KR101032455B1

KR101032455B1 - 수차를 이용한 발전장치

Info

Publication number: KR101032455B1
Application number: KR1020090068068A
Authority: KR
Inventors: 김형진
Original assignee: 김형진
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2011-05-03
Also published as: KR20110010479A

Abstract

본 발명은 수차를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 본체 하우징이 부유가능하도록 함으로써 조석 간만의 차에 따른 수위변화에 능동적으로 대처할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명의 수차 발전장치는, 수면에 부유 되어질 수 있도록 원통형상을 이루는 부유하우징(10)과; 상기 부유하우징(10)의 외주면을 따라 일정 간격으로 장착되어 있는 수차날개(11)와; 상기 부유하우징(10)의 회전을 지지하기 위해 상기 부유하우징(10)의 내부를 관통하여 설치된 회전 지지축(20)과; 상기 회전지지축(20)의 양 단부(21)를 지지하기 위한 회전축 지지수단과; 상기 부유하우징(10)의 내주면에 형성되어져 있는 래크부(12)와; 상기 래크부(12)와 치합된구동기어(13)와; 상기 구동기어(13)의 구동축(13a)을 통해 회동력이 전달되고, 상기 회전지지축(20) 상에 고정 설치된 발전기(30);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

조류, 수차, 발전장치, 간만, 높이, 승강, 부유

Description

수차를 이용한 발전장치{A POWER GENERATION MACHINE STRUCTURE USING WATER WHEEL}

본 발명은 수차를 이용한 조류력 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조류력을 이용하여 전기 발전이 이루어지도록 설치되어지는 발전식 수차가 조수 간만의 차에 따른 부유식 승강이 이루어질 수 있도록 개선된 수차형 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 오래전부터 인류는, 기존의 화석에너지 자원이 점차 고갈되어갈 뿐만 아니라 지구환경을 오염시키기 때문에, 환경을 오염시키지 않는 청정대체 에너지를 이용할 수 있는 장치개발을 위하여 많은 연구와 노력을 기울여 왔다.

상술한 바와 같은 청정대체 에너지로는 태양 에너지, 풍력 에너지, 조류력 에너지, 조력 에너지, 지열 에너지, 생화학 에너지 등이 있다.

상기와 같은 청정대체 에너지 중 조류력 에너지는 세계 곳곳에 상당히 빠른 해류가 발생하는 곳이 많이 있고 우리나라 남해안에도 10놋트 이상의 고속 조류지역이 있어 대용량의 발전장치를 구동하는데 많이 사용되어 왔다.

상기와 같이 대용량의 발전장치를 구동하는데 사용되어 온 종래의 조류력 발 전 장치는 도 1에서 도시된 바와 같이, 수차 지지구조물(10)의 상부면에 고정식 구조물(20)이 설치되고, 상기 고정식 구조물(20)의 하부에 수직 원통형 수차(50)가 설치되며, 상기 고정식 구조물(20) 상부면에 설치되어 상기 수직 원통형 수차(50)와 연결되는 증속기(30)를 구비하고, 상기 증속기(30)와 연결된 발전기(60)로 구성된다.

그러나 상기와 같이 구성된 수직 원통형 수차(50)를 설치한 조류력 발전장치는 수직 원통형 수차(50)가 물속에 완전히 잠겨있으므로 조류가 있을 때 한 쪽에서는 회전력을 발생하지만 반대로 다른 쪽에서는 회전에 저항하는 저항력이 발생한다는 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 도 2에서 도시된 바와 같이 상기 수직 원통형 수차(50)에 발생되는 저항력을 제거하여 주어진 조류의 상태에서 가능한 많은 전력이 생산되도록 큰 회전력을 발생하는 수평 수차형 조류력 발전장치를 사용하여 왔다.

상기 도 2에 도시된 수평 수차형 조류력 발전장치는 수차 지지구조물(1) 상단에 고정식 구조물(9)이 장착되며, 상기 고정식 구조물(9) 중앙부에 수차(8)가 설치되고, 상기 고정식 구조물(9)의 상부에 설치되어 수차(8)와 연결된 증속기(5)를 구비하고, 상기 증속기(5)와 연결된 발전기(6)를 구비하여 구성된다.

또한, 도 3에서 도시된 바와 같이 다수개의 수평형 수차를 조류가 발생하는 지역의 유속, 수심, 조류 폭 및 조석 간만의 차이 등 위치특성에 따라 복수열 또는 복수단으로 고정식 구조물(9)에 다수 설치하고, 각각의 수차(8)에 연결된 발전기(6)를 케이블(11)로 연결하여 구성한다.

그러나 도 2 및 도 3과 같이 구성된 수평 수차형 조류력 발전장치는 조석 간만의 차이로 인한 수위변화에 따라 수차가 발생하는 회전력이 큰 영향을 받아 발전량이 감소되거나 발전량을 일정하게 유지할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 조석 간만의 차에 따른 수위 변화에 대응할 수 있도록 수차가 수위를 따라 상하 이동이 가능한 수차 발전장치를 제공함으로써, 보다 효율적인 조류력을 이용한 전기 발전이 이루어질 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 수면에 부유 되어질 수 있도록 원통형상을 이루는 부유하우징과; 상기 부유하우징의 외주면을 따라 일정 간격으로 장착되어 있는 수차날개와; 상기 부유하우징의 회전을 지지하기 위해 상기 부유하우징의 내부를 관통하여 설치된 회전 지지축과; 상기 회전지지축의 양 단부를 지지하기 위한 회전축 지지수단과; 상기 부유하우징의 내주면에 형성되어져 있는 래크부와; 상기 래크부와 치합된 구동기어와; 상기 구동기어의 구동축을 통해 회동력이 전달되고, 상기 회전지지축상에 고정 설치된 발전기;로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전축 지지수단은 수직방향으로 고정 설치된 수직지주로 이루어며, 상기 수직지주에는 회전 지지축의 승강이 가능하도록 수직방향으로 가이드홈이 형성되어 있고, 상기 가이드홈 내주면에는 다수의 안내롤러가 구비된 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 조류력을 이용한 수차 발전장치는, 본체 하우징이 부유가 능하게 됨으로써, 조석 간만의 차에 따른 수위변화에 능동적인 대처가 가능하게 된다.

특히, 회전지지축은 회동이 방지되는 구조로 구성됨으로써, 발전기를 회동하는 부유 하우징의 내부에 설치하더라도 부유 본체 하우징 내부의 회동 고정된 회전지지축상에 고정 설치하여 발전기의 회동이 방지될 수 있는 장점을 제공한다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 본 실시 예에 따른 수차 발전장치의 구조를 도 4 내지 도 7을 통해 살펴보면, 수차 본체를 이루게 되는 부유 하우징(10)은 원통 형상으로, 스티로폼 등과 같은 경량형 부유물질로 성형 제작되고, 상기 부유 하우징(10) 외표면에는 다수의 수차날개(11)가 일정 간격으로 구비되어져 있다.

특히, 도 7a 에서와 같이 수차날개(11)는 원통형 부유 하우징(10)의 외표면 접선에 대해 일정 각도를 이루는 예각으로 설계되거나 또는 도 7b에서와 같이 수차날개(11)를 수직방향으로 설계할 수 있다.

도 7a와 같은 예각을 이루는 경우에는 해류가 일정 방향으로 유동시 유리하며, 도 7b에서와 같이 수직을 이루는 경우에는 밀물/썰물이 교차될 때 유리하다.

그리고, 부유 하우징(10)의 중심에는 회전지지축(20)이 관통하여 고정 설치됨으로써 부유 하우징(10)의 회동을 지지하도록 하였으며, 회전지지축(20)의 양단부(21)에는 회전축 지지수단으로서 수직지주(40)가 설치되게 된다.

수직지주(40)는 H형 빔으로 이루어지며, 수직방향으로 가이드홈(41)이 형성되어 있어 회전지지축(20)이 승강 유동 가능하도록 지지하게 되어 있다. 또한 상기 가이드홈(41)의 내벽면에는 회전지지축(20)의 승강 유동이 원활히 이루어질 수 있도록 안내롤러(42)가 구비되어 있다.

특히, 회전지지축(20)은 원통형 단면을 갖도록 되어 있고, 그 양 단부(21)는 사각형상의 단면구조로 형성되어 가이드홈(41)에 삽입되어지도록 구성됨으로써, 회전이 방지된다.

한편, 부유 하우징(10)의 내주면상에는 래크(rack)부(12)가 형성되어져 있으며, 래크부(12)에는 발전기(30)로 동력을 전달하기 위한 구동기어(13)가 치합되어 있다.

즉, 구동기어(13)가 결합되어 있는 구동축(13a)의 일단에는 피동기어(14)가 구성되어 있으며, 발전기(30)의 동력전달축(15a)상에 설치된 종동기어(15)는 상기 피동기어(14)와 치합되어, 동력이 발전기(30)로 전달될 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명에서의 발전기(30) 및 래크부(12)는 무게중심이 부유 하우징(10)의 중간에 오도록 함으로써, 부유 하우징(10)의 좌우 부력을 동일하게 하여 균형이 유지될 수 있도록 함이 바람직하다.

도면부호 16은 부유 하우징(10)과 회전지지축(20) 상호간의 마찰력을 감소시키기 위한 베어링을 나타내고, 도면부호 31은 발전기(30)를 회전지지축(20)상에 설치하기 위한 고정다리를 나타낸다.

다음으로, 이와 같은 구조로 이루어진 본 발명 수차형 발전장치의 동작에 따 른 작용효과에 대해 살펴보기로 한다.

도 8은 저유속 조류 양안에 설치된 본 발명에 따른 수차형 발전 장치의 상태를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 다수개의 수차가 회전지지축(20) 상에 연속적으로 연결되어지며, 회전지지축(20)의 양 단부는 수직지주(40)에 의해 승강 가능하게 지지되는 상태를 이룬다.

이때, 수차는 자체 부유력에 의해 수면위에 부유되는 상태를 이루게 되는데, 조류의 흐름력이 수차날개(11)에 유동력을 가함으로써, 부유 하우징(10)은 회전지지축(20)을 중심으로 하여 일방향 회동이 이루어지게 된다.

그리고, 이러한 부유 하우징(10)의 회동이 이루어짐에 따라, 내부에서 래크부(12)와 치합되어져 있는 구동기어(13)에 구동력이 전달되고, 이에 따라 구동축(13a)을 통해 일단부에 결합되어져 있는 피동기어(14)가 함께 회동됨으로써 동력전달축(15a)상의 종동기어(15)로 회동력이 전달된다.

따라서, 동력전달축(15a)의 회동이 이루어짐으로써, 발전기(30)에서의 발전작용이 이루어지게 되는 것이다.

한편, 이러한 발전장치의 동작이 이루어지는 과정에서 수위의 변화에 대응하여 부유 하우징(10)이 수위를 따라 상하 이동할 수 있게 된다.

즉, 부유 하우징(10)은 스티로폼 등과 같은 부유재질로 이루어져 있으므로, 수면의 높이가 변함에 따라 승강 및 하강하게 되고, 이때 회전지지축(20)의 양 단부(21)는 수직지주(40)의 가이드홈(41)을 따라 수직방향으로 안내되어지므로, 안정적인 높이 가변이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 도 9는 저유속 조류 바다에 설치된 본 발명에 따른 수차형 발전 장치의 상태를 나타낸 것이다.

도 9에 도시된 바와 같이 회전지지축(20)의 양단은 수직지주(40)를 대체하여 부표(50)에 의해 지지되어지며, 부표(50)에는 와이어(52)로 연결되는 중량물의 앵커(51)가 구성되어져 있다. 따라서, 양측에 구성된 부표(50)에 의해 회전지지축(20)에 가해지는 부유력이 더욱 극대화 되어질 수 있게 되며, 중량물인 앵커(51)에 의해 부표(50)의 위치지지가 이루어져 일정 구역 내에서 조류에 의해 시설물이 떠내려가는 것이 방지됨으로써, 설치 및 이동이 용이한 장점을 나타내게 된다.

한편, 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 부유 하우징(10) 구조를 나타낸 것으로서, 내부에 일정량의 유체가 저장되어질 수 있는 저장유로(17)를 형성시킨 것이다.

즉, 도시된 바와 같이 저장유로(17)는 부유 하우징(10)의 내부를 따라 나선형으로 감싸는 형상으로 형성되며, 부유 하우징(10)의 일측에는 저장유로(17)로 물과 같은 유체를 공급시키기 위한 주입구(미도시)가 구성되어지게 된다.

이와 같은 구성을 이루게 되면 저장유로(17)내로 투입되는 유체의 저장량에 따라 부유 하우징(10)의 중량 조절이 이루어질 수 있게 되고, 따라서 부유 하우징(10)이 수면위에 부유되는 높이 또는 회전수를 필요에 따라 적절히 제어할 수 있는 효과를 나타내게 된다.

특히, 이러한 저장유로(17)를 복수개로 상호 교차되게 설치함으로서 부유무게를 보다 용이하게 조절할 수 있게 된다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 수차 발전장치가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있음은 자명한 일이다.

그러나, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 내에 포함된다고 해야 할 것이다.

도 1은 종래 고정식 구조물에 수직 원통형 수차를 설치한 조류력 발전장치.

도 2는 종래 고정식 수평 수차형 조류력 발전장치.

도 3은 종래 다수개의 수평수차를 설치한 조류력 발전장치.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 수차 발전장치의 외관 사시도.

도 5는 본 발명에 따른 수차 발전장치의 내부 정단면도.

도 6은 도 5의 A부 확대도.

도 7은 본 발명에 따른 수차 발전장치의 내부 측단면도.

도 8은 본 발명에 따른 조류력 발전장치의 저유속 조류 양안 설치 상태도.

도 9는 본 발명에 따른 조류력 발전장치의 저유속 조류 바다 설치 상태도.

도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 수차 발전장치 단면 구조도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 부유 하우징 11 : 수차날개

12 : 래크부 13 : 구동기어

14 : 피동기어 15 : 종동기어

16 : 베어링 17 : 저장유로

20 : 회전지지축 21 : 단부

30 : 발전기 31 : 고정다리

40 : 수직지주 41 : 가이드홈

42 : 안내롤러 50 : 부표

51 : 앵커 52 : 와이어

Claims

수면에 부유 되어질 수 있도록 원통형상을 이루는 부유하우징(10)과;

상기 부유하우징(10)의 외주면을 따라 일정 간격으로 장착되어 있는 수차날개(11)와;

상기 부유하우징(10)의 회전을 지지하기 위해 상기 부유하우징(10)의 내부를 관통하여 설치된 회전 지지축(20)과;

상기 회전지지축(20)의 양 단부(21)를 지지하기 위한 회전축 지지수단과;

상기 부유하우징(10) 내주면에 형성되어져 있는 래크부(12)와;

상기 래크부(12)와 치합된 구동기어(13)와;

상기 구동기어(13)의 구동축(13a)을 통해 회동력이 전달되고, 상기 회전지지축상(20)에 고정 설치된 발전기(30);

를 포함하는 것을 특징으로 하는 수차를 이용한 발전장치
청구항 1에 있어서,

상기 회전축 지지수단은 수직방향으로 고정 설치된 수직지주(40)로 이루어지며, 상기 수직지주(40)에는 회전 지지축(20)의 승강이 가능하도록 수직방향으로 가이드홈(41)이 형성되어 있고, 상기 가이드홈(41) 내주면에는 다수의 안내롤러(42)가 구비된 것을 특징으로 하는 수차를 이용한 발전장치
청구항 2에 있어서,

상기 회전지지축(20)은 원통형상을 이루며, 양 단부(21)는 수직지주(40)의 가이드홈(41)에 지지되어 회동이 방지되도록 사각형상의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 수차를 이용한 발전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 회전축 지지수단은 부표(50)로 이루어지며, 상기 부표(50)에는 유동을 방지하기 위한 중량물의 앵커(51)가 와이어(52)에 의해 연결 구성된 것을 특징으로 하는 수차를 이용한 발전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 부유 하우징(10)의 내부에는 유체가 일정량 저장되어질 수 있는 저장유로(17)가 나선형태로 형성된 것을 특징으로 하는 수차를 이용한 발전장치.
청구항 1에 있어서,

상기 수차날개(11)는 부유하우징(10) 외표면의 접선에 대해 직각 또는 예각을 이루도록 설치된 것을 특징으로 하는 수차를 이용한 발전장치.