KR101039124B1 - 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 관한 것으로써, 지속가능한 신재생 에너지원이 되며 방파제의 기능을 겸하여 수행하는 부양식 파력발전 시스템에 있어서, 유입된 파랑의 운동에너지를 선회운동 상태로 보존하기 위한 것으로 수직 원통형으로 형성된 선회 유수조와; 파랑의 파동 중간 수평면보다 상부에 파랑의 진행방향과 평행하게 상기 선회 유수조 양측에 형성되며, 상기 선회 유수조 내부로 파랑의 진행방향을 수렴시키도록 형성된 전향판과; 상기 전향판 사이에 형성되며, 부피가 큰 부유물의 유입을 막도록 다수의 수직 창살 형상으로 형성된 보호창틀과; 상기 전향판 및 상기 보호창틀 하부에 형성되어 유입되는 파랑의 상반부만 선택적으로 유입되도록 하는 유입부 플랫폼과; 상기 선회 유수조의 입구에 설치되며, 상기 유입되는 파랑의 운동방향을 상기 선회 유수조의 접선방향으로 유도하는 안내판과; 상기 선회 유수조의 측면 원통부에 형성되며, 상기 안내판에 힌지결합되어 상기 선회 유수조에 유입된 물이 역류하는 것을 차단하는 체크밸프판과; 축류 터빈으로서 축심이 상기 선회 유수조의 중심과 일치되고, 상단에는 발전기가 설치되어, 상기 선회 유수조 내부로 유입된 파랑의 선회운동 상태의 운동에너지 및 포획된 물의 수력낙차로 보유되는 위치에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 수력터빈과; 상기 파력발전 시스템을 수평으로 유지하고 상기 유입부 플랫폼의 높이를 파랑의 파동 중간 높이에 일치되도록 자동적으로 조절하는 자동 밸러스트 조절부와; 잔류 선회속도벡터 센서를 이용하여 잔류 선회속도벡터를 연속적으로 측정하여 상기 선회 유수조 내의 물의 에너지 상태의 변동에 따라 전력 저장용 배터리 충전전류가 응답하도록 제어함으로써, 상기 수력터빈의 시간적 총 에너지 변환효율이 최대로 되도록 하는 잔류 선회속도벡터 제어부와; 상기 선회 유수조, 전향판, 보호창틀, 유입부 플랫폼, 체크밸브판, 수력터빈, 자동 밸러스트 조절부 및 잔류 선회속도벡터 제어부를 포함하여 내부에 탑재하여 부력을 발생시키며, 내부에 전후 좌우의 구획으로 구분하는 다수의 격벽들을 형성하여 형성되는 다수의 격실들에 보유된 밸러스트 물의 양에 의하여 상기 자동 밸러스트 조절부에 의한 자세 수평 조절과 높이 조절을 가능하게 하는 외판;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 유입되는 파랑의 에너지를 흡수하여 파랑에 의한 해양 시설물의 파손을 방지하는 방파제의 기능을 함과 동시에 파랑 에너지를 유용한 전력으로 효율적으로 변환시킴으로써 지속가능한 신재생 에너지 발생 시스템을 제공할 수 있는 이점이 있다.

부양식, 방파제, 파력발전, 선회유수조, 각운동량 보존, 체크밸브판, 역류차단, 잔류 선회속도, 에너지 변환 효율

Description

부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템{wave power generation system as a floating water break}

본 발명은 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 관한 것으로써, 유입되는 파랑의 에너지를 흡수하여서 파랑에 의한 해양 시설물의 손괴를 방지하는 기능을 함과 동시에 파랑 에너지를 유용한 전력으로 효율적으로 변환시킴으로써 지속가능한 신재생 에너지 발생장치인 파력발전 시스템을 제공한다.

지속가능한 신재생 에너지원으로서 해양의 파랑 에너지를 이용한 파력발전 시스템의 개발은 해양에너지 시스템으로 분류되는 카테고리 중에서 현재까지 가장 다수의 특허가 출원되었음에도 불구하고 에너지밀도와 에너지 변환 효율의 면에서 미흡하여 실용화된 시스템은 전 세계적으로도 아직 한 건도 출현하지 못한 실정이다.

현재까지 제안된 파력발전시스템은 가동물체형(可動物體刑), 진동수주형(振動水柱刑)(대한민국특허청 특허등록번호 0299741호) 및 월파형(越波刑)(대한민국특허청 특허등록번호 0606146호)으로 분류할 수 있으며, 가동물체형은 다시 부구형(浮具形)(대한민국특허청 특허등록번호 0861566호)과 진자형(振子形)(대한민국특허 청 특허등록번호 0239149호)으로 나누인다.

이들 중 가동물체형과 진자형 및 진동수주형은 파랑의 위치에너지와 운동에너지의 어느 한쪽만을 동력으로 변환시킬 수 있기 때문에 에너지 변환효율이 낮을 수밖에 없었다. 거기에다가 진동수주형에서의 공기수력터빈(70)을 이용할 수 있는 경우를 제외하면 왕복운동을 회전운동으로 변화시키기 위한 복잡한 메커니즘을 필요로 하며, 그나마도 천해(淺海)에서 해저에 고정 설치하여야 하는 제한이 있다.

그리고, 월파형은 부양식 방파제의 구조로 한다면 외해에도 설치할 수 있는 방법으로서, 방파제의 기능도 수행할 수 있을 뿐 아니라 파랑이 방파제의 경사면에 충돌할 때의 파랑의 종 및 횡 운동 에너지를 일정 량 위치에너지로 변환시키는 기능이 있으므로 위치에너지와 운동에너지를 동시에 활용하는 방법이라 할 수 있지만 방파제를 넘어들어가는 파랑의 정부 부분만을 이용할 수 있으며 그나마 유수조에 넘어들어온 후의 잔류 운동에너지는 와류와 난류의 상태로 소산 되어 버리는 결점이 있었다.

그리고, 파랑의 횡 운동에너지를 선회운동 상태로 보존하였다가 터빈에서 동력으로 변환시키는 특허로서는 미국의 WAVE-POWERED MOTOR(미국특허, 4,327,296호)에서 찾을 수 있겠으나 이 방법에서는 시스템의 규모에 비하여 파랑을 수용하는 전면 면적이 작으므로 에너지 밀도가 기대 수준에 미치지 못하게 되는 문제점이 있었다.

또한 상기의 종래 기술내용에는 파랑의 주기적 변동에 따른 에너지 상태의 변동에 대응한 최적의 배터리 충전전류 제어방식에 관한 개념은 없었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유입되는 파랑의 에너지를 흡수하여 파랑에 의한 해양 시설물의 파손을 방지하는 방파제의 기능과 동시에, 유입하는 파랑을 전면 전폭에 걸쳐서 수용할 수 있게 함으로써 에너지밀도를 최대화하고, 파랑의 위치에너지를 그 최고의 수준에서 손실없이 선회 유수조에 포획함으로써 효과적으로 기계적 에너지로 변환시킬 수 있으며, 파랑의 주기적 에너지 변동에 따른 최적의 충전전력제어를 함으로써 공간적 및 시간적 총합 에너지 변환효율을 극대화할 수 있는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템의 제공을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 지속가능한 신재생 에너지원이 되며 방파제의 기능을 겸하여 수행하는 부양식 파력발전 시스템에 있어서, 유입된 파랑의 운동에너지를 선회운동 상태로 보존하기 위한 것으로 수직 원통형으로 형성된 선회 유수조와; 파랑의 파동 중간 수평면보다 상부에 파랑의 진행방향과 평행하게 상기 선회 유수조 양측에 형성되며, 상기 선회 유수조 내부로 파랑의 진행방향을 수렴시키도록 형성된 전향판과; 상기 전향판 사이에 형성되며, 부피가 큰 부유물의 유입을 막독록 다수의 수직 창살 형상으로 형성된 보호창틀과; 상기 전향판 및 상기 보호창틀 하부에 형성되어 유입되는 파랑의 상반부만 선택적으로 유입되도록 하는 유입부 플랫폼과; 상기 선회 유수조의 입구에 설치되며, 상기 유입되는 파랑의 운동방향을 상기 선회 유수조의 접선방향으로 유도하는 안내판과; 상기 선회 유수조의 측면 원통부에 형성되며, 상기 안내판에 힌지결합되어 상기 선회 유수조에 유입된 물이 역류하는 것을 차단하는 체크밸프판과; 축류 터빈으로서 축심이 상기 선회 유수조의 중심과 일치되고, 상단에는 발전기가 설치되어, 상기 선회 유수조 내부로 유입된 파랑의 선회운동 상태의 운동에너지 및 포획된 물의 수력낙차로 보유되는 위치에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 수력터빈과; 상기 파력발전 시스템의 자세를 수평으로 유지하고 상기 유입부 플랫폼의 높이를 파랑의 파동 중간 높이에 일치되도록 자동적으로 조절하는 자동 밸러스트 조절부와; 잔류 선회속도벡터 센서를 이용하여 잔류 선회속도벡터를 연속적으로 측정하여 상기 선회 유수조 내의 물의 에너지 상태의 변동에 따라 전력 저장용 배터리 충전전류가 응답하도록 제어함으로써, 상기 수력터빈의 시간적 총 에너지 변환효율이 최대로 되도록 하는 잔류 선회속도벡터 제어부와; 상기 선회 유수조, 전향판, 보호창틀, 유입부 플랫폼, 체크밸브판, 수력터빈, 자동 밸러스트 조절부 및 잔류 선회속도벡터 제어부를 포함하여 내부에 탑재하여 부력을 발생시키며, 내부에 전후 좌우의 구획으로 구분하는 다수의 격벽들을 형성하여 형성되는 다수의 격실들에 보유된 밸러스트 물의 양에 의하여 상기 자동 밸러스트 조절부에 의한 자세 수평 조절과 높이 조절을 가능하게 하는 외판;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템을 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 전향판은, 상기 선회 유수조의 입구에 설치된 안내판에로 파랑의 진행방향을 수렴시키기 위해 파랑의 유입 최전방에서는 유선형부를, 중도는 평행부 를, 상기 안내판의 전방에서는 수렴부를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 보호창틀은, 상기 전향판의 평행부의 양단에 걸쳐서 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 유입부 플랫폼은, 상기 전향판의 유선형부에서부터 수렴부에 걸쳐서 양쪽 전향판의 하부를 파랑의 파동 중간면 상에 수평 평판으로 연결하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 안내판은, 상기 선회 유수조의 원통면보다 작은 가상의 동심 원통면에 접선방향의 수평 단면을 가지며, 상단은 파력발전 시스템의 천정판에, 하단은 상기 유입부 플랫폼 상에 연결되는 5~7개의 수직판 구조로 형성된 것이 바람직하다.

또한, 상기 체크밸브판은, 힌지의 축을 중심으로 회전되는 직사각형 판형의 스윙 체크밸브로서, 상기 안내판을 통과한 파랑의 밀고 들어가는 압력이 상기 선회 유수조의 압력보다 높아질 때에 자동으로 열릴 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 체크밸브판은, 파랑의 충돌적 유입시에 과도한 응력을 받지 않도록 원주 방향으로 5~7단, 상하 방향으로 2~4층으로 분산시키도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수력터빈은, 축의 하부 베어링은 바닥 외판에, 상부 베어링은 상기 선회 유수조의 천정 외판에 설치되고, 상부 베어링의 상단에 발전기가 설치되도록 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 자동 밸러스트 조절부는, 1대 또는 수대의 밸러스트 펌프와, 상기 격실 내 하부 벨 마우스에 연결되는 도관들과 각 격실들로부터 선택적으로 흡입할 수 있는 흡입 전동 그룹밸브 세트와 각 격실로 도출할 수 있는 도출 전동 그룹밸브 세트 및 상기 밸러스트 펌프와 상기 전동 그룹밸브 세트들을 중앙 제어장치에서 제어하도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 잔류 선회속도벡터 제어부의 잔류 선회속도벡터 센서는, 부유하는 해초류나 잡물이 미끄러져 내려가도록 경사에지를 갖는 수직평판의 프로브와, 수밀 벨로즈와, 원주 방향 힘을 인장력 또는 압력의 형태로 측정하는 로드셀로 구성되며, 상기 프로브, 수밀 벨로즈 및 로드셀은 상기 수력터빈의 하류 배수관 벽의 수직부에 설치되어서, 잔류 선회속도를 연속적으로 측정하여 잔류 선회속도벡터 제어부에 송출하고, 상기 전력 저장용 배터리 충전전류를 제어하여, 무효 선회운동 형태의 운동에너지를 최소화하도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의해 본 발명은, 유입되는 파랑의 에너지를 흡수하여 파랑에 의한 해양 시설물의 파손을 방지하는 방파제의 기능을 함과 동시에 파랑 에너지를 유용한 전력으로 효율적으로 변환시킴으로써 지속가능한 신재생 에너지 발생 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 유입하는 파랑을 전면 전폭에 걸쳐서 수용할 수 있게 함으로써 에너지밀도를 최대화하고, 파랑의 위치에너지를 그 최고의 수준에서 손실없이 선회 유수조에 포획함으로써 효과적으로 기계적 에너지로 변환시킬 수 있을 뿐만 아니라, 선 회 유수조에 유입된 물이 역류되는 것을 체크밸브판에 의해 차단시켜 파고의 위치에너지도 그 최고의 수준에서 병합하여 기계적 에너지로 변환시킴으로써, 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 파랑의 주기적 에너지 변동에 따른 최적의 충전전력 제어를 함으로써 공간적 및 시간적 총합 에너지 변환효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 관한 것으로써, 파랑의 횡 운동에너지를 선회 유수조에서 각운동량 보전원리에 따라 보전하였다가 손실이 적게 수력터빈에서 동력으로 변환시킴으로써 운동에너지를 기계적 에너지로 변환시키고 동시에, 파고의 중간수위 상부의 해수가 선회 유수조에 유입한 후 상류의 수위가 내려가게 될 때에 체크밸브판에 의하여 역류를 차단함으로써 파고의 위치에너지도 그 최고의 수준에서 병합하여 기계적 에너지로 변환시킴으로써 에너지변환효율을 최대화할 수 있는 파력발전 시스템에 관한 것이다.

이하에서는 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 대한 부분 제거 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템의 주요부에 대한 수평단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템의 주요부에 대한 수직단면도이고, 도 4는 도 2의 수평단면상에서의 파랑의 작용을 나타낸 도이고, 도 5는 도 3의 수직단면상에서의 파랑의 작용을 나타낸 도이며, 도 6은 본 발명에 따른 잔류 선회속도벡터 센서에 대한 수평 및 수직단면도이다.

도시된 바와 같은 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템은, 선회 유수조(10), 전향판(20), 보호창틀(30), 유입부 플랫폼(40), 안내판(50), 체크밸브판(60), 수력터빈(70), 자동 밸러스트 조절부, 잔류 선회속도벡터 제어부(80) 및 외판(90)으로 크게 구성된다.

도 1 내지 도 3에서 나타낸 바와 같이, 유입하는 파랑의 진행방향을 선회 유수조(10)의 입구에 설치된 선회 유수조(10) 입구 안내판(50)에로 수렴시킬 수 있도록 형성된 전향판(20)과, 파랑과 함께 유입됨으로써 시스템의 중요 부분을 파손할 수 있는 부유물의 유입을 막아주는 전면 보호창틀(30)과 유입하는 파랑의 상반부만 선택적으로 유입하도록 제한하는 유입부 플랫폼(40)과, 유입하는 파랑의 운동 방향을 선회 유수조(10)의 접선 방향으로 유도하는 안내판(50)과 유수조에 유입한 물이 역류하는 것을 차단하는 체크밸브판(60)과 유입한 파랑의 운동에너지를 선회운동 상태로 보존하는 수직 원통형의 선회 유수조(10)와, 선회운동하는 파랑의 운동에너지 및 포획된 물의 수력낙차로서 보유되는 위치에너지를 기계적 에너지로 변화시키는 수력터빈(70)과, 본 발명의 전체 시스템의 자세를 수평으로 유지함과 동시에 유입부 플랫폼(40)의 높이를 파랑의 파동 중간 높이에 일치되도록 자동적으로 조절하는 자동 밸러스트 조절부와, 잔류 선회속도벡터 센서를 이용하여 선회 유수조(10) 내 물의 에너지 상태의 변동에 신속히 응답하도록 전력 저장용 배터리 충전전류를 변화시켜 수력터빈(70)의 총 에너지 변환 효율이 최대로 되도록 제어하는 잔류 선회속도벡터 제어부(80)와, 상기 선회 유수조(10)와 상기 전향판(20)과 상기 보호창틀(30)과 상기 유입부 플랫폼(40)과 상기 선회 유수조(10) 입구 안내판(50)과 상기 체크밸브판(60)과 상기 자동 밸러스트 조절부과 상기 잔류 선회속도벡터 제어부(80)를 포함하여 내부에 탑재하며 내부에 전후 좌우의 구획으로 구분하는 다수의 격벽들을 형성한 외판(90)으로 구성되며 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템의 3개 기본 단위를 연결하여 나타낸 부분 제거 사시도로써, 격실이 3개 형성된 경우를 나타내고 있다.

먼저, 상기 선회 유수조(10)에 대해 설명하고자 한다.

상기 선회 유수조(10)는 유입된 파랑의 운동에너지를 선회운동 상태로 보존하기 위한 구조로서 공간이 허용하는 최대의 용량을 갖는 수직 원통형으로 형성되며, 측면 원통부에는 체크밸브판(60)들이 설치되고, 상부의 천정판은 발전기(g)를 설치하는 기초판이 되며, 하부 바닥판의 중심부에는 수력터빈(70)의 케이싱을 설치할 수 있는 구조로 형성된다.

그리고, 상기 전향판(20)은 파랑의 파동 중간 수평면보다 상부에 파랑의 진행방향과 평행하게 상기 선회 유수조(10)의 양쪽에 형성되며, 유입하는 파랑의 진행방향을 선회 유수조(10)의 입구에 설치된 안내판(50)에로 수렴시킬 수 있도록 파랑의 유입 최전방에서는 유선형부(21)를, 중도는 평행부(22)를, 안내판(50)의 전방에서는 수렴부(23)를 갖는 수직 곡면의 판 구조로 형성된다.

그리고, 상기 전면 보호창틀(30)은 부피가 큰 부유물의 유입을 막아줌으로써 시스템의 중요 부분을 보호할 수 있도록 튼튼한 구조의 다수의 수직 창살 형태로 형성되며, 상기 전향판(20)의 평행부(22)의 양단에 걸쳐서 설치된다.

그리고, 상기 유입부 플랫폼(40)은 유입하는 파랑의 상반부만 선택적으로 유입하 도록 제한하는 역할을 하는 구조로서, 상기 전향판(20)의 유선형부(21)에서부터 수렴부(23)에 걸쳐서 양쪽 전향판(20)의 하부를 파랑의 파동 중간면 상에 수평 평판으로 연결하는 구조로 형성된다.

그리고, 상기 안내판(50)은 유입하는 파랑이 운동 방향을 선회 유수조(10)의 접선 방향으로 유도하기 위한 구조로서 상기 선회 유수조(10)의 원통면보다 작은 가상의 동심 원통면에 접선 방향의 수평 단면을 가지며, 상단은 본 발명 파력발전 시스템의 천정판에, 하단은 상기 유입부 플랫폼(40) 상에 연결되는 5~7개의 수직판 구조로 형성된다.

그리고, 상기 체크밸브판(60)은 상기 선회 유수조(10)에 유입한 물이 역류하는 것을 차단하여 최대량의 해수를 포획할 수 있게 하는 구조이며, 힌지의 축을 중심으로 회전할 수 있는 직사각형 판형의 스윙 체크밸브로서 상기 안내판(50)을 통과한 파랑의 밀고 들어가는 압력이 상기 선회 유수조(10) 내의 압력보다 높아질 때에 자동으로 열릴 수 있으며, 파랑의 충돌적 유입시에 과도한 응력을 받지 않도록 원주 방향으로 5~7단 상하 방향으로 2~4층으로 분산시키는 구조로 형성된다.

그리고, 상기 수력터빈(70)은 파랑의 선회운동 상태의 운동에너지 및 포획된 물의 수력낙차로 보유되는 위치에너지를 기계적 에너지로 변환시키며, 축류 터빈으 로서 그 축심은 상기 선회 유수조(10)의 원통 중심과 일치되고, 축의 하부 베어링은 본 발명의 파력발전 시스템의 바닥 외판(90)에, 상부 베어링은 상기 선회 유수조(10)의 천정 외판(90)에 설치되고, 상부 베어링의 상단에 발전기(g)가 설치되도록 배치된다.

그리고, 도 2의 격판으로 나누어진 다수개의 격실은 부력을 이루는 공동이 되며, 상기 자동 밸러스트 조절부(도면 미표시)는 본 발명의 파력발전 시스템의 전후 좌우의 자세를 수평으로 유지함과 동시에 유입부 플랫폼(40)의 높이를 파랑의 파동 중간 높이에 일치되도록 자동적으로 조절하며, 도면에는 표시되지 않았으나 1대 또는 수대의 밸러스트 펌프와, 상기 밸러스트 펌프를 중심으로 후술하게 될 각 격실의 내 하부 밸마우스에 연결되는 흡입관 및 토출관들과 연결되어 각 격실들로부터 선택적으로 흡입할 수 있는 흡입 전동 그룹밸브 세트와 각 격실로 도출할 수 있는 도출 전동 그룹밸브 세트와, 레벨측정 센서와 전후 방향과 좌우 방향의 수평 측정 센서 및 상기 밸러스트 펌프와 상기 전동 그룹밸브 세트들을 중앙 제어장치에서 제어하도록 형성된다.

그리고, 잔류 선회속도벡터 제어부(80)(도면 미표시)는 잔류 선회속도벡터 센서를 이용하여 잔류 선회속도벡터를 연속적으로 측정하여 중앙 제어장치에서 선회 유수조(10) 내 물의 에너지 상태의 변동에 따라 전력 저장용 배터리 충전전류가 신속히 응답하도록 제어함으로써 수력터빈(70)의 시간적 총 에너지 변화효율이 최대로 되도록 하는 시스템으로 구성된다.

상기 잔류 선회속도벡터 센서는 도 6에 수평 및 수직 단면도로서 나타낸 것 과 같이, 잔류선회속도 벡터에 의하여 수평방향의 힘을 받게 되며, 부유하는 해초류나 잡물이 미끄러져 내려가도록 경사 에지를 갖는 수직평판의 프로브(81)와 수밀 벨로즈(82)와 상기 원주 방향 힘을 인장력 또는 압력의 형태로 측정하는 로드셀(83)로 구성되며, 상기 프로브(81)와 수밀 벨로즈(82) 및 로드셀(83)은 상기 수력터빈의 하류 배수관 벽(84)의 수직부에 설치되어서, 잔류선회속도를 연속적으로 측정하여, 잔류 선회속도벡터 제어부(80)에 송출하여, 배터리 충전전류를 제어하고, 무효 선회운동 형태의 운동에너지를 최소화할 수 있게 함으로써 수력터빈(70)의 시간적 총 에너지 변화효율을 최대화하게 된다.

그리고, 상기 외판(90)은 상기 선회 유수조(10)와 전향판(20)과 상기 보호창틀(30)과 상기 유입부 플랫폼(40)과 상기 안내판(50)과 상기 체크밸브판(60)과 상기 자동 밸러스트 조절부와 상기 잔류 선회속도벡터 제어부(80)와 상기 발전기(g)를 탑재하여 공동이 생성되도록 전후 좌우 상하를 둘러쌈으로써, 본 발명의 파력발전 시스템을 부양시킬 수 있는 부력을 발생시키며, 내부에 전후 좌우의 구획으로 구분하는 다수의 격벽들을 형성하여, 이로써 형성되는 다수의 격실들에 보유된 밸러스트물의 양에 의하여 상기 자동 밸러스트 조절부에 의한 자세 조절과 높이의 조절을 가능하게 한다.

도면들에는 발명의 개념을 설명하는데에 부합하도록 부양식 방파제 겸용 파력발전시스템의 기본 단위를 3칸 연결한 3개의 격실을 가지는 것으로 나타내었으나, 설치할 장소의 형편과 고정용 해저 앵커의 형편에 따라 확대 연장하여 사용할 수가 있는 것이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 대한 작용, 효과를 설명하고자 한다.

먼저, 상기 자동 밸러스트 조절부에 의하여 부양식 방파제의 자세를 수평으로 유지하며, 동시에 파랑 유입부 플랫폼(40)의 높이가 항상 파랑의 중간 수위에 일치하게 자동조절하여, 파랑의 상반부의 해수만 포획할 수 있게 함으로써 선회 유수조(10)에 유입하는 파랑의 수량을 최대화할 수 있게 한다.

그 다음, 부양식 방파제의 파랑 진입부에 설치된 전향판(20)에 의해 파랑의 운동을 선회 유수조(10)의 입구에 접선방향으로 유도하고, 파랑의 에너지를 받아들이는 횡 방향 폭을 전폭에 걸치게 함으로써 에너지 밀도가 최대화된 파력발전 시스템을 구현한다.

그리고, 접선방향으로 원통형의 선회 유수조(10)에 진입한 파랑이 선회 유수조(10) 내에서 자유롭게 선회하는 동안 파랑의 상반부 횡 운동에너지를 손실이 없이 보존될 수 있게 하며, 선회하는 물이 선회 유수조(10)의 중앙 하부에 설치된 수력터빈(70) 케이싱에 도달하면 자유와(free vortex)의 각운동량보존의 법칙에 따라 선회운동속도가 증속되도록 함으로써 수력터빈(70)의 회전속도를 높게 하여 횡운동에너지를 효과적으로 기계적에너지로 변환시킬 수 있는 파력발전 시스템을 구현한다.

그리고, 파랑 주기의 밀물기에 파랑이 선회 유수조(10)에 밀려들어온 후에 파랑 주기의 썰물기에는 수개 층으로 구분된 다수개의 상기 체크밸브판(60)에 의하 여 역류를 차단함으로써, 파랑의 상반부의 각부의 위치에너지를 최대 상태로 선회 유수조(10)에 포획할 수 있게 함으로써 위치에너지 수준을 최대화할 수 있게 한다.

그 다음, 상기 수력터빈(70)의 후류에 삼각형 평판과 로드 셀을 이용한 잔류 선회운동벡터 측정부를 설치하여 수력터빈(70)에서 이용하고 배출되는 수류의 잔류에너지가 0에 가깝게 유지되도록 전력 저장용 배터리 충전전류를 피드백 연속제어를 하여 시간적 에너지변환효율을 최적의 상태로 유지함으로써 총합 에너지변환효율을 최대화하는 파력발전 시스템을 구현하게 된다.

이를 상세히 살펴보면, 도 4(가)에 나타낸 위치와 방향에서 파랑이 본 발명에 따른 파력발전 시스템의 전면 전폭에서 밀려 들어오게 된다. 이들 파랑의 상반부는 유입부 플랫폼(40)의 상부에 진입하면 도 4(나)에 나타낸 바와 같이 선회 유수조(10)의 입구 안내판(50)에 접선방향으로 수렴되며, 전면 보호창틀(30)은 파랑과 함께 부유물이 진입하여 수력터빈(70)을 손상하게 되는 것을 방지하며, 선회 유수조(10) 입구 안내판(50)은 수렴된 파랑의 진행 방향을 선회 유수조(10)에 접선방향으로 안내하는 역할을 하게 된다. 선회 유수조(10)에 접선 방향으로 선회 유수조(10)에 진입한 파랑은 도 4(다)에 나타낸 바와 같이 선회하는 동안 운동에너지가 보존된다.

상기 과정을 도 5의 수직 단면상에서 단일 파장의 파랑 운동을 설명하면 도 5(가)는 파랑이 마루부가 진입부 플랫폼에 반파장 전방에 도달한 모양을, 도 5(나)는 파랑의 마루부가 진입부 플랫폼의 4분이 1파장 전방에 도달한 모양을, 도 5(다) 는 파랑의 마루부가 진입부에 밀려드는 모양, 도 5(라)는 파랑의 마루부가 선회유수조의 채크밸브판을 열고서 진입하는 모양을, 도5(마)는 파랑의 마루부가 선회 유수조(10)를 채우고 썰물기에 체크밸브판(60)이 닫히므로 역류가 차단되고 썰물에 의하여 유입부 플랫폼(40)의 수위가 낮아진 모양을 나타내며 선회 유수조(10) 내에서 큰 규모의 선회류로서 운동에너지를 보존하고 점차 수력터빈(70)의 케이싱과 같은 선회반경으로 작은 규모의 선회운동으로 변경되면서 운동량보존의 법칙에 의하여 선회속도가 증속하여 고속으로 수력터빈(70)을 회전시킨 후 배수구로 물이 배출되고 있다.

상기와 같이 파력발전 시스템의 전방에 밀려드는 파랑의 횡 방향 전폭에 걸쳐서 파랑을 수용할 수 있기 때문에 에너지 밀도가 큰 파력발전 시스템을 구현할 수가 있으며 파랑의 상반부의 횡운동에너지가 선회 유수조(10)의 내에서 선회운동 상태의 운동에너지로 변화되어 보존되며 각운동량이 보존되는 동안 수력터빈(70)의 고속 선회운동으로 변화되므로 파랑의 운동에너지를 효과적으로 수력터빈(70)의 동력으로 변환시킬 수 있게 된다.

그리고, 동시에 체크밸브판(60)에 의해 선회 유수조(10)에 밀려 들어온 파랑의 역류가 차단되어 진입한 파랑을 최대량 포집할 수 있으므로 수력터빈(70)의 낙차를 최고의 상태로 유지할 수 있고, 따라서 파랑의 위치에너지도 효과적으로 수력터빈(70)의 동력으로 변환시키는 것이 가능하게 된다.

한편 수력터빈(70) 후류의 선회속도벡터의 강도는 수력터빈(70)의 효율에 직접 영향을 미치는 것으로서 이것이 0으로 될 때에 최고의 터빈 효율을 내며, 벡터 가 터빈 블레이드와 같은 방향으로 됨은 수력터빈(70)의 발전기(g)를 구동하는 토크가 충분치 못함을 나타내고, 반대로 벡터가 터빈 블레이드와 반대방향으로 됨은 상기 구동 토크가 과도히 큼을 나타내므로 본 도면에는 나타내지는 않았으나 발전기(g)의 자동전압조정기에서 파랑의 주기적인 에너지 변동에 대응하여 전력 저장용 배터리 충전전압으로 발전기(g)의 전압을 일정히 자동조절하며, 수력터빈(70) 후류에 설치된 잔류 선회속도벡터 센서에 의하여 잔류 선회속도의 강도를 검출하여 충전전류를 가감하도록 피드백 순시 제어하는 중앙제어장치에 의하여 시간적 에너지변환효율을 최적의 상태로 유지하고, 총합에너지변환효율을 최대화하는 파력발전시스템을 구현하게 된다.

도 1 - 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템에 대한 부분 제거 사시도.

도 2 - 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템의 주요부에 대한 수평단면도.

도 3 - 본 발명에 따른 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템의 주요부에 대한 수직단면도.

도 4 - 도 2의 수평단면상에서의 파랑의 작용을 나타낸 도.

도 5 - 도 3의 수직단면상에서의 파랑의 작용을 나타낸 도.

도 6 - 본 발명에 따른 잔류 선회속도벡터 센서에 대한 수평 및 수직단면도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

10 : 선회 유수조 20 : 전향판

21 : 유선형부 22 : 평행부

23 : 수렴부 30 :보호창틀

40 : 유입부 플랫폼 50 : 안내판

60 : 체크밸브판 70 :수력터빈

80 : 잔류 선회속도벡터 제어부 81: 프로브

82: 수밀 벨로즈 83: 로드셀

84: 수력터빈의 하류 배수관 벽 90 : 외판

Claims (9)

1. 지속가능한 신재생 에너지원이 되며 방파제의 기능을 겸하여 수행하는 부양식 파력발전 시스템에 있어서,

   유입된 파랑의 운동에너지를 선회운동 상태로 보존하기 위한 것으로 수직 원통형으로 형성된 선회 유수조(10)와;

   파랑의 파동 중간 수평면보다 상부에 파랑의 진행방향과 평행하게 상기 선회 유수조(10) 양측에 형성되며, 상기 선회 유수조(10) 내부로 파랑의 진행방향을 수렴시키도록 형성된 전향판(20)과;

   상기 전향판(20) 사이에 형성되며, 부피가 큰 부유물의 유입을 막도록 다수의 수직 창살 형상으로 형성된 보호창틀(30)과;

   상기 전향판(20) 및 상기 보호창틀(30) 하부에 형성되어 유입되는 파랑의 상반부만 선택적으로 유입되도록 하는 유입부 플랫폼(40)과;

   상기 선회 유수조(10)의 입구에 설치되며, 상기 유입되는 파랑의 운동방향을 상기 선회 유수조(10)의 접선방향으로 유도하는 안내판(50)과;

   상기 선회 유수조(10)의 측면 원통부에 형성되며, 상기 안내판(50)에 힌지결합되어 상기 선회 유수조(10)에 유입된 물이 역류하는 것을 차단하는 체크밸프판과;

   축류 터빈으로서 축심이 상기 선회 유수조(10)의 중심과 일치되고, 상단에는 발전기(g)가 설치되어, 상기 선회 유수조(10) 내부로 유입된 파랑의 선회운동 상태 의 운동에너지 및 포획된 물의 수력낙차로 보유되는 위치에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 수력터빈(70)과;

   상기 파력발전 시스템의 자세를 수평으로 유지하고 상기 유입부 플랫폼(40)의 높이를 파랑의 파동 중간 높이에 일치되도록 자동적으로 조절하는 자동 밸러스트 조절부와;

   잔류 선회속도벡터 센서를 이용하여 잔류 선회속도벡터를 연속적으로 측정하여 상기 선회 유수조(10) 내의 물의 에너지 상태의 변동에 따라 전력 저장용 배터리 충전전류가 응답하도록 제어함으로써, 상기 수력터빈(70)의 시간적 총 에너지 변환효율이 최대로 되도록 하는 잔류 선회속도벡터 제어부(80)와;

   상기 선회 유수조(10), 전향판(20), 보호창틀(30), 유입부 플랫폼(40), 체크밸브판(60), 수력터빈(70), 자동 밸러스트 조절부 및 잔류 선회속도벡터 제어부(80)를 포함하여 내부에 탑재하여 부력을 발생시키며, 내부에 전후 좌우의 구획으로 구분하는 다수의 격벽들을 형성하여 형성되는 다수의 격실들에 보유된 밸러스트 물의 양에 의하여 상기 자동 밸러스트 조절부에 의한 자세 수평 조절과 높이 조절을 가능하게 하는 외판(90);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전향판(20)은,

   상기 선회 유수조(10)의 입구에 설치된 안내판(50)에로 파랑의 진행방향을 수렴시키기 위해 파랑의 유입 최전방에서는 유선형부(21)를, 중도는 평행부(22)를, 상기 안내판(50)의 전방에서는 수렴부(23)를 갖는 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
3. 제 2항에 있어서, 상기 보호창틀(30)은,

   상기 전향판(20)의 평행부(22)의 양단에 걸쳐서 설치되는 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
4. 제 2항에 있어서, 상기 유입부 플랫폼(40)은,

   상기 전향판(20)의 유선형부(21)에서부터 수렴부(23)에 걸쳐서 양쪽 전향판(20)의 하부를 파랑의 파동 중간면 상에 수평 평판으로 연결하는 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 안내판(50)은,

   상기 선회 유수조(10)의 원통면보다 작은 가상의 동심 원통면에 접선방향의 수평 단면을 가지며, 상단은 파력발전 시스템의 천정판에, 하단은 상기 유입부 플랫폼(40) 상에 연결되는 5~7개의 수직판 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 체크밸브판(60)은,

   힌지의 축을 중심으로 회전되는 직사각형 판형의 스윙 체크밸브로서, 상기 안내판(50)을 통과한 파랑의 밀고 들어가는 압력이 상기 선회 유수조(10)의 압력보다 높아질 때에 자동으로 열릴 수 있도록 형성되며, 파랑의 충돌적 유입시에 과도한 응력을 받지 않도록 원주 방향으로 5~7단, 상하 방향으로 2~4층으로 분산시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
7. 제 1항에 있어서, 상기 수력터빈(70)은,

   축의 하부 베어링은 바닥 외판(90)에, 상부 베어링은 상기 선회 유수조(10)의 천정 외판(90)에 설치되고, 상부 베어링의 상단에 발전기(g)가 설치되도록 배치된 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
8. 제 1항에 있어서, 상기 자동 밸러스트 조절부는,

   1대 또는 수대의 밸러스트 펌프와, 상기 격실 내 하부 벨 마우스에 연결되는 도관들과 각 격실들로부터 선택적으로 흡입할 수 있는 흡입 전동 그룹밸브 세트와 각 격실로 도출할 수 있는 도출 전동 그룹밸브 세트 및 상기 밸러스트 펌프와 상기 전동 그룹밸브 세트들을 중앙 제어장치에서 제어하도록 형성된 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.
9. 제 1항에 있어서, 상기 잔류 선회속도벡터 제어부(80)의 잔류 선회속도벡터 센서는,

   부유하는 해초류나 잡물이 미끄러져 내려가도록 경사에지를 갖는 수직평판의 프로브(81)와, 수밀 벨로즈(82)와, 원주 방향 힘을 인장력 또는 압력의 형태로 측정하는 로드셀(83)로 구성되며, 상기 프로브(81), 수밀 벨로즈(82) 및 로드셀(83)은 상기 수력터빈의 하류 배수관 벽(84)의 수직부에 설치되어서, 잔류 선회속도를 연속적으로 측정하여 잔류 선회속도벡터 제어부(80)에 송출하고, 상기 전력 저장용 배터리 충전전류를 제어하여, 무효 선회운동 형태의 운동에너지를 최소화하도록 형성된 것을 특징으로 하는 부양식 방파제 겸용 파력발전 시스템.

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