KR101640386B1 - 부체식 유체력 이용시스템 및 이것을 이용한 풍력추진선 - Google Patents

부체식 유체력 이용시스템 및 이것을 이용한 풍력추진선 Download PDF

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Abstract

유체력에 의한 전도 모멘트에 대응 가능하고, 부체의 경사 및 대형화를 억제하는 것이 가능한 부체식 유체력 이용시스템 및 이것을 이용한 풍력추진선을 제공한다. 바람 또는 물로부터 에너지를 끌어내는 어셈블리(12)와, 어셈블리(12)를 지지하는 부체(13)를 구비한 부체식 유체력 이용시스템(1)에 있어서, 어셈블리(12)는, 유체력을 받는 수풍부(10)와, 수풍부(10)를 지지하는 지주(11)를 갖고, 어셈블리(12)는, 그 중심(15)이 수면아래에 배치되어 있는 것과 함께, 부체(13)에 대해서 임의의 방향에 요동가능하게 지지되어 있다.

Description

부체식 유체력 이용시스템 및 이것을 이용한 풍력추진선{FLOATING STRUCTURE FLUID DYNAMIC FORCE USE SYSTEM AND WIND-PROPELLED VESSEL}
본 발명은, 요동하는 선박이나 해양구조물에서 사용가능한 부체(浮體)식 유체력 이용시스템 및 이것을 이용한 풍력추진선에 관한 것이다.
풍력발전시스템으로서, 육상에서는 수평축 풍차가 보급되어 있다. 풍차의 선진국에서는, 이미 육상에서는 안정된 풍력에너지가 있으면서도 또한 풍차의 설치에 적합한 토지는 점점 부족해져서, 안정된 풍력이 얻어지면서도 또한 광대한 면적이 있는 해상에서의 설치가 불가결하게 되었는데, 요즘은 수심 10m정도까지의 매우 얕은 해안선 부근의 해역에, 육상과 같은 식으로 해저에 고정설치되는 방법 밖에 실시되지 않는다.
앞으로 해상설치가 한층 더 확대될 것으로 기대되고 있기 때문에, 부체에 설치하는 실용적인 방법의 개발이 요구되어지고 있다. 일반적으로 전력은 육상에서 필요로 하게 되기 때문에 육상까지 전력을 전선으로 공급할 필요가 있지만, 그 전달과정에서의 손실을 막기 위해서는 육상 가까이에 설치할 필요가 있고, 필연적으로 얕은 해역에서 설치할 필요가 있다. 차세대의 해상 풍차 설치 방법으로서 기대되는 부체식 풍력발전시스템으로서는, 우선 수심 20~30m 정도의 얕은 해역에서 경제적으로 설치 가능한 방법이 요구되고 있다.
풍차는, 풍력 에너지를 회전력으로 전환할 때에, 강한 풍력을 받아서, 그것이 풍차를 옆으로 쓰러지게 하는 모멘트를 가져오지만, 육상에서 발달한 수평축 풍차는, 공중의 높은 위치에서 지지한 수평축 한점에서 풍력을 받기 때문에, 연직의 지주(支柱)의 밑에서는 거대한 전도 모멘트(overturning moment)가 발생하고 있다. 수평축 풍차에서는, 풍차지주의 상단부근을 중심으로 회전하는 풍차가 설치되어 있고, 또한 그 풍차는, 평상시 풍차를 바람에 마주대하도록 방향을 계속 바꿀 필요가 있기 때문에, 앞에서 말한 거대한 모멘트를 지탱하기 위해서, 지주를 지탱하는 가이 와이어(guy wire)을 설치하는 것이 불가능하다. 따라서 수평축 풍차의 지주는 가능한한 공고히 지면에 고정할 필요가 있고, 풍차의 방향을 바꾸기 위해서 지주째로 회전하는 것은 힘들고, 만일 턴테이블을 지상레벨에 설치해도, 턴테이블의 직경을 극단적으로 크게 하지 않는한, 지주의 전도 모멘트를 지탱하는 것은 불가능하다. 이 때문에, 일반적으로 수평축 풍차의 턴테이블은 지주의 상단의 너셀(nacelle) 바로 밑에 설치되어 있다. 한편, 수평축 풍력발전에 필요한 기능으로서, 수평축의 베어링 지지 시스템, 증속기어, 발전기, 브레이크, 블레이드 피치 제어(blade pitch control) 장치 등, 풍차축 회전의 주위에 설치할 필요가 있는 기기가 있지만, 그 회전 토오크(torque)의 변동과 턴테이블 회전의 간섭을 피하기 위해서, 그 기기들은 턴테이블보다 풍차측에 설치하는 것이 좋고, 이들 전부의 주요기기 뿐만아니라 윤활유 시스템, 제어반 등에 이르는 주변기기까지, 공중의 너셀에 설치되어 있다. 그 결과, 수평축 풍차의 중심은 굉장히 높은 위치가 된다. 또한, 수평축 풍차를 부체에 공고히 장치한 경우, 지주의 상단에서는 부체를 중심으로 하는 흔들림이 증폭되기 때문에, 과대한 횡G(횡가속도)가 발생하기 때문에, 너셀에 설치한 기기에는 그것을 견딜수 있는 강도나 윤활시스템 등이 필요하게 된다는 결점이 있다.
도 17은, 비교예 1로서, 수평축 풍차를 부체에 얹은 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도이다.
일반적으로 부체가 복원력을 갖기 위해서는 중심을 부체 부근에 있는 메타센터(부력선과 부체중심선의 교점)보다 낮은 위치에 가질 필요가 있지만, 앞서 말한것과 같은 구성의 수평축 풍차(200)에서는, 중량기기가 전부 공중의 높은 위치에 있기 때문에 중심(G)이 굉장히 높고, 복원력을 갖고 있지 않다. 즉, 육상형의 수평축 풍차(200)를 부체(201)에 고정하여 설치하고자 하면, 도 17에서 나타내듯이, 중심(G)이 높기 때문에, 조금이라도 부체(201)가 기울어지면, 그 중력(F1)은 부체(201)에 작용하는 부력(F2)보다도 외측에서 작용하기 때문에, 보다 기울어지게 하려는 힘이 작용한다. 덧붙여서, 도 17에서 나타내듯이, 높은 위치에서 받는 풍력(F3)에 의한 거대하며 또한 변동하는 전도 모멘트를 받는다.
즉, 부체(201)로서 필요한 복원력을 갖지 않는데다가, 풍력(F3)에 의한 거대하고 변동하는 전도 모멘트를 받기 때문에, 부체 구조물로서 성립하지 않는다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서는, 주요기구를 전부 부체상의 낮은 위치에 설치, 중심(G)과 함께 유지보수 작업장소를 반드시 아래로 내리는 것이 필요하다.
수평축 풍차(200)의 경우, 먼저 육상풍차의 예에서 본것 처럼, 풍차지주(202)를 부체(201)에 견고히 고정한다 라는 필요성을 배제할수 없는 한, 텐테이블을 풍차지주(202)의 상단에 설치할 필요가 있어서, 필연적으로 모든 상류기기를 그 위의 너셀(203)에 얹는 것이 되어 버려서, 중심(G)을 내리는 것은 곤란하다.
도 18은, 비교 예2로서, 수직축 풍차를 부체에 얹은 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도이고, (a)는 경사가 경미한 상태, (b)는 경사가 커진 상태, (c)는 경사가 더욱 커진 상태, 를 각각 나타내고 있다.
비교 예 1의 수평축 풍차(200)에 대해서, 도 18에서 나타낸 수직축 풍차(300)라면, 모든 중량기기를 공중 높게가 아니라 육상에서 통상의 기초상에 설치하는 것과 같은 식으로 부체(301)상에 설치하는 것이 가능해서, 중심(G)을 상당히 낮추는 것이 가능할 것이다. 하지만, 육상의 예에서 보는 것처럼, 지주(302) 그 자체가 로터와 함께 회전하는 수직축 풍차(300)의 경우, 풍력(F3)에 의한 전도 모멘토에 견딜 수 있도록 지주(302)를 고정하는 것은 어렵고, 가이 와이어(도시생략)을 사방으로 설치해서 지주(302)의 상단을 지지할 필요가 있다. 이러하면 부력체로서 필요한 크기 이상으로 넓은 갑판면을 갖는 부체구조물이 필요하게 되어버린다. 또한, 가이 와이어의 문제를 별도로 해도, 이 정도의 저중심화에 의하면, 도 18(a)에서 나타내듯이, 풍력(F3) 등에 의한 부체(301)의 경사가 작을 때에는 경사에 의해 중심(G)이 횡으로 이동하는 것보다도 부력중심(C)이 횡으로 이동하는 이동량이 크기 때문에 복원력이 작동하지만, 경사가 더욱 진행되면, 도 18(b)에서 나타내듯이, 어느 중심(G)의 횡이동이 부력중심(C)의 횡이동에 따라 붙어서 복원력을 읽고, 그 이상의 경사에서는, 도 18(c)에서 나타낸 것 처럼, 보다 기울어지게 하려는 힘이 작용하게 된다. 즉, 어느 정도의 경사각도를 넘으면 복원력을 잃고 전복한다는 문제가 있다. 이것은, 중심(G)이 부체(301)상에 있는 경우, 경사가 커지게 되면 중심(G)은 횡으로 이동해가지만, 부력중심(C)은 부체보다 바깥으로는 나올수 없기 때문에 중심(G)의 횡이동에 앞지르게 되기 위해 발생하는 현상이고, 부체(301)의 물에 잠긴 부분 이하에 중심(G)이 없는 한 피할 수 없는 문제이다.
도 19는, 비교예 3으로서, 수직축 풍차를 부체에 대해서 경동(傾動)이 불가능하게 지지하는 것과 함께, 수중 밸러스트를 설치한 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도이다.
일반적인 요트의 경우, 수중에 밸러스트를 설치, 아무리 경사가 져도 복원력이 있는 구조를 실현하고 있다. 이와 같은 요트의 구조를 응용해서, 도 19에서 나타낸 것 처럼, 지주(403)를 부체(401)에 대해서 경동이 불가능하게 지지하는 것과 동시에, 수중에 밸러스트(402)를 설치한 수직축 풍차(400)로 하는 것이 고안되었다. 수직축 풍차(400)는, 부체(401) 부근에 있는 경사운동의 회전중심(부력중심C)보다도 중심(G)이 낮기 때문에 실현가능하지만, 이 형태의 경우, 지주(403)의 부체(401)로의 설치부(401a)에는 너무 큰 스트레스가 가해지기 때문에, 그것만으로 지탱하는 것은 현실적이지 않고, 지주(403)를 지탱하는 포어스테이(forestay), 사이드스테이(sidestay)라고 불리는 와이어(도시생략)가, 육상의 수직축 풍차의 가이 와이어와 같은 식으로 세방향 내지 네방향으로 뻗어져있는 것으로 처음 실현가능해진 것이다. 또한, 이 구조를 해상에 계류하여 운영되는 풍력발전시스템에 그대로 적용한 경우, 지주(403)와 함께 부체(401)가 크게 경사지기 때문에, 작업원에게는 위험하고, 부체(401)의 경사의 영향을 받는 계류시스템의 부담도, 특히 얕은 여울에서는 지나치게 커진다.
이와 같은 부체의 복원력 부족을 해결하는 방법으로서, 지금까지 다양한 방법이 검토되어왔다. 예를 들면, 복수의 수평축 풍차를 설치하는 것으로 해서 그것들을 전부 일체의 거대한 부체에 설치하는 방법, 복수의 수평축 풍차를 설치하는 것으로 해서 이것들을 각각 지지하는 부체를 강하게 결합하는 방법(예를 들면 특허문헌 1 참조), 세로로 길게 수면아래 깊게 뻗는 원통형의 스퍼(spur)라고 불리는 부체를 이용해서 안정을 얻는 방법(예를 들면 특허문헌 2 참조), 텐돈(tendon)이라고 불리는 금속파이프 등으로 부체를 해저를 향해 끌어당겨 안정시키는 TLP라고 불리는 방법(예를 들면 특허문헌 3 참조)등이 제안되고 있다.
하지만, 어느 것도 그 시스템에서 풍력으로부터 회수할 수 있는 에너지의 양에 비해 부체구조물이 대규모이기 때문에, 건조비용, 설치비용이 지나치게 많이 든다는 결점이 있고, 경제적으로 성립하기 어렵다. 또한 어느 방법도 거대한 구조물의 요동에 의한 흘수변화, 세로로 긴 구조물의 흘수, 세로로 잡아당긴 텐돈의 기하학적 가동범위 등을 고려하면 어느정도의 수심이 필요한 컨셉트로, 앞서 말한 전력을 필요로 하는 육지에 가까운 얕은여울의 설치에는 적합하지 않다는 결점이 있다.
선행기술문헌
특허문헌
특허문헌1: 특개 2010-216273호 공보
특허문헌2: 특개 2009-248792호 공보
특허문헌3: 특개 2010-030379호 공보
발명의 개요
본 발명은, 상기의 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 유체력에 의한 전도모멘트에 대응가능하고, 부체의 경사 및 대형화를 억제하는 것이 가능한 부체식 유체력 이용 시스템 및 이것을 이용한 풍력추진선을 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 바람 또는 물로부터 에너지를 끌오내는 어셈블리(assembly)와, 상기 어셈블리를 지지하는 부체를 구비한 부체식 유체력 이용 시스템으로, 상기 어셈블리는, 유체력을 받는 수력부(受力部)와, 상기 수력부를 지지하는 지주(支柱)를 갖고, 상기 어셈블리는, 그 중심이 수면아래에 배치되어 있는 것과 함께, 상기 부체에 대해서 임의방향으로 요동가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 어셈블리는, 그 중심이 수면아래에 배치되어 있는 것과 동시에, 상기 부체에 대해서 임의의 방향으로 요동가능하게 지지되어 있기 때문에, 어셈블리는 유체력을 받으면 임의의 방향으로 기울지만, 수면아래에 있는 중심에 가해지는 중력이 요동축의 지지부를 중심으로 경사를 되돌리고자 하는 복원력을 발생한다. 이 복원력은 경사가 커지게 됨에 따라 크게 되고, 없어지게 되는 것은 아니기 때문에, 어셈블리 자체가 어셈블리의 전도모멘트에 대항하는 것이 가능하다. 이 때문에, 부체가 전도모멘트를 부담할 필요가 없고, 따라서 가이 와이어를 설치할 필요가 없기 때문에, 부체를 소형화하는 것이 가능하다. 또한, 어셈블리는, 부체에 대해서 요동가능하게 지지되어 있기 때문에, 어셈블리의 경사가 부체에 전해지지 않는다.
또한, 수력부로서는, 바람을 받는 날개(sail), 고정날개, 수평형 혹은 수직형 풍차, 조류력을 받는 조류력 날개(sail), 용골(keel), 수평형 혹은 수직형 수차등을 이용하는 것이 고안되었다.
또한, 상기 어셈블리는, 핀 조인트(pin joint), 유니버설 조인트(universal joint), 필로우 볼(pillow ball)형 구면 베어링(球面軸受) 및 탄성체 지지기구 중 어느 하나를 사이에 두고, 상기 부체에 대해 요동가능하게 지지되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 요동을 허용하면서 큰 중량의 어셈블리를 간편, 확실하게 부체에 지지하는 것이 가능하다.
또한, 상기 어셈블리는, 상기 부체에 대해서 상기 지주의 중심축 주변에 회전가능하게 지지되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 수력부가 회전이 필요한 타입인 경우에, 어셈블리 전체를 일체로 만든 채로, 회전을 허용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 유체에너지의 적어도 하나로 풍력을 이용하는 부체식 유체력 이용시스템으로, 상기 수력부는, 공중에서 풍력을 받는 수풍부(受風部)를 포함해서 구성되고, 상기 지주는, 상기 수풍부를 지지하는 상지주(上支柱)와, 수면아래에 배치된 밸러스트를 지지하는 하지주(下支柱)를 구비해서 이루어진 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 수력부는, 공중에서 풍력을 받은 수풍부를 포함해서 구성되고, 상기 지주는, 상기 수풍부를 지지하는 상지주와, 수면 아래에 배치된 밸러스트를 지지하는 하지주를 구비하여 구성되기 때문에, 부체를 관통하게 배치한 지주에서 수풍부와 밸러스트를 지지하면서, 어셈블리 전체를 부체에 대해서 요동가능하며 또한 회전가능하게 지지하는 것이 가능하다.
또한, 예를 들면 수풍부가 고정날개인 경우, 풍향에 맞춰서 수력부의 방향을 바꿀 필요가 있지만, 수중에서 밸런스를 잡는 밸러스트를 원주상(圓柱狀) 혹은 구상(球狀)(지주의 회전축에 대해서 회전대칭인 형상)으로 해두면, 수력부를 공중에서 지지하는 상지주와 밸러스트를 수중에서 지지하는 하지주를 일체로 구성하는 것이 가능하다.
또한, 상기 상지주와 상기 하지주는, 상기 지주의 중심축에 관해서 강한 상태로, 베어링을 사이에 두고 상대적으로 동축(同軸)회전 가능하게 연결되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 상기 상지주와 상기 하지주는, 상기 지주의 중심축에 관해서 강한 상태로, 베어링을 사이에 두고 상대적으로 동축회전 가능하게 연결되어 있기 때문에, 상지주와 수력부가 회전하고 있어도 하지주와 밸러스트는 회전하지 않게 구성하는 것이 가능하다. 이 때문에, 예를 들면 하지주와 밸러스트가 부유물을 말려들게 하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 예를 들면, 수면상에 고정날개를 설치하는 것과 함께, 수면아래에 용골과 밸러스트를 설치하고 있는 경우에도, 각각을 최적의 각도로 유지하는 것이 가능하다.
또한, 상기 수력부는, 수평축 풍차 또는 수직축 풍차를 포함해서 구성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 의하면, 수력부를 수평축 풍차 또는 수직축 풍차로 구성한 경우에도, 어셈블리의 중심이 수면 아래에 배치되어 있는 것과 함께, 이들 풍차를 포함한 어셈블리 전체가 부체에 대해서 요동가능하게 지지되어 있기 때문에, 전도 모멘트에 대항하는 것이 가능한 것과 동시에 부체의 경사나 대형화를 억제하는 것이 가능하다.
또한 상기 수력부는, 수평축 수차 또는 수직축 수차를 포함해서 구성되고, 상기 수평축 수차 또는 상기 수직축 수차는, 수면아래에 배치되어 밸러스트 또는 그 일부로서 기능하도록 구성해도 좋다
이와 같은 구성에 의하면, 수력부를 수평축 수차 또는 수직축 수차로 구성한 경우에도, 어셈블리의 중심이 수면 아래에 배치되어 있는 것과 함께, 이들 수차를 포함한 어셈블리 전체가 부체에 대해서 요동가능하게 지지되어 있기 때문에, 전도 모멘트에 대항하는 것이 가능한 것과 동시에, 부체의 경사나 대형화를 억제하는 것이 가능하다.
또한, 수평축 수차 또는 수직축 수차가, 밸러스트 또는 그 일부로서 기능하기 때문에, 별도의 밸러스트를 설치할 필요가 없고, 구조의 간소화를 꾀하는 것이 가능하다. 게다가, 지주의 상하에 풍차와 수차를 설치하는 구성으로 하는 것이 가능하다.
또한, 상기 상지주와 상기 하지주는, 소정의 상대적인 회전관계를 유지해서 동축회전하도록, 기어 시스템을 사이에 두고 서로 연결되어 있는 것과 함께, 상기 부체에 대해서 상대회전가능하며 또한 요동가능하게 지지되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 상지주와 하지주가 기어 시스템을 사이에 두고 서로 연결되는 것에 의해, 양쪽이 소정의 상대적인 회전관계를 유지하며 동축회전하기 때문에, 설계 조류속과 설계 풍속이 다른 경우에 풍차와 수차를 각각의 효율이 좋은 회전수로 회전시키면서 양쪽의 에너지를 끌어내는 구성으로 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 풍속부와 수직축 풍차, 밸러스트부는 수직축 수차로서 구성하고, 상지주와 하지주를 축선(軸線)은 견고한 상태로, 베어링과 유성 기어시스템 또는 차동 기어시스템을 사이에 두고 연결하여, 하지주와 수직축 수차가 1회전 하는 사이에 상지주와 수풍차가 여러번 회전하도록 구성하면, 양쪽의 에너지를 효율좋게 끌어내는 것이 가능하다.
또한, 상기 상지주와 상기 하지주는, 소정의 조건하에서 상기 상지주 및 상기 하지주 중의 한쪽의 회전을 다른쪽에 전달하고, 다른 조건하에서 상기 상지주 및 상기 하지주 중의 한쪽의 회전을 다른쪽에 전달하지 않는 기구를 갖고 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 상지주와 하지주 사이에 예를 들면 래칫(ratchet)기어, 클러치(clutch), 비스커스 커플링(viscous coupling), 토크 리미터(torque limiter) 등을 장치한 것에 의해, 상호회전을 분리하거나, 회전의 전달을 일방통행으로 하거나, 과회전을 방지하거나 상호회전을 막거나 하는 것이 가능하다.
또한, 상기 어셈블리는, 상기 수력부의 회전으로부터 회전 에너지를 끌어내는 회전 에너지 취출부(取出部)를 구비, 상기 상지주와 하지주는, 서로 동축 역회전시키도록 구성되어, 상기 회전 에너지 취출부는, 상기 상지주 및 하지주로부터 회전 에너지를 끌어낼 때에 생기는 토오크(torque)가 서로 없어지게 되도록 배치되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 상지주와 하지주가 서로 동축역회전 하도록 배치되어, 회전 에너지 취출부가, 에너지를 끌어낼 때에 생기는 토오크가 서로 없어지게 되도록 설치되어 있기 때문에, 부체의 회전이나 부체의 계류 시스템의 부담을 억제하는 것이 가능하다.
더욱 상세하게 설명하면, 예를 들면, 수차가 위에서부터 볼때 예를 들면 시계방향으로 회전할 때 그 에너지를 부체에 끌어내면 부체도 시계방향으로 돌려고 하는 토오크가 발생한다. 같은 식으로, 풍차의 수직축 회전도 그곳에서 에너지를 끌어낼 때에는 부체를 함께 회전시키려는 하는 토오크가 발생한다. 이들의 경우, 부체가 회전해서 그 계류 시스템이 뒤틀려서, 경우에 따라서는 부체측면에 감겨져 장력(張力)이 올라가고, 상기 토오크에 대항하는 반(反)토오크를 발생하여 밸런스를 갖을 때까지 부체의 회전은 멈추지 않고, 부체시스템의 구성요소에 지나치게 큰 굽힘이나 피로, 마모를 발생하게 된다. 그래서, 본 발명과 같이, 예를 들면 수직축 수차가 설치된 하지주와 수직축 풍차가 설치된 상지주가 반드시 역회전 하도록, 예를 들면 풍차 및 수차의 날개의 진행방향을 설정하거나, 상지주와 하지주 사이에 역회전 기어 시스템을 개설하거나 하면, 토오크는 서로 없어지고, 문제를 해결 또는 저감하는 것이 가능하다.
또한, 상기 회전 에너지 취출부는, 로터와 스테이터(stator)를 구비한 발전기로, 상기 발전기는, 상기 상지주 및 하지주의 어느 한쪽에 상기 로터를 접속하고, 다른쪽에 상기 스테이터를 접속하여, 상기 로터와 상기 스테이터의 차동(差動)에 의해 발전(發電)하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 회전 에너지를 전력으로 변환해서 끌어내고자 하는 경우에, 상지주와 하지주의 어느 한쪽에 로터를 접속하는 것과 동시에, 다른쪽에 스테이터를 접속하고, 차동에 의해 발전하도록 구성하면, 토오크를 상쇄시키는 것과 함께 상대적으로 높은 회전수가 되어, 예를 들면 발전기의 극수(極數)를 줄여서 보다 소형 발전기를 사용하는 것이 가능하다.
또한, 상기 수력부는, 양력(揚力)형의 수직축 풍차와 항력(抗力)형의 수직축 수차를 포함하여 구성되어, 상기 수직축 풍차는 상기 수직축 수차의 회전에 의해 기동하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 일반적으로 자기 기동성이 부족한 양력형의 수직축 풍차를, 비교적 기동성이 좋은 항력형의 수직축 수차에 의해 기동시키는 것이 가능하다. 또한, 수직축 수차는 수면아래에 설치되어 있기 때문에, 수직축 풍차에 부딪치는 풍류(風流)가 흐트러지지 않아서, 풍차의 회전효율의 저하를 억제하는 것이 가능하다.
더 구체적으로 설명하면, 일반적으로 수직축 풍차는, 다리우스형으로 대표되는 양력형의 풍차의 효율이 좋고, 또한 어느 풍향에서의 바람이라도 아무런 조정을 할 필요가 없다라고 하는 이점이 있지만, 초동(初動)시에 회전을 주지 않으면 자기 기동을 할 수 없다라는 결점이 있다. 이것을 해결하는 것으로서, 풍상과 풍하 등의 위치에 따라 앙각(迎角)을 바꾸는 링크기구를 더해서 자기기동을 가능하게 한 자이로밀형 풍차도 있지만, 풍향이나, 회전속도와 풍속의 관계에 따라 조정을 필요로 하고, 또한 기구가 손이 닿지 않는 위치에 탑재되어 있기 때문에, 해상에서는 유지보수가 어렵다는 결점이 있다. 다리우스형을 주 로터로 한 상태에서, 효율은 낮지만 기동특성이 좋은 사보니우스형 등의 풍차를 조합시켜서 다리우스형 풍차의 내측에 설치, 자기기동력 부족을 보충하는 방식도 실용화되고 있지만, 사보니우스형 풍차가 다리우스형 풍차에 닿는 풍류를 흐트려서 효율을 저하시킨다는 결점이 있다. 본 발명에서는, 예를 들면 풍차에 다리우스형을 사용하고, 수면아래의 조류력에 사보니우스형을 사용해서 다리우스형 풍차를 기동하는 것이 가능하다. 이와 같이 구성하면, 사보니우스형 수차가 다리우스형 풍차에 닿는 유체의 흐름을 흐트리지 않는다.
또한, 상기 수력부는, 양력형의 수직축 풍차와 항력형의 수직축 수차를 포함하여 구성되고, 상기 수직축 수차는, 증속장치를 사이에 두고 상기 수직축 풍차에 연결되고, 상기 증속장치는, 수직축 풍차의 회전속도가 상기 수직축 수차의 증속 후의 회전속도 이하인 경우에는 상기 수직축 수차의 회전을 상기 수직축 풍차에 전달하고, 상기 수직축 풍차의 회전속도가 상기 수직축 수차의 증속 후의 회전속도보다도 큰 경우에는 상기 수직축 수차의 회전을 상기 수직축 풍차에 전달하지 않는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 수직축 풍차의 회전속도가 수직축 수차의 증속 후의 회전속도 이하인 경우에는 수직축 수차의 회전이 수직축 풍차로 전달되기 때문에, 양력형의 수직축 풍차의 기동성을 높이는 것이 가능하다. 또한, 수직축 풍차의 회전속도가 수직축 수차의 증속 후의 회전속도보다도 큰 경우에는 수직축 수차의 회전이 수직축 풍차로 전달되지 않기 때문에, 수직축 수차가 저항하게 되는 일은 없다.
더욱 상세하게 설명하면, 일반적으로 조류의 설계속도는 바람의 설계풍속보다 현격히 늦고, 더욱이 사보니우스형 로터는 로터의 최대 지름부의 주속(周速)이 유체속도와 같은 정도로 효율이 좋은 것에 비해 다리우스형 로터는 주속이 풍속의 4~6배 정도로 효율이 좋기 때문에, 사보니우스형 수차의 축회전은 증속해서 다리우스형 풍차의 축회전에 전달하는 것이 좋고, 또한 풍속이 올라간 경우에는 풍차축의 회전은 수차가 브레이크 되지 않도록 회전의 전달을 분리하던가 일방통행으로 하는 것이 좋다. 또한 조류속은 일반적으로 상당히 늦지만, 물은 공기의 800배 가까운 비중을 갖기 때문에, 공중에 설치된 기동용 사보니우스 풍차와 같은 정도의 크기의 기동용 사보니우스 수차를 수중에 설치하면 공중의 다리우스형 풍차를 기동하는 것이 가능하다. 이와 같은 구성은, 조류는 조속이 늦지만 비교적 많은 시간 흐르고, 풍속은 바람이 불면 속도가 빠르지만 멈추는 일이 많고, 풍향이 일정하지 않는 등의 특징을 갖는 일본근해를 포함한 해역에서는 특히 유용하다.
또한, 상기 어셈블리는, 상기 어셈블리의 자체무게와 균형을 이룰 정도의 부력을 갖고 있는 것과 함께, 상기 부체에 대해서 상대적으로 상하동(上下動) 가능하게 지지되어 있어, 상기 어셈블리와 상기 부체의 상대적 상하동으로부터 에너지를 끌어내는 상하동 에너지 취출부를 구비하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 어셈블리는, 어셈블리의 자체무게와 균형을 이룰 정도의 부력을 갖고 있는 것과 함께, 부체에 대해서 상대적으로 상하동 가능하게 지지되어 있기 때문에, 양쪽에 작용하는 부력이 파도에 의해 변동되면, 그것에 대한 각각의 부체의 추종성의 차에 따라 상대적으로 상하동한다. 그래서, 상하동 에너지 취출부에 의해, 부체와 어셈블리의 상대적인 상하동으로부터 에너지(파랑(波浪) 에너지)가 나오게 된다.
또한, 어셈블리는 비교적 중량이 크고, 또한 수면 관통부가 비교적 좁기 때문에 흘수변동에 의한 부력변화가 비교적 작고, 긴 주기(周期)에서 상하로 흔들리는 한편, 부체쪽은 비교적 중량이 가볍고, 또한 수면 관통부가 커서 파랑에 잘 추종하기 때문에, 파랑 중에서 상대적 상하동이 생긴다.
또한, 상기 상하동 에너지 취출부는, 트랜스레이터(translator)와 스테이터(stator)를 구비한 리니어(linear) 발전기이고, 상기 리니어 발전기는, 상기 어셈블리 및 상기 부체의 어느 한쪽에 상기 트랜스레이터를 접속하고, 다른쪽에 상기 스테이터를 접속해서, 상기 트랜스레이터와 상기 스테이터의 차동에 의해 발전하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 상하동 에너지 취출부는, 트랜스레이터와 스테이터를 구비한 리니어 발전기로, 리니어 발전기는, 어셈블리 및 부체 어느 한쪽에 트랜스레이터를 접속하고, 다른쪽에 스테이터를 접속하고 있기 때문에, 어셈블리와 부체의 상대적 상하동으로부터 직접 발전하는 것이 가능하다.
또한, 상하동 에너지 취출부는, 볼나사, 랙과 피니언(rack and pinion), 콘로드(connecting road)와 크랭크(crank)기구 및 자이로(gyro) 중 어느 하나로 이루어진 회전력 변환기구를 구비해서 이루어진 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 볼나사, 랙과 피니언, 콘로드와 그랭크 기구, 또는 자이로 등의 회전력 변환기구에 의해, 상하동이 회전으로 변환되기 때문에, 상하동 에너지를 보다 효율이 좋은 회전형의 발전기에서의 발전에 이용하는 것이 가능하다.
또한 상기 수력부는, 양력형의 수직축형 풍차 및 양력형의 수직축 수차 중 적어도 어느 하나를 구비해서, 상기 회전력 변환기구에 의해 얻어지는 회전력에 의해 기동(起動)하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 회전력 변환기구에 의해 얻어지는 회전력을 다리우스형 풍차나 다리우스형 수차에 전달해서, 이들의 기동에 이용하는 것이 가능하고, 또한 풍력 에너지나 조류력 에너지를 일괄하여 회전형 발전기에서 발전하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명은 앞서 말한 부체식 유체력 이용시스템을 이용한 풍력추진선으로, 상기 부체는, 선체이고, 상기 수력부는, 공중에서 풍력을 받는 수풍부를 포함하여 구성되고, 상기 지주는, 상기 수풍부를 지지하는 상지주와, 수면 아래에 배치된 밸러스트를 지지하는 하지주를 구비하여, 수면 아래에 배치되고, 상기 수풍부에서 받은 풍력에 의해 대략 수평축 주변에서 회전하는 프로펠러를 구비한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성에 의하면, 수풍부에서 받은 풍력에 의해 대략 수평축 주변에서 회전하는 프로펠러에 의해, 선체를 추진하는 것이 가능하다. 이 때, 수풍부와 지주로 이루어진 어셈블리는 선체에 대해서 요동가능하게 구성되어 있고, 또한, 어셈블리의 중심은 수면아래에 배치되어 있기 때문에, 충분한 추진력을 얻을 수 있을 정도의 큰 수력부를 갖는 풍차를 설치해도, 충분한 복원력을 갖는 안전한 풍력추진선으로 하는 것이 가능한 것과 함께, 선체의 경사와 대형화를 억제하는 것이 가능하다.
또한, 어셈블리는, 항행중에는, 어셈블리의 요동방향을 구속하는 구속장치에 의해, 선체의 롤링방향에서만 요동가능하게 구속되어 있는 것이 바람직하다.
또한 상기 풍력추진선의 프로펠러는, 상기 밸러스트에 설치되어 있는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 예를 들면, 밸러스트 안을 아래까지 관통하는 샤프트(shaft)에 수직축 풍차의 회전을 증속해서 전달하고, 밸러스트 안에 설치한 베벨기어(bevel gear)에 의해 수평축 회전으로 바꾸고, 거기에 설치한 프로펠러를 회전하고 추진하도록 구성하는 것이 가능하다.
또한, 상기 밸러스트 또는 상기 하지주는, 양력형의 용골(keel)로서 기능하도록 구성하는 것이 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 상기 밸러스트 또는 상기 하지주는, 양력형의 용골로서 기능하기 때문에, 하지주의 회전에 의해 용골의 앙각(迎角)을 조정하는 것이 가능하다.
더욱 상세히 설명하면, 큰 풍력에너지를 받아서 추진하는 배는, 횡풍(橫風)을 받아서 나아갈 때에는 바람에 밀려서 풍하측으로 미끄러지면서 나아가게 된다. 이것은 요트에서도 동일해서, 고성능 요트의 경우, 옆미끄럼 속도가 있으면 전진속도와의 합성속도가 수중의 용골에 앙각을 만들기 때문에 풍상측으로 요트를 미는 양력이 용골에 생기는 것으로 밸런스를 유지하고 있지만, 어느 정도의 옆미끄럼(橫滑)이 있어서 처음으로 균형을 이루는 구성으로 되어있기 때문에, 옆으로 미끄러진 만큼 선체저항이 늘어나는 것을 피할 수 없다. 본 발명에서는, 회전가능하게 지지된 밸러스트 킬(ballast keel) 시스템에 의해, 옆미끄럼이 생기지 않아도 풍상으로 미는 양력을 용골에 발생시킬수 있도록 용골에 앙각을 주는 것이 가능하기 때문에, 선체는 진행방향을 향한 채로 직진가능해서, 선체저항을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 상기 선체의 전후에 배치된 2개의 상기 어셈블리를 구비하고, 상기 2개의 용골은, 횡풍을 받아서 직진시에는 같은 방향에 앙각을 갖도록 회전하고, 선회시에는 전단(前端)의 상기 용골과 후단(後端)의 상기 용골이 서로 역방향의 앙각을 갖도록 회전하는 구성으로 해도 좋다.
이와 같은 구성에 의하면, 두개의 용골이, 횡풍을 받아서 직진시에는 같은 방향에 앙각을 갖도록 회전하고, 선회시에는 전단의 상기 용골과 후단의 상기 용골이 서로 역방향의 받음각을 갖도록 회전하기 때문에, 러더(rudder)를 없애고 저항이 적은 고성능의 풍력추진선으로 하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 것 처럼, 본 발명의 부체식 유체력 이용 시스템에 의하면, 수중에 중심을 갖는 어셈블리를 부체에 요동가능하게 지지하기 때문에, 거대하며 또한 변동하는 유체력에 의한 전도 모멘트에 대응하고, 공중의 수력부가 큰 힘을 받아서 기울어져도 부체는 기울어지지 않고, 항상 부체의 복원력을 유지하고, 또한 점검 등을 위한 작업원의 접근을 안전하게 실현하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 공중이나 수중의 수력부가 지나치게 큰 유체속도에 노출된 경우에는 수력부를 자연스럽게 경사지게 하여 유체력을 피하는 것이 가능한데, 이 경우에도 부체는 경사지지 않고서 복원력을 유지하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 가이 와이어를 설치할 필요가 없기 때문에 부체의 대형화를 억제하는 것이 가능하다. 또한, 수평축 풍차이든 수직축 풍차이든 기어박스, 턴테이블, 발전기 등의 주요기기의 대부분을 부체상에 설치하는 것이 가능하고, 점검, 유지보수를 용이하게 하고, 또한 설치할 때나 운전기간 중에 필요한 고소(高所) 크레인 작업을 극력 줄이는 것이 가능하다.
또한, 계류되어 있지 않은 상태에서도 자립안정이 있는 시스템이 실현되기 때문에, 안벽(岸壁)에서의 조립을 완성한 후에 예항(曳航)하는 것이 가능해서, 설치비용을 큰폭으로 감소하는 것이 가능하다. 또한 이 특성을 이용해서, 추진력의 주력으로서 만족할 정도의 부력을 받는 수력설비를 설치해서 횡풍을 받아도 좌우로 흔들리지 않고, 옆미끄럼도 없이 직진가능한 고효율이며 대형인 풍력추진선을 실현할 수 있는 효과가 있다.
도면의 간단한 설명
[도 1] 제 1 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템에 대해서, 수직축 풍차를 요동가능하게 부체에 지지한 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도이다.
[도 2] 제 1 실시형태의 어셈블리와 부체의 연결부를 확대해서 나타낸 단면도로, (a)는 정립(正立) 시. (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 3] 제 1 실시형태의 어셈블리를 요동가능하게 지지하는 지지구조를 나타낸 도로, (a)는 단면도, (b)는 사시도, (c)는 분해 사시도 이다.
[도 4] 제 2 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템에 대해서, 수평축 풍차를 요동가능하게 부체에 지지한 경우를 모식적으로 나타낸 도로, (a)는 정립 시, (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 5] 제 2 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템의 평면도로, (a)는 회전 전, (b)는 회전 후의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 6] 제 2 실시형태의 어셈블리와 부체의 연결부를 확대해서 나타낸 단면도로, (a)는 정립 시, (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 7] 제 3 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템에 대해서, 수직축 풍차와 수직축 수차를 요동가능하게 부체에 지지한 경우를 모식적으로 나타낸 도로, (a)는 정립 시의 측면도, (b)는 정립 시의 평면도, (c)는 수차의 단면도이다.
[도 8] 제 3 실시형태의 어셈블리와 부체의 연결부를 확대해서 나타낸 단면도로, (a)는 정립 시, (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 9] 제 3 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템에 대해서, 강풍대책 시의 상태를 모식적으로 나타낸 측면도이다.
[도 10] 제 4 실시형태에 관련된 부체식 유체 이용시스템에 대해서, 상하동에 의해 기동하는 수직형 수차를 요동가능하게 부체에 지지한 경우를 모식적으로 나타낸 측면도로, (a)는 정립 시, (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 11] 제 4 실시형태의 어셈블리와 부체의 연결부를 확대해서 나타낸 단면도로, (a)는 정립 시, (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 12] 제 5 실시형태에 관련된 풍력 추진선을 모식적으로 나타낸 도로, (a)는 측면도, (b)는 정립 시의 단면도, (c)는 경사시의 단면도를 각각 나타내고 있다.
[도 13] 제 6 실시형태에 관련된 풍력 추진선에 대해서, 두개의 수직축 풍차를 탑재한 경우를 모식적으로 나타낸 도이고, (a)는 측면도, (b)는 평면도를 각각 나타내고 있다.
[도 14] 제 6 실시형태에 관련된 풍력 추진선의 단면도로, (a)는 정립(正立) 시, (b)는 경사 시의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 15] 제 6 실시형태의 어셈블리와 선체의 연결부를 확대해서 나타낸 단면도이다.
[도 16] 제 6 실시형태에 관련된 풍력 추진선의 저면도(底面圖)로, (a)는 횡풍을 받고서의 직진 시, (b)는 선회 시의 용골의 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 17] 비교 예 1로서, 수평축 풍차를 부체에 얹은 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도이다.
[도 18] 비교 예 2로서, 수직축 풍차를 부체에 얹은 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도로, (a)는 경사가 경미한 상태, (b)는 경사가 커진 상태, (c)는 경사가 더욱 커진 상태를 각각 나타내고 있다.
[도 19] 비교 예 3으로서 , 수직축 풍차를 부체에 대해서 경동 불가능하게 지지하는 것과 동시에, 수중 밸러스트를 설치한 경우의 경사와 복원력의 관계를 모식적으로 나타낸 도이다.
<제 1 실시형태>
제 1 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1)은, 도 1에서 나타내듯이, 공중에 배치되어 바람을 받는 수력부(10)와 그것을 지지하는 지주(11)로 이루어진 어셈블리(12)와, 어셈블리를 요동가능하게 지지하는 부체(13)를 갖고 있다. 어셈블리(12)는, 어셈블리(12)의 중심(15)을 수면 아래에 배치하기 위한 밸러스트(14)를 지주(11)의 하단부에 구비하고 있다. 또한, 부체(13)는, 계류줄(13a)에 의해 도시하지 않은 앵커(anchor)에 연결되어 있다.
어셈블리(12)를 부체(13)에 요동가능하게 지지하는 지지구조로서는, 핀 조인트(pin joint), 유니버설 조인트, 구면 지지(球面支持), 탄성체 지지 등이 고려될 수 있다. 이하에서는, 탄성체 지지 구조를 채택한 경우를 예로 해서, 도 2, 도 3을 참조해가면서 설명한다.
도 2에서 나타낸 것 처럼, 지주(11)는,수풍부(10)를 지지하는 상지주(11a)와, 밸러스트(14)를 지지하는 하지주(11b), 그 중간에 설치된 구형부(球形部)(17)를 갖고 있다. 지주(11)는, 부체(13)의 대략 중앙에 설치된 개구부(13b)에, 부체(13)를 관통하도록 설치되어 있다. 개구부(13b)는, 아래쪽으로 향할 만큼 내경이 커지는 테이퍼(taper) 형상으로 형성되어 있다. 개구부(13b)의 상부에는, 지주(11)를 지지하기 위한 지지가대(20)가 가설되어 있다.
도 2, 도 3에서 나타내듯이, 구형부(17)는, 도너츠 형상의 탄성고무지승(支承)(18) 위에 얹어져서 가황(加黃) 접착되어 있는 것과 동시에, 구형부(17)의 위에도 같은 식으로 도너츠 형상의 탄성고무지승(19)이 얹어져서 가황 접착되어 있다. 또한 양쪽의 탄성고무지승(18), (19)의 외측 단부는, 지지가대(20)의 구형 내면(20a)에 가황 접착되어 있다. 구형 내면(20a)은, 구형부(17)와 공통의 중심을 갖는 동심 구상으로 형성되어 있다.
탄성고무 지승(18), (19)은, 예를 들면 빌딩의 면진(免震) 지승 등에 사용되는 부재로, 고무판과 금속판을 도3(a)의 단면도에 모식적으로 나타낸 방향(구형부(17)의 반경방향)에 적층해서 구성되어 있다. 탄성고무 지승(18), (19)은, 전단력(剪斷力)에 대해서는 유연하게 변형하지만, 압축에 대해서는 고강성(高剛性)이라는 특성이 있기 때문에, 구형부(17)는, 상하동, 좌우동 등에 대해서는 도너츠 형상 고무의 압축특성에 의해 강고하게 구속되지만, 구형부(17)와 구형 내면(20a)의 중심을 회전중심으로 하는 회전에 관해서는 도너츠 형상 고무의 전단변형 특성에 의해 유연하게 지지된다. 이 때문에, 도 2(b)에서 나타내듯이, 어셈블리(12)를 부체(13)에 대해서 요동가능하게 지지하는 것이 가능하다.
도 2에서 나타내듯이, 지지가대(20)는, 어셈블리(12)가 설계 요동 범위를 넘어서 요동하려고 했을 때에 유연하게 받아들이기 위해, 코일날개(21)를 사이에 두고 부체(13)에 연결되어 있다. 또한, 코일날개(21)는 필요에 따라 설치하면 좋고, 생략해도 좋다.
<제 2 실시형태>
제 2 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1A)은, 수력부로서 수평축 풍차(30)를 채택하고 있는 점, 및 상지주(11a)와 하지주(11b)가 상대 회전가능하게 연결되어 있는 점이 앞에서 기재했던 제 1 실시형태와 대부분 다르다.
이하의 설명에 있어서는, 제 1 실시형태와 다른 점에 대해서 주로 설명하고, 공통하는 구성에 대해서는 동일의 부호를 사용해서 설명을 생략한다.
도 4(a)에서 나타내듯이, 부체식 유체력 이용시스템(1A)의 어셈블리(12)는, 상지주(11a)의 상단에 수평축 풍차(30)를 구비하고 있다. 또한, 상지주(11a)는, 지주(11a)의 중심축에 관해서 강한 상태로, 하지주(11b)에 대해서 회전가능하게 연결되어 있다. 하지주(11b)의 하단부에는, 어셈블리(12)의 중심을 수면 아래에 배치하기 위한 밸러스트(14)가 설치되어 있다. 어셈블리(12)는, 부체(13)에 대해서 요동가능하게 지지되어 있다.
부체식 유체력 이용 시스템(1A)의 어셈블리(12)는, 도 4(b)에서 나타내듯이, 수평축 풍차(30)가 지나치게 큰 풍속에 노출된 경우, 부체(13)는 수평으로 안정된 상태에서 풍차를 지지하는 상지주(11a)를 포함한 어셈블리(12)를 기울어지게 해서, 경사에 의해 바람을 받아 넘기는 효과와 수풍부를 풍속이 낮은 고도로 내릴 수 있는 효과에 의해, 수평축 풍차(30)가 받는 풍력을 큰폭으로 줄일 수 있다. 이것에 의해, 강풍에 의해 수평축 풍차(30)가 손상될 가능성을 줄이는 것이 가능하고, 따라서 피치 컨트롤 시스템이나 브레이크 시스템은 반드시 필요한 것은 아니게 되는 효과가 있다.
또한, 부체식 유체력 이용 시스템(1A)의 어셈블리(12)에는, 그 자체에 복원력이 있어서, 상지주(11a)를 강고하게 부체(13)에 지지할 필요가 없기 때문에, 도 5(a) (b)에서 나타낸 것처럼, 수평축 풍차(30)를 상지주(11a)째로 부체(13)에 대해서 회전시키도록 지지하는 것이 가능하다. 그 때문에, 수평축 풍차에서 반드시 필요한 풍향에 풍차를 향하게 하기 위한 턴테이블(31)을, 공중 너셀(32)의 바로 아래가 아니라, 도 6(a) (b)에서 나타낸 것 처럼, 부체(13)의 데크 위 부근(하지주(11b)의 상단부)에 설치하는 것이 가능하다.
또한, 풍차 지주를 회전시키는 경우, 일반적 이라면, 지주 하단의 고정이 어려워지기 때문에, 육상의 수직축형 다리우스형 풍차에서 보듯이, 가이 와이어를 사방으로 설치해서 지주를 유지하는 것이 필요하게 되지만, 제 2 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용 시스템에서는, 지주(11)의 전도 모멘트는 부체(13)를 관통해서 설치한 밸러스트(14)에 의한 복원력으로 직접 지탱하기 때문에, 부체(13)에서 전도 모멘트의 반력(反力)을 구할 필요를 없앤 것에 의해 실현 가능한 것이다.
또한, 종래의 턴테이블(31)보다 풍차의 블레이드측에 설치하는 것이 바람직하기 때문에 너셀(32) 위에 설치할 필요가 있는 증속 기어나 발전기 등(도시 생략)도, 턴테이블(31)의 바로 위, 즉 부체(13)의 데크 위 부근의 기계실(33)(도 6(a) 참조)에 설치하는 것이 가능하게 된다. 이 경우, 공중의 수평축의 회전은, 너셀(32)의 내부에 설치한 베벨기어에 의해 수직축의 회전으로 전환하고, 상지주(11a)의 내부에서 전달축을 회전시켜서 기계실(33) 내의 증속기어, 발전기에 전달할 수 있다. 이들 구성에 의해, 전형적인 수평축 풍차에서는, 공중의 너셀(32)에 설치되어 있는 피치 컨트롤 시스템, 증속기어, 그 윤활유 시스템, 발전기, 그곳에 관련된 제어반, 브레이크 시스템, 턴테이블 전부를 부체(13)의 근방의 데크 위에 설치하든가 또는 없애는 것이 가능하기 때문에, 대폭적인 중심의 개선효과, 유지보수 가능한 해상조건의 완화, 유지보수에 따르는 비용이나 위험의 저감, 기계류에 관련된 횡가속도(橫G)등의 설계조건의 완화와 횡가속도 등에 따르는 고장 방지 등의 효과가 있다.
도 6 (a) (b)에서 나타내듯이, 상지주(11a)의 하단부에는, 기계실(33)과, 삽입축부(34)가 설치되어 있다. 또한, 하지주(11b)의 상단부에는, 턴테이블(31)이 설치되어 있다. 턴테이블(31)의 중심에는 축공(軸孔)(35)이 설치되어 있고, 축공(35)의 상단과 하단에는, 삽입축부(34)를 회전가능하게 지지하는 베어링(35a), (35a)이배치되어 있다. 또한, 하지주(11b)의 상측에는 구형부(17)가 일체로 설치되어져 있다. 이것에 의해, 어셈블리(12)는, 지주(11) 전체가 부체(13)에 대해서 요동가능하게 지지되는 것과 함께, 상지주(11a) 및 수평축 풍차(30)가 부체(13)에 대해서 회전가능하게 지지된다.
<제 3 실시형태>
제 3 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1B)은, (1) 수력부로서 다리우스형 풍차(40)를 채택하고 있는 점, (2) 밸러스트(14)로서 사보니우스형 수차(50)를 채택하고 있는 점, 및 (3) 부체(13)에 대해서 하지주(11b)도 상대회전 가능하게 구성되어 있는 점, 이 세가지 점이 앞에서 기술했던 제 1 및 제 2 실시형태와 대부분 다르다.
이하의 설명에 있어서는, 제 1 및 제 2 실시형태와 다른 점에 대해서 주로 설명하고, 공통하는 구성에 대해서는 동일의 부호를 사용해서 설명을 생략한다.
도 7 (a) (b)에서 나타내듯이, 제 3 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1B)은, 수력부로서 양력형의 수직축 풍차의 일종인 다리우스형 풍차(40)를 구비하고 있다. 다리우스형 풍차(40)는, 수직축이 되는 상지주(11a)와, 상지주(11a)의 주위에 같은 간격으로 3개 설치된 블레이드(41)를 갖고 있다. 블레이드(41)의 상단부(41a) 및 하단부(41b)는, 상지주(11a)의 상단부에 설치된 상 브래킷(bracket)(42) 및 상지주(11a)의 하단측에 설치된 하 브래킷(43)에 상하방향으로 회전가능하게 각각 지지되어 있다. 블레이드(41)의 중간부(41c)는, 힌지(hinge) 구조로 구성되어 있다. 또한, 하 브래킷(43)은, 상지주(11a)에 대해서 슬라이드 가능하게 구성되어 있다. 블레이드(41)는, 하 브랫킷(43)을 상하로 슬라이드 시키는 것에 의해 블레이드(41)의 중간부(41c)를 굴곡시켜서, 그 회전반경(r)을 변경가능하게 구성되어 있다.
사보니우스형 수차(50)는, 밸러스트(14)로서의 기능을 겸하는 것으로, 그 상단부가 하지주(11b)에 지지되어 있다. 사보니우스형 수차(50)는, 도 7(c)에서 나타내듯이, 원통체를 축방향에 반할(半割) 형상의 블레이드(51), (51)를 구비하고 있다. 두개의 블레이드(51), (51)는, 분할면을 따라 서로 겹치지 않도록 비켜선 형상으로 결합되어 있다. 사보니우스형 수차(50)는, 블레이드(51), (51)에 둘러쌓인 공간(51a)을 조류가 통과하는 것에 의해 회전한다. 제 3 실시형태에 관련된 사보니우스형 수차(50)는, 이와 같은 블레이드(51), (51)를 상하로 2단 겹쳐서, 서로 90도 씩 위상을 벗어나서 배치한 구조로 되어 있다.
사보니우스형 수차(50)는, 지주(11)의 요동중심에서 사보니우스형 수차(50)의 중심까지의 거리와 사보니우스형 수차(50)의 수중중량의 크기가, 지주(11)의 요동중심에서부터 다리우스형 풍차(40)의 중심까지의 거리와 다리우스형 풍차(40)의 공중중량의 크기보다도 크게 되도록, 예를 들면 배치, 치수, 질량 등이 설정되어 있다. 이것에 의해, 사보니우스형 수차(50)가 밸러스트(14)로서도 기능하고, 어셈블리(12)의 중심이 수면아래에 배치되어, 복원력을 얻는 것이 가능하다.
다음으로, 제 3 실시형태에서의 어셈블리(12)의 지지구조에 대해서, 도 8(a) (b)를 참조해서 설명한다.
도 8 (a)에서 나타내듯이, 제 3 실시형태에 있어서는, 상지주(11a)와, 하지주(11b), 구형부(17)가 상대회전 가능하게 연결되어 있다.
상지주(11a)는, 그 하단부에서 연결부재(11c)의 상부와 테이퍼 섕크(taper shank)로 일체 결합되어 있다. 연결부재(11c)의 하단측은, 하지주(11b)의 상단부에 삽입되어 회전가능하게 연결되어 있다. 또한, 연결부재(11c)의 상단측은, 위로 향할수록 지름이 작아지는 테이퍼 형상으로 형성되어 있고, 상지주(11a)의 하단부에 형성된 역(逆)테이퍼 형상의 구멍부(11a1)에 삽입되어 있다. 연결부재(11c)의 상단부(11c1)에는 나사홈이 형성되어 있고, 너트(N)를 조이는 것으로 연결부재(11c)를 사이에 두고 하지주(11b)가 상지주(11a)에 끌어당겨지도록 되어있어서, 일체로 결합되어 있다. 연결부재(11c)와 하지주(11b)와의 사이의 적소에는 베어링(B)이 설치되어 있어, 서로 상대회전 가능하게 되어있다. 또한, 하지주(11b)의 상단부의 보다 외측에는, 구형부(17)가 외측으로 끼워져 있다. 구형부(17)와 하지주(11b)의 사이에는 베어링(B)이 설치되어 있어, 서로 상대회전 가능하게 되어있다. 구형부(17)는, 탄성고무 지승(18), (19)을 사이에 두고 지지가대(20)에 요동가능하게 지지되어 있다. 이것에 의해, 상지주(11a)와 하지주(11b), 구형부(17)가, 축방향으로 강한 상태로 공고히 연결된 채, 서로 상대회전 가능하게 되는 것과 동시에 도 8(b)에서 나타내듯이, 부체(13)에 대해서 요동가능하게 되어있다.
하지주(11b)의 상단부에는, 상부가 개구하는 원통형상의 원통부(11d)가 형성되어 있다. 그리고, 이 원통부(11d)와 연결부재(11c)의 사이(즉 상지주(11a)와 하지주(11b)의 사이)에는, 기어 시스템(60)과 발전장치(70)가 설치되어 있다.
기어 시스템(60)은, 예를 들면 유성기어 시스템으로 구성되어 있고, 상지주(11a)와 하지주(11b)를 동축 역회전시키는 기능을 갖고있다. 기어 시스템(60)은, 연결부재(11c)의 주위에 새겨넣어 설치된 선 기어(sun gear)(61)와, 원통부(11d)에 뒤쪽에서 기술하는 래칫(rachet) 기구(64)를 사이에 두고 연결된 링 기어(62)와, 선 기어(61)와 링 기어(62)의 사이에 배치된 복수의 유성기어(planetary gear)(63)로 구성되어 있다. 유성기어(63)는, 도시하지 않은 캐리어에 의해서 구형부(17)에 대해서 이동불능하게 접속되어 있다. 이것에 의해, 예를 들면, 조류에 의해 사보니우스형 수차(50) 및 하지주(11b)가 위쪽에서 봐서 시계회전방향으로 회전을 개시하면, 기어 시스템(60)에 의해, 상지주(11a) 및 다리우스형 수차(40)가 위쪽에서 봐서 반시계방향으로 회전을 개시하게(기동하게) 된다. 이것에 의해, 다리우스형 풍차(40)의 기동성을 향상시키는 것이 가능하다.
또한, 기어 시스템(60)은, 하지주(11b)의 회전을 증속해서 상지주(11a)에 전달하는 증속장치로서의 기능을 갖고 있다. 예를 들면, 유성기어 시스템의 기어 비(比)를 조절하는 것에 의해, 사보니우스형 수차(50)(즉, 링 기어(62))가 1회전 했을 때에, 다리우스형 풍차(40)(즉, 선기어(61))가 여러번(예를 들면 8회) 회전하도록 설정하는 것이 가능하다. 이것에 의해, 풍차의 설계회전속도와 수차의 설계회전속도를, 풍속과 유속에 맞춰서, 각각 적절히 설정하는 것이 가능하다.
일례로서, 기동시의 설계조류속도를 초당 0.3m, 설계풍속을 초당 3m로 해서 설명한다. 다리우스형 풍차(40)가 자기회전을 시작하기 위해서는, 다리우스형 풍차(40)의 주속(周速)을 풍속의 3배정도 이상, 즉, 초당 9m정도 이상이 되도록 기동해 줄 필요가 있다. 다리우스형 풍차(40)의 회전반경(r)이 20m라면, 4.3rpm으로 회전시킬 필요가 있다. 한편, 사보니우스형 수차(50)는 조류와 같은 정도의 주속에서 밖에 돌지 않는다. 사보니우스형 수차(50)의 반경이 5m라면, 0.6rpm정도이기 때문에, 풍차축인 상지주(11a)와 수차축인 하지주(11b)의 사이에 설치된 유성기어 시스템에 의해, 사보니우스형 수차(50)의 회전속도를 8배로 증속해서 다리우스형 풍차(40)에 전달한다. 이 케이스에서는, 사보니우스형 수차(50)는, 그것을 공중에 설치한 경우와 비교해서 유체속도가 10분의 1이 되어 있기 때문에, 만약에 유체의 비중이 같다면 발생 토오크는 그 제곱으로 100분의 1, 거기에서 더욱 증속에 의해 8분의 1이 되었기 때문에 다리우스형 풍차(40)의 기동용 토오크는 800분의 1이 되지만, 실제로는 유체의 비중이 800배가 되어 있기 때문에, 육상형과 동등의 크기의 사보니우스형 수차(50)로 다리우스형 풍차(40)를 기동하는 것이 가능하다.
래칫기구(64)는, 소정의 조건하에서 상지주(11a)의 회전을 하지주(11b)에 전달하지 않는 기능을 갖고 있다. 구체적으로는, 사보니우스형 수차(50)가 정지상태에서 회전을 개시하면, 사보니우스형 수차(50)의 회전은, 래칫기구(64)를 사이에 두고 링 기어(62)에 전달되어, 링 기어(62)의 회전을 따라 선 기어(61)에 연결된 다리우스형 풍차(40)가 사보니우스형 수차(50)와 역방향으로 8배의 속도로 회전을 개시한다. 그래서, 다리우스형 풍차(40)가, 풍력에 의해 사보니우스형 수차(50)의 8배 이상의 속도(즉 사보니우스형 수차(50)의 증속 후의 회전속도 이상)로 회전하게 되면, 래칫기구(64)에 대해서 링 기어(62)가 공(空)회전한다. 이것에 의해, 다리우스형 풍차(40)의 회전이 사보니우스형 수차(50)에 전달되지 않게 된다. 따라서, 사보니우스형 수차(50)가, 다리우스형 풍차(40)가 부하(負荷)(브레이크)되는 일이 없다.
원통부(11d)의 내부로 기어시스템(60)의 아래쪽에는, 로터(71)와 스테이터(72)를 갖는 발전장치(70)가 설치되어 있다. 로터(71)는, 연결부재(11c)에 고정되어 있고, 스테이터(72)는 원통부(11d)에 고정되어 있다. 이것에 의해, 발전장치(70)는, 로터(71)와 스테이터(72)가 역회전하기 때문에, 양쪽의 차속(差速)에 의해 효율있게 발전하는 것이 가능하다.
이 때, 로터(71)와 스테이터(72)의 사이에서 반(反)토오크가 작용하지만, 로터(71) 및 스테이터(72)는, 역회전하는 상지주(11a) 및 하지주(11b)에 각각 고정되어 있기 때문에, 반토오크가 없어지게 된다. 이 때문에, 부체(13)의 회전을 방지하기 위한 계류설비의 간략화, 소형화를 꾀하는 것이 가능하다.
또한, 제 3 실시형태에서는, 원통부(11d)와 구형부(17)의 사이에도 래칫(75)이 설치되어 있다. 이것에 의해, 예를 들면 조류가 멈춰버려있는 장소에서도, 하지주(11b)가 상지주(11a)와 함께 회전하지 않고서 발전(發電)하는 것이 가능하다.
다음으로, 제 3 실시형태에서의 다리우스형 풍차(40)의 리트랙터(retractor) 기구에 대해서, 도 9를 참조해서 설명한다.
도 9에서 나타내듯이, 다리우스형 풍차(40)는, 상지주(11a)에 대해서 하브래킷(43)(43)을 아래쪽으로 슬라이드 시키는 것에 의해, 블레이드(41)를 직선상에서 변형시키는 것이 가능하다. 이것에 의해, 다리우스형 풍차(40)의 회전반경(r)을 약 0으로 해서, 강풍에 의한 블레이드(41)의 파손을 방지하는 것과 동시에 , 수풍면적을 저감해서 전도 모멘트를 저감하는 것이 가능하다.
<제 4 실시형태>
제 4 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1C)은, 어셈블리(80)가 단독으로 부력을 갖고 있는 점, 어셈블리(80)와 부체(13)의 물결에 의한 상하동의 차에 의해 발전하는 점이 앞서 기술한 제 1 내지 제 3 실시형태와 주로 다르다.
도 10에서 나타내듯이, 제 4 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1C)은, 부력을 갖는 어셈블리(80)와, 어셈블리(80)를 요동가능하게 하고 또한 회전가능하게, 상하동 가능하게 지지하는 부체(13)를 구비하고 있다.
어셈블리(80)는, 예를 들면 다리우스형 수직축 수차(81)와, 회전축이 되는 지주(82)를 주로 갖고 있다. 어셈블리(80)는, 예를 들면 지주(82)를 중공부재(中空部材)로 구성하는 것에 의해, 어셈블리(80) 자체가 수면에 뜨는 것이 가능한 만큼의 부력을 갖고 있다. 어셈블리(80)는, 상하에 얇고 긴 형상으로 형성되어 있기 때문에, 파도에 의한 수면의 상하동의 영향을 받기 어렵다. 한편, 부체(13)는, 어셈블리(80)에 비교해서 파도에 의한 수면의 상하동의 영향을 받기 쉽다. 그 때문에, 어셈블리(80)와 부체(13)는, 파도에 대한 응답속도의 차에 의해 상대적으로 상하동한다.
어셈블리(80)는, 부체(13)에 요동가능하게 지지되어 있기 때문에, 큰 조류력이 작용한 경우에도, 도 10(b)에서 나타내듯이, 어셈블리(80)를 기울여서 조류력을 놓치는 것이 가능하다. 또한, 수직축 수차(81)가 밸러스트로서 기능하기 때문에, 어셈블리(80)를 수직의 상태로 회복하는 것이 가능하다.
또한, 어셈블리(80)는, 부체(13)에 대해서 회전가능하게 지지되어 있기 때문에, 어셈블리(80)의 회전에 의해 후기하는 발전장치(70)(도 11참조)를 회전시키는 것에 의해, 조류에너지를 끌어내는 것이 가능하다.
또한, 어셈블리(80)는, 부체에 대해서 상하동 가능하게 지지되어 있는 것과 함께, 상하운동을 회전력으로 변환하는 회전력 변환기구(88)를 구비하고 있다. 이것에 의해, 어셈블리(80)의 상대적 상하운동을 회전운동으로 변환해서, 다리우스형의 수직축 수차(81)의 기동력에 이용하는 것이 가능하다.
다음으로, 제 4 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1C)의 지지구조에 대해서 도 11을 참조해서 설명한다.
도 11(a)에서 나타내듯이, 어셈블리(80)의 구형부(17)는, 상기한 다른 실시형태와 같은 식으로, 탄성고무 지승(18), (19)을 사이에 두고 지지가대(20)에 요동가능하게 지지되어 있다. 구형부(17)의 중심부에는, 수직축 수차(81)의 회전축이 되는 지주(82)의 상단부(83)가 상하로 관통해서 배치되어 있다.
지주(82)의 상단부(83)에는 리니어 베어링인 볼 스플라인 부시(ball spline bush)(86)가 끼워서 장치되어 있다. 볼 스플라인 부시(86)는, 지주(82)의 상단부(83)에 대해서, 상하방향(축방향)에 상대적으로 이동가능하게 설치되어 있다. 한편, 볼 스플라인 부시(86)는, 구형부(17)에 상하동 불가능하게 지지되어 있다. 또한, 볼 스플라인 부시(86)는, 지주(82)의 상단부(83)에 새겨져 설치된 스플라인 구멍(86a)에 계합(係合)하는 것으로, 지주(82)와 함께 회전하도록 되어 있다. 볼 스플라인 부시(86)에는 발전장치(70)의 로터(71)가 고정되어 있고, 구형부(17)의 내주면에는 스테이터(72)가 고정되어 있다. 이것에 의해, 다리우스형의 수직축 수차(81)가 회전하면, 볼 스플라인 부시(86)와 함께 로터(71)가 회전한다. 스테이터(72)는, 구형부(17)에 고정되어 회전하지 않기 때문에, 로터(72)와 스테이터(72)의 상대회전에 의해 발전이 행해진다. 또한, 스테이터(72)에 생기는 반토오크는, 부체(13)의 계류 시스템에 의해 부담하는 것이 된다.
지주(82)의 상단부(83) 중 구형부(17)로부터 돌출한 부분에는, 나사홈(83a)이 새겨 넣어져 설치되어 있고, 또한 너트(84)가 꼭 들어맞아 있어, 이른바 볼나사(ball thread) 기구를 형성하고 있다. 한편, 구형부(17)의 상부에는, 원통형상의 너트 유지부(17a)가 돌출형성되어 있고, 래칫 기구(85)를 사이에 두고 너트(84)를 한쪽 방향으로 회전가능하게 한편으로 상하이동 불능하게 유지하고 있다. 이들 나사홈(83a), 너트(84), 래칫기구(85) 및 너트 유지부(17a)가, 회전력 변환기구(88)를 구성하고 있다. 이 회전력 변환기구(88)에 의해, 수직축 수차(81)의 기동이 행해진다.
구체적으로는, 예를 들면, 위에서 볼때 너트(84)가 반시계방향으로 회전가능 하지만(래칫에 대해서 자유롭게 되다), 시계방향으로는 회전가능하지 않도록 래칫 기구(85)를 설치하는 것과 함께, 다리우스형의 수직축 수차(81)를 반시계방향으로 회전하도록 설치한다. 또한, 나사홈(83a)은, 너트(84)에 대해서 지주(82)를 위에서부터 볼때 반시계방향으로 회전시켰을 때에, 너트(84)에 대해서 지주(82)가 아래쪽으로 이동하도록 새겨 넣어 설치되어 있다.
그리고, 수직축 수차(81)가 정지한 상태에서, 어셈블리(80)가 너트(84)(부체13)에 대해서 위쪽으로 이동하면, 나사홈(83a)의 방향에 따라, 너트(84)는 반시계방향으로 회전한다. 이때, 래칫기구(85)는 헛돈다(空轉).
한편, 수직축 수차(81)가 정지한 상태에서, 어셈블리(80)가 너트(84)에 대해서 아래쪽으로 이동하면, 나사홈(83a)의 방향에 따라, 너트(84)는 시계방향으로 회전하려고 하지만, 래칫기구(85)에 의해 구속되기 때문에 회전할 수 없다. 이 때문에, 수직축 수차(81) 쪽이 반시계방향으로 회전해서 아래쪽으로 이동한다. 이것에 의해, 수직축 수차(81)가 기동한다.
수직축 수차(81)가 기동해서 반시계방향으로 회전을 개시하면, 수직축 수차(81)는, 너트(84)에 대해서 아래방향으로 이동하려고 한다. 그러나, 수직축 수차(81)는 부력을 갖고 있기 때문에, 어느 정도 아래쪽으로 이동한 후는 그 이상 아래쪽으로 이동할 수 없는 상태가 생긴다. 그렇게 하면, 너트(84)는, 수직축 수차(81)와 상대적 위치관계가 변하지 않도록, 수직축 수차(81)와 동일하게 반시계방향으로 회전하고, 이때 래칫기구(85)는 공전하다. 이것에 의해, 수직축 수차(81)가 회전하고, 발전장치(70)에 발전이 행해지게 된다.
또한, 도시는 생략하지만, 볼 스플라인 부시(ball spline bush)(86)와 지주(82)의 사이에 리니어 발전기(도시생략)로 이루어진 보조 발전장치를 설치해도 좋다. 리니어 발전기는, 예를 들면, 트랜슬레이터를 볼 스플라인 부시(86)에 장치하는 것과 동시에, 스테이터를 지주(82)의 상단부(83)에 장치한다. 이와 같이 하면, 볼스플라인 부시(86)와 지주(82)의 상대적 상하동을 이용해서, 발전을 행하는 것이 가능하다.
또한, 제 4 실시형태에서는, 회전력 변환기구로서 나사홈(83a)과 너트(84)로 이루어진 볼나사기구를 채용하고 있는데, 볼나사기구와 바꾸어, 랙과 피니언(rack and pinion)이나 콘 로드(con-rod)와 크랭크(crank)기구, 자이로(gyro)기구 등을 채용해도 좋다.
다음으로, 부체식 유체력 이용시스템을 이용한 제 5 실시형태에 관련된 풍력추진선(100)에 대해서, 도 12를 참조해서 설명한다.
도 12에서 나타내듯이, 제 5 실시형태에 관련된 풍력추진선(100)은, 이른바 요트이고, 부체가 되는 선체(101)와, 어셈블리가 되는 고정날개(102)를 구비하고 있다. 고정날개(102)는, 선체(101)를 관통해서 배치된 지주(103)를 갖고 있다. 지주(103)는, 선체(101)에 요동가능하며 또한 회전가능하게 지지되어 있다. 또한, 지주(103)는, 선체(101)의 지지기구(101a)보다도 위쪽의 상지주(103a)와, 그 지지기구보다도 아래쪽의 하지주(103b)를 구비하고 있다. 하지주(103b)는, 전후방향으로 폭넓게 형성되어 용골로서 기능하는 부위이다. 하지주(103b)의 하단부에는, 밸러스트(104)가 설치되어 있다. 이 밸러스트(104)에 의해, 고정날개(102)의 중심은 수면아래에 배치되어 있다. 선체(101)의 내부에는, 지주(103)의 전후방향으로의 요동을 구속하는 댐퍼(damper)장치(105)가 설치되어 있다. 댐퍼장치(105)의 기단(基端)은 선체(101)에 연결되어 있고, 댐퍼장치(105)의 선단(先端)은, 하지주(103b)의 용골 상부에 연결되어 있다.
또한, 지주(103)를 요동가능하고 회전가능하게 지지하는 지지기구(101a)는, 특별히 한정되어 있는 것은 아니지만, 예를 들면, 제 2 내지 제 4 실시형태에서 설명한 지지기구를 적당하게 채택하는 것이 가능하다.
풍력추진선(100)은, 횡풍을 받아서 나아갈 때에는 횡풍에 의한 옆미끄럼을 방지하도록, 하지주(103b)의 용골을 회전시켜 앙각(仰角)을 주어서, 선체(101)는 진행방향으로 향한채 항행할 수 있다. 또한, 풍력추진선(100)은, 풍력에 맞게 고정날개(102)가 큰 힘을 받아서 기울어져도 선체(101)는 롤링하지 않고, 하지주(103b)와 밸러스트(104)가 기울어져도 복원력을 발생한다. 이것에 의해 선체(101)가 기울어져 승차감을 희생하게 되거나, 선체저항이 늘어나거나, 저항중심이 횡방향에서 벗어나 책헬름(check helm)이 필요하게 되어 더욱 저항이 늘어나거나 하는 것을 방지하는 것이 가능해서, 효율적으로 요트를 실현할 수 있다.
또한, 상지주(103a)를 회전시키는 경우, 지주하단의 고정이 어려워지기 때문에, 보통이라면 종래의 요트에서처럼 포어스테이(forestay)나 사이드스테이(sidestay), 육상의 수직축형 다리우스형 풍차에서처럼 가이 와이어가 필요하게 되지만, 풍력추진선(100)에서는 상지주(103a)의 전도 모멘트는 선체(101)를 관통해서 설치한 하지주(103b)와 밸러스트(104)에 의한 복원력으로 직접 지탱하기 때문에, 선체(101)에서 모멘트를 지지할 필요가 없고, 생략가능하게 되어있다.
다음으로, 제 6 실시형태에 관련된 풍력추진선(110)에 대해서, 도 13 내지 도 16을 참조해서 설명한다. 제 6 실시형태에 관련된 풍력추진선(110)은, 수풍부가 다리우스형 풍차(40)에서 구성되어 있는 점, 및, 다리우스형 풍차(40)의 회전에 의해 회전하는 프로펠러(116)를 구비하는 점이 상기한 제 5 실시형태에 관련된 풍력추진선(100)과 주로 다르다.
도 13(a) (b)에서 나타내듯이, 풍력추진선(110)은, 선체(111)의 전후에 두개의 어셈블리(112), (112)를 구비하고 있다. 각 어셈블리(112)는, 지지기구(111a)를 사이에 두고, 선체(111)에 대해서 요동가능하며 회전가능하게 지지되어 있다. 각 어셈블리(112)는, 수력부를 지지하는 지주(113)와, 수력부로서 다리우스형 풍차(40)를 주로 구비하고 있다. 다리우스형 풍차(40)의 구조는, 제 3 실시형태와 같은 형태이기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
지주(113)는, 상지주(113a)와 하지주(113b)를 구비하고 있다. 상지주(113a)는, 다리우스형 풍차(40)의 회전축으로서 기능하는 부위이다. 하지주(113b)는, 전후방향에 폭넓게 형성되어 있고, 용골로서 기능하는 부위이다. 하지주(113b)의 하단부에는 밸러스트(115)가 설치되어 있다. 밸러스트(115)는, 다리우스형 풍차(40)의 회전에 연동해서 회전하는 프로펠러(116)를 갖고 있다. 지주(113)는, 구속장치(117)에 의해, 롤링방향에서만 요동하게 되어 있다. 구속장치(117)는 예를 들면 유압댐퍼 등으로 구성되어 있다.
도 14(a) (b)에서 나타내듯이, 어셈블리(112)는, 선체(111)에 대해서 요동가능하게 구성되어 있다. 풍력추진선(110)은, 풍력에 맞춰 어셈블리(112)가 큰 힘을 받아서 기울어져도 선체(111)는 롤링하지 않고, 하지주(113b)와 밸러스트(115)가 기울어져도 복원력을 발생한다. 이것에 의해 선체(111)가 기울어져 승차감을 희생하게 되거나, 선체저항이 늘어나거나, 저항중심이 횡방향에서 벗어나 책헬름(check helm)이 필요하게 되어 더욱 저항이 늘어나거나 하는 것을 방지하는 것이 가능해서, 효율이 좋은 풍력추진선(110)을 실현할 수 있다.
도 15에서 보듯이, 지지기구(111a)는, 하지주(113b)의 상단부에 형성된 구형부(113c)와, 구형부(113c)를 요동가능하게 지지하는 탄성고무 지승(18), (19)을 지지하는 지지가대(20)를 갖고 있다.
상지주(113a)의 하단부에는, 아래방향으로 개구하는 원통부(113d)가 형성되어 있다. 원통부(113d)는, 구형부(113c)에 회전가능하게 지지되어 있다. 원통부(113d)의 내부에는, 증속장치(120)가 설치되어 있다. 증속장치(120)는, 링기어(121)와, 유성기어(122), 선기어(123)를 갖고 있다. 링기어(121)는, 래칫(124)를 사이에 두고 원통부(113d)에 접속되어 있다. 유성기어(122)는, 도시하지 않은 캐리어에 의해 구형부(113c)에 대해서 이동불능하게 접속되어 있다. 선기어(123)는, 후기하는 회전축(131)의 외주면에 새겨넣어 설치되어 있다. 이것에 의해, 상지주(113a)가 회전하면, 소정의 증속비에서 회전축(131)이 회전하게 된다.
상지주(113a)의 하단부에는, 회전축(131)이 회전가능하게 매달아서 지지되고 있다. 회전축(131)은, 구형부(113c) 및 하지주(113b)를 관통해서 밸러스트(115)까지 도달하고 있다. 회전축(131)의 하단부에는, 베벨기어(132)가 설치되어 있다. 베벨기어(132)는, 프로펠러(116)의 수평축(116a)의 전단(前端)에 설치된 두개의 베벨기어(116b)에 계합(係合)하고 있다. 이것에 의해, 회전축(131)의 회전이 수평축(116a)의 수평축 회전으로 변환되어, 프로펠러(116)의 회전에 의해 추진력이 발생한다.
구형부(113c)의 내부로 증속장치(120)의 아래쪽에는, 발전장치(70)가 설치되어 있다. 발전장치(70)의 로터(71)는, 회전축(131)의 외주면에 고정되어, 발전장치(70)의 스테이터(72)와, 구형부(113c)에 고정되어 있다. 회전축(131)의 회전에 따라 로터(71)가 회전하는 것에 의해, 발전장치(70)에서 발전이 행해지게 되어, 정박중에는 구속장치(117)(도 13 참조)를 해방하는 것으로 어셈블리(112)에 롤링, 피칭방향 2축의 요동을 허용하고, 다리우스형 풍차(40)에서 받은 바람에 의해 발전하다. 또한, 발전장치(70)는, 항행중에는 전동기로서 풍력에 의한 회전력을 보충하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
풍력추진선(110)은, 횡풍을 받아서 직진하는 경우에는, 도 16(a)에서 나타내듯이, 용골로서 기능하는 하지주(113b)를 평행으로 기울어지게 한다. 이것에 의해, 하지주(113b)에 의해 구성되는 용골에 앙각(仰角)을 조정해서 옆으로 미끄러짐을 방지하는 양력을 발생시키는 것이 가능하다.
또한, 풍력추진선(110)은, 선회하는 경우에는, 도 16(b)에서 나타내듯이, 용골로서 기능하는 하지주(113b)를 서로 역방향으로 기울인다. 이것에 의해, 선회반경을 적게하는 것이 가능하다.
이상, 본발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 상세히 설명했지만, 본 발명은 이들의 실시형태에 한정되는 것 뿐만아니라, 발명의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적당히 변경 가능하다.
예를 들면, 제 3 실시형태에 관련된 부체식 유체력 이용시스템(1B)의 지지기구에, 제 4 실시형태의 상하동 기구를 더하게 해도 좋다. 이와 같이 하면, 부체(13)에 대한 어셈블리(12)의 상하동에 의해 부체식 유체력 이용시스템(1B)의 다리우스형 풍차(40)를 기동하는 것이 가능하다. 같은 식으로, 제 6 실시형태에 관련된 풍력추진선(110)의 지지기구(111a)에, 제 4 실시형태의 상하동 기구를 더해도 좋다.
또한, 제 3 실시형태에서는, 도 8 (a) (b)에서 나타내듯이, 상지주(11a)와 하지주(11b) 사이에 기어시스템(60)과 래칫기구(64)를 설치했지만, 하지주(11b)의 회전의 증속이 불필요한 경우에는, 기어시스템(60)을 생략해서, 상지주(11a)와 하지주(11b)의 사이에 래칫기구(64)만을 배치해도 좋다. 이와 같은 구성에 의하면, 회전의 전달을 일방통행으로 하거나, 과회전을 방지하는 것이 가능하다.
또한, 제 3 실시형태에서는, 도 8 (a) (b)에서 나타내듯이, 상지주(11a)와 하지주(11b)의 사이에 기어시스템(60)을 설치하는 것으로, 상지주(11a)와 하지주(11b)를 동축역회전 하도록 구성했지만, 수차에 의해 풍차를 기동할 필요가 없는 경우에는, 풍차 및 수차의 블레이드의 방향을 서로 역회전하게 설정하면, 기어시스템(60)을 생략하는 것이 가능하다.
또한, 제 6 실시형태에 관련된 풍력추진선(110)에서는, 용골로서 기능하는 하지주(113b)와 밸러스트(115)가 선체(111)에 대해서 일체적으로 회전하는 구성으로 했지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것이 아니라, 용골이 되는 하지주(113b)만 회전하게 구성해도 좋다.
즉, 본 발명의 참고 예로서, 어셈블리가 부체에 대해서 요동하지 않는 경우에 대해서 설명한다.
예를 들면, 본 발명의 제 3 실시형태에서는, 도 7에서 나타내듯이, 상지주(11a)에 양력형의 수직축 풍차인 다리우스형 풍차(40)를 설치하는 것과 함께, 하지주(11b)에 항력형 수직차 수차인 사보니우스형 수차(50)를 설치, 또한 도 8에서 나타내듯이, 부체(13)에 대해서 지주(11)를 요동가능하게 지지하는 구성이였지만, 예를 들면, 사보니우스형 수차(50)가 충분히 큰 경우는, 부체(13)에 대해서 지주(11)를 요동불가능하게 지지하는 구성으로 해도 좋다. 즉, 예를 들면, 수심이 큰 해역 등에서는, 사보니우스형 수차(50)를 충분히 크게 하는 것이 용이하기 때문에, 다리우스형 풍차(40)가 풍력을 받아도, 그 전도 모멘트에 충분히 저항하는 것이 가능하기 때문에, 지나치게 큰 풍력이나 조류력을 받아넘기기 위해서 지나치게 큰 풍력이나 조류력을 받으면 기울어지는 중량설정 등으로 할 필요가 없다면, 반드시 지주(11)를 부체(13)에 요동불가능하게 지지할 필요는 없다. 이 경우, 지지가대(20)에 대해서 지주(11)를 회전가능하게 장치하면 충분하기 때문에, 구형부(17)나 탄성고무 지승(18), (19)을 생략해서 지지기구를 간소화하는 것이 가능하다.
또한, 제 4 실시형태는, 수차만을 구비한 구성이기 때문에, 지나치케 큰 조류력을 받아 넘기기위해서 지나치게 큰 조류력을 받으면 기울어지는 중량설정등으로 할 필요가 없다면, 반드시 지주(11)를 부체(13)에 요동가능하게 지지할 필요는 없다. 그 경우, 제 4 실시형태의 지지가대(20)에 지주(11)를 회전가능하게 연결하는 것과 함께, 구형부(17)나 탄성고무 지승(18), (19)을 생략하는 구성으로 해도 좋다.
부호의 설명
1 부체식 유체력 이용시스템
10 수풍부(受風部)
11 지주(支柱)
12 어셈블리
13 부체
14 밸러스트
15 중심

Claims (21)

  1. 바람 또는 물에서 에너지를 끄집어 내는 어셈블리와, 상기 어셈블리를 지지하는 부체를 구비한 부체식 유체력 이용시스템에 있어서,
    상기 어셈블리는 유체력을 받는 수력부와, 상기 수력부를 지지하는 지주를 가지며, 또한, 상기 어셈블리는 그 중심이 수면 아래에 배치되어 있는 것과 동시에 상기 부체에 대해서 상기 지주의 중심축 주변에 회전가능하게 지지되어 있으며,
    상기 수력부는 공중에서 풍력을 받는 수풍부를 포함하여 구성되고,
    상기 지주는 상기 수풍부를 지지하는 상지주와, 수면아래에 배치된 밸러스트를 지지하는 하지주를 구비하여 이루어지며,
    상기 상지주와 상기 하지주는, 소정의 상대적 회전관계를 유지해서 동축회전하도록, 기어시스템을 사이에 두고 서로 연결되어 있는 것과 함께, 상기 부체에 대해서 상대회전 가능하고 또한 요동가능하게 지지되어 있는 것을 특징으로 한 부체식 유체이용 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상지주와 상기 하지주는, 소정의 조건하에서 상기 상지주 및 상기 하지주 중의 한쪽의 회전을 다른 쪽으로 전달하고, 다른 조건하에서 상기 상지주 및 상기 하지주 한쪽의 회전을 다른 쪽으로 전달하지 않는 기구를 갖고 있는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 어셈블리는, 상기 수력부의 회전으로부터 회전에너지를 끌어내는 회전에너지 취출부를 구비하고,
    상기 상지주와 하지주는 서로 동축 역회전시키도록 구성되고,
    상기 회전 에너지 취출부는, 상기 상지주 및 하지주에서 회전에너지를 끌어낼 때에 생기는 토오크가 서로 없어지게 되도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전에너지 취출부는, 로터와 스테이터를 구비한 발전기이고,
    상기 발전기는, 상기 상지주 및 상기 하지주의 어느 한쪽에 상기 로터를 접속하고, 다른쪽에 상기 스테이터를 접속하고, 상기 로터와 상기 스테이터의 차동에 의해 발전하는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수력부는, 양력형의 수직축 풍차와 항력형의 수직축 수차를 포함하여 구성되고,
    상기 수직축 풍차는, 상기 수직축 수차의 회전에 의해 기동하는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수력부는, 양력형의 수직축 풍차와 항력형 수직축 수차를 포함하여 구성되고,
    상기 수직축 수차는, 증속장치를 사이에 두고 상기 수직축 풍차에 연결되고,
    상기 증속장치는, 수직축 풍차의 회전속도가 상기 수직축 수차의 증속 후의 회전속도 이하인 경우에는 상기 수직축 수차의 회전을 상기 수직축 풍차에 전달하고, 상기 수직축 풍차의 회전속도가 상기 수직축 수차의 증속 후의 회전속도보다도 큰 경우에는 상기 수직축 수차의 회전을 상기 수직축 풍차에 전달하지 않는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 어셈블리는, 상기 어셈블리의 자체무게와 균형이 맞을 정도의 부력을 갖고 있는 것과 함께, 상기 부체에 대해서 상대적으로 상하동 가능하게 지지되어 있고,
    상기 어셈블리와 상기 부체의 상대적 상하동으로부터 에너지를 끌어내는 상하동 에너지 취출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상하동 에너지 취출부는, 트랜스레이터와 스테이터를 구비한 리니어 발전기이고,
    상기 리니어 발전기는, 상기 어셈블리 및 상기 부체의 어느 한쪽에 상기 트랜스레이터를 접속하고, 다른쪽에 상기 스테이터를 접속하며, 상기 트랜스레이터와 상기 스테이터의 차동에 의해 발전하는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상하동 에너지 취출부는, 볼나사, 랙과 피니언, 콘로드와 크랭크기구 및 자이로 중 어느 하나로 이루어진 회전력 변환기구를 구비해서 이루어진 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수력부는, 양력형의 수직축 풍차 및 양력형의 수직축 수차 중 적어도 어느 하나를 구비하고, 상기 회전력 변환기구에 의해 얻어진 회전력에 의해 기동하는 것을 특징으로 하는 부체식 유체력 이용시스템.
  11. 제1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 부체식 유체력 이용시스템을 이용한 풍력추진선에 있어서,
    상기 부체는, 선체이고, 상기 수력부는, 공중에서 풍력을 받는 수풍부를 포함해서 구성되고, 상기 지주는, 상기 수풍부를 지지하는 상지주와, 수면아래에 배치된 밸러스트를 지지하는 하지주를 구비하고,
    수면아래에 배치되어, 상기 수풍부에서 받은 풍력에 의해 대략 수평축 주변에 회전하는 프로펠러를 구비하고, 그 회전을 위한 에너지의 적어도 일부로서 풍력을 이용하는 것을 특징으로 하는 풍력추진선.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로펠러는, 상기 밸러스트에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력추진선.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 밸러스트 또는 상기 하지주는, 양력형의 용골로서 기능하는 것을 특징으로 하는 풍력추진선.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 선체의 전후에 배치된 두개의 상기 어셈블리를 구비하고,
    상기 두개의 용골은, 횡풍을 받아서 직진시에는 같은 방향에 앙각을 갖도록 회전하고, 선회시에는 전단의 상기 용골과 후단의 상기 용골이 서로 역방향의 앙각을 갖도록 회전하는 것을 특징으로 하는 풍력추진선.
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