KR20230112805A - 유압을 이용한 파력발전 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 유압을 이용한 파력발전 시스템이 개시되고, 유압을 이용한 파력발전 시스템은, 케이블(200)에 연결되어 해수면 상에 떠있으며, 파도에 따라 상하로 움직이는 부이(300)(buoy); 상기 부이(300)의 상하움직임에 따라 상하 운동하는 케이블(200)을 수평왕복운동으로 변환하는 롤러부(500); 상기 롤러부(500)를 통해 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하는 제1 윈치부(140); 상기 제1 윈치부(140)로부터 상기 케이블(200)의 동력을 전달받아 발전을 하되, 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 발전설비부(160)를 포함한다.
본 발명의 실시예에서는, 파도의 높이와 관계없이 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 유압을 이용한 파력발전 시스템을 제공할 수 있다.

Description

유압을 이용한 파력발전 시스템 {Wave power generation system using hydraulic pressure}

본 발명은 파력발전 시스템에 관한 것으로, 특히, 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 유압을 이용한 파력발전 시스템에 관한 것이다.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.

파도가 보유한 에너지를 이용하는 실용화된 기존의 발전 방법들은 일반적인 수력발전보다 에너지 이용률에서 낮으며, 발전시설의 설치 위치의 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 Airchamber 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 공기 터빈을 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 방법들도 에너지 효율 면에서 상대적으로 높지 않다.

그리고 Oscillating-WECs의 대부분의 발전방법도 2단계 이상의 파도에너지 변환과정을 거쳐 발전하고 있다. 즉, 노르웨이의 Budal이 디자인한 Heaving buoy장치(1983년)는 부이(300)(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 Heaving용 부이(300)들을 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 팽창되며 이로 인하여 선형발전기가 구동되는 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 방법 중 하나를 변형하여 사용하고 있다.

그리고 스웨덴에서 최초 개발되고(2006년) 미국에서도 개발된(2008년) 파력 발전장치 형식은 해수면 상에 위치하는 부이(300)가 케이블(200)을 통해 선형 발전장치가 내부에 설치되어있는 물속에 잠긴 하단 고정구조에 연결되며, 하단 고정구조는 해저 면에 고정되거나 별도 케이블(200)을 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) 부이(300)의 무게에 트랜슬레이터 무게를 더한 상태에서 부이(300)가 수면상에서 상하진동(Heaving)과 함께 전후좌우로 진동(Surging and Swaying) 및 이동에 따라 발전기에 전달되는 에너지 밀도가 부이(300) 단독으로 진동하는 경우보다 상대적으로 낮으며, 3) 트랜슬레이터가 상하로 움직이는 방법으로 발전하는 전기 에너지량이 로더가 회전하는 형식의 발전기에서 생산되는 전기에너지의 양보다 상대적으로 낮으며, 4) 부이(300)의 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) 부이(300)의 전후좌우 이동으로 인한 트랜슬레이터와 부이(300)를 연결하는 케이블(200)과 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.

이러한 문제들을 해결하기 종래에 많은 선행기술들이 개시되었다.

특허문헌 1, KR1679433 10 파력 발전 장치는 부표가 상승 또는 하강할 때 동력전달장치의 구동축은 항상 동일한 방향으로 회전하도록 발전기의 각 부품들과 에너지 축적장치 및 다수의 평형추와 평형추 드럼을 설치한 장치이다.

특허문헌 2, KR1212302 10 파력 발전 장치 및 방법은 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 방법이다.

특허문헌 3, KR1604780 파력 발전장치는 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 장치이다.

특허문헌 4, EP1 611 347 B1 “WAVE POWER ASSEMBLY는 파도에 의한 부이(300)(hull)의 상하 수직 운동과 동조 운동하는 선형발전기 로더의 하부와 바닥구멍(bottom hole)과 인장 스프링(tension spring)을 고정 연결하여 부이(300)가 파도의 용마루(crest) 위치로 상승할 때 발전기 로더가 부이(300)와 함께 상승하고, 부이(300)가 하강할 때는 인장 스프링의 복원력에 의해 원상 위치로 복원되는 원리로 로더를 감싸는 형태로 고정된 고정자와 로터와의 전자기적 작용으로 발전하는 장치이다.

특허문헌 5는 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 원리이다.

특허문헌 6, EP2 029 890 B1 “WAVE ENERGY CONVERTER”는 필라(pillar)와 플롯(float)으로 이루어진 2개의 몸체에 2개의 풀리(pulley)와 케이블(200)을 연결하고 케이블(200)에 발전기를 연결하여 플롯의 heaving에 따라 발전하는 것이다.

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 메카니즘으로 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 부이(300)를 통해 직접 발전기에 이용하는 본 발명 기술과 구별된다.

또한, 상기한 기술들은 파도의 높이가 높은 경우, 설비가 손상될 우려가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 파도의 높이에 관계없이 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 유압을 이용한 파력발전 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템은,

케이블(200)에 연결되어 해수면 상에 떠있으며, 파도에 따라 상하로 움직이는 부이(300)(buoy);

상기 부이(300)의 상하움직임에 따라 상하 운동하는 케이블(200)을 수평왕복운동으로 변환하는 롤러부(500);

상기 롤러부(500)를 통해 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하는 제1 윈치부(140);

상기 제1 윈치부(140)로부터 상기 케이블(200)의 동력을 전달받아 발전을 하되, 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 발전설비부(160)를 포함한다.

상기 발전설비부(160) 후단에 연결되어 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하는 제2 윈치부(150);

상기 파도의 높이를 측정하기 위한 파고 측정부(110);

상기 파고가 제1 기준 높이 이상인 경우, 상기 제1 윈치부(140) 또는 제2 윈치부(150)가 상기 케이블(200)이 멈추도록 제어하는 제어부(130)를 더 포함한다.

상기 제2 윈치부(150)를 통과한 케이블(200)의 끝단에는 소정 무게를 가진 추가 장착된 것을 특징으로 한다.

상기 케이블(200)의 구동력을 측정하는 구동력 측정부(120)를 더 포함하고,

파도의 높이가 일정 높이 이상 되는 경우에 상기 제어부(130)가 상기 제1 윈치부(140)를 구동하여도 상기 구동력 측정부(120)에서 소정 크기의 구동력이 감지되는 경우, 상기 제2 윈치부(150)를 구동하여 상기케이블(200)이 움직이지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서는, 파도의 높이와 관계없이 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 유압을 이용한 파력발전 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템의 블럭 구성도이다.
도 3은 발전 설비부의 예를 보인 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템의 설치 기술을 보인 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템의 구성도이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템의 블럭 구성도이고,

도 3은 발전 설비부의 예를 보인 도면이고,

도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템의 설치 기술을 보인 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 유압을 이용한 파력발전 시스템은,

케이블(200)에 연결되어 해수면 상에 떠있으며, 파도에 따라 상하로 움직이는 부이(300)(buoy);

상기 부이(300)의 상하움직임에 따라 상하 운동하는 케이블(200)을 수평왕복운동으로 변환하는 롤러부(500);

상기 롤러부(500)를 통해 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하는 제1 윈치부(140);

상기 제1 윈치부(140)로부터 상기 케이블(200)의 동력을 전달받아 발전을 하되, 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 발전설비부(160)를 포함한다.

필요에 따라 상기 발전설비부(160) 후단에 연결되어 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하는 제2 윈치부(150);

상기 파도의 높이를 측정하기 위한 파고 측정부(110);

상기 파고가 제1 기준 높이 이상인 경우, 상기 제1 윈치부(140) 또는 제2 윈치부(150)가 상기 케이블(200)이 멈추도록 제어하는 제어부(130)를 더 포함한다.

상기 제2 윈치부(150)를 통과한 케이블(200)의 끝단에는 소정 무게를 가진 추가 장착된다.

상기 케이블(200)의 구동력을 측정하는 구동력 측정부(120)를 더 포함하고,

파도의 높이가 일정 높이 이상 되는 경우에 상기 제어부(130)가 상기 제1 윈치부(140)를 구동하여도 상기 구동력 측정부(120)에서 소정 크기의 구동력이 감지되는 경우, 상기 제2 윈치부(150)를 구동하여 상기 케이블(200)이 움직이지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

롤러부(500)는 필요에 따라 복수개의 롤러로 구성될 수도 있다.

제1, 제2 윈치부(140, 150)는 상기 롤러부(500)를 통해 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하기 위한 것으로 브레이크 기능을 한다. 필요에 따라 윈치 또는 브레이크 등으로 구성할 수 있다.

특히, 제1, 제2 윈치부(140, 150)는 윈치 또는 원웨이클러치로 구성하여 한방향으로만 동력을 전달하도록 할 수 있다. 이 경우 제1, 제2 윈치부(140, 150)의 파고가 높을시에 브레이크 기능이 필요 없다.

상기 파도의 높이를 측정하기 위한 파고 측정부(110)는 파고센서 또는 수위센서 등을 부이 또는 주위에 장착하여 구현할 수 있다. 또한, 자이로 센서 등을 부이에 장착하여 파도의 높이를 측정할 수도 있다.

구동력 측정부(120)는 발전 설비부에 삽입하여 케이블의 움직임을 측정하는 센서로 구현하거나, 토크를 감지하는 센서로 구현할 수 있다.

도 1을 참조하면 발전 설비부가 수면 아래에 있는 것으로 도시되나, 이는 일예일 분이며, 필요에 따라 지상 또는 지상으로부터 일정 공간 위에 설치될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 발전설비부는 도 1 또는 도 2의 구조가 아닌 유압 제어에 의한 구조로 발전을 할 수도 있다. 이러한 구조는 별도로 구현되거나 필요에 따라 도 1 또는 도 2의 구조와 병합 설계될 수 있다.

먼저, 파력에너지를 흡수한다.

파도의 진행 방향으로 배치된 다수의 부체(Buoy)를 이용하여 순차적으로 연속하여 파도에너지를 흡수하고, 부체(Bouy)에 흡수된 파도에너지를 롤러와 로프를 이용하여 회전체에 전달한다.

그리고, 다수의 원웨이 클러치가 부착된 회전축은 일방향 회전력이 발생된다.

다음, 유압 생성부는 회전축의 회전력으로 유압펌프를 구동시켜 유압을 형성시키고 유체저장탱크에 저장된 유체를 팽창탱크에 저장한다.

다음, 유압 저장부(팽창탱크)는 파도의 크기에 따라 일정하지 않은 회전력은 유체로 변환되어 일정한 범위의 압력으로 팽창탱크에 저장된다.

Low-Hi Level 게이지 장착된 팽창탱크는 Level Hi시 릴리프 개방하여 유체 저장탱크로 Return된다.

팽창탱크 내부는 압축성 기체(Air 또는 N₂가스)로 충전하여 유체 압력을 유지한다.

유압 제어부는 팽창탱크의 압력을 받은 유체의 양을 조절하는 Control 밸브를 제어한다. 발전기의 회전력(rpm)을 감지하여 적정 유량을 제어한다.

유압 구동부의 유압모터는 유체의 압력으로 회전력을 증가시켜 일정하고 큰 토크로 발전기를 회전시킨다.

파력에너지 → 유압생성부 → 유압저장부 → 유압제어부 → 유압구동부 → 발전기의 순서로 동작을 한다.

또한, 다수의 부체 - 유체저장탱크 - 팽창탱크 - 유량제어밸브 - 유압모터 - 하나의 회전축 - 유압펌프 - 압력저장 - 발전기 회전 감지센서에 의해 (압축기체이용) 개폐량을 자동조절하여 rpm을 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 파도의 높이와 관계없이 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 유압을 이용한 파력발전 시스템을 제공할 수 있다. 이에 따라 불규칙한 파도로부터 설비를 보호하고, 에너지를 저장하여 ess가 필요 없다.

특히, 필요이상으로 큰 파도가 칠 때 발전기 정지가 필요 없다(가동률 증가 효과).

또한, 본 발명은 큰 토크와 일정한 회전수를 얻을 수 있어 에너지 발전 효율이 증대된다. 또한, 본 발명은 에너지를 저장할 수 있다. 예를 들어 큰 파도(저장), 작은 파도(사용)을 할 수 있다.

또한, 본 발명은 유체는 Oil 또는 물 사용 가능하다.

또한, 본 발명은 물을 사용할 경우 환경보호에 유리하다(기름누출 걱정 x).

또한, 본 발명은 발전기 출격제어에 용이하다.

또한, 본 발명은 불규칙한 파도를 직접 사용하지 않는다.

또한, 본 발명은 설비보호에 유리하다. 즉, 제어밸브(Contral Valve) 이용하여 기동, 정지 출력증대, 감소를 한다.

또한, 본 발명은 마음대로 제어할 수 있되, 긴급시 Valve Close 하면 발전기를 정지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

1. 케이블(200)에 연결되어 해수면 상에 떠있으며, 파도에 따라 상하로 움직이는 부이(300)(buoy);
   상기 부이(300)의 상하움직임에 따라 상하 운동하는 케이블(200)을 수평왕복운동으로 변환하는 롤러부(500);
   상기 롤러부(500)를 통해 상기 케이블(200)이 왕복운동 하도록 하거나 멈추도록 하는 제1 윈치부(140);
   상기 제1 윈치부(140)로부터 상기 케이블(200)의 동력을 전달받아 발전을 하되, 압력제어밸브를 통하여 압력과 유량을 제어하여 발전기 출력을 제어할 수 있는, 발전설비부(160)를 포함하는 유압을 이용한 파력발전 시스템.