KR101879512B1 - 기계에너지 저장장치를 구비한 파력발전시스템 - Google Patents

Abstract

파력발전 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 파력발전 시스템은 파도에 의해 부유하는 부이, 부이의 움직임을 회전 운동으로 변환하는 운동 변환부, 부이와 상기 운동변환부를 연결하는 부이 연결부, 부이 연결부의 장력을 유지시키는 장력유지부, 운동 변환부의 회전운동을 전달받아 회전운동 형태로 저장하는 기계 에너지 저장부, 회전운동을 이용하여 전력을 생산하는 전력생산부 및 전력생산부의 생산 전력을 제어하는 제어기를 포함하여 구성된다. 이에 따라, 파력에서 부이의 장력을 유지시키는 장치와 별도로 기계 에너지를 저장하는 장치를 구비함으로써, 시스템 제어의 자유도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 소형화에도 유리하며, 잉여로 생산된 기계적 에너지의 변환을 위한 효율 저하도 피할 수 있을 뿐만 아니라, 풍력 또는 수력 등 회전에너지를 이용하는 친환경 에너지와의 접합점을 제공할 수 있다.

Description

기계에너지 저장장치를 구비한 파력발전시스템{Wave power generation system having mechanical energy saving device}

본 발명은 기계 에너지 저장장치를 구비한 파력발전 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 파력에서 부이의 장력을 유지시키는 장치와 별도로 기계 에너지를 저장하는 장치를 구비함으로써, 시스템 제어의 자유도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 소형화에도 유리하며, 잉여로 생산된 기계적 에너지의 변환을 위한 효율 저하도 피할 수 있을 뿐만 아니라, 풍력 또는 수력 등 회전에너지를 이용하는 친환경 에너지와의 접합점을 제공할 수 있는 파력발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 전기를 발생시키는 발전방법으로는 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등을 들 수 있는데, 이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비가 필요하게 된다. 이뿐 아니라 화력발전의 경우 발전설비를 가동시키기 위해 엄청난 양의 석유 또는 석탄에너지가 필수적으로 공급되어야 함으로 석유, 석탄자원이 고갈되고 있는 현 시점에서는 많은 어려움이 예견되고 있으며, 공해도 큰 문제가 되고 있다. 또한, 원자력발전의 경우는 방사능 유출과 핵폐기물 처리가 심각한 문제점을 안고 있다. 수력 발전의 경우에는 물의 낙차를 이용해야 하는데, 대규모 댐을 건설해야 해서 주위 환경에 변화를 초래할 뿐만 아니라 수자원이 풍부한 하천 등이 전제가 되어야 건설될 수 있는 등 환경적인 제약이 따른다는 문제가 있다. 따라서 이러한 일반적인 발전방법보다 저렴하고 안전하고 환경 친화적인 획기적인 발전방법이 요구되고 있는데, 그 중 하나가 파도의 운동에너지를 이용하여 전략을 생산할 수 있는 파력발전이다.

해양은 무한한 에너지의 원천으로서, 이를 이용하는 것은 운영 유지비가 매우 적게 들 뿐만 아니라 공해가 없는 친환경 이용이 가능하다. 그 중 파도의 움직임을 이용하여 전력을 생산하는 방법에 대해서는 꾸준한 연구가 이루어지고 있으며, 이러한 파력발전은 그 유용성과 미래 가치를 인정받아서 최근 들어서는 더욱 각광을 받아 활발히 연구가 진행되고 있는 추세이다.

파력발전은 바다에서 상시 생성 및 소멸되는 파도의 운동에너지를 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 파력발전기는 파도에 의한 해수면의 주기적 상하 운동과 물 입자의 전후 운동을 에너지 변환장치를 통하여 기계적인 회전 운동 또는 축 방향 운동으로 변환시킨 후, 전기에너지로 변환시키게 된다. 파력발전방식에는 파고의 고저에 따른 에너지를 1차 변환하는 방식에 따라 여러 가지로 분류할 수 있으나, 대표적인 것으로 수면에 떠있는 부표가 파도의 고저에 의하여 상하 또는 회전 운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 가동물체형 방식이 있다

가동물체형의 경우, 파도의 움직임에 따라 움직이는 물체, 예를 들어 부표의 움직임을 전달받아서 이를 왕복 혹은 회전 운동으로 변환시킨 후에 발전기를 통해 발전하는 방식인데, 그 예로 한국 특허 공개번호 2015-120896호를 들 수 있다.

도 1은 한국 공개특허 2015-120896호의 의해 제시된 발명의 개략도이다. 이에 도시된 바와 같이, 해양에 부유되어 운동하는 부유체(1)에 연결되어 장력을 전달하는 제1장력전달부재(40)와, 제1장력전달부재(40)에 연결되어 제1장력전달부재(40)에 의해 전달되는 장력에 의해 회전 운동하는 입력축(10)이 구비된다. 여기서, 제1 동력전달부재(11)는 입력축(10)에 대해 함께 회전하거나 아이들링하면서 회전할 수 있고, 입력축(10)과 평행하게 설치된 에너지 전달축(20)에 설치된 제2 동력전달부재(21)는 제1동력전달부재(11)와 연결되어 제1 동력전달부재로부터 동력을 전달받아 함께 회전하거나 에너지 전달축(20)에 대해 아이들링 회전하게 된다.

또한, 에너지 전달축(20)에 결합되어 에너지 전달축(20)과 함께 회전하는 제2입력 부재(23)와, 입력축(10) 및 에너지 전달축(20) 사이에서 입력축(10) 및 에너지 전달축(20)에 나란하게 설치되어 회전하는 출력축(30)이 구비되어 있다.

출력축(30)에 일방향으로의 회전만 허용하는 일방향회전부재(32)를 통해 결합되며 제1입력부재(13) 및 제2입력부재(23)와 각각 연결되어 제1입력부재(13) 또는 제2입력부재(23)로부터 회전력을 전달받는 복수개의 출력부재(31)가 구비된다. 또한, 일단이 상기 에너지 전달축(20)에 연결되어 제2동력전달부재 (21)가 일방향으로 회전함에 따라 탄성에너지 또는 위치에너지를 저장하고, 부유체(1)에서 발생하는 선형 운동력이 소멸 또는 감소되면 저장되어 있던 탄성에너지 또는 위치에너지로 상기 에너지 전달축(20)을 회전시키는 스프링(50, 51)을 포함하여 구성된다. 여기서 2는 롤러이며, 12, 22는 제1, 2 드럼으로서 동력전달부재가 감기게 되거나 풀어지는 역할을 수행한다.

여기서 스프링이 예시로 들어져 있으며, 이 스프링은 동력전달부재가 장력을 유지시키는 역할을 수행하게 된다. 이러한 역할은 스프링뿐만 아니라 일정 무게가 있는 추도 이러한 역할을 할 수 있다. 에너지 저장유닛에 대한 역할 및 효율에 대한 다각적 연구가 필요하며, 정밀한 제어 및 발전효율을 위해 세부적인 설계가 필요한 시점이다.

따라서, 본 발명의 목적은 파도의 힘을 전달하는 부이연결부의 장력을 유지하는 부재와는 별도로 기계 에너지를 저장할 수 있는 수단을 구비함으로써, 에너지 변환에 따른 효율 저하를 방지할 수 있고, 제어의 자유도뿐 아니라 소형화를 가능하게 하는 파력발전시스템을 제시하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 장력을 유지하기 위한 수단과 기계 에너지를 저장하는 수단을 분리함으로서 제어의 자유도를 향상시킬 수 있는 파력발전시스템을 제시하는 것이다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 풍력 등 기계적 에너지를 공급받는 친환경 에너지와의 접합점을 기계적 에너지를 저장하는 장치에서 찾을 수 있으므로, 풍력 등의 자연환경 에너지와의 접합점을 제공할 수 있는 파력발전시스템을 제시하는 것이다.

본 발명에 따른 파력발전 시스템은 파도에 의해 부유하는 부이, 부이의 움직임을 회전 운동으로 변환하는 운동 변환부, 부이와 상기 운동변환부를 연결하는 부이 연결부, 부이 연결부의 장력을 유지시키는 장력유지부, 운동 변환부의 회전운동을 전달받아 회전운동 형태로 저장하는 기계 에너지 저장부, 회전운동을 이용하여 전력을 생산하는 전력생산부 및 전력생산부의 생산 전력을 제어하는 제어기를 포함하여 구성된다.

여기서, 제어기는 상기 운동 변환부의 회전운동 에너지와 상기 전력생산부의 생산 전력을 비교하여 상기 기계 에너지 저장부에 상기 회전운동 에너지의 저장 여부 및 방출 여부를 결정하는 것이 좋다. 파력발전 시스템은 상기 전력생산부에서 생산한 전기 에너지 중 전부 혹은 일부를 저장할 수 있는 전기 에너지 저장장치를 더 포함이 바람직하다.

제어기는 부하에서 요구하는 소요전력을 고려하여, 상기 전력생산부의 생산전력, 상기 기계 에너지 저장부에 상기 회전운동 에너지의 저장 여부 및 방출 여부, 상기 전기 에너지 저장장치의 저장 및 방출 여부 중 적어도 하나를 제어하는 것이 바람직하며, 제어기는 상기 기계 에너지 저장부의 저장 여부를 비교하여 결정하는 기설정값 및 상기 전기 에너지 저장장치의 저장여부를 비교하여 결정하는 기설정치를 일정 조건하에서 변동시킬 수 있으며, 상기 일정 조건은 시간(계절, 밤낮), 부하의 전력수요량, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 최근 평균 전력생산량파고, 파주기, 파도의 주파수, 파향, 상기 운동변환부의 회전수, 기계에너지 저장부의 저장된 에너지양 중 적어도 하나 이상인 것일 수 있다.

제어기는 상기 전력생산부의 생산전력을 일정 범위로 설정하고, 상기 일정 범위에 초과 혹은 미만일 경우에는 상기 기계 에너지 저장부에서 각각 기계 에너지를 저장 혹은 방출하는 것이 바람직하며, 여기서 일정 범위는 특정조건을 고려하여 변경할 수 있으며, 상기 특정조건은 시간(계절, 밤낮), 부하의 전력수요량, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 파고, 파주기, 파도의 주파수, 파향, 상기 운동변환부의 회전수, 기계에너지 저장부의 저장된 에너지양, 최근 평균 전력생산량 중 적어도 하나 이상일 수 있다.

여기서, 파력발전 시스템은 상기 운동변환부, 상기 기계에너지 저장부 및 전력생산부 사이의 연결 관계를 선택적으로 조절할 수 있는 연결유닛을 더 포함하는 것이 바람직하며, 제어기는 상기 전력생산부의 생산 전력과, 상기 기계에너지 저장부의 저장된 에너지양을 고려하여 상기 연결유닛의 연결관계를 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 부이 연결부는 적어도 서로 다른 3곳 이상 연결되어 상기 부이의 움직임을 전달하여, 상기 부이의 3축 위치 변위 움직임 및 3축 회전 움직임을 전달하는 것이 바람직하다. 또한, 부이 연결부마다 각각에 운동변환부 및 전력생산부가 별도로 구비되며, 제어기는 각각의 전력생산부를 통합 제어할 수도 있다.

제어기는 파고, 파주기, 파의 주파수, 파향, 회전 속도, 전압, 토크, 전류, 중 적어도 하나 이상을 고려하여, 상기 전력생산부의 전력생산량을 결정할 수 있으며, 제어기는 전압, 전류, 토크, 회전속도, 전력 중 적어도 하나 이상을 사용하여, 상기 전력생산부의 생산 전력을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 제어기는, 결정된 상기 전력생산량보다 상기 파도에 의해 유입되는 에너지가 초과되는 경우에는, 각 경우마다 상기 초과되는 에너지의 전부 혹은 일부를 상기 기계 에너지 저장부에 저장하고, 제어기는 결정된 상기 전력생산량보다 상기 파도에 의해 유입되는 에너지가 미달되는 경우에는, 상기 기계 에너지 저장부에 저장된 에너지의 전부 혹은 일부를 상기 전력생산부에 제공하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성되어, 파력에서 부이의 장력을 유지시키는 장치와 별도로 기계 에너지를 저장하는 장치를 구비함으로써, 시스템 제어의 자유도를 높일 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 소형화에도 유리하며, 잉여로 생산된 기계적 에너지의 변환을 위한 효율 저하도 피할 수 있을 뿐만 아니라, 풍력 또는 수력 등 회전에너지를 이용하는 친환경 에너지와의 접합점을 제공할 수 있다.

본 발명은 파도의 힘을 전달하는 부이연결부의 장력을 유지하는 부재와는 별도로 기계 에너지를 저장할 수 있는 수단을 구비함으로서, 제어의 자유도뿐 아니라 소형화를 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 잉여로 생산된 기계에너지를 그 자체로 저장할 수 있으므로, 에너지의 형태를 변화시켜 효율이 저하될 수 있는 리스크를 회피할 수 있다. 즉, 예를 들어 전기적 에너지 저장을 위해 배터리를 사용했을 경우에는 에너지 전환에 따른 손실이 발생할 수 있는데, 이를 회피할 수 있다.

또한, 이뿐 아니라, 장력을 유지하기 위한 수단과 기계 에너지를 저장하는 수단을 분리함으로서 제어의 자유도를 향상시킬 수 있으며, 풍력/수력 등 기계적 에너지를 공급받는 친환경 에너지와의 접합점을 기계적 에너지를 저장하는 장치에서 찾을 수 있으므로, 풍력 등의 자연환경 에너지와의 접합점을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 파력발전 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파력발전 시스템 중 부이 및 운동변환부의 원리에 대해 보충하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 제어프로세스의 한 예를 나타낸 플로우차트이다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명이 실시예들에 의하여 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 파력발전 시스템의 블록도이다. 이에 도시된 바와 같이, 파력발전 시스템(10)은 부이(100), 부이 연결부(110), 운동변환부(200), 장력유지부(300), 기계에너지 저장부(400), 전력생산부(500), 제어기(600), 전기에너지 저장부(700)로 구성된다. 이러한 구성요소를 하나씩 순서대로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 파력발전 시스템 중 부이 및 운동변환부의 원리에 대해 보충하기 위한 개략도인데, 이를 참고하여 부이(100), 부이 연결부(110) 및 운동변환부(200)에 대한 설명을 진행하기로 한다.

이에 도시된 바와 같이, 부이(100)는 파도 위에 부유하면서 파도의 움직임에 따라 운동한다. 구체적으로 파도는 주로 바람에 의해서 영향을 받아 운동하게 되며, 바람은 시간에 따라 달라진다. 이러한 파도의 움직임에 연동하여 부이(100)는 움직이면서 운동에너지를 얻게 된다. 부이(100)의 몸체(101)는 다양한 형상으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 원반형이거나 튜브형일 수 있으며 혹 원기둥, 다각기둥, 돔형상, 원반형상 모양일 수도 있다.

부이(100)에는 파도의 움직임에 보다 적극적으로 연동될 수 있도록 수평면과 수직되게 칸막이(102)가 설치되어, 파도의 움직임을 수직으로 받아서 부이가 보다 효율적으로 움직이게 할 수 있다. 칸막이(102)는 수직방향으로 복수개의 칸으로 구성되어 있으나 여기에 한정되지 않으며, 모든 방향에서 파도의 힘을 받을 수 있으며, 파도의 힘이 부이(100)의 움직임에 효율적으로 전달될 수 있도록 구성될 수 있다.

부이(100)는 파도의 움직임에 따라 x, y, z 축으로 변이운동을 하거나, 요우(yaw), 피치(pitch), 롤(roll) 등의 회전운동 등 총 6자유도(6 Degree of Freedom) 운동을 하게 되는데, 이러한 부이(100)의 운동을 효과적으로 전달하는 것이 필요하다. 부이(100)는 부이 연결부(110)를 통해 운동변환부(200)로 연결되는데, 부이 연결부(110)는 복수개로서 부이(100)의 서로 다른 세 곳 이상에 연결되는 것이 좋다. 즉, 예를 들어 부이 연결부(110)는 세개로서, 서로 다른 세곳에 위치한 부이(100)의 결합부(103)와 세개 이상의 부이 연결부(110)의 연결유닛(112)이 각각 연결된다면, 부이(100)의 6 자유도 운동에 따라 부이 연결부(110)가 움직이면서 모든 움직임에 반응할 수 있어서, 가장 효율적으로 운동 변환부(200)에 운동에너지에 전달할 수 있다.

본 실시예에서는 단수의 부이(100)가 복수의 부이 연결부(110)에 연결되어 단수의 운동변환부(200)에서 취합되는 형태를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 부이 연결부(110)마다 각각에 운동변환부(200)가 구비되며, 각 운동변환부(200)마다 전력생산부가 각각 구비될 수도 있다. 이 경우, 장력유지부(300) 및 기계에너지 저장부(400)도 부이 연결부(110)마다 각각 혹은 통합적으로 단수로도 구성될 수 있으며, 제어기(600)는 특히 복수의 전력생산부가 구비된다 하더라도 통합 회로보드를 통해 하나로 통합 구성될 수 있다.

3곳 이상에서 부이(100)와 연결된 부이 연결부(110)는 부이(100)가 일정범위에서 이탈되는 것을 방지하는 것과 동시에 그 일정범위에서 자유롭게 유동될 수 있도록 하며, 부이(100)의 운동 에너지를 빠짐없이 전달하는 역할을 하는 것이다. 여기서 부이 연결부(110)의 연결유닛(112)은 와이어, 로프, 체인, 스프로킷일 수 있다.

부이(100)의 움직임에 따라 부이 연결부(110)는 왕복운동 형태로 움직이게 되며, 이는 운동변환부(200)에 전달되는데, 전달 과정에서 부이 연결부(110)의 방향을 바꾸기 위해서 롤러(111) 등이 해저 등에 설치될 수 있다.

운동 변환부(200)에서는 이러한 부이 연결부(110)의 왕복운동을 회전 운동 형태로 변환한다. 이러한 운동 변환부(200)의 일예는 도 1에서 앞서 언급한 한국 공개특허 2015-120896호를 예로 들 수 있다. 여기서, 운동 변환부(200)는 회전운동으로 변환되는 동안 부이 연결부(110)의 장력을 유지시켜 줄 수 있는 장력유지부(300)가 필요하게 된다. 장력유지부(300)는 부이 연결부(110)와 연결되어, 왕복운동하는 부이 연결부(110)가 운동변환부(200)에서 회전 운동으로 변환되는 동안, 부이연결부(110)가 팽팽하게 유지될 수 있도록 장력을 유지시켜주는 역할을 수행한다. 장력 유지부(300)의 예로는, 일정 무게를 갖는 추나 탄성력을 제공할 수 있는 스프링을 들 수 있다. 장력 유지부(300)가 가지는 중력 혹은 탄성력을 이용하여 장력을 발생시켜 이를 부이 연결부(110)에 제공하는 것이다.

이와 별도로, 운동변환부(200)에는 기계 에너지 저장부(400)가 연결된다. 기계 에너지 저장부(400)는 회전 운동으로 바뀐 운동에너지를 저장받아서 회전에너지 그대로 저장하는 역할을 한다. 운동변환부(200)와 기계 에너지 저장부(400) 사이에는 클러치, 기어, 링크, 바(bar)로 연결될 수 있으며, 운동변환부(200)와 기계에너지 저장부(400)는 일체로 형성될 수도 있다.

기계 에너지 저장부(400)는 그 예로 플라이 휠(flywheel)을 예로 들 수 있는데, 플라이휠은 회전운동 에너지를 저장하는데 사용되는 회전 기계 장치로서, 플라이휠에 축적된 에너지의 양이 그 회전속도의 제곱에 비례한다. 플라이휠은 시간 경과에 따라 플라이휠 내로 에너지를 수집하고 신속하게 에너지를 방출함으로서 이루어진다.

운동변환부(200)에서의 회전에너지는 일정할 수 없는데, 이는 파도가 일정하게 발생하지 않음으로서 연유된다. 우리나라의 경우를 예로 들면, 계절에 따라 계절풍의 방향 및 세기가 변화하며, 밤과 낮에 따라 육풍/해풍으로 변화하며, 기타 날씨 등에 따라 하루에도 수도 없이 시간에 따라 파도의 움직임은 변화하게 된다. 이에 따라 운동변환부(200)에서의 회전에너지는 시간에 따라 변화하게 되는데, 이는 플라이휠에 공급되게 된다.

기계 에너지 저장부(400)는 플라이훨에 한정되지는 않으며, 관성 에너지를 보존할 수 있는 장치를 포함한다. 또한, 탄성력을 이용한 탄성에너지를 저장할 수 있는 장치도 포함될 수 있다. 기타, 기계운동 에너지를 저장할 수 있는 형태에 확장될 수 있다.

기계 에너지 저장부(400)는 연결유닛(410)을 통해 운동변환부(200)와 선택적으로 연결될 수 있으며, 또한 전력생산부(500)와도 선택적으로 연결될 수 있다. 연결유닛(410)의 일예로는 클러치 등을 들 수 있는데, 연결유닛(410)을 통해 운동변환부(200)와 연결되어 기계에너지 저장부(400)로 회전에너지가 전달될 수 있으며, 이와 달리 기계에너지 저장부(400)와의 연결이 해제되어 운동변환부(200)에서 직접 전력생산부(500)로 회전이 전달될 수도 있다. 또한, 연결유닛(410)은 기계에너지 저장부(400)와 전력생산부(500)를 연결하여, 기계에너지 저장부(400)에서 저장하고 있는 에너지를 전력생산부(500)에 공급하여 전력을 생산하도록 할 수도 있다. 전력생산부(500)의 입장에서는 운동변환부(200) 혹은 기계에너지 저장부(400) 혹은 양쪽 모두에게서 회전운동을 전달받게 되어 전력을 생산하게 된다.

전력생산부(500)는 변속기를 포함할 수 있으며, 변속기는 기어의 속도 및 토크를 조절하여 전력을 생산하도록 할 수 있다. 전력생산부(500)는 발전기를 통해 공급되는 기계적 회전 에너지를 동력으로 하여 발전기를 구동하여 전기에너지를 생산한다.

제어기(600)는 전력생산부(500)의 생산전력과 부하에서 요구하는 소모전력 정보를 실시간으로 센싱받아서, 이를 비교하여 기계 에너지 저장부(400)의 저장 여부 및 저장량, 전력생산부(500)와 기계 에너지 저장부(400)의 연결관계, 전기 에너지 저장부(700)의 저장 여부 및 저장량, 기계 에너지 저장부(400)의 저장 여부를 결정하는 기설정치 및 전기 에너지 저장부(ESS, 700)의 저장여부를 결정하는 기설정값을 조건에 맞추어 자동으로 결정하거나, 외부 입력을 통해 입력받거나, 초기 지정값이 유지되는 등의 제어를 수행하게 되는데, 이는 도 3과 더불어 자세히 후술하기로 한다.

전기 에너지 저장부(700)는 생산된 잉여 전력을 저장하는 역할을 수행하는 에너지 저장장치(Energy Storage System, ESS)로서 대표적인 예로 배터리를 들 수 있는데, 이는 제어기(600)와 연결되어 잉여생산 전력을 저장하거나, 저장된 전력을 부하에 공급하는 역할을 수행한다.

도 3은 본 발명에 따른 제어프로세스의 한 예를 나타낸 플로우차트이다.

이에 도시된 바와 같이, 전력생산부에서 생산된 전력량과 부하에서 소모되는 전력량을 비교한다(S10).

만약 전력생산부에서 생산된 전력량이 부하에서 소모되는 전력량보다 클 경우에는, 기계 에너지 저장장치에 잉여 전력을 저장할 필요가 있으므로, 이를 판단하는 단계로 넘어가게 된다. 즉, 기계 에너지 저장장치의 저장량을 기설정된 기설정치와 비교하게 되는데(S30), 만약 기계 에너지 저장장치의 기계 에너지의 저장량이 기설정치보다 크거나 같은 경우에는 더 이상은 저장할 수 없으므로 잉여 전력을 전기 에너지 저장부 같은 ESS에 잉여 전력을 저장하고(S70), 기계 에너지 저장장치의 기계 에너지의 저장량이 기설정치보다 작은 경우에는 기계 에너지 저장장치에 기계 에너지를 저장한다(S40). 여기서, 기설정된 기설정치는 제어기에 의해 조건에 따라 자동으로 변환될 수 있는데, 조건이라 함은 시간(계절, 밤낮), 전력수요량, ESS의 전력저장량, ESS의 저장여부를 결정하는 기설정값, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 최근 평균 전력생산량 중 적어도 하나 이상일 수 있다.

덧붙여서, ESS 전력을 저장하는 단계(S70)에서, 본 실시예에서는 도시하지 않았지만, ESS의 저장량이 일정기준을 넘어서는 포화상태일 경우에는 더 이상 저장하지 않는 비교 단계를 수행할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 먼저 기계 에너지 저장장치의 저장량을 기설정치와 비교하는 과정을 수행하여 기계 에너지 저장장치에 저장하는지를 먼저 판단한 후에 ESS에 전력저장 여부를 결정하였지만, 순서를 바꾸어서 먼저 ESS에 전력저장 여부를 결정한 후, 기계 에너지 저장장치의 저장여부를 결정하는 단계를 수행하는 것도 가능하다.

다음, 전력생산부에서 생산된 전력량과 부하에서 소모되는 전력량을 비교하여(S10), 만약 전력생산부에서 생산된 전력량이 부하에서 소모되는 전력량보다 작거나 같을 경우에는, 기계 에너지 저장장치의 저장량을 기설정치와 비교하는 단계를 거친다(S20). 이 단계에 따라 기계 에너지 저장장치의 저장량이 기설정치보다 크거나 같을 경우에는 기계 에너지 저장장치를 전력생산부에 연결하여 저장된 기계 에너지를 이용하여 전력을 생산할 수 있도록 하여 부족 전력량을 보충할 수 있도록 한다(S60). 본 실시예에서는 도시하지 않았지만, ESS에서 저장된 전력에너지를 부족 전력량에 공급할 수 있도록 ESS의 저장 전력에너지가 일정값 이상인지 여부를 판단하는 단계를 거쳐, 이상인 경우에는 ESS 저장전력을 공급할 수 있는 단계가 추가될 수 있으며, 이러한 단계는 S60의 전 또는 후 단계에 모두 적용될 수 있다.

기계 에너지 저장장치의 저장량을 기설정치와 비교하는 단계를 통해(S20), 기계 에너지 저장장치의 저장량이 기설정치보다 작을 경우에는, ESS에서 저장된 전력량이 기설정값보다 크거나 같은지를 판단하는 단계를 거친다(S50). 이에 따라 ESS에서 저장된 전력량이 기설정값보다 크거나 같다면, ESS 의 저장전력을 부하에 공급하여 부족한 전력을 보충할 수 있도록 하며(S90). 만약 ESS에서 저장된 전력량이 기설정값보다 작다면, 외부 전력을 부하에 공급하게 된다(S80).

여기서, ESS의 기설정값은 제어기에 의해 조건에 따라 자동으로 변환될 수 있는데, 조건이라 함은 시간(계절, 밤낮), 전력수요량, 기계 에너지 저장장치의 에너지량, 기계에너지 저장장치의 저장여부를 결정하는 기설정치, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 파주기, 파도의 주파수, 파향, 상기 운동변환부의 회전수, 기계에너지 저장부의 저장된 에너지양, 최근 평균 전력생산량 중 적어도 하나 이상일 수 있다.

본 실시예에서 제어기는 기계 에너지 저장부, 전기 에너지 저장부의 에너지 저장 및 방출 여부, 전력생산부의 생산전력량 등을 결정하게 되는데, 이는 현재 혹은 최근 전력생산부의 생산전력, 부하에서의 소요전력량, 기계/전기 에너지 저장부의 저장되어 있는 에너지양, 운동변환부의 회전운동에너지, 외부 환경(날씨, 파고 등)을 적어도 하나 이상을 고려하여 결정하게 된다.

또 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다. 기계 에너지 저장부(400)는 연결유닛(410)에 의해 연결되어 있어서, 전력생산부(500)에서 기설정된 전력생산량을 초과하는 에너지가 발생한 경우에는 기계 에너지 저장부(400)로 에너지가 저장되도록 구성할 수 있다. 이 경우에는 전력생산부(500)에서 일정값 혹은 일정 범위에서 지속적으로 생산되도록 제어기(600)에서 제어를 수행한다. 즉, 기계 에너지 저장부(400)는 연결유닛(410)에 의해 지속적으로 운동변환부(200)와 연결되어 있으며, 제어기(600)는 전력생산부(500)에서 생산된 전력생산량이 기설정된 수치 이상이면 초과 에너지 중 전부 혹은 일부를 기계 에너지 저장부(400)로 자동으로 넘어가서 저장되도록 구성할 수 있다.

또 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 파력발전 시스템에서 입력은 파도에 의한 부표의 운동에너지이며, 출력은 생산전력이다. 전기 에너지 저장부는 고려하지 않고 입력되는 운동에너지가 일정하다고 가정한다면, 생산전력을 제어하여 생산전력을 줄이면 그 잉여 에너지는 자동으로 기계 에너지 저장부에 에너지가 저장되게 되며, 생산전력을 제어하여 생산전력을 늘리면 입력에너지보다 부족한 에너지는 별다른 제어없이 기계 에너지 저장부에서 저장된 에너지가 방출되어 사용되게 된다. 즉, 생산전력을 제어하여 기계 에너지 저장부의 저장 혹은 방출되는 에너지의 양을 제어할 수 있다.

이상과 같이 구성하여, 파력발전을 통해 전달된 잉여의 기계 에너지는 그 형태 그대로 저장할 수 있어서, 다른 형태의 에너지(예를 들어, 전기 에너지)로 변변환할 때 변환 효율의 손실없이 그대로 기계적 에너지의 형태로 저장할 수 있는 장점이 있다. 또한, 기계 에너지 형태로 파력의 힘을 저장함으로서, 풍력 등 기계적 에너지와의 접합점을 찾을 수도 있을 것이다. 즉, 본 발명에 따른 기계 에너지는 플라이휠 같은 회전 에너지 형태로 저장될 수 있는데, 풍력은 풍차나 바람개비 등으로 인해 회전에너지 형태로 전달되므로, 풍력의 회전에너지가 플라이휠에 접합되어 저장될 수 있는 등 파력발전과 풍력발전과의 접합점 역할을 할 수 있다.

또한, 기존의 파력발전에서 파력의 힘을 운동변환부로 전달하는 부이연결부(예, 와이어)의 장력을 유지하기 위한 수단이 일정부분 탄성력 등을 보관하는 역할을 하는 측면도 있었지만, 장력을 유지하기 위한 수단과 기계 에너지를 저장하는 수단을 분리함으로서 제어의 자유도를 향상시킬 수 있는 측면이 있다.

또한, 장력을 유지하기 위한 수단의 크기나 무게가 오히려 축소될 수 있기에 전체적인 시스템의 소형화에 유리하게 된다.

100: 부이 110: 부이 연결부
200: 운동변환부 300: 장력유지부
400: 기계에너지 저장부 500: 전력생산부
600: 제어기 700: 전기에너지 저장부

Claims (18)

1. 파도에 의해 부유하는 부이;
   상기 부이의 움직임을 회전운동 에너지로 변환하는 운동변환부;
   상기 부이와 상기 운동변환부를 연결하는 부이 연결부;
   상기 부이 연결부의 장력을 유지시키는 장력유지부;
   상기 운동변환부의 회전운동 에너지를 전달받아 관성 에너지 형태로 저장하는 기계에너지 저장부;
   상기 운동변환부의 회전운동 에너지 또는 상기 기계에너지 저장부에 저장된 관성 에너지 중 어느 하나 또는 양쪽 모두를 이용하여 전력을 생산하는 전력생산부;
   상기 운동변환부, 상기 기계에너지 저장부 및 전력생산부 사이의 연결 관계를 선택적으로 조절할 수 있는 연결유닛; 및
   상기 전력생산부의 생산 전력을 제어하고, 상기 운동변환부의 회전운동 에너지와 상기 전력생산부의 생산 전력을 비교하여 상기 기계 에너지 저장부에 관성 에너지의 저장 여부 또는 저장된 관성 에너지의 방출 여부를 결정하고, 상기 연결유닛을 제어하여 상기 운동변환부와 상기 기계에너지 저장부와 상기 전력생산부 사이의 연결 관계를 제어하는 제어기;
   를 포함하는 파력발전 시스템.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 파력발전 시스템은 상기 전력생산부에서 생산한 전기 에너지 중 전부 혹은 일부를 저장할 수 있는 전기 에너지 저장장치를 더 포함하는 파력발전시스템.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 제어기는 부하에서 요구하는 소요전력을 고려하여, 상기 전력생산부의 생산전력, 상기 기계 에너지 저장부에 상기 관성 에너지의 저장 여부 및 방출 여부, 상기 전기 에너지 저장장치의 저장 및 방출 여부 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제어기는 부하에서 요구하는 소요전력을 고려하여, 상기 전력생산부의 생산전력, 상기 기계 에너지 저장부에 상기 관성 에너지의 저장 여부 및 방출 여부 중 적어도 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
   
6. 제 3항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 전기 에너지 저장장치의 저장여부를 비교하여 결정하는 기설정치를 일정 조건하에서 변동시킬 수 있으며, 상기 일정 조건은 시간(계절, 밤낮), 부하의 전력수요량, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 최근 평균 전력생산량, 파고, 파주기, 파도의 주파수, 파향, 상기 운동변환부의 회전수, 기계에너지 저장부의 저장된 관성 에너지양 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 기계 에너지 저장부의 저장 여부를 비교하여 결정하는 기설정값을 일정 조건하에서 변동시킬 수 있으며, 상기 일정 조건은 시간(계절, 밤낮), 부하의 전력수요량, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 최근 평균 전력생산량, 파고, 파주기, 파도의 주파수, 파향, 상기 운동변환부의 회전수, 기계에너지 저장부의 저장된 관성 에너지양 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제어기는 상기 전력생산부의 생산전력을 일정 범위로 설정하고, 상기 일정 범위에 초과 혹은 미만일 경우에는 상기 기계 에너지 저장부에서 각각 관성 에너지를 저장 혹은 방출하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 일정 범위는 특정조건을 고려하여 변경할 수 있으며, 상기 특정조건은 시간(계절, 밤낮), 부하의 전력수요량, 현재의 전력생산량, 날씨, 풍속, 파고, 파주기, 파도의 주파수, 파향, 상기 운동변환부의 회전수, 기계에너지 저장부의 저장된 관성 에너지양, 최근 평균 전력생산량 중 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 제 1항에 있어서,
    상기 부이 연결부는 적어도 서로 다른 3곳 이상 연결되어 상기 부이의 움직임을 전달하여, 상기 부이의 3축 위치 변위 움직임 및 3축 회전 움직임을 전달하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
    
13. 제 1항에 있어서,
    상기 부이 연결부마다 각각 상기 운동변환부 및 상기 전력생산부가 구비되며, 상기 제어기는 각각의 상기 전력생산부를 통합 제어하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
    
14. 제 1항에 있어서,
    상기 기계 에너지 저장부는 플라이휠인 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
    
15. 제 1항에 있어서,
    상기 제어기는 파고, 파주기, 파의 주파수, 파향, 회전 속도, 전압, 토크, 전류, 중 적어도 하나 이상을 고려하여, 상기 전력생산부의 전력생산량을 결정하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
    
16. 제15항에 있어서,
    결정된 상기 전력생산량보다 상기 파도에 의해 유입되는 에너지가 초과되는 경우에는, 각 경우마다 상기 초과되는 에너지의 전부 혹은 일부를 상기 기계 에너지 저장부에 저장하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
17. 제15항에 있어서,
    결정된 상기 전력생산량보다 상기 파도에 의해 유입되는 에너지가 미달되는 경우에는, 상기 기계 에너지 저장부에 저장된 관성 에너지의 전부 혹은 일부를 상기 전력생산부에 제공하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.
    
18. 제1항 또는 제 15항에 있어서,
    상기 제어기는 전압, 전류, 토크, 회전속도, 전력 중 적어도 하나 이상을 사용하여, 상기 전력생산부의 생산 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 파력발전 시스템.

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