KR102566359B1 - 전력 생산용 수중 발전소 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수중 발전소(1) 및 수중 발전소(1)를 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 수중 발전소(1)는 최소 깊이에 제공된 앵커링(2)과 적어도 하나의 윙(4)을 포함하는 차량(3)을 포함한다. 상기 차량(3)은 앵커링 커플링(19)에 의해 앵커링(2)에 회전 가능하게 부착되고 적어도 하나의 차량 커플링에 의해 차량(3)에 부착된 적어도 하나의 테더(5)에 의해 앵커링(2)에 고정되도록 배치된다. 상기 수중 발전소(1)는 수중 발전소(1)의 작동 중 및 비-작동 중 모두에서 유체(9)의 바디에 완전히 잠기고, 상기 테더(5)는 윙(4)의 익폭(W)의 2 - 20 배, 구체적으로 윙(4)의 익폭(W)의 3 - 12배, 보다 구체적으로 윙(4)의 익폭(W)의 5 - 10배의 연장되지 않은 테더 길이(L)를 갖는다.
Description
본 발명은 전력을 생산하기 위한 수중 발전소에 관한 것이다. 수중 발전소는 최소 깊이 Dmin에 제공된 앵커링과 적어도 하나의 윙을 포함하는 차량을 포함한다. 차량은 앵커링 커플링에 의해 앵커링에 회전 가능하게 부착되고 적어도 하나의 차량 커플링에 의해 차량에 부착되는 적어도 하나의 테더에 의해 앵커링에 고정되도록 배치된다. 차량은 수중 발전소의 작동 중에는 윙을 통과하는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도 내에서 이동하도록 배치된다. 차량은 수중 발전소의 비-작동 중에는 본질적으로 앵커링 상부의 위치에 체류하도록 배치된다. 본 발명은 또한 수중 발전소를 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.
수중 발전소의 현재 솔루션들은 수중 발전소의 차량을 쉽게 설치하고 복구하기 위해 수중 발전소가 설치되는 수주(water column)의 수심을 초과하는 길이를 갖는 테더를 필요로 한다. 이 조건은 조수의 방향이 바뀔 때 또는 다른 저유량 조건동안 수중 발전소의 차량을 항상 게조(slack water)에 잠긴 상태로 유지하는 복잡성을 도입한다. 이는 수중 발전소의 다양한 부분에 대한 부력 제한과 복잡한 제어 시스템을 필요로 한다.
테더 자체는 시스템에 전반적인 항력(drag)을 추가로 도입하고 이에 의해 성능을 저하시킨다. 항력은 테더 길이의 함수인데, 즉, 테더가 길수록 항력이 높아진다. 이는, 테더에 의해 도입된 항력으로 인해 수중 발전소를 효율적으로 운영하기가 매우 어려울 것이기 때문에, 더 깊은 물로 기술을 확장하는 것을 고려할 때 더욱 중요하다.
따라서 수중 발전소 분야에서의 개선이 필요한다.
본 발명의 하나의 목적은 앞서 언급된 문제점들이 적어도 부분적으로 회피되는 발명적인 전력 생산용 수중 발전소 및 수중 발전소를 제공하는 방법을 제공하는 것이다. 이 목적은 청구항 제1항 및 제9항의 특징부의 특징들에 의해 달성된다. 본 발명의 변형들은 첨부된 종속 청구항들에 기술되어 있다.
본 발명은 전력 생산용 수중 발전소에 관한 것이다. 상기 수중 발전소는 최소 깊이(Dmin)에 제공된 앵커링 및 적어도 하나의 윙을 포함하는 차량을 포함한다. 상기 차량은 앵커링 커플링에 의해 앵커링에 회전 가능하게 부착되고 적어도 하나의 차량 커플링에 의해 차량에 부착되는 적어도 하나의 테더에 의해 앵커링에 고정되도록 배치된다. 상기 차량은 수중 발전소의 작동 중에는 윙을 통과하는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도 내에서 이동하도록 배치되며, 수중 발전소의 비-작동 중에는 본질적으로 앵커링 상부의 위치에 체류하도록 배치된다. 수중 발전소의 작동 중 및 비-작동 중에 수중 발전소가 유체의 바디에 완전히 잠기도록, 테더는 연장되지 않은 테더 길이를 갖는다. 상기 연장되지 않은 테더 길이는 윙의 익폭(wingspan)의 약 2 - 20 배, 구체적으로 윙의 익폭의 약 3 - 12배, 보다 구체적으로 윙의 익폭의 약 5 - 10배이다.
수중 발전소의 작동 중 및 비-작동 중 모두에서 수중 발전소가 완전히 잠기게 되고, 이와 동시에 윙의 익폭의 약 2 - 20배 범위에 있는 테더 길이를 갖는 테더를 제공함으로써, 예를 들어 선박 항로들과의 방해 위험없이 안전한 클리어런스 깊이에 수중 발전소가 설치될 수 있는 것을 가능하게 하고 이와 동시에 원하는 양력 대 항력 비(lift to drag ratio)를 보장하는 테더 길이와 차량의 익폭 간의 관계를 제공하는 것을 가능하게 한다.
연장되지 않은 테더 길이가 윙의 익폭에 비해 짧을 때 미리 정해진 궤도는 작으며, 이는 차량이 항상 회전한다는 것을 의미한다. 일반적으로, 더 짧은 테더 길이, 예를 들어 윙의 익폭의 약 2-5배의 테더 길이는 어레이에서 훨씬 더 높은 패킹 밀도, 즉 단위 면적당 더 많은 발전소를 허용할 뿐만 아니라 더 얕은 물에 설치를 위한 개구를 가능하게 한다.
연장되지 않은 테더 길이가 길 때, 차량은 훨씬 더 큰 반경에 대한 턴오버 및/또는 회전없이 미리 정해진 궤도의 부분들을 따라 이동할 수 있다. 이는 속력 (및 속도)의 변화를 낮추고 또한 사이클 수(피로 등)를 낮춘다. 일반적으로, 더 긴 테더 길이, 예를 들어 윙의 익폭의 약 15-20배의 테더 길이는 더 깊은 물에 설치를 가능하게 한다.
윙의 익폭의 5 - 15배 사이 범위의 테더 길이는 더 짧은 테더 길이와 더 긴 테더 길이에 적합한 설치 깊이들 사이의 설치 깊이에서 사용될 수 있으며 또한 미리 정해진 궤도의 최적화를 가능하게 한다.
본 출원에 제시된 솔루션은 테더 길이가 비-작동 중에 차량이 수면으로 올라오는 그러한 길이일 때 필요한, 차량을 항상 잠긴 상태로 유지하도록 설계된 온-보드 시스템을 회피함으로써 수중 발전소의 작동을 단순화하도록 의도된 것이다.
해저(seabed), 호저(lake bed) 또는 하저(stream bed)에 제공되는 것이 필수적이지 않은 앵커링을 가짐으로써, 수중 발전소는 다른 방법으로는 개척하기 어려운 깊이들에 다목적으로 설치될 수 있다. 따라서, 이 솔루션은 깊이가 더 큰 사이트에 수중 발전소의 설치를 가능하게 할 수 있으며, 앵커링에 부착된 테더를 가짐으로써 결과적으로 앵커링보다 훨씬 아래의 해저에 부착할 수 있으므로 테더를 설계할 때 시스템을 사이트 깊이와 독립적으로 만드는 것을 가능하게 한다. 이는 또한 수중 발전소의 차량들이 훨씬 더 큰 윙들을 갖는 것으로 설계될 수 있게 하는 것을 유발하고, 이는 이들을 오늘날 가능한 것보다 낮은 유속에서 작동 가능하게 만들어 준다. 해류로부터의 발전은 이러한 경우들에 낮은 유속들이 활용될 수 있는 하나의 예이다.
테더는 이러한 방식으로 표면 작동을 위해서가 아닌 성능과 신뢰성만을 위해 설계될 수 있다. 또한, 이 솔루션은 현재 사용되는 것보다 더 짧은 테더를 유발하여, 테더 비용을 낮추어준다. 테더가 더 짧게 제조될 수 있음에 따라 테더에서의 전기적 손실도 감소된다.
이 솔루션의 추가 장점은 다음과 같다:
- 흐름이 없는 상태에서 또는 흐름이 없는 상태에 가까운 상태에서 차량의 파킹 위치는 기본적으로 앵커링 바로 위에 있다. 오늘날, 차량의 파킹 위치는 기초(foundation) 위의 위치에서 오프셋되어 있는데, 이는 차량이 기초 바로 위의 위치에서 떨어져서 파킹되는 것을 의미한다.
- 차량이 그 수직축을 중심으로 회전하는 것을 가능하게 함으로써 게조 턴(slack water turns)이 간단하게 실행될 수 있다.
- 테더는 더 작은 전체 시스템 항력을 생성하여, 시스템에서 더 높은 효율성을 돌려준다.
- 차량에 탑재된 시스템들은 복잡성이 제거 및/또는 저감될 수 있어, 비용을 낮추고 신뢰성을 높일 수 있다.
따라서 테더 길이는 최소 깊이(Dmin)보다 작다.
수중 발전소는 앵커링이 예를 들어 해저, 호저 또는 하저 상에 제공되는 기초(foundation)가 되도록 설치될 수 있다. 앵커링이, 해저 상에 설치되는, 기초일 때, 유속이 사실상 주기적인 조수 및 보다 영구적인 유속을 갖는 해류 모두, 발전에 활용될 수 있다. 수중 발전소가 호저 상에 설치될 때, 호수 내 물의 흐름으로부터의 유속 또는 강이 호수에 연결되어 발생하는 유속이 발전에 활용될 수 있다. 수중 발전소가 하저, 예를 들어 강 바닥 상에 설치될 때, 강에서 흐르는 물의 유속이 발전에 활용될 수 있다. 해저, 호저 또는 하저 상에 직접적으로 제공되는 기초를 가짐으로써, 해저에 2차 부착이 필요하지 않다.
테더의 일부는 수중 발전소의 작동 중에 앵커링와 차량 사이의 거리를 변경하도록 배치되거나 앵커링과 차량 사이의 거리의 변경을 가능하게 하도록 배치된 요소를 포함할 수 있다. 앵커링과 차량 사이의 거리를 변경하거나 앵커링과 차량 사이의 거리의 변경을 가능하게 하는 요소는, 전체 미리 정해진 궤도에 걸쳐 또는 미리 정해진 궤도의 일부에 걸쳐 지속적으로 그렇게 할 수 있다. 상기 요소는 미리 정해진 궤도에 걸쳐 차량의 속도의 변화를 감소시킨다. 상기 요소는, 미리 정해진 궤도에 걸쳐 차량의 속도의 변화를 감소시키는 것에 추가하거나 대신하여, 트랜스듀서에 의해 차량과 구조물 사이의 거리의 변화로부터 전력이 생성되는 것을 가능하게 할 수 있다. 미리 정해진 궤도을 따라 특정 포인트에서의 속도는 그 포인트에서의 속도의 크기로 계산된다.
연장되지 않은 테더 길이는 가능하게는 차량의 부력 외에 본질적으로 어떠한 힘도 테더 상에 작용하지 않을 때, 비-작동 중의 테더 길이이다. 이 상태에서, 요소가 있거나 없는, 테더는 어떠한 길이 연장도 나타내지 않는다. 연장된 테더 길이는 작동 중 테더 길이이며, 차량에 작용하는 힘에 따라 달라진다. 테더가 요소를 포함하지 않는 경우, 테더의 탄성이 연장된 테더 길이를 결정한다. 테더가 요소를 포함하는 경우, 요소, 그리고 가능하게는 테더의 탄성이 연장된 테더 길이를 결정한다. 비-작동 중에, 요소는 연장되지 않은 테더 길이에 포함된 연장되지 않은 길이를 채용한다. 작동 중에, 연장된 테더 길이는 클리어런스 깊이보다 크거나 같은 깊이가 항상 유지되도록 한다.
표준 테더들에 있어서, 테더가 미리 정해진 궤도에 걸쳐 다양한 인장 하중에 노출되는 것에 기인하여 차량과 구조물 사이의 거리가 변경된다. 인장 하중의 변화는 윙 및 이에 따라 차량의 속도에 2차 관계를 갖는다. 이러한 인장 하중의 변화는 테더가 미리 정해진 궤도에 걸쳐 탄성적인 길이 연장 및 수축을 나타내는 것으로 이어지고, 이에 의해 차량과 구조물 사이의 거리를 제어할 수 없게 변경하여 일부 경우에 그리고 일부 관점에서 바람직하지 않을 수 있다.
미리 정해진 궤도에 걸쳐 또는 미리 정해진 궤도의 일부 동안에 차량과 구조물 사이의 거리를 지속적으로 변경하도록 배치되거나 차량과 구조물 사이의 거리의 변경을 허용하도록 배치된 요소가 있는 테더를 갖는 것은 차량 미리 정해진 궤도에 걸쳐 및/또는 차량 미리 정해진 궤도의 서로 다른 부분들 사이에서 속도를 부드럽게 제어하는 것으로 이어진다. 변경하도록 배치된다는 것은 요소가 수동적이지만 수중 발전소의 특성들, 수중 발전소의 사이트 및 다른 디자인 특성들에 따라 달라질 수 있는 스프링 상수와 같은 미리 정해진 특성들을 가지고 있음을 의미한다. 변경을 허용하도록 배치된다는 것은 요소가 능동적으로 제어될 수 있어 거리가 특정 파라미터 내에서 조절될 수 있다는 것을 의미한다.
요소를 포함하는 테더의 부분은 테더 길이의 약 5 - 15%를 구성할 수 있다. 이는 테더의 내구성과 적절한 특성을 가진 테더를 디자인할 수 있는 것 사이의 양호한 트레이드 오프를 가능하게 한다. 하나의 예로, 100kW의 전력 소요량을 갖는 수중 발전소에 대하여, 높이가 약 2.5 미터인 폴리머 스프링의 형태의 요소가, 인가된 부하를 처리할 수 있다. 이러한 수중 발전소에 대한 테더 길이는 약 20-40 미터이고, 요소를 테더 길이의 6.25 - 12.5%로 만들어준다. 이는 또한, 예를 들어 요소를 더 넓게 만드는 것에 의해, 다른 전력 소요량을 갖는 수중 발전소에 적용할 수 있다. 추가로, 요소를 가능한 한 앵커링에 가깝게 하는 것이 바람직한데, 여기서 테더에 대한 상대적인 흐름이 낮다. 테스트들은 전체 테더 길이의 5-15%가 이에 대한 합리적인 수치이다라는 것을 보여주었다.
상기 요소는 나선형 또는 코일 스프링, 디스크 스프링 스택, 엘라스토머 스프링 또는 가스 스프링 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 테더는 앵커링으로부터 해제 가능하도록 배치된 앵커링 커플링에 해제 가능하게 부착될 수 있다. 상기 앵커링 커플링은 앵커링으로부터 유체의 바디의 표면으로 이어지는 앵커 라인에 이동 가능하게 부착될 수 있어, 앵커링 커플링 및 테더가 표면으로 그리고 표면으로부터 가져와질 수 있다. 이는 수중 발전소의 차량이 부착된 테더를 수중 발전소의 차량의 설치동안 또는 유지보수 후에 앵커링으로 내리거나 끌어 내리거나 유지보수를 위해 표면으로 올리는 것을 가능하게 한다.
앵커링 커플링은 부력이 있을 수 있다. 앵커링 커플링으로부터 테더와 차량을 제거한 후, 앵커링 커플링이 유체의 바디에 남아있는 동안 테더와 차량은 유지보수를 위해 해안으로 이송될 수 있다. 앵커링 커플링은, 차량과 테더가 앵커링 커플링에 재부착되고 표면으로부터 다시 가져와지면 쉽게 발견될 수 있도록, 부표와 같은 식별자에 의해 표시될 수 있다. 대안적으로, 유지보수를 위해 차량만 해안으로 가져와지는 동안 테더는, 앵커링 커플링에 부착된 채로, 남겨질 수도 있다.
적어도 하나의 터빈이 수중 발전소의 윙에 부착되고 수중 발전소의 작동 중에 발전을 위해 발전기에 연결될 수 있다. 발전기에 연결된 터빈을 사용하여 발전이 될 수 있다. 터빈은 물을 통한 차량의 움직임에 의해 회전하게 된다. 생성된 전력은 테더에 배치된 그리고 앵커링 및/또는 기초로부터 해안까지의 전기 케이블을 통해 해안 시설로 이송된다.
상기 차량은 작동 중 미리 정해진 궤도에 걸쳐 가변적인 속도 또는 본질적으로 동일한 속도로 이동하도록 배치될 수 있다. 차량이 미리 정해진 궤도을 따라 어디에 있는지에 따라, 차량, 테더 및/또는 수중 발전소의 다른 부분들에 작용하는 힘을 제어하기 위해 차량의 속도가 변화될 수 있다. 미리 정해진 궤도를 따르는 특정 포인트에서의 속도는 그 포인트에서의 속도의 크기로 계산된다. 대안적으로, 보다 균일한 출력을 얻기 위해 속도가 전체 궤도에 걸쳐 본질적으로 동일하게 유지될 수 있다.
본 발명은 또한 전력을 생산하기 위한 수중 발전소를 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 수중 발전소는 앵커링 및 적어도 하나의 윙을 포함하는 차량을 포함한다. 상기 차량은 적어도 하나의 테더에 의해 앵커링에 고정되도록 배치된다. 상기 차량은 수중 발전소의 작동 중에는 윙을 통과하는 유체 스트림에 의해 미리 정해진 궤도로 이동하도록 배치되고, 상기 차량은 수중 발전소의 비-작동 중에는 본질적으로 앵커링 상부의 위치에 체류하도록 배치되는데, 상기 방법은 이하를 포함하고:
- 앵커링을 유체의 바디의 최소 깊이(Dmin)에 제공하는 단계,
- 테더를 앵커링에 부착하는 단계, 상기 테더는 차량에 연결됨,
상기 수중 발전소는 수중 발전소의 작동 및 비-작동 중에 유체의 바디에 완전히 잠기고, 테더 길이는 윙의 익폭의 약 2 - 20배 범위, 구체적으로 윙의 익폭의 약 3 - 12배 범위, 보다 구체적으로 윙의 익폭의 약 5 - 10배 범위에 있다.
상기 방법은 이하를 추가로 포함할 수 있다:
- 앵커링과 차량 간의 거리를 변경하도록 배치되거나 앵커링과 차량 간의 거리의 변경을 허용하도록 배치된 요소를 포함하는 부분을 갖는 테더를 제공하는 단계.
상기 방법은 이하를 추가로 포함할 수 있다:
- 앵커링에 해제 가능하게 부착된 앵커링 커플링을 테더에 제공하는 단계.
상기 방법은 이하를 추가로 포함한다:
- 앵커링 커플링이 이동 가능하게 부착되는 앵커 라인을 앵커링에 제공하는 단계.
상기 방법은 이하를 추가로 포함할 수 있다:
- 수중 발전소의 작동 중 발전을 위해 발전기에 연결된 차량의 윙에 부착되는 적어도 하나의 터빈을 차량에 제공하는 단계.
도 1은 작동 중의 본 발명에 따른 수중 발전소를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 비-작동 중의 본 발명에 따른 수중 발전소를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 테더 길이와 윙의 익폭 사이의 관계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 비-작동 중의 본 발명에 따른 수중 발전소를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 테더 길이와 윙의 익폭 사이의 관계를 개략적으로 나타낸 것이다.
윙의 익폭에 따라 테더 길이를 선택하는 하나의 이유는 다음과 같다. 더 깊은 설치 깊이는 더 큰 차량, 즉 더 큰 윙의 익폭을 허용한다. 수중 발전소 어레이의 설치를 계획할 때, 주어진 소요량의 수중 발전소에 적합한 수심이 먼저 찾아진다. 예를 들어 200 kW 유닛의 아일랜드 모드 설치 (또는 아일랜딩)에 대하여, 설치 사이트의 흐름 특성이 먼저 윙의 익폭를 결정한다. 그 후 충분한 수심이 있는 이 사이트의 영역의 위치가 찾아진다. 앵커링은 적절한 깊이에 설치될 수 있으며, 예를 들어 해저에 직접 배치된 기초에, 국지 수중 봉우리에 또는 차량이 부착하는 특정 장소의 수주의 중간 무어링(mooring)에 설치될 수 있다.
더 작은 차량 또한 더 깊은 깊이에 설치될 수 있지만, 수주의 이 부분에서 유속이 종종 더 높음에 따라, 지역 또는 글로벌 규정에서 허용하는 한 표면에 인접하여 차량을 작동시키는 것이 바람직하다.
도 1은 작동 중의 본 발명에 따른 수중 발전소(1)를 개략적으로 나타낸 것이다. 수중 발전소(1)는 앵커링(2) 및 적어도 하나의 윙(4)을 포함하는 차량(3)을 포함한다. 차량은 적어도 하나의 테더(5)에 의해 앵커링(2)에 고정되도록 배치된다. 차량(3)은 수중 발전소의 작동 중에 윙(4)을 통과하는 유체 스트림(7)에 의해 미리 정해진 궤도(6) 내에서 이동하도록 배치된다.
수중 발전소(1)의 차량(3)이 유체 스트림(7) 내에 배치될 때, 유체 스트림(7)은 윙(4) 위로 이동시키고 양력을 생성한다. 이는 윙(4)의 다른 측면들 간의 압력 차이에 기인하여 윙(4)이 이동하는 것을 야기한다. 유체 스트림(7)은 예를 들어 조수 스트림 또는 수중 해류가 될 수 있다. 하나 이상의 제어 표면(8)을 사용함으로써, 윙(4)은 미리 정해진 궤도(6)를 따라 이동하도록 만들어질 수 있다. 제어 표면(8)은 예를 들어 러더, 에일러론, 엘리베이터, 스포일러 또는 에일러론, 엘리베이터, 스포일러 및 러더의 임의의 조합일 수 있다. 도 1에서, 미리 정해진 궤도(6)은 8자 궤도이다. 미리 정해진 궤도(6)은 또한 원형, 타원형 또는 다른 폐쇄 된 궤도가 될 수 있다.
도 1로부터 볼 수 있는 바와 같이, 수중 발전소(1)는 작동 중에 유체(9)의 바디에 완전히 잠기게 된다. 작동이란 차량(3)이 미리 정해진 궤도(6)를 따라 이동하는 것을 의미한다. 도 1에서, 테더 길이(L)는 설치 사이트에서 유체(9)의 바디의 깊이(Dmin)보다 짧다. 깊이(Dmin)과 테더 길이(L) 모두 테더(5)가 앵커링(2)에 부착된 포인트로부터 측정된다. Dmin은 예를 들어 (있다면) 표면까지의 거리에 대한 라이센스 요구사항(선박 항로, 다이빙 버드 또는 임의의 다른 요구사항) 및 예를 들어 파도 조건과 같은 다른 사이트 파라미터에 의해 결정된다.
도 1은 반드시 축척대로라고는 할 수 없으며 본 개시의 원리를 설명하기 위한 것으로 의도된다. 수중 발전소(1)가 완전히 잠긴다는 것은 차량(3)과 유체의 바디의 표면(10) 사이에 항상 최소 클리어런스 깊이(d)가 있다는 것을 의미한다. 완전히 잠기게 되는 조건은 비-작동 중에, 그리고 간조(low tide) 시에 또한 충족된다. 비-작동은 차량(3)이 미리 정해진 궤도(6)를 따라 이동하지 않는 것을 의미한다. 비-작동은, 예를 들어 조수의 방향이 변경될 때 또는 미리 정해진 궤도를 따라 차량이 이동하는 것을 방해하는 다른 조건에 기인하여, 너무 낮은 스트림 속도로 인해 발생할 수 있다. 차량(3)은 상승 및 하강 조수 동안 회전할 수 있고 그 반대의 경우도 가능하기 때문에, 비-작동 중에 여전히 움직일 수 있다. 클리어런스 깊이(d)는 변화되며 경우에 따라서는 국내 또는 국제 규정에 의해 결정된다. 현재의 예들은 선박 항로가 머리 위로 지나지 않는 설치 사이트에 대한 5 미터에서 선박 항로가 머리 위로 지나가는 설치 사이트에 대한 20까지 달라진다.
일 측면에 있어서, 차량(3)의 윙(4)에는 발전기(12)에 연결된 적어도 하나의 터빈(11)이 장착될 수 있다. 유체 스트림(7)에 의해 구동되는, 유체를 통한 차량(3)의 이동은, 터빈(11) 및 발전기(12)가 회전하는 것을 야기하고, 이에 따라 수중 발전소(1)의 작동 중에 전력을 생성한다. 차량(3)의 윙(4)에는 하나보다 많은 터빈(11)/발전기(12) 구성이 장착될 수 있다. 터빈(11)/발전기(12) 구성은 윙(4)의 상부측(13) 또는 윙(4)의 하부측(14)에 부착될 수 있다. 차량(3)의 윙(4)은 터빈(11)과 발전기(12)가 수용되는 적어도 하나의 나셀(15)을 포함할 수 있다. 용골 포드(keel pod)는 터빈/발전기만 수용하는 반면 시스템의 일부는 대안적으로 윙 내에 구축될 수 있다. 또한 터빈/발전기는 윙 내에 구축될 수 있다.
또한, 차량(3)은 테더(5)를 앵커링(2)에 부착하는 스트럿(strut)(16)을 포함한다. 예를 들어 체인, 제2 테더 또는 이와 유사한 것에 의해 앵커링이 해저에 부착되면서 앵커링은 깊이(Dmin)에 위치될 수 있다. 앵커링(2)은 또한 해저, 호저 또는 하저와 같은 바닥면(17) 상에 위치되는 기초가 될 수 있다. 기초는 경우에 따라서는 바람직하게는 제 위치에 픽스되거나 고정된다.
차량(3)은 작동 중에 미리 정해진 궤도(6)에 걸쳐 가변적인 속도 또는 본질적으로 동일한 속도로 이동하도록 추가로 배치될 수 있다. 이는 수중 발전소(1)의 다양한 부분들에 작용하는 동적 힘들의 제어를 가능하게 한다. 이는 하나 이상의 제어 표면(8)을 작동시키는 것에 의해 제어된다. 대안적으로, 하나 이상의 스트럿의 위치를 조정하거나 터빈 속도를 조정하는 것이 차량의 속도를 제어하는데 사용될 수 있다.
테더(5)의 일부는 앵커링(2)과 차량(3) 사이의 거리를 변경하도록 배치되거나 앵커링(2)과 차량(3) 사이의 거리의 변경을 허용하도록 배치된 요소(18)를 포함할 수 있다. 요소가 없는 테더에서는, 테더(5)가 미리 정해진 궤도(6)에 걸쳐 다양한 인장 하중에 노출되는 것에 기인하여, 차량(3)과 앵커링(2) 사이의 거리가 변경된다. 인장 하중의 변화는 윙(4)의 속도와 이에 따른 차량(3)의 속도와 2차 관계를 갖는다. 이는 테더(5)가 미리 정해진 궤도(6)에 걸쳐 탄성적인 길이 연장 및 수축을 나타내는 것으로 이어지고 이에 의해 테더(5)가 지속적으로 스트레스에 노출됨에 따라 바람직하지 않은 방식으로 차량(3)과 앵커링(2) 사이의 거리가 변경된다. 요소(18)는 전체 미리 정해진 궤도(6)에 걸쳐 또는 미리 정해진 궤도(6)의 일부 동안 연속적으로 차량(3)과 앵커링(2) 사이의 거리를 변경하도록 또는 차량(3)과 앵커링(2) 사이의 거리의 변경을 허용하도록 배치될 수 있다. 변경이란 요소(18)가 수동적이지만 수중 발전소(1)의 특성, 수중 발전소(1)의 사이트 및 다른 디자인 특징에 의존할 수 있는 스프링 상수와 같은 미리 정해진 특징들을 갖는다는 것을 의미한다. 변화를 허용한다는 것은 요소(18)가 능동적으로 제어되어 거리가 특정 파라미터 내에서 조절될 수 있다는 것을 의미한다. 두 옵션 모두 미리 정해진 궤도(6)에 걸쳐 및/또는 미리 정해진 궤도(6)의 서로 다른 부분들 사이에서 속도를 부드럽게 하는 것으로 이어진다. 속도는 미리 정해진 궤도(6)를 커버하는 차량(3)의 속도의 크기로 정의된다.
차량(3)에 설정된 구조적 한계들은 시간이 경과함에 따라 제품 비용 및 총 전력 출력의 최적화의 결과이다. 윙(4)은 유속이 낮은 시간 동안 적절한 에너지 양을 추출/변환하기에 충분히 크고 효율적일 필요가 있을 수 있다. 이러한 상대적으로 크고 효율적인 윙(4)의 속도는 그러한 최적화된 구조적 한계를 초과하지 않도록 하기 위해 더 높은 속도 흐름을 갖는 시간동안 제한이 필요할 수 있다.
수중 발전소(1)의 다양한 부분들에 작용하는 힘의 변화의 진폭의 감소는 예를 들어 재료 피로 이유에 대하여 유리하다. 전력 생산 이유를 위해, 속도와 생산된 전력 간의 입방 관계(cubic relationship)가 고려될 필요가 있다. 전력 생산은 속도의 세제곱의 적분, 즉 전력 곡선 아래 영역에 대체로 비례한다. 특정 평균 속도를 향해 차량(3)에 높은 힘이 작용할 때 속도를 낮춤으로써, 전력 생산은 미리 정해진 궤도의 해당 부분에서 3의 거듭제곱(power)로 낮아질 것이다. 이는 결과적으로 상당한 전력 생산 손실을 유발할 것이다. 이에 따라, 동일한 특정 평균 속도를 향해 속도 저하가 상승하게 되면, 이러한 하락에서 전력 생산 증가는, 낮아진 피크동안 손실된 전력 생산보다 훨씬 적을 것이다. 속도 변화의 낮아진 진폭을 갖는 일정한 평균 속도 변화는 낮아진 전력 생산으로 이어질 것이다.
속도 변화의 진폭이 감소하고 속도 피크가 동일한 레벨로 유지된다면 얻을 수 있는 증가된 평균 속도에 의하면, 증가된 전력 출력이 달성될 수 있다. 이는 피크들에서 전력의 손실이 없지만, 속도 곡선의 다른 모든 부분들동안 전력 생산이 증가한다는 것을 의미한다. 이는 피크들이 잘릴 필요가 있는 대조(spring tide)에 유효하다. 피크들이 잘릴 필요가 없는 소조(neap tide)동안에는 전력 출력 증가는 전체 미리 정해진 궤도(6) 동안 발생할 것이다.
속도 또는 힘 곡선은 예를 들어 더 큰 윙(4)에 의해 또는 더 높은 유속을 갖는 설치 사이트의 사용에 의해 더 높은 평균값으로 증가될 수 있다.
차량(3)과 앵커링(2) 사이의 거리의 변경을 허용하도록 요소(18)를 사용하는 것에 의한 속도 변화 진폭의 감소는 또한, 그렇지 않다면 대조동안 최고 속도가 너무 높아지지 않으면서 소조동안 차량(3)의 속도를 증가시킬 수 있다면 가능할 것보다 소조와 대조 사이의 더 큰 변화를 갖는 사이트 상에 경제적으로 합당한 설치를 용이하게 할 수 있다.
상기 요소(18)는 테더 길이의 5 - 15%를 구성할 수 있다. 상기 요소(18)는 나선형 또는 코일 스프링, 디스크 스프링 스택, 엘라스토머 스프링 또는 가스 스프링 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
추가로, 트랜스듀서(미도시)를 요소(18)에 연결함으로써, 거리의 변화에 의해 생성된 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것에 의해 차량(3)과 앵커링(2) 사이의 거리의 변화로부터 전기 에너지가 생성될 수 있다.
도 2는 앵커링(2)이 해저 상에 제공된 기초일 때 비-작동 중의 본 발명에 따른 수중 발전소(1)를 개략적으로 나타낸 것이다. 언급된 바와 같이, 비-작동은 차량(3)이 미리 정해진 궤도(6)를 따라 이동하지 않는다는 것을 의미한다. 차량(3)은 주변 물에서의 움직임에 기인하여 여전히 이동할 수 있지만, 전력은 생성되지 않을 것이다. 수중 발전소(1)가 조수 지역에 설치될 때, 차량(3)은 게조 조건에서 수중 발전소(1)가 테더(5)를 수직으로 위치시키는 것을 가능하게 하는 순 부력으로 설정될 것이다. 부력은 전체 수중 발전소(1)의 가용할 수 있는 총 부력에 대하여 차량(3) 및 테더(5)의 무게를 디자인하고 균형을 잡음으로써 달성된다. 대안적으로, 수중 발전소(1)는 해류에 또는 해류 근처에 설치될 수 있다. 해류에서의 운동의 영속성에 기인하여, 차량(3)의 부력은 조력 발전용으로 설치된 때보다 같거나 낮을 수 있다.
일 측면에 있어서, 테더(5) 및 차량(3)은 하나의 유닛으로서 설치 및 회수 될 수있는 하나의 어셈블리이다. 다른 측면에 있어서, 테더(5) 및 차량(3)은 또한 차량(3)과 앵커링(2) 사이의 어딘가에 위치하는 조인트, 커플링 또는 이에 유사한 것에 의해 연결될 수 있다.
테더(5)에는, 항력을 낮추고, 케이블을 보호하고 그리고/또는 테더(5)에 순 제로 양력 값을 도입하여 수중 발전소(1)의 차량(3)의 이동이 무-유량 또는 저 유량 조건에서 예측 가능하게 하기 위해 전체 테더(5)의 일부 위에 또는 전체 테더(5) 위에 회전하는 테더 요소들(미도시)이 장착될 수 있다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 테더(5)는 앵커링 커플링(19)에 분리 가능하게 부착된다. 또한 테더는 앵커링 커플링(19)에 의해 앵커링(2)에 회전 가능하게 부착되고 적어도 하나의 차량 커플링(미도시)에 의해 차량(3)에 부착된다. 대안들은 예를 들어, 차량이 2개의 전면 스트럿과 하나의 후면 스트럿을 갖는 경우 테더를 상단 조인트에 연결하고, 차량이 전면 스트럿들만 갖는 경우 테더를 상단 조인트에 연결하거나, 테더가 나셀에 직접 연결되는 것이다. 앵커링 커플링(19)은 그 자체가 앵커링(2)으로부터 분리 가능하도록 배치된다. 앵커링 커플링(19)은 앵커링(2)에서 수중 발전소(1)가 설치되는 유체(9)의 바디의 표면(10)으로 이어지는 앵커 라인(20)에 일시적으로 또는 영구적으로 이동 가능하게 부착된다. 앵커 라인(20)은, 바닥면(17)에 평행하게 이어지는 앵커 라인(20)의 일부를 고정하거나 아래로 무게를 가하는 웨이트(21)까지 바닥면(17)에 평행하게 먼저 이어짐으로써 표면(10)으로 이어진다. 웨이트(21)로부터, 앵커 라인(20)이 표면으로 이어져 앵커링 커플링(19) 및 테더(5)가 표면(10)으로 및 표면(10)으로부터 가져와질 수 있다. 이는 앵커 라인(20)이 수중 발전소의 작동 중에 미리 정해진 궤도(6)를 방해하지 않는 것을 보장한다. 대안적으로, 전체 앵커 라인(20)은 바닥면(17)에 또는 그 근처에 유지될 수 있다. 앵커 라인(20)은 차량(3) 및 테더(5)가 회수될 필요가 있을 때 해제될 수 있다. 대안적으로, 테더(5) 및/또는 차량(3)을 표면(10)으로 및 표면(10)으로부터 이동시키기 위해 앵커링(2) 또는 앵커링 커플링(19) 상의 윈치(winch)가 사용될 수 있다. 영구적인 라인 시스템을 필요로하지 않는 다른 시스템들 또한 고려될 수 있다.
상기 예에서, 앵커링이 해저, 호저 또는 하저가 아니라 대신 앵커링보다 훨씬 아래에 있는 해저에 부착되는 깊이(Dmin)에 있을 때, 앵커링과 본질적으로 동일한 깊이에서 중립적으로 부력을 갖거나 앵커링보다 훨씬 아래의 해저에 부착되는 앵커 라인 부착부(미도시)에 의해 앵커 라인은 본질적으로 수평을 유지하고 앵커링으로부터 거리를 유지할 수 있다.
앵커 라인의 표면 단부는 부력이 있을 수 있고, 일 측면에서 테더(5) 및 차량(3)이 설치되거나 유지보수 후에 또는 재설치될 때 앵커 라인(20)을 위치시키기 위해 플로팅 마킹 수단(22)을 포함할 수 있다. 플로팅 마킹 수단 (22)은 예를 들어 부표, 무선 송신기, 가시광 송신기, GPS 마커 또는 이와 유사한 것일 수 있다. 앵커 라인(20)의 위치를 추가로 단순화하기 위해 마킹 수단의 조합이 사용될 수 있다. 앵커링 커플링(19)은 윈치 또는 해안에 대한 라인 연장에 의해 앵커링(2)에 연결될 수 있다.
앵커링 커플링(19)은 일 측면에 있어서 부력이 있다. 일 측면에 있어서, 앵커링 커플링(19)은 마킹 수단을 포함한다.
도 3은 테더 길이(L)와 윙(4)의 익폭(W) 간의 관계를 개략적으로 나타낸다. 테더 길이(L)는 윙(4)의 익폭(W)의 약 2 - 20배, 구체적으로 윙(4)의 익폭(W)의 약 3 - 12배, 보다 구체적으로 윙(4)의 익폭(W)의 약 5 - 10배이다.
테더 길이(L)는 차량(3) 상의 적어도 하나의 차량 커플링과 앵커링 커플링(19) 사이의 테더(5)의 거리로서 측정된다. 테더(5)는 일반적으로 테더(5)와 차량(3)의 윙(4) 사이에 조인트 또는 이와 유사한 것과 같은 부착 포인트를 포함한다. 테더 길이(L)는 차량(3)의 윙(4)의 하측(14) 상의 가장 낮은 포인트와 부착 포인트 사이의 거리를 포함한다.
윙(4)의 익폭(W)는 윙(4)의 한쪽 윙 끝에서 다른쪽 윙 끝까지로, 즉 윙(4)을 위에서 볼 때 서로 가장 먼 윙(4)의 지점들로 측정된다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 윙(4)은 항력을 감소시키기 위해 윙렛들(winglet)(23)을 포함할 수 있다. 윙렛들(23)은 윙의 익폭(W)의 측정에 포함되지 않는다.
청구항에 언급된 참조 기호들은 청구항에 의해 보호되는 문제의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안되며, 이들의 유일한 기능은 청구항을 이해하기 쉽게 만드는 것이다.
이해될 바와 같이, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 다양하고 명백한 측면들에서 모두 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 제한적인 것이 아니다. 예를 들어, 차량(3)은 전기 에너지를 생산하기 위해 터빈(11)이 반드시 장착될 필요는 없다. 전기 에너지는 요소(18)에 부착된 트랜스듀서에 의해서만 생성될 수 있다.
Claims (15)
- 전력 생산용 수중 발전소(1)로서, 상기 수중 발전소(1)는 최소 깊이(Dmin)에 제공된 앵커링(2) 및 적어도 하나의 윙(4)을 포함하는 차량(3)을 포함하며, 상기 차량(3)은 앵커링 커플링(19)에 의해 상기 앵커링(2)에 회전 가능하게 부착되고 적어도 하나의 차량 커플링에 의해 차량(3)에 부착되는 적어도 하나의 테더(5)에 의해 상기 앵커링(2)에 고정되도록 배치되며, 상기 차량(3)은 수중 발전소(1)의 작동 중에는 상기 윙(4)을 통과하는 유체 스트림(7)에 의해 미리 정해진 궤도(6) 내에서 이동하도록 배치되며, 상기 차량(3)은 수중 발전소(1)의 비-작동 중에는 상기 앵커링(2)의 상부의 위치에 체류하도록 배치되며,
상기 수중 발전소(1)는 수중 발전소(1)의 작동 중 및 비-작동 중 모두에서 유체(9)의 바디에 완전히 잠기고, 상기 테더(5)는 윙(4)의 익폭(W)의 2 - 20 배의 연장되지 않은 테더 길이(L)를 가지며, 상기 테더(5)는 상기 앵커링(2)으로부터 해제 가능하도록 배치된 앵커링 커플링(19)에 해제 가능하게 부착되고, 상기 앵커링 커플링(19)은 상기 앵커링에서 상기 유체(9)의 바디의 표면(10)으로 이어지는 앵커 라인(20)에 이동 가능하게 부착되어, 상기 앵커링 커플링(19) 및 상기 테더(5)가 상기 표면(10)으로 및 상기 표면(10)으로부터 가져와질 수 있고, 상기 앵커링 커플링(19)은 부력이 있는, 수중 발전소(1). - 제1항에 있어서,
상기 앵커링(2)은 해저, 호저 또는 하저 상에 배치된 기초인, 수중 발전소(1). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 테더(5)의 일부는 수중 발전소(1)의 작동 중에 상기 앵커링(2)와 상기 차량(3) 간의 거리를 변경하도록 배치되거나 상기 앵커링(2)와 상기 차량(3) 사이의 거리의 변경을 허용하도록 배치된 요소(18)를 포함하는, 수중 발전소(1). - 제3항에 있어서,
상기 요소(18)는 테더 길이의 5 - 15%를 구성하는, 수중 발전소(1). - 제3항에 있어서,
상기 요소(18)는 나선형 또는 코일 스프링, 디스크 스프링 스택, 엘라스토머 스프링 또는 가스 스프링 중 하나 이상을 포함하는, 수중 발전소(1). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
수중 발전소(1)의 작동 중 발전을 위해 발전기(12)에 연결된 적어도 하나의 터빈(11)이 수중 발전소(1)의 상기 윙(4)에 부착된, 수중 발전소(1). - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 차량(3)은 수중 발전소(1)의 작동 중 미리 정해진 궤도(6)에 걸쳐 가변적인 속도 또는 동일한 속도로 이동하도록 배치된, 수중 발전소(1). - 전력 생산용 수중 발전소(1)를 제공하는 방법으로서, 상기 수중 발전소(1)는 앵커링(2) 및 적어도 하나의 윙(4)을 포함하는 차량(3)을 포함하며, 상기 차량(3)은 앵커링 커플링(19)에 의해 상기 앵커링(2)에 회전 가능하게 부착되고 적어도 하나의 차량 커플링에 의해 차량(3)에 부착되는 적어도 하나의 테더(5)에 의해 상기 앵커링(2)에 고정되도록 배치되며, 상기 차량(3)은 수중 발전소(1)의 작동 중에는 상기 윙(4)을 통과하는 유체 스트림(7)에 의해 미리 정해진 궤도(6) 내에서 이동하도록 배치되며, 상기 차량(3)은 수중 발전소(1)의 비-작동 중에는 상기 앵커링(2)의 상부의 위치에 체류하도록 배치되며, 상기 방법은:
- 유체(9)의 바디에서 최소 깊이(Dmin)에 앵커링(2)을 제공하는 단계,
- 테더(5)를 상기 앵커링(2)에 부착하는 단계, 상기 테더(5)는 상기 차량(3)에 연결됨,
- 상기 앵커링(2)에 해제 가능하게 부착된 부력이 있는 앵커링 커플링(19)을 상기 테더(5)에 제공하는 단계,
- 상기 앵커링(2) 커플링이 이동 가능하게 부착되는 앵커 라인(20)을 상기 앵커링(2)에 제공하는 단계를 포함하고,
상기 테더(5)는 수중 발전소(1)의 작동 중 및 비-작동 중에 수중 발전소(1)가 유체(9)의 바디에 완전히 잠기도록, 연장되지 않은 테더 길이를 가지며, 상기 연장되지 않은 테더 길이(L)는 윙(4)의 익폭(W)의 2 - 20 배인, 방법. - 제8항에 있어서,
상기 방법은:
- 해저, 호저 또는 하저 상에 기초를 제공함으로써 앵커링(2)을 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 방법은:
- 수중 발전소(1)의 작동 중에 상기 앵커링(2)과 상기 차량(3) 간의 거리를 변경하도록 배치되거나 상기 앵커링(2)과 상기 차량(3) 간의 거리의 변경을 허용하도록 배치된 요소(18)를 포함하는 부분을 갖는 테더(5)를 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 방법은:
- 수중 발전소(1)의 작동 중 발전을 위해 발전기(12)에 연결된 차량(3)의 윙(4)에 부착되는 적어도 하나의 터빈(11)을 상기 차량(3)에 제공하는 단계를 추가로 포함하는, 방법. - 삭제
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