KR101384558B1 - 해파로부터 동력을 발생시키기 위한 터빈 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해파로부터 동력을 발생시키기 위한 터빈 장치와 관련이 있다. 본 발명에 따른 터빈 장치는 챔버 그리고 덕트를 구비하며, 상기 챔버는 하단부와 상단부에 각각 개구를 갖고, 상기 덕트는 공기 흐름을 가이드 하기 위하여 양단부가 개방되어 있다. 상기 챔버의 하단부는 해수 안에 잠겨 있고, 상단부의 개구는 덕트의 한 단부에 연결되어 있다. 본 발명에 따른 터빈 장치는 또한 덕트에 의해 둘러싸여 있는 그리고 상기 덕트에 대하여 동축으로 배치된 파워 유닛을 구비한다. 침전물의 회전자 블레이드를 세척하기 위한 또는 상기 회전자 블레이드 상에 침전물이 형성되는 것을 방지하기 위한 장치가 제공되어 있다.

Description

해파로부터 동력을 발생시키기 위한 터빈 장치{TURBINE PLANT FOR GENERATING POWER FROM SEA WAVES}

본 발명은 해파를 활용하기 위한 그리고 해파 내에 포함된 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 터빈 장치에 관한 것이다. 이와 같은 장치들은 예를 들어 EP 0 000 441 A1호 그리고 GB 2 250 321 A호에 공지되어 있다.

상기와 같은 유형의 장치들은 다음과 같이 구성되어 있다. 터빈 장치는 챔버를 구비하며, 상기 챔버의 하단부는 개방되어 있고, 상기 개방된 단부가 바다 속에 잠겨 있다. 상기 터빈 장치는 상기 챔버의 상단부에도 개구를 갖는다. 또한, 공기 흐름을 가이드 하기 위해서 이용되는 덕트가 제공되어 있다. 상기 덕트의 개방된 일단부는 챔버의 상부 개구에 연결되어 있다. 상기 덕트 내에는 상기 덕트에 의해서 둘러싸인 그리고 상기 덕트에 대하여 동축으로 배치된 파워 유닛이 존재하며, 상기 파워 유닛은 터빈 회전자 그리고 경우에 따라서는 상기 회전자에 작동 결합되어 있는 전기 발전기를 구비한다.

상기 챔버 안에 있는 해수 미러는 해파에 따라 위·아래로 연속적으로 움직인다. 따라서 이와 같은 해파에 따라 움직이는 동작은 상기 챔버 내부에 작용을 미친다. 상기 해수 미러가 위로 올라갈 때마다 상기 챔버 내에 있는 공기 양의 변위가 발생된다. 공기는 상기 워터 미러가 위로 올라갈 때에 변위 되어 상기 챔버의 상부 개구를 관류하게 되며, 이로써 공기는 상기 터빈이 배치되어 있는 덕트로 관류하게 된다. 공기 흐름은 상기 터빈을 구동시키고, 그와 더불어 그 자체로서 전기 에너지를 발생시키는 전기 발전기도 구동시킨다.

상기 워터 미러가 상기 챔버 내에서 아래로 내려갈 때에는 위로 올라갈 때와 동일한 과정이 이루어지며, 다만 공기 흐름만 반대이다. 공기 흐름 방향과 상관없이 터빈 회전자를 한 가지 동일한 회전 방향으로 순환시킬 수 있는 기계적 가능성이 존재한다. 이와 같은 가능성은 예를 들어 GB 1 595 700 B호에 기술되어 있다.

대양(ocean) 속에 포함된 파 에너지는 고갈되지 않는다. 연(年) 평균적인 파 에너지는 10m 깊이에서는 10 kW/m의 크기이고, 40m 깊이에서는 50 kW/m의 크기이다. 하지만, 풍부하게 존재하는 에너지를 경제적인 방식으로 활용하는 것이 문제가 되기 때문에, 결국에는 kW 시간당 비용이 경쟁이 될 수 있다. 이와 같은 경우는 자연에서 발생하는 것과 같은 재생 가능한 에너지를 경제적으로 환산할 수 있는 에너지로 변환하기 위한 지금까지의 다수의 장치에서는 용납할 수 있는 비용으로써는 불가능한 경우가 많았다. 따라서, 전술된 유형의 장치의 경제성은 효율에 강하게 의존한다. 영향력을 행사할 수 있는 가능성도 제한되었다.

본 발명의 과제는 서문에 언급된 유형의 장치의 효율이 상승되도록 상기 장치를 형성하고 개선하는 것이다.

상기 과제는 독립 청구항들의 특징들에 의해서 해결된다.

발명자들은 다음과 같은 내용을 인식했다;

해수 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 터빈 장치에서는 모든 종류의 입자들이 회전자 블레이드의 면에 침전된다. 상기 침전물은 터빈 덕트를 관류하는 공기 흐름으로부터 침전된다. 이와 같은 상황은 공기가 액체 형태의 물을 전혀 함유하지 않는 경우에도 발생한다. 하지만, 공기는 습기로 채워져 있고 해수염도 함유하고 있다. 상기 공기로부터 침전물이 형성되며, 상기 침전물은 우선 맨눈으로 확인할 수 없을 정도로 미세하기 때문에 지금까지도 눈에 잘 띄지 않았다. 상기 침전물은 회전자 블레이드에 대한 경계면에서 공기 흐름을 중단시키거나 또는 공기 흐름을 분리시킬 정도의 조도(harshness)를 가지며, 그로 인해 터빈 그리고 그와 더불어 전체 설비의 효율을 저하시킨다. 이와 같은 정도의 조도는 또한 시간이 경과함에 따라 회전자 블레이드에서 성장하는 유기 물질도 그 원인이 될 수 있다.

그에 따라 상기 문제점의 해결책은 회전자 블레이드의 면을 전술된 침전물이 없는 상태로 유지하거나 또는 상기와 같은 침전물이 이미 형성된 경우에는 이와 같은 침전물을 제거하기 위한 조치들을 강구하는 데 있다.

본 발명에 따른 해결책은 다수의 대안들을 포함한다. 가장 간단한 조치로서는 스프레이 장치가 제공되며, 상기 스프레이 장치는 회전자 블레이드 상에 액체 매체 분사물, 예컨대 물을 분사한다. 중요한 사실은, 상기 매체가 회전자 블레이드의 표면에 침전된 염을 분리시킬 수 있다는 것이다. 이 경우에는 바닷물도 고려된다. 어떤 경우라도 연속적인 또는 불연속적인 처리를 생각할 수 있다.

액체 대신에 회전자 블레이드에 미세한 분무를 제공하거나 또는 탈수시키는 방식도 고려된다.

실제로는 상당한 결과들이 나타났다. 따라서, 효율은 블레이드의 세척에 의해서 현저히 상승될 수 있었다.

본 발명은 해파 에너지를 직접 활용하는 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우에는 예를 들어 물 탈염 장치의 구성 부품일 수 있는 펌프가 고려된다. 어떤 경우라도 본 발명은 기계적인 에너지가 전기 에너지로 변환되지 않는 그리고 그에 따라 발전기를 구비하지 않는 장치들에도 적용될 수 있다.

본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.

도 1은 파 에너지 발전소의 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1에 따른 파 에너지 발전소의 수직 단면도이다.

도 3은 소위 파-터빈을 에너지 발생 유닛을 나타내는 사시도이다.

도 4는 도 3에 따른 대상의 일부분을 도시한 확대도이다.

도 5는 도 4의 A부분을 도시한 확대도이다.

도 6은 블레이드의 에지 영역에 침전물이 형성된 터빈 블레이드의 사시도이다.

도 7은 축 방향 유동 속도와 접선 방향 속도 간 비율에 대한 (전/후) 효율 개선을 도시한 다이어그램이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1: 챔버 2: 파

3: 챔버 개구 4: 채널

5: 에너지 발생 유닛 5.1: 덕트

5.2, 5.3: 회전자 5.4: 제너레이터

5.5: 분사 노즐 5.6: 분사 물 라인

6: 플랩 밸브 7: 회전자 블레이드

8: 침전물

도 1에 도시된 파 에너지 발전소는 해안 영역, 가장 바람직하게는 에너지 농도가 높은 깔때기 모양의 만(灣) 안에 존재한다. 만은 개방된 바다와 연결되어 있다. 물은 계속적으로 움직이고 있다 - 파(2) 참조. 발전소 중에서 실제로는 단 하나의 챔버(1)만을 볼 수 있다.

상기 챔버는 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 아래로 개방되어 있다. 파(2)는 챔버(1)에 도달한다. 파는 챔버 내부의 레벨을 하부 레벨과 상부 레벨 사이에서 수직 방향으로 상승 및 하강시킨다 - 두 개의 수직 화살표 참조.

수위가 상승하는 경우에는 챔버(1) 내부에 갇혀 있는 공기가 위로 변위된다. 공기는 구부러진 화살표를 따라 흐른다. 공기는 상부 개구(3)를 통과해서 챔버(1)를 빠져나간다. 상기 상부 개구(3)에는 채널(4)이 연결되어 있다. 상기 채널은 에너지 발생 유닛(5)을 포함한다. 에너지 발생 유닛(5) 앞에는 플랩 밸브(6)가 연결되어 있다. 에너지 발생 유닛(5)의 구조는 도 3 내지 도 6으로부터 더 정확하게 드러난다. 도 3은 덕트 터빈(5)을 보여주고 있다. 상기 덕트 터빈은 덕트(5.1)를 구비하고, 발전소 작동 중에는 챔버(1)로부터 밀려나오는 공기가 상기 덕트를 관류한다.

덕트 터빈은 공기 흐름 방향과 무관하게 회전자가 계속해서 한 가지 동일한 회전 방향으로 순환하는 터빈이다. 이와 관련해서는 GB-A-1 595 700호가 참조된다.

도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 덕트 터빈(5)은 또한 두 개의 회전자(5.2, 5.3)를 포함한다. 상기 회전자들은 덕트(5.1)에 대하여 동축으로 배치되어 있고, 상기 덕트에 의해서 둘러싸여 있다. 두 개의 회전자(5.2, 5.3)는 하나의 제너레이터(5.4)에 작용한다. 이 경우 두 개의 회전자(5.2, 5.3)는 - 공기 흐름이 어느 측으로부터 덕트(5.1) 안으로 유입되는지와 무관하게 - 이 회전자들이 계속해서 한 가지 동일한 회전 방향으로 순환하도록 형성되고 배치되어 있다. 챔버(1) 내부의 수위가 상승할 때에는 공기가 해안에서 내륙으로 흘러가고, 수위가 하강할 때에는 공기가 내륙에서 해안으로 흘러가기 때문에 상기와 같은 형성 및 배치는 반드시 필요하고도 바람직하다.

제너레이터(5.4)는 도면에 도시되지 않은 전기 회로망으로 전기 에너지를 송출한다.

도 4 및 도 5에는 분사 물 라인(5.6)에 연결된 스프레이 노즐(5.5)이 확대도로 도시되어 있다. 이와 관련해서는 도 5가 참조 된다. 분사 물 라인(5.6)에는 일반적으로 더 많은 분사 노즐이 연결되어 있으며, 상기 분사 노즐은 분사되는 또는 방울방울 떨어지는 또는 뚝뚝 떨어지는 분사물이 두 개 회전자(5.2 및 5.3)의 블레이드에 충돌하도록 방향 설정되어 있다.

도 6으로부터는 터빈 블레이드의 유입 에지 또는 배출 에지 영역에서 결정화된 염의 치수를 알 수 있다. 침전물 생성 과정이 본 발명에 따른 조치들에 의해서 저지되지 않으면, 상기 침전물은 주 또는 개월이 경과함에 따라 상당한 크기에 도달하게 된다. 이와 관련해서는 횡단면도로 도시된 그리고 침전물(8)을 갖는 회전자 블레이드(7)를 참조할 수 있다.

도 7에 도시된 다이어그램은 회전자 블레이드에 충돌하는 공기와 회전자의 접선 방향으로의 순환 속도 간의 비율(Fi)을 횡좌표상에 도시하고 있다. 종좌표상에는 터빈의 효율(η)이 도시되어 있다. 본 다이어그램에서 원들은 용액을 터빈 블레이드 상에 제공한 후의 효율(η)을 도시하고, 정사각형들은 본 발명이 적용되지 않은 상태에서의 효율 진행 상태를 도시한다.

Claims (8)

1. 개구를 갖는 하단부 및 개구(3)를 갖는 상단부를 포함하고, 상기 하단부가 해수에 잠기도록 구성된 챔버(1);

   공기 흐름을 가이드 하기 위하여 구성되며 양단부가 개방되고, 일단부가 상기 챔버(1)의 상단부의 개구(3)에 연결된 채널(4);

   상기 채널 내에 적어도 일부로서 포함되고, 다수개의 제1 회전자 블레이드들, 다수개의 제2 회전자 블레이드들 및 상기 제1 및 제2 회전자 블레이드들을 둘러싸는 덕트(5.1)를 포함하고, 상기 덕트(5.1)는 상기 제1 및 제2 회전자 블레이드들을 둘러싸는 원주 벽을 구비하며, 상기 원주 벽은 상기 제1 및 제2 회전자 블레이드들이 위치하는 내부 공간을 정의하고 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 정의하는 것을 특징으로 하는, 상기 덕트(5.1)에 대하여 동축으로 설치된 파워 유닛(5); 및

   염을 분리시키는 액체 또는 기체 형태의 또는 증기 형태의 매체의 소스에 연결되도록 구성되고, 상기 제1 관통홀에 인접하게 위치한 제1 스프레이 노즐 및 상기 제2 관통홀에 인접하게 위한 제2 스프레이 노즐을 포함하고, 상기 제1 스프레이 노즐 및 상기 제2 스프레이 노즐(5.5)은 스프레이 매체로서 상기 액체 매체, 상기 기체 매체 및 상기 증기 매체 중에서 어느 하나를 다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들 및 다수개의 상기 제2 회전자 블레이드들로 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀을 통해 각각 분사하도록 구성되며, 상기 제1 스프레이 노즐 및 상기 제2 스프레이 노즐은 상기 덕트(5.1)에 직접적으로 부착되고, 상기 제1 스프레이 노즐은 상기 덕트(5.1)의 상류로 상기 스프레이 매체를 다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들 상으로 분사하며, 상기 제2 스프레이 노즐은 상기 제1 스프레이 노즐의 하류측에 위치하여 상기 덕트(5.1)의 하류로 상기 스프레이 매체를 다수개의 상기 제2 회전자 블레이드들 상으로 분사하고, 상기 스프레이 매체는 해수인 것을 특징으로 하는 스프레이 장치를 포함하는, 해파로부터 동력을 발생시키기 위한 터빈 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 파워 유닛(5)은 적어도 하나의 터빈 회전자(5.2, 5.3) 및 제너레이터(5.4)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 터빈 회전자는 다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들 각각을 포함하고, 상기 제너레이터(5.4)는 상기 터빈 회전자에 대하여 동축으로 설치되고 상기 터빈 회전자와 구동 결합되는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 파워 유닛(5)은 제1 터빈 회전자(5.2) 및 제2 터빈 회전자(5.3)를 구비하는 다수개의 상기 터빈 회전자들을 포함하고, 상기 제1 터빈 회전자(5.2)는 다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들을 포함하고, 상기 제2 터빈 회전자(5.3)는 다수개의 상기 제2 회전자 블레이드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제1 터빈 회전자 및 상기 제2 터빈 회전자는 반대로 흐르는 공기 방향과 무관하게 자신의 회전 방향을 유지하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템.
5. 해파로부터 동력을 발생시키기 위한 터빈 시스템을 제공하되, 상기 터빈 시스템은,

   개구를 갖는 하단부 및 개구(3)를 갖는 상단부를 포함하고, 상기 하단부가 해수에 잠기도록 구성된 챔버(1);

   공기 흐름을 가이드 하기 위하여 구성되며 양단부가 개방되고, 일단부가 상기 챔버(1)의 상단부의 개구(3)에 연결된 채널(4);

   상기 채널 내에 적어도 일부로서 포함되고, 다수개의 제1 회전자 블레이드들, 다수개의 제2 회전자 블레이드들 및 상기 제1 및 제2 회전자 블레이드들을 둘러싸는 덕트(5.1)를 포함하고, 상기 덕트(5.1)는 상기 제1 및 제2 회전자 블레이드들을 둘러싸는 원주 벽을 구비하며, 상기 원주 벽은 상기 제1 및 제2 회전자 블레이드들이 위치하는 내부 공간을 정의하고 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 정의하는 것을 특징으로 하는, 상기 덕트(5.1)에 대하여 동축으로 설치된 파워 유닛(5); 및

   염을 분리시키는 액체 매체, 기체 매체 및 증기 매체 중 하나의 소스에 연결되도록 구성되고, 상기 제1 관통홀에 인접하게 위치한 제1 스프레이 노즐 및 상기 제2 관통홀에 인접하게 위한 제2 스프레이 노즐을 포함하고, 상기 제1 스프레이 노즐 및 상기 제2 스프레이 노즐은 스프레이 매체로서 상기 액체 매체, 상기 기체 매체 및 상기 증기 매체 중 하나를 다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들 및 다수개의 상기 제2 회전자 블레이드들로 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀을 통해 각각 분사하도록 구성되며, 상기 제1 스프레이 노즐 및 상기 제2 스프레이 노즐은 상기 덕트(5.1)에 직접적으로 부착되고, 상기 제1 스프레이 노즐은 상기 덕트(5.1)의 상류로 상기 스프레이 매체를 다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들 상으로 분사하며, 상기 제2 스프레이 노즐은 상기 제1 스프레이 노즐의 하류측에 위치하여 상기 덕트(5.1)의 하류로 상기 스프레이 매체를 다수개의 상기 제2 회전자 블레이드들 상으로 분사하고, 상기 스프레이 매체는 해수인 것을 특징으로 하는 스프레이 장치를 구성하는 단계; 및

   상기 스프레이 장치를 간헐적으로 작동시키는 단계를 포함하는, 터빈 시스템의 작동 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   다수개의 상기 제1 회전자 블레이드들의 표면의 거칠기 및 상기 표면과 관련된 특성들을 검출하는 단계;

   센서에 의해 상기 검출 결과로부터 도출되는 신호를 발생시키는 단계; 및

   상기 신호에 따라서 상기 스프레이 장치를 작동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터빈 시스템의 작동 방법.
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