KR20120004055A

KR20120004055A - 소형 조류 전기 발생 장치

Info

Publication number: KR20120004055A
Application number: KR1020100064706A
Authority: KR
Inventors: 임성호
Original assignee: 임성호
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-12

Abstract

본 발명은 서해와 같이 조류 변화가 크고, 깊이가 낮으며, 조업 활동이 활발하게 이루어지고 있고, 태풍의 영향을 자주 받는 바다에 운용되는 소형 센서 및 제어 장치에 자체적 발전 수단을 제공하는 방법을 제시한다. 본 발명에서는 쌍끌이 어선의 그물, 물고기 공격, 태풍에 의한 물의 강한 흔들림 등에도 훼손되지 않는 구조로 구현하였으며, 작은 세기의 조류에 대해서도 전기를 발생시키면서도 쎈 물살에 잘 버틸수 있는 구조로 구현하였으며, 특히 부유물 및 해조류 등에 의하여 1개의 회전체가 멈추더라도 전력을 지속적으로 얻을 수 있도록 다중화 회전체를 작은 공간에서도 구현할 수 있도록 하는 방법을 제시하였다. 또한 조류의 방향에 자동적으로 편향하고, 아울러 약한 조류에도 최대한의 회전력을 얻을 수 있도록 하며, 강한 조류 및 강한 파동에도 훼손되지 않는 소형 발전기용 회전자를 구현하였다. 또한 여러 개의 회전자에서 발생한 전기를 합하여 충전하도록 충전 소스의 다중화를 구현하여 바다 속의 센서에 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 하였다.
해저용 소형 전기 발생장치는 SONAR 센서 외에도, 초음파 통신 및 중계 장치, 제어 및 기폭장치에 모두 적용될 수 있는 기술로, 본 발명은 서해 및 남해 바다는 물론, 조류가 세고 바다 깊이가 깊지 않은 다른 나라 해역도 적용 가능하다.

Description

소형 조류 전기 발생 장치 {A SMALL HYDRO GENERATOR USING OF A TIDE}

본 발명은, 바다 바닥에 설치된 소형 센서 및 제어 장치들의 전원을 자체적으로 충당하도록 하기 위해, 바다 바닥에서 흐르는 조류를 이용한, 소형 발전기 구현 기술에 대한 것이다.

바다밑에 설치된 장치에 전원 공급은, 주전원에 케이블을 연결하거나, 밧데리를 이용하는 방식으로 이루어지고 있다. 주전원에서 멀리 떨어진 지점에서 케이블로 연결하여 전원을 공급받는 것은, 비용 및 안전성에 상당한 문제가 있으며, 밧데리를 이용하여 전원을 공급받는 것은, 제한된 운용시간이 크게 문제가 된다.

파도를 이용하거나 조석 및 조류를 이용한 발전기도 기존에 이미 설치하여 운영중에 있으나, 대형 발전을 목적으로 하여 제작된 것이어서 소형 장치에 적용하기에는 부적합하다.

따라서 바다밑에서 장기간 작동을 해야하는 소형 센서 및 제어 장치에, 전원을 자체적으로 충당할 수 있도록 하는 수단이 필요하다.

본 발명에서는, 바다밑에서 장기간 작동을 해야하는 소형 센서 및 제어 장치에, 전원을 자체적으로 충당할 수 있도록 하는 수단을 제공하고자, 바닥 밑에서 소규모로 전기를 발생시킬 수 있는 방법을 찾고자 하였다.

상기 전기 발생 장치를 구현하는데 있어서, 우리나라의 서해와 같이 열악한 조건의 바다에도 적용할 수 있도록 하고자,

첫째로 쌍끌이 어선의 그물, 물고기에 의한 충격 및 태풍에 의한 물의 강한 흔들림 등에도 훼손되지 않는 구조를 갖도록 하며,

둘째로 상기 구조를 최대한 활용하며, 조류의 방향에 자동적으로 편향되며, 아울러 약한 조류에도 최대한의 회전력을 얻을 수 있도록 하며, 강한 조류 및 강한 파동에도 훼손되지 않으며, 지속적인 회전에도 불구하고 회전체의 고장이 적도록 하며,

세째로 부유물 및 해조류 등에 의하여 1개의 회전체가 멈추더라도 전력을 지속적으로 얻을 수 있도록 하여, 바다 속의 센서 및 제어 장치에 안정적으로 전력을 공급하도록 하고자 하였다.

또한 네째로 또한 유지보수 비용 및 시간을 줄이기 위한 방법을 찾고자 하였다.

본 발명에서는, 첫째로 상기 외력에 의해 훼손되지 않도록 하기 위하여, 반구 모양의 모기장 형태의 망으로 보호 덮개를 한 구조를 갖도록 하였으며, 회전체는 보호망 내에 있으면서도 조류의 흐름을 최대한 이용할 수 있도록 하였다.

둘째로 회전체는 보호망 구조에 맞게, 아래 수평축은 길게 하고, 중간 수평축은 중간 길이로 하고, 맨 위 수평축은 짧게 구현하여, 회전체들 상호 간 및 보호망에 기계적인 간섭이 생기지 않도록 하였으며, 또한 강한 물살에 의해서 축이 흔들리더라도 기계적 훼손이 적고 조류의 작은 흐름에도 회전체가 회전할 수 있도록 회전체를 유선형 몸체에 나선형 나사산을 갖도록 하였으며, 또한 조류의 방향에 자동적으로 편향되도록 회전체 끝 부분의 수평축에는 방향타 갖도록 하며, 지속적인 회전에도 불구하고 고장이 적게 발생하도록 회전자 역할은 영구자석이 하고 권선 코일은 고정자 역할을 하도록 하였다.

세째로 각 회전체 내에는 소형 발전기를 개별적으로 두며, 각 회전축은 개별적으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하며, 회전체를 여러 개 사용하며, 각 회전체들은 서로 개별적으로 작동하며, 여러 개의 회전체에서 발생한 전기는 합하여 충전하도록 하여, 부유물 및 해조류에 의하여 하나의 회전체 또는 회전축의 회전이 멈추더라도, 다른 회전체 및 회전축은 정상적으로 동작하도록 하였다.

네째로 바다 바닥에 설치된 장치가 부유물에 묻히는 것을 방지하고, 수평자세를 계속적으로 유지할 수 있도록 MEMS 가속도 및 각속도 센서로 감지하고 모터 및 기어를 이용하여 자세 보정을 자동으로 하도록 하였다.

본 발명은 서해와 같이 낮은 바다에 설치된 센서 및 소형 장치에 자체적으로 전원을 공급하려는 방법을 제시한 것으로, 외력에 의해 훼손되지 않으며, 작은 물살에도 효율적으로 전기를 발생시킬 수 있으며, 아울러 쎈 물살에 잘 견딜 수 있으며, 부유물 및 해조류 등에 의하여 1개의 회전체가 멈추더라도 전력을 지속적으로 공급할 수 있는 장치이다.

따라서 본 발명은 바다 밑의 감시 및 경계 또는 연구 및 자원 개발 등의 목적으로 사용되는 소형 센서나 제어 장치에 매우 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

또한 케이블에 의한 전원 공급으로 인한 훼손 및 노출 문제, 또는 밧데리 사용시간 제약에 따른 유지보수 시간 및 비용 등의 문제로 인하여, 그동안 사용에 제약을 받아왔던 소형 센서 및 제어 장치가 크게 활성화될 것으로 판단되며, 더 나아가서는 서해 바다의 대잠수함 감시와 해저의 자원 개발에 크게 도움이 될 것이다.

도 1은 소형 전기 발생 장치의 회전체 및 지지장치를 나타낸 입면도이다.
도 2는 소형 전기 발생 장치의 회전체 및 지지장치에 대한 분해평면도이다.
도 3은 소형 전기 발생 장치의 회전체에 대한 상세도이다.
도 4는 소형 전기 발생 장치의 보호망, 베이스, 고정장치를 나타낸 그림이다.
도 5는 소형 전기 발생 장치의 블럭도이다.
도 6은 발전기의 수직 절단면을 나타낸 그림이다.
도 7은 다이오드를 이용하여 여러 발전기로 부터 전기 합하여 전원공급기로 보내는 방법을 나타낸 그림이다.

바다의 감시 및 경계, 연구 및 자원 개발 등의 목적으로, 소형 센서 및 제어 장치가 운용 및 검토되고 있으며, 이때 전원 공급이 큰 문제가 된다. 특히 서해와 같이 조업과 감시 경계가 동시에 이루어지고 있으며, 조류 변화 및 태풍이 많은 해역에서는 더욱더 그렇다. 상기 소형 장치들은 전원공급이 필수적으로 이루어져야 하며, 현재로서는 전원을 케이블로 직접 공급하거나 밧데리로 공급하는 상태여서, 케이블에 의한 전원 공급으로 인한 훼손 및 노출, 또는 밧데리 사용 시간 제약에 따른 유지보수 시간 및 비용 등이 크게 문제가 된다. 따라서 자체적으로 전력 공급을 할 소형 발전기가 필수적으로 소요된다.

본 발명에서는 서해와 같이 조류 변화가 크고 수심이 낮으며, 조업 활동이 활발하게 이루어지고 있으며, 태풍의 영향을 자주 받는 바다에서, 바다 바닥에서 작동하는 소형 센서 및 제어 장치에 자체적으로 전원을 공급할 수 있는 수단을 제공한다.

도 4는 본 발명에 의한 일 실시 예인 보호망 및 베이스와 고정장치를 도시한 그림이다. 보호망(401)은 회전체 및 전원공급 대상체를 보호하기 위한 장치로, 도 4에서 나타나는 바와 같이, 쌍끌이 어선의 그물, 물고기에 의한 충격, 태풍에 의한 물의 강한 흔들림 등에도 훼손되지 않도록 반구 모양의 구조를 가지며, 조류의 흐름에는 지장을 주지 않도록 모기장 형태의 구조를 갖는다. 따라서 회전체는 보호망 내에 외력으로 부터 보호를 받으면서도 조류의 흐름을 최대한 이용할 수 있다. 보호망(401)의 중앙 상단에는 초음파 진동자를 장착할 수 있도록 하여, 센서 및 제어 장치의 초음파 송수신기가 회전체 및 보호망에 의해서 영향을 받지 않도록 한다.

보호망(401)의 바닥면 즉 베이스(402) 윗면은, 둥글게 구현하여 침전물이 덜 쌓이도록 하며, 베이스(402)는 3축 제어가 가능하도록 하여 높낮이 조절 및 평형을 유지할 수 있도록 한다. 수평자세는 2축 MEMS 각속도 센서로 감지하며, 수직축으로의 움직임은 1축 MEMS 가속도 센서로 감지한다. MICRO CONTROLLER를 베이스(402) 내에 두어 상기 센서에서 보낸 신호를 적분하여 수평 자세 및 높이를 적절하게 유지하도록 한다. 높이는 외력에 의한 영향을 가장 적게 받도록 바닥면에 최대한 가까이 위치하도록 하며, 수평 자세는 조류 흐름을 최대로 이용하기 위하여 수평을 유지하는 자세를 항상 유지하도록 한다. 만일 본 장치가 외력에 의하여 기울어지면 2축 MEMS 각속도 센서가 이를 감지하고, MICRO CONTROLLER는 감지한 자세값을 가지고 베이스(402) 내의 모터 및 기어 장치를 구동하여 수평 자세를 취하도록 한다.

또한 베이스(402)는 그물에 걸리지 않도록 측면에 보호막을 도 4와 같이 두며, 주름을 갖도록 하여, 높낮이 및 수평 자세 변화 시에도 내측면이 외부에 노출되지 않도록 한다. 베이스(402)는 바다 바닥에 박은 고정장치(403)에 고정하며, 보호망(401)은 베이스(402) 위에 고정한다.

도 1은 회전체 전체를 앞에서 바라본 입면도이다. 도 1의 지지대(101)는 베이스(402)에 고정되며, 수직축(103)은 지지대(101)에 고정되고, 수평축(102,106, 107)은 수직축(103)에 지지를 받으며 베어링으로 연결되어 수직축(103)을 중심으로하여 좌우로 회전할 수 있도록 한다. 수직축(103)을 중심으로 한 회전운동은 조류에 방향에 편승하기 위한 움직임이며, 각 수평축(102, 106, 107)의 꼬리 부분에 있는 방향타(105,110,111)에 의하여 조류 방향으로 자동적으로 편향한다.

각 회전체(104,108,109)는 수평축(102, 106, 107)에 지지를 받으며 각축에 베어링으로 연결되어 각 수평축(102,106,107)을 중심으로 회전한다. 각 회전체에 의해서 발생한 전기는 회전체 및 수평축이 고장 났을 때 다른 회전체에 의해서 발생된 전기를 원활하게 이용할 수 있도록, 각각 개별적 회로로 전원공급기(502)에 연결한다.

또한 회전체는 보호망(401) 내부 구조에 맞게, 맨 아랫부분의 수평축(102)은 가장 길게 하고, 중간부분의 수평축(106)은 중간 길이로 하고, 맨 윗부분의 수평축(107)은 가장 짧게 구현하여, 회전체(104,108,109)들 상호 간 및 보호망(401)에 기계적인 간섭이 생기지 않도록 한다.

도 3은 회전체를 좀더 상세하게 나타낸 그림으로, 도 1의 수평축에 대한 상세도이다. 강한 물살에 의해서 축이 흔들리더라도 기계적 훼손이 적으며, 조류의 작은 흐름에도 회전체가 회전할 수 있도록 하기 위하여, 회전체(304)를 유선형 몸체에 나선형 나사산을 갖는 구조를 갖도록 한다.

도 3의 회전체(304) 내부의 발전기에 대한 상세도는 도 6과 같다. 도 6과 같이 영구자석(601)을 회전체 내벽에 두어 발전기의 회전자 역할을 하도록 하며, 내축에는 철심(602)에 권선(603)을 감아서 고정자 역할을 하도록 한다. 발전기의 고정자를 지지하는 604는 수평축에 고정되며, 영구자석(601)을 붙인 회전자는 베어링으로 연결하여 수평축에 지지를 받는다. 일반적으로 발전기에서 권선을 감은 쪽은 회전자로, 영구자석은 고정자로 주로 사용하나, 본 발명에서는 유지보수를 최소화하기 위하여, 바다물속에서 전기적인 접점 노출을 최소화하기 위해서 회전자와 고정자의 역할을 역으로 사용하였다.

회전체(304)의 회전에 의해 발생된 전기는 수직축(301)과 수평축(303) 간의 전기적 접점을 통하여 베이스에 전달한다. 이때 누전되지 않도록 수직축(301)과 수평축(303) 사이는 방수처리 한다. 도 1에서 회전체의 수평축은 3개가 각각 개별적으로 움직이므로, 상기 수직축(301)과 수평축(303)에 대한 방수 처리를 3축에 대해서 동일하게 적용한다.

도 2는 회전체들(203,207,209,212,214,215)의 평면도를 나타낸 그림이다. 도 2에서 나타나는 바와 같이, 작은 세기의 조류에 대해서도 전기를 발생시키면서도 쎈 물살에 잘 버틸 수 있도록 소형 회전체를 다수로 둔다. 따라서 특히 부유물 및 식물 등에 의하여 1개의 회전체가 멈추더라도 전력을 지속적으로 얻을 수 있도록 2개 또는 그 이상의 회전체를 작은 공간에서도 구현할 수 있도록 한다. 회전체는 도 2와 같이 다 사용할 수도 있고 일부만 사용할 수도 있으며, 2개에서 6까지 필요에 따라 선택 가능하다. 도 2는 회전체 6개를 모두 나타낸 그림이다. 회전체는 외력에 의한 충격으로부터 보호하기 위하여 보호망 내에 두어야 하며, 보호망 내에서 공간을 최대로 활용하면서도 회전체의 다중화를 구현하기 위하여, 도 2에 도시한 바와 같이 가장 윗부분에는 회전체(203)를 1개 만 두고 수평축(202)의 길이도 짧게하며, 두번째 회전체(207, 209)는 첫번째 회전체(203)와 간섭이 발생하지 않도록 수평축(206)을 첫번째 수평축(202)보다 길게 하며, 이때 공간을 최대한 활용하면서 다중화를 위해 같은 수평축에 회전체(207, 209)를 1개를 더 둔다. 세번째 회전체(212,214,215)는 두번째 회전체(207,209)와 간섭이 발생하지 않도록 수평축(211)을 두번째 수평축(206)보다 더 길게 하며 이때 공간을 최대한 활용하면서 다중화를 위해 같은 수평축(211)에 회전체(212,214,215)를 2개를 더 두며, 회전체(212,214,215) 상호간에 간섭을 최소화 하기 위하여 중간 회전체(214)를 양옆(212,215)의 회전체보다 수평축(211)에서 좀 더 길게 위치하도록 구성한다. 각 수평축(202,206,211)은 개별적으로 조류 방향으로 편향할 수 있도록 링 형태의 수평축지지체(201, 205,210)에 고정된다.

각 회전체 내에는 소형 발전기를 개별적으로 두며, 각 회전축은 개별적으로 자유롭게 회전할 수 있도록 하며, 상기 소형 회전체를 여러 개 사용한다. 여러 개의 회전체에서 발생한 전기는 합하여 충전하도록 하여, 부유물 및 해조류에 의하여 하나의 회전체 또는 수평회전축이 멈추더라도, 다른 회전체 및 수평회전축은 정상적으로 동작할 수 있도록 한다. 도 7은 도 2의 각 회전체들(203,207,209,212, 214,215)에서 발생시킨 전기를 다이오드(701,702,703,704,705,706,707)을 통하여 합하여 전원공급기로 보내는 것을 나타낸 그림이다. 상기와 같이 여러 개의 회전체가 각각 별도로 작동하며, 각 회전체에서 발생한 전기는 합하여 충전하도록 하여, 전원 발생 소스의 다중화를 구현하여, 바다 속의 소형 센서 및 제어 장치에 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 구현하였다.

도 5는 본 발명의 전체적인 개념을 나타낸 블럭도로, 발전기(501), 전원공급기(502), 축전지(503), MICRO CONTROLLER(504), DRIVER(505), 베이스(506), 자세감지부(507), 초음파 송수신기(508), 진동자(509), 대상체(510)가 그림에서 나타난바와 같이 연결된다. 회전체의 회전에 의해 발전기(501)가 전기를 발생시키면, 전원공급기(502)는 정류하고 잡음을 제거한 후 적합한 크기의 전압으로 바꿔 축전지(503) 및 전원공급 대상체(510)에 공급한다. MICRO CONTROLLER(504)에서 축전지(503)의 충전상태를 확인하여 충분하게 충전된 상태이면, 대상체(510)에만 전원을 공급한다.

MICRO CONTROLLER(504)는 충전 과정뿐만 아니라 자세제어, 데이터 통신을 관장한다. 자세감지부(507)는 베이스(402)의 수평 자세 및 높이 정보를 MICRO CONTROLLER(504)에 전달한다. 초음파 송수신기(508)는 통신 뿐만 아니라 베이스(402)와 바닥면과의 거리도 측정하여 MICRO CONTROLLER(504)에 전송한다. MICRO CONTROLLER(504)는 DRIVE(505)에 제어신호를 명령하여 3축 모터를 구동하여 베이스(402)의 자세 및 높이를 교정한다. 초음파 송수신기(508)는 베이스(402)의 자세, 충전상태, 고장 유무 등의 데이터를 필요 시 관리 장치에 전송한다.

본 발명에 의한 해저 소형 전기 발생장치는 SONAR 센서 외에 다른 해저 개발용 센서에도 적용이 가능하며, 센서 외에 초음파 통신 및 중계 장치, 제어 및 기폭장치에 모두 적용될 수 있는 기술이다. 따라서 우리나라 서해 및 남해를 포함하여 수심이 낮고 조류가 센 다른 나라의 바다에도 적용 가능하다.

101 : 지지대 102 : 수평축
103 : 수직축 104, 106, 107 : 회전체
105 : 방향타
201, 205, 210 : 수평축지지체 202, 206, 211 : 수평축
203, 207, 209, 212, 214, 215 : 회전체
204, 206, 213 : 방향타
301 : 수직축 302 : 수평축지지체
303 : 수평축 304 : 회전체
305 : 방향타
401 : 보호망 402 : 베이스
403 : 고정장치
501 : 발전기 502 : 전원공급기
503 : 축전지 504 : MICRO CONTROLLER
505 : DRIVER 506 : 베이스
507 : 자세감지부 508 : 초음파송수신기
509 : 진동자 510 : 대상체
601 : 영구자석 602 : 철심
603 : 권선
701, 702,703,704, 705, 706 : 다이오드

Claims

바다 바닥에서 조류에 의해 전기를 발생시키는 소형 발전기와;
상기 소형 발전기에서 발생한 전기를 충전 및 공급하는 전원공급기와;
발생한 전기를 충전하는 축전지와;
수직축은 1축 MEMS 가속도 센서를 두고, 수평축은 2축 MEMS 각속도 센서를 두어, 베이스의 자세를 감지하기 위한 자세감지부와;
상기 자세감지부에서 감지한 신호를 이용하여, 안정된 수평자세를 유지하도록 하며, 바닥 바닥의 높이에 따라 베이스의 높낮이를 조절하도록 제어용 신호를 내보내는 MICRO CONTROLLER와;
상기 MICRO CONTROLLER의 신호를 받아서 베이스를 구동하는 DRIVER와;
높이 및 수평 자세를 조절할 수 있도록 기어 및 모터를 구비하고, 측면은 주름으로 이루어져, 베이스의 높낮이 및 수평 자세를 전기 신호에 의해 조정될 수 있도록 한 베이스와;
발전기나 전원공급 대상체를 보호하기 위한 보호망과;
그 보호망의 중앙 상단부분에 초음파 진동자를 둘 수 있도록 하여, 소형 센서 및 제어 장치가 통신하는 데 지장을 주지 않으며, 안정적으로 전기를 공급해 줄수 있도록 하는 방법 및 장치.
청구항 1항에 있어서, 보호망은 쌍끌이 어선의 그물이나, 물고기 공격, 태풍에 의한 물의 강한 흔들림 등에도 훼손되지 않도록 반구형으로 구현하며;
그 보호망 내에서 전기를 최대로 발생시킬 수 있도록, 다수의 회전체를 두며, 아랫부분은 회전체 축을 길게 하고, 중간은 중간 길이로 하고, 맨 위는 짧게 구현하여, 회전체들 상호 간 및 보호망에 기계적인 간섭이 생기지 않도록 하며, 강한 물살에 의해서 축이 흔들리더라도 기계적 훼손이 적으며, 조류의 작은 흐름에도 전기를 발생할 수 있도록 하기 위하여, 회전체를 유선형 몸체에 나선형 나사산을 갖도록 하며, 수평축 꼬리부분에 방향타를 두어 조류의 방향에 자동적으로 편향되도록 하며;
회전체가 고장을 일으키더라도 다른 회전체를 이용하여 바다에서 안정적으로 전기를 일으킬 수 있도록 회전체를 다중화하며;
각 수평축은 수평방향으로 개별적으로 회전할 수 있도록 하며, 각 회전체들도 서로 개별적으로 작동하도록 하여, 부유물 및 해조류에 의하여 하나의 회전체 또는 수평축이 멈추더라도, 다른 회전체 및 수평축은 정상적으로 동작할 수 있도록 하며;
회전체 내에는 소형 발전기를 개별적으로 두며, 발전기의 회전자는 영구자석으로 구현하고, 고정자에는 권선을 감는 형태로 구현하여 접점 마모로 인한 고장 발생을 최소화 하며;
여러 개의 회전체에서 발생한 전기는 다이오드를 이용하여 합해서 충전하도록 하여, 바다 속의 센서 및 제어장치에 안정적으로 전력을 공급할 수 있도록 하는 방법.