KR101960706B1 - 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기 - Google Patents

복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기 Download PDF

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찌 둥 장
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울산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 가변 탄성을 이용한 파력 변환기에 관한 것으로, 프레임, 상기 프레임에 연결되며 파력에 따라 상하 왕복운동하는 부이, 상기 부이에 연결되며 상기 부이와 함께 상하 왕복운동하는 제1가이드샤프트, 상기 제1가이드샤프트에 연결되며 탄성을 갖는 제1스프링, 상기 제1스프링과 병렬로 연결되고 상기 제1스프링과 다른 탄성계수를 갖는 제2스프링, 상기 제2스프링의 상부에 연결된 탑플레이트, 상기 제2스프링의 하부에 연결된 바텀플레이트, 상기 탑플레이트와 상기 바텀플레이트의 사이에 구비된 보조질량체 및 상기 보조질량체의 외측 일부 또는 전부를 감싸도록 상기 프레임에 고정되고 자성을 갖는 자성체를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제1스프링의 탄성 정도를 조절하는 브레이크를 더 포함할 수 있다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명에서는 서로 탄성계수가 다른 제1스프링과 제2스프링을 이용하여 보조질량체의 이동범위와 속도를 증대시켜 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기{WAVE ENERGY CONVERTER USING VARIABLE STIFFNESS SPRING}
본 발명은 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상하 왕복운동하는 부이와 서로 탄성계수가 다른 스프링의 탄성을 이용하여 전자기유도의 효율을 증가시키는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기에 관한 것이다.
부이를 이용한 파력 발전은 부이가 파도 등에 의해 상하로 운동하는 것을 이용하는데, 파랑의 상하진동 에너지를 회전운동 등으로 변환하여 전기에너지를 얻는 것이 일반적이다. 또한, 부이의 상하운동을 자석과 코일의 전자기유도로 변환시켜 에너지를 발전시키는 방식을 이용하기도 한다.
자석과 코일을 이용한 전자기유도 방식의 파력 발전은 대한민국 등록특허 제10-0679450호에 개시되어 있다.
상기 등록특허에서는 내부에 일정 수용공간을 갖는 부유체와, 부유체의 수용공간에 안치되어 파랑에 의한 부유체의 운동에 따라 회전이동하면서 자장의 변화를 주도록 N극과 S극이 교번되게 형성된 원통형 자성체와, 부유체의 상부벽체 내와 하부벽체 내에 전자유도에 의해 발전되도록 코일이 권취되어 형성된다. 이에 따라 부유체의 상하운동에 의해 자성체와 코일 간의 전자기유도가 발생되어 전기에너지를 발생시킨다.
그러나 이러한 파력 발전 방식은 부이의 적절한 상하운동에 필요한 위치에너지가 요구됨에 따라 파고가 높은 지역에 설치해야 하는 제약조건을 가지며 파고가 낮은 경우 원활한 에너지 변환이 어려울 뿐만 아니라 그 효율이 낮은 문제가 있다.
(문헌 0001) 대한민국 등록특허 10-0679450(등록일:07.01.31.) (문헌 0002) 일본 등록특허 2014-059714(등록일:16.12.02.) (문헌 0002) 대한민국 등록특허 10-1242362(등록일:13.03.05.)
위와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은 전자기 유도를 이용한 파력 변환기에 있어서 파고가 상대적으나 낮은 경우에도 에너지 생성과 에너지 효율을 증대시킨 파력 변환기를 제공하는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기는 프레임, 프레임에 연결되며 파력에 따라 상하 왕복운동하는 부이, 부이에 연결되며 부이와 함께 상하 왕복운동하는 제1가이드샤프트, 제1가이드샤프트에 연결되며 탄성을 갖는 제1스프링, 제1스프링과 병렬로 연결되고 제1스프링과 다른 탄성계수를 갖는 제2스프링, 제2스프링의 상부에 연결된 탑플레이트, 제2스프링의 하부에 연결된 바텀플레이트, 탑플레이트와 바텀플레이트의 사이에 구비된 보조질량체 및 보조질량체의 외측 일부 또는 전부를 감싸도록 프레임에 고정되고 자성을 갖는 자성체를 포함한다.
또한, 제1스프링의 탄성계수는 제2스프링의 탄성계수보다 클 수 있다.
또한, 제1스프링에 연결되며 제1스프링의 압축 또는 인장 정도를 조절 가능한 브레이크 및 브레이크가 체결되며 브레이크의 이동 방향을 가이드하는 브레이크샤프트를 더 포함할 수 있다.
또한, 브레이크로 전기에너지를 공급하는 브레이크전원을 더 포함하고, 브레이크는, 브레이크전원으로부터 전기에너지를 공급받아 브레이크샤프트와의 마찰력을 증가시킬 수 있다.
또한, 브레이크는, 브레이크샤프트를 감싸도록 구비된 브레이크커버, 브레이크커버의 내부에 구비된 브레이크코일, 브레이크샤프트에 접촉되고 브레이크코일로부터 멀어질수록 외측 둘레가 커지도록 형성된 브레이크패드, 자성을 갖고 브레이크패드의 외측에 구비되며 브레이크코일로 흐르는 전류에 의해 브레이크코일로부터 멀어지는 방향으로 이동 가능한 전기자 및 전기자에 연결되며 전기자에 복원력을 제공하는 복원스프링을 포함할 수 있다.
또한, 제1가이드샤프트 및 브레이크샤프트를 연결하는 레버를 더 포함하고, 레버는, 제1가이드샤프트가 체결되며 길이방향으로 연장된 제1체결홈, 브레이크샤프트가 체결되며 길이방향으로 연장된 제2체결홈 및 제1체결홈과 제2체결홈의 사이에 구비되며 프레임과 고정 가능한 고정홈을 포함할 수 있다.
또한, 양 측이 프레임에 고정되어 탑플레이트와 바텀플레이트의 이동 방향을 가이드하는 제2가이드샤프트, 제2가이드샤프트의 상부 외측에 구비된 상부보호스프링 및 제2가이드샤프트의 하부 외측에 구비된 하부보호스프링을 더 포함할 수 있다.
또한, 브레이크의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고, 제어부는, 부이의 상하 왕복운동 시 부이의 상사점으로부터 설정된 시간 이전의 제1지점 및 부이의 하사점으로부터 설정된 시간 이전의 제2지점에서 각각 브레이크를 설정된 시간동안 작동시켜 제1스프링의 탄성력을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면 서로 탄성계수가 다른 제1스프링과 제2스프링의 탄성에 의해 보조질량체의 이동속도와 범위가 1차적으로 증대되어 파력에너지 흡수 효율과 발전 효율이 증대된다.
또한, 브레이크를 통해 제1스프링의 탄성을 조절함에 따라 보조질량체의 이동속도와 범위를 2차적으로 증대시켜 파력 에너지 효율과 발전 효율이 중첩되어 더욱 증가된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 탄성을 이용한 파력 변환기를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 탄성을 이용한 파력 변환기를 나타낸 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부이의 상사점과 하사점에서 제1스프링의 동작을 나타낸 상태도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크를 나타낸 상세도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크의 작동에 따른 제1스프링 및 제2스프링의 동작을 나타낸 상태도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부를 나타낸 블록도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 브레이크 제어를 나타낸 개념도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 브레이크 제어에 따른 보조질량체와 부이의 이동범위와 속도를 나타낸 시험예이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 부이(B)의 상사점이란 부이(B)가 최대 높이에 도달한 지점, 시간 또는 상태를 의미하고, 부이(B)의 하사점이란 부이(B)가 최저 높이에 도달한 지점, 시간 또는 상태를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 탄성을 이용한 파력 변환기를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 탄성을 이용한 파력 변환기를 나타낸 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기는 프레임(100), 상기 프레임(100)에 연결되며 파력에 따라 상하 왕복운동하는 부이(B), 상기 부이(B)에 연결되며 상기 부이(B)와 함께 상하 왕복운동하는 제1가이드샤프트(110), 상기 제1가이드샤프트(110)에 연결되며 탄성을 갖는 제1스프링(200), 상기 제1스프링(200)과 병렬로 연결되고 상기 제1스프링(200)과 다른 탄성계수을 갖는 제2스프링(300), 상기 제2스프링(300)의 상부에 연결된 탑플레이트(410), 상기 제2스프링(300)의 하부에 연결된 바텀플레이트(420), 상기 탑플레이트(410)와 상기 바텀플레이트(420)의 사이에 구비된 보조질량체(400) 및 상기 보조질량체(400)의 외측 일부 또는 전부를 감싸도록 상기 프레임(100)에 고정되고 자성을 갖는 자성체(130)를 포함한다.
본 발명의 프레임(100)은 해안 등에 설치되어 상기 부이(B) 등의 위치를 유지하기 위한 지지대 역할을 수행하며 지면에 고정될 수 있다. 또한, 상기 프레임(100)은 수중에서 하부가 지면에 고정되고 상부가 수면 위에서 상기 제1스프링(200), 제2스프링(300), 탑플레이트(410), 바텀플레이트(420), 보조질량체(400) 및 자성체(130) 등을 지지할 수 있다. 상기 프레임(100)은 해수에 따른 영향을 감소시키기 위하여 스테인리스스틸(stainless steel) 등의 소재로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 부이(B)는 수면에 부유하면서 파도 등의 에너지에 의해 상하 왕복운동을 수행하는 부유체를 의미한다.
상기 부이(B)는 제1가이드샤프트(110)에 의해 상하 왕복운동이 가이드되며, 상기 제1가이드샤프트(110)는 상하로 연장되어 상기 부이(B)가 지정된 위치에서 이탈되는 것을 방지한다. 상기 제1가이드샤프트(110)는 상기 프레임(100)에 연결될 수 있으며 상기 부이(B)와 함께 상하로 왕복 운동한다. 이를 위하여 상기 프레임(100)과 상기 제1가이드샤프트(110)는 리니어부싱(Linear bushing) 등으로 연결될 수 있다. 본 발명에서 리니어부싱은 특정 방향의 움직임 이외에 이동을 방지하는 연결부재의 일종을 의미한다. 상기 제1가이드샤프트(110)와 프레임(100)을 연결하는 리니어부싱(231)은 상기 프레임(100)에는 고정되고 제1가이드샤프트(110)에는 상하 움직임만을 허용하고 그 이외의 이동을 제한하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제1가이드샤프트(110)는 상기 리니어부싱(231)을 수직으로 관통하는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 제1스프링(200)은 일정 탄성계수의 탄성을 가지며 상기 제1가이드샤프트(110)의 상부에 연결되어 상기 제1가이드샤프트(110)와 함께 상하로 운동한다. 구체적으로, 상기 제1가이드샤프트(110)는 상기 제1스프링(200)의 상단과 하단에 각각 고정되어 상기 제1가이드샤프트(110)의 상하 운동은 상기 제1스프링(200)의 압축이나 인장에 영향을 주지 않도록 연결된다. 즉, 상기 부이(B)가 상하 왕복운동을 수행할 때 상기 제1스프링(200)에는 파도 등의 에너지에 따른 인장이나 압축이 발생하지 않는다.
상기 제1스프링(200)은 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220)으로 구분될 수 있으며, 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220) 사이에는 리니어부싱(230) 등이 구비된다. 상기 리니어부싱(230)이 구비된 제1스프링(200)은 상기 리니어부싱(230)이 위쪽으로 이동하거나 아래쪽으로 이동하는 경우 일정 이상의 강도를 가지므로 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220)의 압축 또는 인장 값은 미미하므로 무시하여도 무방하다. 상기 리니어부싱(230)은 일측이 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220) 사이에 연결되고 타측이 후술하는 제2스프링(300)에 연결될 수 있다.
본 발명의 제2스프링(300)은 일정 강도의 탄성을 갖되, 상기 제1스프링(200)과 서로 다른 탄성계수를 갖는다.
상기 제2스프링(300)은 상기 제1스프링(200)과 병렬로 배치되면서 상기 제1스프링(200)에 연결된다. 상기 제2스프링(300)은 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320)으로 구분될 수 있으며, 상기 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320) 사이에는 리니어부싱(230) 등이 구비될 수 있다. 리니어부싱(230)이 구비된 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320)은 인장과 압축이 반대로 발생될 수 있다. 또한, 상기 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320) 사이에 구비된 리니어부싱(230)은 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220) 사이에 구비된 리니어부싱(230)과 동일한 객체로, 상기 제1스프링(200)과 제2스프링(300)은 상기 리니어부싱(230)으로 연결될 수 있다. 즉, 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220) 사이에서 상기 리니어부싱(230)의 일측이 고정되고, 상기 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320) 사이에서 상기 리니어부싱(230)의 타측이 고정될 수 있다. 이 경우 상기 리니어부싱(230)으로 연결된 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220) 또는 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320)은 상기 제1스프링(200) 또는 제2스프링(300)의 탄성이나 강도에 따라 상대적인 길이가 가변될 수 있다.
상기 제2스프링(300)의 상부에는 탑플레이트(410)가 연결되고 하부에는 바텀플레이트(420)가 연결될 수 있다.
상기 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420)는 서로 일정 간격이 이격 구비되며 상기 제2스프링(300)과 함께 상하로 이동한다. 상기 탑플레이트(410) 바텀플레이트(420)는 평판 형상을 가질 수 있으며 상기 제2스프링(300)의 상단과 하단에 각각 고정되는 것이 바람직하다.
상기 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420) 사이에는 보조질량체(400)가 구비된다. 상기 보조질량체(400)에는 상하 이동시 자속의 변화에 의하여 선형 발전가능한 코일 등을 포함하도록 구성되며, 상기 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420)의 이동과 함께 상하 방향으로 왕복운동하면서 전자기유도를 발생시킨다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형발전장치를 설명하지만, 직선운동을 이용하여 전기를 생산할 수 있다면 본 발명의 구성과 다른 선형발전기가 사용될 수 있음은 자명하다.
구체적으로 상기 보조질량체(400)와 함께 전자기유도를 발생시키는 자성체(130)는 상기 보조질량체(400)의 외측에 일정간격 이격되면서 상기 보조질량체(400)의 일부 또는 전부를 감싸도록 구비되며, 상기 프레임(100)에 고정될 수 있다. 상기 자성체(130)는 N극과 S극이 교번하도록 적층된 구조로 원통 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 내측에 1번N극이 구비되고 외측에 1번S극이 구비된 경우 상기 1번N극의 상부에 2번S극이 구비되고 상기 1번S극의 상부에 2번N극이 구비되는 방식으로 다수의 N극과 S극이 서로 교번하면서 적층될 수 있다. 또한, 상기 자성체(130)는 상기 프레임(100)의 내측 벽에 원통형의 배치를 이루며 위치되고 상기 자성체(130)의 내부에 상기 보조질량체(400)가 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 양 측이 상기 프레임(100)에 고정되어 상기 탑플레이트(410)와 상기 바텀플레이트(420)의 이동 방향을 가이드하는 제2가이드샤프트(120), 상기 제2가이드샤프트(120)의 상부 외측에 구비된 상부보호스프링(121) 및 상기 제2가이드샤프트(120)의 하부 외측에 구비된 하부보호스프링(122)을 더 포함할 수 있다.
상기 제2가이드샤프트(120)는 상하 방향으로 연장되고 상기 프레임(100)에 상단과 하단이 고정되며 상기 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420)에 연결된다. 여기서 상기 보조질량체(400)도 상기 제2가이드샤프트(120)에 연결될 수 있으며, 상기 제2가이드샤프트(120)에 의해 이동방향이 가이드될 수 있다. 상기 제2가이드샤프트(120)는 복수일 수 있으며, 복수로 구성된 제2가이드샤프트(120)는 구조적 안정성을 고려하여 서로 일정 간격 이격되고 평행하도록 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제2가이드샤프트(120)의 외측 상부에는 상부보호스프링(121)이 구비되고 하부에는 하부보호스프링(122)이 구비되는데, 상기 상부보호스프링(121)과 하부보호스프링(122)은 코일스프링의 형상으로 상기 프레임(100)에 고정되어 파고가 높은 경우 상기 탑플레이트(410)가 프레임(100)의 상부에 충돌하거나 상기 바텀플레이트(420)가 프레임(100)의 하부에 충돌하는 것을 방지한다. 즉, 탄성에 의해 탑플레이트(410)나 바텀플레이트(420)의 충격을 완화하는 역할을 수행한다. 상기 상부보호스프링(121)과 하부보호스프링(122)은 반드시 코일스프링의 형상을 가질 필요는 없고, 충격력을 완화하는 다양한 구조와 소재가 사용될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 부이(B)의 상사점(상하운동시 최고점)과 하사점(상하운동시 최저점)에서 제1스프링(200)의 동작을 나타낸 상태도이다. 도 3은 부이(B)가 상사점에 도달하였을 때를 나타내고, 도 4는 부이(B)가 하사점에 도달하였을 때를 나타낸다.
위와 같은 구성을 갖는 본 발명에서는 제2스프링(300)의 탄성에 의해 상기 보조질량체(400)의 이동속도와 이동범위가 증폭되는 효과가 있다. 구체적으로 도 3 및 도 4를 참고하여 상기 제1스프링(200)과 제2스프링(300)에 따른 보조질량체(400)의 동작을 설명하면, 먼저 상기 부이(B)의 상하 왕복운동에 의해 상기 제1스프링(200) 전체가 상하로 이동하고, 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220) 사이에 구비된 리니어부싱(230)도 함께 상하로 이동된다. 이 때 상기 제1스프링(200)의 이동 방향에 따라 보조질량체(400)의 자중과 관성에 의해 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220)에서 인장과 압축이 다소 발생될 수 있으나 제1스프링(200)의 탄성계수는 제2스프링(300)의 탄성계수보다 상대적으로 크므로 상기 제1스프링(200)인 인장 또는 압축은 제2스프링(300)보다는 적게 된다.
상기 제2스프링(300)은 상기 리니어부싱(230)으로 연결된 제1스프링(200)으로부터 힘을 전달받아 상기 제1스프링(200) 및 리니어부싱(230)과 함께 이동한다. 이 때 상기 제1스프링(200)과 상기 리니어부싱(230)이 위쪽 방향이나 아래쪽 방향으로 이동하는 시점에서 상기 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320)은 각각 압축 또는 인장이 발생된다.
제2스프링(300)의 상단에 구비된 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420)의 이동은 상기 제2스프링(300)의 제2상부스프링(310)과 제2하부스프링(320)의 탄성에 영향을 받는데, 예를 들어 위쪽 방향으로 이동하는 부이(B)의 의해 제1스프링(200)과 제1스프링(200)으로부터 리니어부싱(230)을 통해 힘을 전달받는 제2스프링(300)은 위쪽으로 이동하며, 부이(B)의 상사점에서 관성과 자중에 의해 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420) 및 보조질량체(400)는 계속 위쪽으로 이동하려는 힘을 갖는다. 부이(B)가 상사점에 도달한 경우에도 상기 보조질량체는 관성에 의해 더 위로 이동하므로 제2상부스프링(310)은 인장되고 제2하부스프링(320)은 압축된다. 이 경우 상기 부이(B)가 상사점을 지나 아랫방향으로 이동하는 시점에서 상기 제2상부스프링(310)의 인장력은 탑플레이트(410)와 리니어부싱(230)을 서로 잡아당기는 힘으로 작용하고, 상기 제2하부스프링(320)의 압축력은 리니어부싱(230)과 바텀플레이트(420)를 서로 멀어지게 하는 힘으로 작용한다. 이 때 상기 리니어부싱(230)은 탄성계수가 큰 제1스프링(200)에 연결되어 상기 부이(B)와 함께 이동하므로, 탑플레이트(410)에 작용하는 아랫방향의 힘과 바텀플레이트(420)에 작용하는 아랫방향의 힘을 통해 탑플레이트(410)와 바텀플레이트(420) 사이에 구비된 보조질량체(400)는 제2스프링(200)이 없을 때보다 아랫방향으로 가해지는 추가적인 힘을 받게 된다.
이는 상기 부이(B)가 하사점에 도달하였을 때 보조질량체(400)는 관성에 의해 계속 아랫방향으로 이동하게 되고,이에 의해 상기 제2상부스프링(310)이 압축되고 상기 제2하부스프링(320)이 인장되게 되며, 이 때에는 부이(B)의 상사점에서와 작용하는 힘의 방향만 다를 뿐, 동일한 원리가 적용되어 보조질량체(400)는 제2스프링(200)이 없을 때보다 윗방향으로 가해지는 추가적인 힘을 받게 된다.
위와 같이 본 발명에서는 제2스프링(300)을 이용함으로써 보조질량체(400)의 이동속도와 범위를 증대시키는 효과를 통해 파력을 이용한 에너지 흡수 및 발전 효율을 높이고 에너지 효율을 1차적으로 증가시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크(500)를 나타낸 상세도이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크(500)의 작동에 따른 제1스프링(200) 및 제2스프링(300)의 동작을 나타낸 상태도이다. 도 5의 (a)는 브레이크(500)의 작동 전 상태이고, 도 5의 (b)는 브레이크의 작동 중 상태를 나타낸다. 또한, 도 6은 부이(B)가 상사점에 도달하기 직전 상태를 나타내고, 도 7은 부이(B)가 하사점에 도달하기 직전 상태를 나타낸다.
도 5 내지 도 7을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제1스프링(200)에 연결되며 상기 제1스프링(200)의 압축 또는 인장 정도를 조절하는 브레이크(500) 및 상기 브레이크(500)가 체결되며 상기 브레이크(500)의 이동 방향을 가이드하는 브레이크샤프트(140)를 더 포함할 수 있다.
상기 브레이크(500)는 상술한 리니어부싱(230)과 연결될 수 있으며, 상기 리니어부싱(230)의 위치를 일시적으로 고정시켜 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220)의 압축 또는 인장을 증가시킴에 따라 탄성계수가 상대적으로 큰 상기 제1스프링(200)에서도 탄성력을 발생시킨다.
상기 브레이크샤프트(140)는 상하로 연장되고 상기 브레이크(500)와 연결되어 브레이크(500)의 상하 이동을 가이드하며 상기 프레임(100)에 고정될 수 있다. 또한, 상기 브레이크샤프트(140)는 상기 제1가이드샤프트(110)와 서로 나란하도록 배치될 수 있다.
구체적으로 본 발명의 브레이크(500)를 이용한 에너지 효율의 향상 구조를 설명하면, 본 발명에서는 상기 브레이크(500)로 전기에너지를 공급하는 브레이크전원(560)을 더 포함하고, 상기 브레이크(500)는, 상기 브레이크전원(560)으로부터 전기에너지를 공급받아 상기 브레이크샤프트(140)와의 마찰력을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 브레이크(500)는 상기 제1상부스프링(210)과 제1하부스프링(220)의 사이에 연결될 수 있으며, 상기 리니어부싱(230)과 서로 연결될 수 있다.
상기 부이(B)가 상사점에 도달하였을 때 상기 제2스프링(300)의 압축 또는 인장은 상술한 바와 같다. 이 경우 상기 브레이크(500)는 상기 부이(B)가 상사점에 도달하기 직전에 상기 리니어부싱(230)의 위치를 일시적으로 고정시켜 상기 제1스프링(200)의 탄성 정도를 조절한다. 즉, 상기 부이(B)가 상사점으로부터 설정된 시간이 되기 전에 브레이크(500)를 설정된 시간동안 작동시켜 상기 제1상부스프링(210)의 인장 및/또는 상기 제1하부스프링(220)의 압축을 발생시킨다. 이 경우 상기 제1스프링(200)과 리니어부싱(230)으로 연결된 제2스프링(300)은 브레이크(500)를 이용하지 않는 경우와 비교할 때 상기 제2상부스프링(310)은 인장정도가 더욱 커지고 상기 제2하부스프링(320)은 압축정도가 더욱 커진다.
상기 부이(B)가 상사점에 도달하였을 때 상기 브레이크(500)의 작동을 중단하게 되면 상기 제2상부스프링(310)은 탑플레이트(410)를 브레이크(500)를 이용하지 않는 경우보다 더욱 큰 힘으로 잡아당기고 상기 제2하부스프링(320)은 바텀플레이트(420)를 브레이크(500)를 이용하지 않는 경우보다 더욱 큰 힘으로 밀게 된다. 이에 따라 상기 부이(B)가 상사점을 지날 때 상기 제2스프링(300)의 탄성력에 의해 상기 보조질량체(400)는 아랫방향으로 브레이크(500)를 이용하지 않는 경우보다 더욱 큰 힘을 받아 빠른 속도로 이동하게 된다. 또한 이와 함께, 상대적으로 큰 탄성계수로 인하여 브레이크(500)가 없을 때에는 거의 작용하지 않았던 제1스프링(200)도 인장 및 압축에 의한 탄성력을 상기 보조질량체(400)의 아랫방향으로 작용하게 된다. 따라서 제2스프링(300)뿐만 아니라 제1스프링(200)에 의하여 보조질량체(400)의 이동속도와 이동범위를 다시 2차적으로 증폭시키는 효과를 가져오므로, 파력 에너지 흡수 및 발전 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 브레이크(500)는 상기 리니어부싱(230)의 위치를 일시적으로 고정시키기 위한 다양한 구조가 이용될 수 있는데, 상사점 및 하사점에서 설정된 시간동안 브레이크를 작동시켜 제1스프링(200) 또는 제2스프링(300)을 인장 및 압축시킬 수 있는 것이면 브레이크 구조의 다양한 변형이 가능함은 자명하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 브레이크(500)는, 상기 브레이크샤프트(140)를 감싸도록 구비된 브레이크커버(510), 상기 브레이크커버(510)의 내부에 구비된 브레이크코일(520), 상기 브레이크샤프트(140)에 접촉되고 상기 브레이크코일(520)로부터 멀어질수록 외측 둘레가 커지도록 형성된 브레이크패드(540), 자성을 갖고 상기 브레이크패드(540)의 외측에 구비되며 상기 브레이크코일(520)로 흐르는 전류에 의해 상기 브레이크코일(520)로부터 멀어지는 방향으로 이동 가능한 전기자(530) 및 상기 전기자(530)에 연결되며 상기 전기자(530)에 복원력을 제공하는 복원스프링(550)을 포함할 수 있다.
브레이크커버(510)는 내부에 수용공간이 형성되면서 브레이크(500)의 외골격을 이루고, 브레이크샤프트(140)가 브레이크커버(510)를 수직으로 관통하는 구조를 가질 수 있다. 브레이크코일(520)은 상기 브레이크커버(510) 내부에서 상기 브레이크샤프트(140)의 외측 둘레를 따라 구비되며, 브레이크커버(510) 내부에는 상기 브레이크코일(520)과 인접하도록 자성체가 구비된다. 상기 전기자(530)는 상기 브레이크코일(520)의 상부 또는 하부에 구비되며, 상기 브레이크코일(520)로 전류가 흐르는 경우 자성체와의 상호 전자기 유도를 통하여 상기 전기자(530)가 위쪽 또는 아래쪽 방향으로 이동한다. 이하, 전기자(530)가 위쪽으로 이동하는 경우로 가정하여 설명한다. 상기 전기자(530)와 상기 브레이크샤프트(140) 사이에는 브레이크패드(540)가 구비되며, 상기 전기자(530)는 전자기유도에 의해 위쪽으로 이동하면서 상기 브레이크패드(540)를 가압하며 브레이크샤프트(140)와 마찰력을 증대시킨다. 상기 브레이크패드(540)는 탄성력이나 완충력을 갖는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 전기자(530)의 이동에 따른 브레이크샤프트(140)와 브레이크(500)의 마찰력 증대를 용이하게하기 위하여 상기 브레이크패드(540)는 상기 전기자(530)에서 멀어질수록 점차 외부 직경이 커지는 형상을 가질 수 있다. 이 경우 상기 브레이크패드(540)는 전기자(530)의 이동에 의해 가압되면서 외부 직경이 가변될 수 있다.
복원스프링(550)은 상기 브레이크패드(540)의 외측 둘레를 따라 감긴 코일스프링 형상을 가지며, 상기 브레이크코일(520)로 전류를 공급하여 전기자(530)를 위쪽으로 이동시킨 상태에서 브레이크코일(520)로 흐르는 전류를 중단시켰을 때 상기 전기자(530)를 다시 아래쪽으로 복원시키는 역할을 수행한다. 상기 복원스프링(550)은 상기 브레이크커버(510)의 내부 상면과 전기자(530) 사이에 위치될 수 있다. 상기 전기자(530)가 아래쪽으로 이동하는 경우에도 동일한 원리가 적용될 수 있으며, 상기 브레이크코일(520), 브레이크패드(540), 자성체, 복원스프링(550) 등의 위치는 달라질 수 있다.
상기 브레이크전원(560)은 외부 전원, 충전식 배터리 등이 이용될 수 있으며, 본 발명인 파력 변환기에서 생성된 전력을 이용하여도 무방하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제1가이드샤프트(110) 및 상기 브레이크샤프트(140)를 연결하는 레버(150)를 더 포함하고, 상기 레버(150)는, 상기 제1가이드샤프트(110)가 체결되며 길이방향으로 연장된 제1체결홈(151), 상기 브레이크샤프트(140)가 체결되며 상기 길이방향으로 연장된 제2체결홈(152) 및 상기 제1체결홈(151)과 제2체결홈(152)의 사이에 구비되며 상기 프레임(100)과 고정 가능한 고정홈(153)을 포함할 수 있다.
상기 레버(150)는 상기 제1가이드샤프트(110)와 상기 브레이크샤프트(140)의 하단을 서로 연결할 수 있으며, 일측에 구비된 상기 제1체결홈(151)에 제1가이드샤프트(110)가 연결되고 타측에 구비된 상기 제2체결홈(152)에 브레이크샤프트(140)가 연결되며, 상기 고정홈(153)에 프레임(100)이 연결된다. 고정홈(153)과 프레임(100)의 연결은 힌지타입으로 상기 레버(150)가 고정홈(153)을 중심으로 회전되는 것이 바람직하다. 상기 제1가이드샤프트(110)에는 제1고정구(111)가 구비되고 상기 제1고정구(111)는 상기 제1체결홈(151)에 삽입될 수 있고, 상기 브레이크샤프트(140)에는 제2고정구(141)가 구비되고 상기 제2고정구(141)는 상기 제2체결홈(152)에 삽입될 수 있다.
상기 제1가이드샤프트(110)의 상하 이동에 영향을 최소화하기 위하여 제1체결홈(151)은 길이방향으로 연장되어 상기 제1고정구(111)가 상기 제1체결홈(151)의 내에서 상기 길이방향을 따라 이동 가능하며, 상기 제2체결홈(152)은 길이방향으로 연장되어 상기 제2고정구(141)가 상기 제2체결홈(152)의 내에서 상기 길이방향을 따라 이동 가능한 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(600)를 나타낸 블록도이고, 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(600)의 브레이크(500) 제어를 나타낸 개념도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(600)의 브레이크(500)제어를 나타낸 시험예이다. 도 9의 최상단 그래프는 상기 부이(B)의 변위를, 중단은 상기 부이(B)의 속도를, 하단은 상기 브레이크(500)의 ON/OFF를 나타낸다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 상기 브레이크(500)의 작동을 제어하는 제어부(600)를 더 포함하고, 상기 제어부(600)는 상기 부이(B)의 상하 왕복운동 시 상기 부이(B)의 상사점으로부터 설정된 시간(TBRAKE) 이전의 제1지점 및 상기 부이(B)의 하사점으로부터 상기 설정된 시간(TBRAKE) 이전의 제2지점에서 각각 상기 브레이크(500)를 상기 설정된 시간(TBRAKE)동안 작동시켜 상기 제1스프링(200)의 탄성력을 증가시킬 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 구체적으로 제어부(600)를 통한 브레이크(500)의 작동을 설명하면, 본 발명에서 상기 브레이크(500)는 제1지점과 제2지점에서 각각 작동시켜, 상기 제1스프링(200)의 탄성 정도를 조절하여 상기 보조질량체(400)의 이동속도나 범위를 증대시킨다.
이 경우 상기 브레이크(500)의 작동은 상기 브레이크(500)로 전류를 공급함에 따라 전자기유도에 의해 상기 브레이크(500)가 체결된 브레이크샤프트(140)와 브레이크(500) 사이의 마찰력이 증가되면서 상기 브레이크(500)의 높이가 고정되는 방식을 이용할 수 있다.
도 9에서 X축은 시간을 나타내고 Y축은 부이(B)의 이동범위, 부이(B)의 속도 및 브레이크(500)의 ON/OFF를 나타내는데, 상기 제1지점은 상기 부이(B)의 상사점에 도달하기 전이고, 상기 제2지점은 상기 부이(B)의 하사점에 도달하기 전일 수 있다. 또한, 상기 브레이크(500)의 작동은, 상기 제1지점에서 부이(B)의 상사점까지 및 상기 제2지점에서 부이(B)의 하사점까지일 수 있다.
구체적으로, 제1지점을 A', 부이(B)의 상사점을 A, 제2지점을 B', 부이(B)의 하사점을 B라 하면, 제1지점은 부이(B)의 상사점인 B에서 설정된 시간(TBRAKE)의 전인 지점을 의미하고, 제2지점은 부이(B)의 하사점인 B에서 설정된 시간(TBRAKE)의 전인 지점을 의미한다. 상기 부이(B)의 상사점과 하사점의 도달 전인 제1지점과 제2지점에서 각각 브레이크(500)를 설정된 시간(TBRAKE) 동안 작동시킬 수 있다.
예를 들면, 상기 부이(B), 제1가이드샤프트(110), 제1스프링(200), 제2스프링(300), 탑플레이트(410), 바텀플레이트(420) 또는 보조질량체(400) 등의 이동 거리를 측정하는 거리측정센서로부터 상기 부이(B)의 상하 이동주기를 판단하고, 상기 이동주기로부터 상기 부이(B)의 상사점, 하사점, 제1지점, 제2지점을 결정할 수 있다.
다른 예를 들면, 상기 부이(B), 제1가이드샤프트(110), 제1스프링(200), 제2스프링(300), 탑플레이트(410), 바텀플레이트(420) 또는 보조질량체(400) 등의 속도를 측정하는 속도센서로부터 상기 부이(B)의 상하 이동주기나 부이(B)의 속도를 판단할 수 있다. 상기 부이(B)의 속도는 상사점과 하사점에서 0이 되며, 상사점과 하사점의 사이에서 최대값(VMAX)을 갖는다. 상기 부이(B)의 속도는 상기 부이가 위로 움직이는 방향을 양의 값으로 할 때, 상기 제1지점은 상기 부이(B)의 속도가 양의 값을 가지면서 특정 속도 이하가 되는 지점으로, 상기 제2지점은 상기 부이(B)의 속도가 음의 값을 가지면서 절대값이 상기 특정 속도 이하가 되는 지점으로 정해진다. 일 실시예로서, 상기 제1지점은 상기 부이(B)의 속도가 0.4VMAX인 지점으로 결정하고, 상기 제2지점은 상기 부이(B)의 속도가 -0.4VMAX인 지점으로 결정할 수 있다. 이 경우 상기 브레이크(500)는 상기 부이의 속도가 0.4VMAX에서 0이 될 때까지, 그리고 상기 부이의 속도가
-0.4VMAX에서 0이 될 때까지 작동한다. 즉, 이 경우 상기 제어부(600)는 상기 속도센서를 통하여 측정된 부이(B)의 속도가 0.4VMAX에서 0로 감소되는 동안, 그리고 상기 부이의 속도가 -0.4VMAX에서 0으로 증가되는 동안 작동시킨다.
상술한 거리측정센서나 속도센서는 다양한 구성을 가질 수 있으며, 본 발명의 목적 하에서 다양한 위치에 설치될 수 있다.
도 10의 X축은 시간을 나타내고 Y축은 부이(B)와 질량보조체(400)의 이동범위를 나타내는데, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(600)를 통한 브레이크(500)의 작동을 적용하였을 때 보조질량체(400)는 상기 부이(B)의 상하이동범위보다 더 큰 범위를 가지므로, 파력에너지 흡수 효율이 증가하고 상기 보조질량체(400)와 자성체(130)를 이용한 발전 효율은 더욱 증대되는 효과를 갖는다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 파력 발전 장치는 가변 탄성을 이용하여 보조질량체(400)의 이동범위와 속도를 2차에 걸쳐 중첩 증대시켜 에너지 흡수 및 발전 효율이 뛰어난 장점이 있다.
100 : 프레임 110 : 제1가이드샤프트
111 : 제1고정구 120 : 제2가이드샤프트
121 : 상부보호스프링 122 : 하부보호스프링
130 : 자성체
140 : 브레이크샤프트 141 : 제2고정구
150 : 레버 151 : 제1체결홈
152 : 제2체결홈 153 : 고정홈
200 : 제1스프링 210 : 제1상부스프링
220 : 제1하부스프링 230 : 리니어부싱
300 : 제2스프링 310 : 제2상부스프링
320 : 제2하부스프링
400 : 보조질량체 410 : 탑플레이트
420 : 바텀플레이트
500 : 브레이크 510 : 브레이크커버
520 : 브레이크코일 530 : 전기자
540 : 브레이크패드 550 : 복원스프링
560 : 브레이크전원
600 : 제어부
B : 부이

Claims (9)

  1. 프레임;
    상기 프레임에 연결되며 파력에 따라 상하 왕복운동하는 부이;
    상기 부이에 연결되며 상기 부이와 함께 상하 왕복운동하는 제1가이드샤프트;
    상기 제1가이드샤프트에 연결되며 탄성을 갖는 제1스프링;
    상기 제1스프링과 병렬로 연결되고 상기 제1스프링과 다른 탄성계수를 갖는 제2스프링;
    상기 제2스프링의 상부에 연결된 탑플레이트;
    상기 제2스프링의 하부에 연결된 바텀플레이트;
    상기 탑플레이트와 상기 바텀플레이트의 사이에 구비된 보조질량체; 및
    상기 보조질량체의 외측 일부 또는 전부를 감싸도록 상기 프레임에 고정되고 자성을 갖는 자성체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1스프링의 탄성계수는 상기 제2스프링의 탄성계수보다 큰 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1스프링에 연결되며 상기 제1스프링의 압축 또는 인장 정도를 조절 가능한 브레이크 및 상기 브레이크가 체결되며 상기 브레이크의 이동 방향을 가이드하는 브레이크샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 브레이크로 전기에너지를 공급하는 브레이크전원을 더 포함하고,
    상기 브레이크는,
    상기 브레이크전원으로부터 전기에너지를 공급받아 상기 브레이크샤프트와의 마찰력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 브레이크는,
    상기 브레이크샤프트를 감싸도록 구비된 브레이크커버;
    상기 브레이크커버의 내부에 구비된 브레이크코일;
    상기 브레이크샤프트에 접촉되고 상기 브레이크코일로부터 멀어질수록 외측 둘레가 커지도록 형성된 브레이크패드;
    자성을 갖고 상기 브레이크패드의 외측에 구비되며 상기 브레이크코일로 흐르는 전류에 의해 상기 브레이크코일로부터 멀어지는 방향으로 이동 가능한 전기자; 및
    상기 전기자에 연결되며 상기 전기자에 복원력을 제공하는 복원스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 제1가이드샤프트 및 상기 브레이크샤프트를 연결하는 레버를 더 포함하고,
    상기 레버는,
    상기 제1가이드샤프트가 체결되며 길이방향으로 연장된 제1체결홈;
    상기 브레이크샤프트가 체결되며 상기 길이방향으로 연장된 제2체결홈; 및
    상기 제1체결홈과 제2체결홈의 사이에 구비되며 상기 프레임과 고정 가능한 고정홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  7. 제 1항에 있어서,
    양 측이 상기 프레임에 고정되어 상기 탑플레이트와 상기 바텀플레이트의 이동 방향을 가이드하는 제2가이드샤프트;
    상기 제2가이드샤프트의 상부 외측에 구비된 상부보호스프링; 및
    상기 제2가이드샤프트의 하부 외측에 구비된 하부보호스프링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 브레이크의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 부이의 상하 왕복운동 시 상기 부이의 상사점으로부터 설정된 시간 이전의 제1지점 및 상기 부이의 하사점으로부터 상기 설정된 시간 이전의 제2지점에서 각각 상기 브레이크를 상기 설정된 시간동안 작동시켜 상기 제1스프링의 탄성력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 브레이크의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 부이의 상하 왕복운동시 상기 부이의 속도의 절대값이 특정값으로부터 0으로 감소하는 동안 상기 브레이크를 작동시켜 상기 제1스프링의 탄성력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 복수의 스프링을 이용한 가변 강성 파력 변환기.
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