KR101226014B1 - 파력 발전기 - Google Patents

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Abstract

파력 발전기를 제시한다. 일 실시예에 따른 파력 발전기는, 실리콘 고무 시트 및 그 위에 부착되어 있는 세라믹 나노 리본을 포함하는 복수의 발전막, 그리고 발전막을 지지하는 프레임을 포함하며, 발전막은 파도의 파동 에너지를 전기 에너지로 변환한다.

Description

파력 발전기 {WAVE POWER GENERATOR}
본 발명은 파력 발전기에 관한 것이다.
근래 들어 지구 환경의 오염을 줄이고 자원의 고갈을 대비한다는 관점에서 화석 에너지 외의 대체 에너지를 고려하고 있다. 특히 자연에서 무한하게 발생하는 풍력이나 조력, 파력을 이용한 발전 설비를 고안하려는 시도가 활발하다.
파력 발전은 바다 또는 큰 호수의 파도가 가지는 파동 에너지를 뜻하는 것으로 이를 전기를 생산할 수 있는 에너지원으로 사용하고자 하는 시도가 많이 있었으나 아직까지 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있는 상태이다.
본 발명의 일 실시예는 파력을 이용하여 효율적으로 전기를 생산하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파력 발전기는, 실리콘 고무 시트 및 그 위에 부착되어 있는 세라믹 나노 리본을 포함하는 복수의 발전막, 그리고 상기 발전막을 지지하는 프레임을 포함하며, 상기 발전막은 파도의 파동 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
상기 세라믹 나노 리본은 압전성 세라믹 물질을 포함할 수 있다.
상기 압전성 세라믹 물질은 PZT(lead zirconate titanate)를 포함할 수 있다.
상기 프레임에 설치되어 있으며 상기 발전막 쪽으로 파도를 모아 주는 집파기를 더 포함할 수 있다.
상기 프레임은, 서로 평행하게 수평으로 배열되어 있는 상부 및 하부 받침대, 그리고 상기 상부 받침대와 상기 하부 받침대를 수직으로 연결하는 복수의 연결봉을 포함할 수 있다.
상기 집파기는 상기 연결봉에 설치될 수 있다.
상기 파력 발전기는 상기 하부 받침대에 설치되어 있으며 상기 발전막을 고정하는 발전막 고정대를 더 포함할 수 있다.
상기 파력 발전기는, 상기 프레임을 고정하는 복수의 계류선, 그리고 상기 상부 받침대에 설치되어 있으며 상기 계류선을 고정하는 계류선 고정대를 더 포함할 수 있다.
상기 발전막에서 생성된 전기 에너지를 외부에 전송하는 전송선을 더 포함할 수 있다.
상기 발전막은 수면에 대하여 수직으로 서 있으며 파도의 마루에서 적어도 일부가 물에 잠기도록 설치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파력 발전기에서는 파력을 이용하여 효율적으로 전기를 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력 발전기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 파력 발전기의 한 단위를 확대하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 파력 발전기의 발전막의 정면도이다.
도 4는 도 1에 도시한 파력 발전기에서 발전막이 휜 상태를 보여주는 사시도이다.
도 5는 하나의 해수 입자의 운동을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 파도의 각 위치에 있는 해수 입자의 운동 및 발전막의 변형 상태를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 실시예에 따른 파력 발전기에서 해수면 바깥으로 발전막이 솟아 올라 있는 상태를 보여주는 개략도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
먼저 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파력 발전기에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력 발전기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 파력 발전기의 한 단위를 확대하여 도시한 사시도이고, 도 3은 도 1에 도시한 파력 발전기의 발전막의 정면도이며, 도 4는 도 1에 도시한 파력 발전기에서 발전막이 휜 상태를 보여주는 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 실시예에 따른 파력 발전기는 프레임(10), 복수의 발전막(20), 복수의 집파기(30), 복수의 계류선 고정대(40), 복수의 계류선(50) 및 전송선(60) 등을 포함한다.
도 2를 참고하면, 프레임(10)은 서로 평행하게 수평으로 배열되어 있는 상부 및 하부 받침대(11, 12)와 이들을 수직으로 연결하는 복수의 연결봉(14)을 포함한다. 연결봉(14)은 네 개씩 짝을 맞추어 하나의 단위를 이루는데, 한 단위의 연결봉(14)은 대략 직육면체 모양의 공간을 구획한다. 프레임(10)은 비중이 낮은 물질로 만들거나 부표(도시하지 않음) 등을 사용하여 가라앉지 않도록 한다.
발전막(20)은 파도의 파동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것으로서, 대략 직사각 판의 모양을 가지며 한 단위의 연결봉(14)이 구획하는 공간 내에 세워져 있다. 발전막(20)은, 받침대(11, 12)의 길이 방향으로 뻗으며 하부 받침대(12)에 설치된 발전막 고정대(26)에 고정되어 있다.
도 3을 참고하면, 발전막(20)은 일종의 동력 발생 고무 필름(power-generating rubber film)으로서 실리콘 고무 시트(silicone rubber sheet)(22)와 그 위에 세로로 길게 부착되어 있는 복수의 세라믹 나노 리본(ceramic nano-ribbon)(24)을 포함한다. 실리콘 고무 시트(22)는 탄성을 가지고 있어서, 도 4에 도시한 것처럼 외부의 압력에 의하여 휘어지면, 복원력에 의하여 다시 제자리로 돌아온다. 세라믹 나노 리본(24)은 압전성(piezoelectric) 세라믹 물질로서 PZT(lead zirconate titanate)가 그 예이다. 동력 발생 고무 필름은 휘어지거나 압력이 가해지면 전류가 생성되며, 파력 발전기가 설치되는 장소의 주된 파장에 알맞게 크기를 조절할 수 있다.
집파기(30)는 각각 꺾인 직사각판 모양으로 연결봉(14)에 세로로 결합되어 있으며, 발전막(20) 사이의 공간을 막아서 발전막(20)으로 파도를 모음으로써 발전 효율을 높여 준다.
다시 도 1을 참고하면, 계류선 고정대(40)는 프레임(10)의 상부 받침대(11) 양 끝에 설치되어 있다. 계류선 고정대(40)는 상부 받침대(11)의 길이 방향에 직각으로 양 방향으로 뻗어 나와 있으며, 계류선(50)이 이에 고정되어 프레임(10)이 떠내려가지 않도록 잡아준다.
전송선(60)은 프레임(10)의 한 쪽 끝에 연결되어 있으며 발전막(20)에서 생성된 전기 에너지를 외부로 전송한다.
프레임(10)에는 발전막(20)이 과도하게 휘어져서 동작 불가능한 상태가 되지 않도록 과변위 방지기(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.
그러면 도 5 내지 도 7을 참고하여 본 실시예에 따른 파력 발전기의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.
도 5는 하나의 해수 입자의 운동을 설명하기 위한 개략도이고, 도 6은 파도의 각 위치에 있는 해수 입자의 운동 및 발전막의 변형 상태를 나타낸 개략도이며, 도 7은 본 실시예에 따른 파력 발전기에서 해수면 바깥으로 발전막이 솟아 올라 있는 상태를 보여주는 개략도이다.
본 실시예에 따른 파력 발전기에서는 수면에 대하여 수직으로 서 있는 발전막(20)이 파도에 따라 휨으로써 전기를 생성한다. 발전막(20)은 적어도 일부가 항상 해수에 잠겨 있을 수도 있고, 파도의 마루 부분에 위치할 때만 일부 또는 전부가 잠길 수도 있다.
도 5를 참고하면, 각각의 해수 입자는 중력에 의하여 원형 또는 타원형의 궤적(5)을 따라 회전 운동한다. 도면에서처럼 파도(1)의 진행 방향이 오른쪽에서 왼쪽이라면, 해수 입자는 시계 반대 방향으로 회전한다. 상세하게 설명하자면, 해수 입자는 파도(1)의 마루(crest)(2)가 가까워져 오면 왼쪽으로 전진하면서 위로 점차 솟아 오르고 마루(2)가 도달하면 정점에 이른다. 마루(2)에서 내려오면서 해수 입자는 왼쪽으로 전진하면서 하강하고, 마루(2)와 골(trough)(3)의 중간 지점부터는 진행 방향을 바꾸어 오른쪽으로 진행하면서 계속 하강한다. 골(3)이 도달하면 해수 입자의 수직 위치는 최하점에 이르고 골(3)이 지나면서부터는 오른쪽으로 진행하면서 상승하기 시작한다. 골(3)과 마루(2)의 중간 지점부터는 해수 입자가 진행 방향을 바꾸어 오른쪽으로 진행하면서 상승한다.
이와 같은 해수 입자의 운동에 기초하여, 파도(1)의 각 위치에 있는 해수 입자의 운동과 발전막(20)의 변형 상태를 도 6을 참고하여 설명한다.
도 6에서 파도(1)가 오른쪽에서 왼쪽으로 진행할 때, 마루(L2, L6)에 위치한 해수 입자(P2, P6)들은 왼쪽으로 이동하며, 골(L0, L4)에 위치한 해수 입자(P0, P4)들은 오른쪽으로 이동한다. 마루(L2, L6)와 골(L0, L4)의 중간 지점(L1, L3, L5)에 위치한 해수 입자(P1, P3, P5)들은 위쪽 또는 아래쪽으로 이동하는데, 왼쪽에 골(L0, L4)이 있고 오른쪽에 마루(L2, L6)가 있는 중간 지점(L1, L5)에 위치한 해수 입자(P1, P5)들은 상승하고, 반대로 오른쪽에 골(L4)이 있고 왼쪽에 마루(L2)가 있는 중간 지점(L3)에 위치한 해수 입자(P3)는 하강한다. 마루(L2, L6)와 골(L0, L4)과 중간 지점(L1, L3, L5)의 사이에 있는 해수 입자(P01, P12, P23, P34, P45, P56)는 좌우에 있는 입자(P0, P1, P2, P3, P4, P5, P6)의 운동 방향을 벡터 합한 것과 유사한 방향으로 이동한다.
따라서 예를 들어 발전막(20)이 파도(1)의 마루(L2)에 가까워지면 해수 입자(P12)들은 좌상 방향으로 이동을 하기 시작한다. 이때, 프레임(10)은 거의 움직이지 않고 고정된 상태이므로 해수에 잠긴 발전막(20)이 해수의 압력으로 인하여 왼쪽으로 휘기 시작하며, 이에 따라 전기가 생성되기 시작한다. 발전막(20)이 파도(1)의 마루(L2)에 이르면 해수 입자(P2)들은 모두 왼쪽으로 이동하고 발전막(20)은 최대의 압력을 받아 가장 많이 휜 상태가 되어 전기를 최대로 생산한다. 생산된 전기는 전송선(60)을 따라 외부로 전송된다.
발전막(20)이 파도(1)의 마루(L2)에서 멀어지기 시작하면 해수 입자(P23)들은 좌하 방향으로 이동을 하기 시작하고, 발전막(20)에 가해지는 해수의 압력도 줄어든다. 따라서 발전막(20)은 그 복원력에 의하여 제자리로 돌아가기 시작한다. 발전막(20)이 파도(1)의 마루(L2)와 골(L4)의 중간 지점(L3)에 이르면 해수 입자(P4)들은 아래 쪽으로만 이동하고 좌우 방향의 이동이 없으므로, 발전막(20)이 원래의 상태로 되돌아 간다.
발전막(20)이 파도(1)의 골(L4)에 가까워지면 해수 입자(P12)들은 우하 방향으로 이동을 하기 시작하고 발전막(20)은 오른쪽으로 휘기 시작한다. 발전막(20)이 파도(1)의 골(L4)에 이르면 해수 입자(P4)들은 모두 오른쪽으로 이동하고 발전막(20)은 오른쪽으로 가장 많이 휜 상태가 된다.
도 7에 도시한 것처럼 때에 따라서는 발전막(20)이 위로 솟아 해수면 바깥으로 나온 상태가 될 수도 있으며, 그때에는 파도(1)에 의한 압력이 없어지므로 발전막(20)은 초기 상태가 된다. 예를 들어, 발전막(20)이 해수면 바깥으로 나오기 전에 발전막(20)이 왼쪽으로 휘어 있는 상태라면, 복원력에 의하여 다시 제자리로 돌아간다. 발전막(20)이 해수면 바깥으로 나오기 전에 이미 제자리로 돌아와 있는 상태라면 발전막(20)은 제자리에 그대로 머무른다. 따라서 이 경우에는 발전막(20)이 파도(1)의 골에 위치한다고 하더라도 오른쪽으로 휘지 않고 초기 상태를 유지한다.
한편, 해수 입자의 운동 반경은 수면에서 가까울수록 크므로 발전막(20)을 수면에 가깝게 설치하여 발전 효율을 높일 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 따르면 동력 발생 고무 필름을 수면에 수직으로 설치하여 파도에 의하여 휘게 함으로써 전기를 생성할 수 있다. 본 실시예에 따른 파력 발전기는 또한 강한 파도의 에너지를 흡수함으로써 파도를 약화시키는 역할을 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
1: 파도
2: 파도의 마루
3: 파도의 골
10: 프레임
11: 상부 받침대
12: 하부 받침대
14: 연결봉
20: 발전막
22: 실리콘 고무 시트
24: 세라믹 나노 리본
26: 발전막 고정대
30: 집파기
40: 계류선 고정대
50: 계류선
60: 전송선

Claims (10)

  1. 실리콘 고무 시트 및 그 위에 부착되어 있는 세라믹 나노 리본을 포함하는 복수의 발전막, 그리고
    상기 발전막을 지지하는 프레임
    을 포함하며,
    상기 발전막은 파도의 파동 에너지를 전기 에너지로 변환하는
    파력 발전기.
  2. 제1항에서,
    상기 세라믹 나노 리본은 압전성 세라믹 물질을 포함하는 파력 발전기.
  3. 제2항에서,
    상기 압전성 세라믹 물질은 PZT(lead zirconate titanate)를 포함하는 파력 발전기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 프레임에 설치되어 있으며 상기 발전막 쪽으로 파도를 모아 주는 집파기를 더 포함하는 파력 발전기.
  5. 제4항에서,
    상기 프레임은,
    서로 평행하게 수평으로 배열되어 있는 상부 및 하부 받침대, 그리고
    상기 상부 받침대와 상기 하부 받침대를 수직으로 연결하는 복수의 연결봉
    을 포함하는
    파력 발전기.
  6. 제5항에서,
    상기 집파기는 상기 연결봉에 설치되어 있는 파력 발전기.
  7. 제5항에서,
    상기 하부 받침대에 설치되어 있으며 상기 발전막을 고정하는 발전막 고정대를 더 포함하는 파력 발전기.
  8. 제5항에서,
    상기 프레임을 고정하는 복수의 계류선, 그리고
    상기 상부 받침대에 설치되어 있으며 상기 계류선을 고정하는 계류선 고정대
    를 더 포함하는 파력 발전기.
  9. 제8항에서,
    상기 발전막에서 생성된 전기 에너지를 외부에 전송하는 전송선을 더 포함하는 파력 발전기.
  10. 제8항에서,
    상기 발전막은 수면에 대하여 수직으로 서 있으며 파도의 마루에서 적어도 일부가 물에 잠기도록 설치되는 파력 발전기.
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