KR101010143B1 - 파랑발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 파랑발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 상대적으로 에너지 변환효율이 높기에 자연환경의 불확실성을 극복하여 적극적인 투자와 연구 활동을 이끌어낼 수 있으며, 무엇보다도 투자 대비 효율성을 높일 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 파랑발전기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 수면에 배치되어 파고에 따라 자유롭게 운동하는 다수의 부체(raft); 상기 다수의 부체를 상호간 연결하되 어느 한 부체의 파랑 운동을 인접된 부체에 증폭된 레버 운동으로 전환시켜 운동에너지를 증폭시키는 다수의 연결기구; 상기 다수의 부체에 설치되어 전기를 생성하는 다수의 발전기; 및 상기 다수의 연결기구 및 상기 다수의 발전기에 연결되며, 상기 다수의 연결기구로부터의 운동에너지를 상기 다수의 발전기의 구동을 위한 회전에너지로 변환시키는 에너지 변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

파랑, 에너지, 발전, 파랑발전기, 부체, 레버, 청정에너지

Description

파랑발전기{Dynamo Using Waves Energy}

본 발명은, 파랑발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 상대적으로 에너지 변환효율이 높기에 자연환경의 불확실성을 극복하여 적극적인 투자와 연구 활동을 이끌어낼 수 있으며, 무엇보다도 투자 대비 효율성을 높일 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 파랑발전기에 관한 것이다.

화석연료의 매장량이 고갈되어 가는 한편 산유국의 감산, 가격 인상 압력 등 에너지의 비용 상승과 에너지 소모로 인한 심각한 환경오염의 후유증이 우리의 장래를 어둡게 하고 있다.

그렇지만, 종래의 화석연료를 이용한 발전시스템 외에도 원자력, 조력, 수력, 풍력, 태양광, 바이오 등 다양한 에너지를 이용하는 발전시스템이 있다.

허나, 경제성이 높은 원자력은 핵확산, 방사능 오염 등의 우려로 일부 국가에 한하여 개발되고 있다는 점에서, 수력 및 조력은 입지조건에 부합하는 대상지의 선택과 과다한 선투자 및 장기간의 건설기간이 소요된다는 점에서, 그리고 풍력, 태양광 및 바이오는 발전의 단속으로 저장이 문제가 되고 생산단가가 높다는 점에서 아직까지 걸림돌로 작용한다.

따라서 청정에너지를 이용한 새로운 발전시스템의 개발이 요구된다 할 수 있다.

미래 지향적인, 청정에너지를 이용한 새로운 발전시스템은 연료 소모형이 아니고 청정에너지를 활용하여 토지점용, 선투자, 건설기간, 운영비 등 전력 단위당 생산비가 기존의 상용 전력과 경쟁력을 갖춰야 한다.

또한 연간 가동률이 떨어져 고가의 저장 설비나 대체 발전이 필요치 않아야 한다.

한편, 물이 공기보다 질량이 커 운동에너지가 크기 때문에 해수의 운동에너지 즉 파랑에너지를 변환하여 발전하는 방식이 연구되고 있다.

특히, 대한민국은 삼면이 바다이고 해안선이 길어 해수가 갖고 있는 에너지 자원이 무궁무진하다. 연,근해의 파랑은 지역간, 계절에 따라 발생 빈도와 강, 약의 차이가 많으나 바람과 간만의 차이로 인한 낮은 파고의 파랑은 발생빈도가 높다.

따라서 파고가 낮고 파동주기, 파장이 불규칙하여 실용화하지 못하는 약점을 보완할 수만 있다면 무한한 에너지를 무상으로 확보할 수 있을 것이라 예상된다.

요약하면 파고가 수십 센티미터(cm)일지라도 에너지의 실용적 변환이 가능하도록 변환효율을 높이는 방안과 변환과정의 단계를 축소하여 손실을 감소시키는 방안에 대해 연구가 필요하다.

파랑을 에너지로 발전하는 방식에는 부체(raft) 방식, 진동 수주형, 쇼울더 캠(shoulder cam) 방식, 에너지 증폭 집중형, 공기터빈 방식 등이 있다.

아직 본격적으로 상용화할 수 있는 뚜렷한 방식이 부각되지 않은 상태에서 영국 등 몇몇 국가에서 시험발전 시스템을 구동하고 연구 개발에 국가 역량을 집중하고 있다.

대한민국에서는 아직까지 이 방면에서는 투자나 연구가 미미한 상태이고 소형의 공기터빈 발전기를 도입, 해상 부표에 설치한 정도가 고작이다. 파랑의 계절적 발생빈도 차이와 파랑의 주기나 파고가 불규칙하게 변하여 연구나 투자의 관심대상에서 소외되어 있었던 것이다.

대규모 고정 구조물의 설치가 전제되거나 에너지 변환효율이 낮아 경제성에서 적절하지 않은 방식은 대상에서 제외하고 실용 가능성이 높은 방식 중 부체를 이용하여 파랑의 상하 운동을 역학에너지로 변환하는 방식이 최선이라는 연구가 보고 되고 있다.

하지만, 부체 사이를 힌지 구조로 연결하고 중간에 유압실린더를 부착하여 상하 운동을 실린더의 축 방향 유압으로 변환하는 방식은 파고가 낮을 때 유압실린더의 운동 스트로크(stroke)가 작아지고 운동 속도가 떨어져 에너지 변환효율이 아주 낮아진다는 결점이 있다.

즉 도 1을 참조하면, 4분원의 반경의 길이가 실린더의 최대 운동 스트로크를 나타내는데, 파고가 높으면 상하 운동에 따른 실린더의 운동량 변화가 크지만 파고가 낮은 경우에는 현저하게 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉 파고가 낮을수록 실린더 운동 스트로크가 가속적으로 감소하게 됨에 따라 에너지 변환효율이 급격히 저하된다. 다시 말해, 에너지는 속도의 제곱에 비례하므로 파고가 낮을수록 실린더의 운 동 속도가 떨어지게 되는 바 낮은 파고에서는 적용되기 어렵다. 도 1에서 부체 상하 운동 스트로크 a는 실린더 운동 스트로크 a에 해당하고, 부체 상하 운동 스트로크 b는 실린더 운동 스트로크 b에 해당한다.

결과적으로 기존의 개발, 실용화 단계인 여러 방식의 파랑발전기는 에너지 변환효율이 낮은 점과 자연환경의 불확실성에 대한 선입견으로 투자와 연구 활동에서 적극적이지 않을 뿐만 아니라 특히 투자 대비 효율성이 너무 낮아 실용적이지 못하다는 문제점을 야기한다.

본 발명의 목적은, 상대적으로 에너지 변환효율이 높기에 자연환경의 불확실성을 극복하여 적극적인 투자와 연구 활동을 이끌어낼 수 있으며, 무엇보다도 투자 대비 효율성을 높일 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 파랑발전기를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 수면에 배치되어 파고에 따라 자유롭게 운동하는 다수의 부체(raft); 상기 다수의 부체를 상호간 연결하되 어느 한 부체의 파랑 운동을 인접된 부체에 증폭된 레버 운동으로 전환시켜 운동에너지를 증폭시키는 다수의 연결기구; 상기 다수의 부체에 설치되어 전기를 생성하는 다수의 발전기; 및 상기 다수의 연결기구 및 상기 다수의 발전기에 연결되며, 상기 다수의 연결기구로부터의 운동에너지를 상기 다수의 발전기의 구동을 위한 회전에너지로 변환시키는 에너지 변환 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기에 의해 달성된다.

여기서, 상기 다수의 연결기구는, 일단이 상기 다수의 부체에 각각 결합되는 다수의 피봇 조인트; 힌지축을 축심으로 하여 상기 다수의 피봇 조인트와 결합되며 적어도 한 쌍의 부체에 걸쳐 배치되는 막대 형상의 레버; 및 상기 레버의 양단과 상기 에너지 변환유닛을 각각 연결하는 연결 아암을 포함할 수 있다.

상기 레버의 판면에는 상기 힌지축에 대한 상대 이동이 가능하도록 상기 힌지축의 단면 직경보다 큰 장공이 형성될 수 있다.

상기 에너지 변환유닛은, 일측에서 상기 연결 아암에 연결되어 상하 운동하며, 대면하는 양측 내면에 상호 반대 방향의 제1 및 제2 일방향 직선치열이 형성되는 직선기어; 상기 직선기어의 내부에 배치되며, 상기 제1 및 제2 일방향 직선치열과 선택적으로 치형 맞물림되면서 회전하도록 외면에 일방향 회전치열이 형성되는 회전기어; 상기 회전기어의 기어축에 연결되어 상기 회전기어의 회전 운동을 가속하는 증속기; 및 상기 증속기와 상기 발전기의 회전자를 연결하는 연결축을 포함할 수 있다.

상기 에너지 변환유닛은, 상기 레버 또는 상기 연결 아암의 상하 운동을 감지하는 레버 운동 감지기; 및 상기 레버 운동 감지기로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 회전기어를 기준으로 상기 직선기어를 좌우로 구동시키는 클러치를 더 포함할 수 있다.

상기 에너지 변환유닛은, 상기 직선기어의 주변에 마련되어 상기 직선기어의 좌우 이동거리를 제한하기 위한 신호를 발생시키는 가이드 리미터를 더 포함할 수 있다.

상기 부체들의 운동에너지 보완을 위하여 상기 부체들의 하부에 결합되되 내부에 일정량의 물이 충전되어 있고 외면이 경사진 경사수조를 더 포함할 수 있다.

상기 경사수조의 내부에는 적어도 하나의 격벽이 더 마련될 수 있다.

상기 부체들에 결합되는 마스터; 상기 부체들의 운동에너지 보완을 위하여 상기 마스터에 결합되는 돛(sail); 및 상기 마스터의 상단부에 결합되는 풍향/풍속 감지기를 더 포함할 수 있다.

상기 풍향/풍속 감지기로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 돛의 펼침 상태를 조절하는 돛 펼침 조절유닛을 더 포함할 수 있다.

상기 풍향/풍속 감지기로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 마스터의 회전 상태를 조절하는 마스터 회전 조절유닛을 더 포함할 수 있다.

인접된 상기 부체들 간을 상호 연결하는 연결 조인트를 더 포함할 수 있다.

상기 연결 조인트는, 상기 부체들에 각각 마련되는 유압 실린더; 및 상기 유압 실린더들을 연결하는 유니버설 조인트를 포함할 수 있다.

상기 부체들은, 부력 1,000톤을 가질 수 있도록 가로/세로/높이가 각각 25m/25m/2m의 크기로 제작 가능하다.

본 발명에 따르면, 상대적으로 에너지 변환효율이 높기에 자연환경의 불확실성을 극복하여 적극적인 투자와 연구 활동을 이끌어낼 수 있으며, 무엇보다도 투자 대비 효율성을 높일 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 지렛대의 원리를 설명하기 위한 도면, 도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 개략적인 구조도, 도 3b는 도 3a의 부분 동작 상태도, 도 4는 도 3a의 A 영역의 확대 구조도, 도 5는 도 3a의 B 영역에 대한 측면 확대 구조도, 도 6은 도 5의 정면 구조도, 도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 동작을 도시한 도면들, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 플로차트, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 설치 상태에 따른 평면 구조도이다.

이들 도면을 참조하되 주로 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 실시예의 파랑발전기는, 수면에 배치되어 파고에 따라 자유롭게 운동하는 다수의 부체(10a,10b, raft)와, 다수의 부체(10a,10b)를 상호간 연결하되 어느 한 부체(10a)의 파랑 운동을 인접된 부체(10b)에 증폭된 레버 운동으로 전환시켜 운동에너지를 증폭시키는 다수의 연결기구(20)와, 다수의 부체(10a,10b)에 설치되어 전기를 생성하는 다수의 발전기(30)와, 다수의 연결기구(20) 및 다수의 발전기(30)에 연결되며 다수의 연결기구(20)로부터의 운동에너지를 다수의 발전기(30)의 구동을 위한 회전에너지로 변환시키는 에너지 변환유닛(40)을 구비한다.

본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 도 3a 및 도 3b와 같이 2개의 부체(10a,10b)를 도시하고 있다. 하지만, 부체(10a~10e...)들 간의 연결구조는 도 9와 같이 3개 이상의 배열을 이룰 수도 있다.

결국, 부체(10a~10e...)들 간의 연결구조 또는 부체(10a~10e...)들의 연결 개수는 본 파랑발전기가 설치될 위치의 환경적인 조건, 그리고 발전량에 따라 적절하게 설계될 수 있는 것이다.

이하에서는 도 3a 및 도 3b에 도시된 2개의 부체(10a,10b)에 대해서만 참조부호를 달리 부여하도록 하고, 나머지 구성들에 대해서는 설명의 편의를 위해 동일한 참조부호를 부여하도록 한다.

우선, 부체(10a,10b)는, 수면에 배치되어 파고에 따라 자유롭게 운동하는 물체이다. 따라서 부체(10a,10b)는 물에 잠기지 않는 일정한 부력을 소유한 재질로 제작된다.

이러한 부체(10a,10b)는 파랑 에너지를 위한 최초의 수단인데, 부체(10a,10b)로 인한 파랑의 에너지 변환에 대해 부연하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 파랑은 물입자의 상하 운동으로 생성되며 파동과 유사한 형태로 보인다.

부력을 가진 부체(10a,10b)는 파동에 따라 수면에서 상하 운동을 하게 되며, 부체(10a,10b)의 운동에너지는 다수의 부체(10a,10b)를 인접 부체의 반력을 이용하여 기계적 에너지로 변환할 수 있다.

이러한 방식은 일반적이기는 하지만, 종래의 방식으로는 파고가 낮고 파장과 파동주기가 길면 에너지 변환효율이 떨어짐으로써 경제성이 낮아지는 문제점이 있었다.

실제로 연,근해의 경우 겨울철을 제외하면 파랑의 발생빈도가 낮으며 파동주 기가 수초에서 길게는 수십 분에 이르러 실용적 이용에 장애요인이 되었다.

따라서 발생빈도가 높고 파고가 낮은 파랑의 에너지 변환 수율을 올리는 방안이 핵심일 수 있는데, 이를 위하여 부체(10a,10b)의 크기와 중량을 조절하여 부력을 키우는 방안이 고려될 수 있다.

파랑에 의한 부체(10a,10b)의 운동 스트로크(stroke)를 기계적으로 증대시키면 변환효율이 증대되어 실용 가능한 에너지로 변환이 가능하다.

도 2는 지렛대의 원리를 설명하기 위한 도면이다.

이 도면을 참조하면, 예를 들어 파랑에 의한 부체(10a,10b) 운동이 20cm, 파동 주기가 4초일 때, 지점에서의 거리 비례가 1:5인 지렛대의 원리를 역이용하면 힘(작용력)은 1/5로 줄어들지만 부체(10a,10b) 20cm의 운동을 최대 100cm의 기계적 운동으로 확대할 수 있다.

예컨대, 부력 1,000톤(ton)이면 200톤을 왕복 25cm/sec(직선 운동 50cm/sec)로 움직이는 에너지 변환이 가능한 것이다.

본 실시예에서 부체(10a,10b)는 일 예로 부력 1,000톤을 가질 수 있도록 가로/세로/높이가 각각 25m/25m/2m의 크기로 제작되고 있는데, 이의 사항에 본 발명이 제한될 필요는 없다.

연결기구(20)는, 본 실시예의 경우 2개의 부체(10a,10b)를 상호 연결하여 어느 한 부체(10a)의 파랑 운동을 인접된 부체(10b)에 증폭된 레버 운동으로 전환시켜 운동에너지를 증폭시키는 역할을 한다.

연결기구(20)는 2개의 부체(10a,10b)에 한개 마련되어도 좋으나 상기와 같이 부체(10a,10b)의 사이즈가 거대하다는 점을 고려할 때 부체(10a,10b) 사이에서 이격되게 한 쌍 정도 마련되는 것이 바람직할 수 있다.

이러한 연결기구(20)는, 일단이 부체(10a,10b)에 각각 결합되는 다수의 피봇 조인트(21)와, 힌지축(22)을 축심으로 하여 다수의 피봇 조인트(21)와 결합되며 적어도 부체(10a,10b)에 걸쳐 배치되는 막대 형상의 레버(23)와, 레버(22)의 양단과 에너지 변환유닛(40)을 각각 연결하는 연결 아암(24)을 구비한다.

막대 형상의 레버(23)는 피봇 조인트(21)에 대하여 힌지축(22)을 축심으로 파고에 따라 회전하면서 연결 아암(24)에 상하 운동에너지를 발생시키는 매개체인데, 이러한 레버(23)의 판면에는 도 4에 도시된 바와 같이, 힌지축(22)에 대한 상대 이동이 가능하도록 힌지축(22)의 단면 직경보다 큰 장공(23a)이 형성되어 있다.

따라서 레버(23)는 장공(23a)의 길이 구간 내에서 자유롭게 이동될 수 있다. 이러한 레버(23)는 부체(10a,10b)의 운동 시 연동하여 운동하게 되는데, 도 3b에 도시된 바와 같이, 부체(10a,10b) 운동 대비 레버(23) 운동은 훨씬 크다. 때문에 설사 파고가 낮더라도 레버(23) 운동이 크기 때문에 효과적으로 많은 전기를 생산할 수 있다.

발전기(30)는, 최종적인 회전에너지에 기초하여 전기를 발생시키는 장치이다. 도 5에 개략적으로 도시하고 있지만, 본 실시예의 발전기(30)도 일반 발전기와 마찬가지로 내부의 회전자(30a)가 회전함에 따라 회전자(30a)의 외측에 배치된 고정자(30b)와의 사이에서 플레밍의 오른손 법칙에 따른 전기를 발생시키는 역할을 한다.

본 실시예의 경우, 사이즈 및 용량, 그리고 비용을 고려하여 발전기(30)를 저속 발전기로 적용하고 있으나 반드시 그러한 것은 아니다.

에너지 변환유닛(40)은, 도 5 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 일측에서 연결 아암(24)에 연결되어 상하 운동하며 대면하는 양측 내면에 상호 반대 방향의 제1 및 제2 일방향 직선치열(41a,41b)이 형성되는 직선기어(41)와, 직선기어(41)의 내부에 배치되며 제1 및 제2 일방향 직선치열(41a,41b)과 선택적으로 치형 맞물림되면서 회전하도록 외면에 일방향 회전치열(42a)이 형성되는 회전기어(42)와, 회전기어(42)의 기어축(43)에 연결되어 회전기어(42)의 회전 운동을 가속하는 증속기(44)와, 증속기(44)와 발전기(30)의 회전자(30a)를 연결하는 연결축(45)을 구비한다.

그 뿐 아니라 본 실시예의 에너지 변환유닛(40)은, 레버(23) 또는 연결 아암(24)의 상하 운동을 감지하는 레버 운동 감지기(46)와, 레버 운동 감지기(46)로부터의 제어 신호에 기초하여 회전기어(42)를 기준으로 직선기어(41)를 좌우로 구동시키는 클러치(47)와, 직선기어(41)의 주변에 마련되어 직선기어(41)의 좌우 이동거리를 제한하기 위한 신호를 발생시키는 가이드 리미터(48a,48b)를 더 구비한다.

레버 운동 감지기(46)와 가이드 리미터(48a,48b)는 접촉식 혹은 비접촉식 센서로 마련될 수 있는데, 특히 가이드 리미터(48a,48b)는 직선기어(41)의 좌우에 한 쌍 마련됨에 따라 직선기어(41)의 좌우 이동거리를 제한하여 직선기어(41)가 정해진 한 쌍의 가이드 리미터(48a,48b) 내에서만 이동될 수 있도록 하는 역할을 한다.

참고로, 종래의 기계적 에너지로의 변환 방식은 축 방향 운동량을 유체의 압력으로 변환하여 터빈을 구동하거나 유압모터를 구동하는 방식인데, 에너지 변환 과정에서 에너지 손실이 발생하여 변환효율이 낮아지는 결함이 있었다.

하지만, 본 실시예의 경우, 전술한 바와 같이, 부체(10a,10b)의 운동을 바로 동일한 방향의 기계적 운동으로 변환하고 동력화하는 방식이 적용됨에 따라 종래보다 더욱 효율적으로 에너지 변환을 수행할 수 있다.

즉, 도 6과 같은 기준 상태에서 파고에 따라 연결 아암(24)이 도 7a의 화살표와 같이 상측으로 운동하면 레버 운동 감지기(46)가 이를 감지하여 클러치(47)로 하여금 직선기어(41)를 예컨대 좌측으로 이동시킨다. 그러면 회전기어(42)의 일방향 회전치열(42a)이 직선기어(41)의 제1 일방향 직선치열(41a)에 치형 맞물림되며, 이 상태에서 직선기어(41)가 상측으로 이동함에 따라 회전기어(42)는 반시계 방향으로 회전된다.

또한 파고의 출렁임에 의해 곧이어 연결 아암(24)이 도 7b의 화살표와 같이 하측으로 운동하면 레버 운동 감지기(46)가 이를 감지하여 클러치(47)로 하여금 직선기어(41)를 예컨대 우측으로 이동시킨다. 그러면 회전기어(42)의 일방향 회전치열(42a)이 직선기어(41)의 제2 일방향 직선치열(41b)에 치형 맞물림되며, 이 상태에서 직선기어(41)가 하측으로 이동함에 따라 회전기어(42)는 계속해서 반시계 방향으로 회전된다. 결국, 이러한 구조적인 특징에 의해 회전기어(42)는 계속해서 반시계 방향으로 회전됨으로써 회전에너지를 발생시키게 되며, 이러한 회전에너지는 회전기어(42)의 기어축(43)을 통해, 증속기(44) 및 연결축(45)을 경유하여 발전 기(30)로 전달됨에 따라 발전기(30)에서는 전기에너지를 생성할 수 있게 되는 것이다.

한편, 앞서도 기술한 바와 같이, 파랑의 파고가 낮고 파장이 길 때의 보완이 필요하며 이를 보완할 경우, 에너지 효율이 높아진다.

예컨대, 파랑의 수평 운동은 부체(10a,10b)들의 부유, 미끄럼(sliding) 현상으로 반력이 미약하며 에너지로 변환이 어려울 수 있지만, 파랑의 형태(경사)에 따른 부체(10a,10b)의 경사 운동(rolling)은 에너지 변환이 가능하다.

이를 활용하면 파랑의 파장이 길 경우 파동 주기 사이 부체(10a,10b)의 운동에너지 변한을 보완해줄 수 있다.

부체(10a,10b)의 경사 운동(rolling)을 이용한 에너지 변환의 수단으로서, 다시 말해, 부체(10a,10b)들의 운동에너지 보완을 위한 수단으로서 부체(10a,10b)들의 하부에는 경사수조(50)가 더 결합되어 있다.

경사수조(50)의 내부에는 일정량의 물, 즉 완전히 물이 충전되어 있는 것이 아니라 약 80% 정도의 물이 충전되어 있으며, 그 외면은 경사진 형상을 갖는다. 경사 형태는 대칭적인 구조로 되어야 안정감을 높일 수 있다.

그리고 이러한 경사수조(50)의 내부에는 다수의 격벽(51)이 더 구비된다. 이러한 격벽(51)들은 경사수조(50) 내의 물이 경사수조(50) 내에서 유동화될 수 있도록 하는 수단으로서 보다 안정적인 부체(10a,10b)의 경사 운동을 이끌어내기 위한 보조 수단으로 활용된다.

다시 말해, 본 실시예의 경우에는 부체(10a,10b)의 하부에 경사수조(50)를 결합시키고 또한 경사수조(50) 내에 물을 일정량 채우고 다수의 격벽(51)을 설치함으로써 물의 관성 운동을 조절하여 경사 운동과 동조 현상을 제공하고, 이에 따라 경사 운동을 증폭시킬 수 있도록 하고 있는 것이다.

본 실시예의 파랑발전기는 전술한 경사수조(50) 외에, 부체(10a,10b)들의 운동에너지 보완을 위한 수단으로서, 부체(10a,10b)들에 결합되는 마스터(61)와, 마스터(61)에 결합되는 돛(62, sail)과, 마스터(61)의 상단부에 결합되는 풍향/풍속 감지기(63)를 더 구비한다.

특히, 돛(62)은 부체(10a,10b)의 경사 운동을 보완하는 방안으로서 경사수조(50)의 역할에 더하여 경사 운동을 증폭시키는 방안으로 사용될 수 있다.

그리고 마스터(61)의 주변에는 풍향/풍속 감지기(63)로부터의 제어 신호에 기초하여 돛(62)의 펼침 상태를 조절하는 돛 펼침 조절유닛(64)과, 풍향/풍속 감지기(63)로부터의 제어 신호에 기초하여 마스터(61)의 회전 상태를 조절하는 마스터 회전 조절유닛(65)이 더 마련된다. 이들은 원격 제어가 가능하거나 아니면 자동으로 조절되도록 마련되는 것이 바람직하다.

그리고 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 파랑발전기는, 부체(10a,10b)들 간을 상호 연결하는 연결 조인트(70)를 더 구비하고 있는데, 이러한 연결 조인트(70)는 부체(10a,10b)들에 각각 마련되는 유압 실린더(71)와, 유압 실린더(71)들을 연결하는 유니버설 조인트(72)로 마련될 수 있다.

이러한 구성을 갖는 파랑발전기의 동작에 대해 도 8을 참조하면서 살펴보면 다음과 같다. 도 8에는 편의상 참조부호를 부여하지 않았다.

우선, 파고에 따라 부체(10a,10b)가 출렁이게 되면, 이에 연동하여 레버(23)가 운동하게 된다. 이 경우, 도 3b에 도시된 바와 같이, 부체(10a,10b) 운동 대비 레버(23) 운동이 훨씬 크기 때문에 설사 파고가 낮더라도 레버(23) 운동이 크기 때문에 효과적으로 많은 전기를 생산할 수 있다.

레버(23)의 운동에 따라 예컨대, 연결 아암(24)이 도 7a의 화살표와 같이 상측으로 운동하면 레버 운동 감지기(46)가 이를 감지하여 클러치(47)로 하여금 직선기어(41)를 예컨대 좌측으로 이동시킨다.

그러면 회전기어(42)의 일방향 회전치열(42a)이 직선기어(41)의 제1 일방향 직선치열(41a)에 치형 맞물림되며, 이 상태에서 직선기어(41)가 상측으로 이동함에 따라 회전기어(42)는 반시계 방향으로 회전된다.

다음으로, 파고의 출렁임에 의해 곧이어 연결 아암(24)이 도 7b의 화살표와 같이 하측으로 운동하면 레버 운동 감지기(46)가 이를 감지하여 클러치(47)로 하여금 직선기어(41)를 예컨대 우측으로 이동시킨다.

그러면 회전기어(42)의 일방향 회전치열(42a)이 직선기어(41)의 제2 일방향 직선치열(41b)에 치형 맞물림되며, 이 상태에서 직선기어(41)가 하측으로 이동함에 따라 회전기어(42)는 계속해서 반시계 방향으로 회전된다.

결국, 이러한 구조적인 특징에 의해 회전기어(42)는 계속해서 반시계 방향으로 회전됨으로써 회전에너지를 발생시키게 되며, 이러한 회전에너지는 회전기어(42)의 기어축(43)을 통해, 증속기(44) 및 연결축(45)을 경유하여 발전기(30)로 전달됨에 따라 발전기(30)에서는 전기에너지를 생성할 수 있게 되며, 생성된 전기 는 그대로 사용되거나 또는 저장될 수 있게 된다.

이러한 구조와 동작을 종합적으로 검토해보면 기존의 개발, 실용화 단계인 여러 방식의 파랑발전은 에너지 변환효율이 낮은 점과 자연환경의 불확실성에 대한 선입견으로 투자와 연구 활동에서 적극적이지 않았으나, 본 실시예에 의하면, 우선 동일한 운동량 내에서 부체(10a,10b)의 작용력을 줄이고 운동거리를 확대함으로써 운동속도가 향상되어 실제 에너지 변환효율이 월등히 높아지게 된다.

물론, 부체(10a,10b)의 제작과 동력화 기술이 요구되지만, 이는 현행 기술력으로 충분히 해결될 수 있으며, 특히 발전시스템을 부체(10a,10b)에 적재하면 토지 수요를 억제하고 대형 구조물이 불필요하며 선투자를 감소시키는 이점이 있다.

본 실시예의 파랑발전기는, 기존의 다른 것들과 달리 연소 부위가 없고 축전지와 같은 화학제품의 소모가 필수적이 아니므로 환경오염에서 자유롭고 운영비가 감소된다는 장점이 부각된다.

또한 파랑 에너지의 위치적, 계절적 제한성은 고정 설비가 아니고 이동이 수월하며 효과적인 위치로의 자유로운 변경, 선택이 가능함으로 준비기간이나 비용의 절약이 가능하다.

특히, 갈수기인 동절기에 수력발전의 발전량 감소를 보완하는 역할로서 도서지방의 전력 공급으로 효과적이다.

그리고 중규모의 저속 발전기를 탑재한 집단의 부체(10a,10b)를 상호 연결하여 동기화하면 상용 전력으로 바로 공급이 가능할 수 있을 것으로 예상된다.

앞에 기술한 바와 같은 방식이 적용되면 경제적인 가격의 전력 공급이 가능 하다고 판단되며 3면이 바다인 대한민국의 국토환경에서는 예를 들어 500만KW에 달하는 청정에너지 자원을 활용하는 기회가 될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 상대적으로 에너지 변환효율이 높기에 자연환경의 불확실성을 극복하여 적극적인 투자와 연구 활동을 이끌어낼 수 있으며, 무엇보다도 투자 대비 효율성을 높일 수 있어 청정에너지원으로서의 실용성 및 가치를 향상시킬 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

도 1은 부체의 상하 운동 스트로크에 대한 실린더의 운동 스트로크의 관계를 도시한 도면,

도 2는 지렛대의 원리를 설명하기 위한 도면,

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 개략적인 구조도,

도 3b는 도 3a의 부분 동작 상태도,

도 4는 도 3a의 A 영역의 확대 구조도,

도 5는 도 3a의 B 영역에 대한 측면 확대 구조도,

도 6은 도 5의 정면 구조도,

도 7a 및 도 7b는 각각 도 6의 동작을 도시한 도면들,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 플로차트,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 파랑발전기의 설치 상태에 따른 평면 구조도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10a,10b : 부체 20 : 연결기구

21 : 피봇 조인트 22 : 힌지축

23 : 레버 24 : 연결 아암

30 : 발전기 40 : 에너지 변환유닛

41 : 직선기어 42 : 회전기어

43 : 기어축 44 : 증속기

45 : 연결축 50 : 경사수조

51 : 격벽 61 : 마스터

62 : 돛 63 : 풍향/풍속 감지기

64 : 돛 펼침 조절유닛 65 : 마스터 회전 조절유닛

70 : 연결 조인트 71 : 유압 실린더

72 : 유니버설 조인트

Claims (13)

1. 수면에 배치되어 파고에 따라 자유롭게 운동하는 다수의 부체(raft);

   상기 다수의 부체를 상호간 연결하되 어느 한 부체의 파랑 운동을 인접된 부체에 증폭된 레버 운동으로 전환시켜 운동에너지를 증폭시키는 다수의 연결기구;

   상기 다수의 부체에 설치되어 전기를 생성하는 다수의 발전기; 및

   상기 다수의 연결기구 및 상기 다수의 발전기에 연결되며, 상기 다수의 연결기구로부터의 운동에너지를 상기 다수의 발전기의 구동을 위한 회전에너지로 변환시키는 에너지 변환유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 연결기구는,

   일단이 상기 다수의 부체에 각각 결합되는 다수의 피봇 조인트;

   힌지축을 축심으로 하여 상기 다수의 피봇 조인트와 결합되며 적어도 한 쌍의 부체에 걸쳐 배치되는 막대 형상의 레버; 및

   상기 레버의 양단과 상기 에너지 변환유닛을 각각 연결하는 연결 아암을 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 레버의 판면에는 상기 힌지축에 대한 상대 이동이 가능하도록 상기 힌 지축의 단면 직경보다 큰 장공이 형성되는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
4. 제2항에 있어서,

   상기 에너지 변환유닛은,

   일측에서 상기 연결 아암에 연결되어 상하 운동하며, 대면하는 양측 내면에 상호 반대 방향의 제1 및 제2 일방향 직선치열이 형성되는 직선기어;

   상기 직선기어의 내부에 배치되며, 상기 제1 및 제2 일방향 직선치열과 선택적으로 치형 맞물림되면서 회전하도록 외면에 일방향 회전치열이 형성되는 회전기어;

   상기 회전기어의 기어축에 연결되어 상기 회전기어의 회전 운동을 가속하는 증속기; 및

   상기 증속기와 상기 발전기의 회전자를 연결하는 연결축을 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
5. 제4항에 있어서,

   상기 에너지 변환유닛은,

   상기 레버 또는 상기 연결 아암의 상하 운동을 감지하는 레버 운동 감지기; 및

   상기 레버 운동 감지기로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 회전기어를 기준으로 상기 직선기어를 좌우로 구동시키는 클러치를 더 포함하는 것을 특징으로 하 는 파랑발전기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 에너지 변환유닛은, 상기 직선기어의 주변에 마련되어 상기 직선기어의 좌우 이동거리를 제한하기 위한 신호를 발생시키는 가이드 리미터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 부체들의 운동에너지 보완을 위하여 상기 부체들의 하부에 결합되되 내부에 일정량의 물이 충전되어 있고 외면이 경사진 경사수조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
8. 제7항에 있어서,

   상기 경사수조의 내부에는 적어도 하나의 격벽이 더 마련되는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
9. 제1항에 있어서,

   상기 부체들에 결합되는 마스터;

   상기 부체들의 운동에너지 보완을 위하여 상기 마스터에 결합되는 돛(sail); 및

   상기 마스터의 상단부에 결합되는 풍향/풍속 감지기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
10. 제9항에 있어서,

    상기 풍향/풍속 감지기로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 돛의 펼침 상태를 조절하는 돛 펼침 조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
11. 제9항에 있어서,

    상기 풍향/풍속 감지기로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 마스터의 회전 상태를 조절하는 마스터 회전 조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
12. 제1항에 있어서,

    인접된 상기 부체들 간을 상호 연결하는 연결 조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.
13. 제12항에 있어서,

    상기 연결 조인트는,

    상기 부체들에 각각 마련되는 유압 실린더; 및

    상기 유압 실린더들을 연결하는 유니버설 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 파랑발전기.

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