KR101765811B1 - 수력발전 터빈 시스템 및 수력발전 터빈의 배열을 전기적으로 연결하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수력발전 터빈 시스템을 제공하고, 수력발전 터빈 시스템은 직렬로 배열되는 터빈과 배열된 근접해 있는 터빈을 서로 연결하기 위해 사용되는 케이블링 시스템을 포함하며, 케이블링 시스템은 근접해 있는 터빈을 연결하는 케이블링의 대부분이, 터빈이 강한 조류 흐름이 있는 해저에 배치될 때 케이블링 시스템에 작용하는 응력을 줄이기 위하여, 조류 흐름 방향과 실질적으로 일치하도록 배열되게 설계되는 것을 특징으로 한다.

Description

수력발전 터빈 시스템 및 수력발전 터빈의 배열을 전기적으로 연결하는 방법{A hydroelectric turbine system and method of electrically connecting an array of hydroelectric turbines}

본 발명은 수력발전 터빈 시스템에 관한 것이다.

최근 신재생 에너지는 화석연료의 사용의 결과와 에너지에 대한 우리의 필요의 결과로서 주로 지구에 입힌 환경 피해 때문에 상당한 주목을 받고 있다. 따라서, 인류는 새롭고 개선된 형태의 신재생 에너지를 개발하여야 하고, 많은 형태의 신재생 에너지가 상용화 수준의 에너지를 생산해낼 수 있을지 측정될 수 없기 때문에, 이러한 유례없이 에너지에 대한 증가되는 수요를 충족시킬 수 있는 신재생 에너지의 특정 형태를 개발하여야 한다.

상당한 가능성을 보여주는 하나의 영역이 조석 에너지이고, 이는 환경에 부정적 영향없이 지속적이며 높은 수준의 에너지를 제공할 수 있으며, 전체 지구에서 본질적으로 이용가능하다. 그러나, 조석 에너지를 활용하고자 할 때 많은 어려움에 직면하게 된다. 본 발명은 조류의 흐름으로부터 에너지를 얻기 위해 해저에 설치되는 수력발전 터빈에 관한 것이다. 해저의 적당한 위치에 하나 또는 이상의 터빈을 배치하는 어려움과 더불어, 조류의 흐름으로부터 전기 에너지를 얻기 위해서는 복수개의 터빈을 해안가에 전기적으로 연결할 필요가 있다. 게다가, 상용 수준의 에너지를 생산하기 위하여, 충분한 수준의 에너지를 생산하기 위해 일반적으로 복수개의 배열된 터빈을 서로 연결할 필요가 있을 것이다. 이러한 일은 특히 복수개의 터빈이 설치되는 곳에 강한 조수의 흐름이 있는 지역에서 작업하기 어려운 상당한 길이의 전기 케이블의 사용이 필요하다.

수력발전 터빈에 의해 발생되는 상대적으로 많은 전류와 복수의 터빈 및 관련 전기 케이블이 노출되는 매우 열악한 조건 때문에, 배열된 터빈으로부터 육지로 연장되고 배열된 각각의 터빈 사이의 전기 케이블은 상대적으로 크고 튼튼해야 한다. 케이블의 직경이 300-500mm 범위에 있고, 관련된 케이블의 길이가 정해져 있어서, 케이블의 무게는 상당하다. 그 결과 케이블을 다루는 것은 어렵고 시간을 소비하는 작업이고, 수력발전 터빈이 배치된 장소에 존재하는 조류 조건에 의해 더욱 어려워 질 수도 있다. 따라서 케이블을 교체하는 작업이 시간을 소비하고, 위험하며 비용이 들기 때문에 배열된 터빈의 수명동안 케이블에 어떠한 손상이 없도록 예방하는 것이 가장 중요하다.

그 결과 본 발명의 목적은 상기 언급된 문제를 극복하고 케이블의 수명 동안 케이블에 손상을 방지하거나 최소화하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 스테이터와 스테이터 내부에 회전을 위해 설치되는 로터를 포함하는 적어도 하나의 터빈 및 로터의 회전축과 실질적으로 평행한 방향으로 상기 터빈으로부터 연장되는 적어도 하나의 제1 케이블로 구성되는 수력발전 터빈 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 시스템은 로터의 회전축과 실질적으로 평행한 방향으로 상기 터빈으로부터 연장되는 하나의 제2 케이블을 포함한다.

바람직하게는, 케이블의 제2 섹션은 케이블의 제1 섹션보다 길다.

바람직하게는, 터빈은 상기 제1 케이블에 연결되는 하나의 제1 부분 및 상기 제2 케이블에 연결되는 이에 상응하는 하나의 제2 부분을 구비한 전기 연결부를 포함한다.

바람직하게는, 시스템은 서로 직렬로 연결되는 복수개의 터빈의 배열을 포함한다. 이 경우 하나의 터빈의 상기 제1 케이블이 근접한 터빈의 상기 제2 케이블에 연결된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 복수의 수력발전 터빈을 전기적으로 연결하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 하나의 터빈으로부터의 제1 케이블을 조류의 흐름 방향과 실질적으로 일치하는 방향으로 배치하는 단계, 근접한 터빈으로부터의 제2 케이블을 조류의 흐름 방향과 실질적으로 일치하는 방향으로 배치하는 단계, 및 근접한 터빈들의 상기 제1 케이블과 상기 제2 케이블 사이를 전기적으로 연결하는 단계를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 및 제2 케이블 사이의 전기적 연결은 상기 제1 및 제2 케이블이 실질적으로 조류의 흐름방향과 일치하면서 지나가게 하는 위치에서 이루어진다.

바람직하게는, 상기 제2 케이블은 상기 제1 케이블보다 길다.

바람직하게는, 전기적 연결은 제1 케이블에 연결된 제1 부분과 상기 제2 케이블에 연결되고, 상기 제1 부분에 상응하는 제2 부분을 구비한 전기 연결부를 각각의 터빈에 제공하고, 하나의 터빈의 상기 제1 부분을 근접한 터빈의 상기 제2 부분과 연결함으로써 이루어진다.

본 발명에서, “수력발전 터빈”이란 용어는 베이스 위에 장착된 수력발전 터빈으로 함께 해저위로 낮추어질 수 있거나, 터빈과 분리된 베이스가 해저로 낮추어 지고 이후 터빈이 베이스 위로 낮추어질 수 있거나, 또는 베이스와 분리된 터빈이 이전에 위치한 베이스 위로 낮추어지는 것을 의미한다.

본 발명은 수력발전 터빈 시스템에 관한 것으로 직렬로 배열된 복수개의 터빈 및 배열된 복수개의 터빈을 함께 연결하기 위한 케이블링 시스템으로 구성되고, 특히 케이블링 시스템은 해저에 수력발전 터빈을 설치하거나 해저로부터 수력발전 터빈을 회수할 때 많은 장점을 구체화하며, 강한 조수의 흐름이 있는 지역의 해저에 복수개의 터빈을 배치할 때 케이블링 시스템에 작용하는 응력이 감소되는 결과를 낳는다.

도 1은 본 발명에 따른 수력발전 터빈이 직렬로 연결되어 배열된 것을 나타내는 개략도.
도 2는 분리되어 있는 수력발전 터빈 중의 하나를 나타내는 개략도.

첨부된 도면에는 수력발전 터빈 시스템이 배열(10)된 형태로 도시되어 있다. 수력발전 터빈 시스템은 터빈을 통해 조류의 흐름으로부터 기계적인 에너지를 추출하고 기계적인 에너지를 전기 에너지로 전환함으로써 전기 에너지를 생산할 수 있도록 해저에 배치된다.

상기 배열(10)은 복수개의 터빈(12)을 포함하고, 도 1에는 3개 도시, 각 터빈은 상기 터빈을 통해 조류의 흐름에 반응하여 회전하는 로터(미도시)를 포함하며, 회전은 적절한 수단에 의해 전기 에너지로 전환된다. 예를 들면, 각 터빈(12)은 코일과 마그넷(미도시)의 배열을 포함할 수 있고, 코일과 마그넷은 상기 터빈의 로터의 회전 때문에 상대 운동을 하게 되고, 결과적으로 기존 방식으로 전기를 생산해낸다. 따라서 터빈(12)은 조류의 흐름으로부터 최대의 에너지를 추출해내기 위하여 조류의 흐름(T) 방향으로 적절히 정렬되어야 한다.

본 실시예에서는 상기 배열(10)안에 있는 상기 터빈(12)은 직렬로 서로 연결되고, 서로 이격되어 위치하고, 조류의 흐름(T) 방향과 실질적으로 수직하게 나열되어 있다. 상기 배열(10)이 위치하는 장소에 의해 특정 구성이 결정될 테지만, 예를 들어 횡과 열로 이루어진 사각 배열(10)에 더 많은 터빈(12)이 배열될 수 있는 것은 당연하다. 각 터빈(12)은 터빈에서 연장되는 제1 케이블(14)을 포함하고, 또한 상기 터빈으로부터 연장되는 제2 케이블(16)을 포함한다. 상기 케이블(14,16)은 상기 터빈에서 직접 연장될 수도 있고, 또는 상기 터빈(12)이 배치되는 베이스(미도시)로부터 연장될 수도 있다. 바람직하게는 이러한 케이블(14,16)은 사용시 상기 조류의 흐름(T) 방향과 실질적으로 평행한 방향으로 상기 터빈(12)으로부터 연장된다. 그리하여, 사용시 케이블(14,16)은 터빈의 회전축, 또는 더 정확하게는 상기 터빈의 로터(미도시)의 회전축 방향과 실질적으로 평행하게 연장된다. 게다가, 바람직하게는 상기 케이블(14, 16) 각각은 각 상기 터빈(12)의 동일면으로부터 연장된다.

도 2를 보면, 상기 제2 케이블(16)이 제1 케이블(14)보다 길이가 더 긴 것으로 보일 수 있고, 이유는 이하 상세하게 설명된다. 상기 배열(10)에서 서로 연결될 때, 하나의 터빈(12)의 상기 제1 케이블(14)은 상기 근접한 터빈(12)의 상기 제2 케이블(16)에 연결되고, 이것이 반복된다.

근접한 터빈(12)의 연결을 위해 전기 연결부(18)가 각 터빈(12)에 제공된다. 각 전기 연결부(18)는 상기 제1 케이블(14)의 자유단에 배치되는 제1 부분(20)과 상기 제2 케이블(16)의 자유단에 배치되는 제2 부분(22)을 포함한다. 상기 제1 부분(20)과 상기 제2 부분(22)는 기계적으로 견고하고 방수 가능한 전기적 연결을 제공하기 위해 서로 연결될 수 있다. 상기 전기 연결부(18)는 적정한 형태일 수 있다.

근접한 터빈(12)의 연결시, 상기 제1 및 제2 케이블(14, 16)은 각 상기 터빈(12)의 후방으로, 조류 흐름(T) 방향에 실질적으로 평행한 방향으로 연장되도록 위치하여, 그 결과 상기 터빈(120의 회전축과 실질적으로 평행하게 배치된다. 이때, 더 긴 상기 제2 케이블(16)은 원호를 형성하여 근접한 상기 터빈(12)의 상기 제1 케이블(14)의 단부와 만나게 된다. 이때, 상기 케이블(14,16)의 상기 제1 부분(20)과 상기 제2 부분(22)은 상기 터빈(12)들을 연결하기 위해 서로 결합 된다. 이러한 과정은 각각의 근접한 터빈(12)에서 반복된다. 이러한 방식으로 각 케이블(14, 16)은 조류의 흐름(T)을 가로지르는 케이블의 작은 원호만을 가지되, 케이블의 대부분은 조류의 흐름 방향과 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. 이러한 방식에서 작동하는 동안, 상기 케이블(14, 16) 길이의 대부분은 조류와 동일 방향으로 지나가고, 그 결과 조류로부터 케이블(14,16)에 작용하는 힘을 최소화한다. 이러한 구성은 상기 배열(10) 안에 있는 각 터빈에서 연장되는 더 긴 케이블(14, 16)의 사용을 요구할 것인지만, 근접한 터빈(12) 사이에서 가장 가깝고 가장 확실한 경로를 제공하려면 조류 흐름(T) 방향에 수직으로 각 터빈(12)에서 케이블이 직선으로 연결되어야 할 것이다. 그러나 조류와 대부분이 동일 방향을 지나는 케이블(14,16)의 상기 구성을 사용해서, 상기 케이블의 마모을 초래하고 궁극적으로 고장을 가져올 수 있는 조류로 유발되는 상기 케이블의 진동과 움직임의 가능성을 피한다.

상기 제1 케이블(14)보다 더 긴 상기 제2 케이블(16)을 제공함으로써, 일단 배열(10)이 직렬로 연결되면, 상기 연결부(18)는 또한 케이블의 직선 부분에 위치한다. 만약 상기 제1 및 제2 케이블(14, 16)의 길이가 동일하다면, 상기 연결부(18)는 조류의 흐름(T) 방향에 직접적으로 수직방향으로 지나가는 케이블링을 따르는 지점에 위치하게 된다. 이것은 상기 배열(10)의 작동 동안에 상기 연결부(18)에 적용되는 응력이 최대로 되는 것을 초래할 수 있고, 그 결과 연결부의 휨을 초래하고 연결부의 손상 또는 고장을 초래할 수도 있다. 상기 연결부(18)를 상기 직선 부분에 유지함으로써, 이러한 응력 및 휨을 최소화하고, 그리하여 연결부에 가해지는 손상의 가능성을 피하거나 적어도 상당히 줄일 수 있게 된다.

10: 배열
12: 터빈
14: 제1 케이블
16: 제2 케이블
18: 전기 연결부
20: 제1 부분
22: 제2 부분
T: 조류의 흐름

Claims (3)

1. 서로 직렬로 연결되는 터빈들의 배열을 포함하여 구성되고,
   상기 터빈들의 각각은
   스테이터(stator) 및 상기 스테이터 내에 회전을 위하여 배치되는 로터(rotor)와;
   상기 터빈으로부터 상기 로터의 회전축과 평행한 방향으로 연장되는 제1 전기 케이블과;
   상기 터빈으로부터 상기 로터의 회전축과 평행한 방향으로 연장되되, 길이가 상기 제1 전기 케이블보다 길게 형성되는 제2 전기 케이블; 및
   상기 제1 전기 케이블에 연결되는 제1 부분과, 상기 제2 전기 케이블에 연결되고 상기 제1 부분에 상응하는 제2 부분을 구비하는 전기 연결부를 포함하고,
   상기 터빈들 중에서 하나의 터빈의 상기 제1 전기 케이블은, 상기 전기 연결부의 제1 부분과 제2 부분 간의 전기적 연결에 의해 상기 하나의 터빈에 근접해 있는 다른 터빈의 상기 제2 전기 케이블에 연결되며,
   상기 전기 연결부의 제1 부분과 제2 부분 간의 전기적 연결은, 상기 전기 연결부가 조수의 흐름 방향으로 정렬되는 상기 상호 연결된 제1 및 제2 전기 케이블의 직선 구간에 위치하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈 시스템.
2. 삭제
3. 제1 전기 케이블을 하나의 터빈으로부터 조수의 흐름 방향과 일치하는 방향으로 배치하는 단계;
   상기 제1 전기 케이블보다 더 긴 제2 전기 케이블을 인접한 다른 터빈으로부터 조수의 흐름 방향과 일치하는 방향으로 배치하는 단계; 및
   상기 제1 전기 케이블에 연결되는 제1 부분과, 상기 제2 전기 케이블에 연결되고 상기 제1 부분에 상응하는 제2 부분을 구비한 전기 연결부를 각각의 터빈에 제공함으로써, 그리고 하나의 터빈의 상기 제1 부분과 상기 하나의 터빈에 인접한 다른 터빈의 상기 제2 부분을 상호 연결함으로써, 상기 서로 인접한 터빈들의 상기 제1 및 제2 전기 케이블 간의 전기적 연결이, 상기 제1 및 제2 전기 케이블이 조수의 흐름 방향으로 정렬되는 구간에 위치되도록 하는 단계;
   를 포함하는 수력발전 터빈의 배열을 전기적으로 연결하는 방법.

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