KR20160002856A - 전력 생성 수 터빈 조립체 - Google Patents

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빈센트 맥코막
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Abstract

가속기 및 수 터빈 조립체는 비차단 주변 조류의 속도보다 큰 속도를 갖는 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위한 수류 가속기 및 수 터빈(12)을 포함하는, 조류 내에 장착하기 위해 제공되며, 가속기는 전방 면(13) 및 이로부터 매달린 측면(14)을 대향하는 수류를 갖는 가속기 몸체 부재(11)를 포함하고, 이 몸체 주위에서 물이 터빈 드라이버 흐름과 같이 각각의 측면에 인접하게 유동하고, 수 터빈(12)은 수류가 최대 속도를 갖는 가속기의 측면에 근접하고 이에 인접하게 유동하는 가속된 터빈 드라이버 흐름으로부터 가속기 몸체 부재에 의해 부분적으로 덮이도록 장착되며, 가속기는 임의의 다른 흐름 방해의 효과를 변경하는 터빈 드라이버 흐름으로부터 횡방향으로 이격된다.

Description

전력 생성 수 터빈 조립체{A POWER GENERATING WATER TURBINE ASSEMBLY}
본 발명은 비차단 주변 조류의 속도보다 큰 속도를 갖는 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위한 수류 가속기 및 수 터빈을 포함하는, 조류 내에 장착하기 위한 가속기 및 수 터빈 조립체에 관한 것이다. 이들 조립체는 또한 수 펌프, 공기 압축기 및 유사 설비에 대해 유용할지라도 전적으로 전력 생성의 용도로 사용된다. 용어 "조류"는 많은 경우에 수 터빈이 조류 변화에 노출되는 위치에 배열되기 때문에 본 명세서에서 사용된다. 그러나, 본 명세서에서의 용어 "조류" 및 "흐름"은 단순히 조류 변화에 노출되는 물의 흐름이 아니라 일반적으로 구조물로부터 강, 해류 및 하천유량(water discharge)과 같은 물의 이동을 지칭하는 것으로 이해되어야 한다. 추가로, 용어 "조류" 및 "흐름"은 상호호환적으로 본 명세서에서 사용된다. 수력 발전은 이용가능한 상당한 재사용가능 에너지원이 아닐지라도 최상위 것 중 하나이다. 조류는 일부 우수한 요인으로 인해 충분히 이용되지 않는 이러한 전력의 최대 공급원이다.
유지보수 비용과 함께, 해양 설비에 대해 특히 비용이 많이 소요되는 자본 설비 비용이 주요 인자인 것은 자명할지라도, 수력발전 및 유사 전력 출력 임무를 위해 수 터빈의 사용에 영향을 미치는 기술적 인자를 고려하는 것이 중요하다. 이들 기술적 인자가 금융 투자 및 후속 금융 성과에 대한 주요 영향을 미치기 때문에, 과거에는 이에 대한 상당한 작업이 수행되었다.
이러한 수력 발전을 사용하지 않기 위하여 언급된 3개의 주요 기술적 요인은 우선, 상당히 강한 조류, 또는 더욱 정확하게는 본 명세서에서 언급된 바와 같이 충분히 빠른 터빈 드라이버 흐름을 획득하는 데 있어서의 문제점, 둘째로 파편으로부터 수 터빈의 보호 필요성에 대한 문제점, 및 최종적으로 열악한 날씨 조건 하에서 조립체를 손상으로부터 보호하는 것에 대한 문제점이다.
그러나, 주요 문제점은 수 터빈에 의해 생성된 에너지 및 이의 전력 출력이 터빈이 겪는 조류, 즉 본 터빈 드라이버 흐름에 관한 것이다. 자명하게도, 최적의 터빈 드라이버 흐름이 겪는 수 터빈을 배치하는 것이 중요하다. 잠재적 전력 출력이 터빈 드라이버 흐름이 아닌 터빈 드라이버 흐름의 제3 전력(third power)에 대해 선형으로 비례한다. 따라서, 터빈 드라이버 흐름의 2배 증가는 수 터빈 출력의 잠재적 8배 증가를 야기한다. 게다가, 전 세계 중 특정 위치에서, 조류의 속도는 매우 높지만 터빈의 구동에 있어서는 비교적 낮다. 불행하게도, 비교적 높은 속도의 조류는 대부분의 위치에서 형성되지 않고, 비차단 주변 유동은 적합한 터빈 드라이버 흐름과 같이 거동하기에 불충분하다. 따라서, 주요 문제점은 터빈 드라이버 흐름을 개선하는데 있어서의 필요성이며, 이 문제점은 그 무엇보다도 현저하다. 따라서, 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위하여 비차단 주변 조류를 가속하는 것이 그 무엇보다도 더욱 중요하다. 이는 비차단 주변 조류가 적합한 터빈 드라이버 흐름을 제공하기에 충분한 위치에서 적용된다.
터빈 로터에 대한 절대적인 이론적 최대 효율이 59.3%임을 고려할 때(저번 에어로다이나믹시스트 알베르트 베츠(German aerodynamicist Albert Betz)에 따른 잘 공지된 한계), 상용 수 터빈의 효율이 50%에 도달되는 경우, 전체 출력 효율을 증가시키기 위하여 수 터빈의 설계의 추가된 효율 범위가 비교적 제한된다. 매우 간단한 계산에 의해 명확해지는 바와 같이, 60%의 효율, 즉 이론적 최대값으로 작동하는 수 터빈에 대한 드라이버 흐름으로서 움직이는 특정 속도의 비차단 주변 조류가 있고 이 조류가 제1 드라이버 흐름보다 25% 더 높은 드라이버 흐름에서 40% 효율로 작동하는 수 터빈과 비교되는 경우, 실제로 전력 출력이 30% 증가한다. 터빈이 동일한 조건에 따라 50% 효율로 작동하는 경우, 이점은 60%를 초과한다. 따라서, 드라이버 흐름의 증가는 가장 중요한 쟁점이다. 전술된 것을 반복하기 위하여, 비차단 주변 흐름에 대해 드라이버 흐름을 2배로 하는 경우, 효율이 상당히 증가한다. 이들 문제점을 해결하기 위한 다양한 제안사항은 두 영역으로 분할하는 것이다. 제1 부분은 장착된 수 터빈을 향하여 조류의 유동을 집중시키는 해저 상의 한 쌍의 이격된 방해물을 제공하는 것이다. 또한 재차 유동을 집중시키기 위하여 벤투리 퍼넬(venturi funnel)을 형성하도록 서로 연결된 폰툰을 갖는 부유하는 유형의 이들 방해물도 있다. 이들은 특히 성공적인 것으로 입증되지 못했다. 유동은 예상된 바와 같이 속도가 필수적으로 증가하기보다는 억제되는 것으로 보여질 수 있다. 이러한 구조물의 선호되는 예시는 미국 특허 출원 공보 제US2005/0236843A1호(로디어(Roddier) 등)에 기재된다.
미국 특허 출원 공보 제US 2009/0226296 B1호(비베우(Bibeau) 등)는 고정된 수 터빈의 업스트림에 위치되고 유동 속도, 이에 따라 터빈 드라이버 흐름을 증가시키는 대양저(ocean floor) 상에 위치된 성형된 대상물을 사용하는 것을 기재한다. 성형된 대상물의 위치는 수 터빈과 독립적으로 효과적으로 설치되고, 또한 대상물 뒤의 비교적 흐름이 없는 영역으로 성형된 대상물 뒤의 터빈을 이동시킴으로써 터빈을 보호하기 위하여 사용된다. 재차, 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위하여 속도의 증가는 예상될 수 있는 것보다 상당히 작은 것으로 보여진다. 일부 방식으로, 이 문헌에 개시된 장치의 효율 및 유효성의 가장 중요한 비평은 이 문헌의 문단 0068에 포함된다. 이 문헌의 주장에 따르면, 구조물의 증가된 비용 지출을 해결하기에 충분하지 못하게, 6% 내지 17%의 전력 증가가 제공된다. 또한, 본 발명에 관한 일부 관련성에 있어서, 본 발명이 일반적으로 바람직하지 못하거나 또는 가장 적절하지 못한, 방해물의 다운스트림에서의 난류의 크기를 증가시키기 위한 상당한 언급이 참조된다.
본 발명은 비차단 주변 조류(uninterrupted ambient tidal stream)의 속도보다 실질적으로 더 높은 속도를 갖는 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위하여 가속기 및 수 터빈 조립체를 제공하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에 따라서, 비차단 주변 조류의 속도보다 큰 속도를 갖는 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위한 수류 가속기 및 수 터빈을 포함하는, 조류 내에 장착하기 위한 가속기 및 수 터빈 조립체가 제공되며, 가속기는 전방 면 및 이로부터 매달린 측면을 대향하는 수류를 갖는 가속기 몸체 부재를 포함하고, 이 몸체 주위에서 물이 터빈 드라이버 흐름과 같이 각각의 측면에 인접하게 유동하고, 수 터빈은 수류가 최대 속도를 갖는 가속기의 측면에 근접하고 이에 인접하게 유동하는 가속된 터빈 드라이버 흐름으로부터 가속기 몸체 부재에 의해 부분적으로 덮이도록 장착되며, 가속기는 임의의 다른 흐름 방해의 효과를 변경하는 터빈 드라이버 흐름으로부터 횡방향으로 이격된다.
발명자는 또한 본 발명이 조류 속도가 일반적으로 낮은, 즉 가속기의 효과로 인해 최대 1.5 m/s인 위치에서 사용하기에 특히 적합한 것을 발견했다. 이는 시스템들이 공지된 시스템보다 더욱 다양한 위치에 배치될 수 있는데 있어서 특히 선호되며, 이에 따라 조류의 더욱 효율적이고 더욱 상당한 사용이 허용된다.
추가로, 발명자는, 본 발명의 가속기 및 터빈 장치가 유체가 더 적은 저항의 더 용이한 경로를 찾을 수 있는 확장된(비교적 넓고 깊은) 개방 유동에서 사용하기에 이상적으로 적합한 것을 발견했고, 2개의 가속기 또는 방해물이 서로 너무 근접한 경우, 이의 조합은 바람직하지 못한 이들 사이의 난류를 유발하고 유동을 제한하는 이들 사이의 공간과 단일의 방해물로서 기능을 한다.
게다가, 터빈의 크기는 단지 소정 백분율의 비차단 주변 조류보다 더 높은 속도의 터빈 드라이버 흐름을 겪도록 선택될 수 있다. 지금까지, 터빈 드라이버 흐름을 유도하는 터빈이 비차단 주변 스트림의 실질적으로 최대 가속이 제공되는 위치에 근접하게 제공되는 가속기의 임의의 구조물은 없었다. 예를 들어, 최소 터빈 드라이버 흐름이 비차단 주변 조류보다 80% 초과하고, 반-잠수된/부유하는 파편 및 표류물(flotsam)이 가속된 터빈 드라이버 흐름에 의해 터빈으로부터 이격되도록 보장하는 이점에 제공된다. 이는 실제로 장치 주위의 유체 압력 변화에 의해 야기된다. 유체 속도는 이 유체가 가속기 면의 정면과 만남에 따라 감속되고, 이에 따라 터빈으로부터 이격되는 부유하는 파편을 가압하는 유체 압력의 증가가 야기된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 가속기 및 수 터빈 조립체가 제공되는데, 수 터빈은 주변 조류를 대향하는 가속기 몸체 부재의 최대 폭 부분에 또는 이의 다운스트림에 장착된다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 수 터빈은 가속기 몸체 부재의 측면 내의 리세스 내로 돌출됨으로써 적어도 부분적으로 덮인다(shrouded). 이 덮임(shrouding)은 편향 플랩을 가속기의 면에 부착시키거나 또는 가속기 몸체 부재의 측면 내의 리세스 내로 수 터빈을 장착함으로써 제공될 수 있다. 이는 수 터빈의 작동을 상당히 개선시킨다. 수 터빈의 외측 직경의 적어도 5% 내지 50% 이하가 덮이고, 일반적으로 이는 5% 내지 35%이다. 덮임의 크기는 선택된 수직 축 터빈의 특정 구조물에 따를 것이다. 명확한 이점에 있어서, 가속기 내에 터빈을 장착할 때, 가속기가 폰툰의 형태인 것이 대개 이상적이다. 우선적으로, 터빈은 손상으로부터 보호되고, 둘째로 이의 덮임에 따라 이의 효율이 증가된다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 수 터빈은 주변 조류를 대향하는 가속기 몸체 부재의 최대 폭 부분에 또는 이의 다운스트림에 장착됨에 따라 최대 터빈 드라이버 흐름이 생성되는 것으로 밝혀졌다. 가속기 몸체 부재의 각각의 측면의 전방 면 부분이 실질적으로 아치형 형상이다. 바람직하게는 아치형 형상은 반-원형일 수 있다. 이 형상은 난류의 감소 및 층류의 제공을 돕는다.
본 발명의 일 실시 형태에서, 가속기 몸체 부재는 실질적으로 타원형 평면을 가지며, 또 다른 평면은 실질적으로 에어포일 단면을 갖는다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 수 터빈의 치수는 수 터빈이 가속기 조류 내로 가속기 몸체 부분의 최대 폭의 0.2 내지 0.6의 거리로 돌출되도록 선택된다. 이상적으로, 이는 가속기 몸체의 최대 폭의 0.4의 거리로 돌출된다.
이상적으로, 가속기 수 터빈 조립체는 유동 방해물의 존재가 터빈 드라이버 흐름을 실질적으로 변화시키지 않게 조류와 간섭되지 않도록 하는 거리로 임의의 다른 유동 방해물의 주변 유동 변화 효과와 별도로 횡방향으로 이격된다. 이 간격은 가속기 몸체 부재를 초과하여 수 터빈이 돌출되는 거리와 주변 조류를 대향하는 최대 부분에서 가속기 몸체 부재의 총 폭의 합일 수 있고, 이에 따라 가속기 몸체와 수 터빈으로부터 횡방향으로 이격되는 비차단 주변 조류와 동일한 속도의 조류가 제공된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에서, 인접한 가속기 및 수 터빈 조립체들 간의 간격은 조류를 대향하는 이의 최대 폭 부분에서의 가속기 몸체 부재의 총 폭과 가속기 몸체와 수 터빈으로부터 횡방향으로 이격되는 비차단 주변 조류와 동일한 속도의 조류가 제공되는, 수 터빈이 가속기 몸체 부재를 초과하여 돌출되는 거리의 합이다.
본 발명에 따른 가속기 및 수 터빈 조립체의 일 장치에서, 복수의 가속기 및 수 터빈 조립체는 조류 내에서 행과 열을 이루어 장착되고, 열은 조류의 유동에 대해 90°이고 행은 조류의 유동에 대해 45°이다.
본 발명의 가속기 및 수 터빈 조립체를 장착하는데 특히 적합한 것으로 폰툰이 제안된다.
가속기를 장착하기 위한 다른 대안의 위치가 부분적으로 잠수되거나 또는 바람직하게는 완전히 잠수될 수 있는 정박된 계류설비(tethered mooring)를 포함한다. 바람직하게는 가속기 몸체 부재는 수로의 바닥에 고정 및 장착될 수 있다.
추가 대안의 위치가 강 또는 해로(seaway)에서 다리 지지물의 측면에 하나 이상의 터빈을 고정하는 곳이다.
본 발명은 첨부된 도면에 따른 예시로서 제시된, 본 발명의 일부 실시 형태의 하기 설명으로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 실험실 시험에 사용된 4개의 원통형 프로토타입 유동 가속기의 평면도.
도 2는 실험실 시험에서 속도가 측정되는, 단면의 도면.
도 3은 실험실 시험의 원통형 프로토타입 유동 가속기에 대한 90° 단면을 따라 기록한 가속도의 유동을 비교하는 그래프.
도 4는 필드 테스트에 사용하는 바지의 평면도.
도 5는 필드 테스트에 사용하는 또 다른 바지의 평면도.
도 6은 80% 만큼 가속된 동일한 조류와 비차단 주변 조류로부터의 총 이용가능 전력의 비교 그래프.
도 7은 본 발명을 수행하기 위하여 사용된 폰툰의 사시도.
도 8은 가속된 수류를 편향시키기 위하여 사용된 플랩을 도시하는 가속기 몸체의 또 다른 구조물의 평면도.
도 9a 및 도 9b는 유동에 대한 효과 및 편향기 플랩의 추가 예시를 도시하는 도면.
본 발명이 구성되고 작동되는 방식을 언급 및 기재하기 전에, 출원인에 의해 수행되는 다양한 조사와 해설을 하는 것이 중요하다. 조류(tidal stream) 또는 해류가 이의 경로에 있는 물체와 충돌하고 조류 또는 해류가 가속되는 물체를 우회할 때를 이해하는 것이 중요하다. 그러나, 어느 누구도 이 가속을 관찰하지 못하였고 이를 터빈 드라이버 흐름(turbine driver current)을 최대화하는 문제점에 적용하지 못한 것으로 보여진다.
이 기술과 관련된 다양한 문제점을 고려할 때, 가장 중요한 문제점은 이 기술이 수력 발전에 가장 잘 적용되는 방식과 비차단된 주변 조류의 최대 가속이 구현될 수 있는 방식을 관찰하는 것이다. 이는 연계된 필드 테스트 결과에 따른 다양한 시도가 이뤄진 후에 결정된다. 이해를 돕기 위해, 실험실 시험이 우선 기재되고 그 뒤에 많은 필드 테스트를 통한 필드 테스트가 실험실 시험에 앞서 수행된다.
개수로 흐름(open channel flow)에서 방해물 주위에서 유동 전환(flow diversion)을 실험 및 분석하기 위하여 다양한 크기와 형태의 다양한 프로토타입에 대한 실험실 시험을 수행하는 것으로 결정되었다. 방해물 주위에서 유동 전환에 의한 유동 가속을 구현하기 위하여 방해물의 업스트림 면은 난류의 형성을 방지하기 위해 만곡되어야 한다. 문헌에 따르면, 방해물 주위에서 가속된 유동의 정량에 대해 매우 작은 일이 수행되었고, 가속된 유동이 관찰되는 상당히 큰 일이 브리지 지지부 등과 같은 구조물에 가해진 응력을 결정하기 위한 목적의 타원 또는 원통 주위에서의 유동에 기초로 한다. 게다가, 기류를 상당히 가속하기 위하여 사용된 에어로포일과 같은 에어로포일 프로파일을 포함하는 것으로 결정되었다.
이 문헌에 대한 실험실 실험이 NUIG(The National University of Ireland Galway)의 엔지니어링 & 인포매틱스(Engineering & Informatics) 대학에 위치한 조수 독 설비(tidal basin facility)를 사용하여 수행되었다.
이제 도 1을 참조하면, 총 길이가 0.63 m이고, 0.3 m 직경의 에어로포일 섹션을 가지며, 모두가 0.4 m의 높이를 갖고, 각각 0.2 m, 0.3 m, 0.4 m의 3개의 원통이 도시된다. 모든 시험이 실제 조수 조건을 나타내도록 스케일링된 0.003 m/s의 최대 조류 상태에서 동일한 조수 조건에 대해 수행된다. 원통형 프로토타입의 경우, 조류 특정값이 원통 측면으로부터 8 cm, 12 cm, 16 cm, 20 cm 및 24 cm의 거리에서 그리고 도 2에 도시된 5개의 절단에 따라 기록되었다. 에어로포일의 형상은 135 ° 절단에 따른 일부 측정값으로터 벗어나고 0°, 45° 및 90° 절단에 따른 모든 세트의 측정을 허용하였다.
하기 표 1은 방해받지 않은 주변 유동 위에서 백분률로서 표현된 중간-플로어(mid-flood) 가속을 나타낸다.
표 1
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이제 특정 관찰이 수행될 수 있다. 우선, 원통에 근접하게, 즉 8 cm 스테이션에서 구현된 유동 가속이 98% 내지 110% 범위와 상당히 유사하다. 이는 원통에 바로 인접하게 구현된 가속이 비교적 원통 크기에 대해 독립적이고 대략 100%인 것을 나타낸다. 게다가, 가속된 유동 영역의 폭과 원통 직경 간의 명확한 상관 관계가 있고, 이 영역은 원통의 크기가 증가됨에 따라 크기가 증가된다. 결과가 도 3에 제시된다.
도 3을 참조하면, 도 3은 원통형 프로토타입에 대한 90° 절단에 따라 기록된 유동 속도 간의 비교를 명확히 도시한다.
우선, 음의 기울기(m)는 원통으로부터 거리에 따라 가속도의 크기가 감소되는 것을 나타낸다. 추가로 도시된 바와 같이, 원통 직경이 증가됨에 따라, 거리에 대한 가속도의 감소 비율이 비례적으로 감소한다. 이는 원통 직경이 알려진 경우, 가속도 구역의 폭이 그 뒤에 추정될 수 있음을 명확히 나타낸다. 이 결과가 상당히 선형적(linearity)이기 때문에, 가속도가 특정 수준 아래에 있는 가속기(accelerator)의 측면 벽으로부터의 거리를 계산할 수 있다. 이는 표면, 즉 이의 직경으로부터 원통 폭의 40%로 가속기 표면으로부터 연장되는, 비방해(undisturbed) 유동 속도보다 크고 80%의 유동 속도의 영역이 제공되는 것으로 명확히 도시된다. 이들 시험으로부터, 직경(D)의 원통에 따른 0.4의 거리(D) 내에서 유동 속도는 비차단 조류보다 80% 큰 것이 명확히 증명될 것이다.
도 4를 참조하면, 전술된 바와 같이, 필드 테스트는 프로토타입, 즉 도면부호가 1인 가속기 및 수 터빈 조립체(water turbine assembly)에 대해 수행된다. 바지(barge, 2)도 제공된다. 바지(2)는 가속기의 일부를 형성하기 위해 상부에 장착된 만곡된 팀버(curved timber)의 전방 면(3)을 가지며, 상기 전방 면(3)은 바지(2) 상에 장착된 수직 축 수 터빈(4) 위에서 다소 돌출된다. 유동 가속기(3)의 에지는 바지(2)를 넘어 연장되고, 가속된 유동으로부터 터빈의 일부를 덮도록(shroud) 수직 수 터빈(4)의 일부를 가로질러 숄더(5)의 형태이고, 여기서 회전 방향은 유동 방향과 상반되고 이에 따라 터빈 상에서 유도된 항력이 감소된다. 숄더(5)는 또한 가속기 몸체의 가장 넓은 부분 근처에서 유동을 추가로 가속하고 이에 따라 터빈이 배치될 수 이는 리세스를 형성하는 복잡성 없이 터빈을 부분적으로 덮는 플랩 또는 디플렉터(deflector)로 구성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 동일한 바지(2)가 도시되며, 도 4에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호는 동일 부분을 나타낸다. 이 실시 형태에서, 2개의 수직 수 터빈(4)이 제공된다. 수직 수 터빈(4)의 효율은 체크되고 이는 즉 이러한 수 터빈의 경우와 같이 전술된 59.3% 베츠 이론 최대값(betz theoretical maximum)인 이론 최대값의 34%인 대략 20%에서 작동되는 것으로 밝혀졌다. 사용된 터빈은 매우 효율적이지 못하고 명확히 개선될 수 있는 것으로 이해된다. 그러나, 장치의 효율은 45.9%이며, 이는 매우 바람직하게도 당업계의 선두 주자인 마린 커런트 터빈스 엘티디(Marine Current Turbines)에 의해 보고된 효율과 비교된다. 2008년 이래로 북아일랜드 스트랭퍼드 호스에서 작동되는 1.2 MW 시젠 장징치(SeaGen device), 수평 축, 트윈 로터 시스템의 경우, 52%의 순간 최대 효율 및 48%의 평균 피크 효율이 보고된다. 이는 현존 기술에 대한 제안된 장치의 이점을 명확히 제시한다.
특정의 결론이 실험실 및 필드 테스트로부터 제시된다:
● 최대 가속도는 90° 절단을 따라 유동 가속기의 가장 넓은 부분에서 구현된다.
● 가속도는 가속기의 벽에 근접하여 최대이고 그 뒤에 벽으로부터 떨어질수록 선형으로 감소한다.
● 80% 초과의 가속도의 비례적으로 더 큰 영역이 최대 폭의 대략 40%까지 발생되고, 더 넓은 가속기에 따라 구현된다.
이제 표 2를 참조하면, 유동 스트림 내의 총 허용가능 전력(power) 및 유동 가속기의 효과가 도시된다. 이 표 2 및 대응 그래프(도 6)는 80% 가속 이후에 동일한 유동으로부터 입수가능한 전력과 연안수에 대해 전형적인 상이한 속도의 스트림 유동으로부터 입수가능한 전력을 비교한다. 이는 주변 유동 속도의 80% 가속이 5.8인자에 의해 추출을 위해 이용가능한 전력을 증가시키는 것을 입증한다.
표 2
Figure pct00002
이는 402.18 m2의 조합된 스웹 면적(swept area)을 갖는 2개의 16 m 직경의 로터를 이용하는 시젠(SeaGen) 작동과의 더욱 정확한 비교를 제공하고 2.5 m/s의 1.2 MW 정격 전력 출력을 구현한다. 모든 테스트 및 연구에 따라서, 본 명세서에 기재된 바와 같이 수 유동 가속기의 측면에 장착된 2개의 수직 축 터빈을 이용하고 스트랭포드(Strangford) 장치와 유사한 총 면적으로 갖는 본 시험에 사용된 설계의 장치는 1.44 MW를 생성할 수 있다. 본 명세서에서 기재된 장치와 함께 사용되는 터빈의 총 스웹 면적은 스트랭포드에 있는 시젠 설비의 402 m2에 비교하여 176 m2일 것이다. 수 유동 가속기의 전방을 향하는 면적은 222 m2일 것이다. 본 도면은 15-20%의 표시 효율을 갖는 수 터빈이 사용된 필스 테스트 결과를 기초로 한다. 35%의 효율을 갖는 기존의 수직 축 터빈이 있기 때문에, 시젠 설비의 출력에 비해 2.88 MW 출력이 제시될 수 있고, 즉 1.2 MW가 구현가능하다. 임의의 상당한 깊이에서, 사용된 터빈의 크기는 40-50% 시젠 터빈 크기인 것이 제안된다. 이는 통 설비 비용의 매우 고가의 부분을 자치하기 때문에, 자본 경비가 상당히 저렴해질 것이다.
본 제안은 논리적 진보인 것으로 여겨지는 바와 같이 초대 속도의 층류 구역에서 작동하는 더 작은 터빈을 제시한다. 이들 비교에 따라 명확하게는, 본 발명은 당업계에 공지된 것에 비해 상당한 이점을 제공한다. 추가로 가속 공정으로 인해 현존 터빈이 2.5 m/ 미만의 유동 속도에서 실현가능하지 않기 때문에 1.5 m/s를 초과하지 않는 최대 속도의 위치에서 현존 터빈을 배치할 수 있다.
필드 시도에 따르면, 수 터빈의 너무 많은 시라우딩(shrouding)이 성공적이지 못하는 일부 다른 흥미로운 결과도 있다.
도 7은 가속기 몸체가 에어포일 형상을 가지며 수 터빈의 일부가 이의 최대 부분에 인접한 가속기 몸체의 리세스 내에 장착될 수 있는 장치를 도시한다.
이 실시 형태에서, 일반적으로 도면부호(10)로 도시된 가속기 및 수 터빈 조립체는 2개의 수 터빈(12)이 장착된 폰툰(pontoon)의 형태인 가속기를 포함한다. 폰툰(11)은 전방 면(13)과 측면(14)을 가지며, 각각의 측면(14)은 수 터빈(12)들 중 하나의 수 터빈을 수용하기 위한 리세스(16)를 갖는다.
가속기 몸체는 도 4 및 도 5에 가장 잘 도시된 바와 같이 몸체의 에지에 숄더가 추가로 제공될 수 있다.
비차단 주변 조류가 최대인 수 터빈을 배치하고, 작동 및 유지보수의 용이성을 위한 명확한 이점이 제공된다.
그러나, 유동 내에서 가속기 몸체를 고정하고 장착하는 다른 수단이 제공된다. 바람직하게는, 이는 해저 또는 수로의 하부에 제공될 수 있고, 완전히 또는 거의 완전히 잠수될 수 있다. 배안으로, 가속기 몸체는 브리지용 지지부 또는 칼럼 주위에 형성될 수 있고, 터빈은 적합한 방식으로 가속기 몸체 또는 브리지 지지부에 부착될 수 있다.
도 8은 가속기 몸체용 대안의 장치를 도시한다. 가속기 몸체(2)는 수류의 방향을 나타내는 화살표가 도시된다. 한 쌍의 터빈(3)이 몸체(3)의 측면 상에 장착되고 이에 매달린다. 이들은 가속기 몸체(3)의 최대 폭 부분의 다소 다운스트림에 위치되고 가속기 몸체로부터 다소 이격된다. 몸체(3)는 플랩 또는 디플렉터(5)가 제공된다. 플랩(5)은 이의 최대 폭 부분을 가로질러 유동 및 몸체의 표면을 변경하기 위하여 사용된다. 이에 따라 유동이 가속되고 터빈에 대한 일부 보호기능이 제공되며, 이에 따라 몸체에 가장 근접한 터빈의 몸체는 가속된 유동으로부터 차폐된다. 터빈은 상반된 방향으로 회전하고 몸체에 가장 근접한 터빈의 일부의 차폐에 따라 유동에 대해 회전하는 터빈의 일부 상에서 그래드(drag)가 감소된다. 플랩 또는 디플렉터의 다양한 설계가 고찰될 수 있다. 터빈이 부분적으로 삽입되는 리세스를 구성하는 것보다 유동을 편향시키기 위해 플랩을 사용하는 것이 더욱 선호된다.
수 터빈의 폭의 50%가 수류 내에서 감소될 때, 가속기의 효율이 떨어진다. 이는 사용된 터빈의 설계에 대해 나타난다. 이에 따라 개시되지 않은 터빈의 특정 설계가 특정의 혁신적 설계이고, 본 발명의 일부를 형성하지 않는다.
도 9a 및 도 9b는 디플렉터 플랩의 대안의 설계를 나타낸다. 도면은 유동 스트립 내에 있는 가속기 몸체(3)를 도시한다. 유동 패턴의 도시는 통상적인 유동 라인이며, 서로 더 근접한 라인들은 더 빠른 유동 속도를 나타낸다. 터빈 몸체(4)는 가속기 몸체의 최대 폭 부분에 또는 이로부터 다운스트림에 장착된 것으로 도시된다. 터빈에 의한 유동의 임의의 교란 또는 변화(perturbation)는 도시되지 않는다. 터빈 상의 화살표는 터빈 회전의 선호되는 방향을 나타낸다. 디플렉터 플랩(5a)은 가속기 몸체의 최대 폭 부분의 업스트림에 있는 것으로 도시된다. 이 예시에서, 디플렉터 플랩은 비교적 작지만 가속기 몸체에 가장 근접한 터빈의 일부를 덮고(여기서 유동이 최대임) 유동을 추가로 가속하기 위하여 유동의 충분한 편향을 제공한다. 덮임 효과의 이점은 가속된 유동으로부터 덮임을 위해 터빈의 일부가 업스트림 방향으로 이동하도록 허용하며, 이에 따라 드래그 및 비효율성이 감소된다.
필수적으로, 터빈 드라이버 흐름에 상당한 영향을 미칠 수 있는 임의의 다른 유동 방해물로부터 전체 조립체가 충분히 떨어져 제거되는 폰툰과 같이 영구적, 반-영구적 또는 부유, 잠수 또는 반 잠수 구조물의 형태일지라도 가속기 및 수 터빈 조립체를 조류 내에 배치할 수 있다. 이상적으로, 많은 경우에 효율적으로 비차단된 주변 조류가 조립체의 일부를 형성하는 임의의 터빈으로부터 횡방향으로 이격된다. 임의의 이러한 유동 차단이 터빈 드라이버 흐름에 비교적 상당한 부정적 효과를 미치지 않는 것이 주요한 요인이다. 이들 요인의 경우, 본 발명의 가속기 및 수 터빈은 유체가 더 적은 저항이 더 용이한 경로를 찾을 수 있는 확장된(비교적 넓고 깊은) 개방 유동 내에서 사용되는 것이 적합하다. 따라서, 가속기들이 서로 너무 근접하면, 이의 조합은 난류를 야기하고 이들 사이에 유동을 제한하는 영역 및 단일의 방해물이 될 것이다.
수행된 다양한 시험을 기초로, 본 발명에 따른 일련의 직렬식 가속기 및 수 터빈 조립체가 조류 내에 배열될 수 있고, 이에 따라 후속 가속기 및 수 터빈 조립체에 충돌하는 국부적 조류는 가속기 및 수 터빈 조립체의 업스트림에 비차단 주변 조류 위에서 가속된 조류를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 가속기 및 수 터빈 조립체의 열 및 행의 형태로의 배열에 따라 바람직하게는 가속기 및 수 터빈 조립체의 열은 주변 조류의 방향을 가로질러, 즉 이에 대해 90°로 횡단하고, 횡은 주본 조류에 대해 45°로 형성된다. 효과적으로, 후속 가속기 및 수 터빈 조립체는 이전의 열에 대해 엇갈리게 배치된다. 이러한 배열의 목적은 후속 가속기 및 수 터빈 조립체를 제공함으로써 후속 가속기 및 수 터빈 조립체가 겪는 조류가 비차단 주변 조류의 속도보다 더 빠른 속도를 갖는데 있다.
원래 예상되지 않은 또 다른 흥미로운 결과에 따르면, 비차단 주변 흐름보다 상당히 더 많은 터빈 드라이버 흐름을 사용하기 때문에, 각각의 터빈에 전달되는 본 발명에 따라 나타나는 많은 경우의 파편이 본 발명에 따른 문제점이 아닌데 있다. 드라이버 흐름의 유동 방향이 가속기 몸체 및 측면 부분으로부터 이격되거 외측을 향하기 때문에, 가속기와 만나기 전에 가속기에 인접한 위치에서 유압의 변화 및 방해를 유발하는 윈드 터빈이 대향하여 가속기 몸체 또는 폰툰 및 수 터빈으로부터 파편을 방향전환하는 경향이 있다.
본 명세서에서, 용이 "포함하다" 및 이의 필수적인 문법적 변형은 상호호환적인 것으로 고려되고 가능한 넓은 해석에 따르는 것으로 고려된다.
본 발명은 청구항의 범위 내에서 구조 및 세부 사향의 변화가 가능하고 전술된 실시 형태에 제한되지 않는다.

Claims (15)

  1. 비차단 주변 조류의 속도보다 큰 속도를 갖는 터빈 드라이버 흐름을 제공하기 위한 수류 가속기 및 수 터빈을 포함하는, 조류 내에 장착하기 위한 가속기 및 수 터빈 조립체로서, 가속기는 전방 면 및 이로부터 매달린 측면을 대향하는 수류를 갖는 가속기 몸체 부재를 포함하고, 이 몸체 주위에서 물이 터빈 드라이버 흐름과 같이 각각의 측면에 인접하게 유동하고, 수 터빈은 수류가 최대 속도를 갖는 가속기의 측면에 근접하고 이에 인접하게 유동하는 가속된 터빈 드라이버 흐름으로부터 가속기 몸체 부재에 의해 부분적으로 덮이도록 장착되며, 가속기는 임의의 다른 흐름 방해의 효과를 변경하는 터빈 드라이버 흐름으로부터 횡방향으로 이격되는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 수 터빈은 주변 조류를 대향하는 가속기 몸체 부재의 최대 폭 부분에 또는 이의 다운스트림에 장착되는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 수 터빈은 가속기 몸체 부재의 측면 내의 리세스 내로 돌출됨으로써 부분적으로 덮이는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 수 터빈의 외측 직경의 5% 이상 내지 50% 이하가 덮이는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 수 터빈의 외측 직경의 5% 이상 내지 35% 이하가 덮이는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가속기 몸체 부재의 전방 면 부분이 실질적으로 아치형 형상인 가속기 및 수 터빈 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 아치형 형상은 실질적으로 반-원형인 가속기 및 수 터빈 조립체.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 가속기 몸체 부재는 타원형 평면을 갖는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 수 터빈의 치수는 수 터빈이 가속기 조류 내로 가속기 몸체 부분의 최대 폭의 0.2 내지 0.6의 거리로 돌출되도록 선택되는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 수 터빈의 치수는 수 터빈이 가속된 조류 내로 가속기 몸체 부분의 최대 폭의 0.4의 거리로 돌출되도록 선택되는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가속기 몸체는 가속된 유동으로부터 수 터빈을 부분적으로 덮고 측면으로부터 유동을 편향시키며 속도를 추가로 증가시키기 위하여 플랩 또는 디플렉터가 제공되는 가속기 및 수 터빈 조립체.
  12. 제10항에 있어서, 인접한 가속기 및 수 터빈 조립체들 간의 간격은 조류를 대향하는 이의 최대 폭 부분에서의 가속기 몸체 부재의 총 폭과 가속기 몸체와 수 터빈으로부터 횡방향으로 이격되는 비차단 주변 조류와 동일한 속도의 조류가 제공되는, 수 터빈이 가속기 몸체 부재를 초과하여 돌출되는 거리의 합인 가속기 및 수 터빈 조립체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 가속기 및 수 터빈 조립체는 조류 내에서 행과 열을 이루어 장착되고, 열은 조류의 유동에 대해 90°이고 행은 조류의 유동에 대해 45°인 가속기 및 수 터빈 조립체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 가속기 몸체 부분은 폰툰인 가속기 및 수 터빈 조립체.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 가속기 몸체 부재는 수로의 바닥에 고정되는 가속기 및 수 터빈 조립체.
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