KR101953979B1

KR101953979B1 - 부이(buoy)와 파도에 의한 부이 운동을 이용한 파력발전기, 그리고 파력발전기와 부이의 운전 및 유지관리 방법, 그리고 파도 에너지 농장

Info

Publication number: KR101953979B1
Application number: KR1020170090588A
Authority: KR
Inventors: 김용기
Original assignee: 김용기
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2019-05-23
Also published as: KR20170114264A

Abstract

본 발명은 중력방향으로 상하 진동하는(heaving) 입사파도의 운동조건과 해안가에서 부서지는 입사파도의 수평 운동조건에 각각 특화된 형태의 부이(buoy) 및 부이의 운동에너지를 이용하는 파력 발전기의 독특한 구성과 파력발전기의 독창적인 작동원리를 제공하며,
또한, 본 발명은 태풍과 폭풍우를 대비한 부이와 파력발전기의 유지관리 방법을 제공하며,
또한, 조석의 시간 변화에 따라 나타나는 수심의 변화에 대응하여, 해안가에 설치된 파력발전기와 부이의 위치를 변경시키는 위치조정장치를 제공하며,
또한, 파력발전기와 부이를 일정 지역에 대규모로 설치하고 전기를 생산하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)을 구성하는 방법과, 파도에너지 농장을 관리하는 통제센터(Control center)의 형식과 구성을 제공한다.

Description

부이(buoy)와 파도에 의한 부이 운동을 이용한 파력발전기, 그리고 파력발전기와 부이의 운전 및 유지관리 방법, 그리고 파도 에너지 농장{The buoy, and the wave power generator using a buoy motion caused by ocean waves, and the operation and maintenance methods of wave power generator and buoy, and wave energy farm}

본 발명이 적용되는 분야는 입사파도가 보유한 에너지를 흡수하여 운동하는 부이(buoy)를 이용하여 전기를 생산하는 파력발전기(wave power generator) 및 전기 생산을 위해 적용되는 입사파도의 조건에 따른 부이(buoy)의 특화된 형상과, 그리고 부이(buoy)와 파력발전기의 운전 및 유지관리 방법과, 그리고 파도 에너지 농장(wave energy farm)에 대한 것이다.

파도가 보유한 에너지를 이용하는 실용화된 기존의 발전 방법들은 일반적인 수력발전보다 에너지 이용률에서 낮으며, 발전시설의 설치 위치의 제한으로 매우 한정적으로 사용되고 있다.

예를 들어, Interface-WECs(Wave Energy Convertors)의 한 형태인 Air-interface WEC는 해안가의 파도에너지가 큰 특정지역에 콘크리트 구조물을 설치하고 파도의 OWC(Oscillating Water Column) 힘을 이용하여 폐쇄된 Air chamber 내의 공기를 압축하고 압축된 공기의 높아진 속도를 이용하여 공기 터빈을 구동하여 발전하는 방법으로, 파도의 에너지를 1차로 Air chamber 내의 공기 압축에 사용하며, 2차로 압축된 공기의 에너지를 공기터빈을 구동하는데 사용하고, 3차로 공기 터빈의 회전에너지를 공기 터빈과 연결된 발전장치를 구동하는데 사용된다. 또한, 동일한 원리로 작동되는 장치를 해안가나 연근해에 강철로 된 파력발전용 구조물을 설치하고 파일을 이용하여 해저 면에 고정하거나, 파력발전 구조물을 해상에 플로팅(floating)하는 방법들도 에너지 효율 면에서 상대적으로 높지 않다.

그리고 Oscillating-WECs의 대부분의 발전방법도 2단계 이상의 파도에너지 변환과정을 거쳐 발전하고 있다. 즉, 노르웨이의 Budal이 디자인한 Heaving buoy장치(1983년)는 부이(buoy) 속에 에어 터빈을 장착하여 발전하며, 아일랜드의 Galway Bay(2008년)는 고압의 유압시스템을 이용하여 발전기에 동력을 전달하며, 스웨덴과 미국의 Aquabuoy(2007년)는 고(高) 수두의 유압 터빈을 사용하며, 덴마크의 Wave Star(2009년)는 잭 업 구조물을 해저에 세우고 구조물에 설치된 개별적으로 움직이는 Heaving용 부이들을 이용하여 획득한 파도 에너지를 유압에너지로 변화하여 발전기를 구동하며, 네덜란드의 AWS(Archimedes Wave Swing 2004년)는 해저 면에 고정된 지하실(Basement)과 지하실을 감싸는 형태로 설치되는 플로터(floater)로 이뤄지며 파도의 파고 높이의 변화에 의해 플로터의 침강과 상승 과정을 통해 지하실과 플로터 사이에 갇힌 공기가 압축되고 팽창되며 이로 인하여 선형 발전기가 구동되는 원리이다.

그리고 기타 파도의 힘을 이용하는 장치들 중 영국의 Frog Mk 5와 프랑스의 Searev는 파도의 흐름 방향 진동에너지를 기계적으로 흡수한 후 유압시스템을 이용하여 발전기에 전달하는 원리이며, 영국의 Pelamis(2008년)는 다중 몸체로 된 떠다니는 WEC(Wave Energy Convertor)로 파도의 흐름 방향에 대하여 직각으로 회전하는 3차원 회전에너지를 기계적으로 흡수한 후 유압시스템을 이용하여 발전기에 전달하는 원리이며, 영국의 Oyster(2009년)는 파도의 진행방향에 대해 90도로 회전하며 복동 고압펌프로 파이프를 통해 고압의 해수가 해안에 있는 발전플랜트로 보내져 발전하는 방식이며, 기타 장치들도 상기한 여러 방법 중 하나를 변형하여 사용하고 있다.

그리고 스웨덴에서 최초 개발되고(2006년) 미국에서도 개발된(2008년) 파력 발전장치 형식은 해수면 상에 위치하는 부이가 케이블을 통해 선형 발전장치가 내부에 설치되어있는 물속에 잠긴 하단 고정구조에 연결되며, 하단 고정구조는 해저 면에 고정되거나 별도 케이블을 이용하여 해저 면에 연결된다. 그러나 이 형식은, 1) 여러 개의 인장 스크류 스프링들을 트랜슬레이터(Translator)에 연결하고 End stop 지점을 유지하기 위해 압축용 스크류 스프링을 사용함으로써 파도의 공진 주기를 맞추는 것이 어려우며, 2) 부이의 무게에 트랜슬레이터 무게를 더한 상태에서 부이가 수면상에서 상하진동(Heaving)과 함께 전후좌우로 진동(Surging and Swaying) 및 이동에 따라 발전기에 전달되는 에너지 밀도가 부이 단독으로 진동하는 경우보다 상대적으로 낮으며, 3) 트랜슬레이터가 상하로 움직이는 방법으로 발전하는 전기 에너지량이 로더가 회전하는 형식의 발전기에서 생산되는 전기에너지의 양보다 상대적으로 낮으며, 4) 부이의 전후좌우 진동에 의해 트랜슬레이터가 있는 하단 고정구조가 경사지게 위치할 수 있어 발전기의 로더와 고정자가 서로 접촉하는 현상이 빈번하게 발생할 수 있으며(미국의 경우는 선형 베어링 시스템에 의해 자유도가 구속됨), 5) 부이의 전후좌우 이동으로 인한 트랜슬레이터와 부이를 연결하는 케이블과 하단 고정구조와의 마찰을 피할 수 없는 등의 문제점들이 있다.

또한, 상기한 모든 장치들은 발전장치 또는 관련부속 장치를 수용하는 구조체가 콘크리트나 강철로 이루어져 있으며, 관련 부속장치들도 대부분 금속으로 이루어져 있는 관계로 제작비나 설치비가 고가이며 유지보수에도 많은 어려움이 있다.

(특허문헌 1) KR1679433 10 “파력 발전 장치”는 부표가 상승 또는 하강할 때 동력전달장치의 구동축은 항상 동일한 방향으로 회전하도록 발전기의 각 부품들과 에너지 축적장치 및 다수의 평형추와 평형추 드럼을 설치한 장치이며,

(특허문헌 2) KR1212302 10 “파력 발전 장치 및 방법”은 부표와 연결된 로프가 감기거나 풀리는 로프 드럼의 회전축에 연결되어 동일하게 회전하는 샤프트의 회전에 따라 전진 또는 후진운동을 하는 복수의 피스톤 펌프의 작동으로 송수관을 통해 보내지는 해수에 의해 발전기 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 장치 및 방법이며,

(특허문헌 3) KR1604780 10 “파력 발전장치”는 부력체의 상부 면에 태양광 패널을 설치하여 전기를 생산하고, 하우징 내부에는 하부에 무게추가 설치되고 부력체 하부와 연결되는 샤프트의 반대 끝단에 설치되는 전자석이 부력체와 일체로 수직 상하운동을 함에 따라 전기가 발생하는 코일이 설치되며, 전자석의 원위치 정렬을 위한 복원스프링을 포함하는 장치이며,

(특허문헌 4) EP1 611 347 B1 “WAVE POWER ASSEMBLY”는 파도에 의한 부이(hull)의 상하 수직 운동과 동조 운동하는 선형발전기 로더의 하부와 바닥구멍(bottom hole)과 인장 스프링(tension spring)을 고정 연결하여 부이가 파도의 용마루(crest) 위치로 상승할 때 발전기 로더가 부이와 함께 상승하고, 부이가 하강할 때는 인장 스프링의 복원력에 의해 원상 위치로 복원되는 원리로 로더를 감싸는 형태로 고정된 고정자와 로터와의 전자기적 작용으로 발전하는 장치이며,

(특허문헌 5) WO 20150001115A1 “A HEAVING BUOY POINT ABSORBER”는 표면 관통 플롯과(float) 연결된 챔버(chamber) 내의 공기가 파도의 상하방향 요동(heaving)에 의해 압축되고 구멍을 거쳐 공기 터빈을 구동시킨 뒤 배출되는 원리이며,

(특허문헌 6) EP2 029 890 B1 “WAVE ENERGY CONVERTER”는 필라(pillar)와 플롯(float)으로 이루어진 2개의 몸체에 2개의 풀리(pulley)와 케이블을 연결하고 케이블에 발전기를 연결하여 플롯의 heaving에 따라 발전하는 것이며,

(특허문헌 7) EP 2 679 802 A2 “WAVE POWER GENERATING APPARATUS”는 해면상에 떠있는 플롯(float)과, 플롯과 일단이 연결되고 동력 전달 부에 타 단이 연결되는 동력 전달 로프와, 동력 전달 부의 동력에 의해 회전하는 동력 전달 샤프트와, 샤프트의 한쪽 축에 연결된 파력 발전기와, 동력전달 부의 둘레에 감긴 리턴 로프와, 리턴 로프 타 단에 결합하는 리턴 메카니즘으로 구성되며, 동력 전달 샤프트는 한 방향으로만 회전하게 구성되는 기술이다.

그러나 상기한 기술 모두는 입사파도의 운동에너지를 여러 단계의 기계적 결합을 이용하여 발전하거나 공기를 압축하여 공기 터빈을 가동하는 방식으로 발전하는 기술들이며, 개별적으로 작동되므로, 파도에너지를 부이를 통해 직접 발전기에 이용하는 본 발명 기술과 구별된다.

본 발명은, 상기한 종래의 파력발전기나 파력흡수기(wave energy absorber) 또는 파력변환기(wave energy converter)의 기술 및 장치들이 내포하고 있는 기능의 한계와 구조적인 한계를 극복하고, 입사파도로부터 회수되는 파도에너지 회수비율을 개선하고, 그리고 파력발전기의 적용가능 지역을 해안까지 넓히기 위하여 고안된 것으로, 부이(buoy)와 로프(rope)로 연결되어 작동하는 파력발전기와 적용조건에 특화된 형태의 부이(buoy)들을 제공하며, 또한, 부이와 파력발전기를 원활하게 운영하고 유지 관리하는 방법을 제공하며, 그리고 대규모로 파력발전기와 부이(buoy)를 설치하여 작동하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)과 이를 집중 관리하는 통제센터(Control center)에 대한 설치방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명 장치 중 파력발전기(10)는, 상기의 목적을 달성하기 위하여,

해수면 상에 떠있는 부이(buoy 13 또는 14)와 파력발전기 내부의 회전자(107)와 일체로 회전하는 내부가 관통하는 덕트(duct) 형태의 샤프트(103)의 일정 위치의 외면상에 감겨있는 로프(rope 113)의 한쪽 끝 부분이 서로 연결되며,

그리고 부이(buoy 13 또는 14)가 입사파도에 의해 중력방향과 반대방향으로 상승하거나 입사파도에 의해 해변 방향으로 이동함에 의해서 상기 샤프트(103)에 감긴 로프(113)가 부이 이동방향으로 풀어질(released) 때, 회전하는 샤프트(103) 또는 샤프트와 연결된 2번 차단부재(110)에 설치된 커넥터(105)에 의해 2번 하우징(102)의 내부 원통의 외면상에 설치된 태엽스프링(spiral spring 111)이 2번 하우징(102)의 내부 원통의 외면상으로 감기면서(winding) 긴장되며(tensioned),

그리고 중력방향에 대한 부이(13)의 상대적인 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기일 경우, 부이(buoy 13)가 입사파도에 의해 중력방향으로 하강할 때, 상기 2번 하우징(102)의 내부 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)의 감긴(winded) 방향과 반대방향으로의 이완(relaxation) 거동에 의한 샤프트(103)의 회전에 의해, 풀어진 로프(113)가 샤프트의 외면상에 되감기며,

그리고 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력 발전기(10)일 경우, 부이(buoy 14)가 적용하는 입사파도 주기(wave cycle time)의 약 1/2 ~ 2/3에 해당하는 시간에 해변방향으로 이동한 후, 입사파도 주기의 나머지 시간에 부이(14)와 로프(113)를 원래 위치로 정렬하기 위해 상기 2번 하우징의 내부 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(spiral reel spring 111)의 긴장된 방향과 반대방향으로의 이완 거동에 의한 샤프트(103)의 회전에 의해, 풀어진 로프(113)가 샤프트(103)의 외면상에 되감기면서 부이(14)가 입사파도에 의해 움직이기 전의 원위치로 복귀하며,

그리고 중력방향에 대한 부이의 상대적인 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기(10)일 경우, 파력발전기는 수중에 떠 있는 상태로 해저에 설치된 콘크리트 블록들(blocks 20)이나 강관 파일들(미 도시)로 이루어진 다수의 부동(not moved) 시설을 연결하는 로프들(16, 17)과 별도 로프(15)를 통해 연결되며,

그리고 이 경우에서의 부이(buoy 13)는, 수상에 떠 있는 상태로 해저에 설치된 콘크리트 블록들(blocks 20)이나 강관 파일들(미 도시)로 이루어진 다수의 부동(not moved) 시설을 연결하는 로프들(16, 17)과 별도 로프(19)를 통해 연결되며,

그리고 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기(10)일 경우, 각각의 파력발전기는 수중에 떠 있는 상태로 해저에 설치된 콘크리트 블록들(blocks 21, 21-1)의 상부에 설치된 풀리(pulley 126, 127, 131)와 윈치드럼(winch drum 125 or 130)을 연결하는 로프들(129, 132)과 별도 로프(15)를 통해 연결된다.

또한, 중력방향에 대한 부이의 상대적인 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기(10)일 경우, 부이(buoy 13)가 입사파도에 따라 중력방향으로 하강할 때의 상기 2번 하우징(102)의 내부 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)의 필요한 강성(또는 스프링 계수)은, 부이를 제외한 파력발전기의 회전자(107)와 샤프트(103) 및 사프트와 결합하여 함께 회전하는 부재들과 함께 부이의 입사파도의 골짜기 위치에서의 파력발전기와 부이 간의 로프(113) 길이로 복귀하기 위한 샤프트의 회전을 유발시키기에 충분하면 되므로, 작은 값의 스프링 강성(또는 스프링 계수)만으로도 이용하고자 하는 입사파도의 용마루(crest)에서 파도의 골짜기(valley)까지 부이가 이동하면서 로프(113)가 샤프트에 되감기는 시간을 입사파도 주기(cycle time)의 1/2 이내로 쉽게 조정할 수 있으며,

그리고 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기(10)일 경우, 부이(buoy 14)가 적용하는 입사파도 주기(cycle time)의 약 1/2 ~ 2/3에 해당하는 시간에 해변방향으로 이동한 후, 입사파도 주기의 나머지 시간에 부이(14)와 로프(113)를 원래 위치로 정렬하기 위한 태엽스프링(111)의 강성(또는 스프링 계수)은, 부이의 형상과 무게를 고려하여, 파도의 상하진동(heaving)을 이용한 파력발전기의 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)에 비해 상대적으로 큰 값의 강성(또는 스프링 계수)을 사용하여 입사파도 주기 내에서 부이를 원위치로 복귀시킨다.

또한, 중력방향에 대한 부이의 상대적인 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기(10)와 결합하는 부이(buoy 13)는, 버섯모양의 상부 몸체와 원통 형태의 하부 몸체로 이루어지며, 하부 몸체의 내부 저면에는 부이가 수면상에 상부 몸체의 대부분이 떠 있고 하부 몸체가 수중에 잠겨있는 직립 형태로 위치되도록 작용하는 밸러스트 웨이트(ballast weight 122)가 설치되며, 상부 몸체와 하부 몸체의 중심에 위치한 수직방향으로 관통하는 개구부는 유동 가능한 해수로 채워지며, 이런 형태의 부이는, 밸러스트 웨이트를 포함한 부이의 자체 질량과 개구부에 있는 해수 부피만큼의 질량을 더한 전체 질량이 해수의 유동에 저항하는 효과를 발휘할 수 있으므로, 해수 유동방향으로의 부이의 변위를 억제하는데 효과가 크며,

또한, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기(10)와 연결되는 부이(buoy 14)는, 몸체 전체가 유체역학적 원리에 의해 타원형의 원반 모양을 이루며, 그리고 몸통의 내부 저면에는 부이가 부서지는 입사파도에 의해 이동될 때 수면상에서 부이의 상부와 하부가 뒤바뀌지 않는 상태로 작동되도록 작용하는 밸러스트 웨이트(ballast weight 124)가 설치되며, 이런 형태의 부이는, 입사파도의 용마루(crest)가 부서질 때 파도에너지를 최대한 넓은 면적으로 흡수하고 원위치로 부이를 이동시킬 때 최소 힘이 소요되도록 작용하며,

또한, 부이(13 or 14)와 파력발전기(10)를 연결하는 로프(113) 및 부이와 파력발전기 위치 제어용 로프(15, 19)는 아라미드 섬유 로프나 탄소 섬유 로프와 같은 가벼우면서 강도가 뛰어난 재질을 사용하며, 그리고 콘크리트 블록(20)들을 서로 연결하는 로프(16, 17)는 부식에 강한 스테인리스 와이어 로프나 아라미드 섬유 로프나 탄소 섬유 로프를 사용하며, 그리고 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기와 부이(buoy 14)의 조수간만 차에 따른 위치 조절용 로프(128 or 132)는 아라미드 섬유 로프나 탄소 섬유 로프를 사용할 수 있으며,

또한, 파력발전기(10)의 하우징(101, 102)과 샤프트(103) 및 샤프트와 연결되는 파력발전기의 나머지 부재들(104, 108, 109, 110)과 파력발전기 부력장치(114)는 금속 외에 엔지니어링 플라스틱이나 유리섬유 또는 탄소섬유가 보강된 공업용 플라스틱을 주조(casting)하는 방법으로 값싸게 대량생산할 수 있으며,

또한, 파력발전기(10)의 샤프트(103)와 샤프트에 연결 고정되는 마감벽체(104)는 샤프트와 일체로 거동하며 각각에 설치된 자석들(magnets 112)과 2번 하우징(102)에 설치된 자석들(magnets 112) 간의 반발력에 의해 2번 하우징(102)과 서로 이격된 상태로 거동하며,

또한, 파력발전기(10)의 회전자(107)는 상기 플라스틱으로 주조할 때, 주형 틀에 회전자 자석들(117)을 먼저 고정한 후 주조하는 방법으로 플라스틱에 견고하게 장착되며,

또한, 파력발전기(10)의 고정자(106)는 회전자의 자석(117)에 대응하는 각 구리선들의 권선(winding)을 먼저 권선하고 견고하게 묶은 다음 주형 틀 내부에 고정한 후 상기 플라스틱으로 주조할 수 있으며,

또한, 태풍이나 폭풍우에 대비하여, 파도에너지를 이용하는 방법에 따라 각각 구분되어 적용되는 부이와 파력발전기의 유지관리 방법을 제공하며,

또한, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기인 경우, 시간에 따라 변화되는 조수간만 차에 대응하여 부이와 파력발전기의 위치를 조정하는 방법을 제공하며,

또한, 파도에너지를 이용하는 방법에 따라 각각 구분되어 적용되는 부이와 파력발전기를 일정 지역에 대규모로 설치하고 발전하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)과 이를 집중 관리하는 통제센터(Control center)에 대한 설치방법을 제공한다.

본 발명은, 해양의 입사파도에 의한 부이의 중력방향으로의 상하진동(heaving)과 부서지는 입사파도에 의한 해안방향으로의 부이의 거동을 파력발전기의 샤프트(103) 상에서 로프(113)의 감기는 방향과 파력발전기의 2번 하우징의 원통 외면과 커넥터(105) 사이에 설치된 태엽스프링(spiral spring 111)의 감기는 방향을 서로 반대로 배치하는 원리를 이용하며, 샤프트에 감긴 로프가 부이의 위치상승 또는 부이의 수평 방향 이동으로 인하여 풀리면, 샤프트의 회전으로 태엽스프링은 2번 하우징의 내부 원통의 외면상에 감기며, 반대로, 부이가 중력방향으로 하강 또는 부이의 수평방향 이동을 억제하기 위하여 태엽스프링이 풀리면 샤프트가 반대 방향으로 회전하며 풀어진 로프가 샤프트의 외면상에 되감기는 원리를 이용하여 파력발전기의 양방향 발전이 가능하며,

또한, 본 발명은, 부이의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기일 경우, 파력발전기 내부에 설치되는 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)이 적절한 태엽스프링을 설치하는 방법으로 적용되는 입사파도의 주기와 부이와 로프의 운동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있으며,

또한, 본 발명은, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기일 경우, 적용되는 조건에 맞는 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)을 갖는 태엽스프링을 파력발전기 내부에 설치하는 방법으로 적용되는 입사파도의 주기와 부이와 로프의 운동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있으며,

또한, 본 발명은, 부이의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기일 경우, 파력발전기와 연결되는 부이의 형상을 버섯 모양이면서 중심이 수직으로 관통되는 개구부를 가지며 일정한 크기와 무게를 갖도록 제작하여 조류(tidal currents)의 이동속도와 이동방향에 상관없이 일정 위치에서 적용되는 입사파도를 대상으로 발전할 수 있으며,

또한, 본 발명은, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기일 경우, 파력발전기와 연결되는 부이의 형상을 타원형의 원반모양이면서 일정한 무게와 크기를 갖도록 제작하여 적용되는 입사파도의 운동에너지를 효과적으로 흡수하고 부이를 원위치로 이동시키는데 소요되는 에너지를 최소화할 수 있으며,

또한, 본 발명은, 적용되는 입사파도의 힘에 따라 구분되는 부이와 파력발전기를, 폭풍우나 태풍에 대비하여, 부이를 안전한 위치의 수중에 위치시키거나, 또는, 부이를 육지로 수거하고 파력발전기를 안전한 위치의 수중으로 이동시키는 방법으로 쉽게 관리할 수 있으며,

또한, 본 발명은, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기일 경우, 조수간만 차에 의한 수위변화를, 윈치드럼과 풀리 및 로프를 이용하여 부이 및 파력발전기의 위치를 조정하는 방법으로 쉽게 대처할 수 있으며,

또한, 본 발명은, 부이(buoy)의 파도에너지를 이용하는 방법에 따라, 적용되는 지역에 대규모로 파력발전기와 부이를 설치하는 방법으로 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)을 조성할 수 있으며, 각 경우에 적용되는 통제센터(Control center)의 형식을 제공하며,

또한, 본 발명은, 파력발전기의 대부분의 부속품을 엔지니어링 플라스틱이나, 유리섬유 또는 탄소 섬유가 보강된 공업용 플라스틱으로 제조할 수 있어 제작비를 낮출 수 있으며, 대량생산이 가능하다.

도 1은 본 발명과 관련하는 영구자석과 구리선 및 태엽 스프링을 제외한 파력발전기의 부품들을 엔지니어링 플라스틱으로 제작하는 경우의 파력발전기의 제작방법을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 설명도 이며,
도 2는 본 발명과 관련하는 파력발전기의 동작원리를 설명하기 위한 개략적인 설명도 이며,
도 3은 본 발명과 관련하는 파력발전기의 회전자와 고정자의 설치 개수를 증가시킬 경우 영구자석의 배치원리를 설명하기 위한 개략적인 설명도 이며,
도 4는 본 발명과 관련하는 파력발전기의 다른 예로, 고정자를 중심으로 외 측에 회전하는 회전자를 설치할 경우에서 회전자가 수평 또는 수직으로 회전하는 경우의 파력발전기를 설명하기 위한 설명도 이며,
도 5는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 대한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 파력발전기와 부이의 설치방법과 작동원리를 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 6은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 대한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 파력발전기와 로프를 통해 연결되어 거동하는 부이의 제작방법과 작동원리를 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 7은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 대한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 파력발전기와 로프를 통해 연결되어 거동하는 부이에 대한 태풍이나 폭풍우와 같은 기상조건에 대비한 관리방법을 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 8은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 파력발전기와 부이의 설치방법과 작동원리를 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 9는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 이동을 이용하여 가동하는 경우, 파력발전기와 로프를 통해 연결되어 거동하는 부이의 제작방법과 작동원리를 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 10은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 조수간만 차에 대응하는 파력발전기와 부이의 위치조정 방법의 일예를 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 11은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 조수간만 차에 대응하는 파력발전기와 부이의 위치조정 방법의 다른 예를 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 12는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 조수간만 차에 대응하여 파력발전기와 부이의 위치조정 방법과 파력발전 방법을 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 13은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 작동하는 경우, 대규모로 파력발전기와 부이를 설치하여 대규모 파력발전을 하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)과 통제센터(Control center)를 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 14는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 의한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 대규모로 파력발전기와 부이를 설치하여 대규모 파력발전을 하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)과 통제센터(Control center)를 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 첨부한 도면에 의해, 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명과 관련하는 영구자석과 구리선 및 태엽스프링을 제외한 파력발전기의 부품들을 엔지니어링 플라스틱이나, 유리섬유나 탄소 섬유가 보강된 공업용 플라스틱으로 제작하는 경우의 파력발전기의 제작방법을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로, 본 발명 장치인 파력발전기(10)는, 내부가 개방된 튜브를 길이방향으로 동일한 크기의 2개 부품으로 분리한 형태의 1번 하우징(101)과, 마감벽체 형태로 내부에 튜브 형태의 원통이 장착되고 원통의 외면에 원형 판이 일체로 형성된 2번 하우징(102)과, 덕트(duct) 형태로 한쪽 끝 부분은 닫혀있고 반대편 끝 부분은 개구(開口)이며 자체의 외면상에 2개의 원판이 정해진 거리로 이격된 상태로 일체로 연결되어 있는 샤프트(103)와, 샤프트(103)의 개구부와 연결되는 샤프트 마감벽체(104)와, 1번 하우징(101)의 내면 상에 장착되는 고정자(106)와, 샤프트(103)의 외면상에 장착되는 회전자(107)와, 고정자(106)의 1번 하우징(101)의 내면 상에서의 변위를 억제하는 링 부재(108)와, 샤프트(103)의 외면상에 설치되어 로프(113)와 고정자 및 회전자와의 간섭을 차단하는 원형 판 형태의 1번 차단부재(109)와, 샤프트(103) 외면상에 설치되어 회전자(107)의 중심선을 기준으로 동일하게 이격된 위치에서 가장자리 일부에 태엽스프링(111)을 연결하는 태엽스프링 커넥터(105)가 설치되고 로프와 태엽스프링 간의 간섭을 차단하는 2번 차단부재(110)와, 한쪽 끝 부분은 샤프트(103)에 고정 연결되며 다른 쪽 끝 부분은 태엽스프링 커넥터(105)에 연결되는 태엽스프링(111)과, 샤프트(103)의 회전 중에 발생하는 샤프트와 2번 하우징(102) 간의 접촉을 막는 영구자석들(112)과, 부이(buoy 13 or 14)와 샤프트를 연결하는 로프(113)와, 발전기(10) 본체가 수중에서 일정한 부력을 갖도록 하는 부력장치(114)와, 부력장치 내부에 설치되는 밸러스트 웨이트(ballast weight 115)를 포함한다.

상기 1번 하우징(101)은, 금속이나 엔지니어링 플라스틱이나 탄소 섬유나 유리섬유가 보강된 공업용 플라스틱, 또는, 금속으로 제조될 수 있으며, 이하 영구자석과 구리선 및 로프를 제외한 발전기의 나머지 부재들도 동일한 재질로 제작 가능하다.

또한, 1번 하우징(101)은 양쪽 끝 부분에 2번 하우징(102)과 부력장치(114)를 하나로 연결하는 볼트 체결이 가능한 부위가 형성되어 있으며, 또한, 2개의 1번 하우징 부재를 조립하기 위한 볼트 체결이 가능한 부위가 형성되어 있으며, 부이의 거동에 의한 로프(113)의 작동이 원활하도록 본체에 개구부(미 도시)가 형성되어 있다.

또한, 각각의 1번 하우징(101)의 내면 한쪽에는 고정자(106)의 끝 부분과 접속되는 위치에 고정자의 변위를 제어하는 스토퍼가 1번 하우징(101) 본체와 일체로 형성되거나, 또는, 고정자와 요철형태로 끼워지는 2줄의 부품(미 도시)이 각 본체와 일체로 형성되어 있으며,

또한, 각각의 1번 하우징(101)의 내면 상에는, 일체로 형성된 상기 스토퍼의 고정자 중심에서부터 거리와 동일하게 이격된 위치에 설치되는 링 부재(108)를 고정하기 위한 볼트 구멍(미 도시)이 설치되어 있다.

또한, 각각의 1번 하우징(101)은 해변에서 부서지는 입사파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력발전기일 경우, 입사파도가 부이(buoy)와 로프(113)를 통해 파력발전기에 가하는 순간 최대 충격력을 견딜 수 있을 만큼 견고하다.

상기 2번 하우징(102)은 1번 하우징(102)의 양단부와 결합하며, 1번 하우징(101)의 내부로 삽입되는 방향으로 원형 판 형태의 부재에 덕트(duct) 형태의 원통이 일체로 형성되며, 또한, 상기 원통의 외면상에 별도의 원형 판이 원통과 일체로 형성된다.

또한, 2번 하우징의 원통 내면 상에는 영구자석들이 서로 같은 극 방향을 유지하는 상태로 자석 표면이 원통의 내면과 일체 되도록 매립 설치되며,

또한, 2번 하우징의 원통의 내벽에 의해 분리되는 자체의 외부 쪽에 위치한 원형 판 형태의 부재 내면의 평면상에는 영구자석들의 표면 극이 서로 같은 극 방향을 유지하는 상태로 자석 표면이 원형 판 중심점을 기준으로 방사 형태로 원형 판의 외면과 일체 되도록 매립 설치되며,

또한, 2번 하우징(102)의 원통 외면의 가장자리에는 태엽스프링(111)의 일단이 고정 설치된다.

상기 샤프트(103)는, 내부 반경은 일정하나 외부 반경의 크기가 일부 길이방향 구간에서 변화되는 덕트(duct) 또는 튜브 형태이며, 한쪽 끝 부분은 닫혀있고 반대편 끝 부분은 열려 있으며, 자체의 외면상에 2개의 원판이 자체의 길이방향 중심에서 닫힌 끝 부분 쪽을 향해 각각 정해진 거리로 이격된 상태로 일체로 연결되며,

또한, 샤프트(103)의 길이방향의 중심의 외면상에 회전자(107)가 설치되며,

또한, 샤프트(103)의 길이방향의 중심을 기준으로 상기 2개의 원판과 반대위치의 샤프트의 외면상에 원판 형태의 1번 차단부재(109)와 2번 차단부재(110)가 샤프트와 결합 설치되며,

또한, 2번 하우징(102)에 설치되는 영구자석들의 설치위치에 대응되는 샤프트의 원통 외면상이나 샤프트의 폐쇄된 면의 외면상에 영구자석들(112)이 설치되며, 그리고 영구자석의 설치형식은 동일하지만 2번 하우징의 영구자석 위치와 대응하는 위치의 샤프트(103)의 원통 외면상에 설치되는 영구자석들의 극(pole)은 2번 하우징의 영구자석들의 극(pole)과 서로 반대로 마주보는 형태로 자석의 외면이 샤프트 외면상에 노출되는 형태로 샤프트 내에 매립되어 설치된다.

상기 샤프트 마감벽체(104)는 샤프트(103)의 개구(開口) 형태의 원통 부위 내부에 삽입되는 형태로 설치되며, 2번 하우징(102)에 설치된 영구자석과 대면하는 샤프트 마감벽체(104)의 표면에 설치되는 영구자석은 대면하는 2번 하우징의 원판 평면에 설치되는 영구자석과 극(pole)이 서로 반대인 형태로 설치된다.

상기 태엽스프링 커넥터(105)는 2번 차단부재(110)와 샤프트의 길이방향 중심을 기준으로 2번 차단부재와 대응하는 위치의 샤프트의 원형 판의 가장자리에 각각 설치되며, 설치형태나 모양은 해당 도면에 표시된 설치형태나 모양에 국한되지 않는다.

또한, 태엽스프링 커넥터(105)의 자유 단의 내측 면에 2번 하우징(102)의 원통에 고정된 태엽스프링(111)의 반대쪽 끝단이 고정되며,

또한, 태엽스프링 커넥터(105)는, 태엽스프링을 동작시키기 위한 강성(또는 스프링 계수)이 부족할 경우, 금속의 재질로 대체할 수 있다.

상기 고정자(106)에는 자체의 몸체와 일체로 된 실리콘이나 엔지니어링 플라스틱 원형 판의 내부에 개별적으로 각 구리권선(116)이 전기적으로 연관된 다른 구리권선과 서로 연결된 상태로 매립되어 있으며, 그리고 1번 하우징(102)의 내면에 고정 설치되며,

또한, 매립 설치된 고정자(106)의 각 구리권선(116)들의 중심부는 회전자(107)의 영구자석(117)의 자장(Magnets flux)이 통과되도록 개구(開口) 형태를 이루며,

또한, 구리권선이 매립된 고정자(106)의 원형 판들이 최종적으로 하우징 내에서 회전자(107)의 원형 몸체들 사이에 있는 공간에 설치되기 위하여, 고정자(106)의 몸체 전체는 제작 단계에서 2개로 분리된 형태로 제작되며, 대응하는 위치의 분리된 단면에는 고정자 자체결합과 구리선 연결을 위한 요철형태의 돌출부와 구멍(미 도시)들이 형성되어 있다.

상기 회전자(107)는, 샤프트(103)의 원통의 길이방향 중심의 원통 외면상에 설치되며, 최종적으로 회전자 중심에 위치하는 공간에 설치되는 고정자(106)의 구리권선(116)들의 중심을 연결한 원과 대응하여 고정자를 마주보는 회전자의 양쪽 표면상의 동일한 원의 원주에 배치되는 영구자석(117)들의 표면이 각각 서로 일치되는 형태로 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 회전자의 몸체에 매립되어 설치되며,

또한, 동일한 회전자 몸체 표면에 설치되는 영구자석(117)들의 각 표면의 극(pole)은 이웃하는 자석의 표면 극(pole)과 반대이며,

또한, 회전자의 한쪽 몸체 표면에 설치되는 영구자석(117)들의 표면의 극(pole)은 대응하는 위치의 회전자의 몸체 표면에 설치되는 영구자석의 표면 극(pole)과 서로 반대이다.

상기 링 부재(108)는, 1번 하우징(101)의 내면에 있는 돌기 부분과 함께, 고정자(106)의 하우징의 길이방향으로의 변위와 회전변위를 억제하며, 1번 하우징(101)의 내면 상에 볼트를 이용하여 강건하게 체결된다.

상기 1번 차단부재(109)는, 샤프트(103)의 길이방향 중심으로부터 대응하는 위치의 샤프트의 원형 판과 함께, 로프(113)의 고정자와 회전자와의 간섭을 차단하는 원형 판 형태를 이룬다.

상기 2번 차단부재(110)는, 샤프트(103)의 길이방향 중심으로부터 대응되는 위치의 샤프트의 원형 판과 함께, 로프(113)와 태엽스프링(111) 간의 간섭을 차단하며,

또한, 2번 차단부재(110)는, 태엽스프링과 접촉하는 면의 훼손을 방지하기 위해, 2번 하우징의 원형 판 및 샤프트(103)의 원형 판과 함께, 적용되는 접촉 면상에 박층(薄層)의 금속판을 부착시킬 수 있으며, 자신 및 상기 1번 차단부재(110)와 각 차단부재와 대응하는 샤프트의 원형 판들의 끝 부분의 외면상에는 해수 속에 부유하는 해양생물과 부유물을 필터링(filtering)하고, 동시에, 1번 하우징의 내면과의 마찰을 줄이는 역할을 하는 링 형태의 부재(미 도시)가 설치된다.

상기 태엽스프링(111)은, 2번 하우징(102)의 원통 외면에 고정되는 태엽스프링의 끝 부분에서부터, 2번 하우징의 원통 외면 위의 공간에 수 회 감긴 후, 태엽스프링 커넥터(105)의 자유 단에 고정되는 대응되는 태엽스프링의 끝 부분까지 회전반경이 점진적으로 늘어나는 형태를 이루며,

또한, 태엽스프링(111)은 해수에 의한 부식에 강하며 형상복원력이 뛰어나며,

또한, 태엽스프링(111)은 파력발전기의 적용조건에 따라 감긴 수와 스프링 강성(또는 스프링 계수)이 다른 것이 사용된다.

상기 영구자석(112)들은, 샤프트(103)와 함께 회전하는 회전자(107)와 태엽스프링(111) 및 로프(113)가 원활하게 작동되도록 하며,

또한, 샤프트(103)의 원통 길이방향에 대한 샤프트(103)의 수직 변위와 수평 변위를, 대응하는 영구자석들을 서로 같은 극(pole)이 마주보게 배치하는 방법으로 나타나는 영구자석들 간의 반발력을 이용하여, 억제한다.

상기 로프(113)는, 부식에 강하고 강도가 크며 인장성이나 탄성이 작은 아라미드 섬유 로프나, 유리섬유나 탄소 섬유를 보강한 폴리에틸렌 섬유 로프 또는 폴리우레탄 섬유 로프 등을 사용하며,

또한, 상기 로프(113)는, 해조류나 해양 생물들의 부착 및 기생을 방지하기 위해 필요한 약품처리 또는 도색 및 코팅을 한 후 사용된다.

상기 부력장치(114)는, 엔지니어링 플라스틱이나 유리섬유 또는 탄소 섬유가 보강된 공업용 플라스틱 및 금속으로 제조되며,

또한, 부력장치는, 내부에 밸러스트 웨이트(115)가 설치되며,

또한, 부력장치는, 가장 큰 부력이 발생하는 자체의 지점의 위치를 수중에서 작동하는 파력발전기(10)의 거동을 검토한 후, 조정하여 1번 하우징(101)과 결합된다.

상기 밸러스트 웨이트(ballast weight 115)는, 파력발전기(10)의 전체 자중을 고려하고 파력발전기의 설치지점의 수심을 고려하여, 유리구슬 또는 부식되지 않는 금속구슬들을 사용하며,

또한, 밸러스트 웨이트는, 샤프트(103)의 길이방향 중심을 기준으로 좌우에 배치된 파력발전기의 부품들의 무게 불균형을 각 밸러스트 웨이트의 구슬 수를 다르게 조정하는 방법으로 수중에서 파력발전기가 수평이 유지되도록 하며,

또한, 밸러스트 웨이트는, 개별적으로 움직이는 밸러스트 웨이트 구슬들의 거동에 의해, 파력발전기가 부이의 운동에 의해 작동함에 따라 파력발전기 자체에 발생하는 진동을 줄이는 역할을 한다.

상기 구리권선(116)들은, 적용되는 파도에너지를 이용한 발전규모에 따라 구리선의 권선(winding) 수와 권선 두께가 결정되며,

또한, 이로 인하여 고정자(106)의 크기와 형태가 결정되며,

또한, 이로 인하여 회전자(107)의 영구자석(117)의 크기와 설치 수 및 배치 사양들이 결정된다.

상기 영구자석(117)들은, 니켈이나 아연 에폭시로 표면 처리된 네오디움 자석(NdFeB)을 사용하며,

또한, 각각의 영구자석(117)들은, 회전자(107)의 몸체 표면과 적용하고자 하는 영구자석의 표면이 일체가 되는 방법으로 회전자 본체에 매립되는 형태를 이루며,

또한, 각각의 영구자석(117)들은, 동일한 회전자 몸체 표면에 매립될 경우, 이웃하는 영구자석과 극(pole)이 서로 반대이며,

또한, 각각의 영구자석(117)들은, 대응되는 회전자(107) 몸체의 대응되는 위치의 영구자석과 극(pole)이 서로 반대이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 본 발명의 실시 예들은, 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자들이 본 발명의 실시가 가능한 범위 내에서 설명된다.

따라서 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 특허 청구범위 및 기본원리를 응용하여 사용할 수 있는 범위는 아래에서 설명하는 실시 예들로 인하여 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명과 관련하는 파력발전기의 동작원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로, 입사파도에 의해 발생하는 부이(buoy)의 운동에 따른 로프(113)와 태엽스프링(spiral spring 111)의 상호 연관된 작동으로 인한 파력발전기(10)의 발전원리를 설명한다.

부이(buoy 13 or 14)가 입사파도의 운동에 의하여 파력발전기(10)로부터 멀어지면, 파력발전기(10)의 샤프트(103a)의 외면상에 감긴 로프(113)가 풀어짐과 동시에, 샤프트의 회전에 의해, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 태엽스프링(111)이 감기며(① 단계),

이후, 2번 하우징(102)의 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)의 탄성에너지와 부이의 위치에너지 및 운동에너지의 합이 zero(=0)가 되면, 부이(13 or 14)의 이동이 멈춤과 동시에 로프(113)가 샤프트(103a)로부터의 풀어짐이 멈추며, 태엽스프링(111)의 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감기는 동작도 멈추며(② 단계),

이후, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)에 축적된 탄성에너지와 부이(buoy 13, 14))의 위치에너지의 합이 입사파도에 의한 부이(buoy 13, 14))의 운동에너지를 초과하면, 태엽스프링의 탄성에너지 방출에 의해 감긴 태엽스프링이 이완되는 동작과, 샤프트(103)가 로프(103)가 풀어지는 원인에 의한 샤프트(103)의 회전방향과 반대로 회전하는 동작과, 풀어진 로프(113)가 샤프트(103)의 외면상으로 되감기는 동작과 함께 부이(13 or 14)가 파력발전기(10)가 위치한 방향으로 움직이는 동작이 동시에 일어나며(③ 단계),

이후, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)에 축적된 탄성 에너지와 부이(13, 14)의 위치에너지 및 운동에너지의 합이 zero(=0)가 되면, 태엽스프링(111)의 이완동작이 멈추며, 로프(113)는 샤프트(103a) 외면상으로 되감김을 완료함과 동시에 부이(13 or 14)의 이동이 완료되며(④ 단계),

그리고 상기한 ①→②→③→④의 과정이 ④ 단계에서 ① 단계로 연속적으로 이어지고, 상기의 순환과정을 입사파도의 주기에 따라서 연속 반복하므로, 본 발명의 파력발전기는 지속적으로 가동된다.

또한, 해양에서 입사파도의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 이용하는 파력발전기일 경우, 파력발전기의 태엽스프링(111)에 축적되는 탄성에너지는 부이(buoy 13)가 중력방향과 반대방향으로 이동할 때 축적되고, 부이가 중력방향으로 하강할 때 방출되므로, 부이의 중력방향으로의 이동은 부이의 질량이 중력에 의해 움직이므로 태엽스프링에 축적된 탄성에너지를 사용할 필요가 없으며, 따라서, 이 경우에 사용되는 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)은 태엽스프링 자체와 로프(113)와 파력발전기의 샤프트(103)와 함께 회전하는 관련 파력발전기 부품들의 질량만을 고려하면 되므로, 부이의 질량을 함께 고려하는 경우보다 상대적으로 작은 스프링 계수를 적용하므로, 적용되는 입사파도의 주기와 부이와 로프의 운동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있으며,

또한, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용하는 파력발전기일 경우, 파력발전기의 태엽스프링(111)에 축적되는 탄성에너지는 부이(buoy 14)가 수면상에서 해안방향으로 이동할 때 축적되고, 부이가 해안 반대방향으로 움직일 때 방출되므로, 파력발전기와 연결되는 부이(14)의 형상을 타원형의 원반모양이면서 일정한 무게와 크기를 갖으며 도 9에서와 같은 유체역학적인 형상으로 제작하여 적용되는 입사파도의 운동에너지를 효과적으로 흡수하고 부이(14)를 원위치로 이동시키는데 소요되는 에너지를 최소화하는 방법과 함께, 태엽스프링(111)에 축적되는 탄성에너지의 흡수 시간을 입사파도 주기의 1/2 내지 2/3 이내가 되도록 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)을 조정하고, 남은 입사파도 주기 시간에 부이가 원 위치할 수 있도록 태엽스프링 자체와 로프(113)와 파력발전기의 샤프트(103)와 함께 회전하는 파력발전기의 관련 부품들과 부력을 고려한 부이의 질량을 함께 고려하여 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)을 고려하면 되므로, 부이의 질량을 고려하지 않는 경우보다 상대적으로 큰 스프링 계수를 적용하는 방법으로 적용되는 입사파도의 주기와 부이와 로프(113)의 운동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있다.

도 3은 본 발명과 관련하는 파력발전기의 회전자와 고정자의 설치 개수를 증가시킬 경우와 영구자석의 배치원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,

도 3에 나타낸 본 발명의 파력발전기에 쓰이는 고정자(106)와 회전자(107)의 형식은 축 방향 플럭스 영구자석 동기 발전기(Axial Flux Permanent Magnets Synchronous Generator) 형식이고, 그리고 파력발전기 내부로의 해수의 유입과 유출이 가능한 형식이지만, 방사형 플럭스 영구자석 동기발전기(Radial Flux Permanent Magnets Synchronous Generator) 형식도 사용 가능하며,

또한, 도 3은, 본 발명의 파력발전기의 회전자(107)는 각 영구자석(117)의 작용 표면이 회전자의 각 원형 판의 몸체 평면에 접하면서 매립되는 형태를 가지며, 그리고 회전자 전체 몸체는 하나로 구성되며, 그리고 샤프트(103)의 외면상에 고정 설치되며,

또한, 본 발명의 파력발전기(10)의 고정자(106)는, 최종적으로 회전자의 원통형 몸체들 사이의 공간에 고정자의 원통형 몸체들을 위치시키기 위해, 제작단계에서 2개로 분리된 형태로 제작되며, 회전자 내부 공간에서 조립한 후, 단락된 구리선들을 연결하고 방수처리하며, 그리고 최종적으로 1번 하우징(101)의 내면 상에 고정 설치된다.

또한, 도 3은, 구리권선이 설치된 3개의 원형 판으로 이루어진 1개의 고정자(106)와, 고정자의 3개의 원형 판들 사이에 위치하는 영구자석이 설치된 4개의 원형 판으로 이루어진 1개의 회전자를 나타내고 있으며, 그리고 <detail “A”> 와 같이 대응하는 위치에서의 영구자석들의 자극(magnet pole) 분포는 (S)N-SN-SN-S(N) 또는 (N)S-NS-NS-N(S) 형태를 이루는 것을 표현하고 있으며,

또한, 고정자(106) 원형 판의 권선의 중심부는 자속(magnet flux)의 투과성을 높이기 위해 개구(開口)되어 있음을 나타낸다.

도 4는 본 발명과 관련하는 파력발전기의 다른 예로, 고정자를 중심으로 외 측에서 회전하는 회전자를 설치할 경우에, 회전자가 수평 또는 수직으로 회전하는 경우의 파력발전기(11 or 12)를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,

파력발전기(11)는, 1번 하우징(101a)의 하부에 연결되는 2번 하우징(101b)의 수직 방향의 원통의 외면상에 수평으로 고정 설치되는 고정자(106)와 고정자(106)를 중심으로 외부에서 고정자를 감싸는 형태로 수평으로 설치되는 회전자(107)의 설치형식을 이루며, 그리고 로프(113)가 회전자의 외면상에 감기고, 부력장치(114)는 1번 하우징의 상부와 연결되는 3번 하우징(101c)의 상부와 연결되며, 그리고 밸러스트 웨이트(121)는 해수의 출입이 가능한 용기(120)에 담겨 2번 하우징(101b) 하부와 연결된다.

또한, 회전자의 원활한 운동을 위한 영구자석이 1번 하우징과 회전자에 설치되며, 전기 케이블의 설치를 위한 구멍들이 설치된다.

또한, 다른 형태의 파력발전기(12)는, 1번 하우징(101a)의 좌측에 연결되는 2번 하우징(101b)의 수평 방향의 원통의 외면상에 수직으로 고정 설치되는 고정자(106)와 고정자(106)를 중심으로 외부에서 고정자를 감싸는 형태로 수직으로 설치되는 회전자(107)의 설치형식을 이루며, 그리고 로프(113)가 회전자의 외면상에 감기고, 부력장치(114)는 2번 하우징(101b)과 3번 하우징(101c)의 외부 쪽 측면과 각각 연결되며, 그리고 밸러스트 웨이트(115)는 부력장치(114) 내부에 위치한다.

또한, 파력발전기(12) 회전자의 원활한 운동을 위한 영구자석이 1번 하우징과 회전자에 설치되며, 전기 케이블의 설치를 위한 구멍들이 설치된다.

그러나 이런 형태의 파력발전기(11 or 12)는, 기준이 되는 파력발전기(10)와 대비하여, 다음과 같은 단점들과 장점들이 있다.

1) 로프(113)의 회전반경이 크므로, 로프가 회전자 외면상에서 1 회전하는 동안 로프의 이동거리가 상대적으로 큰 반면에, 회전자는 1회 회전밖에 할 수 없으므로, 이로 인하여, 파력발전기(11 or 12)가 파도에너지를 효율적으로 흡수하는데 한계가 있으며,

2) 파력발전기(11 or 12)의 회전자 영구자석(117)들의 위치가 기준이 되는 파력발전기(10)의 회전자 영구자석(117)들의 위치보다 상대적으로 회전 중심에 가까이 위치하므로 설치 가능한 구리권선 수가 상대적으로 작으며, 이로 인하여, 회전자가 1 회전하는 동안의 발전량이 파력발전기(10)에 비해 상대적으로 작으며,

3) 로프(113)가 회전자의 외면상에 설치되어 가동되고 태엽스프링 커넥터(105)가 회전자 몸체 일부에 설치되는 제한조건으로 태엽스프링의 길이 및 폭에 제한을 받으며,

4) 파력발전기(11 or 12)의 회전하는 부재가 회전자와 로프 및 태엽스프링뿐이므로, 기준이 되는 파력발전기(10)보다 부재들의 회전을 위해 소모되는 에너지가 상대적으로 적고,

5) 소규모 파력발전기에 적합하다.

도 5는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 대한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 파력발전기와 부이의 설치방법과 작동원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,

입사파도의 이동방향과 직각 방향으로 해저 면에 설치된 콘크리트 블록(20)들을 연결하는 로프(16)와 파력발전기(10)를 두 줄의 로프(15)를 이용하여 서로 연결하고, 파력발전기(10)와 수상에 떠있는 부이(13)는 2줄의 로프(113)로 연결되며, 또한, 콘크리트 블록들을 연결하는 로프(17)와 부이(13)는 각각이 인장스프링(18)과 연결된 2줄의 로프(19)와 연결되며,

이때, 상기 로프(15)는 아라미드 섬유 로프이거나 탄소 섬유 로프이며,

또한, 상기 로프(16, 17)는 방식 처리된 와이어 로프이거나 아라미드 섬유 로프이거나 탄소 섬유 로프이며,

또한, 상기 콘크리트 블록(20)은 조류의 최대 속도와 이웃하는 콘크리트 블록들 사이에 설치되는 로프에 설치되는 파력발전기(10) 수와 부이를 고려하여 크기가 결정되며,

또한, 파력발전기(10)는, 부이(13)의 중력방향으로의 상하진동(heaving)에 의해 파력발전기(10)의 두 줄의 로프(113)가 샤프트(103)의 원통 외면에서 풀어지는 작동과 함께, 태엽스프링(111)의 이완에 따른 파력발전기(10)의 두 줄의 로프(113)가 샤프트의 원통 외면상으로의 되감기는 작동에 의해 가동한다.

도 6은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 대한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 파력발전기와 로프(113)를 통해 연결되어 거동하는 부이의 제작방법과 작동원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,

상기 부이(13)의 단면도(도 6a)와 입체도(도 6b)에서 나타나듯이, 전체적인 부이의 형상은 버섯모양으로 이루어졌으나, 상부 몸체 중심부와 하부 몸체의 중심부를 하나로 관통하는 개방된 공간이 있으며, 이 공간을 통해 바닷물이 채워지며,

또한, 부이(13) 상부 몸체의 중력방향에 수직으로의 중공을 제외한 원형 단면의 면적은 입사파도의 히빙(heaving) 에너지를 효과적으로 얻기 위한 면적으로 형성되며, 하부 몸체의 중력방향에 수직인 중공을 제외한 원형 단면의 면적과 중력방향의 길이는 조류의 속도와 개구부의 단면적과 밸러스트 웨이트(118)의 규모를 고려하여 결정된다.

또한, 부이(13)의 상부 몸체의 수직벽체 하단을 연결한 평면의 중심점에서 평면에 수직으로 상부 몸체를 절단하였을 때의 상부 몸체의 상부 단면 형상은, 장 방향과 단방향의 거리비율이 5:2 내지 8:3인 타원을 장 방향 중심선을 따라 반으로 잘랐을 때에 나타나는 형상과 유사하며, 반면에 상부 몸체의 하부 형상은 원추 형상으로 수직벽체의 하단으로부터 하부 몸체의 외부 원통을 향하여 점차로 단면이 축소되어 폐합되는 형태이며,

또한, 부이(13) 하부 몸체의 끝 부분은, 부이가 중력방향으로 움직일 때 발생하는 해수의 저항을 줄이기 위해, 하부 몸체 외벽의 일정 위치를 지나는 동심원상에서부터 동일한 곡면 형태나 직선 형태로 줄어들어 내부 개구부의 수직 벽면과 합쳐지며,

또한, 부이(13)의 하부 몸체 내부의 하부에 설치되는 밸러스트 웨이트(122)는 레미콘(ready mixed concrete)이 사용되고 철사나 철근으로 내부가 보강된 콘크리트 블록이거나 철사나 철근으로 보강된 모르타르 블록이다.

또한, 상기 부이(13)의 몸체를 관통하는 개구부에 채워지는 부피만큼의 해수 무게는, 밸러스트 웨이트(122)를 포함한 부이의 전체 질량과 합해진 상태로, 조류(tidal currents)의 흐름에 의한 부이(buoy) 이동을 효율적으로 억제하며,

또한, 상기 밸러스트 웨이트(122)는, 부이의 하부 저면에서 부이의 수평방향 진동에 대한 무게중심 역할을 하므로, 스파부이(spar buoy)의 무게 추 역할을 한다.

도 7은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 대한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 파력발전기와 로프를 통해 연결되어 거동하는 부이(13)에 대한 태풍이나 폭풍우와 같은 기상조건에 대비한 유지관리방법을 개략적으로 설명하기 위해 나타낸 것으로,

평상시에는 부이(13)가 도면(도 7a)과 같은 정상 거동을 하며, 부이의 상부 몸체는 각각의 로프(17)와 인장 스프링(18)으로 연결된 2줄의 로프(19)에 의해 조류 방향(tidal currents)으로 연결되어 있으며, 상기한 인장 스프링(18)은 부이가 입사파도의 용마루까지 솟아오르는데 영향을 미치지 않으며 단지 조류방향으로의 부이의 이동을 제한하는 역할만 할 뿐이며, 또한, 상기 로프(19)는 부이의 상부 몸체와 인장스프링을 연결하는 역할만 할 뿐이다.

또한, 로프(19)는 별도의 로프(17)에 인장스프링을 통해 느슨하게 연결되어 있으며, 각각의 로프(19)에 부이(buoy)의 위치조절용 연결고리(123) 두 개가 일정한 간격으로 이격되어 매달려 있다.

그러나 폭풍우나 태풍에 의해서 부이(13)의 파손이 예상되고, 파력발전기(10)의 발전 한계를 벗어나는 상황이 예상될 경우, 도면(도 7b)과 같이, 미리 선박과 잠수부를 동원하여 두 개의 로프(19)에 연결되어 있는 각각의 상부에 위치한 부이의 위치조절용 연결고리(123)를, 유압기기나 공기압 기기를 이용하여, 각각의 하부에 위치한 부이의 위치조절용 연결고리(123)에 연결하는 방법으로 부이(13)를 수중의 안전한 위치까지 잠수시키며, 파력발전기(10)의 로프(113)는 수중에서 부이의 균형을 잡는 역할을 한다.

또한, 폭풍우와 태풍이 지나간 뒤에는 선박과 잠수부를 동원하여, 유압 또는 공기압 기기를 이용하여, 부이를 원 상태로 복귀시킨다.

도 8은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 파력발전기와 부이의 설치방법과 작동원리를 개략적으로 설명하기 위해 나타낸 것으로,

해수면 상에 떠있는 부이(14)와 수중의 파력발전기(10)는 로프(113)에 의해 연결되고, 파력발전기(10)는 위치조절용 로프(128 or 132)와 연결로프(15)로 연결된다.

또한, 위치조절용 로프(128 or 132)는 콘크리트 블록(21)의 상부에 설치된 풀리(127)에 의해 지지된다.

또한, 부서지는 입사파도(27)는, 자신(27)의 용마루(crest) 부위가 해수면(28) 위로 부서지는 과정에서 자신의 용마루 부위가 보유한 위치에너지가 수평이동 에너지로 변환되고 기존의 수평이동에너지에 추가됨으로써, 부서진 입사파도의 해안방향으로의 이동속도가 갑자기 증가하는 현상을 나타내며,

또한, 해안가에서 입사파도의 용마루가 부서지는 지점의 해수면(28)에서 해저 면까지의 수심은 입사파도의 파장에 비해 상대적으로 작고, 최종적으로 수심이 0(zero)으로 수렴되므로, 파도의 해안방향으로의 수평이동 속도는 해저 면과의 마찰에 의해 급격하게 약화한다.

따라서 파도가 부서지는 해안지역에서 파력발전기(10)에 적용되는 부이(14)는 적용되는 입사파도의 특성에 맞게 특수하게 제작되어야 하고, 부이의 해안방향으로의 이동거리와 이동시간 및 복귀시간에 대해 제한을 두어야 하며,

또한, 파력발전기(10)에 내장되는 태엽스프링(111)은, 부이(14)가 부서지는 입사파도의 힘을 이용하여 해안방향을 향하여 해수면 상을 이동한 후 다시 원위치로 복귀하는데 필요한 힘을 축적하고 있어야 하므로, 해수면 상에서 입사파도의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 부이의 운동에 적용한 파력발전기(10)의 태엽스프링의 강성(또는 스프링 계수)과 비교하여, 상대적으로 더 큰 값을 가져야 하며,

또한, 파력발전기(10)는 해수의 출입이 가능한 형식이기 때문에, 부서지는 입사파도에 의해 해저 지반에 침강된 미세입자들의 부유하고 수중에서 이동하므로, 부유하는 미세입자들의 영향이 적은 일정 수심 이상의 수중 위치에 배치되어야 하며,

또한, 파력발전기(10)는 부이(14)가 입사파도의 에너지를 받아 해안방향으로 이동하는 과정을 따라 로프(15)를 통해 위치조절용 로프(128 or 132)와 연결된 지점을 기준으로 해안방향으로의 회전변위가 일어나며, 또한, 부이(14)가 파력발전기(10)에 내장된 태엽스프링(111)의 탄성에너지에 의해 다시 원위치로 복귀하는 과정을 따라 해안방향과 반대방향으로의 회전변위가 일어나며,

따라서 상기한 여러 상황과 적용하려는 입사파도의 파고와 주기 및 파장 그리고 수심을 고려하여, 파력발전기(10)와 부이(14)의 적용할 입사파도와의 최적의 공진 조건을 찾아야 한다.

도 9는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 이동을 이용하여 가동하는 경우, 파력발전기와 로프를 통해 연결되어 거동하는 부이의 제작방법과 작동원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,

부이(14)의 정면도(도 9a)와 측면도(도 9b) 및 평면도(도 9c)를 보면, 부이의 형상이 평면상으로는 원형이면서 정면과 측면이 타원 형태를 이룬다는 것을 알 수 있으며,

또한, 부이(14)는 엔지니어링 플라스틱이나, 유리섬유나 탄소섬유가 보강된 공업용 플라스틱으로 제조되며,

또한, 부이(14)의 내부에는 입사파도의 힘이 직접 작용하는 상부 면을 지지하기 위한 수평보강재(horizontal girder 미 도시)와 상부 면과 하부 면을 연결하는 격벽(cutting wall 미 도시)들이 배치되며,

또한, 부이(14)의 하부 외면상에는 부이의 이동방향을 제한하는 고정된 2개의 방향키(direction key)가 설치되고, 각각의 방향키의 끝 부분들은 부이의 이동이 원활하도록 날카롭게 형성되며,

또한, 방향키의 몸체에 형성된, 측면도(도 9b) 상의, 동일 위치에 있는 구멍들끼리 로프(113-1)로 연결한 후, 파력발전기(10)의 로프(113)와 연결되며,

또한, 바람직하게는, 정면도(도 9a)와 측면도(도 9b) 상에서의 타원 단면의 장축 길이와 단축 길이의 비가 9:2 내지 9:3 내에서 결정되는 것이 바람직하다.

또한, 부이(14)의 내부에 설치되는 밸러스트 웨이트(124)는, 철사(wire)로 보강된 모르타르(mortar)로 제작되거나, 내부에 물이 담긴 수조 형태로 제작되며, 정면도(도 9a) 및 측면도(도 9b)의 수직 중심축을 기준으로 대칭되는 내부 격벽들 사이의 하부 면의 일정한 내부 영역에 설치된다.

그리고 입사파도의 용마루(27)가 부서지는 지점 부근에서 입사파도의 에너지가 부이의 상부 면에 경사지게 전달되므로, 부이(14)의 상부 면은 부딪치는 파도의 체적(volume)을 짧은 시간 내에 부이의 몸체 밖으로 배출시켜야 하므로 입체적인 곡면 형태를 이루며,

또한, 부딪치는 파도의 무게를 이겨내고 해수면 상에서 정해진 형태로 작동되기 위해서는, 부이(14) 자체가 큰 부력을 지녀야 하기 때문에, 부이의 하부 면의 표면적이 평면에 비하여 상대적으로 큰 입체적인 곡면 형태를 이루어야 하며,

또한, 부이의 하부면 상에 고정 설치된 2개의 방향키(direction key)에 의해, 파력발전기(10)의 위치를 기준으로, 부이(14)는 해수면 상에서 직선 왕복 운동하며,

또한, 파력발전기(10)에 내장된 태엽스프링(111)의 강성(또는 스프링 계수)과 태엽스프링에 축적된 탄성에너지에 의해, 태엽스프링이 이완되는 짧은 시간 내에 부이(14)는 해수면 상을 미끄러지듯이 이동하는 형태로 원위치로 복귀된다.

도 10은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 조수간만 차에 대응하는 파력발전기와 부이의 위치조정 방법의 한 예를 개략적으로 설명하기 위해 나타낸 것으로,

회전력을 전달하는 윈치드럼(125)과 보조드럼(125-1)에 감긴 로프(129)가 도면(도 125a)에서와 같이 설치되고 작동될 때, 2개로 이루어진 1번 보조풀리(pulley 126)에서의 각각의 로프(128, 129)의 설치방법과 거동은 도면(도 126a)에서와 같이 설치되고 작동되며, 최종적으로 2번 보조풀리(pulley 127)를 포함한 전체 위치조정장치에서의 각각의 로프(128, 129) 거동은 도면(도 10b)에 나타나 있다.

또한, 파력발전기(10)와 부이(14)의 위치를 조정하는 로프(128)는, 동력을 전달하는 로프(129)와 별도로 설치되고, 수중에 노출되어 있으며,

또한, 동력전달용 로프(129)는, 사각형의 철관(steel pipe), 또는 플라스틱 파이프, 또는 콘크리트관의 내부(133)에 설치되며,

또한, 윈치드럼(125)과 보조드럼(125-1)이 설치된 곳이나, 2개의 1번 보조풀리(pulley)가 설치된 곳에는 각 로프의 텐션(tension)을 조절하는 장치(미 도시)가 각각 설치된다.

또한, 윈치드럼(125)과 보조드럼(125-1)이 설치된 위치와 1번 보조풀리(126)가 설치된 위치 사이에 2개의 풀리가 한 조로 이루어진 별도의 1번 보조풀리(126)를 최소 1개소 이상 설치할 수 있으며, 이 경우에는, 1번 보조풀리(126)의 전체 설치 수에 1을 더한 개수의 로프들이 개별적으로 설치된다.

또한, 윈치드럼(125)과 보조드럼(125-1)이 설치된 위치와 1번 보조풀리(126)가 설치된 위치 사이에 2개의 풀리가 한 조로 이루어진 로프 방향전환용 풀리(미 도시)를 최소 1개소 이상 설치할 수 있다.

또한, 상기 각각의 로프(128, 129)는, 강성이 크고, 부식에 강하고, 신축성이 적으면서 가볍고, 마찰력이 큰, 아라미드 섬유 로프나, 유리섬유 또는 탄소 섬유가 보강된 폴리에틸렌(polyethylene) 계통의 섬유 로프를 사용할 수 있으며, 별도로 와이어 로프도 사용 가능하며, 이들 중에서 한 종류나 2개 종류 이상을 복합적으로 혼합하여 사용할 수 있다.

도 11은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 조수간만 차에 대응하는 파력발전기와 부이의 위치조정 방법의 다른 예를 개략적으로 설명하기 위한 것으로,

도 11의 방법과 상기한 도 10의 방법 차이는, 도 11에서는 1개의 로프(132)를 전체 위치조정 장치에 연속되게 사용하여 가동하는 것이며, 로프를 윈치드럼과 풀리에 배치하는 방법은 서로 다르나, 나머지 부속장치들의 설치방법은 도 10의 설치방법과 동일하다.

도 12는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 경우, 조수간만 차에 대응하여 파력발전기와 부이의 위치조정 방법과 파력발전 방법을 개략적으로 설명하기 위한 것으로,

해상에 설치된 해수면 높이를 측정하고 파도가 부서지는 위치를 측정하는 장치(미 도시)의 신호를 받아, 육상 통제소에서의 분석을 통한 작동지시에 의해, 파력발전기(10) 및 부이(14)의 위치조정장치가 자동으로 작동하며,

즉, 밀물(high tide)일 경우(도 12a), 깊어진 수심에 의해 파도가 부서지는 위치들이 해안 쪽으로 이동되므로, 위치조정장치가 자동으로 가동하여, 파력발전기(10)와 부이(14)가 설치된 로프(128 or 132)의 상부를 해안 쪽으로 감는 방법으로, 파력발전기와 부이를 해안 쪽의 적정 위치로 이동시키며,

또한, 썰물(ebb tide)일 경우(도 12b), 얕아진 수심에 의해 파도가 부서지는 위치들이 바다 쪽으로 이동되므로, 위치조정장치가 자동으로 가동하여 파력발전기(10)와 부이(14)가 설치된 로프(128 or 132)의 상부를 바다 쪽으로 감는 방법으로, 파력발전기와 부이를 바다 쪽의 적정 위치로 이동시킨다.

또한, 파력발전기(10)를 이동시키는 로프(128 or 132)의 설치 길이는 적용되는 해변의 조수간만 차에 제한되지 않을 정도로 충분한 길이로 설치되며,

또한, 파력발전기(10)를 가동할 수 없는 태풍이나 폭풍우가 예보되었을 경우, 썰물일 때, 미리 부이(14)를 해안가로 이동시켜 수거한 후 육지에 보관하고, 파력발전기는 로프(128 or 132)가 설치된 가능한 깊은 수심에 위치하도록 하여 피해를 줄이며,

또한, 파력발전기와 부이의 유지보수가 필요한 경우에도 부이를 수거하는 방법과 같은 방법을 사용하여 파력발전기와 부이를 육지로 이동시킬 수 있다.

도 13은 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 해변에서 부서지는 입사파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 작동하는 경우, 대규모로 파력발전기와 부이를 설치하여 대규모 파력발전을 하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)과 통제센터(Control center)를 개략적으로 설명하기 위한 것으로,

상기 통제센터(Control center)의 위치는, 폭풍우나 태풍에 의한 파도의 영향이 적은 해안(31)에서 일정거리 떨어진 육지(32)에 위치하며,

또한, 통제센터(Control center)에는 각 파력발전기들과 부이의 위치조정 장치를 자동으로 제어하는 시설이 설치되며,

또한, 통제센터(Control center)에는 각 파력발전기들에서 생산되는 전기를 기존의 전력망에 접속시키기 위한 장치들이 설치되며,

또한, 통제센터(Control center)에는 파력발전기와 부이 및 위치조정 장치 등을 유지보수하기 위한 시설들이 설치되며,

또한, 통제센터(Control center)에는 설치된 파력발전기와 부이를 관찰하고 조정하는 통제소가 설치된다.

도 14는 본 발명과 관련하는 파력발전기를, 부이의 입사파도에 의한 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 작동하는 경우, 대규모로 파력발전기와 부이를 설치하여 대규모 파력발전을 하는 파도에너지 농장(Wave Energy Farm)과 통제센터(Control center)를 개략적으로 설명하기 위한 것으로,

부이(13)의 중력방향에 대한 상하진동을 이용하여 파력발전기를 가동하는 경우에 적용되는 수심은 최소 20m가 넘으며, 따라서 파력발전기의 가동지역과 육지와는 최소 1,000m 넘게 떨어져 있으며,

또한, 각 파력발전기들이 생산하는 전기를 개별적으로 송전선을 이용하여 육지로 송전하는 것은 불합리하고, 다수의 부이와 파력발전기를 육지에서 관리할 방법도 마땅하지 않다.

이에 따라, 통제센터(Control center)의 설치는 1) 각 파력발전기에서 생산되는 전기를 1차로 현장 내의 한 곳으로 통합함으로써 각 파력발전기에서부터 육지까지 송전에 필요한 전선의 사용 길이를 줄이며, 2) 현장에서 육지의 전력망에 연결할 수 있는 품질의 전기로 변환시킴으로써 정류되지 않은 전기를 육지로 보내는 과정에서 발생하는 불필요한 전기에너지의 소모를 줄이며(필요하다면 Control Tower에 변전소를 설치할 수 있음), 3) 1개의 메인 송전선을 이용하여 육지로 송전할 수 있으며, 4) 24시간 현장관리와 유지보수를 위한 인원의 현장상주가 가능하다.

또한, 통제센터(Control center)의 형태는, 선박이나 바지(barge)와 같이 해상에 떠있는 부유 체이거나, 해저 지반에 견고하게 구조물의 기초가 설치된 고정된 해상 구조물일 수 있다.

10: 파력발전기 모형
11: 파력발전기(10)과 다른 형태의 수평 파력발전기 모형
12: 파력발전기(10)과 다른 형태의 수직 파력발전기 모형
13: 중력방향으로 상하진동(heaving)하는 부이(buoy) 모형
14: 부서지는 입사파도에 의해 수면상에서 움직이는 부이(buoy) 모형
15: 파력발전기(10) 지지용 로프 모형
16: 해저 면에 설치된 콘크리트 블록들을 연결하는 로프 모형
17: 해저 면에 설치된 콘크리트 블록들을 연결하는 별도의 로프 모형
18: 인장(tension) 스프링 모형
19: 부이(13)의 상부 몸체와 인장스프링(18)을 연결하는 로프 모형
20: 콘크리트 블록(block) 모형
21: 콘크리트 블록 모형
21-1: 1번 보조풀리(pulley)가 설치된 콘크리트 블록 모형
22: 해저 지반 모형
23: 파도의 진행방향에서 본 파도의 용마루(crest) 모형
24: 파도의 진행방향에서 본 파도의 골짜기(valley) 모형
25: 평상시의 파도 모형
26: 폭풍우나 태풍에 의한 파도 모형
27: 해안가에서 부서지는 파도 모형
28: 파도가 부서진 후의 해수면 모형
29: 밀물(high tide) 때의 해수면 모형
30: 썰물(ebb tide) 때의 해수면 모형
31: 밀물에 의해 일부가 바닷물에 잠기는 해안지반 모형
32: 육지 모형
101: 파력발전기(10)의 1번 하우징 모형
101a: 별도의 파력발전기(11, 12)의 1번 하우징 모형
101b: 별도의 파력발전기(11, 12)의 2번 하우징 모형
101c: 별도의 파력발전기(11, 12)의 3번 하우징 모형
102: 파력발전기(10)의 2번 하우징 모형
102a: 파력발전기(10)의 2번 하우징의 일부 모형
103: 파력발전기(10)의 샤프트 모형
103a: 파력발전기(10)의 샤프트의 일부 모형
104: 파력발전기(10)의 샤프트 마감벽체 모형
105: 파력발전기(10)의 태엽스프링 커넥터 모형
106: 파력발전기(10)의 고정자 모형
107: 파력발전기(10)의 회전자 모형
108: 파력발전기(10)의 1번 하우징 내면에 설치되는 링 부재 모형
109: 파력발전기(10)의 샤프트 상에 설치되는 1번 차단부재 모형
110: 파력발전기(10)의 샤프트 상에 설치되는 2번 차단부재 모형
111: 파력발전기(10)의 2번 하우징의 내부 원통 외면상에 설치되는 태엽스프링(spiral spring) 모형
112: 파력발전기(10) 샤프트의 원활한 회전을 위해 설치되는 영구자석 모형
113: 부이(13 or 14)와 파력발전기(10)의 샤프트를 연결하는 로프 모형
113-1: 부이(14) 하부의 방향키의 구멍을 연결한 로프 모형
114: 수중에서 파력발전기(10)에 부력을 공급하는 부력장치 모형
115: 수중에서 파력발전기(10)의 균형과 진동을 잡는 밸러스트 웨이트 모형
116: 파력발전기(10) 고정자의 원판 형태의 몸체에 매립된 구리권선 모형
117: 파력발전기(10) 회전자의 원판 형태의 몸체에 매립된 영구자석 모형
118: 파력발전기(10)의 샤프트의 회전방향 모형
119: 파력발전기(10)의 태엽스프링의 회전방향 모형
120: 별도의 파력발전기(11)의 밸러스트 웨이트를 담는 용기 모형
121: 별도의 파력발전기(11)의 밸러스트 웨이트 모형
122: 중력방향으로의 수직 상하진동(heaving)하는 부이(buoy 13)의 하부 몸체 내부에 설치된 밸러스트 웨이트 모형
123: 중력방향으로 상하진동(heaving)하는 부이(buoy 13)의 상부 몸체와 콘크리트 블록 간을 연결하는 로프(17)를 연결하는 로프(19)의 일부 위치에 설치되는 2개의 부이의 위치조절용 연결고리 모형
124: 부서지는 입사파도에 의해 수면상에서 움직이는 부이(buoy)의 내부에 설치되는 밸러스트 웨이트 모형
125: 윈치(winch) 드럼(drum) 모형
125-1: 윈치 보조드럼 모형
126: 2개의 풀리(pulley)가 1개의 쌍으로 이루어진 1번 보조풀리 모형
127: 2번 보조풀리 모형
128: 윈치드럼 작동으로 가동되는 로프(128)에 의한 1번 보조풀리 작동으로 가동되는 로프 모형
129: 윈치드럼 작동으로 가동되는 로프 모형
130: 윈치(winch) 드럼(drum) 모형
130-1: 윈치 보조드럼 모형
131: 2개 풀리(pulley)가 1개의 쌍으로 이루어진 1번 보조풀리 모형
132: 윈치드럼의 작동으로 가동되는 로프 모형
133: 윈치드럼의 작동으로 가동되는 로프를 보호하는 파이프나 콘크리트관 모형

Claims

덕트(duct) 형태의 1번 하우징(101)과,
그리고 1번 하우징(101)의 양쪽 단부와 각각 볼트로 연결되며, 내부에 덕트(duct) 형태의 원통이 장착되고, 상기 원통의 외면상에 원형 판이 일체로 형성된 2개의 2번 하우징(102)과,
그리고 상기한 2번 하우징(102)의 원통 내부에 자체의 길이방향 단부가 삽입되며, 덕트(duct) 형태이면서 길이방향의 한쪽 단부는 닫혀있고 반대편 단부는 개구(開口) 형태이며, 자체의 길이방향 중심에서 동일한 이격거리에 위치한 자체의 외면상에 설치되는 2개의 원판을 포함하는 샤프트(103)와,
그리고 상기한 샤프트(103)의 길이방향 단부의 개구 부위에 삽입되는 샤프트 마감벽체(104)와,
그리고 1번 하우징(101)의 내면 상에 장착되는 고정자(106)와,
그리고 샤프트(103)의 외면상에 장착되는 회전자(107)와,
그리고 1번 하우징(101)의 내면 상에 설치되어 고정자(106)의 변위를 억제하는 링 부재(108)와,
그리고 샤프트(103)의 외면상에 설치되어 로프(113)와 고정자(106) 및 회전자(107) 간의 간섭을 차단하는 원형 판 형태의 1번 차단부재(109)와,
그리고 샤프트(103) 외면상에 설치되어 회전자(107)의 중심선을 기준으로 2번 차단부재(110)와 동일하게 이격된 위치에 있는 샤프트의 원판과 2번 차단부재(110)의 가장자리에 설치되어 태엽스프링(111)을 연결하는 태엽스프링 커넥터(105)와,
그리고 샤프트(103) 외면상에 설치되며, 로프(113)와 태엽스프링(111) 간의 간섭을 차단하는 2번 차단부재(110)와,
그리고 일단이 샤프트(103)에 고정 연결되며, 타단은 태엽스프링 커넥터(105)에 연결되는 태엽스프링(111)과,
그리고 샤프트(103)와 2번 하우징(102)과 샤프트 마감벽체(104)에 설치되며, 샤프트(103)의 회전 중에 발생하는 샤프트(103)와 2번 하우징(102) 간의 접촉을 막는 영구자석들(112)과,
그리고 한쪽 단부가 샤프트(103)에 고정되고, 샤프트(103) 외면상에 수 회 감긴 후 타단이 부이(buoy)와 연결되는 로프(113)와,
그리고 2번 하우징(102)과 연결되고, 파력발전기(10) 본체가 수중에서 일정한 부력을 갖도록 작용하는 부력장치(114)와,
그리고 부력장치(114) 내부에 설치되는 밸러스트 웨이트(ballast weight 115)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
청구항 1에서, 상기한 파력발전기(10)와 로프(113)를 통해 연결된 상태로 해수면상에 떠있는 부이(buoy 13, 14)가 입사파도에 의한 파력발전기(10)로부터 멀어지는 거동에 의하여,
로프(113)가 샤프트(103) 외면상에서 풀어지는 거동과,
그리고 상기한 로프(113) 거동에 따른 샤프트(103)와 일체로 회전하는 회전자(107)의 회전에 의하여 고정자(106)에 전기가 생성되는 거동과,
그리고 태엽스프링(111)이 샤프트(103)의 회전방향으로 2번 하우징(102) 원통의 외면상으로 감기는 거동이 동시에 일어나는 과정; 과,

그리고 2번 하우징(102)의 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)의 탄성에너지와 부이의 위치에너지 및 운동에너지의 합이 zero(=0)가 되는 시점에 일어나는,
부이(buoy 13, 14))의 파력발전기(10)로부터 멀어지는 거동과 동시에 로프(113)가 샤프트(103)로부터 풀어지는 거동 및 태엽스프링(111)의 2번 하우징(102) 원통의 외면상에 감기는 거동이 동시에 멈추는 과정; 과,

그리고 2번 하우징(102) 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)에 축적된 탄성에너지와 부이(buoy 13, 14))의 위치에너지의 합이 입사파도에 의한 부이(buoy 13, 14))의 운동에너지보다 큰 시점에 일어나는,
태엽스프링(111)에 축적된 탄성에너지의 방출에 의한 2번 하우징(102) 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)이 이완되는 거동과,
그리고 샤프트(103) 외면상에 감긴 로프(113)가 풀어질 때의 샤프트(103)의 회전방향과 반대방향으로 회전자(107)가 회전함에 의하여 고정자(106)에 전기가 생성되는 거동과,
그리고 풀어진 로프(113)가 샤프트(103)의 외면상에 되감기는 거동과 함께 부이(buoy 13. 14)가 파력발전기(10) 방향으로 이동하는 거동이 동시에 일어나는 과정; 과,

그리고 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽스프링(111)에 축적된 탄성 에너지와 부이(13, 14)의 위치에너지 및 운동에너지의 합이 zero(=0)가 되면, 태엽스프링(111)의 이완동작이 멈추며, 로프(113)는 샤프트(103a) 외면상으로 되감김을 완료함과 동시에 부이(13 or 14)의 이동이 완료되는 과정; 이,
입사파도의 주기(cycle time)에 따라 연속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
청구항 2에서, 상기 파력발전기와 연계되어 작동하는 부이(buoy)는,
입사파도의 중력방향으로의 상하진동(heaving) 에너지를 이용하여 거동하며,
그리고 버섯의 머리 형태의 상부 몸체와 2개의 덕트(duct) 형태의 기둥이 연결된 형태의 하부 몸체로 이루어지며,
그리고 상부 몸체의 바닥면 중심에서 중력방향으로의 단면 형상은 타원의 장 방향 지름과 단방향 지름의 비율이 5:2 내지 8:3인 타원을 장 방향 지름을 따라 절단한 형상을 이루며,
그리고 상부 몸체 중심부와 하부 몸체 중심부를 하나로 관통하는 개방된 공간이 구비되고, 그리고 상기한 개방된 공간을 통해 바닷물이 채워지며,
그리고 하부몸체의 하부 끝 부분 형상은, 부이가 중력방향으로 운동할 때 발생하는 해수의 저항을 줄이기 위해, 하부 끝 부분에서 일정위치 떨어진 하부몸체 외면상의 동일한 원주 위에서부터 동일한 곡면 형태로 줄어들어 개구부 수직 벽면 끝 부분과 합쳐지며,
그리고 하부 몸체 내부의 하부 공간에는 밸러스트 웨이트(ballast weight)가 설치되는 형식의 부이(buoy 13); 와,

그리고 해변에서 부서지는 입사파도의 수평 운동에너지를 이용하여 거동하며,
그리고 평면은 원형이면서 측면과 정면은 타원 형태를 이루며,
그리고 내부에는 입사파도의 힘이 직접 작용하는 상부 면을 지지하기 위한 수평보강재(horizontal girder)들과 상부 면과 하부 면을 연결하는 격벽(cutting wall)들이 배치되며,
그리고 하부 외면상에는 부이의 이동방향을 제한하는 고정된 2개의 방향키(direction key)들이 같은 방향으로 설치되고, 각각의 방향키의 끝 부분들은 부이(14)의 이동이 원활하도록 날카롭게 형성되며,
그리고 정면도와 측면도 상에서의 중력방향으로의 단면의 형상은 단면의 장축 길이와 단축 길이의 비가 9:2 내지 9:3인 타원 형상을 이루며,
그리고 내부에 설치되는 밸러스트 웨이트(ballast weight)는, 철사(wire)로 보강된 모르타르(mortar)로 제작되거나 내부에 물이 채워진 수조 형태로 제작되며, 자체의 중력방향 중심을 절단하는 정면 단면도 및 측면 단면도의 수직 중심선을 기준으로 대칭되는 내부 격벽들 사이의 하부 면의 일정한 내부 영역에 설치되는 형식의 부이(buoy 14); 로,

구분되는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
청구항 3에서, 상기 해변에서 부서지는 입사파도의 수평 운동에너지를 이용하여 거동하는 부이(buoy 14)와 연결되어 가동하는 파력발전기(10) 위치조정장치는,
로프(128, 129) 가동을 위한 회전력을 전달하는 윈치드럼(125)과, 보조드럼(125-1), 보조풀리(126, 127), 로프(128, 129)를 포함하며,
그리고 로프(129)가 윈치드럼(125)과 보조드럼(125-1)에 ‘X’자 형태로 교차한 후, 2개로 이루어진 1번 보조풀리(pulley 126)에 ‘X’자 형태로 교차한 상태에서 자체의 양쪽 단부가 서로 연결되며,
그리고 별도 로프(128)가 상기 1번 보조풀리(pulley 126)에 ‘X’자 형태로 교차한 후, 2번 보조풀리(pulley 127)를 경유하고 자체의 양쪽 단부가 서로 연결되는 형태로 배치되며,
그리고 상기 1번 보조풀리(126)와 2번 보조풀리(127) 사이에 최소 1쌍 이상의 1번 보조풀리(126)를 별도로 설치하고 별도의 로프(128)를 연결할 수 있으며,
그리고 1쌍의 풀리(pulley)로 이루어진 로프 방향전환용 보조풀리를 상기 보조드럼(125-1)과 1번 보조풀리(126) 사이에 최소 1개소 이상 설치할 수 있고,

그리고 로프(132) 가동을 위한 회전력을 전달하는 윈치드럼(125)과, 보조드럼(125-1), 보조풀리(126, 127), 로프(132)를 포함하며,
그리고 1개의 로프(132)가 윈치드럼(125)과 보조드럼(125-1)에 ‘X’자 형태로 교차하고, 이후 1번 보조풀리(126)에 ‘X’자 형태로 교차하고, 그리고 2번 보조풀리(127)에 연결된 후 로프(132)의 양쪽 단부가 서로 연결되며,
그리고 1번 보조풀리(126)와 2번 보조풀리(127) 사이에 최소 1쌍 이상의 1번 보조풀리(126)를 별도로 설치할 수 있으며,
그리고 1쌍의 풀리(pulley)로 이루어진 로프 방향전환용 보조풀리를 상기 보조드럼(125-1)과 1번 보조풀리(126) 사이에 최소 1개소 이상 설치할 수 있고 조수간만에 의한 해수면의 변화에 대응하는 위한 파력발전기(10) 위치조정장치와 연계되어 작동하는 것을 특징으로 하는 파력발전기.
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