KR101346169B1 - 플랩 러더형 조류 발전기 - Google Patents

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Abstract

플랩 러더형 조류 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기는, 조류로부터 얻는 양력에 의해 회전되는 러더부와, 러더부의 단부에 연결되고 능동적으로 제어가 가능한 플랩부를 구비하는 플랩 러더(flap rudder); 일단부가 플랩 러더의 러더부에 상대 회전 가능하게 결합되는 회전 아암(rotating arm); 및 회전 아암과 연결되어 회전 아암의 운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부를 포함한다.

Description

플랩 러더형 조류 발전기{TIDAL CURRENT POWER GENERATOR FOR FLAP RUDDER}
본 발명은, 플랩 러더형 조류 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 작더라도 모멘트를 크게 만들 수 있어 느린 유속에서도 발전이 가능한 플랩 러더형 조류 발전기에 관한 것이다.
해양 에너지를 이용하는 주요 발전 중에는 해수의 위치에너지를 이용하는 조력발전과, 해수의 운동에너지를 이용하는 조류발전이 대표적이다.
조류발전기는 조석을 동력원으로 하되 조석에 의한 해류의 흐름, 즉 조류로부터 에너지를 추출하는 발전임에 반하여, 조력발전은 조석간만차를 이용한 발전장치이다.
조력발전은 주로 강한 조석이 발생하는 하구나 만에 방조제를 설치하여 조지를 만들고, 외해 수위와 조지 내의 수위 차를 이용하여 발전하고 있다.
이에 반해 조류발전은 해수의 빠른 흐름 즉, 자연적인 해수의 흐름을 이용하는 방식이기 때문에 조력발전처럼 댐을 설치할 필요가 없다. 조류발전에 사용되는 수차발전기의 종류는 프로펠러식(Propeller Type), 다리우스식(Darrieus Type), 사보니우스식(Savonius Type)과 이들을 변형 또는 개량한 형태가 있다.
조류발전기는 조력댐 없이 발전에 필요한 수차발전기만을 설치하면 되기 때문에 비용이 적게 드는 반면, 조류의 유속이 일정 속도 이상 되어야 하므로 적지를 선정하는데 어려움이 있고, 조력발전에 비해 자연적인 흐름의 세기에 따라 발전량이 좌우된다는 단점이 있다.
하지만 해수 유통이 자유롭고 해양 환경에 미치는 영향이 거의 없어 조력발전에 비해 친환경적인 것으로 평가되고 있다.
종래의 조류발전 시설은 1개의 발전기마다 구조체를 수중에 별도로 설치하여 시험 운행하는 초기 단계에 지나지 않기 때문에 구조체가 조류의 흐름을 방해하여 에너지의 효율적 이용을 저해하며, 발전기가 수중에 고정되어 유지보수가 어려운 문제점이 있었다.
한편, 종전의 수직 원통 부재를 제거하는 대신 회전축에 설치되는 다수의 연결 아암들에 의하여 수직 원통 부재보다 중량을 줄인 원통형 수차를 제공하여 수차의 회전 시 조류저항을 줄이는 방식이 있지만, 중량은 감량될지언정 설치된 다수의 연결 아암들에 의한 조류저항이 수직 원통 부재에 비해 현저하다고 할 수 없다.
다른 방안은 수중 회전기를 이용한 것인데, 조류력을 얻기 위해서 일정한 유속이 발생하는 해저에 수차룸을 설치하되 수차룸의 부양을 억제하기 위해서 수차룸 위에 중량물로 제시한 토사를 축조하는 방식이다.
이 방식은 유속이 빠른 해저에서 수중 회전기를 설치해야 하므로 시공비 면에 있어서 경제력이 떨어지는 문제점이 있다.
이에, 근자에 들어서는 플랩 러더를 이용한 플랩 러더형 조류 발전기에 대한 연구가 진행되고 있다.
이러한 플랩 러더형 조류 발전기는 플랩 러더를 통해 얻은 양력을 이용하여 플랩 러더를 병진운동을 시키고 이를 전기에너지로 변환하는 것이다.
하지만, 현재까지 알려진 플랩 러더형 조류 발전기에 있어서는, 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 적은 경우, 큰 에너지를 얻기 어려운 단점이 있으므로 이에 대한 대안이 요구된다.
대한민국특허청 등록번호 제10-0510327호
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 작더라도 모멘트를 크게 만들 수 있어 느린 유속에서도 발전이 가능한 플랩 러더형 조류 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조류로부터 얻는 양력에 의해 회전되는 러더부와, 상기 러더부의 단부에 연결되고 능동적으로 제어가 가능한 플랩부를 구비하는 플랩 러더(flap rudder); 일단부가 상기 플랩 러더의 러더부에 상대 회전 가능하게 결합되는 회전 아암(rotating arm); 및 상기 회전 아암과 연결되어 상기 회전 아암의 운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부를 포함하는 플랩 러더형 조류 발전기가 제공될 수 있다.
상기 회전 아암은 상기 플랩 러더에 대응되게 연결될 수 있다.
상기 플랩 러더와 상기 회전 아암은 각각 다수 개 마련될 수 있으며, 다수의 상기 회전 아암들이 함께 동작될 수 있도록 다수의 상기 회전 아암에 상대 회전 가능하게 연결되는 아암 연결부재를 더 포함할 수 있다.
상기 플랩부는 상기 러더부에 비해 크기가 작게 마련될 수 있다.
상기 회전 아암의 타단부에서 상기 회전 아암을 자유 회전 가능하게 지지하는 아암 서포트(arm support)를 더 포함할 수 있다.
상기 플랩 러더의 러더부가 회전 가능하게 연결되는 슬라이드부; 및 상기 슬라이드부가 슬라이드 이동 가능하게 지지되는 레일을 더 포함할 수 있다.
상기 레일은 상기 회전 아암이 회전되는 궤적에 대응되는 아크(arc) 형상을 가질 수 있다.
상기 슬라이드부는, 상기 러더부의 일측에 배치되는 제1 서브 슬라이드부; 상기 러더부를 사이에 두고 상기 제1 서브 슬라이드부와 대향되게 배치되는 제2 서브 슬라이드부; 및 상기 제1 서브 슬라이드부와 상기 제2 서브 슬라이드부를 연결하며, 상기 러더부의 중앙 부분에 관통되게 지지되는 지지축을 포함할 수 있다.
상기 슬라이드부는, 상기 제1 서브 슬라이드부 및 상기 제2 서브 슬라이드부 중 적어도 어느 하나로부터 내측으로 돌출되게 마련되어 상기 러더부의 회전 동작을 미리 결정된 범위 내로 제한하는 회전 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 레일은, 상기 제1 서브 슬라이드부가 슬라이드 가능하게 지지되는 제1 서브 레일; 및 상기 제2 서브 슬라이드부가 슬라이드 가능하게 지지되는 제2 서브 레일을 포함할 수 있다.
상기 레일은, 상기 제1 서브 레일 및 상기 제2 서브 레일 중 적어도 어느 하나로부터 돌출되게 마련되어 상기 슬라이드부의 슬라이드 동작을 미리 결정된 범위 내로 제한하는 슬라이드 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 변환부는, 일단부는 지지구조물에 고정되고 타단부는 상기 회전 아암 또는 상기 슬라이드부에 연결되는 유압실린더; 상기 지지구조물의 상부에 배치되는 변환부 몸체의 내부에 마련되어 상기 유압실린더에서 토출되는 작동유에 의해서 직선 운동을 하는 유압피스톤; 상기 변환부 몸체의 내부에 마련되어 상기 유압피스톤의 직선 운동을 전달하는 운동전달부; 및 상기 운동전달부로부터 전달받은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함할 수 있다.
상기 운동전달부는, 상기 유압피스톤에 연결되는 피스톤 샤프트에 그 일단부가 자유 회전 가능하게 연결되어 회전 운동되는 커넥팅 로드; 상기 커넥팅 로드의 타단부에 자유 회전 가능하게 연결되고 상기 커넥팅 로드의 동작에 연동되어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 회전판; 및 상기 커넥팅 로드와는 다른 위치에서 상기 회전판에 그 일단부가 연결되고 타단부는 상기 발전기에 연결되며, 상기 발전기에 의한 전기에너지 변환을 위하여 기계적 운동에너지를 상기 발전기로 입력시키는 기계적 운동에너지 입력부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 변환부는, 상기 유압피스톤, 상기 운동전달부 및 상기 발전기가 해수에 노출되지 않도록 외부를 커버하는 방수케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 플랩부와 연결되어 상기 플랩부를 구동시키는 플랩부 구동유닛; 및 상기 플랩부 구동유닛을 컨트롤하여 상기 플랩부를 능동 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 작더라도 모멘트를 크게 만들 수 있어 느린 유속에서도 발전이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 도 1의 작동 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기의 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기의 개략적인 구조도이다.
도 5는 도 4에서 플랩부의 제어에 따른 슬라이드부의 왕복 슬라이드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 4의 측면 구조도이다.
도 7은 도 6에 도시된 에너지 변환부의 개략적인 단면 구조도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기의 개략적인 구성도이다.
이 도면을 참조하면, 본 실시예의 플랩 러더형 조류 발전기는, 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 작더라도 모멘트를 크게 만들 수 있어 느린 유속에서도 발전이 가능한 것으로서, 플랩 러더(100, flap rudder), 회전 아암(130, rotating arm) 및 아암 서포트(140, arm support)를 포함할 수 있다.
플랩 러더(100)는, 회전 아암(130)에 지지되며, 조류로부터 얻는 양력에 의해 회전되는 러더부(110)와, 러더부(110)의 단부에 연결되고 능동적으로 제어가 가능한 플랩부(120)를 포함한다.
러더부(110)는 제1 회전핀부(131)에 의해 회전 아암(130)의 일단부에 연결된다. 따라서 러더부(110)는 회전 아암(130) 상에서 제1 회전핀부(131)를 축심으로 하여 자유롭게 회전될 수 있다.
자세히 도시되어 있지는 않지만 제1 회전핀부(131)에 러더부(110)의 회전 동작을 일정한 범위 내에서 제한시킬 수도 있다. 즉 러더부(110)가 제1 회전핀부(131)를 축심으로 하여 360도 회전되는 것이 아니라 일정한 각도 범위 내에서만 회전되도록 할 수도 있다.
본 실시예의 경우, 러더부(110)가 타원 형상으로 도시되어 있으나 본 발명의 권리범위가 이에 제한되지 않는다. 따라서 러더부(110)는 원 형상, 다각형 형상 또는 기타 폐루프(closed loop) 형상으로 제작될 수도 있다.
플랩부(120)는 러더부(110)의 단부에 연결되고 러더부(110)의 단부를 중심으로 회전 제어된다. 본 실시예의 경우, 플랩부(120)는 러더부(110)보다 크기가 작게 마련되며, 사용자에 의해 능동 제어된다.
플랩부(120)의 능동 제어를 위해, 도면에는 도시되어 있지 않지만 플랩부 구동유닛과 제어부가 더 적용될 수 있다. 모터(motor), 실린더(cylinder), 액추에이터(actuator) 등으로 적용될 수 있는 플랩부 구동유닛은 플랩부(120)에 연결되어 플랩부(120)를 구동시킬 수 있으며, 제어부는 플랩부 구동유닛을 컨트롤하여 플랩부(120)가 도면 상 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 구동될 수 있도록 제어할 수 있다.
이러한 플랩부(120)의 능동 제어로 인해 러더부(110)가 유속에 따라 제1 회전핀부(131)를 중심으로 회전될 수 있고, 러더부(110)의 회전에 의해 회전 아암(130)이 호의 궤적을 이루면서 회전될 수 있다. 이러한 회전 아암(130)의 회전운동을 통해 전기에너지를 얻을 수 있다.
회전 아암(130)은 플랩 러더(100)에 의해 회전되면서 회전 모멘트를 발생시킨다. 이처럼 회전 아암(130)이 회전됨으로써, 회전 아암(130)에는 운동에너지가 발생될 수 있고, 이러한 운동에너지는 에너지 변환부(미도시)에 의해 전기에너지로 변환될 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않지만, 에너지 변환부는 회전 아암(130)에 연결되어 회전 아암(130)의 운동에 따른 운동에너지를 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 이러한 에너지 변환부의 구조는 다양할 수 있는데, 에너지 변환부에 대한 상세 구조는 본 설명의 후반부에 도 7을 참조하여 한번에 설명하도록 하며, 여기서는 편의상 생략하도록 한다.
회전 아암(130)은 플랩 러더(100)에 하나씩 대응되게 연결될 수 있지만 본 발명의 권리범위가 이에 제한되지 않는다.
아암 서포트(140)는 회전 아암(130)의 타단부에서 회전 아암(130)을 자유 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다. 이러한 아암 서포트(140)는 조류 발전기의 외관을 형성하는 본체에 결합될 수도 있고, 해저의 일정한 위치에 고정될 수도 있다. 회전 아암(130)이 회전될 수 있도록 아암 서포트(140)와 회전 아암(130) 사이에는 제2 회전핀부(132)가 마련된다.
도 2는 도 1의 작동 방법을 도시한 도면이다. 이 도면을 참조하여 본 실시예의 조류 발전기의 작동 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
우선, 괄호 원 1번처럼 플랩부(120)의 능동 제어를 통해 플랩부(120)가 a의 위치에서 b의 위치로 정해진 각도만큼 회전된다. 그러면, 시계 방향 모멘트가 발생되어 괄호 원 2번처럼 러더부(110) 역시 정해진 각도만큼 회전된다.
러더부(110)가 회전되면 괄호 원 3번처럼 플랩 러더(100)에 조류로부터 얻는 양력이 발생되고, 이에 따라 회전 아암(130)이 시계 방향으로 정해진 각도만큼 회전된다.
다음, 괄호 원 4번처럼 플랩부(120)의 능동 제어를 통해 플랩부(120)가 c의 위치에서 d의 위치로 정해진 각도만큼 회전된다. 그러면, 반시계 방향 모멘트가 발생되어 괄호 원 5번처럼 러더부(110) 역시 정해진 각도만큼 회전된다.
러더부(110)가 회전되면 괄호 원 6번처럼 플랩 러더(100)에 조류로부터 얻는 양력이 발생되고, 이에 따라 회전 아암(130)이 반시계 방향으로 정해진 각도만큼 회전된다.
이와 같은 동작, 즉 괄호 원 1번에서 6번까지의 동작이 반복됨에 따라 조류의 흐름에 교차되는 방향으로 회전 아암(130)의 주기적인 운동이 반복될 수 있게 되며, 이러한 운동에너지를 이용함으로써 전기에너지로 변환시킬 수 있다.
특히, 이러한 구조는 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 작더라도, 즉 조류로부터 플랩 러더(100)가 얻은 양력이 작더라도 회전 아암(130)에 의한 모멘트(회전모멘트, 운동에너지)를 크게 만들 수 있으므로 작은 유속에서라도 충분히 발전할 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 유속이 느려 조류로부터 얻는 양력이 작더라도 모멘트를 크게 만들 수 있어 느린 유속에서도 발전이 가능한 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기의 개략적인 구성도이다.
본 실시예의 조류 발전기는 플랩 러더(100)와 회전 아암(130)이 각각 다수 개 마련되는 구조를 개시하고 있는데, 이때 회전 아암(130)들은 제3 회전핀부(251)에 의해 아암 연결부재(250)에 연결된다.
이처럼 아암 연결부재(250)에 의해 회전 아암(130)들이 상대 회전 가능하게 연결되는 경우, 회전 아암(130)들은 함께 한번에 동작될 수 있는데, 이때의 운동에너지(모멘트)를 이용함으로써 전기에너지를 변환시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플랩 러더형 조류 발전기의 개략적인 구조도이고, 도 5는 도 4에서 플랩부의 제어에 따른 슬라이드부의 왕복 슬라이드를 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 도 4의 측면 구조도이다.
이들 도면을 참조하면 본 실시예의 플랩 러더형 조류 발전기는, 러더부(310)와 플랩부(320)를 구비하는 플랩 러더(300)와, 플랩 러더(300)의 러더부(310)에 상대 회전 가능하게 결합되는 회전 아암(330)과, 플랩 러더(300)의 러더부(310)가 회전 가능하게 연결되는 슬라이드부(500)와, 슬라이드부(500)가 슬라이드 이동 가능하게 지지되는 레일(400)을 포함한다.
레일(400)에 대해 먼저 설명하면, 레일(400)은 슬라이드부(500)가 레일(400) 상에서 슬라이드(slide) 가능하도록 슬라이드부(500)를 지지한다. 레일(400)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 아크(arc) 형상을 가질 수 있다. 이는, 플랩 러더(300)에 회전 아암(330)이 연결되어 회전 아암(330)이 왕복 운동해야 하기 때문이다. 따라서 레일(400)은 회전 아암(330)을 반지름으로 하여 가상의 원을 그렸을 때, 가상의 원의 일부분에 해당되는 아크 형상(혹은 호 형상)을 가질 수 있다. 이러한 레일(400)은 제1 서브 레일(410), 제2 서브 레일(420) 및 슬라이드 스토퍼(430)를 포함할 수 있다.
제1 서브 레일(410)은 슬라이드부(500)의 제1 서브 슬라이드부(510)가 제1 서브 레일(410) 상에서 슬라이드 가능하도록 제1 서브 슬라이드부(510)를 지지한다.
제2 서브 레일(420)은 슬라이드부(500) 및 플랩 러더(300)를 사이에 두고 제1 서브 레일(410)에 대향되게 배치되며, 슬라이드부(500)의 제2 서브 슬라이드부(520)가 제2 서브 레일(420) 상에서 슬라이드 가능하도록 제2 서브 슬라이드부(520)를 지지한다.
슬라이드 스토퍼(430)는 제1 서브 레일(410) 및 제2 서브 레일(420) 각각의 단부 측에 배치된다. 슬라이드 스토퍼(430)는 제1 서브 레일(410) 및 제2 서브 레일(420) 각각으로부터 돌출된 형태를 가질 수 있다. 이러한 슬라이드 스토퍼(430)는 레일(400)을 따라 슬라이드하는 슬라이드부(500)의 슬라이드 거리를 미리 결정된 범위 내로 제한한다. 이러한 슬라이드 스토퍼(430)는 슬라이드부(500)가 손상되는 것을 방지하기 위해 연성을 가지는 재질로 제작될 수 있다. 도 6에는 슬라이드 스토퍼(430)가 제1 서브 레일(410)과 제2 서브 레일(420)의 중간 위치에 마련되고 있지만 제1 서브 레일(410)과 제2 서브 레일(420)의 양족 끝에 슬라이드 스토퍼(430)가 마련될 수도 있을 것이다.
슬라이드부(500)는 아크 형상으로 된 레일(400)을 따라 슬라이드 가능하도록 레일(400)에 지지된다. 슬라이드부(500)는 제1 서브 슬라이드부(510), 제2 서브 슬라이드부(520), 지지축(530) 및 회전 스토퍼(540)를 포함할 수 있다.
제1 서브 슬라이드부(510)는 플랩 러더(300)의 러더부(310)의 일측에 배치된다. 즉 제1 서브 슬라이드부(510)는 러더부(310)와 제1 서브 레일(410) 사이에 배치된다. 그리고 제1 서브 슬라이드부(510)는 제1 서브 레일(410)을 따라 슬라이드 가능하도록 제1서브 레일(410)에 지지된다.
이처럼 제1 서브 슬라이드부(510)는 제1 서브 레일(410)에 지지되어 제1 서브 레일(410)을 따라 자유롭게 슬라이드 가능하나, 제1 서브 레일(410)에 형성된 슬라이드 스토퍼(430)에 의해 슬라이드 거리가 미리 결정된 범위 내로 제한될 수 있다.
제2 서브 슬라이드부(520)는 러더부(310)를 사이에 두고 제1 서브 슬라이드부(510)에 대항되게 배치된다. 즉 제2 서브 슬라이드부(520)는 러더부(310)와 제2 서브 레일(420) 사이에 배치된다. 그리고 제2 서브 슬라이드부(520)는 제2 서브 레일(420)을 따라 슬라이드 가능하도록 제2 서브 레일(420)에 지지된다.
이처럼 제2 서브 슬라이드부(520)는 제2 서브 레일(420)에 지지되어 제2 서브 레일(420)을 따라 자유롭게 슬라이드 가능하나, 제2 서브 레일(420)에 형성된 슬라이드 스토퍼(430)에 의해 슬라이드 거리가 미리 결정된 범위 내로 제한될 수 있다.
이와 같이, 제1 서브 슬라이드부(510) 및 제2 서브 슬라이드부(520) 각각이 슬라이드 스토퍼(430)에 의해 제1 서브 레일(410) 및 제2 서브 레일(420) 각각에서 슬라이드 거리가 제한됨으로써, 제1 서브 슬라이드부(510) 및 제2 서브 슬라이드부(520) 각각은 상호 대향되는 슬라이드 스토퍼(430) 사이에서 제1 서브 레일(410) 및 제2 서브 레일(420) 각각을 따라 왕복 슬라이드할 수 있다.
지지축(530)은 제1 서브 슬라이드부(510)와 제2 서브 슬라이드부(520)를 연결한다. 지지축(530)은 플랩 러더(300)의 러더부(310)의 중앙 부분에 관통되게 마련된다. 이러한 지지축(530)은 러더부(310)가 지지축(530)을 중심으로 자유롭게 회전 가능하도록 러더부(310)를 지지한다.
회전 스토퍼(540)는 제1 서브 슬라이드부(510) 및 제2 서브 슬라이드부(520) 각각의 내측 단부 측에 위치하고 있으며, 제1 서브 슬라이드부(510) 및 제2 서브 슬라이드부(520) 각각으로부터 내측으로 돌출되게 마련될 수 있다. 이러한 회전 스토퍼(540)는 지지축(530)을 중심으로 자유롭게 회전하는 러더부(310)의 회전을 미리 결정된 범위 내로 제한한다. 회전 스토퍼(540) 역시 플랩 러더(300)가 손상되는 것을 방지하기 위해 연성을 가지는 재질로 제작될 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여 플랩부(320)의 회전 제어로 인해 레일(400)을 따라 슬라이드부(500)가 왕복 슬라이드하는 원리를 자세히 설명한다.
우선, 도 5에 도시된 바와 같이, 조류가 흐르는 상태에서 플랩부(320)를 시계 방향으로 제1 러더 형태(R1)로 회전 제어하면 조류에 의해 플랩부(320)에 반시계 방향으로 모멘트가 발생하여 러더부(310)가 회전 스토퍼(540)에 도달할 때까지 반시계 방향으로 회전한다. 이때, 러더부(310)의 회전 각도에 따라 슬라이드부(500)에 양력이 발생하여 슬라이드부(500)가 슬라이드 스토퍼(430)에 도달될 때까지 제1 방향으로 슬라이드된다.
다음, 슬라이드부(500)가 슬라이드 스토퍼(430)에 도달하면, 플랩부(320)를 반시계 방향으로 제2 러더 형태(R2)로 회전 제어하게 되면 조류에 의해 플랩부(320)에 시계 방향으로 모멘트가 발생하여 러더부(310)가 회전 스토퍼(540)에 도달될 때까지 시계 방향으로 회전한다. 이때, 러더부(310)의 회전 각도에 따라 슬라이드부(500)에 양력이 발생하여 슬라이드부(500)가 슬라이드 스토퍼(430)에 도달될 때까지 제2 방향으로 슬라이드된다.
다음, 슬라이드부(500)가 슬라이드 스토퍼(430)에 도달하면, 다시 플랩부(320)를 시계 방향으로 제3 러더 형태(R3)로 회전 제어하게 되면 조류에 의해 플랩부(320)에 반시계 방향으로 모멘트가 발생하여 러더부(310)가 회전 스토퍼(540)에 도달될 때까지 반시계 방향으로 회전한다. 이때, 러더부(310)의 회전 각도에 따라 슬라이드부(500)에 양력이 발생하여 슬라이드부(500)가 슬라이드 스토퍼(430)에 도달될 때까지 제1 방향으로 슬라이드된다.
상술한 순서와 같이 반복적으로 플랩부(320)의 회전을 제어하게 되면, 슬라이드부(500)는 조류에 의해 레일(400)을 따라 왕복 슬라이드하게 된다.
이처럼 레일(400)을 따라 왕복 슬라이드하는 슬라이드부(500)에 에너지 변환부(300)가 연결될 경우 슬라이드부(500)의 슬라이드에 따른 운동에너지가 에너지 변환부(300)에 의해 전기에너지로 변환될 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 에너지 변환부의 개략적인 단면 구조도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 에너지 변환부(600)는 회전 아암(330)의 주기적 운동에 의해서 발생 되는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로서, 일단부는 지지구조물(C)에 고정되고 타단부는 슬라이드부(500)에 연결되는 유압실린더(610)와, 지지구조물(C)의 상부에 배치되는 변환부 몸체(620)의 내부에 마련되어 유압실린더(610)에서 토출되는 작동유에 의해서 직선 운동을 하는 유압피스톤(630)과, 변환부 몸체(620)의 내부에 마련되어 유압피스톤(630)의 직선 운동을 전달하는 운동전달부(640)와, 운동전달부(640)로부터 전달받은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(650)를 포함할 수 있다.
에너지 변환부(600)의 유압실린더(610)는, 슬라이드부(500)의 양측부에 각각 마련되고, 슬라이드부(500)가 도 6을 기준으로 우측으로 이동되면 유압실린더(610)의 로드가 유압실린더(610) 내부로 삽입되면서 작동유를 유압튜브(T)를 통하여 밀어내어 유압피스톤(630)을 도 7의 (a)처럼 좌측으로(화살표 방향) 이동시킨다.
에너지 변환부(600)의 운동전달부(640)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 한 쌍으로 마련되는 유압실린더(610)의 선택적인 구동에 의해 직선 운동되는 유압피스톤(630)에 연결되는 피스톤 샤프트(630a)에 그 일단부가 자유 회전 가능하게 연결되어 회전 운동되는 커넥팅 로드(641)와, 커넥팅 로드(641)의 타단부에 자유 회전 가능하게 연결되고 커넥팅 로드(641)의 동작에 연동되어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 회전판(642)과, 커넥팅 로드(641)와는 다른 위치에서 회전판(642)에 그 일단부가 연결되고 타단부는 발전기(650)에 연결되며, 발전기(650)에 의한 전기에너지 변환을 위하여 기계적 운동에너지를 발전기(650)로 입력시키는 기계적 운동에너지 입력부(미도시)를 포함한다.
본 실시예에서 기계적 운동에너지 입력부는 직선 운동의 기계적 운동에너지를 발전기(650)로 입력시키는 크랭크 샤프트(643)로 적용되고 있다.
참고로, 발전기(650)는 기계적 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 기기로서, 직선 운동의 기계적 운동에너지를 입력 받아 전기에너지로 변환시킬 수도 있고, 회전 운동의 기계적 운동에너지를 입력 받아 전기에너지로 변환시킬 수도 있다. 본 실시예의 경우, 전자 타입의 발전기(650)가 적용되고 있으나 후자 타입의 발전기(미도시)가 적용될 수도 있다.
이에, 도 7의 (a)처럼 어느 한 유압실린더(610, 도 6의 우측) 쪽에서 유압이 제공되면, 제공되는 유압에 의해 유압피스톤(630)이 피스톤 샤프트(630a)와 함께 도면상 좌측으로 직선 운동되고 이에 연동되어 커넥팅 로드(641)가 일정 각도 회전되면서 회전판(642)을 시계 방향으로 회전시키게 되며, 이러한 회전판(642)의 시계 방향 동작에 기초하여 크랭크 샤프트(643)가 우측으로 직선 운동된다.
반대로, 도 7의 (b)처럼 다른 한 유압실린더(610, 도 6의 좌측) 쪽에서 유압이 제공되면, 제공되는 유압에 의해 유압피스톤(630)이 피스톤 샤프트(630a)와 함께 도면상 우측으로 직선 운동되고 이에 연동되어 커넥팅 로드(641)가 전술한 역방향으로 회전되면서 회전판(642)을 반시계 방향으로 회전시키게 되며, 이러한 회전판(642)의 반시계 방향 동작에 기초하여 크랭크 샤프트(643)가 좌측으로 직선 운동된다.
도 7의 (a) 및 (b)와 같이 크랭크 샤프트(643)가 직선 운동됨으로써 크랭크 샤프트(643)가 연결된 발전기(650)는 크랭크 샤프트(643)로부터의 직선 운동의 기계적 운동에너지를 입력 받아 전기에너지로 변환시킬 수 있게 된다.
만약, 본 실시예와 달리, 회전 운동의 기계적 운동에너지를 입력 받아 전기에너지로 변환시키는 발전기(미도시)가 적용되는 경우라면, 발전기와 연결되는 기계적 운동에너지 입력부(미도시)를 전술한 크랭크 샤프트(643)와 더불어 크랭크 샤프트(643)의 단부에 직선 운동을 회전 운동으로 변환시키는 기어 박스(미도시)로 함께 적용하면 된다.
기어 박스에 대해서는 도면으로 도시하지 않았지만 기어 박스는 랙 기어와 피니언 기어로 적용될 수 있다. 즉 크랭크 샤프트(643)에 랙 기어를 장착하고, 랙 기어에 피니언 기어를 치합되게 연결시킬 경우, 랙 기어의 직선 운동이 피니언 기어의 회전 운동으로 변환될 수 있을 것이고, 이러한 회전 운동의 기계적 운동에너지가 해당 발전기에 입력됨으로써 전기에너지로 변환될 수 있을 것이다.
이 외에도, 피스톤 샤프트(630a)와 크랭크 샤프트(643)를 직접 연결하거나 피스톤 샤프트(630a)와 크랭크 샤프트(643)를 일체화시켜 유압피스톤(630)의 직선운동을 발전기에서 전기로 변환할 수 있다. 이 경우에는 피스톤 샤프트(630a)와 크랭크 샤프트(643) 사이에 증속기(미도시) 등의 장치가 추가로 설치될 수 있다.
한편, 유압피스톤(630)으로 이송된 작동유는 유압피스톤(630)을 도 7의 (a)를 기준으로 좌측으로 밀어내므로 유압피스톤(630)이 마련된 공간에 수용된 작동유는 연결튜브(T)를 통해 토출되어 도 6을 기준으로 슬라이드부(500)의 좌측에 마련된 유압실린더(610)의 로드를 우측으로 밀어낸다. 그 결과, 슬라이드부(500)는 유압에 의해서 좀더 원활히 이동된다.
에너지 변환부(600)는, 변환부 몸체(620)에 마련되는 유압피스톤(630), 운동전달부(640) 및 발전기(650)가 해수에 노출되지 않도록 방수케이스(660)를 더 포함할 수 있다.
이상 도면을 참조하여 본 실시예에 대해 상세히 설명하였지만 본 실시예의 권리범위가 전술한 도면 및 설명에 국한되지는 않는다.
전술한 실시예에서는 에너지 변환부(600)가 도 6의 구조에 적용되는 것에 관해 설명하였지만 전술한 에너지 변환부(600)를 도 1 및 도 2에 도시된 회전 아암(130)에 연결시켜 사용하는 것도 충분히 가능하다.
예컨대 에너지 변환부(600)에 마련되는 한 쌍의 유압실린더(610)를 도 2에서 회전 아암(130)이 운동되는 궤적의 양쪽에 배치하여 회전 아암(130)이 운동될 때마다, 즉 도 2의 괄호 원 3번과 6번처럼 회전 아암(130)이 운동될 때마다 유압실린더(610)를 동작시켜 도 7의 (a) 및 (b)와 같은 작용에 의해 전기에너지로의 변환이 가능하도록 구현할 수도 있으므로 비록 도시되지는 않았지만 이러한 사항 역시 본 발명의 권리범위에 속한다 하여야 할 것이다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 플랩 러더 110 : 러더부
120 : 플랩부 130 : 회전 아암
131,132 : 회전핀부 140 : 아암 서포트

Claims (15)

  1. 조류로부터 얻는 양력에 의해 회전되는 러더부와, 상기 러더부의 단부에 연결되고 능동적으로 제어가 가능하되 상기 러더부에 비해 크기가 작게 마련되는 플랩부를 구비하는 플랩 러더(flap rudder);
    상기 플랩 러더에 대응되게 연결되며, 일단부가 상기 플랩 러더의 러더부에 상대 회전 가능하게 결합되는 회전 아암(rotating arm);
    상기 회전 아암의 타단부에서 상기 회전 아암을 자유 회전 가능하게 지지하는 아암 서포트(arm support);
    상기 회전 아암과 연결되어 상기 회전 아암의 운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부;
    상기 플랩 러더의 러더부가 회전 가능하게 연결되는 슬라이드부; 및
    상기 회전 아암이 회전되는 궤적에 대응되는 아크(arc) 형상을 가지며, 상기 슬라이드부가 슬라이드 이동 가능하게 지지되는 레일을 포함하며,
    상기 슬라이드부는,
    상기 러더부의 일측에 배치되는 제1 서브 슬라이드부;
    상기 러더부를 사이에 두고 상기 제1 서브 슬라이드부와 대향되게 배치되는 제2 서브 슬라이드부;
    상기 제1 서브 슬라이드부와 상기 제2 서브 슬라이드부를 연결하며, 상기 러더부의 중앙 부분에 관통되게 지지되는 지지축; 및
    상기 제1 서브 슬라이드부 및 상기 제2 서브 슬라이드부 중 적어도 어느 하나로부터 내측으로 돌출되게 마련되어 상기 러더부의 회전 동작을 미리 결정된 범위 내로 제한하는 회전 스토퍼를 포함하며,
    상기 레일은,
    상기 제1 서브 슬라이드부가 슬라이드 가능하게 지지되는 제1 서브 레일;
    상기 제2 서브 슬라이드부가 슬라이드 가능하게 지지되는 제2 서브 레일; 및
    상기 제1 서브 레일 및 상기 제2 서브 레일 중 적어도 어느 하나로부터 돌출되게 마련되어 상기 슬라이드부의 슬라이드 동작을 미리 결정된 범위 내로 제한하는 슬라이드 스토퍼를 포함하는 플랩 러더형 조류 발전기.
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  10. 삭제
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  12. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 변환부는,
    일단부는 지지구조물에 고정되고 타단부는 상기 회전 아암 또는 상기 슬라이드부에 연결되는 유압실린더;
    상기 지지구조물의 상부에 배치되는 변환부 몸체의 내부에 마련되어 상기 유압실린더에서 토출되는 작동유에 의해서 직선 운동을 하는 유압피스톤;
    상기 변환부 몸체의 내부에 마련되어 상기 유압피스톤의 직선 운동을 전달하는 운동전달부; 및
    상기 운동전달부로부터 전달받은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함하는 플랩 러더형 조류 발전기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 운동전달부는,
    상기 유압피스톤에 연결되는 피스톤 샤프트에 그 일단부가 자유 회전 가능하게 연결되어 회전 운동되는 커넥팅 로드;
    상기 커넥팅 로드의 타단부에 자유 회전 가능하게 연결되고 상기 커넥팅 로드의 동작에 연동되어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 회전판; 및
    상기 커넥팅 로드와는 다른 위치에서 상기 회전판에 그 일단부가 연결되고 타단부는 상기 발전기에 연결되며, 상기 발전기에 의한 전기에너지 변환을 위하여 기계적 운동에너지를 상기 발전기로 입력시키는 기계적 운동에너지 입력부를 포함하는 플랩 러더형 조류 발전기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 에너지 변환부는, 상기 유압피스톤, 상기 운동전달부 및 상기 발전기가 해수에 노출되지 않도록 외부를 커버하는 방수케이스를 더 포함하는 플랩 러더형 조류 발전기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 플랩부와 연결되어 상기 플랩부를 구동시키는 플랩부 구동유닛; 및
    상기 플랩부 구동유닛을 컨트롤하여 상기 플랩부를 능동 제어하는 제어부를 더 포함하는 플랩 러더형 조류 발전기.
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