KR20090119841A - 수중 발전소 및 수중 발전소의 동작 방법 - Google Patents

수중 발전소 및 수중 발전소의 동작 방법 Download PDF

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노르만 페르너
벤야민 홀슈타인
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보이트 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 수중 발전소 및 수중 발전소의 동작 방법에 관한 것이고, 상기 수중 발전소는 지지 구조물, 발전기 또는 모터로서 동작할 수 있는 적어도 하나의 전기 기계 및 상기 지지 구조물의 회전 조인트에 스페이서에 의해 연결되며 상기 전기 기계와의 적어도 간접적 구동 연결을 갖는 적어도 하나의 터빈을 포함한다. 상기 전기 기계가 발전기로서 작동될 때, 주위 물 흐름은 상기 터빈에 부딪히고, 다음과 같이 구동시킨다. 상기 터빈 및 상기 스페이서는 하나의 유닛으로서 조인트 축에 대하여 제1 위치에서 제2 위치로 회전되고, 상기 회전 운동을 수행하는 토크는 상기 전기 기계를 모터로서 사용하는 상기 터빈의 구동에 의해 생성된다.

Description

수중 발전소 및 수중 발전소의 동작 방법{UNDERWATER POWER STATION AND METHOD FOR OPERATING AN UNDERWATER POWER STATION}
본 발명은 수중 발전소의 동작을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 해류에 독립적으로 서 있는 발전소, 특히 조류에 의해 유발된 유입 방향으로 변화시키는 조정 및 유지보수 위치를 향해 이동시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
독립적으로 서 있는, 수중 발전소들은 현재 2 내지 2.5 m/sec의 유속들로부터 경제적으로 사용될 수 있다. 예를 들면 프로펠러와 같은 구조물의 수력 터빈들은 주위 흐름으로부터의 동역학적 에너지를 얻기 위한 구조물들을 지지하도록 고정된다. 물 깊이 및 해양의 저면의 특성에 의존하여, 상기 지지 구조물들은 예를 들면 저면에 기초하여 설치된 고정 필러들로서 배열될 수 있다. 이와 다르게, 상기 지지 구조물들은 예를 들면, 케이블 또는 체인 시스템들과 같은 수단에 의해 해양의 저면에 닻을 내리고 수중의 일정 깊이에서 부유하는 부유 가능한 유닛들을 형성할 수 있다.
관련된 선행기술은 DE 80 91 79C, GB 23 11 566A, US 2006/0153672 A1 및 US 7,105,942 B2로부터 알려져 있다.
조류에 대한 특징은 썰물과 밀물에서의 흐름 방향의 규칙적인 변환이다. 에너지의 효과적인 이용을 위하여 다른 유입 방향들에서도 수력 터빈에 의해 에너지를 얻을 수 있도록 조류에 의해 구동되는 각각의 독립적인 수중 발전소를 배열하는 것이 필요하다. 이러한 목적을 위하여, 서로 반대인 두개의 흐름 방향은 원칙적으로 썰물과 밀물에 관련된다.
단순한 경우들에 있어서, 닻을 내린 지점에 대하여 자유롭게 회전하는 닻 시스템이 다른 흐름 방향들에 대한 조정을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 큰 원을 그리는 이동이 대부분의 경우들에 있어서 불가피하므로 이러한 시스템들은 몇 개의 수중 발전소들을 갖는 에너지 파크로 효율적으로 결합시킬 수 없는 문제가 있다. 대신에 특히 기반 상에서 서 있는 고정식 발전소들이 사용되면, 상기 터빈이 하류-측 러너(lee-side runner)로 배열되어 있을 때에 변화 가능한 흐름 방향들에 대한 조정은 단순화될 것이다. 이 경우에 있어서, 연결 조인트는 스페이서를 상기 지지 구조물에 연결시키기 위해 사용되며, 상기 터빈은 상기 스페이서의 오프-스트림(off-stream) 측의 단부에 연결된다. 이것은 전형적으로 로터 블레이드들로 배열된 두개 또는 그 이상의 터빈 블레이드들을 갖는 프로펠러 형상의 터빈이다.
하류-측 러너에서의 단점은 상기 지지 구조물에 의한 어떤 그림자 효과(tower shadow)를 피할 수 없다는 점이다. 효율 측면에서의 장점은 흐름-측 러너(current-side runner), 즉 상기 터빈이 적어도 간접적으로 연결되는 상기 지지 구조물까지의 소정 거리만큼 이격된 상기 터빈 상류의 배열의 사용이다. 그러나, 상기 흐름-측 러너는 변화 가능한 유입 방향과의 어떤 수동적 재배열이 불가능하 여, 상기 흐름 방향에 대한 상기 터빈이 능동적으로 가이드될 필요가 있다. 이러한 목적을 위해 알려진 구동들은 일반적으로 상기 타워의 영역에서의 복잡한 회전 개념들을 포함한다. 상기 추가적으로 사용된 기어 및 모터 구성요소들이 불량 가능성을 증가시키므로 이러한 것들은 가능한 약간의 유지보수를 원하는 수중 발전소들을 생성하고자 하는 욕구 측면에서 바람직하지 않다. 따라서, 수중 발전소들의 어려운 접근성의 관점에서 어려움들을 갖는 규칙적인 조사들을 위한 더 높은 비용이 존재하게 된다.
이것이 다른 방향들로부터의 유입에 대한 독립적인 조류 발전소의 가장 단순한 조정을 하는 것이 요구되는 이유이다. 하나의 제안은 로터 형상의 터빈을 사용하여 블레이드 각도 조정을 통해 반대 방향들로부터의 유입을 가능하게 하는 것이었다. 이러한 측정이 상기 흐름으로의 상기 전체 터빈의 회전을 생략하게 할지라도, 유지보수를 위한 증가된 요구에 대한 문제는 추가적으로 이동되는 구성요소들 및 에러들에 민감한 터빈-측 장치에 대한 상기 구성요소들과 관련된 액츄에이터들에 의해 전환된다.
더욱 바람직하게는, 상기 흐름 방향에 대한 조정과 함께, 상기 터빈 및 상기 터빈과 연결된 발전기 유닛을 유지보수 및 설치 위치로 이동시킬 수 있는 것이다. 이것은, 일 측면에서는 상기 흐름으로부터의 뒤틀림, 다른 측면에서는 대부분의 경우들에 있어서 수면으로의 상기 터빈-발전기 유닛의 리프팅을 요구한다. 따라서, 상기 터빈은 검사를 개시하기 위하여 주위 흐름에 대해 소정의 상대 위치를 가정할 것이고, 이 경우에서도 상술한 문제점들이 발생할 것이다.
본 발명은 독립적으로 서 있는 수중 발전소의 터빈이 주위 흐름에 대해 상대 위치를 가정할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다. 주위 흐름으로부터 파워를 얻는 것은 특히 서로 반대의 흐름 방향들의 경우에 특히 가능하다. 더욱이, 추가적인 터빈 위치를 감소된 흐름, 즉, 서비스 측정들을 위한 위치로 설정하는 것이 바람직하다. 상술한 목적은 장시간의 서비스 간격들에 조정된 튼튼한 장치에 의해 수행되는 방법으로 달성될 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 발명자들은 존재하는 상기 발생기 유닛이 이 경우에서는 모터-구동인 구동 이동을 수행하기 위한 구동원으로 사용될 때 터빈의 능동적인 재조정 및 특히 유입 방향에 대한 흐름-측 러너를 위한 추가적인 구동 모터들이 생략될 수 있다는 것을 인식하였다. 일반적으로 발전기로서 사용되는 전기 기계가 구동 동작에서 상기 터빈을 구동시킬 때, 두개의 효과들이 기본적으로 발생할 것이다. 일 측면에서는, 상기 전기 기계의 지지 모멘트일 것이다. 다른 측면에서는, 상기 구동된 터빈이 추진을 발생할 것이다. 상기 전기 기계의 지지 모멘트는 상기 곤돌라의 회전을 위해 사용될 수 있지만, 대부분의 경우들에 있어서는 중간 기어가 필요할 것이고, 바람직하게는 상기 터빈에 의한 상기 추진 효과는 상기 터빈의 원하는 정렬을 설정하기 위해 사용될 것이다.
바람직하게는 상기 터빈은 하나의 평면에서만 이동을 허용하는 피벗 조인트에 소정 거리만큼 이격되어 고정되고, 상기 구동 터빈의 추진 파워들을 통해 토크가 상기 피벗 조인트의 축을 중심으로 발생되도록 정렬된다. 이로 인해 상기 지지 구조물에 부착된 상기 피벗 조인트가 상기 구동된 터빈에 의해 유발되는 상기 추진 파워의 힘 작용선에 소정의 수평 거리를 갖게 될 것이다. 즉, 상기 피벗 조인트가 소정 거리만큼 상기 힘 작용선에 대해 가로방향으로 오프셋되도록 배열하도록 터빈 및 지지 구조물 사이에 스페이서 요소가 사용되어, 레버 암이 얻어진다는 것을 의미한다. 이러한 구조는 상기 터빈의 구동 동안 법선 방향의 힘 요소가 상기 스페이서 요소로의 상기 터빈의 힘이 작용하는 위치에 존재하는 것을 확보하고, 그 결과 상기 회전 운동을 위해 필요한 토크가 상기 레버 조건들 및 상기 구동된 터빈의 추진 파워의 각각의 치수화의 경우에서 획득된다.
이와 같이 획득된 터빈 및 스페이서 요소의 상기 유닛 상에서의 토크는 상기 피벗 조인트를 중심으로 제1 위치 및 제2 위치 사이의 회전 이동을 일으킨다. 상기 두 위치들은 일반적으로 반대의 유입 방향들에 대응될 것이다. 더욱이, 상기 회전 운동은 바람직하게는 평면상에서 가이드되어, 상기 지지 구조물 상에서의 상기 스페이서 요소를 상기 피벗 조인트의 각각의 배열에 의해 확보된다. 상기 피벗 조인트가 피벗 축과 관련될 때, 상기 피벗 조인트는 제1 변형예에 따르면 수직적으로 연장할 수 있으며, 상기 회전 이동은 수평 평면상에서 실질적으로 연장된다. 또 다른 실시예는 상기 피벗 조인트를 회전축이 수평적으로, 즉 두개의 마주보는(반-평행의) 흐름 방향들(썰물과 밀물의 경우에 있어서)로 연장하도록 배열하는 것이다. 이 경우에 있어서 터빈 및 스페이서 요소의 상기 유닛은 상기 회전축이 표면에 대하여 수직한 수직 평면상에서 회전된다. 이러한 실시예에 있어서, 상기 회전 이동은 먼저 상기 터빈을 정점으로 리프팅하도록 가이드되고, 이 경우에 있어서 상기 터빈은 다시 제2 위치로 하강된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 제3 위치는 예를 들면 서비스 목적들을 위해 접근되는 상기 정점의 영역에 구비될 수 있다. 예를 들면, 로터와 같은 터빈이 사용될 때, 이러한 위치에서 상기 터빈은 직교하도록 위치하는 허브 및 수평적으로 회전하는 로터 블레이드들을 가질 것이다. 물 표면으로 상기 로터 형상의 터빈의 리프팅을 가능하게 하기 위하여 상기 스페이서 요소로부터의 분리는 예를 들면 이러한 위치로부터 이루어질 수 있다. 이와 다르게, 상기 회전 이동은 상기 터빈이 하부 정점을 통해 반원을 그리도록 수직 평면상에서 이루어질 수 있다. 이러한 하부로의 회전 이동의 장점은 예를 들면 높은 드래프트(high draught)를 갖는 배의 통행이 필요한 경우 항해 채널로부터 상기 터빈이 회전될 수 있다.
더욱이, 상기 지지 구조물 상에서 상기 터빈 및 상기 피벗 조인트의 결합 지점 사이에 구비되는 상기 스페이서 요소는 편심을 발생시키기 위한 상술한 작업 이외에 상기 발전기 유닛의 시스템 구성요소들을 수용하기 위한 추가적인 기능으로 사용될 수 있다. 바람직하게는, 추가적인 구성요소들 및 상기 터빈 및 상기 전기 기계 사이의 구동 트레인을 형성하는 가능한 기어들뿐만 아니라 발전기 및 모터에 의해 구동될 수 있는 상기 전기 기계는 상기 스페이서 요소에 수용된다. 결과적으로, 바람직한 실시예는 상기 스페이서 요소를 내부에 배열된 전기 기계를 갖는 곤돌라와 같이 배열하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 터빈의 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 사이의 이동은 각 경우에서 왕복 이동으로 발생하지만 상기 스페이서 요소에 결합된 전기 기계 사이를 연결하는 케이블들 및 상기 지지 구조물에 연결된 상기 케이블의 추가적인 가이딩 부재의 뒤틀림을 회피하기 위하여 완전한 원을 그리지 않는다. 이러한 측면은 하류-측 러너들뿐만 아니라 흐름-측 러너들을 위해 적절하여, 하류-측 러너의 경우에서도 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의한 제어되고 능동적인 전후방 이동은 흐름에 대한 수동적인 조정을 대신하여 바람직하다. 상기 제1 위치 및 상기 제2 위치 사이의 왕복 이동을 위해 상기 터빈에 의해 힘 방향을 바꾸는 것이 필요하고, 이것은 상기 터빈의 각각의 반대 회전에 의해 달성된다.
다른 실시예에 있어서, 기계적인 정지들 각각은 터빈 및 스페이서 요소로 이루어진 상기 유닛을 향해 접근되는 위치들 상에 구비된다. 이러한 기계적인 정지들은 추가적으로 댐핑 장치를 포함할 수 있다. 제1 위치 및 제2 위치 사이에서 왕복운동하는 경우에 있어서, 정지적인 기계적 정지들이 사용될 수 있다. 제3 위치가 스페이서 요소로 이루어진 상기 유닛에 의해 통과되고 서비스 측정의 수행과 같은 특별한 경우들에서만 접근될 수 있거나 상기 터빈을 중립 위치로 회전시키기 위해 상기 회전하는 원에서 상기 두개의 위치들 사이에 있다면, 상기 기계적인 정지는 상기 터빈의 회전 범위 밖에서 이동될 수 있도록 이러한 영역에 배열되는 것이 필요하다. 더욱이, 잠금 요소들은 상기 정지들 상에 구비되어 상기 터빈이 주위 흐름으로부터 동역학적 에너지를 획득하는 발전기 작동 중에 후방 회전을 방지한다. 상기 잠금 요소들은 서로 분리되어 배열되거나 상기 기계적인 정지들과 함께 일체적인 구성요소들을 형성할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 상기 회전 이동에 영향을 주는 제동 장치가 구비될 수 있다. 단순화된 경우에 있어서, 이것은 상기 피벗 조인트에서의 제동이 될 것이다. 이러한 제동 장치의 장점은 상기 회전 이동이 더 좋은 방법으로 제어되어, 본 발명에 따른 상기 스페이서 요소의 레버 암 배열 및 상기 구동된 터빈에 의해 유발된 상기 회전 이동이 관성 및 흐름 힘들에 의해 방해될 것이고 상기 회전 이동은 실질적으로 제동 모멘트에 대하여 작동되어 제어되거나 조정될 것이다. 그러므로 새로운 원하는 위치가 특히 부드러운 방식으로 도달되기 전에 마지막 상태를 통과하는 것이 가능하다.
또 다른 실시예에 있어서, 정지들은 상기 제동 장치의 각각의 구성의 경우에 있어서 완전히 생략될 수 있다. 이러한 기능은 상기 회전 각도에 의존하는 제동 모멘트의 설정에 의해 대치될 수 있다. 더욱이, 상기 잠금 요소들 대신에 상기 제동 장치를 통해 고정이 이루어질 수 있다. 그러나 이러한 잠금 요소들을 원하는 위치에 도달했을 때에는 여분의 안전장치들로서 사용하는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에 있어서, 두개 또는 그 이상의 터빈들이 공통 지지 구조물 상에 사용되어 흐름-측 러너로서 배열될 수 있다. 상기 터빈들의 연결은 지지 빔을 통해 이루어질 수 있고, 상기 지지 구조물 상의 연결 지점은 예를 들면 상기 지지 빔의 중간에 위치될 수 있다. 상기 연결 지점을 중심으로 이러한 배열을 회전시키기 위하여, 상기 터빈들 중 적어도 하나는 상기 연결 지점으로부터 소정 거리 이격되어 위치하여 구동된다. 이와 다르게, 몇 개 또는 모든 터빈들이 구동될 수 있고, 이들의 추진 방향 또는 회전 방향들은 각각 상기 연결 지점에 대한 각각의 상대 위치에 의존한다. 또 다른 실시예로서, 상술한 바와 같이 지지 빔에 의해 몇 개의 터빈들이 연결된 경우에서 상기 회전은 상기 지지 빔의 길이방향 축을 중심으로 일어날 수 있다.
본 발명의 특징들 및 기타 이점들은 상세한 설명 및 첨부된 도면들을 참조하여 다양한 실시예들을 상세하게 기술함으로써 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 서로 다른 두개의 유입 방향들에 대한 두 개의 위치들이 도시된 수중 발전소의 일 실시예를 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수중 발전소의 터빈 유닛의 회전 운동을 수행하기 위한 모멘트를 발생시키기 위한 본 발명에 따른 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 상기 회전 이동에 대한 정지를 위한 함몰 모듈 및 잠금 요소를 위한 가능한 실시예를 개략적으로 나타내는 단순화된 도면이다.
도 4는 도 1의 수중 발전소의 측면도이다.
도 5는 수평 회전축을 중심으로 한 회전 운동을 위한 일 실시예의 측면도이다.
도 6a 및 도 6b는 길이방향 축을 중심으로 회전 가능한 지지 빔 상에서 두개의 다른 위치들로 배열된 몇 개의 터빈들을 나타낸다.
도 7은 두개의 터빈들 및 다수개의 피벗 조인트들을 갖는 본 발명에 따른 다른 실시예를 나타낸다.
도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 실시예에 있어서 가능한 회전 이동들을 나타낸다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 지지 구조물
2 : 전기 기계
3 : 터빈
4 : 스페이서
5 : 피벗 조인트
5.1 : 제1 피벗 조인트
5.2 : 제2 피벗 조인트
6 : 제1 추진 방향
7 : 제2 추진 방향
8 : 축 방향의 힘 요소
9 : 반경 방향의 힘 요소
10 : 제1 위치
11 : 디스크-유사 요소
12 : 평행추
13 : 추진 파워의 힘 작용선
14 : 발전기 동작에서의 터빈 힘의 힘 작용선
15 : 압력 중심
16 : 터빈 샤프트
17.1 : 정지 및 잠금 요소
17.2 : 정지 및 잠금 요소
17.3 : 정지 및 잠금 요소
18.1 : 정지 및 잠금 요소
18.2 : 정지 및 잠금 요소
19 : 리세스
20 : 제2 위치
30 : 제1 유입 방향
40 : 제2 유입 방향
41 : 흐름 프로파일
50 : 함몰 볼트
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기 실시예들에 설명되는 모든 조합들(combinations)이 본 발명에 있어서 필수 불가결한 것은 아니다.
도 4는 개략적인 도면으로서 일반적인 자립형 수중 발전소를 나타내고 있고, 자립형 수중 발전소는 지지 필라의 형태의 지지 구조물(1) 및 바다의 저면(60)에 닻을 내린 기초를 포함한다. 지지 구조물들(1)은 또한 연결 지점으로부터 소정 거리에 있는 회전 터빈(3)을 지지하기에 적합하다면, 지지 격자 구조물들 또는 닻을 내린 부유 유닛들로서 본원과 다른 방법으로 배열될 수 있다.
도 4는 터빈(3)을 향한 제1 유입 방향(30)을 나타내고 있다. 상기 제1 유입 방향(30)과 마주하여 터빈(30) 및 도시된 바와 같이 상기 수중 발전소의 발전기 작동을 위하여 바람직한 흐름-측 위치에 있는 스페이서(4)로 이루어진 유닛이 있다.
두개의 프로펠러 블레이드들을 갖는 로터형 구조물이 도 4에 터빈(30)으로서 도시되어 있다. 상기 로터형 구조물은 로터 허브와 함께 고정되는 방식으로 연결될 수 있다. 본 발명은 또한 예를 들면, 피치 세팅을 갖는 수직 터빈 또는 로터들과 같은 다른 터빈 형태들로 수행될 수 있다.
스페이서(4)는 터빈(3) 및 지지 구조물(1) 사이에 위치한다. 스페이서(40)는 곤돌라(gondola)의 형태로 배열될 수 있고 발전기를 수용하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 있어서, 상기 발전기는 회전 이동 동안 구동되어 후속하여 일반적인 용어인 전기 기계(2)가 사용되어 발전기 및 모터 모두로서 작동될 수 있을 것이다. 다른 실시예들은 전기 기계(2)가 상기 터빈에 바로 인접하게 하우징되지 않고 이에 따라 스페이서(4)에 하우징되지 않을 수 있다. 대신에, 전기 기계(2)는 지지 구조물(1)에 수용되고 기어 및 조인트 구조물들을 통한 기계적 구동 연결이 터빈(3) 및 전기 기계(2) 사이에 생성된다. 이와 다르게 터빈(3) 및 전기 기계(2) 사이에 예를 들면 유체 정역학적 중간 회로와 같이 간접적인 방식으로 상기 구동 전달을 가능하게 하는 전달 요소를 개재시키는 것도 가능하다.
상기 수중 발전소를 도 4에서 파선으로 도시된 변화하는 유입 방향, 즉 제2 유입 흐름 방향(40)으로 조정하기 위하여, 본 발명에 따르면, 스페이서(4) 및 지지 구조물(1) 사이에 피벗 조인트(5) 둘레에 터빈(3) 및 스페이서(4)로 이루어진 상기 유닛의 회전 이동이 존재한다. 상기 회전 이동은, 본 실시예에서는 수평 평면인 평면에서 가이드되고, 피벗 조인트(5)의 배열 타입에 의해 이러한 목적을 위해 필요한 가이드부들이 생성된다. 따라서, 피벗 조인트(5)는 본 실시예에 있어서 수직적으로 연장하는 회전축(70)과 연관된다. 상기 회전 이동은 이와 다르게 수직 평면에서 일어날 수 있으며, 이러한 실시예들은 도 5, 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다.
회전 운동을 수행하기 위하여, 구동 전기 기계(2)는 터빈(3)을 구동시킨다. 지지 구조물(1) 상에서 추진 파워(90)의 힘 작용선에 수평적으로 오프셋된 연결 포인트를 갖는 스페이서(40)와 연계되는 인력 또는 추력의 형태로 터빈(3)에 의해 발생된 추진력은 상기 연결 포인트를 중심으로 회전 모멘트를 발생시킨다. 이것은 도 1의 개략적인 도면에 도시되어 있다. 피벗 조인트(5)를 통해 지지 구조물(1)과 연결된 터빈(3) 및 스페이서(4)의 유닛을 갖는, 도 4의 수중 발전소의 평면도가 도시되어 있다. 스페이서(4) 상의 상기 연결 포인트는 힘 작용선(80)에 수평적으로 이동되어 있으며, 이를 수평 오프셋이라 한다. 힘 작용선(80)은 터빈(3)의 구동 동안에 발생하는 상기 추진 파워들의 방향을 나타낸다. 적절한 측면은 도 2에 도시된 바와 같이 벡터적 분해에 근거하여 접선 방향의 힘 요소(9)는 상기 수평적 오프셋에 의해 얻어진다는 것이다. 도시된 바와 같이 구동 터빈(3)은 추진 파워(90)를 발생시키고 추진 파워(90)는 축 방향의 힘 요소(8)와 접선 방향의 힘 요소(9)로 분해 된다. 축 방향의 힘 요소(8)는 스페이서(4) 및 피벗 조인트(5) 상에서 터빈(3)에 의한 힘의 작용점 사이의 상기 연결선을 따라 작용한다. 접선 방향의 힘 요소(9)는 힘 작용점 및 피벗 사이의 거리에 의해 형성된 상기 레버 암과 관련하여 직교하여, 도 2에서 진한 화살표를 통해 도시된 바와 같이 회전 모멘트를 발생시킨다.
제1 유입 방향(30)으로부터 제2 유입 방향(40)으로의 변화가 일어날 때, 터빈(3) 및 스페이서(4)의 상기 유닛을 제1 위치(10)로부터 제2 위치(20)로 이동시킬 필요가 있다. 도 1에 도시된 경우에서는, 터빈(3)은 제1 위치(10)로부터 제2 위치(20)로의 변화를 위한 제1 추진 방향(6)을 발생시키기 위해 구동된다. 제2 위치(20)로부터 제1 위치(10)로 복귀 이동을 위해서는 터빈(3)이 제2 추진 방향(7)을 위해서 반대 회전 방향으로 회전하는 것이 필요하다.
각각의 기계적 정지는 회전 이동의 끝을 결정하도록 구비되는 것이 바람직하다. 이러한 기계적 정지들은 상기 회전 모멘트의 끝에서 스페이서(4) 또는 피벗 조인트(5)의 구성요소의 외측 영역 일부를 정지시키는 정지 장치들일 수 있다. 상기 기계적 정지들의 일 실시예는 일측부 상에서 지지 구조물(1)에 의해 수용되고 타측부 상에서 외부의 동일한 면적을 의미하는 동일한 접촉점이 터빈(3) 및 스페이서(4)로 이루어진 상기 유닛의 상기 접근하는 위치들 각각에 상기 기계적 정지와 작용하게 된다. 단순한 기계적 정지 기능에 추가적으로, 상기 원하는 위치에 도달할 때 잠금 기능을 제공할 수 있는 것이 더욱 바람직하다. 상술한 바와 같은 요구들을 충족시키는 실시예는 도 3에 도시된 바와 같이 함몰 볼트들(sunk bolts, 50)을 사용한다. 이로 인해, 상기 정지 및 잠금 요소의 면적으로 완전히 진입된 볼트(50)에 의해 방해받지 않는 방식으로 상기 이동된 유닛이 지나갈 수 있는 장점을 제공된다. 함몰 볼트(50)는 상기 볼트를 지지 구조물(1)의 리세스로부터 이동시킬 수 있는 볼트 드라이브(51)와 관련된다. 예를 들면, 스페이서(40)에서의 각각의 대 응하는 요소는 정지 표면(52)이 존재하도록 배열되어, 함몰 볼트(50)는 도 3에 도시된 바와 같은 제1 상승 위치에서 기계적 정지로서 사용될 수 있다. 함몰 볼트(50)가 더욱 위로 올라갈 때, 스페이서(4)와 같은 대응하는 요소의 개구(53) 내부로 삽입 잠금되어, 상기 도달된 위치에서 정지하게 된다.
도 1에 도시된 바와 같은 실시예들에 있어서, 정지 및 잠금 요소들은 참조부호들 17.1, 17.2 및 17.3으로 도시된 위치들에서 상기 지지 구조물 상에 배열된다. 정지 및 잠금 요소(17.1)는 제1 위치(10)와 관련되고 정지 및 잠금 요소(17.3)는 제2 위치(20)와 관련된다. 잠금 이후에, 터빈(3) 및 스페이서(4)로 구성된 상기 요소는 지지 구조물(1) 상에서 두 지점들로 고정된다. 일측은 피벗 조인트(5)이고 타측은 상술한 정지 및 잠금 요소이다.
본 발명의 추가적 관점에 따르면, 상기 피벗 운동에 의해 도달될 수 있는 터빈(3) 및 스페이서(4)의 상기 유닛의 몇 가지 위치들은 몇 개의 정지 및 잠금 요소들의 배열에 의해 고정될 수 있다. 이것은 변화하는 유입 방향에 정밀한 조정을 위해 사용될 수 있다. 또한, 유지보수를 위해 추가적인 개재 위치가 발전 동작을 위한 상기 두개의 주 위치들 사이에서 제공될 수 있다. 정지 및 잠금 요소(17.2)는 도 1에서 이러한 목적을 위한 예시적 방법으로 나타나 있다. 터빈(3) 및 스페이서(4)의 할당된 위치로 접근될 때, 수직적으로 연장하는 회전축에 대하여 회전하는 경우에 있어서 터빈(3)의 허브(hub)는 유입 주 방향들(제1 및 제2 유입 방향들(30, 40))에 실질적으로 직교하도록 정지 및 잠금 요소(17.2) 상에서 정지하여, 유지보수가 수행될 수 있다. 이러한 목적을 위해 필요한 구성요소들은 도 1에서 도시되지 는 않는다.
몇 가지 정지 및 잠금 요소들은, 흐름의 조건들이 상기 전력 발전소의 설치에 앞서 정밀하게 조사되지 않는 경우에 있어서의 성능을 최적화하기 위하여 제1 유입 방향(30) 및 제2 유입 방향(40)을 결정하기 위하여 재조정을 수행하기 위한 목적으로도 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 상기 정지 및 잠금 요소들을 회전 가능한 요소를 통해 상기 지지 구조물과 연결시켜, 수중 발전소(100)의 설치 동안 상기 구성요소들의 위치 조정 및 주어진 흐름 조건들에 대한 조정이 가능할 수 있다. 상술한 기계적 정지들은 제동 장치로 교환될 때, 제1 위치(10)는 제1 유입 방향(30)에 대해 그리고 제2 위치(20)는 제2 유입 방향(40)에 대해 실질적으로 자유롭게 선택될 수 있다. 더욱이, 주위 흐름이 타원형 프로파일인 경우에서의 정밀한 조정은 전체 원에서 가능한 모든 위치들로 접근함으로써 가능할 수 있다.
도 5는 피벗 조인트(5)와 관련된 회전축(70)이 수평적으로 연장된 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 따라서, 터빈(3) 및 스페이서(4)로 구성된 상기 유닛은 수직 평면에서 지지 구조물(1)에 대하여 상기 피벗 조인트 상에서의 회전축(70)에 의해 설정된 받침점에 대하여 회전한다.
도 5에 도시된 발명의 변형은 발전기로서 작동하는 정지 모멘트들의 감소에 대하여 바람직하다. 이 경우에 있어서, 터빈(3)의 비대칭적 유입 방향에 대하여 설명된다. 흐름 프로파일(41)이 터빈 샤프트(16)에 대하여 비대칭적인 경우가 도시되어 있다. 이러한 흐름 프로파일(41)은 대양의 바닥으로부터의 터빈(3)의 일정 거리의 결과로서 발생한다. 따라서, 터빈(3)의 상부는 터빈 샤프트(16)에 의해 설정된 축 밑에 위치하는 영역들보다 더 빠른 유입을 갖게 된다. 그 결과, 중심에서 벗어난 압력의 중심(15)은 현재 유입 프로파일(41)에 따라 얻어질 것이고 발전기 동작(14)에서의 상기 터빈 힘의 힘 작용선은 터빈 샤프트(16)의 진행과 대응하지 않을 것이다. 도 5에 도시된 배열에 있어서, 스페이서(4)를 지지 구조물(1)로 연결시키기 위한 피벗 조인트(5)는 상기 터빈 힘의 힘 작용선이 발전기 동작(14)에서 연장되는 영역으로 이동된다. 그런, 변화하는 흐름 프로파일(41)의 경우에 있어서, 압력의 중심(15)은 이동하여, 이상적인 경우에서는 상기 터빈 힘의 상기 힘 작용선은 발전기 동작에서의 피벗 조인트(5)의 받침점을 통해 정밀하게 통과할 것이다. 그러나, 흐름 프로파일(41)의 특성이 일반적으로 유지될 것이므로, 피벗 조인트(5) 상에 작용하는 토크는 터빈 샤프트(16) 상에서의 피벗 조인트(5)의 수평적 이격에 의해 발전기 동작에서 감소될 것이다.
더욱이, 일 실시예에 있어서 평행추(12)는 터빈(3) 및 스페이서(4) 그리고 그 내부에 수용된 전기 기계(2)와 같은 구성요소들의 무게에 따라 배열되어, 피벗 조인트(5) 상에 발생되는 토크가 균형을 이루도록 한다. 이로 인해 발전기와 같은 작동 중에 정지 모멘트들이 감소되고 동시에 균형을 이루는 무게 분배의 결과로서 상기 회전 운동들의 단순화가 허용된다.
도 5는 또한 전기 기계(2)에 의한 터빈(3) 구동의 경우에 있어서 추진 파워(13)의 힘 작용선의 진행을 나타낸다. 추진 파워(13)의 상기 힘 작용선은 터빈(3)의 선택된 프로펠러와 같은 배열로 인해 터빈 샤프트(16)의 축과 일치한다. 도 5에서는 수평적 오프셋으로서 도시되어 있다. 상술한 바와 같이, 상기 수평적 오프셋은 발전기 작동(14)에서 상기 터빈 파워의 힘 작용선의 일시적 평균 위치가 피벗 조인트(5)의 받침점을 통과하도록 배열된다. 일시적인 평균 대신에 또는 이에 추가적으로 압력의 중심(15)의 중간 위치 및 발전기 작동(14)에서의 상기 터빈 파워의 상기 연결된 힘 작용선을 수평적 오프셋(a)을 위한 디자인 파라미터로 결정하기 위한 파워-중량 평균(power-weighted averaging)을 사용하는 것도 가능하다.
도 5는 또한 일측에서 회전 이동을 회전 평면에서의 이동으로 고정하는 데 사용하는 피벗 조인트(5)의 가능한 배열로서의 디스크 유사 요소(11)를 나타낸다. 타측에서는 지지 구조물(1) 상의 회전축(70)으로부터 소정 거리에서 구비되고 디스크 유사 요소(11)에 형성된 리세스들(19)과 같은 대응 부분들에 결합하는 정지 및 잠금 요소들(18.1, 18.2)을 결합(latch)시킨다. 도 5에 도시된 바와 같이, 리세스들(19)의 배열은 터빈(3)의 도시된 제1 위치(10)에 추가적으로 터빈(3)의 제2 위치(도시되지 않음)가 제1 위치(10)에 대해 180° 회전하여 설정될 수 있을 수 있음을 나타낸다. 90° 및 270°에서의 위치들이 추가적으로 설정될 수 있으며, 이러한 위치는 유지보수 작업을 위한 서비스 위치를 나타내는 상부로 향하는 터빈(3)의 상부 정점에서의 위치이다. 이것은 지지 빔을 통해 연결되는 몇 개의 터빈들(3)을 갖는 일반적인 발전소의 일 실시예로서 이하에서 도시될 것이다.
도 6a는 공통 지지 구조물(1) 상에 세 개의 터빈들(3)의 배열을 나타낸다. 제1 필러(56), 제2 필러(57) 및 스페이서(4) 및 터빈들(3)로 구성된 유닛들이 연결된 지지 빔(55)으로 구성된다. 이 경우에 있어서 본 발명에 따르면 상기 연결은 각각의 터빈(3)에 있어 추진 파워(13)의 힘 작용선이 지지 빔(55)의 중심축에 대하여 수평 오프셋을 갖도록 선택된다. 지지 빔(55)은 제1 필러(56) 및 제2 필러(57)에 관련된 피벗 조인트들(5)을 통해 회전 가능하도록 지지된다. 이 경우에 있어서, 회전축(70)은 지지 빔(55)의 중심축에 대응된다. 회전축(70)에 대한 회전은 본 발명에 따르면 적어도 하나의 터빈(3)이 관련된 전기 기계(2)에 의해 구동되고 및 회전축(70)에 대한 회전 운동은 상기 배열된 터빈(3)에 대하여 스페이서(4) 및 터빈(3)의 유닛의 오프셋의 결과로서 발생된다. 상기 각각의 유닛들에 대한 상기 수평 오프셋은 서로 다르게 선택될 수 있다. 더욱이, 스페이서(4) 및 터빈(3)의 특정 유닛과 관련된 상기 수평 오프셋은 지지 빔(55)의 중심축에 대하여 상부 또는 하부로 배열될 수 있다.
도 6a에서 나타낸 실시예에 있어서, 피벗 조인트(5)는 디스크 유사 요소(11)와 함께 제1 필러(56) 및 제2 필러(57)에 부착되어 구비된다. 더욱이, 두 개의 평행추들(12)은 제1 기둥(56) 및 제2 기둥(57) 상에 각각 가능한 가깝게 배열된다. 이러한 배열은 터빈(3)으로의 유입과 관련된 방해에 관하여 그리고 지지 빔(55) 상에 굽힘 하중을 감소시키는 데 유리하다.
도 6b는 피벗이 서비스 위치로 수행된 후의 도 6a의 배열을 나타낸다. 이것은 터빈들(3)의 샤프트들이 수직하게 위치하고 터빈들(3)은 상부 정점에 위치하는 것을 의미한다. 이러한 위치에서 터빈들(3)은 수면에 가능한 가깝도록 구비될 수 있다. 추가적으로, 터빈들(3)을 이러한 위치로부터 들어올리기 위한 장치가 구비될 수 있다. 이것은 지지 구조물(1) 또는 스페이서(4)들 상의 수직 이동 가능한 유닛에 의해 실현될 수 있거나 수면으로부터 터빈(3)의 상부 부유와 연관되어 관련된 스페이서(4)로부터의 터빈들(3)들의 분리가 존재할 수 있다. 이와 다르게, 지지 빔(55)에 대한 각각의 스페이서(4)의 연결 지점에서의 분리가 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있다. 일반적인 발전기 동작에서 궤적이 도면의 평면에 있는 프로펠러와 같은 구조물을 갖는 두 개의 터빈들(3)이 도시되어 있다. 터빈들(3)은 해양의 저면 상에 서있고 상단부들이 수면(61) 위로 돌출된 필러와 같은 지지 구조물(1)에 연결되어 있다.
흐름의 변화 방향으로의 조정을 위하여 터빈들(3)은 필러 형상의 지지 구조물(1)을 따라 연장하는 제1 회전축(70.1)을 중심으로 회전될 필요가 있다. 본 발명에 따르면 상기 회전은 상기 피벗 모멘트와 함께 제1 피벗 조인트(5.1)를 중심으로 일어날 것이고, 이러한 피벗 모멘트는 제1 피벗 조인트(5.1)에 관련된 제1 수평 오프셋(a1)에 의해 동일한 편심 연결과 관련된 적어도 하나의 터빈(3)의 구동 드라이브에 의해 발생될 필요가 있다. 이러한 회전은 도 8a에 도시되어 있다. 추가적으로, 두개의 터빈들(3)에 대해 각각 제2 및 제3 회전축들(70.2, 70.3) 및 제2 및 제3 피벗 조인트들(5.2, 5.3)이 존재한다. 상기 연결 지점들에 마주하여, 터빈들(3)은 레버를 발생시키는 제2 수평 오프셋(a2)에 의해 편심되도록 배치된다. 상술한 본 발명의 실시예에 따르면, 도면의 평면에 직교하는 평면에서 각각의 터빈들(3)을 회전시키는 배열이 가능하다. 이것은 도 8b에 도시되어 있다. 이에 따라 상기 터빈들은 동일한 구동 드라이브 동안 상기 추진 파워는 수직하게 바라보며, 이러한 배치는 전체 터빈 유닛을 수면(61)을 향하여 위로 수직 지지 구조물(1)을 따라 이동시켜 보수 또는 수리를 수행하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 원리는 터빈(3)과 관련된 전기 기계(2)의 작동을 통해 터빈(3)의 회전 운동을 위한 구동 파워를 유발시키고 스페이서(4) 및 터빈(3)의 모듈을 회전 모멘트를 발생시키도록 피벗 조인트(5)에 대하여 편심되도록 배치시키는 것은 최적의 파워 입력을 위해 또는 어떤 서비스 지점들을 능동적으로 소유하기 위하여 터빈(3)을 능동적으로 위치시키는 것을 가능하도록 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 지지 구조물(1), 발전기 또는 모터로서 동작할 수 있는 적어도 하나의 전기 기계(2), 상기 지지 구조물의 피벗 조인트(5)에 스페이서(4)에 의해 연결되며 상기 전기 기계(2)와 적어도 간접적 구동 연결되고, 상기 전기 기계(2)가 발전기로서 작동될 때 주위 물 흐름에 의해 구동되는 적어도 하나의 터빈(3)을 포함하는 수중 발전소의 동작 방법에 있어서,
    상기 터빈(3) 및 스페이서(4)는 하나의 유닛으로서 조인트 축(70)에 대하여 제1 위치(10)에서 제2 위치(20)로 회전되고, 상기 회전 운동을 수행하는 토크는 구동 작동에서 상기 전기 기계(2)에 의한 상기 터빈(3)의 구동에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 터빈(3)은 상기 스페이서 상의 상기 터빈(3)의 힘 작용 위치 및 상기 피벗 조인트(5) 상의 상기 회전 이동을 위한 받침점 사이의 연결 라인에 직교하도록 연장하는 접선 방향의 힘 요소(9)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제1 위치(10) 및 상기 제2 위치(20)는 터빈(3) 및 스페이서(4)의 상기 유닛의 상기 회전 이동을 제한시키는 기계적인 정지들에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기계적인 정지들 중 적어도 하나는 터빈(3) 및 스페이서(4)로 이루어진 상기 유닛의 회전 범위 밖에서 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전이 수행될 때 상기 회전에 대하여 제동 운동 작용을 발생시키도록 제동 구성요소가 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제동 운동은 제어되거나 조정될 수 있는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 제1 위치로부터 제2 위치로의 회전 운동의 경우에 있어서 상기 제2 위치는 상기 제동 운동이 상기 회전 운동을 초과할 때 도달되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 운동의 수행 이후에 후방 이동을 막는 래칭(latching)이 있는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조인트 축(70)은 수직적 또는 수평적으로 연장하는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 이동은 상기 터빈(3)이 제1 유입 방향(30)을 위해 배열된 제1 위치(10) 및 상기 터빈(3)이 제2 유입 방향(40)을 위해 배열된 제2 위치(20) 사이에서 전방 및 후방 이동으로 수행되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 이동은 유지보수 또는 중립 위치까지 수행되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소의 동작 방법.
  12. 지지 구조물(1), 적어도 하나의 터빈(3) 및 발전기 또는 모터로서 동작할 수 있고 상기 터빈(3)과 적어도 간접적 구동 연결되는 적어도 하나의 전기 기계(2)를 포함하고,
    스페이서(4)가 상기 터빈(3) 및 상기 지지 구조물(1) 사이에 구비되고, 상기 지지 요소(4)의 일단부에 상기 터빈이 부착되고, 타단부에 지지 구조물(1)에 연결되는 피벗 조인트(5)가 존재하고,
    상기 피벗 조인트(5)의 연결 지점은 구동 작동에서 상기 전기 기계(2)에 의한 상기 터빈(3)의 구동 동안 발생하는 추진 파워(13)의 힘 작용선에 수평적 오프셋(a)의 형태로 편심을 갖는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 전기 기계(2)는 스페이서(4)에 설치되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 터빈(3) 및 스페이서(4)로 구성된 상기 유닛의 회전 이동에 대한 기계적 정지로 사용되고 상기 유닛이 상기 기계적 정지 상태에 있을 때 잠겨(lock)지도록 만들어진 적어도 하나의 정지 또는 잠금 요소(17.1, 17.2, 17.3)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 정지 및 잠금 요소(17.1, 17.2, 17.3)와 관련된 댐핑 장치가 구비되는 것을 특징으로 수중 발전소.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전 운동에 대해 작용하는 제동력을 발생시키는 제동 장치가 구비되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제동 장치는 제어된 또는 규칙적인 제동력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  18. 제 12 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 흐름 프로파일(41)이 터 빈(3) 상에 존재할 때 상기 수평 오프셋(a)은 상기 발전기 동작(14)에서의 상기 터빈 힘의 평균 힘 작용선이 상기 피벗 조인트(5)를 통해 실질적으로 연장하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  19. 제 12 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 평행추(12)는 상기 피벗 조인트(5)의 조인트 축(70)을 중심으로 한 상기 정적 토크가 균형을 이루도록 사용되고 정적 토크는 터빈(3) 및 스페이서(4), 그리고 내부에 수용된 구성요소들의 중량에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  20. 제 12 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 두개의 터빈들(3)이 서로 간접적인 방법으로 공통 지지 구조물(1)에 연결되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 적어도 두개의 터빈들(3)은 상기 조인트 축(70)과 일치하는 관련된 축과 구성요소를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
  22. 제 12 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 터빈(3)은 몇 개의 피벗 조인트들(5.1, 5.2, 5.3)과 관련되고 상기 터빈(3)은 각각의 피벗 조인트(5.1, 5.2, 5.3)에 대해 편심 연결을 갖는 것을 특징으로 하는 수중 발전소.
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