KR20100114874A - 파력을 이용한 공기압축기 및 이를 구비하는 발전시스템 - Google Patents

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KR20100114874A
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Abstract

본 발명은 종래의 파력에 의한 공기압축기의 경우 압축효율이 낮은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 파력에 의해 상하 왕복이동되고, 해수 및 공기를 흡입하기 위한 부이형 피스톤; 및 상기 부이형 피스톤이 상하이동 가능하도록 장착되고, 부이형 피스톤으로부터 해수 및 공기가 유입되는 피스톤 조립체를 포함하고, 상기 부이형 피스톤이 파력에 의해 상승될 경우, 내부로 유입된 해수 및 공기가 피스톤 조립체로 이송되며 압축공기가 형성되고, 자중에 의해 하강하여 상하왕복운동이 구현되는 파력을 이용한 공기압축기에 관한 것이다.
따라서 본 발명에 의하면 공기와 해수를 동시에 흡입함으로써, 공기 압축비를 극대화시키고, 흡입량을 최대화시킬 뿐만 아니라, 공기 압축 시 발생하는 열을 줄이고, 예비 흡입실에 의해 흡입효율이 개선될 뿐만 아니라, 무동력 및 반영구적으로 사용할 수 있는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

파력을 이용한 공기압축기 및 이를 구비하는 발전시스템{An air compressor using wave-force and electric-generating system having the same}
본 발명은 파력을 이용한 공기압축기에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 공기와 액체를 같이 흡입함에 따라 압축비가 극대화되고, 무동력으로 구현되는 파력을 이용한 공기압축기에 관한 것이다.
우리나라는 현재 에너지원 단위(국내 총생산당 소비에너지)가 세계에서 가장 높은 수준이며, 에너지 국외 의존도는 전체 사용량의 97%(한겨레 2004년 9월 20일자)이고, 대부분이 화석연료 및 핵발전에 의한 것이다. 그리고 재생에너지는 전체 사용량의 2%이하에 불과한 실정이다. 이와 같이 현재 환경을 고려한 에너지 사용에 관한 필요성이 급격히 부각되고 있는 실정에서 재생에너지 개발은 선택이 아닌 필수적인 상황이다.
이를 위한 해양파 에너지(Ocean wave energy)는 태양에너지와 함께 아무리 사용하여도 고갈되지 않는 무한청정 에너지라고 할 수 있다. 그리고 인류의 미래를 위한 대체 에너지원으로서의 큰 기대에 의해 가용에너지 추출방법에 대한 연구가 오랫동안 수행되어 왔고, 해양파 에너지인 파력에너지는 많은 장점을 지니고 있어 선진국에서도 활발한 개발이 이루어지고 있다.
보다 구체적으로 현존하는 발전 시스템중에서 발전효율이 가장 높은 시스템은 수차발전이다. 그리고 상기 수차발전은 물의 위치에너지 즉, 수두차×유량을 수차(프란시스수차, 펠턴수차등)를 이용하여 95%이상의 효율로 전기에너지로 바꾼다. 그러나 예측가능성과 지속성이 있는 위치에너지의 확보가 어려워 가동효율이 저하되고 댐 건설비 등 많은 비용이 소요되며, 환경문제 또한 발생된다.
상기 수차발전을 구현하기 위한 동력의 하나로 파력은 고갈되지 않는 무한청정 에너지라고 할 수 있으며, 인류의 미래를 위한 대체 에너지원으로서의 큰 기대를 가지고 가용에너지 추출방법에 대한 연구가 오랫동안 수행되어 오고 있다.
또한, 파력에너지는 전력을 발생시킬 수 있는 가장 친환경적인 방법 중의 하나이고, 해상의 파력 에너지 발전은 많은 에너지 공급체계 프로젝트를 힘들게 하는 NIMBY(Not in my backyard, 내 집 근처에는 오지 말 것, 특히 원자력 발전소 등은 시민들이 자기 집 근처에 오는 것을 반대하는 경향이 심함) 문제를 최소화할 수 있는 방법이다.
이와 같은 파력에너지를 이용한 발전장치는 해안으로부터 충분히 먼 곳에 설치되고, 파력 에너지는 태양 에너지나 풍력 에너지에 비하여 보다 예측가능하며 전력망을 이용하여 급송할 수 있어 수익성이 높다. 이에 더하여 파력 에너지의 강점은 고전력 밀도를 가진다는 것이며 대양에 존재하는 풍력 에너지까지 포함하는 파력을 더욱 쉽고 싸게 집적할 수 있다.
상기의 이점으로 인해 파력에너지를 이용한 발전기는 다양하게 개발되고 있으나 효율이 적고 전력생산 대비 설치비가 매우 커서 실용화에 어려움이 있으며, 효과적으로 구현하기 위해서는 지리적 여건 뿐만 아니라, 기술적으로도 많은 점을 보완하여야 한다.
보다 구체적으로 도1은 종래기술에 따른 공기터빈 구동형 발전장치를 개략적으로 나타낸 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 수면높이변화에 따른 밀폐된 공간의 체적변화를 이용하여 공기터빈을 구동하는 구조로서, 공기를 압축한다고 볼 수는 있으나 생산된 공기는 극히 미압(파고가 5m일 때 최대0.5bar)하여, 저장하여 이용하기에는 부적합하다.
상술된 바와 같이 종래의 기술에 따른 파력을 이용한 공기압축장치의 경우 파력을 이용하여 공기를 고압으로 압축하기 어려울 뿐만 아니라, 파고는 대부분의 지역에서 최고치와 최저치의 값이 큰 차이를 보이고, 조수간만의 차이에 의한 높이차이도 있는 등, 전체의 높이변화 값이 매우 커서 공기압축기를 전 구간에 대응하도록 하는 것은 어려움이 있을 뿐만 아니라, 그 구조에 있어서도 매우 복잡하고 유지 및 보수에 비용이 많이 든다는 문제점을 지니고 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로써, 본 발명의 목적은 파고차 및 부력에 의해 상승/하강하는 부이형 피스톤을 이용하여 공기 및 유체를 동시에 흡입하고, 공기를 압축함에 따라 압축비가 극대화되고, 예비 흡입실에 의해 흡입효율이 개선될 뿐만 아니라, 지속적이며 예측가능한 압축공기가 생산되는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 증감속이 가능한 공기압축기를 제공하기 위한 기어, 레버, 윤활오일, 압축공기 냉각장치 등을 별도로 구비하지 않음 따라 구조가 간단하며 제작과 유지보수가 용이하고, 적은 비용으로 생산, 설치할 수 있을 뿐만 아니라 대용량/고압력의 압축공기를 생산하므로 다양한 용도에 적용할 수 있는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 부력에 의해 상승하고, 자중에 의해 하강됨에 따라, 무동력 및 반영구적으로 구현되는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 파고와 부력만을 이용하여 고압의 압축 공기를 얻을 수 있고, 각종 산업용, 발전용, 수족관용, 기타 등에 사용할 수 있는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 조수간만의 차 및 파고 차에 의한 무용체적을 모두 없애고, 고효율이면서 전체구조가 비교적 간단할 뿐만 아니라, 제작, 설치, 운전비용이 적어 초기투자 또한 저렴하며, 필요에 따라 장소의 변경, 즉 이동이 가능하고, 대용량의 발전이 가능하여 대규모의 산업용 발전을 할 수 있는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 파력에 의해 상하 왕복이동되고, 해수 및 공기를 흡입하기 위한 부이형 피스톤; 및 상기 부이형 피스톤이 상하이동 가능하도록 장착되고, 부이형 피스톤으로부터 해수 및 공기가 유입되는 피스톤 조립체를 포함하고, 상기 부이형 피스톤은 파력에 의해 상승될 경우, 내부로 유입된 해수 및 공기가 피스톤 조립체로 이송되며 압축공기가 형성되고, 자중에 의해 하강될 경우, 부이형 피스톤으로 해수 및 공기가 유입되는 파력을 이용한 공기압축기를 제공한다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 의하면 파고차 및 부력에 의해 상승/하강하는 부이형 피스톤을 이용하여 공기 및 유체를 동시에 흡입하고, 공기를 압축함에 따라 압축비가 극대화되고, 예비 흡입실에 의해 흡입효율이 개선될 뿐만 아니라, 지속적이여 예측가능한 압축공기가 생산되고, 기어, 레버, 윤활오일, 압축공기 냉각장치 등을 별도로 구비하지 않음 따라 구조가 간단하며 제작과 유지보수가 용이하고, 적은 비용으로 생산, 설치할 수 있을 뿐만 아니라 대용량/고압력의 압축공기를 생산하므로 다양한 용도에 적용할 수 있고, 부력에 의해 상승하고, 자중에 의해 하강됨에 따라 무동력으로 구현되고, 파고와 부력만을 이용하여 고압의 압축 공기를 얻을 수 있고, 각종 산업용, 발전용, 수족관용, 기타 등에 사용할 수 있고, 조수간만의 차 및 파고 차에 의한 무용체적을 모두 없애, 고효율이면서 전체구조가 비교적 간단하고 제작, 설치, 운전비용이 적고, 초기투자 저렴하며, 필요에 따라 장소의 변경, 즉 이동이 가능하고, 대용량의 발전이 가능하여 대규모의 산업용 발전을 할 수 있는 파력을 이용한 공기압축기를 제공하는 효과를 갖는다.
도1은 종래기술에 따른 공기터빈 구동형 발전장치를 개략적으로 나타낸 사용상태도.
도2는 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기가 적용되는 발전시스템의 일실시예를 개략적으로 나타낸 구성도.
도3은 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기가 적용되는 발전시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도.
도4는 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도.
도5는 본 발명의 일실시예에 따라 파력을 이용한 공기압축기가 구현되는 과정을 개략적으로 나타낸 사용상태도.
도6은 도5의 (a)에 나타낸 공기압축기의 1단계에 대한 개략적인 사용상태도.
도7은 도5의 (b)에 나타낸 공기압축기의 2단계에 대한 개략적인 사용상태도.
도8은 도5의 (c)에 나타낸 공기압축기의 3단계에 대한 개략적인 사용상태도.
도9은 도5의 (d)에 나타낸 공기압축기의 4단계에 대한 개략적인 사용상태도.
도10은 도5의 (e)에 나타낸 공기압축기의 5단계에 대한 개략적인 사용상태도.
도11a 내지 도11d는 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기에서 파고에 따른 압축공기의 유량/압력 그래프.
도12는 본 발명에 따른 부이형 피스톤의 형상을 개략적으로 나타낸 사시도.
이하, 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기의 바람직한 구체예에 대한 구성, 기능 및 효과에 대하여 상세하게 설명한다.
도2는 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기가 적용되는 발전시스템의 일실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 발전시스템(100)은 복수개의 공기압축기(110), 기액분리기(120), 압축공기저장탱크(130), 공기터빈발전기(140), 해수배출밸브(미도시), 유량조절밸브(150), 및 공기터빈발전기(140)를 포함한다. 그리고 상기 공기압축기(110)에 장착된 부이형 피스톤(111)은 파고(h)에 의해 상하왕복 이동하고, 이에 의해 발생된 압축공기는 기액분리기(120)를 거쳐 압축공기저장탱크(130)에 저장되고 유량조절밸브(150)에 의해 균일하게 공기터빈발전기(140)에 공급된다. 그리고, 상기 공기압축기를 통해 상기 기액분리기(120)로 유입되는 해수는 기액분리기(120)의 하부에 장착되는 해수배출밸브(미도시)를 통해 배출된다.
본 발명에 따른 공기압축기(110)의 구성, 구조, 및 작동은 후술되는 도4 내지 도10에 의한 설명을 통해 자세히 기술한다.
도3은 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기가 적용되는 발전시스템의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 구성도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 발전시스템(200)은 공기압축기(210), 해수공급펌프(220), 가압물탱크(230), 압축공기저장탱크(240), 수차발전기(250), 해양구조물(260), 및 조절밸브수단인 공기압조절밸브(290), 과압공기배출밸브(291), 공급수 조절밸브(292)를 포함한다.
보다 구체적으로, 이동설치가 가능한 고정식 해양구조물(260)의 소정부위에 하나 이상의 해수공급펌프(220)와 하나 이상의 공기압축기(110)가 장착된다. 상기 해수공급펌프(220)는 해수를 고압상태로 저장하기 위한 상기 가압물탱크(230)에 해수를 공급하기 위한 것으로서, 파고(h)에 의해 상하로 왕복이동하는 부이형 피스톤(221)이 장착된다. 그리고 상기 공기압축기(210)는 해수가 저장된 가압물탱크(230)에 압축공기를 제공하기 위한 것으로서, 파고에 의해 상하로 왕복이동하는 부이형피스톤(211)이 장착된다.
이와 같이 이루어지고, 상기 해수공급펌프(220)에 의해 가압물탱크(230)에 해수가 공급되고, 상기 공기압축기(210)에 의해 발생된 압축공기는 압축공기저장탱크(240)에 저장되고 공기압조절밸브(290)를 통해 가압물탱크로 이송되어 상기 해수의 상부를 가압한다. 그리고 가압된 상태에서 상기 해수는 공급수 조절밸브(292)를 통해 수차발전기(250)에 공급된다. 이와 같이 이루어짐에 따라, 압축공기에 의해 가압물탱크의 높이를 크게 형성시키지 않아도 저수위차에서 고압을 얻어 고수위차를 나타낼 수 있다.
또한 해양구조물(260)에는 본 발명의 적절하고 효율적인 운전을 위하여 파고측정용 센서(미도시)를 비롯한 각종 환경측정장치(미도시) 등과 순간 발전량, 압축해수 저장용량, 적정압력 등을 비교분석하여 최적의 발전효율을 발휘하도록 하는 제어 운전장치 및 유지 보수용 장치들을 더 포함하여 이루어진다.
도4는 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기의 구조를 개략적으로 나타낸 단면도로서, 도4의 (a)는 부이형 피스톤(310)이 최대하강된 상태를 나타낸 것이고, 도4의 (b)는 부이형피스톤(310)이 최대상승된 상태를 나타낸 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 공기압축기(300)는 부이형 피스톤(310) 및 피스톤 조립체(320)를 포함한다.
상기 부이형 피스톤(310))은 상측으로 형성된 공기흡입부, 공기 및 해수의 유입을 단속하기 위한 체크밸브(311, 312), 해수 및 공기가 수용되는 가압실(319), 및 해수에서의 상하 습동에 적합한 습동재로 만들어진 슬라이딩 부싱(314)을 포함하고 상기 피스톤 조립체(320)에 상하 슬라이드이동이 가능하도록 장착된다.
또한, 상기 피스톤 조립체(320)는 해수 및 공기를 수용하기 위한 압축실(321)이 형성되고, 공기 및 해수의 유입을 단속하기 위한 체크밸브(322, 323)가 장착된다. 이에 더하여, 본 발명에 따른 공기압축기는 상기 부이형 피스톤(310)이 피스톤 조립체(320)에 장착되어 상하이동에 적합한 압력에서 충분히 밀봉되도록 장착되는 패킹(P)을 더 포함한다.
이와 같이 이루어지고, 상기 부이형 피스톤(310)의 하강시 공기와 함께 해수가 유입된다. 이때 기체는 액체보다 빨리 흡입됨에 따라 공기는 해수보다 상대적으로 많은 량이 유입된다. 그리고 해수가 유입된 상태로 부이형 피스톤이 상승됨에 따라, 공기압축비는 극대화된다.
이에 더하여, 만조 및 간조에도 상기 피스톤 조립체(320)에 장착되는 부이형 피스톤(310)의 상하운동에 의해 압축공기가 발생됨에 따라 별도의 높이조절장치가 필요없게 된다.
또한 도12의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같이 부이형 피스톤에서 부이의 형상은 원통형(320) 및 유선형(320')으로 형성될 수 있으며, 유선형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는 유선형이 해류, 또는 조류에 의한 부하를 줄이고, 이에 의해 피스톤 조립체(320) 및 해양구조물(260)의 내력을 향상시키기 때문이다. 또한 유선형 부이에는 방향키(318)가 장착되는 것이 바람직하다.
도5는 본 발명의 일실시예에 따라 파력을 이용한 공기압축기가 구현되는 과정을 개략적으로 나타낸 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 상기 부이형 피스톤(410)은 (a)에 나타낸 1단계인 하강 및 흡입완료, (b)에 나타낸 2단계인 상승중 및 압축과정, (c)에 나타낸 3단계인 상승 및 압축완료, (d)에 나타낸 4단계인 하강중 및 흡입과정, 및 (e)에 나타낸 5단계인 하강 및 흡입완료의 과정을 반복한다.
보다 구체적으로, 1단계는 파도의 골에서 부이형 피스톤(410)이 하사점까지 내려간 상태를 나타내며, 이 구간에서의 공기흡입량은 최대를 이루게 된다. 그리고 상기 부이형 피스톤(410)의 중력으로 인해 부이가 일부 잠김으로서, 부력/중력 균형선(i)이 형성되게 된다. 그리고, 3단계인 압축 시에는 부력높이(b) 정도가 물에 추가로 잠기게 되고, 4단계인 흡입 시에는 부력/중력 균형선(i) 까지만 하강된다. 그리고, 파고(h)에 의해 부이가 피스톤 조립체축을 기준으로 상하동작을 하며, 이때 적절한 공기압축비를 얻기 위해 부이의 작동높이인 행정(s)은 파고(h)에서 부력생성높이(b)를 뺀 것과 같다. 즉, s=h-b 이다.
또한, 1행정당 압축공기의 이론 최대 생산량(Q : m3)은 실린더의 단면적과 행정(s)의 곱으로 나타난다. 즉, Q=(d2 2-d1 2)×π÷4×s 이다. 여기서 d2는 부이형 피스톤(410) 가압실(419)의 내경이고, d1은 피스톤 조립체(420)의 로드직경을 나타낸다. 이론 최대생산량(Q)은 흡입된 모든 공기를 배출 체크밸브(422)를 통해 배출하는 것을 전제로 하며, 일반적인 피스톤형 공기압축기는 흡입된 공기를 모두 배출하지 못하고 일부 잔류체적이 남게 된다.
본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기는 흡입된 공기를 완전히 배출함으로서 압축효율을 극대화시키며 실린더가 상사점에 이르러 최대 압축 시에 압축실의 공기 잔류체적이 0이 되도록 한다. 그리고, 해수흡입 체크밸브(412)를 통해 해수를 유입함으로서 행정(s)를 제외한 공간에 비압축성인 물을 채우게 하는 것이다.
이와같이 이루어짐에 따라 하사점까지 도달하여 최대의 공기를 흡입한 압축실의 공기 체적은 이론 흡입체적인 Q 값과 같으며, 상사점에 도달한 압축실의 공기 체적은 0이 되므로 공기의 흡입률 대비 배출률은 100%에 달하는 것이다.
이 경우, 해수흡입 체크밸브(412)를 통해 유입되는 해수는 해수흡입통로를 통해 들어오게 되어 있고, 이의 크기를 적절하게 조절함으로써 해수의 과대한 흡입이 되지 않도록 한다.
그리고, 피스톤 조립체 압축실의 로드직경(d3)과 피스톤 조립체(420)의 로드직경(d1) 치수가 같은 것을 원칙으로 하나, 압축효율을 개선하기 위해 d3의 직경을 다소 크거나, 작게 할 수 있다. 하지만 d3의 직경을 지나치게 작게 하면 단계1의 최대흡입공정에서 부력/중력 균형선(i)에 미치지 못할 수 있다. 따라서 흡입공기량이 오히려 줄어든다.
이하 각각의 단계에 대해서 도면을 참고로 자세히 설명한다.
도6은 도5의 (a)에 나타낸 공기압축기의 1단계에 대한 개략적인 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 1단계는 해수 및 공기의 흡입이 완료된 상태로서, 공기흡입실(414)에 흡입저장된 공기는 가압실 공기흡입통로(415)와 가압실 공기흡입 체크밸브(423)를 거쳐 가압실 공기층(416)을 형성한다.
그리고 해수는 해수흡입부(417)를 통해 해수흡입 체크밸브(412)를 통과하고, 가압실 해수층(418)을 형성한다. 상기 가압실 해수층(418)은 부이형 피스톤(410)이 하강될 경우 가압실(419)의 내부가 진공상태로 되어 흡입된 것이다. 또한 각각의 체크밸브(411, 412, 423)에 최소한의 하중으로 체크밸브를 닫아주도록 힘을 가하는 체크밸브용 스프링(S)이 선택적으로 체크밸브의 상부 또는 하부로 장착될 수 있다. 또한 상기 부이형 피스톤(410)이 피스톤 조립체(420)에 대하여 슬라이드 상하운동 하면서 사용압력에서 충분한 밀봉이 가능하도록 하기 위한 패킹(P)이 부이형 피스톤(410) 또는 피스톤 조립체(420)의 소정위치에 장착된다.
본 발명에 따른 공기압축기는 상기 공기흡입실(414)에 의해 상기 가압실(419)의 압력변동과 무관하게 공기흡입량을 행정(s)에 비례하여 일정하게 유지된다.
다음단계로서, 도7은 도5의 (b)에 나타낸 공기압축기의 2단계에 대한 개략적인 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 2단계는 흡입완료된 공기를 압축하는 과정으로서, 1단계를 거쳐 흡입이 완료된 후 파도가 산쪽으로 이동됨에 따라 수위가 높아지고, 이에 의해 부이형 피스톤(410)은 상승되는 상태이다. 이 경우, 가압실 공기흡입 체크밸브(423)와 해수흡입 체크밸브(412)는 가압실의 체적이 감소함에 따라 형성된 압력으로 인하여 닫히게 되고, 압력의 증가로 토출 체크밸브(422)는 서서히 열리게 된다.
또한, 부이형 피스톤(410)의 상승으로 공기흡입실(414)은 부압(대기압보다 낮은 압력)으로 바뀌며 이로 인해 공기흡입 체크밸브(411)가 열리고 외부공기 흡입통로(413)를 통해 공기의 흡입이 이루어지게 된다. 결국, 압축실(421)의 압축과 가압실(419)의 흡입이 동시에 이루어지게 된다.
도8은 도5의 (c)에 나타낸 공기압축기의 3단계에 대한 개략적인 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 3단계는 파도가 산에 이르러 공기의 압축이 완료되는 과정으로서, 부이형 피스톤(410)이 상사점에 도달된 상태이다. 보다 구체적으로 1단계에 나타낸 가압실 공기층(416)은 모두 압축실(421)로 이송 완료되고, 이때 추가 흡입된 가압실 해수층(418) 중 소량의 해수가 압축실(421)로 같이 이송된다.
이와 같이 이송된 해수는 공기의 압축이 반복되면서 압축실(421)을 채우게 되고, 공기의 압축시 발생하는 열량을 흡수하게 된다. 그리고 2단계와 마찬가지로 공기흡입실(414)은 상사점까지 공기가 흡입된다.
도9은 도5의 (d)에 나타낸 공기압축기의 4단계에 대한 개략적인 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 4단계는 파도가 산에서 골로 이동, 흡입하는 과정으로서, 상사점에 이르렀던 부이형 피스톤(410)은 수위가 낮아짐에 따라 하강된다. 다만, 수위의 변화량과 실린더의 하강량은 동일하지 않다. 그 이유는 상기한 바와 같이, 수위가 부력/중력 균형선(i)까지 내려와야지만 실린더의 하강이 가능하기 때문이다. 일단 부이형 피스톤(410)의 하강이 시작하면 토출 체크밸브(422)는 압축실(421)과 가압실(419)의 압력차이로 인해 닫히게 되고, 공기흡입실(414)에 흡입 완료되어 저장되었던 공기는 가압실 공기흡입통로(415)를 통과해 가압실 공기흡입 체크밸브(423)를 열고 가압실 공기층(416)을 형성한다. 이 과정에서는 공기흡입실(414)의 압력은 가압실(419)의 압력보다 크다.
또한 가압실 해수층(418)의 량은 가압실의 압력과 해수면에서 가압실 해수층(418) 상단까지의 수압차가 동일해지는 압력에 도달할 때까지 증가하게 된다. 따라서 과도한 해수의 흡입을 저지하고, 최적량의 흡입을 위해 해수흡입통로(417)의 단면적을 결정한다.
도10은 도5의 (e)에 나타낸 공기압축기의 5단계에 대한 개략적인 사용상태도이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 5단계는 파도의 골에 이르러 흡입이 완료된 과정으로써, 부이형 피스톤(410)이 하사점에 이르러 흡입이 종료된 상태이고, 공기흡입실(414)의 압력과 가압실(419)의 압력이 평형을 이룬다. 그리고, 다시 도5에 나타낸 부이형 피스톤 왕복운동을 반복하게 되고, 도7에 따른 압축과정시 공기의 압축실 유입에 따라 체크밸브가(422)가 개방되어 압축실에 수용된 해수는 일시적으로 빠지게 된다.
상기 체크밸브(411,412,422,423)는 그 형상이 볼 형태에 국한되지 않으며 판형, 원추형 등 다양한 형태로 제안될 수 있다. 또한 이물질의 흡입을 방지하는 휠터, 해양고착생물(따개비등)이 부착을 방지하기 위한 코팅재나 전기장치 등은 본 발명의 원활한 실시를 위해 더 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이 이루어짐에 따라, 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기는 증감속용 기어, 레버, 윤활오일, 압축공기 냉각장치 등을 별도로 구비하지 않음 따라 구조가 간단하며 제작과 유지보수가 용이하고, 적은 비용으로 생산, 설치할 수 있을 뿐만 아니라 대용량/고압력의 압축공기를 생산하므로 다양한 용도에 적용할 수 있다.
도11은 본 발명에 따른 파력을 이용한 공기압축기에서 파고에 따른 압축공기의 유량/압력 그래프이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 공기압축기의 실시예로서 공기압축기 1기당 파고에 따른 압축공기의 압력 및 공기량을 가압실 로드직경을 1m, 부이의 직경을 6m, 부력높이(b)=행정(s)=1/2파고(h)로 가정하고, 부이형 피스톤의 내경을 도11a의 경우 1.2m, 도11b의 경우 1.5m, 도11c의 경우 2m 도11d의 경우 3m로 변화시켜 이에 대한 상태를 그래프로 나타내었다.
상기 그래프에 나타낸 바와 같이 가압실의 단면적이 커지면 유량이 증가하나 압력이 떨어지며 파고(h)에 비례하여 유량과 압력이 증가함을 알 수 있다. 참고로 최대의 동력을 발생시키는 행정(s)의 값은 1/2파고(h)이다. 그러므로 설치하고자 하는 지역의 최대 활용 파고가 6m라고 가정할 때, 부이의 높이는 부력 및 실린더 조립체의 자중 평형높이를 제외하고 최소 3m 이상이어야 한다.
본 발명인 공기압축기는 단독 또는 직, 병렬로 설치될 수 있고 압축공기 사용용도에 적합한 생산량을 충족하도록 크기를 변경한다.
또한, 상기 부이형 피스톤(310, 410)이 상하로 움직일 수 있는 최대의 높이는 설치위치의 자연환경에 따라 결정한다. 예를들어, 설치지역의 조수간만의 차가 7m이고, 최대 파고(h)가 6m라면 실린더의 상하 이동 최대 높이는 7+6=13m라고 결정할 수 있다.(이 가정에서는 생산되는 공기의 압력을 최저로 하였다.) 이런 조건에서 만조일 때 파고가 2m라고 가정해보면 실린더는 가용거리 13m 중에서 상단에서부터 2m이하, 4m이상에서만 동작하게 되는 것이다.
따라서 피스톤의 압력실 내부공간 높이는 흡입시 9m, 압축시 7m를 나타내게 된다. 본 발명은 압축시의 높이인 7m에 비압축성인 해수를 채움으로서 압축효율을 최대화된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100, 200 : 발전시스템 110, 210 : 공기압축기
310 : 부이형 피스톤 320 : 피스톤 조립체
410 : 부이형 피스톤 411, 412, 413 : 체크밸브
419 : 가압실 420 : 피스톤 조립체
421 : 압축실

Claims (2)

  1. 파력을 이용한 공기압축기, 해수공급펌프, 가압물탱크, 압축공기저장탱크, 수차발전기, 해양구조물, 및 조절밸브수단인 공기압조절밸브, 과압공기배출밸브, 공급수 조절밸브를 포함하고,
    해수공급펌프에 의해 가압물탱크로 해수가 공급되고, 상기 공기압축기에 의해 발생된 압축공기가 가압물탱크로 이송되어 해수의 상부를 가압하고, 가압된 상태에서 해수는 공급수 조절밸브를 통해 수차발전기에 공급되는
    파력을 이용한 공기압축기를 구비하는 발전 시스템.
  2. 파력을 이용한 공기압축기, 기액분리기, 압축공기저장탱크, 공기터빈발전기, 해수배출밸브, 및 유량조절밸브를 포함하고,
    상기 공기압축기에 장착된 부이형 피스톤의 상하운동에 의해 발생된 압축공기는 기액분리기를 거쳐 압축공기저장탱크에 저장되고, 유량조절밸브에 의해 균일하게 공기터빈발전기에 공급되는
    파력을 이용한 공기압축기를 구비하는 발전 시스템.
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CN113803302A (zh) * 2021-10-26 2021-12-17 陈亚洲 一种波浪水锤泵

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