KR101376308B1 - 파력발전장치 - Google Patents

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KR101376308B1 KR1020120106340A KR20120106340A KR101376308B1 KR 101376308 B1 KR101376308 B1 KR 101376308B1 KR 1020120106340 A KR1020120106340 A KR 1020120106340A KR 20120106340 A KR20120106340 A KR 20120106340A KR 101376308 B1 KR101376308 B1 KR 101376308B1
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권혁민
박상신
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경주대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 파력발전장치에 관한 것이다. 그러한 파력 발전장치는 케이스와; 상기 케이스의 내측에 배치되는 프레임과; 상기 프레임에 고정적으로 장착되어 전기장을 형성하는 적어도 하나 이상의 코일과; 상기 프레임에 이동가능하게 장착되어 자기장을 형성하며, 상하 왕복운동을 하는 경우 상기 코일을 관통함으로써 유도 기전력에 의하여 발전하는 적어도 하나 이상의 이동자석과; 그리고 상기 적어도 하나 이상의 이동자석을 프레임에 탄력적으로 연결하는 적어도 하나 이상의 스프링 부재를 포함한다.

Description

파력발전장치{WAVE ACTIVATED POWER GENERATION UNIT}
본 발명은 파력발전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부에 복수개의 전기자석을 동일선상에 배치하여 파도에 따라 승하강하는 경우 복수개의 전기자석이 공진함으로써 고효율의 전기에너지를 생산할 수 있는 파력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 해양의 파력으로부터 발생되는 파동에너지를 이용하여 발전하는 방식은 2가지가 있다. 첫 번째 방식은 서로에 상대운동하는 2개의 부유체 간에 영구자석과 코일을 개재하여 파력발전장치를 만드는 방식이고, 두 번째 방식은 1개의 부유체 안에 중량물(mass)를 삽입하여 서로에 상대운동하는 상기 중량물과 상기 부유체 간에 영구자석과 코일을 개재하여 파력발전장치를 만드는 방식이다.
첫 번째 방식은 서로 상대운동하는 2개의 부유체가 필요하고, 하나의 부유체가 해저면에 고정되어야 하고, 다른 하나의 부유체가 파면에 부유되어야 하며, 그리고 2개의 부유체 간에 수밀적인 상태에서 상대운동을 허용하여야 하기 때문에, 구조적으로 복잡하고, 유지보수가 어렵다고 하는 문제점을 가지고 있다.
두 번째 방식은 해저면에 고정되는 하나의 부유체만이 필요하고, 상기 하나의 부유체에만 수밀적인 구조를 제공하기 때문에, 첫 번째 방식보다 구조적으로 단순하고 유지보수가 용이하다는 장점을 가지고 있어서, 요즘 첫 번째 방식보다 더 파력발전장치에 적용되고 있다.
상기 두 번째 방식은 상기 중량물의 상하이동량(진폭)을 증대시키기 위해, 상기 중량물을 상기 부유체 내에서 탄성체에 의해 지지하고, 상기 중량물을 가진(加振)하는 파의 진동수에 상기 탄성체의 부감쇠고유진동수를 맞추어서, 탄성체와 파 간의 공진형상을 일으켜 중량물의 상하이동량을 최대로 하여 발전효율을 증대시키는 구조로 되어 있으며, 그 일예가 WO2005/040603호에 개시되어 있다.
이와 같은 공진현상을 일으키는 파력발전장치는, 연안에 복수개 배치되어 해저면에 앵커와 와이어에 의해 고정되게 되어 있다. 그 이유는 상기 파력발전장치가 파의 흐름방향으로 떠밀려가는 것을 방지하기 위함이다.
그러나, 상기 공진타입의 파력발전장치는 일단이 앵커에 고정되고 타단이 부유체에 고정된 체인의 자중이 파동에 의한 부유체의 상향운동을 방해하여, 부유체의 상하이동량을 작게 한다는 문제점을 가진다.
또한, 상기 공진타입의 파력발전장치는, 앵커가 해저면 속에 타설된 콘크리트에 박혀있기 때문에, 유지보수를 위해 육상 또는 선상으로 위치이동될 때, 또는 설치되었던 곳의 파동이 작아 파동이 큰 다른 곳으로 위치이송시켜 설치될 때, 그 위치이동작업이 상당히 더디게 되고, 아울러 작업자로 하여금 매우 성가신 작업으로 취급하게 한다는 문제점을 가진다.
본 발명은 상기된 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 과제는 복수개의 전기자석이 파도에 따라 승하강하는 경우 공진함으로써 고효율의 전기에너지를 생산할 수 있는 파력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 케이스와;
상기 케이스의 내측에 배치되는 프레임과;
상기 프레임에 고정적으로 장착되어 전기장을 형성하는 적어도 하나 이상의 코일과;
상기 프레임에 이동가능하게 장착되어 자기장을 형성하며, 상하 왕복운동을 하는 경우 상기 코일을 관통함으로써 유도 기전력에 의하여 발전하는 적어도 하나 이상의 이동자석과; 그리고
상기 적어도 하나 이상의 이동자석을 프레임에 탄력적으로 연결하는 적어도 하나 이상의 스프링 부재를 포함하는 파력 발전장치를 제공한다.
본 발명은 케이스의 내부에 복수의 이동자석을 배치하고, 스프링에 의하여 연결함으로써, 파력발전장치가 승하강운동을 하는 경우, 복수의 이동자석이 진동하는 과정에서 공진함으로써 발전량이 최대로 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 파력발전장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 파력발전장치의 내부 구조를 도시한 측면도이다.
도 3(a)는 도 1에 도시된 파력발전장치가 파도에 의하여 상승한 상태를 보여주는 도면이고, 도 3(b)는 도 1에 도시된 파력발전장치가 파도에 의하여 하강한 상태를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 파력발전장치를 수학적으로 모델링하기 위한 도면이다.
도 5(a),(b), (c)는 자유진동하에서의 진동결과를 나타내는 그래프이고, 도 5(c)는 진동이 0으로 수렴하는 상태를 보여주는 그래프이다.
도 6은 강제진동하에서의 공진에 대한 시간응답 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 파력발전장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 수면에 부유 가능한 케이스(Case;3)와; 상기 케이스(3)의 내측에 배치되는 프레임(5,7,9)과; 상기 프레임(5,7,9)에 고정적으로 장착되는 코일(11,13)과; 상기 코일(11,13)을 관통하여 상하 왕복운동을 하는 경우 유도 기전력에 의하여 발전하는 이동자석(15,17)과; 상기 이동자석(15,17)을 프레임(5,7,9)에 탄력적으로 연결하는 스프링 부재(S1,S2,S3)를 포함한다.
이러한 구조를 갖는 파력 발전장치에 있어서, 상기 케이스(3)는 내부에 공간이 형성된 통 형상이다. 따라서, 케이스(3)는 수면에서 부력에 의하여 부유할 수 있으며, 파도를 따라 승하강할 수 있다.
상기 프레임(5,7,9)은 케이스(3)의 내부에 배치되어 코일(11,13)과 이동자석(15,17)을 지지한다.
이러한 프레임(5,7,9)은 상부 프레임(5) 및 하부 프레임(7)과; 상부 및 하부 프레임(5,7)을 서로 연결하는 한 쌍의 지지 프레임(9)을 포함한다.
그리고, 상기 코일(11,13)은 한 쌍의 지지 프레임(9)에 용접 등에 의하여 고정적으로 각각 장착된다. 이때, 상기 코일(11,13)은 다수의 코일(11,13)이 권선됨으로써 원통 형상을 갖는다.
이러한 코일(11,13)은 케이블을 통하여 외부의 전원과 연결됨으로써, 전원 공급시에는 주위에는 전기장이 형성될 수 있다.
또한, 상기 코일(11,13)은 적어도 하나 이상, 바람직하게는 제 1코일(13) 및 제 2코일(11)의 2개가 배치되며 서로 일정 거리 떨어져 배치된다. 물론, 코일(11,13)이 3개 이상 배치되는 것도 가능하다.
그리고, 이 코일(11,13)의 가운데에 형성된 중공에는 상기 이동자석(15,17)이 관통한다. 이러한 이동자석(15,17)은 원통형상을 갖는다. 또한, 이동자석(15,17)은 N극과 S극이 교대로 배치되거나, 혹은 N극과 S극의 사이에 중간지대를 배치할 수도 있다.
그리고, 상기 코일(11,13)의 내측면과 이동자석(15,17)의 외주면은 서로 일정 간격 떨어져 배치된다.
따라서, 상기 이동자석(15,17)이 코일(11,13)의 내부에서 상하로 왕복운동을 하는 경우, 코일(11,13)의 전기장과 이동자석(15,17)의 자기장이 상호작용함으로써 전기가 생성될 수 있다.
이러한 이동자석(15,17)은 코일(11,13)과 동수가 배치됨으로써 일대일로 대응된다. 따라서, 각각의 이동자석(15,17)은 코일(11,13)의 내부를 관통한 상태에서 상하 왕복운동을 함으로써 전기를 생성할 수 있다.
한편, 상기 이동자석(15,17)은 스프링 부재(S1,S2,S3)에 의하여 프레임(5,7,9)에 연결됨으로써 상하 왕복운동시 공진을 발생시킬 수 있다.
이러한 스프링 부재(S1,S2,S3)는 제 1이동자석(17)을 하부 프레임(7)에 연결하는 제 1스프링(S1)과; 제 2이동자석(15)과 제 1이동자석(17)의 사이에 연결되는 제 2스프링(S2)과; 제 2이동자석(15)을 상부 프레임(5)에 연결하는 제 3스프링(S3)을 포함한다.
이때, 상기 제 1 내지 제 3스프링(S1,S2,S3)은 바람직하게는 인장스프링을 의미한다.
따라서, 제 1 및 제 2이동자석(15,17)은 제 1 내지 제 3스프링(S1,S2,S3)에 의하여 프레임(5,7,9)에 탄력적으로 연결됨으로써, 파력발전장치가 파도를 따라 상하로 왕복운동을 하는 경우, 공진을 발생시킬 수 있다.
이러한 파력발전장치의 발전과정을 모델링하여 수학적으로 분석하는 과정을 아래와 같이 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 파력발전장치의 구조를 모델링한 도면이다. 도시된 바와 같이, 프레임(5,7,9)에 2개의 이동자석(15,17)이 3개의 스프링(S1,S2,S3)에 의하여 탄력적으로 지지된 상태이다.
이 상태에서 파력에 의하여 상하로 왕복운동을 하게 되면, 2개의 이동자석(15,17)이 진동을 함으로써 공진이 발생된다.
즉, 케이스(3)의 가진을 Y라고 가정하면, 제 1 및 제 2이동자석(15,17)의 운동방정식은 다음과 같이 정립될 수 있다.
Figure 112012077748910-pat00001
이때,
Figure 112012077748910-pat00002
또는
Figure 112012077748910-pat00003
이다.
상기 식을 행렬식으로 변환하면 다음과 같다.
Figure 112012077748910-pat00004
이때 미분방정식의 해는
Figure 112012077748910-pat00005
이다.
그리고, 상기 진동계를 자유진동으로 해석하고, 조화함수로 가정하고, 비감쇠계(Homogeneous sol.)라고 가정하면,
Figure 112012077748910-pat00006
Figure 112012077748910-pat00007
이다.
상기 수식은 아래와 같이 기재될 수 있으며,
Figure 112012077748910-pat00008
이 수식을 항상 만족하려면, 아래와 같이 표현된다.
Figure 112012077748910-pat00009
상기 수식이 근을 가지려면,
Figure 112012077748910-pat00010
이고,
Figure 112012077748910-pat00011
으로 표현될 수 있다.
Figure 112012077748910-pat00012

이때,
Figure 112012077748910-pat00013
에 대응하는 X1,X2 값을 X1 (1), X2 (1),
Figure 112012077748910-pat00014
에 대응하는 X1,X2 값을 X1 (2), X2 (2) 라고 하면,
Figure 112012077748910-pat00015
인 비율만을 구할 수 있다.
이때,
Figure 112012077748910-pat00016
이므로,
Figure 112012077748910-pat00017
이고,
Figure 112012077748910-pat00018
이다.
따라서, 정규모드는 아래와 같이 1차모드(X(1))와 2차모드(X(2))로 표현될 수 있다.
Figure 112012077748910-pat00019

일반적인 초기 조건에서는 두 모드가 혼합되어서 나타나며, 특정한 초기 조건을 주면 한 가지의 모드에서만 진동이 가능하다.
예를 들어,
Figure 112012077748910-pat00020
라고 가정하면, 그 진동 결과는 도 5(a)와 같이 나타낼 수 있다.
또한,
Figure 112012077748910-pat00021
라고 가정하면, 도 5(b)와 같이 나타낼 수 있다.
결국, 마찰 등에 의해서 감쇠가 약간씩 작용하면 자유진동은 도 5(c)에 도시된 바와 같이 0으로 수렴하게 된다.
또한,
Figure 112012077748910-pat00022
에서 일반해(homogeneous solution)는 시간이 지나면 없어진다. 즉, 강제진동은 특수해(Particular solution)만 고려하면 된다.
한편, 상기 진동계를 강제진동이라 가정하면, 방정식은 아래와 같이 정립될 수 있다.
Figure 112012077748910-pat00023
Figure 112012077748910-pat00024
Figure 112012077748910-pat00025
행렬식으로 변환하면 다음과 같다.
Figure 112012077748910-pat00026
이때, 상기 진동계는 강제진동이고 조화함수이므로,
Figure 112012077748910-pat00027
Figure 112012077748910-pat00028
이다.
따라서, 상기 수식은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112012077748910-pat00029
Figure 112012077748910-pat00030

따라서, X1, X2값은 아래와 같이 얻어질 수 있다. 즉, 부이의 진폭에 대한 발전기 운동자의 진폭은 아래의 수식에서 얻어질 수 있다.
Figure 112012077748910-pat00031
Figure 112012077748910-pat00032
Figure 112012077748910-pat00033
Figure 112012077748910-pat00034

이러한 강제진동의 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다. 즉,
부이의 공진주기 2.03 sec, 공진 각속도는
Figure 112012077748910-pat00035
라고 하면,
이 부분에서 가장 큰 공진을 발생시키기 위한 조합은
m1=2.84Kg, m2=3.01 Kg(자석)이고, k1=40N/m, k2=20N/m, k3=20N/m이다.
그리고, 이러한 강제진동에 있어서, 공진에 대한 시간응답이 도 6에 도시되는 바, 이동자석(운동자)의 변위가 5m까지 증폭됨을 알 수 있다.
상기 수식에서 알 수 있는 바와 같이, 제 1 및 제 2이동자석(15,17)이 외력, 즉 파도에 의한 에너지에 의하여 승하강 하는 경우, 스프링(S1,S2,S3)에 의하여 상하방향으로 진동하게 되고, 이 과정에서 공진이 발생함으로써 상하방향의 이동거리가 증폭된다.
따라서, 제 1 및 제 2이동자석(15,17)의 승하강시 발생되는 발전량이 더욱 증가될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 파력발전장치의 작동과정을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
즉, 파력 발전장치(1)가 파도에 의하여 상승하는 경우, 케이스(3)가 수중에 잠기게 된다.
이때에는 제 1 및 제 2이동자석(15,17)이 상승함으로써 발전을 하게 되므로 제 1스프링(S1)이 가장 많이 인장되고, 제 2스프링(S2)과 제 3스프링(S3)의 순서로 인장된다.
이 상태에서, 파력 발전장치(1)가 파도에 의하여 하강하는 경우, 케이스(3)가 수면에 부유하게 된다.
이때에는 제 1 및 제 2이동자석(15,17)이 하강함으로써 발전을 하게 되므로 제 1스프링(S1)이 가장 많이 압축되고, 제 2스프링(S2)과 제 3스프링(S3)의 순서로 압축된다.
이와 같이, 케이스(3)가 승하강하는 경우, 제 1 및 제 2이동자석(15,17)은 스프링(S1,S2,S3)에 의하여 진동하는 과정에서 공진현상에 의하여 그 이동거리가 증폭됨으로써 발전량이 증가할 수 있다.
이러한 효과는 제 1 및 제 2이동자석(15,17)에 스프링을 적용하지 않은 경우와 비교하면, 스프링을 적용한 경우가 약 3배 정도로 발전효율이 높아짐을 확인할 수 있다.
1: 파력 발전장치
3: 케이스
5: 상부 프레임
7: 하부 프레임
9: 지지 프레임
11,13: 제 1 및 제 2코일
15,17: 제 1 및 제 2이동자석

Claims (4)

  1. 케이스와;
    상기 케이스의 내측에 배치되는 프레임과;
    상기 프레임에 고정적으로 장착되어 전기장을 형성하는 적어도 하나 이상의 코일과;
    상기 프레임에 이동가능하게 장착되어 자기장을 형성하며, 상하 왕복운동을 하는 경우 상기 코일을 관통함으로써 유도 기전력에 의하여 발전하는 적어도 하나 이상의 이동자석과; 그리고
    상기 적어도 하나 이상의 이동자석을 프레임에 탄력적으로 연결하는 적어도 하나 이상의 스프링 부재를 포함하며,
    상기 프레임은 상부 프레임과, 케이스의 하부에 구비되는 하부 프레임과, 상기 상부 및 하부 프레임을 서로 연결하며, 상기 적어도 하나 이상의 코일이 고정적으로 배치되는 한 쌍의 지지 프레임을 포함하며,
    상기 이동자석은 동일 선상에 배치되며, 영구자석인 N극과 S극이 교대로 배치되는 제 1 및 제 2이동자석을 포함하며,
    상기 스프링 부재는 상기 제 1이동자석을 상기 하부 프레임에 연결하는 제 1스프링과, 상기 제 2이동자석과 제 1이동자석의 사이에 연결되는 제 2스프링과, 상기 제 2이동자석을 상부 프레임에 연결하는 제 3스프링을 포함함으로써,
    상기 제 1 및 제 2이동자석이 3개의 스프링에 의하여 탄력적으로 지지되어 파력에 의하여 상하로 왕복운동을 하게 되면 2개의 이동자석이 진동을 함으로써 공진이 발생되는 파력 발전장치.


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  3. 삭제
  4. 삭제
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KR101980020B1 (ko) 2017-12-20 2019-08-28 호서대학교 산학협력단 가변 공진형 파력발전장치 및 이를 이용한 파력발전시스템

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JP2007132336A (ja) * 2006-03-30 2007-05-31 Sei Hybrid Kk 波力発電装置

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