KR101076080B1 - 파도동력변환장치 - Google Patents

Abstract

파도는 바다에서만 찾을 수 있으나, 재생에너지(햇빛, 바람, 수력, 조류, 파도, 지열) 중 가장 매력적인 에너지 원이다.

그러나 그동안 진동의 특성을 잘 모르고 파도를 이용한 에너지 생산에 대한 종래기술의 단점들을 약간의 변경으로 생산성과 생존성을 향상시키어, 파도동력을 제대로 이용하고자 하는 기술이다.

파도, 파력 발전, 진동, 공진, 불안정시스템, 동력변환

Description

파도동력변환장치{Ocean Energy Converter}

본 발명은 액체의 상하진동운동 에너지를 기체나 액체를 가압한 압축유체의 흐름으로 바꾸거나, 선형발전기 또는 회전식 발전기를 사용하여 전기에너지로 바꾸는 동력변환장치에 관한 것이다.

태양광 발전에 비하여 비용이 1/6 ∼1/8인 풍력발전의 경우 풍속이 5∼6 m/s 이상이면 경제성이 있다 한다. 풍속이 7m/s일 때 에너지밀도가 206 W/㎡ 임에 비하여, 파도가 좀 세다고 하는 지역의 파도가 연중 50%이상이 파고 1.5~2.0 m이하인데 파고가 2m일 때 5,000 W/㎡ 이다.

에너지 밀도가 높은 만큼 경제성이 높아지기에 파도는 매력적인 에너지원이나, 파력발전이 널리 보급되지 않고 있음은 종래 기술이 안고 있는 문제점 때문으로 보인다.

파도동력변환장치는 파도동력변환장치의 일부 또는 전부가 수직으로 주변의 액체에 잠기는, 속이 빈 튜브 형태인 부력수단을 갖는다. 이 부력수단은 상단과 하단이 일부 또는 전부 개방되어 주변의 유체가 통하기도 하고, 상단과 하단이 막히어 주변 유체가 통할 수 없는 경우 ‘플로트’라 부른다.

현재는 이 부력수단의 소재는 금속이나 복합재, 플라스틱과 같이 대체적으로 강체이다.

파도동력변환장치의 원리는 동력변환장치에 대하여 파도가 강제진동을 하면 그에 대하여 동력변환장치에 진동이 발생하고, 동력변환장치는 그 진동에너지를 우리가 필요로 하는 형태의 에너지(전기, 가압유체, 기계적 운동에너지 등)로 바꾸는 것이다.

일반적으로 기계에서 진동은 골치 아픈 것으로 기계수명을 단축시키고 고장의 원인이 되므로, 특히 공진현상을 극도로 기피한다. 그러나 파도동력변환장치에서 그 발생진동이 크면 클수록 유리하고 공진은 바람직한 현상이다.

부력이란 부력수단의 일부 또는 전부가 주변유체에 잠기면서 밀어낸 (주변)유체의 중량만큼 중력에 반대되는 방향으로 작용하는 힘을 말한다.

Any object, wholly or partially immersed in a fluid, is buoyed up by a force equal to the weight of the fluid displaced by the object.

--- Archimedes of Syracuse

따라서 부력은 부력수단이 클수록 커진다. 그러나 진동에너지는 부력수단이 커진다 고 진동에너지가 커지지 않는다. 원판 실린더형 플로트라면 파도의 파장이 L 이라면 원판의 지름 D가 D=L/2π=0.159L 일 때 최대로 진동에너지를 얻게 된다.

그런데 파도의 파장은 수시로 바뀐다.

또한 그 파도의 방향이 일정하지 않다고 보기에 대부분의 파도동력변환장치는 원형 부력수단을 채택하기에 대형화가 곤란한 것이 현재의 기술이다.

다음 진동방정식에서 고유진동수는

이며, 부력수단이 실린더로 지름 D라면 고유진동수는

이다. 이는 원형 실린더로 상단과 하단이 막히고, 일부가 수면위로 노출되어 있는 것으로 용수철이 항상 동력변환기의 운동자의 운동을 구속하므로서 안정된 시스템이다. 이렇게 안정된 시스템에서 공진을 유도하고자 한다면 파도 동력변환장치의 고유진동수를 파도의 진동수

와 같도록 해주어야 한다.

따라서 대개 파도동력변환장치는 질량의 변화를 위하여 잠수함처럼 부력수단 내에 바닷물을 넣다 빼거나, 탄성계수를 바꾸어 주기 위하여 공기스프링, 마그네틱 스프링 등을 사용하고 있다. 그러나 이들 방식들은 변화량 자체도 적고 변화속도가 늦어서 수시로 바뀌는 파도의 변화속도에 대응할 수 없는 상황이며, 장치는 복잡해지고 초기 및 유지비용의 증가에 비하여 에너지 생산율이 낮기에 잘 쓰이지 않고 있다.

파도동력변환장치의 보급이 늦어지고 있는 또 다른 사유는 파도의 변덕이 너무 심하다는 것이다,

보통 바다가 연중 50%이상이 파고 1.5∼2.0 m 이하이나, 어쩌다 한번 있는 파도가 20m인 경우가 있다. 에너지 밀도가 파고의 제곱에 비례하기에 100배로 튼튼한(비용도 100배가 될 것임) 장비를 통상적으로 그 장비성능의 1/100인 상황에서 에너지를 생산하기에 비경제적인 것이 당연하다.

만약, 경제성만 따져서 통상적인 운용상황(파고 2m 이하)에 적합한 장비를 구성하였다가 몇 년도 못 가 파손된다면 그것은 더 큰 손해이다.

본 발명에서는 종래기술들이 안고 있는 여러 가지 문제들, 즉 파도가 변화하는 속도에 대하여 너무 늦거나 미약한 파도동력변환장치의 부력변화, 고유진동수 변화, 파도 진동흡수율 등을 간단하게 일부 장비요소들에 변화를 주어 해결하고자 한다.

본 발명의 파도동력변환장치는 적어도 하나의 부력수단과 동력변환기, 지지수단, 그리고 이들을 이어 주는 연결수단으로 구성된다.

지지수단은 바다의 바닥에 말뚝을 박아 기초를 세우거나, 공사하기 힘든 곳은 추 또는 닻(anchor)를 바다위에서 떨어 뜨려 위치를 잡을 수 있으며 이때에는 상대적으로 가벼운 추를 사용하면서 부력수단과 지지수단 사이의 큰 상대운동을 유발시키기 위하여 항력판을 부가할 수 있다. 항력판은 강체로 만들어도 되겠으나 비용의 절감을 위하여 낙하산 같이 천을 사용하는 것이 바람직하다.

그림 1은 닻(1-1)과 항력판(1-2)으로 이루어진 지지수단 그리고 수면 위에 부력수단(3)의 일부가 노출된 파도동력변환장치로서 동력변환기가 부력수단 내에 위치한 경우로서 등부표와 같은 소형시스템에 적합하다.

그림 2는 그림 1과 같은 등부표형 소형시스템이나, 본 발명의 개념을 적용한 개념도로서, 종래기술의 구성요소들과 대동소이하나 부착위치 또는 기술요소의 사용방식을 약간만 변경하였음에도 동력학적으로 불안정 시스템으로 구성하였기에, 거의 모든 파도에 대하여 공진을 일으키는 것을 보여 주고 있다.

동력변환기는 상하 왕복운동, 즉 진동을 쓰기 편리한 형태의 에너지로 전환하는 것으로 실린더와 일방향(one-way) 체크 밸브, 그리고 피스톤으로 구성되어 주변유체 즉, 바닷물을 가압하여 육지 높은 곳의 바닷물 저수지에 보관하였다가 필요시 수력발전을 하여도 되고, 직접 구동되는 선형발전기 또는 가압된 바닷물에 의하여 구동되는 수차(Hydro Turbine)에 기아변속을 한 회전식 발전기로 직접 전기를 생산할 수도 있다. 가압유체를 만들기 위하여 더욱 단순하게 신축성 재질의 호스와 일방향 체크 밸브로 된 호스펌프도 가능하다.

에너지 생산성을 높이기 위하여 우선 부력수단이 파도의 진동에너지를 가능한 많이 흡수하여야 한다.

부력은 부피에 비례하기에 크기를 키워야 하며 진동에너지를 위하여 파도의 진행방향의 부력수단 길이는 (파도의 파장) 나누기 (2π) 한 길이로 하도록 하되, 폭에 대한 제한은 없다.

따라서 대형화가 가능하며, 보다 넓은 범위의 파장에 대한 파도를 목표로 한다면 파도 진행방향의 부력수단 길이를 변화시키도록 한다.

카누피 소재는 유연한 섬유 또는 천막천을 사용하고, 길이를 조절하기 위하여 공기튜브, 수압실린더, 공기 벨로우즈 같은 것에 작동유체의 압력을 조절하여 길이를 조절할 수 있다. 또는 전동 서보모터로 구동되는 텔레스코픽 암도 가능하다.

부력수단의 폭면이 항상 파도의 진행방향에 대하여 수직 상황을 유지하기 위하여 부력수단에 자세조종 수단을 갖추도록 한다. 자세조종 수단은 선박 또는 잠수정에서 쓰는 추진기(바우 쓰러스터; Bow Thruster) 또는 프로펠러, 스크류, 압축공기분사장치를 사용한다. 파도의 주기, 진폭, 파장 등에 대한 관측은 파도동력변환장치에 의한 영향을 받지 아니하는 범위로서 가까운 곳에서의 파도의 측정값을 사용한다.

시스템 구성요소를 줄이기 위하여는 추진기를 쓰는 능동적인 자세조절보다 수동형이 바람직하다. 부력수단이 스스로 파도의 진행방향에 대하여 부력수단의 폭이 직각으로 놓이도록 하려면 부력수단의 형상이 파도진행방향에 대하여 오목한 형상을 갖도록 한다.

부력수단이 가능한 많은 파도의 진동에너지를 받은 다음, 원하는 형태의 에너지를 많이 생산하려면 파도동력변환장치가 되도록 넓은 범위의 파도주파수에서 공진이 일어나도록 하여야 한다.

앞서 언급하였듯이 파도동력변환장치의 질량 및 용수철계수를 바꾸는 것은 한계가 있으며 비용도 많이 든다.

따라서 스프링매쓰(spring mass) 시스템에서 불안정한 , 즉 항상 발산하는 시스템(불안정 시스템)으로 만들도록 한다.

다음의 진동방정식은 일반적인 스프링시스템(종래기술)에서 부력수단이 전부 물속에 잠겼을 경우이다. 여기의 부력수단은 강체인 경우 하단이 개방되어 바닷물이 입출이 자유로워 공기가 차지하는 체적이 변하거나, 공기주머니같이 밀봉되었더라도 부력수단 몸체가 부드러워(flexible), 공기가 차지하는 체적이 주변의 수압에 따라 체적이 변할 수 있으며, 부력수단 전체가 바닷물 속에 잠겨 있는 것이다.

평형점에서는 자세를 유지하겠으나 약간의 변동에 의하여 상승하면, 수압이 낮아져 체적이 커져 부력이 커지게 되고 이는 상승하는 힘을 만들고, 그 상승은 수압 강하로 이어져 계속 상승한다. 평형점에서 하강하면 수압이 커지고 이는 체적의 감소 그리고 수압의 상승, 그리고 체적의 계속적인 감소로 이어져 계속 하강이 가속된다.

즉 파도의 순환주기 내에서는 계속적인 발산이 이루어지는 것으로 불안정한 시스템이 된다.

여기에서 변위

에 대한 상수를 완전히 음의 값으로 하는 방법은 종래 기술의 스프링을 없애도록 한다. 완전히 불안정한 시스템이 되면 항상 발산을 하므로 굳이 고유진동수를 파도 진동수에 맞추지 않아도 항상 공진과 같은 현상이 벌어진다. 그러나 공진의 특성상 원래 파도 진폭보다 발생진동의 진폭이 커지므로 파도 동력변환장치의 작동범위를 벗어날 우려가 있으며, 작동상 지연(delay) 때문에 공진현상이 어긋날 수 있다. 따라서 그를 통제하기 위한 수단으로 스프링 또는 탄성 스토퍼 또는 걸쇠(latch)를 동력변환기의 양 사점( Top Dead Center 및 Bottom Dead Center)에 두도록 한다.

또는 탄성체 범퍼, 스프링을 피스톤 또는 선형발전기의 운전자에 부착하도록 하되 종래기술과 달리 운동자에 구속을 가하지 아니하고 앞서 말한 양 사점 근처에서만 운동자의 운동을 구속, 즉 운동에너지를 탄성 에너지로 바꾸었다가 다시 운동에너지로 변환하여 운동자에 돌려 주는데 운동방향을 바꾸어 돌려 주도록 한다.

그리고 그 양 사점간의 거리를 파도의 변화에 따라 조절하면 위상제어가 가능하다.

공진의 특성은 원래 진동 진폭보다 발생되는 진동의 진폭이 훨씬 크고, 두 진동간의 위상차가 0°또는 180°인데 동력변환기의 양 사점간의 거리를 조절하여 항상 위상차를 0°또는 180°로 만들 수 있다. 따라서 거의 모든 주파수의 파도에 대하여 공진이 일어나게 된다.

바다에서의 기계장치 생존성을 높이기 위하여 부력수단만 수면근처에 두고, 나머지 부위는 바다의 바닥 근처에 배치하는 것이 바람직하다. 부력수단이 감당할 수 있는 범위의 파도에 대하여는 수면 가까이에서 작동하도록 하나, 한계치 이상의 파도에 대하여는 부력수단을 바다의 바닥 근처로 대피시키도록 한다.

따라서 연결수단은 길이를 조절할 수 있는 얼레 또는 윈치와 같은 길이조절수단을 갖추도록 한다.

바다에서의 구조물들의 가장 큰 문제로서 생존성, 그리고 구성요소가 단순함에도 거의 모든 주파수 영역의 파도에 대하여 공진이 일어나므로 경제성이 해결되었다. 대부분 물자 수송과 공사가 힘든 먼 바다에서 오랜 기간 공사하는 중에 극심한 기상에 의하여 파괴되는 경우가 많은데, 본 발명은 육지에서 준비하여 먼 바다에 나가 짧은 기간에 설치할 수 있도록 하였다. 그리고 대부분의 구성요소들은 모듈별로 표준화하여 대량생산이 가능하며 대형화 역시 용이하다.

그림 3은 본 발명의 장점들을 활용한 대형 에너지 생산시스템이다.

동력변환기는 선형발전기로 구성하였으며, 스프링(6) 들이 상사점과 하사점을 간격을 조절하기 위하여 길이 또는 위치 조절이 가능한 스토퍼(8)에 부착된 경우이다.

부력수단(3)은 공기주머니로 구성되었으며 부력수단의 극심한 파도 대피시 하강속도를 빠르게 하기 위하여 부력수단(3)의 공기를 방출하기 위하여 방출구(9)가 있다.

이후 파도가 잠잠해지면 다시 부력수단을 부상시키기 위하여 공기공급호스(10)를 구비한다. 스쿠바다이빙에서 쓰는 공기탱크는 200기압에서 250기압으로 충진시키고 있다. 그러한 압축공기탱크를 사용하면 비용이 저렴하다.

그리고 부력수단(3)과 동력변환기의 운동자인 전자석 또는 영구자석으로 구성된 아마튜어간(5)의 거리를 조절하기 위하여 줄감개(11)가 있다.

그림 4는 대형부력수단으로서 부력수단의 파도진행방향 길이를 조절하고, 항상 파도의 진행방향에 부력수단의 폭이 수직으로 놓여 있기 위한 것으로 공기주머니의 카누피(15)는 폴리우레탄 천이나 방수처리된 나일론 또는 데크론을 쓰는 경우로서 바다 위에서 내려다 본 개념도이다. 폭 방향으로 강성을 유지하기 위하여 복합재 또는 알루미늄으로 된 스트러트(12) 두 개로 뼈대를 이루고, 이들의 간격을 조절하기 위하여 스프링 또는 고뭇줄 밴드(13)와 공기 또는 수압 실린더로서 작동유체의 압력을 조절하여 부력수단의 길이를 조절하기 위한 공기실린더 또는 공기벨로우즈(14)가 있다. 그리고 부력수단이 항상 파도의 진행방향에 대하여 폭 면이 수직을 이루도록, 파도진행방향에서 보아 부력수단의 폭이 오목한(convex) 형상이 되도록 플라스틱 또는 금속, 복합재, 또는 플라스틱 같이 강성을 유지할 수 있는 재질의 베인(16) 또는 오어(oar), 쿼터러더(quater rudder)가 부가 장착되었다.

그림 1: 종래기술을 적용한 등부표용 소형시스템

그림 2: 본발명의 개념을 일부 적용한 등부표용 소형시스템으로서

종래기술의 기술요소와 거의 유사하나, 거의 모든 주파수의 파도에

대하여 공진현상을 유발할 수 있음을 보여주는 개념도

그림 3: 본 발명의 장점들을 적용한 대형 에너지 발생시스템의 실제 구현도

그림 4: 파도동력변환장치의 부력수단의 대형화가 가능하며, 능동형 자세조 절수단 대신. 수동형으로 항상 파도의 진행방향에 대하여 부력수단 의 폭이 수직인 상태를 유지하는 수동형 자세조절 부력수단 구조물 개념도

Claims (8)

1. 액체의 진동운동으로부터 가압유체의 흐름, 또는 기계적 운동에너지, 전기와 같은 다른 형태의 운동에너지를 생산함에 있어,

   하나 이상의 부력수단: 상기 부력수단은 철, 알루미늄, 복합소재, 나일론, 대크론, 아라미드 섬유 와 같은 소재로서 원형 또는 사각형 실린더튜브 또는 구, 타원구의 형태로 그 속에 공기를 담아서 체적을 유지하므로서 부력을 받는 기구;

   동력변환기: 상기 동력변환기는 동력변환기 내의 운동자가 구동되면 전기를 발생하는 회전식 발전기 또는 선형발전기 또는 압축공기의 흐름 또는 가압된 수류를 발생시키는 공압펌프나 수압펌프와 같은 동력변환기로서 상기 동력변환기 내의 운동자는 상기 부력수단에 연결된 동력변환기;

   지지수단: 상기 지지수단은 바닥에 말뚝을 박고 세우는 기초 또는 닻, 추, 발라스트, 항력판과 같이 상기 동력변환기의 외부에 연결되어 파도동력변환장치가 다른 곳으로 표류하지 않도록 하며, 상기 부력수단에 연결된 (상기 동력변환기 내의) 운동자가 파도에 의하여, 상기 동력변환기에 대한 상대적 진동운동이 생기도록 상기 동력변환기 외부를 지지하는 기구;

   연결수단: 상기 부력수단, 상기 동력변환기, 상기 지지수단 들을 이어 주는 견인줄, 굴레줄, 스트러트, 프레임, 빔들의 조합으로 이루어진 구조로 된 연결기구;

   로 구성되고, 동력변환기의 외부는 바다의 바닥 근처에 위치한 지지수단에 연결되고 동력변환기 내의 운동자는 해수면 근처에 위치한 부력수단에 연결되어, 파도에 의한 해수면 높이의 변화에 따라 부력수단의 상하 진동운동이 동력변환기 내의 운동자의 상하 진동운동으로 전환되어 전기나 압축공기 또는 가압된 수류를 생산하는 파도동력변환장치
2. 청구항 1에 있어,

   하나 이상의 사각형 실린더 튜브형태의 부력수단에 파도의 진행방향과 평행방향인 부력수단의 길이를 파도의 파장 길이 나누기 2π와 같이 되도록, 파도의 파장의 변화에 따라 부력수단의 파도진행 방향 길이를 조절하기 위한 공기튜브, 공압실린더, 수압실린더, 전기구동 텔레스코픽 암 과 같은 길이조절수단을 더 포함하는 파도동력변환장치
3. 청구항 1에 있어,

   하나 이상의 사각형 실린더 튜브형태의 부력수단이 파도에 의한 부력변화를 최대로 받기 위하여, 파도의 진행방향에 대하여 부력수단의 폭이 수직으로 놓이도록, 바우 쓰러스터, 프로펠러, 스크류, 압축공기분사장치와 같이 부력수단의 자세를 조절할 수 있는, 자세조절수단을 더 포함하는 파도동력변환장치
4. 청구항 1에 있어,

   하나 이상의 사각형 실린더 튜브형태의 부력수단이 파도에 의한 부력변화를 최대로 받기 위하여, 파도의 진행방향에 대하여 부력수단의 폭이 수직으로 놓이도록, 파도의 진행방향에서 볼 때 부력수단의 형상이 전체적으로 오목한 형상이 되도록 베인 또는 오어같은 부가물을 부치어 오목한 형상이 되거나, 부력수단 자체의 형상이 오목한 모양을 하여, 부력수단의 형상이 파도진행방향에서 볼 때 부력수단 폭이 오목한 형상을 갖는 부력수단을 더 포함하는 파도동력변환장치
5. 청구항 1에 있어,

   파도의 주기에 따라 동력변환기 내 운동자의 운동구간 범위를 조절하여 공진현상을 유도하기 위하여, 동력변환기의 외부에 부착되어 운동자 또는 피스톤의 운동구간을 제한하는, 길이조절이 가능한 탄성스토퍼, 위치조절이 가능한 탄성걸쇠, 탄성범퍼와 같은 (동력변환기 내) 운동자의 운동구간 범위조절수단을, 운동구간의 하부 또는 상부에, 하나 이상 더 포함하는 파도동력변환장치
6. 청구항 1에 있어,

   동력변환기 내의 운동자와 해수면 근처에 위치한 부력수단을 연결하는 연결수단은,

   파도의 세기에 따라 상기 부력수단의 동작구간 수심을 조절할 수 있도록, 상기 연결수단의 길이를 조절하기 위한 윈치, 줄감개, 얼레 같은 길이조절수단을 더 포함하는 파도동력변환장치
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