KR20140063847A

KR20140063847A - 개선된 수력 로터를 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140063847A
Application number: KR1020147010440A
Authority: KR
Inventors: 프레드릭 디. 퍼거슨
Original assignee: 프레드릭 디. 퍼거슨
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-05-27
Also published as: CN103930670B; CL2014000684A1; EA201490602A1; US20170241397A1; MY167666A; AU2012311237A1; BR112014006438A2; WO2013041965A2; HUE047876T2; JP6810194B2; US9512816B2; WO2013041965A3; CO7000752A2; PT2758655T; PL2758655T3; IL231565A0; HRP20200273T1; PE20141875A1; MX2014003353A; EP2758655B8

Abstract

몇몇 실시예에 따르면, 드럼은 물속에 잠길 수 있으며 드럼의 제1 측 위 제1 포인트와 제1 측과 마주하는 드럼의 제2 측 위 제2 포인트 사이의 중심축을 따라 수평으로 연장될 수 있다. 3개의 곡선 베인이 드럼에 부착될 수 있으며, 이에 의해 축에 수직인 물 흐름에 의해 작동될 때, 축에 대해 회전을 야기하도록 동작할 수 있으며, 이때 드럼과 실질적으로 마주하여 위치된 각각의 베인의 에지 부분은 에지 부분과 축 사이에 위치된 드럼의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정한다. 드럼에 결합된 전기 발전기는 축 둘레를 회전함으로써 발생되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.

Description

개선된 수력 로터를 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR IMPROVED WATER ROTORS}

본 발명은 일반적으로 수력(water power)을 통해 전기 에너지 발생을 제공하기 위한 시스템과 방법에 관한 것으로, 특히 개선된 수력 로터 및/또는 터빈(water rotor and/or turbine)을 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.

재생가능 에너지 자원의 이용은 실질적으로 환경 영향을 감소시키는 반면에 계속해서 에너지 수요를 만족시키는 중요한 요인이다. 예를 들어 태양, 수력발전력(hydropower) 그리고 수력 자원 기술은 계속해서 비용이 감소하고 효율이 증가하는 한편, 불리한 환경적 영향을 실질적으로 제거한다.

그러나, 많은 종래의 재생가능 자원 에너지 발전 기술은 구현을 위해 큰 자본 및/또는 부동산을 필요로 한다. 예를 들어, 수력 발전 설비에 대하여 전형적인 수력 로터는 구축에 비용이 많이들 수 있고/있거나 빠르게 흐르는 물속에 위치되도록 요구될 수 있다. 물 에너지 흐름으로 회전되도록 설계된 수력 로터는 전형적으로 2개의 넓은 카테고리에 속한다: 전력을 달성하기 위해 물 흐름 속도보다 빠른 속도로 회전하는 블레이드를 이용해 에너지를 변환하는 블레이드형 프로펠러 또는 터빈형 시스템, 그리고 대안으로 토크로서 직접 에너지를 변환하는 물 흐름 속도보다 느린 속도에서, 흐름을 잡는 전형적으로 비효율적인 사보니우스 스타일의 수력 로터(Savonius styled water rotor)의 카테고리. 전형적인 사보니우스 스타일의 수력 로터 또는 사보니우스 터빈은 약 .08(또는 8%)의 전력 계수(Coefficient of Power: "CoP")를 가질 것이며, 경제적인 관점에 사용하기에 비효율적이다. 비록 매우 효율적이라고 하더라도, 제1 카테고리의 "프로펠러-형" 시스템은 에너지를 획득하기 위해 상대적으로 빠른 물 흐름을 요구하고, 상대적으로 부서지기 쉬우며, 큰 사이즈를 구축하기에 비용이 많이 든다. 대안으로, 사보니우스 수력 로터는 매우 느린 물 속도에서 동작할 수 있고, 구축 및 운영하는 데 상대적으로 비용이 덜 든다.

따라서, 기존의 기술에서 발견된 이와 같은 및 다른 문제점들을 다루는 개선된 수력 로터를 위한 시스템 및 방법이 필요하다.

도 1a 내지 도 1c는 몇몇 실시예에 따른 시스템의 블록도이다.
도 2a 내지 도 2c는 몇몇 실시예에 따른 수력 로터의 측면도이다.
도 3은 몇몇 실시예에 따른 로터를 예시한다.
도 4는 몇몇 실시예에 따른 수력 로터의 정면도이다.
도 5는 몇몇 실시예에 따른 수력 로터의 측면도이다.
도 6 및 도 7은 몇몇 실시예에 따른 물 흐름 패턴을 예시한다.
도 8은 몇몇 실시예에 따른 시스템의 블록도이다.
도 9는 몇몇 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 10은 몇몇 실시예에 따른 운반 가능한 수력 로터를 예시한다.
도 11은 몇몇 실시예에 따른 전개된 수력 로터를 예시한다.
도 12는 몇몇 실시예에 따른 사이드 발전기를 구비한 수력 터빈의 정면도이다.
도 13은 몇몇 실시예에 따른 중심 발전기를 구비한 수력 터빈의 정면도이다.
도 14는 몇몇 실시예에 따른 다양한 물 속력에서 잠재적인 전력 발전을 예시한다.

몇몇 실시예에 따르면, 테더형 수력 로터(tethered water rotor) 및/또는 터빈용 시스템 및 방법이 제공된다. 예를 들어, 정상적인 수력에 응답하여 수평 축 둘레를 회전하는 테더형 수력 터빈은 전기 에너지를 생산하기 위해 활용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 테더형 수력 터빈은 적어도 약간의 부력이 있을 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 터빈은 보다 수직이 유지되며 마그누스(Magnus) 또는 사보니우스 효과 및/또는 다른 양력 효과(lifting effect)에 의해, 적어도 부분적으로는 덜 기울어질 것이다. 예를 들어, 이와 같은 터빈은 상대적으로 저렴하고, 쉽게 배치 가능 및/또는 관리 가능하고/하거나, 그렇지 않으면 이전 시스템을 능가하는 장점을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 소형 테더형 수력 터빈은 비상시에 필요에 따라 및/또는 이동 어플리케이션에 배치된다. 몇몇 실시예에서는, 훨씬 큰 터빈(예를 들어, 수백 미터 길이, 또는 그 이상)이 배치될 수 있다. 몇몇 실시예는 저속 물 흐름에서 물 흐름 에너지를 획득할 수 있으며 - 프로펠러형 블레이드 시스템과 유사하게 - 높은 전력 출력을 심지어 약 .30(또는 30%) 에너지 추출의 CoP 만큼, 전형적인 사보니우스 형태의 수력 로터 보다 300% 이상만큼 생산할 수 있다. 테더형 디바이스로서, 배치는 지지대(stanchion) 또는 다른 단단한 지지 장치를 요구하지 않을 수 있다. 게다가, 수력 로터는 물보다 무겁거나 더 가벼울 수 있다 - 이것은 유닛이 효과적으로 수직으로 또는 반전된 상태로 동작하는 것을 허용할 수 있다. 부표, 보트 또는 다리에 의해 위로부터 고정되거나, 대안으로 수상 교통(waterway traffic) 등 아래의 물 흐름 내에서 동작하도록 바닥으로부터 상방으로 떠있도록 고정된다.

도 1a를 첫 번째로 참조하면, 몇몇 실시예에 따른 시스템(100)의 블록도가 도시된다. 본 명세서에 기술된 다양한 시스템은 기술된 실시예의 설명에 사용하기 위해 묘사되지만, 기술된 실시예를 제한하는 것은 아니다. 본 명세서에 기술된 임의의 시스템의 상이한 형태, 레이아웃, 양 및 구성은 몇몇 실시예의 범주를 벗어남이 없이 사용될 수 있다. 본 명세서에 기술된 시스템과 관련하여 도시되는 보다 적거나 보다 많은 컴포넌트가 몇몇 실시예로부터 벗어남이 없이 활용될 수 있다.

예를 들어, 시스템(100)은 실질적으로 수평인 축(102), 축(102) 위에 위치된 제1 포인트(104), 및/또는 축(102) 위(예를 들어, 제1 포인트(104)와 마주하는 시스템의 다른 측 위)에 위치된 제2 포인트(106)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 몸체로서 드럼(110)을 갖는 테더형 수력 터빈을 포함한다. 예를 들어, 테더형 수력 터빈은 실질적으로 제1 포인트(104)와 제2 포인트(106) 사이에서 연장되는 드럼(110)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 드럼(110)은 부분적으로 또는 완전히 물속에 잠길 수 있다. 테더형 수력 터빈은 또한 또는 대안으로, 몇몇 실시예에서는, 드럼(110)에 결합된 하나 이상의 베인(120)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 베인(120)은 드럼(110)이 축(102) 둘레를 회전하도록 하기 위해 (예를 들어, 도 1a에 3개의 수평 점선으로 표시된 바와 같이) 수력에 의해 작동되도록 동작할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 드럼(110)은 2개의 사이드 디스크(130) 사이에서 수평으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 2개의 디스크(130)는 드럼(110)에 결합된 내면 및/또는 돌기(projection)를 포함하는 외면을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 돌기는 실질적으로 수평 축(102)에 맞추어 조정되는 축일 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 하나 이상의 발전기(170)가 (예를 들어, 축(102)에 대한 드럼(110) 및/또는 돌기(126)의 회전으로부터) 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 결합된다. 예를 들어, 발전기(170)는 돌기에 기계적으로 결합되고/결합되거나 돌기에 매달릴 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 발전기(170)는 방수 밀봉 기어박스와 어울린다.

몇몇 실시예에서, 발전기(170)는 또한 또는 대안으로 하나 이상의 요크에 결합될 수 있다. 예를 들어, 요크는 부싱(bushing), 베어링(예를 들어 볼 베어링), 및/또는 회전 드럼(110) 및/또는 돌기로부터 회전 에너지를 수신하도록 작동할 수 있게 발전기(170)를 위치시키는 동안 드럼(11) 및/또는 돌기가 축(102) 둘레를 회전하는 것을 용이하게 하고/하거나 허용하도록 작동할 수 있는 (도시되지 않은) 다른 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 요크는 축(102) 위의 제1 포인트(104) 및 제2 포인트(106)에서 및/또는 그 근처에서 돌기에 회전적으로 결합된다. 몇몇 실시예에 따르면, 요크는 또한 또는 대안으로 발전기(170)의 일부 및/또는 부분일 수 있다. 예를 들어, 요크는 하나 이상의 플랜지, 돌기, 커플링, 및/또는 발전기(170)와 어울리고/어울리거나 발전기에 부착된 다른 물체를 포함한다.

몇몇 실시예에 따르면, 요크는 또한 또는 대안으로 하나 이상의 테더(140)에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 테더(140)는 드럼(110), 사이드 부분(160), 돌기, 및/또는 발전기(170)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 테더(140)는 로터에 대하여(예를 들어, 물 흐름의 바닥에서 또는, 로터가 부력이 없으면, 물의 표면 위에서) 안정적인 (도 1a에 도시되지 않은) 제3 포인트에 드럼(110)을 결합할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 테더(140)는 임의의 수의 로프, 케이블, 와이어, 및/또는 알려져 있거나 알려질 또는 실용적인 다른 연결 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 테더(140)는 수력 터빈(110)을 제3 포인트에 결합하기 위해 및/또는 전기 에너지를 발전기(170)로부터 제3 포인트를 향해(예를 들어 물의 표면을 향해) 전달하도록 작동할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 사이드 디스크(130)가 동작하거나 대안으로 하나 이상의 스태빌라이저(stabilizer)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스태빌라이저는 돌기에 결합된 실질적으로 디스크-형상의 디바이스일 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 스태빌라이저(150)는 (예를 들어 축(102)에 대한) 수력 터빈의 오리엔테이션을 우세한 물 흐름에 수직으로 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 스태빌라이저(150)는 수력 터빈이 자기-위치 설정(self-positioning)되도록 및/또는 우세한 물 느린 이동 방향에 따라 자동으로 재-위치 되도록 할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 수력 터빈을 가로지르는 수력의 이러한 교차-흐름(및/또는 시계방향 및/또는 회전의 역 방향)은 수력 터빈(110)의 리프팅을 용이하게 한다. 예를 들어, 비록 터빈의 일부가 물(예를 들어 물 자체)보다 가볍지 않은 물질로 채워져 있다 하더라도, 축(102)에 대한 드럼(110)의 회전과 연관된 마그누스 효과는 수력 터빈에 양력을 공급할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, (예를 들어, 사보니우스 효과와 연관된) 다른 양력은 또한 또는 대안으로 수력 터빈의 배치를 용이하게 할 수 있다.

도 1a의 예는 부력 시스템(110)을 예시하며, 따라서 테터(140)는 시스템이 위로 움직이는 것을 방지하기 위해 시스템(110) 아래로 연장된다. 그러나 주목해야 할 것은 수력 시스템보다 무거운 시스템이 대신 제공될 수 있다는 것이며, 이 경우에 테더는 시스템이 가라앉는 것을 방지하기 위해 시스템 아래로 연장될 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 물 흐름 편향기(water flow deflector)(150)는 물을 베인(120)내로 안내할 수 있다. 편향기(150) 또는 정면 고정자는 베인(120)의 블레이드 가까이에 그리고 시스템(100)과 연관된 정체점(stagnation point) 위에 트레일링 에지(trailing edge)를 가질 수 있다. 주목해야 할 것은 정체점의 몇몇 변동(예를 들어 발진 또는 펄싱의 레벨)이 존재할 수 있다는 것이다. 수력 로터내로 들어오는 물 흐름 체적은 '소해 영역(swept area)'에서의 변동 또는 전력으로서의 토크로 변환되는 물과 흐름 에너지를 생성하는 각각의 회전 동안 변한다. 이러한 변동은 특히 정면 흐름 편향기가 없는 수력 로터에서 분명하다. 몇몇 실시예에 따르면, 편향기(150)는 특별한 물 흐름 속도에 비례하여 정체점에 또는 정체점 위에 트레일링 에지를 위치시키기 위해 약간의 이동의 자유가 허용될 수 있다(예를 들어 트레일링 에지는 약간 상승과 하강이 허용될 수 있다). 도 1b는 시스템(162)을 예시하며, 여기서 흐름 편향기(152)는 로터를 회전시키기 위해 물을 가이드 한다. 몇몇 실시예에 따르면, 흐름 편향기(152)의 팁은 로터와 연관된 정체점에 대하여 배치될 수 있다(예를 들어 팁은 정체점에 또는 아래에 위치될 수 있다).

주목해야 할 것은 물 흐름 속도는 수력 로터의 스핀 속도에 비례하여 정체점의 위치를 유도하며, 그에 따라 상이한 물 속도가 전력을 유도함에 따라서 흐름 편향기의 트레일링 에지는 개선된 전력 출력 결과에 도달하기 위해 이동의 자유가 허용될 수 있다는 것이다. 즉, 로터의 정체점은 로터의 회전에 기초하여 움직일 수 있다. 예를 들어, 도 1c는 로터가 회전하지 않을 때의 (정체점(172)은 사점(dead center)임) 로터의 정체점(172)을 로터가 회전할 때의 로터의 정체점(174)과 비교하여 예시한다. 특히, 도 1c에 예시된 정체점은 로터가 회전할 때 아래로 이동한다. 몇몇 실시예에 따르면, 분리 화살표는 고정자의 에지를 향해 아래로 이동할 수 있다. 주목해야 할 것은 이들 정체점은 전형적으로 회전 방향으로부터 아래로 움직인다는 것이다(정체점은 흐름 분리가 발생하는 포인트임). 또한 주목해야 할 것은 로터가 거꾸로라면 정체점(흐름 분리의 포인트)은 회전 방향을 향해 위로 멀리 이동할 것이라는 것이다. 이러한 이동은 마그누스 또는 사보니우스 효과의 결과이다(즉, 회전에 직면한 흐름을 갖는 보다 높은 압력 및 회전과 함께 이동하는 흐름을 갖는 보다 낮은 압력은 분리점 또는 정체점에서 변화를 유도한다).

몇몇 실시예에 따르면, 발전기(170)는 사이드 디스크(139)(및/또는 추가의 중심 디스크)의 에지를 따라 림 발전기(rim generator)를 포함한다. 예를 들어, 발전기(170)는 링 하우징내에 고정된 전기자(armature)를 갖는 거대한 자기 고정자(예를 들어 개별적인 자석)와 연관될 수 있다. 이와 같은 접근 방식에서는 기어 박스(gear box) 및/또는 축 구동부(center drive)가 요구되지 않을 수 있다. 더욱이, 전기의 실질적인 양은 상대적으로 느린 분당 회전수(Revolutions Per Minute("RPM"))에서도 생산될 수 있다.

주목해야 할 것은 로터 드럼 및/또는 베인이 다수의 상이한 방식으로 형성될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 2a는 3개의 베인을 갖는 드럼(200)의 측면도이다. 주목해야 할 것은 각각의 베인 또는 블레이드의 팁은 도 2a에 점선(202)으로 예시된 바와 같이 베인 아래 드럼의 표면을 실질적으로 모방할 수 있다는 것이다. 다른 예로서, 도 2b는 로터(204)를 예시하며, 여기서 3개의 동일한 섹션(208)은 함께 볼트 체결될 수 있거나 그렇지 않으면 드럼과 베인을 생성하기 위해 부착될 수 있다. 도 2b에서와 같이, 각각의 베인 또는 블레이드의 팁은 도 2b에 점선(206)으로 예시된 바와 같이 베인 아래 드럼의 표면을 실질적으로 모방할 수 있다.

도 2c는 몇몇 실시예에 따른 수력 로터(240)의 측면도이다. 로터(240)는 3개의 곡선 베인(220)을 가진 드럼(210)을 포함한다. 더욱이, 하나 이상의 사이드 디스크(230)가 제공될 수 있다. 단지 예로서, 드럼(210)은 6피트의 직경을 가질 수 있는 한편 베인(230)은 드럼(310)으로부터 멀리 떨어져서 최소 총 3피트 연장된다. 사이드 디스크(230)는 로터(240)의 양측을 설명하자면, 6피트와 3피트 곱하기 2의 합보다 큰 직경을 가질 수 있다(예를 들어 12피트 보다 큼). 예를 들어, 이와 같은 접근 방법은 .30 또는 .34를 초과하는 CoP와 같은 대단히 높은 CoP를 제공할 수 있다. 주목해야 할 것은 베인(220)은 드럼(210)을 가로질러 수평으로 배치된 3개의 이중 사이드 "상어 지느러미 스타일"의 블레이드를 포함할 수 있다는 것이다. 더 주목해야 할 것은 특정한 높이에서 사이드 디스크(230)가 압력 구동 거품 개선 효율을 증가시킬 수 있다는 것이다. 더욱이, 베인(220), 드럼(210), 그리고 사이드 디스크(230)를 포함하는 디바이스의 비율(크기에 관계없음)은 CoP를 달라지게 할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 드럼(210)에 실질적으로 마주하여 위치된 각각의 베인(220)의 에지 부분은 도 2c에 점선으로 예시된 바와 같이 드럼(220)의 중심과 에지 부분 사이에 위치된 드럼(210)의 표면에 의해 규정된 평면에 대해서 실질적으로 평행한(예를 들어 10도 내에서 평행한) 평면을 규정한다.

유사하게, 정면 고정자의 설계(크기와 만곡 및 치수 둘 다) 및 모든 치수 (앞과 뒤 곡선면)내 고정자의 비율은 고정자의 수평 트레일링 에지의 변위와 함께 CoP에 영향을 끼칠 수 있고/있거나 트레일링 에지 또는 "립"은 (예를 들어 "일반화된 정체점" 위일 때) 역흐름을 감소시키고 비-고정자 펄싱(non-stator pulsing)을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 앵커 케이블과 앵커 배치가 CoP에 영향을 줄 수 있다. 몇몇 실시예에서 주목해야 할 것은, 드럼(210)이 이 드럼(210)을 통과하는 수평 정적 홀딩 축(horizontal static holding axle) 둘레로 롤링할 수 있다는 것이다. 더욱이, 드럼(210) 및 축은 방수 베어링 또는 축 슬립 링(axle slip ring)으로 밀봉될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 발전기 메커니즘은 드럼(210) 내부에 있다. 예를 들어, 자석은 드럼(210)과 함께 그리고 드럼(210)내에 부착되어 움직일 수 있으며, 전기자는 "정적" 비-이동 휠이거나 디스크 형태의 디바이스일 수 있다(예를 들어, 그리고 기어 박스가 필요치 않을 수 있다).

도 3은 몇몇 실시예에 따른 로터(300)를 예시한다. 특히, 드럼(310)은 물속에 잠길 수 있으며 드럼(310)의 제1 측 위 제1 포인트와 제1 측과 마주하는 드럼(310)의 제2 측 위 제2 포인트 사이의 중심축을 따라 수평으로 연장될 수 있다. 3개의 곡선 베인(320)이 드럼(310)에 부착될 수 있으며, 이에 의해 축에 수직인 물 흐름에 의해 동작될 때에는 베인(320)이 축 둘레 회전을 야기하도록 동작할 수 있으며, 여기서 드럼(310)과 실질적으로 마주하게 위치된 각각의 베인의 에지 부분(322)은 에지 부분(322)과 축 사이에 위치된 드럼(310)의 표면에 의해 규정된 평면에 대해 실질적으로 평행한 평면을 규정한다. 더욱이, 드럼(310)에 결합된 전기 발전기는 축 둘레를 회전함으로써 발생된 회전 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다.

즉, 수력에 의해 야기된 회전은 축에 대한 드럼의 회전을 포함할 수 있다(그리고 드럼의 회전은 물내 드럼(310)에 대한 마그누스 또는 사보니우스 효과 힘과 같은 상승력 또는 하강력을 발생할 수 있다).

몇몇 실시예에 따르면, 각각의 베인(320)과 드럼(310)의 최대 높이는 드럼(310)의 반경과 실질적으로 동일하거나 더 클 수 있다. 더욱이, 제1 사이드 디스크는 제1 포인트에서 중심이 되고 드럼(310)의 제1 측에 대해 평행할 수 있으며, 제2 사이드 디스크는 제2 포인트에서 중심이 되고 드럼(310)의 제2 측에 대해 평행할 수 있으며, 그리고 제1 사이드 디스크 및 제2 사이드 디스크는 각각의 베인의 전체 높이와 드럼 사이의 최대 거리를 지나서 연장될 수 있다. 더욱이, 전기 발전기는 제1 사이드 디스크에 결합된 제1 발전기 및 제2 사이드 디스크에 결합된 제2 발전기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발전기는 (i) 체인, (ii) 기어, 또는 (iii) 마찰 커플링 중 적어도 하나를 통해 사이드 디스크에 결합될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 발전기의 적어도 일부는 드럼(310)내에 위치된다. 더욱이, 발전기는 적어도 하나의 자석 및 축에 대한 회전의 결과로서 서로 상대적으로 움직이는 적어도 하나의 전도성 코일을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 흐름 편향기는 물 흐름의 적어도 일부가 베인(320)에 의해 규정된 영역내로 향하도록 하기 위해 드럼(310)과 함께 물에 잠길 수 있다. 예를 들어, 베인(320)에 실질적으로 가까운 흐름 편향기의 에지 부분은 정체면(stagnation plane)의 마주하는 측에 위치되거나 실질적으로 그렇게 위치될 수 있으며, 여기서 정체면 위 물 흐름은 드럼(310) 위를 흐르고, 정체면 아래 물 흐름은 드럼(310) 아래를 흐른다. 주목해야 할 것은 흐름 편향기의 에지 부분은 에지 부분과 축 사이에 위치된 드럼(310)의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정하기 위해 베인(320)에 실질적으로 가깝게 제공될 수 있다는 것이다. 게다가, 흐름 편향기는 드럼(310)의 제1 측에 대해 실질적으로 평행한 제 1측과 드럼(310)의 제2 측에 대해 실질적으로 평행한 제2 측을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 흐름 편향기는 물 흐름이 흐름 편향기에 대해 하강력을 생성하도록 상면(upper surface)을 포함하고, 물 흐름이 흐름 편향기에 대해 상승력을 생성하도록 하면(lower surface)을 포함한다. 더욱이, 흐름 편향기는 드럼(310)의 정면에 위치된 제1 흐름 편향기를 포함하며, 드럼(310) 뒤에 위치된 제2 흐름 편향기를 더 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 로터(300)는 부력이 있으며, 물 아래 바닥(floor)에 적어도 하나의 유연한 케이블을 통해 고정된다. 이러한 경우에는, 각각의 유연한 케이블과 연관된 능동 윈치(active winch)가 (예를 들어 로터(300)를 상하로 움직이기 위해) 제공될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 로터(300)는 물 보다 무거울 수 있으며, 다리(bridge), 보트, 댐, 부표 또는 바지선(barge)과 같은 시스템 위 포인트에 적어도 하나의 유연한 케이블을 통해 구속될 수 있다. 이러한 경우에, 능동 윈치는 (다시 물속에서 로터(300)를 움직이기 위해) 각각의 유연한 케이블과 또한 연관될 수 있다.

따라서, 본 명세서에 기술된 몇몇 실시예에 따른 개선된 수력 로터가 제공될 수 있다. 전세계적으로 주목해야 할 것은, 수력발전력이 전세계 전기의 약 20%를 제공하며 전력 생산을 위한 중요한 재생 에너지라는 것이다. 그러나, 수요가 공급을 능가하고 있고 수요와 공급의 갭이 증가하고 있기 때문에 심각한 단점이 존재한다. 수평으로 움직이는 흐름으로부터 전력을 생산하는 낮은 수원 수력발전력(low-head hydropower)은 잠재적으로 전력 생산을 증가시킬 수 있고 상기와 같은 갭을 줄일 수 있다. 그러나, 전통적인 해결책은 경제적으로 실행 가능하지 않고, 상대적으로 높은 흐름 속도를 요구하며, 그리고 환경친화적인 관심이 있기 때문에 낮은 수원(low-head) 수력발전력이 기여하는 정도는 상대적으로 미미하다. 수십억 킬로와트("kW")의 전기를 제공할 수 있는 미개발된 수 많은 강과 하천이 남아있다.

본 명세서에 기술된 몇몇 실시예는 제조가 간단하고, 효율적이며, 그리고 경제적인 첨단 물 흐름 발전기를 제공할 수 있다. 특히, 본 명세서에 기술된 몇몇 실시예는 첨단 사보니우스 형태의 로터를 기술하며, 이러한 로터는 물 흐름을 효율적으로 획득하고 전력을 효율적으로 추출하는 흐름 보조 드럼과 흐름 고정자에 부착된 최적으로 곡선화된 이중-사이드 브레이드를 갖는 양식화된 드럼을 포함할 수 있다. 사이드 디스크는 또한 개선된 에너지 전달을 용이하게 하는 물 흐름 압력을 포함하고 지향하거나 유지하는 데 도움을 줄 수 있다. 로터는 더 높은 속도의 물 속력보다는 토크에 의존하며, 토크가 거의 임의의 흐름 속도에서 동작하게 한다. 성공적인 테스팅은 2MPH보다 적은 물 흐름에서 물 흐름 에너지 전달을 포함하였다. 최대 흐름 속도는 비제한적일 수 있으며, 에너지 전달은 오직 수력 로터의 구조적인 한정에 의해 제한될 수 있었다.

더욱이, 다양한 실시예는 개별적인 사용으로부터 소규모 개인용의 또는 보트 크기의 유닛, 상업용 중간-크기의 유닛, 조수 흐름 유닛(tidal flow unit), 그리고 큰 해류 크기의 유닛과 연관될 수 있는 로터를 포함하는, 그리드 어플리케이션에까지 확장될 수 있다. 게다가, 로터는 수백 와트 또는 수 메가와트까지 생산할 수 있다.

본 명세서에 기술된 실시예들은 전력의 고효율을 가져오는 최대 토크를 달성할 수 있다. 이것은 전력 대 크기 대 물 흐름 속도에 직접 관련될 수 있다. 개선된 에너지 추출은 1 시간당 마일("MPH")에서 20MPH를 초과하는 물 흐름 속도를 위해 제공될 수 있으며, 그리고 24%의 에너지 추출 내지 34%를 초과하는 능률에 도달할 수 있다.

도 1a를 다시 참조하면, 정면 고정 흐름 편향기(150) 또는 고정자는 보다 낮은 흐름 "충돌" 영역에 위치될 수 있다. 편향기(150)는 넓은 소해 "전력" 영역을 제공할 수 있다. 더욱이, 3개의 베인(120)은 곡선이며 이에 의해 블레이드의 정면은 획득된 물 흐름을 포착하고 쉽게 놓아주도록 포켓을 형성한다. 이와 같은 구성은 3개의 베인(120)이 (1) "흐름 편향"에 앞서서, (2) "전력"을 포착하면서, 그리고 (3) 끌어당기거나 멀어지면서" 회전하기 때문에, 3개의 베인(120) 각각을 위해 3개의 동시 위상 또는 위치를 제공한다. 블레이드가 각각의 위상 위치내로 앞서고 멀어짐에 따라서 여러가지 수력학적 효과가 발생한다. 이들은 블레이드의 뒤에 있는 리프트, 블레이드의 컵내로의 압력, 흐름 편향 디바이스로서 작용하는 코어 드럼으로 인해 정체점으로부터 블레이드 컵내로의 흐름 분리와 편향을 포함하며, 그리고 정면 흐름 편향기(150)(고정자)에 의해 도움을 받는다.

"정체점" 또는 전형적으로 흐름이 로터 위 및 상부로 또는 아래 또는 하부로 분리되는 중간점은 실질적으로 물 흐름의 정면 영역의 실질적으로 전부가 위로 향하게 하거나 또는 로터 베인(320)의 움직이는 스핀내로 향하도록 하는 설계에 의해서 제어된다. 이것은 "소해 영역"으로 지칭될 수 있으며, 그리고 로터의 정면에 전체 정면 영역을 포함한다. 이러한 설계의 정점(culmination)은 임의의 속도로 흐르는 물로부터 .30 또는 30%의 에너지 획득을 초과하는 능률을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 시스템은 흐름에 직면해서 역전된 상태로 (또는 임의의 각으로) 동작할 수 있으며, 그리고 레벨 포지셔닝(level positioning)을 필요로 하지 않을 수 있다.

주목해야 할 것은 움직이지 않고 블레이드와 드럼에 대하여 정확히 위치된 정면의 흐름 편향기(150) 또는 고정자가 인입 흐름 분리를 마스킹할 수 있다는 것이며, 이는 귀환하는 베인(120)과의 흐름 충돌을 감소시키며, 그리고 구동 베인(120)내로 추가의 전력 흐름을 유도할 수 있다. 고정자는 편향기 없이도 24% 내지 30%를 초과하는 수준까지 효율과 토크를 증가시킬 수 있다. 고정자는 또한 3개의 블레이드 위상이 위치의 안과 밖에서 회전하기 때문에 3개 블레이드 위상의 각각 사이에서 발생하는 펄스를 감소시킬 수 있다.

로터의 롤링 효과(롤 방향)는 백워드 기울기(backward lean)를 감소시키는 데 도움을 주기 위해 사용될 수 있으며, 그리고 마그누스 또는 사보니우스 효과는 안정성 및/또는 포지셔닝을 도와줄 수 있다. 스피닝 로터의 회전 방향은 롤링이 매질의 흐름(물 흐름)보다 빠르지 않기 때문에 일반적으로 사보니우스로서 지칭되는, 마그누스 리프트 및/또는 사보니우스 효과를 유도할 수 있다. 따라서, 로터가 부력이 있고 고정되어 있는지 또는 물보다 무거운지에 따라 (다리, 보트, 부표 또는 바지선 등) 위에 단단히 고정된다. 로터 스핀 방향은 (늘어짐 구성에서는) 하방 양력을 또는 (고정된 버전에서는) 상방 양력을 생성하도록 유도된다. 이러한 효과는 자신의 지지점(예를 들어 지지 케이블 위에서의 적은 각도 기울기)과 관련하여 이용 가능한 "기울어진" 형태 또는 "스탠드" 형태의 스트레이터내에 유닛을 머무르게 하는 데 도움을 줄 수 있다. 더욱이, 실시예들은 회전 방향으로 인해 리프트와 드래그 둘 다에 대해 제어를 유도하는 능력을 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 효과는 물 또는 해류 흐름의 중심 내부에 유지하는 데 도움이 되는 적어도 45도의 최대 기울기 각도로 로터를 유지할 것이다.

베인(120)은 앞과 뒤 만곡을 가질 수 있으며, 그리고 날카로운 팁 에지(sharp tip edge)는 최대 흐름 분리 및 에너지 추출에 도움을 줄 수 있다. 또한, 로터 드럼(110)의 말단인 사이드 디스크(130)는 디스크에 대해 드럼(110)과 블레이드 사이드를 밀봉할 수 있다. 디스크(130)는 물 흐름의 획득을 돕고 흐름이 사이드 주변에 엎질러지는 것을 방지하기 위해 적어도 단면의 팁 높이 이상까지 연장될 수 있다. 사이드 디스크는 베인(120)의 팁 높이만큼 넓은 직경이며, 수압 "거품" 또는 흐름 획득을 증가시키는 데 도움이 될 수 있다. 따라서 (블레이드 팁 높이보다) 높은 사이드 디스크(130)는 흐름 획득을 더 증가시킬 수 있다. 물 흐름을 획득하는 이들 특징(블레이드 만곡 앞과 뒤, 날카로운 팁, 드럼 만곡, 그리고 사이드 디스크)은 실질적으로 높은 CoP를 가져올 수 있다. 주목해야 할 것은 회전 에너지의 높은 레벨이 토크에 의해 달성될 수 있다는 것이다. 실시예들은 수십 MPH의 높은 흐름 속도까지는 1MPH만큼 느린 물 속도로 동작할 수 있다.

상기된 바와 같이, 로터는 앵커에 의해 단단히 고정된 부력 장치이거나, 대안으로 다리, 바지선, 보트 또는 부표로부터 보다 아래에 있을 수 있는 물 장치 보다 무거운 장치로서 설계될 수 있다. 더욱이, 20킬로와트까지의 크기를 완전히 운반할 수 있는 이동 유닛일 수 있다.

주목해야 할 것은 (예를 들어 20kW까지의) 보다 작은 수력 로터가 큰 사이드 디스크에 의해 구동되는 외부 발전기를 이용할 수 있다는 것이다. 보다 큰 수력 로터는 중심 코어 드럼내에 집적된 큰 디스크 발전기를 이용할 수 있다. 예를 들어, 보다 큰 발전기는 하나의 움직이는 부분을 구비할 수 있다(예를 들어 자석은 고정 발전기 코일을 둘러싸기 때문에 중심 로터 드럼내에서 그리고 중심 로터 드럼과 함께 회전할 수 있다). 어느 한 가지 경우에서, 느리지만 강력한 회전 에너지가 전기를 생성할 수 있다.

본 명세서에 기술된 몇몇 실시예는 "낮은 수원(low head)" 시스템으로서 분류될 수 있으며, 흐름이 전체 시스템에 걸쳐서 수평이거나 수평에 가깝다는 것을 의미한다. 전형적인 낮은-수원 시스템과 달리, 몇몇 실시예는 개방 프로펠러-형 블레이드 터빈 또는 '에어포일-형" 터빈(이러한 터빈은 흐름 자체보다 높은 팁 속도까지 흐름을 가속한다)과 다른 방식으로 구현될 수 있다. 보다 높은 흐름 속력을 요구할 수 있는 프로펠러-형 블레이드를 갖는 시스템과 대조적으로, 본 명세서에 기술된 실시예는 물 흐름 자체의 실제 속도로부터 유도된 바와 같이 토크 모멘트로부터 에너지를 변환할 수 있으며, 필요한 에너지를 순수한 토크로서 이끌어낼 수 있다.

도 4는 몇몇 실시예에 따른 수력 로터(4)의 정면도이다. 로터(400)는 물이 편향기(450)를 통해 향하는 "포켓"을 생성하는 3개의 베인(420)과 한 쌍의 사이드 디스크(430)를 갖는 드럼(410)을 포함한다. 각각의 사이드 디스크(430)에서 발전기(470)는 몸체(410)와 베인(420)의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 도 5는 몇몇 실시예에 따른 도 4의 수력 로터의 측면도이다. 로터(500)는 원형 드럼(510), 베인(520) 및 사이드 디스크(530)를 포함한다. 편향기(550)는 회전을 개선하기 위해 그때의 상부 베인(520)내로 물을 안내한다. 몇몇 실시예에 따르면, 발전기(570)는 드럼(510)과 베인(520)이 물 흐름에서 축 둘레를 회전하도록 하기 위해 각각의 단에 밀봉된 베어링을 갖는 드럼(510)을 관통하는 정축(static axle)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 밀봉된 드럼(510) 내부에는 마주하는 내부 드럼(510)에 부착된 자석 및 정축에 부착된 움직이지 않는 코일 또는 전기자를 포함하는 발전기(570)가 배치될 수 있다. 이와 같은 발전기(570)는 전기를 생성하는 오직 하나의 움직이는 컴포넌트(정축을 지나는 자석의 링)만을 가질 것이다. 다른 실시예에 따르면, 외부 사이드 발전기(570)와 연관된 사이드 기어박스가 사이드 드럼 디스크(530)의 바깥쪽에 제공될 수 있다.

코어 드럼(510)에 부착된 3개의 날카로운 팁 "상어 지느러미" 형 베인(520)은 드럼(510)의 표면에 평행한 위치로부터 안내되는 에지를 포함할 수 있다. 각각의 블레이드는 이러한 스타일의 로터(500)를 위해 높은 CoP를 유도하는 데 도움을 주는 정면 만곡과 백사이드 복합 만곡을 가질 수 있다. 게다가, 사이드 디스크(530)는 로터(500)의 360°회전동안 일관된 물 흐름 압력 거품을 발생하는 베인(520)(원주)의 팁의 수직 높이 또는 최대 폭을 초과할 수 있다. 더 추가로, 정면 편향기(550) 스쿠프(scoop) 또는 고정자는 인입 흐름의 정체점(고정자가 없는 것으로 가정된 정체점)에 대하여 위치될 수 있다. (고정자가 없는) 정체점은 마그누스 효과로 인해 중간점으로부터 보다 낮은 위치로 이동할 수 있다. 유도된 정체점에 또는 그 위에 트레일링 에지 또는 백 에지(back edge)를 갖는 고정자를 더하는 것은 보다 높은 CoP 출력을 유도하는 데 더욱 도움을 줄 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 조수 흐름(양방향 흐름) 어플리케이션용과 같은 2중 고정자 구성이 제공될 수 있다. 2중 고정자 구성은 정면과 유사한 고정자를 포함할 수 있지만 반대 사이트에서는 반대 사이드와 오프세트 위에 위치된다. 이러한 경우에, 백 고정자(back ststor)는, 조수 상황에서와 같이, 흐름이 앞 또는 뒤로부터 오는지에 관계없이 동일한 방향으로 연속적인 회전을 지속적으로 유도할 수 있다.

주목해야 할 것은 도 4 및 도 5와 관련하여 예시된 디바이스는 다양한 치수를 가질 수 있다는 것이다. 예를 들어 디바이스는 10피트 직경을 갖는 사이드 디스크로 인해 20 내지 30피트의 폭을 가질 수 있다. 다른 예로서, 디바이스는 100피트의 직경을 갖는 사이드 디스크로 인해 240피트의 폭을 가질 수 있다.

도 6 및 도 7은 몇몇 실시예에 따른 물 흐름 패턴을 예시한다. 특히 도 6은 3개의 로터 위상(610, 620, 630)을 예시한다. 3개의 블레이드형 로터가 회전할 때마다, 각각의 블레이드는 3개의 회전 위치에 도시된 바와 같이 "피크" 위치 중 하나의 위치로 움직인다. 주목해야 할 것은 블레이드의 컵, 중심 코어-드럼 면의 만곡, 그리고 각각의 블레이드의 뒤가 3개의 위상(610, 620, 630) 위치의 각각에서 동시에 역할을 한다는 것이다. 로터가 턴함에 따라서 각각의 블레이드는 하나의 위치로부터 다른 위치로 순차적으로 이동하며, 각각의 블레이드가 다음 위치로 이동함에 따라서 위치로 안내하고 뒤로 물러난다. 간단한 용어로, 로터를 지나가는 물 흐름(612)은 3가지 동작을 동시에 한다: (1) 상부 컵면 내부로 밀고, (2) 컵면 내부로 드럼 면을 흐르게 하며, 그리고 (3) 블레이드의 뒤는 블레이드가 회전하도록 블레이드를 끌어당기는 데 또한 도움을 줄 수 있는 특정한 위치에서 보다 낮은 압력을 생성한다.

흐름이 어디에서 "위" 또는 "아래"로 분리되는지를 보여줄 수 있는 정체점(614)은 도 6에서 점선으로 표시되어 있다. 로터의 회전 그리고 전술한 바와 같은 위상(610, 620, 630)으로 인해, 정체점(614)은 회전하는 블레이드의 위치에 따라 상하로 계속 변할 수 있다. 정체점 위는 흐름 에너지에 긍정적인 도움을 주며, 정체점 아래는 이롭지 못한 드래그 흐름이다. 로터의 전력은 정체점 위 상부 흐름으로부터 오며, "소해 영역"으로서 언급된다. 소해 영역은 계산하기 어려울 수 있는데, 이는 소해 영역이 로터의 모든 회전에 대해 흐름 영역에서 3번 변하기 때문이다. 즉, 각각의 위상(610, 620, 630)은 상이한 획득 치수와 연관될 수 있다. 이러한 변하는 소해 영역 흐름은 로터의 회전이 흐름(612)에서 바뀜에 따라서 증가된 다음에 감소되는 에너지의 펄스가 로터의 회전을 통해 전달되는 펄싱 효과(pulsing effect)를 생성할 수 있다.

이러한 효과를 감소시키는 데 도움을 주기 위해, 도 7은 편향기 또는 고정자(740)가 물 흐름(712)을 향하게 하기 위해 추가될 때의 로터 회전의 3개의 위상(710, 720, 730)을 예시한다. 로터의 정면에 고정된 고정자(740) 또는 곡선 편향기는 최고 정체점 위치(714)로부터 턴하는 로터 블레이드의 총 직경 약간 아래까지 맨 위에 위치된 흐름 영역을 보호한다. 고정자(714)는 특정한 위치에서 반대방향으로 흐르는 트립(trip)을 최소화하기 위해 최고 정체점에서 또는 그 위에서 그리고 가급적 로터 블레이드의 직경에 가깝게 배치될 수 있다. 고정자(740)의 뒤는 도시된 바와 같이 더 수직일 수 있는데, 이는 블레이드가 보다 낮은 정면 사분면(이는 흐름이 역으로 흐르는 것을 차단하는 것에 도움을 줄 수 있다)에 있는 동안에 정면 아래로부터 올라오는 보다 낮은 보호 블레이드가 블레이드에 앞에서 물을 밀어주기 때문이다. 몇몇 실시예에 따르면, 로터만큼 넓은 고정자(740)는 물 흐름을 가로지르는 폭이다. 고정자의 특정한 버전은 바닥에서 보다 길 수 있으며(스크푸 길이), 블레이드 회전의 모든 3개의 위상 동안 블레이드 면내로 위로 흐르는 것을 돕기 위해 보다 낮은 정면 "마우스"에서는 더 넓어질 수 있다. 주목해야 할 것은 긍정적인 소해 영역은 고정자(740)로 인해 상대적으로 일정하게 유지될 수 있으며, 그에 따라 개선된 흐름 에너지가 펄싱 효과 없이 달성될 수 있다(예를 들어 CoP는 .30만큼 높거나 또는 그보다 더 높은 수준에 도달할 수 있다)는 것이다. 주목해야 할 것은 로터는 반대 물 흐름에 효율적으로 배치된 "업사이드 다운"처럼 작동할 수 있다는 것이다.

몇몇 실시예에 따르면, 고정자(740)의 뒤는 앞과 유사한 만곡으로 감소될 수 있으며, 초승달 형태의 형상을 활용한다. 이것은 도 7에 예시된 "보다 두꺼운" 고정자 설계에 비해 2가지 장점을 가질 수 있다: (i) 고정자의 백 사이드에 대해 베르누이 효과를 유도할 수 있으며, 그리고 (ii) 고정자의 뒤 곡선을 따라 상방으로 지나가는 보다 낮은 흐름 터뷸런스의 방향을 지시하는 흐름 연결(flow attachment)이 발생하게 하며, 로터 블레이드를 위한 보다 높은 효율을 달성한다. 이와 같은 얇은 고정자(740) 설계는 또한 회전력을 증가시키기 위해(예를 들어, 토크 증가) 역 흐름 압력을 감소시키고 전체적인 상방 흐름 특성에 도움을 줄 수 있다.

도 8을 참조하면, 본 명세서에 기술된 임의의 실시예에 따라 동작할 수 있는 시스템(800)의 블록도가 도시된다. 예를 들어 시스템(800)은 실질적으로 수평인 축(802), 축(802)을 따르는 제1 포인트(804), 축(802)을 따르는 제2 포인트(806) 및/또는 전기 에너지를 생산하기 위해 축(802) 둘레를 회전하는 수력 터빈(810)을 포함할 수 있다. 예를 들어 수력 터빈(810)은 하나 이상의 베인(816) 및/또는 하나 이상의 발전기(830)를 구비하는 물에 잠긴 수력 로터(812)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 수력 터빈(810)은 테더(840)에 결합되고/되거나 하나 이상의 스태빌라이저(850)를 포함할 수 있다. 예를 들어 테더(840)는 수력 터빈(810)을 물 위 지상국(870)에 결합할 수 있다. 예를 들어 지상국(870)은 수력 터빈(810)에 의해 발생된 전기 에너지를 (예를 들어 전기 피드(876a-b)를 통해서) 하나 이상의 전기 디바이스(890) 및/또는 전기 그리드(892)에 공급할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 시스템(800)의 컴포넌트는 본 명세서에 기술된 임의의 실시예와 연관된 컴포넌트와 구성 및/또는 기능에 있어서 유사할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 도 8에 도시된 것보다 적거나 많은 컴포넌트가 시스템(800)에 포함될 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 수력 터빈(810)에 의해 발생된 전기 에너지는 테더(840)를 통해 지상국(870)으로 제공된다. 예를 들어 테더(840)는 임의의 개수, 형태 및/또는 구성을 갖는 구조적인 및/또는 전기적인 케이블, 타이, 와이어 및/또는 다른 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 테더(840)는 수력 터빈(810)과 지상국(870)간의 물리적 연결을 유지하기 위한 구조 케이블, 수력 터빈(810)으로부터 지상국(870)으로 전기 에너지를 전달하기 위한 전기 케이블, 및/또는 수력 터빈(810)에 대해 전기 접지를 제공하기 위한 접지 케이블을 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 지상국(870)은 제1 전기 피드(876a)를 통해 전기 장치(890)로 전기 에너지를 제공할 수 있다. 예를 들어 수력 터빈(810)이 소형(예를 들어 직경 및/또는 길이가 약 10 내지 30 피트인) 백팩 및/또는 비상 전력 버전인 경우에 있어서, 수력 터빈(810)은 하나 이상의 전기 장치(890)에 직접적으로 전력을 공급하기 위해 활용된다. 예를 들어 전기 장치(890)는 캠프 랜턴, 텔레비전, 라디오 및/또는 다른 가전 또는 장치를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 장치(890)는 수력 터빈(810)으로부터 (예를 들어, 지상국(870)과 제1 전기 피드(876a)를 통해) 및/또는 수력 터빈(810)과 연관되고/되거나 수력 터빈(810)에 의해 충전된 지상국(870)의 (도시되지 않은) 배터리의 배터리 전력으로부터 직접적으로 전력이 공급되는 DC 장치를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 지상국(870)은 수력 터빈(810)으로부터 수신된 DC 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있다. 예를 들어 AC 전력은 제1 전기 피드(876a)를 통해 하나 이상의 AC 전기 장치(890)에 전력을 공급하기 위해 활용된다. 몇몇 실시예에서, AC 전력은 또한 또는 대안으로 제2 전기 피드(876b)를 통해 전기 그리드(892)로 공급될 수 있다. 예를 들어 전기 그리드(892)는 공공 시설, 지자체 및/또는 사설 전기 그리드에 대한 상호연결을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 그리드(892)는 임의의 전기 분포 시스템 및/또는 디바이스를 포함할 수 있다. 예를 들어 전기 그리드(892)는 변전소(electrical sub-station), 전신주(electrical pole), 변압기, 지하 전기선 및/또는 퓨즈 박스 및/또는 차량 및/또는 (거주지 및/또는 상점과 같은) 빌딩의 전기선 시스템을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 복수의 테더(840) 및/또는 수력 터빈(810)은 지상국(870)과 결합되고/되거나 연관된다. 몇몇 실시예에 따르면, 복수의 지상국(870)은 또한 또는 대안으로 하나 이상의 수력 터빈(810)에 의해 발생된 전기 에너지를 하나 이상의 전기 그리드(892) 및/또는 전기 디바이스(890)로 공급할 수 있다. 예를 들어 테더형 수력 터빈(810)의 "농장(farm)" 및/또는 "클러스터(cluster)"는 전기 소비 요구를 충족시키기 위해 환경 친화적으로 전기 에너지를 공급하는 데 활용될 수 있다.

도 9를 참조하면, 몇몇 실시에에 따른 방법(900)이 도시된다. 몇몇 실시예에서, 방법(900)은 본 명세서에 기술된 임의의 시스템 및/또는 임의의 시스템 컴포넌트에 의해 및/또는 활용함으로써 수행될 수 있다. 본 명세서에 기술된 흐름도는 단계에 대해 반드시 고정된 순서를 나타내지 않으며, 실시예는 실행 가능한 임의의 순서로 수행될 수 있다. 주목해야 할 것은 본 명세서에 기술된 임의의 방법은 하드웨어, (마이크로 코드를 포함하는) 소프트웨어, 펌웨어(firmware), 수동 수단 또는 이들의 임의의 조합에 의해 수행될 수 있다는 것이다. 예를 들어 저장 매체는 기계에 의해 실행될 때 본 명세서에 기술된 임의의 실시예에 따른 성능을 가져오는 명령을 저장할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 방법(900)은 본 명세서에 기술된 임의의 실시예에 따라 수력 터빈을 배치함으로써 시작될 수 있다(902). 몇몇 실시예에 따르면, 수력 터빈은 물로 수력 터빈의 드럼을 적어도 부분적으로 채움으로써 배치된다. 몇몇 실시예에서, 자연적인 부력과 마그누스/사보니우스 효과 둘 다는 수력 터빈이 배치된 깊이에 유지되도록 할 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 방법(900)은 테더링 수력 터빈에 의해 발전된 전기 에너지를 수신함으로써 지속할 수 있다(904). 예를 들어 수력 터빈은 전기 에너지를 발전하기 위gks 하나 이상의 발전기를 구동하기 위해 수평 축 둘레를 회전 및/또는 스핀할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 에너지는 장치, 엔티티 및/또는 지상국, 빌딩, 구조물(예를 들어 다리, 타워 및/또는 다른 구조물), 및/또는 차량(예를 들어 배, 항공기, 기차 및/또는 다른 차량)과 같은 다른 물체에 의해 수신된다. 몇몇 실시예에서는, 활용, 수행 및/또는 그렇지 않으면 수력 터빈의 배치(예를 들어 902에 배치됨)와 연관되는 동일한 엔티티 및/또는 장치가 전기 에너지를 수신할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 전기 에너지는 활용, 인버트, 변환, 저장 및/또는 그렇지 않으면 관리될 수 있다. 예를 들어 수력 터빈으로부터 수신된 전기 DC 에너지는 AC 전기 에너지로 변환되거나 인버트될 수 있고/있거나, 하나 이상의 배터리 또는 배터리 뱅크에 저장될 수 있다.

몇몇 실시예에 따르면, 방법(900)은 하나 이상의 전기 장치에서 전력을 사용하기 위해 전기 에너지를 전달함으로써 지속할 수 있다(906). 예를 들어 전기 에너지는 (예를 들어 902에) 수력 터빈을 배치하는 것과 연관되고/되거나 (예를 들어 904에서) 수력 터빈으로부터 에너지를 수신하는 것과 연관된 장치, 물체 및/또는 엔티티에 대해 로컬인 하나 이상의 전기 장치로 전달될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 전기 에너지는 또한 또는 대안으로 다른 전기 장치에 전력을 공급하고/하거나 다른 전기 장치의 전력 공급을 용이하게 하기 위해 전달될 수 있다. 예를 들어 전기 에너지가 (예를 들어 보다 큰 수력 터빈 및/또는 수력 터빈의 클러스터에 의해) 전력 그리드로 전달되는 경우에, 전기 에너지는 다양한 전기 장치(예를 들어 다양한 가정 및/또는 상점)에 전력을 공급하기 위해 그리드에 의해 활용된 전기 에너지의 풀(pool)에 간단히 추가될 수 있다. 예를 들어 도 10은 몇몇 실시예에 따라 평상형 트럭(1020)을 통해 운반될 수 있는 상업용 크기의 수력 로터(1010)를 예시한다(1000). 단지 예로서 로터는 17피트 폭일 수 있으며, 5 또는 6피트의 직경을 갖는 사이드 디스크를 가질 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 예를 들어 하이커, 보터(boater), 집 소유자 및/또는 다른 엔티티 또는 개인은 하나 이상의 캠핑, 보팅(boating) 및/또는 거주지 전기 장치에 전력을 공급하기 위해 소형 버전의 수력 터빈을 활용할 수 있다. 예를 들어 도 11은 몇몇 실시예에 따른 물 몸체의 표면 아래에 잠겨 있는 수력 로터(1110)를 예시한다(1100). 특히, 수력 로터(1110)는 배터리(1140)에 전력을 공급하기 위해 물 위 플랫폼(1130)에 부착된다.

몇몇 실시예에 따르면, 수력 터빈에 의해 생산된 전기 에너지는 복수의 소비자에게 판매, 거래 및/또는 그렇지 않으면 제공될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어 전기 에너지의 소비자는 전기 에너지를 활용하는 다양한 전기 장치에 전력을 공급할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전기 에너지는 수력 터빈 및/또는 전기 에너지가 생산되는 방법의 재생 가능성 및/또는 환경 친화적 성질과 연관된 인센티브 및/또는 다른 이익과 연관된다. 예를 들어, 소비자는 수력 터빈에 의해 생산된 에너지(및/또는 수력 터빈에 의해 생산된 전기 에너지를 나타내는 에너지)의 일부 또는 전부를 활용하기 위한 프리미엄을 지불하고/하거나 그렇지 않으면 구체적으로 선택할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 다른 본질적인 이익 및/또는 외부 효과는 수력 터빈 및/또는 수력 터빈으로부터 생산된 "그린" 전기 에너지를 활용하는 것과 연관될 수 있다.

도 12는 몇몇 실시예에 따른 사이드 발전기를 구비한 수력 터빈의 정면도(1200)이다. 축(1210)은 베인(1220, 1222)이 물의 흐름에 의해 밀림으로써 움직이게 될 수 있다. 축(1210)의 각각의 사이드에 위치된 한 쌍의 발전기(1270)는 자석(1272) 및 움직이지 않는 고정 코일(1274)을 포함한다. 자석(1272)이 코일(1274)을 통과함에 따라서 전류가 발생될 것이다. 주목해야 할 것은 많은 변화 및/또는 구현이 본 명세서에 기술된 실시예를 위해 제공될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 몇몇 실시예에 따르면, 베인은 물에 잠긴 드럼에 부착될 수 있다(따라서 물에 잠긴 드럼이 회전하도록 한다). 다른 실시예에서, 베인은 물에 잠긴 드럼이 회전하지 않는 동안 회전할 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 발전기(1270)는 움직이는 자석의 림을 이용하지 않고, 실제로 움직이지 않는 코일(1274)의 각각의 측면에서 림에 부착된 자석(1272)의 2개의 디스크를 이용한다. 이와 같은 접근 방법은 증가된 직경 발전기를 제공할 수 있으며, 구동 블레이브(1220, 1222)에 대한 수압 부하를 포함하여 작동할 수 있다. 발전기(1270)는 금속 또는 유리섬유 케이스 내에 수용될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 단일 발전기가 수력 로터의 중심에 배치될 수 있다. 예를 들어 도 13은 몇몇 실시예에 따른 중심 발전기(1370)를 구비한 수력 터빈의 정면도(1300)이다. 이전과 같이, 축(1310)은 베인(1320, 1322)이 물의 흐름에 의해 밀림에 따라서 움직일 수 있다. 축(1310)의 중심에 위치된 발전기(1370)는 자석(1372) 및 움직이지 않는 고정 코일(1374)을 포함한다. 자석(1372)이 코일(1374)을 통과함에 따라서 전류가 발생될 것이다. 본 실시예에서, 2개의 외측 디스크는 양식화된 물에 뜨는 부속물을 포함할 수 있으며, 그리고 중심 코어 "정(static)" 축은 자석이 회전하는 움직이지 않는 전기자 또는 "코일" 홀딩 스포크에 부착된 (고체가 아닌) 대형 튜브일 수 있다. 중심 축(1310)은 내부 드럼의 중심의 일부인, 즉 드럼의 내측의 일부로서 사이드에서 사이드로 가로로 구동하는 코어 튜브의 중심의 일부인 튜브내 드럼 안에서 중심에 있을 수 있다. 예를 들어, 드럼 튜브는 인터페이스 또는 마찰을 생성하지 않기 위해 정축보다 클 수 있다. 외부 요소(즉, 물)로부터 발전기 포드(generator pod) 또는 디스크를 밀봉하는 베어링이 제공될 수 있다.

이와 같은 로터는 매우 낮은 RPM에서 효율적으로 전기를 생산할 수 있는 대형 디스크 발전기(1370)를 중앙에 갖는 20kW 발전기 시스템을 제공할 수 있다. 이러한 형태의 발전기(1370)는 오직 하나의 움직이는 부분(이는 이들이 정적 코일을 갖는 고정된 중심-스포크(spoke) 전기자를 지나 롤링하기 때문에 외부 드럼 및 자석이다)을 갖는다. 예를 들어, 시스템은 최대 흐름 속도의 깊이에서 표면 아래에 매달린 로터와 함께 강 바닥에 단단히 고정될 수 있다. 그 다음에 전력이 물속 케이블을 통해 사용자 커뮤니티로 도통될 수 있다. 몇몇 실시예에 따르면, 이와 같은 시스템은 완전히 이동하기 쉬우며 표준 트럭 트레일러 안에 또는 그 위에 맞게 설계될 수 있다.

도 14는 몇몇 실시예에 따른 다양한 물 속력에서의 잠재적인 전력 발전(1400)을 예시한다. 주목해야 할 것은 4mph 흐름 속도에서는, 본 명세서에 기술된 몇몇 실시예는 약 20kW를 발전할 수 있으며, 이러한 경우에 소해 영역을 참조하거나, 200 평방 피트(예를 들어 10피트 곱하기 20피트)의 정면 영역을 참조한다는 것이다. 흐름 속도가 증가함에 따라서, 전력 출력은 그래프에 표시된 바와 같이 증가할 수 있다. 주목해야 할 것은, 몇몇 실시예는 천천히 움직이는 해류에 닻을 내린 보트에 전력을 제공할 수 있는 "보터의 롤링 펜더" 수력 로터를 포함하는, 상대적으로 작은 소비자 사용 유닛을 제공할 수 있다는 것이다. 조립식 장치가 해류에 던져질 수 있고, 자동으로 물이 채워지며, 그리고 해류에서 스피닝을 시작한다. 주목해야 할 것은 "소해 영역"당 전력 출력은 높은 CoP를 반영하는 장치의 크기에 선형으로 증가하거나 감소하는 출력에 비례하여 증가한다는 것이다.

본 명세서에 기술된 여러 실시예는 오직 예시를 위한 것이다. 당업자는 다양한 대체가 본 발명의 사상 및 범주를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술된 실시예에 대해 이루어질 수 있다는 것에 주목할 것이다. 예를 들어, 비록 단일 수력 로터를 배치하는 예가 본 명세서에 기술되었다고 하더라도, 주목해야 할 것은, 실시예는 로터의 수평 또는 수직선, 로터의 병렬 또는 순차적인 세트, 및/또는 로터의 2D 또는 3D 행렬을 포함하는 수력 로터 그룹으로서 배치될 수 있다는 것이다. 더 주목해야 할 것은, 몇몇 실시예는 (예를 들어, 본 명세서에 주로 기술된 바와 같이 실질적으로 수평인 대신에) 물속에 실질적으로 수직으로 방향 설정되는 수력 로터를 위해 제공될 수 있다는 것이다. 즉, 수평 또는 수직으로 사용될 수 있거나 또는 물 흐름에 직면하여 방향 설정되는 한, 중간에 있는 어느 것도 사용될 수 있다. 예를 들어, 수력 로터는 상대적으로 얕은 물에서와 같은 로터 "스택"내에서 자신의 사이드에 섰을 때(예를 들어 면각(face angle)과 정면 소해 영역이 본 명세서의 상세한 설명과 일치하는 한) 작동할 수 있다. 당업자는 또한 다른 실시예가 청구항에 의해서만 제한된 변경 및 개조와 함께 실행될 수 있다는 것도 본 상세한 설명으로부터 인식하게 될 것이다.

Claims

물속에 잠기며, 드럼의 제1 측 위 제1 포인트와 상기 제1 측과 마주하는 상기 드럼의 제2 측 위 제2 포인트 사이의 중심축을 따라 수평으로 연장되는 드럼;
상기 축에 수직인 물 흐름에 의해 작동될 때, 상기 축 둘레를 회전하도록 동작할 수 있도록 상기 드럼에 부착된 3개의 곡선 베인으로서, 여기서 상기 드럼과 실질적으로 마주하여 위치된 각각의 베인의 에지 부분은 이 에지 부분과 상기 축 사이에 위치된 상기 드럼의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정하는 것인 베인; 및
상기 드럼에 결합되어, 상기 축을 중심으로 한 회전에 의해 발생되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 발전기를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
수력에 의해 야기되는 회전이 상기 축을 중심으로 한 상기 드럼의 회전을 포함하는 시스템.
제2항에 있어서,
상기 드럼의 회전이 물속에 있는 상기 드럼(110)에 대해 상방 또는 하방 양력을 발생하는 시스템.
제3항에 있어서,
상기 양력은 마그누스 또는 사보니우스 효과 양력 중 적어도 하나를 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
각각의 베인과 상기 드럼의 최대 높이는 상기 드럼의 상기 직경과 실질적으로 같거나 더 큰 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 포인트에 중심에 위치되고 상기 드럼의 상기 제1 측에 평행한 제1 사이드 디스크; 및
상기 제2 포인트에서 중심에 위치되고 상기 드럼의 상기 제2 측에 평행한 제2 사이드 디스크를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 사이드 디스크는 각각의 베인과 상기 드럼의 전체 높이 사이의 최대 거리를 지나 연장되는 시스템.
제6항에 있어서,
상기 전기 발전기는 상기 제1 사이드 디스크에 결합된 제1 발전기 및 상기 제2 사이드 디스크에 결합된 제2 발전기를 포함하는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 발전기는 (i) 체인, (ii) 기어 또는 (iii) 마찰 커플링 중 적어도 하나를 통해 상기 사이드 디스크에 결합되는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 발전기의 적어도 일부는 상기 드럼 내에 위치되는 시스템.
제9항에 있어서,
상기 발전기는 상기 축을 중심으로 한 회전의 결과로서 서로에 대하여 상대적으로 움직이는 적어도 하나의 자석 및 적어도 하나의 전도성 코일을 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 드럼과 함께 물에 잠기어, 상기 물 흐름의 적어도 일부를 베인에 의해 규정된 영역으로 향하게 하는 흐름 편향기를 더 포함하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 베인에 실질적으로 가까운 상기 흐름 편향기의 에지 부분이 정체면의 마주하는 측에 위치되거나 실질적으로 그렇게 위치되며, 상기 정체면 위 물 흐름은 드럼 위를 흐르고, 상기 정체면 아래 물 흐름은 드럼 아래를 흐르는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 베인에 실질적으로 가까운 상기 흐름 편향기의 에지 부분은 상기 에지 부분과 상기 축 사이에 위치된 상기 드럼의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 흐름 편향기는 드럼의 제1 측에 실질적으로 평행한 제1 측과 드럼의 제2 측에 실질적으로 평행한 제2 측을 포함하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 흐름 편향기는 물 흐름이 상기 흐름 편향기에 대해 하강력을 생성하도록 상면을 포함하고, 물 흐름이 상기 흐름 편향기에 대해 상승력을 생성하도록 하면을 포함하는 시스템.
제11항에 있어서,
상기 흐름 편향기는 드럼의 정면에 위치된 제1 흐름 편향기를 포함하고, 드럼 뒤에 위치된 제2 흐름 편향기를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 시스템은 부력이 있으며 적어도 하나의 유연한 케이블을 통해 상기 물 아래의 바닥에 고정되는 시스템.
제17항에 있어서,
각각의 유연한 케이블과 연관된 능동 윈치를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 시스템은 물보다 무거우며, 적어도 하나의 유연한 케이블을 통해 상기 시스템 위 포인트에 구속되는 시스템.
제19항에 있어서,
상기 포인트는 (i) 다리, (ii) 보트, (iii) 댐, (iv) 부표 또는 (v) 바지선(barge) 중 적어도 하나와 연관되는 시스템.
제19항에 있어서,
각각의 유연한 케이블과 연관된 능동 윈치를 더 포함하는 시스템.
물에 잠긴 수력 터빈을 배치하는 단계로서, 여기서 상기 수력 터빈은:
물속에 잠기며, 드럼의 제1 측 위 제1 포인트와 상기 제1 측과 마주하는 상기 드럼의 제2 측 위 제2 포인트 사이의 중심축을 따라 수평으로 연장되는 드럼;
상기 축에 수직인 물 흐름에 의해 작동될 때, 상기 축 둘레를 회전하도록 동작할 수 있도록 상기 드럼에 부착된 3개의 곡선 베인으로서, 여기서 상기 드럼과 실질적으로 마주하여 위치된 각각의 베인의 에지 부분은 이 에지 부분과 상기 축 사이에 위치된 상기 드럼의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정하는 것인 베인; 및
상기 드럼에 결합되어, 상기 축을 중심으로 한 회전에 의해 발생되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 발전기를 포함하는 것인 단계;
상기 수력 터빈으로부터 전기 에너지를 수신하는 단계; 및
하나 이상의 전기 장치에 전력을 공급하는 데 사용하기 위해 전기 에너지를 전달하는 단계를 포함하는 방법.
제22항에 있어서,
사용될 상기 전기 에너지를 전달하기 전에 상기 전기 에너지를 상이한 형태로 변환하는 단계를 더 포함하는 방법.
전기 장치에 전력을 공급하기 위해 전기 에너지를 활용하는 단계를 포함하는 방법에 있어서,
물속에 잠기며, 드럼의 제1 측 위 제1 포인트와 상기 제1 측과 마주하는 상기 드럼의 제2 측 위 제2 포인트 사이의 중심축을 따라 수평으로 연장되는 드럼;
상기 축에 수직인 물 흐름에 의해 작동될 때, 상기 축 둘레를 회전하도록 동작할 수 있도록 상기 드럼에 부착된 3개의 곡선 베인으로서, 여기서 상기 드럼과 실질적으로 마주하여 위치된 각각의 베인의 에지 부분은 이 에지 부분과 상기 축 사이에 위치된 상기 드럼의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정하는 것인 베인; 및
상기 드럼에 결합되어, 상기 축을 중심으로 한 회전에 의해 발생되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 발전기를 포함하는 물에 잠긴 수력 터빈에 의해 전기 에너지가 발생되는, 방법.
물속에 잠기며, 드럼의 제1 측 위 제1 포인트와 상기 제1 측과 마주하는 상기 드럼의 제2 측 위 제2 포인트 사이의 중심축을 따라 수평으로 연장되는 드럼;
상기 축에 수직인 물 흐름에 의해 작동될 때, 상기 축 둘레를 회전하도록 동작할 수 있도록 상기 드럼에 부착된 3개의 곡선 베인으로서, 여기서 상기 드럼과 실질적으로 마주하여 위치된 각각의 베인의 에지 부분은 이 에지 부분과 상기 축 사이에 위치된 상기 드럼의 표면에 의해 규정된 평면에 실질적으로 평행한 평면을 규정하는 것인 베인; 및
상기 드럼에 결합되어, 상기 축을 중심으로 한 회전에 의해 발생되는 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 발전기를 포함하는 물에 잠긴 수력 터빈에 의해 발생되는 전기 에너지.