KR20140126714A - 에너지 플랜트와 에너지 플랜트용 구성부분들 - Google Patents

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서브씨-에너지 오와이
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Abstract

본 발명은, 예컨대 파도, 조수, 또는 조류에 의한 물의 운동을 활용하는 수중 에너지 플랜트에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 에너지 플랜트의 구성부분들, 즉, 물의 운동에 의한 에너지를 포집하는 수중 윙(9, 10, 11), 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치(12), 및 전기 에너지를 전달하는 커넥터(46)에 관한 것이다. 본 발명의 특정 실시예에서, 윙(9, 10, 11)은 물의 유동에 의하여 힌지축 주위에 모멘트를 발생시키며, 자율적이거나 속박형인 힌지 내 발전기와, 수중에 설치되며 유도 작용에 의하여 에너지를 전달하는 고전력 전기 커넥터(46)와 함께 작용한다.

Description

에너지 플랜트와 에너지 플랜트용 구성부분들 {ENERGY PLANT AND PARTS OF AN ENERGY PLANT}
본 발명은, 예컨대 파도, 조수, 또는 조류에 의한 물의 운동을 활용하는 수중 에너지 플랜트에 관한 것이다. 본 발명은 또한 에너지 플랜트의 구성부분들, 즉, 물의 운동에 의한 에너지를 포집하는 수중 윙, 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치, 및 전기 에너지를 전달하는 커넥터에 관한 것이다.
파력 에너지 플랜트(wave energy plant)에 관한 종래 기술의 한 솔루션이 문서 WO 2004/097212호에 개시되어 있다. 파력 에너지 플랜트는 둘 이상의 생성 유닛(production unit)을 가지며, 수역(water basin)의 물을 활용하여서 이 수역의 저부에 잠겨 있는 생성 유닛 및 생성 유닛 구성품들을 작동시킨다. 생성 유닛은 물의 운동에 의한 에너지를 다른 에너지 형태(예컨대, 전기 에너지, 기계 에너지, 또는 중간 매체의 압력 등)로 변환하는 데 사용된다.
종래의 파력 에너지 플랜트에는 몇 가지 문제점이 있다. 유동(flow) 측에서의 압력 증가 및 그 반대 측에서의 압력 감소(흡입)로 인해서 모든 유동 프로파일에서 힘이 발생된다. 일반적으로는 압력의 2/3까지가 흡입에 의해 일어나므로, 흡입이 보다 더 중요하다. WO 2004/097212 A1에 제시된 수중 플랩(underwater flap)은 판형 몸체에 대항하는 정체압력(stagnation pressure)을 이용한다. 이는 판의 전면/유동측으로는 과압력(overpressure)이 발달되지만, 반대측에서는 이보다 더 중요한 흡입이 실질적으로 발달되지 않는다. 그 이유는 반대쪽 표면을 따라서 유속의 증가가 없기 때문이다. 또한, 측부 변(side edge)(이 문헌의 Figure 2의 4) 주위에서의 유동이 난류(turbulence)를 발생시키고 적은 후면 흡입을 더욱 더 감소시킨다. 판이 수직 위치로부터 아래로 돌아가면, 유동 방향은 표면의 수직선으로부터 멀리 돌아가게 되어서, 압력 차이를 더욱 더 감소시킨다. 또한 유동의 앙각(angle of attack)이 판의 축선(axis line)에 대해 직선이 아닌 경우에는, 선단 변(leading edge) 주위의 유동이 효율을 더욱 더 감소시킨다.
물의 운동에 의한 에너지가 평판(plane)이나 윙(wing) 또는 부유체(가령, 부표(buoy))와 같은 이동 표면에 포집되는 경우에는, 높은 힘으로 인하여 속도가 매우 느려지는 문제가 있다. 따라서, 직선형 구동 발전기는 자기 포화로 인해서 극도로 큰 장비가 될 것이며, 속도의 증가가 필요해진다. 여기에는 일반적으로 별개의 수력 장치(hydraulics)가 구비된다. 현재의 저층수 또는 중층수에서의 수력식 변속 시스템은 유연한 호스와 수 개의 커넥터 및 밸브를 갖는 긴 배관 라인을 갖는다. 이에 의해 다음과 같은 문제가 발생된다.
- 유동 저항이 수력 유체를 가열하게 되어서 이를 별도의 냉각기 또는 냉각 라인에서 냉각시킬 필요가 있고, 이는 다시 시스템에 더 큰 유동 저항을 추가시킨다.
- 유동 저항의 증가에 의해 과도적 에너지 피크(transient energy peak)에 반작용(반발)하여 이를 포집하는 시스템의 능력을 저하시킨다. 이 피크에 맞게 크기를 맞춰야 하므로 통상 사용을 위한 경우에도 시스템의 크기가 과도하게 커지게 되고, 통상의 작용력으로 맞춰진 압력이 압력 제한 밸브에서 방출되어야 하므로 출력 에너지를 저하시킨다.
- 긴 라인(배관)에 의해 수력 축압기(hydraulic accumulator)의 효율적인 사용이 어려워진다.
- 모든 구성요소 및 라인에 공간적 요구사항 및 크기가 부가됨에 따라 비용이 증가한다.
- 파도에 따라 발전 시스템이 정기적으로 정지하고 재기동됨에 따라 전력 망에 유해한 피크를 주게 되어서 전체 플랜트의 유용성을 저하시킨다.
건조 환경에서 사용되는 기술에 의해 수중의 전기 연결이 이루어지며 따라서 이는 수중 환경에서는 실용적이지 않다. 또한 발전기가 운전되는 동안에는 연결 및 연결해제가 불가능하다. 또한, 수중 환경에서 다이버, 또는 원격 작동 수중 차량, 또는 그 밖의 원격 장비에 의해서 고전력의 연결을 행하는 것은 누전 및 단락의 가능성이 있어서 매우 위험하다. 따라서 고장 부품을 교체시에 매우 많은 비용이 들며, 전체 플랜트를 중단시켜야 한다.
결론적으로, 현장에서 시스템을 바람직하게 유지보수하는 것이 매우 어렵다.
본 발명의 목적은 종래의 에너지 플랜트의 문제점을 피하거나 줄일 수 있는, 물의 운동을 이용한 에너지 플랜트 및 이 에너지 플랜트에 사용되는 구성품들을 제공하는 새로운 해결책을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면 상기 목적은, 물의 운동으로부터의 에너지를 포집하여 윙(wing)을 왕복 운동시키는 에너지 플랜트의 수중 윙에 의해 달성되는데, 이 윙은 비평면 단면형태(프로파일(propile))를 갖는 것을 특징으로 한다. 윙 프로파일은 낮은 마찰과 함께 높은 양력(lift force)을 갖는 형태인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 상기 목적은, 물의 운동을 활용하는 에너지 플랜트에서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환기(converter)에 의해 달성되는데, 이 변환기는, 커버와 이 커버 내에 있는 샤프트를 포함하고 커버와 샤프트가 서로에 대해서 회전할 수 있는 힌지(hinge)형 변환기인 것을 특징으로 한다. 이 변환기는 또한 추가적으로,
- 회전의 상대 속도를 증가시키기 위한 기계식 또는 수력식 변속장치(transmission)와,
- 상기 회전에 의해 구동되는 발전기(generator)를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 목적은 수중 환경 내에서 전기 에너지의 전달을 위한 커넥터(connector)에 의해 달성되는데, 이 커넥터는, 두 부분으로 나뉘어진 강자성 코어가 각각 방수 하우징 내에 적어도 부분적으로 내장된 두 개의 커넥터 반부(connector half)로 구성되며, 각 커넥터 반부끼리의 자기 유도에 의해서 전기 에너지를 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 목적은 파도, 조수, 또는 조류에 의한 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하기 위하여, 물의 운동에 의한 기계적 에너지를 포집하여 왕복 운동하는 수중 윙과, 수중 윙에 의해 가해지는 회전력에 의해서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환기를 포함하는 적어도 하나의 에너지 생성 유닛(energy production unit)을 포함하는 에너지 플랜트에 의해서 달성되는데, 이 에너지 플랜트에 있어서, 상기 에너지 생성 유닛은 적어도 하나의
- 본 발명에 따른 수중 윙,
- 본 발명에 따른 힌지형 에너지 변환기,
- 본 발명에 따른 유도 커넥터(induction connector)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 몇 가지 바람직한 실시예들은 종속 청구항에 기재되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수중 윙의 프로파일 형태는 대칭형 또는 비대칭형이다. 다른 실시예에 따르면, 비대칭형 윙 프로파일은, 유동(flow) 방향이 왕복되는 경우의 파력 에너지 플랜트에 사용되는 것이 바람직한 거울 대칭형의 두 개의 선단 변(leading edge)을 갖는다. 대칭형 윙 프로파일은, 유동 방향이 장시간 동안 일정한 조수 또는 강물 흐름의 경우에 사용되는 것이 바람직하며, 윙의 왕복 운동은, 예를 들어, 그 지지축을 중심으로 윙을 회전시켜서 앙각(angle of attack)을 조정함으로써 달성된다.
윙은, 물의 유동(수류)이, 반작용(반발) 원리에 따른 힘(예컨대 반동식 터빈(reaction turbine)에서 출력되는 힘)을 발생시키도록 하는 형태를 갖는 것이 바람직하다. 이 윙은, 유동하는 물이, 작용력(예컨대 충동식 터빈(impulse turbine)에서 출력되는 힘)보다 큰 반작용력을 일으키도록 하는 프로파일을 갖는다. 보다 구체적으로, 에너지 플랜트의 윙 프로파일은, 물의 유동에 의해서 이 윙 프로파일에 야기되는 힘 성분이, 물의 유동 방향에 직교한 방향으로의 힘 성분보다 물의 유동 방향으로의 힘 성분이 더 작게 만들도록 하는 형태를 이루며 그러한 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 다른 말로 하자면, 물의 유동에 의해 일어나는 양력(lift force)이 정체 압력(stagnating pressure)에 의해 일어나는 힘보다 크다. 위의 형태와 위치는, 양력이 물의 유동으로부터 최소의 항력(drag)으로 최대의 에너지를 끌어내도록 최적화하는 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 실시예에서, 윙의 표면의 앙각은 윙을 지지축을 중심으로 회전시켜서 조정가능하다.
윙은 물의 유동 방향에 비해 물의 유동에 직교하는 평면에 더 가까운 방향으로 왕복 운동을 하도록 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 윙의 회전축은 물의 유동에 직교하는 평면보다 물의 유동 방향에 더 가까운 방향을 갖는다. 가장 바람직하게는, 윙은 물의 유동 방향에 직교한 평면 내에서 움직이며, 그 회전축은 물의 유동 방향과 같은 방향을 갖도록 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 변환기는 커버 또는 샤프트를 갖는데, 이 중 하나는 고정되어 회전되지 않고 다른 하나는 회전한다. 다른 실시예에서, 변환기는 힌지형 변환기에 회전력을 일으키는 물 운동을 사용하기 위하여 수중 윙에 대한 연결부를 갖는다. 다른 실시예에서 변환기는 원하는 위치로 윙을 회전시키는 수단을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 변환기는 높은 에너지 피크를 수용가능하게 하고 전력 생성을 규율하는, 샤프트에 내장되는 배관이 없는 고압 축압기(accumulator)를 포함하는 수력식 변속장치를 갖는다. 다른 실시예에 따르면, 변환기는 시스템 내에 정압(positive pressure)을 유지하는 저압 축압기를 포함하는 수력식 변속장치를 갖는다.
일 실시예에서, 변환기는 하나 이상의 유성 기어단(epicyclic gear stage)을 포함하는 기계식 변속장치를 갖는다. 다른 실시예에서, 변환기는 자율적(autonomous)이며, 빌지 펌프(bilge pump), 밀폐형 플러시 펌프(plushing pump), 및/또는 수력 유체 복귀 펌프(hydraulic fluid return pump)를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 변환기는 속박형이며(tethered), 필터링 및 누설 제거를 하는 외부의 수력 유체 재순환 장치를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 변환기는 원격 제어된다.
일 실시예에 따르면, 유도 커넥터 반부의 하우징들은 커넥터 체결시에 함께 결합될 수 있다. 다른 실시예에서, 커넥터는 전원 주파수보다 높은 주파수 정격을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 에너지 플랜트는, 비대칭 프로파일의 수중 윙들을 갖는 인접한 다수의 생성 유닛을 갖는데, 이 프로파일들은 물의 유동 방향에 대하여 우측 또는 좌측에 설치되며, 두 인접한 생성 유닛의 수중 윙들은 반대 방향으로 되어 있다.
다른 실시예에서, 생성 유닛의 변환기는 회전하지 않는 기초물에 부착되는데, 이 기초물의 하부는 변환기의 고정부를 지지하며, 물에 잠기거나 또는 수면 위에 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 액추에이터 표면의 앙각은 지지축을 중심으로 회전시켜서 조정 가능하다. 다른 실시예에서, 윙 프로파일은, 이 프로파일의 여러 쪽에서의 유속 차이로 인한 압력 차이에 의해 윙 프로파일 힘이 발생되는 위치에 있다. 유속은, 물의 유동이 오는 방향을 바라 볼 때, 윙의 전방보다 윙의 후방에서 더 높은 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에서, 액추에이터는 그 지지축을 중심으로 두 위치 사이에서 회전하는데, 그 제1 위치는 제1 방향으로의 액추에이터의 운동에 사용되고, 제2 위치는 제1 방향과 반대인 제2 방향으로의 액추에이터의 운동에 사용된다. 이로써, 일정한 방향으로 흐르는 유동의 에너지를 활용할 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명의 솔루션은, 예를 들어, 조류 및 강물 흐름 등에 사용될 수 있다.
이하에서, 다음의 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 에너지 플랜트를 나타낸다.
도 2는 종래 기술의 수중 판과, 본 발명에 따른 두 가지의 예시적인 수중 윙을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, 기계 장치를 포함한 예시적인 힌지형 에너지 변환기의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 기계 장치를 포함한 예시적인 힌지형 에너지 변환기의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 변환기의 예시적인 발전기의 측단부를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 예시적인 전기 커넥터 쌍의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 예시적인 전기 커넥터 쌍의 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 플랜트의 예시적인 실시예를 도시한다. 에너지 플랜트는 에너지 생성 유닛들이 행렬 형태로 구성되는데, 각 에너지 생성 유닛은 수중 윙(9, 10, 11), 힌지형 에너지 변환기(12), 그리고 이 변환기의 발전기에 케이블을 통해 연결되는 유도 커넥터(46)를 포함한다. 원격 제어에 의해서, 수중 윙 또는 판은 원하는 위치에 설정할 수 있다. 물의 유동 방향을 화살표(13)로 표시하였다. 윙은 수직 위치의 양측 사이에서 그 위치가 교번되도록 움직이는 것이 바람직하다. 윙이 수직 위치에 있을 때 그 효율이 최고이고, 윙이 수직 위치로부터 멀어질 때 효율은 점점 낮아진다. 그 이유는 예컨대 저부 근방에서의 물의 유동이 더 작기 때문이다.
도 2는 종래 기술의 수중 판(3)과, 본 발명에 따른 수중 윙(5, 7)의 두 가지 예시적인 실시예를 도시한다. 종래의 수중 판은 평면 형상의 표면을 갖고 본 발명에 따른 윙은 비평면 형상의 표면을 갖는다. 본 발명에 따른 윙의 형태는, 예컨대 프로펠러에 사용되는 것과 같은 날개 형태일 수 있다. 흡입 측에서의 유동은 더 먼 거리를 이동하여 압력 및 실효 흡입을 감소시키며, 이로써 전면측에서 속도가 감소하여서 과압력의 원인이 된다. 따라서 윙은, 물의 유동이 작용/정체 힘(예컨대, 충동식 터빈에서 출력되는 힘) 대신에, 주로, 반작용(반발) 원리에 따른 힘(예컨대 반동식 터빈에서 출력되는 힘)을 발생시키도록 하는 형태를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 윙은 보다 효율적인 액추에이터 표면을 갖는다. 즉, 그 단면 형태(프로파일)는, 예컨대, 파도(2), 조류, 또는 강물 등에 의해 일어나는 유동(수류)(1)을 대략적으로 따르도록 회전하여서 이 형태의 여러 크기에 대해서 과압력 및 흡입 모두를 갖는 힘을 발생한다. 효율의 현저한 감소없이 다양한 유동 방향에 적응되도록 하기 위하여 앙각은 조정 가능한 것이 바람직하다(도 1의 11 및 도 2의 6 참조).
널리 알려진 바와 같이, 압력에 의해 발생된 힘의 대부분은 특정 프로파일의 선단부에서 발달된다. 따라서, 본 발명에 따른 프로파일의 일 실시예에는 두 개의 거울 대칭형의 선단 변이 포함된다.
윙 프로파일은, 그 측면이 프로파일 7과 같이 서로 거울 영상이 되는 대칭형을 수 있다. 그 반대쪽 끝은, 각 방향의 유동 상태에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다. 이러한 방식은, 2개의 위치(제1 위치는 제1방향으로 윙의 운동을 일으키는 위치이고, 제2 위치는 제1 방향과 반대인 제2방향으로 윙의 운동을 일으키는 위치임) 사이의 앙각을 조절함에 의하여 진동 운동이 일어나는 경우, 동일한 방향으로부터의 일정한 또는 장시간의 유동에 있어서 바람직하다. 이 방법에 의해, 예를 들어, 조류 및 강물 유동을 활용한 발전기에 본 발명의 방식을 사용하는 것이 가능해진다.
윙 프로파일은 또한, 프로파일 5와 같이 좌측 및 우측이 다른 형상을 갖는 비대칭형일 수 있다. 양단부는 유동 상태에 따라 각 방향으로 다양한 형상을 가질 수 있다. 이 방식은 자연적인 진동형 유동(예컨대, 파도)의 경우에 바람직하다. 윙은 또한, 하나의 균일한 부분 대신에 1군의 리브(rib)로 구성될 수 있다.
또한 다양한 유속 및 유동 방향의 변동에서의 에너지 포집을 최적화하여 힌지에서의 회전 모멘트를 최대화하기 위하여서 앙각을 조정할 수 있다. 비대칭 프로파일을 사용하는 경우에는, 인접한 열의 윙들에서의 전력 출력을 증가시키기 위하여 우측(9) 프로파일 및 좌측(10) 프로파일로 교번하는 도 1의 하향 유동(8)을 사용하는 것이 유익하다.
두 프로파일에 있어서, 앙각과 프로파일은 윙을 따르는(즉, 윙 방향으로의) 유속 차이에 의하여 윙을 따라(즉, 윙 방향으로) 변동될 수 있음을 주목해야 한다. 윙의 앙각은 변환기로부터 먼 단부에서보다도, 물의 유동의 속도가 더 작은 이유로, 변환기에 가까울수록 더 큰 것이 바람직하다. 이는 윙의 영구적인 형태로, 또는 동적인 조절로써 수행될 수 있다. 따라서 앙각의 동적 조정은, 전체 프로파일을 회전시키거나 또는 그 일부분을 회전시켜서 수행할 수 있다.
(일정한 또는 왕복하는) 평균 유동 방향이 거의 일정한 지역에서는 유닛을 고정적으로 설치할 수 있다. 봄 및 가을 태풍 시의 상이한 기상 조건에 따른 파도와 같이 유동 방향이 현저하게 변할 수 있는 지역에서는, 유닛을 고정형 회전대 기초물 위에 설치할 수 있다. 이에, 유닛의 방위를, 예측되는 주된 유동 방향에 따라 조정가능하다.
평균 유동 방향을 알지 못하는 경우에는, 외부 센서 및 유닛에 입력되는 방향 데이터를 이용하여, 또는 윙 또는 힌지 기초물에 설치된 국부(로컬) 압력 센서 또는 유량 센서를 이용하여 측정할 수 있다. 이 측정은 필수적인 것이 아니며, 유닛은 윙을 수직 위치에 유지시키는 앙각을 찾아서 평균 유동을 검출할 수도 있다.
왕복 유동(예를 들어, 파도)에 있어서는 윙을 일정한 앙각으로 조정할 수 있다. 그러나 힌지의 회전 모멘트를 최대화하기 위해서, 회전 중에 앙각을 소폭 조정하는 것이 유익하다. 이는, 사전에 설정된 각도 데이터에 따라 또는 앙각의 일시적인 작은 변동을 갖는 최대 모멘트를 찾아서 수행할 수 있다. 회전 모멘트는 힌지의 고정 부분에 설치된 스트레인 게이지 및/또는 수력 유체 상의 압력 센서의 전단 변형(shear deformation)으로부터 측정된다.
거의 모든 정상 유동(stationary flow)에 있어서, 앙각은 윙을 수직 위치에 유지시키는 중립 각의 양측으로 조정된다. 이 경우, 앙각은 각 운동의 말미에 변경되어서 역회전되도록 하여야 한다. 회전 중에 앙각을 소폭 조정하는 것이 유익하며 이는 왕복의 경우처럼 수행될 것이다.
도 3~5는 본 발명에 따른 힌지형 에너지 변환기(converter)의 예시적인 실시예를 도시한다. 도 3의 변환기는 기계식 기어를 가지며, 도 4의 변환기는 수력식 기어를 갖는다. 힌지형 변환기는 전기 발생기(발전기) 회전자(13)의 회전 속도를 증가시키는 변속장치를 포함한다. 변속은 1단 또는 다단의 기어단(14)에 의해서 또는 도 4와 같은 수력 구동장치를 사용하여 행할 수 있다. 긴 수명과 힘의 균형 때문에 유성 기어단을 사용하는 것이 바람직하다. 회전자는 최고속의 회전단에, 즉, 도면에서의 두 번째 단의 태양 기어(15)에 부착된다. 고정자(16)는 힌지의 고정 부분에, 즉, 도면에서의 커버(17)에 부착되어 있다. 여기서 샤프트 또는 커버 중 하나는 고정되고 그 나머지 것은 회전하도록 배치될 수 있음을 주목해야 한다. 전기는 DC로 변환되고, 인버터(18)에 의해서 정확한 전압 및 주파수로 쵸핑(chop)된다. 빌지 펌프(도 3의 19, 도 4의 43)는 기계적 또는 전기적으로 구동될 수 있다. 플러싱 펌프(20)는 필터를 통해 물을 빨아들여서 최외곽의 밀폐부로의 세척 유동을 발생시킨다.
도 4의 수력식 힌지형 변환기는 가스 블래더(gas bladder)(24)가 있는 고압 유체 공간(23)을 포함하는데, 이는, 챔버(26)로부터 인입 밸브(25)를 통해 높은 유동 피크를 일시적으로 고압 측에서 받도록 하는 수력 축압기를 구성한다. 배관 또는 호스가 필요치 않아서, 고압 유동의 마찰을 크게 줄일 수 있다.
구조에 따라서는 샤프트(27) 내부에 또는 그 주위에 저압 공간이 배치될 수 있다. 샤프트 내부에 배치될 경우에, 수력 유체는 밸브(28)를 통해 직접 확장 챔버(34)로 공급된다. 저압 공간도 또한, 주위의 물에 대해 정압을 유지하도록 용적의 변화를 보상하는 가스 블래더(29)를 포함한다. 여기서 샤프트 또는 커버 중 하나는 고정되고 그 나머지 것은 회전하는 것임을 주목해야 한다.
커버가 회전하는 구조에서, 발전기 회전자(31)를 구동시키는 수력 모터 또는 터빈(30)은 고압 공간의 옆에 있는 샤프트의 내부에 있을 수 있거나, 또는 도시한 것과 같이 샤프트와 커버 사이에 있을 수 있다. 커버가 고정되는 구조에서, 발전기는 샤프트와 커버 사이에 위치하는 것이 바람직하지만, 이와 다른 위치, 가령, 샤프트 내부에 있는 것도 가능하다. 발전기의 고정자(32)는 힌지의 고정된 부분에 부착된다.
샤프트, 커버, 변속장치, 및 발전기는 각 구성부분의 결합을 용이하게 하기 위하여 변환기 내에서 동축으로 배치되는 것이 바람직하다.
힌지의 또다른 가능한 용도는 전력의 피크를 필터링하여서 정류하는 국부 축압기(local accumulator)를 갖는 외부의 생성 유닛으로, 압축된 수력 유체를 생성하여 보내는 것이다. 축압기는 작동 압력 및 온도에서 끓는 유체에 의해 가압되어서 일정하게 축압기 압력이 유지된다. 이러한 유체 중 하나는 이산화탄소이다.
수력 유체는 도 5의 샤프트와 커버 사이의 가변 용적 챔버(26)에서 가압된다. 날개(vane)(33)에 의해 분리된 하나 이상의 챔버 쌍이 있는데, 각각의 두 번째 것은 샤프트에 부착되고 다른 것은 커버에 부착된다. 오랫동안 안정적인 작동을 위하여는, 이 구조를 두 개 이상의 챔버 쌍을 갖도록 대칭 구성한다. 수력 유체는 커버의 벽을 통해 냉각된다. 빌지 펌프의 작용 및 밀폐부 세척은 도 3에서와 같이 통로, 펌프, 및 배관에 의해 수행된다. 수력 유체의 누설은 통로 및 파이프(35)를 통하여 펌프에 의해서 시스템으로 피드백된다.
발전기에 의해 생성된 전기는 DC로 변환되고, 인버터에 의해서 적절한 전압 및 주파수로 쵸핑되어서 전송된다. 외부 커넥터(전력선, 원격 검출 및 제어)가 힌지의 고정부에 부착된다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 유도 커넥터의 예시적인 실시예를 도시한다. 유도 커넥터(46)를 사용함으로써 생성 유닛과 에너지 플랜트 급전망을 운전 중에도 안전하게 접속 및 분리할 수 있다. 생성 유닛으로부터의 케이블은 수밀 관통구 44로 들어오고 생성 에너지 취합 지점으로 가는 케이블은 수밀 관통구 45로부터 나간다. 커넥터에는 신속 체결 클램프(41)가 장착되는 것이 바람직하다. 커넥터는 두 부분으로 나뉘어진 커넥터 반부로 구성되는데, 각각, 생성 유닛의 권선(37)과 플랜트 취합 케이블(38)을 갖는 강자성 코어(36)를 포함한다. 코어는 방수 하우징(39, 40)에 내장된다. 코어를 또는 그 코팅막을 내수성 재료로 구성하는 것도 가능하다. 이 경우에는 코어의 끝단 표면이 방수 하우징 외부에 있게 되어서, 각 커넥터 반부의 코어 표면이 서로 최소 간격으로 위치하게 될 수 있다. 이 방식에 의하면 전기 에너지의 전달이 효율적이 된다. 신속 체결 클램프를 체결한 후, 연성 이음새(41) 내부로 공기 또는 다른 가스를 불어넣어서 커넥터 사이의 공간을 건조시킨다.
변환기의 인버터 유닛은 전력망 주파수 및 위상을 검출하여서, 그에 따라 출력을 동기화한다.
본 장치는 또한, 발전기를 수력 발생 모터로서 운전하도록 역이용할 수 있다. 이렇게 운전하는 경우, 필요시에는 원격으로 유동 포집 표면을 아이들 상태로 두는 대신에 아래쪽으로 돌려놓을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 솔루션은 일부 실시예에 대해서만 설명한 것임을 주목하여야 한다. 본 발명의 원리는 당연히, 예컨대 세부적 실시 및 용도 응용시에, 특허청구범위에 의해 정해지는 보호 범위 내에서 변경될 수 있다.
또한, 수중 윙, 힌지형 변환기 장치, 및 유도 커넥터는 다양한 유형의 파력 발전소에 개별적이고 독립적으로 적용될 수 있음을 주목해야 한다.
또한, 본 발명에 따른 에너지 플랜트는 파도에 의해 일어나는 물의 운동을 활용하지만, 이와 달리 또는 이와 덧붙여, 조수, 강물 흐름 등에 의해 일어나는 물의 운동을 활용할 수도 있음을 주목해야 한다.

Claims (24)

  1. 물의 운동으로부터의 에너지를 포집하여 윙의 왕복 운동을 일으키는 에너지 플랜트의 수중 윙에 있어서, 이 윙은 비평면 단면형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 수중 윙.
  2. 제1항에 있어서, 상기 윙의 프로파일 형태는 대칭형 또는 비대칭형인 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 수중 윙.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 윙 프로파일은 거울 대칭형의 두 개의 선단 변을 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 수중 윙.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 윙은 지지축을 중심으로 윙을 회전시켜서 윙 표면의 앙각을 조정하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 수중 윙.
  5. 제1항에 있어서, 상기 윙은, 유동하는 물이, 작용력보다 큰 반작용력을 일으키도록 하는 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 수중 윙.
  6. 물의 운동에 의한 에너지를 활용하는 에너지 플랜트에서 왕복 운동에 의한 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환기에 있어서, 이 변환기는, 커버와 이 커버 내에 있는 샤프트를 포함하고 커버와 샤프트가 서로에 대해서 회전할 수 있는 힌지형 변환기이며, 이 변환기는 또한 추가적으로,
    - 회전의 상대 속도를 증가시키기 위한 기계식 또는 수력식 변속장치와,
    - 상기 회전에 의해 구동되는 전기 발생기(발전기)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 변환기는 커버 또는 샤프트를 갖는데, 이 중 하나는 고정되어 회전되지 않고 다른 하나는 회전하는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 힌지형 변환기에 회전력을 일으키는 물 운동을 사용하기 위하여 수중 윙에 대한 연결부를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 원하는 위치로 윙을 회전시키는 수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 높은 에너지 피크를 수용가능하게 하고 전력 생성을 규율하기 위한, 샤프트에 내장되는 배관이 없는 고압 축압기를 포함하는 수력식 변속장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  11. 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 시스템 내에 정압을 유지하는 저압 축압기를 포함하는 수력식 변속장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  12. 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 유성 기어단을 포함하는 기계식 변속장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기는 자율적이며, 빌지 펌프, 밀폐형 플러시 펌프, 및/또는 수력 유체 복귀 펌프를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  14. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기는 속박형이며, 필터링 및 누설 제거를 하는 외부의 수력 유체 재순환 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  15. 제6항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기는 원격 제어되는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트의 변환기.
  16. 수중 환경 내에서 전기 에너지의 전달을 위한 커넥터로서, 이 커넥터는, 두 부분으로 나뉘어진 강자성 코어가 각각 방수 하우징 내에 적어도 부분적으로 내장된 두 개의 커넥터 반부로 구성되며 각 커넥터 반부끼리의 자기 유도에 의해서 전기 에너지를 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 커넥터.
  17. 제16항에 있어서, 상기 커넥터 체결시에 상기 하우징이 함께 결합되는 것을 특징으로 하는, 수중 환경 내에서 전기 에너지의 전달을 위한 커넥터.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 상기 커넥터는 전원 주파수보다 높은 주파수 정격을 갖는 것을 특징으로 하는, 수중 환경 내에서 전기 에너지의 전달을 위한 커넥터.
  19. 물의 파동 또는 조류에 의한 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하기 위하여, 물의 운동에 의한 기계적 에너지를 포집하여 왕복 운동하는 수중 액추에이터와, 이 수중 액추에이터에 의해 가해지는 회전력에 의해서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 에너지 변환기를 포함하는 적어도 하나의 에너지 생성 유닛을 포함하는 에너지 플랜트에 있어서, 상기 에너지 생성 유닛은
    - 제1항 내지 제5항 중 적어도 하나에 따른 수중 윙(상기 수중 액추에이터에 해당됨),
    - 제6항 내지 제15항 중 적어도 하나에 따른 힌지형 에너지 변환기,
    - 제16항 내지 제18항 중 적어도 하나에 따른 유도 커넥터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 에너지 플랜트.
  20. 제10항에 있어서, 상기 에너지 플랜트는, 비대칭 프로파일의 수중 윙들을 갖는 인접한 다수의 생성 유닛을 갖는데, 이 프로파일들은 물의 유동 방향에 대하여 우측 또는 좌측에 설치되며, 두 인접한 생성 유닛의 수중 윙들은 반대 방향으로 되어 있는 것을 특징으로 하는, 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 플랜트.
  21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 생성 유닛의 변환기는 회전하지 않는 기초물에 부착되는데, 이 기초물의 하부는 변환기의 고정부를 지지하며, 물에 잠기거나 또는 수면 위에 있는 것을 특징으로 하는, 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 플랜트.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액추에이터의 표면 앙각은 지지축을 중심으로 회전시켜서 조정 가능한 것을 특징으로 하는, 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 플랜트.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 플랜트의 윙 프로파일은, 이 프로파일의 다양한 측에서의 유속 차이로 인한 압력 차이에 의해 윙 프로파일 힘이 발생되는 위치에 있는 것을 특징으로 하는, 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 플랜트.
  24. 제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 플랜트의 윙 프로파일은, 물의 유동에 의해서 이 윙 프로파일에 야기되는 힘 성분이, 물의 유동 방향에 직교한 방향으로의 힘 성분보다 물의 유동 방향으로의 힘 성분이 더 작게 만들도록 하는 형태를 이루며 이러한 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는, 물의 운동을 활용하여 전기 에너지를 생성하는 에너지 플랜트.
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