KR101554823B1 - 슬라이딩 방식의 파력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 슬라이딩 방식의 파력발전기에 관한 것으로, 부유체, 실린더, 파도에 의한 피스톤의 상하 운동을 통하여 발생된 유압 동력으로 구동되는 유압모터, 유압모터의 구동에 의해 발전하는 발전기, 고압의 유압 동력을 저장한 후 필요시 유압동력을 유압모터로 제공하는 어큐뮬레이터, 유압모터를 제어하는 PID 컨트롤러, 저압체크 밸브, 고압체크 밸브, 릴리프 밸브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

슬라이딩 방식의 파력 발전기{WAVE ENERGY CONVERTER USING SLIDING MECHANISM}

본 발명은 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파도에 의한 피스톤의 상하 운동을 통하여 발생된 유압 동력으로 구동되는 유압모터와 유압 모터의 구동에 의해 발전을 하는 발전기를 포함하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 관한 것이다.

일반적으로, 전기를 발생시키는 발전방법으로는 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등을 들 수 있는데, 이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비가 필요하고, 화력발전의 경우 발전설비를 가동시키기 위해 엄청난 양의 석유 또는 석탄에너지가 필수적으로 공급되어야 함으로 석유, 석탄자원이 고갈되고 있는 현 시점에서는 많은 어려움이 예견되고 있으며, 환경오염도 큰 문제가 되고 있다. 또한, 원자력발전의 경우는 방사능 유출과 핵폐기물 처리가 심각한 문제점을 안고 있다. 따라서, 이러한 일반적인 발전방법보다 저렴하고 안전하며 환경오염이 적은 발전방법이 요구되고 있다.

한편, 석유나 석탄자원이 필요 없고 방사능이나 핵폐기물 문제가 없는 발전방법으로는 태양열발전, 파력발전, 조력발전, 풍력발전 등이 있으며, 이 가운데 조수간만의 차이에 따라 조수가 수평이동하는 힘을 이용한 조력발전과 파도의 고저차이를 이용하여 발전을 행하는 파력발전이 수력을 이용한 수력발전의 형태로 대표적으로 사용되고 있다.

파력발전기는 파도에 의한 해수면의 주기적 상하 운동과 물 입자의 전후 운동을 에너지 변환장치를 통하여 기계적인 회전 운동 또는 축 방향 운동으로 변환시킨 후, 전기에너지로 변환시키는 장치로서 파력발전 방식에는 파고의 고저에 따른 에너지를 1차 변환하는 방식에 따라 여러가지로 분류할 수 있다.

파력발전기는 파랑에너지 흡수방식에 따라 수주진동형과 월파형, 가동물체형으로 구분된다.

진동수주형 파력 발전은 워터칼럼 내부로 유입된 크고 작은 물결에너지에 의하여 생기는 공간의 변화를 내부공기의 유동으로 변환하고, 이를 유도관으로 유입시켜 입사파가 장치의 전면에서 반사되면 중복파가 형성되도록 하며, 상기 중복파의 형성 시 수면의 상부 노즐부에 공기의 흐름이 발생하는 원리를 이용해 유도관 내에 설치된 터빈을 공기로 회전시켜 전기를 얻는 방식이다.

월파형 파력 발전은 크고 작은 물결의 진행방향 전면에 사면 벽을 두고 운동에너지에 의해 크고 작은 물결이 사면 벽을 넘어서게 됨으로써 발생하는 수위 차를 이용하여 저수지의 하부로 저장된 해수를 배출시켜서 통로 하부의 수차터빈이 발전하도록 하는 방식이다.

가동물체형 파력 발전은 수면에 떠 있는 부체가 파도의 고저에 의하여 상하 또는 회전 운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 방식이다. 가동물체형은 다른 파력발전방식에 비해 효율이 높은 것으로 평가되고 있다. 따라서 부유식으로 에너지를 흡수하는 가동물체형 파력발전기는 파랑의 파고(wave height) 및 주기(wave period), 파향(wave direction)에 의해 파력발전기의 출력운전에 지대한 영향을 미치게 되며, 이러한 요소들을 어떻게 적절하게 이용하느냐에 따라 파력발전기의 효율성 및 이용율 향상에 직접적인 영향을 미치게 된다.

이에 대해 가동물체형 파력 발전이 활발하게 연구되고 있으며, 종래의 기술들은 에너지 생성을 위해 다양한 방법을 제시한 바 있다.

첫 번째로, 미국특허 등록공보 제 US 6,226,989 B1호에서는 단일 피스톤 펌프가 짝을 이루고 세개의 어큐뮬레이터(accumulator), 체크 밸브, 방향 제어 밸브와 유압모터를 구성으로 한 파력발전기를 개시하고 있다. 이 파력발전기는 모터의 변위가 고정되어 있어 펌프에 의한 유체 흐름의 영향을 받아 모터의 속도가 결정되는 문제점이 있다. 또한, 펌프에 의한 유체의 흐름이 유압 모터에 도달하려면 체크 밸브와 방향 제어 밸브를 가로질러 흘러야 하기 때문에 발전 효율이 감소하는 문제가 있다.

두 번째로, 미국특허 등록공보 제 US 6,574,957 B2호에서는 랙기어(rack gear)와 피니언기어(pinion gear)에 의하여 부표의 움직임이 회전운동으로 전환되는 파력발전기를 개시하고 있다. 이 파력발전기는 여러단계의 전달과정을 거쳐야 하여 발전 효율이 낮은 문제가 있다.

세 번째로, 미국특허 등록공보 제 US 6,8125,88 B1호에서는 유압 피스톤 집합, 부유 장치, 고압 및 저압 저장소 및 유압식 발전기를 구성으로 한 파력발전기를 개시하고 있다. 이 파력발전기의 컨트롤 시스템은 바다의 상태를 측정하고 그에 맞게 서포트 구조의 길이를 조정하며 바다의 상황에 맞게 발전기를 최적화하는 방법을 개시하고 있다. 다만, 미국특허 등록공보 제 US 6,8125,88 B1호의 파력발전기는 두가지 문제점을 포함하고 있다. 첫번째로 배출 밸브를 통하여 유체가 배출되어 고압 유체의 에너지를 일부 잃게 되어 발전기의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있으며, 두번째로 바다의 파도가 낮은 경우 고압 저장소의 압력이 정격압력보다 낮아지게 되어 발전기의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

마지막으로, 국제특허 등록공보 제 WO 2005038248 A1호와 제 WO 2006108421 A1호에서는 다수의 회전 가능한 암(arm)에 축이 되도록 결합된 부유체와 부유체의 반대편 끝에는 샤프트(shaft)가 연결된 파력 발전기를 개시하고 있다. 이 파력 발전기의 각각의 암은 유압 실린더에 연결되어 있다. 또한, 다수의 부유체와 실린더가 구비되어 있어 파도가 어떻게 치든 발전이 가능하도록 구성되어 있다. 다만, 실린더에 의하여 유입되는 유량에 따라 유압 모터의 속도가 달라지므로 발전량이 일정하지 않은 문제점이 있다.

상기와 같이 다양한 가동물체형 파력 발전 방법이 제시되고 있지만 모터 제어 및 에너지 변환 과정에서 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 전기 에너지를 생성하는 과정에서 발전량이 일정하지 않은 문제점이 있다.

미국특허 등록공보 제 US 6,226,989 B1호(2001년 05월 08일) 미국특허 등록공보 제 US 6,574,957 B2호(2003년 06월 10일)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 어큐뮬레이터와 PID 제어기를 이용해 유압 모터의 회전 속도를 제어하여 발전량을 일정하게 유지하는 슬라이딩 방식의 파력발전기를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기는 파도의 위치에너지를 이용한 실린더의 피스톤 상하운동으로 내부 유체의 유압을 생성하는 유압 생성장치와, 유압의 변동을 제거하고 예비 에너지를 저장해 유압 모터의 구동 압력을 충전하는 유압 제어 시스템 및 유압모터 구동 압력과 마이크로 프로세서로부터 유압모터 구동 전류를 입력받아 유압모터의 회전으로 발전기에서 전력을 생성하는 전력 생성부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 유압 생성 장치는 바다 해저면 또는 바닥에 고정되는 기둥과, 상기 기둥에 가로로 연결되는 프레임과, 상기 프레임에 연결되는 실린더와, 상기 실린더에 연결되는 샤프트 및 상기 샤프트 끝에 설치되는 부유체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 실린더와 샤프트 및 부유체가 하나의 세트로 구성되고, 상기 프레임에 상기 세트가 두 열의 일정한 간격으로 복수 개 부착되며, 상기 세트는 중력 방향 대비 소정 각도로 기울어져 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 유압 제어 시스템은 상기 실린더가 전진 시 유체 탱크의 유체가 저압 라인을 통해 실린더의 헤드측 챔버에 유입되고, 상기 실린더가 후진 시 상기 헤드측 챔버의 유체는 고압 라인을 통해 유량을 토출하여 상기 유압 어큐뮬레이터 및 유압 모터에 유압을 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 유압 어큐뮬레이터는 상기 실린더로부터 고압 유체를 조절 및 축적하고, 수신 동력이 상기 발전기의 정격 동력보다 높은 경우 예비 동력을 저장하고, 수신 동력이 상기 발전기의 정격 동력보다 낮은 경우 상기 유압 모터의 부족한 동력을 보상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 마이크로 프로세서는 제어기를 이용해 참조 속도를 확인하여 상기 유압 모터의 구동을 위한 전류를 보내는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 제어기는 PID 제어기의 폐-루프 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 상기 유압 모터는 가변 용량 유압 기계장치이며, 사판 각도를 변경하여 회전 속도를 보장하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 슬라이딩 방식의 파력발전기에 의하면, 발전량을 일정하게 유지하는 효과가 있다.

또한, 부유체가 소정 각도로 기울어져 움직이므로 인하여 부유체의 움직임에 따른 마찰을 줄임으로써 발전 효율을 높이는 효과가 있다.

또한, 기둥과 연결되는 프레임의 높이를 조절함으로써 강한 파도와 폭풍으로부터 전체 시스템을 보호하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유압 생성장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유압 생성장치의 측면도이다.
도 3은 파도에 따른 유압 생성장치의 움직임을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 슬라이드 방식의 파력발전기의 유압 제어 시스템 및 전력 생성부를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전력 생성부의 속도를 제어하는 블록다이어그램이다.

본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 슬라이딩 방식의 파력발전기는 유압 생성장치와, 유압 제어 시스템 및 전력 생성부를 포함하며, 각 구성 별로 설명하겠다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유압 생성장치의 정면도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 유압 생성장치의 측면도이다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유압 생성장치는 기둥(1), 프레임(2), 실린더(3), 샤프트(4), 부유체(5)를 포함한다.

바다의 해저면 또는 바닥에 기둥(1)이 고정되어 있으며, 상기 기둥(1)에 가로로 프레임(2)이 연결되며, 상기 프레임(2)에 실린더(3)의 한쪽 끝이 연결되며, 상기 실린더(3)에 다른쪽 끝은 움직이는 샤프트(4)에 연결되며, 상기 샤프트(4)에는 부유체(5)가 연결된다.

상기 실린더(3)와 샤프트(4) 및 부유체(5)의 세트 구조는 상기 프레임(2)에 부착되는데, 상기 세트는 상기 프레임(2)에 두 열의 일정 간격으로 복수 개 부착된다.

상기 실린더(3) 내부의 피스톤이 상하운동을 하면서 실린더 내부의 유체를 압축한다. 상기 실린더(3)와 상기 샤프트(4)사이의 공간에 포함된 유체는 일반적으로 윤활유를 사용하나 반드시 유체의 종류가 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 유체를 변경하여 사용할 수 있다.

상기 샤프트(4)와 상기 부유체(5)는 파도에 따라 상하방향 및 축방향으로 함께 움직이게 된다. 상기 샤프트(4)와 상기 부유체(5)의 상하방향 및 축방향 움직임은 움직이는 부분의 마찰을 줄이며, 파도를 통해 얻어진 기계적 에너지를 강화한다.

도 3은 파도에 따른 유압 생성장치의 움직임을 보인 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이 파도에 의하여 상기 부유체(5)의 위치 변동이 발생하게 되면 상기 샤프트(4)의 움직임이 발생하며, 상기 샤프트(4)의 움직임으로 인하여 상기 실린더(3) 내부의 피스톤이 운동하여 상기 실린더(3) 내부의 유체가 압축 또는 팽창하게 된다. 파도에 의하여 상기 부유체(5)의 위치 변동이 계속적으로 발생함에 따라 상기 실린더(3) 내부의 피스톤이 계속적으로 운동하게 되어 내부의 유체가 고압을 가지게 된다.

그리고, 도시된 바와 같이 상기 프레임(2)의 상단에 소정 각도만큼 비스듬하게 설치된다. 여기서 소정각도는 파도에 의해 상기 부유체(5)가 상승/하강 운동하면서 최적의 발전효율을 제공할 수 있는 각도를 말한다. 예를 들면 30 ~ 45 도가 될수 있을 것이다.

또한 본 실시예에는 상기 기둥(1)과 연결된 상기 프레임(2)의 높이를 조절할 수 있는 구조를 제공할 수 있다. 예컨대, 상기 기둥(1)은 상기 프레임(2)을 지지하는 구조이고, 도시되지는 않았지만 상기 기둥(1)과 결합하는 상기 프레임(2)은 상/하 방향으로 높이를 조절할 수 있다. 이렇게 하면, 강한 파도와 폭풍으로부터 전체 시스템을 보호할 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 슬라이드 방식의 파력발전기의 유압 제어 시스템 및 전력 생성부를 나타내는 도면이다.

본 발명의 유압 제어 시스템은 저압체크 밸브(7a)와, 고압체크 밸브(7b)와, 고압 라인(8)과, 저압 라인(9)과, 유압 어큐뮬레이터(10) 및 유체 탱크(16)를 포함하여 구성된다. 또한 전력 생성부는 고압 유체 검출부(11)와, 유압 모터(12)와, 모터 회전수 검출부(13)와, 클러치(14)와, 발전기(15)와, 릴리프 밸브(17)와, 참조 속도(18) 및 마이크로 프로세서(19)를 포함하여 구성되며, 각 구성별 설명은 아래와 같다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 실린더(3)는 내부의 유체가 압축된 후 피스톤의 운동에 의하여 전진하게 되면, 상기 유체 탱크(16)의 유체가 상기 저압 라인(9)을 통하여 상기 실린더(3)의 헤드측 챔버(chamber)에 유입되고, 상기 실린더(3)가 후진하게 되면, 상기 헤드측 챔버의 유체는 상기 고압라인(9)을 통해 유량을 토출하여 상기 유압 어큐뮬레이터(10)에 유압을 공급한다.

다수의 실린더(3)는 모두 상기 방식을 따라 상기 유압 어큐뮬레이터(10)에 유압을 공급하는 작업을 수행한다.

저압체크 밸브(7a)는 상기 저압 라인(9)의 저압 유체가 상기 실린더(3)로 이동할 수 있도록 조절하는 밸브이다. 고압체크 밸브(7b)는 상기 실린더(3)의 고압 유체가 상기 고압 라인(8)을 통하여 상기 유압 어큐뮬레이터(10)로 들어가도록 조절하는 밸브이다.

상기 유압 어큐뮬레이터(10)의 크기가 커서 입력되는 유량의 변동을 상쇄할 수 있으며 여분의 에너지를 저장할 수 있다.

마이크로 프로세서(19)는 피드백 신호를 처리하고, 클러치(14)와 유압 모터(12)에 제어 신호를 보낸다.

상기 유압 어큐뮬레이터(10)로 입력되는 유체로 인하여 상기 유압 어큐뮬레이터(10)가 동작압력에 도달하게 되면 상기 유압모터(12)와 발전기(15)는 상기 클러치(14)에 의하여 공통의 축을 가지는 형태로 연결된다. 상기 유압모터(12)와 발전기(15)는 상기 유압모터(12)의 속도가 미리 정하여진 허용범위 내인 경우 연결되고, 상기 유압모터(12)의 속도가 미리 정하여진 허용 범위를 초과하게 되면 연결이 해제된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 전력 생성부의 속도를 제어하는 블록다이어그램이다.

도 5에 도시된 바와 같이 제어 전류는 PID 제어기에 참조 속도(18)를 확인하여 상기 유압모터(12)를 구동하기 위해 보내진다.

제어 방법은 유량과 압력으로 인한 결과는 상기 유압모터(12)의 동력과 동일하다. 압력이 감소하는 경우, 상기 유압모터(12)에서 출력되는 동력을 일정하게 유지하기 위하여 유량을 늘린다. 반대로 압력이 증가하는 경우, 상기 유압모터(12)에서 출력되는 동력을 일정하게 유지하기 위하여 유량을 줄인다.

상기 발전기(15)에 걸리는 부하가 변하지 않고 일정한 경우, 출력되는 동력과 상기 유압모터(12)의 구동 속도는 비례하게 된다. 상기 유압모터(12)에 포함되어 있는 사판(swash-plate)의 각도변화를 통하여 상기 실린더(3)의 유량을 조절하며, 이를 통하여 상기 유압모터(12)의 구동속도가 정격속도를 넘지 않도록 유지된다.

릴리프 밸브(17)는 상기 유압 어큐뮬레이터(10)의 압력이 너무 높아 유압 회로가 파손될 염려가 있을 경우에 고압의 유체를 방출하는 역할을 한다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

1: 기둥 2: 프레임
3: 실린더 4: 샤프트
5: 부유체 7a: 저압체크 밸브
7b: 고압체크 밸브 8: 고압 라인
9: 저압 라인 10: 유압 어큐뮬레이터
11: 고압 유체 검출부 12: 유압 모터
13: 모터 회전수 검출부 14: 클러치
15: 발전기 16: 유체 탱크
17: 릴리프 밸브 18: 참조 속도
19: 마이크로 프로세서

Claims (9)

1. 파도의 위치에너지를 이용한 실린더의 피스톤 상하운동으로 내부 유체의 유압을 생성하는 유압 생성장치와;
   유압의 변동을 제거하고 예비 에너지를 저장해 유압 모터의 구동 압력을 충전하는 유압 제어 시스템; 및
   유압모터 구동 압력과 마이크로 프로세서로부터 유압모터 구동 전류를 입력 받아 유압모터의 회전으로 발전기에서 전력을 생성하는 전력 생성부; 를 포함하고,
   상기 유압 제어 시스템은,
   상기 실린더가 전진 시에는 저압밸브를 조절함으로써, 유체 탱크의 유체가 저압라인을 통해 상기 실린더의 헤드 측 챔버에 유입되고, 상기 실린더가 후진 시에는 고압밸브를 조절함으로써, 상기 헤드 측 챔버의 유체가 고압 라인을 통해 유량을 토출하여 유압 어큐뮬레이터 및 유압 모터에 유압을 공급하며,
   상기 유압 어큐뮬레이터는,
   공급되는 상기 유체로 인하여 상기 유압 어큐뮬레이터가 동작압력에 도달하게 되면 상기 유압모터와 발전기는 클러치에 의하여 공통의 축을 가지는 형태로 연결되며,
   상기 유압모터와 상기 발전기는 상기 유압모터의 속도가 미리 정해진 허용범위 내인 경우만이 연결되고, 허용범위를 초과하는 경우 연결이 해제되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력발전기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 유압 생성 장치는
   바다 해저면 또는 바닥에 고정되는 기둥과;
   상기 기둥에 가로로 연결되는 프레임과;
   상기 프레임에 연결되는 상기 실린더와;
   상기 실린더에 연결되는 샤프트; 및
   상기 샤프트 끝에 설치되는 부유체;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 실린더와 샤프트 및 부유체가 하나의 세트로 구성되고,
   상기 프레임에 상기 세트가 두 열의 일정한 간격으로 복수 개 부착되며,
   상기 세트는 중력 방향 대비 소정 각도로 기울어져 설치되는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 유압 생성 장치는
   해수면 위 상기 프레임의 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 마이크로 프로세서는
   제어기를 이용해 참조 속도를 확인하여 상기 유압 모터의 구동을 위한 전류를 보내는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기.
   
8. 제 7항에 있어서
   상기 제어기는
   PID 제어기의 폐-루프 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 유압 모터는
   가변 용량 유압 기계장치이며,
   사판 각도를 변경하여 회전 속도를 보장하는 것을 특징으로 하는 슬라이딩 방식의 파력 발전기.
   

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