KR20080032187A - 조수, 강 등과 같은 수류를 이용한 발전 장치 - Google Patents

조수, 강 등과 같은 수류를 이용한 발전 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 발전 장치는 수류로부터 전력을 발생시키기 위한 발전 장치로서, 물의 입구 및 출구를 구비하는 하우징과, 터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하며 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하도록 하우징 내에 장착되는 제1 터빈과, 터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하고 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하도록 제1 터빈에 인접하게 하우징 내에 장착되는 제2 터빈을 포함하며, 상기 하우징은 수중에 장착되도록 되어 있고, 유입되는 수류가 입구를 통해 하우징으로 들어가서 대체로 각각의 터빈 당 하나씩 2개의 구동 수류를 향하도록 안내되며 이후에 출구를 통한 배출을 위해 안내되도록 구성되며, 구동 수류에 대한 각각의 블레이드의 각도가 블레이드 각도 제어 기구에 의해 제어되어 예정된 회전 방향으로 터빈을 구동하기 위해 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 크고 구동 방향에 반대 방향으로 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 작다.

Description

조수, 강 등과 같은 수류를 이용한 발전 장치{ELECTRICITY GENERATING APPARATUS FROM A FLOW OF WATER SUCH AS TIDE, RIVER OR THE LIKE}
본 발명은 해수의 조류 또는 강물과 같은 수류에 의해 동력이 공급되는 발전 장치에 관한 것이다.
최근에 전통적인 형태의 발전에 대한 대안으로서 가정용 및 상업용 전기 공급을 위한 재생 가능한 발전에 관심이 집중되고 있다. 전통적인 형태의 발전, 예를 들어 석탄 화력 발전소는 전기를 생산하기 위해 이산화탄소와 같은 다량의 오염 가스를 배출한다. 태양열, 풍력, 및 수력에 의해 발생되는 재생 가능한 전기는 전세계에서 사용중이지만 많은 나라에서 널리 사용되지는 못하고 있다.
전기를 생산하기 위한 에너지원으로서 수류를 사용하는 발전은 종종 물의 자연적인 흐름을 막기 위한 댐 또는 유사한 인공 구조물을 필요로 한다. 상당한 건설 비용 및 기간 시설이 요구될 수 있으며, 또한 예컨대 유동이 줄어 침적토가 증가하고 댐의 상류가 범람하는 등 환경적인 악영향이 초래될 수 있다.
댐 또는 다른 인공 구조물을 사용하지 않고 조류에 의한 수류로 작동하는 동력 발생 시스템은 조류 사이클 동안 소정 범위의 상이한 수류에 노출된다. 이러한 용례를 위해 이전에 제안된 특정 시스템은 조류 사이클 동안에 물의 유속이 작은 경우에는 효과적이지 않으며, 이에 따라 아마도 기껏해야 조류 사이클의 50 % 정도에서 효과적일 수 있다.
본 발명은 더 넓은 구간의 조류 사이클에 걸쳐 동력을 발생시킬 수 있는 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 한 가지 형태에 따르면, 수류로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, 물의 입구 및 출구를 구비하는 하우징과, 터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하며 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하도록 하우징 내에 장착되는 제1 터빈과, 터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하고 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하도록 제1 터빈에 인접하게 하우징 내에 장착되는 제2 터빈을 포함하며, 상기 하우징은 수중에 장착되도록 되어 있고, 유입되는 수류가 입구를 통해 하우징으로 들어가서 대체로 각각의 터빈 당 하나씩 2개의 구동 수류를 향하도록 안내되며 이후에 출구를 통한 배출을 위해 안내되도록 구성되고, 구동 수류에 대한 각각의 블레이드의 각도가 블레이드 각도 제어 기구에 의해 제어되어 예정된 회전 방향으로 터빈을 구동하기 위해 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 크고 구동 방향에 반대 방향으로 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 작은 것인 발전 장치가 제공된다.
이에 따라, 서로 인접하게 배치되며 블레이드의 각도가 변하는 2개의 터빈은 조류 사이클 중 유속의 저하가 나타날 수 있는 일부 구간에서도 터빈을 효과적으로 구동시키기 위해 표면적이 커지도록 블레이드 각도를 설정할 수 있다.
바람직한 실시예에서는, 수류에 대해 블라이드의 표면적이 커지는 각각의 터빈의 외주부를 향하여 유입되는 수류가 안내되는 상태에서 반대 방향으로 동시에 회전하도록 2개의 터빈을 연결한다. 2개의 터빈은 유입되는 수류에 대해 블레이드의 표면적이 작아지는 터빈의 내주부에서 인접하게 된다. 이는 내주부에서 유입되는 수류(외주부에 작용하는 수류의 효과와는 반대로 작용하는 수류)의 효과를 최소화할 뿐만 아니라 전술한 영역에서 2개의 터빈 사이의 블레이드의 간섭을 방지하도록 작용한다.
바람직하게는, 수류의 입구에 편향기가 마련되어 유입되는 수류를 하우징의 외측 말단부를 향해 2개의 구동 수류로 안내하도록 하며, 상기 발전 장치는 2개의 터빈이 인접하는 하우징의 중앙 부분을 통과하는 수류를 제한하도록 구성된 하나 이상의 배플을 구비한다. 각각의 터빈의 외측 말단부를 향하여 안내되는 구동 수류는, 터빈이 구동 수류로서 유입되는 수류를 더 많이 받아들이도록 해준다.
바람직하게는, 블레이드가 하우징의 중앙 부분을 통해 이동할 때 블레이드의 표면적이 작아져서 중앙 부분에서 터빈에 작용하는 대항력을 줄여주고 중앙 부분에서 2개의 터빈의 블레이드 사이의 간섭을 방지하도록 블레이드 각도를 제어하기 위해 블레이드 각도 제어 기구를 작동시킨다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 각각의 블레이드는 실질적으로 수직인 축을 중심으로 피봇 운동하도록 터빈의 블레이드 지지 구조에 장착되며, 블레이드 각도 제어 기구는 블레이드의 이러한 운동 중 적어도 일부에 대해 블레이드의 전술한 피봇 운동을 제어하도록 작동한다. 바람직하게는, 블레이드 각도 제어 기구는 터빈축과 동축인 고정 선 기어(sun gear)와 맞물리며 각각의 블레이드의 피봇 샤프트와 연결된 유성 기어로 이루어진 유성 기어 시스템을 포함하므로, 터빈이 회전함에 따라 블레이드가 피봇하여 그 각도를 변화시키게 된다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 블레이드 각도 제어 기구는 터빈이 회전할 때 블레이드와 협동하는 가이드 시스템을 포함한다. 바람직하게는, 각각의 블레이드는 블레이드의 중심축으로부터 오프셋된 피봇축을 구비하며, 가이드 시스템은 터빈이 회전하는 동안 블레이드가 하우징의 외측 말단부를 향해 이동하는 중에 블레이드의 내측 가장자리 부분에 의해 맞물리는 고정 가이드를 포함하여 전술한 블레이드의 이동 중에 블레이드의 각도를 제어하고, 블레이드의 내측 가장자리 부분은 블레이드가 피봇 가능하게 오프셋된 결과로 블레이드 상에 작용하는 힘에 의해 전술한 이동 중에 가이드에 대해 유지된다.
보다 바람직하게는, 블레이드는, 하우징의 외측 말단부를 통과한 후에 가이드와의 맞물림이 해제되고 블레이드가 피봇 가능하게 오프셋된 결과로 블레이드 상에 작용하는 힘에 의해 수류의 방향에 대해 평행하게 유지된다. 바람직하게는, 각각의 블레이드의 내측 부분은 가이드와 맞물릴 수 있는 롤러를 포함한다.
바람직하게는, 가이드는 하우징의 중앙 부분으로 연장되어 이 부분을 통과하는 수류를 제한하는 배플이거나 배플의 일부를 형성한다. 보다 바람직하게는, 가이드는 대체로 원통형이며 하우징의 기부 근처에서부터 하우징의 상부까지 연장된다.
본 발명의 다른 형태에 따르면, 수류로부터 전력을 발생시키기 위한 장치로서, 물의 입구 및 출구를 구비하는 하우징과, 터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하며 소정의 축을 중심으로 회전하도록 하우징 내에 장착되는 터빈을 포함하며, 상기 하우징은 수중에 장착되도록 되어 있고, 유입되는 수류가 입구를 통해 하우징으로 들어가서 대체로 터빈에 대한 구동 수류를 향하도록 안내되며 이후에 출구를 통한 배출을 위해 안내되도록 구성되고, 구동 수류에 대한 각각의 블레이드의 각도가 블레이드 각도 제어 기구에 의해 제어되어 예정된 회전 방향으로 터빈을 구동하기 위해 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 크고 구동 방향에 반대되는 방향으로 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 작은 것인 발전 장치가 제공된다.
본 발명의 한 가지 변형례에 있어서, 하우징은 부동(浮動) 구조물에 의해 지지되고/지지되거나 부동 구조물의 일부를 형성한다. 설치된 상태에서, 상기 발전 장치는 터빈이 수면 아래에 침지된 채로 물 위에서 부동하게 된다.
본 발명의 다른 변형례에 있어서, 설치된 상태의 하우징은 해저에 인접하게 고정된다. 이러한 변형례에서, 하우징은, 상기 발전 장치가 요구되는 위치에서 물 위에 부동될 수 있도록 하고 상기 위치에서 해저에 또는 해저에 인접하게 침수될 수 있는 부동 시스템을 포함할 수 있다.
이러한 변형례에서, 발전기(들)는 수면 위에 위치한다. 발전 장치가 설치된 상태에서 물 위에 부동하는 변형례에서, 발전기는 부동 구조물에 의해 지지될 수 있다. 설치된 상태에서 하우징이 해저에 침수되어 있는 변형례에 있어서, 발전기는 하우징으로부터 또는 가능하다면 해저로부터 물의 고위 수면보다 더 높게 연장되는 파일론(pylon) 또는 타워에 의해 지지될 수 있다.
터빈(들)은 개별적인 발전기 또는 단일 발전기를 구동할 수 있다. 바람직하게는, 상기 발전 장치는 터빈 또는 각각의 터빈에 의해 구동되는 하나 이상의 유압 펌프를 구비하며, 펌프 또는 각각의 펌프는 발전기를 구동하기 위해 하나 이상의 유압 모터에 연결된다. 직접적인 기계적 구동 수단과 같이 터빈과 발전기(들) 사이에 다른 형태의 구동 수단이 사용될 수 있다.
상기 발전 장치는 조류 환경에서 특히 유용하지만, 또한 유동이 단방향이더라도 계절의 변화에 따라 특정 시기에 유속이 저하되는 상황에서 유용하다. 조류 환경에 대해 설계되는 경우, 조류는 주기적으로 역전되므로 입구 및 출구는 다른 유동 방향에 있어서는 출구 및 입구가 되며, 블레이드는 양방향성 유동에 적합하다.
바람직하게는, 상기 발전 장치는 복수의 모듈이 병렬 관계를 이루도록 2개 이상의 모듈을 조립함으로써 요구되는 발전 용량의 시스템이 형성될 수 있는 모듈 형태이다.
도 1은 본 발명에 따른 발전 장치의 일실시예의 단부도이다.
도 2는 도 1의 발전 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 발전 장치의 측면도이다.
도 4는 발전 장치의 블레이드 각도 제어 기구의 일실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1의 발전 장치를 변형한 장치의 측면도이다.
도 6은 3개의 모듈 형태인 도 1의 발전 장치로 구성되는 발전 시스템의 단면도이다.
도 7은 발전 장치의 블레이드 각도 제어 기구의 변형례를 도시한 도면이다.
이제 도면을 참고로 하여 단지 예로서만 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이다.
참고상 편의를 위해, 해양 환경, 구체적으로는 조수간만의 차가 있는 강 어귀 또는 만(灣)에서의 용례를 참고하여 바람직한 실시예의 발전 장치를 설명할 것이다. 그러나, 본 발명은 이로써 한정되지 않으며 강, 조수간만의 차가 없는 강 어귀 또는 다른 수로와 같이 자연적인 수류가 있는 대부분의 상황에서 사용하기에 적합하다.
도 1 내지 도 4를 참고하면, 발전 장치(10)는 각각 발전기(16, 18)에 연결된 2개의 터빈(12, 14)을 구비하며, 2개의 터빈(12, 14)은 하우징(20) 내부에 위치한다. 수류가 하우징(20)을 통과할 때, 수류는 터빈 블레이드(22)에 작용하여 터빈(12, 14)을 구동하며, 이에 따라 전기가 발생된다.
하우징(20)은 입구(24), 출구(26) 및 터빈 하우징 섹션(28)을 포함한다. 편향기(30)는 터빈 하우징 섹션(28)에 이웃하도록 입구(24) 내부에 위치하여 입구(24)로부터의 수류(32)를 대체로 각각의 터빈(12, 14)에 대해 하나씩 2개의 구동 수류(34, 36)로 분기시킨다. 각각의 수류(34, 36)가 터빈 하우징 섹션(28)의 외측 부분 또는 말단부를 향하도록 안내하기 때문에 터빈(12, 14)은 반대 방향으로 회전하게 된다. 이후에 수류는 출구(26)를 통해 출구 유동(40)으로서 하우징(20)을 빠져나간다. 터빈 하우징 섹션(28)의 외측 부분 또는 말단부를 향하는 유동 방향은 또한, 하우징의 중앙 부분에 위치하며 후술할 고정 배플에 의해 도움을 받는다.
터빈(12, 14)은 반대 방향으로 동시에 회전하고 회전 중에 블레이드(22)의 각도가 제어된 상태에서 서로 이웃하게 되므로, 터빈의 회전을 구동하는 방향으로 유입되는 수류(32)에 대한 블레이드(22)의 표면적은 크고 반대 방향으로 유입되는 수류(32)에 대한 블레이드의 표면적은 작다. 블레이드(22)는 중심축을 중심으로 균일하게 배치되며 상부 지지부 및 하부 지지부(46)로 이루어진 블레이드 지지 구조를 매개로 하여 터빈 샤프트(44)에 연결되므로, 이들 지지부 사이에 블레이드가 장착되어 각각의 블레이드는 또한 블레이드의 중앙의 수직축을 중심으로 상부 지지부 및 하부 지지부(46)에 대해 회전 가능하다. 블레이드 각도 제어 기구(48)는 블레이드(22)에 부착되므로, 상부 지지부 및 하부 지지부(46)에 대한 블레이드(22)의 회전은 제어되고 이에 따라 터빈이 회전할 때 블레이드(22)의 각도는 변한다. 블레이드(22)는 블레이드의 축을 중심으로 터빈 샤프트의 회전 속도의 절반에 해당하는 속도로 회전하므로, 각각의 블레이드(22)는 터빈 하우징 섹션(28)의 외측 말단부 부근에 있을 때에는 구동 수류(34, 36)에 실질적으로 수직하며, 터빈 하우징 섹션(28)의 중앙에 근접하여 다른 터빈의 대응하는 블레이드와 인접할 때에는 유입되는 수류에 실질적으로 평행하다. 블레이드(22)가 회전하면, 구동 수류(34, 36)의 상당 부분은 터빈 하우징 섹션(28)의 외측 부근에서 블레이드(22)의 소정의 넓은 표면적과 접촉할 수 있게 되며, 최소한의 수류가 터빈 하우징 섹션(28)의 중앙 부분에서 블레이드(22)의 소정의 작은 표면적과 접촉할 수 있게 되는데, 당연히 후자는 터빈에서 구동력에 반대되는 힘을 발생시키지만, 이러한 대항력은 유동 구조 및 블레이드 구조에 따라 비교적 작아진다. 블레이드(22)의 회전은 또한 2개의 터빈의 주계가 바로 가까이에 인접하는 터빈 하우징 섹션(28)의 중앙 부분에서 2개의 터빈(12, 14) 사이의 간섭을 방지한다.
하우징(20)은 댐과 같은 실질적으로 추가적인 구조물을 필요로 하지 않으면서도 유입되는 수류(32)에 터빈(12, 14)을 배치할 수 있도록 해주는 한편, 터빈(12, 14)에 요구되는 수류를 획득하고 안내할 수 있도록 해준다. 또한, 하우징에는 입구(24) 및 출구(26)에 걸쳐 연장되는 금속 바아(bar)로 이루어진 파편 보호기가 부착될 수 있으므로, 터빈 블레이드(22)는 부유하는 목재와 같은 큰 파편에 의해 손상되지 않도록 보호된다. 돌고래 또는 고래와 같은 대형 해양 동물도 또한 파편 보호기에 의해 터빈 섹션에 유입되지 않도록 제한되므로, 해양 동물이 부상당하거나 죽게 될 위험 및 터빈(12, 14)이 손상될 위험을 줄여준다.
도시된 실시예에서, 입구(24) 및 출구(26)의 배치는, 예컨대 조류와 같은 양방향 유동 환경에서 상기 발전 장치(10)를 사용할 수 있도록 해준다. 이러한 경우에는, 한 방향에 있어서의 입구(24)는 다른 방향에 대해서는 출구(26)가 되며, 한 방향에 있어서의 출구는 다른 방향에 대해서는 입구가 된다. 따라서, 출구(26)에 마련되는 제2 편향기(38)는 수류가 도시된 방향과 반대 방향일 때 수류를 분기시키고 안내한다. 그러나, 동일한 실시예 또는 사소한 약간의 변형을 가한 실시예는 또한 예컨대 강에서의 유동인 단방향 유동에 적합하다.
고정 배플(49)은 상부 블레이드 지지부와 하부 블레이드 지지부(46) 사이에 위치하며, 실질적으로 블레이드의 길이에 걸쳐 수직하게 터빈의 중심축 부근으로부터 터빈 하우징 섹션(28)의 중앙부를 향해 연장되어, 터빈 하우징 섹션(28)의 대응하는 외측 부분 또는 말단부 주위로 구동 수류(34, 36)를 안내하고 터빈 하우징 섹션(28)의 중앙부를 통과하는 유동을 최소화하도록 돕는다.
도면에서의 블레이드(22)는 평평한 패널로서 도시되어 있지만, 이는 도시를 위한 것일 뿐이며 블레이드(22)의 단면의 실제 형상은 다양한 인자에 따라 결정되고 이들 인자에 따라 변할 수 있다.
전술한 바와 같이, 블레이드 각도 제어 기구(48)는 블레이드의 상부 지지부 및 하부 지지부(46)에 대해 블레이드(22)를 회전시키고 이에 따라 메인 터빈 샤프트(44)에 대해 블레이드를 회전시킨다. 도 4는, 벨트, 체인, 또는 일련의 아이들러 기어와 같은 적절한 링크 시스템(54)을 매개로 하여 각각의 블레이드(22)의 피봇 샤프트에 부착되어 있는 회전 유성 기어(52)에 고정 선 기어(sun gear)(51)가 연결되는 것인 블레이드 각도 제어 기구(48)의 일실시예를 도시하고 있다. 대안으로, 선 기어(51) 및 유성 기어(52)는 직접 맞물릴 수 있다. 이들은, 터빈이 완전하게 2회 회전할 때마다 블레이드(22)가 블레이드의 중앙의 수직축을 중심으로 완전히 회전하는 관계를 갖는다.
도시된 실시예에서, 터빈(12, 14)은 발전기(16, 18)를 구동하는 유압 모터에 연결된 터빈에 의해 구동되는 유압 펌프를 포함하는 유압 시스템을 매개로 하여 발 전기(16, 18)에 연결되지만, 터빈과 발전기 사이에 다른 유형의 구동 시스템이 개재될 수 있으며, 2개의 터빈 모두가 공통의 발전기를 구동할 수 있다. 발전기(16, 18)에 의해 발생된 전기는 도시생략된 케이블을 매개로 하여 전기 네트워크 또는 지역 분배 네트워크에 공급된다.
도 3은 상기 발전 장치를 해저(55)에 고정하기 위한 말뚝을 이용하여 해저(55)에 설치된 발전 장치(10)를 도시하고 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 발전 장치는 또한 추가적인 부동 장치(58)를 포함하므로 상기 발전 장치는 선박에 의해 소정 위치까지 견인된 후 해저(55)에 침수될 수 있다. 하우징의 밑바닥은, 도면부호 57로 표시되고 유입되는 수류(32)에 대한 블레이드 표면적이 커지는 부분에서 높게 위치할 수 있다. 이는 블레이드의 하부 주위로 수류가 누출되는 것을 줄이면서 침적토 트랩(59)을 형성한다. 하우징으로 유입되는 임의의 침적토 또는 모래는 블레이드(22)의 회전 및 수류(34, 36)에 의해 융기된 부분(57)을 빠져나와 침적토 트랩(59)으로 향하도록 강제된다. 또한, 수류가 터빈 블레이드를 회전시키기에 부족할 경우, 침적토 및 모래는 하우징의 가장 낮은 부분에 가라앉는 경향이 있다.
도 5에 도시된 변형된 장치에 있어서, 도 2 내지 도 4를 참고하여 대체로 전술한 바와 같은 발전 장치(10)는 부동 장치(60)를 포함하므로 발전 장치는 수면(62)에 부동하거나 또는 수면 부근에서 부동할 수 있다. 이러한 실시예에서, 발전 장치로 유입되는 임의의 침적토 및 모래는 배출구(64)를 통해 발전 장치(10)의 하부에서 배출될 수 있다. 파편 보호기가 또한 설치되며, 이 파편 보호기는 부동 장치(60)의 상부로부터 발전 장치(10)의 입구 및 출구의 하부까지 연장되어 목재 또는 대형 해상 동물이 터빈으로 들어오지 못하도록 한다.
도 6은 전술한 발전 장치(10)에 기초한 각각의 3개의 모듈(72, 74, 76)에 의해 형성되는 발전 시스템(70)을 도시하고 있다. 모듈(72, 74, 76)은 도 1 내지 도 5에 도시된 발전 장치에 대해 전술한 바와 같은 동일한 내부 특징부를 구비하며, 모듈의 하우징의 외측부는 다른 모듈과 연결될 수 있도록 되어 있다. 이는, 나란하게 병렬로 작동하는 2개 이상의 모듈로부터 필요한 용량을 얻을 수 있는 발전 시스템을 건설할 수 있도록 해준다.
도 7은 블레이드 각도 제어 기구의 변형례를 도시하고 있다. 블레이드 각도 제어 기구는, 전술한 바와 동일한 기본 구성을 가지며 4개의 블레이드(102a, 102b, 102c, 102d)를 구비하는 터빈(100)에 대해 도시되어 있다. 블레이드(102a, 102b, 102c, 102d)는 블레이드 지지 구조(104)를 매개로 하여 터빈 샤프트(103)에 연결된다. 각각의 블레이드는 실질적으로 터빈 하우징의 수직방향 높이에 걸쳐 연장되며, 블레이드 지지 구조(104)에 대해 블레이드의 상단부에서만 피봇 가능하게 연결된다.
블레이드 각도 제어 기구(107)는, 대체로 원통형이며 하우징의 기부로부터 하우징의 상부까지, 바람직하게는 일실시예에서 지지 구조(104) 바로 아래까지 연장되는 가이드(109)의 형태로 제공된다. 가이드(109)는 또한 배플로서 작용하여 터빈의 외주부의 구동 수류(106)의 방향성 유동(directional flow)을 보조하며, 터빈 하우징의 중앙부를 통과하는 상당한 수류를 효과적으로 차단한다. 각각의 블레 이드의 내측 가장자리에 부착된 롤러(108) 또는 다른 가이드 맞물림 요소는 가이드(109)의 적어도 일부를 따라 이동할 수 있으므로, 특히 수류에 대한 블레이드의 표면적이 큰 하우징의 외측 부분을 통과하여 블레이드가 이동하는 경우, 구동 수류(106)에 대한 각각의 블레이드의 각도가 적어도 터빈의 회전 중 일부 구간에서는 가이드에 의해 제어되도록 한다. 지지 구조(104)에 대한 각각의 블레이드의 연결 지점 및 이에 따른 각각의 블레이드의 피봇축은 블레이드의 중심축으로부터 오프셋되어 블레이드의 외측 가장자리에 더 가깝게 위치하기 때문에, 유입되는 수류에 의해 블레이드에 작용하는 힘은 블레이드를 편향시키는 경향이 있어서 도 7에서의 블레이드(102d, 102a)에 대해 도시된 바와 같이 블레이드가 하우징의 입구 영역을 가로질러 하우징의 외측 부분을 향해 이동할 때 블레이드의 롤러(108)은 가이드(109)와 함께 맞물리도록 강제된다.
블레이드 상에서의 구동 수류(106)의 힘은 터빈을 구동하고, 연속하는 블레이드가 블레이드(102a)에 대해 도시한 위치에 올 때까지 롤러(108)가 가이드(109) 상에 있도록 강제한다. 이 위치에서, 롤러(108)는 가이드(109)의 대체적인 형상으로부터의 돌출부 형태인 제지부(110)에 의해 가이드(109)를 따라 더 이상 이동할 수 없게 된다. 구동 수류(106)는 계속해서 터빈에 회전력을 제공하지만, 터빈 및 이에 따른 블레이드 지지 구조(104)가 회전하기 때문에, 블레이드(102a)는 블레이드의 내측 가장자리가 제지부(110)로부터 떨어지도록 강제되는 지점까지 블레이드의 내측 가장자리에서 제지되므로 수류에 대해 더 기울어지게 된다. 상기 지점에서, 블레이드(102a)는, 피봇 가능하게 오프셋된 장착부에 의한 "웨더 베인(weather vane)" 효과의 결과로 전술한 지점으로부터 블레이드(102a)가 수류에 실질적으로 평행한 지점까지 "튕기듯 움직이게(flip)" 된다. 터빈이 더 회전하게 되면 블레이드는 이러한 효과의 결과로 블레이드(102b 및 102c)에 대해 도시된 바와 같이 수류에 실질적으로 평행하게 된다.
이러한 이유로, 연속된 블레이드는, 터빈 하우징 섹션(100)의 외측 말단부 부근에 있을 때 구동 수류에 대해 실질적으로 수직하게 되며, 터빈 하우징 섹션의 중앙부 근처에 있을 때, 및 이에 따라 다른 터빈의 대응하는 블레이드에 인접할 때 구동 수류에 실질적으로 평행하게 위치한다. 블레이드(102)의 회전은, 수류(106)의 상당 부분이 터빈 하우징 섹션의 외측 부분 또는 말단부 부근에서 블레이드와 접촉하도록 해주며, 최소한의 수류가 터빈 하우징 섹션의 중앙부 내에서 블레이드와 접촉하도록 해준다. 블레이드가 입구 영역을 향해 이동할 때, 유입되는 수류에 대해 블레이드가 노출되면 블레이드의 내측 가장자리는 가이드(109)를 향해 후방으로 강제되므로 블레이드(102d)에 대해 도시된 바와 같이 블레이드의 롤러(108)는 블레이드가 회전하는 이후 구간에 걸쳐 가이드와 맞물린다.
2개의 이웃하는 수직축을 갖는 터빈을 이용하여 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명에 따른 단일 터빈도 하우징 내에 설치되어 발전 장치를 형성할 수 있다.
본 발명의 전술한 실시예는 단지 예로서만 설명한 것이며, 전술한 본 발명의 사상 및 범주를 벗어나지 않으면서도 변형 및 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (17)

  1. 물의 입구 및 출구를 구비하는 하우징;
    터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하며 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하도록 하우징 내에 장착되는 제1 터빈; 및
    터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하고 실질적으로 수직인 축을 중심으로 회전하도록 제1 터빈에 인접하게 하우징 내에 장착되는 제2 터빈을 포함하는, 수류로부터 전력을 발생시키기 위한 발전 장치로서,
    상기 하우징은 수중에 장착되도록 되어 있고, 유입되는 수류가 입구를 통해 하우징으로 들어가서 대체로 각각의 터빈 당 하나씩 2개의 구동 수류를 향하도록 안내되며 이후에 출구를 통한 배출을 위해 안내되도록 구성되며,
    구동 수류에 대한 각각의 블레이드의 각도가 블레이드 각도 제어 기구에 의해 제어되어 소정의 회전 방향으로 터빈을 구동하기 위해 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 크고 구동 방향에 반대 방향으로 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 작은 것인 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 수류에 대해 블라이드의 표면적이 커지는 각각의 터빈의 외주부를 향하여 유입되는 수류가 안내되는 상태에서 반대 방향으로 동시에 회전하도록 2개의 터빈을 연결하는 것인 발전 장치.
  3. 제2항에 있어서, 수류의 입구에 편향기가 마련되어 유입되는 수류를 하우징의 외측 말단부를 향해 2개의 구동 수류로 안내하도록 하며, 2개의 터빈이 인접하는 하우징의 중앙 부분을 통과하는 수류를 제한하도록 구성된 하나 이상의 배플을 구비하는 것인 발전 장치.
  4. 제3항에 있어서, 블레이드 각도 제어 기구는 블레이드가 하우징의 중앙 부분을 통해 이동할 때 블레이드의 표면적이 작아져서 중앙 부분에서 터빈에 작용하는 대항력을 줄여주고 중앙 부분에서 2개의 터빈의 블레이드 사이의 간섭을 방지하기 위해 블레이드 각도를 제어하도록 작동하는 것인 발전 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 각각의 블레이드는 실질적으로 수직인 축을 중심으로 피봇 운동하도록 터빈의 블레이드 지지 구조에 장착되며, 블레이드 각도 제어 기구는 블레이드의 이러한 운동 중 적어도 일부에 대해 블레이드의 이러한 피봇 운동을 제어하도록 작동하는 것인 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서, 블레이드 각도 제어 기구는 터빈축과 동축인 고정 선 기어(sun gear)와 맞물리며 각각의 블레이드의 피봇 샤프트와 연결된 유성 기어를 갖는 유성 기어 시스템을 포함하여 터빈이 회전함에 따라 블레이드가 피봇하여 블레이드의 각도를 변화시키게 되는 것인 발전 장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 블레이드 각도 제어 기구는 터빈이 회전할 때 블레이드와 협동하는 가이드 시스템을 포함하는 것인 발전 장치.
  8. 제7항에 있어서, 각각의 블레이드는 블레이드의 중심축으로부터 오프셋된 피봇축을 구비하며, 가이드 시스템은 터빈이 회전하는 동안 블레이드가 하우징의 외측 말단부를 향해 이동하는 중에 블레이드의 내측 가장자리 부분에 의해 맞물리는 고정 가이드를 포함하여 블레이드의 이동 중에 블레이드의 각도를 제어하고, 블레이드의 내측 가장자리 부분은 블레이드가 피봇 가능하게 오프셋된 결과로 블레이드 상에 작용하는 힘에 의해 블레이드의 이동 중에 가이드에 대해 유지되는 것인 발전 장치.
  9. 제8항에 있어서, 블레이드는, 하우징의 외측 말단부를 통과한 후에 가이드와의 맞물림이 해제되고 블레이드가 피봇 가능하게 오프셋된 결과로 블레이드 상에 작용하는 힘에 의해 수류의 방향에 평행하게 유지되는 것인 발전 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 각각의 블레이드의 내측 부분은 가이드와 맞물릴 수 있는 롤러를 포함하는 것인 발전 장치.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가이드는 하우징의 중앙 부분으로 연장되어 하우징의 중앙 부분을 통과하는 수류를 제한하는 배플이거나 이러 한 배플의 일부를 형성하는 것인 발전 장치.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 가이드는 대체로 원통형이며 하우징의 기부 근처에서부터 하우징의 상부까지 연장되는 것인 발전 장치.
  13. 물의 입구 및 출구를 구비하는 하우징 및
    터빈 샤프트, 수직 블레이드 세트 및 블레이드 각도 제어 기구를 구비하며 소정의 축을 중심으로 회전하도록 하우징 내에 장착되는 터빈
    을 포함하는, 수류로부터 전력을 발생시키기 위한 발전 장치로서,
    상기 하우징은 수중에 장착되도록 되어 있고, 유입되는 수류가 입구를 통해 하우징으로 들어가서 대체로 터빈에 대한 구동 수류를 향하도록 안내되며 이후에 출구를 통한 배출을 위해 안내되도록 구성되고,
    구동 수류에 대한 각각의 블레이드의 각도가 블레이드 각도 제어 기구에 의해 제어되어 소정의 회전 방향으로 터빈을 구동하기 위해 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 크고 구동 방향에 반대 방향으로 유입되는 수류에 대한 블레이드의 표면적은 작은 것인 발전 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 하우징은 부동(浮動) 구조물에 의해 지지되고/지지되거나 부동 구조물의 일부를 형성하는 것인 발전 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 설치된 상태의 하우징은 해저에 인접하게 고정되는 것인 발전 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 있어서, 터빈 또는 각각의 터빈에 의해 구동되는 하나 이상의 유압 펌프를 구비하며, 펌프 또는 각각의 펌프는 발전기를 구동하기 위해 구동되는 하나 이상의 유압 모터에 연결되는 것인 발전 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 복수의 모듈이 나란하게 병렬 관계로 작동하도록 2개 이상의 모듈을 조립함으로써 요구되는 발전 용량의 시스템이 형성될 수 있는 모듈 형태인 것인 발전 장치.
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