KR101075071B1 - 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조력발전시스템과 같은 해양발전시스템이나 방조제의 배수갑문 또는 수문구조물과 같은 인공의 해양구조물을 통하여 고속으로 흐르는 해류를 이용하여 수차터빈의 날개를 회전시켜 전기에너지를 얻는 해류발전기에 관한 것으로써,

조석간만의 자연현상에 의해 발생하는 조류의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 흐르는 해류에 적합한 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기를 제공한다.

방조제(Barrage), 조력발전(Tidal Power), 조류발전(Tidal Current Power), 해류발전(Ocean Current Power), 해류발전기(Ocean Current Turbine Generators), 수차터빈(Water Turbine)

Description

고속 해류용 소형 대용량 해류발전기{Small but large capacity ocean current turbine generators for high speed ocean current}

본 발명은 빠른 속도로 흐르는 강물이나 자연현상인 조석간만에 의해 발생하는 조류가 가지고 있는 운동에너지를 전기에너지로 변환하는 조류발전기에 관한 것으로,

이하, 조석간만에 의해 해양에서 발생되는 자연현상인 조류의 흐름과 이를 이용하여 발전하는 조류발전과 구분하여, 바다를 가로지르는 방조제와 더불어 건설되는 조력발전시스템이나 해양발전시스템 또는 방조제의 배수갑문이나 수문구조물과 같은 인공의 해양구조물에서 발생되는 빠른 해수의 흐름을 해류로 하고, 이를 이용하는 발전을 해류발전이라고 하였다.

보다 구체적으로는, 본 발명의 발명자가 고안하여 국내 특허등록된 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템(등록특허10-0867547, PCT/KR2008/001388)과 수문발전과 해류발전을 겸하는 복합 해양발전시스템(등록특허10-0883756, PCT/KR2008/002414)과 관련된 것으로, 해양발전시스템이나 방조제의 배수갑문 또는 수문구조물과 같이 인공적으로 구축된 해양구조물 등을 통하여 조석간만의 자연현상에 의한 조류의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 흐르는 해류의 운동에너지로부터 전기에너지를 얻을 수 있는 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기에 관한 것이다.

조류발전시스템은 수차터빈, 증속기어박스, 발전기 및 전력변환장치와 지지구조물 등으로 구성된다. 조류발전은 풍력발전과 같이 유체의 운동에너지를 이용하여 구동되는 수차터빈을 회전시키고, 수차터빈에 연결된 수차축의 저 회전 속도를 증속기어박스를 통해 발전기 축을 고속으로 변환함으로써 전기를 생산한다. 생산된 전기에너지는 해저케이블을 통해 가까운 해변의 변전소로 송전한다.

조류로부터 에너지를 추출하는 조류발전에 적용되는 기본적인 물리법칙들은 풍력발전의 경우와 동일하며, 풍력발전기의 수평축 프로펠러형 터빈 날개와 유사한 양력장치가 비용측면에서 효과적이고 가장 효율적인 것으로 밝혀져 있다.

대개 조석간만에 의해 발생하는 빠른 조류의 길목에 조류발전기를 설치해 발전하는 조류발전은 풍력발전과 마찬가지로 다음 식(1)로부터 발전출력을 계산할 수 있다.

따라서 조류발전에서 얻을 수 있는 발전출력 Pw은 해수의 밀도 ρ, 조류발전기의 효율 η과 해수통과 단면적 A에 비례하고 조류속도 V의 3제곱에 비례하므로 높은 조류속도는 조류발전에 절대적으로 유리하다.

조류발전기는 수차터빈의 종류에 따라 헬리칼(Helical)식, HAT(Horizontal Axis Turbine)식, VAT(Vertical Axis Turbine)식으로 구분되며, 설치방법에 따라 부유 식, 착저식으로 구분된다. 국내외적으로 MW급 상업용 조류발전기는 아직까지 출시되지 않은 실정이나 수십 년간 축적된 풍력분야의 기술이 용이하게 접목될 수 있기 때문에 조류의 유속조건이 양호하고 공사비가 적게 소요되는 곳에서부터 상업발전을 위한 노력이 시도되고 있다. 해외에서는 영국, 노르웨이, 덴마크 등을 중심으로 한 유럽과 캐나다, 미국 등지에서 조류발전기의 상업화를 위한 기술개발이 활발하게 진행되고 있다.

영국의 Marine Current Turbines사는 2003년 Seaflow 프로젝트의 일환으로써, Lymouth Denver 지역의 Foreland Point에 수차터빈의 날개지름이 11m인 0.3MW급 시험 조류발전기를 설치하여 실증실험을 하였으며, 그 후속 프로젝트인 Seagen 프로젝트에서는 날개지름이 16m인 0.6MW급 수차터빈 2기로 구성된 1.2MW급 수평축 프로펠러 타입 조류발전기를 영국 북아일랜드의 Strongford Lough에 설치하여 실증시험 중이다. 한때 고장으로 수차터빈을 교체하는 어려움을 겪기도 하였지만 2008년 12월 18일에 유속 2.5m/s에서 1.201.8MW의 발전량을 기록하는 쾌거를 이루었다.

노르웨이의 Hammerfest Strom사는 2003년에 세계 최초로 100kW급 수평축 프로펠러형 수차발전기를 개발하여 현장실험을 하였으며, 생산된 전력을 그리드 시스템에 연결하는데 성공한 바 있다. 또한 Kvalsundet사는 2003년과 2006년에 각각 300kW, 700kW 조류발전기를 개발완료하였고, 머지않아 13.3MW의 조류발전단지를 건설할 예정이다.

캐나다는 정부지원에 힘입어 조류발전에 관련된 연구를 꾸준히 진행하여, 이미 실용화 단계로 진입하고 있으며, Blue Energy Canada와 Canoe Pass사가 대표적인 기업이라 할 수 있다. 특히 Blue Energy Canada사는 자체적으로 수직축 타입인 Davis 터빈을 개발하여 필리핀, 멕시코 등지에 기술을 수출하여 시설물을 설치하고 있다.

미국은 유럽이나 캐나다에 비해 조류발전에 대한 연구가 많이 진행되고 있지는 않으나 Tidal Electric사에서는 독자적인 기술을 개발하여 왔으며, 최근에는 멕시코 Tijuana 지역에 조류발전기를 설치할 계획이다. Verdant Power사는 2006년 12월 미국 뉴욕시 맨하턴 이스트 강변 루즈벨트 섬 옆에 25kW짜리 소규모 수평축 프로펠러 타입 조류발전기 1기를 설치하였고, 2007년 5월에는 수차터빈 날개지름 5m, 발전용량 35kW짜리 5기를 설치함으로써, 총 발전시설용량 0.2MW인 프로펠러 타입의 수평축 입식 조류발전기 6기로부터 전력을 생산공급하고 있다.

한편, 우리나라에서는 한국해양연구원을 중심으로 2000년부터 전라남도 진도의 울돌목을 국내 최고의 조류발전소 건설 예정지로 선정하고, 기초 데이터를 수집해 왔다. 또한 2006년부터 조력조류에너지 실용화 기술개발 및 상용화 기반구축을 위한 연구를 진행하고 있으며, 크기가 지름 3,000 높이 3,600인 수직축 터빈 3대를 직렬로 연결한 헬리컬 수차 2기로 구성된 1.0MW(0.5MW 2기)급 조류발전기를 개발하였으며, 울돌목에 설치하여 실증시험 중이다. 또 한편으로는 해외 기술력의 지원을 받은 중소기업 중심으로 소규모 수평축 프로펠러 타입의 100kW급 부유식 조류발전시스템 개발도 진행되고 있다.

[종전기술의 문제점]

조류발전기는 대부분 해저지반에 원형 단면의 기둥을 고정하고, 그 위에 발전기를 설치고정하여 조류의 흐름을 이용하여 발전하도록 하고 있다. 따라서 바다 속에 가라앉혀진 조류발전기들은 풍력발전기와 똑같은 이론적 원리가 적용되며 일렬로 줄지어 세우거나 풍력발전단지 형태로 설치한다.

풍력발전과 조류발전의 가장 큰 차이는 동일한 정격 출력에 대하여 조류발전용 수차터빈의 크기가 훨씬 작으며, 훨씬 가깝게 배치될 수 있다는 것이다. 이것은 바닷물의 밀도가 공기의 밀도보다 약 840배 더 크기 때문이다.

조류는 약 12시간 24분 주기로 하루에 2주기씩 밀물과 썰물이 반복되는 사인곡선 형태로 변화하며, 대개 180도 반대 방향으로 흐른다. 즉, 하루에 4번씩 조류의 흐름방향이 바뀌며, 설치지역의 주변과 해저지형의 조건에 따라 조류의 속도가 불균일하고, 흐름 방향이 영향을 받게 되므로 조류발전소의 안전성 확보나 신뢰성 있는 발전량의 조절이 어렵다.

또한, 일반적으로, 조류의 강도가 반드시 커다란 조석 범위나 높이를 필요로 하는 것은 아니지만 그 지역의 조석 높이와 직접적으로 연관이 있다. 하지만, 조력발전에 비해 조류발전의 경우 본격적인 대규모 발전이 실현되지 못하고 있는데, 이는 조류자원의 잠재성은 대단하지만 대부분의 바다에서 조류의 속도, 즉 에너지 밀도가 경제적인 개발을 하기에는 너무 작기 때문이다. 다시 말해서 빠른 해수의 흐름이 나타나는 해역이 전 세계적으로 제한되어 있고, 사용 가능한 조류발전기의 발전효율도 경제성을 확보하기에 미흡하기 때문이다.

조류발전은 유속이 1.0m/s 내외인 곳에서도 가능하나 경제성이 있는 발전을 위해서는 조류의 평균속도가 2.0m/s 이상인 곳을 유망지역으로 검토하며, 해저지형의 조건 및 지역적인 흐름 형태와 조류속도에 따라 수차터빈 단위기 당 최대 750kW에서 1,000kW 정도의 발전출력을 내도록 설계할 수 있다.

하지만, 지금까지의 조류발전기 개발현황을 살펴보면, 앞에서 언급한 바와 같이 영국의 Marine Current Turbines사가 Seagen 프로젝트에서 개발 중인 날개지름 16m인 수차터빈이 단위기 당 발전용량 600kW로써 매우 큰 용량에 속하는 것임을 감안할 때, 단위기 당 발전용량이 750∼1,000kW인 수차터빈은 상당히 대용량이라고 할 수 있다. 이보다 더 큰 발전용량을 내는 수차터빈의 날개지름은 20m 이상이 되어야 할 뿐만 아니라 이러한 조류발전기를 설치할 수 있는 해저의 깊이도 더 깊어져야 하며, 설치시 어려움의 가중과 더불어 공사비가 증가하게 된다.
보다 구체적으로 설명하면, Betz의 법칙에 따라 조류로부터 얻을 수 있는 이론적 최대출력 값의 계수 16/27과 조류발전기 수차터빈의 기계효율을 0.7 정도라고 가정하더라도 식(1)으로부터, 조류속도 2.0m/s일 때 단위 수차터빈의 발전용량이 750kW가 되기 위해서는 수차터빈의 날개지름은 24m 이상이 되어야 하고, 발전용량이 1,000kW가 되기 위해서는 수차터빈 날개의 지름은 27m 이상이 되어야 한다.

일반적으로 빠른 조류속도에서 날개지름이 20m가 넘는 수차터빈이 20rpm정도로 회전할 경우 가장 속도가 빠른 수차터빈의 날개 팁에서는 압력계수(Cp)값이 해수의 증기압 즉, 임계값보다 떨어지게 되는 낮은 압력지점이 발생하여 수차터빈의 날개에서 캐비테이션이 발생하기 쉽게 된다. 그리고 이처럼 빠른 유속에서 발생하는 조류의 저항은 발전장치 하우징 및 발전구조물을 설치할 때에 매우 중요한 문제가 되는데, 하루 중에서 단지 몇 분만이 조류속도가 느린 해수(slack water)가 되므로 해수가 이동하는 동안 기초를 건설하고 조류발전기를 설치하는 것은 몹시 어려운 문제이기 때문이다.

일반적으로 빠른 조류속도에서 날개지름이 20m가 넘는 수차터빈이 20rpm정도로 회전할 경우 가장 속도가 빠른 수차터빈의 날개 팁에서는 압력계수(Cp)값이 해수의 증기압 즉, 임계값보다 떨어지게 되는 낮은 압력지점이 발생하여 수차터빈의 날개에서 캐비테이션이 발생하기 쉽게 된다. 그리고 이처럼 빠른 유속에서 발생되는 조류의 저항은 발전장치 하우징 및 발전구조물을 설치할 때에 매우 중요한 문제가 되는데, 하루 중에서 단지 몇 분만이 조류속도가 느린 해수(slack water)가 되므로 해수가 이동하는 동안 기초를 건설하고 조류발전기를 설치하는 것은 몹시 어려운 문제이기 때문이다.

전 세계적으로도 조류발전에 유효한 조류의 평균속도가 2.0m/s 넘는 곳은 드문 실정이며, 조류의 평균속도가 2.0m/s 넘는 지역도 해저의 수심이나 지형 또는 접근성 등이 조류발전에 바람직하지 않을 수도 있으며, 뿐만 아니라 우리나라의 울돌목처럼 지역에 따라 2.0m 정도의 조차가 운동에너지로 변환하면서 순간 최대속도가 6m/s 이상이 되는 곳도 있다. 여기서 순간 최대속도는 장치의 내구성과 안전도 측면에서 반드시 고려해야하는 중요한 설계인자이지만 조류에 의한 저항이 조류속도 의 제곱에 비례한다는 것을 고려할 때 과설계와 고비용의 원인이 되기도 한다. 조류발전기의 지속적인 발전이나 정격발전 측면에는 조류의 평균속도가 가장 중요한 설계인자이다.

조류발전기를 설계할 때 고려하여야 하는 또 다른 요소는 조류의 난류 강도이다. 이것은 조류발전기의 수차터빈과 발전구조물에 미치는 부하에 중요한 변화를 초래하고 기계장치의 피로와 진동문제를 일으키는 주요 원인이 되기 때문이다. 따라서 강한 층류를 가진 지역을 피하여 조류발전기를 배치하기 위한 것뿐만 아니라 기계장치의 내구성을 확보하기 위해서 반드시 조류의 난류 강도 정도를 이해하는 것이 필요하다.

이상과 같이 조석간만의 자연현상에 의한 조류를 이용하여 발전하는 종전의 조류발전기들이 가지고 있는 기술적인 한계점들을 정리해보면 다음과 같다. (1) 상업적으로 활용할 수 있는 자연적인 조류의 평균속도 범위는 2.0∼2.5m/s 정도이며, (2) 조류발전기의 수차터빈 날개지름의 한계는 20∼25m 정도이며, (3) 수차터빈 단위기 당 얻을 수 있는 발전용량은 1,000kW 정도가 한계이다. 또한, (4) 빠른 조류 속에서 해저지반에 기초를 건설하고 조류발전기를 설치하는 것이 커다란 난제이며, (5) 조류의 난류 정도와 빈번하게 방향이 바뀌는 조류의 저항 때문에 기계의 내구성 확보도 매우 어려운 과제이다.

최근 들어 본 발명의 발명자가 고안하여 국내 특허등록한 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템(등록특허 10-0867547, PCT/KR2008/001388)과 수문발전과 해류발전을 겸하는 복합 해양발전시스템(등록특허 10-0883756, PCT/KR2008/002414)에서, 조석간만의 차가 큰 지역에 구축된 조력발전소와 같은 해양발전시스템이나 방조제의 배수갑문 또는 수문구조물과 같은 인공의 해양구조물을 통하여 흐르는 해류가 자연현상에 의한 조류의 평균속도보다 훨씬 빠른 평균속도로 흐른다는 것을 밝혔다.

일반적으로 상기와 같이 해류가 고속으로 흐르는 곳에 설치 가능한 해류발전기의 발전용량 및 설계사양은 이용 가능한 해류속도, 바다의 깊이, 해측과 호수측의 수위변동 및 해저지형 등을 고려하여 결정해야 한다. 한편, 선진 해양국가에서 개발하고 있는 것과 같은 기존 개념의 대형 소용량 조류발전기는 상기와 같이 고속 해류가 흐르는 곳에는 설치할 수가 없는 것이다.

상기와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은 조석간만의 자연현상에 의한 조류의 속도보다 훨씬 빠른 속도로 흐르는 해류를 이용하여 발전할 수 있는 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 구체적인 수단으로써,

통합발전시스템이나 복합 해양발전시스템 또는 방조제의 배수갑문과 같은 인공 해양구조물을 조성하고 상기 인공 해양구조물을 통하여 해측과 호수측으로 출입하는 고속 해류의 운동에너지로부터 전기에너지를 추출하는 해류발전기에 있어서,

수차터빈의 날개지름이 5∼12m정도로 소형이면서도 수차터빈 1기당 0.5MW 이상의 발전출력을 내는 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기인 것을 특징으로 한다.

또한 해저지반에 입설되어 상기 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기를 지지하는 모노파일은 단면의 형태가 유선형 또는 타원형인 것을 특징으로 한다.

1. 활용성-국내시장이 이미 확보되어 있음

우리나라에서는 현재 건설중인 시화호 조력발전소를 비롯하여 가로림 조력발전소, 강화도 조력발전소, 인천만 조력발전소 등과 같이 세계적으로도 유래를 찾아볼 수 없을 정도로 많은 조력발전소 건설이 진행되고 있으며, 뿐만 아니라 새만금, 천수만, 아산만 등에서도 조력발전이 검토되고 있다. 또한, 우리나라 군산과 부안 사이에 위치하고 있는 새만금의 가력배수갑문에서는 필요할 때 수문을 열어 대량의 해수를 5.0m/s 이상의 매우 빠른 속도로 유통시키고 있다.

해양 선진국에서 평균속도 범위가 2.0∼2.5m/s인 조류에 적합하도록 개발하고 있는 조류발전기들은 상기와 같이 고속 해류가 흐르는 곳에서 그대로 사용할 수 없다.

국내의 이러한 실정들을 십분 활용하고, 풍력발전과 조선해양의 축적된 기술력을 바탕으로 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 개발에 박차를 가한다면, 단기간에 우리나라가 이 분야에서 기술적 우위를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 나아가 세계 시장을 선점할 수 있는 시너지효과를 얻을 수 있을 것이다.

2. 경제적 파급효과-맨땅에 설치하게 됨

본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 조력발전소와 같은 해양발전시스템이나 방조제의 배수갑문 또는 수문구조물의 건설과 연계하여 해류발전단지를 구성할 경우에는 해류발전단지의 설치 지역을 가물막이로 막아 맨땅이 되게 할 수 있으므로 해양에 조류발전기를 설치하는 것에 비해 훨씬 적은 비용으로 안전하게 설치할 수 있어 높은 경제적 이익을 얻을 수 있다. 또한, 대규모의 해류발전단지 개발은 해류발전기의 양산이 전제되므로 제작비용 등의 대폭적인 절감뿐만 아니라 절감뿐만 아니라 관련 산업의 급성장을 기대할 수 있다.

3. 기술적 파급효과-국내 독자기술로 개발 가능함

본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 동일 발전용량일 경우 해류발전기 수차터빈의 크기가 일반적인 조류발전기의 것보다 훨씬 작아지므로 빠른 해류의 저항에 대해서도 구조적으로 강하고 안정적인 해류발전기를 제공할 뿐만 아니라 국내의 풍력발전기 개발기술을 활용하여 용이하게 개발할 수 있다.

일반적으로 조석간만에 의해 발생하는 자연적인 조류는 조석에 따라 하루에 4번씩 흐름의 방향이 바뀌며 해저지형의 영향을 많이 받지만 해양발전시스템이나 방조제의 배수갑문을 통하여 얻을 수 있는 해류는 인공 해양구조물 및 부대시설의 운영계획에 따라 예측 가능한 일방향 또는 양방향으로 일정하게 흐르는 양질의 잘 발달한 난류성 해수 흐름으로써 풍력발전이나 조석간만에 의한 조류와 같은 순간 최대속도라는 현상이 발생하지 않으며, 자연현상에 의해 바다에서 발생하는 조류의 흐름보다 훨씬 더 속도분포가 균일하고 이용가치가 높은 운동에너지를 포함하므로 발전량뿐만 아니라 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 내구성에도 매우 유리하다.

4. 정책적 파급효과-정부 목표달성에 일조 및 미래 먹거리 신성장 산업임

시화호 조력발전소와 연계한 해류발전단지에 대한 타당성 검토결과 시화호 조력발전소 발전시설용량 254MW에 대하여 약 20% 이상의 발전시설용량에 해당하는 해류발전단지를 구성할 수 있어 우리나라 정부의 국가에너지기본계획에 의한 2030년 해양에너지 보급 목표달성에 크게 일조할 수 있을 것이다. 또한, 조력발전소 건설 붐과 더불어 대규모 해류발전단지를 개발한다면, 해류발전기 제조 산업뿐만 아니라 새로운 해양발전 플랜트 산업분야를 개척하는 것으로, 우리나라의 미래 먹거리 신성장동력 산업으로서 손색이 없을 것이다.

도 1은 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기를 적용할 수 있는 곳으로써, 새만금 방조제 남단에 위치한 가력배수갑문을 통해 해측에서 호수측으로 해수가 빠른 속도로 유입되고 있는 모습을 보여주는 구글어스의 위성사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템의 평면적인 구성도이고, 도 3a는 도 2의 조력발전소의 수차구조물 및 호수측 해류발전단지의 측면도이며, 도 4a는 도 2의 조력 댐의 수문구조물 및 해측 해류발전단지의 측면도를 도시한 것이다.

조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템은 도 2와 같이 조석간만의 차가 크게 발생하는 곳에 바다를 가로막는 방조제(10)를 축조한다.

상기와 같이 방조제(10)가 축조되고 나면 도 2와 같이 호수(12)가 형성된다. 상기 방조제(10)에는 호수측(12)과 해측(14)을 가로막는 조력발전소(100)와 조력댐(200)이 설치된다.

이때, 상기 조력발전소(100)와 조력댐(200)의 중간에는 조력발전소(100)와 조력댐(200)을 잇는 연결구조물(300) 또는 연결방조제를 두어 거리를 두고 구성함이 바람직하다.

상기 연결구조물(300) 또는 연결방조제는 해류발전단지의 지형특성에 따라 수십 수백 수천 미터 또는 수 킬로미터로 구축될 수 있다.

상기 조력발전소(100)를 구성하는 수차구조물(102) 내에는 도 3과 같이 해측(14)에서 호수측(12)으로 유입되는 해수의 흐름으로 회전하는 수차날개(112)를 갖는 조력발전용 수차발전기(110)가 설치된다.

상기 조력발전소(100)를 구성하는 수차구조물(102)은 도 2와 같이 1개를 단위체로 하여 10개의 수차구조물(102)이 서로 연결된 것을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것이고, 해류발전단지의 지형특성 또는 발전량의 계획에 따라 설치 수를 달리할 수 있다.

상기 조력발전소(100)의 수차구조물(102) 후방 즉, 호수측(12)에는 조력발전용 수차발전기(110)를 통하여 배출되는 해수의 흐름을 이용하여 발전하는 다수의 해류발전기(120)가 설치된다. 상기와 같이 다수의 해류발전기(120)가 호수측(12)에 설치됨으로써 호수측 해류발전단지(120)를 이루게 된다.

상기 다수의 해류발전기(120)는 도 2 및 도 3a에 도시된 바와 같이 행렬 간에 해류발전기의 터빈 날개 지름만큼 일정 간격을 갖는 격자 형태로 배치하되 홀수열 해류발전기(120C)와 짝수열 해류발전기(120D)가 서로 어긋나게 배치됨이 바람직하다.

상기 조력댐(200)을 구성하는 수문구조물(210)은 도 4a와 같이 수문(212)이 설치된다. 상기 수문(212)은 창조시 권양장치(214)에 의해 하강하여 해측(14) 해수가 호수측(12)으로 유입되는 것을 차단하고, 낙조시 상승하여 호수측(12) 해수를 수문도수로(216)를 통해 해측(14)으로 방류시키는 역할을 한다.

상기 조력댐(200)을 구성하는 수문구조물(210)은 도 2와 같이 1개를 단위체로 하여 8개의 수문구조물(210)을 예시하고 있으나, 이에 한정하는 것이고, 해류발전단지의 지형특성 또는 발전량의 계획에 따라 설치 수를 달리할 수 있다.

한편, 상기 수문구조물(210)의 수문(212) 쪽 후방, 즉 해측(14)에는 도 2 및 도 4a와 같이 수문(212)을 통하여 바다로 방류되는 빠른 속도의 해수를 이용하여 발전하는 다수의 해류발전기(220)가 설치된다. 상기 다수의 해류발전기(220)가 해측(14)에 설치될 경우 해측 해류발전단지(220)를 이루게 된다.

여기서, 호수측 해류발전단지(120)와 해측 해류발전단지(220)의 해류발전기들은 해저 지면에 입설된 지지기둥 또는 모노파일(F)에 각기 지지되어 설치된다.

또한, 호수측 해류발전단지(120)와 해측 해류발전단지(220)의 해류발전기들은 해류의 흐름에 회전 구동하는 프로펠러, 프로펠러의 회전축에 연결된 회전자를 갖는 발전기를 포함한다.

상기에서 조력발전소(100)의 수차구조물(102)과 조력 댐(200)의 수문구조물(210)은 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 1개 이상 연결하여 구성된다.

한편, 상기 실시 예에서 조력발전소(100)와 조력 댐(200)의 지형특성 또는 발전량의 계획에 따라 다수의 해류발전기로 해류발전단지(120)(220)를 구성할 때 조력발전소(100)의 호수측(12)에만 다수의 해류발전기를 설치하여 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템을 구성할 수도 있고, 조력 댐(200)의 해수측(14)에만 다수의 해류발전기(220)를 설치하여 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템을 구성할 수도 있으며, 도 2와 같이 조력발전소(100)의 호수측(12)과 조력 댐(200)의 해수측(14) 모두에 다수의 해류발전기(120)(220)를 각각 설치하여 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템을 구성할 수도 있다.

이와 같이 구성된 실시 예에서 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 특성을 설명한다.

도 2와 같이 구성된 통합발전시스템의 해류발전단지에는 자연적인 조류의 속도 보다 훨씬 빠른 속도의 해류가 흐르게 된다. 따라서 상기 해류발전단지에 설치할 수 있는 해류발전기는 일반적인 조류발전기와는 다르게 설계되어야 한다. 따라서 본 발명에서는 고속으로 흐르는 해류에 적합한 소형 대용량 해류발전기를 제공한다.

일반적으로 해류발전단지에 설치 가능한 해류발전기의 발전용량 및 사양은 조력발전소 전후의 해역에서 이용 가능한 해류속도, 조력발전소 수차구조물의 출구 크기와 바다의 깊이, 해측과 호수측의 수위변동 및 해저지형 등을 고려하여 결정하며, 그리고 해류발전단지로부터 최대 발전량을 얻기 위하여 경제적인 측면을 고려하여 해류발전기의 배치 방안을 결정해야 한다.

해류발전기의 수차터빈이 배치되는 수중공간의 위치를 고려할 때 해저바닥의 영향 을 덜 받기 위하여 도 3b와 도 4b처럼 해저지면으로부터 수차터빈의 날개 팁까지 2∼3m 정도의 여유 공간을 두는 것이 바람직하며, 해상의 기후변화나 부유물질 등으로부터 영향을 덜 받도록 하기 위하여 도 3b와 도 4b처럼 해수면으로부터도 수차터빈 날개 팁까지 2m 이상의 여유 공간을 두는 것이 바람직하다.

본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기에서는 현재 건설중인 시화호 조력발전소에 해류발전단지를 설치하여 도 2와 같은 통합발전시스템을 구성하는 경우를 실시예로 설명한다. 시화호 조력발전소의 경우, 도 3a와 같이 호수측 해류발전단지 설치 대상지역의 해저지면 LB는 EL (-)20.0m, 호수의 최저 저수위가 EL (-) 4.46m이므로, 상시적으로 최소 15.54m 깊이의 수중에 해류발전기를 설치할 수 있다. 따라서 조력발전소(100) 수차구조물(102)의 호수측 해류발전기는 도 3b처럼 수차터빈의 날개지름이 10m 정도인 해류발전기가 바람직하다. 또한 도 4a와 같이 조력댐(200) 수문구조물(210)의 해측 해류발전기 설치 대상지역의 해저지면 SB는 EL (-)16.0m이고, 바다의 최저 저수위가 EL (-) 4.60m이므로, 상시적으로 최소 11.4m 깊이의 수중에 해류발전기를 설치할 수 있다. 따라서 조력댐(200) 수문구조물(210)의 해측 해류발전기는 도 4b처럼 수차터빈의 날개지름이 8m 정도인 해류발전기가 바람직하며, 이때 해저지면에서부터 수차터빈의 날개 끝까지 약 2.0∼3.0m 정도의 여유를 두는 것이 바람직하다.

도 5는 3 날개 수차터빈을 장착한 프로펠러형태의 수평축 해류발전기의 일례로써, 성능저하를 초래하는 캐비테이션을 피하기 위해서 날개의 표면을 매끄럽게 하고, 도 5a처럼 수차터빈의 날개가 뿌리부분에서 상대적으로 낮은 tangential 속도로 인해 최적인 받음 각을 받을 수 있도록 날개의 팁 부분을 많이 비튼 형태가 바람직하고 도 5b처럼 날개 팁의 형상은 라운드로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기처럼 수차터빈 날개의 크기가 작아지게 되면 날개 팁 속도가 작아지므로 캐비테이션 방지에도 유리하다. 또한, 해류의 방향이 빈번하게 바뀌는 것에 대응하기 위하여 수차터빈 날개의 단면형상은 타원(elliptic) 형태로 하고 양방향 흐름에 대응한 피치 제어 기능이 있는 것이 바람직하다. 또한, 도 3b와 도 4b에서처럼 해류의 방향에 대하여 해류발전기 지지용 수직기둥의 폭이 좁은 유선형이나 타원형 단면형태로 하는 것이 고속 해류의 저항을 이기는데 바람직하고, 도 5c처럼 나셀을 유선형이나 타원형 형태로 하는 것이 양방향으로 흐르는 고속 해류의 저항을 최소화하기 위해 바람직하다.

한편 “시화호 조력발전소 건설공사 수치해석 및 수리모형실험” 보고서에 의하면, 시화호 조력발전소는 창조시 수두차 6.0m에서 조력발전한 후 호수측으로 방출되는 해류의 속도는 3.0m/s 이상인데, 이것은 수두차 6.0m인 해수가 가지는 위치에너지로부터 단위기당 발전시설용량 25.4MW인 조력발전용 수차발전기(110)가 발전하고 난 뒤, 해수를 호수측(12)으로 방출할 때 발생할 수 있는 해류의 속도이다. 하지만 낙조시 낙차 1.9m에서 조력댐(200) 수문구조물(210)의 수문(212)을 통해 배수될 때에는 해류의 속도가 6.0m/s 이상인 것으로 보고되었다. 이것은 조력댐(200) 수문구 조물(210) 중간에는 아무런 에너지 추출장치가 없으므로 수문(212)을 올릴 때 해수의 위치에너지가 전량 운동에너지로 변환되기 때문이다. 이처럼 해수의 수두차에 의한 위치에너지가 전량 운동에너지로 변환될 때 발생되는 해류속도는 다음의 이론식 (2)로부터도 계산할 수 있다.

여기서, h는 호수측과 해측의 수두차이며, g는 중력가속도이다. 예를 들어, 수두차 1.9m인 해수는 조력 댐 수차구조물의 수문을 지날 때 식(2)으로부터 속도가 약 6.1m/s인 해류로 바뀌고, 수두차가 6.0m일 때는 약 10.8m/s라는 엄청난 속도의 해류로 바뀐다. 따라서 이처럼 빠른 해류가 흐르는 곳에 설치되는 해류발전기는 2∼2.5m/s의 조류속도를 이용하여 발전하는 것을 목표로 설계하는 기존 개념의 조류발전기에 비해 수차터빈의 날개 크기가 훨씬 작지만 대용량의 발전출력을 얻을 수 있는 것이다.

도 6에는 수차터빈 날개지름의 크기가 2∼25m일 때 해류속도에 따른 발전출력의 관계를 식(1)으로부터 계산한 결과를 도시한 것으로, 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 설계범위(10)와 기존 개념의 조류발전기의 설계범위(20)를 각각 사각박스로 표시하였다.

아래 표 1은 프로펠러형 수평축 형식의 조류발전기에 대하여 적용한 수차터빈 날개의 회전단면적(A, m²), 조류속도(V, m/s)에 대한 발전량과의 관계를 나타낸 것이다.

표 1 해류발전기 수차터빈 날개지름과 해류속도에 따른 발전량

해류발전기	날개지름	해류 속도	발전량
호수측	10m	3m/s	0.43MW
해측	8m	6m/s	2.2MW
Kilowatt Power = Cpideal 0.5ρηAV3, 여기서 Cpideal = 16/27 (Betz Law)

상기 표 1로부터 도 3b에서처럼 호수측 해류발전기로 접근하는 해류속도가 3m/s일 때, 도 6의 점 A처럼 수차터빈 날개지름이 10m인 해류발전기 1기의 발전량은 약 0.43MW이고, 도 4d에서처럼 해측 해류발전기로 접근하는 해류속도가 6m/s일 때, 도 6의 점 B처럼 수차터빈 날개지름이 8m인 해류발전기 1기의 발전량은 약 2.2MW가 된다.

도 6에 따르면 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 설계범위(10)는 일반적인 조류발전기의 설계범위(20)와 확연히 다름을 알 수 있다. 또한, 현재 선진국에서 개발하고 있는 조류발전기도 도 6의 설계범위(20)에 해당하는 것으로서, 평균속도 3.0m/s 이상의 고속 해류가 흐르는 곳에서는 그대로 사용할 수 없다는 것을 의미한다.

도 6의 설계범위(20)에서처럼 기존의 조류발전기에서는 조류의 평균속도가 최대 2.5m/s일 때, 수차터빈의 날개지름이 20m라고 하더라도, 수차터빈 1기로부터 얻을 수 있는 조류발전기의 발전량의 한계는 약 1.0MW 정도이다. 하지만, 아직까지 단위 수차터빈의 발전용량이 이 정도 규모인 조류발전기는 존재하지 않고 있다.

다시 말하자면, 도 6에 따르면, 기존 개념의 조류발전에서 이용하는 조류의 평균속도는 2.5m/s 정도가 한계인데, 이때 수차터빈의 날개지름이 12m보다 작을 경우 기존의 조류발전기로 얻을 수 있는 발전량은 0.5MW 보다 적으며, 단위기 당 1.0MW 이상의 발전량을 얻기 위해서는 도 6의 C점에서 보는 것처럼 수차터빈의 날개지름이 20m 이상이 되어야 한다.

반면에, 본 발명자가 기발명한 통합발전시스템이나 복합 해양발전시스템의 해류발전단지에서는 해수의 수위 차에 따라 발생되는 해류의 평균속도가 3∼11m/s에 달하므로 이곳에 설치되는 해류발전기는 기존 개념의 조류발전기와는 다른 설계범위(10)를 가진다. 이때 해류발전기 수차터빈의 날개지름은 해류발전단지 건설 대상 지역의 해저지형 조건 및 해류발전단지 건설계획에 따라 달라질 수 있으며, 특히 바다 깊이가 깊어질수록 더 커질 수도 있겠지만 수차터빈의 날개지름이 커질수록 수차터빈 단위기당 견디어야 하는 해류의 저항도 수차터빈 날개길이의 제곱에 비례하여 급격히 커진다는 점을 고려할 때, 해류발전기의 구조적인 안정성 확보를 위하여 수차터빈 날개지름은 5∼12m 정도가 바람직하며, 이때 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 단위기당 작게는 0.5MW에서 크게는 수 MW라는 대용량의 발전량을 얻을 수 있는 것이다.

도 7은 동일 발전용량 4MW인 경우, 도 6의 결과로부터 얻은 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기(a)와 일반적인 조류발전기(b) 그리고 해상 풍력발전기(c)의 크기를 상대적으로 비교 도시한 것이다. 여기서 (b)는 영국의 Tidal Stream 사가 고안한 개념도로써, 도 6의 점 C처럼 조류속도 2.5m/s에서 단위기당 발전용량이 1.0MW이고 날개지름 20m인 수차터빈 4기로 구성한 4MW급 조류발전시스템을 해저 60m 깊이에 설치한 상상도이다. (c)와 같은 4MW급 대용량 해상 풍력발전기나 (b)와 같은 4MW급 조류발전기는 규모도 크고 개발하는데 많은 투자비용이 필요하며, 현재의 국내 기술로는 단기간에 개발하여 세계시장을 앞서나가기가 어려운 현실이다. 하지만 도 6의 해류발전기 설계범위(10)에서 나타낸 것처럼 본 발명의 고속 해류용 해류발전기는 비록 대용량이지만 크기가 매우 작으므로 그동안 축적된 국내의 풍력발전기 개발기술력과 조선기술력에 집중적인 연구개발을 한다면 국내 기술력만으로도 단기간 내에 개발할 수 있는 가능성이 매우 높고, 개발 및 투자비용도 매우 저렴할 것이다. 따라서 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 새로운 기술영역과 세계시장의 개척 및 선점이라는 기회를 제공한다.

도 8에는 도 5와 같은 수평축 3 날개 타입의 수차터빈을 기본 형태로 하는 본 발명에 따른 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 다양한 변형 예로써, 단일 수차터빈(도 8a, 도 8b, 도 8c), 2중 수차터빈(도 8d, 도 8e) 그리고 3중 수차터빈(도 8f)으로 구성된 해류발전기의 형상들을 보여준다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 수차터빈의 날개지름을 일반 조류발전기의 것에 비해 훨씬 작아지므로 고속 해류의 저항에 용이하게 대응할 수 있지만 일반적으로 발전용량이 커질수록 증속기어와 발전기의 크기가 커지게 되므로 증속기어박스와 발전기 그리고 부대설비들을 모두 해류발전기의 너셀 부분에 설치하기란 거의 불가능하게 된다.

소형 기어와 더불어 소형 대용량 발전기가 존재한다고 하면 별문제가 없겠으나 일반적으로 발전용량이 MW급인 발전기의 크기는 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 수차터빈의 날개 크기에 비하여 지나치게 커지게 되므로 해류발전기의 너셀 내부에 모두 장착할 수가 없다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 증속기어박스와 발전기 그리고 유압 및 냉각시스템 등의 설비들을 해류발전기 너셀의 외부로 빼내어 설치하는 것이 바람직하다.
도 9에서는 고속 해류가 가지는 운동에너지를 수차터빈(54)과 연결된 수차축(55)의 회전력으로 변환한 후 다시 기어(56)와 중간 회전축(57)의 조합을 통해 해류발전기 너셀(58)의 외부에 설치되어 있는 증속기어박스(60)와 대용량 발전기(61), 유압시스템 및 냉각시스템 그리고 전력변환장치를 포함하는 발전시설들(62)을 해류발전기 지지용 모노파일(F)의 상부 해수면 위에 가설한 상판(63)에 설치한 예를 보여주고 있다.

따라서 해수 중에는 소형 수차터빈(54)과 동력전달 수차축(55)과 기어(56)만 소형 너셀(58) 내부에 설치할 수 있으므로 고장의 원인을 줄이며, 해류의 저항을 적게 받을 수 있도록 작게 만들 수 있다. 또한 증속기어박스(60)와 발전기(61), 유압시스템 및 냉각시스템 그리고 전력변환장치를 포함하는 발전시설들(62)을 해류발전기 지지용 모노파일(F)에 가설한 상판(63)을 통해 해수면 위에 설치할 수 있어 누수에 의한 발전기의 고장을 용이하게 예방할 수 있을 뿐만 아니라, 고장시 유지보수의 편리성을 확보할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기는 수평축 3날개 형상의 수차터빈을 위주로 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나 수직축 수차터빈이나 수평축 2날개 형상의 수차터빈 등 다양한 형상의 수차터빈에서도 적용할 수 있다.

또한 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 새만금 방조제 남단에 위치한 가력배수갑문의 해측에서 호수측으로 해수가 빠른 속도로 유입되고 있는 모습을 보여주는 구글어스의 위성사진이다.

도 2는 조력발전과 해류발전을 겸하는 통합발전시스템의 평면적인 구성도이고,

도 3a는 도 2의 조력발전소의 수차구조물 및 호수측 해류발전단지의 측면도이며, 도 3b는 이때의 해류발전기이다.

도 4는 도 2의 조력 댐의 수문구조물 및 해측 해류발전단지의 측면도를 도시한 것이며, 도 4b는 이때의 해류발전기이다.

도 5는 3 날개 수차터빈을 장착한 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 일례이다.

도 6은 수차터빈 날개지름의 크기가 2∼25m에서 해류속도에 따른 발전출력의 관계를 도시한 것으로, 기존 개념의 조류발전기의 설계범위와 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 설계범위를 보여준다.

도 7은 동일 발전용량 4MW인 경우, 본 발명의 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기(a)와 기존 개념의 조류발전기(b) 그리고 해상 풍력발전기(c)의 크기를 상대적으로 비교 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에 따른 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 다양한 변형 예로써, 단일 수차터빈(a, b, c), 2중 수차터빈(d, e) 그리고 3중 수차터빈(f)으로 구성된 해류발전기의 형상들을 보여준다.

도 9는 해류발전기 너셀(58)의 외부에 설치되어 있는 증속기어박스(60)와 대용량 발전기(61), 유압시스템 및 냉각시스템 그리고 전력변환장치를 포함하는 발전시설들(62)을 해류발전기 지지용 모노파일(F)의 상부 해수면 위에 가설한 상판(63)에 설치한 예를 보여주고 있다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기의 설계범위

20 : 기존 개념의 조류발전기의 설계범위

54 : 수차터빈 55 : 수차축

56 : 기어 57 : 중간 회전축

58 : 너셀 60 : 증속기어박스

61 : 발전기 62 : 발전시설

63 : 상판

100 : 조력발전소 102 : 수차구조물

120 : 호수측 해류발전단지 110 : 수차발전기

200 : 조력댐 210 : 수문구조물

212 : 수문 220 : 해측 해류발전단지

300 : 연결구조물 F : 모노파일, 지지기둥

LB : 호수지면 SB : 해저지면

Claims (4)

1. 해측(14)과 호수(12)측을 구획하는 방조제(10)나 상기 방조제(10)에 조력발전소와 해류발전을 겸하는 통합발전시스템이나 상기 방조제(10)에 수문발전과 해류발전을 겸하는 복합 해양발전시스템 또는 방조제(10)의 배수갑문을 통해 호수측과 해측으로 흐르는 고속 해류를 한쪽 방향 또는 양방향으로 이용하여 발전하는 해류발전기에 있어서,

   날개지름이 5m 이상 12m 이하의 범위를 갖는 수차터빈;

   상기 수차터빈과 결합된 너셀; 및

   상기 수차터빈과 연결되는 증속기어박스, 발전기 및 발전시설

   을 포함하고,

   상기 증속기어박스, 발전기 및 발전시설은 상기 너셀 외부에 설치되는 해류발전기.
2. 청구항 1에 있어서,

   해류발전기 너셀(58)의 외부에 설치되어 있는 증속기어박스(60)와 대용량 발전기(61), 유압시스템 및 냉각시스템 그리고 전력변환장치를 포함하는 발전시설들(62)을 해류발전기 지지용 지지기둥 또는 모노파일(F)의 상부 해수면 위에 가설한 상판(64)에 설치하는 것을 특징으로 하는 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기,
3. 청구항 1에 있어서,

   해저지반에 입설되어 상기 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기를 지지하는 지지기둥 또는 모노파일(F)의 단면형태가 유선형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 해류발전기의 수차터빈의 날개가 뿌리부분에서보다 낮은 tangential 속도로 인해 최적인 받음각을 받을 수 있도록 날개의 팁 부분을 많이 비틀고 날개 팁의 형상을 라운드 형태로 한 것을 특징으로 하는 고속 해류용 소형 대용량 해류발전기.

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