KR101667154B1 - 가변 관성과 cvt를 이용한 고효율 파력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 부유체의 상하 운동의 보충적인 관성을 제어하기 위한 유압 플라이휠(Hydraulic Flywheel) 및 발전기의 토크(torque)에 의해 유도된 저항성 부하(resistive load)를 제어하는 CVT를 장착하여 발전 효율성을 높이려는, 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기에 관한 것이다.

Description

가변 관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기{High Efficiency Wave Energy Converter with variable Inertia and Continuously Variable Transmission}
본 발명은 가변 관성과 CVT(Continuously Variable Transmission)을 이용한 고효율 파력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 부유체(buoy)의 상하 운동의 보충적인 관성을 제어하기 위한 유압 플라이휠(Hydraulic Flywheel) 및 저항성 부하(resistive load)를 제어하는 CVT를 포함하는 가변 관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기에 관한 것이다.
현재에는 자원 고갈을 유발하지 않고 안전하며, 환경오염이 적은 발전 방법이 요구되고 있으며, 이에 파도의 고저 차이를 이용하여 전력을 생산하는 '파력 발전'에 관하여 연구가 진행되고 있다.
파력 발전기는 파도에 의한 해수면의 주기적 상하 운동과 물 입자의 전후 운동을 에너지 변환장치를 통하여 기계적인 회전 운동 또는 축 방향 운동으로 변환시킨 후, 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 파력 발전 방식에는 파도의 고저에 따른 에너지를 다른 에너지 형태로 1차 변환하는 방식에 따라 여러 가지로 분류할 수 있다.
구체적으로, 파력 발전기는 파랑 에너지 흡수방식에 따라 진동수주형과 우러파형 및 가동물체형으로 구분된다.
진동수주형 파력 발전은 워터 칼럼(water column) 내부로 유입된 크고 작은 물결 에너지에 의하여 생기는 공간의 변화를 내부 공기의 유동으로 변환하고, 이를 유도관으로 유입시켜 입사파가 장치의 전면에서 반사되면 중복파가 형성되도록 하여, 상기 중복파의 형성 시 수면의 상부 노즐부에 공기의 흐름이 발생하는 원리를 이용해 유도관 내에 설치된 터빈을 공기로 회전시켜 전기를 생산하는 방식이다.
월파형 파력 발전은 크고 작은 물결의 진행방향 전면에 사면(swash plate) 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 부유체가 파도의 고저에 의하여 상하 또는 회전운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 방식이다. 가동물체형은 다른 파력 발전방식에 비해 효율이 높은 것으로 평가되고 있다. 따라서 부유식으로 에너지를 흡수하는 가동물체형 파력 발전기는 파랑의 파고 및 주기, 파도의 방향에 의해 파력 발전기의 출력운전에 지대한 영향을 미치게 되며, 이러한 요소들을 어떻게 적절히 이용하느냐에 따라 파력 발전기의 효율성에 직접적인 영향을 미치게 된다.
상기한 가동물체형 파력 발전에 있어서, 현재 활발하게 연구가 진행되고 있으나, 일반적인 가동물체형 파력 발전기는 모터 제어 및 에너지 변환 과정에서 발전 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-1492901호 (2015. 2. 6. 등록)
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 부유체의 상하 운동의 보충적인 관성을 제어하기 위한 유압 플라이휠(Hydraulic Flywheel) 및 발전기 토크(torque)에 의해 유도된 저항성 부하(resistive load)를 제어하는 CVT를 장착하여 발전 효율성을 높이려는, 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기를 제공하는데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기는, 양방향 회전운동을 단방향 회전운동으로 변환하는 양방향 회전운동 컨버터(bidirectional rotary motion converter); 부유체의 상하운동의 관성을 보충하기 위하여 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 입력 샤프트(input shaft)의 일단에 장착된 2개의 유압 플라이휠(hydraulic flywheel); 발전기 토크(torque)에 의해 유도된 저항성 부하(resistive load)를 제어하기 위하여 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 출력 샤프트(output shaft)의 일단에 장착된 플라이휠 및 발전기 사이에 연결된 CVT(continuously variable transmission); 상기 유압 플라이휠 및 상기 CVT를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 유압 플라이휠은, 상기 입력 샤프트에 직접 연결된 단방향 회전연결장치(one way rotary coupling); 유체의 압력에 따라 상기 유체가 유입 혹은 배출되는 유압 챔버(hydraulic chamber); 상기 유체의 유입 혹은 배출에 따른 유체량의 급격한 변화를 완충하는 역할을 하는 가스 챔버(gas chamber); 상기 유압 챔버 내의 상기 유체의 압력을 측정하는 압력 센서; 및 상기 유체를 상기 유압 챔버로 공급하거나 혹은 상기 유압 챔버로부터 배출시키는 회전결합체(rotary union);를 포함한다.
상기 부유체의 상하운동의 관성은, 상기 유체량을 변화시켜서 상기 유압 챔버의 부피를 조정하고, 상기 유압 챔버의 부피가 변함에 따라 상기 유압 플라이휠의 관성이 변하는 것을 통하여 보충된다.
상기 CVT는, 상기 플라이휠이 상기 출력 샤프트로부터 전달받은 토크를 벨트를 이용하여 상기 발전기로 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는, 상기 유압 플라이휠의 압력센서로부터 유압 챔버의 내부 압력에 관한 압력정보 신호를, 상기 발전기에 연결된 토크변환기(torque transducer)로부터 상기 발전기 토크에 관한 토크정보 신호를 개별적으로 수신하고, 상기 유압 플라이휠 및 상기 CVT로 제어신호를 개별적으로 송신하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 한 쌍의 입력 샤프트(Input shaft)의 한쪽 끝에 장착된 유압 플라이휠을 통해 부유체의 상하운동의 관성을 보충하고, CVT를 통해 저항성 부하를 제어하여 발전기의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기의 정면도.
도2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기의 양방향 회전운동 컨버터를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기의 구성을 나타내는 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT(continuously variable transmission)를 이용한 고효율 파력발전기의 정면도이다.
도 1에서 도시한 바와 같이, 부유체(7) 및 기타의 장치를 지지하기 위한 기초 지지대(Base support,1)는 해저에 고정되어 정지된 상태를 유지하게 된다. 플랫폼(2) 및 난간(3)은 상기 기초 지지대(1)에 부착되어 고정되는데, 상기 플랫폼(2) 위에는 랙(Rack, 12)과 피니언(Pinion, 13) 장치 세트(set)가 장착된다.
파도의 움직임에 따라 부유체(7)가 상하로 움직이게 되는데, 상기 부유체(7)의 움직임을 가이드(guide)하기 위하여 리니어 막대(5)가 부유체(7) 상부면에 고정된다. 볼조인트(ball joint, 9)와 랙 지지대(11)에 의해 상기 부유체(7)과 결합된 추진 샤프트(10)는 부유체(7)의 상하 운동에 따라 함께 위, 아래로 움직이게 된다. 그리하여 랙(12)과 피니언(13)을 통해 상기 추진 샤프트의 움직임이 입력 샤프트(15)의 양방향 회전운동으로 변환된다. 리니어 가이드 장치(linear guide system, 14)는 상기 피니언(13)에 대한 상기 랙(12)의 움직임을 가이드 하기 위하여 개시된다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기의 양방향 회전운동 컨버터(bidirectional rotary motion converter)를 나타내는 도면이다.
상기 양방향 회전운동 컨버터는 랙(12)과 피니언(13) 장치 세트와 마찬가지로 상기 플랫폼(12)에 장착되어 있다. 상기 양방향 회전운동 컨버터는 입력 샤프트(input shaft, 15), 단방향 베어링(one way bearing, 16), 드라이빙 기어(driving gear, 17), 드리븐 기어(driven gear, 18), 출력 샤프트(output shaft)를 포함할 수 있다.
상기 입력 샤프트(15)는 서로 평행을 이루는 한 쌍의 입력 샤프트(15)를 의미하고, 상기 입력 샤프트(15)의 일단은 상기 피니언(13)에 연결되어 있으며, 상기 입력 샤프트(15)의 타단은 상기 입력 샤프트(15)의 수와 동일한, 한 쌍으로 된 단방향 베어링(16)과 결합, 드라이빙 기어(17)의 중심에 고정되어, 상기 피니언(13)의 양방향 회전운동을 상기 드라이빙 기어(17)의 단방향 운동으로 변환하도록 한다.
상기 드리븐 기어(18)는 한쌍의 드라이빙 기어(17)와 연결되어 있으며, 결과적으로는 추진 샤프트(10)의 상하운동이 상기 드리븐 기어(18)의 단방향 운동으로 변환하게 되는 것이다.
한편, 덮개(20)는 상기한 기어 및 샤프트들을 보호하기 위하여 설치되었다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기는 양방향 회전운동 컨버터, 2개의 유압플라이휠(37), CVT 및 제어부(47)를 포함할 수 있다.
상기 양방향 회전운동 컨버터는 상기에서 언급한 대로 피니언(13)의 양방향 회전운동을 상기 드라이빙 기어(17)의 단방향 운동으로 변환하는 장치이다.
상기 유압플라이휠(37)은 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 입력 샤프트(15)의 한쪽 끝에 장착되었으며, 상기 부유체(7)의 상하운동의 관성을 보충하기 위한 장치이다.
상기 CVT는 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 출력 샤프트(19)의 한쪽 끝에 장착된 플라이휠(21) 및 발전기(33) 사이에 연결되었으며, 상기 발전기(33)의 토크에 의해 유도된 저항성 부하를 제어하기 위한 장치이다.
상기 제어부(47)는 상기 유압 플라이휠(37) 및 상기 CVT의 동작을 제어한다.
상기 유압플라이휠(37)은 단방향 회전연결장치(onew way rotary coupling), 상기 유압플라이휠(37)에 고정된 플라이휠 샤프트(35), 상기 플라이휠 샤프트의 주위에서 상기 플라이휠 샤프트를 가이드하는 회전베어링(36), 유압 챔버(hydraulic chamber, 38), 가스 챔버(gas chamber,39), 실(seal,41), 압력센서(42,45), 회전결합체(44)를 포함한다.
구체적으로, 상기 단방향 회전연결장치는 상기 입력 샤프트(15)에 직접 장착되어 있어 유압플라이휠(37)과 입력샤프트(15) 사이를 연결한다. 상기 유압 챔버(38)는 유체의 압력에 따라 상기 유체가 유입 혹은 배출되며, 피스톤(40)에 의해 유압챔버(38)와 구분된 가스 챔버(39)는 상기 유체의 유입 혹은 배출에 따른 유체량의 급격한 변화를 완충하는 역할을 한다. 상기 압력 센서(42,45)는 상기 유압 챔버(38) 내의 상기 유체의 압력을 측정하고, 주기적으로 상기 압력 상태에 관한 신호를 제어부(47)에 송신한다. 상기 회전결합체(44)는 상기 유체를 상기 유압 챔버(38)로 공급하거나 혹은 상기 유압챔버(38)로부터 배출시키는 역할을 한다.
한편, 상기 유압 플라이휠(47)을 통해 상기 부유체(7)의 상하운동의 관성을 보충하는 것은, 아래와 같이 상기 유압 챔버(38)의 내부 압력 조정에 의한다.
상기 회전 결합체(44)가 상기 유체를 상기 유압 챔버(38)의 후방에 연결된 유체 주입 샤프트(43)로 주입하여 상기 유압 챔버(38)로 상기 유체를 공급하거나, 역으로 상기 유체를 배출시키기도 하면서 상기 유압 챔버(38) 내부 압력이 제어된다. 즉, 상기 유체량을 변화시켜서 상기 유압 챔버(38)의 부피를 조정하고, 상기 유압 챔버(38)의 부피가 변함에 따라 상기 유압 플라이휠(47)의 관성이 변하는 것을 통하여 상기 부유체(7)의 상하운동의 관성이 보충된다.
한편, CVT는 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 출력 샤프트(19)의 한쪽 끝에 장착된 플라이휠(21) 및 발전기(33) 사이에 연결되었으며, CVT의 주요 목적은 엄밀하게는, 상기 플라이휠(21)이 상기 출력 샤프트(19)로부터 전달받은 토크를, 벨트(26)를 이용하여 상기 발전기(33)로 전달하는 것이다. 이하, CVT를 크게 세 부분으로 나누어 설명하고자 한다.
상기 CVT는 상기 출력 샤프트(19)로부터 토크를 전달받는 플라이휠 구동부, 발전기(33)를 구동시키는 발전기 구동부 및 벨트(26)를 포함할 수 있다.
상기 플라이휠 구동부는, 플라이휠(21)에 의해 구동되는 주 샤프트(23), 토크변환기(22), 제 1 풀리 실린더 챔버(pully cylinder chamber, 24), 상기 주 샤프트(23)를 중심으로 회전하는 제 1이동디스크(25), 제 1고정디스크(27) 및 상기 주 샤프트(23) 후방에 결합된 CVT 회전결합체(28)를 포함한다.
상기 발전기 구동부는, 토크변환기(22), 제 2 풀리 실린더 챔버(29), 제 2이동디스크(30), 제 2고정디스크(31) 및 상기 제 2풀리 실린더 챔버(29)에 유체를 공급하는 드리븐 샤프트(32)를 포함한다.
이하, CVT의 구동원리에 대하여 설명하고자 한다.
상기 제 1이동디스크(25)는 제 1풀리 실린더 챔버(24)와 벨트(26)의 저항성 힘에 의해 주 샤프트(23)를 중심으로 회전운동하게 된다. 상기 벨트(26)은 제 1이동디스크(25)와 제 1고정 디스크(27) 사이에 위치하기 때문에 상기 벨트(26)는 상기 발전기 구동부로 회전력을 전달한다. 유체의 압력에 의해 유도된 클랭핑 힘(clamping force)는 상기 벨트(26)를 통해 제 2풀리를 구동시키는 것이다. 상기 힘은 상기 발전기(33)를 구동시키기 위하여 상기 드리븐 샤프트(32)로 전달된다. CVT의 변속비율(transmission ratio)를 제어함으로써,발전기(33)에 의해 유도된 저항성 토크도 제어될 수 있다.
한편, 제어부(47)는 상기 유압 플라이휠(37) 및 상기 CVT의 동작을 제어한다.
제어부(47)는, 상기 회전 결합체(44)가 상기 유체를 상기 유압 챔버(38)의 후방에 연결된 유체 주입 샤프트(43)로 주입하도록 하여 상기 유압 챔버(38)로 상기 유체를 공급하거나, 역으로 상기 유체를 배출시키도록 하면서 상기 유압 챔버(38) 내부 압력을 제어한다. 즉, 상기 제어부(47)는, 상기 유체량을 변화시켜서 상기 유압 챔버(38)의 부피를 조정하고, 상기 유압 챔버(38)의 부피가 변함에 따라 상기 유압 플라이휠(47)의 관성이 변하는 것을 통하여 상기 부유체(7)의 상하운동의 관성을 보충하도록 제어한다.
또한, 상기 제어부(47)는, 상기 유압 플라이휠(37)의 압력센서(42,45)로부터 유압 챔버(38)의 내부 압력에 관한 압력정보 신호를, 상기 발전기(33)에 연결된 토크변환기(22)로부터 상기 발전기(33)의 토크에 관한 토크정보 신호를 개별적으로 수신하고, 상기 유압 플라이휠(47) 및 상기 CVT로 제어신호를 개별적으로 송신한다.
결과적으로, 제어부(47)는 상기한 유압 챔버(38)로 공급되는 유체량을 제어한다. 상기 압력센서(42,45)로부터의 압력 상태정보와 발전기(33)의 토크 상태를 담은 정보를 상기 압력센서(42,45) 및 발전기(33)에 연결된 토크변환기(22)로부터 개별적으로 수신하고, 상기 제어부(47)는 제어신호를 계산하여 이를 유압플라이휠(37)에 연결된 회전결합체(44)), 상기 CVT의 플라이휠구동부 및 발전기 구동부로 개별적으로 송신한다. 그리하여 상기 유압 시스템은 흡수된 전력을 최적화하도록 제어할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 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 실시 예에 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: 기초 지지대 26: 벨트
2: 플랫폼 27: 제 1 고정 디스크
3: 난간 28: CVT 회전 결합체
4: 리니어 베어링 29: 제 2 풀리 실린더 챔버
5. 리니어 막대 30: 제 2 이동 디스크
6: 막대 지지대 31: 제 2 고정 디스크
7: 부유체 32: 드리븐 샤프트
8: 볼트 33: 발전기
9: 볼 조인트 34: 단방향 회전 연결장치
10: 추진 샤프트 35: 플라이휠 샤프트
11: 랙 지지대 36: 회전 베어링
12: 랙 37: 유압 플라이휠
13: 피니언 38, 46: 유압 챔버
14: 가이드 라인(guide line) 39: 가스 챔버
15: 입력 샤프트 40: 피스톤
16: 단방향 베어링 41: 실(seal)
17: 드라이빙 기어 42, 45: 압력 센서
18: 드리븐 기어 43: 유체 주입 샤프트
19: 출력 샤프트 44: 회전결합체
20: 덮개 47: 제어부
21: 플라이휠
22: 토크변환기(torque transducer)
23: 주 샤프트
24: 제 1 풀리 실린더 챔버(pully cylinder chamber)
25: 제 1 이동 디스크

Claims (5)

  1. 양방향 회전운동을 단방향 회전운동으로 변환하는 양방향 회전운동 컨버터(bidirectional rotary motion converter);
    부유체의 상하운동의 관성을 보충하기 위하여 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 입력 샤프트(input shaft)의 일단에 장착된 2개의 유압 플라이휠(hydraulic flywheel);
    발전기 토크(torque)에 의해 유도된 저항성 부하(resistive load)를 제어하기 위하여 상기 양방향 회전운동 컨버터에 연결된 출력 샤프트(output shaft)의 일단에 장착된 플라이휠 및 발전기 사이에 연결된 CVT(continuously variable transmission);
    상기 유압 플라이휠 및 상기 CVT를 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 유압 플라이휠은,
    상기 입력 샤프트에 직접 연결된 단방향 회전연결장치(one way rotary coupling);
    유체의 압력에 따라 상기 유체가 유입 혹은 배출되는 유압 챔버(hydraulic chamber);
    상기 유체의 유입 혹은 배출에 따른 유체량의 급격한 변화를 완충하는 역할을 하는 가스 챔버(gas chamber);
    상기 유압 챔버 내의 상기 유체의 압력을 측정하는 압력 센서; 및
    상기 유체를 상기 유압 챔버로 공급하거나 혹은 상기 유압 챔버로부터 배출시키는 회전결합체(rotary union);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 부유체의 상하운동의 관성은,
    상기 유체량을 변화시켜서 상기 유압 챔버의 부피를 조정하고, 상기 유압 챔버의 부피가 변함에 따라 상기 유압 플라이휠의 관성이 변하는 것을 통하여 보충되는 것을 특징으로 하는 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 CVT는, 상기 플라이휠이 상기 출력 샤프트로부터 전달받은 토크를 벨트를 이용하여 상기 발전기로 전달하는 것을 특징으로 하는 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 유압 플라이휠의 압력센서로부터 유압 챔버의 내부 압력에 관한 압력정보 신호를, 상기 발전기에 연결된 토크변환기(torque transducer)로부터 상기 발전기 토크에 관한 토크정보 신호를 개별적으로 수신하고, 상기 유압 플라이휠 및 상기 CVT로 제어신호를 개별적으로 송신하는 것을 특징으로 하는 가변관성과 CVT를 이용한 고효율 파력 발전기.
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