KR20100091860A - 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표 - Google Patents

파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표 Download PDF

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KR20100091860A
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최조천
윤재준
진형두
고윤규
Original Assignee
이태홍
진형두
고윤규
목포해양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 해상에 설치되는 오탁방지막, 오일펜스, 양식시설 및 해상구조물 등에 의한 각종 해난사고를 방지하기 위하여 항해하는 선박이 기상의 악화시에나 야간에 시설물을 용이하게 식별할 수 있도록 등부표를 설치하고 있다. 여기에서 등부표의 점등에 사용되는 전원으로는 전력선, 납축전지 그리고 소형의 등부표에 태양전지가 사용되고 있으나, 파력과 태양전지를 병행하는 발전방식으로 재생에너지 기술을 이용하여 전원에 대한 유지보수가 불필요한 발전장치 그리고 원격제어에 의하여 점등하거나 기상악화 및 주야간을 감지하여 자동으로 점등하는 등부표를 제공하는 장치와 방법에 관한 것이다. 발명에 대한 기술적 내용은 해상에 설치되는 부유형 등부표에서 야간에 점등하기 위하여 필요한 전력을 자체적으로 생산하는 기술로서 파력의 수직왕복 운동으로 가동되는 파력가동 발전기와 태양전지의 두가지 방식을 병행하여 전기를 발전하고 충전하며, RF 송수신기를 이용하여 원격으로 점등을 제어함은 물론 주,야간을 감지하여 고휘도 LED를 자동으로 점등하는 자가발전 등부표의 장치와 방법에 관한 기술적인 단계를 내용으로 한다. 본 발명의 효과는 해상 시설물에 의한 선박의 야간 충돌사고를 방지하기 위하여 사용하는 유지,보수가 필요없는 등부표를 제공한다.
자가발전, 등부표, 파력가동발전, 태양전지발전

Description

파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표{Self generation light buoy in parallel with wave power and solar cell}
본 발명은 해상에 설치하는 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표에 관한 것으로서, 전기를 자체적으로 생산하기 위하여 파력의 수직왕복 운동으로 가동되는 파력가동 발전기와 태양전지의 두가지 방식을 병행하는 방법으로 부표에서 전기를 발전하여 충전하며, RF 송수신기를 이용하여 원격 또는 센서로 주,야간을 감지하여 자동으로 고휘도 LED의 점등을 제어하는 등부표에 대한 방법과 장치에 관한 기술이다.
파도발전에는 여러 방법이 있으며 지금까지 소개된 방식들은 대부분 발전기와 진자(흔들이) 및 기어를 내장한 부표를 만들고 파도치는 대로 동요시켜서 부표속 진자의 흔들이 운동을 기어를 통하여 회전운동으로 바꾸고 속도를 올려 발전기를 회전시키는 방식으로 되어 있다. 이러한 방식은 진자의 모멘트 힘에 의하여 기어를 회전시켜야 하므로 모멘트 힘이 커지려면 진자의 길이가 길어야 하므로 자연히 부표의 크기가 커지게 되고, 어느 정도 이상의 높은 파도에서 동작이 가능하다. 또는 암벽(岸壁)에 고정시킨 장치에 발전기를 내장하여 파도의 상하운동에 의하여 수차 및 풍차를 회전시므로써 동력화하여 발전하는 방식도 있다.
파력발전의 개요는 입사하는 파랑에너지를 터빈 등의 원동기의 구동력으로 변환하여 발전하는 방식으로서 설치방법에 따라 크게 부체식과 고정식으로 나눈다. 일반적으로 볼 때 입력에너지의 크기나 운동의 효율, 시설주변의 측면에서는 부체식(浮體式)이 좋으나, 고정식은 설계·시공상에 있어서 유리하며 방파제 등 타 시설물과의 겸용이 용이하고, 추출한 에너지의 수송이 용이하다는 잇점이 있다. 또한, 수입자(水粒子)의 운동방향에 따라 파의 상하운동, 수평운동 또는 파에 의해 발생한 수중압력을 각각 공기, 기계, 혹은 수력에너지로 전환하는 3개의 방법으로 대별된다. 최근까지의 경향은 국가별로 다르나 영국에서는 주로 부체식의 장치가 중심이 되어 왔으며 에너지 변환방법으로는 공기터빈 방식이 비교적 많다. 반면 일본에서는 연안 고정식 파력발전 장치가 비교적 많고 변환방법으로는 기계적 혹은 수력터빈 방식이 대부분이다.
파력발전(wave-force generation)장치는 파도의 운동에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 방식에 따라 여러 가지로 분류할 수 있다. 먼저 수면에 떠있는 부체를 파랑의 운동에 의하여 상하 또는 회전운동으로 발전기를 구동시키는 가동물체형(movable body) 방식, 파랑의 작용에 의하여 공기실 내의 수위가 변동함에 따라 공기실 내의 공기가 압축/팽창될 때 발생하는 공기의 흐름으로 터빈을 돌려 발전하는 진동수주(oscillating water column) 방식, 수중에서 파랑의 수압변동을 흡수하여 공기나 물의 흐름으로 변환하는 수압면형(pressure type) 방식 등이 있다. 파력발전의 종류와 원리 및 특징은 다음과 같다.
가) 가동물체형(부유식/잠수식)
파도에 의해 고정된 힌지를 중심으로 상하운동이나 쉬핑운동을 하는 부유구조물을 사용하는 가동물체형 파력발전 방식은 파랑에너지를 직접적으로 흡수하는 방식이다. 특징은 수립자의 모든 운동을 에너지로 변환될 수 있으므로 효율은 높으며, 방향이 일정할 때는 좋으나 급변할 경우에는 잘 움직이지 않을 가능성이 있다.
나) 진동수주형 (부유식/고정식 안벽형)
파도에 의해 공기실 내의 공기가 왕복운동하는 것을 이용하는 개념으로 파랑에너지를 공기의 유동으로 변환하고 이것으로 다시 공기터빈을 사용하여 기계적인 회전으로 변환하는 개념이다. 특징은 구조는 매우 간단하지만 효율이 나쁘다.
다) 월파형(방파제 tapchan 시스템)
파도 진행방향으로 경사면을 설치하고 파도(wave)에 의하여 해수가 높은 곳으로 이동하도록 하여서 위치에너지를 갖도록 저수한 후, 단차지게 형성된 채널(tapered channel)을 이용한 낙차에 의하여 저수조의 하부에 설치한 수차터빈을 돌려 발전하는 방식이다.
이상과 같은 파력에너지는 모두가 전력으로 유효하게 이용될 수 있는 것은 아니다. 그러나 최근까지 여러 가지 아이디어가 제안되었고, 현재 실용화되어 있는 것은 대부분 진동수주의 공기터빈 방식이 사용되고 있다.
우리나라에서는 파도에 의한 해면의 승강운동을 피스톤으로 공기의 흐름으로 만들어 공기터빈을 회전시켜서 발전기를 구동한다. 해안에 고정하는 방식은 양끝이 열린 통을 안벽 등에 고정하고, 파랑에 의한 해면의 승강운동에 따라서 공기싱 내 의 해수면도 승강운동을 하여 공기의 흐름이 생기며, 여기에 밸브를 장치하여 공기터빈 내의 공기흐름을 한 방향으로만 유지할 수도 있다. 바다에 부유시키는 발전방식은 등대에서 이용되는 경우가 대부분으로 파도에 따라서 공기실이 상하로 움직이더라도 공기실 내의 해수면은 그것과 완전히 일치해서 움직이지 않으므로 공기실에서 공기의 흐름이 일어난다. 이 방식은 항로표지 등의 전원으로 실용화되고 있다.
본 발명은 소형으로 소전력이 필요한 등부표를 대상으로 작은 파도에서도 상하의 운동에너지는 존재하므로 이것을 이용하여 물체의 상하 진동력에 의하여 직접 발전하는 부유식의 가동물체형 기술에 태양전지를 병행하여 전기를 얻는 방식을 채택하여 반영구적으로 활용이 가능한 자가발전등부표를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 해상에 설치되는 오탁방지막, 오일펜스, 양식시설 및 구조물 등에 대하여 기상의 악화 또는 야간에 항해선박의 충돌사고를 방지하기 위하여 사용하는 등부표에 관한 것으로서 점등을 위하여 전원의 공급을 파력과 태양광을 병행하여 발전하는 방식의 기술을 이용하여 자력으로 전원을 공급하는 것 이외에 이에 대한 원격제어 및 주,야간을 감지하여 자동으로 점등되어 유지보수가 전혀 필요없는 반영구적인 자가발전등부표를 제공함에 다른 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표는 투명한 재질의 반원형 덮개가 설치되어 있는 상부케이스 와 상기 상부와 내부적으로 분리되어 있는 방수식 부유형 구조체로 된 하부케이스로 구성되는 케이스본체; 상기 케이스 본체의 하부에 설치되며, 상기 케이스 본체 하부의 윗면에 스프링지지대를 통해 매달려 고정설치되는 스프링과 상기 스프링의 하단에 결합된 상하진동자석과 상기 상하진동자석이 그 내부에서 상하로 수직운동하도록 고정파이프의 주위에 나선형으로 감겨서 설치된 유도코일 및 상기 유도코일에 발생된 교류전기를 직류전기로 정류하는 정류회로로 구성되는 파력가동발전부; 상기 케이스 본체의 상부 바닥에 설치되며 태양열을 받아 직류 전기를 발생시키는 태양전지와 태양전지로부터 발생된 직류전기를 공급하는 전력공급선으로 구성되는 태양전지발전부; 상기 케이스 본체 내부 일측에 설치되며 상기 파력가동부 및 태양전지부로부터 발생되는 직류전기를 저장하는 축전부; 및 상기 케이스 본체의 상부에 설치되어 상기 축전지부로부터 저장된 전기를 공급받아 점멸되는 빛을 발생시키며, ON-OFF 신호를 받아 전달하는 신호전달부와 전달된 ON-OFF 원격제어신호를 검출하여 ON이 되면 디지털펄스신호를 발생시키는 펄스발생회로 및 상기 펄스발생회로로부터 발생된 펄스신호를 받아 점멸을 반복하며 상기 케이스본체의 상부에 위치하는 고휘도LED로 구성되는 점멸신호부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이때 원격지에서도 쉽게 점멸신호부에 설치된 고휘도LED를 통해 빛을 발생시키기 위하여 상기 신호전달부는 원격지에서 ON-OFF 신호의 발생에 관한 제어가 가능한 RF 송수신기와 RF 수신기커넥터로 구성되는 것이 좋다.
한편, 본 발명에 의한 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표는 야간에만 점멸을 통한 신호 전달에 필요한 빛을 발생시키도록 하기 위하여 상기 점멸신 호부에는 낮밤을 구별하여 일정한 조도 이상의 빛이 존재하는지 여부를 감지하는 광센서와 상기 광센서로부터 감지된 신호를 받아 빛이 감지되지 않을 때에 ON 신호를 발생하여 신호전달부로 전달하는 광센서회로로 구성되는 광센서부가 더 포함되어 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 의한 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표는 해상에 설치되는 부유형 등부표에서 야간에 점등하기 위하여 필요한 전력을 자체적으로 생산하는 장치로서 파력의 수직왕복 운동으로 가동되는 파력가동 발전기와 태양전지의 두가지 방식을 병행하여 전기를 자가발전하고 충전하는 방식을 통해 점멸신호부에 전력을 공급하는 방식을 택하고 있다.
본 발명은 소형으로 소전력이 필요한 등부표를 대상으로 작은 파도에서도 존재하는 상하의 운동에너지와 함께 파도가 많이 치지 않는 경우를 대비하여 낮에는 태양열을 이용한 발전이 동시에 가능한 병행자가발전장치가 내재된 등부표에 관한 것으로서, 파력 및 태양열을 함께 병행하여 이용함으로써 주간 및 야간에 걸쳐 식별에 필요한 유도등의 기능을 발휘하게끔 함으로써 외부에서 추가적인 전기공급이 불필요하고 유지보수가 간편하여 일단 해상에 부표로 설치하면 반영구적으로 사용이 가능하다는 장점이 있다.
아울러 병행식 자가발전과 더불어 RF 송수신기를 이용하여 원격으로 점등을 제어할 수 있음은 물론 주,야간을 감지하여 고휘도 LED를 자동으로 점등하는 등부표의 방법과 장치에 관한 기술적인 단계로 구성되어 유지,보수가 필요없어 경제적 으로 유지될 수 있다는 다른 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 등부표는 파력 및 태양열을 동시에 이용하여 자가발전이 가능하도록 함으로써 기후 및 환경변화가 극심한 어떠한 해상환경에서도 사용할 수 있어 야간, 해무 및 기상악화 등으로 항해사의 시계가 나빠질 경우, 해상에 설치된 시설의 위치를 용이하게 인식시켜 해상에서의 안전을 도모할 수 있다는 또 다른 장점이 있다.
본 발명기술을 직접적으로 적용할 수 있는 분야는 다음과 같다.
가) 해상에 설치되는 항로표지용 등부표
나) 해상의 양식시설에 대한 구역을 표시하는 등부표
다) 조업중인 그물의 위치를 표시하는 등부표
라) 해상의 오탁방지막 및 오일펜스 표시용 등부표
마) 해상의 시설이나 구조물의 위치를 표시하는 등부표
바) 무동력 소형선박용 비상전원 공급장치
첨부된 도면을 통해 본 발명의 목적을 달성하기 위한 장치의 구성 및 작용을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 파력가동과 태양전지 병행식 자가발전 장치의 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 파력가동과 태양전지 병행식 자가발전 및 충전과 점등을 위한 장치를 구성하는 기능별 블럭도이다.
안정된 자세로 부유하며 파력에 의하여 상하로 자유운동을 하는 방수식 부유 형 케이스의 케이스 본체의 하부의 내부에는 발전을 위한 유도코일(240), 상하로 자유진동을 하는 강력한 상하진동자석(220), 상기 유도코일(240)을 고정시키며 상하진동자석(220)의 상하 진동방향을 유지시키는 플라스틱 재질의 고정파이프(230), 탄성에 의하여 상하진동자석(220)을 상하로 자유진동시키켜 상기 케이스본체의 하부(120) 천정에 스프링지지대(215)를 통해 매달려 있는 스프링(210)이 구성되어 파력가동발전부를 형성시키며, 상기 케이스본체의 상부(110)는 투명한 프라스틱 재질의 방수식 반구형 투명케이스로 형성되어 있으며, 그 내부에는 태양전지(310)과 점멸을 하면서 점멸신호를 발생시키는 고휘도LED(530)으로 구성되어 있다.
상기 태양전지(310)에 의해 발생된 직류전기는 전력공급선(320)을 통해 축전부(400)로 공급되어 저장된 후에 상기 고휘도LED(530)가 점멸신호를 발생시키는데 이용된다.
파력가동발전부는 도 1의 부유식 구조체가 파력의 상하운동에 의하여 상하진동자석(220)이 유도코일(240)의 내부에서 자유로운 상하진동을 하므로써 자속이 코일을 쇄교함에 따라 교류발전을 하는 부분이며, 태양전지부(300)는 도 1의 케이스 본체의 상부 내부에 설치된 태양전지(310)로부터 광전기를 발생하여 직류전력을 얻는 부분이다.
상기 파력가동발전부의 유도코일(240)에서 출력되는 교류전기는 정류회로(250)를 통하여 직류전원으로 변환된다. 태양전지(310)로부터 공급되는 직류전기는 추후 합성회로(33)에서 상기 정류회로를 통해 직류전기로 전환된 전기와 합성된 후에 축전부(300)로 전달되어 저장된다.
한편, 점멸신호부(500) 중 신호전달부(510)를 구성하는 RF송수신기(15)는 RF신호커넥터(41)에 연결되며, 소전력으로 ON-OFF 제어신호를 검출하여 ON이 되면 펄스발생회로(520)를 구동시켜 펄스신호를 발생시킨다. 아울러, 광센서부(600)는 광센서(610)과 광센서회로(620)로 구성되며, 밝기를 검출하고 어두워지면 상기 고휘도LED(530)를 점멸시키도록 추가적으로 구성된다. 점멸신호는 펄스발생회로(520)에 해당하며, 디지털펄스의 출력에 따라 고휘도LED(530)의 점등을 점멸하는 상태로 동작시키게 된다. 고휘도LED(530)는 디지털펄스의 신호에 따라 고휘도의 빛을 발생시키는데, 상기 펄스신호에 따라 일정한 간격을 두고 점멸하여 점멸신호를 발생한다.
도 3은 본 발명에 따른 파력가동발전부, 태양전지발전부 및 축전부의 구성을 나타낸 회로도이다.
유도코일(240)과 동 코일에서 출력되는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 정류회로(250)에 연결되어 태양전지로부터 발생되는 직류전원을 합성하는 합성회로(33) 그리고 합성된 직류전원을 저장하여 충전하는 축전부(400)로 구성된다.
도 4는 본 발명에 따른 자가발전 등부표 장치의 원격제어 및 광센서에 의한 점멸신호부의 회로구성을 나타낸 것이다.
RF수신기의 ON-OFF 신호를 연결하는 RF수신기커넥터(41), ON 신호에 의하여 점멸용 펄스를 발생하는 펄스발생회로(520), 밝기를 검출하고 어두워지면 펄스발생회로(520)를 구동시키는 광센서부(600) 그리고 펄스발생회로(520)의 디지털펄스 형태에 따라 점멸동작을 하는 고휘도LED(530)로 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 파력가동과 태양전지 병행식 자가발전 및 충전과 점 등에 대한 단계적인 동작의 흐름도이다.
파력가동발전(01)은 도 1의 부유식 구조체가 파력의 상하운동에 의하여 상하진동자석(220)이 유도코일(240)의 내부에서 자유로운 상하진동을 효율적으로 유지하는 구조에서 자속이 유도코일(240)을 쇄교함에 따른 발전의 원리에 의하여 유도코일(240)의 양단자로부터 교류전력을 얻는 단계이다.
태양전지발전(02)은 도 1의 부유식 구조체 상단에 설치된 태양전지(310) 소자로부터 광전기 발생의 원리에 의하여 직류전력을 얻는 단계이다. 태양전지로부터 발생된 직류전기는 추후 전력공급선(320)을 통해 합성회로(33)에서 파력가동발전부(100)로부터 발생된 직류전기와 함께 합성된 후 축전부(400)로 저장된다.
정류 및 합성(03)은 도 2의 회로도에서 유도코일(240)의 양 단자로부터 출력되는 교류전원을 정류회로(250)를 통하여 직류전원으로 변환하고, 또한 태양전지(310)로부터 공급되는 직류전원을 합성회로(33)에서 합성시키는 단계이다.
충전(04)은 상기 합성회로(33)에서 합성되어 나오는 직류전원을 축전부(400)를 구성하는 축전지에 충전하는 단계이다.
원격제어점등(05)은 RF수신커넥터로부터 전달되는 RF수신신호가 ON으로 되면 펄스발생회로(520)의 디지털펄스에 따라 고휘도LED(530)가 점멸하는 단계이다.
야간자동점등(06)은 광센서(610)와 광센서회로(620)에 의하여 밝기를 검출하고 어두워지면 고휘도LED(530)를 점멸시키는 단계이다.
도 1은 본 발명에 따른 파력가동과 태양전지 병행식 자가발전 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파력가동과 태양전지 병행식 자가발전 및 충전과 점등을 위한 장치를 구성하는 기능별 블럭도이다.
도 3은 본 발명에 따른 파력가동발전부, 태양전지발전부 및 축전부의 구성을 나타낸 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 자가발전 등부표 장치의 원격제어 및 광센서에 의한 점멸신호부의 회로구성을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 파력가동과 태양전지 병행식 자가발전 및 충전과 점등에 대한 단계적인 동작의 흐름도이다.
＜도면의 주요부분에 대한 부호에 관한 설명＞
100 : 케이스 본체 110 : 케이스 본체 상부
120 : 케이스 본체 하부
200 : 파력가동발전부 210 : 스프링
220 : 상하진동자석 230 : 고정파이프
240 : 유도코일 250 : 정류회로
300 : 태양전지발전부 310 : 태양전지
320 : 전력공급선
400 : 축전부
500 : 점멸신호부 510 : 신호전달부
520 : 펄스발생회로 530 : 고휘도LED
600 : 광센서부 610 : 광센서
620 : 광센서회로

Claims (3)

  1. 투명한 재질의 반원형 덮개가 설치되어 있는 상부케이스와 상기 상부와 내부적으로 분리되어 있는 방수식 부유형 구조체로 된 하부케이스로 구성되는 케이스 본체;
    상기 케이스 본체의 하부에 설치되며, 상기 케이스 본체 하부의 윗면에 스프링지지대를 통해 매달려 고정설치되는 스프링과 상기 스프링의 하단에 결합된 상하진동자석과 상기 상하진동자석이 그 내부에서 상하로 수직운동하도록 고정파이프의 주위에 나선형으로 감겨서 설치된 유도코일 및 상기 유도코일에 발생된 교류전기를 직류전기로 정류하는 정류회로로 구성되는 파력가동발전부;
    상기 케이스 본체의 상부 바닥에 설치되며 태양열을 받아 직류 전기를 발생시키는 태양전지와 태양전지로부터 발생된 직류전기를 공급하는 전력공급선으로 구성되는 태양전지발전부;
    상기 케이스 본체 내부 일측에 설치되며 상기 파력가동부 및 태양전지부로부터 발생되는 직류전기를 저장하는 축전부; 및
    상기 케이스 본체의 상부에 설치되어 상기 축전지부로부터 저장된 전기를 공급받아 점멸되는 빛을 발생시키며, ON-OFF 신호를 받아 전달하는 신호전달부와 전달된 ON-OFF 원격제어신호를 검출하여 ON이 되면 디지털펄스신호를 발생시키는 펄스발생회로 및 상기 펄스발생회로로부터 발생된 펄스신호를 받아 점멸을 반복하며 상기 케이스 본체의 상부에 위치하는 고휘도LED로 구성되는 점멸신호부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표.
  2. 제1항에서,
    상기 신호전달부는 원격지에서 ON-OFF 신호의 발생에 관한 제어가 가능한 RF 송수신기와 RF 수신기커넥터로 구성되는 것을 특징으로 하는 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표.
  3. 제1항에서,
    상기 점멸신호부에는 낮밤을 구별하여 일정한 조도 이상의 빛이 존재하는지 여부를 감지하는 광센서와 상기 광센서로부터 감지된 신호를 받아 빛이 감지되지 않을 때에 ON 신호를 발생하여 상기 신호전달부로 전달하는 광센서회로로 구성되는 광센서부가 더 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 파력가동 및 태양전지 병행식 자가발전등부표.
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