KR101133674B1 - 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파력발전장치의 에너지 흡수 매카니즘이 파랑에 반응하는 진동특성을 파랑의 진동주기에 동조시켜 에너지 흡수효율을 극대화하는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치에 관한 것이다. 본 발명은 내부 작동액(11)이 채워져 유동하도록 된 1개의 수평관로(1)와 이 수평관로(1)를 통해 서로 연통되는 수직관로 1(2a), 2(2b)로 구성된 U-자형 관로(3)와, 상기 수직관로 1(2a), 2(2b)와 연결되면서 격리판(4)을 중심으로 서로 격리된 에어 챔버 1(5a), 2(5b)를 갖춘 가변 수주동체(6)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 연결되는 제어기(10)로 이루어진 구조로 되어 있다.

Description

파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치{Variable liquid-column oscillator using wave energy}
본 발명은 파랑으로부터 에너지를 흡수하기 위한 가변 수주진동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파랑에 대응하여 반응하는 에너지 흡수 메카니즘의 진동특성을 파랑의 진동주기에 동조시켜 에너지 흡수효율을 극대화할 수 있는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치에 관한 것이다.
이미 알려진 바와 같이 해양에서 바람에 의해 발생된 수면상의 풍랑과 이 풍랑이 다른 해역까지 진행하면서 감쇠하여 생긴 너울을 파랑이라 한다.
이러한 파랑을 이용한 파력발전방식은 여러 가지가 있는데, 일예로 발전기, 진자 등을 내장한 부표를 물에 띄워, 파랑에 의해 요동하는 진자의 움직임을 포착하여 기어를 통하여 발전기를 회전시키거나, 파도의 상하운동을 동력화해서 발전하는 가동 물체형 파력 발전방식 등이 있었다.
그러나 상기와 같은 종래의 가동 물체형 파력 발전방식에서는, 시스템 동체의 진동을 파랑의 주기에 동조시키는 기능이 없다. 따라서, 특정 파랑조건에서만 에너지 변환효율이 좋아지도록 기구적으로 튜닝함에 따라 다양하게 변하는 파랑 조건에서는 에너지 변환효율이 극히 저조하여 약 10% 정도만 활용되는 단점을 지니고 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 에너지 변환 효율을 약 30% 수준으로 향상시켜 상업력을 가질 수 있는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 1개의 수평관로와 이 수평관로를 통해 서로 연통되는 수직관로 1, 2로 구성된 U-자형 관로와, 상기 양쪽 수직관로와 연결되면서 격리판을 중심으로 서로 격리된 에어챔버 1, 2를 갖춘 가변 수주동체;
상기 에어챔버 1, 2를 연결하는 공기관로;
상기 공기관로 사이에 배치되는 제어밸브들;
상기 각각의 에어챔버의 대기 사이에 배치되는 압력센서들과 한쪽 수직관로에 배치되는 수위센서;
상기 제어밸브들과 압력센서 및 수위센서들이 연결되는 제어기로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치는 다양한 파랑의 주기에 동조하여 진동시킬 수가 있기 때문에 파랑에너지를 종래 파력발전기에 비해 효율적으로 흡수하는 효과를 지니게 되어 상업적 가치를 높이는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치 전체를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 가변 수주진동장치(102)를 적용한 파력발전장치는, 도 3에 일예로 도시된 바와같이, 해수면(100)에 동력 인출장치(PTO, 101)를 매개로 다수개의 가변 수주진동장치(102)들이 연결 설치되는데, 가변 수주진동장치(102)들은 동일한 구조를 갖기 때문에 대표적으로 도 1을 참조로 설명한다.
본 발명은 1개의 수평관로(1)와 이 수평관로(1)를 통해 서로 연통되는 수직관로 1(2a), 2(2b)로 구성된 U-자형 관로(3)와, 상기 수직관로 1(2a), 2(2b)와 연결되면서 격리판(4)을 중심으로 서로 격리된 에어 챔버 1(5a), 2(5b)를 갖춘 가변 수주동체(6)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 연결되는 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 변환 값은 제어(10)에 입력되어 파력 발전시스템의 운전에 이용하게 된다.
본 발명에서 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 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 있다.
여기서 상기 제어기(10)는, 파랑의 진폭과 주기에 따라 해수면(100)에서 발생하는 파랑의 진폭과 주기에 따라 가변 수주동체(6)가 도 2 (A)와 같이 해수면(100)에서 수평인 평형상태에서 있을 때, 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 제어하고, 도 2 (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 특정기준 수위(Zs)에서 개폐하여 이를 제어하도록 되어 있다.
여기서 특정기준수위(Zs)를 기준으로 제어밸브(CV1, CV0, CV2)를 개폐하면, 이 특정수위(Zs)의 설정값에 따라 도 4에서 ③ 또는 ④와 같은 형태의 비선형적인 에어스프링 상수를 얻을 수 있다. 이 에어 스프링 상수는 내부 작동계의 질량과 진동계를 형성하므로 상기 특정기준 수위(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 따른 가변 수주진동장치(102)가 동조 수주댐퍼(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 파력발전기의 가변 수주진동장치(102)가 도 5에 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)으로 물 또는 해수를 사용할 수 있다.
이하 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 가변 수주진동장치(102)를 파랑의 주기에 동조하여 진동하도록 제어하는 방식을 설명한다.
본 발명에 따른 가변 수주진동장치(102)를 파랑의 주기에 동조되도록 진동시키는 방법은, 도 1의 중앙 제어밸브(CV0)가 닫힌 상태에서 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 제어밸브(CV2)를 이용하여 평형상태에서의 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)를 제어하는 제 1 제어방식과, 상기 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 제어밸브(CV1, CV2)들이 닫힌상태에서 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 따른 가변 수주진동장치(102)의 고유 진동주기를 제어하게 된다.
먼저, 상기 제 1 제어방식에 따른 에어 스프링의 스프링 상수는, 내부 작동액(11)의 수위변동에 의한 공기 체적의 변화량이 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 체적에 비해 충분히 작다는 가정하에, 평형상태에서의 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.
이에따라, 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 가변 수주동체(6)의 내부 작동액(11)이 유동에 의해 어느 한쪼긍로 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, 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)에서의 내부 작동액(11)의 수위가 설정된 특정기준 수위(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 2 (B)에서와 같이 해수의 파랑에 의해 가변 수주동체(6)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 특정기준 수위(Zs) 범위를 초과하지 않는 영역에서는 상기 중앙 제어밸브(CV0)가 열려 에어 스프링 효과를 유발하지 않으므로 내부 작동액(11)은 구속되지 않고 U-자형 관로(3)를 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 파력발전장치를 파랑의 진동주기에 동조시켜 에너지 흡수효율을 더욱 극대화한 것이다.
상기 제 1, 2 제어방식에 의해 나타난 에어 스프링의 일예를 그림으로 표현하면 도 4와 같으며, 이는 에어 스프링 상수와 내부 작동액의 수위(Zs)의 관계를 나타낸다.
한편, 본 발명에 따른 가변 수주진동장치(102)와 종래 가동물체형 파력발전자치의 일반적인 개방루프(Open-Loop) 주파수 응답특성을 그래프로 나타내면, 도 5와 같다.
도 5에서 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 2의 회전중심(C)에 설치되어 본 발명의 회전운동 에너지를 전력으로 변환하는 발전기에서 발생한다.
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도 5를 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 7초 보다 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(Open-Loop) 주파수 응답 중에서 4초 ~ 7초 사이에 존재하는 동조 수주댐퍼(TLCD) 영역을 적극적으로 회피할 필요가 있다.
이를 위해 앞서 언급한 에어 스프링 효과를 추가시킨 제어가 필요하며, 이로 인해 이 TLCD의 공진주기를 4초 이내로 짧게 할 수 있어 유효 파랑주기 영역에서의 응답이 도 5의 그래프에서 보인 Frozen-1의 것보다 커지게 된다.
또한, 도 5의 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 상태의 공진주기는 약 1.9초로서 유효 파랑주기인 4초 ~ 9초와 현저한 차이가 있으므로 효율적으로 에너지를 흡수할 수 없게 된다.
도 6의 그래프는 제 1 제어방식에 의한 본 발명의 제어 주파수 응답특성을 보이고 있다.
평형 상태에서의 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 발명의 응답은 Frozen 상태의 응답보다 항상 커지게 된다.
도 7의 그래프는 제 2 제어방식에 의한 본 발명의 제어 주파수 응답특성을 보이고 있다.
이는 제 1 제어방식에 의한 본 발명의 제어 주파수 응답(도 6에 도시)에서와 같이 TLCD 영역이 이동하지 않지만, 수직관로 1(2a), 2(2b)의 설정된 특정기준 수위(Zs)가 커질수록 짧은 파랑주기에서 응답진폭이 커지는 것을 볼 수 있다.
따라서 파랑주기에 따라 상기 설정된 특정기준 수위(Zs)를 적절히 조절하면 제 2 방식에 의한 본 발명의 응답을 Frozen 상태의 응답보다 항상 커지게 된다.
본 발명에서 사용된 제어변수는, 제 1 제어방식에서는 가변 수주동체(6)가도 2 (A)와 같이 평형상태에 있을 때 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 정의하였고, 제 2 제어방식에서는 가변 수주동체(6)에 담겨진 내부 작동액(11)의 수위에 따라 중앙 제어밸브(CV0)를 열거나 닫는 기준인 수직관로 1(2a), 2(2b)의 설정된 특정기준 수위(Zs)를 정의하여 사용하였다.
이들 제어변수 이외에 출력운전에서는 발전기에서 에너지 흡수를 위해 발생하는 점성 마찰계수도 본 발명에 따른 가변 수주진동장치의 거동에 큰 영향을 주는 변수가 된다.
따라서 본 발명의 출력운전에서는 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 특정기준수위(Zs)와 점성 마찰계수를 구한 후, 도 1에 도시된 제어기(10)를 매개로 이들 제어변수들을 파랑의 진폭과 주기에 따라 스케들링(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 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치의 전체 구성도,
도 2 (A)와 (B)는 본 발명에 따른 가변 수주동체의 확대 도면들로서, (A)는 가변 수주진동장치가 수평상태일 때, (B)는 가변 수주진동장치가 일정각도 회전상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 가변 수주진동장치들이 동력 인출장치(PTO)를 매개로 해수면에 설치된 상태의 일예를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 제 1 제어방식에 따른 에어 스프링 상수의 특성 그래프,
도 5는 본 발명과 종래 가동 물체형 파력발전기의 개방루프(Open-Loop) 주파수 응답특성을 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 제 1 제어방식에 따른 제어주파수 응답특성 그래프,
도 7은 본 발명의 제 2 제어방식에 따른 제어주파수 응답특성 그래프이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -
1 : 수평관로, 2a,2b : 수직관로,
3 : U-자형 관로, 4 : 격리판,
5a,5b : 에어챔버(Air Chamber), 6 : 가변 수주동체,
7 : 공기관로, 8a,8b : 압력센서,
9 : 수위센서, 10 : 제어기,
11 : 내부 작동액, 100 : 해수면,
101 : 동력 인출장치(PTO), 102 : 가변 수주진동장치,
Po : 공기압, C : 회전중심,
Zs : 특정기준 수위, CV1,CV0,CV2 : 제어밸브.

Claims (5)

  1. 내부 작동액(11)이 채워져 유동하도록 된 1개의 수평관로(1)와 이 수평관로(1)를 통해 서로 연통되는 수직관로 1(2a), 2(2b)로 구성된 U-자형 관로(3)와, 상기 수직관로 1(2a), 2(2b)와 연결되면서 격리판(4)을 중심으로 서로 격리된 에어 챔버 1(5a), 2(5b)를 갖춘 가변 수주동체(6)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 연결되는 제어기(10)로 이루어진 파랑 에너지를 이용한 가변 수주진동장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제어기(10)는 파랑의 진폭과 주기에 따라 가변 수주동체(6)의 내부 작동액(11)이 유동할 때, 가변 수주동체(6)가 수평인 평형상태에 있을 때 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 제어하여 에너지 흡수효율을 향상시키도록 된 것을 특징으로 하는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 제어기(10)는, 파랑의 진폭과 주기에 따라 가변 수주진동장치(102)의 내부 작동액(11)이 유동할 때, 이 내부 작동액(11)의 특정기준 수위(Zs)에서 에어챔버 1(5a)과 에어챔버 2(5b) 사이에 배치되는 제어밸브(CV1, CV0, CV2)들을 개폐하여 에너지 흡수효율을 향상시키도록 된 것을 특징으로 하는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제어기(10)는, 극한파가 발생함에따라 가변 수주진동장치(102)의 내부 작동액(11)이 유동할 때, 에어챔버 1(5a), 2(5b)의 공기압(Po)을 제어하여 가변 수주진동장치(102)가 동조 수주댐퍼(Tuned Liquid Column Damper) 영역에서 운전되도록 하여 극한파로부터 가해지는 무리한 하중을 경감시키도록 된 것을 특징으로 하는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 U-자형 관로(3)에는 일정량의 내부 작동액(11)이 채워지고, 이 내부 작동액(11)은 물 또는 해수를 사용한 것을 특징으로 하는 파랑에너지를 이용한 가변 수주진동장치.
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