KR101080517B1 - 파력 발전용 조립체 - Google Patents

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맷츠 레이욘
한스 베른호프
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스웨디쉬 시베이스드 에너지 아베
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Abstract

본 발명은 부양체와 선형 전기 발전기를 구비한 파력 발전용 조립체에 관한 것이다. 회전자(7)는, 연결 수단(4)에 의해 부양체에 연결되어 상승력이 부양체로부터 회전자(7)에 전달된다. 스프링 수단(11b)은 상승력과 반대 방향인 힘을 회전자(7)에 가한다. 본 발명에 따르면, 회전자(7) 스트로크의 최대 길이의 50%에 상응하는 운동 진폭에서 힘을 받도록 스프링 수단(11b)이 배치되고, 상기 힘의 크기는 최대값으로서 2.5배 만큼 변한다. 본 발명은 또한 본 발명에 따른 파력 발전용 조립체로 구성되는 파력 발전기에 관한 것이다. 더욱이, 본 발명은 파력 발전용 조립체의 용도 및 전기 에너지를 생산하는 방법에 관한 것이다.

Description

파력 발전용 조립체{WAVE POWER ASSEMBLY}
본 발명은 제 1 특징으로 파력 발전용 조립체에 관한 것으로서, 상기 파력 발전용 조립체는 부양체(hull) 및 선형 전기 발전기를 포함하며, 전기 발전기의 회전자가 연결 수단에 의해 부양체에 연결되고 발전기의 고정자가 바다/호수 바닥에 고정되도록 배치되어, 파력 발전용 조립체가 회전자에 힘을 가하도록 배치된 스프링 수단을 더 포함하며, 회전자의 적어도 일부분 움직임 동안 힘이 회전자 위의 부양체에 의해 가해진 상승력과 반대 방향이고, 부양체 및 스프링 수단에 의해 가해진 힘의 연속적인 운동으로서 회전자가 회전자의 스트로크의 길이를 형성하는 두개의 단부 위치 사이에 왕복 운동을 수행하게 배치되고, 조립체가 스트로크의 고정된 최대 길이에 대해 배치된다. 회전자의 운동 방향은 발전기의 길이 방향을 형성하고 운동 방향에 수직한 평면은 발전기의 가로 방향을 한정한다.
제 2 특징으로, 본 발명은 본 발명에 따른 복수의 파력 발전용 조립체를 포함하는 파력 발전기(wave power plant)에 관한 것이다.
제 3 특징으로, 본 발명은 전기를 생산하기 위해 발명된 파력 발전용 조립체의 용도에 관한 것이다.
제 4 특징으로, 본 발명은 전기 에너지의 생산 방법에 관한 것이다.
본 발명에서, 용어 회전자는 선형 발전기의 가동부를 위해 사용된다. 그러 므로, 용어 회전자는 회전하는 바디에 관한 것이 아니라 선형 왕복 운동하는 바디에 관한 것임을 고려해야 한다. 그러므로, 회전자의 운동 방향에 의해, 기준은 회전자의 운동의 선형 방향에 만들어 진다.
본 발명에 따른 파력 발전용 조립체는 500kW까지의 응용례로 의도되나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
고정자가 바다 바닥에 고정을 위해 배치되었다는 사실이 같은 상황이라는 것을 반드시 의미하지는 않는다. 또한 바다의 바닥에 단단하게 연결되어야 하는 것도 아니다. 그러므로, 고정자의 구조는 자연스럽게 떠다니며 지지될 수 있고 고정수단은 조립체가 멀리 가는 것을 예방하는 라인이나 비슷한 것에 의해 오직 구성될 수 있다.
바다와 큰 호수에서 파도 운동은 현재 여전히 이용이 매우 적은 위치 에너지 공급원이다. 이용가능한 파도 에너지는 파도의 높이에 좌우되며 상이한 위치에 따라 자연히 다르다. 1년 동안 평균 파도 에너지는 상이한 바람 조건에 의존하며, 이 바람 조건은 가장 가까운 해안으로부터 위치와의 거리에 매우 영향을 받는다. 많은 곳 가운데, 측정 장치가 북해에 만들어졌다. 깊이가 약 50m인 유틀란드 해안의 서쪽에서 약 100km인 측정 포인트에서, 파도의 높이에 대한 측정이 이루어졌다.
바다 파도의 운동에 의해 이용될 수 있는 에너지를 이용하기 위하여, 전기력 발전을 위한 파력 발전용 조립체의 상이한 형태가 제안되어 왔다. 그러나, 이것들은 전통적인 전기력 생산에 성공적으로 경쟁하는데 성공하지 못해 왔다. 지금까지 실현된 파력 발전기는 주로 시험 발전기이거나 항해 부표에 로컬 에너지 공급을 위해 이용되어 왔다. 상업적인 전기 생산이 가능하도록 하기 위해, 그리고 이로 인해 바다 파도의 운동과 관련된 큰 에너지 저장에 대한 해결책을 제공하기 위해서, 조립체의 조립은 반드시 적절히 위치된 장소에서 수행될 필요는 없다. 조립체가 신뢰성이 있어야 하고, 낮은 제조 비용과 운전 비용 뿐만 아니라 높은 효율을 갖는 것이 또한 필요하다.
파도 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 실행가능한 원리 가운데, 선형 발전기가 가장 넓은 범위에서 연결이라는 점에서 이러한 요건을 대처한다.
파도 운동에 의한 부양체의 수직 운동이 이로 인하여 발전기의 회전자의 왕복 운동에 직접 전달될 수 있다. 선형 발전기는 매우 튼튼하고 간단하게 만들어질 수 있고 이에 의해 바닥에 고정되어, 물속 흐름에 의해 견고하게 영향을 받지 않게 된다. 발전기의 유일한 이동 가능한 부분은 왕복운동을 하는 회전자이다. 이러한 적은 이동 가능한 부분과 간단한 구조적 강화(build-up)에 의해, 조립체는 매우 신뢰할 만하게 된다.
예를 들면, 미국 특허 6,020,653호에서 파력 발전용 조립체가 전술되었는데, 이는 선형 발전기 원리에 기초하고 있다. 이에, 명세서는 바다 표면의 파도 운동으로부터 전기 에너지를 생산하는, 바닥에 고정된 발전기를 기술하고 있다. 발전기 코일은 부양체에 연결되어 코일이 파도 운동과 함께 아래 위로 움직인다. 자기장은 코일이 움직일 때 이에 따라 반응하여 전자기력이 동일한 방법으로 발생한다. 자기장은 전체 코일의 스트로크의 길이에 따라 단일 자기 배향(orientation)을 갖 는 균일한 장을 제공하는 것이다. 발전기는 코일이 이동하는 자기 코어를 운반하는 바다 바닥의 베이스 플레이트를 포함한다.
더욱이, 선형 전기 발전기가 제공되는 파력 발전용 조립체는 이미 미국 특허 4,539,485호에 의해 알려졌다. 이것의 회전자는 다수의 영구 자석으로 구성되고 발전기의 와인딩은 주변의 고정자에 배치된다.
게다가, PCT/SE02/02405호에서, 선형 발전기를 구비한 파력 발전용 조립체가 공개되었는데, 이것에서 회전자는 영구 자석이고 고정자가 회전자의 운동 방향으로 분배된 복수의 폴을 형성하는 와인딩을 포함한다. 스프링 수단은 인장 스프링 형태로 배치되고 회전자에 아래 방향, 즉 부양체의 상승력에 대항하는 방향의 탄성력을 준다.
부양체가 파도에 의해 상승할 때, 이것은 발전기의 회전자가 위로 당겨지는 것을 수반한다. 이러한 이유로 발전된 에너지의 한 부분은 전기 에너지로 변환되고 다른 한 부분은 인장 스프링에 축적된다. 부양체가 파도의 마루로부터 파도의 골까지 이동할 때, 회전자는 인장 스프링에 의해 아래 방향으로 당겨진다. 이에 따라, 스프링에 축적된 에너지는 전기 에너지로 변환된다.
간단한 기계식 인장 스프링이 이용될 때, 전기 에너지로의 변환은 불균일하게 이루어져서, 이것은 교란을 발생시키고 에너지 변환을 위한 열등한 조건의 원인이 된다.
본 발명의 목적은 이러한 배경 기술과 반대로, 파력 발전용 조립체에서 전술한 형태의 문제점을 극복하여 전기에너지의 변환을 최적화 하고자 하는 것이다.
본 발명의 목적은 제 1 특징으로 청구항 1항의 전제부에서 한정된 종류의 파력 발전용 조립체에 의해 달성되는데, 이는 회전자의 스트로크의 최대 길이의 50％에 상응하는 운동 진폭에서, 힘의 크기가 최대 2.5 배 만큼 변하는 힘을 주도록 배치되는 특별한 특징의 스프링 수단을 포함한다.
본 발명에 의한 해법은 교란과 열등한 에너지 변환의 발생에 대한 원인의 확인에 기초한다. 원인은 기계식 인장 스프링의 작용 모드에서 유추할 수 있다. 이러한 하나의 스프링 힘은 중립 위치로부터 스프링의 확장에 정상적으로 비례한다. 이에 따라, 회전자에 접한 스프링에 의해 가해진 힘은 회전자의 움직임 동안 상당히 변하고, 또한 회전자의 속도가 변한다. 회전자의 위 방향 운동으로, 에너지의 상대적으로 큰 부분은 초기에 전기 에너지로 전달되고 오직 더 작은 부분이 스프링에 전달되는데, 이러한 경우 같은 곳으로부터의 반대편 힘이 상대적으로 작기 때문이다. 운동의 더 늦은 부분 동안, 관계는 이때 스프링 힘이 더 커지기 때문에, 정반대가 된다. 상응하는 과정의 결과가 또한 아래 방향 운동에서 일어난다. 여기서, 불균일한 에너지 변환의 결정적인 원인이 발견될 수 있다.
그러므로, 이점에 기초하여, 본 발명에 따라 스프링 수단이 이용되어 상기 불균일함이 스프링 힘의 변화가 제한된다는 사실에 의해 감소된다. 상기 간격에 대해 최대 1:2.5인 스프링 힘의 변화 때문에, 스프링 수단에 축적되는 에너지와 전기 에너지로 변환되는 에너지 사이의 관계는 회전자의 움직임 동안 상대적으로 작게 변할 것이다. 그 결과는 전기 에너지로 개선된 변환이 된다.
회전자의 위치에 대한 함수로서 스프링 힘의 제한된 변화는 많은 상이한 방법으로 제공될 수 있다. 예를 들면, 매우 긴 스프링이 이용될 수 있는데, 이는 짧은 스프링 길이에 상응하는 회전자 위치에서 이미 에너지화되어서 그 탄성력은 다른 단부 위치에서 나타나는 탄성력의 절반이 된다. 또 다른 방법은 스프링 수단이 복수의 스프링으로 구성되고, 이것이 전체 스프링 특성에 바람직한 성질을 제공한다. 토션(torsion) 스프링의 사용은 또 다른 실행 가능한 선택 사항을 구성한다. 더욱이, 바람직한 힘의 변화를 달성하기 위해 유익하게 이용될 수 있는 순수 기계적 구조와 다른 형태의 스프링들이 있다.
본 발명의 파력 발전용 조립체의 바람직한 실시예에 따라, 스프링 수단의 힘 크기는 최대값으로서 1.25 배만큼 상기 간격 내에서 변한다. 위의 설명에서 명백하게, 힘은 움직임 동안 가능한 작게 변하는 것이 바람직하다. 1:2.5 변화 범위가 이미 중요한 이점을 내포한다 하여도, 이것은 더 좁은 변화 범위가 훨씬 더 적절하다. 그러므로, 최대값으로서 1:1.25의 변화가 특히 적절한 실시예를 내포한다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 힘은 실질적으로 일정하다. 바로 위의 이유로부터 명백하게, 이것은 본 발명이 중점을 둔 문제점을 참조하여 최적의 실시예를 구성한다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 스프링 수단은 회전자의 스트로크의 최대 길이의 90％에 상응하는 운동 진폭에서, 최대값으로서 10 배만큼 변하는 크기의 힘을 주도록 배치된다. 사실 본 발명의 이점은 힘 변화 제한 범위가 스트로크 최대 길이의 대략 50%를 오직 구성할 때 큰 범위로 또한 이익이 되는데, 파도 운동이 매우 자주 이 범위 내이기 때문이다. 또한 파도 운동이 그보다 더 클 때, 그 효과는 운동의 더 큰 부분 동안 여전히 달성된다. 그러나, 힘 변화의 한계 범위가 이 실시예와 일치하여 확장된다 할지라도, 본 발명의 이점은 매우 강한 파도 운동에서 또한 매우 이익이 되는 것이 가능할 것이다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 힘은 상기 더 큰 범위에 걸쳐 최대값으로서 1.5 배만큼 변한다. 이에 따라, 특히 바람직한 실시예가 달성된다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 스프링 수단은 가스 스프링을 포함한다. 이러한 것은 확장 정도와 독립적으로 실질적으로 일정한 스프링 힘을 정상적으로 갖기 때문에, 가스 스프링의 이용은 이러한 연결에서 특히 적당하다.
선택적인 실시예에 따라, 스프링 수단은 기계 구조 장치이다. 이러한 해법은 사실 스프링 특성을 조절하기 위한 특별한 수단을 요구한다. 그러나, 특정의 실시예에서, 이러한 실시예는 본 발명에 유익하게 간단하고 신뢰할 만한 구현을 제공한다.
본 발명의 추가적인 바람직한 실시예에서, 스프링 수단은 비선형 스프링 특성을 가진다. 이것은 영향을 끼치는 다른 조건을 고려함으로써 힘 변화의 최적화를 촉진한다.
추가적인 바람직한 실시예에 따른면, 스프링 수단은 능동적으로 제어되는 스프링을 포함한다. 이에 따라, 스프링 힘의 선택은 결과의 과정 동안 발생하는, 예를 들면, 에너지 변환의 효율에 중요한 약간의 파라미터에 좌우되는 스프링 힘을 제어하는 것에 의해 특별한 상황에 채택될 수 있다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 스프링 수단은 복수의 스프링을 포함한다. 이것은 힘 변화에 대한 바람직한 프로파일을 제공하는 단순한 방법이다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 스프링 수단은 파도의 마루 위의 부양체 위치에 상응하는 회전자의 단부 위치에 접한 짧은 거리에 걸쳐, 스트로크의 최대 길이에서, 회전자의 스트로크의 최대 길이의 90% 이하의 최대 힘보다 다수 배 더 큰 힘을 주도록 배치된다. 이에 따라, 힘 있는 브레이킹은 파도 운동이 스트로크의 최대 길이가 이용되는 것일 때 그 최종 위상에서 회전자의 위 방향 운동으로 달성될 수 있다. 이러한 브레이킹에 의해, 손상의 위험은 스트로크의 길이를 제한하는 견고한 멈춤과 비교하여 방지될 수 있다.
이러한 연결에서, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 짧은 거리는 회전자의 스트로크의 최대 길이의 10% 미만으로 구성된다. 이 크기의 브레이킹 거리는 합리적으로 매끄러운 브레이킹을 할 수 있도록 충분히 크고 다른 측면에서 운동 과정에 어떤 교란하는 충격을 받지 않도록 충분히 작다. 바람직하게, 상기 거리는 스트로크의 최대 길이의 5% 미만이다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 힘은 단부 위치까지 거리를 감소시키면서 상기 짧은 거리에 걸쳐 증가한다. 이에 따라 브레이킹은 출발하는데 매끄럽게 발생하고 전체 힘으로 단부위치에 비로소 매우 근접한다는 점에서 조화된다.
추가적인 바람직한 실시예에 따르면, 스프링 수단은 상기 짧은 거리에 걸쳐 힘을 가하기 위한 하나 이상의 분리 스프링 소자를 포함한다. 상기 짧은 거리에 걸친 스프링 힘이 나머지 운동 동안의 스프링 힘과 상당히 상이할 경우에, 하나 이상의 분리 소자는 목적을 달성하기에 간단하고 적절한 방법이다.
바람직한 실시예에 따라, 이러한 연결에서, 각각의 분리 스프링 소자는 기계적 압축이나 인장 스프링이다. 이러한 것은 이러한 상태 동안 바람직한 특질의 성취를 위해 적합하다. 소자는 바람직하게 고무 바디로 구성될 수 있다.
전술된 본 발명의 파력 발전용 조립체의 바람직한 실시예는 청구항 1의 종속항들에서 정의된다.
본 발명의 제 2, 제 3, 제 4 의 특징에서, 목적은 본 발명에 따른 복수의 파력 발전용 조립체를 포함하는 파력 발전기에 의해, 전기를 생산하기 위해 본 발명에 따른 파력 발전기의 용도에 의해, 본 발명에 따른 파력 발전용 조립체에 의해 수행되는 전기의 생산 방법에 의해 달성되는데, 이는 각각, 청구항 16항, 17항 및 18항에 한정된다.
본 발명의 파력 발전용 조립체, 본 발명의 용도 및 본 발명의 방법에 의해, 상응하는 타입의 이점은 본 발명의 파력 발전용 조립체 및 동일한 바람직한 실시예 및 전술된 것에 의해 얻어진다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 동일한 유익한 실시예의 첨부된 상세한 설명에 의해 더 밀접하게 설명된다.
도 1은 본 발명과 관련된 형태인 공지의 파력 발전용 조립체의 형태의 측면도.
도 2는 도 1의 라인 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면도.
도 3은 본 발명의 사상에 포함되지 않는 파력 발전용 조립체의 상세도.
도 4은 도 3에 따른 파력 발전용 조립체에서 운동 거리의 함수로서 스프링 힘을 도시한 그래프.
도 5은 도 3과 동일한 방법으로 본 발명과 일치하는 파력 발전용 조립체의 상응하는 상세도.
도 6은 도 4의 것과 대응하고 도 5와 관련된 그래프.
도 7은 선택적인 실시예를 도시한 본 발명의 상세도.
도 8은 도 4 및 도 5에 대응하고 도 7의 예와 관계된 그래프.
도 9은 추가적 선택적 실시예를 도시한 본 발명의 상세도.
도 10은 도 4 및 도 5의 것과 상응하는 도 9의 예와 관련된 그래프
도 11은 추가적 선택적 실시예를 도시한 본 발명의 상세도.
도 12은 도 4 및 도 5의 것과 상응하고 도 11의 예와 관련된 그래프.
도 13은 추가적인 실시예를 도시한 상응하는 그래프.
도 14은 스프링 수단의 선택적인 실시예를 도시한 도면.
도 15은 스프링 수단의 추가적 선택적 실시예를 도시한 도면.
도 16은 회전자의 위치와 스프링 수단 사이의 선택적 관계를 도시한 그래프.
도 17은 본 발명에 따른 파력 발전기로 복수의 조립체 연결을 도시한 다이어그램.
도 1은 본 발명에 따른 파력 발전용 조립체(wave power assembly)의 원리를 도시하고 있다. 부양체(3)가 바다 표면(2) 위에 뜨도록 배치된다. 파도가 부양체(3)에 왕복 수직 운동을 전한다. 바닥(1)에서, 선형 발전기(5)가 바닥에 고정된 베이스 플레이트(8)를 통해 단단히 고정되고, 베이스 플레이트는 콘크리트 슬라브일 수 있다. 베이스 플레이트(8)에서, 선형 발전기의 고정자(stator, 6a, 6c)가 고정된다. 고정자는 4개의 수직 기둥같은 고정자 팩으로 구성되며, 이중 오직 2 개만이 도에서 볼 수 있다. 고정자 팩 사이 공간에서, 발전기의 회전자(7)가 배치된다. 같은 회전자가 라인(4)에 의해 부양체(3)에 연결된다. 회전자(7)는 영구 자석 재료로 구성된다.
베이스 플레이트(8)는 중심 배치된 구멍(10)을 구비하고, 이와 함께 바닥 구멍(9)은 같은 중심으로 바다 밑 바닥에 오목부를 형성한다. 바닥 구멍(9)은 적절하게 라인을 형성할 수 있다. 바닥 구멍(9)의 하단부에, 인장 스프링(11)이 고정되며, 인장 스프링의 다른 단부가 회전자(7)의 하단부에 고정된다. 베이스 플레이트(8)의 구멍(10) 및 바닥 구멍(9)은 회전자(7)가 같은 직경을 통해 자유롭게 운동하도록 하는 직경을 갖는다.
각각의 고정자 팩(6a, 6c)은 다수 모듈로 구성된다. 도시된 예에서, 같은 팩이 어떻게 3개의 수직 분리 모듈(61, 62, 63)로 나뉘는지는 고정자 팩(6a)에 표시된다.
바다 표면(2) 위의 파도 운동에 의해 부양체(3)가 아래 위로 움직일 때, 이러한 운동이 라인(4)를 통해 회전자(7)에 전달되고, 회전자는 고장자 팩 사이에서 대응하는 왕복 운동을 받는다. 이에 따라, 전류가 고정자 와인딩에 발생한다. 바닥 구멍(9)은 회전자가 아래 방향 운동으로 전체 고정자를 지나가도록 허용한다. 인장 스프링(11)은 아래 방향 운동에 추가적인 힘을 가해 라인(4)이 매 순간마다 팽팽하게 유지되도록 한다.
스프링은 또한 특정 상황에서도 위 방향으로 향하는 힘을 주도록 형성될 수 있다. 제어 수단(28)에 의하여, 스프링의 스프링 상수가 조절되어 공진은 가능한 긴 파트 시간 동안 달성된다.
소금물에 견딜 수 있기 위해, 고정자는 피바산 비닐(VIP) 또는 실리콘에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 주입된다.
도 2는 도 1의 라인 Ⅱ-Ⅱ에 따른 단면이다. 이번 예에서, 회전자(7)는 사각형의 횡단면을 갖고 고정자 팩(6a-6d)은 회전자(7)의 각각의 면에 배치된다. 각각의 고정자 팩의 와인딩은 12a-12d에 의해 표시된다. 도면에서, 각각의 고정자 팩의 시트 메탈 플레이트의 방향이 또한 도시되어 있다. 회전자와 인접 고정자 팩 사이의 공기 간극은 약간의 밀리미터 순서이다.
본 발명의 기본 원리가 도 3 내지 도 6에 도시된다. 도 3은 파력 발전용 조립체의 회전자(7), 상기 회전자에 고정된 인장 스프링(11) 및 상기 회전자(7)를 부양체에 연결하는 라인(4)을 개략적으로 도시한다. 상기 도면은 본 발명과 관계된 문제점을 설명하기 위해 의도된 것이고 따라서 본 발명의 범주 외부에 있는 실시예를 나타낸다. 회전자는 그 최대 하단 위치(lower maximum end position)에 도시된다. 상기 도면에는 길이 눈금이 제공되는데, 0은 회전자의 하단 위치를 나타내고 4는 회전자의 상단 위치를 나타낸다. 간명함을 위해 길이 단위는 미터로서 고려될 수 있다. 회전자의 하단에서, 스프링은 중립 위치이고 회전자(7)에 어떠한 힘도 가하지 아니한다. 부양체의 들어올리는 운동에 의해 회전자(7)가 위로 당겨질 때, s=1에서 회전자가 인장 스프링으로부터 장력 F1을 받고, s=2에서 회전자가 인장 스프링으로부터 장력 F2를 받고, 그리고 s=3 등에서도 이런 식으로 장력 F3 등을 받도록, 스프링(11)에 에너지가 축적된다. 스프링으로부터의 힘은 F2=2F1, ... 등이 되도록 신장에 비례한다.
이것이 도 4의 그래프에 도시되어 있는데 스프링 힘 F가 하단 위치로부터의 회전자의 거리 s의 함수로서 주어진다. 따라서, 이것은 상향 운동 동안 강하게(powerfully) 증가하며, 이것은 상세한 설명의 도입부에서 언급된 결점을 초래한다. 또한 최대값의 반인 스트로크 길이에 상응하는 상대적으로 중간 정도인(moderate) 파진폭에서, 힘은 3 배만큼 변한다. F0 = 하단 위치 0에서 힘 = 0. F4 = 상단 위치에서 힘. 스트로크의 최대 길이의 90％의 진폭에 대해, 힘은 19 배만큼 변할 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 파력 발전용 조립체를 도 3에 대응하는 방식으로 도시한다. 여기서, 회전자가 그 하단 위치에 있을 때 인장 스프링(11)은 압축 응력을 받는다(prestressed). 이 위치에서, 스프링(11)은 중립 위치에서 길이의 3배의 길이를 갖는다. 그러므로, 최대 하단 위치에서 이미 회전자는 스프링으로부터 힘F0를 받는다. 지시된 시작 지점에서, 회전자가 1m 위로 움직일 때, 스프링 힘 F1은
Figure 112011016693629-pct00001
이 된다. 하단 위치로부터 2m 위인 위치에서 힘은
Figure 112011016693629-pct00002
이 된다.
도 6의 그래프에서, 도 4와 상응하는 방식으로, 하단 위치로부터의 회전자의 거리에 따라서 힘이 어떻게 변하는지가 도시되어 있다. 힘은 상단 위치 및 하단 위치 사이에서 3 배만큼 변할 것이다. 스트로크의 최대 길이의 절반인 회전자의 운동 시, 기껏해야 힘은 1.7 배만큼 변할 것이다. 스트로크의 최대 길이의 90％에 상응하는 회전자의 운동 시, 힘은 약 3 배만큼 변할 것이다.
그러므로, 도 5에 따른 실시예는 제한된 범위일지라도, 변하는 힘의 문제를 상당히 감소 시킨다. 가능한 평편한 그래프 기울기를 얻는 것이 바람직하다. 훨씬 더 평탄한 기울기는 회전자의 하단 위치에서, 도 5에 도시된 예에서 보다 더 확장된 훨씬 긴 스프링을 이용하는 것에 의해서 자연적으로 얻어질 수 있다. 그러나, 이것은 매우 긴 인장 스프링을 구비해야 하는 실제적인 결점을 수반할 수 있다. 대신 상응하는 효과는 스프링 수단이 다수의 분리 스프링 소자로 구성되도록 하여 달성될 수 있고, 다수의 분리 스프링 소자는 평탄 특성이 F-s 그래프에서 이루어지는 방법으로 연결된다.
도 7에서, 도시된 선택적인 실시예에서, 스프링 수단이 선형 운동을 회전 운동으로 변환하는 운동 전달 메카니즘(13)을 통해 회전자와 연결된 토션 스프링(11a)으로 구성된다.
토션 스프링의 적절한 설계와 이 압축 응력의 정도에 의해, 상대적으로 평편 한 F-s 그래프가 도 8에 도시된 바와 같이, 그 최대 단부 위치 사이의 회전자에 대한 스프링 힘이 20％ 미만으로 변한다.
도 9에서, 본 발명의 추가적인 선택적 실시예가 도시되어 있다. 여기서 스프링 수단은 가스 스프링(11b)로 구성되어 진다. 이러한 것은 가스 스프링이 설계상 스프링 힘이 그 확장과 관계없이, 실질상 일정하게 이용될 수 있기 때문에, 이러한 연결에서 예외적으로 적절하다.
도 10에서, 이것은 상기 도시된 그래프와 상응하는 형태의 그래프로 도시된다.
추가적인 실시예는 도 11에서 도시된다. 고정자 팩의 상단부에서, 각각의 고정자 유닛 위에 스트럿(14)이 고정되고 스트럿에 고무 바디(15)가 각각 고정된다. 회전자가 상단면 위치에 접근할 때, 이것은 마지막 단계에서 고무 바디(15)와 접하게 될 것이고, 고무 바디는 이 상황에서 압축될 것이다. 이러한 연결에서, 고무 바디는 전체 스프링 수단의 일부분으로 구성되고 스프링 수단은 회전자(7)에 따라 움직이고 다른 측면에서 전술된 스프링 소자의 몇몇을 포함한다. 고무 바디의 목적은 단부 위치에 접하는 회전자가 매끄럽게 브레이킹되도록 하는 것이다.
회전자가 고무 바디(15)와 접촉하는 순간부터, 강한 아래 방향의 힘이 회전자에 추가되고, 회전자는 고무 바디를 압축할 때 매우 강하게 발전한다. 이러한 과정의 결과가 도 12에 그래프로 도시된다.
상응하는 배치가 회전자의 최대 하단부 위치에서 이루어진다. 이 실시예가 도 13의 그래프에서 나타내진다.
전술된 설명은 이상적으로 단순화된 것에 기초하고 있다는 것이 강조되어 져야 한다. 실제로, 도면은 파도의 형태에 따라, 일정하지 않은 부양체의 상하 방향 운동에 의해 복잡한 것이다. 더욱이, 부양체의 물속 침수는 반대 방향 힘의 크기에 따라, 영향을 받을 것이고, 이러한 반대 방향의 힘은 라인의 탄성과 함께 탄성력을 추가로 부여한다. 그러나, 이러한 특징은 상당히 적은 영향만을 끼치며 근본적인 원리의 적합성에 기여하지 못한다.
도 14에서, 스프링 수단(11c)이 어떻게 복수의 스프링으로 구성될 수 있고, 여기서 각각의 스프링이 특별한 특징을 가질 수 있고, 고정시키는 점은 상이한 높이에 있을 수 있는지 도시된다. 상이한 타입의 스프링이 포함될 수 있고 다양한 방법으로 각자에 연결될 수 있다.
도 15에서, 스프링 수단의 스프링 힘이 어떻게 제어되는지 도시된다. 이것은 대체 가능한 고정시키는 지지부(16)에 의해 도면에서 표상화되고, 지지부(16)의 위치는 제어 유닛(17)에 의해 영향을 받는다. 이것은 센서 유닛(18)의 신호에 반응하여 고정시키는 지지부의 위치를 자동적으로 제어하도록 배치될 수 있고, 센서 유닛(18)은 예를 들면, 고정자에서 발전된 전류를 탐지할 수 있다.
회전자의 위치의 함수로서 스프링 힘의 크기는 반드시 선형일 것이 필요하지 않다. 도 16에서, 몇몇 예들이 선형이 아닌 경우를 도시하고 있다. 그러므로, 함수는 바닥 위치로부터 회전자의 거리가 더 클수록, 스프링 힘이 더 강하게 증가하고, 이는 곡선 A에 대응하는 것이다. 그 반대가 또한 곡선 B로서 가능하다. 곡선 C와 D는 스프링 힘이 회전자의 중심 위치에서, 각각 최대값 및 최소값을 갖는 결과 의 과정을 나타낸다. 곡선 E는 함수가 복수의 선형 섹션으로 구성되는 추가적인 선택 사항을 도시한다. 도시된 함수들은 스프링의 적절한 결합 및/또는 각각의 스프링 힘의 제어에 의해 습득될 수 있다.
본 발명에 의한 파력 발전기는 전술된 종류의 2 이상의 조립체로 구성된다. 도 17에서, 이것들이 본체에 에너지를 전달하기 위해 어떻게 연결되는지 도시된다. 도시된 예에서, 파력 발전기는 20a-20c에 의해 상징적으로 나타낸 3 개의 조립체로 구성된다. 각각의 조립체는 도면에 의한 바이폴라 회로에서, 차단기(breaker) 또는 접촉기(21) 및 정류기(22)를 통해 인버터(23)에 연결된다. 도면에서, 회로 다이어그램이 조립체(20a)에 대하여만 도시된다. 이것은 다른 조립체(20b, 20c)가 상응하게 연결된다는 것이 고려될 수 있다. 인버터(23)는 변압기(24) 및/또는 필터를 통해 가능하게, 본체(25)에 3상 전류를 공급한다. 정류자는 다이오드일 수 있는데, 이는 게이트-제어일 수 있고 절연 게이트 이극 트랜지스터(IGBT), 지티오(GTO) 또는 타이리스터(tyristor) 타입일 수 있고, 게이트-제어 바이폴라 소자를 포함하거나 또는 제어되지 않을 수 있다.
직류 면에서 전압은 병렬로 연결될 수 있고, 직렬 또는 직병렬의 결합으로 연결될 수 있다.

Claims (18)

  1. 부양체(3), 선형 전기 발전기(5), 및 스프링 수단(11, 11a, 11b)을 포함하는 파력 발전용 조립체로서,
    상기 선형 전기 발전기의 회전자(7)는 연결 수단(4)에 의해 상기 부양체(3)에 연결되어 상승력이 상기 부양체(3)로부터 상기 회전자(7)까지 전달되고, 상기 선형 전기 발전기의 고정자(6)는 바다/호수 바닥(1)에 고정되도록 배치되며,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)은, 상기 부양체(3)에 의해 상기 회전자(7)에 가해지는 상승력과 반대 방향인 힘의 방향을 가지는 힘을 상기 회전자(7)의 운동 중 적어도 일부 동안 상기 회전자(7)에 가하도록 배치되고,
    상기 회전자(7)는 상기 부양체(3)의 운동 및 상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)에 의해 가해진 힘의 결과로서 상기 회전자(7)의 스트로크의 길이를 한정하는 두 개의 단부 위치 사이에서 왕복 운동하도록 배치되며,
    일정한 스트로크의 최대 길이에 대해 배치되는 파력 발전용 조립체에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이의 50%에 상응하는 운동 진폭에서 힘의 크기가 최대 2.5 배만큼 변하는 힘을 가하되, 상기 운동 진폭에서 상단 위치일 때 스프링 힘이 상기 운동 진폭에서 하단 위치일 때 스프링 힘의 최대 2.5배가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이의 50%에 상응하는 운동 진폭에서 힘의 크기가 최대 1.25 배만큼 변하는 힘을 가하되, 상기 운동 진폭에서 상단 위치일 때 스프링 힘이 상기 운동 진폭에서 하단 위치일 때 스프링 힘의 최대 1.25배가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 힘의 크기가 일정한 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이의 90%에 상응하는 운동 진폭에서 힘의 크기가 최대 10 배만큼 변하는 힘을 가하되, 상기 운동 진폭에서 상단 위치일 때 스프링 힘이 상기 운동 진폭에서 하단 위치일 때 스프링 힘의 최대 10배가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이의 90%에 상응하는 운동 진폭에서 힘의 크기가 최대 1.5 배만큼 변하는 힘을 가하되, 상기 운동 진폭에서 상단 위치일 때 스프링 힘이 상기 운동 진폭에서 하단 위치일 때 스프링 힘의 최대 1.5배가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 가스 스프링(11b)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 기계식 스프링(11, 11a)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 비선형 스프링 특성을 갖는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 능동적으로 제어되는 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단이 복수의 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이에서 상기 부양체(3)가 파도의 마루 상에 위치할 때 상기 회전자(7)의 단부 위치에 접하는(next to) 짧은 거리에 걸쳐서,
    상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이의 90%의 운동 진폭 아래에서 최대 힘보다 다수 배 더 큰 힘을 가하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 짧은 거리는 상기 회전자의 스트로크의 최대 길이의 10% 미만인 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이, 상기 단부 위치에 접하는 짧은 거리에 걸쳐 작용하는 힘이 상기 단부 위치까지의 거리가 감소됨에 따라 증가하도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 짧은 거리에 걸쳐 힘을 가하는 하나 이상의 별개의 스프링 소자(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 각각의 분리 스프링 소자(15)가 기계식 압축 또는 인장 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전용 조립체.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 복수의 파력 발전용 조립체(20a-20c)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    파력 발전기.
  17. 부양체(3), 선형 전기 발전기(5), 및 스프링 수단(11, 11a, 11b)을 포함하는 하나 이상의 파력 발전용 조립체에 의해 전기 에너지를 생산하는 전기 에너지 생산 방법으로서,
    상기 선형 전기 발전기의 회전자(7)는 연결 수단(4)에 의해 상기 부양체(3)에 연결되어 상승력이 상기 부양체(3)로부터 상기 회전자(7)까지 전달되고, 상기 선형 전기 발전기의 고정자(6)는 바다/호수 바닥(1)에 고정되도록 배치되며,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)은, 상기 부양체(3)에 의해 상기 회전자(7)에 가해지는 상승력과 반대 방향인 힘의 방향을 가지는 힘을 상기 회전자(7)의 운동 중 적어도 일부 동안 상기 회전자(7)에 가하도록 배치되고,
    상기 회전자(7)는 상기 부양체(3)의 운동 및 상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)에 의해 가해진 힘의 결과로서 상기 회전자(7)의 스트로크의 길이를 한정하는 두 개의 단부 위치 사이에서 왕복 운동하도록 배치되며,
    상기 파력 발전용 조립체는 일정한 스트로크의 최대 길이에 대해 배치되며,
    상기 스프링 수단(11, 11a, 11b)이 상기 회전자(7)의 스트로크의 최대 길이의 50%에 상응하는 운동 진폭에서 힘의 크기가 최대 2.5 배만큼 변하는 힘을 가하되, 상기 운동 진폭에서 상단 위치일 때 스프링 힘이 상기 운동 진폭에서 하단 위치일 때 스프링 힘의 최대 2.5배가 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는,
    전기 에너지 생산 방법.
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