KR101508411B1 - 파력발전유닛 및 파력발전방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력을 생산하기 위한 파력발전유닛에 관한 것이다. 파력발전유닛은, 바다 위에 부유하도록 배치된 부유몸체(1); 및 스테이터(5)와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기(6)를 가지는 전기 리니어 발전기를 포함한다. 상기 스테이터(5)는 해저에 고정되고, 상기 변환기(6)는 상기 부유 몸체(1)에 연결수단(3,7)에 의해 연결된다. 본 발명에 의한 리니어 발전기(2)는 상기 발전기(2)와 상기 연결수단들(7)이 연장되어 통과하는 개구부를 가지는 상단벽(14)을 가지는 수밀캡슐(water-tight encapsulation)을 포함한다. 상기 개구부는, 상기 연결수단(7)들에 대하여 밀봉력을 제공하며, 플랙서블하게 장착되는 실(seal)(12)을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 상기한 바와 같이 구성된 파력발전유닛을 이용하여 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.

Description

파력발전유닛 및 파력발전방법{A Wave-Power Unit and Power generation method}
본 발명의 제 1 관점은 전력을 생산하는 파력발전유닛에 관한 것으로, 바다에 부유하는 부유 몸체와 스테이터와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기를 구비하며, 상기 스테이터는 해저에 고정되고, 상기 변환기는 상기 부유 몸체에 유연 연결수단에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기를 포함한다. 상기 연결수단은 휘어질 수 있도록 유연한 상태이지만, 길이방향에 대해 탄력적일 필요는 없다.
본 발명의 제 2 관점은 이와 같은 파력발전유닛의 이용에 있다.
본 발명의 제 3 관점은 바다에 부유하는 부유 몸체와 스테이터와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기를 구비하며, 상기 스테이터는 해저에 고정되고, 상기 변환기는 상기 부유 몸체에 유연 연결수단에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기를 포함하는 구성을 가지는 파력발전유닛을 이용하여, 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에서 사용하는 용어로서, "radical"과 "axial"은 상기 변환기의 중심의 왕복운동에 의해 정의된다. 또한, "upper"와, "lower"는 수직방향이며, 이는 파력발전유닛이 작동할 때, 요소들의 위치에 관련된 것이다.
해양에서의 조력운동과 대륙에서의 파도는 잠재적인 에너지원으로서, 지금까지 매우 제한적으로 개발되어 왔다. 하지만, 발전기에서 전력을 생산하기 위해 해양의 수직운동을 이용하는 다양한 방법들이 제안되고 있다. 즉, 해양의 표면에서 생성되는 수직방향의 왕복운동은 전력생산을 위한 리니어 발전기에 사용하기 적합하다.
WO/ 03/058055에서는 이와 같은 파력발전유닛에 있어서, 발전기의 가동부가 기재되어 있으며, 예컨대 상기 가동부는 회전 발전기(rotational generator)의 로터에 관한 것이지만, 본원의 경우에는 이를 변환기(translator)로 지칭하며, 이는 발전기의 스테이터에 대하여 왕복운동을 하는 구성이다. 상기 스테이터는 해저(seabed)에 고정된다. 상기 변환기는 와이어로 구성되며, 케이블 또는 체인으로 바다 위에 떠 있는 부유몸체와 연결된다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 효율을 향상시키고, 문제가 되는 파력발전유닛의 신뢰성을 향상시키는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 의한 전력을 생산하기 위한 파력발전유닛은, 발전기와 연결수단들이 연장되어 통과하는 개구부를 가지는 상단벽을 가지는 수밀캡슐(water-tight encapsulation)을 포함하며, 상기 개구부는, 상기 연결수단들에 대하여 밀봉력을 제공하며, 플랙서블하게 장착되는 실(seal)을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 수밀캡슐 발전기는 해수에 의한 부식을 방지할 수 있으며, 해수가 변환기의 경로에 침투하는 것을 방지하는 것에 의해, 변환기에서 상기 해수에 의해 차단효과를 제거할 수 있다. 상기 실은 상기 해수로부터 상기 수밀캡슐 내부를 차단하는 역할을 수행한다. 상기 실은, 측면 및 일정 각도 방향 움직임시에, 상기 안내수단으로부터 매우 큰 힘을 받을 수 있다. 이러한 힘들은 마모를 증가시킨다. 하지만, 상기 실의 유연성은 양호한 실링 효과를 유지하면서, 마찰력들을 줄일 수 있다. 이와 같은 특징들로 인해, 상기 파력발전유닛의 성능이 향상될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 연결수단들의 일부는 로드 부재이고, 상기 부분은 상기 개구부를 통해 연장되는 것이 좋다.
이론적으로, 완전한 연결수단은 긴 로드(long rod)이다. 그러나, 다양한 이유에 의해, 이러한 장점들에도 불구하고, 연결수단의 대부분으로 상기 부유몸체로부터 상기 발전기 상측의 짧은 거리는 유연한 와이어 또는 이와 유사한 재질로 형성된다. 상기 변환기에 연결된 부분과 그 상측으로 짧은 거리에 마련된 연결수단은, 로드(rod)로 마련되는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에 따르면, 상기 수밀캡슐의 상단벽에 마련된 개구부를 통과할 때, 양호한 실링 효과를 획득할 수 있다. 또한, 상기 로드는 상기 변환기가 순수한 축방향 운동을 안정적으로 수행할 수 있도록 유지하며, 이는 전자-기계(electro-mechanical) 변환의 효율에 매우 중요한 요소이다.
상기 실의 유연설치는, 상기 실의 측면 및 각 방향 움직임을 허용하는 것이 좋다.
이에 따라, 상기 실은, 상기 실 상에 마련된 상기 연결수단에 발생되는 모든 종류의 힘, 예컨대, 상기 안내수단의 측면, 경사 또는 비틀림 운동과 같은 힘에 적응할 수 있다. 이와 같은 구성에 따라, 상기한 조건들 또는 이들 조건의 조합이 발생하더라도, 효과적인 실링 효과가 유지될 수 있다. 물론, 가장 바람직한 것은 바람직한 변환기의 움직임을 위해서는 상기한 조건들이 가능하면 발생하지 않는 것이 좋으나, 만일 이러한 상황들이 발생하더라도, 실링 효과는 유지될 수 있다는 것이 중요하다.
상기 실(12)은, 상기 상단벽에 유연부재로 마운팅되는 지지부재에 의해 지지되고, 상기 유연부재는 상기 지지부재와 상기 상단벽에 수밀 연결되는 것이 좋다.
이와 같은 배치에 의하면, 간단하고, 신뢰성 있는 방법으로 실의 탄력적 장착을 수행할 수 있다.
상기 유연부재는, 고무와 같은 탄성부재로 형성되는 것이 좋다.
그 재질 자체를 탄성력 있는 재질을 사용하는 것에 의해 유연성을 획득하는 것은, 높은 밀봉력과 함께 저렴한 해결책을 제공할 수 있으며, 유연부재는 간단한 설계를 통해, 서로 다른 방향의 신축성(degree of flexibility)을 적절히 획득할 수 있다.
상기 유연부재는 상기 로드와 동축적으로 배치되고, 적어도 하나의 부분은 외부에서 바라보았을 때, 무부하 상태에서의 측방향으로 볼록한 형상으로 마련되는 것이 바람직하다.
대칭적인 배치는 상기 유연부재의 원주방향을 따라 일정한 반경방향 유연성을 제공할 수 있다. 볼록부는 상기 유연부재의 예측 가능한 휨 동작(flexing behaviuor)을 제공할 수 있다.
상기 유연부재는, 마운팅 플랜지를 일측 단부에 구비하고, 일부 플랜지는 볼트들에 의해 상기 지지부재의 플랜지부와 클램프 링 사이에서 조임 고정되고, 다른 플랜지는 상기 상단벽과 클램프 링 사이에서 조임 고정되는 것이 바람직하다.
외부 해수의 높은 압력과, 상기 유연부재의 움직임으로 인해, 상기 유연부재의 기계적인 연결에 필요한 것은, 안전하고 내구성이 있는 매우 높은 정도의 수밀성이다. 이러한 조임 고정에 따른 연결은 이러한 요구를 만족시킬 수 있다.
각각의 플랜지는, 반경방향의 내측부보다 축방향 두께가 더 두꺼운 반경방향의 외곽부를 구비하는 것이 좋다.
이에 따라, 상기 플랜지들의 결합은 상기 클램프 링의 인접한 표면 및/또는 상기 지지부재의 인접한 표면과 상단벽의 서로 대응되는 부분이 상호 대응되는 형상으로 마련되는 경우, 상기 클램프 링의 압력뿐만 아니라, 그 형상에 의한 고정에 의해서 얻어질 수 있다.
상기 실의 상기 축방향 연장은, 그 반경방향의 연장보다 크게 형성된다.
이에 따라, 상기 실링 동작은 실질적으로 국소적인 높은 실링 압력을 피할 수 있는 길이 방향을 따라 분배될 수 있는데, 그렇지 않을 경우, 발전기의 동작을 방해하고, 마모를 유발할 수 있다. 바람직하게는, 축방향 연장은 반경방향의 2배만큼 크게 형성된다.
상기 실은 복수 개의 실링 유닛들을 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같은 구성에 따르면, 적절한 수준의 실링 압력을 유지하여, 양호한 실링 효과를 얻을 수 있다.
상기 수밀캡슐은 과압상태의 기체로 채워지며, 바람직하게는 질소(N2) 가스로 채워지는 것이 좋다.
본 발명의 제 2 관점에 따르면, 상기한 바와 같이 구성된 파력발전유닛을 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
본 발명의 제 3 관점에 따르면, 발전기와 상기 연결수단들이 연장되어 통과하는 개구부를 가지는 상단벽을 가지는 수밀캡슐(water-tight encapsulation)을 포함하는 파력발전유닛으로서, 상기 개구부는, 상기 연결수단들에 대하여 밀봉력을 제공하며, 플랙서블하게 장착되는 실(seal)을 구비하는 파력발전유닛을 이용하여 전력을 생산하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 구성된 파력발전유닛을 이용하여 전력을 생산하는 방법은 제공하는 것도 가능하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 파력발전유닛의 효율을 향상시키고, 문제가 되는 파력발전유닛의 신뢰성을 향상시키는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 파력발전유닛의 개략적인 측면도,
도 2는 도 1의 요부를 도시한 단면도이다.
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 파력발전유닛을 도면과 함께 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 해양에서 사용되는 파력발전유닛의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 부유몸체(1)는 바다 표면 위에 부유상태로 배치되며, 연결수단(3)(7)에 의해 해저에 고정된 리니어 발전기(2)와 연결된다. 상기 연결수단들(3)(7)은 와이어, 로프, 체인 또는 이와 유사한 재질로 구성된 상부(3)와, 강성 로드(rigid rod)로 마련된 하부(7)로 구성된다. 상기 와이어(3)는 상기 로드(7)와 조인트(13)로 연결된다. 도시된 바와 같이 발전기(2)는 해저에 고정된다. 하지만, 상기 발전기(2)는 해저 위에 배치될 수도 있고, 그외 다른 곳에 고정 배치되는 것도 가능하다.
리니어 발전기(2)는 와인딩을 가지는 스테이터(5)와 자석을 가지는 변환기(6)를 구비한다. 상기 변환기(6)는 상기 스테이터(5) 내에서 상하 왕복이동 가능하며, 이에 따라 상기 스테이터(5)의 와인딩에서 전류를 생성하고, 생성된 전류는 전력 네트워크로 케이블(11)을 통해 전송된다.
부유몸체(1)가 해양 표면에 형성된 파도의 움직임에 의해 강제적으로 상승하면, 상기 부유몸체(1)는 상기 변환기(6)를 아래에서 위로 잡아당긴다. 상기 부유 몸체(1)는 그 후 상기 변환기(6)를 중력에 의해 하강시킨다.
선택적으로, 미도시된 탄성부재 또는 이와 유사한 구성을 이용하여 상기 변환기(6)에 추가로 하측 방향의 힘을 부가할 수도 있다.
상기 발전기(2)는 해저에 고정되어 있고, 상기 부유몸체(1)는 해수면에 자유롭게 떠 있기 때문에, 상기 부유몸체(1)는 상기 발전기(2)의 측면 방향으로 자유롭게 움직일 수 있다. 따라서 상기 와이어(3)는 기울어질 수 있다.
상기 발전기(2)는 과압상태의 질소 가스로 충전된 수밀캡슐(4)을 포함한다. 상기 수밀캡슐(4)의 상측은 단단하게 연결되는 안내장치(9)를 가지는 원뿔형 프레임(8)이 마련된다.
상기 안내장치(9)는 상기 연결수단(3)을 상기 안내장치(9)의 아래에서 수직 방향으로 움직이도록 안내하고, 상기 안내장치(9)의 위에서는 기울어진 위치에서 움직일 수 있도록 안내한다.
상기 안내장치(9)는 상기 연결수단(3)이 상기 안내장치(9)를 통과할 때, 점진적으로 방향을 변경할 수 있도록 하여, 상기 연결수단(3)의 마모 발생을 억제할 수 있다.
상기 로드(7)는 상기 수밀캡슐(4)의 상단벽(14)의 개구부를 통해 연장되고, 이 입구에 수밀 실(12)이 마련된다.
도 2는 도 1의 실(12)을 확대하여 도시한 도면이다. 상기 실(12)은 왕복 로드(7)를 둘러싸고 있는 연통부(16)와, 플랜지부(17)를 가지는 지지부재(15)를 포함한다. 상기 원통부(16)는 다수의 실링 유닛들(18)을 수용하는데, 상기 실링 유닛들(18)은 상기 로드(7)에 대하여 압력을 가하여, 상기 수밀캡슐(실 하부)의 내측이 외측(상기 실 상측)의 상기 해수에 대하여 효과적으로 밀봉될 수 있다. 상기 지지부재(15)는 상기 수밀캡슐(4)의 상단벽(14)에 고무 또는 이와 유사한 재질로 형성되는 유연부재(19)로 연결된다. 상기 유연부재(19)는 일반적으로 튜브형상이고, 약간 증가된 지름을 가지는 중앙 부분(20)은, 상기 유연부재의 볼록한 형상을 형성한다.
상기 유연부재(19)의 상단은 외측 방향으로 형성되어, 상기 유연부재(19)를 상기 지지부재(15)의 플랜지부(17)에 설치하기 위한 래디얼 플랜지(21)를 가진다. 상기 플랜지(21)는 상기 플랜지부(17)와 클램프 링(22) 사이에서 다수의 볼트들(23)을 이용하여 조임 고정된다.
상기 플랜지(21)의 반경방향 외측 부분은 축방향의 돌출부(23)를 가지며, 연결된 상기 클램프 링(22)의 내측은 상기 플랜지(21)와 상보적인 형상으로 마련되어, 상기 플랜지(21)가 효과적으로 고정될 수 있도록 한다.상기 유연부재(19)의 하단은 상기 수밀캡슐(4)의 상단벽(14)에 상기한 방법과 유사하게 연결되는 대응되는 형상의 플랜지를 구비한다.
1; 부유 몸체 2; 리니어 발전기
3; 연결수단 4; 수밀캡슐
5; 스테이터 6; 변환기
9; 안내장치 12; 수밀 실
14; 상단벽 15; 지지부재
17; 플랜지부 19; 유연부재
21; 플랜지 23; 볼트

Claims (14)

  1. 전력을 생산하기 위한 파력발전유닛에 있어서,
    바다 위에 부유하도록 배치된 부유몸체(1); 및
    스테이터(5)와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기(6)를 구비하며, 상기 스테이터(5)는 해저에 고정되고, 상기 변환기(6)는 상기 부유 몸체(1)에 연결수단(3,7)에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기(2);를 포함하며,
    상기 파력발전유닛은,
    상기 발전기(2)를 봉입하고, 상기 연결수단(7)이 내부를 통과하도록 연장 가능한 개구가 설치되는 상단벽(14)을 가지는 수밀캡슐(4)을 더 포함하며,
    상기 개구에는 상기 연결수단(7)에 대응되는 실(seal)(12)이 마련되어,
    상기 상단벽(14)에 대하여 상기 실(12)의 축운동이 가능하게 하기 위해 상기 실(12)이 플랙시블하게 설치되는 파력발전유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 연결수단은
    로드 부재(7)를 포함하며, 상기 로드 부재(7)는 상기 개구를 통해 연장되는 파력발전유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 실(12)을 플랙시블하게 설치하는 것은 횡방향 움직임 및 각도 변화를 수반하는 움직임이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 파력발전유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 실(12)은 상기 상단벽(14)에 유연부재(19)를 이용하여 연결되는 지지부재(15)에 의해 지지되고, 상기 유연부재(19)는 상기 지지부재(15) 및 상기 상단벽(14)에 수밀 가능하게 연결되는 파력발전유닛.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 유연부재(19)는,
    탄성부재로 형성되는 것을 특징으로 하는 파력발전유닛.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 연결수단은 로드 부재(7)를 포함하며, 상기 유연부재(19)는 상기 로드 부재(7)와 동축적으로 배치되고, 상기 유연부재(19)의 적어도 일부(20)는 부하가 걸려 있지 않은 상태에서, 바깥쪽 방향으로 볼록하게 형성되는 파력발전유닛.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유연부재(19)는 양단에 설치되는 마운팅 플랜지(21)를 포함하며,
    양단에 설치되는 상기 마운팅 플랜지(21)들 중 한편의 마운팅 플랜지(21)는 상기 지지부재(15)의 플랜지부(17)와 클램프 링(22) 사이에 볼트(23)로 고정되고,
    다른 한편의 마운팅 플랜지(21)는 상기 상단벽(14)과 클램프 링(22) 사이에 볼트로 고정되는 파력발전유닛.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 각각의 마운팅 플랜지(21)의 지름 방향의 외측부분(24)은 지름 방향의 내측부분보다 축 방향 두께가 크게 형성되는 파력발전유닛.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 실(12)의 축 방향 신장 범위는 지름 방향의 신장 범위보다 적어도 2배이상 크게 형성되는 파력발전유닛.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 실(12)은 복수 개의 실링 유닛들(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전유닛.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 수밀캡슐은 과압상태의 질소(N2) 가스로 채워진 것을 특징으로 하는 파력발전유닛.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 파력발전유닛을 이용하여 전력을 생산하여 전력 네트워크에 공급하는 것을 특징으로 하는 파력발전방법.
  13. 전력을 생산하기 위한 파력발전방법에 있어서,
    바다 위에 부유하도록 배치된 부유몸체(1); 및 스테이터(5)와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기(6)를 구비하며, 상기 스테이터(5)는 해저에 고정되고, 상기 변환기(6)는 상기 부유 몸체(1)에 연결수단(3,7)에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기(2); 상기 발전기(2)를 봉입하고, 상기 연결수단(7)이 내부를 통과하도록 연장 가능한 개구가 설치되는 상단벽(14)을 가지는 수밀캡슐(4)을 더 포함하며,
    상기 개구에는 상기 연결수단(7)에 대응되는 실(seal)(12)이 마련되어,
    상기 상단벽(14)에 대하여 상기 실(12)의 축운동이 가능하게 하기 위해 상기 실(12)이 플랙시블하게 설치되는 파력발전유닛을 이용하여 전력을 생산하는 파력발전방법.
  14. 청구항 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 파력발전유닛를 이용하여 전력을 생산하는 파력발전방법.
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