KR20190098044A - 수중 에너지 하베스팅 드론 및 작동을 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

수중 에너지 하베스팅 드론은, 해수에 잠수할 수 있게 수용될 주요 선체; 및 복수의 열전 모듈들을 갖는데, 상기 복수의 열전 모듈들의 각각의 모듈은 주요 선체와 열 접촉하는 제1 작동 인터페이스를 갖는다. 열 전달 엘리먼트가 복수의 열전 모듈들 상의 제2 작동 인터페이스와 접촉하고, 전력 저장 디바이스가 복수의 열전 모듈들에 연결된다. 주요 선체와 열 전달 엘리먼트 사이에 열 구배를 생성하기 위한 잠수 가능한 주요 선체의 포지셔닝은 열전 모듈들에 의한 전력 발생을 유도함으로써 전력 저장 디바이스를 충전한다.

Description

수중 에너지 하베스팅 드론 및 작동을 위한 방법{UNDERWATER ENERGY HARVESTING DRONE AND METHOD FOR OPERATION}
본 개시내용에 도시된 구현들은 일반적으로 무인 잠수정(UUV: underwater unmanned vehicle)들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 UUV가 작동하는 환경에서 온도차를 사용하여 전력을 발생시키기 위해 열전 시스템들을 이용하는 UUV들에 관한 것이다.
UUV들은 해저 탐사, 환경 모니터링 및 보안 운영들의 다양한 작업들에 사용된다. UUV들에 대한 운영 프로파일들은 제한된 재급유(refueling) 요건들을 갖는 확장된 작동 능력을 매력적으로 만든다. 심해는 은밀한 군사 작전들을 위한 이상적인 환경이다. 이러한 작전들은 흔히 전투 및 정찰 임무들을 위해 UUV들에 의존한다.
특정한 종래 기술의 UUV들은 에너지 생성 또는 추진 효과들을 위해 해양 수온약층(thermocline)에서 열 구배들을 이용한다. 그러나 수온약층은 약 1000미터 및 그 미만에서 섭씨 약 3.5도의 온도에 점근적으로 접근한다. 그러므로 수온약층의 구배에 의존하는 UUV들은 심해 환경에서 에너지가 부족하다. 그 결과, UUV들은 재급유를 위해 자주 수면으로 올라와야 해서, 자신들의 가시성을 넓히고, UUV를 수상 선박들과의 잠재적인 충돌 또는 코스 중단 위험에 빠뜨린다.
예시적인 구현들은 해수에 잠수할 수 있게 수용될 주요 선체(primary hull) 및 복수의 열전 모듈들을 구비한 수중 에너지 하베스팅 드론을 제공하며, 상기 복수의 열전 모듈들의 각각의 모듈은 주요 선체와 열 접촉하는 제1 작동 인터페이스를 갖는다. 열 전달 엘리먼트가 복수의 열전 모듈들 상의 제2 작동 인터페이스와 접촉하고, 전력 저장 디바이스가 복수의 열전 모듈들에 연결된다. 주요 선체와 열 전달 엘리먼트 사이에 열 구배를 생성하기 위한 잠수 가능한 주요 선체의 포지셔닝은 열전 모듈들에 의한 전력 발생을 유도함으로써 전력 저장 디바이스를 충전한다.
예시적인 구현들은 무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 제1 방법을 가능하게 하는데, 여기서는 냉해수가 제1 위치에서 내부 저장 탱크로 유입(entrain)된다. 그 다음, 내부 저장 탱크는 냉해수를 저장하기 위해 제2 위치에 배치된다. UUV는 주요 선체를 주변 해수와 비교하여 "핫 존(hot zone)"에 배치하는 열수 분출공(hydrothermal vent) 위치로 항해하게 된다. 주요 선체와 내부 저장 탱크 사이의 열 구배를 기반으로 열전 모듈들을 통해 전력이 발생되어 전력 저장소를 충전한다.
예시적인 구현들은 무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 제2 방법을 가능하게 하는데, 여기서는 잠수된 UUV가 수면으로 올라와 방열기(heat dissipater)를 공기에 노출시킨다. 열전 모듈들은 공기와 대류 접촉하는 방열기와 해수에 잠긴 주요 선체 사이의 온도차를 이용하는 전력 저장 디바이스의 충전을 위한 전기 에너지 생성을 제공하도록 작동된다.
논의된 특징들, 기능들 및 이점들은 다양한 구현들에서 독립적으로 달성될 수 있거나 또 다른 구현들에서는 결합될 수 있는데, 이들의 추가 세부사항들은 다음 설명 및 도면들과 관련하여 확인될 수 있다.
도 1a는 본 명세서에서 설명되는 제1 예시적인 구현을 이용하는 UUV의 도식적 표현이다.
도 1b는 본 명세서에서 설명되는 제2 예시적인 구현을 이용하는 UUV의 도식적 표현이다.
도 2a는 도 1a의 구현의 정단면도이다.
도 2b는 직사각형 프로파일을 갖는, 제1 구현에 대한 구조적 대안의 정단면도이다.
도 3은 제1 구현의 개략적인 측면 절단도(cutaway view)이다.
도 4는 "포고(pogo)" 배향의 제1 구현의 측면도이다.
도 5는 항해 및 감지 컴포넌트들을 갖는 예시적인 제어 시스템의 블록도이다.
도 6은 제2 구현의 개략적인 측면 절단도이다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 제2 구현에 대한 동작 시퀀스의 도식적 표현들이다.
도 8a는 제2 구현에 대한 구조적 대안의 측면도이다.
도 8b는 제2 구현에 대한 대안의 개략적인 측면 절단도이다.
도 9는 제1 구현에 대한 전력 발생을 위한 제1 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 10은 제2 구현에 대한 전력 발생을 위한 제2 방법을 도시하는 흐름도이다.
본 명세서에서 설명되는 바와 같은 UUV에 대한 예시적인 구현들은 복수의 열전 모듈들 상의 제1 작동 인터페이스와 열 접촉하는 잠수 가능한 주요 선체 및 복수의 열전 모듈들 상의 제2 작동 인터페이스와 접촉하는 열 전달 엘리먼트를 갖는, 보다 일반적으로는 에너지 하베스팅 잠수정으로 기술되는 수중 에너지 하베스팅 드론(UEHD: underwater energy harvesting drone)을 제공하는데, 이로써 주요 선체와 열 전달 엘리먼트 사이에 열 구배를 생성하기 위한 UEHD의 포지셔닝이 열전 모듈들에 의한 전력 발생을 유도한다.
도면들을 참조하면, 도 1a는 UEHD(10)의 제1 구현을 도시한다. UEHD(10)는 주요 선체(12)를 가지며, (예시로 표준 다중날 스크류로서 도시된) 추진기(13) 및 UEHD(10)의 방향 제어를 위해 주요 선체(12)에 피벗식으로 연결된 제어 플레인들(14)(예컨대, 제어 핀들 또는 유체 역학 조종면들)로 해양 환경 사이로 기동(예컨대, 항해)된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 후속하여 설명되는 바와 같이 냉해수로 채울 수 있는 내부 저장 탱크(16)가 열 전달 엘리먼트로서 사용된다. 내부 저장 탱크(16)는 도시된 구현을 위해 주요 선체(12) 내에서 실질적으로 동심이며, 복수의 열전 모듈들(18)이 내부 저장 탱크(16)와 주요 선체(12) 사이에 장착되는데, 각각의 열전 모듈(18) 상의 제1 가동면(20)은 주요 선체(12)와 열 접촉하고, 제2 가동면(22)은 내부 저장 탱크(16)와 열 접촉한다. 열전 모듈들은 펠티에(Peltier) 접합 디바이스(Seebeck, Thompson 효과들) 및 스털링(Sterling) 엔진 중 적어도 하나로부터 선택될 수 있다. 주요 선체(12)와 내부 저장 탱크(16) 사이의 온도차는 열전 모듈들(18)의 작동을 위한 열 구배를 제공할 것이다.
도 2a의 UEHD는 도시된 중앙 단면이 실질적으로 원형이다. 예시적인 대안적인 구현이 도 2b에 도시되는데, 여기서 중앙 단면은 주요 선체(12')와 내부 저장 탱크(16') 모두가 직사각형 단면을 갖는 직사각형 형상이다. 열전 모듈들(18)은 저장 탱크(16')의 편평한 면들(17)과 주요 선체(12')의 편평한 내부 면들(19) 사이에 장착되어 원하는 열 구배를 달성한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 주요 선체(12)는 추진기(13)용 전기 모터(24) 및 UEHD(10)의 작동 및 항해를 위한 제어 시스템(26)을 수용한다. 특히, 제어 시스템(26)은 UEHD(10)를 추진시키고 물을 거쳐 항해하도록 제어 플레인들(14) 중 하나 이상과 추진기(13) 모두를 작동시킨다. 단일 배터리 엘리먼트, 리튬 이온, 리튬 이온 중합체, 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소화물, 납산과 같은 저장 배터리들의 뱅크를 포함하는 재충전 가능한 배터리, 또는 나노 기술 수퍼커패시터와 같은 용량성 저장 시스템일 수 있는 전력 저장 디바이스(28)는 전압 변압기 회로(30)를 통해 열전 모듈들(18) 및 모터(24)에 연결된다. 제어 시스템(26)을 위한 전력은 또한 전력 저장 디바이스(28)로부터 제공될 수 있다.
도 3에 도시된 예시적인 구현은 내부 저장 탱크(16)를 주요 선체(12)의 외부에 있는 해수와 연결시키는 입구 스쿠프(inlet scoop)(32) 및 분출공(34)을 갖는다. 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)은 개폐식이거나 개방 및 폐쇄 위치들에 대한 도어 폐쇄들을 통합하여 외부 해수와의 선택적 유체 연통을 가능하게 할 수 있다. 전력 저장 디바이스(28)에 의해 동력을 공급받는 펌프(36)가 입구 스쿠프(32)로부터 내부 저장 탱크(16)로 그리고 분출공(34) 밖으로 물을 펌핑하여 내부 저장 탱크 내의 물을 교환하는 데 이용될 수 있다. 대안으로, 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)은 UEHD(10)가 항해 중인 동안 외부 해수에 대해 개방되어 물의 동적 압력이 내부 저장 탱크(16)를 통한 흐름을 생성할 수 있게 한다. 폐쇄 위치의 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)에 의해, 내부 저장 탱크(16)로 유입되는 냉해수가 저장된다.
작동 중에, UEHD(10)는 (임무/작전 프로파일의 일부로서 포함된) 항해 프로파일에 따라 제어 시스템(26)에 의해 해저 근처의 열수 분출공들의 위치들로 자율적으로 또는 원격으로 항해하게 된다. 전 세계의 해양들에 걸쳐 열수 분출 장(hydrothermal vent field)들의 전역적 분포가 존재한다. 이러한 열 분출공들은 60℃ 내지 646℃ 범위의 온도에서 온수 플룸들을 생성한다. UEHD(10)가 개빙 구역(open water) 내에 있는 경우, 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)이 내부 저장 탱크(16)의 제1 위치에 배치되거나 개방되고, 냉해수가 내부 저장 탱크(16)에 유입된 다음, 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)을 닫고 내부 저장 탱크(16)를 제2 위치에 배치하여 냉해수를 저장함으로써 냉해수가 유지된다. UEHD가 500미터 및 그 미만의 잠수 깊이들에 있는 경우, 12℃ 내지 4℃ 또는 그 미만의 수온들이 이용 가능하다. 그 후, UEHD(10)는 열수 분출공에 주요 선체(12)를 위치시키도록 제어 시스템(26)에 의해 항해되고, 분출공의 고온 플룸(hot plume)에서 배회하거나 분출공 플룸 흐름을 따라가 주요 선체(12)를 주변 해수 및 내부 저장 탱크(16)에 저장된 물의 초기 온도와 비교하여 "핫 존"에 위치되게 유지한다. 주요 선체(12)와 대류 및 전도성 접촉하는 고온 플룸과 열 커패시터로서 작용하는 내부 저장 탱크(16)에 저장된 냉수의 온도차는 전력 저장 디바이스(28)를 충전하기 위한 전력을 발생시키는 열전 모듈들(18)의 작동을 위한 열 구배를 제공한다. 열전 모듈들의 작동은 내부 저장 탱크(16) 내의 물의 가온(warming)을 발생시킬 것이다. 외부 분출공 플룸과 내부 저장 탱크 사이의 온도차가 열전 모듈들에 의한 유효 전력 발생이 중단되는 지점으로 감소될 때, UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 개빙 구역으로 기동되고, 내부 저장 탱크(16)는 고갈되어 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)의 작동에 의해 재충전된다. 그 후, UEHD(10)는 분출공 플룸 내에서 재위치될 수 있고 또는 전력 저장 디바이스(28)의 재충전을 위해 필요에 따라 다른 분출공 플룸으로 이동될 수 있다. 충전 사이클들 사이에서, UEHD(10)는 자신의 의도된 임무 프로파일에 따라 제어 시스템(26)에 의해 작동될 수 있다.
대안으로, UEHD(10)를 열 분출공의 플룸 내로 항해시키고 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)을 열어 플룸으로부터 온수를 유입시킴으로써 열 구배가 역전될 수 있다. 그 다음, UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 냉해수 개빙 구역(open cold ocean water)으로 항해되고, 주요 선체(12)와 대류 및 전도성 접촉하는 냉해수와 열 커패시터로서 작용하는 내부 저장 탱크(16)에 저장된, 플룸으로부터의 온수의 온도차는 전력 저장 디바이스(28)를 충전하기 위한 전력을 발생시키는 열전 모듈들(18)의 작동을 위한 역전된 열 구배를 제공한다. 전압 변압기 회로(30)는 역전된 열 구배에 기반하여 열전 모듈들에 의해 생성된 역전류를 감지하고 전력 저장 디바이스(28)의 충전을 위한 정류를 제공하도록 적응될 수 있다. 열전 모듈들의 작동은 내부 저장 탱크(16) 내의 물의 냉각을 발생시킬 것이다. 주요 선체(12)와 접촉하는 외부 해수와 내부 저장 탱크 사이의 온도차가 열전 모듈들에 의한 유효 전력 발생이 중단되는 지점으로 감소될 때, UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 다시 열 분출공으로 기동되고, 내부 저장 탱크(16)는 고갈되어 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)의 작동에 의해 재충전된다.
UEHD(10)에 제공된 시스템들은 열수 분출공들 사이의 "서핑(surfing)"이 임무 프로파일에서 실질적으로 방해 받지 않는 작동을 위해 전력 저장 디바이스(28)의 재충전을 제공할 수 있게 한다. 설명한 바와 같이, 임무(예컨대, 작전) 프로파일은 탐사, 환경 모니터링 및 보안 운영들과 같은 활동들을 포함할 수 있다.
UEHD(10)의 크기 및 다른 고려사항들에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 선택적으로 수직 또는 "포고" 배향을 유도하도록 UEHD(10)의 밸러스트를 변경하기 위해 적절한 제어 밸브들(40) 및 펌프 또는 다른 배출 시스템(예시적인 구현에서는 펌프(36)의 사용을 포함함)에 배향 밸러스트 탱크(38)가 이용될 수 있다. UEHD(10)는, 내부 저장 탱크(16)가 냉해수로 채워졌다면, 분출공 플룸에 대한 주요 선체(12)의 더 많은 노출을 제공하도록 밸러스트 탱크(38)를 채움으로써 열수 분출공 플룸(42)으로 기동되어 포고 위치로 재배향될 수 있다. 열전 충전 사이클의 완료 또는 내부 저장 탱크(16)에서의 온도차의 감소시에, 밸러스트 탱크(38)로부터 물이 배출되고 UEHD(10)는 정상적인 순항 능력을 제공하도록 그 종래의 작동 배향으로 재배향된다. 포고 방향은 또한, 주요 선체(12)와 내부 저장 탱크(16) 사이의 음의 온도차가 충전 사이클 동안 이용된다면, 내부 저장 탱크(16)를 플룸으로부터의 물로 채우는 것을 돕는 데 이용될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어 시스템(26)은 글로벌 포지셔닝 시스템(GPS: Global Positioning System)(504) 또는 GPS 센서들, 관성 항법(예컨대, 유도) 시스템들(506) 또는 유사한 항법 엘리먼트들로부터의 입력을 사용하는 자율 작전을 위한 특정 임무(예컨대, 작전) 프로파일(503)이 사전에 설치될 수 있는, 또는 통신 모듈(508) 및 원격 제어 시스템(509)으로 원격 제어될 수 있는 항법 시스템(502)을 통합한다. 임무 프로파일의 지정된 파라미터들 내에서 기동 또는 배회하기 위해 제어 프로세서(510)에 인공 지능(AI: artificial intelligence)이 통합될 수 있다. 제어 시스템(26)에 의한 UEHD(10)의 물리적 제어를 위한 제어 신호들이 모터(24)에 연결된 모터 제어기(512) 및 제어 플레인들(14)에 연결된 제어 플레인 작동 시스템(514)을 통해 제공된다.
도 1b는 UEHD(110)의 제2 구현을 보여준다. 제1 구현에서와 같이, UEHD(110)는 주요 선체(112)를 가지며, (예시로 표준 다중날 스크류로서 도시된) 추진기(113) 및 제어 플레인들(114)로 해양 환경 사이로 기동된다. 제2 구현의 열 전달 엘리먼트는 주요 선체(112)의 최상부 표면(117)에 장착되어 그 최상부 표면으로부터 연장되는 방열기(116)이다. 방열기(116)는 증가된 표면적을 위해 신축식으로 연장 가능할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 주요 선체(112)는 추진기(113)용 모터(124) 및 UEHD(110)의 작동을 위한 제어 시스템(126)을 수용한다. 단일 배터리 엘리먼트, 리튬 이온, 리튬 이온 중합체, 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소화물, 납산과 같은 저장 배터리들의 뱅크, 또는 나노 기술 수퍼커패시터와 같은 용량성 저장 시스템일 수 있는 전력 저장 디바이스(128)는 전압 변압기 회로(130)를 통해 열전 모듈들(118) 및 모터(124)에 연결된다. 제어 시스템(126)을 위한 전력은 또한 전력 저장 디바이스(128)로부터 제공될 수 있다. 열전 모듈들(118)은 주요 선체(112)와 열 접촉하는, 각각의 열전 모듈(118) 상의 제1 가동면(120) 및 방열기(116)와 열 접촉하는 제2 가동면(122)과 연결된다.
도 7a - 도 7c에 표현된 바와 같은 제2 구현의 동작에서, UEHD(110)는 제어 시스템(126)에 의해 설정된 임무 프로파일에 따라, 도 7a에 도시된 바와 같이 잠수된 상태로 순항한다. 제2 구현에 대한 예상된 작동은 해수 온도가 상대적으로 일정한, 적어도 -2℃ 또는 그보다 더 따뜻한 반면, 기온은 특히 밤에 상당히 더 낮은(약 -20℃이지만 약 -60℃ 내지 10℃에 이르는) 북극해(artic waters)에서 발생한다. 전력 저장 디바이스(128)의 충전이 요구될 때, 제어 시스템(126)은 도 7b에 도시된 바와 같이 UEHD(110)를 수면으로 올라오게 하여 방열기(116)를 해수로부터 공기로 선택적으로 노출시킨다. 주변 공기(142)와 대류 접촉하는 방열기(116)와 해수(140)에 잠긴 주요 선체(112) 사이의 온도차는 상당하며 열전 모듈들(118)의 작동이 전력 저장 디바이스의 충전을 위한 전기 에너지 생성을 제공하기에 충분하다. 충전의 완료시 또는 달리 동작상 바람직한 경우, 제어 시스템(126)은 도 7c에서 확인되는 바와 같이 UEHD(110)가 동작을 계속하도록 잠수하게 한다.
다이빙, 수면으로 올라오는 것 그리고 원하는 작동 깊이를 위해 UEHD의 개시된 구현들의 깊이 제어를 제공하기 위한 다양한 밸러스트 탱크들 및 연관된 작동 시스템들은 당해 기술분야에 잘 알려져 있으며 본 명세서에서는 설명되지 않는다.
제2 구현을 위한 다른 구조적 배치가 도 8a 및 도 8b에 도시된다. 도 8a에 도시된 바와 같이, UEHD(210)는 절연 배리어(213)에 의해 분리된 상부(212a) 및 하부(212b)를 갖는 주요 선체(212)를 통합한다. 선체 부분들(212a, 212b)은 절연 배리어(213)의 위와 아래에서 대칭으로 도시되지만, 비대칭 배치들이 이용될 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 열전 모듈들(218)은 상부(212a)와 열 접촉하는, 각각의 열전 모듈(218) 상의 제1 가동면(220) 및 하부(212b)와 열 접촉하는 제2 가동면(222)과 맞물린다. 제2 가동면(222)과 하부(212b) 사이의 또는 반대로 제1 가동면(220)과 상부(212a) 사이의 효과적인 접촉을 위해 전달 판(214) 또는 다른 열 전도성 엘리먼트가 이용될 수 있다. 제1 구조적 배치에서와 같이, UEHD(210)는 전력 저장 디바이스(228), 전압 변압기 회로(230), 모터(224) 및 제어 시스템(226)을 통합한다. UEHD(210)는 UEHD(110)와 유사한 방식으로 작동하여, 주요 선체(212)의 상부(212a)를 공기에 노출시키도록 수면으로 올라오는 것은 방열기이다.
제2 구현의 어느 구조적 배치에서든, 기온이 수온보다 더 따뜻하다면 열전 모듈들(118, 218)을 통한 UEHD(110, 210)의 열 전달이 역전됨으로써 역전 열 구배를 제공할 수 있다. 역전 온도 구배가 발생하면, 열전 모듈들(118, 218)에 의해 생성된 전류가 방향을 반전시킨다. 전압 변압기 회로(130, 230) 내의 다이오드 회로는 역전류를 포착한 다음, 전력 저장 디바이스(128, 228)에 전하를 저장하는 데 사용된다.
개시된 UEHD의 구현들은 UUV의 작동을 위한 방법들을 제공한다. (도 1a 및 도 3을 참조로) 도 9에 도시된 바와 같이, UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 해저 근처의 열수 분출공들의 위치들 사이에서 자율적으로 또는 원격으로 항해된다(단계(902)).
제1 시퀀스에서, UEHD(10)가 개빙 구역 내에 있는 경우에는, 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)이 개방 위치에 전개 또는 배치되어 냉해수가 펌핑 또는 동적 압력에 의해 제1 위치의 내부 저장 탱크(16)에 유입되고(단계(904)), 그 다음 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)이 닫혀(단계(906), 내부 저장 탱크(16)를 제2 위치에 배치하여 냉해수를 저장한다. UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 열수 분출공 위치로 항해되고, 분출공의 고온 플룸에 주요 선체(12)를 둔 채 배회하거나 분출공 플룸 흐름을 따라가 주요 선체(12)를 주변 해수 및 내부 저장 탱크(16) 내의 물의 초기 온도와 비교하여 "핫 존"에 유지한다(단계(908)). 배향 밸러스트 탱크(38)가 채워져(단계(910)), UEHD(10)를 포고 위치로 배향시킨다. 이런 식으로, UEHD를 포고 위치로 배향시키기 위해 배향 밸러스트 탱크(38)가 채워진다. 주요 선체(12)와 대류 및 전도성 접촉하는 고온 플룸과 열 커패시터로서 작용하는 내부 저장 탱크(16)에 저장된 냉수의 온도차는, 전력 저장 디바이스(28)를 충전하기 위한 전력을 발생시키도록, 주요 선체와 내부 저장 탱크 사이의 열 구배를 기반으로 작동되는 열전 모듈들(18)에 열 구배를 제공한다(단계(912)). UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 개빙 구역으로 기동되고(단계(914)), 내부 저장 탱크(16)는 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)의 작동에 의해 고갈되고 재충전되어(단계(904)), 제1 시퀀스의 프로세스를 반복한다.
제2 시퀀스에서, UEHD(10)가 분출공 플룸 내에 있는 경우에는, 배향 밸러스트 탱크(38)가 채워져(단계(911)), UEHD(10)를 포고 위치로 배향시킨다. 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)이 전개 또는 개방되고, 플룸으로부터의 온수가 펌핑 또는 동적 압력에 의해 제1 위치의 내부 저장 탱크(16)에 유입되고(단계(905)), 그 다음 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)이 닫혀(단계(907), 내부 저장 탱크(16)를 (예컨대, 포고 위치에 대해 회전된) 제2 위치에 배치하여 온수를 저장한다. UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 분출공 플룸으로부터 개방 해양으로 항해되며, 여기서는 냉수가 내부 저장 탱크(16) 내의 온수의 초기 온도에 대해 음의 온도차를 제공한다(단계(909)). 주요 선체(12)와 대류 및 전도성 접촉하는 개방 냉해수와 열 커패시터로서 작용하는 내부 저장 탱크(16)에 저장된 온수의 온도차가 열 구배를 제공하며, 열전 모듈들(18)은 전력 저장 디바이스(28)를 충전하기 위한 전력을 발생시키도록, 주요 선체와 내부 저장 탱크 사이의 열 구배를 기반으로 작동된다(단계(913)). UEHD(10)는 제어 시스템(26)에 의해 다시 열수 분출공 플룸으로 기동되고(단계(915)), 내부 저장 탱크(16)는 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)의 작동에 의해 고갈되고 재충전되어(단계(905)), 제2 시퀀스의 프로세스를 반복한다. 어떤 시퀀스에서든, UEHD는 다음에, 전력 저장 디바이스들(28, 128, 228)을 충전하도록 열전 모듈들(18, 118, 218)을 항해시키고 작동시키는 것과 함께, 원하는 임무 프로파일로 작동될 수 있다(단계(916). UEHD(10)는 분출공 플룸 내에서 재위치될 수 있고 또는 단계(904, 905)에서 시작되는 전력 저장 디바이스(28)의 재충전을 위해 필요에 따라 다른 분출공 플룸으로 이동될 수 있다.
(도 1b, 도 6 및 도 8a - 도 8b를 참조로) 도 10에 도시된 바와 같이, UEHD(110, 210)는 제어 시스템(126)에 의해 지시된 임무 프로파일에 따라 잠수된 상태로 작동된다(단계(1002)). 전력 저장 디바이스(128)의 충전이 요구될 때, 제어 시스템(126)은 UEHD(110, 210)를 수면으로 올라오게 하여(단계(1004)) 방열기(116, 212a)를 공기에 노출시킨다. 열전 모듈들(118)은 주변 공기(142)와 대류 접촉하는 방열기(116, 212a)와 해수(140)에 잠긴 주요 선체(112)(또는 212b) 사이의 온도차를 이용하는 전력 저장 디바이스의 충전을 위한 전기 에너지 생성을 제공하도록 작동된다(단계(1006)). 충전의 완료시 또는 달리 동작상 바람직한 경우, 제어 시스템(126)은 UEHD(110)가 동작을 계속하도록 잠수하게 한다(단계(1008)).
추가로, 본 개시내용은 다음 조항들에 따른 예들을 포함한다:
조항 1. 수중 에너지 하베스팅 드론은: 해수에 잠수할 수 있게 수용될 주요 선체; 복수의 열전 모듈들 ― 상기 복수의 열전 모듈들의 각각의 모듈은 주요 선체와 열 접촉하는 제1 작동 인터페이스를 가짐 ―; 복수의 열전 모듈들 상의 제2 작동 인터페이스와 접촉하는 열 전달 엘리먼트; 및 복수의 열전 모듈들에 연결된 전력 저장 디바이스를 포함하며; 주요 선체와 열 전달 엘리먼트 사이에 열 구배를 생성하기 위한 주요 선체의 포지셔닝은 열전 모듈들에 의한 전력 발생을 유도함으로써 전력 저장 디바이스를 충전한다.
조항 2. 조항 1에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 전력 저장 디바이스는 재충전 가능한 배터리 및 커패시터 중 적어도 하나를 포함한다.
조항 3. 조항 2에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 배터리는 리튬 이온, 리튬 이온 중합체, 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소화물 또는 납산 배터리 중 하나이다.
조항 4. 조항 2에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 커패시터는 나노 기술 수퍼커패시터를 포함한다.
조항 5. 조항 1에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 열전 모듈들은 펠티에 접합 디바이스 및 스털링 엔진 중 적어도 하나를 포함한다.
조항 6. 조항 1에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론은: 전력 저장 디바이스로부터 전력을 수신하도록 연결된 전기 모터; 상기 전기 모터에 의해 구동되는 추진기; 주요 선체에 맞물린 제어 플레인들; 및 항해 프로파일에 따라 전기 모터 및 제어 플레인들에 제어 신호들을 제공하도록 적응된 제어 시스템을 더 포함한다.
조항 7. 조항 6에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 열 전달 엘리먼트는 제1 위치에서 냉해수를 수용하고 제2 위치에서 냉해수를 저장하도록 적응된 내부 저장 탱크를 포함하며, 항해 프로파일은 열수 분출공의 고온 플룸에 주요 선체를 위치시킨다.
조항 8. 조항 7에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 내부 저장 탱크는 입구 스쿠프 및 분출공을 포함하며, 상기 입구 스쿠프 및 분출공은 내부 저장 탱크의 제1 위치에 대한 개방 위치 및 내부 저장 탱크를 제2 위치에 배치하는 폐쇄 위치를 갖는다.
조항 9. 조항 7에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론은, 주요 선체의 포고 위치를 선택적으로 유도하도록 적응된 밸러스트 탱크를 더 포함한다.
조항 10. 조항 7에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 내부 저장 탱크는, 항해 프로파일이 고온 플룸에 주요 선체를 위치시킬 때는 제1 위치에서 열수 분출공의 고온 플룸으로부터의 온수를 수용하고, 항해 프로파일이 냉해수에 주요 선체를 위치시킬 때는 제2 위치에서 온수를 저장함으로써, 전력 저장 디바이스를 충전하기 위한 전력을 발생시킬 열전 모듈들의 작동을 위한 역전된 열 구배를 유도하도록 추가로 적응되며, 변압기 회로는 역전된 열 구배에 기반하여 열전 모듈들에 의해 생성된 역전류를 감지하고 전력 저장 디바이스의 충전을 위한 정류를 제공하도록 적응된다.
조항 11. 조항 6에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 열 전달 엘리먼트는 주요 선체의 최상부 표면에 장착되어 그 최상부 표면으로부터 연장되는 방열기를 포함하고, 항해 프로파일은 해수로부터 방열기를 노출시키기 위해 주요 선체를 선택적으로 수면으로 올라오게 한다.
조항 12. 조항 6에 정의된 수중 에너지 하베스팅 드론에서, 주요 선체는 상부와 하부를 포함하고, 상기 상부와 하부는 절연 배리어에 의해 분리되며, 상부는 열 전달 엘리먼트를 포함하고, 항해 프로파일은 해수로부터 상부를 노출시키기 위해 주요 선체를 선택적으로 수면으로 올라오게 한다.
조항 13. 무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 방법은: 제1 위치에서 내부 저장 탱크로 냉해수를 유입시키는 단계; 냉해수를 저장하기 위해 내부 저장 탱크를 제2 위치에 배치하는 단계; 주요 선체를 주변 해수와 비교하여 분출공 플룸 "핫 존"에 배치하는 열수 분출공 위치로 UUV를 항해시키는 단계; 및 전력 저장 디바이스를 충전하기 위해 주요 선체와 내부 저장 탱크 사이의 열 구배를 기반으로 열전 모듈들을 통해 전력을 발생시키는 단계를 포함한다.
조항 14. 조항 13에 정의된 방법은, UUV를 포고 위치로 배향시키도록 배향 밸러스트 탱크를 채우는 단계를 더 포함한다.
조항 15. 조항 13에 정의된 방법은: 개빙 구역으로 기동시키는 단계; 내부 저장 탱크를 고갈시키는 단계; 및 입구 스쿠프 및 분출공의 작동에 의해 내부 저장 탱크를 재충전하는 단계를 더 포함한다.
조항 16. 조항 13에 정의된 방법은, 원하는 임무 프로파일로 UUV를 작동시키는 단계를 더 포함한다.
조항 17. 조항 16에 정의된 방법은: 분출공 플룸 내에서 재위치하는 단계 또는 전력 저장 디바이스의 재충전을 위해 다른 분출공 플룸으로 이동하는 단계를 더 포함한다.
조항 18. 무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 방법은: 방열기를 외기(open air)에 노출시키도록 수면으로 올라오는 단계; 및 외기와 대류 접촉하는 방열기와 해수에 잠긴 주요 선체 사이의 온도차를 이용하는 전력 저장 디바이스의 충전을 위한 전기 에너지 생성을 제공하도록 열전 모듈들을 작동시키는 단계를 포함한다.
조항 19. 조항 18에 정의된 방법은, 충전 완료시 UUV를 잠수시키는 단계를 더 포함한다.
조항 20. 조항 18에 정의된 방법은, 제어 시스템에 의해 지시된 임무 프로파일에 따라 잠수된 상태로 작동하는 단계를 더 포함한다.
특허 법령들에 의해 요구되는 바와 같이 다양한 구현들을 이제 상세히 설명했으므로, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 본 명세서에 개시된 특정 구현들에 대한 수정들 및 대체들을 인식할 것이다. 이러한 수정들은 다음의 청구항들에 정의된 본 발명의 범위 및 의도 내에 있다.

Claims (15)

  1. 수중 에너지 하베스팅 드론(underwater energy harvesting drone)(10, 110, 210)으로서,
    해수에 잠수할 수 있게 수용될 주요 선체(primary hull)(12, 112, 212);
    복수의 열전 모듈들(18, 118, 218) ― 상기 복수의 열전 모듈들의 각각의 모듈은 상기 주요 선체와 열 접촉하는 제1 작동 인터페이스(20, 120, 220)를 가짐 ―;
    상기 복수의 열전 모듈들 상의 제2 작동 인터페이스(22, 122, 222)와 접촉하는 열 전달 엘리먼트(16, 116, 212a); 및
    상기 복수의 열전 모듈들에 연결된 전력 저장 디바이스(28, 128, 228)를 포함하며;
    상기 주요 선체와 상기 열 전달 엘리먼트 사이에 열 구배를 생성하기 위한 상기 주요 선체의 포지셔닝은 상기 열전 모듈들에 의한 전력 발생을 유도함으로써 상기 전력 저장 디바이스를 충전하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 저장 디바이스는 재충전 가능한 배터리 및 커패시터 중 적어도 하나를 포함하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 배터리는 리튬 이온, 리튬 이온 중합체, 니켈 카드뮴, 니켈 금속 수소화물 또는 납산 배터리 중 하나인,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 커패시터는 나노 기술 수퍼커패시터를 포함하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열전 모듈들은 펠티에(Peltier) 접합 디바이스 및 스털링(Sterling) 엔진 중 적어도 하나를 포함하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전력 저장 디바이스로부터 전력을 수신하도록 연결된 전기 모터(24, 124, 224);
    상기 전기 모터에 의해 구동되는 추진기(13, 113);
    상기 주요 선체에 맞물린 제어 플레인들(14, 114); 및
    항해 프로파일에 따라 상기 전기 모터 및 제어 플레인들에 제어 신호들을 제공하도록 적응된 제어 시스템(26, 126, 226)을 더 포함하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 열 전달 엘리먼트는 제1 위치에서 냉해수를 수용하고 제2 위치에서 상기 냉해수를 저장하도록 적응된 내부 저장 탱크(16)를 포함하며, 상기 항해 프로파일은 열수 분출공(hydrothermal vent)의 고온 플룸(hot plume)에 상기 주요 선체를 위치시키는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 내부 저장 탱크는 입구 스쿠프(32) 및 분출공(34)을 포함하며,
    상기 입구 스쿠프(inlet scoop) 및 분출공은 상기 내부 저장 탱크의 제1 위치에 대한 개방 위치 및 상기 내부 저장 탱크를 상기 제2 위치에 배치하는 폐쇄 위치를 갖는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 주요 선체의 포고(pogo) 위치를 선택적으로 유도하도록 적응된 밸러스트 탱크(ballast tank)(38)를 더 포함하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 내부 저장 탱크는, 상기 항해 프로파일이 상기 고온 플룸에 상기 주요 선체를 위치시킬 때는 상기 제1 위치에서 상기 열수 분출공의 고온 플룸으로부터의 온수를 수용하고, 상기 항해 프로파일이 냉해수에 상기 주요 선체를 위치시킬 때는 상기 제2 위치에서 상기 온수를 저장함으로써, 상기 전력 저장 디바이스를 충전하기 위한 전력을 발생시킬 상기 열전 모듈들의 작동을 위한 역전된 열 구배를 유도하도록 추가로 적응되며, 상기 변압기 회로(30)는 상기 역전된 열 구배에 기반하여 상기 열전 모듈들에 의해 생성된 역전류를 감지하고 상기 전력 저장 디바이스의 충전을 위한 정류를 제공하도록 적응되는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 열 전달 엘리먼트는 상기 주요 선체의 최상부 표면(117)에 장착되어 상기 최상부 표면으로부터 연장되는 방열기(heat dissipater)(116)를 포함하고, 상기 항해 프로파일은 상기 해수로부터 상기 방열기를 노출시키기 위해 상기 주요 선체를 선택적으로 수면으로 올라오게 하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 주요 선체는 상부(212a)와 하부(212b)를 포함하고, 상기 상부와 하부는 절연 배리어(213)에 의해 분리되며,
    상기 상부는 상기 열 전달 엘리먼트를 포함하고, 상기 항해 프로파일은 상기 해수로부터 상기 상부를 노출시키기 위해 상기 주요 선체를 선택적으로 수면으로 올라오게 하는,
    수중 에너지 하베스팅 드론.
  13. 무인 잠수정(UUV: unmanned underwater vehicle)의 작동을 위한 방법으로서,
    제1 위치에서 내부 저장 탱크로 냉해수를 유입(entrain)시키는 단계(904);
    상기 냉해수를 저장하기 위해 상기 내부 저장 탱크를 제2 위치에 배치하는 단계(906);
    주요 선체를 주변 해수와 비교하여 분출공 플룸 "핫 존(hot zone)"에 배치하는 열수 분출공 위치로 상기 UUV를 항해시키는 단계(908); 및
    전력 저장 디바이스를 충전하기 위해 상기 주요 선체와 내부 저장 탱크 사이의 열 구배를 기반으로 열전 모듈들을 통해 전력을 발생시키는 단계(912)를 포함하는,
    무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 UUV를 포고 위치로 배향시키도록 배향 밸러스트 탱크를 채우는 단계(910); 및
    원하는 임무 프로파일로 상기 UUV를 작동시키는 단계(916)
    중 적어도 하나를 더 포함하는,
    무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    개빙 구역(open water)으로 기동시키는 단계(914);
    상기 내부 저장 탱크를 고갈시키는 단계(904); 및
    입구 스쿠프 및 분출공의 작동에 의해 상기 내부 저장 탱크를 재충전하는 단계(904)를 더 포함하는,
    무인 잠수정(UUV)의 작동을 위한 방법.
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