KR20110045075A

KR20110045075A - 조력발전유닛 및 이를 이용한 발전방법

Info

Publication number: KR20110045075A
Application number: KR1020117006651A
Authority: KR
Inventors: 마츠 레이존; 스테판 구스탄프손
Original assignee: 시베이스드 아베
Priority date: 2008-08-28
Filing date: 2008-08-28
Publication date: 2011-05-03
Also published as: CA2734602A1; EP2318697B1; CN102137999B; CY1121537T1; CA2734602C; ES2720360T3; US8471398B2; ZA201101320B; WO2010024745A1; JP2012501404A; CN102137999A; JP5461558B2; EP2318697A1; PT2318697T; AU2008361023A1; EP2318697A4; MX2011002138A; BRPI0823012A2; DK2318697T3; MY165264A

Abstract

본 발명은 전력 생산을 위한 조력발전유닛에 관한 것이다. 조력발전유닛은 바다에 부유된 상태로 배치되는 부유 몸체(1); 및 스테이터(5)와, 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기(6)를 구비한다. 상기 스테이터(5)는 해저에 고정되고, 상기 변환기(6)는 상기 부유 몸체(1)에 연결수단으로 연결된다. 상기 변환기(6)는 복수 개의 구름부재(rolling element)(15)에 의해 축받이 연결되어, 원주방향 간격(circumferential gap, 14)이 상기 스테이터와 변환기 사이에 형성된다. 이와 같은 본 발명에 따른 각각의 구름부재(15)들은, 상기 변환기(6)에서 상기 구름부재들(15)로부터의 총 힘의 변화에 따라 상기 간격(14)의 폭(d)이 변하는 조건을 만족하기에 충분히 낮은 탄성력을 가지고, 상기 폭(d)의 변화로 인한 상기 변환기(6)에서의 총 자기력보다는 큰 탄성력을 가진다. 또한, 본 발명은 상기한 조렵발전유닛을 이용하는 방법에 관한 것이다.

Description

조력발전유닛 및 이를 이용한 발전방법{A WAVE-POWER UNIT, AND A USE OF A SUCH}

본 발명의 제 1 관점은 전력을 생산하는 조력발전유닛에 관한 것으로, 바다에 부유하는 부유 몸체와 스테이터와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기를 구비하며, 상기 스테이터는 해저에 고정되고, 상기 변환기는 상기 부유 몸체에 유연 연결수단에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기를 포함한다. 상기 연결수단은 휘어질 수 있도록 유연한 상태이지만, 길이방향에 대해 탄력적일 필요는 없다.

본 발명의 제 2 관점은 이와 같은 조력발전유닛의 이용에 있다.

본 발명의 제 3 관점은 바다에 부유하는 부유 몸체와 스테이터와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기를 구비하며, 상기 스테이터는 해저에 고정되고, 상기 변환기는 상기 부유 몸체에 유연 연결수단에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기를 포함하는 구성을 가지는 조력발전유닛을 이용하여, 전력을 생산하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에서 사용하는 용어로서, "radical"과 "axial"은 상기 변환기의 중심의 왕복운동에 의해 정의된다. 또한, "upper"와, "lower"는 수직방향이며, 이는 조력발전유닛이 작동할 때, 요소들의 위치에 관련된 것이다.

해양에서의 조력운동과 대륙에서의 파도는 잠재적인 에너지원으로서, 지금까지 매우 제한적으로 개발되어 왔다. 하지만, 발전기에서 전력을 생산하기 위해 해양의 수직운동을 이용하는 다양한 방법들이 제안되고 있다. 즉, 해양의 표면에서 생성되는 수직방향의 왕복운동은 전력생산을 위한 리니어 발전기에 사용하기 적합하다.

WO/ 2004/085842에서는 이와 같은 조력발전유닛에 있어서, 발전기의 가동부가 기재되어 있으며, 예컨대 상기 가동부는 회전 발전기(rotational generator)의 로터에 관한 것이지만, 본원의 경우에는 이를 변환기(translator)로 지칭하며, 이는 발전기의 스테이터에 대하여 왕복운동을 하는 구성이다. 상기 스테이터는 해저(seabed)에 고정된다. 상기 변환기는 와이어로 구성되며, 케이블 또는 체인으로 바다 위에 떠 있는 부유몸체와 연결된다.

변환기가 스테이터에 대하여 정확하고 신뢰성 있게 직선운동할 수 있도록 안내하는 것은 매우 중요하며, 그러기 위해서는 상기 변환기와 스테이터 사이의 간격의 크기는 정확한 값을 유지할 필요가 있다. 상기 간격의 크기는 대략 1 내지 5 mm 정도이며, 바람직하게는 2mm로 마련되는 것이 좋다. 하지만, 발전기의 형태에 따라, 여러 가지 문제점들이 발생될 수 있는데, 소정의 일부 부품에서 실질적으로 유발되는 간격의 크기 변화에 따른 위험은, 안내과정에서 유발되는 불충분한 정밀도를 유발할 수 있다. 이와 같은 비대칭적으로 발생되는 자기력은, 발전기의 비대칭력을 야기하여, 브레이크다운과 같은 작동상의 방해위험을 야기할 수 있다. 또한, 에너지의 전자기 변환에 따른 효율이 간격 크기의 오차로 인해 감소될 수도 있다.

변환기와 스테이터 사이에서 매우 강력한 자기력이 발생된다. 베어링들에 부가되는 하중을 최소화하기 위해서는, 상기 발전기는 대칭적으로 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라, 일측 면을 가로지르는 자기력은 다른 측면에서의 간격을 가로지르는 자기력을 압도하도록 마련되는 것이 바람직하다. 또한, 축받이 힘(journaling force)은, 이론적으로 영(zero)이 되는 것이 바람직하다.

하지만, 평형으로부터 미소한 편차가 발생될 경우, 간격이 감소하는 일측에서의 자기력은 증가할 수 있으며, 간격이 증가하는 타측에서는 자기력이 감소할 수 있다. 이에 따라, 자기력의 값은 상기 변환기가 간격이 감소하는 측면을 향해 움직이도록 작용될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 상기 변환기의 축받이 배치를 통해, 상기한 효과에 따른 간격 폭의 변화시 발생될 수 있는 문제점을 해소할 수 있는 효과적인 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 조력발전유닛은, 각각의 구름부재들이 탄성을 가지도록 하여, 간격의 폭 변화가 야기하는 변환기에서의 상기 구름부재로부터의 총 힘의 변화가, 상기 폭 변화에 기인하여 상기 변환기에서의 총 자기력보다 크게되는 조건을 만족하기에 충분히 낮은 탄성력을 가지는 구름부재를 가지는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛을 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 구름부재들의 힘으로 인해, 간격이 감소할 경우, 자기력은 보다 빨리 증가하게 된다. 이러한 간격의 감소 경향은 자기력의 층가를 가속화하고, 이에 따라 상기 구름부재들로 부터의 반작용이 제거된다.

상기 구름부재의 탄성력은 상기 구름부재와 구름부재가 구름동작을 하는 트랙들 사이의 협조를 통해 형성되는 총 축받이 탄성력으로 볼 수 있다. 예컨대, 구름부재와 트랙 중 하나 또는 둘 모두에 코팅이 되어 있을 경우, 상기 코팅의 탄성력은 상기 구름부재의 탄성력에 포함된다. 이와 같이, 상기 구름부재에 구비된 어떠한 탄성력도 포함될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 구름부재들에서의 상기 총 힘은, 상기 총 자기력의 변화에 대하여 2 내지 5 배의 범위인 것이 좋다.

이에 따라 상기 구름부재들로부터의 힘의 증가는, 적어도 상기 자기력의 증가의 2배가 되며, 이는 충분한 반발력을 유지하는데 충분한 신뢰도를 제공할 수 잇다. 상기 범위의 상한선이 의미는, 사익 구름부재가 정확한 최소 탄성력을 가지는 것을 의미한다. 만일 이와 같은 부품들이 거의 완전 강체일 경우, 다른 종류의 문제로서, 불균일성을 피하기 위해 필요로 하는 매우 높은 정밀도를 가지는 허용오차를 필요로 하는 야기할 수 있다.

각각의 구름부재는, 상기 발전기에 장착된 축을 포함하는 것이 좋다.

이와 같은 기구적인 구성에 다르면, 상기 구름부재들과 상대적으로 움직이는 부품들 사이에 양호한 제어성을 제공할 수 있는 장점이 있다.

상기 축은 상기 변환기에 장착되는 것이 좋다.

이와 같은 구성에 따르면, 상기 구름부재들의 장착을 보다 간편하게 할 수 있다. 만일 수리가 필요할 경우, 축받이에서 바로 수행할 수 있으며, 상기 구름부재의 교체 또는 장착을 조정하는 것에 의해, 보다 간편하게 작업을 수행할 수 있다.

각각의 구름부재에는 예비하중(preloaded)이 부가 되는 것이 좋다.

이와 같은 예비하중의 부하에 따르면, 간격 폭이 변화할 때, 초기 위치에서 상기 변환기의 적절한 저널링을 얻을 수 있으며, 보다 유리한 힘 조건을 제공하는 것이 가능하다.

각각의 구름부재들에 부가되는 상기 예비하중력(preload force)은, 1 내지 5 kN의 범위 내로 마련되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 이 영역 내의 예비하중력(preload force)은 필요로 하는 충분한 예비하중과 상기 구름부재들이 너무 많이 눌리는 것을 방지하기 위한 힘 사이에서 충분하게 균형을 맞출 필요가 있다.

각각의 구름부재들은 금속 재질로 형성된 허브와, 플라스틱으로 형성된 롤러 베드를 포함하는 것이 좋다.

이에 따라, 상기 구름부재들의 탄성력은 상기 부재들에서만 형성되고, 플라스틱 재질의 롤러 베드에서는 발생되지 않는다. 따라서 구름부재는 탄성적으로 장착될 필요가 없으며, 이는 베어링 파손 등에 의한 매우 큰 수리비용을 절감할 수 있다. 바람직하게는 상기 구름부재의 재질은 철 또는 강철로 마련되는 것이 좋다.

상기 구름부재는 복수 개로 마련되어, 상기 변환기가 2개의 수직한 방향에서 축받이 연결될 수 있도록 배치되는 것이 좋다.

이와 같은 구성에 따르면, 상기 변환기의 2개 측면보다 많이 자석 극(magnet pole)들이 원주방향으로 분배될 수 있기 때문에, 에너지 변환유닛의 보다 많은 수의 전자기력을 획득할 수 있다.

상기 변환기는, 상기 축에 대하여 수직한 주된 단면 형상이 다각형으로 마련되며, 바람직하게는 정다각형상으로 마련되어, 자석들이 각각의 다각형 면에 배치되는 것이 좋다.

많은 수의 자석들이 제공될 수 있으며, 상기 변환기의 최초 위치에서의 자기력의 압도는 보다 손쉽게 획득될 수 있다. 이러한 다각형상은 모든 방향에 대하여 양호한 축받이 연결을 제공할 수 있다. 바람직하게는, 상기 다각형상은 사각형으로서 이와 같은 구성에 따르면, 부드러운 작동을 위한 매우 높은 수준의 대칭성을 제공하는 것이 가능하다.

상기 다각형은 사각형으로 바람직하게는 정사각형으로 마련된다.

다양한 과점에서 살펴보았을 때, 이와 같은 구성에 따르면, 간단하고 신뢰성있는 발전기의 제조가 가능하며, 정사각형으로 마련되는 것이 바람직하다.

상기 변환기는 상기 스테이터 내에서 왕복이동하도록 배치되고, 상기 구름부재들은 상기 변환기의 외측으로서, 상기 다각형의 모서리부에 배치된다.

이와 같이 구름부재들을 상기 변환기의 외측에 정확하게 축받이 연결하는 것에 의해, 상기 스테이터와 직접적으로 협조할 수 있다. 또한, 상기 구름부재들을 상기 다각형의 모서리 부분에 장착하는 것은 대체적으로 안정된 축받이 연결을 제공할 수 있으며, 상기 다각형의 측면은 상기 구름부재들에 의해 부분적으로 점유될 필요가 없으며, 상기 자석들에 대해 전반적으로 자유도가 확보된다.

상기 변환기는 축방향 관통공을 포함하여, 그 곳에 강성부재(rigid element)가 상기 관통공을 통과하도록 연장 형성되어, 상기 구름부재들이 상기 관통공에 배치된 것이 바람직하다.

특정 경우에서는 내측 축받이 등이 보다 높은 정밀도와 보다 간단한 구성을 제공할 수 있으며, 특히 변환기의 단면의 형상이 직사각형일 경우가 그렇다. 상기 관통공은 상기 변환기의 중앙에 배치되는 것이 좋으며, 상기 강성부재는 상기 관통공이 형성된 위치에 대칭적으로 배치되는 것이 좋다. 상기 강성부재는, 스테이터나, 외부에 배치된 스테이터에 연결되는 강성 빔으로 구성될 수 있다.

상기 구름부재는 복수 개가 상기 축에 대해 수직한 공통 평면(common plane)에 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 따르면, 기계적인 균형과, 자기력이 최적화될 수 있다.

상기 복수 개의 구름부재들은 복수 개의 평면에 배치되고, 상기 평면들 각각에는 복수 개의 바퀴부재들이 설치되는 것이 바람직하다.

이와 같이 하나 이상의 평면에 마련될 경우, 복수 개의 축 위치에서 축 받침을 할 경우, 힘의 균형을 보다 안정적으로 할 수 있다. 상기 변환기의 기울어짐의 경향은 이로인해 간단한 방법으로 제거될 수 있다.

상기 구름부재들은 복수 개의 축방향으로 분포된 복수 개의 바퀴부재들을 포함하는 것이 좋다.

이와 같은 구성에 따르면, 축 받침은 서로 다른 축방향 위치에 상기 스테이터에 대하여 상기 변환기의 축 정렬을 단단하게 할 수 있다.

상기 축방향으로 분포된 바퀴부재들은, 복수 개의 축 열(axial row)을 포함하며, 각각의 열은 복수 개의 바퀴부재를 가지는 것이 바람직하다.

이와 같이 양호하게 설정된 축 받이 구성에 따르면, 간단한 방법으로 전 방향에 걸쳐 스테이터와 변환기 사이의 관계를 공고히 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 열의 개수는 8개이며, 각각의 열은 4 내지 16개의 바퀴부재를 가지며, 바람직하게는 6 내지 10개의 바퀴부재를 구비하여, 상기 바퀴부재들이 7개의 그룹으로 상기 축에 대하여 상대적으로 수직한 평면에 배치되는 것이 바람직하다.

이러한 구성은 상기 바퀴부재가 축 방향 행렬 및 원주방향으로 배치되는 것을 의미한다. 즉, 각각의 열과 평면에서의 에 있어서, 많은 수의 바퀴부재들은 기계적인 관점의 높은 분포를 제공하여, 각각의 바퀴부재들은 단지 전체 하중의 작은 부분만을 전달한다. 이와 같은 분포는, 부드럽고 신뢰성 높은 기능을 제공한다. 일반적으로 6 내지 10개의 바퀴부재를 각 열마다 마련하는 것이 좋다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 바퀴부재의 개수는 상기 발전기의 폴(pole)의 개수보다 크게 마련되는 것이 좋다.

이와 같은 구성에 따르면, 기계적인 힘이 높은 분포를 얻을 수 있다.

본 발명은 적어도 하나의 상기한 바와 같이 구성된 조력발전유닛이 연결된 전력 네트워크에 관한 것이다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 상기와 같이 구성된 조력발전유닛을 이용하여 전기를 생산하고, 상기 조력발전유닛을 전력 네트워크에 연결하는 구성에 관한 것이다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 상기 변환기의 축받이 배치를 통해, 상기한 효과에 따른 간격 폭의 변화시 발생될 수 있는 문제점을 해소할 수 있는 효과적인 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 조력발전유닛의 개략적인 단면도,
도 2는 도 1의 II-II 단면도,
도 3은 도 2에 도시된 변환기의 일측 모서리를 간단하게 도시한 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 변환기의 구름부재들 중 하나의 단면을 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 간격 폭의 변화에 따른 함수에 의해 하나의 폴로부터 자기력 값을 도시한 그래프,
도 6은 간격 폭의 변화에 따른 함수에 따라 바퀴 힘을 도시한 그래프,
도 7은 간격 폭의 변화에 따른 함수에 따라 변환기에서 작용하는 힘들의 변화를 도시한 그래프,
도 8은 도 2에 도시된 단면도와 유사하지만, 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.

도 1은 해양에서 작동하는 본 발명에 의한 조력발전유닛의 측면도를 개략적으로 도시한 도면이다. 부유몸체(1)는 바다 표면에 부유하고, 해저에 고정된 리니어 발전기(2)에 연결수단(3)(7)에 의해 연결된다. 상기 연결수단은 상부(3)와 하부(7)로 구성되는데, 상기 상부(3)는 와이어, 로프, 체인 또는 이와 유사한 구조로 마련되고, 상기 하부(7)는 강성 로드(rigid rod)로 마련된다. 상기 와이어(3)는 상기 로드(7)와 조인트(13)로 연결된다. 도시된 바와 같이, 상기 발전기(2)는 해저에 고정된다. 하지만, 상기 발전기는 상기 해저 위에 배치되거나, 다른 곳에 고정되는 것도 가능하다.

리니어 발전기(2)는 스테이터(5)를 포함하며, 상기 스테이터(5)는 와인딩과 자석을 가지는 변환기(6)로 구성된다. 상기 변환기(6)는 상기 스테이터(5)의 내측에서 상하로 왕복이동하며, 이를 통해 상기 스테이터의 와인딩들에서 전류를 생성하여, 생선된 전류는 전력 케이블(11)을 통해 전력 네트워크로 전송된다.

상기 부유몸체(1)가 바다 표면의 파도에 의해 상하로 움직일 때, 상기 부유몸체(1)는 상기 변환기(6)를 아래에서 위쪽 방향으로 잡아당긴다. 그리고, 상기 부유몸체(1)는 상기 변환기(6)를 그 후에 중력에 의해 아래로 이동시킨다.

선택적으로, 미도시된 탄성부재 또는 이와 유사한 구성을 이용하여 상기 변환기(6)에 추가로 하측 방향의 힘을 부가할 수도 있다.

도 2는 도 1의 II-II 단면도로서, 상기 스테이터(5)에서의 상기 변환기(6)의 축받이 구성을 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 상기 변환기(6)는 정사각형의 단면을 가진다. 자석들은 각각의 4개의 면 모두에 배치된다. 상기 변환기(6)의 각 측면은 상기 스테이터(5)에 대하여 간격(14)을 형성한다. 초기 위치에서 상기 간격 폭(d)은 서로 반대되는 양 측면에서 동일하며, 바람직하게는, 4개의 면 모두가 동일하게 마련되는 것이 좋다. 최초 위치를 유지하기 위해서는, 상기 변환기(6)는 복수 개의 구름부재들(15)에 의해 축받이(journaling) 되어야 하는데, 상기 축 받이들의 형상은 바퀴형상으로 마련되는 것이 바람직하다. 총 8개의 바퀴들은 하나의 직교평면(cross sectional plane)에 마련되는 것이 좋다. 2개의 바퀴들은 상기 변환기(6)의 각 모서리에 배치되는 것이 바람직하다.

각각의 모서리에 배치된 상기 2개의 바퀴들(15)은 상기 변환기(6)에 의해 지지되는 축(16)에 회전 가능하게 장착되고, 상기 축들은 각각에 대하여 서로 수직하게 배치되는 것이 바람직하다. 각각의 바퀴들(15)은 트렉(17)에 대하여 구름동작할 수 있으며, 상기 트렉(18)은 스테이터(5)에 마련되는 것이 좋다. 각각의 바퀴들은 소정의 탄성력을 가지며, 이 탄성력에 의해 상기 변환기(6)의 초기위치에서 소정의 예비하중력을 흡수할 수 있도록 압축될 수 있다.

도 3은 상기 바퀴들의 배열을 도 2의 변환기의 좌측 바닥 모서리를 향해 도시한 사시도이다. 측 방향에서 상기 바퀴들(15)은 8개의 열로 배치되며, 이들을 각 모서리마다 2개가 마련된다. 도면은 본 발명의 일 예로서, 각 열이 8개의 바퀴를 가지는 구성을 도시한 것으로, 이와 같은 구성에 따르면 총 64개의 바퀴들을 가지게 된다.

도 4는 상기 바퀴들(15) 중 하나를 도시한 것으로, 상기 스테이터(5)의 트렉(18)과 변환기(6)의 트렉(17)을 도시한 것이다. Fw1은 상기 변환기의 이 측면에서의 상기 바퀴들에서의 총 힘의 합을 의미라고, FM은 이 측면에서 간격을 통과하는 모든 자기력의 합을 의미한다.

사익 변환기(6)가 초기 위치에 있을 때, 이 측면에 작용하는 자기력들은 반대편 측면에 작용하는 자기력들에 의해 압도되어, 상기 변환기에 작용하는 자기력의 값은 영(zero)이 된다. 이 위치에서 상기 바퀴들로부터의 상기 예비하중력(preload force)은 상호 압도된다.

만일 변환기(6)의 위치가 초기위치에서 변경되어 일측 면의 간격이 증가하고, 타측면의 거리가 줄어들면, 자기력의 값은 더 이상 영이 아니게 된다. 제한적인 범위 내에서, 예컨대 1mm 보다 작게 간격의 폭이 변하면, 자기력은 간격 폭의 감소에 따라 대략 선형적으로 증가한다.

본 발명의 상세한 설명에서 사용되는 변수들은 다음과 같다.

X = 최초 위치에서의 간격의 감소

F_M = 반대편 간격에 따른 총 자기력의 값

F_M1 = 제 1 측면에서의 간격에 따른 총 자기력의 합

F_M2 = 반대편 측면에서의 간격에 따른 총 자기력의 합

F_M3 = 최초 위치에서의 간격에 따른 총 자기력의 합

K_M = 총 자기력에 대한 상수

F_w = 2개소의 반대편 측면에서의 모든 바퀴 힘의 값

F_W1 = 제 1 측면에서의 바퀴 힘의 총 합

F_W2 = 반대편 측면에서의 바퀴 힘의 총 함

F_s = 일측 면에서의 바퀴로부터의 모든 예비하중력의 합

K_w = 일측 면에서의 모든 바퀴의 탄성계수

f_m = 반대편 폴들의 한 쌍으로부터의 자기력의 값

f_m1 = 제 1 측면에서의 간격에 따른 하나의 폴로부터의 자기력

f_m2 = 반대편 측면에서의 간격에 따른 하나의 폴로부터의 자기력

f_mo = 최초 위치에서의 간격에 따른 하나의 폴로부터의 자기력

k_m = 하나의 폴의 자기력에 따른 상수

f_w = 2개의 서로 다른 바퀴들의 합력

f_W1 = 제 1 측면에서의 하나의 바퀴의 힘

f_W2 = 반대편 측면에서의 하나의 바퀴의 힘

f_s = 하나의 바퀴로부터의 예비하중력

k_w = 하나의 바퀴의 탄성계수

m = 한 측면에서의 폴의 개수

n = 한 측면에서의 폴의 개수

만일, 초기 위치에서의 간격을 통과하는 총 자기력이 F_Mo이면, 상기한 최초 위치로부터 X mm 만큼 감소하는 힘은 F_M1 = F_M0 (1 + K_MX)이고, 반대 측면의 자기력은 F_M2 = F_M0 (1 - K_MX)이다. 따라서 자기력의 합력은 F_M = F_M1 - F_M2 = F_Mo 2K_M X으로, 감소된 간격의 방향으로 작용한다.

이 힘은 상기 바퀴들로부터의 힘에 의해 반발 작용 된다. 즉, 최초 위치에서의 상기 변환기(6)의 일 측면에 배치된 바퀴들에서의 총 힘 Fw는 Fs가 되고, Fs는, 그 측면에서의 총 예비하중력이 된다. 대응되는 예비하중력은 반대 측면에 작용하여, 최초 위치에서의 바퀴들의 힘 값을 영으로 만든다.

만일 상기 변환기(6)의 위치가 초기 위치로부터 변경되면, 일측 면에서의 바퀴들의 힘은 증가하고, 그 타측에서의 바퀴들의 힘은 감소한다. 이러한 상기 변환기(6)의 일 측면에서의 바퀴로부터의 총 힘의 변화는 제한된 범위 내에서의 상기 간격의 변화를 나타내는 선형함수와 유사하다. 상기 간격이 감소되는 측면에서의 상기 바퀴들의 힘은, F_W = F_S - KWX이고, 그 반대편에서는 F_W = 2K_WX이다. 상기 바퀴들이 상기 변환기에서의 힘의 값은 이에 따라 F_W2 = F_S + K_W X이고, 그 반대편 측면에서는 F_W2 = F_S - K_WX이다. 상기 변환기(6)에서의 바퀴들의 합력은 F_W = 2K_WX이다. 이와 같은 수학식은 F_S > K_WX일 경우에만 유효하다. 만일 F_S가 이보다 작을 경우, 상기 바퀴들의 합력은 F_W = F_S + K_WX이다.

본 발명에 의해 상기한 바와 같은 조건은 F_W > F_M의 조건을 만족한다. 따라서, 2K_W X > 2F_M0 K_M X 또는 K_W > F_M0 K_M이 된다.

여유를 안정적으로 하기 위해, 상기 자기력은 바퀴힘들을 압도하는 것이 좋으며, 바람직하게는 K_W > 2F_M0K_M을 만족하는 것이 바람직하다.

힘의 조건들은 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같다.

도 5에서 일측 극의 사로 반대되는 2개의 측면에서의 자기력의 합력 f_m은 최초 위치로부터의 편차 함수로 주어질 수 있다.

f_m = 2f_mok_mX이고, 2f_mok_m = 1.64kN/mm(fm이 kN 단위이고, X가 mm 단위임)이고, 예시적으로, n 극에서의 총 자기력은 F_M = 1.64 n X kN이 될 수 있다.

도 6에서는, 상기 바퀴에서의 탄성력이 최초 위치로부터의 편차 함수로 주어질 경우의 상기 바퀴의 탄성력이 도시되어 있다. f_s = 0.66 kN이고, k_w = 7.8 kN/mm일 때, f_w = f_s + k_w X로 마련될 수 있다. 반대편의 바퀴는 반대방향으로 f_W2 = f_s k_wX 탄성력을 작용하는데, 이에 따라, 서로 반대편에 배치된 2개의 바퀴들의 힘의 합은 f_w = 2k_wX= 15.6 X kN이 된다.

상기한 조건을 적용하여, F_W는 2FM이 되어, 15,6 m X = 2 1.64 nX 의 수식을 적용하여, 한쪽에 배치되는 바퀴의 개수는 다음과 같이 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 실시예에서, 변환기(6)는 33개의 극을 가지며, 상기 극들은 0.21×33 의 계산을 통해, 대략 7개의 바퀴가 한쪽에 배치된다. 대칭을 형성하기 위해, 상기 바퀴들은 한 측면에 쌍으로 설치되어, 본 실시예에서는 각 면마다 1쌍씩, 총 4쌍의 바퀴들이 마련되는 것이 바람직하며, 상기 변환기에는 총 32개의 바퀴들이 설치될수 있다.

도 7에 도시된 그래에 도시된 바와 같이, kN으로 설정된 힘들은 상기 간격 폭의 변화에 따른 함수로 주어지는데, A는 일측 면에서의 한 쌍의 바퀴의 힘이고, B는 그 반대편에서의 한 쌍의 바퀴의 힘, C는 A와 B의 합, D는 한 극에서의 합력 그리고, E는 C와 D의 합이다.

상기한 실시예에서는, 상기 바퀴들은 지름이 150mm이고, 두께가 30mm 인 것을 사용하였다. 상기 바퀴들은 주철로 제조되었으며, 롤러 베드는 폴리우레탄으로 구성하였다. 각각의 바퀴는 ±0.25mm의 공차 범위에서 상기 바퀴 베어링의 과부하 없이 구름동작을 유지할 수 있으며, 10⁸의 변환기 사이클에 적합하도록 설계되었다. 본 발명의 일 실시예에 의한 바퀴는 5kN 의 힘으로 90%의 신뢰성을 가지는 1 m/s의 속도로 1억 3천만 번의 횟수와 99%의 신뢰성으로 4800만 번의 횟수로 작동될 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 축방향 단면도로서, 상기 변환기(6)는 내측으로 축받이 연결되어 있다. 상기 변환기(6)는 축방향 관통공(20)을 구비하며, 이곳에는 강성부품(19)이 연장 형성된다. 구름부재들(15)은 상기 변환기(6)와 강성부품(19) 사이에서 작동하여, 상기한 바와 동일하게, 변환기(6)와 스테이터(5) 사이에서 일정한 간격 폭을 유지한다. 상기 강성부품(19)은 상기 스테이터(5)에 단단하게(rigidly) 연결된다. 이와 같은 구성에 따르면, 도시된 바와 같이, 상기 관통공(20)의 형태는 상기 변환기(6)의 외부 형태에 대응되도록 마련될 필요가 없다.

1; 부유 몸체 2; 리니어 발전기
3; 연결수단 4; 하우징
5; 스테이터 6; 변환기
11; 케이블 13; 조인트
14; 간격 15; 바퀴
17,18; 트랙

Claims

전력을 생산하기 위한 조력발전유닛에 있어서,
바다 위에 부유하도록 배치된 부유몸체(1); 및
스테이터(5)와 중심축을 따라 왕복 이동하는 변환기(6)를 구비하며, 상기 스테이터(5)는 해저에 고정되고, 상기 변환기(6)는 상기 부유 몸체(1)에 연결수단(3)에 의해 연결되는 전기 리니어 발전기(2);를 포함하며,
상기 변환기(6)는 복수 개의 구름부재(rolling element)(15)에 의해 축받이 연결되어, 원주방향 간격(circumferential gap, 14)이 상기 스테이터와 변환기 사이에 형성되고,
각각의 구름부재(15)들은, 간격의 폭 변화가 야기하는 변환기(6)에서의 상기 구름부재들(15)에서의 총 힘(total force)의 변화가, 상기 폭 변화에 기인하여 상기 변환기(6)에서의 총 자기력(total magnetic force)보다 크게되는 조건을 만족하기에 충분히 낮은 탄성력을 가지는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항에 있어서,
상기 구름부재들(15)에서의 상기 총 힘은,
상기 총 자기력의 변화에 대하여 2 내지 5 배의 범위인 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 구름부재(15)는, 상기 발전기(2)에 장착된 축(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 3 항에 있어서,
상기 축은 상기 변환기(6)에 장착된 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 구름부재(15)는 예비하중(preloaded)이 부가된 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 5 항에 있어서,
각각의 구름부재(15)들에 부가되는 상기 예비하중력(preload force)은, 1 내지 5 kN의 범위 내인 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 구름부재들(15)은 금속 재질로 형성된 허브와, 플라스틱으로 형성된 롤러 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구름부재(15)는 복수 개로 마련되어, 상기 변환기(6)가 2개의 수직한 방향에서 축받이 연결될 수 있도록 배치된 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변환기(6)는,
상기 축에 대하여 수직한 주된 단면 형상이 다각형으로 마련되며, 바람직하게는 정다각형상으로 마련되어, 자석들이 각각의 다각형 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다각형은 사각형으로 바람직하게는 정사각형인 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변환기(6)는 상기 스테이터(5) 내에서 왕복이동하도록 배치되고, 상기 구름부재들(15)은 상기 변환기(6)의 외측으로서, 상기 다각형의 모서리부에 배치된 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변환기(6)는 축방향 관통공(2)을 포함하여, 그 곳에 강성부재(rigid element)(19)가 상기 관통공(20)을 통과하도록 연장 형성되어, 상기 구름부재(15)들이 상기 관통공(20)에 배치된 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구름부재(15)는 복수 개가 상기 축에 대해 수직한 공통 평면(common plane)에 배치되는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 13 항에 있어서,
상기 복수 개의 구름부재(15)들은 복수 개의 평면에 배치되고,
상기 평면들 각각에는 복수 개의 바퀴부재들이 설치된 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구름부재(14)들은 복수 개의 축방향으로 분포된 복수 개의 바퀴부재들을 포함하는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 15 항에 있어서 상기 축방향으로 분포된 바퀴부재들은,
복수 개의 축 열(axial row)을 포함하며, 각각의 열은 복수 개의 바퀴부재를 가지는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 16 항에 있어서,
상기 열의 개수는 8개이며, 각각의 열은 4 내지 16개의 바퀴부재를 가지며, 바람직하게는 6 내지 10개의 바퀴부재를 구비하여, 상기 바퀴부재들이 7개의 그룹으로 상기 축에 대하여 상대적으로 수직한 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
제 1 항 내지 제 17 항에 있어서,
상기 바퀴부재의 개수는, 상기 발전기의 폴(pole)의 개수보다 큰 것을 특징으로 하는 조력발전유닛.
적어도 하나의 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같이 구성된 조력발전유닛과 연결되는 것을 특징으로 하는 전력 네트워크.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같이 구성된 조력발전유닛을 이용하여 전력을 생산하여, 이를 전력네트워크에 공급하는 방법.