WO2017122898A1 - 부력발전장치 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a buoyancy generator, and more particularly buoyancy power generation that can produce electrical energy by the rotation of the turbine by the discharge of fluid while generating electrical energy by the lifting operation of the buoyancy body by the supply and discharge of fluid. Relates to a device.
  • Power plants that use the natural environment are not only consumable energy sources such as fossil fuels, but because they use virtually permanent natural forces such as wind, tidal, solar and / or geothermal energy, which is desirable to reduce global resource consumption, Intensive research and development at the
  • current power plants that use the natural environment such as wind, tidal, solar and / or geothermal, have the disadvantage of being severely limited by natural environmental conditions.
  • wind power generation there is a problem in that it is installed in a windy place, and in the case of photovoltaic power generation, it is limited in terms of installation requirements such as being installed in the sun.
  • a buoyancy power generation facility is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2007-119187 (published date: December 20, 2007).
  • the buoyancy power plant is a water tank filled with water, a gas-filled ball from the bottom of the tank into the reservoir, an input unit for receiving the ball injected into the bottom of the reservoir, using the buoyancy of the ball to rise to the surface of the reservoir using the buoyancy Rotating part to orbital rotation in the up and down direction, the transfer part to collect the ball floated on the water surface to transfer the ball to the input part through the moving passage formed on the side and bottom of the reservoir and the ball located in the input standby state in the ball
  • It includes a water level control unit for adjusting the water level and the water pressure inside the input unit so that the ball can be introduced into the water by applying the same head pressure as the bottom water pressure of the generator, the generator is connected to the rotating unit is generated by the rotation of the rotating unit It is characterized by consisting of.
  • the buoyancy power generation equipment has the advantage that it can be utilized in various ways because there is no noise, there is little restriction of the environmental conditions that can be installed because the buoyancy body to orbit circulate by the bubbles rising to the surface.
  • the technical idea of using the orbital circulation of the buoyancy body is disclosed in the related art, and there is a problem that a specific configuration for improving the orbital circulation efficiency of the buoyancy body is not disclosed.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art, the problem to be solved in the present invention is to provide a buoyancy power generation device is a power generation by hydraulic, gravity and buoyancy.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a buoyancy generator that can improve the efficiency of the pump for supplying the fluid by supplying the fluid supply differentially according to the water level.
  • Buoyancy power generation apparatus for solving the above problems is the main body discharge port 11 is formed on the lower side, the main body housing 10 is formed in an open shape; A buoyancy body 20 provided inside the main body housing 10; A discharge turbine 30 provided in the discharge direction of the main body discharge port 11; A storage tank 40 provided below the main body outlet 11 to store the fluid discharged from the main body outlet 11; Pump pipe (50) for supplying the fluid contained in the storage tank 40 to the body housing 10 by using a pump 52; A buoyancy power generation unit 60 including a rack gear 61 vertically installed on an upper surface of the buoyancy body 20 and a pinion gear 62 provided on the main body housing 10 to be engaged with the rack gear 61. ); And it characterized in that it comprises a generator 70 for converting the rotational energy transmitted from the discharge turbine 30 and the buoyancy generator 60 to electrical energy.
  • the buoyancy body is raised or lowered as the fluid is supplied or discharged to the main body housing. Accordingly, the buoyancy power generation unit rotates in the forward and reverse directions to produce energy, and at the same time, uses the fluid discharged from the main body housing to produce energy. By doing so, there is an advantage of high power generation efficiency.
  • the present invention when the pump is operated to supply the fluid, by selectively opening and closing the control valve to supply the fluid to the branch pipe with the lowest power consumption of the pump, the discharged fluid is returned to the main body housing by the minimum power It is made to supply with, has the advantage of high power generation efficiency.
  • FIG. 1 is a perspective view of a buoyancy power generator according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the buoyancy power generator according to the present invention.
  • 3a and 3b is an operating state diagram of the buoyancy body applied to the buoyancy generator according to the present invention.
  • FIG. 4 and 5 is a state diagram showing an embodiment of supplying a fluid by adjusting the opening and closing of the pumping pipe by the control of the control unit in the buoyancy power generator according to the present invention.
  • FIG 6 is an operating state diagram of the buoyancy generator applied to the buoyancy generator according to the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing another embodiment of the buoyancy body in the buoyancy generator according to the present invention.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a state in which a plurality of the buoyancy generator according to the present invention is installed.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of another embodiment in which a plurality of buoyancy generators according to the present invention are installed.
  • first buoyancy generator 2 second buoyancy generator
  • buoyant body 21 buoyant body outlet
  • the present invention relates to a buoyancy power generation device that is generated by hydraulic power, gravity and buoyancy, and can improve the efficiency of a pump for supplying fluid by supplying fluid differentially according to the water level.
  • FIG. 1 is a perspective view of a buoyancy generator according to the present invention
  • Figure 2 is a cross-sectional view of the buoyancy generator according to the present invention
  • Figures 3a and 3b is the operation of the buoyancy body 20 applied to the buoyancy generator according to the present invention State diagram.
  • the buoyancy generator of the present invention is the main body housing 10, buoyancy body 20, discharge turbine 30, storage tank 40, pumping pipe 50, buoyancy generator 60, generator 70 and the control unit It comprises 80.
  • the main body housing 10 is to receive a fluid (for example, water, etc.) therein and to discharge the fluid contained under control, the main body outlet 11 is formed on one side of the lower side, and accommodates the fluid
  • the upper part may be configured in an open form for this purpose.
  • the buoyancy body 20 is provided inside the main body housing 10, floated and lifted by the fluid supplied into the main body 10, and is lowered by the discharge of the fluid.
  • the buoyancy body 20 may be configured to have an empty shape, and an inlet 22 for introducing a portion of the fluid supplied into the body housing 10 into the buoyancy body 20. Can be configured.
  • the buoyancy body outlet 21 for discharging the fluid introduced into the buoyancy body 20 may be configured.
  • the control valve for regulating the flow path of the buoyancy body discharge port 21 is configured.
  • the discharge turbine 30 is provided in the discharge direction of the main body outlet 11 and rotates by the fluid discharged from the main body outlet 11 to generate hydroelectric power.
  • a second discharge turbine 31 may be installed in the discharge direction of the buoyancy body outlet 21 provided in the buoyancy body 20.
  • the storage tank 40 is provided on the downstream side of the main body outlet 11 to store the fluid discharged from the main body outlet 11.
  • the size of the storage tank 40 may be made relatively larger than the fluid capacity of the main body housing 10 to accommodate all the fluid contained in the main body housing 10 of the main body housing 10. .
  • the pumping pipe 50 is a conveying line which pumps the fluid contained in the storage tank 40 by a pump 52 and is supplied to the main housing 10, and a control valve V is provided in the pumping pipe 50. Is provided with a plurality of branch pipe (51).
  • the pump 52 may be configured as a water pump, and may be configured to operate by using the electric energy generated by the generator 70.
  • the pumping pipe 50 is a branch pipe 51a provided at the lowermost of the branch pipe 51 is provided at a position relatively higher than the position of the main body outlet 11, the minute provided at the top
  • the outlet of the engine 51d is formed at a position corresponding to the height of the main housing 10.
  • the number of branch pipes (51a, 51b, 51c and 51d) may vary depending on the height of the main body housing (10).
  • the buoyancy power generation unit 60 performs the function of producing electrical energy by converting the linear motion of the buoyancy body 20 into the rotary motion of the lifting operation, vertically placed in the center of the upper surface of the buoyancy body 20 It is configured to include a rack gear 61 and the pinion gear 62 which is provided on the main body housing 10 to be engaged with the rack gear 61.
  • the rack gear 61 is raised and lowered as the buoyancy body 20 rises and falls, and the pinion gear 62 which is engaged with the rack gear 61 rotates to generate rotational energy.
  • the pinion gear 62 may be provided with an accelerator gear 63 for further accelerating the rotational force.
  • the generator 70 converts rotational energy transmitted from the discharge turbine 30 and the buoyancy power generation unit 60 into electrical energy.
  • the controller 80 controls opening and closing of the main body outlet 11, opening and closing of the control valve V, and driving of the pump.
  • the control valve (V) may be configured to be opened and closed remotely by the control unit (80).
  • Figure 3a shows a process of producing electrical energy by the buoyancy of the buoyancy body 20 according to the reception in the fluid.
  • the fluid contained in the storage tank 40 is pumped back into the body housing 10 through the pump pipe 50 by pumping the pump 52.
  • the buoyancy body 20 is raised.
  • the rack gear 61 rises, and the pinion gear 62 meshed with the rack gear 61 rotates to generate rotational energy. Power is generated using the rotational energy of the pinion gear 62.
  • FIG. 3b illustrates a process of producing electrical energy by discharging the accommodated fluid, and as shown in FIG. 3b, when the body outlet 11 is opened in a state in which the fluid is accommodated in the body housing 10.
  • the fluid is discharged through the main body outlet 11, and the discharge turbine 30 is rotated according to the discharge of the fluid.
  • the buoyancy body 20 is lowered by the discharge of the fluid.
  • the rack gear 61 is lowered by the lowering of the buoyancy body 20, and the pinion gear 62 meshed with the rack gear 61 rotates to generate rotational energy. Power is generated using the rotational energy of the pinion gear 62.
  • Power generation using potential energy due to the descending of the buoyancy body can be divided into two ways, such as power generation due to the descending of the buoyancy body with the discharge of the fluid, and power generation by the falling of the buoyancy body in the fluid discharge state.
  • the buoyancy body 20 which is raised by buoyancy, rotates the pinion gear 62 while descending along the water level lowered by the discharge of the fluid, and the second method is until the discharge of the fluid is completely discharged.
  • the pinion gear 62 is rotated by fixing the position of the raised buoyancy body 20 and controlling the falling of the buoyancy body 20 raised by buoyancy after the discharge of the fluid is completed.
  • the first method it is not necessary to be additionally provided, but the power generated by changing the potential energy of the buoyancy body 20 into electrical energy according to the discharge speed of the fluid, the lowering speed of the buoyancy body 20 produced There is a disadvantage that the electrical energy is less.
  • the second method has a disadvantage in that a device for fixing the raised buoyancy body 20 until the fluid is discharged has the disadvantage that the descending speed of the buoyancy body 20 is increased so that the electrical energy produced is increased.
  • the second method of controlling to lower the buoyancy body 20 raised by buoyancy is a relatively large amount of electricity compared to the method of lowering the buoyancy body 20 according to the discharge of the fluid. To produce energy.
  • the buoyancy body 20 is lifted by the buoyancy to control the fixed position of the buoyancy body 20 at the highest point, and after the fluid is completely discharged after the buoyancy body ( 20) is configured to be controlled to be lowered.
  • FIG. 4 and 5 is a state diagram showing an embodiment of supplying a fluid by controlling the opening and closing of the pump pipe 50 by the control of the control unit 80 applied to the buoyancy power generator according to the present invention.
  • 'O' shown in the drawing represents Open
  • 'C' represents Close.
  • the buoyancy generator according to the present invention is configured to transfer the discharged fluid to the pumping pipe, and to receive it into the body housing 10 through the plurality of branch pipes 51 provided in the pumping pipe.
  • the amount of electrical energy used for pumping is changed according to the pumping height.
  • the amount of electrical energy required according to the pumping amount and the pumping height of the electric energy used for pumping is different, and the lower the pumping height, the less the amount of electrical energy is used. That is, when the same electrical energy is used, the lower the pumping height, the more fluid can be pumped.
  • the branch pipe 51a located at the lowermost side of the branch pipe 51 has the least electric energy (power) consumed to supply the fluid, and the branch pipe located at the top of the branch pipe 51. The most power consumed to supply the fluid to 51b.
  • the controller 80 determines the opening and closing of the control valve V provided in each branch pipe 51 according to the level of the fluid accommodated in the main body housing 10.
  • the pump 52 is configured to adjust the power to be used, so that the fluid is received in the body housing 10.
  • the control unit 80 when the first operation of the pump 52 to receive the fluid in the main body housing 10, as shown in Figure 4a, the control unit 80 The lowermost position, that is, the pump 52 opens the control valve V of the branch pipe 51a having the smallest power required to supply the fluid, and closes all the remaining control valves V. Thereafter, the controller 80 calculates the minimum power required to supply the fluid to the branch pipe 51a by the pump 52, and transfers the power to the pump 52 to supply the fluid.
  • the buoyancy power generation apparatus is further provided with a water level sensor 12 on the side wall of the main body housing 10, the sensing value of the level sensor 12 Accordingly, the controller 80 is configured to select a branch pipe through which the fluid is supplied from the branch pipes 51.
  • the water level sensor 12 is shown in Figures 4 and 5, since the controller 80 is configured to select the branch pipe 51 to be supplied with the fluid, the respective branch pipe (51a, The water level detecting sensors 12a, 12b, and 12c having the same number as the number of 51b and 51c may be provided.
  • the branch pipes 51a, 51b, and 51c and the water level detecting sensor 12a are provided.
  • 12b, 12c) may be configured to match 1: 1.
  • a plurality of water level detection sensors 12a, 12b, and 12c are provided in pairs according to the heights of the branch pipes 51a, 51b, and 51c, respectively.
  • the control unit 80 automatically opens the control valve (V) of the branch pipe disposed at a relatively high position of the branch pipe adjacent to the level sensor, except this The control valve V provided in the remaining branch pipe is closed so that the fluid can be supplied only to the branch pipe in which the control valve V is opened.
  • each of the water level sensor is preferably provided in the lower adjacent position of each branch pipe outlet that makes a pair.
  • the level of the fluid contained in the body housing 10 is equal to that of the branch pipes 51a, 51b.
  • the branch pipes 51a, 51b, and 51c to which the fluid is supplied may be changed. That is, when the outlets of the branch pipes 51a, 51b, and 51c paired with the level sensors 12a, 12b, and 12c are submerged in water, the fluid accommodated in the main body housing 10 is supplied. Since the fluid must be supplied at a pressure greater than the water pressure of the pump 52, the power consumption of the pump 52 may be increased.
  • the water level sensor 12a, 12b, 12c is not provided in the lower portion near the branch pipes (51a, 51b, 51c) is provided in the relatively far lower portion, it is accommodated inside the main body housing 10
  • the controller 80 closes the control valve V of the branch pipes 51a, 51b, and 51c in a state where the fluid level does not reach the level of the branch pipes 51a, 51b, and 51c.
  • the pump 52 needs to consume more power.
  • the water level sensor 12a, 12b, 12c paired with each branch pipe (51a, 51b, 51c) is configured to be located at the same height as the height of the outlet of the branch pipe (51a, 51b, 51c). By doing so, it is desirable to reduce power loss to the maximum to increase power generation efficiency.
  • the pump 52 can minimize the electric energy used for pumping, the fluid discharged with the minimum electric energy can be accommodated in the main body housing 10 again. There is an advantage.
  • FIG. 6 is a view showing an operating state of the buoyancy generator 60 applied to the buoyancy generator according to the present invention.
  • the buoyancy power generation unit 60 serves to guide the movement of the buoyancy body 20 while producing electrical energy as the buoyancy body 20 rises and falls.
  • the power of the buoyancy body 20 may be more stably produced while producing more power.
  • the pinion gear 62 performs forward rotation (rotational direction ascending) and reverse rotation (rotational direction ascending), and by such rotation, electric energy Will produce.
  • the generator using the forward rotation generates a load due to the reverse rotation during the reverse rotation.
  • a generator using reverse rotation may generate a load due to forward rotation during forward rotation, which may cause a problem that the buoyancy body 20 cannot rise or fall.
  • the present invention is provided with an even number of the buoyancy power generation unit 60, are provided to face each other, so that the buoyancy power generation unit 60 to generate power when the buoyancy body 20 is raised or lowered can be selectively used. do.
  • the rack gear (a) when the buoyancy body 20 is raised, the rack gear (a) may be configured such that the pinion gear 62a facing each other among the plurality of pinion gears 62 is raised. 61 and the other pinion gear 62b are configured to be separated from the rack gear 61 so as to raise the buoyancy body 20.
  • the neighboring pinion gear 62b is controlled to be engaged with the corresponding rack gear 61, and the pinion which is engaged with the rack gear 61 at the time of rising.
  • the gear 62a is configured to be separated (falled or raised) of the buoyancy body 20.
  • the pinion gear 62 meshes with the rack gear 61 as it rises, and the pinion gear 62 meshes with the rack gear 61 as it descends. It is configured to be connected to the rack gear 61 to be engaged with or to be controlled to be spaced apart from the rack gear (1) (not shown in the figure), to prevent the negative operation of the buoyancy body 20 according to the reverse load of the generator can do.
  • the clutch may be an electronic clutch driven by the control of the control unit 80.
  • the main body housing 10 may be supported and fixed by a plurality of legs provided at the bottom, it is possible to change the design to have a suitable force according to the size and weight of the present invention.
  • the shock absorbing means 25 may be further provided below the buoyancy body 20 to prevent such a shock.
  • the larger the size the greater the amount of rotational energy.
  • the larger the size of the present invention the higher the electrical energy production efficiency.
  • the shock absorbing means 25 is provided on the inner bottom surface of the main body housing 10 to mitigate the impact caused by the collision of the main body housing 10 and the buoyancy body 20. .
  • the shock absorbing means is made of a plurality of rubber protrusions to support the weight of the buoyancy body 20 as an example, the shape of the shock absorbing means can support the weight of the buoyancy body 20, As long as the shape can mitigate the impact caused by the collision of the body housing 10 and the buoyancy body 20 can be changed.
  • the rotational speed of the pinion gear 62 meshing with the rack gear 61 is increased in proportion to the moving speed of the buoyancy body 20, more rotation in accordance with the rising and falling speed of the buoyancy body 20
  • an increase gear 63 engaged with the pinion gear 62 may be further provided.
  • the speed increasing gear 63 is formed to be engaged with the pinion gear 62, and is configured to rotate in conjunction with the rotation of the pinion gear 62.
  • the gear ratio of the speed increase gear 63 and the pinion gear 62 is configured in a ratio of 1: 2 to 100
  • the rotation speed of the speed increase gear 63 is rotated by the pinion gear 62. It will have 2 to 100 times the number of revolutions.
  • the rotation speed of the speed increase gear 63 is less than twice the rotation speed of the pinion gear 62, the acceleration effect is not preferable, and the rotation speed of the speed increase gear 63 is the rotation speed of the pinion gear 62. If it exceeds 100 times with respect to the acceleration rate is too large, it is not preferable because the teeth and the like of the speed increase gear 63 may be damaged.
  • the gear ratio between the speed increase gear 63 and the pinion gear 62 is formed in a ratio of 1: 25 to 50, so that the rotation speed of the speed increase gear 63 is compared with the rotation speed of the pinion gear 62. It may be configured to be 25 to 50 times.
  • the pinion gear 62 and the speed increase gear 63 are directly connected so that the rotational energy generated by the pinion gear 62 is increased through the speed increase gear 63 and transferred to the power generation unit.
  • the pinion gear 62 and the speed increase gear 63 may be interlocked by a separate chain (not shown).
  • Hydro power generation by discharging the fluid contained in the buoyancy body is performed at the time when the lowering of the buoyancy body 20 is completed.
  • the buoyancy body outlet 21 provided in the buoyancy body 20 is opened.
  • the fluid contained in the buoyancy body 20 by opening the buoyancy body outlet 21 rotates the second discharge turbine 31 while being discharged through the buoyancy body outlet 21, and the second discharge turbine ( The rotation of 31 produces electric energy.
  • the fluid discharged through the buoyancy body outlet 21 is discharged through the main body outlet 11 again to rotate the discharge turbine 30 to produce electrical energy.
  • FIG. 7 is a view showing another embodiment of the buoyancy body in the buoyancy power generator according to the present invention.
  • the buoyancy body 20 may be configured in a hollow donut shape.
  • a support 21c may be further provided to support the rack gear 61 extending to the upper portion of the buoyancy body 20. Accordingly, since the volume and weight of the buoyancy body 20 can be reduced, there is an advantage that power generation by buoyancy can be made more efficiently.
  • the buoyancy generator according to the present invention configured as described above may be an energy storage system (ESS: Energy Storage System) for storing the produced electrical energy.
  • ESS Energy Storage System
  • the two or more buoyancy generators according to the present invention may be configured to continuously produce the electric energy by applying the electric energy produced by the plurality of pump 52 of the adjacent other buoyancy generators.
  • FIG. 8 shows a configuration diagram of a state in which a plurality of buoyancy generators according to the present invention are installed.
  • electrical energy produced by the first buoyancy power generator 1 is applied to the pump 52 of the second buoyancy power generator 2 adjacent to the fluid to supply fluid to the second buoyancy power generator 2. It is configured to accommodate the main body housing (10).
  • the first buoyancy generator 1 the electrical energy generated by the discharge of the received fluid and the electrical energy produced by the potential energy due to the falling of the buoyancy body is applied to the adjacent second buoyancy generator 2, In this process, the second buoyancy generator 2 produces electric energy due to the rise of the buoyancy body 20 in accordance with the reception of the fluid.
  • the electrical energy produced by the buoyancy of the buoyancy body 20 according to the fluid receiving of the second buoyancy generator 2 may be output as surplus power.
  • the second buoyancy power generator 2 in the adjacent position is in a state in which fluid is accommodated in the body housing 10.
  • the adjacent second buoyancy generator 2 discharges the received fluid, and the electrical energy produced by the potential energy caused by the falling of the electrical energy generated by the discharge and the buoyancy body is the first buoyancy generator (1). Is applied). Accordingly, in the first buoyancy power generator 1, the electric energy is produced by the rise of the buoyancy body 20 according to the reception of the fluid, and the electric energy produced by the rise may be output as surplus power.
  • the electrical energy produced by the generation of hydropower by discharge of the received fluid and the generation of potential energy by the lowering of the buoyancy body is applied to another buoyancy generator installed adjacently, and the buoyancy generator receiving the power is a fluid.
  • the buoyancy of the buoyancy body 20 according to the acceptance of the electric energy will be produced.
  • FIG. 9 is a block diagram of another embodiment in which a plurality of buoyancy generators according to the present invention are installed.
  • a second buoyancy power generator 2 composed of a first buoyancy power generator 1 and a second buoyancy power generator 2 installed adjacent to each other and installed adjacent to the first buoyancy power generator 1 is provided. Is configured to jointly use the pump 52 and the storage tank 40.
  • the fluid discharged from the body housing 10 of the first buoyancy power generator 1 is accommodated in the storage tank 40 and the body housing 10 of the second buoyancy power generator 2 by pumping the pump 52. Is supplied.
  • the first buoyancy power generator 1 has a potential energy due to the falling of the buoyancy body and the hydro power generation by the discharge of the fluid, while the second buoyancy power generator 2 is the electrical energy due to the rise of the buoyancy body Produced.
  • the fluid discharged from the body housing 10 of the second buoyancy generator 2 is received in the storage tank 40 and the body housing 10 of the first buoyancy generator 1 by pumping the pump 52. Is supplied.
  • the second buoyancy power generator 2 is generated by the potential energy due to the falling of the buoyancy body and the discharge of fluid, while the first buoyancy power generator 1 is the electrical energy due to the rise of the buoyancy body Produced.
  • the main body housing 10 to which the discharged fluid is supplied under the control of the controller 40 is selected so that the electrical energy generated by the discharge of the fluid and the electrical energy generated by the falling of the buoyant body are adjacent to each other.
  • the fluid discharged from the power generator is configured to receive the electrical energy in the body housing 10 to which the electric energy is applied.
  • Such a configuration has the advantage of reducing equipment costs by jointly using the pump 52 and the storage tank 40 used for pumping.
  • the present invention has been made to solve the problems of the prior art, to provide a buoyancy power generation device that generates power by hydraulic, gravity and buoyancy.

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Abstract

본 발명은 수력, 중력 및 부력에 의해 발전이 이루어지고, 유체의 공급을 수위에 따라 차등적으로 공급하여 유체를 공급하는 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 부력발전장치에 관한 것이다.

Description

부력발전장치
본 발명은 부력발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유체의 공급과 배출에 의한 부력체의 승강동작에 의해 전기에너지를 발생시키면서 유체의 배출에 의한 터빈의 회전으로 전기에너지를 생산할 수 있는 부력발전장치에 관한 것이다.
자연환경을 이용하는 발전시설은 화석연료와 같은 소비적인 에너지 자원이 아닌 풍력, 조력, 태양열 및/또는 지열 등 사실상 영구적인 자연의 힘을 이용하기 때문에 지구 자원 소비 절감 차원에서도 바람직하고, 친환경적이기 때문에 국가적인 차원에서 집중적으로 연구 개발되고 있다. 그러나 풍력, 조력, 태양열 및/또는 지열 등과 같은 자연환경을 이용하는 현재의 발전시설들은 자연적인 환경 조건에 크게 제한을 받는 단점이 있다. 예를 들어 풍력발전의 경우에는 바람이 부는 곳에 설치되어야 하고, 태양광 발전의 경우에는 태양이 비추는 곳에 설치되어야 하는 등 설치 요건 측면에서 제약을 받는 문제가 있다.
이러한 발전장치와 관련한 종래 기술로서, 공개특허공보 제10-2007-119187호(공개일자: 2007.12.20)에는 부력발전설비가 개시되어 있다. 상기 부력발전설비는 물이 채워진 저수조, 기체가 채워진 공을 상기 저수조 바닥에서 저수조 내부로 투입시키는 투입부, 상기 저수조 바닥으로 투입된 공을 받아 수용하며 수면으로 상승하려는 공의 부력을 이용하여 상기 저수조의 내부에서 상하방향으로 궤도 회전하는 회전부, 수면으로 떠오른 공을 수거하여 저수조 측부와 바닥에 형성된 이동통로를 통해 투입부까지 공을 이송하는 이송부 및 상기 투입부 내부에 투입대기상태로 위치한 공에 상기 저수조의 바닥 수압과 같은 수두압을 적용하여 수중으로 상기 공을 투입할 수 있도록 투입부 내부의 수위 및 수압을 조절하는 수위조절부를 포함하며, 상기 회전부에는 발전기가 연결되어 상기 회전부의 회전에 의해 발전이 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 부력발전설비는 수면으로 떠오르는 기포에 의해 부력체가 궤도 순환하도록 하여 전기에너지를 얻을 수 있기 때문에 소음이 없고, 설치 가능한 환경조건의 제약이 적어 다양한 방면으로 활용될 수 있는 장점이 있다. 그러나 상기 종래기술에는 부력체의 궤도순환을 이용하는 기술적 사상만 개시되어 있을 뿐, 부력체의 궤도순환 효율을 향상시키기 위한 구체적인 구성에 대해서는 개시되어 있지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 창출되는 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 수력, 중력 및 부력에 의해 발전이 이루어지는 부력발전장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 유체의 공급을 수위에 따라 차등적으로 공급하여 유체를 공급하는 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 부력발전장치를 제공하는 데 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 부력발전장치는 하부 일측에 본체배출구(11)가 형성되고, 상부가 개방된 형태로 형성되는 본체하우징(10); 상기 본체하우징(10) 내부에 구비되는 부력체(20); 상기 본체배출구(11)의 배출방향에 구비되는 배출터빈(30); 상기 본체배출구(11)의 하방에 구비되어, 상기 본체배출구(11)로부터 배출되는 유체를 저장하는 저장탱크(40); 상기 저장탱크(40)에 수용된 유체를 펌프(52)를 이용하여 상기 본체하우징(10)으로 공급하는 양수관(50); 상기 부력체(20)의 상면에 수직으로 입설되는 랙기어(61) 및 상기 랙기어(61)와 맞물리게 상기 본체하우징(10) 상부에 구비되는 피니언 기어(62)를 포함하는 부력 발전부(60); 및 상기 배출터빈(30) 및 부력 발전부(60)로부터 전달되는 회전에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기(70)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 본체하우징에 유체가 공급 또는 배출됨에 따라 부력체가 상승 또는 하강을 하게 되며, 이에 따라 부력 발전부가 정역방향으로 회전하여 에너지를 생산함과 동시에 본체하우징에서 배출되는 유체를 이용하여 에너지를 생산하도록 하여, 발전효율이 높은 장점이 있다.
또한, 본 발명은 유체를 공급하기 위해 펌프가 동작하는 경우, 펌프의 전력소비가 가장 작은 분기관으로 유체를 공급하도록 제어밸브를 선택적으로 개폐함에 따라, 배출된 유체가 최소 전력에 의해 다시 본체하우징으로 공급하도록 이루어져, 발전효율이 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 부력발전장치의 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 부력발전장치의 단면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 부력발전장치에 적용된 부력체의 동작 상태도.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 부력발전장치에서 제어부의 제어에 의한 양수관의 개폐를 조절하여 유체를 공급하는 실시과정을 나타낸 상태도.
도 6은 본 발명에 따른 부력발전장치에 적용된 부력 발전부의 동작 상태도.
도 7은 본 발명에 따른 부력발전장치에서 부력체의 다른 실시 예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 부력발전장치를 복 수개 설치한 상태의 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 부력발전장치가 복수 개 설치된 다른 실시 예의 구성도.
*도면의 주요부호에 대한 상세한 설명*
1: 제1 부력발전장치 2: 제2 부력발전장치
10 : 본체하우징
11 : 본체배출구 12 : 수위감지센서
20 : 부력체 21: 부력체배출구
22: 유입구 21c : 지지체
30 : 배출터빈 31: 제2 배출터빈
40 : 저장탱크 50 : 양수관
51 : 분기관 52 : 펌프
60 : 부력발전부 61 : 랙기어
62 : 피니언 기어 63 : 증속기어
70 : 발전기 80 : 제어부
V : 제어밸브
본 발명은 수력, 중력 및 부력에 의해 발전이 이루어지고, 유체의 공급을 수위에 따라 차등적으로 공급하여 유체를 공급하는 펌프의 효율을 향상시킬 수 있는 부력발전장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 부력발전장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 부력발전장치의 단면도이며, 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 부력발전장치에 적용된 부력체(20)의 동작 상태도이다.
본 발명의 부력발전장치는 본체하우징(10), 부력체(20), 배출터빈(30), 저장탱크(40), 양수관(50), 부력 발전부(60), 발전기(70) 및 제어부(80)를 포함하여 구성된다.
상기 본체하우징(10)은 그 내부에 유체(예를 들면, 물(water) 등)를 수용하고 제어에 따라 수용된 유체를 배출시키는 것으로서, 하부 일측에 본체배출구(11)가 형성되고, 유체를 수용하기 위해 상부가 개방된 형태로 구성될 수 있다.
상기 부력체(20)는 상기 본체하우징(10)의 내부에 구비되어, 상기 본체하우징(10)의 내부로 공급되는 유체에 의해 부유하여 승강되고, 유체의 배출에 의해 하강되게 된다. 여기서 상기 부력체(20)는 그 내부가 빈 형태로 구성될 수 있고, 상기 본체하우징(10)의 내부로 공급된 유체의 일부가 상기 부력체(20)의 내부로 유입시키기 위한 유입구(22)가 구성될 수 있다. 또한, 상기 부력체(20)의 내부로 유입된 유체를 배출시키기 위한 부력체배출구(21)가 구성될 수 있다. 여기서 상기 부력체배출구(21)의 유로를 단속하는 제어밸브가 구성된다.
상기 배출터빈(30)은 상기 본체배출구(11)의 배출방향에 구비되어 상기 본체배출구(11)로부터 배출되는 유체에 의해 회전하여 수력발전이 이루어진다.
또한, 상기 부력체(20)에 구비된 부력체배출구(21)의 배출방향에는 제2 배출터빈(31)이 설치될 수 있다.
상기 저장탱크(40)는 상기 본체배출구(11)의 하류측에 구비되어, 상기 본체배출구(11)로부터 배출되는 유체를 저장하도록 이루어진다.
이때, 상기 저장탱크(40)의 크기가 상기 본체하우징(10)의 상기 본체하우징(10)에 수용된 유체를 모두 수용할 수 있을 정도로 상기 본체하우징(10)의 유체 용량보다 상대적으로 크게 이루어질 수 있다.
상기 양수관(50)은 펌프(52)에 의해 상기 저장탱크(40)에 수용된 유체를 펌핑하여 상기 본체하우징(10)으로 공급되는 이송라인으로서, 상기 양수관(50)에는 제어밸브(V)가 구비된 복수 개의 분기관(51)이 구성된다. 이때, 상기 펌프(52)는 양수기로 구성될 수 있으며, 발전기(70)에서 발전된 전기에너지를 이용하여 동작되도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 양수관(50)은 상기 분기관(51) 중 최하측에 구비된 분기관(51a)이 상기 본체배출구(11)의 위치보다 상대적으로 높은 위치에 구비되며, 최상측에 구비된 분기관(51d)의 배출구는 상기 본체하우징(10)의 높이에 대응되는 위치에 형성된다. 여기서, 상기 분기관(51a, 51b, 51c 및 51d)은 상기 본체하우징(10)의 높이에 따라 개수가 다라질 수 있다.
상기 부력 발전부(60)는 상기 부력체(20)이 승강동작의 직선운동을 회전운동으로 변환하여 전기에너지를 생산하는 기능을 수행하는 것으로서, 상기 부력체(20)의 상면 중심부에 수직으로 입설되는 랙기어(61) 및 상기 랙기어(61)와 맞물리게 상기 본체하우징(10) 상부에 구비되는 피니언 기어(62)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 구성에서 상기 부력체(20)의 상승과 하강에 따라 상기 랙기어(61)가 상승과 하강되고, 상기 랙기어(61)에 맞물려 구성된 피니언기어(62)가 회전하여 회전에너지를 발생시킨다. 이때, 상기 피니언기어(62)에는 회전력을 더욱 가속시키기 위한 가속기어(63)가 구비될 수 있다.
상기 발전기(70)는 상기 배출터빈(30) 및 부력 발전부(60)로부터 전달되는 회전에너지를 전기에너지로 변환시킨다.
상기 제어부(80)는 상기 본체배출구(11)의 개폐, 상기 제어밸브(V)의 개폐 및 펌프의 구동을 제어한다. 이때, 상기 제어밸브(V)는 상기 제어부(80)에 의해 원격으로 개폐가 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 부력발전장치의 동작에 따라 전기에너지를 생산하는 과정에 대하여 설명한다.
전기에너지를 생산하는 과정은,
1. 유체의 수용에 따른 부력체(20)의 부력에 의한 발전,
2. 수용된 유체의 배출에 의한 수력 발전,
3. 부력체의 하강에 의한 위치에너지를 이용한 발전.
4. 부력체에 수용된 유체의 배출에 의한 수력발전으로 이루어진다.
도 3a는 유체에 수용에 따른 부력체(20)의 부력에 의해 전기에너지를 생산하는 과정을 나타낸 것이다. 첨부된 도 3a에 도시된 바와 같이, 펌프(52)의 펌핑에 의해 상기 저장탱크(40)에 수용된 유체를 상기 양수관(50)을 통해 다시 상기 본체하우징(10) 내부로 수용하게 됨에 따라 상기 부력체(20)가 상승하게 된다. 상기 부력체(20)의 상승에 의해 상기 랙기어(61)가 상승하게 되고, 상기 랙기(61)에 이맞물림된 피니언기어(62)가 회전하여 회전에너지를 발생시킨다. 상기 피니언기어(62)의 회전에너지를 이용하여 발전하게 된다.
도 3b는 수용된 유체의 배출에 의한 전기에너지를 생산하는 과정을 나타낸 것으로서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 본체하우징(10) 내부에 유체가 수용된 상태에서 상기 본체배출구(11)를 개방하게 되면, 상기 본체배출구(11)를 통해 유체가 배출되고, 유체의 배출에 따라 상기 배출터빈(30)을 회전시키게 된다.
이때, 유체의 배출에 의해 상기 부력체(20)가 하강하게 된다. 상기 부력체(20)의 하강에 의해 상기 랙기어(61)가 하강하게 되고, 상기 랙기어(61)에 이맞물림된 피니언기어(62)가 회전하여 회전에너지를 발생시킨다. 상기 피니언기어(62)의 회전에너지를 이용하여 발전하게 된다.
부력체의 하강에 의한 위치에너지를 이용한 발전은 유체의 배출과 함께 부력체의 하강에 의한 발전 및 유체가 배출된 상태에서 부력체의 하강에 의한 발전 등 2가지 방식으로 구분될 수 있다.
첫 번째는 부력에 의해 상승된 부력체(20)는 유체의 배출에 의해서 낮아진 수위를 따라 하강하면서 상기 피니언기어(62)를 회전시키는 방식이고, 두 번째 방식은 유체의 배출이 완전히 배출될 시점까지 상승된 부력체(20)의 위치를 고정하고 유체의 배출이 완료된 이후, 부력에 의해 상승된 상기 부력체(20)를 하강하도록 제어하여 피니언기어(62)를 회전시키는 방식이다.
첫 번째 방식의 경우에는 추가적으로 구비되어야 하는 구성이 필요없으나 유체의 배출속도에 따라 상기 부력체(20)의 위치에너지를 전기에너지로 변화시켜 발전하는 것으로서, 부력체(20)의 하강 속도가 느려서 생산되는 전기에너지가 적어지는 단점이 있다. 반대로, 두 번째 방식은 유체가 배출될까지 상승된 부력체(20)를 고정하는 장치가 필요한 단점이 있으나 부력체(20)의 하강 속도가 빨라서 생산되는 전기에너지가 증가되는 장점이 있다.
위와 같은 방식에서, 위치에너지는 부력체의 중량, 높이 및 가속도에 비례하여 증가된다. 이에 유체가 배출된 이후, 부력에 의해 상승된 상기 부력체(20)를 하강하도록 제어하는 두 번째 방식은 유체의 배출에 따라 상기 부력체(20)를 하강하는 방식에 비하여 상대적으로 많은 양의 전기에너지를 생산할 수 있게 된다.
즉, 두 번째 방식이 채택되는 경우에는 상기 부력체(20)가 부력에 의해 상승하여 최고점에서 상기 부력체(20)의 위치를 고정하도록 제어하며, 이후 유체가 완전히 배출된 이후에 상기 부력체(20)가 하강될 수 있도록 제어되게 구성된다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 부력발전장치에 적용된 제어부(80)의 제어에 의한 양수관(50)의 개폐를 조절하여 유체를 공급하는 실시과정을 나타낸 상태도이다. 참고로 도면에 표시된 'O'는 개방(Open), 'C'는 폐쇄(Close)를 나타낸다.
본 발명에 따른 부력발전장치는 배출된 유체를 양수관으로 이송시키고, 상기 양수관에 구비된 복수 개의 상기 분기관(51)을 통해 상기 본체하우징(10)으로 수용하도록 이루어진다.
즉, 상기 본체하우징(10)에 수용되는 유체의 수위에 따라서 양수 높이를 조절하여 펌핑되게 구성하는 것으로서, 양수 높이에 따라 펌핑에 사용되는 전기에너지의 양이 달라지게 된다. 부연하면, 양수에 소용되는 전기에너지 양수량 및 양수높이에 따라 소요되는 전기에너지의 양이 다르게 소요되는 것으로서, 양수 높이가 낮을수록 소용되는 전기에너지도 적어지게 된다. 즉, 동일한 전기에너지를 이용할 경우, 양수 높이가 낮을 수록 더 많은 유체를 양수할 수 있다.
첨부된 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 분기관(51) 중 최하측에 위치한 분기관(51a)은 유체를 공급하기 위해 소모되는 전기에너지(전력)이 가장 적고, 최상측에 위치한 분기관(51b)으로 유체를 공급하기 위해 소모되는 전력이 가장 많다.
따라서 본 발명의 부력발전장치는 상기 본체하우징(10) 내부에 수용되는 유체의 수위에 따라, 상기 제어부(80)는 각각의 분기관(51)에 구비된 제어밸브(V)의 개폐를 결정하고 상기 펌프(52)가 사용할 전력을 조절하여, 상기 본체하우징(10)으로 유체가 수용되도록 구성된다.
본 발명의 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면, 상기 본체하우징(10)에 유체를 수용하기 위해 상기 펌프(52)를 최초로 동작시키는 경우, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(80)는 최하측에 위치한, 즉 펌프(52)가 유체를 공급하기 위해 요구되는 전력이 가장 작은 분기관(51a)의 제어밸브(V)를 개방하고 나머지 제어밸브(V)를 모두 폐쇄한다. 이후 상기 제어부(80)는 펌프(52)가 해당 분기관(51a)으로 유체를 공급하기 위해 요구되는 최소 전력을 계산하여 해당 전력을 펌프(52)로 전달하여 유체를 공급하도록 한다.
이후, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 본체하우징(10)에 수용된 유체의 수위가 해당 분기관(51a)이 위치한 높이보다 높아지면 해당 분기관(51a)의 제어밸브(V)를 폐쇄하고, 그 다음으로 높은 위치에 구비된 분기관(51b)의 제어밸브(V)를 개방한 뒤, 해당 분기관(51b)으로 유체를 공급하기 위해 필요한 최소 전력을 계산하여 해당 전력을 펌프(52)로 전달하여 유체가 공급될 수 있도록 한다. 다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기의 과정의 반복적으로 실시하며 상기 본체하우징(10)의 최상부까지 유체가 수용될 수 있도록 이루어진다.
한편, 상기 본체하우징(10)에 수용된 유체가 상기 본체배출구(11)로 배출되는 경우, 상기 제어밸브(V)는 모두 폐쇄되도록 한다.
이때, 상기의 과정을 원활히 하기 위하여, 본 발명에 따른 부력발전장치는 상기 본체하우징(10)의 측벽에 수위감지센서(12)가 더 구비되어, 상기 수위감지센서(12)의 센싱 결과값에 따라 상기 제어부(80)는 상기 분기관(51) 중 유체가 공급되도록 하는 분기관을 선택하도록 이루어진다.
이때, 상기 수위감지센서(12)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(80)는 유체가 공급될 분기관(51)을 선택하기 위한 구성이므로, 상기 각 분기관(51a, 51b, 51c)의 개수와 동일한 개수의 상기 수위감지센서(12a, 12b, 12c)가 구비되도록 구성될 수 있으며, 바람직하게는 상기 각 분기관(51a, 51b, 51c)과 상기 수위감지센서(12a, 12b, 12c)가 1:1로 매칭되게 구성될 수 있다.
즉, 도 4를 참조해서 설명하면, 복수 개의 수위감지센서(12a, 12b, 12c)가 쌍을 이루어 상기 분기관(51a, 51b, 51c)의 높이에 따라 구비되도록 함으로써, 각 수위감지센서(12)가 위치한 높이에 유체의 수위가 도달하면, 상기 제어부(80)는 자동으로 해당 수위감지센서에 인접한 분기관 중 상대적으로 높은 위치에 배치된 분기관의 제어밸브(V)를 개방하고, 이를 제외한 나머지 분기관에 구비된 제어밸브(V)는 폐쇄함으로써, 해당 제어밸브(V)가 개방된 분기관으로만 유체가 공급될 수 있도록 한다.
이때, 상기 펌프(52)의 전력사용효율을 더욱 높이기 위하여, 각 수위감지센서는 쌍을 이루는 각 분기관 배출구의 하부 인접한 위치에 구비되는 것이 바람직하다.
각 수위감지센서(12a, 12b, 12c)가 각 분기관(51a, 51b, 51c)보다 상부에 구비되는 경우, 상기 본체하우징(10)의 내부에 수용된 유체의 수위가 각 분기관(51a, 51b, 51c)보다 높아져야만 각 수위감지센서(12a, 12b, 12c)의 센싱이 이루어지며, 유체가 공급될 분기관(51a, 51b, 51c)이 변경될 수 있다. 즉, 각 수위감지센서(12a, 12b, 12c)와 쌍을 이루는 분기관(51a, 51b, 51c)의 배출구가 물에 잠긴 상태에서 유체를 공급하게 되는 경우, 상기 본체하우징(10)에 수용된 유체의 수압보다 큰 압력으로 유체가 공급되어야 하므로 상기 펌프(52)의 전력소모가 더욱 많아지게 되는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 상기 각 수위감지센서(12a, 12b, 12c)는 상기 분기관(51a, 51b, 51c) 인근 하부에 구비되지 않고 상대적으로 멀리 떨어진 하부에 구비되는 경우, 상기 본체하우징(10) 내부에 수용된 유체의 수위가 해당 분기관(51a, 51b, 51c)의 수위에 도달되지 않은 상태에서 상기 제어부(80)가 해당 분기관(51a, 51b, 51c)의 제어밸브(V)를 폐쇄하고, 그 보다 상대적으로 높은 위치에 구비된 분기관(51a, 51b, 51c)이 개방됨에 따라 상기 펌프(52)가 보다 많은 전력을 소모해야 하는 단점이 있다.
따라서 본 발명에서는 상기 각 분기관(51a, 51b, 51c)과 쌍을 이루는 수위감지센서(12a, 12b, 12c)는 해당 분기관(51a, 51b, 51c) 배출구의 높이와 동일한 높이에 위치되도록 구성함으로써, 전력손실을 최대한으로 줄여 발전효율을 높이도록 함이 바람직하다.
즉, 본 발명에 의하면 상기의 구성에 의해 펌프(52)가 양수에 사용되는 전기에너지를 최소화할 수 있으므로, 최종적으로 최소의 전기에너지로 배출된 유체를 다시 상기 본체하우징(10)에 수용시킬 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명에 따른 부력발전장치에 적용된 부력 발전부(60)의 동작 상태도를 나타낸 도면이다.
상기 부력 발전부(60)는 상기 부력체(20)의 상승과 하강에 따라 전기에너지를 생산함과 동시에 상기 부력체(20)의 이동을 가이드하는 역할을 한다.
이때, 본 발명에서 상기 부력 발전부(60)가 복수 개 구비되는 경우, 더 많은 전력을 생산함과 동시에, 상기 부력체(20)의 이동이 더욱 안정적으로 이루어질 수 있다.
즉, 상기 부력체(20)의 상승과 하강에 따라 피니언기어(62)가 정회전(상승에 따른 회전방향)과 역회전(하강에 따른 회전방향)을 수행하게 되고, 이러한 회전에 의해 전기에너지를 생산하게 된다.
그런데 상기 피니언기어(62)는 정회전 및 역회전시 동시에 상기 랙기어(61)에 맞물리게 구성되는 경우, 정회전을 이용한 발전기는 역회전시 역회전에 의한 부하가 발생된다. 마찬가지로 역회전을 이용한 발전기는 정회전시 정회전에 의한 부하가 발생되어, 상기 부력체(20)가 상승하거나 하강하지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 상기 부력 발전부(60)가 짝수 개 구비되되, 서로 마주보도록 구비되어, 상기 부력체(20)의 상승 또는 하강시 발전이 이루어지는 부력 발전부(60)를 선택적으로 사용할 수 있도록 한다.
더욱 상세하게 설명하면, 도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 부력체(20)가 상승하는 경우, 복수 개의 피니언 기어(62) 중 서로 마주보는 상기 피니언 기어(62a)를 상기 랙기어(61)에 맞물리게 배치하고, 다른 피니언 기어(62b)는 상기 랙기어(61)에서 이격되게 분리하여 상기 부력체(20)의 상승이 이루어지도록 구성된다.
이후 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 부력체(20)의 하강시에는 이웃하는 피니언 기어(62b)를 해당 랙기어(61)에 맞물리게 제어하고, 상승시 상기 랙기어(61)에 맞물림 되었던 피니언 기어(62a)는 분리하여 상기 부력체(20)의 하강(또는 상승)이 이루어지도록 구성된다.
즉, 상기 부력 발전부(60)의 경우, 상승에 따라 상기 랙기어(61)에 맞물리는 피니언 기어(62)와 하강에 따른 상기 랙기어(61)에 맞물리는 피니언기어(62)를 클러치(도면에 미표시)에 의해 상기 랙기어(61)에 접속시켜 맞물리도록 구성되거나 상기 랙기어(1)로부터 이격되게 제어되도록 제어하여, 발전기의 역 부하에 따른 상기 부력체(20)의 부동작을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 클러치는 상기 제어부(80)의 제어에 의해 구동되는 전자 클러치가 사용될 수 있다.
한편, 상기 본체하우징(10)은 하부에 구비되는 복수 개의 다리에 의해 지지되어 고정될 수 있으며, 본 발명의 크기 및 무게에 따라 알맞은 힘을 가지도록 설계변경이 가능하다.
상기와 같은 구성에서, 상기 본체하우징(10)의 내부 바닥면에는 상기 본체하우징(10) 내부의 유체가 배출된 이후, 상기 부력체(20)의 하강에 의해 전기에너지를 생산하게 되는데, 상기 부력체(20)의 하강시 상기 본체하우징(10)의 내부 바닥에 상기 부력체(20)가 충돌할 수 있다. 이에, 이러한 충격을 방지하기 위하여 상기 부력체(20)의 하부에는 완충수단(25)이 더 구비될 수 있다.
본 발명은 크기가 대형화될수록 많은 양의 회전에너지를 발생시킬 수 있다. 이에 회전에너지에 비례하여 변환되는 전기에너지의 양도 증가되기 때문에 본 발명의 크기가 대형화될수록 전기에너지 생산 효율이 증가되게 된다.
하지만, 본 발명에 따른 부력발전장치의 크기가 대형화되면, 상기 본체하우징(10)이 원통 형상으로 이루어질 경우 내부의 유체가 배출됨에 따라 부력체(20)와의 충돌에 따른 충격도 강하게 전달되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 본체하우징(10)의 내부 바닥면에 상기 완충수단(25)이 구비됨으로써 상기 본체하우징(10)과 부력체(20)의 충돌에 따른 충격을 완화시킬 수 있게 된다.
본 발명에 의하면, 상기 완충수단은 복수의 고무돌기로 이루어져 부력체(20)의 무게를 지탱하는 것을 예로 하고 있으나, 상기 완충수단의 형상은 상기 부력체(20)의 무게를 지탱할 수 있고, 상기 본체하우징(10)과 부력체(20)의 충돌에 의한 충격을 완화시켜줄 수 있는 형상이라면 얼마든지 변경이 가능하다.
한편, 랙기어(61)와 맞물리는 상기 피니언 기어(62)의 회전속도는 부력체(20)의 이동속도에 비례하여 증가 되는데, 부력체(20)의 상승 속도 및 하강 속도에 따라 더 많은 회전에너지를 발생시키기 위해서는 상기 피니언 기어(62)와 맞물리는 증속기어(63)가 더 구비될 수 있다.
상기 증속기어(63)는 상기 피니언 기어(62)에 맞물리게 형성되어, 상기 피니언 기어(62)의 회전에 따라 연동되어 회전되게 구성된다.
예를 들어, 상기 증속기어(63)와 상기 피니언 기어(62)의 기어비가 1: 2 ~ 100의 비율로 구성되는 경우, 상기 증속기어(63)의 회전수는 상기 피니언 기어(62)의 회전수 대비 2 ~ 100배의 회전수를 가지게 된다.
상기 증속기어(63)의 회전수가 상기 피니언 기어(62)의 회전수에 대해 2배 미만인 경우 가속 효과가 미미하여 바람직하지 못하고, 상기 증속기어(63)의 회전수가 상기 피니언 기어(62)의 회전수에 대해 100배를 초과하는 경우 가속 비율이 지나치게 커지게 되어 상기 증속기어(63)의 톱니 등이 파손될 수 있기 때문에 바람직하지 못하다. 바람직하게는 상기 증속기어(63)와 상기 피니언 기어(62)의 기어비를 1: 25 ~ 50 비율로 형성되도록 함으로써, 상기 증속기어(63)의 회전수는 상기 피니언 기어(62)의 회전수 대비 25 ~ 50배가 되도록 구성될 수 있다.
본 발명에서는 상기 피니언 기어(62)와 증속기어(63)가 직접 연결되어 상기 피니언 기어(62)에서 발생된 회전에너지가 증속기어(63)를 통해 증속되어 발전부로 전달되는 것으로 예를 들어 설명하고 있으나, 상기 피니언 기어(62)와 증속기어(63)의 연동은 별도의 체인(미도시)에 의해 이루어지도록 하는 것도 가능하다.
부력체에 수용된 유체의 배출에 의한 수력발전은, 부력체(20)의 하강이 완료된 시점에서 이루어진다.
유체가 배출되어 상기 부력체(20)의 하강이 완료되면, 상기 부력체(20)에 구비된 부력체배출구(21)가 개방된다. 상기 부력체배출구(21)의 개방에 의해 상기 부력체(20) 내부에 수용된 유체는 상기 부력체배출구(21)를 통해 배출되면서 제2 배출터빈(31)을 회전시키고, 상기 제2 배출터빈(31)의 회전에 의해 전기에너지를 생산하게 된다.
또한, 상기 부력체배출구(21)를 통해 배출된 유체는 다시 본체배출구(11)를 통해 배출되면서 배출터빈(30)을 회전시켜 전기에너지를 생산하게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 부력발전장치에서 부력체의 다른 실시 예를 나타낸 도면이다.
상기 부력체(20)는 내부가 빈 도넛형상으로 구성될 수 있다. 상기 부력체(20)가 도넛형상으로 이루어지는 경우 상기 부력체(20)의 상부로 연장형성되는 랙기어(61)가 입설되도록 지지하는 지지체(21c)가 더 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 부력체(20)의 부피 및 무게를 줄일 수 있기 때문에 부력에 의한 발전이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있는 장점이 있다.
위와 같이 구성된 본 발명에 따른 부력발전장치에는 생산된 전기에너지를 저장하기 위한 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)이 부가될 수 있다. 그러나 교류발전기를 사용하는 경우 생산된 교류전원을 다시 직류전원으로 변환하여 에너지저장시스템에 입력시켜야 하기 때문에 에너지 변환에 따른 손실이 발생될 수 있으며, 에너지저장시스템을 구성하는 데 비용이 추가로 소요되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 부력발전장치를 2개 이상 복수 개 구비하여 생산된 전기에너지를 인접한 다른 부력발전장치의 펌프(52)에 인가하여 전기에너지를 지속적으로 생산할 수 있도록 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 부력발전장치를 복 수개 설치한 상태의 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 8을 참조하면, 제1 부력발전장치(1)에서 생산된 전기에너지는 인접 설치된 제2 부력발전장치(2)의 펌프(52)에 인가되어 유체를 상기 제2 부력발전장치(2)의 본체하우징(10)에 수용시키도록 구성된다.
즉, 제1 부력발전장치(1)에서는 수용된 유체의 배출에 의해 발생된 전기에너지 및 부력체의 하강에 따른 위치에너지에 의해서 생산된 전기에너지는 인접한 제2 부력발전장치(2)에 인가되고, 이 과정에서 상기 제2 부력발전장치(2)에서는 유체의 수용에 따라 부력체(20)의 상승에 의한 전기에너지가 생산된다.
이때, 상기 제2 부력발전장치(2)의 유체 수용에 따른 부력체(20)의 부력에 의해서 생산된 전기에너지는 잉여 전력으로 출력될 수 있다.
반대로, 상기 제1 부력발전장치(1)에서 전기에너지의 생산이 중단되면, 인접한 위치에 있는 제2 부력발전장치(2)는 본체하우징(10)에 유체가 수용된 상태가 된다.
이에, 인접 위치한 제2 부력발전장치(2)는 수용된 유체를 배출하고, 상기 배출에 의해 발생된 전기에너지 및 부력체의 하강에 따른 위치에너지에 의해서 생산된 전기에너지는 제1 부력발전장치(1)에 인가된다. 이에 따라, 상기 제1 부력발전장치(1)에서는 유체의 수용에 따라 부력체(20)의 상승에 의해서 전기에너지가 생산되고, 상기 상승에 의해 생산된 전기에너지는 잉여 전력으로 출력될 수 있다.
부연하면, 수용된 유체의 배출에 의한 수력 발전과 부력체의 하강에 의한 위치에너지를 이용한 발전을 통해 생산된 전기에너지는 인접 설치된 다른 부력발전장치로 인가되고, 상기 전력을 인가받은 부력발전장치는 유체의 수용에 따른 부력체(20)의 부력에 의한 발전에 의해 전기에너지를 생산하게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 부력발전장치가 복수 개 설치된 다른 실시 예의 구성도를 나타낸 것이다.
첨부된 도 9를 살펴보면, 제1 부력발전장치(1) 및 인접 설치된 제2 부력발전장치(2)로 구성되고, 상기 제1 부력발전장치(1)와 인접 설치된 제2 부력발전장치(2)는 펌프(52)와 저장탱크(40)를 공동으로 사용하도록 구성된 것이다.
이에, 제1 부력발전장치(1)의 본체 하우징(10)에서 배출된 유체는 저장탱크(40)에 수용되고 펌프(52)의 펌핑에 의해서 제2 부력발전장치(2)의 본체 하우징(10)으로 공급된다. 이때, 상기 제1 부력발전장치(1)는 부력체의 하강에 의한 위치에너지와 유체의 배출에 의한 수력발전이 이루어지면서, 제2 부력발전장치(2)는 부력체의 상승에 의한 전기에너지가 생산된다.
또한, 제2 부력발전장치(2)의 본체 하우징(10)에서 배출된 유체는 저장탱크(40)에 수용되고 펌프(52)의 펌핑에 의해서 제1 부력발전장치(1)의 본체 하우징(10)으로 공급된다. 이때, 상기 제2 부력발전장치(2)는 부력체의 하강에 의한 위치에너지와 유체의 배출에 의한 수력발전이 이루어지면서, 제1 부력발전장치(1)는 부력체의 상승에 의한 전기에너지가 생산된다.
즉, 상기 제어부(40)의 제어에 따라 배출된 유체가 공급되는 본체하우징(10)이 선택되어 유체의 배출에 따라 발생된 전기에너지 및 부력체의 하강에 따라 발생된 전기에너지가 인접 설치된 다른 부력발전장치에 인가되어, 배출된 유체는 상기 전기에너지를 인가받은 본체하우징(10)에 수용시키는 구성이다.
이와 같은 구성은, 양수하는데 사용되는 펌프(52) 및 저장탱크(40)를 공동으로 사용함에 따라 설비 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.
본 발명은 상기 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 창출되는 것으로서, 수력, 중력 및 부력에 의해 발전이 이루어지는 부력발전장치를 제공하는 데 있다.

Claims (6)

  1. 하부 일측에 본체배출구(11)가 형성되고, 상부가 개방된 형태로 형성되는 본체하우징(10);
    상기 본체하우징(10) 내부에 구비되는 부력체(20);
    상기 본체배출구(11)의 배출방향에 구비되는 배출터빈(30);
    상기 본체배출구(11)의 하방에 구비되어, 상기 본체배출구(11)로부터 배출되는 유체를 저장하는 저장탱크(40);
    상기 저장탱크(40)에 수용된 유체를 펌프(52)를 이용하여 상기 본체하우징(10)으로 공급하는 양수관(50);
    상기 부력체(20)의 상면에 수직으로 입설되는 랙기어(61) 및 상기 랙기어(61)와 맞물리게 상기 본체하우징(10) 상부에 구비되는 피니언 기어(62)를 포함하는 부력 발전부(60); 및
    상기 배출터빈(30) 및 부력 발전부(60)로부터 전달되는 회전에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전기(70);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 부력발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 부력체(20)는 그 내부가 빈 형태로 구성되어 상기 본체하우징(10)의 내부로 공급된 유체의 일부가 상기 부력체(20)의 내부로 유입시키기 위한 유입구(22); 및 상기 부력체(20)의 내부로 유입된 유체를 배출시키기 위한 부력체배출구(21)가 구성되며,
    상기 부력체배출구(21)의 배출방향에는 제2 배출터빈(31)이 설치된 것을 특징으로 하는 부력발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 양수관(50)에는 제어밸브(V)가 구비된 복수 개의 분기관(51)이 높이에 따라 형성되고,
    상기 제어밸브(V)의 개폐를 제어하는 제어부(80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부력발전장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    싱기 본체하우징(10)의 측벽에 구비되는 수위감지센서(12)를 더 포함하며,
    상기 수위감지센서(12)의 센싱결과값에 따라, 상기 제어부(80)에 의해 유체가 공급되는 상기 분기관(51)이 결정되는 것을 특징으로 하는 부력발전장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 부력발전장치는 제1 부력발전장치 및 제2 부력발전장치로 구성되되,
    상기 제1 부력발전장치에서 생산된 전기에너지는 인접한 위치에 있는 제2 부력발전장치의 펌프에 인가되도록 구성된 것을 특징으로 하는 부력발전장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 부력발전장치(1)와 인접 설치된 제2 부력발전장치(2)는 펌프(52)와 저장탱크(40)를 공동으로 사용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 부력발전장치.
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