KR20090128416A - 조류로부터 에너지를 생성하기 위한 부유 장치 - Google Patents

조류로부터 에너지를 생성하기 위한 부유 장치 Download PDF

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KR20090128416A
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스베인 다그 헨릭센
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하이드라 타이달 에너지 테크놀로지 에이에스
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Abstract

본 발명은 물속의 조류로부터 에너지를 생성하기 위한 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 제 1 요소(10), 제 2 요소(20) 및 제 1 요소에 연결된 복수의 터빈 모듈(750)들을 포함한다. 상기 제 2 요소는 거의 수직으로 제 1 요소 위에 장착되고, 상기 제 1 요소는 물 표면 밑에 잠기며, 제 2 요소의 상부 부분은 플랜트가 가동 중일때 물 표면 위에까지 돌출한다. 본 발명은 또한 부유식 플랜트(10, 20)용 앵커 장치에 관한 것으로서, 이 앵커 장치는 각각의 끝 부분들 중 한 끝 부분에서 플랜트에 연결된 계류선(24a, 24b)들을 포함하며, 계류선(24a, 24b)들은 각각의 제 2 끝 부분들에서 부표(50, 52)들에 연결되며, 이 계류선(24a, 24b)들은 플랜트와 각각의 부표들 사이에서 실질적으로 수평방향으로 연장된다.
에너지 생성 장치, 터빈 모듈, 플랜트, 밸러스트 탱크, 킬, 스태빌라이저, 계류선, 부표, 앵커 장치

Description

조류로부터 에너지를 생성하기 위한 부유 장치{FLOATING DEVICE FOR PRODUCTION OF ENERGY FROM WATER CURRENTS}
본 발명은 청구항 제 1항과 제 6항의 전제부에 설명된 바와 같이 물속의 조류로부터 에너지를 생성하기 위한 장치에 관한 것이다. 이와 같은 플랜트는 바다, 호수, 강 및 그 외의 다른 형태의 물의 표면 밑의 조류를 이용한다. 이러한 조류는 예를 들어 해류, 조수의 변동 및/또는 물속의 지형(예컨대, 해협, 강바닥 또는 물속의 그 외의 다른 협곡)에 의해 발생될 수 있다.
해류로부터 에너지를 생성하기 위한 다수의 장치들과 방법들이 공지되어 있다.
노르웨이 특허출원번호 1999 1984호는 해류와 강의 조류로부터 전기에너지를 생성하기 위한 플랜트를 기술한다. 이 플랜트는 전체적으로 물 표면 밑에 위치되며 블레이드, 지지 시스템, 쇠줄 시스템(guy system) 및 제너레이터를 포함하는 여러 터빈들을 포함한다. 터빈의 샤프트는 물의 운동방향에 대해 수직으로 배향되며 블레이드는 날개 형태로 형성되어 이에 따라 터빈이 물의 운동방향과 무관하게 동일 한 방향으로 회전한다. 터빈의 샤프트는 지지 및 베어링 시스템 위에 장착된 부력 탱크(buoyancy tank)로 구조뼈대물 내에서 지지되고 플랜트는 모듈들로 구성된다. 이 플랜트는 물의 표면 밑에 고정된 쇠줄 시스템 및 상기 부력 탱크들로 조절된 양의 부력(positive buoyancy)를 가지며, 그 결과 상기 플랜트는 쇠줄 시스템에 의해 표면 밑에 고정된다. 이 플랜트는 전형적인 블레이드들을 사용한다.
US 4 864 152호는 링 폰툰(ring pontoon)으로 구성된 부유식 조류 파워 플랜트(floating water current power plant)를 기술하는데, 링 폰툰에 의해 볼라드(bollard)는 바닥의 앵커에 계류된다(moored). 모든 터빈들은 교체가능하고 공통 빔 위에 장착될 수 있으며 링 폰툰에 의해 형성된 영역 내에서 일체로 표면까지 피벗될 수 있다. 파워 플랜트는 볼라드 주위로 이동할 수 있으며, 이 볼라드의 상측 끝 부분은 앞부분 폰툰(fore pontoon)에 연결되고 볼라드의 바닥 끝 부분은 앵커들에 고정된다.
미국 특허 5,440,176호는 잠수형 워터 터빈 플랜트를 기술하는데, 이 플랜트는 레그 타입의 인장력의 잠겨있는 플랫폼 밑에 매달려진 서로 다른 터빈/제너레이터 조합들을 포함한다.
부유식 조수 파워 플랜트(floating tidal power plant)의 또 다른 예는 본 출원인의 국제특허출원 PCT/NO02/00249호(국제공보번호 WO03/006825 A1호)에 언급된다. 이 플랜트는 다수의 부력 요소(buoyancy element)들을 가진 플랫폼(바람직하게는 플랫폼의 각 코너부분에 한 개씩)을 포함하며 이에 따라 최소한의 변위만으로도 횡방향 및 종방향으로 안정성을 위한 필요조건들을 충족한다. 다수의 지지 암(supporting arm)들은 플랫폼으로부터 각각의 측면으로 연장되는데, 이 각각은 제너레이터 하우징을 고정한다. 지지 암들은 플랫폼 내의 부착점에서 힌지연결된다.
공지된 플랜트들은 실질적으로 해안의 물속에 위치되도록 설계되는데, 이 곳은 플랜트들이 넓은 바다 위에 있을 때보다 조력(wind force) 및 파력(wave force)이 더 완화된 지점이다. 하지만, 파워 플랜트를 바다에 또는 그 외의 다른 거친 외부환경에 둘 때 실질적인 에너지 회복 포텐셜(energy recovery potential)이 생긴다. 따라서 지금까지 공지된 플랜트보다 더 큰 외부환경의 힘들을 견딜 수 있는, 물속의 조류로부터 에너지를 생성하기 위한 플랜트에 대한 필요성이 제기된다. 노르웨이 특허출원번호 20070228호는 물속에 잠겨있기 위한 구조물 및 이 구조물에 연결된 복수의 터빈 모듈들을 포함하는, 물속의 조류로부터 에너지를 생성하기 위한 플랜트를 기술한다. 이 플랜트는 복수의 칼럼들을 포함하는데, 이 칼럼들은 각 끝 부분들 중 한 끝 부분에서 상기 구조물에 연결되며 게다가 부력 요소에 슬라이딩 가능하게 연결되며, 이 각각의 칼럼들은 상기 부력 요소에 선택적으로 및 구속해제 가능하게 부착될 수 있다.
하지만, 바다에 위치된 플랜트들은 파도와 바람에 의한 상당한 동력학적 하중들에 노출된다. 앞에서 언급한 바다에 위치된 플랜트에서, 물 표면 위에 위치된 부력 요소의 한 부분에는 파도와 바람 하중들이 가해질 수도 있는데, 이 하중들은 특히 플랜트의 횡단축 주위로 이 플랜트 전체가 상대적으로 실질적으로 움직이게 할 수도 있다. 이는 구조적인 문제를 야기할 뿐만 아니라 터빈의 효율성에 있어서 바람직하지 못한 영향을 끼칠 수도 있다. 따라서 실질적인 외부환경의 힘들에 대해 덜 민감한 플랜트에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명에 따르면, 물속의 조류로부터 에너지를 생성하기 위한 장치가 제공되는데, 이 장치는 제 1 요소, 제 2 요소 및 제 1 요소에 연결된 복수의 터빈 모듈들을 포함하며, 제 2 요소는 거의 수직으로 제 1 요소 위에 장착되고, 제 1 요소는 물 표면 밑에 잠기며, 제 2 요소의 상부 부분은 플랜트가 가동 중일때 물 표면 위에까지 돌출한다.
제 1 요소에는 킬(keel)과 밸러스트 탱크(ballast tank)들이 제공되는 것이 바람직하다. 또한 제 1 요소에는 스태빌라이저들이 제공되는 것이 바람직한데, 제 1 요소의 2개의 끝 부분들에 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 부유식 플랜트용 계류 장치(mooring device)도 제공되는데, 이 계류 장치는 각각의 끝 부분들 중 한 끝 부분에서 플랜트에 연결된 계류선들을 포함하며, 상기 계류선들은 각각의 제 2 끝 부분들에서 물 표면 밑 선들과 각각의 부착점들에 의해 부표(buoy)들에 연결되며, 이 계류선들은 플랜트와 각각의 부표들 사이에서 실질적으로 수평방향으로 연장된다.
이 부표들은 계류선(26a, 26b, 26c)들에 의해 물 표면 밑 바닥 위의 각각의 앵커들에 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들은 특허청구범위들 뿐만 아니라 첨부된 도면들을 참조하는 하기 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 이 도면들은 단지 전형적인 실시예들을 예시하는 것으로 이해되어야 하며 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 도면에서 유사한 부분들은 유사한 도면부호들로 표시된다.
도 1은 본 발명에 따른 플랜트의 실시예를 도시한 투시도.
도 2는 본 발명에 따른 플랜트의 실시예를 도시한 끝 부분 도면.
도 3은 도 2에 예시된 플랜트의 측면도.
도 4는 본 발명에 따른 플랜트의 실시예를 위에서 본 도면.
도 5는 본 발명에 따른 계류 시스템을 도시한 도면.
도 6은 도 5에 예시된 시스템에 상응하는 계류 시스템을 도시한 도면으로서, 여기서는 여러 플랜트들이 일렬로 함께 연결된다.
본 발명에 따른 플랜트(plant)는 표면(S) 밑 물속에 부분적으로 잠겨 있기에 적합하다. 이 플랜트는, 도 1에 예시된 바와 같이, 바람직하게 물밑 구조물(underwater structure)인 제 1 바디(10)와 바람직하게 상부방향으로 돌출하는 제 2 바디(20)를 포함하는데, 도 1에서는 물속에서 플랜트가 작동 위치에 위치될 때 물 표면(S) 위로까지 돌출하는 제 2 바디(20)의 일부분을 볼 수 있다. 도 1은 이 구조물(10, 20)들이 선체형 몸체(hull-shaped body)일 때의 실시예를 예시한다.
제 2 바디(20)(이제부터는 타워(20)로 언급될 것임)는 또한 제어실(31)과 플랜트의 작동을 위한 그 외의 다른 장비와 설비들을 포함하며, 이 설비들은 물밑 구조물(10)에 대한 액세스 채널(도시되지 않음)들과 밸러스트 탱크(도시되지 않음)들을 포함한다.
돌출된 지지 암(40)들은 물밑 구조물(10)에 장착된다. 도면에서 예시된 바와 같이, 지지 암들은 각각의 구조물(10)의 마주보는 측면들에 장착되는 것이 바람직하다. 도면에서 지지 암(40)들은 트러스(truss) 구조물들로서 도시되어 있으나 종래 기술의 해당 업계 종사자들은 그 외의 다른 구조물들도 가능하다는 것을 이해할 것이다. 각각의 지지 암(40)들의 각각의 외부 끝 부분들에서 각각의 터빈 모듈(750)들이 제공된다.
본 명세서에서, "터빈 모듈"은, 조류로부터 에너지가 생성되게 하기에 필요한 그 외의 다른 부품들과 함께, 터빈, 허브, 피치 제어 시스템 등에 연결하기 위한 샤프트를 가질 수도 있는 기계장치 하우징(machinery housing, 752) 및 하나 또는 그 이상의 터빈(400)을 포함하는 모듈을 언급하는 것으로 이해되어야 한다.
해당 업계 종사자들이 이해하는 것처럼, 터빈(400)은 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 개별적인 터빈 블레이드들을 포함할 수 있다. 하기에서, "터빈"은 터빈 블레이드의 개수에 무관하게, 일반적으로 사용될 것이다.
도 1, 도 3 및 도 4는 두 개의 터빈(400)을 가진 터빈 모듈(750)들을 도시하는데, 각각의 기계장치 하우징(752)의 각각의 끝 부분에 하나씩 배열되는 것이 바람직하다. 이 형상에서 2개의 터빈은 역회전되도록 배열될 수도 있다.
선택된 제너레이터 해결사항에 기초하여, 기계장치 하우징(752)은, 다른 것들 중에서, 선들에 의해 유압식 전기 제너레이터를 작동시키는 유압식 터빈(펌프)들을 포함할 수 있다. 상기 전기 제너레이터는, 예를 들어, 타워(20) 내에 또는 물밑 구조물(10) 내에 위치될 수 있다. 또 다른 변형예에서, 기계장치 하우징(752)은 종래 기술의 해당 업계 종사자에게 공지된 방식으로 회전에 의해 전력을 생성하는 종래의 제너레이터들을 포함할 수 있다. 또 다른 변형예에서, 기계장치 하우징(752)은, 예컨대, 노르웨이 특허출원 2002 0800호에 기술된 것과 같은, 역회전 제너레이터(counter-rotating generator)들을 포함할 수도 있다.
타워(20)는, 플랜트의 종축을 따라 마주보는 방향으로 배열된, 테이퍼된 부분(22)들을 가진 실질적으로 관형 요소로서 예시된다. 하지만, 유사한 기능을 수행한다면, 그 외의 다른 타워 횡단면 형태(예컨대 타원형, 직사각형)와 형상(예컨대 트러스 구조물)도 본 발명에 의해 포함되는 것으로 간주되어야 한다. 테이퍼된 부분(22)들은 플랜트가 조류에 노출될 때 저항이 감소되는 효과를 가지며, 이에 덧붙여 이 테이퍼된 부분들은 플랜트에 반대로 표류하는 물체들을 저지하는데 도움을 줄 것이다.
도 1은 물밑 구조물(10)에 킬(keel, 14)이 제공된, 본 발명에 따른 실시예를 예시한다. 바람직하게, 이 킬(14)에는 추가적인 중량이 구비될 수 있다. 또한 물밑 구조물(10)에는 스태빌라이저(12)들이 제공되는 것이 바람직한데, 도 1과 도 4에 예시된 바와 같이, 특히 물밑 구조물(10)의 각각의 끝 부분들에 쌍으로 배열된다. 이 스태빌라이저(12)들은 물밑 구조물(10)에 고정식으로 또는 회전가능하게 장착될 수 있다. 킬(14) 및 스태빌라이저들은 모두 도 2와 도 3에서 도시되지 않는다.
플랜트가 물속에 있을 때, 플랜트는 공지된 방식으로 상기 플랜트에 부착된 앵커 체인(또는 선, 케이블 또는 로프 등등; 이제부터는 계류선(mooring line)들로 지칭함)들에 의해 예컨대 해저(seabed)에 고정될 수 있다. 도면에서, 계류선(24a, 24b)들은 물밑 구조물(10)의 각각의 끝 부분들에 부착된다. 도 1, 도 3 및 도 4는 계류선(24a, 24b)들의 부분들을 예시한다. 계류선들을 플랜트에 고정시키고 이를 조절하는 데 관한 추가적인 세부사항들은 설명을 간결하게 하기 위해 생략되었는데, 이는 상기 세부사항들이 종래 기술에 공지되어 있기 때문이다. 이와 같은 방식으로, 플랜트 제어와 전력 송출을 위한 케이블 부착도 생략되었는데, 이는 이러한 작업들이 종래 기술의 해당 업계 종사자에 잘 공지된 방식으로 수행되기 때문이다.
바람직하게, 물밑 구조물(10)과 타워(20)는 둘 다 밸러스트 탱크(도시되지 않음)들을 포함하며, 이 탱크들을 밸러스트하고(ballasting) 디-밸러스트(de-ballasting) 함으로써 플랜트의 위치를 올리고 내리는 것을 제어하도록 하게 한다.
도면에 도시된 바와 같이, 지지 암(40)들은 물밑 구조물(10)에 대해 거의 수직으로 장착되는 것이 바람직하다. 그러나 이렇게 거의 수직으로 배열되는 것이 바람직하긴 하지만, 본 발명은 지지 암들과 물밑 구조물 사이에 엄밀하게 수직적인 관계에 제한되는 것은 아니다. 해당 업계 종사자는 완화된 2면각 형상(dihedral configuration)으로 지지 암들이 장착될 수 있으며 이에 따라 작동 동안 물밑 구조물(10)이 물 표면(S)까지 또는 물 표면 위로 올라갈 때 플랜트를 틸트(tilt)할 필요성이 줄어들 수 있음을 이해할 것이다. 하지만, 이는 터빈 모듈을 물 표면(S) 위 로까지 들어올리기 위하여 플랜트 내의 여분의 부력 용량(buoyancy capacity) 및 지지 암들 내의 더 큰 강도를 필요로 할 것이다.
도 5에서 플랜트가 물속에 있을 때 새로운 플랜트용 앵커 시스템이 예시된다. 도시된 플랜트(10, 20)는 작동 조건에 있게 되며 물밑 구조물(10)은 잠겨져 있고 타워(20)는 물 표면(S) 위로 부분적으로 돌출한다.
위에서 언급한 바와 같이, 계류선(24a, 24b)들은 이 계류선들의 끝 부분에서 물밑 구조물(10)의 각각의 끝 부분들에 연결된다. 계류선(24a, 24b)들의 각각의 제 2 끝 부분들은 둘 다 물 표면(S)에서 부유한 채 도시된 개별적인 부표(buoy, 50, 52)들에 연결된다. 이 부표들은 각각의 앵커(29a, 29b, 29c)들에 연결된 하부 계류선(26a, 26b, 26c)들에 의해 해저(B)에 고정된다. 도 5에 예시된 바와 같이, 계류선(24a, 24b)들은 적절한 길이의 선(28)들과 적절한 연결점(27a, 27b, 27c, 27d)들에 의해 부표(50, 52)들에 연결되는 것이 바람직할 수 있다. 이런 방식으로 계류선(24a, 24b)들의 각각의 제 2 끝 부분들은 계류선(24a, 24b)들의 제 1 끝 부분들이 물밑 구조물(10)에 연결된 물 표면(S) 밑 높이에 실질적으로 상응하는 물 표면(S) 밑 높이에서 연결점(27a, 27b, 27c, 27d)들에 연결된다.
이러한 종류의 앵커 시스템에 따라 계류선(24a, 24b)들은 가능한 물속에서 수평방향으로 연장된다. 이에 따라 플랜트(10, 20)는 실질적으로 수평방향 인장하중들에 노출되며 상기 플랜트는 가능한 물속에서 수평방향으로 유지된다. 따라서 종래의 앵커 시스템을 사용할 때 일반적으로 경험하던 힘의 수직 성분은 피하게 된다. 타워(10)의 적절한 형태와 조합하여, 이러한 앵커 시스템은 물속에서, 심지어 는 파도가 험한 바다에서, 플랜트의 피치를 감소시키는 데 도움을 준다.
제안된 부표 앵커 시스템의 핵심적인 특징에 따르면, 플랜트가 작동 중일 때(예컨대 생산 하중/항력이 거의 160 내지 180톤 정적 하중 + 추가적인 동적 하중) 플랜트를 제자리에 고정하는 앵커선(anchor line)은 플랜트(10, 20)에 실질적으로 수직 하중 성분을 제공하지 않는다. 예를 들어, 거의 200톤의 계류선(24a, 24b)의 인장력, 거의 20°의 하부 계류선(26a 또는 26b, 26c)과 해저 사이의 각도 및 거의 150미터의 전체 계류선 길이는 부표에 거의 70톤의 부력을 위한 필요조건을 제공할 것이다. 예를 들어, 부표(50, 52)는 이 부표들이 물 표면(S)을 통과할 때 70톤의 부력을 가지도록 설계될 수 있다. 게다가, 예컨대 부표가 물 표면(S)의 3미터 밑에 가라앉아 있다 하더라도 이 부표가 항상 거의 동일한 부력을 가지는 것이 핵심적이다. 하지만, 이 경우, 예를 들어, 힘들이 가정된 최대값을 초과하여 증가될 때, 바닥(B) 밑으로 그리고 플랜트 내로의 계류선 사이의 각도는 아마도 거의 16°로 동시에 줄어들 것이다. 이에 따라 부표에 제공되는 부력을 위한 필요조건도 또한 거의 60톤으로 줄어들 것이다. 만약 플랜트와 부표 사이의 거리가 거의 100미터인 경우에는, 플랜트 내로의 각도는 단지 약 1.25°만큼만 변경될 것이다. 따라서 이 시스템은 각도가 감소함에 따라 부표에서 부력 필요조건이 줄어들기 때문에 독특하다.
도 6은 함께 일렬로 연결된, 도 5에서와 같은 일련의 장치를 예시한다. 플랜트(10', 20')는 위에서 언급된 플랜트(10, 20)의 업스트림 또는 다운스트림에 일렬로 설치된다. 플랜트(10', 20')는 계류선(24a')에 의해 하부 계류선(26b')에 연결 되고 앵커(29b')는 연결점(27a)에 의해 부표(52)에 연결된다. 플랜트(10, 20)의 좌측면 위에서, 계류선(24b")은 상응하는 플랜트가 플랜트(10, 20) 좌측면 위에 장착되는 것을 표시한다. 이런 방식으로 여러 플랜트가 일렬로 연결될 수 있으며, 각각의 방향으로 최소 하나의 앵커와 각각의 플랜트의 각 측면 위에 최소 하나의 부표가 있을 수 있다. 대안으로, 각각의 방향에서 부표로부터 멀어지는 몇 개의 앵커들이 사용될 수도 있다. 이에 따라 횡방향 표류(lateral drift)를 덜 받게 될 것이다.
대안으로, 일렬의 여러 파워 플랜트는 파워 플랜트들 사이에서 오직 하나의 부표를 사용하는 것과도 조합될 수 있는데, 이는 거의 매 6시간 마다 거꾸로 바뀌는 조류의 방향에서 오직 인장력만 있기 때문이다. 이러한 장치에서 계류선들이 서로 마찰되는 것을 방지하기 위하여, 한 방향에서 오직 하나의 앵커를 사용하며 그 외의 다른 방향에서는 가능하게 2개를 사용하는 것이 이상적일 수도 있다. 투시도를 참조하라.
계류선으로서, 체인, 강철 와이어 및 인조섬유 로프의 조합을 사용하는 것도 가능하다.

Claims (7)

  1. 제 1 요소(10), 제 2 요소(20) 및 제 1 요소에 연결된 복수의 터빈 모듈(750)들을 포함하는, 물의 몸체 속의 조류로부터 전기에너지를 생성하기 위한 장치에 있어서,
    제 2 요소는 거의 수직으로 제 1 요소 위에 장착되고, 제 1 요소는 물 표면 밑에 잠기며, 제 2 요소의 상부 부분은 플랜트가 가동 중일때 물 표면 위에까지 돌출하는 에너지 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    제 1 요소에는 밸러스트 탱크들이 구비되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    제1 요소에는 킬(14)이 제공되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    제 1 요소에는 스태빌라이저(12)들이 제공되는데, 제 1 요소의 2개의 끝 부분들에 제공되는 것이 바람직한 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    터빈 모듈(750)들은 각각의 지지 암(40)들에 의해 제 1 요소(10)에 연결되는 것을 특징으로 하는 에너지 생성 장치.
  6. 각각의 끝 부분들 중 한 끝 부분에서 플랜트에 연결된 계류선(24a, 24b)들을 포함하는, 부유식 플랜트(10, 20)용 앵커 장치에 있어서,
    계류선(24a, 24b)들은 각각의 제 2 끝 부분들에서 물 표면(S) 밑 선(28)들과 각각의 연결점(27a, 27b, 27c, 27d)들에 의해 부표(50, 52)들에 연결되며, 이 계류선(24a, 24b)들은 플랜트와 각각의 부표들 사이에서 수평방향으로 연장되는 앵커 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    부표(50, 52)들은 계류선(26a, 26b, 26c)들에 의해 물 표면 밑 바닥(B) 위의 각각의 앵커(29a, 29b, 29c)들에 연결되는 것을 특징으로 하는 앵커 장치.
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