KR20130106686A - 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치 - Google Patents

피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파도의 힘을 이용하여 전기를 생산하는 피칭 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치에 관한 것이다.
본 발명은 본 발명은 부력형성수단과, 상기 부력형성수단의 상측에서 피칭(Pitching)하는 강체와, 상기 부력형성수단과 강체 사이에서 상기 강체를 탄성 지지하여 강체의 피칭주기 및 변위를 증가시키는 지지수단과, 상기 강체에 구비되어, 상기 강체의 피칭에 따른 위치변화를 회전운동으로 변환하는 운동변환수단 및 상기 운동변환수단과 연결되어 회전운동을 전달받아 전기를 발생시키는 발전수단이 구비되며, 상기 운동변환수단에는 상기 강체의 일측에 구비되며, 소정의 곡률을 가지도록 형성되는 복수의 랙과, 상기 랙과 일대일 대응되어 랙의 곡률을 따라 형성되는 치형과 맞물려 회전하는 피니언과, 상기 피니언과 발전수단의 회전자가 동일선상에 위치하여 피니언의 회전운동이 발전수단으로 전달될 수 있도록 하는 회전축과, 상기 회전축 및 상기 피니언에 각각 구비되어 상기 회전축으로 선택적인 회전력이 전달될 수 있도록 하는 복수의 래칫 및 멈춤쇠가 포함된다. 이에 의하면, 상대적으로 낮은 파고의 연근해에서도 안정적인 회전력이 발생되어 발전효율이 향상되는 이점이 있다.

Description

피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치{ Littoral sea type wave power generator using of pitching movement oscillation system }
본 발명은 파고의 차이를 이용하여 피칭진동계를 형성함으로써 전기를 생성하기 위한 회전력을 발생시키는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 파력발전은 파도의 상하운동 에너지를 이용해서 동력을 얻어 발전하는 전력생산의 한 방법으로 파도의 파동에 의한 상하 운동을 이용하는 고정식과, 파동의 작용에 의하여 공기실 내의 수위가 변동함에 따라 공기실 내의 공기가 압축, 팽창될 때 노즐을 통하여 발생하는 공기의 흐름을 이용하는 부유식으로 구분될 수 있다.
그러나, 상기 부유식은 파고가 낮을 경우 적용이 어려운 문제점을 가지게 된다. 따라서, 상대적으로 파고의 영향이 적은 고정식이 많이 개발되어 사용되고 있다.
한편, 상기 고정식 파력발전장치의 경우 일반적으로 파도의 높이 변화에 대응하여 부유체가 상승 또는 하강하게 되고, 이러한 상승 하강 운동을 이용하여 회전운동이 발생된다. 따라서, 상기와 같이 발생 되는 회전운동으로 발전기를 가동시킴으로써 전기가 생성될 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술의 파력발전장치에서는 발전 효율이 파고에 의해 좌우되는 문제점을 가진다.
즉, 파고가 높은 지역에서는 발전효율이 상대적으로 높지만, 파고가 낮은 지역에서는 발전효율이 낮거나 발전이 이루어지지 않는 문제점이 발생하게 된다.
그리고, 이와 같은 문제점으로 인하여 파력발전장치의 설치위치에도 많은 제약이 따르게 된다.
본 발명의 목적은 파고를 이용하여 피칭하는 강체와 이를 탄성 지지하는 부력형성수단을 포함하여 피칭과 연계된 진동계를 형성함으로써 강체의 진동에너지로 발전기를 회전시키는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 시스템의 피칭 진동이 최대로 전달될 수 있도록 최적의 스프링상수 값을 결정하고, 이를 적용함으로써 발전효율이 향상되도록 하는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 지역별로 차이를 가지는 파도의 파장을 고려하여 최적화된 부력형성수단의 길이를 결정함으로써 안정성 및 발전효율이 향상되는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 부력형성수단과, 상기 부력형성수단의 상측에서 피칭(Pitching)하는 강체와, 상기 부력형성수단과 강체 사이에서 상기 강체를 탄성 지지하여 강체의 피칭주기 및 변위를 증가시키는 지지수단과, 상기 강체에 구비되어, 상기 강체의 피칭에 따른 위치변화를 회전운동으로 변환하는 운동변환수단 및 상기 운동변환수단과 연결되어 회전운동을 전달받아 전기를 발생시키는 발전수단이 구비되며, 상기 운동변환수단에는 상기 강체의 일측에 구비되며, 소정의 곡률을 가지도록 형성되는 복수의 랙과, 상기 랙과 일대일 대응되어 랙의 곡률을 따라 형성되는 치형과 맞물려 회전하는 피니언과, 상기 피니언과 발전수단의 회전자가 동일선상에 위치하여 피니언의 회전운동이 발전수단으로 전달될 수 있도록 하는 회전축과, 상기 회전축 및 상기 피니언에 각각 구비되어 상기 회전축으로 선택적인 회전력이 전달될 수 있도록 하는 복수의 래칫 및 멈춤쇠가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 강체는 회전중심을 형성하는 중심부와, 상기 중심부의 좌우 양측에 형성되는 제 1 피칭부 및 제 2 피칭부를 포함하여 구성되며, 상기 랙과 피니언은 상기 제 1 피칭부 및 제 2 피칭부 내부에 각각 적어도 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 운동변환수단에는 상기 제 1 피칭부의 내부에 구비되는 제 1 프런트랙과, 상기 제 1 프런트랙에 맞물려 회전하는 제 1 피니언과, 상기 제 1 피칭부 내부에서 상기 제 1 프런트랙과 마주보는 위치에서 상대적으로 후측에 위치하는 제 1 리어랙과, 상기 제 1 리어랙과 맞물려 회전하는 제 2 피니언과, 상기 제 1 피니언과 제 2 피니언이 고정된 위치에서 회전할 수 있도록 하며, 상기 제 1 피니언 및 제 2 피니언의 회전력을 전달받아 상기 발전수단의 회전자로 전달하는 제 1 회전축 및 상기 제 2 피칭부의 내부에 구비되는 제 2 프런트랙과, 상기 제 2 프런트랙에 맞물려 회전하는 제 3 피니언과, 상기 제 2 피칭부 내부에서 상기 제 2 프런트랙과 마주보는 위치에서 상대적으로 후측에 위치하는 제 2 리어랙과, 상기 제 2 리어랙과 맞물려 회전하는 제 4 피니언과, 상기 제 3 피니언과 제 4 피니언이 고정된 위치에서 회전할 수 있도록 하며, 상기 제 3 피니언 및 제 4 피니언의 회전력을 전달받아 상기 발전수단의 회전자로 전달하는 제 2 회전축이 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 지지수단은 적어도 2개 이상이 상기 중심부의 회전중심으로부터 좌우 양측으로 등 간격을 이루는 위치에 구비되며, 상기 베이스플레이트에는 상기 강체의 피칭 시 충돌에 의한 파손방지 또는 피칭변위를 제한하기 위한 완충부재가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 부력형성수단의 길이는 설치지역 파도의 1/4 파장보다 크고 전체 파장보다 작은 범위에서 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치는 소정의 무게를 가지는 강체가 피칭(Pitching) 가능하도록 고정된 상태에서 피칭부분의 하단에 탄성 지지수단을 구비하여 진동계가 형성된다.
그리고, 상기와 같이 형성되는 진동계는 운동변환수단을 통해 안정적인 회전력을 발생시켜 발전수단을 구성하는 회전자를 회전시킴으로써 전기를 생성하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치에서는 공진 원리에 입각하여 강체의 회전중심과 길이, 무게는 물론 상기 지지수단의 탄성계수를 조절하여, 파고 및 부력에 의존하여 변위를 발생시키는 경우에 비해 보다 큰 변위 형성은 물론 변위 발생주기가 보다 빠르게 형성될 수 있다.
또한, 상기 강체는 랙과 피니언 및 래칫을 포함하는 운동변환수단에 의해 파고에 의한 위치변화를 회전운동으로 전환할 수 있다.
그리고, 이러한 회전운동은 상기 래칫과 이의 회전을 제한하는 멈춤쇠를 통해 피니언의 일방향 회전시에만 발전기와 연결된 회전축으로 회전력을 전달하게 되고, 동일 회전축 상에 서로 다른 방향으로 회전력을 전달하는 복수의 피니언과 이를 회전시키기 위한 랙이 대응되도록 구비됨으로써, 강체의 피칭이 모두 회전력으로 변환되어 발전기를 회전시키게 된다.
따라서, 진동에 의한 강체의 피칭이 모두 발전을 위한 회전운동을 생성하게 되므로 발전효율이 향상되는 이점을 가진다.
도 1 은 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 일실시 예를 보인 도면.
도 2 는 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 분해사시도.
도 3 및 도 4 는 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 요부구성인 강체와 운동변환수단의 결합관계를 보이기 위한 도면.
도 5 내지 도 7 은 본 발명의 요부구성인 강체의 피칭에 따른 피니언의 회전방향을 보이기 위한 도면.
도 8 은 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 진동계를 설명하기 위한 도면.
도 9 는 파도의 파장에 따른 부력형성수단의 최적길이를 보이기 위한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 구체적인 실시예를 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이다.
도 1 에는 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 일실시 예를 보인 도면이 도시된다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치(이하 “ 연근해형 파력발전장치(100)”라고 함)는 부력을 발생시키기 위한 부력형성수단(200)과, 전기를 생성하기 위한 복수의 구성을 보호하는 하우징(140)에 의해 외관이 형성된다. 그리고, 상기 부력형성수단(200)의 하측에는 바다 위에서 일정 위치를 유지할 수 있도록 앵커(120)가 더 구비될 수 있다.
또한, 도시되지는 않았지만 상기 연근해형 파력발전장치(100)는 복수개가 로프(Rope)나 전력선(Power cable) 등을 이용하여 서로 연결될 수 있다.
한편, 도 2 에는 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 분해사시도가 도시되고, 도 3 및 도 4 에는 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 요부구성인 강체와 운동변환수단의 결합관계를 보이기 위한 도면이 도시된다.
이들 도면을 참조하면, 상기 하우징(140) 내부에는 상기 부력형성수단(200)의 상측에서 평탄한 저면을 형성하기 위한 베이스 플레이트(160)가 구비된다. 즉, 상기 베이스 플레이트(160)는 아래에서 설명할 복수의 구성요소들이 안정적으로 결합되어 작동할 수 있는 장착공간을 제공한다.
또한, 상기베이스 플레이트(160)에는 아래에서 설명할 지지수단(800)의 일측이 결합될 수 있도록 하는 지지수단 체결부(162)가 형성된다.
상기 지지수단 체결부(162)는 도 2 에 도시된 바와 같이 체결될 지지수단(800)의 개수와 대응하면서 일정 간격 이격 배치되는 복수의 홀 형태일 수도 있고, 도시되지는 않았지만 상기 베이스 플레이트(160)의 상면에서 상방으로 돌출 형성되는 복수의 돌기 형태로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 베이스 플레이트(160)의 상측에는 상기 지지수단(800)에 의해 탄성 지지되는 강체(400)가 구비된다.
상기 강체(400)는 소정의 무게를 가지면서 상기 지지수단(800)에 의해 탄성지지되는 상태로 소정 반경 피칭(Pitching) 가능하도록 고정된다. 이를 위해 상기 강체(400)의 중심부(420)에는 회전중심을 형성하는 중심축(422)이 구비되며, 상기 중심축(422)의 양단부는 축지지대(170)에 의해 지지될 수 있다.
또한, 상기 강체(400)에는 상기 중심부(420)의 좌우 양측으로 각각 제 1 피칭부(440)와 제 2 피칭부(460)가 형성된다.
상세히, 상기 강체(400)는 상기 중심부(420)가 대부분의 질량을 가지면서 무게중심을 형성하고, 중심에 고정축 체결홀(421)이 천공 형성된다.
즉, 상기 중심부(420)의 무게 중심에 상기 중심축(422)이 고정되도록 함으로써 강체(400)의 좌/우측 즉, 제 1 피칭부(440)와 제 2 피칭부(460)가 안정적으로 피칭 할 수 있게 된다.
또한, 상기 제 1 피칭부(440)와 제 2 피칭부(460)는 아래에서 설명할 운동변환수단(600)이 내부에 수용되어 피칭에 따라 회전력이 발생될 수 있도록 한다.
이를 위해 상기 제 1 피칭부(440) 및 제 2 피칭부(460)의 내부는 중공 형성되고 외측으로 갈수록 상하 길이가 길게 형성되며, 소정의 곡률을 가지도록 형성된다.
한편, 상기 운동변환수단(600)은 상기 피칭부에 구비되는 복수의 랙과, 상기 랙과 일대일 대응되어 맞물려 회전하는 피니언과, 상기 피니언의 회전중심을 형성하면서 발전수단(900)의 회전자와 연결되어 회전력을 전달하는 회전축 및 상기 회전축과 피니언 사이에서 피니언의 일방향 회전시에만 회전력이 전달될 수 있도록 하는 래칫 및 멈춤쇠를 포함하여 구성된다.
상기 랙은 상기 상기 제 1 피칭부(440)와 제 2 피칭부(460)의 내부에 각각 2개 씩 마련된다.
상세히, 상기 제 1 피칭부(440)에는 내부 일측에서 상대적으로 전측에 위치하는 제 1 프런트랙(620)과, 상기 제 1 프런트랙(620)과 마주보는 위치에서 상대적으로 후측에 위치하는 제 1 리어랙(640)이 구비된다.
그리고, 상기 제 2 피칭부(460)에는 내부 일측에서 상대적으로 전측에 위치하는 제 2 프런트랙(660)과, 상기 제 2 프런트랙(660)과 마주보는 위치에서 상대적으로 후측에 위치하는 제 2 리어랙(680)이 구비된다.
한편, 상기 제 1 피칭부(440)에는 상기 제 1 프런트랙(620)에 맞물려 회전하는 제 1 피니언(630)과, 상기 제 1 리어랙(640)에 맞물려 회전하는 제 2 피니언(650)이 구비된다.
그리고, 상기 제 2 피칭부(460)에는 상기 제 2 프런트랙(660)에 맞물려 회전하는 제 3 피니언(670)과, 상기 제 2 리어랙(680)에 맞물려 회전하는 제 4 피니언(690)이 구비된다. 또한, 각각의 피니언에는 회전방향을 제한하기 위한 제 1 래칫(632)과 멈춤쇠(634) 및 제 2 래칫(652)과 멈춤쇠(654)가 구비된다.
상기 회전축에는 상기 피니언과 일대일 대응되는 래칫이 구비되고, 상기 피니언에는 상기 래칫의 회전방향을 제한하기 위한 멈춤쇠가 구비되며, 이와 같은 피니언과 래칫 및 멈춤쇠는 모두 동일한 형태로 구성된다.
상세히, 상기 제 1 피니언(630)과 제 2 피니언(650)은 제 1 회전축(612)에 회전가능하도록 구비되고, 상기 제 3 피니언(670)과 제 4 피니언(690)은 제 2 회전축(614)에 회전가능하도록 구비된다.
그리고, 상기 제 1 회전축(612) 및 제 2 회전축에는 각각의 피니언과 일대일 대응되어 상기 발전수단(900)의 회전자로 선택적인 회전력을 전달할 수 있도록 하는 복수의 래칫이 구비된다.
보다 상세히, 상기 제 1 회전축(612)에는 상기 제 1 피니언(630)에 대응되는 제 1 래칫(632)과, 제 2 피니언(650)에 대응되는 제 2 래칫(652)이 구비된다.
그리고, 상기 제 2 회전축(614)는 상기 제 3 피니언(670)에 대응되는 제 3 래칫(672)과, 제 4 피니언(690)에 대응되는 제 4 래칫(692)이 구비된다.
여기서, 상기 래칫은 외면을 따라 경사면과 수직면으로 형성되는 복수의 톱니를 가지며, 상기 회전축에 고정되어 함께 회전할 수 있도록 구비된다. 즉, 상기 래칫이 회전하면 상기 회전축도 함께 회전하게 되며, 회전축의 회전은 연결된 발전수단(900)의 회전자로 전달되어 발전이 이루어지게 된다.
한편, 상기 복수의 피니언에는 상기 래칫이 내부에 수용될 수 있도록 일면이 함몰 형성되며, 상기 래칫이 수용되는 함몰 부분에는 상기 래칫의 외측으로 일정간격을 이루는 복수의 멈춤쇠 체결돌기(656, 696 : 제 1 피니언 및 제 2 피니언은 도시되지 않았으나 모두 구비됨)가 마련된다.
그리고, 상기 멈춤쇠 체결돌기(656, 696)에는 상기 래칫의 경사면 또는 수직면과 접하면서, 상기 피니언의 회전방향에 따라 상기 래칫을 회전시키기 위한 멈춤쇠(634, 654, 674, 694)가 결합된다.
상기 멈춤쇠(634, 654, 674, 694)는 대략 물방울 형태로 형성되며, 상대적으로 넓은 면적의 일단부가 상기 멈춤쇠 체결돌기(656, 696)에 끼움 장착되어 소정 반경 회전가능하게 구비된다.
그리고 상대적으로 좁은 면적의 타측 단부는 상기 래칫과 접하게 되는데, 피니언의 회전 방향에 따라 상기 래칫의 경사면과 접할 경우, 상기 피니언의 회전력이 래칫을 통해 회전축으로 전달되지 않고, 수직면과 접할 경우에만 회전축으로 회전력을 전달하게 된다.
한편, 상기 제 1 회전축(612)에 구비되는 제 1 피니언(630)과 제 2 피니언(650)은 각각 서로 다른 방향의 회전 시 상기 제 회전축(612)으로 회전력을 전달하게 된다. 이를 위해 상기 제 1 피칭부(440)의 내부에는 상기 제 1 피니언(630)과 맞물려 회전하는 제 1 프런트랙(620)과 상기 제 2 피니언(650)과 맞물로 회전하는 제 1 리어랙(640)이 서로 대각방향에서 마주보도록 구비된다.
상세히, 상기 제 1 프런트랙(620)은 상기 제 1 피칭부(440)가 하강 회전할 경우, 상기 제 1 피니언(630)을 시계 방향으로 회전시키게 되고, 상기 제 1 피니언(630)이 시계 방향으로 회전하면서 상기 제 1 피니언(630)의 멈춤쇠(634)가 상기 제 1 래칫(632)과 간섭되어 제 1 회전축(612)으로 회전력이 전달된다.
그리고, 상기 제 1 리어랙(640)은 상기 제 1 피칭부(440)가 하강 회전할 경우, 상기 제 2 피니언(650)을 반시계 방향으로 회전시키게 되는데, 이와 같은 경우, 상기 제 2 피니언(650)에 구비되는 멈춤쇠(654)가 상기 제 2 래칫(652)의 경사면과 접하게 되면서, 경사면을 타고 넘어가게 된다. 따라서, 상기 제 2 피니언(650)은 회전력을 상기 제 1 회전축(612)으로 전달하지 못하고 공회전하게 된다.
반면, 상기 제 1 피칭부(440)가 상승 회전을 하게 될 경우에는 하강 운동시와는 반대로 상기 제 1 피니언(630)에 구비되는 멈춤쇠(634)가 제 1 래칫(632)의 경사면과 접하면서 헛돌게 되고, 제 2 피니언(650)에 구비되는 멈춤쇠(654)가 제 2 래칫(652)의 수직면과 접하면서 회전력을 전달하게 된다.
따라서, 상기 제 1 피칭부(440)가 피칭하게 되면, 상기 제 1 피니언(630)과 제 2 피니언(650)이 서로 구분되는 구간 동안 제 1 회전축(612)으로 회전력을 전달하게 된다. 이로 인해, 상기 제 1 피칭부(440)의 전체 피칭은 모두 상기 제 1 회전축(612)을 회전시키기 위한 회전력으로 전환될 수 있다.
그리고, 상기와 같은 회전력의 전환은 상기 제 2 회전축(614)에서도 동일하게 이루어지므로 이에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
한편, 상기 제 1 회전축(612)과 제 2 회전축(614) 및 중심축(422)은 상기 강체(400)의 전측 및 후측에 마련된 축지지대(170)에 의해 지지되어 발전수단(900)의 회전자와 동일 높이에서 연결된다.
여기서, 상기 축지지대(170)는 상기 제 1, 2 회전축(612, 614)과 중심축(422)을 구분하여 지지하기 위해 각각 별도 구성으로 형성될 수도 있고, 하나의 구성에 3개의 홀이 천공되고, 천공된 홀에 각각 베어링(190)을 구비하여 구성될 수도 있다.
그리고, 상기 축지지대(170)의 외측에는 상기 제 1 회전축(612)과 제 2 회전축(614)의 단부를 수용하여 내부에 구비되는 회전자와 연결되도록 함으로써, 전달된 회전력을 바탕으로 전기를 생성하기 위한 발전수단(900)이 구비된다.
상기 발전수단(900)은 상기 제 1, 2 회전축(612, 614)의 양단부에 각각 하나씩 구비될 수도 있고, 상기 제 1, 2 회전축(612, 614)의 양단 중 어느 일측에만 구비될 수도 있다. 후자의 경우 제 1, 2 회전축(612, 614)의 타단에는 안정적인 회전을 위하여 밸런싱 기어박스(300)가 더 구비된다.
한편, 상기 강체(400)의 하측에 구비되는 지지수단(800)은 상기 중심축(422)을 기준으로 좌측 및 우측에 각각 하나 이상 구비될 수 있다.
상기 지지수단(800)은 서스펜션 스프링과 같이 탄성을 지닌 물체로 상기 강체(400)의 하중 및 발전량을 고려하여 결정될 수 있다.
즉, 상기 지지수단(800)은 하중에 대한 인정 및 압축 정도 또는 강체(400)의 변위를 고려하여 탄성계수가 결정되고, 결정된 탄성계수를 가지는 물체가 선택되어 사용될 수 있다.
또한, 상기 지지수단(800)은 보다 안정적인 지지를 위해 복수로 구비될 수 있으며, 상기 중심축(422)을 기준으로 좌측 및 우측에서 동일 간격 이격되도록 구비될 수 있다. 따라서, 상기 강체(400)의 피칭 시 일측의 지지수단(800)이 탄성 압축되고, 타측의 지지수단(800)이 인장되며, 이와 같은 지지수단(800)의 탄성에 의해 강체(400)의 변위가 보다 증대될 수 있다.
한편, 상기 베이스 플레이트(160)의 상면에는 완충부재(180)가 더 구비될 수 있다. 상기 완충부재(180)는 상기 강체(400)의 피칭 시 상기 제 1 피칭부(440) 또는 제 2 피칭부(460)가 상기 베이스 플레이트(160)와 충돌하여 파손되는 것을 방지하면서 변위를 제어하는 스토퍼 역할을 하게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 작용에 대하여 설명한다.
도 5 내지 도 7 에는 본 발명의 요부구성인 강체의 피칭에 따른 피니언의 회전방향을 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연근해형 파력발전장치(100)의 발전원리를 살펴보면 다음과 같다.
우선, 본 발명에 따른 연근해형 파력발전장치(100)가 바다 위에 설치되면, 상기 부력형성수단(200)에 의해 파도 위에 부상한 상태에서 파고의 변화에 따라 부력형성수단(200)이 좌우로 흔들리게 되고, 이러한 흔들림에 의해 상기 강체(400)가 피칭(Pitching)하게 된다.
상세히, 상기 강체(400)는 파고의 변화에 따른 흔들림이 발생하게 될 경우, 상기 중심축(422)을 기준으로 상기 제 1 피칭부(440)와 제 2 피칭부(460)가 소정 반경 피칭하게 된다.
도 5 는 후측에서 볼 때 상기 부력형성수단(200)이 좌측으로 기울어진 직후의 상태를 도시한 모습으로 이와 같은 경우 상기 제 1 피칭부(440)가 하측으로 회동하고, 상기 제 2 피칭부(460)가 상측으로 회동하면서 전기를 발생시키게 된다.
상세히, 상기 제 1 피칭부(440)가 하측으로 회동하게 되면, 상기 제 1 피니언(630)이 제 1 프런트랙(620)과 맞물려 시계 방향으로 회전하면서, 제 1 래칫(632)의 수직면과 제 1 피니언(630)에 구비되는 멈춤쇠(634)가 간섭되면서 제 1 회전축(612)으로 회전력을 전달하게 된다.
그리고, 상기 제 2 피칭부(460)에서는 상승운동하는 제 2 프런트랙(660)에 맞물려 상기 제 3 피니언(670)이 시계 방향으로 회전하면서 상기 제 3 래칫(672)의 수직면과 제 3 피니언(670)에 구비되는 멈춤쇠(674)가 간섭되어 제 2 회전축(614)으로 회전력을 전달하게 된다.
따라서, 상기 제 1 회전축(612) 및 제 2 회전축(614)에 각각 연결되는 발전수단(900)의 회전자가 회전하면서 전기를 발생시키게 된다.
한편, 상기와 같은 상태 이후 파고가 변하여 상기 부력형성수단(200)이 우측으로 기울어지게 되면, 상기 강체(400)는 도 6과 같은 상태를 거쳐 도 7 과 같이 상기 제 1 피칭부(440)와 제 2 피칭부(460)의 위치가 가변된다.
상기와 같은 강체(400)의 위치 가변과정에서는 도 5에서 공회전하던 제 2 피니언(650)이 제 1 리어랙(640)과 맞물려 시계 방향으로 회전하면서 제 2 래칫(652)에 제 2 피니언(650)에 구비되는 멈춤쇠(654)가 간섭되어 제 1 회전축(612)으로 회전력을 전달하여 전기를 발생시킨다.
그리고, 상기 제 2 회전축(614)은 제 4 피니언(690)과 제 2 리어랙(680)이 맞물려 시계 방향으로 회전하면서 제 4 래칫(692)과 제 4 피니언(690)에 구비되는 멈춤쇠(694)가 맞물려 회전함으로써 전기를 발생시키게 된다.
따라서, 상기 제 1 피칭부(440) 및 제 2 피칭부(460)에서는 상승 또는 하강 회전시 시계 방향으로 회전하는 피니언과, 이와 대응되는 래칫 및 멈춤쇠의 작용에 의하여 회전축이 지속적으로 회전할 수 있게 되어 안정적인 회전력이 확보되며, 이로 인해 발전이 이루어질 수 있게 된다.
한편, 도 8 에는 본 발명에 따른 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치의 진동계를 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
본 발명에 따른 연근해형 파력발전장치(100)에서는 진동계를 형성하는 스프링 상수 K의 최적 값을 다음 식으로부터 도출할 수 있다.
Figure pat00001
..............①
Figure pat00002
로 가정 ....................................②
Figure pat00003
..③
(
Figure pat00004
: 강체의 질량관성 모멘트,
Figure pat00005
: 파고,
Figure pat00006
: 스프링 감쇄계수,
Figure pat00007
: 회전중심과 지지수단 사이의 이격거리,
Figure pat00008
: 파도의 진동주파수 )
여기서,
Figure pat00009
...............................④
Figure pat00010
...⑤ 이고,
Figure pat00011
.................................⑥ 이므로,
Figure pat00012
라 두면,
Figure pat00013
............⑦
여기서,
Figure pat00014
........⑧
이 된다.
여기서, 진동계의 고유진동수
Figure pat00015
................................⑨ 이고,
감쇠비
Figure pat00016
...............................⑩ 이므로,
진동수 비
Figure pat00017
....................................................⑪
가 된다.
따라서, 상기 지지수단(800)을 설계할 경우 감쇠의 영향을 무시하면, ⑦식에서 파고가 시스템의 피칭 진동을 형성하기 위하여 최대로 전달되기 위한 조건은 ｒ= 1일 때이고, 통상 파도의 진동수(ω)를 알고 있으므로, 상기 수식 ⑨, ⑩ 에서 진동계의 스프링상수 ｋ는 다음과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00018
...............................................⑫
즉, 본 발명에 따른 연근해형 파력발전장치(100)에서는 최적의 발전 효율을 위한 스프링상수(ｋ)의 값이 강체의 무게 및 파도의 진동수(ω) 제곱에 비례하고, 회전중심과 지지수단(800) 사이의 거리 2배의 제곱에 반비례하므로, 진동계를 구성하는 스프링상수의 값은 이를 고려하여 결정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 연근해형 파력발전장치(100)에서는, 상기 부력형성수단(200)의 길이를 설치 해역 파도의 파장을 고려하여 결정하게 된다.
상세한 설명을 위해 도 9 에는 파도의 파장에 따른 부력형성수단의 최적길이를 보이기 위한 도면이 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 파도의 파장을“λ”라 하고, 상기 부력형성수단(200)의 길이를“
Figure pat00019
”라 할 경우,
Figure pat00020
가 λ/4 보다 작을 경우 파도의 파장에 비해 부력형성수단(200)의 길이가 짧아 안정적인 피칭이 어려울 뿐만 아니라 전복될 가능성이 높다.
따라서, 본 발명에 따른 연근해형 파력발전장치(100)에서는
Figure pat00021
와 같은 길이범위에서 설계함으로써 안정적인 피칭은 물론 파도에 의해 전복되는 상황이 발생되지 않도록 함으로써 발전효율이 향상될 수 있도록 한다.
100..... 연근해형 파력발전장치 120..... 앵커
140..... 하우징 160..... 베이스 플레이트
200..... 부력형성수단 400..... 강체
420..... 중심부 422..... 중심축
440..... 제 1 피칭부 460..... 제 2 피칭부
600..... 운동변환수단 620..... 제 1 프런트랙
630..... 제 1 피니언 632..... 제 1 래칫
640..... 제 1 리어랙 650..... 제 2 피니언
652..... 제 2 래칫 660..... 제 2 프런트랙
670..... 제 3 피니언 672..... 제 3 래칫
680..... 제 2 리어랙 690..... 제 4 피니언
692..... 제 4 래칫 800..... 지지수단
900..... 발전수단

Claims (5)

  1. 부력형성수단;
    상기 부력형성수단의 상측에서 피칭(Pitching)하는 강체;
    상기 부력형성수단과 강체 사이에서 상기 강체를 탄성 지지하여 강체의 피칭주기 및 변위를 증가시키는 지지수단;
    상기 강체에 구비되어, 상기 강체의 피칭에 따른 위치변화를 회전운동으로 변환하는 운동변환수단; 및
    상기 운동변환수단과 연결되어 회전운동을 전달받아 전기를 발생시키는 발전수단;이 구비되며,
    상기 운동변환수단에는,
    상기 강체의 일측에 구비되며, 소정의 곡률을 가지도록 형성되는 복수의 랙과,
    상기 랙과 일대일 대응되어 랙의 곡률을 따라 형성되는 치형과 맞물려 회전하는 피니언과,
    상기 피니언과 발전수단의 회전자가 동일선상에 위치하여 피니언의 회전운동이 발전수단으로 전달될 수 있도록 하는 회전축과,
    상기 회전축 및 상기 피니언에 각각 구비되어 상기 회전축으로 선택적인 회전력이 전달될 수 있도록 하는 복수의 래칫 및 멈춤쇠가 포함되는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 강체는,
    회전중심을 형성하는 중심부와,
    상기 중심부의 좌우 양측에 형성되는 제 1 피칭부 및 제 2 피칭부를 포함하여 구성되며,
    상기 랙과 피니언은 상기 제 1 피칭부 및 제 2 피칭부 내부에 각각 적어도 2개 이상 구비되는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 운동변환수단에는,
    상기 제 1 피칭부의 내부에 구비되는 제 1 프런트랙과,
    상기 제 1 프런트랙에 맞물려 회전하는 제 1 피니언과,
    상기 제 1 피칭부 내부에서 상기 제 1 프런트랙과 마주보는 위치에서 상대적으로 후측에 위치하는 제 1 리어랙과,
    상기 제 1 리어랙과 맞물려 회전하는 제 2 피니언과,
    상기 제 1 피니언과 제 2 피니언이 고정된 위치에서 회전할 수 있도록 하며, 상기 제 1 피니언 및 제 2 피니언의 회전력을 전달받아 상기 발전수단의 회전자로 전달하는 제 1 회전축 및
    상기 제 2 피칭부의 내부에 구비되는 제 2 프런트랙과,
    상기 제 2 프런트랙에 맞물려 회전하는 제 3 피니언과,
    상기 제 2 피칭부 내부에서 상기 제 2 프런트랙과 마주보는 위치에서 상대적으로 후측에 위치하는 제 2 리어랙과,
    상기 제 2 리어랙과 맞물려 회전하는 제 4 피니언과,
    상기 제 3 피니언과 제 4 피니언이 고정된 위치에서 회전할 수 있도록 하며, 상기 제 3 피니언 및 제 4 피니언의 회전력을 전달받아 상기 발전수단의 회전자로 전달하는 제 2 회전축이 포함되는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 지지수단은 적어도 2개 이상이 상기 중심부의 회전중심으로부터 좌우 양측으로 등 간격을 이루는 위치에 구비되며,
    상기 베이스플레이트에는 상기 강체의 피칭 시 충돌에 의한 파손방지 또는 피칭변위를 제한하기 위한 완충부재가 마련되는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 부력형성수단의 길이는,
    설치지역 파도의 1/4 파장보다 크고 전체 파장보다 작은 범위에서 결정되는 피칭에 의한 진동계를 이용하는 연근해형 파력발전장치.
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