KR20040016971A - 물유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트, 발전기및 프로펠러요소 - Google Patents

물유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트, 발전기및 프로펠러요소 Download PDF

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Abstract

물속에서 바닥(B)위에 정지할 수 있는 구조체, 상기 구조체에 의해 지지되고 교체될 수 있고, 물유동에 의해 구동되는 발전기유니트(750)를 가지지며 물속의 유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트가 구성된다. 구조체는 아암(615,720,730)들을 가진다. 단부(407) 및 팁(406)사이에서 축(405)위에 회전가능하게 장착된 다수의 부재(410)들이 상기 회전부재(400)에 구성된다. 각각의 축(500, 820)에 연결된 고정자(800) 및 반대방향으로 회전운동하는 회전자(550)가 상기 발전기에 구성되고, 고정자프레임(800)이 제 1 축(500)위에서 축방향으로 지지되고, 제 1 축의 단부에서 상기 제 1 축(500)이 고정자프레임위에서 축방향으로 지지된다. 본 발명의 발전기가 전력을 생산하기 위해 이용되고, 기계식 회전에너지를 생산하기 위한 전기모터로서 이용될 수 있다.

Description

물유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트, 발전기 및 프로펠러요소{PLANT, GENERATOR AND PROPELLER ELEMENT FOR GENERATING ENERGY FROM WATERCURRENTS}
예를 들어, 조류변화에 의해 발생되는 대량의 물의 유동은 새로운 에너지원이며, 상기 유동이 매우 예측가능하고 노르웨이해안을 따라 용이하게 이용할 수 있었지만, 상기 에너지원은 현재까지 노르웨이에서 이용되지 못했다.
(예를 들어, 해양 또는 강물과 같이, )대량의 물이 채널 또는 다른 좁은 통로를 통해 가압될 때, 유동속도가 증가하며 상당히 조정된다. 좁은 통로의 중심영역에서 유동은 전체 해당단면에 걸쳐서 거의 동일한 속도를 가지고, 즉 상기 영역내에 상기 발전기를 배열하는 것이 유리하다.
해양유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 공지된 다수의 방법 및 장치들이 제공된다.
노르웨이특허출원 제19991984(Hammerfest Strom)에 의하면, 해양 및 강물유동으로부터 전력을 생산하기 위한 플랜트가 공개된다. 전체플랜트가 수면아래에 위치하고 블레이드, 지지시스템, 정착시스템 및 발전기를 가진 터빈들을 가진다. 터빈축들이 물의 운동방향에 대해 수직으로 배열되고, 블레이드들이 윙(wing)구조를 가져서, 물의 유동방향과 무관하게 터빈들이 동일방향으로 회전한다. 상기 터빈축들이 부유탱크의 플레임구조체내에 지지되고 지지시스템에 고정된다. 상기 플랜트가 모듈(module)들로 구성된다. 상기 플랜트가 수면아래에 고정된 정착시스템 및 상기 부유탱크에 의해 제어되는 양의 부력을 가져서, 상기 정착시스템에 의해 상기 플랜트가 수면아래에 고정된다. 상기 플랜트가 종래기술의 블레이드를 가진다.
덴마크특허 제 155454호(한스 마리우스 페더센)에 의하면, 링형상의 잠함으로 구성되고 상기 잠함이 계주에 의해 바닥에서 앵커에 고정되는 부유식 조력 발전소가 공개된다. 모든 터빈들이 교체될 수 있고 공통의 빔위에 배열되며, 상기 잠함에 의해 형성된 영역내에서 상기 터빈들이 유니트로서 표면까지 진동운동할 수 있다. 상기 발전소가 계주주위에서 운동하고 상기 계주의 상단부가 전방의 잠함에 연결되고 하단부가 앵커에 고정된다.
미국특허 제 5,440,176호에 공개된 잠수식 터빈플랜트에 의하면, 인장다리형상을 가지고 잠수된 플랫포옴아래에 서로 다른 조합으로 매달린 터빈/발전소가 구성된다.
고정자 및 역회전하는 회전자를 가진 발전기가 공지된다. 풍력에너지기술분야에서 공기유동이 제 1 프로펠러를 통과할 때 공기유동이 제공되고 회전에너지를 추출하는 수단으로서 동심축을 이루는 역회전 프로펠러들이 공지된다. 발전기의 양쪽 측부 또는 동일측부에 역회전 프로펠러가 구성될 수 있다. 상기 프로펠러가 기어들에 의해 동일 발전기와 연결되거나 한 개의 프로펠러가 회전자에 연결되고 다른 한 개의 프로펠러가 필드코일에 연결된다. 동일한 발전기에 연결되고 이전에 공지된 역회전 프로펠러는 복잡한 구조의 기어휠구동체 및 변속기를 요구하여, 추가의 에너지손실이 발생한다. 각각 회전자 및 고정자에 연결되는 역회전 프로펠러는 기계적인 관점에서 상대적으로 단순한 구조를 가지지만, 현재까지 알려진 방법 중에서 필드코일은 슬립링(slip ring)을 요구하여, 더욱 복잡하게 만들고, 추가로 전기적 출력손실 및 기계적 출력손실을 발생시킨다.
발전기( 및 타원(tower))의 각 측부에 프로펠러들이 구성되는 공지의 경우에 있어서, 일반적으로 하류위치에 배열된 프로펠러들은 상류위치에 배열된 프로펠러들보다 상대적으로 작아야 하고, 상대적으로 높은 풍속에서 설치되어야 한다.
물유동으로부터 전기를 생산할 때, 가능한 가장 작은 프로펠러속도가 요구된다. 그 결과 높은 토크가 요구되고 표준기어구조의 치수를 결정하기 곤란하다.
공지된 발전기는 일반적으로 일정한 회전속도(프로펠러의 피치조정) 및 정지상태의 고정자를 가진다. 그 결과 발전기하우징은 대직경을 가지고 따라서 불리하다.
미국특허 제 4, 291,233호에 공개된 풍력터빈발전기는 반대로 회전운동하는 회전자 및 고정자를 가진다. 수평축을 가지고 바람에 의해 구동되는 터빈(프로펠러)으로부터 구해지는 회전운동에너지가 베벨기어구동체를 통해 두 개의 동심축들내에서 회전운동에너지로 변환된다. 프로펠러축이 베벨기어구동체에 부착되고, 반대방향으로 회전운동하는 상부 및 하부의 피니온기어들과 상기 구동체가 연결된다. 동심축을 이루고 수직으로 배여된 축들에 상기 피니온기어들이 고정된다. 두 개의 축들이 반대방향으로 회전하고 각각 회전자 및 고정자에 연결된다.
독일 문헌43 04 577 A1호에 공개된 풍력터빈발전기에 의하면, 쌍을 이루는 날개들을 반대방향으로 회전시키기 위해 각각 회전자 및 고정자에 연결된 두 쌍의 날개들이 구성된다. 양쪽 쌍의 날개들이 발전기의 동일측부에 배열되고, 이중날개를 가지고 반대방향으로 회전하는 두 개의 프로펠러로서 작동한다. 상기 문헌에 의하면, 고정자 및 회전자의 상호작용에 관한 상세한 설명이 공개되지 않는다.
독일문헌 제 196 43 362 호에 공개된 풍력터빈 발전기가 반대반향으로 회전하는 고정자 및 회전자를 가진다. 터빈 또는프로펠러(3)에 연결된 제 1 단부(10)를 가진- 축(8)이 회전자(9)에 고정된다. 고정자(13)가 제 2 축단부(11)에 고정되고 차례로 터빈 또는 프로펠러(4)에 연결된다. 베어링(14)에 의해 상기 축단부(11)가 축(8)위에 지지되어, 회전자 및 고정자가 서로에 대해 회전운동한다.
회전자(17)가 하우징에 고정되고 보조 회전자(17) 및 보조 고정자(18)를 참고한다. 따라서 회전자(17) 및 고정자(18)사이의 상대속도는 부품(9, 13)들사이의 속도의 절반이다.
반대방향으로 회전운동하는 공지의 발전기가 두 개의 주요부분으로 구분될 수 있다.
(ⅰ) 회전자 및 고정자가 동일한 터빈 또는 프로펠러에 의해 구동된다.
(ⅱ) 회전자 및 고정자가 각각의 터빈 또는 프로펠러로부터 회전운동에너지를 제공받는다.
(상기 )미국특허 제 4, 291, 233호에 의해 발전기의 제 1 카테고리가 설명된다. 상기 발전기의 문제점에 의하면, 고정자를 반대방향으로 회전운동시키는 다수의 변속기내에서 다량의 에너지가 손실된다. 또한 상기 발전기는 크기가 크고 제조업자에게 유지비용을 증가시킨다. 따라서 발전기의 단순한 형태가 요구되고 회전자 및 고정자가 동일한 터빈 또는 프로펠러에 의해 구동되며, 최소량의 기어변속이 이용되고, 베벨기어의 이용이 회피된다.
(상기 )독일 문헌 DE 196 43 362호에 의해 발전기의 제 2 카테고리가 설명된다. 상기 발전기의 문제점에 의하면, 상기 발전기가 회전하지 않고 종래기술의 고정자권선들을 가지는 외측부재를 가진다. 상기 하우징이 기저 러그(lug)들을 가지고 전체 토크의 약 절반을 차지한다.
메인실린더가 양쪽 측부에서 자석들을 가지고 개별 축에 의해 회전된다. 상기 회전자내에서 또 다른 고정자 (또는 회전자)가 구성된다. 가장 내부에 위치한 회전자(9) 및 자석회전자(13)사이에 발생하는 토크는 바닥러그에 충격을 주지 않지만 프로펠러들사이의 자기장내에 수용된다. 따라서 단순한 형태의 발전기가 요구되고, 회전자 및 고정자가 각각의 터빈 또는 프로펠러로부터 회전에너지를 공급받고, 회전자 및 고정자사이에서 발전기내부의 토크를 수용하는 기저부가 필요하며, 전체적으로 전력을 발생시키기 위해 프로펠러들의 토크가 이용된다.
본 발명은 물유동으로부터 에너지를 추출해내기 위한 장치에 관련된다. 구체적으로 본 발명은 독립항 제 1, 17 및 제 18항의 서두에 공개된 것과 같이, 덩어리의 물에서 유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트(plant)에 관련되며, 물속에서 바닥에 정지하거나 물위에 부유할 수 있는 구조를 가지고, 상기 구조체에 의해 지지되고 물유동에 의해 구동되며 교체가능한 복수개의 발전기유니트들을 가지며 독립항 제 20의 서두에 공개된 것과 같이, 물속에 위치한 발전기유니트내에서 에너지공급장치로서 이용하기 위한 회전부재를 가지고, 독립항 26 및 독립항 31의 서두에 공개된 것과 같이 고정자 및 회전자가 서로 회전운동하는 발전기를 가진다.
상기 플랜트는 해양, 바다, 강 또는 다른 수면아래에서 조류를 이용한다. 상기 조류는 예를 들어, 조류변화 및/또는 해저지형(예를 들어, 채널, 해상 또는 해저의 좁은 통로)에 의해 형성될 수 있다.
본 발명을 따르는 발전기가 모든 에너지원을 이용하여 전력을 발생시키고 바람 및 물유동 특히 저속의 물유동에 의해 구동된다. 상기 발전기가 또는 전기모터로서 작동될 수 있다.
도 1은 본 발명을 따르는 조력발전소의 제 1 실시예를 도시한 투시도.
도 2는 제 1항의 조력 발전소를 도시한 평면도.
도 3a 내지 도 3c는 도 2에 도시된 조력발전소를 도시하고 (도 3a 및 도 3c의 )두개의 노드중심들 및 (도 3b의 )중간요소를 도시한 평면도.
도 4는 도 1에 도시된 조력발전소를 도시한 측면도.
도 5는 터빈유니트 및 회전부재의 실시예를 도시하고, 발전기하우징의 각 측부에 회전가능하게 배열된 회전운동부재가 발전기유니트에 구성되며, 회전운동부재들이 서로에 대해 반대방향으로 회전운동하는 실시예의 투시도.
도 6a 내지 도 6c는 발전기들이 하강위치에 배열될 때 본 발명의 조력발전소에 관한 제 2 실시예를 도시한 투시도.
도 6a는 조력발전소의 단부도면.
도 6b는 조력발전소의 측면도.
도 6c는 조력발전소의 평면도.
도 6d는 발전기들이 원위치될 때 도 6a 내지 도 6b의 조력발전소를 한쪽 단부에 본 도면.
도 7은 본 발명의 회전운동부재의 제 1 실시예를 도시한 투시도.
도 8은 본 발명의 회전운동부재의 평면도 및 회전운동부재의 개략단면도.
도 9는 본 발명의 회전운동부재에 관한 제 2 실시예를 도시한 투시도.
도 10은 본 발명의 회전운동부재의 제 3 실시예를 도시한 투시도.
도 11은 본 발명의 발전기에 관한 제 1 실시예를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 발전기의 제 2 실시예를 도면.
*부호설명*
100...축 102...연결플랜지
110, 120....축베어링150...회전자
160...기어휠300...고정자
310...고정자베어링320...고정자기어림
330...고정자구동기어335....구동기어베어링
350...영구자석390...슬립링
400....회전부재405....축
406...팁407...내측단부허브
410.....부재411....전방서보러더
412.....후방서보러더413...러더액슬
414.....밀봉체415....액츄에이터
500...회전자축510....축베어링
550...회전자
B.....바닥S....수면
600...제어실610...부유부재
615...지지아암616......조인트
617.....정박요소620...지지체
700.. 노드요소710...지지구조
711...상측부싱712.....하측부싱
720.....수평지지부재730...연결부재
740.....중간연결부재749...수직지지부재
750....발전기유니트752....발전기하우징
800.....고정자802...연결플랜지
804....플랜지815...축베어링
820...고정자축890...슬립링
따라서 청구범위의 서두에 공개된 상기 형태의 물유동으로부터 에너지를 생산하기 위해 본 발명에 따라 플랜트, 발전기 및 프로펠러형태의 부재가 제공된다.
본 발명에 의하면, 물속에서 바닥위에 정지할 수 있는 구조체, 상기 구조체에 의해 지지되고 교체될 수 있고, 물유동에 의해 구동되는 발전기유니트를 가지며 물속의 유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트가 제공된다. 각 노드중심 및 노드중심으로부터 돌출하는 수평아암을 가지는 노드요소들이 상기 구조체에 구성되고, 바닥을 향해 연장구성되고 높이가 조정되는 레그를 위해 부싱형태로 상기 노드중심들이 구성된다.
본 발명의 선호되는 특징들이 청구범위 제 2 항 내지 제 16항에 공개된다.
본 발명을 따르는 플랜트가 물속에서 바닥위에 정지할 수 있는 구조체, 상기 구조체에 의해 지지되고 교체될 수 있고, 물유동에 의해 구동되는 발전기유니트를 가지며 물속의 유동으로부터 에너지를 생산하고, 상기 부싱들을 통해 이동할 수 있는 상기 지지레그에 의해 물속에서 상기 플랜트가 바닥위에 위치설정되고, 수면위 또는 물속에서 발전기의 위치를 최적화하기 위하여 지지레그들에 의해 상기 플랜트가 선택적으로 물속의 선택된 위치로 이동하여, 상기 발전기유니트가 수면위에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 따르는 회전운동부재가 물속에 위치하고 축을 가진 발전기유니트내에서 에너지공급장치로서 이용되고, 물속의 유동내에 의해 작동되며 회전운동하도록 발전기하우징내에서 발전기로부터 연장구성되는 축위에서 허브위에 상기 축이 장착되고, 허브에 대해 축이 부착되는 위치에서 상기 축위에 장착되는 내측단부요소가 구성되고, 상기 축의 외측단부에 장착되는 팁이 구성되며, 상기 단부요소 및 팁사이에서 상기 축위에 장착되는 다수의 부재들이 구성되는 것을 특징으로 한다.
실시예에 의하면, 상기 부재들이 상기 축위에 회전가능하게 장착되고 조정가능하다.
회전운동부재의 선호되는 특징들이 청구범위 제 21항 내지 제 25항에 공개된다.
본 발명에 의하면, 청구범위 제 26항 및 제 31항의 서두에 공개된 상기 형태의 발전기가 제공된다
따라서 본 발명의 발전기에 의하면, 축에 고정되어 연결된 변속기부재가 구성되고, 상기 변속기부재가 고정자에 연결되며, 축이 회전운동할 때, 고정자가 축과 반대방향으로 회전할 수 있다. 상기 발전기의 선호되는 특징들이 청구범위 제 27항 및 제 28에 공개된다.
제 2 실시예에 의하면, 본 발명의 발전기가 제 2 축의 한쪽 단부에서 제 2 축이 제 1축위에서 축방향으로 지지되는 고정자프레임에 연결되고, 제 1 축의 한쪽 단부에서 제 1 축이 상기 고정자프레임내에서 축방향으로 지지된다. 상기 발전기의 선호되는 특징들이 청구범위 제 32항에 공개된다.
본 발명의 실시예들이 첨부된 청구범위 및 첨부된 도면들에 관한 상세한 설명에 공개된다. 도면들은 단지 전형적인 실시예를 도시하며 본 발명을 제한하지 못한다. 도면들에서 동일부호들에 대해 동일 부품들이 대응된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 본 발명의 플랜트가 물의 수면(S)아래에서 기저부(B)위에 정지할 수 있는 구조체를 가진다. 물유동에 의해 구동되고 교체될 수 있는 다수의 발전기유니트(750)들이 상기 구조체에 의해 지지된다. 각각의 마디중심을 가진 마디요소(700)들 및 수평지지부재(720) 및 수평지지부재로부터 돌출하는 연결부재(730)를 가진 다수의 마디요소(700)들에 의해 상기 플랜트구조가 구성된다. 기저부(B)를 향해 연장구성되며 높이조절용 레그(760)를 위한 상측 및 하측의 부싱(711)들이 각 노드중심을 통과한다.
노드요소(700)들이 연결부재(730)들사이의 중간연결부재(740)에 의해 서로 연결된다.
발전기유니트(750)들이 수직지지부재(749)들에 고정되고, 각각의 수직지지부재가 수평지지부재(720) 또는 중간의 연결부재(740)에 고정될 수 있다.
생산 및 수력학적 이유에서, 아암들, 지지레그, 선택적인 연결부재 및 기다란 지지체들이 관형부재로 구성된다. 다른 단면형상(예를 들어, 타원형, 직사각형) 및 구조(예를 들어, 격자구조)가 이상적인 형상 및 구조는 아니더라도 본 발명에 포함된다.
설치작업 및 연속적인 재배열작업동안 플랜트를 용이하게 이동하기 위하여, 지지레그들이 한 개이상의 밸러스트 챔버들을 포함한다. 동시에 지지부재 및 연결부재가 부유부재를 가진다. 지지레그(760)들에서 밸러스트챔버가 제거될 때, 플랜트가 이동한다. 지지레그(760)들에 밸러스트챔버가 제공될 때, 플랜트는 정지하며, 추가로 고정기능없이 현재 상태에서 작동할 수 있다.
작동할 때, 정상적으로 개별 발전기유니트가 지지부재에 고정되어 장착되어야 하고, 발전기의 회전운동부재(들)가 물유동의 방향에 따라 시계방향 및 반시계방향으로 회전운동할 수 있다. 실시예에 의하면, 수직지지부재의 자유단부에서 발전기하우징이 수직축주위에서 피봇운동가능하게 지지된다.
도 1 및 도 2에 도시된 플랜트가 해당 개수의 연결부재(740)에 의해 조립된 세 개의 마디요소(700)들을 가진다. 따라서 각 코너에 배열된 한 개의 지지레그(760)와 등변삼각형으로 상기 플랜트가 구성된다. 플랜트가 바닥을 향해 안정될 때, 플랜트가 정역학적으로 결정상태이기 때문에 상기 형태의 구조가 선호된다.
가능한 넓은 단면적을 덮기 위하여, 회전운동부재(400)의 회전운동에 의해 형성되는 개별 회전평면이 서로 중첩되도록 발전기유니트가 배열된다.
(도 1을 참고할 때, )정상적으로 각 발전기유니트가 두 개이상의 회전요소들을 가지더라도, 발전기유니트에 단지 한 개의 회전운동부재(400)가 제공되고 (도 5를 참고할 때, )발전기하우징의 각 측부에 유니트들이 배열되는 구성은 본 발명의 범위에 해당한다. 이 경우에, 상기 회전운동부재들은 물론 서로에 대해 반대방향으로 회전운동한다.
본 발명의 주요특징에 의하면, 플랜트가 지지레그(760)에 의해 기저부(B)위에 배열될 수 있다. 상기 지지레그들이 부싱(711, 712)들을 통해 이동하여, 플랜트가 선택적으로 지지레그들에 의해 물속의 정해진 높이로 이동한다. 상기 형태의 "잭업(jsck-up)이론이 공지되어 있으나 본 발명의 플랜트와 관련되지 않는다. 물속에서 플랜트의 높이를 조정할 수 있기 때문에, 발전기들이 수리, 정비 및 교체를 위해 수면위로 용이하게 상승될 수 있다. 또한 유동상태 및 바닥의 형상과 관련하여 물속에서 발전기의 위치설정이 최적화될 수 있다. 본 발명에 따라 조절가능한 지지레그들에 의하면, 플랜트이 불균일한 기저부위에 용이하게 설치될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d를 참고할 때, 또 다른 실시예에 의하면, 본 발명의 플랜트가 물속에서 부유하는 강철구조위에 배열되고 반대방향으로 회전운동하는 터빈들을 가진다.
도 6c에 도시된 것과 같이 각 코너에 한 개로 다수의 부유부재(610)들이 플랫포옴(platform)(620)에 구성된다. 횡방향 및 종방향의 안정요건이 최소량의 이동에 의해 충족된다. 플랫포옴으로부터 각 측부까지 연장구성되는 다수의 지지아암(615)들이 측부에서 두 개의 터빈들 및 발전기(752)를 고정하고, 네 개의 모든 잠함들에 고정되는 종방향파이프에 고정된다. 지지아암들이 약 중간위치에서 부착점위에 힌지연결된다. 유압에 의해 지지아암들이 작동된다.
상기 배열에 의하면, (도면에 도시되지 않은)앵커 및 체인(617)에 의해 양쪽 방향으로 공지된 표준고정방법이 허용된다. 한 개 또는 두 개의 앵커들이 각 방향으로 고정되거나 한 개의 앵커가 각 방향으로 두 개의 플랫포옴들을 고정한다. 즉 플랫포옴들이 소요거리에서 종방향으로 고정될 수 있고, 서로에 대해 근접하게 위치하여 터빈들이 서로 방해받지 않고 작동한다. 여러 개의 유니트들이 나란히 고정되면, 체인에 의해 횡방향거리가 조정되거나 고정될 수 있다.
고정작업이 완료된 후에, 체인 뭉치 및 앵커윈치(anchor winch)가 제거되고근접한 플랫포옴위에서 이용될 수 있다. 정비작업동안 선택적으로 (예를 들어, 3년마다) 정비/수리시설로 이동할 때, 앵커위치가 후방으로 배치되고 체인이 기저부로 하강된다. 재설치작업동안 체인이 플랫포옴내부로 감겨지고 다시 부착된다.
모든 방향으로 앵커들을 가압하기 위하여, 터빈으로부터 생산부하가 이용된다. 앵커부하의 마주보는 측부에서 체인슬랙(chain slack)이 감겨지고, 물유동이 회전할 때, 물유동이 다시 마주보는 측부에서 형성된다. 물유동이 두 개의 방향으로 이동할 때, 상기 방법에 의해, 고정되고 안정된 위치가 구해진다.
제어시스템내부의 결함에 의하여, 생산부하가 극도로 커져서, 부하가 증가하고 앵커가 제공되면, 양호한 상태이다. 선택적으로 (터빈 또는 발전기의 제어에 의해 결함 또는 문제가 발생하는 경우에, )붐(boom)이 자동으로 표면까지 구속해제될 수 있다. 발전기 및 터빈이 물속에서 양의 부력을 가지면, 상기 정지 위치를 구하기 위해 다량의 동력이 불필요하다.
상기 형태의 터빈위에 작용하는 상당한 동적하중들이 형성되고, 그 결과 진동 및 피로현상이 발생한다. 바닥에 고정되어 설치되는 경우와 비교하면, 상기 형태의 상당한 진동감소가 부유플랫포옴에 의해 형성된다. 따라서 상기 구성은 동일한 피로위험을 가지지 못한다.
(예를 들어, 단지 1.5미터의 )작은 프라프트(draught)에 의해 플랫포옴이 부유하기 때문에, "가위위치"내에서 지지아암(615) 및 터빈들이 용이하게 플랫포옴측부로 이동할 수 있고, 부유위치에서 전달작용 또는 견인작용이 단순해진다.
네 개의 프로펠러날개들이 분해되면, 전체장비가 용이하게 미끄럼상태로 배열된다. 따라서 수중정비작업이 간단해지고, 사용이 상당히 증가한다.
그 결과 다음단계에서, 운동할 수 있기 때문에, 상당한 이차수치가 형성되고, 전체 이용경제성은 바닥으로부터 고정된 모노파일(monopile)의 이용경제성보다 우수하다.
본 발명은 또한 물속에 위치한 발전기유니트내에서 에너지공급장치로서 작동하도록 물속의 유동에 의해 작동하고 회전운동하도록 설계된 회전운동부재(400)를 포함한다. 도 7, 도 9 및 도 10에의 서로 다른 실시예에 도시된 것과 같이, 축(405)주위에 회전운동부재가 구성되고, 상기 축이 발전기축위의 허브에 (직각으로 )장착된다. 본 발명의 실시예를 따르는 회전운동부재가 축을 허브에 부착시키는 위치에서 축(405)위에 장착된 내측의 단부요소(407), 상기 축의 외측단부에 장착된 팁(tip)(406) 및 단부요소(407) 및 팁(406)사이에서 축(405)위에 회전가능하게 장착된 다수의 부재(410)들을 가진다. (도 7을 참고)
도 7에 도시된 실시예를 참고할 때, 상기 회전운동부재가 물유동에 대해 최적피치를 형성할 수 있도록 각 부재(410)가 개별적으로 선택적인 피봇운동하고 상기 축주위에서 조정가능하다.
도 9에 도시된 회전운동부재의 또 다른 실시예에 의하면, 축(405)위에 고정되어 장착된 단지 한 개의 부재(410)가 구성된다. 상기 실시예에 있어서, 팁(406)이 선택적으로 피봇운동하고 축주위에서 조정가능하다.
도 10에 도시된 회전운동부재의 또 다른 실시예에 의하면, 축(405)위에 고정되어 장착된 단지 한 개의 요(410)가 구성된다. 상기 실시예에서, 팁(406)이 또한축위에 고정되어 장착된다.
각 부재(410)가 부재의 전후에서 러더액슬(rudder axle)(413)에 의해 회전가능하게 장착된 한 개이상의 서보러더(servo rudder)(411, 412)를 가진다. 도 7 및 도 10을 참고한다. 상기 서보러더(411,412)들이 각 액츄에이터(415)들에 의해 선택적이고 상호 독립적으로 회전가능하며, 물유동에 대해 최적의 운동각도를 형성하기 위하여, 정해진 범위(±β1, ±β2)의 각도로 회전될 수 있다.
본 발명의 플랜트가 또한 도 11 및 도 12를 참고하여 설명되는 발전기를 가진다.
본 발명의 기본개념에 의하면, 직접구동방식의 발전기를 기초하여, 매우 작은 입력속도( 토크) 및 (예를 들어, 입력축의 10rpm에서 25rpm인) 상대적으로 큰 속도를 고정자를 반대방향으로 회전운동하여 결합시킨다. 추력베어링이 구성된다.
도 11에 본 발명의 발전기의 한 형태가 도시된다. 연결플랜지(102)를가진 축(100)이 레이디얼 및 추력 베어링(110, 120)에 의해 지지된다. 발전기가 전력을 발생시키면, 상기 플랜지(102)가 프로펠러에 연결될 수 있다. 회전자(150)가 고정자와 고정되어 연결된다. 또한 기어휠(160)이 축에 연결된다.
기어휠(160)이 구동기어베어링(335)과 연결되고, 고정자구동기어(330) 및 기어림(320)에 의해 고정자(300)가 축(100)에 대해 반대방향으로 회전운동한다. 도 11을 참고할 때, 고정자베어링(310), 영구자석(350) 및 미끄럼링(390)을 가진다. 본 발명으로부터 벗어나지 않고 상기 영구자석들이 예를 들어, 전자석으로 교체될수 있다.
이론에 의하면, 고정자가 회전자의 반대방향으로 회전하고 일반적으로 회전자보다 상대적으로 큰 속도로 회전한다. 따라서 입력축속도의 두 배인 상대회전속도가 발생된다. 그 결과 발전기를 구동하는 프로펠러의 최적속도를 이용할 수 있다. 즉 필요한 극성 및 주파수를 구하기 위하여, 고정자의 직경이 상대적으로 작게 구성될 수 있고, 물속에서 불필요한 유동 및 저항을 최소화하기 위하여 기계하우징의 직경은 최소로 유지한다. (물유동의 방향이 변환됨에 따라 )기계하우징의 한쪽 측부 또는 다른 측부에 프로펠러들이 교번하여 배열된다. 모든 경우 연속적으로 교류로 변환되도록 교류전압이 상기 형태의 전력생산시 정류되어 일정한 주파수는 불필요하다. 조수사이클이 변화함에 따라 발전기에 작용하는 프로펠러의 대략 영내지 최대속도(최대 10rpm내지 15rpm 사이 )까지 최대효율이 요구된다.
본 발명을 따르는 다른 형태의 발전기가 도 12에 도시된다. 발전기는 제 2 축(820)에 연결된 회전축(800)에 대해 회전운동하기 위한 제 1 축(500)과 연결된 회전자(550)를 가지고, 각각의 베어링(510, 815)을 가진다.
제 2축(820)의 한쪽 단부가 플랜지(804)에 의해 고정자프레임과 연결되고, 상기 플랜지가 제 1 축(500)위에서 축(405)위에서 축방향(810)으로 지지되고, 제 1 축(500)의 한쪽 단부가 상기 고정자프레임내에서 축방향(810)으로 지지된다.
제 1 축(500)이 연결부(502)에 의해 제 1 프로펠러 또는 터빈에 연결되고, 제 2 축(800)이 연결부(802)에 의해 제 2 프로펠러 또는 터빈에 연결된다. 공지된 슬립링(890)이 고정자프레임위에 장착된다.
동일직경 및 출력을 가진 종래기술의 발전기와 비교하여 하기 설명에 의해 이견없이 반대방향으로 회전운동하고 직접구동되는 발전기의 장점이 설명된다.
발전기 및 프로펠러사이에 기계식 기어구조를 가지면, 상대적으로 작은 출력에서, 표준대량생산되는 발전기가 이용되고, 입력(구동)축이 상대적으로 (20내지 30 rpm이상의 )높은 속도를 가지는 장점이 제공된다.
발전기의 직접구동을 위한 공지기술은 상대적으로 큰 출력에서 가장 적합하고, 발전기의 직경 및 중량이 크면, 중요하지 않다. 기어중량이 감소되면, 입력속도가 작지 않다면 전체중량은 아직까지 선호된다. 일정주파수가 요구되지 않더라도, "공기간격속도" 및 영역이 (설계기초를 제공하는) 직경을 위한 치수 및 (발전기의 길이인 )폭을 결정한다.
직접구동식 발전기가 예를 들어, 회전자 및 고정자가 각각 10 rpm에서 반대방향으로 회전운동하면, 회전자속도 및 고정자속도의 합 이 경우 20 rpm인 공기간격내의 상대회전속도가 형성되고 속도는 회전자/고정자사이에 용이하게 변화될 수 있다.
예를 들어, 발전기가 350kW의 출력을 가질 때, 길이는 0.75미터이고 12.5 rpm의 구동속도를 가진다. 하기 식에 따라 요구되는 직경이 계산된다.
P=k x D2Ln
단 P는 출력(kW)
k는 주어진 구조에 대해 유효한 상수, 이 경우 2.2
D는 공기간격직경(미터)
L은 회전자 및/또는 고정자의 길이(미터)
n은 속도(rpm)
상기와 같이 표준방법에서 공기간격직경은 4.12 m이다. 자석의 면적은 총 9.7m2이다.
고정자 및 회전자가 반대방향으로 회전운동하면, 상대속도는 25rpm이다. 따라서 공기간격직경은 2.91m 까지 감소된다. 상대적으로 큰 출력에서 차이는 훨씬 더 증가한다.
선택적으로 기어트레인에 의해 기어연결장치(회전자 및 고정자사이의 역전기어박스)가 제공된다. 1:1.5의 기어비에서 상대속도는 31.25 rpm이다.
상기 속도에서 공기간격직경은 2.60 m까지 감소되고 자석면적은 6.12 m2까지 감소된다.
슬립링들 및 공지된 방법에 의해 반대방향으로 회전운동하여 발전기로부터 유동이 유인된다.
(도 2를 참고할 때, ) 한 개가 회전자이고 다른 한 개가 고정자인 두 개의 프로펠러들이 발전기를 구동할 때 분리작업으로 반대방향으로 회전운동하면, 하기 효과가 구해진다.
1. 발전기의 출력이 상기 예에서 2x 350kW= 700 kW로 설정된다.
2. 12.5rpm의 프로펠러속도가 선택되고 그 결과 25rpm이 제공된다.
3. 발전기의 길이는 1.0 미터로 설정된다.
상기 방법을 위한 공기간격의 직경은 3.18 미터이고 자석면적은 9.78 ㎡이다. 즉 4.12미터의 직경 및 0.75미터의 길이를 가지고 350kW의 직접구동식 표준발전기를 위해 영구자석 및 코일들을 위하여 동일한 비용 및 면적이 요구된다.
모든 상세부분들이 자세히 연구되지 않았으나, 상기 형태의 발전기작동에 관한 예비분석에 의하면, "기어방식"을 포함하는 개념과 비교할 때 약 10%의 전기 생산비용이 감소된다. 그 결과 제 2 프로펠러에 대해 100%의 섀도우(shadow)를 형성하며, 이것은 프로펠러들사이의 거리가 10미터이므로 비현실적이다.
또한 제 2 프로펠러에 대해 반대방향으로 회전운동하는 제 1 프로펠러를 회전시키기 위하여 물이 형성될 때 제 2 프로펠러를 위한 양의 출력이 제공된다.
상기 방법에 의하면, 작동안전 및 정비와 관련하여 상당한 개선이 이루어진다. 다소 보수적인 평가에 의하면, 0.5 ore per kWh/년의 절감이 이루어진다.
본 발명의 발전기에 의해 큰 토크가 이용될 수 있다.
큰 토크가 이용되면, (회전부재인 )프로펠러 및 발전기를 위한 효율이 최적화된다. 기어가 제거되면, 3%이상의 손실이 절감된다.
또한 상대적으로 큰 발전기용량이 이용될 수 있다.
제어토크, 추력 및 출력을 위한 제어시스템이 고장 또는 파손될 때 과부하의 위험이 상대적으로 작다.
상기 배열에 의하면, 종래기술의 발전기구성과 비교하여 유지비용이 감소된다.
전통적으로 직접구동식 또는 기어식 발전기가 프로펠러로부터 토크를 수용한다. 또한 축방향하중을 한 개이상의 추력베어링들이 수용한다. 상기 하중들이 기저부를 통해 기계하우징으로 전달되고 철구조물로 전달된다.
조력터빈을 위하여 상기 형태의 토크가 "나셀(nacelle)"의 베어링위에 가변하중을 제공하고 노출요소로서 제공되는 비틀림링베어링이 구성된다.
두 개의 프로펠러들이 반대방향으로 회전운동하기 때문에, 한 개의 토크가 다른 토크의 섀도우내에서 작동하더라도, 프로펠러의 회전수의 개별 조정에 의해, 양쪽 축들위에서 동일한 토크가 유지된다.
즉 토크들이 서로 오프셋되고 고정지지부위에서 토크부하가 제거된다. 동시에, 회전자 및 고정자사이의 "자석쿠션"에 의해 프로펠러로부터 맥동진동이 완충된다.
본 발명의 발전기는 간단하게 제조된다. 본 발명의 발전기는 미리 조립된 권선들 및 저비용의 영구자석들에 기초한다.
상기 출원에서 본 발명의 발전기가 전력용 발전기로서 설명되더라도, 발전기는 또한 전기모터로서 작동할 수 있고, 예를 들어, 축(500, 820)들이 각각 반대방향으로 회전운동하는 프로펠러를 구동한다. 상기 유니트들이 공기 및 수중에서 이용될 수 있고, 특히 선박 및 배내에서 소위 포드(pod) 추력기들에 적합하다.

Claims (34)

  1. 물속에서 바닥(B)위에 정지할 수 있는 구조체, 상기 구조체에 의해 지지되고 교체될 수 있고, 물유동에 의해 구동되는 발전기유니트(750)를 가지며 물속의 유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트에 있어서,
    각 노드중심 및 노드중심으로부터 돌출하는 수평아암(720,730)을 가지고 서로 연결된 노드요소들(700)이 상기 구조체에 구성되고, 바닥(B)을 향해 연장구성되고 높이가 조정되는 레그(760)을 위해 부싱(711, 712)형태로 상기 노드중심들이 구성되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 아암들중 선택된 아암들사이에서 연결부재(740)에 J의해 노드요소(700)들이 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  3. 제 1항 또는 제 2 항에 있어서, 아암들 및/또는 연결부재들로부터 물속을 향해 하향으로 연장구성되는 기다란 지지체(749)들에 의해 발전기유니트(750)들이 지지되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  4. 제 3항에 있어서, 아암들, 지지레그, 선택적인 연결부재들 및 기다란 지지체들이 관형부재인 것을 특징으로 하는 플랜트.
  5. 제 1내지 제 4항 중 한 항에 있어서, 지지레그들이 한 개이상의 밸러스트챔버를 가지는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  6. 전항들 중 한 항에 있어서, 각 기다란 지지체의 자유단부에서 수직축주위에서 개별 발전기유니트가 피봇운동하록 지지되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  7. 전항들 중 한 항에 있어서, 각 기다란 지지체의 자유단부에서 개별 발전기유니트가 고정되어 장착되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  8. 전항들 중 한 항에 있어서, 가상의 등변삼각형의 각 꼭지점부분에 지지레그(760)가 배열되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  9. 전항들 중 한 항에 있어서, 지지레그(760)의 균형이 제거될 때, 이동가능한 것을 특징으로 하는 플랜트.
  10. 전항들 중 한 항에 있어서, 정치식으로 구성되고, 지지레그(760)가 균형상태일 때, 바닥(B)에 고정되는 것이 불필요한 것을 특징으로 하는 플랜트.
  11. 전항들 중 한 항에 있어서, 지지레그들의 균형이 제거될 때 양의 부력을 플랜트에 제공하기 위하여 지지부재 및 연결부재(720,730,740,749)들이 부유부재인것을 특징으로 하는 플랜트.
  12. 전항들 중 한 항에 있어서, 발전기주위에 최소량의 물이 유동할 수 있게 회전부재(400)의 회전운동에 의해 형성되는 개별 회전평면이 중첩되도록 발전기유니트가 배열되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  13. 전항들 중 한 항에 있어서, 세 개이상의 노드유니트 및 세 개이상의 지지레그들이 구성되고, 플랜트가 상기 바닥(B)에 대해 균형을 잡을 때 플랜트가 정역학적으로 정정상태인 것을 특징으로 하는 플랜트.
  14. 전항들 중 한 항에 있어서, 발전기유니트의 축이 한 개이상의 회전부재(400)를 가지는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  15. 전항들 중 한 항에 있어서, 상기 발전기하우징의 각 측부위에 회전가능하게 장착되는 한 개이상의 회전부재(400)가 각 발전기유니트에 구성되는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  16. 제 14항 또는 제 15항에 있어서, 회전부재들이 반대방향으로 회전운동하는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  17. 물속에서 바닥(B)위에 정지할 수 있는 구조체, 상기 구조체에 의해 지지되고 교체될 수 있고, 물유동에 의해 구동되는 발전기유니트(750)를 가지며 물속의 유동으로부터 에너지를 생산하기 위한 플랜트에 있어서,
    상기 부싱(711,712)들을 통해 이동할 수 있는 상기 지지레그(760)에 의해 물속에서 상기 플랜트가 바닥(B)위에 위치설정되고, 수면(S)위 또는 물속에서 발전기의 위치를 최적화하기 위하여 지지레그들에 의해 상기 플랜트가 선택적으로 물속의 선택된 위치로 이동하여, 상기 발전기유니트(750)가 수면위에 위치하는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  18. 부유부재들(610)에 의해 지지되는 지지체(620)를 가지고 물속의 유동으로부터 동력을 생산하기 위한 부유플랜트에 있어서,
    다수의 지지아암(615)들의 한 쪽 단부에서 지지아암들이 구조체에 피봇운동하도록 부착되고, 다른 한쪽 단부에서 각 발전기(750,752)에 부착되는 것을 특징으로 하는 부유플랜트.
  19. 제 18항에 있어서, 지지아암(615)들이 제 1 단부 및 제 2 단부사이에서 한 개이상의 조인트(616)들을 가지고, 수면(S)위에 발전기를 상승시키기 위해 각 지지아암이 조인트(616)주위에서 차례로 접혀지고, 동시에 구조체(620)에 의해 제 1 단부의 피봇연결부주위에서 지지아암이 회전운동하는 것을 특징으로 하는 플랜트.
  20. 물속에 위치하고 축(405)을 가진 발전기유니트내에서 에너지공급장치로서 이용되고, 물속의 유동내에 의해 작동되며 회전운동하도록 발전기하우징내에서 발전기로부터 연장구성되는 축위에서 허브위에 상기 축(405)이 장착되는 회전운동부재(400)에 있어서,
    허브에 대해 축이 부착되는 위치에서 상기 축위에 장착되는 내측단부요소(407)가 구성되고,
    상기 축의 외측단부에 장착되는 팁(406)이 구성되며,
    상기 단부요소(407) 및 팁(406)사이에서 상기 축(405)위에 장착되는 다수의 부재(410)들이 구성되는 것을 특징으로 하는 회전운동부재.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 부재(410)들이 상기 축(405)위에 회전가능하게 장착되고 조정가능한 것을 특징으로 하는 회전운동부재.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 축주위에서 상기 팁(406)이 회전가능하고 조정가능한 것을 특징으로 하는 회전운동부재.
  23. 제 20항에 있어서, 상기 부재(410)가 개별적으로 선택적으로 피봇운동하고 상기 축(405)주위에서 조정가능하여, 회전부재가 물유동에 대해 피치를 형성하는 것을 특징으로 하는 회전운동부재.
  24. 제 20항에 있어서, 각 러더액슬(413)을 통해 부재의 각 측부에 회전가능하게 장착되는 서보러더(411,412)가 상기 부재(410)가 구성되는 것을 특징으로 하는 회전운동부재.
  25. 제 24항에 있어서, 물유동에 대해 작동각도를 형성하기 위하여 개별액츄에이터(415)에 의해 상기 서보러더(411,412)가 선택적으로 상호 독립적으로 정해진 범위(±β1, ±β2)의 각도에서 회전하는 것을 특징으로 하는 회전운동부재.
  26. 반대방향으로 회전운동하는 고정자(300)에 대해 회전운동하기 위한 축(100)에 연결된 회전자(150)가 구성되는 발전기에 있어서,
    축(100)에 고정되어 연결된 변속기부재(160)가 구성되고, 상기 변속기부재가 고정자(300)에 연결되며, 축이 회전운동할 때, 고정자가 축과 반대방향으로 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
  27. 제 26항에 있어서, 변속기부재(160)가 축위에 고정되어 장착된 기어휠인 것을 특징으로 하는 발전기.
  28. 제 26항에 있어서, 축이 회전할 때, 고정자가 축과 반대방향으로 회전하도록 변속기부재(160)가 고정자구동기어(130)와 연결되고, 상기 구동기어가 고정자위에서 기어림(20)과 연결되는 것을 특징으로 하는 발전기.
  29. 전력을 생산하기 위한 발전기로서 제 26항 내지 제 28항 중 한 항을 따르는 발전기의 이용.
  30. 기계식 회전에너지를 생산하기 위한 전기모터로서 제 26항 내지 제 28항 중 한 항을 따르는 발전기의 이용.
  31. 각 베어링(510,815)을 가지고 제 2 축(820)에 연결된 회전 고정자(800)에 대해 회전운동하도록 제 1 축(500)에 연결된 회전자(550)를 가진 발전기에 있어서,
    제 2 축(820)의 한쪽 단부에서 제 2 축이 제 1축(500)위에서 축방향으로 지지되는 고정자프레임(800)에 연결되고,
    제 1 축(500)의 한쪽 단부에서 제 1 축이 상기 고정자프레임내에서 축방향으로 지지되는 것을 특징으로 하는 발전기.
  32. 제 31항에 있어서, 제 1 축(500)이 연결부(502)에 의해 제 1 프로펠러 또는 터빈에 연결되고, 제 2 축(800)이 연결부(802)에 의해 제 2 프로펠러 또는 터빈과 연결되는 것을 특징으로 하는 발전기.
  33. 전력을 생산하기 위한 발전기로서 제 31항 또는 제 32항을 따르는 발전기의이용.
  34. 기계식 회전에너지를 생산하기 위한 전기모터로서 제 31항 또는 제 32항을 따르는 발전기의 이용.
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