KR20110075355A - 진동수주형 파력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파랑(波浪)에 의한 공기챔버 내의 공기 유동에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 진동수주(振動水柱)형 파력발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 공기챔버의 크기를 변화시켜, 공기챔버의 내부 부피, 바람직하게는 폭을 가변시킴으로서, 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 효율적으로 대응할 수 있는 진동수주형 파력발전장치에 관한 것이다.
특히 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 상관없이, 안정적으로 동력을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 고전력 밀도를 가질 수 있으며, 대양에 존재하는 풍력 에너지까지 포함하는 파력을 더욱 효율적으로 집적할 수 있다는 것이 장점이다.
파랑, 에너지, 진동수주, 공기챔버, 발전장치

Description

진동수주형 파력발전장치{Wave power generating apparatus of Oscillating water column type}
본 발명은 파랑에 의한 공기챔버 내의 공기 유동에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 진동수주형 파력발전장치에 관한 것으로, 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 효율적으로 대응할 수 있도록 하는 진동수주형 파력발전장치에 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 무한청정에너지라고 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 댐건설비 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.
이와 같은 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 쉽게 집적할 수 있다.
상기의 이점으로 인해 파력에너지를 이용한 발전기는 다양하게 개발되고 있으며, 대표적으로 진동수주형 파력발전장치가 있다.
상기 진동수주형 파력발전장치는, 파랑에 의해 공기챔버 내의 공기가 왕복운동하는 것을 이용하는 개념으로 파랑에너지를 공기의 유동에너지로 1차변환하고 이를 다시 공기 터빈을 사용하여 기계적인 회전에너지로 2차 변환하는 개념이 사용된다.
보다 구체적으로 도1은 종래기술에 따른 진동수주형 발전장치로서, 수면 높이변화에 따른 밀폐된 공간(공기 챔버)의 체적변화를 이용하여 공기터빈을 구동한다.
즉, 밀폐된 공간의 크기 등 그 자체가 변하여 체적이 변하는 것이 아닌, 수면 높이 변화에 따라 밀폐된 공간의 체적을 변화시키는 구조이다.
하지만 상기와 같은 종래의 진동수주형 파력장치는, 파랑에만 의존하여 공간 의 체적을 변화시킴으로서, 파랑의 상태에 따라 공기를 고압으로 압축할 수 없는 상황이 빈번하게 발생한다.
정리하면, 종래기술은 공기 챔버의 크기 등의 변화에 따라 체적이 변화하는 것이 아닌, 파랑의 상태에만 의존하여 그 체적이 변함에 따라, 파랑의 파고 파주기가 미미 할 경우, 동력을 발생시키지 못하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상기 공기챔버의 크기를 변화시켜, 공기챔버의 내부 부피, 바람직하게는 폭을 가변시킴으로서, 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 효율적으로 대응할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치를 제공함을 과제로 한다.
특히 본 발명은 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 상관없이, 안정적으로 동력을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 고전력 밀도를 가질 수 있으며, 대양에 존재하는 풍력 에너지까지 포함하는 파력을 더욱 효율적으로 집적할 수 있다는 점이 장점이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 파랑을 가지는 유체에 의해 하부가 마감되는 공기챔버를 구비하고, 파랑에 의한 공기챔버 내의 공기 유동에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 진동수주형 파력발전장치에 있어서, 상기 공기 챔버의 크기를 변화시켜, 공기 챔버의 내부 부피를 가변시키는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치를 제공한다.
한편, 상기 진동수주형 파력발전장치는, 기둥지지체 및 상기 기둥지지체의 상측에 고정되는 가변형 공기챔버를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 가변형 공기챔버는, 제 1챔버부 및 상기 제 1챔버부에 결합된 상태로 전·후진 이동하여 공기챔버의 내부 폭을 변화시키는 제 2챔버부를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 가변형 공기챔버는, 상기 제 2챔버부를 이동시키는 구동부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 가변형 공기챔버는, 파랑의 상태를 측정하는 파랑감지센서를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명에 따른 진동수주형 파력발전장치는 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 상관없이, 안정적으로 동력을 발생시킬 수 있고, 특히 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 상관없이, 안정적으로 동력을 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라 고전력 밀도를 가질 수 있으며, 대양에 존재하는 풍력 에너지까지 포함하는 파력을 더욱 효율적으로 집적할 수 있다는 것이 점이 장점이다.
상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 그 작용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 분해사시도로서, 본 발명은, 공기 챔버의 크기를 변화시켜, 공기 챔버의 내부 부피를 가변시키는 것을 특징으로 하는 것으로, 기둥지지체(10) 및 가변형 공기챔버(20)를 포함하여 구성된다.
상기 기둥지지체(10)는 후술되어질 가변형 공기챔버(20)를 해안의 암벽 등에 고정, 설치시키기 위한 지지체이다.
상기 가변형 공기챔버(20)는, 상기 기둥지지체(10)의 상측에 고정된 상태로 그 크기가 변하는 공기 챔버로서, 제 1챔버부(21) 및 제 2챔버부(22)를 포함하여 구성된다.
상기 제 1챔버부(21)는 상기 기둥지지체(10)에 고정된 상태로 구성되되, 상 기 기둥지지체(10)와 일체형 또는 분리형으로 구성될 수 있으며, 상부면에 통상의 노즐(21a)이 형성된다.
상기 노즐(21a)은 상기 가변형 공기챔버(20) 내에서 생성되는 압축공기를 통상의 공기터빈으로 공급하기 위한 통로로서, 후술되어질 제 2챔버부(22)가 완전 후진이동하였을 때 생기는 (제 2챔버부(22)와 제 1챔버부(21)의) 경계선을 기준으로 소정간격 이격되어(기둥지지체(10) 방향으로) 형성되는 것이 바람직하다.
상기 제 2챔버부(22)는, 상기 제 1챔버부(21)에 결합된 상태로 전·후진 이동하여 가변형 공기 챔버(20)의 폭(W)을 변화시키는 구성으로서, 상기 전·후진 이동을 위한 유압실린더 등, 별도의 구동부(30)가 구비될 수 있다.
한편, 상기 제 2챔버부(22)가 전·후진 이동함에 있어, 그 기준은 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 따른 것으로, 상기 파랑의 상태를 측정하기 위한 파랑감지센서(40)가 구비된다.
상기 파랑 감지센서(40)는 상기 제 2챔버부(22)의 전면부에 구성될 수 있으나, 파도에 의한 파손, 파도와 제 2챔버부(22)의 충돌에 의한 변수 등을 고려할 때, 상기 제 2챔버부(22)에서 전면부 방향으로 소정간격 이격되어 설치되는 것이 효과적이며, 도시된 바와 같이, 파랑에 대응하여 유동할 수 있도록 부유식으로 제 작, 설치되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 구동부(30)는 상기 파랑감지센서(40)에 의한 측정 값과 그에 따른 계산값에 반응하여 구동되며, 이를 통해 상기 제 2챔버부(22)를 전·후진 이동시킨다.
한편, 상기 파랑감지센서(40)에 의한 측정 값을 계산하기 위한 프로그램 및 상기 프로그램을 가동시키는 하드웨어 등은 상기 구동부(30) 내에 일체로 구성할 수 있으나, 해안가의 환경과 작업효율성 등을 고려할 때, 상기 파랑감지센서(40)와 구동부(30)를 제어하는 별도의 제어부를 두고, 타공간에서 상기 제어부를 모니터링하며 원격제어되도록 구성하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 작동과정을 나타낸 단면도로서, 이를 참조하여, 작동과정 및 작동원리를 살펴보면 다음과 같다.
(a) 파랑이 발생하면, 상기 제 2챔버부(22)의 정면에 소정간격 이격되어 설치된 파랑감지센서(40)에 의해 파고, 파주기 등을 측정한다.
(b) 상기 측정값은 제어부에 의해 계산(뉴튼-랩슨법(Newton-Raphson) 등)되어 가변형 공기챔버(20)의 적정 폭(W, 측정값 대비 가장 효율적으로 동력을 발생시킬 수 있는 폭) 범위가 설정되며, 상기 제어부를 통해 구동부(30)를 제어하여 상기 범위에 대응되게 제 2챔버부(22)가 전진 또는 후진하게 된다.
상기 제어부에 의해 공기챔버(20)의 폭(W)범위를 제어하기 위한 측정값의 계산법을 구체적으로 살펴보면,
(b1)파랑감지센서로부터 파주기[T(단위 초, s)]를 측정한다.
(b2) 상기 측정된 파주기로부터 주파수[f=1/T(단위 헤르츠, Hz)]를 구한다.
(b3) 상기 주파수로부터 각주파수[ω=2πf(단위, rad/s)]를 구한다.
(b4) 이후, 아래의 식을 이용하여 파의 분산성 관계를 파악하고,
Figure 112009080714777-PAT00001
위 식에서
g : 중력가속도
H : 수심
(b5) 상기 파악된 분산성 관계와 뉴튼-랩슨법(Newton-Raphson) 등을 이용하여 각주파수 ω 로부터 W(공기 챔버의 폭)를 구하고, 상기 값에 대응하여 제어부가 공기챔버(20)의 폭(W)범위를 제어하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기과 같이, 가변형 공기챔버(20)의 폭(W)을 변화시킴으로서, 파랑에 의한 파고, 파주기 등의 변화에 효율적으로 대응할 수 있게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 사시도로서, 상기 일 실시예(도 2 내지 도 4참조)로서, 제 2챔버부(22)가 상기 제 1챔버부(21)를 감싸는 형태의 실시예를 제안하였으나, 도 5에 도시된 바와 같이, 제 2챔버부(22')가 상기 제 1챔버부(21')에 삽착된 상태에서 전진 또는 후진이동 할 수 있도록 구성하는 것도 가능하며, 이외에도 상기 가변형 공기챔버(20)의 폭(W)을 변화시킬 수 있는 다양한 구성을 적용할 수 있다.
또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 종래기술에 따른 진동수주형 파력장치의 단면도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 분해사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 작동과정을 나타낸 단면도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동수주형 파력장치의 사시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기둥지지체 20 : 가변형 공기챔버
21 : 제 1챔버부 21a : 노즐
22 : 제 2챔버부 30 : 구동부
40 : 파랑감지센서

Claims (5)

  1. 파랑을 가지는 유체에 의해 하부면이 마감되는 공기챔버를 구비하고, 파랑에 의한 공기챔버 내의 공기 유동에너지를 이용하여 동력을 발생시키는 진동수주형 파력발전장치에 있어서,
    상기 공기 챔버의 크기를 변화시켜, 공기 챔버의 내부 부피를 가변시키는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 진동수주형 파력발전장치는,
    기둥지지체 및
    상기 기둥지지체의 상측에 고정되며, 그 크기가 변하는 가변형 공기챔버를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가변형 공기챔버는,
    제 1챔버부 및
    상기 제 1챔버부에 결합된 상태로 전·후진 이동하여 공기챔버의 내부 폭을 변화시키는 제 2챔버부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가변형 공기챔버는,
    상기 제 2챔버부를 이동시키는 구동부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 가변형 공기챔버는,
    파랑의 상태를 측정하는 파랑감지센서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 진동수주형 파력발전장치.
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