KR20230104174A - 대양 파 에너지 수확 시스템 - Google Patents

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KR20230104174A
KR20230104174A KR1020237016285A KR20237016285A KR20230104174A KR 20230104174 A KR20230104174 A KR 20230104174A KR 1020237016285 A KR1020237016285 A KR 1020237016285A KR 20237016285 A KR20237016285 A KR 20237016285A KR 20230104174 A KR20230104174 A KR 20230104174A
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weight
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제롬 폴셀
브루노 소아레스
매튜 제라드
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룩셈부르크 인스티튜트 오브 사이언스 앤드 테크놀로지 (리스트)
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Abstract

본 발명은 해파들과 같은 파들(4)로부터 전력을 생성하도록 구성되는 시스템(2)을 제공한다. 시스템(2)은 부력 바디(10); 부력 바디(10)에 대하여 회전하도록 적응되는 입력 샤프트를 포함하는 발전기; 발전기에 결합된 제1 암(30); 제2 암(32); 제2 암(32)을 제1 암에 회전가능하게 연결하는 피벗 조인트(34)를 포함하고, 상기 피벗 조인트(34)는 제1 암(30)을 따라 입력 샤프트로부터 거리를 두고 있다. 제1 암은 제2 암을 발전기에 연결한다. 탠덤 암들은 자율 부유 바다 분석 스테이션에 전력을 공급하는 이중 진자 시스템(2)을 형성한다.

Description

대양 파 에너지 수확 시스템
본 발명은 대양 에너지 수확기의 분야에 관한 것이다. 더 정확하게는, 본 발명은 파로부터의 기계 에너지를 전력으로 변환함으로써 전력을 생성하기 위한 부유 시스템의 분야에 관한 것이다.
대양 및 바다는 무한한 녹색 에너지원으로 간주된다. 이들은 수력 터빈을 활성화하도록 적응된 조류로 인한 물 흐름을 나타낸다. 게다가, 이들의 파들은 수면에서 에너지 수확기들에 공급하기에 편리하다. 예를 들어, 파 에너지 수확기는 부유 바디들의 수평 세트를 정렬할 수 있다. 부유 바디들은 파가 수면 상의 정렬된 세트를 따라 진행할 때 서로에 대해 피벗한다. 발전기들은 전기 에너지를 연속적으로 생성하기 위해 인접한 부유 바디들 사이의 경사 차이들을 이용한다. 이 전기 에너지는 인 시튜로 사용되거나, 저장되거나, 전력 네트워크로 주입된다. 그러나, 이 기술은 긴 자유 표면을 요구한다. 그것은 또한 염분이 있고 부식성인 환경에 노출된 움직이는 부분들을 제시한다.
대안으로서, 파 수확기는 발전기에 결합된 피벗 암을 포함한다. 그러나, 그러한 발전기는 암의 움직임들을 방해하는 코깅 토크를 포함하며, 따라서 암의 진자 운동학이 차단되므로 에너지 출력을 줄인다. 마지막으로, 그렇지만 또한 중요하게, 암의 회전 속도가 느리다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점들 중 적어도 일부를 극복하는 시스템을 제시하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 해파들로부터의 전력 생성을 개선하는 시스템을 제시하는 것이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 해파들과 같은 파들로부터 전력을 생성하도록 구성되는 시스템이 제공된다. 시스템은 방수 인클로저를 포함하는 부력 바디(buoyant body)를 포함하고, 방수 인클로저 내에는
부력 바디에 대해 회전하도록 적응된 입력 샤프트를 포함하는 발전기;
발전기에 결합된 제1 암;
제2 암;
제2 암을 제1 암에 회전가능하게 연결하는 피벗 조인트 - 상기 피벗 조인트는 제1 암에 의해 발전기에 링크됨 -
가 배열된다.
시스템은 바람직하게는 주축을 따라 연장될 수 있다. 부력 바디는 바람직하게는 평형 배향을 포함할 수 있고, 입력 샤프트는 바람직하게는 제1 회전 축을 포함할 수 있고, 피벗 조인트는 바람직하게는 제2 회전 축을 포함할 수 있다. 회전 축들은 주축에 실질적으로 평행하게 연장되고; 암들은 주축에 실질적으로 수직으로 연장된다.
바람직하게는, 시스템은 주축을 따라 연장될 수 있다. 부력 바디는 바람직하게는 평형 배향을 포함할 수 있고, 입력 샤프트는 바람직하게는 제1 회전 축을 포함할 수 있고, 피벗 조인트는 바람직하게는 제2 회전 축을 포함할 수 있다. 회전 축들은 주축에 실질적으로 수직으로 연장되고; 암들은 주축에 실질적으로 평행하게 연장된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 해파들과 같은 파들로부터 전력을 생성하도록 구성된 시스템이 제공되고, 시스템은 부력 바디; 부력 바디에 대하여 회전하도록 적응된 입력 샤프트를 포함하는 발전기; 발전기에 결합된 제1 암; 제2 암; 제2 암을 제1 암에 회전가능하게 연결하는 피벗 조인트를 포함하고, 상기 피벗 조인트는 입력 샤프트로부터 제1 암을 따라 거리를 두고 있고/있거나; 상기 피벗 조인트는 제1 암에 의해 발전기에 링크되고/되거나; 제2 암은 제1 암에 의해 발전기에 링크된다.
바람직하게는, 부력 바디는 평형 배향을 포함하고, 입력 샤프트는 제1 회전 축을 포함하고, 피벗 조인트는 제2 회전 축을 포함하고, 상기 회전 축들은 수직이며; 암들은 수평이다.
바람직하게는, 부력 바디는 주축을 따라 연장될 수 있다.
바람직하게는, 부력 바디는 평형 배향을 포함할 수 있고, 입력 샤프트는 제1 회전 축을 포함할 수 있고, 피벗 조인트는 제2 회전 축을 포함할 수 있고, 상기 회전 축들은 수평, 즉, 바디의 주축에 실질적으로 수직으로 연장될 수 있고; 암들은 수직, 즉, 바디의 주축에 실질적으로 평행하다.
바람직하게는, 제1 암은 제1 길이 L1을 포함할 수 있고, 제2 암은 제1 길이 L1보다 작을 수 있는 제2 길이 L2를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 길이 비율 L1/L2는 1 내지 5; 또는 2 내지 3의 범위일 수 있다.
바람직하게는, 제1 암은 제1 무게 W1을 포함하고, 제2 암은 제1 무게 W1보다 더 무거울 수 있는 제2 무게 W2를 포함한다.
바람직하게는, 무게 비율 W2/W1은 0.8 내지 5의 범위를 가질 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 전체 무게 Wo를 포함하고, 비율 Wo/(W1+W2)는 2 내지 6의 범위일 수 있다.
바람직하게는, 무게 비율 δ/길이 비율 μ의 관성 비율 φ는 1 내지 4, 바람직하게는 2 내지 3의 범위일 수 있다.
바람직하게는, 제1 암은 제1 길이 L1 및 제1 무게 W1을 가질 수 있고, 제2 암은 더 작은 제2 길이 L2 및 더 무거운 제2 무게 W2를 가질 수 있고, 길이 비율 (L1/L2)로 무게 비율 (W2/W1)을 나눈 값인 관성 비율 φ는 1 내지 4, 바람직하게는 2 내지 3의 범위일 수 있다.
바람직하게는, 제1 암을 따라, 상기 제1 암은 피벗 조인트에서 제1 무게 블록을 포함할 수 있고/있거나, 제2 암을 따라, 상기 제2 암은 피벗 조인트의 반대편에 제2 무게 블록을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 발전기는 내부 회전자 및 제1 암을 내부 회전자에 결합하는 기어박스를 포함할 수 있고, 상기 기어박스는 적어도 30의 승산비를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 메인 축(main axis) 또는 주축(principal axis)과 같은 수직 축, 및 수직 축에 대한 및/또는 메인 축에 대한 부력 바디의 회전을 감소시키도록 구성된 수단을 포함할 수 있다.
시스템은 바람직하게는 주축, 및 주축에 대한 부력 바디의 회전을 감소시키도록 구성된 수단을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 균형추(counter weight), 또는 밸러스트(ballast), 또는 고정 수단(fixation means)과 같은 수단을 포함할 수 있고; 이는 특히 파면에 대해 미리 정의된 배향으로 부력 바디를 배향하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 부유 라인을 포함할 수 있고, 암들은 상기 부유 라인 위에 있을 수 있다.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 시스템(2)에 있어서, 시스템(2)은 부유 라인(14)을 포함하고, 암들(30; 32)은 시스템의 메인 축(8)을 따라 상기 부유 라인(14) 위에 배열된다.
바람직하게는, 시스템은 중력 중심을 포함하고, 제1 암 및 제2 암 중 적어도 하나는 상기 중력 중심으로부터 수직으로 거리를 두고 있을 수 있다.
시스템은 바람직하게는 중력 중심을 포함할 수 있고, 제1 암 및 제2 암 중 적어도 하나는 시스템의 메인 축 또는 주축을 따라 상기 중력 중심으로부터 거리를 두고 배열된다.
바람직하게는, 발전기는 입력 샤프트를 부력 바디에 회전가능하게 결합하는 회전 링크를 포함할 수 있고, 상기 회전 링크는 적어도 0.016Ns/m의 감쇠 계수를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 발전기는 적어도 30의 승산 계수를 갖는 기어박스를 포함할 수 있고, 적어도 10 mN.m; 바람직하게는 24 mN.m의 코깅 토크를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 바디는 암들이 배열되는 방수 인클로저를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제2 암은 자유 암일 수 있고, 발전기와 독립적으로 자유롭게 회전하는 자유 단부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 회전 축들은 서로 평행할 수 있다.
바람직하게는, 암들은 이동을 위해서 동일한 평면 내에서 연결 및 제한될 수 있고/있거나 암들은 서로 평행할 수 있고/있거나, 암들은 평행한 평면 내에서 이동하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 발전기는 입력 샤프트의 회전이 발전기로 하여금 전기 에너지를 생성하게 하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 메인 바디는 40cm의 외경, 및/또는 1kg 내지 10kg, 또는 1kg 내지 5kg 범위의 무게를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 하반부 및 상반부를 포함할 수 있고, 암들은 상반부에 배열될 수 있다.
바람직하게는, 시스템은 수직 피벗 축에 대한 관성을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 안테나는 발전기 위에; 및/또는 부력 바디의 상반부에 배열될 수 있다.
입력 샤프트는 본 발명의 본질적인 양태가 아니다.
본 발명의 다른 양태는 에너지 회수 시스템을 제공하는 것이며, 에너지 회수 시스템은,
부유 바디;
시스템, 특히 부유 바디의 평형 배향을 정의하도록 구성된 선택적인 수단 - 상기 수단은 선택적으로 균형추를 포함함 -;
수직 방향;
발전기;
제1 회전 축;
발전기에 결합된 제1 암;
제1 암을 제2 암에 결합하는 제2 회전 축;
제2 암을 포함하고, 제2 암은 제1 회전 축으로부터 오프셋된 제2 회전 축에서 제1 암에 부착되고, 선택적으로 제1 암으로부터 거리를 두고 자유 단부를 갖는다.
본 발명의 다른 양태는 파 에너지로 전력을 생성하도록 구성된 시스템을 제공하는 것이며, 시스템은
부력 바디;
회전 샤프트를 포함하는 발전기;
입력 샤프트에 예를 들어 직접적으로 또는 간접적으로 부착된 제1 암;
제1 암에 회전가능하게 부착된 제2 암을 포함하고,
제1 암은 제2 암에 부착된 피벗 조인트를 포함하고, 상기 피벗 조인트는 회전 샤프트로부터 거리를 두고 있다.
본 발명의 다른 양태는 파 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 구성된 시스템을 제공하는 것이고, 시스템은 특히 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하도록 적응된 에너지 변환기이고, 시스템은:
부유 바디;
바람직하게는 시스템, 각각 부유 바디의 평형 배향을 정의하는 균형추;
제1 회전 축을 갖는 입력 샤프트를 포함하는 발전기;
적어도 2개의 세그먼트를 갖는 관절식 체인을 포함하고,
상기 관절식 체인은 입력 샤프트 및/또는 제1 회전 축에 부착된 제1 단부, 및 제1 단부의 반대편의 자유 단부인 제2 단부를 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 파 에너지 회수를 위해 구성된 시스템을 제공하는 것이고, 시스템은:
부력 바디;
시스템/바디의 평형 배향을 정의하는 균형추;
제1 회전 축을 포함하는 발전기;
입력 샤프트에 부착된 크랭크;
제2 회전 축;
제2 회전 축에서 크랭크에 회전가능하게 부착된 로커를 포함하고, 크랭크는 선택적으로 제1 암을 형성하고, 로커는 선택적으로 제2 암을 형성한다.
본 발명의 다른 양태는 해파들과 같은 파들로부터 전력을 생성하도록 구성되는 시스템을 제공하는 것이며, 시스템은,
부력 바디;
부력 바디에 대해 회전하도록 적응된 입력 샤프트 및 코깅 토크를 포함하는 발전기;
선택적으로 암들의 무질서 궤적들로, 해파에 의해 발전기의 코깅 토크를 극복하도록 구성되는 한 쌍의 연결된 암들을 포함한다.
본 발명의 다른 양태는 본 발명에 따른 시스템을 포함하는 자율 부유 분석 스테이션을 제공하는 것이고, 자율 부유 분석 스테이션은 바람직하게는 제1 암 및 제2 암 아래에 물 통로를 포함한다.
본 발명의 추가 양태에 따르면, 자율 부유 분석 스테이션이 제공된다. 스테이션은 본 발명의 양태들에 따른 시스템을 포함한다. 자율 부유 분석 스테이션은 바람직하게는, 제1 암 및 제2 암보다 그 주축을 따라 시스템의 내수성 단부(immersible end)에 더 가깝게 배열된 물 통로를 포함한다.
바람직하게는, 시스템은 암들 위에 안테나를 포함하는 통신 모듈을 포함한다.
시스템은 바람직하게는 암들보다 그 주축을 따라 시스템의 내수성 단부로부터 더 멀리 배열된 안테나를 포함하는 통신 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 부력 바디, 입력 샤프트를 갖는 발전기, 제1 암, 제1 암에 피벗가능하게 결합된 제2 암을 포함하는 시스템을 이용한 에너지 생성 프로세스를 제공하는 것이며; 에너지 생성 프로세스는, 물에서, 특히 파형 물에서 제1 배향에 따라 부력 바디를 배향하는 단계; 제1 배향에 대하여 부력 바디를 기울이는 단계; 부력 바디에 대하여 제2 암을 이동시키는 단계; 전기 에너지를 생성하기 위해 제1 암의 회전을 통해 제2 암의 움직임을 발전기에 전달하는 단계를 포함하고; 시스템은 바람직하게는 본 발명에 따른다.
바람직하게는, 전달하는 단계에서, 제1 암에 대한 제2 암의 제2 회전 속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 속도보다 더 높을 수 있다.
바람직하게는, 전달하는 단계에서, 제1 암에 대한 제2 암의 제2 회전 가속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 가속도보다 더 높을 수 있다.
바람직하게는, 기울이는 단계에서, 부력 바디는 바람직하게는 수직 방향 또는 평형 배향에 대해 적어도 8도로 경사질 수 있다.
바람직하게는, 기울이는 단계는 0.1Hz 내지 1Hz 범위의 파 주파수를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 전달하는 단계에서, 부력 바디에 대한 제2 암의 제2 회전 속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 속도보다 더 높을 수 있다.
바람직하게는, 전달하는 단계에서, 부력 바디에 대한 제2 암의 제2 회전 가속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 가속도보다 더 높을 수 있다.
바람직하게는, 회전 속도들은 최대 회전 속도들 또는 평균 회전 속도들일 수 있다.
바람직하게는, 회전 가속도들은 최대 회전 가속도들 또는 평균 회전 가속도들일 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 부력 바디를 갖는 시스템의 입력 샤프트로 기어박스를 포함하는 발전기를 활성화하기 위해 직렬로 피벗가능하게 연결된 2개의 암의 사용을 제공하는 것이며, 상기 시스템은 파 에너지로 전기 에너지를 생성하도록 구성되고; 시스템은 바람직하게는 본 발명의 양태들에 따른다.
본 발명의 다른 양태는 부력 바디를 갖는 시스템의 입력 샤프트로 발전기를 활성화하기 위해 직렬로 피벗가능하게 연결된 2개의 암의 사용을 제공하는 것이며, 상기 시스템은 파 에너지로 전기 에너지를 생성하도록 구성되고; 시스템은 바람직하게는 본 발명의 양태들에 따른다.
본 발명의 상이한 양태들은 서로 결합될 수 있다. 또한, 반대로 명시적으로 언급되지 않는 한, 본 발명의 각각의 양태의 바람직한 특징들은 본 발명의 다른 양태들과 결합될 수 있다.
본 발명은 작은 파들로 움직이는, 진동하는 종속 암들의 특정 결합을 제공한다. 본 발명에 따른 구성은 암들, 특히 전력 변환기의 회전 속도들 및 회전 가속도들을 증가시킨다. 따라서, 공지된 시스템들에 비해 전력 생산이 증가된다. 제안된 시스템은 해파의 운동 에너지를 사용 가능한 전력으로 변환하는 데에 더 효율적이다. 발전기를 작동시키거나 실제로 전력을 생성하는 컴포넌트들 중 어느 것도 동작 중에 해수와 접촉하지 않기 때문에, 부식이 제한되고 유지보수에 대한 필요성이 감소된다. 이것은 디바이스가 공해에 배치될 때 특히 유용하다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 본 발명의 범위를 제한하지 않는 도면들에 의해 예시된다. 도면들에서:
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템의 측면 절단도의 개략도를 제공한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템의 측면 절단도의 개략도를 제공한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템의 횡단 절단 평면도의 개략도를 제공한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에너지 생성 프로세스의 블록도의 개략도를 제공한다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템에 대한 파 주파수 및 길이 비율 μ의 함수에서의 RMS 평균 각속도 그래프의 개략도를 제공한다.
도 6a 및 6b는 각각 간단한 진자에 대한 그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템에 대한 파들의 진동들의 파 주파수 및 피치 각도의 함수에서의 RMS 평균 각속도들의 개략도들을 제공한다.
도 7a 및 7b는 각각 간단한 진자에 대한 그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템에 대한 파들의 진동들의 파 주파수 및 피치 각도의 함수에서의 RMS 평균 각가속도들의 개략도들을 제공한다.
도 8a 및 8b는 각각 간단한 진자에 대한 그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템에 대한 파 주파수 및 피치 각도에 대한 생성된 토크 매핑들의 개략도들을 제공한다.
도 9a 및 도 9b는 각각 간단한 진자에 대한 그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직 회전 축을 갖는 시스템에 대한 파 주파수 및 피치 각도의 함수에서의 생성된 RMS AC 전력의 개략도들을 제공한다.
도 10a 및 10b는 각각 간단한 진자에 대한 그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수평 회전 축을 갖는 시스템에 대한 파 주파수 및 피치 각도 진폭의 함수에서의 생성된 RMS AC 전력의 개략도들을 제공한다.
도 11은 단일 암 시스템과 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템 사이의 상이한 수퍼커패시터 값들에 대한 충전 시간의 비교도를 제공한다.
이 섹션은 본 발명을 예시된 예들로 제한하지 않고 바람직한 실시예들 및 도면들에 기초하여 본 발명의 양태들을 더 상세히 설명한다. 유사한 참조 번호들은 발명의 상이한 실시예들 전반에 걸쳐 유사하거나 동일한 개념들을 설명하기 위하여 이용될 것이다.
본 설명에서, 코깅 토크는 일반적으로 전기 기계로서 간주될 수 있는 발전기의 고정자 슬롯들과 회전자의 영구 자석들 사이의 전자기 상호작용으로부터 발생하는 토크로서 간주될 수 있다.
여기에 설명된 특정한 실시예에 대해 설명된 특징들은 반대로 명시적으로 언급되지 않는다면 다른 실시예들의 특징들과 결합될 수 있다는 점에 유의하여야 한다. 이 분야에 일반적으로 공지된 특징들은 본 발명에 특정한 특징들에 초점을 맞추기 위해 명시적으로 언급되지 않을 것이다. 예를 들어, 본 발명에 따른 시스템은 컴퓨터 유닛을 포함할 수 있지만, 그러한 컴퓨터는 도면들에서 명시적으로 참조되거나 설명에서 참조되지 않는다. 용어들 "수평" 및 "수직"은 시스템과 관련하여 엄격한 방식으로 해석되지 않아야 한다. 실제로, 시스템은 본래 경사지고, 파들에 의해 구동되는 피치 각도 및 롤 각도를 제시한다. 따라서, "수평" 및 "수직"이라는 용어들을 해석할 때, 시스템의 경사에 대응하는 허용오차가 채택되어야 한다. "수평 "배향"은 일반적으로 국지적 수면에 실질적으로 평행한 배향을 지칭하는 반면, "수직"은 그에 실질적으로 수직인 배향을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 시스템(2)을 도시한다. 시스템(2)은 해양 환경에서 파들(4)에 의해 전력을 생산하도록 적응된다.
시스템(2)은 부유 시스템이며, 수면(6)을 가로지른다. 파들(4)은 수면(6)에서 경사 변동을 생성하고, 시스템(2)에 대해 이동한다. 바람은 파 진폭을 증가시키고, 그들의 프로파일들을 예리하게 한다. 시스템(2)이 부력 시스템이기 때문에, 그것은 파들을 스위핑할 때 파들(4)에 의해 상승된다. 파들(4)은 그들의 형상들 및 움직임들로 인해, 시스템(2)을 불안정하게 하고, 그것이 이동하게 하여, 또한 수직 축(V)으로 지정된 수직 방향(V)에 대해 경사지게 한다.
시스템(2)의 경사는 수직 축(V)과 시스템(2)의 메인 축 또는 주축(8) 사이에서 측정된다. 메인 축(8)은 수면(6)이 평평할 때, 즉 파가 없을 때 수직 축(V)에 평행하다. 그러면, 시스템(2)은 평형 배향에 있다. 메인 축(8)은 시스템(2)의 가장 긴 치수를 따라 연장될 수 있다. 예시된 실시예에서, 메인 축은 시스템의 높이를 따라 연장된다. 메인 축은 상단부로부터 하단부로 연장되고, 하단부는 시스템의 내수성 단부이며, 이는 시스템이 수면 상에 부유할 때 물에 침지된다. 다음에서, 피처 X가 피처 Y보다 "더 낮다"고 언급될 때, 이는 피처 X가 피처 Y보다 시스템의 내수성 단부로부터 더 작은 거리에 배열됨을 의미한다.
경사각 γ는 시스템(2)의 그의 환경에 대한 경사를 정의한다. 경사각 γ는 수직 축 V와 메인 축(8) 사이에 있다. 본 예시에서, 경사각 γ는 8도로 설정된다. 경사각 γ는 피치 각도 α와 롤 각도 β의 결합이다(표현되지 않음).
시스템(2)은 부력 바디(10)를 나타낸다. 부력 바디(10)는 인클로저(12)를 정의할 수 있다. 인클로저(12)는 방수성이고, 시스템(2)이 수면(6)에 머무르는 능력을 보장한다. 그것은, 사용 중일 때, 부식성 해수 환경으로부터 시스템(2)의 컴포넌트들을 추가로 보호한다. 바디는 시스템(2)의 수선(waterline)(14)을 정의할 수 있다. 수선(14)은 또한 부유 선(14)으로 지정될 수 있다. 그것은 또한 시스템(2)의 중력 중심(16)의 위치에 연결될 수 있다.
시스템(2)의 장비가 수선(14) 및 중력 중심(16)에 영향을 미친다는 것을 이 분야의 기술자들은 이해할 것이다.
시스템(2)은 시스템(2)이 부유되고 있을 때 그것을 미리 정의되고 특권이 있는 배향으로 배향하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기 수단은 평형 수단일 수 있다. 수직 축(V)과 주축(8)이 평행할 때, 이 배향 또는 기준 배향은 수직 배향일 수 있다. 예시로서, 평형 수단은 부력 바디(10) 아래에 밸러스트(18)를 포함한다. 대안으로서, 평형 수단은 부력 바디(10) 내에, 특히 그의 하반부에, 바람직하게는 그의 바닥에 균형추(18)를 포함한다. 이러한 솔루션들은 대양의 조류들에 비추어 편리하다. 추가 대안으로서, 평형 수단은 환경의 고정점에 부착된 로프에 고정되도록 의도된 고정 수단을 포함할 수 있다. 고정 수단은 고정 홀을 포함할 수 있다.
선택사항으로서, 시스템(2)은 물 통로(20)를 포함한다. 물 통로(20)는 부력 바디(10) 내에 채널 또는 관통 구멍을 형성할 수 있으며, 이에 따라 물 샘플을 수집하도록 적응된다. 물 통로(20)는 시스템(2)을 가로지르는 관통 통로일 수 있다. 그것은 바람직하게는 시스템의 주축을 따라 수선(14) 아래에 배열된다. 이어서, 물 분석이 수행될 수 있다. 물 오염이 검출될 수 있다. 특정 입자들이 관찰될 수 있다. 일부 생물학적 종들이 관찰될 수 있다.
다른 선택사항으로서, 시스템(2)은, 예를 들어, 물 통로(20)에서 분석되는 물, 수면(6) 이동들의 상태(평온한 바다 또는 거친 바다) 및/또는 시스템(2)의 지리위치에 관련된 데이터를 방출하기 위한 통신 수단을 포함한다. 물 상태는 내장된 가속도계 모듈 및/또는 자이로스코프 모듈을 통해 제공될 수 있다. 통신 수단은 안테나(22)를 포함할 수 있다. 안테나(22)는 부력 바디(10)의 상부에 있을 수 있다. 안테나(22)는 시스템(2)의 정점을 형성할 수 있다. 통신 수단은 안테나(22)와 연관된 무선 통신 모듈 및 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 물 분석을 위해 부유 스테이션에 통합될 수 있다. 스테이션은 자율 부유 분석 스테이션일 수 있다.
스테이션은 물에서의 오염 물체 검출, 해파의 상태와 같은 상이한 종류의 분석을 위해 적응된다. 파 상태는 가속도계 및/또는 자이로스코프에 의한 파들의 움직임들의 강도를 포함한다. 스테이션은 바다에서 부표의 위치 신호를 제공하기 위한 위치 모듈을 더 포함할 수 있다. 위치 신호는 자력계 모듈, 나침반 모듈, GPS 신호 및 이들의 결합 중 적어도 하나에 의해 계산될 수 있다.
에너지를 제공하기 위해, 시스템(2)은 발전기(24)를 포함한다. 발전기(24)는 부력 바디(10) 내에, 특히 인클로저(12) 내에 배열된다. 발전기(24)는 회전 발전기일 수 있다. 그것은 특히 제1 회전 축(28)을 중심으로 회전하는 입력 샤프트(26)를 포함한다. 입력 샤프트(26)가 제1 회전 축(28)을 중심으로 회전할 때, 발전기(24)는 전력을 생성한다. 발전기(24)는 고정자 및 회전자를 포함할 수 있다. 후자는 코일들 및 영구 자석들을 각각 구비할 수 있다. 결과적인 회전 전기 기계는 대항 전기력을 제공할 수 있다. 회전자는 직접적으로 또는 간접적으로 입력 샤프트(26)에 결합된다.
또한, 시스템(2)은 인클로저(12) 내에 한 쌍의 암(30 및 32)을 구비한다. 암들(30, 32)은 직렬로 배열된다. 암들은 상이한 구성들로 표현되는데: 제1 구성은 실선으로 제공되고, 제2 구성은 파선들로 제공된다. 시스템(2)이 파 영향 하에서 스윙할 때, 암들은 부력 바디(10)에 대해, 그리고 또한 그들의 각각의 관성들로 인해 서로에 대해 피벗한다. 암들(30 및 32)은 가늘고 긴 요소들이다. 암들은 관성 수단이다. 이들은 레버들을 형성할 수 있다. 이들은 기계적 링크들일 수 있다.
암들은 입력 샤프트(26)에 부착된 제1 암(30), 및 제1 암(30)에 부착된 제2 암(32)을 포함한다. 회전 축(28)에 대한 제1 암(30)의 회전은 발전기(24)가 전력을 생성하게 한다. 피벗 조인트(34)는 암들(30 및 32)을 함께 회전가능하게 연결한다. 따라서, 제2 암(32)의 움직임들 및 기계적 힘들은 제1 암(30)을 통해 입력 샤프트(26)에 전달된다. 제2 암(32)의 움직임들은 제1 암(30)의 회전 각도를 증가시키고, 이는 변환된 에너지를 증가시킨다. 이러한 움직임들은 또한 입력 샤프트(26)에 대한 제1 암(30)의 회전 가속도를 증가시킨다. 제1 암(30)은 발전기에 결합될 때 주요 암으로서 간주될 수 있는 반면, 제2 암은 그의 자유로 인해 보조 암으로서 간주될 수 있다.
피벗 조인트(34)는 제2 회전 축(36)을 포함한다. 제2 회전 축(36)은 제1 회전 축(28)에 평행하고, 후자로부터 거리를 두고 있을 수 있다. 회전 축들(28 및 36)은 오프셋된다. 제1 및 제2 회전 축들(28 및 36)은 시스템(2)의 메인 축(8)에 수직일 수 있다. 이 회전 축들(28 및 36)은 일반적으로 수평이다. 암들은 횡형이고, 바람직하게는 회전 축들(28 및 36)에 수직이다. 제1 암(30)은 적어도 제1 회전 축(28)으로부터 제2 회전 축(36)으로 연장된다.
발전기(24)는 기어 박스로도 지정된 기어링(gearing)(표현되지 않음)을 포함할 수 있다. 기어링은 발전기(24)의 자기 부분 및/또는 전기 부분보다 작을 수 있다. 입력 샤프트(26)는 기어박스의 입력을 형성할 수 있다. 기어링은 적어도 10, 또는 30, 또는 50, 또는 110, 또는 150의 승산비를 포함할 수 있다. 기어박스는 발전기(24)의 내부 회전자에, 특히 자석들과 결합될 수 있다. 따라서, 회전자의 회전 각도는 제1 암(30)의 회전 각도와 곱해진다. 더 많은 전력이 생성된다.
발전기(24)는 코깅 토크를 겪을 수 있다. 물 팽창으로 인해, 제2 암(32)은 무질서 방식으로 움직인다. 이후, 그것은 제1 암(30)을 통해 발전기(24)에 토크 피크들을 전달한다. 이후, 기어박스에 의해 선택적으로 승산되는 코깅 토크를 극복하는 것이 더 쉬워진다. 그 다음, 더 작은 파는 제2 암(32)이 발전기(24)를 활성화할 수 있게 한다. 표면 상의 작은 기복(undulation)을 정의하거나 감소된 경사각 γ를 트리거하는 파들은 제2 암의 포텐셜로 인해 여전히 발전기(24)를 활성화한다. 따라서, 시스템(2)은 더 많은 파 구성들에서 전력을 생성하도록 적응된다. 시스템(2)은 더 효율적이다. 그것은 연장된 기간 동안: 수개월 또는 수년 동안 전기적으로 자율적으로 유지된다. 전기 배터리 관리가 더 쉬워진다.
제1 암(30)은 제2 암(32)보다 길고, 예를 들어 2배 길다. 선택사항으로서, 제2 암(32)은 제1 암(30)보다 더 무겁고, 예를 들어, 적어도 2배 또는 3배 무겁다. 짧고 무거운 제2 암(32)은 제1 암(30)을 흔들어 그에 대한 갑작스런 노력을 생성하는 자신의 능력을 증가시킨다. 그러면, 발전기(24)의 고유 코깅 토크를 극복하는 것이 정적으로 더 용이하다. 제2 암 구성은 또한 입력 샤프트(26)의 회전 속도 및 회전 가속도를 증가시킨다.
선택사항으로서, 시스템은 해양 풍력 터빈(표현되지 않음)과 결합된다. 시스템은 풍력 터빈의 부유 베이스를 형성할 수 있고, 이에 의해 2개의 에너지 생성 솔루션을 결합한다.
다른 선택사항으로서, 시스템은 태양광 패널(표현되지 않음)과 결합된다. 시스템의 상부는 태양에 노출되는 태양광 패널 설비의 부유 베이스를 형성할 수 있고, 이에 의해 2개의 에너지 생성 솔루션을 결합한다.
10 cm * 10 cm 태양광 패널이 사용될 수 있다. 파 에너지원 및 태양 에너지원은 동일한 전력 레벨: 약 100mW를 제공한다. 이러한 에너지원들은 동일한 자릿수의 에너지 레벨을 제공하며, 이중 진자의 전자기 발전기가 종일, 특히 파들의 움직임들이 연속적이므로 밤 동안 작동하는 이점이 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 거친 바다에서 전력을 생성하기 위한 시스템(2)을 나타낸다. 본 시스템(2)은 도 1과 관련하여 설명된 것과 실질적으로 유사하지만, 회전 축들(28 및 36)이 수직이라는 점에서 상이하다. 도 2의 실시예는 도 1의 실시예와 상이하지만, 양 실시예에서 유사한 특징들을 참조하기 위해 동일한 참조 번호들이 사용될 것이다. 양 실시예에서의 배열들 간의 차이들이 아래에 설명된다.
시스템(2)은 수면(6)에서 부유하는 것으로 도시되어 있다. 사용 중에, 그것은 액체 표면에서 이동하는 파(4)의 전파로 인해 좌에서 우로, 앞에서 뒤로 스윙한다. 파(4)는 시스템(2)의 움직임에 영향을 주는 비대칭 프로파일을 제시할 수 있다. 시스템(2)은 한 방향으로 그리고 파가 그것과 교차할 때 반대 방향으로 기울어진다는 것이 이해된다. 파 통과 후에, 시스템(2)은 예를 들어 다음 파가 그것을 여기시킬 때까지 진동, 스윙을 계속할 수 있다. 선택사항으로서, 파는 시스템(2)보다 높을 수 있다.
시스템(2)은 상이한 높이들, 상이한 곡률들, 상이한 기울기들, 상이한 전파 속도들의 파들(4)에 적응된다. 파(4)는 바람에 의해 형성될 수 있다. 파(4)는 중력 변화에 의해 부분적으로 형성될 수 있다. 파는 0.05 Hz 내지 1.2 Hz, 또는 0.1 Hz 내지 1 Hz 범위의 주파수를 제시할 수 있다. 시스템(2)의 배향은 그것이 파(4)를 만날 때 변한다. 그 후, 시스템(2)의 배향 변화는 또한 0.05 Hz 내지 1.2 Hz, 또는 0.1 Hz 내지 1 Hz 범위의 주파수를 제시한다.
게다가, 부유 라인(14) 또는 수선(14)은 또한 파가 접근할 때 상하로 이동한다. 이 수직 움직임은 특히 회전 축들(28 및 36)이 수직 축 V에 대하여 기울어질 때 에너지 생성에 영향을 줄 수 있다. 수직 움직임은 또한 중력 중심(16)을 통하여 관찰된다.
암들(30 및 32)은 방수 인클로저(12) 내에 그리고 수선(14)으로부터 거리를 두고 배열되어, 그들의 위치는 시스템이 사용 중일 때 수면 위에 있다. 암들(30); 32)은 수선(14) 위에 위치한다. 거기서, 시스템(2)의 경사 움직임들이 증폭된다. 시스템(2)이 경사각 γ로부터 기울어질 때, 암들(30; 32)에서 관찰되는 움직임 임펄스가 증폭된다. 더 많은 전력이 이용가능하다. 중력 중심(16)에 대한 거리는 또한 시스템(2)이 피벗하고 진동할 때 움직임 증폭에 영향을 미친다.
평형 수단, 특히 밸러스트(18)는 경사각 γ에 대해 파(4)와 반대의 작용을 갖는다. 파(4)는 시스템(2)을 기울이고 경사각 γ를 증가시키는 반면, 배향 수단은 메인 축(8)을 중력 벡터를 따라 수직 축(V)에 평행하게 한다. 평형 수단이 균형 상태 또는 안정된 배향을 부과하는 동안, 파(4)는 불균형 구성을 유발한다. 본 예시에서, 경사각 γ는 15도에 이른다. 표현된 경사각 γ는 파(4) 움직임으로 인한 시스템(2)의 최대 경사에 대응할 수 있다.
인클로저(12)는 밸러스트(18)와 통신 수단, 특히 안테나(22) 사이에 배열된다. 밸러스트(18) 및 안테나(22)는 시스템(2)의 대향 단부들에 그의 주축을 따라 수직으로 있다. 물 통로(20)는 부력 바디(10)와 배향 수단(18) 사이의 연결부에 있을 수 있다. 그것은 인클로저(12)로부터 거리를 두고 수직으로 있을 수 있다.
인클로저(12)는 발전기(24), 제1 암(30) 및 제2 암(32)을 수용한다. 발전기(24)는 그의 회전자가 회전하는 수직 회전 축(28)을 포함한다. 회전 샤프트(26)로도 지정되는 샤프트(26)도 수직 회전 축(28)을 중심으로 회전한다. 샤프트(26)는 기계적 에너지가 공급되어 전력으로 변환되는 기계적 입력을 형성하기 때문에 입력 샤프트로 간주될 수 있다.
발전기(24)는 전자기 발전기일 수 있다. 대안으로서, 발전기는 다이나모와 같은 전자기 발전기이다. 추가의 대안으로서, 발전기는 정전 발전기, 예컨대, 마찰전기 발전기, 압전 발전기, 또는 일렉트릿 발전기이다. 다른 발전기들이 고려된다.
제1 암(30)은 직접적으로, 또는 기어링 수단을 통해 간접적으로 발전기(24)에 결합된다. 기어링 수단은 발전기(24)를 구비할 수 있다. 기어링 수단, 특히 기어박스(38)는 적어도 5, 또는 15, 또는 30, 또는 60, 또는 110, 또는 150의 승산비를 포함할 수 있다. 승산 수단은 제1 암(30)에 대한 발전기 회전자의 회전 속도를 증가시킨다. 그것은 또한 제1 암(30) 및 입력 샤프트(26)에 가하는 발전기(24)의 코깅 토크와 같은 토크를 증가시킨다. 코깅 토크는 발전기(24) 내의 자기 수단으로부터 생길 수 있다. 저속에서, 제1 암(30)은 요동치는 움직임들을 보일 수 있다.
제1 및 제2 회전 축들(28 및 36)은 시스템(2)의 주축(8)에 대해 평행할 수 있다. 제1 암(30)은 제1 회전 축(28)에 대해 본질적으로 수직이다. 제2 회전 축(36)은 제1 암과 제2 암 사이의 계면에서 후자에 수직이다. 그 다음, 암들(30; 32)은 피벗하고, 메인 축(8)에 수직인 평행 평면들을 스위핑한다. 이러한 평면들은 실질적으로 수평이다. 따라서, 시스템(2)은 화살표 A로 나타낸 파 진행 방향에 대해 시스템 배향과 무관하게 전력을 생성하도록 적응된다. 시스템은 파들이 어디에서 나오는지와 무관하게 파들로 전력을 생성하도록 구성된다.
본 예시에서, 샤프트(26)에 부착된 제1 암(30)은 제2 암(32) 위에 그 너머에 있다. 피벗 조인트(34)는 힌지 연결일 수 있다. 대안으로서, 제2 암(32)은 수직으로 제1 암(30)과 평평할 수 있다. 그것은 적층되는 대신에 제1 암(30)의 수직 두께 내에 있을 수 있다. 추가의 대안으로서, 제2 암은 제1 암 위에 있을 수 있다.
발전기(24)는 볼 베어링과 같은 회전 링크(40)를 포함할 수 있다. 회전 링크(40)는 입력 샤프트(26)를 부력 바디(10)에 회전가능하게 연결한다. 회전 링크(40)는 적어도 0.016 Ns/m의 감쇠 계수를 포함한다. 이 계수는 전력 생성을 감소시킨다. 제2 암(32)은 회전 링크(40)의 감쇠 계수의 영향을 극복하기 위해 제1 암(30)을 가속시킨다.
시스템(2)이 수직 평형 배향에 대해 기울어질 때, 암들(30 및 32)은 그들의 무게 및 중력으로 인해 움직인다. 생성되는 전기 에너지를 증가시키기 위해, 암들에는 특정 추가 무게들을 제공하기 위한 추가 질량들을 갖는다. 무게는 무게 블록 또는 무게 요소일 수 있다. 제1 암(30)은 제1 무게 블록(42)을 포함하고, 제2 암(32)은 제2 무게 블록(44)을 포함하며, 이들은 서로 거리를 두고 있다. 제2 암(32)은 무게 블록들(42 및 44) 사이의 거리를 보장한다.
제1 암(30)은 제1 질량(M1)으로도 지정되는 제1 무게(W1)를 포함하고, 제2 암은 제2 질량(M2)으로도 지정되는 제2 무게(W2)를 포함한다. 비율(W2/W1) 또는 무게비(δ)는 0.5 내지 10, 바람직하게는 0.8 내지 5의 범위이다. 선택사항으로서, 제2 무게 블록(44)은 제1 무게 블록(42)보다 무겁다. 제1 무게(W1) 및 제2 무게(W2)의 추가는 시스템(2)의 전체 무게(Wo)의 기껏해야 절반을 나타낸다. 비율 {Wo/(W1+W2)}는 2 내지 10, 또는 2 내지 6의 범위일 수 있다. 그러면, 암들의 누적 무게는 시스템의 무게의 작은 부분을 나타낸다. 암들의 배향 및 그들의 움직임들은 일반적인 평형 및 시스템의 배향에 대해 제한된 영향들을 갖는다. 따라서, 암 구성은 전력 생성을 저하시키지 않는다.
제1 무게 블록(42)은 제1 암(30)의 한 단부에, 예를 들어 제1 회전 축(28)과 샤프트(26)의 반대편에 있을 수 있다. 제1 무게 블록(42)은 제2 회전 축(36)에 있을 수 있다. 그것은 제2 암(32)을 커버할 수 있다. 그것은 제2 암(32)을 따라 연장될 수 있다. 그 다음, 제1 무게 블록(42)은 제1 회전 축(28)에 대하여 제1 암(30)의 관성을 증가시킨다. 제1 무게 블록(42)은 피벗 조인트(34)에 있을 수 있다.
제2 무게 블록(44)은 제2 암(32)의 자유 단부에 있을 수 있다. 무게 블록들(42 및 44)은 제2 암(32)의 대향 단부들에 있을 수 있다. 제2 암(32)은 적어도 제1 무게 블록(42)과 제2 무게 블록(44) 사이에 연장되는 링크를 형성한다. 제2 무게 블록(44)은 제2 회전 축(36)에 대해 정의되는 바와 같은 제2 암(32)의 관성을 증가시킨다.
기어박스(38)의 승산 계수로 인해, 발전기(24)에 대해 제1 암(30)을 유지하는 코깅 토크는 적어도 4 mN.m; 또는 20 mN.m; 또는 24 mN.m; 또는 30 mN.m; 또는 40 mN.m; 또는 80 mN.m; 또는 150 mN.m이다. 따라서, 이 승산된 코깅 토크는 제1 암(30)의 움직임들을, 따라서 입력 샤프트(26)의 움직임들을 방지한다. 이러한 결과적인 코깅 토크는 전력 생성에 대한 장애물을 형성한다. 그 다음, 제1 암(30)은 발전기(24)를 활성화함으로써 전기 에너지를 생성하기 위해 코깅 토크보다 큰 임계 토크를 가할 필요가 있다. 제2 암(32)의 관심은 정확하게는 움직임 임펄스를 전달함으로써 활성화 토크를 상승시키는 것이다.
시스템(2)은 메인 축(8)에 대한 회전을 제한하기 위한 수단(46)을 포함할 수 있다. 수단은 수직 축(V)에 대한 시스템(2)의 배향을 유지하도록 적응된 배향 수단(46)일 수 있다. 배향 수단(46)은 메인 축(8)에 대해 분포될 수 있다. 그들은 정반대로 대향될 수 있다. 배향 수단(46)은 물 속의 핀(fin)들(46) 또는 날개들을 포함할 수 있다. 핀들(46)은 부력 바디(10)로부터 돌출하는 블레이드들을 형성할 수 있다. 핀들(46)은 물 속에서 연장되고, 시스템(2)이 수직 축 V에 대해 회전하려고 할 때 그들의 표면들이 반작용 토크에 반대함에 따라 시스템(2)의 회전을 늦춘다. 배향 수단(46)은 특히 메인 축(8)에 대해 안정성을 증가시키며, 따라서 파(4)가 시스템(2)을 이동시킬 때, 암들의 움직임들이 촉진된다. 따라서, 더 많은 전력이 생성된다.
추가로 또는 원형 또는 구형 형상에 대한 대안으로서, 부력 바디(10)는 다각형 쉘을 포함할 수 있다. 부력 바디(10)는 시스템이 회전하지 못하게 하는 삼각형 또는 정사각형 윤곽을 제시할 수 있다. 쉘은 배향 수단(46)의 일부일 수 있다. 다른 배향 수단이 고려된다.
대안으로서, 물 통로는 시스템의 부유 라인에 배열된다. 그 다음, 물 통로는 수면(6)에서 입자 검출을 용이하게 한다.
본 발명에 따른 시스템(2)은 전력을 생성하기 위한 다른 모듈들과 결합될 수 있다. 예시적인 예로서, 시스템(2)은 풍력 터빈과 결합된다. 특히 풍력 터빈의 블레이드형 회전자를 위해 제2 발전기가 제공될 수 있다. 풍력 터빈은 부력 바디의 상부에 있을 수 있다. 부력 바디는 부유 베이스를 형성할 수 있다. 밸러스트는 풍력 터빈의 수직 배향을 유지하는 데 유용할 수 있다. 바람이 불 때, 파가 상승하고 풍력 터빈이 회전한다. 전력 출력은 바람에 의해 트리거되는 시너지로 인해 상승한다. 전력 피크들이 관찰된다.
또 다른 예시적인 예로서, 시스템은 태양광 전지들과 결합된다. 태양광 전지들은 일광으로 전력을 제공한다. 태양광 전지들은 암들(30, 32) 위에, 예를 들어 부력 바디의 상부에 있을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전력을 생성하기 위한 시스템(2)의 다른 실시예의 개략도를 제공한다. 본 시스템(2)은 도 1 및 2와 관련하여 설명된 것들과 실질적으로 유사하거나 동일하며, 따라서 동일한 참조 번호들은 유사한 개념들 및 특징들을 나타내는 데 사용된다. 부력 바디는 명확성을 위해 생략된다. 발전기(24)는 배경에서 표현된다. 한 쌍의 암(30; 32)을 갖는 시스템(2)은 또한 이중 진자를 갖는 시스템으로서 지정된다.
제1 암(30)은 제1 길이(L1)를 포함한다. 제1 길이(L1)는 상기 암의 전체 길이에 대응할 수 있거나, 샤프트(26)로부터 피벗 조인트(34)까지 측정될 수 있다. 제1 길이(L1)는 제1 회전 축(28)과 제2 회전 축(36) 사이의 거리로서 정의될 수 있다. 제1 길이(L1)는 제1 회전 축(28)과 제1 무게 블록(42)의 제1 중력 중심(48) 사이의 거리일 수 있다. 본 예시에서, 제1 중력 중심(48)은 제1 회전 축(28)에 있을 수 있다. 제1 회전 축(28)은 기어링(38)의 회전 축에 대응할 수 있다. 대안으로서, 그것은 축(28)을 따라 평면도에서 오프셋될 수 있다.
제2 암(32)은 제2 길이(L2)를 포함한다. 제2 길이(L2)는 일반적으로 제2 암(32)의 전체 길이에 대응할 수 있다. 제2 길이(L2)는 제2 회전 축(36)과 제2 무게 블록(44)의 중력 중심(50) 사이의 거리로서 정의될 수 있다. 선택사항으로서, 암들을 형성하는 가늘고 긴 구조적 요소들은 무게 블록들(42, 44)의 자신의 무게들에 비추어 무시할만한 무게들을 제시한다고 간주될 수 있다. 각각의 암은 연관된 무게 블록(42, 44)의 무게의 기껏해야 20%, 또는 10% 또는 5%를 나타내는 무게를 갖는 로드(rod)를 포함할 수 있다.
길이 비율(μ)로도 지정되는 μ 비율(L1/L2)은 1 내지 10, 또는 1 내지 5, 또는 2 내지 3의 범위일 수 있다. 제2 암(32)은 제1 암(30)보다 짧고, 예를 들어 적어도 2배 짧다.
본 발명의 선택사항으로서, 가장 짧은 암은 가장 무겁다. 무게 비율 δ/길이 비율 μ의 관성 비율 φ 또는 비율 φ는 1 내지 10, 또는 1 내지 4, 또는 2 내지 3의 범위이다.
2개의 질량으로 진동하는 이중 진자의 거동은 또한 최신 기술[Cross, 2005]의 다수의 연구의 주제이었다. 이 후자의 시스템은 진동의 작은 진폭들에서의 선형 조합들에 의해 근사화될 수 있는 궤적들의 분석적 솔루션들을 갖는다. 진동의 큰 진폭들에서, 이것은 더 이상 진자 이동의 무질서 거동의 출현의 경우가 아니다. 이 경우, 단계별 적분 방법들(Runge-Kutta. Verlet, ...)을 이용하는 수치 분해 도구로 운동 방정식들을 풀 필요가 있다.
감쇠된 이중 진자의 운동학 모델에 초점을 맞추기로 한다. (x, y) 기준 프레임에서, 뉴턴의 제2 법칙을 사용하여, 우리는 다음의 방정식들을 얻는다.
방정식 1:
Figure pct00001
방정식 2:
Figure pct00002
방정식 3:
Figure pct00003
방정식 4:
Figure pct00004
Ti는 암 "i"의 장력이고, ci는 피벗 지점 "i"의 감쇠 계수이다. x1, y1, x2 및 y2는 각각 제1 질량 블록 및 제2 질량 블록의 위치들이다.
이러한 방정식들을 재배열하면, 우리는 감쇠된 이중 진자의 결합된 운동 방정식들을 얻는다.
방정식 5:
Figure pct00005
방정식 6:
Figure pct00006
그 다음, 이 방정식들은, 변수들
Figure pct00007
,
Figure pct00008
,
Figure pct00009
및
Figure pct00010
에 대한 결합된 1차 미분 방정식들의 시스템으로서 그들을 기록한 후에 그리고 통상의 미분 방정식 솔버를 사용하여, 수치적으로 풀 수 있다.
그 다음, 우리는 대양 파의 곡선을 모방하는 각도 섭동을 방정식 5 및 방정식 6에 추가할 수 있다. 간단한 모델은 파의 피치 및 롤 섭동만을 고려하는 것이다. 피치 각도를 α로 그리고 롤 각도를 β로 정의함으로써, 섭동 및 감쇠된 이중 진자의 운동 방정식들은 다음과 같이 된다.
방정식 7:
Figure pct00011
방정식 8:
Figure pct00012
이중 진자에 대한 관성 모멘트는 다음과 같이 정의된다.
방정식 9:
Figure pct00013
따라서, 전자기 발전기가 위치하는 축인 제1 회전 축에 대한 중심 피벗(θ1)에 가해진 토크(τ)는 각가속도에 비례하고, 다음과 같이 표현된다.
방정식 10:
Figure pct00014
각도 위치, 속도 및 가속도를 찾기 위한 이러한 방정식들에 기초하는 이러한 방정식의 제1 수치 모델링이 다음과 같은 질량들 및 로드 길이들에서의 아래의 파라미터들을 갖는 간단한 진자 및 이중 진자에 대해 제안된다.
단일 암을 갖는 간단한 진자:
W1 = 1 kg, L1= 0.15 m
이중 진자:
W1= 0.1 kg, W2= 0.9 kg, W1+W2= 1 kg, 및 L1+L2= 0.15 m
위의 방정식들은 시스템의 거동을 설명하기 위해 사용된다. 또한, 이러한 방정식들은 가속도들 및 생성된 전력을 계산하기 위해 사용된다.
도 4는 본 발명에 따른, 에너지 생성 프로세스로도 지정되는 해파 에너지 변환 대 전력 변환 프로세스의 도면을 도시한다. 에너지 변환 프로세스는, 예를 들어, 도 1 내지 도 3 및 이들의 결합(들) 중 임의의 것에 따라 설명된 바와 같은 전력을 생성하기 위한 시스템을 수반한다.
프로세스는 특히 다음과 같이 실행되는 다음의 단계들을 포함한다:
Figure pct00015
물에서, 특히 파형 물에서 제1 배향에 따라 시스템의 부력 바디를 배향시키는 단계(100);
Figure pct00016
제1 배향에 대하여 부력 바디를 기울이는 단계(102);
Figure pct00017
부력 바디에 대하여 제2 암을 이동시키는 단계(104);
Figure pct00018
전기 에너지를 생성하기 위해 제1 암의 회전을 통해 제2 암의 움직임을 발전기의 입력 샤프트에 전달하는 단계(106);
Figure pct00019
생성된 전력을 저장하거나 소비하고 주입하는 단계(108).
배향 단계(100)에서, 부력 바디가 물에 넣어진다. 시스템, 특히 부력 바디는 잠긴 부분 및 나온 부분을 포함한다. 그의 메인 축 또는 주축은 수직 축을 따라 연장될 수 있다. 선택사항으로서, 시스템은 해전 또는 선박에 부착될 수 있다. 추가 선택사항으로서, 시스템은 다른 시스템에 고정될 수 있으며, 상기 시스템들은 유사하거나 동일하다. 도 1에 따른 시스템은 도 2에 따른 시스템에 부착될 수 있다. 배향 단계(100)에서, 수면은 파들이 없을 수 있다. 프로세스 동안, 파 진폭이 변할 수 있다. 파 주파수도 변할 수 있다. 주파수는 불규칙하게 될 수 있다.
기울이는 단계(102)에서, 파는 시스템에 접근하고, 그와 교차하고, 그로부터 멀어진다. 비교해 보면, 시스템은 일반적으로 그의 관성으로 인해 고정된 위치에 있는 반면, 파는 환경에 대해, 특히 시스템에 대해 이동한다고 간주될 수 있다. 그 후, 파는 시스템을 밀고 평형 변화를 생성한다. 시스템은 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 옆으로 이동한다.
기울이는 단계(102)에서, 부력 바디는 적어도 8도, 또는 15도, 또는 20도로 기울어진다. 부력 바디의 경사각은 수직 방향 및/또는 평형 배향에 대해 측정된다.
시스템의 측면 움직임에 응답하여, 그리고 그 자신의 관성으로 인해, 제2 암은 스텝 이동(104)으로 이동한다. 평형 진화 및 중력은 다른 평형 구성에 도달하기 위해 제2 암이 더 낮은 위치로 회전하게 한다.
전달 단계(106)에서, 발전기는 전력을 생성한다. 기계 에너지는 전기 에너지로 변환된다.
전달 단계(106)에서, 제1 암에 대한 제2 암의 제2 회전 속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 속도보다 더 크다. 이 제2 회전 속도는 평균 속도 또는 최대 속도이다.
전달 단계(106)에서, 제1 암에 대한 제2 암의 제2 회전 가속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 가속도보다 크다. 전달 단계(106)에서, 부력 바디에 대한 제2 암의 제2 회전 가속도는 부력 바디에 대한 제1 암의 제1 회전 가속도보다 더 높다. 제2 회전 가속도(들)는 평균 가속도(들) 또는 최대 가속도(들)이다.
예시로서, 전달 단계(106)에서, 40cm의 직경 및 3kg의 무게를 포함하는 시스템은 100mW의 피크 전력을 전달할 수 있다. 따라서, 시스템은 소형화 및 전기 출력을 최적화한다. 그것은 또한 제조하기가 편리하다.
전달 단계는 전력 생성 단계; 또는 기계 에너지를 전력으로 변환하는 단계인 것으로 간주될 수 있다. 다른 고려사항들 하에서, 프로세스는 예를 들어 상기 전달 단계 동안 또는 그 후에 전력을 생성하는 단계 및/또는 기계 에너지를 전력으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
기울이는 단계(102) 및 전달 단계(106)에서, 파들은 0.1Hz 내지 1Hz 범위의 파 주파수를 포함한다. 이러한 주파수 범위는 본질적으로 넓으며, 이는 상이한 바다 조건들에서 상이한 구성들에서 전력을 생성하는 시스템의 능력을 촉진한다. 전기 에너지를 생성할 확률은 현실적인 동작 조건들에서 증가된다.
본 발명에 따른 시스템은 또한 파 주파수 및 파 진폭 변동들에 적응된다. 시스템은 이종 파들로 전력을 생성한다.
도 5는 본 발명에 따른 시스템의 파 주파수(Hz) 및 길이 비율(μ)의 함수로 평균 제곱근(RMS) 평균 각속도 그래프의 개략도를 제공한다. 시스템은 도 1 내지 도 3 중 임의의 것과 관련하여 기술된 것과 유사하거나 동일할 수 있다. μ 비율은 암 길이 비율 μ: L1/L2에 대응한다. 본 그래프는 제1 암에서의 제1 회전 속도들, 즉 발전기를 활성화하기 위해 사용되는 회전 속도를 예시한다.
선택적으로 시뮬레이션인 본 실험에서, 주파수 f 및 비율 μ가 탐색된다. 이중 진자 구성에 대해, 비율 μ(L1/L2) 및 여기 주파수 f 양자의 스위핑이 수행된다. 주파수는 0.1 내지 1.2 Hz의 범위에서 탐색된다.
본 실험에서, 최대 경사각 α_max 파라미터는 3도로 설정된다. 제1 암의 제1 무게 W1은 0.1 kg이다. 제2 암의 제2 무게 W2는 0.9 kg이다. 그러면 총 암 무게는 1kg이다. 암들이 정렬될 때, 총 암 길이 (L1+L2)는 0.15m이다. μ=2.5, L1=0.107m, L2=0.043m에서, 최적 값이 존재한다. 여기 주파수에 대해 0.1Hz 내지 0.85Hz의 최대 평균 RMS 각속도 θ'1을 갖는 풀 로킹의 도메인에 주목할 수 있다. 더욱이, 이 암 길이들은 자율 드리프팅 부표에 적당한 간결한 설계를 가능하게 한다.
길이 비율 μ가 1.5 내지 3.5의 범위일 때, 회전 속도는 적어도 1.5 rad/s이다. 길이 비율 μ가 2 내지 3의 범위일 때, 제1 회전 속도 (dθ1/dt = θ'1 =
Figure pct00020
)은 일반적으로 적어도 2 rad/s이다. 그러면, 제1 암의 회전은 본질적으로 빠르고, 발전기는 더 많은 전력을 제공한다. 이것은 대양의 파 진동으로부터 각속도 및 각가속도로의 최상의 에너지 수확 변환 수율을 얻는 최적화 스테이지이다.
본 발명에 더 깊이 들어가기 위해, 2.5의 최적 μ 비율(L1/L2)에서 시간에 따른 가속도들 및 속도들을 조사하는 것이 또한 흥미롭다. 본 연구의 경우, 이하의 파라미터들: 0.1Hz의 파 주파수, 및 최대 피치 각도 α_max = 8도가 선택된다.
비교를 위한 벤치마크로서, 무게가 1kg이고 길이가 15cm인 단일 암은 피크-대-피크 각속도 θ'1_SP_p-p = 10 rad/s 및 피크-대-피크 각가속도 θ"1_SP_p-p = 20 rad/s2를 가능하게 한다. 라벨링 SP는 간단한 진자 구성(하나의 암)을 의미한다. 대조적으로, 2개의 피벗가능하게 연결된 암들을 갖는 본 발명에 따른 시스템은 피크-대-피크 각속도 θ'1_DP_p-p = 40 rad/s, 및 피크-대-피크 각가속도 θ"1_DP_p-p = 2000 rad/s2(d2θ1/dt2 = θ"1 =
Figure pct00021
)를 제공한다. 라벨링 DP는 이중 진자(2개의 암) 구성을 의미한다.
후자의 값들은 간단한 진자 구성의 값들보다 높지만, 2개의 시스템은 동일한 총 무게 및 동일한 최대 암 연장을 갖는다. 본 발명은 길이들을 분할하고 무게들을 분산시킴으로써 회전 속도 및 회전 가속도를 증가시킨다. 발전기는 진폭 및 주파수에서의 동일한 대양의 파 움직임들에 대해 (도 1 내지 3에서 참조되는 바와 같은 2개의 암(30, 32)을 갖는) 이중 진자 구성에서 더 많은 전력을 생성한다.
도 6a 및 도 6b는 단일 암을 갖는 시스템(도 6a) 및 본 발명에 따른 2개의 암을 갖는 시스템(도 6b)에 대한 RMS 평균 각속도들(rad/s)의 개략적인 그래프들을 제공한다. 도 6a 및 도 6b의 그래프들은 시스템의 진동들의 주파수(Hz) 및 최대 피치 각도 α_max(도)의 함수이다. 본 시스템은 도 2 및 3과 관련하여 설명된 것들에 대응한다.
2개의 시스템에 대해, 성능 벤치마킹을 수행하기 위해, 1kg의 동일한 총 무게가 유지된다. 0.15m의 암 연장의 유사한 최대값이 선택된다. 양 시스템들은 대양의 파 여기를 모방하는 최대 피치 각도 α_max = 8도를 갖는 0.23Hz에서의 정현파 저주파수 파에 의해 여기된다. 그 후, 시스템의 실시간 피치 각도 α(t)는 다음의 방정식에 의해 제공될 수 있다:
방정식 11:
Figure pct00022
도 6a 및 도 6b의 비교 그래프들로부터, 이중 진자 솔루션을 이용하여 높은 평균 각속도의 더 큰 도메인이 관찰될 수 있다. 본 발명에 따른 2개의 암을 갖는 시스템에 대한 도 6b의 상황에 대해, 5 rad/s 위의 도메인은 더 확산된다. 2 rad/s 아래의 도메인은 더 작다. 후자의 구성에서 더 일정하고 더 높은 전력이 이용가능하다.
맥스웰-패러데이 유도 법칙은 다음을 제공한다.
방정식 12:
Figure pct00023
Figure pct00024
Figure pct00025
이는 시간에 따라 일정한 표면(S) 및 자기장
Figure pct00026
가 시간에 따라 흐르는 표면의 무한소 벡터 요소
Figure pct00027
에 대한 것이다.
Figure pct00028
는 자기장 B의 방향 벡터이다.
위의 방정식 12로부터, 제1 각속도
Figure pct00029
(=dθ1/dt)는 기전력(emf)이라고도 불리는 유도 전압에 직접적인 영향을 미친다는 것이 추론될 수 있다. 이것은 더 큰 각속도 θ'1(=dθ1/dt)가 발전기의 전기 출력에서 더 많은 전력을 생성할 것임을 의미한다.
도 7a 및 7b는 단일 암을 갖는 간단한 진자 시스템(도 7a) 및 본 발명에 따른 2개의 암을 갖는 이중 진자 시스템(도 7b)에 대한 파들의 진동들의 주파수 및 경사각의 함수에서의 RMS 평균 각가속도들(rad/s2)의 개략적인 그래프들을 제공한다. 본 발명에 따른 시스템은 도 2 및/또는 3과 관련하여 설명된 것에 대응한다.
파선은 발전기 및 그 선택적인 기어링으로부터 초래되는 코깅 토크 효과를 나타낸다. 이러한 대항 기전력은 제1 암이 움직이기 위해 극복할 필요가 있는 토크를 형성한다. 코깅 토크를 나타내는 파선은 회전 가속도 레벨이 무시할만한 영역의 경계에 있다. 제1 암에 의해 전달되는 제1 토크가 시작 토크라고도 지정되는 코깅 토크보다 작은 경우, 제1 암은 제 위치에 고착되어 유지되고, 발전기를 활성화하지 않는다. 전력으로의 에너지 수확은 수행되지 않는다.
이는 발전기의 회전을 시작하기 위해 제1 회전 축에 가해진 수확된 힘이 임계치를 달성할 필요가 있음을 의미한다. 이 임계치는 발전기 내의 고정자와 회전자를 분리하는 자기력으로부터 나오지만, 또한 변환할 이동의 각가속도와 전자기 발전기의 축 사이의 임의의 기어박스를 고려함으로써 나온다. 이 각가속도 d2θ1/dt2(rad/s2)의 RMS 평균 값이 계산되었고, 여기 주파수 f(Hz) 및 대양의 파 진동 체제의 경사각 또는 피치 각도 α에 대해 매핑되었다.
여기서 또한, 이러한 비교 그래프들로부터, 이중 진자 구성에 대한 높은 평균 각가속도들의 더 큰 도메인에 주목할 수 있다. 본 발명에 따른 시스템은 적어도 20 rad/s2의 더 넓은 도메인을 제공한다. 본 발명은 또한 35 rad/s2를 넘는 중요한 비율을 제공한다. 더 일정하고 더 높은 전력이 생성된다. 발전기의 코깅 토크를 극복하는 것이 더 쉬워진다. 더 높은 각가속도는 발전기를 시동하기 위한 더 큰 기계적 효율 및 안정된 회전 속도 동안 발전기 내의 와전류로 인해 동적 토크에 대해 전달하기 위한 더 많은 운동 에너지를 의미한다. 따라서, 이중 진자 구조는 단일 진자 구조에 비해 효율적인 방식으로 유사하고 더 강력한 발전기를 구동하는 경향이 더 크다.
코깅 토크 경계들의 비교에 의해, 본 발명에 따른 시스템은 더 작은 피치 각도 α 진폭으로 코깅 토크를 극복한다. 이어서, 본 발명은 특히 더 넓은 여기 범위를 갖는 더 많은 구성들에서 전력을 생성한다. 시스템은 더 많은 상황들에서, 확장된 경사 범위에서 전력을 생성한다.
파 주파수에 관하여, 본 발명은 단일 암 디바이스보다 더 균일한 거동을 보인다. 0.7 Hz 내지 1.2 Hz의 주파수 범위에서, 시스템은 4도 내지 10도의 최대 피치 각도 α로 더 많은 전력을 생성한다.
따라서, 이것은 본 발명이 더 많은 구성으로 전력을 생성한다는 것을 더 확인한다. 본 발명은 또한 더 넓은 주파수 및 피치 각도 범위들에서 더 많은 전력을 생성한다.
도 8a 및 8b는 단일 암을 갖는 간단한 진자(도 8a) 및 본 발명에 따른 2개의 암을 갖는 이중 진자 시스템(도 8b)에 대한 파들의 주파수 및 피치 각도 α 진폭에 대한 생성된 토크 매핑들의 개략적인 그래프들을 제공한다. 본 발명에 따른 시스템은 도 2 및/또는 도 3과 관련하여 설명된 것에 대응한다. 매핑은 토크 변동들을 갖는 영역들을 포함한다. 파 여기 주파수는 0.1 Hz 내지 1.2 Hz의 범위이다. 한편, 최대 피치 각도 α는 0도에서 시작하여 16도에 도달한다.
파선은 발전기 및 기어박스로부터 초래되는 코깅 토크를 나타낸다. 본 실시예에서, 코깅 토크는 제1 암에 인가되는 24.75mN.m이다.
비교 그래프들로부터 명백한 바와 같이, 본 발명은 제1 암에 의해 발전기에 전달되는 토크를 증가시킨다. 기준 단일 암 시스템에 대해, 최대 토크는 약 500 mN.m인 반면, 본 발명에 따른 시스템은 1500 mN.m의 토크를 제공한다. 따라서, 본 발명은 더 많은 전력을 생성하도록 적응된다.
게다가, 단일 암을 갖는 기준 시스템은 피치 각도(α)가 최대 4도로 설정될 때 0 mN.m의 토크를 제시한다. 대조적으로, 본 발명은 1도로부터 시작하는 피치 각도 진폭(α)에 대해 흥미로운 토크를 제공한다. 그 후, 본 발명은 감소된 여기 각도, 및 시스템의 높이에 대한 낮은 대양 파 진폭으로 전력을 제공한다.
도 9a 및 9b는 단일 암을 갖는 간단한 진자(도 9a) 및 본 발명에 따른 2개의 암을 갖는 이중 진자 시스템(도 9b)에 대해 100 옴의 저항 전하에 걸쳐 와이어들 상에서 측정되는 생성된 RMS AC 전력들의 개략도들을 제공한다.
본 발명에 따른 시스템은 도 2 및/또는 도 3과 관련하여 설명된 것들에 대응한다. 회전 축들은 일반적으로 수직이고, 암들은 일반적으로 수평이고 일반적으로 수평 궤적들을 그린다.
생성된 전력을 조사하기 위해, 여기 주파수 및 피치 각도는 흥미로운 전력 생성들을 갖는 도메인들을 식별하기 위해 변한다. 조사된 주파수는 0.25Hz에서 0.8Hz까지 변한다. 최대 여기 피치 각도 α_max는 3도 내지 12도의 범위이다.
현실적인 조건들 하에서, 바람직하지 않은 초기 조건들이 주어지면, 간단한 진자는 소정의 파 주파수 및 피치 각도 진폭이 주어지면 낮은 진폭의 진동 상태로 유지되어, 훨씬 더 적은 전력을 산출할 수 있다. 좁은 도메인은 적어도 60mW의 전력을 생성할 수 있게 하며, 이는 여러 응용에서 여전히 충분하지 않다.
이중 진자는 그의 무질서 궤적 거동으로 인해 그러한 진동 상태를 빠르게 빠져나가고, 초기 조건들이 이상적인 것처럼 많은 전력을 산출하는 경향이 있다. 본 발명에 따른 시스템은 도 9b의 그래프의 대부분에서 적어도 75mW를 생성한다. 큰 도메인은 100mW를 넘으며, 이는 전자기기의 자율 전력 공급을 필요로 하는 여러 응용들에 대해 충분하다.
실제 테스트 벤치에서 획득된 이들 실험 결과는 우리의 이전의 수치 모델링 및 파라미터 최적화(질량 비율 및 암 길이 비율)의 동향을 확인해준다. 이어서, 이중 진자 구조는 저주파 대양 파들의 다양한 움직임들로부터 에너지 수확을 하기 쉽다.
도 10a 및 10b는 단일 암을 갖는 간단한 진자(도 10a) 및 본 발명에 따른 2개의 암을 갖는 이중 진자 시스템(도 10b)에 대해 100 옴의 저항 전하에 걸쳐 와이어들 상에서 측정되는 생성된 RMS AC 전력들의 개략도들을 제공한다. 본 발명에 따른 시스템은 도 1과 관련하여 설명된 것에 대응한다.
생성된 전력을 조사하기 위해, 여기 주파수 f(Hz) 및 피치 각도 α(도)는 흥미로운 전력 생성들을 갖는 도메인들을 식별하기 위해 변한다. 주파수는 0.25 Hz 내지 0.8 Hz의 범위이다. 최대 여기 피치 각도 α는 3도 내지 12도의 범위이다.
우리는 비교 그래프로부터, 이중 진자가 여전히 작동 프레임을 확장하여, 파들의 외부 기계적 여기로부터의 에너지 수확을 더 큰 범위의 주파수들로 록킹하는 경향이 있다는 점에 주목할 수 있다.
비교해 보면, 생성된 전력이 적어도 40mW인 도메인은 단일 암보다 본 발명에 대해 더 크다. 생성된 전력이 적어도 30mW인 도메인에 대해 동일한 결론이 적용된다. 특히, 본 발명에 따른 시스템은 적어도 0.7 Hz의 주파수로 더 많은 전력을 제공한다. 본 발명은 또한 적어도 10도의 여기 각도들에 대한 출력을 개선한다.
도 11은 수퍼커패시터들의 상이한 값들에 대해 진자 구조들의 2개의 시스템 사이에 3.3 볼트의 값을 달성하기 위한 부하 시간 갭의 예시를 제공한다. 실선은 2개의 이동 암(30, 32)을 갖는 이중 진자 구성의 본 발명에 따른 시스템에 대한 용량 값에 따라 3.3 V를 달성하기 위한 부하 시간을 예시한다. 점선은 단일 암을 갖는 시스템에 대한 용량에 따른 부하 시간을 예시하며, 예를 들어 2개의 암은 정렬된 단일 진자 구성에서 단단히 유지된다. 그 후, 그들의 인터페이스에서 피벗 조인트가 차단된다.
본 발명은 수퍼커패시터와 같은 에너지 저장 디바이스의 충전 시간을 감소시킨다는 것이 관찰되었다. 적어도 0.1 F, 또는 0.47 F, 또는 0.6 F의 용량을 갖는 수퍼커패시터는 바다 분석 스테이션 및 무선 통신 모듈에 전력을 공급하기 위한 전기 에너지 저장소로서 유용하다.
단일 암 시스템과 비교하여, 본 발명은 충전 시간을 감소시킨다. 본 발명은 더 높은 전압, 예를 들어 적어도 3.3V에 도달하는 데 더 빠르다. 0.47 F의 용량을 포함하는 수퍼커패시터, 10도의 최대 피치 각도 α_max, 및 0.4 Hz의 파 여기 주파수를 이용한 실험에서, 본 발명에 따른 시스템은 175초 내에 3.3 V의 전압에 도달하는 반면; 단일 암 기준 시스템은 285초를 필요로 한다.
또한, 본 발명은 일반적으로 충전 레이트를 개선한다는 것이 관찰될 수 있다.
본 발명은 용량에 따라 충전 속도를 개선한다. 본 도면으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 대응하는 곡선은 일반적으로 단일 암 시스템과 연관된 곡선보다 덜 경사진다. 이 현상은 적어도 0.1F의 용량으로 더 명백하다.
바다 또는 대양과 관련하여 정의된 특징들은 불균일한 표면 부분들을 갖는 임의의 물 영역으로 일반화될 수 있다. 파는 선박 통로에 의해 생성될 수 있다.
본 발명의 범위 내의 다양한 변경들 및 수정들이 이 분야의 기술자에게 명백할 것이기 때문에, 특정 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 단지 예시로서 주어진다는 것이 이해되어야 한다. 보호 범위는 이하의 청구항들의 세트에 의해 정의된다.

Claims (20)

  1. 해파들(4)과 같은 파들(4)로부터 전력을 생성하도록 구성되는 시스템(2)으로서,
    방수 인클로저(12)를 포함하는 부력 바디(10)를 포함하고, 상기 방수 인클로저(12) 내에는,
    상기 부력 바디(10)에 대하여 회전하도록 적응되는 입력 샤프트(26)를 포함하는 발전기(24);
    상기 발전기(24)에 결합된 제1 암(30);
    제2 암(32);
    상기 제2 암(32)을 상기 제1 암(30)에 회전가능하게 연결하는 피벗 조인트(34)가 배열되고, 상기 피벗 조인트(34)는 상기 제1 암(30)에 의해 상기 발전기(24)에 링크되는, 시스템(2).
  2. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 주축(8)을 따라 연장되고, 상기 부력 바디(10)는 평형 배향을 포함하고, 상기 입력 샤프트(26)는 제1 회전 축(28)을 포함하고, 상기 피벗 조인트(34)는 제2 회전 축(36)을 포함하고, 상기 회전 축들(28; 36)은 상기 주축에 실질적으로 평행하게 연장되고; 상기 암들(30; 32)은 상기 주축에 실질적으로 수직으로 연장되는, 시스템(2).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 시스템은 주축(8)을 따라 연장되고, 상기 부력 바디(10)는 평형 배향을 포함하고, 상기 입력 샤프트(26)는 제1 회전 축(28)을 포함하고, 상기 피벗 조인트(34)는 제2 회전 축(36)을 포함하고, 상기 회전 축들(28; 36)은 상기 주축에 실질적으로 수직으로 연장되고; 상기 암들(30; 32)은 상기 주축에 실질적으로 평행하게 연장되는, 시스템(2).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 암(30)은 제1 길이 L1을 포함하고, 상기 제2 암(32)은 상기 제1 길이 L1보다 작은 제2 길이 L2를 포함하는, 시스템(2).
  5. 제4항에 있어서, 길이 비율 L1/L2는 1 내지 5; 또는 2 내지 3의 범위인, 시스템(2).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 암(30)은 제1 무게 W1을 포함하고, 상기 제2 암(32)은 상기 제1 무게 W1보다 무거운 제2 무게 W2를 포함하는, 시스템(2).
  7. 제6항에 있어서, 무게 비율 W2/W1은 0.8 내지 5의 범위인, 시스템(2).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 시스템(2)은 전체 무게 Wo를 포함하고, 상기 비율 Wo/(W1+W2)는 2 내지 6의 범위인, 시스템(2).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 암(30)은 제1 길이 L1 및 제1 무게 W1을 갖고, 상기 제2 암(32)은 더 작은 제2 길이 L2 및 더 무거운 제2 무게 W2를 갖고, 상기 무게 비율 (W2/W1)을 상기 길이 비율 (L1/L2)로 나눈 값인 관성 비율 φ는 1 내지 4, 바람직하게는 2 내지 3의 범위인, 시스템(2).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 암(30)을 따라, 상기 제1 암(30)은 상기 피벗 조인트(34)에서 제1 무게 블록(42)을 포함하고, 상기 제2 암(32)을 따라, 상기 제2 암(32)은 상기 피벗 조인트(34)의 반대편에서 제2 무게 블록(44)을 포함하는, 시스템(2).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(24)는 내부 회전자 및 상기 제1 암(30)을 상기 내부 회전자에 결합하는 기어박스(38)를 포함하고, 상기 기어박스(38)는 적어도 30의 승산비를 포함하는 시스템(2).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템(2)은 주축(8), 및 상기 주축(8)에 대한 상기 부력 바디(10)의 회전을 감소시키도록 구성된 수단을 포함하는, 시스템(2).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템(2)은 특히 파면(6)에 대하여 미리 정의된 방향으로 상기 부력 바디(10)를 배향하도록 구성되는, 균형추, 또는 밸러스트(18), 또는 고정 수단과 같은 수단을 포함하는, 시스템(2).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템(2)은 부유 라인(14)을 포함하고, 상기 암들(30; 32)은 상기 시스템의 메인 축(8)을 따라 상기 부유 선(14) 위에 배열되는, 시스템(2).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템(2)은 중력 중심(16)을 포함하고, 상기 제1 암(30) 및 상기 제2 암(32) 중 적어도 하나는 상기 시스템의 메인 축(8)을 따라 상기 중력 중심(16)으로부터 거리를 두고 배열되는, 시스템(2).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(24)는 상기 입력 샤프트를 상기 부력 바디(10)에 회전가능하게 결합하는 회전 링크(40)를 포함하고, 상기 회전 링크(40)는 적어도 0.016Ns/m의 감쇠 계수를 포함하는, 시스템(2).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발전기(24)는 적어도 30의 승산 계수를 갖는 기어박스(38)를 포함하고, 특히 상기 입력 샤프트에서, 적어도 10 mN.m; 바람직하게는 24 mN.m의 코깅 토크를 포함하는, 시스템.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 시스템(2)을 포함하는 자율 부유 분석 스테이션으로서,
    바람직하게는, 상기 제1 암(30) 및 상기 제2 암(32)보다, 상기 시스템(2)의 주축(8)을 따라 상기 시스템(2)의 내수성 단부에 더 가깝게 배열된 물 통로(20)를 포함하는, 자율 부유 분석 스테이션.
  19. 제17항에 있어서, 상기 시스템(2)은, 상기 암들(30; 32)보다, 상기 시스템(2)의 주축(8)을 따라 상기 시스템(2)의 내수성 단부로부터 더 멀리 배열된 안테나(22)를 포함하는 통신 모듈을 포함하는, 자율 부유 분석 스테이션.
  20. 부력 바디(10)를 갖는 시스템(2)의 기어박스(38) 및 입력 샤프트(26)를 포함하는 발전기(24)를 활성화하기 위해 직렬로 피벗 가능하게 연결되는 2개의 암(30; 32)의 용도로서,
    상기 시스템(2)은 파 에너지로 전기 에너지를 생성하도록 구성되고, 상기 시스템(2)은 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따르는, 용도.
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