KR20090038455A - 파동에너지 변환장치 - Google Patents

Abstract

파동에너지 변환장치(44)와 그것과 관련된 장력 계류시스템(50)이 기술된다. 상기 파동에너지 변환장치(44)는 해양에서 평균 해수면 위로 연장되도록 설계된 세장형 지지구조(45)를 구비한다. 상기 세장형 지지구조(45)은 상기 평균 해수면 아래에서 상기 세장형 지지구조(45)과 연결된 잠수부재(46)를 구비한다. 양성부력을 갖는 부유부재(48)는 상기 세장형 지지구조(45)에 활주가능 하게 장착되어 수직방향으로 이동할 수 있다. 상기 파동에너지 변환장치(44)는 선형 발전기(49)를 구비하는데, 상기 선형 발전기(49)는 상기 세장형 지지구조(45)와 연결된 고정자와 상기 부유부재(48)의 몸체와 일체로 형성된 변환기를 구비한다. 상기 세장형 지지구조(45)에 대한 상기 부유부재(48)의 차동운동은 상기 선형 발전기(49)에 의해서 전력을 발생시킨다. 상기 장력 계류시스템(50)은 케이블(51)을 구비하는데, 상기 케이블(51)은 밸러스트 장치(52)부터 풀리 메커니즘(54)를 경유하여 상기 잠수부재(46)에 현가되도록 구성된 평형수단(53)까지 연장된다. 상기 장력 계류시스템(50)은 상기 파동에너지 변환장치(44)가 다양한 해양 조건들에 맞춰 조정되도록 한다.

Description

파동에너지 변환장치{WAVE ENERGY CONVERTER}

본 발명은 해양의 파동에너지를 전기에너지로 변환하는 파동에너지 변환장치에 관한 것으로, 특히, 이에 한정되는 것은 아니지만, 부력, 유체역학적 압력 및 진동의 원리로 동작하는 파동에너지 변환장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 파동에너지 변환장치를 위한 장력 계류 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 제3 천년 기의 시작과 함께, 자원의 재생 가능 여부에 대한 관심이 고조되고 있다. 화석연료가 제한된 에너지 자원임을 인식함에 따라, 지속가능한 깨끗한 에너지 자원에 대한 탐사가 점점 절실히 요구되고 있다. 지구 온난화와 기후변화는 화석연료에 대한 우리의 의존성을 줄일 필요성이 있음을 나타내고 있다. 가장 신뢰할 수 있는 재생가능한 에너지 자원중의 하나는 파동에너지이다. 세계적인 파력(wave power)의 전위에너지(energy potential)는 2 테라 와트(Terawatt)로 추정되고, 이는 세계의 전기에너지 요구량을 충족시키는 수준인 연간 2000 테라 와트(TWh)에 달하는 세계자원과 대등한 양이다. 과거 수백 년 동안 파동에너지를 이용하려는 시도가 있어왔지만, 이에 대한 성공은 매우 제한적인 것이었다. 즉, 요구량인 수백 메가 와트(megawatts)의 규모가 아닌, 수십 내지 수백 킬로 와트(kilowatts) 정도의 작은 규모의 성공만이 이루어졌다.

과거 주요 어려움들 중 하나는 해양 파도의 거대한 에너지를 견디기에 충분히 강한 장치를 설계하는 것이었다. 폭풍 시에는 파동에너지가 거대한 양으로 생산되어 종래의 육지나 해안에 기지를 둔 많은 시스템들을 파괴하였다. 통상적으로 종래에는 파동에너지를 추출하기 위하여, 터빈이나 유압시스템을 사용해왔다. 직접 구동 선형 발전기(directly driven linear generator) 뿐만 아니라 직접 구동 회전 발전기(directly driven rotary generator)를 사용하려는 몇몇 시도가 있어왔다. 그러나, 가장 일반적인 종래 에너지 추출 장치는 진동식 물기둥 장치 및 유압식 연결형 회전 발전기(hydraulic linked rotary generators)들이다. 이들은 통상적으로 해안가 주변(near-shore), 해안가(in-shore) 또는 해안(on-shore)에 설치된다. 그와 같은 종래 시스템의 또 다른 주요 단점은 그 시스템이 마찰손실(frictional losses)에 의하여 해안선 파도의 에너지 손실이 높은 해안가에 밀접하여 설치될 필요성이 있다는 것이며, 이에 따라, 심해의 파동에너지의 대부분이 손실된다는 것이다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 해안가 주변이나 해안가를 벗어난 곳에서 이용되며, 해양파동에너지를 최대한 추출할 수 있는 장력 계류시스템 및 파동에너지 변환장치를 제공하는 것이다.

본 명세서에서 종래기술에 대한 참조들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 그와 같은 종래 기술이 호주나 그 밖의 지역에서 일반적으로 통용되는 것을 의미하는 것은 아니다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 파동에너지를 보다 사용 가능한 형태로 변환하며, 평균 해수면 아래서 연결된 잠수부재를 갖는 구조물을 구비하는 장치를 위한 장력 계류시스템을 제공한다. 상기 장력 계류시스템은 밸러스트 부재로부터 풀리 메커니즘을 통해서 상기 잠수부재에 현가되도록 구성되는 평행장치로 연장되는 세장형 연신부재; 및 상기 잠수부재의 동작을 감쇄하며, 상기 풀리 메커니즘을 통해서 감쇄력을 상기 세장형 연신부재에 인가하는 감쇄장치를 구비한다.

바람직하게는, 상기 평형장치는, 상기 세장형 연신부재를 통하여 상기 잠수부재에 평형력을 인가시킬 수 있는 질량체를 갖는 용기를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 평형장치는 질량체를 갖는 조절 식 부력용기를 구비하며, 상기 평형장치의 부력을 조절하여 상기 세장형 연신부재를 통하여 상기 잠수부재에 인가되는 상기 평형력을 변경시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 평행장치의 상기 부력은 에어호스를 통하여 공기를 상기 조절 식 부력용기로 펌핑함으로써 조절될 수 있다.

바람직하게는, 상기 장력 계류시스템은 계류캐디(mooring caddy)를 더 구비하며, 상기 구조물의 상기 잠수부재는 상기 계류캐디에 도킹 결합된다. 바람직하게는, 상기 잠수부재는 잠금 메커니즘에 의해서 상기 계류캐디에 고정되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 감쇄장치 및 상기 풀리 메커니즘 모두 상기 계류캐디 안에 수용되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 측면에 따라 해양파동에너지를 보다 사용 가능한 형태로 변환하는 장치가 구비된다. 상기 장치는, 평균 해수면 위로 연장되도록 설계되며, 상기 평균 해수면 아래에서 연결된 잠수부재와 세장형 지지구조가 해양에서 일반적으로 수직 방위로 떠다니도록 하는 부력장치를 구비하는 상기 세장형 지지구조; 양성부력을 가지며, 상기 세장형 지지구조에 활주가능하게 설치되어 수직방향으로 이동하는 부유부재; 및 상기 세장형 지지구조와 상기 부유부재에 연결되며, 상기 파동운동이 상기 세장형 지지구조와 상기 부유부재 사이에서 적절한 차동운동을 야기할 때, 순간에너지를 보다 사용 가능한 형태로 변환하는 에너지 추출장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 부유부재는 수상활주면을 구비하여 파동운동의 수평방향 성분을 부유부재의 수직운동으로 변환하여 부유부재의 에너지 추출 능력을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 통상적으로, 상기 부유부재는 전단 및 후단과 함께 세장형 수평 단면을 구비하며, 상기 전단은 접근하고 있는 파동의 일반적인 방향에 대응하도록 구성되는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 전단은 끝(tip)으로 갈수록 좁아지는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 부유부재의 상기 수상활주면은 다수의 실질적으로 평행한 수상활주면들 중의 하나이고, 상기 수상활주면들은 상기 부유부재의 제1측에 수직으로 연장하고 상기 부유부재의 제2 측을 따라 연장하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는, 상기 다수의 수상활주면들은 상기 부유부재의 전단으로부터 후단으로 하향하여 경사지며, 파동의 물입자들은 상기 수상활주면 들에 의해서 하향되면서 상기 수상활주면 들에 상방향으로 작용하는 유체 동역학 힘들을 창출하며, 이 유체 동역학 힘들은 상기 부유부재의 양성부력에 의하여 상기 부유부재에 작용하는 상방향 힘에 부가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라, 해양파동에너지를 사용 가능한 에너지로 변환하는 장치에 구비된 개선된 부유부재가 제공된다. 상기 부유 부재는 지지구조에 활주 가능하게 설치되어 파동운동에 응답하여 수직방향으로 이동할 수 있으며, 수상활주면을 구비하여 파동운동의 수평성분을 상기 부유부재의 수직운동으로 변환하도록 구성되어 상기 부유부재의 에너지 추출 능력을 향상시키는 양성 부력부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 파동에너지를 변환시키는 상기 장치는 상기 세장형 지지구조를 해저에 계류시키는 계류시스템을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 일 실시 예에서, 상기 잠수부재 및 상기 부력장치는 사용시 실질적으로 중성 부력을 갖는다. 상기 계류장치는, 상기 장치가 표류하는 것을 방지하면서 탁월파(prevailing wave)의 방향을 자동 추적할 수 있는 테더(tether)을 구비한다.

또 다른 실시 예에서, 상기 잠수부재와 상기 부력장치는 사용시 양성부력을 갖도록 구성되며, 상기 계류시스템은 제동운동을 상기 계류시스템을 통하여 상기 세장형 지지구조에 인가하는 제동장치를 구비하는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는 에너지 추출장치에 의해서 추출된 에너지가 증가할 때, 상기 제동장치는 상기 제동운동을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 부유부재와 상기 세장형 지지구조 사이의 차동운동은 극대화 되며, 에너지가 최적의 양으로 추출됨을 특징으로 한다. 반대로, 상기 에너지 추출장치가 적은 양의 에너지를 추출하거나 어떠한 에너지도 추출하지 않을 때, 상기 제동장치는 제동운동을 수행하지 않으며, 상기 계류시스템이 자유 운동(freewheel)할 때, 상기 세장형 지지구조에 인가되는 기계적 응력은 최소화 될 수 있다.

일 실시 예에서, 상기 계류시스템은 밸러스트 장치로부터 풀리 메커니즘을 통해서 상기 세장형 지지구조에 현가되는 평행장치로 연장되는 케이블을 구비하는 것을 특징으로 한다. 통상적으로, 상기 제동시스템은 풀리 메커니즘을 통하여 상기 케이블에 제동력을 인가한다. 바람직하게는, 상기 제동시스템은 솔레노이드에 의해 작동된다. 상기 솔레노이드에 대한 전기력은 션트회로(shunt circuit)를 통하여 상기 선형 발전기에 의하여 공급된다. 바람직하게는 상기 제동시스템은 컴퓨터에 의해 제어된다.

명세서 전반에 걸쳐, 문맥상 달리 요구되지 않는다면, “구비하다(comprise)” 또는 그것의 여러 변형들(comprises, comprising)은 기술된 구성요소(integer) 또는 구성요소 그룹이 포함되는 것으로 이해되고 다른 구성요소나 구성요소 그룹을 배제하는 것은 아니다. 마찬가지로, “바람직하게는(preferably)”또는 그것의 여러 변형들(preferred)은 기술된 구성요소들 또는 구성요소 그룹들이 바람직함을 의미할 뿐 본 발명의 동작을 위해서 필수적임을 의미하지 않는다.

본 발명의 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 장력 계류시스템 및 파동에너지 변화장치의 실시예들에 대한 이하의 상세한 설명에 통해 보다 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따라 파동에너지 변환장치의 제1 실시예를 보여주는 평 면-정면 사시도 이다.

도 2는 도 1의 상기 파동에너지 변환장치와 그것과 관련된 본 발명에 따른 장력 계류시스템을 보여주는 평면-정면 사시도 이다.

도 3은 도 2의 상기 파동에너지 변환장치를 보여주는 정면 입면도이다.

도 4는 도 1의 상기 파동에너지 변환장치와 함께 채용된 상기 장력 계류시스템을 보여주는 평면-정면 사시도 이다.

도 5는 도 4의 장력 계류시스템에 일체화된 계류캐디를 보여주는 저면-후면 사시도 이다.

도 6a 및 도 6b는 다가오는 파도의 마루와 골에서 각각 도 1 및 도 3의 파동에너지 변환장치를 보여준다.

도 7a 및 도 7b는 평균 해수면의 변화 동안 도 1 및 도 2의 파동에너지 변환장치의 동작을 보여준다.

도 8은 본 발명에 따른 파동에너지 변환장치와 그것과 관련된 장력 계류시스템을 보여주는 평면-정면 사시도 이다.

도 9는 도 8의 파동에너지 변환장치와 관련된 상기 장력 계류시스템의 요소인 평형장치를 보여주는 부분적으로 투명한 정면 사시도 이다.

도 10은 도 8의 상기 파동에너지 변환장치와 관련된 장력 계류시스템을 보여주는 확대 사시도 이다.

도 11은 도 8의 파동에너지 변환장치와 관련된 상기 장력 계류시스템의 요소인 계류캐디의 제1 실시예를 보여주는 부분적으로 투명한 정면 사시도 이다.

도 12은 파동에너지 변환장치와 관련될 수 있는 본 발명에 따른 상기 장력 계류시스템의 요소인 계류캐디의 제2 실시예를 보여주는 부분적으로 투명한 정면 사시도 이다.

도 13은 본 발명에 따라 파동에너지 변환장치와 그것과 관련된 장력 계류시스템을 보여주는 제3 실시예를 보여주는 정면 사시도 이다.

도 14는 본 발명에 따라 파동에너지 변환장치와 그것과 관련된 장력 계류시스템을 보여주는 제4 실시예를 보여주는 정면 사시도 이다.

도 15는 본 발명에 따라 파동에너지 변환장치와 그것과 관련된 장력 계류시스템을 보여주는 제5 실시예를 보여주는 저면 사시도 이다.

도 16은 본 발명에 따라 파동에너지 변환장치와 그것과 관련된 장력 계류시스템을 보여주는 제6 실시 예를 보여주는 정면 사시도 이다.

해양파동에너지는 두 개의 직교하는 방향의 에너지, 즉 수평 및 수직방향 에너지로 구성되어 전파된다. 상기 수직방향 에너지는 히브(heave)로 통칭되는 파동 물 입자들의 수직운동에 포함되어있고, 이는 상기 파동의 이용 가능한 에너지의 절반에 해당한다. 상기 수평방향 에너지는 서지(surge)로 통칭되는 파동 물 입자들의 수평운동에 포함되어있고, 이는 상기 파동의 이용 가능한 에너지의 절반에 해당한다. 파동에너지를 추출하기 위하여, 이들 직교하는 방향의 에너지들 중 하나 또는 이들 모두를 흡수할 필요가 있다.

상기 히브운동(heave motion)은 상기 파동의 z축 방향 (즉, 상하 방향) 운동을 나타내기 때문에 파동의 수직방향 에너지와 높은 상관 관계를 가지고 있다. 파고에 대한 히빙의 친화도 (amicability of heaving)은 파동으로부터 수직방향 에너지를 추출할 수 있는 대중적이고 능률적인 장치를 제공한다. 파동에 존재하는 수직방향 에너지는 파동에너지 변환장치(WEC; Wave Energy Converter)에 의해서 단일 히빙부재(heaving body)나 두개의 히빙부재들을 이용하여 추출될 수도 있다. 단일 히빙부재는 상부 수면 위의 부력체(buoyant mass)를 이용하여 파동으로부터 수직방향의 에너지를 추출한다. 제2 기준 프레임(frame of reference)이 해저인 단일 히빙부재의 경우, 에너지를 추출하기 위하여 일반적으로 차동운동(differential motion)을 요구한다. 해저가 기준 프레임으로 이용됨으로써, 최대의 상대이동(relative movement)량이 얻어질 수 있고, 결과적으로 가능한 넓은 주파수 범위에서 최대의 에너지량이 얻어질 수 있다.

단일 히빙부재의 설계는 두 개의 기본 구성(configuration)을 통해서 구현될 수 있다. 첫 번째는 부착물을 가지고 바다 상부 위에 떠다니는 부표를 이용하여 구현되는데, 상기 부착물은 부표와 부표의 기준 프레임을 연결시킨다. 그 다음, 상기 부표는 바다 위에서 파도와 함께 이동하면서 상기 기준 프레임으로부터의 차동운동을 발생시킬 것이다. 두 번째 구성은 해저에 고정된 구조물을 이용하여 구현된다. 이 구조물은 평균 해수면 아래나 위에 위치되고 그 구조물에 부착된 부표를 가진다. 그 다음, 그 부표는 수면 위에서 파도와 함께 진동하면서 상기 고정된 기준 프레임에 대하여 차동운동을 발생시킨다.

듀얼 히빙부재(dual heaving body)의 설계 시, 두 개의 진동하는 부재 사이의 차동운동이 에너지를 발생시키기 위하여 이용된다. 이는 단일 히빙부재의 설계 시 하나의 부재가 고정된 기준점에 대하여 상대운동을 하는 것과 대응되는 것이다. 그러나, 진동시스템으로서의 상기 듀얼 히빙부재의 설계에 대한 효율 분석에 있어서, 듀얼 히빙부재의 설계가 해양파도의 전형적인 주파수 범위에서 임의의 상당한 파동에너지를 추출하는데 실용적이지 않음을 나타낸다. 이것은 이런 종류의 차동운동을 이용한 어떠한 상업적인 설치도 존재하지 않는다는 사실에 의하여 증명된다. 히빙부표(heaving buoy)의 기존 상업 버전들은 다양한 형태의 단일 진동부재를 채용한다.

본 발명에 따른 파동운동의 다른 측면은 서지(surge)이다. 전술된 바와 같이, 서지는 x축 방향에 따른 운동이고, 파동의 수평방향 에너지로부터 에너지를 추출하기에 적합하다. 서징부재(surging body)는 파동에너지의 절반, 즉 파동의 수평에너지 성분을 추출할 수 있다. 서징과 히빙을 조합함으로써 이론적으로 100% 해양파동에너지를 추출할 수 있다. 이들 벡터들 모두로부터 상기 파동에너지를 추출할 수 있는 장치를 이용할 때 매우 큰 이점이 존재하는 것은 분명하다. 그러나 이것은 실질적으로 파동의 비선형성, 다방향 파동들, 그리고 다른 변수들과 같은 여러 요인들이 상기 파동의 운동에 영향을 주기 때문에 이론적으로만 이루어질 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 최적의 파동에너지를 추출하기 위하여 통상적으로 서징과 히빙을 동력화하려고 한다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 파동에너지 변환장치(WEC)는 수중익선(hydrofoil) 또는 수중활주장치(hydroplane)를 채용하여 해양 파동의 수평방향의 에너지를 활용한다. 수중활주장치는 파동 속에서 이동하는 다량의 물의 경로를 바꾸어 임의의 방향으로의 합력(net force)을 생산할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 파동에너지 변환장치의 바람직한 실시예들은 통상적인 서징 및 히빙부재 설계을 채용하는데, 이러한 서징 및 히빙부재 설계는 다중 자유도를 가지고 해양의 이동하는 파동으로부터 에너지를 추출할 수 있다. 상기 파동에너지 변환장치는 상기 물 입자들의 히빙 및 서징운동(heaving and surging motion)을 수직력으로 변환시킨다. 이때, 상기 수직력은 선형 발전기의 변환기를 그 고정자와 함께 차례로 차동운동 시킨다. 상기 선형 발전기는 이러한 차동운동을 부하에 인가될 수 있는 유도 전위차로 변환하여, 해양에너지의 카오스 에너지(chaotic energy)를 통하여 유용한 작업을 실행할 수 있다.

본 발명에 따른 파동에너지 변환장치의 바람직한 실시예들에서, 히브응답(heave response)은 단지 파동에 존재하는 에너지를 변환하기 위하여 이용되지 않는다. 본 발명에서, 히브응답은 또한 동작주파수를 조정(tune)하기 위하여 이용될 수 있다. 따라서, 조정된 주파수 이하의 주파수들은 최소한으로 감쇄될 것이다. 본 발명에 따른 장력 계류시스템은 상기 파동에너지 변환장치와 관련하여 채용되어 이러한 조정성(tuneability)을 획득한다. 그와 같은 히브의 신규한 사용은 에너지 추출의 효율을 감소시키는 것 없이 상기 파동에너지 변환장치의 생명력을 증가시킨다. 이러한 접근은 단지 상기 히빙 및 서징부재들의 히브응답만을 이용하여 에너지를 발생시키는 종래기술에 따른 장치들과는 다른 접근이다. 논점을 분명히 말하자면, 히브응답이란 파동의 히브에 응답하여 히빙부재에 의해서 겪는 수직방향의 진 동을 말한다. 히브응답은 부력과 질량에 의해서만 얻어진다. 본 발명의 가능한 실시예에 따라 장력 계류시스템은 자체적으로 파동의 히브로부터 에너지를 추출할 수 있다. 이것에 대해서는 구체적으로 이하에서 설명될 것이다.

상기 파동에너지 변환장치는 하나의 가동부재(또는 동작부재)만을 갖도록 설계되는 것이 바람직하다. 이 가동부재(또는 동작부재)는 일반적으로 스플래쉬존(splash zone)이라고 칭해지는 지역 안의 평균 해수면 위에 위치된다. 이러한 시스템은 파동 안의 물 입자들의 서지와 히브로부터 형성된 힘을 이용하는 진동시스템이다. 그 다음, 이러한 힘들은 부분적으로 잠수된 구조물을 아래로 구동시키면서 부유물을 위로 구동시키는데 이용된다. 바람직하게는, 장력 계류시스템은 상기 파동에너지 변환장치와 관련하여 해저를 기준으로 상기 잠수된 구조물을 인장시킨다. 상기 두 부재의 서로 반대되는 운동은 최대의 차동운동량을 보장하여 파동으로부터 최대의 에너지량을 추출하게 한다.

도 1 내지 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 파동에너지 변환장치(10)는 해양의 평균수위 이상으로 연장되는 세장형 지지구조(12)를 포함한다. 상기 파동에너지 변환장치(10)는 서징(surging), 히빙(heaving), 부력 및 유체동역학 에너지를 이용하여 단일 히빙부재의 경우 이론적 최대 에너지 추출을 50% 에서 100%로 증가시킬수 있다. 상기 세장형 지지구조(12)은 프레임 형태로 마련되며, 평균수위 이하에서 잠수부재(14)가 상기 세장형 지지구조(12)에 결합된다. 상기 지지구조(12)는 부력장치를 더 구비하며, 이에 따라 상기 지지구조(12)가 해양에서 대략 수직 방향으로 부유될 수 있다. 도시된 실시 예에서, 상기 부력장치는 상기 잠수부재(14)내에 구비되는 부력탱크(16)의 형태이며, 이에 대한 자세한 설명은 후술하겠다. 본 실시 예에 있어서, 상기 부력탱크(16)는 상기 잠수부재(14)에 전체적으로 양의 부력을 인가하기에 충분한 양의 공기로 채워진다. 따라서, 본 실시예에서, 상기 잠수부재(14)는 양성부력 잠수부재(14)(PBSM; Positively Buoyant Submerged Member)로 칭한다. 상기 PBSM(14)의 부력은 평균수위 이상에서도 작용하므로, 수위가 상승하면 부력 또한 증가한다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 잠수부재(14)는 그 총 질량이 잠수부재(14)에 의해 배수되는 해수와 동일하도록 충분한 양의 공기로 채워진다. 즉, 상기 잠수부재(14)는 중성부력을 갖는다.

상기 파동에너지 변환장치(10)는, 양성 부력을 가지며 상기 지지구조(12)에 슬라이딩 가능하도록 장착되는 부유부재(18)를 더 포함한다. 상기 부유부재(18)는 상기 지지구조(12) 내에서 수직 방향으로 이동한다. 또한, 상기 파동에너지 변환장치(10)는 상기 지지구조(12)에 결합된 고정자(22)와 상기 부유부재(18)에 결합된 변환기(24)를 구비하는 선형 발전기(20)를 포함한다. 본 실시 예의 고정자(22)는 평판형 및 세장형 구조로 마련되며 상기 지지구조(12)의 중앙면을 따라 평균수위 아래의 상기 PBSM(positively buoyant submerged member)로부터 평균수위에 이르기까지 수직으로 연장된다. 본 실시 예에서, 상기 변환기(24)는 부유부재(18)의 본체와 일체로 마련되며 이에 대한 상세한 설명은 후술하겠다. 상기 선형 발전기(20)에 의해 생성되는 전력은 상기 고정자(22)의 상단에 마련되어 있는 전기 단자(26)를 통해 단속되며 적절한 수중 케이블(미도시) 또는 무선(마이크로웨이브) 송신을 통해 해안으로 전송된다.

상기 PBSM(14)의 부유부재(18)는 부력부재로 마련되며, 상기 부유부재(18)가 배수하는 해수의 절반에 해당하는 밀도를 가진다. 일반적으로 상기 부유부재(18)는 상기 잠수부재(14)에 비해 작거나 동일한 부피를 갖는다. 이러한 두 파라미터의 결합을 통해 상기 부유부재(18)의 질량은 상기 PBSM(14)의 절반에 비해 작거나 동일하게 마련된다. 상기 PBSM(14)의 부력은 하류 복귀 행정시 상기 선형 발전기(20)에 의해 생성된 하향 이동력을 상쇄시키기 충분한 반력을 제공한다. 상기 부유부재(18)는 저마찰 가이드를 통해 상기 고정자(22)를 따라 수직 방향으로 자유로이 움직인다. 이러한 저마찰 가이드는 통상적으로 상기 부유부재(18)에 위치하는 플라스틱 또는 고무슬리브(도시 안됨)에 의해 둘러싸이며 상기 고정자(22)에 마련된 대응 채널 및 가이드를 구비하는 밀봉 베어링으로 마련된다.

이러한 저마찰가이드의 구성을 다양하게 변경시킬 수 있음은 해당 기술 분야의 숙련된 당업자에게 자명하다. 파동 운동에 의해 상기 부유부재(18)와 상기 지지구조(12) 사이에 적절한 차동 운동이 야기되면 상기 변환기(24)는 상기 고정자에 대해 직선운동을 수행하며 상기 선형 발전기(20)는 전력을 생성한다.

바람직하게는 상기 부유부재(18)는 상기 파동 운동의 수평 요소를 상기 부유부재(18)의 수직 운동으로 변환하는 수상익/수상익활주면(30)을 구비하므로 상기 부유부재(18)의 에너지 추출 역량이 향상된다. 상기 부유부재(18)는 접안파(approaching wave)의 일반적인 방향에 대향하는 전단(32)과 상기 전단에 대응하는 후단(34)을 구비하는 세장형 수평 단면을 포함한다. 상기 전단(32)은 V형 첨단을 가지도록 좁아진다. 바람직하게, 상기 수상익활주면(30)은 상기 부유부재(18)의 제 1측부 및 제 2측부 각각에 대해 실질적으로 수직으로 연장되며 상호 평행한 복수의 수상익활주면 중의 하나로 마련된다. 상기 복수의 수상익활주면(30)은 상기 부유부재(18)의 전단(32)으로부터 후단(34)에 이르기까지 하방으로 경사진다. 이러한 구조는 상기 파동에너지 변환장치(10)에 접근하는 접안파의 물입자가 상기 수상익활주면(30)에 의해 하방으로 거동하도록 하고 상기 수상익활주면(30)에 상방으로 작용하는 유체동력학 에너지를 형성한다. 이와 같이 상방으로 작용하는 유체동력학 에너지는 부력에 의해 부유부재(18)에 작용하는 상방의 힘과 합쳐진다.

상기 PBSM(14)는 상기 파동에너지 변환장치(10)에 접근하는 접안파의 기본 방향에 대향하는 전단(36)과 상기 전단에 대응하는 후단(38)을 구비하는 세장형 수평 단면을 포함한다. 도 1에 명확히 도시된 바와 같이 상기 전단(36)은 V형 첨단을 가지도록 좁아지며 상기 PBSM(14)는 보트와 같은 V형 외피를 갖는다. 바람직하게는 상기 PBSM(14)는 실질적으로 평판형이며 상기 잠수부재(14)의 전단(36)에서 상기 후단(38)에 걸쳐 상방으로 경사진 상면(40)을 갖는다. 전방에서 접근하는 해수의 물입자는 상기 평판형 상면(40)에 의해 상방으로 거동하며 PBSM(14)에 하방으로 작용하는 힘을 형성한다.

상기 PBSM(14)는 하방 운동에 대한 저항을 그 정도에 관계없이 최소화하도록 설계된다. 한편, 상향 거동하는 상기 평판형 상면(40)의 점성력에서 획득되는 유체동역학 힘과 상기 장력 계류시스템의 테더링력을 이용하여 PBSM(14)과 상기 지지구조(12)의 상방향 운동이 저지된다. 파동의 마루에 포함된 물입자가 상기 부유부재(18)와 만나면 상기 수상익활주면(30)에 의해 하방으로 거동한다. 따라서 상기 부유부재(18)에 상방향으로 작용하는 힘이 생성된다. 한편, 물입자가 상기 PBSM(14)와 만나면 경사진 상기 상면(40)에 의해 상방으로 거동한다. 따라서 상기 PBSM(14)에 하방향으로 작용하는 힘이 생성된다. 그러므로 파동이 상기 파동에너지 변환장치(10)를 만나면 상기 파동의 수평 거동에 의해 상기 부유부재(18)에 상방향 힘이 작용하며 상기 PBSM(14)에는 하방향 힘이 작용한다. 상기 PBSM(14)에 인가되는 상기 하방향의 힘은 상기 선형 발전기(20)에 의해 제공되는 제동에 대항한다. 수상익활주면(30) 및 부력을 통해 상기 부유부재(18)에 인가되는 상방향의 힘은 상기 선형 발전기(20)의 변환기(24)의 상방향 운동을 야기한다. 이러한 부력과 유체동역학 에너지의 상호작용을 통해 상기 부유부재(18)와 상기 지지구조(12)의 차동 운동이 최대화되어 파동에너지 변환장치(10)에 의해 파동으로부터 추출된 에너지를 최소화할 수 있다.

상기 PBSM(14)의 상방향 부력을 저지하기 위해 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 바람직한 실시예에 따른 장력 계류시스템은 계류장치(60)로 마련된다. 상기 계류장치(60)는 상기 파동에너지 변환장치(10)를 정박시키는 밸러스트(62)와 상기 PBSM(14)의 과잉부력(excessive buoyance)을 상쇄하는 평형장치(64)를 포함한다. 상기 밸러스트(62)와 평형장치(64)는 상기 PBSM(14)(도 5 참조)의 하부에 위치하는 풀리메커니즘(68)을 통과하는 체인 또는 케이블(66)에 의해 상호 연결된다. 감쇄장치가 기계식 제동 시스템(70)으로 마련되어 상기 풀리메커니즘(68)에 결합되지만, 상기 감쇄장치로 전자식 감쇄장치, 유압 감쇄장치 또는 공압 감쇄장치가 사용될 수 도 있다. 상기 제동시스템(70)은 상기 풀리메커니즘(68)을 통해 상기 케이블(66)에 제동 작용 및 감쇄 작용을 인가한다. 상기 제동시스템(70)은 상기 계류장치(60)를 통해 PBSM(14)에 제동 작용을 인가하여 상기 파동에너지 변환장치(10)의 지지구조(12)에 제동동작을 인가한다. 상기 제동시스템(70)은 솔레노이드 작동 제동시스템이며, 여기서 전력은 선형 발전기(20)로부터 션트회로(shunt circuit)를 통해 솔레노이드(미도시)로 공급된다. 그러므로, 상기 제동시스템(70)은 전기가 생성되지 않는 경우 작동하지 않는다. 제동율은 생성되는 전류의 양에 의존한다. 전력 수요가 적거나 파동주파수가 상기 선형 발전기(20)의 동작파라미터 범위를 상회하는 경우 상기 제동시스템(70)의 작동은 중단된다. 그러나 전력 생산이 증가하면 제동 작용이 증가하므로 상기 두 부재의 차동 운동이 최대화되며 에너지 생성이 극대화된다. 바람직하게는 상기 제동시스템은 컴퓨터에 의해 제어된다.

도 6은 상기 제동시스템(70)의 구동을 도시하고 있다. 원하는 주파수의 파동이 상기 파동에너지 변환시스템(10)을 통과하면 상기 부유부재(18)는 자체의 양성 부력과 상기 수상익활주면(30)에 작용하는 유체동역학 에너지(도6a 참조)에 의해 상방향으로 거동한다. 이러한 파동에너지 추출모드에서 상기 선형 발전기(20)는 전력을 생성하므로 상기 제동시스템(70)을 통해 상기 계류장치(60)의 상기 케이블(66)에 제동이 실행된다. 따라서 상기 평형장치(64)는 움직임을 멈추고 상기 PBSM(14)는 정지상태로 유지된다. 한편 도 6b에 도시된 바와 같이 부유부재(18)가 본래의 위치로 복원되면, 상기 제동시스템(70)에 의해 제자리를 유지하는 PBSM(14)의 과잉 부력으로 인해 전력이 생성된다.

이러한 단순한 제어시스템에 의해 효과적이고 적용이 용이한 PBSM 운동 제어 장치를 구현할 수 있다. 본 발명에 따른 파동에너지 변환장치는 에너지가 생성될 때 상기 제동시스템(70)이 작동되므로 에너지가 생성되지 않는 동안 시스템에 불필요하게 가해지는 스트레스를 전체적으로 감소시킬 수 있다. 상기 제동시스템(70)는 상기 PBSM(14)의 상부에 위치하며 상기 부유부재(18)가 허용한도에서 운동하는 경우 개방되는 접촉스위치(도시되지 않음)를 구비한다. 상기 스위치가 개방되면 상기 솔레노이드에 대한 션트가 개방되어 상기 PBSM(14)은 고도로 상승하며 상기 부유부재(18)에 의해 제공되는 상 방향 스트레스를 해소한다. 이러한 고도 조절은 평형이 이루어질 때까지 계속된다.

상기 계류장치(60)는 완전 자동 조절시스템으로 마련되어 상기 파동에너지 변환장치(10)의 평균수위를 일정 수준으로 유지한다. 상기 파동에너지 변환장치(10)가 상기 밸러스트(62)와 PBSM(14)간의 최단거리를 벗어나도록 작동하는 경우, 보정력이 작용하여 상기 밸러스트(62)와 PBSM(14)간의 최단거리가 유지될 수 있도록 복원시킨다. 이러한 보정력은 중력에 기인하는 완전 자동 구동력이다. 상기 파동에너지 변환장치(10)의 자동 제어 시스템은 소정 동작 범위 외부의 모든 파동주파수가 상기 부유부재(18)만이 아닌 상기 지지구조(12) 전체를 통과하도록 마련된다. 이러한 방식을 통해, 본 발명에 따른 파동에너지 변환장치는 급변하는 평균수위에 대해 상기 시스템을 자동으로 보정한다. 따라서 파동에너지 변환장치의 파손을 야기할 수 있는 조수의 변동, 폭풍우의 상승 및 다양한 저주파수 현상에 대응할 수 있다.

도 7은 상기 장치(10)를 평균수위로 자동 조정하는 방법을 설명하기 위한 도 면이다. 이 경우, 파동 주파수는 상기 장치(10)의 소정의 동작 범위밖에 존재하기 때문에, 상기 부유부재(18)는 수위에 관계없이 PBSM(14)에 대해 기본적으로 정지된 상태에 놓이게 되며, 상기 선형 발전기(20)를 통해 전력을 생산하기 위한 차동 운동이 없게 된다. 또한, 상기 제동 시스템(70)은 비활성화된 상태로 남게 되며 상기 계류 장치(60)는 자유로이 움직이게 된다. 도 7A 및 7B에 도시된 바와 같이, 상기 평형장치(64)는 평균수위가 변함에 따라 승강 운동하게 된다.

본 실시 예에서, 상기 계류장치는 계류캐디(mooring caddy)(72)의 형태로 구현되며, 상기 지지구조(12)의 PBSM(14)가 사용시 상기 계류캐디에 도킹된다. 도 5는 바람직한 실시 예에 따른 계류캐디(72)를 나타낸 도면이다. 상기 PBSM(14)은 적절한 잠금 메커니즘에 의해 계류캐디(72) 내에 고정되며, 상기 잠금 메커니즘은 PBSM(14)이 계류캐디(72)에 도킹될 때 자동적으로 PBSM(14)을 고정시킬 수 있다. 또한, 상기 PBSM(14)은 고정볼트(74)를 이용하여 계류캐디(72)에 수동으로 고정된다. 바람직하게, 상기 제동시스템(70) 및 풀리 메커니즘(68)은 계류캐디(72)에 수용된다. 본 실시 예에서, 상기 파동에너지 변환장치를 구현하는 데 필요한 모든 구성 용소들은 계류캐디(72)에 수용될 수 있다. 바람직하게, 상기 계류캐디(72)는 자체 부력탱크(76)를 구비하고 있으며, 상기 부력탱크(76)에는, 도킹, 유지보수 또는 동작시 상기 계류캐디(72)를 수중에서 승강이동시킬 수 있도록, 압축공기가 충전 또는 배기된다.

상기 평형추가 완전한 관성 질량체(inert mass)가 아니라 하더라도, 상기 계류장치(60)의 평형장치(64)는 기본적으로 질량체로서 기능한다. 바람직하게, 상기 평형장치(64)는 그 내부에 콘크리트와 같은 물보다 밀도가 높은 물질 및 공기챔버(미도시)를 포함한다.

상기 공기챔버는 그 안이 공기로 채워질 때, 평형장치(64)가 수면위로 떠오르는 데 필요한 부력을 제공하게 된다. 상기 공기챔버가 물로 충전될 때는 시스템에 질량이 부가되어 낮은 주파수에 대한 시스템의 성능이 증가된다. 다른 관점에서 볼 때, 상기 평형장치(64)는 공기챔버를 원격 및/또는 직접적으로 재충전할 수 있는 능력을 구비한다. 상기 공기챔버가 재충전되면, 상기 평형장치(64)는 수면위로 떠올라 상기 캐디(72)가 평형장치(64)의 상부에 위치하게 된다. 따라서, 상기 PBSM(14)에 대한 추출 또는 유지보수가 이루어질 수 있게 된다.

상기 평형장치(64)는 자동 커미셔닝 시스템이라는 용도를 갖는다. 상기 시스템의 커미셔닝으로 인해 밸러스트(62)와 평형장치(64)를 포함하는 계류장치(60)가 설정된다. 상기 장치(10)의 가동이 준비되는 시간까지 평형장치(64)는 부력이 있는 상태로 남아있게 된다. 상기 장치(10)가 가동될 때, 평형장치(64)가 물로 채워진 후, 상기 장치(10)가 노출된 캐디(72)에 부착된다. 따라서, 상기 장치(10)는 다이버들 및 고도로 전문화된 장비의 도움없이 올바른 동작 위치로 자동설정된다. 상기 장치(10)를 커미셔닝하는 위의 진보적 방법에 의해, 커미셔닝, 비커미셔닝, 수리 및 유지보수 비용이 최소화될 수 있게 된다. 상기 평형장치(64)를 구성하는 다른 방법으로는 콘크리트와 같은 물보다 고밀도의 물질만으로 평형장치(64)를 구성하는 것이고, 이때 상기 캐디(72)는 평형장치(64)를 승강이동하는 데 이용되는 조정가능한 부력챔버로 구성된다.

상기 장치(10)에 이용되는 선형 발전기(20)는 최적의 주파수 응답 및 EMF를 제공함으로써 해양의 파동으로부터 최대량의 에너지를 추출하도록 구성된다. 이러한 최적화는 상기 진동 시스템의 임계감쇠가 풀로드(full load)하에서 구현되도록 선형 발전기(20)의 성능 파라미터를 상기 기계적 시스템의 감쇠 요구사항에 매칭시킴으로써 구현된다.

상기 장치(10)내의 선형 발전기(20)에서, 상기 고정자(22)가 주로 고정적인 기준 프레임인 진동 바디시스템의 일부이며, 상기 변환기(24)는 주로 이동성 기준 프레임에 부착된다. 본 실시 예에서, 상기 고정자(22)는 잠수부재(14)에 연결되며, 상기 변환기(24)는 부유부재(18)에 연결된다. "고정자" 및 "변환기" 모두 실질적으로 이동가능함에 불구하고, 통상적인 명명 방식에 근거하여, 상기 "고정자" 및 "변환기"의 용어가 소정의 WEC 구조를 나타내는 데 이용된다. 상기 고정자(22) 및 변환기(24)의 움직임이 독자적이기 때문에, 구리선, 자석 및 투자성 물질이 상기 고정자 또는 변환기에 배치될 수 있다. 이들 물질들의 위치는 상기 장치의 구현을 위한 특정 요구사항 및 설계 기준에 좌우된다.

상기 파동에너지 변환장치(10)는 용기 뒤로 용이하게 견인되도록 구성됨으로써 손쉽고 신속하게 제어될 수 있다. 상기 PBSM(14)의 V형 외피(hull)는 파동에너지 변환장치(10)의 효율적인 견인을 용이하게 한다. 상기 장치(10)의 커미션 또는 디커미션을 위해, 고압의 공기가 평균 수위보다 위에 배치된 밸브(42)에 공급된다. 본 실시 예에서, 상기 밸브(42)는 고정자(22)의 상부에 배치되며, 상기 고정자(22)를 통해 PBSM(14) 몸체 내의 부력탱크(16)까지 연장되는 유로(미도시)에 연결된다. 상기 밸브(42)를 경유하여 하나의 유로를 통해 상기 부력탱크(16)로 펌핑되는 고압의 공기는 선박평형수가 다른 유로를 통해 부력탱크(16)로부터 배출되도록 한다. 따라서, 상기 PBSM(14)는 평균수위보다 위로 떠오르게 된다. 상기 부력부재(14)가 평균수위보다 위에 있게 되면, 에너지의 생산은 중단되며, 상기 지지구조(12) 전체가 보트로서 동작하여 상기 파동에너지 변환장치(10)의 운송이 용이해진다.

상기 파동에너지 변환장치(10)를 배치할 때, 상기 부력부재(14)의 과잉 부력은 역 절차를 통해 해제되어 상기 세장형 지지부재(12)가 재 잠수되고, 에너지가 다시 생산하게 된다. 이러한 신속한 전개와 회수 목적은 가장 신뢰할 만한 에너지 공급을 확보할 뿐만 아니라 배치, 수리, 및 유지에 대한 원가를 최소로 줄이기 위해서이다.

상기 파동에너지 변환장치(10)의 또 다른 이로운 측면은 상기 파동에너지 변환장치(10)가 전력발생을 위하여 특정 파장 주파수로 응답될 수 있도록 설계될 수 있다는 것이다. 도시된 실시예에서, 상기 파동에너지 변환장치(10)의 수평길이는 대략 5미터 정도이고, 이 길이는 20 미터의 파장길이를 갖는 해양파동 길이의 1/4에 해당하는 길이이다. 이러한 특징은 상기 장치(10)가 해양에 적용될 때 유용하게 나타나고, 해양파동의 사용 가능한 에너지가 증가 할수록 주파수는 더 낮아진다. 과거에는 파동에너지 변환장치들이 폭풍 시 과도한 파동에너지 밀도에 노출되어 많은 수량이 분실되었다. 상기 파동에너지 변환장치(10)의 주파수 조정능력과 함께, 파괴적으로 높은 에너지 밀도를 간단히 감쇄 없이 통과시키면서 임의의 주파수로부터 에너지를 추출할 수 있다. 상기 파동에너지 변환장치(10)는 지속적 생명 력은 상당히 중요한데, 그 이유는 다른 에너지 변환장치들이 동작하지 않을 때 전력을 생산할 수 있는 이점이 있기 때문이고, 또한 다른 에너지 변환장치들의 존재를 보장시켜 주기 때문이다.

상기 파동에너지 변환장치(10)는 모듈화된 장치로 구성되거나, 또는 파동에너지를 변환하는 전력 배열(power array) 또는 전력 매트릭스(power matrix)로서 연결된 다수의 모듈화된 장치 중 하나로 구성될 수 있다. 상기 도시된 예에서, 상기 세장형 지지구조(12)의 프레임은 대략적으로 사각형의 구성(configuration)을 갖는다. 이러한 모양은 다수의 모듈화된 장치들이 용이하게 두 개의 직교하는 방향으로 나란히 상호연결하도록 해준다.

도 8 내지 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 파동에너지 변환장치(44) 및 장력 계류시스템(50)을 나타낸 도면이다. 상기 파동에너지 변환장치(44)는 해양에서 평균수위보다 높게 연장되도록 설계된 세장형 지지구조(45)를 포함한다. 상기 지지구조(45)는 평균수위 아래에 제공되는 잠수부재(46)를 구비하는 수직 지향형 기둥의 형태이다. 본 실시 예에서, 상기 지지구조(45)는 자체에 구비된 부력장치를 이용하여 바다에서 직립성을 유지하며 부유하게 된다. 본 실시 예에서, 상기 부력장치는 잠수부재(46)내에 구비되는 부력탱크(47)의 형태로 제공된다. 전술한 실시예에서와 같이, 상기 부력탱크(47)에는 공기가 충분히 채워져 있어 잠수부재(46)가 전체적으로 양성 부력을 갖게 된다.

또한, 상기 파동에너지 변환장치(44)는 지지구조(45)에 슬라이딩 가능하게 장착되는 양성 부력을 갖는 부유부재(48)를 포함하여 수직방향으로 이동가능하게 된다. 본 실시 예에서, 상기 부유부재(48)는 구형의 형상을 가지며, 지지구조(45)의 수직기둥에 슬라이딩 가능하게 장착된다. 또한, 상기 파동에너지 변환장치(44)는 지지구조(45)의 수직기둥과 관련하여 제공되는 고정자 및 상기 부유부재(48)의 본체에 일체로 형성되는 변환기를 구비하는 선형 발전기(49)를 포함한다. 해양파동에너지를 전력으로 변환하는 본 실시 예에서의 파동에너지 변환장치(44)의 동작은 전술한 제1 실시 예에서의 파동에너지 변환장치(10)의 동작과 유사하기 때문에, 상세한 설명을 생략한다. 전술한 실시 예에서와 같이, 상기 구형 부유부재(48)의 수력학적 및 부력 특성에 의해 상기 선형 발전기(49)의 변환기는 고정자에 대해 차동운동을 하게 된다. 상기 잠수부재(46)의 상면은 거의 반구형으로 이루어져 물에 대한 편향면( 제1 실시 예에서의 상면(40)과는 다름)으로 작용함으로써 위의 차동운동을 더욱 강화시킨다.

본 실시 예에서, 상기 장력 계류시스템(50)은 밸러스트부재(52)로부터 평형장치(53)까지 연장되는 케이블(51) 형태의 세장형 연신부재를 포함하며, 상기 평형장치(53)는 풀리메커니즘(54)을 통해 잠수부재(46)로부터 매달리게 된다. 상기 밸러스트부재(52)는 큰 블럭의 콘크리트 형태를 가질 수 있으며, 또한, 상기 케이블(51)의 일단을 해저에 고정시키기 위해 해저 계류가 적절히 활용될 수도 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 평형장치(53)는 조절식 부력탱크를 구비하는 질량체를 포함한다.

본 실시 예에서, 상기 평형장치(53)는 소정 질량의 고형 베이스(56)를 구비하는 중공용기(55)의 형태로서 상기 잠수부재(46)에 대한 평형추로서 작용하게 된 다. 또한, 압축 공기가 에어호스(57)를 통해 상기 용기(55)에 채워짐으로써 용기(55)의 부력이 조절된다. 밸브(58)가 용기(55)의 벽에 설치됨으로써 용기(55) 내의 공기가 주변 바다로 방출될 수 있게 된다. 상기 케이블(51)의 타단은 용기(55)의 중심축을 따라 밸러스트부재(52)까지 수직하게 연장하는 중공통로(59)를 통해 하향 이동하기 전에, 용기(55)의 상단에 연결되어 상기 풀리메커니즘(54)까지 연장된다.

상기 케이블(51)을 통해 잠수부재(46)에 걸리게 되는 평형력은 용기(55)의 부력을 조절함으로써 변화될 수 있다. 이러한 방법을 통해, 상기 파동에너지 변환장치(44)와 상기 장력 계류시스템(50)의 공진 주파수가 조절됨으로써, 공진 주파수가 다양한 해양상태에 일치될 수 있게 된다. 바람직하게, 상기 용기(55)의 베이스(56)의 질량은 상기 시스템의 최소요망 동작주파수와 매칭되도록 설정된다. 또한, 이 질량은 베이스(56)에 의해 상기 시스템에 주어지는 낮은 부력중심 및 낮은 질량중심에 의해 상기 파동에너지 변환장치(44)가 수직 방위를 유지하는데 도움을 주게 된다. 상기 용기(55)의 질량이 감소함에 따라 상기 시스템의 공진 주파수는 증가하게 된다.

상기 풀리메커니즘(54)은 도 11 및 12에 투명벽으로 도시된 계류캐디(80)에 수용된다. 본 실시 예에서, 상기 계류캐디(80)는 원통형으로서 잠수부재(46)의 형상과 매칭되며, 잠수부재(46)의 바닥 부분에 영구히 또는 탈착가능하게 부착될 수 있다. 도 11에 보다 명확하게 도시된 바와 같이, 상기 풀리메커니즘(54)은 한 쌍의 회전형 발전기(86a,86b)들 사이에 회전가능하게 장착되는 축(84)에 고정되는 풀 리(82)를 포함한다. 상기 축(84)이 진동함에 따라, 발전기(86a,86b)들은 기전력(EMF)을 발생시키게 되며, 상기 축의 회전운동에 대한 저항력을 제공하게 된다. 따라서, 상기 발전기(86a,86b)는 축(84) 및 풀리(82)의 회전을 약화시키는 감쇠장치로 작용하게 된다. 또한, 부하가 상기 발전기(86a,86b)에 걸리게 될 때, 발전기(86a,86b)들은 풀리(82)를 통해 상기 케이블(51)에 대해서 뿐만 아니라, 상기 평형장치(53)에 의해 잠수부재(46)의 움직임에 대해서도 효과적으로 감쇠작용을 하게 된다.

상기 발전기(86a,86b)에 발생된 전기에너지는 상기 계류캐디(80)에 수용되는 배터리(88)에 저장될 수 있다. 또한, 전자에너지 변환 및 제어모듈(90)이 제공됨으로써, 상기 발전기(86a,86b)로부터 발생된 교류전류가 직류전류로 변환되어 상기 배터리(88)에 저장된다. 상기 전자에너지 변환 및 제어모듈(90)은 상기 계류캐디(80) 자체가 파동에너지 변환장치가 되도록 구성될 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다. 또한, 상기 계류캐디(80)내에 마이크로프로세서 구동 제어시스템(92)이 제공됨으로써 장력 계류시스템(50)의 모든 구성요소들이 자동으로 제어된다. 상기 제어시스템(92)은 파동주파수를 모니터링하여 상기 평형장치(53)의 질량을 조절한다.

상기 계류캐디(80)에 공기압축기(94)가 제공됨으로써 공기가 에어호스(57)를 통해 평형장치(53)로 펌핑된다. 상기 발전기(86a,86b)로부터 발생된 전력의 일부는 공기압축기(94)를 구동하는 데 이용될 수 있다. 상기 공기압축기(94)는 제어시스템(92)에 의해 제어된다. 공기 도관(96)은 상기 공기압축기(94)에 대기로부터 공기를 공급하며, 잠수부재(46)를 통해 수위를 지난 소정 지점까지 상향 연장된다 . 상 기 평형장치(53)의 중공용기(55)내의 공기는 주변 바다로 방출될 필요는 없지만, 계류캐디(80)에 수용된 압력용기(미도시) 또는 상기 잠수부재(46)까지 펌핑될 수 있다.

이하, 첨부된 도면 8 내지 11을 참조하여 상기 장력 계류시스템(50)의 동작순서를 설명한다.

특별한 동작환경하에서, 상기 제어시스템(92)은 상기 시스템에 존재하는 파동주파수를 가속도계와 같은 적절한 장치를 이용하여 측정 및 계산하게 된다. 지배적인 및/또는 가장 에너지 밀도가 높은 주파수는 공지된 공식을 이용한 계산을 통해 결정된다. 공지된 공식을 이용하여 최적의 동작 주파수가 선택되면, 에너지를 최대로 추출할 수 있는 최적의 시스템질량이 계산될 수 있다.

이후, 상기 제어시스템(92)은 현재의 시스템질량을 계산하여 상기 시스템에 대해 유출입되는 물의 양을 결정함으로써 상기 최적의 질량을 얻어낸다. 상기 질량의 감소가 필요하다면, 상기 제어시스템(92)은 공기압축기(94)를 구동하여 공기를 중공용기(55)로 펌핑함으로써 중공용기(55)내에 존재하는 물이 잠수함에서 이용되는 바와 같은 양성압력치환을 통해 배출되도록 한다. 반대로, 상기 질량의 증가가 필요하다면, 상기 제어시스템(92)은 공기밸브(58)를 열어 중공용기(55)내의 공기를 배출시키거나 또는 공기압축기(94)를 구동하여 공기를 다른 저장탱크로 펌핑함으로써, 텅빈 중공용기(55)에 물이 채워지게 되어 상기 시스템의 질량이 증가된다.

이러한 방법으로, 상기 제어시스템(92)은 장력 계류시스템(50) 내외에서 질량을 변화시킴으로써 상기 시스템의 동작 특성을 변화시킬뿐만 아니라 상기 시스템 이 끊임없이 변하는 환경에서도 최적의 동작을 수행하도록 한다.

상기 계류캐디(80)에 적당한 감쇠장치가 채용되어 잠수부재(46)의 움직임에 감쇠작용이 가해짐으로써 잠수부재(46)의 움직임이 약화될 수 있게 된다. 상기 발전기(86a,86b)들은 전력소스로서 이용될 때 특히 유리하다. 그러나, 유압펌프 또한 감쇠작용을 제공하는 데 이용될 수 있다. 도 12는 다른 실시 예에 따른 계류캐디를 나타낸 것으로서, 상기 회전형 발전기(86a,86b)들이 한 쌍의 유압펌프(98a,98b)로 대체되어 감쇠장치로서 작용한다는 점을 제외하면, 도 11과 실질적으로 동일하다. 상기 유압펌프(98a,98b)들은 벨트 및 풀리시스템(99a,99b) 각각에 의해 상기 축(84)에 동작가능하게 결합된다. 예컨대, 상기 유압펌프(98a,98b)들은 유체를 호스를 통해 유압식으로 동작하는 발전기 또는 유압 어큐믈레이터(accumulator)로 펌핑하는 데 이용될 수 있다. 상기 유압펌프(98a,98b)들을 대신하여 공압 펌프가 이용될 수도 있다.

도 8 및 10에 도시된 파동에너지 변환장치(44)는 지지구조(45)의 상부에 장착된 풍력터빈(100)과 연동한다. 상기 풍력터빈(100)은 해양풍과 같은 지속가능한 에너지원을 캡처한다. 상기 터빈은 수직축을 중심으로 회전하도록 되어 있으며, 자체에 구비된 날개(102)를 이용하여 바람을 캡처함으로써 전력을 발생시킨다. 회전형 발전기(미도시)가 상기 풍력터빈(100)의 베이스에 수용된다. 상기 풍력터빈(100)에 의해 발생된 전력은 밧데리(88)에 저장될 수 있다. 또한, 상기 전력은 케이블 또는 마이크로파 송신기(미도시)를 이용하여 육지로 전송될 수 있다. 상기 터빈의 상부에 배치되는 둠(104)은 상기 송신기 및/또는 GPS 또는 다른 형태의 포 지셔닝 비콘을 수용하는데 이용될 수 있다.

상기 파동에너지 변환장치(44)는 풍력터빈(100) 없이도 완벽하게 동작할 수 있다. 도 13은 상기 터빈을 구비하지 않은 장치(44)의 실시예를 보여준다. 또한, 상기 파동에너지 변환장치(44)는 솔라(solar) 패널(108)들을 구비하여 햇빛과 같은 지속가능한 제 3의 에너지원을 이용할 수 있다. 도 14는 풍력터빈(100)의 상부에 장착된 다수의 솔라 패널(108)을 구비하는 장치(44)의 실시 예를 보여준다. 상기 장력 계류시스템(50)을 구비하는 본 실시 예와 전술한 실시 예의 파동에너지 변환장치(44)는 도 8 내지 11에 도시된 실시 예의 장치와 실질적으로 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.

도 15는 제 4 실시 예에 따라 도 8 내지 11에 도시된 파동에너지 변환장치(44)와 유사한 파동에너지 변환장치(110)를 도시하며, 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

본 실시예에 따른 장치(110)에서, 계류캐디(80) 하우징의 하부가 오픈되어 장력 계류시스템(50)의 구성요소들에 의해 점유되지 않은 내부의 중공공간에 해수가 채워지게 된다. 전술한 각 실시 예에서, 상기 캐디(80)에 수용된 장력 계류캐디의 모든 구성요소들은 기밀 및 방수 케이싱내에 밀봉되어 해수에 의한 부식이 방지된다.

상기 계류캐디(80)의 하부가 오픈됨으로써 공기챔버(112)가 형성되며, 상기 공기챔버(112)내에 공기가 부분적으로 채워짐으로써 계류캐디(80)가 중성 부력을 갖게 된다. 상기 챔버(112)가 주변 바다에 오픈됨으로써 파동에 의한 정수압의 변 화에 따라 상기 부력이 변하게 된다. 구체적으로, 각 파의 정점이 지남에 따라, 상기 중성 부력을 갖고 있는 계류캐디(80)의 부력이 음성 부력으로 변하게 되어 상기 정수압이 증가하게 된다. 이후, 상기 장치(110)가 파 구유(trough)에 진입할 때 발생하는 양성 부력에 의해 상기 계류캐디가 상승하게 된다. 상기 잠수부재(46)에 직접적으로 연결되어 있는 계류캐디의 부력의 변화는 상기 부유부재(48)의 수직 운동에 따라 180˚의 위상 변화로 나타나며, 이에 따라 상기 선형 발전기(49)의 고정자 및 변환기의 차동운동이 증폭된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 장력 계류시스템은 그 자체로 파동에너지 변환장치로 이용될 수 있다. 도 16은 다른 실시 예에 따라 파동에너지 변환장치로 구성되는 장력 계류시스템(120)을 나타낸 도면이다. 본 실시 예에서, 상기 계류캐디(80)는 부력 캐니스터(122) 바로 밑에 장착되며, 전술한 실시 예에서와 같은 선형 발전기는 구비되지 않는다. 본 실시예에서, 상기 캐니스터(122)는 도 8 내지 10의 실시 예와 유사하게 그 상부에 장착되는 풍력 터빈(100)을 구비한다. 상기 장력 계류시스템(120)은, 발전기(86a,86b)들이 감쇠수단으로 작용하는 것이 필요치 않기 때문에 제어 시스템이 상기 발전기(86a,86b)들로 하여금 최고의 효율로 동작하여 전력을 발생시키는 것이 가능하도록 구성된 점을 제외하고는, 도 8 내지 10의 실시예와 유사한 방법으로 동작한다. 또한, 상기 장력 계류시스템(120)은 바다에서 파동의 주파수에 동조되어 히브(heave) 응답으로부터 에너지를 최대로 추출할 수 있는 진동시스템으로도 동작한다.

상기와 같이 파동에너지 변환장치와 장력 계류시스템과 관련되어 구체적으로 설명된 여러 실시 예들에 비추어 보면, 상기 장치는 종래기술과 비교해볼 때, 다음과 같은 많은 이점을 제공한다.

첫째, 상기 파동에너지 변환기는 견고한 설계로 인해, 대부분의 기상 상태에 잘 견디어내어 피해를 최소화할 수 있게 된다.

둘째, 상기 장력 계류시스템은 파동에너지 변환장치가 우세한 해양상태에 동조되도록 하여 효율성을 최대로 유지할 수 있도록 한다.

셋째, 상기 장력 계류시스템은 다양한 부력타입의 파동에너지 변환장치에 적용되어 동작 효율을 향상시킬 수 있다.

넷째, 다용도로 사용됨으로써, 큰 범위의 파고, 파동 주파수 및 파동의 방향을 커버하는 파도로부터 에너지를 추출할 수 있다.

마지막으로, 큰 물결, 히브, 부력, 정수압 및 동수압의 원리를 이용함으로써 파도로부터 에너지를 최대로 추출할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다. 예컨대, 상기 고정자는 장치의 중심면 또는 중심축 상에 배치될 필요는 없지만, 상기 파동에너지 변환장치의 지지구조내의 다른 곳에 배치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 사상은 전술한 실시예들에 한정되지 않고 첨부된 청구범위로부터 결정된다.

Claims (29)

1. 파동에너지를 보다 사용 가능한 형태로 변환하며 평균 해수면 아래서 연결된 잠수부재를 갖는 구조물을 구비하는 장치를 위한 장력 계류시스템에 있어서,

   밸러스트 부재로부터 풀리 메커니즘을 통해서 상기 잠수부재에 현가되도록 구성되는 평행장치로 연장되는 세장형 연신부재; 및

   상기 잠수부재의 운동을 감쇄하며, 상기 풀리 메커니즘을 통해서 감쇄력을 상기 세장형 연신부재에 인가하는 감쇄장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 평형장치는, 상기 세장형 연신부재를 통하여 상기 잠수부재에 평형력을 인가시킬 수 있는 질량체를 갖는 용기를 구비하는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 평형장치는 질량체를 갖는 조절식 부력용기를 구비하며, 상기 평형장치의 부력이 조절하여 상기 세장형 연신부재를 통하여 상기 잠수부재에 인가되는 상기 평형력을 변경시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 평형장치의 상기 부력은 유체이송 메커니즘을 통하여 유체를 상기 조절식 부력용기 안이나 또는 밖으로 이동시킴으로써 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
5. 제4 항에 있어서,

   에어호스를 통하여 공기를 상기 조절식 부력용기로 펌핑하는 에어 컴프레셔를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   계류캐디를 더 구비하며, 상기 구조물의 상기 잠수부재는 상기 계류캐디에 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
7. 제6 항에 있어서,

   상기 잠수부재는 잠금 메커니즘에 의해서 상기 계류캐디 안에 고정되는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
8. 제7 항에 있어서,

   상기 잠수부재가 상기 계류캐디 안에 도킹결합 될 때, 상기 잠금 메커니즘은 자동으로 상기 잠수부재를 상기 계류캐디 안에 고정시키는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
9. 제6 항에 있어서,

   상기 감쇄장치, 상기 풀리 메커니즘 및 상기 에어 컴프레셔는 모두 상기 계류캐디 안에 수용되는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
10. 제6 항에 있어서,

    상기 감쇄장치, 상기 풀리 메커니즘, 상기 에어 컴프레셔 및 조절식 부력탱크는 모두 상기 계류캐디 안에 수용되는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
11. 선행 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 감쇄장치는 회전식 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
12. 선행 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 감쇄장치는 제동 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
13. 선행 항들 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 감쇄장치는 에너지 변환 또는 추출 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 장력 계류시스템.
14. 해양파동에너지를 보다 사용 가능한 형태로 변환하는 장치에 있어서,

    평균 해수면 위로 연장되도록 설계되며, 상기 평균 해수면 아래에서 연결된 잠수부재와 세장형 지지구조가 해양에서 일반적으로 수직 방위로 떠다니도록 하는 부력장치를 구비하는 상기 세장형 지지구조;

    양성부력을 가지며, 상기 세장형 지지구조에 활주가능하게 설치되어 수직방향으로 이동할 수 있는 부유부재; 및

    상기 세장형 지지구조와 상기 부유부재와 연결되며, 상기 파동운동이 상기 세장형 지지구조와 상기 부유부재 사이에서 적절한 차동운동을 야기할 때, 순간에너지를 보다 사용 가능한 형태로 변환하는 에너지 추출장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
15. 제14 항에 있어서,

    상기 에너지 추출장치는, 고정자가 상기 세장형 지지구조에 연결되고 변환기가 상기 부유부재에 연결된 선형 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,

    상기 부유부재는 수상활주면을 구비하며 상기 파동운동의 수평성분을 상기 부유부재의 수직운동으로 변화하도록 구성되어 부유부재의 에너지 추출 능력을 향 상시키는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,

    상기 잠수부재는 수상활주면을 구비하며 상기 파동운동의 수평성분을 상기 잠수부재의 수직운동으로 변화하도록 구성되어 부유부재의 에너지 추출 능력을 향상시키는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,

    상기 잠수부재는 가변 부력형 유체 정역학 압력실을 구비하여 일정한 고도에서 유체 정역학 압력의 변화에 따라 상기 잠수부재의 수직운동을 유도하는 상기 잠수부재의 부력을 감소시키거나 증가시키도록 구성되어, 상기 잠수부재를 파고가 증가할 때 하강시키고 상기 파고가 감소할 때 상승시키는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제16 항에 있어서,

    상기 부유부재는 전단 및 후단과 함께 세장형 수평 단면을 구비하며, 상기 전단은 접안파의 일반적인 방향에 대면하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제16 항에 있어서,

    상기 수상활주면은 다수의 실질적으로 평행한 수상활주면들 중의 하나이 고, 상기 수상활주면 들은 상기 부유부재의 제1측에 수직으로 연장하고 상기 부유부재의 제2 측을 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제20 항에 있어서,

    상기 다수의 수상활주면 들은 상기 부유부재의 전단으로부터 후단으로 하향하여 경사지며, 파동의 물입자들은 상기 수상활주 면들에 의해서 하향되면서 상기 수상활주 면들에 상방향으로 작용하는 유체 동역학 힘들을 창출하며, 이 유체 동역학 힘들은 상기 부유부재의 양성부력에 의하여 상기 부유부재에 작용하는 상방향 힘에 부가되는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 해양파동에너지를 사용 가능한 에너지로 변환하는 장치에 구비된 개선된 부유부재에 있어서,

    지지구조에 활주가능하게 설치되어 파동운동에 응답하여 수직방향으로 이동할 수 있으며, 수상활주면을 구비하여 파동운동의 수평성분을 상기 부유부재의 수직운동으로 변환하도록 구성되어 상기 부유부재의 에너지 추출 능력을 향상시키는 양성부력부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유부재.
23. 제14 항 또는 제15 항에 있어서,

    상기 세장형 지지구조를 해저에 계류시키는 계류시스템을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제23 항에 있어서,

    상기 잠수부재와 상기 부력장치는 사용시 실질적으로 양성부력을 갖도록 구성되며, 상기 계류시스템은 감쇄운동을 상기 계류시스템을 통하여 상기 세장형 지지구조에 인가하는 감쇄장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제24 항에 있어서,

    에너지 추출장치에 의해서 추출된 에너지가 증가할 때, 상기 감쇄장치는 상기 감쇄운동을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하며, 상기 부유부재와 상기 세장형 지지구조 사이의 차동운동은 극대화 되며, 에너지가 최적의 양으로 추출됨을 특징으로 하는 장치.
26. 제25 항에 있어서,

    상기 에너지 추출장치가 적은 양의 에너지를 추출하거나 어떠한 에너지도 추출하지 않을 때, 상기 감쇄장치는 감쇄운동을 수행하지 않으며, 상기 계류시스템이 자유 운동(freewheel)할 때, 상기 세장형 지지구조에 인가되는 기계적 응력은 최소화 될 수 있다.
27. 제25 항에 있어서,

    상기 계류시스템은 밸러스트 장치로부터 풀리 메커니즘을 통해서 상기 세 장형 지지구조에 현가되는 평행장치로 연장되는 케이블을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
28. 첨부된 도면중 하나 이상에 도시된 그리고 첨부된 도면을 참조하여 기술된 명세서 에 기재된 바와 같은 해양파동에너지를 전기력으로 변환하는 장치.
29. 첨부된 도면중 하나 이상에 도시된 그리고 첨부된 도면을 참조하여 기술된 명세서 에 기재된 바와 같은 장력 계류시스템.

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