KR101757367B1 - 싱글 버킷 항력형 터빈 및 파력 발전 장치 - Google Patents

싱글 버킷 항력형 터빈 및 파력 발전 장치 Download PDF

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Abstract

파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출할 수 있는 항력형 터빈과, 상기 항력형 터빈을 구비하는 파력 발전 장치를 제공한다.
싱글 버킷 항력형 터빈은, 반으로 나누어진 통체의 싱글의 버킷과, 버킷에 대향하는 균형추를 구비하고, 파 중의 회전 운동하는 유체 입자에 의해 가압된 버킷과 균형추가 일체로 되어 회전한다. 버킷에 대향하는 것은 균형추이므로, 버킷과 균형추가 일체로 되어 회전할 때, 버킷과 균형추가 대략 같은 위상의 유속 벡터 중에 존재해도, 균형추를 저항이 적은 형상으로 하여 두면, 버킷이 유체 입자로부터 받는 힘은 균형추가 유체 입자로부터 받는 힘보다 훨씬 더 커지고, 양자는 상쇄하지 않는다. 따라서, 싱글 버킷 항력형 터빈은, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출할 수 있다.

Description

싱글 버킷 항력형 터빈 및 파력 발전 장치{SINGLE BUCKET DRAG-TYPE TURBINE AND WAVE POWER GENERATOR}
본 발명은, 자연 에너지 인출 장치에 관한 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 파(W) 중 유체(流體) 입자는 타원 궤도를 그려 회전하고 있다. 타원 궤도를 그리는 유체 입자의 유속(流速) 벡터의 방향은, 파의 마루의 위치에서는 파의 진행 방향이며, 마루(山)에서 골(谷)에 이르는 중간 위치에서는 하(下) 방향이며, 골에서는 파의 진행 방향과는 역(逆) 방향이며, 골로부터 마루에 이르는 중간 위치에서는 상(上) 방향이다. 비특허 문헌 1은, 파 중의 회전 운동하는 유체 입자에 의해 야기되는, 파 중에 놓인 복수의 버킷을 가지는 항력형 터빈의 회전에 관한 기초적인 연구 성과를 발표하고 있다.
비특허 문헌 1: 모하메드·파이잘(Moha㎜ed Faizal) 외 2명, 「파 중의 오 비탈 모션을 이용하여 사보니우스 로터를 회전 구동시키는 것에 대하여(On utilizing the orbital motion in water waves to drive a Savonius rotor」, 리뉴어블 에너지(Renewable Energy), 2010년, 제35권, 164~169페이지
파 중의 유체 입자의 타원 궤도는 수면 근처에서는 원형에 가깝고, 그 반경은 파의 편진폭과 같다. 상기 타원 운동의 유속은 깊이 방향으로 감쇠(減衰)하므로, 파 중의 회전 운동하는 유체 입자에 의해 항력형 터빈을 회전 구동시키는 경우에는, 버킷의 회전 반경이 파의 편진폭과 같은 항력형 터빈을 수면 가까이에 설치하는 것이 바람직하다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 복수의 버킷을 가지는 항력형 터빈으로서, 버킷의 회전 반경이 파의 편진폭과 같은 항력형 터빈을 수면 가까이에 설치한 경우, 대향하는 2개의 버킷(A, B) 사이의 거리는 일반적으로 파의 파장에 비해 훨씬 더 짧으므로, 회전 중심(C) 주위에 버킷(A, B)이 일체로 되어 회전할 때, 버킷(A, B)은 대략 같은 위상의 유속 벡터 Va, Vb 중에 있게 되어, 유체 입자로부터 버킷(A, B)에 인가되는 회전 토크가 대략 상쇄하고, 항력형 터빈이 회전 운동하는 유체 입자로부터 추출할 수 있는 토크는, 버킷의 방향의 상위에 따른 저항 차분만으로 된다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출할 수 있는 항력형 터빈과, 상기 항력형 터빈을 구비하는 파력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에 있어서는, 반으로 나누어진 통체의 싱글의 버킷(single semi-cylindrical bucket)과, 버킷에 대향하는 균형추(counterweight)를 구비하고, 파 중의 회전 운동하는 유체 입자에 의해 가압된 버킷과 균형추가 일체로 되어 회전하는 것을 특징으로 하는 싱글 버킷 항력형 터빈을 제공한다.
본 발명에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈에 있어서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 버킷(A)에 대향하는 것은 균형추(D)이므로, 회전 중심(C) 주위에 버킷(A)과 균형추(D)가 일체로 되어 회전할 때, 버킷(A)과 균형추(D)가 대략 같은 위상의 유속 벡터 Va, Vd 중에 존재해도, 균형추(D)를 저항이 적은 형상으로 하여 두면, 버킷(A)이 유체 입자로부터 받는 힘은 균형추(D)가 유체 입자로부터 받는 힘보다 훨씬 더 커지고, 양자는 상쇄하지 않는다. 따라서, 본 발명에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈은, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출할 수 있다.
본 발명의 바람직한 태양(態樣)에 있어서는, 버킷은 반원 통체이며, 균형추는 유선형이다.
반원 통체의 버킷은 저항이 크고, 유선형의 균형추는 저항이 적기 때문에, 상기 형상은 본 발명에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈에 바람직하다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 싱글 버킷 항력형 터빈은, 버킷의 길이 방향 양단에 고정된 말단판(端板)을 구비하고, 균형추는 상기 말단판에 고정되어 있다.
버킷의 길이 방향 양단에 고정된 말단판은, 버킷을 통과하는 파의 2차 원성을 유지하고, 버킷이 안정된 회전을 유지하는 데 기여한다. 말단판을 균형추의 고정에 이용하면, 별도 고정용 부재를 설치할 필요가 없어져, 부품수의 저감에 기여한다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 버킷과 균형추가 일체로 되어 회전할 때, 버킷이 회전 중심보다 아래쪽에 있을 때의 버킷으로부터 회전 중심까지의 거리가, 버킷이 회전 중심보다 위쪽에 있을 때의 버킷으로부터 회전 중심까지의 거리보다 짧다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 파 중의 유체 입자의 타원 운동의 유속은 깊이 방향으로 감쇠한다. 따라서, 버킷의 주속(周速)이 버킷의 회전 위치와 관계없이 일정하면, 버킷이 아래쪽 위치에 있을 때 버킷의 주속이 유체 입자의 유속보다 커지고, 버킷 후방에 부압(負壓) 영역이 생겨 유체 입자가 버킷의 회전 운동의 저항이 되는 경우가 생길 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 버킷(A)을 링(E)에 고정하고, 버킷(A)을 위쪽으로 향해 링(E)의 내주(內周) 하단부를 링(E)의 내직경의 절반의 외직경을 가지는 고정륜(F)의 외주(外周) 하단부에 접촉시키고, 이어서, 링(E)과 고정륜(F)과의 사이의 미끄러짐을 금지하면서 링(E)을 고정륜(F)의 주위로 회전시키면, 버킷(A)이 1회전하는 사이에, 링(E)과 고정륜(F)과의 접점은 고정륜(F)을 2바뀌 돌고, 링(E)과 고정륜(F)과의 접점인 버킷(A)의 회전 중심(C)과 버킷(A)과의 거리는, 버킷(A)이 회전 중심(C)의 연직(沿直) 위쪽으로 있을 때 최대로 되어, 버킷(A)이 하강하는 것에 따라 감소하고, 버킷(A)이 회전 중심(C)의 연직 아래쪽에 있을 때 최소로 된다. 따라서, 버킷(A)이 일정한 각속도로 회전했다고 해도, 버킷(A)이 아래쪽 위치에 있을 때 버킷(A)의 주속이 저하되어 깊이 방향으로 감쇠한 유체 입자의 유속에 접근하므로, 버킷(A)의 후방에 부압 영역이 형성되는 사태의 발생이 억제되고, 유체 입자가 버킷(A)의 회전 운동의 저항이 되는 사태의 발생이 억제된다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 말단판은 링이며, 싱글 버킷 항력형 터빈은, 직경 방향 중앙부에 회전 가능하게 장착된 한 쌍의 가이드 롤러와 중심부를 상대 회전 가능하게 관통하는 고정륜이 링의 내주면과 맞닿는 동륜(動輪)을 구비하고, 링의 내직경은 고정륜의 외직경의 2배이며, 링은 고정륜과의 접점에 있어서 미끄러짐이 생기지 않고 고정륜의 주위를 회전한다.
상기 구성에 의하면, 버킷이 회전 중심보다 아래쪽에 있을 때의 버킷으로부터 회전 중심까지의 거리를, 버킷이 회전 중심보다 위쪽에 있을 때의 버킷으로부터 회전 중심까지의 거리보다 짧게 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 태양에 있어서는, 링은 내치(內齒) 기어로서 형성되고, 고정륜의 링 내주면과의 맞닿음부는 외치(外齒) 기어로서 형성되고, 링의 내치 기어와 고정륜의 외치 기어가 맞물린다.
상기 구성에 의하면, 링과 고정륜과의 접점에 있어서 미끄러짐이 생기지 않고, 링을 고정륜의 주위로 회전시키는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서는, 상기 어느 하나의 싱글 버킷 항력형 터빈과, 싱글 버킷 항력형 터빈을 회전 가능하게 지지하는 부체와, 부체에 장착되는 동시에 싱글 버킷 항력형 터빈에 의해 회전 구동되는 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치를 제공한다.
본 발명에 관한 파력 발전 장치는, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출하여 전기 에너지로 변환할 수 있다.
도 1은 파 중의 유체 입자의 궤도를 예시도이다.
도 2는 파 중에 놓여진 복수의 버킷을 가지는 항력형 터빈과 파 중의 유체 입자의 유속 벡터와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 파 중에 놓여진 본 발명에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈과 파 중의 유체 입자의 유속 벡터와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 버킷의 주속도(周速度)를 파 중 유체 입자 유속의 깊이 방향의 감쇠에 맞추어 변화시키는 기구(機構)의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈과, 상기 터빈을 구비하는 파력 발전 장치의 사시도이다. (a)는 2 터빈＋1 부체의 구성을 나타내고, (b)는 2 터빈＋3 부체의 구성을 나타낸다.
도 6은 일파가 통과할 때의, 도 5의 싱글 버킷 항력형 터빈과 파력 발전 장치의 작동을 시계열적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈과 상기 터빈을 구비하는 파력 발전 장치의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 관한 싱글 버킷 항력형 터빈과 상기 터빈을 구비하는 파력 발전 장치의 분해사시도이다.
도 9는 일파가 통과할 때의, 도 7의 싱글 버킷 항력형 터빈과 파력 발전 장치의 작동을 시계열적으로 나타낸 도면이다.
실시예 1
도 5의 (a)에 나타낸 바와 같이, 회전축(1)과, 회전축(1)에 반원형 단면(斷面)의 원호의 일단이 고정된 반원 통체의 버킷(2)과, 버킷(2)의 길이 방향의 일단에 고정된 원형의 말단판(3a)과, 버킷(2)의 길이 방향의 타단에 고정된 원형의 말단판(3b)과, 회전축(1)을 사이에 협지(sandwich)하여 버킷(2)에 대향하여 말단판(3a, 3b)에 고정된 유선형의 균형추(4a, 4b)로, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)이 구성되어 있다. 회전축(1)은 말단판(3a, 3b)의 중심을 관통하고 있다. 말단판(3a, 3b)은 회전축(1)과 직교하고 있다. 싱글 버킷 항력형 터빈(5)은 도 3에 나타낸 싱글 버킷 항력형 터빈의 일 실시예이다.
한 쌍의 싱글 버킷 항력형 터빈(5, 5)이, 회전축(1)을 서로 정렬시키고, 또한 한쪽의 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 회전축(1)의 말단판(3a)을 관통한 일단을, 다른 쪽의 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 회전축(1)의 말단판(3b)을 관통한 일단에 맞대어져, 일체로 결합되어 있다. 회전축(1)의 인접하는 말단판(3a, 3b) 사이에서 연장되는 부분이, 부체(6)를 회전 가능하게 관통하고 있다. 부체(6)를 협지하는 말단판(3a, 3b)의 정상부(頂部)는, 부체(6)의 정상부보다 위쪽으로 있다.
부체(6)의 정상부에 고정된 발전기(7)의 구동축이, 부체(6)를 협지하는 말단판(3a, 3b)의 정상부에 작동하여 걸어맞추어져 있다.
상기 구성 부품에 의해 파력 발전 장치(8)가 구성되어 있다.
파력 발전 장치(8)는, 해저에 설치한 테트라 포트(tetrapod) 등의 도시하지 않은 앵커에 계류삭(繫留索)(9)을 통하여 부체(6)가 연결되고, 도 5의 (a)에 흰 도형의 화살표로 나타내는 파(波)의 진행 방향으로 회전축(1)을 직교시켜, 정상부를 제외한 부체(6)의 대부분을 몰수시켜 해면 상에 부유하고 있다. 파가 싱글 버킷 항력형 터빈(5)을 통과할 때, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 하부는 상시(常時) 몰수(沒水)하고 있지만, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 정상부는 몰수와 부상을 반복한다.
회전축(1)의 위치는 파에 의해 동요하지만, 부체(6)의 치수와 중량의 조정에 의해 동요의 고유 주기를 파 주기부터 어긋나게 하여 동요를 최소로 억제한다.
수심이 얕은 경우에는, 착저식의 지지 구조물로 싱글 버킷 항력형 터빈(5)을 지지해도 된다.
전술한 바와 같이, 유체 입자의 타원 운동의 최대 반경은 파의 편진폭과 같으므로, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 직경은, 에너지를 흡수하고자 하는 최대 파고와 같은 정도로 설정한다.
싱글 버킷 항력형 터빈(5)과 파력 발전 장치(8)의 작동을 설명한다.
도 6의 (a)에서 흰 도형의 화살표로 나타내는 진행 방향의 파(W)가, 파력 발전 장치(8)를 통과한다. 1개의 파(W)가 파력 발전 장치(8)를 통과할 때, 파(W)와 유체 입자의 유속 벡터 Va, Vd의 위상과, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 버킷(2)과 균형추(4a, 4b)의 위상과의 관계는, 시계열적으로 도 6의 (a)~도 6의 (e)에 나타낸 바와 같이, 변화한다. 도 6의 (a)~ 도 6의 (e)로부터 알 수 있는 바와 같이, 파(W)의 마루(山)가 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 위치에 왔을 때 버킷(2)은 최상 위치에 있고, 파(W)의 통과에 따라 유속 벡터 Va의 위상이 변화하는 유체 입자에 가압되어 버킷(2)은 회전축(1) 주위로 회전하고, 파(W)의 골(谷)이 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 위치에 왔을 때 버킷(2)은 최하 위치에 도달하고, 파(W)가 또한 통과하여 다음의 파(W)의 마루가 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 위치에 왔을 때, 버킷(2)은 1회전하여 최상 위치에 돌아온다. 파(W)의 1주기에서 버킷(2)은 1회전 한다.
현실의 파 주기는 일정하지 않기 때문에, 파 주기와 버킷(2)의 회전 주기가 동기(同期) 하지 않는 사태가 발생할 수 있다. 버킷(2)의 회전 주기가 파 주기보다 짧아지는 사태의 발생은, 발전기(7)가 싱글 버킷 항력형 터빈(5)에 인가하는 반력(反力)으로서의 토크에 의해 억제되고, 버킷(2)의 회전 주기가 파 주기보다 지연되는 사태의 발생은, 말단판(3a, 3b)의 플라이 휠로서의 기능에 의해 억제된다. 이 결과, 파 주기와 버킷(2)의 회전 주기와의 동기가 현저하게 저해되는 사태의 발생이 방지된다.
파장이 변화하면 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 회전 속도가 변화하지만, 파장에 의한 동조, 비동조에 의해 에너지의 흡수 효율이 크게 변화하지는 않는다.
버킷(2)과 균형추(4a, 4b)와의 사이의 거리는, 파(W)의 파장보다 훨씬 더 짧으므로, 도 6의 (a)~도 6의 (e)로부터 알 수 있는 바와 같이, 버킷(2)과 균형추(4a, 4b)와는 대략 같은 위상의 유속 벡터 Va, Vd 중에 존재하지만, 버킷(2)이 유체 입자로부터 받는 힘은 유선형의 균형추(4a, 4b)가 유체 입자로부터 받는 힘보다 훨씬 더 크고, 양자는 상쇄하지 않는다. 따라서, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)은, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출하여, 자체의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있다.
말단판(3a, 3b)은 버킷(2)을 통과하는 파의 2차원성을 유지하고, 버킷(2)이 안정된 회전을 유지하는 데 기여한다.
전술한 바와 같이, 말단판(3a, 3b)은, 플라이 휠로 되어 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 관성 모멘트를 증가시키고, 터빈의 회전 속도의 평준화에 기여한다.
싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 회전 운동 에너지는, 부체(6)를 협지하는 말단판(3a, 3b)의 정상부에 구동축이 작동하여 걸어맞추어져 있는 발전기(7)를 통하여 전기 에너지로 변환된다. 따라서, 파력 발전 장치(8)는, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출하여 전기 에너지로 변환할 수 있다.
도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이, 도 5의 (a)의 회전축(1)의 부체(6)로부터 이격되는 양 단부를, 각각 다른 부체(6)에 연결하여 유체수를 증가시켜도 된다.
도 5의 (b)의 한 쌍의 싱글 버킷 항력형 터빈(5)과 3개의 부체(6)의 조립체에, 또한 싱글 버킷 항력형 터빈(5)과 부체(6)를 조립하여, 싱글 버킷 항력형 터빈(5)의 집합체를 회전축(1)의 연장 방향에 확대해서도 된다.
실시예 2
도 7, 도 8에 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 링(11a, 11b)과, 길이 방향의 일단이 링(11a)에 타단이 링(11b)에 고정된 반원 통체의 버킷(12)과, 링(11a, 11b)의 중심 사이에 협지하여 버킷(12)에 대향하여 링(11a, 11b)에 고정된 유선형의 균형추(13a, 13b)와, 직경 방향 중앙부에 회전 가능하게 장착된 한 쌍의 가이드 롤러(14a, 15a)와 중심부를 상대 회전 가능하게 관통하는 고정륜(16a)이 링(11a)의 내주면과 맞닿는 동륜(17a)과, 직경 방향 중앙부에 회전 가능하게 장착된 한 쌍의 가이드 롤러(14b, 15b)와 중심부를 상대 회전 가능하게 관통하는 고정륜(16b)이 링(11b)의 내주면과 맞닿는 동륜(17b)으로, 싱글 버킷 항력형 터빈(18)이 구성되어 있다. 고정륜(16a)은 동륜(17a)을 관통하여 유체(19a)에 고정되고, 고정륜(16b)은 동륜(17b)을 관통하여 유체(19b)에 고정되어 있다. 링(11a, 11b)은 내치 기어로서 형성되고, 고정륜(16a, 16b)의 링(11a, 11b)과의 맞닿음부는 외치 기어로서 형성되어 있고, 양자는 맞물려 있다. 따라서, 링(11a, 11b)은 고정륜(16a, 16b)과의 접점에서 미끄러짐이 생기지 않고 고정륜(16a, 16b)의 주위를 회전할 수 있다.
링(11a, 11b)의 내직경은 고정륜(16a, 16b)의 외직경의 2배로 설정되어 있다. 따라서 버킷(12)이 일 회전하는 동안에 링(11a, 11b)의 내주면과 고정륜(16a, 16b)의 외주면(外周面)의 접점은, 고정륜(16a, 16b)의 외주를 2바뀌 돈다. 링(11a, 11b)의 내주면과 고정륜(16a, 16b)의 외주면의 접점이 고정륜(16a, 16b)의 외주를 2바뀌 도는 사이에, 링(11a, 11b)에 가압된 가이드 롤러(14a, 15a, 14b, 15b)가 고정륜(16a, 16b)의 주위를 2바뀌 돌고, 나아가서는 동륜(17a, 17b)이 고정륜(16a, 16b)의 주위를 2바뀌 돈다.
싱글 버킷 항력형 터빈(18)은, 도 9의 (a)에 나타낸 바와 같이, 버킷(12)이 최상 위치에 있을 때, 링(11a, 11b) 내주면과 고정륜(16a, 16b) 외주면의 접점이 형성하는 버킷(12)의 회전 중심(C)이 최하 위치에 있도록, 조립되어 있다.
싱글 버킷 항력형 터빈(18)은 도 4에 나타낸 깊이 방향으로 감쇠하는 유체 입자의 유속에 대응한 싱글 버킷 항력형 터빈의 일 실시예이다. 버킷(12)은 도 4의 버킷(A)에 해당하고, 링(11a, 11b)은 도 4의 링(E)에 해당하고, 고정륜(16a, 16b)는 도 4의 고정륜(F)에 해당한다.
동륜(17a, 17b)의 정상부는 유체(19a, 19b)의 정상부보다 위쪽으로 있다. 유체(19a, 19b)는 복수의 지주(支柱)(20)에 의해 서로 연결되어 있다. 유체(19a, 19b)의 정상부에 고정된 발전기(21a, 21b)의 구동축이, 동륜(17a, 17b)의 정상부에 작동하여 걸어맞추어져 있다.
상기 구성 부품에 의해 파력 발전 장치(22)가 구성되어 있다.
파력 발전 장치(22)는, 해저에 설치한 테트라 포트 등의 도시하지 않은 앵커에 계류삭(23a, 23b)을 통하여 유체(19a, 19b)가 연결되고, 도 7에 흰 도형의 화살표로 나타내는 파의 진행 방향으로 버킷(12)의 길이 방향을 직교시켜, 정상부를 제외한 유체(19a, 19b)의 대부분을 몰수시켜 해면 상에 부유하고 있다. 파이 싱글 버킷 항력형 터빈(18)을 통과할 때, 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 하부는 상시 몰수하고 있지만, 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 정상부는 몰수와 부상을 반복한다.
싱글 버킷 항력형 터빈(18)과 파력 발전 장치(22)의 작동을 설명한다.
도 9의 (a)와 흰 도형의 화살표로 나타내는 진행 방향의 파(W)이, 파력 발전 장치(22)를 통과한다. 1개의 파가 파력 발전 장치(22)를 통과할 때, 파(W)와 유체 입자의 유속 벡터 Va, Vd의 위상과, 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 버킷(12)과 균형추(13a, 13b)의 위상과의 상관관계는, 시계열적으로 도 9의 (a)~도 9의 (i)에 나타낸 바와 같이 변화한다. 도 9의 (a)~도 9의 (i)로부터 알 수 있는 바와 같이, 파(W)의 마루가 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 위치에 왔을 때 버킷(12)이 최상 위치에 있으면, 파(W)의 통과에 따라 유속 벡터 Va의 위상이 변화하는 유체 입자에 가압되어 버킷(12)은 고정륜(16a, 16b) 주위로 회전하고, 파(W)의 골이 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 위치에 왔을 때 버킷(12)은 최하 위치에 도달하고, 파(W)가 또한 통과하여 다음의 파(W)의 마루가 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 위치에 왔을 때, 버킷(12)은 일회전 하며 최상 위치에 돌아온다. 파(W)의 1주기에서 버킷(12)은 1회전 하고, 동륜(17a, 17b)은 2회전 한다.
현실의 파 주기는 일정하지 않기 때문에, 파 주기와 버킷(12)의 회전 주기가 동기 하지 않는 사태가 발생할 수 있다. 버킷(12)의 회전 주기가 파 주기보다 짧아지는 사태의 발생은, 발전기(21a, 21b)가 싱글 버킷 항력형 터빈(18)에 인가하는 반력으로서의 토크에 의해 억제되고, 버킷(12)의 회전 주기가 파 주기보다 늦게 되는 사태의 발생은, 링(11a, 11b), 동륜(17a, 17b)의 플라이 휠로서의 기능에 의해 억제된다. 이 결과, 파 주기와 버킷(12)의 회전 주기와의 동기가 현저하게 저해되는 사태의 발생이 방지된다.
버킷(12)과 균형추(13a, 13b)와의 사이의 거리는, 파(W)의 파장보다 훨씬 더 짧으므로, 도 9의 (a)~도 9의 (i)로부터 알 수 있는 바와 같이, 버킷(12)과 균형추(13a, 13b)와는 대략 같은 위상의 유속 벡터 Va, Vd 중에 존재하지만, 버킷(12)이 유체 입자로부터 받는 힘은 유선형의 균형추(13a, 13b)가 유체 입자로부터 받는 힘보다 훨씬 더 크게, 양자는 상쇄하지 않는다. 따라서, 싱글 버킷 항력형 터빈(18)은, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출하여, 자체의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있다.
링(11a, 11b), 동륜(17a, 17b)은 버킷(12)을 통과하는 파의 2차원성을 유지하고, 버킷(12)이 안정된 회전을 유지하는 데 기여한다.
전술한 바와 같이, 링(11a, 11b), 동륜(17a, 17b)은, 플라이 휠로 되어 싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 관성 모멘트를 증가시키고, 터빈의 회전 속도의 평준화에 기여한다.
싱글 버킷 항력형 터빈(18)의 회전 운동 에너지는, 동륜(17a, 17b)의 정상부에 구동축이 작동하여 걸어맞추어진 발전기(21a, 21b)를 통하여 전기 에너지로 변환된다. 따라서, 파력 발전 장치(22)는, 파 중의 유체 입자의 회전 운동 에너지를 효율적으로 추출하여 전기 에너지로 변환할 수 있다.
도 9의 (a)~도 9의 (i)로부터 알 수 있는 바와 같이, 링(11a, 11b) 내주면과 고정륜(16a, 16b) 외주면의 접점이 형성하는 버킷(12)의 회전 중심(C)과 버킷(12)과의 거리는, 버킷(12)이 회전 중심(C)의 연직 위쪽으로 있을 때 최대로 되어[도 9의 (a), 도 9의 (i)], 버킷(12)이 하강하는 것에 따라 감소하고, 버킷(12)이 회전 중심(C)의 연직 아래쪽에 있을 때 최소로 된다[도 9의 (e)]. 따라서, 버킷(12)이 일정한 각속도로 회전했다고 해도, 버킷(12)이 아래쪽 위치에 있을 때 버킷(12)의 주속이 저하되어 깊이 방향으로 감쇠된 유체 입자의 유속에 접근하므로, 버킷(12)의 후방에 부압 영역이 형성되는 사태의 발생이 억제되고, 유체 입자가 버킷(12)의 회전 운동의 저항이 되는 사태의 발생이 억제된다.
버킷(2, 12)의 단면 형상은 반원형에 한정되지 않는다. 버킷(2, 12)은, 버킷 회전 방향으로 돌출된 만곡 또는 굴곡된 단면 형상을 가지는 반으로 나누어진 통체 또는 반 분할(에 가까운 통체의 분할체이면 된다.
균형추(4a, 4b), 13a, 13b의 형상은 유선형에 한정되지 않는다. 유체 입자의 흐름에 대하여 저항이 적은 형상이면 된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은, 파력 발전에 널리 이용 가능하다.
A, B, 2, 12: 버킷
C: 회전 중심
D, 4a, 4b, 13a, 13b: 균형추
5, 18: 싱글 버킷 항력형 터빈
6, 19a, 19b: 부체
7, 21a, 21b: 발전기
E, 11a, 11b: 링
F, 16a, 16b: 고정륜
17a, 17b: 동륜
8, 22: 파력 발전 장치
W: 파
Va, Vb: 유체 입자의 유속 벡터

Claims (7)

  1. 반으로 나누어진 통체(筒體)의 싱글의 버킷(bucket)과, 회전축을 사이에 두고 상기 버킷에 대향하는 균형추(錘)를 포함하고,
    파(波) 중의 회전 운동하는 유체(流體) 입자에 의해 가압된 상기 버킷과 상기 균형추가 상대적 위치관계가 고정된 상태에서 함께 회전하는,
    싱글 버킷 항력형 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 버킷은 반원(半圓) 통체이며, 상기 균형추는 유선형인, 싱글 버킷 항력형 터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 버킷의 회전축 방향 양단에 고정된 말단판(端板)을 구비하고, 상기 균형추는 상기 말단판에 고정되어 있는, 싱글 버킷 항력형 터빈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 버킷과 상기 균형추가 상대적 위치관계가 고정된 상태에서 함께 회전할 때, 상기 버킷이 회전 중심보다 아래쪽에 있을 때의 버킷으로부터 회전 중심까지의 거리가, 상기 버킷이 회전 중심보다 위쪽에 있을 때의 버킷으로부터 회전 중심까지의 거리보다 짧은, 싱글 버킷 항력형 터빈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 말단판은 링이며, 직경 방향 중앙부에 회전 가능하게 장착된 한 쌍의 가이드 롤러와 중심부를 상대 회전 가능하게 관통하는 고정륜이 링의 내주면과 맞닿는 동륜(動輪)을 구비하고, 상기 링의 내직경은 고정륜의 외직경의 2배이며, 상기 링은 고정륜과의 접점에 있어서 미끄러짐이 생기지 않고 상기 고정륜의 주위를 회전하는, 싱글 버킷 항력형 터빈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 링은 내치(內齒) 기어로서 형성되고, 상기 고정륜의 링 내주면과의 맞닿음부는 외치(外齒) 기어로서 형성되고, 상기 링의 내치 기어와 상기 고정륜의 외치 기어가 맞물리는, 싱글 버킷 항력형 터빈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 싱글 버킷 항력형 터빈; 및
    상기 싱글 버킷 항력형 터빈을 회전 가능하게 지지하는 부체(浮體)와, 상기 부체에 장착되는 동시에 상기 싱글 버킷 항력형 터빈에 의해 회전 구동되는 발전기;
    를 포함하는 파력 발전 장치.
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