KR101260037B1 - 파력 발전용 방파제 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파력 발전용 방파제에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 파력 발전용 방파제는 방파제 몸체와, 상기 방파제 몸체의 일측면에 형성된 유입구에서 방파제 몸체의 내측으로 형성된 사각형 단면을 가지는 수평 유로와, 상기 수평 유로와 연결되어 상기 방파제 몸체의 상부면으로 연결된 진동 수주와, 상기 수평 유로 내부에 설치되어 유입되는 해수에 의해서 일방향으로 회전되는 횡류 터빈부와, 상기 진동 수주의 공기 배출구측에 설치되어 상기 진동 수주 내부에서 상하로 진동되는 해수에 의해서 회전되는 웰즈 터빈부를 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

파력 발전용 방파제 {a break water for wave power generation system}

본 발명은 파력 발전용 방파제에 관한 것으로서, 파랑에너지를 전기에너지로 변환시키는 파력 발전 설비를 방파제에 설치되어 파력을 효율적으로 이용할 수 있는 방파제에 관한 것이다.

해수를 이용한 발전은 대부분 조수간만의 차이가 큰 연해나 연안에 거대한 댐을 건설하여, 만조시에는 해수를 담수 하였다가 간조시에는 방류하여 그 낙차를 이용하여 발전기용 터빈을 회전시키는 조력 방식이 적용되어 왔다.

그러나 이같은 조력발전은 조수간만의 차이가 큰 일부의 지역에만 적용가능하고 넓은 범위의 연해나 연안에 거대한 댐을 건설하여야하기 때문에 막대한 시설비용이 필요할 뿐만 아니라, 바다의 일부를 바다와 차단하게 되므로 생태계를 파괴하는 문제점이 있었다. 또한, 많은 어류가 터빈을 통과하는 과정에서 어류폐사가 일어나고, 무엇보다도 간조시에만 발전이 가능하여 만조시에는 발전이 불가능함으로 발전효율이 떨어지는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 거대한 댐을 건설하지 않고도 기존 항만시설인 방파제를 이용하여 발전할 수 있도록 하는 파력발전 방파제가 연구되고 있으며, 대한민국 특허청에 출원된 출원번호 제10-2006-0091345호, 제10-2006-0091345호 등이 이러한 파력 발전용 방파제에 관한 것이다.

그러나, 이러한 파력 발전용 방파제는 파력 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 변화시키지 못한다는 단점이 있었다.

본 발명의 목적은 파력 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 파력 발전용 방파제를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 파력 발전용 방파제는 방파제 몸체와, 상기 방파제 몸체의 일측면에 형성된 유입구에서 방파제 몸체의 내측으로 형성된 사각형 단면을 가지는 수평 유로와, 상기 수평 유로와 연결되어 상기 방파제 몸체의 상부면으로 연결된 진동 수주와, 상기 수평 유로 내부에 설치되어 유입되는 해수에 의해서 일방향으로 회전되는 횡류 터빈부와, 상기 진동 수주의 공기 배출구측에 설치되어 상기 진동 수주 내부에서 상하로 진동되는 해수에 의해서 회전되는 웰즈 터빈부를 포함되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 수평 유로의 유입구는 내측으로 폭과 높이가 점차적으로 감소하는 나팔관 형상임을 특징으로 한다.

또한, 상기 수평 유로의 유입구의 내측면은 타원형 곡면을 이루는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 수평 유로는 상기 유입구측에 연결되어 횡류 터빈부의 하측에 연결되는 제1 수평 유로와, 상기 진동 수부와 연결되어 횡류 터빈부의 상측에 연결되는 제2 수평 유로로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 파력 발전용 방파제는 횡류 터빈부와 진동 수주를 이용한 웰즈 터빈부를 이용하여 파력 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파력 발전용 방파제를 도시하는 개념단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파력 발전용 방파제를 도시하는 개념평면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수평 유로를 상세히 도시한 개념도.
도 4는 유입구 형상에 따른 수두손실계수의 변화를 도시하는 개념도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파력 발전용 방파제를 이용한 전력 계통도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파력 발전용 방파제를 도시하는 개념단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 파력 발전용 방파제는 방파제 몸체(10)와, 상기 방파제 몸체의 일측면에 형성된 유입구에서 방파제 몸체의 내측으로 형성된 사각형 단면을 가지는 수평 유로(20)와, 상기 수평 유로(20)와 연결되어 상기 방파제 몸체의 상부면으로 연결된 진동 수주(40)와, 상기 수평 유로 내부에 설치되어 유입되는 해수에 의해서 일방향으로 회전되는 횡류 터빈부(30)와, 상기 진동 수주(40)의 공기 배출구측에 설치되어 상기 진동 수주(40) 내부에서 상하로 진동되는 해수에 의해서 회전되는 웰즈 터빈부(50:wells turbine)를 포함하여 이루어진다.

파랑은 일정한 주기를 갖는 사인파와 유사한 특징을 가지며, 이는 수심이 얕아질수도록 상하 운동보다는 전후 운동이 활발하게 일어난다. 방파제에 적용되는 파력 발전 설비는 파랑의 이러한 성질을 이용하여 해수의 흐름에 의해 직접 구동되는 횡류 터빈부(30)와 진동 수주(40)의 상부에 설치된 웰즈 터빈부(50)을 통해서 전기에너지로 변환한다.

상기 횡류 터빈부(30)는 파랑 에너지에 의해 해수가 수평 유로(20)를 따라 흐를 때 터빈 날개에 작용되는 힘을 이용하여 회전되도록 수평 유로(20) 내부에 수평으로 설치되며, 해수가 흐르는 방향이 바뀌어도 한 방향으로만 회전되도록 설치된다.

그리고 진동 수주(40)는 상기 수평 유로(20)와 연결되어 상기 방파제 몸체의 상부면으로 연결되며, 파랑에 의해 주기적으로 변하는 수면의 높이 변화를 공기 압력으로 변환시켜주는 역할을 한다.

또한, 웰즈 터빈부(50)는 상기 진동 수주(40)의 상부에 설치되며, 공기의 흐름에 의해 일방향으로 회전되는 웰즈 터빈을 이용하고, 상기 웰즈 터빈의 효율을 높이기 위하여 안내깃(guide vane)이 상기 웰즈 터빈의 상하부에 각각 설치되는 것이 바람직하다. 이러한 웰즈 터빈부는 파력 발전에서 많이 이용되는 것을 상세한 설명은 생략하기로 한다.

구체적으로, 유입구(21)를 통해서 해수가 유입되면, 횡류 터빈부(30)의 날개에 힘을 가하여 터빈을 회전시키게 되고, 진동 수주(40) 내부의 수위를 상승시키게 된다.

이때 진동 수주(40) 내부의 공기 압력이 상승하므로 공기는 진동 수주(40) 상측에 수직으로 설치된 웰즈 터빈부(50)의 터빈을 구동시키면서 대기로 배출된다.

반대로 해수가 방파제 외부로 배출되면, 진동 수주(40)의 수위가 낮아지고, 해수의 유동에 의해 횡류 터빈부 및 웰즈 터빈부가 가동된다.

여기서, 상기 횡류 터빈부(30)와 웰즈 터빈부(50)에서 생산되는 전력을 높이기 위해서는 해수 유량을 증가시켜야 하며, 이러한 해수 유량은 해상기상상태에 따라 달라지기 때문에 인위적으로 조절하기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명에서는 해수가 수평 유로와 진동 수주측으로 유입되는 과정에서 파랑이 가진 에너지의 손실을 줄이고자 유입구 형상을 내측으로 폭과 높이가 점차적으로 감소하는 나팔관 형상으로 한다.

파랑이 가진 에너지 손실은 돌연축소관인 유입구 형상에 따른 수두 손실을 의미하며, 수두 손실을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

H_L : 수두손실 (m)

K : 수두손실계수

V : 유체의 속도 (m/s)

g : 중력가속도 (m/s²)

도 4는 유입구 형상에 따른 수두손실계수의 변화를 도시하는 개념도이다.

도 4에 도시된 바와 같이 수두손실계수는 타원형인 경우 가장 작게 나타나면 따라서, 수평 유로의 유입구의 내측면은 타원형 곡면을 이루는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파력 발전용 방파제를 도시하는 개념평면도이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수평 유로를 상세히 도시한 개념도이다.

유입구를 설계하기 위해서는 4개의 변수를 필요로 하며, 변수에 대한 비율은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

도 2와 도 3에 도시된 a, b, c, d는 유입구의 형성을 결정하는 변수이며, e, f는 횡류 터빈부의 치수에 따른 수평 유로의 크기에 의해 결정된다.

여기서, 도 2의 a와 b는 좌우 곡면을 정하기 위한 변수이고, e는 수평 유로의 폭이다. 그리고, 도 3의 c와 d는 상하 곡면을 정하기 위한 변수이고, f는 수평 유로의 높이를 나타낸다.

특히, e와 f는 횡류 터빈부에 따른 수평 유로의 크기에 의해 결정된다.

따라서, 유입구의 내측면 중 좌우 곡면은 아래의 타원방정식을 이용하여 구하게 되며, 상하 곡면도 이러한 방정식을 이용하게 된다.

도 3에 도시된 바와 같이 수평 유로(20)는 상기 유입구(21)측에 연결되어 횡류 터빈부(30)의 하측에 연결되는 제1 수평 유로(22)와, 진동 수부와 연결되어 횡류 터빈부(30)의 상측에 연결되는 제2 수평 유로(24)로 이루어진다.

즉, 상기 제1 수평 유로(22)는 횡류 터빈부(30)의 하부측 날개를 통해서 횡류 터빈을 회전시키고, 상기 제2 수평 유로(24)는 횡류 터빈부(30)의 상부측 날개를 통해서 회전시키게 된다.

따라서, 제1 수평 유로(22)와 제2 수평 유로(24)는 일정한 단차를 가지도록 설계되어야 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 파력 발전용 방파제를 이용한 전력 계통도이다.

도 5에 도시된 바와 같이 횡류 터빈부와 웰즈 터빈부에는 각각 발전기가 설치되고, 각 발전기에서 생산된 전력은 각 전력 제어기에서 정류 및 스위칭된 후, 복합 발전 전력 제어기를 통하여 축전지, 부하(직류), 인버터(계통 연계형)로 공급된다.

이상과 같이 본 발명은 파력 발전용 방파제를 제공하는 것을 주요한 기술적 사상으로 하고 있으며, 도면을 참고하여 상술한 실시 예는 단지 하나의 실시 예에 불과하므로 본 발명의 진정한 범위는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

10: 몸체
20: 수평 유로
21: 유입구
22: 제1 수평 유로
24: 제2 수평 유로
30: 횡류 터빈부
40: 진동 수주
50: 웰즈 터빈부

Claims (4)

1. 방파제 몸체와;
   상기 방파제 몸체의 일측면에 형성된 유입구에서 방파제 몸체의 내측으로 형성된 사각형 단면을 가지는 수평 유로와;
   상기 수평 유로와 연결되어 상기 방파제 몸체의 상부면으로 연결된 진동 수주와;
   상기 수평 유로 내부에 설치되어 유입되는 해수에 의해서 일방향으로 회전되는 횡류 터빈부와;
   상기 진동 수주의 공기 배출구측에 설치되어 상기 진동 수주 내부에서 상하로 진동되는 해수에 의해서 회전되는 웰즈 터빈부;를 포함되는 것을 특징으로 하는 파력 발전용 방파제.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 수평 유로의 유입구는,
   내측으로 폭과 높이가 점차적으로 감소하는 나팔관 형상임을 특징으로 하는 파력 발전용 방파제.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 수평 유로의 유입구의 내측면은,
   타원형 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 파력 발전용 방파제.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 수평 유로는,
   상기 유입구측에 연결되어 횡류 터빈부의 하측에 연결되는 제1 수평 유로와;
   상기 진동 수부와 연결되어 횡류 터빈부의 상측에 연결되는 제2 수평 유로;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파력 발전용 방파제.
   

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