KR101763802B1 - 하이브리드 풍력-파력 발전기 - Google Patents

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콩 빈 판
찌 둥 장
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은, 하이브리드 풍력-파력 발전기에 관한 것으로서, 그 구조는, 파동에 따라 상하 방향으로 움직임이 가능하도록 마련된 플로트부와, 상기 플로트부에 연결되어 상기 플로트부의 상하 방향 운동을 일 방향으로의 회전 운동으로 변환하는 변환부를 포함하는 파력 변환 장치; 중심축을 기준으로 하여 회전 가능하게 마련되는 다수의 블레이드부와, 상기 블레이드부가 회전함에 따라 회전력을 전달받아 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환하는 유압펌프부를 포함하는 풍력 변환 장치; 상기 변환부의 회전 운동을 전달받아 구동 가능하고, 상기 유압펌프부로부터 유압 에너지를 공급받아 구동 가능한 유압모터부와, 상기 유압모터부에 의해 구동하는 제너레이터부를 포함하는 하이브리드 유압 기계 장치를 포함하며, 상기의 구조에 따르면, 풍력 변환 장치로부터 발생된 유압을 유압모터부에 공급하며, 파력 변환 장치로부터 발생된 기계적인 회전 동력을 유압모터부에 공급함으로써, 유압모터부는 더욱 효율적으로 구동할 수 있도록 유압과 회전 동력을 선택하여 공급받을 수 있는 효과가 있다.

Description

하이브리드 풍력-파력 발전기{Hybrid wind wave power plant}
본 발명은 유압모터부는 더욱 효율적으로 구동할 수 있도록 유압과 회전 동력을 선택하여 공급받을 수 있는 하이브리드 풍력-파력 발전기에 관한 것이다.
우리나라는 현재 에너지원 단위(국내 총생산당 소비에너지)가 세계에서 가장 높은 수준이며, 에너지 국외 의존도는 전체 사용량의 97% 정도이고, 대부분이 화석연료 및 핵발전에 의한 것이다. 그리고 재생에너지는 전체 사용량의 2% 이하에 불과한 실정이다. 이와 같이 현재 환경을 고려한 에너지 사용에 관한 필요성이 급격히 부각되고 있는 실정에서 재생에너지 개발은 선택이 아닌 필수적인 상황이다.
이를 위한 재생 에너지로서 태양열, 풍력, 및 조력의 에너지가 개발되고 있으나, 태양열의 경우 일조시간에만 집광 가능하고, 아침 및 저녁에는 효율이 10%로 감소되고 기상악후로 인해 효율은 20% 감소되고, 풍력의 경우 국내의 지리적 여건상 효율성이 많이 떨어지고, 규칙적이지 못해 전력발생에 적절하지 못하고, 조력의 경우 국내의 지리적 여건을 반영하여 파력에너지와 함께 국내 적용이 적합한 재생에너지로 판단되나 조수 간만의 차를 이용하므로 얻어질 수 있는 에너지가 충분하지 못한 문제점을 지니고 있다. 이에 반하여, 파력 에너지는 태양에너지와 함께 아무리 사용하여도 고갈되지 않는 무한 청정에너지라고 할 수 있다. 그리고 인류의 미래를 위한 대체 에너지원으로서의 큰 기대에 의해 가용에너지 추출방법에 대한 연구가 오랫동안 수행되어 왔고, 많은 장점을 지니고 있어 선진국에서도 활발한 개발이 이루어지고 있다.
또한, 현존하는 발전 시스템 중에서 발전효율이 가장 높은 시스템은 수차발전이다. 그리고 상기 수차발전은 물의 위치에너지 즉, 수두차×유량을 수차(프란시스수차, 펠턴수차등)를 이용하여 95% 이상의 효율로 전기에너지로 바꾼다. 그러나 예측가능성과 지속성이 있는 위치에너지의 확보가 어려워 가동효율이 저하되고 댐 건설비 등 많은 비용이 소요되며, 환경문제 또한 발생된다. 상기 수차발전을 구현하기 위한 동력의 하나로 파력에너지는 고갈되지 않는 무한 청정에너지라고 할 수 있으며, 이를 이용한 발전장치는 해안으로부터 충분히 먼 곳에 설치되고, 태양에너지나 풍력에너지에 비하여 보다 예측 가능하며 전력망을 이용하여 급송할 수 있어 수익성이 높다. 이에 더하여 파력 에너지의 강점은 고전력 밀도를 가진다는 것이며 대양에 존재하는 풍력 에너지까지 포함하는 파력을 더욱 쉽고 싸게 집적할 수 있다.
상기의 이점으로 인해 파력에너지를 이용한 발전기는 다양하게 개발되고 있으나 효율이 낮고 전력생산 대비 설치비가 매우 커서 실용화에 어려움이 있으며, 효과적으로 구현하기 위해서는 지리적 여건뿐만 아니라, 기술적으로도 많은 점을 보완하여야 하고, 그 구조 또한 매우 복잡하여 유지 및 보수에 비용이 많이 든다는 문제점을 지니고 있다.
종래 '해수면의 파고에 따른 부력과 풍력과 태양광을 이용한 전력발전장치'가 대한민국 등록특허 제1505713호에 제시되어 있다.
상기의 공보에 따르면, 해수면의 파고에 따른 부력과 풍력과 태양광을 이용한 전력발전 및 에어 생산장치로, 연안 바다에 설치하여 파도가 본체부선을 아래에서 밀어 올려주면 본체부선이 상승되고 파고가 소멸되면 본체부선이 자중에 의해 아래로 하강되는 과정에 상·하 직선운동을 회전운동으로 변환하여 발전기를 작동하여 전력 생산한다.
그러나 종래 파력과 풍력 등을 이용한 발전장치는 기후 조건이나 파도의 상태에 따라 발전 효율의 범위가 커서 비효율적이라는 문제점이 있다.
따라서, 외부 조건에 따라서도 발전 효율의 편차를 줄여 더욱 효과적인 발전을 수행할 수 있는 하이브리드 풍력 파력 발전기 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 유압모터부는 더욱 효율적으로 구동할 수 있도록 유압과 회전 동력을 선택하여 공급받을 수 있으며, 파력변환장치는 원호를 이루며 배치되어 있어 여러 방향에서 파력을 동시에 흡수할 수 있고, 양방향을 회전을 어느 한 방향으로의 회전으로 변환하여 전달함으로써, 동력을 효과적으로 전달할 수 있어 발전 효율을 더욱 높일 수 있는 하이브리드 풍력-파력 발전기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명은, 파동에 따라 상하 방향으로 움직임이 가능하도록 마련된 플로트부와, 상기 플로트부에 연결되어 상기 플로트부의 상하 방향 운동을 일 방향으로의 회전 운동으로 변환하는 변환부를 포함하는 파력 변환 장치; 중심축을 기준으로 하여 회전 가능하게 마련되는 다수의 블레이드부와, 상기 블레이드부가 회전함에 따라 회전력을 전달받아 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환하는 유압펌프부를 포함하는 풍력 변환 장치; 상기 변환부의 회전 운동을 전달받아 구동 가능하고, 상기 유압펌프부로부터 유압 에너지를 공급받아 구동 가능한 유압모터부와, 상기 유압모터부에 의해 구동하는 제너레이터부를 포함하는 하이브리드 유압 기계 장치를 포함하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 플로트부는, 부력을 가지는 플로트와, 일단이 메인 프레임에 회전 가능하게 연결되어 있는 암 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 유압 기계 장치를 포함하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 플로트부는, 일단이 상기 암 구조의 타단에 회전 가능하게 연결되고, 타단은 상기 메인 프레임에 회전 가능하게 연결되어 있는 유압 실린더를 더 포함하여, 상기 유압 실런더가 신축함에 따라 상기 플로트의 위치가 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 변환부는, 상기 암 구조 상에 회전 가능하게 마련된 제1풀리와, 상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련된 제2풀리와, 일단은 상기 플로트에 연결되고, 상기 제1풀리와 상기 제2풀리에 감겨지며, 타단에는 무게추가 연결되어 있는 케이블과, 상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련되는 제3회전축과, 상기 제3회전축에 설치되는 제3풀리와, 상기 제3풀리에 감겨지며, 상기 케이블과 연결되는 타이밍 벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제3풀리는 상기 제3회전축에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어, 상기 제3풀리의 회전력은 상기 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 상기 제3회전축에 전달되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제3회전축의 일단에는 제1교차축 기어가 설치되고, 상기 유압모터부는, 상기 제1교차축 기어와 치합되는 제3교차축 기어와, 상기 제3교차축 기어가 설치되는 출력축과, 상기 출력축에 연결되는 유압모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 변환부는, 상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련되고, 상기 제3회전축과 평행하게 배치되는 제4회전축과, 상기 제4회전축에 설치되는 제4풀리를 더 포함하고, 상기 타이밍 벨트는 상기 제3풀리와 상기 제4풀리에 감겨져 상기 케이블과 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제3풀리는 상기 제3회전축에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어, 상기 제3풀리의 회전력은 상기 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 상기 제3회전축에 전달되고, 상기 제4풀리는 상기 제4회전축에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어, 상기 제4풀리의 회전력은 상기 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 상기 제4회전축에 전달되며, 상기 제3회전축과 상기 제4회전축이 서로 반대방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 변환부는, 상기 제3풀리와 상기 제4풀리 사이의 하부에 배치되고, 상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 설치되는 제5풀리와, 상기 제5풀리의 회전축에 연결되는 플라이휠을 더 포함하고, 상기 타이밍 벨트는 상기 제3풀리와 상기 제5풀리와 상기 제4풀리에 지그재그로 감겨지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제3회전축의 일단에는 제1교차축 기어가 설치되고, 상기 제4회전축의 일단에는 제2교차축 기어가 설치되며, 상기 유압모터부는, 상기 제1교차축 기어와 치합되는 제3교차축 기어와, 상기 제2교차축 기어와 치합되는 제4교차축 기어와, 상기 제3교차축 기어와 상기 제4교차축 기어가 설치되는 출력축과, 상기 출력축에 연결되는 유압모터를 포함하여, 서로 반대 방향으로 회전하는 상기 제3회전축과 상기 제4회전축의 회전력을 동일한 방향의 회전력으로 상기 유압모터에 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 파력 변환 장치는 다수 개 마련되어, 원호 형상으로 서로 간격을 두고 배치되되, 상기 제3회전축들이 직렬로 서로 연결되어 하나의 제3회전축부를 형성하도록 마련되며, 상기 하이브리드 유압 기계 장치는 하나로 마련되어, 상기 하이브리드 유압 기계 장치를 기준으로 하여, 상기 제3회전축부는 상기 하이브리드 유압 기계 장치의 일측과 타측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제3회전축부의 일단에는 제1교차축 기어가 각각 설치되고, 상기 유압모터부는, 상기 제1교차축 기어와 치합되는 제3교차축 기어와, 상기 제3교차축 기어가 설치되는 출력축과, 상기 출력축에 연결되는 유압모터를 포함하되, 상기 제3교차축 기어에 양측의 상기 제1교차축 기어가 치합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기를 제공한다.
본 발명의 하이브리드 풍력-파력 발전기에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
풍력 변환 장치로부터 발생된 유압을 유압모터부에 공급하며, 파력 변환 장치로부터 발생된 기계적인 회전 동력을 유압모터부에 공급함으로써, 유압모터부는 더욱 효율적으로 구동할 수 있도록 유압과 회전 동력을 선택하여 공급받을 수 있다.
파력변환장치는 원호를 이루며 배치되어 있어 여러 방향에서 파력을 동시에 흡수할 수 있다.
유압 실린더의 피스톤이 신축함에 따라 플로트부의 상하 방향 위치가 가변할 수 있어, 해수면의 높이에 따라 플로트부의 상하 방향 위치를 적절하게 조절함으로써, 해수면의 높이가 변하더라도 변화하는 해수면의 높이에 따라 플로트부의 상하 위치를 조절할 수 있으므로 해수면의 어느 위치에서도 파력을 효과적으로 흡수할 수 있다. 또한, 악천후와 같은 날씨에는 유압 실린더의 피스톤이 최대한 줄어들어 플로트부가 해수면으로부터 완전히 들어 올려지게 할 수 있다.
제3풀리와 제4풀리의 회전력은 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 제3회전축과 제4회전축에 전달되어, 제3회전축과 제4회전축이 서로 반대방향으로 회전하고, 서로 반대방향으로 회전하는 회전력은 제1,2교차축 기어가 제3,4교차축 기어와 각각 맞물려 동일한 방향의 회전력으로 변환되어 출력축에 전달함으로써, 유압모터를 구동할 수 있다.
이와 같은 구조는 양방향을 회전을 어느 한 방향으로의 회전으로 변환하여 전달함으로써, 동력을 효과적으로 전달할 수 있어 발전 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 풍력-파력 발전기를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 파력 변환 장치를 상세하게 도시한 도면.
도 3은 도 1의 풍력 변환 장치를 상세하게 도시한 도면.
도 4 및 도 5는 도 1의 하이브리드 유압 기계 장치를 상세하게 도시한 도면.
도 6은 도 1에 도시한 하이브리드 풍력-파력 발전기의 유압과 기계적인 회전력이 유압모터부에 전달되는 것을 보여주기 위하여 도시한 도면.
도 7은 도 2의 유압회로부 내의 유압회로도를 개략적으로 도시한 도면.
도 8은 시간에 따른 제너레이터부의 전류변화, 전압변화, 출력변화를 나타낸 그래프.
도 9는 시간에 따른 풍력 에너지와 파력 에너지, 출력 전기 에너지 및 전체 효율을 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 풍력-파력 발전기는, 도 1에 도시한 바와 같이 파력 변환 장치(200)와 풍력 변환 장치(300)와 하이브리드 유압 기계 장치(400)를 포함한다.
먼저, 메인 프레임은 플랫폼(100)과 기둥 프레임(110) 등을 포함한다.
플랫폼(100)은 해수면의 상측에 배치되며, 이를 위하여 플랫폼(100)의 하부에는 다수의 기둥 프레임(110)이 수직하게 설치된다.
기둥 프레임(110)은 해저로부터 기립되어 플랫폼(100)을 지지한다.
본 실시예에서 플랫폼(100)은 부채꼴 형상이며, 플랫폼(100)의 둘레를 따라 핸드 레일(120)이 마련되어 있으며, 플랫폼(100)의 일측에는 비상시 헬리콥터 등이 이착륙할 수 있는 헬기 이착륙장(130)이 마련되어 있다.
파력 변환 장치(200)는 플랫폼(100)의 원주를 따라 배치되는 것이 바람직하며, 특히 본 실시예에서는 원호를 이루며 배치되어 있어 여러 방향에서 파력을 흡수할 수 있고, 플로트부(210) 사이에 디프렉션(diffraction) 현상을 줄일 수 있다.
이러한 파력 변환 장치(200)는, 도 2에 도시한 바와 같이 플로트부(210)와 변환부(230)를 포함한다.
플로트부(210)는 파동에 따라 상하 방향으로 움직임이 가능하도록 마련되는데, 플로트(211)와 암 구조(213)와 유압 실린더(214)와 제1풀리(215)와 제2풀리(216)와 케이블(217)을 포함한다.
플로트(211)는 부력을 가지며, 해수면에 배치되어 파동에 따라 상하 방향으로 움직임이 가능하다.
암 구조(213)는 두 개의 암이 서로 연결되어 있는 구조이다.
제1암(213a)의 일단은 메인 프레임의 플랫폼(100) 측면 하부에 회전 가능하게 연결되어 있고, 제1암(213a)의 타단은 제2암(213b)과 연결되어 있다.
제2암(213b)의 일단은 제1암(213a)과 연결되어 있고, 제2암(213b)의 타단은 유압 실린더(214)에 연결되어 있다.
이로써, 제1암(213a)과 제2암(213b)으로 구성된 암 구조(213)는 일단이 서로 연결되어 있고, 타단은 서로 간격을 두고 벌어진 형태로 마련되어 있다.
유압 실린더(214)는 일단이 암 구조(213)에 회전 가능하게 연결되어 있고, 타단은 메인 프레임에 회전 가능하게 연결되어 있다. 즉, 유압 실린더(214)의 피스톤은 제2암(251)에 회전 가능하게 연결되어 있고, 유압 실린더(214)의 실린더 본체는 플랫폼(100)의 측면에 회전 가능하게 연결되어 있다.
제1풀리(215)는 암 구조(213) 상에 회전 가능하게 마련되는데, 본 실시예에서는 제1암(213a)과 제2암(213b) 연결된 부분에 회전 가능하게 마련되어 있다.
제2풀리(216)는 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련되는데, 본 실시예에서는 플랫폼의 하부에 회전 가능하게 마련되어 있다.
케이블(217)의 일단은 플로트(211)의 하부에 연결되고, 제1풀리(215)와 제2풀리(216)에 감겨지며, 케이블(217)의 타단에는 무게추(218)(218)가 연결되어 있다.
상기와 같이 구성되어, 유압 실린더(214)의 피스톤이 신축함에 따라, 제2암(213b)과 플랫폼(100) 사이의 길이가 가변함에 따라 플로트(211)의 상하 방향 위치가 가변한다. 따라서, 해수면의 높이에 따라 플로트(211)의 상하 방향 위치를 적절하게 조절함으로써, 해수면의 높이가 변하더라도 변화하는 해수면의 높이에 따라 플로트(211)의 상하 위치를 조절할 수 있으므로 해수면의 어느 위치에서도 파력을 효과적으로 흡수할 수 있다.
또한, 악천후와 같은 날씨에는 유압 실린더(214)의 피스톤이 최대한 줄어들어 플로트부(210)가 해수면으로부터 완전히 들어 올려지게 할 수 있다.
변환부(230)는 플로트부(210)에 연결되어 플로트부(210)의 상하 방향 운동을 회전 운동으로 변환한다. 이를 위하여, 도 4에 도시한 바와 같이 변환부(230)는 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)과 제3풀리(233)와 제4풀리(234)와 타이밍 벨트(237)와 제5풀리(238)와 플라이휠(239)을 포함한다. 본 실시예에서는 변환부(230)에 두 개의 회전축인 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)이 모두 설치되는 것으로 도시하고 설명하겠지만, 실시예에 따라 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a) 중 어느 하나만 설치되어도 무방하다.
메인 프레임 즉, 플랫폼(100)의 상부에는 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)이 회전 가능하게 마련되고, 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)은 서로 평행하게 배치된다.
제3회전축(233a)에는 원 웨이 클러치(미도시)에 의해 제3풀리(233)가 설치되어, 제3풀리(233)의 회전력은 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 제3회전축(233a)에 전달된다. 즉, 제3풀리(233)가 시계방향 또는 반시계방향 어느 방향으로 회전되더라도 원 웨이 클러치에 의해 일 방향으로만 회전력이 전달되므로 도 4에서 제3회전축(233a)은 반시계방향으로만 회전한다.
제4회전축(234a)에는 원 웨이 클러치(미도시)에 의해 제4풀리(234)가 설치되어, 제4풀리(234)의 회전력은 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 제4회전축(234a)에 전달된다. 즉, 제4풀리(234)가 시계방향 또는 반시계방향 어느 방향으로 회전되더라도 원 웨이 클러치에 의해 일 방향으로만 회전력이 전달되므로 도 4에서 제4회전축(234a)은 시계방향으로만 회전한다.
이와 같이, 제3풀리(233)와 제4풀리(234)의 회전력은 원 웨이 클러치(one way clutch)에 의해 한 방향으로만 회전되도록 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)에 전달된다.
특히, 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)은 원 웨이 클러치에 의해 서로 반대방향으로 회전하도록 마련되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 도 4에서와 같이 제3회전축(233a)은 반시계방향으로 회전하도록 원 웨이 클러치에 의해 마련되고, 제4회전축(234a)은 시계방향으로 회전하도록 원 웨이 클러치에 의해 마련된다.
제5풀리(238)는 메인 프레임 즉, 플랫폼(100)의 상부에 회전 가능하게 설치되는데, 제3풀리(233)와 제4풀리(234) 사이의 하부에 배치된다.
제5풀리(238)의 회전축 상에는 플라이휠(239)이 설치되며, 플라이휠(239)은 유압회로부(500)로부터 유압을 공급받아 작동하는 관성 유압 플라이휠(239, inertia hydraulic flywheel)이다. 따라서, 오일 챔버에 오일이 충진되거나 오일 챔버로부터 오일이 빠져나감으로써, 관성이 조정된다. 관성 유압 플라이휠(239)은 플로트부(210)의 등가 관성(equivalent inertia)을 변화시키기 위하여 관성을 추가하는 역할을 한다. 그러므로 시스템의 고유진동수는 입사파의 주기에 맞추어 변경된다.
타이밍 벨트(237)는 제3풀리(233)와 제5풀리(238)와 제4풀리(234)에 지그재그로 감겨 지며, 타이밍 벨트(237)의 양단은 케이블(217)과 연결된다. 즉, 양단에 플로트부(210)와 무게추(218)가 연결된 케이블(217) 사이에 타이밍 벨트(237)가 연결되고, 타이밍 벨트(237)는 제3풀리(233)와 제5풀리(238)와 제4풀리(234)에 지그재그로 감겨져 케이블(217)의 움직임에 따라 타이밍 벨트(237)도 일체로 움직인다.
또한, 제3회전축(233a)의 일단에는 제1교차축 기어(233b)가 설치되는데, 본 실시예에서 제1교차축 기어(233b)는 베벨 기어이다.
제4회전축(234a)의 일단에는 제2교차축 기어(234b)가 설치되는데, 본 실시예에서 제2교차축 기어(234b)는 베벨 기어이다.
상기와 같이 구성되는 파력 변환 장치(200)는, 도 1에 도시한 바와 같이 다수 개 마련되는 것이 바람직하며, 특히 플랫폼(100)의 원주를 따라 원호(arc) 형상으로 서로 간격을 두고 배치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 플랫폼(100)의 원주를 따라 원호 형상으로 여섯 개의 파력 변환 장치(200)가 각각 마련되어 있다.
이렇게 파력 변환 장치(200)가 다수 개 마련되더라도 도 4 및 도 5와 같이 파력 변환 장치(200)의 제3회전축들(233a)은 직렬로 서로 연결되어 하나의 제3회전축부(233c)를 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)는 하나로 마련되어, 하나의 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)를 기준으로 하여, 도 5와 같이 제3회전축부(233c)는 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)의 일측과 타측에 각각 배치된다.
또한, 하나의 제3회전축부(233c) 일단에는 제1교차축 기어(233b)가 마련되어, 도 5와 같이 출력축에 설치된 제3교차축 기어(433)에 양측의 제1교차축 기어(233b)가 치합된다.
마찬가지로, 파력 변환 장치(200)가 다수 개 마련되더라도 도 4 및 도 5와 같이 파력 변환 장치(200)의 제4회전축(234a)은 직렬로 서로 연결되어 하나의 제4회전축부(234c)를 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)는 하나로 마련되어, 하나의 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)를 기준으로 하여, 도 5와 같이 제4회전축부(234c)는 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)의 일측과 타측에 각각 배치된다.
또한, 하나의 제4회전축부(234c) 일단에는 제2교차축 기어(234b)가 마련되어, 도 5와 같이 출력축에 설치된 제4교차축 기어(434)에 양측의 제2교차축 기어(234b)가 치합된다.
풍력 변환 장치(300)는, 도 1에 도시한 바와 같이 플랫폼의 상부에 위치하며, 본 실시예에서는 플랫폼(100)의 원주 상 양끝 부분에 두 개의 풍력 변환 장치(300)가 각각 마련되어 있다.
이러한 풍력 변환 장치(300)는, 도 3에 도시한 바와 같이 블레이드부(310)와 유압펌프부(330)를 포함한다.
블레이드부(310)는 지면의 상면에 대해 수직하게 배치되는 중심축(311)을 기준으로 하여 회전 가능하게 마련된다. 본 실시예에서 블레이드부(310)는 플랫폼(100)의 상면에 수직하게 기립되는 메인 기둥(315) 상에 중심축(311)을 기준으로 회전 가능하게 마련되며, 원통형의 프레임(312)을 가진다. 이러한 프레임(312)의 원주 방향을 따라 다수의 블레이드(313)가 마련되어 있다.
이러한 블레이드(313)는 프레임(312) 상에서 각도 조절이 가능하도록 마련되어 있다. 즉, 블레이드(313)는 일반적인 유압 실린더(214) 구조에 의해 블레이드(313)의 일측이 프레임(312)의 중심과 멀어지거나 가까워짐으로써 블레이드(313)의 각도 조절이 가능하도록 마련되어 있다.
유압펌프부(330)는 블레이드부(310)가 회전함에 따라 회전력을 전달받아 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환한다.
즉, 유압펌프부(330)는 메인 기둥(315) 내에 배치되고, 블레이드부(310)의 회전력을 전달받아 유압을 발생시킨다.
이러한 유압펌프부(330)는, 도 2에 도시한 바와 같이 유압회로부(500)에 연결되어 유압을 공급하며, 유압회로부(500)의 상세설명은 하기에서 다시 하기로 한다.
상기와 같은 풍력 변환 장치(300)의 블레이드부(310)는 중심축(311)을 기준으로 하여 원주 방향을 따라 블레이드(313)가 배치되어 있어, 모든 방향에서 풍력을 흡수할 수 있다.
또한, 강한 바람이 불 경우에는 블레이드(313)의 각도를 수직하게 배치하여, 상호작용하는 면적을 줄일 수 있다.
하이브리드 유압 기계 장치(400)는, 도 1에 도시한 바와 같이 플랫폼(100)의 상부에 배치되되, 두 개의 풍력 변환 장치(300) 사이에 배치된다. 더욱 바람직하게는, 플랫폼(100)의 중앙에 하나만 마련된다. 상기에서도 설명하였듯이, 파력변환장치(200)가 다수개 마련되더라도 하이브리드 유압 기계 장치(400)는 하나만 마련된다.
이러한 하이브리드 유압 기계 장치(400)는, 도 4에 도시한 바와 같이 유압모터부(430)와 제너레이터부(450)를 포함한다.
유압모터부(430)는 서로 반대 방향으로 회전하는 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)의 회전력을 동일한 방향의 회전력으로 유압모터(436)에 전달하며, 이를 위하여 제3교차축 기어(433)와 제4교차축 기어(434)와 출력축(435)과 유압모터(436)를 포함한다.
제3교차축 기어(433)는 제1교차축 기어(233b)와 치합되고, 본 실시예에서는 베벨 기어이다.
제4교차축 기어(434)는 제2교차축 기어(234b)와 치합되고, 본 실시예에서는 베벨 기어이다.
출력축(435)은 제3교차축 기어(433)와 제4교차축 기어(434)가 설치된다. 즉, 하나의 출력축(435)에 제3교차축 기어(433)와 제4교차축 기어(434)가 간격을 두고 설치되어 있으며, 출력축(435)에는 하기의 유압모터(436)가 연결된다.
상기와 같이 구성되어, 서로 반대 방향으로 회전하는 제1교차축 기어(233b)와 제2교차축 기어(234b)의 회전력은 제3교차축 기어(433)와 제4교차축 기어(434)에 의해 동일한 방향의 회전력을 출력축(435)에 전달한다.
유압모터(436)의 일단은 출력축(435)에 연결되어 있어, 변환부(230)로부터 동력을 전달받아 구동 가능하다.
또한, 유압모터(436)에는 유압파이프가 연결되는 유압포트(436a)가 마련되어 있어, 유압포트(436a)를 통하여 유압펌프부(330)와 유압파이프로 연결되어 유압펌프부(330)로부터 유압 에너지를 공급받아 구동 가능하다.
제너레이터부(450)는 유압모터(436)에 의해 구동한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 파력 변환 장치(200)는, 도 1에 도시한 바와 같이 플랫폼(100)의 원주를 따라 원호(arc) 형상으로 서로 간격을 두고 다수 개 배치되고, 파력 변환 장치(200)의 플로트부(210)와 변환부(230)도 각각 마련되어 있다. 이렇게 파력 변환 장치(200)가 다수 개 마련되더라도 도 4 및 도 5와 같이 파력 변환 장치(200)의 제3회전축들(233a)은 직렬로 서로 연결되어 하나의 제3회전축부(233c)를 형성한다. 따라서, 각 변환부(230)의 제3풀리(233)는 하나의 제3회전축부(233c)에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어 있다.
마찬가지로, 파력 변환 장치(200)의 제4회전축(234a)은 도 4 및 도 5와 같이 직렬로 서로 연결되어 하나의 제4회전축부(234c)를 형성한다. 따라서, 각 변환부(230)의 제4풀리(234)는 하나의 제4회전축부(234c)에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어 있다.
본 발명의 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)는 하나로 마련되어, 하나의 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)를 기준으로 하여, 도 5와 같이 제3회전축부(233c)와 제4회전축부(234c)가 하나의 하이브리드 유압 기계 장치(430, 450)의 일측과 타측에 각각 배치된다.
이때, 하나의 제3회전축부(233c) 끝단에 제1교차축 기어(233b)가 마련되어 있고, 하나의 제4회전축부(234c) 끝단에 제2교차축 기어(234b)가 마련되어 있다.
따라서, 도 5에 도시한 바와 같이 출력축(435)에 설치된 제3교차축 기어(433)에 양측의 제1교차축 기어(233b)가 각각 치합되고, 출력축(435)에 설치된 제4교차축 기어(434)에 양측의 제2교차축 기어(234b)가 각각 치합된다.
상기와 같은 구조에 따르면, 도 4에 도시한 바와 같이 제3풀리(233)와 제4풀리(234)의 회전력은 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)에 각각 전달되어, 제3회전축(233a)과 제4회전축(234a)이 서로 반대방향으로 회전한다.
이때, 제1교차축 기어(233b)가 제3교차축 기어(433)와 맞물리고, 제2교차축 기어(234b)가 제4교차축 기어(434)에 맞물리므로 서로 반대방향으로 회전하는 제1교차축 기어(233b)와 제2교차축 기어(234b)는, 제3교차축 기어(433)와 제4교차축 기어(434)에 의해 동일한 방향의 회전력으로 변환되어 출력축(435)에 전달함으로써, 유압모터(436)를 구동할 수 있다.
이와 같은 구조는 양방향을 회전을 어느 한 방향으로의 회전으로 변환하여 전달함으로써, 동력을 효과적으로 전달할 수 있어 발전 효율을 더욱 높일 수 있다.
도 6은 본 발명의 하이브리드 풍력-파력 발전기의 유압과 기계적인 회전력이 유압모터부(430)에 전달되는 것을 보여주기 위하여 도시한 도면이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 풍력 변환 장치(300)로부터 발생된 유압을 유압모터부(430)에 공급하며, 파력 변환 장치(200)로부터 발생된 기계적인 회전 동력을 유압모터부(430)에 공급한다. 따라서, 유압모터부(430)는 더욱 효율적으로 구동할 수 있도록 유압과 회전 동력을 선택하여 공급받을 수 있다.
도 7은 유압회로부(500) 내의 유압회로도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 유압회로부(500)는 유압펌프부(330)로부터 유압을 공급받고, 파력 변환 장치(200)의 유압 실런더부와 유압 플라이휠(239)에 유압을 공급하며, 유압모터(436)에 유압을 공급한다.
도 8은 시간에 따른 제너레이터부(450)의 전류변화, 전압변화, 출력변화를 나타낸 그래프이다.
도 8에 따르면, 세 가지 조건(Phase 1, Phase 2, Phase 3)에서 전류, 전압의 폭이 크더라도 출력의 변화의 폭은 적어 거의 일정한 범위 내임을 확인할 수 있다.
따라서, 어떠한 외부 조건에서도 제너레이터부(450)의 출력은 일정하게 나올 수 있음을 알 수 있다.
도 9는 시간에 따른 풍력 에너지와 파력 에너지, 출력 전기 에너지 및 전체 효율을 나타낸 그래프이다.
도 9에 따르면, 시간에 따라 파력 에너지와 출력 전기 에너지는 크게 증가함을 알 수 있고, 풍력 에너지는 거의 변화없음을 알 수 있다.
전체적인 효율은 초기에 크게 증가하고, 그 이후에는 거의 변화없음을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
200 : 파력 변환 장치 210 : 플로트부
211 : 플로트 213 : 암 구조
214 : 유압 실린더 215 : 제1풀리
216 : 제2풀리 217 : 케이블
230 : 변환부 233 : 제3풀리
233a : 제3회전축 233b : 제1교차축 기어
234 : 제4풀리 234a : 제4회전축
234b : 제2교차축 기어 238 : 제5풀리
239 : 플라이휠 300 : 풍력 변환 장치
310 : 블레이드부 330 : 유압펌프부
400 : 하이브리드 유압 기계 장치 430 : 유압모터부
433 : 제3교차축 기어 434 : 제4교차축 기어
435 : 출력축 436 : 유압모터
450 : 제너레이터부

Claims (12)

  1. 파동에 따라 상하 방향으로 움직임이 가능하도록 마련된 플로트부와,
    상기 플로트부에 연결되어 상기 플로트부의 상하 방향 운동을 일 방향으로의 회전 운동으로 변환하는 변환부를 포함하는 파력 변환 장치;
    중심축을 기준으로 하여 회전 가능하게 마련되는 다수의 블레이드부와,
    상기 블레이드부가 회전함에 따라 회전력을 전달받아 기계적 에너지를 압력 에너지로 변환하는 유압펌프부를 포함하는 풍력 변환 장치;
    상기 변환부의 회전 운동을 전달받아 구동 가능하고, 상기 유압펌프부로부터 유압 에너지를 공급받아 구동 가능한 유압모터부와,
    상기 유압모터부에 의해 구동하는 제너레이터부를 포함하는 하이브리드 유압 기계 장치를 포함하고,
    상기 플로트부는,
    부력을 가지는 플로트와,
    일단이 메인 프레임에 회전 가능하게 연결되어 있는 암 구조를 포함하며,
    상기 변환부는,
    상기 암 구조 상에 회전 가능하게 마련된 제1풀리와,
    상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련된 제2풀리와,
    일단은 상기 플로트에 연결되고, 상기 제1풀리와 상기 제2풀리에 감겨지며, 타단에는 무게추가 연결되어 있는 케이블과,
    상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련되는 제3회전축과,
    상기 제3회전축에 설치되는 제3풀리와,
    상기 제3풀리에 감겨지며, 상기 케이블과 연결되는 타이밍 벨트를 포함하며,
    상기 제3풀리는 상기 제3회전축에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어,
    상기 제3풀리의 회전력은 상기 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 상기 제3회전축에 전달되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플로트부는,
    일단이 상기 암 구조의 타단에 회전 가능하게 연결되고, 타단은 상기 메인 프레임에 회전 가능하게 연결되어 있는 유압 실린더를 더 포함하여,
    상기 유압 실린더가 신축함에 따라 상기 플로트의 위치가 가변할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3회전축의 일단에는 제1교차축 기어가 설치되고,
    상기 유압모터부는,
    상기 제1교차축 기어와 치합되는 제3교차축 기어와,
    상기 제3교차축 기어가 설치되는 출력축과,
    상기 출력축에 연결되는 유압모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 마련되고, 상기 제3회전축과 평행하게 배치되는 제4회전축과,
    상기 제4회전축에 설치되는 제4풀리를 더 포함하고,
    상기 타이밍 벨트는 상기 제3풀리와 상기 제4풀리에 감겨져 상기 케이블과 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제3풀리는 상기 제3회전축에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어,
    상기 제3풀리의 회전력은 상기 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 상기 제3회전축에 전달되고,
    상기 제4풀리는 상기 제4회전축에 원 웨이 클러치에 의해 설치되어,
    상기 제4풀리의 회전력은 상기 원 웨이 클러치에 의해 한 방향으로만 회전되도록 상기 제4회전축에 전달되며,
    상기 제3회전축과 상기 제4회전축이 서로 반대방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 제3풀리와 상기 제4풀리 사이의 하부에 배치되고, 상기 메인 프레임 상에 회전 가능하게 설치되는 제5풀리와,
    상기 제5풀리의 회전축에 연결되는 플라이휠을 더 포함하고,
    상기 타이밍 벨트는 상기 제3풀리와 상기 제5풀리와 상기 제4풀리에 지그재그로 감겨지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제3회전축의 일단에는 제1교차축 기어가 설치되고,
    상기 제4회전축의 일단에는 제2교차축 기어가 설치되며,
    상기 유압모터부는,
    상기 제1교차축 기어와 치합되는 제3교차축 기어와,
    상기 제2교차축 기어와 치합되는 제4교차축 기어와,
    상기 제3교차축 기어와 상기 제4교차축 기어가 설치되는 출력축과,
    상기 출력축에 연결되는 유압모터를 포함하여,
    서로 반대 방향으로 회전하는 상기 제3회전축과 상기 제4회전축의 회전력을 동일한 방향의 회전력으로 상기 유압모터에 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 파력 변환 장치는 다수 개 마련되어, 원호 형상으로 서로 간격을 두고 배치되되, 상기 제3회전축들이 직렬로 서로 연결되어 하나의 제3회전축부를 형성하도록 마련되며,
    상기 하이브리드 유압 기계 장치는 하나로 마련되어, 상기 하이브리드 유압 기계 장치를 기준으로 하여, 상기 제3회전축부는 상기 하이브리드 유압 기계 장치의 일측과 타측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3회전축부의 일단에는 제1교차축 기어가 각각 설치되고,
    상기 유압모터부는,
    상기 제1교차축 기어와 치합되는 제3교차축 기어와,
    상기 제3교차축 기어가 설치되는 출력축과,
    상기 출력축에 연결되는 유압모터를 포함하되,
    상기 제3교차축 기어에 양측의 상기 제1교차축 기어가 치합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 풍력-파력 변환 장치 발전기.
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