KR20240024896A - 파도 에너지 포획 장치 - Google Patents

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Abstract

파도 에너지 포획 장치가 제공되고, 장치는 작동 모드에 위치될 때 파도 에너지를 포획하여 유용한 에너지로 변환시키도록 배열된다. 장치는: 피봇 포인트; 및 피봇 포인트에 부착되는 부력이 있는 파도 에너지 흡수체;를 포함하고; 장치는 장치가 상기 파도 에너지를 포획하도록 배열되는 작동 모드를 더 포함하고, 작동 모드에서: 피봇 포인트는 수역의 표면 위에서 지지되고 수역에서 파도의 움직임에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되고; 부력이 있는 흡수체는 피봇 포인트의 하부 파도에 위치되는 작동 위치에서 수역의 상기 표면과 맞물리도록 위치되고; 흡수체는 상기 파도의 움직임으로부터의 추진력 하에서 피봇 포인트를 중심으로 회전하도록 배열되고, 상기 회전은 흡수체의 회전 원호를 정의하고, 흡수체는 작동 모드에서 회전 원호를 따라 왕복 운동을 한다. 본 개시는 유용한 에너지로의 변환을 위한 파도 에너지의 향상된 포획을 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

파도 에너지 포획 장치
본 개시는 재생 가능 에너지 포획(capturing) 장치, 및 특히 파도 에너지(wave energy)의 포획 및 유용한 에너지로의 변환(conversion)에 사용하기 위한 파도 에너지 포획 장치에 관한 것이다.
파도 에너지 포획은 전기 에너지와 같은 유용한 형태의 에너지로의 변환을 위해 파도의 움직임의 결과로 움직이는 물체의 움직임의 에너지 변환기의 움직임으로의 변형(translation)을 종종 수반한다.
파도 에너지를 포획하는 일반적인 방법은, 예를 들어, 진동하는 플랩(flap)의 움직임을 수반하고, 이는 파력이 그에 작용하는 결과로 인한 각도 작동 스트로크(angular working stroke)를 통해 종종 움직인다. 이러한 설계는, 플랩의 일측(one side)에 파력이 충돌(impingement)하면, 플랩은 플랩이 움직일 때, 플랩의 다른 측에 항상 파도를 전파(방사)하기 때문에, 파도의 움직임으로부터 에너지 흡수를 최대화할 수 없는 경우가 많다. 이러한 양방향 플랩은 추가적으로 파도의 움직임으로 인한 다양한 방향성 힘으로부터의 에너지 포획을 최대화할 수 없다.
유사한 파도 전파 문제는, 예를 들어, 전방향(omnidirectional) 부유(floating) 또는 잠긴(submerged) 포인트 흡수체(absorber)와 같은 다방향 파도 에너지 포획 장치의 형태에 의해 나타난다. 그러한 흡수체는 어느 정도는 다른 모든 방향으로 파도를 방사하지 않으면서 파력의 추진력(impetus) 하에서 그 에너지를 포획하도록 움직일 수 없으므로, 포획된 에너지의 일부가 과도하게 낭비된다.
따라서 향상된 에너지 포획 능력을 갖는 파도 에너지 포획 장치, 바람직하게는 장치에 의해 발생하는 파도 전파가 없고, 구체적으로는 파도의 움직임으로 인해 발생한 이용 가능한 방향성 힘의 포획을 최적화하도록 배열되는 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 개시는 파도 에너지 포획 장치, 및 파도 에너지 포획 장치를 지지하기 위한 부력이 있는(buoyant) 해양(offshore) 재생 가능 에너지 포획 시스템에 관한 것이다. 장치는 피봇 포인트에 연결되는 부력이 있는 파도 에너지 흡수체를 포함하고, 흡수체는 피봇 포인트에: 직접적으로 흡수체 본체 상에 또는 이에 근접하여서 커플링되거나; 또는 선택적으로 피봇 포인트와 흡수체 본체 사이에서 연장하는 암 부재를 통해 커플링되고, 흡수체 및/또는 암 부재는 피봇 포인트를 중심으로 회전 가능하다. 장치는 작동 모드를 포함하고, 작동 모드 동안 에너지 변환기에 의한 유용한 에너지로의 변환을 위해 장치는 파도 에너지를 포획하도록 배열된다. 작동 또는 사용 중 모드에서, 흡수체는 수역의 표면과 맞물리도록 위치되고, 피봇 포인트는 수역의 표면 위에서 지지된다. 본 명세서에서 "작동 위치"라고 지칭되는, 흡수체가 수역과 맞물리는 위치는 피봇 포인트의 하부 파도(downwave)에 위치된다. 용어 "하부 파도"는 본 발명의 맥락에서 파도 방향에 따른 "하류(downstream)"를 의미하는 것으로 숙련된 독자에 의해 이해될 것이다. 구체적으로, 용어 "피봇 포인트의 하부 파도"는 피봇 포인트와 수직으로 정렬된(aligned) 것보다 더 멀리, 또는 피봇 포인트의 수직 아래에 있는 것보다 더 멀리 있는 파도 전파 궤적을 따르는 포인트를 의미한다. 그리하여 흡수체는, 작동 모드에서, 적어도 대부분의 흡수체가 피봇 포인트의 중심의 일측에 위치되는 정지 상태(at rest)에 위치되고, 상기 일측은 중심보다 일반적인(prevalent) 파도 전파 궤적을 따라 더 멀리 있다. 바람직한 실시예에서, 흡수체는 작동 모드에서 정지 상태로 피봇 포인트의 중심의 일측에 전적으로 위치될 수 있다. 본 발명의 맥락에서, 용어 "정지 상태"는 숙련된 수신자(addressee)에 의해 흡수체가 회전 원호를 따라 적극적으로 움직이지 않는 동안, 예를 들어, 최소한의 파도의 움직임만 있거나 파도의 움직임이 없는 잔잔한 해상 상태 동안, 또는 수역의 표면이 실질적으로 평평할 때의 일관된 시간 기간을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 그러한 구성에서, 암 부재를 포함하는 실시예에서, 암 부재는 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대해 평행하지 않거나 비스듬하게 위치된다.
선택적으로 암 부재를 통해 피봇 포인트에 회전 가능하게 커플링된 동안, 이러한 방식으로 흡수체를 위치시키는 것은 흡수체 또는 그 위에 위치된 포인트가 수역 내의 파도의 움직임으로부터의 추진력 하에서 회전 원호를 따라 움직이는 것을 제한한다. 특히, 일반적인 파도 방향으로의 상기 파도의 움직임은 흡수체가 회전 원호를 따라 왕복 운동을 하게 하고, 먼저 상기 파도의 움직임에 의해 해수면의 높이가 증가함에 따라 일반적인 파도 방향으로 위쪽으로, 이후 상기 파도의 움직임 이후로 해수면이 감소함에 따라 회전 원호를 따라 돌아온다. 따라서, 흡수체; 피봇 포인트와 피봇 포인트에 대해 멀리 있는 흡수체의 외부 에지(edge) 사이에서 연장하는 가상의 직선; 및/또는 흡수체와 피봇 포인트 사이에 부착되는 암 부재의 왕복 각운동은 흡수체와 파도 사이의 상호작용에 의해 유발된다. 회전 원호를 따르는 흡수체의 이러한 왕복 운동, 및 흡수체; 피봇 포인트와 피봇 포인트에 대해 멀리 있는 흡수체의 외부 에지 사이에서 연장하는 가상의 선; 및/또는 암 부재의 선택적 각운동은 흡수체가 히브(heave)(수직 파도 성분)와 서지(surge)(수평 파도 성분) 모두에서 수역의 상기 파도로부터 파도 에너지를 흡수하도록 허용하여 파도 에너지 포획 효율을 증가시킨다. 수역의 파도는 일반적으로 특정 시점에서 주요한 파도 방향을 가지기 때문에, 바람직하게는 이 방향으로의 파도의 이러한 히브 및 서지 성분의 포획은 본 발명에 의해 최적화된다.
따라서, 본 개시의 제1 양태에 따르면, 파도 에너지를 포획하고 유용한 에너지로 변환시키도록 배열되는 파도 에너지 포획 장치가 제공되고, 장치는: 피봇 포인트; 및 피봇 포인트에 부착되는 부력이 있는 파도 에너지 흡수체;를 포함하고, 장치는 장치가 상기 파도 에너지를 포획하도록 배열되는 작동 모드를 더 포함하고, 작동 모드에서: 피봇 포인트는 수역의 표면 위에서 지지되고 수역에서 파도의 움직임에 대하여 실질적으로 고정(stationary)된 상태로 유지되고; 부력이 있는 흡수체는 피봇 포인트의 하부 파도에 위치되는 작동 위치에서 수역의 상기 표면과 맞물리도록 위치되고; 흡수체는 상기 파도의 움직임으로부터의 추진력 하에서 피봇 포인트를 중심으로 회전하도록 배열되고, 상기 회전은 흡수체의 회전 원호를 정의하고, 흡수체는 작동 모드에서 흡수체의 회전 원호를 따라 왕복 운동을 한다.
바람직한 실시예에서, 흡수체는 파도와 맞물리는(wave-engaging) 표면, 및 곡선형 하부 파도 표면을 포함하고; 곡선형 하부 파도 표면은 작동 모드에서 파도와 맞물리는 표면의 하부 파도에 위치되고; 하부 파도 표면의 적어도 일부는 실질적으로 회전 원호의 일부를 따라 인접한 파도와 맞물리는 표면으로부터 연장되는 곡선을 포함한다.
흡수체는 바람직하게는 파도로부터의 에너지 포획을 향상시키도록 구체적으로 형상화된다. 바람직한 실시예에서, 흡수체는 평균 또는 우세한(prevailing) 파도 방향을 향하여 배향되도록 배열된다. 예를 들어, 파도와 맞물리는 표면을 갖는 실시예에서, 장치는 바람직하게는 상기 평균 또는 우세한 파도 방향과 대향하도록 파도와 맞물리는 표면을 배향시키도록 배열된다. 따라서 바람직한 실시예에서, 흡수체의 단면 형상(파도 방향과 평행한 평면에서)은 파도 에너지 포획을 최대화하도록 최적화된다.
작동 모드에서의 정지 상태에서, 수역의 표면이 실질적으로 평평할 때, 흡수체는 수역의 표면과 맞물려 있도록 배열되고, 흡수체의 일부는 물 아래에, 흡수체의 일부는 물 위에 있는 채로 부분적으로 잠긴다. 작동 모드에서 흡수체가 움직일 때, 파도의 움직임으로 인해, 흡수체는 파도로부터의 추진력 하에서 움직이도록 배열되고, 이는 물 속으로, 및 물 밖으로의 추가의 움직임을 수반할 수 있다. 흡수체가 물 안에서 움직이는 방식은 에너지 포획 효율에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 흡수체는 바람직하게는, 암 부재에 의해 선택적으로 정의되는 회전 원호를 따라 움직일 때, 접근하는 파도의 움직임에 대한 저항을 제공하도록 배열되고(파도 에너지를 흡수하기 위해), 또한 바람직하게는, 회전 원호를 통해 움직일 때 파도를 전파하지 않거나 파도를 최소한으로만 전파하도록 배열된다(그렇지 않으면 그로 인해 에너지가 낭비될 수 있음).
에너지 포획을 최적화하기 위해, 흡수체는 바람직하게는, 작동 모드에서, 우세한 파도 방향의 대향하는 방향을 향하고, 피봇 포인트로부터 상기 방향으로 멀리 떨어진, 적어도 하나의 곡선형 하부 파도 표면을 포함한다. 바람직한 일부 실시예에서, 곡선형 하부 파도 표면이 회전 원호와 동심이거나, 실질적으로 동심이도록 곡선형 하부 파도 표면의 곡선은 회전 원호의 일부를 실질적으로 따르고, 바람직한 이러한 실시에에서 회전 원호의 중심은 실질적으로 피봇 포인트에 위치된다. 회전 원호의 일부를 따르거나 실질적으로 따름으로 인해, 곡선형 하부 파도 표면은, 흡수체가 상기 파도의 움직임으로부터 추진력을 받아 움직여질 때, 바람직하게는 수역을 통과(pass through)하도록 배열되어, 곡선형 하부 파도 표면은 수역을 흩뜨리거나(disturb) 대향하지(oppose) 않고, 따라서 바람직하게는 파도를 전파하지 않거나 파도의 최소한의 전파만 유발한다. 그렇지 않으면 곡선형 하부 파도 표면에 의한 임의의 이러한 파도 전파는 흡수체에 의해 포획된 파도 에너지를 낭비할 것이다.
따라서 곡선형 하부 파도 표면은 바람직하게는 파도 에너지 포획 장치의 이러한 실시예에: 장치가 그렇지 않으면 흡수체에 의해 포획된 에너지의 중요한 일부를 낭비하게 될 임의의 다른 방향으로의 파도의 전파(방사)를 최소화하면서 우세한 파도 방향으로부터 파도 에너지를 흡수할 수 있다는 매우 유리한 특성을 제공한다.
다른 파도 에너지 포획 장치는 이러한 특성을 공유하지 않는다. 예를 들어, 일반적인 진동하는 플랩 파도 에너지 포획 장치는 각도 작동 스트로크(angular working stroke)를 통해 움직이는 수직 플랩을 포함한다. 이러한 설계는 플랩이 움직이면서 어떤 방식으로 플랩의 다른 측에 파도를 전파(방사)하지 않으면서 플랩의 일측으로부터 접근하는 파도로부터 에너지를 흡수할 수 없다. 마찬가지로, 일반적인 전방향 포인트 흡수체는 다른 모든 방향으로 파도를 어느 정도 방사하여 에너지를 낭비하지 않으면서 우세한 파도 방향에서 파도 에너지를 흡수할 수 없다.
파도와 맞물리는 표면은 수역 내의 파도의 움직임에 대향하도록 배열되어, 상기 파도의 움직임은 회전 원호를 따르는 흡수체의 움직임에 추진력을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 파도와 맞물리는 표면은 회전 원호와 교차한다. 그러한 실시예에서, 파도와 맞물리는 표면은 회전 원호와 정렬되지 않고, 바람직하게는 비스듬하고, 이는 바람직하게는 우세한 파도 방향에서의 최적의 파도 에너지 포획을 제공한다. 파도와 맞물리는 표면은 바람직하게는 실질적으로 평평하다. 바람직한 실시예에서, 파도와 맞물리는 표면은 회전 원호에 실질적으로 수직이므로, 흡수체가 작동 모드에서 정지 상태에 있을 때, 파도와 맞물리는 표면은 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대해 수직으로 및 실질적으로 평행하게 배향된다.
일부 실시예에서, 회전 원호를 따르는 흡수체의 왕복 운동 또는 진동은 그로부터 에너지가 흡수될 상기 파도의 진동수와 관련된 왕복 운동 또는 진동의 진동수에서 수행되는 것이 바람직할 수 있다. 특정 실시예에서, 왕복 운동 또는 진동의 상기 진동수가 파도의 상기 진동수와 비슷하거나 동일한 것이 바람직할 수 있다. 파도의 진동수와 왕복 운동 또는 진동의 상기 진동수를 정렬 또는 더 가깝게(closely) 정렬하는 것은 "튜닝(tuning)"으로 알려져 있고, 본 명세서에서 "튜닝"으로 지칭되며, 바람직하게는 흡수체에 의해 포획되는 에너지의 양을 증가시킨다. 일부 실시예에서 이러한 튜닝은 바람직하게는, 예를 들어, 상기 파도의 파도 사이클에 따른 흡수체의 위치 및/또는 회전 원호를 따르는 흡수체의 위치 및/또는 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대한 암 부재의 각도와 같은 장치의 특성; 및/또는 특정 해상 상태 및/또는 수역의 특성에 따라, 흡수체의 부력 및/또는 질량을 조절함으로써 가능해진다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 흡수체의 질량은 조절 가능하다. 그러한 예시적인 실시예에서, 바람직하게는 흡수체는 적어도 하나의 내부 구역(compartment)을 포함하고, 선택적으로 복수의 상기 내부 구역을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 장치는 상기 내부 구역 내의 제1 유체를 제2 유체로 선택적으로 대체(displace)시키도록 배열되는 펌프를 더 포함하고, 제1 유체 및 제2 유체는 상온에서 상이한 밀도를 포함한다. 제1 유체는 바람직하게는 공기이고, 제2 유체는 바람직하게는 물이며, 그 반대도 마찬가지이다. 흡수체의 질량 및/또는 부력을 조절하기 위한 임의의 적합한 수단이 제공되는 실시예가 이해될 것이다.
바람직한 실시예에서, 상기 대체는 사전 정의된 비율의 세트로부터 선택된 제1 유체와 제2 유체의 비율을 정의하도록 처리되고, 각각의 상기 비율은 상기 수역의 대응하는 특성과 연관된다. 따라서 장치는 바람직하게는 회전 원호를 따르는 흡수체 왕복 운동/진동의 진동수를, 예를 들어, 해상 상태를 선택적으로 정의하는 수역의 특성에 따라 "튜닝"하도록 배열된다. 특성은 바람직하게는 다음 그룹: 파도 높이; 파도 진동수; 파도 속도; 파력; 파도 형상으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 비율은, 예를 들어, 다수의 시점들에 걸쳐 측정된 복수의 특성 측정치들에 따라 선택될 수 있다. 특성은, 예를 들어, 복수의 측정치들로부터 결정되거나 추론된 값, 예를 들어, 복수의 측정치들의 평균 또는 분산을 구성할 수 있다. 비율은 하나 이상의 상기 특성을 변수로서 포함하는 임의의 적합한 공식에 따라 선택될 수 있다. 비율이 수역의 임의의 적합한 특성에 따라 선택되는, 바람직하게는 회전 원호를 따르는 흡수체의 왕복 운동/진동의 진동수를 수역의 파도 진동수와 실질적으로 정렬하도록 선택되는 실시예가 이해될 것이다.
바람직하게는 흡수체는, 흡수체에 상이한 해상 상태를 위한 다수의 사전 정의된 튜닝 상태들을 제공하기 위해, 사전 정의된 비율로 제1 및/또는 제2 유체로 선택적으로 채워지도록 배열되는 복수의 내부 구역들을 포함한다. 더 작은 내부 구역을 물과 같은 제1 또는 제2 유체로 전적으로 채우는 것은, 포함된 유체의 슬로싱(sloshing)을 방지하고 슬로싱이 예측 불가능한 흡수체의 거동 및/또는 흡수체 구조체에 대한 예측 불가능한 힘으로 이어질 수 있는 단일의 큰 내부 구역 내의 유체 양을 조절하는 데 바람직하다. 하나 이상의 내부 구역에 위치되는 하나 이상의 배플(baffle)의 제공과 같은 다른 적합한 메커니즘이 상기 슬로싱을 추가로 방지하기 위해 일부 실시예에서 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 장치는 바람직하게는: 피봇 포인트로부터 연장되는 상기 암 부재를 더 포함하고, 암 부재는 피봇 포인트를 중심으로 회전하도록 배열되고; 부력이 있는 파도 에너지 흡수체는 피봇 포인트에 대해 멀리 있는 암 부재의 단부에 근접하게 부착된다. 대부분의 바람직한 그러한 실시예에서, 흡수체가 암 부재에 대하여 회전할 수 없도록 흡수체는 암 부재에 고정될 수 있다. 암 부재를 갖는 바람직한 일부 실시예에서, 수역의 상기 표면이 실질적으로 평평할 때, 암 부재는 바람직하게는 피봇 포인트의 수직 평면에 대해 정지 각도(rest angle)에 위치되고, 정지 각도는 15 ° 내지 70 ° 사이에서 선택된다. 더 바람직하게는 정지 각도는 25 ° 내지 65 ° 사이에서 선택된다. 정지 각도는 바람직하게는, 파도의 움직임으로부터의 추진력으로 인한 왕복 운동을 통한 파도 에너지 포획을 최적화하기 위해, 암 부재 및 따라서 흡수체의 최적의 배향(orientation)을 정의한다
작동 모드에서, 암 부재는 바람직하게는 그 사이의 움직임 각도를 정의하는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 움직이도록 배열되고, 움직임 각도는 정지 각도에 대해 90 °까지 위치되고, 예를 들어 정지 각도의 어느 한 측으로 45°까지의 암 부재 움직임을 제공하도록 위치될 수 있다. 움직임 각도는 정지 각도에 대해 바람직하게는 60°까지 위치되고, 예를 들어 정지 각도의 어느 한 측으로 30°까지의 암 부재 움직임을 제공하도록 위치될 수 있다. 임의의 적합한 정지 각도 및 움직임 각도가 사용될 수 있고, 여기서 정지 각도는 피봇 포인트에 의해 점유된 수직 평면의 0 °의 하부 파도보다 큰 각도인 것으로 이해될 것이다. 일부 실시예에서, 임의의 이러한 암 부재는 피봇 포인트에 대한 토크를 최소화하기 위해 가능한 한 짧은 것이 바람직하고, 상기 토크를 최소화하기 위해 흡수체 본체가 피봇 포인트에 직접적으로 부착되도록 암 부재를 갖지 않는 일부 실시예가 이해될 것이다. 암 부재가 없는 실시예에서, 암 부재와 관련하여 본 명세서에서 설명된 임의의 특징은 피봇 포인트와 피봇 포인트에 대해 멀리 있는 흡수체의 외부 에지 사이에서 연장하는 가상의 직선에 동일하게 적용될 수 있는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 암 부재의 정지 각도와 관련된 본 명세서의 논의는, 상기 암 부재가 없는 실시예의 상기 가상의 선에 동일하게 적용될 수 있다. 따라서 정지 각도는 피봇 포인트의 수직 평면에 대한 가상의 선의 정지 각도를 대신 나타낼 수 있다.
장치는 바람직하게는 본 명세서에서 요(yaw) 평면으로 지칭되는, 회전 원호의 평면에 대해 수직인 평면 상에서 피봇 포인트 및/또는 흡수체를 요잉하도록 배열되는 요 메커니즘을 더 포함한다. 이러한 요잉은 바람직하게는, 흡수체의 가장 큰 치수가 우세한 파도 방향에 대향하도록, 흡수체 및 바람직하게는 그의 파도와 맞물리는 표면을 재배향(reorient)시키도록 배열된다. 이러한 특징은 수역의 파도가 시간이 지남에 따라 동일한 우세한 방향을 갖지 않을 수 있기 때문에 바람직할 수 있고, 따라서 파도 에너지 포획을 최대화하기 위해, 장치 또는 그 조작자(operator)는 장치에 의한 파도 에너지 포획을 용이하게 하기 위해 상기 파도 방향이 적절하게 대향되도록 흡수체의 배향을 조절하는 것이 요구될 수 있다. 이러한 실시예에서, 장치는 상기 요잉을 알리도록 배열되는 파도 방향 센서를 더 포함할 수 있다. 우세한 파도 방향을 결정하는 임의의 적합한 수단이 사용되는 실시예가 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "우세한 파도 방향"은 본 발명의 맥락 내에서 수역 내에서 가장 큰 파도 전파력이 제공되거나 감지되는 방향으로 이해될 것이고, 평균적인 상기 파도 방향 또는 하나 이상의 파도 방향을 구성할 수 있다.
바람직한 일부 실시예에서, 상기 요잉은 평균 또는 우세한 파도 방향에 대향하는 흡수체의 파도와 맞물리는 면을 재위치(reposition)시키도록 배열된다. 요 메커니즘은 바람직하게는 추가적으로 상기 재위치 후에 상기 요잉을 제한하도록 배열된다. 따라서 상기 요 메커니즘을 사용하는 장치의 회전은 바람직하게는 파도의 움직임에 대해 강건(robust)하여, 한 번 흡수체가 재배향되면, 파도의 작용이 상기 평면을 따르는 장치의 추가적인 회전을 유발하지 않는다. 임의의 상기 추가적인 회전은 낭비되는 에너지를 구성할 것이다. 바람직한 실시예는 상기 요잉을 수행하기 위해 전원 공급 장치를 필요로 하는 능동적인 요 메커니즘을 포함한다. 다른 적절한 실시예는 흡수체 및 바람직하게는 그의 파도와 맞물리는 표면이, 예를 들어, 핀 또는 러더(rudder) 메커니즘을 사용하여, 우세한 파도 방향과 대향하는 배향을 자동적으로 취하는 것이 가능하도록 배열되는 수동적인 요 메커니즘을 포함할 수 있다.
바람직한 일부 실시예에서, 요 메커니즘은, 상기 평면 상에서 장치의 자유 회전, 예를 들어, 완전한 360° 회전을 허용하도록 배열될 수 있다. 이론에 얽매이기를 바라지 않으며, 바람 방향과 달리, 파도 방향은 종종 바다 또는 대양(ocean)의 해양 위치와 같은, 본 발명을 위해 의도된 수역에서 시간이 지남에 따라 가능한 방향 변화가 더 적으므로, 다른 바람직한 실시예에서, 상기 요잉은 360°보다 작은 요잉 각도, 예를 들어 최대 90°, 및 더 바람직하게는 최대 45° 내의 요잉 각도에서 수행되도록 제한될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 흡수체는 흡수체의 길이 또는 높이보다 큰 폭을 포함하고, 작동 모드에서 흡수체의 상기 폭은 평균 또는 우세한 파도 방향에 대해 수직으로 위치된다. 흡수체의 가장 큰 치수인 폭은 흡수체 및 바람직하게는 우세한 파도의 움직임/방향과 대향하도록 배열되는 그의 파도와 맞물리는 표면의 표면적을 최대화하고, 따라서 상기 파도로부터 포획된 에너지를 최대화하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 실시예에서, 에너지 포획을 최대화하기 위해 파도의 방향에 대해 흡수체를 올바르게 정렬하는 것이 바람직하다. 따라서 이러한 실시예는 바람직하게는 우세한 파도 방향과 대향되도록 흡수체의 파도와 맞물리는 표면을 배향시키도록 배열되는, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 요 메커니즘을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 장치는 흡수체의 회전을 유용한 에너지로 변환하도록 배열되고, 선택적으로 흡수체에 의한 상기 암 부재의 회전을 유용한 에너지로 변환하도록 배열되는 에너지 변환기를 더 포함한다. 에너지 변환기는 바람직하게는 회전 발전기(예를 들어 전기식 또는 유압식일 수 있음)이다. 파도 에너지를 전기 에너지와 같은 유용한 에너지로 변환할 수 있는 임의의 다른 적합한 형태의 에너지 변환기, 예를 들어: 선형 전기 발전기; 유압 실린더; 크랭크 암 또는 랙 피니언(rack and pinion)과 같이 회전 운동을 선형 운동으로 변환하도록 배열되는 메커니즘과 결합된 임의의 종류의 선형 발전기가 이해될 것이다. 회전 발전기는 피봇 포인트를 중심으로 한 흡수체 및/또는 암 부재의 회전 속도를 사용되는 특정 에너지 변환기 유형에 더 잘 맞게 변형시키도록 배열되는 기어 박스와 같은, 기어 배열에 추가로 커플링될 수 있다. 바람직한 일부 실시예에서, 에너지 변환기는 흡수체- 및/또는 암 부재-움직임 액추에이터 또는 리미터(limiter)의 추가적인 기능을 제공하도록 배열될 수 있고, 이러한 기능을 수행하기 위해 전원 공급 장치를 수용할 수 있다. 이러한 움직임 가동 또는 제한의 목적은 바람직하게는, 예를 들어, 폭풍 생존 모드에서, 흡수체를 수역의 표면 위로 이동시키고 유지하는 것이다. 일부 실시예에서, 흡수체가 수역의 표면 위에 위치되는 매달린(suspended) 위치로 흡수체를 이동시키기 위해 에너지 변환기는 피봇을 중심으로 흡수체 및/또는 암 부재를 회전시킬 수 있다. 에너지 변환기는 흡수체 및/또는 암 부재의 임의의 추가적인 움직임을 제한함으로써 흡수체를 고정된 위치에 유지시킬 수 있고, 또는 부착 수단과 같은 추가적인 움직임 제한 메커니즘이 흡수체를 매달린 위치에 유지시키기 위해 사용될 수 있다. 움직임 제한 메커니즘은 바람직하게는 에너지 변환기에 가해지는 하중(load)을 감소시키고, 그렇지 않으면 흡수체를 매달린 위치에 유지시키기 위해 전원 공급 장치가 필요할 수 있다. 임의의 적합한 이러한 움직임 제한 부재가 이해될 것이다. 또한 상기 에너지 변환 및 움직임 가동/제한의 기능을 제공하기 위해 임의의 적합한 별도의 구성 요소 또는 시스템이 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
바람직한 실시예에서, 장치는 상기 수역의 바닥(bed)에 묶이도록(tethered) 배열되는 부력이 있는 플랫폼을 더 포함하고, 플랫폼은 작동 모드에서 잠기고 피봇 포인트를 수역의 상기 표면 위에서 지지하도록 배열된다. 플랫폼은 바람직하게는 작동 모드에서 상기 파도의 움직임에 대해 고정된 피봇 포인트를 제공하도록 배열되는 임의의 적합한 부력이 있는 플랫폼이다. 플랫폼의 부력은 바람직하게는 부력이 있는 플랫폼을 수역의 바닥에 묶도록 배열되는 계류(mooring) 수단의 장력을 상쇄하도록 배열되어, 상기 장력은 작동 모드에서 플랫폼에 안정성을 제공하고, 이는 피봇 포인트가 상기 파도의 움직임에 대해 실질적으로 고정된 상태로 유지되게 한다. 상기 계류 수단은 바람직하게는, 설치에 앞서 상기 피봇 포인트를 수역의 표면 위로 지지하면서, 플랫폼이 원하는 위치로 운반(transport)될 수 있도록, 원하는 위치에 설치되도록 배열된다. 부력이 있는 플랫폼은 바람직하게는 장력 레그 플랫폼(tension leg platform, TLP)이지만, 임의의 적합한 플랫폼으로 이해될 것이다.
장치는 바람직하게는 흡수체가 수역의 상기 표면 위에 위치되는 폭풍 생존 모드를 더 포함하고, 상기 표면은 수역의 최대 파도 높이에 의해 정의된다. 폭풍 생존 모드는 흡수체가 파도 에너지를 포획하지 않도록 수역의 표면 위에 위치된다는 점에서 작동 모드와 다르다. 폭풍 생존 모드의 목적은 흡수체에 대한 과도한 파력(폭풍 동안 경험하는 것과 같은)의 영향을 제한하는 것이고, 상기 힘은 장치의 구성 요소 또는 그에 커플링되는 에너지 변환 시스템에 손상 또는 과도한 마모를 일으킬 수 있다. 구체적으로 폭풍 생존 모드에서, 폭풍(또는 큰) 해상 상태 동안 수역의 파도는 더 잔잔한 해상 상태보다 가변적이고 더 현저(pronounced)할 것으로 예상되기 때문에 흡수체에 대한 수역의 표면의 위치가 바뀔 것으로 예상된다. 따라서 폭풍 생존 모드의 맥락에서 상기 표면은 수역의 최대 파도 높이에 따라 결정된다. 상기 실시예에서, 흡수체는, 예를 들어 암 부재(또는 상기 가상의 선)가 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대해 어느 각도에 위치된 상태에서, 수역의 표면 위에 매달릴 수 있다. 이러한 위치에서, 흡수체는 토크가 피봇 포인트, 및 흡수체 및/또는 암 부재를 매달린 위치에 매달도록 기능하는 임의의 움직임 제한 메커니즘에 가해지도록 암 부재 및/또는 피봇 포인트에 하향 힘을 가할 수 있다. 따라서 장치는, 피봇 포인트(및 임의의 움직임 제한 메커니즘)가 흡수체 및 선택적으로 암 부재의 무게에 의해 거기에 가해지는 임의의 토크가 완화되도록 흡수체 및/또는 암 부재를 매달린 위치에 부착하도록 배열되는 고정 수단을 더 포함한다. 폭풍 생존 구성에서, 흡수체 및 선택적으로 암 부재에 의해 피봇 포인트(및 임의의 움직임 제한 부재)에 최소한의 회전 토크가 가해지도록, 암 부재(또는 상기 가상의 선)가 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면과 실질적으로 평행한 실시예가 이해될 것이다.
장치는 바람직하게는 흡수체가 수역의 상기 표면 위에 위치되고, 또한 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에서 피봇 포인트의 실질적으로 아래에 위치되는 운반 모드를 더 포함한다. 운반 모드는 바람직하게는 고정을 위해 원하는 위치로의 장치의 운반을 허용하도록 배열된다. 운반 모드에서, 피봇 포인트는 바람직하게는, 흡수체가 수역의 표면 위에 남아 있는 동안 암 부재(또는 상기 가상의 선)가 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면과 정렬되도록 배열되는 높이에 위치된다. 이러한 구성은 바람직하게는 흡수체를 수역의 표면 위에 매달기 위해 필요한 에너지를 최소화한다. 암 부재가 없는 실시예에서, "실질적으로 피봇 포인트 아래"는 흡수체의 대부분이 피봇 포인트 아래에 위치되는 것을 의미하는 것으로 이해될 것이다.
바람직한 일부 실시예에서, 피봇 포인트는 피봇 포인트 높이에서 지지되고, 피봇 포인트 높이는 조절 가능하다. 따라서 피봇 포인트를 지지하는 임의의 적합한 피봇 포인트 지지 구조체 또는 나셀(nacelle)은 조절된 높이를 갖는다. 피봇 포인트 높이의 조절은 바람직하게는 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대한 암 부재(또는 상기 가상의 선) 각도를 제공하고, 이는 경험되는 조수(tide) 및 파도 범위 전체에 걸쳐 최적이다. 이러한 피봇 포인트 높이의 조절은, 예를 들어, 감지된 평균 해수면 및/또는 평균 파도 높이와 대응할 수 있다. 또한 이러한 높이 조절은 바람직하게는 본 발명이 최소 길이의 암 부재를 가질 수 있게 하고, 따라서 암 부재에 부착되고 피봇 포인트를 중심으로 하는 암 부재의 회전에 의해 구동되도록 배열되는 동력 인출 장치(power take off) 또는 에너지 변환기가 경험하는 토크가 감소될 수 있게 한다. 피봇 포인트 높이 조절은 또한 피봇 포인트의 움직임을 작동 모드에서는 수역의 표면에 가깝도록 할 수 있으나, 예를 들어 폭풍 생존 모드와 같은 큰 해상 상태에서는 수역의 표면에서 멀어지도록 할 수 있다.
바람직하게는, 피봇 포인트는 피봇 포인트 높이에서 적어도 하나의 지지 암에 의해 지지되고, 적어도 하나의 지지 암은 피봇 포인트에 근접한 그의 제1 단부에서 회전식으로 부착되고, 제1 단부에 대해 멀리 있는 그의 제2 단부를 중심으로 한 적어도 하나의 지지 암의 회전은 피봇 포인트 높이를 조절하도록 배열된다. 피봇 포인트는 피봇 포인트 높이에서 적어도 두 개의 상기 지지 암들에 의해 지지되는 것이 가장 바람직하다. 적어도 두 개의 지지 암들은 바람직하게는 서로 평행하게 부착된다. 이러한 실시예에서, 두 개의 지지 암들은 바람직하게는 피봇 포인트 높이에서 피봇 포인트에 최적의 안정성을 제공하는 평행사변형의 평행한 측면을 형성하고, 상기 높이 조절 동안 피봇 포인트를 중심으로 한 임의의 피봇 포인트 지지 구조체 또는 나셀의 회전을 허용하지 않는다. 따라서 상기 지지 구조체 또는 나셀은 피봇 포인트 높이 조절 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 배향으로 유지된다. 피봇 포인트 높이를 조절하기 위한 지지 암의 제2 단부를 중심으로 한 지지 암의 회전은 임의의 적합한 액추에이터, 예를 들어 모터 또는 유압 램에 의해 수행될 수 있다. 큰 힘, 간헐적 사용에 적합하도록 지지 암의 제2 단부를 중심으로 한 하나 이상, 및 바람직하게는 두 개 이상의 지지 암의 회전을 유발하는 액추에이터가 선택될 수 있다(예를 들어 유압 실린더). 낮은 토크와 지속적인 사용에 적합하도록 동력 인출 장치 또는 에너지 변환기 액추에이터가 선택될 수 있다(예를 들어 모터 및 기어 박스).
본 발명의 다른 양태에 따르면, 제1 양태에 따른 장치를 포함하는 부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템이 제공된다.
본 개시의 하나 이상의 양태 또는 실시예에 포함되기에 적합한 것으로 본 명세서에서 설명된 임의의 특징은 개시의 임의의 및 모든 양태들에 걸쳐 일반화될 수 있도록 의도된 것으로 이해될 것이다.
본 개시의 실시예는 이제부터 단지 예로서 그리고 첨부한 도면을 참조하여 설명될 것이다:
도 1은 작동 모드에서 제2 양태에 따른 부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템 상에 지지되는 제1 양태에 따른 파도 에너지 포획 장치의 사시도를 묘사한다.
도 2는 제1 우세한 파도 방향에서의 도 1의 실시예의 측면도를 묘사한다.
도 3은 도 2의 실시예의 평면도를 묘사한다.
도 4는 제2 우세한 파도 방향과 정렬되도록 파도 에너지 포획 장치가 그의 요 메커니즘 상에서 회전되는 도 1의 실시예의 평면도를 묘사한다.
도 5는 내부 구역을 갖는 흡수체를 포함하는 제1 양태의 다른 실시예의 절개 측면도를 묘사한다.
도 6은 도 1의 실시예의 피봇 포인트의 확대 사시도를 묘사한다.
도 7은 폭풍 생존 모드에서 도시되는 도 1의 실시예의 측면도를 묘사한다.
도 8은 운반 모드에서 도시되는 도 1의 실시예의 측면도를 묘사한다.
도 9는 제2 양태에 따른 부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템의 대안적인 실시예의 사시도를 묘사한다.
도 10a는 작동 모드에서 제2 양태에 따른 부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템 상에 지지되고, 제1 피봇 포인트 높이에서 지지되는 피봇 포인트를 갖는 제1 양태에 따른 파도 에너지 포획 장치의 다른 실시예의 측면도를 묘사한다.
도 10b는 피봇 포인트가 제2 피봇 포인트 높이에서 지지되는 도 10a의 실시예를 묘사한다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 제1 양태에 따른 파도 에너지 포획 장치(100)의 예시적인 실시예의 사시도가 도시된다. 장치(100)는 수역(투명함)으로부터 파도 에너지를 포획하고 유용한 에너지(도시된 예시적인 실시예에서는 전기 에너지)로 변환하도록 배열되고, 피봇 포인트(104); 근접한 피봇 포인트(104)로부터 연장되는 가늘고 긴 암 부재(106)를 포함하며, 암 부재(106)는 피봇 포인트(104)를 중심으로 회전하도록 배열된다. 장치(100)는 피봇 포인트(104)에 대해 멀리 있는 암 부재(106)의 단부에 근접하게 부착되는 부력이 있는 파도 에너지 흡수체(108)를 더 포함한다.
장치(100)가 상기 파도 에너지를 포획하도록 배열되는 작동 모드에서의 장치(100)의 측면도가 도 2에 도시되고, 도시된 작동 모드에서: 피봇 포인트(104)는 수역(102)의 표면(110) 위에서 지지되고 수역(102) 내의 우세한 파도 방향(112)으로의 파도의 움직임에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지된다. 또한 도시된 작동 모드에서, 부력이 있는 흡수체(108)는 피봇 포인트(104)에 의해 점유되는 수직 평면(118)의 하부 파도(116)에 위치되는 평면(114)에 위치된 작동 위치에서 수역(102)의 상기 표면(110)과 맞물리도록 위치된다. 도시된 작동 모드에서, 흡수체(108)는 상기 파도의 움직임으로부터의 추진력 하에서, 정지 위치(120)에서부터 그리고 제1 위치(122)와 제2 위치(124)(도 2에서 각각 점선을 사용하여 도시됨) 사이에서, 피봇 포인트(104)를 중심으로 회전하도록 배열되고, 상기 회전은 흡수체(108)의 회전 원호를 정의하며, 흡수체(108)는 작동 모드에서 회전 원호를 따라 왕복 운동을 하도록 배열된다.
도시된 예시적인 실시예(100)에서, 흡수체(108)는 정지 위치(120)에서 피봇 포인트(104)에 의해 점유되는 수직 평면(118)과 평행하게 위치되도록 배열되는 실질적으로 평평한 파도와 맞물리는 표면(126)을 포함한다. 흡수체(108)는 곡선형 하부 파도 표면(128)을 더 포함하고; 곡선형 하부 파도 표면(128)은 도시된 작동 모드에서 파도와 맞물리는 표면(126)의 하부 파도(116)에 위치된다. 도시된 실시예(100)에서, 곡선형 하부 파도 표면(128)은 피봇 포인트(104)와 정반대에 있는 흡수체(108)의 말단부에 있다. 도시된 바와 같이, 하부 파도 표면(128)의 적어도 일부는 실질적으로 흡수체(108)의 하부 파도 표면(128)에 의해 추적되는 회전 원호의 일부를 따라 인접한 파도와 맞물리는 표면(126)으로부터 연장되는 곡선을 포함한다.
도 2의 실시예(100)에서, 부력이 있는 플랫폼(130) 상에 지지되는 파도 에너지 포획 장치의 피봇 포인트(104)가 도시되고, 플랫폼(130)은 베이스 부분, 베이스 부분으로부터 연장되는 마스트(mast), 및 베이스 부분에 대해 멀리 있는 마스트(132)의 단부 상에 지지되는 상부 부분을 포함한다. 베이스 부분은 중공(hollow)의 프레임워크(136)로 형성되고, 중공의 프레임워크(136)는 그 위에 분포된 복수의 부력 탱크(138)를 갖는다. 도시된 작동 모드에서, 베이스 부분으로부터 연장되는 것은, 베이스 부분이 수역(102)의 표면(110) 아래에 잠기고, 피봇 포인트(104)가 수역(102)의 표면(110) 위에서 상부 부분(134) 상에 지지되도록, 부력이 있는 플랫폼(130)을 수역(102)의 바닥(도시되지 않음)에 묶는 계류 수단(도시되지 않음)이다.
작동 모드에서 플랫폼(130)에 안정성을 제공하기 위해 부력 탱크(138)에 의해 제공되는 부력은 계류 수단에 장력을 유발하도록 배열되어, 피봇 포인트(104)는 상기 파도의 움직임에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지된다.
사용 중에, 흡수체(108)가 상기 파도의 움직임으로부터의 추진력 하에서 정지 위치(120)에서부터 그리고 제1 위치(122)와 제2 위치(124) 사이에서 회전 원호를 따라 회전함에 따라, 흡수체(108)의 곡선형 하부 파도 표면(128)은 실질적으로 회전 원호를 따르고 실질적으로 회전 원호와 동심이다. 그리하여, 상기 회전 동안, 하부 파도 표면(128)에 의해 수역(102)에 최소의 반대 힘이 가해진다. 그리하여, 흡수체(108)는 흡수체(108)의 파도와 맞물리는 표면(126)에 우세한 파도 방향(112)으로 작용하는 파력에 최소한으로만 대향하도록 작용하고, 따라서 만약 파도 전파가 존재한다면 최소한의 파도 전파만을 유발하므로, 파도와 맞물리는 표면(126)이 상기 파도의 움직임으로부터 파도 에너지의 최대량을 포획할 수 있게 한다.
도 2의 장치의 평면도가 도 3에 도시된다. 도 3에서 더 명확하게 볼 수 있듯이, 흡수체(108)는 그의 어떠한 다른 치수보다도 더 큰 폭(W)을 포함한다. 이러한 폭(W)은 파도 에너지의 최대량이 포획되도록 흡수체(108)의 파도와 맞물리는 표면(126)이 다가오는 파도의 움직임에 대향하는 것을 가능하게 한다.
도 2 및 도 3의 예(100)에서, 플랫폼(130)의 상부 부분(134)과 피봇 포인트(104) 사이에 위치되는 요 메커니즘(140)을 더 포함하는 장치가 도시된다. 요 메커니즘(140)은 피봇 포인트(104) 및 부착된 흡수체(108)를 회전 원호의 평면과 수직인 평면 상에서 요잉하도록 모터(142)에 의해 구동되도록 배열되어, 흡수체(108)가 그의 파도와 맞물리는 표면(126)이 도시된 우세한 파도 방향(112)과 상이한 우세한 또는 평균 파도 방향에 대향하도록 재위치될 수 있다. 요 메커니즘(140)의 이러한 요잉 작용은, 그의 파도와 맞물리는 표면(126)이 도 2 및 도 3에 묘사된 우세한 파도 방향(112)과 상이한 우세한 파도 방향(144)에 대향하도록, 요 메커니즘(140)에 의해 요 평면 상에서 재위치된 흡수체(108)를 묘사하는 도 4에 도시된 평면도와 도 3의 평면도를 비교할 때 더 명확하게 볼 수 있다. 도 4에 도시된 재위치 이후에, 요 메커니즘(140)은 요 평면을 따르는 흡수체(108)의 추가적인 움직임을 제한하도록 배열되고, 이는 상기 움직임을 통한 에너지 손실을 최소화하기 위한 것이며, 이는 상기 움직임에 대한 견고함을 제공하고 흡수체(108)에 의한 우세한 파도 방향(112,144)에서의 최대량의 파도 에너지 포획을 가능하게 한다.
다 함께, 도 1 내지 도 4의 실시예의 특징들은 제2 양태에 따른 부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템의 예시적인 실시예를 형성한다.
파도 에너지 포획 장치(200)의 다른 실시예의 단순화된 절개 측면도가 도 5에 도시된다. 실시예(200)는 도 1의 실시예와 대부분 동등하고 가능한 곳에 동등한 넘버링이 사용된다. 도 5의 실시예(200)는 복수의 내부 구역(202)들을 갖는 흡수체(108)를 포함하고, 인접한 구역(202)은 구역 벽(204)에 의해 서로 분리된다. 장치(200)는 각각의 구역(202) 내의 상당한 양의 공기를 대체시키기 위해 물을 수역(102)으로부터 각각의 구역(202) 안으로 그리고 밖으로 펌핑하도록 배열되는 펌프(도시되지 않음)를 더 포함한다. 이러한 펌핑은 각각의 구역 내의 공기 : 물의 비율을 재정의하고, 이로써 흡수체(108)의 질량을 조절한다. 도시된 실시예에서, 펌프는 선택적으로 수역(102)의 특성에 근거하여 흡수체(108)의 질량을 조절, 또는 "튜닝"하도록 배열된다. 장치(200)는 수역의 특성을 감지 및 측정하도록 배열되는 복수의 센서들(도시되지 않음) 및 수역의 특성이 복수의 사전 정의된 범위 중 하나 내에 있는지를 상기 측정으로부터 결정하도록 배열되는 프로세서를 더 포함한다. 도시된 예(200)에서, 각각의 사전 정의된 특성 범위는 각각의 공기 : 물 비율에 대응되어, 수역의 특성이 사전 정의된 범위 중 하나 내에 있다고 결정되면, 프로세서는 상기 범위와 관련된 대응하는 공기 : 물 비율을 달성하도록 펌프를 제어하도록 배열된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 특성은 일련의 파도 높이 측정으로부터 결정된 평균 파도 높이이다. 특성은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 수역, 또는 장치의 임의의 적합한 특성인 실시예가 이해될 것이다.
도 1 내지 도 3의 실시예의 피봇 포인트(104)의 확대 사시도가 도 6에 도시된다. 도 6에서 더 명확하게 도시되어 있듯이, 장치는 피봇 포인트(104)를 중심으로 위치되고 피봇 포인트(104)를 중심으로 한 암 부재(106) 및 흡수체(108)의 회전에 의해 구동되도록 배열되는 파도 에너지 변환기(WEC)(146)를 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 전기 에너지 저장소(도시되지 않음)로의 출력(output)을 위해, WEC(146)는 암 부재(106) 및 흡수체(108)의 회전 운동을 전기 에너지로 변환하도록 배열되는 회전 발전기의 형태를 취한다. WEC는 본 명세서에서 설명된 임의의 적합한 에너지 변환 장치인 실시예가 이해될 것이다. 장치는 전기 에너지를 원격 저장 장치로 또는 즉각적인 사용을 위해 전달하도록 배열되는 전력 라인을 포함할 수 있고, 또는 대안적으로 장치는 지연된 전송 또는 사용을 위해 배터리와 같은 온 보드(on board) 전기 저장 장치를 포함할 수 있다.
폭풍 생존 모드에서 도시되는 도 1의 실시예(100)의 측면도가 도 7에 묘사된다. 도시된 폭풍 생존 모드에서, WEC(146)는 흡수체(108)가 수역(102)의 표면(110)의 최대 높이에 의해 정의되는 최대 파도 높이(150) 위에 위치되는 매달린 위치(148)로 상승되도록 암 부재(106)의 움직임 액추에이터 및 움직임 리미터로서 사용된다. 도시된 실시예에서, WEC(146)의 회전축은 암 부재(106) 및 흡수체(108)의 하중 하에서 토크를 경험한다. 일단 흡수체(108)가 매달린 위치(148)에 도달하면, 흡수체(108)를 매달린 위치(148)에 유지시키기 위해 WEC에 지속적인 전력이 필요하지 않도록 암 부재(106)를 제자리에 고정시키기 위해 고정 수단이 사용되는 실시예가 이해될 것이다. 도시된 폭풍 생존 모드에서, 암 부재(106)는 암 부재(106)가 도 2에 도시된 정지 위치(120)에 있을 때보다 피봇 포인트(104)에 의해 점유되는 수직 평면(118)에 대해 더 큰 각도에 위치된다.
도 7에 도시된 폭풍 생존 모드는, 폭풍 동안 경험되는 것과 같은 과도한 파력이 감지되거나 예측될 때 사용된다. 과도한 파력은 숙련된 수신자에 의해 장치에 손상이 발생할 수 있는 사전 결정된 안전 임계값보다 큰 임의의 파력으로서 이해될 것이다.
도 8을 참조하면, 운반 모드 또는 표면 모드에서 도시되는 도 1의 실시예(100)의 측면도가 도시되고, 플랫폼(130)은 수역(102)의 표면(110) 상에 부유하도록 위치된다. 도시된 예에서, 운반 모드에서의 암 부재(106)는 피봇 포인트(104)에 의해 점유되는 수직 평면과 정렬된다. 이러한 위치에서 흡수체(108)는 수역(102)의 표면(110) 위에 남아 있는다. 따라서, 흡수체(108)를 수역(102)의 표면(110) 위에 유지시키기 위해 도시된 운반 모드에서 WEC(146)로부터 최소한의 하중이 필요하거나 전혀 하중이 필요하지 않다. 수역(102) 내의 부유하고 묶여있지 않은 장치를 불안정하게 만들어 장치의 운반 편의성에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 파력이 흡수체(108)에 작용하지 않도록 도시된 운반 모드에서 흡수체(108)는 수역(102)의 표면(110) 위에 남아 있는 것이 바람직할 수 있다.
도시된 운반 모드에서, 장치는 수역(102)의 표면(110)을 따라 원하는 전개(deployment) 위치까지 전개 선박(152)에 의해 견인되도록 배열된다. 원하는 전개 위치에서, 도시된 예의 전개 선박(152)은, 장치의 윈치(winch)(도시되지 않음)를 구동하도록 배열되며, 전개 선박(152)과 모터(142) 사이에 부착되는 일시적인 전력 라인(154)을 통해 모터(142)에 전력을 공급하도록 배열되고, 윈치는 도 2에 도시된 작동 모드를 달성하도록 장치를 수역(102)에 잠기게 하기 위해 수역(102)의 바닥(도시되지 않음)에 앵커링된(anchored) 밧줄 또는 체인과 같은 계류 수단(도시되지 않음)을 그 위에 감는다(spooling).
부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템(300)의 다른 실시예가 도 9의 사시도에 도시된다. 실시예(300)는 실질적으로 도 1 내지 도 8과 관련하여 본 명세서에서 설명된 바와 같으나, 두 개의 파도 에너지 포획 장치(302)들을 포함한다. 실시예(300)의 플랫폼(304)은 바닥(306)에 부착되는 대응하는 앵커 포인트(310)에 부착되는 페어(pair) 체인(308)을 포함하는 계류 수단에 의해 수역(투명함)의 바닥(306)에 묶인다. 부력 탱크(312)에 의해 제공되는 부력을 최대로 상쇄하기 위해 체인(308)은 대응하는 한 쌍의 부력 탱크(312)에 의해 정의되는 부력의 중심에 근접하게 플랫폼(304)으로부터 연장되어, 수역에서 플랫폼(304)을 최대로 안정화시킨다. 도시된 작동 모드에서 플랫폼이 최대로 안정화되고 장치(302)의 피봇 포인트(316)가 수역 내의 파도의 움직임에 대하여 실질적으로 고정된 상태로 유지되도록, 도시된 실시예(300)의 플랫폼(304)의 프레임워크(314)는 개방형 프레임워크이고, 이는 수역에 의해 프레임워크(314)에 가해지는 파력을 최소화하기 위함이다. 플랫폼(304)의 중앙 마스트(318)는 일부 실시예에서 풍력 터빈(도시되지 않음)을 지지할 수 있고, 도시된 실시예에서는 시스템(300)의 전개 및 유지 보수 동안 운영 인력에 의해 점유될 제어, 유지 보수 및 저장 시설을 지지한다.
제1 양태에 따른 파도 에너지 포획 장치의 다른 실시예(400)가 도 10a에 도시된다. 실시예(400)는 작동 모드로 도시되고 제2 양태에 따른 부력이 있는 해양 재생 가능 에너지 시스템 상에 지지된다. 시스템은 실질적으로 도 1의 실시예(100)에서 설명된 바와 같이 피봇 포인트(402), 가늘고 긴 암 부재(404) 및 부력이 있는 파도 에너지 흡수체(406)를 포함한다. 도 1의 실시예(100)와 마찬가지로, 암 부재(404)는 흡수체(406)의 파도와 맞물리는 표면이 피봇 포인트(402)에 의해 점유되는 수직 평면의 하부 파도에 있는 평면에 위치되도록 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대한 어떠한 각도에 위치된다. 피봇 포인트(402)는, 부력이 있는 흡수체(406)가 수역(412)의 표면(410) 상의 파도와 맞물릴 때, 피봇 포인트(402)를 중심으로 한 가늘고 긴 암 부재(404)의 회전에 의해 구동되도록 배열되는 동력 인출 장치(도시되지 않음)를 하우징하는 나셀(408) 상에 위치된다. 나셀(408)은 그의 제1 단부에서 나셀(408)에 회전 가능하게 부착된 각각의 한 쌍의 평행한 지지 암(414)들에 의해 나셀(408)의 각각의 측면 상에서 지지된다. 또한 평행한 지지 암(414)은 부력이 있는 플랫폼(420) 위에 서 있는 중앙 마스트(418)의 상부 부분(416)에 회전 가능하게 부착된다. 도시된 실시예(400)는 도시된 예에서 중앙 마스트(418)와 한 쌍의 평행한 지지 암(414)들 중 하나 사이에 회전 가능하게 부착되는 유압 램의 형태를 취하는 높이 조절 메커니즘(422)을 포함한다. 플랫폼(420)은 일련의 계류 라인(425)들에 의해 수역(412)의 바닥(424)에 부착되고, 플랫폼(420)의 부력은 마스트(418) 및 그 위에서 지지되는 파도 에너지 포획 장치의 구성 요소들에 대한 중력 효과를 상쇄한다.
묘사된 도면에서, 피봇 포인트(402)가 수역(412)의 표면(410)의 평균 높이(428)에 대한 제1 피봇 포인트 높이(426)에서 높이 조절 메커니즘(422)에 의해 위치되는 실시예(400)가 도시된다. 도시된 작동 모드에서, 피봇 포인트(402)는 가늘고 긴 암 부재(404)의 상기 각도가 유지되도록 높이 조절 메커니즘(422)에 의해 항상 수역(412)의 표면(410)의 평균 높이 위에 유지된다. 이러한 각도에서, 흡수체(406)의 파도와 맞물리는 표면은 본 명세서에서 설명된 바와 같이 파도 에너지를 최적으로 포획하도록 배열된다. 도 10b는 도 10a에 도시된 동일한 실시예(400)를 묘사하고, 수역(412)의 표면(410)의 상이하고, 더 높은 평균 높이(430)가 도시된다. 도 10b의 구성에서, 높이 조절 메커니즘(422)은, 상기 최적의 암 부재 각도가 유지되도록, 피봇 포인트(402)를 수역(412)의 표면(410)의 더 높은 평균 높이(430)에 대해 상이하고, 더 높은 피봇 포인트 높이(432)에 위치시킨다.
도시된 실시예(400)의 평행한 지지 암(414)은 나셀(408)을 높이 조절 메커니즘(422)에 의한 높이 조절 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 배향으로 최적으로 유지시키는 실질적으로 평행사변형인 지지 구조체를 제공한다. 이는 바람직하게는 상기 최적의 암 부재 각도의 유지를 더 용이하게 한다. 일관성을 위해 본 설명은 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대한 최적의 암 부재 각도를 참조한다. 피봇 포인트에 의해 점유되는 수직 평면에 대한 흡수체의 파도와 맞물리는 표면의 최적의 각도를 유지하는 것은 본 발명에 의해 지속적인 최적의 파도 에너지 포획을 제공하는 것과 동일하게 관련될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
위에서 설명되지 않은 본 개시의 범위 내에 있는 다른 실시예가 예상될 수 있고, 예를 들어, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 플랫폼 상의 재생 가능 에너지 변환기의 임의의 조합이 있을 수 있다. 본 명세서에서 설명된 바와 같이, 장치가 상기 암 부재를 포함하지 않는 실시예가 이해될 것이고, 그러한 실시예에서 암 부재와 관련된 본 명세서의 임의의 논의는 피봇 포인트와 피봇 포인트에 대해 멀리 있는 흡수체의 외부 에지 사이를 연장하는 가상의 직선에 동일하게 적용될 수 있다. 회전 원호를 따르는 암 부재 및 흡수체의 상기 가상의 선의 회전, 그리고 요 평면을 따르는 장치는 본 명세서에 설명된 바와 같은 임의의 적합한 각도에서 발생할 수 있다.

Claims (26)

  1. 파도 에너지(wave energy)를 포획(capture)하고 유용한 에너지로 변환(convert)시키도록 배열되는 파도 에너지 포획 장치로서, 상기 장치는:
    피봇 포인트; 및
    상기 피봇 포인트에 부착되는 부력이 있는(buoyant) 파도 에너지 흡수 체(absorber);를 포함하고,
    상기 장치는 상기 장치가 상기 파도 에너지를 포획하도록 배열되는 작동 모드를 더 포함하고, 상기 작동 모드에서:
    상기 피봇 포인트는 수역의 표면 위에서 지지되고 상기 수역에서 파도 의 움직임에 대하여 실질적으로 고정(stationary)된 상태로 유지되고;
    상기 부력이 있는 흡수체는 상기 피봇 포인트의 하부 파도(downwave) 에 위치되는 작동 위치에서 상기 수역의 상기 표면과 맞물리도록 위치되고;
    상기 흡수체는 상기 파도의 움직임으로부터의 추진력(impetus) 하에서 상기 피봇 포인트를 중심으로 회전하도록 배열되고, 상기 회전은 상기 흡수 체의 회전 원호(arc)를 정의하고, 상기 흡수체는 상기 작동 모드에서 상기 흡수체의 회전 원호를 따라 왕복 운동을 하는, 파도 에너지 포획 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체는 파도와 맞물리는(wave-engaging) 표면, 및 곡선형 하부 파도 표면을 포함하고; 상기 곡선형 하부 파도 표면은 상기 작동 모드에서 상기 파도와 맞물리는 표면의 하부 파도에 위치되고;
    상기 하부 파도 표면의 적어도 일부는 실질적으로 상기 회전 원호의 일부를 따라 인접한 상기 파도와 맞물리는 표면으로부터 연장되는 곡선을 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 곡선은 상기 회전 원호와 동심이거나 실질적으로 동심인, 파도 에너지 포획 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 파도와 맞물리는 표면은 상기 회전 원호와 교차하는, 파도 에너지 포획 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피봇 포인트는 피봇 포인트 높이에서 지지되고, 상기 피봇 포인트 높이는 조절 가능한, 파도 에너지 포획 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피봇 포인트는 상기 피봇 포인트 높이에서 적어도 두 개의 지지 암들에 의해 지지되고, 상기 적어도 두 개의 지지 암들은 상기 피봇 포인트에 근접한 상기 적어도 두 개의 지지 암들의 제1 단부에서 회전식으로 부착되고, 상기 제1 단부에 대해 멀리 있는 상기 적어도 두 개의 지지 암들의 제2 단부를 중심으로 한 상기 적어도 두 개의 지지 암들의 회전은 상기 피봇 포인트 높이를 조절하도록 배열되는, 파도 에너지 포획 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 지지 암들은 서로 평행하게 부착되는, 파도 에너지 포획 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수체의 질량은 조절 가능한, 파도 에너지 포획 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 흡수체는 적어도 하나의 내부 구역을 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 흡수체는 복수의 내부 구역들을 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 장치는 상기 내부 구역 내의 제1 유체를 제2 유체로 선택적으로 대체(displace)시키도록 배열되는 펌프를 더 포함하고, 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체는 상온에서 상이한 밀도를 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 유체는 공기이고, 상기 제2 유체는 물인, 파도 에너지 포획 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 대체는 사전 정의된 비율의 세트로부터 선택된 상기 제1 유체와 상기 제2 유체의 비율을 정의하도록 처리되고, 각각의 상기 비율은 상기 수역의 대응하는 특성과 연관되는, 파도 에너지 포획 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 특성은 파도 높이; 파도 진동수; 파도 속도; 파력; 파도 형상의 그룹으로부터 선택되는 하나 이상인, 파도 에너지 포획 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는:
    상기 피봇 포인트로부터 연장되는 암 부재를 더 포함하고, 상기 암 부재는 상기 피봇 포인트를 중심으로 회전하도록 배열되고;
    상기 부력이 있는 파도 에너지 흡수체는 상기 피봇 포인트에 대해 멀리 있는 상기 암 부재의 단부에 근접하게 부착되는, 파도 에너지 포획 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 수역의 상기 표면이 실질적으로 평평할 때, 상기 암 부재는 상기 피봇 포인트의 수직 평면에 대하여 정지 각도(rest angle)에 위치되고, 상기 정지 각도는 15 ° 내지 70 ° 사이에서 선택되는, 파도 에너지 포획 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 작동 모드에서 상기 암 부재는 그 사이의 움직임 각도를 정의하는 제1 위치와 제2 위치 사이에서 움직이도록 배열되고, 상기 움직임 각도는 상기 정지 각도에 대하여 90 °까지 위치되는, 파도 에너지 포획 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 회전 원호의 평면에 대해 수직인 평면 상에서 상기 피봇 포인트 및/또는 상기 흡수체를 요잉(yaw)하도록 배열되는 요 메커니즘을 더 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 요잉은 평균 또는 우세한(prevailing) 파도 방향에 대향하는 상기 흡수체의 파도와 맞물리는 면을 재위치(reposition)시키도록 배열되는, 파도 에너지 포획 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 요 메커니즘은 추가적으로 상기 재위치 후에 상기 요잉을 제한하도록 배열되는, 파도 에너지 포획 장치.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수체는 상기 흡수체의 길이 또는 높이보다 큰 폭을 포함하고, 상기 작동 모드에서 상기 흡수체의 상기 폭은 평균 또는 우세한 파도 방향에 대해 수직으로 위치되는, 파도 에너지 포획 장치.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 흡수체의 회전을 유용한 에너지로 변환하도록 배열되는 에너지 변환기(converter)를 더 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 수역의 바닥(bed)에 묶이도록(tethered) 배열되는 부력이 있는 플랫폼을 더 포함하고, 상기 플랫폼은 상기 작동 모드에서 잠기고 상기 피봇 포인트를 상기 수역의 상기 표면 위에서 지지하도록 배열되는, 파도 에너지 포획 장치.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 흡수체가 상기 수역의 상기 표면 위에 위치되는 폭풍 생존 모드를 더 포함하고, 상기 표면은 상기 수역의 최대 파도 높이에 의해 정의되는, 파도 에너지 포획 장치.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 흡수체가 상기 수역의 상기 표면 위에 위치되고, 또한 상기 피봇 포인트에 의해 점유(occupied)되는 수직 평면에서 상기 피봇 포인트 아래에 위치되는 운반(transport) 모드를 더 포함하는, 파도 에너지 포획 장치.
  26. 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 파도 에너지 포획 장치를 지지하도록 배열되는 부력이 있는 해양(offshore) 재생 가능 에너지 시스템.
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