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KR102084797B1 - 파력발전장치 - Google Patents

파력발전장치 Download PDF

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KR102084797B1
KR102084797B1 KR1020130116430A KR20130116430A KR102084797B1 KR 102084797 B1 KR102084797 B1 KR 102084797B1 KR 1020130116430 A KR1020130116430 A KR 1020130116430A KR 20130116430 A KR20130116430 A KR 20130116430A KR 102084797 B1 KR102084797 B1 KR 102084797B1
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박병철
오진식
김의현
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한국전력공사
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Abstract

본 발명은, 해수면에 부유되어 파랑에 의해 상하방향으로 이동하며, 하단에는 유체가 수용되고 유체의 상부에는 기체가 수용되도록 외부와 폐쇄된 외부챔버와, 상기 외부 챔버 내부에 수용되고 하단은 상기 외부챔버의 하부면에서 이격되며, 상부는 외부에 개방되어 내부에 수용된 유체의 상부에 외부공기가 수용되도록 구비되는 내부 챔버를 포함하는 몸체부 및, 상기 내부챔버의 수용된 유체의 상단에 구비되며, 상기 내부 챔버에 수용된 유체가 상하방향으로 이동함에 따라 유출입하는 상기 내부챔버에 수용된 기체에 의해 전력을 생산하는 발전부를 포함하여 구성되는 파력발전장치에 관한 것이다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서부착장치에 의하면, 파랑의 고유진동수와 일치하게 동체를 구비하여 발전시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

파력발전장치{WAVE POWER GENERATION APPARATUS}
본 발명은 파력발전장치에 관한 것으로, 상세하게는 파랑의 고유진동수와 일치시켜 파랑에 의한 상하이동을 극대화시킬 수 있는 파력발전장치에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 종래의 복수개의 부유식 동체(10)를 갖는 표면추종가동 물체형 파력 발전 방식은 각각의 동체(10)에 체인이 연결되어 있으므로 불규칙적인 파랑 또는 조류 및 강풍에 매우 민감하여 파랑 에너지를 효율적으로 흡수하는데 문제가 있었다.
그리고, 동체(10)의 연결 부위에 집중된 응력에 의해 발전설비가 구조적으로 안정적이지 못한 문제가 있었다.
또한, 종래의 파력 발전 방식은 파랑의 세기, 진동수 등을 고려하지 않고 일률적으로 동체를 제작함으로써 발전설비의 효율이 낮은 문제가 있었다.
본 발명은 상기 문제점 중 적어도 하나를 해결하기 위해 제안된 것으로 본 발명은 일측면으로서, 파랑의 고유진동수와 일치하게 동체를 제작함으로써 발전효율을 향상시킬 수 있는 파력발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 일측면으로서, 복수개의 동체가 연결되는 방식이 아닌 하나의 동체로 발전할 수 있는 파력발전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적으로 달성하기 위한 일 측면으로서 본 발명은, 해수면에 부유되어 파랑에 의해 상하방향으로 이동하며, 하단에는 유체가 수용되고 유체의 상부에는 기체가 수용되도록 외부와 폐쇄된 외부챔버와, 상기 외부 챔버 내부에 수용되고 하단은 상기 외부챔버의 하부면에서 이격되며, 상부는 외부에 개방되어 내부에 수용된 유체의 상부에 외부공기가 수용되도록 구비되는 내부 챔버를 포함하는 몸체부 및, 상기 내부챔버의 수용된 유체의 상단에 구비되며, 상기 내부 챔버에 수용된 유체가 상하방향으로 이동함에 따라 유출입하는 상기 내부챔버에 수용된 기체에 의해 전력을 생산하는 발전부를 포함하여 구성되는 파력발전장치를 제공한다.
그리고, 본 발명의 일측면으로서, 상기 몸체부는, 상기 내부챔버에 수용된 유체 고유진동수와, 해수의 진동수와 동일하도록 상기 외부 챔버에 수용된 기체의 압력 및 부피, 외부 챔버의 단면적, 상기 내부챔버의 단면적과, 상기 내부챔버에 수용된 유체의 높이가 아래의 식을 만족하도록 구비될 수 있다.
식:
Figure 112013088633567-pat00001
그리고, 본 발명의 일측면으로서, 상기 발전부는, 상기 내부 챔버에서 유출입하는 공기의 공압에 의해 회전하는 회전부를 포함하고, 상기 회전부의 회전에 의해 전력을 생산하도록 구비될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일측면으로서, 상기 발전부는 상기 내부 챔버의 이동에 따라 상기 내부 챔버에 수용된 유체의 이동에 의해 상기 내부챔버의 길이방향으로 왕복운동하고 자성체로 구비된 자성부 및, 상기 자성부의 왕복운동에 의해 전력을 생산하도록 상기 자성부를 둘러싸며 코일로 형성된 권선부를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 본 발명의 일측면으로서, 상기 몸체부는 일측에 상기 몸체부를 해수면에 부유되도록 부유부를 더 포함할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일측면으로서, 일측은 해저에 고정된 앵커부와 연결되고 타측은 상기 몸체부와 연결되는 연결부를 더 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 파랑의 고유진동수와 일치하게 동체를 구비하여 발전시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 동체의 연결부가 없어 구조적으로 안정적이다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구조가 간단하여 전력변환 과정이 축소되어 효율이 향상된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 경량화가 가능하므로 제작비용과 유지보수 비용이 절감될 수 있다.
도 1(a)은 종래의 파력발전장치의 사진.
도 1(b) 및 도 1(c)는 각각 도 1(a)의 정면도와 평면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 파력발전장치의 정면도.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 의한 파력발전장치의 단면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 파력발전장치의 단면도.
이하 첨부된 도면에 따라 본 발명을 상세하게 설명한다.
먼저, 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명인 파력발전장치(100)의 기술적 특징을 이해시키는데 적합한 실시예들이다. 다만, 본 발명이 이하에서 설명되는 실시예에 한정하여 적용되거나 설명되는 실시예에 의해 본 발명의 기술적 특징이 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 기술범위에서 다양한 변형 실시가 가능하다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 파력발전장치(100)는, 내부에 유체와 기체가 수용된 몸체부(110)와 상기 몸체부(110) 내부에 수용된 유체 및 기체의 상하이동에 의해 전력을 생산하는 발전부(120)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 몸체 내부에 수용된 유체는 일 실시예로 물이 될 수 있고, 기체는 공기가 될 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않는다.
그리고, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 몸체부(110)는, 하단에 유체가 수용되고 유체의 상부에는 기체가 수용되도록 상부는 외부로부터 폐쇄된 외부챔버(112)와, 상기 외부챔버(112) 내부에 수용되는 내부챔버(111)를 포함한다.
즉, 상기 몸체부(110)는 상부는 폐쇄된 파이프 형상의 외부챔버(112) 내부에 이중관 형상으로 내부챔버(111)가 삽입되어 있고, 상기 내부챔버(111)의 하단은 상기 외부챔버(112)의 하단면으로부터 일정간격 이격된 상태로 설치된다.
그리고, 상기 내부챔버(111)의 상단은 상기 몸체부(110) 외부와 개방되어 상부에는 외부 공기가 유출입할 수 있도록 구비될 수 있다.
그리고, 상기 외부챔버(112)의 하단에는 유체가 수용되며, 유체의 상단에는 기체가 설정된 압력으로 수용된다.
이를 위해, 상기 외부챔버(112)는 도면에는 도시되지 않았으나, 외부로부터 설정된 압력의 기체가 내부에 수용되도록 기체공급부(미도시)에 연결되어 상기 외부챔버(112)의 상단에 기체를 공급할 수 있다.
그리고, 상기 내부챔버(111)의 하단은 상기 외부챔버(112)의 하단으로부터 이격되어 상기 외부챔버(112)와 상기 내부챔버(111)의 하단에 수용된 유체는 상기 외부챔버(112)에 수용된 기체의 압력에 의해 상기 내부챔버(111)에 일정한 높이의 수주를 형성한다 (이하, 상기 내부챔버(111)에 수용된 유체를 '수주'라고 한다.)
도 2를 참조하면, 상기 몸체부(110)는 자체 부피와 무게에 의해 해수면에 부유될 수도 있으나, 상기 몸체부(110)가 해수면에 용이하게 부유되도록 부유부(130)를 더 포함할 수 있다.
그래서, 상기 몸체부(110)는 파랑에 의해 해수면이 상하로 이동함에 따라 해수면에 부유된 상태로 상하방향으로 왕복운동하게 된다.
또한, 상기 몸체부(110)는 연결부(150)에 의해 해저에 고정된 앵커부(140)와 연결되어 상기 몸체부(110)가 파랑에 의해 임의의 지점으로의 이탈을 방지한다.
그리고, 상기 몸체부(110)의 상단에는 발전부(120)가 포함된다.
도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 의한 발전부(120)는, 상기 내부챔버(111)에 수용된 공기의 외부 유출입에 의한 공압에 의해 회전하는 회전부(121)를 포함할 수 있다.
여기서, 파랑에 의해 해수면이 상하로 이동함에따라 상기 몸체부(110)가 상하 왕복운동하게 되고, 상기 내부챔버(111)의 수주 또한 상하방향으로 왕복운동하게 되어 상기 유체의 상부에 수용된 공기는 외부로 유출입하게 된다.
그래서, 상기 몸체부(110)의 상단에 구비된 상기 회전부(121)는 상기 내부챔버(111)에 수용된 공기의 유출입시 회전하게 되고, 이를 에너지원으로 상기 발전부(120)에서는 전력을 생산할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 의한 발전부(120)는, 상기 몸체부(110)의 상단에 코일로 형성된 권선부(123)와, 상기 권선부(123)의 내부에서 상기 내부챔버(111)의 상하이동에 따라 상기 내부챔버(111)에 수용된 유체의 이동에 의해 상기 내부챔버(111)의 길이방향으로 왕복운동하는 자성체로 구비된 자성부(122)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 의한 파력발전장치(100)는, 전술한 것과 같이 상기 몸체부(110)가 상하 왕복 운동 하기 때문에, 상기 내부챔버(111)에 수용된 수주 또한 상하로 이동하게 되어 수주 내부에 단부가 위치한 상기 자성부(122)를 왕복운동시켜, 상기 자성부(122)의 왕복 운동에 의해 상기 권선부(123)에 유도전류가 흐르게 되어 상기 발전부(120)에서는 전력을 생산하게 된다.
한편, 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 의한 파력발전장치(100)는, 상기 몸체부(110)는 파랑에 의해 상하방향으로 이동할 때, 파랑의 고유진동수와 일치하는 고유진동수를 구비하도록 상기 외부챔버(112)의 단면적 및 기체가 수용된 부분의 부피, 압력, 및 상기 내부챔버(111)의 단면적을 설정된 값을 갖도록 구비될 수 있다.
즉, 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 내부챔버(111)에 수용된 유체의 높이(z)와, 상기 내부챔버(111) 내부의 수주의 무게(m), 에어스프링(댐퍼)상수(b), 용수철 상수(k), 외력(f(t))로 나타낸 물체의 운동방정식은 식 (1)에 의해 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
식(1):
Figure 112013088633567-pat00002
식(2):
Figure 112013088633567-pat00003
그리고, 식 (2)는 수주의 무게(m)는 유체의 밀도(ρ)와 수주의 높이(z)의 곱으로 나타낼 수 있고, 공기에 의한 힘(PaAc )과 외부챔버(112)에 수용된 물에 작용된 힘( PbAc)은 상기 내부챔버(111)에 수용된 기체의 압력(P)에서 특정 상수값을
Figure 112013088633567-pat00004
라 할 때, 식(3)와 같이 나타낼 수 있다.
식(3):
Figure 112013088633567-pat00005
그리고, 내부챔버(111) 하단으로부터 외부챔버(112)에 수용된 유체의 상부면까지 높이를 d라 하고, 내부챔버(111)에 수용된 기체의 부피를 V라 할때, d와 V는 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.
식(4):
Figure 112013088633567-pat00006
여기서, 식 (4)의
Figure 112013088633567-pat00007
,
Figure 112013088633567-pat00008
는 임의의 점에서 특정 높이 및 특정 부피를 나타내는 상수이고, d, v는
Figure 112013088633567-pat00009
,
Figure 112013088633567-pat00010
의 미소값이 변할 때의 높이 및 부피의 변수를 나타낸다. 그리고, γ는 상수이다.
그래서, 식 (4)를 식(3)에 대입하면, 식(5)와 같은 운동방정식을 구할 수 있다.
식(5):
Figure 112013088633567-pat00011
그리고, 식 (6)과 같이 변수를 치환하여, 식(5)에 식(6)을 대입하면 식 (7)과 같은 운동 방정식을 구할 수 있다.
식(6):
Figure 112013088633567-pat00012
식(7):
Figure 112013088633567-pat00013
한편, 식 (1)을 라플라스 변환한 식 (8)은 식 (9)와 같이 나타낼 수 있다
식(8):
Figure 112013088633567-pat00014
식(9):
Figure 112013088633567-pat00015
그리고, 식 (9)는 식(10)과 같이 나태낼 수 있다.
식(10):
Figure 112013088633567-pat00016
그래서, 식(9)와 식(10)에서, 고유진동수(
Figure 112013088633567-pat00017
)은 식(11)과 같이 나타낼 수 있다.
식(11):
Figure 112013088633567-pat00018
여기서, 식 (11)에 나타낸 m과 k는 식(7)과 식 (8)에서 계수를 대비하여 구할 수 있다.
따라서, 최종적으로 수주의 고유진동수(
Figure 112013088633567-pat00019
)는 식(12)와 같이 나타낼 수 있다.
식(12):
Figure 112013088633567-pat00020

즉, 수주의 고유진동수(
Figure 112013088633567-pat00021
)는 유체의 밀도, 상기 내부챔버(111)의 단면적(Ac),상기외부챔버(112)의 단면적에서 상기 내부챔버(111) 단면적을 뺀면적(Ar), 상기 내부챔버(111) 수주에 수용된 기체의 압력(
Figure 112013088633567-pat00022
), 외부 수주에 수용된 기체의 부피(
Figure 112013088633567-pat00023
), 수주의 높이(z)를 가변시켜 상기 내부챔버(111) 내부에 수용된 수주가 특정 고유진동수를 갖도록 조절할 수 있게 된다.
그래서, 상기 수주의 고유진동수를 파랑의 고유진동수와 일치시키는 경우 공진현상이 일어나 수주의 상하 이동이 극대화되어 수주의 상단의 공기유출입 또한 극대화 될 수 있다.
그 결과, 본 발명의 일 실시예에 의한 발전부(120)는, 상기 내부챔버(111)에서 공기의 유출입속도가 극대화되어 상기 회전부(121)의 회전속도가 증가되어 상기 발전부(120)의 효율이 극대화될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 실시예에 의한 발전부(120)는, 상기 내부챔버(111)에 수용된 수주의 상하 이동이 극대화되어 단부가 수주 내부에 위치한 상기 자성부(122)의 왕복운동 속도도 빨라지고, 이로 인해 상기 권선부(123)에 흐르는 유도 기전력도 증가하여 상기 발전부(120)의 효율이 극대화될 수 있다.
본 발명은 지금까지 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀두고자 한다.
100: 파력발전장치 110: 몸체부
111: 내부챔버 112: 외부챔버
120: 발전부 121: 회전부
122: 자성부 123: 권선부
130: 부유부 140: 앵커부
150: 연결부
z: 내부 챔버 하단부터 내부챔버에 수용된 수주의 높이
d: 내부 챔버 하단으로부터 외부챔버에 수용된 유체의 상부면까지 높이
Pa: 내부챔버에 수용된 공기의 압력, Pb: 외부 챔버에 수용된 유체의 압력
P: 외부 수주에 수용된 기체의 압력 V: 외부 챔버에 수용된 기체의 부피
Ac: 내부챔버의 단면적
Ar: 외부챔버 단면적에서 내부챔버 단면적을 뺀 단면적

Claims (6)

  1. 해수면에 부유되어 파랑에 의해 상하방향으로 이동하며, 하단에는 유체가 수용되고 유체의 상부에는 기체가 수용되도록 외부와 폐쇄된 외부챔버와, 상기 외부 챔버 내부에 수용되고 하단은 상기 외부챔버의 하부면에서 이격되며, 상부는 외부에 개방되어 내부에 수용된 유체의 상부에 외부공기가 수용되도록 구비되는 내부 챔버를 포함하는 몸체부; 및
    상기 내부챔버의 수용된 유체의 상단에 구비되며, 상기 내부 챔버에 수용된 유체가 상하방향으로 이동함에 따라 유출입하는 상기 내부챔버에 수용된 기체에 의해 전력을 생산하는 발전부;를 포함하고,
    상기 몸체부는,
    상기 내부챔버에 수용된 유체 고유진동수와, 해수의 진동수와 동일하도록 상기 외부 챔버에 수용된 기체의 압력 및 부피, 외부 챔버의 단면적, 상기 내부챔버의 단면적과, 상기 내부챔버에 수용된 유체의 높이가 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.



    식:
    Figure 112019113440715-pat00024

    (ρ: 유체의 밀도, g: 중력가속도,
    Figure 112019113440715-pat00025
    : 내부 챔버 하단부터 내부챔버에 수용된 수주의 높이,
    Figure 112019113440715-pat00026
    : 외부 수주에 수용된 기체의 압력,
    Figure 112019113440715-pat00027
    : 외부 챔버에 수용된 기체의 부피, Ac: 내부챔버의 단면적, Ar: 외부챔버 단면적에서 내부챔버 단면적을 뺀 단면적, γ: 상수)
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 내부 챔버에서 유출입하는 공기의 공압에 의해 회전하는 회전부를 포함하고, 상기 회전부의 회전에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발전부는,
    상기 내부 챔버의 이동에 따라 상기 내부 챔버에 수용된 유체의 이동에 의해 상기 내부챔버의 길이방향으로 왕복운동하고 자성체로 구비된 자성부; 및
    상기 자성부의 왕복운동에 의해 전력을 생산하도록 상기 자성부를 둘러싸며 코일로 형성된 권선부;를 포함하여 구성되는 파력발전장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 몸체부는 일측에 상기 몸체부를 해수면에 부유되도록 부유부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    일측은 해저에 고정된 앵커부와 연결되고 타측은 상기 몸체부와 연결되는 연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파력발전장치.
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