KR20130074001A - 파력발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의하면, 파도에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동하는 부체; 상기 부체의 일단과 수직방향으로 연결되며, 상기 부체의 이동에 의해 내부에 저장되어 있는 유체를 압축시키는 펌핑부; 상기 펌핑부의 작동에 의해 상기 펌핑부의 내부에 저장되어 있는 유체가 이동하는 배관부; 상기 배관부를 통해 이동된 유체를 압축시키는 압축탱크; 및 상기 압축탱크를 통해 압축된 유체가 배출되는 것을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 압축탱크의 내부는 공기로 충전되어 있고, 상기 배관부를 통해 이동된 유체가 상기 압축탱크의 내부로 유입되어 상기 공기를 압축시키는 것을 특징으로 하는 파력발전장치를 제공한다.
본 발명은 파력을 이용해 복수의 펌핑부를 작동시켜 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한 본 발명은 유체의 압력을 이용해 발전기를 발전시키는 동시에 사용된 유체를 다시 재사용하기 때문에 친환경적인 효과가 있다.

Description

파력발전장치{APPARATUS FOR WAVE POWER GENERATION}
본 발명은 파력발전장치에 관한 것이다. 보다 상세하게 설명하면, 파랑의 수면에 떠있는 부체가 파랑의 운동에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동하게 되어 상기 부체에 연결되어 있는 복수의 펌핑부를 동시에 작동시킬 수 있고, 상기 펌핑부 내부에 있는 유체가 압축탱크를 통해 고압의 압축유체로 변환되어 유체터빈 및 발전기를 가동시킬 수 있는 파력발전장치에 관한 것이다.
일반적인 발전방법으로 수력발전, 화력발전, 원자력발전 등을 들 수 있는데, 이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비가 필요하고, 화력발전의 경우 발전설비를 가동시키기 위해 엄청난 양의 석유 또는 석탄에너지가 필수적으로 공급되어야 함으로 석유, 석탄자원이 고갈되고 있는 현시점에서는 많은 어려움이 예견되고 있으며, 공해도 큰 문제가 되고 있다. 또한, 원자력발전의 경우는 방사능 유출과 핵폐기물 처리가 심각한 문제점을 안고 있다. 따라서 이러한 일반적인 발전방법보다 저렴하고 안전하고 획기적인 발전방법이 요구되고 있다.
한편, 석유나 석탄자원이 필요없고 방사능이나 핵폐기물 문제가 없는 발전방법으로는 태양열발전, 파력발전, 조력발전, 풍력발전 등 다양하며, 이 가운데 조수간만의 차이에 따라 조수가 수평이동하는 힘을 이용한 조력발전과, 파랑에너지를 이용하여 발전을 행하는 파력발전이 수력을 이용한 수력발전의 형태로 대표적으로 사용되고 있다.
상술한 바와 같은 수력발전은 하천 또는 호수 등에서 물이 갖는 위치에너지를 수차를 이용하여 기계에너지로 변환하고 이것을 다시 전기에너지로 변환하는 발전방식이다. 즉, 물이 떨어지는 힘으로 수차를 돌리면 수차의 축에 붙어 있는 발전기가 돌아가게 되어 전기를 발생하도록 하는 방식이다. 한편, 발전기의 출력은 낙차와 수량과의 곱에 비례하게 된다. 따라서, 수차에 큰 낙차가 작용할 수 있도록 구성하는 것이 중요하다.
한편, 상술한 바와 같은 수력발전의 방식 중, 조수 간만의 차를 이용하는 조력발전방식은 조수간만의 차를 이용하고 있다는 점에서, 장소 선정에 있어 난점이 있으며, 또한, 조력발전은 오랜 건설기간과 막대한 건설비용이 수반된다는 문제점이 있다.
따라서, 바다에서 상시 생성 및 소멸되는 파도의 운동에너지의 변화를 이용하여 전력을 생산할 수 있는 파력발전이 그 대안으로 떠오르고 있다.
이러한 파력발전은 파도에 의한 수면의 주기적 상하 운동과 물입자의 전후 운동을 에너지 변환장치를 통하여 기계적인 회전 운동 또는 축방향 운동으로 변환시킨 후, 전기에너지로 변환시키는 장치로서, 파력발전 방식에는 파랑의 운동에너지를 1차 변환하는 방식에 따라 여러가지로 분류할 수 있으나, 대표적인 것으로 수면에 떠 있는 부체가 파랑의 운동에 의하여 상하 또는 회전 운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 가동물체형 방식과, 파랑의 작용에 의하여 공기실 내의 수위가 변동함에 따라 공기실 내의 공기가 압축, 팽창될 때 노즐을 통하여 발생하는 공기흐름으로 터빈을 돌려 발전하는 진동 수주방식이 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 방식을 통해 파도의 운동에너지를 사용하여 발전을 행하는 경우 발전효율이 떨어진다는 문제점이 있었다. 따라서 파도의 운동에너지를 보다 더 효과적으로 이용하여 발전을 행할 수 있는 방법이 요구되어지고 있는 실정이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 파랑의 수면에 떠있는 부체가 파랑의 운동에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동하게 되어 상기 부체에 연결되어 있는 복수의 펌핑부를 동시에 작동시킬 수 있고, 상기 펌핑부 내부에 있는 유체가 압축탱크를 통해 고압의 압축유체로 변환되어 유체터빈 및 발전기를 가동시킬 수 있는 파력발전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의하면, 파도에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동하는 부체; 상기 부체의 일단과 수직방향으로 연결되며, 상기 부체의 이동에 의해 내부에 저장되어 있는 유체를 압축시키는 펌핑부; 상기 펌핑부의 작동에 의해 상기 펌핑부의 내부에 저장되어 있는 유체가 이동하는 배관부; 상기 배관부를 통해 이동된 유체를 압축시키는 압축탱크; 및 상기 압축탱크를 통해 압축된 유체가 배출되는 것을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 압축탱크의 내부는 공기로 충전되어 있고, 상기 배관부를 통해 이동된 유체가 상기 압축탱크의 내부로 유입되어 상기 공기를 압축시키는 것을 특징으로 하는 파력발전장치를 제공한다.
한편 상기 제어부를 통해 제어되어 배출된 유체에 의해 회전되는 유체터빈과, 상기 유체터빈을 통해 발전되는 발전기를 포함하는 발전부; 및 상기 유체터빈을 통과한 유체를 저장하며, 상기 저장된 유체를 상기 배관부를 통해 상기 펌핑부로 공급하기 위한 저장탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 부체의 일단에는 피니언기어가 형성되어 있고, 상기 펌핑부는 내부에 유체를 저장하는 공간이 형성되며, 유체가 흡입되는 제 1흡입부와 상기 유체가 배출되는 제 1배출부를 포함하는 제 1실린더; 내부에 유체를 저장하는 공간이 형성되며, 유체가 흡입되는 제 2흡입부와 상기 유체가 배출되는 제 2배출부를 포함하는 제 2실린더; 및 일단은 상기 제 1실린더의 내부를 관통하고, 타단은 상기 제 2실린더의 내부를 관통하여 형성되는 피스톤;을 포함하되, 상기 피스톤의 외주면 일측에는 상기 피니언기어와 맞물려 상기 피스톤이 상하방향으로 이동되도록 하는 렉기어가 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 배관부는 상기 저장탱크로부터 공급된 유체를 상기 제 1실린더 및 상기 제 2실린더의 내부로 흡입시키는 흡입관; 및 상기 제 1실린더 및 상기 제 2실린더의 내부에서 상기 압축탱크로 유체를 배출시키는 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 파력을 이용해 복수의 펌핑부를 작동시켜 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 유체의 압력을 이용해 발전기를 발전시키는 동시에 사용된 유체를 다시 재사용하기 때문에 친환경적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치의 구성을 나타낸 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치의 구성을 나타낸 평면도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치 중 부체 및 펌핑부를 나타낸 사시도 및 분해 사시도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치 중 펌핑부 및 배관부의 작동상태를 나타낸 작동상태도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치를 나타낸 구성도이고 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치의 구성을 나타낸 부분 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치의 구성을 나타낸 평면도이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치 중 부체 및 펌핑부를 나타낸 사시도 및 분해 사시도이고, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 파력발전장치 중 펌핑부 및 배관부의 작동상태를 나타낸 작동상태도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 파력발전장치(10)는 부체(100), 펌핑부(200), 배관부(300), 압축탱크(400), 제어부(500), 발전부(600) 및 저장탱크(700)를 포함한다.
상기 부체(100)는 파도에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동한다. 상기 부체(100)는 배(또는 바지선)의 몸체(도면번호 미도시)의 외측단에 복수개가 형성되어 있다. 상기 부체(100)는 몸체의 외측단에서 외부로 돌출되어 파도와 접촉되게 된다. 따라서 복수개의 부체(100)가 파도에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동하게 되는데 이는 배와 부체(100)의 부력차이에 기인한 것으로 이러한 부력차이로 인해 파도에 의한 직접적인 파랑에너지를 후술할 펌핑부(200)에 전달하게 된다. 상기 배의 몸체는 바다 밑바닥에 다수개의 앵커를 설치하는 방식 등으로 고정시킬 수 있을 것이다.
상기 부체(100)의 일단에는 피니언기어(110)가 형성되어 있고, 상기 피니언기어(110)는 몸체의 외측단의 내측에 형성되어 파도와 직접적으로 접촉되지 않는다. 상기 피니언기어(110)가 후술할 펌핑부(200)의 렉기어(221)와 맞물린 상태에서 상하로 자유자재로 이동될 수 있도록 몸체의 외측단의 내측 및 피니언기어(110)의 양끝단에 형성된 피니언기어축(도면번호 미도시)에 볼베어링(120)이 체결되어 고정된다. 따라서 상기 부체(100)가 파도에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동할 경우, 상기 볼베어링(120)으로 인해 상기 피니언기어(100)가 상하방향으로 쉽게 이동되도록 하는 동시에 부체(100)가 몸체의 외측단 밖으로 빠지지 않도록 한다.
상기 펌핑부(200)는 상기 부체(100)의 일단과 수직방향으로 연결되며, 상기 부체(100)의 이동에 의해 내부에 저장되어 있는 유체를 압축시킨다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 펌핑부(200)는 제 1실린더(210), 피스톤(220) 및 제 2실린더(230)를 포함한다. 상기 제 1실린더(210)는 내부에 유체를 저장하는 공간이 형성되며, 유체가 흡입되는 제 1흡입부(211)와 상기 유체가 배출되는 제 1배출부(212)를 포함한다. 상기 제 1흡입부(211)와 제 1배출부(212)의 끝단에는 체크밸브(도면부호 미도시)가 연결되어 있어 역류를 방지해 주는 역할을 한다.
상기 피스톤(220)의 일단은 상기 제 1실린더(210)의 내부를 관통하고, 타단은 후술할 제 2실린더(230)의 내부를 관통하여 형성된다. 상기 피스톤(220)의 외주면 일측에는 상기 피니언기어(110)와 맞물려 상기 피스톤(220)이 상하방향으로 이동되도록 하는 렉기어(221)가 형성된다.
상기 제 2실린더(230)는 내부에 유체를 저장하는 공간이 형성되며, 유체가 흡입되는 제 2흡입부(231)와 상기 유체가 배출되는 제 2배출부(232)를 포함한다. 상기 제 2흡입부(231)와 제 2배출부(232)의 끝단에는 체크밸브(도면부호 미도시)가 연결되어 있어 역류를 방지해 주는 역할을 한다.
상기 배관부(300)는 상기 펌핑부(200)의 작동에 의해 상기 펌핑부(200)의 내부에 저장되어 있는 유체가 이동한다. 상기 배관부(300)는 후술할 저장탱크(700)로부터 공급된 유체를 제 1실린더(210) 및 제 2실린더(230)의 내부로 흡입시키는 흡입관(310)과, 제 1실린더(210) 및 제 2실린더(230)의 내부에서 후술할 압축탱크(400)로 유체를 배출시키는 배출관(320)을 포함한다. 이송펌프(도면 미표시)에 의해 저장탱크(700)에 저장되어 있는 유체가 제 1실린더(210) 및 제 2실린더(230)의 내부로 흡입된다. 또한 보조저장탱크(도면 미도시)는 제 1실린더(210) 및 제 2실린더(230)의 내부에서 배출된 유체를 한꺼번에 모아서 압축탱크(400)로 배출시킬 수 있다.
상기 압축탱크(400)는 상기 배관부(300)를 통해 이동된 유체를 압축시킨다. 상기 압축탱크(400)의 내부는 공기로 충전되어 있고, 상기 배관부(300)를 통해 이동된 유체가 상기 압축탱크(400)의 내부로 유입되어 상기 공기를 압축시킨다. 배출관(320)을 통해 압축탱크(400)의 내부로 유체가 들어가기 전에 압축탱크(400)의 끝단에 설치된 체크밸브(410)에 의해 역류를 방지할 수 있다. 상기 배관부(300)를 통해 이동된 유체가 상기 압축탱크(400)의 내부로 유입되어 상기 공기가 상부로 밀려올라가 압축된 공기는 스프링의 역할을 하게 된다. 따라서 상기 압축된 공기에 의해 일정한 압력이 되면 압축탱크(400) 내부에 있는 유체는 빠져나오게 된다. 즉 압축된 공기가 일정한 체적을 형성하면서 압축탱크(400)의 내부의 유체는 체적이 늘어나게 되고 압축된 공기는 점점 더 압축이 되면서 압축에너지를 머금게 되고 상기 압축에너지가 후술할 제어부(500)에서 지정된 압력에 이르게 되면 후술할 제어밸브(510)가 열리게 되고 압축에너지를 함유하고 있는 유체는 무게와 속도를 가지고 유체터빈(610)을 향해 배출된다.
상기 제어부(500)는 상기 압축탱크(400)를 통해 압축된 유체가 배출되는 것을 제어한다. 압축탱크(400)의 출구단에는 제어밸브(510)가 체결되어 있으며, 상기 제어밸브(510)는 제어부(500)에 의해 제어되어 후술할 유체터빈(610)에 고압의 유체를 전달하게 된다. 도면에서는 제어밸브(510)가 압축탱크(400)의 출구단 즉 압축탱크(400)의 하부에 체결되어 있으나, 경우에 따라서 제어밸브(510)는 압축탱크(400)의 상부에 체결될 수도 있을 것이다.
상기 제어부(500)는 유체터빈(610)의 회전속도에 맞추어 압축탱크(400)에서 나오는 유체의 양을 조절해 준다. 만약 압축탱크(400)의 압력이 지나치게 고압이 될 경우에는 제어부(500)의 작동에 의해 곧바로 저장탱크(700)로 유체가 전달될 수 있다. 상기 제어부(500)는 압축탱크(400) 내부의 유체의 압력을 측정하는 유압센서(520)와, 압축탱크(400) 내부의 유체의 높이를 측정하는 레벨센서(530)로부터 신호를 전달받아 일정한 압력과 높이를 가진 유체를 제어밸브(510)를 통해 유체터빈(610)으로 배출되도록 제어한다.
유체는 공기보다 무거우므로 공기보다 아래쪽 즉 압축탱크(400)의 하부에 머무르게 되는데, 유체의 높이(레벨)가 압축탱크(400)의 밑바닥 가까이 내려가면 미리 충전된 공기가 빠져 나가게 될 우려가 있는바 압력탱크(400) 내부의 유체의 높이(레벨)를 일정하게 유지시킬 필요가 있다. 따라서 상기 제어부(500)는 유체가 미리 지정한 일정한 높이(레벨) 이하로 내려가지 않게 제어하도록 할 수 있다.
상기 발전부(600)는 상기 제어부(500)를 통해 제어되어 배출된 유체에 의해 회전되는 유체터빈(610)과, 상기 유체터빈(620)을 통해 발전되는 발전기(620)를 포함한다. 상기 유체터빈(610)은 제어부(500)를 통해 제어된 고압의 유체를 전달받아 회전하게 된다.
상기 저장탱크(700)는 상기 유체터빈(610)을 통과한 유체를 저장하며, 상기 저장된 유체를 상기 배관부(300)를 통해 상기 펌핑부(200)로 공급하기 위한 역할을 한다. 유체터빈(610)에 에너지를 전달한 유체는 저장탱크(700)로 다시 들어가므로 재사용이 가능한 장점이 있다. 상기 저장탱크(700)에 저장된 유체는 보조저장탱크(도면 미도시)에 일시 저장된후 이송펌프(도면 미도시)에 의해 제 1실린더(210) 및 제 2실린더(230)로 공급될 수 있다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하여 상기 파력발전장치(10)의 작동상태를 설명하면 다음과 같다. 파도에 의해 부체(100)가 상하방향으로 이동할 경우 부체(100)에 연결되어 있는 펌핑부(200)의 피스톤(220)이 작동되어 제 1실린더(210)와 제 2실린더(230)의 내부에 배관부(300)의 흡입관(310)을 통해 유체가 흡입되거나 또는 배관부(300)의 배출관(320)을 통해 제 1실린더(210)와 제 2실린더(230)의 내부의 유체가 배출된다. 상기 배출된 유체는 압축탱크(400)로 전달되고 제어부(500)의 제어에 의해 압축탱크(400)에서 배출된 유체는 유체터빈(610)으로 전달된다.
이와 같이 본 발명에 의한 파력발전장치(10)는 파력을 이용해 복수의 펌핑부(200)를 작동시켜 발전효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다. 또한 상기 파력발전장치(10)는 유체의 압력을 이용해 발전기(620)를 발전시키는 동시에 사용된 유체를 다시 재사용하기 때문에 친환경적인 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 파력발전장치
100: 부체
110: 렉기어
120: 볼베어링
200: 펌핑부
210: 제 1실린더
211: 제 1흡입부
212: 제 1배출부
220: 피스톤
221: 피니언기어
222: 피스톤링
230: 제 2실린더
231: 제 2흡입부
232: 제 2배출부
300: 배관부
310: 흡입관
320: 배출관
400: 압축탱크
410: 체크밸브
500: 제어부
510: 제어밸브
520: 유압센서
530: 레벨센서
600: 발전부
610: 유체터빈
620: 발전기
700: 저장탱크

Claims (4)

  1. 파도에 의해 상하 또는 좌우방향으로 이동하는 부체;
    상기 부체의 일단과 수직방향으로 연결되며, 상기 부체의 이동에 의해 내부에 저장되어 있는 유체를 압축시키는 펌핑부;
    상기 펌핑부의 작동에 의해 상기 펌핑부의 내부에 저장되어 있는 유체가 이동하는 배관부;
    상기 배관부를 통해 이동된 유체를 압축시키는 압축탱크; 및
    상기 압축탱크를 통해 압축된 유체가 배출되는 것을 제어하는 제어부;를 포함하되,
    상기 압축탱크의 내부는 공기로 충전되어 있고, 상기 배관부를 통해 이동된 유체가 상기 압축탱크의 내부로 유입되어 상기 공기를 압축시키는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부를 통해 제어되어 배출된 유체에 의해 회전되는 유체터빈과, 상기 유체터빈을 통해 발전되는 발전기를 포함하는 발전부; 및
    상기 유체터빈을 통과한 유체를 저장하며, 상기 저장된 유체를 상기 배관부를 통해 상기 펌핑부로 공급하기 위한 저장탱크;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 부체의 일단에는 피니언기어가 형성되어 있고,
    상기 펌핑부는
    내부에 유체를 저장하는 공간이 형성되며, 유체가 흡입되는 제 1흡입부와 상기 유체가 배출되는 제 1배출부를 포함하는 제 1실린더;
    내부에 유체를 저장하는 공간이 형성되며, 유체가 흡입되는 제 2흡입부와 상기 유체가 배출되는 제 2배출부를 포함하는 제 2실린더; 및
    일단은 상기 제 1실린더의 내부를 관통하고, 타단은 상기 제 2실린더의 내부를 관통하여 형성되는 피스톤;을 포함하되,
    상기 피스톤의 외주면 일측에는 상기 피니언기어와 맞물려 상기 피스톤이 상하방향으로 이동되도록 하는 렉기어가 형성되는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 배관부는
    상기 저장탱크로부터 공급된 유체를 상기 제 1실린더 및 상기 제 2실린더의 내부로 흡입시키는 흡입관; 및
    상기 제 1실린더 및 상기 제 2실린더의 내부에서 상기 압축탱크로 유체를 배출시키는 배출관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
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