KR20100114024A - 파력 발전 장치 - Google Patents

Abstract

파력 발전 장치는 물속에서 실질적으로 수직한 자세로 부동하는 길이가 긴 제1 부동 바디(1)를 포함한다. 파력 발전 장치는 또한 제1 부동 바디(1)를 둘러싸는 한편, 파도에 응답하여 제1 부동 바디(1)에 대해 이동하도록 된 제2 부동 바디를 포함한다. 또한, 파력 발전 장치는 제1 부동 바디와 제2 부동 바디 사이에 결합되어 제2 부동 바디로부터 운동 에너지를 제1 부동 바디 상의 적어도 하나의 발전기(8)로 전달하는 에너지 전달 수단(5, 6; 52, 53)을 포함한다. 제1 부동 바디(1)는 텐션 레그(16)에 의해 해저에 고정되며, 이 텐션 레그에는 제1 부동 바디(1)가 파도로 인해 수직 방향으로 이동하는 것을 방지하기에 충분한 장력이 걸린다. 제1 부동 바디는 물의 최저 수위 아래에 위치하는 밸러스트 챔버(29, 30)를 구비한다.

Description

파력 발전 장치{APPARATUS FOR WAVE POWER GENERATION}

본 발명은 첨부한 청구항 1의 전제부에 따른 파력 발전 장치에 관한 것이다.

최근 수년에 걸쳐 파력 에너지 발전 장치를 개발하기 위해 수많은 시도가 있어 왔다. 그러한 장치에 대한 과제는 많으며, 아래와 같이 요약할 수 있다.

- 모든 비용(제조, 유지 보수 및 작동)을 포함시켰을 때에 경쟁력 있는 가격으로 에너지를 생성할 수 있는 장치를 개발해야 한다. 이는 그 장치가 단순하고 저렴해야 함을 의미한다.

- 충분한 작동 신뢰성을 달성해야 한다. 바다에서 매우 변덕스런 기후 조건은 그 장치를 큰 스트레스에 노출시킨다. 그 장치는 상당한 손상이 발생하지 않고 적어도 20년 간의 폭풍에 견딜 수 있어야 한다.

- 상당히 규칙적으로 에너지를 급송할 수 있어야 한다. 이는 그 장치가 넓은 범위의 진폭 및 진동수에 걸친 작은 파도와 큰 파도 모두로부터 에너지를 급송할 있어야 함을 의미한다.

파력 발전의 원리는 EP 1295031로부터 공지되어 있다. 이는 서로에 대해 이동하도록 설치된 2개의 바디와 관련이 있다. 이 경우에, 중앙의 부동 바디가 링 형상의 부동 바디에 의해 에워싸인다. 각각의 바디는 부분적으로 바닷물을 부분적으로는 공기를 받도록 설치된 물에 잠긴 바디에 로드를 통해 연결된다. 이에 의해, 잠긴 바디는 가상 질량체(virtual mass)를 구성한다. 이 가상 질량체를 조정함으로써, 2개의 부동 바디가 상이한 위상으로 스윙하여 서로에 대해 이동하게 한다.

2개의 바디를 반대의 위상으로 스윙하게 하여 충분한 에너지 수율을 달성하기에는 어려운 것으로 알려졌었다. 파도의 진동수는 시간이 지남에 따라 변화하며, 이는 2개의 바디가 대부분의 경우에 다소 동일한 위상으로 스윙하게 될 것이라는 점을 의미한다. 2개의 바디가 반대의 위상으로 스윙하도록 하기 위해서는 가장 큰 바디가 가장 작은 바디에 비해 적어도 2배는 무거워야 한다. 이러한 식으로, 2개의 바디가 반대의 위상으로 스윙하게 하는 데에 성공하더라도, 가장 작은 바디가 생성할 수 있는 것보다 큰 에너지 수율은 여전히 달성할 수 없을 것이다. 따라서, 2개의 바디가 서로에 대해 자유로이 상대 운동하는 그러한 시스템에서는 에너지 수율이 매우 제한된다. 게다가, 공지의 장치는 제조하기가 매우 복잡하여, 킬로와트당 비용을 증가시킨다.

ES 2193821의 장치는 2개의 부이(buoy)를 구비하는 데, 하나의 중앙 부이는 해저에 고정되며, 링형 부이는 원격 전달 수단을 통해 중앙 부이에 연결되어 부동한다. 중앙 부이는 운동이 제한되도록 해저에 고정된다. 따라서, 중앙 부이의 운동은 링형 부이에 비해 느리다. 이는 중앙 부이가 부분적으로는 링형 부이와 함께 이동하고 부분적으로는 링형 부이와 반대의 위상으로 이동함을 의미한다. 또한, 중앙 부이의 운동은 조수(潮水)의 변화에 따라 달라질 것이다. 낮은 간조에서는 높은 조수에서보다 파도에 의해 더 많이 움직일 것이다. 중앙 부이가 많이 이동할수록 발전 설비의 효율은 낮아질 것이다. 게다가, 강한 조류에서는 중앙 부이가 해저의 고정 지점에 대해 측방향으로 잡아 당겨진다. 이에 의해, 중앙 부이는 물 속에서 다소 한쪽으로 기울어진 상태로 되며, 이에 따라 링형 부이도 그렇게 될 것이다. 물에서 그렇게 기울어진 자세는 본래 추가적인 효율 감소를 초래한다는 점 외에도, 링형 부이와 중앙 부이 간의 마찰도 역시 증가할 것이다.

중앙 부이가 물의 유입에 대해 빈틈 없이 밀봉되어 있다는 점은 중앙 부이가 코르크처럼 부동하여 매우 작은 측방향 힘만으로도 중앙 부이가 상당히 기울어진 자세로 될 수 있음을 의미한다.

해저로 뚫고 들어가는 칼럼을 포함하는 파력 에너지 발전 장치가 미국 특허 제5,986,349호로부터 개시되어 있다. 그 칼럼의 상부에는 실린더가 배치되고 그 둘레에 부동 링이 배치된다. 부동 링은 서로 독립적으로 운동하는 4개의 세그먼트들로 분할되어 있다. 그러나, 그 세그먼트들은 플랜지에 의해 서로 연결된다.

실린더는 레일 상에서 칼럼에 대해 수직으로 이동할 수 있다. 부동 링의 세그먼트들은 힌지를 통해 실린더에 연결되어 실린더에 대해 이동할 수 있다. 파력 에너지는 부동 링과 실린더 사이에서 연장하는 유압 액추에이터에 의해 흡수된다.

또한, 실린더의 저부에 연결구를 통해 부착된 파력 증폭기에 대해 개시하고 있다. 이 파력 증폭기는 수직 각도를 조절할 수 있도록 실린더에 부착된 2개의 플레이트를 포함한다. 파력 증폭기는 파도의 진폭을 증가시켜 링의 세그먼트들이 그렇지 않은 경우보다 더 많이 상승하게 할 것이다.

실린더가 칼럼 상에서 이동하도록 배치됨에 따라, 그 실린더는 파도에 의해 이동할 것이며, 에너지 수율은 링의 세그먼트들과 액추에이터 사이의 상대 운동으로 인해 최소한으로 될 것이다.

실린더가 가만히 유지되는 경우, 에너지 수율은 링의 세그먼트들이 실린더에 대해 특히 긴 이동 경로를 갖지 못하기 때문에 여전히 작을 것이다.

실린더가 고정 칼럼 상에 배치되기 때문에 실린더에 밸러스트 챔버(ballast chamber)를 설치할 필요가 없다.

고정 칼럼의 설치는 비용 및 노동 집약적일 것이다. 고정 칼럼은 강해야 함은 물론, 해저에 강력하게 고정되어야 한다(즉, 충분한 침투 깊이를 가져야 함).

WO 2006/113855에서는 주변에 부동 링이 있는 부동 실린더를 개시하고 있다. 그 실린더는 해저에 느슨하게 고정되는 데, 이는 ES 2193821과 관련하여 지적한 바와 동일한 문제점을 겪을 수 있음을 의미한다.

WO 01/73289에서는 중앙의 실린더와 이를 둘러싸는 링 형상의 부동 바디를 포함하는 파력 에너지 발전 장치를 개시하고 있다. 2개의 유압 액추에이터가 에너지를 발생시킨다. 중앙 실린더는 부력 챔버와, 하단부에 챔버로서 설명하는 유닛이 설치된다. 이 챔버는 물을 수용하여 밸러스트로서 기능할 수 있다. 파력 발전 설비의 고정은 느슨하다. 따라서, 그러한 발전 설비는 ES 2193821과 동일한 문제점을 겪을 것이다.

따라서, 본 발명은 파도의 조건, 즉 파도의 진동수, 파도의 진폭, 파도의 형상에 관계없이 대략 동일한 효율을 갖는, 서두에서 설명한 형태의 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 장치는 또한 조수의 높이에 관계없이 대략 동일한 효율로 작동할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 그 구조를 단순화시켜 제조 및 작동이 비교적 저렴하도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 손상되는 일 없이 악천후에서 견딜 수 있게 강건하도록 하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적 및 기타 목적은 본 발명에 따르면, 중앙 부동 바다를 하나 이상의 텐션 레그(tension leg)를 통해 해저에 고정시켜 중앙 부동 바다가 파도의 영향으로 인해 수직 방향으로 이동하는 것이 허용되지 않도록 한다는 점에서 달성된다.

본 발명의 유리한 실시예들은 종속항들에서 확인할 수 있다.

본 발명에 따르면, 파도의 조건, 즉 파도의 진동수, 파도의 진폭, 파도의 형상에 관계없이 대략 동일한 효율을 갖는 한편, 조수의 높이에도 관계없이 대략 동일한 효율로 작동할 수 있는 파력 발전 장치가 제공된다.

본 발명은 이하에서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 파력 에너지 발전 장치를 도시한다.
도 2는 도 1의 파력 에너지 발전 장치의 중앙 부동 바디를 도시한다.
도 3은 도 1에서의 링형 바디를 통한 수직 단면도를 도시한다.
도 4는 도 1에서의 링형 바디를 통한 수평 단면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 파력 에너지 발전 장치의 대안적인 제1 실시예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 대체로 본 발명에 따른 장치에 역삼투압 장치가 어떻게 구비될 수 있는 지를 도시한다.
도 7은 링형 바디로부터 힘을 전달하는 데에 체인을 이용하고 있는, 본 발명에 따른 파력 에너지 발전 장치의 제2 실시예를 도시한다.
도 8은 제1 기계식 실시예에서 열로 인한 중앙 바디의 팽창을 보상하는 장치를 도시한다.
도 9는 제2 실시예에서 열로 인한 중앙 바디의 팽창을 보상하는 장치를 도시한다.
도 10은 유압식 실시예에서 열로 인한 중앙 바디의 팽창을 보상하는 장치를 도시한다.
도 11은 에너지를 취하는 데에 복동식 실린더들을 이용하는 본 발명의 대안적인 제3 실시예를 도시한다.
도 12는 복동식 실린더들 중 하나의 상세도이다.
도 13은 파력 발전 설비의 상부의 회전 휘일의 상세도이다.
도 14는 부동 바디가 아래쪽으로 이동할 때에 유압식 파력 에너지 발전 시스템의 작동 모드를 도시한다.
도 15는 부동 바디가 위쪽으로 이동할 때에 유압식 파력 에너지 발전 시스템의 작동 모드를 도시한다.
도 16은 텐션 레그를 통해 고정된 다수의 부동 바디를 갖는 플랫폼을 도시한다.

도 1에서는 본 발명에 따른 파력 에너지 발전 장치를 도시하고 있다. 이 파력 에너지 발전 장치는, 긴 실린더 형태를 하고 바람직하게는 예를 들어 폴리에틸렌제 플라스틱 파이프나, 플라스틱 매트릭스 내에 보강 섬유가 있는 복합재 파이프로 제조되는 중앙 부동 바디(1)를 포함한다. 이 중앙 바디 주위에는 파력 에너지 발전 요소로서 기능을 하는 링형 부동 바디(2)가 배치된다. 링형 바디(2)는 중앙 바디와 동일한 재료로 제조될 수 있고, 예를 들면 글라이딩 슈우(gliding shoes) 또는 도시한 바와 같이 롤러(3)를 통해 미끄럼 운동할 수 있도록 중앙 바디(1)에 장착된다. 예를 들면 도시한 2개의 로드와 같이 다수의 로드(4, 5)가 링형 바디(2)에 고정되어, 중앙 바디 상의 발전기(8)에 샤프트(7)를 통해 연결된 각각의 휘일(6)(이들 중 하나만이 도면에 도시되어 있음). 로드(4, 5)는 바람직하게는 도시한 바와 같이 중앙 바디(1) 상의 해당 이어(ear)(9)를 통과하여 로드(4, 5)가 축방향으로만 이동하도록 보장한다. 로드(4, 5)는 바람직하게는 이붙이 로드이며, 휘일(6)은 바람직하게는 대응하는 이붙이 휘일이다.

링형 바디(2)가 중앙 바디(1)에 대해 회전하는 것을 방지하기 위해, 안내 로드(10, 11)가 중앙 바디(1) 상의 해당 브래킷(12, 13) 사이에서 연장하게 배치된다.

중앙 바디(1)에는 앵커 링(15)에서 모이는 포크 형태의 앵커 요소(14)가 장착되어 있다. 링(15)에서 해저로 텐션 레그가 연장한다. 텐션 레그에 정확한 장력을 제공하기 위해, 중앙 바디(1) 상의 적절한 위치에 지거 윈치(jigger winch)가 배치될 수 있다. 지거 윈치는 유압 실린더를 포함하며, 그 피스톤 로드에는 하나 이상의 와이어 디스크가 배치되고 반대측 단부에서 와이어가 디스크들을 1회 또는 다수회 지나가게 배치되어, 실린더를 작동시킴으로서 와이어가 풀리거나 감기도록 할 수 있다. 따라서, 큰 조수 편차를 보상할 수 있다. 조수 편차가 비교적 중간 정도인 경우에, 조수와는 관계없이 링형 바디(2)의 파도에 의한 이동이 브래킷(12, 13)들 사이의 영역 내에 항시 놓이도록 링형 바디(2)의 이동 거리를 적응시키기에 충분할 수 있다. 따라서, 링형 바디(2)는 높은 조수에서는 그 영역의 상측 부분에서 이동하고, 낮은 조수에서는 그 영역의 하측 부분에서 이동하는 한편, 중앙 바디(1)는 항시 해저에 대해 동일한 거리에 위치할 것이다.

중앙 바디(1)는 도 2에 가장 잘 도시되어 있다. 그 중앙 바디는 파이프(17)를 포함하며, 파이프(17)의 내부를 다수의 챔버로 분할하는 다수의 데크(18, 19, 20, 21, 22, 23)가 배치되어 있다. 그 챔버들에 대한 출입을 제공하도록 그 대부분에는 맨홀(24, 25, 26, 27)이 마련되어 있다. 하부 챔버(28)는 물이 유입될 수 있도록 아래에서 개방되어 있다. 아래에서부터 그 다음 챔버(29)는 맨홀(24)에서만 개방된다. 그러나, 맨홀(24)은 수밀 뚜껑(도시 생략)에 의해 밀봉되어, 챔버(29)가 수밀 상태로 되고 트리밍 탱크(trimming tank)로서 기능할 수 있다. 다음 챔버(30)는 또한 워터홀(25)의 앞에 수밀 뚜껑에 의해 밀봉되어, 역시 트리밍 탱크로서 기능할 수 있다. 챔버(31)는 추가적인 부력 챔버이다.

챔버(32)는 파력 발전 장치에 탑재된 장비의 작동을 위한 배터리(34)의 팩(도 1 참조)을 수용하도록 구성될 수 있다. 챔버(33)는 발전기(8)를 수용하도록 구성된다. 이들 두 챔버는 모두 맨홀 앞의 도어(도시 생략)에 의해 밀봉된다. 챔버(32, 33)가 항시 수선(waterline) 위에 항시 있도록 수선이 데크(20)와 데크(21) 사이에 놓이게 될 것이다.

파력 발전 설비의 양호한 작동을 달성하고 가능한 최고의 효율을 달성하기 위해서는 중앙 바디가 해저에 대해 긴장 상태로 고정되어 있는 것이 중요하다. 중앙 바디의 부력으로 인해 가해지는 장력은 항시 적어도 파력 발전 설비의 중량과 동일한 값으로 되어야 하는 데, 다시 말해 파력 발전 설비의 중량이 2.5톤이라면 텐션 레그(16)에서의 장력은 적어도 2.5톤이어야 한다. 그러나, 그 장력은 전술한 경우에 약 5톤에 해당하는 파력 발전 설비의 중량의 2배가 바람직하다. 중량과 동일하거나 보다 큰 크기의 장력의 경우, 중앙 바디는 해저에 대해 매우 약간 이동할 것이다. 그 수직 이동은 수 센티미터 정도일 것이며, 텐션 레그(16)에서의 소정 탄성으로 인해서만 발생한다. 수평 이동은 1미터 정도일 것이다. 이러한 제한된 이동은 현저히 기울어진 자세를 야기하지 않으며, 중앙 바디는 항시 수직한 상태로 놓인다고 할 수 있다.

또한, 중앙 바디의 안정성에 대해 해수면 아래에 밸러스트 챔버가 있는 것이 중요하다. 모든 물 밸러스트는 항시 해수면 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 중앙 바디에 매우 양호한 안정성을 부여하는 한편, 텐션 레그의 높은 장력과 더불어 중앙 바디가 파도, 조수, 및 바람에 영향을 받는 경우더라도 수직 상태로 유지되도록 보장할 것이다.

링형 바디(2)의 허용 이동 거리에 의해 흡수될 수 있는 것보다 조수 편차가 큰 지역의 경우, 텐션 레그를 풀거나 감을 수 있는 지그 윈치 또는 기타 장치에 의해 중앙 바디(1)를 해저에 대해 상승 및 하강시킬 수 있다. 이러한 조절은 평균 수위를 측정하여 평균 수위가 링형 바디(2)의 허용 이동 거리의 대략 중간에 놓이도록 중앙 바디(1)의 수중 깊이를 조절함으로써 자동적으로 이루어질 수 있다. 그 조절은 또한, 파력 발전 설비의 컴퓨터에 입력된 조석표(tide table)에 대해 이루어질 수도 있다. 그러나, 그러한 조절 중에, 적어도 건조 상태에서의 파력 발전 설비의 중량에 상응하는 최소 장력이 텐션 레그에서 유지된다.

이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여, 링형 바디에 대해 보다 상세하게 설명할 것이다. 도 3에서는 링형 바디(2)를 통한 수직 단면도를 도시하고 도 4에서는 링형 바디(2)를 통한 수평 단면도를 도시한다. 본 명세서에서 있어서 수직 및 수평은 개개의 구성 요소들의 사용 위치를 설명하는 데에 이용된다.

링형 바디(2)는 동일한 직경의 파이프 섹션(40)들로 이루어진다. 이들 파이프 섹션(40)들은 각 단부(41, 42)에서 45°의 각도로 절단된다. 이러한 45°는 도시한 예에서는 8개인 파이프 섹션의 개수에 의해 360°를 분할한 것이다. 그 후에, 파이프 섹션(40m)들은 8각형을 형성하도록 함께 용접된다. 이러한 연결시에, 8각형은 대략 원형을 이루어, 실제로는 링형 바디(2)는 마치 원형인 것처럼 거동할 것이다. 그러나, 링형 바디(2)를 8개보다 많거나 적은 수의 섹션들로 구성하는 것도 생각할 수 있다. 특히 소형의 발전소의 경우에, 대략 링형의 바디 대신에 삼각형의 바디를 이용하는 것도 역시 예상할 수 있다. 파이프 섹션들을 각 단부에서 동일한 각도로 절단하기 때문에, 템플릿으로서 기능을 하는 파이프를 절단 기계에 배치하여, 매번 새로이 절단할 때마다 파이프를 그 자신의 축선을 중심으로 180°회전시키거나, 절단 공구를 매 절단시마다 상보적으로 대응하는 각도로 선회시키면 된다. 따라서, 어떠한 파이프 재료도 낭비되지 않을 것이다.

링형 바디(2)의 내주부에는 일련의 브래킷이 용접된다. 4개의 브래킷(43)은 수평 이어(ear)를 포함하며, 2개의 직경 방향으로 대향하는 브래킷(43)은 발전기(8)에 운동을 전달하는 로드(4, 5)를 고정시키도록 구성되는 한편, 다른 2개의 브래킷(43)은 안내 로드(10, 11)를 둘러싸도록 구성된다. 다른 브래킷(44)에는 도 1에 도시한 바와 같이 롤러(3)가 설치된다.

대안적으로, 브래킷(44)은 링형 바디(2)의 중심을 향해 다소 연장하여, 본질적으로 중앙 바디(1)를 향한, 어쩌면 중앙 바디 상에 배치된 가이드 레일(도시 생략)을 향한 안내면을 형성한다.

안내 로드(10, 11)가 브래킷(43)의 구멍을 통과하는 대신에, 그 안내 로드들이 링형 바디(2)의 회전을 방지하도록 2개의 해당 브래킷 사이에 배치될 수 있다. 이 경우, 안내 로드는 중앙 바디(1)의 외면 상에 예를 들면 용접 등에 의해 영구적으로 장착된 레일로 대체될 수 있다.

링형 바디(2)는 바람직하게는 공기로 채워지며 수밀 상태로 되어 있다. 그러나, 예를 들면 링형 바디(2)를 가변적인 밸러스트를 이용하여 밸러스팅함으로써, 링형 바디(2)의 특정 진동수를 그 지역의 지배 진동수에 적응시킬 수 있도록 하는 것도 생각할 수 있다.

도 1에는 중앙 바디에 소위 LIDAR(Light Detection And Ranging) 유닛(35)이 설치된 것이 도시되어 있다. 본 발명에 따란 파력 에너지 발전 유닛의 특별한 용례에서, LIDAR 유닛은 풍차가 위치하는 해양 지역에서 풍속을 측정하는 데에 이용된다. 파력 에너지 발전 유닛은 풍차 부분에 연결되게 배치하거나, 하나의 파력 에너지 발전 유닛이 하나의 풍차에 연결되게 배치될 수 있다. LIDAR을 갖는 파력 에너지 발전 유닛은 바람직하게는 하나의 풍차 또는 풍차 단지의 다양한 쪽으로 배치되어, 유입되는 바람의 속도를 바람의 방향이 바뀌는 경우라도 측정할 수 있도록 된다. 그러면, 변환된 파력 에너지는 LIDAR 유닛 및 관련 장비를 구동하는 데에 이용될 수 있다. 그 경우, 파력 에너지 발전 유닛은 LIDAR 유닛 및 관련 장비에 전력을 공급하는 데에 요구되는 것보다 클 필요는 없다. 또한, 파력 에너지 발전 유닛에는 추가적인 전원으로 기능하는 태양전지 패널이 설치된다. 이들 패널은 파도 작용이 거의 없는 기간이 발생하더라도 배터리(34)를 적절히 충전된 상태로 유지하기에 충분한 전력을 가져야 할 것이다.

도 5에서는 본 발명에 따른 파력 에너지 발전 유닛의 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 이 실시예는 오일 및/또는 가스를 위한 해양 굴착 또는 생산 유닛에 전력을 공급하거나, 육지의 주택 또는 산업 단지에 전력을 공급하는 대형 파력 발전 설비에 가장 적합하다.

도 5에 따른 파력 에너지 발전 유닛은 대체로 도 1의 중앙 바디(1)와 같이 형성되었지만 직경 및 길이 모두가 더 큰 중앙 바디(1)를 포함한다. 중앙 바디 주위에는 도 1의 링형 바디(2)보다 직경 및 높이가 현저히 더 큰 링형 바디(2)가 배치된다. 그 링형 바디(2)는 또한 도 1의 경우에 비해 중앙 바디(1)에 대해 더 크다는 점을 확인할 수 있다.

다수의 유압 실린더(52)를 위해 베이스(51)를 지지하는 4개의 기둥(50)이 중앙 바디(1)의 상부에 배치되어 있다. 유압 실린더(52)는 피스톤 로드에 의해 베이스(51)에 연결되는 한편, 실린더 자체는 링형 바디(2)의 포켓(53) 내에 형성된다. 유압 실린더는 오일 유압식, 수압식(예를 들면, 해수), 또는 가스 유압식(예를 들면, 공기)일 수 있다.

링형 바디(2)는 링형 바디(2)가 중앙 바디(1)를 중심으로 회전하는 것을 방지하도록 다수의 레일(54)(예를 들면, 도시한 바와 같이 3개의 레일) 상에서 이동한다. 게다가, 축방향 슬리브 베어링(55)이 중앙 바디(1)의 외면에 배치될 수 있다.

파력 에너지 발전 유닛에는 지거 윈치(56)가 텐션 레그(16)에 연결되게 설치되어 있다. 그 지거 윈치는 전술한 지거 윈치와 동일한 기능을 갖는다.

지거 윈치(56) 대신에 또는 이에 추가하여, 기둥(50)이 신축자재식(telescopic)으로 이루어져, 링형 바디(2)의 이동 거리를 중앙 바디(1)에 대해 조절할 수 있으며, 이러한 식으로 조수 편차를 고려하여 예를 들어 낮은 조수에서 베이스(51)를 하강시켜 링형 바디(2)가 중앙 바디(1)의 아래쪽에 놓인 부분에 걸쳐 이동하지만 대체적으로는 해수면에 대해 동일한 거리에 걸쳐 이동하도록 할 수 있다.

해상 설비 또는 해안가로의 임의의 전력 전송을 위해, 전력 케이블이 별개의 채널 내에서 중앙 바디를 통과해 텐션 레그를 따라 해저로 아래로 연장하고 또한 해저를 따라 해상 설비 또는 해안가로 연장한다.

에너지 전달 장치는 임의의 적절한 형태일 수 있고, 또한 예를 들면 액시얼 발전기(axial generator)에 의한 전기 전달일 수 있다.

이붙이 로드 대신에, 유압 실린더가 이용될 수 있다. 이들 실린더는 예를 들면 해수 실린더로서, 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 터빈을 구동하는 것 외에도 해수를 중앙 바디 내의 역삼투압 설비로 펌핑하도록 구성될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서는 링형 바디(2)의 단면도를 도시하고 있으며 피스톤 로드(52)를 갖는 실린더(53) 중 하나를 확인할 수 있다. 링형 바디(2)가 도 6a에 도시한 바와 같이 아래쪽으로 이동할 때, 피스톤(52a)은 해수를 체크 밸브(57)를 통해 실린더(53) 내로 펌핑한다. 링형 바디(2)가 도 6b에 도시한 바와 같이 아래쪽으로 이동하는 경우, 밸브(57)가 닫히고, 해수는 피스톤(52a) 의해 채널(58)을 통해 위로 보내진다. 이 채널은 또한 해수가 실린더(53) 내로 역류하는 것을 방지하는 체크 밸브(59)를 갖고 있다. 채널(58)은 역삼투압 탱크(60)로 통한다. 이에 의해 탱크(60) 내에 조성되는 압력은 터빈(61)을 거치거나 바로 인출될 수 있는 담수를 생성한다. 역삼투압의 원리는 널리 공지되어 있어, 본 명세서에서 상세하게 설명하진 않는다. 이러한 시스템은 전기와 담수 모두 필요로 하는 지역에 상당히 적합하다.

2개 이상의 이붙이 로드 또는 실린더가 중앙 바디 주위에 대칭으로 배치되어, 링형 바디에 대한 하중을 균일하게 분포시키는 것이 유리하다. 실린더는 중앙 바디에 고정시키고 그 실린더의 피스톤 로드는 링형 바디에 고정시키는 것은 물론, 실린더를 링형 바디에 고정시키고 피스톤 로드를 중앙 바디에 고정시키는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 후자의 경우가 바람직하다.

도 7에서는 이붙이 로드 대신에 체인(100)을 사용하여 힘을 링형 바디(2)에서 이붙이 휘일(6)로 전달하는 파력 에너지 발전 장치에 대한 대안적이지만 현재로서는 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 바람직하게는 중앙 바디(1)의 양측에 서로 직경 방향으로 대향하게 배치된 2개의 체인(100)이 사용된다. 이들 체인(100) 중 하나만이 도 7에 도시되어 있다. 체인(100)은 하부 브래킷(12)에서 해당 회전 휘일(101)을 가로지르게 된다. 체인(100)의 하나의 회전부(102)는 링형 바디(2)에 고정되는 반면, 다른 회전부(103)는 링형 바디(2)의 내측에서 자유로이 이동한다.

또한, 도 7에 도시한 바와 같이, 링형 바디(2)가 큰 파도의 움직임으로 인해 크게 위쪽으로 이동하게 되는 경우에 플랫폼(105)의 하면에 밀어 붙여지도록 구성된 다수의 쇼크 업소버(104)(본 예의 경우에 4개)가 존재한다. 바다가 파력 발전 장치를 손상시킬 정도로 매우 거친 경우에, 중앙 바디(1)는 플랫폼(105)이 쇼크 업소버(104)에 접하게 될 때까지 하강하여, 중앙 바디(1)와 링형 바디(2)가 폭풍이 멈출 때까지 상호간에 운동하는 일없이 함께 부동하도록 될 수 있다.

중앙 바디(10)가 태양에 의해 가열될 때에 중앙 바디(1)의 열팽창이 너무 크면 체인(100)에 매우 큰 힘이 걸리는 것으로 확인되었다. 이를 고려하여 체인(100)을 회전 휘일(101) 및 이붙이 휘일(6)에 느슨하게 걸쳐놓게 되면, 회전부(103, 104)가 중앙 바디(1) 및 다른 구조적 부품에 부딪히어, 회전 휘일(101) 및 이붙이 휘일(6)에서 체인이 벗겨질 위험이 있다. 따라서, 그러한 열팽창을 보상할 수 있는 보상 장치가 필요하다.

도 8 및 도 9에서는 그러한 보장 장치의 3가지 실시예를 도시하고 있다.

도 8은 보상 장치(106)의 제1의 순수 기계식 실시예를 도시한다. 이 보상 장치(106)는 링형 바디(2)의 내측에서 체인(100)과 링형 바디(2) 사이의 체인의 하나의 회전부(102) 상에 배치될 수 있다. 보상 장치(106)는 일단부에서 체인(010)에 고정되고 타단부에서는 플레이트(108)를 갖는 로드(107)를 포함한다. 로드(107)는 하우징(109)을 통과해 연장하여 그 구멍 내에 축방향으로 이동할 수 있게 되어 있다. 하우징은 조절 가능한 나사 볼트(110)를 통해 링형 바디(2)에 고정된다. 플레이트(108)와 하우징(109) 사이에는 압축 스프링(111)이 배치된다. 체인(100)이 장착된 경우, 압축 스프링(111)은 긴장 상태로 되어, 온도가 그 최저 사용 온도로 낮아졌을 때에 체인(100)을 팽팽한 상태로 유지한다. 온도가 최고 사용 온도로 상승하는 경우에, 압축 스프링(111)은 더 압축되어 중앙 바디(1)의 열팽창을 흡수한다. 따라서, 체인(100)의 장력은 허용값 범위 내에 유지된다.

도 9는 대안적인 기계식 체인 타이트너(tightener)(106)를 도시한다. 이 타이트너는 체인(100)의 회전부(102, 103)들 사이에 배치되도록 구성된다. 그 타이트너는 중앙 바디(1)에 고정된 한쌍의 가압 요소(112, 113)를 포함한다. 각각의 가압 요소(112, 113)는 한쌍의 피스톤 로드(118, 119)를 통해 가이드 블록(114, 115)에 연결되며, 이 가이드 블록은 체인(100)과 접하는 한편, 이 체인(101)의 일부를 요소(116, 117)와 접하게 압박하도록 구성된다. 가이드 블록(114, 115)과 요소(116, 117)가 상보적인 접촉면을 갖고 있기 때문에, 이들 사이에 놓이는 체인(100)의 구간은 루프 형상을 형성하도록 강제된다. 체인의 장력이 증가하면 체인(100)이 가이드 블록들을 서로를 향해 밀어 루프가 작아진다. 이에 의해 중앙 바디의 열팽창이 흡수된다.

도 10은 보상 장치(106)의 바람직한 유압식 실시예를 도시한다. 이 보상 장치는 피스톤 로드(122)를 갖는 피스톤(121)이 배치된 유압 또는 공압 실린더(120)를 포함한다. 실린더(120)는 링형 바디(2)에 고정되고 피스톤 로드는 조절 가능한 나사 볼트(123)를 통해 체인(100)에 고정된다. 로드측 부분(124)에는 체인(100)에 비교적 작은 장력을 제공하는 압축 스프링(125)이 배치된다. 실린더(120)의 로드측 부분(124)은 케이블(129)을 거쳐 조절 가능한 교축부(128)를 통해 실린더(120)의 피스톤측 부분(127)과 연통하며, 케이블(129)은 축압기(126)와 연통한다.

체인(100)의 장력이 중앙 바디(1)의 열 팽창으로 인해 증가하는 경우에, 피스톤(121)은 로드측 부분(124)을 향해 당겨진다. 그러면, 유압 유체는 로드측 부분(124)으로부터 나와 케이블(129) 및 교축부(128)를 통해 피스톤측 부분(127)으로 흐른다. 스프링(125)이 비교적 약하기 때문에, 체인의 장력은 스프링(125)의 압축으로 인해 현저히 증가하진 않을 것이다. 따라서, 체인의 장력은 대략 일정하게 될 것이다. 중앙 바디의 온도가 내려가 다시 짧아지게 되면, 체인은 이완되고 압축 스프링(125)은 체인의 장력을 대략 일정하게 유지하면서 피스톤을 실린더(120) 내에서 다시 압박한다. 그러면, 유압 유체는 교축부(128)를 통해 로드측 부분(124)으로 다시 흐른다. 축압기(126)는 실린더 내에 약간의 과압이 존재하도록 보장한다.

도 11에서는 본 발명의 다른 대안적인 실시예를 도시하고 있다. 전술한 실시예의 경우와 마찬가지로, 파력 발전 설비는 중앙 부동 바디(1) 및 링형 부동 바디(2)를 포함한다. 본 실시예에서, 중앙 바디는 또한 적어도 하나의 텐션 레그(도시 생략)를 통해 해저에 연결된다. 본 실시예의 경우, 중앙 바디는 그 하단부에 팽창 밸러스트 챔버(130)를 포함한다.

다수(도시한 예의 경우에는 4개)의 복동식 유압 실린더(131)가 링형 바디(2)에 연결된다. 이들 실린더 각각의 내에는 도 12에 가장 잘 도시한 바와 같이 복동식 피스톤(132)이 배치된다. 상부 피스톤 로드(133) 및 하부 피스톤 로드(134)가 피스톤(132)에 연결된다. 복동식 실린더는 각 단부에 2개의 게이트(135, 136, 137, 138)를 구비한다. 하나의 게이트는 해수를 위한 입구 게이트이고, 다른 게이트는 축압기(도시 생략)로 통하는 출구 게이트이다. 각 게이트(135, 136, 137, 138)에는 해수가 입구 게이트를 통해서는 유입만이 되고 출구 게이트를 통해서는 유출만이 될 수 있도록 체크 밸브가 연결 배치되어 있다.

피스톤 로드(133, 134)는 상부 풀리 시스템(140) 및 하부 풀리 시스템(141)에 걸쳐진 와이어(139)에 연결되어, 피스톤 로드(133, 134)의 외단부들이 그 와이어에 의해 서로 연결된다. 상부 및 하부 풀리 시스템(140, 141)은 본질적으로 동일하여, 단지 상부 풀리 시스템(140)에 대해서는 도 13을 참조하여 상세하게 설명할 것이다. 풀리 시스템(140)은 각각의 와이어(139)마다 2개의 풀리(142, 143)를 포함한다. 와이어(139)는 와이어(139)의 방향이 180°바뀌도록 풀리(142, 142)에 걸쳐져 있다. 풀리(142, 143) 중 적어도 하나는 열팽창 또는 장력으로 인한 와이어(139)의 길이 또는 풀리 시스템(140, 141)들 간의 거리의 변화를 보상하도록 이동할 수 있다. 풀리 중 적어도 하나에는, 와이어에 걸리는 힘이 미리 정해진 값을 초과하지 않는다면 풀리(142, 143)에 대해 와이어가 이동하지 못하도록 제동 장치가 마련되어 있다. 풀리(142, 143) 중 하나 또는 둘 모두에는 필요한 경우에 풀리를 거쳐 와이어를 이동시킬 수 있도록 구동 장치가 마련될 수 있다.

하부 풀리 시스템(141)은 상부 풀리 시스템(140)보다 간단한 형태로서 제동 장치나 구동 장치를 포함하지 않는다.

도 14에서는 도 11의 파력 발전 설비를 위한 유압식 에너지 출력 시스템의 원리를 나타내는 평면도를 도시하고 있다. 실린더(131)는 링형 바디(2)의 채널(144)을 통해 연장하여, 적절한 체결 수단(145)에 의해 링형 바디에 고정된다. 실린더는 고정 수단(145) 주위에서 플리핑(flipping)할 수 있고, 이러한 플리핑 운동으로부터의 힘을 스프링 및 감쇠 시스템(146)이 흡수한다. 따라서, 실린더(131) 상의 횡력으로 인한 피로가 방지된다.

실린더(131)의 상단부의 입구 게이트(135)는 링형 부동 바디(2)를 통과해 그 하면까지 아래로 연장하는 파이프(147)에 연결된다. 여기서, 파이프(147)는 해수로 개방된다. 실린더(131)의 상단부의 출구 게이트(136)는 유압 축압기(148)에 연결된다. 이 축압기는 또한 역삼투압 유닛(149)에 연결된다.

실린더(131)의 하단부의 입구 게이트(131)는 해수로 개방된다. 한편, 그 출구 게이트(138)는 축압기(148)에 연결된다.

실린더(131)의 피스톤 로드(133, 134)는 전술한 바와 같이 와이어(139)에 의해 연결된다. 와이어는 상부 풀리 시스템(140)의 풀리(142, 143)들 중 적어도 하나에 마련된 제동 장치의 도움으로 단단히 유지된다. 따라서, 링형 부동 바디(2)가 파도의 움직임으로 인해 아래위로 이동할 때에 실린더(131)가 피스톤(132)에 대해 이동한다.

링형 부동 바디(2)가 위로 이동할 때에 피스톤(132)은 실린더(131) 내에서 아래쪽으로 운동한다. 이에 의해, 해수가 피스톤(132)의 상측으로 흡입된다. 이와 동시에, 해수가 실린더로부터 하부 출구(138)를 통해 축압기(148)로 배출된다. 반대로, 링형 부동 바디(2)가 아래쪽으로 이동하는 경우 해수는 피스톤(132)의 하측에서 흡입되고, 피스톤(132)의 상측에서는 배출된다. 이에 의해 해수는 축압기(148) 내로 펌핑된다. 이러한 해수는 계속해서 역삼투압 유닛(149)으로 전송되고, 여기서 해수는 담수와 염수로 분리된다. 담수는 해안가로 보내지는 한편, 염수는 다시 바다로 보내진다.

대안적으로, 축압기(146) 내의 가압된 해수는 전기 에너지를 생성하기 위한 터빈을 구동하는 데에도 물론 이용될 수 있다. 이 경우, 해수 대신에 폐회로 시스템 내에 유압 오일을 이용하거나 어쩌면 공기가 이용될 수도 있다.

적어도 하나의 풀리 상의 제동 장치는, 동일한 방향으로의 파도의 이동이 완료되기 전에 피스톤(132)이 실린더의 단부에 도달하는 경우, 와이어(139)에서의 힘이 제동 장치의 제동력을 초과하도록 설정될 수 있다. 이에 의해, 풀리(142, 143)가 회전하여 그 위에서 와이어가 이동한다. 이러한 식으로, 피스톤(139)이 파도 방향으로 이동한다. 조수의 높이가 변화함에 따라 피스톤이 조수에 의해 이동한다는 점에서 조수에 의한 운동이 보상될 것이다. 실린더 내에서 피스톤의 이동 범위를 초과하는 큰 파도 역시 그러한 식으로 흡수할 수 있다.

실린더(131)에 의해 피스톤(132)이 아래위로 이동하게 되는 대신에, 실린더 상에는 피스톤(132)의 위치를 검출하여 피스톤을 이동시키도록 풀리(142, 143)를 구동시키는 센서를 배치할 수도 있다.

예를 들면 역삼투압 유닛(149)에서 수용할 수 있는 것보다 큰 압력이 생성됨으로 인해 축압기(148)가 최대 압력에 도달한 경우, 압력을 추가적으로 축적시키지 않고 해수를 피스톤의 한쪽에서부터 다른쪽으로만 보내도록 피스톤의 한쪽에서의 입구 게이트와 다른 쪽에서의 출구 게이트 간에 단락시키도록 자동 밸브가 연결될 수 있다. 또한, 출구 게이트에서 바다로 통하는 밸브가 개방되어 해수는 단지 바다로 다시 배출될 수도 있다.

도 15에서는 본 명세서에 참조로 인용되는 WO 2004/113718에 개시한 형태의 플랫폼(150)을 도시하고 있다. 그 특허 문헌에 개시된 파력 발전 설비와는 달리, 도 15의 파력 발전 설비의 플랫폼(150)은 텐션 레그(151)에 의해 해저에 고정되어, 플랫폼이 대략 수직 방향으로 안정되게 묶여 있다. 조수 변화를 보상하기 위해, 플랫폼(150)에는 각각의 텐션 레그마다 하나의 지거 윈치가 설치되어 있다. 이들 지거 윈치는 조수의 수위를 위한 센서(예를 들면, 플랫폼의 데크에서부터 해수면까지의 평균 거리를 측정하는 레이저)에 연결되어, 조수의 수위의 변화에 따른 지거 윈치의 조절이 보장된다.

Claims (21)

1. 물속에서 부동하도록 되어 한편 해저에 고정시킨 제1 부동 바디;
   파도의 영향을 받아 상기 제1 부동 바디에 대해 이동하도록 된 제2 부동 바디; 및
   상기 제1 부동 바디와 제2 부동 바디 사이에 결합되어 제2 부동 바디로부터 운동 에너지를 흡수하는 에너지 전달 수단
   을 포함하는 파력 발전 장치에 있어서,
   상기 제1 부동 바디는 텐션 레그(tension leg)에 의해 해저에 고정되며, 상기 텐션 레그에는 제1 부동 바디가 파도의 영향을 받을 때에 수직 방향으로 이동할 수 없도록 하기에 충분한 장력이 걸리며, 상기 제1 부동 바디는 이 제1 부동 바디가 부동해 있게 되는 물의 수면의 최저 수위 아래에 위치하도록 된 적어도 하나의 밸러스트 챔버(ballast chamber)를 구비하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 텐션 레그의 장력은 적어도 건조 상태의 파력 발전 장치의 총 중량만큼 큰 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 부동 바디는 조수의 수위와 관계없이 제2 부동 바디가 전체 파도 주기에 걸쳐 이동할 수 있도록 적어도 낮은 조수에서의 파도의 골(trough)과 높은 조수에서의 파도의 정상부 사이의 수직 거리만큼 큰 이동 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부동 바디에는 텐션 레그의 장력을 조절하도록 된 지거 윈치(jigger winch)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 지거 윈치는 조수의 수위에 대한 제1 부동 바디의 깊이-흘수(depth-draught)를 조절하기 위해 해저로부터 제1 부동 바디의 거리를 조절하도록 된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 부동 바디는 평균 수위가 상기 제2 부동 바디의 이동 거리의 대략 중간에 있게 되는 위치에 유지되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 부동 바디는 대체로 수직한 자세로 부동하도록 된 중앙에서 연장하는 바디이며, 상기 제2 부당 바디는 제1 부동 바디를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 전달 수단은 제2 부동 바디에서부터 제1 부동 바디 상의 회전 기구까지 연장하는 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 전달 수단은 적어도 하나의 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 에너지 전달 수단은 상기 제2 부동 바디가 대칭적으로 하중을 받도록 배치된 적어도 2개의 유압 실린더를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
11. 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유압 실린더는 해수 실린더인 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
12. 제10항에 있어서, 상기 실린더는 해수를 역삼투압 설비로 펌핑하도록 된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더 자체는 제2 부동 바디에 연결되며, 상기 실린더의 피스톤 로드는 제1 부동 바디에 연결되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실린더는 복동식 실린더이며, 이 복동식 실린더의 피스톤의 각 측부에서의 피스톤 로드는 가요성 연장 바디에 연결되며, 이 가요성 연장 바디는 제1 부동 바디 상의 회전 휘일에 걸쳐 연장하여, 피스톤, 피스톤 로드, 및 가요성 연장 바디가 연속하는 루프를 형성하도록 된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 가요성 연장 바디는 피스톤의 위치가 조수에 따라 이동하도록 조수의 수위가 변경될 때에 회전 휘일을 거쳐 이동하도록 된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
16. 제7항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 부동 바디가 제1 부동 바디를 중심으로 회전하는 것을 방지하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
17. 제16항에 있어서, 상기 수단은 상기 제1 부동 바디 상의 길이가 긴 로드 또는 레일과, 이들 로드 또는 레일을 따라 미끄럼 운동하도록 제2 부동 바디 상에 마련된 기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 전달 수단은 상기 제1 부동 바디와 제2 부동 바디 사이에서 연장하는 적어도 하나의 체인을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 체인에는 제1 부동 바다의 열팽창을 보상하기 위한 보상 수단이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
20. 제19항에 있어서, 상기 보상 수단은 유압 또는 공압 실린더를 포함하며, 이 실린더의 각 단부는 교축부를 통해 서로 연통하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 보상 수단은 상기 체인에 최소 장력을 초래하지만 최대 장력을 제한하는 압축 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.

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