KR20120026480A

KR20120026480A - 현존하는 인공호에서의 개선된 수력 발전을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20120026480A
Application number: KR1020117025171A
Authority: KR
Inventors: 웨인 에프 크루즈; 하비 그린버그
Original assignee: 하이드로 그린 에너지 엘엘씨
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-24
Publication date: 2012-03-19
Also published as: US20110089695A1; CA2756661A1; EP2411661A4; US8558402B2; RU2011142811A; JP2012522164A; WO2010111318A1; WO2010111318A8; CA2756661C; BRPI1009841A2; US20140008914A1; CN102365451A; MX2011010085A; RU2539238C2; EP2411661A1; JP5653415B2; US8884454B2

Abstract

헤드 퍼텐셜 및 이동하는 물을 제공하는 다른 설비 및 갑문 및 댐 내의 프레임을 통해 저수로부터 전력을 생산하기 위해 발전 모듈의 삽입을 위한 부유 가능하거나 이동 가능한 및/또는 고정된 프레임. 프레임은 미리 제조되고 모듈 또는 모듈들 또는 프레임 내의 상이한 위치들에서 발전 셀들을 구성하기 위한 스페이서, 발전기 및 터빈을 구비하는 모듈러 요소들의 삽입을 위해 프레임 내의 위치들을 갖는 밸러스트 선박 선체 디바이스로서 사이트 위로 이동된다. 프레임 상에 위치된 캔트리는 위치로의 개개의 모듈들의 용이한 이동을 허용한다.

Description

현존하는 인공호에서의 개선된 수력 발전을 위한 방법 및 장치{Method and apparatus for improved hydropower generation at existing impoundments}

본 발명은 발전 시스템들에 관한 것으로서, 특히 현존하는 인공호에서의 개선된 수력 발전을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

댐들 및 갑문 시스템들(dams and lock systems)과 같은 이전부터 존재했던 담수로부터 전력을 끌어내는 이전의 시도들은 임시 코퍼댐들(cofferdams)을 건설하는 것, 코퍼댐 내부의 볼륨을 배수하는 것(dewatering), 그리고 정적 및 동적 부하들(loads)로부터 발전소 및 그 장비를 지지하는 시빌 인프라스트럭쳐(civil infrastructure)를 위해 "건식으로(in the dry)" 피트(pit)를 굴착하는 것을 수반했다. 이용 가능한 낮은 유효 낙차(net head)를 가진 시스템들은 임시 코퍼댐 및 다른 시빌 인프라스트럭쳐의 매우 높은 비용으로 인해 "통상의(conventional)" 수력전기를 위한 마지널 기회(marginal opportunity)를 제공한다. 사용 중인 항해 갑문(navigational lock) 및 사용되지 않는 보조 갑문들을 가진 많은 갑문 및 댐 환경들이 존재한다. 가능은 하나, 거의 있을 수 없는 미래의 항해를 위해 보조 갑문들을 사용하기 위한 필요성은 종래의 수력발전 시스템을 이용할 수 없는 제거 가능한 수력발전 시스템 설계를 필요로 할 수 있다. 게다가, 계획 개발(project development), 공학 디자인(engineering design), 인가 제도(licensure), 장비 제조, 토목 공사(civil construction) 및 위임(commissioning)(8년까지)을 위한 긴 리드 타임들(lead times)의 경제학(economics)은 영구적인 종래의/전통적인 수력발전 시스템들을 경제적으로 및 몇몇 경우에는 물리적으로 및 조작상 비실용적이게 할 수 있다.

저수가 존재하는 위치들에 삽입하기 위한 지지 프레임 및 발전 모듈의 구성 가능한 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 다른 위치들 중에서, 갑문 및 댐 구조들은 수력 발전을 위해 사용되지 않는 인공호들을 이용하기 위한 높은 가능성을 제공한다. 기존 갑문 내에서 작업함으로써, 사람은 환경에 대한 영향을 최소화하고 종래의 수력 발전과 비교할 때 전체 실치 비용 및 LCOE(Levelized Cost of Electricity)를 감소시킨다. 몇몇 경우들에서, 기존의 보조 갑문 기반구조는 결코 사용되지 않고(몇몇 경우들에 그것은 부분적으로 완전함) 및 여러 이유들 때문에 많은 장소들(sites)에 존재하는 추가의 갑문들에 대해 결코 사용되지 않을 것이다. 몇몇 실시예들에 있어서, 본 발명의 시스템은 또한 수역(body of water)이 존재하고 본 발명의 프레임을 통해 그 물의 일부를 이동시키는 능력이 존재하는 임의의 위치에 사용될 수도 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 물을 이동시키는 채널 내에 배치되는 선택적으로 부유 및 이동 가능한 프레임, 미리 정해진 위치들에서 프레임 내에 위치되는 복수의 발전 셀들을 가지는, 물의 저수를 통한 발전 기계가 제시되고, 셀들은 발전기 모듈 및 하나 이상의 스페이싱 모듈(들) 및 터빈 모듈, 모듈들을 프레임 상의 미리 정해진 위치들로 승강시키는 프레임의 상부 위의 이동 가능한 마운트를 구비하는 프레임 내에 장착된 인터로킹 적층 모듈(interlocking stacking modules)로 구성되고, 터빈 모듈은 물의 이동으로부터 에너지를 수용하도록 위치되고, 터빈 모듈은 각 셀 내의 터빈의 운동에 의해 담수에 의해 생성된 위치 에너지를 기계적/동력학적 에너지로 변환하고, 또한 터빈은 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 구동한다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예들에 따르면, 수로 또는 수역 내에 배치된 부유 가능 프레임, 미리 정해진 위치들에서 프레임 내에 위치되는 복수의 발전 셀들을 가진 물의 저수를 통한 발전 기계가 제시되고, 셀들은 발전기 모듈 및 터빈 모듈을 구비하는 프레임 내에 장착된 인터로킹 적층 모듈로 구성되고, 셀들은 프레임을 통해 물의 이동으로부터 에너지를 수신하도록 위치된다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 프레임 내의 미리 정해진 위치로 설치된 적어도 하나의 상호교환 가능한 터빈, 터빈에 대해 수직 위치에 그리고 상기 프레임 내의 미리 정해진 위치에 적층되는 적어도 하나의 발전 수단, 발전 셀을 생성하기 위해 적어도 하나의 상호교환 가능한 터빈을 발전 수단과 결합하는 적어도 하나의 결합 수단을 가진 발전 셀을 삽입하기 위한 미리 정해진 위치들을 가진 수역 주위에 배치된 게이트가 제시되고, 여기서 적어도 하나의 상호교환 가능한 터빈 및 적어도 하나의 발전 수단은 협력하여 전력을 생성한다. "니(knee)" 또는 다른 하류 브레이스들(downstream braces)을 구비하는 이와 같은 시스템은 선미침하력(tipping forces)을 상쇄시키고 상기 프레임에 대항하여 저수로부터의 수평 전단 부하들을 분포시킨다.

도면들은 이 명세서의 일부를 구성하고 다양한 형식들로 구체화될 수 있는 본 발명에 대한 예시적인 실시예들을 포함한다. 몇몇 예들에서 본 발명의 다양한 양태들이 본 발명의 이해를 돕기 위해 과장되거나 확대되어 도시될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 저수 갑문 및 댐 구조의 개략도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빈 갑문 프레임 모듈을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈, 스페이서 및 발전기 모듈들, 그리고 캔트리를 갖는 갑문 프레임 모듈을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자체 포함 선박 선체(marine hull)로서의 부유 및 밸러스트 케이슨(floating and ballastable caisson), 그리고 갑문 프레임을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갑문에 위치된 빈 갑문 프레임 모듈을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 지지 시빌 인프라스트럭쳐(supporting civil infrastructure)를 위한 선택사항들 중 하나를 갖는 갑문 프레임 모듈의 측면도.
도 7a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층된 터빈, 스페이서 및 발전기 모듈들을 가진 발전용 조립체(power assembly)의 사시도.
도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 적층된 터빈, 스페이서 및 발전기 모듈들을 가진 발전용 조립체의 측면도.
도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빈(empty) 발전기 플레임 모듈의 사시도.
도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빈 발전기 플레임 모듈의 평면도.
도 8c는 선 A-A에 따른 빈 발전기 프레임 모듈의 측면도.
도 8d는 도 8c의 선 A-A에 따른 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스페이서 프레임 모듈(spacer frame module)의 사시도.
도 10a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 터빈 프레임 모듈(turbine frame module)의 사시도.
도 10b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수렴 및 발산 덕트들(converging and diverging ducts)(각각 터빈 입구 및 흡출관)를 가진 터빈 및 상기 덕트들을 착탈 가능한 내부 터빈 프레임에 부착하기 위한 방법의 개략 사시도.

전통적인 항해 갑문들 및 댐들(locks & dams)("L&D")은, 1) 범람 통제 및 항해에 충분한 수로 깊이를 제공하기 위해 강의 흐름을 제어하여 댐의 위 및 아래에서 생성되는 저수지들(pools)의 높이를 조정하는 것, 2) 갑문 및 댐을 통과하는 배들을 올리거나 내리기 위해 갑문들의 사이클 수를 결정하고 록 도어들간의 수위를 조정하는 것에 의해, 강의 범람 통제 및 항해를 도모하는 물 저수(water impoundment)의 일 형태이다.

본 발명은 상호연결되는 수력전기 터빈 발전기들의 한 그룹을 통합하고 혼합형 수력발전 설비를 만들기 위해 기존의 저수댐에 의해 제공되는 "낙차(head)"(또는 물의 수직 차이 레벨) 위치 에너지를 사용하는 프레임을 구현한다. 혁신적인 수력발전 터빈 시스템을 포함하는 신규의 프레임(들)을 갖는 전통적인 록 도어들을 제공함으로써 기존의 저수 댐 및 갑문들은 수력발전 설비가 된다. 이러한 갑문 프레임은 또한 담수 저수지들(impound reservoirs), 운하들(canals), 고가식 수로들(aqueducts)이 발전소들(power plants) 및 저수가 존재하는 다른 사이트들에서 물을 방출하는 댐들을 포함하는 다양한 위치들에서 이용할 수 있다. 갑문 프레임 모듈은 또한 그것을 승강시키고 그것을 하나 이상의 힌지결합된 요소들(hinged elements) 위에 개방하기 위한 장비를 부가함으로써 항해 가능한 갑문에 사용될 수 있다. 이러한 구성에서 그것은 록 도어를 효과적으로 대체할 수 있다. 그것은 또한 항해를 허용하기 위해 갑문의 안팎에서 부유될 수 있는 부유 케이슨(floating caisson)(헐(hull))이 사용될 수 있다.

전형적인 항해 갑문에는, 상 게이트 및 하 게이트로서 일반적으로 불리는 2세트의 도어들이 있다. 각각의 게이트는 전형적으로 2개의 도어들로 구성된다(단일 도어가 사용되는 경우들이 있다). 즉 게이트의 도어들이 폐쇄될 때 이들은 갑문의 전체 수로에 걸쳐 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계는 복수의 대형의, 모듈식의, 상호접속 및 상호교환 가능한 터빈들이 항해 가능한 갑문에서 하나 이상의 록 도어들을 대체할 수 있는, 이동 가능한 프레임에 설치되고, 각각의 터빈이 그 자신의 발전기에 접속되는 것을 고려한다. 부유 가능 프레임에는, 발전기와 터빈의 조합으로 구성되는 복수의 발전 셀들이 있을 수 있고 프레임은 수로의 폭에 걸쳐 있을 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계는 터빈들/발전기들이 조립체의 상부 위에 장착된 염가의 브리지 크레인에 의해 유지보수를 위해 이들의 프레임들로부터 수직방향으로 제거될 수 있는 것을 고려한다. 게다가, 이들 발전기 프레임들 또는 터빈 프레임들은 미리 정해진 위치들에 다시 위치될 수 있다.

도 1로 돌아가면, 화살표 방향으로 흐르는 물과 함께 방수로(30)를 갖는 갑문 및 댐(20)이 도시된다. 좌측 상에는 항해 목적들을 위해 사용하는 갑문(active lock; 22) 및 불완전하고 사용하지 않는 갑문(23)이 위치된다. 갑문(22)은 통상의 방식으로 갑문을 통해 바지선(36)을 이동시키는 예인선(34)을 가질 수 있다. 능동 갑문(22)의 사용은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전력의 생산을 방해하지 않고 전력의 생산은 갑문(22)의 정상 사용(normal use)을 방해하지 않는다. 사용하지 않는 갑문(23)은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 갑문 프레임 모듈(28)의 삽입에 이용 가능하다. 갑문(23)의 입수점(water entry point) 앞의 상류에는 갑문 프레임 모듈의 흐름 경로로 많은 부스러기의 유입을 제한하는 부스러기 스크린(debris screen; 24)이 위치된다. 갑문 프레임 모듈(28) 앞에 위치된 록 도어들(26)은 갑문 프레임 모듈을 통한 물의 흐름 및 전력의 생산을 허용하기 위해 개방될 수 있다. 갑문 프레임 모듈(28)은 바람직하게는 그것의 최종 전개(ultimate deployment)로부터 상이한 위치에서 미리 구성되고 이후 밸러스터 바지선들 또는 이하에 더 완전하게 기술되는 케이슨 스타일의 마린 헐(marine hull) 구조를 이용하여 위로 부유된다. 유사하게 그리고 이하에 더 완전하게 기술되는 것과 같이, 프레임 내측의 배치를 위한 개개의 모듈들은 부지 밖에서(off site)에서 미리 제조될 수 있다. 이것은 부지 밖에서의 상이한 환경들에 맞추기 위한 모듈화 및 구성을 허용하고 이후 원하는 위치에의 갑문 프레임의 배치를 허용한다. 서브 프레임들은 적층 가능하고 프레임 내측에 배치하는 동안 내부 모듈들을 자동으로 정렬하기 위해 특수 핀 조립체들을 가진다. 임의의 말뚝들 및 말뚝 모자들(piling caps)이 갑문 프레임 모듈을 장착하는 데 필요로 되는 한, 이들은 완전히 잠기고 항해를 위해 예상되는 레벨들 이하에 있을 수 있다. 이러한 방식으로, 갑문 프레임의 삽입을 위해 필요로 되는 최소 프리셋 말뚝들(preset pilings)은 사이트 구성 요구들(site construction needs)을 감소시킨다. 말뚝들은 이하에 도 6과 관련하여 더 완전하게 기술된다.

도 2는 터빈 프레임 모듈(44), 스페이서 모듈(들)(46) 및 발전기 모듈(48)을 수용하도록 설계된 공간들로 내부 모듈들을 로딩하기 위해 캔트리 조립체(42)를 갖는 빈(empty) 갑문 프레임 모듈(40)을 나타낸다. 도 7a 및 도 7b에 나중에 도시된 적층된 모듈들은 참조번호 43으로 나타낸 공간에 수용될 수 있다. 갑문 프레임(40)은 설치시 브레이스들(braces; 50)에 의해 안정화될 수 있다. 캔트리 조립체(42)는 본 발명의 다양한 구성요소들의 설치를 용이하게 하기 위해 주(main) 갑문 프레임 모듈 위쪽에 위치된다. 캔트리 조립체(42)는 3개의 대표 위치들로 나타낸 복수의 별도의 위치들(52)에 개개의 모듈들을 배치하도록 위치 가능하다. 도 3에 더 완전히 기술되는 것과 같이, 각 모듈은 물 라인(water line) 위로 설치될 수 있다. 이들 구성요소들 - 터빈, 스페이서 및 발전기 - 각각은 캔트리 크레인, 브리지 크레인 또는 프레임의 길이를 따라 동작 가능한 다른 롤링형 크레인을 사용하여 프레임 또는 도어(door) 내의 위치로 하강될 수 있다.

도 3은 이미 적소에 복수의 발전기들(63)을 갖는 부분적으로 로딩된 갑문 프레임(60)을 나타낸다. 캔트리 조립체(42)는 캔트리 조립체의 길이방향 축을 따라 발전기 프레임 모듈(62)을 이동시키고 설치를 위한 선택된 피스의 프레임 위치 위에 선택된 피스(selected piece)를 위치시킨다. 예시적인 예로서 발전기 모듈(62)은 부유식 선박(floating vessel; 90)(도 5에 도시됨)으로부터 로딩되고 원하는 위치 위에서 캔트리 조립체(42)의 길이방향 축에 따른 이동을 위해 캔트리 조립테(42)의 높이까지 상승된다. 도 3은 캔트리의 동작 위치로 배치하기 위해 캔트리에 의해 이동되는, 통합 발전기(64)를 갖는 발전기 프레임 모듈(62)을 나타낸다. 유사한 방식으로, 터빈 프레임 모듈(68)은 위치로 미리 이동되고 그것의 적당한 슬롯으로 하강된다. 슬라이딩 도어(66)(스톱 로그; stop log)는 특별한 터빈, 이 예에서는 터빈 프레임 모듈(68) 내의 터빈 위에서 선택적인 물 흐름을 허용하기 위해 어떤 실시예들에서 채용될 수 있다. 슬라이딩 도어(66)는 이 기술분야에서 잘 알려지고, 도어를 더 용이하게 개폐하기 위해 댐핑 방식(dampened manner)으로 행해지는 기계적, 공압 또는 유압 메카니즘에 의해 동작할 수 있다. 슬라이딩 도어(66)는 또한 상기 도어 주위의 흐름을 조장하고 이동 중 그것을 더 양호하게 약하게 하기 위해 하나의 에지 위에 에어로포일 구성(aeorofoil configuration)을 가질 수 있다. 캔트리 조립체(42)는 별도의 모듈이 되도록 구성될 수 있고 그 결과 초기 시스템 설치 동안 사이트(site)에서 또는 사이트 가까이에서 프레임(60) 위로 설치될 수 있다. 이러한 옵션은 주로 조립체의 하천 수송이 높이 제한 구조물들(낮은 교량들, 전력 케이블들 등) 아래를 통과해야 할 때 병참(logistics)을 개선하기 위해 주로 부가되어 왔다.

도 4는 부력 칸막이들(격벽들; 82, 84, 85) 위에 위치된 개략적인 통합 갑문 프레임 모듈들(86)을 갖는 밸러스트 케이슨 부양 구조(ballastable caisson flottation structure; 80)를 나타낸다. 메인 밸러스트 탱크(85)는 내부 프레임 모듈들(86)에 의해 부여되는 부하를 지지하기 위해 부력(buoyancy)을 제공한다. 트림 탱크들(Trim tanks)(82, 84)이 부력의 추가 제어를 위해 채용될 수 있다. 케이슨 부양 구조(80)의 바닥에는 안정(stabilization) 및 추가의 밸러스팅(ballasting)을 제공하는 콘크리트 밸러스트 탱크(concrete ballast tank; 88)가 있다. 케이슨 구조(caisson structure; 80)는 선박 선체들 등에 공통인 임의의 다양한 해양형 구조들(marine type structures)로 될 수 있다. 그것은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 갑문 프레임 모듈의 수송 및 위치결정을 위한 밸러스트 가능 선박 선체이도록 의도된다. 이와 같은 케이슨들의 구조 및 구성은 이 기술에서 잘 알려져 있고 여기 더 상세히 기술될 필요는 없다. 그러나, 수송을 위한 선박 선체을 갖는 휴대 가능하고 제거 가능한 수력 시스템은 이 기술에는 기재되어 있지 않다. 본 발명의 많은 실시예들에 있어서, 갑문 프레임 모듈을 여기에 기술된 부유 또는 부양 헐(hull)보다는 더 영구적인 구조 위에 장착하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 몇몇 구성들에 있어서, 갑문 프레임 모듈은 바람직하게는 예인선 또는 다른 해양 수송수단에 의해 어떤 위치로 더 용이하게 안내되는 몇가지 종류의 부유 구조물 위에 장착될 것이다.

도 5는 갑문을 통해 물의 저수로부터 전력을 생산하기 위해 록 도어들(26)에 인접하여 설치된 갑문 프레임(60)을 나타낸다. 갑문 게이트들(26)은 에너지를 발생하기 위해 물이 갑문 프레임(60)을 통과하도록 허용하기 위해 개방되어야 한다. 바지선(90)은 예를 들어 발전기 프레임 모듈(62) 또는 터빈 프레임 모듈(68)에 대한 캔트리 크레인의 용이한 부착을 허용하기 위해 캔트리(42)에 근접하여 위치된다. 각각의 원하는 모듈이 설치를 위해 선택되기 때문에, 캔트리 조립체(42)는 모듈을 바지선(90)에서, 갑문 프레임(60)의 적당한 높이까지, 또한 원하는 모듈이 설치되고 있는 갑문 프레임의 위치 위로 이동시킨다. 바지선(90) 및 캔트리(42)는 또한 유지보수 관리들(maintenance operations), 기존의 모듈의 제거 및 대용물 설치를 위해 이용될 수 있다. 발전기, 스페이서 및/또는 터빈 프레임 모듈들 각각은 발전기들 및 터빈들의 조합에 의해 형성되는 발전 셀들의 어레이 내의 위치로 용이하게 그리고 효율적으로 이동될 수 있다. 이하에 더 완전하게 기술되는 것과 같이, 특별한 발전 셀을 위한 터빈 및 발전기는 터빈의 이동시 전력을 생성하기 위해 상호접속된다. 도 5에 도시된 특별한 실시예에는 9개의 발전기/터빈 조합들이 있다. 병렬로 다수의 유닛들을 이용함으로써, 가변 위켓 게이트들(variable wicket gates)은 필요하지 않는데, 그 이유는 다수의 유닛 구성이 작은 단계들로 흐름 턴다운(flow turndown)을 제공하기 때문이다(도면들에 도시된 9개의 유닛들의 경우에, 개개의 터빈들을 셧 오프(shut off)함으로써 흐름이 11.1% 단계들로 조절될 수 있다). 이러한 식으로, 터빈/발전기 조합의 개개의 부분들은 복수의 미리 결정된 구성들로 모듈 방식으로, 제거 가능하고, 상호교환 가능하다. 그것은 또한 스페이서의 크기 및 갑문 프레임 모듈의 전체 높이를 변경함으로써 터빈, 발전기 및 스페이서의 조합의 수직 치수의 변화를 허용한다. 특정 조건들에서, 전기가 발생되고 있지 않을지라도 시스템은 물이 도어들을 통과하고 이후 터빈 개구들을 통과하도록 허용함으로써 대안의 방수로로서 작용하도록 재구성될 수 있다. 이러한 방식으로 시스템은 전에는 존재하지 않았던 조절된 방수로 용량을 생성한다.

도 6은 배수로와 같은 조립용 콘크리트 또는 조립된 구조일 수 있는 입구 튜브(116)를 통해 물을 수용하도록 위치된 터빈(102)을 가진 갑문 프레임 모듈(100)의 측면도를 나타낸다. 갑문 프레임 모듈 상류의 물은 그것의 표면(115)의 높은 상승으로 인해 헤드 퍼텐셜(head potential)을 가지며 입구 튜브(116)를 통해 터빈(102)을 통해 또한 조립된 구조일 수 있고 조립용 콘크리트로 만들어질 수 있는 출구 흡출관(114)를 통해 방수로 물(tailrace water; 119)로 흘림으로써 에너지를 생성한다. 터빈(102)은 발전기(106)에 접속되는 체인 또는 벨트(104)인 중간 샤프트(잭샤프트)(117)를 구동하는, 터빈의 프로펠러 조립체와 일체로 되어 있는 슈라우드(shroud; 118)로부터 외부에서 구동되는 체인 드라이브(105) 시스템에 의해 발전기(106)에 동작 가능하게 접속된다. 이러한 시스템은 또한 증속기(speed increaser)로서 작용한다. 바람직하게는, 터빈(102)은 위켓 게이트들 또는 가변 피치 블레이드들 없이 해양식의 고정 피치 프로펠러들(marine style fixed pitch propellers)을 이용한다. 용이하게 알 수 있는 것과 같이, 터빈과 발전기 간의 동작 가능한 기계적 접속은 이들이 수선(water line) 아래에 있으므로 윤활유들을 필요로 하지 않고, 그러므로 축베어링은 물로 윤활된다. 이러한 설계는 환경적으로 더 안전하고 기계적 운동 부분들의 더 용이한 정비(servicing)를 제공한다.

대안으로, 슈라우드(118)를 통한 터빈(102)으로부터의 전력은 다른 기어를 통해 발전기(106)에 직접 또는 간접으로 접속되는 피니언 기어 및 피니언 샤프트(도시하지 않음)을 통해 발전기 전달될 수 있다. 이 실시예에서, 전력은 일부 세팅들에서는 바람직한 결과들을 낳을 수 있는 중간 벨트 또는 체인에 대한 필요성 없이 회전 슈라우드으로부터 전달된다. 여기에 개시된 기술을 이용하는 폐쇄 모듈러 시스템(closed modular system)에서의 피니언 기어 및 샤프트를 갖는 직접 구동 시스템의 사용은 더 높은 전력 응용들, 또는 더 높은 회전 속도들에 잠재적인 이익들을 갖는다.

갑문 프레임 모듈(100)은 박히고, 오거드되고(augured) 또는 달리 토양(112)에 적절히 배치되는 말뚝들(122) 위에 놓이는 실트 라인(silt line; 107) 위에 있는 말뚝 모자들(124) 위에 장착된다. 말뚝 모자들(124)은 이들의 정상부가 항해 레벨들 아래로 완전히 잠긴다. 대안으로, 갑문 프레임 모듈 시스템의 중량을 견딜 수 있는 구조 슬라브들(structural slabs)을 갖는 갑문들에 있어서, 갑문 프레임 모듈은 넓은 영역 위로 부하를 확산시키기 위해 구조적 요소들(structural elements) 위에 직접 배치될 수 있어, 기존의 수면 아래의 구조들 및 토양을 침투할 필요성을 회피한다.

도 7a는 수직으로 적층된 단일 발전기 프레임 모듈, 스페이싱 모듈(spacing module) 및 터빈 프레임 모듈의 사시도를 나타내고, 도 7b는 수직으로 적층된 단일 발전기와 터빈 조합의 정면도를 나타낸다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예에 있어서, 동력은 중간 벨트 또는 샛(shat) 없이 터빈(102)으로부터 직접 체인 드라이브 또는 벨트(104)를 통해 전달된다. 이들 도면들은 중간 샤프트를 사용하지 않는 대안의 드라이브 구성을 나타낸다. 도면들은 또한 큰 것 위에 작은 것이 있는 2개의 스페이서 모듈들의 사용을 나타낸다. 터빈(102)은 발전기 프레임 모듈(110)에 앉힌 발전기(106)에 동작 가능하게 접속된 것으로 도시되어 있다. 관측을 쉽게 하기 위해, 스페이서 모듈(120)만이 도 7b에 도시되어 있지만 바람직하게는 터빈(102) 위 그리고 발전기 프레임 모듈(110) 아래에 위치된다. 도 7b에 부분적으로 도시된 스페이서 모듈(120)은 갑문 프레임 모듈 내의 장소로 하강될 수 있고 부지의 특정 높이 조건들을 만족시키도록 구성되는 구조적 유닛이다. 또한 특정 구성들에서 더 높은 유효 낙차(net head) 응용들을 위한 발전기 및 터빈의 추가 분리를 위해 바람직할 수 있는 보조 스페이서 모듈(121)이 도시되어 있다. 터빈(102), 중간 드라이브 체인(104), 스페이서 모듈(120) 및 발전기 모듈(110)을 구비하는 장비 또는 파워 모듈들의 총 수직 트레인은 갑문 프레임 모듈로부터 제거될 수 있고 하루 이내에 교환될 수 있다. 위에 완전히 기술된 것과 같이, 단일 발전기와 터빈 조합의 다양한 구성요소들은 갑문 프레임 모듈의 상부 위에 장착된 캔트리 크레인을 통해 하강될 수 있고 그 위치 내에서 터빈들/발전기들의 어레이에 삽입될 수 있다. 특정 실시예들에 있어서, 모두가 도어 내의 수용 슬롯들(receiving slots) 내로 들어가는 가변 크기의 스페이서에 의해 분리되는 터빈 및 메이팅 발전기(turbine and mating generator)일 수 있다. 이러한 방식으로, 터빈/발전기 조합의 개개의 부분들은 미리 정해진 위치들에서 모듈식의 제거 가능하고 상호교환 가능하다. 또한, 스페이서의 크기를 변경함으로써 터빈, 발전기 및 스페이서의 수직 치수의 변화가 특정 위치에서 이용 가능한 헤드에 대한 상이한 높이를 수용하도록 허용한다. 바람직한 실시예에 있어서, 발전기들은 다른 산업들 및 윈드 터빈(wind turbine))에 의해 현재 구동되는 최신 시스템 기술들의 이점을 취하는 낮은 가격, 출하대기의(off-the-shelf) OEM 발전기들(유도, DC, AC, 동기(synchronous), 영구 자석 등)일 수 있다. 게다가, 필드 교체 가능하고, 용이하게 모니터링되고 서비스되는 해결방법들을 이용하여 속도 증가를 제공하는 단순 체인 및 벨트 구동 시스템의 사용에 의해 기어 박스에 대한 필요성이 없다.

도 8a, 도 8c 및 도 8d는 빈 발전기 프레임 모듈(110)을 사시도, 정면도 및 도 8c의 단면 A-A을 따라 각각 나타낸다. 도 8b는 격자 지지체(140)의 상세를 나타낸다. 격자 지지체(140) 위에는 발전기를 장착하기 위한 발전기 지지체(144)가 장착된다. 격자 지지체(140)는 발전기를 위한 추가의 지지체를 제공하고 발전기 프레임 모듈(110)의 바닥을 구성한다. 핀들(146)은 프레임 모듈(110)의 4개의 코너들 위에 위치되고 스페이서 모듈(120) 및 터빈 모듈(102) 위에 도시되고 서로의 상부 위에 상이한 모듈들의 적층을 위한 셀프 센터링(self centering) 장착 지점들을 제공한다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 탭들(tabs)(148)은 모듈들을 위한 리프팅 지점들을 제공한다.

도 9는 이전에 기술된 것과 같이 터빈 모듈 및 발전기 모듈 사이에 삽입하기 위한 스페이서 모듈(120)을 나타낸다. 도 8a에 기재된 것과 같이 스페이서 모듈(120)의 바닥 위에는 핀들(146)의 맞물림 가능 결합(mateable engagement)을 위한 수용 구멍들 또는 오목부들(depressions)(도시하지 않음)이 있다. 터빈, 발전기 및 스페이서 모듈들 각각은 맞물림 가능한 결합을 위해 수용 구멍들 또는 오목부들을 가진다. 스페이서 모듈(120)은 특정의 원하는 구성들을 수용하기 위한 임의의 다양한 높이들도 될 수 있거나 다수의 스페이싱 모듈들의 수직 스택일 수dk 있다. 도 10a는 터빈의 입구 덕트를 부분 형상으로 나타낸 터빈 프레임 모듈(102)을 나타낸다. 도 10b는 수렴하는 입구 덕트(135) 및 발산하는 출구 덕트(흡출관)(130)를 개략 형상으로 나타낸다. 도 6에 이전에 기재된 것과 같이, 회전 슈라우드(118)는 터빈의 회전 가능한 결합을 위한 2개의 덕트들 사이에서 대형 스프로켓을 통해 구동 체인에, 따라서, 발전기에 접속된다.

본원에 기재된 특별한 실시예들은 예시로서 나타낸 것이고 본 발명을 제한하는 것이 아니라는 것이 이해될 것이다. 본 발명의 주요 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 실시예들로 채용될 수 있다. 이 기술분야에서 숙련된 사람들은 본원에 기재된 특정 절차들에 대해 단지 판에 박힌 실험, 다양한 등가물들을 이용하여 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 이와 같은 등가물들은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되고 청구항들에 의해 보호된다.

본원에 개시되고 청구된 모든 구성 및/또는 방법들은 본 개시내용에 비추어 불필요한 실험 없이 만들어지고 실행될 수 있다. 본 발명의 구성들 및 방법들이 다양한 실시예들에 관하여 기술되었지만, 이 기술분야에서 숙련된 사람에게는 다른 변형예들이 본 발명의 개념, 사상 및 범위를 벗어나지 않고 조성 및/또는 방법들에 적용될 수 있고 본원에 기재된 방법의 단계들에 또는 단계들의 시퀀스에 적용될 수 있다. 이 기술분야에서 숙련된 사람들에게 명백한 모든 이와 같은 유사한 치환들 및 변형들은 첨부된 청구항들에 의해 정의된 것과 같이 본 발명의 사상, 범위 및 개념 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

물의 저수를 통한 발전기에 있어서,
물을 가두는 인공호 내에 배치되거나 인공호에 연결되는 선택적으로 이송 가능한 프레임; 및
복수의 미리 정해진 위치들에서 상기 프레임 내에 배치되는 복수의 발전 셀들을 포함하고,
상기 셀들은 발전기 모듈 및 터빈 모듈을 포함하는 상기 프레임 내에 장착된 인터로킹 스택 모듈들로 구성되며,
상기 셀들은 상기 물의 인공호로부터 에너지를 받도록 배치되고,
상기 셀들은 상기 터빈을 통한 상기 물의 이동 및 각각의 셀 내에서의 상기 터빈의 회전에 의해 상기 에너지를 변환하는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 1 항에 있어서,
셀은 상기 위치들 중 하나에 상기 터빈을 선택적으로 위치시키기 위해 적어도 하나의 터빈 모듈 및 적어도 하나의 스페이서 모듈을 포함하는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 모듈식으로 장착된 터빈 및 상기 적어도 하나의 모듈식으로 장착된 스페이싱 메카니즘(spacing mechanism)은 수평 및 수직 조합들로 선택적으로 배치될 수 있는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 프레임은 선택적으로 부유성(bouyant)이 있는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 프레임 내의 미리 정해진 위치들로 상기 모듈들을 승강시키기 위해 상기 프레임의 상부 위에 이동 가능한 마운트를 더 포함하는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 4 항에 있어서,
상기 프레임은 양의 부유 상태(positively buoyant state)에 있을 때 터그(tug)에 의해 이동 가능한, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 모듈들은 상기 모듈들의 수직 적층을 위한 맞물림 암수 커넥터들(mating male and female connectors)을 갖는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 발전 셀들은 상기 프레임 위에 수평으로 장착되는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 프레임은 지지 니브레이스들(supporting knee braces)을 더 포함하는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
물의 저수를 통한 발전 기계에 있어서,
저수된 물의 채널 내에 배치된 부유 가능 프레임(floatable frame); 및
미리 정해진 위치들에서 상기 프레임 내에 위치되는 복수의 발전 셀들;을 포함하며,
상기 셀들은 발전기 모듈 및 터빈 모듈을 포함하는 상기 프레임 내에 장착된 인터로킹 적층 모듈로 구성되고,
상기 셀들은 상기 프레임을 통해 상기 물의 인공호로부터 에너지를 받도록 배치되는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 10 항에 있어서,
상기 적층 모듈들에 배치된 스페이서 모듈을 더 포함하는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 10 항에 있어서,
상기 모듈들을 상기 프레임 내의 위치로 들어올리기 위한 롤링 브리지 크레인(rolling bridge crane)을 더 포함하는, 물의 저수를 통한 발전 기계.
제 10 항에 있어서,
상기 모듈들은 다른 모듈에서 전력을 차단하지 않고 상기 프레임 내의 상이한 위치들에서 서로 상호교환 가능한, 물의 저수를 통한 발전 기계.
발전 셀들의 삽입을 위해 미리 정해진 위치들을 가진 이동하는 또는 저수된 물의 채널 주위에 배치된 게이트에 있어서,
상기 게이트 상의 미리 정해진 위치에 설치된 모듈식으로 상호교환 가능한 적어도 하나의 터빈;
상기 터빈에 대해 수직 위치로 적층된 적어도 하나의 전기 발전 수단; 및
발전 셀을 생성하기 위해 모듈식으로 상호교환 가능한 상기 적어도 하나의 터빈을 상기 발전 수단에 결합하기 위한 적어도 하나의 결합 부재;를 포함하며,
모듈식으로 상호교환 가능한 상기 적어도 하나의 터빈 및 상기 적어도 하나의 발전 수단은 협력하여 전력을 생성하는, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.
제 14 항에 있어서,
상기 터빈 상의 회전 슈라우드(rotating shroud)을 더 포함하는, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.
제 14 항에 있어서,
상기 게이트 내의 위치들로 상기 모듈들을 이동시키기 위한 갠트리(gantry)를 더 포함하는, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.
제 14 항에 있어서,
상기 터빈을 통한 물의 흐름을 선택적으로 제어하기 위해 하나 이상의 상기 터빈들의 정면에 수압으로(hydraulically) 또는 공압으로(pneumatically) 구동되는 도어를 더 포함하는, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.
제 14 항에 있어서,
상기 터빈에 연통 가능하게 장착되는 피니언 기어를 더 포함하는, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.
제 14 항에 있어서,
상기 게이트는 상기 채널로 이송 가능한, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.
제 17 항에 있어서,
상기 도어는 상기 도어의 앞쪽 모서리 위에 에어로포일(aerofoil)을 갖는, 이동하는 또는 저수된 물의 채널에 배치된 게이트.