KR20110067811A - 거미형파력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파도가 있는 바다에서 파도의 상하운동에너지를 회전운동으로 전환하여 지속적인 발전을 위한 구조를 만드는데 그 목적이 있다. 앞선 제품들이 구조가 복잡하고 전력생산대비 시설비와 계류시설비가 많이 들어 비용대비 효율이 떨어진다는 문제점이 있는데 이와 같은 문제점을 해소하기 위해, 파도의 상하운동에너지를 회전운동으로 변환하여 발전하는데 있어서, 본체를 가볍게 하여 공중에 띄워 큰 파도의 탄력적으로 적응할 수 있게 하였다. 또한 와이어를 하나만을 사용하여 계류시킬 경우 와이어나 전선이 꼬일 수 있는데 이를 방지하기 위해 전선 및 와이어 꼬임방지장치를 설치하였다.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 파력자원이 풍부한 도서지방이나 해안지방의 전력을 감당하는 것은 물론 상업용으로도 가치가 있으며, 파력자원이 풍부한 수심 수백미터의 먼 바다까지 대량으로 배치하면 신재생에너지강국의 도약으로 한걸음 다가설 기회가 될 것이다.

파력발전, 해양발전, 파도에너지, 상하운동에너지, 거미

Description

거미형파력발전기 {wave power generator of spider type}

본 발명은 파도의 상하운동에너지를 이용하여 발전하는 파력발전에 관한 것으로서, 바다에 무수히 많은 파도에너지를 전력화하려는 것이다.

본 발명은 본 발명인이 특허출원한 출원번호 10-2009-0116345를 기초하여 발명하였는데 출원번호 10-2009-0116345은 다수 개의 부력체들을 이용하여 에너지화하는데 있어서, 발전기 등을 부유물체 위에 설치한 본체를 바다 위에 띄워 발전했지만, 본 발명은 본체를 가볍게 하여 공중에 띄워 발전에 이용한 것이 큰 차이다.

공개특허 10-2004-0091165 구조가 복잡하고 시설비가 비교적 많이 들며, 등록특허 10-0524525은 구조가 복잡하고 발전량에 비해 비용이 많이 든다는 단점이 있으며, 등록특허 10-0299741은 구조체 밑으로 파도가 들어오는 순간 파도의 운동에너지가 많이 없어지고 큰 파도가 아닌 이상 발전이 사실상 어렵기 때문에 효율이 떨어지며, 파도로 인한 유실을 막기 위해 대부분의 시설들이 계류비용이 많이 든다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 파도의 상하운동에너지를 회전운동으로 변환하여 발전하는데 있어서 부력체들이 각각 시간차를 두고 에너지를 전달하여 발전하는데, 본체의 부피를 줄이고 가볍게 하고 구조도 간단하게 하였으며, 가벼워진 본체를 공중에 띄워 큰 파도의 탄력적으로 적응할 수 있게 하였다. 본체를 공중으로 띄우는 것은 인장스프링이 담당하는데, 이 때 두 개로 된 한 쌍의 부력체들의 인력으로 인해 상승운동에너지가 감소되어 에너지효율을 떨어뜨린다는 문제점이 있지만, 수십 개의 부유물체(11)가 무게를 분담하기 때문에 효율감소가 그리 크지 않으며, 더군다나 수십 개의 부유물체(11)가 자체적으로 에너지를 전달하는 것은 기본이고 본체자체가 파도에 흔들려 상하로 움직일 때 문제되었던 인장스프링이 이번에는 에너지를 생산하는 역할을 할 수 있기 때문에 효율이 그리 떨어지지 않는다. 또한 와이어를 하나만 사용하여 계류시킬 경우 와이어나 전선이 꼬일 수 있는데 이를 방지하기 위해 전선및와이어꼬임방지장치를 설치하여 계류비용을 절감할 수 있게 하였다.

지구온난화문제로 대체에너지의 중요성은 과거 어느 때보다 높다. 특히 피크오일이 다가옴에 따라 세계각국은 에너지확보비상에 걸려있다. 피크오일이 도래하면 산유국들이 석유수출량을 대폭 줄이고 가격만 올리게 되어 유가폭등으로 이어지며 에너지를 무기화할 것이다. 고도성장으로 인해 에너지블랙홀인 중국만 보아도 20-30년 후에 지금의 몇 배의 에너지가 필요할 것인데 이것만 보아도 미래의 에너지전쟁은 지금은 상상하기 어려울 정도로 심각하다.

이러한 시기에 거미형파력발전인 본 발명은, 파력자원이 풍부한 도서지방이나 해안지방의 전력을 감당하는 것은 물론 공업용 상업용으로도 사용할 수 있어 중요성은 더한다. 파력자원이 풍부한 수심 수백미터의 먼 바다까지 대량으로 배치하면 해양발전에 있어서 신재생에너지강국의 도약으로 한걸음 다가설 기회가 될 것이며, 일본 영국 등 세계각국에 수출효과도 엄청날 것이다. 소재산업의 발달로 가벼우면서도 강하고 질기며 마모성이 작은 재질이 많이 개발되었기에 전망이 매우 좋으며 앞으로도 경제성 있는 신소재들이 더 많이 보급될 수 있으므로 더욱 각광을 받을 것이다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 개략적인 정면도로서, 부양물체(11)가 파도의 영향으로 상승하게 되면 부양물체고정봉(12)이 상승하게 되며 이와 고정된 동력전달기어고정봉(13)이 같이 움직이고 이어 동력전달기어(14)가 좌우로 움직이게 되면 이와 맞물려있는 래칫휠기어(20)를 돌려 바로 발전기(16)를 돌리게 되는 구조다. 발전기(16) 등 본체의 무게나 인장스프링(22)으로 인해 파도가 밀어닥칠 때 춤을 추듯 출렁거림도 있는데 이 또한 발전을 하는 에너지가 된다.

부양물체고정봉(12)은 보조샤프트(17)에 베어링(18)으로 연결되며 그림에서 부양물체(11)들이 서로 겹쳐보이지만 실제로는 서로 거리가 떨어져 있기 때문에 서로 닿지 않는다. 보조샤프트(17)에 래칫휠기어축지지대(19)로 래칫휠기어(20)와 발전기(16) 등이 메달려 있는 메인샤프트(15)가 베어링으로 연결되는데, 이 메인샤프트(15)는 왕복운동을 하며 이들의 무게에 의해 그림처럼 중앙에 내려오려 하지만 항상 그런 것은 아니다. 하지만 발전기와 같은 축에 플라이휠 등이 있으므로 그 무게로 인해 중력이 작용하여 자동으로 아래로 내려오려는 성질이 있는데다, 결국은 래칫휠기어(20)를 한 방향으로 돌리지만 서로 반대의 힘을 가지고 있는 수십 개의 동력전달기어(14)가 연속적으로 동력을 전달하기 때문에 끊임없는 좌우의 세력균형이 이뤄지고 결국 메인샤프트(15)는 가장 아래인 가운데로 오게 된다.

만일 한쪽 방향으로 일시적으로 큰 힘이 작용할 때는 한쪽으로 쏠릴 수 있는데 이때는 래칫휠기어이탈방지장치(24)가 더 이상 이동을 하지 못하게 하는 역할을 하며 이때 충격을 완화하기 위해 작은 인장스프링을 설치했으며 서서히 멈추도록 시간적 여유를 벌어주며, 그 사이 다른 동력전달기어(14)들이 작동해 메인샤프트(15)를 끌어내리거나 그것도 역부족일 때는 여러 개의 래칫휠기어이탈방지장 치(24)가 합세해서 메인샤프트(15)를 내려오게 하는 역할을 공동으로 수행한다.

도 2는 동력전달기어(14)를 중심으로 한 상세도로서, 도 1에서도 설명했듯이 부양물체고정봉(12)이 상하로 움직임에 따라 이에 고정된 동력전달기어(14)가 좌우로 움직이게 되고 이는 래칫휠기어를 돌려 바로 발전기(16)을 돌리게 된다. 이때 두 개의 동력전달기어 14a 14b는 보조샤프트(17) 중심에서 각각 그린 두 개의 원과 일치해야 동력전달기어 14a 14b가 서로 일정한 거리를 유지하게 되며, 오른쪽 원안의 그림은 래칫휠기어이탈방지장치(24)의 상세도인데 동력전달기어(14)의 과도한 이동으로 래칫휠기어(20)가 동력전달기어(14)를 벗어나는 것을 방지하는데 그 목적이 있다.

래칫휠기어이탈방지장치(24)의 상세도를 살펴보면 래칫휠기어(20)가 이탈하려고 하면 먼저 동력전달기어이탈방지턱(26)이 롤러(27)에 닫게 되고 이 롤러는 회전을 하며 마찰을 최대한 적게 하면서 작지만 강한 소형인장스프링(28)의 영향으로 천천히 뒤로 밀리며 스토퍼(25)에 의해 더 이상 갈 수 없을 때까지 밀리게 된다. 래칫휠기어이탈방지장치(24)에서두 개의 작은 축이 있는데 둘 중 a는 래칫휠기어(20)와 맞물려 있어 몸체가 스토퍼(25)까지 밀릴 때 회전축이며 다른 축 b는 롤러(27)와 래칫휠기어이탈방지장치(24)의 몸체와 연결된 미니 축이다.

여기서의 발전기(16)는 무게를 줄인 영구자석을 사용한 고효율발전기이며 발전기고정대(21)는 베어링없이 보조샤프트(17)와 발전기외피를 고정시켜 발전기 외피가 회전하는 것을 방지하며 베어링연결테(23)는 부양물체고정봉(12)이 베어링과 연결되게 하는 보조역할을 한다. 인장스프링(22)은 십수 쌍의 동력전달기어고정 봉(13)에 매달려 서로 당기는 역할을 하는데 너무 강한 장력을 사용하면 파도의 상하운동을 전하는 부양물체고정봉(12)이 제기능을 제대로 할 수 없기 때문에, 발전기(16) 래칫휠기어(20) 등 지탱해야 할 무게를 고려하여 설계해야 하며 폭풍 등을 고려하여 c처럼 와이어를 연결하여 동력전달기어(14) 이탈 및 발전기 등이 침수되는 것에 대한 안전장치를 마련한다.

도 3은 동력전달기어(17)들과 래칫휠기어(20)들의 연결 상태를 그린 측면도로서, 파도의 상하운동에너지를 전달받은 동력전달기어고정봉 13a와 13b는 각각 동력전달기어 14a 14b에 왕복운동으로 전달되고 이 동력전달기어(14)는 래칫휠기어(20)에 전달되는데, 동력전달기어 14a 14b를 각각 래칫휠기어(20) 아래와 위에 배치시켜 하나의 래칫휠기어(20)를 사용하였다. 안정적인 발전을 위해 설치한 플라이휠(32)은 무거운만큼 발전기(16)과 균형을 이루도록 적당한 위치에 설치해야 하고 본 발명품이 바람이나 파도에 휩쓸려가지 않도록 정박시키기 위해 와이어(34)를 연결한다. 이때 장시간에 걸쳐 본체가 회전할 수 있기 때문에 꼬임을 방지해야 하며 또한 전선(33)도 마찬가지인데 이를 위해 전선및와이어꼬임방지장치(36)를 설치한다.

도 4는 래칫휠기어(20)를 중심으로 한 발전상황설명을 위한 단면도로서, 도 2와 다른 상황의 그림을 부연설명한다. 이 그림에서 부양물체고정봉 12a와 12b는 도 1의 부양물체(11)가 각각 파도를 타고 위로 올라가고 있거나 내려오고 있는 상태로, 도 4의 부양물체고정봉 12a가 위로 올라가면 이와 고정되어 있는 동력전달기어 14a가 보조샤프트(17)를 중심으로 반원을 그리며 왼쪽위로 따라 올라가면서 래칫휠 기어(20)를 돌리고 그렇게 되면 바로 메인샤프트(15)가 돌게 되며 발전기를 돌리게 되고, 반대로 이 부양물체(11)가 파도를 타고 내려온다면 부양물체고정봉 12a가 아래로 내려오게 되고 동력전달기어 14a 역시 따라 내려오는데 래칫휠기어의 특성상 내려올 때는 부하가 걸리지 않기에 자연스럽게 내려오게 된다.

같은 이치로 부양물체고정봉 12b가 오른쪽 위로 올라가면 동력전달기어 14b도 오른쪽 위로 올라가게 되고 이 때 메인샤프트(15)를 돌려 발전을 하게 된다. 이 경우는 모두 동력전달이 거의 끝났거나 내려오고 있는 상태로 부하가 많이 걸리지 않은 상태다.

래칫휠기어이탈방지장치(24)가 가능한 작동하지 않게 하는 것이 좋으며 그러기 위해서는 동력전달기어(14)가 충분히 길어야 하며 여기서는 동력전달기어(14)를 짧게 그렸다.

래칫휠기어축지지대(19)는 윗부분은 보조샤프트(17) 끝에 고정시키지만 아래부분은 메인샤프트(15)가 끊임없이 회전해야 하기 때문에 메인샤프트(15)에 베어링을 끼워 연결하여야 한다.

도 5는 전선및와이어꼬임방지장치(36)의 상세도로서, 본체를 바람이나 파도로부터 손실되는 것을 방지하기 위해서는 계류시킬 필요가 있는데 메인샤프트(15) 두곳을 연결하여 계류시키는 방법이 있겠지만, 하나의 와이어(34)로 계류시키는 것 또한 효율적일 것 같다. 도 5는 하나의 와이어로 계류시키는 방법으로, 이때 와이어(34)나 전선(33)이 꼬이는 것을 방지하기 위해 전선및와이어꼬임방지장치를 장착했다.

도 3에서의 메인샤프트(15)의 하단부에 전선및와이어꼬임방지장치(36)를 연결하기 위해 장치지지고정대(58)를 설치했는데, 이 장치지지고정대(58)는 전선보호원판(57)과 고정되어 있는 상태로 통과하여 바퀴보호대(60)와 만나게 되는데, 장치지지고정대(58)와 바퀴보호대(60)가 만나는 a부분은 고정을 시켜도 되지만 이격을 시켜 바퀴보호대(60)가 겉돌게 하면 꼬임방지를 위해 2중으로 안전장치하는 효과가 있다. 바퀴보호대(60) 안쪽에 회전바퀴(56)가 본연의 회전운동을 하는데 이로 인해 와이어가 꼬이는 것을 방지된다.

또한 본체가 회전하게 되면 발전기에서 생산된 전기를 전달하는 전선(33)도 꼬이는데 이를 방지하기 위해 전선보호원판(57)이 설치된 것이고, 이 전선보호원판(57) 안에 있는 c와 d는 dc발전기에서는 각각 양극과 음극으로서 각각 이 원판 내에서 계속 이어져 도너츠모양을 이루고 여기에 브러쉬(59)가 전선회전체(54)의 회전에 따라 같이 회전하여 전기가 계속 이어지는 구조다.

전선회전체(54)와 원형기둥(55)이 만나는 b부분은 서로 고정이 되어 있어 원형기둥(55)이 회전하게 되면 전선회전체(54) 역시 같이 돌게 되며 전선회전체(54)는 딱딱한 고체로 내부에 음극전선(52)과 양극전선(53)이 고정되어 있다.

도 6은 수십 개의 부양물체(11)들이 배치된 평면도로서, 보조샤프트(17)을 중심으로 본 모양으로 세력균형을 위해 각 쌍이 각각 대칭을 이루고 있는 구조이며, 폭풍 등을 고려하여 a처럼 평상시에는 활동에 방해가 되지 않는 선에서 충분히 느슨하고 유동성있는 와이어 등으로 부양물체고정봉(12)간에 서로 묶어줌으로써 파손에 대비할 수도 있을 것이며, 부양물체(11)들을 파도의 상하운동은 물론 수평운동 이 있을 것도 고려하여 충분한 간격을 유지하게 해야 한다.

도 7은 본발명품(71)들의 배치도로서, 효율적인 발전과 와이어의 겹침을 방지하기 위해 일정한 간격을 두고 배치한다면 1기당 수십 kw에서 수백 kw를 생산할 수 있고 단지를 이루어 전력을 생산한다면 수십 수백 MW도 생산가능해 상업적으로 이용할 수 있다. 이 경우 생산된 전력을 한 군데 모아 고품질의 전력으로 정화시킬 수 있으니 비용이 많이 절약될 것이다.

도 8은 부양물체고정봉(12)과 부양물체(11)의 연결부의 상세도로서, 8-a는 측면도이고 8-b는 평면도이다. a는 부양물체(11)와 연결되는 수직봉이며 a가 부양물체고정봉(12)에 수직으로 연결되는데 부양물체(11)가 파도로 인해 수직상하운동을 할 때 수직봉인 a와 부양물체고정봉(12)의 각도가 도 1의 f g h처럼 변해야 부양물체고정봉(12)에 무리를 주지 않는다. 도 8에서 b는 수직봉인 a와 부양물체고정봉(12)을 연결하기 위한 연결핀이며 도 8-a의 c와 d는 각각 도 8-b의 c와 d의 위치와 같다.

도 1은 정면에서 본 개략적인 정면도

도 2는 동력전달기어(14)를 중심으로 한 상세도

도 3은 동력전달기어(17)들과 래칫휠기어(16)들의 연결 상태를 그린 측면도

도 4는 래칫휠기어(20)를 중심으로 한 발전상황설명을 위한 단면도

도 5는 전선및와이어꼬임방지장치(36)의 상세도

도 6은 수십 개의 부양물체(11)들이 배치된 평면도

도 7은 본발명품(71)들의 배치도

도 8은 부양물체고정봉(12)과 부양물체(11)의 연결부의 상세도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11. 부양물체 12. 부양물체고정봉

13. 동력전달기어고정봉 14. 동력전달기어

15. 메인샤프트 16. 발전기

17. 보조샤프트 18. 베어링

19. 래칫휠기어축지지대 20. 래칫휠기어

21. 발전기고정대 22. 인장스프링

23. 베어링연결테 24. 래칫휠기어이탈방지장치

25. 스토퍼 26. 동력전달기어이탈방지턱

27. 롤러 28. 소형인장스프링

32. 플라이휠 33. 전선

34. 와이어 36. 전선및와이어꼬임방지장치

52. 음극전선 53. 양극전선

54. 전선회전체 55. 원형기둥

56. 회전바퀴 57. 전선보호원판

58. 장치지지고정대 59. 브러쉬

60. 바퀴보호대 71. 본발명품

Claims (2)

1. 파도의 상하운동에너지를 이용하여 발전하는데 부양물체(11)들이 상승시에 작용한 에너지는 보조샤프트(17)와 베어링(18)으로 연결되는 부양물체고정봉(12)에 1차로 전달되고, 이와 ㄱ자형태로 고정되어있는 십수쌍의 동력전달기어고정봉(13)에, 이어 래칫휠기어(20)를 한 방향으로 돌리지만 하나의 래칫휠기어(20)에 상하로 한 쌍을 이루면서도 서로 반대의 힘을 가지고 있는 동시에 끊임없이 좌우의 세력균형을 이루게 하는 수십 개의 동력전달기어(14)에 순차적으로 전달되어 래칫휠기어(20)들을 돌리고, 이 래칫휠기어들이 고정되어있는 것과 동시에 보조샤프트(17)에 래칫휠기어축지지대(19)로 공중에 떠 있으면서 발전기(16) 및 플라이휠(32) 등도 메달려 있는 메인샤프트(15)로 전달되어 기어리스 발전기(16)를 구동시켜 발전을 하는데 있어서, 각 쌍의 동력전달기어고정봉(13)들이 인장스프링(22)으로 연결되어 발전기 및 플라이휠 등 본체를 공중으로 띄우고, 동력전달기어(14)와 래칫휠기어(20)가 이탈하는 것을 방지하기 위해 회전마찰을 적게 하는 롤러(27)와 소형인장스프링(28)을 장착한 래칫휠기어이탈방지장치(24)가 있고, 메인샤프트(15)와 장치지지고정대(58)로 지지되어 와이어와 전선의 꼬임을 방지하는 전선및와이어꼬임방지장치(36)가 설치된 것을 특징으로 하는 거미형태의 파력발전기.
2. 1항에 있어서 장치지지고정대(58)는 전선보호원판(57)과 고정되어 있는 상태로 통과하고 또한 바퀴보호대(60)와 이격되어 바퀴보호대(60)가 겉돌게 되고 바퀴 보호대(60) 안쪽에 회전바퀴(56)가 본연의 회전운동을 하여 꼬임방지를 위해 2중으로 안전장치 효과가 있으며, 또한 전선(33)이 꼬이는 것을 방지하기 위해 전선보호원판(57)이 설치되고 양극과 음극이 원판 내에서 계속 이어져 도너츠모양을 이루고 여기에 브러쉬(59)가 전선회전체(54)의 회전에 따라 같이 회전하여 전기가 계속 이어져 원형기둥(55)과 전선회전체(54)가 서로 고정되어 있어 같이 돌아 전선과 와이어가 동시에 꼬이지 않게 하는 전선및와이어꼬임방지장치(36)가 있는 것을 특징으로 하는 파력발전기.

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