KR20110113613A - 정렬 수단을 구비한 수력 터빈 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 베이스 및 그 위에 장착된 터빈을 포함한 수력 터빈 시스템이 흐르는 조류에서 시스템의 안정성 및 바람직한 방향을 가능하게 하고 유지하면서 해저로 하강될 수 있도록 하는 정렬 수단을 가진 수력 터빈 시스템에 관한 것이다.

Description

정렬 수단을 구비한 수력 터빈 시스템{A hydroelectric turbine with aligning means and method of deployment}
본 발명은 수력 터빈에 관한 것으로, 특히 베이스에 장착된 수력 터빈 시스템을 포함하는 시스템이다. 상기 시스템은 해저 상의 배치 장소를 향해, 흐르는 조수 중에, 하강할 때 상기 시스템을 안정화 및/또는 배향시키는 수단을 포함한다.
최근, 그리고 전세계적으로, CO2 배출이 우리 환경에 일으키고 있는 피해, 특히 지구 온난화에 따른 위협을 둘러싼 상당한 관심이 있다. 주요 CO2배출원 중 하나는 대규모로, 화석 연료의 연소를 통한 전기 생산에 있다. 전기는 그러나 인류의 생존에 필수적인 생필품이 되었으며, 화석 연료의 이용 없이 대량의 전기를 발생시킬 대체 수단을 찾는데 거대한 자원이 현재 투여되고 있다. 원자력 에너지가 대안이지만, 대부분의 사회가 원자력의 부정적인 측면을 불안해하므로 다른 더 바람직한 해결책이 요구된다.
재생 가능한 에너지가, 태양에너지, 풍력 에너지, 및 조력 에너지에 걸쳐 개발한 많은 프로젝트와 함께, 최근 들어 주목을 받게 되었다. 이러한 에너지의 대체 형태 중, 조력 에너지는, 상대적으로 간헐적이고 따라서 덜 의존적인 풍력 또는 태양 에너지와 달리, 조류가 전적으로 예측가능하고 일정하기 때문에 거의 틀림없이 가장 매력적이다.
그러나 조력 에너지 활용은 특히 조력 발전기의 설치 및 유지에 관한 그 자체로 도전을 제공하는데, 예를 들어 수력 터빈은, 동일한 구동 특성으로 인해 상대적으로 빠르게 흐르는 조류에 위치하여야 하며, 그 중에서도 해저에 위치하여야 한다. 이러한 조건은 상당히 사람이 작업하기 힘들며, 안전한 작업 조건에 좋지 않다. 그러한 조력 터빈이 장착되는 베이스의 설치는 해저로 파일을 가라앉히는 형태를 취해왔는데, 파일 위에 터빈 또는 하나 이상의 터빈을 탑재하는 두 번째 프레임이 위치될 수 있다. 그러나 만조류 지역 내의 해저로 파일을 가라앉히는 것은 상당한 문제이며 상당히 위험한 작업이다. 또한, 상당한 드릴링 및 파일링 장비가 설치 장소로 운반되어 작업되어야 하는데, 작업의 복잡도와 비용을 상당히 증가시킨다.
본 발명의 첫 번째 측면에 따르면 베이스 및 조류속에서 떠 있는 동안 조류에 대해 원하는 방향으로 상기 베이스를 정렬하는 수단을 포함하는 수력 터빈 시스템이 제공된다.
바람직하게, 상기 정렬 수단은 수동적이다.
바람직하게, 상기 정렬 수단은 적어도 하나의 핀(fin)을 포함한다.
바람직하게, 상기 정렬 수단은 복수의 핀을 포함한다.
바람직하게, 상기 베이스는 해저에 위치할 때 상기 베이스가 그 위에 서는 복수의 다리를 포함하며, 적어도 하나의 다리는 그로부터 연장된 적어도 하나의 핀을 포함한다.
바람직하게, 상기 정렬 수단은 조류속에서 떠 있는 동안 조류에 대해 원하는 방향으로 상기 베이스의 이동시킨다.
바람직하게, 상기 베이스는 상기 수력 터빈을 유지하도록 형성되고 크기가 정해진 마운트를 포함한다.
바람직하게, 상기 시스템은 상기 베이스에 장착된 수력 터빈을 포함한다.
바람직하게, 상기 정렬 수단은 상기 터빈이 상기 조류의 방향에 동작 가능하게 정렬되도록 상기 시스템을 배향시킨다.
본 발명의 두 번째 측면에 따르면, 수력 터빈 시스템을, 흐르는 조수에서, 배치하는 방법을 제공하며, 상기 방법은
배치 선박 및 상기 시스템을 배치 장소 위에 위치시키는 단계;
상기 시스템을 상기 선박으로부터 상기 배치 장소로 하강시키는 단계;
상기 시스템을 통해 흘러가는 물의 조류를 이용하여 상기 조류에 대한 상기 시스템의 원하는 방향을 달성 및/또는 유지하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 조류 내의 시스템의 안전성을 구현 및/또는 유지하기 위해 상기 시스템을 통해 흘러가는 물의 조류를 이용하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은, 상기 시스템을 하강시키는 단계에서, 상기 시스템을 통해 이동하는 물의 흐름의 영향 아래서 상기 조류의 방향에 대해 상기 시스템이 원하는 방향으로 이동하도록 하는 하강 수단을 이용하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 상기 조류에 대해 상기 시스템을 안정화 및/또는 배향시키기 위해 상기 시스템을 이동시키도록 상기 조류가 상기 시스템 상의 상기 정렬 수단을 통해 흐르도록 하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 시스템은 베이스 및 상기 베이스에 장착될 수 있는 수력 터빈을 포함하며, 상기 방법은 상기 시스템을 상기 해저를 향해 하강시키기 전에 상기 터빈을 상기 베이스에 고정하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 상기 방법은 상기 터빈이 상기 조류의 방향으로 동작 가능하게 정렬되도록 상기 시스템을 배향시키기 위해 상기 조류를 이용하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 수력 터빈 시스템의 제1 실시예의 사시도를 도시하고 있다;
도 2는 도 1에 도시된 수력 터빈 시스템의 일부의 다른 장치를 도시하고 있다.;
도 3은 본 발명에 따른 수력 터빈 시스템의 제2 실시예의 사시도를 도시하고 있다;
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수력 터빈 시스템의 일부의 사시도를 도시하고 있다.
첨부된 도면의 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 수력 터빈 시스템의 제1 실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 10으로 표시되며, 수력 전기 발전을 수행하기 위해 만조류 지역 내의 해저에 위치되도록 설계되어 있다. 시스템(10)은 그 위에 수력 터빈 T를 탑재하는 베이스(12)를 포함하며, 터빈 T는 시스템(10)의 일부를 형성한다. 도시된 실시예에서, 베이스(12)는 평면상으로 삼각형이나, 베이스(12)의 형상은 삼각형에 한정되지 않으며 임의의 적합한 형상이 될 수 있음을 시스템(10) 동작의 후술하는 설명으로부터 이해할 수 있다. 베이스(12) 상에 장착될 수력 터빈 T는 임의의 적합한 형태가 될 수 있음도 이해할 수 있다.
베이스(12)는 그 사이에서 후면 빔(16)이 연장되는 한 쌍의 측면 빔(14)을 포함하며, 베이스(12)의 각 꼭짓점은 다리(18)에 의해 규정되며, 그 사이에서 빔(14, 16)이 연장된다. 다리(18)는 해저에 고정될 수 있도록 임의의 개수의 장치로 적합하게 설계될 수 있다. 베이스(12)는 임의의 적합한 물질 또는 물질의 조합으로 제조될 수 있으며, 실시예에서는 주로 강관으로 형성된 것으로 도시되어 있다. 그 개별 요소의 수리 및/또는 교체를 가능하게 하기 위해 베이스(12)는 실제로 모듈식일 수 있다.
시스템(10)은 베이스(12)에 체결된 마운트(20)를 더 포함할 수 있으며, 그 안에 수력 터빈 T를 수용하고 유지한다. 마운트는 측면 빔(14) 각각으로부터 확장한 한 쌍의 수직 기둥(22) 및, 수직 기둥(22) 상에서 지지되는 분리된 이음 고리(24)를 포함한다. 이음 고리(24)는 실질적으로 실린더 형상이며, 사용시 그 안에 수력 터빈을 수용하며, 수력 터빈은 터빈의 스테이터(미도시)를 통해 이음 고리(24)에 체결될 수 있다. 마운트(20)의 설계는 터빈을 베이스(12)에 체결하기 위한 메커니즘의 단순한 한 예시일 뿐이며, 마운트(20)는 임의 다른 적합한 형태일 수 있음을 다시 한 번 이해할 수 있다. 도시된 실시예에서, 해저에 탑재될 때, 베이스(12)의 장축 L을 배치 장소에서 조류의 방향에 실질적으로 정렬되도록 시스템(10)이 설계된다. 수력 터빈을 조류의 방향으로 직접 향하도록 대향시키기 위해서 마운트(20)가 해저에 위치한 베이스(12)에 의해 배향된다.
시스템(10)은 바지선 또는 유사한 배치 선박(미도시)으로부터 해저로 하강하도록 되어 있는데, 예를 들어, 베이스(12)에 연결되고 배치 선박으로부터 윈치를 통해 하강하는 복수의 하강선을 사용한다. 상술한 바와 같이, 시스템(10)이 배치될 지역은 만조류 영역이며, 해수면 및 해수면 아래 모두에서 어려운 작업 조건을 구현한다. 그렇게 만조류 내에서 물체를 선박에서 해저를 향해 하강하는 것은 매우 어려우며, 물체의 회전/진동과 같은 바람직하지 않은 움직임을 일반적으로 초래한다. 이는 물체를 하강시키는데 이용되는 선들을 얽히게 하며, 조류에 정확하게 정렬되어야만 하는 수력 터빈의 경우, 터빈을 해저에 위치시킬 때 조류의 방향에 대해 터빈을 정확하게 배향시키는 것을 매우 어렵게 한다.
본 발명의 시스템(10)은 베이스(12)에 장착된 한 쌍의 핀(26) 형태, 및 특히 후면 빔(16)의 양쪽에 탑재된 다리(18)로부터 후방으로 연장된 정렬 수단을 제공함으로써 상술한 문제를 극복하였다. 도시된 실시예에서, 핀(26)은 베이스(12)의 장축 L에 실질적으로 정렬된다. 조류속으로 하강하면, 핀(26)은 베이스(12)에 안정성을 제공하고 또한 조류에 대해 베이스(12)를 정렬하고, 장축 L이 조류의 방향에 실질적으로 평행해질 때까지 베이스(12)의 회전을 억제하는 방향타로 작용한다. 핀(26)의 방향은 조류의 방향에 대해 베이스(12)의 원하는 방향을 달성하기 위해 변화될 수 있음을 역시 이해할 수 있다.
도시된 실시예에서, 시스템(10)은 시스템(10)의 후단(trailing edge)을 규정하는 후면 빔(16)으로 배치 선박으로부터 해저로 하강된다. 이는 베이스(12)의 삼각 평면의 앞쪽 끝이 조류쪽을 향하며, 한 쌍의 핀(26)은 뒤쪽에서 따라온다는 것을 의미한다. 이러한 자세에서, 한 쌍의 핀(26)은 조류 내에서 시스템(10)을 안정화하고 배향시키는 점에서 가장 효과적이다. 핀(26)은 임의의 다른 장소에 위치될 수도 있거나, 베이스(12) 주위에 위치한 추가 핀(미도시)으로 보완될 수도 있다.
시스템이 배치 선박으로부터 해저로 하강될 때 시스템(10)을 안정화시키고 정확하게 배향시키기 위해 본 발명의 시스템(10)은 조류의 운동 에너지를 이용한다. 정렬 수단은, 한 쌍의 핀(26)의 형태로, 조류의 운동 에너지를 상술한 기능성을 제공하기 위한 동력원으로서 이용할 때 수동적일 수 있다. 조류속으로 하강될 때 시스템(10)을 안정화하고 배향시키기 위해 능동적 정렬 수단(미도시), 예를 들어 하나 이상의 프로펠러, 워터 제트 등의 형태로 이용될 수 있음을 이해할 수 있다. 그러나 이는 비용 및 시스템(10)의 복잡도 모두를 증가시키고, 시스템(10)이 상당한 시간 동안 정착할 혹독한 수중 조건에서, 그러한 능동적 정렬 수단의 신뢰성은 문제가 될 수 있다. 수동적 핀(26)은 간단하지만 시스템(10)에는 매우 효과적인 정렬 수단이다.
도 2를 보면, 베이스(12)의 후면 코너가 도시되어 있으며, 핀(26)이 약간 다른 위치에 장착되어 있는데, 핀(26)의 상부 모서리와 다리(18)의 상부 사이에 간격이 남아 있다. 이는 핀(26)이 시스템(10)을 배치하는데 사용되는 바지선 또는 유사한 배치 선박(미도시)에 구멍을 뚫거나 손상을 입히는 것을 방지하기 위한 것이다. 시스템(10)은 배치 선박 아래에 매달려서 특정 배치 장소까지 견인되며, 배치 선박의 아래쪽으로부터 해저를 향해 하강된다. 따라서, 특히 상대적으로 혹독한 조건이 배치 장소에 나타나면, 시스템(10)이 바지선의 아래쪽으로부터 불균일하게 하강될 수 있으며, 하나 이상의 핀(26)이 바지선의 아래쪽과 접촉하게 될 수 있다. 핀(26)을 다리(18)의 상부 모서리로부터 약간 낮춤으로써, 그러한 사고는 거의 발생하지 않게 된다.
이제 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 수력 터빈 시스템의 제2 실시예가 도시되며, 일반적으로 110으로 표시된다. 이 제2 실시예에서, 유사한 요소에는 유사한 참조 번호가 부여되며, 별도로 언급하지 않으면 유사한 기능을 수행한다. 시스템(110)은 그 사이에서 후면 빔(116)이 연결된 한 쌍의 측면 빔(114)으로 구성된 베이스(112)를 포함한다. 베이스(112)의 각 모서리는 다리(118)에 의해 규정된다. 도시되지는 않았지만, 사용시 시스템(110)에는 수력 터빈 T를 베이스(112)에 체결해서 시스템(110)의 일부를 형성하기 위한 마운트가 제공될 수 있다.
시스템(110)은 후면 빔(116) 상에 장착되며, 후면 빔(116)으로부터 상부 및 후방으로 돌출된 한 쌍의 핀(126) 형태인 정렬 수단을 더 포함한다. 사용시 핀(126)을 지나는 물의 조류는 제1실시예의 시스템(10) 상에 위치한 핀(26)을 지나는 흐름보다 더 안전해지거나 소용돌이가 덜하다. 결과적으로 제2 실시예의 핀(126)은 조류의 방향에 대해 시스템(110)을 안정화하고 배향시키는데 더 효과적이다.
도 4를 참조하면, 수력 터빈 시스템의 제3실시예가 도시되어 있으며, 일반적으로 210으로 표시된다. 본 제3실시예에서 유사한 요소에는 다시 유사한 참조 번호가 부여되며, 별도로 언급하지 않으면 유사한 기능을 수행한다. 도 4는 다른 실시예의 일부만을 보여주며, 특히 수력 터빈 T가 체결되는, 상술한 제1실시예의 장치에 유사한, 마운트(220)를 보여주고 있다.
마운트(220)는 한 쌍의 수직 기둥(222) 및 터빈 T가 수용되는 이음 고리(224)를 포함한다. 시스템(210)은 한 쌍의 수직 기둥(222)으로부터 돌출된 한 쌍의 핀(226) 형태인 정렬 수단을 더 포함한다. 시스템(210)의 이 위치를 지나는 물의 조류는 시스템(210)의 베이스(212)를 지나가고 그 주변의 조류보다 소용돌이가 덜 심하다.
본 발명은 정렬 수단에 대한 상술한 위치의 조합을 사용해서도 구현될 수 있음을 당연히 이해할 수 있다. 매달리거나, 또는 조류 내에서 하강/상승할 때 시스템을 안정화 및/또는 배향시킬 수만 있다면, 정렬 수단은 다른 적합한 장소에 위치될 수 있으며, 임의의 다른 적합한 형태일 수 있다.
본 발명의 시스템(10, 110, 210), 및 본 발명에 따른 수력 터빈 시스템을 배치하는 방법은, 수력 터빈을 해저에 배치하는 것을 상당히 단순화한다는 점을 이해할 수 있다. 이는 해저로 하강할 때 및, 예를 들어 수리 또는 교체를 위해, 시스템을 반대로 해저로부터 상승시킬 때 시스템을 안정화함으로써 달성될 수 있다. 본 발명의 시스템 및 방법은 하강 선들의 얽힘을 피하고, 해저에 도달했을 때 시스템이 정확하게 배향되는 것을 보장함으로써, 그 단계에서 추가적인 위치 이동의 필요를 피할 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템 및 방법은, 정지 상태의 조류시와는 반대로, 흐르는 조류 시에도 배치를 가능하게 하도록 설계되었으므로, 시스템의 배치 또는 회수에 허용된 시간이 상당히 증가한다.

Claims (15)

  1. 베이스 및 조류속에 떠 있는 동안 조류에 대해 원하는 방향으로 상기 베이스를 정렬하는 수단을 포함하는 수력 터빈 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정렬 수단은 수동적인 수력 터빈 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정렬 수단은 적어도 하나의 핀(fin)을 포함하는 수력 터빈 시스템.
  4. 제1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정렬 수단은 복수의 핀을 포함하는 수력 터빈 시스템.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 해저에 위치할 때 상기 베이스가 그 위에 서는 복수의 다리를 포함하며, 적어도 하나의 다리는 그로부터 연장된 적어도 하나의 핀을 포함하는 수력 터빈 시스템.
  6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정렬 수단은 조류속에서 떠 있는 동안 상기 베이스를 안정화시키는 수력 터빈 시스템.
  7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수력 터빈을 유지하도록 형성되고 크기가 정해진 마운트를 포함하는 수력 터빈 시스템.
  8. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 베이스에 장착된 수력 터빈을 포함하는 수력 터빈 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 정렬 수단은 상기 터빈이 상기 조류의 방향에 동작 가능하게 정렬되도록 상기 시스템을 배향시키는 수력 터빈 시스템.
  10. 수력 터빈 시스템을, 흐르는 조수에서, 배치하는 방법에 있어서,
    배치 선박 및 상기 시스템을 배치 장소 위에 위치시키는 단계;
    상기 시스템을 상기 선박으로부터 상기 배치 장소로 하강시키는 단계;
    상기 시스템을 통해 흘러가는 물의 조류를 이용하여 상기 조류에 대한 상기 시스템의 원하는 방향을 달성 및/또는 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 조류 내의 시스템의 안정성을 구현 및/또는 유지하기 위해 상기 시스템을 통해 흘러가는 물의 조류를 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 시스템을 하강시키는 단계에서, 상기 시스템을 지나는 물의 흐름의 영향 아래서 상기 조류의 방향에 대해 상기 시스템이 원하는 방향으로 옮겨지도록 하는 하강 수단을 이용하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조류에 대해 상기 시스템을 안정화 및/또는 배향시키기 위해 상기 시스템을 이동시키도록 상기 조류가 상기 시스템 상의 상기 정렬 수단을 통해 흐르도록 하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템은 베이스 및 상기 베이스에 장착될 수 있는 수력 터빈을 포함하며, 상기 방법은 상기 시스템을 상기 해저를 향해 하강시키기 전에 상기 터빈을 상기 베이스에 고정하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 터빈이 상기 조류의 방향으로 동작 가능하게 정렬되도록 상기 시스템을 배향시키기 위해 상기 조류를 이용하는 단계를 포함하는 방법.
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