KR20210066531A - 파력에너지 변환장치 - Google Patents

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Abstract

파력에너지 변환장치는, 해수면에 부유하며 파도에 의해 승강하는 부유체(10)와; 부유체(10)의 양측에 각각 연결되어 부유체(10)의 승강운동을 회전운동으로 변환하는 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와; 동축상에 배치되어 상호 반대방향으로 회전하는 주동축(21) 및 종동축(23, 25)을 구비하고 주동축(21) 및 종동축(23, 25) 사이에서 입력되는 회전력을 반전시켜 전달하는 반전회전기구(20, 20')와; 부유체(10)의 승강운동을 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)를 통해 회전력으로 전달받아 주동축(21) 및 종동축(23, 25)에 전달하는 제1, 2일방향클러치(80, 90)와; 해저에 설치되어 상기 반전회전기구(20, 20')를 지지하는 구조물(5);을 포함한다. 두 개의 제1일방향클러치(80)는 주동축(21)에 인접하게 장착되고, 두 개의 제2일방향클러치(90)는 종동축(23, 25)에 인접하게 장착된다.

Description

파력에너지 변환장치{WAVE ENERGY CONVERTER}
본 발명은 파력에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 파력에너지 변환장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 반전회전기구(CRP: Counter-Rotating Propeller)를 이용하여 파력에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 파력에너지 변환장치에 관한 것이다.
일반적인 발전방법에는 수력을 이용한 수력발전, 화석연료를 이용한 화력발전, 원자력을 이용한 원자력발전 등이 있다.
이러한 발전방법들은 대규모의 발전설비와 발전설비를 가동시키기 위한 막대한 양의 에너지원을 필요로 하며 설치장소에 제약이 따른다.
특히 화력발전에 이용되는 석유나 석탄 등의 화석연료는 자원 고갈의 문제를 야기시키며, 각종 공해물질을 발생시켜 환경 친화적이지 않다는 문제가 있다.
이러한 문제를 줄이기 위해, 최근에는 태양열, 조력, 파력, 풍력 및 수력 등의 자연에너지를 이용한 친환경적인 에너지원을 활용하는 발전방법들이 널리 개발되어 적용되고 있다.
이러한 발전방법 중에서 파력발전이란 파력에너지를 이용하는 발전을 말한다. 본 발명과 유사한 메커니즘을 갖는 파력에너지 변환장치로는 본 발명자가 제안한 한국 등록특허 제10-1101360호(파력에너지 변환장치)가 있으며, 본 발명은 이를 더 효율적으로 개선한 것이다.
본 발명의 목적은 구조적으로 안정되고 파력에너지를 효율적으로 기계적 에너지로 변환할 수 있는 파력에너지 변환장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 파력에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 파력에너지 변환장치에 있어서, 해수면에 부유하며 파도에 의해 승강하는 부유체(10); 상기 부유체(10)의 양측에 각각 연결되어 상기 부유체(10)의 승강운동을 회전운동으로 변환하는 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d); 제1방향으로 회전하는 주동축(21)과, 상기 주동축(21)과 동축상에 배치되며 상기 주동축(21)의 회전방향과 반대되는 제2방향으로 회전하는 종동축(23, 25)과, 상기 주동축(21)과 일체로 회전하는 주동부재(27)와, 상기 주동부재(27)의 회전을전달받는 전동유니트(30)와, 상기 전동유니트(30)의 회전을 반전시키는 반전유니트(40)와, 상기 반전유니트(40)의 회전을 전달받으며 상기 종동축(23, 25)과 일체로 회전하는 종동부재(51, 55)를 갖는 반전회전기구(20, 20'); 상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 어느 하나에 따라 상기 제1링크부재(15a, 15b)에 의해 발생하는 회전력을 상기 주동축(21)에 전달하는 제1일방향클러치(80)와, 상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 다른 하나에 따라 상기 제1링크부재(15a, 15b)에 의해 발생하는 회전력을 상기 종동축(23, 25)에 전달하는 제2일방향클러치(90); 상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 상기 다른 하나에 따라 상기 제2링크부재(15c, 15d)에 의해 발생하는 회전력을 상기 주동축(21)에 전달하는 제1일방향클러치(80)와, 상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 상기 어느 하나에 따라 상기 제2링크부재(15c, 15d)에 의해 발생하는 회전력을 상기 종동축(23, 25)에 전달하는 제2일방향클러치(90); 해저에 설치되어 상기 반전회전기구(20, 20')를 지지하는 구조물(5);을 포함하고, 상기 주동축(21) 및 상기 종동축(23, 25) 중 어느 하나를 통해 상기 회전력이 출력되고, 상기 두 개의 제1일방향클러치(80)는 상기 주동축(21)에 인접하게 장착되고, 상기 두 개의 제2일방향클러치(90)는 상기 종동축(23, 25)에 인접하게 장착되는 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치가 제공된다.
상기 전동유니트(30)는 복수로 마련되어 상기 주동부재(27)를 중심으로 방사상으로 배치되고, 상기 반전유니트(40)는 복수로 마련되어 상기 복수의 전동유니트930) 사이에서 상기 종동축(23, 25)을 중심으로 방사상으로 배치될 수 있다.
상기 복수의 전동유니트(30) 각각은, 전동축(31)과; 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 주동부재(27)의 회전을 전달받는 제1전동부재(33)와; 상기 제1전동부재(33)에 인접되게 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제2전동부재(35)와; 상기 제1전동부재(33)를 사이에 두고 상기 제2전동부재(35)와 대향하도록 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제3전동부재(37)를 포함하고, 상기 복수의 반전유니트(40) 각각은, 반전축(41)과; 상기 제2전동부재(35)와 대응하는 위치에서 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제2전동부재(35)의 회전을 반전시키는 제1반전부재(43)와; 상기 제1반전부재(43)에 인접되게 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제1반전부재(43)와 일체로 회전하는 제2반전부재(45)와; 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제3전동부재(37)의 회전을 반전시키는 제3반전부재(47)와; 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제3반전부재(47)와 일체로 회전하는 제4반전부재(49)를 포함하고, 상기 종동부재(51, 55)는, 상기 제2반전부재(45)의 회전을 전달받는 제1종동부재(51)와; 상기 제4반전부재(49)의 회전을 전달받는 제2종동부재(55)를 포함하고, 상기 종동축(23, 25)은, 상기 제1종동부재(51)와 일체로 회전하는 제1종동축(23)과; 상기 제2종동부재(55)와 일체로 회전하는 제2종동축(25)을 포함할 수 있다.
상기 복수의 전동유니트(30) 각각은, 전동축(31)과; 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 주동부재(27)의 회전을 전달받는 제1전동부재(33)와; 상기 제1전동부재(33)에 인접되게 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제2전동부재(35)를 포함하고, 상기 복수의 반전유니트(40) 각각은, 반전축(41)과; 상기 제2전동부재(35)와 대응하는 위치에서 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제2전동부재(35)의 회전을 반전시키는 제1반전부재(43)와; 상기 제1반전부재(43)에 인접되게 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제1반전부재(43)와 일체로 회전하는 제3반전부재(47)와; 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제1, 3반전부재(43, 47)와 일체로 회전하는 제2반전부재(45)를 포함하고, 상기 종동부재(51, 55)는, 상기 제2반전부재(45)의 회전을 전달받는 제1종동부재(23)와; 상기 제3반전부재(47)의 회전을 전달받는 제2종동부재(55)를 포함하고, 상기 종동축(23, 25)은, 상기 제1종동부재(51)와 일체로 회전하는 제1종동축(23)과; 상기 제2종동부재(55)와 일체로 회전하는 제2종동축(25)을 포함할 수 있다.
상기 주동축(21)과 상기 종동축(23, 25)은 상대 회전 가능하게 끼워질 수 있다.
상기 두 개의 제1일방향클러치(80)는 상기 주동축(21)의 양단부 중 적어도 어느 일측에 장착되고, 상기 두 개의 제2일방향클러치(90)는 상기 종동축(23, 25) 중 적어도 어느 하나에 장착될 수 있다.
상기 반전회전기구(20, 20')는 복수개로 마련되어 직렬로 연결될 수 있다.
상기 부유체(10)는 일체로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 부유체의 승강운동을 대칭 구조의 링크부재와 반대방향으로 회전력을 전달하는 제1, 2일방향클러치와 반전회전기구를 거쳐 출력축에 전달함으로써, 파도의 승강에 의한 파력에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
또한, 기어열의 모듈화가 가능하고 하나의 출력축으로 모든 회전력을 전달할 수 있으므로, 콤팩트한 구조로 높은 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.
또한, 하나의 부유체(10)의 승강운동이 양측의 제1링크부재(15a, 15b)와 제2링크부재(15c, 15d)와 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90)을 통해 이중으로 회전력으로 변환되므로 회전력을 배가할 수 있다.
또한, 제1링크부재(15a, 15b)와 제2링크부재(15c, 15d)가 양쪽에서 대칭적으로 하나의 부유체(10)에 연결되므로 안정적으로 부유체(10)를 지지할 수 있다.
또한, 구조물과 반전회전기구가 해저에 설치되므로 구조물의 크기를 줄일 수 있고, 태풍처럼 강한 바람과 높은 파도의 영향을 최소화하여 구조물의 안정성을 높일 수 있다.
또한, 부유체의 지지와 구조물의 구조가 안정됨에 따라 복수의 부유체의 일체화가 용이하고, 특히 선박과 같은 대형 부유체의 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 파력에너지 변환장치의 개략 측면도.
도 2는 도 1의 파력에너지 변환장치의 요부 개략 사시도.
도 3은 도 1의 파력에너지 변환장치의 개략 평면도.
도 4는 도 1의 파력에너지 변환장치의 반전회전기구의 종단면도.
도 5는 도 4의 반전회전기구의 분해 사시도.
도 6은 도 4 및 도 5의 종동부재와 반전부재의 맞물림상태를 도시한 도면.
도 7은 도 4 및 도 5의 전동부재와 반전부재의 맞물림상태를 도시한 도면.
도 8은 도 4 및 도 5의 주동부재와 전동부재의 맞물림상태를 도시한 도면.
도 9는 반전회전기구의 다른 실시예를 나타낸 종단면도.
도 10은 도 9의 제2종동부재와 반전부재의 맞물림상태를 도시한 도면.
도 11은 도 1의 파력에너지 변환장치의 제1일방향클러치의 개략 단면도.
도 12는 도 1의 파력에너지 변환장치의 제2일방향클러치의 개략 단면도.
이하, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 파력에너지 변환장치를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 서로 다른 실시예들을 설명할 때 동일하거나 유사한 구성요소들에는 동일한 참조번호가 부여되었으며, 필요에 따라 반복 설명을 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력에너지 변환장치의 개략 측면도이고, 도 2는 도 1의 파력에너지 변환장치의 요부 개략 사시도이고, 도 3은 도 1의 파력에너지 변환장치의 개략 평면도이다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 파력에너지 변환장치는 부유체(10)와, 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와, 반전회전기구(20)와, 제1 및 제2일방향클러치(80, 90)를 포함한다.
부유체(10)는 일정한 부력을 유지하면서 해수면에 부유하며, 파도에 의해 승강한다. 부유체(10)는 스티로폼 또는 폴리우레탄과 같이 해수보다 밀도가 낮은 고형 부력재를 충진한 통이거나 내부가 비어있는 밀폐된 통으로 이루어지며, 설계상 필요에 따라 선박으로 이루어질 수도 있다.
제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)는 부유체(10)와 반전회전기구(20) 사이에 설치되고, 부유체(10)의 승강운동을 반전회전기구(20)에 전달한다. 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d) 중 상부 링크부재(15b, 15d)는 그 상단부에서 부유체(10)의 양측에 각각 연결되고 그 하단부에서 하부 링크부재(15a, 15c)의 상단부에 각각 힌지부(17)를 통해 회전 가능하게 연결된다.
제2링크부재(15c, 15d)의 하부 링크부재(15c)는 그 하단부에서 인접 배치된 네 개의 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90) 중 중앙에 배치된 두 개의 제1, 2일방향클러치(80, 90)에 연결된다. 제1링크부재(15a, 15b)의 하부 링크부재(15a)는 그 하단부에서 두 개의 가지로 갈라져서 네 개의 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90) 중 외곽에 배치된 두 개의 제1, 2일방향클러치(80, 90)에 연결된다.
부유체(10)의 승강운동이 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90)를 거쳐 반전회전기구(20)에 의해 회전운동으로 변환되는 메커니즘에 대해서는 후술하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 한 쌍의 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)가 반전회전기구(20)의 입력단 및 출력단에 각각 대칭으로 배치되어 있다. 이러한 구성에 의해, 반전회전기구(20)의 출력을 배가시킬 수 있다.
반전회전기구(20)는 해저에 고정된 구조물(5) 위에 설치되어 있다.
도 4 내지 도 8에는 본 발명의 실시예에 따른 반전회전기구(20)가 도시되어 있다.
반전회전기구(20)는 주동축(21)과, 종동축(23, 25)과, 주동부재(27)와, 전동유니트(30)와, 반전유니트(40)와, 종동부재(51, 55)와, 케이싱(61)을 포함한다. 본 실시예에 따른 반전회전기구(20)는 유동방지부(75)를 더 포함할 수 있다.
주동축(21)은 양측 단부에서 케이싱(61)의 제1, 2패널(63, 69)에 회전 가능하게 지지된다.
종동축(23, 25)은 제1패널(63)에 회전 가능하게 지지되는 제1종동축(23)과, 제2패널(69)에 회전 가능하게 지지되는 제2종동축(25)을 포함한다. 제1종동축(23) 및 제2종동축(25)은 반전회전기구(20)의 입력단 및 출력단에 각각 대칭으로 배치된다. 제1, 2종동축(23, 25)은 중공형으로 되어 있고, 주동축(21)과 동심으로 서로 상대 회전 가능하게 끼워져 있다.
주동부재(27)는 주동축(21)에 연결되어 주동축(21)과 일체로 회전한다. 주동부재(27)는 주동축(21)과 별도로 제작되어 키결합이나 열박음과 같은 공지된 방법에 의해 주동축(21)에 결합되는 것이 바람직하지만, 설계상 필요에 따라 주동축(21)과 일체로 형성될 수도 있다.
전동유니트(30)는 복수의 전동축(31)과, 복수의 제1전동부재(33)와, 복수의 제2전동부재(35)와, 복수의 제3전동부재(37)를 포함한다.
복수의 전동축(31)은 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치되고, 각각 양측 단부에서 케이싱(61)의 제1, 2패널(63, 69)에 회전 가능하게 지지된다. 도 5에는 세 개의 전동축(31)이 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된 예가 도시되어 있다(또한 도 8 참조).
복수의 제1전동부재(33)는 주동부재(27)와 연결되도록 복수의 전동축(31)에 각각 결합되어 전동축(31)과 일체로 회전한다. 복수의 전동축(31)이 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치됨에 따라, 복수의 제1전동부재(33)도 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다.
복수의 제2전동부재(35)는 복수의 제1전동부재(33)와 인접하게 복수의 전동축(31)에 각각 결합되어 복수의 전동축(31)과 일체로 회전한다. 복수의 제2전동부재(35)도 복수의 제1전동부재(33)와 마찬가지로 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다.
복수의 제3전동부재(37)는 제1전동부재(33)를 사이에 두고 제2전동부재(35)의 반대편에서 복수의 전동축(31)에 각각 결합되어 복수의 전동축(31)과 일체로 회전한다. 복수의 제3전동부재(37)도 복수의 제1전동부재(33)와 마찬가지로 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다.
반전유니트(40)는 전동유니트(30)와 반전 회전하는 것으로서, 복수의 반전축(41)과, 복수의 제1반전부재(43)와, 복수의 제2반전부재(45)와, 복수의 제3반전부재(47)와, 복수의 제4반전부재(49)를 포함한다.
복수의 반전축(41)은 복수의 전동축(31) 사이에서 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치되고, 각각 양측 단부에서 케이싱(61)의 제1, 2패널(63, 69)에 회전 가능하게 지지된다.
복수의 제1반전부재(43)는 복수의 제2전동부재(35)와 각각 연결되도록 복수의 반전축(41)에 각각 결합되어 반전축(41)과 일체로 회전하며, 제2전동부재(35)와 반전 회전한다. 복수의 반전축(41)이 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치됨에 따라, 복수의 제1반전부재(43)도 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다. 복수의 제1반전부재(43)는 복수의 제2전동부재(35)와 서로 쌍을 이루므로, 제2전동부재(35)의 개수가 셋이라면 제1반전부재(43)의 개수도 셋이 되어 서로 연결된다(도 7 참조).
복수의 제2반전부재(45)는 복수의 제1반전부재(43)에 인접하게 복수의 반전축(41)에 각각 결합되어 복수의 반전축(41)과 일체로 회전한다. 복수의 제1반전부재(43)와 마찬가지로 복수의 제2반전부재(45)도 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다.
복수의 제3반전부재(47)는 복수의 제3전동부재(37)와 각각 연결되도록 복수의 반전축(41)에 각각 결합되어 복수의 반전축(41)과 일체로 회전하며, 제3전동부재(37)와 반전 회전한다. 복수의 제1반전부재(43)와 마찬가지로 복수의 제3반전부재(47)도 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다.
복수의 제4반전부재(49)는 복수의 제3반전부재(47)에 인접하게 복수의 반전축(41)에 각각 결합되어 복수의 제3반전부재(47)와 일체로 회전한다. 복수의 제3반전부재(47)와 마찬가지로 복수의 제4반전부재(49)도 주동축(21)을 중심으로 방사상으로 대칭 배치된다.
종동부재(51, 55)는 복수의 제2반전부재(45)의 중앙에 배치되어 제1종동축(23)의 회전을 복수의 제2반전부재(45)에 전달하는 제1종동부재(51)와, 복수의 제4반전부재(49)의 중앙에 배치되어 복수의 제4반전부재(49)의 회전을 제2종동축(25)에 전달하는 제2종동부재(55)를 포함한다.
제1종동축(23)은 제1종동부재(51)의 중심에 배치되어 제1종동부재(51)와 일체로 회전하고, 제2종동축(25)은 제2종동부재(55)의 중심에 배치되어 제2종동부재(55)와 일체로 회전한다.
케이싱(61)은 속이 빈 사각 통형상을 가지며, 내부에 주동부재(27), 전동유니트(30), 반전유니트(40) 및 종동부재(51, 55)를 수용한다. 케이싱(61)의 양측을 형성하며 상호 대향 배치된 제1, 2패널(63, 69)은 주동축(21), 종동축(23,25), 전동축(31) 및 반전축(41)의 회전을 지지한다.
제1패널(63)의 중앙 영역에는 제1종동축(23)이 회전 가능하게 결합되는 제1종동축공(65)이 형성되어 있고, 제2패널(69)의 중앙 영역에는 제2종동축(25)이 회전 가능하게 결합되는 제2종동축공(71)이 형성되어 있다. 제1, 2패널(63, 69)의 둘레 영역에는 복수의 전동축(31)과 복수의 반전축(41)이 회전 가능하게 결합되는 복수의 축공(67)이 각각 형성되어 있다.
유동방지부(75)는 주동축(21)과 주동부재(27)의 결합체와 종동축(23, 25)과 종동부재(51, 55)의 결합체 중 적어도 어느 하나에서 발생하는 유동을 방지한다. 이를 위해 유동방지부(75)는 주동부재(27) 및 종동부재(51, 55)의 양 측면에 각각 결합된 링형상의 플랜지(77)와; 플랜지(77)가 삽입되도록 제1전동부재(33)와 제2전동부재(35)의 사이, 제1전동부재(33)와 제3전동부재(37)의 사이, 제1반전부재(43)와 제2반전부재(45)의 사이, 제3반전부재(47)와 제4반전부재(49)의 사이, 제2반전부재(45)와 제1패널(63)의 사이 및 제4반전부재(49)와 제2패널(69)의 사이에 각각 형성된 유동방지홈(79);을 포함한다.
이러한 구성에 의해, 유동방지부(75)는 주동부재(27)와 종동부재(51, 55) 사이의 축 방향 간격을 일정하게 유지할 수 있다.
설계상 필요에 따라, 주동축(21)과 주동부재(27)의 결합체 및 종동축(23, 25)과 종동부재(51, 55)의 결합체 중 어느 한쪽의 유동을 방지하기 위한 플랜지(77)와 유동방지홈(79)은 생략될 수 있다. 또한, 한 쌍의 플랜지(77)와 유동방지홈(79)의 결합 중에서도 어느 한쪽의 것은 생략될 수 있다.
본 실시예에 따른 반전회전기구(20)에 있어서, 상기한 주동부재(27), 각 전동부재(33, 35, 37), 각 반전부재(43, 45, 47, 49), 종동부재(51, 55)는 기어 또는 마찰롤러와 같은 공지된 다양한 동력전달요소를 포함하여 구성될 수 있다. 기어인 경우에는, 평기어, 헬리컬기어 등 다양한 기어가 적용 가능하다.
주동부재(27), 각 전동부재(33, 35, 37), 각 반전부재(43, 45, 47, 49), 각 종동부재(51, 55)의 회전비는 1:1로 할 수 있고, 필요에 따라 다른 비율로 할 수도 있다. 회전비를 1:1로 하는 경우에는, 주동부재(27), 각 전동부재(33, 35, 37), 각 반전부재(43, 45, 47, 49) 및 각 종동부재(51, 55)의 구성을 모두 동일하게 할 수 있으므로 제조공정상 모듈화를 용이하게 구현할 수 있다. 나아가 전동유니트(30)와 반전유니트(40)를 동일하게 구성하여 반대방향으로 배치할 수 있고, 이에 따라, 제조공정상 모듈화를 더욱 용이하게 구현할 수 있다.
주동부재(27), 각 전동부재(33, 35, 37), 각 반전부재(43, 45, 47, 49) 및 각 종동부재(51, 55)는 모두 평행한 회전축들 상에서 회전하므로 간단한 구성으로 용이한 조립이 가능하다.
이하, 본 실시예에 따른 반전회전기구(20)의 작동을, 동력전달요소가 기어인 경우를 예로 하여, 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한다.
도 6을 참조하면, 제1, 2종동부재(51, 55)가 제1종동축(23)과 일체로 반시계방향으로 회전하면 제1, 2종동부재(51, 55)와 맞물려 있는 복수의 제2, 4반전부재(45, 49)는 복수의 반전축(41)과 일체로 시계방향으로 회전한다.
제2, 4반전부재(45, 49)가 시계방향으로 회전함에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2, 4반전부재(45, 49)와 반전축(41) 상에서 일체로 회전하는 제1, 3반전부재(43, 47)도 시계방향으로 회전한다. 이에 따라 제1, 3반전부재(43, 47)와 맞물려 있는 제2, 3전동부재(35, 37)는 반시계방향으로 회전한다. 도 7에는 세 개의 제1, 3반전부재(43, 47)와 세 개의 제2, 3전동부재(35, 37)가 서로 맞물려 회전하는 예가 도시되어 있다.
제2, 3전동부재(35, 37)가 반시계방향으로 회전함에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2, 3전동부재(35)와 전동축(31) 상에서 일체로 회전하는 제1전동부재(33)도 반시계방향으로 회전하고, 제1전동부재(33)와 맞물려 있는 주동부재(27)는 시계방향으로 회전한다. 이에 따라 주동부재(27)와 일체로 회전하는 주동축(21)도 시계방향으로 회전한다.
이러한 구성에 의하여, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 주동부재(27)와 제1전동부재(33)의 맞물림, 제2, 3전동부재(35, 37)와 제1, 3반전부재(43, 47)의 맞물림, 제2, 4반전부재(45, 49)와 제1, 2종동부재(51, 55)의 맞물림은 모두 주동축(21)을 중심으로 방사상 대칭으로 이루어지기 때문에, 역학적인 안정을 확보할 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 파력에너지 변환장치의 반전회전기구의 다른 실시예가 도시되어 있다. 본 실시예에 따른 반전회전기구(20')는, 전술한 실시예와 달리, 제1반전부재(43)와 제2전동부재(35) 사이에서 한 번의 반전 회전이 일어난다는 점이 특징이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 전동유니트(30) 각각은 전동축(31)과, 전동축(31)에 결합되어 주동부재(27)와 회전하는 제1전동부재(33)와, 제1전동부재(33)에 인접되게 전동축(31)에 결합되어 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제2전동부재(35)를 포함한다. 그리고, 복수의 반전유니트(40) 각각은 반전축(41)과, 제2전동부재(35)와 대응하는 위치에서 반전축(41)에 결합되어 제2전동부재(35)와 반전 회전하는 제1반전부재(43)와, 제1반전부재(43)에 인접되게 반전축(41)에 결합되어 제1반전부재(43)와 일체로 회전하는 제2반전부재(45)와, 반전축(41)에 결합되어 제1, 2반전부재(43, 45)와 일체로 회전하는 제3반전부재(47)를 포함한다.
반전회전기구(20')의 작동은 다음과 같이 이루어진다.
전술한 실시예의 도 6에 도시된 바와 같이, 제1, 2종동부재(51, 55)가 제1, 2종동축(23, 25)과 일체로 반시계방향으로 회전하면 제1, 2종동부재(51, 55)와 맞물려 있는 복수의 제2, 3반전부재(45, 47)는 복수의 반전축(41)과 일체로 시계방향으로 회전한다.
제2, 3반전부재(45, 47)에 의해 반전축(41)이 시계방향으로 회전함에 따라 반전축(41) 상에서 일체로 회전하는 제1반전부재(43)도 시계방향으로 회전한다.
제1반전부재(43)가 시계방향으로 회전함에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1반전부재(43)와 맞물려 있는 제2전동부재(35)는 반시계방향으로 회전한다.
제2전동부재(35)가 반시계방향으로 회전함에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2전동부재(35)와 전동축(31) 상에서 일체로 회전하는 제1전동부재(33)도 반시계방향으로 회전하고, 제1전동부재(33)와 맞물려 있는 주동부재(27)는 시계방향으로 회전한다. 이에 따라 주동부재(27)와 일체로 회전하는 주동축(21)도 시계방향으로 회전한다.
이하, 상술한 반전회전기구(20, 20')의 입력단 및 출력단에 결합된 제1, 2일방향클러치(80, 90)를 설명한다.
도 3, 도 4 및 도 9에 도시된 바와 같이, 두 개의 제1일방향클러치(80)는 주동축(21)의 양측 단부에 장착되어, 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)의 상승방향 및 하강방향 중 일방향 회전에 의해 발생하는 회전력을 주동축(21)에 전달한다.
제1일방향클러치(80)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1허브(81)와, 제1래치휠(83)과, 복수의 제1래치돌기(87)와, 복수의 제1스프링(89)을 가진다. 제1허브(81)는 주동축(21)에 장착된다. 제1래치휠(83)은 제1허브(81)의 외주를 따라 양방향 회전 가능하며, 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)의 하부 링크부재(15a, 15c)의 하단부와 연결된다. 제1래치휠(83)의 내주에는 제1래치돌기(87)가 걸림 및 걸림해제되는 복수의 제1래치홈(85)이 형성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 제1래치휠(83)이 일방향(도 11의 화살표 방향)으로 회전할 때 제1래치돌기(87)가 제1래치홈(85)에 걸림유지되어 제1허브(81)와 주동축(21)을 일방향으로 회전시키고, 제1래치휠(83)이 타방향으로 회전할 때 제1래치돌기(87)가 제1래치홈(85)으로부터 걸림해제되어 제1허브(81)와 주동축(21)의 회전이 정지된다.
두 개의 제2일방향클러치(90)는 제1종동축(23) 및 제2종동축(25)에 각각 장착되어, 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)의 상승방향 및 하강방향 중 타방향 회전에 의해 발생하는 회전력을 제1종동축(23) 및 제2종동축(25)에 전달한다.
제2일방향클러치(90)는, 도 12에 도시된 바와 같이, 제2허브(91)와, 제2래치휠(93)과, 복수의 제2래치돌기(97)와, 복수의 제2스프링(99)을 가진다. 제2허브(91)는 제1종동축(23) 및 제2종동축(25)에 장착된다. 제2래치휠(93)은 제2허브(91)의 외주를 따라 양방향 회전 가능하며, 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)의 하부 링크부재(15a, 15c)의 하단부와 연결된다. 제2래치휠(93)의 내주에는 제2래치돌기(97)가 걸림 및 걸림해제되는 복수의 제2래치홈(95)이 형성되어 있다. 이러한 구성에 의해, 제2래치휠(93)이 타방향(도 12의 화살표 방향)으로 회전할 때 제2래치돌기(97)가 제2래치홈(95)에 걸림유지되어 제2허브(91)와 제1, 2종동축(23, 25)을 타방향으로 회전시키고, 제2래치휠(93)이 일방향으로 회전할 때 제2래치돌기(97)가 제2래치홈(95)으로부터 걸림해제되어 제2허브(91)와 제1, 2종동축(23, 25)의 회전이 정지된다.
한편, 도 3, 도 4 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파력에너지 변환장치는 주동축(21)의 출력단에 출력축(101)이 커플링(105)에 의해 연결되어 있으며, 이에 따라 회전반전기구(20, 20')의 회전력이 출력축(101)으로 출력된다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 파력에너지 변환장치를 이용하여 파력에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 바다에서 발생하는 파도의 작용에 의해 해수면 위에 떠 있는 부유체(10)가 상승하면, 부유체(10)에 연결된 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)가 상하방향으로 신장되면서 상승한다.
도면에서 좌측에 도시된 제1링크부재(15a, 15b)가 상승함에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이, 주동축(21)의 양단부에 각각 장착되고 제1링크부재(15a, 15b)에 연결된 제1일방향클러치(80)에서 제1래치돌기(87)가 제1래치홈(85)에 걸림유지되어 주동축(21)이 일방향(도 11에서 시계방향)으로 회전하면서 회전력이 출력축(101)을 통해 출력된다.
이 때, 제1, 2종동축(23, 25)에 각각 장착되고 제1링크부재(15a, 15b)에 연결된 제2일방향클러치(90)의 제2래치돌기(97)는 제2래치홈(95)으로부터 걸림해제되고, 이에 따라 제1, 2종동축(23, 25)의 회전이 정지되므로 회전력이 출력축(101)으로 전달되지 않는다.
한편, 도면에서 우측에 도시된 제2링크부재(15c, 15d)가 상승함에 따라, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1, 2종동축(23, 25)에 각각 장착되고 제2링크부재(15c, 15d)에 연결된 제2일방향클러치(90)에서 제1래치돌기(97)가 제1래치홈(95)에 걸림유지되어 제1, 2종동축(23, 25)이 타방향(도 12에서 반시계방향)으로 회전하고, 이에 따라 상술한 반전회전기구(20, 20')의 반전메커니즘에 의해 주동축(21)이 일방향(시계방향)으로 회전하면서 회전력이 출력축(101)을 통해 출력된다.
이 때, 주동축(21)에 각각 장착되고 제2링크부재(15c, 15d)에 연결된 제1일방향클러치(80)의 제2래치돌기(87)는 제1래치홈(95)으로부터 걸림해제되어 주동축(21)의 회전이 정지되므로 회전력이 출력축(101)으로 전달되지 않는다.
반대로, 파도의 작용에 의해 해수면 위에 떠 있는 부유체(10)가 하강하면, 부유체(10)에 연결된 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)가 좌우방향으로 신장되면서 하강한다.
제1링크부재(15a, 15b)가 하강함에 따라, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1, 2종동축(23, 25)에 각각 장착되고 제1링크부재(15a, 15b)에 연결된 제2일방향클러치(90)에서 제1래치돌기(97)가 제1래치홈(95)에 걸림유지되어 제1, 2종동축(23, 25)이 타방향(도 12에서 반시계방향)으로 회전하고, 이에 따라 상술한 반전회전기구(20, 20')의 반전메커니즘에 의해 주동축(21)이 일방향(시계방향)으로 회전하면서 회전력이 출력축(101)을 통해 출력된다.
이 때, 주동축(21)에 각각 장착되고 제1링크부재(15a, 15b)에 연결된 제1일방향클러치(80)의 제2래치돌기(87)는 제1래치홈(95)으로부터 걸림해제되어 주동축(21)의 회전이 정지되므로 회전력이 출력축(101)으로 전달되지 않는다.
한편, 제2링크부재(15c, 15d)가 하강함에 따라, 도 11에 도시된 바와 같이, 주동축(21)의 양단부에 각각 장착되고 제2링크부재(15c, 15d)에 연결된 제1일방향클러치(80)에서 제1래치돌기(87)가 제1래치홈(85)에 걸림유지되어 주동축(21)이 일방향(도 11에서 시계방향)으로 회전하면서 회전력이 출력축(101)을 통해 출력된다.
이 때, 제1, 2종동축(23, 25)에 각각 장착되고 제2링크부재(15c, 15d)에 연결된 제2일방향클러치(90)의 제2래치돌기(97)는 제2래치홈(95)으로부터 걸림해제되어 제1, 2종동축(23, 25)의 회전이 정지되므로 회전력이 출력축(101)으로 전달되지 않는다.
이러한 작동메커니즘에 있어서, 제1링크부재(15a, 15b)와 제2링크부재(15c, 15d)의 승강운동은 하나의 부유체(10)의 승강에 의해 발생하므로 서로 동기화될 수 있고, 이에 따라 출력축(101)을 통해 전달되는 회전력도 서로 동기화될 수 있다.
전술한 실시예들에서는, 부유체(10)가 반전회전기구(20, 20')의 입력측 및 출력측에 각각 장착된 구성을 설명하였지만, 설계상 필요에 따라 양측에 있는 두 개의 부유체(10)를 하나로 일체화할 수도 있다. 이 경우, 하나의 부유체(10)로서는 선박이 사용될 수도 있다. 부유체(10)의 길이가 선박처럼 긴 경우에는 반전회전기구(20, 20')가 설치된 구조물(5)과 이격된 위치에 다른 구조물을 더 배치하고 그 위에 지지대를 설치하여 긴 부유체(10)를 안정되게 지지할 수 있다.
또한 전술한 실시예들에서는, 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90)가 반전회전기구(20, 20')의 입력측 및 출력측에 각각 장착된 구성을 설명하였지만, 설계상 필요에 따라 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90)는 반전회전기구(20, 20')의 입력측 및 출력측의 어느 한쪽에만 장착될 수도 있다.
또한 전술한 실시예들에서는, 하나의 반전회전기구(20, 20')가 구조물(5) 위에 배치된 구성을 설명하였지만, 설계상 필요에 따라 복수의 반전회전기구(20, 20')가 구조물(5) 위에 직렬로 배치된 구성이 사용될 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 기계적 에너지의 출력이 반전회전기구(20, 20')의 수만큼 증대된다.
이하 본 발명의 효과를 설명한다.
본 발명의 파력에너지 변환장치에 의하면, 부유체(10)의 승강운동을 대칭 구조의 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와 반대방향으로 회전력을 전달하는 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90)와 반전회전기구(20, 20')를 거쳐 출력축에 전달함으로써, 파도의 승강에 의한 파력에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있다.
또한, 기어열의 모듈화가 가능하고 하나의 출력축(101)으로 모든 회전력을 전달할 수 있으므로, 콤팩트한 구조로 높은 에너지 변환 효율을 달성할 수 있다.
특히, 본 발명의 파력에너지 변환장치는 상술한 한국 등록특허 제10-1101360호(파력에너지 변환장치)에 비해 다음과 같은 장점을 지닌다.
첫째, 하나의 부유체(10)의 승강운동이 양측의 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d)와 제1, 2일방향클러치(80, 80, 90, 90)을 통해 이중으로 회전력으로 변환되므로 회전력을 배가할 수 있다.
둘째, 제1링크부재(15a, 15b)와 제2링크부재(15c, 15d)가 양쪽에서 대칭적으로 하나의 부유체(10)에 연결되므로 안정적으로 부유체(10)를 지지할 수 있다.
셋째, 구조물(5)과 반전회전기구(20, 20')가 해저에 설치되므로 구조물(5)의 크기를 줄일 수 있고, 태풍처럼 강한 바람과 높은 파도의 영향을 최소화하여 구조물(5)의 안정성을 높일 수 있다.
넷째, 부유체(10)의 지지와 구조물(5)의 구조가 안정됨에 따라 복수의 부유체(10)의 일체화가 용이하고, 특히 선박과 같은 대형 부유체의 사용이 가능하다.
이상에서 본 발명의 실시예들을 첨부도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다.
5: 구조물
10: 부유체
15a, 15b: 제1링크부재
15c, 15d: 제2링크부재
17: 힌지부
20, 20': 반전회전기구
21: 주동축
23: 제1종동축
25: 제2종동축
27: 주동부재
30: 전동유니트
40: 반전유니트
51: 제1종동부재
55: 제2종동부재
80: 제1일방향클러치
90: 제2일방향클러치
101: 출력축

Claims (8)

  1. 파력에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 파력에너지 변환장치에 있어서,
    해수면에 부유하며 파도에 의해 승강하는 부유체(10);
    상기 부유체(10)의 양측에 각각 연결되어 상기 부유체(10)의 승강운동을 회전운동으로 변환하는 제1링크부재(15a, 15b) 및 제2링크부재(15c, 15d);
    제1방향으로 회전하는 주동축(21)과, 상기 주동축(21)과 동축상에 배치되며 상기 주동축(21)의 회전방향과 반대되는 제2방향으로 회전하는 종동축(23, 25)과, 상기 주동축(21)과 일체로 회전하는 주동부재(27)와, 상기 주동부재(27)의 회전을전달받는 전동유니트(30)와, 상기 전동유니트(30)의 회전을 반전시키는 반전유니트(40)와, 상기 반전유니트(40)의 회전을 전달받으며 상기 종동축(23, 25)과 일체로 회전하는 종동부재(51, 55)를 갖는 반전회전기구(20, 20');
    상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 어느 하나에 따라 상기 제1링크부재(15a, 15b)에 의해 발생하는 회전력을 상기 주동축(21)에 전달하는 제1일방향클러치(80)와, 상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 다른 하나에 따라 상기 제1링크부재(15a, 15b)에 의해 발생하는 회전력을 상기 종동축(23, 25)에 전달하는 제2일방향클러치(90);
    상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 상기 다른 하나에 따라 상기 제2링크부재(15c, 15d)에 의해 발생하는 회전력을 상기 주동축(21)에 전달하는 제1일방향클러치(80)와, 상기 부유체(10)의 상승운동 및 하강운동 중 상기 어느 하나에 따라 상기 제2링크부재(15c, 15d)에 의해 발생하는 회전력을 상기 종동축(23, 25)에 전달하는 제2일방향클러치(90);
    해저에 설치되어 상기 반전회전기구(20, 20')를 지지하는 구조물(5);을 포함하고,
    상기 주동축(21) 및 상기 종동축(23, 25) 중 어느 하나를 통해 상기 회전력이 출력되고,
    상기 두 개의 제1일방향클러치(80)는 상기 주동축(21)에 인접하게 장착되고, 상기 두 개의 제2일방향클러치(90)는 상기 종동축(23, 25)에 인접하게 장착되는 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전동유니트(30)는 복수로 마련되어 상기 주동부재(27)를 중심으로 방사상으로 배치되고, 상기 반전유니트(40)는 복수로 마련되어 상기 복수의 전동유니트930) 사이에서 상기 종동축(23, 25)을 중심으로 방사상으로 배치된 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전동유니트(30) 각각은, 전동축(31)과; 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 주동부재(27)의 회전을 전달받는 제1전동부재(33)와; 상기 제1전동부재(33)에 인접되게 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제2전동부재(35)와; 상기 제1전동부재(33)를 사이에 두고 상기 제2전동부재(35)와 대향하도록 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제3전동부재(37)를 포함하고,
    상기 복수의 반전유니트(40) 각각은, 반전축(41)과; 상기 제2전동부재(35)와 대응하는 위치에서 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제2전동부재(35)의 회전을 반전시키는 제1반전부재(43)와; 상기 제1반전부재(43)에 인접되게 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제1반전부재(43)와 일체로 회전하는 제2반전부재(45)와; 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제3전동부재(37)의 회전을 반전시키는 제3반전부재(47)와; 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제3반전부재(47)와 일체로 회전하는 제4반전부재(49)를 포함하고,
    상기 종동부재(51, 55)는, 상기 제2반전부재(45)의 회전을 전달받는 제1종동부재(51)와; 상기 제4반전부재(49)의 회전을 전달받는 제2종동부재(55)를 포함하고,
    상기 종동축(23, 25)은, 상기 제1종동부재(51)와 일체로 회전하는 제1종동축(23)과; 상기 제2종동부재(55)와 일체로 회전하는 제2종동축(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 전동유니트(30) 각각은, 전동축(31)과; 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 주동부재(27)의 회전을 전달받는 제1전동부재(33)와; 상기 제1전동부재(33)에 인접되게 상기 전동축(31)에 결합되어 상기 제1전동부재(33)와 일체로 회전하는 제2전동부재(35)를 포함하고,
    상기 복수의 반전유니트(40) 각각은, 반전축(41)과; 상기 제2전동부재(35)와 대응하는 위치에서 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제2전동부재(35)의 회전을 반전시키는 제1반전부재(43)와; 상기 제1반전부재(43)에 인접되게 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제1반전부재(43)와 일체로 회전하는 제3반전부재(47)와; 상기 반전축(41)에 결합되어 상기 제1, 3반전부재(43, 47)와 일체로 회전하는 제2반전부재(45)를 포함하고,
    상기 종동부재(51, 55)는, 상기 제2반전부재(45)의 회전을 전달받는 제1종동부재(23)와; 상기 제3반전부재(47)의 회전을 전달받는 제2종동부재(55)를 포함하고,
    상기 종동축(23, 25)은, 상기 제1종동부재(51)와 일체로 회전하는 제1종동축(23)과; 상기 제2종동부재(55)와 일체로 회전하는 제2종동축(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주동축(21)과 상기 종동축(23, 25)은 상대 회전 가능하게 끼워진 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 제1일방향클러치(80)는 상기 주동축(21)의 양단부 중 적어도 어느 일측에 장착되고, 상기 두 개의 제2일방향클러치(90)는 상기 종동축(23, 25) 중 적어도 어느 하나에 장착된 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반전회전기구(20, 20')는 복수개로 마련되어 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 부유체(10)는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 파력에너지 변환장치.
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