KR20120118385A - 4절 링크 시스템을 이용한 파력발전장치 - Google Patents

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Abstract

4절 링크 시스템을 이용한 파력발전장치는 4절 링크 시스템의 회전운동과 각운동을 수행하는 크랭크-로커 메커니즘(Crank Rocker Mechanism)을 기본으로 한다. 종구조물(204)에 연결기구들과 피봇점들을 크랭크-로커 메커니즘(Crank Rocker Mechanism)으로 구성하고 각운동하는 하나이상의 연결기구3(503)에 파랑에너지를 흡수하는 하나이상의 주부력체(203)를 체결하여 파랑의 운동에 따라 피봇점3(304)를 중심으로 좌 방향 우방 향 토르크를 발생시키고 제한된 각도 범위 내에서 지속적으로 각운동을 수행한다.
파력발전장치에 있어서 4절 링크 시스템을 이용한 기계시스템으로 파랑에너지를 흡수하여 해양환경 속에서 내구성 향상은 물론 에너지 변환효율 및 이용률을 획기적으로 높이고 기계적 구조적 단순함을 달성하여 해양의 부유식 혹은 고정식 구조물에 적용하여 재생에너지 한 분야가 되도록 한다.

Description

4절 링크 시스템을 이용한 파력발전장치 {Wave Energy Converter Using 4 bar Linkage System}
본 발명은 해양의 파랑에너지를 전기에너지로 변환시키는 파력발전장치에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 해양의 주부력체와 종구조물 혹은 종부력체 (이하, 종구조물이라 칭함.)사이에 4절 링크 시스템이 연결되어 주부력체가 각운동(요동운동)을 함에 따라 종구조물에 위치한 발전기에 완전 회전운동을 발생시켜 전기에너지로 변환시키는 파력발전장치이다.
파랑에너지는 전세계 해양에너지[조력, 파력, 조류, 해수온도차, 해수염도차] 부존량의 85% 를 차지하고 있으며 이는 전 인류의 연간 에너지 사용량의 4배수에 육박하는 무한한 부존량을 나타낸다. 이와 같은 이유로 전 세계적으로 다양한 방식의 파력발전장치가 고안되고 연구개발 중에 있다.
파력발전의 주 목적은 파랑에너지로부터 전기에너지로의 변환이다.
현재 고안되고 연구가 진행중인 파력발전장치들은 파랑에너지, 1차변환, 2차변환
발전, 송전의 변환과정을 거친다.
대분류의 유형으로는 진동수주형, 월파형, 가동물체형 으로 분류되고 있다.
진동수주형은 에어챔버 내로 유입되는 파랑에너지가 챔버내의 공기를 콤퓨레싱 디컴퓨레싱의 과정을 거치며 공기압을 승압, 감압시키며 웰즈터빈을 구동시켜 발전하는 방식이다.
월파형은 해수면과 수위차가 존재하는 해수저장 탱크 내부로 월파하는 파랑이 수위차에 의해 탱크 하부 혹은 측면부에 위치한 카플란 터빈을 구동시켜 발전하는 방식이다.
가동물체형은 다양한 방식이 존재하는데 기본적으로 주부력체와 종부력체 혹은 종구조물 사이의 상대운동을 에너지로 변환하는 방식으로 간접식과 직접식이 있다. 간접식은 부력체들 사이에 유체기구를 위치시켜 유체에너지를 회전운동으로 변환하는 방식을 취하고 있고, 직접식은 부력체들 사이에 기구적인 장치들 특히 원웨이 클러치, 원웨이 베어링을 이용하여 정방향의 회전운동으로 변환하는 방식이다.
위에 기술한 파력발전장치들의 공통점은 파랑에너지를 회전운동으로의 변환이라 할 수 있는데 대표적인 선행기술들을 살펴보자.
첫번째로 가동물체형 간접식 구동방식인 국내출원 제10-2006-7009454호 (국제출원번호:PCT/DK2004/000705)의 ‘부유체와 해면 위의 한 지점에서 부력체를 고정시키는 수단을 구비한 파력발전장치’는 주요 구성품으로 부유체,암,지지구조물,수력시스템이 있다. 부력체와 지지구조물은 암으로 연결되어지고 암과 지지구조물 사이에 위치한 수력시스템이 부력체 상승시에 파랑에너지를 흡수하여 유체압으로 유압모터에 높은 회전력을 발생시켜 발전기를 구동하는 방식을 취하고 있다.
두번째로 가동물체형 직접식 구동방식인 미국 특허 제6,925,800호의 ‘WAVE POWER MACHINE’은 주요 구성품으로 부유체, 암, 지지구조물, 원웨이 클러치가 있다. 상기 가동물체형 간접식 방식과 동일하게 부력체와 지지구조물은 암으로 연결되어진다. 차이점은 암과 지지구조물 사이에 수력시스템이 아닌 원웨이 클러치를 위치시켜 부력체가 상승시에 파랑에너지를 회전운동으로 변환하고 하강시에는 자유하강 한다.
상기에 언급한 종래의 기술들은 동일한 출원인의 것으로 후자의 시스템에서 전자의 시스템으로 파랑에너지에서 전기에너지로의 변환공정을 수정 처리하였다. 후자의 경우는 파랑에너지를 흡수함에 있어서 원웨이 클러치의 내구성 문제와 파고의 상승시에만 에너지를 이용 할 수 있다는 문제점을 야기하였고 이와 같은 문제의 해결을 위해서 전자의 간접식 시스템을 고안하였으나 유체압이라는 또 하나의 전달매체를 둠으로써 에너지 효율 저하를 일으키며 유체압을 생성 시키는 부품의 구조 또한 복잡다단 하여 부가적인 효율저하 및 제작 및 운영, 유지, 보수에 어려움이 따른다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 것으로 기계식 방식으로써 1차 변환에 의한 중간 전달매체를 없애고 구조적으로 단순화시켜 제작 및 운영, 유지, 보수가 용이한 형태를 취하고 원웨이 클러치와 같은 강제적인 기구가 아닌 기구학적 메커니즘을 통해 완전 회전운동을 유도함으로써 에너지 변환효율 증대와 기기구조의 단순화를 도모하여 해양의 고정식 구조물 혹은 부유식 구조물에 설치되어 다양한 실시 예를 나타내는 것이다.
본 발명은, 도2에서 도8까지를 통해서 도1의 개념도를 완성하고자 한다. 도2의 종구조물(204)에 고정된 연결기구4(504)에 연결기구3(503)을 피봇점4(304)로 연결하고 연결기구3(503)은 주부력체(203)와 체결되어 피봇점4(304)를 중심으로 각운동을 행하게 된다.
도6와 도7에는 각운동에 따른 완전 회전운동의 원리를 도시화 하였다. 피봇점1(301)와 피봇점2(302) 사이의 거리(S)와 피봇점2(302)와 피봇점3(303) 사이의 거리(L)의 합이 피봇점 3(303)과 피봇점 4(304)사이의 거리(P)와 피봇점4(304)와 피봇점1(301) 사이의 거리(Q)의 합보다 작게 한다. 피봇점1(301)와 피봇점2(302)사이의 거리(S)가 타 피봇점들 사이의 거리들 보다 가장 짧게 하고 종구조물(204)에 고정시킨다. 또한 이웃하고 있는 연결기구4(504)를 종구조물(204)에 고정시키고 피봇점2(302)와 피봇점3(303)사이의 거리(L)를 가장 길게 하여 4절 링크 구조의 대표적인 크랭크-로커 메커니즘(Crank Rocker Mechanism)을 구현 할 수 있다. 따라서 피봇점4(304)를 중심으로 각운동을 하는 연결기구3(503)에 의해 연결기구1(501)은 피봇점1(301)를 중심으로 완전 회전운동을 행하게 되고 회전운동하는 연결기구1(501)과 체결 된 관성치차(300)가 완전 회전운동을 하게 된다. 관성치차(300)는 증속기(202) 혹은 발전기(201)와 벨트 및 기어 등과 같은 동력전달기구로 연결하여 회전운동을 전달하게 된다. 또한 연결기구3(503)의 각운동은 4절 링크의 폐루프(Closed-Loop) 구조로 인해 운동각도가 제한되어 허용된다.
제한된 각도이내에서 각운동이 허용되는 연결기구3(503)에 주부력체(203)를 체결하여 파랑에너지를 인가하여보자. 도3에서부터 도5까지, 고정된 피봇점4(304)를 중심으로 연결기구3(503)이 각운동하며 회전력을 발생시키는 원리를 도시하였다. 실제의 해양환경에서의 파랑은 다수의 정현파들의 집합체를 이루어 불정현파를 보이는데 본 발명에서는 편의상 깨끗한 정현파의 거동으로 도시하였다. 파랑에는 파고점과 파저점이 존재하고 주부력체(203)는 부력에 의해서 파랑 모사운동을 행하려 하지만, 종구조물(204)에 고정된 피봇점4(304)에 의해 상승, 하강운동은 완전 제한되고 부력작용방향(B)와 중력작용방향(G)의 변화로 피봇점4(304)를 중심으로하는 우방향토르크(TR)와 좌방향토르크(TL)가 발생하여 연결기구3(503)이 제한된 각도내에서 요동운동을 한다.
상기 주부력체(203)는 부력을 크게 받기 위해서 도8에 명시한 가로, 세로, 높이 (W*D*H)의 비율이 가로(W)가 높이(H)보다 크거나 같고 높이(H)는 세로(D)보다 크게 함으로서 큰 부력을 획득 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 파랑에너지를 흡수함에 있어서 중간 전달매체를 없애고 기계식 직접변환을 채택하여 에너지 변환 효율을 증대시키고, 강제적인 정방향 기구들 예를 들면 원웨이 클러치, 원웨이 베어링등을 사용하지 않음으로써 기계적인 강성과 내구성을 향상 시켰다. 주부력체는 부력중심과 무게중심의 밸런스를 찾아가는 과정속에 각운동을 수행한다. 해양환경에서 거동하는 다양한 구조물들은 파랑의 파고점과 파저점을 수평을 이룬채로 정확히 찾아가기보다는 파랑의 위치에너지와 운동에너지에 복합적인 영향을 받아 지속적으로 부력중심과 무게중심을 찾아가며 각운동을 수행 하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 요동운동은 해양환경 속에서 24시간 365일 지속적으로 나타난다. 따라서 4절 링크 시스템으로 파랑에너지를 효율적으로 흡수하여 높은 이용율을 나타낼 수 있다.
파력발전장치는 기구적으로 단순하고 하나이상의 본 파력발전장치들을 이격 배치시켜 대규모의 파력발전단지 조성이 가능하다. 또한 소형화 시켜 개별시스템으로 도서지역의 파력발전용도로 활용이 가능하다.
파력 발전 장치의 주요 기기들을 해수면 밖에 위치시킴으로써 해수의 직접적인 접촉을 회피하여 부식이 덜하며 다양한 해양 구조물에 적용이 가능하고 운용, 유지, 보수가 용이하다.
도1은 4절 링크 시스템을 이용한 파력발전장치의 개념도.
도2는 도1의 부분도.
도3은 주부력체가 피봇점4를 중심으로 각운동을 발생시키는 원리도.
도4는 도3의 각운동에 따른 좌방향 토르크를 발생시키는 원리도.
도5는 도3의 각운동에 따른 우방향 토르크를 발생시키는 원리도.
도6와 도7은 도3의 각운동에 따른 완전 회전운동을 하게 되는 원리도.
도8은 주부력체의 개념도.
도9는 실시예1의 복합 4절 링크 시스템
본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 도1의 개념도를 완성하도록 한다.
도1은 파력 발전 장치를 개념적으로 도시한 것이다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 파력 발전 장치는 주요 구성품으로 주부력체(203)와 종구조물(204) 그리고 각 피봇점1(301)에서 피봇점4(304)까지와 연결기구1(501)에서 연결기구4(504)까지와 발전기(201), 증속기(202), 관성치차(300)들을 포함한다.
주부력체(203)은 도3에 도시한 바와 같이 해수보다 밀도가 낮은 소재, 예를 들면 폴리스틸렌으로 직접 성형 하거나 블로우 성형 제작한 플라스틱계열의 재질로 성형된 케이스 내부에 충진하여 사용 할 수 있고, 높이(H)방향으로 다단으로 쌓아 부력을 증대 시킬 수 있다. 상기에 서술한 바와 같이 주부력체(203)은 부력을 증대 시켜서 파랑의 파고와 파주기에 따른 각운동시 빠른 응답을 나타낼 수 있다.
종구조물(204)은 해양 고정식 구조물은 물론 부유식 구조물을 이용하여 파력발전 플랜트를 조성 할 수 있다. 4절 링크 시스템의 크랭크 로커 메커니즘(Crank Rocker Mechanism)을 구성하기 위해 연결기구들과 피봇점들을 도9에 도시된 증기기관차의 하부에 위치한 복합 4절 링크 시스템을 적용 하여 안정적인 각운동에 따른 안정적인 회전운동을 구현 할 수 있다. 이와 같은 안정적인 회전을 플라이휠과 같은 관성치차(300)를 구동시키고 벨트, 체인, 기어 등과 같은 동력전달기구들과 복합 연결한후 풍력발전에서 흔하게 쓰이는 증속기(202)를 통해 회전수(rpm)을 증대시켜 발전기(201)의 안정적인 전력생산을 가능케 하여 신재생에너지 시장의 한 축이 될 수가 있다.
발명의 효과
100:파랑[파도]
201:발전기
202:증속기
203:주부력체
204:종구조물
G:중력작용방향
B:부력작용방향
TL: 좌방향 토르크
TR: 우방향 토르크
300:관성치차
301:피봇점1
302:피봇점2
303:피봇점3
304:피봇점4
501:연결기구1
502:연결기구2
503:연결기구3
504:연결기구4
S:피봇점1(301)와 피봇점2(302) 사이의 거리
L:피봇점2(302)와 피봇점3(303) 사이의 거리
P:피봇점3(303)와 피봇점4(304) 사이의 거리
Q:피봇점4(304)와 피봇점1(301) 사이의 거리

Claims (9)

  1. 종구조물(204)에 고정된 연결기구4(504)에 피봇점4(304)으로 연결되어 각운동하는 하나 이상의 연결기구 3(503)을 포함하는 파력 발전 장치에 있어서,
    연결기구3(503)의 각운동을 피봇점3(303)으로 연결된 연결기구2(502)에 전달하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결기구2(502)는 연결기구1(501)과 피봇점2(302)로 연결되고 연결기구1(501)은 피봇점1(301)으로 연결기구4(504)와 연결되는 것을 포함하는 파력발전장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결기구3(503)이 주부력체(203)와 체결된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  4. 제1항에 또는 제2항에 있어서,
    상기 피봇점1(301)과 피봇점2(302) 사이의 거리(S)와 피봇점2(302)와 피봇점3(303)사이의 거리(L)의 합은 피봇점3(303)와 피봇점4(304)사이의 거리(P)와 피봇점4(304)와 피봇점1(301)사이의 거리(Q)의 합보다 작고 피봇점1(301)과 피봇점2(302)사이의 거리(S)는 타 피봇점들 사이의 거리 중 가장 짧고 피봇점2(302)와 피봇점3(303)사이의 거리(L)는 타 피봇점들 사이의 거리 중 가장 긴 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  5. 제2항에 또는 4항에 있어서,
    상기 연결기구1(501)은 피봇점1(301)을 중심으로 회전운동을 하고 관성치차(300)와 피봇점2(302)로 체결된 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 주부력체(203)는 가로(W)가 높이(H)보다 크거나 같고 높이(H)는 세로(D) 보다 크고 최대 1000kg/m3의 밀도를 갖는 재료로 만들어 지는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 관성치차(300)가 증속기(202) 혹은 발전기(201)를 구동하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  8. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주부력체(203)가 높이(H)방향으로 다단형식의 부력을 증가시켜주는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  9. 선행하는 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종구조물(204)에 다수의 주부력체(203)들와 연결기구3(503)으로 구성되어 대형 파력 발전 단지를 이루는 것을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
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