KR101798252B1 - 수력 기기 - Google Patents

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KR101798252B1
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그렉 존 앨런
루드 칼로우
조나단 피에르 피버즈
데이비드 케셀
나이젤 렉스턴
로렌스 드류 만
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Abstract

파동 어네지를 전환하기 위한 폐-루프 수력 기기(200)로서, 상기 기기는 기기(200)를 통해 유체를 펌핑하기 위한 펌프(201)를 포함한다. 펌프(201)는 챔버(203)를 규정하는 바디(202)와 챔버(203)를 작동측(208)과 블라인드측(209)으로 구분하는 피스톤(207)을 포함한다. 부위 액튜에이터는 피스톤(207)에 연결된다. 입구(64)는 챔버(203)의 작동측(208)에 연결되어 유체가 입구(64)로부터 그리고 챔버(203)의 작동측(208) 내측으로 유동할 수 있다. 출구(63)는 챔버(203)의 작동측(208)에 연결되어 유체는 챔버(203)의 작동측(208)으로부터 출구(63)로 유동할 수 있다. 수력 제어기(102)는 입구(64) 및 출구(63)에서의 유체의 압력을 제어함으로써 펌프(201) 제어를 위해 작동할 수 있어서, 조수 변화 및/또는 해상 상황에 반응하여 펌프(201)의 출력을 최적화한다. 제어 알고리즘에 따라, 입구(64) 및 출구(63)에서의 유체의 압력이 제어된다.

Description

수력 기기{Hydraulic apparatus}
본 발명은 파동으로부터 에너지를 추출하기 위한 수력 기기에 관한 것이다.
삭제
파동으로부터 에너지를 추출하기 위한 수력 기기는 공지되어 있다. 그러한 기기의 예시들은 CETOTM 기술을 위한 PCT/AU2006/001187 및 PCT/AU2007/001685의 국제특허공보에 개시되며, 여기에서 참조로서 채택된다.
파동으로부터 에너지를 추출하기 위한 종래기술 수력 기기는 수역(a body of water)의 해저(seabed) 상에 위치하는 베이스를 포함한다. 축상 수력 펌프는 베이스 상에 장착되어, 펌프가 베이스에 대해 피벗할 수 있다. 펌프의 피스톤 로드는 밧줄에 의해 부위 액튜에이터에 커플링된다. 파동 및 부위 액튜에이터의 양성 부력(positive buoyancy)은 물의 방해(water disturbances) 이동을 따르도록 하여, 부위 액튜에이터가 밧줄 상에서 힘을 상방으로 가하도록 하고 매니폴드 내에서 펌프로부터의 압력 하에서 일방향 밸브를 통해 유체를 밖으로 강요한다. 파곡(wave trough)의 통과 동안, 부위 액튜에이터는 펌프 피스톤의 무게 및 펌프 입구 압력으로부터의 힘 하에서 떨어지고 부위 액튜에이터의 다음 상방 스러스트를 위해 펌프를 준비시킨다.
기기는, 고압에서의 유체가 수력 펌프에 의해 연안(shore)으로 펌핑되는 폐-루프 모드에서 작동되도록 디자인되며, 에너지는 유용한 작동으로서 추출되고, 감소된 압력 유체는 파이핑에 의해서 재-에너지화되는 해양측 수력 펌프로 복귀된다.
대안적인 종래 기술 수력 기기는 전술한 수력 기기와 유사하나, 각각의 펌프의 각각의 피스톤 로드에 밧줄로 묶이는 수력 펌프 집합체 및 부위 액튜에이터 집합체를 포함한다는 점이 다르다.
전술한 바와 같은 종래 기술 기기는, 위치와 관련된 파동 조건 및 조수 변수를 포함하는 위치 관련 특별한 조건 하에서 특별한 위치에서 작동하도록 전형적으로 맞추어져야 한다. 이는 일반적으로 특정 위치에 사용되도록 특별히 디자인되는 비-표준 하드웨어 제조와 관련되며, 또한 해당 위치에 적합한 특별 방식으로 작동되도록 하드웨어을 구성하여야 한다.
이러한 비-표준 하드웨어 수단을 디자인하고 제조하는 필요성은, 저비용으로 고체적의 제조를 성취하기 위한 제조 프로세스 간소화가 어려움을 의미한다.
본 발명의 개발은 이러한 배경 및 이와 관련된 문제점과 어려움을 극복하기 위함이다.
본 발명의 목적은, 하나 또는 그보다 많은 전술한 종래 기술의 결점을 극복하거나 적어도 완화하는 것이며, 또는 소비자에게 유용하고 상업적 선택을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 아래의 기술에서 명백할 것이고, 이는 첨부된 도면과 연관되어 예시적이고 설명을 위한 방법에 의해서 본 발명의 바람직한 실시예에서 기술된다.
본 발명의 제 1 양상에 따라, 파동 에너지를 전환하는 폐-루프 수력 기기를 제공하며, 상기 기기는 펌프, 부위 액튜에이터, 입구, 출구 및 수력 제어기를 포함하며, 상기 펌프는 상기 기기를 통해 유체를 펌핑할 수 있고 챔버를 규정하는 바디 및 챔버를 작동측과 블라인드측으로 구분하는 피스톤을 포함하며, 상기 부위 액튜에이터는 상기 피스톤에 연결되며, 상기 입구는 챔버의 작동측에 연결되어 유체가 상기 입구를 통해 상기 챔버의 작동측으로 유동할 수 있으며, 상기 출구는 챔버의 작동측에 연결되어 상기 유체가 상기 챔버의 작동측으로부터 상기 출구로 유동할 수 있으며, 상기 수력 제어기는 상기 입구 및 상기 출구에서의 유체의 압력을 제어함으로써 펌프를 작동적으로 제어할 수 있어서 해상 상태 및/또는 조수 변화에 반응하여 펌프의 출력을 최적화할 수 있으며, 상기 입구 및 상기 출구에서의 유체의 압력은 제어 알고리즘에 따라 제어되며, 상기 제어 알고리즘은 최적 필터 접근에 따라 생성되는 알고리즘의 총체(ensemble)로부터 이끌어지고, 최적 필터(optimal filter) 및 제어 알고리즘은 아래의 단계에 의해 생성된다.
(ⅰ) 파워 매트릭스(power matrix)를 결정하는 단계;
(ⅱ) 기기의 물리적 위치에 적용 가능한 해상 상태의 가장 강건한 스펙트럼 모델을 결정하는 단계;
(ⅲ) 파워 매트릭스로 해상 상태 스펙트럼 밀도를 컨벌루션하여 결과적인 전달 함수를 제조하는 단계;
(ⅳ) 시간에 대해 전달 함수를 적분하여 획득된 에너지 함수의 다중-파라미터 최적화를 수행하는 단계;
(ⅴ) 에너지 함수의 벡터 스페이스에서 작동 지점 및 안정 작동 영역을 한정하여 템플릿을 생성하는 단계;
(ⅵ) 기기의 상태 변수에 제어 시스템 전달 함수를 적용하여 제어 알고리즘을 생성하는 단계;
(ⅶ) 제어 알고리즘을 시뮬레이션 구동하여 알고리즘 및 설정 지점 템플릿의 정확성 및 안정성을 검증하는 단계;
(ⅷ) 필요한 제어 알고리즘의 공간에 적용하는데 필요한 상이한 해상 상태에 따라 상기 (ⅰ) 내지 (ⅶ) 단계를 반복하는 단계.
수력 제어기의 바람직한 제 1 형태는: 입구 수력 축적기; 입구 수력 축적기 및 입구에 연결되는 입력 수력 제어 밸브; 출구 수력 축적기; 출구 수력 축적기 및 출구에 연결되는 출구 수력 제어 밸브; 입구 및 출구에 연결되는 시퀀스 밸브; 출구에 연결되는 제 1 출구 압력 전환기; 출구에 연결되는 유량계; 유량계에 연결되는 비례 스로틀(proportional throttle); 및 비례 스로틀에 연결되는 제 2 출구 압력 전환기를 포함한다.
수력 제어기의 바람직한 제 2 형태는: 챔버의 작동측에 연결되는 작동측 수력 축적기; 출구에 연결되는 출구 수력 축적기; 입구에 연결되는 입구 수력 축적기; 출구에 연결되는 출구 밸브; 입구에 연결되는 입구 밸브; 출구 및 입구 밸브에 연결되는 압력 릴리프 밸브; 입구 밸브에 연결되는 중간 수력 축적기; 제어 시스템; 및 다수의 센서를 포함하며, 제어 시스템은 센서들의 출력에 반응하여 출구 밸브 및 입구 밸브를 제어하도록 작동 가능하다.
수력 제어기의 바람직한 제 3 형태는: 챔버의 작동측에 연결되는 작동측 수력 축적기; 출구에 연결되는 출구 수력 축적기; 입구에 연결되는 입구 수력 축적기; 출구 및 입구에 연결되는 압력 릴리프 밸브; 출구에 연결되는 출구 밸브; 입구에 연결되는 입구 밸브; 및 입구 밸브에 연결되는 중간 수력 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 수력 제어기는 출구 및 입구에 연결되는 다른 압력 릴리프 밸브를 포함한다.
또한, 바람직하게, 수력 제어기는: 제어 시스템; 및 다수의 센서를 포함하며, 상기 제어 시스템은 센서의 출력에 반응하여 출구 밸브, 입구 밸브 및 압력 릴리프 밸브를 제어하도록 작동할 수 있다.
바람직하게, 센서는 압력, 온도 및 유량 센서를 포함한다.
또한, 바람직하게, 작동측 수력 축적기, 출구 수력 축적기, 입구 수력 축적기 및 중간 수력 축적기의 라인에서의 가스 충전은 제어 알고리즘에 따라 다양할 수 있다.
바람직하게, 출구 밸브는 펠튼휠(Pelton wheel)을 위한 스페어밸브(spear valve)이다.
또한, 바람직하게, 기기는 기기를 통해 유체를 펌핑하기 위한 다수의 펌프, 펌프의 피스톤에 연결되는 다수의 부위 액튜에이터; 펌프 챔버의 작동측에 연결되는 다수의 입구, 펌프 챔버의 작동측에 연결되는 다수의 출구를 더 포함하며, 수력 제어기는 펌프 챔버의 작동측에 연결되는 다수의 작동측 수력 축적기를 포함한다.
바람직하게, 펌프들은 3열의 깊이보다 크지 않은 집합체에서 배열된다.
바람직하게, 펌프들은 동일한 펌프이다.
바람직하게, 제어 알고리즘은 최대 통합 에너지를 제공하도록 튜닝된다.
또한, 바람직하게, 제어 알고리즘의 공간의 총체가 기계/기기의 상태에 대한 변수를 포함하는 경우, 상기 (ⅰ) 단계는 상기 (ⅷ) 단계의 일부로서 반복된다.
바람직하게, 제어 알고리즘의 생성은 경험적이다.
바람직하게 최적화는 다음에 의해 이루어진다:
(ⅰ) 파워 매트릭스를 결정하는 단계;
(ⅱ) 파워 매트릭스 및 파동 모델을 이용하여 제어 시스템 저달 함수를 개발하고 최적화하는 단계;
(ⅲ) 물리적 설치위치를 위한 강건한 물리적 스펙트럼 모델을 사용하여 특정 물리적 설치위치를 위한 전달 함수를 최적화하는 단계.
본 발명의 제 2 양상에 따라, 파동 에너지를 전환하는 폐-루프 수력 기기를 위한 제어 알고리즘의 총체 및 최적 필터를 생성하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다.
(ⅰ) 파워 매트릭스(power matrix)를 결정하는 단계;
(ⅱ) 기기의 물리적 위치에 적용 가능한 해상 상태의 가장 강건한 스펙트럼 모델을 결정하는 단계;
(ⅲ) 파워 매트릭스로 해상 상태 스펙트럼 밀도를 컨벌루션하여 결과적인 전달 함수를 제조하는 단계;
(ⅳ) 시간에 대해 전달 함수를 적분하여 획득된 에너지 함수의 다중-파라미터 최적화를 수행하는 단계;
(ⅴ) 에너지 함수의 벡터 스페이스에서 작동 지점 및 안정 작동 영역을 한정하여 템플릿을 생성하는 단계;
(ⅵ) 기기의 상태 변수에 제어 시스템 전달 함수를 적용하여 제어 알고리즘을 생성하는 단계;
(ⅶ) 제어 알고리즘을 시뮬레이션 구동하여 알고리즘 및 설정 지점 템플릿의 정확성 및 안정성을 검증하는 단계;
(ⅷ) 필요한 제어 알고리즘의 공간에 적용하는데 필요한 상이한 해상 상태에 따라 상기 (ⅰ) 내지 (ⅶ) 단계를 반복하는 단계.
또한, 바람직하게, 제어 알고리즘의 공간의 총체가 기계/기기의 상태에 대한 변수를 포함하는 경우, 상기 (ⅰ) 단계는 상기 (ⅷ) 단계의 일부로서 반복된다.
바람직하게, 제어 알고리즘의 생성은 경험적이다.
바람직하게 최적화는 다음에 의해 이루어진다:
(ⅰ) 파워 매트릭스를 결정하는 단계;
(ⅱ) 파워 매트릭스 및 파동 모델을 이용하여 제어 시스템 저달 함수를 개발하고 최적화하는 단계;
(ⅲ) 물리적 설치위치를 위한 강건한 물리적 스펙트럼 모델을 사용하여 특정 물리적 설치위치를 위한 전달 함수를 최적화하는 단계.
바람직하게, 파동 에너지를 전환하기 위한 폐-루프 수력 기기는 본 발명의 제 1 양상에 따른 수력 기기를 포함한다.
삭제
본 발명의 제 3 양상에 따라, 본 발명의 제 1 양상에 따른 수력 기기를 제어하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 제 4 양상에 따라, 본 발명의 제 1 양상에 따른 수력 기기를 제어하도록 최적 필터(optimal filter)를 획득하기 위한 방법을 제공한다.
본 발명의 제 5 양상에 따라, 수력 기기로서, 상기 기기를 통하여 유체를 펌핑하기 위한 펌프, 및 상기 유체의 유동을 제어하기 위한 제어 부재를 포함하는, 수력 기기를 제공한다.
본 발명의 제 6 양상에 따라, 본 발명의 제 5 양상에 따른 수력 기기를 제어하기 위한 방법을 제공하며, 이는 다음의 단계를 포함한다:
기기를 통해 수력 유체를 펌핑하도록 기기의 펌프를 작동하는 단계; 및
유체의 유동을 제어하도록 제어 부재를 제어하는 단계.
바람직하게, 상기 펌프는 축상 수력 펌프이다.
바람직하게, 상기 제어 부재는 출구 밸브, 입구 밸브, 축적기, 및/또는 압력 릴리프 밸브이다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 출구 체크 밸브를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 입구 체크 밸브를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 로드/튜닝/작동측 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 블라인드측 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 출구 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 입구 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 센서를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 제어기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 폐-루프 수력 기기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 상기 기기는 파동으로부터 에너지를 추출하고/파동 에너지를 전환한다.
본 발명의 제 7 양상에 따라, 파동 에너지 장치의 제어 및 최적화를 위한 시스템으로서, 수력 전력 출발점(takeoff)으로 파동 에너지 전환기(wave energ converter)를 사용하는 파동 에너지 전환기로서, 상기 전환기는 폐-루프 모드에서 작동되며, 상기 폐-루프는 보다 고압에서의 장치 출력 라인 및 실질적으로 보다 저압에서의 입구 유체 라인을 포함하며, 상기 유체는 실질적으로 물 기저의 폐-루프 내에서 순환하며, 상기 유체는 연안측에 에너지 전달을 제공하며, 상기 유체는 압력 및 유동을 통하여 에너지를 전달하는, 파동 에너지 전환기, 및 터빈 또는 압력 교환 엔진과 같은 하이드로 기계 장치를 통하여 내륙측(onshore) 작동 유체로부터 에너지를 제거하는 수단을 포함하는, 시스템을 제공한다.
바람직하게, 상기 시스템은 내륙측 및 해양측(offshore) 모두에서의 제어 부재를 포함한다.
바람직하게, 상기 제어 부재는, 내륙측 입구 라인 및 출구 라인에서 압력 및 유동을 조절하는 밸브, 상기 입구 라인과 출구 라인 사이에 위치하는 해양측 압력 릴리프 밸브, 해양측에 위치하는 수력 축적기와 내륙측에 위치하는 수력 축적기로서, 어느 하나는 상기 출구 라인에 연결되고 다른 하나는 상기 입구 라인에 연결되는, 수력 축적기들, 및 상기 입구 라인과 출구 라인 사이에서 내륙측에 위치하는 압력 릴리프 밸브를 포함한다.
바람직하게, 제어 알고리즘이, 상기 축적기들에서의 가스 압력 변화 및 상기 다수의 수력 밸브를 제어하도록 사용된다.
본 발명의 제 8 양상에 따라, 본 발명의 제 5 양상에 따른 시스템을 위한 제어 알고리즘이 제공된다. 바람직하게, 상기 제어 알고리즘은 아래의 기능들 중 하나 또는 그보다 많은 기능을 수행하거나 또는 아래의 특징들 중 하나 또는 그보다 많은 특징을 갖는다.
a. 피스톤 제한과 피스톤 자유의 극단을 포함하며 그 사이에 위치하는 CETOTM WEC의 축적기 체적 변화 수단(개방/폐쇄 밸브)에 의하여 기계적 강성을 제어한다. '피스톤-제한(piston-constrained)'는, 수력 유체가 축적기 튜닝에 의하여 허용되는 범위로 수력 순환부 내측에서의 이동이 제한되기 때문에 피스톤이 최소량의 이동을 겪는 상황을 지칭하며, '피스톤-자유(piston-free)'는 입구 순환부와 출구 순환부 사이에서 유체의 유동이 자유로우며 그 자중과 이에 가해지는 외력의 영향 하에서 피스톤 이동이 자유로운 상황을 지칭한다.
b. 조수에 의하여 야기되는 바와 같은, 수심의 느린 변화를 수용하도록 CETOTM의 경우 펌프의 피스톤의 참조 위치를 제어한다.
c. 인접한 파동 측정 기기로부터 실시간 입력에 따라 WEC 장치의 제어 부재를 제어한다. 이러한 장치들은 순간 파고(H), 파랑 주기(T), 및 파속(θ)과 해상 상태를 규정하는 다른 어떠한 관련 파라미터들도 저장할 수 있으며, 이러한 데이터들을 알고리즘에 실시간 제공할 수 있다.
d. c)의 설정을 제어하여 출력(P)이 순간 최대가 된다.
e. c)의 설정을 제어하여 출력(P)이 순간 최소가 된다. 이러한 조건은 유지 또는 검사가 이루어지는 경우 바람직할 수 있다.
f. c)의 설정을 제어하여 P가 확률(Pm)에서 최소값(Pm)을 초과한다.
g. 미리 설정된 템플릿(F)을 적용하여 제어 부재 3)의 값을 제한하며, 이는 시간 간격(τ)에서 WEC에 의해 전달되는 총 출력을 최대화한다.
h. 시간 간격(τ)은 초 내지 분 내지 시간으로부터 시대(epoch)(τε)에 이르도록 가변적일 수 있다. 예를 들어, 표준 내륙측 실행은 연속적인 불규칙 해상 상황을 위해 20분이며, 극한의 해상 상황을 위해 3시간이다.
i. 각각의 시대(τε)는 고유의 템플릿(F)에 할당되며, 이는 알고리즘(A)을 위한 설정 작동 지점 및 알고리즘에 의하여 수행되는 제어 범위를 규정한다.
j. 제어 알고리즘(A)은 i)에 따른 일련의 템플릿(Fε)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 각각의 템플릿은 최단과 최장 사이에서 어떠한 시간 시대에 걸쳐서도 최적화된 에너지 출력(Emax)을 제공하도록 협력작동한다. 즉, 알고리즘(A)은 언제나 최대 통합 에너지(Emax)을 제공하도록 튜닝되며, 여기에서 최대 통합 에너지는 다음과 같다.
Figure 112012046200357-pct00001
k. 또한, 특정 알고리즘(A)은 알고리즘들의 총체(Ai)로부터 추출될 수 있으며, 여기에서 총체(Ai)는 다음 조건들 중 어느 하나 또는 그보다 많은 조건에 특정되는 요소를 포함한다.
ⅰ. 특정 지형학적 위치;
ⅱ. 특정 수심 및 수심 측량술(bathymetry);
ⅲ. 파동 활동의 특정 분류, 예를 들어 에너지, 내륙, 순화, 내륙 또는 그 조합;
ⅳ. 연중 특정 시간, 예를 들어 겨울, 여름;
ⅴ. WEC의 특정 구성;
ⅵ. CETO 특허 출원에서 기술되었던 에너지 릴리프 메커니즘을 포함하는 WEC의 특정 물리적 구성;
ⅶ. WEC의 작동 역사, 수명, 상태에 상응하는 WEC의 특정 물리적 상태.
ⅷ. WEC의 구성에서의 다른 어떠한 변화;
ⅸ. 연간 우세 해상 상태, 예를 들어, 서부 호주 내륙에서 떨어진 가든 아일랜드(Garden Island)에서의 위치는 6 내지 8의 우세 해상 상태를 가짐;
ⅹ. 특정 안전/비상 조건
본 발명의 제 9 양상에 따라, 본 발명의 제 7 내지 제 8 양상 중 어느 한 양상에 따른 폐-루프 시스템을 형성하도록, 일반적인 입구 및 출구 파이핑 세트와 병렬로 함께 연결된 WEC의 집합체를 포함하는, 시스템을 제공한다.
본 발명의 제 10 양상에 따라, 본 발명의 제 9 양상에 따른 시스템을 제공하며, 여기에서 알고리즘(A)의 최적화 역시 파속에 민감하다. 알고리즘(Ai)과 템플릿(Fε)은 단일 WEC의 그것들과 매우 상이하다. 다수의 유닛에서 단일 유닛과 비교한 이러한 알고리즘 상의 상이함은 유닛들 간의 수력 상호작용에 의함을 주지한다.
본 발명의 제 11 양상에 따라, 본 발명의 제 7 내지 제 10 양상 중 어느 하나에 따른 시스템을 제공하며, 알고리즘(Ai)은 최적 필터 접근에 따라 생성된다.
본 발명의 제 12 양상에 따라, 수력 기기가 제공되며, 이는:
챔버를 규정하는 바디 및 상기 챔버를 작동측과 블라인드측으로 구분하는 피스톤을 포함하는 수력 펌프; 및
상기 챔버의 블라인드측에 연결된 블라인드측 수력 축적기를 포함한다.
바람직하게, 블라인드측 수력 축적기는 챔버의 블라인드측에 병렬로 연결된다. 대안적으로, 블라인드측 수력 축적기는 챔버의 블라인드측에 직렬로 연결된다. 또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 블라인드측 및 블라인드측 수력 축적기를 포함하는 폐쇄된 블라인드측 수력 순환부를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 블라인드측 수력 축적기와 챔버의 블라인드측 사이에 유동 가능한 유체를 포함한다. 바람직하게, 유체는 고 윤활 유체이다. 바람직하게 유체는 고 점도 유체이다.
또한, 바람직하게, 기기는 피스톤에 결속된 블라인드측 기계적 완충기를 포함한다. 바람직하게, 블라인드측 기계적 완충기는 탄성 완충기이다. 대안적으로, 블라인드측 기계적 완충기는 스프링이다.
또한, 바람직하게, 기기는 피스톤에 결속된 작동측 기계적 완충기를 포함한다. 바람직하게, 작동측 기계적 완충기는 탄성 완충기이다. 대안적으로, 작동측 기계적 완충기는 스프링이다.
또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 작동측에 연결된 작동측 수력 축적기를 포함한다. 바람직하게, 작동측 수력 축적기는 챔버의 작동측에 병렬로 연결된다. 대안적으로, 작동측 수력 축적기는 챔버의 작동측에 직렬로 연결된다.
또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 작동측에 연결된 출구 체크 밸브 및 출구 체크 밸브에 병렬로 연결된 입구 체크 밸브를 포함한다. 소정의 실시예에서, 입구 체크 밸브는 챔버의 블라인드측에 연결될 수 있다. 또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브에 병렬로 연결된 출구 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 입구 체크 밸브에 병렬로 연결된 입구 수력 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브, 입구 체크 밸브, 출구 수력 축적기 및 입구 수력 축적기를 포함하는 수력 인터페이스 유닛을 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스 유닛은 블라인드측 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스는 작동측 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스 유닛은 압력 릴리프 밸브를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브 및 입구 체크 밸브에 연결된 수력 제어기를 포함한다. 바람직하게, 수력 제어기는 압력 릴리프 밸브를 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 수력 제어기를 출구 체크 밸브에 연결하는 고압 파이프라인 및 수력 제어기를 입구 체크 밸브에 연결하는 저압 파이프라인을 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 수력 제어기에 연결된 수력 적재물을 포함한다.
바람직하게, 기기는 폐-루프 수력 기기이다.
바람직하게, 기기는 파동 이동으로부터 에너지를 추출하고/파동 에너지를 전환하기 위함이다. 또한, 특히 바람직하게, 기기는 피스톤에 밧줄로 연결된 부위 액튜에이터를 포함한다.
본 발명의 제 13 양상에 따라, 수력 기기가 제공되며, 이는:
챔버를 규정하는 바디 및 상기 챔버를 작동측과 블라인드측으로 구분하는 피스톤을 포함하는 수력 펌프; 및
상기 챔버의 작동측에 연결된 작동측 수력 축적기를 포함한다.
바람직하게, 작동측 수력 축적기는 챔버의 작동측에 병렬로 연결된다. 대안적으로, 작동측 수력 축적기는 챔버의 작동측에 직렬로 연결된다.
또한, 바람직하게, 기기는 피스톤에 결속된 작동측 기계적 완충기를 포함한다. 바람직하게, 작동측 기계적 완충기는 탄성 완충기이다. 대안적으로, 작동측 기계적 완충기는 스프링이다.
또한, 바람직하게, 기기는 피스톤에 결속된 블라인드측 기계적 완충기를 포함한다. 바람직하게, 블라인드측 기계적 완충기는 탄성 완충기이다. 대안적으로, 블라인드측 기계적 완충기는 스프링이다.
또한, 바람직하게, 기기는 블라인드측 수력 축적기를 포함한다. 바람직하게, 블라인드측 수력 축적기는 챔버의 블라인드측에 병렬로 연결된다. 대안적으로, 블라인드측 수력 축적기는 챔버의 블라인드측에 직렬로 연결된다. 또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 블라인드측 및 블라인드측 수력 축적기를 포함하는 폐쇄된 블라인드측 수력 순환부를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 작동측에 연결된 출구 체크 밸브 및 출구 체크 밸브에 병렬로 연결된 입구 체크 밸브를 포함한다. 소정의 실시예에서, 입구 체크 밸브는 챔버의 블라인드측에 연결될 수 있다. 또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브에 병렬로 연결된 출구 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 입구 체크 밸브에 병렬로 연결된 입구 수력 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브, 입구 체크 밸브, 출구 수력 축적기 및 입구 수력 축적기를 포함하는 수력 인터페이스 유닛을 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스 유닛은 블라인드측 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스는 작동측 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스 유닛은 압력 릴리프 밸브를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브 및 입구 체크 밸브에 연결된 수력 제어기를 포함한다. 바람직하게, 수력 제어기는 압력 릴리프 밸브를 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 수력 제어기를 출구 체크 밸브에 연결하는 고압 파이프라인 및 수력 제어기를 입구 체크 밸브에 연결하는 저압 파이프라인을 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 수력 제어기에 연결된 수력 적재물을 포함한다.
바람직하게, 기기는 폐-루프 수력 기기이다.
바람직하게, 기기는 파동 이동으로부터 에너지를 추출하고/파동 에너지를 전환하기 위함이다. 또한, 특히 바람직하게, 기기는 피스톤에 밧줄로 연결된 부위 액튜에이터를 포함한다.
본 발명의 제 14 양상에 따라, 수력 기기가 제공되며, 이는 기기를 통해 유체를 순환하시키기 위한 수력 펌프 및 기기를 제어하기 위한 수력 제어기를 포함한다.
바람직하게, 수력 펌프는 챔버를 한정하는 바디 및 챔버를 작동측과 블라인드측으로 구분하는 피스톤을 포함한다.
바람직하게, 기기는 챔버의 블라인드측에 연결된 블라인드측 수력 축적기를 포함한다. 바람직하게, 블라인드측 수력 축적기는 챔버의 블라인드측에 병렬로 연결된다. 대안적으로, 블라인드측 수력 축적기는 챔버의 블라인드측에 직렬로 연결된다. 또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 블라인드측 및 블라인드측 수력 축적기를 포함하는 폐쇄된 블라인드측 수력 순환부를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 블라인드측 수력 축적기와 챔버의 블라인드측 사이에 유동 가능한 유체를 포함한다. 바람직하게, 유체는 고 윤활 유체이다. 바람직하게 유체는 고 점도 유체이다.
또한, 바람직하게, 기기는 피스톤에 결속된 블라인드측 기계적 완충기를 포함한다. 바람직하게, 블라인드측 기계적 완충기는 탄성 완충기이다. 대안적으로, 블라인드측 기계적 완충기는 스프링이다.
또한, 바람직하게, 기기는 피스톤에 결속된 작동측 기계적 완충기를 포함한다. 바람직하게, 작동측 기계적 완충기는 탄성 완충기이다. 대안적으로, 작동측 기계적 완충기는 스프링이다.
또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 작동측에 연결된 작동측 수력 축적기를 포함한다. 바람직하게, 작동측 수력 축적기는 챔버의 작동측에 병렬로 연결된다. 대안적으로, 작동측 수력 축적기는 챔버의 작동측에 직렬로 연결된다.
또한, 바람직하게, 기기는 챔버의 작동측에 연결된 출구 체크 밸브 및 출구 체크 밸브에 병렬로 연결된 입구 체크 밸브를 포함한다. 소정의 실시예에서, 입구 체크 밸브는 챔버의 블라인드측에 연결될 수 있다. 또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브에 병렬로 연결된 출구 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 기기는 입구 체크 밸브에 병렬로 연결된 입구 수력 축적기를 포함한다.
또한, 바람직하게, 기기는 출구 체크 밸브, 입구 체크 밸브, 출구 수력 축적기 및 입구 수력 축적기를 포함하는 수력 인터페이스를 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스 유닛은 블라인드측 수력 축적기를 포함한다. 또한, 바람직하게, 수력 인터페이스는 작동측 수력 축적기를 포함한다.
바람직하게, 수력학 제어기는 알고리즘에 따라 기기를 제어할 수 있다.
바람직하게, 수력 제어기는 출구 체크 밸브 및 입구 체크 밸브에 연결된다. 또한, 바람직하게, 기기는 수력 제어기를 출구 체크 밸브에 연결하는 고압 파이프라인 및 수력 제어기를 입구 체크 밸브에 연결하는 저압 파이프라인을 포함한다.
바람직하게, 기기는 수력 적재물을 포함한다. 바람직하게, 상기 적재물은 터빈이다. 바라직하게, 상기 터빈은 펠튼 터빈이다.
바람직하게, 기기는 폐-루프 수력 기기이다.
바람직하게, 기기는 파동 이동으로부터 에너지를 추출하고/파동 에너지를 전환하기 위함이다. 또한, 특히 바람직하게, 기기는 피스톤에 밧줄로 연결된 부위 액튜에이터를 포함한다.
본 발명을 충분히 이해하고 실재로 사용하도록 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예가 기술될 것이며, 이는 아래와 같다:
도 1은, 수력 기기의 바람직한 제 1 실시예의 개략도이며;
도 2는, 수력 기기의 바람직한 제 2 실시예의 개략도이며;
도 3은, 도 1 및 2에 도시된 수력 기기의 일부를 보다 상세하게 도시하는 개략도이고, 기기의 축상 수력 펌프의 측단면도를 포함하며;
도 4는, 수력 기기의 바람직한 제 3 실시예의 개략도이고, 기기의 축상 수력 펌프의 측단면도를 포함하며;
도 5는, 수력 기기의 바람직한 제 4 실시예의 개략도이며,
도 6은, 수력 기기의 바람직한 제 5 실시예의 개략도이고, 기기의 축상 수력 펌프의 측단면도를 포함하며;
도 7은, 수력 기기의 바람직한 제 6 실시예의 개략도이고, 기기의 축상 수력 펌프의 측단면도를 포함하며;
도 8은, 수력 기기의 바람직한 제 7 실시예의 개략도이고, 기기의 축상 수력 펌프의 측단면도를 포함하며;
도 9는, 수력 기구 및 제어 시스템과 도 8에 도시된 수력 기기의 배터리 충전 시스템을 도시하는 개략도이며;
도 10은, 도 8 및 9에 도시된 기기와 같은 수력 기기에서 다양한 흡입 및 배출 압력 범위에 대한 피스톤 변위 범위를 도시하는 그래프이고,
도 11은, 수력 기기의 바람직한 제 8 실시예의 개략도이고, 기기의 축상 수력 펌프의 측단면도를 포함하며;
도 12는 수력 기기의 바람직한 제 9 실시예의 개략도이다.
도 1 내지 3을 참조하여, 파동 이동으로부터 에너지를 추출하고/파동 에너지를 전환하기 위한 폐-루프 수력 기기(30)는, 챔버(33)를 규정하는 펌프 바디(32)를 포함하는 축상 수력 펌프(31)를 포함한다. 펌프 바디(32)는 상부 벽체(35)에 의해 폐쇄되는 상단부 및 하부 벽체(36)에 의해 폐쇄되는 하단부를 갖는 측벽체(34)를 포함한다. 하부 벽체(36)는 베이스(37)에 부착되도록 구성된다.
피스톤(38)은 챔버(33)에 의해 수용되어, 이에 따라 피스톤(38)은 챔버(33)를 로드 또는 작동측(39)과 블라인드측(40)으로 구분하며, 그리고 피스톤(38)은 챔버(33) 내에서 앞뒤로 슬라이딩될 수 있다. 피스톤(38)과 측벽체(34) 사이의 밀봉부(미도시)는 유체가 피스톤(38) 너머 그리고 작동측(39)과 블라인드측(40) 사이에서 유동하는 것을 억제한다. 이상적으로, 챔버(30)의 작동측(39)과 블라인드측(40)은, 펌프(31)의 측벽체(34)과 이동하는 피스톤(38)의 완벽한 밀봉에 의하여 펌프(31) 내에서 연통되지 않는다. 두 챔버 사이의 소정의 누수는 밀봉부가 마모됨에 따라 용인될 수 있다.
작동측 기계적 완충기(41)가 피스톤(38)에 결속되어, 이에 따라 완충기(41)는 챔버(33)의 작동측(39) 상에 위치한다. 블라인드측 기계적 완충기(42)는 피스톤(38)에 결속되어, 이에 따라 완충기(42)는 챔버(33)의 블라인드측(40) 상에 위치한다.
피스톤 로드(43)는 피스톤(38)으로부터 연장되고 펌프 바디(32)의 상부 벽체(35) 내의 개구부를 통과하며, 이에 따라 로드(43)는 바디(32)에 대하여 피스톤(38)으로 앞뒤로 이동 가능하다. 밀봉부(미도시)는 유체가 챔버(33) 밖으로 개구부를 통하여 누수되는 것을 억제한다.
부위 액튜에이터(44)는 밧줄(45)에 의하여 피스톤 로드(43)의 상단부에 연결된다.
또한, 기기(30)는 챔버(33)의 블라인드측(40)을 포함하는 블라인드측 수력 순환부(46) 및 블라인드측 수력 축적기(47)를 포함한다. 순환부(46)는 폐쇄되어, 유체가 오직 축적기(47)와 챔버(33)의 블라인드측(40) 사이에서만 교환될 수 있다. 축적기(47)는 챔버(33)의 블라인드측(40)에 호스(48)에 의해 연결되며, 이에 따라 유체는 챔버(33)의 블라인드측(40)과 축적기(47) 사이에서 유동할 수 있다. 피스톤 스톱링에 의해 펌프 포트의 차단을 통하여 관리되는 쿠션구역을 제외하면, 언제라도 블라인드측 수력 축적기(47)에 언제나 최소의 임피던스가 존재한다.
블라인드측 순환부(46) 내의 유체는 표준 실험에 따라 유체 및 가스 혼합체를 포함한다. 축적기(47)는 순간 저장조이며, 이상적으로 어떠한 제동(damping)도 제공하지 않는다.
블라인드측 순환부(46) 내의 유체는 저점성 유체일 수 있다. 다수의 피스톤 축적기에서, 블라인드측은 질소와 같은 가스로 완전히 채워질 수 있어서, 유체와 비교할 겨우 유체역학적 손실을 감소시킨다. 또한, 이는 매우 저비용 및 보다 작은 축적기라는 이점을 가질 수 있다.
블라인드측 순환부(46) 내의 유체는 고윤활도의 유체를 채택할 수 있으며, 즉 윤활 기능을 가질 수 있다. 이러한 윤활은 피스톤 밀봉부 수명을 증진시킬 수 있다. 또한, 이러한 유체는 모세관 튜브(미도시)를 통한 로드 밀봉부를 윤활시키도록 사용될 수 있다. 필요한 윤활 유체의 필요 체적이 비교적 적이 때문에, 추가 비용은 유지 비용 및 고장 시간 감소에 의해 상쇄될 것이다.
또한, 기기(30)는 호스(50)에 의해 챔버(33)의 작동측(39)에 연결되는 출구 체크 밸브(49)를 포함하여, 이에 따라 유체는 챔버(33)로부터 밸브(49)를 통해 화살표 'A'가 지칭하는 방향으로 유동할 수 있다. 입구 체크 밸브(51)는 출구 체크 밸브(49) 및 호스(50)에 병렬로 연결될 수 있으며, 이에 따라 유체는 밸브(51)를 통해 챔버(33) 내측으로 화살표 'B'가 지칭하는 방향으로 유동할 수 있다.
출구 수력 축적기(52)는 출구 체크 밸브(49)에 병렬로 연결된다. 입구 수력 축적기(53)는 입구 체크 밸브(51)에 병렬로 연결된다.
특히 도 1을 참고하여, 사용시 기기(3)의 일부는 해양측에서 바다 또는 대양과 같이 수면(55) 및 평균 수면(56)을 갖는 수역(54) 내에 위치한다. 수력 펌프(31)는 수역(54)의 해저(57) 상에 안착되는 베이스(37)에 결속된다. 펌프(31)는 베이스(37)에 결속되어, 이에 따라 펌프(31)는 베이스(37)에 대하여 피벗할 수 있다. 체크 밸브(49 및 51) 및 축적기(47, 52 및 53)는 역시 해양측에 위치한 수력 인터페이스 유닛(58) 내에 위치한다. 수력 인터페이스 유닛(58)의 고압 출구는 고압 파이프라인에 의해 내륙측 플랜트(59)의 고압 입구에 연결되며, 수력 인터페이스 유닛(58)의 저압 입구는 저압 파이프라인에 의해 내륙측 플랜트의 저압 출구에 연결된다.
부위 액튜에이터(44)는 수역(54) 내에 위치하며, 이에 따라 수역의 파동 이동과 액튜에이터(44)의 양성 부력이 물의 방해 움직임을 따르도록 하며, 이에 따라 액튜에이터(44)는 밧줄(45) 상에서 상방의 힘이 가해지고, 차례로 피스톤(38)은 펌프 바디(32)의 상부 벽체(35)를 향해 챔버(33) 내에서 상방으로 이동한다. 피스톤(38)이 상방으로 이동함에 따라, 챔버(33)의 작동측(39) 상의 유체는 화살표(A)에 의해 지칭되는 방향으로 출구 체크 밸브(49)와 호스(50)를 통해 챔버(33) 밖으로 강요된다.
출구 체크 밸브(49)를 통해 펌핑되는 유체의 에너지 중 일부는 출구 축적기(52) 내에 저장되고, 이는 축적기(52) 및 출구 체크 밸브(39)가 일부를 형성하는 폐-루프 수력 순환부의 고압 섹션을 통한 유체의 유동을 평활하게 하는 기능을 한다. 유체가 화살표(B)로 지칭되는 방향으로 순환부의 별도 가지를 통하여 펌프(31)로 다시 유동하기 전에, 순환부의 나머지 둘레로 유동한다.
피스톤(38)이 챔버(33) 내에서 상방으로 이동함에 따라, 폐쇄된 블라인드측 수력 순환부(46) 내의 유체는 축적기(47)로부터 호스(48)를 통해 챔버(33)의 블라인드측(40) 내측으로 유동한다. 순환부(46) 내의 유체는 고윤활도 및 저점성 유체이다.
작동측 기계적 완충기(41)는, 피스톤(38)과 펌프 바디(32)가 피스톤(38)의 상방 스트로크 동안 손상되는 것을 방지하도록, 피스톤(38)이 펌프 바디(32)의 상부 벽체(35)로 접근함에 따라 그 이동을 완충시킨다. 특히, 작동측 기계적 완충기(41)는 상방-스트로크 동안 펌프(31) 및 밧줄(45) 상의 충격-하중을 감소시킨다.
기기(30) 너머 파곡의 통과 동안, 부위 액튜에이터(44)는 피스톤(38)의 무게 하에 떨어지게 되며, 유체의 힘은 폐쇄된 수력 순환부 내에서 유동하고 화살표(B)에 의해 지칭되는 방향으로 호스(50) 및 입구 체크 밸브(51)를 통한 통과에 의하여 챔버(33)의 작동측(39)으로 복귀한다. 복귀되는 유체의 에너지 일부는 입구 축적기(53) 내에 저장되며, 이는 폐-루프 수력 순환부의 저압 섹션을 통한 유체의 유동을 평활하게 하는 기능을 한다.
피스톤(38)이 챔버(33) 내에서 하방으로 이동함에 따라, 챔버(33)의 블라인드측(40) 내의 고윤활도 및 저점도 유체는 챔버(33)로부터 호스(48)를 통해 축적기(47)로 다시 이동한다. 이상적으로, 축적기(47)는 어떠한 수력적 완충을 제공하지 않고, 단지 저장조로서 간단한 기능을 한다.
블라인드측 기계적 완충기(42)는 피스톤(38)이 펌프 바디(32)의 하부 벽체(36)로 접근함에 따라 그 이동을 완충하여, 피스톤(38)과 펌프 바디(32)가 피스톤(38)의 하방 스트로크 동안 손상되는 것을 방지한다. 특히, 블라인드측 기계적 완충기(42)는 하방 스트로크 동안 펌프(31) 및 밧줄(45) 상의 충격-하중을 감소시킨다.
싸이클은 기기(30)에 대하여 파고점과 파곡이 통과하는 각각의 시간마다 반복된다.
특히 도 2를 참조하여, 기기(30)는 수력 인터페이스 유닛(58)에 연결되는 부위 액튜에이터(44) 및 펌프(31) 집합체를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 수력 기기(60)가 기기(30)와 유사하다. 따라서, 기기(60 및 30)의 유사한 특징부들은 유사한 참조번호로 지칭되었다.
기기(60)는 기기(30)와 비교하여 기기(60)가 호스(50)에 의하여 챔버(33)의 작동측(39)에 병렬로 연결된 작동측 수력 축적기(61)도 포함한다는 점이 상이하며, 이에 따라 유체는 챔버(33)와 작동측 수력 축적기(61) 사이에서 유동할 수 있다.
더욱이, 기기(60)는, 블라인드측 수력 축적기(47), 출구 체크 밸브(49), 입구 체크 밸브(51), 출구 수력 축적기(52), 입구 수력 축적기(53) 및 작동측 수력 축적기(61)를 포함하는 수력 인터페이스 유닛(62)을 포함한다.
수력 인터페이스 유닛(62)은 출구(63) 및 입구(64)를 포함한다.
기기(60)의 작동은 기기(30)의 작동과 가상적으로 동일하나, 축적기(61)가 상방 스트로크 동안 피스톤(38)의 수력 완충을 제공한다는 점이 상이하며, 이는 작동측 기계적 완충기(41)에 의해 제공되는 기계적 완충을 증가시킨다.
수력 인터페이스 유닛(62)은 기기(60)의 부위 액튜에이터(44) 및 펌프(31)를 구비하여 내륙에 위치한다.
도 5를 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 수력 기기(70)는 챔버(73)를 한정하는 펌프 바디(72)를 포함하는 축상 수력 펌프(71)를 포함한다. 펌프 바디(72)는 상부 벽체(75)에 의해 폐쇄되는 상단부를 갖는 측벽체(74)를 포함한다. 측벽체(74)의 상부(76)는 측벽체(74)의 하부(77)보다 두꺼워서, 챔버(73)의 상부(78)가 챔버(73)의 하부(79)보다 좁다. 측벽체(74)의 상부(76)는 하부 포트(81) 및 상부 포트(80)를 포함한다.
피스톤(82)는 챔버(73)에 의해 수용되어, 피스톤(82)이 챔버(73)를 작동측(83)과 블라인드측(84)으로 구분하고, 피스톤(82)이 챔버(73) 내에서 앞뒤로 슬라이딩할 수 있다. 피스톤(82)은 상부(85) 및 보다 넓은 하부(86)를 포함한다. 피스톤(82)의 하부(86)와 달리, 피스톤(82)의 상부(85)는 도 5에 도시된 바와 같이 챔버(73)의 상부(78)에 이해 수용될 수 있도록 충분히 좁다. 리세스 에지(87)는 피스톤(82)의 상부(85)의 상측 둘레를 둘러서 연장된다. 리세스 에지(87)는 수직 표면(88)과 하부 방향의 경사 표면(89)을 포함한다. 리세스 에지(87)는 피스톤(82)이 완전히 상부 포트(80)를 덮는 것을 방지한다.
피스톤(82)과 측벽체(74) 사이의 밀봉부(90)는 유체가 피스톤(82)을 너머 작동측(83)과 블라인드측(84) 사이에서 유동하는 것을 방지한다.
피스톤 로드(91)는 피스톤(82)으로부터 펌프 바디(72)의 상부 벽체(75) 내의 개구부를 통하여 연장되며, 이에 따라 로드(91)는 바디(72)에 대해 상대적으로 피스톤(82)을 앞뒤로 이동시킬 수 있다. 밀봉부(92)는 유체가 상부 벽체(75)의 개구부를 통해 챔버(73) 밖으로 누수되는 것을 방지한다.
작동측 수력 축적기(93)는 호스(94)에 의해 상부 포트(80)에 연결되며, 이에 따라 유체는 챔버(73)의 작동측(83)과 작동측 수력 축적기(93) 사이에서 앞뒤로 유동할 수 있다.
호스(95)는 하부 포트(81)에 연결된다. 고압 유체는 하부 포트(81) 및 호스(95)를 통해 화살표 'A'로 지칭되는 방향으로 챔버(73)로부터 밖으로 강요될 수 있으며, 저압 유체는 하부 포트(81) 및 호스(95)를 통해 화살표 'B'로 지칭되는 방향으로 챔버(73) 내측으로 유입될 수 있다.
도 6을 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 폐-루프 수력 기기(100)는 펠튼 터빈(Pelton turbine)(101)을 포함하는 수력 적재물(load)을 포함한다. 또한, 적재물은 터빈(101)에 의해 구동되는 전기 발전기(미도시)를 포함할 수 있다.
또한, 기기(100)는 수력 펌프(31)를 포함하는 기기(60)를 포함한다. 펌프(31)는 터빈(101)을 구동하도록 기기(100)를 통해 유체를 펌핑하기 위해 작동된다.
수력 제어기(102)는 펌프(31)에 의해 기기(100)를 통해 펌핑되는 유체를 제어한다. 특히, 제어기(102)는 기기(100)의 고압 및 저압 섹션 내의 유체의 유동률 및 압력을 제어한다.
제어기(102)의 입구(103)는 고압 파이프라인(104)에 의해 수력 인터페이스 유닛(62)의 출구(63)에 연결된다. 제어기(102)의 출구(105)는 고압 파이프라인(107)에 의해 터빈(101)의 입구(106)에 연결된다. 터빈(101)의 출구(108)는 저압 파이프라인(110)에 의해 제어기(102)의 입구(109)에 연결된다. 제어기(102)의 출구(111)는 저압 파이프라인(112)에 의해 수력 인터페이스 유닛(62)의 입구(64)에 연결된다.
도 6에 도시된 기기(100)와 같은 폐-루프 기기의 도움으로, 완전히 폐쇄된 펌프 제어가 가능하다. 펌프의 이동과 힘의 입력으로서 내륙측 수력 제어 시스템 및 해양측 파동 에너지 장치(31)와 수력 인터페이스 유닛(62) 모두의 작동을 관리하도록 고안된 제어 알고리즘은 출력(변위)을 최대화할 뿐만 아니라 펌프-스트로크의 상사 및 하사점에서 충격을 감소시키도록 입구 및 출구 펌프 압력을 제어할 수 있다. 이러한 알고리즘은 플랜트 전력 출력을 증진시키고 펌프(31)의 손상/마모를 감소시킨다. 또한, 이러한 접근은, 펌프 스트로크가 조수의 범위를 커버하기에 충분히 길도록 조수 이동의 보상을 허용할 것이다.
기기(100)는 조수 변화에 응답하여 물기둥 내에서 부위 액튜에이터의 평균 수위에 대하여 일정한 안정 위치(rest position)를 유지하여야 한다. 이는 폐-루프 제어 배열로서 이루어질 수 있다.
제어 알고리즘은 설치위치에 대해 특정적일 것이며 국부적 파동 체제 및 조수 범위에 대한 정보를 취합할 것이며 그러한 위치에서 파동 에너지 전환기의 최적화된 작동을 제공할 것이다. 예를 들어, 파동 에너지 전환기는 서부 호주의 해양 및 유럽과 소정의 프랑스 해양 영역에 배치될 수 있다. 모든 위치들은 상이한 조수 범위 및 상이한 파동 특성을 가질 것이다. 제어 알고리즘이 맞추어지는 위치-특정적 사용은 동일한 포괄적 플랜트 및 해양 하드웨어가 각각의 그리고 모든 위치에 최적화되게 배치되는 것을 허용한다.
더욱이, 이는 인공의 또는 가상의 부위 액튜에이터의 부력의 제어를 허용한다. 이는 부위 액튜에이터(44)의 물리적 부력을 종합적으로 감소시키도록 펌프 입구 압력을 조절함으로써 이루어질 수 있다. 이는 보다 작은 파동 조건 동안 부위 액튜에이터(44)의 작동(하방 운동)을 허용하는 장점을 갖는다. 출구 압력은 부위 액튜에이터의 효과적 부력을 변경시키지 않지만 유사한 방법으로 파동 조건 범위에 걸쳐 작동(상방 운동)을 조절할 수 있다.
추가로, 이는 밧줄의 전달 기능에 채택되는 소정의 수준의 수력적 '늘임(stretch)'을 허용한다. 기기(100)의 요구되는 강성 특성은 기계적인 밧줄 늘임만으로는 전형적으로 이루어질 수 없으며 수력적 순환부 내의 축적기들은 요구되는 특성을 달성하도록 수력적 '늘임'을 제공하도록 사용될 수 있다.
기기(100)는 쿠션 에너지 회복을 제공할 수 있다. 기기(100)의 축적기들은 피스톤 운동의 쿠션 위상 동안 소정의 쿠션 에너지를 흡수하도록 사용될 수 있으며 작동 유체에 의해 후속하는 흡수를 위한 시스템 내로 에너지를 다시 전달할 수 있다.
전술한 특징들 각각은 개별적으로 또는 계속적으로 기기(100)에 적용될 수 있다.
또한, 전술한 특징들은 파동으로부터 에너지를 추출하기 위한 수력 장치의 외측에서 수력 기기 또는 시스템에 적용될 수 있다. 예를 들어, 이는 아래와 같은 수력 기기 또는 시스템에 적용될 수 있다:
1. 수력 펌프 상의 다양한 힘 입력;
2. 수력 펌프의 극단 운동에 기인한 손상 가능성이 있을 수 있는 경우;
3. 시스템 내에서 보상되어야 하는 장기간 마모 또는 누수.
도 7을 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 폐-루프 수력 기기(120)는 챔버(123)를 한정하는 펌프 바디(122)를 포함하는 축상 수력 펌프(121)를 포함한다. 펌프 바디(122)는 상부 벽체(125)에 의해 폐쇄되는 상단부 및 하부 벽체(126)에 의해 폐쇄되는 하단부를 갖는 측벽체(124)를 포함한다. 하부 벽체(126)는 베이스(미도시)에 부착되도록 구성된다.
피스톤(127)은 챔버(123)에 의해 수용되어, 피스톤(127)이 챔버(123)를 작동측(128)과 블라인드측(129)으로 구분하고, 이에 따라 피스톤(127)은 챔버(123) 내에서 앞뒤로 슬라이딩할 수 있다. 피스톤(127)과 측벽체(124) 사이의 밀봉부(미도시)는 유체가 피스톤(127)을 지나 작동측(128)과 블라인드측(129) 사이로 유동하는 것을 방지한다.
피스톤 로드(130)는 피스톤(127)으로부터 펌프 바디(122)의 상부 벽체(125) 내의 개구부를 통해 연장되며, 이에 따라 로드(130)는 바디(122)에 대해 상대적으로 피스톤(127)으로 앞뒤로 이동할 수 있다. 밀봉부(미도시)는 유체가 챔버(123) 밖으로 개구부를 통해 누수되는 것을 방지한다.
출구 체크 밸브(131)는 신속 분리기(quick disconnect)(132)를 통해 챔버(123)의 작동측(128)에 연결된다. 입구 체크 밸브(133)는 신속 분리기(132)에 의해 작동측(128)과 병렬로 연결된다. 또한, 입구 체크 밸브(133)는 신속 분리기(134)에 의해 챔버(123)의 블라인드측(129)과 병렬로 연결된다. 시퀀스 밸브(135)는 출구 체크 밸브(131) 및 입구 체크 밸브(133)와 병렬로 연결된다.
수력 제어 밸브(140)는 출구 수력 축적기(141)와 직렬로 연결된다. 수력 제어 밸브(140)는 출구 체크 밸브(131) 및 시퀀스 밸브(135)에 병렬로 연결된다.
수력 제어 밸브(142)는 입구 수력 축적기(143)와 직렬로 연결된다. 수력 제어 밸브(142)는 시퀀스 밸브(135)에 병렬로 연결된다.
압력 전환기(144)는 기기(120)의 고압 섹션의 압력을 감지하며, 유량계(145)는 기기(120)의 상기 섹션의 유체의 유동률을 측정한다.
비례 스로틀(proportional throttle)(146)은 유량계(145)에 직렬로 연결되며 압력 전환기(147)가 비례 스로틀(146)로부터 출력되는 유체의 압력을 감지한다.
비례 스로틀(146)로부터 출력되는 유체는 터빈(148)을 구동하고 이는 차례로 냉각기로서 물 펌프(149)를 구동한다.
터빈(148)으로부터 출력되는 저압 유체는 물 펌프(150)를 구동하고 이는 펌프(121)에 복귀되는 유체를 냉각하며 시퀀스 밸브(135)에 병렬로 연결된 체크 밸브(151)를 통과한다.
밸브(140 및 142), 압력 전환기(144 및 147), 유량계(145), 비례 스로틀(146) 및 시퀀스 밸브(135)는 기기(120)의 작동을 제어하기 위한 제어기 또는 제어 시스템의 일부를 형성한다.
기기(120)는 에너지 유출을 제공할 수 있다. 즉, 이는 과다 에너지의 소실을 제공할 수 있다. 예를 들어, 터빈(148)이 전기 그리드에 연결된 전기 발전기를 구동하고 있는 경우, 그리드 오류가 발생하면, 기기(120)는 에너지를 터빈(148)의 회전에 쓰기 보다는 소실시킨다. 펌프 챔버(123) 내의 보다 저압을 구동시키도록 기기(120)를 작동시킴으로써, 또는 물의 기계적 가열에 의해 히트 싱크로서 펌프가 위치하는 수역을 사용함으로써 에너지가 소실될 수 있다. 시퀀스 밸브(135)는 터빈(148)을 바이패스시키도록 작동될 수 있다.
폐-루프에서의 기기(30, 60, 70, 100, 120)의 작동은 여기에 기술되는 많은 혁신을 제공한다.
중요하게도, 폐-루프 모드에서의 기기의 작동은 전세계적으로 다수의 상이한 위치에서 사용될 수 있는 공통되거나 표준화된 세트의 하드웨어를 허용하고, 상이한 파동 조건에서 각각의 기기의 반응은 실시간으로 또는 미리 설정되어 작동적으로 조절될 수 있어서 조류 변화에 대해 허용되고 가장 일반적으로는 상이한 위치에서 이루어지는 넓은 범위의 예상 작동 시나리오에 적응된다.
펌프, 부위 액튜에이터, 밧줄, 및 수력 장치의 공통되거나 표준화된 시스템 또는 조립체를 갖는 장점은, 이러한 장치의 제조가 보다 고체적으로서 간소화되게 이루어지며 따라서 비용이 보다 낮다는 점이다. 각각의 장치 세트는 설치위치에 배치되는 경우 폐-루프 수력 시스템 상에서 작동되는 제어 알고리즘을 통해 최적화될 수 있다. 각각의 설치위치는, 설치위치의 파동 및 조류 동역학에 반응하여 수력 유체의 이동을 제어하는 맞춤 작동 알고리즘을 가질 수 있으며, 에너지 출력을 최적화하고, 그리고 내륙 장치의 손상 또는 마모를 최소화할 수 있다.
도 8을 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 폐-루프 수력 기기(160)는 챔버(163)를 한정하는 펌프 바디(162)를 포함하는 축상 수력 펌프(161)를 포함한다. 펌프 바디(162)는 상부 벽체(165)에 의해 폐쇄되는 상단부 및 하부 벽체(166)에 의해 폐쇄되는 하단부를 갖는 측벽체(164)를 포함한다. 하부 벽체(166)는 펌프(161)가 위치하는 수역의 플로어 상에 안착되거나 또는 결속된 베이스(미도시)에 부착되도록 구성된다.
피스톤(167)은 챔버(163) 내에 수용되어, 피스톤(167)이 챔버(163)를 작동측(168)과 블라인드측(169)으로 구분하고, 이에 따라, 피스톤(167)은 챔버(163) 내에서 앞뒤로 슬라이딩할 수 있다. 피스톤(167)과 측벽체(164) 사이의 밀봉부(미도시)는 유체가 피스톤(167)을 지나 작동측(168)과 블라인드측(169) 사이로 유동하는 것을 방지한다.
피스톤 로드(170)는 피스톤(167)으로부터 펌프 바디(162)의 상부 벽체(165) 내의 개구부를 통해 연장되며, 이에 따라 로드(170)는 바디(162)에 대해 상대적으로 피스톤(167)으로 앞뒤로 이동할 수 있다. 밀봉부(미도시)는 유체가 챔버(163) 밖으로 개구부를 통해 누수되는 것을 방지한다.
또한, 펌프(161)는 펌프(161)의 블라인드측(169)에 연결된 출구 체크 밸브(171)를 포함한다. 체크 밸브(171)는 유체가 이를 통해 다시 펌프(161)로 유동하는 것을 방지한다.
도시되지 않았으나, 부위 액튜에이터가 밧줄에 의해 피스톤 로드(170)의 상단부에 연결된다.
튜닝 또는 작동측 수력 축적기(172)는 호스(173)에 의해 펌프(161)의 작동측(168)에 연결된다. 축적기(172)는 출구 체크 밸브(175)에 의해 출구 수력 축적기(174)에 연결되며, 유체가 이를 통해 다시 펌프(161)로 유동하는 것을 방지한다. 제어가능 출구 밸브(176)는 출구 축적기(174)를 열교환기(177)에 연결한다. 열교환기(177)는 체크 밸브(179)를 통해 중간 수력 축적기(178)에 연결되어, 유체가 다시 열교환기(177)로 유동하는 것을 방지한다. 제어가능 입구 밸브(180)는 펌프(161)의 작동측(168)에 연결된 입구 체크 밸브(181)에 연결되고, 유체가 이를 통해 펌프(161)로부터 멀리 유동하는 것을 방지한다. 입구 수력 축적기(182)는 체크 밸브(181)에 의해 펌프(161)의 작동측(168)에 연결된다. 터빈(183) 및 체크 밸브(184)는 밸브(176), 열교환기(177), 축적기(178), 체크 밸브(179) 및 밸브(180)와 병렬로 연결된다. 터빈(183)은 전기 발전기(185)를 구동한다.
압력 릴리프 밸브(186)는 밸브(176), 열교환기(177), 축적기(178) 및 체크 밸브(179)와 병렬로 연결된다. 압력 릴리프 밸브(186)는 기기(160)의 수력 순환부의 고압측의 과-압력화를 방지한다. 압력 릴리프 밸브(186)는 제어가능 밸브일 수 있다.
체크 밸브(171)는 호스(188)에 의해 드래인/블라인드측 수력 축적기(187)에 연결되며, 또한 리필 전기 펌프(189)에 연결된다. 체크 밸브(190)는 펌프(189)를 체크 밸브(181) 및 축적기(182)에 연결한다. 체크 밸브(190)는 유체가 이를 통하고 펌프(189)를 향해 유동하는 것을 방지한다.
펌프(189)는 축적기(187)를 포함하는 수력 순환부의 블라인드측에 축적된 수력 유체를 펌프(189)의 출구에 연결된 수력 순환부의 작동측으로 다시 펌핑할 수 있다.
도 9를 참조하여, 발전기(185)는 외부 배터리 충전 모듈(192)에 연결된 충전기(191)에 전력을 공급한다. 충전기(191) 및/또는 외부 배터리 충전 모듈(192)은 배터리(193) 및 배터리(194)를 충전한다. 전력은 배터리(194)에 의해 전기 펌프(189)에 공급된다. 기구 및 제어 시스템/제어기(195)는 배터리(193)에 의해 전력을 공급받는다.
다수의 센서(196)는 제어기(195)의 하나 또는 그보다 많은 입력부에 연결된다. 센서(196)는, 기기(160) 내의 수력 유체의 압력, 온도 및 유동률을 감지하는 압력, 온도, 및 유동 센서를 포함하는 다양한 형태의 센서를 포함한다.
출구 밸브(176), 입구 밸브(180) 및 리필 전기 펌프(189)는 제어기(195)의 출구에 연결되어, 제어기(195)가 출구 밸브(176), 입구 밸브(180) 및 펌프(190)의 작동을 제어할 수 있다. 제어기(195)는 센서(196)의 출력(들)에 반응하여 출구 밸브(176), 입구 밸브(180) 및 펌프(190)를 제어할 수 있다. 달리 표현하면, 제어기(195)는 센서(196)에 의해 감지되는 압력, 온도 및 유동률에 반응하여 출구 밸브(176), 입구 밸브(180) 및 펌프(190)를 제어할 수 있다.
또한, 압력 릴리프 밸브(186)는 제어기(195)의 출구에 연결될 수 있어서, 밸브(186)의 작동은 제어기(195)에 의해 제어될 수도 있다.
제어기(195)는 출구 밸브(176), 입구 밸브(180), 펌프(189) 및/또는 압력 릴리프 밸브(186)를 제어할 수 있어서, 기기(160)는 기기(160)가 위치하는 수역의 파동으로부터 최적의 또는 최적에 근접한 양의 에너지를 추출하거나 전환하거나 또는 전달할 수 있다.
수력 순환부의 흡입 및 배출 압력의 다양함은 피스톤 스트로크에 따른 제어 정도를 허용한다. 평균 제어 압력(Hsig=0.45m, Tsig=3s)/일정한 파동 조건 기간 동안 다양한 흡입 및 배출 압력 범위에 대한/대응한 기기(160)와 같은 수력 기기의 피스톤 스트로크 한계 범위/피스톤 스트로크 변위 범위는 도 10에 도시된다. 흡입 및 압력 범위의 최대값이 감소함에 따라 피스톤 변위 범위의 최소값이 증가함을 확인할 수 있다. 다른 형식의 파동의 유사한 차트/그래프 역시 획득될 수 있다.
수력 시스템/기기(160) 컨셉은 펌프 입구 및 출구에서 적정한 압력을 유지할 수 있는 폐-루프 시스템/기기(160)이다. 펌프가 작동하면, 압력 및 유동이 수력 순환부 내에서 생성된다. 수력 순환부의 압력은 2개의 제어 밸브(176, 180)에 의해 제어된다; 하나의 제어 밸브(즉, 출구 밸브(176))는 펌프(161) 밖의 압력을 제어하고, 다른 제어 밸브(즉, 입구 밸브(180))는 펌프(161) 내의 압력을 제어한다. 이들(출구 밸브(176) 및 입구 밸브(180))은 시스템/기기(160) 내의 2개의 주요 제어 '레버(lever)'이다. 제어 밸브(176, 180) 모두 상이한 파동 상태를 위해 압력을 변동시키도록 원격으로 제어된다. 이러한 시스템 구성에서, 펠튼 터빈은 펌프(161)에 의해 생성되는 에너지를 소실시킴으로써 2개의 제어밸브 및 열교환기(177)로 대체된다. 블라인드측(169)에는 어떠한 유체 유동도 없다. 부분적 진공이 펌프 확장 동안 생성된다. 피스톤 밀봉부를 통해 내부 누수가 있는 경우, 유체는 누수 드래인을 통해 비워질 것이고 체크 밸브(171)는 펌프/피스톤(167)/피스톤 로드(170) 연장 동안 펌프(161) 내로 유체가 다시 복귀하는 것을 방지할 것이다.
로드/튜닝/작동측 수력 축적기(172)는 시스템/기기(160)의 최적화에 중요한 역할을 한다. 축적기(172)의 가스 충전 및 체적의 조절은 전력 유동에 걸친 제어 및 전력 유동의 동역학을 허용한다. 또한, '수충격(water hammer)' 즉 모멘텀 전달 효과(momentum transfer effect)와 유사한 동역학 효과가 튜닝/작동측 수력 축적기(172) 및 출구 축적기(174)와 입구 축적기(182)의 신중한 조절에 의해 경감되는 것이 이러한 폐-루프 시스템/기기(160)의 특징이다. 모멘텀 전달 효과는 하나 또는 그보다 많은 체크 밸브 바운싱에 의해 야기될 수 있다.
압력 릴리프 밸브(186)는 시스템/기기(160)가 과-압력화되는 것을 방지한다. 시스템/기기(160) 컨셉은 펌프(161)의 로드/작동측(168) 상에서 축적기(172, 174, 178, 182)를 포함하여 수력 에너지를 저장하는 것을 허용하고 압력 변화를 조절한다. 드래인/블라인드측 축적기(187)는 펌프 또는 시스템 수준에서 내부 누수로부터 야기된 수력 유체가 기기(160)의 메인(즉, 작동측) 수력 순환부 내에서 과-압력화되기 전에 이를 저장한다. 체크 밸브(171, 175, 179, 181, 184)는 수력 순환부를 통한 수력 유체의 유동이 정확한 방향(들)에서 이루어짐을 보장한다. 또한, 시스템/기기(160)를 튜닝하고 제조되는 전력을 최적화하기 위해, 펌프 출구 체크 밸브(175) 바로 전에 튜닝/작동측 수력 축적기(172)가 위치한다.
기기(160)를 통한 유체의 유동은 '소프트(soft)' 케이스와 '하드(hard)' 케이스 사이에서 다양할 수 있다. 펌프(161) 상의 가장 저하중에 상응하는 소프트 케이스에서는, 압력 릴리프 밸브(186)가 완전히 개방되어 유체의 실질적 일부가 밸브(186)를 통해 펌핑된다. 펌프(161) 상의 가장 고하중에 상응하는 하드 케이스에서는, 압력 릴리프 밸브(186) 및 입구 밸브(180)가 완전히 폐쇄되고 출구 밸브(176)가 완전히 개방된다.
작은 배터리 작동 펌프(즉, 리필 전기 펌프(189))는 펌프(161)의 작동측(168)으로부터 펌프(161)의 블라인드측(169)으로 내측 펌프 누수로 인해 손실된 유체를 복귀시킨다.
도 9에서 설명/도시된 바와 같이, 모든 기구/센서(196), 밸브(176, 180) 및 복귀/리필 전기 펌프(189)는 국부적 장착 제어 시스템/제어기(195)와 면한다. 시스템/기기(160)는 2개의 배터리(193, 194)를 포함한다. 메인 배터리(즉, 배터리(193))는, 기구/센서(196), 밸브(176, 180) 및 제어 시스템/제어기(195)를 포함하는 기구 및 제어 시스템에 전력을 공급한다. 두 번째 배터리(194)는 리필 펌프(189) 및 보조 장치들에 전력을 공급한다.
도 11을 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 폐-루프 수력 기기(200)는 챔버(203)를 한정하는 펌프 바디(202)를 포함하는 축상 수력 펌프(201)를 포함한다. 펌프 바디(202)는 상부 벽체(205)에 의해 폐쇄되는 상단부 및 하부 벽체(206)에 의해 폐쇄되는 하단부를 갖는 측벽체(204)를 포함한다. 하부 벽체(206)는 펌프(201)가 위치하는 수역의 플로어 상에 안착되거나 또는 결속된 베이스(미도시)에 부착되도록 구성된다.
피스톤(207)은 챔버(203) 내에 수용되어, 피스톤(207)이 챔버(203)를 작동측(208)과 블라인드측(209)으로 구분하고, 이에 따라 피스톤(207)은 챔버(203) 내에서 앞뒤로 슬라이딩할 수 있다. 피스톤(207)과 측벽체(204) 사이의 밀봉부(미도시)는 유체가 피스톤(207)을 지나 작동측(208)과 블라인드측(209) 사이로 유동하는 것을 방지한다.
피스톤 로드(210)는 피스톤(207)으로부터 펌프 바디(202)의 상부 벽체(205) 내의 개구부를 통해 연장되며, 이에 따라 로드(210)는 바디(202)에 대해 상대적으로 피스톤(207)으로 앞뒤로 이동할 수 있다. 밀봉부(미도시)는 유체가 챔버(203) 밖으로 개구부를 통해 누수되는 것을 방지한다.
또한, 펌프(201)는 펌프(201)의 블라인드측(209)에 연결된 체크 밸브(211)를 포함한다.
도시되지 않았으나, 부위 액튜에이터가 밧줄에 의해 피스톤 로드(210)의 상단부에 연결된다.
로드/튜닝/작동측 수력 축적기(212)는 호스(213)에 의해 펌프(201)의 작동측(208)에 연결된다. 축적기(212)는 체크 밸브(215)에 의해 출구 수력 축적기(214)에 연결된다. 제어가능 출구 밸브(216)는 출구 축적기(214)를 터빈 또는 펠튼휠(Pelton wheel)(217)에 연결하여, 밸브(216) 밖으로 유동하는 수력 유체가 터빈 또는 휠(217)을 회전시킬 수 있다. 터빈 또는 휠(217)은 발전기를 구동할 수 있으며, 이에 따라 발전기는 전기를 생성하거나 제공한다. 터빈 또는 휠(217)의 출력 또는 출구는 탱크 또는 저장조(217)에 연결되어, 터빈 또는 휠(217)을 빠져나가는 저압 수력 유체가 화살표(218)로 지칭되는 바와 같이 저장조(217) 내로 유동한다. 저장조(217)는 펌프(219), 제어가능 입구 밸브(220), 체크 밸브(221) 및 호스(213)에 의해 펌프(201)의 작동측(208)에 연결된다. 펌프(219)는 펌프(201)를 향해 유체를 펌핑하도록 작동 가능하다. 중간 수력 축적기(222)는 펌프(219) 및 입구 밸브(220)에 병렬로 펌프(201)의 작동측(208)에 연결된다. 압력 릴리프 밸브(224) 및 압력 릴리프 밸브(225)는 펌프(201)의 작동측(208)에 연결된 수력 순환부의 고압측과 상기 수력 순환부의 저압측 사이에 연결된다. 압력 릴리프 밸브(224) 및/또는 압력 릴리프 밸브(225)는 제어 가능하다.
체크 밸브(211)는 호스(227)에 의해 드래인/블라인드측 수력 축적기(226)에 연결되고, 또한 리필 전기 펌프(228)에 연결된다. 체크 밸브(229)는 펌프(228)를 저장조(217)에 연결한다. 펌프(228)는 축적기(226)를 포함하는 수력 순환부의 블라인드측에 축적되는 수력 유체를 펌프(228)의 출구에 연결된 수력 순환부의 작동측 상에 위치하는 저장조(217) 내로 다시 펌핑시킨다.
파선(230)의 좌측에 위치하는 기기(200)의 모든 구성요소는 수역의 내륙에 위치하고, 파선(230)의 우측에 위치하는 기기(200)의 모든 구성요소는 해양에 위치한다.
도 11에 도시되지 않았으나, 기기(200)는 기기(200)의 다양한 구성요소에 전력을 공급하기 위한 수단도 포함한다. 예를 들어, 터빈 또는 펠튼휠(217)이 전기 발전기를 구동한다면, 발전기는 충전 장치에 전력을 공급할 것이다. 충전 장치는 배터리 충전 모듈과 함께 기기(200)의 다양한 전력 구성요소에 전력을 공급하는 기기(200)의 하나 또는 그보다 많은 배터리를 충전할 수 있다.
각각의 공기/가스 충전 라인(231)은 각각의 축적기(212, 214, 222, 223, 226)를 충전 공기/가스의 하나 또는 그보다 많은 해양-기초 공급원(미도시)에 연결한다.
또한, 기기(160)와 유사하게, 기기(200)는 기구 및 제어 시스템/제어기(미도시)를 포함할 수 있다. 제어기는 기기(200)의 배터리로부터 전력을 공급받을 수 있다.
다수의 센서(미도시)는 기기(160)의 제어기의 하나 또는 그보다 많은 입력부에 연결된다. 센서는 기기(200) 내의 압력, 온도, 수력 유체의 유동률을 감지하는 압력, 온도, 유동 센서를 포함하는 다양한 형식의 센서를 포함할 수 있다.
출구 밸브(216), 입구 밸브(220), 리필 펌프(228), 압력 릴리프 밸브(224) 및/또는 압력 릴리프 밸브(225)는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 제어기는 출구 밸브(216), 입구 밸브(220), 리필 펌프(228), 압력 릴리프 밸브(224) 및/또는 압력 릴리프 밸브(225)의 작동을 제어기의 입력부(들)에 연결된 센서(들)의 출력(들)에 반응하여 제어할 수 있다. 달리 말하면, 제어기는 다양한 센서에 의하여 감지되는 압력, 온도, 및 유동률에 반응하여 출구 밸브(216), 입구 밸브(220), 리필 펌프(228), 압력 릴리프 밸브(224) 및/또는 압력 릴리프 밸브(225)의 작동을 제어한다.
제어기는 출구 밸브(216), 입구 밸브(220), 리필 펌프(228), 압력 릴리프 밸브(224) 및/또는 압력 릴리프 밸브(225)를 제어하여, 기기(200)가 위치하는 수역의 파동으로부터 최적 에너지 또는 최적에 근접한 양의 에너지를 추출하거나, 전환하거나 또는 전달할 수 있다.
펌프 챔버(203)의 작동측(208)에 단일 라인/호스/파이프가 존재하고, 튜닝/작동측 수력 축적기(212)는 상기 라인에 연결된다. 드래인/블라인드측 수력 축적기(226) 및 해양에 위치한 전기 리필 펌프(228)는 펌프(201)의 블라인드측(209)으로부터 누수된 유체를 펌프(201)의 작동측에 연결된 메인 수력 순환부의 입구 라인에 전달한다. 압력 릴리프 밸브(224)는 펌프(201)에 근접한 루프의 내륙 단부에서 메인 수력 순환부의 출구 및 입구 라인을 연결한다. 압력 릴리프 밸브(224)는 메인 수력 순환부 내에서 과-압력에 대한 안전을 제공한다. 압력 릴리프 밸브(225)는 위치하거나 위치하지 않을 수 있으며, 위치하는 경우 해양에 위치하는데, 내륙의 압력 릴리프 밸브(224)의 오류 발생시를 대비한 것이다.
수력 유체의 출구 스트림/유동은 터빈(217)을 구동하고, 터빈(217)의 출구에서 이용한/저압 유체는 재-압력화를 위해 저장조/축적 탱크(217)에 복귀되고 펌프(201)에 복귀된다. 그 단부에서 화살표로 지칭되는 라인(231)은 해양으로 가고 지점들을 제어한다. 다양한 축적기들의 라인(231)에서의 가스 충전은 제어 알고리즘에 따라 내륙측으로부터 다양할 수 있다.
출구 제어 밸브(216)의 기능은 펠튼 터빈/휠(217)을 위해 입구 또는 (소위) 스페어 밸브에 의해 이루어지며, 이 경우 펠튼 터빈/휠 어셈블리(217)를 구비하여 포함됨에 따라 구분된 출구 밸브(216) 구성요소가 필요하지 않다.
도 12를 참조하여, 파동으로부터 에너지 추출/파동 에너지를 전환을 위한 폐-루프 수력 기기(250)는, 기기(250)가 8개의 축상 수력 펌프/파동 에너지 전환기(WEC; wave energy converters)(201)의 조립체를 포함하고 각각의 펌프(201)는 각각 튜닝/작동측 수력 축적기(212) 및 펌프(201)의 작동측(208)에 연결된 체크 밸브(215, 221)를 포함한다는 점을 제외하면, 기기(200)와 유사하다. 기기(250)는 다수의 'CETOTM' 파동 에너지 전환기 유닛을 포함하는 전체적 시스템을 모델링한다.
각각의 체크 밸브(215)는 매니폴드(251)에 연결되고, 각각의 체크 밸브)221)는 매니폴드(252)에 연결된다. 매니폴드(251)는 출구 수력 축적기(214)에 연결되고, 매니폴드(252)는 입구 수력 축적기(223)에 연결된다.
각각의 펌프(201)의 블라인드측은, 하나 또는 그보다 많은 호스(227) 및 체크 밸브(211)를 통해 하나 또는 그보다 많은 드래인/블라인드측 수력 축적기(226)에 연결될 수 있으며, 또한 체크 밸브(229)를 통해 기기(250)의 저장조(217)에 연결될 수 있는 리필 전기 펌프(228)에 연결될 수 있다.
별표로 도시되는 각각의 공기/가스 충전 라인(231)은 기기(250)의 축적기(212, 214, 222, 223, 226) 각각을 하나 또는 그보다 많은 충전 공기/가스의 해양-기저 공급원(미도시)에 연결한다.
전형적으로, 기기(250)의 펌프(201)는 3개의 열보다 크지 않은 조립체 내에 배열될 것이다.
펌프(201)는 동일한 펌프이거나 그렇지 않을 수 있다.
도 12에 도시된 전형적인 플랜트/기기에서, 기기는 해양의 터빈/펠튼휠(217)에 유동을 공급하는 내륙 축적으로서 내륙에 함께 연결되는 8개의 펌프(201)의 다수의 조립체로 이루어질 수 있다. 해양의 외부 펌프(219)는 유동을 펌프에 다시 공급하여 내륙 펌프(201)의 피스톤을 하방으로 구동한다. 이는 도 12에 예시적으로 도시된다. 대안적으로 터빈/펠튼휠(217) 상의 가압된 수력 유체는 펌프(201)에 유동을 다시 공급하도록 사용될 수 있어서, 펌프(201)의 피스톤을 하방으로 구동한다.
펌프/지점 WEC을 사용하는 작동 전력 스테이션은 어떠한 개수의 유닛으로부터 구성될 수 있다; 유닛의 개수는 전체적은 파워 스테이션의 전력 출력 필요치에 의해 결정된다. 지점 WEC는 에너지의 단일 지점 흡수기로서 가동하는 어떠한 WEC로서 이해될 것이다.
전술한 내용은 파동 에너지 장치의 최적화를 제어하기 위한 다양한 시스템을 기술한다. 파동 에너지 장치는 파동 에너지 전환기(WEC)를 포함하며, 이는 WEC의 특별한 형태인 CETOTM 파공 에너지 전환기와 같은 수력 전력 출발점을 구비한 WEC를 이용한다. WEC는 폐-루프 모드로 작동한다. 폐-루프는 보다 고압에서 장치 출구 및 실질적으로 보다 저압에서의 입구(복귀) 유체 라인을 포함한다. 폐-루프에서 유체 순환은 실질적으로 물에 기초한다. 유체는 해양으로의 에너지 전달을 제공한다. 유체는 압력 및 유동을 통해 에너지를 전달한다. 추가로, 터빈 또는 압력 변화 엔진과 같은 하이드로 기계적 장치를 통해 해양의 작동 유체로부터 에너지를 제거하는 수단이 위치한다.
시스템은 해양 및/또는 내륙에 위치하는 제어 부재를 포함할 수 있다. 제어 부재는 해양의 출구 라인 및 입구 라인에서의 압력 및 유동을 조절하기 위한 밸브를 포함한다. 추가로, 제어 부재는 입구 및 출구 라인 사이에 위치하는 내륙 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다. 또한, 제어 부재는 내륙에 위치하는 수력 축적기를 포함할 수 있다. 더욱이, 제어 부재는 해양에 위치하는 수력 축적기들을 포함할 수 있으며, 그 중 어느 하나는 출구 라인에 연결되고 다른 하나는 입구 라인에 연결된다. 더욱이, 제어 부재는 입구 및 출구 라인 사이에서 내륙에 위치하는 압력 릴리프 밸브를 포함할 수 있다.
시스템은 제어 부재를 제어하는 제어 알고리즘을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제어 부재가 수력 밸브를 포함하고 가스 압력이 축적기 내에서 충전된다면, 제어 알고리즘은 이들을 제어하도록 사용될 수 있다.
제어 알고리즘은 아래의 기능들 중 하나 또는 그보다 많은 기능을 수행하거나, 또는 아래의 특성들 중 하나 또는 그보다 많은 특성을 갖는다.
a. 피스톤 제한과 피스톤 자유의 극단을 포함하며 그 사이에 위치하는 CETOTM WEC의 축적기 체적 변화 수단(개방/폐쇄 밸브)에 의하여 기계적 강성을 제어한다. '피스톤-제한(piston-constrained)'는, 수력 유체가 축적기 튜닝에 의하여 허용되는 범위로 수력 순환부 내측에서의 이동이 제한되기 때문에 피스톤이 최소량의 이동을 겪는 상황을 지칭하며, '피스톤-자유(piston-free)'는 입구 순환부와 출구 순환부 사이에서 유체의 유동이 자유로우며 그 자중과 이에 가해지는 외력의 영향 하에서 피스톤 이동이 자유로운 상황을 지칭한다.
b. 조수에 의하여 야기되는 바와 같은, 수심의 느린 변화를 수용하도록 CETOTM 파동 에너지 전환기의 경우 펌프의 피스톤의 참조 위치를 제어한다.
c. 인접한 파동 측정 기기로부터 실시간 입력에 따라 WEC 장치의 제어 부재를 제어한다. 이러한 장치들은 순간 파고(H), 파랑 주기(T), 및 파속(θ)과 해상 상태를 규정하는 다른 어떠한 관련 파라미터들도 저장할 수 있으며, 이러한 데이터들을 알고리즘에 실시간 제공할 수 있다.
d. c)의 설정을 제어하여 출력(P)이 순간 최대가 된다.
e. c)의 설정을 제어하여 출력(P)이 순간 최소가 된다. 이러한 조건은 유지 또는 검사가 이루어지는 경우 바람직할 수 있다.
f. c)의 설정을 제어하여 P가 확률(Pm)에서 최소값(Pm)을 초과한다.
g. 미리 설정된 템플릿(F)을 적용하여 제어 부재의 값을 제한하며, 이는 시간 간격(τ)에서 WEC에 의해 전달되는 총 출력을 최대화한다.
h. 시간 간격(τ)은 초 내지 분 내지 시간으로부터 시대(epoch)(τε)에 이르도록 가변적일 수 있다. 예를 들어, 표준 내륙측 실행은 연속적인 불규칙 해상 상황을 위해 20분이며, 극한의 해상 상황을 위해 3시간이다.
i. 각각의 시대(τε)는 고유의 템플릿(F)에 할당되며, 이는 알고리즘(A)을 위한 설정 작동 지점 및 알고리즘에 의하여 수행되는 제어 범위를 규정한다.
j. 제어 알고리즘(A)은 i)에 따른 일련의 템플릿(Fε)을 포함할 수 있으며, 이에 따라 각각의 템플릿은 최단과 최장 사이에서 어떠한 시간 시대에 걸쳐서도 최적화된 에너지 출력(Emax)을 제공하도록 협력작동한다. 즉, 알고리즘(A)은 언제나 최대 통합 에너지(Emax)을 제공하도록 튜닝되며, 여기에서 최대 통합 에너지는 다음과 같다.
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k. 또한, 특정 알고리즘(A)은 알고리즘들의 총체(Ai)로부터 추출될 수 있으며, 여기에서 총체(Ai)는 다음 조건들 중 어느 하나 또는 그보다 많은 조건에 특정되는 요소를 포함한다.
a. 특정 지형학적 위치;
b. 특정 수심 및 수심 측량술(bathymetry);
c. 파동 활동의 특정 분류, 예를 들어 에너지, 내륙, 순화, 내륙 또는 그 조합;
d. 연중 특정 시간, 예를 들어 겨울, 여름;
e. WEC의 특정 구성;
f. CETOTM 파동 에너지 전환기 특허 출원에서 기술되었던 에너지 릴리프 메커니즘을 포함하는 WEC의 특정 물리적 구성;
g. WEC의 작동 역사, 수명, 상태에 상응하는 WEC의 특정 물리적 상태.
h. WEC의 구성에서의 다른 어떠한 변화;
i. 연간 우세 해상 상태, 예를 들어, 서부 호주 내륙에서 떨어진 가든 아일랜드(Garden Island)에서의 위치는 6 내지 8의 우세 해상 상태를 가짐;
j. 특정 안전/비상 조건
또한, 상기의 사항들은 전술한 바와 같은 폐-루프 시스템을 형성하는 입구 및 출구 파이핑의 일반적인 세트와 병렬로 함께 연결된 WEC의 집합체를 포함하는 시스템을 기술한다.
WEC의 집합체를 포함하는 시스템에서, 알고리즘(A)의 최적화는 파속에도 민감하다. 알고리즘(Ai) 및 템플릿(Fε)은 단일 WEC의 이들과 질적으로 상이하다. 다중 유닛을 위해, 단일 유닛과 비교한 알고리즘의 차이점은 유닛 사이의 수력 상호작용에 기인함을 주지하여야 한다.
또한, 알고리즘(Ai)이 최적 필터 접근에 따라 생성되는 전술한 모든 시스템에 따른 시스템이 기술된다.
단일 CETOTM 파동 에너지 전환기 유닛과 같은 단일 지점 흡수기 파동 에너지 전환기(WEC)의 반응은 전력 함수(P(H, T, θ))의 도움으로 수학적으로 기술될 수 있으며, 공식에서 순간 전력은 순간 파고(H), 순간 파랑 주기(T), 및 파동의 순간 펼침 각도의 함수임이 지칭된다. 실제 해상은 다수의 파동 방향, 풍향, 작은 파동 및 가능한 다른 구성요소들을 가질 수 있다.
함수(P)는 순간 전력을 표현한다.
반응 함수(P)의 생성은 다수의 방법으로 이루어질 수 있다:
ⅰ. 알고 있는 주기(T) 및 진폭(H)의 사인파 여기식의 펄스열(pulse train)로 단일 WEC를 여기시키고 결과적인 순간 전력(P)을 측정함으로써.
ⅱ. 변수들의 함수로서 전력을 정확하게 기술하는 유한 요소 해석 모델 및/또는 동역학 시뮬레이션 모델에서 WEC에 입력을 시뮬레이션함으로써.
전술한 프로세스들은 순간 파랑 주기 및 순간 파고의 3차원 표면맵을 이끌며, 이는 일반적으로 '파워 매트릭스(power matrix)'로 지칭된다. 파워 매트릭스는 해상 상태 및 가해지는 제어에 대한 시스템의 기계적 반응을 기술하며, 이는 전술한 바와 같다. 가상 사인 파동 방해에서, 함수(P)의 시간(τ)에 따른 적분은 주어진 파고 및 파랑 주기에서 시간(τ)에 따라 전달되는 평균 에너지를 산출한다.
실재 파동의 파고 및 주기는 순간적이고 공간적인 확률(랜덤) 변수를 갖는다. 순간적 공간적 분포 함수는 이러한 변수들 및 이들에 대한 연관성을 특징으로 채택된다. 피어슨 모스코위츠 스펙트럼(Pierson Moskowitz spectrum)과 같은 결과적인 분포 및 경험적 모델은 m2/Hz 유닛인 유닛 주파수 인터벌당 파고 스펙트럼 분해(파고2)를 선출한다. 이러한 분해 함수가 주어진 위치 및 주어진 연중 시간에 상응하는 전형적 파동을 기술하고 예측할 수 있는 정확성은 해당 설치위치에서 가용한 실재 또는 모델링된 데이터의 데이터 기록이 얼마나 많은가에 따른다. 관찰 기록 또는 설치위치에서의 모델링이 보다 많을 수록 데이터로부터 기인하는 모델의 예측 전력의 통계적 신뢰성이 증가한다.
주어진 위치 및 주어진 연중 시간에서 WEC의 전력 출력 면에서 통계적 예측 성능은 (파워 매트릭스를 통한) 기계 반응 및 파동 모델의 컨벌루션, 즉 컨벌루션 함수로부터 획득된다. 시간(τ)에 따른 총 예측 에너지 출력은 컨벌루션 함수의 시간 적분에 의해 취해진다.
컨벌루션 함수가 강건하다면, 즉 높은 통계적 신뢰성으로 전력 출력을 예측하도록 사용될 수 있다면, 이러한 함수는 이를 최적 필터에 적용함으로써 WEC(즉, 기기(160, 200, 250)와 같은 폐-루프 수력 기기)의 반응을 최적화하도록 채택될 수 있다. 최적 필터는 시스템 특성뿐만 아니라 이를 구동하는 이 경우 파동 방해의 스펙트럼 특성의 지식을 이용하여 주어진 출력을 최대화하며, 이 경우 WEC에 의해 제조되는 에너지이다.
최적 필터를 채택하는 프로세스는 알고리즘(Ai) 및 이와 관련된 제어 설정-지점 및 제어 범위를 이끌며, 이는 앞서 F로 지칭하여 언급한 바와 같다. 최적 필터 방법론은 WEC(앞서 언급한 바와 같음)의 제어 부재를 변경하는 제어 알고리즘을 산출하며, 이에 따라 장치의 에너지 출력이 시간(τ) 스케일에 따라 최대화된다.
최적 필터 및 도출되는 알고리즘을 생성하는 방법론은 단일 파동 설치위치를 위해 아래와 같다:
ⅰ. 앞서 강조한 방법을 사용하여 파동 에너지 전환기를 위한 파워 매트릭스(P)를 결정한다. 파워 매트릭스는 시간의 함수는 물론 시스템의 상태 변수의 함수일 것이다. 상태 변수는 출구 및 입구 루프에서의 압력 및 유동 및 시스템의 다양한 축적기들의 가스 충전 압력 및 체적을 포함한다.
ⅱ. WEC의 물리적 위치에 적용 가능한 해상 상태를 위한 가장 강건한 스펙트럼 모델을 결정한다. 전술한 방법을 사용한다. 지배적 해상 상태의 고정된 개수에 의해 어떠한 설치위치도 기술될 수 있는 것이 가장 바람직하다.
ⅲ. 파워 매트릭스로서 해상 상태 스펙트럼 밀도를 컨벌루션한다. 파고 및 파랑 주기의 변수 사이에 자연적인 상관관계가 있을 수 있음을 주지하여야 한다. 결과적은 전달 함수는 WEC의 상태 변수 및 구동 해상의 파라미터들에 대한 유닛의 전력 생산과 관련있다. 함수는 시간에 대해 적분될 수 있어서, 시간 간격에 대한 WEC의 평균 에너지 예상 출력의 대략값을 획득한다. 이러한 에너지 대략값은 제어 알고리즘이 작동되는 WEC의 상태 변수의 함수이며, 해상 방해의 스펙트럼을 예상하도록 사용되는 해상 모델의 파라미터에 의해 결정된다.
ⅳ. 벡터 계산 기술을 적용하여 에너지 함수(상태 변수)의 다수 파라미터 최적값을 구동하고, 뉴튼-랩손 방법(Newton-Rapson method)와 같은 표준 일반론을 사용하여 국부적 및 전반적 극한값을 찾는다. 수학적 분석 및 다변량 최적화의 당업자는 이러한 기술들이 친숙할 것이며 수학적 조건 하에서 이들을 적용할 수 있을 것이다.
ⅴ. 에너지 함수(Emax)의 벡터 공간 내에서 작동 지점 및 안정적 작동 영역을 한정한다. 이는 템플릿(F)을 생성한다.
ⅵ. 제어 알고리즘(A)을 생성하도록 상태 변수에 제어 시스템 전달 함수를 적용한다.
ⅶ. 알고리즘(A) 및 설정 지점(F)의 정확성 및 안정성을 보장하도록 제어 알고리즘의 시뮬레이션을 구동한다.
ⅷ. 필요한 알고리즘(Ai) 공간을 덧붙이는데 필요한 만큼 상이한 해상 상태에서 앞의 ⅱ)부터 반복한다. 기계의 상태에 변수도 포함하여야 하는 경우 ⅰ)부터 반복한다.
이러한 알고리즘 발전 프로세스 및 WEC에 대한 후속 적용의 중요한 특징은 학습적으로 이루어질 수 있다는 점이며, 특히 WEC의 작동 수명에 거쳐 학습 능력을 갖는다는 점이다. 주어진 설치위치에서 파동 통계의 최초 모델 대략값은 비교적 정제되지 않을 수 있으며 이러한 예측의 신뢰 수준은 시간에 따라 증진될 수 있으며 WEC가 작동하고 보다 상세한 통계적 그림의 파동 기상이 이루어진다. 이러한 정보를 ⅱ)에서 프로세스를 생성하는 알고리즘에 다시 적용함으로써 학습이 이루어진다. 유사하게, 장비의 연식에 관한 정보가 작동 수명에 따라 수집되고 1)에서 프로세스를 생성하는 알고리즘에 다시 적용함으로써 파워 매트릭스에 학습 프로세스에 대한 기회가 존재한다. 양자의 경우 모두에서도 학습 발전이 알고리즘(Ai)과 템플릿(F)의 완벽한 조화를 이끌도록 하여 파동 에너지 전환기의 작동 수명 동안 마주치는 모든 조건 하에서 에너지 출력을 최적화한다.
전술한 토의 및 방법론은 다수의 WEC들의 집합체 또는 파도 단지(wave farm)에 동일하게 적용될 수 있다. 여기에서 유일한 차이는 플랜트 내의 복잡성이 보다 높기에 제어되는 상태 변수가 보다 많으며, 그리고
a) 파워 매트릭스에서 '퍼짐(spread)'으로서 지칭되는 각도상 의존성이 존재할 것이며;
b) WEC 집합체에서 각각의 유닛들 사이의 상호작용 효과가 있을 것이며,
c) 해상 상태를 위한 도착점 각도의 분포가 파동 모델링에 포함될 필요가 있을 것이라는 점이다.
최적화 관점에서 토의는 유용하다. 시스템을 최적화하도록:
1. 먼저, 파워 매트릭스를 결정한다.
2. 파워 매트릭스 및 파동 모델을 사용하여 시스템 전달 함수를 개발하고 최적화한다.
3. 물리적 설치위치를 위한 강건한 스펙트럼 모델을 사용하여 특정 설치위치를 위한 전달 함수를 최적화한다. 제어 알고리즘은 여기에서 기능을 한다.
여기에 적용되는 공식은 다음과 같다:
Figure 112012046200357-pct00003
기기의 펌프를 구동하는 파동은 불규칙한 입력 조건이며, 이는 기기의 펌프가 불규칙하게 구동되는 것을 의미한다. 따라서 기기는 그 출력을 최대화하도록 제어될 필요가 있다. 최적 필터가 기기를 제어하도록 사용된다. 시스템/기기의 파라미터는 최적 필터에 의해 제공되는 '수단(recipe)'에 따라 설정된다. 최적 필터는 기기의 위치 또는 여름, 겨울 등과 같은 계절에 따라 상이하거나 변경되는 것이 일반적일 것이다. 최적 필터는 모델을 사용함으로써 및/또는 상이한 파라미터를 사용한 시스템/기기를 테스트함으로써 획득될 것이다. 최적 필터에 따른 기기의 제어는 최대화되는 기기의 전력 곡선 하에서 에너지를 가능하게 한다.
당업자는 여기에 기술된 본 발명의 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으며 가능하다는 점을 이해할 것이다. 당업자에게 명백한 수정 및 변경은 여기에 첨부되는 본 발명의 넓은 사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.
명세서 및 청구범위를 통해, 다른 의미가 부여되지 않는다면, "포함(comprise)"의 단어 또는 "포함하다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"과 같은 변형은, 언급한 구성 또는 구성의 그룹을 포함하되 다른 구성 또는 구성의 그룹을 배제하지 않는 것으로 이해될 것이다.
명세서 및 청구범위를 통해, 다른 의미가 부여되지 않는다면, "실질적(substantially)" 또는 "약(about)"의 단어는 해당 용어에 의해 규정된 범위에서의 값에만 한정되지 않는 것으로 이해될 것이다.
여기에서 종래 기술 공보들이 참조된다면, 그러한 참조들은 상기 공보들이 호주 또는 다른 국가의 기술에 대한 일반적인 지식의 일부를 형성한다는 점을 인정한 것은 아님이 명료하게 이해되어야 할 것이다.

Claims (23)

  1. 파동 에너지를 전환하는 폐-루프 수력 기기(hydraulic apparatus)로서,
    상기 기기는 펌프, 부위 액튜에이터(buoyant actuator), 입구, 출구 및 수력 제어기를 포함하며,
    상기 펌프는 상기 기기를 통해 유체를 펌핑할 수 있고 챔버를 갖는 바디 및 챔버를 작동측과 블라인드측으로 구분하는 피스톤을 포함하며,
    상기 부위 액튜에이터는 상기 피스톤에 연결되며,
    상기 입구는 상기 챔버의 작동측에 연결되어 유체가 상기 입구를 통해 그리고 상기 챔버의 작동측의 내측으로 유동할 수 있으며,
    상기 출구는 상기 챔버의 작동측에 연결되어 상기 유체가 상기 챔버의 작동측으로부터 상기 출구로 유동할 수 있으며,
    상기 수력 제어기는 조수 변화 및/또는 해상 상태에 반응하여 상기 입구 및 상기 출구에서의 유체의 압력을 제어함으로써 상기 펌프를 제어하며,
    상기 수력 제어기는 상기 출구에 연결되는 출구 밸브, 상기 입구에 연결되는 입구 밸브, 제어 시스템 및 복수의 센서들을 포함하며,
    상기 제어 시스템은 상기 센서들의 출력들에 반응하여 상기 출구 밸브 및 상기 입구 밸브를 제어하도록 동작 가능한,
    폐-루프 수력 기기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수력 제어기는,
    입구 수력 축적기;
    상기 입구 수력 축적기 및 상기 입구에 연결되는 입력 수력 제어 밸브;
    출구 수력 축적기;
    상기 출구 수력 축적기 및 상기 출구에 연결되는 출구 수력 제어 밸브;
    상기 입구 및 상기 출구에 연결되는 시퀀스 밸브;
    상기 출구에 연결되는 제 1 출구 압력 전환기;
    상기 출구에 연결되는 유량계;
    상기 유량계에 연결되는 비례 스로틀(proportional throttle); 및
    상기 비례 스로틀에 연결되는 제 2 출구 압력 전환기를 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 수력 제어기는:
    상기 챔버의 작동측에 연결되는 작동측 수력 축적기;
    상기 출구에 연결되는 출구 수력 축적기;
    상기 입구에 연결되는 입구 수력 축적기;
    상기 출구 및 상기 입구 밸브에 연결되는 압력 릴리프 밸브; 및
    상기 입구 밸브에 연결되는 중간 수력 축적기를 더 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수력 제어기는,
    상기 챔버의 작동 측에 연결되는 작동측 수력 축적기;
    상기 출구에 연결되는 출구 수력 축적기;
    상기 입구에 연결되는 입구 수력 축적기;
    상기 출구 및 입구에 연결되는 압력 릴리프 밸브;
    상기 출구에 연결되는 출구 밸브;
    상기 입구에 연결되는 입구 밸브; 및
    상기 입구 밸브에 연결되는 중간 수력 축적기를 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수력 제어기는 상기 출구 및 상기 입구에 연결되는 다른 압력 릴리프 밸브를 더 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제어 시스템은 상기 센서들의 출력에 반응하여 상기 출구 밸브, 입구 밸브 및 상기 압력 릴리프 밸브를 제어하도록 작동할 수 있는,
    폐-루프 수력 기기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 압력, 온도 및 유량 센서를 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 작동측 수력 축적기, 출구 수력 축적기, 입구 수력 축적기 및 중간 수력 축적기의 라인에서의 가스 충전은 제어 알고리즘에 따라 다양할 수 있는,
    폐-루프 수력 기기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 출구 밸브는 펠튼휠(Pelton wheel)을 위한 스페어밸브(spear valve)인,
    폐-루프 수력 기기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기기는,
    상기 기기를 통해 유체를 펌핑하기 위한 다수의 펌프;
    상기 펌프의 피스톤에 연결되는 다수의 부위 액튜에이터;
    상기 펌프의 챔버의 작동측에 연결되는 다수의 입구; 및
    상기 펌프의 챔버의 작동측에 연결되는 다수의 출구
    를 더 포함하며, 상기 수력 제어기는 상기 펌프의 챔버의 작동측에 연결되는 다수의 작동측 수력 축적기를 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 펌프들은 어레이로 배열되며, 상기 어레이는 펌프들로 이루어진 복수 열(row)의 펌프들을 포함하며, 상기 어레이는 한 개, 두 개 또는 세 개의 열을 포함하는,
    폐-루프 수력 기기.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 펌프들은 동일한 펌프인,
    폐-루프 수력 기기.
  13. 파동 에너지의 전환을 위한 제1항에 따른 폐-루프 수력 기기를 동작시키는 방법으로서, 상기 방법은 제어 알고리즘들의 최적 필터(optimal filter) 및 집합체(ensemble)를 생성하며, 상기 방법은,
    (ⅰ) 파워 매트릭스(power matrix)를 결정하는 단계;
    (ⅱ) 기기의 물리적 위치에 적용 가능한 해상 상태들에 대한 스펙트럼 모델(spectral model)을 결정하는 단계;
    (ⅲ) 파워 매트릭스로 해상 상태 스펙트럼 밀도(sea state spectral density)를 컨벌루션하여 결과 전달 함수(resultant transfer function)를 산출하는 단계;
    (ⅳ) 시간에 대해 전달 함수를 적분함으로써, 획득된 에너지 함수의 다중-파라미터 최적화를 수행하는 단계;
    (ⅴ) 에너지 함수의 벡터 스페이스에서 작동 지점 및 안정 작동 영역을 한정하여 템플릿을 생성하는 단계;
    (ⅵ) 기기의 상태 변수에 제어 시스템 전달 함수를 적용하여 제어 알고리즘을 생성하는 단계;
    (ⅶ) 제어 알고리즘을 시뮬레이션 구동하여 알고리즘 및 설정 지점 템플릿의 정확성 및 안정성을 검증하는 단계; 및
    (ⅷ) 필수 제어 알고리즘들의 공간에 적용하는데 (to populate the space of required control algorithms) 필요한 여러 해상 상태들에 따라 상기 (ⅰ) 내지 (ⅶ) 단계를 반복하는 단계를 포함하는,
    방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    제어 알고리즘들의 집합체(ensemble) 또는 공간이 기기의 상태에 대한 변수들을 포함하는 경우, 상기 (ⅰ) 단계가 상기 (ⅷ) 단계의 일부로서 반복되는,
    방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제어 알고리즘들의 생성은 학습적인(heuristic),
    방법.
  16. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    (ⅰ) 파워 매트릭스를 결정하는 단계;
    (ⅱ) 파워 매트릭스 및 파동 모델을 이용하여 제어 시스템 전달 함수를 개발하고 최적화하는 단계; 및
    (ⅲ) 물리적 설치위치를 위한 강건한 물리적 스펙트럼 모델을 사용하여 특정 물리적 설치위치를 위한 전달 함수를 최적화하는 단계에 의해,
    최적화(optimisation)가 수행되는,
    방법.
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