KR101151724B1 - 양방향조류발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해류가 바뀌는 바다에서 발전을 하는데 있어서 발전의 효율을 높이기 위한 구조를 만드는데 그 목적이 있다.

이를 위하여 본 발명은, 블레이드가 회전하는데 불필요한, 반대방향에 작용하는 필요없는 저항을 줄이고 오히려 그 물을 회전방향으로 유도하기 위해 유도판을 만들어 회전날개를 더욱 빨리 돌게 하여 전력을 더 많이 생산하게 했을 뿐 아니라, 물의 흐름이 바뀌는 곳에서도 자동으로 물흐름 유도판이 작용하며 집진장치를 설치하여 최대한 발전을 많이 할 수 있도록 하였다. 물흐름 방향이 바뀌는 바다에서 해류가 빠르게 흐르는 곳은 물론 느리게 흘러도 사용가능성을 높인 것이 특징이다.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 매일 일정하게 해류의 흐름이 바뀌는 지역에서 물살이 센 곳은 물론 약한 곳도 가능하여 적용범위가 넓으며 초대형으로도 발전가능해 원가절감에 크게 기여할 수 있다는데 큰 장점이 있다.

조류발전, 소수력발전, 집진장치, 수력발전, 해양발전

Description

양방향조류발전기 {tide generator for either way operation}

본 발명은 조류발전에 관한 것으로서 일정하게 흐르는 강이나 바다는 물론, 해류가 매일 바뀌는 해양에서 블레이드가 회전하는데 방해가 되는 저항을 없애기 위해 물의 방향을 일부 변경하고 그 변경된 힘을 이용하여 블레이드를 더욱 빨리 돌게 하여 발전량을 극대화하는데 그 목적이 있다.

조류발전의 경우 해류의 경우 일정하게 한 방향으로 흐르는 경우도 있겠지만 밀물과 썰물에 의해 물의 흐름이 바뀌는 경우가 많다. 지구온난화영향으로 신재생에너지에 관심이 지대하며 어느 방향으로 흐르든 간에 발전에 지장을 받지 않고 최대한 많은 전력을 생산하려고 선진국을 중심으로 해양자원개발에 비상인 상태다.

본 발명인이 출원한 출원번호 10-2003-0105676에 기초한 기술이기에 집진장치 등 일부를 공용하도록 설계되었다.

어떠한 발전이든 적은 비용으로 에너지를 최대한 이용하여 고효율의 발전을 하려하는 것이 목적이다. 등록번호 2003522410000은 물의 저항이 필요없는 부분도 저항을 직접 받기 때문에 발전량이 작다는 단점이 있다. 특허등록 1008344480000은 불필요한 부분의 저항을 없애기 위한 노력은 보였지만 크게 개선된 점은 없어보인다.

본 발명인이 출원한 출원번호 10-2009-0105676의 경우는 블레이드의 저항을 없애기는 하였지만 물의 방향이 일정하게 흐르는 강이나 바다에서만 활용이 가능하다는 단점이 있다.

이처럼 블레이드의 회전에 방해가 되는 부분의 저항을 많이 없애려는 노력을 하였지만 많은 개선이 되지 않았고 또한 일부는 적용 지역이 한정적인 문제점을 안고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해, 강은 물론 물의 흐름이 바뀌는 바다에서 발전하는데 있어서 블레이드에 필요없는 부분의 저항을 없애기 위해 보강재(12)가 부착된 세로집진판(11)에 물집진유도판(14)으로 물의 방향을 35-45도 정도 전환하였고 그 전환된 힘으로 블레이드를 더욱 빨리 돌게 하는 일석이조의 효과를 거두도록 설계되었고, 또한 물의 방향이 바뀔 때 물집진유도판(14)이 물의 흐름에 따라 자연스럽게 변동이 가능해 동력이 추가되지 않아도 된다는 것이 특징이 다.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 블레이드의 회전에 방해가 되는 부분의 저항을 자연스럽게 줄였을 뿐 아니라 그 줄인 저항을 블레이드가 회전하는데에 힘을 더해 발전을 최대한 많이 하게 했다는 것이 특징이며, 이로 인해 물의 속도를 증가시켜 블레이드 회전속도를 빠르게 하여 에너지를 더 많이 생산하게 함으로써 발전의 생산성을 개선하였다.

또한 물이 느리게 흐를 때 물을 집결시켜 속도를 증가시키는 집결장치를 사용할 수 있는 것이 특징이다. 강에서도 사용가능하며 이 경우는 한쪽으로만 물이 흐르기에 아래쪽에 있는 물집진유도판(14)이 필요없어지며 위쪽에 있는 물집진유도판의 경우도 토션스프링(23) 또한 필요 없게 된다.

본 발명품은 강이나 냇가에서 소형으로 발전가능하지만 특히 수심이 20-30m가 되는 바다에서는 1기당 5-20MW의 대형 발전기를 설치가능하기에 비용대비 효율성도 매우 높을뿐 아니라 단위면적대비 효율성 면에서도 크기에 상업성이 매우 뛰어나다. 또한 초속 1-2M/S의 물의 흐름에서도 발전가능하다는 것이 큰 장점이다.

이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 강이나 냇가에서는 물론이고 물의 흐름이 바뀌는 해양에서 물살이 센 곳은 물론 약한 곳도 가능하고 대규모발전이 가능해 신재생에너지 산업에서 물은 공기에 비해 밀도가 840여배나 높기 때문에 조류발전이 부각되는 것에 크게 기여할 것이다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 양방향조류발전기의 평면도로서, 보강재(12)들로 보강된 세로집진판(11)에 경첩(21)으로 연결된 물집진유도판(14)이 물을 블레이드(13)가 도는 방향으로 유도해서 블레이드(13)를 더 빨리 돌게 하여 발전을 최대한 많이 하는 구조로 되어있다. 물이 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르게 되면 왼쪽에 있는 물집진유도판(14)이 스토퍼(24)에 지지되고 그 결과 a쪽에 흐를 물이 b쪽으로 흐르게 되어 a쪽 블레이드에 저항을 없애주고 b쪽에 더 물살을 세게 만들어 발전을 많이 하게 하는 구조다.

이 경우 가 .부분에 있는 물집진유도판(14)은 물의 힘에 의해 물흐르는 반대방향인 오른쪽으로 젖혀지지만 이해를 돕기 위해서 도 1처럼 그려놓은 것이다. 물이 반대로 바뀌면 오른쪽에 있는 블레이드가 가.부분의 그림처럼 제자리로 오고 왼쪽 하단에 있는 물집진유도판(14)은 반대로 젖혀진다.

도 2는 물집진유도판(14)이 있는 도 1의 가. 부분의 상세도로서, 오른쪽방향으로 물이 흐를때 물집진유도판(14)이 물흐름과 같은 방향인 오른쪽으로 젖혀지고 물의 흐름이 강할수록 물의 압력으로 인해 도 2-b에서 보듯이, 물집진유도판 14e 14a 14c를 거쳐 스토퍼 24c로 인해 멈춰 14b의 위치로 고정되어 세로집진판(11) 가까이 붙게 된다.

물흐름방향이 왼쪽방향으로 변하게 되면 물집진유도판(14)이 왼쪽으로 제껴져 14d의 위치로 가서 스토퍼(24)에 의해 멉춰 집진역할을 하며 이로 인해 물흐름을 빠르게 하여 블레이드를 빨리 돌게 하여 발전을 많이 하게 된다. 물살이 셀 경우를 대비해서 스토퍼 24a뿐만 아니라 경첩에 미니스토퍼인 24b를 설치해 견고하게 했 다.

만일 유속이 빨라 집진역할이 필요없을 경우에는 세로집진판(11)이 11나 .가 11가.와 일직선의 위치게 있게 되며, 즉 집진장치가 필요가 없어져서 세로집진판(11)이 14a의 위치에 있게 되어 발전장치의 설치면적을 4분의 1가량으로 줄일 수 있어 단위면적당 발전량을 증가시킬 수 있고 비용도 크게 줄일 수 있다.

이 경우, 물집진유도판(14)은 14d와 14e사이에서 움직이게 되며, 14a의 위치에 있는 세로집진판(11)과의 사이에 이격되기 쉽도록 아주 작은 스토퍼가 위치하게 해서 물의 방향이 바뀌었을 때 자연스럽게 14d의 위치로 가게 하면 좋다.

도 3은 본 발명품의 형상에 대한 이해를 돕기 위한 측면사시도로서, 도 1에서 설명을 했듯이 좌에서 물이 흐를 경우 물집진유도판(14)에 의해 물이 블레이드(13) 한쪽으로 몰리게 되어 블레이드회전이 더욱 빨라지고 그 결과 발전을 더 많이 하게 되며 물흐름과 반대쪽에 있는 물집진유도판(14)은 자연스럽게 밀리게 되어 본연의 기능이 해제된다. 본 도면 역시 물집진유도판(14)이 두 개 모두 블레이드를 향해 있지만 실제로 작동시에는 한 개는 물살의 힘의 의해 밀리게 되어 젖혀지게 된다.

만수위가 블레이드 끝보다 더 낮다면 수면자체가 블레이드측판(31)역할을 하므로 상부에는 블레이드측판(31) 댈 필요가 없어지게 된다.

도 4는 가로보강재(71)의 위치를 표시한 측면도로서, 세로집진판(11) 상하에 가로보강재(71)가 놓여있고 여기에 고정된 베어링(42)이 블레이드의 중심에 있는 샤프트(17)가 물의 압력에 의해 밀리는 것을 막아 발전을 원활하게 하는 구조를 보여준다.

도 5는 보강재를 표시한 정면에서 본 단면도로서, 세로집진판(11)이 활모양으로 되어 있어 블레이드가 있는 부분이 좁기 때문에 물이 빠르게 흐르게 되면 세로집진판(11)에 강한 압력이 있게 되므로 가로 및 세로 보강재(12)를 설치하여 견고하게 하여야 한다.

도 6은 유속이 낮은 곳의 측면도와 정면도로서, 유속이 매우 낮은 곳은 발전이 불가능하므로 물을 집결시켜 인위적으로 빠르게 할 필요가 있기에 아래부분을 확장해서 사용할 수 있다. 측면도 6-a에서 가.부분이 확장되어 확장된만큼 많이 물이 유입되게 되고 도 6-b 역시 정면도로서 나.부분이 확장되었고 그만큼 유입이 많다는 것을 알 수 있다.

도 7은 가로보강재를 표시한 평면도로서, 보강재(71a, 71c, 71d, 71e)는 그림처럼 뒤틀림을 방지하기 위해 가로를 넓게 설계한다. 물의 방향이 바뀌는 곳에 설치할 경우에 보강재 71c와 71d는 인장강도와 압축강도가 모두 있는 재질을 고려해야 한다.

가로보강재 71a와 71e는 샤프트축의 끝을 연결하게 되어 블레이드 무게를 지탱하는 역할을 하므로 견고하고 또한 와이어가 고정되는 곳이기에 인장강도를 고려한 보강재를 사용해야 한다.

도 8은 고정대(81)에 와이어(82)로 본 발명품(83)를 고정한 평면도로서, 고정대(81)에 여러 개의 와이어를 이용하여 본체와 고정시킨다.

도 9는 고정대(81)에 설치한 상태의 측면도로서, 고정대(81)를 바닥에 고정시키 고 9-24개의 와이어를 본체 곳곳에 연결하여 고정대(81)의 한 곳으로 집중시킨다. 수위가 낮아지면 본체가 낮아지고 상하이동바퀴(111)도 자연스럽게 a방향으로 내려오게 된다.

도 10은 만수위일 때 고정대(81)의 종단면도(10-a)와 횡단면도(10-b)로서, 도 10-a에서 물 높이가 변하게 되면 본체의 높이가 변하게 되고 본체에 매달린 와이어가 내려오게되면 바퀴지지축(112)에 고정되어 있는 상하이동바퀴(111)가 상하로 천천히 이동하게 된다. 이 때의 베어링(42)에 부착된 와이어연결판(101)에 고리를 만들어 와이어를 설치해 본체와 연결하면 된다. 상하이동바퀴(111)를 넣고 빼려면 바퀴홈덮개(122)를 열고 닫아 사용하면 된다. 해류의 방향이 바뀌는 곳에서 줄을 이어 계속 본 발명품을 배치한다면 하나의 고정대(81)를 이용해 앞뒤 본체를 와이어로 고정할 수 있으므로 경제적이다.

고정대(81)의 상하이동바퀴(111)가 있는 횡단면도 10-b는 C자형 바퀴홈(121) 안에 상하이동바퀴(111)가 안치되어 본체의 높낮이에 의해 상하이동을 한다.

도 11은 부력체(91)를 지지한 고정대(81)를 그린 측면도로서, 거의 한덩어리가 된 세로집진판(11) 집진밑판(16) 블레이드(13) 발전기(15) 등의 구조물이 만수위와 저수위 사이를 오르내리도록, 바퀴지지축(112)에 베어링으로 열결된 상하이동바퀴(111)가 설치되어, 본체 측면에 설치된 2개의 고정대(81)에 파인 바퀴홈(121)을 통해 상하 이동하는 구조로 되어 있다.

아래에 있는 바퀴지지축(112)은 가로보강재(71)인 도 7의 71a, 71e 및 집진밑판(16)과 바로 연결이 되어야 하지만 그 위로 베어링(42)으로 지지된 블레이드 샤 프트(17)가 지나가고 있기에 바로 연결이 불가능하여 여러 쌍의 연결보조물(113)을 만들어 이들과 연결하여 물살을 이겨내는 구조로 되어 있다. 이 때 부력체(91)에 무게가 실려 실제로는 바퀴지지축(112)에는 무게가 실리지 않고 물의 압력에 의해 수평방향으로 압력이 작용한다는 것을 고려해야 한다. 여기서의 연결보조물(113)은 가로보강재(71)들이 견고하다면 와이어로 해도 문제가 되지 않는다. 다만 와이어를 사용할 경우, 바퀴지지축(112)이 블레이드 샤프트(17)에 닿지 않도록 일정간격을 이격시키기위한 고정물을 따로 설치하는 것이 필요하다. 이것이 싫다면 집진밑판(16) 바로 위에 베어링(42)을 위치시키는 것을 고려해야 한다.

이 그림은 현재수위일 때의 상태이며 만일 만수위라면 부력체(91) 등이 더 위로 올라가야 하며 저수위일 때는 현재수위와 저수위의 차이만큼 더 내려가야 한다는 것을 알 수 있다.

위쪽 바퀴지지축(112)부분의 가로보강재(71), 베어링(42), 연결보조물(113)은 아래쪽 바퀴지지축(112)부분의 가로보강재(71), 베어링(42), 연결보조물(113)과 대칭되는 구조인데 이 도면에는 생략되었기에 설계시 고려해야 한다.

도 12는 부력장치를 지탱하는 고정대(81) 부분의 상세도로서, 12-a는 측면에서 본 부력장치를 지탱하는 부분의 종단면도이며 12-b는 정면에서 본 부력장치를 지탱하는 부분의 횡단면도이고 12-c는 정면에서 본 부력장치를 지탱하는 부분의 종단면도이다.

도 12-a의 경우 바퀴홈덮개(122)는 만수위 때의 높이를 고려하여 고정대(81)의 높이를 충분히 높게 하면 설치가능하고 고정대(81)가 물의 압력에 의해 한쪽으로 쏠리거나 바퀴홈측판(124)이 일정간격을 유지하도록 뒤틀림방지판(128)을 부착하며 바퀴지지축(112)에 부착된 베어링(42)위에 상하이동바퀴(111)가 바퀴홈(121)에서 상하로 이동하게 된다.

여러 발전기를 도 14처럼 함께 연결해 사용시에는 옆 발전기와 바퀴지지축(112)을 연결해서 공동으로 고정대(81)을 사용해야하므로 뒤틀림방지판(128)은 사용하지 않고 바퀴홈덮개(122)가 그 역할을 다하도록 설계해야 한다.

도 12-b의 경우 바퀴홈측판(124)으로 둘러싸인 바퀴홈에 상하이동바퀴(111)가 위치한 가로단면도를 그린 것으로 고정된 바퀴지지축(112)에 베어링이 있어 상하이동바퀴(111)가 자연스럽게 회전할 수 있게 되어 있다.

도 12-c의 경우 정면에서 본 세로단면도이므로 실제로는 바퀴지지축(112)을 중심으로 절단했을 때 바퀴홈측판(124)이 존재하지 않고 조금 떨어져 있지만 이해를 돕기 위해 점선으로 표시한 것이다. 12-c는 위쪽 바퀴지지축(112)을 그린 것이므로 부력체(91)가 바퀴지지축(112) 위쪽에 위치해 있다.

이 경우 부력장치를 지탱하기 위한 고정대(81)의 비용이 많이 들긴 하지만 바닥부분보다 윗부분의 유속이 현저히 빠른 경우나 바닥이 불안정하거나 불규칙한 경우에는 효율적으로 적용될 것이다.

이처럼 부력장치를 이용하여 상하 이동하게 할 경우 밑에 수위차이만큼의 공간이 있어 효율성이 떨어진다고 판단된다면 집진밑판을 땅바닥에 고정시키는 방법을 택하면 물을 더 많이 이용할 수 있다.

도 13은 대량으로 발전하는 경우 고정대(81)가 본체의 앞뒤에 있는 배치도로서, 강이나 바다에서 규칙적인 배열을 통해 고정대(81)를 공용하여 비용대비 효율적인 발전을 할 수 있다. 서로 이어 배치하게 되면 공간을 효율적으로 이용할 수 있을 뿐 아니라 서로 더 견고하게 결속되어 안정감이 생긴다.

이 그림에는 집진장치가 있기 때문에 면적을 많이 차지하지만 유속이 빠르다면 집진장치가 필요없어 공간이 4분의 1정도 밖에 차지하지 않아서 적은 면적에서도 많은 양의 에너지를 생산할 수 있다. 또한 이 경우 고정대의 위치를 본체의 모서리쪽에 위치하게 설계해 옆 본체와 공용한다면 더욱 집약적으로 배치할 수 있다.

도 14는 대량으로 발전하는 경우 고정대(81)가 본체의 측면에 있는 배치도로서, 고정대(81)가 본체의 측면에 위치한 경우의 규칙적인 배열을 그린 것으로 이 역시 유속이 빠르다면 집진장치가 필요없기 때문에 공간이 4분의 1정도 밖에 차지하지 않아 이 역시 효율적인 발전을 하게 된다.

도 1은 양방향조류발전기의 평면도

도 2는 물집진유도판(14)의 상세도

도 3은 본 발명품의 형상에 대한 이해를 돕기 위한 측면사시도

도 4는 가로 보강재를 표시한 측면도

도 5는 보강재를 표시한 정면에서 본 단면도

도 6은 유속이 낮은 곳의 측면도와 정면도

도 7은 가로보강재를 표시한 평면도

도 8은 고정대(81)에 와이어(82)로 본 발명품(93)를 고정한 평면도

도 9는 고정대(81)에 설치한 상태의 측면도

도 10은 만수위일 때 고정대(81)의 종단면도(10-a)와 횡단면도(10-b)

도 11은 부력체(91)를 지지한 고정대(81)를 그린 측면도

도 12는 부력장치를 지탱하는 고정대(81) 부분의 상세도

도 13은 대량으로 발전하는 경우 고정대(81)가 본체의 앞뒤에 있는 배치도

도 14는 대량으로 발전하는 경우 고정대(81)가 본체의 측면에 있는 배치도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

11. 세로집진판 12. 보강재

13. 블레이드 14. 물집진유도판

15. 발전기 16. 집진밑판

17. 샤프트 21. 경첩

23. 토션스프링 24. 스토퍼

31. 블레이드측판 42. 베어링

71. 가로보강재 81. 고정대

82. 와이어 83. 본발명품

91. 부력체 101. 와이어연결판

111. 상하이동바퀴 112. 바퀴지지축

113. 연결보조물 121. 바퀴홈

122. 바퀴홈덮개 124. 바퀴홈측판

127. 베어링 128. 뒤틀림방지판

Claims (2)

1. 강은 물론 물의 흐름이 바뀌는 바다에서 발전하는데 있어서, 블레이드에 필요없는 부분의 저항을 없애기 위해 보강재(12)가 부착된 세로집진판(11)에 경첩(21)으로 연결된 물집진유도판(14)이 다수의 스토퍼(24)에 지지되어 물의 방향을 35-45도 정도 전환하여 그 전환된 힘으로 블레이드를 더욱 빨리 돌게 하며, 또한 반대쪽 물집진유도판(14)이 토션스프링(23)과 작은 스토퍼(24c)에 의해 멈춰 해류가 바뀌면 물집진유도판(14)이 물의 흐름에 따라 자연스럽게 변동이 가능해 동력이 추가되지 않아도 되며, 세로집진판(11)상하에 가로보강재(71)를 설치하고 중앙에 베어링(42)으로 지지된 샤프트(17)가 블레이드가 밀리는 것을 막는 역할을 하며, 이 가로보강재(71)에 수위에 따라 움직이는 부력체(91)에 의해 일정한 높이에 유지되는 본체와 연결된 와이어(82)를 따라 상하로 움직이는 상하이동바퀴(111)를 C자형 바퀴홈(121)에 품고 있는, 본체 앞뒤에 2개의 고정대(81)에 연결하여 안착시켜 발전하는 것을 특징으로 하는 양방향조류발전기
2. 1항에 있어서 본체를 고정하는 또 다른 방법으로는 부력체(91)와 가로보강재(71) 상하에 고정된 바퀴지지축(112)에 베어링으로 열결된 상하이동바퀴(111)가, 본체 측면에 설치된 2개의 고정대(81)에 파인 바퀴홈(121)을 통해 상하 이동하는 구조로 되어 있고, 깊이에 비해 강의 폭이 넓을 때 고정대(81)에 와이어(82)를 본체와 연결함에 있어서, 규칙적인 배열을 통해 고정대(81)를 공용하여 비용대비 효율적인 발전을 할 수 있고 이로 인해 더욱 견고하게 결속되어 안정감있게 발전할 수 있는 것을 특징으로 하는 조류발전장치.

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