KR20170115561A - 수류 에너지 이용 방법 및 플랜트 - Google Patents

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KR20170115561A
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아르 보르게센
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타이달 세일즈 에이에스
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Abstract

수류(16)에 위치된 에너지 플랜트 방식으로 수류의 에너지를 이용하기 위한 방법이 설명되며, 에너지 플랜트는 적어도 두 개의 선회 정류부(8, 10) 주위로 연장한 적어도 하나의 로프(2, 4)를 포함하며, 그리고 익현(42) 주위로 거의 대칭인 적어도 하나의 적어도 부분적으로 수중에 있는 포일(12), 그리고 포일(12)에 작용하는 결과로 발생한 물의 속도 및 방향(Vr1, Vr2)을 부여해주는 포일의 이동 속력 및 방향(Vs)과 함께 수류의 속도 및 방향(Vc)을 다루고, 본 방법은 포일이 병류로 이동될 때 결과로 발생한 물의 방향(Vr1)에 원하는 영각(α)을 얻을 때까지 포일(12)을 회전시키는 것, 그리고 포일(12)이 향류로 이동될 때 결과로 발생한 물의 방향에 원하는 영각(α)을 얻을 때까지 포일(12)을 회전시키는 것, 병류 및 향류로 같거나 다른 영각을 포함한다. 본 방법을 실행 시 사용하기 위한 에너지 플랜트(1) 또한 설명된다.

Description

수류 에너지 이용 방법 및 플랜트
본 발명은 에너지 플랜트(an energy plant) 방식에 의한 수류 에너지를 이용하는 방법에 관한 것이다. 특히, 수류에 위치된 에너지 플랜트의 방식에 의한 수류 에너지를 이용하기 위한 방법에 관한 것으로, 에너지 플랜트는 적어도 두 개의 선회 정류부(two turning stations) 주위로 연장한 적어도 하나의 로프, 로프를 따라 배열되고 익현(chord) 주위로 거의 대칭인 적어도 하나의 적어도 부분적으로나마 수중에 있는 포일, 및 포일에 작용하는 결과로 발생한 수류 속도 및 방향을 부여하는 포일의 이동 속력 및 방향과 함께 물의 흐름 속도 및 방향을 포함한다. 본 발명은 본 방법을 실행할 때, 또한 사용을 위한 에너지 플랜트를 포함한다.
이와 관련하여 "포일(foil)"이라는 용어는 모든 본체 또는 복합체를 의미하며, 에너지가 수류로부터 추출될 때 유리한 흐름 패턴을 제공하기 위해 설계된 것을 의미한다. 또한 이 용어는 동일한 목적을 위해 사용된 날개(sails)를 포함한다.
"로프(rope)"라는 용어는 일반적으로 섬유 로프(a fibre rope), 와이어, 체인 또는 이들의 조합의 형태로 어떤 적절한 신장된(elongated) 유연한 본체를 구성한다.
NO 333432에서 포일 병류(the foils co-current)는 흐름 방향에 대하여 조정을 하는 수중 트랙(a submerged track)을 따라 포일을 배열하는 것이 알려져 있다. 포일이 흐름과 반대로 배치되어질 때, 포일은 가능한한 포일이 유동 저항을 공급하지 않도록 하려는 목적으로 중립 위치에 설정된다.
GB 2131491에서는 바람 또는 물로부터 에너지를 추출하기 위한 장비를 다루며, 다수의 포일은 무한 벨트(an endless belt)를 따라 배열되고, 물에 대한 실시 예에서, 무한 벨트는 수류에 수직으로 이동된다. 포일은 포일의 익현(chord) 주위로 거의 대칭이며, 익현은 벨트와 평행하다.
NO 333432에 설명된 실시 예에서, 에너지 플랜트의 총 효율을 감소시키는 향류 레그(the counter-current leg)에 대하여 에너지 손실이 발생한다는 것은 확실하다. GB 2131491에 따르면, 벨트는 아웃바운드 레그(the outbound leg) 및 리턴 레그(the return leg)에 대하여 수류와 수직을 이루므로, 향류 레그(the counter-current)가 존재하지 않는다.
본 발명은 선행기술의 단점 중 적어도 하나를 개선하거나 감소시키고, 또는 적어도 선행기술의 유용한 대안을 제공하기 위한 목적을 갖는다.
본 목적은 하기의 상세한 설명 및 청구항에 명시된 특징을 통해 달성된다.
GB 2131491에 나타낸 해결책을 제외하고, 로프를 따라 포일이 흐름 힘에 의해 영향을 받는 원리에 따라 작동하는 에너지 플렌트에서, 향류는 항상 레그(the leg) 및 수류 방향 사이의 각도가 90도 이하가 되어야 한다.
향류 레그에 대하여 로프가 1~45도 사이의 각도를 갖도록, 그리고 결과로 발생한 물의 방향에 영각(an angle of attack)을 갖춘 포일을 지향함으로써, 포일은 향류 레그를 따라 지휘되는 힘의 요소를 제공하므로, 포일은 세일링(sailing) 중 "바람에 의한"것과 같은 방식으로 수류로부터 힘을 받는다. 따라서 포일이 상류로 이동될 때 상대적으로 상당한 양의 에너지가 추출될 수 있다.
일부 사람들은 세일링 방향(the sailing direction)과 바람의 방향 사이의 각도는 90~45도 사이, 즉 "가까운 거리"에 위치한다고 하기 때문에, "바람에 의해"라는 용어에 약간의 혼동이 발생한다는 것을 주목해야 한다.
본 발명은 독립항에 의해 정의된다. 종속항은 본 발명의 유리한 실시 예를 정의한다.
첫 번째 측면에서, 본 발명은 수류에 위치된 에너지 플랜트 방식으로 수류 에너지를 이용하기 위한 방법과 더욱 상세하게 관련이 있으며, 에너지 플랜트는 적어도 두 개의 선회 정류부 주위로 연장한 적어도 하나의 로프, 로프를 따라 배열된 포일이 익현(chord) 주위로 거의 대칭인 적어도 하나의 적어도 부분적으로나마 수중에 있는 포일, 및 포일에 작용하는 결과로 발생한 물의 속도 및 방향을 부여하는 포일의 이동 속력 및 방향과 함께 물의 흐름 속도 및 방향을 포함하며, 다음과 같이
- 포일이 병류로 이동될 때, 포일이 결과로 발생한 수류 방향으로 원하는 영각을 얻을 때까지, 포일을 회전시키는 단계, 및
- 포일이 향류로 이동될 때, 포일이 결과로 발생한 수류 방향으로 원하는 영각을 얻을 때까지, 포일을 회전시키는 단계
향류 이동에 의한 영각과 같거나 다르며, 그리고 0보다 더 큰 병류 이동에 의한 영각인 단계를 포함하는 방법에 의해 특징지워진다.
병류는 포일의 이동 방향이 수류 방향과 일치하는 이동 요소를 갖는다는 것을 의미한다. 향류는 포일의 이동 방향이 수류 방향에 대향하는 이동 요소를 갖는다는 것을 의미한다.
다른 향류와 병류의 결과로 발생한 물의 속도라는 사실에 의해 원하는 포일의 영각이 다른 향류 및 병류가 된다. 그 이유로 로프에 의해 흡수되어야 하거나, 물로 에너지를 최적으로 이용 가능해야만 하는 횡방향 힘(the lateral forces)을 제한할 수 있다.
본 방법은 영각이 1~20도 사이에 있도록 하는 것을 포함할 수 있다는 것을 계산 및 실험이 보여준다.
필요한 기능상의 신뢰성을 달성하기 위해, 본 방법은 제어 가능한 전환체(a controllerable switching body)가 병류 이동에 의해 능동 위치로 포일을 회전시키도록 하는 것을 포함하는 것이 필요할 수 있다.
전환체는 포일이 병류 레그로 이동할 때 포일이 능동 위치를 얻는 것을 제공하는 방식으로 정상 배열된다. 포일이 수동 위치로 설정이 되면, 에너지 플랜트는 정지한다. 포일을 정확하게 설정하기 위해 요구되는 힘은 비교적 적당한 편이라고 실험은 나타낸다.
상대적으로, 포일이 향류 레그로 이동하기 전, 포일을 능동 위치로 포일을 안내하는 것이 필요할 수 있다.
이 방법은 선회 정류부의 로프 풀리보다 더 큰 직경을 가지며, 선회 정류부의 포일을 타격하는 지지부를 갖는 선회 정류부 제공을 포함할 수 있다.
두 번째 측면에서, 본 발명은 수류에 위치된 에너지 플랜트와 더욱 상세하게 관련이 있으며, 적어도 두 개의 선회 정류부 주위로 연장한 적어도 하나의 로프, 로프를 따라 배열되고 포일이 익현 주위로 거의 대칭인 적어도 하나의 적어도 부분적으로나마 수중에 있는 포일, 및 포일의 이동 속력 및 방향과 함께 수류의 속도와 방향은 포일에 작용하는 결과로 발생한 수류 속도 및 방향을 부여하는 것을 포함하며, 포일이 병류로 이동될 때 결과로 발생한 물의 방향의 원하는 영각, 및 포일이 향류로 이동될 때 결과로 발생한 물의 방향의 동일하거나 다른 영각을 갖기 위해 회전되는 포일에 의해 특징지워진다.
에너지 플랜트는 병류 이동에서 배열된 제어 가능한 전환체를 포함할 수 있다. 전환체의 기능은 상기에 설명되고, 예를 들어 전환체가 능동 위치에 있을 때, 각각의 선회 정류부에 배열되고 포일을 타격하는 휠 또는 플랩(a flap)으로 구성될 수 있다. 전환체는 수류 또는 엑츄에이터 방식에 의해 능동 및 수동 위치 사이로 이동될 수 있다.
적어도 하나의 선회 정류부는 지지부가 선회 정류부의 로프 풀리보다 외경(external diameter)이 더 크기 때문에 포일을 타격하기 위해 배열된 지지부가 제공될 수 있다.
지지부가 로프 풀리 외경의 바깥쪽에 위치함으로 인해, 지지부가 향류 레그로 이동하기 전 항상 포일을 지지부의 능동 위치에 둔다.
다른 전환체 및 지지부의 형태도 또한 원하는 기능을 얻기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 전환체는 수류가 선회할 때 새로운 능동 위치로 선회 정류부의 중심축 주위로 선회하는 디자인이 될 수도 있다.
주로 동일한 특성을 가진 다른 포일 또한 사용 가능할 수 있음에도 불구하고 출원인이 소유한 특허 NO 333432에 따른 포일은 에너지 플랜트에서 사용하기에 더할 나위 없이 적합하다.
대칭의 디자인에서, 본 발명에 따른 에너지 플랜트는 흐름의 방향이 변하지 않는 강(rivers) 또는 다른 수류처럼 조류에도 바로 적용이 가능하다.
물을 통해 포일이 이동될 때, 양력(L) 및 항력(D, 흐름 저항)이 커진다.
로프를 따라 작용하는 힘은 다음의 식에 의해 구해진다.
Figure pct00001
여기서 γ는 흐름의 상대 방향의 각도를 나타낸다. 상세한 설명을 참고하라.
포일이 향류 레그를 따라 이동할 때 또한 수류로부터 에너지를 추출할 수 있음으로 인해, 본 방법 및 시스템에 따른 본 발명은 이와 관련된 에너지 플랜트의 총 효율의 상당한 개선을 제공 해준다.
다음으로, 첨부된 도면을 시각화하여 선호하는 방법 및 실시 예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 플랜트의 원리를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에서의 포일(a foil)이 능동 위치(its active position)로 들어가는 부분을 도시한 것이다.
도 3은 도 1에서의 포일이 수동 위치(its passive position)에 있는 부분을 도시한 것이다.
도 4는 포일의 측면을 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 포일의 말단부를 도시한 것이다.
도 6은 포일이 병류 레그(the co-current leg)에 위치할 때 흐름 방향 및 힘을 도식화한 것이다.
도 7은 포일이 향류 레그(the counter-current leg)에 위치할 때 흐름 방향 및 힘을 도식화한 것이다.
도 8은 도 1의 I-I에 의해 지시된 바와 같이 도시한 것이다.
도면에서 참조 번호 1은 제1 선회 정류부(8, a first turning station) 및 제2 선회 정류부(10, a second turning station)에서 로프 풀리(6, rope pulleys) 주위로 연장한 무한 상부 로프(2, an endless upper rope) 및 무한 하부 로프(4, an endless lower rope)를 포함하는 에너지 플랜트를 나타낸다. 도 4에 보이는 바와 같이 다수의 포일이 상부 로프(2) 및 하부 로프(4)에 부착된다. 로프(2, 4)는 다수의 개별 로프를 포함할 수 있다.
"상부(upper)" 및 "하부(lower)"라는 용어는 에너지 플랜트(1)가 적용 상태에서 수직 선회 정류부 축(14, vertical turning-station axes)과 배열될 때의 상대위치를 참조한다.
도시된 실시 예에서, 로프 풀리(6)는 시계 방향으로 회전 한다. 수류에서 제1 선회 정류부(8) 및 제2 선회 정류부(10) 사이의 신장(the stretch)은 병류 레그(18)를 구성시키는 반면, 리턴 레그(the return leg)는 향류 레그(20)를 구성시킨다.
로프 풀리(6)는 직경이 동일하므로, 병류 및 향류 레그(18, 20)는 평행하며 수류(16)의 70도(70 degrees) 정도인 각도에 위치한다.
포일(12)은 포일(12)의 전연부(26, the front portion) 주위에 양력중심점(22, a lift centre) 및 회전축(24, a rotational axis)을 갖는다. 포일(12)은 상부 로프(2)에 부착된 상부 포일 현가장치(28, an upper foil suspension) 및 하부 로프(4)에 부착된 하부 포일 현가장치(30, a lower foil suspension)가 제공된다.
각각의 포일 현가장치(28, 30)는 축(34)에 회전 가능하도록 연결되고 회전축(24) 주위로 회전이 가능한 아암(32, an arm)을 포함한다. 아암(32)은 회전축(24)으로부터 떨어져 있는 현가장치 축(36, a suspension axis)을 갖는다. 현가장치 축(36) 주위로 회전 가능한 커플링(38, coupling)은 각각 상부 로프(2) 및 하부 로프(4)와 연결된다. 인장스프링의 형태의 탄성 구성요소(40, an elastic element)는 포일(12)의 익현(42, the chord)에 평행한 상대 위치로 아암을 회전시켜준다. 탄성 구성요소(40)는 도시되지 않은 액츄에이터(actuator) 및 다른 적절한 장비에 의해 교체될 수 있다.
수류(16)는 화살표(Vc)에 의해 지시된 속도(a velocity) 및 방향을 가지며, 도 6 및 도 7에서 지시된 포일(12)의 속력(the speed) 및 이동 방향은 화살표(Vs)에 의해 나타내어 진다. 도 6은 병류의 상태를 나타내며, 도 7은 향류의 상태를 나타낸다. 포일(12)로 향하는 수류의 결과로 발생한 힘 및 방향은 도 6에서 화살표(Vr1)에 의해 그리고 도 7에서 화살표(Vr2)에 의해 나타내어 진다. 결과로 발생한 수류 방향 및 포일(12)의 이동 방향 사이의 상대 각도(the relative angle)는 도 6의 γ1에 의해 그리고 도 7의 γ2에 의해 나타내어 진다.
포일(12)은 영각(α, an angle of attack)이 설정되면, 양력중심점(22, the lift centre)을 참조하여 양력(L, a lift force) 및 항력(D, a drag force)이 발생한다. 병류 및 향류 레그(18, 20)에서 동일하거나 상이할 수도 있는 영각(α)은 일반적인 조건을 기반으로 선택된다.
로프(2, 4)를 따라 작용하는 힘(T)은 상세한 설명에서 일반적인 부분으로 선택적으로 정의된다. 로프(2, 4)에 수평으로 작용하는 수평방향의 힘(N, a transeverse force)의 합은 아래와 같은 식으로 주어진다.
Figure pct00002
수평방향의 힘(N)은 상당할 수 있으며, 영각(α)은 여러가지 중에서도 유념하여 제어되어야만 한다. 힘(T, N)은 설명이 필요 없을 만큼 자명하며, 도면에는 도시되지 않았다.
에너지 플랜트(1)가 작동 중일 때, 포일이 병류 레그(18)를 향해 이동하면 포일은 도 3에 도시된 바와 같이 수동 위치를 취할 수 있다. 따라서 포일은 에너지 플랜트(1)를 중지시킬 수도 있다. 각각의 선회 정류부(8, 10)에 배치되며 도 2에서 보이는 바와 같이 능동 위치, 또는 도 3에서 보이는 바와 같이 수동 위치를 취할 수 있는 전환체(44, a switching body)는 포일을 타격하기 위해 그리고 따라서 포일이 병류 레그(18)를 향해 이동할 때 포일이 능동 위치에 있도록 하기 위해 능동 위치에 배치된다.
포일(12)이 수류(16)와 만날 때, 포일(12)은 수류(16)에 유리한 상대 위치를 향해 회전 축(24) 주위로 회전된다. 탄성 구성요소(40)는 아암(32)이 회전축(24) 주위로 회전할 때 신장된다. 양력중심점(22)에 대한 현가장치 축(36, the suspension axis)의 위치는 포일이 다른 수류의 속도로 목표로 하는 유리한 위치를 얻도록 해준다. 포일(12) 및, 또한 상부 및 하부 포일 현가장치(28, 30)의 대칭인 디자인은 양 방향에서 포일이 수류(16)에 정확히 정렬되도록 하는데 효과적이다.
포일(12)은 로프 풀리(6) 주위를 회전하는 제2 선회 정류부(10)에 도달 할 때까지 병류 레그(18)를 따라 로프(2, 4)로 옮겨진다. 제2 선회 정류부(10)에는 포일(12)을 타격하기 위해 배치된 지지부(46, a supporting body)가 제공된다. 지지부(46)는 포일을 로프(2, 4)의 대향면으로 옮겨준다. 포일이 향류 레그(20)로 이동하고 제1 선회 정류부(8)로 옮겨질 때 반드시 능동 위치를 얻도록 하려는 의도인 것이다.
도시된 실시 예에서 에너지 플랜트(1)를 수류가 선회하는 조류에 적용할 때, 또한 전환체(44)는 제2 선회 정류부(10)에, 그리고 지지부(46)는 제1 선회 정류부(8)에 배치된다.
주어진 로프 및 물의 속도로, 각각의 포일(12)은 로프(2, 4)를 따라 힘(T)을 부여한다. 그러므로, 예를 들어 하나 이상의 로프 풀리(6)에 미도시된 발전기(a generator)를 연결하여 에너지 플랜트(1)로부터 에너지가 추출될 수 있다.
상기 언급된 모든 실시 예는 본 발명에 대해 설명하고 있으나 제한을 두지는 않으며, 당업자는 첨부된 청구항의 범위를 벗어나지 않도록 많은 대안의 실시 예를 구성할 수 있다는 것을 주목해야 한다. 청구항에서 괄호(brackets) 안의 참조 번호는 제한되는 것으로 간주되지 않는다. "포함하다(to comprise)"라는 동사 및 다른 형식의 쓰임이 청구항에서 언급되지 않은 구성요소의 존재 또는 단계를 제외시키는 것은 아니다. 구성요소 앞의 부정관사 "a" 또는 "an"은 그러한 몇 가지의 구성요소의 존재를 제외시키는 것은 아니다.
서로 다른 종속항에 몇 가지 특징을 나타낸다는 사실이 이러한 특징의 조합이 유리한 점으로 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.

Claims (8)

  1. 수류(16)에 위치된 에너지 플랜트(1) 방식에 의한 수류 에너지 이용 방법으로써,
    에너지 플랜트(1)는 적어도 두 개의 선회 정류부(8, 10) 주위로 연장한 적어도 하나의 로프(2, 4), 로프(2, 4)를 따라 배열되고 익현(42) 주위로 거의 대칭인 적어도 하나의 적어도 부분적으로나마 수중인 포일(12), 및 포일(12)에 작용하는 결과로 발생한 수류 속도 및 방향(Vr1, Vr2)을 부여하는 포일의 이동 속력 및 방향(Vs)과 함께 수류의 속도 및 방향(Vc)을 포함하며,
    상기 수류 에너지 이용 방법은:;
    - 포일이 병류로 이동될 때, 결과로 발생한 수류 방향(Vr1)으로 제1의 영각을 얻을 때까지, 포일(12)을 회전시키는 단계; 및
    - 포일(12)이 향류로 이동될 때, 결과로 발생한 수류 방향(Vr2)으로 제2의 영각을 얻을 때까지, 포일(12)을 회전시키는 단계;를 포함하고,
    - 제어 가능한 전환체(44)가 병류 이동에서 능동 위치로 포일을 회전시키도록 하는 단계;를 추가로 포함하는 방법을 특징으로 하는 수류 에너지 이용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 영각(α)이 1~20도 사이가 되도록 하는 추가의 단계를 포함하는 수류 에너지 이용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 선회 정류부(8, 10)의 로프 풀리(6)보다 더 큰 직경을 갖고 선회 정류부(8, 10)의 포일(12)을 타격하는 지지부(46)와 함께 선회 정류부(8,10)를 제공하는 추가의 단계를 포함하는 수류 에너지 이용 방법.
  4. 수류(16)에 위치된 에너지 플랜트(1)로써,
    적어도 두 개의 선회 정류부(8, 10) 주위로 연장한 적어도 하나의 로프(2, 4), 로프(2, 4)를 따라 배열되고 익현(42) 주위로 거의 대칭인 적어도 하나의 적어도 부분적으로나마 수중인 포일, 그리고 포일(12)에 작용하는 결과로 발생한 수류 속도 및 방향(Vr1, Vr2)을 부여하는 포일의 이동 속력 및 방향(Vs)과 함께 수류의 속도 및 방향(Vc), 그리고 포일이 병류로 이동될 때, 결과로 발생한 물의 방향(Vr1)에 제1의 영각(α1)을 갖기 위해 그리고 포일(12)이 향류로 이동될 때 결과로 발생한 물의 방향(Vr2)에 제2의 영각(α2)을 갖기 위해 회전되는 포일(12)을 포함하며, 제어 가능한 전환체(44)가 각각의 선회 정류부(8, 10)에 배열되는 것을 특징으로 하는 에너지 플랜트(1).
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전환체(44)가 능동 위치에 있을 때, 포일(12)을 타격하는 에너지 플랜트(1).
  6. 제4항에 있어서,
    지지부가 선회 정류부(8, 10)의 로프 풀리(6)보다 외경이 더 큼으로 인해, 상기 적어도 하나의 선회 정류부(8, 10)는 포일(12)을 타격하기 위해 배열된 지지부(46)가 제공되는 에너지 플랜트(1).
  7. 제4항에 있어서,
    상기 전환체(44)는 수류(16) 방식에 의해 능동 위치를 향해 제어가 가능한 에너지 플랜트(1).
  8. 제4항에 있어서,
    상기 전환체(44)는 액츄에이터 방식에 의해 능동 위치 내부로 제어가 가능한 에너지 플랜트(1).
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