KR101970802B1 - 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단부가 고정된 와이어의 반대편 단부가 중력체와 연결을 이루어 해수면에 부유하도록 설치된 부력체의 내측에 설치된 회전체에 맞닿으며 거치된 상태에서, 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체를 회전시키고, 이에 따른 동력을 발전체에 전달하도록 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치에 관한 것으로, 본 발명의 구성은, 해수면에 부유하도록 설치된 부력체; 상기 부력체 내측의 설치공간에 구비된 하나 이상의 회전축과, 상기 회전축에 설치된 하나 이상의 회전체와, 상기 회전축과 연결을 이루어 상기 회전체의 회전에 따른 동력을 전달받는 발전체를 구비한 발전유닛; 및 상기 회전축에 맞닿으며 거치된 상태에서 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 상기 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 상기 회전체를 회전시키도록, 일측 단부가 수중의 중력체에 연결되며, 타측 단부가 고정을 이루는 와이어로 이루어진 구동유닛;을 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 해양발전장치에 관한 것으로, 구체적으로는 단부가 고정된 와이어의 반대편 단부가 중력체와 연결을 이루어 해수면에 부유하도록 설치된 부력체의 내측에 설치된 회전체에 맞닿으며 거치된 상태에서, 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체를 회전시키고, 이에 따른 동력을 발전체에 전달하도록 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치에 관한 것이다.
과거에는 전력을 생산하기 위하여, 화석연료의 화학에너지를 이용하는 화력발전, 댐을 형성하여 물의 위치에너지를 이용하는 수력발전 또는 우라늄의 핵분열을 이용하는 원자력발전 등이 광범위하게 사용되었다.
이와는 다르게, 근래에는 자원의 고갈, 안전성의 문제 또는 친환경적 가치를 중시하는 시대적 분위기에 맞추어 상술한 발전방식들에 대한 에너지 의존도가 점차 감소하는 추세이고, 무한 에너지원인 자연에너지로서, 태양열, 조력, 파력, 풍력, 지열 등을 이용한 발전시스템에 관심이 증가하고 있다.
특히, 지구 표면의 70% 이상은 바다로 둘러싸여 있고, 더욱이 대한민국은 삼면이 바다로 둘러싸여 있어 바다가 지니는 무한 에너지를 적극 이용하기 좋은 환경에 있어 국내에도 해양발전장치에 관심이 증가하고 있다.
이러한 해양발전장치들 중, 파력을 이용한 발전장치는 여러 가지 문제해결요소가 요구되고, 그 중 다방향의 해수면 유동을 효과적으로 포집하는 방법과 간단하고 편리하게 설치할 수 있거나 이미 해양에 설치된 구조물을 이용하여 효과적으로 전력을 생산하고 전달할 수 있는 방법을 제공하는 것이 주요한 과제라 할 수 있다.
종래기술로서, 특허문헌 1과 특허문헌 2는 설치 및 이동이 용이하고, 발전한 전기를 전달하는 케이블이 요동하지 않게 설치할 수 있는 파력발전장치를 게시하고 있으며, 상술한 종래기술들은 수평 또는 수직운동을 회전운동으로 전환하여 전기에너지를 생산하도록 함이 특징이다.
그러나, 특허문헌 1 및 특허문헌 2와 같은 종래의 파력발전장치는 복잡한 구조물들로 이루어진 발전장치를 설치하는 시공에 있어, 상당한 시간과 비용의 발생에 따른 시공효율이 떨어지고, 복잡한 구조로 이루어짐으로써 해수면에서 발생하는 파랑 등과 같은 외력의 작용에 의한 파손의 발생에 따른 유지보수가 어려운 문제가 있었다.
그리고, 파력을 이용하여 발전을 도모하기 위한 장치 자체가 해수에 그대로 노출되어 있어, 부식발생의 우려가 있음은 물론, 장치의 관리가 용이하지 않은 문제도 있었다.
또한, 해수면에서의 파랑이 항상 일정하게 발생하지 않음은 물론, 이러한 파랑의 파고의 변위에 대응하여 발전량의 유지 또는 조절이 가능하지 않아 발전효율이 떨어지는 문제도 있었다.
더불어, 앞서 언급한바 있는, 해수면에서 발생하는 파랑 등의 외력에 따른 충격이 가해짐으로부터 장치의 안전성을 확보하기 어려운 문제가 있었고, 이를 해결하기 위한 종래기술의 예를 들면, 복잡하거나 상당한 체적을 갖는 지지구조물을 더 설치하거나, 해수면에 부유시킨 부유체들 간의 상호 작용에 의한 공기압 변환 방식을 통해 발전을 이루게 하거나, 또는 해수면의 파도에 의해 움직이는 부유체의 진동을 이용해 진자운동을 유도하여 발전을 이루게 하는 것이 있을 수 있겠다.
그러나, 상술한 바와 같이, 외력에 대한 발전장치의 안전성을 확보하기 위한 종래기술들은, 해수면의 파도에 의해 승강하는 부유체의 상·하방향으로의 운동 중, 한 방향으로만의 운동에 대응하는 발전을 이룰 수밖에 없는 한계가 있었고, 발전장치의 복잡한 구조에 의해, 실제로 상용화하기에는 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 와이어가 중력체와 연결을 이루어 해수면에 부유하도록 설치된 부력체의 내측에 설치된 회전체에 맞닿으며 거치된 상태에서, 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체를 회전시키고, 이에 따른 동력을 발전체에 전달하도록 하되, 비교적 간단한 구조로 이루어짐은 물론 간이한 설치가 가능하도록 하여, 발전장치를 설치하는 시공에 있어, 그 시간과 비용의 절감을 통해 시공효율이 높아질 수 있도록 하고, 이를 통한 장치의 유지보수도 용이할 수 있도록 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치를 제공함에 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 발전을 구현하기 위한 장치가 해수에 노출되지 않도록 하여 부식발생의 우려를 억제함은 물론, 사용과정에서 장치의 관리가 용이할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 해수면에서 파랑의 발생이 항상 일정치 않음은 물론, 파랑의 파고의 변위에 대응하여 발전량의 조절 및 유지가 가능해 발전효율의 상승을 도모할 수 있도록 하는 것이다.
더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 부력체가 해수면에 부유한 상태를 유지함으로써 해수면에서 발생하는 파랑 등의 외력에 따른 발전장치에 충격이 가해짐으로부터 유연하게 대응하여 발전장치의 안전성을 확보할 수 있도록 함과 동시에, 해수면의 파도에 의해 승강하는 부력체의 상·하방향 모두의 운동에 대응하는 발전을 이룰 수 있도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치는, 해수면에 부유하도록 설치된 부력체; 상기 부력체 내측의 설치공간에 구비된 하나 이상의 회전축과, 상기 회전축에 설치된 하나 이상의 회전체와, 상기 회전축과 연결을 이루어 상기 회전체의 회전에 따른 동력을 전달받는 발전체를 구비한 발전유닛; 및 상기 회전축에 맞닿으며 거치된 상태에서 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 상기 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 상기 회전체를 회전시키도록, 일측 단부가 수중의 중력체에 연결되며, 타측 단부가 고정을 이루는 와이어로 이루어진 구동유닛;을 포함하여 이루어진다.
상기 부력체는, 상기 설치공간을 개폐하는 도어; 및 상기 설치공간과 연통을 이루는 하부 일측과 타측에 상기 와이어의 상·하 이동을 가이드하는 하나 이상의 가이드홀;을 포함할 수 있다.
상기 발전유닛은, 상기 회전축이 상호 인접하며 나란하게 배치되는 한 쌍의 제1 및 제2회전축으로 이루어지고, 상기 회전체가 상기 제1 및 제2회전축 각각에 설치되는 제1 및 제2회전체로 이루어지며, 상기 제1 및 제2회전축의 단부 각각에 상호 기어 치합을 이루는 제1 및 제2전달기어를 구비하고, 상기 발전체와 전달축으로 연결됨과 동시에 상기 제1 또는 제2전달기어와 기어 치합을 이루는 제3전달기어를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2회전체와 각각 대응하는 상기 제1 및 제2회전축 사이에 클러치베어링이 구비되어 상기 제1 및 제2전달기어의 상호 반대되는 회전방향에 따른 상기 제3전달기어의 회전이 이미 설정된 일방향으로만 이루어지도록 하여 상기 발전기로의 동력 전달이 일방향으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 및 제2회전체는 각각 대응하는 상기 제1 및 제2회전축의 길이방향을 따라 간격을 이루며 다수가 배치되고, 다수의 상기 제1 및 제2회전체는 각각 상기 와이어가 맞닿으며 거치될 수 있다.
상기 중력체는, 각각 상측과 하측으로 갈수록 뾰족한 콘 형상으로 이루어져 착탈 가능한 결합을 이루는 상·하부중력체와, 원형의 형상으로 이루어져 상기 상·하부중력체에 착탈 가능한 결합을 이루는 복수개의 보조중력체를 포함하고, 상기 상부중력체 및 보조중력체들은 중앙에 연결홀이 형성되어 상기 하부중력체에 고정된 상기 와이어의 일측 단부가 관통할 수 있다.
상기 중력체는, 상부와 하부가 각각 상측과 하측으로 갈수록 뾰족한 콘 형상으로 이루어져 상기 와이어의 일측 단부가 고정되고, 이미 설정된 중량을 가지며 상기 중력체의 상부와 하부 형상에 대응토록 분할 구비된 복수개의 케이스가 착탈 가능한 결합을 이룰 수 있다.
상기 와이어는 타측 단부가, 앵커부재와 연결되어 해저면에 직접 고정되거나, 상기 중력체보다 무거운 중량을 갖는 중량체와 연결 고정되거나, 해저면에 구비된 고정체에 고정될 수 있다.
상기 부력체와 상기 와이어의 타측 단부 고정부위 사이의 수중에 중계구조체를 더 포함하되, 상기 중계구조체는, 상기 중력체와 상기 와이어의 고정부위 각각에 대응하는 일측과 타측에 상기 와이어가 관통되는 정렬홀이 형성되고, 상기 와이어의 고정부위와 고정와이어로 연결되며, 상기 고정와이어는, 앵커부재와 연결되어 해저면에 직접 고정되거나, 상기 중량체에 고정되거나, 상기 고정체에 고정될 수 있다.
상기 정렬홈은 상기 중계구조체의 길이방향을 따라 다수가 간격을 이루며 배치될 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 의하면, 일측 단부가 중력체와 연결을 이룬 와이어의 타측 단부가 해저면 또는 수중의 중량체에 고정된 채, 부력체의 내측에 설치된 하나 이상의 회전체에 맞닿으며 거치된 상태에서, 파고에 대응하는 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체를 회전시키고, 이에 따른 동력을 발전체에 전달하되, 비교적 간단한 구조로 이루어짐은 물론, 간이한 설치가 가능하여 발전장치를 설치하는 시공에 있어, 그 시간과 비용의 절감을 통해 시공효율이 높아지고, 이를 통한 발전장치의 유지보수도 용이해질 수 있게 된다.
그리고, 발전유닛이 부력체 내측의 설치공간에 구성됨으로써, 해수에 노출되지 않아 부식발생의 우려가 억제된 상태에서, 도어를 통한 장치의 관리가 용이해질 수 있게 된다.
또한, 와이어의 일측 단부에 연결된 중력체가 상부, 하부 및 보조중력체의 착탈 가능한 결합으로 이루어지거나, 이미 설정된 중량을 가지며 복수개로 분할 구비된 케이스들이 착탈 가능하게 결합됨으로써, 중력체의 중량 조절이 가능해, 해수면에서 파랑의 발생이 항상 일정치 않음은 물론, 파고의 변위에 대응하여 발전량의 조절 및 유지가 가능해져 발전효율의 상승을 구현할 수 있게 된다.
더불어, 타측 단부가 수중의 중량체 또는 해저면에 고정된 와이어가 회전체에 연결됨을 통해 부력체와의 연결을 이룸으로써, 부력체가 해수면에 부유한 상태를 유지함에 따라, 해수면에서 발생하는 파랑 등의 외력에 따른 발전장치에 충격이 가해짐으로부터 유연하게 대응하여 발전장치의 안전성을 확보할 수 있게 된다.
게다가, 일측 단부가 중력체와 연결을 이룸은 물론, 타측 단부가 수중의 중량체 또는 해저면에 고정된 와이어가 상호 반대방향으로 회전하는 제1회전체 및 제2회전체에 맞닿으며 거치됨으로써, 해수면의 파도에 의해 승강하는 부력체의 상·하방향 모두의 운동에 대응하는 발전을 이룰 수 있게 된다.
이렇게 상호 반대방향으로 회전하는 제1회전체 및 제2회전체와 각각 대응하는 제1회전축 및 제2회전축 사이에 클러치베어링이 구비됨으로써, 제1전달기어 및 제2전달기어의 상호 반대되는 회전방향에 따른 제3전달기어의 회전이 이미 설정된 일방향으로만 이루어짐에 따라, 발전체로의 동력 전달이 일방향으로 이루어질 수 있게 된다.
뿐만 아니라, 해저면의 고정체에 고정와이어로 고정되는 중계구조체를 통해, 수중에서 와이어의 상·하이동이 안정적으로 이루어지도록 지지할 수 있고, 하나 이상의 회전체 각각에 거치되는 와이어 각각에 대응하는 부력체의 가이드홀과 중계구조체의 정렬홀을 통해, 와이어의 이탈을 방지하면서 다수의 와이어가 서로 엉키거나 꼬이지 않도록 함과 동시에, 이미 설정된 정렬위치에서 상·하이동을 이루도록 가이드할 수 있게 된다.
이와 같은, 해양발전장치는 해양은 물론, 호수, 저수지, 댐 또는 공유수면과 같은 수상에도, 그 설치가 가능함으로써, 다양한 수상환경에 적용시킬 수 있게 됨과 함께, 육지에서도 모듈형으로 제작하는 대규모의 양산이 가능하다 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치의 구성 중, 부력체를 제외한 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치의 회전체와 와이어의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치의 중력체의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치의 구성 중, 부력체를 제외한 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치의 회전체와 와이어의 연결 관계를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치의 중력체의 구성을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 상술한 본 발명의 목적을 구현하기 위한 바람직한 실시 구성과 이들 구성에 따른 작용관계에 대하여 설명하겠으며, 종래와 동일 내지 동일 범주에 있는 기술구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 단부가 고정된 와이어의 반대편 단부가 중력체와 연결을 이루어 해수면에 부유하도록 설치된 부력체의 내측에 설치된 회전체에 맞닿으며 거치된 상태에서, 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 부력체의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체를 회전시키고, 이에 따른 동력을 발전체에 전달하도록 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 구성은, 도 1 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 크게 부력체(100), 발전유닛(200) 및 구동유닛(300)을 포함하여 이루어진다.
이렇게 구성된 본 발명의 부력체(100)는, 도 1과 같이, 이미 설정된 폭과 길이를 가지며 수면에 부유하도록 설치되는 것으로, 단일체의 폰툰(Pontoon)으로 이루어지거나, 그 내측을 구획하는 복수개의 격벽을 구비하여 구획된 공간들을 다수의 폰툰을 채운 것으로 이루어질 수 있다.
이러한 부력체(100)는 통상적으로 해양, 호수, 저수지, 댐 또는 공유수면과 같은 수상에 부유시키기 위한 매개체로서 사용되는 것과 동일 또는 유사한 것으로, 그 구조 또는 형상에 제한을 두지 않음은 물론, 그에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다만, 본 발명의 부력체(100)는, 내측에 이미 설정된 크기를 갖는 설치공간(110)을 형성하고, 이 설치공간(110)에는 후술할 발전유닛(200)이 설치된다.
이를 통해, 본 발명에서 후술할 발전체(230)에 동력을 전달하는 주된 역할을 하는 발전유닛(200)이 부력체(100) 내측에서 밀폐됨으로써, 해수에 노출되지 않아 부식발생의 우려가 억제됨은 물론, 발전유닛(200)에 해양생물 등 이물질의 침투를 차단할 수 있게 된다.
그리고, 부력체(100)는, 상술한 설치공간(110)을 개폐하는 도어(120)를 구비한 구성으로 이루어져 도어(120)를 통한 설치공간(110)의 개폐로 후술할 발전유닛(200)의 관리가 용이해질 수 있게 된다.
또한, 부력체(100)는, 내측의 설치공간(110)과 연통을 이루는 하부 일측과 타측, 즉 후술할 중력체(320)와 와이어(310)의 고정부위에 대응하는 양측에 와이어(310)의 상·하 이동을 가이드하는 하나 이상의 가이드홀(130)을 형성한 구성으로 이루어질 수 있다.
이를 통해, 후술하는 와이어(310)가 가이드홀(130)을 관통하면서 상·하 이동하게 됨으로써, 파고에 대응하는 부력체(100)의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체(220)의 회전을 유도하는 와이어(310)의 작용이 안정적으로 이루어질 수 있고, 이동과정에서 와이어(310)의 이탈을 방지할 수 있게 된다.
이와 함께, 하나 이상의 가이드홀(130)은, 후술할 발전체(230)의 발전효율을 높이기 위해 설치공간(110)에 다수가 설치되는 회전체(220)들에 대응토록 다수의 와이어(310)가 설치될 경우에도, 그에 대응하는 다수가 형성될 수 있고, 다수의 가이드홀(130)은 서로 간격을 이루며 형성됨으로써, 다수의 와이어(310)가 서로 엉키거나 꼬이지 않도록 함과 동시에, 이미 설정된 정렬위치에서 상·하이동을 이루도록 가이드할 수 있게 된다.
더불어, 부력체(100)는, 후술할 중력체(320)와의 작용관계에 있어, 부력을 조절하기 위해, 공기를 주입하여 부력을 증가시키거나, 해수를 주입하여 부력을 감소시킬 수 있도록, 유체주입구(미도시) 및 유체배출구(미도시)를 형성하여 공기 또는 해수를 주입하거나 배출함으로써, 부력을 조절할 수 있도록 함이 바람직하다.
이렇게 부력체(100)의 자체적인 부력을 조절할 수 있도록 하는 것은, 후술할 중력체(320)와의 작용을 통해 발전체(230)의 발전을 유도하는 과정에서, 해수면의 항상 일정치 않은 파랑의 발생은 물론, 파고의 변위에 대응하여 발전량의 조절 및 유지가 가능해져 발전효율의 상승을 도모할 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명의 발전유닛(200)은, 후술할 와이어(310)의 상·하 수직운동을 회전운동으로 전환하여 그 회전력을 전달받아 발전을 이루도록 구성된 것으로, 도 1 내지 도 4와 같이, 부력체(100) 내측의 설치공간(110)에 구비된 하나 이상의 회전축(210)과, 회전축(210)에 설치되어 와이어(310)가 맞닿으며 거치되는 하나 이상의 회전체(220)와, 회전축(210)과 연결을 이루어 회전체(220)의 회전에 따른 동력을 전달받는 발전체(230)를 구비한 구성으로 이루어질 수 있다.
여기에서, 발전유닛(200)은, 상술한 회전축(210)이 상호 인접하며 나란하게 배치되는 한 쌍의 제1 및 제2회전축(211, 212)으로 이루어지고, 회전체(220)가 제1 및 제2회전축(211, 212) 각각에 설치되는 제1 및 제2회전체(221, 222)로 이루어질 수 있다.
그리고, 제1 및 제2회전축(211, 212)의 단부 각각에 상호 기어 치합을 이루는 제1 및 제2전달기어(213, 214)를 구비하고, 발전체(230)와 전달축(232)으로 연결됨과 동시에 제1 또는 제2전달기어(213, 214)와 기어 치합을 이루는 제3전달기어(231)를 포함한 구성으로 이루어질 수 있다.
또한, 제1 및 제2회전체(221, 222)는 각각 대응하는 제1 및 제2회전축(211, 212)의 길이방향을 따라 간격을 이루며 다수가 배치되고, 다수의 제1 및 제2회전체(221, 222)는 각각 후술할 와이어(310)가 맞닿으며 거치될 수 있다.
즉, 하나의 부력체(100)에 설치된 한 쌍의 제1 및 제2회전축(211, 212)과, 여기에 설치되는 다수의 제1 및 제2회전체(221, 222)와, 이에 대응하는 다수의 와이어(310)가 설치됨으로써, 발전효율을 높일 수 있게 된다.
더불어, 발전유닛(200)은, 제1 및 제2회전체(221, 222)와 각각 대응하는 제1 및 제2회전축(211, 212) 사이에 클러치베어링(C)이 구비되어 제1 및 제2전달기어(213, 214)의 상호 반대되는 회전방향에 따른 제3전달기어(231)의 회전이 이미 설정된 일방향으로만 이루어지도록 하여 발전체(230)로의 동력 전달이 일방향으로 이루어질 수 있도록 한다.
즉, 다수의 제1 및 제2회전체(221, 222)가 구비될 경우, 이에 대응하는 후술할 와이어(310)들 각각이 수행하는 독립적인 상·하 수직운동에 의하여 마주하는 제1 및 제2회전체(221, 222)의 회전운동이 각각 달라지는데, 각각의 제1 및 제2회전체(221, 222)가 제1 및 제2회전축(211, 212)에 독립적으로 회전력을 전달하도록 클러치베어링(C)을 구비할 수 있는 것이다.
이와 관련하여, 본 발명의 발전유닛(200)은 파고에 대응하는 부력체(100)의 상승과 하강에 따른 상·하 양방향의 이동에 모두 대응하여 발전을 이루게 할 수 있는데, 즉 파고에 의해 부력체(100)가 상승할 경우, 일측은 후술할 중력체(320)와 연결되고 타측이 고정된 와이어(310)는 제1 및 제2회전체(221, 222)를 기준으로 일측이 상승하게 되고, 타측이 고정부위 측으로 당겨지게 된다.
이때, 일측에 위치한 제1회전체(221)는, 그에 맞닿으며 거치되어 있는 후술할 와이어(310) 일측의 상승과 타측의 당겨짐에 의해 회전하게 되고, 타측의 제2회전체(222)는 클러치베어링(C)에 의해, 이미 설정된 방향으로의 회전은 이루어지지 않은 채, 제2회전축(212)과 함께 공회전하는 상태에 놓이게 되고, 제1회전체(221)의 회전에 의해 제1회전축(211)과 제1전달기어(213)는 회전하게 됨과 동시에, 제1전달기어(213)와 기어 치합을 이루는 제2전달기어(214)는 제1전달기어(213)와 반대방향으로 회전하게 되며, 제2전달기어(214)와 기어 치합을 이루는 제3전달기어(231)는 제2전달기어(214)와 반대방향인 제1전달기어(213)의 회전과 동일한 방향으로 회전하여 전달축(232)을 통해 발전체(230)로 회전 동력을 전달하게 된다.
이와는 반대로, 파고에 의해 부력체(100)가 하강할 경우, 후술할 와이어(310)는 제1 및 제2회전체(221, 222)를 기준으로 일측이 중력체(320)에 의해 하강하게 되고, 타측이 부력체(100) 측으로 상승하게 된다.
여기에서, 타측에 위치한 제2회전체(222)는, 그에 맞닿으며 거치되어 있는 후술할 와이어(310) 일측의 하강과 타측의 상승에 의해 회전하게 되고, 일측의 제1회전체(221)는 클러치베어링(C)에 의해 이미 설정된 방향으로의 회전은 이루어지지 않은 채, 제1회전축(212)과 함께 공회전하는 상태에 놓이게 되고, 제2회전체(222)의 회전에 의해 제2회전축(212)과 제2전달기어(214)는 회전하게 됨과 동시에, 제2전달기어(214)와 기어 치합을 이루는 제1전달기어(213)는 제2전달기어(214)와 반대방향으로 회전하게 되며, 제2전달기어(214)와 기어 치합을 이루는 제3전달기어(231)는 제2전달기어(214)와 반대방향인 제1전달기어(213)의 회전과 동일한 방향, 즉 앞서 설명한 부력체(100)의 상승시와 동일한 방향으로 회전하여 전달축(232)을 통해 발전체(230)로 회전 동력을 전달하게 된다.
이를 통해, 상호 반대방향으로 회전하는 제1회전체(221) 및 제2회전체(222)와 각각 대응하는 제1회전축(211) 및 제2회전축(212) 사이에 구비된 클러치베어링(C)에 의해, 제1전달기어(213) 및 제2전달기어(214)의 상호 반대되는 회전방향에 따른 제3전달기어(231)의 회전이 이미 설정된 일방향으로만 이루어짐에 따라, 발전체(230)로의 동력 전달이 일방향으로 이루어질 수 있게 되는 것이다.
한편, 상술한 회전체(220)는, 도 3과 같이, 통상의 풀리로 이루어질 수 있고, 이러한 회전체(220)를 후술하는 와이어(310)는 1회 이상 감으면서 거치되어 상·하로 이동할 수 있으며, 예컨대 회전체(220)를 제1 및 제2회전체(221, 222)로 구성하여 양방향의 회전을 유도할 수 있음과 더불어, 와이어(310)와 회전체(220)의 마착력에 의해 상·하운동을 회전운동으로 전환시킬 수 있게 된다.
여기에서, 회전체(220)는 나선형의 권취홈(223)이 복수개 형성되고, 이러한 권취홈(223)에 후술할 와이어(310)가 1회 이상 감기면서 거치될 수 있음을 통해, 와이어(310)가 회전체(220)로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있으며, 동력을 보다 용이하게 전달할 수 있게 된다.
이와는 다르게, 회전체(220)는, 도 4와 같이, 통상의 피니언기어로 구성될 수 있고, 후술할 와이어(310)의 이미 설정된 구간에 형성된 랙기어(311)가 맞닿도록 와이어(310)가 거치되어 상·하로 이동할 수 있다.
이때, 후술할 와이어(310)에 구비된 랙기어(311)는, 통상의 체인으로 대체될 수 있고, 와이어(310)의 상·하운동이 회전체(220)를 포함하는 발전유닛(200)에 전달될 수 있는 구성이라면, 다양한 기재의 적용이 가능하다 할 것이다.
아울러, 발전유닛(200)은, 상술한 제1 및 제2회전체(221, 222)와 제1 및 제2전달기어(213, 214) 사이에서 브래킷 등으로 이루어져 내측면에 베어링이 구비된 회전축 고정부재(240)를 더 구비할 수 있고, 제1 및 제2회전축(211, 212)이 회전축 고정부재(240)를 관통하여 베어링에 맞닿도록 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 구동유닛(300)은, 도 1 내지 도 6과 같이, 상술한 회전축(210)에 맞닿으며 거치된 상태에서 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 부력체(100)의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체(220)를 회전시키도록, 일측 단부가 수중의 중력체(320)에 연결되며, 타측 단부가 고정을 이루는 와이어(310)로 이루어질 수 있다.
여기에서, 와이어(310)의 일측 단부가 연결 고정되는 중력체(320)는, 도 5와 같이, 각각 상측과 하측으로 갈수록 뾰족한 콘 형상으로 이루어져 착탈 가능한 결합을 이루는 상·하부중력체(321, 322)와, 원형의 형상으로 이루어져 상·하부중력체(321, 322)에 착탈 가능한 결합을 이루는 복수개의 보조중력체(323)를 포함한 구성으로 이루어질 수 있다.
이때, 상부중력체(321) 및 보조중력체(323)들은 중앙에 연결홀(H)이 형성되어 하부중력체(322)에 고정된 와이어(310)의 일측 단부가 관통하는 연결을 이룰 수 있다.
이러한 중력체(320)의 형상에 의해 저항을 줄여 파고에 의한 부력체(100)의 승강에 따른 와이어(310)의 상·하이동에 의한 중력체(320)의 상·하이동시, 수중의 저항에 의해 중력방향에 수직을 이루는 방향으로의 유동을 최소화하여 중력체(320)의 안정적인 상·하이동을 확보할 수 있게 된다.
그리고, 상술한 바와 같이, 중력체(320)가 상호 착탈 가능한 결합을 이루는 상·하부중력체(321, 322)와, 복수개의 보조중력체(323)로 이루어짐으로써, 중력체(320)의 중량 조절이 가능해, 해수면에서 파랑의 발생이 항상 일정치 않음은 물론, 파고의 변위에 대응하여 부력체(100)와 중력체(320)의 작용관계에 있어, 회전축(210), 회전체(220), 제1 및 제2전달기어(213, 214)를 통해 발전체(230)에 전달되는 회전동력을 조절하여 발전량의 조절 및 유지가 가능해져 발전효율의 상승을 구현할 수 있게 된다.
한편, 중력체(320)는, 그 형성에 있어, 도 6과 같이, 상부와 하부가 각각 상측과 하측으로 갈수록 뾰족한 콘 형상으로 이루어지되, 와이어(310)의 일측 단부가 고정되고, 이미 설정된 중량을 가지며 중력체(320)의 상부와 하부 형상에 대응토록 분할 구비된 복수개의 케이스(324)가 착탈 가능한 결합을 이룰 수 있다.
여기에서, 케이스(324)는, 중력방향에 수직을 이루는 방향에 따른 양측으로 분할될 수 있고, 분할된 케이스(324)들이 중력체(320)의 외측면을 감싸도록 상호 착탈 가능한 결합을 이루어, 그 내측에 중력체(320)를 위치시킴으로써, 와이어(310)의 일측 단부가 더 큰 중량을 갖도록 조절할 수 있는 것이다.
이때, 중력체(320)를 감싸는 케이스(324)보다 크기가 큰 별도의 케이스를 더 구비하여, 케이스(324)의 외측면을 감싸도록 더 결합시킴으로써, 와이어(310)의 일측 단부 중량을 더 늘릴 수 있는 것이 가능함은 물론이다.
이 또한, 중력체(320)의 중량 조절이 가능해지는 것으로, 해수면에서 파랑의 발생이 항상 일정치 않음은 물론, 파고의 변위에 대응하여 발전량의 조절 및 유지가 가능해져 발전효율의 상승을 구현할 수 있는 것이다.
아울러, 중력체(320)는, 그 내측이 비어있는 중공을 이룬 상태에서, 공기 또는 해수가 주입되거나 배출되도록 유체주입구(미도시)와 유체배출구(미도시)가 형성될 수 있고, 이를 통해 중력체(320)는 부력체(100)와의 작용관계에서 중력을 조절하기 위해 공기를 주입하여 중력을 감소시키거나, 해수를 주입하여 부력을 감소시킬 수 있는 것이며, 즉 유체 주입구(40c)와 유체 배출구(40d)를 이용하여 공기 또는 해수를 주입하거나 배출함으로써 중력을 조절할 수 있게 된다.
한편, 일측 단부가 상술한 중력체(320)와 연결 고정을 이루는 와이어(310)는, 타측 단부가, 앵커부재(미도시)와 연결되어 해저면에 직접 고정되거나, 중력체(320)보다 무거운 중량을 갖는 별도의 중량체(미도시)와 연결 고정되거나, 해저면에 구비된 고정체(330)에 고정될 수 있다.
이렇게 타측 단부가 수중의 중량체(미도시) 또는 해저면에 고정된 와이어(310)가 회전체(220)에 거치됨을 통해 부력체(100)와의 연결을 이룸으로써, 부력체(100)가 해수면에 계류된 것과 유사하게 해수면에 부유한 상태를 유지함에 따라, 풍압 또는 조류의 발생에 따른 부력체(100)의 수평이동 폭이 최소화되도록 함과 동시에 바람이나 해수면의 파도 등과 같은 외력에 의해 부력체(100)가 쉽게 이동하거나 회전하는 것을 억제함으로써, 해수면에서 발생하는 파랑 등에 따른 발전장치에 충격이 가해짐으로부터 유연하게 대응하여 발전장치의 안전성을 확보할 수 있다.
그리고, 부력체(100)와 연결된 와이어(310)의 타측 단부가 고정을 이루게 됨을 통해, 해수면 또는 수중의 다방향 유동에도, 와이어(310)가 일측 단부에 구비된 중력체(320)에 의해 효과적인 수직방향 운동을 수행할 수 있도록 가이드할 수 있고, 중력체(320)와 함께 작용하여 와이어(310)에 일정한 장력을 부가함으로써, 와이어(310)의 상·하이동 과정에서 중력체(320)가 수평방향으로 유동하지 않도록 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치는, 일측 단부가 중력체(320)와 연결을 이룬 와이어(310)의 타측 단부가 해저면 또는 수중의 중량체(미도시)에 고정된 채, 부력체(100)의 내측에 설치된 하나 이상의 회전체(220)에 맞닿으며 거치된 상태에서, 파고에 대응하는 부력체(100)의 승강에 따라 상·하 이동하여 회전체(220)를 회전시키고, 이에 따른 동력을 발전체(230)에 전달하되, 비교적 간단한 구조로 이루어짐은 물론, 간이한 설치가 가능하여 발전장치를 설치하는 시공에 있어, 그 시간과 비용의 절감을 통해 시공효율이 높아지고, 이를 통한 발전장치의 유지보수도 용이해질 수 있는 것이다.
한편, 본 발명에 따른 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치는, 도 1 및 도 2와 같이, 상술한 부력체(100)와 와이어(310)의 타측 단부 고정부위 사이의 수중에 중계구조체(400)를 더 포함할 수 있고, 이러한 중계구조체(400)는, 중력체(320)와 와이어(310)의 고정부위 각각에 대응하는 일측과 타측에 와이어(310)가 관통되는 정렬홀(410)이 형성되며, 와이어(310)의 고정부위와 고정와이어(420)로 연결될 수 있다.
여기에서, 고정와이어(420)는, 앵커부재(미도시)와 연결되어 해저면에 직접 고정되거나, 상술한 중량체(미도시)에 고정되거나, 고정체(330)에 고정될 수 있다.
이때, 정렬홀(410)은 다수의 회전체(220) 각각에 거치된 다수의 와이어(310)에 대응되도록 중계구조체(400)의 길이방향을 따라 다수가 간격을 이루며 배치될 수 있다.
이러한 중계구조체(400)를 구비한 구성을 통해, 수중에서 와이어(310)의 상·하이동이 안정적으로 이루어지도록 지지할 수 있고, 하나 이상의 회전체(220) 각각에 거치되는 와이어(310) 각각에 대응하는 중계구조체(400)의 정렬홀(410)을 통해, 와이어(310)의 이탈을 방지하면서 다수의 와이어(310)가 서로 엉키거나 꼬이지 않도록 함과 동시에, 이미 설정된 정렬위치에서 상·하이동을 이루도록 가이드할 수 있게 된다.
아울러, 본 발명의 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치는, 상술한 부력체(100) 상에 별도의 해양경계등이나 통신장비 등의 해양관측장비를 더 설치한 구성으로 이루어질 수 있고, 이러한 해양관측장비는 발전체(230)와 연결을 이루어 발전체(230)에서 발생된 전력을 공급받아 구동될 수 있다.
그리고, 상술한 해양관측장비 외에, 부력체(100) 상에 태양광을 통한 발전을 이룰 수 있는 태양전지모듈을 더 설치한 구성으로 이루어져 발전체(230)뿐만이 아닌, 추가적인 발전이 더 이루어지도록 하는 것이 가능함은 물론이다.
또한, 부력체(100)의 외측면 또는 설치공간(110) 내에 통신장비와 촬영소자를 더 구비함으로써, 발전장치의 지속적인 관리와 보수가 용이해지는 추가적인 효과를 발휘할 수 있다.
이와 같은, 해양발전장치는 해양은 물론, 호수, 저수지, 댐 또는 공유수면과 같은 수상에도, 그 설치가 가능함으로써, 다양한 수상환경에 적용시킬 수 있게 됨과 함께, 육지에서도 모듈형으로 제작하는 대규모의 양산이 가능하다 할 것이다.
본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
100 : 부력체 110 : 설치공간
120 : 도어 130 : 가이드홀
200 : 발전유닛 210 : 회전축
211 : 제1회전축 212 : 제2회전축
213 : 제1전달기어 214 : 제2전달기어
220 : 회전체 221 : 제1회전체
222 : 제2회전체 223 : 권취홈
230 : 발전체 231 : 제3전달기어
232 : 전달축 240 : 회전축 고정부재
300 : 구동유닛 310 : 와이어
311 : 랙기어 320 : 중력체
321 : 상부중력체 322 : 하부중력체
323 : 보조중력체 324 : 케이스
330 : 고정체 400 : 중계구조체
410 : 정렬홀 420 : 고정와이어
C : 클러치베어링 H : 연결홀
120 : 도어 130 : 가이드홀
200 : 발전유닛 210 : 회전축
211 : 제1회전축 212 : 제2회전축
213 : 제1전달기어 214 : 제2전달기어
220 : 회전체 221 : 제1회전체
222 : 제2회전체 223 : 권취홈
230 : 발전체 231 : 제3전달기어
232 : 전달축 240 : 회전축 고정부재
300 : 구동유닛 310 : 와이어
311 : 랙기어 320 : 중력체
321 : 상부중력체 322 : 하부중력체
323 : 보조중력체 324 : 케이스
330 : 고정체 400 : 중계구조체
410 : 정렬홀 420 : 고정와이어
C : 클러치베어링 H : 연결홀
Claims (10)
- 자체가 갖는 부력에 의해 해수면에 부상 설치되는 해양발전장치로서,
해수면에 부유하도록 설치된 부력체(100);
상기 부력체(100) 내측의 설치공간(110)에 구비된 하나 이상의 회전축(210)과, 상기 회전축(210)에 설치된 하나 이상의 회전체(220)와, 상기 회전축(210)과 연결을 이루어 상기 회전체(220)의 회전에 따른 동력을 전달받는 발전체(230)를 구비한 발전유닛(200); 및
상기 회전축(210) 맞닿으며 거치된 상태에서 해수면에서 발생하는 파랑의 파고에 대응하는 상기 부력체(100)의 승강에 따라 상·하 이동하여 상기 회전체(220)를 회전시키도록, 일측 단부가 수중의 중력체(320)에 연결되며, 타측 단부가 고정을 이루는 와이어(310)로 이루어진 구동유닛(300);을 포함하고,
상기 와이어(310)는 타측 단부가 해저면에 구비된 고정체(330)에 고정되며,
상기 부력체(100)와 상기 와이어(310)의 타측 단부 고정부위 사이의 수중에 배치되는 중계구조체(400)를 더 포함하되,
상기 중계구조체(400)는, 상기 중력체(320)와 상기 와이어(310)의 고정부위 각각에 대응하는 일측과 타측에 상기 와이어(310)가 관통되는 정렬홀(410)이 형성되고, 상기 와이어(310)의 고정부위와 고정와이어(420)로 연결되며,
상기 고정와이어(420)는, 상기 고정체(330)에 고정되고,
상기 정렬홀(410)은 상기 중계구조체(400)의 길이방향을 따라 다수가 간격을 이루며 배치됨을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 제 1항에 있어서,
상기 부력체(100)는, 상기 설치공간(110)을 개폐하는 도어(120); 및
상기 설치공간(110)과 연통을 이루는 하부 일측과 타측에 상기 와이어(310)의 상·하 이동을 가이드하는 하나 이상의 가이드홀(130);을 포함함을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 제 1항에 있어서,
상기 발전유닛(200)은, 상기 회전축(210)이 상호 인접하며 나란하게 배치되는 한 쌍의 제1 및 제2회전축(211, 212)으로 이루어지고, 상기 회전체(220)가 상기 제1 및 제2회전축(211, 212) 각각에 설치되는 제1 및 제2회전체(221, 222)로 이루어지며,
상기 제1 및 제2회전축(211, 212)의 단부 각각에 상호 기어 치합을 이루는 제1 및 제2전달기어(213, 214)를 구비하고, 상기 발전체(230)와 전달축(232)으로 연결됨과 동시에 상기 제1 또는 제2전달기어(213, 214)와 기어 치합을 이루는 제3전달기어(231)를 포함함을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 제 3항에 있어서,
상기 제1 및 제2회전체(221, 222)와 각각 대응하는 상기 제1 및 제2회전축(211, 212) 사이에 클러치베어링(C)이 구비되어 상기 제1 및 제2전달기어(213, 214)의 상호 반대되는 회전방향에 따른 상기 제3전달기어(231)의 회전이 이미 설정된 일방향으로만 이루어지도록 하여 상기 발전체(230)로의 동력 전달이 일방향으로 이루어짐을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 제 3항에 있어서,
상기 제1 및 제2회전체(221, 222)는 각각 대응하는 상기 제1 및 제2회전축(211, 212)의 길이방향을 따라 간격을 이루며 다수가 배치되고,
다수의 상기 제1 및 제2회전체(221, 222)는 각각 상기 와이어(310)가 맞닿으며 거치됨을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 제 1항에 있어서,
상기 중력체(320)는, 각각 상측과 하측으로 갈수록 뾰족한 콘 형상으로 이루어져 착탈 가능한 결합을 이루는 상·하부중력체(321, 322)와, 원형의 형상으로 이루어져 상기 상·하부중력체(321, 322)에 착탈 가능한 결합을 이루는 복수개의 보조중력체(323)를 포함하고,
상기 상부중력체(321) 및 보조중력체(323)들은 중앙에 연결홀(H)이 형성되어 상기 하부중력체(322)에 고정된 상기 와이어(310)의 일측 단부가 관통함을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 제 1항에 있어서,
상기 중력체(320)는, 상부와 하부가 각각 상측과 하측으로 갈수록 뾰족한 콘 형상으로 이루어져 상기 와이어(310)의 일측 단부가 고정되고, 이미 설정된 중량을 가지며 상기 중력체(320)의 상부와 하부 형상에 대응토록 분할 구비된 복수개의 케이스(324)가 착탈 가능한 결합을 이룸을 특징으로 하는 중력과 부력작용을 이용한 해양발전장치. - 삭제
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Citations (1)
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| JP2017129151A (ja) * | 2012-06-13 | 2017-07-27 | 木村 光照 | 波力発電システムとこれに用いる伝達体および回転変換部 |
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