KR101306857B1

KR101306857B1 - 유압식 전력변환장치를 갖는 파력발전기 및 이를 이용한 전력변환방법

Info

Publication number: KR101306857B1
Application number: KR1020110095337A
Authority: KR
Inventors: 조병학; 최경식; 양동순; 박신열
Original assignee: 한국전력공사
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2013-09-10
Also published as: KR20130031634A

Abstract

본 발명은 파력발전시스템에 관한 것으로, 상세하게는 유압식 전력변환장치를 갖는 가동물체형 파력발전기에 관한 것이다. 본 발명의 일측면에 따르면, 복수의 부유동체와, 상기 복수의 부유동체를 회동 가능하게 결합하는 결합힌지와, 상기 복수의 부유동체 사이에 결합되며, 상기 복수의 부유동체의 진동에 의해 작동유를 가압하는 유압 실린더와, 상기 유압 실린더에 의해 가압된 작동유의 유압을 평활하는 축압기와, 상기 평활된 작동유에 의해 구동하는 유압모터와, 상기 유압모터에 의해 전력을 생산하는 발전기, 및 파랑의 주기와 파고를 측정하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출하고, 산출된 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량을 이용하여 상기 축압기의 압력 및 상기 유압모터의 유량을 제어하는 제어기를 포함하는 파력발전기가 제공된다.

Description

유압식 전력변환장치를 갖는 파력발전기 및 이를 이용한 전력변환방법{Apparatus and method for hydraulic power-take of wave energy converter}

본 발명은 파력발전시스템에 관한 것으로, 상세하게는 유압식 전력변환장치를 갖는 가동물체형 파력발전기에 관한 것이다.

파랑은 4~12초 정도의 주기를 갖고 진동하는 특징을 가지고 있기 때문에, 파랑에 의한 부유동체의 진동운동을 발전기를 회전시키기 위한 회전운동으로 바꾸는 데에는 어려움이 있다. 따라서 부유동체의 상대적인 운동에 의해 작동되는 유압 실린더를 배치하여 작동유를 고압으로 가압하고 이를 이용하여 유압모터와 발전기를 회전시켜 전력을 생산한다. 그러나, 유압 실린더에 걸리는 압력은 파랑에 의해 운동하는 부유동체의 진동을 방해하는 방향으로 작용하므로 파랑의 파고와 주기에 따라 축압기의 압력과 유압모터로 흐르는 작동유의 유량을 최적으로 유지시키지 못하면 에너지 흡수효율이 저하된다. 또한, 파랑은 근본적으로 진동특성을 가지므로 부유동체의 진동을 파랑의 진동에 공진시켜야 에너지 흡수효율이 크게 향상된다. 그러나 비중이 약 0.5인 부유동체의 고유진동 주기는 3초 정도에 불과하므로 일반적인 파랑의 주기인 4~12초에 비해 현저히 작아 자연적으로는 공진이 형성되지 않는다. 또한, 유압 실린더로 유입되는 작동유의 유로에 설치되는 체크 밸브는 작동유의 유량이 많을 경우 압력강하를 유발하여 유압 실린더에 진공을 형성할 수 있다. 이와 같이 진공이 형성되면 유압 실린더 피스톤의 행정에 비해 적은 유량이 전력변환장치로 공급되므로 에너지 변환효율이 저하된다.

한편, 다수개의 관절로 구성되는 가동물체형 파력발전기는 예상하지 못했던 높은 파고의 파랑에 의해 관절이 과도하게 굽혀져서 관절 또는 동체가 손상될 수 있다. 또한, 파력발전 시스템은 환경이 열악한 해수면에 설치되므로 유지보수가 용이하도록 설계되어야 한다. 특히 2개의 부유동체가 결합되는 힌지(hinge)와 실린더에는 큰 하중이 지속적으로 반복되므로 주기적으로 정비해야 한다.

이와 같은 이유로 종래의 부유식 파력발전기는 낮은 에너지 변환효율과 정비의 어려움으로 인한 문제점을 가지고 있었다.

한국 공개 특허 제2011-0015261호

본 발명의 목적은 부유동체가 파랑 에너지를 최대로 흡수할 수 있도록 파력발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 부유동체의 손상을 방지함으로써, 파력발전시스템의 신뢰성을 높이는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 파력발전시스템의 정비편의성을 향상시키는데 있다.

본 발명의 일측면에 따르면, 복수의 부유동체와, 상기 복수의 부유동체를 회동 가능하게 결합하는 결합힌지와, 상기 복수의 부유동체 사이에 결합되며, 상기 복수의 부유동체의 진동에 의해 작동유를 가압하는 유압 실린더와, 상기 유압 실린더에 의해 가압된 작동유의 유압을 평활하는 축압기와, 상기 평활된 작동유에 의해 구동하는 유압모터와, 상기 유압모터에 의해 전력을 생산하는 발전기, 및 파랑의 주기와 파고를 측정하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출하고, 산출된 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량을 이용하여 상기 축압기의 압력 및 상기 유압모터의 유량을 제어하는 제어기를 포함하는 파력발전기가 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 복수의 부유동체와, 상기 복수의 부유동체를 회동 가능하게 결합하는 결합힌지, 및 상기 복수의 부유동체 사이에 결합되며, 상기 복수의 부유동체의 진동에 의해 작동유를 고압으로 가압하며, 위상 제어에 의해 브레이크로 동작하는 유압 실린더를 포함하는 파력발전기가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 복수의 부유동체 사이에 결합된 유압 실린더에 의해 가압된 작동유의 유압을 평활하는 축압기 및 평활된 작동유에 의해 구동하는 유압모터를 포함하는 파력발전기의 전력변환방법에 있어서, 파고계로부터 입력된 파랑의 주기와 파고를 이용하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출하는 단계, 및 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량을 이용하여 축압기의 압력 및 유압모터의 유량을 제어하는 단계를 포함하는 파력발전기의 전력변환방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 부유동체가 파랑 에너지를 최대로 흡수할 수 있도록 전력변환장치가 제어되므로 파력발전시스템의 에너지 변환효율이 크게 향상된다.

또한, 부유동체가 주어진 파랑에 동조되도록 전력변환장치가 제어되므로 파력발전시스템의 에너지 변환효율이 크게 향상된다.

또한, 유압 실린더 내부에 진공 형성이 방지되므로, 더 많은 전력을 생산할 수 있다.

또한, 부유동체의 손상을 방지함으로써, 파력발전시스템의 신뢰성이 크게 향상된다.

또한, 파력발전기는 대형 구조물이므로 정비를 위해서는 일반적으로 대형 크레인을 장착한 바지선이 필요하지만, 정비편의성이 향상되어 바지선이 불필요하고, 신속하게 대응할 수 있어 가동률이 높아지기 때문에 경제성이 향상된다.

이하에서, 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명된다. 이해를 돕기 위해, 첨부된 전체 도면에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 할당되었다. 첨부된 도면에 도시된 구성은 본 발명을 설명하기 위해 예시적으로 구현된 실시예에 불과하며, 본 발명의 범위를 이에 한정하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가동물체형 파력발전기의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 유압계통도이다.
도 3은 파랑에 의한 부유동체의 거동을 시뮬레이션한 도면이다.
도 4는 위상제어에 의한 부유동체의 거동을 시뮬레이션한 도면이다.
도 5는 파랑의 파고와 주기에 따른 최적 압력과 유량을 도시한다.
도 6은 가동물체형 파력발전기의 피칭 회전각도를 정의하고 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐, 동일한 구성 요소에는 동일한 도면 번호를 부여한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가동물체형 파력발전기의 구성을 개략적으로 도시한다. 도 1을 참조하면, 2개의 부유동체와 1개의 관절을 갖는 가동물체형 파력발전기가 예시적으로 도시되어 있다. 가동물체형 파력발전기는 파랑으로부터 에너지를 흡수하는 부유동체의 회전각도가 작을 뿐만 아니라 파랑의 주기 또한 4~12초로 길기 때문에 일반적으로 도 1에서와 같이 부유동체에 흡수된 에너지로 유압실린더를 구동하여 작동유를 고압으로 가압하고, 가압된 작동유로 발전기와 결합되어 있는 유압모터를 돌려 전력을 생산하는 전력변환장치(PTO, Power Takeoff Unit)(200)를 갖는다. 전력변환장치(200)는 도 2를 참조하여 설명된다.

도 1에 도시된 가동물체형 파력발전기(100)는 제1 부유동체(110), 제2 부유동체(115), 결합힌지(120), 유압 실린더(130)를 포함한다.

제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)는 파랑으로부터 효율적으로 에너지를 흡수하게 하는 진동 특성을 제공한다. 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)는 중공 원통형으로 형성되며, 외측면은 파랑이 마찰을 최대로 줄이기 위해 유선형으로 형성된다. 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)는 해수면에 부유하며 파랑에 의해 해수면의 종방향으로 상하 운동한다. 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)는 결합힌지(120)에 의해 회동 가능하게 결합된다.

유압 실린더(130)는 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115) 사이에 해수면에 대해 수직으로 위치할 수 있다. 유압 실린더(130)는 해수면의 종방향으로 상하 운동하는 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)에 의해 작동유를 가압한다. 실린더 구동 장치(140)는 유압 실린더(130)의 상부 및 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)의 일단에 각각 회동 가능하게 결합되어 유압 실린더(130)를 구동시킨다. 즉, 실린더 구동 장치(140)는 종방향으로 상하 운동하는 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)의 의해 유압 실린더(130)를 상하 운동시킨다. 유압 실린더(130)는 실린더 구동 장치(140)의 구동에 의해 상하 운동하여 내부의 작동유를 가압한다. 유압 실린더(130)에서 가압한 작동유는 유로(150)을 통해 전력변환장치(200)로 이송된다.

제1 부유동체(110)는 유압 실린더(130) 및 전력변환장치(200)의 동작을 제어하는 제어장치(300)를 포함하며, 제어장치(300)는 유압 실린더(130)를 제어하는 제1 제어기(310) 및 전력변환장치(200)를 제어하는 제2 제어기(320)를 포함한다. 한편, 제2 부유동체(115)는 전력변환장치(200)를 포함한다. 여기서, 제1 제어기(310) 및 제2 제어기(320)는 동일한 부유동체에 위치되는 것으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐이며, 서로 다른 부유동체에 각각 위치될 수도 있음은 물론이다.

제1 틸트센서(160) 및 제2 틸트센서(165)는 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)에 각각 부착되어, 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115)의 상대각도(피칭각도)를 측정한다. 제1 틸트센서(160) 및 제2 틸트센서(165)에 의해 측정되는 제1 부유동체(110) 및 제2 부유동체(115) 사이의 상대각도가 도 6에 도시되어 있다.

파고계(170)는 파랑의 주기와 파고를 측정한다. 도 1에서는, 수압식 파고계(170)가 해저에 설치되어, 파랑에 의한 수중의 압력 변동을 측정하여, 파랑의 주기와 파고를 측정한다. 그러나, 수압식 파고계 이외에 우다이식 파고계, 계단 저항식 파고계, 자기 파고계 등과 같은 다양한 파고계가 이용될 수 있음은 자명하다.

연성계류장치(180)는 제1 부유동체(110)의 하부에 연결되어, 가동물체형 파력발전기(100)를 연안에 고정시킨다. 연성계류장치(180)의 일단은 제1 부유동체(110)의 하부에 연결되며, 타단은 해저에 고정된다.

해저전력선(190)은 전력변환장치(200)가 생산한 전력을 육상으로 전달하기 위해 해저에 부설된 전력 케이블이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환장치의 유압계통도이다. 유압식 전력변환장치는 부유동체에 흡수된 파랑에너지를 전력으로 변환한다. 도 2를 참조하면, 유로(150)를 통해 유압 실린더(130)에 연결된 전력변환장치(200)는, 축압기(accumulator)(210), 릴리프(relief valve) 밸브(230), 유압모터(240), 발전기(250) 및 작동유 저장조(220)를 포함한다.

축압기(210)는 유압 실린더(130)에 의해 간헐적으로 가압된 작동유의 유압을 평활한다. 축압기(210)는 유로(150)를 통해 유압 실린더(130)로부터 가압된 작동유를 전달받아 저장한다. 축압기(210)는 메인 벨브(270)를 통해 유압모터(240)로 가압된 작동유를 전달하여 유압모터(240)가 구동하도록 한다.

작동유 저장조(220)는 전력변환장치(200)에서 순환되는 작동유를 저장하며, 축압기(210)의 유압을 조절하기 위해, 축압기(210)로부터 작동유를 전달받는다. 이를 위해, 릴리프 밸브(230)는 작동유 저장조(220)와 축압기(210) 사이에 결합되어 축압기(210)의 압력을 조절한다. 유압모터(240) 또는 발전기(250)에 고장이 발생하여 축압기(210)의 압력이 설정치 이상 상승하면 작동유는 릴리프 밸브(230)를 통해 작동유 저장조(220)로 보내진다.

유압모터(240)는 축압기(210)에 의해 평활된 작동유에 의해 회전하여 발전기(250)를 구동한다. 유압모터(240)는 사판각(swash plate angle)이 일정할 경우 공급되는 유량에 비례하여 회전한다. 유압모터(240)를 구동한 작동유는 작동유 저장조(220)로 복귀한다.

발전기(250)는 유압모터(240)에 의해 구동되어 전력을 생산한다. 생산된 전력은 해저전력선(190)을 통해 육상으로 전달된다.

제1 제어기(310)는 래칭 밸브(260)와 덤프 밸브(265)를 제어한다. 제1 제어기(310)는 래칭 밸브(260)를 통해 부유동체를 위상제어 한다. 한편, 제1 제어기(310)는 래칭 밸브(260)를 닫고, 덤프 밸브(265)를 개방함으로써, 핸드 펌프(285a, 285b)에 의해 작동유 저장조(220)로부터 작동유가 유압 실린더(130)로 이동될 수 있도록 한다. 제1 제어기(310)에 의한 위상제어는 도 3 및 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.

제2 제어기(320)는 메인 밸브(270)와 유압모터(240)의 사판각을 제어한다. 이를 위해, 제2 제어기(320)는 축압기의 압력을 측정하는 압력 센서(294) 및 유압 모터의 유량을 측정하는 유량 센서(296)로부터 측정 신호를 수신한다. 제2 제어기(320)에 의해 솔레노이드 방식으로 동작되는 메인 밸브(270)는, 축압기(210)와 유압모터(240) 사이에 결합되어, 전력변환장치(200)를 기동 및 정지한다. 한편, 부유동체가 주어진 파랑조건에 동조되어 효율적으로 에너지를 흡수하기 위해서는, 유압 실린더(130)의 구속토크가 결정되어야 한다. 유압 실린더(130)의 구속토크는 축압기(210)의 압력에 의해 결정되며, 축압기(210)의 압력은 유압모터(240)의 유량에 반비례한다. 따라서 유압모터(240)의 유량을 결정하는 사판각을 조절하여 축압기(210)의 압력을 제어할 수 있다. 제2 제어기(320)에 의한 축압기 압력 및 유압모터(240)의 유량 제어는 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.

한편, 전력변환장치(200)는 유압 실린더(130) 내부에 진공형성을 방지하기 위하여 프리필 밸브(prefill valve)(280)를 더 포함할 수 있다. 체크밸브(check valve)는 스프링에 의해 동작하기 때문에 불필요한 압력강하를 유발한다. 체크밸브에서의 압력강하로 인해 유압 실린더(130) 내부에 진공이 형성되어 에너지 흡수효율이 저하된다. 따라서 작동유 저장조(220)에서 유압 실린더(130)로 유입되는 작동유의 유로에 체크밸브를 배치하면 유량이 많을 경우 1bar를 초과하는 압력강하로 인해 유압 실린더(130) 내부에 진공이 형성된다. 이 현상은 주사바늘을 액체에 담그고 피스톤을 갑자기 뽑으면 주사기 내부에 진공이 생기는 것과 같은 원리이다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 도 2에 보인 바와 같이 체크밸브 대신 기능은 같지만 압력강하가 작은 프리필 밸브(280)를 적용한다. 프리필 밸브(280)는 많은 유량이 흐르더라도 큰 압력강하를 유발하지 않으므로 유압 실린더(130) 내부에 진공이 형성되는 것을 방지한다.

한편, 설계 파고 보다 높은 파고의 파랑이 발생하거나 전력변환장치(200)에 고장이 발생하여 파랑으로부터 흡수된 에너지를 소모할 수 없는 경우에는 결합힌지(120)가 과도하게 굽혀지는 것을 방지하기 위해 부유동체가 평형을 이룬 상태에서 래칭 밸브(260)를 닫아 부유동체가 운동하는 것을 방지한다. 그러나 과도한 파랑이 발생하게 되면 유압 실린더(130)의 압력이 급상승하여 파손될 수 있다. 따라서 전력변환장치(200)는 에너지를 흡수할 수 있는 댐퍼를 더 포함할 수 있으며, 댐퍼는 댐퍼 축압기(290) 및 오리피스(292)로 구성된다. 오리피스(292)는 댐핑 상수를 제공하며, 댐퍼 축압기(290)는 부유동체가 원위치로 복구되도록 스프링 상수를 제공한다. 댐퍼 축압기(290)의 예압(pre-charged pressure)은 축압기(210)의 최대압력을 결정하는 릴리프 밸브(230)의 설정값 보다 높게 설정되므로, 정상운전 중에는 댐퍼 축압기(290)의 내부로 작동유가 유입되지 않는다.

또한, 전력변환장치(200)는 결합힌지(120)와 유압 실린더(130)에 대한 정비의 편이성 향상을 위해 동체각도 조절장치를 더 포함할 수 있다. 동체각도 조절장치는 2개의 유압식 핸드 펌프(285a, 285b), 래칭 밸브(260) 및 덤프 밸브(265)로 구성된다. 래칭 밸브(260)가 닫히고, 덤프 밸브(265)가 열린 상태에서 상부 핸드펌프(285a)를 조작하면 저장조의 작동유가 실린더 상부로 유입되어 동체가 V자 형태로 굽혀지고, 하부 핸드펌프(285b)를 조작하면 동체가 역V자 형태로 굽혀진다.

도 3은 파랑에 의한 부유동체의 거동을 시뮬레이션한 도면이고, 도 4는 위상제어에 의한 부유동체의 거동을 시뮬레이션한 도면이다.

도 3을 참조하면, a)는 동체에 영향을 미치는 유효파랑의 진폭, b)는 비중이 0.5인 부유동체의 거동이며, c)는 부유동체의 질량을 증가시켜 공진이 형성되었을 때의 거동을 보인다. 파랑으로부터 부유동체에 흡수되는 에너지를 극대화하기 위해서는 공진을 형성할 필요가 있으며, 공진이 형성되면 도 3에 보인 바와 같이 파랑의 진동에 비해 부유동체의 진동은 90도의 위상차를 갖게 된다. 그러나 일반적으로 부유동체의 고유진동 주기가 파랑의 진동주기보다 작기 때문에 공진이 형성되기 어려운 점이 있다.

도 4를 참조하면, a)는 동체에 영향을 미치는 유효파랑의 진폭, b)는 유압실린더에 구속되어 있는 비중이 0.5인 부유동체의 거동, c)는 위상제어에 의한 유압실린더에 구속되어 있는 비중이 0.5인 부유동체의 거동을 보인다.

부유동체의 위상제어는 래칭 밸브(260)를 닫으면 유압 실린더(130)에서 펌핑된 작동유의 유로가 막혀 유압 실린더(130)의 피스톤이 움직이지 못하고, 따라서 각각 실린더와 피스톤에 결합된 제1 부유동체(110)와 제2 부유동체(115)가 움직이지 못하게 되는 원리를 이용하여 구현된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 위상제어는 래칭(latching)과 릴리즈(release)를 반복적으로 수행하는데, 래칭은 브레이크를 거는 것이고, 릴리즈는 브레이크를 푸는 것이다. 제1 제어기(310)는 제1 부유동체(110)와 제2 부유동체(115)에 각각 부착되어 부유동체의 기울기를 측정하는 틸트 센서(160, 165)와 유압 실린더의 압력을 측정하는 압력센서(295)와 파랑의 주기와 파고를 측정하는 파고계(170)로부터 신호를 입력 받아 래칭 밸브(260)를 제어한다. 래칭은, 도 6에 도시된 바와 같이, 두 개의 틸트 센서(160, 165)로부터 계산되는 부유동체들이 이루는 상대각도(

)가 정지하는 시점에서 시작된다. 따라서 부유동체의 상대각도를 시간에 대해 미분한

가 영(zero)인 점에 해당하므로, 래칭 시점은 과거의 측정신호를 참조하여 설정될 수 있다. 그러나 릴리즈 시점은 파랑의 조건을 예측하여야 하므로, 선수에 해당하는 제1 부유동체(110)측에 설치되어 있는 파고계(170)에서 측정된 파랑의 정보를 참조하여 결정된다. 파고계(170)는 파랑이 입사하는 선수에 설치되어 있으므로 파랑이 부유동체에 미치는 영향을 예측할 수 있는 자료를 제공한다. 제1 제어기(310)는 파고계(170)에서 측정된 파랑의 파고와 주기를 참조하여 파랑에 의해 부유동체에 가해지는 구동력에 대해 부유동체의 진동이 90도의 위상차를 가질 것으로 예측되는 시점에서 릴리즈 명령을 생성하며, 이 명령은 유압 실린더(130)의 압력(PT1)이 축압기(210)의 압력(PT2) 보다 높은 조건에서 유효하다.

도 5는 최대전력 점 추종제어(Maximum Power Pint Tracking)를 컴퓨터 시뮬레이션으로 구현하여 산출한 파랑의 파고와 주기에 따른 최적 축압기 압력과 유압모터의 유량을 도시한다. 여기서, 도 5는 50kW급 파력발전기에 적용된 파랑의 파고와 주기에 따른 최적 축압기 압력과 최적 유압모터 유량을 산출하기 위해 예시적으로 나타낸 것으로, 파력발전기의 출력 또는 파력발전기가 설치된 지점의 특성에 따라 달라질 수 있음은 물론이다.

도 5를 참조하면, ag는 Goda's formula에 의한 특정 파랑주기(T)에서 발생하는 최대파고이고, aw는 부유동체에 작용하는 유효파고이다. Pc와 Qc는 축압기의 압력과 유압모터의 유량을 나타내며, Po와 Qo는 파력발전기의 설계 최대출력이 발생하는 축압기의 압력과 유압모터의 유량을 나타낸다. 파랑의 주기가 일정할 경우 축압기 압력과 유압모터 유량은 파고에 따라 거의 같은 비율로 증가 또는 감소하는 것을 알 수 있다. 이로부터, 파랑이 갖는 에너지는 파고의 자승에 비례하고 주기에 반비례함을 알 수 있다. 그리고 전력변환장치의 출력은 축압기 압력과 유압모터로 흐르는 유량의 곱에 해당한다. 따라서 파랑 출력(power density)과 전력변환장치의 출력 사이에 밸런스를 유지시킬 필요가 있다. 한편, 다양한 파랑조건에서 최대의 에너지를 흡수하기 위한 축압기 압력과 유압모터 유량은 부유동체의 형상과 밀접한 관계를 가지며, 실험적으로 구하거나 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 구할 수 있다.

본 발명은 파랑의 파고와 주기를 측정 및 분석하고, 이에 해당하는 축압기 압력과 유압모터 유량을 설정하고, 제2 제어기(320)를 통해 최적으로 유지시켜 에너지 흡수효율이 향상되도록 한다. 제2 제어기(320)는 파고계(170)에서 측정한 파랑의 주기와 파고를 입력 받은 후, 도 5를 참조하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출한다. 이후 축압기 압력(PT2)과 유압모터 유량(FT)이 최적으로 유지되도록 제어한다. 유압모터의 유량은 유압모터(240)의 제2 제어기(320)에 의해 동작되는 사판각에 비례하여 증감한다. 축압기 압력은 유압모터의 유량에 반비례하여 증감한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

복수의 부유동체;
상기 복수의 부유동체를 회동 가능하게 결합하는 결합힌지;
상기 복수의 부유동체 사이에 결합되며, 상기 복수의 부유동체의 진동에 의해 작동유를 가압하는 유압 실린더;
상기 유압 실린더에 의해 가압된 작동유의 유압을 평활하는 축압기
상기 평활된 작동유에 의해 구동하는 유압모터;
상기 유압모터에 의해 전력을 생산하는 발전기; 및
파랑의 주기와 파고를 측정하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출하고, 산출된 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량을 이용하여 상기 축압기의 압력 및 상기 유압모터의 유량을 제어하는 제어기를 포함하되,
상기 유압 실린더는 상기 복수의 부유동체의 진동이 파랑의 진동에 위상차를 갖도록 위상 제어에 의해 브레이크로 동작하고,
상기 위상 제어에 의해 브레이크로 동작하는 것은,
상기 유압 실린더에서 상기 가압된 작동유를 상기 축압기로 전달하는 유로에 형성된 래칭 벨브가 닫히면, 상기 유압 실린더에서 펌핑된 작동유의 유로가 막혀 상기 유압 실린더의 피스톤이 움직이지 못함에 따라 상기 유압 실린더에 결합된 상기 복수의 부유동체가 움직이지 못하게 되는 원리를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
제1항에 있어서, 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량은 최대전력 점 추종제어에 의해 산출되는 파력발전기.
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복수의 부유동체;
상기 복수의 부유동체를 회동 가능하게 결합하는 결합힌지;
상기 복수의 부유동체 사이에 결합되며, 상기 복수의 부유동체의 진동에 의해 작동유를 고압으로 가압하며, 위상 제어에 의해 브레이크로 동작하는 유압 실린더; 및
상기 복수의 부유동체의 진동이 파랑의 진동에 위상차를 갖도록 하기 위해 상기 유압 실린더를 브레이크로 동작하도록 제어하는 제1 제어기를 포함하되,
상기 유압 실린더를 브레이크로 동작하도록 제어하는 것은,
상기 유압 실린더에서 상기 가압된 작동유를 축압기로 전달하는 유로에 형성된 래칭 벨브가 닫히면, 상기 유압 실린더에서 펌핑된 작동유의 유로가 막혀 상기 유압 실린더의 피스톤이 움직이지 못함에 따라 상기 유압 실린더에 결합된 상기 복수의 부유동체가 움직이지 못하게 되는 원리를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
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제4항에 있어서,
상기 복수의 부유동체의 기울기를 측정하는 틸트센서; 및
상기 파랑의 주기 및 파고를 측정하는 파고계를 더 포함하되,
상기 제1 제어기는 상기 복수의 부유동체가 이루는 상대각도의 시간에 대한 미분값이 0이 되는 시점에서 상기 유압 실린더를 래칭하는 파력발전기.
제6항에 있어서,
상기 제1 제어기는 상기 주기의 파랑에 대해 상기 복수의 부유동체의 상대적인 진동이 90도 위상차를 가질 것으로 예측되는 시점에서 상기 유압 실린더를 릴리즈하는 파력발전기.
제7항에 있어서, 상기 릴리즈는 상기 유압 실린더의 유압이 축압기의 유압보다 높은 조건에서 실행되는 파력발전기.
제4항에 있어서, 상기 부유동체는 전력변환장치를 포함하며, 상기 전력변환장치는,
작동유를 저장하는 작동유 저장조;
상기 유압 실린더에 의해 가압된 작동유의 유압을 평활하는 축압기;
상기 작동유 저장조와 상기 축압기 사이에 결합되어 상기 축압기의 압력을 조절하는 릴리프 밸브;
상기 축압기에 의해 평활된 작동유에 의해 구동하는 유압모터; 및
상기 유압모터에 의해 구동되어 전력을 생산하는 발전기를 포함하는 파력발전기.
제9항에 있어서, 상기 유압 실린더의 일측과 상기 작동유 저장조 사이에 결합되어 상기 유압 실린더 내부의 진공 형성을 방지하는 프리필 밸브를 더 포함하는 파력발전기
제9항에 있어서, 상기 유압 실린더로부터 상기 축압기로 연장된 유로에 설치되어 댐핑 상수를 제공하는 오리피스; 및
상기 오리피스에 결합되어 상기 부유동체가 원위치로 복구되도록 스프링 상수를 제공하는 댐퍼 축압기를 더 포함하는 파력발전기.
제9항에 있어서,
상기 유압모터에 병렬로 연결된 체크 밸브; 및
상기 유압 실린더와 상기 작동유 저장조 사이에 결합되어 상기 작동유 저장조에 저장된 작동유를 상기 유압 실린더에 공급하는 핸드 펌프를 더 포함하는 파력발전기.
제9항에 있어서, 상기 부유동체는,
파랑의 주기와 파고를 측정하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출하고, 산출된 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량을 이용하여 상기 축압기의 압력 및 상기 유압모터의 유량을 제어하는 제2 제어기를 포함하는 파력발전기.
복수의 부유동체 사이에 결합된 유압 실린더에 의해 가압된 작동유의 유압을 평활하는 축압기 및 평활된 작동유에 의해 구동하는 유압모터를 포함하는 파력발전기의 전력변환방법에 있어서,
파고계로부터 입력된 파랑의 주기와 파고를 이용하여 최적 축압기 압력과 최적 유압모터의 유량을 산출하는 단계;
상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량을 이용하여 축압기의 압력 및 유압모터의 유량을 제어하는 단계; 및
상기 파랑의 주기와 파고를 이용하여 상기 복수의 부유동체의 진동이 상기 파랑의 진동에 위상차를 갖도록 위상 제어하는 단계를 포함하되,
상기 위상 제어하는 단계는,
상기 유압 실린더를 브레이크로 동작시키는 단계이고,
상기 유압 실린더를 브레이크로 동작시키는 단계는,
상기 유압 실린더에서 상기 가압된 작동유를 상기 축압기로 전달하는 유로에 형성된 래칭 벨브가 닫히면, 상기 유압 실린더에서 펌핑된 작동유의 유로가 막혀 상기 유압 실린더의 피스톤이 움직이지 못함에 따라 상기 유압 실린더에 결합된 상기 복수의 부유동체가 움직이지 못하게 되는 원리를 이용하여 구현되는 것을 특징으로 하는 파력발전기의 전력변환방법.
제14항에 있어서, 상기 최적 축압기 압력과 상기 최적 유압모터의 유량은 최대전력 점 추종제어에 의해 산출되는 파력발전기의 전력변환방법.
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