KR101640908B1

KR101640908B1 - 스크린 파력 발전장치

Info

Publication number: KR101640908B1
Application number: KR1020140138933A
Authority: KR
Inventors: 유재원
Original assignee: 주식회사 우리창우종합건축사사무소
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-07-19
Also published as: KR20160044218A; WO2016060498A1

Abstract

본 발명은 스크린 파력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부유체를 이용한 가동물체형(floating) 파력발전 시스템에 있어서, 부유체 하부에 차단막을 포함하는 스크린부와, 스크린부 하부에 권취부를 두어 보다 효율적이고 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 스크린 타입의 파력 발전장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, ① 스크린의 형태로 부유식(floating) 발전장치를 구동함으로써, 파도의 상하 움직임뿐만 아니라 스크린이 받게되는 해수의 좌우 방향 파압에 따른 운동에너지까지 효율적으로 회수할 수 있어, 대용량 발전이 가능하고, ② 스크린을 권취식으로 연결하고 이에 탄성부재를 도입함으로써, 별도의 장치를 두거나 추가 비용을 소요 없이, 간단하게 스크린의 장력을 일정 수준으로 유지할 수 있으며, ③ 회전축 좌우 양단에 듀얼 원웨이 클러치를 두어 높은 회전 마력으로 하나의 장치에 두 개의 대용량 발전기를 설치할 수 있어 고효율의 에너지 생산이 가능하고, ④ 장치가 간단하며 무동력으로 운용되어 친환경적이고, 설치와 해체가 용이하다는 효과가 있다.

Description

스크린 파력 발전장치{SCRREN-TYPE FLOATING WAVE ENERGY CONVERTOR}

본 발명은 스크린 파력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부유체를 이용한 가동물체형(floating) 파력발전 시스템에 있어서, 부유체 하부에 차단막을 포함하는 스크린부와, 스크린부 하부에 권취부를 두어 보다 효율적이고 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 스크린 타입의 파력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 바다에서 전기를 생산할 목적으로 개발된 발전 시스템 중에는 조수 간만의 차를 이용하는 조력 발전장치 등이 보편적으로 이용되고 있으나, 이 방식은 조수 간만의 차가 큰 장소에서만 제한적으로 사용할 수 있고, 오랜 건설 기간과 막대한 건설 비용이 수반되며 시스템 가동 시간의 제약이 크므로, 전력 생산이 비효율적이라는 문제점이 있다.

파력 발전장치는 파도의 상하운동 에너지를 이용하여 동력을 얻어 발전하는 장치로서 파력으로부터 에너지를 얻기 위한 작동 원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로 구분된다.

진동수주형 파력발전은 워터칼럼 내부로 유입된 파랑에 의하여 생기는 공간의 변화를 내부 공기의 유동으로 변환하고, 이를 유도관으로 유입하여 공기의 흐름을 생성시키고 유도관 내에 설치된 터빈을 회전시켜 전기를 얻는 방식이다. 입사파가 장치의 전면에서 반사되면 중복파가 형성되고, 이때 수면의 상부 노즐부에 공기의 흐름이 발생하는 원리이다.

그리고, 월파형 파력발전은 파랑의 진행방향 전면에 사면을 두어 운동에너지에 의해 파라잉 사면을 넘어서게 되면, 이것이 위치에너지로 변환되어 저수된 후, 형성된 수두차를 이용하여 저장된 해수를 저수지의 하부로 흘리면 통로 하부에 설치된 수차터빈이 회전하여 발전하는 방식이다.

한편, 가동물체형의 파력 발전방식은 수면의 움직임에 따라 민감하게 반응하도록 고안된 기구를 사용하여 파랑에너지를 기구에 직접 전달함으로써 기구의 움직임을 전기 에너지로 변환하는 방식이다. 예를 들어 진자를 내장한 부표를 물에 띄워 파도가 치는 대로 요동치도록 둠으로써 부표 속에 장치한 진자의 움직임을 회전운동으로 바꾸고 기어를 통해서 발전기를 회전시킬 수 있다. 파랑에너지가 직접 기구에 작용하므로 파랑에 의한 외력을 견뎌야 한다는 점에서 구조적인 안정성에 취약한 단점이 있으나, 파랑에너지를 직접적으로 흡수하므로 에너지 변환 효율의 측면에서는 상대적으로 유리하다.

위에서 언급한 진동수주형 파력발전과 월파형 파력발전의 경우 파랑에너지를 간접적으로만 사용하므로 발전 효율이 상대적으로 떨어지며, 구조물 설치에 넓은 공간이 요구되므로 대용량 발전에 치명적인 단점이 있다.

한편, 상술한 "가동물체형", 더욱 상세하게는 부유식(floating) 파력발전장치와 관련하여 대한민국 공개특허 제10-2010-0120012호("파력발전시스템", 2010.11.12. 공개)에서는, 도 1a에 도시된 바와 같이 수면에 노출되어 파도에 의해 상하로 이동하는 수면부력체와, 모터겸용 발전기(a2)에 벨트(a1)를 감는 뿌래와, 제어장치로 구성된 파력발전 시스템을 제시한 바 있다. 그러나 이는 수면부력체(부표)가 상승시에만 제한적으로 발전을 하고, 하강시에는 별도의 제어장치를 통해 전력을 소비하여 모터(a2)의 동력으로 벨트(a1)를 감도록 하는 방식이어서 효과적으로 전력을 생산할 수 없는 문제가 있다.

또한, 대한민국 공개특허 제10-2012-0104880호("장력조절수단이 구비된 파력발전기", 2012.09.24. 공개)에서는, 도 1b에 도시된 바와 같이 해수면에 부유되는 보조부체, 이에 결합된 메인샤프트(b1), 메인샤프트(b1)의 타단에 결합된 무게추, 메인샤프트(b1) 중간지점에 구비된 주부체 및 주부체 내부에 마련되어 메인샤프트(b1)의 장력을 조절하는 장력조절수단(b2)으로 구성된 파력발전기를 제시한 바 있다. 그러나 이 또한 메인샤프트(b1)의 장력이 느슨해지는 것을 방지하기 위해 별도의 장력조절수단(b2) 두게 되어, 전력 생산이 비 효율적이고, 전체 장치가 복잡해진다는 문제가 있다.

또, 대한민국 등록특허 제10-1049518호("파력 발전 장치", 2011.07.08. 공개)에서는, 해수면에 부양되는 부력체, 이에 결합되는 동력 전달로프(c1), 동력 전달로프(c1)가 권취되는 동력전달수단, 동력전달축과 이들에 연결되어 전력을 생산하는 발전기 및 동력전달수단에 결합되는 복귀로프(c2) 및 복귀장치(c3)로 구성된 파력 발전 장치를 제시한 바 있다. 이 역시 동력 전달로프(c1)와 직접 혹은 간접적으로 연결되어 파도의 움직임에 따른 부력체의 승하강에 따라 동력 전달로프의 복귀를 제어하기 위하여, 별도의 복귀로프(c2) 및 복귀장치(c3)를 두고 있다.

그러나, 종래의 파력발전은 통상적으로 태양광 발전이나 풍력발전보다 효율이 현저히 떨어져, 상업용 전기를 생산하는데 부족한 점이 많았다. 특히 앞서 언급한 선행기술들과 같이 부력체를 이용하는 가동물체형 파력발전 방식은 해수면에 부유된 부력체를 이용하여 파도의 상하 움직임만으로만 발전하는 방식이어서 전력생산이 작아 수백 KW급의 중대형 발전을 수행하기는 역부족이었는바, 소규모로 전등을 켜거나 소리를 내게 하여 항로의 표지로 이용하는데에 그쳤다.

또한, 막대한 구조물과 장치의 설치 비용에 비해 전기 생산량이 턱없이 부족하여 효율성이 현저히 떨어져 국내 및 해외에서도 파력발전은 시험 단계 수준에 머물고 있는 실정이었으며, 앞서 언급한 선행기술들과 같이 부력체와 연결된 로프의 장력을 일정 수준으로 유지하거나 부유체 하강시 로프를 감아주기 위해 별도의 장치를 사용하는 것이 불가결하여 구조가 복잡하지고 설비의 제조 단가가 상승하며 장치의 제어가 어려워지는 문제가 있었고, 해수가 갖는 운동 에너지를 효과적으로 수집하지 못했다.

대한민국 공개특허 10-2010-0120012호("파력발전시스템", 2010.11.12. 공개) 대한민국 공개특허 제10-2012-0104880호("장력조절수단이 구비된 파력발전기", 2012.09.24. 공개) 대한민국 등록특허 제10-1049518호("파력 발전 장치", 2011.07.08. 공개)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 부유체를 스크린의 형태로 연결하여 파랑의 상하 운동에 따른 파도 에너지를 비롯해 해수가 갖는 좌우 방향의 파압 에너지까지 효과적으로 수집하여 고효율/대용량의 발전을 수행할 수 있으며, 스크린의 저부에 권취식(winding)으로 연결된 권취부를 두고, 권취부에서 얻는 회전력을 이용하여 전력을 생산함으로써, 별도의 장치 없이도 간단하고 효과적으로 스크린의 전개 상태를 단속하면서 전력을 생산할 수 있는 스크린 파력 발전장치를 제공하는데 있다.

또한, 듀얼 원웨이 클러치(one-way clutch)와 회전축에 탄성력을 제공하는 탄성부재를 통해 양 방향 회전 시 모두에 대해 높은 마력으로 전력생산이 가능하며 1개의 구조체에 2개의 대용량 발전기 설치가 가능한 스크린 파력 발전장치를 제공하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따라 파도나 해수의 운동에너지를 이용한 발전장치에 있어서, 파도나 해수의 운동에너지를 이용한 발전장치에 있어서, 수중에서 부력에 의해 부상되는 부유체(10); 상기 부유체(10)의 저부에 하향 연결되며, 수중에서 해수의 움직임을 차단하기 위해 스크린(screen) 형태의 차단막(21)이 구비되는 스크린부(20); 상기 스크린부(20)가 파도나 해수의 움직임에 의해 감기거나 풀리도록 상기 스크린부(20)의 저부와 권취식(winding)으로 연결되는 권취 회전축(31)과, 상기 권취 회전축(31)에 회전 탄성을 부여하는 탄성부재(32)를 포함하며, 해저면에 고정 설치되는 권취부(30); 및 상기 권취 회전축(31)의 적어도 하나 이상의 단부에 연결되어 상기 스크린부(20)가 상기 권취 회전축(31)에 감기거나 풀리면서 형성되는 축 방향 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기(41)가 구비되는 발전부(40);를 포함하되, 상기 스크린부(20)는, 상기 부유체(10) 저면 양 말단부에 연결되며, 파도나 해수의 움직임에 의해 감기거나 풀리도록 하단이 상기 권취 회전축(31)에 권선되는 한 쌍의 와이어(22); 및 상기 한 쌍의 와이어(22)에 좌우 양 말단부가 결합되는 차단막(21);을 포함하는 스크린 파력 발전장치를 제공한다.

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이때, 상기 한 쌍의 와이어(22)가 상기 권취 회전축(31)에 권선되는 영역에 한 쌍의 와이어 보빈(bobbin)(23)이 구비될 수 있고 상기 차단막(21)은 상기 와이어(22) 상부로부터 하부로의 방향을 기준으로 소정 구간에 형성되어, 상기 차단막(21)이 형성된 영역이 상기 권취 회전축(31)에 권취되는 것을 방지하기 위하여, 상기 와이어(22) 상의 상기 소정 구간 최하단에 권취방지수단(24)이 구비될 수 있으며, 상기 권취방지수단(24)은, 상기 한 쌍의 와이어(22) 상에 구비되는 한 쌍의 걸림부재(24a) 또는 상기 차단막(21) 하단에 구비되는 걸림바(24b)인 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 권취 회전축(31)은 내부에 중공이 형성된 봉재이고, 상기 탄성부재(32)는 상기 권취 회전축(31) 내부 중공에 길이 방향으로 구비되며, 상기 권취 회전축(31)의 회전 방향에 따라 꼬아지거나 풀어지는 토션스프링(torsion spring)인 것이 바람직하며, 상기 발전기(41)는 상기 권취 회전축(31)의 양 측 말단에 연결되도록 한 쌍이 구비되며, 상기 권취 회전축(31)의 회전 방향에 따라 한 쌍의 발전기(41) 중 하나의 발전기(41)에만 회전력을 전달하기 위한 한 쌍의 원웨이 클러치(one-way clutch)(42)가 구비될 수 있다.

또한, 상기 권취 회전축(31), 탄성부재(32) 및 발전부(40)가 보관도록 내부 공간이 마련되며, 상기 스크린부(20)가 출입하기 위한 슬릿(51)이 상기 권취 회전축(31)에 나란하도록 구비되는 하우징(50)을 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 권취부(30)의 저부에 결합되어 해저면에 고정 설치되며, 해수 흐름의 법선 방향으로 상기 권취부(30)가 배치되도록 상기 권취부(30)를 회전시키는 요잉(yawing)부(60)를 더 포함할 수 있는데, 상기 요잉부(60)는, 해저면에 고정 설치되는 요잉 하우징(61); 상기 요잉 하우징(61) 상부에 구비되고 상기 권취부(30)의 저부와 결합되어, 상기 권취부(30)를 회전시키는 요잉 패널(62); 상기 요잉 하우징(61) 내에 구비되며 상기 요잉 패널(62)에 회전 동력을 전달하는 구동모터(63); 해수 흐름의 방향을 감지하는 요잉 센서(64); 및 상기 요잉 하우징(61) 내에 구비되며 상기 요잉 센서(64)를 통해 수집된 해수 흐름의 방향에 대한 정보를 토대로 상기 구동모터(63)의 작동을 단속하는 제어부(65);를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 부유체(10)에 연결되어 상기 부유체(10)의 부력을 조절하는 보조 부유체(70)를 더 포함할 수 있는데, 상기 보조 부유체(70)는, 상기 부유체(10)와 소통되는 보조 부표(71) 및 보조 관체(72)를 포함하고, 상기 부유체(10) 내부에 저장된 부력 제공 물질이 상기 보조 관체(72)를 통해 상기 부유체(10)와 보조 부표(71) 상호 간에 이동됨으로써, 상기 부유체(10)의 부력이 조절되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 스크린 파력 발전장치는, ① 스크린의 형태로 부유식(floating) 발전장치를 구동함으로써, 파도의 상하 움직임뿐만 아니라 스크린이 받게되는 해수의 좌우 방향 파압에 따른 운동에너지까지 효율적으로 회수할 수 있어, 대용량 발전이 가능하고, ② 스크린을 권취식으로 연결하고 이에 탄성부재를 도입함으로써, 별도의 장치를 두거나 추가 비용을 소요 없이, 간단하게 스크린의 장력을 일정 수준으로 유지할 수 있으며, ③ 회전축 좌우 양단에 듀얼 원웨이 클러치를 두어 높은 회전 마력으로 하나의 장치에 두 개의 대용량 발전기를 설치할 수 있어 고효율의 에너지 생산이 가능하고, ④ 장치가 간단하며 무동력으로 운용되어 친환경적이고, 설치와 해체가 용이하다는 효과가 있다.

도 1a 내지 1c는 종래의 파력 발전장치를 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크린 파력 발전장치를 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2의 AA' 단면을 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크린 파력 발전장치를 도시한 측면도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크린 파력 발전장치를 도시한 측면도로서, 파랑에 의해 해수면의 높이가 변화함에 따라서 스크린부(20)의 전개 정도가 변화하는 모습을 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스크린 파력 발전장치를 도시한 측면도로서, 파랑과 파압에 의한 부유체(10) 및 스크린부(20)의 움직임 변화를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크린 파력의 스크린부(20)가 승하강하는 모습을 나타낸 사시도이다.
도 8은 바람직한 실시예에 따라 요잉부(60)가 구비된 스크린 파력 발전장치의 측면도이며, 도 9는 요잉부(60)에 의해 회전하는 모습을 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 스크린 파력 발전장치의 보조 부유체(70)가 작동되는 모습을 나타내는 모식도이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

"제 1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명은 파도나 해수가 갖는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 파력 발전장치로서, 더욱 상세하게는 해수면 상에 노출되도록 부상되는 부유체(10)를 포함하는 부유식(floating) 파력 발전장치를 제공한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파력 발전장치(S)의 평면도이고, 도 3은 도 2에서의 AA' 단면을 도시한 모식도이며, 도 4는 파력 발전장치(S)의 측면도이다.

본 발명은 기존의 부유식 파력 발전장치와 달리 부유체(10)의 저부에 하향 연결되어 수중에서 펼쳐지는 차단막(21)이 구비된 스크린부(20)와, 이에 권취식으로 연결되며 해저면에 고정 설치되는 권취부(30)를 포함하는 파력 발전장치인 것을 특징으로 한다.

종래의 파력 발전장치는 일반적으로 부유체와 발전장치 사이를 선형의 벨트로 연결하여 동력을 전달하는 방식이었으나, 본 발명은 스크린(screen)의 형태를 갖는 차단막(21)을 통해 동력을 전달함으로써, 종래의 파력 발전장치에 비해 파랑의 상하운동에 더하여 좌우 방향을 갖는 해수의 파압에너지까지 효과적으로 해수가 갖는 운동 에너지를 회수할 수 있다.

더욱 상세하게는 파도가 치면서 발생되는 파랑의 변위폭에 의해 부유체가 승하강 함에 따라 발생되는 운동 에너지와 더불어, 해수면 아래에서의 해류에 의해 해수가 흐르며 발생되는 운동 에너지 또한 차단막(21)을 통해 회수할 수 있어, 종래의 벨트 방식의 파력 발전장치보다 수배 내지 수십배에 상당하는 대용량의 파력 발전이 가능하다.

또한 본 발명은 스크린부(20)의 저부에 연결된 권취부(30) 및 권취부(30)를 통해 회전력을 회수하여 전력을 생산하는 발전부(40)를 포함한다.

권취부(30)는 스크린부(20)의 저부와 권취식(winding)으로 연결되어 스크린부(20)가 파도나 해수의 움직임에 의해 감기거나 풀리도록 하며, 자중에 의해 해저면으로 가라앉음으로써 차단막(21)이 수중에서 펼쳐지도록 하며, 발전부(40)는 권취부(30)에서 스크린부(20)가 감기거나 풀리면서 형성되는 회전력을 이용하여 전력을 생산한다.

이하 본 발명의 스크린 파력 발전장치(S)를 이루는 각 구성요소에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 스크린부(20)는 부유체(10)의 저부에 하향 연결되며 소정 영역에 해수의 움직임을 차단함으로써 해수의 파압 에너지를 회수하기 위한 차단막(21)이 구비된다. 스크린부(20)는 부유체(10)로부터 권취부(30)에 이르기까지 전체 영역이 모두 차단막(21)으로 구비되어, 차단막(21) 자체가 권취부(30)에 권취되는 형태를 띨 수도 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이 일부 영역에만 차단막(21)이 구비되는 형태를 띨 수도 있다.

후자의 경우 부유체(10) 저면 양 말단부에 연결되어 권취부(30)에 감기거나 풀리도록 권선되는 한 쌍의 와이어(22)와, 이에 좌우 양 말단부가 결합되는 차단막(21)을 포함하는 형태를 취할 수 있다. 이로써 전자와 달리 차단막(21) 자체가 권취 회전축(31)에 권취되는 형태가 아닌 와이어(22)가 권선되는 형태를 취하게 되어, 발전 시 계속적으로 감기거나 풀리는 과정에서 기계적 마찰에 따른 불필요한 장치 결함을 피하고 더욱 효과적으로 해수의 운동에너지를 전기에너지의 형태로 회수할 수 있게 되며, 장치의 구조가 더욱 간단하여 제조/설치나 유지/보수에 용이하다.

이때, 권취 회전축(31) 상에 한 쌍의 와이어(22)가 권선되는 영역에 한 쌍의 와이어 보빈(23)을 구비하여, 와이어(22)의 권선이 더욱 용이하게 이루어지도록 유도할 수 있으며, 권취 회전축(31)에 기계적 부담을 경감시킬 수 있다.

또한, 스크린부(20)가 감기면서 차단막(21)이 구비된 영역까지 권취되는 것을 방지하여 위에서 언급한 문제들이 발생되는 것을 막기 위해, 차단막(21)이 결합된 와이어(22) 상의 구간 최하단에 권취방지수단(24)이 구비될 수 있으며, 바람직한 실시예로는 와이어(22) 상에 구비되는 한 쌍의 걸림부재(24a) 또는 차단막(21) 하단에 폭 방향으로 구비되는 걸림바(24b)를 들 수 있다. 이러한 권취방지수단(24)은 직접적으로 권취 회전축(31)이나 이에 형성된 와이어 보빈(23)에 걸리어지게 되어 차단막(21) 영역이 권취되지 않도록 할 수도 있으나, 도 7에 도시된 바와 같이 후술할 하우징(50)에 형성된 슬릿(51)에 걸리어지도록 함으로써 이러한 역할을 수행할 수 있다.

다음으로, 권취부(30)는 스크린부(20)의 저부 말단과 권취식으로 연결되어 축 방향 회전을 통해 부유체(10)의 승하강에 따른 스크린부(20)의 전개를 단속하는 권취 회전축(31)과, 이에 회전 탄성을 부여하는 탄성부재(32)를 포함하는 것이 바람직하다.

권취 회전축(31)에는 스크린부(20)의 말단이 장착되어 길이 방향으로 감겨지도록 구성된다. 또한 권취 회전축(31)에 탄성부재(32)가 연결되어 회전축에 회전 탄성을 부여하게 된다.

탄성부재(32)는 권취 회전축(31)에 효과적으로 회전 탄성을 제공하여, 초기 설치시 권취부(30)의 자중에 의해 스크린부(20)가 펼쳐지는 정도나, 부유체(10)의 승하강에 따라 스크린부(20)가 전개되는 정도를 일정한 탄성으로 제어하는 역할을 수행한다.

구체적으로 설명하면, 권취 회전축(31)은 내부에 중공이 형성된 봉재이고, 탄성부재(32)는 권취 회전축(31)의 내부 중공에 길이 방향으로 구비되는 토션스프링(torsion spring)인 것이 바람직하다. 따라서, 스크린부(20)이 해수의 운동에너지를 통해 풀어질 때 토션스프링이 꼬아지면서 일정한 복원력이 형성되고, 형성된 탄성 복원력을 이용하여 스크린부(20)가 권취 회전축(31)에 감기도록 하여 복원시킴과 동시에 이를 통해 전기에너지를 생산하게 된다. 더욱 바람직하게는 토션스프링이 안정적으로 장착되도록 하기 위해 토션 스프링의 내부 중공에 길이 방향으로 연장된 봉재를 추가적으로 구비할 수 있다.

다음으로, 권취 회전축(31)의 적어도 일 측 말단에 발전부(40)를 연결시켜, 권취 회전축(31)에 발생되는 회전력을 회수하여 발전기(41)가 구비된 발전부(40)에서 전력을 생산하게 된다. 이때 발전부(40)에서 생산된 전력은 해저 케이블 등을 통해 유선 방식으로 인근 발전소나 집전 시설로 송전시킬 수 있으며, 무선 충전 방식과 같은 무선 송수신 설비를 채택하여 무선으로 생산된 전력을 송전시킬 수도 있다.

이하 발전부(40)를 통해 전력이 생산되는 메커니즘을 상세히 설명한다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 파랑의 상하 운동 및 해수가 갖는 파압에 의한 좌우 운동이 부유체(10) 및 스크린부(20)에 전달됨으로써, 스크린부(20)가 감기거나 풀리면서 권취 회전축(31)의 회전 운동이 발생되며, 권취 회전축(31)과 발전기(41) 사이에 구비되는 원웨이 클러치(one-way clutch)(42)를 통해 회전 방향에 따라 양 말단에 구비된 한 쌍의 발전기(41) 중 일 방에만 회전력을 전달하게 된다.

구체적으로, 권취부(30)로부터 먼 쪽으로 스크린부(20)가 이동하게 되면 설치 지점의 수심보다 길게 여장을 갖는 스크린부(20)가 풀리면서 권취 회전축(31)이 일 방향으로 회전된다. 이때 양 방에 구비된 원웨이 클러치(42) 중 해당 회전 방향에 대응하는 일 방의 원웨이 클러치(42)에만 회전력이 전달되고, 원웨이 클러치(42)에 기계적으로 연결된 일 방의 발전기(41)에서 전력 생산이 이루어진다. 또한 권취 회전축(31)의 회전에 의해 내부 중공에 구비된 토션스프링이 꼬이면서 탄성 복원력이 형성된다.

이후, 탄성부재(32)를 통해 형성된 탄성 복원력에 의해 스크린부(20)의 위치가 복원되면서 스크린부(20)가 다시 권취 회전축(31)에 감기게 됨으로써 권취 회전축(31)은 타 방향으로 회전된다. 이때 해당 회전 방향에 대응하는 타 방의 원웨이 클러치(42)에만 회전력이 전달되고 상기 일 방의 원웨이 클러치(42)는 공회전하게 된다. 이로써 타 방의 원웨이 클러치(42)에 기계적으로 연결된 타 방의 발전기(41)에만 회전력이 전달되어 전력 생산이 이루어진다.

이로써 해수가 갖는 상하좌우 모든 방향의 움직임을 회수할 수 있고, 1개의 구조체에 2개의 대용량 발전기 설치가 가능하며, 해수의 운동에너지와 탄성부재(32)의 탄성력을 이용하여 무동력 친환경 발전이 가능하고, 일정한 장력을 유지하기 위한 별도의 구성이 불필요하여 장치의 구조가 간단하고 제조 및 유지보수가 용이하다.

한편, 권취 회전축(31), 탄성부재(32) 및 발전부(40)의 외부를 감싸는 하우징(50)을 더 포함할 수 있다. 하우징(50)은 발전장치(S) 하부 구조의 외부 케이스 역할을 수행할 수 있으며, 하부 구조에 포함된 많은 기계/전기적 구성들로의 해수 유입이나 기타 이물질의 유입 등을 차단하여 탄성부재(32)의 염분으로 인한 부식과 이물질 유입에 따른 오작동 등을 방지할 수 있는 역할 또한 수행할 수 있다. 또한, 권취 회전축(31)과 나란한 방향으로 상부면에 슬릿(51)을 둠으로써 도 7에 도시된 바와 같이 스크린부(20)의 차단막(21) 또는 와이어(22)가 출입하는 과정에서 권취방지수단(24)이 걸리어지도록 할 수 있다.

또, 하우징(50) 내부 잔여 공간에 웨이트(weight) 추와 같은 중량체를 충진시켜 발전장치(S) 하부 구조체의 자중을 높임으로써, 구조적 안정감을 부여하고 설치를 보다 용이하게 할 수 있다.

이러한 하우징(50)은 또한 해수면에 직접 노출되는 구성이므로, 부식에 강한 내화학성을 지니며 해수의 흐름 등 기타 기계적인 충격에도 강한 물성을 갖는 재질로 이루어져야 하며, 바람직한 실시예로서는 스테인레스 스틸 등이 있다.

한편, 본 발명의 설치 방식은 고정형 방식과 회전형 방식으로 구분할 수 있다. 고정형 방식은 해안 근처에 설치되는 것으로서 파도가 해안선에 대해 법선 방향으로 유입되므로 스크린부(20)가 파도의 파랑 에너지를 일정하게 전달받을 수 있는 것이 특징이다. 반면 본 발명의 발전장치(S)를 외해(파도가 부서지면서 해안선의 법선 방향으로 일정하게 유입되는 지점인 파봉선의 바깥쪽 영역)에 설치할 경우에는 해류나 파도의 흐름이 시기이나 설치 위치에 따라 변경되므로 회전형 방식으로 설치해야 한다.

구체적으로 설명하면, 본 발명은 바람직한 실시예에 따라 권취부(30) 저부에 결합되어 해저면에 고정 설치되며, 해수 흐름의 법선 방향으로 권취부(30)가 배치되도록 회전시키는 요잉(yawing)부(60)를 구비하는 회전형 방식으로 설치될 수 있다. 요잉부(60)는 현재 풍력발전에 적용되는 기술로, 3차원적으로 불어오는 바람의 방향을 측정하여 최적의 풍속 각도를 계산하고 로터 블레이드 몸체를 계산된 최적의 각도로 회전시키는 설비를 적용한 구성이다.

도 8 및 도 9를 참고할 때, 본 발명의 요잉부(60)는 해저면에 고정 설치되는 요잉 하우징(61)과 이의 상부에 구비되며 권취부(30)의 저부와 결합되어 권취부(30)를 회전시키는 요잉 패널(62)로 구성되는 것이 바람직하다. 요잉 하우징(61)은 고정된 형태의 부재이며, 요잉 패널(62)은 회전 가능한 형태의 부재이므로, 요잉 하우징(61)과 요잉 패널(62) 간에는 적어도 하나 이상의 베어링(66)을 통해 연결되어야 한다. 또한, 발전장치(S) 내 소정 영역에 요잉 센서(64, 도면 미도시)를 두어 실시간으로 해수가 흐르는 방향을 감지하고, 이를 통해 수집된 정보를 바탕으로 요잉 하우징(61) 내 구비되어 요잉 패널(62)에 회전 동력을 전달하는 구동모터(63)의 작동을 제어부(65, 도면 미도시)를 통해 단속함으로써, 실시간으로 권취부(30)가 해수 흐름 방향의 법선 방향으로 배치되도록 권취부(30)를 회전시킬 수 있다. 이로써 해수가 갖는 운동에너지를 효율적으로 회수할 수 있다.

본 발명은 바람직한 다른 실시예에 따라 본 발명의 파력 발전장치(S) 하부 구조체의 안정적인 설치를 위한 고정부재(80)를 포함할 수 있다. 구체적으로 설명하면, 도 4 내지 도 6 및 도 8을 참고할 때 해수의 흐름이나 각종 해양생물에 의해 본 발명의 파력 발전장치(S)가 설치 지점에서 이탈되지 않도록 하기 위해 권취부(30)의 저부 혹은 요잉부(60)의 저부에 적어도 하나 이상의 하부 앵커(81)를 구비하여 타 측을 해저면에 삽입 설치할 수 있다. 다양한 방식의 앵커 수단이 이에 차용될 수 있으며 바람직한 실시예로서는 쐐기형 말뚝 형태의 앵커를 들 수 있다. 하부 앵커(81)는 복수 개가 설치될 수 있으며, 권취부(30)나 요잉부(60) 저부에 직접 설치되어 해저면에 삽입되는 방식을 채택할 수도 있으나, 권취부(30)나 요잉부(60) 소정 영역과 로프 등을 통해 연결하여 소정 거리 이격되어 복수 개가 해저면에 삽입되는 방식을 채택할 수도 있다. 또한, 권취부(30)의 법선 방향으로 적어도 하나 이상의 밸런스바(82)를 권취부(30) 저부에 설치하여 법선 방향으로의 안정감을 부여할 수 있다.

기본적으로 본 발명의 파력 발전장치(S)는 발전 시설이 바닷속 저부에 설치되므로 태풍이나 쓰나미 등에 의한 외력적 파손을 최소화할 수 있으나, 해수면 가까이 부상하는 부유체(10)와, 이의 저부에 하향 연결되는 스크린부(20)의 외력적 파손을 방지하기 위해, 이에 더하여 본 발명은 바람직한 또 다른 실시예에 따라 부유체(10)의 부력을 조절하기 위한 보조 부유체(70)를 더 포함할 수 있다. 이하 도 10을 참고하여 이에 대하여 상세히 설명한다.

보조 부유체(70)는 태풍이나 고 파랑이 내습하는 등 급변하는 해양 상황에 대해 부유체(10)의 부력을 조절함으로써 다양한 해양 상황에 유연하게 대처하여 장치의 파손이나 유실을 방지하기 위한 구성이다. 특히 부유식(floating) 파력 발전장치의 경우 장치가 직접적으로 파력 에너지를 흡수하는 방식이므로, 이러한 급격한 해양 환경 변화에 취약하여, 이에 대한 대비책이 마련되어야 한다.

더욱 상세하게는, 상기 보조 부유체(70)는 부유체(10)와 소통되는 보조 부표(71)와 보조 관체(72)를 포함하고, 부유체(10)에 저장되어 있는 부력 제공 물질이 보조 관체(72)를 통해 부유체(10)와 보조 부표(71) 상호 간에 이동되도록 함으로써, 부유체(10)의 부력이 조절되는 것을 특징으로 한다.

부유체(10)는 일정 수준 이상의 부력을 가져 해수면 상에 부상되도록 하기 위해 내부에 부력 제공 물질을 저장하고 있다. 공기 등의 기체일 수도 있으며, 해수보다 밀도가 낮은 다양한 유체가 필요에 따라 차용될 수 있다.

태풍이나 높은 파도가 본 발명의 파력 발전장치(S)가 설치된 영역에 내습하는 경우, 부유체(10)에 저장된 부력 제공 물질이 일정 부분 보조 관체(72)를 통해 보조 부표(71)로 이동된다. 이로 인해 부력이 작아진 부유체(10)는 권취부(30)에 의해 해수면 아래로 하강되고, 보조 부표(71)가 갖는 부력과 권취부(30)가 갖는 회전 탄성력이 평형을 이루는 지점에 부유체(10)가 위치하게 된다. 한편, 부유체(10) 소정 영역에 파고계를 탑재하여 기 설정된 최대 위험 파고를 초과하는 상황이 감지될 때 이러한 기작을 수행하도록 할 수 있다.

이렇듯, 부유체(10)를 수중으로 하강시키고 스크린부(20)의 펼쳐진 면적을 줄임으로써, 태풍이나 고 파랑에 의한 장치의 파손 혹은 유실을 방지할 수 있으며, 추후에 보조 관체(72)를 통해 보조 부표(71) 내 부력 제공 물질을 다시 부유체(10) 측으로 주입함으로써 원 설치 상태로 용이하게 복귀시킬 수 있다.

이로써, 태풍이나 기상 상황의 악화로 파력 발전이 어려운 경우, 상술한 바와 같은 자동 제어 시스템에 의해 부유체(10)가 해수면 아래로 내려오도록 하고, 태풍 등이 지나간 후 해수면으로 다시 상승하도록 하여, 기상 상태에 효과적으로 대처할 수 있으며, 파력 발전장치의 손상을 방지할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

S : 본 발명의 파력 발전장치
10 : 부유체 20 : 스크린부
21 : 차단막 22 : 와이어
23 : 와이어 보빈 24 : 권취방지수단
24a : 걸림부재 24b : 걸림바
30 : 권취부 31 : 권취 회전축
32 : 탄성부재 40 : 발전부
41 : 발전기 42 : 원웨이 클러치
50 : 하우징 51 : 슬릿
60 : 요잉부 61 : 요잉 하우징
62 : 요잉 패널 63 : 구동모터
64 : 요잉 센서 65 : 제어부
66 : 베어링 70 : 보조 부유체
71 : 보조 부표 72 : 보조 관체
80 : 고정부재 81 : 하부 앵커
82 : 밸런스바

Claims

파도나 해수의 운동에너지를 이용한 발전장치에 있어서,
수중에서 부력에 의해 부상되는 부유체(10);
상기 부유체(10)의 저부에 하향 연결되며, 수중에서 해수의 움직임을 차단하기 위해 스크린(screen) 형태의 차단막(21)이 구비되는 스크린부(20);
상기 스크린부(20)가 파도나 해수의 움직임에 의해 감기거나 풀리도록 상기 스크린부(20)의 저부와 권취식(winding)으로 연결되는 권취 회전축(31)과, 상기 권취 회전축(31)에 회전 탄성을 부여하는 탄성부재(32)를 포함하며, 해저면에 고정 설치되는 권취부(30); 및
상기 권취 회전축(31)의 적어도 하나 이상의 단부에 연결되어 상기 스크린부(20)가 상기 권취 회전축(31)에 감기거나 풀리면서 형성되는 축 방향 회전력을 이용하여 전력을 생산하는 발전기(41)가 구비되는 발전부(40);
를 포함하되, 상기 스크린부(20)는,
상기 부유체(10) 저면 양 말단부에 연결되며, 파도나 해수의 움직임에 의해 감기거나 풀리도록 하단이 상기 권취 회전축(31)에 권선되는 한 쌍의 와이어(22); 및
상기 한 쌍의 와이어(22)에 좌우 양 말단부가 결합되는 차단막(21);
을 포함하는 스크린 파력 발전장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 한 쌍의 와이어(22)가 상기 권취 회전축(31)에 권선되는 영역에 한 쌍의 와이어 보빈(bobbin)(23)이 구비되는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 차단막(21)은 상기 와이어(22) 상부로부터 하부로의 방향을 기준으로 소정 구간에 형성되어, 상기 차단막(21)이 형성된 영역이 상기 권취 회전축(31)에 권취되는 것을 방지하기 위하여, 상기 와이어(22) 상의 상기 소정 구간 최하단에 권취방지수단(24)이 구비되는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제4항에 있어서,
상기 권취방지수단(24)은, 상기 한 쌍의 와이어(22) 상에 구비되는 한 쌍의 걸림부재(24a) 또는 상기 차단막(21) 하단에 구비되는 걸림바(24b)인 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 권취 회전축(31)은 내부에 중공이 형성된 봉재이고,
상기 탄성부재(32)는 상기 권취 회전축(31) 내부 중공에 길이 방향으로 구비되며, 상기 권취 회전축(31)의 회전 방향에 따라 꼬아지거나 풀어지는 토션스프링(torsion spring)인 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 발전기(41)는 상기 권취 회전축(31)의 양 측 말단에 연결되도록 한 쌍이 구비되며,
상기 권취 회전축(31)의 회전 방향에 따라 한 쌍의 발전기(41) 중 하나의 발전기(41)에만 회전력을 전달하기 위한 한 쌍의 원웨이 클러치(one-way clutch)(42)가 구비되는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 권취 회전축(31), 탄성부재(32) 및 발전부(40)가 보관되도록 내부 공간이 마련되며, 상기 스크린부(20)가 출입하기 위한 슬릿(51)이 상기 권취 회전축(31)에 나란하도록 구비되는 하우징(50);
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 권취부(30)의 저부에 결합되어 해저면에 고정 설치되며, 해수 흐름의 법선 방향으로 상기 권취부(30)가 배치되도록 상기 권취부(30)를 회전시키는 요잉(yawing)부(60);
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제9항에 있어서,
상기 요잉부(60)는,
해저면에 고정 설치되는 요잉 하우징(61);
상기 요잉 하우징(61) 상부에 구비되고 상기 권취부(30)의 저부와 결합되어, 상기 권취부(30)를 회전시키는 요잉 패널(62);
상기 요잉 하우징(61) 내에 구비되며 상기 요잉 패널(62)에 회전 동력을 전달하는 구동모터(63);
해수 흐름의 방향을 감지하는 요잉 센서(64); 및
상기 요잉 하우징(61) 내에 구비되며 상기 요잉 센서(64)를 통해 수집된 해수 흐름의 방향에 대한 정보를 토대로 상기 구동모터(63)의 작동을 단속하는 제어부(65);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 부유체(10)에 연결되어 상기 부유체(10)의 부력을 조절하는 보조 부유체(70)를 더 포함하는 스크린 파력 발전장치.
제11항에 있어서,
상기 보조 부유체(70)는,
상기 부유체(10)와 소통되는 보조 부표(71) 및 보조 관체(72)를 포함하고,
상기 부유체(10) 내부에 저장된 부력 제공 물질이 상기 보조 관체(72)를 통해 상기 부유체(10)와 보조 부표(71) 상호 간에 이동됨으로써, 상기 부유체(10)의 부력이 조절되는 것을 특징으로 하는 스크린 파력 발전장치.