KR20110051128A - 수류 전력 발전 시스템용 핀-링 프로펠러 - Google Patents

Abstract

본체 구조물에 의해 접합된 복수의 부유 튜브; 본체 구조물에 의해 접합된 복수의 발라스트 챔버; 상기 부유 챔버, 발라스트 챔버 및 본체 구조물중 하나 이상과 연결된 하우징 내부에 배치된 복수의 유도형 전력 발전 장치; 및 상기 유도형 발전 장치와 연통되어 배치된 복수의 프로펠러를 포함한 수류 전력 발전 시스템이 제공된다. 일 구현예에서, 복수의 프로펠러 각각은 하나 이상의 동심원적으로(concentrically) 배치된 링들(rings)을 포함하고, 상기 동심원적으로 배치된 링들 각각은 내부 링 부재, 외부 링 부재 및 상기 내부 및 외부 링 부재 사이에 배치되어 간격(gap space)에 의해 분리된 복수의 만곡 핀 부재를 갖는다. 빠르게 이동하는 수류로부터 전력을 획득하기 위해 사용되는 신규한 유도형 발전기, 연관된 해저상에 배치된 침지형 앵커링 시스템에 대항하여 상기 시스템을 긴장시키는 부유 탱크, 및 시스템에 대한 정밀한 조절 및 연속적인 조절성을 제공하는 복수의 하위 챔버를 구비한 유체 충진된 발라스트 챔버에 대한 상세 설명을 포함하여, 상기 시스템을 배치하고, 위치시키고, 유지하고, 조절하고 및 작동하는 방법 및 수단들이 또한 제공된다.

Description

수류 전력 발전 시스템용 핀-링 프로펠러{Fin-Ring Propeller for A Water Current Power Generation System}

본 발명은 재생가능한 에너지 전력 발전 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 핀-링 프로펠러(fin-ring propeller)가 구비된 유도형 발전기 시스템을 이용한 빠른 유속의 수류로부터 유래된 전력을 발전시키는 침지식(submerged) 또는 수계(waterborne) 시스템에 관한 것이다. 본 명세서에 도시 및 기술된 핀-링 프로펠러는 상용의 발전기 드라이브 시스템 및 기타 전력 발생수단을 사용한 시스템에서 사용하기 적합하다.

화석 연료의 비용이 상승하고, 전세계의 경제 및 산업에서 에너지 수요가 증가함에 따라, 상이하고 보다 효율적인 방법이 지속적으로 요구되고 있다. 이들중 특히 관심있는 분야로는 배터리를 구비한 태양력 장치, 풍력장치, 및 격리(sequestered) 수소로부터 전력을 발전시키는 시스템과 같은 재생가능한 대체 에너지 공급원이다.

그러나, 이와 같은 에너지 공급원들은 아직 상업적인 규모로 넓은 범위의 영역으로 지속적인 전력을 전달하지 못하고 있다. 또한, 해수 정제를 포함한 수소 전력 시스템과 같은 일부 제안된 기술들은 전환 공정에서 시스템의 최종 산출 전력보다 더 많은 전력을 실질적으로 소비한다. 메탄 유래 수소와 같은 기타 에너지 공급원들은 대체를 희망하는 공지의 오일 기반 기술들과 비교하여 동일 또는 그 이상의 화석 연료 방출양을 생성하며, 배터리, 태양열 및 풍차 기반 시스템들과 같은 기타 에너지 공급원들도 상업적인 효율성이 본래부터 제한되어 있는 강한 태양빛 또는 바람에 일관성있게 노출되는 것이 필요하다.

한가지 제안된 대체 에너지 시스템은 빠르게 이동하는 수류, 예를 들면 2 m/s 이상의 피크 유동 속도를 갖는 수류로부터 유래된 수력(hydropower)의 이용(harnessing)을 포함한다.

그러나, 실제로 현존하는 지하수 전력 발전기들은 수류 속도가 일관성있게 매우 빠른 장소에 설치되더라도 불충분한다는 것을 입증하고 있다. 이는 적어도 일부분은 전력 발생을 위한 효율적인 수단 부족 및 지하수 전력 발전 시스템으로부터 수득된 전력을 육지 또는 수계 전력 릴레이 스테이션으로 적합하게 전달하는 효율적인 수단의 부족에 기인한다.

현존하는 프로펠러 디자인 및 수계 전력 발전 기작들은 충분한 에너지 발전 또는 최대 속도 수류에 대한 충분한 안정성을 제공하지 못하여 부적합다는 것을 입증하고 있다.

또 다른 현저한 문제점으로는 주위 수중 생물, 예컨데 암초, 해양 관엽식물, 물고기떼 등에 대한 피해없이 수류로부터 에너지를 얻는 과정과 연관된 환경 문제이다.

그러므로, 본 기술분야에 현존하는 문제점들을 극복하고, 안전하고, 신뢰할 수 있으며 환경친화적인 방식으로 현저한 양의 전력을 발전시키고 릴레이 스테이션으로 전달하는 수류 전력 발전 시스템에 대하여, 중요하고 아직도 충족시키지 못하는 요구들이 존재한다.

발명의 요약

부유 챔버(flotation chamber); 상기 부유 챔버와 연결된 하우징 내부에 배치된 유도형 전력 발전 장치; 및 상기 유도형 전력 발전 장치와 연통되게 배치된 프로펠러를 포함하고, 상기 프로펠러는 하나 이상의 동심원적으로(concentrically) 배치된 링(ring)을 추가로 포함하고, 상기 동심원적으로 배치된 링(ring)들 각각은 내부 링 부재, 외부 링 부재 및 상기 내부 및 외부 링 부재 사이에 배치되어 간격(gap space)에 의해 분리된 복수의 만곡 핀(fin) 부재를 갖는, 핀-링 프로펠러 시스템을 갖는 수류 전력 발전 시스템이 제공된다.

본체 구조물에 의해 접합된 복수의 부유 튜브; 본체 구조물에 의해 접합된 복수의 발라스트 챔버(ballast chamber); 상기 부유 챔버, 발라스트 챔버 및 본체 구조물중 하나 이상과 연결된 하우징 내부에 배치된 복수의 유도형 전력 발전 장치; 및 상기 유도형 발전 장치와 연통되어 배치된 복수의 프로펠러를 포함하고, 상기 복수의 프로펠러는 하나 이상의 동심원적으로(concentrically) 배치된 링들(rings)을 추가로 포함하고, 상기 동심원적으로 배치된 링들은 내부 링 부재, 외부 링 부재 및 상기 내부 및 외부 링 부재 사이에 배치되어 간격(gap space)에 의해 분리된 복수의 만곡 핀(fin) 부재를 갖는, 핀-링 프로펠러 시스템을 갖는 수류 전력 발전 시스템이 추가로 제공된다.

드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 허브(hub) 부재; 및 하나 이상의 동심원적으로 배치된 링을 갖는 프로펠러 부재를 포함하고, 상기 동심원적으로 배치된 링들은 내부 링 부재, 외부 링 부재 및 상기 내부 및 외부 링 부재 사이에 배치되어 간격(gap space)에 의해 분리된 복수의 만곡 핀(fin) 부재를 갖는, 침지식(submerged) 또는 수계(waterborne) 구조물용 프로펠러 시스템이 또한 제공된다.

본 발명은 전력 발생을 위한 효율적인 수단 부족, 지하수 전력 발전 시스템으로부터 수득된 전력을 육지 또는 수계 전력 릴레이 스테이션으로 적합하게 전달하는 효율적인 수단의 부족, 충분한 에너지 발전 또는 최대 속도 수류에 대한 충분한 안정성 부족, 수류로부터 에너지를 얻는 과정에서의 주위 수중 생물, 예컨데 암초, 해양 관엽식물, 물고기떼 등에 대한 피해를 포함한, 본 기술분야에 현존하는 문제점들을 극복하고, 안전하고, 신뢰할 수 있으며 환경친화적인 방식으로 현저한 양의 전력을 발전시키고, 릴레이 스테이션으로 전달하는 수류 전력 발전 시스템을 제공한다.

첨부된 도면을 참조함으로써 본 명세서에 개시된 구현예들은 보다 잘 이해될 것이며, 다수의 목적, 특징 및 이점들이 당업자들에게 명백하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 수류 전력 에너지 발전 시스템의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 2차 구현예에 따른 수류 전력 에너지 재생 시스템의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 3차 구현예에 따른 복수의 래비린스(labyrinth)형 분리 챔버를 갖는 발라스트 튜브(ballast tube)의 평면도이다.
도 4A는 본 발명의 4차 구현예에 따른 수류 전력 에너지 재생 시스템의 상면도이다.
도 4B는 테더 앵커링 시스템(tether anchoring system)을 추가로 포함한 도 4A에 묘사된 실시예의 상면도이다.
도 5는 침지식(submerged) 또는 수계(waterborne) 전력 발전 시스템과 연결되어 사용하기에 적합한 프로펠러 시스템 구현예의 정면도이다.
도 6은 추가의 투시를 위해 분리된 시스템의 상세 부분을 포함한, 도 5에 묘사된 프로펠러 시스템 구현예의 투시도이다.
도 7은 도 5 및 6에 묘사된 프로펠러 시스템의 일부분의 분리 도면이다.
도 8은 드레그(drag) 장착 프로펠러 어레이(array)를 추가로 포함하는 수류 전력 발전 장치 구현예의 측면도이다.
도 9는 짝수의 프로펠러들이 드레그 장착 프로펠러 어레이에서 오프셋팅 회전력(offsetting rotational forces)을 원활하게 하는, 도 8에 묘사된 수류 전력 발전 장치 구현예의 배면도이다.

하기의 기술은 본 발명 요지의 이로운 점을 구체화하는 복수의 예시적인 시스템 설계 및 사용 방법을 포함한다. 그러나, 당업자라면 개시된 구현예들이 본 명세서에서 기술된 특정한 상세 설명의 일부 없이도 실시가 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다른 경우, 발명에 대한 혼동을 방지하기 위하여 잘 알려진 해저 및 전력 발전 장비, 프로토콜, 구조물 및 기술들이 상세히 기술되거나 나태내지 않았다.

도 1은 수류 전력 발전 시스템(101)의 1차 구현예를 도시하고 있다. 가장 단순한 형태로서, 상기 시스템은 부유 튜브(102), 발라스트 튜브(103), 및 프로펠러(105)를 구비한 유도형 전력발전 장치(104)를 포함한다.

도 1은 오직 단일의 부유 튜브(102),발라스트 장치(103) 및 발전기 구성성분(104)만을 묘사하는 것 같지만, 사실은 보다 큰 시스템의 측면도이며, 복수의 튜브들과 발전기 성분들을 포함한 상업적인 구현예들이 여기서 고려되고 하기에 기술된다. 그럼에도 불구하고, 당업자들은 단일 요소들을 갖는 제한된 시스템에 대한 기술은 설명을 위한 것이며, 본 명세서에 개시된 발명 요지의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

상기 시스템의 신규성은 운영의 단순함 및 용이함을 제공하고, 변류를 통하거나 통하지 않으면서 교류(AC) 형태로 연관된 릴레이 스테이션(미도시)으로 출력될 수 있는 전력을 생산하는 유도형 전력 발전 장치(104)에 있다. 그러므로, 상기 시스템은 AC 전력을 용이하게 판매되고 이웃 배전망(electrical grid)에 의해 사용될 수 있는 상업적으로 실행가능한 규모로 생산할 수 있다.

일반적으로, 유도 발전기는 기타 형태의 동기(synchronous) 전력 발전기 또는 직류(DC) 발전기보다 기계적 및 전기적으로 단순하다. 또한, 이들은 보다 튼튼하고 내구성이 있으며, 일반적으로 브러쉬나 정류기(commutator)를 요구하지 않는 경향이 있다.

예를 들면, 전기 3상 동기(예컨데 케이지 권선형(cage would)) 유도 장치는 동기 속도(synchronous speed)보다 느리게 작동시 모터로 기능할 것이다. 그러나, 동일한 장치가 동기 속도보다 빠르게 작동시 유도 발전기로 기능할 것이다.

간략하게, 유도형 발전기는 동기 주파수보다 빠르게 내부 샤프트(shaft)가 회전할 경우 교류 전력을 생산하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에서, 샤프트 회전은 비교적 빠르게 이동하는 수류에 위치된 관련 프로펠러(105)에 의해 달성된다.

상기 시스템 유래 전력은 대부분의 경우 이웃하는 전력 그리드(grid) 시스템을 보조하기 위한 것으로, 결국 그리드의 작업 주파수는 전력 발전 시스템 작동 주파수를 따를 것이다. 예를 들면, 다수의 대형 전력 그리드 시스템들은 현재 50 내지 60 헤르쯔의 명목 작동 주파수(nominal operating frequency)를 사용한다.

그러나, 유도형 발전기는 자가 발진되지(self-exciting) 않아서 이들은 외부의 전력 공급(물을 통과하거나 연관된 해저(seafloor) 바로 아래에서 밀접한 관계의 작업(umbilical run)을 이용하여 이웃 그리드로부터 용이하게 수득될 수 있는) 또는 초기 회전 자기 플럭스(initial rotation magnetic flux)를 생성하기 위하여 감소된 전압 스타터(starter)에 의한 "소프트 개시(soft started)"를 요구한다. 감소된 전압 스타터는 상기 시스템에 중요한 이로운 점들을 제공한다, 예를 들면, 적당한 작동 주파수의 빠른 측정, 및 부속 전력 그리드가 허리케인에 의해 유발된 피해의 결과와 같은 일부 이유에 의해 비활성화될 경우 무전력 재시동(unpowered restart)의 허용을 포함한다.

*대형 수계 전력 발전 시스템에 대한 또 다른 중요하게 고려할 점은 주위의 수류 속도와 상관없이 연속적인 동적 위치제어를 가능하게 하는 균형잡힌 부유 평형(flotational equilibrium)의 설정이다. 주위의 수류 속도가 기설정된 범위의 수용가능한 작동 속도 내에서 유지된다고 가정한다 할지라도, 특히 강력한 허리케인 등에 의해 시스템 평형이 여전히 위태롭지만, 일반적인 파력선(line of typical wave force) 아래, 즉 대략 100-150 피트 깊이에서의 시스템 웰(well)의 배치는 이와 같은 문제를 현저히 감소시킬 것이다. 중력식 킵(kip), 부유 킵, 드레그(drag) 킵 및 홀딩(holding) 킵들의 다양한 오프세팅력(offsetting force)도 연속 수류 에너지 발전 시스템의 전체적인 안정성에 기여할 것이다.

도 1에 도시된 부유 튜브(102)는 앞서 언급한 유도형 발전기들을 수용하는 적어도 하나의 캡(cap) 장치(104)와 기계적으로 연통되도록 배치된 원통형 본체부를 포함한다. 발전기 및 관련 말단 캡 하우징(housing)은 드라이브 샤프트(drive shaft) 및 일부 구현예에서 프로펠러(105)에 대한 관련 유성 기어장치(planetary gearing)를 포함한다.

일부 구현예에서, 비록 본 발명의 유효 실시가 기타의 기하학적 형태들을 허용할 지라도, 부유 튜브(102)는 정육면체형 또는 6각형 형태를 포함한다. 바람직한 구현예에서, 부유 튜브(102)는 대략 원통형이고, 기체(예컨데 공기 또는 또 다른 안전한 부양성 기체) 압력을 받아서, 시스템이 고정된 테더(106)에 의해 구속될 경우 결합력(combined force)이 해류 에너지 발전 시스템을 위한 일차적인 인양력(lifting force)을 구성할 것이다.

따라서, 유지 보수 또는 검사를 위해 발전기 전원을 차단함으로써 시스템을 표면으로 상승시켜, 시스템 상의 드레그(drag)를 감소시키고, 시스템을 표면쪽으로 상승시킬 수 있게 한다. 부유 튜브를 개봉하고/하거나 발라스트 튜브로부터 유체를 배출시킴으로써 장치를 표면에 안전하고 신뢰성있게 부유시켜 유지 보수 또는 검사를 수행할 수 있다.

상기 시스템의 이동 방법에 따라, 테더(106)가 해제되어 부유 구조물이 견인될 수 있거나, 그렇지 않으면 육지 또는 또 다른 작동 위치쪽으로 힘을 받을 수 있다.

도 2에 도시된 구현예는 유도 발전기 장치(204, 205)의 샤프트 부재와 기계적으로 연통되게 배치된 복수의 비교적 대형이고 천천히 움직이는 프로펠러(206)를 구비한 전력 발전 시스템(201)의 정면도이다. 도 4A에서 보다 상세하게 나타난 바와 같이, 발전기 장치는 부유 튜브(102) 내부에 위치하는 말단 캡 장치 내부 및, 부유 튜브들 사이에 배치된 시스템의 격자형 본체부의 길이를 가로질러 배치된다.

도 3에 관하여, 도 1에서 참조번호 103으로 앞서 묘사된 발라스트 튜브의 내부에 대한 상세 도면이 제공되며, 여기서 부유 튜브(102)에 의해 수득될 수 있는 시스템에 존재하는 밸런스(balance)와 부유력을 보다 정밀하게 제어하기 위해 다양한 기체 및 액체들의 분리 및 혼합이 사용될 수 있는 방식으로 복수의 래비린스(labyrinth) 형 분리 챔버들이 접합된다.

구현예에서 관찰되는 바와 같이, 발라스트 튜브 내부에 형성된 내부 발라스트 시스템(301)은 과압력 체크 밸브 및 일차 분리 챔버(303)과 유체 연동되게 배치된 공기 조절 공급원(302)을 포함한다. 일차 분리 챔버(303)는 챔버의 상부에 존재하는 건조 기체(예컨데 주위의 외부 수압과 동일한 압력을 갖는 공기), 및 챔버의 하부에 존재하는 유체(예컨데 분리 챔버 외부로부터 도입된 해수) 모두를 포함한다.

일차 분리 챔버(303)는 또한 공기를 기타 기체-충진 구획들로 분배하기 위한 이차 공기 공급 라인(305) 및 일차 분리 챔버(303)로부터 기체 및 유체의 혼합물을 이차 분리 챔버(304)로 분배하기 위한 라인을 포함한다. 이차 분리 챔버(304)는 공기 함유 상부 및 물 함유 하부를 포함하고, 분리 실린더에 의해 분리된다. 다른 구현예에서, 분리 실린더는 공기와 해수간의 보다 낳은 분리를 위하여 완충유체를 부유시킬 수 있는 해수를 포함한다.

추가의 구현예에서, 일차 또는 이차 분리 챔버들(303, 304)은 유체 또는 공기가 시스템의 특정 구멍에 존재하는지 여부를 측정하기 위하여 장비(예컨데 압력 센서 또는 차압(differential pressure) 센서)를 구비한다. 추가의 구현예에서, 이와 같은 센서들은 밸런스의 검출 및 제어를 보조하고, 관련된 측정들을 추진하기 위하여 사용되는 논리 제어 시스템(logical control system)(미도시)으로 입력된다.

물 또는 기타 액체들은 탱크 하부에 남아있으면서 탱크의 상부에서 상기 시스템을 통해 공기를 전진시키는 공정은 원하는 밸런스 및 조절 특성이 얻어질 때까지 계속된다. 궁극적으로, 최종 분리 챔버(306)가 제공되며, 이 챔버는, 묘사된 구현예에서, 시스템 밖으로 공기를 방출시키고, 일부의 경우 시스템으로 물을 도입하기 위해 사용되는 공기 출구 밸브(309)를 포함한다.

내부 압력이 커져서 시스템 조절의 완전성을 유지하기 위하여 압력의 배출이 필요한 경우 압력 안전 밸브(307)가 제공되며, 해양 생물들의 돌발적인 진입을 예방하기 위하여 스크린이 구비된 개방 수류 밸브(308)가 분리 탱크(306)의 하부에 배치된다.

다시 말해서, 공기 및 물 간의 상호작용을 감소하기 위해 완충 유체 등이 사용될 수 있으며, 만일 상기 시스템이 해수의 상부에서 부유하는 부유물 조절기를 구비하고 있다면 모든 해수가 배출된 후 완충 유체를 보유할 것이다.

도 4A는 시스템(401)의 일 구현예에 대한 상면도를 나타내고 있으며, 이와 같은 경우 시스템은 일차 부유 튜브(402) 및 이차 부유 튜브(403); 부유 튜브 사이에 배치된 연결형 격자구조 본체부(404); 부유 튜브들 및 본체부 주위에 전략적으로 위치된 복수의 유도 발전기(405, 406); 발전기들과 기계적으로 연통되도록 배치된 복수의 프로펠러(407); 및 부유 튜브(402, 403)와 기계적으로 연통되도록 배치된 복수의 테더링 부재(408, 409)를 포함한다.

도 4B에 도시된 구현예에서, 테더링(tethering) 부재(408, 409)는 앵커링(anchoring) 부재(411)에 알려진 방식으로 부착되는 단일의 앵커링 테더(410)를 형성하기 위해 서로 접합된다.

다양한 구현예에서, 앵커링 테더(410)는 시스템을 가변적으로 보유하거나 방출하는 수단을 추가로 포함한다. 기타 다양한 구현예에서, 앵커링 테더(410)는 테더 종결 장치(미도시)를 구비한 앵커링 부재(411)에서 종결된다. 앵커링 부재(411)는 빠르게 움직이는 수류에서 고정된 위치를 유지하기에 적합한 어떠한 형태의 알려진 앵커(예컨데, 사하중 앵커 등)을 포함하며, 이들은 일반적으로 빠르게 이동하는 수류에 의해 유발된 토양 침식으로 인한 암석 해저를 갖는 위치에서 발견된다.

다른 구현예에서, 이와 같은 부분의 스테이션은 앵커링 테더(410)를 표면 선박 또는 또 다른 해양 수류 에너지 발전 장치에 부착하거나, 또는 부유 동적 위치제어 부표와 같은 또 다른 중앙 정박 위치에 부착하여 안정화될 수 있다.

상기에서 매우 일반적으로만 논의된 프로펠러 시스템 구현예에 대하여, 도 5 내지 7은 본 명세서에 개시된 수류 전력 발전 시스템과 함께 사용하기에 적합한 프로펠러 시스템의 다양한 특정 (비제한적이지만) 구현예들을 묘사하고 있다. 그러나, 당업자들은 본 명세서에 개시된 프로펠러 시스템의 예는 유도형 전력 발전기에 의해 구동되는 수류 전력 발전 시스템에 관하여 기술하고 있지만, 프로펠러 시스템의 예는 본 명세서에서 교시된 여러 동일한 이점들을 달성하기 위하여 기타 형태의 침지식 또는 수계 전력 발전 시스템과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

예를 들면, 도 5는 침지식 또는 수계 전력 발전 시스템과 연결하여 사용하기에 적합한 프로펠러 시스템 구현예의 상면도이다.

도시된 바와 같이, 프로펠러(501)는 복수의 교차 핀(fin) 세트 및 부속 링(ring)을 포함하며, 이후에는 이들을 "핀-링" 구성으로 부른다. 이와 같은 핀-링 프로펠러들은 일반적으로 각각의 특정 응용을 위한 사양에 맞게 설계되며, 유도형 발전기에 필요한 작동 주파수, 주위 수류 속도, 환경적 고려사항(예컨데 프로펠러들이 물고기 또는 기타 해양 생물들이 통과할 수 있는 개구 또는 공간을 가져야 하는지 등) 등에 기초하여 지름, 원주, 핀 곡률(fin curvature) 및 배치 편심(eccentricity), 물질 선택 등을 조절함으로써 향상된 효율성이 실현될 것이다. 유사하게, 이웃하는 프로펠러 세트들은 해양 생물들을 쫓아내거나 보호를 도울 수 있고, 프로펠러 회전 효율을 향상시킬 수 있는 프로펠러 정면에 역류 또는 사영역(dead zone)의 생성을 촉진하기 위하여 반대 방향(예컨데 도 2에 대표적으로 도시된 바와 같이 시계방향 또는 시계반대방향)으로 회전될 수 있다.

유도형 전력 발전기에 의해 구동되는 수류 전력 발전 시스템과 연계하여 사용될 경우, 프로펠러에 대한 유일한 확고한 작동 요구조건은 작동 발전기 주파수를 얻기 위하여 필요한 속도로 관련 발전기 샤프트를 회전시킬 수 있는지 여부이다. 그러나, 전반적으로 상기 시스템은 지역 해양 생물과의 상호작용에 관하여 수동적이며, 환경적으로 중간적인 작동 환경을 유지하면서 상기 시스템이 필요로하는 전력 생산을 발생시키는 경우에 최적의 성능 결과가 달성된다.

장치의 중앙에서 시작하는 경우, 프로펠러(501)는 허브 또는 샤프트부(502) 주위에 배치되며, 이들은 (예컨데, 하나의 프로펠러 본체 또는 복수편의 프로펠러 본체를 샤프트에 용접하여 단일의 유니터리 홀(unitary whole) 등을 형성하는 캡슐화 녹방지 패스너(fastener)와 같은 기계적 부착에 의해) 모두 프로펠러(501)를 안전하고 믿을 수 있는 방식으로 보유하고, 전력 발전기로의 전달을 위해 회전하는 프로펠러의 각 운동량(angular momentum)에 비례하는 회전 토오크(torque)를 샤프트에 부여한다. 일부 구현예에서, 허브 또는 샤프트 부(502)는 핀-링 프로펠러의 샤프트에 대한 기계적 연결을 향상시키기 위해 사용되는 부유 수단을 추가로 포함한다. 부착 수단과 같이, 이와 같은 공정에 적당한 드라이브 샤프트는 현재 본 기술분야에 존재하며, 예를 들면, 프로펠러의 회전 토오크를 발전기 샤프트로 효과적으로 연통하기 위해 필요한 일련의 기어 및/또는 클러치, 브레이킹 시스템 등을 포함할 수 있다.

일 구현예에서, 볼트(bolt) 및 워셔 어셈블리(washer assembly) 등과 같은 보유 패스너(fastener)는 드라이브 샤프트의 말단에서 제거되고, 핀-링 프로펠러 구조물은 노출된 샤프트 상에서 미끄러지고, 이후 패스너가 교체되어 기계적으로 핀-링 구조물을 샤프트에 부착시킨다. 최적으로, 이후 도 6의 참조번호 601로 도시된 바와 같이 수밀형(water-tight) 커버 등에 의해 패스너를 회수한다.

다른 구현예에서, 중앙 허브는 대형 샤프트와 기계적으로 연통하는 연결 포인트(point)를 포함하며, 이는 설치 또는 제거되고 단일 구조물로 대체될 수 있어서 수중에서도 프로펠러가 용이하게 작동되고 유지된다. 다른 구현예에서, 상기 허브는 샤프트 및 프로펠러 어셈블리의 돌출 하중(overhanging load)에 저항하도록 고정 부유 수단을 추가로 포함한다. 유사하게, 프로펠러 (특히, 대부분의 수류력을 흡수하는 침지 시스템에서 전면 프로펠러)는 핀-링 구조물에 대한 누적 유체압력에 기인한 저항성을 극복하기 위해 드레그(drag) 장착될 수 있다.

어떻게 프로펠러가 샤프트에 부착되고, 고정 부유 부재에 의해 드레그 장착 및/또는 지지되는지 여부와 관계없이, 본 명세서에서 묘사된 핀-링 설계의 구현예는 일반적으로 상기 시스템 내에서 실시하기에 적합한 다수의 기타 관련된 구현예들과 전체적으로 유사하다. 예를 들면, 도 5에서 묘사된 구현예 501에서, 허브 부착 어셈블리(502)는 일차 링 부재(503)에 의해 동심원적으로 둘러싸이고, 일차 링 부재 밖으로(즉, 상기 허브 어셈블리 밖에 추가로) 이차 링 부재(506)가 존재한다. 일차 링 부재(503) 및 이차 링 부재(506) 사이에 복수의 핀 부재들(504)이 배치되며, 각각은 간격(gap)(505)으로 분리된다. 핀 부재들(504) 사이의 간격은 응용에 따라서 다양하지만, 일반적으로 핀간 간격은 가장 안쪽의 링(간격이 일반적으로 가장 작음)으로부터 가장 바깥쪽의 링(간격이 가장 큼)으로 갈수록 크기가 증가할 것이다. 기타 구성은 내부 링 상에 유사한 크기의 간격 또는 심지어 외부 링보다 큰 간격을 허용하지만, 고리의 가능한 표면적 전체의 대부분은 간격보다는 핀에 의해 이용되는 대부분이 고형인 내부 링 표면의 이점은 구조물이 유체 압력을 구조물의 중심으로부터 가장 바깥쪽의 링이 받게 하고, 전체적으로 장치의 경계를 초과하는 경향이 있다는 것이다.

이와 같은 접근은 프로펠러가 보다 용이하게 회전하는 것을 돕고, 구조물 근처로 다가올 수 있는 작은 해양 생물 등을 시스템의 외부 쪽으로 유도하여 이들이 전체적으로 프로펠러 구조물을 피하게 하거나, 외부 링에 존재하는 보다 큰 간격 중 하나로 통과시켜 장치의 환경적 안전성을 크게 향상시킨다. 구조물에 대한 저항성이 감소되고, 보다 큰 회전 토오크가 드레그 및 손실없이 드라이브 샤프트로 전달되기 때문에 프로펠러는 매우 천천히 회전될 수 있고(예를 들면, 만족스러운 현장 결과를 얻는 일 구현예에서 프로펠러는 오직 8 RPM의 속도로 회전한다), 추가로 해양 생물들이 구조물을 회피할 수 있고, 환경적으로 중성 및 안전성을 향상시킨다. 느린 회전 속도는 또한 상기 시스템을 보다 강건하고 내구성이 있게 하며, 파편 또는 근처에 부유하는 침지식 물체에 의해 접촉시 손상을 덜 받을 것이다.

이후, 추가의 대략 원형인 링(509) 내부에 배치된 핀(507) 및 간격(508)의 일련의 동심원 링들이 구조물에 첨가되어 원하는 원주가 달성될 때 까지 핀 및 간격들(510-512)의 추가의 동심원 링을 생성한다. 바람직한 구현예에서, 가장 바깥쪽 링의 간격(514)은 상기 시스템에서 가장 큰 간격이며, 시스템의 가장 큰 정도로 핀(513)을 분리한다. 최종 링 부재(515)는 프로펠러 시스템의 바깥 둘레를 포함하여, 다시 한번 이의 환경 친화력을 향상시키며, 이에 따라 물고기 및 기타 해양 생물들이 부주의하게 외부 링(515)을 타격하더라도 느리게 움직이는 구조물에 대하여 약하게 빗나가는 타격만 받게 되고, 이는 물과 유체 압력을 장치로부터 가능한 멀리 밀어냄으로써 해양 안전성을 추가로 증가시킨다.

(방수 캡(601) 등으로 덮혀진 허브 부착부를 갖지만 일반적으로 도 5의 구현예를 도시하고 있는) 도 6의 점선 네모 영역(603)에서 보이는 바와 같이, 핀-링 어셈블리에 대하여 측정된 핀(602)의 피치(pitch)는 어셈블리 내에서 이들의 위치가 중앙 허브를 둘러싼 일차 링으로부터 가장 바깥쪽 링으로 전진함에따라 변경될 수 있다(예를 들면, 링들은 보다 편심적으로 배치될 수 있다). 내부 링 안에 보다 평평한 피치에 및 외부 링에 보다 편심적으로(즉, 어셈블리 평면에 대하여 더욱 수직인 평면에) 핀(602)을 배치하는 것은 프로펠러 주위의 물 흐름을 평평하고 부드럽게 하여 우수한 유체 유동 특성(시스템 진동을 최소화함)을 달성하고, 프로펠러 구조물에 대한 저항성을 약하게 하고, 해양 생물들이 프로펠러 시스템의 중심을 피하도록 보다 큰 주위 원심 유체력(surrounding centrifugal fluid force)을 제공하는 경향이 있다.

도 7에 도시된 구현예(701)(도 6의 네모 영역(603)을 나타냄)에서, 일련의 만곡(curved) 핀들(702, 704, 706, 708)이 증가된 크기의 간격들(703, 705, 707, 709) 사이에 배치된다(가장 작은 동심원 링이 시작되는 중앙 부착 허브는 도면의 상부를 넘어서, 예컨데 핀(702) 및 간격(703)에 위치된다는 것을 주지하여야 한다.). 도시된 구현예에서, 핀들(702, 704, 706, 708)은 허브로부터 더욱 멀리 설치되어 더욱 편심적으로 배치되어, 어셈블리 평면에 대하여 측정된 핀(708)의 배치 각도는 중심 부착 허브 가까이에 배치된 핀들(702, 704, 706)의 각도보다 더욱 클 것이다.

*도 8에 도시된 구현예에서, 테더링된 침지식 수류 전력 발전 시스템이 제공되며, 여기서 전체 프로펠러 어레이(array)가 드레그 장착되어 정면 장착된 어레이로부터의 전력 간섭이 억제되고, 보다 향상된 시스템 안정성 및 전력 효율이 달성된다. 도시된 바와 같이, 이와 같은 특정 구성은 비록 보다 많거나 적은 수의 수준으로 복수의 프로펠러 어레이들의 배치가 또한 가능하지만 상부 드레그 장착 위치 및 하부 드레그 장착 위치 모두에 배치된 하나 이상의 프로펠러를 허용한다.

도 8에 도시된 구현예의 대안에 관한 배면도인 도 9에서, 하나의 특정(비록 비제한적인) 구현예는 총 10개의 프로펠러를 포함하며, 이중 6개의 프로펠러들은 하부 드레그 장착 위치에 배치되고, 4개의 프로펠러들은 상부 드레그 장착 위치에 배치되며, 상부 위치 어레이는 전력 발전 시스템의 각 측면 상에 2개의 프로펠러들이 추가로 분포된다. 이와 같은 특정 구현예는 우수한 전력 발전 특성을 허용하는 반면에, 진동을 최소화하여 부속 시스템 구조물을 안정화하고, 짝수로 매치된 프로펠러 쌍들이 반대 회전 방향으로 작동하게 한다는 것이 알려져 있다. 이와 같은 구성이 전력 발전 시스템의 특정 구현예에 대하여는 최적일 수 있지만, 주어진 작동 환경에서 효과적이라고 예상되면 실질적으로 제한없는 수의 다른 어레이들 및 배치 구성들이 대신 사용될 수 있다.

실질적인 사항으로, 전체 핀-링 프로펠러 구조물의 조성은 흔한 것일 수 있으며, 예를 들면 내구성있고, 코팅되거나 방청(rust-resistant)이고, 경량의 금속으로 모두 제조된다. 그러나, 핀과 링 사이에 상이한 물질의 조성이 가능하며, 금속성 복합물, 하드(hard) 탄소 복합물, 세라믹 등과 같은 기타 물질들도 본 발명의 범위를 벋어나지 않으면서 확실히 가능하다.

지하수 에너지 생산과 연관된 장치(예를 들면, 부속 전력 공급 소스, 광섬유제어 및 커뮤니케이션 시스템, 전력 스테이션을 서비스하기 위해 사용되는 부속 원거리 작동 차량 등)를 포함한 현재 일반적으로 실시되고 있는 본 발명의 다른 관점들이 여전히 시스템의 배치, 위치, 조절 및 작동에서 사용하기 위한 주변장치로 고려되고 있지만, 이와 같은 시스템 및 하위 시스템들이 당업자들에게 이미 알려져 있기 때문에 이와 같은 항목들을 더욱 상세하게 기술해야 할 필요는 없다.

비록 본 발명은 여러 구현예들에 대하여 앞에서와 같이 상세히 기술하고 도시하였지만, 당업자들은 본 발명의 사상 또는 범위를 벋어나지 않으면서도 기술된 내용의 작은 변형 및 다양한 기타 변형, 삭제 및 첨가가 가능할 수 있다는 것을 알고 있을 것이다.

Claims (10)

1. 드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 허브(hub) 부재; 및
   하나 이상의 동심원적으로 배치된 링을 갖는 프로펠러 부재를 포함하고,
   상기 동심원적으로 배치된 링들은 내부 링 부재, 외부 링 부재 및 상기 내부 및 외부 링 부재 사이에 배치되어 간격(gap space)에 의해 분리된 복수의 만곡 핀(fin) 부재를 갖는 것을 특징으로 하는 침지식(submerged) 또는 수계(waterborne) 구조물용 프로펠러 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 상기 허브 부재는 샤프트(shaft)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 상기 허브 부재는 기어링 어셈블리(gearing assembly)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 상기 허브 부재는 브레이킹 어셈블리(breaking assembly)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 상기 허브 부재는 클러치 어셈블리(clutch assembly)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   드라이브 시스템과 연통되어 프로펠러를 배치하는 상기 허브 부재는 고정 부유 부재(fixed flotation member)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 프로펠러 시스템은 중앙 허브 어셈블리에 장착된 드레그(drag)인 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   각각이 간격에 의해 분리된 복수의 핀(fin)들을 구비하고 있는 복수의 동심원 링들은 최외각 봉입 링(outermost enclosing ring)에 의해 구조물의 최외각 주변(outermost periphery)에서 봉입되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   구조물의 주변에 근접한 보다 큰 동심원 링들 내부에 배치된 핀들은 구조물의 허브 부재에 근접한 보다 작은 동심원 링들 내부에 배치된 핀들과 비교할때 어셈블리 평면에 대하여 측정된 편심 각(eccentric angles)이 더욱 크게 배치되는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.
10. 제1항에 있어서,
    구조물의 허브 부재에 근접한 보다 작은 동심원 링들 내부에 배치된 핀들 사이에 형성된 간격들보다 구조물의 주변에 근접한 보다 큰 동심원 링들 내부에 배치된 핀들 사이에 형성된 간격들이 더욱 큰 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 프로펠러 시스템.

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