KR20100084328A - 파력 발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파력 발전 장치에 관한 것으로, 일정 간격을 두고 설치된 상하 한 쌍의 임펠러가 파랑의 상승과 하강시 각각 발전기축을 회전시키고, 발전기축을 회전시키지 않는 임펠러는 스파이어럴스프링을 감아 두는 힘으로 작용하여 파랑의 고점과 저점에서 상기 스파이어럴스프링의 탄성력으로 회전축을 회전시키도록 구성되어, 파랑을 이용한 발전에 있어 효율을 높인 파력 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 발전기축이 수직으로 위치되게 설치된 발전기; 상기 발전기축에 상하 일정 간격을 두고 두 개가 설치되되, 어느 하나는 파랑의 상승시에 발전기축을 회전시키고 파랑의 하강시에는 발전기축에서 공회전되며, 다른 하나는 파랑의 하강시에 발전기축을 회전시키고 파랑의 상승시에는 발전기축에서 공회전되는 임펠러;를 포함하여 구성된 파력 발전 장치가 제공된다.
발전기, 파력 발전, 파랑, 임펠러

Description

파력 발전 장치{Wave-power generation}
본 발명은 파력 발전 장치에 관한 것으로, 일정 간격을 두고 설치된 상하 한 쌍의 임펠러가 파랑의 상승과 하강시 각각 발전기축을 회전시키고, 발전기축을 회전시키지 않는 임펠러는 스파이어럴스프링을 감아 두는 힘으로 작용하여 파랑의 고점과 저점에서 상기 스파이어럴스프링의 탄성력으로 회전축을 회전시키도록 구성되어, 파랑을 이용한 발전에 있어 효율을 높인 파력 발전 장치에 관한 것이다.
[문헌 1] 한국 특허등록 제0398491호, 2003.09.03
[문헌 2] 한국 실용신안등록 제0329833호, 2003.10.01
파력 발전 장치는 바다의 표면에서 발생되는 파랑 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 이는 순수 자연력을 에너지로 전환하는 친환경적 에너지 장치로서 지구 온난화 등의 문제와 결부되어 대체 에너지 개발의 중요한 관심사로 대두되고 있다.
이와 같은 파력 발전 장치는 상기 [문헌 1]과 [문헌 2]에 개시된 발명과 같이 부력재를 이용하고, 상기 부력재가 파랑의 높낮이에 따라 승강하는 운동에너지를 발전기를 회전시키는 운동으로 전환하는 구조이다.
상기와 같은 종래의 파력 발전 장치는 부력재가 파랑의 고저를 따라 승하강하고, 이의 운동에너지를 발전기축을 돌리는 에너지로 이용하였다. 이와 같은 구조에서의 부력재는 발전기축에 바로 설치하여 사용할 수 없는 구조적 특징에 의하여 에너지 전환 효율이 낮은 문제가 있고, 특히 파랑의 최고점과 최저점에서는 발전기축을 회전시키는 힘의 공급이 단절됨으로써 연속적인 발전이 이루어지지 못하는 문제가 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하고자 하는 것으로, 파력 에너지가 발전기축을 바로 구동시킬 수 있도록 하여 전환 효율을 높이고, 파랑의 최고점과 최저점에서 파랑 에너지의 공급이 없는 상태가 되더라도 발전기축을 회전시킬 수 있도록 하여 연속적인 발전이 가능토록 하는 구조를 제공함에 목적이 있다.
본 발명은 파력 에너지를 발전기축의 회전에너지로 전환하는 구조를 보다 간단하게 하여 전환 효율을 증대시키는 구조를 제공하기 위하여, 종래의 부력재를 이용하지 않고, 파랑의 승강 운동에 의해 회전되는 임펠러를 발전기축에 직접 설치된 구조를 제공한다. 그리고 상기 임펠러를 파랑의 승강에 따라 각각 동일한 방향으로 발전기축을 회전시킬 수 있도록 상하 대칭되도록 두 개가 설치된 구조를 제공하게 된다. 또한 파랑의 승강에 따라 발전기축을 회전시키지 않는 임펠러는 스파이어럴스프링을 감아 탄성력을 보유하고 있도록 한 후, 파랑의 최고점 또는 최저점에서 탄성력에 의해 임펠러를 회전시켜 발전기축을 회전시키도록 하여 연속 발전이 이루어지도록 한 구조를 제공하게 된다.
본 발명에 따르면, 발전기축에 임펠러가 직접 설치되고, 파력 에너지가 상기 임펠러를 회전시켜 발전하는 구조를 제공함으로써 에너지 전환 손실을 극소화시킨 효과가 있다. 그리고, 스파이어럴스프링의 설치 구조에 의하여 파랑의 최고점과 최저점에서도 발전기축을 회전시킬 수가 있어 연속적인 발전이 가능한 효과가 있다. 따라서 본 발명은 파력을 발전을 위한 에너지로의 전환 효율을 높이고 이로 인해 발전 효율을 향상시킨 효과가 있다.
본 발명은 파력을 이용한 발전 장치로서, 한 쌍의 임펠러(1)가 설치되되, 파랑의 상승시와 하강시에 각각 발전기(2)를 구동시킬 수 있도록 하는 구조이고, 파랑의 최고점과 최저점에서도 발전기(2)를 구동시켜 연속적인 발전이 가능한 구조이다.
우선, 본 발명은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 해저면에 고정설치된 프레임(3)에 발전기(2) 등을 설치할 수 있고, 호안이나 방파제 및 해안가의 암벽 등에 고정설치된 프레임(3)에 설치할 수도 있으며, 해수면 위에 띄워져 설치된 부구에 고정설치된 프레임(3)에 직접 설치할 수도 있고, 발전기(2)는 프레임(3)에 설치된 설치대(4)에 설치되어 아래에서 설명될 편리성을 제공할 수도 있다. 이와 같이 본 발명의 설치 위치는 다양할 수 있으며, 파랑이 있는 어느 곳에서나 용이하게 설치하면 된다.
본 발명의 특징은 도 1과 같이 파랑의 상승과 하강시에 발전기(2)를 구동시킬 수 있도록 임펠러(1)를 이용한 구조이다. 즉, 발전기축(5)이 수직으로 위치되도록 설치된 발전기(2); 상기 발전기축(5)에 상하 일정 간격을 두고 두 개의 일펠러(1)가 설치되되, 어느 하나는 파랑의 상승시에 발전기축(5)을 회전시키고 파랑의 하강시에는 발전기축(5)에서 공회전되며, 다른 하나는 파랑의 하강시에 발전기축(5)을 회전시키고 파랑의 상승시에는 발전기축(5)에서 공회전되는 임펠러(1);를 포함하여 구성된다.
상기와 같은 회전력의 방향을 달리하는 구조는 일방향 베어링(6a)에 의해 달 성된다. 즉, 상기의 상하 위치로 설치된 한 쌍의 임펠러(1)는 일방향 베어링(6a)에 의해 발전기축(5)에 끼워져 고정설치되고, 상기 각각의 일방향 베어링(6a)은 서로 반대방향으로 회전력을 발전기축(5)에 전달하도록 설치된다. 따라서 파랑이 상승할 때에는 둘 중 어느 하나의 임펠러(1)가 발전기축(5)을 돌리면서 회전되고, 다른 하나는 발전기축(5)을 돌리는 힘을 전달하지 못하면서 공회전되며, 파랑이 하강할 때에는 서로의 작용이 바뀌게 된다.
상기의 구조에서는 발전기축(5)에 회전력을 전달하는 임펠러(1) 이외의 나머지 하나의 임펠러(1)는 일을 하지 못하는 문제가 있다. 따라서 본 발명은 발전기축(5)에 회전력을 전달하지 못하는 임펠러(1)의 공회전에 의한 에너지를 축적하여, 파랑의 최고점과 최저점에서 회전력을 전달하던 임펠러(1)가 멈추어 회전력을 발생시키지 못하는 경우에, 순간적으로 임펠러(1)를 회전시키도록 하는 작용을 하도록 하는 구조를 가진다.
상기와 같은 작용은 스파이어럴스프링(7)에 의해 달성되는데, 이는 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이 세로지지대(18)에 고정설치된 가로지지대(8)에 설치된다. 즉, 가로지지대(8)에는 발전기축(5)이 관통할 수 있는 구멍이 설치되어 있고, 상기 구멍에 일방향 베어링(6b)이 삽입되는데, 일방향 베어링(6b)의 외륜은 가로지지대(8)에 고정되고, 내륜은 스파이어럴스프링(7)의 내측 단부와 고정된 구조이다. 그리고 발전기축(5)은 스파이어럴스프링(7)의 내측 공간을 관통하는 구조이다.
이와 같은 구조가 도 5에 일 실시예가 상세히 나타나 있는데, 일방향 베어링(6b)의 내륜과 스파이어럴스프링(7)의 내측 단부와의 고정구조는 도 5와 같을 수 도 있고 다른 어떠한 구조라도 가능하다.
따라서 상하 한 쌍의 임펠러(1)에 각각 근접된 위치의 발전기축(5)에는 발전기축(5)이 관통되어 지나가는 가로지지대(8)가 설치되고; 상기 가로지지대(8)는 고정된 구조로서 도 1에 도시된 바와 같이 설치대(4)에 수직으로 고정된 세로지지대(18)에 고정설치되는 구조 등이 가능하며; 상기 각각의 가로지지대(8)의 발전기축(5)이 삽입되는 구멍에는 일방향 베어링(6b)이 설치되고; 일방향 베어링(6b)의 내륜의 가운데 공간부에는 스파이어럴스프링(7)이 삽입설치되되, 스파이어럴스프링(7)의 내측 단부는 일방향 베어링(6b)의 내륜에 고정되고, 외측 단부에는 인접된 임펠러(1)에 설치된 결합돌기(10)와 체결된다.
상기 일방향 베어링(6b)은 인접된 임펠러(1)에 설치된 일방향 베어링(6a)과는 힘을 전달하는 회전방향이 반대가 되는 구조이다. 그리고 스파이어럴스프링(7)의 외측 단부가 임펠러(1)의 결합돌기(10)와 체결되는 구조는 도 4와 같이 스파이어럴스프링(7)의 외측 단부에 결합요홈(9)을 형성시켜 끼울 수도 있고, 특별한 구조없이 용접 등 다양한 방법으로 체결할 수도 있다.
그리고 본 발명은 발전기(2)와, 한 쌍의 임펠러(1) 등 여러 구성 요소로 이루어져 있으므로, 이들의 유지 보수가 편리하도록 하는 구조를 가진다. 이는 승강장치(11)에 의해 해수면 위로 끌어 올릴 수 있는 구조로서, 발전기(2)는 발전기축(5)이 관통되는 축공(12)이 형성된 설치대(4)에 고정설치되고, 상기 설치대(4)는 승강장치(11)에 연결되어 승강되는 구조이다.
상기의 승강장치(11)는 프레임(3)의 상부에 설치되어 수평으로 설치된 와이 어축(13)을 회전시키는 모터 등의 회전장치(14), 상기 와이어축(13)에 권취되고 단부가 설치대(4)에 고정된 와이어(15), 설치대(4)를 상하 안내하도록 프레임(3)에 상하 방향으로 고정설치된 승강가이드(16)로 구성된다.
상기와 같은 구성의 본 발명이 파력에 의해 발전을 행하는 것을 설명하면 다음과 같다.
우선 본 발명은 도 1 내지 도 3과 같이 파력이 존재하는 어떠한 곳에서라도 용이하게 설치하여 사용할 수 있는데, 상하 한 쌍의 임펠러(1)가 파랑에 의해 회전될 수 있게 입수 높이를 조절하여 설치하면 된다.
이와 같이 설치되면, 도 1의 하부에 도시된 바와 같이, 하나의 임펠러(1)와 인접된 가로지지대(8), 다른 하나의 임펠러(1)와 이와 인접된 다른 가로지지대(8)로 짝을 이루어 운동하게 된다.
상기의 각각의 짝은 파랑의 상승시와 하강시에 각각 서로 다른 방향으로 기동을 하는 특징을 가진다. 즉, 도 4와 도 5의 경우에는 도 1의 하부를 상세하게 도시한 것으로, 가로지지대(8)와 임펠러(1)의 상하 관계는 바뀌어도 상관없다.
도 1에 도시된 하측부의 임펠러(1)는, 파랑이 접근하여 파고가 점차 상승하는 경우에 도 4와 도 5에서와 같이 날개의 설치 각도에 의해 임펠러(1)가 상부에서 보아 반시계방향으로 발전기축(5)을 회전시키는 힘을 발생하게 된다.
상기의 기동을 상세히 살펴보면, 우선 임펠러(1)가 회전되면, 임펠러(1)는 발전기축(5)에 일방향 베어링(6a)으로 결합되어 있고, 임펠러(1)의 반시계방향 회전은 일방향 베어링(6a)의 회전력 전달 방향이 되므로, 발전기축(5)을 회전시키게 되는 것이다. 따라서 하측의 임펠러(1)가 발전기축(5)을 회전시키면, 설치대(4)에 설치된 발전기(2)에 의해 발전이 이루어지고, 발전기축(5)의 상부와 발전기(2) 사이에는 물론 증속기(17)가 설치되어 효율을 증대시킬 수도 있다.
이와 동시에 임펠러(1)의 결합돌기(10)는 스파이어럴스프링(7)의 외측 단부와 고정되어 있고, 스파이어럴스프링(7)의 내측 단부는 일방향 베어링(6b)의 내륜에 고정되어 있으므로, 스파이어럴스프링(7)이 풀어지는 방향으로 회전되지만, 상기 일방향 베어링(6b)은 반시계 방향으로는 회전력을 전달하지 않게 되므로, 스파이어럴스프링(7)은 풀리지도 않고 감기지도 않는 상태로 전체가 같이 회전하게 된다.
상기의 기동과 동시에 상부의 임펠러(1)는 날개 각도가 반대로 설치되어 있어 파랑의 상승시에 발전기축(5)을 회전시키지 않고 공회전만된다. 이와 같은 상기 각각의 임펠러(1)의 회전력 발생 여부는 일방향 베어링(6a)에 의해서 달성된다.
상부의 임펠러(1)는 발전기축(5)에 회전력을 전달하지는 않으나, 시계방향으로의 회전에 의하여 스파이어럴스프링(7)을 감아 탄성력을 축적하는 작용을 하게 된다. 즉, 이 때에는 일방향 스프링(6b)이 결합되는 방향으로 회전되므로, 도 4에서 스파이어럴스프링(7)의 외측 단부가 임펠러(1)에 의해 위에서 보아 시계방향으로 회전할 때, 스파이어럴스프링(7)의 내측 단부는 일방향 스프링(6b)의 내륜에 고정되어 있으므로, 스파이어럴스프링(7)이 감겨져 탄성력이 계속 부여되는 상태가 된다.
상기와 같이, 상하 한 쌍의 임펠러(1)는 파랑의 상승과 하강시에 그 역할을 서로 바꾸어가며 작용을 하게 되는데, 상기 과정에서는 파랑의 상승시 하부의 임펠러(1)가 발전기축(5)을 돌리고, 상부의 임펠러(1)가 스파이어럴스프링(7)을 감아 탄성력을 축적한 것이 된다. 즉, 파랑의 상승에 의해 상부측의 임펠러(1) 역시 회전을 하지만, 시계 방향으로 회전된다. 이는 발전기축(5)을 회전시키지는 않지만 이후 파랑의 최고점 또는 최저점에 도달하였을 때 발전기축(5)을 돌리는 힘을 축적하도록 작용하고 있다.
파랑의 상승 후에는 파랑의 최고점의 순간을 거쳐 하강의 단계가 오게 되고, 파랑의 최고점 순간에 탄성력을 가진 스파이어럴스프링(7)은 탄성 작용에 의해 발전기축(5)을 돌리게 된다.
이와 같이 파랑이 하강할 때는 상기의 설명의 반대의 작용이 일어나는데, 다음과 같다.
도 4와 도 5의 상태에서 파랑이 하강하면, 임펠러(1)는 시계 방향으로 회전하게 된다. 시계 방향의 회전력은 일방향 스프링(6a)이 힘을 전달하지 않는 방향이므로 발전기축(5)을 회전시키지 않고, 대신에 인접된 일방향 베어링(6b)이 체결되어 힘이 전달되는 방향이므로 스파이어럴스프링(7)을 감아 주는 작용을 하게 된다. 물론 이 때 도 1에 도시된 상부 측의 임펠러(1)는 발전을 위한 회전력을 발생시키는 작용을 하게 된다.
그리고 파랑의 하강이 멈추면 임펠러(1)가 아무런 힘을 발생하지 않게 된다. 이 때, 스파이어럴스프링(7)의 탄성력에 의해 임펠러(1)를 반시계방향으로 돌리게 되는데, 이는 파랑이 아무런 힘을 주지 않는 최저점 또는 최고점에서 발생하게 되 므로, 발전에 필요한 힘이 연속적으로 이루어지게 된다.
따라서 본 발명의 구조는 최저점 또는 최고점에서의 회전력을 줄 뿐만아니라, 파랑의 힘에 의해 발전을 위한 발전기축(5)을 돌릴 때 순수하게 파랑의 힘에만 의존하지 않고, 스파이어럴스프링(7)의 복원력도 가세하게 되므로 발전의 효율이 향상된다.
그리고 본 발명은 도 1과 같이, 발전기(2) 등의 여러 구성을 상부로 끌어 올려 임펠러(1) 등을 유지 보수하는데 편리한 구조를 가진다.
즉, 임펠러(1) 등을 수리하거나 교체 등의 작업이 필요한 경우, 승강장치(11)를 구성하는 모터 등의 회전장치(14)를 구동시키면, 와이어축(13)이 회전되면서 설치대(4)에 단부가 고정된 와이어(15)가 권취되면서 설치대(4)는 승강가이드(16)를 따라 상부로 이동된다. 물론, 설치대(4)와 승강가이드(16)는 서로 결합되는 다양한 구조를 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 전체 구성도
도 2와 도 3은 본 발명의 설치 예시도
도 4는 임펠러의 설치 사시도
도 5는 임펠러의 설치 단면도
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 임펠러 2 : 발전기
3 : 프레임 4 : 설치대
5 : 발전기축 6a, 6b : 일방향 베어링
7 : 스파이어럴스프링 8 : 가로지지대
9 : 결합요홈 10 : 결합돌기
11 : 승강장치 12 : 축공
13 : 와이어축 14 : 회전장치
15 : 와이어 16 : 승강가이드
17 : 증속기 18 : 세로지지대

Claims (4)

  1. 발전기축(5)이 수직으로 위치되게 설치된 발전기(2); 상기 발전기축(5)에 상하 일정 간격을 두고 두 개가 설치되되, 어느 하나는 파랑의 상승시에 발전기축(5)을 회전시키고 파랑의 하강시에는 발전기축(5)에서 공회전되며, 다른 하나는 파랑의 하강시에 발전기축(5)을 회전시키고 파랑의 상승시에는 발전기축(5)에서 공회전되는 임펠러(1);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 임펠러(1)는 일방향 베어링(6a)에 의해 발전기축(5)에 끼워져 고정설치되고, 상기 각각의 일방향 베어링(6a)은 서로 반대방향으로 회전력을 발전기축(5)에 전달하도록 설치됨을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 각각의 임펠러(1)에 근접된 위치에는 발전기축(5)이 통과하는 구멍이 형성된 가로지지대(8)가 각각 설치되고; 상기 가로지지대(8)는 고정된 구조이며; 상기 각각의 가로지지대(8)의 발전기축(5)이 통과하는 구멍에는 일방향 베어링(6b)이 설치되고, 일방향 베어링(6b)의 내륜의 공간에는 스파이어럴스프링(7)이 삽입되되, 스파이어럴스프링(7)의 내측 단부는 일방향 베어링(6b)의 내륜에 고정되고, 스파이어럴스프링(7)의 외측 단부는 인접된 임펠러(1)에 설치된 결합돌기(10)와 체결되며; 상기 일방향 베어링(6b)은 인접된 임펠러(1)에 설치된 일방향 베어링(6a)과는 힘을 전달하는 회전방향이 반대임을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 발전기(2)는 발전기축(5)이 관통되는 축공(12)이 형성된 설치대(4)에 고정설치되고, 상기 설치대(4)는 승강장치(11)에 연결되어 승강됨을 특징으로 하는 파력 발전 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012157839A1 (ko) * 2011-05-16 2012-11-22 Lee Moung Hoon 파도력 발전장치
WO2013081318A1 (ko) * 2011-11-29 2013-06-06 한국해양연구원 단순 왕복 피봇 회전형 와유기진동 에너지추출 장치
CN110296049A (zh) * 2019-06-21 2019-10-01 华中科技大学 一种海上半潜式风能及波浪能集成发电设备

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