KR101017475B1 - 해저스위블이 구비되는 조류발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해저스위블이 구비되는 조류발전장치에 관한 것으로, 해수 유입구가 양측면에 형성되고, 후단 수직면에는 패드아이와 샤클이 구비되며, 상부면에는 고정판이 구비되는 함체와, 상기 함체 상부면에는 로터를 전면에 구비하며, 내부에 발전장치와 가속기어를 포함하는 하우징이 구비되는 발전함체부와; 해저면에 하단부 일측이 삽입되는 해저파일이 구비되며, 상기 해저파일 상단에는 하부 및 상부 해저스위블이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블 상부면에는 스위블패드아이와 샤클 및 해저부이가 연결되는 지지대에 의해 고정되는 해저롤러가 구비되는 함체고정부와; 상기 발전함체부의 샤클과 함체고정부의 샤클에 양단이 연결되어, 상기 발전함체부를 함체고정부에 고정시키는 와이어와; 상기 하우징 배면에 일단이 연결되는 전력 케이블과, 상기 함체 상부면에 일단이 삽입되는 공기관을 고정판에서부터 해저파일까지 보호하는 엄브리컬 케이블과; 상기 와이어와 엄브리컬 케이블을 고정시키는 버들로 구성된다. 따라서, 본 발명은 다이버 없이 발전장치를 해저에 설치 및 함체 내부의 해수를 배수시켜 수면 위로 부상시킬 수 있으며, 수면 위 함체가 360°회전 가능하고, 함체를 해저파일에서 안전하게 지지하는 효과가 있다.
해저스위블, 조류발전장치, 함체, 와이어, 엄브리컬 케이블, 버들

Description

해저스위블이 구비되는 조류발전장치{Tidal current power apparatus having subsea swivel}
본 발명은 해저스위블이 구비되는 조류발전장치에 관한 것으로, 더욱 세부적으로는 해양이나 강 등 유속이 빠른 곳에서 해수의 흐름을 이용하여 발전하는 해저스위블이 구비되는 조류발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전이나 유체발전은 수직 지지구조물에 한 개의 블래이드를 설치하여 발전하는 형태를 갖고 있으나, 이 경우 해양에서는 수면에서 외력과 모멘트가 크게 작용하여 대형 파일이 요구되어 설치비도 높아지며, 유속이 높아 일반 구조물과 같이 잠수부에 의존하여 수리 및 점검이 불가능하므로, 특수한 장치가 요구된다.
해양의 조류발전장치를 고정시키기 위해서 사용되는 방법으로 상기와 같은 파일고정과 계류고정 및 중력고정식으로 나눌 수 있는데, 파일고정식은 수면 위에 대형 파일이 노출되며, 계류고정방식은 여러 방향의 계류삭이 요구되며, 중력고정식은 자체 무게로 해저에 장치를 고정시켜 발전하는 방식이다.
현재까지 개발된 중력고정식은 매우 무거운 대형 베이스를 해저에 영구적으 로 장착시키고, 유지보수를 위해서는 발전카세트만 수면 위로 올리는 방식으로 특별한 장치 및 장비가 요구되며, 대형 베이스는 회수를 할 수 없는 문제점이 있다.
도 1(a)는 영국의 Seaflow 장치로 수중 발전장치를 지지하기 위해 대형 파일이 설치되고, 발전장치의 유지보수를 위해 파일 한 면에 수직기어장치와 발전장치 뒤에 수중모터가 설치되어 있는 복잡한 형태이고, 발전장치 유닛의 유지보수는 해상에서 이루어지며, 이런 장치를 완전히 분리하기가 매우 어렵게 구성되어 있다.
도 1(b)는 영국의 Lunar 발전장치로 발전장치의 지지를 위해 매우 무거운 착저식 하부구조물이 있고, 이는 영구적으로 그 지역에 설치됨으로 회수가 불가능하고, 발전기의 유지보수를 위해서는 발전기 카세트만 수면으로 올리는 장치를 갖고 있지만 매우 복잡한 제어시스템으로 구성된다.
상기와 같이, 선진국에서 실용화된 조류발전장치는 발전장치의 유지보수를 위해 대형 파일이 해저면부터 수면위까지 위치하여 발전장치가 상기 파일을 따라 상하로 이동하여 수면 위로 위치시키게 되나, 수면에서 가장 큰 힘과 모멘트가 작용하므로 파일구조물이 매우 커질 수 밖에 없는 단점이 있으며, 함체를 이용하여 중력고정방식에 적용하고 이를 수면 위로 부상시켜 유지보수하는 사례가 아직까지 없다.
또한, 유체의 흐름이 빠른 곳에서 유속을 이용하여 청정에너지 발전이 가능하지만 이를 위해서는 여러가지 어려운 기술적 문제를 해결해야 하는데, 유속이 빠르기 때문에 다이버에 의한 도움 없이 구조물을 설치해야 하며, 유지보수를 위해 발전장치를 해수면으로 올리기 위해서 복잡한 장치들이 요구된다.
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 수중 함체에 해수를 입수시켜 충분한 무게를 확보하여 안정적으로 조류발전이 가능하고, 발전장치의 유지보수를 위해 함체내 해수를 배출하여 수면 위로 발전장치를 부상시킬 수 있도록 하여 다이버의 도움이 필요 없으며, 함체가 수면 위에서 360° 회전 가능하도록 함과 동시에 수시로 변화하는 조류의 방향에 대해 함체가 항상 조류와 같은 방향으로 회전되도록 하기 위한 해저스위블이 해저파일에 장착되며, 해저파일의 스위블패드아이와 함체의 패드아이에 와이어를 연결함으로써 발전함체를 해저파일에 고정시킬 수 있고, 엄브리컬 케이블을 조류나 기타 해양환경에서 꼬이거나 손상되지 않도록 롤러를 구비한 해저스위블이 구비되는 조류발전장치를 제공하는데 목적이 있다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는, 해수의 유입과 배출을 위한 해수 유입구가 양측면에 형성되고, 후단 수직면에는 패드아이와 샤클이 구비되며, 상부면에는 고정판이 구비되는 함체와, 상기 함체 상부면에는 로터를 전면에 구비하며, 내부에 발전장치와 가속기어를 포함하는 하우징이 구비되는 발전함체부와; 해저면에 하단부 일측이 삽입되어 고정되는 해저파일이 구비되며, 상기 해저파일 상단에는 하부 해저스위블과 상부 해저스위블이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블 상부면 일측에는 스위블패드아이와 샤클이 구비되며, 상부면 타측에는 해저부이가 연결되 는 지지대에 의해 고정되는 해저롤러가 구비되는 함체고정부와; 상기 발전함체부의 샤클에 일단이 연결되며, 상기 함체고정부의 샤클에 타단이 연결되어, 상기 발전함체부를 함체고정부에서 일정거리 고정시키는 와이어와; 상기 하우징 배면에 일단이 연결되는 전력 케이블과, 상기 함체 상부면에 일단이 삽입되어 고정되는 공기관을 고정판에서부터 해저파일까지 보호하는 엄브리컬 케이블과; 상기 와이어와 엄브리컬 케이블을 고정시키는 버들로 구성된다.
본 발명의 다른 특징으로서, 상기 하우징은 유향에 따라 회전되도록 함체 상부면에 지지축으로 지지되는 회전축이 하부면에 구비된다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 하부 해저스위블은 해저파일에 고정되는 제1 해저스위블과, 상부면 중앙부에 돌출구가 돌출되는 제2 해저스위블과, 결합공이 형성되는 제3 해저스위블이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블은 좌우 회전이 원활하도록 상기 제2 해저스위블의 돌출구가 삽입되는 통공이 형성되며, 상기 제3 해저스위블의 결합공 내주면으로 상부 해저스위블의 외주면이 밀착되도록 삽입된다.
본 발명의 또 다른 특징으로서, 상기 전력 케이블 타단은 해저파일 내부의 집진장치에 연결되며, 상기 공기관 타단은 해저롤러 중앙에 형성되는 홈으로 안내되어, 해수면에 구비되는 수면부이에 연결되고, 상기 수면부이에는 공기유입장치가 구비된다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 해양이나 강 등의 유속이 빠른 곳에서 다이버 없이 조류발전장치 함체를 해저에 중력식으로 설치 가능하고, 함체 내부의 해수를 배수시켜 수면 위에 함체를 부상시킬 수 있어 발전장치의 유지보수가 용이하며, 수면 위의 함체가 유향에 관계없이 360° 회전이 가능하고, 해저파일과 함체를 패드아이 및 와이어로 연결하여 함체를 일정거리 유지하며, 함체의 부상시 함체를 일정거리 안에서 안전하게 지지가능한 효과가 있다.
도 2는 본 발명에 따른 해저스위블이 구비되는 조류발전장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 해저파일과 상,하부 해저스위블의 분해도이고, 도 4는 상기 도 2의 버들로 고정되는 와이어와 엄브리컬 케이블의 A-A' 단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 조류발전장치가 해수면에 위치한 상태의 참고도이고, 도 6은 본 발명에 따른 조류발전장치가 해저면에 위치한 상태의 참고도이고, 도 7은 본 발명에 따른 해수면에 위치한 발전함체부의 회전상태를 나타낸 실시 예이다.
이하, 도면을 참고로 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 해저스위블을 구비하는 조류발전장치 사시도로서, 발전함체부(100)와 함체고정부(200), 와이어(300), 엄브리컬 케이블(400) 및 버들(500)로 구성된다.
상기 발전함체부(100)는 해수의 유입과 배출을 위한 해수 유입구(111)가 양측면에 형성되고, 후단 수직면에는 패드아이(112)와 샤클(113)이 구비되며, 상부면에는 고정판(114)이 구비되는 함체(110)와, 상기 함체(110) 상부면에는 로터(150)를 전면에 구비하며, 내부에 발전장치(미도시)와 가속기어(미도시)를 포함하는 하 우징(140)이 구비된다.
상기 하우징(140)은 유향에 따라 회전되도록 함체(110) 상부면에 지지축(120)으로 지지되는 회전축(130)이 하부면에 구비되는데, 유향이 일정한 지역이면 상기 지지축(120)과 회전축(130)은 구비하지 않아도 되며, 상기 로터(150)를 전면에 구비하는 하우징(140)에 있어, 본 발명에서는 함체(110) 상부면에 한 개 구비되는 것으로 도시하였으나, 2개 이상 즉, 함체(110) 상부면의 면적에 따른 로터(150)로 발전할 수 있는 하우징(140)의 최대설치 갯수 만큼 구비할 수 있다.
상기 함체고정부(200)는 해저면에 하단부 일측이 삽입되어 고정되는 해저파일(210)이 구비되며, 상기 해저파일(210) 상단에는 하부 해저스위블(220)과 상부 해저스위블(230)이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블(230) 상부면 일측에는 스위블패드아이(231)와 샤클(232)이 구비되며, 상부면 타측에는 해저부이(242)가 연결되는 지지대(241)에 의해 고정되는 해저롤러(240)가 구비된다.
상기 해저부이(242)는 지지대(241) 일측 또는 상부 해저스위블(230)의 상부면 일측(다른 구성수단에 방해가 되지 않는 곳) 중 어느 한 곳에서 선택적으로 용접 고정되는 고리(미도시)에 케이블이나 와이어로 연결된다.
상기 하부 해저스위블(220)은 도 3과 같이, 해저파일(210)에 고정되는 제1 해저스위블(221)과, 상부면 중앙부에 돌출구(222a)가 돌출되는 제2 해저스위블(222)과, 결합공(223a)이 형성되는 제3 해저스위블(223)이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블(230)은 수시로 변화하는 조류의 흐름방향과 동일한 방향으로 회전되는 함체(110)와 연동되어 좌우 회전이 원활하도록 상기 제2 해저스위블(222) 의 돌출구(222a)가 삽입되는 통공(230a)이 형성되며, 상기 제3 해저스위블(223)의 결합공(223a) 내주면으로 상부 해저스위블(230)의 외주면이 밀착되도록 삽입된다.
상기 와이어(300)는 상기 발전함체부(100)의 샤클(113)에 일단이 연결되며, 상기 함체고정부(200)의 샤클(232)에 타단이 연결되어, 상기 발전함체부(100)를 함체고정부(200)에서 일정거리 고정시킴으로써, 해양의 높은 조류나 파도 등의 해양환경으로부터 함체(110)를 고정시킬 수 있으며, 상기 함체(110)가 해수면 위로 부상시 다른 곳으로 흘러가거나 이동하는 것을 막게 된다.
상기 엄브리컬 케이블(Umblical cable)(400)은 상기 하우징(140) 배면에 일단이 연결되는 전력 케이블(410)과, 상기 함체(110) 상부면에 일단이 삽입되어 고정되는 공기관(420)을 고정판(114)에서부터 해저파일(210)까지 보호한다.
상기 전력 케이블(410) 타단은 해저파일(210) 내부의 집진장치(미도시)에 연결되며, 상기 공기관(420) 타단은 해저롤러(240) 중앙에 형성되는 홈으로 안내되어, 해수면에 구비되는 수면부이(430)에 연결되고, 상기 수면부이(430)에는 공기유입장치(431)가 구비되어, 상기 공기관(420)으로 공기를 주입하게 된다.
상기 버들(500)은 상기 와이어(300)와 엄브리컬 케이블(400)을 고정시키는데, 도 4는 상기 도 2의 버들(500)로 고정되는 와이어(300)와 엄브리컬 케이블(400)의 A-A' 단면도를 도시하며, 전력을 수송하는 전력선이 다수 구비되는 전력 케이블(410)이 구비되며, 수면부이(430)의 공기유입장치(431)에 의해 공급되는 공기를 함체(110)에 불어넣어 해수 유입구(111)를 통해 함체(110) 내부의 해수를 배출하도록 하는 공기관(420)이 엄브리컬 케이블(400) 내부에 구비되어, 와이어(300) 와 버들(500)로 고정됨을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 조류발전장치가 해수면에 위치한 상태의 참고도로서, 해수면에 위치한 함체(110)의 하우징(140) 배면에 일단이 연결되는 전력 케이블(410)과, 함체(110) 상부면으로 일단이 삽입되는 공기관(420)이 고정판(114)에서 엄브리컬 케이블(400) 내부로 삽입되고, 상기 함체(110) 후단에 구비되는 패드아이(112)의 샤클(113)에는 와이어(300) 일단이 연결되어, 상기 엄브리컬 케이블(400)과 다수의 버들(500)로 고정되고, 상기 와이어(300) 타단은 해저면에 고정되는 해저파일(210)의 상부 해저스위블(230)에 구비되는 스위블패드아이(231)의 샤클(232)에 연결되며, 상기 전력 케이블(410)은 해저파일(210) 내부의 집진장치(미도시)에 연결되고, 상기 공기관(420)은 해저롤러(240) 중앙에 형성되는 홈으로 안내되어, 해수면에 구비되는 수면부이(430)에 연결된다.
도 6은 본 발명의 조류발전장치가 해저면에 위치한 상태의 참고도로서, 상기 도 5와 같이, 해수면에 위치한 함체(110)의 해수 유입구(111)로 해수가 서서히 유입되면 함체(110) 내부가 해수로 가득차게 되어, 도 6과 같이 해저면 바닥에 가라 앉게 되며, 조류의 흐름에 의해 로터(150)가 회전되면서 하우징(140) 내부에 구비되는 발전장치(미도시)와 가속기어(미도시)를 통해 전력을 생산한 후 전력 케이블(410)을 통해 해저파일(210) 내부에 구비되는 집진장치(미도시)로 이송시키게 되고, 상기 도 6과 같은 상태로 전력을 생산하다가 발전함체부(100)의 유지보수가 필요한 경우에는 수면부이(430)에 구비되는 공기유입장치(431)를 통해 공기관(420)으로 공기를 주입시키게 되면, 함체(110) 상부면 일측으로 삽입되는 공기관(420)으로 부터 공기가 강하게 분사되면서 함체(110) 내부의 해수가 해수 유입구(111)로 배출되기 때문에 부력에 의해 도 5와 같이 해수면 위로 발전함체부(100)가 떠오르게 되며, 유지보수 작업을 실시하게 된다.
상기 발전함체부(100)의 상하 이송시 공기관(420)은 해저롤러(240) 중앙의 홈으로 안내됨으로써, 조류로부터 최소의 영향을 받도록 하여 함체(110)와 수면부이(430)의 연결이 끊어지거나 파손되는 것을 방지함과 동시에 다른 구성품(케이블이나 와이어 등)과의 접촉을 방지하고, 상기 수면부이(430)는 발전함체부(100)와 함체고정부(200)가 어느 위치에 설치되어 있는지를 외부로 알려주는 기능을 한다.
또한, 상부 해저스위블(230)은 하부 해저스위블(220)의 제3 해저스위블(223) 내부로 삽입되어, 제2 해저스위블(222)의 돌출구(222a)에 통공(230a)이 삽입되어, 조류의 흐름방향에 따른 함체(110)가 회전됨으로써, 패드아이(112)의 샤클(113)에 일단이 연결되는 와이어(300) 타단이 연결되는 스위블패드아이(231)의 샤클(232)을 통해 상부 해저스위블(230) 역시 동일한 방향으로 회전시키면서 조류가 흐르는 위치에서 전력을 생산하게 되어, 전력생산 효율을 높여주게 된다.
도 7은 본 발명의 해수면에 위치한 발전함체부의 회전상태를 나타낸 실시 예로서, 도 6의 해저면에 위치하여 조류에 의해 회전되는 발전함체부(100)와 동일하게 해수면 위에서도 작업자에 의해 발전함체부(100)의 360° 회전이 가능한 것을 도시하고 있다.
따라서, 본 발명은 수중 함체(110)에 해수를 입수시켜 충분한 무게를 확보하여 안정적으로 조류발전이 가능하고, 발전장치의 유지보수를 위해 함체(110)내 해 수를 배출하여 수면 위로 발전장치를 부상시킬 수 있도록 하여 다이버의 도움이 필요 없으며, 함체(110)가 수면 위에서 360° 회전 가능하도록 함과 동시에 수시로 변화하는 조류의 방향에 대해 함체(110)가 항상 조류와 같은 방향으로 회전되도록 하기 위한 해저스위블(220,230)이 해저파일(210)에 장착되며, 해저파일(210)의 스위블패드아이(231)와 함체(110)의 패드아이(112)에 와이어(300)를 연결함으로써 발전함체를 해저파일(210)에 고정시킬 수 있고, 엄브리컬 케이블(400)을 조류나 기타 해양환경에서 꼬이거나 손상되지 않도록 해저롤러(240)를 구비한다.
본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 조류 발전장치를 보여주는 참고도.
도 2는 본 발명에 따른 해저스위블이 구비되는 조류발전장치의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 해저파일과 상,하부 해저스위블의 분해도.
도 4는 상기 도 2의 버들로 고정되는 와이어와 엄브리컬 케이블의 A-A' 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 조류발전장치가 해수면에 위치한 상태의 참고도.
도 6은 본 발명에 따른 조류발전장치가 해저면에 위치한 상태의 참고도.
도 7은 본 발명에 따른 해수면에 위치한 발전함체부의 회전상태를 나타낸 실시 예.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100 : 발전함체부 110 : 함체
111 : 해수 유입구 112 : 패드아이
113 : 샤클 114 : 고정판
120 : 지지축 130 : 회전축
140 : 하우징 150 : 로터
200 : 함체고정부 210 : 해저파일
220 : 하부 해저스위블 221 : 제1 해저스위블
222 : 제2 해저스위블 223 : 제3 해저스위블
230 : 상부 해저스위블 231 : 스위블패드아이
232 : 샤클 240 : 해저롤러
241 : 지지대 242 : 해저부이
300 : 와이어 400 : 엄브리컬 케이블
410 : 전력 케이블 420 : 공기관
430 : 수면부이 431 : 공기유입장치
500 : 버들

Claims (4)

  1. 조류발전장치에 있어서,
    해수의 유입과 배출을 위한 해수 유입구(111)가 양측면에 형성되고, 후단 수직면에는 패드아이(112)와 샤클(113)이 구비되며, 상부면에는 고정판(114)이 구비되는 함체(110)와, 상기 함체(110) 상부면에는 로터(150)를 전면에 구비하며, 내부에 발전장치와 가속기어를 포함하는 하우징(140)이 구비되는 발전함체부(100)와;
    해저면에 하단부 일측이 삽입되어 고정되는 해저파일(210)이 구비되며, 상기 해저파일(210) 상단에는 하부 해저스위블(220)과 상부 해저스위블(230)이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블(230) 상부면 일측에는 스위블패드아이(231)와 샤클(232)이 구비되며, 상부면 타측에는 해저부이(242)가 연결되는 지지대(241)에 의해 고정되는 해저롤러(240)가 구비되는 함체고정부(200)와;
    상기 발전함체부(100)의 샤클(113)에 일단이 연결되며, 상기 함체고정부(200)의 샤클(232)에 타단이 연결되어, 상기 발전함체부(100)를 함체고정부(200)에서 일정거리 고정시키는 와이어(300)와;
    상기 하우징(140) 배면에 일단이 연결되는 전력 케이블(410)과, 상기 함체(110) 상부면에 일단이 삽입되어 고정되는 공기관(420)을 고정판(114)에서부터 해저파일(210)까지 보호하는 엄브리컬 케이블(400)과;
    상기 와이어(300)와 엄브리컬 케이블(400)을 고정시키는 버들(500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 해저스위블이 구비되는 조류발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하우징(140)은 유향에 따라 회전되도록 함체(110) 상부면에 지지축(120)으로 지지되는 회전축(130)이 하부면에 구비되는 것을 특징으로 하는 해저스위블이 구비되는 조류발전장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부 해저스위블(220)은 해저파일(210)에 고정되는 제1 해저스위블(221)과, 상부면 중앙부에 돌출구(222a)가 돌출되는 제2 해저스위블(222)과, 결합공(223a)이 형성되는 제3 해저스위블(223)이 차례로 구비되고, 상기 상부 해저스위블(230)은 좌우 회전이 원활하도록 상기 제2 해저스위블(222)의 돌출구(222a)가 삽입되는 통공(230a)이 형성되며, 상기 제3 해저스위블(223)의 결합공(223a) 내주면으로 상부 해저스위블(230)의 외주면이 밀착되도록 삽입되는 것을 특징으로 하는 해저스위블이 구비되는 조류발전장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전력 케이블(410) 타단은 해저파일(210) 내부의 집진장치에 연결되며, 상기 공기관(420) 타단은 해저롤러(240) 중앙에 형성되는 홈으로 안내되어, 해수면에 구비되는 수면부이(430)에 연결되고, 상기 수면부이(430)에는 공기유입장치(431)가 구비되는 것을 특징으로 하는 해저스위블이 구비되는 조류발전장치.
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