KR102355762B1 - 파랑을 이용한 수력 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 월파 및 용두레방식의 제어 구조물을 이용하여 해수가 저수되게 하고, 그 저수 위치 에너지를 축적하였다 최대치에서 운동 에너지로 바꾸어 전기 에너지가 생산되게 하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템를 제공함에 있다.
본 발명은 파랑 제어 구조물의 유입로를 통해 유입되는 파랑이 월파되어 편중적으로 채워진 해수량에 의해 일어나는 디퍼의 반복적인 시소운동을 이용한 해수의 채움으로 하강 또는 비움 시 복원 추에 의해 상승 복귀되는 수조와 연동하여 오르내리는 제1와이어 제1도르래와 동축 상에서 함께 구속된 감개에 제2와이어의 점차적인 축적식 감김으로 상기 무게 추를 올렸다 일시에 내리는 것으로 발전을 이루게 된다.

Description

파랑을 이용한 수력 발전 시스템{hydraulic power generation system utilizing ocean wave}
본 발명은 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 월파 및 용두레방식의 제어 구조물을 이용하여 해수가 저수되게 하고, 그 저수 위치 에너지를 축적하였다 최대치에서 운동 에너지로 바꾸어 전기 에너지가 생산되게 하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템에 관한 것이다.
조수 간만의 차이 또는 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 이용한 조력이나 파력 발전은 대략 수위차로부터 위치 에너지를 운동 에너지로 전환하는 발전방식과 파도의 상하운동을 에너지 변환장치를 통하여 기계적인 회전운동 또는 축 방향 운동으로 전환하는 발전방식으로 분류되고 있다.
조력 또는 파력 발전에서 조력 발전의 경우는 조석이 발생하는 강 하구나 만을 방조제로 막아 해수를 저수함과 아울러 수차발전기를 설치하여 썰물 때에 저수지와 해수면의 수위차를 이용해 전기 에너지를 생산하는 방식이며, 파력 발전의 경우는 수면의 움직임에 따라 민감하게 반응하는 기구를 사용하여 파랑 에너지를 기구에 직접 전달하여 기구의 움직임으로 전기 에너지를 생산하는 방식이다.
이러한 조력 또는 파력을 이용한 발전 장치들은 비교적 대형 토목 구조물의 시설이 요구됨과 동시 자연환경 조건, 예를 들어 조력 발전은 조수 간만의 차가 큰 지리적 문제로 지역이 한정되고, 파력 발전에서는 파랑의 역량에 따라 발전 효율이 변화되어 전기 생산량이 균일하지 못한 등의 많은 문제점이 따르고 있는 것이다.
근래에는 토목 구조물이 간소화되고 발전 효율을 높일 수 있는 발전 장치들이 개발되고 있다.
그러한 발전 장치들은 주로 수조를 이용하여 조수 간만의 차이에 발생하는 해수면의 승강에 따라 해수를 비우거나 채움 또는 밀물 시 일정 하중을 가진 부구를 부력으로 상승시킨 다음 썰물에 하강시켜 발생하는 압력으로 양수하여 그 수조의 위치 에너지를 이용해 소기 전기 에너지가 생산되게 있는 것이다.
그런데 이러한 수조를 이용한 발전 장치들에서는 조수 간만 차가 일어나는 지리적 조건 문제가 따르고 있으며, 조석 현상은 1일 2회로 가동 시간이 제한적이고 발전 효율이 저조한 등의 많은 문제점이 따르고 있다.
그리하여 근래에 와서는 지리적 또는 시간에 구애되지 않고 연안으로 계속 입사해 들어오는 파랑을 하여 전기 에너지를 생산시킬 수 있는 발전 장치가 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 10-1119482호 대한민국 등록특허 10-1930397호
본 발명은 상기에서와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 그 목적은 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 월파 및 용두레방식의 파랑 제어 구조물을 이용하여 해수가 저수되게 하고, 그 저수 위치 에너지를 축적하였다 최대치에서 운동 에너지로 바꾸어 균일한 전기 에너지가 생산될 수 있는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명의 목적은 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 월파 및 용두레방식의 제어 구조물을 이용하여 해수가 저수되게 하고, 그 저수 위치 에너지를 축적하였다 최대치에서 운동 에너지로 바꾸어 전기 에너지가 생산되게 하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템를 제공함에 있다.
본 발명은 경사도를 가지고 파랑을 받아들이는 개구형의 유입로가 전방에 구비되고 후방으로는 유입로 뒤부분에서 하향으로 구비되는 작동실과 가로로 설치한 토대 위에 프레임을 수직으로 설치하여 이뤄 절반 이상 침수되는 파랑 제어 구조물과, 파랑 제어 구조물의 유입로와 작동실 사이에서 시소식으로 구동하면서 파랑이 월파되어 담아진 해수를 수조로 쏟아붓는 디퍼와, 수조의 승강운동이 프레임에 설치되는 제1도르래를 타고 오르내리는 제1와이어로 전달되어 연동하면서 수조가 복귀되게 하는 복원 추와, 제1도르래와 동축에서 구속 설치되는 감개 및 프레임 상단에서 발전기가 동축 상으로 구비되어 설치되는 제2도르래를 타고 오르내리는 제2와이어의 일단에 무게 추가 구비되고 타단은 감개에 감기고 풀리면서 위치 에너지를 운동 에너지로 전환하여 전기 에너지가 발생되게 하는 발전 유닛을 포함하여서, 파랑 제어 구조물의 유입로를 통해 유입되는 파랑이 월파되어 편중적으로 채워진 해수량에 의해 일어나는 디퍼의 반복적인 시소운동을 이용한 해수의 채움으로 하강 또는 비움 시 복원 추에 의해 상승 복귀되는 수조와 연동하여 오르내리는 제1와이어의 제1도르래와 동축 상에서 함께 구속된 감개에 제2와이어의 점차적인 축적식 감김으로 상기 무게 추를 올렸다 일시에 내리는 것으로 발전하게 된다.
본 발명에 따른 파랑을 이용한 수력 발전 시스템에 의하면, 본 발명은 연해 또는 연안에서 간편히 시설하고 그 연해 또는 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 월파 및 용두레방식의 파랑 제어 구조물을 이용하여 해수가 저수되게 하고, 그 저수 위치 에너지를 축적하였다 최대치에서 운동 에너지로 바꾸어 균일한 전기 에너지가 생산되게 함으로서, 지리적 또는 시간에 구애되지 않고 균일한 전기를 생산 하여 발전 효율이 우수하고 비교적 시설 비용을 줄이어 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템을 보여 주는 투시도.
도2는 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템을 보여 주는 평명도.
도 3은 도 2의 A-A선 부분을 따라 절단하여 보여 주는 단면도.
도 4는 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템에 적용되는 디퍼 및 수조를 발췌하여 보여 주는 투시도.
도 5는 도 3의 (가)(나) 부분을 발췌하여 보여 주는 것으로서,
(가)는 제1도르래에 래치가 구비된 것을 보여 주는 확대 단면도이고
(나)는 제2도르래에 래치가 구비된 것을 보여 주는 확대도이다.
도 6은 도 3의 (다) 부분을 발췌하여 수조와 작동실 사이에서 구비되는 제2밸브를 보여 주는 확대 단면도이다.
도 7내지 도 11은 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템의 발전과정을 보여 주는 설명도로서,
도 7은 해수에 파랑이 일어나기 전의 모습을 보인 설명이다.
도 8은 해수 표면에 발생된 파랑의 고수위에서 본 발명 파랑을 이용 한 수력 발전 시스템의 디퍼 제2부분으로 해수가 채워지는 모습을 보인 설명도이다.
도 9는 디퍼가 제2부분 해수의 채움으로 커진 무게에 의해 시소운동 이 일어나는 모습을 보인 설명도이다.
도 10은 디퍼 제2부분의 시소운동 하사점에서 제2부분에 담아진 해수 가 수조로 채워지는 모습을 보인 설명도이다.
도 11은 해수가 만수되어 증가된 자중에 의한 수조의 하강운동을 이용 하여 감개에 제2와이어의 점차적인 축적식 감김으로 무게 추를 올 리는 모습과 해수가 해양으로 방류되는 모습을 보인 설명도이다.
다음 본 발명의 일 실시 예에 관해 설명하겠다. 도 1 내지 도 6은 본 발명에 따른 파랑을 이용한 수력 발전 시스템이 상세하게 도시되어 있다.
본 발명은 연해 또는 연안으로 입사해 들어오는 파랑을 월파 및 용두레방식의 제어 구조물을 이용하여 해수가 저수되게 하고, 그 저수 위치 에너지를 축적해 최대치에서 운동 에너지로 바꾸어 전기 에너지가 생산되게 하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템을 제공하는 것이다.
도면에서 10은 파랑 제어 구조물이다. 파랑 제어 구조물(10)은 철제 또는 사출 성형물 등으로 제작될 수 있을 것이다.
이러한 파랑 제어 구조물(10)은 연안에 토목 구조물에 의지되어 설치되거나 연해에서 조수 간만에 따라 오르내리는 부상방식으로 설치된다.
파랑 제어 구조물(10)은 장방형의 기반물인 기초(12)의 전방에 앞쪽은 낮고 뒤쪽으로 가면 점차 높이지는 경사도를 가지고 파랑을 받아들이는 개구형의 유입로(14)가 구비되고, 후방으로는 유입로(14) 뒤부분에서 하향으로 구비되는 작동실(16)과 가로로 설치한 토대(18) 위 양측에서 수직으로 설치되는 프레임(19)을 구비해 이뤄 해수 표면에 절반 이상 침수된다.
파랑 제어 구조물(10)의 작동실(16)에는 상면이 개방된 수조(20)가 자유로이 오르내리게 구비되어 있다. 더 상세하게는 이후에 설명할 디퍼로 담아진 해수의 무게로 하강하고 담아진 해수가 배수되면 이후에 설명하는 복원 추의 무게로 상승하여 원위치로 복귀하는 수조(20)가 구비되어 있다.
파랑 제어 구조물(10)의 유입로(14)와 작동실(16) 사이에는 시소식으로 구동하면서 파랑이 월파되어 담아진 해수를 수조(20) 측으로 쏟아붓는 용두레방식의 디퍼(40)을 갖는다.
파랑 제어 구조물(10)의 프레임(19)은 기둥(19a)과 버팀대(19b)로 이루어 위치 에너지를 운동 에너지로 전환하여 전기가 생산되게 하는 부속물들의 설치를 위한 지지 구조물로 제공될 것이다.
프레임(19)의 버팀대(19b)에 제1도르래(30)가 설치된다. 이 제1도르래(30)는 제1와이어(32)가 설치되어 파랑 제어 구조물(10)의 작동실(16)에서 오르내리는 수조(20)와 일단이 연결되고, 타단은 수조(20)의 복원 추(34)를 매달아놓아 승강운동하는 수조(20)가 상시 위쪽 즉, 디퍼(40)에 인접한 위치에서 대기되게 한다. 이때 제1도르래(30)에는 래칫(30a)이 구비되어 있고 그 제1도르래(30)와 동축상에서 구속 설치되어 는 감개(36)가 구비된다.
프레임(19)의 기둥(19a)에는 디퍼(40)의 시소운동에 의한 감개(36)에서의 축적된 에너지를 이용하여 구동하는 발전 유닛(60)이 설치된다.
발전 유닛(60)은 프레임(19) 기둥(19a) 상부의 동축 상에서 설치되는 발전기(62)와 제2도르래(64), 그리고 무게 추(68)로 이루고 있다.
이를 더 구체적으로 설명하면, 발전기(62)와 제2도르래(64)가 설치되는 축은 이후에 설명할 무게 추를 위치 에너지 최대치까지 끌어 올렸다 그 최대치에서 무게 추의 하강이 일어나도록 통제하는 제동구조(도시하지 않음)를 갖는다.
제2도르래(64)에는 제2와이어(66)가 설치되어 그 일단이 제1도르래(30)와 구속 연동하는 감개(36)에 감겼다 풀렸다하고, 타단은 운동 에너지가 발생되게 하는 무게 추(68)를 매달아놓았다. 이때 제2도르래(64)에는 래칫(64a)이 구비된다.
이렇게 구성된 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템은 파랑 제어 구조물(10)의 유입로(14)를 통해 유입되는 파랑이 월파되어 편중적으로 담겨지는 해수량에 의해 일어나는 디퍼(40)의 연속적이고 반복적인 시소운동을 이용한 해수의 채움으로 하강 또는 비움 시 복원 추(34)로 상승 복귀되는 수조(20)와 연동하여 오르내리는 제1와이어(32)의 제1도르래(30)와 동축 상에서 함께 구속된 감개(36)에 제2와이어(66)의 점차적인 축적식 감김으로 무게 추(34)를 올렸다 내리는 과정에서 발생하는 운동 에너지로 발전기(62)가 구동되어 소기의 전기 에너지를 생산하게 될 것이다.
본 발명은 상기에서의 발전 시설을 파랑 제어 구조물(10)의 기초(12) 상에서 수조(20)와 디퍼(40)를 1조로하여 적어도 하나 이상 복렬로 연속 배치하고 순차적이고 교호적으로 구동되게 하면서 연속 발전을 이루게 할 수 있다.
그리고 디퍼(40)는 대략 쟁반형으로 이루어 전후에 운두가 다른 제1부분(42)과 제2부분(44)으로 이루고 있는데, 이때 제1부분(42)이 제2부분(44) 보다 중량이 커 수조(20) 측에 해수를 쏟아부은 후에는 상시 파랑이 유입되는 측으로 기울어져 파랑 제어 구조물(10)의 유입로(14)를 통해 유입되는 해수를 대기한다.
또 수조(20)와 디퍼(40)의 제2부분(44) 사이에는 디퍼(40) 시소운동의 하사점에서 디퍼 제2부분(44)의 해수를 수조(20) 측으로의 배출을 단속하는 제1밸브(50)가 구비되어 있다.
제1밸브(50)는 디퍼(40)의 제2부분(44) 운두에 구비되는 제1출구(52)와 수조(20)의 운두, 즉 수조(20) 내에서의 디퍼(40) 시소운동 경로상 양변으로 인접 설치되는 벽면을 이용해 구비되는 제2출구(54) 상호관계에서의 결합ㆍ분리작용으로 디퍼(40)에서 수조(20)로 쏟아붓는 해수의 저수와 배출 작용을 단속하게 될 것이다.
또한 수조(20)와 작동실(16) 사이에는 수조(20)의 승강운동 하사점에서 수조(20)에 담아진 해수를 작동실(16)을 통과하여 해양으로 배출되게 하는 제2밸브(70)가 구비된다. 이 제2밸브(70)는 수조(20)의 운두에 구비되는 유출구(72)와 작동실(16)의 벽면에 구비되는 방류구(74) 상호관계에서의 결합ㆍ분리작용으로 수조(20)에서 해양으로 방류하는 해수를 단속하게 된다.
그러면 도 7 내지 도 11를 참조하여 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템의 발전과정에 대해 설명하겠다.
도 7은 해수의 표면에서 파랑이 일어나기 전 상태의 모습으로서, 본 발명 파랑을 이용한 발전 시스템의 디퍼(40)가 파랑 제어 구조물(10)의 유입로(14)에서 해수의 파랑 맞이를 대기하고 있다. 이때 수조(20)는 작동실(16)의 상부측에서 대기한다.
도 8은 해수 표면에 발생된 파랑의 고수위(HWL)에서 본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템의 디퍼(40) 제1 및 제2부분(44)에 해수가 채워지는 모습으로서, 파랑의 고수위(HWL)에서 해수가 디퍼(40)의 제1부분(42)으로부터 월파되어 제2부분(44)으로 채워진다. 이때 수조(20)와 디퍼(40) 사이에서 구비되는 제1밸브(50)의 제1 및 제2출구(52,54)가 분리된 상태에서 디퍼(40)의 제2부분(44) 운두에 구비된 제1밸브(50)의 제1출구(52)는 수조(20)의 벽면으로 막혀 디퍼(40)에 유입된 해수를 저수하게 된다.
도 9는 디퍼(40)가 제2부분(44) 해수의 채움으로 커진 무게에 의해 시소운동이 일어나는 모습을 보인 것으로, 디퍼(40)의 제2부분(44)이 하강하여 디퍼(40)의 제2부분(44) 운두에 구비되는 제1밸브(50)의 제1출구(52)와 수조(20)에 구비되는 제1밸브(50)의 제2출구(54)가 상호 결합을 시작하면서 해수를 수조(20)에 쏟아붓는다.
도 10은 디퍼(40) 제2부분(44)의 시소운동 하사점에서 제1밸브(50)의 제1 및 제2출구(52,54)가 완전 결합되면서 제2부분(44)에 담아진 해수가 수조(40)로 쏟아부어 채워진 모습을 보인 것으로, 수조(40)는 해수의 채움으로 커진 무게에 의해 작동실(16)에서 하강을 시작하게 된다. 이때 수조(40)의 하강력은 제1도르래(30)를 타고 오르내리는 제1와이어(32)의 일단을 통해 타단에 매달린 복원 추(34)으로 전달되어 복원 추(34)의 상승을 시작함과 동시, 제1도르래(30)와 동축 상에서 함께 구속된 감개(36)가 파랑 제어 구조물(10)의 프레임(19) 기둥(19a)에 구비되는 발전 유닛(60)의 제2도르래(64)를 타고 오르내리는 제2와이어(66) 일단을 감아드리면서 제2와이어(66)의 타단에 매달은 무게 추(68)를 점차적으로 상승시키게 된다. 이때 제1도르래(30)와 제2도르래(64) 각기는 래칫(30a,64a)가 구비되어 복원 추(34)와 무게 추(68)가 순방향으로만 움직인다.
도 11은 해수 표면에 발생된 파랑의 저수위(LWL)에서 해수가 만수되어 증가된 자중에 의해 수조(20)가 최하 위치로 하강하고 도 10에서와 같이 감개(36)에 제2와이어(66)의 점차적인 축적식 감김으로 파랑 구조물(10) 프레임(19)의 기둥(19a)에서 발전 유닛(60)의 무게 추(68)를 최대 위치로 올린 모습과 수조(20)에 채워진 해수가 해양으로 방류되는 모습을 보인 것으로, 최대 위치로 상승된 발전 유닛(60)의 무게 추(68)는 그 발전 유닛(60) 동축 상에서 설치되는 발전기(62) 및 제2도르래(64)의 하강을 통제하는 제동구조에 의해 그 위치를 유지하고 있다 본 발명 수력 발전 시스템의 제어부에서 인가되는 신호에 의한 제동구조의 해제로 하강하면서 그 무게 추(68)의 위치 에너지가 운동 에너지로 전환되어 발전기(62)를 구동시켜 전기 에너지가 생산될 것이다.
그리고 작동실(16)에서 수조(20)가 하강되어 제2밸브(70)의 분리되어 있던 유출구(72)와 방류구(74)가 결합되면서 수조(20) 내의 해수를 해양으로 방류하고, 비워진 수조(20)는 복원 추(34)에 의해 복귀됨과 동시 디퍼(40)도 파랑 제어 구조물(10)의 유입로(14)에서 다음 파랑을 맞이하는 대기 위치로 복원된다.
본 발명 파랑을 이용한 수력 발전 시스템은 상기에와 같은 구동을 연속적이고 반복적으로 이루면서 소기의 발전을 이루게 된다.
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 이에 국한되지 않고 청구범위에 기재된 범위 내에서 변경이 가능할 것이다.
10: 파랑 제어 구조물
20: 수조
40: 디퍼
60: 발전 유닛

Claims (5)

  1. 연안으로 입사해 들어오는 해수면의 파랑을 이용한 수력 발전 시스템으로써,
    경사도를 가지고 파랑을 받아들이는 개구형의 유입로가 전방에 구비되고, 후방으로는 상기 유입로 뒤부분에서 하향으로 구비되는 작동실과 가로로 설치한 토대 위에 프레임을 수직으로 설치하여 이뤄 절반 이상 침수되는 파랑 제어 구조물;
    상기 작동실에서 자유로이 오르내리는 상면이 개구된 수조;
    상기 파랑 제어 구조물의 유입로와 상기 작동실의 수조 사이에서 시소식으로 구동하면서 파랑이 월파되어 담아진 해수를 상기 수조로 쏟아붓는 디퍼;
    상기 프레임에 설치되는 제1도르래를 타고 오르내리는 제1와이어로 전달되어 연동하면서 상기 수조가 원위치로 복귀되게 하는 복원 추;
    상기 제1도르래와 동축에서 구속 설치되는 감개; 및
    상기 프레임 상단에서 발전기가 동축 상으로 구비되어 설치되는 제2도르래를 타고 오르내리는 제2와이어의 일단에 무게 추가 구비되고, 타단은 상기 감개에 감기고 풀리면서 위치 에너지를 운동 에너지로 전환하여 전기 에너지가 발생되게 하는 발전 유닛을 포함하며,
    여기서, 상기 파랑 제어 구조물의 유입로를 통해 유입되는 파랑이 월파되어 편중적으로 채워진 해수량에 의해 일어나는 상기 디퍼의 반복적인 시소운동을 이용한 해수의 채움 무게로 상기 작동실에서 하강 또는 비움 시 상기 복원 추에 의해 상승되어 원위치로 복귀되는 상기 수조의 승강 운동과 연동하여 오르내리는 제1와이어의 제1도르래와 동축 상에서 함께 구속된 상기 감개에 상기 제2와이어의 점차적인 축적식 감김으로 상기 무게 추를 올렸다 일시에 내리는 것으로 상기 발전 유닛을 구동시켜 전기 에너지가 발생되게 하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디퍼는 쟁반형으로 이루어 전후에 운두가 다른 제1부분과 제2부분으로 이룬 파랑을 이용한 수력 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수조와 상기 디퍼 제2부분 사이에서 구비되어 상기 디퍼의 시소운동 하사점에서 상기 디퍼 제2부분의 해수를 상기 수조로 배출되게 하는 제1밸브가 구비된 것을 더 포함하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수조와 상기 작동실 사이에서 구비되어 상기 수조의 승강운동 하사점에서 상기 수조에 담아진 해수가 상기 작동실을 통과하여 해양으로 배출되게 하는 제2밸브가 구비된 것을 더 포함하는 파랑을 이용한 수력 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1도르래와 상기 제2도르래 각기에는 래칫이 구비된 것을 더 포함하는 파랑을 이용한 수력 발전 장치.
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