KR20060060011A - 조력 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조수흐름으로 발전되는 발전기에 관한 것으로 수직축에 대해 회전하는 터빈 하우징(30) 내에 터빈을 포함한다. 상기 터빈(10)은 터빈 하우징의 하부 부분에서 선회가능하게 지지되고, 복수의 회전 요소(36)의 도움으로 터빈 하우징의 내부 벽의 상부 부분과 연결되는 지지 칼럼(22)에 연결된다. 상기 터빈은 따라서 회전요소(36)의 도움으로 상기 터빈 하우징내에서 선택적으로 회전될 수 있다.
조력 발전기

Description

조력 발전장치{ENERGY GENERATOR POWERED BY TIDAL CURRENTS}
본 발명은 물, 주로 좁고 얕은 해협 내에서 흐르는 조수의 열린 흐름 양으로부터 전력을 발생시키기 위한 발전장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 조수 흐름에 의해 발전되는 에너지 발전기 장치에 관한 것으로 수직축에 대한 내부회전을 위해 터빈 하우징 내에 장착된 터빈을 포함한다. 본 발명은 특히 길 또는 다리로 연결될 필요가 있는 장소를 위한 것이다. 바다의 조수 흐름은 달과 태양으로부터의 중력에 의한 것이다.
광대한 양의 물이 전후로 밀려 간만을 형성한다. 이 파도는 지구의 회전의 결과로 서쪽으로 이동하고, 대양내에서 1미터 이하의 파고를 가진다. 상기와 같은 밀물이 제한된 영역으로 들어가면 더 큰 밀물범위가 발생된다. 이것의 한 예는 간만의 차가 상승하는 영국 해협이다. 예를 들어 오슬로 만(fiord)과 같은 다른 장소에서는, 간만의 차가 작을 수도 있다. 이것은 지리적인 조건에 의한 것이다.
천체의 중력에 의해 지배된 바다 표면의 규칙적으로 순환하는 상승과 하강은 사전에 미리 계산될 수 있다. 상기와 같은 계산은 대다수의 사람들이 이용하는 바다에서의 조석표에서 수행되어야 하며, 발전시 이용될 수 있는 바닷물의 흐름, 천문학적 조수범위의 예측가능한 구성요소이다. 또한, 바람과 기압으로 인한 기상 구 성요소가 있다. 여기서의 한가지 예는 장기간 낮은 압력과 남쪽의 바람이 여분의 물을 만(fiord)으로 보낼 수 있는 오슬로만(fiord)이다. 상기 구성요소는 발전에 이용가능한 것은 아니다.
그러나, 계획단계 동안 기상 구성요소와 천문학적 구성요소가 그렇게 동시에 발생할 수 있다는 것은 고려해야 한다.
EU에서의 연구는 주로 영국과 프랑스의 해안 주위에 100 TWh 이상의 조수 에너지 발전에 대한 잠재성이 있다는 결론을 내리고 있다. 조력 발전소를 위한 노르웨이의 적당한 위치는 서부 노르웨이의 북부로부터 러시아와 경계까지의 해안을 따라 발견된다. 불안정한 지구 물리학적 과정에 의해 제어된 바람과 파도와는 달리, 조수 흐름의 천문학의 구성요소는 에너지의 안정적고 예측가능한 자원이다.
조력 에너지는 물의 흐름의 운동 에너지를 동력화하거나 이러한 형태의 에너지의 조합에 의해 만조와 간조(위치 에너지) 사이의 조차를 이용함으로써 얻어질 수 있다.
조수 흐름의 에너지 개발에 대한 연원은 11 세기 이전에 프랑스와 스페인에서 특별한 풍차 구조까지 거슬러 올라가게 될 수 있다. 오늘날에는 사용중인 조력 발전소가 거의 없다. 가장 잘 알려진 것은 24대의 터빈을 가진 프랑스의 La Rance의 대형 발전소와 이보다는 작은 러시아의 Kislogursk의 더 작은 용량의 설비이다. 상기 발전소들의 공통적 특징은 조절가능한 가이드 풍향계와 조절가능한 터빈 블레이드를 가진 Kaplan 타입의 고정 장착 터빈을 사용한다는 것이다. 조수가 방향을 바꿀 때, 물의 흐름은 터빈을 통과하고 난 후 먼저 가이드 풍향계를 치게된다. 이 것은 결과적으로 터빈의 효율을 감소시키게 된다.
노르웨이 특허출원 제 2001 0737호는 전체적으로 물에 잠긴 터빈과 발전기 유닛과 함께 바닥에 파일 타입 앵커링하기 위한 시스템을 공개하고 있다. 상기 문헌은 파일 기초로부터 연결 및 해제되는 시스템에 대해 기술한다.;
미국특허 제 5,440,176호는 개별적으로 상승 또는 하강 및 회전될 수 있는 터빈과 발전기 유닛을 가지는 구조에 잠긴 프레임을 포함하는 발전을 위한 발전기를 공개하고 있다.
또한, 영국특허 GB 2 298 004호는 터빈이 상부의 길과 함께 댐 또는 협부(isthmus)내의 에서 흐름 채널에 설치된 조력 발전소를 공개하고 있다. 미국특허 제 4,468,153호는 양방향의 조수 움직임이 이용될 수 있도록 회전가능한 터빈을 가진 조력발전소를 공개하고 있다.
WO 00/50768과 GB 2 311 566은 둘 다 흐르는 물, 특히 바닷물의 흐름을 이용하기 위해 구성된 물 터빈을 공개하고 있다. 상기 터빈은 회전가능한 파일(pile) 또는 칼럼에 설치된다.
따라서, 바닷물의 흐름으로부터 전력을 경제적인 방법으로 생성하기 위한 장치에 대한 요구가 있어왔다. 여기서의 기계는 빠르고 효율적으로 바다로부터 끌어올려질 수 있고, 예를들어 다이버와 값비싼 크레인 배가 필요없는 서비스 장비여야하고, 바람직하게는 조수 방향과는 관계없는 고효율의 단순한 터빈 구조를 제공해야 한다. 실제 발전기와 다른 전기 설비가 기록된 가장 높은 수면위에 위치되고 따라서 작동유지를 위해 쉽게 접근가능하게 보호되도록 발전장치를 배치하는 것이 또 한 바람직하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 수직축에 대해 회전하는 터빈 하우징내에 장착된 터빈을 포함하는 장치를 제공함으로써 해결한다. 상기 장치는 터빈이 수평 평면내의 상부부분에서 터빈 하우징의 내부벽부분과 연결되는 복수의 회전요소로 지지되는 지지칼럼에 부착되는 것을 특징으로 하며, 이에따라 상기 터빈은 상기 터빈 하우징내에서 선택적으로 회전될 수 있어 터빈이 언제든지 일반적인 물 흐름 방향에서 최적으로 배치되도록 한다.
본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예는 종속항 2-9에 나타난다.
본 발명의 또 다른 목적은 터빈의 철강 구조와 터빈 하우징의 내부의 거친 캐스트 콘크리트 표면사이의 고체 및 진동댐핑 연결을 달성하기 위한 것이다. 상기 실시예는 터빈 하우징의 어떤 가능한 불규칙한 콘크리트 표면과 내부형상도 씰에 의해 흡수되도록 한다.
본 발명의 실시예는 동일한 부분은 동일한 참조번호로 표시되는 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세히 기술된다.
도 1은 도로를 형성하도록 연속하여 장착된 본 발명에 따른 세 장치의 단면도. 여기서 상기 장치 중 하나는 단면도로 도시된다.
도 2는 도 1에 나타난 배치의 개략도이다.
도 3은 도 1의 평면 C-C의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 장치는 터빈 하우징(30)내의 지지 칼럼(22)에 설치된 터빈 블레이드(12)를 가진 터빈을 포함한다 .
상기 터빈 하우징은 콘크리트 및 해저의 의도하는 위치에 부유되도록 설치된 조립식 요소로 이루어질 수 있어, 최상부분(도로 40)은 기록된 가장 높은 물 높이 위에 있게된다. 도 1에 도시된 바와 같이 터빈 하우징(30)은 조수가 흐르는 흐름 개구부(32)로부터 이격되어 닫힌다. 도 1 우측의 터빈 하우징내에서, 터빈 하우징 커버는 하우징의 내부구조를 보이고 터빈을 장착하기 위해 제거되어 있다. 도면에서, 터빈은 발전기(38)(상기 도로(40)와 동일 높이로 발전기 하우징 (39)내에 적절히 위치된)에 연결되어 보일 수 있다. 이것의 이점은 발전기(38)가 가장 높게 기록된 수위보다 위에 안전하게 위치하고, 작동과 유지보수를 위해 쉽게 접근할 수 있다는 것이다.
도 2는 터빈 하우징(30)이 커버(44)로 통상 덮혀지는 접근 개구부(45)를 가지는 배치를 도시한다. 완전한 발전기-터빈 유닛의 설치, 유지보수 및 복구시, 차량과 같은 설치수단(42)은 접근 개구부(45)위에 쉽게 위치될 수 있고 완전한 발전기-터빈 유닛을 복귀 또는 하강시킬 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 장치는 상술한 바와 같이 지지 칼럼(22)에 설치된 터빈(10)을 포함한다. 그 상부 단부에서, 지지 칼럼은 발전기(38)에 연결되고 하부단부에서 터빈 하우징의 하부상의 지지점에서 지지된다. 하부 지지지점은 예를들어 고무와 같은 물 윤활 스위벨 연결인 것이 바람직하며 이에따라 전체지지 칼럼 배치가 수직축에 대해 회전가능하다.
도 1 및 3은 발전기 위의 지지칼럼에 설치되는 원형 요소(28)를 도시한다. 상기 요소는 터빈 방향으로 테이퍼형상을 이루어 터빈 블레이드(12)로 한정된 직경과 거의 같은 크기로 터빈 하우징의 흐름 개구부(32)가 감소하도록 한다. 물론, 흐름율을 증가시키고 물의 질량으로부터 가능한한 많은 에너지를 추출하는 이른바 벤투리 원리는 잘 알려져 있다.
상기 요소(28) 상부의 터빈 하우징내 영역은 건조되는 것이 즉, 이 공간으로 물이 흐르지 않도록 하는 것이 바람직하다. 상기 지지 칼럼(22)을 수평으로 지지하기 위해, 복수의 회전 요소(36)가 발전소가 작동할 때 터빈 하우징의 내부벽 부분과 연결되는 지지칼럼의 상부 부분에 제공된다. 상기 회전 요소(도면에는 세 개가 표시됨)는 수압 또는 전기적으로 작동되는 고무 휠인 것이 바람직하다. 수평 지지에 더하여, 상기 회전 요소 또는 휠(36)은 물이 흐르는 방향에 관해 바람직할 때 터빈의 실제 회전에 영향을 줄 수 있게 된다.
조수의 변화로 터빈을 돌려야할 때 상기 휠(36)은 단순히 작동하고 휠과 터빈 하우징의 내부벽 사이의 마찰이 지지칼럼(22)의 회전을 일으킨다. 휠(36)은 공기, 다른 가스 또는 액체와 같은 하나 이상의 유체로 채워지는 것이 바람직하다.
원형 흐름 지역에서 요소(28) 위의 부분으로 누출되는 것을 차단하기 위해 원형 요소(28)의 가장 큰 원주 주위에 씰(seal)이 제공될 수 있다. 상기 씰(34)은 예를들어, 수압 또는 공압중의 하나를 사용하고 상술한 기능에 더하여 의도하는 위치 내에 지지칼럼을 유지하는 것을 도우며(환언하면, 잠금 메카니즘 형태), 터빈 하우징으로 진행하여 작동될 때 터빈으로부터의 진동( 및 이에따른 소음)을 차단하 도록 선택적으로 확장 및 수축될 수 있는 고무 튜브일 수 있다. 상기 씰(34)은 또한 터빈 하우징의 내부 벽의 불규칙성을 효과적인 방법으로 흡수한다. 씰의 강성은 실제 하중과 진동의 함수로 바람직하게 조절될 수 있다.
또한, 상기 씰은 터빈이 회전할 때 수축되고 새로운 의도하는 위치로 터빈이 회전할 때 팽찰될 수 있는 것이 바람직하다. 상기 팽창 및 수축은 조수 흐름방향의 변화에 따라 자동화되고 단계적으로 터빈의 회전과 동기화되는 것이 바람직하다.
공지된 바와 같이, 물의 질량으로부터 에너지의 가능한한 큰 비율이 터빈 블레이드로 전달되는 것이 중요하다. 즉, 터빈 블레이드를 통과한 후 회전을 위해 가능한한 자유롭게 물이 흐르는 것이 바람직하다. 이것은 물이 터빈 블레이드를 타격하기 전에 반대방향의 터빈의 회전방향으로 물의 특정 회전을 전하는 가이드 베인에 의해 공지된 방법으로 달성된다.
본 발명에 따른 장치에서, 이것은 지지칼럼(22) 자체가 가이드 베인 형태로 만들어짐으로써 해결된다. 도 3은 이것을 도시한다.;
지지칼럼이 반대방향인 회전방향의 회전을 제공하는 단면 프로파일을 가지는 것이 명백한 섹션 AA와 섹션 BB 참조. 물 흐름은 터빈 블레이드(12)를 통과하도록 주어진다.
도 1 및 2에 도시된 바에 따라, 본 발명에 따른 장치가 도로(40)를 위한 기초를 형성하도록 연속하여 의도하는 수로 배치될 수 있다. 상기 터빈 하우징(30)은 상기 위치에 부유될 수 있는 조립 요소일 수 있다. 본 발명은 따라서 조수흐름으로부터 저비용으로 전기를 얻을 수 있는 장치를 제공한다. 상기 기계는 빠르고 효율 적으로 바다로부터 끌어올려질 수 있고, 다이버와 값비싼 크레인 배도 필요없이 서비스 장비에 설치될 수 있다. 유닛을 승강시키고 설치하는 동안 회전요소(고무 휠)(36)는 유닛의 승강 및 하장을 용이하게 하도록 수축될 수 있다.
유닛이 터빈 하우징 내에 배치될 때, 휠은 내부 벽(31)과의 의도하는 접촉이 달성될 때까지 휠은 팽창된다.
상술한 바에 따라, 회전식 요소와 씰의 제어는 조수흐름이 회전할 때 컴퓨터로 자동제어되는 것이 바람직하다. 씰내의 내부 압력매체(즉, 평평한 튜브)(34)는 콘크리트벽이 없는 비작동 위치를 채용하도록 내보내진다. 그 후 회전식 모터가 시동되고 회전요소(36)가 터빈이 180°회전될 때까지 이동한다. 압력 매체는 이후 씰로 펌핑되어 보내진다 그 후 그 내부에서 팽창된 상태로 고정되나 터빈과 터빈 하우징사이의 탄성 연결이 이루어진다.
본 발명은 양방향의 물의 흐름에서 고효율의 단순한 터빈 구조를 제공한다. 발전기와 다른 전기 장비와 같은 손상받기 쉬운 장비는 가장 높은 정상 수위위에 보호되는 방법으로 위치된다. 또한 비용절감 및 터빈 발전기 유닛과 터빈 하우징 사이의 소음감소연결이 달성된다.

Claims (9)

  1. 수직축에 대해 회전하는 터빈 하우징(30) 내에 장착된 터빈을 포함하는 조력 발전장치에 있어서,
    상기 터빈(10)은 하부부분이 터빈 하우징의 하부 부분에서 선회가능하게 지지되고, 수평평면내의 상부부분에서 터빈 하우징의 내부벽 부분과 연결되는 복수의 회전 요소(36)로 지지되는 지지칼럼(22)에 연결되고,
    이에따라, 상기 터빈이 물이 흐르는 방향에 대해 최적으로 위치도도록 상기 터빈 하우징내에서 선택적으로 회전될 수 있는 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 회전요소(36)가 터빈의 선택적인 회전을 일으키도록 작동가능한 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 회전요소가 수압 또는 전기적으로 작동되는 휠인 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  4. 제 1항에 있어서, 터빈 블레이드(12)에 의해 한정되는 직경과 동일한 크기로 터빈 하우징의 흐름 개구부(32)가 감소하도록 상기 터빈방향으로 부분이 테이퍼 형상으로 형성되는 회전요소와 터빈(10)사이의 지지칼럼상에 요소(28)가 배치되는 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  5. 제 1항에 있어서, 지지칼럼보다 큰 원주를 가지는 지지칼럼상의 수평평면내에 원형 요소(28)상에 씰(34)이 배치되고 상기 요소가 터빈(10)과 회전요소(36)사이에 배치되며 상기 씰은 원형요소(28)의 가장 큰 원주를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  6. 제 1항 및 5항에 있어서, 상기 씰(34)이 터빈 하우징의 내부 벽 주위부분과 선택적으로 접촉되어, 터빈 하우징(30)으로 작동시 터빈으로부터의 진동을 방지하고 상기 원형요소(28)위의 공간으로 물이들어가는 것을 방지하도록 의도하는 위치내에 지지칼럼을 유지하는 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 지지칼럼(22)의 하나이상의 부분이 작동하는 동안 물흐름이 터빈 블레이드(2)를 통과하는 회전방향과 반대방향인 주어진 회전방향으로 물흐름을 발생시키도록 가이드 베인 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  8. 제 1항에 있어서, 터빈(10)과 발전기(38)사이의 에너지 전달이 상기 지지칼럼(22)내의 내부통로를 통하여 이루어지고 상기 발전기가 상기 원형요소(28), 특히 상기 터빈 하우징(30)위의 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
  9. 제 1항에 있어서, 터빈의 상부부분이 기록된 통상 물 높이이상의 높이가 되도록, 상기 터빈하우징(30)이 발전되고 해저에 설치된 위치로 부유될 수 있는 조립식 요소인 것을 특징으로 하는 조력 발전장치.
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