KR20150139958A - 수차 및 수차를 이용한 전기 에너지 발전 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유수에 사용하기 위한 수차와 관련되어 있고, 상기 수차는 작업 동안에 상류에 위치한 급수 범위 및 작업 동안에 하류에 위치한 배수 범위와 함께 적어도 하나의 실질적으로 수평인 유로(flow channel)인 수-인도 수단, 상기 유로에 제공되고 작업 동안에 흐름 방향에 대하여 실질적으로 수직으로 배향된 회전 샤프트를 갖는 적어도 하나의 날개 바퀴 및 동작 요소와 함께 흐름 방향으로 움직일 때 적어도 하나의 유로를 통해 상대적으로 높은 유수에 대한 저항 계수를 갖고, 동작 요소와 함께 흐름 방향을 거슬러 움직일 때 적어도 하나의 유로를 통해 상대적으로 낮은 유수에 대한 저항 계수를 갖도록 설계된 적어도 세 개의 블레이드 및 상기 적어도 하나의 날개 바퀴의 상기 회전 샤프트의 회전 동작을 영구-자석 발전기로 전달하기 위한 전달 수단을 포함하고, 상기 각각의 블레이드가 적어도 실질적으로 상기 날개 바퀴의 상기 회전 샤프트에 평행하게 연장되는 중심축에 대하여 회전 가능한 박막 층을 포함하고, 각각의 박막 층의 상기 중심축은 상기 각각의 박막 층의 장편에 또는 그 주변에 위치하고, 상기 박막 층의 회전 동작은 상기 관련된 블레이드가 상기 흐름을 따라 움직일 때 제한 수단에 의하여 방해 받고, 상기 박막 층은 상기 관련된 블레이드가 흐름을 거슬러 움직일 때 자유롭게 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 수차이다.

Description

수차 및 수차를 이용한 전기 에너지 발전 방법{Watermill device and method of generating electrical energy by means of such a device}

본 발명은 강 또는 조석수와 같은 유수에 사용하기 위한 수차에 관련되어 있고, 수차는 유수의 힘을 전기 에너지로 변환하기 위하여 완전히 수면 아래에 놓일 수 있도록 설계되었다.

US 2008/0231057에는 흡입 개구 및 배출 개구와 함께 날개 바퀴를 갖는 수평 유로를 갖는 수차가 개시되어있다. 날개 바퀴는 그것의 바깥 둘레에 바퀴에 스프링-댐퍼 방식으로 설치된 경첩이 달린 플랩(flap)과 함께 제공되어, 그들이 흐름을 따라 움직일 때 상대적으로 큰 저항을 갖고, 흐름을 거슬러 움직일 때 상대적으로 작은 저항을 갖도록 한다. 나아가 예를 들어 벨트의 형태로, 날개 바퀴의 회전 운동을 발전기에 전달하는 전달 수단이 제공된다.

FR 2525694 (이후 D2라 언급)에는 날개 바퀴의 회전 샤프트에 평행하게 연장되는 관련 박막 층의 중심 세로 축에 대하여 각각 회전 가능한 박막 층을 갖는 블레이드가 제공되는 수차가 개시되어있다. 중심 세로 축에 대하여 회전 가능한 박막 층은 흐름에 평행하게 배향되었을 때 불안정하다. 박막 층이 놓여있는 유체의 흐름 속의 작은 방해도 박막 층이 (부분적으로) 요동치게 할 수 있다. 이것은 동요하는 박막 층을 만들고, 관련 블레이드가 흐름을 거슬러 움직일 때 불필요하게 높은 저항을 만들어 수차의 능률을 떨어뜨린다. 관련 블레이드가 흐름과 함께 움직일 때, 박막 층은 또한 유체의 흐름 속의 방해에 민감하여, 그 결과 저항은 상대적으로 감소한다. 이것은 또한 효율에 불리하게 영향을 미친다. 추가로, 박막 층은 유체의 흐름 속에 큰 방해가 있을 때는 완전히 동요될 수 있고, 이것은 회전하는 날개 바퀴를 거의 완전히 정지되게 할 수 있다. 수차는 흐름에 영향을 주고 가급적 수차로 상대적으로 많은 양의 유체를 흐르게 하는 하우징 내부에 놓이기 때문에, 흐름 속 난류의 발생은 피할 수 없다.

유수의 힘으로부터 전기 에너지를 발전하는 것은 알려져 있다. 에너지의 발전은 큰 낙차가 있는 곳 또는 큰 준위 차가 인공적으로 만들어질 수 있는 곳에서는 특히 흥미로운 선택이 된다. 그러나, 작은 낙차의 경우에도 유수는 인간에게 유용한 에너지로의 전환을 위해 이용될 수 있다. 그러나, 알려진 적용예의 단점은 해운업 또는 어업과 같은 유수의 사용자들의 경로에 종종 장애물이 된다는 것이다. 이러한 장애물을 최소화하기 위한 추가적인 대안이 필요하다.

본 발명은 서두에 정의된 것과 같이 유수의 힘을 전기 에너지로 전환하는 효율이 종래의 장치보다 더 뛰어난 수차를 제공한다는 목적을 갖는다. 본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 제1항의 서두에 따른, 블레이드 각각이 적어도 실질적으로 날개 바퀴의 회전 축에 평행하게 연장되는 중심축에 대하여 회전 가능한 박막 층을 포함하고, 상기 중심축은 항상 각각의 박막 층의 장편에 또는 그 주변에 위치하고, 박막 층의 회전 동작은 관련된 블레이드가 흐름을 따라 움직일 때 제한 수단에 의하여 방해 받고, 박막 층은 관련된 블레이드가 흐름을 거슬러 움직일 때 자유롭게 회전할 수 있는 수차에 의해 달성된다. 본 문서에서 방향 또는 배향이 언급되는 곳 마다, 흐름 방향에 평행인 실질적으로 수평하게 인도되는 유로가 있는 수차와 함께 또는 내의 방향 또는 배향이 수로에 위치하는 것을 뜻하는 것으로 간주되어야 한다. 본 발명에 따른 수차는 또한 본 문서에 나타난 보트, 수영자와 같은 유수 또한 수로의 사용자들이 그것으로부터 아무런 또는 거의 어떤 장애도 경험하지 않도록 완전히 수면 아래에 위치할 수 있다. 수차는 강과 같은 수로의 바닥에 위치할 수 있고, 강의 충분히 깊은 곳에 제공됨으로써 강의 교통이 방해 받지 않는 깊이에 제공된다. 수차는 충분한 낙차를 만들어내거나, 좁은 경로를 제공하기 위하여 수로의 전체 너비에 걸쳐 수로를 차단할 것을 요하지 않는다. 작동 동안에 물은 흡입 개구를 통하여 적어도 하나의 유로로 적어도 하나의 날개 바퀴를 따라 흐른다.

본 발명에 따르면, 날개 바퀴의 박막층에 대한 물리적 샤프트 또는 가상의 축은 관련된 박막 층의 장편에 또는 그 주변에 위치하고, 그 결과 이론적으로 블레이드는 날개와 같이 항상 최소의 저항을 갖는 배향을 찾도록 행동한다. 이것은 박막 층이 흐름 매개체 내에 위치하였을 때 그들 자신을 하류 방향의 흐름 방향과 평행한 관련된 중심축과 떨어지도록 배향하려는 경향이 있다는 것을 의미한다. 그러나, 만약 블레이드가 흐름 방향을 따라 움직인다면, 제한 수단은 박막 층이 최소 저항의 배향 위치로부터 가져와지는 것을 방지할 것이다. 제한 수단은 적어도 실질적으로 유수에 큰 저항을 제공하는 박막 층에 의해 폐쇄된 블레이드가 형성되도록 흐름에 실질적으로 수직하게 흐름과 함께 움직이는 블레이드의 박막 층을 배향하기 위하여 설계된다. 유수는 이렇게 하여 관련된 블레이드에 상대적으로 큰 힘을 발휘한다. 본 발명에 따른 장치는 흐름을 거슬러 움직이는 날개 바퀴가 흐름에 대하여 상대적으로 작은 저항을 겪게 하는 것을 가능하게 한다. 날개 바퀴는 그것의 회전 샤프트에 대하여 회전할 것이다. 날개 바퀴를 구동시키기 위해 유수에 의해 블레이드에 가해지는 힘은 날개 바퀴의 일 회전에 걸쳐 변화한다. 블레이드가 흐름 방향에 실질적으로 수직하고, 흐름과 함께 움직일 때 최대치에서, 그것이 흐름 방향과 실질적으로 평행할 때 최소치를 걸쳐, 블레이드가 흐름 방향과 실질적으로 수직하고 흐름을 거슬러 움직일 때 예를 들어 구동력이 음의 방향인 것 같은 더 나아간 최소치로, 그 후 평행 배향에서의 최소치를 거쳐 회전의 끝에서는 다시 최대치로 변화한다. 흐름 저항이 회전 동안 계속해서 변화하는 위치에 의존하기 때문에, 날개 바퀴는 계속 회전할 것이다. 본 발명의 목적은 이렇게 하여 달성된다.

본 발명에 따른 수차의 적어도 하나의 유로는 바람직하게는 작동 동안에 흐르는 물에 대해 낮은 흐름 저항을 갖는 내벽과 함께 제공된다. 유로 내 물의 흐름 속도가 빨라지는 것과 비례하여 본 발명에 따른 수차의 효율이 증가하는 것은 자명할 것이다.

만약 적어도 하나의 유로가 물이 적어도 하나의 날개 바퀴의 블레이드가 흐름을 따라 움직이도록 하는 방향으로 그것을 통해 흐르도록 인도하게 설계되었다면, 흐름은 움직여야 하는 관련 블레이드를 움직이는데 훨씬 더 잘 활용될 수 있고, 어떤 순간에도 움직여서는 안 되는 블레이드에 적용되는 어떤 저항도 흐름이 부분적으로 그것으로부터 멀어지도록 인도되기 때문에 줄어들 수 있다.

만약 유로 내에 적어도 두 개의 날개 바퀴가 세로로 줄지어 제공된다면, 세로로 줄지어 위치한 상기 날개 바퀴들은 서로 반대 방향으로 회전하는 것이 바람직하다. 그럼으로써 물은 높낮이가 있는 방식으로 관련된 유로를 통해 움직일 수 있고, 그것에 의하여 유로에 존재하는 물은 관련된 날개 바퀴에 최적화된 동력 공급 효과를 달성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 날개 바퀴의 회전 샤프트는 적어도 실질적으로 수직으로 연장된다. 비록 회전 샤프트의 대안적인 배향이 가능할지라도 바람직하게는 흐름 방향에 수직한, 예를 들어 수평 배향, 수직 배향된 회전 샤프트를 구비한 날개 바퀴는 가장 유리한 방식으로 준비되어있다. 회전 샤프트는 실질적으로 작동 동안 블레이드의 중력 변화의 영향을 받지 않는다.

각각의 박막 층은 관련된 중심축에 대하여 자유롭게 움직일 수 있게 되고, 제한 수단에 의하여 부과되는 제한의 대상이 되기 위하여 각각의 블레이드에 고정되는 것이 바람직하다. 박막 층은 그리하여 제한 수단에 의하여 부과되는 제한을 제외하고는, 항상 최소한의 저항을 갖는 배향을 찾고 상정할 자유를 갖는다.

본 발명에서 블레이드는 날개 바퀴의 반경의 적어도 50% 이상의 길이인 박막 층과 함께 제공되는 것이 바람직하다. 이것은 박막 층이 관련된 블레이드와 평행하게 배향되었을 때 블레이드에 의하여 정의되는 바퀴 반경 길이의 적어도 50%가 관련된 블레이드의 표면 상 박막 층에 의하여 덮이는 것을 의미한다. 박막 층과 함께 제공되는 블레이드의 표면적이 클수록, 날개 바퀴에 의하여 달성되는 효율이 커진다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 서로 인접한 두 개의 박막 층의 중심축들 간의 거리는 상기 두 개의 중심축들 중 어떤 것과 관련된 박막 층의 너비보다도 작다. 평행 배향의 경우에 서로 인접한 두 개의 박막 층이 부분적으로 겹침으로써, 박막 층에 의하여 폐쇄된 표면이 형성되는 배치를 얻을 수 있다.

여기서 박막 층의 피봇 샤프트(pivot shaft)는 인접한 박막 층을 위한 제한 수단을 형성하는 것이 바람직하다. 박막 층의 움직임의 자유의 제한은 그렇게 함으로써 간단한 방법으로 달성될 수 있다고 예상된다.

박막 층의 흐름-효율적 형태는 관련된 박막 층의 중심축에 수직인 방향으로 중심축의 반대편에 위치한 말단의 방향으로 중심축으로부터 가져와 진 박막 층의 단면이 수렴하도록 설계됨으로써 달성될 수 있다. 이러한 모양은, 예를 들어 드롭 모양(drop shape), 흐름 방향에 평행하게 배향된 배치에서 흐르는 유체에 대한 상대적으로 낮은 흐름 저항을 제공하는 것으로 발견되었다.

박막 층은 중심축의 측면에 설계되어 관련된 측면이 상류 방향을 마주할 때 그것을 지나는 유수에 대한 저항이 최소가 되도록 하는 것이 바람직하다. 비록 이 측정은 여기에 희망에 따라 만들어진 것처럼 보일 수 있으나, 수문학 분야의 통상의 기술자에게는 이 요구 사항에 따르기 위한 박막 층의 관련된 측면 형태를 상정할 수 있음이 바로 분명해질 것이다.

블레이드들은 회전 샤프트 주변에 적어도 실질적으로 규칙적인 각도 폭으로 분배되는 것이 바람직하다. 회전 샤프트 주변의 블레이드들의 규칙적인 분배는 유리한, 일반적으로 평탄한 날개 바퀴의 회전 동작으로 이어진다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 적어도 두 개의 날개 바퀴는 유로 내에 세로로 줄지어 제공된다. 하우징 내의 제2, 가능하게는 제3 및, 이 목적을 위해 연장될 수 있는, 그 이상의 날개 바퀴의 제공은 각각 한 개의 날개 바퀴를 포함하고 제공하는 제2, 가능하게는 제3 및 그 이상의 수차와 비교했을 때 회전 샤프트의 회전의 전기 에너지로의 전환에 있어서 상대적으로 적은 노력을 필요로 한다. 적어도 하나의 유로 내의 물의 유속은 실제로 제1, 상류 날개 바퀴에 의하여 줄어들어, 제2 날개 바퀴의 효율은 제1 날개 바퀴의 효율 보다 낮다. 그러나 많은 경우 제2, 제3 또는 그 이상의 날개 바퀴들은 여전히 이득이 된다.

급수 범위는 적어도 하나의 유로의 방향으로 수렴하는 깔때기 모양인 것이 바람직하다. 유로 속 흐름의 상대적으로 큰 부분이 그럼으로써 유로로 밀려들어가고, 이것은 수차의 높은 효율로 이어진다.

급수 범위는 물 속에 존재하는 일정 크기 이상의 물체 또는 동물들이 수차로 들어오는 것을 방지하도록 설계된 보호 부재와 함께 제공되는 것이 더 바람직하다. 블레이드와 유로의 벽 사이로 들어오고 거기에 낀 물고기 또는 다른 동물들과 같은 물체가 수차의 수율에 해로운 영향을 준다는 것은 자명하다. 수차는 심지어는 그것에 의하여 막히거나 손상될 수도 있다. 이러한 보호 부재는 상기와 같은 위험을 적어도 상당한 범위까지 막아준다.

만약 보호 부재가 흐름 방향에서 보았을 때 비스듬하게 위쪽으로 연장된다면, 물체 또는 동물들은 보호 부재 및/또는 동물이 손상될 위험을 줄이면서 상대적으로 간단한 방식으로 수차에서 멀어지도록 인도될 수 있다.

바람직한 실시예에서, 수차는 적어도 수-인도 수단인 하우징, 그에 맞춰 유로를 감싸는 상부 벽 및 하부 벽을 포함한다. 하우징은 그리하여 적어도 흐름 방향의 가로축에서 보았을 때 완전히 폐쇄된 유로를 제공한다. 상부 및 하부 벽은 또한 움직이는 부분을 보호할 수 있다. 상부 및/또는 하부 벽은, 예를 들어 유지 보수 작업을 위한 것과 같이, 장치로의 접근성을 증가시키기 위해 대안적으로 생략될 수 있다.

완전히 폐쇄된 유로를 구비한 실시예에서, 급수 범위 및/또는 배수 범위는 각각 흡입 개구 및/또는 배출 개구에 의해 정의되는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 둘 이상의 유로가 하우징 내에 제공된다. 수율, 또한 종종 수차의 효율은 그럼으로써 향상될 수 있다. 제2 유로가 더 큰 하우징을 필요로 하는 것은 사실이나, 다양한 회전 샤프트의 회전 동작의 전기 에너지로의 변환을 위한 제공과, 그것의 육지로의 수송은 효율적인 방식에서 일어나야 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 흡입구 및/또는 적어도 하나의 유로는, 예를 들어 수로의 유속이 상대적으로 큰 기간에, 적어도 하나의 날개 바퀴에의 (너무) 큰 압력을 막기 위해 적어도 하나의 수문 개구와 함께 제공되도록 설계된다. 이 경우에 흡입구를 통하여 도입된 물의 일 부분은 하우징 외부로 적어도 하나의 수문 개구를 통하여 배수된다.

수차는 영구 자석 발전기가 수용된 수밀 공간을 포함하는 것이 바람직하다. 영구 자석 발전기는 무수 공간에서 작동해야 한다. 하우징으로의 통합 또는 적어도 수밀 격실으로의 통합은 따라서 필요하다. 한가지 대안은 PMG가 수차의 하우징으로부터 이격된 곳에 독립된 유닛으로 제공되는 것이다.

수차의 수율을 향상시키기 위하여, 그것이 하나가 다른 하나 위에 적층된 둘 이상의 날개 바퀴를 포함하도록 건설되어야 한다. 이것은 모듈식 건설 시스템으로 표시된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 수차는 가역성이 있도록 건설된다. 예를 들어, 수차는 서로 반대되는 두 흐름 방향으로 작동될 수 있다. 많은 경우 이것은 장치가 적어도 실질적으로 대칭의 중심을 갖도록 설계됨으로써 달성된다. 예를 들어, 명백하게도 반대 방향에서 보았을 때 급수 범위는 배수 범위와 디자인 및 유로들을 위한 홀드(hold)가 동일하다. 이런 수차는 조석수와 같이 물이 두 개의 반대되는 방향으로 흐를 수 있는 지역들에서 사용하기 적합하다.

본 발명의 제2 태양은 적어도 하나의 유로가 바람직하게는 완전히 수면 아래에 놓이는 강이나 조석수와 같은 유수에서의 본 발명의 제1 태양에 따른 수차의 사용과 관련되어있다. 부분적으로 수면 위로 나온 유로와 함께 작동하는 것도 당연히 가능하다. 그러나, 완전히 수면 아래에 놓이는 적어도 하나의 유로와 함께 작동하면 수차의 효율이 높다. 수면 아래에서 작동하는 것의 또 다른 주요 장점은 수차가 충분히 깊은 유수가 주어졌을 때, 눈에 보이지 않는 곳에 일정 흘수까지의 배 또는 심지어는 모든 배가 수차에 의해 방해 받지 않고 수로를 통해 지나갈 수 있게 위치할 수 있다는 것이다.

바람직하게는, 적어도 하나의 유로는 유수의 바닥으로부터 이격된 곳에 위치한다. 유수의 바닥으로부터 적어도 하나의 유로까지의 수직 거리는 적어도 50 cm 이다. 바람직하게는 바닥으로부터 적어도 75cm거리의 (충분히) 이격된 배치는 퇴적물이 물과 함께 하우징으로 흘러 들어와 수로의 바닥에 영향을 주는 암류가 흐름 내에 발생하는 것을 막거나, 적어도 위험성을 줄여준다.

바람직하게는, 적어도 하나의 유로는 유수 내에 실질적으로 수평하게 배향된다. 유로의 적어도 실질적으로 수평한 배향이 주어졌을 때, 유로를 통하는 유수는 불필요하게 방해 받지 않고 수차는 상대적으로 높은 효율을 가질 것이다.

유로의 배출구 쪽 바닥의 손상을 막기 위하여, 적어도 하나의 유로의 배출구는 흐름 방향에서 보았을 때 적어도 하나의 유로에 대하여 약간 위쪽 방향으로 연장된다. 이것은 수차 배면 수로의 바닥의 손상을 방지하거나 적어도 줄이도록 돕는다.

본 발명은 본 발명에 따른 수차의 선호되는 두 실시예의 도면에 대한 부호와 함께 더 자세히 설명될 것이다:
도 1a는 본 발명에 따른 수차의 실시예의 개략적인 절개 평면도이다;
도 1b는 도 1a의 수차의 개략적인 절개 측면도이다;
도 2는 도 1의 수차의 날개 바퀴를 따르는 흐름의 개략적인 절개 평면도이다;
도 3은 본 발명에 따른 수차의 대안적인 실시예의 개략적인 절개 평면도이다;
도 4는 도 3의 IV-IV선에 따른 수직 단면도이다;
도 5는 본 발명에 따른 수차의 다른 대안적인 실시예의 개략적인 투시도이다.
도 6a, 6b는 도 5의 수차의 개략적인 평면도이고;
도 7a 및 7b는 관련된 블레이드가 각각 흐름을 따라, 흐름을 거슬러 움직이는 상태에서의 서로 인접한 두 개의 박막 층을 통한 단면도를 보여준다.

도 1a에는 본 발명에 따른 수차 1의 실시예의 개략적인 절개 단면도가 도시되어있다. 수차 1은 흡입구 3, 유로 4 및 수밀 PMG 격실 5를 구성하는 하우징 2을 포함한다. 흡입구 3는 유로 4를 향해 수렴하는 두 개의 수직 측벽 6, 7, 하부 벽 8 및 상부 벽(도 1a에 미도시)를 갖는다. 수문 실린더 10는 측벽 7 내에 제공된다. 상부 벽에 존재하는 수문 스트립 11의 위치는 개략적으로 나타나있다. 유로 4는 두 개의 측벽 12, 13, 하부 벽 14 및 상부 벽(도 1a에 미도시)에 의해 정의된다. 원뿔대 형태의 단면을 갖는 수직으로 연장되는 윤곽 16은 유로 4의 측벽 12, 13의 내부 면에 존재한다. 3개의 날개 바퀴 17a, 17b, 17c는 유로 4에 배치되어 있다. 블레이드 28의 경로는 상기 경로의 일 부분으로부터 가까운 거리에 위치한 윤곽 16에 의하여 부분적으로 구속되어있다. 날개 바퀴 17a-c는 작업 동안에 각각의 회전 샤프트 18a, 18b, 18c에 대하여 화살표 Pa, Pb, Pc를 따라 회전한다. 수밀 PMG 격실 5은 흡입구 3의 측벽 6 의 일 부분, 유로 4의 측벽 13의 일 부분, 측벽 19, 측벽 20, 하부 벽 21 및 상부 벽(도1a에 미도시)에 의한 흡입구 3으로부터 유로 4로의 전이 지역에 형성된다. 도 1a의 부호 숫자 23은 날개 바퀴 17의 회전 동작을 수밀 PMG 격실 5 내의 영구자석 발전기(PMG)로 전달하기 위한 공지된 기계적 전달을 개략적으로 나타낸다. 흡입구 3는 그것의 상류 쪽의 물고기 및 오염물질에 대항하기 위한 격자 25와 함께 제공된다.

도 1b는 도1a의 수차 1의 개략적인 절개 측면도를 보여준다. 수차 1의 구성요소에는 당연하게도 도 1a에서와 같은 부호 숫자가 주어졌다. 흡입구 3의 상부 벽은 여기서 부호 숫자 9를 갖고, 유로 4의 상부 벽은 부호 숫자 15를 갖는다. 수차 1는 기저 표면 27에 기둥 26의 방법으로 안전하게 닻을 내렸다.

도 2는 날개 바퀴 17a가 존재하는 유로 4의 일 부분에 대한 개략적인 절개 평면도이다. 날개 바퀴 17a는 개략적으로 도시되었으나, 도 1a에서보다는 훨씬 자세하다. 날개 바퀴 17a는 3개의 블레이드 28가 회전할 수 있고 작동 동안에 유로 내에서 수직 방향으로 연장되는 회전 샤프트 18a를 갖는다. 3개의 블레이드 28 각각은 여기에 콜스 래스터(coarse raster) 형태의 중심 표면 29을 갖는다. 수직 축30에 대하여 회전 가능한 박막 층 31은 상기 래스터에 설치되어있다.

도 3은 본 발명에 따른 수차 51의 대안적인 실시예를 보여준다. 수차 51는 수차 1와 비슷하나, 두 개의 유로 54를 갖는다. 도 1a 및 도 1b의 요소들과 일치하는 도 3의 요소들은 달리 언급되지 않는 한 도 1a 및 도 1b에서의 부호 숫자보다 50큰 부호 숫자를 부여 받았다. 수차 1과 비교하였을 때 수차 51의 두드러지는 차이점은 수차 51에서는 분리 벽 82에 의하여 분리되는 두 개의 유로 54a, 54b가 분리 벽 82이 역시 연장되어있는 하나의 흡입구 53에 의하여 공급 받는다는 점이다. 분리 벽 82은 두 유로 54a, 54b에 대하여 도 1a의 측벽 12, 13과 같이 기능한다.

도 4는 마침내 도 3의 IV-IV선에 따른 수직 단면도이다. 도3의 요소들과 일치하는 도4의 요소들은 도 3에서의 부호 숫자와 같은 부호 숫자를 부여 받았다. 유로 54a, 54b는 하부 벽 64 및 상부 벽 65, 측벽 62, 63 및 분리 벽 82에 의해 정의된다. 유로 54a, 54b 내에는 두 개의 날개 바퀴 67a1, 67a2가 있다. 각각의 날개 바퀴 67a1, 67a2는 회전 샤프트 68a1, 68a2 및 도 4에 도시된 래스터 79만이 중심 표면을 형성하는 블레이드를 갖는다. 박막 층은 관련된 블레이드의 래스터에 대항하여 회전 샤프트 68a1, 68a2의 크로스 해치(cross hatch)된 면에 놓인다. 래스터 앞에 위치한 박막 층은 이 결과 가시적이다. 그러나, 회전 샤프트의 다른 편에는 박막 층이 래스터 79의 수직 부분 바로 뒤에 놓인다, 예를 들어 보는 방향에서 보여지는 그것의 연장된 방향에서, 수직 부분은 박막 층의 중심 축 80과 일치하여 래스터는 박막 층 앞에 보인다.

도 5, 6a 및 6b는 각각 이하에서 더 자세히 설명될 본 발명에 따른 유로 104가 오직 각각 수-인도 부재 106a, 106b 및 107a, 107b 의 두 개의 측벽 112a, 112b 및 113a, 113b에 의해 정의되는 수차 101의 실시예의 투시도, 평면도를 개략적으로 보여준다. 수차 101은 또한 PMG 격실을 포함하나 이것은 명확성을 위하여 이 실시예의 도면에서 생략되었다. 통상의 기술자는 날개 바퀴 117a, 117b의 회전을 전기 에너지로 전환하기 위해 날개 바퀴 117a, 117b를 PMG 격실에 어떻게 연결하는지 알 것이다. 날개 바퀴 117a, 117b는 각각 서로 120º 의 각도로 배치된 3 개의 블레이드 128를 포함한다. 블레이드 128는 각각 사이에 회전 가능한 박막 층 131이 연장되는 상부 암 128a 및 하부 암 128b을 포함한다. 박막 층 131은 관련된 블레이드 128가 흐름을 따라 움직일 때 박막 층 131의 피봇 샤프트 130가 인접한 박막 층 131과 접합을 이루도록 배치된다. 피봇 샤프트 130는 그리하여 인접한 회전 가능한 박막 층 131의 회전 동작을 제한한다. 이것은 도 6a, 6b에서 볼 수 있고, 도 7b에서 보다 자세히 볼 수 있다. 수차 101의 수-인도 부재는 회전 축 또는 서로 겹쳐진 날개 바퀴 117a, 117b의 샤프트 118a 내에 대칭의 중심을 갖는다. 이 대칭의 중심은 정확히 유지될 필요는 없으나, 두 날개 바퀴 117a, 117b가 양 면으로부터 흐름을 받을 수 있도록 한다. 수차 101는 이렇게 하여 날개 바퀴 117a, 117b가 물의 흐름의 방향에 따라 시계 방향(도 6a의 화살표 R1)으로 또는 흐름을 거슬러(도 6b의 화살표 R2) 회전하는 조석수 내에 위치하기 적합하다.

도 7a, 7b는 박막 층 31a, 31b이 화살표 Z 방향으로 중심축 30에 대하여 회전 가능하도록 설치된 블레이드 28가 각각 화살표 S에 의해 지시된 흐름 방향을 거슬러 움직이는 상황과 화살표 S에 의해 지시된 흐름 방향을 따라 움직이는 상황에서의 두 서로 인접하는 박막 층 31a, 31b의 개략적인 단면도를 보여준다. 수차 1의 작동은 이제 설명될 것이다. 수차 1가 바닥 27에 닻을 내렸을 때, 예를 들어 흡입구가 도 1b에 도시된 것처럼 상류를 마주하며 강 바닥에 기둥 26의 방법으로, 강물은 화살표 S를 따라 물고기 및 오염물질 방지 격자 25 및 흡입구 3를 통해 수차 1로 흐를 것이다. 물고기 및 오염물질 방지 격자 25는 그것을 통해 흐르는 물이 실질적으로 방해 받지 않고, 수차(의 작동)을 방해하지 않거나 실질적으로 방해하지 않는 작은 물체 또는 어떤 작은 물고기는 통과하도록 하고, 굵은 물체나 상대적으로 큰 동물들은 격자 25에 의하여 막히는 망을 갖는다. 격자 25가 막히는 것을 방지하기 위하여, 오염물질이 격자 25에서 흘러내리도록 그것은 흡입구 3 앞에 일정 각도로 놓여진다. 물은 흡입구 3로부터 유로 4로 평균 흐름으로 흘러 들어갈 것이다. 그러나 만약 흐름이 너무 강하다면, 물은 수문 스트립 11및 수문 실린더 10 내의 수문을 통하여 흘러나갈 것이다. 블레이드 상의 수압 또는 블레이드의 회전 속도는 이 목적을 위하여 공지의 방식으로 물을 방출하는 수문 실린더에 신호를 주기 위한 센서에 의해 측정될 수 있다. 만약 필요하다면, 예를 들어 수차 밖의 물의 유속을 기록하는 하우징 외부의 센서가 사용될 수 있다. 센서 신호에 반응하여 기계식 밸브가 열리거나 닫히는 것 또한 가능하다. 이것은 날개 바퀴 18a, 18b, 18c 상에 물에 의하여 가해지는 힘이 수차 1를 손상시킬 위험을 줄이거나 없애준다. 흡입구의 측벽 6이 윤곽 16에 의하여 연장되기 때문에, 물은 특히 흐름 방향에서 보았을 때 날개 바퀴 18a의 왼손 편에 작용한다. 관련된 블레이드 28의 박막 층 31은 폐쇄된다, 예를 들어 박막 층 31은 적어도 실질적으로 블레이드 28가 폐쇄되고 그에 따라 관련된 블레이드 28에 흐름이 힘을 발휘하는 중심 판상 표면 29 (도 2 참조)으로 연장된다. 상류 측의 박막 층 31 상의 힘이 하류 측의 그것보다 큰 한, 박막 층 31은 흐름의 상류 측에 남아있을 것이다. 흐름 방향에 대하여 가로로 연장되는 박막 층 31은 박막 층 31의 하류에 존재하는 래스터에 대항하도록 촉구될 것이다. 날개 바퀴 17a가 회전 방향 Pa에서 더 회전함에 따라, 박막 층 31은 그들 자신을 도 2에 도시된 다른 두 블레이드 28에 묘사된 것처럼 배향하기 위해 회전할 것이다. 도 2에서 분명해지듯이, 이 블레이드 28가 흐름 방향을 거슬러 움직이고 그리하여 실질적으로 중앙 평면 29 내 위치한 대응되는 래스터를 통한 물의 경로를 위해 관련된 블레이드 28를 해방시킬 때 박막 층 31은 관련된 블레이드 28의 하류 측에 존재할 것이다. 통상의 기술자에게 그렇게 함으로써 날개 바퀴 17a의 움직임이 발생하고 유지된다는 것은 자명할 것이다. 흐름은 그 후에 윤곽 16과 측벽 13에 의하여 날개 바퀴 17a로부터 상기 설명된 것과 같은 원리로 반대 방향으로 도는 날개 바퀴 17b를 향해 밀쳐진다. 물은 그 후 날개 바퀴 17c를 향해 흐르고, 수차 1 주변을 흐른 물과 섞이기 위하여 배출구 4를 통해 나간다. 하우징 주변으로 흐르는 물의 속도와 비교한 하우징을 통해 흐르는 물의 속도는 부분적으로는 흡입구의 상류 측 표면적에 대한 유로의 표면적의 비율에 의해 결정된다. 물은 유로의 단면적보다 넓은 단면적을 갖는 흡입구가 사용된다는 점에서 가속된다. 반면에, 속도는 유로 내에서 감속된다. (유로에 대하여) 너무 크지 않은 흡입구가 주어졌을 때, 유로 4 내의 흐름이 가속되고 수차의 효율이 더 향상되는 벤튜리 효과(Venturi effect)가 배출구에 발생될 것이다. 날개 바퀴 17a, 17b, 17c는 회전 동작이 전기로 전환되는 PMG 격실 5 내의 영구 자석 발전기 24로 동작이 전달되는 방식이 기술분야에 공지된, 예를 들어 기어와 로드 시스템 방식의, 각각의 회전 샤프트 18a, 18b, 18c에 대하여 회전한다. 이 전기는 케이블(도면에 미도시)을 통하여 그것이 사용될 수 있는 육지로 전송된다.

수차 51의 작동은 수차 1의 그것과 대응되기 때문에 설명이 더 필요하지 않다.

도 5 및 6의 수차 101의 작동은 이제 설명될 것이다. 수차 101은 이전의 실시예들에서와 달리 유로 104의 상부 및 하부 벽이 없기 때문에 적어도 실질적으로 상부 및 하부 면이 개방되어있다. 이것의 장점은 오작동하는 경우 및/또는 유지보수가 필요한 경우 날개 바퀴 117에 항상 잘 접근 가능하다는 것이다. 수-인도 부재 106a, 106b 각각은 상류(작동 동안)에 위치하고 일반적으로 유로 104의 방향에서 수차 101의 작동에 대항하는 흐름의 일 부분의 방향을 바꾸는 인도 표면 103을 갖는다. 유로 104는 관련된 날개 바퀴 117의 블레이드 128의 경로 B에 바싹 인접하는 측벽 112, 113에 의해 정의된다. 블레이드 128의 경로 및 측벽 112, 113 사이의 거리는 도 5 및 6에 상대적으로 크게 묘사되었다. 실제로 관련된 블레이드 128를 구동시키지 않고 블레이드 128와 측벽 112, 113 사이를 흐를 수 있는 물의 양을 최소화하기 위하여 관련된 거리는 최소화될 수 있다. 유로 104를 통해 지난 후에 물은 수차 101로부터 자유롭게 배출될 수 있다. 수차 101의 실질적으로 대칭적인 배열 때문에 그것의 작동은 조석수에서처럼 흐름 S가 반전됨에 따라 가역적이다. 물의 흐름 S의 방향이 도 6a에서의 그것과 반대인 경우에 블레이드 128의 박막 층 131의 배향이 묘사된 이것은 도 6b에 도시되어있다. 수차 101는 이것을 위해 개작되거나 다르게 조정될 필요 없다. 박막 층 131 및 중심축 130은 정말로 반대지만, 도 6a에서의 상황에서와 같은 방식으로 작동한다.

물고기 및/또는 오염물질을 막기 위한, 격자와 같은, 수단이 수차 101에도 제공된다는 것은 자명하다. 이러한 수단들은 그들이 물고기 및/또는 오염물질을 수로 내의 높은 준위로 인도하는 효과를 가질 것이다. 유로를 가릴 수 있는 상부 벽의 존재 또는 부재는 이것에 있어서 중요하지 않다.

본 발명의 가장 중요한 측면은 관련된 블레이드가 (부분적으로) 흐름 S의 방향에 따라 움직일 때, 예를 들어 만약 관련된 블레이드의 움직임이 물의 흐름에 평행한 요소를 갖는다면, 이러한 배향이 대응되거나 제한되는 반면에, 관련된 블레이드가 (부분적으로) 흐름 S의 방향을 거슬러 움직일 때, 예를 들어 만약 관련된 블레이드의 움직임이 물의 흐름 방향에 반대되는 요소를 갖는다면, 박막 층이 항상 자동적으로 물의 흐름에 따른 가장 낮은 저항을 갖는 배향을 찾는 조치이다. 도 7은 본 발명에 따라 이것이 어떻게 시행되는지를 보여준다. 도 7a는 블레이드가 28가 물의 흐름 방향 S에 대하여 반대되는 방향 R로 움직이는 상황을 보여준다. 적어도 이 상황에서는 자유롭게 회전 가능한 박막 층 31a, 31b는 도 7a에 도시된 것처럼 이것에 반응하여 자동적으로 그들 자신을 배향할 것이다. 이것은 물리적으로 결정된다. 관련된 블레이드 28가 더 움직일 때, 박막 층은 관련된 블레이드 28가 흐름 S의 방향과 평행하게 배향될 때까지 항상 중심축 30 뒤에서 흐름 S의 방향과 평행하게 배향된다. 이것이 바로 중심축 30의 반대편에 위치한 관련된 박막 층 31a의 날개 뒷전이 인접한 박막 층 31b과 접하여, 박막 층 31a의 더 이상의 회전을 막는 순간이다. 이 상황은 박막 층 31b에 대한 박막 층 31a의 접합이 유수에 의하여 다시 들어올려지는 날개 바퀴의 약 180°의 회전 동작까지 유지된다. 수차 101의 박막 층 131의 이 작동은 박막 층 31의 그것과 비슷하다.

박막 층의 움직임의 제한 또는 접합을 실현시키기 위하여 다양한 조치가 가능하다는 것은 자명하다. 본 발명은 도 7에 도시된 조치에 분명히 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 오직 두 실시예만이 도면에 도시되고 본문에 설명되었다. 다양한 변형이, 통상의 기술자에게 자명하든지 자명하지 않든지 첨부된 청구항에서 정의된 본 발명의 보호 범위 내에서 가능하다는 것은 분명하다. 그러므로 유로 내에 오직 하나, 또는 둘, 또는 그 이상의 숫자의 날개 바퀴를 제공하는 것이 가능하다. 바람직하게는 반드시 다른 유로에 배치할 필요 없이, 삼, 사, 또는 그 이상의 열의 날개 바퀴를 하우징 내에 수용하는 것 또한 가능하다. 흐름을 유도하는 윤곽은 바람직하나 필수적인 것은 아니고, 그것들은 대안적인 형태를 가질 수 있다. 수차는 강 바닥뿐만 아니라, 예를 들어 갯골과 같은 조석수의 바닥에도 제공될 수 있다. 갯골은 상대적으로 깊고 그곳의 조류는 일반적으로 집중되어있다. 예를 들어, 상대적으로 강하고 실질적으로 항상 같은 방향이다.

Claims (28)

1. 유수에 사용하기 위한 수차에 있어서, 상기 수차는 작업 동안에 상류에 위치한 급수 범위 및 작업 동안에 하류에 위치한 배수 범위와 함께 적어도 하나의 실질적으로 수평인 유로(flow channel)인 수-인도 수단;
   상기 유로에 제공되고 작업 동안에 흐름 방향에 대하여 실질적으로 수직으로 배향된 회전 샤프트를 갖는 적어도 하나의 날개 바퀴;
   동작 요소와 함께 흐름 방향으로 움직일 때 적어도 하나의 유로를 통해 상대적으로 높은 유수에 대한 저항 계수를 갖고, 동작 요소와 함께 흐름 방향을 거슬러 움직일 때 적어도 하나의 유로를 통해 상대적으로 낮은 유수에 대한 저항 계수를 갖도록 설계된 적어도 세 개의 블레이드; 및
   상기 적어도 하나의 날개 바퀴의 상기 회전 샤프트의 회전 동작을 영구-자석 발전기로 전달하기 위한 전달 수단을 포함하고,
   상기 각각의 블레이드가 적어도 실질적으로 상기 날개 바퀴의 상기 회전 샤프트에 평행하게 연장되는 중심축에 대하여 회전 가능한 박막 층을 포함하며, 각각의 박막 층의 상기 중심축은 상기 각각의 박막 층의 장편에 또는 그 주변에 위치하고, 상기 박막 층의 회전 동작은 상기 관련된 블레이드가 상기 흐름을 따라 움직일 때 제한 수단에 의하여 방해 받고, 상기 박막 층은 상기 관련된 블레이드가 흐름을 거슬러 움직일 때 자유롭게 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 수차.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수로는 작업 동안 흐르는 물에 대하여 낮은 흐름 저항을 갖는 내벽과 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 수로는 상기 적어도 하나의 날개 바퀴에 의하여 만들어지는 궤도와 일치하는 모양을 갖는 내벽과 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 적어도 두 개의 날개 바퀴는 유로 내에 세로로 줄지어 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유로는 그것을 통해 적어도 하나의 날개 바퀴의 상기 날들이 상기 흐름을 따라 움직이는 방향으로 유수를 인도하는 것을 특징으로 하는 수차.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 세로로 줄지어 위치한 날개 바퀴들은 서로 반대되는 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 수차.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 박막 층 각각은 상기 관련된 중심축에 대하여 자유롭게 움직일 수 있게 되고, 상기 제한 수단에 의하여 부과되는 제한의 대상이 되도록 각각의 날에 고정되는 것을 특징으로 하는 수차.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 날은 상기 날개 바퀴의 반경의 적어도 50% 이상의 길이인 박막 층과 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 서로 인접한 두 개의 박막 층의 상기 중심축들 간의 거리는 상기 두 개의 중심축들 중 어떤 것과 관련된 박막 층의 너비보다도 작은 것을 특징으로 하는 수차.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 박막 층의 피봇 샤프트(pivot shaft)는 인접한 박막 층을 위한 제한 수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 수차.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 관련된 박막 층의 상기 중심축에 수직인 방향으로 상기 중심축의 반대편에 위치한 말단의 방향으로 상기 중심축으로부터 가져와 진 박막 층의 단면이 수렴하도록 설계된 것을 특징으로 하는 수차.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 박막 층은 상기 중심축의 측면에 설계되어 상기 관련된 측면이 상류 방향을 마주할 때 그것을 지나는 유수에 대한 저항이 최소가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 수차.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 날들은 상기 회전 샤프트 주변에 적어도 실질적으로 규칙적인 각도 폭으로 분배되어 있는 것을 특징으로 하는 수차.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 급수 범위는 상기 적어도 하나의 유로의 방향으로 수렴하는 깔때기 모양인 것을 특징으로 하는 수차.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 급수 범위는 물 속에 존재하는 일정 크기 이상의 물체 또는 동물들이 상기 수차로 들어오는 것을 방지하도록 설계된 보호 부재와 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
16. 제15항에 있어서, 상기 보호 부재는 상기 흐름 방향에서 보았을 때 비스듬하게 위쪽으로 연장되는 것을 특징으로 하는 수차.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 하나의 항에 있어서, 수차는 적어도 물을 인도하는 수단인 하우징, 그에 맞춰 상기 유로를 감싸는 상부 벽 및 하부 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 수차.
18. 제17항에 있어서, 상기 급수 범위 및 상기 배수 범위는 각각 흡입 개구 및/또는 배출 개구에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 수차.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 하나의 항에 있어서, 둘 이상의 유로가 하우징 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
20. 제17항 내지 제19항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 흡입구 및/또는 상기 적어도 하나의 유로는 적어도 하나의 수문 개구와 함께 제공되는 것을 특징으로 하는 수차.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 수차는 영구 자석 발전기가 수용된 수밀 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 수차.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 수차는 하나가 다른 하나 위에 적층된 둘 이상의 날개 바퀴를 포함하는 것을 특징으로 하는 수차.
23. 제1항 내지 제22항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 수차는 서로 반대되는 두 흐름 방향으로 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 수차.
24. 제1항 내지 제23항에 따른 수차를 상기 적어도 하나의 유로가 완전히 수면 아래에 놓이는 강 또는 조석수와 같은 수로에 사용하는 수차의 용도.
25. 제24항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유로가 상기 수로의 바닥으로부터 이격된 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 수차의 용도.
26. 제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 수로의 상기 바닥으로부터 상기 적어도 하나의 유로까지의 수직 거리가 적어도 50 cm인 것을 특징으로 하는 수차의 용도.
27. 제24항 내지 제26항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유로가 상기 수로 내에 실질적으로 수평하게 배향되는 것을 특징으로 하는 수차의 용도.
28. 제24항 내지 제27항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유로의 상기 배출구는 약간 위쪽 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 수차의 용도.
    

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