KR101372474B1 - 폐선을 이용한 파력 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폐선을 폐기 처리하지 않고 폐선을 바다에 정박시킨 상태에서 파력에 의한 폐선의 운동을 이용하여 전력을 생성함으로써 폐선을 유용하게 재활용함과 동시에 대체에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 폐선을 이용한 파력 발전장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 폐선을 이용한 파력 발전장치는, 일단이 폐선에 연결되어 파도에 의한 폐선의 운동에 의해 상하 방향으로 승강 운동하는 피스톤과, 수중에 잠겨진 상태를 유지하면서 상기 피스톤이 상하로 이동 가능하게 연결된 실린더를 구비하는 전력생성펌프와; 상기 전력생성펌프의 피스톤의 운동에 의해 전력을 생성하는 발전기와; 상기 전력생성펌프의 하측에서 전력생성펌프와 연결되도록 설치되며 수중에 잠겨져 부유된 상태를 유지하는 부유반력체와; 일단이 상기 부유반력체와 연결되며 타단이 해저 고정구조물 또는 닻에 연결되는 계류로프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

폐선을 이용한 파력 발전장치{Wave Activated Generator for Ship}
본 발명은 폐선을 이용한 파력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 폐선을 정박시킨 상태에서 파도에 의한 폐선의 수직 운동(heave motion) 및 피치 운동(pitch motion) 등을 이용하여 전력생성펌프를 구동시켜 우수하고 효율적인 전력을 생산할 수 있는 폐선을 이용한 파력 발전장치에 관한 것이다.
최근 환경친화적인 자연 에너지의 이용이 장려되고 있으며, 이미 태양광, 풍력, 파력, 조력, 지열 에너지 등을 이용한 각종 발전방식이 활발히 개발되고 있다. 그러나 현재로서는 태양광과 풍력 이용시설 만이 실용화되어 있는 상태이고, 나머지 분야는 아직도 경제성이나 기술적 측면에 문제가 많아서 널리 실용화되지 못하고 있다.
실측결과에 의하면 해양의 파력 에너지는 태양광이나 풍력 에너지에 비해서 대단히 안정된 에너지원으로 나타나 있다.
이러한 파력 에너지를 이용한 파력발전 시스템은 파도를 형성하는 물의 운동을 직접 기계적인 수단으로 흡수하여 리니어 발전기 또는 회전형 발전기를 구동하는 직접방식과, 물의 운동을 1차적으로 공기의 운동으로 변환하여 풍력 터빈을 구동하는 간접방식으로 분류할 수 있다.
전자는 해면에 띄운 부체의 수직 또는 수평 운동을 직접 리니어 발전기에 전달하거나 클랭크 샤프트 등으로 선형운동을 회전운동으로 변환하여 발전기를 구동하는 방식인데, 이 방식은 부체의 운동 폭과 방향이 파도의 높이에 따라 항상 변화하고 있기 때문에 최적 구조를 도출하기가 어렵고 발전 파형도 펄스 형인 경우가 많아서 발전효율이 낮고 구조적으로도 취약하여 관리면에서도 문제가 많은 것으로 알려져 있다.
두번째 방법은 파면의 운동을 1차적으로 공기의 운동으로 변환한 후, 이것으로 풍력 터빈을 회전시키는 방법이다. 이 방법은 파도의 불규칙적이고 충격적인 운동을 공기의 운동에너지로 변환하는 과정을 통해, 파도의 운동에너지를 원활하게 흡수할 수가 있을 뿐 아니라, 파도의 공간적인 운동을 특별한 기계적 기구 없이 선형운동으로 변환하여 공기 터빈을 구동할 수 있다는 장점이 있다.
파랑 에너지 이용기술의 현재의 주류는 진동수주형(Oscillating Water Column: OWC)이라 할 수가 있는데, 이 방식에서는 해면에 밀폐된 원주를 설치하여 그 속에 생기는 수주(물기둥)의 왕복운동으로 생기는 왕복기류를 공기터빈과 발전기를 사용하여 전기에너지로 변환한다. 이 방식의 대표적인 것으로 2000년에 영국에서 조업을 개시한 린페드, 일본 해양과학기술센터의 Mighty Whale, 유럽연합(EU)의 지원하에 개발되고 있는 폴트걸 피코섬의 파력발전소 등이 있다.
한편, 매년 200~400 대의 대형 상선을 비롯하여 수많은 선박이 퇴역하여 폐기되고 있는데, 이들 퇴역한 선박들을 폐기하는데 수많은 비용이 소요되고 있는 실정이다. 또한 선박의 폐기는 환경 오염 유발, 독성 물질 배출 등으로 인한 건강 상의 위험, 사고의 위험, 생태계의 위협 등의 문제를 일으킨다. 따라서 이러한 폐선을 분해하여 강철 등을 재활용하는 것보다 폐선을 재사용하는 것이 더욱 바람직할 수 있다.
본 발명은 폐선을 폐기 처리하지 않고 폐선을 바다에 정박시킨 상태에서 파력에 의한 폐선의 운동을 이용하여 전력을 생성함으로써 폐선을 유용하게 재활용함과 동시에 대체에너지를 효율적으로 생산할 수 있는 폐선을 이용한 파력 발전장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐선을 이용한 파력 발전장치는, 일단이 폐선에 연결되어 파도에 의한 폐선의 운동에 의해 상하 방향으로 승강 운동하는 피스톤과, 수중에 잠겨진 상태를 유지하면서 상기 피스톤이 상하로 이동 가능하게 연결된 실린더를 구비하는 전력생성펌프와; 상기 전력생성펌프의 피스톤의 운동에 의해 전력을 생성하는 발전기와; 상기 전력생성펌프의 하측에서 전력생성펌프와 연결되도록 설치되며 수중에 잠겨져 부유된 상태를 유지하는 부유반력체와; 일단이 상기 부유반력체와 연결되며 타단이 해저 고정구조물 또는 닻에 연결되는 계류로프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명의 파력 발전 장치는 폐선의 선수 및/또는 선미에 구성되어 파력에너지에 의한 폐선의 수직 운동(heave motion) 및 피치 운동(pitch motion) 등을 전기에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 폐선의 폐기에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 폐선의 폐기 시 발생하는 환경 오염, 생태계 위협 등의 여러 가지 문제들을 해결할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 폐선을 이용한 파력 발전장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 도 1의 파력 발전장치의 부유반력체의 일 실시예를 나타낸 종단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 폐선을 이용한 파력 발전장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 폐선을 이용한 파력 발전장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 파력 발전장치는 폐선(10)의 선수와 선미에 각각 연결된 전력생성펌프(20)와, 상기 전력생성펌프(20)의 하측에 연결된 부유반력체(30), 상기 부유반력체(30)와 연결된 계류로프(40)를 포함한다.
상기 전력생성펌프(20)(power take-off pump)는 일단이 폐선(10)에 연결되어 파도에 의한 폐선(10)의 수직 운동(heave motion) 피치 운동(pitch) 등에 의해 상하 방향으로 승강 운동하는 피스톤(21)과, 수중에 잠겨진 상태를 유지하면서 상기 피스톤(21)이 상하로 이동 가능하게 연결되는 실린더(22)를 구비한다. 도면에 도시하지는 않았으나, 상기 실린더(22) 내부에는 영구자석이 설치되고 상기 피스톤(21)에는 코어 및 이 코어에 감겨진 도전성 코일이 설치되어, 상기 코어-도전성 코일 및 영구자석 간의 상대 이동에 의해 유도 기전력이 발생하여 전력을 생성한다. 상기 영구자석(미도시) 및 도전성 코일(미도시)과 이들의 상호 작용에 의해 전기에너지를 생성하는 변환장치(미도시) 등이 발전기를 구성하게 된다. 이러한 전력생성펌프(20) 및 발전기는 공지의 파력 발전에 사용되는 전력생성펌프(power take-off pump) 및 발전기(generator)를 적용하여 구성될 수 있다.
상기 전력생성펌프(20)는 해저에서도 쉽게 부식되지 않도록 내식성 재료로 된 케이싱(미도시) 내부에 설치될 수 있다.
상기 부유반력체(30)는 속이 빈 통 형태로 이루어져 수중에 소정 깊이로 잠겨진 채 부유된 상태를 유지하면서 상기 전력생성펌프(20)의 하측에서 전력생성펌프(20)를 안정적으로 지지하면서 반력을 제공하는 작용을 한다. 이와 같이 상기 전력생성펌프(20)가 바로 계류로프(40)에 연결되거나 해저 바닥면의 고정구조물에 연결되어 지지되지 않고 수중에서 부유하고 있는 부유반력체(30)에 의해 지지되어 반력을 제공받게 되면 다음과 같은 이점을 얻을 수 있다.
만약 전력생성펌프(20)가 바로 계류로프(40)에 연결되게 되면, 폐선(10)의 정박을 위해서는 계류로프(40)가 해저에 팽팽한 장력을 유지해야 한다. 이 경우 계류로프(40)는 느슨해지지 않도록 미리 스트레스가 가해진(pre-stressed) 상태로 연결되어야 하는데, 이는 폐선(10)의 수직 운동 및 피치 운동을 감소시키는 요인이 되어 에너지 변환 효율을 저하시키게 된다. 또한 조수(tide)에 의해 해저로부터 폐선(10)까지의 높이가 달라지게 되면 계류로프(40)의 장력을 팽팽한 상태로 유지하기가 어려워 계류로프(40)의 길이 조정이 요구되는 등의 단점이 있다.
그러나 본 발명에서와 같이 전력생성펌프(20)와 계류로프(40) 사이에 부유반력체(30)가 개재되면, 계류로프(40)를 느슨하게 하여 폐선(10)을 정박시킬 수 있기 때문에 계류로프(40)에 미리 스트레스를 가할 필요가 없으며, 폐선(10)의 피치 운동과 수직 운동이 전력생성펌프(20)에 의해서만 구속되므로 조수에 의해 해저로부터 폐선(10)까지의 높이가 달라지더라도 에너지 변환 효율이 저하되지 않는 이점이 있다. 또한, 폐선(10)이 단파장(short wave-length)의 파도로 인해 운동 변위가 작을 경우에도 로 파도와 선체 사이의 상대 속도가 에너지 변환에 이용될 수 있으므로 에너지 변환 효율이 향상되는 이점을 얻을 수 있다. 요컨대 본 발명의 부유반력체(30)는 수중에 잠겨진 상태로 부유되어 전력생성펌프(20)를 지탱하는 작용을 하여 전력생성펌프(20)의 에너지 변환 효율을 향상시키는 작용을 하게 된다.
상기 부유반력체(30)는 폐선(10)의 운동에 의한 피스톤(21)의 운동을 안정적으로 지지할 수 있도록 충분한 부력과 강성을 갖는 구조로 이루어져야 하는데, 예를 들어 부유반력체(30)속이 빈 넓은 박스체로 이루어질 수 있다. 도 2에 도시한 것과 같이 부유반력체(30)는 상하 방향으로는 충분한 저항력을 제공하고, 수평방향으로는 물에 대한 저항을 감소시킬 수 있도록 양측 테두리부 또는 전체 테두리 부분이 곡선으로 이루어져 유선형 단면 형태를 갖는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 부유반력체(30)의 내면에는 복수개의 보강리브(32)가 내측 방향으로 돌출되게 형성될 수 있다.
상기 전력생성펌프(20)와 부유반력체(30) 간의 효과적인 반력 제공을 위해 상기 전력생성펌프(20)와 부유반력체(30)는 단단한 강체 바아(31)로 연결될 수 있다.
상기 계류로프(40)는 일단이 상기 부유반력체(30)에 연결되고 타단이 해저에 고정된 고정구조물인 포스트(50)에 연결된다. 하지만, 이와 다르게 계류로프(40)가 포스트(50) 이외의 해저의 인공적인 혹은 자연적인 고정구조물 또는 폐선(10)의 닻에 연결될 수도 있을 것이다. 이 때 상기 계류로프(40)는 부유반력체(30)에 팽팽하게 연결되지 않고 느슨하게 연결된다.
상기와 같이 구성된 파력 발전 장치는 다음과 같이 작동한다.
파도에 의해 폐선(10)은 수직으로 들어 올려지는 수직 운동(heave motion) 또는 피치 운동(pitch motion), 롤링 운동(rolling motion), 요잉 운동(yawing motion) 등을 하게 되는데, 이 중 수직 운동(heave motion) 및 피치 운동(pitch motion)이 주요한 요인이 된다.
상기 폐선(10)의 수직 운동 및/또는 피치 운동 등에 의해 선수 및/또는 선미 측이 승강 운동하게 되면, 전력생성펌프(20)의 피스톤(21)이 폐선(10)과 함께 승강 운동하게 된다. 이 때 전력생성펌프(20)의 실린더(22)는 부유반력체(30)에 의해 지지된다.
상기 피스톤(21)이 승강 운동함에 따라 실린더(22) 내부에 구성된 영구자석(미도시)과 피스톤(21)에 설치된 도전성 코일(미도시) 간의 상호 작용에 의해 전자기력이 유도되어 전기에너지가 발생하게 된다. 상기 전력생성펌프(20)에 구성된 발전기에 의해 발생한 전기에너지는 폐선(10) 또는 육상에 마련된 축전지(미도시)에 충전된다.
이와 같이 본 발명의 파력 발전 장치는 폐선(10)의 선수 및/또는 선미에 구성되어 파력에너지에 의한 폐선(10)의 수직 운동(heave motion) 및 피치 운동(pitch motion) 등을 전기에너지로 변환하여 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 폐선의 폐기에 소요되는 비용을 절감할 수 있으며, 폐선의 폐기 시 발생하는 환경 오염, 생태계 위협 등의 여러 가지 문제들을 해결할 수 있는 효과를 제공한다.
한편, 전술한 실시예에서는 전력생성펌프(20)의 피스톤(21)의 승강 운동을 전기에너지로 변환하는 발전기가 전력생성펌프(20)에 통합 구성되었지만, 이와 다르게 발전기가 별도로 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 3에 다른 실시예로 도시한 것과 같이 상기 전력생성펌프(20) 내에 발전기가 일체화되지 않고, 전력생성펌프(20)가 수력식 전력생성펌프(hydrualic power take-off pump)로 이루어져 작동유체를 폐선(10)에 별도로 설치된 발전기(60)로 펌핑하여 전력을 생산하도록 할 수도 있을 것이다.
이 실시예의 전력생성펌프(20)는 실린더(22) 내부에는 작동유체가 채워지며, 피스톤(21)은 실린더(22) 내의 작동유체(예를 들어 물)를 외부로 펌핑하는 작용을 하게 된다. 상기 전력생성펌프(20)에 의해 펌핑되는 물은 폐선(10)에 설치되어 있는 발전기(60)로 유입되어 발전기(60) 내의 수력모터(hydraulic motor) 등을 구동시켜 전력을 만들어낸다.
상기 발전기(60)는 전력생성펌프(20)의 피스톤(21)에 의해 펌핑되는 작동유체에 의해 전력을 생산하는 구성요소로, 유체라인(25)을 통해 전력생성펌프(20)와 연결된다. 상기 발전기(60)는 예를 들어 작동유체의 의해 동작하는 수력모터(hydraulic motor)와, 상기 수력모터의 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 제너레이터(generator)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 실시예에서 상기 발전기(60)는 폐선의 선수와 선미 각각에 설치되어 선수측 전력생성펌프(20) 및 선미측 전력생성펌프(20)에 각각 연결되지만, 이와 다르게 발전기(60)가 전력생성펌프(20)와 함께 하나의 하우징 내부에 통합 설치되어 수중에 잠겨지거나, 혹은 육상에 설치될 수도 있다.
또한 상기 발전기(60)는 폐선(10) 또는 육상에 설치되는 축전지(미도시)와 전기적으로 연결되어 생성된 전기에너지를 축전지에 충전시킨다.
이와 같이 구성된 두번째 실시예의 파력 발전 장치는 상기 피스톤(21)이 승강 운동함에 따라 실린더(22) 내부의 작동유체가 펌핑되어 유체라인(25)을 통해 발전기(60) 내부로 유입되고, 발전기(60)의 수력모터 등을 구동시켜 전기에너지를 만들어낸다. 상기 발전기(60)에 의해 만들어진 전기에너지는 폐선(10) 또는 육상에 마련된 축전지(미도시)에 충전된다.
이상에서 본 발명은 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연하며, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
10 : 폐선 20 : 전력생성펌프(power take-off pump)
21 : 피스톤 22 : 실린더
30 : 부유반력체 32 : 보강리브
40 : 계류로프 50 : 포스트
60 : 발전기

Claims (4)

  1. 일단이 폐선(10)에 연결되어 파도에 의한 폐선의 운동에 의해 상하 방향으로 승강 운동하는 피스톤(21)과, 수중에 잠겨진 상태를 유지하면서 상기 피스톤(21)이 상하로 이동 가능하게 연결된 실린더(22)를 구비하는 전력생성펌프(20)와;
    상기 전력생성펌프(20)의 피스톤(21)의 운동에 의해 전력을 생성하는 발전기와;
    상기 전력생성펌프(20)의 하측에서 전력생성펌프(20)와 연결되도록 설치되며 수중에 잠겨져 부유된 상태를 유지하는 부유반력체(30)와;
    상기 전력생성펌프(20)의 실린더(22)와 상기 부유반력체(30)를 연결하는 단단한 재질의 강체 바아(31)와;
    일단이 상기 부유반력체(30)와 연결되며 타단이 해저의 고정구조물 또는 닻에 연결되는 계류로프(40)를 포함하며;
    상기 전력생성펌프(20)와 부유반력체(30) 및 계류로프(40)는 폐선의 선수와 선미에 설치되고,
    상기 부유반력체(30)는 양측 테두리부 또는 전체 테두리 부분이 곡선으로 이루어져 대칭형의 유선형 단면 형태를 갖는 중공의 박스체로 이루어지고, 부유반력체(30)의 내면에는 복수개의 보강리브(32)가 내측 방향으로 돌출되게 형성된 것을 특징으로 하는 폐선을 이용한 파력 발전장치.
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