KR20190099015A - 액체 내의 부하에 전력을 공급하기 위한 부하 배열 - Google Patents

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KR20190099015A
KR20190099015A KR1020197020939A KR20197020939A KR20190099015A KR 20190099015 A KR20190099015 A KR 20190099015A KR 1020197020939 A KR1020197020939 A KR 1020197020939A KR 20197020939 A KR20197020939 A KR 20197020939A KR 20190099015 A KR20190099015 A KR 20190099015A
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마르크 델덴
미치엘 요한네스 용에리위스
델덴 마르티누스 헤르마누스 윌헬무스 마리아 반
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코닌클리케 필립스 엔.브이.
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Abstract

부하 배열은 오손 액체(10)에 노출된 해양 구조물의 표면(30) 상의 부하들에 전력을 공급하고, 송신기 배열(110), 및 매립된 부하들(20)을 갖는 적어도 하나의 캐리어 매체(100)를 갖는다. 전방 전극들(130)은 액체에 결합되도록 배열되고, 후방 전극들(120)은, 해양 5 구조물의 반대편 영역 및 유전체 층(4a)과 조합하여, 제2 전력 노드와 해양 구조물에 결합된 전원의 하나의 극 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 후방 커패시터를 형성하기 위해 캐리어 매체 내에 매립된 후방 전기 전도성 층들을 갖는다. 송신기 배열은 공급 라인(111), 및 공급 라인에 갈바니 접속된 다수의 송신기(114)를 갖는다. 다수의 송신기는 10 짧은 전도성 경로들(113)을 형성하기 위해 다수의 전방 전극 부근에 배열되도록 공급 라인을 따라 분포된다.

Description

액체 내의 부하에 전력을 공급하기 위한 부하 배열
본 발명은 해수와 같은 액체에 노출된 해양 구조물의 표면 상의 부하들에 전력을 공급하기 위한 부하 배열(load arrangement)에 관한 것이다. 액체는 전기 전도성 매체를 구성한다. 부하들은 캐리어(carrier) 내에 매립되며, 전원으로부터 공급 전류를 수신하기 위해 제1 전력 노드(power node)와 제2 전력 노드 사이에 결합된다.
자신의 수명의 적어도 일부 동안 물에 노출되는 표면의 생물오손(biofouling)은 잘 알려진 현상이며, 이는 많은 분야에서 상당한 문제를 유발한다. 예를 들어, 해운 분야에서, 선박의 선체 상의 생물오손은 선박의 항력에 있어서의 극심한 증가, 및 이에 따라 선박의 증가된 연료 소비량을 유발하는 것으로 알려져 있다. 이 점에 있어서, 연료 소비량의 최대 40%의 증가가 생물오손에 기인할 수 있는 것으로 추정된다.
일반적으로, 생물오손은 표면 상에의 미생물, 식물, 조류, 작은 동물 등의 축적이다. 몇몇 추정에 따르면, 4,000가지를 넘는 유기체를 포함한 1,800가지를 넘는 종(species)이 생물오손의 원인이다. 따라서, 생물오손은 매우 다양한 유기체에 의해 유발되며, 표면에 따개비 및 해초가 부착되는 것보다 훨씬 많을 것을 수반한다. 생물오손은 생물막(biofilm) 형성 및 박테리아 부착을 포함하는 미세 오손(micro fouling)과, 더 큰 유기체들의 부착을 포함하는 거대 오손(macro fouling)으로 나뉜다. 그들이 정착하는 것을 방지하는 것을 결정하는 별개의 화학적 특성 및 생물학적 특징으로 인해, 유기체들은 또한 경질 또는 연질로 분류된다. 경질 오손 유기체는 따개비, 피각화 이끼벌레, 연체동물, 다모류 및 다른 서관충, 및 얼룩무늬 홍합과 같은 석회질 유기체를 포함한다. 연질 오손 유기체는 해초, 히드로충, 조류 및 생물막 "슬라임(slime)"과 같은 비-석회질 유기체를 포함한다. 이들 유기체는 함께 오손 군집체(fouling community)를 형성한다.
상기에 언급된 바와 같이, 생물오손은 상당한 문제를 유발한다. 생물오손은, 전술한 선박의 항력 증가 외에 2개의 다른 부정적인 결과만을 언급하자면, 기계가 작동 중지되게 하고 물 입구가 막히게 할 수 있다. 따라서, 생물오손-방지(anti-biofouling)의 주제, 즉 생물오손을 제거하거나 방지하는 공정이 잘 알려져 있다.
WO 2014/188347 A1호는 표면이 액체 환경 내에, 특히 물 또는 기름 환경 내에 적어도 부분적으로 잠겨 있는 동안의 상기 표면의 오손-방지의 방법을 설명한다. 방법은 노출된 표면 상의 광학 매체 내에 매립된 광원으로부터 오손-방지 광(anti-fouling light)을 제공하는 단계를 포함하며, 광학 매체는 실질적으로 평탄한 방출 표면을 갖는다. 오손-방지 광은 광학 매체의 방출 표면으로부터, 노출된 표면으로부터 멀어지는 방향으로 방출되며, 오손-방지 광은 자외선 광일 수 있다. 광원들은 전력을 공급받아야 하며 따라서 해양 구조물의 표면 상에서 전력을 공급받을 부하들의 예를 구성한다. WO 2014/188347 A1호는 상기 광학 매체 내에 매립된 와이어들을 통해 그러한 부하들에 전력을 공급하는 것을 설명한다.
WO2016193114 A1호는 사용 중에 물에 적어도 부분적으로 잠기는 물체를 설명하며, 물체는 UV 방출 요소를 포함하는 생물오손-방지 시스템을 추가로 포함하며, UV 방출 요소는 하나 이상의 광원을 포함하고, (i) 상기 물체의 외부 표면의 일부 및 (ii) 상기 외부 표면의 상기 일부에 인접한 물 중 하나 이상을 조사 스테이지(irradiation stage) 동안 UV 방사선으로 조사하도록 구성되며, 물체는 선박 및 인프라 물체로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 물체는 물 스위치를 추가로 포함하고, 생물오손-방지 시스템은 물 스위치가 물과 물리적으로 접촉하는 것에 의존하여 상기 일부에 상기 UV 방사선을 제공하도록 구성된다.
WO2010079401 A1호는 광학 반응기가 반응 챔버를 한정하는 반응기 인클로저(reactor enclosure)를 갖는 것을 설명한다. 반응 챔버 내에, 매우 높은 주파수로 동작하는 광원이 처리될 유체에 광을 방사하도록 배열된다. 저전압 전극이 광원을 둘러싸도록 배열된다. 광원은 반응기 인클로저에 인접하게 배열된 구동 회로에 의해 에너지를 공급받는다. 구동 회로는 광원의 고전압 입력 단자에 접속된 고전압 출력 단자를 갖는다. 구동 회로는 저전압 전극에 접속된 저전압 출력 단자를 갖는다.
WO2016193055호는 사용 중에 물에 적어도 부분적으로 잠기는 물체를 설명하며, 물체는 선박 및 인프라 물체로 이루어진 그룹으로부터 선택되고, 물체는 UV 방출 요소를 포함하는 생물오손-방지 시스템을 추가로 포함하고, UV 방출 요소는 (i) 상기 물체의 외부 표면의 제1 부분 및 (ii) 상기 물체의 상기 외부 표면의 상기 제1 부분에 인접한 물 중 하나 이상을 조사 스테이지 동안 UV 방사선으로 조사하도록 구성되고, 물체는 돌출 요소들을 추가로 포함하며, UV 방출 요소는 돌출 요소들 사이에 구성되고 돌출 요소들에 비해 함몰되도록 구성된다.
WO2016096770 A1호는 사용 중에 물에 적어도 일시적으로 노출되는 그의 외부 표면을 따른 생물오손을 방지하거나 감소시키도록 구성된 해양 케이블 장치를 설명한다. 이 발명에 따른 해양 케이블 장치는 오손-방지 광을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 광원 및 오손-방지 광의 적어도 일부를 수광하도록 구성된 적어도 하나의 광학 매체를 포함한다. 광학 매체는 상기 외부 표면의 적어도 일부 상에 상기 오손-방지 광의 적어도 일부를 제공하도록 구성된 적어도 하나의 방출 표면을 포함한다.
전술한 내용에 따르면, WO 2014/188347 A1호는 해양 구조물의 표면 상에 오손-방지 광을 제공하는 주제를 다룬다. 전기 부하들은 캐리어 내에 매립되고, 캐리어 내에 매립된 와이어들을 통해 전력을 공급받는다. 각자의 캐리어들을 전원에 접속하기 위해, 예를 들어 전력 라인들 및 전력 커넥터들을 사용하여 갈바니 접속(galvanic connection)들이 이루어져야 하는데, 이는 고가이고 신뢰할 수 없다. 따라서, 더 편리하고 신뢰할 수 있는 방식으로 그러한 광원들 및 다른 부하들에 전력을 공급할 필요가 있다.
본 발명은 액체에 노출된 표면 상의 부하들에 전력을 공급하기 위한 부하 배열을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따르면, 액체에 노출된 해양 구조물의 표면 상의 부하들에 전력을 공급하기 위한 부하 배열이 제공되며, 액체는 전기 전도성 매체를 구성하고, 부하 배열은,
- 송신기 배열 및
- 시트(sheet)로서 형상화된 적어도 하나의 캐리어 매체(carrier medium)를 포함하고,
캐리어 매체는 해양 구조물의 표면 내에 또는 상에 배열될 후방 표면, 및 액체와 접촉할 전방 표면을 갖고,
캐리어 매체는,
- 캐리어 매체 내에 매립된 다수의 부하들로서, 각각의 부하는 전원으로부터 공급 전류를 수신하기 위해 제1 전력 노드와 제2 전력 노드 사이에 결합되는, 상기 다수의 부하들;
- 전방 표면에 있는 다수의 전방 전극들로서, 각각의 전방 전극은 제1 전력 노드들 중 하나 이상에 접속되고, 전기 전도성 매체에 결합되도록 배열되는, 상기 다수의 전방 전극들; 및
- 제2 전력 노드들 중 하나 이상에 접속된 하나 이상의 후방 전극들로서, 각각의 후방 전극은, 해양 구조물의 반대편 영역 및 유전체 층과 조합하여, 제2 전력 노드와 해양 구조물에 결합된 전원의 하나의 극 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 후방 커패시터를 형성하기 위해 후방 표면 부근에서 캐리어 매체 내에 매립된 후방 전기 전도성 층을 포함하는, 상기 하나 이상의 후방 전극들을 포함하고,
송신기 배열은 전원의 다른 극에 결합하도록 배열된 공급 라인, 및 공급 라인에 갈바니 접속된 다수의 송신기들을 갖고, 다수의 송신기들은 다수의 전방 전극들 부근에서 전기 전도성 매체와 접촉하여 배열되도록 공급 라인을 따라 분포되고, 각자의 송신기들은 각자의 하나 이상의 전방 전극들 부근에 위치된다.
본 발명의 추가 태양에 따르면, 액체에 노출될 표면을 갖는 해양 구조물이 제공되며, 액체는 전기 전도성 매체를 구성하고, 해양 구조물은 위에서 정의된 바와 같은 적어도 하나의 부하 배열을 포함하며,
- 적어도 하나의 캐리어 매체는 해양 구조물의 표면 내에 또는 상에 후방 표면을 갖는 해양 구조물에 부착되고,
- 적어도 하나의 송신기 배열은 다수의 전방 전극들 부근에서 해양 구조물의 표면에 배열되고,
해양 구조물은,
- 전원으로서, 전원으로부터 부하들로 공급 전류를 전달하기 위해 해양 구조물과 송신기 배열의 공급 라인 사이에 결합되는, 상기 전원을 포함한다.
본 발명의 추가 태양에 따르면, 위에서 정의된 바와 같은 부하 배열을 설치하기 위한 방법이 제공되며, 방법은,
- 액체에 노출될 해양 구조물의 표면에 적어도 하나의 시트를 부착하는 단계;
- 다수의 전방 전극들 부근에서 해양 구조물의 표면에 송신기 배열을 배열하는 단계; 및
- 전원으로부터 부하들로 공급 전류를 전달하기 위해 해양 구조물과 송신기 배열의 공급 라인 사이에 결합되는 전원을 제공하는 단계를 포함한다.
위의 특징들은 다음의 효과를 갖는다. 캐리어 매체는 부하들을 물리적으로 지지하는 기계적 요소이다. 캐리어 매체는 액체와 접촉하는 전방 표면, 및 해양 구조물의 표면 내에 또는 상에 배열될 후방 표면을 갖는다. 부하들은 캐리어 매체 내에 매립되는데, 예컨대 광학 매체 내에 매립된 광원들이다. 각각의 부하는 전원으로부터 공급 전류를 수신하기 위해 제1 전력 노드와 제2 전력 노드 사이에 결합된다. 다수의 전방 전극이 전방 표면에 위치된다. 각각의 전방 전극은 제1 전력 노드들 중 하나 이상에 접속되고, 전기 전도성 매체에 결합되도록 배열된다.
부하 배열은 또한 제2 전력 노드들 중 하나 이상에 접속된 하나 이상의 후방 전극을 갖는다. 각각의 후방 전극은 후방 표면 부근에서 캐리어 매체 내에 매립된 후방 전기 전도성 층을 갖는다. 이 층은, 해양 구조물의 반대편 영역 및 유전체 층과 조합하여, 제2 전력 노드와 전원의 하나의 극에 결합된 해양 구조물 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 후방 커패시터를 형성한다.
송신기 배열은 전원의 다른 극에 결합하도록 배열된 공급 라인을 갖는다. 다수의 송신기가 공급 라인에 갈바니 접속되고, 공급 라인을 따라 분포된다. 송신기들은 다수의 전방 전극 부근에서 전기 전도성 매체와 접촉하여 배열되도록 의도된다. 개별 송신기들은 전방 전극들의 각자의 서브세트 부근에 위치된다.
사용 시, 송신기 배열은 캐리어 매체 부근에 설치될 수 있다. 예를 들어, 송신기 배열의 송신기들을 갖는 다양한 요소들이 캐리어 매체 위에 설치될 수 있지만, 또한 캐리어 매체의 시트들 또는 타일들 사이의 공간들에, 적어도 부분적으로, 설치될 수 있다.
사실상, 공급 전류를 전원으로부터, 연속적으로, 공급 라인, 다수의 송신기, 전기 전도성 매체, 다수의 전방 전극, 제1 전력 노드들, 부하들, 제2 전력 노드들, 하나 이상의 후방 커패시터 및 해양 구조물을 통해 다시 전원으로 전달하기 위해 다양한 위의 요소에 의해 부하 회로가 형성된다. 유리하게도, 송신기 배열은 송신기들로부터 각자의 전방 전극들로의 다수의 비교적 짧은 전도성 경로를 제공한다. 따라서 액체와 전도성 접촉하는 해양 구조물의 영역들, 예를 들어 페인트 층이 손상된 페인팅된 선박의 선체의 부분으로 더 적은 전류가 누설될 것이다.
부하 배열의 실시예에서, 전방 전극들은 제1 전력 노드와 전기 전도성 매체 사이의 공급 전류의 전달을 위해 액체와 갈바니 접촉하는 전방 표면에 있는 전도성 부분들을 포함한다. 사실상, 전방 전극은 전기 전도성 매체와 전도성 접촉하며, 임의의 유형의 전류를 전도할 수 있다.
부하 배열의 실시예에서, 전방 전극들은 전방 표면 부근에서 캐리어 매체 내에 매립된 전기 전도성 층들을 포함하고, 매립된 층들은, 액체의 반대편 영역 및 캐리어 매체의 재료에 의해 구성되는 유전체 층과 조합하여, 제1 전력 노드와 전기 전도성 매체 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 전방 커패시터들을 형성하도록 배열된다. 사실상 전방 전기 전도성 층 및 전기 전도성 매체를 구성하는 액체에 의해, 캐리어 재료에 의해 형성되는 유전체 층을 통해, 용량이 형성된다. 유리하게도, 그러한 용량은 적절한 주파수의 AC 전류를 전도함과 동시에, 또한 부하의 단락 또는 오작동의 경우에 전류의 양을 제한할 수 있다. 또한, 매립됨으로써, 전기 전도성 층들은 액체로부터 분리되고 보호되는데, 예를 들어 부식, 오손 및 전도도 감소에 대해 보호된다.
부하 배열의 실시예에서, 공급 라인은 격리 커버(isolating cover) 내의 공급 도체, 및 액체와 접촉하기 위해 격리 커버로부터 연장되는 전기 전도성 돌출부를 포함하는 하나 이상의 송신기를 갖는다. 선택적으로, 하나 이상의 송신기는 액체와 접촉하기 위해 격리 커버를 국지적으로 갖지 않는 공급 도체의 노출된 영역(bare area)들에 의해 형성된다. 사용 시, 돌출부들 또는 노출된 영역들을 갖는 공급 라인은 다수의 전방 전극 부근에 설치된다. 공급 라인을 따라 분포됨으로써, 송신기들은 각자의 하나 이상의 전방 전극 부근에 용이하게 위치된다.
부하 배열의 실시예에서, 공급 라인은 격리 커버 내의 공급 도체를 포함하고, 각각의 송신기는 그의 표면 부근에서 격리 커버 내에 매립된 송신기 층을 포함하고, 송신기 층은 전기 전도성이고 공급 도체에 접속되어, 액체의 반대편 영역 및 격리 커버의 재료에 의해 구성되는 유전체 층과 조합하여, 공급 라인과 액체 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 송신기 커패시터를 형성한다. 사실상 송신기 층 및 전기 전도성 매체를 구성하는 액체에 의해, 격리 커버의 재료에 의해 형성되는 유전체 층을 통해, 용량이 형성된다. 유리하게도, 그러한 용량은 적절한 주파수의 AC 전류를 전도함과 동시에, 또한 부하의 단락 또는 오작동의 경우에 전류의 양을 제한할 수 있다. 또한, 매립됨으로써, 송신기 층들은 액체로부터 분리되고 보호되는데, 예를 들어 부식, 오손 및 전도도 감소에 대해 보호된다.
부하 배열의 실시예에서, 송신기 배열은 각자의 도선들에서 각자의 송신기들을 갖는 다중 도선 케이블을 포함한다. 다중 도선 케이블은 공급 라인을 구성하기 위해 전원의 상기 다른 극에 도선들을 접속하고, 도선들을 분리하여 해양 구조물의 표면에 걸쳐 분포시키도록 구성된다. 다수의 도선은 상기 하나의 극에 접속된 전원에서 시작되고, 후속하여 분리되어 표면에 걸쳐 분포되도록 사용된다. 사용 시, 다중 도선 케이블은 다양한 도선들이 설치된 경로들을 따라 분포된 송신기들의 패턴을 제공한다. 유리하게도, 전원 극과 송신기들 사이의 궤적을 따라 어떠한 상호 접속도 이루어질 필요가 없다.
부하 배열의 실시예에서, 송신기 배열은 격리된 와이어들 및 각자의 와이어들에 있는 각자의 송신기들을 갖는 와이어 메시(wire-mesh)를 포함하고, 와이어 메시는 공급 라인을 구성하기 위해 전원의 상기 다른 극에 접속하고, 와이어 메시를 해양 구조물의 표면에 걸쳐 분포시키도록 구성된다. 유리하게도, 와이어 메시는 덮일 표면에 걸쳐 용이하게 분포될 수 있는 이차원 구조이다. 사용 시, 와이어 메시는 본질적으로 와이어 메시에 의해 덮인 표면에 걸쳐 균일하게 분포된 송신기들의 패턴을 제공한다.
부하 배열의 실시예에서, 캐리어 매체는, 후방, 전방 및 송신기 커패시터들 중 적어도 하나와 조합하여, 공진 주파수의 AC 공급 전압을 생성하는 전원에 의해 전력을 공급받는, 공진 주파수에서 공진하는 회로들을 구성하기 위해 부하들과 접속된 인덕터들을 포함한다. 사실상, 공진 회로를 형성함으로써, 전원의 상기 하나의 극과 전방 전극들 사이에 존재하는 바와 같은 회로의 임피던스가 낮아진다. 유리하게도, 전방 전극에서의 더 낮은 AC 전압은 부하에 대한 필요한 공급 전류를 전달하기에 충분하다. 또한, 코팅된 선박의 선체의 손상된 영역들 또는 방향키(rudder)와 같은 노출된 구성요소들과 같은, 바람직하지 않은 경로들을 통해 더 적은 전류가 누설될 것이다.
부하 배열의 실시예에서, 캐리어 매체는 부하들과 접속된 자동 변압기들을 포함하고, 각각의 자동 변압기는 전방 및 후방 전극들에 접속된 저전압 접속부, 및 부하에 접속된 고전압 접속부를 갖는다. 자동 변압기는 전극들에 도달하는 낮은 전압을 부하 상의 더 높은 전압으로 변환한다. 사실상, 전원의 상기 하나의 극과 전방 전극들 사이에 존재하는 바와 같은 회로의 임피던스가 낮아진다. 유리하게도, 전방 전극에서의 더 낮은 AC 전압은 부하에 대한 필요한 공급 전류를 전달하기에 충분하다. 또한, 코팅된 선박의 선체의 손상된 영역들 또는 방향키와 같은 노출된 구성요소들과 같은, 바람직하지 않은 경로들을 통해 더 적은 전류가 누설될 것이다.
선택적으로, 각자의 후방, 전방 및 송신기 커패시터들과 조합된 상이한 인덕터들 또는 자동 변압기들이, 상이한 공진 주파수들의 AC 공급 전압을 생성하는 전원에 의해 선택적으로 전력을 공급받기 위해, 상이한 공진 주파수들에서 공진하는 각자의 회로들을 구성한다. 유리하게도, 각자의 상이한 주파수들의 AC 공급 전압들을 제공함으로써, 각자의 주파수들을 갖는 각자의 영역이 개별적으로 전력을 공급받고 제어될 수 있다.
부하 배열의 실시예에서, 캐리어 매체는 부하들과 직렬로 접속된 커패시터들을 포함한다. 유리하게도, 그러한 용량은 적절한 주파수의 AC 전류를 전도함과 동시에, 또한 부하의 단락 또는 오작동의 경우에 전류의 양을 제한할 수 있다.
부하 배열의 실시예에서, 캐리어 매체는 광학 매체이고, 부하는 생물오손 유기체들을 함유하는 오손 액체인 액체와 접촉하는 해양 구조물의 표면의 오손-방지를 위한 오손-방지 광을 방출하기 위한 UV 광원이다. 부하 배열의 실용적인 실시예에서, 부하는 자외선 광을 방출하도록 구성되는 광원일 수 있고, 캐리어 매체는 슬래브(slab) 또는 시트의 형태의 광학 매체일 수 있으며, 여기서 전방 표면은 오손-방지 광을 방출하기 위한 방출 표면인 반면, 광학 매체의 양 표면은 실질적으로 평탄하고 실질적으로 서로 평행하게 연장된다. 그러한 광학 매체는 해양 구조물의 표면에 적용되기에 매우 적합하다. 생물오손-방지를 위해 자외선 광을 사용하는 일반적인 이점은, 미생물이 깨끗한 상태로 유지될 표면 상에 부착되어 뿌리 내리는 것이 방지되는 것이다.
광원이 자외선 광을 방출하도록 구성될 때, 광학 매체가 자외선 투과성 실리콘과 같은 자외선 투과성 재료를 포함하는 것이 유리하다. 일반적인 의미에서, 광학 매체가 오손-방지 광의 적어도 일부가 광학 매체를 통해 분배될 수 있게 하도록 구성된 재료를 포함한다는 사실은, 예를 들어 광학 매체가 오손-방지 광에 대해 실질적으로 투과성인 재료를 포함한다는 것을 암시하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 부하 배열이 단일 광학 매체 및 복수의 광원을 포함하는 것이 실천적 가능성이다. 매체는 또한 광을 방출 표면으로 반사하는 하나 이상의 미러(mirror)를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 부하 배열의 광학 매체는 임의의 적합한 형상 및 크기를 가질 수 있으며, 여기서 LED들과 같은 광원들은 광학 매체 전체에 걸쳐 분포되고, 광원들 각각에 의해 방출되는 광은 광학 매체의 방출 표면에 걸쳐 최적화된 정도로 분배된다. 광원들은 각자의 전방 및 후방 전극들에 대한 그리드(grid)의 일련의 병렬 접속들로 배열될 수 있다.
본 발명은 다양한 상황에서 적용가능하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 부하 배열은 해양 선박의 상황에서 적용될 수 있다. 선택적으로, 액체에 노출될 해양 구조물은 상기의 부하 배열을 포함하는 표면을 가지며, 여기서 부하 배열은 상기 노출된 표면에 부착되는데, 예를 들어 부하들은 생물오손 유기체들을 함유하는 오손 액체에 침지될 때 노출된 표면의 오손-방지를 위한 UV 광원들을 포함한다. 또한, 상기의 부하 배열을 설치하기 위한 방법에서, 방법은 해양 구조물의 노출된 표면에 부하 배열을 부착하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 부하 배열이 해양 구조물의 노출된 표면에, 예를 들어 생물오손 유기체들을 함유하는 오손 액체에 침지될 때 노출된 표면의 오손-방지를 위해 설치될 때, 상기의 부하 배열의 용도가 예견된다. 그러한 상황에서, 부하 배열은 예를 들어 선박의 선체를 생물오손으로부터 깨끗한 상태로 유지하는 기능을 갖도록 배열되며, 이는 그러한 상황에서도 많은 다른 적용 가능성이 존재한다는 사실을 변경하지 않는다.
본 발명의 전술된 태양 및 다른 태양이 아래의 실시예의 상세한 설명으로부터 명백하고 그것을 참조하여 설명될 것이다.
본 발명의 이들 및 다른 태양들이 아래의 설명에서 그리고 첨부 도면들을 참조하여 예로서 설명되는 실시예들로부터 명백할 것이고 그 실시예들을 참조하여 추가로 설명될 것이다.
도 1은 부하 배열의 예를 도시한다.
도 2는 갈바니 전방 전극을 갖는 부하 배열의 제2 예를 도시한다.
도 3은 용량성 송신기들을 갖는 부하 배열의 제3 예를 도시한다.
도 4는 용량성 송신기들을 갖는 부하 배열의 추가 예를 도시한다.
도면들은 전적으로 도식적인 것이며, 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다. 도면들에서, 이미 설명된 요소들에 대응하는 요소들은 동일한 도면 부호들을 가질 수 있다.
하기에서, 본 발명은 생물-오손에 대항하기 위해 선박 선체의 노출된 표면에 장착될 수 있는 UV 광원(특히 LED)의 전력 공급을 위해 부하 배열이 사용되는 응용 시나리오에 관하여 설명될 것이다. 그러나, 해양 구조물의 표면 상의 임의의 다른 부하, 예를 들어 소나 유닛(sonar unit) 또는 다른 센서들이 본 발명에 따라 전력을 공급받을 수 있다. 개시된 주제의 다양한 실시예의 상세 사항이 설명되기 전에, 그러한 응용 시나리오에서 생물-오손에 대항하기 위한 일반적인 개념 및 알려진 접근법이 논의될 것이다. 부하 배열 내의 광원은 오손-방지를 위해 구체적으로는 UVC 광으로 또한 알려진 C 타입의 자외선 광을, 그리고 훨씬 더 구체적으로는 대략 220 nm 내지 300 nm의 파장을 갖는 광을 방출하도록 선택될 수 있다. 실제로, 피크 효율이 265 nm 주위에서 달성되며, 이때 더 높은 파장 및 더 낮은 파장을 향해 감소가 존재한다. 220 nm에서 그리고 300 nm에서 ~ 10% 효율로 감소하였다.
대부분의 오손 유기체들은 그들을 소정 선량의 자외선 광에 노출시킴으로써 사멸되거나, 비활성 상태로 되거나, 번식할 수 없게 되는 것으로 밝혀졌다. 생물오손-방지를 실현하기에 적합한 것으로 보이는 전형적인 강도는 제곱미터당 10 mW이다. 광은, 주어진 상황에서, 특히 주어진 광 강도에서 적절한 것이라면, 연속적으로 또는 적합한 빈도로 적용될 수 있다. LED는 부하 배열의 광원으로서 적용될 수 있는 UVC 램프의 한 유형이다. LED는 일반적으로 비교적 작은 패키지 내에 포함되고 다른 유형의 광원보다 적은 전력을 소비할 수 있는 것이 사실이다. 또한, LED는 재료의 슬래브 내에 매우 양호하게 매립될 수 있다. 또한, LED는 다양한 원하는 파장의 (자외선) 광을 방출하도록 제조될 수 있고, 그의 작동 파라미터, 무엇보다도 특히 출력 파워가 고도로 제어될 수 있다. LED는 소위 측면-방출 LED일 수 있고, 오손-방지 광을 시트의 평면을 따른 방향들로 방출하도록 광학 매체 내에 배열될 수 있다.
오손-방지 광은 실리콘 재료 및/또는 UV 등급 (용융) 실리카를 포함하는 광학 매체를 통해 분배될 수 있으며, 광학 매체로부터 그리고 해양 구조물의 표면으로부터 오손-방지 광을 방출한다. UV-C 조사는 예를 들어 선박 선체 상에의 미생물 및 거대 유기체(macro organism)의 (초기) 정착을 방지한다. 생물막에 관한 문제는 그의 두께가 유기체의 성장으로 인해 시간 경과에 따라 증가함에 따라 그의 표면이 거칠어진다는 것이다. 따라서, 항력이 증가하여, 엔진이 선박의 순항 속도를 유지하기 위해 더 많은 연료를 소비하도록 요구하며, 이에 따라 가동 비용이 증가한다. 생물-오손의 다른 영향은 파이프 방열기(pipe radiator)의 냉각 용량에 있어서의 감소, 또는 염수 흡입 필터(salt water intake filter) 및 파이프의 유동 용량 감소일 수 있다. 따라서, 서비스 및 유지보수 비용이 증가한다.
선박 선체의 생물-오손에 대항하기 위한 잠재적인 해법은 외부 선체를 예를 들어 매립된 UV-C LED(들)를 갖는 UV-C 투과성 재료의 슬래브로 덮는 것일 수 있다. 이들 슬래브, 또는 일반적으로 임의의 부하 배열(즉, 광을 생성하기 위해 전기 에너지를 소비하는 요소 또는 배열)이 흘수선 아래에 위치된다. 이는 물 속에 잠긴 표면이 대개 생물-오손에 민감하고, 따라서 항력의 증가의 원인이 되기 때문이다. 따라서, 전력이 흘수선 아래에서 부하를 향해 전달될 필요가 있다.
전기, 물 및 해양 산업의 거칠고 혹독한 환경의 조합은 대단한 난제를 야기한다. 이는 물(해수)이 우수한 전기 도체이며, 따라서 단락이 쉽게 발생할 수 있기 때문이다. 또한, 물은 전류의 영향하에서 분해된다. 해수의 경우에, 그것은 DC 전류하에서 염소 및 수소 가스로 분해된다. AC 전류하에서, 둘 모두의 가스가 각각의 전극에서 교번하여 형성된다. 형성된 가스에 관한 추가의 문제는 밀폐식으로 밀봉되지 않으면 염소가 강철 선박 선체의 이미 자연적으로 발생하는 부식을 강화시킬 수 있고 UV-C LED를 포함한 다른 재료의 열화를 가속화한다는 것이다. 다른 한편으로는 수소 가스는 철 취화(iron embrittlement)를 초래할 수 있으며, 이는 결국에는 철 벌크(bulk) 내의 심각한 균열 형성으로 이어진다.
강철 선체의 자연적 부식에 대항하기 위해, 대부분의 선박은 코팅되거나 도장되고, 게다가 종종 보호 코트(coat) 또는 페인트가 국소적으로 기능하지 못할 때 선박 선체가 자연적 부식에 대해 보호되어 유지되도록 수동 또는 능동 캐소드 보호 시스템(cathodic protecting system)을 구비한다. 수동 시스템은 시간 경과에 따라 전기-화학적으로 분해되는 희생 아연, 알루미늄 또는 철 애노드(anode)를 사용하는 반면, 능동 시스템은 MMO-Ti(혼합 금속 산화물) 코팅된 티타늄 또는 Pt/Ti(백금 코팅된 티타늄)로 제조된 애노드의 사용 시에 DC 전류를 인가한다. 해수에 DC 전류를 인가하는 능동 시스템들(인가 전류 캐소드 보호, ICCP)의 경우, 주의 깊은 모니터링이 필요하다. 너무 큰 전류는 과도한 수소 형성으로 인해 철 취화를 유발할 수 있는 반면, 너무 큰 작은 전류는 과소 보호를 유발하여, 철제 선체가 여전히 서서히 분해되게 할 수 있다. 명백히, 오손-방지 해법은 캐소드 보호 시스템을 실패하게 하지 않아야 한다.
생물오손 방지 시스템의 UV LED들과 같은 다양한 부하들은 전력을 필요로 한다. UV LED들은 동작하기 위해 DC 전류를 필요로 하는 2개의 도선 연결된, 극성에 민감한 광원이다. 종래의 접근법들에서, 와이어로 접속된 도체들이 갈바니 접촉들에 의해 공급 전류를 제공하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 전통적인 완전 와이어 접속 접근법들은 전원을 부하들과 접속하기 위해 복잡한 와이어링 및 커넥터 스킴(scheme)들을 필요로 한다.
전원의 하나의 극에 접속된 다수의 송신기 부근의 다수의 전방 전극 사이의 공통 전도성 매체로서 해수를 사용하는 접근법이 이제 설명된다. 전원의 다른 극에 대한 접속은 해양 구조물 자체의 전도성 부분들, 예를 들어 금속 선박의 선체(의 부분들)에 의해 형성된다.
해수를 하나의 도체로서 사용하는 무선 개념은 부하들 간의 갈바니 접속의 구성에 대한 필요성 없이 부하들에 전력을 공급할 수 있다. 그러나, 외부에서 입은 손상의 경우에, 또는 다른 기생 병렬 전류 경로들이, 예를 들어 비-차폐 접지 방향키 또는 프로펠러에 이용 가능할 때 전력 공급이 실패할 수 있다. 예를 들어 선박에서, 선체 페인트가 심각하게 손상되어 깊은 스크래치가 캐리어의 표면으로부터 강철 선체에 이르기까지 쭉 연장될 수 있으며, 따라서 불행하게도 해수가 공통 접지 단자를 습윤시킬 수 있다. 국지적인 단락이 발생할 수 있다. 원치 않는 단락은 LED들을 통한 경로와 비교하면 더 낮은 저항의 전류 경로를 생성할 수 있다. 따라서, AC 전력의 대부분이 더 이상 UV-C LED들을 통해 흐르지 않을 것인데, 즉 그 개념은 외부에서 입은 손상으로 인해 심각하게 위태로워진다. 제안된 시스템은 다른 부하들에 대한 전력 공급이 심각하게 영향을 받는 것을 회피하도록 의도된다.
도 1은 부하 배열의 예를 도시한다. 이 예에서, 부하는 전기 전도성 매체를 구성하는 액체(10), 예를 들어 생물오손 유기체들을 함유하는 해수와 같은 오손 액체에 노출된 해양 구조물(50)의 표면(30)의 오손-방지를 위한 광원(20)이다. 부하 배열은 파선에 의해 표시된 바와 같은 캐리어 매체(100), 및 캐리어(100) 및 해양 구조물의 표면(30) 위에 위치되는 것으로 도시된 송신기 배열(110)을 포함한다. 사용 시, 해양 구조물 및 부하 배열은 액체, 예를 들어 해수에 침지된다.
캐리어 매체는 액체와 대면하는 전방 표면(102)과, 표면(30) 및 송신기 배열을 적어도 부분적으로 덮는 후방 표면(101)을 갖는다. 부하(20)가 캐리어 매체 내에 매립되고, 전원(1)으로부터 공급 전류를 수신하기 위해 제1 전력 노드(21)와 제2 전력 노드(22) 사이에 결합된다. 전방 전극(130)이 전방 표면(102)에 위치되고, 도체(2c)를 통해 제1 전력 노드(21)에 접속된다. 전방 전극(130)은 전기 전도성 매체(10)에 결합하도록 배열된다. 이 예에서, 전방 전극은 액체 내로 연장되어 갈바니 접촉을 형성한다. 후방 전극(120)이 후방 표면(101)에 위치된다. 하나의 부하만이 도면에 도시되지만, 캐리어 매체는 다수의 그러한 매립된 부하 및 각자의 전극을 갖는다.
전원의 하나의 극이 전력 접속(1a)에 의해 표시된 바와 같이 해양 구조물에 결합된다. 각각의 후방 전극(120)은 후방 표면 부근에서 캐리어 매체 내에 매립된 후방 전기 전도성 층을 갖는다. 이 층은, 해양 구조물의 반대편 영역 및 유전체 층(4a)과 조합하여, 후방 커패시터를 형성한다. 후방 커패시터는 해양 구조물을 통한 제2 전력 노드(22)와 전원의 하나의 극 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 가능하게 한다.
도면은, 전력 접속(1d)에 의해 표시된 바와 같이, 전원의 다른 극에 결합된, 공급 라인(111)을 갖는 송신기 배열(110)을 추가로 도시한다. 송신기 배열(110)은 공급 라인에 갈바니 접속된 다수의 송신기(114)를 갖는다. 공급 라인은 격리 커버 내의 공급 도체를 갖는다. 액체와 접촉하기 위해 격리 커버로부터 연장되는 전기 전도성 돌출부들에 의해 하나 이상의 송신기가 형성될 수 있다. 또한, 액체와 접촉하기 위해 격리 커버를 국지적으로 갖지 않는 공급 도체의 노출된 영역들에 의해 하나 이상의 송신기가 형성될 수 있다. 송신기들은 공급 라인을 따라 분포되고, 전기 전도성 매체와 접촉한다. 각자의 송신기가 하나 이상의 전방 전극 부근에 위치되며, 따라서 각자의 송신기와 전방 전극들 중 각자의 전방 전극 사이에 비교적 짧은 경로(113)가 형성된다.
송신기 배열(110)은 공급 라인의 격리된 부분들을 통해 전원(1)의 극에 접속된다. 공급 라인은 해양 구조물의 표면에 걸쳐 설치된 송신기 배열의 추가 격리된 부분들에 접속할 수 있으며, 그 표면은 전력을 공급받을 부하들을 갖는 캐리어 매체에 의해 덮인다. 예를 들어, 송신기 배열은 해양 구조물의 표면에 걸쳐 분포된 격리된 와이어들 또는 금속 스트립들, 그레이팅(grating) 또는 메시 또는 다른 형태의 격리된 도체들을 가질 수 있다. 격리된 부분들로부터, 연장되는 송신기들은 전방 전극들을 통해 전력을 공급받도록 표면에 걸쳐 분포되는 패턴이다. 따라서 각자의 송신기들과 그러한 송신기들 부근의 각자의 전방 전극들 사이에 많은 단거리 경로가 형성된다.
전방 전극들은 제1 전력 노드와 전기 전도성 매체 사이의 공급 전류의 전달을 위해 액체와 갈바니 접촉하는 전방 표면에 있는 전도성 부분들을 갖는다. 송신기들에 대한 전방 전극의 대안적인 접속들, 예를 들어 전방 표면(102) 부근에 매립된 전방 전도성 층에 의해 형성되는 커패시터를 통한 액체에 대한 결합이 또한 고려될 수 있다. 그때 전방 전극들은 전방 표면 부근에서 캐리어 매체 내에 매립된 전기 전도성 층들을 갖는다. 매립된 층들은, 액체의 반대편 영역 및 캐리어 매체의 재료에 의해 구성되는 유전체 층과 조합하여, 제1 전력 노드와 전기 전도성 매체 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 전방 커패시터들을 형성하도록 배열된다.
캐리어는 광학 매체(4)를 포함할 수 있고 시트 형태로 형상화될 수 있으며, 부하들은 광원들이다. 광학 매체의 전방 표면은 방출 표면을 구성할 수 있고, 캐리어의 후방 표면에 대해 실질적으로 평탄할 수 있으며, 표면들은 서로 실질적으로 평행하게 연장된다. 도면은 광학 매체(4)의 일부, 광학 매체 내에 매립된 부하(20)를 구성하는 LED, 및 광학 매체의 후방 표면 부근에 존재할 수 있는 미러(40)의 단면도를 도식적으로 보여준다. 광 빔들의 가능한 경로들이 화살표들에 의해 도식적으로 표시된다. 광원은 자외선 광을 방출하도록 구성될 수 있는데, 예를 들어 위의 섹션에서 설명된 바와 같이 UV-C LED이다. 광학 매체는, 광원으로부터 나오고, 전파되고, 광학 매체의 층에서 내부 반사되는 화살표들에 의해 나타내어진 바와 같이, 광의 적어도 일부가 광학 매체를 통해 분배될 수 있게 한다. 이 예에서, 하나의 광원이 도시되어 있고 설명된다. 실제로, 부하 배열은 단일 광학 매체 및 복수의 광원과, 대응하는 관련된 복수의 미러를 포함할 수 있다. 미러들 각각은 광원들 중 하나 이상에 전기적으로 결합될 수 있다.
미러는, 전기 전도성이고 도선(2a)에 의해 제2 전력 노드(22)에서 광원에 전기적으로 결합되는 후방 전극을 구성할 수 있다. 예를 들어, 미러는 반사성, 전도성 금속의 얇은 금속성 층이다. 미러의 적어도 일부는 산란 층일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 실시예에서, 후방 전극(120)은 유전체 층(4a) 및 후방 전극 반대편의 해양 구조물의 표면의 영역과 조합하여 커패시터를 형성하도록 배열된다. 커패시터는 후방 전극과, 커패시터를 통한 충분한 공급 전력을 가능하게 하는 주파수로 동작하는 전원(1) 사이의 전력의 용량성 전달을 가능하게 한다. 전원에 대한 후방 전극의 대안적인 접속들, 예를 들어 갈바니 접속이 고려될 수 있다.
실제로 부하 배열은 방출 표면으로부터 실질적으로 균질한 광 방출을 제공하면서 넓은 영역을 덮기 위해 다수의 부하, 예를 들어 다수의 광원 및 관련 미러의 패턴을 가질 수 있다. 그러한 배열에서, 전방 및/또는 후방 전극들은 다수의 부하에 의해 공유될 수 있다.
도 2는 갈바니 전방 전극을 갖는 부하 배열의 제2 예를 도시한다. 이 예에서, 부하는 흑색 점들로 표시된 제1 전력 노드와 제2 전력 노드 사이에 결합되는 오손-방지 광을 방출하기 위한 UV-C LED들의 세트(225)이다. 부하 배열은 파선에 의해 표시된 바와 같은 캐리어(200)를 포함하고, 송신기 배열(210)은 전원(201)의 제1 극(202)에 결합되는, 격리 재료(212) 내의 공급 라인(211)을 갖는다. 격리 재료로부터, 송신기들(214)은 액체 내로 연장되며, 송신기들은 액체와 갈바니 접촉한다. 송신기들은 각자의 전방 전극(204) 부근에 배열되어서, 액체를 통한 비교적 짧은 전도성 경로들(213)을 형성한다.
실용적인 실시예에서, 송신기 배열은 각각의 송신기를 하나 이상의 전방 전극에 결합하기 위한 캐리어들을 갖는 해양 구조물의 영역에 걸쳐 분포된 패턴으로 배열된 격리된 도체들을 갖는다. 후방 전극들(205)은 해양 구조물(250)에 용량 결합하도록 배열된다. 부하 배열은 도 1에 도시된 예와 유사할 수 있다.
도 2에서, 전원(201)은 (예를 들어, 100 내지 440 ㎑ 영역 또는 7.56 또는 13.56 ㎒의) AC 전원이고, 그의 하나의 극(202)은 송신기 배열(210)을 통해 LED들에 접속된다(여기서는 역 병렬 쌍들로 도시되며, 따라서 둘 모두의 반-위상(semi-phase)들이 UV 생성에 사용된다). 다른 극(203)은 전도성 부분들 및 후방 층들에 의해 형성되는 상기 커패시터들을 통해 제2 전력 접속을 형성하기 위해 해양 구조물의 전도성 부분들에 접속된다.
해수가 해양 구조물(250)의 비보호 금속 영역들, 예를 들어 선박의 선체의 부분들, 프로펠러 또는 방향키, 또는 해양 구조물의 해수에 잠기는 금속 영역들 내의 다른 부분(예를 들어, 선수 추진기 터널)에 대한 바람직하지 않은 전기 전도성 경로를 형성할 수 있기 때문에, 누설 전류가 발생할 수 있다는 점에 유의한다. 사실상, 송신기들과 전방 전극들 사이의 전도성 경로들(213)이 짧고 비교적 낮은 임피던스를 갖는 것으로 인해, 전원으로부터의 전류의 대부분이 부하들을 통해 흐를 것이다.
잠재적으로 (전기-화학적) 부식 현상으로 이어지는, 바람직하지 않은 누설 전류의 발생을 회피하는 것 다음으로, 용량 결합된 송신기들은 또한 LED들에 대한 전류 제한기들로서의 역할을 할 수 있다. 단일 쌍의 역 병렬 UV-LED들을 약 100 ㎑로 구동하기 위해, 이들 LED로부터의 UVC에 의해 깨끗한 상태로 유지될 영역보다 클 수 있는 송신기 영역과 대응하는 송신기에 대한 용량 값이 필요하다. 따라서, 평면 용량성 송신기에 대해 대안적으로, 해수에 대한 전기 접속을 제공하기 위해 해상 Pt/Ti 와이어들을 구비한 더 콤팩트한 별개의 (세라믹) 커패시터들이 사용될 수 있다. 다른 옵션은 더 높은 구동 주파수(예를 들어, > 2 ㎒)를 인가하는 것이다.
이 개념에서 공급 라인은 각자의 수신기들에 근접한 위치들에서 해수 안으로 연장되는 다양한 전극들을 공급한다. 실제 와이어링은 그리드들, 전도성 메시, 또는 피시본(fishbone)-유사 형상과 같은 다양한 형상이 있을 수 있다. 그들은 타일들(의 그룹들) 사이에 위치되거나, 타일들 위에 중첩될 수 있다. 이러한 개념의 이점은 LED들로의 해수 내의 무선 경로가 단거리이며 이에 따라 기생 전류 경로에 대한 양호한 경쟁이 얻어진다는 것이다. 이제, 단락 스크래치들 또는 다른 손상들의 경우에, 손상 바로 부근에 있는 타일들에 대한 공급만이 영향을 받는다.
도 3은 용량성 송신기들을 갖는 부하 배열의 제3 예를 도시한다. 이 예에서, 부하는 흑색 점들로 표시된 제1 전력 노드와 제2 전력 노드 사이에 결합되는 오손-방지 광을 방출하기 위한 UV-C LED들의 세트(225)이다. 캐리어 매체(200)는 액체와 갈바니 접촉하는 전방 전극들(204)을 갖는, 도 2에 도시된 예와 유사하다. 송신기 배열(310)은 AC 전원(201)의 제1 극(202)에 결합되는, 격리 재료(312) 내의 공급 라인(311)을 갖는다. 따라서, 공급 라인은 격리 커버 내의 공급 도체를 가지며, 각각의 송신기(314)는 그의 표면 부근에서 격리 커버 내에 매립된 송신기 층을 포함한다. 송신기 층은 전기 전도성이고 공급 도체에 접속되어, 액체의 반대편 영역(313) 및 격리 커버의 재료에 의해 구성되는 유전체 층과 조합하여, 공급 라인과 액체 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 송신기 커패시터를 형성한다. 각각의 커패시터는 액체의 섹션 반대편의 전도성 송신기 층 및 격리 재료에 의해 형성되는 유전체 층에 의해 형성된다. 송신기들은 각자의 전방 전극(204) 부근에 배열되어서, 액체를 통한 비교적 짧은 전도성 경로들을 형성한다.
송신기 배열은 이제 해수에 대한 국지적인 용량성 상호 접속들을 갖는 격리된 와이어를 갖는다. 이러한 용량성 상호 접속들은 선박의 선체 내의 가까운 스크래치에 대한 단락의 경우에 또는 타일이 손상된 경우에 전류 제한기들로서의 역할을 한다. 결과적으로, 다른 타일들에 대한 전력 공급은 거의 영향을 받지 않을 것이다.
실시예에서, 송신기 배열은 다중 도선 케이블을 갖는다. 각자의 송신기들이 각자의 도선들에서 형성된다. 다중 도선 케이블은 공급 라인을 구성하기 위해 전원의 상기 다른 극에 도선들을 접속하고, 전방 전극들 부근에 송신기들을 배열하기 위해 도선들을 분리하여 해양 구조물의 표면에 걸쳐 분포시키도록 구성된다. 선택적으로, 격리된 와이어들 및 각자의 와이어들에 있는 각자의 송신기들을 갖는 와이어 메시로서의 송신기 배열. 와이어 메시는 공급 라인을 구성하기 위해 전원의 상기 다른 극에 접속되고, 해양 구조물의 표면에 걸쳐 와이어 메시를 분포시키도록 구성된다.
실시예에서, 캐리어 매체는, 후방, 전방 및 송신기 커패시터들 중 적어도 하나와 조합하여, 공진 주파수의 AC 공급 전압을 생성하는 전원에 의해 전력을 공급받는, 공진 주파수에서 공진하는 회로들을 구성하기 위해 부하들과 접속된 인덕터들을 포함한다.
회로는 공진 주파수의 AC 공급 전압을 생성하는 전원과 협력하기 위해 공진 주파수에서 공진할 수 있다. 사실상, 공진 회로를 형성함으로써, 송신기 배열의 도체들과 액체 사이에 존재하는 바와 같은 회로의 임피던스가 낮아진다. 선택적으로, 캐리어는 부하와 직렬로 접속된 커패시터를 포함한다. 그러한 용량은 추가로 원하는 공진 주파수를 달성하는 데 기여할 수 있다. 인덕터들 및 커패시터들의 치수 설정은 다음의 분석에 기초할 수 있다.
AC 용량성 플레이트 송신기의 용량은 아래의 식에 의해 주어지며,
Figure pct00001
여기서 A는 표면이고, d는 플레이트로부터 해수까지의 갭의 두께이고, ε0 = 8.854. 10-12 F/m이고, εr =2.75이다(캐리어의 재료로서 실리콘에 대해). 0.1 mm 사이의 갭 및 50 × 50 ㎟의 플레이트 표면에 대해, 결합 커패시터의 값은 C=6.10-10 F이다. f = 100 ㎑의 주파수에 대해, ac 저항은 아래의 식에 의해 주어진다.
Figure pct00002
따라서 이 커패시터에 대한 |Z|에 대한 전형적인 값은 |Z| = 2.6 kOhm이다. 이것은 약 6 V/15 mA = 400 Ohm인 UVC LED의 전형적인 저항보다 크다. 따라서 LED들의 단일 세트가 사용되는 경우, 이것은 용량성 결합기의 저항으로 인해 상당한 전력 손실로 이어진다. 더 높은 주파수(예를 들어, > 2 ㎒)에서, 결합기의 저항은 더 작고 이에 따라 전력 손실이 감소된다.
결합 커패시터와 직렬로 유도성 코일(L)을 배치함으로써 전력 손실이 방지될 수 있다. 커패시터와 인덕터의 총 저항은 아래의 식에 의해 주어진다.
Figure pct00003
및
Figure pct00004
|Z|의 값은 다음의 공진 주파수에서 0으로 감소한다.
Figure pct00005
이 공진 주파수에서, 커패시터 손실은 인덕터에 의해 보상된다.
C = 6.10-10 F 및 ωr = 2π.1.105 = 6.105 ㎐에 대해, 필요한 인덕턴스 값은 L = 5 mH에 의해 주어진다.
실시예에서, 공진 주파수는 C 및 L에 대한 전용 값들을 선택함으로써 선박의 상이한 섹션들에 대해 상이해질 수 있다. 이어서 이들 섹션은 주파수를 그들의 특정 공진 주파수와 매칭되도록 튜닝/조정함으로써 각자의 상이한 AC 전원 또는 제어 가능한 AC 전원에 의해 선택적으로 전력을 공급받을 수 있다. 이러한 접근법을 통해 무선 AC 전력 공급이 해양 구조물의 표면의 선택된 영역들 내의 부하들을 향해 지향될 수 있다. 예를 들어, 전력이 단락 위치들로부터 소정 거리에 있는 LED들의 영역들로 선택적으로 지향될 수 있다.
도 4는 용량성 송신기들을 갖는 부하 배열의 추가 예를 도시한다. 이 예에서, 부하(425)는 흑색 점들로 표시된 제1 전력 노드와 제2 전력 노드들 사이에 결합되는 오손-방지 광을 방출하기 위한 UV-C LED이다. 캐리어 매체(200)는 액체와 갈바니 접촉하는 전방 전극들(204)을 갖는, 도 2에 도시된 예와 유사하다. 송신기 배열(310)은 AC 전원(201)의 제1 극(202)에 결합되는, 격리 재료(312) 내의 공급 라인(311)을 갖는다. 송신기 배열은 도 3을 참조하여 설명되었다.
이 예에서, 캐리어 매체는 부하와 접속된 자동 변압기(435)를 포함한다. 자동 변압기는 전력 노드들을 통해 전방 및 후방 전극들에 접속된 저전압 접속부, 및 부하에 접속된 고전압 접속부를 갖는다. 자동 변압기는 예를 들어 2개의 내포된 코일, 즉 하나의 저저항 고전류 1차 코일과 전압 상승 변환 저전류 2차 코일 사이의 권선비 N = 1:7을 갖는 승압 변압기일 수 있다. 먼저, 구동된 에너지가 1차 코일에 저장된다. 일단 AC 신호가 0을 통과하면, 이 에너지는 방출되어 UV-LED를 동작시키기에 충분한 더 높은 전압으로 상승 변환된다. 이 개념의 핵심적인 이점은 공진 시에 자동 변압기 회로가 매우 낮은 임피던스를 가질 수 있다는 것이다. 따라서, 소정 거리에 있는 스크래치로 인한 단락과의 경쟁이 더 양호하다. 또한, 입력 전압은 상향 변환되어, 저전압 고전류 발전기 동작을 허용한다. 전술한 바와 같이 선체의 특정 부분들의 선택적 구동을 허용하도록 상이한 커패시터 및 인덕터 값들이 선택될 수 있다.
선택적으로, 분포된 용량성 애노드들의 내포된 라인들이 사용된다. 예를 들어, 그레이팅 또는 메시 또는 다른 형태의 격리된 전력 와이어가 선체에 걸쳐 분포된다. 개방 영역들 사이에, 용량 결합 자동 변압기들의 타일들이 원하는 바에 따라 분포된다. 따라서 영역당 전류가 송신기 배열에 의해 덮이는 표면을 따라 분포될 수 있다. 따라서, 공급 라인의 전체 길이에 대한 총 전류는 대응하는 표면 영역을 통한 전류와 동일하다. 송신기 배열로부터, 총 전류의 부분들이 라인을 따른 주어진 위치들에서 이용 가능하며, 단지 길이당 매우 많은 전류가 짧은 거리에서 이용 가능하다. 따라서, 단락에 대한 경쟁이 기하학적 관점에서 개선된다.
본 발명은 상기에 논의된 예로 제한되지 않으며, 그것의 여러 수정 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명이 도면 및 설명에 상세히 예시되고 기술되었지만, 그러한 예시 및 설명은 제한적인 것이 아니라 단지 예시적인 또는 전형적인 것으로 간주되어야 한다. 본 발명은 개시된 실시예로 제한되지 않는다. 도면은 개략적인 것이며, 여기서 본 발명을 이해하는 데 필요하지 않은 상세 사항은 생략되었을 수 있고, 반드시 일정한 축척으로 작성된 것은 아니다.
도면, 설명 및 첨부된 청구범위의 학습으로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어서, 개시된 실시예에 대한 변형이 당업자에 의해 이해되고 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 다른 단계 또는 요소를 배제하지 않으며, 단수 형태(부정 관사 "a" 또는 "an")는 복수를 배제하지 않는다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 용어 "포함하다"는 용어 "~로 이루어지다"를 망라하는 것으로 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서, 용어 "포함하다"는 소정 실시예에 관해서는 "~로 이루어지다"를 의미할 수 있지만, 다른 실시예에서는 "적어도 정의된 종 및 선택적으로 하나 이상의 다른 종을 포함/포괄하다"를 의미할 수 있다. 청구범위 내의 임의의 도면 부호는 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
특정 실시예에 대해 또는 그것과 관련하여 논의된 요소 및 태양은, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 다른 실시예의 요소 및 태양과 적합하게 조합될 수 있다. 따라서, 소정의 수단들이 서로 상이한 종속항들에 열거된다는 단순한 사실이, 이들 수단의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다.
마지막으로, 상기의 부하 배열의 용도, 특히 생물오손 유기체를 함유하는 오손 액체에 침지될 때 해양 구조물의 노출된 표면의 오손-방지를 위해 노출된 표면에 설치된 부하 배열의 용도가 예견된다. 그 용도는 요구되는 전력을 커패시터를 통해 광원에 전달하기 위해 충분히 높은 주파수를 갖는 AC 전원에 의해 조명 장치가 전력을 공급받는 것을 필요로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 부하 배열(100)은 선박의 선체 상에 적용될 수 있다. 노출된 표면(30)의 다른 예는 박스 냉각기(box cooler)의 외부 표면, 해저 해양 장비의 표면, 선박의 밸러스트 탱크(ballast tank)와 같은 물 저장조의 내부 벽, 및 담수화 플랜트의 필터 시스템의 필터 표면을 포함한다.
요약하면, 부하 배열은 오손 액체에 노출된 해양 구조물의 표면 상의 부하들에 전력을 공급하기 위해 제공되며, 송신기 배열, 및 매립된 부하들을 갖는 적어도 하나의 캐리어 매체를 갖는다. 전방 전극들은 액체에 결합되도록 배열되고, 후방 전극들은, 해양 구조물의 반대편 영역 및 유전체 층과 조합하여, 제2 전력 노드와 해양 구조물에 결합된 전원의 하나의 극 사이의 공급 전류의 용량성 전달을 위한 후방 커패시터를 형성하기 위해 캐리어 매체 내에 매립된 후방 전기 전도성 층들을 갖는다. 송신기 배열은 공급 라인, 및 공급 라인에 갈바니 접속된 다수의 송신기를 갖는다. 다수의 송신기는 짧은 전도성 경로들을 형성하기 위해 다수의 전방 전극 부근에 배열되도록 공급 라인을 따라 분포된다.

Claims (15)

  1. 액체(10)에 노출된 해양 구조물의 표면(30) 상의 부하들에 전력을 공급하기 위한 부하 배열(load arrangement)로서, 상기 액체는 전기 전도성 매체를 구성하고, 상기 부하 배열은,
    - 송신기 배열(110) 및
    - 시트(sheet)로서 형상화된 적어도 하나의 캐리어 매체(carrier medium)(100)를 포함하고,
    상기 캐리어 매체는 상기 해양 구조물의 상기 표면(30) 내에 또는 상에 배열될 후방 표면(101), 및 상기 액체와 접촉할 전방 표면(102)을 갖고,
    상기 캐리어 매체는,
    - 상기 캐리어 매체 내에 매립된 다수의 부하들(20)로서, 각각의 부하(20)는 전원(1)으로부터 공급 전류를 수신하기 위해 제1 전력 노드(power node)(21)와 제2 전력 노드(22) 사이에 결합되는, 상기 다수의 부하들(20);
    - 상기 전방 표면에 있는 다수의 전방 전극들(130)로서, 각각의 전방 전극은 상기 제1 전력 노드들 중 하나 이상에 접속되고, 상기 전기 전도성 매체에 결합되도록 배열되는, 상기 다수의 전방 전극들(130); 및
    - 상기 제2 전력 노드들 중 하나 이상에 접속된 하나 이상의 후방 전극들(120)로서, 각각의 후방 전극은, 상기 해양 구조물의 반대편 영역 및 유전체 층(4a)과 조합하여, 상기 제2 전력 노드와 상기 해양 구조물에 결합된 상기 전원의 하나의 극 사이의 상기 공급 전류의 용량성 전달을 위한 후방 커패시터를 형성하기 위해 상기 후방 표면 부근에서 상기 캐리어 매체 내에 매립된 후방 전기 전도성 층을 포함하는, 상기 하나 이상의 후방 전극들(120)을 포함하고,
    상기 송신기 배열은 상기 전원의 다른 극에 결합하도록 배열된 공급 라인(111), 및 상기 공급 라인에 갈바니 접속된(galvanically connected) 다수의 송신기들(114)을 갖고, 상기 다수의 송신기들은 상기 다수의 전방 전극들 부근에서 상기 전기 전도성 매체와 접촉하여 배열되도록 상기 공급 라인을 따라 분포되고, 각자의 송신기들은 각자의 하나 이상의 전방 전극들 부근에 위치되는, 부하 배열.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전방 전극들(204)은 상기 제1 전력 노드와 상기 전기 전도성 매체 사이의 상기 공급 전류의 전달을 위해 상기 액체(10)와 갈바니 접촉하는 상기 전방 표면에 있는 전도성 부분들을 포함하는, 부하 배열.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전방 전극들은 상기 전방 표면 부근에서 상기 캐리어 매체 내에 매립된 전기 전도성 층들을 포함하고, 상기 매립된 층들은, 상기 액체의 반대편 영역 및 상기 캐리어 매체의 재료에 의해 구성되는 유전체 층과 조합하여, 상기 제1 전력 노드와 상기 전기 전도성 매체 사이의 상기 공급 전류의 용량성 전달을 위한 전방 커패시터들을 형성하도록 배열되는, 부하 배열.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 라인은,
    - 격리 커버(isolating cover)(212) 내의 공급 도체(211)와,
    - 상기 액체와 접촉하기 위해 상기 격리 커버로부터 연장되는 전기 전도성 돌출부를 포함하는 하나 이상의 송신기들(214), 및 상기 액체와 접촉하기 위해 상기 격리 커버를 국지적으로 갖지 않는 상기 공급 도체의 노출된 영역(bare area)들에 의해 형성되는 하나 이상의 송신기들, 및
    - 상기 액체와 접촉하기 위해 상기 격리 커버를 국지적으로 갖지 않는 상기 공급 도체의 노출된 영역들에 의해 형성되는 하나 이상의 송신기들
    중 하나를 포함하는, 부하 배열.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 라인은 격리 커버(312) 내의 공급 도체(311)를 포함하고, 각각의 송신기(314)는 상기 격리 커버의 표면 부근에서 상기 격리 커버 내에 매립된 송신기 층을 포함하고, 상기 송신기 층은 전기 전도성이고 상기 공급 도체에 접속되어, 상기 액체의 반대편 영역(313) 및 상기 격리 커버의 재료에 의해 구성되는 유전체 층과 조합하여, 상기 공급 라인과 상기 액체 사이의 상기 공급 전류의 용량성 전달을 위한 송신기 커패시터를 형성하는, 부하 배열.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 배열은 각자의 도선들에서 각자의 송신기들을 갖는 다중 도선 케이블을 포함하고, 상기 다중 도선 케이블은 상기 공급 라인을 구성하기 위해 상기 전원의 상기 다른 극에 상기 도선들을 접속하고, 상기 도선들을 분리하여 상기 해양 구조물의 상기 표면에 걸쳐 분포시키도록 구성되는, 부하 배열.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 배열은 격리된 와이어들 및 각자의 와이어들에 있는 각자의 송신기들을 갖는 와이어 메시(wire-mesh)를 포함하고, 상기 와이어 메시는 상기 공급 라인을 구성하기 위해 상기 전원의 상기 다른 극에 접속하고, 상기 와이어 메시를 상기 해양 구조물의 상기 표면에 걸쳐 분포시키도록 구성되는, 부하 배열.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 매체는, 상기 후방, 전방 및 송신기 커패시터들 중 적어도 하나와 조합하여, 공진 주파수의 AC 공급 전압을 생성하는 상기 전원에 의해 전력을 공급받는, 상기 공진 주파수에서 공진하는 회로들을 구성하기 위해 상기 부하들과 접속된 인덕터들을 포함하는, 부하 배열.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 매체는 상기 부하들과 접속된 자동 변압기들을 포함하고, 각각의 자동 변압기는 상기 전방 및 후방 전극들에 접속된 저전압 접속부, 및 상기 부하에 접속된 고전압 접속부를 갖는, 부하 배열.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 각자의 후방, 전방 및 송신기 커패시터들과 조합된 상이한 인덕터들 또는 자동 변압기들이, 상이한 공진 주파수들의 AC 공급 전압을 생성하는 상기 전원에 의해 선택적으로 전력을 공급받기 위해, 상기 상이한 공진 주파수들에서 공진하는 각자의 회로들을 구성하는, 부하 배열.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 매체는 상기 부하들과 직렬로 접속된 커패시터들을 포함하는, 부하 배열.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐리어 매체는 광학 매체이고, 상기 부하는 생물오손 유기체(biofouling organism)들을 함유하는 오손 액체인 상기 액체와 접촉하는 상기 해양 구조물의 상기 표면의 오손-방지를 위한 오손-방지 광(anti-fouling light)을 방출하기 위한 UV 광원인, 부하 배열.
  13. 액체에 노출될 표면을 갖는 해양 구조물로서, 상기 액체는 전기 전도성 매체를 구성하고, 상기 해양 구조물(50)은 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 청구된 적어도 하나의 부하 배열을 포함하며,
    - 상기 적어도 하나의 캐리어 매체는 상기 해양 구조물의 상기 표면 내에 또는 상에 상기 후방 표면(101)을 갖는 상기 해양 구조물에 부착되고,
    - 상기 적어도 하나의 송신기 배열(111)은 상기 다수의 전방 전극들(130) 부근에서 상기 해양 구조물의 상기 표면에 배열되고,
    상기 해양 구조물은,
    - 전원(1)으로서, 상기 전원으로부터 상기 부하들로 상기 공급 전류를 전달하기 위해 상기 해양 구조물과 상기 송신기 배열의 상기 공급 라인 사이에 결합되는, 상기 전원(1)을 포함하는, 해양 구조물.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 송신기 배열들의 송신기들의 총 개수는 상기 적어도 하나의 캐리어 매체들의 전방 전극들의 총 개수보다 적은, 해양 구조물.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 한정된 부하 배열을 설치하기 위한 방법으로서,
    - 상기 액체에 노출될 해양 구조물의 상기 표면에 상기 적어도 하나의 시트를 부착하는 단계;
    - 상기 다수의 전방 전극들 부근에서 상기 해양 구조물의 상기 표면에 상기 송신기 배열(111)을 배열하는 단계; 및
    - 상기 전원으로부터 상기 부하들로 상기 공급 전류를 전달하기 위해 상기 해양 구조물과 상기 송신기 배열의 상기 공급 라인 사이에 결합되는 상기 전원(1)을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
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