KR101285856B1 - 파력 발전 장치 및 그를 위한 지지 구조물을 포함하는 설비 - Google Patents

파력 발전 장치 및 그를 위한 지지 구조물을 포함하는 설비 Download PDF

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Abstract

파력 발전 장치(302)는, 각각 자유단에 부유체(324)를 지지하고 있는 복수의 회전할 수 있도록 지지된 암(322)을 포함하고 있어서 파도에 의한 부유체의 병진운동에 의해 상기 암이 회전한다. 파력 발전 장치는, 예를 들면 유압 시스템과 같은 파도에서 암들로 전달되는 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단(128, 130)을 포함한다. 복수의 장치가 1열로 배치되어 암의 열을 지나는 파도에 의해 암이 연속적으로 상호 위상 변화를 하면서 선회한다. 이로 인해 일정한 에너지 출력을 얻을 수 있고, 주파수 변환기의 필요성이 줄어들거나 없어질 수 있다. 바람직하게는, 각각의 암은 유압 시스템의 유압 실린더(328)에 연결되어, 복수의 암은 유압 매체를 공동 유압 도관(180)을 통해 유압 모터 또는 모터들로 공급한다.
Figure R1020077026533
파력 발전 장치, 암, 부유체, 에너지 변환 수단, 유압 리프팅 시스템, 펌프, 유압 실린더

Description

파력 발전 장치 및 그를 위한 지지 구조물을 포함하는 설비{AN INSTALLATION COMPRISING A WAVE POWER APPARATUS AND A SUPPORT STRUCTURE THEREFOR}
본 발명은 해파(sea wave) 또는 해양파(ocean wave)의 파력을 전기와 같은 유용한 에너지로 변환하는 파력 발전 장치를 포함한 설비에 관한 것이다. 본 발명에 따른 설비는, 특히 편리하게 건설될 수 있고 일정한 전력이 출력될 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
해파는, 효율적으로 개발된다면, 세계 에너지 문제의 상당 부분을 해결할 수 있는 거의 무한한 에너지원을 구성하는 것으로 잘 알려져 있다. 그러나, 해파 에너지 개발에 대한 많은 노력에도 불구하고, 해파 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 상업적으로 성공한 시스템은 아직 고안되지 않았다.
일반적으로, 3가지 다른 형태의 파력 발전 장치가 선행기술로 제안되어 있다. 첫 번째 장치는, 미국 특허 공보 6,476,511호에 개시된 장치로서, 단부들이 서로 연결되어 관절 연결식 체인형 구조를 형성하는 복수의 원통형 부력체 부재들을 포함한다. 각 인접 원통형 부재 쌍은, 원통형 부재들의 가로축(transverse axis)에 대한 상대 회전 운동을 가능하게 하는 커플링 부재에 의해 서로 연결된다. 인접 커플링 부재는 상호 수직한 가로축에 대한 상대 회전 운동을 가능하게 한다. 각 커플 링 부재에는, 원통형 부재의 상대 회전 운동으로부터의 동력에 저항하고 그로부터 동력을 뽑아내는 한 세트의 유압 램(hydraulic ram)과 같은 요소들이 제공된다. 상기 장치는 해수면에 자유롭게 떠 있고 해저(sea floor)에 고정된다.
두 번째 형태의 파력 발전 장치는, 예를 들면 미국 특허 공보 4,453,894호에서와 같이, 파도의 작용에 의해 해수면을 따라 운동할 수 있는 하나 이상의 수면 부유체(surface float)와 일정 깊이의 바다 속에 완전히 잠겨 있어서 실질적으로 파도의 영향을 받지 않는 기준 부재(reference member)를 포함한다. 해수면에서의 부유체의 운동으로 인해, 표면 부유체 또는 표면 부유체들과 기준 부재를 서로 연결시키는 유압 장치를 포함한 유압 시스템에서 유압유가 이동하며, 이로 인해 유압 시스템으로부터 유용한 에너지가 추출될 수 있다. 본 장치 또한 해저에 고정됨을 알 수 있다.
끝으로, 세 번째 형태의 파력 발전 장치는, 파도에 의해 이동하는 하나 이상의 부유체를 구비한 지지 구조물에 의해 지지되는 하나 이상의 암(arm)을 구비한 것이다. 이동하는 파도의 에너지는, 미국 특허 공보 4,013,382호에 개시된 시스템에서와 같이 암으로 전달되어 유압 시스템으로 전달될 수 있고, 또는 국제 특허 공개 공보 WO 01/92644호에 개시된 시스템에서와 같이 기계식 전동 시스템을 거쳐 하나 이상의 전기 생산용 전기 발전기를 구동시키는 축들로 구성된 기계 시스템으로 전달될 수 있다.
본 발명은, 일반적으로, 상술한 세 번째 형태의 파력 발전 장치와 관련이 있다. 본 발명의 바람직한 실시예의 목적은, 편리하고 저비용으로 건설될 수 있는 설 비를 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 목적은, 파력 발전 장치의 에너지 변환 수단의 출력이 일정한, 즉 시간에 대해 실질적으로 일정한 에너지가 출력되는 파력 발전 장치를 구비한 설비를 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 목적은, 주파수 변환기의 필요성을 감소시키거나 주파수 변환기가 필요하지 않은 시스템을 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 목적은, 예를 들어 작동 중 장치의 여러 부분에 결빙이 발생하는 것을 방지하기 위해 작동을 편리하게 멈출 수 있는 파력 발전 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 목적은, 정비를 위해 암과 부유체에 편리하게 접근할 수 있도록 구성된 장치, 가장 바람직하게는 부유체가 각각 제공된 복수의 암을 포함하는 시스템에서 정비를 위해 개별 암과 개별 부유체에 접근할 수 있도록 구성된 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예의 또 다른 목적은, 육상 생산 시설로부터 공해(open sea)상의 작동 장소로 편리하게 운반될 수 있는 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 현존하는 육상 구조물 또는 해상 구조물에 부착될 수 있는 파력 발전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은, 각각 일 단부가 축에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 지지된 단부의 반대쪽 단부가 부유체를 지지(carry)하도록 구성된 복수의 암으로서 파도에 의한 부유체의 병진 운동에 의해 암이 축을 주위로 회전하도록 구성된 복수의 암과, 파도로부터 암으로 전달된 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단을 포함하며, 상기 복수의 암이 1열로 배치되어 암의 열을 통과하는 파도에 의해 암이 연속적으로 축 주위를 선회하며, 상기 암들이 상호 이격되게 배치되어 파도의 통과로 인해 암들이 상호 위상 이동되면서 선회하며, 상기 암과 에너지 변환 수단은 해저 또는 지면에 영구적으로 고정된 지지 구조물에 의해 지지되도록 구성된 파력 발전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비를 제공한다.
상기 지지 구조물은, 지면 또는 절벽 형상 등의 천연적으로 형성된 형성물과 같은 현존하는 구조물 또는 인공 둑(mole), 방파제(breakwater), 부두(pier) 또는 돌제(jetty) 등의 사전 건설된 구조물을 포함하거나, 또는 석유 시추 시설(oil rig)등의 석유 또는 가스 탐사 시설과 같이 애초에 다른 목적으로 준비된 해양 구조물을 포함할 수 있다.
따라서 사전 건설된 지지 구조물 덕분에, 파력 발전 장치는 저비용으로 설치될 수 있다. 인공 둑, 방파제 등과 같은 육상 지지물의 경우에는, 보수 인원 및 보수 장비를 육상 운송 수단을 이용하여 장치로 편리하게 수송할 수 있기 때문에 저비용으로 파력 발전 장치의 보수가 가능하다는 추가 장점이 있다. 또한, 인원을 해상 시설로 이동시킬 필요가 없기 때문에, 관리 및 작업의 최적화가 용이하다.
각 암은 세로 방향(longitudinal direction)으로 연장(또는 형성)될 수 있고, 지지 구조물은 상기 세로 방향에 교차되는 방향으로 연장될 수 있다. 이는, 예를 들면 이상 기후 조건 및/또는 이상 파도 조건에서 암을 바다 밖으로 들어올리기 위해, 암이 지지 구조물로부터 멀어지는 방향으로 연장되도록 한다. 암으로의 접근을 용이하게 하기 위해, 각 암은 지지 구조물을 따라서 상호 이격되게 배치된 상태로 지지 구조물에 의해 개별적으로 지지된다.
지지 구조물은 해수면 위의 부분을 포함할 수 있으며, 이 경우 각 암이 상기 해수면 위의 지지 구조물 부분에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 각 암을 지지하는 축 또는 축들은 베어링부를 형성하는 것이 바람직하며, 각 암은 지지 구조물에 고정된 적어도 한 개의 베어링에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 각 암은 지지 구조물에 고정된 트러스 구조물에 의해 지지될 수 있다.
상술한 바와 같이, 각 암은 지지 구조물로부터 멀어지는 방향으로 세로로 연장되는 것이 바람직하며, 따라서 각 암은 수평 위치에서 적어도 선회가능하다. 따라서, 각 암은 이상 기후 조건 및/또는 이상 파도 조건에서 해수면 밖으로 들어 올려질 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 암은 수평 위치보다 더 높은 위치, 즉 각 암의 종단부(tip)가 암의 선회 축보다 더 높게 되는 위치로 들어 올려질 수 있다.
다양한 조수(tide)에서 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해, 각 암의 회전 지지부는, 암의 회전각이 수평 위치에 대해, 바람직하게는 수평 위치로부터 적어도 -30°가 되도록 할 수 있다. 따라서, 본 장치는, 적어도 암의 길이에 sin(30°)를 곱한 값, 즉 암 길이의 절반에 해당하는 값의 범위 내에서 변하는 물 높이를 보상할 수 있다. 예를 들어, 암의 길이가 10m인 경우, 회전 지지부는 조수에 의한 5m의 물 높이 편차를 보상할 수 있다. 추가 편차를 보상하기 위해, 각 암의 회전 지지부는 암의 회전각이 적어도 -45°가 되도록 할 수 있다.
파력 발전 장치를, 예를 들면 아래에 설명되는 바와 같은 폭풍 조건 또는 결빙 조건으로 인한 손상으로부터 효과적으로 보호하기 위해, 각 암의 회전 지지부는, 암의 회전각이 수평 위치에 대해 적어도 +10°가 되도록, 즉 부유체를 바다 밖으로 들어올리게 할 수 있고, 부유체는 바다 표면 또는 대양 표면 위의 위치에 고정될 수 있다.
암은 상호 이격되게 배치되는 것이 바람직하고, 따라서 항상 적어도 2개의 암이 에너지 기여분(power contribute)을 에너지 변환 수단에 동시에 전달한다. 에너지 변환 수단은 각각의 암과 연결된 유압 작동기를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 유압 작동기는 유압 매체를 공동 유압 도관(shared hydraulic conduit)을 거쳐 적어도 하나의 유압 모터로 공급한다. 따라서, 에너지 변환 수단에서 일정한 에너지 출력을 얻을 수 있다. 이는 특히, 개별 작동기의 에너지 기여분의 합은 본질적으로 시간에 대해 일정하기 때문에, 복수의, 예를 들면 60개의 암, 부유체 및 작동기를 포함하는 장치의 실시예의 경우에 그러하다. 유압 모터의 압력 측면에 있어서 가능한 압력 리플(pressure ripple)은, 공동 유압 도관과 유체 연결되도록 배치된 그 자체로 알려진 스파이크 억제 장치(spike suppression device)에 의해 근본적으로 제거될 수 있다. 바람직하게는, 모든 에너지 기여분의 합은 특정 파도 상태(wave climate), 즉 특정 파도 높이 및 특정 파도 주파수에서 본질적으로 일정하다. 유압 모터는 회전당 가변 변위 체적(variable displacement volume)을 갖는 유압 모터인 것이 바람직하다. 파도 상태의 변화는 모터의 분당 회전수(rpm)를 본질적으로 일정하게 유지하기 위해 모터의 회전당 변위 체적을 제어하는 제어 회로에 의해 보상될 수 있다. 주파수 변환기를 사용하지 않고 주어진 주파수에서 교류를 발생시키기 위해서, 모터의 분당 회전수(rpm)는 +/-0.1~0.2% 내에서 제어될 수 있어야 한다. 다른 형태의 유압 모터가 적용되는 경우 또는 분당 회전수가 정확하게 제어되지 않는 경우, 발생된 교류의 주파수를 정교하게 조정하기 위해 주파수 제어기가 사용될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 장치는, 적어도 5개 암, 일례로 적어도 20개의 암, 바람직하게는 적어도 40개 암, 바람직하게는 50~80개 암, 예를 들어 60개를 일례로 하는 55~65개 암을 포함한다. 본 장치의 암은 해파의 파장당 적어도 5개 암, 바람직하게는 적어도 10개 암이 제공되도록 분포되는 것이 바람직하다. 공해상에서 해파의 파장은 전형적으로 50~300m, 일례로 50~200m이다. 보호 수역에서 파도의 파장은 전형적으로 5~50m이다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 장치는 적어도 두 파장에 걸친다. 이것은 암과 부유체의 열이 파도의 진로(heading)에 대해, 예를 들면 +/-60°와 같이 상대적으로 큰 각도로 배치될 수 있도록 하며, 부유체의 열 방향으로 투영된 파장은 적어도 2×cos(60°) 파장, 즉 적어도 한 파장에 걸치고, 이로 인해 에너지 기여분이 항상 전달되는 것이 보장된다.
복수의 암들은, 예를 들면 국제 특허 공개 공보 WO 01/92644호에 개시된 바와 같은 별, V, 또는 육각형 구성을 가진 하나 또는 그 이상의 열로 배치되는 것이 바람직하다. 파도 에너지를 효율적으로 개발하기 위해, 암의 열은 파도 진로에 대해 +/-60°이내의 각을 형성하도록 파도 진로에 대한 방향을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 장치의 효율은 부유체의 건조 무게(dry weight)에 대한 부유체 부력이 증가함에 따라 증가한다고 알려져 있다. 따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 부유체 부력은 그 건조 무게의 적어도 10배, 일례로 적어도 20배, 30배 또는 50배, 바람직하게는 20~40배이다. 예를 들면, 부유체의 건조 무게는 일반적으로, 소금물의 부력이 일반적으로 약 1050kg/㎥ 이므로 세제곱 미터당 100kg 또는 그 이하이다. 부유체는, 일반적으로 강화 유리 섬유 복합재(reinforced glass fiber composites) 또는 유리 섬유와 탄소 섬유 복합재의 화합물로 코팅된, 저중량 경질 발포재(foam material) 또는 발사 목(balsa wood)으로 만들어진다. 선택적으로, 부유체는 강화 섬유 재료의 샌드위치 층으로 만들어질 수 있으며, 경질 발포재가 샌드위치 층의 중간부 및 부유체의 바닥부와 상부에 제공되고, 상기 발포재 층은 강화 섬유 재료로 구성된 벌집(honeycomb) 구조물에 의해 분리된다.
효율은 또한 부유체 높이에 대한 부유체 직경이 증가함에 따라 증가한다. 바람직하게는, 부유체 직경은 부유체 높이의 적어도 5배, 일례로 적어도 7배, 일례로 10배 또는 5~20배가 된다. 바람직한 실시예에 있어서, 부유체는 본질적으로 원형 단면을 가지며, 부유체의 유체역학적 특성을 향상시키기 위해 유선형으로 동작하도록 둥근 모서리부를 가질 수 있다.
각 부유체는 볼록한 바닥 면, 바람직하게는 이중-볼록 면, 즉, 예를 들어 반구형인 두 개의 가로 평면에서의 볼록 면을 형성할 수 있다. 응용에 있어서, 부유체의 저중량이 중요한 것은 아니기 때문에, 또는 상대적으로 고중량의 부유체가 바람직하기 때문에, 부유체는 철근 콘크리트(reinforced concrete) 또는 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete)등의 콘크리트와 같은 밀도가 적어도 1000kg/m3인 재료로 제작될 수 있다. 콘크리트는 전 세계에서 저비용으로 가용한 광범위하게 사용되는 재료이므로, 파력 발전 장치의 부유체는 콘크리트로부터 저비용으로 성형될 수 있다.
에너지 변환 수단은 유압 구동 모터가 구비된 유압 구동 시스템을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 각 암은 유압 구동 시스템의 유압 매체를 유압 모터로 이동시키는 적어도 하나의 작동기에 의해 유압 구동 시스템에 연결될 수 있고, 상기 작동기(들)는 유압 매체를 유압 도관을 거쳐 모터로 이동시키도록 배치된다. 복수의 암과 복수의 작동기가 있는 경우, 유압 매체는 공동 유압 도관을 거쳐서 모터로 이동되는 것이 바람직하다. 다시 말해, 복수의 유압 작동기는 공동 유압 도관 시스템을 거쳐서 하나의 단일 유압 모터로 유압 매체를 공급할 수 있다. 가장 바람직하게는, 유압 매체는, 모터로 방출되는 압력이 가해진 상태로 유압 매체를 축적하는 유압 저장 탱크에 축적되지 않는다. 따라서, 작동기는 유압 매체를 유압 모터로 직접 공급한다. 그러나, 아래에 언급된 바와 같이, 일련의 유압 축압기(accumulator)는 유리하게는 완전히 다른 목적, 즉 부유체를 파도 골(wave trough) 부근의 파도 속으로 들어가게 하는 데 사용될 수 있다. 복수의 작동기들이 에너지를 모터로 동시에 전달하는 바람직한 실시예에 있어서와 같이, 공동 유압 시스템에 있어서 복수의 작동기로부터 에너지가 한번에 전달될 수 있으므로 모터는 실질적으로 일정한 속도 및 실질적으로 일정한 입력 에너지로 운전될 수 있기 때문에, 유압 저장 탱크는 필요하지 않다.
하나 이상의 단일 유압 모터가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 바람직하게는 둘, 셋, 또는 그 이상의 모터가 공동 유압 도관의 단부에 병렬로 배치될 수 있다. 따라서, 공동 유압 도관을 통해 전달되는 에너지는 복수의 모터를 구동시킬 수 있다. 만일, 예를 들어 유압 구동 시스템이 4MW를 생산한다고 하면, 각각 500kW를 전달하는 8개의 모터가 공동 유압 도관에 병렬로 연결될 수 있다. 모터는 동일한 공칭 출력을 전달하거나 다른 공칭 출력을 전달할 수 있다. 예를 들어 하나의 모터는 400kW를 전달하고 하나는 500kW를 전달하는 식이 될 수 있다.
모든 유압 모터들은 적어도 하나의 공통 발전기를 구동시키는 동일한 관통하여 지나는 축(through-going shaft)을 통해 또한 연결될 수 있거나, 모든 유압모터들은 적어도 하나의 공통 발전기를 구동하는 하나의 톱니바퀴(cog wheel)를 구동할 수 있다.
유압 시스템이 암(들)과 부유체(들)를 원하는 어떠한 방향으로라도 향하게 할 수 있도록, 작동기 각각은, 에너지를 암에서 뽑아내 유압 시스템으로 전달하고, 예를 들면 유압 축압기와 관련하여 아래에 상세히 설명된 것처럼 부유체를 파도 골 근처의 파도에 들어가게 하기 위해 에너지를 유압 시스템에서 암으로 공급하는데 사용될 수 있는 복동 실린더(double-acting cylinder)를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 장치는, 파도 싸이클에 있어서의 에너지 출력이 증가하도록 부유체가 이동하는 수직 거리를 증가시키기 위해, 파도 골에서 부유체(들)를 파도로 들어가게 하는 수단을 포함한다. 상기 수단은 예를 들어, 유압 구동 시스템에서 간헐적으로 에너지를 저장하는 하나 이상의 유압 축압기를 포함할 수 있다. 유압 축압기에 저장된 에너지는 유리하게는 부유체가 파도 마루에서 물 밖으로 나옴에 따른 위치 에너지의 방출로부터 얻을 수 있다. 다시 말해서, 부유체가 파도 마루 근처의 파도에 잠긴 위치로부터 물 위의 위치로 이동함에 따라, 위치에너지가 방출된다. 상기 에너지는 축압기나 일련의 축압기들에 저장될 수 있고, 다른 축압기들은 다른 압력들, 예를 들면 축압기의 개수에 따른 압력 단계에서 충전된다. 이러한 유압 축압기를 포함하는 실시예에 있어서, 유압 구동 시스템은, 암에 의해 지지되는 부유체를 파도로 들어가게 하기 위해, 부유체가 파도 골을 지날 때 축압기(들)에 저장된 에너지를 방출하도록 제어될 수 있다. 축압기 시스템의 효율을 증대하기 위해, 바람직하게는 다른 압력 단계에서 유압 매체를 저장하는 적어도 2개, 일례로 3~20개, 일례로 6~12개의 복수의 축압기들이 사용될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 부유체는 일정한 거리를 지나 파도 골 근처의 파도 속으로 들어가도록 운전되며, 그 후에 부유체는 파도 속에 잠긴 상태로 파도의 위쪽으로 이동하고, 파도 마루에서 부유체는 방출, 즉 물 밖으로 나가게 된다. 상술한 바와 같이, 부유체가 파도 마루에서 방출됨에 따라 방출되는 에너지는, 부유체를 파도 속으로 들어가게 하기 위한 에너지가 저장되는 하나 이상의 유압 축압기를 충전하는데 사용된다. 따라서, 부유체가 파도 마루 근처에서 파도 밖으로 이동함에 따라 방출되는 위치 에너지는 손실되지 않는다. 반대로, 상기 에너지는 부유체를 파도 골에서 파도 속으로 들어가도록 하는데 사용되며, 이로 인해 부유체가 이동한 총 수직 거리는 증가한다. 결과적으로, 파도 싸이클의 에너지 출력은 증가한다. 파도 높이 1.5m에서 부유체가 이동한 수직 거리는 약 0.75m에서 약 1.5m로 증가할 수 있고, 따라서 에너지 출력을 2배로 할 수 있다고 예측된다. 부유체가 파도 골에서 파도 속으로 들어가도록 하는데 사용되는 에너지는, 파도 마루에서 부유체를 방출함에 의해 에너지가 제공되므로, 구동 시스템에서 근본적으로 손실이 없다.
시스템을 정확하게 제어하기 위해서, 각 실린더 또는 실린더들 중 선택된 적어도 하나의 실린더에는 실린더 피스톤의 위치 및/또는 이동 속도 결정용 센서가 제공될 수 있으며, 상기 센서는 실린더 및 관련 밸브의 제어 유닛에 신호를 보내도록 배치되어 개별 실린더에서 유압 구동 시스템의 잔여 부분으로의 에너지 전달이 개별 실린더의 피스톤 위치 및/또는 이동 속도를 나타내는 신호에 응하여 개별적으로 제어될 수 있다. 따라서, 실린더들은 개별적으로 제어될 수 있고, 어느 한 실린더는 나머지 실린더들이 작동되는 동안에도, 예를 들면 정비를 위해 작동이 정지될 수 있기 때문에, 전체 시스템은 근본적으로 어느 한 단일 실린더의 철수(withdrawal)에 의해 영향을 받지 않을 것이다. 센서는 부유체를 물속으로 누르는 것을 제어하는 데, 즉 상술한 일련의 축압기의 압력 방출을 제어하는 데 또한 사용되는 것이 바람직하다. 센서는 축압기의 충전을 제어하는 데, 즉 파도 마루의 통로를 결정하는 데에 또한 사용될 수 있다. 또한, 센서는 파도 마루에서의 부유체 방출을 제어하는 데, 즉 부유체가 새총을 쏘아 나가는 것과 같이 튀어 나가는 것을 방지하는 데 유용하다. 센서는 유압 구동 시스템의 각 개별 작동기의 에너지 출력을 모니터링하는 데 또한 사용될 수 있기 때문에, 개별 작동기들의 에너지 출력과 이러한 전체 장치는 최적화될 수 있다.
일부 선행 기술 시스템은 파력을 유용한 에너지로 변환하는 수단을 지지하기 위한 잠긴 기준 부재 또는 육상 지지물에 의존하지만, 파도 에너지는 공해상에서 가장 효율적으로 개발되는 것으로 알려져 왔다. 따라서, 본 발명의 장치는 해저에 고정된 지지 구조물을 포함하는 것이 바람직하다. 현재의 바람직한 실시예에 있어서, 지지 구조물은 흡입 앵커(suction anchor) 또는 선택적으로 중력 기초부에 의해 해저에 고정되거나 스터드(stud)가 있는 바위가 많은 해저에 고정된다. 지지 구조물은, 유리하게는, 흡입 앵커가 구조물의 제1 마디 점(nodal point)에 배치된 트러스 구조물을 포함할 수 있다. 본 장치의 적어도 하나의 암 및 바람직하게는 모든 암들은 트러스 구조물의 제2 마디 점, 가장 바람직하게는 트러스 구조물의 삼각형 하부 구조물의 꼭지점에서 지지된다. 삼각형 하부 구조물은, 구조물을 해저에 부착시키는 수단을 각 모서리에 구비한 상태로, 해저에 두 꼭지점을 형성할 수 있다. 바람직하게는, 상기 부착 수단은, 예를 들면 중력 기초부 또는 흡입 앵커에 의해 적어도 부분적으로 해저에 묻힌다. 상기 부착 수단은 트러스 구조물의 마디 점에 배치되기 때문에, 부유체의 부력에 의한 트러스 구조물에서의 수직 방향 힘이 효율적으로 상쇄될 수 있다. 상술한 바와 같은 트러스 구조물은 지지 구조물의 전체 무게를 작게 하면서 시스템의 최대 안정도를 보장한다.
선행 기술 시스템에 있어서 일반적인 하나의 문제점은, 폭풍 또는 허리케인에 의해 발생하는 극심한 충격에 의해 파력 발전 장치의 부유체, 암 및 다른 부분이 손상되는 것을 방지하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예는 파력 발전 장치가 극심한 해파 조건을 견뎌낼 수 있게 하는 특징을 제공하는 것이다. 상기 실시예는 부유체를 바다 밖으로 들어올리고 해수면 위 상부 위치에 고정시키기 위한 유압 리프팅 시스템을 포함한다.
유압 리프팅 시스템은 부유체를 바다 밖으로 들어올리기 위해 유압 매체를 실린더 안으로 펌핑하는 하나 또는 그 이상의 펌프를 포함하는 것이 바람직하다.
유압 리프팅 시스템으로 인해, 예를 들어 폭풍이 발생하기 전 또는 결빙이 발생하기 전에 부유체는 바다로부터 들어 올려지고 해수면 위의 고정된 위치에서 유지될 수 있다. 따라서, 부유체가 바다로부터 들어 올려진 경우 부유체에 가해지는 유일한 충격은 바람의 충격이며, 이 바람의 힘은 파도의 힘에 비해 매우 작다. 일 실시예에 있어서, 암은, 유압 리프팅 시스템에서 유압을 발생시킴으로써 암을 바다 밖으로 이동시키고 상기 리프팅 압력을 유지하기 위해, 바람직하게는 원뿔형 잠금 핀을 이용하여 적절히 밸브를 잠금으로써, 물 밖으로 들어 올려질 수 있다. 유압 리프팅 시스템은 멀리 떨어진 육지에서 제어되거나, 파력 발전 장치의 일부분을 구성하며 예를 들면 연속적으로 풍속을 측정하는 전자 장비로부터 얻어지는 신호와 같은 폭풍 조건을 나타내는 신호에 반응하여 작동하는 제어 시스템에 의해 제어될 수 있다. 제어 시스템은 소정의 파도 높이에서 부유체와 암을 물에서 철수시키도록 프로그램될 수 있다. 예를 들어, 파도 높이는 소위 "100년 파도(100-year wave)"로 불리는 본 장치의 작동 위치에서 가장 크게 예측된 파도의, 예를 들면 30%와 같은 특정 부분이 될 수 있다. 20m의 바다 깊이에서, 높이가 약 18m라고 하면, 제어 시스템은 약 6m의 파도 높이에서 부유체와 암을 바다 밖으로 꺼낸다. 파도 높이는 기계적, 광학적, 전자기적, 또는 음향학적 시스템, 예를 들면 해저에 배치된 압력 변환기가 있는 압력 변환 시스템, 부유체에 배치된 에코 사운드 시스템, 파력 발전 장치의 고정된 지지 구조물에 배치되고 파도의 표면을 향해 위쪽을 향하거나 물 표면을 향하여 아래쪽을 향하는 공기 중에서 작동하거나 부유체 및/또는 고정된 지지 구조물에 배치된 예를 들어 레이저와 같은 빛 발산 또는 접수 수단을 갖는 센서 시스템에 의해 측정될 수 있다. 선택적으로, 구조물에 레이더 시스템이 제공될 수 있다. 리프팅 시스템에서 유압 매체의 압력은 유압 리프팅 시스템의 펌프 구성 부분에 의해 생성될 수 있다. 선택적으로, 상기 압력은 가압된 유압 매체를 적절한 유압 축압기에서 방출함에 의해 생성될 수 있다. 축압기는 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 있어서 에너지 변환 수단에 포함된 유압 구동 시스템에 의해 충전된다. 예를 들어, 유압 리프팅 압력 전달용 축압기는, 아래에 상세히 설명되는 바와 같이 파도 골에서 부유체를 파도에 들어가도록 하는, 소위 축압기 배터리(accumulator battery)에서의 축압기 또는 복수의 축압기들이 될 수 있다.
유압 리프팅 시스템은 각각의 부유체를 바다 밖으로 개별적으로 들어올리는 데에 적합하도록 되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 리프팅 시스템은, 각각 유압 회로는 암들 중 하나의 암과 결합되고 암과 부유체를 바다 밖으로 들어올리기 위해 유압 회로를 가압하는 밸브 및/또는 펌프 수단을 포함하는 복수의 유압 회로를 포함할 수 있다. 일 실시예에서 유압 리프팅 시스템은 회로 수보다 적은 수의 펌프를 포함하며, 따라서 펌프 또는 각 펌프는 복수의 회로에 연결되고, 관련 밸브를 포함한 각각의 회로는 하나의 암에 지정된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 에너지 변환 수단과 암들은, 바다에서 유지되는 암들이, 하나 또는 그 이상의 다른 암들이 바다 밖으로 들어 올려지는 동안 에너지를 에너지 변환 수단으로 전달할 수 있도록 배치된다. 본 명세서에 참고자료로 인용된 국제 특허 공개 공보 WO 01/92644호에 개시된 에너지 변환 수단을 포함하는 실시예에 따르면, 바다 밖으로 들어 올려진 암들은 에너지 변환 수단의 구동 축 주위를 자유 회전할 수 있다. 암의 이동이 유압 구동 시스템에서 압력을 발생시키는, 유압 에너지 변환 수단에 기초한 실시예는, 예를 들어 바다 밖으로 들어 올려진 하나의 암과 연결된 유압 작동기와 같은 에너지 변환 수단의 작동을 멈추게 하는 수단을 포함할 수 있다. 현재의 바람직한 실시예에 있어서, 암은, 예를 들면 암을 들어올리고 고정하는 데 사용되는 복동 실린더와 같은 암 작동기에 의해 바다 밖으로 들어 올려지고 상승된 위치에서 고정된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 수평 힘 요소에 덜 취약한 안정적인 암 또는 암들의 회전 지지부를 제공하는 문제에 대한 해결책을 또한 제공한다. 미국 특허 공보 4,013,382호에 개시된 구조물은 파도에 의해 생성되는 수평 힘 요소 때문에 불안정하게 될 수 있다는 것을 알 수 있다. 좀더 상세히 말하면, 연결봉의 베어링이 단순한 핀에 의해 구성되고, 상기 베어링에 약간의 느슨함이라도 발생하면 연결봉과 그 지지대에 돌이킬 수 없는 손상을 일으키게 된다. 그러므로 미국 특허 공보 4,013,382호에 개시된 장치는 공해상에, 즉 상대적으로 큰 파력이 존재하는 바다에 설치되기에는 적합하지 않다. 국제 특허 공개 공보 WO 01/02644호에 개시된 구조물도, 로커 암을 지지하고 로커 암 파이프와 힘 축을 연결하는 일 방향 베어링에 발생하는 아주 작은 느슨함이라도 상기 베어링에 손상을 줄 수 있다는 단점을 또한 갖고 있다. 또한, 약 40개의 로커 암 전체가 하나의 단일 힘 축에 의해 지지되는 국제 특허 공개 WO 01/02644호의 장치는 매우 강한 힘 축을 필요로 하며, 요구되는 에너지를 전달할 수 있도록 하는데 필요한 크기 때문에, 상기 힘 축은 암에서 힘 축으로 전달되는 모멘텀 때문에 필요한 큰 크기에 의한 무게 때문에 실시하기 어려울 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예는 장치를 수평 힘 요소에 덜 취약하도록 하는 개선된 암 지지부를 제공한다. 따라서, 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 장치는 응력이 미리 가해지고(pre-stressed) 본질적으로 느슨함이 없는 한 쌍의 베어링을 포함한다. 따라서 상기 베어링은 반경 방향 힘과 축 방향 힘을 효율적으로 상쇄시킬 수 있고, 결과적으로 파도에 의한 수평 힘 요소를 견뎌낼 수 있다. "느슨함 없는 베어링(slack-free bearing)"이라는 용어는 수평 방향과 축 방향에서 느슨함이 없는 어떠한 베어링이라도 포함한다고 이해되어야 한다. 예를 들어, 상기 한 쌍의 베어링은 베어링의 원뿔(conical) 면이 서로 반대 방향으로 향하도록 하는 2개의 원뿔(conical) 베어링을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 베어링은 압력 윤활(pressure-lubricated)된다.
다른 실시예에 있어서, 베어링은 내측 링 및 외측 링 또는 실린더를 포함하며, 상기 내측 링은 암의 회전축에 고정되고, 상기 외측 링은 고정 지지대에 고정되며, 상기 베어링은 내측 링과 외측 링 사이에 유연성 재료를 또한 포함한다. 작동 중, 내측 링은 외측 링에 대하여 회전하고 그에 따라 유연성 재료가 비틀어진다. 유연성 재료의 강도를 조절하기 위해, 재료에 적어도 하나의 공동(cavity)이나 천공(perforation)이 제공된다. 유연성 재료는, 예를 들면 판 스프링과 같은 스프링 부재를 포함한다. 구멍의 적절한 위치 선정에 의해 또는 스프링 부재의 적절한 설계에 의해, 베어링 지지부는 한 방향에서 다른 방향에서보다 더 큰 힘-지지 용량을 가지도록 설계될 수 있다.
암은 그 중심축으로부터 편심(offset)된 두 설치 지점에서, 중심축이 암의 회전축과 일치하는 베어링에 의해 지지되는 것이 바람직하다. 각각의 암이 개별 베어링에 연결되고 개별 베어링에 의해 지지되므로, 안정적인 암 회전 지지부가 제공될 수 있다. 특히 두 베어링이 바람직하게는 암의 회전축을 따라 상호 이격되어 배치되므로, 부유체에 대한 수평 힘 요소에서 생기는 축에서의 충격은 상쇄될 수 있다.
따라서 본 장치의 구조물은 선행 기술 장치의 구조물에 비해 더욱 안정적임을 알 수 있다. 본 장치는 주로 해상 구조물로서 의도되었기 때문에, 안정성은 해상 위치에서의 정비 비용 때문에 중요한 관심사다. 해상 위치에서의 정비 비용은 일반적으로 육지에서의 정비 비용에 비해 평균 10배 더 높다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 본 발명은, 각각 일 단부가 축에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 지지된 단부의 반대쪽 단부가 부유체를 지지하도록 구성된 복수의 암으로서 파도에 의한 부유체의 병진 운동에 의해 암이 축을 주위로 회전하도록 구성된 복수의 암과, 파도로부터 암으로 전달된 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단을 포함하며, 상기 복수의 암이 1열로 배치되어 암의 열을 통과하는 파도에 의해 암이 연속적으로 축 주위를 선회하며, 상기 암들이 상호 이격되게 배치되어 파도의 통과로 인해 암들이 상호 위상 이동되면서 선회하도록 구성된 파력 발전 장치용 구조물로서, 해저면 또는 지면에 영구적으로 고정된 구조물의 용도에 관한 것이다.
파력 발전 장치는 지지 구조물에 영구적으로 또는 분리가능하게 부착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 지지 구조물은, 예를 들어 석유 시추 장비가 석유 시추용으로 사용되는 것과 같이 최초 건설 목적용으로 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 지지 구조물은 그 최초 목적과의 관계에 있어서 단계적으로 제거될 수 있고, 구조물을 제거하는 대신에 파력 발전 장치의 구조물로서 사용될 수 있다.
구조물은 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 오일 시추 장비를 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 태양에 대한 장점이 본 발명의 제2 태양에 따른 발명에도 또한 적용될 수 있다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 본 발명은, 각각 일 단부가 축에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 지지된 단부의 반대쪽 단부가 부유체를 지지하도록 구성된 복수의 암으로서 파도에 의한 부유체의 병진 운동에 의해 암이 축을 주위로 회전하도록 구성된 복수의 암과, 파도로부터 암으로 전달된 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단을 포함하며, 상기 복수의 암이 1열로 배치되어 암의 열을 통과하는 파도에 의해 암이 연속적으로 축 주위를 선회하며, 상기 암들이 상호 이격되게 배치되어 파도의 통과로 인해 암들이 상호 위상 이동되면서 선회하도록 구성된, 바다에서의 파력 발전 장치 건설 방법으로서, 파력 발전 장치를 해저면 또는 지면에 영구적으로 고정된 지지 구조물에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바다에서의 파력 발전 장치 건설 방법에 관한 것이다.
파력 발전 장치는 지지 구조물에 영구적으로 또는 분리가능하게 부착될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 지지 구조물은, 예를 들어 석유 시추 장비가 석유 시추용으로 사용되는 것과 같이 최초 건설 목적용으로 사용될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 지지 구조물은 그 최초 목적과의 관계에 있어서 단계적으로 제거될 수 있고, 구조물을 제거하는 대신에 파력 발전 장치의 구조물로서 사용될 수 있다.
구조물은 방파제, 인공 항구, 부두, 돌제, 절벽 또는 오일 시추 장비를 포함할 수 있다. 본 발명의 제1 태양에 관한 장점이 본 발명의 제3 태양에 따른 발명에도 또한 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조로 하여 이하 설명된다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 파력 발전 장치 실시예의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 파력 발전 장치 실시예의 트러스 구조물의 3가지 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 부유체의 벌집 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 도 1 및 도 2의 장치의 암을 위한 지지 구조물을 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 13은 본 장치의 암을 위한 다양한 베어링 조립체를 도시한 도면이다.
도 14 내지 도 17은 본 발명에 따른 장치 실시예의 유압 구동 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 18은 부유체를 바다 밖으로 들어올리기 위한 유압 리프팅 시스템을 개략 적으로 도시한 도면이다.
도 19는 두 파도 마루를 가로질러서 연장되는 부유체 열을 포함한 파력 발전 장치를 도시한 도면이다.
도 20은 선행 기술 파력 발전 장치의 유압 구동 시스템의 공급 라인에 있어서의 유압과 본 발명에 따른 장치의 실시예에 있어서 유압을 시간에 대한 함수로 각각 도시한 도면이다.
도 21은 파도를 교차하여 부유체가 지나간 2가지 다른 경로를 도시한 도면이다.
도 22는 파도 골에서 부유체를 파도 속으로 들어가도록 하는 축압기를 구비한 유압 구동 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 23은 유압 저장 시스템에서 에너지가 순차적으로 축적됨을 도시한 도면이다.
도 24 및 25는 파도 및 부유체의 이동을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 26 및 도 27은 방파제에 위치된 파력 발전 장치를 도시한 도면이다.
도면에 대한 아래의 설명에는 본 발명에 따른 파력 발전 장치의 다양한 실시예에 포함된 다양한 형상 및 옵션에 대해 개시되어 있다. 본 발명의 가장 광범위한 태양의 작동 원리는 도 1 및 도 14 내지 도 20의 실시예의 설명으로부터 가장 잘 평가된다.
도 1 및 도 2는 트러스 구조물(104)을 포함하는 파력 발전 장치(102)의 단면 을 나타내는 도면이며, 상기 트러스 구조물은, 예를 들면 일명 공간 트러스 구조물일 수 있다. 도 3 내지 도 5에 또한 도시된 트러스 구조물은 근본적으로 제1, 제 2, 및 제3 힘 부재(106, 108, 110)를 구비한 본래 삼각형인 아래쪽 부분과 본래 사각형인 위쪽 부분(111)을 포함한다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 사각형인 위쪽 부분은 도 1 및 도 2에서의 평면에 수직인 거리까지 연장되고, 반면 복수의 구별되는 삼각형인 아래쪽 부분이 제공된다. 사각형인 위쪽 부분은 유압 구동 시스템과 리프팅 시스템을 포함하는 유압 장치와 전자 장치를 설치하기 위해 사용되고, 이것은 정비 요원이 좁은 통로나 인도교로 또한 사용될 수 있도록 해준다. 상기 트러스 구조물은 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 및 제6 마디 점(112, 114, 116, 117, 118, 120)을 형성한다. 바람직하게는, 상기 힘 부재는 근본적으로 강재이므로 장력과 압축력을 견딜 수 있다. 제1 및 제2 마디 점(112, 114)은 해저에 제공되고, 예를 들면 도 3 내지 도 5에 도시된 흡입 앵커(121)에 의해 해저에 유지된다. 선택적으로, 제1 및 제2 마디 점(112, 114)은 해저에서 콘크리트 기초부에 의해 지지될 수 있다. 부유체(124)를 지지하는 암(112)은 제3 및 제4 마디 점(116, 117)에 인접해서 또는 그 점에서 회전 가능하게 지지된다. 도 3 내지 도 5는 상기 구조의 각 면에서 복수의 암을 지지하는 투시도를 나타내는 도면이다. 도 3 내지 도 5의 트러스 구조물은 실제적으로 도 3 내지 도 5에 표시된 것에 비해 더 큰 넓이를 가져야 할 것이며, 그래서 암이 트러스 구조물의 마디 점(116, 117)들 각각으로부터 뻗어 나가도록 하는 20개 또는 30개의 삼각형 단면을 포함한다. 3개, 6개 또는 그 이상의 트러스 구조물을 갖는 도 3 내지 도 5에 나타난 것과 같은 복수의 트러스 구조 물은 본 발명의 장치 또는 본 발명에 따른 복수의 장치를 포함하는 설치에 포함되는 암들과 부유체들의 개수를 증가시키기 위해 별, V, 또는 육각형으로 배치될 수 있다.
제3, 제4, 제5 및 제6 마디 점(116, 117, 118, 120)들은 폭풍 조건에서 파도가 높을 때의 해수면보다 또한 더 높게 있음을 확실히 하도록 해수면 위쪽으로 충분히 높게 제공된다. 예를 들어 마디 점(116, 117, 118, 120)들은 바다가 잔잔할 때 해수면 위 20m에 제공될 수 있다. 파도 에너지를 유압 에너지로 변환시키기 위해 파력 발전 장치(102)는 복수의 암(122)들을 포함하며, 상기 암 각각의 한쪽 단부는 부유체(124)를 지지하고 반대편 단부는 축(126)과 연결된다. 상기 암들은 축(126)에 대해 회전할 수 있다. 암(122) 각각은 피스톤(130)을 포함하는 유압 실린더(128)와 같은 유압 작동기에 부착된다. 상기 유압 실린더(128)는 제1 부착 위치(132)에서는 암에 축이 되도록 연결되고 제2 부착 점(134)에서는 트러스 구조물(104)에 축이 되도록 연결된다. 제2 부착점은 바람직하게는 마디 점에 위치한다. 말하자면 제2 부착점은 트러스 구조물의 삼각형 주 구조 상부에 배치된 본래 사각형인 구조의 날 부위를 따라 위치한다. 부유체(124)들은 파도 작용에 따라 위 방향 및 아래 방향으로 움직인다. 암이 위 방향과 아래 방향으로 움직일 때, 피스톤(130)이 움직이므로 파도 에너지가 유압 에너지로 변환되며, 상기 유압 에너지는 도 14내지 도 18 및 도 22와 관련하여 아래에 상술된 바와 같이 유용한 전기 에너지로 변환될 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이 유압 실린더(128)들은 상승된 위치에서 암(122)들 을 고정하는데 사용되며, 파도는 상기 암(122)들과 부유체(124)들에 도달할 수 없고, 상기 암들은 실린더(128)들에 의해 상승된 위치로 철수된다. 이것에 의해 폭풍 동안이나 주위 온도가 해양의 어는 점 아래나 어는점 가까이 내려가 부유체에 결빙을 생성하는 위험이 있을 때 암(122)들과 부유체(124)들은 보호될 수 있다. 상기 유압 실린더(128)들은 유압 리프팅 시스템과 연결되어 유압 실린더를 상승된 위치에 고정시키며, 상기 유압 리프팅 시스템은 아래의 도 18과 연관하여 더 상세히 설명된다. 부유체(124)들은 암(122)들에 축이 되도록 연결될 수 있다. 그러므로 폭풍이 발생한 동안 암이 상승되었을 때, 부유체들은 한 위치에 대해 회전할 수 있으며, 상기 부유체들은 본질적으로 바람 방향에 평행하다. 이것에 의해 바람이 작용하는 표면은 제한되어서 부유체(124)들에 작용하는 힘은 줄어들고 암(122)들을 거쳐 트러스 구조물(104)에 전달되는 토크는 줄어든다. 게다가 부유체들은 둥근 모서리(도시 되지 않음)를 갖는 유체역학적인 형상으로 설계되어 상기 장치에 대한 바람의 힘을 줄일 수 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 트러스 구조물(104)는 대각선 힘 부재(113, 115)(도 1 및 도2에 도시되지 않음)들을 포함하여 마디 점(116, 117)들에 또 다른 지지대를 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5에 있어서 트러스 구조물은 아래쪽으로 작용하는 무게의 부하를 주어 앵커(121)들에서의 위쪽 방향 힘을 감소시킨다. 상기 무게는 물탱크(123)(도 4)와 같은 길이 방향으로 연장된 무게에 의해 또는 물탱크(125)(도 5)와 같은 복수의 구별되는 무게에 의해 발생한다.
도 6은 벌집 구조를 포함하는 본질적으로 속이 빈 부유체(124)의 구조를 나타내며, 상기 벌집 구조는 부유체의 외벽을 지지한다.
도 7은 암(122) 중 하나를 나타내며, 상기 암은 부유체(124)에 축이 되도록 부착되고 축(126)에 대해 회전될 수 있다. 상기 암은 제1 및 제2 부착 점(136, 138)들에서 축에 연결되고, 상기 부착점은 암의 중심 축(140)으로부터 편심(offset)된다. 상기 축(126)은 반경방향과 축 방향 힘을 제거하기 위해 배치된 두 베어링(144)들을 포함하는 고정 지지 구조(142)에 의해 회전할 수 있도록 지지된다.
암(122)들의 회전을 지지하는 근본적으로 무 정비(maintenance-free) 베어링을 제공하기 위해 본 발명자들은 도 8내지 도 13에 도시된 것과 같은 베어링들을 제안 한다. 도 8내지 도 13의 베어링들은 도 7에 나타낸 베어링 구조에서의 베어링(144)으로 하나 될 수 있고 특별히 축 지지에 적합하며, 상기 축의 회전 진폭은 보통 작동 시 말하자면 +/-10° 또는 그 이하인 20° 또는 그 이하와 같은, 말하자면 +/- 15° 또는 그 이하인 30° 또는 그 이하이다. 도 2의 고정된 위치에 암이 축이 되는 경우, 외측 링(147)의 고정이 느슨해 져서, 예를 들면 +/- 40° 같은 더 큰 회전 진폭이 방생한다. 통상의 롤러와 볼 베어링들의 윤활 매체는 일반적으로 암(122)들에 의한 회전속도 보다 높은 회전속도에서 연속으로 회전시 의도된 한도까지만 그 목적을 실행하므로, 롤러와 볼 베어링들은 그러한 작은 회전 진폭에서는 짧은 수명을 갖는다. 도 8의 베어링은 내측 링 또는 실린더(145) 및 외측 링 또는 실린더(147)를 포함하며, 이들 사이에는 고무 재료와 같은 유연성 재료(149)가 제 공된다. 내측 링(145)은 회전축에 고착되고, 외측 링(147)은 축의 정지된 지지대에 고착된다. 유연성 재료(149)의 탄성으로 인해 지지 축이 그 지지대에 대해 회전할 수 있도록 하기위해 내측 링은 외측 링에 대해 상대적으로 회전할 수 있다. 외측 링(147)이 예를 들면 외측 주면을 따라 맞추어진 꽉 차는 것과 같이 고정 구조에 의해 지지되거나 적합하게 되므로 축의 축 방향 및 회전 방향 지지대가 제공된다. 유연성 재료(149)의 강성은 재료의 구멍 또는 천공(bores or perforations)들과 같은 제공되는 공동(151)들로 조절할 수 있다. 베어링이 지지할 수 있는 최대 하중은 베어링의 길이를 증가(말하자면 도 8의 평면을 횡단하여)시켜 증대시킬 수 있다. 공동(151)들의 개수 및 치수는, 예를 들면 노치(notch) 민감도를 최소화 하거나 베어링에 의해 제거되는 축 방향 힘을 최대화하기 위해서와 같은 특별한 목적에 맞게 선택될 수 있다. 동일한 베어링(344)이 도 9에 도시되어 있고, 상기 베어링은 일 방향 베어링의 힘 베어링 용량을 증가시키기 위해 더 적은 수의 공동(151)들을 갖는다.
유사한 꿈틀거림 베어링(wriggle bearing)(346, 354)은 도 10, 도 11, 및 도 12에 각각 도시되어 있다. 이 베어링들은 하나 이상의 판스프링이 상기 링들 사이에 삽착되도록 하는 내측 및 외측 링(145, 147)들을 포함한다. 도 10은 각각 숫자 3의 형태를 갖는 2개의 판스프링(147)을 제공한다. 화살표(345, 347)들은 힘 베어링 용량이 수평방향(화살표(347)들)보다 수직방향(화살표(346)들)에서 더 크다는 것을 나타낸다. 도 11의 베어링(348)에 있어서, 하나의 판스프링 요소(352)가 제공되며, 상기 요소는 복수의 공동(353)들을 나타낸다. 화살표(349, 350)들은 베어링 의 힘 베어링 용량이 비 수평 및 비 수직 방향(화살표(350)들)에 비해 수직 및 수평방향에서 크다는 것을 나타낸다. 도 12의 베어링(354)들은 2개의 H 형상의 판스프링 요소(362)들을 포함하며, 상기 판스프링 요소 각각은 외측 및 내측 부분(364, 366) 뿐만 아니라 교차 연결 부분(368)을 나타낸다. 베어링의 강도는 스프링 요소(362) 형상의 적절한 선택에 따라 선정될 수 있다. 예를 들면 교차 연결 부분(368)은 하나의 S로 형성될 수 있다. 화살표(355, 357)들은 힘 베어링 용량이 수평방향에 비해 수직방향으로 더 크다는 것을 나타낸다.
도 8내지 12의 내측 및 외측 링(145, 147)들은 철 또는 탄소 섬유 재료로 만들어 질 수 있다. 판스프링(342, 352, 362)들은 마찬가지로 철 또는 탄소 섬유 재료로 만들어 질 수 있다.
도 8내지 도 12의 베어링 원리(bearing principles)는 유압 실린더(128)들에 지지대를 제공하는 데 사용될 수 있다.
도 13은 암(122)에 대한 베어링 지지대를 도시하며, 상기 지지대는 2개의 판스프링(372)들을 포함한다. 제1 판스프링(372)은 베어링의 횡방향 강성 뿐만 아니라 비틀림 강성도 증가시킨다. 상기 판스프링들은 탄소 섬유 재료로 만들어 질 수 있다.
도 14의 유압 도해(hydraulic diagram)에서는 각각의 피스톤(130)을 구비한 복수의 실린더(128)들을 나타내며, 도 1의 상기 설명을 참조로, 암(122)들과 부유체(124)들이 파도에서 움직임에 따라 상기 피스톤들은 위쪽 및 아래쪽으로 움직일 수 있다. 도 14의 유압 도해에는 3개의 실린더들이 도시된 반면, 본 발명에 따른 장치는 특징적으로, 예를 들면 60개의 실린더와 같이 많은 수의 실린더들을 포함한다. 실린더(128)들은 시스템의 유압 매체에 대한 이송 도관(176)들까지 실린더 상부의 단부에서 연결된 복동 실린더들을 나타낸다. 각각의 이송 도관(176)에 있어서 압력 밸브(178)가 제공된다. 이송 도관(176)들은 공유의 주 도관(180)에 합체되고, 상기 도관은 유압 모터(182)에 단위 회전당 가변 체적 변위를 공급한다. 이송 도관(176)들과 공유의 주 도관(180)에서 작동 압력(p0)이 유지된다. 상기 압력(p0)은 역시 유리하게도 밸브(178)의 한계 압력일 수 있으며, 상기 압력에서 상기 밸브는 열리고 닫힌 상태가 전환된다. 유압 모터는 전기 발생기(184)를 구동하고, 유압 모터의 출구에서 유압 매체는 저장소(186)로 유도된다. 저장소(186)로부터 유압 매체는 공동의 리턴 도관(188)과 가지 리턴 도관(190)들을 거쳐 실린더(128)들까지 거꾸로 흘러들어 간다.
상기 실린더(128)들 각각에 있어서, 피스톤(130)은 상기 실린더를 상부 및 하부 챔버(192, 194)들로 분할하고, 상기 챔버들은 도관들(196, 198)을 거쳐 서로 연결된다. 상기 도관(196)들 각각에는 양방향 밸브(200)가 제공되고, 이와 병렬로 도관(198)에는 압력 밸브(202)와 직렬 유동 제어 밸브(204)가 제공된다. 끝으로, 각 실린더는 상기 피스톤 및/또는 실린더(128)의 피스톤(130) 이동 비율을 측정하는 제어 요소(206)와 함께 제공된다.
양방향 밸브(200)가 열리면, 피스톤(130)은 암(122)들(도 1 참조)이 파도에서 움직일 때 자유롭게 움직일 수 있다. 제어 요소(206)가 상기 피스톤(130)의 일 정한 위치 및/또는 이동 비율을 측정할 때, 제어 신호는 상기 밸브(200)로 가서 밸브(200)를 닫히게 한다. 상기 압력 밸브(178)가 닫힘에 따라, 상기 밸브(178)을 열기 위해 부유체의 부력이 이송 및 주 도관(176, 180)들에서 작동 압력(p0)을 극복하기에 충분할 만큼 커질 때까지 파도가 연속하여 치솟는 동안 상기 피스톤(130)은 잠긴다. 그래서 부유체(124)(도 1 참조)는 밸브(178)가 열릴 때(또한 도 21의 아래 설명 참조) 적어도 일부분이라도 바다에 잠긴다는 것을 알 수 있다. 일단 상기 압력 밸브(178)가 열리면, 유압 매체는 상기 모터(182)로 공급된다. 상기 부유체가 파도 마루를 지날 때, 부유체는 여전히 물속에 잠겨있으나 상기 실린더(128)의 상부 부분(192)에서의 압력은 떨어지며, 압력 밸브(178)는 닫힌다. 계속해서, 상기 부유체가 파도 마루에서 파도 골로 이동하여 내려감에 따라 상기 양방향 밸브(200)는 열리고 유압 매체는 실린더 하부 부분(194)에서 실린더 상부 부분(192)으로 이동된다.
많은 수의 실린더(128)들로 인하여, 실린더들 중 적어도 2개 바람직하게는 여러 개가 유압 매체의 흐름을 모터(182)까지 전달하는 것을 항상 확실히 함을 알 수 있다. 이것에 의해 바람직하게는 주파수 변환기의 필요 없이 발전기(184)로부터 균일한 출력을 얻는 것을 확실히 할 수 있다.
도 14의 상기 설명은 도 15에 또한 적용되지만 도 15의 실시예에 있어서는 복수의 유압 모터(182, 208 210)들이 제공된다. 유압 모터(182, 208, 210)들 각각은 각각의 전기 발전기(184, 212, 214)들과 연결된다. 도 15의 실시예에 있어서 단 지 3개의 유압 모터들과 전기 발전기들이 제공되지만 다른 실시예에 있어서 유압 장치는 더 많은 수의 모터들과 발전기들을 포함한다. 예를 들면 5, 10, 또는 20개의 모터들과 발전기들이 제공될 수 있다. 유압 모터들과 유압 모터들에 대응하는 전기 발전기들의 용량은 다른 에너지 수준을 발생하도록 하기위해 선택될 수 있다. 하나의 예에 있어서 3개의 발전기는 각각 0.5MW, 0.5MW, 및 2MW를 생산할 수 있다. 그러므로 1MW를 생산하기 위해 제3 발전기는 주 도관(180)으로부터 연결이 끊어져야 하는 반면 2개의 0.5MW 발전기의 유압 모터는 공동의 주 도관(180)에 연결될 수 있다. 파도 에너지가 근본적으로 시간에 대해 일정한 위치에서, 유압 모터와 발전기의 전체 개수를 줄이기 위해 발전기들과 발전기들에 대응하는 유압 모터들의 용량은 가장 높은 가능한 수준에 있도록 각각 선택될 수 있다. 파도 높이와 파도 횟수의 변동이 큰 위치에서 발전기의 용량은 예를 들면 1MW, 2MW, 및 3MW와 같은 이진수의 원리로부터 선택될 수 있다. 이진수의 원리로부터 발전기를 선택함으로써 파도 에너지의 활용을 최적화하기위해 아래의 패턴을 사용하여 상기 발전기를 넣고 빼는 조합하는 것이 가능하다.
발전기 1
(1MW)		 발전기 2
(2MW)		 발전기 3
(4MW)		 총 출력[MW]
온 오프 오프 1
오프 온 오프 2
온 온 오프 3
오프 오프 온 4
온 오프 온 5
오프 온 온 6
온 온 온 7
도 16의 시스템은 도 15의 시스템과 유사하지만, 도 16의 시스템에서는 하나의 단일 전기 발전기(184)를 제공하며, 상기 발전기는 기어박스(185)를 거쳐 유압 모터(182, 208, 210)들에 의해 구동된다. 예를 들어 유압 모터는 유성기어(planet gear)의 이가 형성된 림(rim)을 구동한다. 선택적으로 도 17에 도시한 바와 같이 유압 모터(182, 208, 210)들은 공동의 관통해 지나는(through-going) 축(187)을 거쳐 하나의 공동의 발전기(184)를 구동할 수 있다.
도 18은 부유체(124)들을 해양 밖으로 들어올리고 부유체를 상승된 지점에 유지하는 유압 리프팅 시스템을 나타내는 도면이며, 상기 상승된 지점에서 파도가 부유체들에 도달할 수 없다. 도 18은 도 14내지 도 17과 연관된 위에서 언급한 구동 시스템과 유사한 유압 구동 시스템을 또한 포함한다. 도 14내지 도17에서 나타낸 요소들과 같은 상기 같거나 비슷한 요소들이 도 18에서 나타낸 구동 시스템에서 합동되는 영역까지, 도 6의 참조 숫자들이 도 8에 사용되고, 참조는 그러한 요소들과 그 기능을 설명하기 위해 도 14내지 도 17의 전술한 설명에 나타나 있다. 도 18의 유압 리프팅 시스템은 개별적으로 하나 이상의 부유체를 물 밖으로 들어올리고 들어 올린 리프트를 유압 구동 시스템으로부터 연결을 분리하는 데 적합하다. 도 18의 시스템은 공동의 리턴 도관(188)에 더하여 저장소(186)를 모터(270)에 의해 구동되는 펌프(268)까지 연결하는 도관(266)을 포함한다. 도관(272)은 펌프(268)의 하류 측을 복수의 일방향 밸브(274)들에 연결하고, 일방향 밸브들의 개수는 부유체들과 실린더(128)들의 개수와 같다. 도관(276)들은 밸브(274)들의 하류 측 각각을 양방향 밸브(178)들과 일방향 밸브(180)들 각각에 연결하며, 상기 양방향 밸브들과 일방향 밸브들 하류에 상기 도관(276)들이 하나의 공동의 도관(282)으로 합체된다. 도관(276)들은 도관(284)들을 거쳐 실린더 하부 챔버(194)들 및 도관(198)들과 통 신한다. 게다가 도관(276)들은 도관(176)들을 거쳐 실린더 상부 챔버(192)들과 이송 도관(176)들과 통신한다. 끝으로, 양방향 밸브(286)들은 가지 리턴 파이프(190)들에 제공되고 양방향 밸브(288)들은 도관(198)들에 제공된다.
암이 물 밖으로 들어올려지면 밸브(278), 밸브(286), 및 밸브(288)는 닫힌다. 밸브(274, 280)들은 열리고 펌프(268)는 유압 매체를 실린더 하부 챔버(194)로 가도록 하며 상기 실린더와 연관된 암은 상승한다. 위쪽 실린더 챔버(192)의 유압 매체는 밸브(280)를 거쳐 저장소(186)로 인도된다. 상기 제어 요소(206)는 상기 암과 피스톤(130)이 예를 들면 최상의 위치와 같은 의도하는 위치에 도달한 것을 감지하여, 신호를 밸브(274, 280)로 보내서 밸브가 닫히도록 한다. 상기 피스톤(130)은 결과적으로 닫히고, 암은 한 위치에 고착되며, 상기 위치에서 부유체(124)는 물 밖으로 들어올려 진다. 상기 암(122)은 암을 맞물리게 하는 톱니 멈춤쇠(pawl)(도시되지 않음)에 의해 또한 지지될 수 있다.
도 19는 복수의 부유체(124, 164)들을 나타내는 도식적인 도면이며, 상기 부유체들은 도 14내지 도18과 관련하여 위에서 언급한 것과 같이 실린더들을 거쳐 유압 구동 시스템에 연결된다. 도 19에서 파도의 마루(146, 148)들에 위치한 부유체들은 참조 숫자(164)에 의해 인용되며, 다른 모든 부유체(124)들은 참조 숫자(124)에 의해 인용된다. 그러나 부유체(124)들과 부유체(164)들 사이에 구조적인 차이는 없다. 제1, 제2, 및 제3 파도 마루(146, 148, 150)들은 도 19의 이중선에 의해 나타내 지며, 제1 및 제2 파도 골(152, 154)들은 그림의 단일 선에 의해 나타내 진다. 파도 앞쪽 움직임의 방향은 화살표(158)에 의해 나타내 지며 파도의 오름과 내 림 부분은 제3 및 제4 화살표(160, 162)들에 의해 각각 나타내 진다. 도 19에 보인 것처럼 파도 마루(146, 148)들에 있는 이러한 부유체(164)들은 그래서 틀림없이 파도에 의한 위쪽 방향 움직임을 완성한다. 제1 파도 마루(146)와 제1 파도 골(152)사이에 있는 이러한 부유체(124)들은 파도에서 위쪽 방향을 향하는 도중에 있고, 제2 파도 마루(148)와 제1 파도 골(152)사이에 있는 이러한 부유체들은 파도의 하류 측을 따라 아래로 움직인다. 부유체(124, 126)들의 배치가 전체 파도 길이에 걸쳐있으므로 복수의 부유체들이 어떤 순간에라도 파도에서 위쪽을 향하며, 이로 인해 복수의 부유체들이 항상 유압 구동 시스템에 제공하는 에너지를 전달함이 확실하게 된다. 도 14내지 도 17을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이, 부유체들 각각은 유압 실린더를 움직이고, 유압 압력은 주 도관(180)(도 14내지 도17 참조)에서 생성된다. 복수의 부유체들이 동시에 위쪽으로 움직이므로 복수의 유압 실린더들은 동시에 유압 압력을 제공한다. 따라서 각각의 부유체들을 구비한 복수의 실린더들에 연결된 공동의 주 도관(180)의 설비에 의해, 적어도 하나의 전체 파도 길이에 걸친 부유체 배치의 범위에 의해 공동의 주 도관(180)에서의 압력 변동과 유압 모터(182, 280, 210)들의 입력에서의 압력 변동은 낮게 유지될 수 있다. 유압 모터(182, 280, 210)들이 회전당 가변 이동량을 갖는 모터들이므로, 모터의 분당 회전수(rpm)는 근본적으로 일정하게 유지될 수 있다. 이것은 차례로 발전기(184)나 발전기(184, 212, 214)들에 의해 생성된 교류전류의 주파수가 근본적으로 일정한 영향을 나타내며, 이것에 의해, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 교류전류는 주파수 변환기의 필요 없이 발생될 수 있다.
도 19에 있어서, 파도의 방향은 부유체의 열에 대해 각 θ를 형성한다. θ=0°인 경우, 파도 방향은 부유체의 열에 평행하다. 어떠한 주어진 순간에서도 적어도 하나의 부유체가 유압 구동 시스템의 공동 주 도관(180)(도 14 내지 도 17 참조)에서 압력 분포를 전달하기 위해 파도에 의해 위쪽으로 움직이는 것을 확실히 하기 위해, 각 θ가 0°까지 커질수록 부유체의 열은 더 길어진다는 것을 알 수 있다.
시스템을 설계함에 있어서, 시스템에서 실질적으로 수압을 일정하게 유지하기 위해, 상기 위치에서의 전형적인 파도의 파장과 방향이 고려되어야 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 파도의 방향(각 θ)과 파력 발전 장치의 길이 즉, 부유체(124, 164)에 의해 최대한 걸쳐진 길이 사이의 관계는, 다음 공식에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112007081798857-pct00001
도 20은 시간(240)의 함수로서 공동의 주 도관(180)(도 14내지 도 17참조)에서의 유압 압력(240)을 나타내는 도면이다. 제1 커브(244)는 유압 모터에 하나의 축압기를 제공하는 유압 실린더들이 구비된 전형적인 선행 기술 파력 발전 장치의 공급 라인에서의 유압 압력을 나타낸다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 유압 압력은 파도 주기(264)에 따라 변동한다. 복수의 암들, 부유체들, 및 실린더들을 포함하고 축압기들은 포함하지는 않는 본 발명의 파력 발전 장치 실시예에 있어서 상기 유압 압력(248)은 낮은 진폭으로 변동한다.
도 21은 화살표(171)의 방향으로 움직이는 파도를 가로지르는 2개의 다른 부유체 이동 경로를 나타내는 도면이다. 도 21의 위쪽 부분은 유동 경로를 나타내고, 상기 유동 경로에서 파도가 부유체를 지나쳐 갈 때 부유체(124)의 수직 이동 거리를 증가시키는 조치가 취해지지 않는다. 도 21의 아래쪽 부분은 유동 경로를 나타내고, 상기 유동 경로에서 부유체의 수직 이동 거리는 부유체(124)를 실질적으로 파도 골(152)에서 물 속으로 밀어 넣음으로써 증가한다.
도 21의 위쪽 부분에서의 위치(172a)에서, 부유체(124)는 부유체가 위치(172b)에서 파도의 골(152)에 도달할 때까지 파도와 함께 아래쪽으로 움직이다. 이 지점에서 유압 실린더는 유압 밸브(178)가 닫힘(도 14내지 도17 참조)에 따라 고정되고, 양방향 밸브(200) 또한 닫히며, 결국 부유체는 위치(172c)를 거쳐 위치(172d)까지 파도 속으로 수평하게 움직인다. 파도가 치솟음에 따라 실린더(128)의 상부 챔버(192)와 압력 밸브(178)(도 14내지 도17 참조)의 도관 상류에서 압력이 발생한다. 상기 압력은 위치(172d)에서 열려있는 압력 밸브(178)의 한계 압력을 극복하기에 충분하며, 이에 의해 부유체(124)는 위치(172e)를 거쳐 위치(172f)까지 파도 속에서 위쪽 방향으로 움직일 수 있다. 이 순간 동안 부유체(124)의 유압 실린더(128)는 유압 매체를 공동의 유압 도관(180)에 공급하며, 이로 인해 에너지 분포는 유압 모터(182) 또는 유압 모터들(182, 208, 210)로 전달된다. 위치(172f)에서, 지나는 파도가 내려가려고 할 때, 이송 도관(176)에서의 압력은 압력 밸브(178)의 닫힘 한계치 보다 떨어지고 압력 밸브는 닫힌다. 알력 밸브(178)가 닫히고 양방향 밸브(200)가 열리자마자 부유체(124)는 공동의 유압 도관(180)으로부터 연결이 풀리고 부유체(124)의 부력은 부유체가 근본적으로 수직으로 물 밖으로 나와 위치(172g)로 움직이도록 한다. 파도가 내려감에 따라, 부유체(124)는 위치(172h)까지 파도와 함께 아래쪽으로 움직이고, 부유체는 다음 파도에서 새로운 사이클을 시작한다. 부유체(124)는 수직 거리(168)를 이동한다. 도 21의 상기 설명으로부터, 각각의 개별 부유체(124)와 관련된 실린더(128)에서 유압 구동 시스템으로의 에너지 제공은 부유체가 수직으로 움직이는 동안 발생함을 알 수 있다.
파력 발전 장치의 출력을 증가시키기 위해서는 부유체(124)의 수직 이동 거리를 증가시키는 것이 바람직하다. 도 21의 아래쪽 부분은 파도를 가로지르는 부유체(124)의 선택적인 이동 경로를 나타내며, 상기 경로에서 부유체(124)의 수직이동 거리를 증가하기 위해 측정이 실시된다. 위치(174a)에서 부유체(124)는 파도의 골(152)에 도달한다. 이 지점에서 부유체는 물 아래쪽으로 위치(174c)까지 내려지며, 압력 밸브(178)와 양방향 밸브(200)는 닫힌다(도 14내지 도17 참조). 압력 밸브(178)의 압력 상류가 압력 밸브(178)의 한계 닫힘 압력을 넘어섬에 따라 밸브(178)가 열리고 부유체(124)는 위치(174d, 174e, 174f)들을 거쳐 위치(174g)까지 움직인다. 위치(174f)에서, 압력 밸브(178)는 닫히고 양방향 밸브(202)는 열리며, 부유체(124)의 부력은 부유체가 근본적으로 물 밖으로 나와 위치(174h)까지 움직이도록 하며, 위치(174h)로부터 부유체는 파도의 하류 측에서 위치(174i)까지 내려가고, 상기 사이클은 반복된다. 파도의 마루(152)에서 부유체를 물 속으로 밀어 넣음으로써, 말하자면 위치(174b)에서 위치(174c)로, 부유체에 의한 수직 이동 거리(170)는 실시예에서의 수직 이동 거리(168)에 비해 훨씬 더 크며, 상기 실시예에 서는 도 21의 위쪽 부분을 참고로 부유체가 파도의 골 또는 그 근처에서 파도 속으로 들어가도록 하지 않는다. 그러므로 부유체(124)의 실린더(128)의 에너지 기여는 도 21의 위쪽 부분 경로에 관해서 보다 도 21의 아래쪽 부분 경로에 관해서 훨씬 크다.
명백하게도, 단지 만약 부유체(124)가 파도 골(152)에서 파도로 들어가도록 하는 활용된 에너지가 상기 장치의 출력으로부터 빠지지 않는 다면 파력 발전 장치의 전체 출력의 순증가가 발생할 것이다. 도 22는 도 14의 유압 구동 시스템의 수정된 실시예를 나타내는 도면이며, 상기 유압 구동 장치는 부유체(124)가 파도의 마루에서 또는 그 근처에서 파도 밖으로 수직하게 이동에 따라 다시 말해 도 21의 아래쪽 부분에서 위치(174g)에서 위치(174h)로 이동함에 따라 방출되는 위치 에너지를 축적할 수 있다. 도 14내지 도17의 실시예에서 손실되는 이 에너지는 부유체(124)를 파도 속으로 넣는데 사용된다.
좀더 특별하게, 도 22는 제1, 제2, 제3, 및 제4 축압기(216, 218, 220, 222)들이 부유체를 파도의 골에서 파도 아래로 내려가도록 하는 유압 도해를 나타내는 도면이다. 도 14의 시스템에 더해서, 도 22의 유압 시스템은 유압 축압기(216, 218, 220, 222)들을 포함하여 구성하며, 상기 축압기들은 축압기 도관(224, 226, 228, 230)들의 한쪽 단부에 배치되며, 상기 유압 축압기 도관들은 제1, 제2, 제3 및 제4 양방향 밸브(232, 234, 236, 238)들을 거쳐 이송 도관(176)들에 연결된다. 부유체가 파도 마루를 지나가면, 도 14와 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 압력 밸브는 닫히고 부유체(124)는 파도에서 잠긴 위치로부터 파도 밖으로 움직인다. 실 린더의 위쪽 부분(192)으로부터 이동되는 상기 유압 매체는 밸브(232, 234, 236, 238)들과 축압기 도관(224, 226, 228, 230)들을 거쳐 축압기(216, 218, 220, 222)들로 안내된다. 하나의 실시예에 있어서, 밸브(232, 234, 236, 238)들이 배치되고 제어되어 제1 밸브(232)가 제1 압력(p1)에서 닫히며, 상기 압력(p1)은 주 도관(180)에서의 작동 압력 p0보다 낮다. 제2 밸브(234)는 제1 압력(p1)에서 열리고 낮은 제2 압력(p2)에서 다시 닫힌다. 제2 밸브(236)는 제2 압력(p2)에서 열리고 더 낮은 제3 압력(p3)에서 닫힌다. 제4 밸브(238)는 제3 압력에서 열리고 더 낮은 제4 압력(p4)에서 닫힌다. 그러나 더 낮은 압력(p5)에서는 양방향 밸브(200)가 열린다.
파도 골에서, 밸브(200)는 닫히고, 제4 양방향 밸브(238)는 열리고, 제4 축압기(222)의 압력은 물 아래의 부유체에 힘을 가하는데 사용된다. 제4 양방향 밸브(238)가 닫히고, 제3 양방향 밸브(236)가 열림에 따라 제3 축압기(218)의 압력은 부유체에 추가로 힘을 가하는데 사용된다. 그 이후, 제3 양방향 밸브(236)는 닫히고, 제2 양방향 밸브(234)가 열리고, 제2 축압기(218)의 압력은 물 아래의 부유체에 추가로 힘을 가하는데 사용된다. 결과적으로, 제2 양방향 밸브(234)는 닫히고 제1 양방향 밸브(232)가 열림에 따라 제1 축압기(216)의 압력은 부유체에 물 표면 아래로 추가로 힘을 가하는데 사용된다. 끝으로, 제1 양방향 밸브(232)는 닫히고 압력 밸브(178)는 열린다.
그러므로 부유체(124)가 위치(174g)에서 위치(174h)까지(도 21의 아래쪽 부분 참조) 파도 밖으로 수직하게 움직임에 따라 방출되는 적어도 위치 에너지의 일 부분은 파력 발전 장치의 출력을 증가시키기 위해 파도 골(152)에서 부유체를 물 속으로 넣는데 사용될 수 있다. 그러므로 상기 수단에 의한 부유체를 아래로 하는 것은 파도 마루에서 방출된 위치 에너지를 사용하는 방식으로 간주될 수 있으며, 그렇지 않으면 상기 에너지는 손실될 것이다.
여기에는 4개 이상의 축압기(216, 218, 220, 222)들이 제공될 수 있다. 예를 들어 6, 8, 10, 12, 20개, 또는 더 많은 축압기들이 제공될 수 있다.
도 23은 N 개의 단계에서의 다시 말해 도 22의 축압기(216, 218, 220, 222)들에 대응하는 N 개의 축압기에서의 에너지 축적의 도식적인 표현을 일반적으로 보여준다. 제1 축은 물에서 부유체의 수직 이동(d0)(250)을 나타내며 제2 축은 힘(F0)(252)을 나타낸다. 도 23의 도해에서 반을 차지하는 빗금 친 삼각형 면적은 사용 가능한 이상적인 극대의 에너지를 나타낸다. 그러나 이 에너지를 이용하기 위해, 시스템은 무한개의 단계 다시 말해 무한개의 축압기를 포함하여야 한다. 다시 말해, 두 단계간의 압력차가 클수록 각 단계의 에너지 손실은 더 커진다. 도 23에서 에너지 손실은 빗금 친 삼각형(254)으로 표시된다. 삼각형 각각은 부유체가 수직거리(△d)만큼 이동해 갔음을 나타낸다. 작은 삼각형들 각각의 면적은 길이의 절반이다. 그러므로 각 단계에 있어서의 손실은 다음의 공식으로 결정할 수 있다.
Figure 112007081798857-pct00002
여기서,
F0는 부유체가 물 아래에서 거리 d0에 위치될 때의 행정 힘,
△d = d0/N, 그리고
N은 단계의 개수이다.
총 에너지 손실, 즉 작은 삼각형들의 합은 아래의 공식에 의해 정의된다.
Figure 112007081798857-pct00003
따라서 단계 N이 더 커지면 총 에너지 손실은 더 작아진다.
도 22 및 도 23과 관련하여 위에서 설명한 축압기의 효과는 도 24에서 보여지며, 도 24에서 커브(256)는 시간의 함수로서 파도에서 부유체의 움직임을 나타내고, 커브(258)는 시간의 함수로서 파도의 형상을 나타낸다. 파도의 하류 측 말하자면 내려가는 측에서는 커브(256)와 커브(258)의 부분적인 겹침이 발생한다. 도면 부호 260에서, 양방향 밸브(200)는 닫히고(도 22 참조) 압력 밸브(178) 또한 닫히며 부유체는 고정된다. 도면 부호 262에서 부유체는 파도 밖으로 움직이고 에너지를 축압기(216, 218, 220, 222)들로 전달한다. 도 25에서, 커브(264)는 파도에서 부유체의 실제적인 하강을 나타낸다.
도 26 및 도 27은 방파제 형태의 현존 구조물(303)에 의해 지지되는 파력 발전 장치(302)를 도시한다. 파력 발전 장치(302)는 정점(308)에서 함께 결합되는 힘 부재(306)를 포함한 트러스 구조물(304)을 포함한다. 도 26 및 도 27에 있어서, 트러스 구조물은 4개의 힘 부재를 포함하지만, 다른 실시예에 있어서 구조물은 단지 3개의 힘 부재만을 포함할 수 있다. 파력 발전 장치는 A-형 구조를 가진 복수의 암(322)을 포함한다. 선택적으로, 암은 V-형일 수 있다. 암은 베어링(344) 형태의 회전 지지체에 의해 트러스 구조물에 선회가능하게 연결될 수 있다. 베어링(344)은, 암이 수평 위치에 대해 -45°각도 즉, 수평 위치의 아래와 수평 위치에 대해 +20°각도 즉, 수평 위치의 위 사이에서 화살표(305)로 표시된 바와 같이 상하로 회전하는 것을 허용한다. 암이 상기와 같이 큰 각도로 회전하는 것을 허용함으로써, 본 장치는 암의 길이에 따라서 최대 6m 또는 그 이상의 물 높이의 조수 편차하에서도 작동될 수 있다.
도 26 및 도 27에 있어서, 암은 볼록 하부면(325)을 가진 부유체(324)에 회전 불가능하게 연결된다. 볼록 면의 장점은 어떠한 암의 회전 위치에 대해서도 부유체의 수위는 동일하게 유지된다는 점이다. 피스톤(330)을 포함하는 유압 실린더(328)는 암(322)과 트러스 구조물의 정점(308)을 상호 연결한다. 유압 실린더는 상술한 바와 같이 유압 에너지를 생성하는데 사용된다.
암을 폭풍으로부터 보호하기 위해, 암은 파도가 암에 부딪히지 않도록 최고 위치 즉, 수평 위치에 대해 +20°되는 위치까지 회전될 수 있다.
파력 발전 장치 사이의 거리(307)는 수 미터에서 최대 2000미터까지일 수 있다. 유리하게는, 암은, 도 19 및 도 20에 관해 상술한 바와 같이 생성된 에너지에 있어서 편차가 최소화되도록, 적어도 한 파장에 해당하는 거리만큼 분산된다.

Claims (35)

  1. 각각 일 단부가 축에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 지지된 단부의 반대쪽 단부가 부유체를 지지하도록 구성된 복수의 암으로서 파도에 의한 부유체의 병진 운동에 의해 암이 축을 주위로 회전하도록 구성된 복수의 암과, 파도로부터 암으로 전달된 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단을 포함하며,
    복수의 암은 1열로 배치되어 암의 열을 통과하는 파도에 의해 암이 연속적으로 축 주위를 선회하며, 암들이 상호 이격되게 배치되어 파도의 통과로 인해 암들이 상호 위상 이동되면서 선회하며, 암과 에너지 변환 수단은 해저 또는 지면에 영구적으로 고정된 지지 구조물에 의해 지지되며, 암 각각은 세로 방향으로 연장되고, 지지 구조물은 상기 세로 방향에 교차되는 방향으로 연장되도록 구성된 파력 발전 장치를 포함한 설비에 있어서,
    지지 구조물은 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 석유 시추 장비를 포함하며, 암 각각은 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 석유 시추 장비에 의해 개별적으로 지지되며, 암들은 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 석유 시추 장비를 따라서 서로 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    지지 구조물은 해수면 위 부분을 포함하고, 각 암은 상기 해수면 위의 지지 구조물 부분에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  3. 제1항에 또는 제2항에 있어서,
    축은 베어링부를 형성하며, 각 암은 지지 구조물에 고정된 적어도 하나의 베어링에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 암은 지지 구조물에 고정된 트러스 구조물에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 암은, 수평 위치에서 적어도 선회가능하도록 지지 구조물로부터 멀어지는 방향으로 세로로 연장되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 암의 회전 지지부는 암의 회전각이 수평 위치에 대해 적어도 -30°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  7. 제6항에 있어서,
    각 암의 회전 지지부는 암의 회전각이 수평 위치에 대해 적어도 -45°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 암의 회전 지지부는 암의 회전각이 수평 위치에 대해 적어도 +10°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 암의 회전 지지부는 암의 회전각이 수평 위치에 대해 적어도 +20°가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    암의 열은 파도 진로에 대하여 +/-60°이내의 각도를 형성하도록 그 방향이 정해지는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 암은 파도가 암의 부유체를 통과할 때 에너지를 에너지 변환 수단에 간헐적으로 전달하며, 상기 암 및 부유체는 항상 적어도 2개의 암 및 부유체가 동시에 에너지를 에너지 변환 수단에 전달하도록 상호 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    에너지 변환 수단은 유압 구동 모터를 구비한 유압 구동 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  13. 제12항에 있어서,
    각각의 암은 유압 구동 시스템의 유압 매체를 모터 안으로 이동시키는 적어도 하나의 작동기에 의해 유압 구동 시스템에 연결되고, 상기 작동기는 유압 매체를 공동 유압 도관을 통하여 모터로 이동시키도록 배치된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  14. 제13항에 있어서,
    각각의 암의 적어도 하나의 작동기는 복동 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  15. 제14항에 있어서,
    유압 구동 시스템은 유압 구동시스템에서 간헐적으로 에너지를 저장하는 적어도 하나의 유압 축압기를 포함하고, 유압 구동 시스템은 파도 골이 부유체를 지나칠 때 암에 지지되는 부유체를 바다 속으로 넣기 위해 축압기에 저장된 에너지를 방출하도록 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  16. 제13항에 있어서,
    유압 매체는 공동 유압 도관을 거쳐 유압 축압기로 공급되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  17. 제14항에 있어서,
    각 실린더에는 실린더 피스톤의 위치 또는 이동 속도 중 어느 하나 또는 모두를 결정하기 위한 센서가 제공되고, 상기 센서는 실린더 및 관련 밸브 제어 유닛으로 신호를 전달하도록 배치되어, 개별 실린더에서 유압 구동 시스템의 잔여 부분으로의 에너지 전달은 개별 실린더 피스톤의 위치 또는 이동 속도 중 어느 하나 또는 모두를 나타내는 신호에 응답하여 개별적으로 제어가능한 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    부유체를 바다 밖으로 들어올리고 해수면 위의 위치에 고정시키는 유압 리프팅 시스템을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  19. 제14항에 있어서,
    복동 실린더는 유압 리프팅 시스템의 부분을 형성하기 때문에, 상기 실린더는 부유체를 바다 밖으로 들어올리도록 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 포함한 설비.
  20. 각각 일 단부가 축에 의해 회전 가능하게 지지되고 상기 지지된 단부의 반대쪽 단부가 부유체를 지지하도록 구성된 복수의 암으로서 파도에 의한 부유체의 병진 운동에 의해 암이 축을 주위로 회전하도록 구성된 복수의 암과, 파도로부터 암으로 전달된 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환 수단을 포함하며,
    복수의 암은 1열로 배치되어 암의 열을 통과하는 파도에 의해 암이 연속적으로 축 주위를 선회하며, 암들이 상호 이격되게 배치되어 파도의 통과로 인해 암들이 상호 위상 이동되면서 선회하도록 구성된 파력 발전 장치를 바다에 건설하는 방법으로서,
    파력 발전 장치를 해저면 또는 지면에 영구적으로 고정된 지지 구조물에 장착하는 단계를 포함하고, 지지 구조물은 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 석유 시추 장비를 포함하며, 암 각각은 세로 방향으로 연장되고, 지지 구조물은 상기 세로 방향에 교차되는 방향으로 연장되며, 상기 단계는, 각각의 암을 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 석유 시추 장비에 의해 개별적으로 지지되도록 배치하는 단계 및 암들을 방파제, 인공 둑, 부두, 돌제, 절벽 또는 석유 시추 장비를 따라서 서로 이격되게 배치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 파력 발전 장치를 바다에 건설하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    지지 구조물은 해수면 위 부분을 포함하고, 각각의 암은 상기 해수면 위의 지지 구조물 부분에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 파력 발전 장치를 바다에 건설하는 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    축은 베어링부를 형성하며, 각각의 암은 지지 구조물에 고정된 적어도 하나의 베어링에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 파력 발전 장치를 바다에 건설하는 방법.
  23. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    각각의 암은 지지 구조물에 고정된 트러스 구조물에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는, 파력 발전 장치를 바다에 건설하는 방법.
  24. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    각각의 암은, 수평 위치에서 적어도 선회가능하도록 지지 구조물로부터 멀어지는 방향으로 세로로 연장되는 것을 특징으로 하는, 파력 발전 장치를 바다에 건설하는 방법.
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