KR102033814B1 - 구조체 및 비이클을 포함하는 파워 플랜트 - Google Patents

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미네스토 에이비
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Abstract

본 발명은 전력을 생산하는 파워 플랜트에 관한 것이다. 상기 파워 플랜트(1)는 적어도 하나의 날개(3)를 포함하는 비이클(vehicle)(2) 및 구조체(9)를 포함하고, 상기 비이클(2)은 적어도 하나의 테더(tether)(8)에 의해서 상기 구조체(9)에 고정되도록 배치된다. 상기 비이클(2)은 상기 날개(3)를 통과하는 유체 흐름에 의해 미리 정해진 궤적(7)으로 이동하도록 배치된다. 상기 파워 플랜트(1)는 상기 날개(3)와 상기 구조체(9) 사이에 부착되도록 배치되는 요소(13)를 포함하고, 상기 요소는 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 연속적으로 상기 구조체(9)와 상기 비이클(2) 사이의 거리의 변경를 허용하거나 또는 변경하도록 배치되고, 상기 요소는 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 상기 비이클(2)의 속도 변화를 감소시키고, 트랜스듀서(10)에 의해 상기 구조체(9)와 상기 비이클(2) 사이의 거리 변화로부터 전력이 발생되는 것을 허용하고, 상기 트랜스듀서(10)는 상기 파워 플랜트(10)에 부착되도록 배치된다. 본 발명의 이점은 효율이 증가된 발전소를 얻을 수 있다는 점이다.

Description

구조체 및 비이클을 포함하는 파워 플랜트{Power plant comprising a structure and a vehicle}
본 발명은 전력을 생산하는 파워 플랜트에 관한 것이다. 상기 파워 플랜트는 적어도 하나의 날개를 포함하는 비이클 및 구조체를 포함한다. 상기 비이클은 적어도 하나의 테더에 의해 상기 구조체에 고정되도록 배치된다. 상기 비이클은 상기 날개를 통과하는 유체 흐름에 의해 미리 결정된 궤적으로 이동하도록 배치된다. 상기 비이클은 상기 미리 정해진 궤적 하에서 다양한 속도로 이동하도록 배치된다.
비이클을 통과하는 유체 흐름에 의해 이동하는 비이클 형태의 파워 플랜트가 잘 알려져 있다. 상기 비이클은 고정 포인트에 고정되도록 테더에 부착될 수 있다. 상기 비이클은 궤적에서 움직이도록 만들어지고 유체 흐름의 운동 에너지가 적절한 수단에 의해 전기 에너지로 전환된다.
상기 비이클 상에 작용하는 유체 동력적 힘의 차이로 인해, 상기 궤적은 속도에 따라 변할 수 있고 또는 서로 다른 시간에서 유체의 다양한 속도들로 인해, 상기 비이클의 속도는 구조적 한계를 초과하지 않도록 제한되어야 한다. 이는, 궤적의 다른 부분들 하에서 비이클의 속도가, 유체 흐름에서 사용할 수 있는 에너지를 효율적으로 이용하지 않는 것을 야기하는, 다른 방식으로 요구되는 것보다 낮게 된다.
그리하여 상술한 문제점을 해결하는 개선된 파워 플랜트에 대한 요구가 있다.
본 발명의 목적은 구조체 및 이전의 문제점이 해결된 비이클을 포함하는 파워 플랜트에 대한 발명을 제공하는 것이다. 이러한 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 본 발명의 추가적인 특징은 첨부된 종속 청구항들에 배치된다.
본 발명은 전력을 생산하는 파워 플랜트에 관한 것이다. 상기 파워 플랜트는 적어도 하나의 날개를 포함하는 비이클 및 구조체를 포함한다. 상기 비이클은 적어도 하나의 테더에 의해 상기 구조체에 고정되도록 배치된다. 상기 비이클은 상기 날개를 통과하는 유체 흐름에 의해 미리 결정된 궤적으로 이동하도록 배치된다. 상기 비이클은 상기 미리 정해진 궤적 하에서 다양한 속도로 이동하도록 배치된다. 상기 파워 플랜트는 상기 날개와 상기 구조체 사이에 부착되도록 배치되는 요소를 포함한다. 상기 요소는 상기 미리 정해진 궤적의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 상기 구조체와 상기 비이클 사이의 거리의 변경를 허용하거나 또는 변경하도록 배치된다. 상기 요소는 상기 미리 정해진 궤적 하에서 상기 비이클의 속도 변화를 감소시키고, 및/또는 트랜스듀서에 의해 상기 구조체와 상기 비이클 사이의 거리 변화로부터 전력이 발생되는 것을 허용한다. 상기 트랜스듀서는 상기 파워 플랜트에 부착되도록 배치된다.
오늘날, 미리 정해진 궤적 하에서 테더가 변화하는 인장 하중에 노출되는 것 때문에 비이클과 구조체 사이 거리는 변경된다. 인장 하중의 변화는 날개의 속도 및 이로 인해 비이클과 2차 관계를 갖는다. 이는, 경우에 따라 바람직하지 않을 수 있는 구조체 및 비이클 사이 거리의 변화에 의해 미리 정해진 궤적하에서 상기 테더가 탄성 연장 및 수축을 나타내는 것을 야기한다.
본 발명의 하나의 장점은 상기 요소가 미리 정해진 궤적의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 상기 구조체와 상기 비이클 사이 거리의 변화를 허용하거나 또는 변경할 수 있도록 배치되는 것이다. 변경하는 것은 상기 요소가 수동적이지만 예로서 다른 고안 특징 및 파워 플랜트의 사이트(site) 파워 플랜트의 특성에 의존하는 스프링 상수와 같은 미리 정해진 특징을 가지는 것을 의미한다. 변경을 허용하는 것은, 상기 요소가 상기 거리가 특정 파라미터들 내에서 조절될 수 있도록 적극적으로 제어할 수 있음을 의미한다. 이 두개의 옵션은 모두 상기 비이클의 궤적의 다른 부분 사이 및/또는 상기 속도의 평활로 이어진다. 속도(speed)는 상기 미리 정해진 궤적을 커버하는 것으로서 상기 속도(velocity)의 크기로 정의된다.
비이클의 구조적 무결성을 보호하는 한가지 방법은 궤적의 부분들에서 비이클의 속도를 제한하는 것이고 여기서 비이클이 최대 속도를 초과하는 속도로 이동할 우려가 있는데, 이는 최대 속도가 설계 속도를 초과하는 속도, 즉 피크시, 유체로부터 비이클의 날개 상에 작용하는 동적 힘에 기인하는 것이다. 마찬가지로, 궤적의 부분에서, 상기 비이클은 수압력, 유체역학 및 관성, 테더 및 유체로부터 상기 비이클 상에 작용하는 힘으로 인해, 필요한 것보다 낮은 속도로 이동한다. 이를 속도 딥스(speed dips)라 한다. 이는 가능한 최대치 보다 낮은 에너지 량이 터빈에 의해 전환되는 것을 초래한다. 또한, 비이클의 속도가 제한되는 시간을 증가시킴으로써 전체 궤적 하에서 속도의 변화를 감소시키는 이점이 있을 수 있다. 이는 비이클 및 구조체 사이 거리의 변경을 허용하거나 또는 변경하는 요소에 의해 달성된다.
비이클 상에 세트된 구조적 제한은 시간 동안 총 파워 출력 및 제품 비용의 최적화에 기인한다. 상기 날개는 낮은 흐름 속도의 시간 동안 적절한 에너지 량을 추출/전환하기에 충분하도록 크고 효율적일 필요가 있다. 상대적으로 크고 효율적인 날개의 속도는 최적화된 구조적 제한을 초과하지 않기 위해 보다 높은 속도 흐름의 시간 동안 제한될 수 있다.
파워 플랜트에 적용하는 힘의 변동 진폭의 감소는 예로서 재료의 피로 이유에 대해 유리하다. 전력 생산 이유로, 속도 및 전력 생산 수요 사이 입방 관계(cubic relationship)가 고려되어야 한다. 전력 생산은 예로서 전력 곡선 하의 면적과 같은 속도의 큐브의 인테그랄(integral)에 크게 비례한다. 높은 힘이 소정의 평균 속도를 향해 비이클에 적용되는 속도를 낮춤으로써, 전력 생산은 미리 정해진 궤적의 그 부분에서 세 개의 전원을 저하시키게 된다. 이는 차례로 제법 상당한 전력 손실이 발생할 것이다. 대응하여, 만일 속도 딥스가 동일한 특정 평균 속도를 향해 상승하는 경우, 이들 딥스에서의 전력 상승은 낮은 피크들 동안 전력 생산 손실보다 더욱 적은 것이다. 속도 변화의 감소 진폭이 일정한 평균 속도는 낮은 전력 생산으로 이어질 것이다.
증가된 평균 속도는 속도 변화의 진폭이 감소하고 속도 피크가 동일 레벨에서 유지되는 경우 얻을 수 있고, 증가된 전원 출력이 얻어질 수 있다. 이는 피크에서의 전원 손실이 없는 것을 의미하는 것은 아니지만, 속도 곡선의 다른 모든 부분들 동안 전력이 증가한다. 피크들이 절단될 필요가 있을 때, 스프링 타이드(tide)에 대해 유효하다. 피크들이 절단될 필요가 없을 때 닙 타이드(neap tides) 동안 전력 상승은 전체 궤적 중에 발생하게 된다.
속도 또는 힘 곡선은 예로서 높은 유속 흐름을 갖는 설치 사이트의 사용에 의해 또는 큰 날개와 같은 수단들에 의해 높은 평균 값으로 상승될 수 있다.
비이클 및 구조체 사이 거리의 변화를 허용하는 요소의 사용에 의한 속도 변화 진폭의 감소는, 또한 닙 타이드 및 스프링 타이드 사이 변화가 닙 타이드 동안 비이클의 속도가 지나치게 높아지는 스프링 타이드 동안 피크 속도 없이 상승할 수 있는 경우보다 더욱 크게 한 사이트들 상에 경제적으로 설치를 용이하게 할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 요소의 사용은 속도 피크의 감소를 야기하고, 미리 정해진 궤적 하에 일어나는 속도 변화의 진폭을 감소시키고, 시스템 부하의 변동을 감소시킨다. 게다가 쇼크 부하는 예로서 난류 또는 웨이브 장애와 같은 유체 흐름의 갑작스런 변화로부터 시스템 상에서 부과될 수 있다. 이러한 쇼크 부하는 예로서 긴장되어 뻣뻣한 테더가 비이클 상의 더욱 높은 쇼크 로드를 야기하는 바와 같이, 부재를 들고 있는 테더 장력의 인장 강도에 부분적으로 기인한다. 이러한 쇼크 부하는 상술한 바와 같이 요소의 사용에 의해 감소할 수 있다. 이러한 방식으로 시스템의 다른 부분에서의 피로도는 감소할 수 있다. 이것은 비이클과 변경하는 구조체 사이 거리를 허용하면서 달성된다. 비이클과 구조체 사이 거리의 증가에 의해, 비이클의 속도는 거리의 증가 동안 감소하고, 관련하여 만약 거리의 변화가 없다면, 그것에 의해 비이클에 작용하는 동력은 유체 흐름과 같은 방향에서 비이클이 이동하는 것에 따라 감소한다. 비슷하게, 비이클과 구조체 사이 거리의 감소는 상기 거리 감소 동안 비이클 속도를 증가시키고, 이와 관련하여 만일 거리의 증가가 없다면, 유체 흐름 방향과 반대로 비이클이 이동함에 따라 비이클에 작용하는 동력이 증가하게 된다. 다시말하면, 비교적 일정하게 알 수 있는 날개의 활공비는 날개를 타격하는 상대 속도가 증가되도록 날개와 구조체 사이 거리의 감소에 기인한 물 흐름에 날개가 이동할 때 궤적에 따른 이동 방향에서 날개 속도가 증가할 것으로 볼 수 있다. 이에 대응하여, 날개가 물 흐름에 의해 이동하고 날개를 타격하는 물 흐름의 평균 속도가 감소할 때 궤적을 따라 이동하는 그 방향의 날개 속도는 감소하게된다.
본 발명은 속도 딥스 동안 속도의 증가 뿐만 아니라 더 높은 유체 속도의 보상을 허용하기 때문에, 위의 사항은 상기 유체의 흐름 속도가 오늘날에 비해 더 높거나 낮은 곳에 위치한 사이트에 파워 플랜트를 사용하는 것을 허용한다. 유체 흐름의 속도가 높은 사이트에서는 비이클의 속도가 제한되는 시간을 증가시키는 것에 의해 에너지를 보다 효율적으로 추출할 수 있다. 유체 흐름이 낮은 사이트에서 본 발명은 얘로서 날개의 사이즈를 증가시킬 수 있어 보다 효율적으로 에너지를 추출하는 것을 허용한다. 큰 날개는 낮은 유체 속도에서 활용도가 높다.
비이클 및 구조체 사이 거리의 변화는 기계적 힘 또는 에너지를 구성하는 적용 힘(또는 이 경우 적용 힘의 변화)에 기인하고, 그에 따라 기계적 작업은 시간 변위와 동일하고, 병진 이동과 같은 거리의 변화에 따라 전력을 생산하도록 사용할 수 있고, 예로서 전기 에너지가 될 수 있는 다른 형태로 트랜스듀서에 의해 변환 될 수 있다.
상기 트랜스듀서는 미리 정해진 궤적의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 상기 구조체 및 상기 비이클 사이 거리의 변화를 허용하거나 또는 변경하도록 배치된 요소를 포함할 수 있다. 상기 트랜스듀서는 미리 정해진 궤적의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 상기 구조체 및 비이클 사이 거리의 변화를 허용하거나 또는 변경하도록 배치된 요소에 부착될 수 있다. 이들 둘의 결합은 또한 가능하고, 예를 들면 상기 요소가 한 부분 이상을 포함하거나 또는 파워 플랜트가 하나의 요소 이상을 포함하는 때이다. 상기 요소의 제1 부분은 트랜스듀서에 부착될 수 있고 제2 부분은 상기 트랜스듀서의 일부분일 수 있다. 비슷하게, 제1 요소는 상기 트랜스듀서에 부착될 수 있고 제2 부분은 상기 트랜스듀서의 일부분일 수 있다. 상기 요소는 예로서 압축 스프링, 압축 디스크 스프링 스택, 탄성 스프링 및/또는 가스 스프링과 같은 서로 다른 타입의 탄력 요소를 포함할 수 있다. 상기 압축 스프링 또는 압축 디스크 스프링 스택은 강철이나 복합소재로 만들어질 수 있다. 상기 요소 또는 트랜스듀서는 비이클 및 구조체 또는 날개 및 구조체 사이 거리의 요구되는 변화에는 미치지 않는 힘이 비이클 상에 작용할 때 상기 비이클에 에너지를 공급할 수 있는 에너지 저장소를 포함할 수 있다.
파워 플랜트는 적어도 하나의 회전하는 발전기를 포함할 수 있고, 이는 기계적 에너지 트랜스듀서와 연결되거나 또는 총 트랜스듀서의 일부분과 연결되고, 상기 발전기는 비이클과 구조체 사이 거리 변동에 의해 기계적 트랜스듀서로부터 회전 운동을 전기적 에너지로 전환하는 것에 의한 전력을 생산한다. 상기 트랜스듀서에서 상기 발전기로 출력되는 회전 운동은 선형 운동으로부터 변환된다.
상기 파워 플랜트는 대안적으로 비이클과 구조체 사이 거리의 변화를 직접적으로 전기에너지로 변환하고 그리하여 크게 총 트랜스듀서를 구성하는 선형 발전기를 적어도 하나 더 포함할 수 있다. 기계적 트랜스듀서의 일측 상에 병진 운동은 기계적 트랜스듀서에 의해 차례로 발전기를 구동하는 다른 측 상의 회전 운동으로 전환될 수 있다. 상기 트랜스듀서는 실린더 내에 위치한 수력 피스톤을 포함할 수 있고, 여기서 상기 피스톤은 상기 발전기에 연결된 수력 모터를 작동시키는 수력 압력을 생성한다. 상기 트랜스듀서는 기계적 방식으로, 예로서 발전기를 구동하는 윈치를 포함하여, 발전기를 구동할 수 있다. 상기 트랜스듀서는 또한 적절한 변속비, 속도비 또는 각 속도비를 갖는 메커니즘 또는 기어를 포함할 수 있다. 상기 파워 플랜트는 또한 비이클과 구조체 사이 거리 변화로부터 일어나는 기계적 병진 작업을 전기 에너지로 변환하는 것에 의해 전력을 생산하는 전기적 선형 발전기를 포함할 수 있다. 그리하여 상기 파워 플랜트는 직접적으로 전기 에너지를 생산하는, 전기적 선형 발전기를 포함할 수 있다. 비이클과 구조체 사이 거리 변화에 의한 선행/병진 운동으로부터 오직 전력을 생산하는 파워 플랜트는, 파워 플랜트의 비이클이 가볍게 만들어질 수 있고, 그리하여 큰 부력 부피 및 두께가 필요치 않아, 보다 싸고 가볍게 만들 수 있다. 게다가 비이클로부터 전기적 에너지가 테더로부터 전송될 필요가 없어, 테더를 통해 얇고 가벼운 테더 케이블에 기인하여 얇은 테더가 허용될 수 있다. 게다가, 비이클 및 구조체 사이 거리의 변화로부터 오직 전력을 생산하는 파워 플랜트는 터빈 및 발전기를 포함하는 비이클과 같은 이들 파워 플랜트에 비해 다른 가격이 적용될 수 있고 다른 사이트에 설치될 수 있다.
상기 에너지 저장소는 속도를 증가시키도록 비이클과 구조체 또는 날개와 구조체 사이 거리 감소를 위해 속도 딥스 동안 미리 정해진 위치를 향해 피스톤을 당기거나 및/또는 미는 작용을 하는 실린더 내에서 초기 인장된 피더(feather)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 캐패시터 또는 이와 비슷한 것과, 파워 그리드로부터 가져온 전기적 에너지는, 이 경우 모터와 같이 작용하는 발전기에 의해서 파워 플랜트의 비이클에 에너지를 제공할 수 있다.
상기 요소의 중요한 특성은 상기 요소가 가능한한 낮은 손실로써 거리 변화로부터 발생한 에너지를 변환하거나 저장한다는 것이다. 이것은 예를 들어 낮은 손실을 위해 고안된 트랜스듀서/발전기 또는 낮은 손실 스프링일 수 있다. 이러한 특성은 속도 딥스 동안 에너지를 제공하기 위해 가능한 많은 에너지를 저장할 수 있고 및/또는 가능한 효율적으로 에너지를 전환할 수 있다.
상기 파워 플랜트는 적어도 하나의 터빈과 상기 비이클에 부착되도록 배치된 터빈 발전기를 포함할 수 있고, 상기 터빈 발전기는 미리 정해진 궤적에서 유체를 통해 상기 비이클의 이동에 의해 회전 에너지를 전기 에너지로 변경하는 것에 의해 전력을 생산하도록 배치된다. 비이클에 부착된 터빈의 존재는 유체를 통해 비이클의 운동에 기인하여 터빈이 회전하는 것에 의해 전기 에너지를 생산하는 하나의 수단의 가능성에 이르게 한다. 상기 터빈과 터빈 발전기는 비이클로부터 구조체에게 그리고 게다가 에너지의 소비자 상에 에너지를 전송하기 위한 수단에 연결된다. 이러한 수단은 예를 들어 비이클과 구조체에 연결된 테더에 위치한 하나 또는 그 이상의 전기 전도체일 수 있다.
상기 파워 플랜트는 플랜트와 구조체 사이 거리의 변화 비를 제어하는 수단을 포함할 수 있다. 유체 흐름 속도의 변화 또는 궤적의 다른 부분 하에서 비이클의 속도에 의존하여, 날개 또는 비이클과 구조체 사이 거리 변화의 비를 제어하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 테더는 상기 요소를 포함할 수 있다. 대안적으로 상기 테더는 하나 이상의 요소 또는 한 부분 이상을 포함하는 요소를 포함할 수 있다. 게다가, 상기 요소는 테더의 일부분 또는 테더의 전체를 포함할 수 있다. 테더가 요소의 일 부분이 되거나 또는 전체 요소를 포함하도록 고안하는 것에 의해, 테더 상에 요구되지 않는 응력에 대한 문제가 부분적으로 해결되어 본 발명의 목적을 해결한다. 이러한 방식으로, 테더는 요구되는 방식으로 요소로서 기능하도록 충분히 탄성적으로 고안될 수 있다.
상기 파워 플랜트는 액체에 침지되도록 배치된 수중 파워 플랜트일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 플랜트의 비이클을 도시한 것이다.
도 2는 비이클이 소정의 궤적을 따라 이동하는 본 발명에 따른 파워 플랜트를 도시한 것이다.
도 3은 트랜스듀서와 발전기를 포함하는 파워 플랜트를 나타낸 것이다.
도 4는 날개 밑에 부착된 전력을 생산하기 위한 터빈을 포함하는 파워 플랜트의 비이클을 나타낸 것이다.
도 5는 곡선의 상승과 함께 요소의 사용과 요소를 사용하거나 사용하지 않는 비이클의 힘 분배와 같은 스프링 및 타이드를 나타낸 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 파워 플랜트의 비이클(2)을 나타낸 것이다. 상기 비이클(2)은 날개(3), 넉어도 하나의 엔진실(4), 적어도 하나의 스트럿(5) 및 적어도 하나의 제어 표면(6)을 포함한다. 상기 비이클(2)은 파워 플랜트의 특성에 따라 하나 이상의 스트럿(5) 및 엔진실(4)을 구비하지 않을 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 파워 플랜트(1)를 도시한 것이고 상기 비이클(2)은 미리 정해진 궤적(7)을 따라 이동한다. 상기 파워 플랜트(1)는 도 1에 도시된 비이클(2) 이외에 상기 구조체(9)에 비이클(2)을 부착하는 테더(8)를 포함한다. 상기 구조체(9)는 대양, 호수 바다의 하위나 대지 등의 표면에 고정되거나 또는 위치할 수 있다. 상기 구조체(9)는 물 속에 잠긴 비이클과 대양, 호수, 바다 등의 표면 위에 위치할 수 있다. 본 발명에 따른 상기 파워 플랜트(1)는 물 아래 수중 및 땅 위 모두에 사용될 수 있다. 상기 파워 플랜트(1)는 또한 상기 날개(3) 및 구조체(9) 사이 또는 상기 비이클(2) 및 구조체(9) 사이에 부착되도록 배치된 요소(13)를 포함한다. 상기 요소(13)는 미리 정해진 궤적(7)의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 비이클(2) 및 구조체(9) 사이 거리의 변경을 허용하거나 또는 변경하도록 배치된다. 이는 파워 플랜트(1)가 미리 정해진 궤적(7) 하에서 비이클(2)의 속도의 변화를 허용토록 한다. 대안적으로 또는 보완적으로, 전력은 상기 파워 플랜트(1)의 일 부분이거나 또는 부착되도록 배치되는 트랜스듀서(1) (도 3에 도시)에 의해 상기 비이클(2) 및 구조체(9) 사이 거리 변화로부터 발생될 수 있다.
상기 비이클(2)은 상기 비이클(2)의 날개(3) 위에 이동하는 유체 흐름에 따라 이동하고 상기 날개(3) 상에 부양력을 생성한다. 유체 흐름은 예를 들면 조력 흐름 또는 해수 흐름일 수 있다. 제어 표면(6)의 사용에 의해, 상기 비이클(2)은 미리 정해진 궤적(7)을 따라 이동하도록 만들 수 있다. 상기 유체 흐름은 그림으로 도 2에 있다. 상기 부양력은 상기 비이클(2)을 본질적으로 물 흐름 방향의 반대인 전방으로 민다. 상기 비이클(2)이 이동하여, 상기 비이클(2)은 제어 표면(6)에 의해 상기 미리 정해진 궤적(7)을 따라 조향된다. 도 2에서, 상기 비이클(2)은 90° 기울어진 8자 형태로 미리 정해진 궤적을 따라 이동하는 것을 알 수 있다. 미리 정해진 궤적(7)은 원형, 타원형 또는 임의의 궤적 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 상기 궤적(7)은 수직 축에 대해 대칭일 수 있다.
도 3은 트랜스듀서(10)와 발전기(11)를 포함하는 파워 플랜트(1)를 나타낸다. 상기 트랜스듀서(10)는 선형 운동을 발전기에 의해 전기 에너지를 변환할 수 있는 회전 운동으로 적합하게 변형시킬 수 있는 임의 형태의 트랜스듀서(10)일 수 있다. 도시된 예에서, 상기 트랜스듀서는 실린더 내에 위치한 수력 피스톤을 포함하고, 비이클의 이동은 피스톤 내의 수력 압력을 생성한다. 수력 배관을 통한 실린더로부터 발전기(11)에 연결된 수력 모터에 수력 압력이 전달된다. 상기 수력 모터는 전기 에너지를 생산하도록 구동한다. 상기 트랜스듀서는 병진 운동을 회전 운동으로 변환하는 다른 수단을 더 포함할 수 있다. 발전기를 구동하는, 와이어를 갖는 윈치가 예로서 사용될 수 있다. 직접 전기 에너지를 생산하는 트랜스듀서에 선형 발전기를 통합하는 것도 가능하다. 이 경우, 외부 발전기는 불필요하다. 발전기로부터 생산된 전기는 전기 공급 네트워크에 공급된다.
미리 정해진 궤적(7)의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 구조체(9) 및 비이클(2) 사이 변경된 거리를 허용하는 요소(13)는 비이클과 구조체 사이에 장착된 독립형 컴포넌트일 수 있거나 또는 트랜스듀서(10)와 통합형일 수 있다. 상기 트랜스듀서는 전기 에너지를 생산하는 수단으로서 그리고 거리 변화를 허용하는 소자로서 모두 기능할 수 있다. 또한 비이클과 구조체 사이에서 평행하게 또는 직렬로 트랜스듀서 및 요소가 장착될 수 있다.
상기 요소는 탄성이고, 미리 정해진 궤적의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 구조체(9) 및 비이클(2) 사이 거리를 변화시키도록 배치된다. 이는 상술한 바와 같이 미리 정해진 궤적(7) 하에서 비이클(2)의 속도 변화 감소를 허용한다. 또한 대안적으로 파워 플랜트(1)에 부착된 트랜스듀서(10)에 의해 비이클(2) 및 구조체(9) 사이 거리의 변화로부터 발생되는 전력을 허용할 수 있다. 상기 요소는 또한 윈치와 같은 예로서 제어되는 전기적으로 저장되는 에너지에 의해 제어될 수 있다. 상기 요소는 하우징에 부착되거나 하우징의 외부 또는 내부에 위치할 수 있다. 이 경우 상기 요소는 압축 나선형 스프링, 압축 디스크 스프링 스택, 탄성 스프링 또는 가스 스프링이고, 상기 요소는 트랜스듀서(10) 및/또는 파워 플랜트(1)의 테더(8)에 부착된다.
상기 테더(8) 또는 테더(8)의 일부분은 대안적으로 요소를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 요소(13)를 포함하는 상기 테더(8)는 트랜스듀서(10)에 직접적으로 연결된다. 상기 테더(8)는 대안적으로 모터 및/또는 윈치에 부착될 수 있고 상기 테더 또는 테더의 연장은 윈치로 롤링될 수 있다. 그리하여, 파워 플랜트의 구성에 따라, 상기 요소는 비이클 및 구조체 사이 거리의 변경을 허용하거나 또는 변경하는데 사용할 수 있다.
도 4는 날개(3) 아래 부착된 전력을 생산하는 터빈(12)을 포함하는 본 발명에 따른 파워 플랜트(1)의 비이클(2)을 나타낸 것이다. 본 발명에 따른 상기 파워 플랜트(1)는 트랜스듀서(10) 및 발전기(11)에 의해 생산된 전력에 보완으로서 유체 흐름 에너지을 전기적 에너지로 전환하는 것으로부터 전기 에너지를 생산하는 터빈(12)을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 파워 플랜트(1)는 유체 흐름 에너지을 전기적 에너지로 전환하는 것으로부터 전기 에너지를 생산하는 터빈(12)을 포함할 수 있고, 이러한 터빈의 에너지 출력은 상술한 바와 같이 요소에 의해 증가된다. 터빈(12)을 갖는 비이클(2)은 도 2의 비이클(2)에 적용될 수 있다.
도 5는 미리 정해진 궤적(7)의 부분 동안 또는 그 하에서 연속적으로 구조체(9) 및 비이클(2) 사이 거리를 변경하도록 배치된 요소를 사용하거나 사용하지 않는 비이클(2)의 힘 분배를 나타낸 것이다.
움직이는 물체의 운동 에너지 E는, 유체의 경우, 아래와 같이 표현된다.
Figure 112015086451543-pct00001

여기서 m은 물체의 질량이고 v는 물체의 속도이다. 유체 내의 분자는 질량을 가지며, 이들이 움질일 때, 이들은 에너지의 형태로 전환될 수 있는 운동 에너지를 가지고 있다. 다음과 같이 유체와 파워 플랜트(1) 사이 에너지 전환은, 적용시, 다음과 같이 설명될 수 있다.
만일 r이 터빈의 날개의 반경이면, 이들이 유체를 인터셉트하는 단면적 A는 다음과 같다.
Figure 112015086451543-pct00002

시간 t에서 단면적 A를 통과하는 유체질량 m는 다음과 같다.
Figure 112015086451543-pct00003

여기서 ρ는 유체의 밀도이고, v는 터빈에 대한 유체의속도이다. 비이클이 유체를 통해 이동하면 시간 t에서 면적 A를 통과하는 유체의 상대적 운동의 운동 에너지는 다음과 같다.
Figure 112015086451543-pct00004

에너지와 속도 사이의 이러한 큐빅 관계는 미리 정해진 궤적(7)을 따라 어떠한 순간에서 속도의 작은 증가가 그 순간에서 전력 출력 또는 에너지 출력의 큰 증가를 준다. 수학식 (4)는 원형 단면 영역을 갖는 몸체로부터 유도된다. 수학식 4는 비이클(2)의 날개(3)와 같은 서로 다른 단면 A를 갖는 몸체에 또한 유효하다.
도 5에서, 곡선의 위쪽 그룹은 스프링 타이드 동안 비이클에 작용하는 힘의 예를 나타낸 것이고, 아래 그룹은 닙 타이드 동안 힘을 나타낸 것이다. 연속 선 X는 요소가 없는 비이클에 작용하는 힘을 나타낸 것이고, 점 선 Y는 요소를 사용하는 비이클에 작용하는 힘을 나타낸 것이고, 점 선 Z는 요소를 사용하는 비이클에 작용하는 힘을 나타낸 것이고 또한 전체 곡선 및 평균 힘은 상승한다. 라인 A는 상승이 없는 평균 힘 값을 나타낸 것이고, 라인 B는 상승된 평균 힘을 나타낸 것이고, 대쉬 라인 C는 파워 플랜트의 구조적 한계에 기인한 최대 허용 힘을 나타낸 것이다.
위의 점 선 Y에서 볼 수 있는 바와 같이, 속도가 제한될 필요가 있을 때 시간 구간은 요소의 적용으로 감소하거나 또는 제거되었다. 이러한 솔루션은 예로서 에너지가 전력을 생산하는 파워 플랜트에 적용된 트랜스듀서 또는 액츄에이터에 의해 전환될 때, 유용할 수 있다. 요소의 사용은 위의 대쉬 및 점 커브 Z에서 볼 수 있는 바와 같이, 또한 곡선의 상승을 위해 사용될 수 있고 평균 힘 값을 증가시킨다. 이러한 곡선의 상승 및 평균 힘의 증가는 가능한 다른 경우보다 높은 유체 속도를 갖는 지역에 파워 플랜트 설치를 통해서 또는 날개 면적의 증가를 통해 용이하게 할 수 있다. 이러한 유체 속도 또는 날개 면적의 증가는 힘의 변화 및 속도의 크기를 감소하는 것에 의해 가능하게 할 수 있고 나아가서 이는 피크 힘을 증가시키지 않고 평균 힘의 증가를 허용한다. 이러한 방식으로, 에너지 생산은, 전력 곡선 하의 면적 또는 통합이 높은 값을 주는 바와 같이, 증가할 수 있다.
청구범위에서 언급된 참조부호는 청구범위에 의해 보호되는 사항의 범위를 제한하는 것으로 보면 안되고, 이는 이해를 돕기 위함이다.
인식되는 바와 같이, 본 발명은 모두 첨부된 청구범위를 벗어나지 않고 여러 가지 상이한 형태로 할 수있다. 따라서, 도면 및 명세서에서 관계없는 부분은 생략 하였다. 예를 들어 비이클(2)은 전기 에너지를 생산하는 터빈(12)를 구비할 필요가 없다. 전기 에너지는 오직 트랜스듀서(10)와 발전기(12)에서 생사될 수 있다. 이에 대응하여 이러한 방식으로 설명되지 않는 경우에도, 상기 비이클은 터빈 및 발전기를 포함할 수 있다.

Claims (12)

  1. 전력을 생산하는 수중 파워 플랜트(1)에 있어서,
    상기 수중 파워 플랜트(1)는 적어도 하나의 날개(3)를 포함하는 비이클(vehicle)(2) 및 구조체(9)를 포함하고,
    상기 비이클(2)은 적어도 하나의 테더(tether)(8)에 의해서 상기 구조체(9)에 고정되도록 배치되고, 상기 비이클(2)은 상기 날개(3)를 통과하는 유체 흐름에 의해 미리 정해진 궤적(7)으로 이동하도록 배치되고, 상기 비이클(2)은 상기 미리 정해진 궤적(7)을 통해 다양한 속도로 이동하도록 배치되며,
    상기 파워 플랜트(1)는 상기 날개(3)와 상기 구조체(9) 사이에 부착되도록 배치되는 요소(13)를 포함하고, 상기 요소(13)는 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 연속적으로 상기 구조체(9)와 상기 비이클(2) 사이의 거리의 변경을 허용하거나 또는 변경하도록 배치되고, 상기 요소(13)는 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 상기 비이클(2)의 속도 변화를 감소시키고, 트랜스듀서(10)에 의해 상기 구조체(9)와 상기 비이클(2) 사이의 거리 변화로부터 전력이 발생되는 것을 허용하고, 상기 트랜스듀서(10)는 상기 수중 파워 플랜트(1)에 부착되도록 배치되며, 상기 트랜스듀서에 의해 발생된 상기 전력은 전력 공급 네트워크에 공급되는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)는 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 연속적으로 상기 구조체(9) 및 상기 비이클(2) 사이의 거리의 변경를 허용하거나 또는 변경하도록 배치되는 상기 요소(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  3. 제1항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)는 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 연속적으로 상기 구조체(9) 및 상기 비이클(2) 사이의 거리의 변경를 허용하거나 변경하도록 배치되는 상기 요소(13)에 부착되는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  4. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트(1)는 상기 구조체(9)와 상기 비이클(2) 사이 거리의 변화로부터 일어나는 병진 운동(translational motion)을 전기 에너지로 변환하는 것에 의해 전력을 생산하는 전기적 선형 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  5. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트(1)는 상기 트랜스듀서(10)와 연결되는 발전기(11)를 포함하고, 상기 트랜스듀서(10)는 상기 발전기(11)에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있는 회전 운동을 직선 운동으로 전환시키는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  6. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 요소(13)는
    - 압축 나선형 스프링
    - 압축 디스크 스프링 스택
    - 탄성 스프링
    - 가스 스프링
    가운데 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 압축 나선형 스프링 또는 압축 디스크 스프링 스택은 강철 또는 복합 소재로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  8. 제5항에 있어서, 상기 트랜스듀서(10)는,
    - 모터에 부착된 실린더 내에 위치한 유압 피스톤
    - 윈치
    - 전기 에너지 저장소
    가운데 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  9. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 플랜트(1)는 적어도 하나의 터빈(12) 및 상기 비이클(2)에 부착되도록 배치된 터빈 발전기를 포함하고, 상기 터빈(12) 및 터빈 발전기는 유체를 통해 상기 미리 정해진 궤적(7) 하에서 상기 비이클(2)의 이동에 의해 전기 에너지가 발생되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  10. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 수중 파워 플랜트(1)는 상기 날개(3) 및 상기 구조체(9) 사이 거리의 변화 비율을 제어하도록 배치된 수단들을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  11. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 있어서, 상기 테더(8) 또는 상기 테더(8)의 일부분은 상기 요소(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 파워 플랜트(1).
  12. 삭제
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