KR20190056143A - 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 관한 것으로, 지렛대의 힘점과 작용점에 맞춰 부유체와 구동추를 구성하고 파고의 높이에 맞춰 부유체의 위치를 변화시켜 파고의 높고 낮음에 관계없이 충분한 발전량을 확보하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치는, 해저의 지반이나 육상에 고정되는 지주체(10)와; 상기 지주체에 형성되는 지렛점용 구동축(20)과; 상기 구동축에 연결되는 구동로드(30)와; 상기 구동로드의 일측에 결합되는 부유체(40)와; 상기 구동로드에서 상기 부유체의 반대쪽으로 연장되는 위치에 형성되며 상기 부유체의 승강을 통해 상기 부유체와 반대로 시소 운동하는 구동추(50)와; 상기 구동추의 기계적인 구동을 통해 전기를 발생하는 하나 이상의 발전기(60)를 포함하고, 상기 구동로드는 신축형으로 구성되어 파고의 높이에 따라 상기 구동축을 기준으로 하여 상기 부유체의 거리를 조절한다.

Description

지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치{Variable wave power generator using leverage effect}
본 발명은 파력 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 파고의 높이 변화에 맞춰 힘점인 부유체의 거리를 변화시켜 충분한 발전량을 확보하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 관한 것이다.
파력 발전은 파도의 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 기술이며, 가동 물체형, 진동수주형 및 월파/월류형이 있다.
가동 물체형은 파도의 에너지에 의해서 상하 또는 회전운동을 하는 부유체를 이용하여 발전기를 가동시키는 방식이다.
종래 파력을 이용한 발전장치는 단순히 파도의 반복되는 높낮이의 위치 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치에 국한되었다.
일부 회전축과 연장대를 이용한 부유체 고정방식을 적용한 사례가 있으나 단순히 부유체의 고정과 파도에 의한 상하운동을 전달하는 기능에 주안점을 둔 발명이 대다수였다.
등록특허 제10-1482864호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지렛대의 힘점과 작용점에 맞춰 부유체와 구동추를 구성하고 파고의 높이에 맞춰 부유체의 위치를 변화시켜 파고의 높고 낮음에 관계없이 충분한 발전량을 확보하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.
본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치는, 해상에서 해저의 지반이나 구조물에 고정되거나 육상과 구조물을 통해 연결되어 고정되는 지주체와; 상기 지주체에 형성되는 지렛점용 구동축과; 상기 구동축에 지렛대 형태로 형성되는 구동로드와; 상기 구동로드의 일측에 결합되는 부유체와; 상기 구동로드의 시소운동을 통해 전기를 발생하는 하나 이상의 발전기를 포함하고, 상기 구동로드는 신축형으로 구성되어 파고의 높이에 따라 상기 구동축을 기준으로 하여 상기 부유체의 거리를 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치는, 해저의 지반이나 육상에 고정되는 지주체와; 상기 지주체에 형성되는 지렛점용 구동축과; 상기 구동축에 지렛대형으로 형성되는 구동로드와; 해수면에 부유하는 부유체와; 상기 부유체와 상기 구동로드에 연결되며 상기 부유체의 승강을 상기 구동로드의 시소운동으로 전달하는 로프와; 상기 구동로드의 시소운동을 전달받아 전기를 발생하는 하나 이상의 발전기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 의하면, 파고가 높은 경우에는 구동로드의 길이를 짧게 하여 부유체가 높은 파고에 따라 상하 이동거리가 커지더라도 작용점에 위치한 발전기에서 발전이 원활하게 이루어지도록 하고 반면 큰 힘이 연장대에 충격적으로 가해진다할지라도 구동로드가 견고하게 내구성을 유지하여 발전장치의 손상을 방지하고, 파고가 낮은 일기 상태에서는 구동로드의 길이를 길게 하여 부유체가 낮은 파고에서 상하이동거리가 작다할지라도 지레원리에 따라 작용점에 있는 발전기에서는 변함없는 발전량을 확보하여 파력발전효율을 획기적으로 높이는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치의 정면도.
도 1b는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치가 해안가에 설치되는 예를 보인 정면도.
도 1c는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치가 삼각대형 지주체를 이용하여 설치된 예를 보인 정면도.
도 2는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 구동축과 지주체를 보인 측면도.
도 3은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 구동로드의 신축 구조를 보인 예시도.
도 4는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 구동로드의 보강 예를 보인 도면.
도 5는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 구동로드의 가이드 구조를 보인 도면.
도 6 내지 도 8은 각각 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 관절형의 구동로드를 보인 도면.
도 9는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 구동로드가 꺽임부를 갖는 구조인 예를 보인 도면.
도 10은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 부유체와 하중부가재를 보인 도면.
도 11은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치의 구동로드에 완충장치가 적용된 예를 보인 도면.
도 12는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 상하부측 발전기가 구성된 예를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 상하부측 발전기와 에너지 저장부의 배치를 보인 도면.
도 14는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 구동추와 발전기의 동력전달 예를 보인 도면.
도 15는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 발전기의 보호 구조를 보인 도면.
도 16은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치가 1개의 지주체와 부유구조체를 통해 설치된 예를 보인 도면.
도 17은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 2개 이상의 부유체가 구획벽에 의해 지지되는 예를 보인 사시도.
도 18은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 부유체와 구획벽의 연결 상태를 보인 평면도.
도 19는 도 18의 측면도.
도 20은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 에너지 운반선이 적용된 예를 보인 평면도.
도 21과 도 22는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치에 적용된 부유체의 통기구를 보인 사시도와 평면도.
도 23은 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치가 로프와 도르래를 통해 이용하여 발전하는 예를 보인 도면.
도 24는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치가 하나의 지주체를 통해 플랜트식으로 구성된 예를 보인 도면.
도 25는 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치가 격납고와 함께 구성된 예를 보인 도면.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 지레원리를 이용한 발전기의 개념을 설명한다.
도 1에서 보이는 것처럼, 지레의 3요소는 힘점과 받침점, 그리고 작용점으로 구성되어 있으며, 힘점에 작용하는 힘을 F 라 하고 받침점과 힘점간의 거리를 b 라 하고 작용점에 작용하는 무게를 W 라하고 작용점과 받침점간의 거리를 a 라 정할 때 아르키메데스의 지레의 원리에 따라 다음 등식이 성립하게 된다.
W×a = F×b
따라서, 무게 값 W는 하기의 식을 통해 구할 수 있다.
W = F × b/a
즉, 무게 값과 힘값이 동일하다 할 경우 받침점을 중심으로 a 와 b 의 값을 다르게 하되 특히 받침점과 힘점간의 거리 b 의 값을 크게 할 경우 더 큰 무게 값을 구할 수 있게 된다는 것을 의미한다. 예를 들어 a와 b가 각각 1m 이고 W 와 F가 각각 100 N의 무게를 가지고 있을 경우 b의 길이를 2m로 하면 계산에 의해 힘점에 50 N 의 힘만으로도 작용점 W 의 무게를 들어 올릴 수 있게 된다.
본 발명은 이러한 아르케메데스의 지레원리를 이용한 파력발전기에 관한 것으로, 해수면에 형성되는 파도는 주기적인 파장을 가지고 지속적으로 발생되는 특성을 가지고 있으며 바람과 기압의 높고 낮음 등에 따라 파도의 높이 즉 파고가 형성되어지게 되고, 파고의 변화를 발전기의 구동원으로 이용하여 파고의 높고 낮음 시 전기를 생산하는 것이다.
도 1a에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치는, 해상에 설치되는 지주체(10)와; 지주체(10)에 장착되는 지렛점용 구동축(20)과; 구동축(20)에 연결되어 구동축(20)과 함께 회동하는 구동로드(30)와; 구동로드(30)에 결합되며 해수에 부유하는 부유체(40)와; 구동로드(30)에서 부유체(40)의 반대쪽으로 연장되는 위치에 형성되며 구동로드(30)에 의해 구동하는 구동추(50)와; 구동추(50)의 기계적인 구동을 통해 전기를 발생하는 발전기(60)를 포함하며, 이하 각 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
지주체(10)는 구동축(20)을 구성하기 위한 구성으로, 원형의 강관, 콘크리트 관, 강관과 콘크리트의 조합형 관, H빔 등 다양한 형태가 가능하고, 정착 방식은 저부가 해저면에 삽입 정착되는 방식, 블록형태로 투입되는 콘크리트 블록(11)에 고정된 기둥 방식 등 다양한 방식이 가능하고, 해수면의 수위에 따라 1개 이상이 조립되어 구성된다.
또한, 지주체(10)는 육지부 해변이나 인위적으로 축조된 방파제 형태의 구조물에 세워진 형태도 가능하고, 해변에 근접한 경우 육상에 설치되는 구조물에 의해 해상에 설치되는 것도 가능하다.
또한, 지주체(10)는 구동축(20)의 설치를 위하여 단일 형태이거나 2개를 1조로 하는 형태가 가능하다. 단일 형태는 축홀을 구성하여 구동축(20)이 상기 축홀에 베어링을 통해 설치되며, 1조 형태는 구동축(20)의 양측이 각각 베어링을 통해 설치된다.
또한, 지주체(10)는 상단면에 구동축(20)을 형성하고 발전기(60)를 설치하거나, H빔 등을 조합하여 플랜트형태의 박스를 조합함으로써 이 박스에 발전기(60) 및/또는 발전기(60)의 관련 장비를 수납하는 형태도 가능하다.
또한, 심도가 깊이 않을 경우 콘크리트 블록을 쌓아 구동축(20)을 설치될 수 있는 구성을 하도록 함으로써 지주체(10)의 기능을 하도록 형성할 수도 있다.
단순히 부력을 이용하여 해수면 상부에 띄워 구성되는 부력구조의 바닥이 형성되어 있는 경우 상기 부력구조의 바닥 상부에 구동축(20)을 구성하면서 앵커와 로우프 또는 체인으로 해저바닥에 고정하게 될 때에는 부력구조의 바닥과 앵커와 로우프 또는 체인을 모두 포함한 구성 역시 지주체(10)에 포함되는 것이다.
반면, 도 1b와 같이, 해변주변의 심도가 깊고 해변의 경사도가 급할 경우 해변 암반주변에 앵커를 설치하여 구동축(20)을 구성하고 바닥판넬(13)을 설치하고 발전기(60)를 형성 할 수도 있다.
또한, 도 1c에서 보이는 것처럼, 지주체(10)는 소형 발전기를 형성할 경우에는 통상의 신축기능을 갖고 있는 삼각대를 이용한 방식으로 적정 깊이에 수평을 맞춰 발전기(60)를 설치하고 부유체(40)와 구동로드(30)를 조립하여 구성한 후 구동추(50)를 작동시켜 발전을 하는 휴대용으로도 운용할 수도 있다. 이때 삼각대형의 지주체(10) 중앙부에는 지주봉(14)을 구성하여 먼저 해저면에 타격하거나 압입하여 고정한 다음 삼각대형의 지주체(10)를 펼쳐 중심을 맞추면서 해저면에 고정 되도록 함으로써 파력에 의해 고정 지주체가 흔들리거나 유실되지 않도록 한다.
즉, 지주체(10)는 구동축(20)을 형성할 수 있는 모든 형태가 가능한 것이다.
지주체(10)는 둘레부에 구동축(20) 또는 구동로드(30)를 보호와 구동을 안내하기 위한 보강용 가이드(12)가 구성된다. 보강용 가이드(12)는 구동로드(30)의 일부분 또는 부유체(40) 주변까지를 덮는 길이로서 구동로드(30), 또는 부유체(40)의 양쪽을 감싸는 다양한 형태로 구성된다.
지렛점용 구동축(20)은 지주체(10)에 회동 가능하게 장착되며 수위 변화에 따른 부유체(40)의 상승과 하강을 구동로드(30)를 매개로 하여 전달받아 회동하도록 구성되고, 지레원리의 받침점이다.
구동축(20)은 구동로드(30)를 통해 부유체(40)와 연결되는 것이며, 구동로드(30)와 연결을 위하여 회전하우징(21)(도 2 참고)이 구성될 수 있다.
구동축(20)은 지주체(10)에 베어링을 통해 지지되는 형태이다.
구동로드(30)는 길이방향의 양측이 각각 부유체(40)와 구동축(20){회전하우징(21)}에 연결되어 부유체(40)의 상승과 하강을 구동추(50)에 회전운동으로 전달하거나, 구동추(50)를 배제한 상태에서 통상의 커플링 등 동력연결부(30a)를 통해 발전기(60)에 연결되어 회전운동을 전달한다.
구동로드(30)는 부유체(40)의 승강에 의해 회동하며, 양측이 부유체(40)와 구동축(20)의 회전하우징(21)에 고정(나사결합, 플랜지간 볼트와 너트 결합 등)된다.
구동로드(30)는 파력에 의한 변형을 방지하기 위해 상하좌우에 보강판을 설치하거나 지주체에 보강용 가이드(12)를 설치하고 이 보강용 가이드(12) 내에서 상하구동이 될 수 있는 구조로 설치된다.
구동로드(30)는 부유체(40)와 구동축(20) 간의 거리 조절을 위하여 신축 가능하게 구성할 수 있으며, 자신이 신축형으로 구성되는 타입과 별도의 신축수단이 추가로 구성되는 타입 모두가 가능하다.
전자의 경우, 구동로드(30)는 예를 들어, 2개 이상의 관(서로 다른 직경이며 원형, 각형 등)이 신축 가능하게 연결되며 신축실린더(33)(유압 또는 공압)를 통해 신축되는 것이다. 즉, 신축실린더(33)는 제1관(31)에 고정되고 유압실린더(32)의 로드(33)는 부유체(40)에 고정되어 제2관(32)의 신축을 통해 구동축(20)과 부유체(40)의 거리를 조절한다. 신축실린더(33)는 제1,2관(31,32)의 안에 수밀하게 설치된다.
후자의 경우, 구동로드(30)에 신축실린더가 고정되고 상기 신축실린더의 로드가 부유체(40)에 고정되어 구동축(20)과 부유체(40)의 거리를 조절한다.
도 4와 도 5에서 보이는 것처럼, 구동로드(30)는 파력 등에 의한 변형을 막기 위하여 보강부(35)가 구성된다.
보강부(35)는 구동로드(30)의 둘레부에 형성되며 바람직하게 모든 부분에서 균등한 보강력을 확보하기 위하여 2개 이상이 등간격으로 배열된다.
구동로드(30)는 하중이 많이 부가되지 않도록 알루미늄이나 강화플라스틱 또는 탄소섬유 등 강성이 있으나 경량의 재질을 사용한다. 또한, 내부에 다른 장치가 구성되지 않는 구동로드(30)는 내부가 수밀성 있는 구조를 갖추어 부력이 형성되도록 함으로써 부유체(40)의 부력감쇄를 방지하여 파도의 파력을 효과적으로 이용할 수 있도록 한다.
구동로드(30)는 부유체(40)의 각도를 상하로 조절할 수 있도록 관절식으로 구성 즉, 구동축(20)에 고정되는 고정측 구동로드(30-1)와 가동측 구동로드(30-2)로 구성되어 해수면의 조력에 의한 높낮이 변화에 대응하도록 한다.
고정측 구동로드(30-1)는 구동축(20)에 고정되고, 가동측 구동로드(30-2)는 고정측 구동로드(30-1)에 각도 조정 가능하도록 힌지 연결되는 한편 부유체(40)에 고정된다.
가동측 구동로드(30-2)의 각도 조정은 수동 조작에 의한 각도 조정, 각도조정 실린더(36)(유압실린더 또는 공압실린더)에 의한 각도 조정 등 다양한 방식이 가능하다. 각도조정 실린더(36)는 가동측 구동로드(30-2)의 상부(도 6 참고) 또는 하부(도 7 참고)에 설치된다.
도 6과 도 7은 가동측 구동로드(30-2)가 상하 방향으로 각도 조정되는 예를 도시한 도면이다. 이러한 구성은 기상악화로 폭풍우 등이 발생되는 경우 도 25에서 보이는 것처럼, 부유체(40)를 해수면 상부로 들어 올려 별도로 견고하게 제작되어 준비 설치된 격납고(100){예를 들어, 상측의 개방부를 갖는 본체(110), 본체(110)의 개방부를 개폐하는 방풍커버(120)로 구성} 내에 보호되도록 하거나 아예 부유체(40) 내부에 해수를 충진시키며 해수면 아래 깊이 잠기게 하여 폭풍우로부터 발전장치를 보호할 수 있도록 기능을 부가하여 구성할 수도 있다.
도 8은 부유체(40)를 좌우로 각도 조정하는 것을 보인 평면도이며, 각도조정 실린더(36)는 고정측 구동로드(30-1)와 가동측 구동로드(30-2)의 좌측 또는 우측에 설치되어 가동측 구동로드(30-2)를 좌우로 각도 조정하고, 부유체(40)에 접근하는 파도의 방향과 지주(10)의 설치 위치가 맞지 않을 경우 가동측 구동로드(30-2)의 좌우 각도 조정을 통해 지주(10)를 최적의 위치에 설치함과 아울러 부유체(40)를 파도의 방향에 맞춰 배치할 수 있다.
구동로드(30)는 직선형으로서 부유체(40)의 좌우측 둘레면에 고정될 수 있고 또는 도 9에서처럼, 단부에 하부로 꺽이는 꺽임부가 구성되어 부유체(40)의 상부에 고정될 수 있다.
부유체(40)는 해수면에 부유하는 것으로, 플라스틱이나 스텐레스강 또는 강화합성수지(FRP) 등 내부식성이 있고 가벼운 다양한 소재와 다양한 형태(구형태 등)로 이루어지며, 예를 들어 통 구조로서 내부에 공기 등이 충진될 수 있고 또는 스티로폼재가 구형태로 제작되어 사용될 수 있다.
부유체(40)는 다수 개가 병렬로 구성될 수 있다. 이 경우 부유체(40)와 부유체(40)간의 사이에는 경계 판넬을 형성하여 부유체(40)가 좌우로 흔들려 서로 부딪히는 사고가 발생되지 않도록 가이드 기능을 겸할 수 있도록 하였으며 파도의 방향에 따라 그 방향을 조정할 수 있는 조정기능을 부가하도록 하였다.
파고를 이용한 발전기에서, 파고는 매일 또는 시간대별로 변화가 있게 되고 이러한 다양한 파고의 변화에 따라 파력발전기의 발전 효율 또한 불규칙하게 변할 수밖에 없는 한계가 있었으며 부유체(40)와 고정된 구동로드(30)에 따라 파고가 높을 때는 상하이동거리가 커져서 발전효율이 높으나 파고가 낮으면 자연스럽게 발전효율이 떨어지는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 다음과 같이 해결하였다.
부유체(40)는 해수면 위에 부력으로 인해 부유되는 상태를 유지하되 파고에 따라 상하로 이동할 때 즉, 부력에 의해 상승할 때에도 발전기(60)에 동력이 형성되도록 함은 물론 하강시에도 부유체(40)가 가지고 있는 하중에 따라 하강하면서 발전기(60)에 동력을 발생시켜 전달할 수 있도록 하중부가재를 부설하였다.
도 10에 도시된 것처럼, 상기 하중부가재는 내부에 통 구조의 부유체(40) 내부의 하부에 타설되는 콘크리트체(41)나 부유체(40)의 내부와 외부 중 일측 이상에 적용되는 중량이 무거운 금속의 중량추일 수 있다.
특히 부유체(40) 하부나 구동로드(30) 말단부에 무게추를 부가하는 경우에는 착탈이 가능한 구조로 하여 파도의 파고의 크기에 따라 적합하게 그 중량을 조정하여 착탈할 수 있도록 하여 발전 효율을 높일 수 있도록 하였다.
물론, 이러한 하중에 의한 부유체(40)의 하강방향에서의 발전기능을 얻는 반면 파고의 변화에 따른 부유체(40)의 상 방향 운동을 원활하게 하기 위해 구동로드(30)와 지주체(10) 사이에 인장스프링(도시하지 않음)을 부가하여 부유체(40)의 상승기능을 보조할 수 있도록 할 수 있다.
부유체(40)는 구형태인 경우 해수면과의 접지면을 넓게 하기 위하여 부력보조판(42)을 부가할 수 있다.
부력보조판(42)은 부유체(40)의 둘레부에 돌출 형성되어 부유체(40)의 부유를 도와준다.
구동추(50)는 구동축(20)을 기준으로 하여 부유체(40)(지레원리의 힘점)의 반대쪽(지레원리에서 작용점)에 배치되며, 구동로드(30)를 통해 설치되거나 구동로드(30)에 연결되는 별도의 연결로드를 통해 설치된다. 2가지 방식 모두 구동축(20)을 기준으로 하여 부유체(40)까지의 거리는 구동추(50)까지의 거리보다 길다. 즉, 구동추(50)는 부유체(40)의 상하운동을 회전력으로 변환할 수 있도록 하여 구동축(20)의 회전을 통해 회전하는 모든 방식이 가능한 것이다. 즉, 구동축(20)과 일체화되어 회전력을 직접 전달할 수 있도록 구성되는 모든 구조가 포함된 의미로 해석되어져야 할 것이다.
전자의 경우 구동로드(30)는 양쪽 단부의 사이에 구동축(20)이 설치되며, 후자의 경우 구동로드(30)와 별도의 연결로드는 구동축(20)의 회전하우징(21)에 각각 고정된다.
구동로드(30)를 부유체(40)가 연결되는 제1구동부(30-1), 구동추(50)가 연결되는 제2구동부(30-2)로 구분한다.
구동추(50)가 설치되는 제2구동부(30-2)는 하중에 의한 꺽임을 방지하기 위한 완충장치가 적용된다.
상기 완충장치는 불규칙적으로 파도의 파고가 급격히 커질 경우 발전기(60)의 안정적인 구동을 유지할 수 있도록 한 안전장치로서, 완충스프링(37)이다.
제2구동부(30-2)는 2부분으로 분할되며 이들 사이에 완충스프링(36)이 설치된다.
제1구동부(30-1)는 앞서 구동로드(30)를 설명하면서 신축수단이 구성된 신축형인 것으로 설명하였으며, 제2구동부(30-2)도 전술한 구성과 동일한 방식을 통해 신축수단이 구성된 신축형으로 구성된다.
구동추(50)는 받침점의 구동축(20)을 중심으로 하여 시소운동하고 이 시소운동을 발전기(60)에 전달하여 발전이 이루어지도록 한다.
발전기(60)는 파고에 따른 부유체(40)의 상승과 하강을 구동로드(30)를 통해 회전운동으로 전달받아 전기를 생산하는 것이며, 공지의 제품을 이용한다.
예를 들어, 도 1처럼 리니어 발전기의 경우 리니어 발전기의 발전기(60)는 구동추(50)의 시소운동 경로를 제공하는 곡선형으로 구성될 수 있고, 하나 이상의 고정브래킷을 매개로 하여 지주체(10)에 고정되어, 구동추(50)의 시소 운동에 의해 리니어 발전기가 전기를 생산한다.
또는, 도 11에서처럼, 지주체(10)에 구동축(20)을 기준으로 하여 상부와 하부에 각각 상부측 발전기(61)와 하부측 발전기(62)를 설치하고, 구동추(50)와 상하부측 발전기(61,62)는 구동추(50)의 시소운동을 상하부측 발전기(61,62)의 회전운동으로 전달하도록 연결되며, 예를 들어, 구동추(50)의 상부에서부터 상부측 발전기(61)와 하부측 발전기(62)를 경유한 후 구동추(50)의 하부까지 동력전달부재(63)(벨트, 체인 등)가 설치되어, 구동추(50)의 시소운동 시 동력전달부재(63)가 일정한 궤적을 따라 양방향으로 이동하게 되어 상하부측 발전기(61,62)에 회전력을 전달함으로써 상하부측 발전기(61,62)가 전기를 발전한다.
동력전달부재(63)와 상하부측 발전기(61,62)의 발전축을 직접 연결(동력전달이 가능하도록 연결)하는 직접 전달식, 도 12처럼 동력전달부재(63)의 경로를 만들고 동력전달부재(63)의 양방향 이동에 의해 회전하는 상하부측 풀리(64,65)와 상하부측 발전기(61,62)를 연결(벨트, 체인, 기어 등)하여 동력전달부재(63)의 양방향 이동을 간접적으로 전달하는 간접 전달식 모두가 가능하다. 이때 동력전달부재(63)의 장력을 조절하기 위해 통상의 턴버클 형태의 기능을 갖는 장력조정장치(33)를 구동추(50)가 연결된 제2구동부(30-2)에 구성하도록 하였다.
또한, 동력전달부재(63)를 상하부측 발전기(61,62)를 함께 운용하는 경우 상부측 발전기(61)에 연결되는 상부측 동력전달부재, 하부측 발전기(62)에 연결되는 하부측 동력전달부재로 구분하여 상부측 발전기(61)와 하부측 발전기(62)를 독립적으로 구동시켜 정방향 구동과 역방향 구동에 따른 관성에 따라 구동력 장애가 발생되지 않도록 하였다. 물론, 상하부측 발전기(61,62)와 결합된 기어나 풀리에는 한 방향으로만 기능하록 한 라쳇기능을 적용하여 정해진 다른 방향에서는 동력전달이 되지 않도록 할 필요가 있다. 물론, 동일한 기능을 확보할 수 있는 다른 방식, 즉 전자클러치를 이용하여 동력전달 시기에만 전자클러치가 작동되도록 할 수도 있다. 또한, 상부측 발전기(61)와 하부측 발전기(62)를 함께 구성하지 않고 단일 발전기를 구성하여 운용 할 수도 있음은 당연하다.
그리고, 동력전달부재(63)를 통한 동력전달 과정에서 벨트구동용 뿔리나 기어 등의 회전비율을 통상적으로 조정하여 발전기(60)의 회전수를 증가시켜 전기생산이 원활히 할 수 있도록 하되 별도의 증속기를 연결하여 발전기(60)에서 필요한 회전수를 확보할 수 있도록 할 수도 있다.
동력전달부재(63)의 경로에는 하나 이상의 가이드부재(풀리 등)가 구성된다. 물론, 도2에서와 같이 구동축(20)에 통상의 동력전달용 카프링 등을 체결한 발전기(60)를 회동시켜 전기를 생산하게 할 수도 있음은 당연하다.
도 13에서 보이는 것처럼, 상부측 발전기(61)와 하부측 발전기(62)를 프레임을 통해 지주체(10)에 설치하고, 상부측 발전기(61)와 하부측 발전기(62) 사이에 공간을 확보하여 에너지 저장부(66)로서 예컨대 ESS(Energy Storage System)를 설치하도록 구성한다.
상하부측 발전기(61,62)와 에너지 저장부(66)는 송전케이블(67)을 통해 연결되어 상하부측 발전기(61,62)에서 발전한 전기를 에너지 저장부(66)에 저장하고, 에너지저장부(66)는 출력단자(68)를 구성하여 저장한 전력을 공급한다. 에너지 저장부(66)의 구성은 이에 한정되지 아니하고 플랜트를 설치한 대용량 설비의 경우에는 독립된 장소에 별도의 대용량 ESS 설비를 구성하도록 함은 당연하다.
도 14는 동력전달부재를 기어형태로 한 예를 도시한 것이며, 구동추(50)에는 곡선형으로 래크(51)를 형성하고, 래크(51)에 피니언(52)을 치합하여 피니언(52)의 회전력을 발전기(60)에 전달한다. 여기서, 피니언(52)과 발전기(60)의 발전축을 치합하는 직접 전달식, 피니언(52)과 발전기(60)의 발전축 사이에 다른 동력전달부재(기어, 벨트, 체인 등)를 추가로 적용하는 간접 전달식이 가능하다.
발전기(60)와 결합된 기어나 풀리에는 한 방향으로만 기능하록 한 라쳇기능을 설치하거나 앞서 기술한 바와 같이 전자클러치를 적용하여 정해진 다른 방향에서는 동력전달이 되지 않도록 할 필요가 있다.
발전기(60)는 충분한 하중을 갖는 플라이휠을 설치하여 구동추(50)의 구동에 따라 플라이휠의 회전관성에 따라 발전기가 연속회전이 가능하도록 하는 것도 가능하다. 물론 벨트 구동일 경우 풀리의 하중을 충분히 늘려 플라이휠의 기능을 겸하여 구동할 수 있도록 할 수도 있다.
도 15에서 보이는 것처럼, 발전기(60)기는 해수침투에 의한 절연 파괴를 미연에 방지할 수 있도록 너셀(64) 내부에 설치하도록 하며 너셀(64) 내부에는 압축공기를 주입하여 항상 대기압 이상을 유지하도록 함으로써 해수 침투를 방지하도록 하였다. 이 때, 발전기(60)의 샤프트와 케이블은 너셀(64) 내부와 외부를 관통하며, 이와 같은 관통부분은 해수의 침투가 이루어지지 못하도록 수밀하게 처리되고, 예를 들어 메커니컬 씰 등이 사용된다. 또한, 압력계(65)를 설치하여 너셀(64) 내부의 압력을 감시할 수 있도록 하였으며 자동센서를 설치하여 대체적으로 대기압보다 약간 높은 0.3KG/CM2 내외의 압력을 항시 유지할 수 있도록 조정하여 운용되도록 하였다.
도 16에서 보이는 바와 같이, 발전기(60)와 구동축(20) 및 구동추(50)는 지주체(10)와 함께 부유구조체(70)를 통해 설치될 수 있다.
부유구조체(70)는 해수면에 부유하는 구조체로서 탱크형태이면서 내부에 에어 등이 충진되거나 폼 계열의 블록 형태일 수 있고, 하나 이상 바람직하게 2개로 의 지주체(10)를 통해 설치되며 예컨대 바닥부에 발전기(60)와 구동축(20)(베어링을 통해 설치)이 설치된다.
부유구조체(70)는 수위 변화에 대응할 수 있도록 지주체(10)에 승강 가능하게 연결되며 지주체(10)는 부유구조체(70)를 관통하여 충분한 길이로 고정된 지지유도관(73) 내부에 삽입되어 설치되도록 하였다. 이러한 구성을 통해 해수면에서 발생되는 높은 파도에서도 지주체(10)가 지지유도관(73) 내부에서 상호 마찰과 지지를 통해 해수면에서의 높은 파도에서도 부유구조체(70)가 흔들림없이 평형상태를 유지할 수 있도록 기능하게 하였다.
또한, 이와 같은 구조는 1세트{세트는 각각 1개씩의 구동축(20), 구동로드(30), 부유체(40), 구동추(50), 발전기(60)} 이상이 구성 가능하다.
2세트 이상이 적용되는 경우 이웃하는 것들끼리 간섭을 일으키지 않도록 도 17에서 보이는 것처럼, 구획벽(71)이 구성된다.
구획벽(71)은 바람직하게 부유체(40)의 좌우 양쪽에 각각 배치되며 일측이 부유구조체(70)에 고정되어 부유구조체(70)에서부터 부유체(40)까지 벽을 형성한다. 이 때, 부유체(40)의 흔들림으로 인한 구획벽(71)과의 충돌을 막고 부유체(40)의 안정적인 승강을 위하여 구획벽(71)에는 가이드돌기(72)가, 부유체(40)에는 가이드홈(43)이 형성되며, 부유체(40)는 가이드홈(43)과 가이드돌기(72)를 통해 구획벽(70)에 지지된 상태로 승강함으로써 강한 바람이나 파도가 발생하여도 한쪽으로 쏠리거나 요동치지 않는다. 가이드돌기(72)와 가이드홈(43)은 부유체(40)의 승강을 위한 가이드수단인 것이다.
본 발명은 부유체(40)가 수직 상하 운동을 하는데 반해, 구동로드(30)가 지렛대 운동을 하므로 구동축(20)을 기준으로 하여 부유체(40)간의 수직이동 거리가 달라지며, 이와 같은 운동을 위하여 도 18과 도 19에서 보이는 것처럼, 구동로드(30)와 부유체(40)는 슬라이딩 가능하도록 부유체(40)에는 슬라이딩홀(44)이 구성되고, 구동로드(30)는 이 슬라이딩홀(44)에 슬라이딩 가능하게 연결된다. 슬라이딩홀(44)은 전후방향의 슬라이딩을 위하여 전후방향을 따라 길게 형성됨과 아울러 다양한 각도 변화에도 맞출 수 있도록 상하 종방향을 따라 긴 장공 형태로 형성된다. 물론, 구동로드(30)가 부유체(40)에서 빠지지 않도록 슬라이딩홀(44)의 입구에는 이탈방지판(45)이 형성되고 구동로드(30)의 단부에는 슬라이딩홀(44) 안에서 슬라이딩하는 한편 이탈방지판(45)에 걸려 슬라이딩홀(44)에서 이탈되지 못하는 걸림턱(34)이 구성된다. 걸림턱(34)은 일체형과 조립형 모두가 가능하다.
도 20은 에너지 저장부(66)를 에너지 운반선(67)에 탑재하여 운용하는 예를 도시한 것으로, 균형 유지를 위하여 에너지 운반선(67)의 양쪽에 부유구조체(70)를 각각 설치하여 운용한다. 에너지 운반선(67)은 선두가 유선형이다.
에너지 저장부(66)와 함께 사용되는 전기장치들은 부유구조체(70)와 에너지 저장부(66)의 적재적소에 설치된다.
도 21과 도 22에서 보이는 것처럼, 부유체(40)는 바람이 강하게 부는 해상에 설치하게 되어 바람의 저항을 많이 받게 되는 환경에 놓여 있으며, 바람에 의한 영향을 최소화하기 위해 부유체(40)를 유선형 형태로 하거나 부유체(40)에 하나 이상의 통기구(46)를 형성하여 바람의 통로를 형성시켜주는 형태를 갖게 할 수도 있다.
한편, 부유체(40)의 승강 운동을 구동로드(30)를 매개로 하여 구동추(50)와 발전기(60)에 전달하지 않고 도 23에서 보이는 것처럼, 도르래(46)와 와이어(47)를 이용하여 전달하는 것도 가능하다. 지주체(10)에 브래킷(48)을 통해 도르래(46)를 설치하고, 와이어(47)를 도르래(46)에 감고 일측을 구동로드(30)에 고정하고 타측을 부유체(40)에 고정하여 부유체(40)의 승강을 통해 구동로드(30)를 시소 운동시킨다.
브래킷(48)은 지주체(10)를 기준으로 하여 도르래(46)를 거리를 조절함으로써 구동축(20)을 기준으로 하여 부유체(40)의 거리를 조절하도록 신축형으로 구성된다. 브래킷(48)의 신축 방식은 전술한 구동로드(30)의 신축방식과 동일하다.
다른 방법으로서, 구동로드(30)를 사용하지 않고 발전기(60)의 발전축에 되감기용 스프링을 내장한 롤러를 설치하고 로프(47)의 일측을 결합하여 단일방향(즉, 부유체가 파도에 따라 상승할 때 발생되는 부력이 발생하는 방향)에서 발전기(60)를 구동시키는 형태도 고려될 수 있다.
도 24는 하나의 지주체(10)에 다수 셋트의 발전모듈{각각 하나씩으로 구성되는 구동축(20), 구동로드(30), 부유체(40), 구동추(50)}과 하나의 발전기(60)가 조합된 예를 도시한 것이며, 지주체(10)는 다수의 다리(15)와 이들 다리(15) 위에 설치되는 바닥판넬(16) 및 다리(15)들을 지지하는 브레이싱 등으로 구성된다.
다수의 발전모듈은 하나의 발전기(60)와 연결되어 발전기(60)의 발전 동작이 이루어지도록 한다.
10 : 지주체, 20 : 구동축
30 : 구동로드, 40 : 부유체
50 : 구동추, 60 : 발전기
70 : 부유구조체,

Claims (15)

  1. 해상에서 해저의 지반이나 구조물에 고정되거나 육상과 구조물을 통해 연결되어 고정되는 지주체와;
    상기 지주체에 형성되는 지렛점용 구동축과;
    상기 구동축에 지렛대 형태로 형성되는 구동로드와;
    상기 구동로드의 일측에 결합되는 부유체와;
    상기 구동로드의 시소운동을 통해 전기를 발생하는 하나 이상의 발전기를 포함하고,
    상기 구동로드는 신축형으로 구성되어 파고의 높이에 따라 상기 구동축을 기준으로 하여 상기 부유체의 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  2. 해저의 지반이나 육상에 고정되는 지주체와;
    상기 지주체에 형성되는 지렛점용 구동축과;
    상기 구동축에 지렛대형으로 형성되는 구동로드와;
    해수면에 부유하는 부유체와;
    상기 부유체와 상기 구동로드에 연결되며 상기 부유체의 승강을 상기 구동로드의 시소운동으로 전달하는 로프와;
    상기 구동로드의 시소운동을 전달받아 전기를 발생하는 하나 이상의 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 구동로드의 단부로서 상기 구동축을 중심으로 하여 상기 부유체의 반대쪽 단부에 형성되며 상기 부유체와 반대로 시소 운동하여 기계적인 구동을 상기 발전기에 전달하여 발전이 이루어지도록 하는 구동추를 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 부유체에 부가되어 수위 변화에 따른 상기 부유체의 원활한 동작을 유도하는 하중부가재를 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 부유체의 둘레부에 돌출 형성되며 해수와의 접지 면적을 확대하는 부력보조판을 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 구동로드는 2개 이상이 신축 가능하게 연결되는 한편 신축수단을 통해 신축되어 상기 구동축을 기준으로 하여 상기 부유체의 거리를 조절하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 구동로드는 상기 구동축에 연결되는 고정측 구동로드 및 상기 고정측 구동로드에 각도 조정 가능하게 연결되며 상기 부유체와 직간접적으로 연결되는 가동측 구동로드에 의해 상기 부유체의 각도를 조정하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 구동로드는 완충장치를 통해 상기 부유체로부터 전달되는 충격을 흡수하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  9. 청구항 3에 있어서, 상기 구동추는 동력전달부재를 매개로 하여 상기 발전기와 연결되어 상기 발전기를 구동하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  10. 청구항 3에 있어서, 상기 발전기는 상기 구동축을 기준으로 하여 상부와 하부에 각각 설치되는 상부측 발전기와 하부측 발전기로 이루어지며, 상기 상부측 발전기 및 하부측 발전기는 하나의 동력전달부재를 통해 상기 구동추와 연결되어 구동하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 발전기는 내부에 에어가 일정 압력으로 충진되어 수밀성을 유지하는 너셀의 내부에 장착되어 보호되는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 지주체에 고정되며 상기 부유체의 둘레부에 세워지는 구획벽을 포함하고, 상기 부유체는 가이드수단을 통해 상기 구획벽에 승강 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 부유체는 상기 구동로드가 전후진 및 각도 조정 가능하게 연결되는 슬라이딩홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 부유체는 양측이 외부와 통하는 하나 이상의 통기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
  15. 청구항 1에 있어서, 해수면에 부유하는 구조체로서 내부에 부력재가 충진되는 탱크 형태이거나 폼 계열의 블록 형태이며 하나 이상의 지주체를 통해 수위에 따라 승강 가능하게 설치되고 상기 구동축이 설치되는 부유구조체를 포함하는 것을 특징으로 하는 지렛점 구동축을 이용한 파력 가변형 발전장치.
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