KR20140092219A - 진동식 파력발전설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파도에너지를 회전에너지로 변환하여 발전하는 진동식 파력발전설비에 관한 것으로, 수면에 분산된 파도에너지를 모아 발전에너지로 활용하기 위하여, 하중(荷重)의 중심을 낮추어 기울어졌다가도 오뚝이처럼 바로 설 수 있도록 중심추와 일체형인 원통형 선체로 흡수한 파도에너지가 상기 원통형 선체 정중선에서 지지구동부로 회전가능하게 고정된 메인샤프트를 축으로 진동하도록 진동구동부에 결속된 진자로 진동에너지로 변환되고, 상기 진동에너지는 상기 진동구동부에 회동가능하게 고정된 아이들 기어와 메인샤프트에 고정된 스프라킷으로 회전에너지로 변환되는 동력 변환장치가 1개의 메인샤프트에 복수로 설치되며, 회전속도가 관성 회전자로 균일하게 조정되고 메인샤프트와 발전기 사이를 연결한 동력전달장치로 가속되어 발전동력으로 이용되는 진동식 파력발전설비로, 공장에서 제작되고 운반과 정박이 용이하여 파도가 있는 곳에 전력수요에 따라 복수로 배치하고, 이전도 가능하며, 구동부교체와 윤활유 보충 외에 유지관리비가 거의 없는 것을 특징으로 한다.

Description

진동식 파력발전설비{The wave power generating device of the pendulum vibration}
본 발명은 파도에너지를 이용한 진동식 파력발전설비에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 수면에서 중심추와 원통형 선체로 흡수한 파도에너지를 상기 원통형 선체 정중선에 회전가능하게 고정된 메인샤프트를 축으로 회동하는 복수의 진자로 진동에너지를 생성하고 이것을 아이들 기어와 스프라킷으로 회전에너지로 변환하여 발전하는 진동식 파력발전설비에 관한 것이다.
파도는 바람, 조류, 지진 등으로부터 에너지를 흡수하여 관성으로 진행(진행파)하거나 정지(정재파) 상태로 너울을 형성하여 에너지를 계속 공급받으면 더욱 높아지고, 에너지 공급이 중단되면 낮아져 정온수면으로 변하며, 진행파라도 수심이 깊은 곳에서는 물의 흐름은 없이 에너지만 이동하고, 물체에 부딪히면 파고의 몇 배까지 치솟을 정도로 엄청난 에너지를 분출한다.
진행파이거나 정재파이거나 수면에 떠있는 물체가 파도에 의해 흔들리는 것은 파도에너지를 흡수하기 때문이므로 그 물체에 설치된 샤프트에 매달린 진자가 진동하는데, 파도가 높을수록 진동 폭이 커지고 에너지공급이 중단되더라도 관성이 완전히 소진될 때까지 계속 진동한다.
물체에 고정된 샤프트가 전후좌우로 이동하면 수직으로 매달려 진동하는 진자는 수직상태를 유지하려는 인력 때문에 샤프트가 이동한 방향으로 따라 이동하여 종전처럼 수직으로 정지하려고 관성으로 진동하는데, 최하정점을 지나친 사이에 상기 샤프트가 반대방향으로 회동하면 진폭이 커지고 진동에너지가 증가한다.
그러나 샤프트의 이동방향과 속도가 진자의 진동과 일치하면 에너지를 흡수할 수 없으므로 진동 폭이 작아질 수 있으나, 샤프트의 회동주기는 수면운동에 따라 주기가 불규칙한 반면 진자의 진동주기는 진자의 질량(무게)과 진동팔의 길이에 따라 균일하므로 진동이 멈추는 일은 거의 없다.
진자가 진동할 때 원심력의 영향을 받는 샤프트의 진동주기가 진자의 진동주기와 일치하려는 경향이 있지만 샤프트의 진동에너지는 원심력보다 불규칙하게 도래하는 파도로부터 에너지를 계속 흡수하므로 샤프트의 회동주기와 진자의 진동주기가 일치하는 경우는 드물기 때문이다.
진자의 진동속도는 좌우 최고정점에서의 낙하높이와 질량에 따라서 가속되어 최저정점에 도달했을 때 가장 빠르고 반대편으로 올라갈 때는 다시 느려져 정점에서 잠시 정지했다가 다시 가속되면서 낙하한다.
진동하는 진자는 낙하한 높이만큼의 운동에너지가 있어 어느 지점에서 제동을 걸었을 때 진동속도가 제동장치(스프라킷)의 회전속도보다 빠르면 제동장치를 회전시키면서 운동에너지를 전달하지만 진동속도가 느려지면 제동장치와 분리되고 남은 에너지(관성)만큼만 올라갔다가 하강하여 반대방향으로 진동하는 동안 계속되는 샤프트의 좌우 회동으로 진동에너지를 다시 공급받는다.
본 발명은 진행파이건 정재파이건 수면에 분산되어 있는 파도에너지를 흡수하여 복수의 진자로 진동에너지를 발생하고, 이것을 회전에너지로 변환하여 관성 회전자로 회전속도를 균일하게 하고 동력연결장치로 가속하며, 그래도 회전속도가 느리면 변속기로 추가가속하여 발전하는 진동식 파력발전장치에 관한 것이다.
파도가 수면에서 3초 내지 8초 간격으로 이동하고 파도에너지가 파장의 2/3 높이에 주로 몰려있으므로 파력발전설비가 파도에너지 흡수율이 높도록 수면에 부유하되 파도나 바람의 충격으로 기울어졌다가도 반동으로 오뚝이처럼 즉시 일어설 수 있도록 무게의 중심이 수면 높이에 위치한다.
진동에너지의 크기는 진동추의 질량 및 진동추가 낙하한 거리의 제곱에 비례하므로 파도 높이에 따라 진동추의 무게를 키우고 원심력을 활용하며 진동 팔을 길게 연장함으로써 진동에너지를 극대화할 수 있다.
복수의 진동에너지가 한 개의 메인샤프트에서 회전에너지로 변환되므로 큰 에너지를 얻을 수 있지만 발전설비가 흡수할 수 있는 파도에너지 양이 한계가 있으므로 진자가 너무 무거우면 파도가 약할수록 에너지흡수율이 떨어질 수 있으며 모든 진자의 질량과 진동 팔의 길이가 균일하면 진동주기가 같을 수 있으므로 각 진자의 진동주기가 다르도록 한다.
진자의 진동이 통제되지 않으면 전후좌우로 흔들려 다른 진동추와 충돌하거나 뒤엉켜 에너지흡수율이 떨어질 뿐만 아니라 구동부 등의 마모나 손상이 심각할 수 있으므로 좌우로만 진동하도록 통제한다.
파도가 높으면 진자가 360도 회전할 수 있는데, 아이들 기어(idle gear)로 제동하므로 샤프트가 회전하는 방향과 반대로 진동할 때 회전할 확률이 높고, 한번 회전하기 시작하면 연속 회전할 수 있으므로 진동추의 무게를 조절하고 발전설비가 너무 지나치게 기울어지지 않도록 하며 회전방지장치를 설치한다.
그러나 진자는 선체의 기울기와 상관없이 수직으로 정지하려고 진동하므로 회전방지장치가 선체에 고정되어있을 경우 선체가 기울어진 쪽에서는 진동추의 낙하높이가 낮아진다.
긴 메인샤프트에 복수의 구동부가 장착되고 무거운 진자가 편측성으로 운동하므로 마모된 구동부를 주기적으로 교체해야 한다. 특히 원형베어링 하나를 교체하기 위해서 메인샤프트에 걸려있는 모든 장치를 일단 해체하지 않고도 부분적으로 교체할 수 있는 시트 메탈이나 반원형 베어링이 필요하다.
한 개의 메인샤프트에 복수의 구동부가 장착되므로 수시로 윤활유를 보충해야 하지만 운전 중에는 심한 롤링 때문에 접근조차 불가능하고 특히 유동성 윤활유는 진동구동부와 저유탱크 사이에서 순환하기가 어려우므로 자동 주입이 가능하고 가동 중에도 주기적으로 잔량을 점검하고 보충할 수 있도록 한다.
수면에 파장이 있는 한 선체가 진동하지만 파도와 직각으로 충돌할 수 있도록 해안선을 따라 파도가 항상 진행하는 방향으로 정박하거나 파도가 진행하는 방향으로 선회(旋回)할 수 있도록 정박했을 때 발전량이 가장 많을 것이다.
본 발명은 수면에 분산되어 있는 파도에너지를 선체로 흡수하여 진동에너지를 발생하고 이것을 다시 회전에너지로 변환시켜 발전하는 진동식 파력발전설비를 개발하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 진동식 파력발전설비는 I빔, 또는 원통관 중 어느 하나로 형성되거나 I빔과 원통관을 결합한 중심추와, 상기 중심추에 상기 중심추 길이방향으로 결합되고 상부와 양쪽 마구리에 복수의 해치를 가지며 외벽에 복수의 날개 또는 부력괴가 부착되어 수면에서 회동하는 원통형 선체로 형성된 파도에너지 흡수장치;
상기 원통형 선체 정중선에 복수의 지지구동부로 회전가능하게 고정된 메인샤프트와, 상기 원통형 선체 내벽에 원형으로 부착되고 상부에 회전방지 턱을 가진 복수의 가드레일과, 상기 지지구동부 사이에서 상기 메인샤프트에 회전가능하게 고정된 복수의 진동구동부와, 상기 진동구동부에 핀으로 연결된 진동팔에 결속된 진동추가 좌우로 진동하도록 상기 진동팔 끝에 회전가능하게 고정되어 상기 가드레일을 궤도로 진동하는 활차, 및 상기 활차와 상기 진동추 사이에 스프링을 가진 진자(振子)로 형성된 복수의 진동에너지 발생장치;
상기 진동구동부에 회동가능하게 고정된 복수의 아이들 기어와, 상기 진동구동부 사이에서 상기 메인샤프트에 동심 축으로 고정되고 상기 아이들 기어와 접속하는 톱니를 가진 스프라킷으로 형성된 복수의 회전에너지 변환장치;
상기 메인샤프트에 고정된 관성 회전자와 상기 메인샤프트와 발전기를 연결한 동력전달장치에 의해 가속된 회전에너지로 발전하는 발전장치: 및
상기 메인샤프트 내강(內腔)을 이용한 송유관과 상기 지지구동부 및 상기 진동구동부 사이를 관통한 급유공(給油孔)과, 상기 송유관에 회전가능하게 고정된 회전조인트와 상기 원통형 선체에 고정된 저유탱크를 연결한 송유관 호스로 형성된 윤활유 공급장치로 구성된다.
상기 회전방지 턱은 상기 가드레일 상부에 호형으로 형성된 이동궤도와, 상기 이동궤도에 복수의 탈선방지 축으로 고정된 이동 턱과, 상기 이동 턱 좌우에 고정된 1쌍의 충격 스프링으로 형성되어 상기 진자의 회전을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 진자는 상기 진동팔에 탈착(脫着) 가능한 보조 진동추로 무게가 조절가능한 것을 특징으로 한다.
상기 지지구동부 및 상기 진동구동부는 복수의 시트 메탈(sheet metal) 또는 반원형 베어링 중 어느 하나가 1쌍의 반원형 구동부 집으로 결속되어 부분보수가 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 반원형 베어링은 상기 메인샤프트에 고정된 내측 베어링 부와, 상기 반원형 구동부 집에 삽입된 반원형 외측 베어링 부, 및 상기 내측 베어링 부와 상기 외측 베어링 부 사이에 베어링 홀더(holder)로 수용된 복수의 볼베어링 또는 원주형 베어링 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 윤활유 공급장치는 상기 저유탱크에 피스톤으로 형성된 가압장치 또는 상기 회전조인트 내에서 회전하는 스크루(screw)로 형성된 가압장치 중 어느 하나를 가진 것을 특징으로 한다.
공장에서 제작, 운반 및 정박이 용이하여 파도가 있고 전력수요에 따라 복수로 배치가능하고, 이동도 가능하며, 구동부교체와 윤활유 보충 외에 유지관리비가 거의 없으므로 송전이 불가능한 오지나 섬, 심해수의 담수화공장, 해저 광석 시추플랜트 같은 해상 공장이나 수상시설에서 활용할 수 있다.
다만 규격이 클수록 파도에너지 흡수율이 떨어질 수 있고 파고에 따라서 발전량 기복이 심할 수 있으므로 작은 규격으로 제작하여 전력수요에 따라 다수 배치한다.
제1도는 복수의 에너지변환장치를 가진 진동식 파력발전설비 종단면도이고.
제2도는 도 1의 A-A'에서 지지대로 고정된 지지구동부 횡단면도,
제3도는 도 1의 B-B'에서 진동구동부와 진자 및 가드레일 횡단면도,
제4도는 가드레일 상부에 형성된 회전방지 턱 상세도,,
제5도는 반원형 베어링의 단면구조 상세도,
제6도는 아이들 기어를 가진 진동구동부와 진자의 구조상세도,
제7도는 회전조인트에서 회전하는 스크루를 이용한 가압장치 상세도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 진동식 파력발전장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 중심추(125)와 결합된 원통형 선체(21)에 복수의 회전에너지 변환장치가 설치된 진동식 파력발전장치 종단면도로. 선체(21)가 예민하게 진동하되 선체(21) 하중의 중심이 하단에 있어 파도의 충격으로 기울어졌다가도 오뚝이처럼 즉시 일어설 수 있도록 I 빔이나 원통관, 또는 I 빔과 원통관을 결합한 중심추(125)에 중심추(125) 길이방향으로 결속되고 상부와 양쪽 마구리에 복수의 해치(129)를 가진 원통형 선체(21) 외벽에 복수의 날개(120) 또는 부력괴(48)가 부착되며, 밀폐된 원통형 선체(21) 내부에는 메인샤프트(32)에 결속된 복수의 진동에너지 발생장치와 회전에너지 변환장치 및 발전기(27)가 설치된다.
도 2는 도 1에 도시된 A-A' 측 단면도로, 메인샤프트(32)가 원통형 선체(21) 정중선에 일직선으로 회전가능하게 고정되도록 복수의 지지구동부(77)가 원통형 선체(21) 골격에 부착된 복수의 지지대(45)로 고정된다.
도 3은 도 1에 도시된 B-B' 측 단면도로, 지지구동부(77) 사이에서 메인샤프트(32)에 회전가능하게 고정된 복수의 진동구동부(77a)에 핀(71)으로 연결된 진동팔(72)에 결속된 진동추(127a) 및 탈착(脫着) 가능한 보조 진동추(127b)와 진동팔(72) 하단에 회전가능하게 고정된 활차(130)로 구성된 진자(127)로 진동에너지가 발생하는데, 진자(127)가 좌우진동 이외의 요동이 억제되도록 활차(130)가 원통형 선체(21) 내벽에 부착된 원형 가드레일(guard rail)(126)을 궤도로 진동하고, 진동 폭이 클수록 진동추(127a)의 원심력에 의해 진동팔(72)이 길어지는 효과가 있도록 진동추(127a)와 활차(130) 사이에 진동스프링(72a)이 장착된다.
도 4는 가드레일(126) 상부에 형성된 회전방지 턱 상세도로, 진자(127)의 회전을 방지하는 회전방지 턱(C)은 가드레일(126) 상부에 호형(弧形)으로 형성된 이동궤도(133)에 탈선방지 축(131a)으로 이동가능하게 고정된 이동판(131)과 상기 이동판(131) 좌우에 결속된 충격스프링(132)으로 형성되어, 진자 스프링(72a) 커버와 충돌할 때의 충격이 완화되고 반동탄력(反動彈力)으로 진자(127)의 하강속도가 가속된다.
진동구동부(77a)에 고정된 아이들 기어 축(123a)에 스프링으로 회동가능하게 결속된 복수의 아이들 기어(idle gear)(123)와 1:1로 접속하거나 도 1에 도시된 바와 같이 2:1로 접속하는 톱니를 가진 스프라킷(sprocket)(124)이 1쌍의 진동구동부(77a) 사이에서 메인샤프트(32)에 동심 축으로 고정되어 진동에너지가 회전에너지로 변환된다.
도 1과 같이 진자(127)와 아이들 기어(123) 및 스프라킷(124)으로 구성된 복수의 파도에너지 변환장치가 메인샤프트(32)에 일렬로 설치되고 발전부하로 인한 회전저항에도 회전속도가 균일하게 유지되어 아이들 기어(123)와 스프라킷(124)과의 접속시간을 연장함으로써 변환효율이 향상되도록 복수의 관성 회전자(128)가 메인샤프트(32)에 고정되며 메인샤프트(32)와 발전기(27) 사이를 연결한 동력전달장치로 가속되고 그래도 회전속도가 느리면 변속기로 추가 가속된다.
지지구동부(77)와 진동구동부(77a)는 부분 해체와 조립가능하도록 반원형 구동부 집(46d)에 수용된 시트 메탈(sheet metal) 또는 반원형 베어링(46) 중 하나가 적용되는데, 반원형 베어링(46)은 도 5에 도시된 바와 같이 처음 조립할 때 고정되는 원형 내측 베어링 부(46a) 또는 교체가능하도록 반원형인 내측 베어링부와 반원형 베어링 집(46d)에 수용되는 외측 베어링부(46c) 및 상기 내측 베어링 부와 외측 베어링부(46c) 사이에 수용되도록 베어링 홀더(holder)(46e)로 결속된 복수의 볼베어링 또는 원주형 베어링(46b) 중 하나로 형성된다.
도 7은 회전조인트에서 회전하는 스크루를 이용한 가압장치 상세도로, 지지구동부(77)와 진동구동부(77a)에 대한 윤활유 공급장치는 도 1에 도시된 바와 같이 파이프형 메인샤프트(32)의 내강이 송유관(79)으로 이용되어 각 구동부와 급유공(134)으로 연결되고 원통형 선체(21)에 고정된 저유탱크(73)와는 송유관(79)에 베어링(109)으로 결속된 회전조인트(110)와 송유관 호스(79a)로 연결되는데, 저유탱크(73)에서 피스톤으로 누르는 가압장치 또는 회전조인트(110) 내에서 메인샤프트(32)와 같은 속도로 회전하도록 스크류 고정판(112)으로 송유관(79)에 고정된 스크류(screw)를 이용한 가압장치로 윤활유가 공급되며, 저유탱크(73)에서 외부로 노출된 호스를 통해 수시로 보충한다.
수면에 노출된 원통형 선체(21)가 파도로 회동하면 파도에너지가 메인샤프트(32)에 전달되어 가드레일(126)을 궤도로 진동하는 진자(127)에 의해 진동에너지가 생성되고, 진동에너지는 아이들 기어(123)와 스프라킷(124)를 통해 메인샤프트(32)의 회전에너지로 변환되며 회전에너지가 관성 회전자(128)에 의해 균일한 회전속도로 조정되고 동력전달장치에 의해 가속되어 발전량이 파고에 따라 대체로 균일한 것을 특징으로 한다.
21; 원통형 선체, 27; 발전기 28; 샤프트 기어
29; 발전기 기어 32; 메인샤프트 43; 볼트와 너트
43a; 볼트 45; 지지대 46; 반원형 베어링
46a; 내측 베어링 부 46b; (원주형)베어링 46c; 외측 베어링 부
46d; 반원형 구동부 집 46e; 베어링 홀더 48; 부력괴
49; 날개 71; 핀 72; 진동 팔
72a; 진동 스프링 73; 저유탱크 77; 지지구동부
77a; 진동구동부 79; 송유관 79a: 송유관 호스
109; 베어링 110; 회전조인트 111; 스크류(screw)
112; 스크류 고정판 120; 날개 123; 아이들 기어
123a; 아이들 기어 축 124; 스프라킷 125; 중심추
125a; 파이프형 중심추 126; 가드레일 127; 진자
127a; 진동추 127b; 보조 진동추 128; 관성 회전자
129; 해치 130; 활차 131: 이동판
131a; 탈선방지 축 132; 충격 스프링 133; 이동궤도
134; 급유공 C; 회전방지 턱 D; D-D' 단면도

Claims (6)

  1. I빔, 또는 원통관 중 어느 하나로 형성되거나 I빔과 원통관을 결합한 중심추와, 상기 중심추에 상기 중심추 길이방향으로 결합되고 상부와 양쪽 마구리에 복수의 해치를 가지며 외벽에 복수의 날개 또는 부력괴가 부착되어 수면에서 회동하는 원통형 선체로 형성된 파도에너지 흡수장치;
    상기 원통형 선체 정중선에 복수의 지지구동부로 회전가능하게 고정된 메인샤프트와, 상기 원통형 선체 내벽에 원형으로 부착되고 상부에 회전방지 턱을 가진 복수의 가드레일과, 상기 지지구동부 사이에서 상기 메인샤프트에 회전가능하게 고정된 복수의 진동구동부와, 상기 진동구동부에 핀으로 연결된 진동팔에 결속된 진동추가 좌우로 진동하도록 상기 진동팔 끝에 회전가능하게 고정되어 상기 가드레일을 궤도로 진동하는 활차, 및 상기 활차와 상기 진동추 사이에 스프링을 가진 진자(振子)로 형성된 복수의 진동에너지 발생장치;
    상기 진동구동부에 회동가능하게 고정된 복수의 아이들 기어와, 상기 진동구동부 사이에서 상기 메인샤프트에 동심 축으로 고정되고 상기 아이들 기어와 접속하는 톱니를 가진 스프라킷으로 형성된 복수의 회전에너지 변환장치;
    상기 메인샤프트에 고정된 관성 회전자와 상기 메인샤프트와 발전기를 연결한 동력전달장치에 의해 가속된 회전에너지로 발전하는 발전장치: 및
    상기 메인샤프트 내강(內腔)을 이용한 송유관과 상기 지지구동부 및 상기 진동구동부 사이를 관통한 급유공(給油孔)과, 상기 송유관에 회전가능하게 고정된 회전조인트와 상기 원통형 선체에 고정된 저유탱크를 연결한 송유관 호스로 형성된 윤활유 공급장치로 구성된 진동식 파력발전설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전방지 턱은 상기 가드레일 상부에 호형으로 형성된 이동궤도와, 상기 이동궤도에 복수의 탈선방지 축으로 고정된 이동 턱과, 상기 이동 턱 좌우에 고정된 1쌍의 충격 스프링으로 형성되어 상기 진자의 회전을 방지하는 것을 특징으로 하는 진동식 파력발전설비.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 진자는 상기 진동팔에 탈착(脫着) 가능한 보조 진동추로 무게가 조절가능한 것을 특징으로 하는 진동식 파력발전설비.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 지지구동부 및 상기 진동구동부는 복수의 시트 메탈(sheet metal) 또는 반원형 베어링 중 어느 하나가 1쌍의 반원형 구동부 집으로 결속되어 부분보수가 가능한 것을 특징으로 하는 진동식 파력발전설비.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 반원형 베어링은 상기 메인샤프트에 고정된 내측 베어링 부와, 상기 반원형 구동부 집에 삽입된 반원형 외측 베어링 부, 및 상기 내측 베어링 부와 상기 외측 베어링 부 사이에 베어링 홀더(holder)로 수용된 복수의 볼베어링 또는 원주형 베어링 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 진동식 파력발전설비.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 윤활유 공급장치는 상기 저유탱크에 피스톤으로 형성된 가압장치 또는 상기 회전조인트 내에서 회전하는 스크루(screw)로 형성된 가압장치 중 어느 하나를 가진 것을 특징으로 하는 진동식 파력발전설비.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101879421B1 (ko) 2017-09-25 2018-08-17 한국기계연구원 가변 공진형 파력발전장치 및 이를 이용한 파력발전시스템
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