KR101368659B1 - 파력발전장치 및 이를 갖춘 해양구조물 - Google Patents

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Abstract

파력발전장치 및 이를 갖춘 해양구조물이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 파력발전장치는 해양구조물의 외측에 수평방향으로 고정된 수평로드; 수평로드에 이동 가능하게 지지된 수평이동체; 수평이동체에 수직이동 가능하게 결합된 수직로드; 수직로드 하부에 결합되며 수면에 부유상태를 유지하는 부유체; 수평이동체에 설치되며 부유체의 수평운동에 의한 수평이동체의 이동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제1발전유닛; 수평이동체에 설치되며 부유체의 수직운동에 의한 수직로드의 상하운동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제2발전유닛을 포함한다.

Description

파력발전장치 및 이를 갖춘 해양구조물{WAVE POWER GENERATION APPARATUS, AND OFFSHORE STRUCTURE HAVING THE SAME}
본 발명은 파력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파도의 힘을 이용해 전기에너지를 발생시킬 수 있고, 파도의 세기를 줄여 파도가 해양구조물에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 파력발전장치 및 이를 갖춘 해양구조물에 관한 것이다.
파력발전장치는 파도의 힘을 이용해 발전을 하는 장치로, 작동원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로 구분할 수 있다. 가동물체형은 파도의 에너지를 기구의 상하운동이나 회전운동으로 변환하여 발전하는 방식이고, 진동수주형은 파도의 운동에너지를 공기의 흐름으로 변환한 후 이를 통해 터빈을 회전시켜 전기를 얻는 방식이다. 월파형은 파도의 운동에너지를 물의 낙차로 변환한 후 수차를 회전시켜 발전하는 방식이다.
이러한 방식들 중에서 가동물체형 파력발전장치는 파도의 에너지를 직접 기구의 운동에너지로 변환하여 에너지를 회수하므로 상대적으로 효율이 높아 관심이 증대되고 있다.
통상의 가동물체형 파력발전장치는 파도에 의해 승강하는 부유체와, 부유체의 승강운동을 회전운동으로 변환시켜 발전기를 회전시키는 랙과 피니언 방식의 동력변환수단을 구비한다. 그러나 이러한 방식은 단지 부유체의 상하운동에 의해서만 발전이 이루어질 뿐 아니라 부유체의 승강폭도 작기 때문에 발전효율이 낮은 결점이 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2009-0065430호(2009. 06. 22. 공개)는 이러한 문제를 해소하고자, 부력장치의 운동을 다수의 각도조절밀대와 회전기어를 이용해 증폭시켜 발전기를 동작시키는 파력발전장치를 제시하고 있다. 하지만 이러한 파력발전장치는 다수의 각도조절밀대를 이용하기 때문에 장치의 구성이 너무 복잡할 뿐 아니라, 파도의 상하운동만을 에너지로 회수하는 방식이어서 효율도 낮은 결점이 있다.
한편, 드릴쉽(drillship), FPSO(floating production storage offloading), FSRU(floating storage and regasification unit) 등의 해양구조물은 선박과 달리 화물 이송을 주목적으로 이용하지 않고, 해저자원의 시추, 생산, 저장 및 하역을 주목적으로 이용한다. 이러한 해양구조물은 해양에 부유한 상태에서 위와 같은 작업을 수행하기 때문에 선박에 비해 롤링(rolling) 운동을 제어할 필요가 있다. 특히 측면에서 들이치는 파도는 이러한 롤링현상을 유발하는 원인이 되므로 이를 감쇄시킬 필요가 있다.
특허문헌1: 대한민국 공개특허공보 10-2009-0065430호(2009. 06. 22. 공개)
본 발명의 목적은 부유체의 수직운동 및 수평운동으로부터 에너지를 회수함으로써 발전효율을 높일 수 있는 파력발전장치 및 이를 갖춘 해양구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 파도에너지를 발전에너지로 회수하여 파도가 해양구조물에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 파력발전장치 및 이를 갖춘 해양구조물을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 해양구조물의 외측에 수평방향으로 고정된 수평로드; 상기 수평로드에 이동 가능하게 지지된 수평이동체; 상기 수평이동체에 수직이동 가능하게 결합된 수직로드; 상기 수직로드 하부에 결합되며 수면에 부유상태를 유지하는 부유체; 상기 수평이동체에 설치되며 상기 부유체의 수평운동에 의한 상기 수평이동체의 이동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제1발전유닛; 상기 수평이동체에 설치되며 상기 부유체의 수직운동에 의한 상기 수직로드의 상하운동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제2발전유닛을 포함하는 파력발전장치가 제공될 수 있다.
상기 제1발전유닛은 상기 수평이동체 내에 회전 가능하게 지지되며 상기 수평이동체의 이동에 의해 회전하도록 상기 수평로드에 마련된 걸림핀에 걸리는 슬롯을 갖춘 제1섹터기어와, 상기 제1섹터기어의 기어부와 치합되는 제1피니언기어와, 증속유닛을 매개로 상기 제1피니언기어와 연결된 제1발전기를 포함하고, 상기 제2발전유닛은 상기 수평이동체 내에 회전 가능하게 지지되며 상기 수직로드의 이동에 의해 회전하도록 상기 수직로드에 마련된 걸림핀에 걸리는 슬롯을 갖춘 제2섹터기어와, 상기 제2섹터기어의 기어부와 치합되는 제2피니언기어와, 증속유닛을 매개로 상기 제2피니언기어와 연결된 제2발전기를 포함할 수 있다.
상기 수평로드와 상기 수직로드는 각각 복수개일 수 있다.
상기 파력발전장치는 상기 수평이동체의 위치복원을 위해 상기 수평로드와 상기 수평이동체 사이에 설치된 하나 이상의 제1복원스프링과, 상기 수직로드의 위치복원을 위해 상기 수직로드와 상기 수평이동체 사이에 설치된 하나 이상의 제2복원스프링을 더 포함할 수 있다.
상기 부유체와 상기 수평이동체는 복수개가 상호 이격된 위치에 동일한 방식으로 설치되고, 상기 제1발전유닛과 상기 제2발전유닛도 상기 복수의 수평이동체 내에 각각 동일한 방식으로 설치되며, 상호 인접하는 상기 부유체들 사이에는 상호 인접하는 상기 부유체들을 연결하는 복수의 연결장치가 설치되고, 상기 각 연결장치에는 상기 연결장치에 작용하는 힘에 의해 가압되어 전기를 발생시키는 압전소자를 포함하는 제3발전유닛이 설치될 수 있다.
상기 연결장치는 양단에 각각 가압부재가 결합된 연결바와, 상기 가압부재를 슬라이딩 가능하게 수용하도록 상기 연결바의 양단에 각각 설치되며 상기 부유체에 회전 가능하게 연결된 연결케이스를 포함할 수 있고, 상기 압전소자는 상기 가압부재에 의해 가압될 수 있도록 상기 연결케이스 내에 수용될 수 있다.
상기 파력발전장치는 상호 인접하는 상기 부유체들 사이에 설치된 파도저감네트를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 파력발전장치는 파도에 의한 부유체의 수평운동에 의해 제1발전유닛이 동작하고 부유체의 수직운동에 의해 제2발전유닛이 동작하여 발전을 수행할 수 있기 때문에 발전효율을 높일 수 있다.
또 본 실시 예에 따른 파력발전장치는 부유체들 사이의 각 연결장치에 작용하는 인장력과 압축력을 이용해 발전을 수행할 수 있기 때문에 발전효율을 더욱 높일 수 있다.
또 본 실시 예에 따른 파력발전장치는 파도에너지가 부유체로 전달되어 발전에너지로 회수되면서 파도의 힘이 감쇄될 수 있고, 부유체 간을 연결하는 파도저감네트에 의해 해양구조물 쪽으로 들이치는 파도가 파쇄되어 그 힘이 감쇄될 수 있기 때문에 파도가 해양구조물에 미치는 영향을 최소화하여 해양구조물을 안정화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 파력발전장치가 해양구조물에 적용된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 파력발전장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 선에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 선에 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 파력발전장치의 측면도이다.
도 6은 도 5에서 Ⅵ부의 내부구성을 나타낸 상세 상면도이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 파력발전장치(2)는 드릴쉽(drillship), FPSO(floating production storage offloading), FSRU(floating storage and regasification unit) 등과 같이 해상에 부유상태를 유지하는 해양구조물(1)의 측면에 설치될 수 있다. 해양구조물(1) 쪽으로 입사하는 파도에 의해 파력발전장치(2)가 동작하여 발전을 수행할 수 있도록 함과 동시에 해양구조물(1)에 작용하는 파도의 영향을 줄여 해양구조물(1)이 해상에서 안정된 상태를 유지할 수 있도록 하기 위함이다. 도 1은 파력발전장치(2)가 해양구조물(1)의 한쪽 측면에 설치된 경우를 제시하였으나, 파력발전장치(2)는 해양구조물(1)의 반대편에도 동일한 방식으로 설치될 수 있다. 또 이러한 파력발전장치(2)는 부두나 연안에 고정된 상태로 설치되는 해양구조물에도 설치될 수 있다.
도 2를 참조하면, 파력발전장치(2)는 해양구조물(1)의 측면에 고정된 수평로드(10)에 수평으로 이동 가능하게 지지된 수평이동체(20)와, 수평이동체(20)에 수직이동 가능하게 결합된 수직로드(30)와, 수직로드(30) 하부에 결합되며 수면에 부유상태를 유지하는 부유체(40)를 구비한다.
수평로드(10)와 수직로드(30)는 각각 복수개로 구성될 수 있다. 물론 수평로드(10)가 다각형의 막대나 철골구조물처럼 수평이동체(20)의 회전을 제한하는 가운데 수평이동체(20)의 수평이동을 안내할 수 있는 형태라면, 수평로드(10)가 하나로도 구성될 수도 있다. 그러나 바람직하게는 도 2에 도시한 바와 같이, 수평이동체(20)의 안정된 수평이동을 구현할 수 있도록 복수의 수평로드(10)가 상호 평행하게 설치되는 것이 좋다. 수직로드(30)도 설치방향이 다를 뿐 수평로드(10)와 마찬가지로 하나 또는 복수로 구성될 수 있다.
복수의 수평로드(10)는 한쪽 단부가 해양구조물(1)에 장착된 고정판(11)에 고정될 수 있다. 복수의 수직로드(30)는 하단이 부유체(40)의 상면에 장착된 고정판(31)에 고정됨으로써 부유체(40)와 함께 승강할 수 있다. 수평이동체(20)는 도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 내부가 빈 사각의 상자형태로 마련될 수 있고, 이를 관통하는 복수의 수평로드(10)에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다. 복수의 수직로드(30)는 수평이동체(20)를 상하로 관통하는 형태로 수평이동체(20)에 승강 가능하게 지지될 수 있다.
따라서 파도의 상하운동에 의해 부유체(40)가 승강할 때는 수직로드(30)가 수평이동체(20)에 대하여 승강할 수 있고, 해양구조물(1) 쪽으로 들이치는 파도에 의해 부유체(40)가 해양구조물(1) 쪽으로 밀릴 때는 수평이동체(20)가 수평로드(10)를 따라 이동할 수 있다.
한편, 이러한 관계로 동작하는 수평이동체(20)와 수직로드(30)는 반복적인 동작을 위해 초기위치로 복원될 필요가 있다. 따라서 수평이동체(20) 내부에는 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 수평이동체(20)의 위치복원을 위해 수평로드(10)와 수평이동체(20) 내면 사이에 설치된 복수의 제1복원스프링(12)과, 수직로드(30)의 위치 복원을 위해 수직로드(30)와 수평이동체(20) 사이에 설치된 복수의 제2복원스프링(32)이 설치될 수 있다.
제1복원스프링(12)은 도 3에 도시한 바와 같이, 수평로드(10)의 외면에 결합된 상태에서 일단이 수평로드(10) 외면에 마련된 지지턱(13)에 지지되고, 타단이 수평이동체(20)의 내면에 지지될 수 있다. 나머지 제1복원스프링들(12)과 도 4의 제2복원스프링들(32)도 동일한 방식으로 설치될 수 있다. 여기서는 수평로드(10)와 수직로드(30)가 각각 복수로 구성되므로 이들 스프링도 복수로 구성된 경우를 제시하고 있으나, 제1 및 제2복원스프링(12,32)의 수는 수평로드(10)와 수직로드(30)의 수 또는 설치환경에 따라 변할 수 있으므로, 이들이 반드시 복수로 구성되어야 하는 것은 아니다.
수평이동체(20) 내부에는 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 수평로드(10)에 대한 수평이동체(20)의 이동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제1발전유닛(50)과, 수평이동체(20)에 대한 수직로드(30)의 상하운동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제2발전유닛(60)이 설치될 수 있다.
제1발전유닛(50)은 도 3에 도시한 바와 같이, 한쪽 단부가 수평이동체(20) 내에 고정된 지지브래킷(21)에 회전 가능하게 지지되고 반대편에 반원형 기어부(51a)가 마련된 제1섹터기어(51)를 구비한다. 제1섹터기어(51)는 회전반경 방향으로 길게 형성된 슬롯(51b)을 구비하여 이 슬롯(51b)이 수평로드(10)에 마련된 걸림핀(15)에 걸리도록 설치됨으로써 수평이동체(20)가 이동할 때 소정구간 정역방향으로 회전할 수 있다. 또 제1발전유닛(50)은 제1섹터기어(51)의 기어부(51a)와 치합되는 제1피니언기어(52)와, 증속유닛(53)을 매개로 제1피니언기어(52)와 연결된 제1발전기(54)를 포함한다. 증속유닛(53)은 제1피니언기어(52)로부터 제1발전기(54)로 회전을 전달함과 동시에 회전속도를 증가시키는 증속기어들(미도시)을 내장할 수 있고, 한쪽방향 회전만을 제1발전기(54) 쪽으로 전달하는 통상의 원웨이클러치(one way clutch, 미도시)를 포함할 수 있다.
제1발전유닛(50)은 수평이동체(20)의 이동에 따라 제1섹터기어(51)가 회전함으로써 제1피니언기어(52)가 회전하고, 제1피니언기어(52)의 회전이 증속유닛(53)에 의해 증속되어 제1발전기(54)에 전달됨으로써 발전을 수행할 수 있다.
제2발전유닛(60)도 제1발전유닛(50)과 마찬가지로 수평이동체(20) 내면의 지지브래킷(22)에 회전 가능하게 지지되며 수직로드(30)의 이동에 의해 회전하도록 수직로드(30)에 마련된 걸림핀(35)에 걸리는 슬롯(61b)을 갖춘 제2섹터기어(61)와, 제2섹터기어(61)의 기어부(61a)와 치합되는 제2피니언기어(62)와, 증속유닛(63)을 매개로 제2피니언기어(62)와 연결된 제2발전기(64)를 구비한다. 이러한 제2발전유닛(60)도 제1발전유닛(50)과 동일한 방식으로 동작하면서 발전을 수행한다. 즉 수직로드(60)의 승강운동에 의해 제2섹터기어(61)가 회전함으로써 제2피니언기어(62)가 회전하고, 제2피니언기어(62)의 회전이 증속유닛(63)에 의해 증속되어 제2발전기(64)에 전달됨으로써 발전을 수행한다.
이처럼 본 실시 예에 따른 파력발전장치(2)는 부유체(40)의 수직운동에 의해 수직로드가 승강하여 제2발전유닛(60)이 동작하고, 부유체(40)의 수평운동에 의해 수평이동체(20)가 이동하여 제1발전유닛(50)이 동작함으로써 발전효율을 높일 수 있다. 또 이러한 동작이 이루어질 때 파도로부터 에너지를 회수하여 파도가 해양구조물(1)에 미치는 영향을 최소화 할 수 있게 되므로 해양구조물(1)을 안정화시킬 수 있다.
또 본 실시 예의 파력발전장치(2)는 도 1, 도 2, 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 부유체(40)와 복수의 수평이동체(20)가 해양구조물(1)의 측면을 따라 상호 이격된 상태에서 동일한 방식으로 설치될 수 있다. 즉 각 수평이동체(20)는 해양구조물(1)에 고정된 수평로드(10)에 슬라이딩 가능하게 설치되고, 각 부유체(40)는 수직로드(30)에 의해 각 수평이동체(20)에 승강 가능하게 설치될 수 있다. 또 각 수평이동체(20) 내에는 앞서 언급한 제1발전유닛(50)과 제2발전유닛(60)이 동일한 방식으로 설치될 수 있다.
상호 인접하는 부유체들(40) 사이에는 이들을 연결하는 복수의 연결장치(70)가 설치되고, 각 연결장치(70)에는 도 5와 도 6에 도시한 바와 같이, 연결장치(70)에 작용하는 힘에 의해 가압됨으로써 전기를 발생시키는 것으로 압전소자(81,82)들을 포함하는 제3발전유닛(80)이 설치될 수 있다.
연결장치(70)는 도 2와 도 6에 도시한 바와 같이, 양단에 각각 가압부재(72)가 결합된 연결바(71)와, 가압부재(72)를 슬라이딩 가능하게 수용하도록 연결바(71)의 양단에 각각 설치되며 부유체(40)에 회전 가능하게 연결된 연결케이스(73)를 포함한다. 그리고 제3발전유닛(80)을 구성하는 압전소자들(81,82)은 가압부재(72)에 의해 가압될 수 있도록 연결케이스(73) 내부의 가압부재(72) 양측에 수용된다. 이는 각 부유체(40)의 승강운동에 의해 연결바(71)에 작용하는 인장력과 압축력이 가압부재(72)를 통하여 압전소자들(81,82)에 작용함으로써 압전소자들(81,82)이 전기를 발생시킬 수 있도록 한 것이다.
즉 본 실시 예의 파력발전장치(2)는 각 수평이동체(20) 내에 설치된 제1발전유닛(50) 및 제2발전유닛(60)과 부유체들(40) 사이를 연결하는 각 연결장치(70)에 설치된 제3발전유닛(80)에 의해 발전이 이루어지므로 발전효율을 높일 수 있다. 특히 도 5에 도시한 바와 같이, 파도의 영향으로 상호 인접하는 부유체(40)의 승강운동이 달라 연결장치(70)에 인장력과 압축력이 반복적으로 작용할 수 있는데, 이러한 힘을 전기에너지로 회수할 수 있기 때문에 발전효과를 더욱 높일 수 있다.
또 본 실시 예의 파력발전장치(2)는 상호 인접하는 부유체들(40) 사이를 연결하는 파도저감네트(90)를 구비한다. 파도저감네트(90)는 수면과 근접하는 위치에서 양단이 상호 인접하는 부유체(40)의 측면에 각각 연결될 수 있다. 파도저감네트(90)는 수지나 금속소재가 의해 그물처럼 연결된 형태이거나 로프가 그물처럼 엮인 형태일 수 있다.
파도저감네트(90)는 상하운동을 하는 파도를 파쇄시켜 그 힘을 저감시킴으로써 해양구조물(1) 쪽으로 들이치는 파도의 영향을 줄일 수 있다. 또 파도에 의해 파도저감네트(90)에 작용하는 힘은 양측 부유체(40)로 전달되어 부유체(40)의 운동력을 높임으로써 발전효과를 향상시킬 수 있다.
1: 해양구조물, 2: 파력발전장치,
10: 수평로드, 20: 수평이동체,
30: 수직로드, 40: 부유체,
50: 제1발전유닛, 60: 제2발전유닛,
70: 연결장치, 80: 제3발전유닛,
90: 파도저감네트.

Claims (8)

  1. 해양구조물의 외측에 수평방향으로 고정된 수평로드;
    상기 수평로드에 이동 가능하게 지지된 수평이동체;
    상기 수평이동체에 수직이동 가능하게 결합된 수직로드;
    상기 수직로드 하부에 결합되며 수면에 부유상태를 유지하는 부유체;
    상기 수평이동체에 설치되며 상기 부유체의 수평운동에 의한 상기 수평이동체의 이동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제1발전유닛;
    상기 수평이동체에 설치되며 상기 부유체의 수직운동에 의한 상기 수직로드의 상하운동을 회전운동으로 변환하여 발전을 수행하는 제2발전유닛을 포함하는 파력발전장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1발전유닛은 상기 수평이동체 내에 회전 가능하게 지지되며 상기 수평이동체의 이동에 의해 회전하도록 상기 수평로드에 마련된 걸림핀에 걸리는 슬롯을 갖춘 제1섹터기어와, 상기 제1섹터기어의 기어부와 치합되는 제1피니언기어와, 증속유닛을 매개로 상기 제1피니언기어와 연결된 제1발전기를 포함하고,
    상기 제2발전유닛은 상기 수평이동체 내에 회전 가능하게 지지되며 상기 수직로드의 이동에 의해 회전하도록 상기 수직로드에 마련된 걸림핀에 걸리는 슬롯을 갖춘 제2섹터기어와, 상기 제2섹터기어의 기어부와 치합되는 제2피니언기어와, 증속유닛을 매개로 상기 제2피니언기어와 연결된 제2발전기를 포함하는 파력발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수평로드와 상기 수직로드는 각각 복수개인 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수평이동체의 위치복원을 위해 상기 수평로드와 상기 수평이동체 사이에 설치된 하나 이상의 제1복원스프링과, 상기 수직로드의 위치복원을 위해 상기 수직로드와 상기 수평이동체 사이에 설치된 하나 이상의 제2복원스프링을 더 포함하는 파력발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부유체와 상기 수평이동체는 복수개가 상호 이격된 위치에 동일한 방식으로 설치되고, 상기 제1발전유닛과 상기 제2발전유닛도 상기 복수의 수평이동체 내에 각각 동일한 방식으로 설치되며,
    상호 인접하는 상기 부유체들 사이에는 상호 인접하는 상기 부유체들을 연결하는 복수의 연결장치가 설치되고, 상기 각 연결장치에는 상기 연결장치에 작용하는 힘에 의해 가압되어 전기를 발생시키는 압전소자를 포함하는 제3발전유닛이 설치된 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연결장치는 양단에 각각 가압부재가 결합된 연결바와, 상기 가압부재를 슬라이딩 가능하게 수용하도록 상기 연결바의 양단에 각각 설치되며 상기 부유체에 회전 가능하게 연결된 연결케이스를 포함하고,
    상기 압전소자는 상기 가압부재에 의해 가압될 수 있도록 상기 연결케이스 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상호 인접하는 상기 부유체들 사이에 설치된 파도저감네트를 더 포함하는 파력발전장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 파력발전장치를 갖춘 해양구조물.
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