KR102591408B1 - 파력 흡수 변환 장치 및 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

파력 흡수 변환 장치 및 발전 시스템에 있어서, 파력 흡수 변환 장치는 부유체(1), 가이드축(5), 댐핑판(9) 및 댐핑판(9)의 운동 영역에 설치된 카운터 밸런스 기구를 포함하고, 가이드축(5)은 부유체(1) 저부에 연결되고, 댐핑판(9) 중심을 관통하며, 댐핑판(9)은 가이드축 상에서 슬라이딩할 수 있고, 카운터 밸런스 기구에 의해 발생된 카운터 밸런싱 힘은 댐핑판(9)의 자연 운동 방향과 반대되어, 댐핑판(9)이 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 상대적 정지 상태를 유지하도록 하여, 상방 및 하방의 위치 한정 구조와 부딪히지 않게 할 수 있다. 발전 시스템은 파력 흡수 변환 장치 및 발전 기구를 포함한다. 상기 파력 흡수 변환 장치 및 발전 시스템은 파랑 에너지 이용율을 향상시키고, 발전 장치의 신뢰성을 향상시켰다.

Description

파력 흡수 변환 장치 및 발전 시스템
본 발명은 발전 장치에 관한 것으로, 구체적으로, 파력 발전 기술에 관한 것이다.
현재, 파력 발전 장치는 일반적으로 아래와 같은 몇 가지 방법을 이용한다.
1. 파랑 에너지를 유압 에너지로 변환하여, 발전기와 연결된 터빈을 회전시켜, 발전기가 회전하면서 발전하도록 한다. 예를 들면 스코틀랜드 Pelamis사의 바다뱀 파력 발전 장치 및 OPT사의 OPT 파력 발전 장치가 있다. 그러나, 해당 구조를 사용한 파력 발전 장치는 설계가 비교적 복잡하고, 제조 비용과 유지비가 높아, 현재 지배적인 화력 발전 및 수력 발전에 비해 여전히 비용적 장점이 없다.
2. 파랑 에너지를 유동하는 압축 공기로 변환하여, 증기 터빈을 회전시켜, 발전기가 회전하면서 발전하도록 하는데, 이는 바로 진동 수주형 발전이다. 이러한 발전 시설은 주로 해안형으로서, 구조가 간단하고, 성능이 안정적이며, 유지비가 낮다. 다만, 에너지 변환 효율이 낮아, 건설 시 지리적 위치의 제한을 크게 받으므로, 보급 등에 불리하다. 해상 부유식 진동 수주 발전 장치는 일본에서 이미 실제로 사용되고 있는 마이티 웨일(Mighty Whale)이 가장 전형적이며, 이는 해안형 시설과 같은 지리적 제한이 없으나, 제조 비용이 높아, 화력 발전 및 수력 발전에 비해 여전히 비용적 장점이 없다.
3. 파랑 에너지를 기계 에너지로 변환하여, 발전기가 회전하면서 발전하도록 직접 구동한다. 이론적으로 이러한 방식은 에너지 전달 형태의 다중 변환이 없기 때문에, 변환 과정에서의 에너지 손실을 방지하므로, 에너지 변환율도 상기 두가지 형태의 파력 발전 장치보다 높다. 다만, 파랑 운동의 복잡성 및 기상 이변으로 인한 거대한 파도 등이 장치에 미치는 충격은 이러한 시스템의 신뢰성을 크게 저하시키므로, 이러한 파력 발전 장치는 극한의 해양 상황에 대처하기 어려워, 아직까지 완전하고 성숙된 장치 응용이 없다.
상기 3가지 방식 중, 직접 해수로 수력 터빈에 충격을 주어 발전하는 것은 이론적으로 이상적인 방식이며, 에너지 흡수 및 전달의 중간 고리를 줄여, 파력 이용율을 향상시킬 수 있다. 일반적인 방식은 파랑을 이용하여 유압 펌프 또는 피스톤을 밀어 해안의 저수지에 해수를 주입함으로써, 형성되는 낙차를 이용하여, 수력 터빈을 발전시키거나, 또는 수로를 축소하는 방식으로 파랑을 높은 곳으로 끌어올림으로써, 마찬가지로 낙차를 형성하여, 수력 터빈을 이용하여 발전시키는 것이다. 상기 2가지 방식의 단점은 해안과 가까운 곳에서 파랑 에너지를 수집하므로, 지리적 위치의 영향을 크게 받는 것이다.
또한, 스웨덴의 WaveEl 파력 발전 장치와 같은 해상 부유식 발전 장치가 있으며, 부유체와 연결된 약 20m의 관형체를 바다 속으로 수직 삽입하는데, 그러면 관형체 내부의 해수 높이가 관형체 외부의 파랑의 영향을 받지 않아 상대적으로 안정적인 높이를 유지하고, 수력 터빈은 관형체와 연결되어, 부유체와 함께 파랑을 따라 상하 운동하며, 수력 터빈의 블레이드는 관형체 내부의 해수 중에서 상하 운동하면서 회전하여, 발전기가 발전하도록 구동한다. 이러한 장치는 구조가 간단하고, 신뢰성이 높으며, 완전히 밀폐된 상태이므로, 장치의 대부분 구조가 수면 아래에 있어, 풍랑에 강하고, 내부식 능력이 강하나, 내부 해수의 관성만으로 작동하므로, 수력 터빈의 블레이드 크기와 관련이 있어, 파력 이용률이 낮다.
본 출원인은 이전에 중국 특허출원 CN103939270B, CN103939269A의 파력 발전 장치를 발명하였고, 도 1 및 도 2를 참조하면, 부유체에 장착된 발전기 및 에너지 출력축을 통해 부유체의 발전기에 연결되는 수력 터빈을 포함한다. 부유체 하방에 피스톤 증압 장치를 설치하고, 부유체가 피스톤 슬리브, 중심 가이드축을 파랑에 따라 상하 운동하도록 구동하면, 피스톤은 관성 및 저항력으로 인해 수중에서 상대적 부동 상태를 유지하여, 피스톤과 피스톤 슬리브는 상대적 운동이 이루어지고, 피스톤 슬리브 내부의 해수에 대해 양압과 음압이 교대로 형성되어, 해수가 유수 통로 내에서 왕복 유동하도록 하여, 유수 통로 내의 수력 터빈의 블레이드에 대해 왕복 충격을 실현하여, 회전하는 블레이드가 발전기를 발전시킨다. 상기 발전 장치는 종래 파력 발전 장치의 구조가 복잡하고, 제조 비용 및 유지비가 높고, 장기 운행의 신뢰성이 낮은 문제를 해결한다.
상기 장치는 원론적으로 가능하지만, 실제 사용 시 문제점이 있다. 상기 장치는 수면 아래에 댐핑판이 설치되어 있으므로, 설계 방안에 따르면, 댐핑판이 운동 영역의 중간에 부유하도록, 댐핑판은 부력이 중력과 같아야 하지만, 이는 이상적인 상태일 뿐, 실제로 부력이 중력과 같은 댐핑판을 제조하는 것은 불가능하며, 또한 댐핑판의 부력이 중력과 같더라도, 수면 아래에 있는 댐핑판의 위치를 제어할 수 없다. 따라서, 실제 상황에서, 수중의 댐핑판은 자체의 중력 또는 부력으로 인해, 항상 위 또는 아래로 이동하려는 경향이 있어, 댐핑판은 설계의 중간 위치에 있지 않고, 운동 영역의 일단으로 자동 이동하므로, 파랑이 부유체를 움직여 상하 운동시킬 경우, 댐핑판은 운동 주기마다 위치 한정 구조 또는 피스톤 슬리브의 밑단과 접촉, 충돌하는 것을 피할 수 없고, 이러한 접촉 및 충돌로 인해 일정 시간 동안 피스톤과 슬리브는 상대적 운동을 상실하게 되어, 파랑의 에너지를 흡수할 수 없으며, 파랑 에너지를 포집하는 작용을 상실하게 된다. 실제 운행 실험에서, 출원인은 각 파랑 운동 주기는 대략 7초 정도이고, 댐핑판이 위치 한정 구조에 접촉 및 충돌하여 상대적 운동을 상실하는 시간은 약 3초 정도이며, 이 경우 발전기의 반복적인 정지, 가동을 초래하여, 장치의 발전 효율이 크게 저하되는 것을 발견하였다. 출원인의 연구에 의하면, 이 경우 이론적 설계 상태에 비해, 효율이 80% 정도 감소되고, 측정된 전압 출력도는 도 3에 도시한 바와 같으며, 도면에서 볼 수 있듯이, 장치에서 출력된 전압은 0~648.2V이고, 단속적이며, 극도로 불연속적이므로, 정류 및 역변환이 어렵다. 따라서, 상기 장치에서 얻은 전기 에너지는 이용하기 어렵고, 이러한 장치는 실제 응용이 어렵다.
본 발명의 목적은 종래 기술에 존재하는 문제점에 대하여, 간단한 구조 개량으로, 파력 이용율을 현저히 향상시킬 수 있는 파력 흡수 변환 장치 및 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적을 실현하기 위하여 아래와 같은 기술 방안을 사용한다.
제1 측면에서, 본 발명은 부유체, 댐핑판, 가이드축을 포함하는 파력 흡수 변환 장치를 제공한다. 상기 가이드축은 부유체 저부에 연결되고, 가이드축은 댐핑판의 중심을 관통하며, 댐핑판은 가이드축 상에서 슬라이딩 가능하고, 즉 댐핑판은 가이드축에 상대적으로 이동 가능하게 끼워지며, 댐핑판의 상부 및/또는 하부에 위치 한정 구조가 설치되어, 댐핑판의 가이드축 상의 운동 영역을 제한한다. 부유체는 파랑의 작용에 의해, 가이드축을 움직여 함께 상하 운동시켜, 댐핑판과 상대적 운동이 발생하면서, 기계적 운동 에너지를 출력한다.
본 발명의 개량은, 댐핑판의 가이드축 상의 운동 영역의 중간 위치 또는 근처에 카운터 밸런스 기구를 설치하여, 댐핑판의 상향 또는 하향 운동 경향을 상쇄균형화하는 것이다. 상기 카운터 밸런스 기구의 카운터 밸런싱 힘은 균형추의 중력 또는 부력 탱크의 부력이고, 카운터 밸런싱 힘은 댐핑판의 자연 운동 방향과 반대이다. 댐핑판과 카운터 밸런스 기구가 접촉한 후, 외력의 작용이 없으면, 댐핑판은 카운터 밸런스 기구와 접촉한 직후의 위치에 머물고, 즉 자동으로 상향, 하향 운동을 하지 않으며, 파랑의 작용에 의해, 부유체는 가이드축을 움직여 함께 댐핑판과 상대적 운동을 발생시키고, 댐핑판의 운동 영역은 상하 2개의 위치 한정 구조 사이에 있고, 댐핑판은 자체의 댐핑 작용, 및 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 수면 아래의 가이드축 상의 상기 운동 영역의 중간 위치에서 상대적 정지 상태를 유지하고, 설계된 파고 범위 내에서, 상방 및 하방에서 모두 위치 한정 구조 또는 부유체 또는 부유체와 함께 운동하는 부재와 부딪히지 않는다.
본 방안에서, 댐핑판의 부력이 댐핑판 자체 및 댐핑판에 실리는 전체 중력(여기서는 딤핑판과 연결된 모든 구조의 중량을 의미함)보다 크게 설계되면, 댐핑판에 균형추를 탑재하여, 균형추를 추가한 후 댐핑판에 실리는 중력의 합이 부력의 합보다 크게 한다. 댐핑판은 그 운동 영역의 하단에서 상단을 향해 중간 영역까지 운동하여 균형추와 결합되고, 이러한 결합은 견고하지 않고, 서로 붙어 있을 뿐이며, 만약 외력의 작용이 없으면, 결합체는 최초 결합 위치인 운동 영역의 중간 위치에 머물고, 외력의 작용하에서, 결합체는 계속하여 함께 상향 운동하나, 결합체의 중력이 부력보다 크므로, 자연스럽게 운동 경향이 하향으로 변하여, 결합체의 상향 운동하는 운동 에너지를 약화시켜, 일정 파랑 범위내에서, 댐핑판이 상부에서 상부 위치 한정 구조 또는 부유체 또는 부유체와 함께 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 하고, 부딪히기 전에 하향 운동하기 시작하고, 결합체가 최초 결합 위치까지 하향 운동하면, 댐핑판과 균형추는 자연스럽게 분리된다.
본 방안에서, 댐핑판 자체 및 댐핑판에 실리는 중력이 부력보다 크면, 댐핑판에 부력 탱크를 탑재하여, 댐핑판과 부력 탱크의 부력의 합이 이들에 실리는 중력의 합보다 크게 한다. 댐핑판이 운동 영역의 상단에서 하단을 향해 중간 위치까지 운동하면, 부력 탱크와 결합하고, 만약 외력의 작용이 없으면, 결합체는 최초 결합 위치인 중간 위치에 머문다. 외력의 작용하에서, 결합체는 계속하여 함께 하향 운동하나, 결합체의 부력이 중력보다 크므로, 자연스럽게 운동 경향은 상향으로 변하고, 결합체의 하향 운동하는 운동 에너지가 약화시켜, 일정 파랑 범위내에서, 댐핑판이 하방에서 하부 위치 한정 구조 또는 부유체와 함께 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 하고, 부딪히기 전에 상향 운동으로 방향을 바꾸기 시작한다. 결합체가 최초 결합 위치까지 상향 운동하면, 댐핑판과 부력 탱크는 자연스럽게 분리된다.
추가적으로, 본 발명에서, 댐핑판에 균형추를 탑재할 경우, 균형추는 연성 체인으로 댐핑판의 상방에 매달리고, 댐핑판의 운동 영역의 중간 영역에 위치하며, 상기 연성 체인은 가이드축 또는 가이드축과 일체화되어 함께 운동하는 특정 부위에 연결된다. 상기 연성 체인은 임의의 길이일 수 있고, 길이는 균형추가 댐핑판의 운동 영역의 중간 위치에 위치하도록 하는 길이가 바람직하다. 상기 균형추의 연결 방식은 유일한 선택이 아니라, 본 발명의 선택 중 하나일 뿐이다.
댐핑판에 부력 탱크를 배치할 경우, 부력 탱크는 연성 체인으로 댐핑판의 하방에 견인 연결되고, 연성 체인의 하향 견인 작용에 의해, 부력 탱크는 댐핑판의 하방에 부유하고, 상기 연성 체인은 가이드축 또는 가이드축과 일체화되어 함께 운동하는 특정 부위에 연결된다. 상기 연성 체인은 임의의 길이일 수 있고, 길이는 부력 탱크가 댐핑판의 운동 영역의 중간 위치에 위치하도록 하는 길이가 바람직하다. 상기 부력 탱크 연결 방식은 유일한 선택중 하나가 아니고, 본 발명의 선택중 하나일 뿐이다.
추가로, 위치 한정 구조는, 본 발명에서, 구체적으로 가이드축의 상부 및/또는 하부에 설치된 구조이거나, 또는 가이드축 또는 부유체와 함께 연결 고정된 부재의 특정 부위를 위치 한정 구조로 할 수 있고, 상기 구조 및 부재는 댐핑판의 상방 및/또는 하방에 위치하여, 댐핑판의 카운터 밸런스 기구가 탑재되지 않은 상태에서의 운동 영역을 제한한다.
본 발명에서 설계한 이상의 파력 흡수 변환 장치는 광범한 응용 범위를 가지며, 본 출원인이 이전에 출원한 CN1039392870B, CN103939269A의 파력 발전 장치의 개량에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명은 파력 발전 시스템을 추가로 제공하고, 개량 후의 발전 시스템은 파력 흡수 변환 장치 및 발전 기구로 구성된다. 발전 기구는 파력 흡수 변환 장치의 동력 출력단에 배치되어, 파랑 에너지를 전기 에너지로 변환한다.
본 발전 시스템에서, 상기 발전 기구는 다양한 형태일 수 있다.
발전 기구는 피스톤 증압 수력 터빈 발전 장치일 수 있고, 부유체 내에 장착된 발전기를 포함하고, 에너지 전달축을 통해 수력 터빈과 연결되며, 부유체 하방에 피스톤 증압 장치가 있다. 상기 피스톤 증압 장치는 수면 아래에 위치하고, 피스톤 슬리브 및 이와 결합 장착된 피스톤을 포함하고, 가이드축은 피스톤 슬리브와 피스톤을 관통한다. 피스톤 슬리브는 부유체의 하방에 연결되고, 상기 수력 터빈은 피스톤 슬리브 상부의 개방된 유수 통로 내에 위치한다. 상기 피스톤의 저부는 댐핑판과 강성 연결되고, 댐핑판 단면의 면적은 피스톤 저부 단면의 면적보다 크다.
부유체가 피스톤 슬리브, 중심 가이드축을 움직여 파랑과 함께 상하 운동시키면, 피스톤과 댐핑판은 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 피스톤과 피스톤 슬리브가 상대적 운동을 유지하도록 하고, 피스톤 슬리브 내부의 해수에 대해 교대하는 양압 및 음압을 형성하여, 해수가 유수 통로에서 왕복 유동하도록 함으로써, 유수 통로 내의 수력 터빈 블레이드에 대한 왕복 충격을 실현하여, 회전하는 블레이드가 발전기를 움직여 발전시키도록 한다.
발전 기구는 오일 펌프 유압 모터 발전 장치일 수도 있고, 부유체 내에 장착된 유압 펌프, 유압 모터 및 발전기를 포함한다. 상기 유압 펌프의 푸싱 로드는 전동 로드를 통해 댐핑판과 연결되고, 파랑의 작용에 의해, 부유체는 댐핑판과 상대적 운동이 발생하고, 전동 로드, 푸싱 로드를 통해 유압 펌프의 내부 피스톤을 밀어 운동시키고, 유압 펌프 내의 액체가 유압 모터를 움직이면서, 발전기를 발전시킨다.
발전 기구는 선형 모터 발전 기구이고, 선형 모터 발전 기구를 사용할 경우, 선형 모터 고정자, 푸싱 로드 및 선형 모터 슬라이딩 부재를 포함한다. 상기 선형 모터 고정자는 부유체 내에 고정되고, 상기 선형 모터 슬라이딩 부재는 선형 모터 고정자와 결합되어 상대적으로 슬라이딩하고, 상기 푸싱 로드는 선형 모터 슬라이딩 부재에 연결되어 구동하고, 전동 부재를 통해 댐핑판과 연결되고, 파랑의 작용에 의해, 부유체가 댐핑판과 상대적 운동이 발생하면, 전동 로드 및 푸싱 로드를 통해 선형 모터 슬라이딩 부재를 움직여 선형 모터 고정자에 대해 상하 운동하도록 구동하여, 전기 에너지를 발생시킨다.
상술한 설명을 통해 알 수 있듯이, 발명은 파랑 에너지 이용율이 높은 파력 흡수 및 변환 장치를 설계하였고, 댐핑판이 운동하는 중간 위치에, 댐핑판의 부력 또는 중력과 상쇄균형화하는 힘을 추가하여, 댐핑판이 자체의 부력 또는 중력으로 인해, 이 위치로 이동했을 때, 카운터 밸런싱 힘이 추가되면서, 댐핑판이 스스로 이동하는 것을 저지하여, 카운터 밸런싱 힘이 추가되는 지점에 멈추도록 하고, 이 지점은 일반적으로 운동 영역의 중간 영역에 위치한다. 카운터 밸런스 기구의 존재로 인해, 댐핑판은 운동 영역의 양단으로 운동하는 자연 동력을 상실하게 되므로, 파랑이 부유체와 가이드축을 움직여 운동시킬 때, 파랑의 높이가 설계된 범위 내이기만 하면, 댐핑판은 결합 지점을 중심으로 하고, 이를 중심으로 상하 운동하면, 댐핑판이 위치 한정 구조 또는 부유체 등과 부딪히거나 접촉하는 것을 방지하여, 부유체와 댐핑판이 항상 상대적 운동을 유지하도록 하여, 지속적으로 파랑 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 변환한다.
본 발명은 파랑 에너지 이용률이 높고, 구조가 간단하며, 작동이 안정적이고, 풍랑에 강하고, 내부식성이 강하며, 유지가 간단한 장점을 가지며, 파력 발전 비용을 줄일 수 있고, 전통적인 에너지 생산과의 경쟁력을 높여, 육지에서 멀리 떨어진 외딴섬의 전기 공급 및 해수 담수화용 전기 수요를 해결할 수 있다.
도 1은 종래 기술(CN103939270A)의 파력 발전 장치의 도면이다.
도 2는 종래 기술(CN103939269B)의 파력 발전 장치의 도면이다.
도 3은 종래 기술(CN103939270A)의 파력 발전 장치의 전압 출력도이다.
도 4는 본 발명의 파력 발전 장치의 전압 출력도이다.
도 5는 본 발명의 파력 흡수 및 변환 장치의 구조 원리 개략도이다(카운터 밸런스 기구는 균형추를 사용).
도 6은 본 발명의 파력 흡수 및 변환 장치의 구조 원리 개략도이다(카운터 밸런스 기구는 부력 탱크를 사용).
도 7은 본 발명의 발전 장치의 구체적인 실시 구조의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 발전 장치의 다른 구체적인 실시 구조의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 파력 흡수 및 변환 장치에 다단 카운터 밸런스 기구가 사용된 구조 원리 개략도이다.
도 10은 본 발명의 파력 흡수 및 변환 장치에 하이브리드 다단 카운터 밸런스 기구가 사용된 구조 원리 개략도이다.
도 11은 발전 기구가 오일 펌프 유압 모터 발전 장치인 파력 발전 장치의 구조도이다.
도 12는 발전 기구가 선형 모터인 파력 발전 장치의 구조도이다.
이하, 도면과 복수의 비한정적 실시예를 결합하여 본 발명에 대해 추가로 설명한다.
실시예1:
도 5를 참조하면, 본 실시예에서, 파력 흡수 변환 장치는 부유체(1), 댐핑판(9), 가이드축(5), 카운터 밸런스 기구 등 구성 요소를 포함한다. 상기 가이드축(5)은 부유체(1) 저부에 연결되고, 가이드축(5)은 댐핑판(9)의 중심을 수직으로 관통하고, 댐핑판은 가이드축(5) 상에서 자유롭게 슬라이딩할 수 있다. 가이드축(5)의 상부와 하부에 위치 한정 구조(11a, 11b)가 설치되어 있고, 댐핑판(9)의 운동 영역을 2개의 위치 한정 구조(11a, 11b) 사이로 제한한다. 부유체(1)가 파랑의 작용에 의해, 가이드축(5)이 함께 상하 운동하도록 구동하여, 댐핑판(9)과 상대적 운동이 발생하면, 발전 기구(13)로 기계적 운동 에너지를 출력하게 된다(설명해야 할 점은, 도면에서 점선으로 표시된 부분은 예시적인 것으로, 실제의 구조 연결 관계를 반영하지 않는다).
본 실시예에서, 댐핑판의 운동 영역의 중간 위치 또는 근처에 카운터 밸러스 기구를 설치하여, 댐핑판의 상향 또는 하향 운동 경향을 상쇄균형화한다. 상기 카운터 밸런스 기구의 카운터 밸런싱 힘은 구체적으로 설치된 균형추(14a)의 중력 또는 부력 탱크(14b)의 부력으로부터 유래된다.
본 실시예에서, 댐핑판(9)과 이의 부하(예를 들면 피스톤(8))의 부력의 합은 중력의 합보다 크므로, 이때 카운터 밸런스 기구로서 균형추(14a)를 댐핑판(9)의 상측에 배치해야 하고, 균형추(14a)의 카운터 밸런싱 힘은 댐핑판(9)의 자연 운동 방향과 반대되어, 상기 댐핑판(9)이 자체의 댐핑 작용, 및 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 수중 및 운동 영역의 중간 위치에서 상대적 정지 상태를 유지하도록 하고, 설계된 파고 범위 내에서, 상측의 상부 위치 한정 구조(11a) 또는 부유체 또는 부유체와 함께 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 하여, 운동 정체 실효를 방지한다.
실시예2:
실시예1의 구조와 피스톤 증압 수력 발전 시스템을 결합하면, 도 7에 도시한 바와 같은 구체적인 파력 발전 시스템을 얻을 수 있다. 해당 시스템의 피스톤 증압 수력 발전 장치는 발전기(2), 수력 터빈(4) 및 피스톤 증압 장치 등을 구비한다. 구체적으로, 발전기(2)는 부유체(1) 내에 장착되고, 수력 터빈(4)과 피스톤 증압 장치는 부유체(1) 하방에 장착된다.
상기 시스템의 피스톤 증압 장치는 피스톤(8), 피스톤 슬리브(7) 등을 포함한다. 피스톤 슬리브(7)는 부유체(1)의 하방에 연결되고, 그 상부에는 개방된 유수 통로(6)가 있으며, 해수는 유수 통로(6)를 통해 슬리브 내로 유입될 수 있다. 수력 터빈(4)은 피스톤 슬리브(7) 상부의 유수 통로(6)에 위치하고, 에너지 출력축(3)을 통해 부유체(1) 내의 발전기(2)와 연결되어, 발전기(2)에 동력을 제공한다.
상기 부유체(1) 저부의 가이드축(5)은 부유체(1) 하방의 피스톤 슬리브(7), 피스톤 슬리브(7)와 결합 장착된 피스톤(8), 및 댐핑판(9) 중심을 관통하여, 이들의 운동을 가이드 및 제한하는 작용을 한다. 가이드축(5) 상에 2개의 위치 한정 구조가 장착되어 있으며, 상부 위치 한정 구조(11a)는 피스톤 슬리브(7)의 내부에 위치하고, 하부 위치 한정 구조(11b)는 피스톤 슬리브(7)의 외부에 위치하며, 2개의 위치 한정 구조(11a, 11b) 사이의 가이드축(5) 상에는 중심축 슬리브(10)를 통해 피스톤(8)이 장착되고, 피스톤(8)은 하방의 댐핑판(9)과 강성 연결되고, 피스톤(8)은 댐핑판(9)과 함께 중심 가이드축(5)을 따라 상하 이동할 수 있다. 댐핑판(9) 상방에 배치된 균형추(14a)는 연성 체인을 통해 피스톤 슬리브(7) 하단에 매달려 있고, 연성 체인의 길이는 균형추(14a)가 댐핑판(9)의 운동 영역의 중간 위치 또는 근처에 위치하도록 설치된다. 균형추(14a)의 중력은 댐핑판(9)의 자연적인 상향 운동력과 상쇄균형을 이루면서, 댐핑판(9)이 자체의 댐핑 작용, 및 상기 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 수중에서 상대적 정지 상태를 유지할 수 있도록 하고, 이에 의해 설계된 파고 범위 내에서(본 장치를 설계할 때, 부유체와 댐핑판의 상대적 운동 범위는 장치가 응용되는 해역의 통상 파고와 서로 매칭됨), 댐핑판이 상부 위치 한정 구조(11a), 하부 위치 한정 구조(11b)와 접촉 및 충돌하지 않고, 부유체(1) 또는 본 실시예의 피스톤(7)과 같이 부유체(1)와 함께 운동하는 기타 부재와도 접촉 및 충돌하지 않아, 상대적 운동이 정체, 실효되는 것을 방지하고, 이를 통해 에너지 변환 효율을 향상시키는 것을 만족시킨다.
본 발전 시스템을 사용할 경우, 부유체(1)가 피스톤 슬리브(7), 가이드축(5)을 움직여 파랑과 함께 상하 운동시키면, 피스톤(8)은 댐핑판(9)과 균형추(14a)의 상조 작용에 의해, 관성 및 저항력으로 인해 수중에서 상대적 정지 상태를 유지하고, 이러한 상대적 정지 상태는 댐핑판(9)과 균형추(14a)의 공동 작용을 통해 실현되도록 보장되고, 이를 통해 피스톤(8)과 피스톤(7)은 연속적인 상대적 운동을 형성하게 되어, 피스톤 슬리브(7) 내부의 해수에 대해 연속 교대하는 양압 및 음압을 형성하여, 해수가 유수 통로(6)에서 왕복 유동하도록 함으로써, 유수 통로(6) 내의 수력 터빈(4)의 블레이드에 대한 왕복 충격을 실현하여, 회전하는 블레이드가 발전기(2)를 움직여 지속적이고 안정적으로 발전시키도록 한다.
도 4를 참조하면, 실험을 통해 밝혀진 대로, 상기 개량된 시스템에서 출력되는 전압은 260-400v 범위 내이고, 파형은 연속적이고 안정적이며, 이는 발전 지속성이 우수하고, 발전 효율이 크게 향상되었음을 보여준다.
설명해야 할 점은, 본 실시예에서 사용하는 카운터 밸런스 기구의 설치 방식은 본 발명의 선택 중 하나이며, 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예3:
도 6을 참조하면, 본 실시예는 댐핑판(9)과 이의 부하인 피스톤(8)의 부력의 합이 중력의 합보다 작을 경우, 이때 부력 탱크(14b)를 댐핑판(9) 하측에 배치하여, 댐핑판의 하향 운동 경향을 상쇄균형화해야 하고, 상기 부력 탱크(14b)는 연성 체인으로 댐핑판(9) 하방에 연결 견인되고, 연성 체인의 하향 견인 작용에 의해, 부력 탱크(14b)는 댐핑판(9)의 하방에 부유한다. 상기 연성 체인의 길이는 부력 탱크(14b)가 댐핑판(9)의 운동 영역의 중간 위치에 있도록 해야 한다. 댐핑판(9)이 운동 영역의 상단에서 하단을 향해 중간 영역까지 운동하면, 부력 탱크(14b)와 결합하게 되고, 만약 외력의 작용이 없으면, 결합체는 최초 결합 위치에 머물게 된다. 외력의 작용하에서, 결합체는 계속하여 함께 아래로 운동하나, 결합체의 부력이 중력보다 크므로, 자연스럽게 운동 경향은 상향으로 변하여, 결합체의 하향 운동하는 운동 에너지를 약화시켜, 본 시스템에 설정된 파고 범위 내에서, 댐핑판(9)이 하부 위치 한정 구조(11b)와 부딪히거나, 또는 부유체(1)와 함께 운동하는 부재와 부딪히는 것을 방지하고, 카운터 밸런싱 힘의 작용으로 인해, 부딪히기 전에 상향 운동으로 방향을 바꾸기 시작한다. 결합체가 최초 결합 위치까지 상향 운동하면, 댐핑판은 부력 탱크(14b)과 자연스럽게 분리되고, 이를 통해 연속적인 왕복 운동을 획득하여, 발전 기구에 안정적인 파랑 에너지를 출력하게 된다.
실시예4:
마찬가지로, 실시예3의 구조와 피스톤 증압 수력 발전 시스템을 결합하면, 도 8에 도시한 바와 같은 다른 구체적인 파력 발전 시스템을 얻을 수 있다. 마찬가지로, 해당 장치의 피스톤 증압 수력 발전 시스템은 발전기(2), 수력 터빈(4) 및 피스톤 증압 장치 등을 구비한다. 발전기(2)는 부유체(1)에 장착되고, 수력 터빈(4) 및 피스톤 증압 장치는 부유체(1) 하방에 장착되며, 해당 부분의 구조는 실시예2와 동일하므로, 더 이상 설명하지 않고, 다른 점이라면 카운터 밸런스 기구인 부력 탱크(14b)가 댐핑판(9) 하방에 설치된다는 것뿐이다.
실시예5:
실시예1 및 실시예3의 장치는, 파랑의 높이가 장치 설계의 이상적인 작동 파고 범위를 크게 초과하는 경우, 댐핑판이 위치 한정 구조, 부유체 또는 부유체와 함께 일체로 운동하는 기타 부재와 부딪힐 가능성이 여전히 존재한다. 따라서, 이러한 경우 추가적으로 개량된 카운터 밸런스 기구 방안을 사용할 수 있으며, 도 9에 도시된 바와 같이, 균형추(또는 부력 탱크)를 다단 탑재하는 방법을 사용하여, 하나의 균형추(경우에 따라 복수의 균형추일 수도 있음)를 추가하고, 균형추 사이는 연성 체인 또는 기타 방식으로 연결한다. 이러한 방안을 통해 댐핑판이 위치 한정 구조와 부딪힐 가능성을 더 줄인다.
실시예6:
도 10을 참조하면, 장치가 응용되는 더욱 복잡한 경우에 대하여, 댐핑판에 합리적인 카운터 밸런싱 힘을 가하기 위하여, 하이브리드 및 다단 탑재 방식을 사용할 수도 있다. 즉, 균형추를 탑재하고, 부력 탱크도 탑재하며, 또한 균형추와 부력 탱크는 모두 다단으로 설치하고, 도 10에 도시한 바와 같이 균형추는 2단일 수 있다.
따라서, 본 발명의 카운터 밸런스 기구(14)의 경우, 이상 사용한 탑재 방식은 본 특허에서 나열된 기본 방식이지만, 이러한 공개된 탑재 방식에 한정되지 않으며, 댐핑판(9)의 운동 영역의 중간 영역에서 댐핑판(9)에 임의의 방식으로 댐핑판의 자연 운동 방향과 반대되는 카운터 밸런싱 힘을 가하여, 파랑으로 인해 댐핑판과 가이드축 사이에 상대적 운동이 발생할 때, 댐핑판이 운동 영역의 중간 영역에서 운동하도록 보장하여, 일정한 파랑 범위 내에서, 댐핑판(9)이 상부에서 상부 위치 한정 구조(11a) 또는 부유체(1) 또는 부유체와 함께 일체로 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 한다.
실시예7
도 11을 참조하면, 본 실시예에서, 발전 기구는 오일 펌프 유압 모터 발전 장치이고, 장치는 부유체(1) 내에 장착된 유압 펌프(16), 유압 모터(17) 및 발전기(2)를 포함한다. 유압 펌프(16)의 푸싱 로드(15)는 전동 로드(3)를 통해 댐핑판(9)과 연결되고, 파랑의 작용에 의해, 부유체(1)는 댐핑판(9)과 상대적 운동이 발생하고, 전동 로드(3), 푸싱 로드(15)를 통해 유압 펌프(16)의 내부 피스톤을 밀어 운동시키고, 유압 펌프 내의 액체가 유압 모터(17)로 유입되어, 발전기(2)를 발전시킨다.
실시예8
도 12을 참조하면, 본 실시예에서, 발전 기구는 선형 모터 발전 기구이고, 선형 모터 고정자(18), 푸싱 로드(15) 및 선형 모터 슬라이딩 부재(19)를 포함한다. 상기 선형 모터 고정자(16)는 부유체(1) 내에 고정되고, 상기 선형 모터 슬라이딩 부재(19)는 선형 모터 고정자(18)와 결합되고, 양자의 상대적 슬라이딩은 전기 에너지를 발생시킨다. 상기 푸싱 로드(15)는 전동 부재(3)를 통해 댐핑판(9)과 연결되고, 푸싱 로드(15)는 부유체(1)를 관통하여, 선형 모터 슬라이딩 부재(19)에 연결되어 움직인다. 파랑의 작용에 의해, 부유체(1)가 댐핑판(9)과 상대적 운동이 발생하면, 전동 로드(3) 및 푸싱 로드(15)를 통해 선형 모터 슬라이딩 부재(19)를 선형 모터 고정자(18)에 대해 상하 운동하도록 구동하여, 전기 에너지를 발생시킨다.
이상의 실시예2와 실시예4, 실시예7과 실시예8에 나타낸 발전 시스템은 본 에너지 흡수 변환 장치의 몇 가지 특정 응용일 뿐이며, 상기 파랑 에너지의 출력은 기타의 발전 형태와 결합되어, 파랑 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수도 있다. 또한, 이상의 발전 시스템은 유선으로 전기 에너지를 얻은 후, 전력 출력선 또는 유사한 기능의 설비를 통해 전기 에너지를 전송할 수 있고, 이는 모두 종래의 일반적인 기술이다.
이상의 실시예를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에서 공개한 파력 흡수 변환 장치 및 발전 시스템의 대부분 구조는 수평면 아래에 있으며, 특히 상대적으로 운동하는 구조는 모두 수면 아래에 있으므로, 풍랑 저항 능력이 우수하여, 신뢰성이 강하고, 발전 장치 및 제어 부재가 모두 부유체에 밀봉되어 있어, 해수의 부식을 효과적으로 방지하여, 유지 보수 비용을 줄일 수 있다.
종합하자면, 본 발명에서 공개한 장치 및 시스템 구조는 간단하고, 제조 비용 및 유지 보수 비용이 낮으며, 파랑 에너지 이용율을 향상시키고, 장기 운행의 신뢰성을 높였다.
이상은 본 발명의 사상을 설명하기 위해 제한된 몇 가지 실시예를 공개하였고, 물론, 상술한 모든 실시예는 전체 실시예가 아니라, 본 발명의 일부 실시예이다. 본 발명의 설계 방안에 근거하여, 당업자가 창조적 노동을 하지 않는 전제에서 얻은 다른 실시예들은 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
1: 부유체 2: 발전기
3: 에너지 출력축 4: 수력 터빈
5: 가이드축 6: 유수 통로
7: 피스톤 슬리브 8: 피스톤
9: 댐핑판 10: 중심축 슬리브
11a: 상부 위치 한정 구조 11b: 하부 위치 한정 구조
12: 가이드홈 13: 발전 기구
14a: 균형추 14b: 부력 탱크
15: 푸싱 로드 16: 유압 펌프
17: 유압 모터 18: 선형 모터 고정자
19: 선형 모터 슬라이딩 부재

Claims (12)

  1. 부유체(1), 댐핑판(9), 가이드축(5)을 포함하고, 상기 가이드축(5)은 부유체(1) 저부에 연결되고, 댐핑판(9)은 가이드축(5)에 상대적으로 이동 가능하게 끼워지며, 댐핑판(9)의 상방 및/또는 하방에 위치 한정 구조가 설치되어, 댐핑판(9)의 가이드축 상의 운동 영역을 제한하고, 부유체(1)는 파랑의 작용에 의해, 가이드축(5)을 움직여 함께 상하 운동시켜, 댐핑판(9)과 상대적 운동이 발생하도록 하여, 운동 에너지를 출력하는, 파랑 흡수 변환 장치에 있어서,
    상기 댐핑판의 상기 운동 영역의 중간 위치 또는 근처에 카운터 밸런스 기구(14)를 설치하여, 댐핑판(9)의 상향 및/또는 하향 운동 경향을 상쇄균형화하며, 상기 카운터 밸런스 기구(14)의 카운터 밸런싱 힘은 균형추(14a)의 중력 또는 부력 탱크(14b)의 부력이고, 카운터 밸런싱 힘은 댐핑판(9)의 자연 운동 방향과 반대되어, 상기 댐핑판(9)이 자체의 댐핑 작용, 및 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 수면 아래의 가이드축 상의 상기 운동 영역의 중간 위치에서 상대적 정지 상태를 유지하도록 하고, 설계된 파고 범위 내에서, 부유체가 가이드축과 댐핑판을 움직여 상대적 운동을 발생시키면, 댐핑판이 상방 또는 하방의 위치 한정 구조 또는 부유체(1) 또는 부유체와 함께 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 하고,
    상기 균형추(14a)는 연성 체인으로 댐핑판(9)의 상방에 매달리고, 상기 연성 체인은 가이드축(5) 또는 가이드축(5)과 일체화되어 함께 운동하는 특정 부위에 연결되며, 상기 연성 체인은 임의의 길이일 수 있고, 길이는 균형추(14a)가 댐핑판(9)의 운동 영역의 중간 위치에 위치하도록 하는 길이이고,
    상기 부력 탱크(14b)는 연성 체인으로 댐핑판(9) 하방에 연결 견인되고, 상기 연성 체인은 가이드축(5) 또는 가이드축(5)과 일체화되어 함께 운동하는 특정 부위에 연결되며, 상기 연성 체인은 임의의 길이일 수 있고, 길이는 부력 탱크(14b)가 댐핑판(9)의 운동 영역의 중간 위치에 위치하도록 하는 길이인, 파랑 흡수 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    댐핑판(9)의 부력이 댐핑판(9)에 실리는 전체 중력보다 크게 설계되면, 댐핑판의 상향 운동 경향을 상쇄균형화하기 위하여, 균형추(14a)를 탑재하여, 균형추(14a)를 추가한 후 댐핑판(9)에 실리는 중력의 합이 부력의 합보다 크게 하고; 댐핑판(9)은 그 운동 영역의 하단에서 상단을 향해 중간 영역까지 운동하면, 균형추(14a)와 결합되고, 균형추(14a)의 역방향 작용력에 의해, 댐핑판의 과도한 부력이 상쇄되어, 즉 결합체의 상승하는 운동 에너지가 약화되어, 결합체가 댐핑판이 운동하는 중간 위치, 즉 최초 결합 위치 또는 근처에 머물도록 하며, 파랑으로 인해 댐핑판과 가이드축 사이에 상대적 운동이 발생할 때, 댐핑판이 운동 영역의 중간 영역에서 운동하면서, 일정한 파랑 범위 내에서, 댐핑판(9)이 상부에서 상부 위치 한정 구조(11a) 또는 부유체(1) 또는 부유체와 함께 일체로 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 하는, 파랑 흡수 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    댐핑판에 실리는 전체 중력이 부력보다 크게 설계되면, 댐핑판의 하향 운동 경향을 상쇄균형화하기 위하여, 부력 탱크(14b)를 탑재하여, 댐핑판(9)과 부력 탱크(14b)의 부력의 합이 이들에 실리는 중력의 합보다 크게 하고, 댐핑판(9)이 운동 영역의 상단에서 하단을 향해 중간 위치까지 운동하면, 부력 탱크(14b)와 결합되고, 부력 탱크(14b)의 상향 작용력으로 인해, 결합체의 하강 운동 에너지가 약화되면서, 즉 댐핑판의 과도한 중력이 상쇄되면서, 결합체가 댐핑판이 운동하는 중간 위치, 즉 최초 결합 위치 또는 근처에 머물도록 하며, 파랑으로 인해 댐핑판과 가이드축 사이에 상대적 운동이 발생할 때, 댐핑판이 운동 영역의 중간 영역에서 운동하면서, 일정한 파랑 범위 내에서, 댐핑판(9)이 하부에서 하부 위치 한정 구조(11a) 또는 부유체(1) 또는 부유체와 함께 일체로 운동하는 부재와 부딪히지 않도록 하는, 파랑 흡수 변환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 카운터 밸런스 기구(14)는 다단 탑재 방식을 사용하며, 즉 복수의 균형추(14a) 또는 복수의 부력 탱크(14b)를 탑재하고, 각 균형추 또는 각 부력 탱크의 사이는 연성 체인으로 차례로 연결하는, 파력 흡수 변환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카운터 밸런스 기구(14)는 하이브리드 및 다단 탑재 방식을 사용하며, 즉 하나 이상의 균형추(14a)를 탑재하고, 동시에 하나 이상의 부력 탱크(14b)도 탑재하며, 각 균형추 또는 각 부력 탱크 사이는 연성 체인으로 차례로 연결하는, 파력 흡수 변환 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 한정 구조는 가이드축의 상부 및/또는 하부에 설치된 구조이거나, 또는 가이드축 또는 부유체와 일체로 연결 고정된 부재의 특정 부위를 위치 한정 구조로 하고, 상기 구조 및 부재는 댐핑판의 상방 및/또는 하방에 위치하여, 상기 카운터 밸런스 기구가 탑재되지 않은 상태에서의 운동 영역을 제한하는, 파력 흡수 변환 장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 파력 흡수 변환 장치 및 발전 기구(13)를 포함하고, 상기 발전 기구(13)는 파력 흡수 변환 장치의 동력 출력단에 배치되어, 파랑 에너지를 전기 에너지로 변환하는, 파력 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 발전 기구(13)는 피스톤 증압 수력 터빈 발전 장치이고, 발전기(2), 수력 터빈(4) 및 피스톤 증압 장치를 포함하며,
    상기 발전기(2)는 파력 흡수 변환 장치의 부유체(1) 내에 장착되고, 에너지 전달축을 통해 수력 터빈(4)과 연결되고, 피스톤 증압 장치는 부유체(1) 하방의 수면 아래에 위치하며,
    상기 피스톤 증압 장치는 피스톤 슬리브(7) 및 이와 결합 장착된 피스톤(8)을 포함하고, 가이드축(5)은 피스톤 슬리브(7) 및 이와 결합 장착된 피스톤(8)을 관통하고, 피스톤 슬리브는 부유체(1)의 하방에 고정되고, 피스톤 슬리브의 상부는 개방되고, 상기 수력 터빈(4)은 피스톤 슬리브(7) 상부의 유수 통로(6) 내에 위치하고, 상기 피스톤(8)의 저부는 상기 파력 흡수 변환 장치의 댐핑판(9)과 강성 연결되고, 댐핑판(9) 단면의 면적은 피스톤(8) 저부 단면의 면적보다 크며,
    부유체(1)가 피스톤 슬리브(7), 가이드축(5)을 움직여 파랑과 함께 상하 운동시키면, 피스톤(8)과 댐핑판(9)은 카운터 밸런스 기구의 상조 작용에 의해, 피스톤(8)과 피스톤 슬리브(7)가 상대적 운동을 유지하도록 하고, 피스톤 슬리브(7) 내부의 해수에 대해 교대하는 양압 및 음압을 형성하여, 해수가 유수 통로(6)에서 왕복 유동하도록 함으로써, 유수 통로(6) 내의 수력 터빈(4)의 블레이드에 대한 왕복 충격을 실현하여, 회전하는 블레이드가 발전기(2)를 움직여 발전시키도록 하는, 파력 발전 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 발전 기구(13)는 오일 펌프 유압 모터 발전 장치이고, 부유체 내에 장착된 유압 펌프(16), 유압 모터(17) 및 발전기(2)를 포함하고, 상기 유압 펌프(16)의 푸싱 로드(15)는 전동 로드(3)를 통해 댐핑판(9)과 연결되고, 파랑의 작용에 의해, 부유체(1)는 댐핑판(9)과 상대적 운동이 발생하고, 전동 로드(3), 푸싱 로드(15)를 통해 유압 펌프(16)의 내부 피스톤을 밀어 운동시키고, 유압 펌프 내의 액체가 유압 모터(17)를 움직이면서, 발전기(2)를 발전시키는, 파력 발전 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 발전 기구(13)는 선형 모터 발전 기구이고, 선형 모터 고정자(18), 푸싱 로드(15) 및 선형 모터 슬라이딩 부재(19)를 포함하고, 상기 선형 모터 고정자(18)는 부유체(1) 내에 고정되고, 상기 선형 모터 슬라이딩 부재(19)는 선형 모터 고정자(18)와 결합되어 상대적으로 슬라이딩하고, 상기 푸싱 로드(15)는 선형 모터 슬라이딩 부재(18)에 연결되어 구동하고, 전동 부재(3)를 통해 댐핑판(9)과 연결되고, 파랑의 작용에 의해, 부유체(1)가 댐핑판(9)과 상대적 운동이 발생하면, 전동 로드(3) 및 푸싱 로드(15)를 통해 선형 모터 슬라이딩 부재(19)를 움직여 선형 모터 고정자(18)에 대해 상하 운동하도록 구동하여, 전기 에너지를 발생시키는, 파력 발전 시스템.
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