KR102477919B1 - 부력 테더를 포함하는 수중 발전소 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수중(submersible) 발전소에 관한 것이다. 상기 수중 발전소는 유체에 잠기게 된다. 상기 발전소는 구조물과 비히클(vehicle)을 포함하는데 상기 비히클은 적어도 하나의 날개를 포함한다. 상기 비히클은 적어도 하나의 테더(tether)에 의해 상기 구조물에 고정되도록 배치된다. 상기 비히클은 상기 비히클을 통과하는 유체 스트림(stream)에 의해 미리 정해진 궤도로 이동하도록 배치된다. 상기 테더는 상부 테더 부분과 하부 테더 부분을 포함한다. 상부 테더 부분은 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 가지고, 유체역학적 단면을 가지며, 상기 비히클에 연결되도록 배치된다. 상기 하부 테더 부분은 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 가지고, 비-유체역학적 단면을 가지며, 상기 구조물에 연결되도록 배치된다.

Description

부력 테더를 포함하는 수중 발전소
본 발명은 수중(submersible) 발전소에 관한 것이다. 상기 수중 발전소는 유체에 잠기게 된다. 상기 발전소는 구조물과 비히클(vehicle)을 포함하는데 상기 비히클은 적어도 하나의 날개를 포함한다. 상기 비히클은 적어도 하나의 테더(tether)에 의해 상기 구조물에 고정되도록 배치된다. 상기 비히클은 상기 비히클을 통과하는 유체 스트림(stream)에 의해 미리 정해진 궤도로 이동하도록 배치된다
조류 플로우들(flows)과 같은 스트림들(Streams) 및 해류는 전기 에너지를 발생시키는 데 사용할 수 있는 예측 가능하고 신뢰할 수 있는 에너지의 원천을 제공한다. 비유동식(Stationary) 또는 고정식 발전소 시스템들이 알려져 있는데 이들은 상기 스트림 또는 플로우(flow)와 관련하여 물에 잠기고 고정되며, 터빈은 상기 스트림의 플로우 속도로부터 전기 에너지를 발생시키곤 했다. 그러나 비유동식 스트림 구동 발전소 시스템들의 결점은 특정 크기의 단일 터빈으로부터 생성된 전기 에너지의 양이 적다는 것인데, 이는 터빈들의 수를 증가시키거나 또는 상기 터빈들의 효과적인 영역을 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 그러나 저들 해결책은 상기 고정식 스트림 구동 발전소 시스템들의 다루기 힘들고 고비용인 제조, 취급 및 운영으로 이어진다. 터빈들은 또한 높은 국지적 플로우 속력들을 갖는 특정 위치들에 설치하도록 설계될 수 있다. 이것은 또한 더욱 복잡하고 많은 비용이 드는 설치 및 취급으로 이어진다. 게다가, 그런 높은 플로우 속력의 위치들에 대한 접근은 비교적 제한적이다.
조류 플로우들 및 해류로부터의 상기 전기 에너지 생성의 효율을 개선하기 위해, 예를 들어, 본 출원인에 의해 본 명세서에 참조로 완전히 도입된 EP1816345인 스트림 구동 비히클을 포함하는 수중 발전소 시스템을 제공하는 것이 알려져 있다. 상기 스트림 구동 비히클은 전형적으로 날개를 포함하는데, 이는 상기 스트림 플로우와 상기 날개에 작용하는 유발된 유체역학적 힘들을 이용함으로써 상기 비히클의 속력을 증가시키도록 설계된다. 더욱 상세하게는, 상기 비히클의 상기 증가된 속도는 와이어 부재에 의해 일반적으로 해저에 위치한 지지 구조물에 상기 비히클을 고정하여 상기 비히클에 작용하는 상기 스트림 플로우 및 유체역학적 힘들을 상쇄시킴으로써 달성되며, 여기에서 상기 비히클은 상기 와이어의 길이 또는 범위에 의해 제한되는 특정 궤도를 따르도록 배치된다.
스트림 구동 비히클을 포함하는 발전소 시스템은 느슨한(slack) 물에서 좋은 위치를 유지하는 것뿐만 아니라 미리 정해진 궤도를 따라 이동의 조건들을 취급할 수 있는 테더를 구비해야만 한다. 상기 미리 정해진 궤도를 따라 이동하는 동안, 상기 테더는 상기 테더의 길이를 따라 끄는 것을 겪게 된다(experiences drag). 느슨한 물에서 상기 비히클은 미리 정의된 궤도를 따라 이동(traveling)하지 않지만 대신 무작위의 궤도를 따라 그 조류를 따라간다. 상기 비히클이 무작위 궤도를 따라 그 조류를 따라갈 때, 상기 테더는 그 자체, 상기 지지 구조물, 상기 해저에 있는 상기 해저 또는 물체들과 엉키게(tangled) 될 위험이 있다.
따라서 개선된 테더를 포함하는 개선된 수중 발전소에 대한 요구가 있다.
본 발명의 한 가지 목적은 전술한 문제점들이 적어도 부분적으로 회피되는 독창적인 수중 발전소를 제공하는 것이다. 이런 목적은 청구항 제1항 및 제17항의 특징부분의 특성들에 의해 달성된다. 본 발명의 변형들은 첨부된 종속항들에 기술된다.
미리 정해진 궤도를 따라 이동하는 동안, 테더는 상기 테더의 길이를 따라 끄는 것을 겪게 된다. 상기 테더가 상기 테더의 전체 길이에 걸쳐 유체역학적 프로파일(profile)을 갖는다면, 비히클이 상기 미리 정해진 궤도를 따라 움직이는 동안 채찍질(whiplash) 효과가 발생할 수 있다. 상기 채찍질 효과는 상기 테더에 작용하는 세 가지 다른 힘들: 중력, 유체역학적 프로파일 및 구심력으로부터 생기는 양력으로 인해 발생할 수 있다. 속도가 높은 곳의 비히클 가까이에서는 그 구심력이 중력 및 부력의 결합된 힘 보다 높다. 그러므로 상기 결과로 생긴 힘은 원형 궤도 상의 연(kite)에 대해 항상 바깥쪽으로 포인팅(pointing) 한다. 상기 테더를 따라 더 내려가면, 상기 속도는 더 낮아지고 상기 구심력은 한 시점에서 상기 부력 및 중력 힘들의 합 보다 작아질 것이다. 여기에서 상기 결과로 생긴 힘은 원형 경로를 따라 달릴 때 바깥쪽으로부터 안쪽으로 방향을 바꾸고 다시 바깥쪽 방향으로 돌아간다. 이는 채찍질 효과가 일어나는 것을 야기할 수 있다. 상기 테더의 유해한 진동들은 또한 중력의 중심(CG)과 부력의 중심(CB)이 분리되어 토크(torque)가 발생하는 것 때문에 생길 수도 있다. 이것은 임의의 지점에 걸쳐 모멘트 밸런스(moment balance)를 계산하여 알 수 있다. 유체역학적 힘은 보통 4분의 1 코드(chord) 길이에서의 지점에 작용하지만, 상기 부력은 보통 부력의 중심(CB)에서 작용하고 중력의 중심(CG)에서 중력 및 구심력으로 작용한다. 이 토크는 상기 더 낮은 속도로 인한 상기 유체역학적 힘들이 상기 테더를 정렬하기에 충분히 강하지 않기 때문에, 지지 구조물에 가까운 상기 유체역학적으로 형태가 만들어진 테더의 그 양력에 의해 창출된 토크에 의해 상쇄되지 않는다. 느슨한 물에서 상기 비히클이 그 조류를 따라 가고, 예를 들어, 상기 테더가 그 주변의 유체 보다 무겁고 해저에 놓여있으면 상기 비히클이 무작위 궤도를 따라 그 조류를 따라갈 때 상기 테더가 엉키게 될 위험이 있다.
예시적인 실시예들은 상기 확인된 문제점들 중 적어도 일부를 해결하는 것을 목표로 하는 수중 발전소에 관한 것이다. 상기 수중 발전소는 유체에 잠기게 된다. 상기 발전소는 구조물과 비히클을 포함하고 상기 비히클은 적어도 하나의 날개를 포함한다. 상기 비히클은 적어도 하나의 테더에 의해 상기 구조물에 고정되도록 배치된다. 상기 비히클은 상기 비히클을 통과하는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도로 이동하도록 배치된다. 상기 테더는 상부 테더 부분과 하부 테더 부분을 포함한다. 상기 상부 테더 부분은 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 가지며, 유체역학적 단면을 가지고, 상기 비히클에 연결되도록 배치된다. 상기 상부 테더 부분은 또한 유선형 또는 프로파일형으로 기술될 수 있고, 상기 테더를 통과하는 상기 유체 플로우의 방향들의 간격을 찾아 물밑을 훑는 것(drag for)을 감소시키는 것을 목표로 한다. 상기 하부 테더 부분은 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 가지며, 상기 유체가 흐르는 방향과 관계없이 비-유체역학적 단면 또는 낮은 저항을 가지는 단면적을 가지고, 상기 구조물에 연결되도록 배치된다.
상기 문제는 둘 이상의 부분을 가지는 테더의 사용으로 해결된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 상부 테더 부분은 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 가지며 유체역학적 단면을 가지고, 하부 테더 부분은 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 가지며 비-유체역학적 단면을 가져, 상기 언급된 문제들을 해결한다. 상기 하부 테더 부분의 상기 비-유체역학적 프로파일은 상기 하부 테더 부분의 유체역학적 양력을 감소시키고, 발생할 수 있는 채찍질 효과를 그렇게 함으로써 감소시킨다. 상기 상부 테더 부분의 상기 유체역학적 프로파일은 상기 테더의 그 부분이 덜 끌림을 겪는 것을 보장하는데, 이는 상기 하부 테더 부분과 관련하여 이동(travel)할 필요가 있는 더 큰 거리 때문에 필요해진다. 상기 지지 구조물에 가까운 상기 테더의 부분은 미리 정해진 궤도를 따라 상기 비히클이 이동하는 동안 큰 공격 각들(angles)을 겪을 수 있다. 비-유체역학적 단면을 구비하는 하부 테더 부분은 상기 공격 각과 독립적으로 같은 끌림(drag)을 겪고, 상기 하부 테더 부분이 유체역학적 단면을 구비하는 경우처럼 상기 유체의 방향을 가로지르는 힘은 생기지 않는다. 상기 지지 구조물에 가까운 비-유체역학적 테더 부분을 구비하는 것은 그 부분에서 유체역학적 힘들이 낮아지는 것으로 이어져, 스위블(swivel)의 마찰 또는 상기 테더의 내부 비틀림 강성에 맞서는 상기 테더의 정렬을 피한다.
상기 상부 테더 부분과 상기 하부 테더 부분 사이 밀도의 차이는, 상기 유체 스트림이 가라앉는 경우 예를 들어, 느슨한 물에서 조류가 방향을 바꿀 때 상기 테더가 S-형상과 같은 비선형 형상을 취하는 것을 가능하게 한다. 상기 비선형 형상은 상기 테더의 손상 또는 꼬임의 위험을 추가로 줄인다.
상기 발전소의 상기 비히클은 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 가질 수 있다.
이 특성은 추가로 느슨한 물에서 상기 비히클의 위치의 제어를 가능하게 한다. 상기 유체의 표면 아래 또는 상기 비히클이 이동하는 표면 위의 상기 비히클의 위치는 상기 하부 테더 부분의 낮은 밀도, 상기 상부 테더 부분의 높은 밀도 및 상기 비히클의 낮은 밀도의 조합에 의해 제어될 수 있다.
상기 상부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 30-70 % 사이일 수 있고, 상기 하부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 30-70 % 사이일 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 40-60 % 사이일 수 있고, 상기 하부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 60-40 % 사이일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 상부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 50 %일 수 있고, 상기 하부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 50 %일 수 있다. 두 개의 테더 부분들 사이에 이런 관계를 가지는 것은 상기 비히클이 이동하는 경우와 느슨한 물에서 상기 비히클이 정지한 경우 모두 상기 발전소의 제어를 달성하는 것을 돕는다.
상기 수중 발전소가 잠긴 상기 유체는 물일 수 있다. 상기 하부 테더 부분의 평균 밀도는 700-900 kg/m3 사이, 구체적으로는 750-850 kg/m3, 더욱 구체적으로는 800 kg/m3일 수 있고, 상기 상부 테더 부분의 평균 밀도는 1050-1250 kg/m3 사이, 특히 1100-1200 kg/m3, 더욱 구체적으로는 1160 kg/m3일 수 있다.
또 하나의 예시적인 실시예에서, 상기 테더는 상부 테더 부분, 중간 테더 부분 및 하부 테더 부분을 포함한다. 상기 상부 테더 부분은 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 가지며 유체역학적 단면을 가지고, 상기 하부 테더 부분은 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 가지며 비-유체역학적 단면을 갖는다. 상기 중간 테더 부분은 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 가지고 유체역학적 단면을 갖는다. 상기 상부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 20-40 % 사이일 수 있고, 상기 중간 테더 부분의 길이는 20-60 % 사이일 수 있고, 상기 하부 테더 부분의 길이는 상기 테더의 길이의 10-20 % 사이일 수 있다.
상기 기술된 문제점을 해결하는 상기 테더의 추가 예시적인 실시예는 상기 하부 테더 부분이 축 대칭(axisymmetric)이고 상기 CG가 상기 CB와 동일한 하부 테더 부분을 가지도록 할 수 있다. 이런 경우에 상기 하부 테더 부분은 기하학적 형상 및 질량 분포와 관련하여 모두가 축 대칭이다. 상기 하부 테더 부분의 단면이 타원형, 원형 또는 유사하고 질량 중심 및 체적 중심이 상기 단면의 중앙에 위치하면, 상기 하부 테더 부분의 방향(orientation)에 관계없이 토크는 생기지 않는다.
상기 테더는 상기 테더의 외부 형상을 형성하는 쉘(shell) 부재를 포함할 수 있다. 상기 쉘 부재는 탄성(elastomeric) 물질, 열가소성(thermoplastic) 물질, 열경화성(thermoset) 물질, 탄소 섬유 라미네이트(laminate), 유리 섬유 라미네이트, 합성 물질, 물질에 있어서 폴리우레탄, 폴리우레탄 탄성(elastomer) 물질, 스틸을 포함하는 물질 및/또는 이들의 조합물들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 쉘 부재는 섬유 또는 합성물 또는 라미네이트들(laminates)의 외부 층(들)을 포함할 수 있으며, 여기에서 내부 영역은 충전재로 채워질 수 있다.
상기 하부 부분의 밀도는 가스 충전 컨테이너들을 상기 하부 테더 부분의 내부 지역에 부가함으로써 조절될 수 있다. 상기 하부 테더 부분의 밀도는 상기 주위 유체 보다 낮은 밀도를 갖는 요소들을 상기 테더의 외부에 부착함으로써 추가적으로 또는 대안적으로 조절될 수 있다. 상기 하부의 밀도를 조절함으로써 상기 하부 부분의 거동이 다양한 설치 장소들에서 조건들에 적합하도록 맞춰질 수 있다. 상기 중간 부분의 밀도는 가스 충전 컨테이너들을 상기 중간 테더 부품의 내부 지역에 부가함으로써 조절될 수 있다. 상기 중간 테더 부분의 밀도는 상기 주변 유체 보다 낮은 밀도를 갖는 요소들을 상기 테더의 외부에 부착함으로써 추가적으로 또는 대안 적으로 조절될 수 있다. 상기 중간 부분의 밀도를 조절함으로써 상기 하단 부분의 거동이 다양한 설치 장소들에서 조건들에 적합하도록 맞춰질 수 있다.
상기 비히클은: - 발전기에 연결된 터빈을 포함하는 나셀(nacelle), 상기 비히클의 이동에 의해 구동되는 상기 터빈, 또는 각각이 발전기에 연결되어 다수의 터빈들을 포함하는 발전기 또는 나셀에 연결된 터빈을 각각 포함하는 다수의 나셀들(nacelles), - 상기 비히클을 상기 테더에 부착하도록 배치되는 전면 스트러트들(front struts)과 후면 스트러트(rear strut)를 포함한다. 상기 테더는 오직 상기 전면 스트러트들과 연결하는 반면에(while), 상기 후면 스트러트는 제외되고 엘리베이터로 교체될 수 있다.
상기 터빈-발전기 장치(arrangemen)는 상기 비히클의 이동으로부터 전력을 생산하는데 사용된다. 상기 전면과 후면 스트러트들이 존재하는 경우, 안정성을 제공하고 상기 비히클을 상기 테더에 연결한다.
상기 상부 테더 부분은 탑 조인트(top joint)에 의해 상기 비히클에 연결될 수 있다. 상기 하부 테더 부분은 버텀 조인트(bottom joint)에 의해 상기 구조물에 연결될 수 있다.
상기 테더는 위에서 기술된 효과들을 달성하는 데 도움이 되도록 하기 위해 가요성(flexible)일 수 있다.
상기 상부 테더 부분은 상기 테더의 주 방향과 본질적으로 평행한 회전의 또는 비틀림의, 축의 주위를 회전함으로써 액체의 상대적인 플로우 방향에 관하여 자기 정렬에 매진하도록 배치될 수 있는데, 상기 테더 부분이 상기 액체를 통해 또는 상기 액체에 관하여 이동하고 있는 경우이다. 상기 테더 부분의 자기 정렬의 효과는 EP 2610481에 기술되어 있다. 상기 상부 테더 부분이 자기 정렬에 매진하도록 배치되는 경우, 상기 상부 테더 부분은 상기 하부 테더 부분에 관하여 회전한다.
추가의 예시적인 실시예는 수중 발전소의 제어 방법과 관련되고, 여기에서 상기 방법은: - 수중 발전소를 구조물과 연결하는 테더를 배치하는 단계, 여기에서 상기 테더는 상부 테더 부분과 하부 테더 부분을 포함한다; - 상기 상부 테더 부분이 상기 주변 유체 보다 높은 평균 밀도를 갖도록 배치하는 단계, - 상기 상부 테더 부분이 유체역학적 단면을 갖도록 배치하는 단계, 및 - 상기 상부 테더 부분이 상기 비히클에 연결되도록 배치하는 단계; - 상기 하부 테더 부분이 상기 주변 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖도록 배치하는 단계, - 상기 하부 테더 부분이 비-유체역학적 단면을 갖도록 배치하는 단계, 및 - 상기 하부 테더 부분이 상기 구조물에 연결되도록 배치하는 단계를 포함하고, 여기에서 상기 수중 발전소가 미리 정해진 궤도로 이동하는 경우, 상기 수중 발전소의 상기 테더는 채찍질(whiplash)에 의해 유발된 테더 진동의 감소를 겪고; 및 여기에서 상기 수중 발전소가 미리 정해진 궤도로 이동하지 않는 경우, 상기 수중 발전소의 상기 테더는 상기 상부 테더 부분 및 상기 하부 테더 부분, 상기 발전소의 비히클 사이의 평균 밀도 차이로 인해 S-형상을 형성한다.
추가의 예시적인 실시예는 수중 발전소의 제어 방법과 관련되고, 여기에서 상기 수중 발전소는 상기 수중 발전소를 구조물에 연결하는 테더를 포함하고, 여기에서 상기 테더는 상부 테더 부분과 하부 테더 부분을 포함한다. 상기 상부 테더 부분이 상기 주변 유체 및 유체 역학적 단면 보다 높은 평균 밀도를 가지고, 상기 상부 테더 부분은 상기 비히클에 연결된다. 상기 하부 테더 부분이 상기 주변 유체 및 비-유체역학적 단면 보다 낮은 평균 밀도를 가지고, 상기 하부 테더 부분은 상기 구조물에 연결된다. 상기 방법은: - 상기 수중 플랜트가 미리 정해진 궤도로 움직이지 않을 때, 상기 상부 테더 부분 및 상기 하부 테더 부분, 상기 발전소의 비히클 사이의 평균 밀도 차이로 인해 상기 테더를 S-형상으로 형성하는 단계를 포함한다.
위에서와 같이 상기 3 개의 부분들을 구비하는 테더는 또한 평균 밀도의 차이로 인해 S-형상을 형성하는 거동을 나타낼 수 있을 것이다.
그 방법의 장점들은 위에서의 상기 수중 발전소에 기술된 것과 동일하다.
도면 1은 본 문헌의 예시적인 실시예들에 따른 발전소를 개략적으로 도시하고,
도면 2a 및 도면 2b는 테더의 2 개의 대안 실시예들을 개략적으로 도시하고,
도면 3은 테더의 상부 테더 부분의 단면도를 개략적으로 도시하며,
도면 4는 느슨한 물에서의 상기 발전소를 개략적으로 도시한다.
도면 1은 본 문헌의 예시적인 실시예들에 따른 수중 발전소(1)를 개략적으로 도시한다. 상기 수중 발전소(1)는 유체에 잠기게 되고, 구조물(2) 및 적어도 하나의 날개(4)를 포함하는 비히클(3)을 포함한다. 상기 비히클(3)은 적어도 하나의 테더(5)에 의해 상기 구조물(2)에 고정되도록 배치된다. 상기 비히클(3)은 상기 비히클(3)을 통과하는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도(6)로 이동하도록 배치된다. 상기 미리 정해진 궤도는 숫자 8, 원형, 계란형 또는 또 하나의 적절한 폐쇄 궤도일 수 있다. 도면 1에서 상기 유체 스트림의 방향은 본질적으로 상기 도면으로 포인팅 한다. 상기 유체 스트림은 예를 들어 해류, 조류 또는 강 스트림일 수 있다.
상기 비히클(3)은 추가로 전면 스트러트들(7)과 후면 스트러트(8)를 포함한다. 상기 비히클(3)은 상기 날개(4)에 부착된 나셀(nacelle)(9)을 포함할 수 있다. 상기 나셀(9)은 상기 날개(4)의 아래 또는 위에 위치될 수 있고, 예를 들어 철탑에 의해 상기 날개(4)에 부착될 수 있다. 상기 비히클(3)은 예를 들어 방향타(vertical rudder)(10) 형태의 제어 표면들을 추가로 포함할 수 있다. 상기 전면 스트러트들(7)은 상기 날개(4)에 부착되고, 상기 후면 스트러트(8)는 하나의 예시적인 실시예에서 상기 나셀(9)에 부착된다. 상기 비히클(3)은 하나 이상의 제어 표면들 또는 다른 조종 수단들을 제어할 수 있는 제어 시스템에 의해 상기 미리 정해진 궤도(6)를 따라 조종된다. 상기 제어 시스템은 예를 들어 하나 이상의 온-보드(on-board) CPU들 또는 제어 회로 기판들 또는 원격 제어 센터로부터 전송된 신호들에 의해 구현될 수 있다.
상기 나셀(9)은 발전기(12)에 회전 가능하게 연결된 터빈(11)을 포함한다. 상기 유체를 통한 상기 비히클(3)의 이동은 상기 터빈(11), 및 이에 따른 상기 발전기(12)를 회전시킨다. 이런 방식으로 전력이 발생된다. 상기 수중 발전소는 상기 테더(5) 내에서 전기 케이블들을 통해 상기 전력을 전력 공급 네트워크에 공급하는(feeding) 전력 인출 장치(power take off system)를 포함하며, 차례차례 상기 전력을 전력망(power grid)에 전달한다.
상기 테더(5)는 상부 테더 부분(5a)과 하부 테더 부분(5b)을 포함한다. 상기 상부 테더 부분(5a)은 유체역학적 프로파일 또는 단면을 가지고, 상기 유체 스트림 내 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 가진다. 상기 하부 테더 부분(5b)은 비-유체역학적 프로파일 또는 단면을 가지고, 상기 유체 스트림 내 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖는다. 상기 상부 테더 부분(5a)은 상기 스트러트들이 부착된 탑 조인트(top joint)(13)에 의해 상기 비히클(3)과 연결한다. 상기 하부 테더 부분(5b)은 버텀 조인트(bottom joint)(14)에 의해 상기 구조물(2)과 연결한다.
도면 2a 및 도면 2b는 테더(5)의 두 개의 대안 실시예들을 개략적으로 도시한다. 도면 2a에서 상기 상부 테더 부분(5a)과 상기 하부 테더 부분(5b) 사이의 전이(transition)는 상기 상부 테더 부분(5a)과 상기 하부 테더 부분(5b) 사이에 전이 부분이 없다는 분명한 의미이다. 상기 상부 테더 부분(5a)의 상기 유체역학적 프로파일은 상기 하부 테더 부분(5b)의 상기 비-유체역학적 프로파일이 계속되는 상기 상부 테더 부분(5a)과 상기 하부 테더 부분(5b) 사이의 전이 지점(15)에서 끝난다. 도면 2b에서 상기 상부 테더 부분(5a) 및 하부 테더 부분(5b)은 전이 부분(5c)에 의해 상기 상부 테더 부분(5a)의 상기 유체역학적 형상으로부터 상기 하부 테더 부분(5b)의 상기 비-유체역학적 형상으로 전이한다. 상기 전이 부분(5c)은 어떠한 적합한 중간 형상도 취할 수 있다.
상기 상부 테더 부분(5a) 및 상기 하부 테더 부분(5b)은, 상기 상부 테더 부분(5a)과 상기 하부 테더 부분(5b) 사이의 기계적 연결이 상기 각각의 상부 테더 부분(5a) 및 상기 하부 테더 부분(5b)의 힘 요구(force requirements)를 충족시키기에 충분히 강하게 만들어지기만 하면, 많은 방법들로 연결될 수 있다.
도면 3은 하나의 예시적인 실시예에 따른 테더(5)의 상부 테더 부분(5a)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 상기 상부 테더 부분(5a)의 단면은 유체역학적이고 어떠한 적합한 에어포일(airfoil) 또는 하이드로포일(hydrofoil) 형상도 가질 수 있다. 따라서, 그 외부 형상은 날개형상, 또는 드롭형상(drop-shaped), 단면 프로파일 또는 날개형(wing-like) 구조물을 가지거나 형성할 수 있다. 따라서 전형적인 예시인 실시예에 따르면, 상기 상부 테더 부분(5a)의 단면 프로파일은 날개 프로파일에 들어맞고, 상기 액체의 상대적인 플로우 방향과 관련하여 같은 효과적인 두께를 갖는 비-날개 프로파일된(non-wing profiled) 단면과 관련하여 감소된 끌림을 제공한다. 뿐만 아니라, 날개 프로파일에 있어서 인장력 베어링(bearing) 부분의 같은 단면 영역을 유지하면서 상기 액체의 상대적인 플로우 방향과 관련하여 상기 효과적인 두께가 감소될 수 있고, 이는 상기 끌림을 추가로 감소시킬 수 있다.
상기 하부 테더 부분(5b)은 어떠한 적합한 비-유체역학적 단면, 예를 들어 타원형, 원형 또는 계란형과 같은 축 대칭 형상들도 가질 수 있다. 상기 테더(5)의 길이는 1-500 미터 사이, 특히 20-300 미터 사이, 보다 구체적으로는 30-200 미터 사이일 수 있다.
상기 상부 테더 부분(5a)은 상부 테더 부분(5a)의 외부 형상을 형성하는 적어도 하나의 쉘 부재(15)를 포함한다. 상기 쉘 부재(15)는 탄성 물질, 열가소성 물질, 열경화성 물질, 탄소 섬유 라미네이트, 유리 섬유 라미네이트, 합성 물질, 물질에 있어서 폴리우레탄, 폴리우레탄 탄성 물질, 또는 다른 적합한 물질들을 포함하는 물질, 및/또는 이들의 조합물들 중 적어도 하나를 포함한다. 대안적으로, 상기 쉘 부재(15)는 섬유, 또는 합성물, 라미네이트들의 외부 층(들)을 포함할 수 있으며, 여기에서 내부 지역은 충전재 물질로 채워질 수 있다. 도면 3에서 알 수 있는 바와 같이, 다양한 케이블들이 상기 테더(5)에 가득하다(run through). 상기 테더(5)에 가득한 케이블들의 예시들은 전력 및 데이터 통신 케이블들이다. 게다가 인장력 베어링 부재가 상기 테더(5)에 가득하여 탄성 테더(5)를 제공하며 유연하고, 따라서 강력하고 논리적으로(logistically) 유익한 테더(5)를 허용하는데, 예를 들어 코일링(coiling) 또는 와인딩(winding)을 허용하는 것이다. 예를 들어, 상기 인장력 베어링 부분은 UHMWPE (초고분자량 폴리에틸렌), 예를 들면 Dyneema®또는 유사한 고성능 섬유들을 포함한다. 뿐만 아니라, 스틸 와이어 로프 또는 스틸 와이어 로프들이 인장력 베어링 부분으로서 또는 인장 부재들로서 이용될 수 있다. 바람직하게는 전체 테더(5)가 탄성이 있는 것이다.
상기 하부 테더 부분(5b)은 상기 하부 테더 부분(5b)의 외부 형상을 형성하는 적어도 하나의 쉘 부재를 포함한다. 상기 쉘 부재는 탄성 물질, 열가소성 물질, 열경화성 물질, 탄소 섬유 라미네이트, 유리 섬유 라미네이트, 합성 물질, 물질에 있어서 폴리우레탄, 폴리우레탄 탄성 물질, 또는 다른 적합한 물질들을 포함하는 물질, 및/또는 이들의 조합물들 중 적어도 하나를 포함한다. 대안적으로, 상기 쉘 부재(15)는 섬유, 또는 합성물, 라미네이트들의 외부 층(들)을 포함할 수 있으며, 여기에서 내부 지역은 충전재 물질로 채워질 수 있다. 상기 상부 테더 부분(5a)과 같이, 케이블들이 상기 하부 테더(5b)에 가득하다. 상기 테더(5)에 가득한 케이블들의 예시들은 전력 및 데이터 통신 케이블들이다. 게다가 인장력 베어링 부재가 상기 테더(5)에 가득하여 탄성 테더(5)를 제공하며 유연하고, 따라서 강력하고 논리적으로 유익한 테더(5)를 허용하는데, 예를 들어 코일링 또는 와인딩을 허용하는 것이다. 예를 들어, 상기 인장력 베어링 부분은 UHMWPE (초고분자량 폴리에틸렌), 예를 들면 Dyneema®또는 유사한 고성능 섬유들을 포함한다. 뿐만 아니라, 스틸 와이어 로프 또는 스틸 와이어 로프들이 인장력 베어링 부분으로서 또는 인장 부재들로서 이용될 수 있다.
도면 4는 느슨한 물에서의 상기 수중 발전소(1)를 개략적으로 도시한다. 본 발명의 예시적인 실시 예들에 따르면, 수중 발전소(1)는 느슨한 물에서 좋은 위치를 유지하는 것뿐만 아니라 미리 정해진 궤도(6)를 따른 이동 둘 다의 조건들을 취급할 수 있는 테더(5)를 포함한다. 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 갖는 상부 테더 부분(5a)을 포함하는 테더(5)는 유체역학적 단면을 가지고, 상기 비히클(3)에 연결되도록 배치되고, 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖는 하부 테더 부분(5b)은 비-유체역학적 단면을 가지고 상기 구조물(2)에 연결되도록 배치되어 있어 상기 수중 발전소(1)가 느슨한 물의 조건들을 잘 취급할 수 있게 한다.
도면 4에서, 상기 수중 발전소(1)는 다른 부력을 갖는 3 개의 발전소 구획들을 포함하는 것을 알 수 있다. 제 1 발전소 구획은 상기 비히클(3) 자체로 양성의(positive) 부력을 가지고 상기 비히클 옆의 화살표로 표시된 대로 표면에 도달하는 것에 매진할 것이다. 상기 비히클(3)의 부력은 예를 들어 상기 날개(4)에 하나 이상의 알려진 부력 기술들을 구현함으로써 조절될 수 있다. 제 2 구획은 음성의(negative) 부력을 가지는 상기 상부 테더 부분(5a)이다. 제 3 발전소 구획은 양성의 부력을 가지는 상기 하부 테더 부분(5b)이다. 상기 양성의 부력은 예를 들어 섬유의 외부 층 또는 합성물 또는 라미네이트들을 포함하는 쉘 부재를 구비함으로써 달성되며, 여기에서 내부 지역은 충전재 물질로 채워질 수 있다. 따라서, 상기 하부 부분의 밀도는 가스 충전 컨테이너들을 상기 하부 테더 부분(5b)의 내부 지역에 부가함으로써 제어된다. 대안적으로, 상기 하부 테더 부분(5b)의 밀도는 상기 주변 유체 보다 낮은 밀도를 가지는 상기 테더(5)의 외부에 요소들을 부착함으로써 제어된다. 상기 하부 테더 부분(5b)은 화살표로 표시된 대로 표면에 도달하는 것에 매진할 것이다.
상기 3 개의 발전소 구획들의 밀도 변화의 효과는 상기 테더 (5)가 느슨한 물에서 비선형 형상, 바람직하게는 상기 발전소(1)의 상기 비히클(3), 상기 상부 테더 부분(5a) 및 상기 하부 테더 부분(5b)의 평균 밀도가 위에서 기술된 대로 다르기 때문에 S-형상 모습을 형성하는 것이다. 또 하나의 효과는 깊이 d1으로 표시되는 상기 발전소(1)가 잠기게 되는 유체의 몸체 표면과 관련하거나, 또는 깊이 d2로 표시되는 상기 비히클(3)이 이동하는데 걸친 바닥면과 관련하여, 둘 중 하나 또는 둘 모두와 관련하여 상기 비히클(3)의 위치를 제어하는 것이 가능한 것이다.
상기 비선형 형상의 또 하나의 이점은 상기 비히클(3)과 테더(5)가 서로 접근하는 것에 매진한다는 것이다. 이 배후의 원리는 2 개의 단부들을 가지는 가요성 몸체, 예를 들어 테더는 상기 몸체의 중앙에서 힘을 경험하며, 상기 2 개의 단부들은 상기 몸체가 아크(arc)를 형성하는 동안 서로를 향해 움직이는 것에 매진할 것입니다. 제 1 테더 부분은 상기 비히클(3) 및 상기 하부 테더 부분(5b)에 부착된다. 상기 상부 테더 부분(5a)이 상기 유체보다 높은 밀도를 가짐으로 인해 가라 앉을 때, 상기 상부 테더 부분(5a)이 아크를 형성함에 따라 상기 상부 테더 부분(5a)의 제 1 단부(16) 및 제 2 단부(17)는 서로를 향해 이동하는 것에 매진한다. 상기 하부 테더 부분(5b)의 제 3 단부(18) 및 제 4 단부(19)는 그들이 상기 상부 테더 부분(5a)과 상기 구조물(2)에 차례로 부착되는 것과 같은 거동을 나타낸다. 상기 단부들(16, 17, 18, 19) 옆의 화살표들(16a, 17a, 18a, 19a)은 각각의 단부에 작용하는 힘들을 분명히 보여주는 것을 목표로 한다. 상기 제 4 단부(19)가 상기 구조물(2)에 고정되고 옆길(sideways)로 이동할 수 없기 때문에, 이는 상기 상부 테더 부분(5a) 뿐만 아니라 상기 비히클(3)도 상기 구조물(2)을 향해 옆길로 이동하는 결과를 야기한다. 상기 테더(5)와 비히클(3)의 다른 부분에서의 상기 야기한 힘들은 화살표(20)에 의해 표시된 대로 상기 테더(5) 및 비히클(3)이 상기 구조물(2)을 향해 이동하도록 한다. 양성의 부력을 가진 상기 하부 테더 부분(5b)은 스스로를 수직으로 세운 위치에 바로 세우려고 매진한다. 이들 모든 효과들은 꼬임, 뒤틀림 또는 상기 테더(5)에 손상을 입히는 상기 테더(5)의 위험을 줄이거나 완전히 제거하는 방향을 목표로 한다. 상기 비선형 형상 및 상기 구조물(2)을 향한 상기 비히클(3)의 움직임은 상기 유체 스트림의 방향이 방향을 바꿀 때, 예를 들어 조류에서 상기 발전소 (1)의 취급을 또한 향상시킨다.
도면 5는 제 2 예시적 실시예에 따른 수중 발전소(1)를 개략적으로 도시한다. 상기 수중 발전소(1)는 유체에 잠기게 되고 구조물(2) 및 적어도 하나의 날개(4)를 포함하는 비히클(3)을 포함한다. 상기 비히클(3)은 적어도 하나의 테더(5)에 의해 상기 구조물(2)에 고정되도록 배치된다. 상기 비히클(3)은 상기 비히클(3) 통과하는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도(6)로 움직이도록 배치된다. 도면 1에서 상기 유체 스트림의 방향은 본질적으로 상기 도면으로 포인팅 한다. 상기 유체 스트림은 예를 들어 해류, 조류 또는 강 스트림일 수 있다.
상기 비히클(3)은 전면 스트러트들(7)과 후면 스트러트(8)를 추가로 포함한다. 상기 비히클(3)은 상기 날개(4)에 부착된 나셀(9)을 포함할 수 있다. 상기 나셀(9)은 상기 날개(4)의 아래 또는 위에 위치될 수 있고, 예를 들어 철탑에 의해 상기 날개(4)에 부착될 수 있다. 상기 비히클(3)은 예를 들어 방향타(vertical rudder)(10) 형태의 제어 표면들을 추가로 포함할 수 있다. 상기 전면 스트러트들(7)은 상기 날개(4)에 부착되고, 상기 후면 스트러트(8)는 하나의 예시적인 실시예에서 상기 나셀(9)에 부착된다. 상기 비히클(3)은 하나 이상의 제어 표면들 또는 다른 조종 수단들을 제어할 수 있는 제어 시스템에 의해 상기 미리 정해진 궤도(6)를 따라 조종된다. 상기 제어 시스템은 예를 들어 하나 이상의 온-보드(on-board) CPU들 또는 제어 회로 기판들 또는 원격 제어 센터로부터 전송된 신호들에 의해 구현될 수 있다.
상기 나셀(9)은 발전기(12)에 회전 가능하게 연결된 터빈(11)을 포함한다. 상기 유체를 통한 상기 비히클(3)의 이동은 상기 터빈(11), 및 이에 따른 상기 발전기(12)를 회전시킨다. 이런 방식으로 전력이 발생된다. 상기 수중 발전소는 상기 테더(5) 내에서 전기 케이블들을 통해 상기 전력을 전력 공급 네트워크에 공급하는 전력 인출 장치를 포함하며, 차례차례 상기 전력을 전력망에 전달한다.
상기 테더(5)는 상부 테더 부분(5a), 하부 테더 부분(5b)과 중간 테더 부분(5d)을 포함한다. 상기 상부 테더 부분(5a)은 유체역학적 프로파일 또는 단면을 가지고, 상기 유체 스트림 내 상기 유체 보다 높은 평균 밀도를 가진다. 상기 하부 테더 부분(5b)은 비-유체역학적 프로파일 또는 단면을 가지고, 상기 유체 스트림 내 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖는다. 상기 중간 테더 부 분(5d)은 유체역학적 프로파일 또는 단면을 가지고 상기 유체 스트림 내 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖는다. 상기 상부 테더 부분(5a)은 상기 스트러트들이 부착된 탑 조인트(13)에 의해 상기 비히클(3)과 연결한다. 상기 하부 테더 부분(5b)은 버텀 조인트(14)에 의해 상기 구조물(2)과 연결한다.
상기 상부 테더 부분(5a) 및 상기 중간 테더 부분(5d)은, 상기 상부 테더 부분(5a)과 상기 중간 테더 부분(5d) 사이의 기계적 연결이 상기 각각의 상부 테더 부분(5a) 및 상기 중간 테더 부분(5d)의 힘 요구(force requirements)를 충족시키기에 충분히 강하게 만들어지기만 하면, 많은 방법들로 연결될 수 있다. 상기 중간 테더 부분(5d) 및 상기 하부 테더 부분(5b)은, 상기 중간 테더 부분(5d)과 상기 하부 테더 부분(5b) 사이의 기계적 연결이 상기 각각의 중간 테더 부분(5d) 및 상기 하부 테더 부분(5b)의 힘 요구(force requirements)를 충족시키기에 충분히 강하게 만들어지기만 하면, 많은 방법들로 연결될 수 있다. 예를 들어 테더 부분들 간의 연결/전환은 도면들 2a 및 2b의 상기 도면 설명을 또한 참조한다.
상기 중간 테더 부분(5d)은 밀도가 다른 상기 상부 테더 부분(5a)으로 되어있다.
청구항들에 언급된 참조 부호들은 청구항들에 의해 보호되는 사안의 범위를 제한하는 것으로 보여져서는 안되며, 그들의 유일한 기능은 청구항들을 더욱 쉽게 이해하도록 만드는 것이다.
이해되는 바와 같이, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위로부터 벗어나는 것 없이 모두 다양한 명백한 관점들에서 변형할 수 있다. 따라서, 도면들 및 상세한 설명은 사실상 예시이며 제한적인 것으로 고려되어서는 안된다.

Claims (17)

  1. 수중(submersible) 발전소로서,
    상기 수중 발전소는 유체에 잠기게 되고,
    상기 발전소는 구조물과 비히클(vehicle)을 포함하고,
    상기 비히클은 적어도 하나의 날개를 포함하고,
    상기 비히클은 적어도 하나의 테더(tether)에 의해 상기 구조물에 고정되도록 배치되고;
    상기 비히클은 상기 비히클을 지나가는 유체 스트림(stream)에 의해 미리 정해진 궤도로 이동하도록 배치되고,
    적어도 하나의 날개를 포함하는 상기 비히클,
    적어도 하나의 테더에 의해 상기 구조물에 고정되도록 배치되어 있는 상기 비히클;
    상기 비히클을 지나가는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도로 이동하도록 배치되는 상기 비히클,
    상기 테더가 상부 테더 부분과 하부 테더 부분을 포함하고;
    상기 상부 테더 부분이 상기 유체보다 더 높은 평균 밀도를 가지며, 유체역학적 단면을 가지고, 상기 비히클에 연결되도록 배치되고;
    상기 하부 테더 부분이 상기 유체보다 더 낮은 평균 밀도를 가지며, 비-유체역학적 단면을 가지고 상기 구조물에 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    수중 발전소.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상부 테더 부분이 상기 테더 길이의 30-70 %를 포함하고, 상기 하부 테더 부분은 상기 테더 길이의 70-30 %를 포함하는 수중 발전소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 테더는 상기 유체보다 낮은 평균 밀도를 가지는 중간 테더 부분을 포함하고, 상기 중간 테더 부분은 유체역학적 단면을 가지며, 상기 중간 테더 부분은 상기 상부 테더 부분과 상기 하부 테더 부분 사이에 배치되는, 수중 발전소.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 상부 테더 부분의 길이가 상기 테더 길이의 20-40 % 사이일 수 있고, 상기 중간 테더 부분의 길이는 20-60 % 사이일 수 있으며, 상기 하부 테더 부분의 길이는 상기 테더 길이의 10-20 % 사이일 수 있는 수중 발전소.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 발전소의 상기 비히클이 상기 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖는 수중 발전소.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유체가 물이고, 상기 하부 테더 부분의 상기 평균 밀도가 700-900 kg/m3 사이이고, 상기 상부 테더 부분의 상기 평균 밀도는 1050-1250 kg/m3 사이인, 수중 발전소.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 유체가 물이고 상기 중간 테더 부분의 상기 평균 밀도가 700-900 kg/m3 사이인, 수중 발전소.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 테더가 상기 테더의 외부 형상을 형성하는 쉘(shell) 부재를 포함하는 수중 발전소.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 쉘 부재가 탄성(elastomeric) 물질, 열가소성(thermoplastic) 물질, 열경화성(thermoset) 물질, 탄소 섬유 라미네이트(laminate), 유리 섬유 라미네이트, 그리고 폴리우레탄, 폴리우레탄 탄성(elastomer) 물질, 스틸을 포함하는 합성 물질 및/또는 이들의 조합물들 중 적어도 하나를 포함하는 수중 발전소.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 쉘 부재가 섬유 또는 합성물 또는 라미네이트들(laminates)의 외부 층(들)을 포함하고, 내부 영역은 충전재로 채워질 수 있는 수중 발전소.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 하부 부분의 상기 밀도가 상기 하부 테더 부분의 상기 내부 영역에 가스 충전 컨테이너들을 부가함으로써 조절되는 수중 발전소.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 테더 부분의 상기 밀도가 상기 테더의 바깥쪽에 주변 유체 보다 낮은 밀도를 갖는 요소들을 부착함으로써 조절되는 수중 발전소.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 비히클은:
    - 발전기에 연결된 터빈을 포함하는 나셀(nacelle), 상기 비히클의 이동에 의해 구동되는 상기 터빈,
    - 상기 비히클을 상기 테더에 부착하도록 배치되는 전면 스트러트들(front struts)과 후면 스트러트(rear strut)
    를 포함하는 수중 발전소.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 상부 테더 부분이 탑 조인트(top joint)에 의해 상기 비히클과 연결하는 수중 발전소
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 테더 부분이 버텀 조인트(bottom joint)에 의해 상기 구조물과 연결하는 수중 발전소
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 테더가 가요성(flexible)인 수중 발전소.
  17. 수중 발전소의 제어 방법에 있어서,
    상기 방법은,
    - 수중 발전소를 구조물과 연결하는 테더를 배치하는 단계(상기 테더는 상부 테더 부분과 하부 테더 부분을 포함);
    - 상기 상부 테더 부분이 주변 유체 보다 높은 평균 밀도를 갖도록 배치하는 단계,
    - 상기 상부 테더 부분이 유체역학적 단면을 갖도록 배치하는 단계, 및
    - 상기 상부 테더 부분이 비히클에 연결되도록 배치하는 단계;
    - 상기 하부 테더 부분이 상기 주변 유체 보다 낮은 평균 밀도를 갖도록 배치하는 단계,
    - 상기 하부 테더 부분이 비-유체역학적 단면을 갖도록 배치하는 단계, 및
    - 상기 하부 테더 부분이 상기 구조물에 연결되도록 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 수중 발전소가 미리 정해진 궤도로 이동하는 경우, 상기 수중 발전소의 상기 테더는 채찍질(whiplash)에 의해 유발된 테더 진동의 감소를 겪고; 및
    상기 수중 발전소가 미리 정해진 궤도로 이동하지 않는 경우, 상기 수중 발전소의 상기 테더는 상기 상부 테더 부분 및 상기 하부 테더 부분, 상기 발전소의 비히클 사이의 평균 밀도 차이로 인해 S-형상을 형성하는 수중 발전소의 제어 방법
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