KR101133671B1 - 가동물체형 파력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파랑의 진동에 맞추어 부유동체의 진동을 더욱 가속화 시킴으로써 발전효율을 극대화할 수 있는 가동물체형 파력발전장치에 관한 것이다. 본 발명은 해양의 수면(100)에 부유되어 파랑의 상하운동을 전기 에너지로 변환시키는 복수의 부유동체(118)를 갖는 가동 물체형 파력발전장치에 있어서, 상기 부유동체(118)는 그 상하 진동을 가속하는 가변 수주진동장치(102)를 구비하고, 이웃하는 부유동체(118)는 결합체(101)를 매개로 서로 연결되며, 상기 결합체(101)는 좌우동체(103a,103b)와, 상기 좌우동체(103a,103b)를 연결하기 위해 중간 힌지축(104)을 매개로 서로 연결되는 수평 회전축(105)과 수직 회전축(106), 이 수평 및 수직 회전축(105,106)과 좌우동체(103a,103b)에 각각 장착된 축압기(107)를 연결하는 램 연결부(108) 및, 이 램 연결부(108)에 냉각기(109)를 매개로 각각 연결되는 발전기(110)를 포함하는 전력 변환부(111)를 포함하고, 상기 좌우동체(103a,103b)에 각각 배치된 발전기(110)들은 벡트란 와이어(112)를 통해 해저에 설치된 콘크리트 도크(113)와 연결되고, 이 콘크리트 도크(113)를 거친 벡트란 와이어(112)와 연결된 해저 케이블(114)은 변전설비(115)와 송전선로(116)를 통해 육지로 전기를 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

가동물체형 파력발전장치{High efficiency wave energy apparatus}
본 발명은 다수 개의 부유동체를 갖는 가동물체형 파력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파랑의 진동에 맞추어 부유동체의 진동을 더욱 가속화 시킴으로써 발전효율을 극대화할 수 있는 가동물체형 파력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 종래 파력발전장치는 부유식 표면 추종형(Surface following)으로 파도의 상하 운동에만 의존하여 전력을 생산함에 따라 10% 초반의 낮은 에너지 변화율을 얻을 수밖에 없는 문제점을 지니고 있었으며, 또한 종래 파력발전장치는 계측기술에 문제점이 있어 폭풍이나 기상이변이 발생할 경우 기기의 안전성 유지에 상당한 어려움이 제기되어 왔다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 감안하여 발명된 것으로, 파랑의 상하운동에 동조하여 부유동체의 상하 진동운동을 가속화시켜 증가된 운동에너지를 전기에너지로 변화시킬 수 있고, 폭풍이나 기상 이변시 발생할 수 있는 부유동체의 안전성 저해 요인을 차단하고 기기보수를 위한 계류장치가 필요 없을 뿐만 아니라, 부유동체의 이동을 방지하고 이 부유동체에 의해 발생된 전기를 해저 케이블로 송전할 수 있는 가동물체형 파력발전장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 해양의 수면에 부유되어 파랑의 상하운동을 전기에너지로 변환시키는 복수의 부유동체를 갖는 가동물체형 파력발전장치에 있어서, 상기 부유동체는 그 상하진동을 가속하는 가변 수주진동장치를 구비하고, 이웃하는 부유동체들은 결합체를 매개로 서로 연결되며, 상기 결합체는 좌우동체와, 이 좌우동체를 연결하는 힌지축을 매개로 서로 연결되는 수평 회전축과 수직 회전축, 이 수평 회전축 및 수직 회전축과 좌우동체에 각각 장착된 축압기를 연결하는 램 연결부 및, 이 램 연결부에 냉각기를 매개로 각각 연결되는 발전기를 포함하는 전력변환부를 포함하고, 상기 좌우동체에 배치된 각각 발전기들은 벡트란 와이어를 통해 해저에 설치된 콘크리트 도크와 연결되고, 이 콘크리트 도크를 거친 벡트란 와이어와 연결된 해저 케이블은 변전설비와 송전선로를 통해 육지로 전기를 공급하도록 되어 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 가동물체형 고효율 파력발전장치는, 가변 수주진동장치를 이용하여 파고가 낮은 저파고에서도 발전할 수 있으며, 기존의 계류장치 대신에 벡트란 와이어(Vectran Wire)를 이용하여 부유동체의 이동을 방지하고, 부유동체에서 발생된 전기를 해저 케이블로 연결하는 등의 복합적인 기능을 하게 됨으로써 별도의 해양구조물이 필요 없게 된다.
또한 기기의 보수 또는 기상이변 등으로 인한 비상 상태가 발생할 때에는 부유동체를 해안의 저장고(Ware house)로 이송이 가능하도록 함으로써 보수의 편의성 및 안전성을 제고하였고, 원격감시 및 제어를 통해 운전하도록 함으로써 운영의 효율성을 높였다.
따라서 본 발명은 경제성 및 안전성, 운영의 효율성 측면에서 기존의 파력발전소에서 보다 월등한 기능과 효과를 얻을 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 가동물체형 고효율 파력발전장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 부유동체들을 서로 연결하는 결합체 외관의 개략도이며, 도 3은 도 2의 요부를 절개한 세부 확대도이다.
도 1을 참조하면, 해양의 수면(100)에 부유되어 바람에 의해 발생하는 파랑의 상하운동을 전기 에너지로 변환시키는 복수의 부유동체(118)를 갖는 본 발명에 따른 가동 물체형 파력발전장치가 도시된다. 상기 부유동체(118)는 그 상하 진동을 가속하는 가변 수주진동장치(102)를 구비되는바, 이 가변 수주진동장치(102)는 본출원인의 동일자 특허출원 제2009-72896호에 상세히 기재되어 있고, 이는 본 발명에서 참조로 된다. 또, 상기 부유동체(118)는 중공 원통형으로, 그 전면부는 파랑의 마찰을 최대로 줄이기 위한 유선형으로 되어 있으며, 이 부유동체(118)의 이송이 가능하도록 이송용 연결고리(117)를 선단에 갖추고 있다.
이웃하는 부유동체(118)들은 결합체(101)를 매개로 서로 독립적으로 상하운동할 수 있도록 연결된다. 여기서, 결합체(101)는 좌우동체(103a,103b)와, 상기 좌우동체(103a,103b)를 연결하기 위해 중간 힌지축(104)을 매개로 서로 연결되는 수평 회전축(105)과 수직 회전축(106), 이 수평 및 수직 회전축(105,106)과 좌우동체(103a,103b)에 각각 장착된 축압기(107)를 연결하는 램 연결부(108) 및, 이 램 연결부(108)에 냉각기(109)를 매개로 각각 연결되는 발전기(110)를 포함하는 전력 변환부(111)를 구비한다. 따라서, 좌우동체(103a,103b)에 각각 배치된 상기 전력 변환부(111)의 발전기(110)에 의하여 생성된 전기는, 벡트란 와이어(112)를 매개로 해저에 설치된 콘크리트 도크(113)와 연결되고, 이 콘크리트 도크(113)로부터 해저 케이블(114)을 통해 변전설비(115)와 송전선로(116)를 통해 육지로 공급되도록 되어 있다.
즉, 해양의 수면(100)에서 발생되는 파랑의 상하 또는 좌우 운동은 부유동체(118)를 상하 또는 좌우로 운동시키게 되며, 이러한 운동은 부유동체(118)에 연결된 결합체(10)에 구비된 유압 피스톤형 램 연결부(108)로 전달되어, 그에 채워진 작동오일을 가압시키고, 이 가압된 작동오일은 축압기(107)를 매개하여 발전기(110)를 구동하여 전력을 생산하게된다.
이를 좀 더 상세히 살펴보면, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 수평 및 수직 회전축(105,106)은, 좌우동체(103a,103b)에 대하여 360°회전하는 회전체가 아니라 파랑의 상하 및 좌우운동에 의해 부유동체(118)가 이에 대응하여 움직임에 따라 일정각도로 수직 및 수평 회전운동을 하게 되고, 이러한 수평 및 수직 회전축(105,106)의 회전운동은 이에 각각 연결된 램 연결부(108)에 의하여 직선운동으로 변환된다. 즉, 램 연결부(108)의 내부의 유압 피스톤(도시안됨)이 구동하여 작동오일을 가압시키고, 이 가압된 작동오일은 축압기(107)에 저장되며, 이중 일정량은 유압모터 겸 발전기(110)를 구동시켜 발전을 하게 된다. 이때 작동오일은, 축압기(107)의 배출구에 설치된 냉각기(109)에 의해 냉각되어 온도상승이 저지된다.
즉, 상기 결합체(101)의 좌우동체(103a,103b) 내부에 각각 배치되는 전력 변환부(111)에는, 부유동체(118)의 횡방향과 종방향으로 회전되는 수평 및 수직 회전축(105,106)의 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위해 다수 개의 램으로 구성된 램 연결부(108)가, 수평 및 수직 회전축(105,106)에 각각 한쌍씩 엇갈리게 설치되고, 램 연결부(108)의 후단에는 작동오일의 압력을 조절하는 축압기(107)가 각각 연결되어 있다.
여기서 축압기(107)는 램 연결부(108)에 의해 압축된 작동오일을 저장하도록 되는바, 이 축압기(107)는 통상 가압된 질소로 채워지고, 상기 램 연결부(108)의 직선운동에 의해 내부의 작동오일은 가압된 상태로 상기 축압기(107)에 저장되고, 이 가압된 작동오일이 발전기(110)를 작동시켜 전기를 생산하게 된다.
한편, 상기 발전기(110)에서 생산된 전력을 송출하기 위해 공지의 전력 송출용 접속부재가 벡트란 와이어(112)에 접속되고 상기 벡트란 와이어(112)의 내부에 송전선이 설치되어 해저면의 해저 케이블(113)과 연결되며, 또한 물에 잘 뜨면서 강한 합성섬유로 이루어진 벡트란 와이어(112)는 부유동체(118)의 이동을 방지하는 목적으로 함께 사용된다.
또한, 상기 벡트란 와이어(112)의 연결 선단은 부유동체(118)와 연결하여 부표(119)를 설치하여 해수면에 부유되도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 부유동체(118)는 원격감시와 이를 제어하는 제어부(도시안됨)를 갖추고 있으며, 이 제어부는 전력선 통신을 이용하여 종합감시 및 운전실과 통신할 수 있도록 되어 있고, 위치정보를 취득하기 위해 위성항법장치를 배치할 수 있도록 되어 있다.
도 5 와 6은, 본 발명에 적용된 가변 수주진동장치(102)를 상세히 도시한 도면이다. 상기 가변 수주진동장치(102)는 1개의 수평관로(1)와, 이 수평관로(1)를 통해 서로 연통되는 수직관로 1(2a), 2(2b)로 구성된 U-자형 관로(3) 및, 상기 수직관로 1(2a), 2(2b)와 연결되면서 격리판(4)을 매개로 서로 격리된 에어챔버 1(5a), 2(5b)를 갖춘 부유동체(118)와; 상기 에어챔버 1(5a), 2(5b)를 연결하는 공기관로(7); 상기 공기관로(7) 사이에 배치되는 3개의 제어밸브(CV1, CV0, CV2); 상기 각각의 에어챔버 1(5a), 2(5b)와 대기 사이에 배치되는 압력센서(8a,8b)들과 한쪽 수직관로(2a)에 배치되는 수위센서(9) 및; 상기 제어밸브(CV1, CV0, CV2)들과 압력센서(8a,8b) 및 수위센서(9)가 연결되어 이들을 제어하는 제어기(10)로 이루어져 있다.
여기서 상기 압력센서(8a,8b)는 에어챔버(5a,5b) 내부의 압력을 측정하여 압력값에 따른 전류 또는 전압으로 변환하는 센서이며, 상기 수위센서(9)는 U자형 관로(3)의 수위를 측정하여 수위값에 따른 전류 또는 전압으로 변환하는 센서이다.
상기 압력센서(8a,8b)와 수위센서(9)들의 압력 및 수위의 측정값은 제어기(10)에 입력되어 파력 발전시스템의 운전에 이용하게 된다.
그리고, 수평관로(1)에는 일정량의 내부 작동액(11)이 채워져 있으며, 파랑에 의하여 부유동체(118)가 상하좌우 운동함에 따른 내부 작동액(11)의 유동은 에어챔버(5a,5b)에 채워져 있는 공기를 압축 또는 팽창시키게 되는데, 이러한 내부 작동액(11)의 질량과 에어챔버(5a,5b)에 채워져 있는 공기에서 발생하는 주기적인 운동은 에어 스프링 상수로서 진동계를 형성하고, 본 발명에서는 파랑의 주기에 본 발명에 따른 가변 수주진동장치(102)의 진동이 동조되도록 에어챔버(5a,5b)에 채워져 있는 공기의 에어 스프링 상수를 제어하도록 되어 있는바, 이에 대하여는 이하에서 상세히 설명하기로 한다.
즉, 제어기(10)는, 해수면(100)에서 발생하는 파랑의 진폭과 주기에 따라 부유동체(118)가 도 6 (A)와 같이 해수면(100)에서 수평인 평형상태에서 있을 때, 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 제어하고, 도 6 (B)와 같이 파랑의 진폭과 주기에 따라 부유동체(118)가 해수면(100)에서 기울어졌을때, 에어챔버 1(5a)과 에어챔버 2(5b) 사이에 배치되는 제어밸브(CV1, CV0, CV2)들을 내부 작동액(11)의 특정수위(Zs)에서 개폐하여 이를 제어하도록 되어 있다.
여기서 특정수위(Zs)를 기준으로 제어밸브(CV1, CV0, CV2)를 개폐하면, 이 특정수위(Zs)의 설정값에 따라 도 7에서 ③ 또는 ④와 같은 형태의 비선형적인 에어스프링 상수를 얻을 수 있다. 이 에어 스프링 상수는 내부 작동계의 질량과 진동계를 형성하므로 상기 특정수위(Zs)를 파랑의 주기와 진폭을 고려하여 적절히 설정하면, 가변 수주진동장치를 이 파랑의 주기에 동조되도록 진동시킬 수 있어 에너지 흡수율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제어기(10)는 극한파(Extreme Wave)가 발생할 경우, 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 제어하여 본 발명에 적용되는 가변 수주진동장치(102)가 동조 수주댐퍼(TLCD ; Tuned Liquid Column Damper) 영역에서 운전되어 이 극한파로부터 가해지는 무리한 하중을 경감시키는 기능을 갖추고 있다.
여기서 극한파는 해수면(100)의 파랑조건 중에서 100년 이상의 주기로 발생하는 거대한 파랑을 의미하며, 이러한 거대한 파랑은 파력발전장치에 과도한 하중을 발생시켜 고장이 발생할 확률이 높아지므로, 이와 같은 극한파에서는 파력발전장치의 가변 수주진동장치(102)가 도 8에 도시된 동조 수주댐퍼(TLCD) 영역에서 운전되도록 제어되고, 이 동조 수주댐퍼(TLCD) 영역에서는 응답진폭이 작아져서 극한파로부터 받는 무리한 하중이 경감된다.
한편, 상기 U-자형 관로(3)에는 일정량의 내부 작동액(11)이 채워져 있으며, 이 내부 작동액(11)은 물 또는 해수를 사용할 수 있다.
이하, 상기와 같은 구성을 갖는 가변 수주진동장치(102)를 포함한 부유동체(118)를 파랑의 주기에 동조하여 진동하도록 제어하는 방식을 설명한다.
도 5의 중앙 제어밸브(CV0)가 닫힌 상태에서 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 제어밸브(CV1, CV2)를 이용하여 평형상태에서의 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 제어하는 제 1 제어방식과, 상기 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 제어밸브(CV1, CV2)들이 닫힌 상태에서 상기 중앙 제어밸브(CV0)를 이용하여 양쪽 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 압력을 비선형적으로 제어하는 제 2 제어방식이 있다.
이러한 2가지 제어방식 모두 공기의 수축 팽창에 의해 발생하는 에어 스프링 효과를 유발하여 본 발명에 적용된 가변 수주진동장치(102)의 고유 진동주기를 제어하게 된다.
먼저, 상기 제 1 제어방식에 따라 얻어지는 에어 스프링 상수는, 내부 작동액(11)의 수위변동에 의한 공기 체적의 변화량이 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)에 선형적으로 비례한다.
따라서 상기 에어챔버 1(5a), 2(5b)가 완전 진공이면 에어 스프링 상수는 0이 되며, 압력이 증가할수록 에어 스프링 상수는 커지게 된다.
이에 따라 상기 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)은, 이들과 대기 사이에 설치되어 있는 제어밸브(CV1, CV2)에 의해 별도의 압축 또는 진공펌프가 없어도 조절이 가능하다.
예를 들어, 상기 부유동체(118)의 내부 작동액(11)이 유동에 의해 도 6 (B)에 도시된 바와같이, 어느 한쪽으로 이동하여 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 압력이 대기압보다 상승했을 때에는, 제어밸브(CV1, CV2)를 개방하여 일정량의 공기를 대기중으로 방출하면 이 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 대기압보다 낮게 유지할 수 있고, 반대로 상기 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)이 대기압보다 낮아졌을 때에는, 상기 제어밸브(CV1, CV2)를 개방하여 대기로부터 공기를 흡입하여 이 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압을 대기압보다 높게 유지할 수 있다.
한편, 상기 제 2 제어방식에서는 내부 작동액(11)의 수위에 따라 특정조건 동안만 중앙 제어밸브(CV0)를 열고 닫아 에어 스프링의 효과를 유발하도록 된다.
즉, 제 2 제어방식에서는 수직관로 1(2a), 2(2b)에서 내부 작동액(11)의 수위가 설정된 특정수위(Zs)를 초과하여 상승하거나 하강하면, 중앙 제어밸브(CV0)를 신속하게 닫아 내부 작동액(11)이 관성에 의한 힘으로 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기를 압축하거나 팽창시켜 에어 스프링의 효과를 유발한다.
예를 들어, 도 6 (B)에서와 같이 해수의 파랑에 의해 부유동체(118)가 일정각도로 회전한 경우, 모든 제어밸브(CV1, CV0, CV2)가 닫혀 있다면, 수직관로 1(2a)의 내부 작동액(11) 수조는 에어챔버 1(5a)의 공기를 압축시키고, 수직관로 2(2b)의 내부 작동액(11) 수조는 에어챔버 2(5b)의 공기를 팽창시키게 된다. 따라서, 내부 작동액(11)의 수위를 중앙 제어밸브(CV0)가 닫히기 이전의 위치로 복원하려는 힘을 발생하게 된다.
그러나 내부 작동액(11)의 수위가 설정된 특정수위(Zs) 범위를 초과하지 않는 영역에서는 상기 중앙 제어밸브(CV0)가 열려 에어 스프링 효과를 유발하지 않으므로 내부 작동액(11)은 구속됨이 없이 U-자형 관로(3)내부를 자유롭게 이동하게 된다.
결국, 본 발명은 팽형상태에서의 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(PO)을 제어하는 제 1 제어방식과, 양쪽 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 압력을 비선형으로 제어하는 제 2 제어방식에 의해 발생하는 에어 스프링 효과를 이용하는 것으로, 이 에어 스프링 효과는 내부 작동액(11)의 질량과 함께 진동계를 구성하게 됨으로써 파력발전장치가 파랑의 진동주기에 동조시켜 에너지 흡수효율을 더욱 극대화할 수 있도록 한 것이다.
상기 제 1, 2 제어방식에 의해 나타난 에어 스프링의 효과의 일예를 그림으로 표현하면 도 7과 같으며, 이는 에어 스프링 상수와 내부 작동액의 수위(Zs)의 관계를 나타낸다.
한편, 본 발명에따른 부유동체(118)와 종래 가동물체형 파력발전장치의 일반적인 개방루프(Open-Loop) 주파수 응답특성을 그래프로 나타내면, 도 8과 같다.
도 8에서 Frozen-1, 2 상태는 가변 수주진동장치(102)의 수평관로(1)를 폐쇄하여 내부 작동액(11)의 유동을 강제로 제한한 상태를 의미한다. 그래프에서 본 발명과 Frozen-1로 표기된 응답은 에너지 흡수를 위한 점성 마찰계수를 동일하게 하여 얻은 결과이다. 여기서 에너지 흡수를 위한 점성 마찰계수는, 도 6의 회전중심(C)에 설치되어 운동 에너지를 전력으로 변환하는 발전기에서 발생한다.
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도 8을 참조하면, 본 발명의 응답은 파랑주기가 약 4초에서 7초 사이일 때 Frozen-1의 응답에 비해 크게 낮아지는 것을 볼 수 있는데, 이 부분이 동조 수주댐퍼(Tuned Liquid Column Damper; TLCD) 영역이다. 그러나 파랑주기가 약 7초보다 커지면 본 발명의 응답은 Frozen-1의 응답보다 급격히 커지는 것을 볼 수 있는데, 이 부분이 본 발명 가변 수주진동장치(102)에 적용된 영역이다.
통상적으로 해양에서 발생하는 파랑의 주기가 약 4초 ~ 9초로 영역에 존재하는 것을 고려하면, 본 발명의 개방루프 주파수 응답 중에서 4초 ~ 7초 사이에 존재하는 동조 수주댐퍼(TLCD) 영역을 적극적으로 회피할 필요가 있다.
이를 위해 앞서 언급한 에어 스프링 효과를 추가시킨 제어가 필요한 것이다. 따라서 이 TLCD의 공진주기를 4초 이내로 짧게 할 수 있어 유효 파랑주기 영역에서의 응답이 도 8의 그래프에서 도시된 Frozen-1의 것보다 커지게 된다.
또한, 도 8의 그래프에서 Frozen-2는, 에너지 흡수를 위한 점성 마찰계수를 Frozen-1에 비해 작게 하였을 때의 응답을 나타낸다. Frozen-2 상태에서의 본 발명은 공진주기가 약 1.9초인 것을 알 수 있다. 종래기술에 따른 장치의 Frozen 상태에서의 공진주기가 약 1.9초로서 유효 파랑주기인 4초 ~ 9초와 현저한 차이가 있으므로 효율적으로 에너지를 흡수할 수 없게 된다.
도 9의 그래프는 제 1 제어방식에 의한 본 발명의 제어 주파수 응답특성을 보이고 있다.
평형상태에서의 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 크게 할수록 TLCD 영역은 짧은 파랑주기에서 형성되므로, 이 파랑주기에 따라 공기압(Po)을 적절하게 조절하면 제 1 제어방식에 의한 본 발명은 응답은 Frozen 상태의 응답보다 항상 커지게 된다.
도 10의 그래프는 제 2 제어방식에 의한 본 발명의 제어 주파수 응답특성을 보이고 있다.
이는 제 1 제어방식에 의한 본 발명의 제어 주파수 응답(도 9에 도시)에서와 같이 TLCD 영역이 이동하지 않지만, 수직관로 1(2a), 2(2b)에서의 특정수위(Zs)가 커질수록 짧은 파랑주기에서 응답진폭이 커지는 것을 볼 수 있다.
따라서 파랑주기에 따라 상기 특정수위(Zs)를 적절히 조절하면 제 2 방식에 의한 본 발명의 응답을 Frozen 상태의 응답보다 항상 커지게 된다.
본 발명에서 사용된 제어변수는, 제 1 제어방식에서는 부유동체(118)가 도 6 (A)와 같이 평형상태에 있을 때 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 정의하였고, 제 2 제어방식에서는 부유동체(118)에 담겨진 내부 작동액(11)의 수위를 따라 중앙 제어밸브(CV0)를 열거나 닫는 기준인 수직관로 1(2a), 2(2b)의 설정된 특정수위(Zs)를 정의하여 사용하였다.
이들 제어변수 이외에 출력운전에서는 발전기에서 에너지 흡수를 위해 발생하는 점성 마찰계수도 본 발명에 따른 가변 수주진동장치의 거동에 큰 영향을 주는 제어변수가 된다.
따라서 본 발명은 출력운전에서 상기 제 1, 2 제어방식에 따라 주어진 파랑의 진폭과 주기에서 최대의 에너지를 흡수하는 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)과 점성 마찰계수, 또는 설정된 특정수위(Zs)와 점성 마찰계수를 구한 후, 도 5에 도시된 제어기(10)를 매개로 이들 제어변수들을 파랑의 진폭과 주기에 따라 스케듈링(Scheduling)하여 적용하게 된다.
한편, 본 발명은 상기에서 설명한 제어방식을 시뮬레이션해본 결과, 해양과 같은 파랑조건에서 종래 에너지 흡수형 파력발전장치에 비해 제 1 제어방식을 적용한 경우에는 1.5 ~ 2.6배의 에너지를 더 흡수하며, 제 2 제어방식을 적용한 경우에는 1.9배 ~ 2.2배의 에너지를 더 흡수하는 것을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 가동물체형 파력발전장치의 전체 개략 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 부유동체들을 서로 연결하는 결합체 외관의 개략도,
도 3은 도 2의 요부를 절개한 세부 확대도,
도 4는 본 발명에 따른 부유동체와 결합체가 해수면에 설치된 상태의 일예를 보여주는 도면,
도 5 와 도 6은 본 발명에 적용된 부유동체의 가변 수주진동장치를 설명하기 위한 도면들로서, 도 5는 가변 수주진동장치의 제어와 관련한 전체구성도이고, 도 6(A)는 가변 수주진동장치가 평형상태, 도 6(B)은 가변 수주진동장치가 기울어진 상태를 나타낸다,
도 7 내지 도 10은 본 발명의 제어방식과 관련한 특성을 나타내는 각종 그래프들이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
100 : 수면, 101 : 결합체,
102 : 가변 수주진동장치, 103a,103b : 동체,
104 : 힌지축, 105 : 수평 회전축,
106 : 수직 회전축, 107 : 축압기,
108 : 램 연결부, 109 : 냉각기,
110 : 발전기, 111 : 전력 변환부,
112 : 벡트란 와이어(Vectran wire),
113 : 콘크리트 도크(dock),
114 : 해저 케이블, 115 : 변전설비,
116 : 송전선로, 117 : 연결고리,
118 : 부유동체, 119 : 부표.
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Claims (18)

  1. 해양의 수면(100)에 부유되어 파랑의 상하운동을 전기 에너지로 변환시키는 복수의 부유동체(118)를 갖는 가동 물체형 파력발전장치에 있어서,
    상기 부유동체(118)는 그 상하 진동을 가속하는 가변 수주진동장치(102)를 구비하고, 이웃하는 부유동체(118)는 결합체(101)를 매개로 서로 연결되며, 상기 결합체(101)는 좌우동체(103a,103b)와, 상기 좌우동체(103a,103b)를 연결하기 위해 중간 힌지축(104)을 매개로 서로 연결되는 수평 회전축(105)과 수직 회전축(106), 이 수평 및 수직 회전축(105,106)과 좌우동체(103a,103b)에 각각 장착된 축압기(107)를 연결하는 램 연결부(108) 및, 이 램 연결부(108)에 냉각기(109)를 매개로 각각 연결되는 발전기(110)를 포함하는 전력 변환부(111)를 포함하고, 상기 좌우동체(103a,103b)에 각각 배치된 발전기(110)들은 벡트란 와이어(112)를 통해 해저에 설치된 콘크리트 도크(113)와 연결되고, 이 콘크리트 도크(113)를 거친 벡트란 와이어(112)와 연결된 해저 케이블(114)은 변전설비(115)와 송전선로(116)를 통해 육지로 전기를 공급하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 부유동체(118)는, 중공 원통형으로, 그 전면부는 파랑의 마찰을 최대로 줄이기 위한 유선형으로 되어 있으며, 이 부유동체(118)의 이송이 가능하도록 이송용 연결고리(117)를 선단에 갖춘 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  3. 삭제
  4. 제 2항에 있어서, 상기 가변 수주진동장치(102)는, 내부 작동액(11)이 채워져 유동하도록 된 1개의 수평관로(1)와 2개의 수직관로(2a,2b)로 구성된 U-자형 관로(3)와, 양쪽 수직관로(2a,2b)와 연결되면서 서로 격리된 2개의 에어챔버(5a,5b), 이들 에어챔버(5a,5b)를 연결하는 공기관로(7), 공기관로(7)의 사이에 배치되는 제어밸브(CV0) 및, 각각의 에어챔버(5a,5b)와 대기 사이에 배치되는 제어밸브(CV1, CV2)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 가변 수주진동장치(102)는, 제어변수들을 입력받아 제어하는 제어기(10)를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제어기(10)는, 파랑의 진폭과 주기에 따라 가변 수주진동장치(102)의 내부 작동액(11)이 유동할 때, 평형상태에서의 에어챔버(5a,5b) 공기압을 제어하여 에너지 흡수효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제어기(10)는, 파랑의 진폭과 주기에 따라 가변 수주진동장치(102)의 내부 작동액(11)이 유동할 때, 이 내부 작동액(11)의 특정수위(Zs)에서 에어챔버(5a,5b)와 이 에어챔버(5a,5b) 사이에 배치되는 제어밸브(CV1, CV0, CV2)를 개폐하여 에너지 흡수효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  8. 제 5항에 있어서, 상기 제어기(10)는, 극한파가 발생함에따라 가변 수주진동장치(102)의 내부 작동액(11)이 유동할 때, 에어챔버(5a, 5b)의 공기압을 제어하여 가변 수주진동장치(102)가 TLCD(Tuned Liquid-Column Damper) 영역에서 운전되도록 함으로써 전력변환부(111)에 가해지는 무리한 하중을 경감시키는 기능을 갖는 가동물체형 고효율 파력발전장치.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 가변 수주진동장치(102)는, U-자형 관로(3)에 일정량의 내부 작동액(11)이 채워진 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 내부 작동액(11)은 물 또는 해수를 사용하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 전력변환부(111)는, 결합체(101)의 좌우동체(103a,103b) 내부에 각각 배치되고, 또 전력변환부(111)의 각 램 연결부(108)는 부유동체(118)의 횡방향과 종방향으로 회전되는 수평 및 수직 회전축(105,106)의 회전운동을 직선운동으로 변환시키도록 되며, 각각의 램 연결부(108)는 다수 개의 램으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 램 연결부(108)에 연결되는 축압기(107)는, 램 연결부(108)에 의해 가압된 작동오일을 저장하고, 이 축압기(107)의 가압된 작동오일이 발전기(110)를 가동하여 전력을 생산하도록 된 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 발전기(110)는, 생산된 전력송출을 위해 전력 송출용 접속부재인 벡트란 와이어(112)가 접속된 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 벡트란 와이어(112)는 물에 잘 뜨는 재질로서, 그 내부에 송전선이 설치되어 해저케이블(114)과 연결된 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  15. 제 13항에 있어서, 상기 벡트란 와이어(112) 끝 선단에는 부표(119)가 설치된 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 부유동체(118)는 원격감시 및 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 원격감시 및 제어부는 벡트란 와이어(112) 내부에 설치된 전력통신선에 의해 종합감시 및 운전실과 통신하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 원격감시 및 제어부는 파력발전장치의 위치정보를 취득하기 위해 위성항법장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가동물체형 파력발전장치.
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