WO2012011645A1 - 파력발전장치 - Google Patents

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WO2012011645A1
WO2012011645A1 PCT/KR2011/000009 KR2011000009W WO2012011645A1 WO 2012011645 A1 WO2012011645 A1 WO 2012011645A1 KR 2011000009 W KR2011000009 W KR 2011000009W WO 2012011645 A1 WO2012011645 A1 WO 2012011645A1
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power generation
center
wave
wave power
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육래형
김세은
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삼성중공업 주식회사
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to a wave power generator for generating electricity.
  • Common power generation methods include hydroelectric power generation using hydroelectric power, thermal power generation using fossil fuels, and nuclear power generation using nuclear power.
  • a wave power generating device uses a translational or rotational motion of a floating body by waves, and converts such kinetic energy to produce electric energy.
  • the conventional wave power generator directly uses the wave energy itself, the power generation efficiency may be lowered according to the sea state, and furthermore, there is a problem that power generation efficiency drops sharply in the calm sea conditions.
  • the conventional wave power generator has a risk of damage to the power generator itself when installed in a large wave energy to increase the power generation efficiency.
  • the conventional wave power device is limited in the area where power generation is possible, and it is not possible to continuously produce stable electricity. Accordingly, the actual electric power generation efficiency is low, which is a factor in economic efficiency and practicality.
  • One embodiment of the present invention is to provide a wave power generator that allows the floating body to move according to the sea wave characteristics to increase the kinetic energy due to resonance to improve the power generation efficiency.
  • Wave power generation apparatus is an upper structure that is swinging by the wave, the lower structure is installed below the water surface and rotatably supporting the upper structure, and installed on either of the upper structure or the lower structure and the upper It includes a power generation unit for converting the kinetic energy generated when the structure is rotated into electrical energy, and a center of gravity moving unit installed on the upper structure to move the center of gravity of the upper structure to control the period of the wave and the period of oscillation of the upper structure do.
  • the drive shaft of the power generation unit may be connected to the pivot shaft of the superstructure.
  • the apparatus may further include a reduction / accelerator installed between the pivot shaft of the superstructure and the driving shaft of the power generation unit.
  • the center of gravity of the superstructure may be located lower than the buoyancy center of the superstructure.
  • Sides of the upper structure may be formed in a droplet shape that increases in width from the top to the bottom, and narrows again as it passes through the pivot axis of the upper structure.
  • the center of gravity moving unit may include a rotating shaft installed on the upper structure, the lower body, a weight body provided on one side of the rotating shaft, and a driving unit for lifting the weight body by rotating the rotating shaft.
  • the center of gravity moving part may include a rod installed on the upper structure up and down, and having a rod formed on one side thereof, a weight body installed on the other side of the rod, and a rotating gear engaged with the gear portion of the rod to move the rod up and down. have.
  • the center of gravity moving unit may include an actuator installed inside the upper structure, and a weight body installed on one side of the actuator and lifted by the actuator.
  • the center of gravity moving unit may include a ballast tank installed inside the superstructure, and a ballast pump connected to the ballast tank to supply or discharge the ballast water.
  • It may further include a support member for maintaining the wave power generator at a constant height relative to the water surface.
  • the support member may include at least one wire installed on the sea bottom and connected to the lower structure.
  • the support member may include a support fixed to the sea bottom and installed on the lower structure.
  • FIG. 1 is a front view of a wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a side view of the wave power generator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a simplified view showing the interior of the wave power generator according to an embodiment of the invention.
  • Figure 4 is a graph showing the driven response response (RAO) according to the wave period of the superstructure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing a motion response to the actual sea state of the superstructure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a perspective view schematically showing an upper structure of the wave power generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view briefly showing the interior of the wave power generator according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a simplified view of the interior of the wave power generation apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view briefly showing the interior of the wave power generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • wave power generator 10 upper structure
  • FIG. 1 is a front view of a wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a side view of a wave power generation apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a simplified view showing the interior of the wave power generator according to an embodiment of the invention.
  • the wave power generator 1 includes an upper structure 10, a pivot shaft 11, a center of gravity moving unit 12, a rotation shaft 13, and a weight body 14.
  • the lower structure 20, the power generation unit 22, may include a support 24.
  • the wave power generator 1 has an upper structure 10 which is oscillated by waves, and the upper structure 10 is rotatably installed in the lower structure 20 provided below the waterline.
  • the repair surface refers to the surface of the seawater
  • the lower structure 20 may be installed in a state submerged in the seawater.
  • both sides of the upper structure 10 is fixed by the lower structure 20 is limited to the rotation in the transverse direction, only the longitudinal movement may occur.
  • the wave power generator 1 may be installed in a low water area, the lower structure 20 may be fixed to the bottom of the sea.
  • the wave power generator 1 may float on water, and thus may further include a support member for maintaining the wave power generator 1 at a constant height.
  • the wave power generator 1 may be moored at a constant height by supporting members of various methods.
  • the support member when the upper structure 10 is located below the waterline, the support member may be installed on the lower portion of the lower structure 20 to moor the wave power generator 1 at a constant height.
  • the support member may be made of a strut 24 fixed to the sea bottom.
  • the strut 24 is fixed to the lower portion is inserted into the bottom surface, the upper portion is coupled to one side of the lower structure 20 to support the lower structure 20.
  • the strut 24 may be formed of a fixed structure in the form of a metal pillar, a pipe, or a truss.
  • the wave power generator 1 is described as being fixedly installed at a constant height by the support structure 24 installed on the sea bottom, but the present invention is not limited thereto. It can be installed in various forms depending on the depth or sea condition of the sea area to be installed.
  • the support member may include at least one wire installed on the sea bottom and connected to the lower structure 20.
  • the wire may be made of a single steel wire, it may be made of a tendon wire (tendon) of a plurality of steel wires twisted form.
  • the wire can be used in various forms, such as chains or chains that are formed by successive couplings.
  • the wave power generator 1 may have an upper structure 10 installed in the direction of the wave propagation in order to increase the fluctuation of the wave. That is, the upper structure 10 is provided in the direction in which the front part hits the wave, the driven fluctuation occurs in the front and rear direction by this wave.
  • the side of the upper structure 10 is narrower at the top and increases in width toward the bottom. In addition, the side of the upper structure 10 narrows again as it passes through a portion of the pivot axis 11 whose width is supported by the lower structure 20. Side of the upper structure 10 is the overall shape is formed in the shape of ottogi or water droplets, accordingly, the upper structure 10 is easily driven in the front and back direction by the wave, it can be easily restored in place. .
  • the upper structure 10 has a low center of gravity, the vertical movement is suppressed and has a large restoring force.
  • the upper structure 10 may be positioned lower than the buoyancy center when the center of gravity is buoyant by seawater.
  • the wave power generator 1 may include a power generation unit 22 for converting the kinetic energy of the rotational force generated by the driven force of the upper structure 10 into electrical energy.
  • the power generation unit 22 may be installed on either of the upper structure 10 or the lower structure 20.
  • the power generation unit 22 is installed at both sides of the lower structure 20, and generates power.
  • the unit 22 may have respective driving shafts connected to ends of the pivot shaft 11 of the upper structure 10, respectively.
  • the power generation unit 22 is installed in the lower structure 20, but the installed position or the number of the power generation unit 22 is not limited, and may be variously modified.
  • the power generation unit 22 may be installed inside the upper structure 10.
  • the power generation unit 22 may be made of one and installed on one side of the pivot shaft 11 of the upper structure 10 or two may be installed on both sides of the pivot shaft 11 of the upper structure 10.
  • the power generation unit 22 may be applied with a variety of well-known techniques, and thus, detailed descriptions of the connection structure or the action thereof are omitted.
  • the power generation unit 22 may be connected to the pivot shaft 11 of the upper structure 10 so that rotational motion may be directly transmitted, and the pivot shaft 11 and the power generation unit of the upper structure 10 may be transferred.
  • a reduction / accelerator (not shown) may be further installed between the drive shafts of 22.
  • the decelerator / accelerator may amplify the rotational motion of the upper structure 10 and transmit the amplification to the driving shaft of the power generation unit 22, thereby further increasing power generation efficiency.
  • the wave power generator 1 of the present embodiment may include a center of gravity moving unit 12 for moving the center of gravity of the upper structure 10.
  • the center of gravity moving unit 12 may move the center of gravity of the upper structure 10 to resonate with the period of the wave of the following period of the upper structure 10, which causes the upper structure 10 of the small size It can also be heavily driven by waves.
  • the period in which the upper structure 10 is driven resonates with the period of the wave
  • electricity may be stably produced. That is, when the magnitude of the waves is calm (when the period of the waves is short), if the center of gravity of the upper structure 10 is close to the center of buoyancy, large fluctuations of the upper structure 10 may be generated even with a small force of the waves. Can be.
  • the magnitude of the wave is large (when the period of the wave is long)
  • the center of gravity of the upper structure 10 is far from the center of buoyancy, the upper structure 10 can be stably shaken even under the large force of the wave. .
  • the center of gravity moving part 12 may include a rotation shaft 13 installed up and down on the upper structure 10.
  • the weight body 14 is coupled to one side of the rotary shaft 13 may be installed.
  • the driving unit 15 is installed on the rotation shaft 13, and the rotation shaft 13 rotates by the operation of the driving unit 15, and the weight 14 can be moved up and down.
  • the center of gravity moving unit 12 of the present embodiment may adjust the center of gravity of the upper structure 10 as the weight 14 is moved up and down.
  • a spiral portion may be formed on the outer circumferential surface of the rotation shaft 13.
  • the weight body 14 has a hole inserted into the rotation shaft 13 in the center portion, and the inner circumferential surface of the hole may be a spiral portion coupled to the spiral portion of the rotation shaft 13.
  • the weight body 14 will move up and down along the spiral part of the rotating shaft 13.
  • the upper structure 10 may be provided with a guide (not shown) for guiding the movement of the weight body 14 and preventing rotation of the weight body 14.
  • the driving unit 15 may include a motor, and the driving shaft of the motor may be coupled to an end of the rotation shaft 13.
  • the weight body 14 is installed to move up and down by the rotation of the driving unit 15, but is not limited and may be modified in various forms.
  • the driving shaft of the motor which is the driving unit 15 in the present embodiment
  • the driving shaft of the motor may be disposed in parallel with the rotary shaft 13 to indirectly transmit the driving force.
  • a driven gear is installed at one side of the rotation shaft 13 and a main gear gear meshed with the driven gear can be installed at the end of the drive shaft to transmit the driving force.
  • Figure 4 is a perspective view schematically showing the upper structure of the wave power generator according to an embodiment of the present invention.
  • the specifications of the upper structure 10 for obtaining the driven yaw response characteristic of the wave power generator 1 according to an embodiment of the present invention are as follows.
  • the upper structure 10 has a width L1 of the front surface where the wave travels, and a length L2 of the side surface located at the water surface, which is the height of the sea, is about 3.4 m. Draft L3, the length of which is submerged in, may be about 14.1 m.
  • the upper structure 10 may have a drainage of about 2036.3 tons, and the height L4 of the center of gravity C may be located at an upper portion of 3.1 m from the bottom.
  • the upper structure 10 may have a height L5 of the metacenter GM, which is the buoyancy center for determining the resilient force to be driven, about 3.33m above the bottom.
  • the upper structure 10 may be driven within a radius of inertia of about 4m.
  • FIG. 5 is a graph illustrating the response of the yaw response (RAO) according to the wave period of the upper structure 10 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a view of the upper structure 10 according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the motion response to actual sea state.
  • the upper structure 10 adjusts the center of gravity moving portion 12 to the longitudinal of the upper structure 10
  • the fluctuating period can be resonated by the wave period of 5 to 8 at sea.
  • the driven swing response characteristic is a value expressed according to the wave period of how many times the driven swing motion of the floating body occurs when a wave of any cycle having a displacement of 1 m comes.
  • the driven motion response characteristic (RAO) of the wave period of the upper structure 10 can be shown as shown in FIG.
  • the x axis (horizontal axis) in FIG. 5 represents the period of the wave
  • the y axis (vertical axis) represents the response of the floating body to each periodic wave.
  • the upper structure 10 may resonate with 6.5 seconds, which is a period of the sea wave, by adjusting the center of gravity moving unit 12, and thus the upper structure 10 may be closed at a period of about 6.5 degrees. Can shake.
  • the upper structure 10 performs the fluctuation of about 6.5 degrees when a wave having a displacement of 1 m comes.
  • the superstructure 10 performs excessive follow-up motion between about 10 degrees and about 20 degrees depending on the sea state, and when the resonance point of the upper structure 10 is positioned near the wave period, Excessive motion can be obtained beyond the motion response directly obtained from the wave energy.
  • the center of gravity of the upper structure 10 can be moved up and down to match the driven cycle of the upper structure 10 with the wave period, thereby realizing the maximum motion according to each sea state.
  • the shape of the upper structure 10 is described as being formed in the form of a pit or polka dot, but is not limited to this and various forms that can be resonated in the driven cycle and the wave period of the sea state of the upper structure 10 It can be formed as.
  • the upper structure 10 may be formed in a variety of shapes, such as a triangular shape, gourd shape, etc., the volume becomes larger toward the bottom of the waterline.
  • the upper structure 10 may be lengthened in the vertical direction of the front receiving the wave in order to receive a large wave force, the overall shape may be formed in a shape or an arc shape bent in the front and rear direction as viewed from the top.
  • the vertical length of the upper structure 10 may be changed in design in consideration of structural strength or manufacturability.
  • Figure 7 is a view briefly showing the interior of the wave power generator 1 according to another embodiment of the present invention, the center of gravity movement unit 112 is installed on the upper structure 10, the rotating shaft 113 ) May be included.
  • the spiral portion may be formed on the outer circumferential surface of the rotation shaft 113.
  • the weight body 114 may be installed at the end of the rotating shaft 113.
  • the driving unit 116 may be connected to the rotation shaft 113.
  • the driving unit may include a motor, and a rotary gear 115 may be installed on the driving shaft of the motor and meshed with the spiral portion of the rotating shaft 113.
  • the center of gravity moving unit 112 rotates the rotary gear 115 as the driving unit 116 operates, and rotates the rotary shaft 113 meshed with the rotary gear 115.
  • the rotation shaft 113 moves up and down inside the upper structure 10 by rotation.
  • the weight body 114 installed at the end of the rotary shaft 113 is moved up and down by the up and down movement of the rotary shaft 113 can adjust the center of gravity of the upper structure (10).
  • FIG. 8 is a view briefly showing the inside of the wave power generator 1 according to another embodiment of the present invention
  • the center of gravity moving unit 212 is installed on the upper structure 10, up and down one side It may include a rod 213 formed in the gear portion.
  • the weight 214 may be installed at the other side of the rod 213.
  • the gear portion of the rod 213 may be provided with a rotary gear 215 meshing with the gear portion.
  • the rotary gear 215 may receive a driving force by a motor (not shown), and may move the rod 213 to elevate the weight body 214 by the driving force, thereby causing the weight of the upper structure 10 to be increased. You can adjust the center.
  • Figure 9 is a simplified view showing the interior of the wave power generator 1 according to another embodiment of the present invention.
  • the center of gravity moving unit 312 of the present embodiment may include an actuator 313 inside the upper structure 10.
  • the actuator 313 may be made of one or a plurality, and a weight body 314 may be installed at one side of the actuator 313.
  • the weight body 314 is elevated by the operation of the actuator 313 and can adjust the center of gravity of the upper structure 10.
  • the center of gravity moving unit may be modified in various forms in addition to the above-described embodiments, and of course, one or more of these embodiments may be applied in combination.
  • the center of gravity moving unit may be provided with a ballast tank (ballast tank) in the interior of the upper structure, it is also possible to include a ballast pump (ballast water) for supplying or discharging ballast water (ballast water) connected to the ballast tank. .
  • the configuration in which the center of gravity moving unit includes the ballast tank and the ballast pump may be additionally installed so as not to interfere with the center of gravity moving unit of the above-described embodiment.
  • the driven fluctuation of the upper structure can be resonated with the period of the wave, thereby increasing the amount of rotation of the upper structure can increase the power generation efficiency.

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Abstract

파력발전장치가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 파력발전장치는 파도에 의해 요동하는 상부 구조체와, 수선면 하부에 설치되어 상부 구조체를 회전가능하게 지지하는 하부 구조체와, 상부 구조체 또는 하부 구조체 중 어느 한 쪽에 설치되며 상부 구조체의 회전시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부와, 상부 구조체에 설치되며 파도의 주기와 상부 구조체가 요동하는 주기를 조절하기 위해 상부 구조체의 무게 중심을 이동시키는 무게중심 이동부를 포함한다.

Description

파력발전장치
본 발명은 전기를 발생시키는 파력발전장치에 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 에너지원으로서 석유나 석탄 등의 화석연료는 타 연료에 비해 그 의존도가 매우 크기 때문에 자원 고갈 등의 문제를 야기하고, 그 사용이 영구적이지 못하다는 한계를 안고 있다. 또한, 대기오염과 방사능의 유출 우려가 있어 환경 친화적이지 않다는 문제가 있다.
이와 같이, 최근에는 화석연료의 고갈과 환경오염의 문제점이 부각되면서 자연에너지를 직접적으로 이용하여 전기를 발생시킬 수 있으며, 대규모의 발전설치가 필요없는 대체에너지의 개발이 요구되고 있다.
이러한 대체에너지를 이용한 장치로는 태양열, 조력, 파력, 풍력 및 수력 등의 자연에너지를 이용한 친환경적이며 영구적으로 에너지원을 활용할 수 있는 발전장치들이 개발되고 있다.
이러한 발전장치의 일례로 파력발전장치는 파에 의한 부유체의 병진 또는 회전 운동을 이용한 형태로, 이러한 운동에너지를 변환하여 전기에너지를 생산하는 장치다.
종래의 파력발전장치는 발전효율을 증가시키기 위해 파에너지를 부유체의 운동으로 가능한 많이 전달하려 하였고 그 방법에 따라 다양한 형태의 부유체 형상이 제시되었다.　
그러나, 종래의 파력발전장치는 파 에너지 자체를 직접 이용하기 때문에 해상 상태에 따라 발전 효율이 낮아질 수 있고, 더욱이 잔잔한 해상조건에서는 발전효율이 급격히 떨어지는 문제가 있다.　 또한, 종래의 파력발전장치는 발전 효율을 증가시키기 위해 파 에너지가 큰 곳에 설치할 경우 발전장치 자체의 손상 위험성이 있었다.　 이와 같이, 종래의 파력장치는 발전가능한 지역이 제한되고, 안정적인 전기를 지속적으로 생산할 수 없었으며, 이에 따라 실질적인 전기 생산 효율이 낮아 경제성 및 실용성이 떨어지는 요인이 되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 부유체가 해상의 조파 특성에 따라 운동할 수 있도록 하여 공진에 의한 운동에너지를 증가시켜 발전효율을 향상시키는 파력발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 파력발전장치는 파도에 의해 요동하는 상부 구조체와, 수선면 하부에 설치되어 상부 구조체를 회전가능하게 지지하는 하부 구조체와, 상부 구조체 또는 하부 구조체 중 어느 한 쪽에 설치되며 상부 구조체의 회전시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부와, 상부 구조체에 설치되며 파도의 주기와 상부 구조체가 요동하는 주기를 조절하기 위해 상부 구조체의 무게 중심을 이동시키는 무게중심 이동부를 포함한다.
발전부의 구동축은 상부 구조체의 피봇(pivot)축에 연결될 수 있다.
상부 구조체의 피봇축과 발전부의 구동축 사이에 설치된 감/가속기를 더 포함할 수 있다.
상부 구조체의 무게중심은 상부 구조체의 부력중심 보다 낮게 위치될 수 있다.
상부 구조체의 측면은 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가되고, 상부 구조체의 피봇축을 지나면서 다시 폭이 좁아지는 물방울형상으로 형성될 수 있다.
무게중심 이동부는 상부 구조체에 상, 하로 설치된 회전축과, 회전축의 일측에 설치된 중량체와, 회전축을 회전시켜 중량체를 승강시키는 구동부를 포함할 수 있다.
무게중심 이동부는 상부 구조체에 상, 하로 설치되며 일측에 기어부가 형성된 로드와, 로드의 타측에 설치된 중량체와, 로드의 기어부와 치합되어 중량체가 승강되도록 로드를 이동시키는 회전기어를 포함할 수 있다.
무게중심 이동부는 상부 구조체의 내부에 설치된 액추에이터(actuator)와, 액추에이터의 일측에 설치되어 액추에이터에 의해 승강되는 중량체를 포함할 수 있다.
무게중심 이동부는 상부 구조체의 내부에 설치된 밸러스트(ballast) 탱크와, 밸러스트 탱크와 연결되어 밸러스트 수를 공급 또는 배출하는 밸러스트 펌프를 포함할 수 있다.
파력발전장치를 수선면에 대해 일정한 높이로 유지시키기 위한 지지부재를 더 포함할 수 있다.
지지부재는 해저면에 설치되어 하부 구조체에 연결되는 적어도 하나의 와이어를 포함할 수 있다.
지지부재는 해저면에 고정 설치되어 하부 구조체에 설치되는 지주를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 측면도.
도 3은 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 내부를 간략하게 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 구조체의 파주기에 따른 종동요 응답특성(RAO)를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 상부 구조체의 실제 해상상태에 대한 운동응답을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 상부 구조체를 개략적으로 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치의 내부를 간략하게 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파력발전장치의 내부를 간략하게 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파력발전장치의 내부를 간략하게 도시한 도면.
<부호의 설명>
1 : 파력발전장치 10 : 상부 구조체
11 : 피봇축 12 : 무게중심 이동부
13 : 회전축 14 : 중량체
20 : 하부 구조체 22 : 발전부
24 : 지주
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
이하, 본 발명에 따른 파력발전장치를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 측면도이다.　 또한, 도 3은 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 내부를 간략하게 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 파력발전장치(1)는 상부 구조체(10), 피봇축(11), 무게중심 이동부(12), 회전축(13), 중량체(14), 하부 구조체(20), 발전부(22), 지주(24)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 파력발전장치(1)는 파도에 의해 요동하는 상부 구조체(10)를 갖고, 이 상부 구조체(10)는 수선면 하부에 설치된 하부 구조체(20)에 회전 가능하게 설치된다.　 여기서 수선면이란 해수 표면을 말하는 것으로서, 하부 구조체(20)는 해수에 잠긴 상태로 설치될 수 있다.　 또한, 상부 구조체(10)는 양측이 하부 구조체(20)에 의해 고정되어 횡방향으로의 회전이 제한되며, 종방향으로의 종동요만 발생할 수 있다.
본 실시예에서, 파력발전장치(1)는 수심이 낮은 해역에 설치될 수 있으며, 이때 하부 구조체(20)가 해저면에 고정 설치될 수 있다.
한편, 파력발전장치(1)는 물에 뜰 수 있으며, 이에 따라 파력발전장치(1)를 일정한 높이로 유지시키기 위한 지지부재를 더 포함할 수 있다.
따라서 본 실시예에서의 파력발전장치(1)가 설치된 해역의 수심에 따라 다양한 방식의 지지부재에 의해 파력발전장치(1)가 일정한 높이에서 계류될 수 있다.
일례로, 상부 구조체(10)가 수선면 아래에 위치될 경우, 하부 구조체(20)의 하부에 지지부재를 설치하여 파력발전장치(1)를 일정한 높이에 계류시킬 수 있다.　 이때 지지부재는 해저면에 고정 설치되는 지주(24)로 이루어질 수 있다.　 지주(24)는 하부가 해저면에 삽입되어 고정되며, 상부는 하부 구조체(20)의 일측에 결합되어 하부 구조체(20)를 지지하게 된다.　 본 실시예에서 지주(24)는 쇠기둥, 파이프 또는 트러스(truss) 형태의 고정식 구조물로 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 파력발전장치(1)는 하부 구조체(20)가 해저면에 설치된 지주(24)에 의해 일정한 높이로 고정 설치되는 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 파력발전장치(1)가 설치되는 해역의 수심 또는 해상 상태에 따라 다양한 형태로 설치될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서 지지부재는 해저면에 설치되어 하부 구조체(20)에 연결되는 적어도 하나의 와이어(wire)를 포함할 수 있다.　 이러한 와이어는 단선의 강철선으로 이루어질 수 있고, 복수의 강철선이 꼬인 형태의 텐던(tendon)선으로 이루어질 수 있다.　 또한, 와이어는 체(chain)인 또는 고리가 연속적으로 결합되어 형성되는 쇠줄 등과 같이 다양한 형태가 사용될 수 있다.
본 실시예에서 파력발전장치(1)는 파도에 대한 종동요를 크게 하기 위해 상부 구조체(10)가 파도의 진행방향을 향해 설치될 수 있다.　 즉, 상부 구조체(10)는 정면부가 파도에 부딪치는 방향으로 설치되며, 이 파도에 의해 전후 방향으로 종동요가 발생한다.
상부 구조체(10)의 측면은 상부는 폭이 좁고 하부로 갈수록 폭이 증가된다.　 또한, 상부 구조체(10)의 측면은 폭이 하부 구조체(20)에 지지되는 피봇(pivot)축(11) 부분을 지나면서 다시 좁아진다.　 이러한 상부 구조체(10)의 측면은 전체적인 형상이 오뚜기 또는 물방울의 형상으로 형성되며, 이에 따라 상부 구조체(10)는 파도에 의해 전후 방향으로의 종동요가 쉽게 발생하며, 제자리로 쉽게 복원될 수 있다.
또한, 상부 구조체(10)는 무게 중심이 낮게 형성되며, 상하 운동은 억제되고 큰 복원력을 갖게 된다.　 일례로 상부 구조체(10)는 무게 중심이 해수에 의해 부력을 받게 되면 부력 중심보다 낮게 위치될 수 있다.
또한, 파력발전장치(1)는 상부 구조체(10)의 종동요시 발생하는 회전력에 의한 운동에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부(22)를 포함할 수 있다.
발전부(22)는 상부 구조체(10) 또는 하부 구조체(20) 중 어느 한 쪽에 설치될 수 있으며, 일례로 본 실시예에서 발전부(22)는 하부 구조체(20)의 양측에 설치되며, 발전부(22)는 각각의 구동축이 상부 구조체(10)의 피봇축(11) 단부에 각각 연결될 수 있다.
본 실시예에서 발전부(22)는 하부 구조체(20)에 설치되어 있으나, 발전부(22)의 설치된 위치나 개수 등은 한정되지 않으며, 다양하게 변형될 수 있다.　 일례로, 발전부(22)는 상부 구조체(10)의 내측에 설치될 수 있다.　 또한, 발전부(22)는 하나로 이루어져 상부 구조체(10)의 피봇축(11) 일측에 설치되거나 두 개로 이루어져 상부 구조체(10)의 피봇축(11) 양측에 각각 설치될 수 있다.　 본 실시예에서 발전부(22)는 공지된 다양한 기술이 적용될 수 있으므로 연결구조 또는 작용 등에 대한 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에서 발전부(22)는 상부 구조체(10)의 피봇축(11)에 연결되어 회전 운동이 직접적으로 전달될 수 있으며, 상부 구조체(10)의 피봇축(11)과 발전부(22)의 구동축 사이에 (도시되지 않은) 감/가속기를 더 설치될 수 있다.
감/가속기는 상부 구조체(10)의 회전 운동을 증폭시켜 발전부(22)의 구동축으로 전달하며, 이에 따라 발전 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 실시예의 파력발전장치(1)는 상부 구조체(10)의 무게 중심을 이동시키는 무게중심 이동부(12)를 포함할 수 있다.
무게중심 이동부(12)는 상부 구조체(10)의 무게 중심을 이동시켜 상부 구조체(10)의 종동요하는 주기를 파도의 주기와 공진시킬 수 있으며, 이로 인해 상부 구조체(10)가 작은 크기의 파도에도 크게 종동요할 수 있다.
이와 같이, 상부 구조체(10)가 종동요하는 주기가 파도의 주기와 공진됨에 따라 안정적으로 전기를 생산할 수 있다.　 즉, 파도의 크기가 잔잔할 경우(파도의 주기가 짧을 경우), 상부 구조체(10)의 무게 중심을 부력 중심과 가깝게 하면, 파도의 작은 힘에도 상부 구조체(10)의 종동요를 크게 발생시킬 수 있다.　 또한, 파도의 크기가 클 경우(파도의 주기가 길 경우), 상부 구조체(10)의 무게 중심을 부력 중심과 멀게 하면, 파도의 큰 힘에도 상부 구조체(10)가 안정적으로 종동요할 수 있다.
본 실시예에서 무게중심 이동부(12)는 상부 구조체(10)에 상, 하로 설치된 회전축(13)을 포함할 수 있다. 또한, 이 회전축(13)의 일측에는 중량체(14)가 결합되어 설치될 수 있다.
또한, 회전축(13)에는 구동부(15)가 설치되며, 이 구동부(15)의 작동에 의해 회전축(13)이 회전하며 중량체(14)를 상하로 승강시킬 수 있다.
본 실시예의 무게중심 이동부(12)는 중량체(14)를 상, 하로 승감함에 따라 상부 구조체(10)의 무게 중심을 조절할 수 있다.
이를 위해 회전축(13)의 외주면에는 나선부가 형성될 수 있다.　 또한, 중량체(14)는 중앙부에 이 회전축(13)에 삽입되는 홀이 형성되어 있고, 이 홀의 내주면에는 회전축(13)의 나선부와 결합되는 나선부가 형성될 수 있다.
따라서, 구동부(15)가 회전축(13)을 회전시키면, 중량체(14)가 회전축(13)의 나선부를 따라 상, 하로 승강하게 된다.　 이때, 상부 구조체(10)에는 중량체(14)의 이동을 안내하며, 중량체(14)의 회전을 방지하는 (도시되지 않은) 가이드가 마련될 수 있다.
일례로, 구동부(15)는 모터(motor)를 포함할 수 있으며, 이 모터의 구동축이 회전축(13)의 단부에 결합될 수 있다.
본 실시예에서, 중량체(14)는 구동부(15)의 회전에 의해 승강하도록 설치되어 있으나, 한정되지 않으며 다양한 형태로 변형될 수 있다.
일례로, 본 실시예에서 구동부(15)인 모터의 구동축이 회전축(13)에 연결된 것으로 개시되어 있으나, 모터의 구동축이 이 회전축(13)과 병렬로 배치되어 간접적으로 구동력을 전달할 수 있다.　 이를 위해 회전축(13)의 일측에는 피동기어가 설치되고, 구동축의 단부에는 피동기어와 치합되는 주동기어를 설치하여 구동력을 전달하는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치의 상부 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4와 표 1을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 파력발전장치(1)의 종동요 응답특성을 구하기 위한 상부 구조체(10)의 제원을 설명하면 다음과 같다.
표 1 <상부 구조체의 제원표>
구분 제원 비고
정면의 폭 20m
수선면의 길이 3.4m
흘수의 길이 14.1m
배수량 2036.3ton
무게중심의 높이 3.1m
메타센터의 높이 3.33m
관성반경 4m
일례로 본 실시예에서, 상부 구조체(10)는 파도가 진행하는 정면의 폭(L1)이 약 20m이고, 해상의 높이인 수선면에 위치되는 측면의 길이(L2)가 약 3.4m이며, 물에 잠긴 길이인 흘수(L3)가 약 14.1m로 이루어질 수 있다.　 이러한 상부 구조체(10)는 배수량이 약 2036.3ton일 수 있으며, 무게 중심(C)의 높이(L4)는 하단에서 3.1m 상부에 위치할 수 있다.
또한, 상부 구조체(10)는 종동요하는 복원력을 결정하는 부력중심인 메타센터(GM)의 높이(L5)가 하단에서 약 3.33m 상부에 위치될 수 있다.
이러한, 상부 구조체(10)는 약 4m의 관성반경내에서 종동요할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 상부 구조체(10)의 파주기에 따른 종동요 응답특성(RAO)를 도시한 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 상부 구조체(10)의 실제 해상상태에 대한 운동응답을 도시한 그래프이다.
본 발명의 실시예에서, 파력발전장치(1)가 설치되는 해상의 파 주기가 5~8초일 경우, 상부 구조체(10)는 무게중심 이동부(12)를 조절하여 상부 구조체(10)의 종동요하는 주기를 해상의 파 주기인 5~8로 공진시킬 수 있다.
본 실시예에서 종동요 응답특성(RAO)은 변위가 1m인 임의 주기의 파도가 왔을 때, 부유체의 종동요 운동이 몇 도로 발생하는지를 파 주기에 따라 표시한 값이다.　
또한, 상부 구조체(10)의 파 주기에 대한 종동요 운동 응답 특성(RAO)은 도 5와 같이 도시할 수 있다.　 여기서, 도 5의 x축(가로축)은 파의 주기를 나타내며, y축(세로축)은 각 주기파에 대한 부유체의 응답을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상부 구조체(10)는 무게중심 이동부(12)를 조절하여 해상파의 주기인 6.5초와 공진시킬 수 있으며, 이에 따라 상부 구조체(10)가 약 6.5도의 주기로 종동요할 수 있다.
따라서, 상부 구조체(10)는 변위가 1m인 파도가 왔을 때, 약 6.5도의 종동요 운동을 하는 것을 알 수 있다.
도 5를 참고하여 실제 각 주기에 해당하는 해상상태를 구현하면 도 6과 같은 종동요 운동응답을 알 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상부 구조체(10)는 해상 상태에 따라 약 10도에서 약 20도 사이에서 과대 종동요 운동을 하게 되며, 상부 구조체(10)의 공진점을 파 주기 근처에 위치시키면 실제 파에너지에서 직접적으로 구할 수 있는 운동응답 이상의 과대 운동을 얻을 수 있다.　 또한, 상부 구조체(10)의 무게 중심을 상하로 이동시켜 상부 구조체(10)의 종동요 주기를 파 주기와 일치시킬 수 있으며, 이에 따라 각 해상 상태에 따라 최대 운동을 구현할 수 있다.
본 실시예에서 상부 구조체(10)의 형상은 오뚜기 또는 물방울 형태로 형성된 것으로 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 상부 구조체(10)의 종동요 주기와 해상 상태의 파 주기에 공진시킬 수 있는 다양항 형태로 형성될 수 있다.　 일례로, 상부 구조체(10)는 삼각형 모양, 호리병 모양 등과 같이 수선면 하부로 갈수록 부피가 커지는 다양한 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상부 구조체(10)는 파력을 크게 받기 위해 파를 받는 정면의 상하방향 길이를 길게 할 수 있으며, 상부에서 보는 것을 기준으로 전체적인 형상이 전후 방향으로 휘어진 형상 또는 원호 형상으로 형성될 수 있다.　 또한, 상부 구조체(10)의 상하방향 길이는 구조강도나 제작성 등을 고려하여 설계 변경될 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 파력발전장치(1)의 내부를 간략하게 도시한 도면으로, 무게중심 이동부(112)는 상부 구조체(10)에 상, 하로 설치된 회전축(113)을 포함할 수 있다.　 그리고, 회전축(113)의 외주면에는 나선부가 형성될 수 있다.　 또한, 회전축(113)의 단부에 중량체(114)가 설치될 수 있다.
이 회전축(113)에는 구동부(116)가 연결될 수 있다.　 구동부는 모터를 포함할 수 있고, 이 모터의 구동축에 회전축(113)의 나선부와 치합되는 회전기어(115)가 설치될 수 있다.
이러한 무게중심 이동부(112)는 구동부(116)가 작동함에 따라 회전기어(115)가 회전하며, 이 회전기어(115)와 치합된 회전축(113)을 회전시킨다.　　 그리고, 회전축(113)은 회전에 의해 상부 구조체(10)의 내측에서 상, 하로 이동하게 된다.　 이때, 회전축(113)의 단부에 설치된 중량체(114)는 회전축(113)의 상, 하 이동에 의해 상, 하로 이동되며 상부 구조체(10)의 무게 중심을 조절할 수 있다.
또한, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파력발전장치(1)의 내부를 간략하게 도시한 도면으로, 무게중심 이동부(212)는 상부 구조체(10)에 상, 하로 설치되며 일측에 기어부가 형성된 로드(213)를 포함할 수 있다.　 그리고, 이 로드(213)의 타측에는 중량체(214)가 설치될 수 있다.　 한편, 로드(213)의 기어부에는 이 기어부와 치합되는 회전기어(215)가 설치될 수 있다.　 회전기어(215)는 (도시되지 않은) 모터에 의해 구동력을 전달받고, 이 구동력에 의해 로드(213)를 이동시켜 중량체(214)를 승강시킬 수 있으며, 이로 인해 상부 구조체(10)의 무게 중심을 조정할 수 있다.
또한, 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 파력발전장치(1)의 내부를 간략하게 도시한 도면이다.
도 9를 참고하면, 본 실시예의 무게중심 이동부(312)는 상부 구조체(10)의 내부에 액추에이터(actuator)(313)를 포함할 수 있다.　 이 액추에이터(313)는 하나 또는 복수개로 이루어질 수 있으며, 이 액추에이터(313)의 일측에는 중량체(314)가 설치될 수 있다.　 중량체(314)는 액추에이터(313)의 작동에 의해 승강하며 상부 구조체(10)의 무게 중심을 조정할 수 있다.
본 실시예에서 무게중심 이동부는 전술된 실시예 외에도 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 이러한 실시예들을 하나 이상 조합하여 적용하는 것도 물론 가능하다.　 또한, 무게중심 이동부는 상부 구조체의 내부에 밸러스트 탱크(ballast tank)를 설치하고, 이 밸러스트 탱크와 연결되어 밸러스트 수(ballast water)를 공급 또는 배출하는 밸러스트 펌프(ballast water)를 포함하는 것도 가능하다.
이와 같이 무게중심 이동부가 밸러스트 탱크 및 밸러스트 펌프를 포함하는 구성은 전술된 실시예의 무게중심 이동부와 간섭되지 않게 추가 설치될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에서, 상부 구조체의 종동요를 파의 주기와 공진시킬 수 있으며, 이로 인해 상부 구조체의 회전량을 증가시킬 수 있어 발전 효율을 높일 수 있다.

Claims (12)

  1. 파도에 의해 요동하는 상부 구조체와,
    수선면 하부에 설치되어 상기 상부 구조체를 회전가능하게 지지하는 하부 구조체와,
    상기 상부 구조체 또는 상기 하부 구조체 중 어느 한 쪽에 설치되며 상기 상부 구조체의 회전시 발생하는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전부와,
    상기 상부 구조체에 설치되며 상기 파도의 주기와 상기 상부 구조체가 요동하는 주기를 조절하기 위해 상기 상부 구조체의 무게 중심을 이동시키는 무게중심 이동부를 포함하는 파력발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 발전부의 구동축은 상기 상부 구조체의 피봇(pivot)축에 연결되는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상부 구조체의 피봇축과 상기 발전부의 구동축 사이에 설치된 감/가속기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 구조체의 무게중심은 상기 상부 구조체의 부력중심 보다 낮게 위치된 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 구조체의 측면은 상부에서 하부로 갈수록 폭이 증가되고, 상기 상부 구조체의 피봇축을 지나면서 다시 폭이 좁아지는 물방울형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무게중심 이동부는
    상기 상부 구조체에 상, 하로 설치된 회전축과,
    상기 회전축의 일측에 설치된 중량체와,
    상기 회전축을 회전시켜 상기 중량체를 승강시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무게중심 이동부는
    상기 상부 구조체에 상, 하로 설치되며 일측에 기어부가 형성된 로드와,
    상기 로드의 타측에 설치된 중량체와,
    상기 로드의 기어부와 치합되어 상기 중량체가 승강되도록 상기 로드를 이동시키는 회전기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  8. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무게중심 이동부는
    상기 상부 구조체의 내부에 설치된 액추에이터와,
    상기 액추에이터의 일측에 설치되어 상기 액추에이터에 의해 승강되는 중량체를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  9. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무게중심 이동부는
    상기 상부 구조체의 내부에 설치된 밸러스트 탱크(ballast tank)와,
    상기 밸러스트 탱크와 연결되어 밸러스트 수(ballst water)를 공급 또는 배출하는 밸러스트 펌프(ballast pump)를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파력발전장치를 수선면에 대해 일정한 높이로 유지시키기 위한 지지부재를 더 포함하는 파력발전장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 지지부재는 해저면에 설치되어 상기 하부 구조체에 연결되는 적어도 하나의 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 지지부재는 해저면에 고정 설치되어 상기 하부 구조체에 설치되는 지주를 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
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