KR20190033490A

KR20190033490A - 파도 에너지 변환기

Info

Publication number: KR20190033490A
Application number: KR1020190027338A
Authority: KR
Inventors: 김용기
Original assignee: 김용기
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-03-29
Also published as: KR102074094B1

Abstract

점 흡수체 형식(point absorber type)의 WEC(Wave Energy Convertor)는 부이(100)와 로프 PTO와 공기 PTO를 구비하고,
로프 PTO는, 로프(101)와, 회전 드럼(200)과, 메인 샤프트(201)와, 로프 유도장치(202)와, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, PMSG(205)와, 기어 회전제어장치(206)와, 로프 장력조절장치(300)와, 회전관성 변경장치(400)를 포함하며,
또한, 공기 PTO는 흡기 및 배기 덕트(107, 106)와, 각각의 덕트에 대한 공기 차단밸브(112,115)와, 공기 차단밸브 가동용 유압 실린더(113)와, 공기 발전터빈(108)을 포함하며,
또한, 로프 PTO에서, 기어 회전제어장치(206)를 가동하여 부이(100)에 래칭제어(latching control)를 실시한 후, 부이(100)의 구속을 해제하면, 부이(100)가 순간적으로 상향으로 운동을 시작하며, 이때, 회전 드럼(200)의 외면상에 감겨있던 로프(101)의 풀림 작동에 의하여 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 보충 회전관성(supplementary rotational inertia)으로 로프 PTO의 회전기계들과 함께 회전함으로써, 산출되는 전기적 동력(electric power)을 키우는 것과 동시에 전기적 동력(electric power)의 평활화(smothing)에 기여하며,
그리고 부이(100)의 최고 상승 지점 부근에서 부이(100)의 상향 운동에 의한 로프 PTO 회전기계들의 회전이 멈춘 후, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 이완에 따른 파워스프링(215)의 축적된 탄성에너지의 방출로 인하여 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)을 제외한 로프 PTO의 회전기계들이 부이(100)의 상향운동에서의 회전방향과 반대로 회전하면서 전기적 동력(electric power)을 산출하며,
그리고 공기 PTO에서, 부이(100)의 상기 상향 운동 중에 대기 중의 공기가 흡기 덕트(107)를 통해 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간으로 흡입되고, 부이(100)의 최고 상승 지점에서 흡기 덕트 공기 차단밸브(112)를 가동하여 공기의 유입과 유출을 차단한 후, 부이(100)의 하향 운동에서의 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)의 압축되는 과정에서의 압축되는 공기(109)와 부이(100) 간의 상호작용 및 로프 장력조절장치(300)의 가동을 통해 부이(100)의 진동감쇠(oscillation damping)를 입사파도의 한 주기 내에서 끝낼 수 있는 후속과정이 수행된다.

Description

파도 에너지 변환기{The wave energy converter}

본 발명은 파도로부터 에너지를 흡수하여 전기에너지를 발생시키는 파도에너지 변환기(wave energy converter, WEC)에 관한 것으로, 특수한 형태의 부이(buoy)와 함께 반응제어(reactive control)와 래칭제어(latching control)를 동시에 적용하는 PTO(Power Take-Off)와, 부이(buoy)의 입사파도의 주기(period) 내에서의 임계감쇠(critical damping)를 부이(buoy)의 중력방향으로의 운동으로 인한 부이(buoy)의 하부 구조의 내부공간에 있는 공기가 압축되는 원리를 이용하여 유도하고, 상기 압축된 공기를 배기하는 과정에서 공기 발전기(air generator)를 이용하여 전기적 동력을 생산하는 새로운 형태의 파도에너지 변환기에 관한 것이다.

WEC 용 부이(buoy)가 히빙(heaving) 운동만 한다고 가정했을 때, 해양 파도가 부이(buoy)에 에너지를 가한 후, 부이(buoy) 주변에서 야기되는 운동방정식은 다음과 같다고 알려진다.

(즉, WEC(부이(buoy) 및 부이 내부에 설치되는 제반 장치들) 질량 × 수직 가속도 = 유체역학적 힘 + PTO 힘)

여기에서, WEC에 작용하는 물의 결과적인 힘은 유체역학적 힘으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(즉, 유체역학적 힘 = 여기(exciting) 파도 힘 + 복원 힘(restoring force) + 방사 힘(radiation force))

여기에서, 여기(exciting) 파도 힘은, 정수 레벨에서의 정수 선(still water line)을 갖는 부이(buoy)의 몸체가 정지 상태를 유지할 경우, 지나가는 파도로부터 부이(buoy) 몸체가 경험할 힘이다. 또한, 정수 복원 힘은 아르키메데스 힘과 중력을 포함한다. 그것은 또한 수선(waterline) 주위에서 원통 형태인 WEC에 대한 질량-스프링-댐퍼(mass-spring-damper) 비유에서의 스프링 힘으로 표현될 수 있다.

(즉, 복원 힘 = 아르키메데스 힘 - 중력)

여기에서

로 표현되며,

는 수선(water line) 면적, g는 중력가속도,

는 물의 밀도, z는 부이(buoy)의 수직 위치, V(t)는 어느 순간에 침수된 부이(buoy) 체적이고,

는 정지시의 부이(buoy) 배수량(the displacement volume) 이다. 또한, 방사 힘(radiation force)은 정수(still water)에서의 부유 몸체의 운동들로 인한 유체역학적 반응 힘으로 정의된다. 상기 방사 힘은 다음과 같이 공식화 될 수 있다.

여기에서 주파수 영역에서

는 파도의 각(angular) 주파수이고,

는 유체역학적 댐핑(damping) 계수이며,

는 보충(supplementary) 질량(mass)이다. 또한, 시간 영역에서 상기 방사 힘은 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기서

는 추가(added) 질량의 무한 주파수 한계이며, 유체역학적 반응 힘의 가속도 종속 성분을 얻기 위하여 부이(buoy)의 수직 가속도를 곱해야 하는 요소(factor)로 정의되며, 따라서 부이(buoy)를 둘러싸고 부이와 함께 움직이는 물의 질량으로 해석될 수 있다. 또한,

은, WAMIT®와 같은 주파수 영역 경계 요소 법 코드들을 사용하여 계산될 수 있는, 추가(added) 질량 및 댐핑의 주파수 영역 유체역학적 매개변수들의 푸리에 변환에 의하여 얻은 방사 임펄스 응답 함수이다.

그러한 시스템으로부터, 시스템이 공진 상태에 있고 그리고 내부 유체역학적 댐핑(damping)과 동등한 외부 댐핑을 적용함으로써 최대에너지가 여기(exciting) 힘으로부터 추출될 수 있다는 것이 알려져있다. 공진에 도달하기 위해서는, 스프링-질량 시스템의 고유 진동수

은, 어떤 규칙(regular) 파도를 가정할 때, 파도의 주파수

와 동일해야 한다. 고유 주파수(natural frequency)는 다음과 같이 표현된다.

m은 부이의 질량,

는 고유 진동수에 대한 추가(added) 질량, k는 스프링 상수 또는 정수(hydrostatic) 복원(restoring) 계수이다. WEC에 들어오는 파도들이 통제될 수 없기 때문에, 고유 주파수를 조정하기 위한 두 가지 가능한 개입들은 스프링 상수에 영향을 주기 위해 시스템의 질량 또는 부이(buoy)의 지름을 변경하는 것이다.

그러나 이들 두 가지 개입들은, 가변적으로 들어오는 파도들에 반응하기 위한 고유 주파수 제어에 목표를 둘 때, 확실히 물리적으로 달성하기가 어렵다. 그럼에도, 반응제어 전략은 보충 질량

을 추가하는 것으로 구성될 수 있다.

물리적 질량 추가의 어려움을 극복하기 위해, 보충(supplementary) 질량은 부이(buoy)의 수직 가속도에 비례하는 PTO 힘을 가함으로써 가상화된다. 이 힘이 파도들의 주파수를 향한 시스템의 고유 주파수를 조정하기 때문에, 이를 튜닝(tuning) 힘

이라고 부른다.

따라서 고유 주파수는 다음과 같이 변형된다.

수직 이동을 제외한 다른 모든 운동 모드들(modes)을 무시할 경우, 부이의 수직 속도에 비례하는 감쇠(damping) 힘

는 외부 감쇠 계수

를 갖는 PTO에 의하여 적용될 수 있다.

따라서 반응제어는 보충 질량

와 외부 감쇠 계수

를 조정하는 제어를 말한다.

또한, 드럼과 케이블 형식에서 드럼과 기어 박스와 전기기계들 및 구동장치(drive)들의 이러한 조립을 PTO 시스템이라고 하며, 파도들로부터 흡수된 동력을 전기에너지로 변환한다.

전기기계는 기어박스를 통해 드럼에 연결되며, 해저지반에 연결된 케이블이 드럼 위에 감겨 있다. 전기기계의 샤프트에 가해지는 토크는 기어박스에 의하여 증가하고 이어서 드럼에 의하여 케이블에 걸리는 어떤 힘으로 변환된다. 케이블에 걸리는 힘은 PTO 힘

로 정의되고 기어박스의 경우에서는 다음과 같이 표현될 수 있다.

여기에서,

는 기어박스 비율, r은 드럼 반경,

는 기계 샤프트에 걸리는 토크이다. 표현에서의 마이너스 기호는 모든 힘들이 위쪽 방향(중력방향에 대한 반대방향)에서 양의 값을 가지며, 기계가 전기를 생성할 때 어떤 양(positive) 전기적 동력을 갖는다는 관례에 기인한다. 그리고 부이(buoy) 수직속도와 회전속도 사이에서의 부호를 유지함으로써, 이것은 토크와 PTO 힘 사이의 어떤 부호 반전을 의미한다. 플로터 수직속도

와 회전속도 사이의 관계는

이며,

n은 분당 회전 수(rpm)에서의 기계의 회전 속도이며, 각(angular) 속도

로 초당 라디안으로 표시된다.

기계의 회전자 관성을 고려하면(그리고 전체 기계적 구동 트레인의 등가 관성 연장에 의하여), 힘은 전자기적 토크

와 관련하여 다음과 같이 표현될 수 있다.

는 회전자 관성의 관성 토크이다. 전자기 토크는 가변 주파수 구동장치에 의하여 제어되고 기계 회전자에 작용한다. 파도 적용에서의 동역학은 전기적 동역학에 비해 상대적으로 느리기 때문에, 요청된 전자기 토크가 즉시 존재한다고 가정한다. 베어링들과 같은 기계에서의 내부 마찰은 무시된다.

전자기적 힘

은 기어박스 비와 드럼 반경을 통해 그것의 토크 등가물과 관련된다.

는 회전 PTO 관성의 등가 질량이다. 반경 r 및 기어박스 비율

를 갖는 드럼으로 구성된 PTO의 경우 등가 질량은 다음과 같이 표현된다.

는 기계 샤프트에서의 총 PTO 관성이며, 기계로부터 기어박스 및 드럼까지의 전체 구동 트레인으로 구성된다.

가 기어박스 비율의 제곱에 비례함으로, 기어박스 비율의 영향은 등가 PTO 질량에 중요하다는 것을 알 수 있다.

여기에서

는 기어박스 효율을 고려할 경우 다음과 같이 표현된다.

,

< 1 은 기어박스 효율이다.

또한, 파도들로부터 PTO에 의하여 흡수될 수 있는 최대 동력은 파도들로부터 PTO에 의하여 흡수된 평균 기계적 동력이며, 따라서 PTO 효율은 아직 고려되지 않았다. 파도들로부터 PTO에 의하여 흡수될 수 있는 최대 동력은 다음 식으로부터의 PTO 힘

에, 즉, 케이블에 가해지는 힘에, 부이(buoy) 속도

를 곱함으로써 계산된다.

(위의 수식과 내용은 Kristof De Koker et al.의 “Optimised Power Take-Off Configuration for Wave Energy Converters” 논문(2017)에서 발췌한 것임.)

또한, 해상에서 파도들과 점 흡수체(point absorber) 형태의 파도에너지 변환기들 사이에서 발생하는 에너지 교환은, 파도들이 자체의 주기와 크기에서 불규칙하므로, 주기가 비-반복적(非-反復的)이며 교환되는 에너지 크기가 가변적(可變的)이다. 또한 부이(buoy) 형상과 동력 인출 시스템(power take-off system, 이하 “PTO”라 함.)의 효율에 따라 파도에너지 변환기(wave energy converter, 이하 “WEC”라 함.)의 에너지 흡수효율은 크게 달라진다.

그러나 WEC의 PTO 설계 기준 및 효율 평가 방법은 파도가 단일 규칙파도 형태를 갖는 것으로 가정하고 진행하는 것이 통례이며, 이에 따라 WEC를 설치할 지역의 파도 기후들(wave climates)을 고려하여 가장 발생빈도가 높은 파도를 대상으로 WEC의 설계와 시뮬레이션들(simulations), 에뮬레이터(Emulator) 실험들 또는 축소모형 실험들을 행하고 있다. 그러나 여러 형태의 플로터들(floaters, 또는 부이들(buoys))을 사용하면서 드럼(drum) 및 케이블(cable or rope) 형식들의 PTO들과 선형발전기들을 이용하는 PTO들에 있어서 지금까지도 반응제어(reactive control) 또는 래칭제어(latching control)를 이용하여 WEC의 출력효율을 향상시킬 수 있다는 이론적인 연구만이 있을 뿐, 실제 WEC에 적용하여 상업적으로 성공을 거둔 사례는 찾아보기 어렵다.

(특허문헌 1) KR1679433 10 “파력 발전 장치”는 평형추를 추가한 드럼(drum) 및 케이블(cable or rope) 형식의 PTO를 부이(buoy) 내부나 외부에 설치하여 일 방향으로 전기를 생산하는 기술에 대한 것이며,

(특허문헌 2) KR1667154 10 “가변 관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기”는 부유체의 상하 운동의 보충적인 관성을 제어하기 위한 유압 플라이휠(Hydraulic Flywheel) 및 발전기 토크(torque)에 의해 유도된 저항성 부하(resistive load)를 제어하는 CVT를 장착하여 발전 효율성을 높이는 기술에 대한 것이며,

(특허문헌 3) KR20180046397 10 “파력발전시스템”은 부이(buoy)가 수면을 따라 상승할 때 동력로프의 풀어짐에 의한 메인샤프트의 회전으로 발전기를 가동하여 전기를 생산하는 것과 동시에 태엽스프링의 감김을 통해 동력로프의 장력을 유지하면서 탄성에너지를 축적하며, 부이(buoy)가 하강할 때 태엽스프링의 풀림에 의한 축적된 탄성에너지 방출을 이용하여 발전기를 가동하여 전기를 생산하는 방식이며, 파도에 대한 부이(buoy)의 6 자유도 운동으로부터의 에너지를 이용하여 전기를 생산하기 위해 부이 내부 중심에 주 회전발전기를 설치하고 방사상 동일 위치의 삼각지점들 각각에 보조 회전발전기를 설치하였으며, 수중의 동력로프 구간에 안전로프 가동부(600)를 설치하여 태풍과 같은 비상상황에서 가동제어시스템 가동부(230)의 가동중지용 작동장치(232)를 작동시켜 메인 샤프트의 회전을 멈춘 후, 입사파도에 의하여 안전로프가 끊어지는 방법으로 부이의 안전을 확보한 기술이며,

(특허문헌 4) US9847697 B2 “WAVE ENERGY CONVERTOR”는 드럼(drum) 및 케이블(cable or rope) 형식과 유성기어장치 및 주 발전기와 보조발전기를 사용하는 PTO를 부이(buoy) 내부에 설치하고, 보조발전기가 발전기와 케이블 장력유지용 모터(motor)로 역할을 교대로 수행하고 유성기어장치를 통해 발전기의 1방향 가동을 실현하는 기술이다.

그러나 상기 “파력 발전 장치” 기술은, 에너지 저장장치로 사용하는 태엽스프링이 케이블 장력 유지용 평형추의 가동을 위해서 사용되며, 그리고 부이(buoy)의 수평변위를 구속하기 위해 해저지반에 설치되는 권취(捲取)용 드럼의 작동원리가 나타나지 않으며, 부이 내부에 드럼(drum) 및 케이블(cable or rope) 형식의 PTO를 설치할 경우에도 부이가 상승할 경우에서의 드럼의 회전수는 부이 상승 높이로 제한되는 약점을 지니고 있으며,

또한, 상기 “가변 관성과 CVT를 이용한 고효율 파력발전기” 기술은, 기본적으로 고정된 플랫폼에 의하여 추진 샤프트의 작동범위가 제약됨에 따라 부유체의 중력방향으로의 상하 운동 범위에 대한 한계가 정해져있으며, 추진 샤프트와 연결된 피니언을 비롯한 동력전달 시스템이 기어 방식으로 연결되어 있음으로써 부유체의 상하 운동 범위 내에서만 토크(torque) 및 관성(inertia)을 이용할 수 있으며, 부유체의 상하 운동 범위 한계를 벗어나는 토크 및 관성을 제어용 유압 플라이휠(Hydraulic Flywheel) 및 발전기 토크(torque)에 의해 유도된 저항성 부하(resistive load)를 제어하기 위한 CVT(continuously variable transmission)를 설치하였으나 기본적으로 설치된 동력전달 시스템의 효율 한계를 벗어날 수 없으며,

또한, 상기 “파력발전시스템” 기술은 동력로프의 장력유지를 위하여 태엽스프링의 거동을 부이(buoy)의 중력방향으로의 상향 및 하향 움직임에 구속됨으로써 태엽스프링의 탄성계수를 필요 이상 큰 값으로 적용하도록 하였으며, 결과적으로 메인 샤프트의 회전수를 구속하는 결과를 가져와 해당 PTO 효율이 낮으며,

또한, 상기 “WAVE ENERGY CONVERTOR” 기술은, 상기 언급한 기술들과 마찬가지로, 관련 PTO가 기본적으로 부이(buoy, 또는 floater)의 중력방향으로의 상향 및 하향 거동거리에 구속됨으로써 해당 PTO 효율이 낮고, 보조발전기가 수시로 모터 역할을 수행하고 발전기들을 일 방향으로 회전시키기 위하여 기계적 조합들이 복잡함에 따라 해당 PTO가 상대적으로 무거운 단점을 지니고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술들의 관련 PTO들의 작동범위가 관련된 부이(buoy) 또는 부유체(floater)의 중력방향(이하 “하향”이라 함.) 및 중력방향과 반대방향(이하 “상향”이라 함.) 운동거리에 구속되는 문제점들을 극복하고, 입사파도의 한 주기(one period) 내에서 WEC의 거동이 시작되고 끝날 수 있도록 부이(buoy)를 특수하게 제작하는 것과 동시에 부이(buoy) 내부에 설치되는 PTO들의 부속 장치들 간의 상호 연결된 역할들의 수행을 통하여 PTO의 발전효율 증대를 실현하고, 공기 발전터빈을 설치하여 부이(buoy)의 하향 운동 중에 전기를 생산할 수 있는 방법을 적용함으로써 부이(buoy)에 적용되는 감쇠계수(damping factor)의 변동성을 구현하며, 동시에 회전관성 변경장치(400)와 로프 장력조절장치(300)의 작동방법을 통한 PTO 출력효율의 최대화를 구현한 새로운 WEC를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에서는, 상기 외부 감쇠 계수

의 효과를 얻기 위한 한 가지 방법으로, 부이의 수선(waterline) 주위에서 원통 형태인 WEC에 대한 질량-스프링-댐퍼(mass-spring-damper) 비유에서의 물의 스프링 힘 외에, 부이(100) 하부 구조에 자체의 하부가 개방된 닥트(duct) 형태의 공간을 형성하여 부이(100)가 상향으로 상승할 때 부이의 흡기 덕트(107)를 통하여 상기 공간으로 대기 중의 공기가 흡입되고, 부이(100)가 하강할 때의 부이(100)에 의한 상기 하부 구조의 공간에 유입된 공기(109)의 압축과정을 거치면서 부이(100)의 하강속도의 감소가 발생함에 의하여 부이(100)의 추가 감쇠(damping)를 유도하였으며, 다른 방법으로, 부이(100)가 자체의 정수 선(still water line)까지 하강한 이후 파워스프링(215)의 탄성에너지 소진으로 드럼(200)과 영구자석 동기 발전기(permanent magnets synchronous generator, 이하 “PMSG”라 함. 205) 및 변속장치(204)가 회전을 멈춘 후, 로프 장력조절장치(300) 가동에 의해 발생하는 로프(101)의 장력을 통해 부이의 추가 감쇠(damping)를 유도하였다.

또한, 상기 보조 질량

의 효과를 얻기 위한 방법으로, 로프(101)와, 회전 드럼(200)과, 메인 샤프트(201)와, 로프 유도장치(202)와, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, PMSG(205)와, 기어 회전제어장치(206)와, 로프 장력조절장치(300)와, 회전관성 변경장치(400)로 구성된 PTO(이하 “로프 PTO”라 함.)의 회전관성 변경장치(400)에서의 플라이휠(flywheel, 401)이, 입사파도로부터 부이(100)가 여기(exciting)되어 부이(100)의 상향 운동이 시작할 때, 회전 드럼(200)과 함께 회전하도록 하는 방법으로 회전 드럼(200)의 회전수와 비례하는 부이(100)의 상승에서의 로프(101)의 작동거리가 부이(100)의 상향 거동거리보다 커지게 하고, 부이(100)가 최고 상승위치에 도달 후 파워스프링(215)의 이완에 의해 드럼(200)이 상기 회전방향과 반대로 회전할 때, 플라이휠(flywheel, 401)이 회전하지 않는 방법으로 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)에 축적된 탄성에너지를, 플라이휠(flywheel, 401)이 회전하지 않는 이유로, 가벼워진 로프 PTO에서의 나머지 회전 부속장치들의 질량 및 회전관성에 사용할 수 있음으로써, 더욱 많은 전기를 생산할 수 있으며,

또한, 다른 방법으로 변속장치(204)에 기어비가 큰 베벨기어(bevel gear, 207)와 피니언기어(pinion gear, 208)를 사용함으로써 베벨기어를 이용한 회전관성(rotational inertia)을 증가시키는 방법을 사용하였으며,

그리고 별도로, 부이(100)의 상향 운동 중에 대기 중의 공기가 흡기 덕트(107)를 통하여 부이(100) 하부 구조의 내부 공간으로 유입되고, 그리고 부이(100)의 상기 하부 구조 공간에 유입된 공기를 부이(100)의 하향 운동 중 발생하는 압축과정을 거치면서 배기 덕트(106)를 통하여 대기 중으로의 배출되는 과정에서 에어 발전터빈(108)을 경유하게 하여 에어 발전터빈(108)의 가동으로 인한 전기적 동력을 산출하는 PTO(이하 “공기 PTO”라 함.)를 사용하는 방법도 고려된다.

파도 에너지 변환기(Wave Energy Converter)는 다음과 같은 한 가지 이상의 특징과 장점들이 있다.

1. 래칭제어를 통한 부이(100)의 구속을 해제한 순간에서의 부이(100)의 상향 수직 가속도를 증가시킴으로써, 로프 PTO에 가해지는 순간 토크(instantaneous torque)를 증가시켜 로프 PTO의 산출되는 전기적 동력의 크기를 키운다.

2. 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 거동과 함께 시작되는 로프 PTO의 작동시간이 부이(100)의 상향 및 하향 운동시간에 구속되지 않는다.

3. 부이(100)의 상향 운동에 따른 로프 PTO의 회전기계들의 회전에서, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 보충 회전관성(supplementary rotational inertia)으로 작동함으로써, 산출되는 전기적 동력(electric power)을 증가시키는 것과 동시에 산출되는 전기적 동력의 평활화(smothing)를 구현한다.

4. 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215) 이완에 따른 파워스프링(215)의 축적된 탄성에너지의 방출로 인한 로프 PTO의 회전기계들의 회전에서, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 회전하지 않음으로써, 로프 PTO의 질량과 회전관성을 줄이는 효과로 인하여, 로프 PTO가 산출할 수 있는 전기적 동력(electric power)의 양(amount)과 산출시간을 키운다.

5. 부이(100)의 상향 거동 중, 부이(100)의 상향 속도와 회전 드럼(200)에서의 로프(101)의 하향 풀림속도가 동일한 시점부터 로프(101)에는 장력이 걸리지 않으며, 이후, 부이(100)의 하향 거동에서는 로프 장력조절장치(300)의 유압 실린더(301)를 압축가동하기 전까지 로프(101)에는 장력이 걸리지 않는다.

6. 변속장치(204)는 피니언기어(208)와 회전관성이 큰 베벨기어(207)로 구성된 직접구동장치(direct drive device)를 사용한다.

7. 부이(100)를 로프 PTO와 공기 PTO가 설치되는 상부 구조와 해저 방향으로의 개방된 공간을 갖는 하부 구조를 갖는 형태로 제작하고, 부이(100)의 상기 상부 구조의 상부 면(116)과 상기 하부 구조의 상부 면(111)을 수직으로 관통하는 흡기 덕트(107)와 배기 덕트(106)를 설치하고, 또한, 상기 덕트(duct)들 각각에 공기 차단밸브(112, 115)를 설치하고, 배기 덕트(106)에 공기 발전터빈(108)이 설치된다.

8. 부이(100)의 하향 거동 중, 부이(100)에 의하여 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간의 공기(109)가 압축되고, 이 과정에서 부이(100)의 하향 속도가 제로(zero)가 되며, 이후, 배기 덕트(106)의 공기 차단밸브(115)가 개방되고, 로프 장력조절장치(300)의 가동으로 풀리(pulley, 303)의 위치가 유압 실린더(301)가 최대 수축하였을 때의 풀리(303)의 위치로 이동하는 결과로 로프(101)에 추가 장력을 가함으로써 부이(100)의 진동감쇠를 끝낼 수 있으며, 배기 덕트(106)를 통해 방출되는 공기(109)를 이용하여 공기 발전터빈(108)에서 전기적 동력(electric power)을 생산할 수 있다.

9. 로프 안내 파이프(114)는, 부이(100)의 하향 거동 중에 일정 압력 이상으로 압축된 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)가, 부이(100)의 상기 상부 구조로 연결되는 로프(101) 통과용 개방된 구멍을 통해 세어나가지 않도록, 자체 몸체의 길이방향으로 일정 길이 이상이 부이(100)의 상기 하부 구조의 공간에 수직으로 설치되고, 부이(100)의 하향운동 중에 자체의 끝단을 해수 속에 잠기게 함으로써, 일정 값 이상으로 압축된 공기(109)의 로프 안내 파이프(114) 내부로의 진입이 차단된다.

10. 파도 폭풍 조건들에서, 부이(100)가 가동 가능한 입사파도에서의 최고 상향 위치에 있을 때, 기어 회전제어장치(206)를 가동하여 로프 PTO의 회전기계들의 가동을 멈춘 후, 로프 장력조절장치(300)의 풀리(pully, 303) 위치를 드럼(200)에 가깝게 위치시킴으로써, WEC의 가동 가능한 최고 파고를 벗어난 파도 하에서의 WEC의 생존을 확보할 수 있다.

도 1은 공기 PTO와 반응제어(reactive control)와 래칭제어(latching control)를 동시에 적용하는 로프 PTO를 복합 사용하는 WEC의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 WEC에 사용되는 부이(100)의 계략도이다
도 3은 본 발명의 WEC에 사용되는 로프 PTO의 로프(101)와, 회전 드럼(200)과, 메인 샤프트(201)와, 로프 유도장치(202)와, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, PMSG(205)와, 기어 회전제어장치(206)와, 로프 장력조절장치(300)와, 회전관성 변경장치(400)의 기능을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 기어 회전 제어장치(206) 및 에너지 저장장치(203)의 가동원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 회전관성 변경장치(400)의 일 실시 예에 따른 가동원리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 부이(100)의 상향 및 하향 거동에서의 로프 PTO의 작동과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 입사파도의 골짜기 부근에서 부이(100)에 래칭제어를 적용한 다음, 부이의 구속을 해제한 순간에서의 로프 PTO의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 부이(100)의 상향 거동에 의한 회전 드럼(200)의 회전이 멈춘 후, 파워스프링(215)의 탄성에너지 방출에 의한 로프 PTO의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 입사파도의 1회 주기 동안 WEC의 각 부속장치들의 동작흐름을 설명하기 위한 개략도이다.
도 10은 부이(100)의 상향 및 하향 거동에 의한 부이의 하부 구조의 공간에서의 공기(109)의 거동을 나타내어, 공기(109)에 의한 부이(100)의 감쇠원리와 공기 발전터빈(108)에 의한 전기적 동력을 산출하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 본 발명의 로프 PTO와 공기 PTO를 개별적으로 사용하거나 복합적으로 사용하는 변형할 수 있는 WEC의 예들을 나타내어 설명하기 위한 개략도이다.

아래에 간략하게 설명하기 위한 도면들은 단지 개략적이고 비 제한적이며,

그리고 인용된 도면들에서, 일부 구성 요소들의 크기는 과장되거나 축소될 수 있으며, 설명의 목적으로 일정 규모로 그려지지 않을 수 있으므로, 치수 및 상대 치수는 본 발명의 실제 수행에 대응하지 않는다.

그리고 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시 예는 본 출원에 기재되거나 도시된 것 이외의 다른 순서로 동작할 수 있다.

또한, 본 발명은 특정 실시 예들 및 특정 도면들을 참조하여 설명될 것이나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 청구 범위들에 의해서만 제한된다.

또한, 상세한 설명 및 청구의 범위에서의 사용되는 용어들은 유사한 요소들(elements) 사이에서 구별하기 위해 사용되고, 시간상으로나, 공간적으로, 순위에서 또는 임의의 다른 방식에서 어떤 순서(sequence)를 기술하기 위한 것은 아니다. 따라서 그렇게 사용되는 용어는 적절한 환경하에서 교환 가능하고, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시 예들은 본 명세서에 기재되거나 도시된 것 이외의 다른 순서들로 동작할 수 있음을 이해해야한다.

또한, 상세한 설명 및 청구 범위에서의 상부, 하부 등의 용어는 설명의 목적들로 사용되며, 반드시 상대 위치들을 설명하는데 사용되는 것은 아니다.

또한, 청구 범위에서 사용된 "포함하는"이라는 용어는, 그 이후 열거된 수단으로서 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 다른 요소들 또는 단계들을 배제하는 것이 아니라는 것은 주목해야 한다.

또한, 하나 이상의 실시 예들에서, 본 개시로부터 당해 기술 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 특정 특징들, 구조들 또는 특성들이 임의의 적절한 방법에서 결합될 수 있다.

유사하게, 본 발명의 예시적인 실시 예들에서의 설명에서, 본 발명을 능률적으로 설명하고 하나 이상의 다양한 진보적 측면의 이해를 돕기 위한 목적으로 어떤 단일 실시 예, 도면 또는 설명으로 함께 그룹화되는 경우가 있음을 이해해야 한다.

또한, 청구된 발명이 각각의 청구항에서 명시적으로 언급된 것보다 많은 특징이 있어야 한다는 어떤 의도를 반영하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

오히려, 이하의 청구 범위가 반영하는 바와 같이, 진보적인 측면들은 어떤 단일한 전술한 실시 형태의 모든 특징들보다 적다. 따라서 상세한 설명에 이어지는 청구 범위는 상세한 설명에 명백하게 포함되며, 각각의 청구항은 본 발명의 어떤 개별적인 실시 예로서 독자적으로 기재된다.

또한, 본 명세서에 설명된 일부 실시 예들은 다른 실시 예들에 포함된 일부 특징들을 포함하나 다른 특징을 포함하지는 않지만, 다른 실시 예들의 특징들의 조합들은 본 발명의 범위 내에 있고, 당업자에 의해 이해될 수 있는 다른 실시 예들을 형성하는 것을 의미한다. 예를 들어, 청구된 실시 예들 중 임의의 것은 임의의 조합들로 사용될 수 있다.

또한, 다른 예들에서, 공지된 방법들, 구조들 및 기술들은 이 설명의 어떤 이해를 모호하게 하지 않기 위해 상세히 도시되지 않았다.

본 발명의 WEC에서,

로프(rope, 101)는, 자체의 한쪽 단부가 해저지반에 설치된 콘크리트 블록(block, 104)에 연결되고, 타단이 드럼(200)의 외면상에 수 회 감겨있는 상태에서 회전 드럼(drum, 200)에 고정연결되며, 입사파도로 인한 부이(buoy, 100)의 운동의 결과로서 WEC의 로프 PTO에서의 회전 드럼(200)의 회전을 통해 메인 샤프트(main shaft, 201)에 회전운동을 부과한다.

또한, 부이(100)와 연계된 로프 PTO의 메인 샤프트(201)에서의 회전운동은 당업자에 의하여 적합하다고 여겨지는 임의의 방식으로 실현될 수 있다. 따라서 본 발명은 이하의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하에서 몇 가지 예들이 제시되어있다.

또한, rpm은 분당 회전수를 나타낸다. 이것은 다음 공식을 사용하여 각속도(ω)로 변환할 수 있다.

.

또한, 알려지지 않거나 불규칙한 파도들의 경우, 파도들의 움직임은 어느 적절한 알고리즘, 추가 센서들을 기반으로 예측될 수 있다.

또한, 부이(100)의 상향 운동이 시작될 때, 회전 드럼(200)과 함께 회전하는 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(flywheel, 401)에 의하여, 플라이휠(401)의 추가된 회전관성이 없을 때보다 더 큰 회전토크가 로프 PTO의 메인 샤프트(201)에 가해지며, 부이(100)의 상향 운동 중, 회전 드럼(200)으로부터의 로프(101)의 풀리는 속도가 부이(100)의 상향 속도보다 클 때부터 로프(101)에 가해지는 장력이 없어짐으로써, 부이(100)의 수직 운동 거리에 제한되던 기존 PTO의 드럼(drum)의 회전수에 비해 본 발명의 로프 PTO의 회전 드럼(200)이 더 많이 회전할 수 있는 것과 함께 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)이 더 많은 탄성에너지를 축적을 할 수 있으며,

또한, WEC를 설치지역에서의 발생하는 파도 기후들에 적용하기 위하여 사전에 수집된 연간 최저 수면 고(the lowest water surface elevation of a year)에서도 작동 가능하도록 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)이 사전에 메인 샤프트(201) 외면상에 고정된 케이싱(216)의 내면 상에 수 회 감겨있으므로, 부이(100)가 최고 상승 위치에 도달하고 로프 PTO의 가동이 멈춘 후 파워스프링(215)의 이완에 의한 파워스프링(215)의 축적된 탄성에너지의 발산에 의하여 로프 PTO의 회전기계들이 역회전할 때, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 회전하지 않는 이유로, 플라이휠(401)의 회전관성이 제거되는 효과로 인한 로프 PTO의 회전질량과 회전관성을 줄임으로써, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)에 축적된 탄성에너지를 이용하여 더 많은 전기적 동력을 생산할 수 있다.

또한, 파도 폭풍 조건들에서, 부이(100)가 가동 가능한 입사파도에서의 최고 상향 위치에 있을 때, 기어 회전제어장치(206)를 가동하여 로프 PTO의 회전기계들의 가동을 멈춘 후, 로프 장력조절장치(300)의 풀리(pully, 303) 위치를 회전 드럼(200)에 가깝게 위치시킴으로써, WEC의 가동 가능한 최고 파고를 벗어난 파도 하에서의 WEC의 생존을 확보할 수 있다.

또한, 예시된 로프(101) 및 회전 드럼(200) 타입과 부이(100) 형태의 특정 유형의 WEC에 에너지 저장장치(203)와 로프 장력조절장치(300)와 회전관성 변경장치(400) 및 공기 PTO를 사용하여 WEC의 효율을 높이는 작동 원리가 기술되었지만, 다른 유형들의 점 흡수체들 또는 다른 유형들의 파도 에너지 변환기들에 에너지 저장장치(203)와 로프 장력조절장치(300)와 회전관성 변경장치(400) 및 공기 PTO와 유사한 역할을 하는 장치들을 사용하여 다른 유형들의 점 흡수체들 또는 다른 유형들의 파도 에너지 변환기들의 발전효율을 높일 수 있음을 당업자들은 이해할 것이다.

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 청구범위와 기본원리 및 관련 장치들을 응용하여 사용할 수 있는 범위는 아래에서 설명하는 실시 예들로 인하여 한정되는 것은 아니다.

도 1은 공기 PTO와 반응제어(reactive control) 및 래칭제어(latching control)를 동시에 적용하는 로프 PTO를 복합 사용하는 WEC를 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것이며, 도 2는 본 발명의 WEC에 사용되는 부이(buoy, 100)를, 도 3은 본 발명의 WEC에 사용되는 로프 PTO를 구성하는 장치들을 나타내어 각각의 기능들을 개략적으로 설명하기 위한 것으로,

본 발명의 파도 에너지 변환기(WEC)는, 부이(100)와 로프 PTO와 공기 PTO를 포함하며,

또한, 해저지반에 설치되는 콘크리트 블록(concrete block, 104)과 로프(101)의 일단을 콘크리트 블록(104)에 연결하는 로프 고정용 앵커 및 후크(anchor and hook, 105)와,

그리고 입사파도의 특성들과 부이(buoy)의 운동특성들을 측정하는 센서들(sensors, 미 도시)과,

상기 센서들로부터 취득한 측정 데이터를 기준으로 로프 PTO의 기어 회전 제어장치(206)와 로프 장력조절장치(300) 및 공기 PTO의 밸브들(112, 115)의 동작을 제어하는 주 통제시스템(main control system, 미 도시)과 유압시스템(Hydraulic system, 미 도시)을 포함하며,

또한, 전력전자 장치들(power electronics devices, 미 도시)과 육지의 기존 전력망과 직접 연결을 위한 전력변환 기계들(power conversion units, 미 도시) 및 전력선들(power cables, 미 도시)을 포함할 수 있다.

또한, 부이(buoy, 100)는, 상기 PTO들이 설치되는 상부 구조와, 상기 상부 구조와 분리된 하부 구조와, 상기 하부 구조 상부 면(111)과 상기 상부 구조의 상부 면(116)을 관통한 형태로 연결하는 배기 덕트(exhaust duct, 106) 및 흡기 덕트(intake duct, 107)와, 흡기 덕트(107)의 공기 흐름을 차단하는 공기 차단밸브(air shutoff valve, 112)와, 배기 덕트(106)의 공기 흐름을 차단하는 공기 차단밸브(115)와, 로프 안내 파이프(rope guiding pipe, 114)와, 로프 안내장치(rope guiding rig, 102)와, 밸런스 웨이트(balance weight, 103)로 구성되며,

부이(buoy, 100) 외벽의 높이는 부이의 흘수(draft)와 적용되는 최대 입사파도의 파고(wave elevation) 및 부이(100)의 최대 허용 수직 운동변위를 고려하여 결정되며, 그리고 부이(100)의 상기 상부 구조의 상부 면(116)은 상향으로의 부이(100) 운동에 지장이 없도록 공기역학적인 형태를 갖으며,

또한, 배기 덕트(106) 및 흡기 덕트(107)와 연결되는 부이(100)의 상기 하부 구조의 상부 면(111)은 부이(100)의 하향 운동 중에, 상기 하부 구조 내부에 있는 공기(109)가 압축되면서 배기 덕트(106)를 통해 공기 발전터빈(108)을 거쳐 대기 중으로 원활하게 배출되도록 공기역학적인 형태를 갖으며,

또한, 부이(100)의 상기 하부 구조의 하부는 개방된 덕트(duct) 형태를 이루며, 상기 외벽과 상기 하부 구조의 상부 면(111)을 연결하는 내벽과 상기 외벽이 이루는 내부공간의 하부에는 밸런스 웨이트(balance weight, 103)가 설치되며,

또한, 부이(100)의 최고 상승위치로부터의 부이(100)의 하향 거동에 의하여 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)의 압축이 진행되며, 이 과정에서, 부이(100)의 하향속도가 제로(zero)가 되는 시점 부근에서에서의 공기 차단밸브(115)의 개방으로 압축된 공기(109)가 배기 덕트(106)에 설치된 공기 발전터빈(108)을 거쳐 대기 중으로 배출되는 거동이 발생하며, 따라서 배기 덕트(106)는, 부이(100)의 래칭제어 시간과 부이(100) 상향 및 하향 운동의 시간의 합이 입사파도의 한 주기 내에서 완료되도록 자체의 길이방향에 대한 단면적 크기가 제한되며,

또한, 흡기 덕트(107)는, 부이(100)의 상향 거동 중에 대기 중의 공기가 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간으로 흡입되도록 유도하고, 부이(100)의 최고 상승위치에서 공기 차단밸브(112) 가동으로 인하여 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간과 대기와의 공기 교환이 차단되며, 부이(100)의 하향 속도가 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간의 공기(109) 압력으로 인하여 제로(zero)로 된 후, 배기 덕트 공기 차단밸브(115)의 개방으로 압축된 공기(109)가 배기 덕트(106)에 설치된 공기 발전터빈(108)을 거쳐 대기 중으로 배출된 후, 흡기 덕트 공기 차단밸브(112)의 가동으로 인하여 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간과 대기와의 공기 교환이 재개되며,

또한, 로프 안내장치(rope guiding rig, 102)는, 해저지반(14)에 설치된 콘크리트 블록(104)과 앵커 및 후크(105)를 통하여 한쪽 단부가 연결된 로프(101)가 부이(100) 내부에 설치된 로프 장력조절장치(300)의 풀리(pulley, 303)를 거쳐 회전 드럼(200)으로 유도되기 위한 방향 전환에 따른 로프(101)의 작동을 쉽게 하고, 로프 장력조절장치(300)의 가동으로 풀리(pulley, 303)의 위치가 변함에 따라 로프(101)의 변위제어를 위해 사용되며,

또한, 로프 안내 파이프(rope guiding pipe, 114)는, 부이(100)의 상기 상부 구조의 내부공간에 있는 자체의 단부는 막혀있으며, 부이(100)의 하향 거동 중에 일정 압력 이상으로 압축된 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)가 부이(100)의 상기 상부 구조 내부로 연결되는 로프(101) 통과용 개방된 구멍(open hole, 미 도시)을 통해 세어나가지 않도록, 자체 몸체의 길이방향으로 일정 길이 이상으로 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 수직으로 설치되며,

또한, 로프 작동용 덕트 횡단 관(cross pipe, 110)은, 로프(101)가 배기 덕트(106) 및 로프 안내 파이프(114)를 통과할 때 로프(101)와 배기 덕트(106) 및 로프 안내 파이프(114)를 서로 격리시키며, 자체의 양쪽 단부에는 로프 안내장치(102)가 설치된다.

또한, 로프 PTO는, 로프(101)와, 회전 드럼(200)과, 메인 샤프트(201)와, 로프 유도장치(202)와, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, PMSG(205)와, 기어 회전제어장치(206)와, 로프 장력조절장치(300)와, 회전관성 변경장치(400)를 포함하고,

또한, 로프 PTO는 회전 드럼(200)을 중심으로 좌측과 우측에 각각 에너지 저장장치(203)와 변속장치(204)와, 회전관성 변경장치(400)와, PMSG(205)가 설치되고, 회전 드럼(200)을 마주보는 위치에 로프 장력조절장치(300)가 설치되며, 변속장치(204)의 하우징에 기어 회전제어장치(206)가 각각 설치된다.

또한, 회전 드럼(200)과 에너지 저장장치(203)는 메인 샤프트(201)로 연결되며, 메인 샤프트(201)와 변속장치(204)의 베벨기어 샤프트(407)와는 커플링(coupling) 결합으로 서로 연결되며, 변속장치(204)와 회전관성 변경장치(400)는 베벨기어(207) 샤프트(407)를 공유하거나 또는 베벨기어(207) 샤프트(407)와 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠 샤프트(408, 미 도시)가 마찰클러치(friction clutch, 미 도시)를 통해 서로 결합할 수 있으며, 변속장치(204)는 베벨기어(207)와 피니언기어(208)로 구성 및 연결되며, 피니언기어(208)와 PMSG(205)는 각각의 샤프트들(218, 219)의 커플링(214) 결합으로 연결되며, 기어 회전제어장치(206)는 변속장치(204)의 하우징(housing)에 설치된다.

또한, 회전 드럼(200)은, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동으로 로프(101)에 힘이 가해짐으로써 자체의 외면상에 감겨있던 로프(101)가 풀리는 거동에 의해 회전하며, 이후, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 탄성에너지 방출로 인하여 상기 회전방향과 반대로 회전한다.

또한, 로프 유도장치(202)는 회전 드럼(200)의 외면상에 감기는 로프(201)가 이웃하는 이미 감긴 자체의 몸체와의 겹침이 발생하지 않도록 작동하며,

또한, 에너지 저장장치(203)는 부이(100)가 상향으로 거동할 때, 회전 드럼(200)의 회전방향으로 파워스프링(215)이 메인 샤프트 외면상에 설치된 파워스프링 케이싱(216)의 내면 상에 감김으로써 탄성에너지를 축적하고, 회전 드럼(200)의 회전이 멈춘 후 파워스프링(215)의 이완(relaxation)에 의해 자체에 축적된 탄성에너지를 발산함으로써 회전 드럼(200)의 상기 회전방향과 반대방향으로 회전 드럼(200)을 회전시키며, 파워스프링 유도장치(211)는 파워스프링(215)의 이완에 따른 탄성에너지 방출작동에서의 파워스프링(215)의 급격한 이완을 조절하며,

또한, 변속장치(204)는 메인 샤프트(201)의 분당 회전수(rpm)에 대한 PMSD(205)의 로터(rotor, 미 도시)의 분당 회전수를 변화시키는 역할을 하며, 베벨기어(207)와 피니언기어(208)로 구성되고, 베벨기어(207)의 회전축의 방사방향에 대하여 직각인 외곽 면의 원주 상에는 기어 회전제어장치(206)의 작동암(210)과 맞물리는 돌출부(212)들이 형성되며, 또한, 변속장치(204)는 몇 개의 평 기어(spur gear)들이나 헬리컬 기어(helical gear)들의 조합된 형식을 사용할 수 있으며,

또한, 회전관성 변경장치(400)는 플라이휠(flywheel, 401)과, 걸쇠(pawl 402)와, 래쳇기어(ratchet gear, 403)와, 스프링(spring, 404)과, 스토퍼(stopper, 405)와, 베어링(bearing, 406)으로 구성되며, 플라이휠(flywheel, 401)은 부이(100)의 상향 거동에서 회전 드럼(200)과 함께 회전하고, 파워스프링(215)에 의한 회전 드럼(200)의 회전에서는 회전하지 않으며,

또한, PMSG(permanent magnets synchronous generator, 영구자석 동기 발전기, 205)는 WEC가 설치되는 지역의 적용되는 파도의 변동성을 일정범위 내에서 수용하고 설치동력(installation power)을 줄이기 위하여 최소 약 200% 이상의 전기적 동력의 생산능력을 갖도록 제작되며,

또한, 기어 회전제어장치(206)는 래칭제어(latching control) 또는 비상상황에서의 WEC의 안전 확보를 위해 사용되며, 유압 실린더(209)와 유압 실린더(209)의 작동으로 베벨기어(207)의 돌출부(212)와 맞물리는 작동 암(operating arm, 210)으로 구성되며,

또한, 로프 장력조절장치(300)는 2개의 부재(member)들이 힌지(hinge)로 연결된 최소 1쌍 이상의 힌지 암(302)들과 유압 실린더(301)와 풀리(pulley, 303)로 구성되며, 추가로 풀리(303)의 작동경로를 구속하는 유도로(Induction road, 미 도시)가 설치된다.

도 4는 기어 회전 제어장치(206) 및 에너지 저장장치(203)의 가동원리를 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로,

기어 회전 제어장치(206)는, 변속장치(204)의 하우징(housing)의 외면상에 설치되며, 유압 실린더(209)의 암(arm)과 힌지(hinged) 연결된 작동 암(operating arm, 210)의 돌출된 단부가 래칭제어를 하지 않을 경우에는 변속장치(204)의 하우징의 상기 유도 파이프(inducing pipe) 내에 위치하여 베벨기어의 돌출부(212)들과의 접촉을 피하며, 래칭제어를 실시할 경우에는 유압 실린더(209)의 작동으로 작동 암(operating arm, 210)의 상기 돌출된 단부가 상기 하우징의 유도 파이프(inducing pipe) 밖으로 돌출하여 베벨기어의 돌출부(212)와 맞물림으로써 베벨기어(207)의 회전을 억제함과 동시에, 결과적으로, 부이(100)의 상향 움직임을 억제하며, 그리고 래칭제어를 해제할 경우, 유압 실린더(209)의 작동으로 작동 암(210)의 상기 돌출된 단부가 상기 하우징의 유도 파이프(inducing pipe) 내부로 원상 복구된다.

또한, 에너지 저장장치(203)는 파워스프링(power spring, 215)과 파워스프링 유도장치(power spring inducing rig, 211) 및 파워스프링 케이싱(216, 217)으로 구성되며, 파워스프링(215)은 입사파도가 부이(100)에 가하는 힘들 중에 로프(101)에 가해지는 힘에 의한 회전 드럼(200)의 회전방향과 동일한 회전방향으로 메인 샤프트(201)의 외면상에 설치된 케이싱(216)의 내면 상에 감김으로써 탄성에너지를 축적하고, 그리고 부이(100)의 최고 상향 위치 부근에서 회전 드럼(200)의 회전이 멈춘 후에는 파워스프링(215)의 이완에 의한 자체의 축적된 탄성에너지 방출로 인하여 회전 드럼(200)이 상기 회전방향과 반대방향으로 회전하면서 PMSG(205)의 작동을 통하여 전기적 동력을 생산하며, 그리고 이 과정에서, 파워스프링 유도장치(211)가 파워스프링(215)의 급격한 이완(relaxation)을 방지하며,

또한, 파워스프링(215)은 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 작동하지 않는 경우에서의 로프 PTO의 회전을 발생시킬 정도의 스프링 강성을 지니면 되므로, 부이(buoy)의 상향 및 하향 운동의 제한된 조건 내에서 로프(또는 케이블)의 장력을 유지시키면서 작동하는 다른 PTO의 태엽스프링에 비해 상대적으로 단면계수(section modulus)가 작다.

도 5는 회전관성 변경장치(400)의 일 실시 예에 따른 가동원리를 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로,

회전관성 변경장치(400)의 일 실시 예는 플라이휠(flywheel, 401)과, 걸쇠(pawl, 402)와, 래쳇기어(ratchet gear, 403)와, 스프링(404)과, 스토퍼(stopper, 405)와, 베어링(bearing, 406)으로 구성되며,

플라이휠(flywheel, 401)은, 로프 PTO가 부이(100)의 상향 운동에 의해 회전할 때, 로프 PTO에 추가적인 회전질량과 회전관성을 부과함으로써, 로프 PTO에 가해지는 토크(torque)를 증가시킬 뿐만 아니라, 로프 PTO의 동작시간을 연장시키며,

또한, 플라이휠(401)은, 파워스프링(215)의 이완에 의한 축적된 탄성에너지의 발산으로 로프 PTO의 회전기계들이 상기 회전방향과 반대로 회전할 때, 래쳇기어(403)와의 접촉으로 인한 걸쇠(pawl, 402)의 움직임에 자체의 자중(自重)으로 대항함으로써 회전하지 않으며, 따라서, 로프 PTO와 관련된 플라이휠(flywheel, 401)의 회전질량과 회전관성을 제거한 효과를 나타내며,

또한, 걸쇠(pawl, 402)는, 플라이휠(401)을 중심으로 베벨기어 샤프트(407) 상에 각각 설치되는 래쳇기어(ratchet gear, 403)의 방사방향 면들과 자체 상부 면이 면 접촉(surface contact)하는 맞물린 형태를 이루면서, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동에서의 로프 PTO의 회전기계들과 함께 플라이휠(401)이 회전하도록 스토퍼(stopper, 405)와 함께 거동하고,

또한, 걸쇠(402)는, 파워스프링(215)의 탄성에너지 발산에 의한 로프 PTO의 회전기계들의 회전에서는 래쳇기어(403)의 경사면들과 자체 경사면이 선 접촉(line contact) 함으로써 래쳇기어(403)로부터 자체에 높은 회전 토크(rotational torque)가 걸리지 않도록 구성되면서 스프링(spring 404)과 함께 거동하며,

또한, 래쳇기어(403)는, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동에서의 로프 PTO의 회전기계들과 함께 플라이휠(401)이 회전할 때, 걸쇠(402)와 접촉하는 자체의 상기 방사방향 면들에서의 베벨기어 사프트(407)의 토크(torque) 전달방향이 면 접촉하는 걸쇠(402)의 상기 상부 면에 수직으로 완벽하게 이루어지도록 형성되며,

또한, 래쳇기어(403)는, 파워스프링(215)의 탄성에너지 발산에 의한 로프 PTO 회전기계들의 회전에서는 플라이휠(401)이 회전하지 못하도록, 걸쇠(402)의 상기 경사면과 선 접촉하는 자체의 접촉 면이 서로 경사지게 함으로써, 걸쇠(402)와의 접촉에서 걸쇠(402)의 제한된 예각(銳角) 내에서의 거동만 발생하도록 작동하며,

또한, 스프링(404)은, 파워스프링(215)의 탄성에너지 발산에 의한 로프 PTO 회전기계들의 회전에서의 플라이휠(401)이 회전하지 않는 상태에서, 래쳇기어(403)의 작동으로 인한 걸쇠(402)의 거동을 일정 범위 내로 구속하며,

또한, 스토퍼(stopper, 405)는, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동에서의 로프 PTO 회전기계들과 함께 플라이휠(401)이 회전하도록 걸쇠(402)의 회전을 구속하며,

또한, 베어링(bearing, 406)은, 플라이휠(401)의 회전 여부와 관계없이 베벨기어 샤프트(407)와 레쳇기어(403)들의 회전을 유지시킨다.

또한, 회전관성 변경장치(400)의 다른 실시 예는 플라이휠(401)과, 플라이휠 샤프트(408)와, 마찰 클러치(friction clutch, 미 도시)와, 마찰 클러치와 관련된 유압장치(미 도시)로 구성되며, 베벨기어 샤프트(407)와 플라이휠 샤프트(408)이 접속하는 지점에 유압으로 작동하는 상기 마찰 클러치를 설치하여 부이(100)가 상향으로 거동할 때에만 플라이휠(401)에 회전 토크를 전달하고, 파워스프링(215)의 탄성에너지 방출에 따른 로프 PTO 회전기계들의 회전에서는 플라이휠(401)로의 회전토크 전달을 차단할 수 있다.

또한, 좌측 열의 그림은 부이(100)가 상향으로 거동할 때의 로프 PTO 회전기계들과 함께 회전하는 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)의 거동을 나타내며, 우측 열의 그림은 파워스프링(215)의 탄성에너지 방출에 따른 로프 PTO 회전기계들의 회전에서 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 회전하지 않는 것을 나타낸다.

도 6은 부이(100)의 상향 및 하향 거동에서의 로프 PTO의 작동과정을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로, 좌측 첫 번째 열의 그림들은 래칭제어를 해제할 바로 전 순간에서의 부이(100)의 흘수선(또는 정수선, 10)과 입사파도의 골짜기(13) 및 입사파도의 수면 선(surface line, 11)을 대비하여 로프 PTO의 거동을 개략적으로 나타낸 것이며, 좌측 두 번째 열의 그림들은 부이(100)가 최대 상승했을 때의 부이(100)의 위치와 로프 PTO의 거동을 입사파도의 골짜기(13)와 용마루(12) 및 부이(100)의 흘수선(또는 정수선, 10)과 대비하여 개략적으로 나타낸 것이고, 좌측 세 번째 열의 그림들은 부이(100)의 상향 운동과 관계된 로프 PTO의 작동이 멈추고 파워스프링(115)의 이완에 의한 파워스프링(115)의 탄성에너지 발산이 시작되는 시점에서의 로프 PTO의 거동을 입사파도의 골짜기(13)와 용마루(12) 및 부이(100)의 흘수선(또는 정수선, 10)과 대비하여 개략적으로 나타낸 것이고, 좌측 네 번째 열의 그림들은 부이(100)의 진동감쇠(oscillation damping)가 끝났을 때의 로프 PTO의 거동을 부이(100)의 흘수선(또는 정수선, 10)과 입사파도의 골짜기(13) 및 입사파도의 수면선(surface line, 11)을 대비하여 나타낸 것으로,

래칭제어(latching control)를 해제한 순간에서의 입사파도에 의한 부이(100) 주위에서의 힘들의 관계는, 상기 인용 논문으로부터, “WEC 질량 × 상향 수직 가속도 = 유체역학적 힘 + PTO 힘 = 여기(exciting) 파도 힘 + 복원 힘(restoring force) + 방사 힘(radiation force) + PTO 힘”으로 나타낼 수 있으며,

또한, 상기 인용 논문에서는, 부이(100)의 고유 주파수를 조정하기 위한 반응제어 전략은 상기 복원 힘의 스프링 상수(k)에 영향을 주기 위하여 상기 보충 질량

을 추가하는 것으로 구성하며, 물리적 질량 추가의 어려움을 극복하기 위해, 상기 보충(supplementary) 질량은 부이의 수직 가속도에 비례하는 PTO 힘을 가함으로써 가상화되며, 이 힘이 파도들의 주파수를 향한 시스템의 고유 진동수를 조정하기 때문에, 이를 튜닝(tuning) 힘

이라고 부르며, 상기 투닝(tuning) 힘은 상기 보충 질량과 부이(100)의 상향 수직 가속도의 곱으로 표현되며,

또한, 상기 인용 논문에서는, 부이(100)의 수직 거동을 제외한 다른 모든 운동 모드(mode)들을 무시할 경우, 부이의 수직 속도에 비례하는 감쇠(damping) 힘

는 상기 외부 감쇠 계수

를 갖는 PTO에 의하여 적용될 수 있으며, 상기 감쇠(damping) 힘은 상기 외부 감쇠 계수와 부이(100)의 하향 수직 속도의 곱으로 표현되며,

따라서 반응제어(reactive control)는 상기 보충 질량

와 상기 외부 감쇠 계수

를 조정하는 제어를 말한다고 언급한다.

그러나 불규칙한 입사파도들 하에서의 부이(100) 거동 중에, 부이(buoy)의 수직 가속도에 비례하는 상기 보충 질량

를 부가(附加)하는 것과 부이(buoy)의 수직 속도에 비례하는 PTO의 상기 외부 감쇠 계수

의 조정은, 지금까지는, 현실적으로 매우 어려웠다.

또한, 상기 보충 질량을 부가(附加)하는 목적이 입사파도와 부이(buoy)가 서로 공진(共振)함으로써, 입사파도로부터 PTO의 에너지 획득에 유리하기 위한 목적이고, 상기 보충 질량과 관계되는 힘이 부이(buoy)의 수직 가속도에 비례하므로, 본 발명에서는, WEC의 전체 질량에는 변동이 없으나 래칭제어를 해제한 후, 부이(100)의 상향 거동에 대응하는 회전 드럼(200)의 회전방향으로 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(flywheel, 401)을 회전시킴으로써 로프 PTO에 회전관성을 새롭게 부가하고, 이에 따라 로프 PTO의 변화된 회전 관성으로 인한 로프 PTO에 가해지는 입사파도의 힘을 변화시킴으로써, 회전 관성을 추가하지 않고 로프의 장력을 항상 유지해야 하는 다른 PTO와 비교하여, 로프 PTO의 회전기계들의 회전수와 회전시간을 증가시키고 부이(100)의 상향 변위를 감소시키는 감쇠 힘(damping force)를 증가시키는 것과 함께, 플라이휠(flywheel, 401)로 인한 PMSG(205)의 완만한 회전속도 증가로 인하여 산출되는 전기적 동력(electric power)의 품질을 향상시킬 수 있으며,

또한, 입사파도가 로프(101)를 경유하여 로프 PTO에 작용한 힘이 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 드럼(200)의 회전방향으로 케이싱(216)의 내면 상에 감기는 작동과 그 밖의 로프 PTO 장치들의 가동으로 소진된 후, 케이싱(216)의 내면 상에 감긴 파워스프링(215)의 이완에 따른 탄성에너지 방출 작동으로 부이(100)의 상향 거동에서의 로프 PTO 회전기계들의 회전방향과 반대방향으로 로프 PTO 회전기계들이 회전할 때, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(flywheel, 401)은 회전하지 않는다.

그리고 좌측 첫 번째 열의 그림들은 래칭제어를 해제할 바로 전 순간에서의 부이(100)와 연계된 로프 PTO의 거동을 나타내며, 이때, 입사파도의 표면 선(surface line, 11)은 부이(100)의 정수 선(still water line, 10)의 상부에 위치하고, 부이(100)의 정수 선(still water line, 10)과 입사파도의 골짜기(valley)의 수선(water line, 13)은 일치하며, 로프 PTO는 거동하지 않는다.

또한, 좌측 두 번째 열의 그림들은 부이(100)가 수직으로 최대 상승했을 때의 부이(100)의 위치와 로프 PTO의 거동을 입사파도의 골짜기(13)와 용마루(12) 및 부이(100)의 흘수선(또는 정수 선, 10)과 대비하여 개략적으로 나타낸 것으로, 래칭제어에 의한 부이(100)의 구속이 해제된 후, 입사파도에 의하여, 부이(100)가 상향으로의 최대 수직 거리로 상승하며, 또한, 로프(101)를 통해 가해지는 장력에 의하여 로프 PTO의 회전 드럼(200)에 감겨있던 로프(101)를 통해 토크(torque)가 가해짐으로써, 로프 PTO의 회전기계들이 로프(101)가 회전 드럼(200)의 외면상에서 풀리는 방향으로 회전하며,

또한, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)과 같은 보충된 관성으로 인하여 로프 PTO에 작용하는 증가한 토크(torque)가 플라이휠(401)과 같은 보충된 관성과 에너지 저장장치(203) 파워스프링(215)의 스프링 강성(spring stiffness)과 변속장치(204)의 베벨기어(207) 및 PMSG(205)의 로터(rotor, 미 도시)와 같은 기존 회전관성으로 인하여 로프 PTO의 회전기계들의 급격한 각 속도(angular speed) 증가를 지연시키는 것과 동시에 로프 PTO의 회전기계들의 가동시간을 연장시키며,

또한, 부이(100)의 상향 거동에서의 초기 부이(100)의 상향 속도가 로프 PTO에서의 로프(101)의 하향 풀림속도보다 크므로, 부이(100)의 상향 속도와 로프 PTO에서의 로프(101)의 하향 풀림 속도가 같을 때까지 로프(101)의 긴장상태가 유지되며,

또한, 로프 PTO의 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)로 인한 증가한 회전관성으로 인하여, 부이(100)가 최대 상승(lift)하여 멈추었을 때에도, 로프 PTO의 상기 회전방향으로의 회전은 일정시간 동안 지속된다.

또한, 좌측 세 번째 열의 그림들은 부이(100)의 상향 운동과 관계된 로프 PTO의 회전이 멈추고 파워스프링(115)의 이완에 따른 파워스프링(115)의 탄성에너지 발산이 시작되는 시점에서의 로프 PTO의 거동을 입사파도의 골짜기(13)와 용마루(12) 및 부이(100)의 흘수선(또는 정수 선, 10)과 대비하여 개략적으로 나타낸 것으로, 부이(100)의 상향 속도보다 로프 PTO에서의 로프(101)의 하향 풀림 속도가 더 클 때부터 로프(101)에는 하향 방향의 장력이 걸리지 않음으로써, 로프 PTO의 회전기계들의 회전이 멈출 때까지 회전 드럼(200)으로부터 풀리는 로프(101)는 부이(100)의 상기 상부 구조의 내부에 위치하며, 이후, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 이완에 따른 파워스프링(215)의 탄성에너지의 발산에 의한 로프 PTO의 회전기계들의 상기 회전방향에 대한 반대방향 회전으로 풀린 로프(101)는 회전 드럼(200)의 외면상에 되감기며,

또한, 파워스프링(115)의 이완에 따른 탄성에너지 발산이 시작되는 시점에서 로프 장력조절장치(300)를 가동하여 풀리(pulley, 303)의 위치를 회전 드럼(200)과 가깝게 이동함으로써, 파워스프링(215)에 축적된 탄성에너지를 온전히 로프 PTO의 회전기계들의 회전에 사용될 수 있도록 조치되며,

또한, 공기 PTO의 작동에 의하여 부이(100)의 하향 속도가 부이(100) 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)의 압축으로 인하여 제로(zero)로 될 때, 로프 장력조절장치(300)의 유압 실린더(301)를 압축하는 방법으로 풀리(pulley, 303)의 위치를 원위치로 복귀시킴으로써, 부이(100)에 하향 힘을 가하는 동시에, 과다 이완된 파워스프링(215)의 원상복구를 실현한다.

또한, 좌측 네 번째 열의 그림들은 부이(100)의 진동감쇠(oscillation damping)가 끝났을 때의 로프 PTO의 거동을 부이(100)의 흘수선(또는 정수 선, 10)과 입사파도의 골짜기(13) 및 입사파도의 수면 선(surface line, 11)을 대비하여 나타낸 것으로, 파워스프링(215)의 이완거동 중에 나타나는 부이(100)의 하향 속도가 제로(zero) 값을 나타낸 후, 부이(100)는 추가 진동감쇠(oscillation damping)를 나타내며, 이때, 공기 PTO의 배기 덕트 차단밸브(115)를 개방하여 부이(100)의 상기 하부 구조 내부에 있는 공기(109)를 배기 덕트(106)에 설치된 공기 발전터빈(108)을 거쳐 대기 중으로 배출시키고, 이어서 로프 장력조절장치(300)를 재가동하여 풀리(pulley, 303)의 위치를 원위치로 복귀시킴으로써 부이(100)에 하향 힘을 가하여 부이(100)의 추가 진동감쇠(oscillation damping)를 제거함과 동시에 과다 이완된 파워스프링(215)의 원상복구를 실현한다.

도 7은 입사파도의 골짜기(13) 부근에서 부이(100)에 래칭제어를 적용한 다음, 부이(100)의 구속을 해제한 순간에서의 로프 PTO의 동작을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것이며, 도 8은 부이(100)의 상향 거동에 의한 회전 드럼(200)의 회전이 멈춘 후, 파워스프링(215)의 이완에 따른 파워스프링(215)의 탄성에너지 방출에 의한 로프 PTO의 동작을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로,

부이(100)의 형상과 로프 PTO 및 공기 PTO의 작동상의 특성으로 인하여, 본 발명에서는 래칭제어(latching control)를 입사파도의 골짜기에서 정확하게 시작할 필요는 없으며, 그 이유는, 해상에 설치된 WEC에 입사하는 파도들이 불규칙하기 때문이기도 하지만, 래칭제어를 실시하더라도, 상기 PTO들을 포함한 부이(100)의 상향 및 하향에서의 거동과 부이(100)의 감쇠 운동이 적용되는 입사파도의 한 주기 내에서 모두 끝나기 때문이다.

예를 들어, 입사파도의 주기가 4.0초이고, 부이(100)의 고유 진동주기가 3초이며, 입사파도의 골짜기와 용마루 간의 높이가 3m이고, 래칭제어를 해제한 후 래칭제어를 할 경우의 부이(100) 흘수선(draft line) 대비 부이(100)의 상향으로의 상승 높이를 5m로 가정하면, 이론적인 래칭(latching) 지속시간은 (4.0-3.0)/2, 즉 0.5초이며, 부이(100)의 상향 및 하향 운동의 지속시간은, 중력가속도를 9.8

로 가정하고 대기 중의 공기의 마찰을 무시할 때, 각각 약 1.01초가 되므로, 합산하면 약 2.52초가 되며, 결과적으로 약 1.48초의 시간적 여유가 있기 때문에, 로프 PTO와 공기 PTO의 작동 지속시간을 고려하여 WEC의 가동시간을 입사파도의 주기(cycle time) 내에서 마무리할 수 있으며, 실제 해상에서 WEC의 작동시간은 입사파도의 주기와 일치시킬 수 있다. 따라서 상기 기본 개념을 가지고 부이(100)의 거동에 따른 로프 PTO의 작동을 설명한다.

로프 PTO의 효율적인 전기적(electric) 동력(power) 생산을 위하여, 제한해야 하는 제약조건들은 부이(100)의 상향으로의 최대 상승 높이와, 부이(100)의 하향으로의 최대 침수(sinkage) 깊이와, 부이(100)의 형상과, PMSG(205)의 열 한계(thermal limit)와, 로프 PTO의 최대 회전속도 한계와, 로프 PTO의 최대 가용 힘(available force)의 한계와, 전류 및 전압의 최대 가용 한계들이다.

따라서 이러한 제약조건들을 고려하여 로프 PTO의 각각의 부속장치들이 제작 및 설치되고, 이후, 실제 바다에 설치된 WEC에서의 상기 제약조건들에 구속되는 로프 PTO의 거동은, 먼저, 입사파도의 골짜기(13) 부근에서 부이(100)에 래칭제어를 적용하는 것과, 래칭제어를 해제할 순간에서의 부이(100)의 동작을 함께 설명함으로써 구현된다.

또한, 반응제어(reactive control) 또는 래칭제어를 하지 않는 경우에서는, WEC의 거동은 입사파도와의 단순한 조화운동에 불과하기 때문에, 산출되는 전기적 동력은, 반응제어 또는 래칭제어를 적용할 때와 비교하여, 상대적으로 미약하다.

그러나 상기 보충 질량(supplementary mass)

와 상기 PTO의 외부 감쇠 계수

를 제어하는 반응제어에서는, 상기 튜닝 힘(tuning force,

)이 상기

와 부이(100)의 수직 가속도 곱에 비례하면서, 로프 PTO에서는, 부이(100)의 상향 거동에서 발생하고, 그리고 상기 댐핑 힘(damping force,

)이 상기

와 부이(100)의 수직 속도의 곱에 비례하면서, 공기 PTO에서는, 부이(100)의 하향 거동에서 발생한다(그러나 상기 튜닝 힘도, 넓은 의미에서는, 상기 댐핑 힘의 범주에 속한다.).

또한, 상기 튜닝 힘(tuning force,

)은 입사파도로부터 가해지는 힘에 의하여 부이(buoy)가 상향 거동을 시작하는 순간에서의 입사파도로부터 부이(buoy)에 가해지는 힘들 중, 로프 PTO 힘을 증가시키기 위하여 반응제어(reactive control)로부터 가해지는 힘이며,

따라서 상기 튜닝 힘(tuning force,

)을 증가시키기 위해서는, 상기 보충 질량(supplementary mass)

를 증가시키는 방법과 부이(buoy)의 상향 수직 가속도를 증가시키는 방법과, 그리고 상기 두 가지 방법들을 함께 사용하는 방법이 있으며,

또한, 상기 댐핑 힘(damping force,

)은 부이(buoy)의 하향 거동에서의 부이(100) 주위의 바닷물과 상호작용하면서 일어나는 부이(100)의 진동감쇠(oscillation damping)을 줄이기 위하여 반응제어(reactive control)로부터 가해지는 힘이므로,

따라서 본 발명에서는, 부이(100)의 형상과 관련된 공기 PTO의 거동에 의하여 압축된 공기(109)와 하향 거동하는 부이(100)와의 상호 힘의 균형을 유도하는 방법으로 상기 댐핑 힘을 증가시키는 방법을 사용하며,

따라서 로프 PTO에서는 상기 보충 질량(supplementary mass)

를 증가시키는 방법으로, 부이(100)의 상향 거동과 함께 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(flywheel, 401)과 함께 로프 PTO의 회전기계들이 회전하는 방법으로 로프 PTO의 회전관성을 증대시킴으로써, 부이(100)의 초기 수직 가속도에 비례하는 로프 PTO에 가해진 초기 토크(torque)를 증대시켰으며, 이때, 부이(100)와 부이 주변의 바닷물에서의 입사파도가 보유한 힘의 전체 합은 변하지 않으면서, 상기 (식 1) 및 상기 (식 2)를 구성하는 힘들의 크기가 달라지며,

또한, 부이(buoy)의 상향 수직 가속도를 증가시키는 방법으로, 기어 회전 제어장치(206)를 가동하여 변속장치(204)의 베벨기어(207) 동작을 정지시킴으로써 로프 PTO의 회전기계들의 회전을 억제하고, 결과적으로 일정시간동안 부이(100)의 상향 거동을 구속한 후, 기어 회전 제어장치(206)를 가동하여 베벨기어(207)의 구속을 해제함으로써, 구속된 부이(100) 위치에서의 입사파도의 파고(wave elevation) 증가로 인한 상기 아르키메데스 힘(Archimedes force,

)의 증가에 따른 부이(100) 및 로프 PTO에 가해지는 순간 가속도를 증가시키며,

따라서 상기 보충 질량(supplementary mass)

를 증가시키는 방법과 상기 부이(100)의 수직 가속도를 증가시키는 방법을 병행함으로써 얻어지는 로프 PTO의 전기적 동력의 산출은, 각각의 상기 보충 질량(supplementary mass)

를 증가시키는 방법과 부이(buoy)의 수직 가속도를 증가시키는 방법으로부터 산출되는 전기적 동력의 산술적인 합보다 크며,

이때, 플라이휠(flywheel, 401)과 베벨기어(207) 및 파워스프링(215)은, 로프 PTO의 급격한 회전을 완화하고, 로프 PTO의 가동시간을 늘리는 역할을 수행함으로써, 로프 PTO가 산출하는 전기적 동력에서의 평활화(smoothing)에 기여한다.

또한, 부이(100)가 상향의 최고 위치에 도달한 후 하향 운동을 시작할 때, 로프 PTO는 로프(101)의 장력을 유지할 필요가 없으며, 또한, 부이(100)의 상향 운동에서 발생한 회전 드럼(200)의 회전운동이 끝나는 시점과 부이의 최고 상승 위치에 도달한 시점 간에 시간지연이 발생하며, 부이(100)의 상향 거동에 따른 회전 드럼(200)의 회전운동이 끝나는 시점부터 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 이완에 따른 파워스프링(215)의 축적된 탄성에너지의 발산이 시작되고, 이에 따라, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(flywheel, 401)을 제외한 로프 PTO의 회전기계들이 부이(100)의 상향 운동에서의 회전방향과 반대로 회전을 시작한다.

또한, 부이(100)가 상향의 최고 위치에 도달하여 상향 속도가 제로(zero)가 되었을 때, 흡기 덕트(107)의 공기 차단밸브(113)를 가동하여 부이(100)의 상기 하부공간에 구속된 공기(109)에 의하여 부이(100)의 하향 속도가 제로(zero)가 될 때까지 공기(109)가 대기 중으로 배출되지 않도록 조치되며,

또한, 파워스프링(215) 이완동작의 시작과 끝의 시간 간격은 베벨기어(207)와 PMSG(205)의 로터(rotor, 미 도시)와 변속장치(204) 및 파워스프링 유도장치(211)의 작동을 통하여 조절됨으로써, 부이(100)의 정수 선(10)이 해수면(ocean wave surface)과 만나는 시점에서도 로프 PTO는 가동될 수 있으며,

또한, 부이(100)가 제로(zero)의 하향 속도를 거친 후에도, 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간에 구속된 압축된 공기(109)의 과다 압력과 해수(海水)의 수선(waterline) 주위에서 WEC에 대한 질량-스프링-댐퍼(mass-spring-damper) 작용으로 부이(100)의 추가 진동감쇠(oscillation damping)가 발생하므로, 공기 PTO의 배기 덕트 차단밸브(115)를 개방하여 부이(100)의 상기 하부 구조 내부에 있는 공기(109)를 배기 덕트(106)에 설치된 공기발전터빈(108)을 거쳐 대기 중으로 배출시킴으로써 과다 압축된 공기(109)를 배출시키고, 로프 장력조절장치(300)를 가동하여 로프(101)에 장력을 부가함으로써, 부이(100)의 상향 진동에 별도의 추가 감쇠를 유도하며, 이후, 흡기 덕트(107)의 공기 차단밸브(113)를 가동하여 부이(100)의 상기 하부공간으로 대기 중의 공기가 진입될 수 있도록 조치한다.

도 9는 입사파도의 1회 주기 동안 WEC의 각 부속장치들의 동작 흐름을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로,

WEC에서의 로프 PTO와 공기 PTO의 거동을 시간의 경과에 따라 서로 연관시켜 나타내고, 또한, 입사파도의 1회 주기 동안 각각의 WEC 부속장치들의 가동시점과 종료시점을 개략적으로 나타냈으며, 특히, 공기 차단밸브(112, 115)와 기어 회전제어장치(206) 및 로프 장력조절장치(300)의 유압 실린더들의 가동시점 및 종료시점을 나타냄으로써, 이들을 제어하는 메인 통제장치(main control center, 미 도시)의 제어 흐름과 유압을 공급하는 유압시스템(hydraulic system, 미 도시)의 설치규모를 추측할 수 있다.

도 10은 부이(100)의 상향 및 하향 거동에 의한 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에서의 공기(109)의 거동을 나타내어, 공기(109)에 의한 부이(100)의 감쇠 원리와 공기 발전터빈(108)에 의한 전기적 동력을 산출하는 과정을 개략적으로 설명하기 위한 것으로,

부이의 하향 수직 속도에 비례하는 상기 PTO의 외부 감쇠 계수

의 적용이유가 부이의 감쇠(damping) 특성을 입사파도의 감쇠 특성에 일치하기 위함이지만, 본 발명에서는, 부이(100)의 감쇠가 부이(100)의 형태와 공기 PTO 및 로프 장력조절장치(300)와 기어 회전제어장치(206)의 상호 복합적 작동들에 의하여, 목표로 하는 입사파도의 1회 주기 내에서 부이(100)의 감쇠를 마칠 수 있으며,

또한, 공기 PTO는 최소 1개 이상의 흡기 덕트(107)와 1개의 배기 덕트(106)가 부이(100)의 상기 상부 구조의 상부 면(116)과 부이의 상기 하부 구조의 상부 면(111)을 관통하는 형태로 설치되며,

또한, 배기 덕트(106)에는 공기 발전터빈(108)이 설치되고, 일정압력 이하의 공기 출입을 제한하는 공기 차단밸브(115)가 설치되며,

또한, 각각의 흡기 덕트(107에는 공기 출입을 제한하는 공기 차단밸브(112)가 설치되며,

또한, 부이(100)가 하향 거동을 할 때, 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 일정 압력 이상의 공기(109)가, 회전 드럼(200)이 설치된 부이(100)의 상기 상부 구조의 내부 공간으로 로프(101)를 통과시키는 개구부를 통해 세어 나가지 않도록, 로프(101) 안내 파이프(114)가 부이(100)의 상기 상부 구조 내부에서 한쪽 단부가 막힌 형태로 설치되고, 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 수직으로 일정 거리를 돌출해 있도록 설치되고, 부이(100)의 하향 거동에 의해 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)가 일정 압력 이상으로 압축되었을 때, 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 수직으로 일정 거리를 돌출해 있는 로프(101) 안내 파이프(114)의 단부가 해수 속에 잠기게 함으로써, 상기 개구부를 통한 공기(109)의 유출을 원천봉쇄하며,

또한, 공기 발전터빈(108)은 압축된 공기(109)의 배기 덕트(106) 내의 흐름을 직접 이용하여 전기적 동력을 생산하는 직접 구동 발전기를 사용하며,

또한, 부이(100)의 하향 속도가 제로(zero)로 떨어진 후, 배기 덕트(106) 에서의 공기 발전터빈(108)의 설치위치보다 하부에 설치된 상기 공기 차단밸브(115)의 작동으로 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간의 압축된 공기(109)의 배기 덕트(106)를 통한 배출에 의하여 공기 발전터빈(108)이 가동되며, 이후, 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간의 공기(109)의 압력이 대기압으로 떨어지면, 공기 차단밸브(115)의 작동으로 공기(109)의 배기 덕트(106) 내로의 배출이 차단되며, 그리고 그 이후, 로프 PTO의 로프 장력조절장치(300)의 가동이 이뤄지고, 흡기 덕트(107)의 공기 차단밸브(112)의 작동을 통한 흡기 덕트(107)가 개방되며,

또한, 이러한 공기 PTO의 거동은 부이(100) 운동에 따른 로프 PTO의 거동과 연계되어 수행되며, 특히, 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)의 압력은 부이(100)의 감쇠(damping)에 큰 영향을 미치므로 공기(109)에 대한 압력제어(pressure control)는 중요하다.

도 11은 본 발명의 로프 PTO와 공기 PTO를 개별적으로 사용하거나 복합적으로 사용하는 변형할 수 있는 WEC의 예들을 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로,

왼쪽 열의 그림들은 공기 PTO를 사용하지 않는 WEC에 대한 것으로, 로프 PTO를 사용하지만 부이(500a)의 형상이 본 발명의 부이(100)의 형상과 다르며, 공기 PTO를 사용하지 않음으로써, 부이(500a)의 감쇠를 위한 별도의 제어전략이 필요하고, 부이(500a)의 감쇠(damping)를 제어하기 위한 로프 장력조절장치(300)의 역할이 중요해지며,

또한, 중앙 열의 그림들은 또 다른 변형된 부이(500b) 형태를 갖는 WEC에 대한 것으로, 부이(500b)의 외벽을 2단으로 분리하고, 상기 외벽들의 연결 지점에 원통 형상 또는 원추 형상을 추가하여 정수 면적(still water area)과 추가 질량(added mass)을 키우고, 부이(500b)의 하부 구조의 상부 면(111)의 형상을 부이(100)와 비교하여 상대적으로 가파르게 하였으며, 부이(500b)의 하부 구조의 내부벽체 끝단에 로프 안내장치 지지부재(501)를 최소 3개 이상 설치하고 로프 안내장치(102)와 연결함으로써, 해상에서의 부이(500b)의 위치 변화에 대응하였으며,

또한, 우측 열의 그림들은 또 다른 변형된 부이(500c) 형태를 갖는 WEC에 대한 것으로, 부이(500c)의 하부 구조의 외벽과 내벽을 단일 벽체로 구성하고, 또한, 단일 부재를 사용한 밸런스 웨이트(502)를 상기 외벽의 내면이나 외면의 하부 끝단에 고정설치한다.

10 : 부이(buoy)의 정수 선(still water line)
11 : 래칭제어를 해제할 경우 입사파도의 수면선(surface line)
12 : 입사파도의 용마루(crest) 수선(water line)
13 : 입사파도의 골짜기(trough) 수선(water line)
14 : 해저지반 100 : 부이(buoy) 101 : 로프(rope)
102 : 로프 안내장치(rope guiding rig) 103 : 밸런스 웨이트(balance weight)
104 : 콘크리트 블록(block) 105 : 로프 고정용 앵커(anchor) 및 후크(hook)
106 : 배기 덕트(vertical duct) 107 : 흡기 덕트(inclined duct)
108 : 공기 발전터빈(air electric power generating turbine)
109 : 부이의 하부 구조 내부공간에 있는 공기(air)
110 : 로프 작동용 수직덕트 횡단 관(cross pipe)
111 : 공기의 원활한 방출을 위한 공기역학적 형상의 부이(100)의 하부 구조 상부 면
112 : 흡기 덕트 공기 차단밸브 113 : 흡기 덕트 공기 차단밸브 가동용 유압 실린더
114 : 로프 안내 파이프(rope guiding pipe) 115 : 배기 덕트 공기 차단밸브
116 : 부이(100)의 상부 구조 상부 면 200 : 회전 드럼(drum)
201 : 메인(main) 샤프트(shaft) 202 : 로프 유도장치(rope inducing rig)
203 : 에너지 저장장치(energy storage device) 204 : 변속장치(gearbox)
205 : PMSG(permanent magnets synchronous generator)
206 : 기어 회전제어장치(gear rotation control device)
207 : 베벨기어(bevel gear) 208 : 피니언기어(pinion gear)
209 : 기어 회전제어장치 작동용 유압 실린더(hydraulic cylinder)
210 : 기어 회전제어장치의 작동암(operating arm)
211 : 파워 스프링 유도장치(power spring inducing rig)
212 : 베벨기어의 돌출부(chins of bevel gear)
213 : 베어링(bearing) 214 : 커플링(coupling)
215 : 파워스프링(power spring)
216 : 메인 샤프트(201) 외면상에 설치되는 파워스프링 케이싱(casing)
217 : 에너지 저장장치(203) 하우징(housing)의 내면 상에 설치되는 파워스프링 케이싱(casing)
218 : 피니언기어 샤프트(pinion gear shaft) 219 : PMSG 샤프트(PMSG shaft)
300 : 로프 장력조정장치(rope tensioner)
301 : 로프 장력조정장치 작동용 유압 실린더(hydraulic cylinder)
302 : 로프 장력조정장치의 힌지(hinged) 암(arm)
303 : 로프 장력조정장치의 풀리(pulley)
304 : 로프 장력조정장치의 힌지 브래킷(hinge brackets)
400 : 회전관성 변경장치(rotational inertia changing device)
401 : 플라이휠(flywheel) 402 : 걸쇠(pawl) 403 : 래쳇기어(ratchet gear)
404 : 스프링(spring) 405 : 스토퍼(stopper) 406 : 베어링(bearing)
407 : 베벨기어 샤프트(bevel gear shaft)
408 : 플라이휠 샤프트(flywheel shaft)
500a : 변형된 부이(buoy) 500b : 변형된 부이(buoy) 500c : 변형된 부이(buoy)
501 : 로프 안내장치 지지부재(supporting member)
502 : 단일 부재(single member)로 된 밸런스 웨이트(balance weight)

Claims

중력 방향에 대한 상향 및 하향 거동하면서 내부가 밀폐된 자체의 상부 구조와 하부가 개방된 자체의 하부 구조 및 로프 안내 파이프(114)를 포함하는 부이(100)와,
그리고 로프(101)와, 회전 드럼(200)과, 메인 샤프트(201)와, 로프 유도장치(202)와, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, 기어 회전제어장치(206)와, PMSG(205)와, 로프 장력조절장치(300)와, 회전관성 변경장치(400)를 포함하며, 회전 드럼(200)과 에너지 저장장치(203)는 메인 샤프트(201)로 연결되며, 메인 샤프트(201)와 변속장치(204)의 베벨기어 샤프트(407)와는 커플링(coupling) 결합으로 연결되며, 변속장치(204)와 회전관성 변경장치(400)는 베벨기어 샤프트(407)를 공유하거나 또는 각각의 장치에 해당하는 샤프트들(407, 408) 간의 커플링(coupling) 결합으로 연결되며, 변속장치(204)는 베벨기어(207)와 피니언기어(208)로 구성 및 연결되며, 피니언기어(208)와 PMSG(205)는 각각의 샤프트들(218, 219) 간의 커플링(214) 결합으로 연결되며, 기어 회전제어장치(206)는 변속장치(204)의 하우징(housing) 외면상에 설치되는, 부이(100)의 상기 상부 구조 내부에 설치되는, 로프 PTO와,
그리고 부이(100)의 상기 상부 구조의 상부 면(116)과 상기 하부 구조의 상부 면(111)을 관통하는 형태로 설치되는 흡기 덕트(107) 및 배기 덕트(106)와, 공기 차단밸브(112, 115)와 공기 차단밸브 가동용 유압 실린더(113)와, 공기 발전터빈(108)을 포함하는, 부이(100)의 상기 상부 구조 내부에 설치되는, 공기 PTO를 포함하며,

또한, 자체의 한쪽 단부가 로프 고정용 앵커 및 후크(105)를 통해 해저지반에 설치된 콘크리트 블록과 연결되고, 자체의 타단이 로프 안내장치(102)와 로프 장력조절장치(300)를 거쳐 회전 드럼(200)의 외면상에 수 회 감긴 후 회전 드럼에 고정설치된 로프(101)가, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 거동에 따른, 회전 드럼(200)으로부터 풀리는 거동에 의해 회전 드럼(200)과, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, PMSG(205)와, 회전관성 변경장치(400)를 회전시킴으로써 PMSG(205)를 통하여 전기적 동력을 생산하고,
그리고 부이(100)의 상향거동에 의한 로프 PTO의 상기 회전기계들의 회전이 멈춘 후, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 이완에 의한 파워스프링(215)에 축적된 탄성에너지의 발산에 의하여 회전 드럼(200)과, 에너지 저장장치(203)와, 변속장치(204)와, PMSG(205)와, 플라이휠(401)을 제외한 회전관성 변경장치(400)가 상기 회전방향과 반대로 회전함으로써 PMSG(205)를 통하여 전기적 동력을 생산하며,
그리고 부이(100)의 상향거동 중에 흡기 덕트(107)를 통해 대기 중의 공기가 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간으로 흡입되고, 부이(100)의 하향거동 중에 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간의 공기(109)가 압축됨으로써, 부이(100)의 진동감쇠(oscillation damping)를 감소시키는 것과 동시에 압축된 공기(109)의 배출과정에서 배기 덕트(106)에 설치된 공기 발전터빈을 이용하여 전기적 동력을 생산하는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 상기 부이(100)는,
공기역학적으로 설계된 상부 면(116)을 갖으며, 평면 형상이 원형이며, 상기 로프 PTO와 상기 공기 PTO가 자체의 내부에 설치되는 밀폐된(enclosed) 상부 구조와,
또한, 상기 상부 구조와 분리되며, 자체의 하부가 개방된 덕트(duct) 형상이면서 자체의 외벽과 내벽이 이루는 내부공간의 하부에 밸런스 웨이트(103)가 설치되고, 공기역학적으로 설계된 상부 면(111)을 갖는 하부 구조와,
또한, 상기 하부 구조 상부 면(111)과 상기 상부 구조의 상부 면(116)을 관통한 형태로 연결되는 배기 덕트(106) 및 흡기 덕트(107)와, 흡기 덕트(107)의 공기 흐름을 차단하는 공기 차단밸브(112)와, 배기 덕트(106)의 공기 흐름을 차단하는 공기 차단밸브(115)와, 로프 안내 파이프(114)와, 로프 안내장치(102)를 포함하며,

입사파도에 의한 자체의 상향 및 하향거동에서 상기 로프 PTO가 가동하여 전기적 동력을 생산하며,
또한, 입사파도에 의한 자체의 상향 및 하향거동과 상기 공기 PTO의 가동이 서로 연계되는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 상기 회전관성 변경장치(400)의 하나의 구성으로,
플라이휠(flywheel, 401)과, 걸쇠(pawl, 402)와, 래쳇기어(ratchet gear, 403)와, 스프링(404)과, 스토퍼(stopper, 405)와, 베어링(bearing, 406)을 포함하며,
플라이휠(401)은, 상기 로프 PTO가 부이(100)의 상향 운동에 의해 회전할 때, 상기 로프 PTO에 추가적인 회전질량과 회전관성을 부과함으로써, 상기 로프 PTO에 가해지는 입사파도의 힘을 증가시킬 뿐만 아니라, 상기 로프 PTO의 동작시간을 연장시키며,
또한, 플라이휠(401)은, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)의 이완에 의한 파워스프링(215)의 축적된 탄성에너지의 발산으로 상기 로프 PTO의 회전기계들이 상기 회전방향과 반대로 회전할 때, 래쳇기어(403)와의 접촉으로 인한 걸쇠(402)의 움직임에 자체의 자중(自重)으로 대항함으로써 회전하지 않으며, 따라서, 상기 로프 PTO와 관련된 플라이휠(401)의 회전질량과 회전관성을 제거한 효과를 나타내며,
또한, 걸쇠(402)는, 플라이휠(401)을 중심으로 베벨기어 샤프트(407) 외면상에 각각 설치되는 래쳇기어(403)의 방사방향 면들과 자체 상부 면의 면 접촉(surface contact)에 의한 맞물린 형태를 이루면서, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동에서의 상기 로프 PTO의 회전기계들과 함께 플라이휠(401)이 회전하도록 스토퍼(405)와 함께 거동하고,
또한, 걸쇠(402)는, 파워스프링(215) 이완에 따른 파워스프링(215)의 탄성에너지 발산에 의한 상기 로프 PTO의 회전기계들의 회전에서는 래쳇기어(403)의 경사면들과 자체 경사면이 서로 어긋나는 방향으로 선 접촉(line contact) 함으로써 래쳇기어(403)로부터 자체에 높은 회전 토크가 걸리지 않도록 구성되면서 스프링(spring 404)과 함께 거동하며,
또한, 래쳇기어(403)는, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동에서의 상기 로프 PTO의 회전기계들과 함께 플라이휠(401)이 회전할 때, 걸쇠(402)와 접촉하는 자체의 상기 방사방향 면들에서의 베벨기어 사프트(407)의 토크 전달방향이 면 접촉하는 걸쇠(402)의 상기 상부 면에 수직으로 가해지도록 형성되며,
또한, 래쳇기어(403)는, 파워스프링(215) 이완에 따른 파워스프링(215)의 탄성에너지 발산에 의한 상기 로프 PTO 회전기계들의 회전에서 플라이휠(401)이 회전하지 못하도록, 걸쇠(402)의 상기 경사면과 선 접촉하는 자체의 접촉 면을 경사지게 함으로써, 걸쇠(402)와의 접촉에서 걸쇠(402)의 제한된 예각(銳角) 내에서의 거동만 발생하도록 작동하며,
또한, 스프링(404)은, 파워스프링(215) 이완에 따른 파워스프링(215)의 탄성에너지 발산에 의한 상기 로프 PTO 회전기계들의 회전에서의 플라이휠(401)이 회전하지 않는 상태에서, 래쳇기어(403)의 작동으로 인한 걸쇠(402)의 거동을 일정 범위 내로 구속하며,
또한, 스토퍼(405)는, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동에서의 상기 로프 PTO 회전기계들과 함께 플라이휠(401)이 회전하도록 걸쇠(402)의 회전을 구속하며,
또한, 베어링(406)은, 플라이휠(401)의 회전 여부와 관계없이 베벨기어 사프트(407)와 레쳇기어(403)들의 회전을 유지시키는 구성과,

또한, 상기 회전관성 변경장치(400)의 다른 하나의 구성으로, 걸쇠(pawl, 402)와, 래쳇기어(ratchet gear, 403)와, 스프링(404)과, 스토퍼(stopper, 405)를 생략하고, 베벨기어 샤프트(407)와 플라이휠 샤프트(408)가 접속하는 지점에 유압으로 작동하는 마찰 클러치(friction clutch)를 설치하여 부이(100)가 상향으로 거동할 때에만 플라이휠(401)에 회전 토크를 전달하고, 파워스프링(215)의 탄성에너지 방출에 따른 로프 PTO 회전기계들의 회전에서는 플라이휠(401)로의 회전 토크 전달을 차단하는 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 상기 로프 장력조절장치(300)는,
2개의 부재(member)들이 힌지(hinged) 연결된 최소 1쌍 이상의 힌지 암(302)들과 힌지 암(302) 작동용 유압 실린더(301)와 풀리(pulley, 303) 및 풀리(303)의 작동경로를 구속하는 유도로를 포함하며,
그리고 회전 드럼(200)과 마주보는 위치에 설치되며,
입사파도에 의한 부이(100)의 상향 운동과 관계된 상기 로프 PTO의 회전이 멈춘 뒤, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(115)의 이완에 따른 파워스프링(115)에 축적된 탄성에너지의 발산이 시작되는 시점에서, 힌지 암 작동용 유압 실린더(301)를 작동하여 접혀있던 힌지 암(302)을 회전 드럼(200) 쪽으로 펴는 작동을 통해 풀리(pulley, 303)의 위치를 회전 드럼(200) 쪽으로 가깝게 이동시키고,
이후, 부이(100)의 하향운동 중, 상기 공기 PTO의 작동에 의하여 부이(100)의 하향 속도가 부이(100) 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)의 압축으로 인하여 제로(zero)로 될 때, 힌지 암 작동용 유압 실린더(301)를 작동하여 펴져 있던 힌지 암(302)을 원 상태로 접는 작동을 통해 풀리(303)의 위치를 회전 드럼(200) 위치로부터 멀리 위치하도록 이동시키는 과정에서 로프(101)에 장력을 가함으로써, 진동 감쇠하는 부이(100)에 하향 힘을 가하는 동시에, 과다 이완된 파워스프링(215)의 원상복구를 실현하는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 상기 변속장치(204)는,
자체의 회전축에 대한 방사방향에 직각인 외곽 면의 원주 상에 기어 회전제어장치(206)의 작동암(210)과 맞물리는 최소 2개 이상의 돌출부(212)들이 형성되고 정 방향과 역방향 회전에서 피니언기어(208)에 토크 전달이 가능한 베벨기어(207)와, 자체 샤프트(218)의 한쪽 단부는 변속장치(204)의 마감 벽 상에 설치된 베어링에 고정되어 있고 자체의 타단은 PMSG(205)의 샤프트(219)와 서로 커플링 결합하는 피니언기어(208)로 구성되고,
메인 샤프트(201)의 분당 회전수(rpm)에 대한 PMSD(205)의 로터(rotor)의 분당 회전수를 변화시키는 역할과, 기어 회전제어장치(206)의 작동암(210)과 베벨기어(207)의 돌출부(212)가 서로 맞물리는 거동으로 상기 로프 PTO의 거동과 부이(100)의 상향거동을 제어하는 역할을 하는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 기어 회전제어장치(206) 작동용 유압 실린더(209)의 암(arm)과 힌지(hinged) 연결된 작동 암(210)의 돌출된 단부가, 유압 실린더(209)의 작동으로, 변속장치(204)의 하우징 외면상에 설치된 유도 파이프 밖으로 돌출하여 베벨기어의 돌출부(212)와 맞물림으로써, 베벨기어(207)의 회전을 억제함과 동시에 부이(100)의 상향 움직임을 억제하는 방법으로 입사파도의 골짜기 부근에서 래칭제어(latching control)를 실시하고, 그리고 일정 시간 후, 유압 실린더(209)의 작동으로 작동 암(210)의 상기 돌출된 단부가 변속장치(204)의 상기 하우징 외면상의 상기 유도 파이프 내부로 원상 복구됨에 의하여 베벨기어(207)의 회전 및 부이(100)의 상향 움직임에 대해 구속을 해제함으로써, 자체의 골짜기(valley, 13) 고도(elevation)보다 높아진 입사파도의 표면 선(surface line)으로 인하여 부이(100) 및 상기 로프 PTO의 상향 가속도가 증가하며,
또한, 상기 로프 PTO의 상향 가속도의 증가는 추가 회전관성으로 작용하는 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)에 작용하는 토크(torque)를 증대시키는 효과로 나타나며, 결과적으로, PMSG(205)를 통해 산출되는 전기적 동력의 크기를 키우는 효과와, 플라이휠(401)의 회전관성 추가로 인한, 전기적 동력을 산출하는 상기 로프 PTO의 작동시간을 연장하는 효과를 동시에 얻을 수 있는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 거동에서, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)이 추가 회전관성으로 상기 로프 PTO의 회전기계들과 함께 회전함으로써, 부이(100)의 상향 최대 상승거리를 감소시키는 것과 동시에, 상기 로프 PTO의 산출되는 전기적 동력의 크기를 키우고, 또한, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215)에 축적되는 탄성에너지의 크기를 키우는 것과 동시에, 상기 로프 PTO의 작동시간을 연장시키며,
또한, 입사파도에 의한 상기 로프 PTO의 회전기계들과 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)의 회전이 멈춘 후, 에너지 저장장치(203)의 파워스프링(215) 이완에 따른 파워스프링(215)의 증가한 탄성에너지의 발산에 의하여, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)을 제외한, 상기 로프 PTO의 회전기계들이 부이(100)의 상향 거동에서의 상기 로프 PTO의 회전방향과는 반대로 회전함으로써, 회전관성 변경장치(400)의 플라이휠(401)을 제거한 효과로 인한 상기 로프 PTO의 산출되는 전기적 동력의 크기를 키우는 것과 동시에, 상기 로프 PTO의 작동시간을 연장시키는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 입사파도에 의한 부이(100)의 상향 거동에 의하여 흡기 덕트(107)를 통해 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간으로 대기 중의 공기가 흡입되고,
그리고 부이(100)의 최고 상승위치에서 흡기 덕트(107)의 공기 차단밸브(112)를 가동하여 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 갇힌 공기(109)의 대기 중으로의 방출을 봉쇄하며,
그리고 부이(100)의 하향 운동에 의하여 상기 하부 구조의 내부공간에 갇힌 공기(109)가 압축되는 과정에서 부이(100)의 하향 속도가 제로(zero)로 떨어진 후에도, 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간에 구속된 압축된 공기(109)의 과다 압축과 해수(海水)의 수선(waterline) 주위에서 WEC에 대한 질량-스프링-댐퍼(mass-spring-damper) 작용으로 부이(100)의 추가 진동감쇠(oscillation damping)가 발생함에 따라, 배기 덕트(106)의 공기 차단밸브(115)를 개방하여 부이(100)의 상기 하부 구조 내부공간에 있는 공기(109)를 배기 덕트(106)에 설치된 공기 발전터빈(108)을 거쳐 대기 중으로 배출시키고,
이어서 로프 장력조절장치(300)의 유압 실린더(301)를 압축가동하여 힌지 암(302)을 접는 방법으로 풀리(303)의 위치를 원위치로 복귀시키는 과정에서 로프(101)에 장력을 가함으로써 부이(100)에 하향 힘을 가하는 방법으로 부이(100)의 추가 진동감쇠(oscillation damping)를 줄임과 동시에 과다 이완된 파워스프링(215)의 원상복구를 실현함으로써, 입사파도의 한 주기 내에서 WEC의 작동을 마치는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.
청구항 1에서, 상기 로프 안내 파이프(114)는,
부이(100)의 상기 상부 구조의 내부공간에 있는 자체의 단부는 막혀있으며, 부이(100)의 하향 거동 중에 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 일정 압력 이상으로 압축된 공기(109)가 부이(100)의 상기 상부 구조 내부로 연결되는 로프(101) 통과용 개방된 구멍을 통해 세어나가지 않도록, 자체 몸체의 길이방향으로 일정 길이 이상으로 부이(100)의 상기 하부 구조 하부의 개구부 방향으로 수직으로 설치되며, 부이(100)의 하향 거동에 의해 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에 있는 공기(109)가 일정 압력 이상으로 압축되는 과정에서, 부이(100)의 상기 하부 구조의 내부공간에서 수직으로 설치된 자체의 단부가 해수 속에 잠기게 됨으로써, 상기 로프(101) 통과용 개구부를 통한 압축된 공기(109)의 상기 상부 구조의 내부공간으로의 유출을 차단하는 것을 특징으로 하는 파도 에너지 변환기.