소(350)의 제 4 실시예를 도시한다. 수중 바디(355)는 해저(350)에 직접 고정된 강한 베이스 플레이트(362)를 갖는다. 수중 바디(355)의 하우징 벽(395)은 원칙상 임의의, 여기서는 대략 종 모양을 가지며, 특히 선형 발전기(10)의 작동을 위한 스위칭 및 공급 장치들(390)이 하우징 벽(395)에 의해 둘러싸인 수용 챔버(361) 내부에 배치될 수 있는 크기를 갖는다. 선형 발전기(10)의 2차 부분(30)과 1차 부분(20) 간의 상대 운동은 수면(51)에서 부동하는 부표(370)에 의해 발생하고, 상기 부표(370)는 유연한 로프(396)를 통해 바아(375)의 상단부에 연결된다. 바아(375)의 하단부는 파력 발전소(350)의 2차 부분(30)에 고정 연결된다. 부표(370)에 연결된 유연한 로 프(396)를 통해 인장력만이 전달될 수 있기 때문에, 즉 2차 부분(30)의 화살표 방향 H로의 수직 행정이 이루어질 수 있기 때문에, 2차 부분(30)에는 여기서 개략적으로 도시된 스프링(399)에 의해 형성된 복귀 수단이 할당되고, 상기 복귀 수단은, 파도의 물마루로 인해 인장력이 로프(396) 및 커넥팅 로드(375)를 통해 2차 부분(30)으로 가해지지 않으면, 2차 부분(30)에 베이스 플레이트(362)의 방향으로 예비 응력을 가하고 2차 부분(30)을 뒤로 이동시킨다. 바아(375)는 유일한 전달 부재를 형성하고, 상기 전달 부재는 수중 바디(355)의, 그 외에는 밀봉 방식으로 실시되는 챔버(361)로부터 안내된다. 바아(375)는 수중 하우징의 하우징 벽(395)의 지붕 아치 내의 통로(363) 내에서 상기 수중 하우징 밖으로 안내되고, 습기 침투에 대한 밀봉을 위해, 통로(363) 내에서 적합한 샤프트 시일 등이 바아(375)에 접촉할 수 있다.
도 7에는 완전히 수면(51) 아래 배치된, 파력 발전소(450)의 제 5 실시예가 도시된다. 선형 발전기(10)의 1차 부분(20)에 대한 2차 부분(30)의 행정 운동은 수중 파도, 및 밀도 차이를 통해 전달된다. 상기 밀도 차이는 수면(51)에서의 파도 운동에 의해 더 깊은 층에서도 나타난다. 2차 부분(30)은 바아(475)를 통해, 상승 및 하강하는 부표를 형성하는 수중 벨(470)에 연결된다. 상기 수중 벨은 예컨대 컵형 수중 바디(455)에 대해 축에 대해 평행하게 운동 가능하다. 수중 바디(455) 및 수중 벨(470)은 수용 챔버(485)를 둘러싸고, 상기 수용 챔버의 체적은 수중 바디(455)에 대한 수중 벨(470)의 상이한 인출 상태에 따라 변하고, 상기 수용 챔버는 적합한 가스, 특히 공기로 채워짐으로써, 파력 발전소(450)는 전체적으로 수중 바디(455)와 수중 벨(470) 사이의 공진 장치를 형성한다. 수중 벨(470)과 수중 바디(455) 사이의 운동 가이드는 수중 바디(455)의 실린더형 외벽(459)에서 적합한, 여기에 도시되지 않은 축방향 가이드를 통해 이루어진다. 상대 운동으로 인해 수용 챔버(485) 내로 물방울이 침투하는 것을 방지하기 위해, 상기 축방향 가이드에 경우에 따라 실링 장치 및 공기 갭 시일이 제공될 수 있다. 수용 챔버(485) 내의 가스의 내압은 스프링 방식에 따라 수중 벨(470)을 그 초기 위치로 복귀 운동시킬 수 있다. 파력 발전소(450)에서는 로드 시일 등이 생략될 수 있는데, 그 이유는 경우에 따라 수중 바디(455)의 외벽(459)과 수중 벨(470)의 내벽 사이에서 수용 챔버(485) 내로 물의 침투가 나타날 수 있기 때문이다. 파도 에너지는 상부 수중 벨(470)만을 운동시키는 한편, 수중 바디(455)는 정박 수단(52)에 의해 해저(53)에 고정된다.
당업자는 상기 설명 및 종속 청구항으로부터 많은 변형예들을 얻을 수 있다. 특히, 실시예들로부터 당업자는 다른 변형 및 다른 조합을 유도할 수 있다. 본 발명에 따른 선형 발전기를 약 1MW(메가와트)의 출력을 가진 발전소용으로 설계하기 위해서는, 1차 부분(20)의 길이가 예컨대 약 4 m 일 때, 초전도 2차 부분(30)은 예컨대 약 600 mm의 직경 및 약 600 mm의 길이를 가질 수 있다. 축 방향에서 1차 코일들과 2차 코일들의 개수는 예시일 뿐이고, 특히 코일들의 폭 및 선형 발전기의 총 길이에 따라 변할 수 있다. 2차 코일은 나선형으로도 배치될 수 있다. 요크 및 2차 부분의 지지 관은 철 함유 재료로도 이루어질 수 있다. 2차 코일들이 스페이서들과 예컨대 진공 함침에 의해 결합되면 2차 부분용 지지 관이 생략될 수 있 다. 대안으로서, 2차 부분용 지지 관은 시트화되며 슬롯을 가진, 자화 가능한 재료 또는 예컨대 섬유 강화 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 강자성 재료는 직류가 흐르는 2차 부분에서 지지 관으로서 사용될 수 있다. 특히, 표준 전도성 1차 코일들을 사용하는 경우, 상기 1차 코일들의 냉각은 예컨대, 물, 오일, 가스 또는 질소(N2)에 의해 간접적으로 또는 바람직하게는 직접적으로 이루어질 수 있다. 대안으로서, 77K 미만, 예컨대 20K 또는 30K의 작동 온도를 허용하는 적합한 가스 냉각 또는 건식 냉각이 이루어질 수도 있다. 1차 부분 내의 와류 손실을 더욱 줄이기 위해, 1차 코일에 리츠 와이어 와인딩이 제공될 수 있다. 경우에 따라, 파워 밀도를 더욱 높이기 위해, 제 2의 1차 부분이 2차 부분의 내부에 배치될 수도 있다. 2차 부분 대신에 파력에 의해 1차 부분이 축에 대해 평행하게 운동할 수 있다. 1차 부분은 내부에 배치되고, 2차 부분은 외부에 배치될 수 있다. 도면들은 각각 직류가 인가되는 2차 부분이 파력 발전소의 상승 및 하강하는 부표에 의해 기계식으로 운동함으로써 2차 부분의 상기 운동에 의해 1차 부분의 1차 코일에 유도되는 전류가 발전을 위해 사용되는, 선형 발전기를 도시한다. 해당 청구항의 보호 범위를 벗어나지 않으면서, 2차 부분 대신, 1차 부분이 2차 부분의 고정시 축에 대해 평행하게 왕복 운동을 할 수 있다. 도시된 모든 실시예에서, 외측 둥근 바아 또는 관은 부표와 2차 부분 사이의 기계식 전달 부재를 형성함으로써, 긴 행정에도 불구하고 비교적 간단한 방식으로, 샤프트 밀봉 링 등에 의한 통로의 밀봉이 가능해진다. 전달 또는 결합 부재는 다른 적합한 프로파일 형태를 가질 수 있으며 예컨대 T-지 지체 또는 더블 T-지지체로, 관으로, 한 세트의 바아 등으로 이루어지거나 또는 보강을 위한 그러한 프로파일을 포함할 수 있다. 통로에서의 시일은 벨로우즈 시일을 포함할 수 있어서, 긴 행정 및 큰 압력 차이에서도 확실한 밀봉이 보장된다.
부표를 가진 파력 발전소의 모든 실시예들은 독자적인 발명의 의미를 가지며, 상기 각각의 파력 발전소의 구성 원리는 1차 부분과 2차 부분이 예컨대 코일들 사이에 포화 가능한 재료를 가지거나 또는 초전도 와인딩을 갖지 않은 종래의 구성을 가진, 선형 발전기와 함께 사용될 수 있다. 파력 발전소의 구성 원리에 대해, 사용된 선형 발전기와는 관계없이, 독자적인 보호가 이루어져야 한다.

Claims (27)

  1. 축(A)에 대해 동심으로 배치되고 중간 부재(22)에 의해 서로 이격 배치된 다수의 링형 1차 코일들(21)을 가진 1차 부분(20), 및 직류가 인가될 수 있고 초전도체 와인딩을 가지고 교대하는 극성으로 축 방향으로 나란히 배치된 다수의 2차 코일들(31)을 가진 2차 부분(30)을 포함하는, 파력 발전소에서 발전을 위한 선형 발전기에 있어서,
    상기 1차 부분(20) 내에 상기 1차 코일들(21)의 배치는 자화 불가능한 재료로 이루어진 상기 중간 부재(22)를 가진 공기 갭 와인딩으로서 실시되고, 상기 2차 코일들(31)은 고온 초전도체의 와인딩으로 이루어짐으로써, 18 N/㎠ 보다 큰 파워 밀도가 얻어질 수 있고, 상기 2차 코일들(31)은 링형으로 형성되며 지지체(33) 둘레에 서로 동심으로 배치되고, 상기 2차 코일들(31) 사이에 스페이서들이 배치되고, 상기 스페이서들에 상기 2차 코일들(31)이 축 방향으로 지지되고, 상기 1차 부분 또는 상기 2차 부분은 파력 발전소(50; 150; 250; 350; 450)의 부표(70; 170; 270; 370; 470)에 의해 외부 작동식으로 축에 대해 평행하게 운동 가능하고, 상기 1차 부분과 상기 2차 부분 사이의 상대 운동에 의해 상기 1차 코일들에 유도되는 전류는 발전을 위해 인출될 수 있는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 부분(30)이 상승 및 하강하는 부표(70; 170; 270; 370; 470)에 의해 기계식으로 운동 가능한 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 2차 부분(30)은 강성 결합 부재(75; 175; 275; 375; 475)와 고정 연결되고, 상기 결합 부재는 상기 부표의 운동을 2차 부분으로 전달하기 위해 상기 부표(70; 170; 270; 370; 470)에 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 부표(70; 170; 370)는 부동 바디(72; 172)를 포함하고, 상기 부동 바디의 부력은 상기 부표를 수면에 유지시키며, 상기 1차 부분은 수중 바디(55; 155; 255; 355) 내에 배치되고, 상기 부표는 파도 운동에 의해 상기 수중 바디(55; 155; 255; 355)에 대해 상대 운동 가능한 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 1차 부분(20) 및 상기 2차 부분(30)은 상기 수중 바디(55; 355) 내의 폐쇄된 수용 챔버(61; 361) 내에 배치되고, 상기 수중 바디는 그 상부면에 운동의 기계식 전달을 위해 상기 결합 부재(75; 375)용 통로(63; 363)를 갖는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 부표(70; 170)의 상기 부동 바디(72; 172)는 중앙 통로(74) 둘레에 배치되고, 상기 통로는 수중 바디와 부표 사이의 운동을 위한 축 방향 가이드를 형성하고, 상기 수중 바디(55; 155)가 상기 통로 내에 안내된 실린더형 외부 하우징 섹션(60, 160)을 가지며, 통로와 외부 하우징 섹션 사이에 슬라이딩 부재(80), 또는 슬라이딩 패드나 롤러 베어링과 같은 베어링 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 수중 바디(55; 155)는 밸러스트 바디(65; 165)와 연결되고, 상기 밸러스트 바디는 상기 수중 바디와 해저 사이의 일정한 간격을 제공하며, 수중 바디 또는 밸러스트 바디는 정박 수단(52)을 통해 상기 해저에 고정되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 밸러스트 바디(165)는 하나 이상의 플랫폼, 또는 2개 이상의 서로 수직으로 이격 배치된 플랫폼(167, 168)을 가지며, 상기 플랫폼들 사이의 중간 공간은 해수 유입을 위해 개방되어 있거나 또는 개방될 수 있는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 밸러스트 바디(65)는 해수로 적어도 부분적으로 채워진 탱크를 가지며, 상기 탱크의 충전 레벨이 변할 수 있는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  11. 제 5항에 있어서,
    상기 부표(70)는 상부 구조물(71)을 가지며, 상기 상부 구조물에는 상기 결합 부재의 자유 단부(76)가 고정되고, 상기 상부 구조물의 내부에는 상기 선형 발전기용 스위칭 및 공급 장치가 배치되고, 상기 결합 부재는 중공이며, 중공 공간이 상기 스위칭 및 공급 장치로의 공급 라인용 라인 통로로서 사용되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  12. 제 5항에 있어서,
    상기 수중 바디(255)는 실린더형 외부 하우징 섹션(260)을 가지며, 상기 외부 하우징 섹션의 하단부는 밸러스트 바디(265)와 연결되고, 상기 외부 하우징 섹션의 외벽은 상기 부표를 형성하는 수중 슬라이딩 부재(270)용 가이드로서 사용되며, 상기 수중 슬라이딩 부재는 상기 수중 바디(255)에 대해 상대 운동 가능하고 상부 구조물(273)을 가지며, 상기 상부 구조물에 상기 결합 부재(275)의 자유 단부가 고정되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 1차 부분 및 상기 2차 부분은 상기 수중 바디 내의 폐쇄된 수용부(261) 내에 배치되고, 상기 수중 바디는 표면 부동 바디(280)에 연결되고, 상기 표면 부동 바디는 그 상부면에 상기 결합 부재(275)용 통로(263)를 가지며, 상부 구조물 또는 상기 상부 구조물과 연결된 가이드 바아용 가이드 부재(281)를 축 방향 가이드로서 갖는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 선형 발전기용 스위칭 및 공급 장치는 상기 표면 부동 바디(280) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  15. 제 5항에 있어서,
    상기 수중 바디(355)는 해저에 고정되거나, 베이스 플레이트(362)를 통해 해저에 고정되고, 상기 수중 바디로부터 안내된 바아 단부(375)는 로프(396)에 의해 수면에 있는 부표(370)에 연결되며, 상기 2차 부분(30)이 상기 부표에 의해 기계식 복귀 수단(399)의 복원력에 대항해서 운동 가능하고, 상기 선형 발전기용 스위칭 및 공급 장치(390)는 상기 수중 바디(355) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  16. 제 4항에 있어서,
    상기 부표는 수중 벨(470)로서 형성되고, 상기 수중 벨은 파력에 의해 해저에 고정된 수중 바디(455)에 대해 상대 운동 가능하며, 상기 수중 바디는 상기 수중 벨(470)에 의해, 가스로 채워진, 밀봉된 공진 장치에 대해 폐쇄되고, 상기 1차 부분(20) 및 상기 2차 부분(30)은 수중 바디와 수중 벨 사이에서 상기 공진 장치의 수용 챔버(485) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 수중 바디(455)는 실린더형 외벽(459)를 가지며, 상기 외벽은 상기 수중 벨(470)에서 실린더형 하우징 섹션에 대한 축 방향 가이드를 형성하거나 또는 축 방향 가이드를 통해 상기 수중 벨(470)과 상호 작용하는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 부분(30)에 상기 2차 코일들(31)의 배치는 공기 갭 와인딩으로서 실시되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 부분(20)의 상기 1차 코일들(21) 사이에 그리고 상기 2차 부분(30)의 상기 2차 코일들(31) 사이에, 자속 가이드(flux guidance)를 위한 자화 가능한 재료, 또는 철이 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  20. 삭제
  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 코일들(31)에는 50 A/㎟, 70 A/㎟, 또는 100 A/㎟보다 큰 전류 밀도가 인가되고, 상기 2차 코일들의 자계가 축에 대해 평행하게 배향되는 것을 특징으로 하는 선형 발전기.
  25. 제1항, 제3항 내지 제19항 및 제24항 중 어느 한 항에 따른 선형 발전기를 구비한 파력 발전소.
  26. 삭제
  27. 삭제
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