KR20110082367A - 그물형파력발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파도의 상하운동에너지를 이용하여 발전하는 파력발전에 관한 것으로서, 대부분의 부양물체를 이용한 파력발전은 그 수가 한계가 있기 때문에 전력생산량이 작을 수밖에 없어 수백 KW의 중형발전기 조차도 만들기가 다소 어렵다는 문제점을 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 파도의 상하운동에너지를 회전운동으로 변환하여 발전하는데 있어서 수십 수백 개의 부력물체(11)들이 파도에 의해 상승하게 되면 메인샤프트(13)를 돌리게 되고 메인샤프트(13)에 부착된 발전기(14)가 돌아가 전기를 생산하게 되는데, 한두 개의 발전기에 발전을 하도록 집중시켜 대형구조물을 만들 수 있어 대형발전기가 된다는 장점이 있다.
파력발전기를 대형화함으로써 생산원가를 낮출 수 있고 대형양식장을 만들어 어민들 공동으로 운영한다면 어민들의 소득이 배가될 것이며 3면이 바다인 우리나라의 이점을 최대한 살릴 수 있고 시설을 외국에 수출한다면 신재생에너지 산업에 큰 기여를 할 것 같다.

Description

그물형파력발전기 {wave power generator of net type}

본 발명은 파도의 상하운동에너지를 이용하여 발전하는 파력발전에 관한 것으로서, 발전과 양식업을 병행할 수 있는 시스템이다.

본 발명은 본 발명인이 특허출원한 출원번호 10-2009-0116345를 기초하여 발명하였는데 출원번호 10-2009-0116345은 다수 개의 부력체들을 이용하여 에너지화하는데 있어서, 부력체들의 수가 한계가 있지만 본 발명은 그 수를 거의 제한받지 않아 대형파력발전기를 만들 목적으로 발명한 것이다.

등록실용 20-0398651는 한 개의 부유물을 사용하기 때문에 부유물의 크기가 한계가 있기 때문에 전력생산량이 작을 수밖에 없는 문제점이 있다. 본 발명인이 특허출원한 출원번호 10-2009-0116345도 다수 개의 부력체들을 이용할 수 있지만 그 수가 한계가 있어 수백 KW의 대형발전기 조차도 만들기가 다소 어렵다는 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 파도의 상하운동에너지를 회전운동으로 변환하여 발전하는데 있어서 수십 수백 개의 부력물체(11)들이 파도에 의해 상승하게 되면 물속에 가로로 놓여있는 동력전달와이어(24)가 따라가게 되고 롤러(28)를 통과하여 이와 연결된 로우에지코그벨트(23)가 직접 메인샤프트(13)를 돌리게 되고 메인샤프트(13)에 부착된 발전기(14)가 돌아가 전기를 생산하게 된다.

에너지를 발생시키는 수많은 부력물체(11)를 띄워 그 부력물체들이 하나의 메인축에 힘을 전달하며 이와 연결된 한두 개의 발전기에 발전을 하게 하여 대형파력발전기가 된다는 것이 특징이다. 이렇게 함으로써 하나의 구조물로 된 대형파력발전기를 설치할 수 있을 뿐 아니라, 그 아래에는 양식업도 병행하게 해서 비용을 줄일 수 있어 일석 이조의 효과를 볼 수 있게 했다.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 수십 수백 개의 부유물체를 바다에 띄워 파도의 상하운동에너지를 전력으로 전환함과 동시에, 아래에서는 양식업을 병행할 수 있어 투자비용대비 효율이 높을 뿐 아니라 매우 생산적이다. 파력발전기를 대형화함으로써 생산원가를 낮출 수 있고 대형양식장을 어민들 공동으로 운영한다면 어민들의 소득이 배가될 것이며 3면이 바다인 우리나라의 이점을 최대한 살릴 수 있고 시설을 외국에 수출한다면 신재생에너지 산업에서 한발 앞서 나갈 것이다.

어민들의 소득을 높일 수 있어 장차 유망산업이 될 것 같다.

성장 적정온도에 맞게 이동이 가능하고 먹이가 풍부한 곳으로도 옮겨다닐 수 있다는 장점이 있다. 파력자원이 풍부한 서해안 남해안 제주도 등 대륙붕에 설치한다면 도서지방이나 해안지방의 전력을 감당하는 것은 물론 내륙지방에 송전도 할 수 있어 조만간 다가올 피크오일의 대비책으로 최상의 방책이 될 것이다.

도 1은 위에서 본 평면도
도 2는 발전기(14)를 중심으로 한 측면도 및 롤러(28)주위의 상세도
도 3은 동력전달와이어(24)의 배열을 중심으로 한 부분 평면도
도 4는 메인샤프트(13)를 중심으로 한 상세도 및 배치도
도 5는 로우에지코그벨트(23)를 중심으로 한 상세도
도 6은 파도가 칠 때의 개략적인 측면도
도 7은 본 발명품(71)이 군락을 지은 배치도
도 8은 먼바다 양식장과 파력발전을 병행하는 측면도
도 9는 양식장과 파력발전을 병행하는 평면도
도 10은 메인샤프트(13)와 발전기(14) 주위의 상세도 및 단면도
도 11은 공기파이프(12), 보조축지지대(115) 및 십자엘보(113)의 상세도
도 12는 래칫휠기어(42)와 로우에지코그벨트(23)의 상세단면도

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 위에서 본 평면도로서, 공기가 들어있는 부양물체(11)가 파도의 영향으로 상승하게 되면 거기에 연결된 와이어를 통해 메인샤프트(13)를 돌리게 되고 메인샤프트(13)에 부착된 발전기(14)가 돌아가 전기를 생산하는 구조인데 자세한 작동원리는 도 2에서 설명한다. 부양물체(11)가 일정한 간격으로 배치되게 하기 위해 공기파이프(12)를 바둑판처럼 배열하는데, 공기파이프(12)는 압축공기가 내부에 들어 있어 물속에 있어도 자체적으로 부력이 있지만 각종설비의 무게에 의해 물속에 일정깊이로 배열하게 한다.

또한 공기파이프(12)가 항상 일정깊이에 배열되도록 파이프부양체(16)로 조절할 수 있도록 하며 공기파이프(12) 두께를 굵게 하여 각종시설의 무게를 지탱하고도 공기파이프(12)가 물에 뜨게 하여 파이프부양체를 사용하지 않을 수도 있지만 그렇게 되면 효율이 절반밖에 나오지 않기 때문에 그리해서는 안 된다. 단, 점선으로 된 부양물체 11c처럼 공기파이프(12)의 가운데에 위치하고 도 2의 왼쪽 점선의 부양물체 11c처럼 아래로 내리고 보조축지지대 C를 설치하고 또 동력전달와이어 24c처럼 설치한다고 하더라도 수면에 떠있는 공기파이프(12)가 파도를 쇠퇴시키므로 효율이 많이 떨어질 것이다. 하지만 아래에 양식업을 하는 데에는 좋은 것이다.

발전기가 있는 부분은 발전기 아래에 자체적인 4각형의 발전기부양체(17)를 만드는 것은 물론, 메인샤프트(13) 주위와 아래에 각종 장치들이 많기 때문에 파이프부양체 16a처럼 더 크게 만들고 필요시 점선부분 A와 B처럼 부력체를 추가하여 침수를 방지할 수 있다.

이 시설을 고정하기 위해서는 장치가 필요한데 고정용와이어(15)는 계류장치용 와이어이며 폭풍 등의 높은 파도에 대비해 다소 인장이 되도록 설계할 필요가 있다. 이 그림에서 부양물체(11)들이 서로 가깝게 배치되어 있는데 실제로는 충분히 간격을 둘 필요가 있다.

도 2는 발전기(14)를 중심으로 한 측면도 및 롤러(28)주위의 상세도로서, 부력물체(11)가 파도에 의해 상승하게 되면 동력전달와이어(24)가 따라가게 되고 좌우 점선의 원 내의 롤러(28)를 지나 가운데 점선의 원 내의 동력전달와이어(24)처럼 위로 연결되고 여기에 이와 연결된 로우에지코그벨트(23)가 직접 메인샤프트(13)를 돌리게 되고 메인샤프트(13)에 부착된 발전기(14)가 돌아가 전기를 생산하게 된다. 로우에지코그벨트(23)는 자체 무게도 있어 부력물체(11)가 파도의 하강함에 따라 내려가게 되면 그림처럼 V자 형상을 하려하기도 하지만 무게가 있는 무게추(26)를 달아 빠른 복귀를 하게 한다.

도 5의 상세도에서 보듯이 발전기를 돌리는 동력전달와이어(24)는 동력을 전달하는데 있어서 효율을 높이도록 하기 위해 발전기가 있는 부분의 A지점에서 로우에지코그벨트(23)와 연결한다. 파이프유지평판(25)은 부력물체(11)가 파도의 힘을 받아 순간적으로 위로 솟구칠 때 공기파이프(12)가 들리는 것을 방지해 에너지 전달을 극대화하기 위한 것이다. 메인샤프트지지대(22)는 보조축(29)과 메인샤프트(13)가 항상 일정한 간격을 유지하기 위한 다수의 지지대들이다.

좌우 원내의 롤러(28)는 공기파이프(12)에 설치해도 되고 도 11-a처럼 짧은 보조축을 하나 만들어 끼워도 되며, 가운데 원내의 롤러(28)는 필요시 공기파이프(12)보다 더 단단한 보조축(29)을 만들어 끼우고 동력전달와이어(24)가 통과하도록 한다. 여기서의 보조축(29)은 공기파이프(12)와 비슷하지만 좀 더 단단해야 하며 보조축(29) 스스로 회전은 하지 않고 회전하는 다수의 롤러(28)가 감싸고 있는 고정축이다. 보조축(29)을 두 개 그린 이유는 원래는 하나만 필요하지만, 부력물체(11)의 숫자가 많아 롤러(28)를 배치할 공간이 없을 경우에 두 개의 보조축(29)을 배치할 수 있다는 의미에서 그려놓은 것이며, 이 경우 보조축은 서로 반대방향으로 돌게 된다. 로우에지코그벨트(23)는 동력전달와이어(24)의 작동이 멈출 때 A의 위치까지 오게 되며, 작동이 시작되면 아래로 내려가게 된다.

도 3은 동력전달와이어(24)의 배열을 중심으로 한 부분 평면도로서, 파도의 상하운동에너지로 인해 상하 운동을 하는 부력물체(11)에 고정된 동력전달와이어(24)가 왕복운동을 하게 되는데, 좌우 동력전달와이어(24) 모두 각각 보조축(29) 아래에 위치하고 도 2의 상세도 중 가운데 그림의 24a 24b처럼 롤러를 지나 위로 향하게 된다. 도 3 역시 가능성은 낮지만 두 개의 보조축(29)을 배치했고 동력전달와이어(24)들이 파도에 의해 서로 꼬이지 않도록 하며 서로 부딪히면서 마찰이 발생하지 않도록 충분히 거리를 유지하는 것이 필요하다.

도 4는 메인샤프트(13)를 중심으로 한 상세도 및 배치도로서, 4-a와 4-c는 메인샤프트(13)의 배치방법을 그린 것이며 4-b는 메인샤프트(13)에 동력전달와이어(24)가 지나가는 래칫휠기어(42)와 고정용베어링(43)이 부착된 단면도이다. 4-a는 메인샤프트(13)들이 k처럼 고리로 일직선상에 놓여 있는 그림이며 4-c는 이어지는 메인샤프트(13)들이 서로 일직선상에 위치하지 않아 기어 f로 서로 맞물려 있어 회전방향이 반대인 경우이다.

이 경우는 로우에지코그벨트(23)가 서로 반대 방향으로 배치하도록 설계해야 하며, 그림은 발전기(14)를 하나 사용할 경우를 그린 것인데 두 개를 사용한다면 도 10-c처럼 중간에 발전기를 배치할 수 있다. 고정용베어링(43)은 메인샤프트지지대(22)를 고정하기 위해 존재하며 메인샤프트지지대(22)는 수직으로 공기파이프(12) 등과 고정된다.

도 5는 로우에지코그벨트(23)를 중심으로 한 상세도로서, 로우에지코그벨트(23)의 복원을 위한 방법이 두 가지인데 5-a는 무게추(26)의 중력을 이용하여 로우에지코그벨트(23)를 늘어 뜨려 동력전달와이어(24)가 아래의 화살표방향으로 당겨지면 이에 고정된 로우에지코그벨트(23)가 따라가게 되고 이어 무게추(26)도 위쪽으로 올라간 후에 다시 동력전달와이어(24)가 반대로 이동하면 무게추(26)가 제자리로 복귀하는 방법이고, 5-b는 태엽스프링(51)을 이용하여 로우에지코그벨트(23)를 감았다 늦췄다 하여 에너지를 전달하는 방법이다.

5-a는 무게추(26)가 충분히 무겁지 않으면 큰 폭풍으로 인한 파도로 내려가야 할 때에 위로 올라가게 되어 본연의 기능을 담당하기 힘들 수 있으며, 5-b의 경우는 태엽스프링(51)의 길이가 로우에지코그벨트(23)보다 길어야 하며 파도의 높이를 고려하여 충분히 길게 설계해야 한다. 무게추(26)나 태엽스프링(51) 모두 로우에지코그벨트(23) 수만큼 배치해야 하며, 특히 태엽스프링(51)은 염분에 강하고 녹이 슬지 않는 재질로 처리해야 한다. 도 5-a의 B는 발전기 외피의 회전을 방지하기 위한 지지대로 가볍고 견고한 구조물로 만들어야 한다. 이처럼 발전기 외피의 회전을 방지하기 위해 메인샤프트지지대(22)에도 이중으로 고정시킨다.

도 6은 파도가 칠 때의 개략적인 측면도로서, 부력물체(11)들이 파도의 상하운동으로 발전하고 있는 측면도인데, 세력균형을 위해 좌우가 각각 대칭을 이루고 있는 구조라는 것을 알 수 있으며, 부력물체(11) 한두 개를 보면 양쪽의 균형이 이루어지지 않지만 다수의 부력물체(11)가 있을 경우는 일정한 속도로 메인샤프트(13)을 돌린다. 부력물체(11)들은 상하로 움직이지만 파이프부양체(16)들은 거의 움직이지 않게 설계한다.

그림처럼 파이프부양체(16)가 파도에 순간적으로 반응하지 않은 것은 공기파이프(12)가 비교적 단단하고 거의 탄력이 없기 때문이다. 파이프부양체(16)체들의 숫자가 아주 많기 때문에 파도가 있을 때 평균적인 수면의 높이는 파도가 없을 때와 거의 같게 된다. 파이프부양체(16)가 없이 공기파이프(12)만 존재한다면 당연히 가라앉게 되기 때문에 파이프부양체(16)가 3분의 2 가량 물에 잠기도록 설계하는 것이 좋을 것이다.

도 7은 본 발명품(71)이 군락을 지은 배치도로서, 일정한 배열을 통해 배치한 후 밑에는 어망을 설치해 단독 어장을 해도 된다.

도 8은 먼바다 양식장과 파력발전을 병행하는 측면도로서, 도 7의 경우에 적합할 것 같다. 위에서는 파력발전을 하면서 공기파이프(12)에 그물망(81)을 고정시키고 아래로 그물망을 설치해 물고기(82)를 양식하는 구조이며 실제로는 메인샤프트(13)가 좀 더 높이 위치할 것이다. 수면a는 파도가 없을 때이고 수면b는 파도가 칠 때이며 파도로 인한 물고기의 유실을 막기 위해 b처럼 그물을 위로 충분히 올린다. d처럼 인공수초를 띄워 고기들의 서식처를 마련하고 인공어초를 마련해주어 작은 물고기들도 서식하게 한다면 서식환경이 좋아져 자연산에 가까운 양식을 할 수 있을 것 같다.

도 9는 양식장과 파력발전을 병행하는 평면도로서, 도 8에서 설명했던 파력발전을 하는 본 발명품(71) 부분인 a가 양식장으로 활용되는 것은 물론, b c d e f 모두 양식장으로도 활용되기 때문에 큰 시설비 투자없이도 발전도 하며 양식도 할 수 있는 구조이다. 앞으로의 어업은 양식의 중요성이 갈수록 커지기 때문에 적은 투자비용으로 먼바다 양식을 하는 것이 중요할 것 같다. d e f에는 큰 고기를 양식하고 a b c는 작은 물고기를 기를 수 있는 어망을 갖추어 양식한다면 바로 양식장에서 바다에 있는 먹이를 일부 해결할 수 있고 인근 해안에서 먹이용 물고기를 조달한다면 비용절감에 크게 도움이 될 것이다.

도 10은 메인샤프트(13)와 발전기(14) 주위의 상세도 및 단면도로서, 10-a는 발전기가 메인샤프트(13) 하단에 위치한 경우를 그린 단면도로 발전기가 메인샤프트(13)에 위치하고 있다는 것은 비용이 더들어가기 때문에 발전기(14)를 발전기부양체(17) 바로 위에 두었으며, 증속장치가 필요하다면 증속기를 설치하며 발전기(14)를 두 개 설치하게 되면 발전기부양체(17)의 부담을 덜어주고 이 발전기(14)에 벨트(102)가 메인샤프트(13)의 동력을 전달한다.

10-b는 발전기(14)가 메인샤프트(13)하단에 설치될 경우의 발전기 주위의 롤러(28), 동력전달와이어(24) 등의 상세도를 그린 것으로 발전기가 있는 부분만 롤러(28), 동력전달와이어(24) 등의 위치가 다르며 롤러(28)가 좌우 위쪽에 하나씩 더 필요하다. 발전기부양체(17)가 공기파이프(12)와 따로 움직이게 되면 동력전달와이어(24)가 이탈될 수 있고 동력도 제대로 전달이 되지 않기 때문에 둘을 고정시켜 같이 상하로 움직이게 해야 한다.

10-c는 발전기가 메인샤프트(13)에 위치하고 있기는 하지만 하중의 부담을 줄이기 위해 발전기를 축소시켜 양쪽 중간에 두 개를 설치한 경우를 그린 것이다. 4-c는 발전기가 한 대가 있는 경우이며 이와 비교하면 이해가 쉬울 것이다.

도 11은 공기파이프(12), 보조축지지대(115) 및 십자엘보(113)의 상세도로서, 11-a는 공기파이프(12)와 보조축지지대(115)를 상세하게 그린 것이며 공기파이프(12)의 양 끝 a와 b는 서로 끼울 수 있고 11-b의 십자엘보(113)와도 서로 끼우게 된다. 공기파이프(12) 내부에 다수의 공기주머니(111)가 있어 공기나 가스를 넣어 자체적으로 물 위에 뜨게 되며 파손시 교체를 쉽게 하기 위해 십자엘보(113)를 사용하며, 공기파이프(12)를 연결하는데 있어서 공기파이프(12)나 십자엘보(113)의 a부분은 공기파이프(12) b부분의 절반인 표시선 c까지만 넣어 나사구멍(112)에 볼트를 넣어 조여서 빠지지 않도록 고정한다.

또한 공기파이프(12)의 지름이 커질 경우 롤러(28)를 끼우기 어려워질 것이므로 보조축지지대(115)를 만들어 롤러(28)를 설치하게 된다. 파이프보조축(116)은 보조축지지대(115)가 헐거워질 수 있다는 점을 고려하여 항상 동력전달와이어(24)의 힘의 중심에 위치하게 해야 한다.

11-b는 십자엘보(113)와 공기파이프(12)의 연결상태를 그린 것으로 십자엘보(113) 내부의 d는 밀폐시켜 공기를 넣는다. 십자엘보(113) a부분에 공기파이프(12) b부분의 절반만 넣는 이유는 파손시 보수관리가 편리하도록 하기 위함이기 때문에 충분히 강한 구조로 만들어야 한다.

도 12는 래칫휠기어(42)와 로우에지코그벨트(23)의 상세단면도로서, 12-a는 래칫휠기어(42)와 로우에지코그벨트(23)가 맞물려 작동하고 있는 개략적인 단면도이며 로우에지코그벨트(23)가 아래로 내려가게 되면 힘이 작동되고 위로 올라갈 때는 래칫휠기어(42)의 특성상 헛돌게 된다.

12-b는 메인샤프트(13)에 로우에지코그벨트(23) 숫자만큼 래칫휠기어(42)가 설치되어 있는 것을 보여주는 단면도이고 12-c는 로우에지코그벨트(23)를 그린 것이다.

11. 부력물체 12. 공기파이프
13. 메인샤프트 14. 발전기
15. 고정용와이어 16. 파이프부양체
17. 발전기부양체 22. 메인샤프트지지대
23. 로우에지코그벨트 24. 동력전달와이어
25. 파이프유지평판 26. 무게추
28. 롤러 29. 보조축
42. 래칫휠기어 43. 고정용베어링
51. 태엽스프링 54. 인장스프링
71. 본 발명품 81. 그물
82. 물고기 102. 벨트
111. 공기주머니 112. 나사구멍
113. 십자엘보 115. 보조축지지대
116. 파이프보조축

Claims (2)

1. 파도의 상하운동에너지를 이용하여 발전하는데 있어서 부력물체(11)가 파도에 의해 상승하게 되면 이와 연결된 동력전달와이어(24)가 따라가게 되고, 그물처럼 서로 얽혀 있는 공기파이프(12)에 직접 또는 보조축(29)을 만들어 롤러(28)를 끼우고, 동력전달와이어(24)가 이 롤러(28)를 지나 동력전달와이어(24)와 연결된 로우에지코그벨트(23)들이 래칫휠기어(42)들을 끊임없이 번갈아가며 돌리고, 일을 마친 이 로우에지코그벨트(23)는 다시 제자리로 돌아가는 방법은 무게추(26)의 중력을 이용하는 방법과 태엽스프링(51)을 이용하여 로우에지코그벨트(23)를 감았다 늦췄다 하는 방법이 있으며, 래칫휠기어(42)들과 고정되어 공중에 높이 올라가 있는 메인샤프트(13)들이 고리나 기어로 서로 연결되어 있어 같이 회전하게 되고 이 메인샤프트(13)에 직접 부착되거나 벨트나 체인으로 부착된 발전기(14)가 돌아가 전력을 생산함과 동시에, 아래에는 공기파이프(12)에 그물망(81)을 고정시키고 아래로 그물망을 설치해서 물고기(82)를 양식하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 그물형파력발전기.
2. 1항에 있어서 부력물체(11)가 파도의 힘을 받아 순간적으로 위로 솟구칠 때 공기파이프(12)가 들리는 것을 방지해 파이프유지평판(25)을 설치해 에너지 전달을 극대화하고, 공기파이프(12) 내부에 다수의 공기주머니(111)가 있어서 공기나 가스를 넣어 자체적으로 부양할 수 있는 공기파이프(12)의 양 끝을 서로 끼울 수 있고 또한 십자엘보(113)와도 서로 끼워 나사구멍(112)에 볼트를 조여 연결할 수 있는 구조를 갖고, 공기파이프(12)의 부양기능을 돕는 발전기부양체(17)가 있는 것을 특징으로 하는 그물형파력발전기.

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