KR20160141628A

KR20160141628A - 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법

Info

Publication number: KR20160141628A
Application number: KR1020150077612A
Authority: KR
Inventors: 안경관; 황 친 도; 누옌민치; 콩 빈 판; 박형규
Original assignee: 울산대학교 산학협력단
Priority date: 2015-06-01
Filing date: 2015-06-01
Publication date: 2016-12-09
Also published as: KR101737688B1

Abstract

본 발명은 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법에 관한 것으로, 파도의 움직임에 따라 부표에 전달되는 힘을 측정하여 조정수단을 통해 부유체가 장착된 실린더의 회전각을 제어하도록 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법에 관한 것이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 파도의 변화에도 불구하고 부유체가 장착된 실린더의 회전각을 제어하여 파도와 부유체 사이의 마찰을 줄이면서, 발전량을 일정하게 유지하는 것 뿐 아니라 발전의 효율성을 높이는 효과가 있다.

Description

회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법{CONTROL METHOD FOR ROTATION ANGLE OF WAVE ENERGY CONVERTER USING ADJUSTABLE TILT SLIDING FLOATING BUOY}

본 발명은 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파도의 움직임에 따라 부표에 전달되는 힘을 측정하여 조정수단을 통해 실린더의 회전각을 제어하도록 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 전기를 발생시키는 발전방법으로는 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 현 시점에서는 많은 어려움이 예견되고 있으며, 환경오염도 큰 문제가 되고 있다. 또한, 원자력발전의 경우는 방사능 유출과 핵폐기물 처리가 심각한 문제점을 안고 있다. 따라서, 이러한 일반적인 발전방법보다 저렴하고 안전하며 환경오염이 적은 발전방법이 요구되고 있다.

한편, 석유나 석탄자원이 필요 없고 방사능이나 핵폐기물 문제가 없는 발전방법으로는 태양열발전, 파력발전, 조력발전, 풍력발전 등이 있으며, 이 가운데 조수간만의 차이에 따라 조수가 수평이동하는 힘을 이용한 조력발전과 파도의 고저차이를 이용하여 발전을 행하는 파력발전이 수력을 이용한 수력발전의 형태로 대표적으로 사용되고 있다.

파력발전기는 파도에 의한 해수면의 주기적 상하 운동과 물 입자의 전후 운동을 에너지 변환장치를 통하여 기계적인 회전 운동 또는 축 방향 운동으로 변환시킨 후, 전기에너지로 변환시키는 장치로서 파력발전 방식에는 파고의 고저에 따른 에너지를 1차 변환하는 방식에 따라 여러가지로 분류할 수 있다.

파력발전기는 파랑에너지 흡수방식에 따라 수주진동형과 월파형, 가동물체형으로 구분된다.

진동수주형 파력 발전은 워터칼럼 내부로 유입된 크고 작은 물결에너지에 의하여 생기는 공간의 변화를 내부공기의 유동으로 변환하고, 이를 유도관으로 유입시켜 입사파가 장치의 전면에서 반사되면 중복파가 형성되도록 하며, 상기 중복파의 형성 시 수면의 상부 노즐부에 공기의 흐름이 발생하는 원리를 이용해 유도관 내에 설치된 터빈을 공기로 회전시켜 전기를 얻는 방식이다.

월파형 파력 발전은 크고 작은 물결의 진행방향 전면에 사면 벽을 두고 운동에너지에 의해 크고 작은 물결이 사면 벽을 넘어서게 됨으로써 발생하는 수위 차를 이용하여 저수지의 하부로 저장된 해수를 배출시켜서 통로 하부의 수차 터빈이 발전하도록 하는 방식이다.

가동물체형 파력 발전은 수면에 떠 있는 부유체가 파도의 고저에 의하여 상하 또는 회전 운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 방식이다. 가동물체형은 다른 파력발전방식에 비해 효율이 높은 것으로 평가되고 있다. 따라서 부유식으로 에너지를 흡수하는 가동물체형 파력발전기는 파랑의 파고(wave height) 및 주기(wave period), 파향(wave direction)에 의해 파력발전기의 출력운전에 지대한 영향을 미치게 되며, 이러한 요소들을 어떻게 적절하게 이용하느냐에 따라 파력발전기의 효율성 및 이용율 향상에 직접적인 영향을 미치게 된다.

이에 대해 가동물체형 파력 발전이 활발하게 연구되고 있으며, 종래의 기술들은 에너지 생성을 위해 다양한 방법을 제시한 바 있다.

첫 번째로, 미국특허 등록공보 제 US 6,226,989 B1호에서는 단일 피스톤 펌프가 짝을 이루고 세개의 어큐뮬레이터(accumulator), 체크 밸브, 방향 제어 밸브와 유압모터를 구성으로 한 파력발전기를 개시하고 있다. 이 파력발전기는 모터의 변위가 고정되어 있어 펌프에 의한 유체 흐름의 영향을 받아 모터의 속도가 결정되는 문제점이 있다. 또한, 펌프에 의한 유체의 흐름이 유압 모터에 도달하려면 체크 밸브와 방향 제어 밸브를 가로질러 흘러야 하기 때문에 발전 효율이 감소하는 문제가 있다.

두 번째로, 미국특허 등록공보 제 US 6,574,957 B2호에서는 랙기어(rack gear)와 피니언기어(pinion gear)에 의하여 부표의 움직임이 회전운동으로 전환되는 파력발전기를 개시하고 있다. 이 파력발전기는 여러단계의 전달과정을 거쳐야 하여 발전 효율이 낮은 문제가 있다.

세 번째로, 미국특허 등록공보 제 US 6,8125,88 B1호에서는 유압 피스톤 집합, 부유 장치, 고압 및 저압 저장소 및 유압식 발전기를 구성으로 한 파력 발전기를 개시하고 있다. 이 파력발전기의 컨트롤 시스템은 바다의 상태를 측정하고 그에 맞게 서포트 구조의 길이를 조정하며 바다의 상황에 맞게 발전기를 최적화하는 방법을 개시하고 있다. 다만, 미국특허 등록공보 제 US 6,8125,88 B1호의 파력발전기는 두가지 문제점을 포함하고 있다. 첫번째로 배출 밸브를 통하여 유체가 배출되어 고압 유체의 에너지를 일부 잃게 되어 발전기의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있으며, 두번째로 바다의 파도가 낮은 경우 고압 저장소의 압력이 정격압력보다 낮아지게 되어 발전기의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

마지막으로, 국제특허 등록공보 제 WO 2005038248 A1호와 제 WO 2006108421 A1호에서는 다수의 회전 가능한 암(arm)에 축이 되도록 결합된 부유체와 부유체의 반대편 끝에는 샤프트(shaft)가 연결된 파력 발전기를 개시하고 있다. 이 파력 발전기의 각각의 암은 유압 실린더에 연결되어 있다. 또한, 다수의 부유체와 실린더가 구비되어 있어 파도가 어떻게 치든 발전이 가능하도록 구성되어 있다. 다만, 실린더에 의하여 유입되는 유량에 따라 유압 모터의 속도가 달라지므로 발전량이 일정하지 않은 문제점이 있다.

상기와 같이 다양한 가동물체형 파력 발전 방법이 제시되고 있지만, 모터 제어 및 에너지 변환 과정에서 발전 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 전기 에너지를 생산하는 과정에서 발전량이 일정하지 않은 문제점도 있다.

미국특허 등록공보 제 US 6,226,989 B1호(2001년 05월 08일) 미국특허 등록공보 제 US 6,574,957 B2호(2003년 06월 10일)

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 제 2실린더 혹은 작동기(actuator)를 포함하는 조정수단을 통해 파도의 변화에 따른 제 1실린더의 회전각을 제어하여, 효율적이며 일정한 발전량을 출력하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법은, (a) 프레임(frame) 높이 및 일정한 시간 동안의 파도정보를 얻는 단계; (b) 상기 파도정보 중 하나인 평균 파고차와 제 1임계값을 비교하는 단계; (c) 상기 평균 파고차가 상기 제 1임계값보다 크거나 같으면, 상기 파도정보 중 하나인 높이차와 제 2임계값을 비교한 결과에 따라 상기 프레임 높이를 조절하는 단계; (d) 슬라이딩 샤프트 경사각에 따라 상기 실린더의 회전각 조정의 기준이 되는 기준 슬라이딩 각을 계산하는 단계; (e) 상기 실린더의 회전각을 제 3임계값과 비교하는 단계; 및 (f) 조정수단을 통해 상기 실린더의 회전각을 조정하는 단계;를 포함한다.

상기 파도정보는, 파도 마루의 평균 높이값인 평균 마루높이; 파도 골의 평균 높이값인 평균 골높이; 상기 평균 마루높이와 상기 평균 골높이 사이의 차이값인 평균 파고차; 파고의 평균값인 평균 파고; 및 상기 프레임 높이와 상기 평균 파고 사이의 차이값인 높이차;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (b) 단계에서, 상기 평균 파고차가 상기 제 1임계값보다 작으면, 상기 프레임을 위로 올리고 제 1기간 후에 다시 상기 (a)단계부터 시작하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c) 단계는, (g) 상기 높이차가 상기 제 2임계값보다 크거나 같으면, 상기 프레임 높이를 조절하고, 상기 높이차가 상기 제 2임계값보다 작으면, 소정의 시간 경과 후, 상기 (a) 단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함한다.

또한, (h) 상기 높이차가 0보다 크면 상기 프레임을 위로 움직이고, 0보다 작거나 같으면 상기 프레임을 아래로 움직이는 단계; 및 (i) 상기 높이차가 제 4임계값보다 작으면 제 2기간 경과 후에 상기 (a) 단계부터 다시 시작하고, 상기 높이차가 상기 제 4임계값보다 크거나 같으면, 상기(h)단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 슬라이딩 샤프트 경사각은 상기 파력발전기에 장착된 샤프트와 부유체 사이의 각도이고, 상기 기준 슬라이딩 각은

로부터 얻을 수 있으며, 상기

는 상기 기준 슬라이딩 각이고, 상기

은 부유체에 미치는 파력의 수평성분 힘이며, 상기

은 부유체에 미치는 파력의 수직성분 힘이고, 상기

은 중력이며, 상기

은 상기 슬라이딩 샤프트 경사각이고, 상기 실린더의 회전각은

인 것을 특징으로 한다.

상기 (e)단계는, (j) 상기 실린더의 회전각의 크기가 상기 제 3임계값보다 크거나 같으면, 상기 조정수단을 구동시키고, 상기 실린더의 회전각의 크기가 상기 제 3임계값보다 작으면, 소정의 시간 경과 후, 상기 (d) 단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (f) 단계는, 상기 실린더의 회전각을 0과 비교하여 상기 조정수단을 조절하는 것을 특징으로 하고, (k) 상기 실린더의 회전각이 제 5임계값보다 작으면 제 1기간 경과 후에 상기 (d) 단계부터 다시 시작하고, 상기 실린더의 회전각이 상기 제 5임계값보다 크거나 같으면, 상기 (f)단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가 상기 (f)단계에서, 상기 조정수단은, 작동기(actuator) 혹은 실린더 중 하나 이상을 포함한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법에 의하면, 파도의 변화에도 불구하고 실린더의 회전각을 제어하여 파도와 부유체 사이의 마찰을 줄이면서, 발전량을 일정하게 유지하는 것 뿐 아니라 발전의 효율성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유압 생성장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유압 생성장치의 측면도이다.
도 3은 파도에 따른 유압 생성장치의 움직임을 보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전각 가변 슬라이딩 방식의 파력 발전기의 회전각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기준 슬라이딩 각에 근접하는 방법을 상세히 설명하기 위한 부유체, 샤프트 및 실린더의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 해수면에 일부가 잠긴 부유체를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 샤프트에 설치된 로드 셀 세트를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전각 가변 슬라이딩 방식의 파력 발전기의 회전각 제어 방법의 순서를 상세하게 나타내는 흐름도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전각 가변 슬라이딩 부표방식의 파력발전기의 유압 제어 시스템 및 전력 생성부를 나타내는 도면이다.

본 발명은 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력 발전기의 회전각 제어방법에 관한 것으로, 제 2실린더 혹은 작동기(actuator)를 포함하는 조정수단을 이용하여 파도의 변화에 따른 제 1실린더의 회전각을 제어하는 방법을 기술적 요지로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력 발전기는 유압 생성장치와 유압 제어 시스템 및 전력 생성부를 포함한다. 이하, 각 구성요소 별로 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유압 생성장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 유압 생성장치의 측면도이다.

도1 및 도2에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유압 생성장치는 기둥(1), 프레임(2), 실린더(3), 샤프트(4), 부유체(5), 회전판(24), 조정수단(25)을 포함한다.

기둥(1)은 바다의 해저면 또는 바닥에 고정되어 있으며, 상기 기둥(1)에 가로로 프레임(2)이 연결되며, 상기 프레임(2)에 조정수단(25)이 연결되며, 상기 조정수단(25)에 회전판(24)의 한쪽 끝 부분이 연결되며, 상기 회전판(24)의 다른 쪽 끝 부분이 상기 프레임(2)과 핀 연결을 통해 회전한다.

또한, 상기 회전판(24)에 실린더(3)이 부착되며, 상기 실린더(3)의 피스톤 막대가 움직이는 샤프트(4)에 연결되며, 상기 샤프트(4)에는 부유체(5)가 연결된다.

상기 실린더(3), 샤프트(4), 부유체(5), 회전판(24), 조정수단(25)의 세트(set) 구조는 상기 프레임(2)에 부착되는데, 상기 세트는 상기 프레임(2)에 일정한 간격을 가지는 두 개의 열로 복수 개가 부착된다.

상기 실린더(3)은 상기 샤프트(4)의 움직임으로 내부 피스톤이 상하운동하면서 실린더(3) 내부의 유체를 압축하며, 상기 조정수단(25)은 전진 및 후진의 움직임으로 상기 샤프트(4) 및 부유체(5)의 경사각을 조정한다.

상기 조정수단(25)에는 작동기(actuator) 혹은 상기 실린더(3)와 동일 또는 유사한 다른 실린더가 선택될 수 있으나, 이는 예시에 불과하며 상기한 작동기 혹은 실린더로 한정되지는 않는다.

상기 실린더(3) 및 조정수단(25) 내부에 포함된 유체는 일반적으로 윤활유를 사용하지만 반드시 유체의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 유체의 변경이 가능하다고 할 것이다.

상기 샤프트(4)와 상기 부유체(5)는 파도에 따라 상하 및 축 방향으로 함께 움직이게 된다. 상기 샤프트(4)와 상기 부유체(5)의 상하 및 축 방향 움직임은 움직이는 부분의 마찰을 줄여서 파도를 통해 얻어진 기계적 에너지를 강화하도록 설계된다.

도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시 예에서는 상기 기둥(1)과 연결된 상기 프레임(2)의 높이를 조절할 수 있는 구조가 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 기둥(1)은 상기 프레임(2)를 지지하는 구조이고, 상기 기둥(1)과 결합하는 상기 프레임(2)은 상하 방향으로 높이를 조절할 수 있을 것이다. 상기와 같은 특성으로 인하여 강한 파도와 폭풍으로부터 전체 발전 시스템을 보호할 수 있다. 상기 프레임(2)의 높이 조절에 관한 구동 원리는 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 파도에 따른 유압 생성장치의 움직임을 나타내는 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 파도에 의하여 상기 부유체(5)의 위치 변동이 발생하게 되면 상기 샤프트(4)의 움직임이 발생하며, 상기 샤프트(4)의 움직임으로 인하여 상기 실린더(3) 내부의 피스톤이 운동함으로 인해 상기 실린더(3) 내부의 유체가 압축 또는 팽창하게 되는 것이다. 이 때, 조정수단(25)은 상기 샤프트(4)와 부유체(5) 사이의 각도인 슬라이딩 샤프트 경사각

이 본 발명에 따른 발전기의 효율이 가장 높을 때의 각도인 기준 슬라이딩 각도

가 되도록 실린더의 회전각

을 조정한다. 이에 대해서도 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

이하, 도 4를 참조하여 상기 프레임(2)의 높이조절에 관한 구동 원리 및 상기 슬라이딩 샤프트 경사각의 조정 방법을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전각 가변 슬라이딩 방식의 파력 발전기의 회전각 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 4에서 도시한 바와 같이, 본 발명은 크게 상기 프레임(2)의 높이조절에 관한 구동원리 및 상기 슬라이딩 샤프트 경사각의 조정 방법으로 나눌 수 있다. 즉, 실린더(3)의 회전각 제어 방법은 프레임(2)의 높이를 조절하고, 슬라이딩 샤프트 경사각을 조정하는 것을 포함한다. 본 발명에 따른 실린더의 회전각 가변 슬라이딩 방식의 파력 발전기에 있어서, 우선적으로 프레임의 높이를 조절하기 위하여 일정시간 동안, 예를 들어 파도에 급격한 변화가 생길 만큼 길지 않으며, 파도의 정보를 충분히 측정할 수 있는 5분이란 시간 동안에 프레임 높이 및 파도정보를 측정하게 된다(s100).

본 발명에 있어서 상기 파도정보는 파도로부터 측정 가능한 적어도 하나 이상의 물리적인 수치 정보들을 의미한다. 상기 파도정보는 평균 마루높이, 평균 골높이, 평균 파고차, 평균 파고 및 높이차를 포함한다. 그러나 이는 예시에 불과할 뿐 이에 한정되지 아니한다. 상기 평균 마루높이는 파도 마루의 평균 높이값을 의미하고,

로 나타낼 수 있다. 상기 평균 골높이는 파도 골의 평균 높이값을 의미하고,

로 나타낼 수 있다.상기 평균 파고차는 상기 평균 마루높이와 평균 골 높이 사이의 차이값을 의미하고,

로 나타낼 수 있다. 상기 평균 파고는 파고의 평균값을 의미하고,

로 나타낼 수 있다. 높이차는 상기 프레임 높이 h와 상기 평균 파고 사이의 차이값을 의미하고,

로 나타낼 수 있다. 상기 프레임 높이 및 파도정보를 얻게 되면, 상기 파도정보 중 하나인 평균 파고차

와 제 1임계값

을 비교한다(s110). 상기 제 1임계값

은 태풍 혹은 기타 유사한 기상 악조건에서 하루 24시간동안에 측정된 파도의 마루높이와 파도의 골높이 사이의 차이값 중 가장 작은 값을 의미한다.상기 평균 파고차

가 상기 제 1임계값

보다 작으면, 상기 프레임(2)을 위로 올리도록 하고, 제 1기간, 즉 대기시간인 20분 후에 다시 프레임 높이 및 파도정보를 측정하는 단계로 돌아간다. 상기 평균 파고차

가 상기 제 1임계값

보다 크거나 같으면, 상기 파도정보 중 하나인 상기 높이차

와 제 2임계값을 비교하게 된다(s120). 상기 제 2임계값은

를 만족하는

이다. 상기 높이차

가 상기 제 2임계값

보다 크거나 같으면, 상기 프레임 높이 h를 조절하고(s130), 상기 높이차

가 상기 제 2임계값

보다 작으면, 소정의 시간 경과 후 예를 들어

를 만족하는 제 4임계값

보다 상기 높이차

가 작으면 충분한 대기시간인 60분이 경과 후에,

인 경우에는 그보다 짧은 30분이 경과 후에 프레임 높이 및 파도정보를 5분 간 다시 측정하는 단계로 돌아간다. 상기 프레임 높이를 조절함에 있어서, 상기 높이차

가 0보다 크면 상기 프레임(2)을 위로 움직이도록 하고, 0보다 작거나 같으면 상기 프레임(2)을 아래로 움직이도록 하며, 상기 높이차

가 상기 제 4임계값

보다 작으면 제 2기간 즉, 30분이 경과 후에 다시 상기 프레임 높이 및 파도정보를 측정하는 단계로 돌아가고, 상기 높이차

가 상기 제 4임계값

보다 크거나 같으면, 다시 위에서와 같은 높이차

를 0과 비교하여 상기 프레임(2)을 위, 아래로 움직이도록 하는 과정을 거치게 된다.

상기한 단계들을 거치면, 그 다음으로 슬라이딩 샤프트 경사각

에 따라 상기 실린더의 회전각 조정의 기준이 되는 기준 슬라이딩 각

을 계산한다(s140).

이하, 도 5 내지 도 7을 참조하여 슬라이딩 샤프트 경사각

에 따른 기준 슬라이딩 각

계산 과정을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 기준 슬라이딩 각

을 추정하는 방법을 상세히 설명하기 위한 부유체(5), 샤프트(4) 및 실린더(3)의 구조도를 나타낸다.

도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 슬라이딩 샤프트 경사각

은 본 발명에 따른 파력 발전기에 장착된 샤프트(4)와 부유체(5) 사이의 각도이고, 상기 기준 슬라이딩 각

은 상기 파력 발전기의 발전 효율이 가장 높을 때의 상기 샤프트(4)와 상기 부유체(5) 사이의 각도가 되는데, 아래의 식으로부터 얻을 수 있다.

[수학식 1]

상기

은 상기 부유체(5)에 미치는 파력의 수평성분 힘이고, 상기

은 상기 부유체(5)에 미치는 파력의 수직성분 힘이며, 상기

은 중력을 의미한다.

이때, 고압의 유체를 만들기 위하여 실린더(3)의 피스톤을 움직이는 힘

은 아래의 식으로 계산된다.

[수학식 2]

상기 수학식 2에서

는 실린더(3)의 피스톤 단면적을 의미하고,

와 같이 표현될 수 있다.

상기

는

로 나타낼 수 있는데, 이 때

는 유압 제어 시스템의 고압 라인(high pressure line, 8)에서의 압력이 되고,

는 저압 라인(low pressure line, 9)에서의 압력이 된다.

상기

은 실린더(3)의 마찰력이고, 아래의 식으로 정의된다.

[수학식 3]

상기 수학식 3에서 상기 실린더(3)의 마찰력

은 상기 실린더의 효율상수

에 의해 정의된다. 본 발명에 따른 실시 예로서 가장 이상적인 경우는 상기 기준 슬라이딩

각과 상기 슬라이딩 샤프트 경사각

의 차이가 0이 되도록 하는 것이다. 상기 슬라이딩 샤프트 경사각

은 조정수단(25)에 의해 조정되는 응답각(response angle)인 반면,

는 조정을 위한 기준각도(reference angle)가 된다.

상기 부유체(5)의 움직임은 유체역학적으로 아래의 식으로 표현될 수 있다.

[수학식 4]

상기 수학식 4에서

와

는 부유체(5)의 질량 및 샤프트(4)의 질량을 각각 의미하고,

는 부유체(5)의 변위를 나타낸다.

는 부유체(5)에 미치는 파도의 힘, 즉 수평성분 힘과 수직성분 힘의 합력을 의미하고

와 같이 표현될 수 있다. 상기

와

이 수직을 이루게 되므로,

는

이 된다.

상기 부유체(5)에 작용하는 상기 파력의 수직성분 힘은 세 가지 힘의 중첩으로 나타낼 수 있다. 즉, ① 부력(아르키메데스 힘), ② 고정된 부유체(5)로 들어오는 정기적인 파도에 의한 진동하중(excitation force) 및 ③ 진동하는 부유체(5)에 의한 방사력의 합력으로 표현될 수 있다.

따라서 파력의 수직성분 힘

은 아래와 같이 정의 된다.

[수학식 5]

상기 수학식 5에서

은 부력,

은 진동하중, 그리고

은 방사력을 의미한다. 상기

은

와 같이 정의되고, 여기서 는

는 물의 밀도,

는 중력가속도 그리고

는 도 6에서 도시한 바와 같이, 해수면 아래에 있는 부유체(5) 일부의 부피이다. 상기

는 아래의 식처럼 정의된다.

[수학식 6]

상기 수학식 6에서

는 물에 가라않은 부유체(5)의 높이이다.

상기 진동하중

은

와 같이 표현되고, 여기서

은 진동하중 계수이고, 이는 부유체(5)의 형태와 파도의 주파수

에 의존한다.

는 파도의 골부터 파도의 마루까지의 길이 즉, 파도의 높이를 의미한다.

상기 방사력

은

와 같이 표현된다. 여기서

는 유체역학적 감쇄(damping)를 나타내는 임펄스 응답함수(impulse response function)이다.

는 부유체(5)에 추가된 질량을 의미하는데, 상기 부유체(5)가 파도로 인하여 진동할 때, 해수 때문에 더 큰 질량을 가지는 것으로 나타나는 효과를 설명하기 위함이다.

상기

는 중력을 의미하고,

와 같이 표현될 수 있다.

다음으로 파력의 수평성분 힘

은 아래와 같이 정의된다.

[수학식 7]

상기 수학식 7에서

는 파도의 속도이고,

는 항력 계수(drag coefficient),

는 파도의 방향에 수직인 면으로 부유체(5)의 젖은 횡단면적을 의미한다. 상기

는 아래의 식으로부터 계산된다.

[수학식 8]

기준 슬라이딩 각

을 계산하기 위하여 4개의 로드 셀(load cell) 세트(set)가 샤프트(4)에 설치된다. 도 5 및 도 7에서 도시한 바와 같이, 복수 개의 샤프트(4) 중에서 오직 하나의 샤프트(4)에 상기 로드 셀 세트가 설치된다. 상기 로드 셀에 의해 측정된 힘은, 두 개의 상위 로드 셀에서

,

이고, 두 개의 하위 로드 셀에서

,

라고 하고, 압축된 힘을 (+) 값이라고 한다면 아래의 식처럼 표현될 수 있다.

[수학식 9]

그리고 부유체(5)의 모멘트 및 힘의 방정식은 아래와 같이 유도된다.

[수학식 10]

또한, 상기 수학식 10을 통해서 실린더(3)의 회전각

을 아래의 식과 같이 유도할 수 있다.

[수학식 11]

최근 20분 동안 오직 위로 움직이는 스트로크(stroke)에서만,

및

의 평균값 데이터가 수집되므로 상기 수학식 11은 아래와 같이 다시 표현될 수 있다.

[수학식 12]

즉, 상기 수학식 12에서

,

은 각각

,

의 평균값들이다.

따라서 상기 기준 슬라이딩 각

은

이 된다.

이상과 같이, 기준 슬라이딩 각

을 계산과정에 대한 상세한 설명을 마치고, 본래 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법의 순서로 돌아가건대, 상기 기준 슬라이딩 각의 계산 단계를 거치면(s140), 상기 기준 슬라이딩 각에 일치하기 위하여 실린더(3)의 회전각과 제 3임계값을 비교하게 되고(s150), 조정수단(25)을 통해 상기 실린더(3)의 회전각을 조정하게 된다(s160).

상기 제 3임계값은 상기 유압생성장치에서 샤프트(4)와 상기 부유체에 미치는 파력

의 방향 사이의 각도 중에서 최대로 발생할 수 있는 값, 즉 실린더(3)의 회전각이 최대일 때의 값

를 나타내고, 파도, 샤프트(4) 및 부유체(5)의 조건에 따라 변화할 수 있는 값이며, 크기는

를 넘지 않는다. 본 발명의 실시 예에 따른 PTO(power take off system) 장치가 동작할 수 있는 최대각을 의미한다. 상기 PTO 장치는 핀 O를 중심으로 회전 가능한 회전판(24)에 배치된다.

상기 실린더(3)의 회전각

의 크기가 상기 제 3임계값

보다 크거나 같으면, 조정수단(25)을 구동시키고, 상기 실린더(3)의 회전각

의 크기가 상기 제 3임계값

보다 작으면, 소정의 시간 경과 후 다시 기준 슬라이딩 각

을 계산하는 과정을 거치게 된다. 보다 상세하게는, |

| <

<

이 되면 20분을 대기한 이후에 기준 슬라이딩 각

을 다시 계산하게 되며,

<|

| <

이 되면 10분을 대기한 이후에 기준 슬라이딩 각

을 다시 계산하는 단계로 돌아간다.

여기서

은 상기한 설명처럼 실린더(3)의 회전각이 최소일 때의 값이고, 파도, 샤프트(4) 및 부유체(5)의 조건에 따라서 변화하는 값이며, 크기는 0보다 크다.

보다 엄밀하게는, 상기 조정수단(25)으로 실린더(3)의 회전각

을 조정하는 것 보다는 상기 조정수단(25)으로 슬라이딩 샤프트 경사각

을 조절함으로써 결과적으로 상기 실린더(3)의 회전각

을 조정하게 되는 것이다. 즉 상기 슬라이딩 샤프트 경사각

와 기준 슬라이딩 각

는 서로 비교되어, 상기

와

의 각도의 차이가

보다 더 작아지도록 조정되는 것이다. 즉,

≤

가 되도록 한다.

상기 실린더(3)의 회전각

의 크기가 상기 제 3임계값

보다 크거나 같으면, 조정수단(25)을 구동시키는 것은 마이크로 프로세서(Micro-processor, 19)의 PID 제어기를 통해 이루어진다.

상기 실린더(3)의 회전각

은 0과 비교되어,

이 0보다 작을 경우 상기 조정수단(25)은 후진하고,

이 0보다 클 경우 상기 조정수단(25)은 전진하면서 상기 조정수단(25)에 부착된 회전판(24), 실린더(3) 및 샤프트(4)의 움직임을 제어하게 된다. 그리고 나서, 상기 실린더(3)의 회전각이 제 5임계값보다 작으면 제 1기간 즉, 20분이 경과 후에 기준 슬라이딩 각

을 계산하는 단계로 다시 돌아가고, 상기 실린더(3)의 회전각이 제 5임계값보다 크거나 같으면, 다시 상기 실린더(3)의 회전각

을 0과 비교하여 상기 조정수단(25)을 움직인다. 이 때 상기 제 5임계값은 상기

를 의미한다.

이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법의 상세한 순서는 도 8를 참조할 수 있다.

이하에서는 도9a 및 도9b를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식의 파력발전기의 유압 제어 시스템 및 전력 생성부를 설명하고자 한다.

도 9a 및 도9b에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상기 유압 제어 시스템은 저압체크 밸브(7a)와 고압체크 밸브(7b), 고압 라인(8), 저압 라인(9), 유압 어큐뮬레이터(hydraulic accumulator,10), 유체 탱크(16) 및 유압 밸브(22,26)를 포함한다. 한편, 상기 전력 생성부는 고압 유체 검출부(11), 유압 모터(12), 모터 회전수 검출부(13), 클러치(14), 발전기(generator, 15), 릴리프 밸브(relief valve, 17), 기준 속도(reference speed)값 생성기 및 마이크로프로세서(19)를 포함한다. 이하, 각 구성요소별로 상세히 설명하고자 한다.

실린더(3) 내부의 유체가 압축된 후 상기 실린더(3)가 피스톤 운동에 의하여 전지하게 되면, 상기 유체탱크(16)의 유체가 상기 저압 라인(9)을 통하여 상기 실린더의 헤드(head)측 챔버(chamber)에 유입되고, 상기 실린더(3)가 후진하게 되면, 상기 헤드측 챔버의 유체는 상기 고압 라인(8)을 통해 유체를 토출하여 상기 유압 어큐뮬레이터(10)에 압력을 가하게 된다.

복수의 실린더(3)는 모두 상기한 방식에 따라 상기 유압 어큐뮬레이터(10)에 압력을 가하는 동작을 수행한다.

상기 조정수단으로서 실린더(3)에 부착된 제 2실린더(25)는 유압 밸브(26)를 통해 내부 피스톤이 전진 및 후진하여 슬라이딩 샤프트 경사각

을 조정하게 된다.

상기 저압체크 밸브(7a)는 상기 저압 라인(9)의 낮은 압력의 유체가 상기 실린더(3)로 이동할 수 있도록 조절하는 밸브이다. 상기 고압체크 밸브(7b)는 상기 실린더(3)의 높은 압력의 유체가 상기 고압 라인(8)을 통하여 상기 유압 어큐뮬레이터(10)로 들어가도록 조절하는 밸브이다.

상기 유압 어큐뮬레이터(10)의 크기가 커서 입력되는 유량의 변동을 상쇄할 수 있으며 여분의 에너지를 저장할 수 있다.

상기 마이크로프로세서(19)는 피드백(feedback) 신호를 처리하고, 클러치(14)와 유압모터(12)에 제어신호를 송신한다.

상기 유압 어큐뮬레이터(10)로 입력되는 유체로 인하여 상기 어큐뮬레이터(10)가 동작을 실시할 동작압력에 도달하게 되면 상기 유압모터(12)와 발전기(15)는 상기 클러치(14)에 의하여 공통의 축을 가지는 형태로 연결된다. 상기 유압모터(12)와 발전기(15)는 상기 유압모터(12)의 속도가 미리 정해진 허용 범위 내인 경우에만 연결되고, 상기 유압모터(12)의 속도가 미리 정해진 허용 범위를 초과하게 되면 연결이 해제된다.

상기 마이크로프로세서(19)는 PID 제어기에 기준 속도 생성기(18)의 기준속도를 확인하여 상기 유압모터(12)를 구동하기 위해 제어 전류 Im을 보내게 된다. 상기 제어 전류 Im은 아래의 수학식 13에 따라서 정의된다.

[수학식 13]

유체의 양과 압력으로 인한 결과는 상기 유압모터(12)의 동력과 동일하다.

압력이 감소하는 경우, 상기 유압모터(12)에서 출력되는 동력을 일정하게 유지하기 위하여 유량을 늘린다. 반대로 압력이 증가하는 경우, 상기 유압모터(12)에서 출력되는 동력을 일정하게 유지하기 위하여 유량을 줄인다.

상기 밟전기(15)에 걸리는 부하가 변하지 않고 일정한 경우, 출력되는 동력과 상기 유압모터(12)의 구동 속도는 비례하게 된다. 상기 유압모터(12)에 포함되어 있는 사판(swash-plate)의 각도변화를 통하여 상기 실린더(3)의 유량을 조절하며, 이를 통하여 상기 유압모터(12)의 구동속도가 정격속도를 넘지 않도록 유지된다.

상기 릴리프 밸브(17)는 상기 유압 어큐뮬레이터(10)의 압력이 너무 높아 유압 회로가 파손될 염려가 있을 경우에 고압의 유체를 방출하는 역할을 한다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

1: 기둥 2: 프레임
3: 실린더 4:샤프트
5: 부유체 7a: 저압체크 밸브
7b: 고압체크 밸브 8: 고압 라인
9: 저압 라인 10: 유압 어큐뮬레이터
11: 고압 유체 검출부 12: 유압 모터
13: 모터 회전수 검출부 14: 클러치
15: 발전기 16: 유체 탱크
17: 릴리프 밸브 18: 기준 속도 생성기
19: 마이크로프로세서 24: 회전판
25: 조정수단 26: 유압 밸브

Claims

실린더의 회전각 가변 슬라이딩 방식의 파력발전기에 있어서,
(a) 프레임(frame) 높이 및 일정한 시간 동안의 파도정보를 얻는 단계;
(b) 상기 파도정보 중 하나인 평균 파고차와 제 1임계값을 비교하는 단계;
(c) 상기 평균 파고차가 상기 제 1임계값보다 크거나 같으면, 상기 파도정보 중 하나인 높이차와 제 2임계값을 비교한 결과에 따라 상기 프레임 높이를 조절하는 단계;
(d) 슬라이딩 샤프트 경사각에 따라 상기 실린더의 회전각 조정의 기준이 되는 기준 슬라이딩 각을 계산하는 단계;
(e) 상기 실린더의 회전각을 제 3임계값과 비교하는 단계; 및
(f) 조정수단을 통해 상기 실린더의 회전각을 조정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 파도정보는,
파도 마루의 평균 높이값인 평균 마루높이;
파도 골의 평균 높이값인 평균 골높이;
상기 평균 마루높이와 상기 평균 골높이 사이의 차이값인 평균 파고차;
파고의 평균값인 평균 파고; 및
상기 프레임 높이와 상기 평균 파고 사이의 차이값인 높이차;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 평균 파고차가 상기 제 1임계값보다 작으면, 상기 프레임을 위로 올리고 제 1기간 후에 다시 상기 (a)단계부터 시작하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
(g) 상기 높이차가 상기 제 2임계값보다 크거나 같으면, 상기 프레임 높이를 조절하고,
상기 높이차가 상기 제 2임계값보다 작으면, 소정의 시간 경과 후, 상기 (a) 단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.
제4항에 있어서,
(h) 상기 높이차가 0보다 크면 상기 프레임을 위로 움직이고, 0보다 작거나 같으면 상기 프레임을 아래로 움직이는 단계; 및
(i) 상기 높이차가 제 4임계값보다 작으면 제 2기간 경과 후에 상기 (a) 단계부터 다시 시작하고, 상기 높이차가 상기 제 4임계값보다 크거나 같으면, 상기(h)단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 슬라이딩 샤프트 경사각은 상기 파력발전기에 장착된 샤프트와 부유체 사이의 각도이고,
상기 기준 슬라이딩 각은
로부터 얻을 수 있으며,
상기
는 상기 기준 슬라이딩 각이고,
상기
은 부유체에 미치는 파력의 수평성분 힘이며,
상기
은 부유체에 미치는 파력의 수직성분 힘이고,
상기
은 중력이며,
상기
은 상기 슬라이딩 샤프트 경사각이고,
상기 실린더의 회전각은
인 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 (e)단계는,
(j) 상기 실린더의 회전각의 크기가 상기 제 3임계값보다 크거나 같으면, 상기 조정수단을 구동시키고,
상기 실린더의 회전각의 크기가 상기 제 3임계값보다 작으면, 소정의 시간 경과 후, 상기 (d) 단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 (f) 단계는,
상기 실린더의 회전각을 0과 비교하여 상기 조정수단을 조절하는 것을 특징으로 하고,
(k) 상기 실린더의 회전각이 제 5임계값보다 작으면 제 1기간 경과 후에 상기 (d) 단계부터 다시 시작하고, 상기 실린더의 회전각이 상기 제 5임계값보다 크거나 같으면, 상기 (f)단계부터 다시 시작하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.
제1항에 있어서,
상기 (f)단계에서, 상기 조정수단은,
작동기(actuator) 혹은 실린더 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전각 가변 슬라이딩 부표 방식 파력발전기의 회전각 제어 방법.