KR20070108362A - 부력 펌프 파워 시스템 - Google Patents

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KR20070108362A
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buoyancy block
pump
piston
block
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KR1020077016006A
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English (en)
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주니어 케네스 더블유. 웰치
커티스 제이. 로디
헤롤드 엘. 로디
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인디펜던트 내추럴 리소시즈, 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

본 발명의 발전 시스템은 수역(body of water)으로부터의 파동을 기계적 에너지로 변환하는 작동을 할 수 있는 펌프를 포함한다. 이 펌프는 작동유체가 그를 통해 펌프에 들어갈 수 있는 입구 포트와 작동유체가 그를 통해 펌프를 나갈 수 있는 출구 포트를 포함한다. 제1출구 라인과 제2출구 라인은 펌프의 출구 포트에 유체가 통하게 커플링된다. 제1저장부는 제1출구 라인에 유체가 통하게 연결되고, 제2저장부는 제2출구 라인에 유체가 통하게 연결되고, 두 저장부 모두 출구 포트를 통해 나오는 작동유체를 선택적으로 수용할 수 있다.
부력, 펌프, 전력망, 발전, 파동.

Description

부력 펌프 파워 시스템{Buoyancy pump power system}
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은 2004년 12월 16일 출원된 미국 임시특허출원 제 60/636,492호 및 2005년 2월 16일 출원된 미국 임시특허출원 제60/653,618호의 우선권을 주장하며, 이들은 본원에 참고문헌으로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 펌프 장치에 대한 것이고, 제한하고자 하는 것은 아니지만 보다 상세하게는, 가스, 액체 및 이들의 혼합물을 제1장소로부터 제2장소로 이동하기 위해 이동 수량(moving volume of water)을 이용하는 부력 펌프 파워 시스템의 부력 펌프 장치에 대한 것이다.
일반적으로 파동 현상(wave phenomenon)이라고 불리는 것을 동력화하고, 파동 현상에서 관측되는 에너지를 신뢰할 수 있고 사용할 수 있는 에너지원으로 변환하고자하는 많은 시도가 이루어졌다. 파동 현상은 매질의 다양한 상태들을 통해, 그리고 예를 들어, 전자기파들의 경우에 진공을 통해 진동 임펄스들에 의한 에너지와 운동량의 전달을 수반한다. 이론적으로, 매질 자체는 에너지가 통과할 때 이동하지 않는다. 매질을 구성하는 입자들은 서로 에너지를 전달하는 병진 또는 각도 (궤도) 패턴으로 단순히 움직인다. 대양 표면 상에서와 같은 파동은 종방향도 횡방향도 아닌 입자 운동을 한다. 오히려 파동에서의 입자들의 운동은 전형적으로 종방향 및 횡방향 파동들 모두의 성분들을 포함한다. 종방향 파동은 전형적으로 에너지 전달 방향에서 전후로 움직이는 입자들을 포함한다. 이들 파동은 모든 상태의 매질을 통해 에너지를 전달한다. 횡방향 파동들은 에너지 전달방향에 대해 직각으로 전후로 움직이는 입자들을 포함한다. 이들 파동은 고체들을 통해서만 에너지를 전달한다. 궤도 파동에서, 입자들은 궤도 경로에서 움직인다. 이들 파동은 두 유체들(액체들 또는 가스들) 간의 경계면을 따라 에너지를 전달한다.
예를 들어, 대양 표면에서 발생하는 파동들은 전형적으로 종방향 파동 및 횡방향 파동 모두의 성분들을 포함하는데, 왜냐하면 대양의 파동의 입자들이 대기와 대양 간의 경계면에서 원형 궤도로 움직이기 때문이다. 파동들은 전형적으로 몇가지 쉽게 인식가능한 특징들을 갖는다. 이러한 특징들에는: 파동의 최고점인 마루(crest); 파동의 최저점인 골(trough); 마루와 골 간의 수직 거리인 높이; 마루와 골 간의 수평 거리인 파장; 하나의 파장이 지나가는데 경과된 시간인 주기; 단위 시간당 고정된 지점을 지나는 파동들의 개수인 주파수; 높이 거리의 반이고 파동의 에너지와 같은 진폭이 포함된다.
1898년 1월 25일 특허 허여된 미국 특허 제597,833호에 공개된 시스템과 같이, 지난 세기의 전환기로 돌아가면 파동 현상에 의해 만들어지는 에너지를 동력화 및 사용하려는 많은 시도가 이루어졌다. 이들 시도는 파동 현상으로부터 유도되는 에너지를 획득하기 위해 바다 벽(sea wall)을 세우고; 파동 현상으로부터 에너지를 동력화하기 위해 복잡한 기계 장치들을 포함하는 트랙 및 레일(track and rail) 시스템을 사용하며; 천해파(shallow water wave) 시스템에 대해서만 적합한 펌프 시스템의 개발; 및 조수의 썰물 및 밀물이 발생하는 해변 부근에 타워 등을 건설하는 것을 포함하였다. 본원에 상술하지 않은 또 다른 시도들도 마찬가지로 이루어졌다.
이들 시스템 각각은 문제가 많다. 예를 들어, 해수에 사용하기 위해 적용되는 특정 시스템은 이에 따라 가혹한 환경에 처한다. 이들 시스템은 정기적인 유지보수 및 교환을 필요로 하는 다수의 기계적 부품을 포함하며, 따라서, 시스템이 바람직하지 않게 한다. 다른 시스템들은 해변에 또는 얕은 바다로 건설이 제한되고, 이는 시스템들의 배치를 제한하고, 따라서 시스템이 바람직하지 않게 한다. 마지막으로, 다른 시스템들은 파동 현상에 의해 제공되는 에너지 전체를 활용하는데 실패하므로, 채집하느라 에너지를 낭비하여, 비효율적인 시스템이 되게 한다.
오일과 같은 전통적인 에너지원의 고갈은 효율적인 대체 에너지원에 대한 필요성을 요구한다. 또한, 지구 온난화 등과 같은 이런 현상의 원인이라고 추정되는 온실 효과는 환경 친화적 에너지 생성 장치에 대한 필요성을 추가로 형성한다. 쉽게 사용할 수 있는 전통적인 연료원의 감소는 에너지 비용의 증가를 초래하였고, 이는 세계적으로 인식되고 있다. 이는 환경 친화적, 고효율, 저비용 에너지 장치의 생성에 대한 또 다른 필요성을 부가한다.
또한, 쉽게 사용할 수 있고, 보다 저렴한 에너지원에 대한 필요성은 전 세계가 절실히 느끼고 있다. 예를 들어, 중국과 같은 나라에서, 급속한 인구 증가를 위한 대형 에너지 공급원을 생성하기 위해 강을 댐으로 막고 있다. 이러한 프로젝트 들은 완성되는데 20년 이상 소요될 수 있다. 이런 댐 건설 프로젝트에 의해 생성되는 에너지의 가용성은, 이 프로젝트의 완료시까지 시작되지도 않는다. 따라서, 건설 즉시 에너지를 제공하며, 짧은 건설 기간을 가지는 에너지 장치에 대한 또 다른 필요성이 존재한다.
상술한 문제점들 및 필요성들은 본 발명의 원리들에 따른, 파동들 또는 해류(current)들에 의해 구동되는 부력 펌프 장치들의 시스템에 의해 해결된다. 부력 펌프 장치들은 유체가 그를 통해 흐를 수 있는 부력 챔버를 내부에 형성한 부력 블록 하우징(buoyancy block housing)을 포함한다. 부력 블록은 부력 챔버(chamber) 내의 유체의 상승에 응답하여 제1방향으로, 부력 챔버 내의 유체의 하강에 응답하여 제2방향으로 내부에서 축방향으로 이동하도록 부력 챔버 내에 배치된다.
피스톤 실린더는 부력 블록 하우징에 연결되며, 제1방향으로의 부력 블록의 이동에 응답하여 출구로서, 그리고, 제2방향으로의 부력 블록의 이동에 응답하여 입구로서 동작하는 내부에 배치되는 하나 이상의 밸브를 갖는다. 피스톤은 피스톤 실린더 내에서 슬라이딩가능하게 배치되고, 부력 블록에 연결되고, 피스톤은 제 1 및 제2방향으로 이동가능하며, 제2방향으로의 부력 블록의 이동에 응답하여 하나 이상의 밸브를 통해 유체 물질을 피스톤 실린더 내로 흡인하고, 제1방향으로의 부력 블록의 이동에 응답하여 하나 이상의 밸브를 통해 유체 물질을 배출한다.
부력 펌프 장치들이 액체를 펌핑하게 구성되는 경우, 부력 펌프 장치들은 공통 액체 저장 설비에 연결된다. 저장된 액체는 그 후 전력 생성을 위해 액체 터빈을 구동(power)하는데 사용된다. 가스가 펌핑될 매체이면, 부력 펌프 장치들은 공통 가스 저장 설비에 연결된다. 저장된 가스는 그 후 전력 생성을 위해 가스 터빈을 구동하는데 사용된다.
전기를 생성하기 위한 하나의 실시예는 파동을 기계적 동력으로 변환하는 시스템 및 방법을 포함한다. 유체 물질 또는 매질이 기계적 동력의 작용에 의해 저장부로 보내진다. 유체 매질이 저장부로부터 흐른다. 유동하는 유체 매질의 동적 에너지의 적어도 일부분이 전기 에너지로 변환된다. 유체 매질은 액체 또는 가스일 수 있다.
수역(body of water)의 일정 위치에 배치될 부력 펌프 장치들을 설계할 때, 부력 펌프 장치를 설계하기 위한 시스템 및 방법이 사용될 수 있다. 시스템은 소프트웨어를 실행하도록 동작할 수 있는 프로세서를 포함하는 연산 시스템을 포함할 수 있다. 소프트웨어는 수역의 일정 영역으로부터 파동 이력 데이터(historical wave data)를 포함하는 입력 변수들을 수신하고, 입력 변수들의 함수로서 부력 펌프 장치의 부력 장치의 하나 이상의 치수를 산출한다. 부력 장치의 치수(들)는 부력 펌프 장치에 의해 구동되는 유체 매질에 대한 부양(lift) 압력을 부력 장치가 생성할 수 있도록 적용된다.
본 발명의 원리들에 따른 다른 실시예는, 수역으로부터의 파동 에너지의 함수로서, 터빈으로부터 발전하는 시스템 및 방법을 포함한다. 시스템은 파동이 (i) 하나 이상의 제1부력 펌프 장치를 통과한 후 실질적으로 재형성될 수 있게 하고, (ii) 하나 이상의 제2부력 펌프 장치를 구동할 수 있도록 간격들을 두고 수역에 구성되는 부력 펌프 장치들을 포함한다. 부력 펌프 장치들은 터빈을 구동하기 위해 유체 매질을 변위시키도록 동작할 수 있다.
본 발명의 상술한 목적들, 특징들, 및 장점들 및 부가적인 목적들, 특징들, 및 장점들은 하기에 상세히 적은 설명에서 명백해질 것이다.
첨부 도면들과 연계된, 유사한 도면부호들이 유사한 부재들을 나타내는, 하기의 상세한 설명을 참조하여, 본 발명의 방법 및 장치를 보다 완전히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 본 발명의 원리들에 따른 제 1 실시예의 부력 펌프 장치의 분해 측입면도.
도 2A는 도 1의 부력 펌프 장치의 상부 평면도.
도 2B는 도 2A의 선 2B-2B를 따라 취한 단면도.
도 2C는 도 1의 조립된 부력 펌프 장치의 측면도.
도 3A 내지 도 3C는 본 발명의 원리들에 따른 예시적인 부력 블록의 상부 평면도, 측면도, 및 등각 입면도.
도 3D는 망원경 형상 부분을 갖는 예시적인 부력 블록의 부분 단면도.
도 3E 내지 도 3F는 각각 수축 및 팽창된 구성의 예시적인 부력 블록의 예시적인 조정가능한 베이스 부분의 상부 평면도들.
도 4A 내지 도 4C는 파동이 부력 펌프 장치를 지나갈 때의 도 1의 부력 펌프 장치의 측면도들.
도 4D는 예시적인 파동의 개략도.
도 5는 본 발명의 원리들에 따른 부양 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 예시적인 부양 펌프 장치의 다른 실시예의 측 입면도.
도 6은 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 예시적인 부력 펌프 장치의 또 다른 실시예의 측 입면도.
도 7은 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 예시적인 부력 펌프 장치의 다른 실시예의 측 입면도.
도 8은 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 부력 펌프 장치의 다른 대안적인 실시예의 예시적인 파동-펌프의 다른 실시예의 측 입면도.
도 9는 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 예시적인 부력 펌프 장치의 다른 실시예의 측 입면도.
도 10은 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 예시적인 부력 펌프 장치의 또 다른 실시예의 측 입면도.
도 11은 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 파워 시스템에 사용하기 위한 예시적인 농업용 장치(agriculture rig)에 커플링되는 부력 펌프 장치의 다른 실시예의 측 입면도.
도 12A는 다른 실시예의 부력 펌프 장치의 구성 요소로서 사용될 수 있는 예시적인 부력 챔버 링(buoyancy chamber ring)의 예시도.
도 12B는 도 12A에 도시된 부력 챔버 링을 사용하는 도 1의 부력 챔버의 단 면을 따라 취한 상부 사시도.
도 12C는 피스톤 챔버의 캡으로서 구성되는 도 12A의 다른 실시예의 부력 챔버 링의 도면.
도 13은 연산 시스템의 모니터 상에 표시되는 예시적인 부력 블록의 개략적 이미지를 예시하는, 파동 데이터에 근거한 부력 블록의 사이즈를 동적으로 결정 및/또는 조정하는 시스템의 도면.
도 14는 본 발명의 원리들에 따른 수탑(water tower)을 사용하는 예시적인 부력 펌프 파워 시스템의 입면도.
도 15는 본 발명의 원리들에 따른 대안적 실시예의 부력 펌프 파워 시스템의 입면도.
도 16은 대안적인 실시예의 또 다른 부력 펌프 파워 시스템의 입면도.
도 17A는 대양에서의 파동들에 응답하여 저장부에 유체를 보내게 구성되는 부력 펌프 장치들을 포함하는 예시적인 펌프 필드(1700; pump field)의 예시도.
도 17B는 특정한 부력 펌프 장치들을 포함하는, 부력 펌프 장치들의 구성의 확대도.
도 18은 부력 펌프 시스템에 의해 구동되는 작동유체를 수용할 수 있는 다수의 저장부를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 부력 펌프 시스템의 도면.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 부력 펌프의 도면.
도 20 내지 도 39는 본 발명의 일 실시예에 따른 부력 펌프의 조립도 및 상세도들.
도 40 내지 도 44는 본 발명의 일 실시예에 따른 부력 펌프의 조립도 및 상세도들.
양호한 실시예들의 하기의 상세한 설명에서, 첨부한 도면들을 참조하며, 이는 본원의 일부를 형성하고 그 안에 본 발명이 실시될 수 있는 특정한 양호한 실시예들이 예시적으로 도시되어 있다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세히 설명되어 있고, 다른 실시예들도 사용될 수 있고 합당한 기계적, 구조적, 및 화학적 변경들이 본 발명의 진의 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 당업자가 본 발명을 실시할 수 있게 하는데 필요하지 않은 세부사항을 피하기 위해, 설명에는 당업자에게 공지된 특정 정보는 생략될 수 있다. 그러므로, 하기의 상세한 설명은 한정적인 의미로 해석되지 않고, 본 발명의 범위는 첨부한 청구범위에 의해서만 한정된다.
상술한 문제점들을 해결하기 위해, 대양, 호수, 강의 형태로 발견되는 매우 큰 체적의 물의 자연적 운동에 물결 및 파동 형태로 존재하는 퍼텐셜 에너지를 비교적 높은 효율로 기계적 에너지로 변환하는 부력 펌프 장치가 제공된다. 부력 펌프 장치는 가스 및 액체 또는 모두의 혼합물을 펌핑하게 적용될 수 있다. 이와 같이, 그리고, 본원에 언급하는 바와 같이, 가스는 유체 또는 가스 모두로서 정의되며, 이에 의해, 공기 및 물 모두를 포함한다. 기계적 에너지원으로서, 펌핑된 가스 또는 액체는 그후, 이 형태의 파워를 사용하여 터빈, 공압 도구(air tools), 환기 또는 임의의 다른 기계적 장치에 동력 공급하도록 사용될 수 있다. 기계적 에너지 원은 유사한 기계적 변환 장치를 사용하는 전기 에너지의 생성을 위해 사용될 수도 있다.
이제, 도 1 내지 도 2C를 조합하여 참조하면, 부력 펌프 장치(100)가 본 발명의 제1실시예에 따라 다양한 도면들로 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(100)는 베이스(102), 한 단부가 베이스(102)에 연결되고 다른 단부가 부력 실린더 캡(106)에 의해 닫히는 부력 실린더(104), 및 한 단부가 부력 실린더 캡(106)에 연결되고 부력 실린더(104)와 일반적으로 동축관계로 정렬되는 피스톤 실린더(108)를 포함한다. 피스톤 실린더(108)의 다른 단부는 피스톤 실린더 캡(110)에 의해 닫혀있다. 부력 실린더(104)는 베이스(102)의 상부면에 의해 한 단부가 닫혀 있고, 다른 단부는 내부에 부력 챔버(112)를 형성하도록 부력 실린더 캡(106)에 의해 닫혀 있다.
부력 블록(114)은 일반적으로 형상이 원통형이며, 내부에서 축방향으로 이동하도록 부력 챔버(112) 내에 슬라이딩할 수 있게 배치되어 있다. 부력 블록(114)의 상단부에 연결된 피스톤 샤프트(116)는, 그로부터 부력 실린더 캡(106) 내의 개구(118)를 통해 실질적인 축방향으로 연장한다. 피스톤(120)은 실질적으로 원통 형상이고, 피스톤 실린더(108) 내에서 슬라이딩할 수 있게 위치되고, 피스톤 샤프트와 함께 일반적으로 축방향으로 이동하도록 하단부가 피스톤 샤프트(116)의 다른 단부에 연결된다. 피스톤 실린더(108)는 내부에 피스톤 챔버(122)를 형성하도록 일 단부가 피스톤(120)의 상부면에 의해 폐쇄되고, 다른 단부가 피스톤 실린더 캡(110)에 의해 폐쇄된다.
입구 밸브(124) 및 출구 밸브(126)가 그를 통해 가스 또는 액체가 흐를 수 있도록 피스톤 챔버(122)와 소통된 상태로 피스톤 실린더 캡(110)을 통해 연장한다. 입구 라인(128) 및 출구 라인(130)은 입구 밸브(124) 및 출구 밸브(126)에 각각 연결되며, 각각 다른 단부들로부터 가스 또는 액체를 수령 및 배출하기에 적합하다.
베이스(102)는 외부 환경에 대하여 고정된 위치에 부력 펌프 장치(100)를 유지하기 위해 밸러스트(ballast)를 포함할 수 있다. 베이스(102)는 피스톤 챔버(122)로부터 공기 또는 액체를 수용하기 위해 출구 라인(130)에 연결된 그 내부로 전달된 가스 또는 액체를 위한 저장 용기(storage receptacle)를 포함할 수도 있다. 베이스(102)가 저장부로서 사용되는 경우, 베이스 출구(132)는 베이스(102)로부터 원하는 위치로 가스 또는 액체가 흐를 수 있도록 이에 연결될 수 있다. 베이스(102) 상의 베이스 출구(132)의 위치는 베이스 출구(132)가 베이스(102) 상의 임의의 위치에 배치될 수 있도록 적용될 수 있음이 이해될 것이다.
부력 블록 하우징일 수도 있는 부력 실린더(104)는 체인(134)들에 의해 베이스(102)의 상부면에 연결될 수 있으며, 이 체인은 결국 부력 실린더(104)에 연결된다. 이 방식으로, 체인(134)들은 베이스(102) 상에서 부력 실린더(104)를 안정화시킨다. 가이(guy) 와이어 또는 기타 연결 수단이 부력 실린더(104)를 베이스(102)에 커플링하는데 사용될 수 있으며, 본 발명은 연결 수단으로서 체인(134)에 한정되지 않는다.
부력 실린더(104)는 물 같은 액체가 부력 블록(114)을 둘러싸는 부력 실린더(104)를 통해 흐를 수 있도록 그 외주 상에 규칙적으로 이격 배치된 다수의 구멍 을 가질 수도 있다. 이런 유동과 관련한 난류를 감소시키기 위해, 다수의 난류 구멍(131)이 부력 실린더(104) 상에 제공될 수 있다. 이와 같이, 부력 실린더(104)는 부력 실린더(104)를 통해 흐르는 가스와 관련한 마찰을 감소시키기 위해 케이지(cage) 등을 포함할 수 있다.
부력 실린더(104)는 예정된 길이를 갖는다. 부력 실린더(104)의 길이는 서로 다른 액체 환경들 내에서 부력 블록(114)의 이동에 관련된다. 예를 들어, 부력 펌프 장치(100)가 대양 환경에 배치될 때, 부력 실린더(104)의 길이는 부력 펌프 장치(100)가 연간 조수 변화 및 파동 높이들에 맞게 동작할 수 있게 하도록 조절될 수 있게 할 필요가 있다. 부력 펌프 장치(100)가 예를 들어, 호수 환경에 배치될 때, 부력 실린더(104)의 길이는 파동 높이 동작 설정에 대한 조절을 필요로 하지 않을 수 있다.
다른 실시예에서, 10ft(3.05m) 물 깊이를 가지는 수역에서, 부력 실린더는 최소한 10ft가 되어야 하며, 부력 챔버 내의 부력 블록의 움직임을 허용하도록 10ft에 추가된 부가적인 7ft(2.13m)의 동작 높이를 가진다. 따라서, 부력 실린더는 17ft(5.18m)가 되며, 7ft(2.13m)의 가용 행정을 갖는다. 그러나, 수역이 조수 변화를 갖는 경우, 본 예는 약간 바뀔 수 있다.
변형예에서, 2ft(0.61m) 조수 변화를 갖는 10ft(3.05m) 바다의 부력 펌프 장치에서는 2ft(0.61m)의 가용 행정 손실을 초래한다. 이 변화를 고려하여, 연간 저조(low tide)와 고조(high tide) 간의 편차가 배치될 부력 실린더의 길이에 추가된다. 즉, 최대 파동 높이가 7ft(2.13m)인 환경에서, 저조는 10ft이고, 고조는 14ft(4.27m)이고, 저조와 고조 간의 편차는 4ft(1.22m)이다. 이는 부력 실린더 길이(7ft; 최대 파동 높이에 대하여)+10ft(저조 조건에서 부력 펌프 장치가 동작할 수 있게 하기 위해)+4ft(저조 및 고조 간의 편차)를 더하여 21ft(6.4)의 총 부력 실린더 길이가 된다. 이는 고조일(high tide days)에 7ft의 행정이 지나가는 파동을 완전히 사용할 수 있게 한다.
부력 실린더 캡(106)은 그 위에 피스톤 실린더(108)를 지지하게 적용되며, 그 안의 구멍(118)은 부력 챔버(112)로 유입하는 액체가 그를 통해 피스톤 실린더(108)로 진입하는 것을 방지하게 적용된다. 부력 실린더 캡(106)은 피스톤 실린더(108) 및 그 구조적 구성요소들에 의해 형성된 부하를 지지하면서 환경적 힘(environmental force)에 저항하기에 적합한 용접 또는 나사(thread), 또는 다른 적절한 연결 수단에 의해 부력 실린더(104)에 연결될 수 있다. 부력 챔버(112)로부터 피스톤 실린더(108)로 액체 또는 가스가 진입하는 것을 방지하기 위해, 부력 캡(106)의 구멍(118)에 밀봉이 사용될 수 있다. 피스톤 실린더(108)는 피스톤 실린더(108)의 내측을 환경으로부터 밀봉하는데 적용된다. 피스톤 실린더(108)는 호수, 대양 및 강의 물을 포함하는 환경의 영향을 제한하도록 설계된 재료로 구성된다.
부력 챔버(112) 내에 배치된 부력 블록(114)은 일반적으로 원통형이며, 테이퍼(taper)형성된 상부면을 갖는다. 부력 블록(114)은 예정된 부력을 가져, 부력 블록(114)이 부력 펌프 장치(100)가 배치되는 물의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(100) 자체의 유압 또는 공압적 시스템 특성에 부합하는 사이클로 움직인다. 부력 블록(114)의 부력은 마찬가지로 물 및 시스템의 유체 역학 및 특성에 따라 조정 될 수 있다. 이러한 조정은 첫째, 부력 챔버(112)에 대하여 축방향 또는 방사방향 중 어느 하나나 양자 모두의 방향으로 부력 블록(114)을 수동 또는 원격 조정함으로써, 둘째, 부력 블록(114)의 다른 특성을 조정함으로써 수중에서의 그 거동에 영향을 줄 수 있다. 예시적인 조정 수단이 하기에 더 상세히 설명된다.
피스톤 샤프트(116)는 각각의 연결 조인트(136, 138)들을 통해 부력 블록(114) 및 피스톤(120)에 커플링된다. 연결 조인트(136, 138)는 피스톤(120)과 부력 블록(114)이 축방향으로 정렬되지 않을 때, 부력 블록(114) 또는 피스톤(120) 중 어느 하나의 임의의 방사방향 운동에 응답하여 이동가능하게 또는 가요성(flexible)을 갖도록 설계될 수 있다. 이런 이동성 또는 가요성은 회전이음쇠-연결(swivel-couple) 또는 기타 적절한 커플링 수단을 사용하여 달성될 수 있다.
피스톤 샤프트(116)는, 피스톤 샤프트(116)가 가혹한 환경 조건에 노출된 후에도 계속 작동하도록 경량 및 환경 저항적으로 설계된다. 피스톤 샤프트(116)는 부력 블록(114)으로부터 피스톤(120)으로, 그리고, 피스톤(120)으로부터 부력 블록(114)으로 힘을 전달하도록 추가로 설계된다. 마지막으로, 피스톤 샤프트(116)는 망원경식으로 조정될 수 있어, 피스톤 샤프트(116)의 길이가 부력 펌프 장치(100)의 요구조건에 따라 증가 또는 감소될 수 있다. 공기가 펌핑 매체이거나, 파동 또는 물결의 높이가 원하는 것보다 작을 때, 피스톤 샤프트(116)의 조정이 필요할 수 있다. 이런 조정은 파동 또는 물결의 포텐셜 에너지(potential energy)를 최대한 활용할 수 있게 한다.
피스톤 챔버(122)를 밀봉하기 위해서, 피스톤 실린더(108) 내측에 슬라이딩 가능하게 배치된 피스톤(120)이, 피스톤(120)의 외주 둘레에서 연장하는 밀봉부를 그 사이에 포함할 수 있다. 밀봉부는 피스톤(120)이 피스톤 챔버(122) 내에서 슬라이딩가능한 상태를 유지하면서, 가스 또는 액체가 환경으로부터 피스톤 챔버(122)로의 또는 피스톤 챔버(122)로부터 환경으로의 누출을 방지하게 적용된다.
입구 및 출구 밸브(124, 126)는 각각 가스 또는 액체의 피스톤 챔버(122)로의 및 챔버로부터의 유동을 허용하는 단방향(unidirectional) 유동 장치들이다. 밸브(124, 126)는 원하는 압력이 피스톤 챔버(122) 내에서 달성될 수 있는 한, 피스톤 실린더 캡(110) 상의 상이한 위치에 위치될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
부력 실린더(104) 내의 부력 블록(114)의 이동이 마찰 또는 부력 실린더(104) 내로 진입하는 기타 요소에 의해 방해될 수 있기 때문에, 다수의 심(140; shim)이 부력 실린더(104)의 내면에 연결될 수 있다. 심(140)들은 부력 실린더(104)의 외주를 따라 축방향으로 연장되며, 부력 실린더 내의 부력 블록(114)의 배향(orientation)을 안정화시키도록 추가로 기능한다. 심(140)들은 적절한 재료로 구성되어, 심(140)들과 부력 블록(114) 간의 마찰 계수가 0에 근접한다.
부력 실린더(104) 내에서의 부력 블록(114)의 축방향 이동을 제한하기 위해, 다수의 정지부(142; stop)가 부력 실린더(104)의 내면 상에 제공되고, 그 하부 부분에 배치될 수 있다. 정지부(142)의 위치설정은 피스톤 실린더(108) 내의 피스톤(120)의 원하는 행정 길이에 일치하도록 조절될 수 있다.
부력 실린더(104) 내의 부력 블록(114)의 축방향 운동이, 피스톤 샤프트(116)를 통해 피스톤 실린더(108) 내의 피스톤(120)의 축방향 이동으로 변한다는 것을 이해하여야 한다. 피스톤 샤프트(116) 및 연결 조인트(136)는 피스톤(120)의 위치를 부력 블록(114)에 관하여 추가로 고정한다.
이제, 도 3A 내지 도 3C를 참조하면, 예시적인 부력 블록(300)이 각각 평면도, 측면도 및 등각도로 도시되어 있다. 부력 블록(300)은 커플링 조인트(136; 도 2b)를 수령하도록 구성된 축방향 구멍(302)을 가져, 피스톤 샤프트(116; 도 1)에 커플링된다. 상부 부분(304)은 부력 블록(300)의 외주로부터 방사방향 내측으로 테이퍼형성되고, 축방향 구멍(302)에서 끝난다. 상부 부분(304) 상의 테이퍼는 특히, 부력 블록(300)이 물에 가라앉을 때 그리고 수면을 향해 이동할 때, 부력 블록(300)의 축방향 이동을 돕는다. 비록 상부 부분(304)이 부력 블록(300)의 하부 부분(306)과는 별개인 것으로 도시되어 있지만, 테이퍼는 부력 블록(300)의 임의의 위치로부터 시작할 수 있으며, 물에서의 부력 블록(300)의 축방향 이동을 돕도록 축방향 구멍(302)에서 끝날 수 있음이 이해될 것이다.
이제, 도 3D를 참조하면, 대안적인, 예시적 부력 블록(350)의 부분 단면도가 도시되어 있다. 부력 블록(350)은 상부 부분(352) 및 하부 부분(354)을 갖는다. 상부 부분(352)은 물에서의 부력 블록(350)의 축방향 이동을 돕는 방사방향 테이퍼부(356)를 가지며, 테이퍼부(356)에 연결된 테이퍼되지 않은 부분(358; non-tapered portion)를 갖는다. 부력 블록(350)의 상부 부분(352)의 내주 상에는 나사(360)가 형성된다.
부력 블록의 하부 부분(354)은 대체로 원통형이며, 하부 부분(354)의 외주 상에 형성된 다수의 나사(362)를 갖는다. 하부 부분(354)의 나사(362)는 상부 부 분(352)의 나사(360)와 정합하도록 구성되며, 하부 부분(354)이 상부 부분(352)에 대해 축방향 이동할 수 있게 한다.
상부 부분(352)에 대한 하부 부분(354)의 이동은 모터(364)를 사용하여 달성된다. 모터(364)는 하부 부분(354)의 상부면(365) 상의 하부 부분(354)에 연결된다. 구동 샤프트(366)는 상부면(365)에 모터(364)를 커플링하고, 하부 부분(354)을 예정된 방향으로 회전시켜, 부력 블록(350)을 망원경식으로 작동시킨다(telescoping). 하부 부분(354)의 망원경식 작동은 부력 블록(350)의 높이를 증가 또는 감소시켜, 부력 블록(350)의 부력을 증가 또는 감소시킨다. 부력 블록(350)의 직경은 유사한 방법을 사용하여 마찬가지로 조절될 수 있음을 이해할 것이다.
이제, 도 3E 내지 도 3F를 조합하여 참조하면, 예시적인 조절가능한 부력 블록 베이스(370)의 평면도가 도시되어 있다. 조절가능한 부력 블록 베이스(370)는 외부판(372), 외부판(372)에 연결된 내부판(374), 기어(378)에 연결된 축방향으로 배치된 모터(376), 및 기어(378)와 외부판(372)에 연결된 다수의 확장 바(380; extension bar)를 포함한다. 부력 블록 베이스(370)의 원주는 예를 들어, 고무와 같은 플라스틱, 열가소성 또는 다른 밀봉재 재료(382)에 의해 밀봉된다. 따라서, 밀봉재 재료(382)는 환경적 물질들이 부력 블록 베이스(370) 내로 진입하는 것을 방지한다.
외부판(372)은 롤러(384)들을 통해 내부판(374)에 연결된다. 롤러(384)들은 외부판(372)들이 내부판(374)들에 대해 이동할 수 있게 한다. 롤러(384)들을 위한 가이드들이 외부판 및 내부판(372, 374)의 각각의 표면들 상에 배치될 수 있다.
모터(376)는 부력 블록 베이스(370) 내에 축방향으로 배치되며, 적절한 동력원에 의해 동력공급된다. 모터(376)는 기어(378)에 연결되어, 모터(376) 작동시, 기어(378)가 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전한다.
기어(378)는 확장 바(380)들에 연결되어, 시계방향 또는 반시계 방향으로의 기어(378)의 회전이 롤러(384)들을 통해 내부판(374)들에 대한 외부판(372)들의 운동을 통해 부력 블록 베이스(370)의 직경의 각각의 팽창 또는 수축이 된다.
예를 들어, 도 3E는 도면부호 D1로 도시된 직경을 갖는 수축된 위치의 부력 블록 베이스(370)를 도시한다. 모터(376)가 기어(378)를 시계 방향으로 회전시키게 작동될 때, 확장 바(380)들은 이에 상응하여 회전되어, 도 3F에 D2로 도시된 바와 같이 부력 블록 베이스(380)의 직경을 확장시킨다. 열가소성 재료(382)는 부력 블록 직경의 확장에 관련되어 유사하게 확장된다. 따라서, 부력 블록 베이스(370)는, 부력 펌프 장치에 사용될 때, 관련한 부력 블록의 직경을 증가 또는 감소시키도록 방사방향으로 확장 또는 수축할 수 있다. 비록, 일반적으로 원통형 구조로 도시되어 있지만, 부력 블록 베이스(370)는 부력 펌프 장치의 요구조건들 및 디자인에 따라 다른 구성일 수 있음이 이해될 것이다.
이제, 도 4A, 도 4B 및 도 4C를 참조하면, 파동(W)이 부력 챔버(112; 도 1)를 통과할 때 다양한 위치들로 부력 펌프 장치(100)가 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(100)를 통과하는 파동(W)들은 하기를 포함하는 기하학적 특성들을 갖는다:
파동 높이(WH)는 파동의 고점 또는 마루 C와 파동의 저점 또는 골T 간의 수직 거리이다.
파장(WL)는 파동들 상의 등위 지점, 예를 들어, 마루들 또는 골들 간의 거리이다.
정상수(stillwater) 레벨 SWL 은 어떠한 파동도 존재하지 않는 물의 표면이며, 일반적으로 파동 높이 WH 의 중간점이다.
도 4A에서, 부력 블록(114)은 유체가 출구 밸브(126)를 통해 배출될 때, 파동 W의 마루 C1 에 의해 지지되는 그 최고 수직 위치에서 도시되어 있다. 파동(W)이 도 4B에 도시된 바와 같이 파장(WL)의 약 절반(1/2)의 거리만큼 부력 챔버(112)를 통해 이동할 때, 부력 블록(114)은 유체가 입구 밸브(124)를 통해 흡인될 때, 파동(W)의 골(T) 내의 그 최저 수직 위치로 강하한다. 도 4C에서, 파동(W)는 전체 파장(WL)를 이동하여, 부력 블록(114)이 후속 마루 C2 상의 최고 수직 위치로 복귀되었고 유체는 다시 출구 밸브(126)를 통해 배출된다.
부력 펌프 장치(100)의 피스톤 행정(Ps; 도시안함)은 파동(W)이 부력 챔버(112)를 통해 1파장(WL)만큼 이동할 때, 피스톤(120)이 부력 블록(114)에 의해 이동되는 거리로서 정의된다. 파동(W)이 부력 챔버(112)를 통해 이동할 때, 부력 블록(114)은 도 4A의 마루 C1 위치로부터 도 4B의 골(T) 위치까지의 파동 높이와 같은 거리(BD)만큼 강하하며, 그 후, 도 4B의 골(T) 위치로부터 도 4C의 마루 C2 위치까지 동일한 거리(BR)만큼 상승한다. 그러므로, 피스톤 행정(Ps)은 파동 높이(WH)의 두 배와 같다:
[수학식 1]
Ps = BD + BR = 2WH
따라서, 피스톤(120)은 강하하는 "절반 행정" 및 상승하는 "절반 행정"을 가지며, 이는 각각 "강하 행정" 및 "부양 행정"이라고도 불린다.
파동은 부력 펌프 장치(100)를 통과할 때, 주어진 파동 높이(WH) 및 주기(WP)를 갖는다. 부력 펌프 장치(100)는 피스톤 행정(Ps)을 가지며, 이는 하나의 전체 파동 주기(WP)에 걸쳐 이동하는 피스톤에 의해 정의된다. 도 4A에서 볼 수 있듯이, 파동이 부력 펌프 장치(100)를 가로질러 이동함에 따라, 부력 블록은 통과하는 파동와 직접적으로 관련하여 이동한다.
부력 펌프 장치(100)가 0-압력 상태에 있을 때, 부력 블록(114)은 파동에 기인한 최대 거리 즉, Psmax = 2WL를 이동할 수 있다. 이는 피스톤 실린더(108) 내에서의 피스톤(120)의 전체 절반 행정 이동으로 변환되며, 이는 유체를 밸브를 통해 피스톤 챔버 외측으로 밀어낸다.
도 1을 다시 참조하고 작동시에, 부력 펌프 장치(100)가 대양, 호수, 강 또는 기타 파동(또는 물결) 생성 환경과 같은 수역 내에 최초 배치된 이후, 출구 라 인(130), 출구 밸브(126) 및 피스톤 챔버(122) 내의 최초 압력은 0-압력 상태에서 시작한다. 인식된 특성들을 갖는 파동이 부력 펌프 장치(100)에 도달한다. 파동로부터의 물이 점증적으로 부력 챔버(112)를 채운다. 물이 부력 챔버(112)를 채움에 따라, 부력 블록(114)은 부력 챔버(112) 내의 상승하는 물과 함께 상승하기 시작한다.
부력 블록(114)의 부력은 부력 블록(114)의 대부분이 부력 챔버(112) 내의 물의 외부로 비교적 높게 떠서 부력 블록(114)이 부력 챔버(112) 내에서 축방향으로 이동할 수 있게 설계된다. 파동이 떠날 때, 부력 블록(114)은 중력에 의해, 그리고, 부력 챔버(112) 내에서 내려가는 물과 함께 하강한다. 피스톤 샤프트(116)는 부력 블록(114)의 운동을 피스톤(120)으로 전달한다.
일정 범위(spectrum)의 다른 끝(end)에서, 부력 펌프 장치(100)가 출구 라인(130) 및 출구 밸브(126) 내의 최대 압력에서 시작할 때, 부력 블록(114)의 대부분은 부력 펌프 장치(100)가 배치되어 있는 물 내에 사실상 잠겨 있다. 이는 피스톤 챔버(122)를 통한 피스톤(120)의 행정 길이가 감소되게 한다.
중력은 소정의 파동 또는 물결이 지나갈 때, 피스톤(120)과 부력 블록(114)의 하강 행정을 구동한다. 주어진 파동 또는 물결의 상승과 함께, 부력 블록(114)의 부력은 피스톤 샤프트(116)를 통해 피스톤(120)을 위한 양력(lift)/동력을 제공한다. 출구 밸브(126)로부터의 피스톤(120) 압력이 낮을 때, 부력 블록(114)은 부력 챔버 내의 물에서 비교적 높게 뜨는데, 왜냐하면 필요한 부양 양력이 출구 밸브(126)를 통해 피스톤 챔버(122)로 전달되는 배압(back pressure)에만 관련하기 때문이다.
피스톤 압력이 높을 때, 부력 챔버 내에서의 부력 블록(114)의 축방향 운동이 제한되어, 부력 블록(114)이 물에서 보다 낮게 떠있게 한다. 피스톤 챔버(122) 내의 특정 고압 상태에서, 부력 블록(114)은 거의 완전하게 잠겨질 수 있으며, 여전히 피스톤 챔버(122) 내에서 가스 또는 액체를 펌핑하도록 부력 챔버 내에서 축방향으로 이동할 수 있다. 결국, 출구 밸브(126)로부터의 압력은 완전히 가라앉은 때에도 부력 블록(114)의 부력이 피스톤(120)을 이동시키기 위한 부양력을 더 이상 충분히 제공할 수 없을 만큼 커지게 될 수 있다. 이 시점에서, 부력 블록(114) 및 피스톤(120)은 파동 또는 물결이 부력 펌프 장치(100)에 관하여 지속적으로 상승하더라도, 운동을 중지하게 된다.
예를 들어, 최대 압력 상태에서 부력 블록이 1 피트 높이만큼 전개된 부력 펌프 장치에서, 부력 펌프 장치는 피스톤 실린더 내에서 약 1 피트의 펌프 행정을 잃는다. 단지 1 피트의 파동만이 존재한다면, 부력 펌프 장치는 펌핑하지 못한다.
이 지점에 도달하지 않는다면, 부력 블록(114) 및 피스톤(120)은 파동 또는 물결이 그 각각 최대 높이에 도달할 때까지 주어진 파동 또는 물결이 상승하는 것과 함께 축방향 운동을 지속하여, 피스톤(120)이 피스톤 챔버(122) 내의 액체 또는 가스를 출구 밸브(126)를 통해 이동시킬 수 있게 한다. 이 과정은 피스톤 챔버(122) 내의 최대 압축점에 도달되지만, 외측으로의 유동이 여전히 가능할 때까지 유지된다.
부력 블록(114)이 여전히 축방향으로 이동하는 상태로 거의 가라앉거나 가라 앉았을 때, 이는 부력 펌프 장치(100)의 고수선(high waterline)이라 명명된다. 파동 또는 물결이 지나갈 때, 부력 블록(114)의 강하의 최저점은 부력 펌프 장치(100)의 저수선이라 명명된다. 고수선과 저수선 간의 거리는 피스톤(120)의 동력 행정을 결정한다.
예를 들어, 가스가 펌핑될 매체일 때, 가스원에 연결하도록 조정될 수 있는 입구 라인(128)은 대기중 공기와 같은 가스 환경과 소통하고 그로부터 가스를 수용하는 위치에 배치된다. 출구 라인(130)은 압축된 가스의 저장을 위해 베이스(102)에 연결될 수 있다. 출구 라인(130)은 가스의 저장을 위해 부력 펌프 장치(100) 외부에 배치된 고정된 저장 탱크 같은 다른 위치에 연결될 수 있다.
가스 실시예에서, 피스톤(120)이 침하하는 파동와 함께 낮아질 때, 이는 피스톤 챔버(122)내에 진공을 생성하고, 입구 라인(128) 및 입구 밸브(124)를 통해 피스톤 챔버(122)로 가스를 흡인한다. 파동의 골에서 그리고 물이 부력 챔버(112)로부터 배출된 이후 또는 부력 블록(114)이 부력 블록(114)과 피스톤(120)의 추가 하향 이동을 억제하는 정지부(142)들과 접촉할 때, 가스의 최대량이 피스톤 챔버(122)를 채운다.
파동이 상승하기 시작하고 물이 점증적으로 부력 챔버(112)를 채울 때, 부력 블록(114)은 물에 노출되고 물과 접촉한다. 부력 블록(114)의 부력은 부력 챔버(112) 내의 상승하는 물에 응답하여 부력 블록(114)이 자연적으로 부양하게 한다. 피스톤 샤프트(116)의 도움을 받아 피스톤(120)에 대해 부력 블록(114)의 고정된 위치로 인해, 피스톤(120)은 부력 블록(114)의 부양에 직접적으로 연계되어 상 승한다.
피스톤 챔버(122)로 도입된 가스는, 부력 블록(114)이 상승함에 따라, 압축된 가스의 압력이 출구 라인(130) 내의 라인 압력을 극복할 때까지 피스톤 챔버(122) 내에서 압축된다. 이 시점에서, 가스는 출구 밸브(126) 및 출구 라인(130)을 통해 흐르고, 사용 또는 저장을 위해 원하는 위치로 수송된다. 예를 들어, 상술한 예시적인 베이스(102) 또는 다른 저장 위치가 압축된 가스의 저장을 위해 사용될 수 있다. 가스가 상황적 필요에 따라 대기로 배출될 수 있는 것도 추가로 고려할 수 있다.
파동이 부력 펌프 장치(100)를 지나갈 때 파동이 그 최대 높이에 도달할 때, 물은 부력 챔버(112)를 벗어나기 시작한다. 중력은 부력 블록(114)을 파동와 함께 하향으로 밀어, 피스톤(120)이 하향으로 운동하게 하고, 이는 피스톤 챔버(122) 내에 진공을 생성한다. 진공은 상술한 바와 같이, 다시 가스를 피스톤 챔버(122)로 흡인하여, 각각의 연속적인 파동와 함께 과정을 반복하여, 부력 펌프 장치(100)를 구동하여 연속적으로 그리고 주기적으로 가스를 피스톤 챔버(122)로 흡인하고, 피스톤 챔버(122) 내의 가스를 압축하고, 가스를 피스톤 챔버(122)로부터 베이스(102)로 밀어내게 한다. 피스톤(120)은 부력 블록(114)이 더 이상 저장된 가스 및 출구 라인(130) 내의 압력을 극복할 수 없을 때까지 각각의 사이클에서 베이스(102)에 저장된 가스를 추가로 압축한다. 이 시점에서, 부력 블록(114)은 더 이상 파동에 관하여 상승할 수 없다.
다른 실시예에서, 액체가 펌핑될 매체일 때, 입구 라인(128)은 물과 같은 액 체 환경에 연결된다. 출구 라인(130)은 호수 바닥(lake bed), 수탑 또는 기타 수계(water system)를 포함하지만 이에 한정되지 않는 저장부(storage reservoir)에 연결될 수 있다. 물과 같은 비압축성 액체가 펌핑될 때, 피스톤 샤프트(116)는 조정될 필요가 없을 수 있는데 왜냐하면 일단 피스톤 챔버(122)가 비압축성 액체로 완전히 채워지면, 부력 펌프 장치(110)가 펌핑되기 때문이다.
액체 실시예에서, 피스톤(120)의 하강은 상응하여 피스톤 챔버(122)에 진공을 생성하고, 이는 입구 라인(128) 및 입구 밸브(124)를 통해 피스톤 챔버(122)로 물을 흡인한다. 파동의 골에서 그리고 부력 챔버(112)로부터 물이 비워질 때, 또는 부력 블록(114)이 부력 블록(114)의 추가 하향 이동을 억제하는 정지부(142)와 접촉할 때, 최대량의 액체가 피스톤 챔버(122)를 채운다.
파동이 상승하기 시작하고, 물이 점증적으로 부력 챔버(112)를 채울 때, 부력 블록(114)은 물에 노출되고, 접촉한다. 부력 블록(114)의 부력은 부력 챔버(112) 내의 점증적으로 상승하는 물에 응답하여 부력 블록(114)이 자연적으로 부양하게 한다. 피스톤 샤프트(116)의 도움으로 피스톤(120)에 대해 고정된 부력 블록(114)의 성질로 인해, 피스톤(120)은 부력 블록(114)의 부양에 직접적으로 관련하여 점증적으로 상승한다. 물이 매체인 경우에, 피스톤 챔버(122) 내의 상승하는 비압축성 물이 출구 라인(130) 내의 라인 압력을 극복한다. 이 시점에서, 물은 출구 밸브(126) 및 출구 라인(130)을 통해 흐르며, 사용 또는 저장을 위해 원하는 위치로 수송된다. 액체 및/또는 가스가 상황적 필요에 따라 대기로 배출되는 것도 고려할 수 있다.
파동이 부력 펌프 장치(100)를 통과하여 파동이 그 최대 높이에 도달하고 파동이 떠날 때, 물은 점증적으로 부력 챔버(112)를 벗어나기 시작한다. 중력은 부력 블록(114)을 하향으로 밀어, 피스톤(120)이 하향 운동하게 하고 피스톤 챔버(122) 내에 진공을 형성한다. 진공은 액체 및/또는 가스를 피스톤 챔버(122)로 흡인하도록 기능한다. 이 과정은 각각의 연속적인 파동와 함께 반복되어, 진공 펌프 장치(100)를 구동하여 액체 및/또는 물을 피스톤 챔버(122)로 연속적으로 및 주기적으로 흡인하고, 액체 및/또는 물을 피스톤 챔버(122)로부터 펌핑한다.
액체 실시예에서, 피스톤 챔버(122) 내에 존재하는 물/액체의 중량으로 인한 부양 양력의 손실이 인수로서 고려되어야 한다는 것을 이해하여야 한다. 그러나, 가스 실시예에서, 액체에 비해 가스의 비교적 경량인 특성들 때문에, 이 손실은 사실상 존재하지 않는다. 액체 실시예의 손실은 부력 블록(114)의 조절가능한 특성들을 통해 극복될 수 있다.
부력 펌프 장치(100)의 동작은 사용되는 환경에 의존한다. 예를 들어, 부력 펌프 장치(100)가 사전결정된 연간 파동 평균을 가지는 대양에 배치될 때, 부력 펌프 장치(100)는 파동에 관하여 구조체에 결합되거나, 부력 펌프 장치가 파동에 대한 그 상대 위치를 유지하도록 밸러스트와 함께 배치되어야 한다. 이런 구조체는 고정 또는 실질적으로 고정될 수 있거나, 항해에 적합한 선박, 플랫폼형 배열체를 포함할 수 있거나, 대양저(ocean floor)에 부력 펌프 장치(100)를 직접적으로 결합할 수 있다. 이런 연결은 특히, 오일 및 가스 산업에서 일반적인 것이며, 본 발명의 원리에 따른 신규한 부력 펌프 장치(100)와 결부하여 사용될 수 있는 것으로 고 려된다.
피스톤 샤프트를 경유하여 피스톤 실린더 내의 피스톤을 구동하기 위한 부력 부양은 부력 블록의 부양력에 직접적으로 관련된다. 이론적으로, 예를 들어, 부력 블록의 총 배수량이 100lbs(45.36kg)로 주어지는 경우, 부력 블록 중량(10lbs(45.8kg)), 피스톤 샤프트, 커넥터, 기타 잡다한 부품(5lbs(2.27kg)) 및 피스톤 중량(2.5lbs(1.13kg))을 총 배수량(100lbs(45.36kg))으로부터 차감하면 82.5lbs(37.4kg)의 부양력이 남는다. 부력 펌프 장치(100)의 실험적 시험은 이 공식(formula)에 따라 약 96% 효율로 동작한다.
부력 펌프 장치(100)가 대양저에 관하여 그 위치를 자체 보정하도록 사용되어 배치된 파동 환경에 관하여 실질적으로 안정한 위치를 유지할 수 있는 것이 고려된다. 예를 들어, 밸러스트 탱크가 부력 펌프 장치(100)에 결합되고, 적절한 밸러스트로 충전될 수 있다. 부력 펌프 장치(100)는 가스 또는 액체를 밸러스트 탱크로 펌핑하고, 그에 의해, 파동 환경에 관한 부력 펌프 장치(100)의 위치를 조절할 수 있다. 이런 구성은 부력 펌프 장치(100)의 출구 라인(130)을 밸러스트 탱크에 연결시키고, 사전결정된 조건에서 밸러스트 탱크 내외로 유동을 조절하기 위한 제어 시스템을 제공함으로써 달성될 수 있다. 가스 및 액체 양자 모두는 부력 펌프 장치(100)의 원하는 위치 조절에 따라 사용될 수 있다.
또한, 피스톤(120)의 길이 및 폭(직경)이 피스톤(120), 부력 챔버(112) 및 부력 블록(114)의 특성 또는 펌핑 매체에 대응하여 조절될 수 있다는 것도 고려된다. 유사하게, 피스톤(120)은 부력 블록(300)과 유사하게 피스톤(120)의 폭 또는 높이를 조절하기 위해 그 위에 신축가능한 조절부 등을 가질 수 있다(도 3A 내지 3C 참조).
예를 들어, 부력 펌프 장치(100) 내의 유량 및 압력 설정은 피스톤 실린더(108)의 내경 및 높이에 관련된다. 피스톤 실린더(108)가 보다 크고, 피스톤 실린더(108) 내의 피스톤 행정이 보다 길면, 존재하는 최소 압력에서 보다 큰 액체 또는 가스 유동량이 달성된다. 피스톤 실린더(108)가 보다 작고, 피스톤 실린더(108) 내의 피스톤 행정이 보다 짧으면, 액체 또는 가스에 가장 큰 압력이 제공되고, 최소량의 액체 또는 가스 유동이 달성된다.
입구 라인(128) 및 출구 라인(130)의 길이 및 치수와, 입구 및 출구 밸브(124, 126)를 포함하는 기타 재료에 관련하여, 소규모일지라도 마찰 손실이 발생할 수 있는 것으로 인식된다.
부력 챔버(112) 및 부력 블록(114)의 크기는 또한 최대 부력 펌프 장치 효율을 제공하도록 조절될 수 있다. 이런 조절은 예를 들어, 부품을 교체함으로써 수동으로, 각 부품 상에 신축가능한 부분을 포함시킴으로써 자동으로, 또는, 원하는 구성요소의 특성을 조절하도록 제어 시스템을 구성함으로써 원격적으로 이루어질 수 있다. 이 방식으로, 부력 펌프 장치(100)는 부력 펌프 장치(100)가 큰 파동, 작은 파동 및 보다 온건한 특성을 가지는 파동의 장점을 취할 수 있도록 변하는 특성을 갖는 파동에서 기능할 수 있도록 보정될 수 있다.
이들 파동을 이용하기 위해, 부력 펌프 장치(100)는 베이스(102)에 고정되어야할 필요는 없다. 오히려, 부력 펌프 장치는 예를 들어, 수역의 플로어에 장착되 거나, 수역의 플로어상에 장착된 구조체에 고정되거나, 강체 부유 플랫폼(rigid floating platform)에 고정되거나, 해벽 또는 안정한 플랫폼이나 그 등가체를 제공하는 기타 장착 장소에 고정될 수 있다.
파동 또는 물결내의 에너지의 양에 관련된 부력 펌프 장치(100)의 크기 및 부력 펌프 장치의 기능(100)은 몇몇 인자에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 이들은 연간 고 파동 사이즈, 저 파동 사이즈 및 평균 파동 사이즈, 연간 고 조수 마크, 저 조수 마크 및 평균 조수 마크, 파동 또는 물결의 평균 주기, 파동 또는 물결 위치에서의 액체의 깊이, 해변으로부터 파동 또는 물결까지의 거리, 파동 또는 물결 위치 부근의 지리(geography), 부력 펌프 장치(100)의 구조를 포함한다. 부력 펌프 장치(100)는 보다 큰 가스 또는 액체 체적을 펌프를 통해 펌핑하기 위해 격자 형태로 다른 부력 펌프 장치와 조합하여 사용될 수 있다는 것이 고려된다.
주어진 파동 높이 및 속도로부터 발생되는 마력을 결정하기 위해, 파동 마력(위치 에너지) 및 하강 및 부양 구성에서의 부력 블록 마력이 산출되었다. 이 데이터로부터, 피스톤 펌핑 마력이 그 후 물 및 공기 펌핑 구성 양자 모두에 대해 산출되었다. 이들 계산은 예시적 실험 구성에 따라 후술되어 있다.
실시예 A : 저(低) 파동 사이즈
1. 파동 마력(wave horsepower)
도 4A 내지 도 4D를 보다 상세히 참조하면, 파동 마력(파동 HP)은 하기와 같이 절반 파장(1/2 WL)의 거리에 걸쳐 이동하는 파동(W)에 대해 결정된다:
[수학식 2]
파동 HP =[(Wv)(D)/(HP)](Ws)
여기서,
Wv(파동 체적)=(WW)(WD)(WH)(gallons water/ft3)
WW = 파동 폭(1/2WL) = 17.5 feet
WD = 파동 깊이 = 17. 5 feet
WH = 파동 높이 = 5 feet
D = 물의 밀도 (8.33 Ibs/gal)
HP = 마력 단위 (550)
Ws = 파동 속도(1/2 WL/WT)
WT = 1/2 WL을 이동하기 위한 파동 시간(7.953 sec).
예를 들어, 파동 깊이(WD)는 파동(W)의 프로파일이 원통 형상인 부력 블록(114')을 완전히 덮도록 파동 폭(WW)과 같은 것으로 가정된다. 예시적인 상술한 수치들에 대해, 산출값은 하기와 같다:
[수학식 3]
파동 HP =[(11,453 gal)(8.33lbs/gal)/(550)](2.2ft/sec) = 382
여기서,
Wv = (1,531 ft3)(7.481 gal/ft3) = 11,453gal;
Ws = (17.5 feet)/(7.953 sec) = 2.2 ft/sec.
2. 부력 블록 하강 HP
파동(W)이 하강 행정(도 4A 및 도 4B)동안 부력 챔버(104)를 통해 이동할 때, 부력 블록(104)은 중력에 의해 골(T)로 하강한다. 하강 행정동안 생성되는 부력 블록 마력(BBD)은 하기의 수학식 4로부터 결정될 수 있다:
[수학식 4]
BBD=[(BBv)(D)(WR)/HP](DSs)(TRD)
여기서,
BBv(부력 블록 체적) = (VB+VC)(7.48 gal/ft3)
VB = 베이스(114'a)의 체적 =πr1 2h1
VC = 콘(114'b)의 체적=(πh2/12)(d1 2+d1d2+d2 2)
(BBv)(D) = 부력 블록(114')의 배수 중량
여기서,
D = 물의 밀도(8.33 lbs/gal)
WR = 부력 블록(114') 재료에 대한 물의 중량비
HP = 마력 단위(550)
DSs = 하강 행정 속도 =BD/TD
여기서,
BD = 하강시 행정 이동 거리
TD = 거리 BD를 이동하는 시간
TRD = 시간 비율, 즉, 파동 주기 동안 부력 블록이 하강하는 시간의 백분율
= 50%(대칭형 장파들로 가정).
파동 HP 산출을 위해 상술된 예시적인 데이터를 계속 사용하면, BBD에 대한 계산은 하기와 같다.
[수학식 5]
BBD = [4,186gal)(8.333Ibs/gal)(0.10)/550](0.25 ft/sec)(0.5)
= 0.79 HP
(즉, 부력 블록의 하강 행정으로부터 사용가능한 마력)
여기서,
BBv = (BV+VC)(7.48gal/ft3)
= π1 2h1 + (πh2/12)(d1 2+d1d2+d2 2)(7.48 gal/ft3)
여기서,
d1 = 17.5 ft(5.33m)
r1 = 8.75 ft.(2.67m)
d2 = 3.5 ft(1.07m)
h1 = 1.5 ft(0.46m)
h2 = 2.0 ft(0.61m)
그래서,
[수학식 6]
BBv = [π(8.75)2(1.5)+(π(2.0/12)(17.52+(17.5)(3.5)+3.52)](7.48 gal/ft3)
= (361 ft3 + 199ft3)(7.48 gal/ft3)
= (560ft3)(7.48 gal/ft3) = 4,186 gal
DSs = (1.00ft)/ (3.976 sec) = 0.25 ft/sec
(BBv)(D) = 34,874 lbs(15818.8kg) (총 배수량)
(BBv)(D)(WS) = 3,487 (가용 중량)
2b. 부력 블록 부양 마력
파동(W)이 부양 행정(도 4B 및 도 4C)동안 부력 챔버(104)를 통해 계속 이동 할 때, 부력 블록(104)은 마루 C2 에서 정점에 도달할 때까지 파동과 함께 상승한다. 부양 행정 동안 발생된 부력 블록 부양 마력(BBL)은 하기의 수학식 7로부터 결정될 수 있다:
[수학식 7]
BBL = [(BBv)(D)(1-WR)/HP](LSs)(TRR)
여기서,
LSs = 부양 행정 속도 = BR/TR
BR = 상승시 행정 이동 거리 = 1 ft(0.30m).
TR = 이동 거리 BR까지의 시간 = 4.0 sec
TRR = 시간 비율(즉, 파동 주기 동안 부력 블록이 상승하는 시간의 백분율)
= 50%(대칭 장파로 가정).
(BBv)(D)(1-WR) = 상승 행정 동안의 가용 중량(UWL) = 31,382 lbs(14234.8kg)
따라서,
BBL =[(31,382 Ibs)/550](1ft/4.0 sec)(0.5) = 7.13 HP
2c. 총 입력 마력
따라서, 부력 블록에 의해 파동로부터 인출된 입력 마력의 총량(BBT)은 하기와 같다:
[수학식 8]
BBT = BBD + BBL
상술된 예시적인 수치들을 사용하면, 부력 블록(114')에 대한 총 입력 동력은 하기와 같다:
[수학식 9]
BBT= 0.79 + 7.13 = 7.92 HP.
3. 피스톤 펌핑 동력( CFM /PSI)
피스톤은 부력 펌프 장치가 하기의 공식에 따라 물을 펌핑하도록 구성될 때, 각각의 절반(1/2) 행정동안 분당 입방 피트(CFM)단위의 주어진 속도 및 제곱 인치당 lbs.(PSI)단위의 주어진 압력으로 물을 펌핑한다:
[수학식 10]
PF = 피스톤 물 유동 = (Sv)(SPM)(BPeff)
여기서,
Sv = 1/2 행정 당 체적 = (π/2)(피스톤 반경)2(행정 길이)
= (π/2)(8.925 in)2(12 in)/(1,728 in3/ft3)
= 1.74 ft3
SPM = 분당 행정들= 7.54 strokes/min
BPeff = 예시적인 부력 펌프 장치의 경험적 실험 효율 = 83%
따라서,
PF = (1.74ft3)(7.54 strokes/min)(.83)
= 10.88 CFM = 0.181 CFS.
부력 펌프 장치 내의 각각의 절반(1/2) 행정을 위한 피스톤 물 압력(PP)(PSI)의 결정은 하기의 수학식 11에 의해 이루어진다:
[수학식 11]
PP = {UWL-[(Sv)(D)(7.48 gallons water/ft3)]}/SAp
여기서,
UWL = 부양 행정 동안 가용 중량 = 31,386 lbs(14236.6kg)
Sv = 1.74 ft3
D = 물의 밀도(8.33 lbs/gal)
SAp = 피스톤의 표면적(in2)
= π(8.925in)2 = 250in2.
따라서, 상기 예시적 수치들에 대하여, 예시적인 부력 펌프 장치를 위한 PSI/행정은 하기와 같이 산출된다:
[수학식 12]
PP = [31,386 lbs - (1.74ft3)(8.33lbs/gal)(7.48gal/ft3)]/250in2
= (31,386lbs-108lbs)/250in2= 125 PSI/행정
부력 펌프가 공기를 펌핑하도록 구성될 때, 피스톤의 표면적은 유사한 결과를 달성하기 위해 공기의 압축성을 보상하도록 증가된다. 피스톤의 반경이 12.6in(0.32m)로 증가되는 경우, 피스톤의 표면적(SAp)은 498.76 제곱 인치로 증가한다. 또한, 피스톤 상의 부가된 물의 중량[(Sv)(D)(7.48 gal/ft2) = 108 lbs]이 제거되므로, 피스톤 공기 압력(PPa)을 계산할 때 부양행정(UWL) 동안 가용 중량으로부터 차감되지 않는다. 다른 모든 수치는 동일하게 유지되며, 피스톤 공기 유동(PFa) 및 피스톤 공기 압력(PPa)은 하기의 값들을 갖는다:
[수학식 13]
PFa = 21.7 CFM
PPa = 51.8 PSI/행정
당업자가 물 또는 공기를 펌핑하기 위해 피스톤을 사용하는 것 간의 차이점 을 쉽게 이해할 것이므로, 나머지 실시예들은 물을 펌핑하는 것에만 초점을 둔다.
4. 발전기가 생산하는 가용 HP
물-펌핑 구성의 예시적인 부력 펌프 장치가 예시적인 수력 터빈을 동력공급하는데 사용하기 위해 예시적인 물 저장 탱크에 연결될 때, 하기의 수학식 14가 부력 펌프 장치에 의해 발생되는 동력을 측정하는데 사용된다:
[수학식 14]
BP = {(PP)(BPeff)(Head)-[(Loss)(Head)(Pipe Ft./Section)]}[(PF)(Teff)(KW) /HP]
여기서,
BPeff = 경험적으로 시험된 부력 펌프 효율 = 88%
Head = PSI 대 Head(수두; ft) 변환 계수 = 2.310
Loss = 파이프 손실 효율 계수 = 0.068
Pipe Ft./Section = 하나의 파이프는 100ft.(30.4m)의 길이를 가지며, 10개의 파이프 = 1 섹션의 파이프이므로,
파이프 1 mile = 파이프 5.280 섹션
Teff = 기존의 수력 터빈에 근거한 터빈 효율 = 90%
KW = ft/sec를 KW로 변환하기 위한 변환 계수 = 11.8
HP = KW를 HP로 변환하기 위한 변환 계수 = .746
따라서, 종래의 계산값들과 조합하여 상기 예시적인 수치들을 사용하면, 부력 펌프 장치를 사용하는 예시적인 동력 시스템을 위한 출력 BP는 하기와 같다.
[수학식 15]
BP = {[(125)(.88)(2.310)]-[(0.068)(2.310)(10)(5.280)]}[(0.181)(0.9/11.8)/.746]
=. 4558(가용한 총 출력 HP).
부력 펌프가 공기를 펌핑하도록 구성될 때, 상기 수치들을 사용하는 예시적인 시스템에 대한 출력 파워(BPa)는 약 2.72HP이다. 출력 동력을 생성하기 위해 수력 터빈을 사용하는 대신, 예를 들어, 본원에 참고문헌으로 포함되는 미국 특허 제 5,555,728호에 설명된 것을 포함하는 공기 터빈이 사용된다.
5. 입력 HP 대 출력 HP 효율
따라서, 입력 HP 대 출력 HP의 변환 효율은 하기에 따라 결정될 수 있다:
[수학식 16]
변환 효율 = BP/BBT= 4.558/7.92 =57%.
그러므로, 경험적 및 이론적 데이터를 사용하여, 본 발명의 원리들에 따른 예시적인 부력 펌프 장치는, 예시적인 수력 터빈과 연계하여 사용될 때, 통과하는 파동로부터 인출된 마력(BBT)에 대한 출력 BP의 약 57% 변환 효율을 갖는다는 것을 알 수 있으며, 이 출력은 동력원으로서 사용될 수 있다.
실시예 B : 평균 파동 사이즈
상기 예시적인 계산들은 부력 블록(114')의 기하학적 형상에 따라 고정된 직경(d1)과 높이(h1+h2)를 갖는 예시적인 부력 블록(114')에 대하여 이루어졌다. 파동 높이(WH)는 상이한 위치에 대해 및 각각의 위치에서 연중 상이한 시간에 대해 변할 수 있다는 것을 인지할 것이다. 따라서, 상술된 바와 같이 변하는 파동 특성들에 근거하여 이 부력 블록을 재구성 또는 조정하는 것이 바람직할 수 있다. 높은 효율을 보장하기 위해, 부력 블록(114')의 높이 및/또는 직경이 조정될 수 있다. 예를 들어, 부력 블록(114')은 후술하는 바와 같이, 보다 큰 파동 높이(WH)를 갖는 파동을 수용하기 위해, 그 베이스(104'a)의 높이(h1) 및 관련된 직경을 증가시키도록 설계 또는 조정될 수 있다.
파동 높이(WH)가 5.0ft(1.52m) 내지 9.016ft(2.75m)(평균 사이즈의 파동)로 증가한다고 가정하면, 부력 블록 베이스의 높이(h1)는 1.5ft(0.46m; 도 4D 참조), 즉, 부력 블록의 "워프(warp)" 만큼 증가하여 평균적으로 9ft(2.74m)인 보다 큰 물결을 갖는 수역에서의 부력 펌프 장치의 전체 성능을 증가시킨다. 상응하여, 피스톤의 행정 길이가 증가하고, 행정들의 회수가 하기와 같이 감소한다:
행정 = 5.52회
피스톤 행정 길이 = 42.2in(1.07m)
따라서,
[수학식 17]
Sv(체적/행정) = 12.8ft3
모든 다른 계수가 동일하게 유지되고 상기 공식들을 적용한다고 가정하면, 하기의 표를 얻을 수 있다.
값 5ft 파동 9.016ft 파동
1 파동 동력 382HP 2,952HP
2 부력 블록 동력 BBD BBL BBT 0.79HP 7.13HP 7.92HP 2.05HP 31.67HP 33.72HP
3 피스톤 펌핑 동력 PF PP 10.88CFM 125PSI 27.98CFM 185PSI
4 발전기 동력(BP) .4558HP 20.32HP
5 펌프 효율 57% 60%
따라서, 1.5ft(0.46m)만큼 부력 펌프 높이를 증가시키면 부력 블록의 부양 및 하강시보다 큰 마력이 얻어지며, 전체 효율이 개선되어 예시적인 시스템에서 더 큰 출력 마력이 얻어짐을 알 수 있다. 기본적으로, 일정 장소에서의 보다 큰 파동들의 가용성은 주어진 위치에서, 보다 큰 유량(예를 들어, PF=27.98CFM)을 발생시키고, 결과적으로, 보다 큰 마력 출력(예를 들어, BP=20.32HP)을 생성하는 보다 큰 부력 블록들 및 피스톤들을 갖는 부력 펌프를 위한 파동 동력원을 제공한다.
상술한 바와 같이, 부력 블록(114'; 도 4D 참조)의 직경(d1)은 일정 장소에서 보다 큰 파동들을 수용하도록 조정될 수도 있다. 하기의 표, 표 2는 파동 속도(Ws)가 특정 파동 높이(WH)에 대하여 변할 때 그리고 파동 높이가 특정 속도에 대하여 변할 때, 부력 블록의 직경의 변화가 그 결과인 마력(BBT)에 영향을 주는 정도를 예시한다.
파동 높이 (WH) 부력 블록 직경(in) 부력 블록 마력(BBT)
Ws=3mph 낮은 파동 Ws=8mph 높은 파동 Ws=3mph 낮은 파동 Ws=8mph 높은 파동
3 12.6 126 0.9 26.9
4 16.8 168 2.21 64.76
5 21 210 4.39 126.94
6 25.2 252 7.67 219.88
7 29.4 294 12.28 349.77
8 33.6 336 18.45 522.78
9 37.8 378 26.39 745.09
10 42 420 36.33 1022.9
표 2의 데이터는 표시된 파동 높이를 가지며, 낮은 파동에 대하여 시간당 3마일, 높은 파동에 대하여 시간당 8마일로 이동하는 파동에 근거하여 생성되었다. 상술한 방정식들은 낮고 높은 파동 설정에 대한 마력을 산출하는데 사용되었다. 부력 블록의 직경 또는 폭은 변하는 파동 높이 및 파동 속도에 관련하여 부력 펌프의 효율을 최대화하기 위해 상술하고 나타낸 보다 큰 파동 환경에서 기능하도록 조정되었다.
파동, 물결 및 해류가 크고 빠를수록, 부력 펌프 장치를 통해 추출할 수 있는 포텐셜 에너지가 커진다. 마찬가지로, 부력 블록의 직경 또는 높이가 클수록, 물로부터 추출할 수 있는 포텐셜 에너지가 커진다. 파동, 물결 또는 해류가 작거나 느려질수록, 부력 펌프 장치를 통해 물로부터 추출될 수 있는 포텐셜 에너지가 작아진다. 유사하게, 부력 블록이 작아질수록, 물로부터 추출할 수 있는 포텐셜 에너지가 작아진다. 부력 펌프 장치(100)로부터 사용가능한 포텐셜 에너지를 최적화하기 위해, 부력 블록(114)은 완전히 침지(submerge)되어야 하며, 파동 또는 물결 아크(swell arc)의 폭 또는 높이를 초과하지 않아야 한다.
상기 실시예 모두는 특정 사이즈의 파동이 부력 펌프 장치가 효과적으로 동작되도록 특정 장소에서 매일 규칙적으로 사용가능함을 가정한다. 다행히, 연중 각각의 날짜에 대한 특정 위치들에서의 파동 높이들에 관한 데이터가 본원에서 참고문헌으로서 포함하는 웹사이트 http://www.ndbc.noaa.gov를 포함하는 몇몇 출처로부터 입수될 수 있다. 하기의 표(표 3)는 워싱턴의 그레이스하버(GRAYS HARBOR, WA)로부터 얻어진 2001년 1월과 2001년 2월에 대한 파동 데이터를 예시한다.
연간계산된 파동 평균값들 미국 워싱턴주 그레이스 하버에서의 부이(buoy; 수심=125.99ft)
2001년 1월 2001년 2월
일 파동 높이(ft.) 주기(sec) 일 파동 높이(ft.) 주기(sec)
1 8.20 11.020 1 8.00 11.500
2 9.20 11.020 2 16.20 11.500
3 7.10 11.020 3 16.50 11.500
4 10.20 11.020 4 7.50 11.500
5 9.80 11.020 5 11.80 11.500
6 13.60 11.020 6 6.40 11.500
7 6.30 11.020 7 7.80 11.500
8 7.00 11.020 8 5.50 11.500
9 10.30 11.020 9 9.40 11.500
10 16.50 11.020 10 9.40 11.500
11 9.10 11.020 11 6.90 11.500
12 10.60 11.020 12 6.60 11.500
13 6.50 11.020 13 5.20 11.500
14 12.10 11.020 14 4.10* 11.500
15 8.80 11.020 15 5.60 11.500
16 5.30 11.020 16 5.70 11.500
17 8.40 11.020 17 5.00 11.500
18 9.30 11.020 18 7.20 11.500
19 14.40 11.020 19 5.60 11.500
20 9.70 11.020 20 6.80 11.500
21 17.20 11.020 21 6.60 11.500
22 7.10 11.020 22 6.80 11.500
23 8.40 11.020 23 6.50 11.500
24 9.00 11.020 24 5.60 11.500
25 9.10 11.020 25 4.90* 11.500
26 10.50 11.020 26 6.70 11.500
27 9.80 11.020 27 5.60 11.500
28 5.00 11.020 28 6.70 11.500
29 19.00 11.020 29 *사용불가능(5ft 미만)
30 9.40 11.020 30
31 9.60 11.020 31
평균 9.89 11.020 평균 7.38 11.500
표 3에서, 파동 높이들은 일일 평균을 구하기 위해 월중 각각 날짜에 대하여 측정되었다. 파동 주기는 그 달 전체에 대해 평균화되었고 동일한 파동 주기가 그 달의 각각의 날짜에 대해 사용되었다. 2001년 1월에 대하여, 5ft(1.52m)의 최소 파동 높이 동작 요구조건을 갖는 예시적인 부력 펌프 장치가 주어질 때 총 31 가동일이 존재하였다. 2001년 2월에 대하여, 14일 및 25일이 5ft(1.52m)보다 낮은 파동 높이를 가졌기 때문에, 예시적인 부력 펌프 장치에 대하여 26 가동일만이 존재하였다.
이제 표 4를 참조하면, 1월 및 2월에 대한, 그리고, 그 후, 전체 연간(2001년 3월 내지 12월에 대한 나머지 데이터는 상술한 웹사이트에서 입수할 수 있다)의 평균 파동 높이 데이터가 도시되어 있다.
1월 2월 ... 연간
평균 파동 속도 11.02 11.50 9.922
평균 파동 높이 9.89 7.38 7.467
가동일 31 26 -
누적 가동일 31 57 236
평균 파동 높이-가동일 9.89 7.60 -
누적 평균 파동 높이 9.89 8.75 8.54
따라서, 1월 및 2월의 가동일에 대한 파동 높이의 평균은 각각 9.89ft(3.01m) 및 7.60ft(2.32m)로 판정되었다. 2001년 1월 및 2월의 연간 가동 파동 높이는 57일의 가동일의 기간 동안 8.75ft(2.67m)로 평균화된다. 역년(calendar year) 2001년에 대해, 8.54ft(2.60m)의 평균 가동 파동 높이를 갖는 가동일의 수는 236일이었다. 본원에 개시된 부력 펌프 장치의 사용자는 공개적으로 사용가능한 데이터를 얻을 수 있고, 주어진 부력 펌프 장치 구성에 대한 연간 유효 파동 높이 및 가동일을 판정할 수 있다.
부력 펌프 장치(100)의 구성요소들은 대양과 같은 염수 환경에서 기능하도록 구성되어야 한다. 따라서, 부력 펌프 장치(100)의 구성요소들은 산화 방지 특성을 갖거나 및/또는 그렇지 않으면 내식성이 있어야 한다. 최소 환경 영향을 제공하기 위해, 주위 환경에 노출될 수 있는 피스톤 챔버(122)의 입구(126)는 원하지 않는 성분들을 여과해내기 위해 그 위에 필터가 배치될 수 있다. 해초 또는 조류(alga)와 같은 다른 부식 물질이 부력 챔버(112) 또는 부력 실린더(104)로 들어가는 경우에, 해초는 부력 펌프 장치(100)의 이동하는 구성요소들 간의 천연 윤활제로서 작용할 수 있다. 예를 들어, 조류가 심(140)들과 부력 블록(114) 사이에 걸리면(lodged), 조류는 심(140)들과 부력 블록(114) 간의 마찰을 감소시켜 부력 펌프 장치 효율을 증가시킬 수 있다.
이제, 도 5를 참조하면, 부력 펌프 장치(500)의 대안적인 실시예의 측 입면도가 본 발명의 원리들에 따라 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(500)는 베이스(502), 베이스(502)의 일 단부에 연결되고 다른 단부가 부력 실린더 캡(506)에 의해 닫히며 부력 실린더(504)와 일반적으로 동축 관계로 정렬된 부력 실린더(504)를 포함한다. 부력 실린더(504)의 다른 단부는 개방되어 있고 환경에 노출되어 있다. 부력 실린더(504) 및 부력 실린더 캡(506)은 집합적으로 그 안에 부력 챔버(508)를 형성한다.
부력 블록(510)은 일반적으로 원통 형상이고, 그 내부에서 축방향으로 이동하도록 부력 챔버(508)와 함께 슬라이딩할 수 있게 배치된다. 본 실시예의 부력 펌프 장치(500)는 도 1의 부력 블록과 도 1의 부력 블록 및 피스톤을 하나의 등가의(equivalent) 부력 블록(510)으로 조합하여 피스톤 및 피스톤 샤프트에 대한 필요성을 배제한다.
입구 밸브(512) 및 출구 밸브(514)는 가스 또는 액체가 그를 통해 유동하도록 부력 챔버(508)와 연통하여 부력 실린더 캡(506)을 통해 연장한다. 입구 라인(516) 및 출구 라인(518)이 입구 밸브(512) 및 출구(514)에 각각 연결되고, 다른 단부들로부터 가스 또는 액체를 각각 수령하고 배출하게 구성된다.
베이스(502)는 수역(524)의 바닥(522)을 향해 연장하는 다수의 레그(520; leg)를 가질 수 있다. 지지 베이스(526; support base)가 바닥(522) 상에 부력 펌프 장치(500)를 고정하도록 레그(520)들을 통해 커플링된다. 베이스(502)는 환경에 대해 고정된 위치에 부력 펌프 장치(500)를 유지하기 위해 밸러스트 탱크(528)들에 연결된다.
부력 실린더 캡(506) 보다 위에 축방향으로 위치 설정된 밸러스트 캡(530)은 부력 펌프 장치(500)를 안정화시키도록 추가로 기능한다. 밸러스트 캡(530)은 밸브(512, 514)들 및 라인(516, 518)들이 그를 통해 연통하도록 구성된다. 저장 탱크대신에, 출구 라인(518)이 유동 라인을 통해 흐르는 가스 또는 액체를 원하는 위치(도시 안함)로 이동시키기 위해 유동 라인(532)에 연결될 수 있다.
부력 챔버(508) 내에 배치된 부력 블록(510)은, 부력 펌프 장치(500)가 배치되는 물의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(500) 자체의 유압 또는 공압 시스템 특성에 맞는 사이클로 부력 블록(510)이 이동하도록 예정된 부력을 갖는다. 부력 블록(510)의 부력은 상술한 바와 같은 방식으로 조정될 수 있다. 정지부(534)들이 부력 실린더(504)의 외부로 부력 블록(510)이 후퇴되는 것을 방지하도록 부력 실린더(504)의 하단부에서 내측 주변에 배치된다. 부력 블록(510)은 부력 챔버(508)와 물(524) 사이의 연통을 방지하도록 부력 블록(510)의 주변 둘레에 형성된 밀봉부를 갖는다.
입구 및 출구 밸브(512, 514)들은 각각 부력 챔버(508)로부터 및 부력 챔버로의 가스 또는 액체의 유동을 허용하는 단방향 유동 장치들이다. 밸브(512, 514)들은, 원하는 압력이 부력 챔버(508) 내에 이루어질 수 있는 한, 상이한 위치들에 배치될 수 있음이 이해될 것이다.
작동시, 파동이 부력 펌프 장치(500)를 지나갈 때, 물이 부력 실린더(504) 내의 구멍을 통해 부력 블록(10)과 접촉하여 물의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(500)의 유압 또는 공압적 시스템 특성에 따르는 사이클로 부력 블록(510)을 상승시킨다. 부력 챔버(508) 내의 가스 또는 액체는 출구 밸브(514) 및 출구 라인(518)을 통해 유동 라인(532) 내로 배출되거나 배기된다. 파동이 부력 펌프 장치(500)를 떠날 때, 부력 블록(510)은 중력에 의해 압박됨에 따라 점증적으로 하강하여, 부력 챔버(508) 내에 진공을 생성한다. 따라서, 가스 또는 액체가 입구 라인(516) 및 입구 밸브(512)를 통해 부력 챔버(508)로 들어간다. 연속적인 다음 파동이 접근할 때, 부력 챔버(508)로 흡인된 가스 또는 액체가 파동에 대해 상승함에 따라 부력 블록의 위치에 관해 출구 밸브(512), 출구 라인(518) 및 유동 라인(532)을 통해 다시 배출된다.
이제, 도 6을 참조하면, 부력 펌프 장치(600)의 또 다른 실시예의 측면 입면도가 도시된다. 부력 펌프 장치(600)는 베이스(602), 베이스(602)에 연결된 부력 하우징(604), 부력 하우징(604)에 커플링된 부력 하우징 캡(606), 및 부력 하우징(604)의 다른 단부에 커플링된 부력 하우징 베이스(608)를 포함한다. 피스톤 샤프트(610) 및 다수의 피스톤 지지부(612)가 부력 하우징 캡(606)으로부터 축방향으로 하강하고 이에 연결된다. 피스톤(614)이 피스톤 지지부(612)들 및 피스톤 샤프트(610)의 다른 단부에 연결된다. 부력 하우징 캡(606)을 향해 연장하는 부력 블록 벽(618)들을 갖는 부력 블록(616)이 피스톤(614)과 부력 하우징 베이스(608) 사이에 배치된다. 부력 블록(616), 부력 블록 벽(618)들, 및 피스톤(614)은 그 안에 피스톤 챔버(620)를 형성한다. 부력 블록 벽(618)들은 피스톤(614)과 부력 하우징(604) 사이에서 슬라이딩하여 이동할 수 있게 구성된다. 베이스(602)는 수역(626)의 바닥(624)을 향해 하강하는 다수의 레그(622)를 갖는다. 베이스 지지부(628)들이 레그(622)들에 연결되고 수역(626)의 바닥(624) 상에 배치된다. 베이스 지지부(628)들은 수역(626)에 관한 소정의 위치에 부력 펌프 장치(600)의 위치를 유지하기에 적합한 밸러스트로 채워질 수 있다.
부력 하우징(604)은 부력 하우징 캡(606)과 부력 하우징 베이스(608) 사이에 배치되며 그에 커플링되는 4개의 수직으로 연장하는 포스트(630)들을 포함한다. 다수의 정지부(632)가 부력 하우징(604) 내에 부력 블록(616)을 유지하고 그 축방향 이동을 제한하도록 포스트(630)들의 각각의 상부 및 하부 부분 상에 배치된다. 부력 하우징(604)의 상부에서, 밸러스트 캡(634)이 수역(626)에 대해 고정된 위치에 부력 펌프 장치(600)를 유지하는 것을 돕도록 그에 연결된다. 부력 하우징 베이스(608)는 일 표면에서 출구 밸브(636)에, 다른 표면에서 출구 라인(638)에 연결된다. 부력 하우징 베이스(608)는 출구 밸브(636)와 출구 라인(638) 간을 연통시켜준다. 출구 라인(638)은 망원경 방식의 성질을 갖고, 부력 하우징 베이스(608)를 통해 슬라이딩하여 수용되어, 부력 블록(616)이 부력 하우징 베이스(608)에 관해 이동하면 일정한 연통 관계가 출구 밸브(636)와 출구 라인(638) 간에 유지된다. 피스톤 샤프트(610)와 피스톤 지지부(612)들은 부력 하우징 캡(606)에 대해 피스톤(614)이 고정된 위치를 유지하도록 부력 하우징 캡(606) 및 피스톤(614)에 대해 고정된다.
피스톤(614)은 입구 밸브(640)가 피스톤 챔버(620)와 연통할 수 있도록 입구 밸브(640)에 연결된다. 결국, 입구 밸브(640)는 입구 라인(642)에 연결되어 피스톤 챔버(620)와 소정의 공급원이 연통할 수 있게 한다.
부력 블록(616) 및 부력 블록 벽(618)들이 부력 하우징(604) 내에서 축방향으로 이동할 수 있도록 부력 하우징(604) 및 부력 하우징 포스트(630)들에 대해 부력 블록(616) 및 부력 블록 벽(618)들이 슬라이딩할 수 있다. 피스톤(614)과 부력 벽(618)들 사이의 경계면(interface)은, 피스톤 챔버(620)가 피스톤(614)에 대한 부력 블록(616)의 축방향 이동에 관해 고정된 압력 하에 있어서, 그 안의 압력을 유지할 수 있도록 밀봉되는 것이 바람직하다.
입구 및 출구 밸브(640, 636)들은 각각 피스톤 챔버(620)로의 및 피스톤 챔버로부터의 가스 또는 액체의 유동을 허용하는 단방향 유동 장치들이다. 밸브(640, 636)들은 원하는 압력이 피스톤 챔버(620) 내에 얻어질 수 있는 한, 각각 부력 하우징 캡(606) 및 부력 하우징 베이스(608) 상의 상이한 위치들에 배치될 수 있음이 이해될 것이다.
작동시, 예정된 특징들을 갖는 파동이 접근하여 부력 블록(616) 및 부력 블록 벽(618)들과 접촉할 때, 부력 블록(616) 및 부력 블록 벽(618)들은 부력 펌프 장치(600)가 배치되는 물의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(600) 자체의 유압 또는 공압적 시스템 특징들에 맞는 사이클에 관해 축방향 상방향으로 이동한다. 부력 블록(616)의 부력은 상술한 방식으로 조정될 수 있다.
부력 블록(616)은 피스톤 챔버(620) 내의 가스 또는 액체를 가압하여, 피스톤 챔버(620) 내의 가스 또는 액체가 출구 라인(638)에 커플링된 유동 라인(644)을 통해 원하는 위치로 운반되도록 출구 밸브(636) 및 출구 라인(638)을 통해 배출된다. 파동이 부력 펌프 장치(600)를 떠날 때, 중력이 부력 블록(616) 및 부력 블록 벽(618)들을 하향으로 압박하여, 피스톤 챔버(620) 내에 진공을 생성한다. 그 다음에, 가스 또는 액체는 부력 블록이 정지부들과 접촉하거나 파동의 골에 도달할 때까지 입구 라인(642) 및 입구 밸브(640)를 통해 피스톤 챔버(620)로 흡인된다. 다음의 파동이 주기적으로 부력 펌프 장치(600)에 접근함에 따라, 이 과정이 반복된다.
이제, 도 7을 참조하면, 부력 펌프 장치(700)의 또 다른 실시예의 측면 입면도가 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(700)는 베이스(702), 부력 하우징(704), 부력 하우징에 연결된 부력 하우징 캡(705), 부력 하우징 캡(705)에 연결된 피스톤 하우징(706), 부력 하우징(704)의 다른 단부에 연결된 부력 하우징 베이스(708), 피스톤 하우징(706)에 연결된 피스톤 하우징 캡(710), 및 피스톤 하우징 캡(710) 상에 배치되어 이에 커플링된 밸러스트 캡(712)을 포함한다.
부력 블록(714)은 부력 하우징(704) 내에 축방향으로 배치된다. 피스톤 샤프트(716)는 일 단부가 부력 블록(714)의 상부 표면에 연결되고 다른 단부가 피스톤 하우징(706) 내에 축방향으로 배치된다. 피스톤 챔버(719)는 피스톤(718)의 상부 표면, 피스톤 하우징(706) 및 피스톤 하우징 캡(710)의 하부면 사이에 형성된다.
입구 밸브(720) 및 출구 밸브(722)는 피스톤 하우징 캡(710)을 통해 피스톤 챔버(719)에 연결된다. 입구 밸브(720) 및 출구 밸브(722)가 밸러스트 캡(712)을 통해 연장하고, 입구 라인(724) 및 출구 라인(726)에 각각 연결된다.
베이스(702)는 지지 베이스(730)를 향해 연장하는 다수의 지지 레그(728)를 갖는다. 지지 베이스(730)는 바람직하게는 수역(734)의 바닥(732)에 설치된다.
부력 하우징(704)은, 부력 하우징 베이스(708)를 향해 연장되며 이에 연결되는 다수의 부력 하우징 레그(736)를 갖는다. 부력 하우징 레그(736)들은 물(734)이 그를 통과할 수 있게 한다. 다수의 부력 블록 정지부(738)가 부력 하우징(704) 내의 부력 블록(714)의 축방향 운동을 제한하도록 부력 하우징 레그(736)들의 내면 상의 상부 및 하부 위치에 배치된다.
부력 하우징 베이스(708)는 그 위에 밸러스트 탱크(740)를 배치하여 수역(734)에 대한 부력 펌프 장치(700)의 위치를 유지한다. 부력 하우징 베이스(708)는 유동 라인(742)에 추가로 연결되고 유동 라인(742)이 부력 하우징 베이스(708)를 통해 지나갈 수 있게 한다.
피스톤 하우징(706)은 피스톤 하우징(706) 내의 피스톤(718)의 축방향 이동을 제한하도록 피스톤 하우징(706)의 내부 및 하단부에 배치된 다수의 피스톤 정지부(744)를 갖는다. 피스톤 하우징(706)은 피스톤 하우징(706) 내의 피스톤(718)이 슬라이딩하여 축방향 운동할 수 있게 추가로 구성된다.
밸러스트 캡(712)은 밸러스트 캡(712) 내에 예정된 밸러스트 또는 가변 밸러스트를 가져 수역(734)에 관해 부력 펌프 장치(700)를 추가로 안정화시키는데 사용될 수 있다.
상술한 방식으로 조정될 수 있는 부력 블록(714)은 부력 펌프 장치(700)가 배치되는 물(734)의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(700) 자체의 유압 또는 공압적 시스템 특성에 맞는 사이클에 의해 제한되어 부력 하우징(704) 내에서 슬라이딩하여 축방향으로 이동하게 구성된다.
피스톤 샤프트(716)는 바람직하게는 강성이고 피스톤(718)과 부력 블록(714) 간의 고정적인 관계를 유지한다. 피스톤(718)은 부력 블록(714)을 향해 배치된 피스톤 하우징(706)의 열린 단부때문에 하단부가 물에 노출된다. 피스톤(718)은 바람직하게는 피스톤 챔버(719)로부터 피스톤 아래의 영역으로의 누출 또는 누설을 방지하는 피스톤(718)의 주변 둘레에 배치된 밀봉부(도시않음)를 갖는다. 그러므로 이러한 방식으로, 피스톤 챔버는 외부 환경으로부터 자유롭게 유지되고 압력에 관련하여 그 안의 가스 또는 액체를 펌핑하기에 효과적인 위치를 제공한다.
입구 및 출구 밸브(720, 722)들은 각각 피스톤 챔버(719)로의 및 피스톤 챔버로부터의 가스 또는 액체의 유동을 허용하는 단방향 유동 장치들이다. 밸브(720, 722)는 원하는 압력이 피스톤 챔버(719) 내에서 달성될 수 있는 한, 피스톤 하우징 캡(710) 상의 상이한 위치들에 배치될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
입구 라인(724)은 원하는 가스 또는 액체에 연결되게 구성되므로, 부력 펌핑 장치(700)에 의해 펌핑되는 바람직한 가스 또는 액체원(source)을 제공한다. 출구 라인(726)은 유동 라인(742)에 커플링되고, 이는 결국 원하는 장소로 유동을 보낸다.
작동시, 파동이 부력 펌프 장치(700)에 접근할 때, 예정된 부력을 갖는 부력 블록(714)이 파동에 대해 점증적으로 상승한다. 피스톤(718)은 부력 블록(714)에 직접적인 관계로 이동하여, 피스톤 챔버(719)로부터의 가스 또는 액체를 출구 밸브(722), 출구 라인(726), 및 유동 라인(742)을 통해 배출한다. 파동이 부력 펌프 장치(700)를 떠날 때, 중력에 의해 압박된 부력 블록(714)은 파동에 대해 하강한다. 부력 블록(714)의 하강에 직접적인 관계로 이동하는 피스톤(718)도 마찬가지로 하강하여, 피스톤 챔버(719) 내에 진공을 생성한다. 가스 또는 액체는 입구 라인(724) 및 입구 밸브(720)를 통해 피스톤 챔버(719) 내로 흡인되어, 피스톤 챔버(719)를 채운다. 이 사이클은 물의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(700) 자체의 유압 또는 공압적 시스템 특성에 맞는 사이클에 관련하여 계속 반복된다.
이제, 도 8을 참조하면, 예시적인 부력 펌핑 장치(800)의 대안적인 실시예의 측면 입면도가 본 발명의 원리들에 따라 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(800)는 베이스(802), 베이스(802)에 연결된 하우징(804), 하우징(804)에 연결된 하우징 캡(806), 하우징(804)의 다른 단부에 연결된 하우징 베이스(808)를 포함한다. 피스톤 하우징(810)은 하우징(804)의 하부 부분에 축방향으로 배치된다. 피스톤 하우징(810)은 피스톤 하우징 캡(812) 및 피스톤 하우징 베이스(814)를 포함한다. 피스톤 하우징 밸러스트 부분(816)은 그 하단부가 피스톤 하우징(810)에 연결된다.
예정된 부력을 갖는 부력 블록(818)이 하우징(804) 내에 배치된다. 피스톤 샤프트(820)는 부력 블록(818)의 하단부에 연결되어 그로부터 축방향으로 연장한다. 피스톤(822)은 피스톤 샤프트(820)의 다른 단부에 연결된다. 피스톤(822)은 피스톤 하우징(810) 내에서 축방향으로 이동하게 구성된다. 피스톤 챔버(824)는 피스톤(822)의 하부면, 피스톤 하우징 베이스(814) 및 피스톤 하우징(810)에 의해 형성된다.
입구 밸브(826)는 피스톤 하우징 베이스(814)를 통해 연결되고 피스톤 챔버(824)와 연통한다. 유사하게, 출구 밸브(828)가 피스톤 하우징 베이스(814)에 연결되고 피스톤 챔버(824)와 연통한다. 입구 라인(830) 및 출구 라인(832)은 입구 밸브(826) 및 출구 밸브(828)의 각각 다른 단부에 연결된다.
베이스(802)는 지지 베이스(836)로 연장되어 이에 연결된 지지 레그(834)들을 포함한다. 지지 베이스(836)들은 수역(840)의 바닥(838)에 대해 지지되게 구성된다. 밸러스트 탱크(842)들은 지지 베이스(836)의 상부면에 연결되고 밸러스트를 수령 및/또는 방출하게 구성되어 수역(840)에 대한 부력 펌프 장치(800)의 위치를 유지한다.
하우징(804)은 한 단부가 하우징 베이스(808)에, 다른 단부가 하우징 캡(806)에 연결된 다수의 하우징 레그(844)를 포함한다. 하우징 레그(844)들은 물이 그 사이에서 자유롭게 유동할 수 있게 한다.
유동 탱크(846)가 입구 라인(830)과 출구 라인(832)에 연결되고 하우징 베이스(808)의 표면 상에 배치된다. 유동 탱크(846)는 공급 라인(848)과 유동 라인(850)에 추가로 연결된다. 유동 탱크(846)는 피스톤 챔버(824)로의 및 피스톤 챔버로부터의 유동을 제어하고, 피스톤 챔버(824)로부터의 출구 유동을 유동 라인(850)을 통해 원하는 위치로 보낸다.
부력 블록(818)의 부력은 상술한 방식으로 조정할 수 있다. 부력 블록(818)은 부력 펌프 장치(800)가 배치되어 있는 물(840)의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(800) 자체의 유압 또는 공압적 시스템 특성들에 맞는 사이클로 하우징(804) 내에서 슬라이딩하여 축방향 이동하게 구성된다.
피스톤 샤프트(820)는 부력 블록(818)의 운동이 피스톤(822)의 운동에 상응하도록 고정적인 관계로 부력 블록(818)과 피스톤(822)을 유지한다.
하우징(804)은 그 안에서의 부력 블록(818)의 축방향 운동을 제한하도록 하우징 레그(844)들의 내측에 배치되는 다수의 부력 블록 정지부(852)를 갖는다. 유사하게, 피스톤 하우징(810)은 그 안에서의 피스톤(822)의 축방향 운동을 제한하도록 구성되는 피스톤 하우징(810)의 내면 상의 다수의 피스톤 정지부(854)를 갖는다.
입구 밸브(826) 및 출구 밸브(828)는 각각 피스톤 챔버(824)로의 및 피스톤 챔버로부터의 가스 또는 액체의 유동을 허용하는 단방향 유동 장치들이다. 밸브(826, 828)들은 원하는 압력이 피스톤 챔버(824) 내에서 달성될 수 있는 한, 피스톤 하우징 베이스(814) 상의 상이한 위치들에 배치될 수 있다.
작동시, 예정된 특성들을 갖는 파동이 부력 펌프 장치(800)에 도달할 때, 부력 블록(818) 및 피스톤(822)이 점증적으로 상승한다. 피스톤 챔버(824) 내에 진공이 생성되어, 공급 라인(848)에 연결된 공급원에 따른 흡인되는(drawing) 가스 또는 액체가 입구 라인(830) 및 입구 밸브(826)를 통해 피스톤 챔버(824) 내로 흡인된다. 파동이 부력 펌프 장치(800)를 떠날 때, 중력이 부력 피스톤을 축방향 하향으로 밀어, 피스톤 챔버(824) 내의 가스 또는 액체를 압축시키고 챔버(824) 내의 가스 또는 액체를 출구 밸브(828), 출구 라인(832), 유동 탱크(846) 및 유동 라인(850)을 통해 배기 또는 배출한다.
이제, 도 9를 참조하면, 대안적인 실시예의 예시적인 부력 펌프 장치(900)의 측면 입면도가 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(900)는 베이스(902), 베이스(902)에 연결된 하우징(904), 하우징 캡(906) 및 하우징 베이스(908)를 포함한다. 하우징 밸러스트 부분(909)이 하우징 캡(906)의 상부에 축방향으로 배치된다
금속피복된(metallized) 피스톤(910)이 하우징(904) 내에 배치되고 하우징(904) 내에서 축방향으로 운동하게 구성된다. 예정된 부력을 갖는 다수의 자화(magnetized) 부력 블록(912)이 하우징(904)의 외측에 및 피스톤(910)의 단부들에 인접하게 배치된다. 자화 부력 블록(912)들은, 자화 부력 블록(912)의 운동이 하우징(904) 내의 금속피복된 피스톤(910)의 운동에 상응하도록 금속피복된 피스톤(910) 옆에 배치된다. 가이드 레일(911)이, 금속피복된 피스톤(910)과 관련한 자화 부력 블록(912)의 운동을 안내하도록 하우징(904) 상에 제공된다. 피스톤 챔버(913a, 913b)들은 피스톤(910)의 대향하는 측면들 상에 형성된다. 비금속 밀봉부(915)가 피스톤 챔버(913a, 913b)들 간의 유체 또는 액체 유동을 방지하도록 금속피복된 피스톤(910)과 하우징(904) 사이의 금속피복된 피스톤(910)의 외부면 상에 배치되어 커플링될 수 있다.
제1입구 밸브(914) 및 제1출구 밸브(916)가 하우징 캡(906)을 통해 피스톤 챔버(913a)와 연결된다. 제1입구 밸브(914) 및 제1출구 밸브(916)는 하우징 밸러스트 부분(909)을 통해 제1입구 라인(918) 및 제1출구 라인(920)에 각각 연결된다.
제2입구 밸브(922) 및 제2출구 밸브(924)는 한 단부가 하우징 베이스(908)를 통해 피스톤 챔버(913b)에 연결된다. 제2입구 밸브(922) 및 제2출구 밸브(924)는 각각의 다른 단부가 제2입구 라인(926) 및 제2출구 라인(928)에 연결된다.
베이스(902)는 한 단부가 하우징(904)에, 다른 단부가 지지 베이스(932)에 커플링된 다수의 지지 레그(930)를 포함한다. 지지 베이스(932)는 부력 펌프 장치(900)가 배치되는 수역(936)의 바닥(934)에 대해 놓이게 구성된다.
하우징(904)은 자화 부력 블록(912)들의 축방향 운동을 제한하도록 구성된 외부면 상의 다수의 정지부(938)를 포함한다. 출구 라인(920, 928)들은 그 안의 유동의 원하는 위치로의 전송을 위해 유동 라인(940)에 연결된다.
자화 부력 블록(912)은 부력 펌프 장치(900)가 배치되어 있는 물의 유체 역학 및 부력 펌프 장치(900) 자체의 유압 또는 공압적 특성들에 맞는 사이클로 운동한다. 자화 부력 블록(912)의 부력은 예정된 유체 또는 고체로 자화 부력 블록(912)을 잠기게(flooding) 하거나 또는 예정된 유체 또는 고체를 자화 부력 블록(912)으로부터 배출함으로써 조정될 수 있다.
입구 밸브(914, 922)들 및 출구 밸브(916, 924)들은 피스톤 챔버(913a, 913b)들로의 및 피스톤 챔버로부터의 가스 또는 액체의 유동을 허용하는 단방향 유동 장치들이다. 예를 들어, 제1입구 밸브(914)는 피스톤 챔버(913a)로의 유동을 허용하고, 제1출구 밸브(916)는 피스톤 챔버(913a)로부터의 유동을 허용한다. 제2입구 밸브(922) 및 제2출구 밸브(924)는 피스톤 챔버(913b)로부터 및 피스톤 챔버로의 유동을 허용한다. 제1입구 밸브(914) 및 제1출구 밸브(916)는 하우징 캡(906) 상의 상이한 위치들에 배치될 수 있음이 이해될 것이다. 유사하게, 제2입구 밸브(922) 및 제2출구 밸브(924)는 원하는 압력이 피스톤 챔버(913a, 913b)들 내에서 달성될 수 있는 한, 하우징 베이스(908) 상의 상이한 위치들에 배치될 수 있다.
작동시, 수역(946)으로부터의 파동이 부력 펌프 장치(900)를 떠날 때, 자화 부력 블록(912)들은 중력에 의해 점증적으로 하강하여, 금속피복된 피스톤(910)을 자기적으로 하강시켜 피스톤 챔버(913a) 내에 진공을 생성한다. 동시에, 자화 부력 블록(912) 및 금속피복된 피스톤(910)이 하강하면 피스톤 챔버(913b) 내의 가스 또는 액체를 압축한다. 그 안의 가스 또는 액체는 제2출구 밸브(924), 제2출구 라인(928)을 통해 유동 라인(940)으로 배기 또는 배출된다. 피스톤 챔버(913a)에서, 진공이 제1입구 라인(918)으로부터 제1입구 밸브(914)를 통해 피스톤 챔버(913a)로 가스 또는 액체를 흡인한다.
다음의 파동이 접근할 때, 자화 부력 블록(912) 및 금속피복된 피스톤(910)은 지나가는 물(936)에 대해 자기적 상호 관계로 점증적으로 상승하여, 피스톤 챔버(913a) 내의 가스 또는 액체를 가압하고 가스 또는 액체를 제1출구 밸브(916) 및 제1출구 라인(920)을 통해 유동 라인(940) 내로 배출한다. 피스톤 챔버(913b)는 진공이 되어, 가스 또는 액체를 제2입구 라인(926), 제2입구 밸브(922)를 통해 피스톤 챔버(913b)로 흡인한다. 이 과정은 각각의 연속적인 파동와 함께 주기적으로 반복된다.
출구 밸브(916, 924) 중 어느 하나의 압력이 금속피복된 피스톤(910)의 운동을 저지하면, 자화 부력 블록(912)은 금속피복된 피스톤(910)으로부터 분리되어 파동에 대해 운동하고 다음 파동 주기에 금속피복된 피스톤(910)과 재결합할 수 있다.
이제, 도 10을 참조하면, 예시적인 부력 펌프 장치(1000)의 또 다른 실시예가 본 발명의 원리들에 따라 도시되어 있다. 부력 펌프 장치(1000)는 베이스(1002), 베이스(1002)에 연결된 하우징(1004), 하우징(1004)에 연결된 하우징 캡(1006) 및 하우징 베이스(1008)를 포함한다. 피스톤 실린더(1010)는 하우징(1004) 내에 배치되고, 피스톤 실린더 캡(1012), 및 피스톤 실린더(1010)에 연결되고 피스톤 실린더 캡(1012) 위에 배치된 피스톤 실린더 밸러스트 부분(1014)을 포함한다. 피스톤(1016)은 피스톤 실린더(101) 내에서 축방향으로 운동하게 구성된다. 부력 블록(1018)은 피스톤 실린더(1010) 위에서 하우징(1004)과 함께 축방향으로 배치되고 하우징(1004) 내에서 축방향으로 운동하게 구성된다. 다수의 피스톤 샤프트(1020)가 피스톤(1016)의 하부면으로부터 연장하고 부력 블록(1018)의 측면들에 연결된다.
입구 밸브(1022)와 출구 밸브(1024)는 피스톤 실린더 캡(1012)을 통해 피스톤 실린더 캡(1012), 피스톤 실린더(1010) 및 피스톤(1016)의 상부면으로 형성된 피스톤 챔버(1026)에 연결된다. 입구 라인(1028)과 출구 라인(1030)은 각각 입구 밸브(1022)와 출구 밸브(1024)에 연결된다. 입구 라인(1028)과 출구 라인(1030)은 피스톤 실린더 밸러스트 부분(1014)을 통해 연장한다.
베이스(1002)는 한 단부가 하우징(1004)의 하부 부분에 연결되고 다른 단부가 지지 베이스(1034)에 연결되는 지지 레그(1032)들을 포함한다. 지지 베이스(1034)는 수역(1038)의 바닥(1036)에 대해 놓이게 구성된다. 밸러스트 탱크(1040)는 지지 베이스(1034)의 상부에 연결되어 수역(1038)에 대해 고정된 위치에 부력 펌프 장치(1000)를 유지한다.
하우징(1004)은 다수의 하우징 레그(1042)를 포함하고, 이는 물(1038)이 그 사이로 유동할 수 있게 하는 구성이다. 하우징 레그(1042)들은 하우징 베이스(1008)에 연결된다. 하우징(1004)은 그 안의 부력 블록(1018)의 축방향 운동을 제한하기 위해 하우징 레그(1042)들의 내면 상에 형성된 다수의 정지부(1045)를 추가로 포함한다.
하우징 베이스(1008)에 연결된 유동 탱크(1046)가 출구 라인에 연결된다. 유동 탱크(1046)는 출구 라인(1030)으로부터 수용한 유동을 안내하고 출구 라인(1040)으로부터 유동 라인(1048)으로 유동을 공급하게 구성된다.
피스톤 실린더(1010)는 피스톤 실린더 캡(1012)과 대향하는 단부가 개방되어, 물이 피스톤(1016)의 바닥면과 접촉할 수 있다. 밀봉부(도시않음)가 피스톤 챔버(1026)와 수역(1038) 간의 연통을 방지하도록 피스톤(1016)의 주변에 제공된다.
상술한 방식으로 조정할 수 있는 피스톤(1016)은 피스톤 실린더(1010) 내에서 슬라이딩하여 축방향으로 운동할 수 있다. 피스톤(1016)과 부력 블록(1018)은 피스톤 샤프트(1020)를 통해 연결되기 때문에, 부력 블록(1018)의 운동은 피스톤(1016)의 운동에 직접 상응한다.
부력 블록(1018)은 부력 펌프 장치(1000)가 배치되는 물의 유체 역학에 맞는 사이클로 부력 블록(1018)이 운동하도록 예정된 부력을 갖는다. 부력 블록(1018)의 부력은 시스템 및 물의 유체 역학 및 특성들에 따라 상술한 방식으로 조정될 수 있다.
입구 및 출구 밸브(1022, 1024)는 각각 피스톤 챔버(1026)로의 및 피스톤 챔버로부터의 가스 또는 액체의 유동을 허용하는 단방향 유동 장치들이다. 밸브(1022, 1024)들은 원하는 압력이 피스톤 챔버(1026) 내에서 달성될 수 있는 한, 피스톤 실린더 캡(1012) 상의 상이한 위치들에 배치될 수 있음이 이해될 것이다.
작동시, 부력 펌프 장치(1000)가 대양, 호수, 강 또는 다른 파동 생성 환경과 같은 수역 내에 최초로 배치된 후에, 출구 라인(1030), 밸브(1024) 및 피스톤 챔버(1026) 내의 최초 압력은 0 압력 상태에서 시작한다. 인식된 특성들을 갖는 파동이 부력 펌프 장치(1000)에 도달한다. 파동로부터의 물은 부력 블록(1018)을 점증적으로 상승시켜, 부력 블록(1018) 및 피스톤(1016) 모두를 상승시킨다. 피스톤 챔버(1026)로 도입된 가스 또는 액체는 피스톤 챔버(1026) 내의 압력이 출구 라인(1030) 내의 라인 압력을 초과할 때까지 가압되기 시작한다. 이 시점에서, 가스 또는 액체는 출구 밸브(1024)와 출구 라인(1030)을 통해 유동하고, 유동 라인(1048)을 통해 사용 또는 저장을 위한 원하는 장소로 운반된다.
파동이 부력 펌프 장치(1000)로부터 떠날 때, 중력은 부력 블록(1018)을 하향으로 밀어, 피스톤 실린더(1010) 내의 피스톤(1016)이 상응하여 축방향 하향 운동하게 한다. 피스톤 챔버(1026) 내에 진공이 생성되어, 가스나 액체를 입구 라인(1028), 입구 밸브(1022)를 통해 피스톤 챔버(1026)로 흡입한다. 이 사이클은 각각의 연속적인 파동에 대해 주기적으로 반복된다.
이제 도 11을 참조하면, 예시적인 농업용 장치(1100)에 커플링되었을 때의 도 1의 부력 펌프 장치(100)의 예시적인 측면도들이 도시되어 있다. 이 구성에서, 농업용 장치(1100)는 부력 펌프 장치(100)에 대해 동심 관계로 배치되어 연결된 다수의 밸러스트 탱크(1110)를 포함한다. 밸러스트 탱크(1110)는 다수의 가이 와이어(1120)에 의해 인접한 밸러스트 탱크(1110)들에 추가로 연결된다. 다수의 밸러스트 탱크(1110)는 부력 펌프 장치(100)가 배치된 수역(1130)으로부터 들어오는 파동들에 대해 부력 펌프 장치(100)를 안정화시키도록 길이나 폭이 바뀔 수 있다.
부력 펌프 장치를 휴대할 수 있도록 모듈식 구조로 만들 수 있다. 휴대형 부력 펌프 장치는 한 장소에 설치되고, 해체되고, 다른 장소에 설치될 수 있다. 부력 펌프 장치의 휴대성은 한 장소에 영구적으로 설치된 수력 터빈(water flow turbine)과 같은 휴대용이 아닌 다른 수력 발전(hydro-electric generation) 시스템과 구별될 수 있다. 또한, 휴대형 부력 펌프 장치들의 그룹 또는 필드(field)는 (전력 요구값이 변화하는) 상이한 지상 또는 해양-기반의 응용예들에 전력을 제공하기 위해 이동될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 부력 펌프 장치의 그룹이 이후에 상이한 지역에 재배치되는 미지의 기간 동안 새로운 지역에 배치된 군사 기지를 지원하도록 해양-기반의 위치에 배치될 수 있다. 부력 펌프 장치의 그룹은 부력 펌프 장치들의 사양에 맞는 파동들의 충분한 파동 에너지원을 갖는 실질적으로 임의의 장소에 배치될 수 있다.
도 12A는 도 12B에 도시된 바와 같은 예시적인 구조를 구성하기 위한 구조 부품으로서 사용될 수 있고 부력 펌프 장치의 부력 실린더(104; 도 1 참조)와 실질적으로 유사하게 기능하도록 몇 개의 부력 챔버 링(1200)들로 형성될 수 있는 예시적인 부력 챔버 링(1200)을 도시한다. 부력 챔버 링(1200)을 이용하는 부력 펌프 장치는 모듈형 구조이다. 부력 챔버 링(1200)은 외부 링(1202) 및 내부 링(1204)을 포함한다. 외부 및 내부 링(1202, 1204)들은 동심 관계이고 스페이서 쌍(1206a 내지 1206d; 집합적으로 1206)을 형성하는 다수의 스페이서(spacer)에 의해 커플링될 수 있다. 스페이서 쌍(1206)은 평행하게 구성되고 축 x 및 y 둘레에 대칭적으로 배치될 수 있다. 스페이서 쌍(1206)은 외부 및 내부 링(1202, 1204)들을 위한 구조적으로 지지해준다. 다른 구조적 및/또는 기하학적 형상의 스페이서들이 외부 및 내부 링(1202, 1204)들에 대해 구조적으로 지지해주게 사용될 수 있다. 예를 들어, 외부 및 내부 링(1202, 1204)들 사이에 스페이서들의 트러스 구성이 사용될 수 있다.
가이드 링 실린더(1210)들은 스페이서 쌍(1206) 사이의 중심에 배치되고 각각의 외부 및 내부 링(1202, 1204)들에 커플링될 수 있다. 가이드 링 실린더(1210)들은 부력 챔버 링(1200)을 파일링(1216; piling)들(도 12B를 참조하여 후술함) 상에 배치하고 지지하는데 사용될 수 있다. 부력 챔버 링(1200)의 각각의 부품은 대양 또는 다른 환경에 존재하는 환경적 조건에 저항성이 있는 유리섬유 또는 플라스틱과 같은 재료 및/또는 강으로 구성될 수 있다.
도 12B는 도 12A에 도시된 부력 챔버 링(1200)을 사용하는 예시적인 부력 펌프 장치(1212)를 위한 부력 챔버(104; 역시 도 1 참조)의 단면을 따라 취한 상부 사시도이다. 부력 챔버(104)는 수역의 바닥에 배치되어 그로부터 수직으로 연장하는 베이스(도시안함) 내에 장착될 수 있는 8개의 파일링 또는 스트러트(1216)들을 따라 축방향에서 다수의 부력 챔버 링(1200)을 결합하여 형성된다. 수역의 깊이에 따라, 각각의 파일링(1216)은 다수의 세그먼트로 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이, 파일링(1216)들은 부력 챔버 링(1200) 둘레에 방사방향으로 배치된 가이드 링 실린더(1210)들을 통해 연장할 수 있다.
부력 펌프 장치(1212)의 베이스로부터 수직방향으로 연장하는 관형 심(1218; tubular shim)들은 스페이서 쌍(1206)의 각각의 스페이서와 정렬되어 내부 링(1204)에 커플링될 수 있다. 관형 심(1218)들은 부력 블록(1220; 부분적으로 도시함)을 위한 안내부로서 사용된다. 부력 블록(1220)은 부력 링(1222)을 포함하거나 또는 이에 커플링될 수 있다. 부력 링(1222)은 부력 챔버(104) 내에서 상하 이동할 때, 부력 블록(1220)의 정렬을 유지하도록 관형 심(1218)들에 의해 안내 또는 결합될 수 있다. 모듈식 디자인때문에, 부력 펌프 장치(1212)는 재배치하기 위해 제작되어 분해될 수 있다.
도 12C는 부력 챔버(104)를 위한 캡으로서 구성된 부력 챔버 링(1200')의 다른 실시예이다. 부력 챔버 링(1200')은 피스톤 챔버(1224)를 배치시키도록 추가로 구성될 수 있다. 위치결정용 스페이서(1226)들은 외부 및 내부 링(1202, 1204)의 중심점 둘레에 직사각형 영역(1228)을 형성하도록 스페이서 쌍(1206)과 실질적으로 정렬될 수 있다. 직사각형 가이드 블록(1230)이 직사각형 영역(1228)에 배치되어 위치결정용 스페이서(1226)들에 커플링될 수 있다. 직사각형 가이드 블록(1230)은 그를 통해 피스톤 챔버(1224)를 삽입 및 그 안의 피스톤 챔버(1214)를 연결 부재(도시안함)와 함께 유지하기 위한 사이즈를 갖는 구멍(1232)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 구멍(1232)은 부력 챔버 링(1200')에 의해 지지 및 정렬되는 구조용 부품(예를 들어, 피스톤 챔버(1224))의 형상 및 사이즈에 따라 성형 및 크기설정될 수 있다.
도 13은 파동 데이터에 근거하여 부력 블록의 사이즈를 동적으로 결정 및/또는 조정하기 위한 시스템(1300)의 도면이며, 이런 시스템은 연산 시스템(1304)의 모니터(1303) 상에 표시된 예시적인 부력 블록(1302)의 개략도의 이미지(1301)를 예시한다. 연산 시스템(1304)은 소프트웨어(1308)를 실행하도록 작동할 수 있는 프로세서(1306)를 포함한다. 소프트웨어(1308)는 부력 블록(1302)을 사용하는 부력 펌프 장치가 배치되는 수역의 위치에 대한 파동 내역 데이터에 근거하여 부력 블록(1302)의 치수의 계산 및/또는 동작의 모델링에 사용된다. 소프트웨어(1308)는 예를 들어, 스프레드시트에 포함된 계산식들 또는 몇 라인들의 코드(code)로 형성될 수 있다. 소프트웨어(1308)는 파동 내역 데이터에 대한 입력 변수들을 갖고 기계적 시방서(specification) 및 시스템 운영 데이터를 출력하는 알고리즘을 포함한다.
연산 시스템(1304)은 프로세서(1306)에 커플링된 메모리(1310)를 추가로 포함한다. 메모리는 프로그램(1308) 및 이에 의해 발생된 데이터를 저장하는데 사용될 수 있다. 입력/출력(I/O) 장치(1312)가 프로세서(1306)에 커플링되며, 연산 시스템(1304) 내부로 또는 외부로 데이터를 수신 및 송신하는데 사용된다. 저장 유닛(1314)은 프로세서(1306)와 통신하며, 데이터베이스(1316)를 저장하도록 동작할 수 있다. 데이터베이스(1316)는 파동 내역 데이터 및 배치를 위한 하나 이상의 부력 펌프 장치의 구성에 관련된 기타 데이터를 저장할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터베이스(1316)는 부력 블록(1302)과 연계된 데이터를 포함하는 데이터파일이다.
연산 시스템(1304)은 통신 경로(1320)를 경유하여 네트워크(1318)와 통신할 수 있다. 일 실시예에서, 네트워크(1318)는 인터넷이다. 대안적으로, 네트워크(1318)는 위성 통신 시스템일 수 있다. 당업계에 공지된 바와 같이, 파동 내역 데이터 서버는 전세계의 수역으로부터의 다양한 위치로부터 부표에 의해 수집된 파동 데이터를 포함하는 데이터베이스(1324) 또는 기타 데이터파일을 관리한다. 파동 데이터 서버(1322)는 연산 시스템(1304)이 데이터베이스(1324) 내에 저장된 파동 데이터를 액세스 또는 참조할 수 있도록 통신 경로(1326)를 경유하여 네트워크(1318)와 통신한다. 연산 시스템(1304)에 의해 파동 데이터 서버(1322)로부터 액세스 및 수집되는 파동 데이터는 수동으로, 반자동으로 또는 자동으로 데이터베이스(1316)내에 포함되고, 부력 블록(1302)의 치수의 생성 및/또는 작동의 모델링을 위해 소프트웨어(1308)에 의해 사용될 수 있다.
부력 블록(1302)의 이미지(1301)는 부력 블록(1302)을 설계하기 위해 입력 변수들을 수신하거나 및/또는 연산된 결과들을 디스플레이 필드에 표시하기 위해 다양한 데이터 필드를 추가로 포함할 수 있다. 부력 블록(1302)의 설계자는 특정 기간 동안 특정한 또는 전형적인 과거 파동 운동과 관련한 정보를 입력하기 위해 입력 변수들을 사용할 수 있다. 대안적으로, 입력 변수들은 파동 데이터 서버(1322) 등의 저장 유닛(1314)에 저장된 데이터 파일로부터 판독되고 이미지(1301)로 표시될 수 있다.
부력 블록(1302)의 설계시, 설치 위치 및 설치 지속시간에 대한 사항이 고려될 수 있다. 예를 들어, 부력 펌프 장치가 3개월과 같은 소정 시간 동안 특정 위치에 설치되는 경우, 설계자는 부력 블록(1302)의 설계시 특정 장소에서 이러한 특정 개월동안 저 이력 파동 운동(low historical wave motion), 피크 이력 파동 운동 및 평균 이력 파동 운동을 입력할 수 있다. 부력 펌프가 보다 영구적인 기간 동안 설치되는 경우, 저 이력 파동 운동, 피크 이력 파동 운동 및 평균 이력 파동 운동이 부력 블록(1302)의 치수를 결정하기 위해 5년과 같은 보다 긴 주기에 걸쳐 입력될 수 있다.
이미지(1301)는 부력 펌프 장치의 설계자를 돕기 위해, 입력 및 출력 필드를 포함할 수 있으며, 이 필드들은 테이블, 그리드(grid), 그래픽 이미지 또는 기타 시각적 레이아웃(layout)을 포함한다. 부력 펌프 장치의 설계 단계 중에, 설계자는 실시예 A 및 B, 표 1 내지 4 및 도 3A 내지 3F 및 도 4D에 관하여 설명한 것과 같은 설계 단계를 수행할 수 있다. 이 설계 단계의 수행시, 실시예 A(저 파동 사이즈), 실시예 B(평균 파동 사이즈) 및 표 1은 다양한 구성요소(예를 들어, 부력 블록) 치수들과 시스템 변수(예를 들어, 마력)들을 연산할 때 과거의 파동 데이터를 사용하는 예들을 제공한다. 부력 블록 체적(BBV), 원뿔의 체적(VC), 베이스의 체적(VB) 및 다른 치수와 같은 치수들은 과거 파동 데이터의 함수로서 연산될 수 있다. 파동 높이(WH)의 함수로서 부력 블록 직경을 설명하는 표 2는 치수 및 시스템 변수 모두를 결정하는데 사용될 수 있다. 이미지(1301) 상에 도시된 결과들은 예를 들어, 도 3A 내지 도 3F 및 도 4D에 도시된 요소들 및 치수들과 연계하여 그래프로 표시될 수 있다. 부력 펌프 장치의 요소들의 보다 단순하거나 또는 상세한 그래프 이미지들이 연산되고 이미지(1301) 상에 도시될 수 있음이 이해될 것이다. 표 3(연간 파동 평균)에 및 월간 평균 파동 정보를 나타내는 표 4에 도시된 입력 데이터는 배치할 기간 및 장소에 근거하여 부력 펌프 장치를 위한 구성요소들의 설계시 연산 시스템(1300)에 입력될 수 있다.
도 13을 참조하여 계속하면, 디스플레이 필드들은 연산 시스템(1304)에 의해 실행되는 소프트웨어(1308)에 의해 만들어진 계산들로부터의 결과들을 나타내는데 사용된다. 디스플레이 필드들에 도시된 결과들은 부력 블록(1301)에 대한 다양한 기계적 제원들을 포함할 수 있으며, 이 제원에는 베이스의 높이(h1; 도 4D 참조), 베이스의 직경(d1), 콘의 높이(h2) 및 다른 치수들이 포함된다. 부가적으로, 피스톤 치수와 같은 부력 펌프 장치의 구성 요소들의 다른 치수들도 연산될 수 있다. 디스플레이 필드들은 가용 행정 길이, 부양 이동 시간 및 부양 압력같은 동작 제원에 영향을 미치는 변수들을 포함할 수 있으며, 부양 압력은 파동 변수들(예를 들어, 높이 및 길이)의 함수로서 부력 블록(1301)에 의해 형성되는 상향 압력의 양이다.
부력 펌프 장치들은 또한 특정 영역에 대한 수요를 충족시키도록 크기를 조절할 수도 있다. 예를 들어, 예정된 개수의 부력 펌프 장치가 기존의 지역 또는 그 지역의 일부에 대한 수요를 충족시키도록 최초 설치된 후, 그 지역이 확장되거나 원래 지역의 나머지 부분을 충족시키도록 부가적인 부력 펌프 장치가 보충될 수 있다. 그 지역은 예를 들어, 200개의 부력 펌프 장치만을 필요로 하는 작은 에너지 수요를 갖거나, 댐에 의해 제공되는 것에 비견할만한 수 제곱 마일의 부력 펌프 장치를 필요로 하는 큰 에너지 수요를 요구할 수 있다. 그러므로, 부력 펌프 장치들은 공급되는 특정 지역에 대해 어떠한 에너지가 요구되는지에 따라 규모를 조절하거나 개조될 수 있다.
이제, 도 14를 참조하면, 수탑을 사용하는 예시적인 부력 펌프 파워 시스템(1400)의 일 실시예의 입면도가 도시되어 있다. 하나 이상의 부력 장치(1410)의 그룹(1405)이 수역(1420)의 바닥(1415)을 따라 예정된 구성으로 분포된다. 부력 펌프 장치(들)(1410)의 그룹(1405)은 격자 또는 어레이로 구성되거나, 또는 각각의 부력 펌프 장치(1410)가 다른 부력 펌프 장치(1410)들로 인해 영향을 적게 받거나 어떠한 영향도 받지 않으면서 파동을 받으며 각각의 부력 펌프 장치(1410)를 수용하는 방식으로 분포될 수 있다.
부력 펌프 장치(1410)로부터의 출구 라인(1425)들은 수탑(1435)을 지지하는 해안(1430)을 향해 바닥(1415)을 따라 연장할 수 있다. 출구 라인(1425)들은 수탑(1435)의 상부 또는 그 부근에 물을 전달하는 급수부(water feed)들로서 동작한다.
수탑(1435)은 수탑(1435)의 바닥 또는 그 부근에서 터빈 하우스(1440)에 위치하는 하나 이상의 터빈(1439)을 동작시키도록 펌핑된 물의 저장부로서 동작한다. 터빈 하우스(1440)는 터빈(들)(1439)을 지나는 물의 흐름으로부터 전기 에너지를 생산하도록 중력의 작용에 의해 수탑(1435)에 저장된 물을 받도록 수탑(1435)에 인접하게 또는 밀접하게 배치되거나 내부에 포함될 수 있음이 이해될 것이다. 터빈(들)(1439)을 통과하는 물은 터빈 배출구(1440)를 경유하여 수역(1420)으로 다시 복귀될 수 있다. 대안적으로, 물은 예를 들어, 음료수로의 변환하기 위한 탈염(desalinization) 또는 관개(irrigation)와 같은 다른 용도들을 위해 분배되도록 배출될 수 있다.
터빈들에 의해 생성된 전력을 전력선(1445)들이 커플링된 전력망(1450; power grid)에 분배하기 위해 전력선(1445)들이 터빈(들)(1439)에 커플링될 수 있다. 부력 원리들을 사용하지 않는 다른 기술들에 의해 동력을 공급받는 펌프가 본 발명의 원리들에 따라 수탑(1435)에 급수하는데 사용될 수 있음이 고려된다. 예를 들어, 회전 수단 및/또는 풍력에 의하여 동력을 생성하는 펌프가 수탑(1435)에 급수하는데 사용될 수 있다.
도 15는 예시적인 부력 펌프 파워 시스템(1500)의 다른 실시예의 입면도이다. 도 14에 도시된 수역(1520)의 바닥(1515)을 따라 동일하거나 또는 유사한 구성의 하나 이상의 부력 펌프 장치(1510)의 그룹(1505)이 형성되어 있다. 부력 펌프 장치(1510)의 그룹(1505)은 격자 또는 어레이로 구성되거나, 또는 다르게는 각각의 부력 펌프 장치(1510)가 파동을 받을 때 다른 부력 펌프 장치(1510)들로 인해 영향을 적게 받거나 어떠한 영향도 받지 않으면서도 파동을 받으며 각각의 부력 펌프 장치(1510)를 수용하는 방식으로 분포될 수 있다.
부력 펌프 장치(1510)들로부터의 출구 라인(1525)들은 절벽 상부(1540)에서 하나 이상의 저장부(1535)를 지지하는 절벽(1530)을 향해 바닥(1515)을 따라 연장할 수 있다. 대안적으로, 저장부(들)(1535)는 하나 이상의 지상의 연못 또는 저장부로서 절벽 상부(1540)에 구성될 수 있다. 출구 라인(1525)들은 저장부(1535)의 상부 또는 그 근처에 물을 전달하는 급수부로서 작동한다. 일 실시예에서, 저장부(들)(1535)는 2차 용도를 제공하도록 형성될 수 있다. 이런 2차 용도 중 하나는 어류 부화장이다. 저장부(1535)는 중력의 작용에 의해 터빈(들)(1540)에 가해지는 최대 수압을 제공하도록 절벽(1530)의 저면 또는 그 근처에 위치한 터빈 하우스(1545)에 배치된 하나 이상의 터빈(1540)을 동작시키도록 부력 펌프 장치(1510)들로부터 펌핑된 물을 저장하도록 동작한다. 대안적으로, 터빈 하우스(1545)는 저장부 아래에 존재하고, 터빈(들)(1540)을 구동할 수 있는 한, 다른 위치에 배치될 수 있다. 당업계에서 이해되는 바와 같이, 상이한 터빈들이 상이한 수압들에서 동작하여, 저장부(1535) 아래의 터빈들의 거리 및/또는 절벽의 높이는 사용되는 터빈의 타입에 기초할 수 있다. 터빈(1540)들에 의해 발생된 전기는 전력망(1555)으로 분배하기 위해 전력선(1550)으로 전도될 수 있다.
도 16은 파동 에너지를 기계적 에너지로 변환하기 위해 수역(1604)에 배치된 부력 펌프 장치(1602)들의 다른 예시적인 구성의 예시도이다. 부력 펌프 장치(1602)들은 파동들에 의해 이동되는 부력 펌프 장치(1602)들의 부력 블록들(도시안함)에 반응하여 공기와 같은 가스를 출구 라인(1606)들을 통해 보내게 구성된다. 가스가 압축될 수 있고 터빈 하우스(1614) 내에 들어 있는 터빈(1612)을 구동하기 위해 상승될 필요가 없기 때문에 저장부(1608)는 해안(1610)의 상부에 배치되거나 해안(1610)의 지하에 배치될 수 있다. 터빈(1612)은 터빈(1612)을 구동하기 위해 압축된 가스를 받도록 입력 공급 라인(1616)을 경유하여 저장부(1608)에 연결될 수 있다. 터빈은 터빈(1612)에 의해 생성된 전기를 전력망(1620) 또는 공장과 같은 다른 소비처(drain)로 분배하도록 전력선(1618)들에 연결된다.
도 17A는 대양(1708)의 파동(1706)에 응답하여 저장부(1704)로 유체를 구동하게 구성된 부력 펌프 장치(1702)들을 포함하는 예시적인 펌프 필드(1700)의 예시도이다. 펌프 필드(1700)는 배치될 부력 펌프 장치(1702)를 위한 구획(1713; plot)들의 열(1710; row) 및 행(1712; column)을 포함하는 부력 펌프 장치(1702)들의 격자로서 구성된다. 하나의 행을 따른 빈 구획이 각각의 열을 따라 두 개의 부력 펌프 장치(1702)를 분리 또는 이격한다. 유사하게, 하나의 열을 따른 빈 구획이 각각의 행을 따라 두 개의 부력 펌프 장치(1702)를 분리한다. 도시된 바와 같이 부력 펌프 장치(1702)들을 이격 또는 분리하여, 제 1 행(c1)에 걸쳐 및 두 개의 부력 펌프 장치(1714a, 1714b) 사이를 통과하는 파동이 열(r13, r15)들 사이에서 두 개의 부력 펌프 장치(1714a 및 1714b)에 직각으로 배치된 열(r14)을 따라 그리고 제 2 행(c2)에서 부력 펌프 장치(1714c) 이전에 재형성되어, 제 2 행(c2) 내의 부력 펌프 장치(1714c)가 제 1 행(c1) 내의 부력 펌프 장치(1714a 및 1714b)들에 의해 받게 된 것과 실질적으로 동일한 파동 에너지를 받을 수 있게 한다. 부력 펌프 장치(1702)들을 분리하면 각각의 파동로부터 소모되는 에너지의 양을 최소화하는 것을 추가로 돕는다. 파동로부터 소모되는 에너지의 양을 최소화함으로써, 펌프 필드(1700)에 배치된 각각의 부력 펌프 장치(1702)가 실질적으로 균등하게 동력공급된다. 각각의 펌프에 최대 파동 에너지를 제공하도록 파동에 대해 동일하거나 또는 유사한 최소한의 변경(alteration)을 제공하는 다른 구성의 부력 펌프 장치(1702)가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 도 17의 펌프 필드(1700)의 구성을 사용하여, 해변(1714)은 해변(1714) 전방에 배치되지 않았으면 펌프 필드(1700)가 받았을 것과 실질적으로 동일하게 각각의 파동을 받아들인다. 따라서, 펌프 필드(1700)의 구성은 파동들로부터 동력을 생성하는 환경 친화적 해법이다.
도 17B는 특정한 부력 펌프 장치(1714a-1714c)들을 포함하는, 부력 펌프 장치(1702)들의 구성의 확대도이다. 부력 펌프 장치(1714a 및 1714b)의 출구 라인(1718a 및 1718b)은 각각 부력 펌프 장치(1714c)를 포함하는 열(r14)을 향해 제 1 행(c1)을 따라 각각의 부력 펌프 장치(1714a, 1714b)로부터 연장하게 구성된다. 출구 라인(1718a, 1718b)은 해변(1716)을 향해 열(r14)을 따라 연장하는 다른 출구 라인(1718c)에 커플링된다. 따라서, 부력 펌프(1714c)로부터의 출구 라인(도시안함)은 출구 라인(1718c)에 연결될 수 있다. 부가적으로, 열(r13 내지 r15)에 배치된 다른 부력 펌프(1702)들로부터의 출구 라인들은 부력 펌프 장치(1702)들로부터 배출된 유체 매질(즉, 액체 또는 가스)을 육지 등에 배치된 저장부(도시안함)로 전달하도록 출구 라인(1718c)에 연결될 수 있다. 다른 구성의 출구 라인들이 저장부로 전달되는 유체 매질에 대해 사용될 수 있을 이해하여야 한다. 다른 구성들은 구조적으로 또는 형상적으로 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 출구 라인(1718a, 1718b)들을 단일 출구 라인(1718c)에 연결하지 않고, 각각의 출구 라인(1718a, 1718b)을 서로 분리된 상태로 남겨둘 수 있다.
도 17B를 계속 참조하면, 펌프 격자(pump grid)에 대한 예시적 구성의 치수들이 도시되어 있다. 각각의 부력 펌프 장치(1702)는 47.3 ft2의 베이스 치수를 갖는다. 부력 펌프 장치(1702)의 각각의 열(예를 들어, 열 r1과 r2) 사이에 15.8ft(4.82m)의 이격 거리가 사용된다.
도 17A를 추가로 참조하면, 절벽 상부(1718)에 위치한 저장부(1704)가 출구 라인(1720)을 경유하여 부력 펌프 장치(1702)로부터 펌핑된 물을 수용한다. 물은 저장부(1704) 내에 저장되고, 터빈 빌딩(1724) 내에 배치된 터빈(들)(도시안함)으로 출력 공급 라인(1722)을 통해 흐를 수 있다. 물은 배출 라인(1726)들을 경유하여 대양(1708)으로 다시 배출될 수 있다. 다른 실시예에서, 저장부는 수역보다 위에 있는 배 또는 석유 굴삭 장치와 같은 곳에 배치될 수 있다.
부력 펌프 시스템은 통과하는 파동으로부터 거의 모든 포텐셜 에너지를 완전히 흡수하고, 본원에 도시 및 설명한 방식으로 그 동력을 사용하도록 설계될 수 있음이 이해될 것이다. 대안적으로, 부력 펌프 시스템은 통과하는 파동로부터 포텐셜 에너지의 일부(예를 들어, 50%)를 흡수하도록 설계될 수 있다. 이들 디자인은 펌프 필드를 위한 격자 또는 기타 배치를 사용할 수 있지만, 그 배치에 근거한 일부 또는 모든 빈 구획들의 부력 펌프 장치를 포함한다.
도 18을 참조하면, 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 시스템(1811)이 파동에 응답하여 왕복운동하는 부력 블록(1815)을 갖는 하나 이상의 부력 펌프(1813)를 포함한다. 부력 블록(1815)은 바람직하게는 상술한 시스템들과 유사한 피스톤 및 피스톤 샤프트를 사용하여, 작동유체(operating fluid)를 펌핑한다. 작동유체, 바람직하게는 물이 부력 펌프(1813)의 위치의 앞바다로부터 낮은 저장부(1821)와 높은 저장부(1823) 중의 하나로 펌핑된다. 바람직하게는, 저장부들은 연안에 배치되지만 앞바다에서 기존의 또는 새로운 플랫폼 상에 배치될 수도 있다. 낮은 저장부(1821)는 부력 펌프(1813)의 통상 작동 조건 중에 펌핑되는 물을 수용하게 제공된다. 통상 작동 조건은 전형적으로 통상적인 사이즈의 파동 높이들이 존재할 때 발생하는 것이었고, 또는 부력 펌프가 주로 작동하게 설계된 것이었다. 보다 큰 높이의 파동들이 존재할 때에는, 부력 펌프는 작동유체에 보다 높은 압력을 생성하도록 보다 높은 파동 높이들을 사용할 수 있어, 작동유체를 높은 저장부(1823)로 펌핑한다. 보다 높은 압력(통상 작동 조건 중에서보다 높음)으로 작동유체를 펌핑하기 위해, 부력 블록의 내부 체적은 "워프" 과정에 의해 증가되어야 한다. 워프 과정은 상술한 과정들(도 3D 내지 도 3F 참조) 중 하나를 통해 부력 블록의 직경 또는 높이 중 하나를 증가시키는 것을 포함한다. 보다 큰 파동들이 존재할 때, 부력 블록의 증가된 체적은 통상 작동 조건 중에 생성되는 유속과 거의 동일한 유속을 유지하면서, 작동유체에 부여되는 압력을 증가시킬 수 있다. 보다 높은 파동 높이들이 존재함을 활용하는 것이 중요한데 왜냐하면 보다 높은 위치의 저장부(즉, 높은 저장부(1823))에 저장된 작동유체는 보다 효율적으로 발전하는데 사용될 수 있기 때문이다. 이는 주로 저장부로부터 낙하하는 작동유체에 의해 구동되는 터빈(1831)이 저압 고 유속 유체의 반대인 고압 저 유속의 유체에 의해 구동될 때 보다 효과적으로 작동한다는 사실에 기인한다. 작동유체의 저장을 위해 다중 저장부를 사용하는 개념은 2개의 상이한 높이의 저장부를 참조하여 상술하였지만, 당업자는 이 개념이 특정 높이의 파동들이 존재할 때 및 부력 블록이 (워프를 통해) 특정 체적으로 조정될 때 작동유체를 이상적으로 수용하게 각각 설계되는 다중 저장부들을 포함하게 확장될 수 있음을 인식할 것이다.
도 19를 참조하면 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프 시스템(1911)은 파동에 반응하여 왕복운동하는 부력 블록을 갖는 하나 이상의 부력 펌프(1913)를 포함한다. 부력 펌프들이 사용되는 영역들에 대형 폭풍과 허리케인이 발생할 가능성이 있으므로, 부력 펌프는 파동 높이들이 과다하게 높게 되면 대양저로부터 분리될 위험이 있다. 이 위험을 최소화하기 위해, 부력 블록(1915)은, 부력 블록(1915)이 선택적으로 물에 잠기게(flooded) 하는 릴리프 포트(1917; relief port)를 포함한다. 잠겼을 때, 부력 블록은 피스톤 또는 부력 펌프(1913)의 나머지에 어떠한 부력도 가하지 않으며(또는 부분적으로 잠기면, 더 적은 부력을 가함), 이는 부력 펌프가 대양저로부터 분리되는 것을 방지한다. 릴리프 포트(1917)는 도 19에 도시된 바와 같이 밸브(1921)와 제어기(도시안함)에 의해 개방될 수 있다. 밸브(1921)를 열라는 신호는 부력 블록에 의해 가해지는 부력, 부력 블록 근처의 수압, 파동 높이를 측정하는 센서에 반응하여 수동으로, 원격으로, 또는 자동적으로 공급될 수 있다. 릴리프 포트(1917)를 열고 닫기 위해 밸브를 사용하는 대신에, 릴리프 포트(1917)는 부력 펌프 파일링들 또는 대양저와 같은 고정적 구조물에 구속된 스토퍼(stopper)에 의해 밀봉될 수 있다. 구속구(tether)는 예정된 길이를 가져 (예를 들어, 큰 파동에 반응하여) 부력 챔버 내의 부력 블록의 과다한 운동이 릴리프 포트(1917)로부터 스토퍼를 분리하는 것을 구속하여 부력 블록이 잠기게 한다. 릴리프 포트(1917)에 부가하여, 부력 펌프(1913)는 잠기는 작동들을 따르는 부력 블록을 제거(purge)하는 압력가스원(pressurized gas source: 1931)을 포함할 수 있다. 압력가스는 부력 블록 내의 물을 이동시켜, 부력 펌프가 정상 작동들로 복귀하게 한다.
본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프들은 부력 펌프가 작동하는 영역의 파동들의 평균 길이들에 "일치(match)"하게 주로 설계되는 부력 블록들을 포함한다. 바람직하게는, 부력 블록은 작동유체를 펌핑하기에 충분한 부력들을 생성하도록 파동 길이에 대해 충분히 크지만 그 에너지를 획득하는 과정을 상당히 감소시키는 인접한 파동들이 존재하지 않으면서 한 파동의 에너지를 획득할 수 있기에 충분히 작은 사이즈를 갖는다. 바람직하게는, 부력 블록의 직경은 평균 파동 길이의 약 1/6이상이고 평균 길이의 약 1/2이하이다. 비록 전형적으로 선호되지는 않지만, 부력 블록은 부력 블록의 직경이 평균 파동 길이만큼 크도록 설계될 수 있다.
본 발명의 원리들에 따른 부력 블록이 바람직하게는 부력 블록이 평균 파동에서 상승하는 동안 최대 높이에 도달할 때 부력 블록의 체적의 약 1/3이 물로부터 나온 상태를 유지하도록 설계됨을 유의하는 것이 중요하다. 부력 블록이 각각의 상승행정 중에 완전히 잠기게 되면, 블록이 파동의 운동을 빠르게 추종하는 (따라서 작동유체를 펌핑하는) 능력이 크게 손상된다. 부력 블록의 상당 부분이 물 밖에 나온 상태를 유지할 수 있게 하여, 부력 블록은 각각의 파동의 운동을 빠르게 추종하고 작동유체를 보다 효과적으로 펌핑한다. 물론, 물 밖에 올라와 있는 부력 블록의 체적은 상승행정에 걸쳐 변하고, 상승행정의 최대점에서 물 밖에 있는 정확한 체적은 총 체적의 1/3보다 높거나 또는 낮다.
본 발명의 원리들에 따른 예시적인 펌프(2111)가 도 20 내지 도 39에 도시되어 있다. 이들 도면에 관련하여 도시된 모든 치수들은 예시를 위한 것뿐이고 첨부한 청구범위를 한정하고자 하는 것이 아니다. 부력 블록(2111)의 조립도가 도 21에 예시되어 있고, 펌프(2111)는 피스톤 샤프트(2115)에 의해 피스톤(2117)에 연결된 부력 블록(2113)을 포함한다. 부력 블록(2111)은 작동유체가 흡입 파이프(2121)를 통해 피스톤(2117)의 하강행정시 피스톤 챔버(2125)로 인입되도록 피스톤(2117)을 왕복운동시키도록 파동 작용에 반응하여 왕복운동한다. 피스톤(2117)의 상승행정시, 작동유체는 피스톤 챔버(2125)로부터 출구 파이프(2129)로 배출된다.
도 26 내지 도 36을 참조하면, 피스톤 샤프트(2115)가 보다 상세히 예시되어 있다. 피스톤 샤프트(2115)는 각각의 단부가 볼 피팅(2147; ball fitting)에 연결된 다수의 중첩된(nested) 튜브(2141, 2143, 2145)를 포함한다. 튜브(2141)는 가장 직경이 작고 튜브(2143) 내에 자리잡으며, 그 다음에 상기 튜브(2143)는 튜브(2145) 내에 자리잡는다. 각각의 튜브는 각각의 단부 상에 암나사를 포함하여 볼 피팅(2147)과 나사결합한다. 볼 피팅(2147)은 소형 부분(2151), 중간 부분(2153), 대형 부분(2155)으로 구성된 단층으로 된(tiered) 샤프트(2149)를 포함한다. 대형 부분(2155)은 볼 단부(2159)에 강성적으로 부착된다. 소형 부분(2151), 중간 부분(2153), 및 대형 부분(2155) 각각은 수나사를 포함한다. 피스톤 샤프트(2115)가 조립되었을 때, 볼 피팅(2147) 중 하나가 각각의 단부에서 튜브(2141)에 부착되어 소형 부분(2155)이 튜브(2141)와 나사결합하고, 중간 부분(2153)이 튜브(2143)와 나사결합하고, 대형 부분(2155)이 튜브(2145)와 나사결합한다. 볼 피팅(2147)은 튜브들을 서로에 대해 고정하는 것을 돕고 피스톤 샤프트(2115)에 부여되는 부하가 개개의 튜브(2141, 2143, 2145) 모두에 분배됨을 보장한다. 볼 피팅(2147)의 볼 단부(2159)는 볼 조인트(2165)에 의해 수용된다. 제1볼조인트는 부력 블록에 연결되고, 제2볼조인트는 피스톤에 연결된다. 볼 조인트(2165)는 볼 단부(2159)를 수용하기 위한 반구형 오목부(2169; semi-spherical recess)를 갖는 캡 부분(2167)을 포함한다. 볼 조인트(2165)의 잠김 부분(2175; locking portion)이 볼 조인트(2165) 내의 볼 단부(2159)를 고정하기 위해 캡 부분(2167)에 연결된다. 잠김 부분(2175)은 테이퍼 형성된 영역(2181)에 인접한 부분적으로 구(球)형인 견부 영역(2179; shoulder region)을 갖는 통로(2177)를 포함한다. 구형 견부 영역(2179)은 반-구형 오목부(2169) 내에 볼 단부(2159)를 고정하는 작용을 한다. 테이퍼 형성된 영역(2181)은 구형 견부 영역(2179)으로부터 연장함에 따라 외측으로 테이퍼 형성된다. 테이퍼 형성된 영역은 피스톤 샤프트(2115)가 볼 조인트(2165)에 관해 볼 단부(2159) 둘레에서 회전하게 하여, 부력 챔버 내의 부력 블록의 작은 각도 운동(angular movement)들이 피스톤 샤프트(2115)에 큰 비틀림 또는 굽힘 작용력을 부여하지 않는다. 볼 조인트(2165)가 보호하는 부력 블록(2113)의 주요 각도 운동들은 부력 블록(2113)의 왕복 운동에 대해 직각인 축에 대한 각도 운동이다.
도 37 내지 도 39 및 도 27을 참조하면, 상술한 부력 블록(2113)의 각도 운동들은 부력 블록(2113)의 외면에 부착되는 하나 이상의 슬라이드 장착부(2211)가 제공됨으로써 최소화된다. 슬라이드 장착부(2211)는 부력 챔버의 주변 둘레에 배치되는 가이드 포스트(2217)를 수령하는 방향으로 놓인 가이드 통로(2215)를 포함한다. 슬라이드 장착부(2211)는 부력 블록이 부력 챔버 내에서 왕복운동할 때 부력 블록(2113)을 안내하는 것을 돕는다. 바람직하게는, 슬라이드 장착부(2211)는 보다 쉽게 설치하는 것을 돕기 위해 도 38 및 도 39에 예시된 바와 같은 두 개의 별개의 부분으로 구성된다. 바람직하게는 가이드 통로(2215)는 가이드 포스트(2217)와 슬라이드 장착부(2211) 간의 마찰을 감소시키기 위해 중합체 재료가 덧대진다.
도 21 내지 도 25를 참조하면, 부력 펌프(2111)는 다양한 플랫폼, 피스톤 챔버, 도관, 및 부력 펌프(2111)의 다른 시스템을 구조적으로 지지하는 다수의 파일링을 사용하여 고정된다. 바람직하게는, 부력 펌프(2111)는 원형 패턴으로 등간격으로 이격된 8개의 파일링(주변 파일링(2311))과, 원형 패턴의 중심에 위치하는 부가적인 중심 파일링(2313)을 포함한다. 파일링의 길이가 비교적 길기 때문에, 그리고 파일링들이 펌프 작동, 해류, 조수, 및 파동으로부터 작용력들을 받기 때문에, 다수의 윙 스트러트(2315; wing strut)가 각각의 주변 파일링(2311)과 중심 파일링(2313) 간에 연결된다. 각각의 윙 스트러트(2315)는 윙 스트러트의 각각의 단부에서 슬리브(2317)를 포함하고, 각각의 슬리브는 하나의 파일링을 수용한다. 바람직하게는, 각각의 슬리브는 파일링들과 윙 스트러트(2315) 간의 금속-대-금속 접촉을 방지하기 위해 중합체로 덧대진다. 파일링들의 서로에 대한 과다한 운동을 방지하는(따라서 파일링들을 강화시킴) 것에 부가하여, 윙 스트러트(2315)들은 부력 펌프(2111)를 고정하는 것을 크게 도우며, 이는 도 21에 도시된 것과 같은 휴대용 부력 펌프가 사용될 때 특히 중요하다.
이제 도 40 내지 도 44를 참조하면, 본 발명의 원리들에 따른 부력 펌프(4011)가 예시되어 있다. 이들 도면에 관해 도시된 모든 치수들은 예시만을 위한 것이고 첨부된 청구범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 펌프(4011)는 부력 블록(4013)을 포함하며, 부력 블록은 부력 챔버(4014) 내에 이동가능하게 배치되며 상부 피스톤 샤프트(4015)에 의해 상부 피스톤(4017)에 그리고 하부 피스톤 샤프트(4025)에 의해 하부 피스톤(4027)에 연결된다. 부력 블록(4013)은 파동 작용에 반응하여 왕복운동한다. 부력 블록(4013)이 파동을 탔을 때, 하부 피스톤(4027)이 상승하여, 작동유체가 흡입 파이프(4031)를 통해 하부 피스톤 챔버(4033)로 분출되게 한다. 파동 운동에 반응하여 부력 블록(4013)이 하강할 때, 하부 피스톤(4027)이 부력 블록(4013)의 무게에 의해 구동되어 작동유체를 하부 피스톤 챔버(4033)로부터 전달 파이프(4039)로 이후에 상부 피스톤 챔버(4041)로 배출한다. 부력 블록(4013)의 이 하강행정 중에, 상부 피스톤(4017)은 하향으로 운동하여, 전달 파이프(4039)로부터의 작동유체가 상부 피스톤 챔버(4041)로 들어가게 한다. 부력 블록(4013)이 다시 상향으로 이동할 때, 상부 피스톤(4017)이 부력에 의해 상향으로 구동되어 작동유체를 상부 피스톤 챔버(4041)로부터 출구 파이프(4045)로 배출한다. 체크 밸브(4049)는 상부 피스톤 챔버(4041)로부터의 작동유체가 다시 전달 파이프(4039)로 흐르는 것을 방지한다.
부력 블록(4013)의 상승행정(upstroke) 및 하강행정(downstroke) 모두에서의 정(+)의 압력을 통해 작동유체를 펌핑하는 부력 펌프(4011)의 능력은, 특히 특정 영역에 대한 파동 조건들이 높은 부력 챔버(4014)와 상부 피스톤 챔버(4041)를 요구할 때, 부력 펌프(4011)가 효과적으로 작동하게 한다. 단 하나의 피스톤을 갖는 부력 펌프들에 대해, 작동유체는 챔버를 채우기 위해 피스톤 챔버로 후퇴(즉, 흡입)되어야 한다. 이러한 타입의 시스템의 피스톤은 작동유체에 부(-)의 압력을 가하여 작동유체를 피스톤 챔버로 당긴다. 몇몇 펌프 디자인들은 피스톤 챔버를 채우기 위해 과다한 양의 부(-)의 압력을 필요로 할 수 있다. 이는 일반적으로 부력 펌프가 작동하는 물의 표면에서 아주 높게 위치한 피스톤 챔버 및/또는 매우 높은 부력 챔버를 가져 발생된다. 큰 부(-)의 압력은 작동유체에 거품이 발생하거나 끓게 할 수 있고, 이는 부력 펌프가 피스톤 챔버를 채우는 성능을 크게 감소시킨다.
도 40 내지 도 44에 예시한 부력 펌프(4011)에 대해, 바람직한 작동유체는 물이고, 피스톤 챔버의 사이즈 및 위치는 피스톤 챔버를 채우기 위해 60ft의 흡입 압력(head)을 요구할 수 있고, 이는 물에 거품이 발생하거나 끓게 하는 경향이 있다. 끓는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 부력 펌프(4011)는 작동유체를 상부 피스톤 챔버(4041)로 흡인하는데 부(-)의 압력을 사용하는 것과는 반대로, 작동유체를 상부 피스톤 챔버(4041)로 밀기 위해 정(+)의 압력을 사용한다. 정(+)의 압력은 하부 피스톤(4027)의 하강행정에 의해 생성되며, 이는 부력 블록(4013)의 무게에 의해 구동된다. 이 때문에, 부력 블록(4013)은 단일 피스톤에만 링크-연결된 부력 블록보다 무겁게 설계될 수 있다. 물론, 부력 블록(4013)이 더 무거우면, 물에 떠있는 여분의 무게를 지지하기 위해 부력 블록(4013)의 배출 체적을 증가시키는데에도 유익하다.
상부 및 하부 피스톤 샤프트(4015, 4025)들은 각각의 단부가 볼 피팅(4057)에 연결된 다수의 중첩된 튜브를 포함한다. 각각의 튜브는 볼 피팅(4057)을 나사결합하여 수용하기 위해 각각의 단부 상에 암나사를 포함한다. 볼 피팅(4057)은 소형 부분, 중간 부분, 및 대형 부분을 포함하는 단층으로 된 샤프트를 포함한다. 대형 부분은 볼 단부(4059)에 강성적으로 부착된다. 소형 부분, 중간 부분, 대형 부분 각각은 수나사를 포함한다. 피스톤 샤프트(4015, 4025)들이 조립될 때, 볼 피팅(4057)들 중 하나가 각각의 단부에서 튜브들에 부착되어 소형 부분, 중간 부분, 대형 부분 각각이 튜브들 중의 하나와 결합한다. 볼 피팅(4057)들은 튜브들을 서로에 대해 고정하는 것을 돕고 피스톤 샤프트(4015, 4025)들에 부여되는 부하들이 개개의 튜브 모두에 분배됨을 보장한다. 볼 피팅(4057)의 볼 단부(4059)는 볼 조인트(4065)에 의해 수용된다. 볼 조인트(4065)들은 부력 블록(4013)의 상부 및 하부 표면 각각에 연결되고, 볼 조인트(4065)들은 상부 및 하부 피스톤(4017, 4027) 각각에 추가로 연결된다. 볼 조인트(4065)는 볼 단부(4059)를 수용하기 위한 반-구형 오목부를 포함한다. 볼 조인트(4065)의 잠김 부분은 볼 조인트(4065) 내의 볼 단부(4059)를 고정하도록 구비된다. 볼 조인트의 구성은 피스톤 샤프트(4015)가 볼 조인트(4065)에 대해 볼 단부(4059) 둘레로 회전하게 하여, 부력 챔버 내의 부력 블록의 작은 각도 운동들이 피스톤 샤프트(4015)에 큰 비틀림 또는 굽힘 작용력을 부여하지 않는다. 볼 조인트(4065)가 보호하는 부력 블록(4013)의 주요 각도 운동들은 부력 블록(4013)의 왕복 운동에 대해 직각인 축에 대한 각도 운동들이다.
상술한 부력 블록(4013)의 각도 운동들은 부력 블록(4013)의 외부 표면에 부착되는 하나 이상의 슬라이드 장착부(4111)가 제공됨으로써 최소화된다. 슬라이드 장착부(4111)는 부력 챔버의 주변 둘레에 배치되는 가이드 포스트(4117)를 수용하게 배향되는 가이드 통로를 포함한다. 슬라이드 장착부(4111)는 부력 챔버(4014) 내에서 왕복운동할 때 부력 블록(4013)을 안내하는 것을 돕는다. 바람직하게는, 가이드 통로는 가이드 포스트(4117)와 슬라이드 장착부(4111) 간의 마찰을 감소시키기 위해 중합체 재료를 덧댄다. 부력 블록(4013)의 각도 운동들은 상부 및 하부 피스톤 샤프트(4015, 4025)이 모두 제공됨으로써 더욱 최소화된다.
부력 펌프(4011)는 다양한 플랫폼, 피스톤 챔버, 도관, 및 부력 펌프(4011)의 다른 시스템들을 구조적으로 지지하는 다수의 파일링을 사용하여 고정된다. 바람직하게는, 부력 펌프(4011)는 원형 패턴으로 등간격으로 이격된 8개의 파일링들(주변 파일링(4211))과, 원형 패턴의 중심에 위치한 부가적인 중심 파일링(4213)을 포함한다. 파일링들의 길이가 비교적 길기 때문에, 그리고 파일링들이 펌프 작동, 해류, 조류, 및 파동 작용으로부터 힘들을 받기 때문에, 다수의 윙 스트러트(4215)가 각각의 주변 파일링(4211)과 중심 파일링(4213) 사이에 연결된다. 각각의 윙 스트러트(4215)는 윙 스트러트의 각각의 단부에서 하나의 슬리브를 포함하고, 각각의 슬리브는 하나의 파일링을 수용한다. 바람직하게는, 각각의 슬리브는 파일링들과 윙 스트러트(4215)들 간의 금속-대-금속 접촉을 방지하기 위해 중합체가 덧대진다. 파일링들의 서로에 대한 과다한 운동을 방지하는(따라서 파일링들을 강화함) 것에 부가하여, 윙 스트러트(4215)들은 부력 펌프(4011)에 상당한 무게를 더한다. 윙 스트러트(4215)들의 무게는 휴대용 부력 펌프가 사용될 때 특히 중요한, 부력 펌프(4011)의 고정시에 크게 도움을 준다.
상술한 것은 본 발명을 실시하기 위한 양호한 실시예들이고, 본 발명의 범위는 반드시 이 설명에 의해 한정되는 것은 아니다. 대신에, 본 발명의 범위는 하기의 청구범위에 의해 규정된다.

Claims (88)

  1. 발전 방법에 있어서,
    파동을 기계적 동력으로 변환하는 단계;
    기계적 동력을 사용하여 제1작동유체를 제1저장부로 보내는 단계;
    기계적 동력을 사용하여 제2작동유체를 제2저장부로 보내는 단계;
    제1 및 제2저장부 중의 적어도 하나로부터 작동유체를 유동시키는 단계; 및
    유동하는 작동유체의 운동 에너지의 최소한 일부를 전기 에너지로 변환하는 단계를 포함하는 발전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2저장부는 연안에 있는 저장부들인 발전 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1저장부는 제2저장부보다 낮은 높이에 위치하는 발전 방법.
  4. 제1항에 있어서, 제1작동유체는 제2작동유체와 동일한 발전 방법.
  5. 제1항에 있어서, 제1 및 제2작동유체는 물인 발전 방법.
  6. 제1항에 있어서, 제1 및 제2작동유체는 공기인 발전 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 파동 운동을 기계적 동력으로 변환하는 단계는 파동 운동에 반응하여 제1방향과 제2방향으로 피스톤을 움직이는 것을 포함하는 발전 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2작동유체를 구동하는 단계는:
    피스톤을 제2방향으로 이동시켜 파동 운동에 반응하여 작동유체를 흡입하는 단계; 및
    피스톤을 제1방향으로 이동시켜 파동 운동에 반응하여 작동유체를 배출하는 단계를 추가로 포함하는 발전 방법.
  9. 제1항에 있어서, 제1작동유체는 제 1 크기의 파동 운동에 반응하여 구동되고;
    제2작동유체는 제 2 크기의 파동 운동에 반응하여 구동되는 발전 방법.
  10. 제1항에 있어서, 제1저장부는 제2저장부보다 낮은 높이에 위치하고;
    제1작동유체는 제1크기의 파동 운동에 반응하여 제1저장부로 구동되고;
    제2작동유체는 제2크기의 파동 운동에 반응하여 제2저장부로 구동되고;
    제2크기는 제1크기보다 큰 발전 방법.
  11. 제10항에 있어서, 제1 및 제2저장부는 연안에 있는 저장부인 발전 방법.
  12. 제1항에 있어서, 작동유체를 유동시키는 단계는 작동유체의 동적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 작동유체를 하강시키는 것을 포함하는 발전 방법.
  13. 제1항에 있어서, 작동유체를 유동시키는 단계는 상기 작동유체의 동적 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위해 작동유체들이 유동하게 압력을 사용하는 것을 포함하는 발전 방법.
  14. 제1항에 있어서, 작동유체를 변환하는 단계는 유동하는 작동유체를 사용하여 터빈을 구동하는 것을 포함하는 발전 방법.
  15. 제1항에 있어서, 전기 에너지를 전력망에 인가하는 것을 추가로 포함하는 발전 방법.
  16. 수역에 배치되고 수역의 파동 운동을 기계적 에너지로 변환하게 작동될 수 있고, 입력 포트와 출력 포트를 포함하고 입력 포트를 통해 작동유체를 흡입하고 출력 포트를 통해 작동유체를 밀어 내게 작동될 수 있는 펌프;
    펌프의 출구 포트에 유체가 흐르게 커플링되며, 출구 포트를 통해 밀려 나오는 작동유체를 수용할 수 있는 제1출구 라인;
    펌프의 출구 포트에 유체가 흐르게 커플링되며, 출구 포트를 통해 밀려 나오는 작동유체를 수용할 수 있는 제2출구 라인;
    제1출구 라인에 유체가 흐르게 연결되는 제1저장부;
    제2출구 라인에 유체가 흐르게 연결되는 제2저장부를 포함하는 발전 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 펌프는 파동 운동에 반응하여 이동하고 작동유체를 구동하게 작동할 수 있는 부력 블록을 추가로 포함하는 발전 시스템.
  18. 제16항에 있어서, 펌프는:
    파동 운동에 반응하여 제1방향과 제2방향으로 운동하게 작동될 수 있는 부력 블록; 및
    부력 블록에 연결되고 피스톤 챔버 내에 배치되는 피스톤을 포함하고,
    부력 블록이 제1방향과 제2방향으로 움직임에 따라 부력 블록이 피스톤을 왕복운동시키고, 피스톤은 부력 블록이 제2방향으로 운동할 때 작동유체를 흡입하고 부력 블록이 제1방향으로 운동할 때 작동유체를 구동하도록 피스톤 챔버 내에서 운동하는 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 제1방향은 위로 향하고 제2방향은 아래로 향하는 발전 시스템.
  20. 제16항에 있어서, 부력 블록은, 부력 블록이 제1체적으로 조정될 때 제1최대 부력을 제공하고, 부력 블록이 제2체적으로 조정될 때 제2최대 부력을 제공하도록 체적을 조정할 수 있는 발전 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 부력 블록은 축방향에서 조정가능한 발전 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 부력 블록은 망원경식으로 조정가능한 발전 시스템.
  23. 제20항에 있어서, 부력 블록은 방사방향으로 조정가능한 발전 시스템.
  24. 제20항에 있어서, 제1체적은 제2체적보다 작고;
    제1최대 부력은 제2최대 부력보다 작은 발전 시스템.
  25. 제20항에 있어서, 부력 블록은 평균 파동 높이에 근거하여 제1 및 제2체적 중의 하나로 조정되는 발전 시스템.
  26. 제20항에 있어서, 부력 블록은 펌프가 제1평균 파동 높이의 파동들에 노출될 때 제1체적으로 조정되고;
    부력 블록은 펌프가 제2평균 파동 높이의 파동들에 노출될 때 제2체적으로 조정되는 발전 시스템.
  27. 제26항에 있어서, 제1평균 파동 높이는 제2평균 파동 높이보다 낮고;
    제1최대 부력은 제2최대 부력보다 작은 발전 시스템.
  28. 제16항에 있어서, 제1저장부는 제2저장부보다 낮은 높이에 배치되는 발전 시스템.
  29. 제26항에 있어서, 제1평균 파동 높이는 제2평균 파동 높이보다 낮고;
    제1체적은 제2체적보다 작고;
    제1최대 부력은 제2최대 부력보다 작고;
    제1저장부는 제2저장부보다 낮은 높이에 배치되는 발전 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 작동유체는 부력 블록이 제1체적으로 조정될 때 제1출구 라인을 통해 제1저장부로 보내지고;
    작동유체는 부력 블록이 제2체적으로 조정될 때 제2출구 라인을 통해 제2저장부로 보내지는 발전 시스템.
  31. 제16항에 있어서, 저장부들 중 하나 이상이 펌프에 내장되어 배치되는 발전 시스템.
  32. 제16항에 있어서, 작동유체는 제1작동유체, 제1작동유체와는 상이한 제2작동유체를 포함하고;
    제1작동유체는 제1저장부에 펌핑되고;
    제2작동유체는 제2저장부에 펌핑되는 발전 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 제1작동유체는 물이고 제2작동유체는 공기인 발전 시스템.
  34. 제16항에 있어서, 펌프는:
    파동 운동에 반응하여 운동하고 작동유체를 구동하게 작동하는 부력 블록;
    부력 블록이 잠길 수 있게 하기 위해 부력 블록과 연계하여 작동될 수 있는 릴리프 포트를 추가로 포함하는 발전 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 예정된 한계를 초과하는 부력을 가할 때 발생하는 발전 시스템.
  36. 제34항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 수역의 표면 아래의 예정된 깊이를 초과할 때 발생하는 발전 시스템.
  37. 제34항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 예정된 한계를 초과하는 파동 높이를 갖는 파동을 만날 때 발생하는 발전 시스템.
  38. 제34항에 있어서, 작동유체는 물인 제1작동유체와 공기인 제2작동유체를 포함하고;
    제1작동유체는 제1저장부로 펌핑되고;
    제2작동유체는 제2저장부로 펌핑되는 발전 시스템.
  39. 제38항에 있어서, 제2저장부는 펌프에 내장되어 배치되며 가압된 공기를 저장하는데 사용되는 공기 탱크인 발전 시스템.
  40. 제39항에 있어서, 공기 탱크는 부력 블록이 잠긴 후에 상승시키기 위해 공기를 공기 탱크로부터 부력 블록으로 전환시키도록 부력 블록에 유체가 통하게 연결되는 발전 시스템.
  41. 제34항에 있어서, 압력가스원은 부력 블록이 잠긴 후에 상승시키기 위해 부력 블록에 유체가 통하게 연결되는 발전 시스템.
  42. 제16항에 있어서, 제1 및 제2저장부는 연안에 있는 저장부들인 발전 시스템.
  43. 구동 유체에 사용하기 위한 부력 펌프에 있어서,
    부력 챔버를 통해 구동 유체가 유동할 수 있는 부력 챔버를 형성하는 부력 블록 하우징;
    부력 챔버 내의 구동 유체의 상승에 반응하는 제1방향으로 및 부력 챔버 내의 구동 유체의 하강에 반응하는 제2방향으로 부력 챔버 안에서 축방향으로 이동하게 부력 챔버 내에 배치되는 부력 블록;
    부력 블록 하우징에 연결되는 피스톤 실린더;
    제2방향의 부력 블록의 운동에 반응하여 입구로서 및 제1방향의 부력 블록의 운동에 반응하여 출구로서 작동하는 피스톤 실린더에 배치된 하나 이상의 밸브;
    피스톤 실린더 내에 슬라이딩할 수 있게 배치되며 부력 블록에 연결되고, 제1 및 제2방향에서 운동할 수 있고 하나 이상의 밸브를 통해 피스톤 실린더로 작동유체를 흡인하도록 제2방향의 부력 블록의 운동에 반응하고, 하나 이상의 밸브를 통해 작동유체를 출력하기 위해 제1방향의 부력 블록의 운동에 반응하는 피스톤;
    부력 블록이 잠길 수 있도록 부력 블록과 연계하여 작동될 수 있는 릴리프 포트를 포함하는, 부력 펌프.
  44. 제43항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 예정된 한계를 초과하는 부력을 가할 때 발생하는 시스템.
  45. 제43항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 수역의 표면 아래의 예정된 깊이를 초과할 때 발생하는 시스템.
  46. 제43항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 예정된 한계를 초과하는 파동 높이를 갖는 파동을 만날 때 발생하는 시스템.
  47. 제43항에 있어서, 구동 유체와 작동유체는 동일한 타입의 유체인 시스템.
  48. 제43항에 있어서, 구동 유체는 부력 블록을 잠기게 하는데 사용되는 시스템.
  49. 제43항에 있어서, 부력 블록이 잠기지 않았을 때 릴리프 포트를 밀봉하기 위해 릴리프 포트에 의해 수용되는 스토퍼;
    예정된 한계를 초과하는 제1방향의 운동이 스토퍼를 릴리프 포트로부터 분리하여 부력 블록이 잠기도록 스토퍼에 연결된 구속구를 추가로 포함하는 시스템.
  50. 제43항에 있어서, 릴리프 포트와 연계하여 작동가능한 릴리프 밸브;
    릴리프 밸브를 선택적으로 개폐하기 위해 릴리프 밸브에 연결되는 제어기;
    구동 유체의 압력을 모니터링하기 위해 제어기에 연결되는 압력 센서를 추가로 포함하는 시스템.
  51. 제50항에 있어서, 릴리프 밸브는 구동 유체의 압력이 예정된 한계를 초과할 때 개방되는 시스템.
  52. 제43항에 있어서, 릴리프 포트와 연계하여 작동가능한 릴리프 밸브;
    릴리프 밸브를 선택적으로 개폐하기 위해 릴리프 밸브에 연결되는 제어기;
    부력 블록 근처의 파동들의 높이들을 모니터링하기 위해 제어기에 연결되는 센서를 추가로 포함하는 시스템.
  53. 제52항에 있어서, 릴리프 밸브는 파동들 중 하나 이상의 높이가 예정된 한계를 초과할 때 열리는 시스템.
  54. 제43항에 있어서, 릴리프 포트와 연계하여 작동가능한 릴리프 밸브;
    릴리프 밸브를 선택적으로 개폐하기 위해 릴리프 밸브에 연결되는 제어기를 추가로 포함하는 시스템.
  55. 제54항에 있어서, 제어기는 원격 작동되는 시스템.
  56. 제43항에 있어서, 잠긴 후에 부력 블록을 제거하기 위해 부력 블록에 유체가 통하게 연결되는 압력가스원을 추가로 포함하는 시스템.
  57. 제56항에 있어서, 압력가스원은 펌프에 내장되게 장착된 시스템.
  58. 수역에 사용하기 위한 부력 펌프로서,
    수역으로부터의 파동 운동에 반응하고, 수역에서 파동의 상승과 하강에 반응하여 제1방향 및 제2방향으로 왕복이동함으로써 작동유체를 구동하게 작동할 수 있는 부력 블록;
    부력 블록이 잠기게 하기 위해 부력 블록과 연계하여 작동가능한 릴리프 포트를 포함하는, 부력 펌프.
  59. 제58항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 예정된 한계를 초과하는 부력을 가할 때 발생하는 부력 펌프.
  60. 제58항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 수역의 표면 아래의 예정된 깊이를 초과할 때 발생하는 부력 펌프.
  61. 제58항에 있어서, 부력 블록의 잠김은 부력 블록이 예정된 한계를 초과하는 파동 높이를 갖는 파동을 만날 때 발생하는 부력 펌프.
  62. 제58항에 있어서, 부력 블록이 잠기지 않을 때 릴리프 포트를 밀봉하기 위해 릴리프 포트에 의해 수용되는 스토퍼;
    예정된 한계를 초과하는 부력 블록의 제1방향의 운동이 스토퍼를 릴리프 포트로부터 분리하여 부력 블록이 잠기도록 스토퍼에 연결된 구속구를 추가로 포함하는 부력 펌프.
  63. 제58항에 있어서, 릴리프 포트와 연계하여 작동가능한 릴리프 밸브;
    릴리프 밸브를 선택적으로 개폐하기 위해 릴리프 밸브에 연결되는 제어기;
    부력 블록 근처의 수역의 압력을 모니터링하기 위해 제어기에 연결되는 압력 센서를 추가로 포함하는 부력 펌프.
  64. 제63항에 있어서, 릴리프 밸브는 수역의 수압이 예정된 한계를 초과할 때 개방되는 부력 펌프.
  65. 제58항에 있어서, 릴리프 포트와 연계하여 작동가능한 릴리프 밸브;
    릴리프 밸브를 선택적으로 개폐하기 위해 릴리프 밸브에 연결되는 제어기;
    부력 블록 근처의 파동들의 높이들을 모니터링하기 위해 제어기에 연결되는 센서를 추가로 포함하는 부력 펌프.
  66. 제65항에 있어서, 릴리프 밸브는 파동들 중 하나 이상이 예정된 한계를 초과할 때 개방되는 부력 펌프.
  67. 제58항에 있어서, 릴리프 포트와 연계하여 작동가능한 릴리프 밸브;
    릴리프 밸브를 선택적으로 개폐하기 위해 릴리프 밸브에 연결되는 제어기를 추가로 포함하는 부력 펌프.
  68. 제67항에 있어서, 제어기는 원격 작동되는 부력 펌프.
  69. 제58항에 있어서, 잠긴 후에 부력 블록을 제거하기 위해 부력 블록에 유체가 통하게 연결되는 압력가스원을 추가로 포함하는 부력 펌프.
  70. 제69항에 있어서, 압력가스원은 펌프에 내장되게 장착된 부력 펌프.
  71. 제58항에 있어서, 부력 블록에 연결되고 피스톤 챔버 내에 배치되는 피스톤을 추가로 포함하고, 부력 블록이 제1방향과 제2방향으로 움직임에 따라 부력 블록이 피스톤을 왕복운동시키고, 피스톤은 부력 블록이 제2방향으로 운동할 때 작동유체를 흡입하고 부력 블록이 제1방향으로 운동할 때 작동유체를 구동하도록 피스톤 챔버 내에서 운동하는 부력 펌프.
  72. 수역에 사용하기 위한 부력 펌프로서,
    파일링들 사이에 부력 챔버를 형성하게 배치되는 다수의 이격된 파일링을 갖는 부력 블록 하우징;
    부력 챔버 내에 배치되고 수역의 파동들의 상승과 하강에 반응하여 제1방향과 제2방향에서 왕복하여 운동하여 작동유체를 구동하게 작동가능한 부력 블록;
    부력 블록의 외부 표면에 배치되고, 부력 블록이 부력 챔버 내에서 왕복운동 할 때 부력 블록을 안내하기 위해 파일링들 중 하나를 수용하도록 배향되는 가이드 통로를 포함하는 하나 이상의 슬라이드 장착부를 포함하는, 부력 펌프.
  73. 제72항에 있어서, 부력 블록에 연결되고 피스톤 챔버 내에 배치되는 피스톤을 추가로 포함하고, 부력 블록이 제1방향과 제2방향으로 움직임에 따라 부력 블록이 피스톤을 왕복운동시키고, 피스톤은 부력 블록이 제2방향으로 운동할 때 작동유체를 흡입하고 부력 블록이 제1방향으로 운동할 때 작동유체를 구동하도록 피스톤 챔버 내에서 운동하는 부력 펌프.
  74. 제72항에 있어서, 부력 챔버는 일반적으로 원통형인 부력 펌프.
  75. 제72항에 있어서, 파일링들은 수역 아래의 땅에 고정되는 부력 펌프.
  76. 제72항에 있어서, 부력 블록은:
    일반적으로 원통형인 축방향으로 테이퍼 형성된 상부 부분;
    일반적으로 원통형인 하부 부분을 추가로 포함하는 부력 펌프.
  77. 제76항에 있어서, 슬라이드 장착부는 부력 블록의 하부 부분에 배치되는 부력 펌프.
  78. 제72항에 있어서, 부력 블록 하우징에 연결된 피스톤 실린더;
    제2방향의 부력 블록의 운동에 반응하여 입구로서 제1방향의 부력 블록의 운동에 반응하여 출구로서 작동하는 피스톤 실린더에 배치되는 하나 이상의 밸브;
    피스톤 실린더 내에 슬라이딩할 수 있게 배치되고 부력 블록에 연결되고, 제2방향의 부력 블록의 운동에 반응하여 하나 이상의 밸브를 통해 피스톤 실린더로 작동유체를 흡인하고, 제1방향의 부력 블록의 운동에 반응하여 하나 이상의 밸브를 통해 작동유체를 출력하는 피스톤을 추가로 포함하는 부력 펌프.
  79. 수역의 파동들을 상승과 하강에 반응하여 제1방향과 제2방향에서 왕복운동하여 작동유체를 구동하게 작동할 수 있는 부력 블록을 포함하고, 부력 블록은 부력 펌프가 동작하는 수역의 작동 위치에서 파동들의 평균 파동 길이의 약 1/6이상의 직경을 갖는 부력 펌프.
  80. 제79항에 있어서, 부력 블록의 직경은 평균 파동 길이의 약 1/2이상인 부력 펌프.
  81. 제79항에 있어서, 부력 블록의 직경은 평균 파동 길이보다 적거나 또는 같은 부력 펌프.
  82. 제79항에 있어서, 부력 블록의 직경이 평균 파동 길이의 약 1/2이상이고 평 균 파동 길이와 작거나 또는 같은 부력 펌프.
  83. 제79항에 있어서, 부력 블록은:
    일반적으로 원통형인 축방향으로 테이퍼 형성된 상부 부분;
    일반적으로 원통형인 하부 부분을 추가로 포함하는 부력 펌프.
  84. 제83항에 있어서, 테이퍼 형성된 상부 부분은 수역의 상부 표면과 실질적으로 평행한 상부 표면에서 종료하는 부력 펌프.
  85. 제83항에 있어서, 테이퍼 형성된 상부 부분의 높이는 하부 부분의 높이와 실질적으로 같은 부력 펌프.
  86. 제83항에 있어서, 테이퍼 형성된 상부 부분은 표준 파동의 대략적인 기울기에 맞게 테이퍼 형성되는 부력 펌프.
  87. 제86항에 있어서, 표준 파동의 기울기는 약 1:7(상승:이동)인 부력 펌프.
  88. 제79항에 있어서, 부력 블록은, 부력 블록이 파동 상에 떠있으면서 최대 높이에 도달할 때 부력 블록의 체적의 적어도 약 1/3이 수역으로부터 나온 상태를 유지하도록 설계되는 부력 펌프.
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