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KR20130000589A - 공진을 이용한 양력면형 조류발전기 - Google Patents

공진을 이용한 양력면형 조류발전기 Download PDF

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KR20130000589A
KR20130000589A KR1020110061201A KR20110061201A KR20130000589A KR 20130000589 A KR20130000589 A KR 20130000589A KR 1020110061201 A KR1020110061201 A KR 1020110061201A KR 20110061201 A KR20110061201 A KR 20110061201A KR 20130000589 A KR20130000589 A KR 20130000589A
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KR
South Korea
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lifting surface
lifting
resonance
module
unit
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KR1020110061201A
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Inventor
이종훈
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

공진을 이용한 양력면형 조류발전기가 개시된다. 본 발명의 공진을 이용한 양력면형 조류발전기는, 베이스 프레임; 베이스 프레임 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하며, 주기적 운동에 의해 발생되는 운동 주파수와 자체의 고유 주파수가 일치될 때 발생되는 공진에 의해 주기적 운동이 배가되는 양력면체 유닛; 및 양력면체 유닛과 연결되며, 양력면체 유닛의 주기적 운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부를 포함한다.

Description

공진을 이용한 양력면형 조류발전기{HYDROPLANE TYPE TIDAL CURRENT GENERATOR USING A RESONANCE}
본 발명은, 공진을 이용한 양력면형 조류발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 주기적 운동의 주파수 및 고유 주파수를 일치시킬 때 발생되는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기에 관한 것이다.
해양 에너지를 이용하는 주요 발전 중에는 해수의 위치에너지를 이용하는 조력발전과, 해수의 운동에너지를 이용하는 조류발전이 대표적이다.
조류발전기는 조석을 동력원으로 하되 조석에 의한 해류의 흐름, 즉 조류로부터 에너지를 추출하는 발전임에 반하여, 조력발전은 조석간만차를 이용한 발전장치이다.
조력발전은 주로 강한 조석이 발생하는 하구나 만에 방조제를 설치하여 조지를 만들고, 외해 수위와 조지 내의 수위 차를 이용하여 발전하고 있다.
이에 반해 조류발전은 해수의 빠른 흐름 즉, 자연적인 해수의 흐름을 이용하는 방식이기 때문에 조력발전처럼 댐을 설치할 필요가 없다. 조류발전에 사용되는 수차발전기의 종류는 프로펠러식(Propeller Type), 다리우스식(Darrieus Type), 사보니우스식(Savonius Type)과 이들을 변형 또는 개량한 형태가 있다.
조류발전기는 조력댐 없이 발전에 필요한 수차발전기만을 설치하면 되기 때문에 비용이 적게 드는 반면, 조류의 유속이 일정 속도 이상 되어야 하므로 적지를 선정하는데 어려움이 있고, 조력발전에 비해 자연적인 흐름의 세기에 따라 발전량이 좌우된다는 단점이 있다.
하지만 해수 유통이 자유롭고 해양 환경에 미치는 영향이 거의 없어 조력발전에 비해 친환경적인 것으로 평가되고 있다.
종래의 조류발전 시설은 1개의 발전기마다 구조체를 수중에 별도로 설치하여 시험 운행하는 초기 단계에 지나지 않기 때문에 구조체가 조류의 흐름을 방해하여 에너지의 효율적 이용을 저해하며, 발전기가 수중에 고정되어 유지보수가 어려운 문제점이 있었다.
한편, 종전의 수직 원통 부재를 제거하는 대신 회전축에 설치되는 다수의 연결 아암들에 의하여 수직 원통 부재보다 중량을 줄인 원통형 수차를 제공하여 수차의 회전 시 조류저항을 줄이는 방식이 있지만, 중량은 감량될지언정 설치된 다수의 연결 아암들에 의한 조류저항이 수직 원통 부재에 비해 현저하다고 할 수 없다.
다른 방안은 수중 회전기를 이용한 것인데, 조류력을 얻기 위해서 일정한 유속이 발생하는 해저에 수차룸을 설치하되 수차룸의 부양을 억제하기 위해서 수차룸 위에 중량물로 제시한 토사를 축조하는 방식이다.
이 방식은 유속이 빠른 해저에서 수중 회전기를 설치해야 하므로 시공비 면에 있어서 경제력이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 종래보다 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 유속에 무관하게 다양한 장소에 설치할 수 있어 유속이 빠르지 않은 곳일지라도 조류 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 베이스 프레임; 상기 베이스 프레임 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하며, 상기 주기적 운동에 의해 발생되는 운동 주파수와 자체의 고유 주파수가 일치될 때 발생되는 공진에 의해 상기 주기적 운동이 배가되는 양력면체 유닛; 및 상기 양력면체 유닛과 연결되며, 상기 양력면체 유닛의 주기적 운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부를 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 양력면체 유닛은, 위치별 회전 운동이 제어되는 양력면체; 상기 양력면체가 회전 가능하게 지지되며, 상기 베이스 프레임 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하는 양력면체 지지용 운동모듈; 및 상기 양력면체 지지용 운동모듈에 연결되어 상기 양력면체 지지용 운동모듈을 탄성적으로 지지하는 탄성체를 포함할 수 있다.
상기 양력면체 유닛은, 상기 양력면체 지지용 운동모듈을 사이에 두고 상기 베이스 프레임에 위치 조절 가능하게 결합되는 다수의 스토퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 탄성체는 그 일단부가 상기 양력면체 지지용 운동모듈에 연결되고 타단부는 상기 스토퍼에 연결되는 비틀림 코일 스프링일 수 있다.
상기 양력면체 지지용 운동모듈은, 상기 양력면체의 양단부가 각각 연결되는 상부 양력면체 지지용 운동모듈과 하부 양력면체 지지용 운동모듈을 포함할 수 있으며, 상기 상부 양력면체 지지용 운동모듈 및 상기 하부 양력면체 지지용 운동모듈의 마주보는 면의 양측에는 상기 양력면체의 최대 회전각을 제한하는 다수의 회전각 제한부가 더 마련될 수 있다.
상기 양력면체 유닛은, 상기 양력면체 지지용 운동모듈과 연결되어 상기 양력면체의 위치별 회전 운동을 능동적으로 제어하는 양력면체 능동 제어모듈을 더 포함할 수 있다.
상기 양력면체 능동 제어모듈은, 상기 베이스 프레임의 일측에 마련되는 유압모터; 상기 유압모터와 연결되며, 상기 유압모터의 동작에 기초하여 상기 양력면체 지지용 운동모듈과 일체로 이동되는 제1 유압실린더; 및 일측은 상기 양력면체를 지지하는 지지축에 고정되고 타측은 상기 제1 유압실린더의 로드에 연결되어 상기 유압모터의 구동력을 상기 양력면체에 전달하는 캠을 포함할 수 있다.
상기 양력면체는 횡단면 형상이 타원 형상을 가질 수 있다.
상기 에너지 변환부는, 일단부는 상기 베이스 프레임이 마련되는 지지구조물에 고정되고 타단부는 상기 양력면체 지지용 운동모듈에 고정되며, 상기 양력면체 유닛의 주기적 운동에 기초하여 내부에 수용된 작동유를 토출하는 제2 유압실린더; 상기 베이스 프레임에 상기 제2 유압실린더와 연결되도록 마련되어 상기 제2 유압실린더에서 토출되는 작동유에 의해서 직선 운동하는 유압피스톤; 상기 베이스 프레임에 마련되며, 상기 유압피스톤의 직선 운동을 전달하는 운동전달부; 및 상기 운동전달부로부터 전달받은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함할 수 있다.
상기 운동전달부는, 상기 유압피스톤에 연결되는 피스톤 샤프트에 그 일단부가 자유 회전 가능하게 연결되어 회전 운동되는 커넥팅 로드; 상기 커넥팅 로드의 타단부에 자유 회전 가능하게 연결되고 상기 커넥팅 로드의 동작에 연동되어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 회전판; 및 상기 커넥팅 로드와는 다른 위치에서 상기 회전판에 그 일단부가 연결되고 타단부는 상기 발전기에 연결되며, 상기 발전기에 의한 전기적 에너지 변환을 위하여 기계적 운동 에너지를 상기 발전기로 입력시키는 기계적 운동 에너지 입력부를 포함할 수 있다.
상기 에너지 변환부는, 상기 유압피스톤, 상기 운동전달부 및 상기 발전기가 해수에 노출되지 않도록 외부를 커버하는 방수케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 양력면체 유닛은, 상기 조류의 흐름 방향과 교차되도록 상기 베이스 프레임에 마련될 수 있다.
상기 양력면체 능동 제어모듈은, 상기 양력면체 지지용 운동모듈의 일측에 마련되되 일단부에 구동 베벨기어가 구비되는 구동모터; 및 상기 구동 베벨기어와 치합되도록 상기 양력면체의 지지축 단부에 마련되어 상기 구동모터의 구동력을 상기 양력면체에 전달하는 피동 베벨기어를 포함할 수 있다.
상기 양력면체 유닛의 위치, 운동 주파수 및 고유 주파수 정보를 상기 양력면체 능동 제어모듈로 전달하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 종래보다 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 유속에 무관하게 다양한 장소에 설치할 수 있어 유속이 빠르지 않은 곳일지라도 조류 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진을 이용한 양력면형 조류발전기의 개략적인 구조도이다.
도 2는 도 1의 "A" 영역에 대한 확대 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 양력면체가 동작되는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 양력면체 유닛의 동작을 단계적으로 도시한 도면들이다.
도 7은 에너지 변환부의 개략적인 단면 구조도이다.
도 8은 도 1에 도시된 공진을 이용한 양력면형 조류발전기의 사용 상태도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진을 이용한 양력면형 조류발전기에서 양력면체 유닛을 도시한 부분 확대도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진을 이용한 양력면형 조류발전기의 개략적인 구조도이고, 도 2는 도 1의 "A" 영역에 대한 확대 평면도이며, 도 3은 도 2에 도시된 양력면체가 동작되는 도면이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 공진을 이용한 조류발전기(1)는, 베이스 프레임(100)과, 베이스 프레임(100) 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하며, 주기적 운동에 의해 발생되는 운동 주파수와 자체의 고유 주파수가 일치될 때 발생되는 공진에 의해 주기적 운동이 배가되는 양력면체 유닛(200)과, 양력면체 유닛(200)과 연결되며 양력면체 유닛(200)의 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부(300)를 포함한다.
베이스 프레임(100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 지지구조물(C)의 상단부에 결합되는 상부프레임(110)과, 상부프레임(110)으로부터 하측으로 이격되도록 지지구조물(C)에 결합되는 하부프레임(120)을 구비한다.
베이스 프레임(100)이 결합되는 지지구조물(C)은 그 하단부가 해저면에 고정되어 베이스 프레임(100)이 조류에 휩쓸려가지 않도록 지지하는 역할을 할 수 있다.
상부프레임(110)과 하부프레임(120) 사이에는 주기적 운동 공간(100a)이 형성된다. 주기적 운동 공간(100a)은 자세히 후술할 양력면체 유닛(200)의 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 수평 방향으로 왕복 이동되면서 주기적 운동을 수행하는 공간을 제공한다.
베이스 프레임(100)의 상부프레임(110)과 하부프레임(120)의 내측 양단에는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 스토퍼(130)가 마련된다. 즉 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 양측에 스토퍼(130)가 하나씩 연결된다.
다수의 스토퍼(130)는 양력면체 지지용 운동모듈(210)을 탄성적으로 지지하는 탄성체(230)가 연결되는 장소를 이룬다. 따라서 양력면체 지지용 운동모듈(210)은 스토퍼(130)들 사이에서 주기적 운동을 수행하게 되는데, 이때 다수의 스토퍼(130)의 간격을 조절하면 탄성체(230)의 신장 및 수축 거리(x)를 제어할 수 있다.
본 실시예의 경우, 스토퍼(130)들 간의 간격 조절이 가능하기 때문에, 주기적 운동의 일 요소로써 탄성체(230)에 의한 탄성에너지(Ek=(1/2)kx2)의 제어가 가능하다. 한편, 탄성체(230)에 의한 탄성에너지의 다른 요소로서 스프링 상수(k)가 고려될 수 있다.
참고로, 스토퍼(130)들은 예컨대, 볼트에 의해 베이스 프레임(100)에 결합될 수 있는데, 볼트를 해제하여 스토퍼(130)들의 위치를 옮긴 후에, 베이스 프레임(100)에 볼트 결합시키는 방법 등을 이용하여 스토퍼(130)들 간의 간격을 용이하게 조절할 수 있다.
양력면체 유닛(200)은 베이스 프레임(100) 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하며, 주기적 운동에 의해 발생되는 운동 주파수와 자체의 고유 주파수가 일치될 때 발생되는 공진에 의해 주기적 운동이 배가되도록 하는 역할을 한다.
본 실시예의 양력면체 유닛(200)은 도 3 내지 도 6의 진한 화살표로 도시된 조류의 흐름 방향과 교차되도록 베이스 프레임(100)에 마련될 수 있다.
이러한 양력면체 유닛(200)은, 위치별 회전 운동이 능동 제어되는 양력면체(220)와, 양력면체(220)가 회전 가능하게 지지되며 베이스 프레임(100) 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하는 양력면체 지지용 운동모듈(210)과, 양력면체 지지용 운동모듈(210)에 연결되어 양력면체 지지용 운동모듈(210)을 탄성적으로 지지하는 탄성체(230)와, 양력면체 지지용 운동모듈(210)과 연결되어 양력면체(220)의 위치별 회전 운동을 능동적으로 제어하는 양력면체 능동 제어모듈(240)을 포함한다.
양력면체(220)는, 그 상단부 및 하단부가 지지축(220a, 도 1 참조)에 의해 양력면체 지지용 운동모듈(210)에 삽입 고정된다. 지지축(220a)과 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 접촉되는 부분에는 양력면체(220)의 원활한 회전을 위해서 베어링(B)이 결합될 수 있다.
베어링(B)이 결합되는 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 일측부에는 해수가 베어링(B)으로 유입되는 것과 베어링(B)의 오일이 해수로 유출되는 것을 방지하기 위한 수단으로서 실링(S, sealing) 처리된다.
이러한 양력면체(220)는 조류의 흐름을 방해하지 않으면서 최대의 조류 에너지를 흡수할 수 있도록, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 평면 단면 형상이 타원형 형상을 갖도록 제작될 수 있다. 하지만, 본 실시예의 권리범위가 이에 제한될 필요가 없으므로 양력면체(220)의 형상이 도면에 도시된 형상에 제한될 수 없다.
양력면체 지지용 운동모듈(210)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 베이스 프레임(100)의 상부프레임(110) 천장부 및 하부프레임(120) 바닥부에 각각 고정되어 양력면체(220)의 수평 방향 주기적 운동을 지지한다.
이러한 양력면체 지지용 운동모듈(210)은, 상부프레임(110)의 천장부에 고정되는 상부 양력면체 지지용 운동모듈(211)과, 하부프레임(120)의 바닥부에 고정되는 하부 양력면체 지지용 운동모듈(212)을 포함할 수 있다.
상부 양력면체 지지용 운동모듈(211) 및 하부 양력면체 지지용 운동모듈(212)의 마주보는 면에는, 양력면체(220)의 원활한 회전을 위해서 바람직하게는 'ㄷ' 형상의 홈(미도시)이 형성되고, 이 홈에는 양력면체(220)의 최대 회전각을 제한하는 다수의 회전각 제한부(210a)가 마련된다. 회전각 제한부(210a)는 양력면체(220)의 충돌 시 손상되지 않도록 완충 재질로 제작될 수 있다.
상부 양력면체 지지용 운동모듈(211)의 상측에는, 양력면체(220)의 초기 회전을 위한 양력면체 능동 제어모듈(240)의 제1 유압실린더(242)가 수용되는 수용홈(210b, 도 1 참조)이 마련된다.
다수의 탄성체(230)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 일단부는 다수의 스토퍼(130)에 고정되고 타단부는 양력면체 지지용 운동모듈(210)에 고정되어 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 주기적 운동 시 복원력을 제공하는 역할을 한다. 즉 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 우측으로 이동되면 좌측으로 복원되도록 탄성력을 제공하고, 반대로 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 좌측으로 이동되면 우측으로 복원되도록 탄성력을 제공한다. 탄성체(230)는 양력면체 지지용 운동모듈(210)과 스토퍼(130)들 사이에 각각 독립적으로 마련될 수 있다.
이러한 탄성체(230)들의 스프링 상수를 이용하여 본 실시예의 고유 주파수와 주기적 운동에 의해 발생되는 주파수가 일치될 때 공진을 일으킬 수 있는데, 이는 양력면체 유닛(200)의 작동 설명 시 설명하기로 한다.
본 실시예에서 탄성체(230)들 모두는 비틀림 코일 스프링으로 적용되고 있지만, 본 실시예의 권리범위가 이에 제한되지 않는다.
양력면체 능동 제어모듈(240)은 양력면체 지지용 운동모듈(210)과 연결되어 양력면체(220)의 위치별 회전 운동을 능동적으로 제어하는 역할을 한다.
다시 말해, 양력면체 능동 제어모듈(240)은 양력면체(220)를 초기에 특정 방향으로 회전시켜 양력면체(220)의 초기 구동력을 부여하는 것으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부프레임(110)의 상부에 마련되는 유압모터(241)와, 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 수용홈(210b)에 마련되어 유압모터(241)로부터 공급되는 작동 유체에 의해서 구동되는 제1 유압실린더(242)와, 일측부는 양력면체(220)의 상단부 지지축(220a)에 끼워 맞춤 결합되고 타측부는 제1 유압실린더(242)의 로드(242a)에 결합되어 유압모터(241)의 구동력을 양력면체(220)에 전달하는 캠(243, 도 2 및 도 3 참조)을 포함한다.
양력면체 능동 제어모듈(240)의 유압모터(241)는 상부프레임(110)에 고정된 상태로 설치될 수 있으나 이에 한정되지 않고, 제1 유압실린더(242) 및 캠(243)과 함께 수용홈(210b)에 설치될 수도 있다.
제1 유압실린더(242) 및 캠(243)은 양력면체 지지용 운동모듈(210)과 일체로 이동되기 때문에 유압모터(241)가 상부프레임(110)에 고정된 경우, 간섭이 일어날 수 있으나, 이는 유압모터(241)와 제1 유압실린더(242)를 연결하는 유압튜브(T)를 신축성 있는 재질을 사용하고, 상부프레임(110)에 유압튜브(T)의 연결 및 이동 통로가 되는 긴 슬롯(미 도시)을 형성함으로써 간섭 현상을 피할 수 있을 것이다.
도 4 내지 도 6은 양력면체 유닛의 동작을 단계적으로 도시한 도면들이고, 도 7은 에너지 변환부의 개략적인 단면 구조도이며, 도 8은 도 1에 도시된 공진을 이용한 양력면형 조류발전기의 사용 상태도이다.
전술한 도면들과 이들 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 양력면체 유닛(200)의 동작과 그에 따른 주기적 운동 및 공진에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서 양력면체(220)가 연결된 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 정해진 거리 내에서 주기적 운동을 하려면 양력면체(220)의 초기 회전(구동)이 요구된다. 이는 양력면체 능동 제어모듈(240)에 의해 수해될 수 있다.
즉 유압모터(241)가 구동되면 작동유체가 유압튜브(T)를 통해서 제1 유압실린더(242)로 공급되고, 제1 유압실린더(242)로 공급된 작동유체는, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 유압실린더(242)의 로드(242a)를 밀어낸다. 제1 유압실린더(242)의 로드(242a)가 밀려나므로 로드(242a)에 연결된 캠(243)은 시계 방향으로 정해진 각도만큼 회전되고, 캠(243)에 축 고정된 양력면체(220)도 시계 방향으로 정해진 각도만큼 회전된다.
양력면체(220)가 시계 방향으로 회전되면 관성에 의해서, 도 4에 도시된 바와 같이, 반시계 방향으로 모멘트(M)가 발생하여 양력면체(220)가 좌측 방향의 상측 회전각 제한부(210a) 및 우측 방향의 하측 회전각 제한부(210a)에 도달할 때까지 회전된다. 이 상태 즉, 양력면체(220)가 회전각 제한부(210a)에 도달하기 전까지 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 이동되지 않는다.
양력면체(220)가 회전각 제한부(210a)에 도달하면 양력면체(220)의 잔류 회전력과 조류의 유속에 의해서 양력(Lf)이 발생되어 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 우측으로 이동된다.
이때, 좌측의 탄성체(230)는 신장되고 우측의 탄성체(230)는 수축되므로, 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 좌측 단부로 이동 시 우측의 수축된 탄성체(230)는 다시 신장되면서 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 좌측으로 이동되도록 복원력을 제공한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 우측 끝까지 이동되면 양력면체 능동 제어모듈(240)이 능동 제어를 통하여 양력면체(220)를 반 시계 방향으로 정해진 각도만큼 회전시킨다.
양력면체(220)가 반 시계 방향으로 회전되면 전술한 바와 같이 반대 방향의 모멘트(M), 탄성체(230)의 복원력, 양력(Lf)에 의해서 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 좌측 단부로 이동된다. 좌측 단부로 이동된 양력면체(220)를 시계 방향으로 회전시키면 전술한 원리에 의해서 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)은 우측 방향으로 이동된다.
본 실시예에서는 양력면체(220)의 능동제어에 의해서 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 조류의 흐름 방향에 수직 방향 즉 수평 방향으로 주기적 운동을 하고, 이러한 주기적 운동은 후술할 에너지 변환부(300)에 의해서 전기에너지로 변환된다.
한편, 본 실시예에서는 본 실시예의 주기적 운동에 의해 발생되는 주파수와 본 실시예 자체의 고유 주파수를 일치시켜서 일어나는 공진을 이용하여 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 주기적 운동 시 진동수를 증가시킴으로써 더 많은 발전 용량을 얻을 수 있다.
주기적 운동 시 공진이 일어나면 공진에 의한 진동은 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 상단부 및 하단부가 고정되어 있으므로 수평 방향으로 영향을 미치고, 이로 인해 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 주기적 운동은 더 가속되므로 유압피스톤(330)의 직선 이동 횟수 및 발전기(350)의 회전 횟수가 증가되어 더 많은 발전 용량을 얻을 수 있다.
구체적인 일례로 본 실시예 자체의 고유 주파수는 양력면체(220)의 제원과 탄성체(230)의 강성이 정해지면 결정되어 지고, 본 실시예 자체의 고유 주파수를 구하는 수식은 다음과 같다.
Figure pat00001
여기서, k는 탄성체의 스프링 상수, m은 양력면체의 질량, a는 (L/2)(L은 도 2 참조), s는 주간거리를 나타낸다.
한편, 에너지 변환부(300)는 양력면체(220)의 수평 방향 주기적 운동에 의해서 발생 되는 에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로서, 일단부는 지지구조물(C)에 고정되고 타단부는 양력면체 지지용 운동모듈(210)에 고정되는 제2 유압실린더(310)와, 상부프레임(110)의 상부에 마련되는 변환부 몸체(320)의 내부에 마련되어 제2 유압실린더(310)에서 토출되는 작동유에 의해서 직선 운동을 하는 유압피스톤(330)과, 변환부 몸체(320)의 내부에 마련되어 유압피스톤(330)의 직선 운동을 전달하는 운동전달부(340)와, 운동전달부(340)로부터 전달받은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기(350)를 포함할 수 있다.
에너지 변환부(300)의 제2 유압실린더(310)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 양측부에 각각 마련되고, 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 도 1을 기준으로 우측으로 이동되면 제2 유압실린더(310)의 로드가 제2 유압실린더(310) 내부로 삽입되면서 작동유를 유압튜브(T)를 통하여 유압피스톤(330) 방향으로 밀어내어 유압피스톤(330)을 도 7의 (a)처럼 좌측으로(화살표 방향) 이동시킨다.
에너지 변환부(300)의 운동전달부(340)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 한 쌍으로 마련되는 제2 유압실린더(310)의 선택적인 구동에 의해 직선 운동되는 유압피스톤(330)에 연결되는 피스톤 샤프트(330a)에 그 일단부가 자유 회전 가능하게 연결되어 회전 운동되는 커넥팅 로드(341)와, 커넥팅 로드(341)의 타단부에 자유 회전 가능하게 연결되고 커넥팅 로드(341)의 동작에 연동되어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 회전판(342)과, 커넥팅 로드(341)와는 다른 위치에서 회전판(342)에 그 일단부가 연결되고 타단부는 발전기(350)에 연결되며, 발전기(350)에 의한 전기적 에너지 변환을 위하여 기계적 운동 에너지를 발전기(350)로 입력시키는 기계적 운동 에너지 입력부(미도시)를 포함한다.
본 실시예에서 기계적 운동 에너지 입력부는 직선 운동의 기계적 운동 에너지를 발전기(350)로 입력시키는 크랭크 샤프트(343)로 적용되고 있다.
참고로, 발전기(350)는 기계적 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기기로서, 직선 운동의 기계적 운동 에너지를 입력 받아 전기적 에너지로 변환시킬 수도 있고, 회전 운동의 기계적 운동 에너지를 입력 받아 전기적 에너지로 변환시킬 수도 있다. 본 실시예의 경우, 전자 타입의 발전기(350)가 적용되고 있으나 후자 타입의 발전기(미도시)가 적용될 수도 있다.
이에, 도 7의 (a)처럼 어느 한 제2 유압실린더(310, 도 1의 우측) 쪽에서 유압이 제공되면, 제공되는 유압에 의해 유압피스톤(330)이 피스톤 샤프트(330a)와 함께 도면상 좌측으로 직선 운동되고 이에 연동되어 커넥팅 로드(341)가 일정 각도 회전되면서 회전판(342)을 시계 방향으로 회전시키게 되며, 이러한 회전판(342)의 시계 방향 동작에 기초하여 크랭크 샤프트(343)가 우측으로 직선 운동된다.
반대로, 도 7의 (b)처럼 다른 한 제2 유압실린더(310, 도 1의 좌측) 쪽에서 유압이 제공되면, 제공되는 유압에 의해 유압피스톤(330)이 피스톤 샤프트(330a)와 함께 도면상 우측으로 직선 운동되고 이에 연동되어 커넥팅 로드(341)가 전술한 역방향으로 회전되면서 회전판(342)을 반시계 방향으로 회전시키게 되며, 이러한 회전판(342)의 반시계 방향 동작에 기초하여 크랭크 샤프트(343)가 좌측으로 직선 운동된다.
도 7의 (a) 및 (b)와 같이 크랭크 샤프트(343)가 직선 운동됨으로써 크랭크 샤프트(343)가 연결된 발전기(350)는 크랭크 샤프트(343)로부터의 직선 운동의 기계적 운동 에너지를 입력 받아 전기적 에너지로 변환시킬 수 있게 된다.
만약, 본 실시예와 달리, 회전 운동의 기계적 운동 에너지를 입력 받아 전기적 에너지로 변환시키는 발전기(미도시)가 적용되는 경우라면, 발전기와 연결되는 기계적 운동 에너지 입력부(미도시)를 전술한 크랭크 샤프트(343)와 더불어 크랭크 샤프트(343)의 단부에 직선 운동을 회전 운동으로 변환시키는 기어 박스(미도시)로 함께 적용하면 된다.
기어 박스에 대해서는 도면으로 도시하지 않았지만 기어 박스는 랙 기어와 피니언 기어로 적용될 수 있다. 즉 크랭크 샤프트(343)에 랙 기어를 장착하고, 랙 기어에 피니언 기어를 치합되게 연결시킬 경우, 랙 기어의 직선 운동이 피니언 기어의 회전 운동으로 변환될 수 있을 것이고, 이러한 회전 운동의 기계적 운동 에너지가 해당 발전기에 입력됨으로써 전기적 에너지로 변환될 수 있을 것이다.
이 외에도, 피스톤 샤프트(330a)와 크랭크 샤프트(343)를 직접 연결하거나 피스톤 샤프트(330a)와 크랭크 샤프트(343)를 일체화시켜 유압피스톤(330)의 직선운동을 발전기에서 전기로 변환할 수 있다. 이 경우에는 피스톤 샤프트(330a)와 크랭크 샤프트(343) 사이에 증속기(미도시) 등의 장치가 추가로 설치될 수 있다.
한편, 유압피스톤(330)으로 이송된 작동유는 유압피스톤(330)을 도 7을 기준으로 좌측으로 밀어내므로 유압피스톤(330)이 마련된 공간에 수용된 작동유는 좌측의 연결튜브(T)를 통해 토출되어 도 8에 도시된 바와 같이, 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 좌측에 마련된 제2 유압실린더(310)의 로드를 우측으로 밀어낸다. 그 결과, 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)은 유압에 의해서 좀더 원활히 이동된다.
에너지 변환부(300)는, 변환부 몸체(320)에 마련되는 유압피스톤(330), 운동전달부(340) 및 발전기(350)가 해수에 노출되지 않도록 방수케이스(360)를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 공진을 이용한 양력면형 조류발전기(1)의 작용에 대해 간략하게 설명하면 다음과 같다. 공진을 이용한 양력면형 조류발전기의 세부적인 구성요소의 작동에 대해서는 상술하였는바, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
우선, 도 4에 도시된 바와 같이 양력면체(220)의 초기 구동에 의해 양력면체(220)가 회전되면 관성에 의해서 회전 방향과 반대 방향으로 모멘트(M)가 발생되어 초기 회전 방향과 반대 방향으로 양력면체(220)가 회전되고, 양력면체(220)가 정해진 회전 각도로 회전되면 양력면체(220)의 잔류 회전력과 조류의 유속에 의해서 양력(Lf)이 발생되어 양력면체(220)의 초기 회전 방향으로 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 이동된다.
양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이, 도 8에 도시된 바와 같이, 우측으로 이동되면 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 우측에 배치된 탄성체(230)는 수축되고 좌측에 배치된 탄성체(230)는 신장된다.
수축된 탄성체(230)는 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 반대 방향 즉 좌측으로 이동시 신장 되면서 복원력을 제공한다.
그리고 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 우측으로 이동되면 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 우측에 위치된 제2 유압실린더(310)의 로드는 우측으로 이동되면서 제2 유압실린더(310)에 수용된 작동유를 우측으로 밀어낸다.
제2 유압실린더(310)에서 밀려나는 작동유는 유압피스톤(330)으로 이송되어 유압피스톤(330)을 좌측으로 이동시키고, 유압피스톤(330)의 직선 운동은 운동전달부(340)에 의해서 회전 운동으로 변환되어 발전기(350)에 회전 동력을 제공한다.
양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)이 도 8을 기준으로 우측으로 이동이 완료되면 양력면체(220)를 이동 방향과 반대 방향으로 회전시켜 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)을 양력(Lf)과 수축된 탄성체(230)의 신장에 의한 복원력에 의해서 좌측으로 이동시킬 수 있다.
좌측으로 이동이 완료된 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)은 양력면체(220)를 이동 방향과 반대 방향으로 회전시켜 다시 우측으로 이동시킬 수 있다.
따라서 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)은 전술한 과정의 반복에 의해서 수평 방향으로 주기적 운동을 하고, 이 과정에서 작동유의 이송에 의해 유압피스톤(330)은 좌우로 직선 이동이 되고, 유압피스톤(330)의 직선 이동은 운동전달부(340)에 의해서 회전 운동으로 변환되어 발전기(350)를 구동시킨다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 종래보다 에너지를 효율적으로 이용할 수 있으며, 유속에 무관하게 다양한 장소에 설치할 수 있어 유속이 빠르지 않은 곳일지라도 조류 에너지를 효율적으로 이용할 수 있게 된다.
특히, 본 실시예의 경우, 양력면체 유닛(200) 그 자체의 고유 주파수와 본 실시예의 주기적 운동의 주파수를 일치시켜 주기적 운동의 진동수를 증가시킴으로써 더 많은 발전 용량을 얻을 수 있을 것이라 기대된다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진을 이용한 양력면형 조류발전기에서 양력면체 유닛을 도시한 부분 확대도이다.
전술한 실시예의 경우, 양력면체(220)를 구동하기 위한 양력면체 능동 제어모듈(240)로 유압모터(241), 제1 유압실린더(242) 및 캠(243)을 이용하였다.
하지만, 도 9에 도시된 바와 같이, 양력면체 능동 제어모듈(250)은 상부 양력면체 지지용 운동모듈(211)의 수용홈(210b)에 마련되며 일단부에 구동 베벨기어(251a)를 갖는 구동모터(251)와, 양력면체(220)의 상단부 지지축(220a)에 마련되어 구동 베벨기어(251a)와 치합되는 피동 베벨기어(252)를 포함할 수도 있다.
이와 같은 경우, 본 실시예에서는 유압모터(241)와 제1 유압실린더(242)를 연결하기 위해서 별도의 유압튜브(T)를 마련할 필요가 없으므로 설치 및 조립이 간편해지고, 치합되는 구동 베벨기어(251a)와 피동베벨기어(252)의 기어비를 조정함으로써 양력면체(220)의 회전 제어가 용이해질 수 있다.
한편, 양력면체 능동 제어모듈(240,250)은 별도의 제어부(미도시)와 연결되어 양력면체 유닛(200)의 위치, 운동 주파수 및 고유 주파수 정보를 제어부로부터 전달받아 양력면체 유닛(200)의 회전방향을 제어할 수 있다. 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 상단부 및 하단부가 고정되어 있으므로 공진에 의한 진동은 수평 방향으로 영향을 미치고, 이로 인해 양력면체(220) 및 양력면체 지지용 운동모듈(210)의 주기적 운동은 더 가속되므로 유압피스톤(330)의 직선 이동 횟수 및 발전기(350)의 회전 횟수가 증가되어 더 많은 발전 용량을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
1 : 공진을 이용한 양력면형 조류발전기 100 : 베이스 프레임
110 : 상부프레임 120 : 하부프레임
200 : 양력면체 유닛 210 : 양력면체 지지용 운동모듈
220 : 양력면체 230 : 탄성체
240, 250 : 양력면체 능동 제어모듈 300 : 에너지 변환부
310 : 유압실린더 320 : 변환부 몸체
330 : 유압피스톤 340 : 운동전달부
350 : 발전기 360 : 방수케이스

Claims (14)

  1. 베이스 프레임;
    상기 베이스 프레임 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하며, 상기 주기적 운동에 의해 발생되는 운동 주파수와 자체의 고유 주파수가 일치될 때 발생되는 공진에 의해 상기 주기적 운동이 배가되는 양력면체 유닛; 및
    상기 양력면체 유닛과 연결되며, 상기 양력면체 유닛의 주기적 운동에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환부를 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양력면체 유닛은,
    위치별 회전 운동이 제어되는 양력면체;
    상기 양력면체가 회전 가능하게 지지되며, 상기 베이스 프레임 내의 미리 결정된 구간 내에서 주기적 운동을 하는 양력면체 지지용 운동모듈; 및
    상기 양력면체 지지용 운동모듈에 연결되어 상기 양력면체 지지용 운동모듈을 탄성적으로 지지하는 탄성체를 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양력면체 유닛은, 상기 양력면체 지지용 운동모듈을 사이에 두고 상기 베이스 프레임에 위치 조절 가능하게 결합되는 다수의 스토퍼를 더 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄성체는 그 일단부가 상기 양력면체 지지용 운동모듈에 연결되고 타단부는 상기 스토퍼에 연결되는 비틀림 코일 스프링인 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 양력면체 지지용 운동모듈은, 상기 양력면체의 양단부가 각각 연결되는 상부 양력면체 지지용 운동모듈과 하부 양력면체 지지용 운동모듈을 포함하며,
    상기 상부 양력면체 지지용 운동모듈 및 상기 하부 양력면체 지지용 운동모듈의 마주보는 면의 양측에는 상기 양력면체의 최대 회전각을 제한하는 다수의 회전각 제한부가 더 마련되는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 양력면체 유닛은, 상기 양력면체 지지용 운동모듈과 연결되어 상기 양력면체의 위치별 회전 운동을 능동적으로 제어하는 양력면체 능동 제어모듈을 더 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양력면체 능동 제어모듈은,
    상기 베이스 프레임의 일측에 마련되는 유압모터;
    상기 유압모터와 연결되며, 상기 유압모터의 동작에 기초하여 상기 양력면체 지지용 운동모듈과 일체로 이동되는 제1 유압실린더; 및
    일측은 상기 양력면체를 지지하는 지지축에 고정되고 타측은 상기 제1 유압실린더의 로드에 연결되어 상기 유압모터의 구동력을 상기 양력면체에 전달하는 캠을 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 양력면체는 횡단면 형상이 타원 형상을 갖는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 변환부는,
    일단부는 상기 베이스 프레임이 마련되는 지지구조물에 고정되고 타단부는 상기 양력면체 지지용 운동모듈에 고정되며, 상기 양력면체 유닛의 주기적 운동에 기초하여 내부에 수용된 작동유를 토출하는 제2 유압실린더;
    상기 베이스 프레임에 상기 제2 유압실린더와 연결되도록 마련되어 상기 제2 유압실린더에서 토출되는 작동유에 의해서 직선 운동하는 유압피스톤;
    상기 베이스 프레임에 마련되며, 상기 유압피스톤의 직선 운동을 전달하는 운동전달부; 및
    상기 운동전달부로부터 전달받은 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기를 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 운동전달부는,
    상기 유압피스톤에 연결되는 피스톤 샤프트에 그 일단부가 자유 회전 가능하게 연결되어 회전 운동되는 커넥팅 로드;
    상기 커넥팅 로드의 타단부에 자유 회전 가능하게 연결되고 상기 커넥팅 로드의 동작에 연동되어 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되는 회전판; 및
    상기 커넥팅 로드와는 다른 위치에서 상기 회전판에 그 일단부가 연결되고 타단부는 상기 발전기에 연결되며, 상기 발전기에 의한 전기적 에너지 변환을 위하여 기계적 운동 에너지를 상기 발전기로 입력시키는 기계적 운동 에너지 입력부를 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 에너지 변환부는, 상기 유압피스톤, 상기 운동전달부 및 상기 발전기가 해수에 노출되지 않도록 외부를 커버하는 방수케이스를 더 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 양력면체 유닛은, 상기 조류의 흐름 방향과 교차되도록 상기 베이스 프레임에 마련되는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 양력면체 능동 제어모듈은,
    상기 양력면체 지지용 운동모듈의 일측에 마련되되 일단부에 구동 베벨기어가 구비되는 구동모터; 및
    상기 구동 베벨기어와 치합되도록 상기 양력면체의 지지축 단부에 마련되어 상기 구동모터의 구동력을 상기 양력면체에 전달하는 피동 베벨기어를 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양력면체 유닛의 위치, 운동 주파수 및 고유 주파수 정보를 상기 양력면체 능동 제어모듈로 전달하는 제어부를 더 포함하는 공진을 이용한 양력면형 조류발전기
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