KR20170114271A - 파력 발전 시스템과 파력 발전 시스템의 운영 및 유지관리 방법 - Google Patents

파력 발전 시스템과 파력 발전 시스템의 운영 및 유지관리 방법 Download PDF

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KR20170114271A
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Abstract

본 발명은 중력방향으로 상하 진동하는(heaving) 파도의 조건과 해안가에서 부서지는 파도의 수평 운동조건에 각각 특화된 파력 발전 시스템과 각각의 파력 발전 시스템의 작동원리를 제공하며,
그리고 태풍과 폭풍우와 같은 비상상황에 대처하기 위한 각각의 파력 발전 시스템의 유지관리 방법을 제공한다.

Description

파력 발전 시스템과 파력 발전 시스템의 운영 및 유지관리 방법{The operation and maintenance methods of wave power generation system and the wave power generation system}
본 발명이 적용되는 기술 분야는 파도가 보유한 에너지를 흡수하여 운동하는 부이(buoy)의 운동에너지를 이용하여 전기를 생산하는 파력 발전 시스템과 관련된 분야로, Heaving 용 부이의 운동을 이용한 경우에는 파력 발전기(wave power generator)를 Heaving 용 부이의 상부에 설치하여 부이와 함께 거동하는 방법으로 파력 발전 시스템을 가동시키며, 해안가 파도의 수평 운동에너지를 이용하여 거동하는 부이를 이용한 경우에는 파력 발전기를 별도 부력체의 상부에 설치하고, 해수면 상에서 수평 운동하는 부이의 운동에너지를 이용하여 파력 발전 시스템을 가동시키며, 그리고 각 경우에서의 특화된 파력 발전 시스템의 운영 및 유지관리 방법을 제공한다.
파도가 보유한 에너지를 이용하는 실용화된 기존의 발전 방법들은 일반적인 수력발전보다 에너지 이용률에서 낮으며, 발전시설의 설치 위치 제한으로 매우 한정적으로 사용되고 있다.
예를 들어, Interface-WECs(Wave Energy Convertors)의 한 형태인 Air-interface WEC는 해안가의 파도에너지가 큰 특정지역에 콘크리트 구조물을 설치하고 파도의 OWC(Oscillating Water Column) 힘을 이용하여 폐쇄된 Air chamber 내의 공기를 압축하고 압축된 공기의 높아진 속도를 이용하여 공기 터빈을 구동하여 발전하는 방법으로, 파도의 에너지를 1차로 Air chamber 내의 공기 압축에 사용하며, 2차로 압축된 공기의 에너지를 공기터빈을 구동하는데 사용하고, 3차로 공기 터빈의 회전에너지를 공기 터빈과 연결된 발전장치를 구동하는데 사용된다. 또한, 동일한 원리로 작동되는 장치를 해안가나 연근해에 강철로 된 파력발전용 구조물을 설치하고 파일을 이용하여 해저 면에 고정하거나, 파력발전 구조물을 해상에 플로팅(floating) 하는 방법들이며, 에너지 효율 면에서 수력발전과 같은 유체의 에너지를 직접 이용하는 방법에 비해 상대적으로 높지 않다.
그리고 Oscillating-WECs의 대부분의 발전방법도 2단계 이상의 파도에너지 변환과정을 거쳐 발전하고 있다. 즉, 노르웨이의 Budal이 디자인한 Heaving buoy장치(1983년)는 부이(buoy) 속에 에어 터빈을 장착하여 발전하며, 아일랜드의 Galway Bay(2008년)는 고압의 유압시스템을 이용하여 발전기에 동력을 전달하며, 스웨덴과 미국의 Aquabuoy(2007년)는 고(高) 수두의 유압 터빈을 사용하며, 덴마크의 Wave Star(2009년)는 잭 업 구조물을 해저에 세우고 구조물에 설치된 개별적으로 움직이는 Heaving 용 부이들을 이용하여 획득한 파도 에너지를 유압에너지로 변화하여 발전기를 구동하며, 네덜란드의 AWS(Archimedes Wave Swing 2004년)는 해저 면에 고정된 지하실(Basement)과 지하실을 감싸는 형태로 설치되는 플로터(floater)로 이뤄지며 파도의 파고 높이의 변화에 의해 플로터의 침강과 상승 과정을 통해 지하실과 플로터 사이에 갇힌 공기가 압축되고 팽창됨으로써 선형 발전기를 구동하는 원리이다.
그리고 기타 파도의 힘을 이용하는 장치들 중 영국의 Frog Mk 5와 프랑스의 Searev는 파도의 흐름 방향 진동에너지를 기계적으로 흡수한 후 유압시스템을 이용하여 발전기에 전달하는 원리이며, 영국의 Pelamis(2008년)는 다중 몸체로 된 떠다니는 WEC(Wave Energy Convertor)로 파도의 흐름 방향에 대하여 직각으로 회전하는 3차원 회전에너지를 기계적으로 흡수한 후 유압시스템을 이용하여 발전기에 전달하는 원리이며, 영국의 Oyster(2009년)는 파도의 진행방향에 대해 90도로 회전하며 복동 고압펌프로 파이프를 통해 고압의 해수가 해안에 있는 발전플랜트로 보내져 발전하는 방식이며, 기타 장치들도 상기한 여러 방법들 중에 하나를 변형하여 사용하고 있다.
그리고 스웨덴에서 최초 개발되고(2006년) 미국에서도 개발된(2008년) 파력 발전장치 형식은 해수면 상에 위치하는 부이가 케이블을 통해 선형 발전장치가 내부에 설치되어있는 물속에 잠긴 하단 고정구조에 연결되며, 하단 고정구조는 해저 면에 고정되거나 별도 케이블을 이용하여 해저 면에 연결된다. 그러나 이 형식은, 1) 여러 개의 인장 스크류 스프링들을 트랜슬레이터(Translator)에 연결하고 End stop 지점을 유지하기 위해 압축용 스크류 스프링을 사용함으로써 파도의 공진 주기를 맞추는 것이 어려우며, 2) 부이의 무게에 트랜슬레이터 무게를 더한 상태에서 부이가 수면상에서 상하진동(Heaving)과 함께 전후좌우로 진동(Surging and Swaying) 및 이동에 따라 발전기에 전달되는 에너지 밀도가 부이 단독으로 진동하는 경우보다 상대적으로 낮으며, 3) 트랜슬레이터가 상하로 움직이는 방법으로 발전하는 전기 에너지량이 로더가 회전하는 형식의 발전기에서 생산되는 전기에너지의 양보다 상대적으로 낮으며, 4) 부이의 전후좌우 진동에 의해 트랜슬레이터가 있는 하단 고정구조가 경사지게 위치할 수 있어 발전기의 로더와 고정자가 서로 접촉하는 현상이 빈번하게 발생할 수 있으며(미국의 경우는 선형 베어링 시스템에 의해 자유도가 구속됨), 5) 부이의 전후좌우 이동으로 인한 트랜슬레이터와 부이를 연결하는 케이블과 하단 고정구조와의 마찰을 피할 수 없는 등의 문제점들이 있다.
또한, 상기한 모든 장치들은 발전장치 또는 관련부속 장치를 수용하는 구조체가 콘크리트나 강철로 이루어져 있으며, 관련 부속장치들도 대부분 금속으로 이루어져 있는 관계로 제작비나 설치비가 고가이며 유지보수에도 많은 어려움이 있다.
(특허문헌 1) KR1679433 10 “파력 발전 장치”는 부표가 상승 또는 하강할 때 동력전달장치의 구동축은 항상 동일한 방향으로 회전하도록 발전기의 각 부품들과 에너지 축적장치 및 다수의 평형추와 평형추 드럼을 설치한 장치이며,
(특허문헌 2) KR1212302 10 “파력 발전 장치 및 방법”은 부표와 연결된 로프가 감기거나 풀리는 로프 드럼의 회전축에 연결되어 동일하게 회전하는 샤프트의 회전에 따라 전진 또는 후진운동을 하는 복수의 피스톤 펌프의 작동으로 송수관을 통해 보내지는 해수에 의해 발전기 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 장치 및 방법이며,
(특허문헌 3) KR1604780 10 “파력 발전장치”는 부력체의 상부 면에 태양광 패널을 설치하여 전기를 생산하고, 하우징 내부에는 하부에 무게추가 설치되고 부력체 하부와 연결되는 샤프트의 반대 끝단에 설치되는 전자석이 부력체와 일체로 수직 상하운동을 함에 따라 전기가 발생하는 코일이 설치되며, 전자석의 원위치 정렬을 위한 복원스프링을 포함하는 장치이며,
(특허문헌 4) EP1 611 347 B1 “WAVE POWER ASSEMBLY”는 파도에 의한 부이(hull)의 상하 수직 운동과 동조 운동하는 선형발전기 로더의 하부와 바닥구멍(bottom hole)과 인장 스프링(tension spring)을 고정 연결하여 부이가 파도의 용마루(crest) 위치로 상승할 때 발전기 로더가 부이와 함께 상승하고, 부이가 하강할 때는 인장 스프링의 복원력에 의해 원상 위치로 복원되는 원리로 로더를 감싸는 형태로 고정된 고정자와 로터와의 전자기적 작용으로 발전하는 장치이며,
(특허문헌 5) WO 20150001115A1 “A HEAVING BUOY POINT ABSORBER”는 표면 관통 플롯과(float) 연결된 챔버(chamber) 내의 공기가 파도의 상하방향 요동(heaving)에 의해 압축되고 구멍을 거쳐 공기 터빈을 구동시킨 뒤 배출되는 원리이며,
(특허문헌 6) EP2 029 890 B1 “WAVE ENERGY CONVERTER”는 필라(pillar)와 플롯(float)으로 이루어진 2개의 몸체에 2개의 풀리(pulley)와 케이블을 연결하고 케이블에 발전기를 연결하여 플롯의 heaving에 따라 발전하는 것이며,
(특허문헌 7) EP 2 679 802 A2 “WAVE POWER GENERATING APPARATUS”는 해면상에 떠있는 플롯(float)과, 플롯과 일단이 연결되고 동력 전달 부에 타 단이 연결되는 동력 전달 로프와, 동력 전달 부의 동력에 의해 회전하는 동력 전달 샤프트와, 샤프트의 한쪽 축에 연결된 파력 발전기와, 동력전달 부의 둘레에 감긴 리턴 로프와, 리턴 로프 타 단에 결합하는 리턴 메커니즘으로 구성되며, 동력 전달 샤프트는 한 방향으로만 회전하게 구성되는 기술이다.
그러나 상기한 기술 모두는 파도의 운동 에너지를 여러 단계의 기계적 결합을 이용하여 발전하거나 공기를 압축하여 공기 터빈을 가동하는 방식으로 발전하는 기술들이며, 개별적으로 작동되므로, 파도 에너지를 부이의 운동을 통하여 직접 파력 발전 시스템에 이용하는 본 발명 기술과 구별된다.
본 발명은, 상기한 종래의 파력 발전기나 파력 흡수기(wave energy absorber) 또는 파력 변환기(wave energy converter)의 기술 및 장치들이 내포하고 있는 기능의 한계와 구조적인 한계를 극복하고, 그리고 파도로부터 회수되는 파도 에너지의 회수비율을 개선하고, 그리고 파력 발전 시스템의 적용가능 지역을 해안까지 넓히고, 그리고 파력 발전기의 설치위치를 해수면 위의 부이나 별도 부력체의 상부로 변경함으로써, 파력 발전 시스템에 가해지는 바닷물의 염분과 해양생물의 오염으로 인한 영향을 최소화하고, 또한, 파도 에너지를 이용하는 방법에 따라 특화된 파력 발전 시스템을 제시하며, 그리고 특화된 파력 발전 시스템을 적절하게 운영하고 유지 관리하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 파력 발전 시스템은 상기의 목적을 달성하기 위하여,
Heaving 용 부이의 운동에너지를 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전 시스템은, 파력 발전기(10)와 부이(11) 및 풀리 부력장치(13), 파력 발전기 지지골조(11-1), 각종 로프, 콘크리트 블록(19), 센서(sensor), 파력 발전기 송전선, 송전선 연결을 위한 전기 커넥터로 이루어지며,
그리고 해안가 파도용 부이의 운동에너지를 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전 시스템은, 파력 발전기(10)와 부이(12) 및 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1), 부력장치(10-1) 위치조정장치, 각종 로프, 콘크리트 블록(19-1, 19-2), 센서(sensor), 파력 발전기 송전선, 송전선 연결을 위한 전기 커넥터로 이루어진다.
또한, Heaving 용 부이의 운동에너지를 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전 시스템은, 해수면 상에 떠있는 Heaving 용 부이(buoy 11)와,
그리고 파력 발전기(10)와,
그리고 부이(11)의 상부면 상의 파력 발전기 지지골조(11-1)에 설치되어 부이와 일체로 거동하는 파력 발전기의 내부에 설치되고, 그리고 회전자(107)와 일체로 회전하면서 내부가 공동(空洞)인 튜브(tube) 형태로 이루어진 샤프트(103)의 길이방향 중심부의 외면상에 감겨있는, 동력전달용 로프(rope 112)가 수중에 설치된 풀리(pulley) 부력장치(13)의 풀리(pulley 115))를 경유하여 부이의 원통 형태의 하부몸체의 하단과 서로 연결되며,
그리고 부이(buoy 11)와 파력 발전기(10)가 파도에 의해 중력방향과 반대방향으로 상승함에 의해서 상기 샤프트에 감긴 로프(112)가 부이 이동방향과 반대방향으로 풀어질(released) 때, 회전하는 샤프트(103)와 연결된 2번 차단 부재(109)와 샤프트의 원형 판에 설치된 커넥터(105)에 의해 2번 하우징(102)의 원통 외면상에 설치된 태엽 스프링(spiral reel spring 110)이 2번 하우징(102)의 원통의 외면상으로 감기면서(winding) 긴장되며(tensioned),
그리고 파력 발전기와 일체로 거동하는 부이(11)가 파도에 의해 중력방향으로 하강할 때, 상기 2번 하우징의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링의 이완(relaxation) 거동에 의한 샤프트(103)의 회전에 의해, 풀어진 로프(112)가 샤프트(103)의 외면상에 되감기며,
그리고 수중에 떠 있는 상태로 설치되는 풀리 부력장치(13)는, 해저에 설치된 콘크리트 블록들(blocks 19)이나 강관 파일들(미 도시)로 이루어진 다수의 부동(not moved) 시설을 연결하는 로프들(15, 16)과 연결로프(14)를 통해 연결되며,
그리고 부이(buoy 11)는, 수상에 떠 있는 상태로 해저에 설치된 콘크리트 블록들(blocks 19)이나 강관 파일들(미 도시)로 이루어진 다수의 부동(not moved) 시설을 연결하는 로프(15 or 16)와 비상용 로프(18)를 통해 연결되며,
그리고 부이 상부에 설치되는 센서(sensor 미 도시)와, 파력 발전기 송전선(미 도시)과,
그리고 파력 발전기 송전선과 별도 송전선(미 도시)을 연결하는 방수 기능과 내부 압력유지 기능을 갖춘 전기 커넥터(미 도시)로 구성된다.
또한, 해안가 파도용 부이의 운동에너지를 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전 시스템은, 해수면 상에 떠있는 수평 운동용 부이(buoy 12)와,
그리고 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)는 위치조정장치의 위치조정용 로프(126)와 연결로프(14)로 연결되며,
그리고 파력 발전기는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 상부에 설치되며,
그리고 부이(buoy 12)가 적용되는 파도 주기(wave cycle time)의 약 1/2 ~ 2/3에 해당하는 시간에 해변방향으로 이동한 후, 파도 주기의 나머지 시간에 부이(12)와 풀어진 동력전달용 로프(112)를 원래 상태와 위치로 정렬하기 위해, 상기 2번 하우징의 내부 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(spiral reel spring 110)의 긴장된 방향과 반대방향으로의 이완 거동에 의한 샤프트(103)의 회전에 의해, 풀어진 로프(112)가 샤프트의 외면상에 되감기면서 부이(12)가 파력 발전기 방향으로 이동하며,
그리고 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)는 해저에 설치된 콘크리트 블록(con’c blocks 19-1, 19-2)의 상부에 설치된 2번 보조 풀리(pulley 124)와 1번 보조 풀리(125)를 연결하는 위치조정용 로프(126)와 연결로프(14)를 통해 연결되며,
그리고 지지용 부력장치(10-1) 상부에 설치되는 센서(sensor 미 도시)와, 파력 발전기 송전선(미 도시)과 별도 송전선(미 도시)을 연결하는 방수 기능과 내부 압력유지 기능을 갖춘 전기 커넥터(미 도시)로 구성된다.
또한, heaving 용 부이(11)와 일체로 거동하는 파력 발전기(10)의 상기 2번 하우징의 내부 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)의 필요한 강성(또는 스프링 계수)은, 부이(buoy 11)와 파력 발전기(10)를 파도 주기에 따라, 중력방향으로 하강할 때의 파력 발전기의 회전자(107)와 샤프트(103) 및 사프트와 결합하여 함께 회전하는 부재들과 함께 파도의 골짜기 위치에서의 파력 발전기와 풀리 부력장치(13)의 풀리(115) 간의 로프(112) 길이로 복귀하기 위한 샤프트의 회전을 유발시키기에 충분하면 되므로, 작은 값의 스프링 강성(또는 스프링 계수)만으로도 부이와 파력 발전기의 운동주기를 파도 주기(cycle time)와 일치시킬 수 있으며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용하는 부이(12)와 파력 발전기(10)일 경우, 부이(buoy 12)가 적용되는 파도 주기(cycle time)의 약 1/2 ~ 2/3에 해당하는 시간에 해변방향으로 이동한 후, 파도 주기의 나머지 시간에 부이(12)와 로프(112)를 원래 위치로 정렬하기 위한 태엽 스프링(110)의 강성(또는 스프링 계수)은, 부이의 형상과 무게를 고려하여, 파도의 상하진동(heaving)을 이용한 파력 발전기의 태엽 스프링의 강성(또는 스프링 계수)에 비해 상대적으로 큰 값의 강성(또는 스프링 계수)을 사용하여 파도 주기 내에서 부이를 원위치로 복귀시킨다.
또한, heaving 용 부이(buoy 11)는, 버섯모양의 상부몸체와 원통 형태의 하부몸체로 이루어지며, 하부몸체의 내부 저면에는, 부이가 수면상에 상부몸체의 대부분이 떠 있고 하부몸체가 수중에 잠겨있는 직립 형태로 위치되도록 작용하는, 밸러스트 웨이트(ballast weight 123) 가 설치되며, 그리고 상부몸체의 상부면 상에는 파력 발전기를 지지하는 파력 발전기 지지골조(11-1)가 설치되며, 그리고 상부몸체와 하부몸체의 중심부에 위치한 수직방향으로 관통하는 개구부는 유동 가능한 해수로 채워지며,
그리고 이런 형태의 부이는, 밸러스트 웨이트를 포함한 부이의 자체 질량과 파력 발전기 지지골조와 파력 발전기 질량과 개구부에 있는 해수 부피만큼의 질량을 더한 전체 질량이 해수의 유동에 저항하는 효과를 발휘할 수 있으므로, 해수 유동방향으로의 부이의 변위를 억제하는데 효과가 크며,
또한, heaving 용 부이(11)와 함께 거동하는 파력 발전기(10)의 작동을 위한 풀리 부력장치(13)는 철판 또는 구리합금을 사용하여 제작된 내부가 공동이면서 폐쇄된 원통 모양의 2개의 부력체(118)가 중심부 공간을 기준으로 양쪽으로 4개 이상의 파이프(119)로 고정 연결되면서 중심부의 공간에 구리합금으로 제작된 풀리(115)가 설치된 형상이며, 해양생물의 오염을 방지하기 위하여 오염방지 도료나 구리의 강한 살균력을 이용하며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 운동에너지에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템에 설치되는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 형상은, 몸체의 상부 면의 중심부는 파력 발전기 설치를 위해 평평한 형태를 이루고, 그리고 상부 면의 나머지 부분은 해수의 배수를 위해 외측 수직벽체를 향해 하향각도로 경사진 형태를 이루며, 그리고 몸체의 하부 면은 해수면 상에서 파력 발전기의 평형을 위한 밸러스트 웨이트(ballast weight 123))를 내부 중심부에 설치하기 위하여 접시 형태를 이루며, 그리고 평면 형상은 원형이며, 그리고 하부 외면의 평평한 가장자리에는 위치조정용 로프(126)에 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)를 고정하는 연결로프(14)를 설치하기 위한 로프 연결고리(129)가 최소 4개 이상 설치되며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력 발전기(10)와 연결되는 부이(buoy 12)는, 몸체 전체가 유체역학적 원리에 의해 타원형의 원반 모양을 이루며, 그리고 몸통의 내부 저면에는 부이가 부서지는 파도에 의해 이동될 때 해수면 상에서 부이의 상부와 하부가 뒤바뀌지 않는 상태로 작동되도록 작용하는 밸러스트 웨이트(ballast weight 미 도시)가 설치되며, 그리고 이런 형태의 부이는, 파도의 용마루(crest)가 부서질 때 파도의 에너지를 최대한 넓은 면적으로 흡수하고 원위치로 부이를 이동시킬 때 최소 힘이 소요되도록 작동되며,
또한, 부이(11 or 12)와 파력 발전기(10)를 연결하는 동력전달용 로프(112) 및 부이와 파력 발전기 지지용 부력장치를 연결하는 로프(14, 18)는 아라미드 섬유 로프나 탄소 섬유 로프와 같은 가벼우면서 강도가 뛰어난 재질을 사용하며,
그리고 콘크리트 블록(19)들을 서로 연결하는 로프(15, 16)는 부식에 강한 구리합금으로 도금된 와이어 로프나 아라미드 섬유 로프나 탄소 섬유 로프를 해양생물의 오염방지 도료를 도색하거나 코팅하여 사용하며,
그리고 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이의 운동을 이용하는 파력 발전기와 부이(buoy 12)의 조수간만 차에 따른 위치 조절용 로프(126)는 아라미드 섬유 로프나 탄소 섬유 로프를 사용하며,
또한, 파력 발전기(10)의 하우징(101, 102)과 샤프트(103) 및 샤프트와 연결되는 파력 발전기의 나머지 부재들(104, 108, 109)은 금속 외에 엔지니어링 플라스틱이나 유리섬유 또는 탄소섬유가 보강된 공업용 플라스틱을 주조(casting)하는 방법으로 값싸게 대량생산할 수 있으며,
또한, 파력 발전기(10)의 샤프트(103)와 샤프트에 연결 고정되는 마감 벽체(104)는 샤프트와 일체로 거동하며 각각에 설치된 자석들(magnets 111)과 2번 하우징(102)에 설치된 자석들(magnets 111) 간의 반발력에 의해 2번 하우징(102)과 서로 이격된 상태로 거동하며,
또한, 파력 발전기(10)의 회전자(107)는 상기 엔지니어링 플라스틱이나 아크릴 또는 실리콘을 이용하여 주조할 때, 주형 틀에 먼저 회전자 영구자석들(114)을 고정한 후 주조하는 방법으로 경화된 몸체에 견고하게 장착되며,
그리고 파력 발전기(10)의 고정자(106)는 회전자의 영구자석(114)에 대응하는 각 구리선(113)들의 권선(winding)을 먼저 권선하고 견고하게 묶은 다음, 주형 틀 내부에 고정한 후, 상기 엔지니어링 플라스틱이나 아크릴 또는 실리콘으로 주조할 수 있으며,
또한, 태풍이나 폭풍우에 대비하여, 파도 에너지를 이용하는 방법에 따라 각각 구분되어 적용되는 파력 발전 시스템의 유지관리 방법을 제공하며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템 경우, 시간에 따라 변화되는 조수간만 차에 대응하여 부이와 파력 발전기의 위치를 조정하는 방법을 제공한다.
본 발명의 파력 발전 시스템은, 해양 파도에 의하여 heaving 운동하거나 부서지는 파도에 의하여 해안방향으로 이동하는 부이의 거동을 이용하며,
그리고 파력 발전기의 샤프트(103) 상에서 동력전달용 로프(112)의 감기는 방향과 파력 발전기의 2번 하우징의 원통 외면과 커넥터(105)에 각 단부가 고정 연결된 태엽 스프링(spiral reel spring 110)의 감기는 방향을 서로 반대로 배치하는 원리를 이용하며,
그리고 부이(11)의 위치상승으로 인하여 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 경유하여 샤프트(103)의 외면상에 감긴 로프(112)가 풀리는 거동이나 부이(12)의 수평 방향 이동으로 인하여 샤프트(103)의 외면상에 감긴 로프(112)가 파력 발전기로부터 풀리는 거동으로 인하여 발생하는 샤프트에 고정된 회전자의 회전으로 파력 발전기가 전기를 생산하는 동시에 태엽 스프링은 2번 하우징의 원통의 외면상에 감기며,
그리고 반대로, 부이(11)가 중력방향으로 하강하거나, 또는, 부이(12)의 수평방향 이동을 억제하기 위한 태엽 스프링의 강성에 의해, 긴장된 태엽 스프링이 풀리면 샤프트와 함께 회전하는 회전자가 로프(112)가 풀릴 때의 회전방향과 반대 방향으로 회전하면서 파력 발전기가 전기를 생산하는 동시에 풀어진 로프가 샤프트의 외면상에 되감기는 원리를 이용하며,
또한, 부이의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전기를 부이(11)의 상부면 상에 지지골조(11-1)에 설치하고 로프(112)를 수중의 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 경유하여 부이(11)의 하부몸체 하단부에 연결 설치하며, 파력 발전기 내부에 설치되는 적절한 강성(또는 스프링 계수)의 태엽 스프링(110)을 이용하여 적용되는 파도의 주기와 부이와 로프(112)의 거동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있으며,
또한, 부이의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 이용하는 파력 발전 시스템은, heaving 용 부이(11)의 상부에 설치되는 지지골조(11-1)에 파력 발전기를 설치하고 부이와 파력 발전기를 일체로 거동하게 하며, 그리고 로프(112)를 수중에 고정된 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 경유하여 부이 하부몸체의 원통 끝단에 연결 설치하여 파도의 주기와 공진하면서 파력 발전기가 작동되게 함으로써, 파도의 한 주기 내에서, 파력 발전기가 부이와 별도로 설치되는 형식에서의 로프(112)의 작동 길이에 비해, 2배의 로프(112) 작동 길이를 확보하고, 결과적으로 2배의 샤프트(103)의 회전수를 확보함에 따라 회전자(107)의 회전수를 2배 확보하는 효과를 얻으며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 적용되는 파도 조건에 맞는 강성(또는 스프링 계수)의 태엽 스프링을 파력 발전기 내부에 설치하는 방법으로 적용되는 파도의 주기와 부이와 로프(112)의 작동주기를 쉽게 일치시킬 수 있으며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)를 연결로프(14)을 이용하여 위치조정용 로프(126)에 연결하고 수상에서 파력 발전기의 로프(112)를 부이(12)에 연결설치하고 작동함으로써, 수중에 설치되는 경우의 파력 발전기의 발전효율에 비해 향상된 효율을 얻을 수 있고, 파력 발전기의 유지 운영이 쉬워졌으며,
또한, 부이의 중력방향으로의 상하진동(heaving)을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전기와 연결되는 부이(11)의 형상을 버섯 모양이면서 중심이 수직으로 관통되는 개구부를 가지고 일정한 크기와 무게를 갖도록 특수하게 제작하는 방법으로, 조류(tidal currents)의 이동속도와 이동방향에 상관없이 일정 위치에서 적용되는 파도를 대상으로 전기를 생산할 수 있으며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파력 발전기와 연결되는 부이의 형상을 타원형의 원반모양이면서 일정한 무게와 크기를 갖도록 제작하여, 적용되는 파도의 운동에너지를 효과적으로 흡수하고 부이를 파력 발전기 방향으로 이동시키는데 소요되는 에너지를 최소화할 수 있으며,
또한, 본 발명의 파력 발전 시스템은, 적용되는 파도의 조건에 따라 구분되는 부이와 파력 발전기를, 폭풍우나 태풍에 대비하여, 부이를 안전한 위치의 수중에 위치시키거나 부이와 파력 발전기를 육지로 수거하는 방법으로 쉽게 관리할 수 있으며,
그리고 파력 발전기 송전선을 전기 커넥터를 이용하여 해상에서 육지의 기존 전력망에 연결하는 송전선과 쉽게 연결하고 분리할 수 있으며,
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 조수간만 차에 의한 해수면 수위변화에 대처하기 위해, 위치조정장치의 위치조정용 로프(126)를 작동시키는 방법으로, 부이(12) 및 파력 발전기(10)의 해수면 상의 위치를 쉽게 조정할 수 있으며,
또한, 본 발명 파력 발전 시스템은, 구리권선과 영구자석 및 태엽 스프링과 태엽 스프링 커넥터(105)를 제외한 파력 발전기의 대부분의 부속품을 엔지니어링 플라스틱이나, 유리섬유 또는 탄소 섬유가 보강된 공업용 플라스틱으로 제조할 수 있음으로써, 파력 발전기의 중량을 줄일 수 있으며, 제작비를 낮출 수 있으며, 대량생산이 가능하다.
도 1은 본 발명과 관련하는 파력 발전 시스템에서, 영구자석과 구리선 및 태엽 스프링과 같은 금속으로 제작되는 부품을 제외한 파력 발전기의 나머지 부품들을 엔지니어링 플라스틱이나 금속으로 제작하는 경우의 파력 발전기의 제작방법을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 설명도 이며,
도 2는 본 발명과 관련하는 파력 발전 시스템에서, Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 설치되는 파력 발전기가 부이와 일체로 거동하는 파력 발전 시스템의 가동원리를 설명하기 위한 개략적인 설명도 이며,
도 3은 본 발명과 관련하는 Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 파력 발전기가 설치되어 부이와 파력 발전기가 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 수중에 떠있는 상태에서 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)의 거동을 제한하는 풀리 부력장치(13)를 설명하기 위한 개략적인 설명도 이며,
도 4는 본 발명과 관련하는 Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 설치되는 파력 발전기가 부이와 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기와 부이의 설치방법과 가동방법을 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 5는 본 발명과 관련하는 파력 발전기와 Heaving 용 부이(buoy)가 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, heaving 용 부이의 제작방법과, 그리고 부이 상부몸체의 상부면 상에 설치되고 자체의 상부에 파력 발전기가 설치되는 파력 발전기 지지골조의 형상과 설치방법을 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 6은 본 발명과 관련하는 Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 설치되는 파력 발전기가 부이와 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 태풍이나 폭풍우와 같은 비상조건에 대비한, 파력 발전 시스템의 운영과 유지관리방법을 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 7은 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기와 파력 발전기 지지용 부력장치 및 부이의 설치방법과 거동을 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 8은 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동을 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전 시스템의 가동원리를 개략적으로 나타내기 위한 설명도 이며,
도 9는 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기가 해수면보다 높은 위치에서 가동되도록 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 제작방법과 설치방법을 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이며,
도 10은 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 조수간만 차에 대응하는 파력 발전 시스템의 운영과 유지관리방법을 개략적으로 설명하기 위한 설명도 이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 첨부한 도면에 의해, 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명과 관련하는 파력 발전 시스템에서, 영구자석과 구리선 및 태엽 스프링과 같은 금속으로 제작되는 부품을 제외한 파력 발전기의 나머지 부품들을 엔지니어링 플라스틱이나 금속으로 제작하는 경우의 파력 발전기의 제작방법을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로,
본 발명의 파력 발전 시스템은,
해면상에 떠있는 Heaving 용 부이(11)와,
그리고 부이의 상부면 상에 설치되는 파력 발전기 지지골조(11-1)와,
그리고 파력 발전기 지지골조(11-1)에 설치되는 파력 발전기(10)와,
그리고 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)가 자체의 풀리(115)를 경유하여 부이의 하부몸통 하단부에 연결된 상태에서 작동되도록 작용하는 수중에 떠있는 풀리 부력장치(13)와,
그리고 해저지반에 설치되는 콘크리트 블록(19)과,
그리고 콘크리트 블록(19)을 연결하는 콘크리트 블록 연결로프(15, 16)와 풀리 부력장치(13)를 연결하는 연결로프(14)와,
그리고 부이의 상부몸체 하단에 일단이 연결되고 타단이 인장스프링(17)을 통해 콘크리트 블록 연결로프(16)와 연결되는 비상용 로프(18)와,
그리고 파력 발전기 지지골조(11-1)에 설치되며, 파력 발전기의 작동상태와 파도의 상태와 해수면 높이 변화를 측정하고 측정결과를 통제센터에 송신하는 센서(sensor 미 도시)와,
그리고 파력 발전기 고정자에서 생산되는 전기를 외부로 송전하는 파력 발전기 송전선(미 도시)과,
그리고 파력 발전기 송전선과 전기 커넥터를 통해 연결되며, 전기 커넥터에서부터 이웃하는 몇 개의 파력 발전기에서 생산된 각각의 전기가 1차로 합쳐지는 1차 변전 장치(미 도시)까지 연결하는 1차 송전선(미 도시)과 파력 발전기 송전선을 연결하는 전기 커넥터(미 도시)를 포함하는 Heaving 용 부이(11)의 운동에너지를 이용한 파력 발전 시스템을 포함하고,
또한 본 발명의 파력 발전 시스템은,
해면상에 떠있는 상태로 자체의 상부면 상에 파력 발전기(10)가 설치되는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)와,
그리고 파력 발전기(10)와,
그리고 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)와 연결되는 수평운동용 부이(12)와,
그리고 해저지반에 설치되는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 위치를 조정하는 위치조정장치의 일부시설이 설치되는 콘크리트 블록(19-1, 19-2)과,
그리고 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)와 일단이 연결되고 타 단이 인장스프링(17-1)을 통해 위치조정장치의 위치조정용 로프(126)에 연결되는 연결로프(14)와,
그리고 윈치(winch 미 도시)와 윈치 드럼 및 보조드럼(127), 동력전달용 로프(130), 로프(130) 보호관(128), 1번 및 2번 보조 풀리(125, 124) 위치조정용 로프(126)를 포함한 위치조정장치와,
그리고 부력장치(10-1) 상부면 상에 설치되며, 파력 발전기의 작동상태와 파도의 상태와 해수면 높이 변화를 측정하고 측정결과를 통제센터에 송신하는 센서(sensor 미 도시)와,
파력 발전기 고정자에서 생산되는 전기를 외부로 송전하는 파력 발전기 송전선(미 도시)과,
그리고 파력 발전기 송전선과 전기 커넥터를 통해 연결되며, 전기 커넥터에서부터 육지에 설치된 변전 장치(미 도시)까지 연결되는 1차 송전선(미 도시)과 파력 발전기 송전선을 연결하는 전기 커넥터(미 도시)를 포함하는 해안가 파도용 부이(12)의 운동에너지를 이용한 파력 발전 시스템을 포함한다.
또한, 상기한 파력 발전기(10)는, 내부가 개방된 튜브가 길이방향으로 반으로 나누어진 형태의 상부부재와, 상부부재의 외면에 지지골조(11-1)나 부력장치(10-1)에 고정되는 연결부재가 고정 장착된 형태의 하부부재로 구성된 1번 하우징(101)과,
그리고 1번 하우징의 길이방향 개구부를 닫는(close) 마감 벽체로 작용하는 원형 판의 한쪽 면상에 튜브 형태의 원통이 장착되고, 원통의 외면에 별도의 원형 판이 일체로 형성된 2번 하우징(102)과,
그리고 튜브 형태로 한쪽 끝 부분은 닫혀있고 반대편 끝 부분은 개구(開 口)이며, 자체의 외면상에 1개의 원판이 정해진 거리로 이격된 상태로 일체로 연결되어 있는 샤프트(103)와,
그리고 샤프트의 개구부와 연결되는 샤프트 마감벽체(104)와,
그리고 2번 차단부재(109)의 원형 판과 샤프트의 원형 판 가장자리에 설치되어 태엽 스프링(110)의 일단을 고정하는 태엽 스프링 커넥터(105)와,
그리고 1번 하우징(101)의 내면 상에 장착되는 고정자(106)와,
그리고 샤프트의 외면상에 장착되는 회전자(107)와,
그리고 샤프트의 외면상에 설치되어 동력전달용 로프(112)와 고정자 및 회전자와의 간섭을 차단하는 2개의 원형 판 형태의 1번 차단 부재(108)와,
그리고 샤프트 외면상에 설치되어 회전자의 길이방향 중심을 기준으로 동일하게 이격된 위치에서 자체의 가장자리 일부에 태엽 스프링(110)을 연결하는 태엽 스프링 커넥터(105)가 설치되고 고정자 및 회전자와 태엽 스프링 간의 간섭을 차단하는 2번 차단 부재(109)와,
그리고 자체의 한쪽 끝 부분은 샤프트에 고정 연결되며, 반대쪽 끝 부분은 태엽 스프링 커넥터(105)에 연결되는 태엽 스프링(110)과,
그리고 샤프트(103)의 회전 중에 발생하는 샤프트와 2번 하우징(102) 간의 접촉을 막는 영구 자석들(111)과,
그리고 부이(buoy 11 or 12)와 샤프트를 연결하는 동력전달용 로프(112)로 이루어진다.
상기 1번 하우징(101)은, 금속 또는 엔지니어링 플라스틱이나 탄소 섬유나 유리섬유가 보강된 공업용 플라스틱으로 제조되며, 이하 영구자석(111, 114)과 구리권선(113) 및 로프(112)를 제외한 파력 발전기의 나머지 부재들도 동일한 재질로 제작 가능하며,
그리고 내부가 개방된 튜브를 길이방향으로 반으로 분리한 형태의 상부부재와 상부부재의 외면상에 지지골조(11-1)나 부력장치(10-1)에 고정되는 연결부재가 장착된 하부부재로 구성되며,
그리고 1번 하우징(101)의 상부부재와 하부부재가 결합된 상태에서 개구부 양쪽 끝 부분과 2번 하우징(102)의 단부에 위치한 원형 판이 연결되기 위한 볼트 체결이 가능한 연결부위가 형성되어 있으며,
그리고 2개의 1번 하우징의 상부와 하부 부재를 연결조립하기 위한 볼트 체결이 가능한 연결부위가 상부부재와 하부부재의 길이방향 양쪽 외면상에 각각 형성되어 있으며,
그리고 부이의 거동에 의한 동력전달용 로프(112)의 작동이 원활하도록 하부부재에 개구부(미 도시)가 형성되어 있으며,
그리고 하부부재의 개구부 외면상에는 로프(112)에 부착된 해수나 해양생물의 파력 발전기 내부로의 진입을 차단하는 차단시설(미 도시)이 설치될 수 있으며,
그리고 각각의 1번 하우징(101)의 내면에는 1번 하우징의 내면과 접촉하는 고정자(106) 몸통 부분의 중심부와 요철(凹凸) 형태로 접속하여 고정자의 변위를 제어하는 2개의 스토퍼가 1번 하우징(101) 본체와 일체로 형성되어 있으며,
그리고 각각의 1번 하우징(101)은 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 파도가 부이(buoy)와 로프(112)를 통해 파력 발전기에 가해지는 순간 최대 충격력을 견딜 수 있을 만큼 견고하게 제작되며,
그리고 해양생물의 오염방지를 위한 도료가 자체의 내부와 외부에 도색 된다.
상기 파력 발전기의 2번 하우징(102)은, 1번 하우징(101)의 개구된 양단부와 자체의 단부에 위치한 원형 판과 볼트로 연결되며,
그리고 1번 하우징의 개구부에 대한 마감벽체로 연결되는 원형 판 형태의 부재와 고정 연결되면서 1번 하우징(101)의 내부로 삽입되는 방향으로 설치되는 튜브 형태의 원통과, 그리고 원통 외면상에 설치된 별도의 원형 판이 일체로 형성되며,
그리고 2번 하우징의 원통 내면 상에는 영구자석들(111)이 서로 같은 극 방향을 유지하는 상태로 자석 표면이 원통의 내면과 일체가 되도록 매립 설치되며,
그리고 2번 하우징의 원통의 내벽에 의해 분리되는 자체의 단부에 위치한 원형 판의 평면상에는 영구자석들(111)의 표면 극이 서로 같은 극 방향을 유지하는 상태로 자석 표면이 원형 판 중심점을 기준으로 방사 형태로 원형 판의 표면과 일체 되도록 매립 설치되며,
그리고 2번 하우징(102)의 원통 외면자리에는 태엽 스프링(110)의 일단이 고정 설치된다.
상기 파력 발전기의 샤프트(103)는, 내부가 비어있는 튜브(tube) 형태이며, 자체의 내면의 반경은 일정하나 외면의 반경이 일부 길이방향 구간에서 변화되는 형태이며, 길이방향의 한쪽 단부가 닫히고 반대편 단부가 열린 형태이며, 자체의 외면과 일체로 형성된 1개의 원형 판과 2번 차단 부재(108)가 샤프트의 길이방향 중심에서 동일한 거리로 이격된 상태로 고정 연결되며,
그리고 샤프트(103)의 길이방향 중심의 외면상에 로프(112)가 설치되며,
그리고 샤프트(103)의 길이방향 중심을 기준으로 1번 차단 부재(108)와 2번 차단 부재(109) 사이에 위치한 샤프트의 각각의 외면상에 회전자(107)가 샤프트와 결합 설치되며,
그리고 2번 하우징(102)에 설치되는 영구자석(111)들의 설치위치에 대응되는 샤프트의 원통 외면상이나 샤프트의 닫힌 단부 면의 외면상에 영구자석들(111)이 설치되며, 그리고 영구자석의 설치형식은 동일하지만 2번 하우징의 영구자석 위치와 대응하는 위치의 샤프트(103)의 원통 외면상에 설치되는 영구자석들의 극(pole)은 2번 하우징의 영구자석들의 극(pole)과 서로 반대로 마주보는 형태로 자석의 외면이 샤프트 외면과 일치하는 형태로 샤프트 내부에 매립되어 설치된다.
상기 파력 발전기의 샤프트 마감벽체(104)는, 샤프트(103)의 개구(開 口)된 끝 부분의 내부에 삽입되는 형태로 설치되며, 2번 하우징에 설치된 영구자석과 대면하는 자체의 마감 벽체(104)의 내부에 매립되는 영구자석은 극(pole)이 서로 반대인 형태로 설치되며,
그리고 샤프트 마감벽체(104)에 대해 반대편 위치에 있는 샤프트(103) 몸체의 닫힌 단부를, 샤프트 몸체와 분리제작이 가능한, 샤프트 마감벽체로 제작할 수 있다.
상기 파력 발전기의 태엽 스프링 커넥터(105)는, 2번 차단 부재(109)와 샤프트의 길이방향 중심을 기준으로 2번 차단 부재와 대응하는 위치의 샤프트의 원형 판의 가장자리에 각각 설치되며, 설치형태나 모양은 해당 도면에 표시된 설치형태나 모양에 국한되지 않는다.
그리고 2번 하우징(102)의 원통에 일단이 고정된 태엽 스프링(110)의 반대쪽 끝단이 태엽 스프링 커넥터(105)의 자유단 쪽 부재의 내측 면에 고정되며,
그리고 태엽 스프링 커넥터(105)는, 태엽 스프링을 동작시키기 위한 강성이 부족할 경우, 금속의 재질로 대체할 수 있다.
상기 파력 발전기의 고정자(106)는, 실리콘이나 엔지니어링 플라스틱이나 아크릴로 이루어진 원형 판의 내부에 각 구리권선(113)이 전기적으로 상호 연관된 다른 구리권선과 서로 연결된 상태로 매립되어 있으며, 고정자를 이루는 원형 판들이 하나로 연결되어 이루어진 몸체는 1번 하우징(102)의 내면 상에 고정 설치되며,
그리고 매립 설치된 고정자의 각 구리권선(113)들의 중심부는 회전자의 영구자석(114)의 자장(Magnets flux)이 통과되도록 개구(開 口) 형태를 이루며,
그리고 구리권선이 매립된 고정자의 원형 판들이 최종적으로 하우징 내에서 회전자의 원형 판 형태의 몸체들 사이에 있는 공간에 설치되기 위하여, 고정자의 원형 판들이 하나로 연결되는 고정자 몸체는 제작 단계에서 2개로 분리된 형태로 제작되며, 대응하는 위치의 분리된 단면에는 고정자의 자체결합과 전기적으로 연관된 구리선들의 연결을 위한 요철형태의 돌출부와 구멍(미 도시)들이 형성되어 있다.
상기 파력 발전기의 회전자(107)는, 샤프트(103)의 원통의 길이방향 중심을 기준으로 1번 차단부재(108)과 2번 차단부재(109) 사이의 샤프트 외면상에 설치되며, 최종적으로 회전자 설치위치와 대응되는 1번 하우징의 내면 상에 설치되는 고정자(106)의 구리권선(113)들의 중심을 연결한 원과 대응하여 고정자를 마주보는 회전자의 양쪽 표면상의 동일한 원의 원주에 배치되는 영구자석(114)들의 표면이 원판 형태의 몸체 표면과 서로 일치되는 형태로 엔지니어링 플라스틱이나 아크릴 또는 실리콘으로 이루어진 회전자의 원형 판 형태의 몸체에 매립되어 설치되며,
그리고 동일한 회전자의 원형 판 표면에 설치되는 영구자석(114)들의 각 표면의 극(pole)은 이웃하는 자석의 표면 극(pole)과 반대이며,
그리고 회전자의 원형 판 표면에 설치되는 영구자석(114)들의 표면의 극(pole)은, 이웃하는 고정자의 원형 판을 기준으로, 대응하는 위치의 회전자의 원형 판 표면에 설치되는 영구자석의 표면 극(pole)과 서로 반대이다.
또한, 파력 발전기의 회전자(107)와 고정자(106) 형식은, 도면상에 표시된 CAFPMSG(Coreless Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Generator 코어리스 축방향 플럭스 영구자석 동기 발전기) 외에 RFPMSG(Radial Flux Permanent Magnet Synchronous Generator 방사형 플럭스 영구자석 동기 발전기) 형식을 쓸 수 있으며,
그리고 파력 발전기의 발전능력에 따라 파력 발전기에 설치되는 고정자와 회전자의 원형 판 형태의 몸체 수가 변동됨은 자명하다.
상기 샤프트(103)의 길이방향 중심으로부터 대응하는 위치에 설치되는 2개의 1번 차단 부재(108)는, 로프(112)와 고정자 및 회전자와의 간섭을 차단하는 원형 판 형태를 이루며,
그리고 로프(112)가 작동하는 구간에 대면하는 각각의 원형 판 표면과 로프(112)가 작동하는 구간의 샤프트 외면에는, 해양생물 오염방지용 도료가 도색되며,
그리고 원형 판의 수직 단부와, 원형 판의 수직 단부와 대면하는 1번 하우징(101)의 내면 부위에는, 로프(112)의 거동에 의한 고정자와 회전자의 설치구역 내로의 해수의 진입을 방지하는 차수 링(seal ring)이 설치될 수 있다.
상기 파력 발전기의 2번 차단 부재(109)는, 샤프트의 길이방향 중심으로부터 대응되는 위치의 샤프트의 원형 판과 함께, 고정자(106) 및 회전자(107)와 태엽 스프링(110) 간의 간섭을 차단하며,
그리고 태엽 스프링(110)과 접촉하는 면의 훼손을 방지하기 위해, 태엽 스프링(110)을 직접 대면하는 2번 차단 부재(109)와, 2번 하우징의 원형 판 및 샤프트의 원형 판의 표면에 박층(薄層)의 금속판을 부착시킬 수 있으며,
그리고 2번 차단부재(109)와 샤프트의 길이방향 중심으로부터 대응되는 위치의 샤프트 원형 판을, 샤프트 몸체와 분리 가능한, 2번 차단부재(109)로 제작할 수 있다.
상기 파력 발전기의 태엽 스프링(110)은, 2번 하우징의 원통 외면에 고정되는 태엽 스프링의 한쪽 끝 부분에서부터, 2번 하우징의 원통 외면 위의 공간에 수 회 감긴 후, 태엽 스프링 커넥터(105)에 고정되는 태엽 스프링의 다른 쪽 끝 부분까지 회전반경이 점진적으로 늘어나는 형태로 설치되며,
그리고 해수에 의한 부식에 강하며 형상복원력이 뛰어나는 금속으로 제작되며,
그리고 파력 발전 시스템의 적용조건에 따라 설치 길이와 스프링 강성(또는 스프링 계수)이 다른 것이 사용된다.
상기 파력 발전기의 영구자석(111)들은, 샤프트(103)와 함께 회전하는 회전자와 태엽 스프링(110) 및 로프(112)가 원활하게 작동되도록 작용하는 역할을 하며,
그리고 각각의 부재에 매립된 영구자석들의 노출된 표면의 극을 동일한 극으로 배치하고, 그리고 서로 대면하는 부재의 영구자석들의 표면의 극(pole)이 서로 같은 극(pole)이 대면하도록 배치하는 방법으로 나타나는 영구자석들 간의 반발력을 이용하며,
그리고 샤프트의 원통 길이방향에 대한 샤프트의 수직 및 수평 변위와 진동을 억제한다.
상기 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)는, 부식에 강하고 강도가 크며 유연하고 인장성이나 탄성이 작은 아라미드 섬유 로프나, 유리섬유나 탄소 섬유를 보강한 폴리에틸렌 섬유 로프 또는 폴리우레탄 섬유 로프 등을 사용하며,
그리고 한 줄의 로프를 샤프트의 길이방향 중심부에 설치하여 사용함으로써, 부이의 운동에 따른 샤프트의 편심회전이나 진동을 줄일 수 있으며,
그리고 해양 생물들의 부착 및 기생을 방지하기 위해 필요한 약품처리 또는 오염방지용 도색 또는 코팅을 한 후 사용된다.
상기 고정자 구리권선(113)들은, 적용되는 파도 에너지를 이용한 발전규모에 따라 구리선의 권선(winding) 수와 구리선의 두께가 결정되며,
그리고 이로 인하여, 고정자(106)의 크기와 형태가 결정되며,
그리고 이로 인하여 회전자의 영구자석(114)의 크기와 설치 수 및 배치 사양들이 결정된다.
상기 파력 발전기의 회전자 영구자석(114)들은, 니켈이나 아연 에폭시로 표면 처리된 네오디움 자석(NdFeB)을 사용하며,
그리고 각각의 영구자석(114)들은, 회전자 원형 판의 몸체 표면과 적용하고자 하는 영구자석의 표면이 일체가 되는 방법으로 회전자 본체에 매립되는 형태를 이루며,
그리고 각각의 영구자석(114)들은, 동일한 회전자 원형 판의 몸체 표면에 매립될 경우, 이웃하는 영구자석과 극(pole)이 서로 반대이며,
그리고 각각의 영구자석(114)들은, 대면하는 회전자 원형 판의 몸체의 영구자석과 극(pole)이 서로 반대이다.
또한, 부이(11)에 부딪치는 파도에 의해 파력 발전기가 해수에 젖거나 염분에 의한 부식 등의 부정적인 영향을 최소화하기 위해, 파력 발전기를 외부에서 감싸는 형태의 하우징(미 도시)이 설치될 수 있다.
또한, 상기한 센서(sensor)는 파력 발전 시스템이 설치되는 지역의 파도의 주기와 파고 및 해수면의 높이 및 파력 발전기의 가동상태를 측정하고, 측정한 데이터를 통제센터(Control center 미 도시)에 송신하는 기능을 수행하며,
또한, 파력 발전기 송전선은, 파력 발전기 고정자에서 전기적으로 연관된 구리권선이 상호 연결된 후, 고정자 외부로 뽑아낸 각각의 전선을 1개 또는 2개의 원형 피복 속에 함께 배치한 구조이며,
그리고 파력 발전기에서 전기 커넥터까지의 전선을 말하며,
그리고 해수에 의한 부식에 강하며 생산된 전기의 누전과 구리선의 합선현상이 일어나지 않도록 특수 제작된 해양용 전선이 사용되며,
또한, 전기 커넥터(connector)는, 부이(11)의 상부몸체에 설치되는 지지골조(11-1)나 부력장치(10-1)의 상부 면에 설치되며,
그리고 전기 커넥터에서부터 각각의 파력 발전기에서 생산된 전기가 한곳에 모이는 1차 변전 장치(미 도시)까지 연결하는 1차 송전선(미 도시)과 파력 발전기 송전선을 연결하는 역할을 하거나,
그리고 해변에서 부서지는 파도의 힘에 의한 부이(12)의 운동을 이용하는 파력 발전 시스템일 경우, 전기 커넥터로부터 파력 발전기에서 생산된 전기를 육지에 설치된 변전 장치(미 도시)까지 연결되는 1차 송전선(미 도시)과 파력 발전기 송전선을 연결하며,
그리고 파력 발전기에서 생산된 전기가 누전되거나 해수가 내부로 누수됨으로 인하여 전선의 합선현상이 발생하지 않도록 방수기능과 내부 압력유지 기능을 갖추고 있다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 본 발명의 실시 예들은, 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자들이 본 발명의 실시가 가능한 범위 내에서 설명된다.
따라서 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 특허 청구범위 및 기본원리를 응용하여 사용할 수 있는 범위는 아래에서 설명하는 실시 예들로 인하여 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명과 관련하는 파력 발전 시스템에서, Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 설치되는 파력 발전기가 부이와 일체로 거동하는 파력 발전 시스템의 가동원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,
파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이(11)가 수중에서 고정된 상태로 떠있는 풀리(pulley) 부력장치(13)의 풀리(115)로부터 멀어지면, 즉, 적용되는 파도의 골짜기에서 파도의 용마루를 향해 파력 발전기와 일체로 거동하는 부이가 상승을 시작하면, 파력 발전기(10)의 샤프트(103a)의 외면상에 감긴 동력전달용 로프(112)가 풀리(115)를 경유하여 풀어짐과 동시에, 샤프트의 회전에 의해, 태엽 스프링(110)이 2번 하우징(102a)의 원통 외면상에 감기며(① 단계),
이후, 파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이(11)가 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)로부터 최대로 멀어지면, 즉, 파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이가 적용되는 파도의 용마루까지 상승하면, 부이(11)와 파력 발전기(10)의 수직이동이 멈춤과 동시에 로프(112)가 샤프트(103a)로부터 적용된 파도의 골짜기에서 파도의 용마루까지의 높이 차의 2배 길이로 풀어지는 동작을 완료하며, 그리고 태엽 스프링(110)의 2번 하우징(102a)의 원통 외면상에 감기는 동작도 멈추며(② 단계),
그리고 그 이후, 파력 발전기와 일체로 heaving하는 부이(11)가 중력방향으로 적용되는 파도의 용마루에서 파도 골짜기로 하강함에 따라, 2번 하우징의 외면상에 감긴 태엽 스프링의 이완 동작에 의해 샤프트(103a)가 ① 단계의 샤프트의 회전방향과 반대로 회전함에 따라, 풀어진 로프(112)가 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 경유하여 샤프트(103a)의 외면상으로 되감기며(③ 단계),
그리고 그 이후, 파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이(11)가 중력방향으로 적용되는 파도의 골짜기까지 하강을 완료하면, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)의 축적된 탄성 에너지 중, 적용된 파도의 용마루와 파도 골짜기 간의 높이 차에 비례한 탄성에너지가 태엽 스프링(110)의 이완 동작을 통해 방출되며, 그리고 적용된 파도의 용마루와 파도 골짜기 간의 높이 차의 2배의 길이로 로프(112)가 샤프트(103a) 외면상에 되감김을 완료하며(④ 단계),
그리고 상기한 ①→②→③→④의 전 과정이 연속적으로 부이에 적용되는 각각의 파도 주기와 일치하면서 연속적이고 지속적으로 발생함으로써, 파력 발전기는, 파력 발전기의 전기를 생성하는 가동주기가 연속적으로 부이에 적용되는 각각의 파도 주기와 일치하는 상태에서, 연속적이고 지속적으로 전기를 생산한다.
또한, heaving 용 부이와 일체로 거동하는 파력 발전기일 경우, 파력 발전기의 태엽 스프링(110)에 축적되는 탄성 에너지는 부이(buoy 11)가 중력방향과 반대방향으로 이동할 때 축적되고, 부이가 중력방향으로 하강할 때 방출되므로, 부이의 중력방향으로의 이동에는, 부이가 중력에 의해 움직이므로, 태엽스프링에 축적된 탄성 에너지를 사용할 필요가 없으며, 따라서, 이 경우에 사용되는 태엽 스프링의 강성(또는 스프링 계수)은 태엽 스프링 자체의 질량과 로프(112)와 파력 발전기의 샤프트(103)와 함께 회전하는 관련 파력 발전기 부품들의 질량만을 고려하면 되므로, 부이의 질량을 함께 고려하는 경우보다 상대적으로 작은 스프링 계수를 적용하며, 적용되는 파도의 주기와 부이와 파력 발전기 및 동력전달용 로프(112)의 운동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있으며,
또한, heaving 용 부이와 일체로 거동하는 파력 발전기일 경우, 파력 발전기(10)의 동력전달용 로프(112)가 파력 발전기의 샤프트(103)에 일단이 고정되고, 그리고 타단이 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 거쳐 부이(11)의 원통형 하부몸체의 하단에 고정되고, 해저지반에 설치된 콘크리트 블록 연결로프(16)와 4줄의 연결로프(14)에 의해 수중에서 고정된 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)의 작동에 의해, 파력 발전기의 로프(112)와 부이가 직접 연결되어 작동하는 형식과 비교하여, 일체로 Heaving 하는 부이 및 파력발전기의 수직 이동거리의 2배의 거리를 로프(112)가 거동함으로써, 적용되는 파도의 주기 내에서, 샤프트(103)와 일체로 회전하는 회전자(107)의 회전수가 2배로 증가하며, 결과적으로, 파력 발전기의 발전효율이 향상되며, 또는 파력 발전기의 동일 출력 조건에서, 고정자 및 회전자의 설치 수를 줄이는 효과를 얻거나, 또는, 파력 발전기의 제작비를 낮추는 효과를 얻는다.
도 3은 본 발명과 관련하는 Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 파력 발전기가 설치되어 부이와 파력 발전기가 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 수중에 떠있는 상태에서 파력 발전기의 로프(112) 거동을 제한하는 풀리 부력장치(13)를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,
도 3-1은 로프 연결고리(120)가 각각의 부력체(118)에 1개씩 설치된 경우를 나타내며, 도 3-2는 로프 연결고리(120)가 각각의 부력체(118)에 2개씩 설치된 경우를 나타내며, 3-1a와 3-2a는 풀리 부력장치(13)의 단면도를 나타내고, 3-1b와 3-2b는 풀리 부력장치(13)의 평면도를 나타내며,
또한, 수중에서 떠있는 상태에서 풀리(pulley 115)가 작동되도록 하는 2개의 부력체(118)는, 내부가 비어있는 폐쇄된 원통형 튜브(tube) 형상으로, 외부 면에 오염방지 도료로 도색된 철판이나 구리합금으로 제작되며,
그리고 2개의 부력체(118)는, 부력체 재질과 동일재질로 이루어진, 최소 4개 이상의 파이프(119)를 통해 서로 고정 연결되며,
또한, 각각의 부력체(118)는, 외면 하부면 상에 설치되는 1개의 로프 연결고리(120)를 통해 연결로프(14)의 일단이 부력체와 연결되고, 그리고 연결로프(14)의 타단이 콘크리트 블록 연결로프(15)에 연결되거나,
또는, 각각의 부력체(118)는 외면 하부면 상에 설치되는 2개의 로프 연결고리(120) 각각에 1줄의 연결로프(14)의 일단이 부력체와 연결되고, 그리고 연결로프(14)의 타단이 콘크리트 블록 연결로프(16)에 각각 연결되며,
또한, 각각의 부력체(118) 내부에는 유리구슬이나 금속구슬로 이루어진 밸러스트 웨이트(미 도시)가 설치되어 풀리 부력장치의 진동을 흡수하며,
또한, 풀리(115)는, 구리합금으로 이루어진 2개의 베어링이 양단에 설치된 샤프트의 길이방향 중심에 고정 설치되며,
또한, 파력 발전기(10)에 설치되는 로프(112)의 설치 수가 변동될 경우, 변동된 로프(112) 수와 동일하게 풀리(115)의 설치 수가 변동된다.
도 4는 본 발명과 관련하는 Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 설치되는 파력 발전기가 부이와 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기와 부이의 설치방법과 가동방법을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로, 1개의 동력전달용 로프(112)가 작동하는 경우이며,
파력 발전기(10)는, 부이(11)의 상부 면에 설치되는 파력 발전기 지지골조(11-1) 위에 설치되어 부이와 부딪쳐 부서지는 파도의 영향을 최소화 하며,
또한, 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)는, 부이(11)의 중심부에 수직으로 형성된 중공(中空) 부를 관통한 후, 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 거쳐 원통형태의 부이(11) 하부몸체의 끝단에 고정 연결되며,
또한, 조류흐름(tidal currents) 방향으로의 부이(11)의 이동을 억제하고 비상상황에서 부이를 수중에 위치시키기 위한 4줄의 비상용 로프(18)는, 각각의 콘크리트 블록 연결로프(16)와 인장스프링(17)를 통해 일단이 연결되고, 그리고 각각의 타단은 부이 상부몸체와 연결되며,
또한, 풀리 부력장치(13)의 2개의 부력체(118) 하부에 각각 설치되는 각각의 연결고리(120)에 연결로프(14)의 일단이 연결되고, 각각의 연결로프(14)의 타단이 콘크리트 블록 연결로프(15)에 각각 고정 연결되거나, 또는, 풀리 부력장치(13)의 2개의 부력체(118) 하부에 각각 설치되는 2개의 연결고리(120)에 각각의 연결로프(14)의 일단이 연결되고, 각각의 연결로프(14)의 타단이 콘크리트 블록 연결로프(16)에 각각 고정 연결되며,
또한, 해저지반(20)에 고정 설치되는 콘크리트 블록(19)의 크기는, 콘크리트 블록 연결로프(15, 16)들이 연결되는 이웃 콘크리트 블록 사이에 설치되는 파력 발전기와 부이 및 풀리 부력방치, 각종 로프의 설치 수와 각 장치들의 질량들을 모두 고려하여 결정된다.
그리고 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)는, 파력 발전기의 태엽 스프링(110)이 완전히 이완된 상태에서 설치지역의 해수면이 최저 해수면(lowest sea level)일 경우를 기준으로 설계 파도의 골짜기(valley) 위치에서 부이(11) 상부몸체의 상부에 위치한 지지골조(11-1)의 상부에 설치되는 파력 발전기로부터 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 경유하여 부이(11)의 원통 형태의 하부몸체 하단에 고정 연결되도록 초기에 설정되며,
이후, 파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이(11)가 수중에 고정된 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)로부터 멀어짐에 따라, 즉, 파도의 골짜기에서 용마루로 상승함에 따라, 샤프트(103)에 감겨있는 로프(112)가 풀리(115)를 경유하여 풀리면서 샤프트(103)를 회전시킴으로써 태엽 스프링(110)이 2번 하우징의 원통 외면상에 감기며, 동시에 샤프트(103)의 회전으로 샤프트와 고정 연결된 회전자(107)의 회전으로 고정자(106)의 구리권선(113)에 전기가 생산되며,
그리고 일체로 heaving 하는 부이(11)와 파력 발전기가 수중에 고정된 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 향해 하강함에 따라, 즉, 파도의 용마루에서 골짜기로 하강함에 따라, 2번 하우징의 원통 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)이 이완되면서 샤프트(103)를 회전시킴으로써 풀어진 로프(112)가 샤프트(103) 외면상에 되감기며, 동시에 샤프트(103)의 회전으로 샤프트와 고정 연결된 회전자의 회전으로 고정자의 구리권선에 전기가 생산되며,
이때, 각각의 비상용 로프(18)의 일단은, 조류흐름 방향으로, 부이(11)의 상부몸체 하부와 연결되고, 타단은 인장스프링(17)을 통해 콘크리트 블록 연결로프(16)에 고정 연결되며, 부이의 heaving 운동에 영향을 주지 않도록 느슨하게 연결된다.
도 5는 본 발명과 관련하는 Heaving 용 부이(buoy)의 상부에 파력 발전기가 설치되어 부이와 파력 발전기가 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기와 Heaving 용 부이(buoy)가 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, heaving 용 부이의 제작방법과, 그리고 부이 상부몸체의 상부면 상에 설치되고 자체의 상부에 파력 발전기가 설치되는 파력 발전기 지지골조의 형상과 설치방법을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,
상기 부이(11)의 단면도(도 5a)와 입체도(도 5b)에서 나타나듯이, 전체적인 부이의 형상은, 버섯모양으로 이루어졌으나, 상부몸체 중심부와 하부몸체 중심부를 하나로 관통하는 개방된 공간이 있으며, 이 공간을 통해 바닷물이 채워지며,
또한, 부이(11) 상부몸체의 중력방향에 수직으로의 중공을 제외한 원형 단면의 면적은, 파도의 히빙(heaving) 에너지를 효과적으로 얻기 위한 면적으로 형성되며,
그리고 하부몸체의 중력방향에 수직인 중공을 제외한 원형 단면의 면적과 중력방향의 길이는, 설치지역의 조류(tidal currents)의 속도와 개구부의 단면적과 밸러스트 웨이트(123)의 규모를 고려하여 결정된다.
또한, 부이(11)의 상부몸체의 수직벽체 하단을 연결한 평면의 중심점에서 평면에 수직으로 상부몸체를 절단하였을 때의 상부몸체의 상부 단면 형상은, 장 방향과 단방향의 거리비율이 10:2 내지 10:3인 타원을 장 방향 중심선을 따라 반으로 잘랐을 때에 나타나는 형상과 유사하며, 반면에 상부몸체의 하부형상은 원추 형상으로 수직벽체의 하단으로부터 하부몸체의 외부 원통을 향하여 점차로 단면이 축소되어 폐합되는 형태이며,
또한, 부이(11) 하부몸체의 하부 끝 부분은, 부이가 중력방향으로 움직일 때 발생하는 해수의 저항을 줄이기 위해, 하부몸체 외벽의 일정 위치를 지나는 동심원상에서부터 동일한 곡면 형태나 직선 형태로 줄어들어 내부 개구부의 수직 벽면과 합쳐지며,
또한, 부이(11)의 하부몸체 내부의 하단에 설치되는 밸러스트 웨이트(123)는, 철사나 철근으로 내부가 보강된 콘크리트 블록이나 철사나 철근으로 보강된 모르타르(mortar) 블록이 사용된다.
또한, 상기 부이(11)의 몸체를 관통하는 개구부에 채워지는 부피만큼의 해수 무게는, 밸러스트 웨이트(123)를 포함한 부이와 파력 발전기 지지골조(11-1) 및 파력 발전기 질량과 합해진 상태로, 조류(tidal currents)의 흐름에 의한 부이(buoy) 이동을 효율적으로 억제하며,
또한, 상기 밸러스트 웨이트(123)는, 부이의 하부몸체 내부 저면에 위치하여 부이의 수평방향 진동에 대한 무게중심 역할을 하므로, 스파부이(spar buoy)의 무게 추 역할을 하며,
또한, 부이(11)의 상부몸체 상단에 설치되는 파력 발전기 지지골조(11-1)는, 파력 발전기를 지지하고 고정하는 역할을 하며, 부이에 부딪쳐서 부서지는 해수로부터 파력 발전기가 영향을 적게 받도록 부이 상부몸체로부터 일정 높이로 설치되며,
그리고 파력 발전기 지지골조(11-1)에 설치되는 파력 발전기를 파도로부터 보호하는 하우징(housing 미 도시)이 별도로 설치될 수 있다.
도 6은 본 발명과 관련하는 파력 발전기와 Heaving 용 부이(buoy)가 일체로 거동하는 파력 발전 시스템에서, 태풍이나 폭풍우와 같은 비상조건에 대비한, 파력 발전 시스템의 운영과 유지관리방법을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,
평상시에는 부이(11)와 파력 발전기(10)가 도 6a와 같이 일체로 정상 거동을 하며, 부이(11)의 상부몸체는 각각의 콘크리트 블록 연결로프(16)와 인장스프링(17)을 통해 연결된 4줄의 비상용 로프(18)에 의해 조류 방향(tidal currents)으로 연결되어 있으며, 상기한 인장스프링(17)은 부이가 파도의 용마루까지 솟아오르는데 영향을 미치지 않으며 단지 조류방향으로의 부이의 이동을 제한하는 역할만 할 뿐이며, 또한, 상기 비상용 로프(18)는 부이의 상부몸체와 인장스프링(17)을 연결하는 역할만 할 뿐이다.
또한, 비상용 로프(18)에 연결된 인장스프링(17)은 부이(11)가 파도의 용마루로 상승할 때, 부이의 수직 변위를 허용하면서 동시에 조류 흐름으로 인한 부이의 수평 변위를 억제하는 역할을 하며,
또한, 비상용 로프(18)는, 콘크리트 블록 연결로프(16)에 인장스프링(17)을 통해 느슨하게 연결되어 있으며,
그리고 각각의 로프(18)에 부이(buoy)의 위치조절용 연결고리(121, 122) 두 개가 일정한 간격으로 이격되어 매달려 있다.
그러나 폭풍우나 태풍에 의해서 부이(11)와 파력 발전기(10)의 파손이 예상되거나, 파력 발전기(10)의 발전 한계를 벗어나는 상황이 예상될 경우, 도 6b와 같이, 미리 선박과 잠수부를 동원하여 4개의 비상용 로프(18)에 연결되어 있는 각각의 상부 연결고리(121)를, 유압기기나 공기압 기기를 이용하여, 하부 연결고리(122)에 연결하는 방법으로 부이(11)를 수중의 안전한 위치까지 잠수시키며, 부이의 상부에 설치된 파력 발전기(10)는 선박으로 회수하여 육지로 대피시킨다.
또한, 폭풍우와 태풍이 지나간 뒤에는, 선박과 잠수부를 동원하고, 유압 또는 공기압 기기를 이용하여, 부이와 파력 발전기를 원 상태로 복귀시킨다.
도 7은 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기와 파력 발전기 지지용 부력장치 및 부이의 설치방법과 거동을 개략적으로 설명하기 위해 나타낸 것으로, 도 7a는 해수면 상에서의 각 장치의 평면 거동을 나타내며, 도 7b는 해상과 수중에서의 각 장의 설치방법과 거동을 나타내며,
파력 발전기(10)는, 해수면 상에 떠있는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 상부면의 중심부 상에 설치되며,
또한, 해수면 상에 떠있는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)는, 위치조절장치의 위치조정용 로프(126)와 인장스프링(17-1)을 통하여 연결로프(14)로 연결되며,
그리고 각각의 연결로프(14)의 일단과 연결된 상태로 위치조정장치의 위치조정용 로프(126)에 연결되는 인장스프링(17-1)은, 해수의 이동과 파도에 의한 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 수평이동을 억제하며,
또한, 부이(12)의 형상은,
평면 형상이 원형이면서 자체의 내부중심을 지나는 단면 형상이 타원의 장주와 단주 비율이 9:2 또는 9:3으로 이루어지는 타원형 구체를 이루며,
그리고 자체의 내부에 밸러스트 웨이트(123)가 설치되며,
그리고 파도에 의한 하중을 견디기 위하여 자체의 내부에 수직 벽체(미 도시) 및 거더(girder 미 도시))가 설치되며,
그리고 자체의 하부 외부면 상에 2개의 이동용 방향키(131)가 설치되는 형상이며,
또한, 해수면 상에 떠있는 부이(12)의 방향키(131)에 연결되는 부이 연결용 로프(112-1)와 파력 발전기(10)의 동력전달용 로프(112)는, 인장스프링(17-2)에 의해 서로 연결되며,
또한, 부이연결용 로프(112-1)와 파력 발전기(10)의 동력전달용 로프(112)를 연결하는 인장스프링(17-2)은, 파도에 의해 부이(12)에 가해지는 순간적인 에너지에 의하여 동력전달용 로프(112)를 통하여 파력 발전기에 가해지는 충격을 완화하는 역할을 하며,
또한, 위치조정장치의 위치조정용 로프(126)는, 콘크리트 블록(19-1, 19-2)의 상부에 설치된 각각의 풀리(124, 125)와 연결되며, 육지에 설치된 윈치(winch 미 도시)의 작동에 의한 위치조절장치의 동력전달용 로프(130 미 도시)의 작동에 의해 가동된다.
도 8은 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동을 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전 시스템의 가동원리를 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로,
부이(buoy 12)가 적용되는 파도의 수평 운동에 의하여 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1) 상부에 설치된 파력 발전기(10)로부터 멀어지면, 파력 발전기(10)의 샤프트(103a)의 외면상에 감긴 동력전달용 로프(112)가 풀어짐과 동시에, 샤프트의 회전에 의해, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 태엽 스프링(110)이 감기며(① 단계),
이후, 파도에 의한 부이의 수평 운동에너지가 태엽스프링의 축적 가능한 탄성에너지와 파력 발전기의 전기발생을 위해 사용된 에너지의 합과 같아지면, 즉 부이가 파력 발전기로부터 최대로 멀어지면, 부이(12)의 이동이 멈춤과 동시에 로프(112)가 샤프트(103a)로부터의 풀어짐이 멈추며, 태엽 스프링(110)의 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감기는 동작도 멈추며(② 단계),
또한, 그 이후, 파도에 의한 부이의 수평 운동에너지가 태엽스프링의 축적 가능한 탄성에너지와 파력 발전기의 전기발생을 위해 사용된 에너지의 합보다 작아지면, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)에 축적된 탄성 에너지의 방출에 의해 감긴 태엽 스프링이 이완되는 동작으로 인하여, 샤프트(103a)가 로프(112)가 풀어지는 원인에 의한 샤프트의 회전방향과 반대로 회전함에 따라, 풀어진 로프(112)가 샤프트(103a)의 외면상으로 되감기는 것과 함께 이동된 부이(12)가 원래 위치 방향으로 움직이며(③ 단계),
또한, 그 이후, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)에 축적된 탄성 에너지가 태엽 스프링(110)의 이완에 의해 소모되면서 부이(12)를 ①단계의 부이 이동방향과 반대로 이동시키는 과정에서, 태엽 스프링(110)에 축적된 잔여 탄성에너지가 신규로 적용되는 파도의 수평 운동에너지와 같아지는 지점이나 ①단계에서 축적된 태엽 스프링(110)의 축적된 탄성에너지를 완전히 소모한 지점에서 부이의 거동이 멈추며, 동시에, 이완된 태엽 스프링(110)이 2번 하우징(102a)의 원통의 외면과 커넥터(105) 사이의 공간에 위치하고, 로프(112)는 부이의 수평이동 거리 차만큼의 길이에 대해 샤프트(103a) 외면상에 되감김을 완료하며(④ 단계),
그리고 상기한 ①→②→③→④의 전 과정이 연속적으로 순환발생하고, 상기의 순환과정이 각 단계에 적용되는 파도의 주기와 일치하여 연속되므로, 본 발명의 파력 발전기는 지속적으로 가동된다.
또한, 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용하는 파력 발전기일 경우, 파력 발전기의 태엽 스프링(110)에 축적되는 탄성 에너지는, 부이(buoy 12)가 수면상에서 해안방향으로 이동할 때 축적되고, 부이가 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1) 방향으로 움직일 때 방출되므로, 파력 발전기와 연결되는 부이(12)의 형상을 타원형 구체(球體)의 원반모양이면서 일정한 무게와 크기를 갖으며 유체역학적인 형상으로 제작하여 적용되는 파도의 운동에너지를 효과적으로 흡수하고 부이(12)를 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1) 방향으로 이동시키는데 소요되는 에너지를 최소화하는 방법과 함께, 태엽스프링(110)에 축적되는 탄성 에너지의 흡수 시간을 파도 주기의 1/2 내지 2/3 이내가 되도록 태엽 스프링의 강성(또는 스프링 계수)을 조정하고, 남은 파도 주기 시간에 부이가 부력장치(10-1) 방향으로 최대한 이동할 수 있도록 태엽 스프링(110)과 로프(112)와 파력 발전기의 샤프트(103)와 함께 회전하는 파력 발전기의 관련 부품들과 부력을 고려한 부이의 질량을 함께 고려하여 태엽 스프링의 강성(또는 스프링 계수)을 고려하면 되므로, 부이의 질량을 고려하지 않는 경우보다 상대적으로 큰 스프링 계수를 적용하는 방법으로 적용되는 파도의 주기와 부이(12)와 로프(112)의 운동 주기를 쉽게 일치시킬 수 있다.
도 9는 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 파력 발전기가 해수면보다 높은 위치에서 가동되도록 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 제작방법과 설치방법을 설명하기 위해 개략적으로 나타낸 것으로, 도 9a는 정면도를 나타내고, 도 9b는 측면도를 나타내며, 도 9c는 평면도를 나타내며,
또한, 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)는, 금속이나 엔지니어링 플라스틱 또는 탄소섬유 보강 플라스틱으로 제작되며, 파력 발전기의 설치가 가능하도록 자체의 상부면 중심부의 일정면적이 평평하게 형성되고, 중심부를 제외한 잔여 상부면은 외곽 수직벽체 방향으로 하향 경사를 이루며,
그리고 자체의 하부면 중심부는 내부에 밸러스트 웨이트(123)가 설치되는 내부 원통형 수직 벽을 따라 평평한 형태를 이루며, 중심부를 제외한 잔여 하부면은 외곽 수직벽체 방향으로 상향 경사를 이루며,
그리고 상부 면과 하부 면이 외곽 수직벽체의 양 끝단에 각각 연결되는 형상이며,
그리고 부력장치(10-1)의 평면 형상은 원형 형상이며,
그리고 파력 발전기의 송전선(미 도시)이 통과하는 튜브(tube) 형태의 개구부(132)가 부력장치(10-1)의 상부 면과 하부면의 중심부를 관통하는 형태로 설치되며,
그리고 밸러스트 웨이트(123)는 철망이 보강된 모르타르 블록(mortar block) 또는 물로 채워진 폐쇄된 구조의 수조로 구성되며,
그리고 해수면 상에서 파도의 거동에 의한 전도가 일어나지 않을 만큼 안정적이면서 자체의 상부 면에 설치되는 파력 발전기를 지지할 수 있는 규모이며,
또한, 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 하부 외부면 상에는 4개의 로프 연결고리(129)가 고정 장착되고,
그리고 4개의 연결로프(14)의 각각의 일단이 4개의 연결고리(129)에 각각 연결되고, 4개의 연결로프(14)의 각각의 타단이 인장스프링(17-1)을 통해 위치조정용 로프(126)와 연결되는 형태로 설치되며,
그리고 4개의 연결로프(14)는, 인장스프링(17-1)과 위치조정용 로프(126)와 함께, 해수면 상에서의 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 이동을 억제하고 진동을 감소시키는 역할을 한다.
도 10은 본 발명과 관련하는 파력 발전기가 해변에서 부서지는 파도의 힘을 이용한 부이의 운동에너지를 이용하여 가동하는 파력 발전 시스템에서, 조수간만 차에 대응하는 파력 발전 시스템의 운영과 유지관리방법을 개략적으로 설명하기 위해 나타낸 것으로,
위치조정장치는,
동력을 전달하는 윈치(winch 미 도시)와,
그리고 동력전달용 로프(130)가 ‘∝’ 형태로 각각 연결되는 윈치드럼 및 보조드럼(127)과,
그리고 위치조정용 로프(126)와 동력전달용 로프(130)가 ‘∝’ 형태로 연결되는 2개의 풀리로 구성된 1번 보조 풀리(125)와,
그리고 위치조정용 로프(126)가 풀리의 홈을 따라 작동하는 1개의 풀리로 이루어진 2번 보조 풀리(125)와,
그리고 자체의 양단부가 서로 연결된 위치조정용 로프(126)와,
그리고 자체의 양단부가 서로 연결된 동력전달용 로프(130)와,
그리고 동력전달용 로프(130)을 보호하는 파이프나 콘크리트관으로 구성된 보호관(128)으로 구성되며,
또한, 위치조정장치는, 해상의 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 위치를 조정하는 장치로, 해수면 높이를 측정하고 파도가 부서지는 위치를 측정하는 센서(sensor 미 도시)의 신호를 받아, 육상 통제소에서의 분석을 통한 작동지시에 따라, 윈치(winch) 가동에 의해, 윈치 드럼 및 보조드럼(127)과 1번 보조 풀리(125)에 연결된 동력전달용 로프(130)가 작동되며,
그리고 동력전달용 로프(130)의 작동으로, 1번 보조 풀리(125)과 2번 보조 풀리(124)에 연결된 위치조정용 로프(126)가 작동되며,
그리고 위치조정용 로프(126)의 작동에 의해 위치조정용 로프(126)와 연결로프(14)에 의해 연결된 해상의 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 위치가 자동으로 변동되며,
즉, 밀물(high tide)일 경우(도 10a), 깊어진 수심에 의해 파도가 부서지는 위치들이 해안 쪽으로 이동되므로, 윈치를 가동하여, 부력장치(10-1)와 인장스프링(17-1)을 통하여 연결로프(14)에 연결된 위치조정용 로프(126)를 해안 쪽으로 감는 방법으로, 부력장치(10-1)를 해안 쪽의 적정 위치로 이동시키며,
또한, 썰물(ebb tide)일 경우(도 10b), 얕아진 수심에 의해 파도가 부서지는 위치들이 바다 쪽으로 이동되므로, 윈치를 가동하여, 부력장치(10-1)와 인장스프링(17-1)을 통하여 연결로프(14)와 연결된 위치조정용 로프(126)를 바다 쪽으로 감는 방법으로, 부력장치(10-1)를 바다 쪽의 적정 위치로 이동시킨다.
또한, 부력장치(10-1)를 이동시키는 위치조정용 로프(126)의 설치 길이는, 적용되는 해변의 조수간만 차에 의해 파력 발전 시스템의 작동이 제한되지 않을 정도의 적정수심의 위치까지 충분한 길이로 설치되며,
또한, 파력 발전기(10)를 가동할 수 없는 태풍이나 폭풍우가 예보되었을 경우, 썰물일 때, 미리 부이(12)와 부력장치(10-1) 및 파력 발전기(10)를 해안가로 이동시켜 수거한 후 육지에 보관하는 방법으로 태풍이나 폭풍우에 의한 피해를 줄이며,
또한, 파력 발전기와 부력장치(10-1) 및 부이의 유지보수가 필요한 경우에도 부이(12)와 부력장치(10-1) 및 파력 발전기를 수거하는 방법과 같은 방법을 사용하여 파력 발전기와 부력장치(10-1) 및 부이를 쉽게 육지로 이동시켜 유지 보수할 수 있다.
10: 파력 발전기 모형
10-1: 파력 발전기 지지용 부력장치 모형
11: 중력방향으로 상하진동(heaving)하는 부이(buoy) 모형
11-1: 파력 발전기 지지골조 모형
12: 부서지는 파도에 의해 수면상에서 움직이는 부이(buoy) 모형
13: 풀리(pulley) 부력장치 모형
14: 해저 면에 설치된 콘크리트 블록 연결로프(15 or 16)와 풀리 부력장치(13) 또는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)을 연결하는 연결로프 모형
15: 해저 면에 설치된 이웃하는 콘크리트 블록(19)들을 연결하는 연결로프 모형
16: 해저 면에 설치된 이웃하는 콘크리트 블록(19)들을 연결하는 연결로프 모형
17: heaving 용 부이와 콘크리트 블록 연결로프(16)을 연결하는 비상용 로프(18)의 한쪽 단부에 설치되는 인장(tension) 스프링 모형
17-1: 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)와 위치조정용 로프(124)를 연결하는 연결로프(14)의 한쪽 단부에 설치되는 인장(tension) 스프링 모형
인장(tension) 스프링 모형
17-2: 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)와 해안가 파도용 부이(12)의 연결로프(112-1)을 연결하는 인장(tension) 스프링 모형
18: heaving 용 부이(11)의 상부 몸체와 인장스프링(17)을 연결하는 비상용 로프 모형
19: heaving 용 파력 발전 시스템에서 해저지반에 설치되는 콘크리트 블록(block) 모형
19-1: 해안가 파도용 파력 발전 시스템에서 해저지반에 설치되고, 자체의 상부 면상에 위치조정장치의 2번 보조 풀리(pulley)가 설치되는 콘크리트 블록 모형
19-2: 해안가 파도용 파력 발전 시스템에서 해저지반에 설치되고, 자체의 상부 면상에 위치조정장치의 1번 보조 풀리(pulley)가 설치되는 콘크리트 블록 모형
20: 해저 지반 모형
21: 파도의 진행방향에서 본 파도의 용마루(crest) 모형
22: 파도의 진행방향에서 본 파도의 골짜기(valley) 모형
23: 평상시의 파도 모형
24: 폭풍우나 태풍으로 인한 비상시 파도 모형
25: 해안가에서 부서지는 파도 모형
26: 파도가 부서진 후의 해수면 모형
27: 밀물(high tide) 때의 해수면 모형
28: 썰물(ebb tide) 때의 해수면 모형
101: 파력 발전기(10)의 1번 하우징 모형
102: 파력 발전기(10)의 2번 하우징 모형
102a: 파력 발전기(10)의 2번 하우징의 일부 모형
103: 파력 발전기(10)의 샤프트 모형
103a: 파력 발전기(10)의 샤프트의 일부 모형
104: 파력 발전기(10)의 샤프트 마감벽체 모형
105: 파력 발전기(10)의 태엽 스프링 커넥터 모형
106: 파력 발전기(10)의 고정자 모형
107: 파력 발전기(10)의 회전자 모형
108: 파력 발전기(10)의 샤프트 상에 설치되는 1번 차단 부재 모형
109: 파력 발전기(10)의 샤프트 상에 설치되는 2번 차단 부재 모형
110: 파력 발전기(10)의 2번 하우징(102)의 내부 원통 외면상에 설치되는 태엽 스프링(spiral reel spring) 모형
111: 파력 발전기(10) 샤프트의 원활한 회전을 위해 설치되는 영구자석 모형
112: 부이(11 or 12)와 파력 발전기(10)의 샤프트를 연결하는 동력전달용 로프 모형
112-1: 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)와 연결되는 인장 스프링(17-2)과 연결되는 해안가 파도용 부이(12)의 연결로프 모형
113: 파력 발전기(10) 고정자의 원판 형태의 몸체에 매립된 구리권선 모형
114: 파력 발전기(10) 회전자의 원판 형태의 몸체에 매립된 영구자석 모형
115: 풀리(pulley) 부력장치(13)의 풀리(pulley) 모형
116: 로프(112)가 풀릴 때, 샤프트(103)의 회전방향 모형
117: 태엽 스프링이 이완될 때, 샤프트(103)의 회전방향 모형
118: 풀리(pulley) 부력장치(13)의 부력체 모형
119: 풀리(pulley) 부력장치(13)에 설치되는 원형 파이프 모형
120: 풀리(pulley) 부력장치(13)에 설치되는 로프 연결고리 모형
121: 비상용 로프(18)에 설치되는 상부 연결고리 모형
122: 비상용 로프(18)에 설치되는 하부 연결고리 모형
123: 부이(11)와 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)에 설치되는 밸러스트 웨이트 모형
124: 위치조정장치의 2번 보조 풀리 모형
125: 2개 풀리(pulley)가 1개의 쌍으로 이루어진 1번 보조 풀리 모형
126: 윈치 드럼의 작동으로 부이와 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 위치를 변동시키는 위치조정용 로프 모형
127: 윈치(winch) 드럼(drum)과 보조드럼 모형
128: 윈치 드럼의 작동으로 가동되는 로프를 보호하는 파이프나 콘크리트관 모형
129: 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 하부면 상에 설치되는 연결로프(14) 커넥터 모형
130: 위치조정장치의 동력전달용 로프 모형
131: 부이(12)의 하부 외부면 상에 설치되는 이동용 방향키(131) 모형
132: 파력 발전기의 송전선이 통과하는 튜브(tube) 형태의 개구부 모형

Claims (6)

  1. 해면상에 떠있는 Heaving 용 부이(11)와,
    그리고 부이의 상부몸체 상부에 설치되는 파력 발전기 지지골조(11-1)와,
    그리고 파력 발전기 지지골조(11-1)에 설치되는 파력 발전기(10)와,
    그리고 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)가 자체의 풀리(115)를 경유하여 부이의 하부몸통 하단부에 연결된 상태로 작동하게 하는 수중에 떠있는 풀리 부력장치(13)와,
    그리고 해저지반에 설치되는 2개 이상의 콘크리트 블록(19)과,
    그리고 콘크리트 블록(19)을 연결하는 콘크리트 블록 연결로프(15, 16)와,
    그리고 풀리 부력장치(13)를 콘크리트 블록 연결로프(15 or 16)에 연결하는 연결로프(14)와,
    그리고 부이의 상부몸체 하단에 일단이 연결되고 타단이 인장스프링(17)을 통해 콘크리트 블록 연결로프(16)와 연결되는 비상용 로프(18)와,
    그리고 파력 발전기 지지골조(11-1)에 설치되어 파력 발전기의 작동상태와 파도의 상태와 해수면 높이 변화를 측정하고 측정결과를 통제센터에 송신하는 센서(sensor)와,
    그리고 파력 발전기 고정자에서 생산되는 전기를 외부로 송전하는 파력 발전기 송전선과,
    그리고 파력 발전기 송전선과 전기 커넥터를 통해 연결되며, 전기 커넥터에서부터 이웃하는 몇 개의 파력 발전기에서 생산된 각각의 전기가 1차로 합쳐지는 1차 변전 장치(미 도시)까지 연결하는 1차 송전선과 파력 발전기 송전선을 연결하는 전기 커넥터(미 도시)를 포함하는 Heaving 용 부이(11)의 운동에너지를 이용한 파력 발전 시스템; 과,

    해면상에 떠있는 상태로 상부면 상에 파력 발전기(10)가 설치되는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)와,
    그리고 파력 발전기(10)와,
    그리고 파력 발전기의 동력전달용 로프(112)와 연결되는 수평 운동용 부이(12)와,
    그리고 해상에 설치되는 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)의 위치를 조정하는 위치조정장치와,
    그리고 위치조정장치의 1번 풀리와 2번 풀리(pulley)가 설치되는 콘크리트 블록(19-1, 19-2)과,
    그리고 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)와 일단이 연결되고 타단이 인장스프링(17-1)을 통해 위치조정장치의 위치조정용 로프(126)에 연결되는 연결로프(14)와,
    그리고 부력장치(10-1) 상부면 상에 설치되어 파력 발전기의 작동상태와 파도의 상태와 해수면 높이 변화를 측정하고 측정결과를 통제센터에 송신하는 센서(sensor)와,
    그리고 파력 발전기 고정자에서 생산되는 전기를 외부로 송전하는 파력 발전기 송전선과,
    그리고 파력 발전기 송전선과 전기 커넥터를 통해 연결되며, 전기 커넥터에서부터 육지에 설치된 변전 장치까지 연결되는 1차 송전선과 파력 발전기 송전선을 연결하는 전기 커넥터(미 도시)를 포함하는 해안가 파도용 부이(12)의 운동에너지를 이용한 파력 발전 시스템; 을
    포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
  2. 청구항 1에서, 상기 파력 발전기(10)는,
    내부가 관통된 튜브(tube)를 길이방향으로 반으로 절단한 형태인 상부부재와 상부부재의 외면에 파력 발전기 지지골조(11-1)나 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)에 고정되는 연결부재가 장착된 하부부재로 구성되며, 자체의 길이방향 양단부와 상부몸체와 하부몸체가 연결되는 길이방향 양쪽 단부에 볼트 체결을 위한 연결 부재가 형성된 1번 하우징(101)과,
    그리고 1번 하우징과 볼트로 연결되며, 1번 하우징의 길이방향 개구부를 닫는(close) 마감 벽체로 작용하는 자체의 단부에 위치한 원형 판의 한쪽 면상에 튜브 형태의 원통이 장착되고 원통의 외면상에 별도의 원형 판이 일체로 형성된 2번 하우징(102)과,
    그리고 각각의 2번 하우징의 원통 내부에 대응하는 자체의 끝 부분이 삽입되며, 튜브 형태이며, 한쪽 끝 부분은 닫혀있고, 반대편 끝 부분은 개구(開口) 형태이며, 닫힌 단부 쪽의 자체의 원통 외면상에 일체로 형성된 1개의 원형 판이 2번 차단부재(109)와 자체의 길이방향 중심에서부터 동일한 거리로 이격된 상태로 형성된 샤프트(103)와,
    그리고 샤프트의 개구부에 삽입 연결되는 샤프트 마감벽체(104)와,
    그리고 샤프트 외면상에 설치되어 회전자(107)의 길이방향 중심을 기준으로 2번 차단 부재와 동일하게 이격된 위치에 있는 샤프트의 원형 판과 2번 차단 부재의 가장자리 일부에 설치되어 태엽 스프링(110)을 연결하는 태엽 스프링 커넥터(105)와,
    그리고 1번 하우징(101)의 내면 상에 고정 장착되는 2개의 고정자(106)와,
    그리고 샤프트의 외면상에 고정 장착되는 2개의 회전자(107)와,
    그리고 샤프트의 외면상에 고정되며, 로프(112)와 고정자 및 회전자와의 간섭을 차단하는 원형 판 형태의 1번 차단 부재(108)와,
    그리고 샤프트의 외면상에 고정되며, 고정자 및 회전자와 태엽 스프링 간의 간섭을 차단하는 2번 차단 부재(109)와,
    그리고 자체의 한쪽 끝 부분은 2번 하우징의 원통에 고정 연결되며 다른 쪽 끝 부분은 태엽 스프링 커넥터(105)에 연결되는 태엽 스프링(110)과,
    그리고 샤프트(103)의 회전 중에 발생하는 샤프트와 2번 하우징(102) 간의 접촉을 제한하는 영구 자석들(111)과,
    그리고 샤프트의 길이방향 중심의 외면상에 설치되며, 부이(buoy)와 샤프트를 1개의 줄로 연결하는 동력전달용 로프(112))를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
  3. 청구항 1에서, 상기 Heaving 용 부이(11)의 운동에너지를 이용한 파력 발전 시스템은,
    파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이(11)가 수중에서 고정된 상태로 떠있는 풀리(pulley) 부력장치(13)의 풀리(115)로부터 멀어지면, 즉, 적용되는 파도의 골짜기에서 파도의 용마루를 향해 파력 발전기와 일체로 거동하는 부이가 상승을 시작하면, 파력 발전기(10)의 샤프트(103a)의 외면상에 감긴 동력전달용 로프(112)가 풀리(115)를 경유하여 풀어짐과 동시에, 샤프트의 회전에 의해, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 태엽 스프링(110)이 감기며(① 단계),
    이후, 파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이(11)가 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)로부터 최대로 멀어지면, 즉, 파력 발전기와 일체로 heaving 하는 부이가 적용되는 파도의 용마루까지 상승하면, 부이(11)와 파력 발전기(10)의 수직이동이 멈춤과 동시에 로프(112)가 샤프트(103a)로부터 적용된 파도의 골짜기에서 파도의 용마루까지의 높이 차의 2배 길이로 풀어지는 동작을 완료하며, 그리고 태엽 스프링(110)의 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감기는 동작도 멈추며(② 단계),
    그리고 그 이후, 파력 발전기와 일체로 heaving하는 부이(11)가 중력방향으로 적용되는 파도의 용마루에서 파도 골짜기로 하강함에 따라, 2번 하우징의 외면상에 감긴 태엽 스프링의 이완 동작에 의해 샤프트(103a)가 ① 단계의 샤프트의 회전방향과 반대로 회전함에 따라, 풀어진 로프(112)가 풀리 부력장치(13)의 풀리(115)를 경유하여 샤프트(103a)의 외면상으로 되감기며(③ 단계),
    그리고 그 이후, 파력 발전기와 일체로 heaving하는 부이(11)가 중력방향으로 적용되는 파도의 골짜기까지 하강을 완료하면, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)의 축적된 탄성 에너지 중, 적용된 파도의 용마루와 파도 골짜기 간의 높이 차에 비례한 탄성에너지가 태엽 스프링(110)의 이완되는 동작을 통해 방출되며, 그리고 적용된 파도 용마루와 파도 골짜기 간의 높이 차의 2배의 길이로 로프(112)가 샤프트(103a) 외면상에 되감김을 완료하며(④ 단계),
    그리고 상기한 ①→②→③→④의 전 과정이 연속적으로 부이에 적용되는 각각의 파도 주기와 일치하면서 연속적이고 지속적으로 발생함으로써, 파력 발전기는, 파력 발전기의 전기를 생성하는 가동주기가 연속적으로 부이에 적용되는 각각의 파도 주기와 일치하는 상태에서, 연속적이고 지속적으로 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
  4. 청구항 1에서, 상기 해안가 파도용 부이(12)의 운동에너지를 이용한 파력 발전 시스템은,
    부이(buoy 12)가 적용되는 파도의 수평 운동에 의하여 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1) 상부에 설치된 파력 발전기(10)로부터 멀어지면, 파력 발전기(10)의 샤프트(103a)의 외면상에 감긴 로프(112)가 풀어짐과 동시에, 샤프트의 회전에 의해, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 태엽 스프링(110)이 감기며(① 단계),
    이후, 파도에 의한 부이의 수평 운동에너지가 태엽스프링의 축적 가능한 탄성에너지와 파력 발전기의 전기발생을 위해 사용된 에너지의 합과 같아지면, 즉 부이가 파력 발전기로부터 최대로 멀어지면, 부이(12)의 이동이 멈춤과 동시에 로프(112)가 샤프트(103a)로부터의 풀어짐이 멈추며, 태엽 스프링(110)의 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감기는 동작도 멈추며(② 단계),
    또한 그 이후, 파도에 의한 부이의 수평 운동에너지가 태엽스프링의 축적 가능한 탄성에너지와 파력 발전기의 전기발생을 위해 사용된 에너지의 합보다 작아지면, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)에 축적된 탄성 에너지의 방출에 의해 감긴 태엽 스프링이 이완되는 동작으로 인하여, 샤프트(103a)가 로프(112)가 풀어지는 원인에 의한 샤프트의 회전방향과 반대로 회전함에 따라, 풀어진 로프(112)가 샤프트(103a)의 외면상으로 되감기는 것과 함께 이동된 부이(12)가 원래 위치 방향으로 움직이며(③ 단계),
    또한, 그 이후, 2번 하우징(102a)의 원통의 외면상에 감긴 태엽 스프링(110)에 축적된 탄성 에너지가 태엽 스프링(110)의 이완에 의해 소모되면서 부이(12)를 ①단계의 부이 이동방향과 반대로 이동시키는 과정에서, 태엽 스프링(110)에 축적된 잔여 탄성에너지가 신규로 적용되는 파도의 수평 운동에너지와 같아지는 지점이나 ①단계에서 축적된 태엽 스프링(110)의 축적된 탄성에너지를 완전히 소모한 지점에서 부이의 거동이 멈추며, 동시에, 이완된 태엽 스프링(110)이 2번 하우징(102a)의 원통의 외면과 커넥터(105) 사이의 공간에 위치하고, 로프(112)는 부이의 수평이동 거리 차만큼의 길이에 대해 샤프트(103a) 외면상에 되감김을 완료하며(④ 단계),
    그리고 상기한 ①→②→③→④의 전 과정이 연속적으로 순환발생하고, 상기의 순환과정이 각 단계에 적용되는 파도의 주기와 일치하여 연속되므로, 본 발명의 파력 발전기는 지속적으로 가동되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
  5. 청구항 1에서, 상기 풀리(pulley) 부력장치(13)는,
    풀리(pulley)가 수중에 떠있도록 작용하기 위해 내부가 비어있는 폐쇄된 원통 형상의 2개의 부력체(118)와,
    그리고 각각의 부력체(118) 내부에 설치되어 풀리(pulley) 부력장치(13)의 진동을 흡수하는 유리구슬이나 금속구슬로 이루어진 밸러스트 웨이트와,
    그리고 2개의 부력체(118)가 서로 대면하는 상태에서 마주보는 각각의 부력체 수직벽체의 가장자리에 동일한 이격거리를 유지하면서 환상(環狀)으로 자체의 각 단부가 고정 연결되고, 2개의 부력체(118) 사이에 풀리(115)를 설치하기 위한 공간확보 역할과 2개의 부력체(118)를 일체로 고정 연결하는 역할을 하는 최소 4개 이상의 파이프(119)와,
    그리고 2개의 부력체(118) 사이의 공간에 설치되어 로프(112)의 작동에 의해 베어링과 함께 샤프트와 일체로 회전하는 풀리(pulley 115)와,
    그리고 각각의 부력체(118)의 원통 형태의 벽체 외면 하부에 1개 또는 2개씩 설치되고, 풀리(pulley) 부력장치(13)의 수중에서의 변위를 억제하는 2줄 또는 4줄의 연결로프(14)의 각각의 일단이 장착되는, 로프 연결고리(120)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
  6. 청구항 1에서, 상기 파력 발전기 지지용 부력장치(10-1)는,
    파력 발전기를 설치하기 위해, 자체의 상부면 중심부의 일정면적이 평평하게 형성되고, 평평한 중심부를 제외한 잔여 상부면은 외곽 수직벽체 방향으로 하향 경사를 이루며,
    그리고 자체의 하부면 중심부는 내부에 밸러스트 웨이트(123)가 설치되는 내부 원통형 수직 벽체를 따라 평평한 형태를 이루고, 평평한 중심부를 제외한 잔여 하부면은 외곽 수직벽체 방향으로 상향 경사를 이루며,
    그리고 외곽 수직벽체는 원통형 튜브(tube) 형태를 이루며,
    그리고 상부 면과 하부 면이 외곽 수직벽체의 양 끝단에 각각 연결되며,
    그리고 평면 형상은 원형 형상이며,
    그리고 파력 발전기의 송전선이 통과하는 튜브(tube) 형태의 개구부(132)가 자체의 상부 면과 하부 면의 중심부를 수직으로 관통하는 형태로 설치되며,
    그리고 하부 면의 외면상에는 4개의 로프 연결고리(129)가 고정 장착되고,
    그리고 4개의 연결로프(14)의 각각의 일단이 4개의 연결고리(129)에 각각 연결되고, 4개의 연결로프(14)의 각각의 타단이 인장스프링(17-1)을 통해 위치조정용 로프(126)와 연결되는 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 파력 발전 시스템.
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