KR20150093338A - 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치는, 계류 장치에 의해 수중에 부유하는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치에 있어서, 상기 계류 장치에 연결되는 감쇠판; 양단이 개방된 중공을 구비하여 상기 계류 장치로부터 수직 상방으로 연장되는 포스트; 상기 포스트의 중공에 위치하는 터빈; 및 하단이 개방되어 상기 포스트의 상부에 배치되는 하우징을 포함하되, 상기 포스트의 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 상기 터빈을 회전시킨다.

Description

진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR CONVERTING WAVE ENERGY BASED ON OSCILLATING WATER COLUMN TYPE}
본 발명은 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수역학적 스프링 상수와 물의 운동에 의한 부가질량(added mass)에만 의존하여 공명 조건을 충족함으로써, 간단한 구조로 수중에 설치할 수 있는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템에 관한 것이다.
파력 에너지는 해양 에너지 중 바람에 의한 해수의 진동에너지를 의미한다. 파도는 조류와 달리 해수의 상하 또는 좌우로 운동하는 왕복운동 에너지를 의미한다. 파력 발전은 파력에너지에서 전기에너지를 얻는 것으로, 친환경 미래 에너지원으로 각광받고 있다. 구체적으로, 파랑에 의한 면의 주기적 상하 운동 또는 물입자의 전후 운동 등을 에너지 변환 장치를 통하여 기계적인 운동 에너지로 변환시킨 후, 전기 에너지로 변화시킨다.
이러한 에너지 변환 장치는 대부분 부이(bouy)의 형태로 그 형상과 질량 등에 따라 파도의 운동에 대응하는 공명 진동수(resonance frequency)가 결정된다. 이 부이의 운동 역시 파도의 운동에 따라 진동 운동을 하게 되며 발전기를 통해 전기 에너지로 변환된다.
그런데, 종래의 에너지 변환 장치는 발전 장치가 수면 위에 설치되어 있으며, 수면 위에 설치된 발전 장치의 경우 풍랑, 해일 등에 의한 해상 재해에 의해 장치가 파손되거나 장치 유실과 같은 문제가 발생할 우려가 높다. 또한, 종래의 에너지 변환 장치는 설치 해역 파도의 대표 주기와 장치의 고유 주기를 일치시키기 위해 압력 조절 장치와 추가적인 스프링을 요구하는 것이 대부분이다. 여기에, 장치의 운동을 제약하기 위한 부싱, LM(Linear Motion)과 같은 별도의 기계 푸품을 필요로 하여 구조가 복잡하다. 그리고, 종래의 에너지 변환 장치는 대부분이 본체에 가해지는 수압의 방향이 수직 하방이어서 본체를 부유시킬 수 없다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기구학적인 설계를 통해 간단한 구조로 수역학적 스프링 상수와 물의 운동에 의한 부가질량(added mass)에만 의존하여 공명 조건을 충족할 수 있는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본체의 수직 상방으로 수압을 가하게 되어 본체가 부유할 수 있어, 본체를 수중에 계류 시킬 수 있는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치는, 계류 장치에 의해 수중에 부유하는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치에 있어서, 상기 계류 장치에 연결되는 감쇠판; 양단이 개방된 중공을 구비하여 상기 계류 장치로부터 수직 상방으로 연장되는 포스트; 상기 포스트의 중공에 위치하는 터빈; 및 하단이 개방되어 상기 포스트의 상부에 배치되는 하우징을 포함하되, 상기 포스트의 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 상기 터빈을 회전시킨다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템은, 하단이 개방된 하우징과, 삽입홀을 포함하는 감쇠판과, 상기 감쇠판의 삽입홀에 삽입되어 상기 하우징의 내부 공간으로 연장되는 중공을 구비한 포스트와, 상기 포스트의 중공에 위치하여 상기 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 회전하는 터빈을 포함하는 웨이브 에너지 변환 장치; 및 상기 웨이브 에너지 변환 장치를 고정시켜 상기 웨이브 에너지 변환 장치의 표류를 방지하는 계류 장치를 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 부표 등과 같은 파도의 운동 에너지를 기계 에너지로 변환하기 위한 별도의 부품을 필요로 하지 않아, 건조 중량이 낮으면서도 간단한 구조로 구현할 수 있다.
또한, 설치 해역 파도의 대표주기와 장치의 고유 주기를 일치시키기 위해 압력 조절 장치와 추가적인 스프링을 요구하지 않고, 오직 수역학적 스프링 상수와 물의 운동에 의한 부가질량(added mass)에만 의존하여 장치의 고유 주기를 설치 해역 파도의 대표 주기와 일치시킬 수 있다.
그리고, 기구학적인 설계를 통해 유체의 흐름을 한곳으로 집중시키기 때문에 진폭을 극대화 시킬 수 있어 그만큼 빠른 운동성능을 보장할 수 있고, 이에 따라 소형 발전기를 사용하여도 높은 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.
그리고, 공명 조건을 위한 챔버(chamber)의 공간 확보를 요구하지 않으므로, 부피를 줄일 수 있어 높은 체적 효율을 갖고, 더 나아가 풍랑과 같은 한계 요인에 의한 파손 및 유실의 위험을 낮출 수 있다.
그리고, 본체에 가해지는 수압의 방향이 수직 상방이기 때문에 본체가 부유할 수 있고, 이에 따라 본체를 수중에 계류시킬 수 있어 설치 단가를 절감할 수 있다.
그리고, 낮은 건조 중량과 간단한 구조, 높은 체적 효율로 제작 비용이 저렴하며, 건조 중량이 낮기 때문에 운반이 용이하고, 대부분의 부품이 파이프 등으로 이루어져 보수가 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 절단 사시도이다.
도 2는 파도에 의한 해수압 진동을 도시한 도면이다.
도 3은 깊이별 주파수 영역에서의 가진력의 변화 추이를 도시한 그래프이다.
도 4a는 파고의 평형 시에 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치를 도시한 단면도이다.
도 4b는 파고의 상승 시에 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치를 도시한 단면도이다.
도 4c는 파고의 하강 시에 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 부분 단면도이다.
도 6a 내지 6f는 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 최적의 구조를 도출하기 위해, 포스트의 높이와 포스트 및 하우징의 단면적의 비를 구하는 과정을 설명하기 위한 여러 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 단면도이다.
도 10은 도 7 내지 도 9의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템 중 적어도 하나에서 터빈에 연결된 발전기를 도시한 부분 단면도이다.
도 11a 및 도 11b는 각각 파고의 평형 시에 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템 및 도 7의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 상태를 도시한 단면도이다.
도 12a 및 도 12b는 각각 파고의 물마루(Crest) 시에 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템 및 도 7의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 상태를 도시한 단면도이다.
도 13a 및 도 13b는 각각 파고의 물골(Trough) 시에 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템 및 도 7의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 상태를 도시한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 절단 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)는 계류 장치(205)에 의해 수중에 위치하며, 하우징(110)과 포스트(120), 감쇠판(140), 터빈(130)으로 구성된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)는 계류 장치(205)에 의해 수중에 부유하며, 계류 장치(205)에 연결되는 감쇠판(140), 양단이 개방된 중공을 구비하여 계류 장치(205)로부터 수직 상방으로 연장되는 포스트(120), 포스트(120)의 중공에 위치하는 터빈(130), 및 하단이 개방되어 포스트(120)의 상부에 배치되는 하우징(110)을 포함하며, 포스트(120)의 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 터빈(130)을 회전시킨다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)는 터빈(130)에 연결되어 상기 터빈(130)의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 계류 장치(205)는 해저 지반(5)에 설치되는 지지부재(207)와 상기 지지대(207)와 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)를 연결하는 연결부재(206)를 포함할 수 있으나, 다른 형태의 계류 장치(205)를 적용할 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다.
하우징(110), 포스트(120), 감쇠판(140), 터빈(130)으로 간단한 구조의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)를 구현하기 위해, 감쇠판(140)은 포스트(120)가 삽입되어 결합되는 삽입홀을 포함할 수 있다. 감쇠판(140)의 삽입홀에 연결된 포스트(120)의 일단을 통해 물이 자유롭게 유출입된다. 감쇠판(140)의 형상은 제한이 없으나, 바람직하게는 원반 형상일 수 있다. 또한, 포스트(120)도 길이 방향으로 연장되어 그 단면의 형상은 제한이 없으나, 원기둥 형상인 것이 바람직하다. 그리고, 포스트(120) 내의 공기와 물의 흐름에 따라 최대 출력을 얻기 위해 터빈(130)은 한 방향으로만 회전할 수 있다. 일례로, 웰스 터빈을 포스트(120) 내에 설치하여 한 방향으로만 회전할 수 있다. 물론, 다른 방식의 터빈(130)을 사용할 수도 있으며, 일례로 임펄스 터빈을 사용할 수 있다. 하우징(110)은 포스트(120)의 상부에 위치하며, 포스트(120)보다 직경이 크며, 상기 포스트(120)의 상단 일부를 둘러싸 배치될 수 있다. 이렇게 배치된 하우징(110)의 내부에 공기를 포함하게 되며, 내부의 상부 공간에서 수압과 평형을 이루게 된다.
예를 들어, 하우징(110)은 속이 빈 원기둥 형태로 상부는 막혀있고 하부는 개방되어 있을 수 있다. 또한, 포스트(120)는 양단이 개방된 속이 빈 실린더이며 하우징(110)에 비해 직경이 작고, 상단은 하우징(110)의 중간 정도에 위치할 수 있다. 터빈(130)은 포스트(120)의 상단 내부에 위치할 수 있고, 감쇠판(140)은 포스트(120)의 하단에 고정된 원반 형태의 무게추로써, 하우징(110)과 포스트(120)로 이루어지는 구조물의 거동 안정성을 높이고 파도에 의한 구조물의 운동을 제약할 수 있다. 즉, 하우징(110), 포스트(120), 터빈(130), 감쇠판(140)은 모두 상대적으로 고정되어 있고, 하우징(110)과 터빈(130) 내부의 유체는 자유롭게 이동할 수 있다.
그리하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)는 간단한 구조로 해수의 특성에 의존한 공명 조건 충족이 가능하기 때문에 별도의 장치를 필요로 하지 않는다. 또한, 유체의 흐름을 한곳에 집중시켜 발전기를 구동할 수 있고, 수직 상방으로 작용하는 수압을 이용할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 동작원리를 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2는 파도에 의한 해수압 진동을 도시한 도면이며, 도 3은 깊이별 주파수 영역에서의 가진력의 변화 추이를 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 파도는 바람에 의해 해수면에서 발생하는 물의 진동 운동으로 원형 궤도의 주기 운동(Pa)을 하게 된다. 원형 궤도는 수면에 가까울수록 더 크고, 수심이 깊어질수록 작아지는 특성이 있다. 즉, 수면에 가까울수록 파도에 의한 해수압의 변화가 크며, 수심이 깊어질수록 해수압의 변화가 작아지고, 파도의 파장(
Figure pat00001
)의 약 절반의 깊이(N)까지 수압의 변화가 발생한다.
수심(
Figure pat00002
)에 따른 수압의 변화 정도는 헬름홀츠(Helmholtz) 방정식으로부터 유도될 수 있으며 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure pat00003
여기에서,
Figure pat00004
는 해저면 수심이며,
Figure pat00005
는 파수이고, 파도의 파장(
Figure pat00006
)에 반비례한다.
상기 수학식 1에서, 수심(
Figure pat00007
)이 증가함에 따라,
Figure pat00008
는 감소하게 된다.
그리고, 파도의 파장과 주기(
Figure pat00009
)는 아래의 수학식 2와 같은 관계를 가진다.
Figure pat00010
여기에서,
Figure pat00011
이고,
Figure pat00012
는 중력 가속이다.
파도의 주기가 길수록(또는 진동수가 낮을수록) 상기 수학식 2를 만족하는
Figure pat00013
는 작은 값을 갖게 되며,
Figure pat00014
의 변화에
Figure pat00015
는 둔감하게 된다. 따라서, 장주기의 파도일수록 깊은 수심까지 파도의 에너지가 전달되며, 단주기의 파도일수록 깊은 수심까지 에너지가 전달되지 못한다.
도 3은 이와 같은 경향성을 나타내는 도면이다. 도 3에서, 파도에 의해 작용하는 힘인 가진력을 정규화하여 도시하였다. 여기에서, 1에 가까울수록 파도의 힘을 모두 전달하는 것을 의미한다. 점선
Figure pat00016
은 해저면 수심 대비 깊이 1/20인 경우, 점선
Figure pat00017
은 수심 대비 7/20인 깊이에서 진동수에 따른 가진력의 변화를 나타낸다. 두 그래프는 낮은 진동수, 즉 장주기의 파일 경우 모두 0.9 이상의 전달력을 보여주지만, 진동수가 증가함에 따라 그 정도가 감쇠하는 경향이 있음을 알 수 있다. 수심이 깊은 곳에서 감쇠의 경향이 급격히 증가하며, 실선은 두 값의 차이(Differnece)를 나타낸다. 이 값은 약 0.45Hz에서 최대값을 가지며, 가진력의 차이의 극값을 설치 해역의 파도 주기에 맞추어 출력을 극대화시켜 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)를 이용할 수 있다.
도 4a는 파고의 평형 시에 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치를 도시한 단면도이며, 도 4b는 파고의 상승 시에 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치를 도시한 단면도이고, 도 4c는 파고의 하강 시에 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치를 도시한 단면도이다.
도 4a에 도시한 바와 같이, 파도가 없는 상태에서는 하우징(110) 내부의 수위와 포스트(120) 내부의 수위가 같은 평형 상태를 유지한다.
도 4b에 도시한 바와 같이, 파고(Wave Height)가 상승하여 파고가 높아지게 되면, 하우징(110) 하단의 해수압과 포스트(120) 하단의 해수압이 상승한다. 그러나, 도 3에 도시된 그래프와 같이 가진력의 차이로 인해, 하우징(110)에 작용하는 해수압의 상승 비율이 포스트(120) 하단에 작용하는 해수압의 상승 비율보다 높아 포스트(120) 내부의 해수를 아래로 밀어낸다.
도 4c 에 도시한 바와 같이, 파고(Wave Height)가 하강하여 파고가 낮아짐에 따라, 하우징(110) 내부의 해수압 하강이 더 크기 때문에 하우징(110) 내부에는 음압이 발생하게 되고, 포스트(120) 내부의 해수는 상승하게 된다. 이때, 포스트(120) 내부의 해수가 최대로 상승하는 경우, 해수가 포스트(120)의 외부로 배출된다.
파고가 상승 및 하강을 반복함에 따라, 내부의 공기가 하강 및 상승을 반복하게 되고, 이러한 공기의 상하 운동에 의해 터빈(130)이 회전한다. 즉, 하우징(110)과 포스트(120)에 존재하는 해수의 변위는 하우징(110)과 포스트(120)의 단면적에 반비례하므로, 포스트(120) 내부에 있는 해수의 변위가 하우징(110) 내부에 있는 해수의 변위보다 더 크게 진동하게 된다. 따라서 포스트(120) 내부에 있는 터빈(130)은 증폭된 유체의 속도에 의해 빠른 속도로 회전이 가능하게 되어 발전기의 효율성을 향상시킬 수 있다.
여기에서, 하우징(110) 내부와 포스트(120) 내부에 존재하는 물은 해수압을 전달하는 역할과 공명의 조건을 충족시키기 위한 무게추의 역할도 동시에 하게 된다. 공명 조건을 만족시키기 위해선 파도의 대표 주기와 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 공진 진동수가 일치하는 아래의 수학식 3을 만족해야 한다.
Figure pat00018
여기에서,
Figure pat00019
는 파도의 대표 주기(peak period),
Figure pat00020
는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 전체 질량,
Figure pat00021
는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100) 전체의 스프링 효과를 의미한다. 이때, 언더바(_) 다음의 문자 및/또는 숫자는 아래 첨자를 의미하며, 이하에서 동일한 의미로 상기 언더바를 사용하도록 한다.
종래의 경우, 인위적인 구조물을 통해 장치의 질량을 늘리거나 스프링 상수를 조절했던 것에 비해, 제안된 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)는 해수의 질량과 부력을 이용하며 이 값은 주로 포스트(120)의 길이 및 하우징(110)의 단면적에 의해 영향을 받으므로, 기하학적인 형상설계에 의해 간단한 구조로 구현할 수 있다.
도 5는 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 부분 단면도이다.
도 5에서, MW는 평균 수면 레벨,
Figure pat00022
은 파도 변위,
Figure pat00023
는 설치 깊이,
Figure pat00024
는 설치 수심,
Figure pat00025
은 하우징(110)의 내부 수위,
Figure pat00026
은 하우징(110)의 단면적,
Figure pat00027
은 하우징(110)의 높이,
Figure pat00028
는 포스트(120)의 내부 수위,
Figure pat00029
는 포스트(120)의 단면적,
Figure pat00030
는 포스트(120)의 높이를 의미한다.
종래의 일반적인 부표형 웨이브 변환 장치의 경우, 부표의 크기와 무게, 그리고 부표에 연결된 스프링에 의해 고유 진동수가 결정된다. 반면에, 제안한 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)는 움직이는 부위가 별도로 존재하지 않고, 오직 해수의 유동에만 의존하기 때문에 해수의 유동량에 의한 질량 효과, 그리고 정수력(hydrostatic force)에 의해 제공되는 스프링 효과에 의해 공명 주기가 결정되게 된다. 질량 효과에는 하우징(110)과 포스트(120) 외부에서 영향을 미치는 부가적인 질량(이하, ‘부가 질량’이라 함)과 하우징(110)과 포스트(120) 내부에서 이동하는 유량에 의한 질량(이하, ‘유량 질량’이라 함)이 있다.
부가 질량의 경우, 하우징(110) 내부의 물의 진동에 의해 하우징(110) 주변에 영향을 받는 부가 질량과 포스트(120) 하단의 물의 이동에 의해 포스트(120) 주변의 물이 영향을 받는 부가 질량으로 나뉘게 된다. 이러한 부가 질량의 경우 그 크기와 주파수 경향을 직접적으로 구할 수는 없으며, 나비에 스톡스(navier-stokes) 이론에 의한 편미방 방정식을 도입하여 계산할 수 있다. 반면에, 유량 질량의 경우 하우징(110)과 포스트(120) 내부에 단방향으로 이동하는 해수의 운동을 가정하기 때문에 단순히 하우징(110)과 포스트(120)의 내경과 물이 차 있는 높이를 통해 계산할 수 있다. 또한, 하우징(110)과 포스트(120)의 동역학 관계에 의해 부가질량과 유량 질량은 그 효과가 각 요소의 단면적의 비에 의해 유기적으로 연결되게 되며 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같은 관계를 갖는다.
Figure pat00031
Figure pat00032
여기에서,
Figure pat00033
,
Figure pat00034
는 각각 하우징(110)과 포스트(120) 내의 수면의 운동에 의해 진동하는 유체의 운동에 의한 부가 질량,
Figure pat00035
for i = 1,2 는 각각 하우징(110)과 포스트(120) 내에 있는 물의 질량,
Figure pat00036
,
Figure pat00037
는 각각 파도의 운동에 의해 하우징(110)과 포스트(120)에 전해지는 가진력(excitation force: 실질적인 시스템의 구동력에 해당),
Figure pat00038
,
Figure pat00039
는 방사감쇠력,
Figure pat00040
,
Figure pat00041
는 정수력(hydrostatic force, 시스템에서의 스프링 효과에 해당)이며,
Figure pat00042
는 내부의 공기 압력,
Figure pat00043
는 물의 밀도를 의미한다.
기본적인 동역학 방정식은 움직이는 물체를 기반으로 하지만, 본 발명의 일 실싱예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 경우, 움직이는 물체가 하우징(110)과 포스트(120) 내의 물밖에 없기 때문에 하우징(110)과 포스트(120) 내의 내부 수면을 기준으로 동역학 방정식을 전개할 수 있다.
상기의 수학식 4 및 수학식 5는 내부 압력에 대한 비 압축성을 전제로 다음의 수학식 6의 제약 조건을 만족하여야 한다.
Figure pat00044
여기에서, const는 상수를 의미한다.
상기 수학식 6을 이용하여 상기 수학식 4 및 5의 수면의 방정식을 하나로 결합할 수 있으며 다음의 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure pat00045
여기에서,
Figure pat00046
,
Figure pat00047
,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
,
Figure pat00050
,
Figure pat00051
는 각각 다음의 수학식 8 내지 수학식 13으로 표현된다.
Figure pat00052
Figure pat00053
Figure pat00054
Figure pat00055
Figure pat00056
Figure pat00057
여기에서,
Figure pat00058
은
Figure pat00059
와
Figure pat00060
의 비(
Figure pat00061
/
Figure pat00062
)를 의미하며 1보다 작은 값이라 가정한다. 따라서, 이 값이 작을수록 하우징(110)의 부가 질량과 유량 질량에 의한 효과는 줄어들게 된다.
상기의 수학식 7이 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 동역학 방정식이 되며, 질량
Figure pat00063
)과 스프링 효과
Figure pat00064
가 공명조건을 결정하게 된다. 즉 위에서 언급한 공명 조건인 수학식 3을 만족해야 한다. 상기의 수학식 3은 다음의 수학식 14로 표현될 수 있다.
Figure pat00065
상기의 수학식 14를 기초로 하여 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 각 구성요소의 수치를 정량화할 수 있다.
일단, 상기의 수학식 14에 포함된
Figure pat00066
는 수위의 값이 들어 있기 때문에 변하는 값이다. 따라서, 이 값을 평균값으로 가정하고 계산을 하기로 한다. 평균값은 z_10, z_20이며, 편의상 0의 값을 의미한다. 즉 M(0)이 되며 다음의 수학식 15와 같이 간략화된다.
Figure pat00067
전술한 바와 같이, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)의 기구학적 파라미터를 결정하는 가장 중요 요인은 공명 조건이다. 따라서, 상기 수식을 만족할 수 있는 파라미터를 찾는 것이 가장 중요하다. 그러나. 부가 질량
Figure pat00068
,
Figure pat00069
의 경우 해양공학 시뮬레이터와 수역학 방정식을 기반으로 구해야 하기 때문에 이 파라미터를 찾는 것은 쉬운 일이 아니다.
한편,
Figure pat00070
이 1보다 작은 값이라는 가정은 공명 조건에 영향을 미치는 몇가지 요소들을 배제하는데 도움이 된다. 하우징(110)에 의한 부가 질량과 유량 질량은 수식상
Figure pat00071
의 제곱이 곱해지기 때문에 그 영향이 감소하게 된다. 만약,
Figure pat00072
이 0.3만 되더라도 이 효과는 0.3의 제곱, 즉 약 0.1로 감소하게 된다.
Figure pat00073
이 작은 값이라는 가정을 통해 하우징(110)에 의한 영향을 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정할 수 있다. 또한, 포스트(120) 내의 유량 질량과 부가 질량
Figure pat00074
를 비교하게 되면, 부가 질량의 값이 유량 질량에 비해 굉장히 작다. 결국, 공명에 영향을 미치는 질량 요인이 포스트(120) 내의 유량 질량으로 한정시킬 수 있다. 이 값은 내부 공간의 크기만 구하면 되기 때문에, 별도의 복잡한 수역학 방정식을 풀거나 해양공학 시뮬레이터를 통해 구하지 않아도 된다. 따라서, 공명 관계식은 다음의 수학식 16과 같이 단순화가 가능하다.
Figure pat00075
상기 수학식 16을 상기 수학식 14에 대입하면, 다음의 수학식 17을 도출할 수 있다.
Figure pat00076
설치 해역의 대표 주기는 주어지는 것이기 때문에 남은 요인은 포스트(120)의 길이와
Figure pat00077
만 남게 된다.
포스트(120) 길이의 결정은 에너지 출력에 영향을 미치는 요인으로, 이는 전적으로 설치 해역의 특성에 의해 결정이 된다. 즉, 상기의 수학식 12가 최대가 되는 값을 결정하게 되는 경우로
Figure pat00078
를 결정하게 된다.
도 6a 내지 6f는 도 1의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 최적의 구조를 도출하기 위해, 포스트의 높이와 포스트 및 하우징의 단면적의 비를 구하는 과정을 설명하기 위한 여러 그래프이다.
파도의 파형은 확률론적인 파의 중첩의 원리에 의해 설명할 수 있다. 파도의 파형은 일시적으로 보기엔 도 6a에 도시한 바와 같이 굉장한 비정형성(irregularity)을 보이지만, 파고를 기록해 파형을 분해해 보면 도 6b에 도시한 바와 같이 된다. 비정형성의 파도는 정형성(regulararity)을 갖는 파의 합에 의해 표현될 수 있다. 이것을 수식으로 표현하면 아래의 수학식 18과 같다.
Figure pat00079
여기에서,
Figure pat00080
은 n배수의 파수(wave number),
Figure pat00081
는 해수면 수평면상의 변위,
Figure pat00082
는 샘플링 주파수 (주파수의 최소 단위),
Figure pat00083
은 0~2π 사이의 임의의 상수를 의미하며,
Figure pat00084
은 n 배수 파도의 파장,
Figure pat00085
은 임의의 정수를 의미한다. 보통 10 이상이면 파도가 표현되게 된다.
즉, 코사인(cosine) 함수의 합으로 표현되며, 위상이 랜덤(random)하게 정해지기 때문에 불규칙한(irregular) 파도의 모델로 보이는 것이다. 그러나
Figure pat00086
과
Figure pat00087
은 확률론적으로 상관 관계를 갖는데 이것을 나타낸 모델을 파도 스펙트럼 모델이라 한다.
각 해역에는 대표 주기와 대표 진폭으로 대표되는 값이 존재하는데 이는 확률적으로 대표 주기의 정형파의 진폭이 크다는 것을 의미하며, 이는 이 주기에 파도의 에너지가 집중되어 있음을 의미한다. 대표적인 파도 스펙트럼 모델인 JONSWAP 모델을 통해서 설명하도록 한다.
여기에서, JONSWAP이란 (JOint North Sea Wave Project)의 약자로 북해도의 파도의 스펙트럼을 측정한 뒤 이에 맞는 모델을 수식화 한 것을 의미한다. 그러므로, JONSWAP 모델은 파도에 에너지 스펙트럼을 설명하는 모델을 말한다. 일반적인 해역의 파도는 굉장히 불규칙한데, 그 불규칙한 모양을 일정한 시간 동안 측정하도록 도 6b에 도시한 바와 같이 여러 개의 정상파(sine wave)로 표현되는 것을 알 수 있다. 즉, 각 정상파를 주기별로 분류하여 파도의 주기당 얼마만큼의 에너지가 분산되어 있는지를 나타내는 것이 JONSWAP 파도 모델이다. 에너지가 많이 분포해 있을수록 해당하는 주파수(혹은 주기)에 높은 파고가 집중해 있음을 의미한다.
도 6c는
Figure pat00088
의 진동수를 대표 진동수로 갖는 해역의 파도 스펙트럼을 나타낸다.
Figure pat00089
에 가장 많은 에너지가 분포하며 이 진동수를 기준으로 양쪽으로 갈수록 에너지가 점점 감소하는 것을 알 수 있다.
다시 파도 모델로 돌아와서 파도의 진폭은 그래프의 면적의 근의 제곱값으로 구할 수 있는데 아래의 수학식 19와 같다.
Figure pat00090
도 6d를 참조하면, 빗금에 해당하는 면적의 근의 제?값이
Figure pat00091
의 진동수를 갖는 파도의 진폭을 의미한다.
이 스펙트럼의 함수를
Figure pat00092
라 나타낼 때, 파력발전을 통해서 얻을 수 있는 파워는 아래의 수학식 20 및 21과 같다.
Figure pat00093
여기에서,
Figure pat00094
는 이론적으로 얻을 수 있는 출력 스펙트럼(extracted power spectrum) 을 의미하며 파력 발전 장치가 각 주파수 별로 추출할 수 있는 에너지가
Figure pat00095
로 표현이 된다.
Figure pat00096
여기서,
Figure pat00097
은 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치의 주파수 영역에서의 출력 전달 함수(extracted power transfer function)라 칭한다.
즉,
Figure pat00098
가 주로 갖는 스펙트럼의 영역이 S(f)와 일치해야 많은 에너지를 추출할 수 있는 것이다.
Figure pat00099
은 아래의 수학식 22로 표현된다.
Figure pat00100
Figure pat00101
,
Figure pat00102
,
Figure pat00103
는
Figure pat00104
,
Figure pat00105
,
Figure pat00106
의 fourier transform한 값을 의미한다. 베타(beta)는 터빈의 댐핑 계수(damping coefficient)를 의미한다.
이러한 전달함수의 값이 어떻게 영향을 미치는지 시뮬레이션을 통해서 살펴 보기로 한다.
기존에 파이프의 길이를 고정시켜 놓은 상태에서 s_21의 비율을 바꾸면서 시뮬레이션을 할 경우 공명 진동수가 변하기 때문에 정확한 퍼포먼스를 비교할 수 없다. 따라서 파이프의 지름과 공진 주기만 고정시켜 놓은 상태에서 s21을 변화시켜 감에 따라 바뀌는 파이프의 길이를 구하고 그에 따른 퍼포먼스의 변화를 관찰하도록 한다. 단, added mass effect의 효과는 미비하기 때문에 무시하기로 한다.
일단 f를 0.16Hz (w=1rad/s) 에 맞추고 계산을 한다. added mass와 하우징에 있는 물의 양을 무시한다고 가정하면 아래의 수학식 23과 같은 관계를 만족한다.
Figure pat00107
따라서 숫자를 대입하면 다음의 수학식 24와 같은 관계가 된다.
Figure pat00108
(단,
Figure pat00109
= 1/
Figure pat00110
)
하우징의 면적이 작을수록
Figure pat00111
는 감소하기 때문에 포스트의 길이는 길어진다. 이전과 달리 포스트의 길이가 달라지므로 포스트의 지름을 기준으로 산정하도록 한다. 포스트의 지름을 2라 가정하고 포스트의 지름 대비 나머지 부분들을 결정하면 다음의 표 1과 같다.
s12 포스트 지름 파이프 길이 하우징 지름 설치 깊이
1 2 24.6 2.828427 5
2 2 19.7 3.464102 5
3 2 18.07 4 5
4 2 17.25 4.472136 5
8 2 16.025 6 5
16 2 15.4125 8.246211 5
이제, 수심 50m 인 곳에 설치 깊이 2m라 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. 일단, 전달 함수는 도 6e와 같은 결과를 보여준다. 최대 출력을 위한 요인 중에서 댐핑 계수(damping coefficient)도 영향을 주기 때문에 다양한 댐핑 계수(damping coefficient)를 대입(1~2000)하여 최대 출력을 얻은 결과만을 추려 보았다.
그 뒤 다음과 같은 JONSWAP 스펙트럼을 곱한다. 이 스펙트럼의 대표주기를 0.98sec에 맞췄다. 수심 5m의 환경에서 결과는 도 6f와 같다.
직관적으로는
Figure pat00112
가 클수록 하우징의 단면적이 크다는 것을 의미하기 때문에 더 많은 면적으로부터 많은 힘을 받아 가장 큰 힘 출력을 보여줄 것이라 생각되지만 그러지 않다는 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 H_system의 특성에서부터 찾을 수 있다.
상기의 수학식 22를 살펴 보면, 분모의 좌항인
Figure pat00113
과
Figure pat00114
의 값에 따라서 최대 출력이 나오는 지점이 정해진다. 즉 분모의 좌항이 0이 되는 지점에서 최대 출력을 갖는데 좌항과 우항의 영향의 비가
Figure pat00115
에 따라 많이 달라지게 된다. 좌항이 0이 되는 공진 주기를 중심으로 그 부근의 효과를 보게 되면
Figure pat00116
가 큰 값일수록 좌항의 영향이 급격히 증가하게 된다. 그러므로,
Figure pat00117
가 크면 클수록 공진 이외의 영역에서 에너지의 전달이 잘 안되며
Figure pat00118
가 작을수록 공진 주기 주변에서도 에너지의 전달이 비교적 용이하다. 따라서, 의 적당한 값이 약 1~4 사이의 값이며, 4 이상에서는 급격하게 효율이 감소하게 된다.
이러한 파라미터의 도출을 통해, 하우징(110), 포스트(120), 터빈(130), 감쇠판(140)으로 이루어진 간단한 구조의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치(100)가 계류 장치(205)에 의해 수중에 설치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 단면도이다. 또한, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 단면도이다. 그리고, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 단면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10, 20, 30)은 웨이브 에너지 변환 장치 및 계류 장치를 포함한다. 여기에서, 웨이브 에너지 변환 장치는 하단이 개방된 하우징(115)과, 삽입홀(147)을 포함하는 감쇠판(145)과, 감쇠판(145)의 삽입홀(147)에 삽입되어 하우징(115)의 내부 공간으로 연장되는 중공을 구비한 포스트(125)와, 포스트(125)의 중공에 위치하여 상기 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 회전하는 터빈(135)을 포함한다. 그리고, 계류 장치는 웨이브 에너지 변환 장치를 고정시켜 상기 웨이브 에너지 변환 장치의 표류를 방지한다. 이때, 계류 장치에 의해 웨이브 에너지 변환 장치를 수면에 부유시키거나, 수중에 부유시키거나, 또는 해저면에 고정시킬 수 있다. 계류 장치의 구조에 따라 각각 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10, 20, 30)의 설치 위치가 달라질 수 있다. 또한, 웨이브 에너지 변환 장치는 터빈(135)에 연결된 발전기(155)를 더 포함할 수 있다.
하우징(115)은 포스트(125)보다 직경이 크며, 상기 포스트(125)의 상단 일부를 둘러싸 배치될 수 있다. 또한, 하우징(115)은 상단은 막혀 있고 하단은 개방된 속이 빈 원기둥 형태의 구조물인 것이 바람직하나, 이에만 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 하우징(115)의 재질은 해수에 부식되지 않은 스테인레스나 페인트가 칠해진 철, 또는 기계적 강도가 우수한 합성수지로 만들 수 있으며, 이외에도 해수에 견딜 수 있는 다른 재질로도 만들 수 있음은 당연하다 할 것이다. 그리고, 하우징(115)은 내부의 상부 공간에 공기(Air)를 포함하며, 기압과 수압의 상호 작용에 의해 포스트(125) 내부의 물이 상하로 이동하게 된다.
감쇠판(145)은 원반 형상이며, 중앙에 삽입홀(147)이 위치하는 것이 바람직하다. 감쇠판(145)과 파도에 의해 하우징(115) 및 포스트(125)가 상하 운동하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 감쇠판(145)은 무게추로 작용하여 하우징(115) 및 포스트(125)로 이루어진 본체(body)가 수직을 유지하게끔 하는 역할을 한다.
포스트(125)는 원기둥 형상일 수 있으나, 이에만 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 여기에서, 포스트(125)는 상단이 하우징(115)과 이격되어 위치하며, 포스트(125)의 상단을 물이 흘러 넘칠 수 있다. 포스트(125)는 속이 빈, 즉 중공을 구비한 파이프로 하우징(115) 하단에 위치할 수 있다. 포스트(125)의 상단과 하우징(115)은 떨어진 채 고정되어 있어 하우징(115) 내부와 포스트(125) 상단의 공기의 출입이 자유롭다. 포스트(125) 하단에는 감쇠판(145)이 위치하여 포스트(125)가 안정적인 거동을 할 수 있다.
터빈(135)은 포스트(125) 내, 즉 중공에 위치하며, 포스트(125) 내의 수위의 변화에 의해 유동하는 공기의 운동에 의해 회전하게 되며, 터빈(135)에 연결된 발전기(155)를 통해 전기가 생산된다. 이때, 터빈(135)을 웰스 터빈과 같은 단?향 터빈을 사용할 경우, 공기의 운동 방향이 바뀌더라도 한 방향으로만 회전하여 안정적으로 전기를 생산할 수 있다. 물론, 웰스 터빈 외에 임펄스 터빈과 같은 다른 방식의 터빈을 사용할 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 특히, 터빈(135)은 하우징(115)에 의해 둘러싸인 포스트(125)의 상단에 위치하는 것이 바람직하다.
계류장치는 웨이브 에너지 변환 장치가 표류하지 않게 잡아주는 역할을 한다. 하우징(115) 내의 공기에 의한 부력, 웨이브 에너지 변환 장치의 무게, 계류장치에 의해 웨이브 에너지 변환 장치에 작용하는 장력이 평형을 이룰 때 웨이브 에너지 변환 장치는 수중 부유할 수 있다.
계류장치에 의해 웨이브 에너지 변환 장치는 세 가지 방법으로 설치가 가능하며, 이에 따라 세 가지 형태의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10, 20, 30)으로 구현될 수 있다.
도 7에서, 계류 장치는 해저 지반(5)에 설치되어 고정되는 제1 지지대(211)와, 제1 지지대(211)와 감쇠판(145)을 연결하는 제1 연결선(213)을 포함할 수 있다. 이때, 계류 장치는 하우징(115)에 연결되어 상기 하우징(115)의 일부를 수면 위로 노출시키는 메인 부이(215)를 더 포함할 수 있다. 즉, 하우징(115)의 상단에 추가적인 메인 부이(215)를 장착하여 부력을 확보하게 되면 하우징(115) 상단의 일부가 해수면 위로 노출된 채로 부유할 수 있다. 그러나, 종래의 장치와 달리 아주 일부분만이 수면에 노출되는 것이며, 대부분의 구조물은 수면 아래에 놓이게 된다. 표류를 막기 위한 제1 연결선(213)은 해저면에 설치된 제1 지지대(211)에 연결되는 로프 또는 쇠사슬 등이 사용될 수 있다. 여기에서, 메인 부이(215)를 대신하여 하우징(115) 내부에 기체를 충분히 넣어 부력을 확보하여, 하우징(115) 상단의 일부가 해수면 위로 노출된 채로 부유시킬 수도 있다.
도 8에서, 계류 장치는 해저 지반(5)에 설치되어 고정되는 제2 지지대(221)와, 상기 제2 지지대(221)와 포스트(125)를 연결하는 제2 연결선(223)과, 제2 연결선(223)에 연결된 보조 부이(225)를 포함할 수 있다. 하우징(115) 내부에 기체에 의한 부력이 웨이브 에너지 변환 장치의 무게보다 클 경우 웨이브 에너지 변환 장치는 수면으로 부상하게 되는데, 이를 막기 위해 제2 지지대(221)와 제2 연결선(223)에 의해 해저 지반(5)에 고정하여 웨이브 에너지 변환 장치를 수중에 부유시킨다. 제2 연결선(223)도 제1 연결선(213)과 마찬가지로 로프 또는 쇠사슬 등이 사용될 수 있다. 이러한 로프와 쇠사슬은 자체의 무게로 의해 처지게 되는데 감쇠판(145)과의 충돌 우려가 있기 때문에, 보조 부이(225)를 로프 또는 쇠사슬의 중간에 달아 충돌을 막게 되는 것이다.
도 9에서, 계류 장치는 감쇠판(145)이 연결되어 체결되고, 해저 지반(5)에 설치되어 고정되는 제3 지지대(231)를 포함할 수 있다. 로프 또는 쇠사슬과 같은 연결선 없이 해저 지반(5)에 구조물을 세우고 웨이브 에너지 변환 장치를 고정하는 방식으로 설치하는 것이다. 이때, 감쇠판(145)과 제3 지지대(231)를 연결할 때, 물이 자유롭게 유출입(IN/OUT)되는 공간을 형성하도록 연결한다.
도 10은 도 7 내지 도 9의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템 중 적어도 하나에서 터빈에 연결된 발전기를 도시한 부분 단면도이다.
터빈(135)에 발전기(155)가 직접 연결되어 터빈(135)의 회전에 따른 회전운동 에너지를 발전기(155)가 전달받아 전기 에너지로 변환한다.
도 7 내지 도 9에 도시된 각각의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10, 20, 30)은 전술한 웨이브 에너지 변환 장치(100)와 마찬가지로 설치 해역의 파도의 피크진동수에 대응되는 공진 진동수를 가지도록 전술한 공명 조건에 맞추어 설계된다. 이의 구체적인 내용은 전술한 바와 같으므로 생략하도록 한다.
도 11a 및 도 11b는 각각 파고의 평형 시에 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템 및 도 7의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 상태를 도시한 단면도이다. 또한, 도 12a 및 도 12b는 각각 파고의 물마루(Crest) 시에 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템 및 도 7의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 상태를 도시한 단면도이다. 그리고, 도 13a 및 도 13b는 각각 파고의 물골(Trough) 시에 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템 및 도 7의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템의 상태를 도시한 단면도이다.
도 11a 및 도 11b를 참조하면, 파도가 없는 평형 상태에서, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 진동 주체가 리드(Lid, 51)이며, 구동력은 파도에 의한 수압의 변화이고, 구동력의 방향이 수직 하방이 된다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)은 진동 주체가 물(Water)이며, 구동력은 파도에 의한 수압의 변화로 동일하나, 구동력의 방향이 수직 상방이 된다.
그러므로, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 구동력의 방향이 수직 하방이어서 수직 항력을 필요로 하여 튼튼한 구조물의 사일로(Silo, 53)가 필요하므로, 설치 비용의 단가가 높을 수 밖에 없다. 이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)은 계류 장치(211, 213)의 장력에 의존해 부유하게 되어, 설치 비용의 단가가 절약된다.
도 12a 및 도 12b를 참조하면, 파고의 상승 시, 수압이 상승하게 된다. 파고의 상승에 따라 수압이 상승하는 경우, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 진동 주체인 리드(51)가 하강하고, 이에 따라 내부 수면(Trapped water level)이 하강한다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)은, 파고의 상승에 따라 수압이 상승하는 경우, 하우징(115) 내부의 수면이 상승하고, 이에 내부 공기(Air)의 압력이 증가함에 따라, 포스트(125)의 물기둥의 수위가 하강하게 된다.
그러므로, 파고의 상승 시, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 정수력의 스프링 계수가 음의 값을 가질 수 있고, 내부의 공기 압력의 스프링 계수가 정수력(Hydrostatic force)의 스프링 계수의 절대값 보다 작을 경우 원점으로 돌아갈 수 없는 문제가 있다. 이를 방지하기 위해, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 내부 공기의 부피 조절 장치와 추가적인 기계 스프링이 필요하다. 또한, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 내부 수면이 너무 낮아질 경우 공기가 빠져나가게 될 수 있어, 리드(51)의 운동에 대한 관찰이 필요하며, 브레이크 역할을 하는 구조가 요구된다.
이에 반해, 파고의 상승 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)은 정수력(Hydrostatic force)이 양의 값을 갖기 때문에 추가 스프링이 필요하지 않다. 또한, 하우징(115) 내부의 수면이 너무 높아지더라도, 포스트(125)의 내부로 물이 들어가기 때문에 공기의 유출이 없고, 이에 따라 수위를 제어할 별도의 장치가 요구되지 않는다.
도 13a 및 도 13b를 참조하면, 파고의 하강 시, 수압이 하강하게 된다. 파고의 하강에 따라 수압이 하강하는 경우, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 진동 주체인 리드(51)가 상승하고, 이에 따라 내부 수면(Trapped water level)이 상승한다. 반면에, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)은, 파고의 하강에 따라 수압이 하강하는 경우, 하우징(115) 내부의 수면이 하강하고, 이에 내부 공기(Air)의 압력이 감소함에 따라, 포스트(125)의 물기둥의 수위가 상승하게 된다.
그러므로, 파고의 상승 시, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 내부 수면이 너무 높아질 경우 내부로 물이 들어올 수 있는 문제가 있다. 이를 미연에 차단하기 위해, 또한, 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)은 리드(51)의 운동에 대한 관찰이 필요하며, 브레이크 역할을 하는 구조가 요구된다.
이에 반해, 파고의 하강 시, 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)은 포스트(125) 내부의 물기둥이 높아지더라도로 물이 하우징(115)의 내부로 넘치기 때문에, 공기의 유출이 전혀 일어나지 않는다. 그리하여, 수위를 제어할 별도의 장치가 필요하지 않게 된다.
전술한 종래의 웨이브 에너지 변환 시스템(50)과 본 발명의 일 실시예에 따른 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10)의 차이점을 비교하여 정리하면 다음의 표 3과 같다.
종래 시스템(50) 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템(10)
진동 진동주체 리드(51) 해수(Sea Water)
요구사항 리드(51)를 수직으로만 이동시키는 별도 장치 필요 별도의 장치 필요 없음
구동력 구동력의 방향 수직 하방 수직 상방
요구사항 - 튼튼한 지지대(Silo, 53)
- 내부의 부피를 조정할 별도 장치(보통, 내부에 물을 채워 부피 조절)
- 추가적인 기계 스프링 필요		 계류 장치 외에 별도 장치 필요 없음
수밀 수밀방법 내부의 압력을 유지해 리드(51)와 사일로(53) 사이에 trapped water level이 있음 수압과 같은 내부 공기압

요구사항		 리드(51) 의 운동에 따라 물이 내부로 넘치거나 공기가 빠져나가는 것을 막기 위해 lid의 최대 진폭을 제한할 브레이크가 필요 포스트(125) 내의 수면은 진폭 한계를 넘더라도 하우징(115) 내부로 넘치기 때문에 별도의 브레이크 필요 없음
이에 따라, 본 발명의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10, 20, 30)은 추가적인 스프링을 요구하지 않고 오직 수역학적 스프링 상수와 물의 운동에 의한 부가질량(added mass)에만 의존하여 고유주기를 설치 해역 파도의 대표주기와 일치시킬 수 있다. 또한, 수면 위에 설치된 경우 풍랑, 해일 등에 의한 해상 재해에 의해 파손되거나 유실과 같은 문제가 발생할 우려가 높으나, 본 발명의 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템(10, 20, 30)은 수중에 설치되어 구조물이 해상 표면에 직접적으로 노출되지 않기 때문에 풍랑, 태풍, 해일 등과 같은 해상 재해에 강인하다는 장점을 지닌다. 그리고, 건조 중량이 낮으며 운동을 제약하기 위한 부싱, LM과 같은 기계 부품을 필요로 하지 않아 구조가 간단하다. 여기에, 기구학적인 설계를 통해 유체의 흐름을 한곳으로 집중시키기 때문에 진폭을 극대화시킬 수 있어, 높은 에너지 변환 효율을 보장할 수 있다. 그리고, 공명 조건을 위한 별도의 공간확보를 요구하지 않기 때문에 시스템의 부피를 줄일 수 있어 높은 체적 효율을 갖는다. 이러한 여러 장점들, 낮은 건조 중량과 간단한 구조, 높은 체적 효율로 제작 비용 및 설치 비용이 저렴하며, 운반이 용이하고 발전기를 제외한 나머지 부분은 모두 파이프와 같은 부품이기 때문에 보수가 용이하다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치
110: 하우징
120: 포스트
130: 터빈
140: 감쇠판
10, 20, 30: 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템
115: 하우징
125: 포스트
135: 터빈
145: 감쇠판
155: 발전기
211: 제1 지지대
213: 제1 연결선
215: 메인 부이
221: 제2 지지대
223: 제2 연결선
225: 보조 부이
231: 제3 지지대

Claims (20)

  1. 계류 장치에 의해 수중에 부유하는 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치에 있어서,
    상기 계류 장치에 연결되는 감쇠판;
    양단이 개방된 중공을 구비하여 상기 계류 장치로부터 수직 상방으로 연장되는 포스트;
    상기 포스트의 중공에 위치하는 터빈; 및
    하단이 개방되어 상기 포스트의 상부에 배치되는 하우징을 포함하되,
    상기 포스트의 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 상기 터빈을 회전시키는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 감쇠판은, 상기 포스트가 삽입되어 결합되는 삽입홀을 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 감쇠판은, 원반 형상인, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 포스트는, 원기둥 형상인, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈은, 한 방향으로만 회전하는 웰스 터빈인, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈은, 임펄스 터빈인, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 포스트보다 직경이 크며, 상기 포스트의 상단 일부를 둘러싸 배치되는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징은, 내부의 상부 공간에 공기를 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 터빈에 연결되어 상기 터빈의 회전에 의해 전기를 생산하는 발전기를 더 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 장치.
  10. 하단이 개방된 하우징과, 삽입홀을 포함하는 감쇠판과, 상기 감쇠판의 삽입홀에 삽입되어 상기 하우징의 내부 공간으로 연장되는 중공을 구비한 포스트와, 상기 포스트의 중공에 위치하여 상기 중공의 수위 변화에 따라 유동하는 공기에 의해 회전하는 터빈을 포함하는 웨이브 에너지 변환 장치; 및
    상기 웨이브 에너지 변환 장치를 고정시켜 상기 웨이브 에너지 변환 장치의 표류를 방지하는 계류 장치를 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 하우징은, 상기 포스트보다 직경이 크며, 상기 포스트의 상단 일부를 둘러싸 배치되는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 하우징은, 내부의 상부 공간에 공기를 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 감쇠판은, 원반 형상이며, 중앙에 상기 삽입홀이 위치하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 포스트는, 원기둥 형상이며, 상기 포스트의 상단이 상기 하우징과 이격되어 위치하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 터빈은, 임펄스 터빈 또는 웰스 터빈인, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 터빈은, 상기 하우징에 의해 둘러싸인 상기 포스트의 상단에 위치하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 계류 장치는, 해저 지반에 설치되어 고정되는 제1 지지대와, 상기 제1 지지대와 상기 감쇠판을 연결하는 제1 연결선을 더 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 계류 장치는, 상기 하우징에 연결되어 상기 하우징의 일부를 수면 위로 노출시키는 메인 부이를 더 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  19. 제 10항에 있어서,
    상기 계류 장치는, 해저 지반에 설치되어 고정되는 제2 지지대와, 상기 제2 지지대와 상기 포스트를 연결하는 제2 연결선과, 상기 제2 연결선에 연결된 보조 부이를 더 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
  20. 제 10항에 있어서,
    상기 계류 장치는, 상기 감쇠판이 연결되어 체결되고, 해저 지반에 설치되어 고정되는 제3 지지대를 더 포함하는, 진동수주형 웨이브 에너지 변환 시스템.
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