KR102025189B1

KR102025189B1 - 수중 커넥터 장치를 구비한 모듈식 수력 발전소 및 그 설치 방법

Info

Publication number: KR102025189B1
Application number: KR1020157014387A
Authority: KR
Inventors: 크리스티안 뮐러
Original assignee: 보이트 파텐트 게엠베하
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2019-09-25
Also published as: JP2016500197A; EP2925999B1; DE102012023392A1; KR20150088812A; EP2925999A1; WO2014082893A1

Abstract

본 발명은, 지지 구조체; 지지 구조체 상에 배치될 수 있는 물 터빈을 포함하는 기구실; 및 적어도 하나의 플러그와 관련 소켓, 및 그에 부착되는 도체 연결부를 구비하는 수중 커넥터 장치를 포함하는 모듈식 수력 발전소에 관한 것으로, 수중 커넥터 장치는 기구실에 연결되는 제1 모듈과, 지지 구조체에 연결되는 제2 모듈을 포함하고; 제1 모듈은 적어도 하나의 센터링 부재를 구비하는 제1 커넥터 보드를 포함하고, 제2 모듈은 센터링 부재에 대하여 상호 보충되는 방식으로 형성되는 적어도 하나의 센터링 대응부재를 구비하는 제2 커넥터 보드를 포함하며; 제1 커넥터 보드는 여러 개의 선형 조정 부재를 통해 제1 모듈과 연결된 지지 부재에 걸리고, 제1 커넥터 보드 및 지지 부재 상의 선형 조정 부재의 고정부들은 제1 커넥터 보드가 미리 정해진 범위 내에서 3 자유도의 병진 운동과 3 자유도의 회전 운동을 할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

수중 커넥터 장치를 구비한 모듈식 수력 발전소 및 그 설치 방법{MODULAR HYDROELECTRIC POWER PLANT WITH AN UNDERWATER PLUG DEVICE, AND ASSEMBLY METHOD}

본 발명은, 청구항 1의 전문(preamble)에서의 특징에 따른 수중 커넥터 장치를 갖는 모듈식 수력 발전소와, 모듈식 수력 발전소의 설치 방법에 관한 것이다.

모듈식 수력 발전소는 해수의 흐름(marine current), 특히 조류(tidal flow)로부터 전력 생산을 위해 사용된다. 댐 구조물 없는 수력 발전소는 연안에서 선호되고, 그의 물 터빈들은 자유류(free flow)에 영향을 받거나, 유입 속도를 증가시키기 위해 재킷 하우징(jacket housing) 내에 위치된다. 후자의 경우에, 외부에는 재킷 하우징 주위에 흐름이 자유롭게 발생되고, 내부에는 벤투리 유로(Venturi flow channel)를 포함한다. 일반 설치의 종래 실시예는, 기구실(machine nacelle)에서 회전하는 프로펠러 형상의 수평축 터빈을 제공한다. 전기 발전기는 기구실 내에 위치되고, 이 발전기가 물 터빈과 구동 연결된다.

느린 흐름으로부터의 경제적인 전력 생산은, 특히 바다에 위치되면 세우기 어려운 대규모의 물 터빈을 필요로 한다. 이것이 지지 구조체가 모듈식 수력 발전소의 설치 위치에서 맨처음 제작되는 이유이다. 지지 구조체는 시추공에 삽입되는 구멍뚫린 기반 및 모노파일(monopile)의 형태나, 다편의(multipart) 지지 구조체로서 선택될 수 있다. 지지 구조체가 해저에 지지되는 한, 중력 기반(gravity foundation) 또한 고려될 수 있다. 지지 구조체는 부유할 수 있는(floatable) 유닛이거나, 대안으로서 특정 깊이로 침수되는 것을 나타낸다. 모듈식 콘셉에서, 물 터빈을 구비하는 기구실은 이어지는 설치 과정에서 지지 구조체에 배치된다. 커플링 장치(coupling apparatus)는 기구실을 연결하기 위해 일반적으로 지지 구조체에 장착되고, 기구실 측의 타워 어댑터(tower adapter)가 연동 및 셀프 센터링(self-centring) 방식으로 결합된다.

기구실과 지지 구조체 사이의 전력 및 공급 연결은, 지지 구조체에 기구실을 배치한 후에 모듈식 수력 발전소에 제공되어야 한다. 설비의 연결을 위해, 전기 전력 연결에는, 설비에 의해 생산된 전력을 다음 변환점으로 안내하는 바다 케이블이 구비되어야 한다. 전력 전송 이외에, 발전소 제어를 위해 센서 신호용 전기 신호 연결을, 기구실 내에 배치된 유닛들, 특히 전기 발전기 및 시스템 관리 장치들(예를 들면, 피치 조절 기구(pitch adjustment mechanism))에 제공하는 것이 더 필요하다. 전기 전력 연결 이외에, 광학 신호 또는, 유압 매체 또는 윤활유와 같은 작동 재료들이 기구실에 안내되는 것이 더 필요할 수 있다.

플러그인 프로세스를 용이하게 하고 다이빙 로봇(ROV)에 의해 수행되는 이러한 과정을 가능하게 하도록 일반적으로 센터링 부재들을 추가로 포함하는 커넥터 보드 상에서 플러그 및 관련 플러그 소켓들이 결합되는 전술한 연결들을 생성하기 위해 수중 커넥터 장치가 사용될 수 있다. 장착을 단순화하기 위해, 모듈식 수력 발전소용 수중 커넥터 장치들은, 기구실이 지지 구조체에 배치될 때에 수중 커넥터 장치의 커플링이 수행될 수 있게 하는 방식으로, 기구실에 연결되는 제1 모듈과, 지지 구조체에 연결되는 제2 모듈로 분할된다. 이를 위해, 기구실의 타워 어댑터에 수용된 수중 커넥터 장치와, 지지지 구조체 상의 커플링 장치를 개시하는 특허문헌 1을 참조한다. 설비의 수직 축 주위의 회전 자유도를 넘어서 어떠한 위치 보상도 허용하지 않는, 2개의 회전 가능한 판 형상의 커넥터 보드가 제공된다. 이것은 기구실을 지지 구조체에 배치하는 데 문제를 일으킨다. 또한, 설비의 작동 동안, 기구실 측 타워 어댑터 및 지지 구조체 상의 커플링 장치의 영역에서 탄성 변형을 일으키는, 부하 충격을 완화할 가능성이 없다.

다이빙 로봇에 의해 연결 또는 연결해제되는 시추공 연결의 수중 커넥터 장치를 위한 위치 보정 구성요소들이 알려져 있다. 특허문헌 2는 스프링 핀 상의 커넥터 보드를 위한 베어링을 기술하고 있다. 이에 의해서 달성될 수 있는 위치 보상은 모든 자유도에서 동일 범위로 제공되지 않는다. 이것은 특히 요(yaw) 축을 중심으로 하는 이동 가능성에 적용된다. 또 다른 수중 커넥터 장치용 위치 보상 기구가 특허문헌 3에 개시되어 있다. 이는, 2개의 병진 자유도가 획득되도록, 교차 레일 시스템 상에서 하단 커넥터 보드용 이동 가능 베어링을 기술하고 있다. 추가로, 3 회전 자유도에 대하여 이동 가능한 볼 조인트 상에 커넥터 보드의 중심 지지대가 있다. 특허문헌 3으로부터 알려진 바와 같이, 모듈식 수력 발전소용 수중 커넥터 장치의 구조를 이전하는 경우, 커플링 이동에 무관한 플러그인 방향으로 병진 자유도가 없게 되는 어려움이 나타난다. 또한, 중심에 배치된 볼 조인트는, 하단 커넥터 보드의 초기 위치가 센터링 부재를 결합시키기에 앞서 분명하지 않은 결과를 초래한다. 이것은, 설비의 하중, 수중에서 설비의 위치, 및 대부분의 영구 유입이 기구실의 배치 과정 동안 완전한 이동 제어를 할 수 없게 하기 때문에, 지지 구조체 상에서 기구실의 배치를 더욱 어렵게 한다.

국제 공개특허공보 2011/050403호 미국 공개특허공보 2004-0154804호 미국 공개특허공보 2012-0175124호

본 발명은, 모든 3 자유도의 병진 운동과 모든 3 자유도의 회전 운동을 위해 제1 커넥터 보드와 제2 커넥터 보드 사이의 위치 보상이 더 큰 마진으로 제공되는 방식으로 정렬되는, 수중 커넥터 장치를 구비한 모듈식 수력 발전소를 제공하는 목적을 기본으로 한다. 수중 커넥터 장치는, 지지 구조체 상에 기구실의 배치를 방해해서는 안된다. 또한, 설비의 작동 중 기구실로부터 지지 구조체까지 이동에서의 탄성 변형의 경우에, 수중 커넥터 장치는, 플러그 및 그에 연결된 도체 연결부에 큰 힘을 가하지 않고 보상 이동을 수행하여야 한다. 더 나아가, 플러그를 수중 커넥터 장치의 관련 소켓으로부터 연결 또는 연결 해제하는 것은 기구실의 이동을 안내하는 것과 독립적으로 가능하여야 한다. 추가로, 수중 커넥터 장치를 모듈식 수력 발전소에 설치하는 방법이 제공된다.

상술한 목적은 독립항들의 특징에 의해 달성된다. 바람직한 실시예들은 종속항들에서 제공된다.

발명자들은, 기구실에 연결되는 제1 모듈 및 상부, 즉, 제1 모듈을 위해 지지 구조체에 연결되는 제2 모듈을 구비하는 모듈식 수력 발전소의 수중 커넥터 장치는, 모든 6 오일러 각(Euler angles)에 대해 이동 가능한 위치 보상 기구를 포함할 필요가 있음을 인식하였다. 이러한 이동성은, 제1 모듈용 제1 커넥터 보드가 여러 선형 조정 부재를 통해 제1 모듈에 결합되는 지지 부재에 걸리는 방식으로 걸리고, 제1 커넥터 보드에 대한 선형 조정 부재의 고정부 및 지지 부재는, 제1 커넥터 보드가 미리 정해진 범위 내에서 3 자유도의 병진 운동과 3 자유도의 회전 운동이 가능한 방식으로 구성된다는 사실로부터 기인한다. 이러한 고정부들은 바람직하게는, 상기 자유도의 볼 조인트를 갖는 방식으로 구성된다. 실제 볼 조인트에 더하여, 고정부들은 유극이 있는 마운팅 아이즈(mounting eyes), 또는 탄성 인서트, 또는 특대의 리테이너와 같은 단순화된 구조적 배치물들로도 마련될 수 있다. 선형 조정 부재는 유리하게 탄성 복원 부재들을 포함한다. 선형 조정 부재로서 제1 커넥터 보드를 걸기 위해 특히 바람직한 방법으로 스프링 로드(spring rod)가 사용된다. 이들은 다른 방식, 예를 들어, 외부 스프링을 구비한 로드 또는 내부 탄성 부재를 구비하는 텔레스코픽 가이드의 형태로 구성될 수 있다.

더욱 바람직하게는, 센터링 부재의 결합에 앞서 제1 커넥터 보드의 안정적 안내를 가능하게 하기 위하여 적어도 3개의 선형 조정 부재에 걸기(suspension)가 발생한다. 또한, 적어도 하나의 센터링 부재, 바람직하게는 센터링 핀이 제1 모듈의 제1 커넥터 보드에 제공되고, 센터링 부재는 제2 모듈의 제2 커넥터 보드의 센터링 대응부재에 상보적 방식으로 배치된다. 센터링 대응부재는 깔대기 모양 방식으로 테이퍼진 소켓으로 구성될 수 있고, 따라서 센터링 부재와 센터링 대응부재의 결합 중 서로에 대하여 연결 방향으로 접근하는 동안 커넥터 보드 상의 플러그와 관련 소켓이 서로에 대하여 정렬될 때까지 원뿔형 슬라이딩면은 제1 커넥터 보드와 제2 커넥터 보드를 중심에 오도록 맞춘다. 플러그와 소켓 사이의 효율적인 연결은, 정렬된 위치에 도달한 후 연결 방향으로 추가 이동하는 동안에 또는 센터링 중에 이미 발생된다.

모든 6 자유도에 제공되는 이동 범위는 센터링을 위한 제1 커넥터 보드의 위치 보상에 이용된다. 추가의 이동 보상 장치가 제1 모듈의 제1 커넥터 보드의 완전한 이동 보상에 추가하여 제2 모듈을 위해 임의로 제공될 수 있다. 이러한 수단의 이점은 여분의 위치 보상 장치이다. 바람직한 실시예에서는, 견고하게 부착된 제2 커넥터 보드가 제2 모듈에 사용되어, 지지 구조체에 연결되는 수중 커넥터 장치의 일부분이 가능한한 간단하게 구성될 수 있다. 이 부분은 영구적으로 수중에 남게되어, 실패 방지 설계가 요구된다. 6 자유도에서 위치 보상에 필요한 모든 이동 가능한 구성요소들은 제1 모듈의 바람직한 실시예에서, 기구실에 연결되고 서비스 조치를 수행하기 위해 액세스(access)될 수 있는 모듈식 수력 발전소의 일부분에 연결된다.

기구실은, 양방향 유입구 및 견고하게 연결된 로터 블레이드를 구비하는 물 터빈 또는 프로파일(profile)에 피치 조절 기구를 포함하는, 양방향 유입이 가능한 물 터빈용 지지 구조체에 회전 가능하게 견고한 방식으로 배치될 수 있다. 이것은 기구실의 하우징의 외부 및 지지 구조체의 벽의 외부에 수중 커넥터 장치를 배치할 수 있는 가능성을 제공한다. 이 경우에 수중 커넥터 장치는 주위의 흐름 영역에 놓여져서, 제1 모듈의 지지 부재 상에 제1 커넥터 보드를 걸기 위하여 적어도 3개의 선형 조정 부재의 연구 배치가 바람직하다. 다른 구성에서는, 수중 커넥터 장치가, 지지 구조체 상의 커플링 장치 및 기구실 상의 대응부, 즉, 타워 어댑터 내에 수용된다. 이 경우에, 지지 구조체의 벽은 설치 상태에서 수중 커넥터 장치를 보호하고, 제1 커넥터 보드의 걸린 고정부에는 적어도 2개의 선형 조정 부재가 단순화된 방식으로 구성된다.

본 발명의 바람직한 추가 실시예에서, 제1 커넥터 보드가 6 자유도로 이동 가능한 위치 보상을 사용함으로써 제2 커넥터 보드에 대한 제1 커넥터 보드의 센터링은, 제1 및 제2 커넥터 보드 상에 플러그와 각각의 관련 소켓의 정렬된 위치를 획득하기 위해서만 사용된다. 플러그와 관련 소켓 사이의 효율적인 연결은, 정렬된 제2 커넥터 보드의 방향으로 제1 커넥터 보드의 계속적인 이동에 의한 추가 방법 단계에 따라 달성된다.

추가 실시예에서는, 제1 커넥터 보드를 걸기 위해 선형 조정 부재가 이동 가능하게 체결되는 지지 부재가, 기구실에 대하여 정지되는 제1 모듈의 프레임에 대하여 액츄에이터에 의해 이동 가능하다. 상기 이동을 가이드하기 위하여 직선 구동부가 사용되고, 직선 구동부는 바람직하게는 유압 실린더로 구성된다. 본 실시예에서는, 지지 구조체 상에 기구실을 배치함으로써 수중 커넥터 장치의 제2 모듈에 대하여 제1 모듈의 기본 배향만이 존재한다. 플러그와 각각의 할당된 소켓의 센터링 및 위치 정렬 때까지의 최종 접근은, 효율적인 연결이 생성될 때까지 직선 구동부의 액츄에이팅 운동에 의해 발생한다. 모든 6 자유도를 위한 이동 보상은, 액츄에이팅 운동의 전체 운동 시퀀스를 위해 제1 모듈의 제1 커넥터 보드에 이용된다. 바람직한 실시예에서, 직선 구동부는 통합 잠금 장치를 포함하여, 설치 과정의 완료 후에 제1 커넥터 보드와 제2 커넥터 보드 사이의 상대 위치가 고정될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 제1 커넥터 보드를 걸기 위한 선형 조정 부재는 수동적, 탄성 예압(pretensioned) 부재 대신에 액츄에이터의 형태로 구성된다. 조인트에 의해 제1 모듈의 지지 부재 및 제1 커넥터 보드에 고정되는 유압 실린더 또는 스핀들(spindle) 구동부는 이러한 목적을 위해서 고려될 수 있고, 따라서 제1 커넥터 보드는 모든 6 자유도에 대하여 활발하게 움직인다. 그러나, 이러한 경우에 센서 구성요소들 및 관련 제어 장치들이 위치 보상을 위해 필요하다.

추가로 특히 바람직한 실시예에서, 커넥터 보드들 중 하나에 별도의 플러그 액츄에이터가 적어도 한 쌍의 커넥터와 소켓에 할당되고, 플러그 액츄에이터는 제1 커넥터 보드와 제2 커넥터 보드 사이에 정렬된 위치에 도달한 후 개개의 플러그 연결의 연결 또는 연결해제를 독립적으로 가능하게 한다. 이것은 각각의 플러그 연결에 대하여 신속하고 안전한 개별적 스위칭을 가능하게 한다. 이것은 특히 전원 케이블의 플러그에 사용되어, 발전소의 휴지 시에 전기 발전기가 바다 케이블 연결로부터 개별적으로 분리될 수 있다. 영구적 여기 발전기(permanently excited generator)가 사용되는 경우, 바다 케이블의 전압으로부터의 해방으로 인해 발전소의 정지를 담보로 하지 않고도 보수 작업을 확실히 할 수 있다.

본 발명은 도면들에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 이하에서 더욱 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 센터링에 앞서 측면에서 본 본 발명에 따른 모듈식 수력 발전소의 수중 커넥터 장치를 나타낸다.
도 2는 제2 커넥터 보드에 대한 제1 커넥터 보드의 센터링 후에 도 1의 수중 커넥터 장치를 나타낸다.
도 3은 측면에서 본 도 2의 수중 커넥터 장치를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 수중 커넥터 장치의 커넥터 보드 상에 선형 조정 부재의 고정부를 나타낸다.
도 5는 선형 조정 부재의 고정부의 다른 실시예를 나타낸다.
도 6은 모듈식 수력 발전소의 커플링 장치에 통합된 본 발명에 따른 수중 커넥터 장치의 추가 실시예로서, 연결 전 위치를 나타낸다
도 7은 연결 후에 도 6의 수중 커넥터 장치를 나타낸다.
도 8은 수중 커넥터 장치의 외부 제1 및 제2 모듈을 구비하는 모듈식 수력 발전소를 나타낸다.
도 9는 지지 구조체 상에 물 터빈의 배치를 위해 커플링 장치 내에 제1 및 제2 모듈을 통합한 모듈식 수력 발전소를 나타낸다.

도 8은 바람직하게는 조력 발전소나 강 수력 발전소로 사용되는 모듈식 수력 발전소(20)를 단순 개략도로 나타낸다. 모듈식 수력 발전소(20)는, 해저(40)에 놓여지는 중력 기반(39)의 형태인 기초 구조물을 갖는 타워 형태의 지지 구조체(1)를 포함한다. 설비의 상부는, 수평 회전축(42)을 구비하는 프로펠러 형상의 물 터빈(3)이 상기 터빈 주위의 자유류에 의해 회전하는 기구실(2)을 형성한다. 물 터빈(3)과 구동 연결되는 전기 발전기(31)는 기구실(2) 내에 위치된다. 기구실(2)은 설치 중에 지지 구조체(1) 상에 배치되고, 타워 측에 절두 피라미드(truncated pyramid; 32)와, 기구실 측에 타워 어댑터(41)의 형태인 보상 대응부를 포함하는 커플링 장치(29)가 정렬 및 안정화에 사용된다.

도 8에 나타낸 실시예에서, 수중 커넥터 장치(4)는 발전소의 외측면에 놓여있고, 제1 모듈(9)은 기구실(2)의 타워 어댑터(41)에 고정된다. 수중 커넥터 장치(4)의 제2 모듈(10)은, 지지 구조체(1) 상에 기구실(2)을 배치할 때 수중 커넥터 장치(4)의 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10)이 서로에 대하여 안내되는 기본 정렬 방식으로 지지 구조체(1)에 부착된다. 커플링 장치(29)의 센터링 핀(43.1, 43.2)은 상기 정렬을 안정화하기 위해 비틀림 방지 장치로서 사용된다.

도 8에 도시된 바와 같이 모듈식 수력 발전소는, 유입 방향이 변화하는 동안에 요 축을 중심으로 재조정이 필요치 않는, 양방향 유입의 설비를 나타낸다. 따라서, 수중 커넥터 장치(4)의 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10)은 정지 상태를 유지한다. 도체 연결부(7.1, 7.2)는 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10)에 연결되며, 도체 연결부는, 전기 발전기(31)를 연결하는 전원 케이블(26)과, 수중 커넥터 장치(4)에 의해 전원 케이블(26)에 연결되고 발전소로부터 멀리 이어지는 바다 케이블(25)을 포함한다. 도체 연결부(7.1, 7.2)는 적어도 일부가 지지 구조체(1)의 외부 벽을 따라, 그리고 타워 어댑터(41) 상에서 단순 구성으로 연장되고, 이러한 목적을 위해 필요한 안정화 및 체결 수단들은 상세히 도시되지 않았다.

도 9는 모듈식 수력 발전소의 커플링 장치(29) 내에 수용되는 수중 커넥터 장치(4)를 구비하는 다른 실시예를 나타낸다. 제1 모듈(9)은 부분 단면도에 도시된 타워 어댑터(41) 내에 놓여지고, 반면에 제2 모듈(10)은 절두 피라미드(32)의 선단(tip)에 부착된다. 수중 커넥터 장치(4)의 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10)은 커플링 장치(29)의 내부에서 작동 위치에 놓여져서, 주위의 흐름으로부터 타워 어댑터(41)의 벽(27)에 의하여 차폐된다.

상세히 도시되지 않고 제1 및 제2 모듈(9, 10)로부터 시작되는 도체 연결부는 발전소 내부로 연장된다. 도면은 중력 기반(39)의 영역에서 발전소 밖으로 바다 케이블(25)을 이끌 수 있는 가능성을 나타낸다. 또한, 완전히 지하에 바다 케이블을 보호 설치하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 모듈식 수력 발전소는 수중 커넥터 장치(4)의 구성을 특징으로 한다. 바람직한 실시예가 측면도로 도 1에 나타낸다. 제1 모듈(9)은 점선 T-T의 상부에 위치되도록 도시된다. 제2 모듈(10)은 아래에 위치된다. 제1 모듈(9)은 기구실(2)의 구성요소에 고정되고, 제2 모듈(10)은 지지 구조체(1)에 의해 지지된다. 고정부들은 상세히 도시되지 않았다.

도 1은, 지지 구조체(1) 상에 기구실(2)을 적합하게 배치한 후에 얻어지는, 제2 모듈(10)에 대한 제1 모듈(9)의 기본 정렬을 나타낸다. 도면은, 소켓 방식으로 배열되는 제1 모듈(9)의 센터링 부재(13.1, 13.2)가, 제2 모듈(10)의 관련 센터링 대응부재(14.1, 14.2)를 안전하게 수용하게 하는 기본 정렬에서의 포획 영역(catching region)을 포함하는 것을 나타낸다. 센터링 부재(13.1, 13.2)는 제1 커넥터 보드(11)와 연결되고, 관련 센터링 대응부재(14.1, 14.2)는 제2 커넥터 보드(12)에 고정된다.

도시된 실시예에서, 소켓(6.1, …., 6.n)은 제2 모듈(10)의 제2 커넥터 보드(12) 상에 배열되고, 제2 커넥터 보드(12)는 제2 모듈(10)의 프레임(22.2)에 견고하게 연결된다. 이와 반대로, 센터링 부재(13.1, 13.2) 이외에 추가로 여러 플러그(5.1, …., 5.n)를 운반하는 제1 모듈(9)의 제1 커넥터 보드(11)는, 제1 모듈(9)의 프레임(22.2)에 대하여 3 병진 및 3 회전 자유도로 이동 가능하게 고정된다. 이것은, 센터링 부재(13.1, 13.2)와 센터링 대응부재(14.1, 14.2)의 결합 동안에 제2 커넥터 보드(12)에 대하여 제1 커넥터 보드(11)의 보상 이동을 가능하게 한다. 이러한 이동 범위는 제1 커넥터 보드(11)가 제1 모듈(9)의 지지 부재(16) 상에 여러 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)에 걸리는 방식으로 본 발명에 따라 발생된다. 본 실시예의 경우, 스프링 로드로서 각각 배열되는 4개의 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)가 사용된다. 스프링 로드는 스프링 예압(spring-pretensioned) 피스톤 로드를 포함하여, 그 이동 범위가 하나의 병진 자유도로 제한된다.

도 1에 나타낸 바람직한 실시예에서, 직선 구동부(18)는, 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10) 사이의 기본 위치로부터 시작하는 최종 센터링에 사용되고, 본 실시예의 경우 직선 구동부는 유압 실린더(23)의 형태로 구성된다. 플러그(5.1, …., 5.n) 및 소켓(6.1, …., 6.n) 사이의 센터링 및 효율적인 연결을 형성하기 위하여 프레임(22.1, 22.2)의 측면 가이드(30.1, …., 30.4) 상에서 지지 부재(16)를 제2 모듈(10)을 향하여 이동시키는, 유압 실린더(23)의 후퇴 운동이 행해진다. 견고하게 고정된 제2 커넥터 보드(12)에 대하여 유연한 제1 커넥터 보드의 센터링이, 소켓 형상의 센터링 부재(13.1, 13.2)와 가이드 핀으로 구성되는 센터링 대응부재(14.1, 14.2) 내의 원뿔형 슬라이딩면에 의해 발생되어, 관련 소켓(6.1, …., 6.n)에 대하여 플러그(5.1, …., 5.n)의 위치가 정렬된다.

직선 구동부(18)에 의한 액츄에이팅 운동 완료 후의 상태가 도 2에 도시된다. 도면은 센터링 부재(13.1, 13.2)와 센터링 대응부재(14.1, 14.2)가 연동되는 결합 위치와, 상호 정렬된 커넥터 보드(11, 12)를 나타낸다. 도시된 실시예에서, 플러그(5.1, 5.2)와 관련 소켓(6.1, 6.2)은 각각의 커넥터 보드(11, 12)에 견고하게 고정되고, 센터링 부재(13.1, 13.2)와 센터링 대응부재(14.1, 14.2)의 연동 결합의 경우에, 위치가 정렬될 뿐만 아니라 플러그에 효과적 접촉이 생성되는 방식으로 위치된다. 이러한 구성은 전기적 및 광학적 신호 연결부 또는, 유압 또는 공압 공급 라인에 사용될 수 있다.

바람직한 실시예에서 각 쌍의 플러그들은 별도의 연결 또는 연결해제 능력이 있다. 이것은, 도 2의 연결 위치에서 측면도로 수중 커넥터 장치(4)를 나타내는 도 3을 참조하여 설명된다. 도면은, 별도의 플러그 액츄에이터(24)가 플러그(5.3) 및 관련 소켓(6.3)에 배치되는 것을 나타낸다. 이것은 다른 플러그들에 상관없이 별도의 연결 및 각각 별도의 연결해제를 가능하게 한다. 이것은 전술한 수중 커넥터 장치(4)의 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10)의 결합이 제2 커넥터 보드(12)에 대한 제1 커넥터 보드(11)의 센터링을 이끄는 것에 사용되어, 플러그인 과정은 선형으로 작용하는 액츄에이터에 의해 안정적으로 수행될 수 있다.

제2 커넥터 보드(12)에 대한 제1 커넥터 보드(11)의 정렬된 연결 위치는 바람직하게는 고정 부재에 의해 고정되고, 유리한 실시예에서 고정 부재(37)는 제1 모듈(9)의 지지 부재(16)에서 직선 구동부(18)에 수용된다. 별도의 플러그 액츄에이터(24)의 병진 운동에 의해 이러한 고정 위치로부터 중요 연결부의, 힘이 감소되어 안정된 스위칭이 발생될 수 있다. 별도의 플러그 액츄에이터(24)는 플러그(5.3)가, 소켓(6.3)에 부착되는 바다 케이블(25)에 선택적으로 연결되어, 전기 발전기(31)에 연결되는 전원 케이블(26)에 연결될 수 있게 한다. 전기 발전기(31)가 영구 자석 여기 장치(permanent-magnet-excited machine)로 구성되면, 직접 연결된 물 터빈(3)의 작은 움직임도 전원 케이블(26)에 전압 발생을 이끌 수 있어서, 바다 케이블(25)의 빠르고 안정적인 연결해제 능력은 발전소의 더 안정된 작동을 제공한다.

제1 커넥터 보드(11)를 거는데 사용되는 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)는 병진 액츄에이팅 운동을 허용한다. 제1 커넥터 보드(11)에 대하여 모든 자유도에서 움직임을 보장하기 위하여, 한편으로는 지지 부재(16) 상에 다른 한편으로는 제1 커넥터 보드(11) 상에 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)의 고정부(17.1, …., 17.4)가 3 회전 축에 대하여 자유도를 가지고 제공되어야 한다. 이 기능은 도 4에 개략적으로 도시된 볼 조인트(34)에 의하여 수행된다. 도면은 선형 조정 부재(15.1)의 피스톤 로드(33)가 연결되는, 실장된(embedded) 볼 조인트(34)를 구비하는 제1 커넥터 보드(11)의 단면을 나타낸다.

도 5는, 도 4에 나타낸 실시예와 유사한 운동 범위를 제공하는 동시에 구조적 단순화를 나타내는, 제1 커넥터 보드(11) 상의 선형 조정 부재(15.1)에 대한 고정부(17)의 다른 실시예를 나타낸다. 이러한 목적을 위하여, 피스톤 로드(33)는 넓은 제1 시추공(35) 및 더 좁은 제2 시추공(36)에 의하여 제1 커넥터 보드(11)에서 안내되고, 고정 부재(37)에 의하여 후방 측 상에서 후퇴 운동에 반하여 고정된다. 삽입 방향으로 힘을 작용시킬 수 있게 하기 위하여, 둥글게 구성되는 슬라이딩 면을 구비하는 지지 디스크(38)가 제1 시추공(35)의 상부에 피스톤 로드(33) 상에 배치된다. 이것은 제1 커넥터 보드(11)의 상부측 상에 지지 및 슬라이딩이 가능하도록 치수가 정해진다. 피스톤 로드(33)의 직경과, 지지 디스크(38)와 고정 부재(37)의 배치 및 형상은, 시추공 축에 대한 회전 운동이 가능하도록 제1 및 제2 시추공(35, 36)의 치수로 조정된다. 따라서, 도 5에 따른 고정부(17)는, 미리 정해진 범위 내에서 운동 능력을 갖는 도 4에 도시된 볼 조인트(34)를 포함한다. 동시에, 구조적 단순화는 특히 해양에 위치되는 경우에 있어서 수중 커넥터 장치의 작동 수명을 증가시킨다. 요구되는 운동 가능성을 제공하는 고정부의 추가 실시예들이 가능하다. 이 경우에 탄성적으로 변형가능한 소켓들이 사용될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 추가 바람직한 실시예를 나타낸다. 도면은, 모듈식 수력 발전소의 커플링 장치(29)에 통합되는 수중 커넥터 장치(4)를 나타낸다. 제1 모듈(9)은, 기구실(2)의 일부를 형성하는 타워 어댑터(41) 내에 위치된다. 제2 모듈(10)은, 타워에 위치되는 절두 피라미드(32) 상에 배치된다. 상술한 실시예들에 대응되는 구성요소들은 동일한 참조 부호로 지정되고, 반복을 피하기 위해 상세히 설명되지 않는다. 도 1에 따른 수중 커넥터 장치(4)의 실시예와 다르게, 본 실시예에서는 제1 모듈(9) 내에서 정지되는 지지 부재(16)가 사용된다. 도면은 타워 어댑터(41)의 내벽에 재료 연결을 나타낸다. 타워 어댑터(41)의 위치적으로 고정된 구성요소들에 반하여 제1 커넥터 보드(11)에 대하여 6 자유도로 이동이 가능하도록, 스프링 로드(21.1, 21.2)로 구성되는 선형 조정 부재(15.1, 15.2)는 고정부(17.1, …., 17.4)에 의해 지지 부재(16) 및 제1 커넥터 보드(11)에 연결된다.

타워 어댑터(41)의 센터링은, 지지 구조체(1) 상에 기구실(2)을 배치하는 동안 절두 피라미드(32)의 외측 벽 상에 원뿔형 슬라이딩면(44)의 슬라이딩에 의해서 발생된다. 수중 커넥터 장치(4)의 제1 모듈(9) 및 제2 모듈(10)의 구성요소들은, 상기 연결 과정 중에, 작동 연결을 생성하기 위해 소켓(6)에 대하여 플러그(5)의 센터링 및 높이 조정을 동시에 하면서, 유연한 움직임을 가능하게 하는 스프링 로드(21.1, 21.2)가 플러그인 힘(plug-in force)을 초과하는 탄성 복원력을 발휘할 때까지, 제1 커넥터 보드(11) 상의 센터링 부재(13.1, 13.2)가 맞물리는 방식으로 제2 커넥터 보드(12)의 센터링 대응부재(14.1, 14.2)에 결합되도록 치수가 정해진다. 따라서, 통합된 수중 커넥터 장치(4)의 센터링 및 연결은 지지 구조체(1) 상에 기구실(2)이 배치되는 동안 추가적인 액츄에이터 없이도 발생한다.

제1 모듈(9)의 이동 가능 구성요소들을 위한 제한 장애물과 벽 간격은, 2개의 부분을 결합하는 동안 수중 커넥터 장치(4)가 센터링 부재(13.1, 13.2) 및 관련 센터링 대응부재(14.1, 14.2)의 포획 영역에 놓이도록 선택된다. 가능한 추가 실시예에서, 발전소의 작동 중에 기구실과 지지 구조체 사이에 예상되는 운동 범위는, 연결 위치에서 미리 정해진 이동 제한 치수에서 고려된다. 본 발명의 추가 실시예들은 다음의 청구항들에 의해 제공된다.

1: 지지 구조체
2: 기구실
3: 물 터빈
4: 수중 커넥터 장치
5, 5.1, …., 5.n: 플러그
6, 6.1, …., 6.n: 소켓
7.1, 7.2: 도체 연결부
9: 제1 모듈
10: 제2 모듈
11: 제1 커넥터 보드
12: 제2 커넥터 보드
13.1, 13.2: 센터링 부재
14.1, 14.2: 센터링 대응부재
15.1, …., 15.4: 선형 조정 부재
16: 지지 부재
17, 17.1, …., 17.6: 고정부
18: 직선 구동부
19: 잠금 장치
20: 모듈식 수력 발전소
21.1, 21.2: 스프링 로드
22.1, 22.2: 프레임
23: 유압 실린더
24: 별도의 플러그 액츄에이터
25: 바다 케이블
26: 전원 케이블
27: 벽
28: 하우징
29: 커플링 장치
30.1 내지 30.4: 측면 가이드
31: 전기 발전기
32: 절두 피라미드
33: 피스톤 로드
34: 볼 조인트
35: 제1 시추공
36: 제2 시추공
37: 고정 부재
38: 지지 디스크
39: 중력 기반
40: 해저
41: 타워 어댑터
42: 회전축
43.1, 43.2: 센터링 핀
44: 원뿔형 슬라이딩면

Claims

지지 구조체(1);
상기 지지 구조체(1)에 배치될 수 있는 물 터빈(3)을 구비하는 기구실(2); 및
적어도 하나의 플러그(5, 5.1, …., 5.n)와 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n), 및 그에 접속되는 도체 연결부(7.1, 7.2)를 갖는 수중 커넥터 장치(4)를 포함하고,
상기 수중 커넥터 장치(4)는, 상기 기구실(2)에 연결되는 제1 모듈(9)과, 상기 지지 구조체(1)에 연결되는 제2 모듈(10)을 포함하며,
상기 제1 모듈(9)은, 적어도 하나의 센터링 부재(13.1, 13.2)를 구비하는 제1 커넥터 보드(11)를 포함하고, 상기 제2 모듈(10)은, 상기 센터링 부재(13.1, 13.2)에 대하여 상호 보충하는 방식으로 형성되는 적어도 하나의 센터링 대응부재(14.1, 14.2)를 구비하는 제2 커넥터 보드(12)를 포함하고,
상기 제1 커넥터 보드(11)는, 여러 개의 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)에 의해 상기 제1 모듈(9)과 연결된 지지 부재(16)에 걸리고, 상기 제1 커넥터 보드(11) 및 상기 지지 부재(16) 상의 상기 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)의 고정부(17, 17.1, …., 17.6)들은, 상기 제1 커넥터 보드(11)가 미리 정해진 범위 내에서 3 자유도의 병진 운동과 3 자유도의 회전 운동을 할 수 있도록 구성되고,
상기 제1 커넥터 보드(11) 및 상기 지지 부재(16) 상의 상기 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)의 상기 고정부(17, 17.1, …., 17.6)들은 적어도 상기 자유도의 볼 조인트(34)를 갖는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항에 있어서,
상기 지지 부재(16)는, 상기 기구실(2)에 대하여 정지되는 상기 제1 모듈(9)의 프레임(22.1, 22.2)과 관련하여, 직선 구동부(18)에 의해 병진 방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제2항에 있어서,
상기 직선 구동부(18)는 유압 실린더(23)로 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제2항에 있어서,
상기 직선 구동부(18)는 통합된 잠금 장치(19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)는, 상기 제1 커넥터 보드(11)를 상기 지지 부재(16) 상에 걸기 위해 스프링 로드(21.1, 21.2)로 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 커넥터 보드(11)는 지지 부재(16) 상에서 적어도 3개의 선형 조정 부재(15.1, …., 15.4)에 걸리는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n) 및 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n)은 전기적, 광학적 또는 유압적 플러그인 연결을 형성하는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n)는 상기 제1 커넥터 보드(11) 또는 상기 제2 커넥터 보드(12)에 적어도 간접적으로 연결되고, 상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n)와 관련된 상기 소켓(6, 6.1, …., 6.n)은 각각 다른 커넥터 보드(11, 12)에 놓여있는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제8항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n) 및 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n)은 각각의 커넥터 보드(11, 12)에 견고하게 부착되는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제8항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n) 및 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n) 중 어느 한쪽 또는 양쪽은, 각각의 커넥터 보드(11, 12)를 향하여 상대 이동할 수 있는 별도의 플러그 액츄에이터(24)와 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제10항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n) 및 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n) 중 어느 한쪽 또는 양쪽은, 상기 별도의 플러그 액츄에이터(24)와 함께, 상기 모듈식 수력 발전소로부터 멀리 이어지는 바다 케이블(25)과 상기 기구실(2)에서 전기 발전기(31)에 연결되는 전원 케이블(26) 사이에 연결 부재를 형성하는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수중 커넥터 장치(4)는 상기 지지 구조체(1)에서 커플링 장치(29) 내에 통합되고 상기 모듈식 수력 발전소의 벽(27)에 의해 둘러싸여지는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
양방향 유입이 가능한 상기 물 터빈(3)과, 상기 지지 구조체(1)에 회전 가능하게 견고한 방식으로 배치될 수 있는 상기 기구실(2)을 포함하고,
상기 수중 커넥터 장치(4)는 상기 기구실(2)의 하우징(28)의 외부에, 그리고 상기 지지 구조체(1)의 벽의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 모듈식 수력 발전소의 설치 방법으로서,
상기 지지 구조체(1)에 상기 기구실(2)을 배치하는 단계;
상기 지지 구조체(1)에 연결된 상기 수중 커넥터 장치(4)의 상기 제2 모듈(10)에 대하여 상기 기구실(2)에 연결된 상기 제1 모듈(9)을 정렬하는 단계;
상기 센터링 대응부재(14.1, 14.2)와 상기 센터링 부재(13.1, 13.2)가 상호 맞물리는 방식으로 결합하고, 상기 제1 모듈(9)의 상기 제1 커넥터 보드(11)가 상기 제2 모듈(10)의 상기 제2 커넥터 보드(12)에 대하여 보상 이동을 수행하며, 상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n) 및 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n)이 정렬할 때까지 상기 센터링 대응부재(14.1, 14.2)에 대하여 상기 센터링 부재(13.1, 13.2)를 이동시키는 단계를 포함하는 모듈식 수력 발전소의 설치 방법.
제14항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n)와 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n) 사이의 작동 연결은 상기 센터링 부재(13.1, 13.2)와 상기 센터링 대응부재(14.1, 14.2)의 상호 결합 연동 시에 발생되는 것을 특징으로 하는 모듈식 수력 발전소의 설치 방법.
제14항에 있어서,
상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n)와 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n)의 정렬 후 별도의 플러그 액츄에이터(24)가 상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n) 및 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n) 중 어느 한쪽 또는 양쪽을 각각의 커넥터 보드(11, 12)에 대하여 이동시켜서, 상기 플러그(5, 5.1, …., 5.n)와 상기 관련 소켓(6, 6.1, …., 6.n) 사이에 작동 연결이 발생되는 것을 특징으로 모듈식 수력 발전소의 설치 방법.
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