KR101222187B1 - 조류발전용 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조류 및 수류 발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 조류 및 수류발전을 위해 조류 및 수류에 따라 수차발전기에 설치되어 회전할 수 있도록 설치되는 블레이드가 대형의 크기에서도 지나친 하중을 갖지 않도록 제작될 수 있게 블레이드 외형을 갖는 블레이드외판을 제작한 후 블레이드 외판 내부에 충진액을 충진하여 경화시켜 충진체를 구성하도록 함으로써 적정 하중을 갖도록 한 것이다. 이러한 구성을 통해 블레이드를 알루미늄, 강화프라스틱(FRP) 등 경금속 또는 합성수지로 제작할지라도 비어있는 내부 공간으로 인한 부력이 존재함을 예방하여 블레이드를 수중에 설치하고 운용하기 어려웠던 문제를 해결할 수 있도록 하였다.
[색인어]
조류발전, 브레이드, 수차발전기, 지주체, 블레이드외판, 충진액, 충진체

Description

조류발전용 블레이드{A BLADE FOR TIDAL CURRENT POWER}

본 발명은 조류 및 수류 발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 조류 및 수류발전을 위해 조류 및 수류에 따라 수차발전기에 설치되어 회전할 수 있도록 설치되는 블레이드가 대형의 크기에서도 지나친 하중을 갖지 않도록 제작될 수 있게 블레이드 외형을 갖는 블레이드외판을 제작한 후 블레이드 외판 내부에 충진체를 충진함으로써 적정 하중을 갖도록 한 것이다.

이러한 구성을 통해 블레이드를 저가의 알루미늄, 강화프라스틱(FRP) 등 경금속 또는 합성수지로 제작할지라도 비어있는 내부 공간으로 인한 부력이 존재함을 예방하여 블레이드를 수중에 설치하고 운용하기 어려웠던 문제를 해결할 수 있도록 한 것이다.

조류발전은 조류가 빠르게 흐르는 해저에 블레이드가 장착된 수차발전기를 설치한 뒤 조류의 힘에 의해 수차발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 것이다. 특히 조류발전은 기후변화나 계절에 관계없이 발전이 항시 가능하고 신.재생에너지 중 유일하게 발전 가능량을 예측할 수 있는 에너지원이라 할 수 있다. 그러나 조류에너지의 변환, 구조물설계와 시공, 발전시스템의 적용과 운용등 복합적인 기술이 요구되고 있어 선진국인 미국, 독일, 노르웨이에서도 비교적 최근에야 연구를 시작한 상태로서 특히 영국은 300kW급 시플로우(SeaFlow)·1.2MW급 시젠(SeaGen) 프로젝트 등을 추진하면서 설계 및 제조에서 3~5년 정도 앞선 것으로 보이며 국제표준을 주도해 자국 산업의 경쟁력 강화에 크게 노력하고 있다.

우리나라는 전남 울돌목에 1MW급 실증단지 조성을 완료하였으며 아울러 100kW급 조류발전에 대하여는 실증 단계이고 300kW급은 실증을 시작한 상태이다. 특히 울둘묵에 설치된 조류발전시설의 구조체는 무게가 1,000여톤에 달하는 거대한 구조물로 구성되며, 상부하우스 높이까지 포함하면 높이가 48m에 이르는 대형의 규모를 갖고 있다.

한편, 조류를 이용하는 경우 표준상태(20℃,1기압,상대습도75％)에서의 공기밀도가 약 1.2라 할 경우 공기밀도보다 물의 밀도가 약 830배 이상 큼으로써 풍력을 이용한 프로펠러보다 수차발전기의 블레이드는 그 크기를 보다 작게 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 풍력을 이용하는 경우에는 통상적으로 풍속이 초속 10~20m내외로 그 속도가 빠른 반면 조류의 속도는 국내의 경우 초속 2~5m 내외가 대부분이다.

한편, 조류발전용 블레이드를 대형화 할 경우 조류속도가 낮다 할지라도 저속의 블레이드 회전을 가속기어박스를 이용하여 빠른 속도로 변환시킨 후 발전기를 회전시킬 수 있도록 하는 기술의 확보가 가능하게 될 수 있는 효과를 얻을 수 있게 되는 장점이 있다.

따라서, 구조체의 시설에 따르는 비용을 크게 낮출 수 있으면서도 대형의 조류발전용 블레이드를 간편하게 설치하여 운용할 수 있는 조류발전용 블레이드의 개발이 필요하였다.

즉, 수면에서부터 해저바닥까지의 깊이가 40m이고 조류간만의 차가 6m 일 경우 조류가 형성되는 깊이는 34m 에 달해 한쪽의 브레이드 길이가 15미터 이상이어도 가능하다는 결론이고 그만큼 조류발전의 양도 늘어날 수 있게 된다.

그런데 이러한 대형의 조류발전용 블레이드를 제작하게 되는 경우 풍력발전용 블레이드처럼 강화프라스틱(FRP)이나 알루미늄 재질로 블레이드를 제작하게 되는 경우 블레이드외판 안쪽의 내부공간이 비어있어 이러한 블레이드를 수중에 설치되는 수차발전기에 적용하게 될 경우 재질의 비중과 내부공간을 차지하고 있는 공기로 인해 부력이 작용하게 됨으로 침강자체가 어려울뿐 아니라 수차발전기의 하중으로 인해 설령 침강이 이루어졌다 할지라도 블레이드에 작용하는 부력으로 인해 충분한 회전력을 구하기에는 어려운 문제점이 있을 수 밖에 없었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 선박용 프로펠러와 같이 동합금등을 사용하게 되는 경우에는 대형의 블레이드의 경우에는 지나친 하중이 오히려 문제를 야기시킬 수 있을 뿐 아니라 고가의 제작비가 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 조류 및 수류 발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 조류 및 수류발전을 위해 조류 및 수류에 따라 수차발전기에 설치되어 회전할 수 있도록 설치되는 블레이드가 대형의 크기에서도 고가의 제작비를 절감함은 물론 지나친 하중을 갖지 않도록 제작될 수 있도록 블레이드 외형을 갖는 블레이드외판을 제작한 후 블레이드 외판 내부에 하중을 보완할 수 있는 충진액을 주입하여 경화시켜 충진체를 구성하게 함으로써 적정 하중을 갖도록 한 것이다. 이러한 구성을 통해 블레이드를 저가의 알루미늄, 강화프라스틱(FRP) 등 경금속 또는 합성수지로 제작할지라도 비어있는 내부 공간의 부력을 저감시켜 경제적인 블레이드의 공급은 물론 수중에 설치하거나 운용하기가 용이한 기술을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

본 발명은 조류 및 수류 발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드로서, 블레이드 외형에 의해 제작된 일정 두께로 이루어진 블레이드 외판과; 블레이드 외판 내부에 채워지는 충진체와; 상기 블레이드 외판의 내부에 채워지는 충진체 내부에 매립되는 지지망사를 포함하고, 상기 블레이드 외판은 하부에는 충진구가 상부에는 배출구가 형성되거나, 2등분으로 절개되어 내부에 상기 충진체가 채워지거나 부착된 후 결합되어 블레이드의 형태로 이루어지며, 상기 충진체는 시멘트액과 에폭시 제재와 우레탄제재와 실리콘을 포함하는 것으로 일정시간이 경과하면 경화되는 특성을 갖는 충진액으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

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본 발명은 조류 및 수류 발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 관한 것으로서,

블레이드를 알루미늄등 경금속, 강화프라스틱, 합성수지재질로 제작하도록 하되 일정한 두께를 갖는 블레이드외판 내부에 하중을 갖는 충진액을 채움으로써 경화된 충진체를 구성하도록 하여 블레이드에 적정 하중을 갖도록 하고 수중에 설치된 수차발전기에 설치된다할 지라도 부력에 의해 가동에 장애가 일어나는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 블레이드 제작 재질을 강판, 동판 등 금속재질에서 알루미늄등 경금속, 강화프라스틱, 합성수지재질로 변경하여 제작할 수 있어 블레이드 제작 단가를 크게 낮출 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 대형의 블레이드라 할지라도 하중을 크게 낮출 수 있어 축봉장치와 베아링에 걸리는 부하 하중을 크게 줄일 수 있어 마모에 의한 보전경비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다 하겠다.

물론, 블레이드 자체의 하중이 크지 않음으로써 회전에 따른 에너지 소모가 작아 발전효율을 높힐 수 있는 효과 또한 기대할 수 있다 하겠다.

도 1은 본 발명에 의한 수차발전기가 설치된 상태를 나타낸 개략도
도 2는 본 발명에 의한 충진체가 채워진 블레이드 단면도
도 3은 본 발명의 지지망사가 구성된 블레이드 부분 단면도
도 4는 본 발명에 의한 밸런스웨이트를 부착한 블레이드 외형도
도 5는 본 발명에 의한 블레이드 외판 내부에 충진액을 주입하는 모습을 그린 개략도

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 첨부된 도면과 함께 본 발명을 설명한다.

도 1은 지주체(4)에 설치된 수차발전기(1)의 형태를 표현한 개략도이다. 수차발전기(1)는 지주체(4)에 고정 설치되며 수차발전기(1)에는 조류에 의해 회전하도록 블레이드(2)가 설치된다. 블레이드(2)는 2개 이상의 다익형으로 설치되며 회전력은 블레이드고정축(3)에 연결된 샤프트를 통해 발전기를 회전시켜 전력을 생산하게 된다.

한편, 블레이드(2)는 그 형태가 여러 가지로 제작되어질 수 있다. 블레이드(2)의 외부형태에 따라 일정한 두께 즉, 소형의 경우 대체적으로 5mm 내외의 두께이며 대형의 경우 100mm 내외의 두께로 브레이드외판(7)이 제작되어지게 된다.

물론, 블레이드외판(7)은 알루미늄 또는 강화플라스틱(FRP) 또는 합성수지 등 비중이 가벼운 소재로 이루어지도록 함으로써 성형등에 따르는 제작단가를 줄임은 물론 동합금이나 철제류에 비해 제작의 편의성이 높도록 하였다.

블레이드외판(7) 하부에는 주입구(13)를 구성하고 블레이드(2) 상부에는 배출구(14)를 구성하였다. 블레이드외판(7) 하부의 주입구(13)에는 주입펌프(15)와 주입호스(16)로 연결하고 충진액(9)이 충진된 교반탱크(17)에서 연결배관(20)을 통해 교반된 충진액(9)을 주입펌프(15)를 이용하여 주입구(13)로 충진액(9)을 주입되도록 하였으며 충진액(9)이 블레이드외판(7) 내부에 차오르게 되되면 내부에 채워진 공기는 배출구(14)를 통해 외부로 배기되어지고 차오른 충진액(9)이 최종적으로 배출되어진다. 이때 충진액(9)의 충진을 멈추고 일정한 시간동안 정치하여 경화가 이루어지도록 조치하게 된다.

충진액(9)이 경화가 완료되어 충분한 강도를 갖는 충진체(8)로서의 형태를 굳히게 되면 주입구(13)와 배출구(14)를 다듬어 블레이드외판(7)의 여타부분과 같이 표면을 다듬질하여 가공 정리하게 된다. 충진체(8)를 형성하는 충진액(9)은 시멘트액 또는 에폭시 제재 또는 우레탄제재 또는 실리콘 등 일정시간이 경과하면 굳어져 경화되는 특성을 갖는 경화성 제재로 이루어진 재질이라면 모두 사용될 수 있다 하겠다. 시멘트액은 초속경시멘트액을 사용하게 되는 경우 경화시간을 크게 단축할 수 있는 효과도 있다.

또한, 하중을 적정하게 확보하기 위해 충진액(9)에 금속 분말 즉, 하중을 갖는 금속을 미세한 가루나 과립형태로 가공한 하중재(미도시)를 충진액(9)과 혼합 교반하여 블레이드외판(7) 내부에 주입하도록 하였다. 하중재는 금속분말 뿐 아니라 돌가루(석분) 뿐 아니라 비중이 높고 충진액과 혼합 교반이 가능한 재료인 경우에는 모두 무방하다 하겠다.

주입된 충진액(9)이 경화 후 형성된 충진체(8)가 블레이드(2)의 회전 과정에서 군열, 부분이탈 등 의 손상이 발생되지 않도록 블레이드외판(7) 내부에는 나일론사, 또는 강화프라스틱, 가는 철사등으로 이루어진 지지망사(19)를 채우도록 하여 경화된 충진채(8)를 지지할 수 있도록 하였다.

물론, 충진액(9)을 블레이드외판(7) 내부로 주입하는 공정없이 2등분으로 절개된 블레이드외판(7) 내부에 하중을 갖는 제재를 채우거나 부착한 후 블레이드외판(7)끼리 재 접합시켜 온전한 블레이드(2)의 형태를 갖추도록 제작할 수도 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 있다 할 것이다.

또한, 충진체(8)의 충진량의 차이등으로 인해 발생되는 하중의 불균형이 블레이드(2)의 회전중 진동 등을 유발할 수 있음으로 이를 방지하기 위해 블레이드외판(7)에는 밸런스웨이트(11)를 설치하여 균형된 회전이 이루어질 있도록 하였다.

밸런스웨이트(11)는 통상 자동차타이어휠에 부착하는 원리와 같으며 블레이드외판(7)에 비중이 높은 금속밴드를 고정핀(10)을 이용하여 부착하도록 하였다.

또한, 여기에서 말하는 블레이드(2)는 수직 축에 설치되는 통상의 프로펠러형태는 물론이거니와 수평축에 의해 회전하는 수평블레이드형태까지 총 망라한 것을 의미하며 조류 또는 수류에 의해 회전하는 모든 블레이드를 표현한 것으로 간주되어야 할 것이다.

미설명 부호 12는 블레이드(2)를 블레이드고정축(3)에 결합시킬 수 있도록 구성된 연장관이며 5는 해수면, 6은 해저바닥을 표시한다.

한편, 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (8)

1. 조류 및 수류 발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 있어서,
   블레이드 외형에 의해 제작된 일정 두께로 이루어진 블레이드 외판과;
   블레이드 외판 내부에 채워지는 충진체와;
   상기 블레이드 외판의 내부에 채워지는 충진체 내부에 매립되는 지지망사를 포함하고,
   상기 블레이드 외판은 하부에는 충진구가 상부에는 배출구가 형성되거나, 2등분으로 절개되어 내부에 상기 충진체가 채워지거나 부착된 후 결합되어 블레이드의 형태로 이루어지며,
   상기 충진체는 시멘트액과 에폭시 제재와 우레탄제재와 실리콘을 포함하는 것으로 일정시간이 경과하면 경화되는 특성을 갖는 충진액으로 이루어진 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드.
2. 삭제
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4. 청구항 1에 있어서,
   상기 충진체를 구성하는 충진액은 하중을 갖게 하는 하중재가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 블레이드외판에는 밸런스웨이트를 설치한 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 블레이드 외판은 알루미늄 또는 강화플라스틱(FRP) 또는 합성수지 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드.
   
8. 삭제

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