KR101501906B1 - 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치 - Google Patents

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Abstract

부유체를 이용한 파력발전장치가 개시되어 있다. 본 발명은, 발전헤드; 상기 발전헤드의 측부에 결합되어 설치되는 다수의 소형부유체; 및 상기 발전헤드로부터 하방으로 길게 연장되어 일체로 설치되는 부유체기둥;을 포함하며, 상기 다수의 소형부유체들은 상기 발전헤드를 중심으로 한 동일 원호상에 등간격으로 아암에 의해 상기 발전헤드의 측부에 연결되며, 상기 소형부유체는 단면적에 비해 높이가 작고 질량이 작아 파도나 일렁임에 민감하게 운동하며, 상기 부유체기둥은 단면적에 비해 높이가 길고 질량이 커서 파도나 일렁임에 둔감하고 운동이 억제되어 상기 소형부유체와 부유체기둥 사이에 상대운동을 발생시켜서 발전하는 것을 특징으로 한다.

Description

다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치{WAVE POWER GENERATOR WITH MULTIPLE SMALL FLOATS}
본 발명은 파력발전장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 바닷물의 일렁임이나 파도에 의한 부유체의 상하운동을 이용하여 전기를 발생시키는 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치에 관한 것이다.
바다의 파도나 일렁임은 계절과 날씨에 관계없이 잠시의 쉬임도 없이 발생한다. 이것이 파력발전이 갖는 태양광이나 풍력발전에 대비되는 장점이다. 이와 같은 장점에도 불구하고 파력발전이 다른 친환경발전에 비해 실용화가 저조한 이유는 아직 안정되고 효과적인 파력에너지 획득기술이 부족한 때문인 것으로 생각된다.
파력을 이용한 발전방법은 바다의 바닥이나 해안가에 방파제 등과 같이 고정된 구조물을 이용하거나 설치하여 발전하는 방법이 있으며, 고정 구조물 없이 부유체만을 이용한 발전방법이 있다. 고정 구조물을 필요로하는 파력발전은 설치공사의 어려움과 높은 설치비용의 단점을 갖는다.
바다의 표층에는 파도와 일렁임이 있다. 기존의 부유체만을 이용한 발전방법은 상대적으로 긴 주기(약 10초 내외)를 갖는 파도만을 이용하므로 짧은 주기(약 1초 내외)로 발생하는 일렁임의 에너지는 획득하지 못하는 문제점이 있다. 또한 기존의 파도만을 이용한 발전방법에서는 많은 경우 부유체의 자세가 파도의 진행방향으로 정열되어야하므로 이를 위한 별도의 방안이 강구되어야 하는 문제점을 갖는다.
1. 대한민국 등록 제10-1011370호 2. 대한민국 등록 제10-0606146호 3. 대한민국 등록 제10-0679450호
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 구조가 간단하고, 파도뿐만 아니라 일렁임에 의해서도 동작되어 발전효율이 높으며, 자세의 제약조건이 없어 사용이 편리한 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치는, 발전헤드; 상기 발전헤드의 측부에 결합되어 설치되는 다수의 소형부유체; 및 상기 발전헤드로부터 하방으로 길게 연장되어 일체로 설치되는 부유체기둥;을 포함하며,
상기 다수의 소형부유체들은 상기 발전헤드를 중심으로 한 동일 원호상에 등간격으로 아암에 의해 상기 발전헤드의 측부에 연결되며, 상기 소형부유체는 단면적에 비해 높이가 작고 질량이 작아 파도나 일렁임에 민감하게 운동하며, 상기 부유체기둥은 단면적에 비해 높이가 길고 질량이 커서 파도나 일렁임에 둔감하고 운동이 억제되어 상기 소형부유체와 부유체기둥 사이에 상대운동을 발생시켜서 발전하는 것을 특징으로 한다.
상기 아암의 일측은 소형부유체에 연결되고, 그 타측은 아암축의 역할을 하는 것으로서 상기 발전헤드 내부로 연장되어 기어에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전헤드는, 상기 아암축에 장착되어 소형부유체의 하강시에만 동력을 전달하는 라쳇평기어; 상기 아암축에 장착되어 소형부유체의 상승시에만 동력을 전달하는 라쳇작은베벨기어; 상기 라쳇작은베벨기어에 치합되는 제 1큰베벨기어; 상기 제 1큰베벨기어의 내부에 치합되는 다수의 제 1위성기어; 상기 제 1위성기어에 설치되어 일방향으로만 동력을 전달할 수 있는 제 1라쳇태양기어; 상기 제 1라쳇태양기어의 축이 연결되는 제 1발전기; 상기 라쳇평기어에 상부쪽으로 치합되어 결합되는 평기어; 상기 평기어에 회전축을 통해 결합되는 작은베벨기어; 상기 작은베벨기어에 치합되는 제 2큰베벨기어; 상기 제 2큰베벨기어의 내부에 치합되는 다수의 제 2위성기어; 상기 제 2위성기어에 설치되어 일방향으로만 동력을 전달할 수 있는 제 2라쳇태양기어; 및 상기 제 2라쳇태양기어의 축이 연결되는 제 2발전기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 부유체기둥의 하부에 중량추와 안정판을 추가로 설치하여, 부유체기둥의 운동에 저항력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치는, 하방으로 길게 연장되어 일체로 설치되는 부유체기둥; 상기 부유체기둥을 중심으로 한 동일 원호상에 등간격으로 아암에 의해 연결되는 다수의 소형부유체; 및 상기 아암에 연결되어 설치되는 선형발전기:를 포함하며,
상기 소형부유체는 아암을 통해 상기 부유체기둥에 설치된 제 1힌지조인트로 연결되고, 상기 아암에는 선형발전기의 스테이터가 설치된 한쪽 끝이 제 2힌지조인트로 연결되며, 상기 선형발전기의 로터가 연결된 다른 한쪽 끝은 연결바에 제 3힌지조인트로 연결되며, 상기 연결바의 한쪽 끝은 부유체기둥에 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 파력발전장치는 파도뿐만 아니라 일렁임으로부터도 에너지를 획득하기 때문에 파도만을 이용하는 발전장치에 비해 에너지 획득효율이 우수하며, 구조가 축대칭이므로 파도의 진행방향에 대해 요구되는 자세 조건이 없다.
또한 파도나 일렁임 등 바닷물 높이의 변화에 대해 동적반응이 매우 다른 두가지 부유체, 즉 매우 빠르게 반응하여 운동하는 소형부유체와 바닷물 높이 변화에 둔감하고 운동이 억제되는 부유체기둥의 상대운동을 이용하므로 설치면적 전체에서 바닷물 높이가 동시에 높아지고 낮아져도 효과적으로 발전할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 파력발전장치에서 발전헤드를 절개하여 도시한 측단면도이다.
도 3은 도 1의 파력발전장치에서 발전헤드를 분리하여 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 파력발전장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 파력발전장치에서 발전헤드를 절개하여 도시한 측단면도이며, 도 3은 도 1의 파력발전장치에서 발전헤드를 분리하여 도시한 평면도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파력발전장치는 크게, 발전헤드(4), 상기 발전헤드(4)의 측부에 결합되어 설치되는 다수의 소형부유체(2), 및 상기 발전헤드(4)로부터 하방으로 길게 연장되어 일체로 설치되는 부유체기둥(1)을 포함한다.
상기 다수의 소형부유체(2)들은 상기 발전헤드(4)를 중심으로 한 동일 원호상에 등간격으로 아암(3)에 의해 상기 발전헤드(4)의 측부에 연결되어 있다. 상기 아암(3)의 일측은 하방으로 구부러져서 소형부유체(2)에 연결되고, 그 타측은 아암축(8)의 역할을 하는 것으로서 상기 발전헤드(4) 내부로 연장되어 기어에 결합된다. 따라서, 상기 아암(3)은 상기 소형부유체(2)의 상하운동에 따라 상하로 움직이고 상기 아암(3)으로부터 발전헤드(4)쪽으로 직각으로 구부러진 아암축(8)은 왕복회전운동을 하게 된다.
본 발명의 도면에서는 편의상 4개의 소형부유체(2)를 도시하였으나, 실제의 적용에서는 더 많은 소형부유체(2)들을 설치할 수 있다. 또한, 도면에서는 상기 아암(3)의 일측이 하방으로 구부러져서 소형부유체(2)에 연결된 것을 도시하고 있지만, 이는 발명의 설명을 편리하게 하기 위한 것이고, 소형부유체의 왕복운동을 회전운동으로 변환시킬 수 있다면 어떠한 방향으로서 구부러져서 소형부유체에 연결될 수 있다.
소형부유체(2)는 지름에 비해 높이와 질량이 작은 납작한 형태의 원통모양이며, 속이 빈공간이거나 가벼운 물체로 채워져 있어 바닷물에 떠있는 물체이다. 따라서 파도나 일렁임으로 물높이가 올라가거나 내려갈 때 단면이 크므로 부력의 변화가 크고 또한 질량이 작으므로 물높이 변화에 따라 민감하게 상하운동을 하게 된다.
이에 비해 부유체기둥(1)은 제일 아래에 중량추(7)가 추가로 설치되어 있어 질량이 크며 질량중심을 아래에 존재하게 된다. 상기 부유체기둥(1)은 내부가 중공인 중공축(5) 형태로 제작된다. 바닷물 표면과 접촉하고 있는 중공축(5)은 단면적이 작게 제작되어 물높이의 변화에 따른 부력의 변화가 작다. 따라서 뷰유체기둥(1)은 파도나 일렁임에 의한 물높이 변화시 부력의 변화가 작으며 질량은 크므로 소형부유체(2)에 비해 훨씬 둔감하게 반응하여 움직임이 작다. 또한 아래쪽에 설치된 안정판(6)은 부유체기둥(1)의 운동에 저항력을 발생시킴으로써 부유체의 운동을 더욱 억제하게 된다. 부유체기둥(1) 아래 끝은 닻(7-1)에 의해 바다 바닥면에 매여있다. 또한, 상기 발전헤드(4)가 바닷물 위로 올라와 있어 바닷물에 침수되지 않도록 부유체기둥(1)이 부력과 중력을 고려하여 설계 제작되는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 발전헤드(4)는 하부에 설치되는 제 1발전기(14)와 상부에 설치되는 제 2발전기(20)를 포함한다. 상기 제 1발전기(14)와 제 2발전기(20)는 다양한 기어들의 조합에 의하여 상기 소형부유체(2)의 동작에 따라 전기를 생성할 수 있는 것이다.
상기 아암축(8)에는 순차적으로 소형부유체(2)의 하강시에만 동력을 전달하는 일방향 라쳇이 설치되어 있는 라쳇평기어(10)가 장착되고, 동시에 소형부유체(2)의 상승시에만 동력을 전달하는 일방향 라쳇이 설치되어 있는 라쳇작은베벨기어(9)가 장착되어 있다.
상기 라쳇작은베벨기어(9)에는 제 1큰베벨기어(11)가 치합되어 있고, 상기 제 1큰베벨기어(11)의 내부에는 다수의 제 1위성기어(12)가 치합되어 있으며, 상기 제 1위성기어(12)에는 제 1라쳇태양기어(13)가 설치되어 있다. 상기 제 1라쳇태양기어(13)는 일방향으로만 동력을 전달할 수 있도록 라쳇(미도시)이 설치되어 있다.
상기 제 1라쳇태양기어(13)의 축은 제 1발전기(14)의 로터에 연결되어 있다.
또한, 상기 라쳇평기어(10)에는 상부쪽으로 평기어(15)가 치합되어 있다. 상기 평기어(15)에는 회전축을 통해 작은베벨기어(16)가 결합되어 있어서, 평기어(15)와 작은베벨기어(16)가 한몸체로 함께 회전하게 된다.
상기 작은 베벨기어(16)에는 제 2큰베벨기어(17)가 치합되어 있고, 상기 제 2큰베벨기어(17)의 내부에는 다수의 제 2위성기어(18)가 치합되어 있으며, 상기 제 2위성기어(18)에는 제 2라쳇태양기어(19)가 설치되어 있다. 상기 제 2라쳇태양기어(19)는 일방향으로만 동력을 전달할 수 있도록 라쳇(미도시)이 설치되어 있다.
상기 제 2라쳇태양기어(19)의 축은 제 2발전기(20)의 로터에 연결되어 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 동작에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 소형부유체(2)가 상하운동을 할 때 아암축(8)은 왕복회전운동을 하게 된다. 도 2에서 아암축(8)에는 소형부유체(2)의 상승시에만 동력을 전달하는 일방향 라쳇이 설치되어 있는 라쳇작은베벨기어(9)가 장착되고, 소형부유체(2) 하강시에만 동력을 전달하는 일방향 라쳇이 설치되어있는 라쳇평기어(10)가 장착되어 있다.
따라서, 소형부유체(2)가 상승하면 라쳇작은베벨기어(9)가 도 2의 실선화살표 방향으로 회전동력을 전달하여 제 1큰베벨기어(11)와, 제 1위성기어(12)를 거쳐 일방향으로 동력전달이 가능하도록 라쳇이 설치되어 있는 제 1라쳇태양기어(13)에 동력을 전달한다. 제 1라쳇태양기어(13)의 축은 제 1발전기(14)의 로터에 연결되어 회전시킴으로써 발전하게 된다.
또한, 소형부유체(2)가 하강하면 하강시에만 동력전달이 가능하도록 일방향 라쳇이 설치된 라쳇평기어(10)가 도 2의 점선화살표 방향으로 회전동력을 전달하여 이것에 연결된 평기어(15)에 회전동력을 전달한다. 평기어(15)와 작은베벨기어(16)는 한몸체로 함께 회전하여 상부쪽의 제 2큰베벨기어(17)와, 제 2위성기어(18)를 거쳐 일방향 라쳇이 설치된 상부쪽 제 2라쳇태양기어(19)를 회전시킨다. 상부쪽 제 2라쳇태양기어(19)의 축은 상부쪽 제 2발전기(20)의 로터에 연결되어 회전시킴으로써 발전하게 된다. 제 1 및 제 2큰베벨기어(11, 17), 제 1 및 제 2라쳇태양기어(13, 19), 및 제 1및 제 2발전기(14, 20)는 서로 상하 대칭되게 설치된다.
상술한 바와 같은 동작원리는 도 3에서 보인 바와 같이 설치된 모든 소형부유체에 의한 발전원리에 동일하게 적용된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치는 다수의 소형부유체와 라쳇기어를 이용함으로써 소형부유체들의 협업의 동작이 이루어진다는 특징과 발전기를 일방향으로 지속적으로 회전시킨다는 특징이 있다. 기존의 대부분의 파력발전기에서는 발전기에 회전력을 제공하는 부유체(본 발명의 경우는 소형부유체) 별로 각각의 독립된 발전기를 연결하므로 구조가 복잡하다. 또한 발전기의 왕복회전운동을 발생시키는 기존의 파력발전장치에서는 발전기의 회전방향이 바뀔때마다 회전속도가 제로가 됐다가 증가하고 다시 제로가 되는 현상이 반복되므로 발전 전력이 제로에서 증가했다가 다시 제로가 되는 현상이 반복되어 발전효율이 떨어진다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 단점을 극복할 수 있는 것이 주된 요점인 것이다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치의 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치는 회전식 발전기(14, 20) 대신에 직선왕복운동에 의해 발전하는 선형발전기(21)를 사용한다.
따라서 부유체기둥(22)은 도 1에 도시한 부유체기둥(1)과 동일하며, 다만 회전식 발전기(14, 20)를 사용하지 않으므로 발전헤드(4)의 속이 비어있는 구조이다. 도 4에서 보인 바와 같이 소형부유체(2)는 아암(23)를 통해 부유체기둥(22)에 제 1힌지조인트(24)로 연결된다. 아암(23)에는 선형발전기(21)의 스테이터가 설치된 한쪽 끝이 제 2힌지조인트(25)로 연결되고 선형발전기(21)의 로터가 연결된 다른 한쪽 끝은 연결바(26)에 제 3힌지조인트(27)로 연결된다.
상기 연결바(26)는 한쪽 끝이 부유체기둥(22)에 고정되어 있다. 따라서 소형부유체(2)가 상하운동을 하면 아암(23)이 제 1힌지조인트(24)를 중심으로 하는 회전운동을 하고, 이에 따라 선형발전기(21)는 압축 또는 인장함으로써 선형발전기(21)의 스테이터와 로터 사이에 상대운동이 발생하고 이로 인해 발전하게 된다. 이와 같은 구조가 부유체기둥(22)를 중심으로 등각도 방사선 방향으로 동일하게 설치되며, 동일한 동작원리에 의해 발전된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치에서는 선형발전기를 이용함으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치에서와 같이 기어들을 이용한 동력전달장치가 필요하지 않아서 구조가 단순해지는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 부유체 기둥 2: 소형부유체
3: 아암 4: 발전헤드
5: 중공축 6: 안정판
7: 중량추 8: 아암축
9: 라쳇작은베벨기어 10: 라쳇평기어
11: 제 1큰베벨기어 12: 제 1위성기어
13: 제 1라쳇태양기어 14: 제 1발전기
15: 평기어 16: 작은베벨기어
17: 제 2큰베벨기어 18: 제 2위성기어
19: 제 2라쳇태양기어 20: 제 2발전기

Claims (5)

  1. 발전헤드;
    상기 발전헤드의 측부에 결합되어 설치되는 다수의 소형부유체; 및
    상기 발전헤드로부터 하방으로 길게 연장되어 설치되는 부유체기둥;을 포함하며,
    상기 다수의 소형부유체들은 상기 발전헤드를 중심으로 한 동일 원호상에 등간격으로 아암에 의해 상기 발전헤드의 측부에 연결되며,
    상기 소형부유체는 단면적에 비해 높이가 작아 파도나 일렁임에 민감하게 운동하며, 상기 부유체기둥은 단면적에 비해 높이가 길어 파도나 일렁임에 둔감하고 운동이 억제되어 상기 소형부유체와 부유체기둥 사이에 상대운동을 발생시켜서 발전하고,
    상기 아암의 일측은 상기 소형부유체에 연결되고, 그 타측은 아암축의 역할을 하는 것으로서 상기 발전헤드 내부로 연장되어 기어에 결합되고,
    상기 발전헤드는,
    상기 아암축에 장착되어 소형부유체의 하강시에만 동력을 전달하는 라쳇평기어;
    상기 아암축에 장착되어 소형부유체의 상승시에만 동력을 전달하는 라쳇작은베벨기어;
    상기 라쳇작은베벨기어에 치합되는 제 1큰베벨기어;
    상기 제 1큰베벨기어의 내부에 치합되는 다수의 제 1위성기어;
    상기 제 1위성기어에 설치되어 일방향으로만 동력을 전달할 수 있는 제 1라쳇태양기어;
    상기 제 1라쳇태양기어의 축이 연결되는 제 1발전기;
    상기 라쳇평기어에 상부쪽으로 치합되어 결합되는 평기어;
    상기 평기어(15)에 회전축을 통해 결합되는 작은베벨기어;
    상기 작은베벨기어에 치합되는 제 2큰베벨기어;
    상기 제 2큰베벨기어의 내부에 치합되는 다수의 제 2위성기어;
    상기 제 2위성기어에 설치되어 일방향으로만 동력을 전달할 수 있는 제 2라쳇태양기어; 및
    상기 제 2라쳇태양기어의 축이 연결되는 제 2발전기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 부유체기둥의 하부에 중량추와 안정판을 추가로 설치하여, 부유체기둥의 운동에 저항력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치.
  5. 하방으로 길게 연장되어 설치되는 부유체기둥;
    상기 부유체기둥을 중심으로 한 동일 원호상에 배치되는 다수의 소형부유체;
    제 1힌지조인트에 의해 상기 부유체기둥 설치되며, 상기 소형부유체와 상기 부유체기둥을 연결하는 아암;
    스테이터와 로터를 포함하며, 제 2힌지조인트에 의해 상기 아암과 상기 스테이터가 연결되어 설치되는 선형발전기; 및
    제 3힌지조인트에 의해 상기 선형발전기의 로터와 연결되며 부유체기둥에 연결되는 연결바;
    를 포함하는, 다수의 소형부유체를 이용한 파력발전장치.
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