KR20110125212A - 해수 파도 에너지를 전기로 변환하는 방법 및 장치 - Google Patents

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제임스 지. 피. 델센
제임스 비. 델센
매슈 브라운
크리스토 제이. 그리코
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델센 어소시에이츠, 엘.엘.씨.
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Abstract

전력-생성 장치는 해수 파도 운동의 에너지를 이용하여 전력을 생성하기 위하여 바다 속 또는 표면에 위치한다. 상기 장치는 다가오는 해수 파도에 대하여 ~45°의 각도에서 선수 및 선미에 정박되며, 파도 방향 변화에 적응하기 위한 편주 능력을 가진다. 상기 장치는 발전기로부터 해저 케이블을 경유하여 해안 송전선으로 전력을 전송한다. 상기 발전기로의 회전 구동 토크는 2개의 긴 대향-회전 구동 관에 의해 생산되며, 상기 구동 관은 상기 장치의 선수체 및 선미체에 의해 고정된다. 대안으로서, 유압식 기계가 에너지 획득 및 전력 다듬질을 위해 포함될 수 있으며, 발전기를 구동하는 유압식 모터를 통해 회전 토크를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본체는 부분적으로 잠수되고, 상기 구동 관이 통과하는 베어링으로 로커 암에 의해 상기 구조에 연결되거나 상기 암 및 포드 이동을 통한 에너지를 획득하고 축압기에 그것을 저장하는 상기 본체 사이의 복동식의 유압식 램에 의해 상기 구조에 연결되는 다중 포드 플로트를 가진다. 상기 구동 관의 회전 토크는 상기 포드가 파도의 운동에 따라 상하로 운동할 때 발생하고 전력 발생을 위하여 상기 발전기로 전송된다. 상기 유압식 기계의 경우에, 에너지는 파도의 운동에 따라 상기 포드가 상하로 운동할 때 펌핑되는 상기 복동식의 유압식 피스톤에 의하여 압력으로 축압기에 저장된다. 유압은 펌프를 구동하고, 상기 펌프는 상기 발전기에 토크를 제공한다.

Description

해수 파도 에너지를 전기로 변환하는 방법 및 장치{Method and Apparatus for Converting Ocean Wave Energy into Electricity}
본 발명은 발전기를 회전시켜 전력을 발생시키기 위하여 해수 파도의 운동에 내재하는 에너지를 획득하는 장치에 관련된 것이다.
파동 에너지 변환기(Wave Energy Converter; WEC)는 일반적으로 전기 발전을 위해 바다 표면파로부터 에너지를 획득한다. 태양에너지의 형태와 함께, 상기 파동 에너지가 가장 높은 에너지 밀도를 제공한다. 그러나 파력 발생에서의 종래의 시도는 여러 가지 이유로 널리 채택되지 않았다.
파력은 저속, 큰 힘에서 이용할 수 있으며, 상기 힘의 움직임은 단일 방향으로 이루어지지 않는다. 대부분의 상용 전기 발전기는 더 빠른 속도에서 작동하고, 원천 에너지의 지속적인 흐름을 필요로 한다. 또한 바다에 배치된 어떠한 장치라도 제조 및 유지보수 비용을 증대시키는 혹독한 폭풍을 이겨낼 수 있어야 한다.
파동 기술의 상업적인 생존의 열쇠는 경쟁력 있는 에너지의 평균비용 (Levelized Cost of Energy; LCOE)이다. 파력은 발전의 총 비용이 낮을 때 경쟁력이 있다. 상기 총 비용은 자본 비용, 유지보수 비용 및 전력 전송 비용을 포함하며, 발생된 전력과 관련하여 이것이 에너지의 “수명” 비용을 결정한다. 따라서 발전 시스템을 위한 최소 비용으로 해수 파도로부터 최적의 에너지 추출을 달성하는 방법과 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 시스템은 어장 및 해변 해안과 같은 해양 환경에 최소한의 영향을 미쳐야 하며, 항해를 방해해서는 안 된다.
“파동 발전 시스템 및 방법”이란 제목으로 된 Rubi의 미국 특허 제4,851,704호는 물에서 시스템 구성요소를 떠받치는 플로팅 플랫폼을 포함하는 파동 발전 시스템을 개시한다. 파동 에너지는 기계적 에너지로 변환되고, 발전기가 상기 기계적 동력 전송 스트로크를 전기 에너지로 변환한다.
상기 변환기는 반대 실린더 챔버 부분에, 윤활제가 들어있는 실린더, 및 상기 실린더의 몸체 안에 미끄러지기 쉽게 그리고 자유롭게 배치된 고중량의 제1 피스톤을 포함한다. 상기 고중량 피스톤은 수체의 파동 에너지에 미끄러지기 쉽게 반응하고 각각의 실린더 챔버 부분에서 각각의 압축 파워 스트로크를 생성하는 유체를 압축하는데 사용된다. 상기 압축 스트로크의 에너지는 상기 실린더의 끝을 통해 전력 전송 스트로크를 더욱 생산하며, 상기 실린더 챔버에 위치한 제2 및 제3 피스톤에 의해 받는다. 상기 제1 및 제2 피스톤과 관련된 상기 동력 전송 스트로크는 구성된 전송 장치에 의해 전기 발전기에 결합된 플라이휠을 돌리는 회전운동으로 더욱 변환된다. 그런 다음에 생산된 전기 에너지는 전력 공급 라인을 통해 원격 발전소로 보내진다.
Tateishi 의 “발전 장치”라는 미국 특허 제5,889,336호는 천해수 파도를 이용하여 전력을 생성하기 위해 천해 지역에 위치하는 발전 장치를 개시한다. 상기 시스템은 수중 또는 해저에 위치하는 정박장치, 상기 정박장치와 연결된 한쪽 끝과 추(dead-weight)가 부착된 반대쪽 끝을 가진 체인을 포함한다. 플로트는 발전기 및 상기 체인에 연결된 회전을 위한 회전 암으로 구비된다. 파도의 상하 운동에 따라 상기 플로트가 상하로 움직일 때 발생하는 상기 회전 암의 회전력은 발전기로 전달되어 전력을 생산한다.
Hench의 “해수 파도 에너지를 전기로 변환하는 방법 및 장치”라는 미국 특허 제 7,453,165호는 해수 파도와 관련된 동력을 이용하고 상기 동력을 전기로 변환하는 방법을 개시하고 있다. 상기 장치는 수직 방향의 중앙 축(shaft), 진자(pendulum) 및 발전기를 포함하는 부표이다. 상기 부표가 파동의 영향 하에 수직 방향에서 기울어질 때, 상기 진자는 가속화되고 상기 중앙 축을 중심으로 회전한다. 중앙에 위치한 발전기는 상기 회전하는 진자에 의해 기계적으로 구동되어 상기 진자의 운동에너지가 전기로 변환된다.
상기 선행 기술 시스템들은 비용 효율적인 생산, 및 현대의 에너지 수요를 충족시키기 위한 공공 규모의 전력 생산량을 달성할 수 없다.
해수 파도 운동으로부터 전력을 획득하기 위하여 안정적인 플랫폼을 구비하고, 기계적으로 연결된 플로트(또는 부표)를 파동에 최대한 노출시킴으로써 에너지 획득을 달성하는 해수 파도로부터 에너지 획득을 위한 발전 장치가 필요하다.
제조 및 유지보수가 효율적이고 비용 효과가 높으며, 혹독한 기상 상태를 견딜 수 있는, 해수 파도로부터의 에너지 획득 방법을 제공하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 파동 에너지 변환기의 배치 및 작동에서 경제성을 얻기 위하여 확장할 수 있는 방법 및 장치를 가지는 것이 바람직하다.
항해를 방해하지 않고 항구로 그리고 항구로부터 전송되는 것이 가능한 배열로 파동 에너지 변환기를 설치하는 방법 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
상기 파도 에너지 변환기는 에너지 획득을 극대화하기 위하여 다가오는 파도에 최적/최대로 노출시키는 것이 가능한 능동 편주 시스템을 보유하는 것이 또한 바람직하다.
본 발명은 해수 파도를 이용하여 전력을 생성하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수의 힘을 전송하는 플로팅 포드(floating pod)(부표)는 회전 샤프트에 맞물린다. 상기 회전축은 발전기를 구동한다. 상기 회전축은 상기 포드가 해수 파도의 상하 운동에 따라 상하로 운동할 때 회전 력을 발생시킨다. 상기 회전력은 상기 발전기로 전송되며, 그로 인해 상기 발전기가 전력을 생성하게 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 유압 시스템이 상하의 포드 운동 모두에서 에너지 획득을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면 플로팅 포드는 파도가 지나갈 때 상하 운동에서 움직이고 있는 것으로 사용된다. 상기 포드는, 예를 들어, 고체로 만들어진 암(arm)과 같은 레버 어셈블리(lever assembly)와 결합 또는 연결된다. 상기 포드는 길쭉한 기지(base)를 따라 배치되며, 상기 기지는 반대편의 포드를 활성화하기 위하여 기지를 통과하는 파도를 수용할 수 있는 개방형 격자 구조가 될 수 있다. 상기 기지의 길이와 상기 포드의 개수 및 크기는 대상 지역 파도의 예상되는 진동수, 파장 및 진폭에 따라 달라진다. 상기 기지는 다양한 파도, 예를 들어, 2 내지 3개의 긴 파도를 아우르기 위하여 충분히 길 수 있으며, 그로 인해 상기 기지의 “요동(pitching)”을 최소화하고, 상기 포드에 의해 에너지 획득을 최대화하게 한다. 상기 기지(예를 들어, V-형 또는 박스형 구조)를 따라, 다수의 발전 요소가 설치된다. 상기 포드의 암/레버와 상기 발전 시스템 사이의 기계적 결합에서, 상기 토크 전송 축은 상기 길쭉한 기지를 따라 연장된다. 여러 긴 파도를 따라 연장되는 구조를 구축하기 위하여 서로 강력하게 결합된 복합 기지가 있을 수 있다. 상기 포드의 암/레버를 유압 시스템에 연결시키는 경우에 상기 기지는 유압 실린더를 포함 또는 수용하며, 상기 유압 실린더는 운동하는 포드에 의해 가해져 상기 암/레버에 의해 전달되는 힘에 의해 작동된다. 따라서 상기 기지는 포드가 파도의 상하 운동에 따라 운동하는 방식을 따르지 않으므로 상기 레버의 힘의 작용점을 제공한다. 상기 기지는 파도 파장의 적어도 상당 부분(또는 하나의 파장보다 더욱 많은) 이상을 포괄하기 때문에 상기 기지에 작용하는 힘은 항상 하나의 포드(상기 파장의 작은 부분 이상만을 포괄하는)에 작용하는 힘과 다르다. 따라서 상기 포드는 상기 기지와 상대적으로 상하 운동을 한다. 상기 포드의 암/레버가 상기 기지에 결합하여 암/레버가 회전할 수 있기 때문에, 암/레버는 힘 전송 요소에 레버의 힘을 가할 수 있다. 따라서 다수의 포드를 보통의 개방형 격자 구조에 결합시키는 것이 본 발명의 하나의 핵심 특징이다. 상기 구조는 모든 파장 또는 하나의 파장 이상을 포괄하기 때문에, 각각의 포드는 다른 파고 또는 진폭에 마주치게 된다. 이것은 상기 구조가 상기 포드가 파동을 따르는 것과 달리 상기 파동을 따르지 않는다는 것을 의미한다. 이것은 상기 포드들의 상대적인 운동과 상기 구조의 안정을 가져오며, 이는 차례대로 레버의 힘으로, 더 나아가 회전력 또는 유압으로 변환된다.
상기 구조는 최소의 요동 및 최대의 에너지 획득을 위하여 파면 및 파도간의 주기에 최적으로 노출시킬 목적으로 다가오는 파도에 한 각도(~45°)로 활발하게 편주(yaw)하게 될 것이다. 파도 방향이 변할 때에는, 상기 시스템은 그에 따라 편주할 것이다.
상기 기지는 부력을 제공할 목적으로 수동 플로팅 요소를 포함할 수 있다. 그러나 상기 기지는 오로지 상기 기지에 결합된 상기 포드의 의해서만 떠받쳐질 수도 있다.
상기 포드는 해수 및 기계적 응력을 견딜 수 있는 적절한 물질로 만들어질 수 있다. 상기 포드의 형태는 파도에 올라 이동하는 것에 최적화된다. 상기 포드는 항구로부터 배치지역까지 예인을 활성화하거나 극심한 바다 상태 하에서 파도 하중을 최소화하기 위하여 그들에 부착된 암(또는 레버)과 상대적으로 회전될 수 있다. 잠재적으로 해로운 파도 궤도 함수 아래로 잠수하기 위하여 상기 포드는 전체 파도 변환 시스템을 침수시킬 수 있는 챔버를 가질 수 있다.
상기 기지를 따라, 상기 포드는 상기 기지의 두 반대쪽에 배열되어, 상기 기지를 균형있게 유지하고, 상기 기지의 반대쪽 포드에 대응하는 대항군을 제공할 수 있다. 상기 포드가 부착된 상기 개방형 격자의 기지는 반대쪽에서 포드를 자유롭게 활성화하기 위하여 상기 기지 구조를 통해 파도가 통과할 수 있게 해준다.
본 발명에 따른 설계 및 작동 방식은 50년 반환 파로부터 극심한 파도 하중을 견디기 위하여 굽힘, 호깅(hogging), 및 비틀림 하중에 견디는 구조 물질의 광범위한 사용을 요구하는 건축 개념을 피한다. 본 발명은 파도를 타는 상기 포드와 함께, 유연하게 정박된 백본(backbone) 구조를 구비함으로써 이를 달성한다. 약간의 하중이 상기 백본으로 전달되는 동안, 상기 전력 변환 시스템은 파고가 증가할 때(지속적인 전력 생산을 일으키는) 저항이 점점 적게 되는 포드를 제공함으로써 이러한 하중을 조절한다. 극심한 파도 하중을 견디는 다른 방법은 상기 포드를 부분적으로 침수시켜 상기 파동 변환 시스템을 극심한 표면파의 힘의 범위를 벗어난 깊이로 잠수하게 하는 것이다. 극한 바다 상태가 정상화될 때, 침수된 포드는 해수를 배출하기 위하여 공기압으로 채워지고, 상기 시스템이 다시 떠오른다.
상기 구조의 길이에 기인하여, 점차적으로 최소화된 요동은 상기 장치의 더 큰 에너지 획득을 이끌어 준다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유압 시스템은 상기 유압 시스템 및 전기 발전기에 연결된 충격 터빈(impulse turbine) 또는 유압식 모터와 같은 유압식 터빈을 작동하기 위하여 파도 에너지를 이용함으로써 상기 포드의 운동을 조절한다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 상기 유압 시스템은 충격 터빈 및 파고가 변하는 파도에 의해 상기 포드를 움직이기 위하여 필요한 힘을 포드 유압 시스템의 회로에서 자동적으로 조정하는 충격 터빈 노즐을 포함한다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 상기 포드와 샤프트는 길이 방향으로 조립되어 최대로 가용한 포드 변위 및 이를 통한 해수 파도로부터의 에너지 획득을 가능하게 해주는 안정한 중앙 구조를 형성하게 한다.
본 발명의 추가적인 측면에 따르면, 상기 포드는 에너지 획득을 가능하게 하는 유압식 기계를 가압하기 위하여 복동식(double-acting) 펌프를 통해 상승 파동 및 하강 파동 모두에서 펌핑 힘을 전해 준다.
본 발명은 그 지역에서의 수요 및 공급을 고려하여, 상기 모듈식의 유닛이 비용 효율적인 제조 및 배치, 그리고 장치 당 총 전력의 조정을 가능하게 하는 이점을 가진다.
본 발명은 상기 유닛이 최대 가용 포드 이동 및 그로 인한 파도로부터의 에너지 획득을 가능하게 하는 안정한 중앙 구조를 형성하도록 길이로 조립되는 이점을 가진다.
본 발명은 상기 시스템이 피스톤 낙차(piston throw)를 위한 소프트-스탑(soft-stop) 방식의 유압식 기계를 사용하는 이점을 가진다.
본 발명은 중앙에서 상기 중앙 또는 기지 구조에서 케이블을 설치된 구조로 설계하여 비용 및 무게를 절약하는 이점을 가진다.
본 발명은 상기 포드의 유체역학적 및 유체정역학적인 형상이 낮은 에너지 비용을 위하여 최적화(원하지 않는 하중, 파도 궤도함수로부터 리프트 힘을 최소화하는 동안 상승, 하강 힘을 최대화하는)하고, 상기 포드는 상기 배치 지역으로 예인하는 동안 끌림을 최소화하고, 극심한 파도 상태인 동안 파도에 노출을 최소화하기 위하여 상기 암 부착물에서 회전할 수 있는 이점을 가진다.
본 발명은 튜브형의 기지 구조가 산출량을 평준화하기 위하여 유압식 축압기(hydraulic accumulator)로도 쓰이는 이점을 가진다. 상기 튜브형의 구조는 밸러스트(ballast) 및 또는 극심한 파도 상태가 진정되어 잠수된 시스템을 다시 떠오르게 하기 위하여 침수된 포드로부터 해수를 내보내는 압축 공기 탱크로도 쓰일 수 있다.
본 발명은 상기 포드의 가변적인 승강 및 하강 힘이 에너지 획득을 최대화시키는 이점을 가진다.
본 발명은 시스템이 다중 방향으로 그리고 빈번한 에너지 획득을 가능하게 하는 이점을 가진다.
본 발명은 상기 편주 시스템이 에너지 획득을 최대화하기 위하여 바람 및/또는 파도의 흐름의 방향 변화에 대응하기 위해 한 배열에 하나의 유닛 및 집단의 유닛들을 제공하는 이점을 가진다.
본 발명은 이용되는 정박 시스템이 정박지점을 공유하여 비용을 절약하는 이점을 가진다.
도 1은 종래 기술에서 힘이 0인 예이다.
도 2는 종래 기술에서 위치가 고정된 물체의 예이다.
도 3은 본 발명의 파동 에너지 변환기의 구체예를 지지하는 이론의 예이다.
도 4는 전력 대비 파 스펙트럼의 차트이다.
도 5는 바다표면에서 해수 파도에 대응하는 본 발명 제1구체예의 파동 에너지 변환기의 측면에서 포드 운동을 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 상기 파동 에너지 변환기의 제1구체예의 한 예에 대한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 파동 에너지 변환기의 제1구체예의 평면도이다.
도 8은 본 발명의 상기 파동 에너지 변환기의 제1구체예의 측면도이다.
도 9는 도 7의 상기 파동 에너지 변환기의 운전 튜브, 라쳇 및 플로팅 포드의 단면도이다.
도 10은 도 7의 상기 파동 에너지 변환기의 운전 튜브, 라쳇 및 플로팅 포드의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 파동 에너지 변환기의 제2구체예에서 포함되는 복동식 피스톤 펌프의 그림이다.
도 12는 유압식 모터와 결합된 복동식의 피스톤의 그림이다.
도 12a는 본 발명에 사용되는 유압 시스템의 보다 상세한 그림이다.
도 12b는 본 발명에 사용되는 대체적인 유압 시스템의 보다 상세한 그림이다.
도 13은 바다표면에서 해수 파도에 대응하는 본 발명의 제2구체예의 측면에서의 포드 이동을 도시한 것이다.
도 14는 구조에 트러스(truss) 시스템을 포함하는 본 발명의 파동 에너지 변환기의 제2구체예의 사시도이다.
도 15는 도 14의 상기 파동 에너지 변환기의 측면도이다.
도 16은 도 14의 상기 파동 에너지 변환기의 단면도이다.
도 17은 도 14의 상기 파동 에너지 변환기의 평면도이다.
도 18은 구조에 케이블 스테이 및 스프레더를 포함하는 파동 에너지 변환기의 제2구체예의 등각투상도이다.
도 19는 도 18의 상기 파동 에너지 변환기의 한 구역에 대한 평면도이다.
도 20은 도 18의 상기 파동 에너지 변환기의 단면도이다.
도 21은 도 18의 상기 파동 에너지 변환기의 측면도이다.
도 22는 분리가능한 전력 포드를 이용한 파동 에너지 변환기의 등각투상도이다.
도 23은 분리가능한 전력 폰툰을 이용한 파동 에너지 변환기의 등각투상도이다.
도 24는 상기 파동 에너지 변환기의 주요 구조로부터 상기 전력 폰툰의 이동을 분리시키기 위하여 가능한 방법을 보여준다.
도 25는 표면 아래에 설치된 전력 폰툰이 있는 파동 에너지 변환기의 단면도이다.
도 26은 다양한 전기 및/또는 유압식의 구성요소를 수용하는 파동 에너지 변환기 포드의 등각투상도이다.
도 27은 줄에 묶인 도 14의 파동 에너지 변환기의 등각투상도이다.
도 28은 줄에 묶인 도 14의 파동 에너지 변환기의 측면도이다.
도 29는 다수의 파동 에너지 변환기의 정박 배열에 대한 등각투상도이다.
도 30은 파도 흐름 방향에 따른 도 29의 정박 배열에 대한 등각투상도이다.
도 31은 단일 파도 에너지 변환기의 정박 및 윈치 시스템에 대한 등각투상도이다.
도 32는 복수의 파동 에너지 변환기 및 공동 정박장치가 있는 도 31의 정박 및 윈치 시스템에 대한 등각투상도이다.
도 33은 파도 흐름 방향 및/또는 바람 방향의 변화에 따른 도 32의 정박 배열에 대한 등각투상도이다.
도 33a는 단일 파동 에너지 변환기의 정박 시스템에 대한 등각투상도이다.
도 33b는 60도 회전 능력으로 반시계 방향으로 회전하는 것을 보여주는 정박 및 윈치 시스템의 개략도이다.
도 33c는 120도 회전 능력으로 반시계 방향으로 회전하는 것을 보여주는 정박 및 윈치 시스템의 개략도이다.
도 33d는 여분의 윈치와120도 회전 능력으로 반시계 방향으로 편주하는(회전하는) 것을 보여주는 정박 및 윈치 시스템의 개략도이다.
도 34는 본 발명의 제3구체예에 따른 파동 에너지 변환기의 등각투상도이다.
도 35는 도 34에서 도시된 포드들 중 하나와 같은 부표에 의해 파도로부터의 최적의 에너지 추출을 묘사한 그림이다.
도 36은 도 34에서 보여진 포드를 조절하는 유압 시스템의 그림이다.
도 37은 상기 포드의 운동으로부터 에너지를 추출하는 복동식의 유압식 펌프의 작동을 묘사한 그림이다.
도 38a-38b는 어떻게 충격터빈 노즐이 파고 변화에 따라 상기 포드의 잠금 힘을 자동적으로 조정하는지를 묘사하는 그림이다.
도 39는 도 34에서 보여진 파도 에너지 변환기의 다중 포드의 도면이다.
도 40은 상기 구조의 중앙에 발전소의 위치를 보여주는 본 발명의 제4구체예에 대한 사시도이다.
도 41은 상기 발전소의 정면을 보여주는 도 40의 장치의 단면도이다.
도 42는 2MW의 주 발전소의 위치와 2개의 1MW의 발전소의 위치를 보여주는 도 40의 장치의 측면도이다.
도 43은 모듈식의 1MW구역이 전력 등급 및 에너지 획득을 증가시키기 위하여 부가된 상기 장치 및 점검선을 위한 상륙 플랫폼을 나타내는 평면도이다.
도 44는 중앙 발전소와 전기 및 전력 전자 시스템을 가진 주 2MW 구역의 측면도이다.
도 45는 모듈식의 1MW 구역의 한 구역을 나타내는 평면도이다.
도 46은 바다에서의 작동모드에서 묘사된 장치 보조시스템을 보여주는 본 발명의 제5구체예에 대한 정면도이다.
도 47은 포드 밸러스팅 시스템의 세부사항을 보여주는 도 46의 장치의 등각투상도이다.
도 48은 회전된 포드와 바다 표면 아래로 잠수한 상기 장치를 보여주는 도 46의 장치의 정면도이다.
도 49는 도 48의 잠수된 장치의 측면도이다.
도 50는 항구를 떠나 파력발전소 지역으로 상기 장치를 가져다 주는 배치를 위한 회전된 포드를 보여주는 정면도이다.
도 51은 본 발명의 제6구체예의 평면도 및 측면도를 연합하여 나타낸 그림이다.
도 52는 제6구체예의 등각투상도이다.
도 53은 직사각형의 백본(기지 구조)를 보여주는 본 발명의 제6구체예의 정면도이다.
도 54a는 본 발명의 제6구체예에 따른 다중-구역의 백본 및 완화 마디의 개략적인 측면도이다.
도 54b는 상기 백본의 구역들 간에 있는 상기 마디에 대한 상세한 그림이다.
종래 기술에서 힘이 0인 예를 나타내는 도 1을 참조하시오. 이 예에서는, 단일 부표가 위치가 고정되지 않아서 상기 부표에 작용되는 힘이 없으며, 따라서 파도로부터 에너지가 흡수되지 않는다. 파도의 진폭은 동일하게 유지된다.
종래기술에서 위치가 고정된 물체의 예를 나타내는 도 2를 참조하시오. 이 예에서, 단일 부표는 파도가 부표를 통과할 때 고정된다. 변위가 존재하지 않기 때문에 흡수되는 에너지가 없다. 파도의 진폭은 상기 부표를 통과하기 전후에 동일하게 유지된다. 파도가 상기 부표를 통과하는 동안, 상기 부표의 부피가 파도의 부피에 더해지므로 상기 부표가 잠수할 때, 파도의 전방 면의 높이가 더해지게 된다. 파도의 후방 면은 상기 부표가 떠오를 때 높이가 낮아지게 된다.
본 발명의 파동 에너지 변환기(WEC)의 예를 나타내는 도 3을 참조하시오. 이 예에서, 물체(부표와 같은)는 그것의 움직임을 제한하고 그것으로 전해지는 힘을 가지기 위하여 상기 물체에 부착물을 가진다. 이 힘은 일정 거리 이상으로 변하게 되고, 그리하여 에너지가 파도로부터 흡수되고 파도의 진폭이 감소한다. 상기 진폭은 상기 부표가 파도와 위상이 다른 사인곡선으로 진동하기 때문에 감소한다. 상기 부표는 골에서 해수를 채우면서 잠수하고, 마루에서 해수를 배출하면서 떠오른다.
전력 대비 파 스펙트럼의 차트로서, 파동 에너지가 제한됨을 도시하는 도 4를 참조하시오. 9.5초 주기를 가진 3.5m 파는 횡 파면의 55kW/m의 잠재적인 전력을 가질 뿐이다. 50%의 효율로, 2.5MW의 전력을 생성하기 위해서는 90m에 걸친 파도가 필요할 것이다. 이런 이유로, 상기 파동 에너지 변환기의 파면 노출이 되는 설계가 필요하며, 상기 설계는 앞서 언급한 사항을 고려 대상에 넣어야 한다.
바다 표면에서 본 발명의 파동 에너지 변환기의 측면도를 나타내는 도 5를 참조하시오. 상기 장치는 전력을 증대시키기 위하여 포드 암의 강도, 방향 및 길이를 통해 조정될 수 있고, 상기 장치는 전력 생산량을 증대시켜야 하는 전체 파동 에너지 변환기 유닛의 예상되는 요동에 기인하여 효율성을 50%까지로 보정한다. “전력 구역(power section)”의 모든 포드들은 토크(torque) 샤프트에 연결되고 같은 속도로 상기 샤프트 축을 회전한다. 이것은 상기 포드를 거의 일정한 속도로 들어올리게 한다. 상기 샤프트 회전 속도는 상기 포드가 얼마나 빨리 잠수하는지 및 그들의 최대 변위를 결정하게 된다. 상기 속도는 최대 전력을 위해 선택된다. 상기 포드는 에너지 획득을 축소시키는 변위가 일정한 물체가 아니다. “관성 구역(coast section)”의 포드는 상기 토크 샤프트에 연결되지 않고, 그로 인하여 이 상황에서 전력 생성에 기여하지 않는다.
도 5의 상기 파동 에너지 변환기에 대한 평면도를 나타내는 도 6을 참조하시오. 2.5MW의 장치를 위해, 총 50개의 포드와 V-형의 양 사이드에 25개의 포드가 있다. 바다 파도는 9.5초의 주기 및 140m의 파장을 가지며, 높이가 3.5m로 추정된다. 이는 상기 장치의 샤프트에서 4250kN-m의 토크로 2.8RPM을 띠게 되는 것을 가져온다. 상기 V-형 장치의 후미부의 폭은 190m이다.
본 발명의 제1 구체예
본 발명의 파동 에너지 변환기의 제1구체예의 정면도를 나타내는 도 7 및 측면도를 나타내는 도 8을 참조하시오. 상기 파동 에너지 변환기(WEC)는 해수 파도 운동에 의해 구동되는 전기 전력-생성 장치이다. 상기 장치는 일반적으로 바람이 불어오는 쪽에서 다가오는 파도에 마주치는 선수(1)에 정박되고, 상기 장치는 전력 생성 트레인(generating power train)(2)으로부터 해저 케이블을 경유하여 해안 송전망으로 전달한다. 이러한 구성에는 상기 포드와 상기 샤프트(3)간에 기계적 결합이 존재한다. 그러나 상기 포드는 레버 어셈블리/암에서 상기 샤프트로 반대방향으로의 회전 운동의 전달을 막으면서 오직 한 방향으로 회전 운동을 전달하는 것을 가능하게 하는 장치를 통해 상기 샤프트와 결합한다.
이러한 연결에서, 도 7의 상기 파동 에너지 변환기의 구동 관, 라쳇(ratchet) 및 플로트 포드의 단면도인 도 9 및 평면도인 도 10을 참조하시오. 2개의 긴 대향-회전 구동 관(샤프트)(3)은 발전기에 대한 회전 구동력을 발생시킨다. 상기 구동 관(3)은 선수체(bow hull) 및 선미체(stern hull)에서 베어링(4)에 의해 고정된다. 상기 관은 상기 구동 관이 통과하는 베어링(7)과 함께 로커 암(6)에 의해 상기 관에 맞물리는 다중의 포드 플로트(5)와 연결된다.
상기 로커 암은 라쳇팅 메커니즘(8)을 가지며, 상기 라쳇팅 메커니즘은 상기 플로트 포드가 파도와 함께 떠오를 때 상기 구동 관에 맞물려 상기 구동 관에 회전 모멘트를 작용시킨다. 상기 구동 관은 라쳇 수신부(9)와 들어맞으며, 상기 라쳇 수신부는 상기 로커 암 라쳇 메커니즘에 맞물린다. 파도가 물러갈 때에는, 상기 라쳇은 풀리고, 상기 플로팅 포드는 다음 파도의 접근시 다시 맞물리기 위하여 파도의 골로 내려간다.
도 8에서 도시한 바와 같이, 상기 구동 관의 길이 방향을 따라 있는 다중의 플로트 포드는 플로트 포드의 그룹(10)을 연속적으로 들어올림으로써 연속적인 회전운동을 상기 구동 관(3)에 작용시키기 위하여 파도를 지나갈 수 있게 한다. 파도의 간격은 다양할 수 있고, 여전히 일정한 힘을 생산할 수 있다. 더 많은 전력은 더 높은 진동수, 더 짧은 간격의 파도에 의해 발생하고, 더 낮은 진동수의 파도에 의해서는 더 적은 전력이 생성된다.
선수체(1)에서(도 7), 상기 구동 관은 서로 가깝게 위치하고, 선미로 갈수록 간격(12)이 벌어진다. 이것은 포드를 파도에 더 많이 노출시키기 위하여 상기 구동 관을 따라 있는 각각의 하류 플로팅 포드를 제공하며, 이와 달리 플로팅 포드가 하류 방향으로 똑바로 정렬되는 경우 파동 에너지의 규모가 감소하게 된다.
잔잔한 바다에서는, 상기 포드가 수면 위로 노출되는 상단 표면에서만 뜨는 반면, 플로팅 포드와 함께 상기 구동 관은 대략 구동 관 중심선(13)에서 뜬다.
상기 포드의 운동은 각각 45도로 상기 구동 관의 중심선 위아래로 오르내림을 하며, 상기 구동 관의 중심선 축으로부터 약 90도의 방사상의 호(14)에서 이루어진다. 이러한 운동 범위는 정상 작동시 최대 작동 파고까지 파도로부터 에너지 획득을 가능하게 한다. 상기 로커 암/레버 어셈블리의 길이(15)는 상기 포드의 이러한 운동 범위를 결정해주며, 따라서 상기 시스템은 상기 로커 암의 길이를 최적화함으로써 배치 지역에서의 파도 상태에 따라 “조정”될 수 있다. 상기 포드는 파도가 파형의 최소한의 요동과 함께 지나갈 때 “승강(lift)”을 제공하고, 파도에서의 에너지 손실을 최소화하기 위하여 설계된 유체역학적인 형상(도 10 참조)을 가진다.
본 발명의 제2구체예
제2구체예에 따르면, 상기 포드는 어떤 회전 샤프트와도 기계적으로 결합하지 않는다. 그 대신에, 상하 운동하는 포드에 의해 복동식 피스톤이 작동된다. 그 목적을 위해, 상기 레버 어셈블리는 상기 기지 구조에 힌지로 연결되고, 상기 피스톤은 상기 포드와 상기 힌지 사이에 있는 상기 레버 암에 연결된다. 도 11 및 12에서 도시한 바와 같이, 상기 피스톤은 리저버(reservoir)로부터 축압기(accumulator)까지 고압의 유압액을 퍼 나른다. 상기 축압기는 상기 유압액이 외부 소스(예를 들어 스프링 또는 압축 가스)에 의한 압력 하에서 붙잡히는 압력 저장 보관소이다. 상기 축압기는 유압식 모터에 유압액을 공급하고 파동 에너지의 진동을 완화시킨다. 상기 유압식 모터는 발전기를 구동시킨다.
도12a는 상기 유압 시스템의 좀 더 상세한 그림을 보여준다. 상기 유압 시스템은 활발하게 조절되며, 가변-변위 유압식 모터 및 일정한 속도로 직접-구동하는 발전기에 공급하는 일련의 진동 펌프(각 포드에 연결된 유압식 램(ram))로 구성되는 유성(oil-based) 또는 해수 시스템이다. 다가오는 파도가 포드에 그것의 부양력을 가할 때(펌프 피스톤은 왼쪽으로 이동한다), SV-2는 미리 정해진 압력(발전기 하중 압력)에 도달할 때까지 닫혀진 상태로 남는다. 파도가 지나가고 상기 포드에서의 상기 부양력이 감소할 때, SV-1은 압력이 SV-1지점이 열리는 하중 압력에 도달하고, 유압액이 상기 유압식 모터에 도달할 때까지 떠있는 상기 포드를 잡아둔다. 여러 위상이 다른 포드들이 일정한 흐름을 보장해 줄 것이다.
상기 포드는 하나의 발전기에게 공급하는 4 내지 8 그룹으로 서로 한 무리가 될 것이다. 상기 유압식 모터의 변위는 평균 파고 및 주기(가용의 흐름)에 기초하여 변화될 것이고, 상기 발전기가 일정한 속도 및 압력, 변화하는 입력 토크(출력 전기)에서 작동하는 것을 가능하게 한다. - 즉, 파고가 감소할 때 상기 발전기의 전기 출력은 비례적으로 감소할 것이다. 도 12b는 전형적인 4개의 포드 HMG 세트를 보여준다.
해수 파도에 대응한 포드 운동에 대한 그림을 나타내는 도 13을 참조하시오. 이러한 포드들은 해수의 절반 밀도이다. 왼쪽 끝의 포드는 골의 면에서 시작한다. 포드는 잠수하고 골에 부피를 더한다. 포드가 거의 완전히 잠수할 때, 포드의 부양력은 상기 피스톤에서의 유압을 극복하며, 파도의 마루로 떠오른다. 거기에서 포드는 포드의 중량이 상기 램 힘을 극복하고 상기 골로 떨어질 때까지 부피를 줄이면서 마루로부터 수면위로 떠오른다.
본 발명의 제1구체예의 토크 샤프트와 비교하여, 이러한 설계는 유압식 결합에 기인하여 상기 포드의 상승 및 하강 모두에서의 포드의 변위 및 운동 이상으로 일정한 힘을 가진다. 또한 그것은 상기 장치에 적용되는 상쇄(canceling) 모멘트를 가지며, 따라서 총 롤링(rolling) 모멘트가 없다. 본 구체예에 따른 상기 파동 에너지 변환기(WEC)는 파도의 상승 및 하강 모두에서 파도로부터 전력을 추출한다. 파도의 상기 상하 운동은 다중의 포드들을 상하로 움직이게 만든다. 포드의 상기 상하 운동은 유압액을 펌핑하는 유압식 피스톤을 작동시킨다. 다시 말하면, 상기 에너지 변환기의 길이가 하나 이상의 파도를 포괄하기 때문에 상기 포드는 같은 시간에 다른 파도의 진폭에 마주치게 된다. 항상 파도에 의해 위로 이동하는 포드의 그룹이 있고, 아래로 내려가는 포드의 그룹이 있다. 상기 포드가 상당한 확장으로 상기 유체를 퍼 나르지 않는 전환점에서 항상 매우 짧은 시간을 소요하더라도, 연합된 포드들이 운동의 다른 단계에 있기 때문에 다른 유압식 피스톤이 그 시간에 압축된다.
본 발명의 상기 파동 에너지 변환기의 제2구체예에 대한 사시도를 나타내는 도 14를 참조하시오.
복수의 포드(30)들이 레버 어셈블리/암(31) 위에 탑재된다. 상기 암은 기지(33, 34)의 지지체(34)에 힌지로 연결된다. 상기 기지 구조는 단단한 트러스(truss) 시스템으로 건축되며, 상기 지지체(34)에 평행하게 배열된 2개의 바(bar)들을 더욱 포함하여 상기 바가 삼각형의 꼭지점을 형성함으로써 상기 바 및 상기 지지체가 삼각형을 형성한다. 상기 지지체와 상기 바(33) 사이에 상기 트러스 시스템의 비틀림, 긴장 및 굽힘에 대한 강도를 제공하기 위하여 보조 안정 바 또는 트러스 레일이 설치된다. 상기 암(31)에 결합하며, 파도의 상하 운동에 의해 상기 포드가 움직일 때 상기 포드(30)와 상기 기지 사이에서의 상대 운동에 의해 작동되는 유압식 피스톤이 있다. 본 예에서는 각 포드에 의해 작동되는 각 피스톤이 있다.
도 14의 상기 파동 에너지 변환기의 측면도를 나타내는 도 15를 참조하시오. 본체 길이가 길기 때문에 모듈의 집합 길이가 에너지 획득을 위한 상기 포드의 최적의 요동을 보장할 것이다.
도 14의 상기 파동 에너지 변환기의 단면도를 나타내는 도 16을 참조하시오. 상기 단단한 트러스 시스템은 상기 포드 암 및 복동식 피스톤에 연결된다. 트러스 레일이 상기 유압 시스템을 위한 축압기로서 사용된다.
도 14의 상기 파도 에너지 변환기의 평면도를 나타내는 도 17을 참조하시오.
케이블이 설치된 기지 구조를 가진 파동 에너지 변환기의 등각투상도를 나타내는 도 18을 참조하시오. 상기 케이블은 비틀림, 긴장 및 굽힘에 대한 강도를 제공하기 위하여 배치된다.
케이블이 설치된 구조의 한 구역에 대한 평면도를 나타내는 도 19를 참조하시오. 중앙 관이 체계를 제공하고 상기 유압 시스템의 축압기로서 역할을 한다.
케이블이 설치된 구조의 단면도를 나타내는 도 20을 참조하시오. 3개의 스프레더(spreaders)가 케이블을 상기 구조의 길이 방향의 전역에 사용되는 것을 가능하게 한다. 상기 복동식 피스톤 펌프 및 포드가 도시된다.
도 18의 상기 파동 에너지 변환기의 측면도를 나타내는 도 21을 참조하시오.
유압식 기계 및 전기 생성 장비를 수용하기 위한 파워 폰툰(pontoon)을 가진 본 발명에 따른 파동 에너지 변환기를 나타내는 도 22를 참조하시오. 상기 폰툰은 바다에서 작동을 위해 제거될 수 있다.
파워 폰툰이 있는 상기 파동 에너지 변환기의 추가적인 사시도를 나타내는 도 23을 참조하시오.
상기 파동 에너지 변환기의 주요 구조로부터 분리된 파워 폰툰을 가진 상기 파동 에너지 변환기의 단면도를 나타내는 도 24를 참조하시오.
케이블이 설치된 구조 아래 및 수면 아래에 파워 챔버를 가진 상기 파동 에너지 변환기의 단면도를 나타내는 도 25를 참조하시오.
상기 포드 안에 설치됨으로써 상기 파동 에너지 변환기로부터 상기 파워 폰툰을 제거할 수 있는 여러 가지 파도 에너지 변환기의 유압식 및 전기 시스템을 보여주는 등각투상도를 나타내는 도 26을 참조하시오.
파동 에너지 변환기를 위한 4-점 정박(tethering) 배열에 대한 등각투상도를 나타내는 도 27을 참조하시오. 산출 해저 전력 케이블은 상기 정박용 사슬(tether)에서 내려질 것이다.
도 27에서의 상기 시스템의 측면도를 나타내는 도 28을 참조하시오.
집단 편주(yaw) 조절 특징을 가진 다수의 파동 에너지 변환기의 등각투상도를 나타내는 도 29를 참조하시오. 상기 편주 메커니즘은 파도 방향이 변할 때 상기 파동 에너지 변환기를 파도에 최적으로 노출시키기 위하여 사용된다. 이러한 목적으로, 다중의 변환기들이 케이블을 통해 연결된다. 또한, 상기 변환기들은 정박지점에서 정박된다. 상기 케이블(예를 들어, 윈치가 있는)의 길이를 조절함으로써, 상기 장치는 파도 방향에 적절하게 위치할 수 있고, 편주 조절이 제공된다.
정박지점은 비용 절감을 위하여 다중의 에너지 변환기 사이에 공유될 수 있다.
파도 방향이 변할 때, 도 29의 상기 편주 조절 특징을 묘사한 도 30을 참조하시오.
파도 방향에 대한 상기 WEC 위치를 최적화하기 위하여 독립 장치의 편주 조절을 제공하고 있는 케이블 윈치 조절을 가진 단일 파동 에너지 변환기 정박 시스템에 대한 등각투상도를 나타내는 도 31을 참조하시오.
다수의 파동 에너지 변환기를 가진 도 31의 정박시스템의 평면도를 나타내는 도 32를 참조하시오. 정박지점은 비용절감을 위하여 공유될 수 있다.
바람 및/또는 파도 방향이 변할 때, 도 31의 상기 편주 조절 특징을 묘사한 도 33을 참조하시오. 이러한 조절 특징은 각각의 변환기가 독립적으로 조절되어, 다중 파동 에너지 변환기에 증가된 리던던시(redundancy)를 부가한다.
바람 및/또는 파도 방향이 변할 때, 도 31의 상기 편주 조절 특징을 묘사한 도 33a 내지 33d를 참조하시오. 도 33b 내지 33d는 대체되는 정박 조절 시스템을 보여준다. 도 33b 내지 33d에서 부호 20은 에너지 변환기(포드가 있는 기지 구조)를 지시한다. 부호 21은 케이블 접합점(cable junction) 및 전환 블록(turning block)을 지시한다. 부호 22, 23, 24, 및 25는 상기 구조의 백본의 반대편의 각각의 꼭지점으로 안내하는 정박 케이블들을 지시한다. 부호 26은 전환 블록의 위치를 나타낸다. 상기 시스템은 견인 윈치(27) 뿐만 아니라 가외의 견인 윈치(28)을 더 포함한다. (도 33d)
본 발명의 제3구체예
해수면에서 본 발명의 제3구체예에 따른 파동 에너지 변환기의 등각투상도를 나타내는 도 34를 참조하시오. 상기 장치는 다가오는 해수 파도에 다양한 각도로 정박되며, 중앙의 주 발전소에 위치한 발전기로부터 해저 케이블을 경유하여 해안 송전선으로 전력을 전송한다. 유압 시스템은 상기 유압 시스템을 작동하기 위하여 파도의 에너지를 이용함으로써 상기 포드의 운동을 조절한다. 상기 유압 시스템은 충격 터빈 및 충격 터빈 노즐을 포함하며, 상기 충격 터빈 노즐은 변화하는 파고에 대응하여 포드의 잠금(locking) 힘을 자동적으로 조정한다. 상기 파동 에너지 변환기(WEC)는 파도의 상승 및 하강 모두에서 파도로부터 전력을 추출한다. 파도의 상기 상하 운동은 다중의 포드를 상하로 움직이게 한다. 포드의 상기 상하 운동은 충격 터빈을 구동시키는 노즐에 유압액을 퍼 나르는 유압식 피스톤을 작동시킨다. 펠턴 수차(Pelton wheel)는 충격 터빈의 한 유형이다. 상기 노즐에 의해 상기 충격 터빈의 케이싱(casing) 속으로 가해지는 압력 하에서 물은 상기 노즐을 통해 흐르기 위하여 강제될 때 가속화된다. 상기 노즐로부터의 상기 고속 제트는 수차를 샤프트 주위에 회전시키기 위하여 상기 터빈 수차 주위의 버킷(bucket)에 영향을 준다. 상기 샤프트는 전기 발전기에 연결된다. 상기 충격 터빈은 유압식 모터, 충격 터빈 또는 펠턴 수차를 포함하여, 움직이는 유체로부터 에너지를 추출하는 어떠한 회전 엔진과 같은 어떠한 유압식 터빈으로 대체가 가능하다.
최적 에너지 추출을 얻기 위한 방법
도 35를 참조하시오. 부표에 의해 파도로부터 최적의 에너지를 추출하기 위해서는 공명상태를 줄이고, 하기의 사이클이 따라져야 한다.
(1) 상기 부표는 수면이 중립의 37c(B) 위로 파고의 1/4 만큼 떠오를 때까지 고정된 높이(A)로 있어야 한다.
(2) 그 다음에 상기 부표는 증가되는 수면 높이(C)에 의해 생성되는 일정한 부양력으로 파도의 마루(35)로 떠오르게 되어야 한다. 그 결과로 초래된 부표 스트로크는 파고의 1/2과 같다.
(3) 상기 부표가 파도의 마루(35)에 도달할 때, 상기 부표는 해수면이 중립의 37c(D) 아래로 파고의 1/4 만큼 떨어질 때까지 고정되어 있어야 한다.
(4) 그 다음에 상기 부표는 감소하는 수면 높이(C)에 의해 생성되는 일정한 힘에서 파도의 골(35)로 가라앉게 되어야 한다. 그 결과로 초래된 부표 스트로크는 파고의 1/2과 같다.
유압 회로
도 36 및 37을 참조하시오. 상기 유압 시스템은 개방형 또는 폐쇄형 회로가 될 수 있으며, 상기 회로는 리저버(40), 일방-체크 밸브(42), 중심축에 대한 상하 운동이 피스톤 로드(rod)를 구동시키며, 포드(48)에 의해 작동되는 쿠션 스탑/복동식 유압식 램 펌프(41)를 포함할 수 있다. 유압식 매니폴드(manifold)(43)를 가진 상기 일방-체크 밸브(42)는 상기 시스템에서 유체의 흐름을 조절하기 위하여 열리고 닫힌다. 선택적으로 부가되는 축압기(44)는 전력 산출을 평준화하기 위하여 구비된다. 상기 유압식 매니폴드(43)는 유압식 모터 또는 충격 터빈(45)을 돌리기 위하여 고압 라인(46)을 통해 유체를 노즐로 보낸다. 저압 라인(47) 반환 통로는 상기 유체를 리저버(40) 또는 유체가 바다로 되돌려지는 개방형 해수 시스템으로 반환한다. 유압식 모터는 유압 및 유체 흐름을 토크 및 각 변위로 변환하는 기계적 활성화기이다. 여기에서 사용되는 유압식 터빈은 유압식 모터, 충격 터빈 또는 펠턴 수차를 포함하여, 유체로부터 에너지를 추출하는 어떠한 회전 엔진을 말한다.
유압 시스템 작동 샘플
정격 전력에서, 예를 들어 3m의 파도에서, 상기 포드는 잠수되고 포드가 운동을 시작하기 전에 0.75m 떠오르게 될 것이며, 포드는 1.5m 낙차(throw)를 갖게 될 것이다. 상기 유압은 3,000psi(최대)이 되고, 1 유닛의 유속이 될 것이다.
파고가 1m 또는 정격의 1/3로 떨어진다면, 상기 포드는 잠수하여 0.25m 떠오르게 될 것이며, 정격의 1/3의 압력 또는 1,000psi를 필요로 하게 된다. 상기 낙차는 마찬가지로 정격의 1/3 또는 0.5m로 떨어지며, 1/3 유닛의 유속으로 감소할 것이다.
발전기에 동력을 공급하기 위하여 충격 터빈을 활용하면, 패들 수차(paddle wheel)를 돌리는 노즐을 통해 유체가 분사된다. 노즐을 통한 유속이 느려질 때, 압력 역시 거의 정비례하게 내려간다. 따라서 수차를 돌리는 압력이 처음의 1/3로 떨어지면, 역압은 자동적으로 1/3로 떨어질 것이다. 이것은 상기 포드가 최적의 수행 능력을 유지하기 위하여 필요로 하는 압력 및 유속 사이의 관계도 마찬가지이다. 이러한 식으로, 상기 포드는 자동적으로 자가 조정 및 최적의 수행 능력을 유지하고 있다.
일정한 RPM에서, 상기 충격 터빈은 또한 파고의 넓은 범위를 위한 효율성 범위를 유지한다. 더 큰 파도에서, 상기 전력은 유압식 램 낙차 및 포드 크기를 제한함으로써 정격에서 유지된다.
만약 축압기(44)가 전력 산출을 평준화하기 위해 사용된다면, 그것은 또한 포드의 조정을 지연시킬 것이다(예를 들어, 최대 압력이 점점 커지면, 상기 포드는 많은 에너지를 획득하기에 앞서 축적된 유압을 극복하기 위한 충분한 에너지를 가져야 할 것이다). 이러한 이유로, 다른 방법으로 전력을 평준화하는 것이 바람직할 수 있다.
포드 운동에 일정한 저항을 일으키는 것 외에 한 세트의 힘이 도달할 때까지 상기 유압식 시스템이 어떻게 운동의 잠금을 달성하는지 보여주는 도 37을 참조하시오.
처음에는, 상기 피스톤(41) 양쪽에서의 압력이 같으므로 상기 피스톤에 힘이 작용하지 않는다. 상기 피스톤에서의 힘이 작동 힘보다 작을 때, 상기 피스톤은 극미량으로 움직이고, 힘이 균형을 이루고 운동이 멈출 때까지 한쪽에서의 압력이 증가하고 다른 쪽의 압력이 감소한다.
상기 피스톤에서의 힘이 작동 힘과 같아질 때, 주입 및 배출 밸브(42)가 열린다. 상기 피스톤은 일정한 작동 힘으로 움직인다. 저압 유체(47)는 확장하는 쪽을 채우고 고압 유체(46)가 수축되는 쪽을 빠져나간다.
충격 터빈 노즐이 어떻게 파고가 변화하는 상황에서 포드의 잠금 힘을 자동적으로 조정하는지를 보여주는 도 38a 및 38b를 참조하시오.
도 38a에서, 큰 파도는 큰 낙차(stroke)를 생성하고, 상기 큰 낙차는 큰 유속을 가져다 준다. 상기 큰 유속은 높은 역압(backpressure)을 일으키며, 상기 역압은 유압식 램을 이동시키기 위하여 큰 힘을 필요로 한다. 상기 큰 힘은 1/4 파고를 유지하는 것을 돕는 포드의 잠수를 증가시키고, 증가된 파고에 의한 상기 증가된 잠수는 에너지 생산을 최적화시킨다.
도 38b에서, 작은 파도는 작은 낙차, 작은 유속, 낮은 유압, 낮은 램 힘 및 보다 적은 포드의 잠수를 가져온다. 노즐 크기, 유압 시스템, 포드의 개수 및 구조를 조절함으로써, 파고에 따른 포드의 힘을 자가조정하는 것은 최적의 수행 능력을 유지시키는데 도움이 된다.
도 34에서 도시된 상기 파동 에너지 변환기의 상세한 그림인 도 39를 참조하시오. 도 36 및 37에서 보여진 상기 유압식 램(41) 및 유압식 매니폴드(43)는 상기 파동 에너지 변환기의 골격을 따라 반복된다. 고압 라인(46)은 상기 매니폴드(43)를 일반적인 축압기(44) 및 유압식 모터 또는 충격 터빈(45)에 연결시킨다. 상기 유압식 모터 또는 충격 터빈(45)은 일반적인 발전기(34)를 구동시킨다. 상기 유압식 모터 또는 충격 터빈(45)에서 쓰여진 유체는 유압식 리저버(40)에 모이고, 상기 리저버는 상기 유체를 저압 반환 라인(47)을 경유하여 상기 매니폴드(43)로 반환한다.
본 발명의 제4구체예
본 발명의 제4구체예에 따르면, 상기 전력-생성 장치는 하나의 중앙 구역, 상기 중앙 구역과 연결된 하나 이상의 외곽 위성지역 및 상기 중앙 구역에 위치한 하나의 발전소(powerhouse)를 포함한다. 상기 유압식 터빈은 충격 터빈 또는 유압식 모터일 수 있다. 상기 장치는 다가오는 해수 파도에 대하여 다양한 각도로 정박되고, 중앙 주 발전소에 위치한 발전기로부터 해저 케이블을 경유하여 해안 송전선으로 전력을 전송한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 발전소는 상기 위성 모듈의 전기 생산을 모으고, 해저 케이블을 통하여 해안으로 전력이 전송되는, 상기 장치로부터 바다 바닥으로의 출구를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 외곽 구역은 모듈식이고, 외곽 구역의 가압된 유압 흐름을 모으는 단일의 위성 발전소를 포함하며, 전력 검사(conditioning) 및 해저 케이블을 경유한 전송을 담당하는 상기 중앙 주 발전소로 보내지는 전기를 생성한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 중앙 발전소 및 모든 위성 발전소는 하중을 가하는 파도 및 상기 구조의 대부분이 해수에 의해 떠받쳐지지 않는 거대 폭풍 파도의 상황을 모면하기 위하여 잠수한다.
해수면에 있는 본 발명의 파동 에너지 변환기의 등각투상도를 나타내는 도 40을 참조하시오. 상기 장치는 힘을 전송하는 복수개의 포드, 상기 힘-전송 포드의 암과 맞물린 복동식의 유압식 램 및 발전기에 연결되어 고압의 작업 유체에 의해 작동되는 펠턴 수차를 포함한다.
도 42 및 43을 참조하시오. 도 43은 본 발명의 파동 에너지 변환기의 평면도이고, 도 42는 측면도이다. 상기 파동 에너지 변환기(WEC)는 해수 파도 운동에 의해 구동되는 전기 전력-생성 장치이다. 상기 장치는 그것의 끝에 의해 정박되고, 전력 추출을 최대화하기 위하여 편주할 수 있으며, 전력을 주 발전소로부터 해저 케이블을 경유하여 해안 송전선으로 전송할 수 있다.
상기 파동 에너지 변환기는 전기 생산을 위한 발전소를 포함하는 모듈식으로 축조된 구역들에서 다수의 포드를 이용하여 파도로부터 에너지 획득을 최적화하기 위하여 설계된다. 이러한 구조의 이점은 경제상 큰 장치의 공통성, 작동 및 서비스 이유 및 파도 전력 추출을 최대로 달성하기 위하여 상기 포드의 안정적인 플랫폼을 형성하는, 상기 장치를 긴 주기 파장을 초과하는 길이로의 허용이다. 전통적인 조선법이 적용될 수 있다.
상기 포드는 파도의 상하 운동에서 에너지를 획득하고, 쌍방, 복동식의 유압식 램에 힘을 분배한다. 상기 램은 유압 오일 또는 해수와 같은 작동 유체를 퍼 나르며, 액체 압력은 전기를 생성하기 위하여 펠턴 수차 또는 다른 유압식 모터 및 발전기 시스템을 구동시키기 위하여 사용된다.
상기 구조는 유압 시스템, 전력 조절기, 점증 변압기(step up transformers) 및 스위치기어를 수용하는 중앙 구역으로 구성된다. 이 주 발전소는 자신의 주요 구역의 전력을 생산할 뿐만 아니라, 전체 위성 모듈의 전기 생산을 모으고, 상기 장치로부터 전력을 표준 해저 케이블을 경유하여 해안으로 전송되는 해저로의 출구를 제공한다.
도 43 및 45에서 보여지는 외곽 구역들은 완전히 모듈식이고, 각각의 구역의 생성된 유압을 모으는 단일의 위성 발전소를 포함하며, 전력 조절 및 해저 케이블을 경유한 전송을 담당하는 상기 중앙 주 발전소로 연결되는 전기를 생성한다.
상기 중앙 및 모든 위성 발전소는 극한 기상 상태를 견디기 위하여 몇몇 기후에 대응하여 압력을 증가시켜 잠수하도록 설계된다. 상기 전체 장치는 하중을 가하는 파도 및 구조의 대부분이 해수에 의해 떠받쳐지지 않는 거대 폭풍 파도의 상황을 모면하기 위하여 잠수한다.
본 발명의 제5구체예
제5구체예에 따르면, 상기 해수 파도를 이용하여 전력을 생산하는 장치는 힘을 전송하는 복수개의 포드들, 상기 힘-전송 포드의 암과 맞물리는 복동식의 유압식 램 및 발전기에 연결되는 고압 작동 유체에 의해 구동되는 유압식 터빈을 포함한다. 상기 장치는 상기 포드 안에 챔버를 포함하며, 상기 챔버는 잠수시 해수에 의해 채워질 수 있고, 떠오를 때 해수를 배출할 수 있다. 상기 유압식 터빈은 충격 터빈 또는 유압식 모터가 될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 포드는 잠수와 상승를 위하여, 그리고 상기 WEC의 수송을 위하여 수직 방향으로 회전할 수 있다.
제5구체예에 따른 상기 파동 에너지 변환기(WEC)는 파도의 상하 운동 모두에서 파도로부터 전력을 추출한다. 그러나 이는 거대 폭풍 파도의 밖으로 상기 포드와 구조물을 들어올리는 내재적인 불능을 초래한다. 본 구체예는 (1) 파력발전소(wave farm)에 상기 WEC를 배치하는 것을 돕기 위하여, (2) 작동 모드에서 에너지를 획득을 최적화하기 위하여, (3) 하중을 가하는 파도를 피하고 구조물의 대부분이 해수에 의해 떠받쳐지지 않는 상황을 모면하기 위해 상기 장치를 전부 잠수시키기 위하여, 다양한 부양 장치 및 방법을 사용한다.
상기 밸러스트(ballast) 보조시스템은 바다에서 작동 모드로 도 46에서 묘사된다. 일정 수준으로 포드의 자유 담수 탱크(free flood tank)를 채움으로써 제공되는 밸러스트는 그 양이 한정된다. 이는 앞에서 언급한 바와 같이 파도의 상하 운동에서 파도 에너지 획득을 최적화시킨다.
도 47은 도 46에서 도시된 포드 밸러스팅 시스템의 세부 사항을 보여준다. 가동되는 밸러스트의 한정된 양으로 채워지는 구역은 항상 열린 하나의 작은 해수 주입구 및 하나의 공기 배출구와 함께 도시된다. 상기 포드에서 한 작은 구역(밀폐 부양 챔버)은 포드의 균형이 침수되는 것일 때 잠수의 경우 최소한의 부양력을 제공하기 위하여 공기에 의해 밀폐된다. 공기 펌프와 공기 호스 라인은 상기 장치가 추가 작동 또는 유지보수를 위해 떠오를 필요가 있을 때 공기 대체에 의해 물을 배출한다.
도 48은 잠수된 WEC를 나타낸다. 상기 장치에 해를 가할 수 있는 거대 폭풍 파도 또는 이상 파도 상태를 인지하는 경우, 상기 포드는 밸러스트를 더하기 위하여 침수되고, 전체 장치의 부양력을 감소시킨다. 상기 포드암-포드의 접점에서의 유압식 램은 상기 포드를 도시된 수직 방향으로 회전시키기 위하여 작동된다. 따라서 에어 펌프가 꺼지고, 해수에 의해 침수된 상기 포드, 확장된 포드 위치 실린더에 의해 올려진 포드 암을 통해 상기 장치는 거대 폭풍 파도의 골보다 한참 아래인 미리 정해진 깊이로 잠수한다. 도 49는 잠수된 WEC를 나타낸다.
도 50은 항구를 떠나 발전소(wave farm) 지역으로 상기 장치를 가져가기 위한 배치 방법을 보여준다. 상기 포드는 해수가 밸러스트가 충분히 빠지는 수직 배열로 위치하고, 상기 장치가 예인되었다. 따라서 에어 펌프가 켜지고, 해수가 비워진 포드, 확장된 포드 위치 실린더에 의해 올려진 포드 암을 통해 상기 장치는 파도의 수면으로 떠오른다.
본 발명의 제6구체예
도 51 및 52를 참조하시오. 도 51은 본 발명의 파동 에너지 변환기의 평면도 및 측면도이다. 상기 파동 에너지 변환기(WEC)는 해수 파도 운동에 의해 구동되는 전기 전력-생성 장치이다. 상기 장치는 그것의 끝에 의해 정박되고, 전력 추출을 최대화하기 위하여 편주될 수 있고, 주 발전소로부터 해저 케이블을 경유하여 해안 송전선으로 전력을 전달한다. 상기 변환기의 백본(기지 구조)는 마디 구조를 통해 연결되는 구역으로 구성된다. 도 52는 제6구체예의 사시도이다.
도 53은 직사각형의 백본(기지 구조)를 보여주고 있는 본 발명의 제6구체예의 정면도이다. 강하고 튼튼한 백본을 얻기 위하여, 사각 프레임 시스템은 사각형의 각 꼭지점에 있는 4개의 스탭-온(stab-on) 요소 및 상기 유닛의 각 면에 있는 더 작은 직경의 관형 버팀대를 통해 형성되고, 상기 유닛은 상기 백본의 길이 방향을 따라 이어져 있는 상기 프레임 시스템 및 포드 암을 통해 상기 백본에 포드의 하중이 전달되는 판넬 레벨(panel level)을 제공한다.
크고 작은 직경의 관의 조합을 선택하는 기초는 상기 백본에 작용하는 하중을 최소화하는 것이다. 상기 작은 직경의 관에서 물 입자 속도에 기인한 최대 수직 힘은 마루에서 상기 큰 직경의 관에서의 물 입자 가속도(및 반대에서 다양하게 작용하는 부양력)에 기인하는 최대 수직 힘과 위상의 차이(마루보다 미리 앞선 90도)를 발생시킨다. 상기 변환기의 백본은 56개의 포드 및 포드 암으로 된 28개의 세트를 수용하고 있는 매우 길고 가느다란 구조이다. 상기 백본의 4개의 관과 상기 백본의 4면의 각각에 있는 작은 직경의 버팀대와 총 30개의 교차 프레임은 상기 백본에 단단함을 제공한다. 28개의 교차 프레임은 상기 백본과 함께 상기 포드와 포드 암의 구조적 통합을 제공한다.
상기 백본에 영향을 주는 위태로운 하중 상태는 파도 마루가 상기 백본의 중앙부에 위치할 때 호깅(hogging)되는 것과 중앙부에 마루가 위치하고 상기 백본의 양 끝에 두 마루가 위치할 때의 새깅(sagging) 상태이다. 상기 백본은 상기 백본에 직접적으로 작용하는 파도 하중에 의한 호깅 및 새깅의 적정한 수준 및 포드에서 백본으로 전달되는 하중을 수용하기 위한 적절한 수용능력을 가지기 위하여 설계될 수 있다.
상기 백본에 작용하는 이러한 직접 및 간접적으로 적용된 하중은 중앙부에서 최대의 굽힘 모멘트를 형성한다. 상기 굽힘 모멘트는 축의 장력 및 상기 백본의 큰 직경의 꼭지점 다리에서의 응축력으로 옮겨진다. 상기 각각의 바다 상태에서 굽힘 모멘트는 다를 것이기 때문에, 상기 백본의 목표 수용능력을 설정하는 것이 바람직하며, 그에 따라 상기 시스템의 구조적 강도가 유지되고, 전체 비용을 적정하게 유지한다.
본 구체예에 따르면, 상기 백본은 상기 백본의 한쪽 끝이 다른 쪽을 찌르는 형태의 2개의 동등한 부분으로 건축된다. 4개의 스탭-온 구성요소의 각각은 상기 시스템의 연속성을 제공하기 위하여 4개의 다리 각각의 잠금(locking)을 제공한다. 따라서 굽힘 모멘트 및 상기 잠금 시스템의 수용능력과 양립할 수 있는 축 방향 힘을 일으키는 폭풍이 올 때까지, 상기 백본은 단일 유닛으로 기능한다.
도 54a는 본 발명의 제6구체예에 따른 다중 구역 백본의 개략적인 측면도이다. 도 54b는 상기 백본의 구역 사이에 있는 마디(joint)에 대한 상세한 그림을 보여준다.
상기 축 방향 하중이 상기 잠금(lock-in) 능력을 초과할 때, 상기 스탭-온 다리가 가이드에 연결이 유지된 채로 해제된다. 상기 해제 상태에서 회전 유동성이 굽힘 모멘트를 발생시키는 작용 하중의 효과를 무력화하기 위하여 제공된다.
이미 팽팽한 당김줄(guy wires)은 상기 유닛의 2개의 반쪽을 서로 매우 가깝게 유지할 의도로 존재한다. 그러나 추가 안전 시스템이 가이드로부터 다리의 스탭이 벗어나는 것을 방지해 주는 2 내지 3m의 긴 체인을 부착함으로써 또한 구비된다. 상기 시스템에서 쿠션 또는 고무 범퍼는 상기 백본의 세로 축 방향을 따른 큰 움직임을 방지할 수 있다.
상기 건축물은 확장성을 통하여 비용 감소를 위한 효과적인 방법을 제공한다. 제6구체예의 모듈식의 설계는 상기 시스템을 정박 및 작동의 관점에서 가장 비용이 효과적인 크기를 조정하는 것을 가능하게 한다. 본 구체예는 56, 80kW의 점 흡수 포드를 ~45°에서 파면에 노출되는 단일의 214m의 긴 반잠수 운반 구조에 연결시킴으로써 이를 달성하고 파면의 방향 변화에 대응하여 편주할 수 있다. 코어 시스템이 28개의 포드로 2.24MW이 되는 것이 계획된다. 추가적인 2.24MW모듈은 중앙에 준수 구역과 함께 4.5MW 변환기로 채운다. 추가 확장은 장래에 가능할 수 있다.
검증된 기술 및 상업적으로 가용한 구성요소의 사용은 기술적 문제, 비용을 절감시키고, 보다 빠른 상용화 과정을 가능하게 한다. 본 구체예에서 사용되는 대부분의 구성요소는 초기 상용화 단계에서 새롭게 설계된 구성요소와 함께 전형적으로 결합된 “초기 비용(teething costs)”을 상당히 절감시키는 산업 카달로그 소스를 통하여 이용 가능하다. 또한, 평균화된 검증 절차와 생존가능성, 운용성 및 안정성을 위한 연안 석유가스 산업으로부터의 경험은 설계, 보충 및 인증 절차에서의 예측을 가능하게 한다. 본 구체예는 또한 탱크 테스팅,(tank testing), 서브스케일 테스트(subscale testing) 및 모델링을 통하여 얻어진 팽창(heaving) 점 흡수체(absorber)에서의 30여년간의 경험으로부터 득을 본다. 이를테면, 수행능력 및 역동적 대응은 잘 이해되고, 상용화는 오랜 연구 프로젝트를 위한 필요에 의해 저지되지 않는다.
정상 바다 상태 조건에서 정기적인 유지보수 및 수리 활동 수행을 가능하게 하는 것은 O&M (작동 및 유지보수) 비용의 예측을 확실하게 하며, 문제가 발생하면, 적시에 바로잡을 수 있다. 이것은 접근하고 탑승하여 작동활동을 안전하게 수행할 수 있는 인력이 필요하다. 본 구체예의 설계 기준은 90%가 넘는 접근성을 가지며, 상기 접근성은 직접적으로 개선된 발전 시스템 가용성으로 전환되고, LCOE(에너지 평준화 비용)를 상당히 개선한다. 이것은 해수 파도보다 상당히 위에서 경사로(elevated ramps)에 의해 모든 중요 구성요소로의 안정한 접근을 제공함으로써 달성된다. 상기 경사로는 또한 서비스 크레인을 위한 레일에 결합하며, 상기 크레인은 서비스 보트를 위한 탑승 플랫폼까지 변환기 구조의 세로 방향 전체를 돌아다닐 수 있다. 인력 전송은 서비스 보트 또는 헬리콥터에 의해서 달성된다.
시스템 모듈화는 제조를 단순화하고 보조-시스템을 승선(on-board) 서비스 크레인으로 쉽게 대체할 수 있게 함으로써 O&M 비용을 절감한다. 상기 모듈화는 크레인이 개별적인 구성요소를 선상 탑재 크래인의 비용을 피하는 상기 승선 크레인을 통해 사람이 관리하는 것을 가능하게 해 준다. 상기 플로팅 포드, 유압식 램, 하이드로-터빈 및 발전기는 상기 승선 크레인을 이용하여 제거될 수 있다.
배치의 용이성 및 절감된 설치 비용은 발전지역으로의 변환기 구조물의 예인하는 것과 정박 및 어떤 파도 장치와 마찬가지로 바다 바닥에 구조물의 설치를 막기 위한 중력 닻의 사용에 기초한다.
높은 가용성을 얻고 비극적인 손실을 초래하는 실패가능성을 줄이기 위하여 리던던시가 상기 변환기 보조시스템으로 지어진다. 지어지는 리던던시에는 여러 레벨이 있고, 실패 형태 및 리던던시가 전체 시스템에 어떠한 영향을 미칠지에 대한 세심한 주의가 필요하다. 조절 시스템, 정박 등 모든 중요한 시스템은 내재된 리던던시를 가진다.
고도로 효율적인 흡수 및 전력 전환 과정은 전기 산출량(kWh/year) 수요를 달성하기 위하여 필요한 구조재(비용)의 양으로 측정되었다. 상기 백본 운반체에 탑재된, 최적의 크기, 최적의 형상, 조정가능한 다중의 점 흡수 포드는 고도의 효율적인 파도 전력 전환을 가져온다. 파도 운동과 상기 유압식 램의 맞물림 시간 사이에 상호작용은 에너지 전환의 상당한 증가를 가져온다. 대부분의 완성된 장치와 비교하여, 본 발명의 본 구체예는 약 2 내지 5배 우수한 구조 중량 : 전력 비율을 가진다.
포드 효율성은 또한 전형적으로 2 내지 3개의 파장을 아우르기 위하여 설계된 운반체의 길이에 의해 향상되고, 그에 따라 상기 포드에 의해 흡수 및 전력 전환 비용에서의 요동을 최소화한다.
포드 효율성은 또한 최대 파도 운동에 모든 포드가 노출되는 다가오는 파도 라인에 대하여 약 45° 각도로 편주하는 본 발명에 따르면 상기 변환기에 의해 파면에 최적화된 노출을 달성한다. 상기 편주 시스템은 상기 변환기의 위치에서 90° 변화를 가능하게 한다.
상기 건축물은 가능한 한 상기 설계로부터 능동 시스템을 제거함으로써 해양에서의 최고의 수행을 달성한다. FMEA(실패 형태 및 효과 분석) 과정은 잠재적인 실패 형태를 뿌리뽑고, 실패를 추적하기 위하여 상기 설계에서 일찍이 채택되어 왔다. RAM(신뢰성, 가용성 및 유지보수)과 함께, 이 과정은 추적을 유지하고, 구성요소, 보조시스템 및 전체 시스템 수준에서 중대 실패 사이의 평균시간(Mean Time Between Critical Failure), 평균 정지시간(Mean Down Time) 및 가용성 또는 작동시간(일반적으로 %로 표시)을 위한 설계 목표를 설정한다.
본 발명자는 본 발명의 LCOE가 최근에 배치된 설계 및 해안 풍력의 범위(12 to 18 cents/kWh) 보다 상당한 향상을 가져온다고 믿는다. 상기 LCOE는 EPRI의 유용성 발전기의 경제적 방법론에 의해 기초하여 계산되었고, 보조금을 가정하지 않았다. 이러한 배치의 참조 위치는 PG&E의 WaveConnect project중인 캘리포니아, 험볼 카운티(Humboldt County)에 있다.
파동 에너지가 상업적으로 성공하고 큰 시장을 획득하는 것은 분명하며, 상대적으로 온화한 환경적 영향을 가져야 한다. 잠재적인 환경 효과를 평가하는 것은 상기 개발 과정의 필수적인 부분을 구성한다. 본 발명의 상기 설계를 위하여, 유압액의 유출, 충돌, 오염방지 페인트의 유독성 및 해양 생물을 잠재적으로 방해할 수 있는 정박 배열과 관련한 문제에 세심한 주의를 기울여야 한다. 하기의 잠재적인 영향 및 완화 조치는 예시 목적으로 보여진다.
문제 완화 조치
잠재적인 유압액의 누수 유압식 구성요소의 2차적 봉쇄, 명확한 작동 프로토콜, 생분해성의 유체 및 식물성 기름의 사용
오염방지 페인트의 유독성 최소 독성을 가진 에폭시계의 페인트 사용
바다표범 및 다른 대형 동물과의 충돌 운동 부분(예를 들면 포드 암과 주요 구조) 사이에 틈을 가진 구조의 설계
정박 시스템 및 수직 케이블과 고래의 얽힘 얽힘 발생 정도가 예상밖이라는 주장을 확실히 함. 예를 들어 몇 톤보다 큰
유해 유체(기름, 페인트, 연료 등)의 운영상의 누출 영향을 최소화하기 위한 엄격한 작동 절차 및 조절. 누출시 명확한 대응 프로토콜 및 인력 훈련
소음 여러 잠수함 설계의 소음 완화 개념 및 소음-민감
풍력 산업과의 통합
이것은 종합적인 리스트를 의미하는 것은 아니고, 단지 설계에 의해 다뤄지는 중대 문제를 기술한 것이다.
이상적인 포드는 모든 파도 조건에서 작동하고 에너지를 생산한다. 파동 에너지 추출은 작은 파도에서 최적의 전력 도약 조절을 통해 최대화되고, 상기 발전기의 정격 수용능력에서 유지될 것이다. 파도가 더욱 커지고 왕성할 때, 초과 전력은 들어올려진 포드를 디튠닝함으로써 흘려진다. 디튠닝은 극심한 바다에서 상기 유압식 전력 도약을 조절하는 수단에 의해 상기 포드를 최적의 축임보다 적게 축임으로써 달성된다. 하기의 표는 바다 상태의 함수에 따른 단일 포드의 수행능력을 보여준다.
바다 상태의 함수에 따른 포드의 전기 산출량(kW)
Tz(s)
Hs (m) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 20
0.25 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0.75 0 2 3 3 3 3 3 2 2 2 2
1.25 0 4 8 9 8 7 7 7 7 6 6
1.75 0 9 15 17 16 15 14 13 13 12 12
2.25 0 14 25 28 27 24 23 22 21 20 19
2.75 0 22 38 42 40 36 34 33 32 30 29
3.25 0 30 53 59 56 50 48 46 44 42 40
3.75 0 40 70 79 75 67 64 61 59 56 54
4.25 0 52 80 80 80 80 80 79 76 72 69
4.75 0 65 80 80 80 80 80 80 80 80 80
5.25 0 79 80 80 80 80 80 80 80 80 80
6.25 0 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
8.00 0 80 80 80 80 80 80 80 80 80 80
상기 수행능력 표에서 보여진 바와 같이, 상기 발전기의 정격 수용능력은 포드 하나에 약 80kW의 전기 전력 산출량으로 제한되어 있다. 북캘리포니아의 파도 조건에서, 상기 수행능력 표는 포드당 32kW의 연평균 산출량을 낼 것이다.
본 발명이 일년 내내 작동하는 동안, O&M 서비스를 위한 접근은 기상 상태에 따라 제한될 수 있다. O&M 절차를 수행하기 위한 운용상 접근은 인력의 상기 구조물에 대한 접근 능력에 매우 의존한다. 그러기 위해서, 본 발명에 따른 상기 변환기의 접근 경사로는 대부분의 시간이 되는 정상 바다 상태 작동 조건에서 인력의 안전한 접근을 위하여 파도 운동보다 충분히 높이 있다. 인력 전송은 해안 유전 플랫폼 및 풍력 터빈과 유사한 방법으로 서비스 보트 또는 헬리콥터에 의해 상기 구조물까지 그리고 상기 구조물로부터 달성될 수 있다.
최악의 폭풍 조건에서 상기 설계의 생존 가능성은 상업적 성공에 결정인 요소이다. 본 발명에 따른 상기 에너지 변환기는 낮은 전력 바다상태인 동안 전력 생산을 최적화하기 위하여 설계되고, 다가오는 극한 조건을 빗겨갈 것이다. 이러한 전력 흘리기는 전체 설계의 중요하고 필수적인 측면이며 하기에 의해 달성된다.
- 개별적인 포드가 어떤 극한 상황도 모면하는 것을 허용 및 이러한 조건 동안 상기 포드가 상기 백본으로 전송하는 힘을 최소화.
- 극심한 파도에 구부러지는 것이 허용되지만 작동 조건에서 레퍼런스의(최소 요동) 안정점을 제공하는 유연하게 정박된 백본 구조를 가지는 것. 결정적인 설계 측면은 생존가능성을 위해 필요한 상기 시스템이 안전장비가 구비되어 있고, 작동하지 않는 것이다. 이러한 설계 철학을 포함함으로써, 상기 변환기는 대부분의 심한 폭풍에 견딜 수 있는 훨씬 높은 가능성을 가진다.
전술된 구체예에 따르면, 각 포드는 최대 80kW를 생성한다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 선형 발전기가 운동-에너지 변환에 사용된다. 파동 에너지 변환은 흡수체의 상기 운동이 직접적으로 결합될 수 있는 선형 발전기에 이상적으로 적합하다. 선형 발전기는 복잡한 전력 도약의 필요를 제거하고 향상된 효율성의 부수적인 이익 및 잠재적으로 감소된 환경 영향을 가진다. 거기에는 적합한 발전기의 설계를 계산하기 위한 기초로 작용할 수 있는 이론적인 고려가 있다(예를 들어, Oskar Danielsson의 업무, 파도 에너지 발전소를 위한 선형 발전기의 설계, Uppsala대학교, 박사학위 프로젝트 2003; Wolfbrandt, A., 파도 에너지 변환기를 위한 선형 발전기의 자동화된 설계-단순화된 모델, IEEE Transactions on Magnetics, Volume 42, Issue 7, July 2006 Page(s): 1812 - 1819).
위에서 설명한 바와 같이, 경쟁력 있는 에너지 비용을 달성하기 위하여, 본 발명의 따른 상기 시스템 건축물은, 극심한 파도 상태에서의 생존가능성을 다루면서, 규모의 경제에 적합하다. 본 발명은 신규한 건축물에 기초하며, 상업적으로 성공할 수 있는 파도 전력 변환을 일으키는 필수적인 기준을 통합시킨다. 이 표준은 하기의 사항을 포함한다.
- 초과 하중을 흘리고, 그로 인해 구조 중량 및 설계 요건을 감소하기 위한 구조를 가능하게 함으로써 달성되는, 지배적인 설계 구동자로서의 내재적 생존 가능성
- 원하는 전기 산출량을 달성하기 위해 필요한 구조재(비용)의 양을 통해 측정되는, 고도로 효율적인 흡수 및 전력 변환 과정
- 세로방향의 안정성을 제공하기 위하여 다가오는 파도를 아우르는 충분한 운반체 또는 “백본” 길이, 운반체의 요동을 최소화하고 그에 의해 플로팅 포드의 상승 및 하강에 의해 최대의 파도 힘을 추출하는 것
- 파면의 방향 이동에 따른 방향 조정을 위한 능동 편주와 함께 파면에 포드를 최대로 노출시키기 위한 센티포드(Centipod)의 방향
- 정박 및 해안으로의 전력 수집으로 인한 총 비용에서의 비율을 감소함으로써 LCOE를 줄이기 위한 효과적인 방안으로서의 상기 구조물의 확장성
- 전체 발전 시스템을 위한 상업적으로 이용가능한 구성요소의 사용
- 모든 시스템 구성요소의 접근성, 정상 작동 바다 상태에서 O&M 서비스를 위하여 포드를 개별적으로 작동정지(off-line) 시키는 능력
- 비극적인 손실을 초래하는 실패의 가능성을 줄이기 위한 리던던시
- 배치 지역에 단일 에너지 생성 장치(예를 들어 4.5MW 시스템)를 단순 예인함으로써 감소된 배치 비용, 대부분의 경우에 저비용 중력 닻으로 발전소를 유지함

Claims (20)

  1. 해수 파도 운동에 반응하여 힘을 전달하는 복수개의 플로팅 포드(floating pod)(5); 및
    회전 샤프트(3)에 맞물리는 발전기(2);
    로 이루어지고,
    상기 포드들 각각은 다중의 레버 어셈블리들 중 하나와 연결되고, 각각의 레버 어셈블리는 상기 레버 어셈블리와 맞물려진 하나의 회전 샤프트(3)로 상기 포드들의 운동을 전달하고, 상기 포드들은 레버 어셈블리를 통해 상기 회전 샤프트의 축 방향을 따라 배열되고, 상기 회전 샤프트(3)는 상기 포드들이 해수 파도의 상하 운동에 따라 움직일 때 회전 토크를 생산하며,
    상기 회전 토크는 상기 발전기(2)로 전달되어 상기 발전기(2)가 전력을 생성하는 것을 특징으로 하는 해수 파도를 이용한 전력 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서, 하나의 레버 어셈블리의 회전운동을 상기 회전 샤프트로 단일 방향으로 전송시키고, 반대 방향의 전송을 방지하는 장치를 경유하여 상기 레버 어셈블리들과 상기 회전 샤프트가 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 장치는 라쳇 어셈블리인 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전력 생성 장치는 V-형으로 배열된 최소한 2개 이상의 회전 샤프트들을 포함하고, 상기 포드들 각각은 각각 상기 회전 샤프트들 중 하나와 별개의 레버 어셈블리를 통하여 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  5. 해수 파도 운동에 반응하여 힘을 전달하고, 각각은 다중의 레버 어셈블리들 중 하나와 연결되는 복수개의 플로팅 포드(5); 및
    회전 엔진에 맞물려져 전력을 생성하는 발전기(2);
    로 이루어지고,
    각각의 레버 어셈블리는 힘-전달 포드의 레버 어셈블리와 맞물려진 유압식 램(ram)들에게 상기 포드들의 운동을 전달하고,
    상기 유압식 램들은 유압식 회전 엔진에 연결되어, 해수 파도의 상하 운동에 따라 상기 포드들이 움직일 때 상기 유압식 램에 의해 생산된 유압이 상기 유압식 회전 엔진에 공급되는 것을 특징으로 하는 해수 파도를 이용한 전력 생성 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 유압식 램은 유압식 램과 유압식 회전 엔진 사이에 연결된 축압기 시스템에 연결되어, 상기 축압기 시스템이 유압식 모터에 유압을 공급하고 파동 에너지에서 진동을 완화하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 유압식 램은 복동식의 유압식 램이고, 상기 전력 생성 장치는 상기 회전 엔진 및 전력 생성 발전기를 구동시키는 포드의 상승 및 하강 운동을 통해 에너지를 획득하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유압식 회전 엔진은 유압식 터빈으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전력 생성 장치는 하나의 유압 시스템으로 이루어지고, 상기 유압 시스템은 유압 시스템을 작동시키기 위하여 파도의 에너지를 이용함으로써 상기 포드들의 운동을 조절하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 유압식 터빈은 유압식 모터 또는 충격 터빈 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 유압식 터빈은,
    하나의 충격 터빈;
    파고 변화에 따라 하나의 포드의 잠금 힘을 자동적으로 조정하는 하나의 충격 터빈 노즐; 및
    최대 힘을 위한 포드 위치를 유지시키는 밸브;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 전력 생성 장치는
    하나의 중앙 구역;
    상기 중앙 구역에 연결된 하나 이상의 외곽 위성 구역; 및
    상기 중앙 구역에 위치한 하나의 주 발전소;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 주 발전소는 상기 위성 모듈에서 생산된 전기를 모으고, 전력이 해저 케이블을 경유하여 해안으로 전송되는, 상기 전력 생성 장치로부터 해저로의 출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 외곽 구역은 모듈식이고, 상기 구역에서 생성된 가압 유압액을 모으는 단일의 위성 발전소를 포함하며, 전력 검사 및 상기 해저 케이블을 경유한 전송을 담당하는 상기 주 발전소로 보내지는 전기를 생성하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 발전소 및 모든 위성 발전소는 하중을 가하는 파도와 상기 구조물의 대부분이 해수로 떠받쳐지지 않게 될 수 있는 거대 폭풍 파도의 상황을 모면하기 위하여 잠수하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  16. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포드를 수직 방향으로 회전시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전력 생성 장치는 포드 내에 두 개의 담수 챔버들을 포함하고, 상기 담수 챔버들은, 항상 개방된 작은 물 주입구와 공기 배출구를 통하여 밸러스트(ballast)를 가동하는 챔버; 및 상기 장치가 떠올라야 할 때 공기 이동으로 상기 담수 챔버에서 물을 배출하기 위한 공기 펌프, 공기 호스 라인 및 물 배출 구멍들을 가진 챔버;로 이루어진 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 밀폐 부양 챔버가 상기 포드 내에 구비되며, 상기 밀폐 부양 챔버는 상기 담수 챔버가 담수되어 잠수하는 동안 최소한의 부양력을 제공하기 위하여 공기로 밀폐된 상태인 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
  19. 스탭(stab) 배열을 통하여 본질적으로 두 구역으로 분리되는 컴플라이언트 백본(compliant backbone)이 극한 바다 상태에서의 하중을 발산하는 것을 가능하게 하고, 상기 스탭 배열은 과도한 굽힘 응력에서 접속이 풀리도록 예정된 예압에서 전체 구조를 일직선으로 되돌리기 위한 가이드 와이어를 통하여 연결이 유지되는 것을 특징으로 하는 완화 마디/스탭.
  20. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 전력 생성 장치는 독립적인 파동 에너지 변환기 및 또는 복수의 파동 에너지 변환기 집단에 능동 편주 조절 시스템을 보유하며, 에너지 획득을 최대화, 비용 절감, 시스템 신뢰성 및 리던던시(redundancy)를 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전력 생성 장치.
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