KR20110036817A

KR20110036817A - 조수 터빈 시스템

Info

Publication number: KR20110036817A
Application number: KR1020117001779A
Authority: KR
Inventors: 프리먼 크리스토퍼; 윌리엄스 크리스토퍼
Original assignee: 타이들 에너지 리미티드
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-04-11
Also published as: GB2467653A; GB201002637D0; CN102076956A; CA2729209A1; EP2307708A2; WO2010007342A3; US20110254271A1; GB0921999D0; GB2461265A; GB2467653B; GB0811489D0; GB2467653A8; NZ589731A; WO2010007342A2; GB2467653B8

Abstract

조류 터빈 시스템은 회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함한다. 상기 날개들의 엇갈림 각, 끝 속도 비, 또는 다른 날개 파라미터들은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 및/또는 조류 속에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구비되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록 구비된다.

Description

조수 터빈 시스템{TIDAL TURBINE SYSTEM}

본 발명은 조수 터빈 시스템에 관한 것으로, 특히 조류 에너지 발전 시스템(tidal flow energy generation system)에 사용되기 위한 것이다.

조수 에너지(tidal energy)는 대부분 예측가능하다. 중요한 파도 효과(wave effect)가 발생하는 층보다 깊은 곳에서 해류 흐름의 기본적인 변화는 자연적으로 발생하는 달과 태양의 위상변화에 기인한다. 이 패턴에 덧붙여지는 것은 흐름 속도들의 변화이다. 이 속도들 중 몇몇은 자유 흐름 값들(free-stream values)의 상당한 부분에 도달하고, 이는 강렬한 대기 사건들(atmospheric events)에 기인한다.

확정적인 출력 유용성은 높은 출력 밀도 및 시각적 영향의 절대적인 부재와 함께 조수 에너지 추출을 매우 매력적인 제안으로 만든다. 거의 모든 유용 가능한 자원이 사용되지 않은 상태로 머물러 있기 때문에 더욱 그러하다.

많은 조수 터빈 계획들이 해저 토대의 세팅을 요구하는 것들과 그렇지 않은 것들로 분할되어 제안되어 왔다. 해저에 안착되고 복수의 터빈을 지지하는 비지지(freestanding) 골조 디자인이 개발되어 왔다. 이 디자인의 경우 건설 및 진행이 여러모로 간단하다는 장점이 있다. 상기 건설 및 진행의 간단함은 작동오류를 유발할 수 있는 복잡한 메커니즘(mechanism)의 결여로 인해 고유의 높은 안정성을 제공한다.

이미 알려진 조수 터빈 디자인들은 풍력 터빈 산업분야에서 일반적으로 수행되어 오던 방식을 좇아 가변 피치 날개 접근법을 채택하여 왔다. 가변 피치 날개들을 장착한 터빈들은 고정 피치를 채택한 터빈들보다 최고 효율 지점에서 조금 덜 효율적인 것으로 알려져 있다. 그러나 가변 피치 터빈들은 고정 피치 디자인의 최고 효율 지점으로부터 떨어진 흐름 속도 영역에서 비교적 높은 효율을 보유하고 있기 때문에, 전체적으로 보면 고정 피치 터빈들보다 더 나은 출력 추출 성과를 올린다. 또한 가변 피치 날개 터빈들은 더 나은 초기 특성(start up characteristics)을 보유하고 있다.

게다가 가변 피치 날개 터빈들은 출력 추출의 대상인 바람 또는 조수 등과 같은 매개체의 매우 높은 속도에 잘 대처할 수 있고, 흐름 조건들이 극도로 되었을 때 피치의 변화(실속(stalling))를 통해 그리고 날개들을 페더링(feathering)함으로써 늦춰지거나 정지하는 고유의 능력을 보유하고 있다.

고정 피치 터빈들은 빠른 유속 환경에서 제어가 되지 않은 상태를 방지하기 위해 초과 속도를 다른 방법으로 제어한다. 통상적인 접근법은 날개 실속(blade stall)을 위한 어떤 형태를 제공하거나, 터빈을 접는 것 즉, 유입 흐름으로부터 떨어진 사이드웨이 포지션(sideways position)으로 터빈을 돌리거나 기계적, 전기적 또는 전기-기계적 수단을 통해 회전자의 속도를 늦추거나 정지시키는 것이다.

조수 터빈들, 특히 비지지 구조물 상에서 작동하는 터빈들의 경우, 축방향 하중의 급격한 증가를 제한하기 위해 초과 속도가 제어될 필요가 있다. 축방향 하중의 급격한 증가는 빠른 흐름에서의 작동 및/또는 자유회전 조건(freewheeling condition)에서의 작동으로부터 발생한다. 그 외에 과부하(overloading)는 해저 상에서 지지 구조물의 이동을 초래할 수 있다. 여러 이유로 인해 이러한 상황을 피하는 것은 중요하다. 초과 속도 제어는 또한 원심 응력(centrifugal stress) 및 관련된 비틀림 응력(torsional stress)과 펄럭임 응력(flapping stress)을 제한한다. 상기 응력들은 빠르게 회전하는 회전자의 날개들에서 유도될 수 있다.

첫 번째 측면에 따르면 본 발명은, 회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함하고, 상기 날개들은 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 및/또는 조류 속에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구성되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템을 제공한다.

바람직하게, 하나 또는 그 이상의 날개 파라미터들은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도에 대하여는 증가한 회전 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하는 것을 보장하도록 선택되거나 맞춰지나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않는 것(또는 그 대안으로 감소하는 것)을 보장하도록 선택되거나 맞춰진다.

선택되거나 맞춰진 상기 파라미터들은 날개 엇갈림 각 및/또는 끝 속도 비(TSR)이다. 상기 엇갈림 각은 조류 흐름 방향에 대한 받음각(angle of attack) 또는 피치각(angle of pitch)을 의미한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 미리 정해진 회전 또는 조류 속도 임계값 이상의 높은 속도 범위에서 상기 터빈에 가해지는 축방향 하중은 실제로 감소한다(급격하게-5% 또는 그 이상만큼 또는 10% 또는 그 이상만큼). 따라서 상기 임계값은 정점 추력 하중을 포함하고, 상기 정점 추력 하중 이후에는 상기 추력이 급격하게 떨어지는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 터빈의 날개 디자인은 최고 축방향 회전 하중이 상기 회전자의 자유회전 속도 이하의 회전 속도에서 가해지는 것을 보장하도록 이루어진다.

기대되는 작동 서비스 범위에서 상기 정점 추력 하중은 2.5m/s 내지 5m/s 범위 내의 조류 속도에 존재하도록 디자인된다. 상기 임계값 이상에서 추력 하중의 감소는 자유회전시, 그리드와 연결 실패(grid failure)시 또는 다른 전기적 하중 감소 사건시 상기 탑재 구조물의 초과 추력 하중을 방지하는 안전장치(failsafe)를 제공한다.

상기 조류 터빈 시스템은 해저에 위치된 탑재 구조물을 포함할 수 있다. 상기 탑재 구조물은 자체 중량에 의해 위치 고정되고 주로 상기 해저와의 마찰 접촉에 의해 이동에 대하여 안전하다.

바람직하게, 상기 터빈의 날개 디자인은 정점 출력 계수 및 정점 추력 계수가 실질적으로 동일한 값의 끝 속도 비에 존재하는 것을 보장하도록 구비된다. 바람직하게, 상기 정점 출력 계수 및 정점 추력 계수는 서로 10% 이내의 끝 속도 비의 값에 존재한다.

바람직하게, 상기 날개 엇갈림 각 선택은 상기 조류 터빈 시스템을 위한 주요 안전장치(failsafe) 또는 초과 속도 차단 기능(over-speed cut out facility)을 포함한다. 이로써 다른 복잡한 시스템 및 추가적인 정지 시스템(primary breaking system)이 요구되지 않고, 불리한 조건에서 적합한 정지 혹은 안전을 보장하는 복잡한 제어 시스템 또한 요구되지 않는다.

바람직한 실시예에서, 상기 조수 터빈 시스템은 해저에 안착되고 서로 이격된 복수의 터빈 발전기들의 지지하도록 이루어진 상호 연결 골조 구조물을 포함한다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 미리 결정된 엇갈림 각에서 고정된 자세의 날개들을 이용하여 회전 조수 터빈 회전자의 속도를 제어하는 방법을 제공한다. 상기 날개들의 엇갈림 각, TSR 또는 상기 날개들의 다른 파라미터들은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 또는 조류 속도에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구비되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록(또는 상기 임계값보다 작은 레벨의 추력 하중으로 급격하게 감소하도록) 구비된다.

또 다른 측면에 따르면, 본 발명은 회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함하는 조류 터빈 발전기의 제어 또는 정지(braking) 시스템에 있다. 이때, 상기 날개들의 엇갈림 각, TSR 또는 다른 날개 디자인 파라미터들은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 또는 조류 속도에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구비되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록(또는 상기 임계값보다 작은 레벨의 추력 하중으로 급격하게 감소하도록) 구비된다.

또한 본 발명은 회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함조류 터빈 시스템의 디자인 방법을 포함한다. 여기서, 상기 날개들의 엇갈림 각은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도에 대하여는 증가한 회전 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 선택되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록 선택된다.

본 발명은 구체적인 실시예가 도면을 참조하여 상세하게 설명된다.

본 발명에 따르면, 복잡하고 비싼 안전장치의 가변 피치, 엇갈림 각 날개(stagger blades), 실속(stalling), 정지 또는 접이(braking or furling) 메커니즘들의 제거가 가능하고, 고정 피치/엇갈림 각 터빈 고유의 간단성 및 강함(simplicity and robustness)이 보유된다.

본 발명에 따른 터빈 장치는 고유의 항력 감소 특징을 보유하기 때문에 높은 흐름에서 항력 불이익 없이 큰 직경들의 사용을 가능하게 한다. 따라서 상기 터빈은 조류에서 더 많은 낮은 속도 흐름 에너지를 포획할 수 있다.

본 발명에 따른 터빈 장치는 통상적인 디자인들과 상반되게, 복잡하고 안전장치를 요함과 동시에 초과속도에 대한 보호장치를 요하는 수단들의 필요성을 제거한다.

본 발명에 따르면, 미리 정해진 임계값 이상에서는 구조물에 가해지는 항력이 회전 속도가 증가함에 따라 감소한다.

도 1은 본 발명에 따른 조류 터빈 시스템을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는 통상적인 터빈에서 회전자 속도와 축방향 하중 간 관계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 시스템에서 서로 다른 7개의 엇갈림 각들에 대한 끝 속도 비와 출력 계수 및 추력 계수 간 관계를 나타낸 것이다.
도 4는 추력 제어를 최대화하도록 디자인된 본 발명의 시스템에 대하여 그리고 효율을 극대화하도록 디자인된 시스템에 대하여, 끝 속도 비와 출력 계수 및 추력 계수 간 관계를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 예시적 시스템에 대하여 조수 흐름과 축방향 추력 간 관계를 나타낸 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 이론에 깔려 있는 속도 및 힘 다이아그램(diagrams)을 도식적으로 나타낸 것이다.

도면들을 참조하면, 도 1에는 조류 에너지 발전 장치(1)(tidal flow energy generation arrangement)가 도시되어 있다. 상기 조류 에너지 발전 장치(1)는 극도의 조건들에서 작동될 것이 요구된다. 다른 형태의 동력 발생 장치(power production)와 상업적으로 경쟁하기 위해서는 조류 에너지가 매우 집중된 해저(seabed) 지역들이 이용될 필요가 있다. 이 지역들에서는 작업이 어려울 뿐만 아니라 위험하고, 구조물의 설치 및 회수 시 중요한 환경적 위험요소들, 예컨대 매우 빠른 해류 흐름 특히 4 노트(Knots)의 상승 해류 흐름이 고려될 필요가 있다. 상기 지역들은 종종 깊은 곳에 위치한다. 이 깊이는 굴착장치의 설치가 가능한 지역들보다 더 깊을 수 있다. 폭풍 조건들은 많은 비용을 수반하는 연장 및 지연을 초래할 수 있다. 조수의 전환은 하루에 두 번 발생하고, 조수의 전환 시 걸리는 시간은 매우 짧을 수 있다(예컨대 15분과 90분 사이). 게다가, 이렇게 빠른 조류 지역들에서는, 종종 침적물 및 가벼운 물질들이 해저로부터 제거되게 되고, 이로 인해 해저의 울퉁불퉁한 바위가 드러나게 된다. 상기 울퉁불퉁한 바위는 정박(anchorage)을 어렵게 만든다. 상술한 바와 같은 상황에서, 다이버들(divers)이나 원격 작동 장치들(vehicles)이 해저에 위치한 구조물에서 작업하는 것은 불가능할 수 있다. 따라서 설치, 회수 및 이용(service)은 가장 편리하게 수면으로부터 수행된다. 환경적으로 용인될 수 있도록, 구조물의 모든 부분 및 배치와 회수에 사용되는 모든 장비들은 회수될 수 있음이 보여져야 한다.

상기 장치(1)는 지지되지 않는(freestanding) 구조의 프레임 조립체를 포함하고, 상기 프레임 조립체는 스틸 튜브들(steel tubes)(2)(약 1.5m의 직경)을 포함한다. 상기 프레임 조립체는 용접된 관 모양의 스틸 코너 모듈들(steel corner modules)(3)을 포함한다. 상기 코너 유닛들은 상기 스틸 튜브들(2)에 의해 서로 연결된다. 상기 구조물은 도시된 바와 같이 삼각 형태의 공간을 차지하고, 이는 어떤 배치 시나리오들을 위해서 바람직할 수 있다. 그러나 다른 형태의 공간들(사각 형태 등) 또한 예상될 수 있고, 그러한 조류 에너지 발전 장치들에서는 당연히 상기 코너 모듈들(3)의 각도 구성이 도면들을 참조하여 보여지고 묘사된 것과 상이할 것이다.

상기 코너 모듈들(3)은 각이 있는 제1부재 및 제2부재(7, 8)를 포함하고 상기 제1부재 및 제2부재(7, 8)는 서로 60도의 각도로 연장한다. 상기 각이 있는 튜브 형태의 제1부재(7)는 상기 제2부재(8)의 원통형 외벽에 용접된다. 각이 있는 튜브 형태의 부재들(7, 8)은 각자의 나셀 타워(nacelle tower)(9)에 고정된다. 상기 코너 모듈(3)과 연결 튜브들(2)은 서로 볼트로 연결될 수 있도록 각자의 플랜지들(4)을 포함한다. 상기 코너 모듈들의 튜브 형태 제2부재(8)는 플랩 밸브(flap valve)를 포함하고, 상기 플랩 밸브는 힌지(hinge)가 달린 플랩(flap)을 포함한다. 상기 힌지가 달린 플랩은 배플 플레이트(baffle plate)에 형성된 구멍을 닫고, 상기 배플 플레이트는 상기 제2부재(8)의 단부 내부에 용접되어 있다. 물은 상기 플랩 밸브를 통해 상기 튜브 형태의 제2부재(8)로 유입되고 제2부재(8)로부터 유출될 수 있다(그리고 이에 의해 상기 튜브들(2)로 유입된다). 일단 물에 잠기고 해저에 위치하게 되면, 상기 플랩 밸브는 튜브 형태의 구조물의 내부가 토사로 인해 막히는 것을 방지하기 위해 상기 튜브 형태 제2부재(8)의 단부를 밀폐한다.

또한 상기 코너 모듈들(3)은 소정 구조의 스틸 플레이트(미도시)를 포함한다. 상기 스틸 플레이트는 각이 있는 튜브 형태의 제1부재 및 제2부재(7, 8) 사이에 용접된다. 상기 스틸 플레이트에는 리프팅 아이 구조체(lifting eye structure)가 용접된다. 체인 승강 브라이들 장치(chain lifting bridle arrangement)의 각 체인(14) 단부는 상기 리프팅 아이에 고정된다. 각각의 승강 체인(14)은 각각의 노드 모듈(3)에 부착되어 있고, 말단부는 브라이들 탑 링크(bridle top link)에서 만난다. 사용 시 크래인 후크(hook)는 승강을 위해 상기 탑 링크와 맞물린다. 자기 수평유지 발들(self levelling feet)(15)은 각각의 코너 모듈들(3)을 위해 제공되고, 이는 울퉁불퉁한 해저에 놓인 구조물의 수평 자세를 보장하고 수직 하중이 심해로 직접 전달되는 것을 보장한다.

상기 구조물은 자중과 부력 부족으로 인해 위치를 유지한다. 상기 부력 부족은 상기 튜브들(2) 및 모듈들(3)에 물이 채워짐으로 인한 것이다. 상기 튜브들(2)은 해저에 가까운 경계층에 위치하고, 상기 구조물은 높이에 비해 상대적으로 큰 밑면적(base area)을 갖는다. 이는 잠재적인 전복 모멘트를 최소화한다. 수평 항력(horizental drag)은 하나의 큰 직경 튜브들(2)을 프레임을 위한 주요 연결 지지대로 사용함으로써 최소화된다.

상기 구조물은 각각의 코너 모듈(3)에 탑재되는 터빈들(19)을 위한 탑재 베이스를 형성하고, 각 터빈(19)의 지지 샤프트(20)는 상기 터빈들이 각 지지 샤프트(20)의 길이방향 축을 중심으로 회전할 수 있도록 각 탑재 튜브(3) 내에 수용된다. 출력은 해양 재생에너지 산업분야에서 잘 알려진 적절한 케이블을 통해 코너에 탑재된 터빈들(19)로부터 육지로 전송된다.

수심이 깊고 흐름이 빠르며 가시성(visibility)이 낮은 지역들은 다이버들에게 매우 위험하다. 상기 구조물은 해상 선박들(surface vessels)로부터 전적으로 설치되고 제거되도록 디자인된다. 상기 구조물은 썰물과 밀물 사이의 게조(slack water) 시에 미리 탐사된 장소에 설치되도록 디자인된다. 이 시간은 15분 내지 90분 사이에서 변할 수 있다. 상기 유닛의 배치는 상기 시간 외에 제한될 수 있는데, 이는 물의 이동으로 인해 상기 구조물에 가해지는 항력이 상기 해양 선박들의 불안정을 초래할 수 있기 때문이다.

조류의 속도가 매우 빠른 시기에, 이러한 유형의 비지지(freestanding) 구조물에는 상기 터빈들(19)에 가해지는 축방향 하중이 너무 높아서 상기 구조물이 밑에 있는 해저로 이동하는 위험이 존재한다. 이러한 경우 케이블 등에 장력이 가해지는 현상을 포함하여 원하지 않은 많은 결과들이 발생하게 된다.

조수 출력 전환(tidal power conversion)을 위해 통상적으로 디자인된 터빈 날개들은 끝 속도(tip speed)가 증가함에 따라 축방향 하중이 꾸준하게 증가하는 특성을 나타낸다. 이러한 상황은 그래프로 도 2에 묘사되어 있다. 도 2에는 축방향 추력(axial thrust)의 변화가 회전자의 회전 속도에 대하여 표시되어 있다.

회전 속도 증가는 유입되는 흐름의 속도 증가(순간적으로 급증하는 형태의 속도 증가 및 조류가 가장 높은 값들을 거쳐 순환할 때의 속도 증가)와 관련될 수 있다. 그렇지 않으면 상기 터빈 회전 속도의 증가는 발전기(generator)에 의해 제공되는 토크 하중의 감소 또는 상기 하중의 완전한 중단과 관련될 수 있다.

본 발명의 터빈 디자인에 따르면, 선택된 에너지 출력이 획득되었을 때 축방향 추력을 감소시킬 수 있는 방식으로 날개의 엇갈림 각(stagger angle)과 날개 프로파일들의 선택이 결합된다. 이러한 방식으로 고정 피치 터빈은 미리 결정된 회전 속도 부근에서 자신 최고의 축방향 하중을 지지 구조체에 가하게 된다. 이 점은 회전 속도가 증가하다가 자유회전 조건(freewheeling condition)에서 최고의 축방향 하중을 얻도록 작동하는 통상적으로 디자인된 고정 피치 터빈과 다르다.

도 3은 터빈 끝 속도 비에 대한 두 계수들, 즉 출력 계수 Cp와 추력 계수 Ct 간 관계를 보여준다. 상기 터빈 끝 속도 비는 끝 속도를 조류 속도로 나눈 값이다. 고정 피치(pitch) 조류 터빈에 대하여 날개 디자인은 정점 이후 급격한 추력 감소를 보이는 Cp/Ct 곡선을 겸하여 야기할 수 있음이 확인되었다. 상기 곡선은 출력 생산 효율에 최적화된 디자인에 대한 일반적인 곡선과는 대조적이다.

도 3에서 Cp-e와 Ct-e 곡선은 효율의 최고화를 위해 최적화된 디자인을 나타낸다. Cp-t와 Ct-t 곡선은 추력 제어를 위해 최적화된 디자인을 나타낸다. 도 3에 보여진 값들은 상기 두 디자인 패러다임들 간 차이를 예시하기 위해 선택된 것이다. 끝 속도 비가 최고라 여겨지는 값에 도달하였을 때 Ct-e 곡선보다 Ct-t곡선이 더 훨씬 더 많이 그리고 매우 빠르고 급격하게 감소하고 있음을 알 수 있다.

상기 Ct-t 추력 제어 패러다임의 채용은 출력 차단 전략(power shedding strategy)이 채택된 환경들에서 예상된다. 출력 차단 전략하에서는, 조류 속도가 최대 설계 Cp와 관련된 값을 초과하였을 때 터빈의 속도 증가가 허용된다. 두 번째 상황은 제어 시스템의 고장에 상응한다. 제어 시스템의 고장 하에서는 자유회전 조건(freewheeling condition)이 발생할 수 있고, 자유회전 조건에서는 끝 속도의 증가에 따라 추력이 감소하는 터빈이 적어도 초반에는 약간의 안전성(fail safe nature)을 상기 디자인에 부여할 것으로 예상된다.

이것은 해저 탑재 구조물이 마찰/중력 단독으로 하여금 상기 구조물을 상기 해저 상의 올바른 위치에 지속적으로 고정케 하는 곳에서 특히 중요하다. 그러한 상황에서 디자인에 요구되는 것은 가장 높은 조수 속도에서도 자유회전 추력(freewheeling thrust)이 마찰력을 초과하지 않는 것이다. 본 발명은 출력이 정격출력(rated power)에 도달할 때까지는 조수 속도가 증가할 때 터빈을 최고 Cp에서 작동시킬 수 있다. 상기 조수 속도가 최고라 여겨지는 값을 초과할 때, 출력은 일정하게 유지되는 반면 추력은 처음에 감소한다(배우 높은 조수 속도에서 추력이 다시 증가하기 시작할 때까지).

터빈 날개 시스템의 디자인 시 중요 고려사항은 요구되는 출력 차단 특성들(power shedding characteristics)을 달성하는 적절한 TSR 및 엇갈림 각을 찾는 것과 관련된다. 상이한 엇갈림 각의 2차원 디자인들에 대하여 계산이 수행되었다. 상기 계산은 소정 범위의 TSR에 대하여 이루어졌고, 2도의 엇갈림 각부터 14도의 엇갈림 각까지 2도의 간격으로 이루어졌다. 그 결과들은 2도부터 14도까지 서로 다른 7개의 엇갈림 각들에 대하여 도 4에 도시되어 있다. 도 4에서 출력 계수 Cp는 +기호로 표시되어 있고 연속적인 선은 추력 계수를 나타낸다. 언급된 엇갈림 각은 탄젠트 방향(tangential direction)에 대한 에어로포일(aerofoil)의 각이다. 낮은 엇갈림 각들에서는 터빈이 하중을 받았을 때보다 받지 않았을 때 추력이 더 크고 따라서 높은 TSR 값들은 바람직하지 않음을 알 수 있다. 또한 그리드와 연결(grid connection)이 실패하면 추력의 증가가 발생할 것임을 알 수 있다.

도 4로부터 알 수 있듯이, 엇갈림 각이 증가할수록 그리고 TSR이 감소할수록 Ct/Cp의 최고값 비는 감소하고 따라서 주어진 출력에서 항력이 감소한다. 또한 비하중 상태에서 항력은 감소하고 최대 출력으로부터 미출력까지 속도 증가는 감소한다. 낮은 TSR은 조력 발전기에 유리하다. 더 큰 날개 코드들 및 낮은 상대 속도가 정압 감소(static pressure reduction)을 제공하고 이로써 캐비테이션(cavitation)에 대한 가능성을 감소시키기 때문에 캐비테이션 문제가 개선된다. 동일하게 날개의 불안정한 반응은 Vrel이 감소하는 동안 C의 증가를 결여하여 낮게 감소한 날개 주파수(blade frequency)(fC/Vrel)에 의해 감소될 것이다.

날개 엇갈림 각 및 TSR은 출력계수(Cp) 및 추력계수(Ct)의 최고값이 요구된 흐름 속도에서 실질적으로 일치하도록 선택된다. 이러한 경우 상기 시스템이 출력 소스(power source)로부터 연결 해제되었을 때 터빈이 안전하게 작동할 수 있다.

이러한 접근법은 복잡하고 비싼 안전장치의 가변 피치, 엇갈림 각 날개(stagger blades), 실속(stalling), 정지 또는 접이(braking or furling) 메커니즘들의 제거를 가능하게 하는 반면, 고정 피치/엇갈림 각 터빈 고유의 간단성 및 강함(simplicity and robustness)을 보유한다.

통상적인 터빈 디자인들과 달리, 미리 정해진 임계값 이상에서 상기 구조물에 가해지는 항력은 회전 속도가 증가함에 따라 감소한다. 상기 미리 정해진 임계값은 조류 속도, 날개 크기, 구조물 무게 및 항력 등과 같은 다양한 요소들에 종속할 것이다. 성능은 상기 미리 정해진 임계값에 대하여 설계된다.

상기 터빈은, 통상적인 디자인들과 상반되게, 복잡하고 안전장치를 요하며 초과속도에 대한 보호장치를 요하는 수단들의 필요성을 제거한다.

상기 방법론은 상기 터빈 및 날개 시스템 디자인이 특정한 파라미터들(탑재 구조물 무게, 최고 조류 속도들, 추력 하중 들을 포함)에 맞춰질 것을 요구한다. 상기 회전자 및 날개 디자인은 흐름 속도들을 도출하는 흐름 계산(throughflow calculations)과 날개의 기하학적 구조의 정의를 가능하게 하는 프란틀 날개끝 손실 요소 기술(Prandtl tip loss factor techniques)을 사용하여 달성된다. 탄젠트 속도의 주어진 변화에 따른 일련의 디자인들은 소정 범위의 TSR 및 평균 날개 코드(chord)에 대하여 조사될 수 있고, 추력 제어를 위한 최적 기준을 만족시키는 디자인이 선택되는 것을 허용한다. 일 예로 TSR 선택은 가장 낮은 항력/출력 비에 근거한다. 3m/s의 조류에 대한 예에서 최적 항력/출력 비는 공칭 15m 직경 3 날개 터빈에 대하여 3.2의 TSR 및 1.8m의 코드(chord)에서 발생한다. Cp의 최고값은 5 직후의 TSR에서 발생한다.

에어로포일(aerofoil) 설계에 있어서 날개들은 보통 캠버(camber)를 갖는데, 이는 캠버가 일반적으로 순환 혹은 날개 효율을 증가시키기 때문이다. 양력 계수(Cl)와 항력 계수(Cd)의 비는 이것의 척도이다. 상기 비는 캠버를 갖는 날개에 대하여 증가한다. 본 발명의 개량에 있어서, 빠른 조류 상태에서 날개들이 하중을 받지 않고 높은 RPM(revolutions per minute)으로 회전할 때, 무동력 추력(power-off thrust) 및 날개 실속 문제들(blade stalling problems)을 최소화하기 위해 캠버를 갖지 않는 날개가 유익하게 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 예시적 시스템에 대하여 축방향 추력과 조수 흐름 간 관계를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 디자인은 출력차단 임계값(power shed threshold)이 3m/s에서 설정되도록 선택되었다. 조수 흐름이 3m/s를 넘어서면 축방향 추력 하중이 급격히 감소한다. 상기 임계값은 뚜렷한 정점을 갖는다. 상기 날개 디자인은 상기 임계값 또는 정점이 일반적으로 대부분의 작동 상황에 대하여 2.5m/s 내지 5m/s의 범위 내에 존재하도록 선택된다.

이하에서는 본 발명의 몇몇 배경 이론이 도 6 및 도 7을 참조하여 개시된다. 상이한 속도들을 나타내는 벡터들(굵은 화살표들)의 위치와 그에 따른 힘들이 도 6에 도시되어 있다. 상기 속도들은 조류 속도를 나타내는 A와, 회전 속도를 나타내는 B와, 날개에 대한 흐름 속도를 나타내는 C이다. 도 6에서 양력은 D로 표시되어 있고, 항력은 E로 표시되어 있다.

이 두 힘들은 데카르트 좌표계의 X축 및 Y축 방향 힘으로 표시될 수 있다. 상기 X축 및 Y축을 따라 터빈의 토크 및 축방향 추력이 각각 작용함은 알려져 있다.

양력과 항력의 토크 및 추력으로의 변환은 도 6에서 β로 표시된 동일한 각들을 참조하여 수행된다.

자유회전 조건(freewheeling condition)은 F1 및 F2에 의해 벡터로 표시된다. 상기 F1 및 F2는 추력 및 항력의 X축 방향 분해 성분들이다. 자유회전 상황은 평형 상태에 해당하기 때문에, 상기 F1 및 F2는 서로 반대방향으로 작용하는 동일 크기의 힘들이다.

도 6의 기초 요소들이 도 7에 반복되어 있다. 도 7에는 3개의 속도 성분들인 A, B 및 C가 동일하게 도시되어 있고, 더 큰 엇갈림 각의 위치에 있는 날개 프로파일이 도시되어 있으며, 추력 및 항력 성분들과 F1 및 F2 힘들이 도시되어 있다.

조류 속도는 A로서 양 도면에서 동일하다. 회전 속도 B는 증가한 엇갈림 각에 의해 발생한 더 높은 일을 받기 때문에 감소한다. 도 6 및 도 7은 개념적인 것이다. 따라서 여러 힘들의 크기는 스케일(scale)로 귀결될 필요가 없다.

이의 없이 명백한 것은 날개 프로파일의 엇갈림 각 증가가 터빈의 꽤 많은 축방향 추력 감소를 수반할 것이라는 사실이다. 이 같은 사실은 양력이 Y축에 투사될 때의 성분이 높은 엇갈림 각의 날개에 대하여 더 작기 때문에 초래된다.

F1 및 F2의 균형으로 표시되는 상기 자유회전 조건은 통상적인 디자인에 비해 상기 흐름 방향으로의 터빈 하중이 많이 감소한 것에 상응한다.

Claims

회전자와, 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함하고,
상기 날개들은 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 및/또는 조류 속에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구성되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
제1항에 있어서,
상기 미리 정해진 임계값 이상의 상기 높은 속도 범위에서, 상기 터빈에 대한 축방향 하중은 감소하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
하나 또는 그 이상의 날개 파라미터들은 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도에 대하여는 증가한 회전 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하는 것을 보장하도록 선택되거나 맞춰지나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않는 것(또는 그 대안으로 감소하는 것)을 보장하도록 선택되거나 맞춰지는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
제3항에 있어서,
선택되거나 맞춰진 상기 파라미터들은 날개 엇갈림 각 및/또는 끝 속도 비(TSR)인 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
선행 청구항 중 어느 하나에 있어서,
최고 축방향 하중은 상기 회전자의 자유회전 속도 이하의 회전 속도에서 가해지는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
상기 임계값은 정점 추력 하중을 포함하고, 상기 정점 추력 하중 이후에는 상기 추력이 급격하게 떨어지는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
제6항에 있어서,
상기 정점 추력 하중은 2.5m/s 내지 5m/s 범위 내의 조류 속도에 존재하도록 디자인되는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
해저에 위치된 탑재 구조물을 포함하고, 상기 탑재 구조물은 자체 중량에 의해 위치 고정되고 주로 상기 해저와의 마찰 접촉에 의해 이동에 대하여 안전한 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 임계값 이상에서 추력 하중의 감소는 자유회전시, 그리드와 연결이 실패(grid failure)시 또는 다른 전기적 하중 감소 사건시 상기 탑재 구조물의 초과 추력 하중을 방지하는 안전장치(failsafe)를 제공하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 터빈에 대하여, 정점 출력 계수 및 정점 추력 계수는 실질적으로 동일한 값의 끝 속도 비에 존재하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
제10항에 있어서,
상기 정점 출력 계수 및 정점 추력 계수는 서로 10% 이내의 끝 속도 비의 값에 존재하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 날개 엇갈림 각 선택은 상기 조류 터빈 시스템을 위한 주요 정지 시스템(primary breaking system)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
선행 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 조류 터빈 시스템은, 해저에 안착되고 서로 이격된 복수의 터빈 발전기들의 지지하도록 이루어진 상호 연결 골조 구조물을 포함하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템.
회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함하는 회전 조수 터빈의 속도를 제어하는 방법으로서,
날개들의 엇갈림 각 및/또는 상기 TSR 또는 상기 날개들의 다른 파라미터들은 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 또는 조류 속도에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구비되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않고 및/또는 상기 임계값 이하로 급격하게 감소하는 것을 특징으로 하는 회전 조수 터빈의 속도를 제어하는 방법.
회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함하는 조류 터빈 발전기의 제어 시스템으로서,
상기 날개들의 엇갈림 각, TSR 또는 다른 날개 파라미터들은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도 또는 조류 속도에 대하여는 증가한 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 구비되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않고 및/또는 상기 임계값 이하로 급격하게 감소하는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 발전기의 제어 시스템.
회전자 및 상기 회전자에 대하여 고정된 자세로 상기 회전자로부터 멀어지게 연장하는 복수의 터빈 날개들을 포함하는 조류 터빈 시스템의 디자인 방법으로서,
상기 날개들의 엇갈림 각은 상기 터빈의 서비스 중인 작동 속도 범위에 대하여, 낮은 범위의 회전 속도에 대하여는 증가한 회전 속도가 상기 터빈에 대한 증가한 축방향 하중을 초래하도록 선택되나, 미리 정해진 임계값 이상의 높은 속도 범위에서는 상기 터빈에 대한 축방향 하중이 증가하지 않도록 선택되는 것을 특징으로 하는 조류 터빈 시스템의 디자인 방법.