KR101400968B1 - 해양 에너지를 이용한 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 해양 에너지를 이용한 발전장치는, 밀물과 썰물의 흐름을 모두 사용하여 발전하는 것이 가능하며 파도의 운동에너지를 효과적으로 발전에 이용하는 것이 가능하도록, 바닷물의 수면에 위치하도록 설치되는 지지체와, 지지체에 회전축이 회전가능하게 고정되고 지지체의 아래에 수직방향으로 길게 설치되는 헬리컬 형태의 이중 블레이드를 사용하는 복수의 회전체와, 지지체에 상단부가 고정 설치되고 복수의 회전체를 각각 서로 다른 공간에 위치하도록 칸막이하며 조류의 이동방향에 대하여 교대로 서로 반대방향으로 지그재그 형태로 경사진 상태로 설치되는 케이싱과, 회전체의 회전축에 연결되고 회전축의 회전력을 발전기로 전달하는 동력전달장치를 구비하여, 양방향의 조류 발전을 구현하는 기술을 제공함에 기술적 특징이 있다.

Description

해양 에너지를 이용한 발전장치{ELECTRIC GENERATION DEVICE USING SEA ENERGY}
본 발명은 해양 에너지를 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 밀물과 썰물의 흐름을 모두 사용하여 발전하는 것이 가능하며 파도의 운동에너지를 효과적으로 발전에 이용하는 것이 가능하도록, 바닷물의 수면에 위치하도록 설치되는 지지체와, 지지체에 회전축이 회전가능하게 고정되고 지지체의 아래에 수직방향으로 길게 설치되는 헬리컬 형태의 이중 블레이드를 사용하는 복수의 회전체와, 지지체에 상단부가 고정 설치되고 복수의 회전체를 각각 서로 다른 공간에 위치하도록 칸막이하며 조류의 이동방향에 대하여 교대로 서로 반대방향으로 지그재그 형태로 경사진 상태로 설치되는 케이싱과, 회전체의 회전축에 연결되고 회전축의 회전력을 발전기로 전달하는 동력전달장치를 구비하여, 양방향의 조류 발전을 구현하는 해양 에너지를 이용한 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 전력을 생성하는 방식으로는 이용하는 힘의 근원에 따라, 물의 낙차를 이용하는 수력 발전, 연료의 연소열을 이용하는 화력 발전, 원자력을 이용하는 원자력 발전 등으로 분류한다.
최근에는 화력이나 원자력, 수력 등을 대체할 에너지원으로 풍력, 태양열, 태양광, 조류 등의 자연력을 이용하여 발전을 행하는 기술에 대한 관심이 새롭게 높아지고 있으며, 환경 친화적인 녹색 에너지로서 차세대 성장산업으로 각광을 받고 있다.
한편 바다의 에너지를 이용하는 조류발전의 경우에는 바다에 접한 지역이나 섬 지역의 경우에 적합한 발전 기술로써, 24시간 지속적으로 발전을 행하는 것이 가능하고, 발전시설의 건설비용도 풍력이나 태양광 등에 비하여 상대적으로 저렴하다는 이점이 있다.
조류발전은 파랑의 운동에너지를 1차 변환하는 방식에 따라 여러 가지로 분류할 수 있으며, 수면에 떠있는 부체가 파랑의 운동에 의하여 상하 또는 회전운동을 하도록 하여 발전기를 회전시키는 가동물체형 방식과, 파랑의 작용에 의하여 공기실 내의 수위가 변동함에 따라 공기실 내의 공기가 압축 또는 팽창될 때 노즐을 통하여 발생하는 공기흐름으로 터빈을 돌려 발전하는 진동 수주 방식 등이 있다.
그런데, 종래 제안된 조류발전 방식은 대부분 건설비 및 설치비가 많이 소요되어 발전단가가 태양열보다 비싸 보급에 장애가 되고 있다.
따라서 파도 에너지 또는 조류 에너지의 활용을 위해서는 제작단가가 싸고 설치가 쉬운 발전시스템의 개발이 필요한 실정이다.
또한 조류 에너지의 활용도를 극대화시키기 위해서는 밀물과 썰물 때 모두 발전이 이루어지는 방식으로 구현할 필요성이 있으며, 유체의 일 방향 또는 다 방향 흐름에 대해서도 일 방향으로 연속적으로 회전할 수 있는 회전체의 개발이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1287244호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 밀물과 썰물의 흐름을 모두 사용하여 발전하는 것이 가능하며 파도의 운동에너지를 효과적으로 발전에 이용하는 것이 가능하도록, 바닷물의 수면에 위치하도록 설치되는 지지체와, 지지체에 회전축이 회전가능하게 고정되고 지지체의 아래에 수직방향으로 길게 설치되는 헬리컬 형태의 이중 블레이드를 사용하는 복수의 회전체와, 지지체에 상단부가 고정 설치되고 복수의 회전체를 각각 서로 다른 공간에 위치하도록 칸막이하며 조류의 이동방향에 대하여 교대로 서로 반대방향으로 지그재그 형태로 경사진 상태로 설치되는 케이싱과, 회전체의 회전축에 연결되고 회전축의 회전력을 발전기로 전달하는 동력전달장치를 구비하여, 양방향의 조류 발전을 구현하는 해양 에너지를 이용한 발전장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치는, 부력을 갖는 물질로 구성되며, 바닷물의 수면(2)에 위치하도록 설치된 지지체(110); 상기 지지체(110)에 회전축이 고정되며, 상기 지지체 아래에 바닷물의 일부 또는 전부가 잠기도록 설치되어 바닷물의 흐름에 의해 회전축이 회전하는 복수의 회전체(140); 상기 지지체(110)의 하단부에 고정 설치되며, 상기 복수의 회전체(140)를 각각 칸막이로 구획하는 케이싱(150); 및 상기 회전체(140)의 회전축에 연결되며, 회전축의 회전에 의한 동력을 발전기로 전달하는 동력전달장치(120)를 구비하며, 상기 회전체(140)는, 회전 가능한 샤프트(10); 상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50); 상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되되, 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 회전반경 보다 작은 반경을 갖는 다수의 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60);층을 달리하는 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 1 터빈 블레이드(70); 및 층을 달리하는 상기 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함하고, 상기 케이싱(150)은, 조류의 이동방향에 대하여 서로 반대방향으로 교대로 지그재그 형태로 경사지게 설치되는 기술을 제공한다.
본 발명은 조류의 양방향 이동에 따른 해양 에너지를 모두 이용하는 것이 가능하고, 연속적인 발전 및 설치비 절감, 유지 보수가 용이한 기술적 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치의 작동상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치의 구성 중 회전체의 상세한 구조를 나타낸 것이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치(100)는, 지지체(110), 동력전달장치(120), 발전기(130), 회전체(140) 및 케이싱(150)을 포함하여 구성된다.
지지체(110)는 바닷물의 수면(2)에 위치하도록 설치되는데, 이 경우 지지체(110)는 부력을 갖도록 제작하거나, 해안가에 접안된 형태로 제작하거나 또는 바다에 고정된 구조물로 제작할 수도 있다.
이를테면, 지지체(110)는 내부에 공기나 비중이 작은 재료(이를테면, 합성수지 폼 등)를 채워 물위에 잘 뜨는 구조로 제작하여, 동력전달장치(120), 발전기(130), 복수의 회전체(140), 케이싱(150) 등이 설치되는 경우에도 상기 동력전달장치(120)가 물에 잠기지 않도록 충분한 부력을 유지하는 형태로 제작함이 바람직하다.
또한, 지지체(110)에는 1개 또는 2개 이상의 고정 닻줄(12)을 바닥(13)에 설치하여, 지지체(110)가 파도에 쉽게 휩쓸려 이동하지 않도록 함이 바람직하다.
동력전달장치(120)는 복수 개의 회전체(140)를 구성하는 각각의 회전축에 연결되며, 회전체(140)의 회전축에 의한 회전동력을 발전기(130)로 전달하는데, 이 경우 동력 전달을 위해 기어, 풀리와 벨트, 체인과 스프로킷, 유압장치 등의 다양한 기계장치가 이용된다.
발전기(130)는 동력전달장치(120)로 회전 동력을 전달받아 조력발전을 위한 전기에너지를 발생시킨다.
회전체(140)는 케이싱(150)의 구획에 따라 복수 개 설치되어 바닷물의 흐름에 의해 회전축이 회전할 수 있도록 해주며, 바람직하게는 지지체(110) 아래의 바닷물에 일부 또는 전부가 잠기도록 설치한다.
이 경우 회전체(140)는 본 발명의 경우 지지체(110) 아래의 수직방향으로 길게 연장되는 상태로 설치되는 헬리컬 형태의 이중 블레이드를 사용하였지만(도2 참조), 이에 한정되지 아니하고 임펠러 형태, 프로펠러 형태, 터빈 형태 등을 실시할 수 있음은 당연하다.
케이싱(150)은 지지체(110)의 하단부에 고정 설치되며, 복수 개의 회전체(140)를 각각 서로 다른 공간에 위치하도록 하는 칸막이 역할을 한다.
도 3에 도시된 바대로, 케이싱(150)은 복수 개의 회전체(140)의 옆에 위치가 고정된 상태로 설치되고, 조류의 이동방향에 대하여 교대로 서로 반대방향으로 지그재그(zigzag) 형태로 경사진 상태로 설치된다.
구체적으로, 케이싱(150)은 바다 쪽에서 육지 쪽으로(하방향 화살표, a) 올수록 단면이 감소하는 형태로 한 쌍이 경사지게 설치되고, 이어서 육지 쪽에서 바다 쪽으로(상방향 화살표, b) 갈수록 단면이 감소하는 형태로 경사지게 설치되어 전체적으로 지그재그 형태로 경사선이 배치되는 형상으로 설치된다.
이하 도 2를 참조하여 본 발명의 회전체(140)의 구조에 대해 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명이 일 실시예로서, 헬리컬 형태의 이중 블레이드를 사용하는 회전체(140)는, 회전 가능한 샤프트(10); 상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50); 상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되되, 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 회전반경 보다 작은 반경을 갖는 다수의 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60); 층을 달리하는 상기 제1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는, 바람직하게는 헬리컬 형상의 제 1 터빈 블레이드(70); 및 층을 달리하는 상기 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는, 바람직하게는 헬리컬 형상의 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함함으로써, 파도 등의 유체의 일 방향 또는 다 방향 흐름에 대하여도 일 방향으로 연속적으로 회전할 수 있도록 해준다.
제1 터빈 블레이드(70) 및 제2 터빈 블레이드(80)는 제 1 평면(20) 및 제 2 평면(30) 상에 있는 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)들의 말단 단부간 및 제 1 평면(20) 및 제 2 평면(30) 상에 있는 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60)의 말단 단부 간에 헬리컬 형상으로 각각 연장된다.
이 경우 제1, 제2 터빈 블레이드(70, 80)는 유선형 단면을 갖도록 하여 유체의 흐름에 대한 저항을 최소화함이 바람직하다.
아울러 회전체(140)의 회전 속도를 최대화하기 위해서는, 샤프트(10)를 중심으로 하여 제 1 터빈 블레이드(70)의 전면과 제 2 터빈 블레이드(80)의 전면이 이루는 각을 80°~ 100°범위로 하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 85° ~ 95° 범위, 특히 대략 90°로 조정하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 제 1 터빈 블레이드(70)들 사이의 각과 제 2 터빈 블레이드(80)들 사이의 각은 대략 120°정도가 되게 하는 것이 가장 바람직하다.
한편, 회전체(140)는 도 3에 도시된 바대로, 복수 개의 순방향 회전체(142)와 복수 개의 역방향 회전체(144)를 포함하여 양방향의 조류 발전을 구현한다.
이 경우 복수 개의 순방향 회전체(142)는 바다 쪽에서 육지 쪽으로(하 방향 화살표, a) 올수록 단면이 감소하는 형태로 이웃하여 설치되는 한 쌍의 케이싱(150) 사이에 설치되며, 복수의 역방향 회전체(144)는 육지 쪽에서 바다 쪽으로(상 방향 화살표, b) 갈수록 단면이 감소하는 형태로 이웃하여 설치되는 한 쌍의 케이싱(150) 사이에 설치된다.
순방향 회전체(142) 및 역방향 회전체(144)에는 한쪽 방향의 회전 동력만 동력전달장치(120)로 전달하고, 반대 방향의 회전력이 작용할 때에는 겉돌도록, 일 방향 클러치 등을 더 설치하는 것도 가능하다.
또한 동력전달장치(120)는 복수 개의 순방향 회전체(142)의 회전축에 연결되어 순방향 회전은 그대로 발전기(130)로 전달하고, 복수 개의 역방향 회전체(144)의 회전축에 연결되어 역방향 회전은 회전방향을 반대로 전환한 다음 발전기(130)로 전달하도록 구성하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명에 따른 해양 에너지를 이용한 발전장치의 작동상태를 개략적으로 나타낸 평면도이다.
이하 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 제1 실시 예로써 양방향 조류 발전 시스템의 작동 과정을 설명한다.
먼저, 조류의 흐름이 바다 쪽에서 육지 쪽으로(하방향 화살표, a) 형성되는 경우에는, 역방향 회전체(144)가 설치된 쪽의 입구는 좁고, 순방향 회전체(142)가 설치된 쪽의 입구는 넓으므로, 바닷물이 역방향 회전체(144)가 설치된 구역으로는 잘 유입되지 않는 반면에, 순방향 회전체(142)가 설치된 구역 쪽으로 대부분 자연스럽게 유입된다.
상기와 같이 유입되는 바닷물은, 순방향 회전체(142)가 설치된 구역의 단면이 바다 쪽에서 육지 쪽으로(하방향 화살표, a) 올수록 점점 감소하는 형상이므로, 점점 유속이 빨라지며, 순방향 회전체(142)에 극대화된 에너지를 전달하게 되고, 순방향 회전체(142)는 조류의 에너지에 의하여 회전력을 발생시키며, 이 회전력은 동력 전달장치(120)를 통하여 발전기(130)로 전달되어 발전이 이루어진다.
이 때 역방향 회전체(144)를 겉돌도록 구성하여, 회전축 및 동력전달장치(120)에 무리한 힘이 가해지지 않도록 함이 바람직하다.
반대로, 조류의 흐름이 육지 쪽에서 바다 쪽으로(상방향 화살표, b) 형성되는 경우에는, 순방향 회전체(142)가 설치된 쪽의 입구는 좁고, 역방향 회전체(144)가 설치된 쪽의 입구는 넓으므로, 바닷물이 순방향 회전체(142)가 설치된 구역으로는 잘 이동하지 않는 반면에, 역방향 회전체(144)가 설치된 구역 쪽으로 대부분 자연스럽게 이동한다.
상기와 같이 이동하는 바닷물은, 역방향 회전체(144)가 설치된 구역의 단면이 육지 쪽에서 바다 쪽으로(상방향 화살표, b) 갈수록 점점 감소하는 형상이므로, 점점 유속이 빨라지고 역방향 회전체(144)에 극대화된 에너지를 전달하게 되고, 역방향 회전체(144)는 조류 에너지에 의하여 회전력을 발생시키며, 이 회전력은 동력전달장치(120)를 통하여 발전기(130)로 전달되어 발전이 이루어진다.
이 때 순방향 회전체(142)를 겉돌도록 구성하여, 회전축 및 동력전달장치(120)에 무리한 힘이 가해지지 않도록 함이 바람직하다.
이로써, 본 발명은 해양 에너지의 한 형태로 조류 즉, 밀물과 썰물의 흐름을 모두 사용하여, 양방향 조류 발전을 가능케 해준다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
110 : 지지체
120 : 동력전달장치
130 : 발전기
140 : 회전체
142 : 순방향 회전체
144 : 역방향 회전체
150 : 케이싱
2 : 수면
12 : 고정 닻줄
13 : 바닥
10 : 샤프트
20 : 제1 평면
30 : 제2 평면
50, 60 : 제1, 제2 터빈 블레이드 지지부재
70, 80 : 제1, 제2 터빈 블레이드

Claims (2)

  1. 부력을 갖는 물질로 구성되며, 바닷물의 수면(2)에 위치하도록 설치된 지지체(110);
    상기 지지체(110)에 회전축이 고정되며, 상기 지지체 아래에 바닷물의 일부 또는 전부가 잠기도록 설치되어 바닷물의 흐름에 의해 회전축이 회전하는 복수 개의 회전체(140);
    상기 지지체(110)의 하단부에 고정 설치되며, 상기 복수 개의 회전체(140)를 각각 칸막이로 구획하는 케이싱(150); 및 상기 회전체(140)의 회전축에 연결되며, 회전축의 회전에 의한 동력을 발전기(130)로 전달하는 동력전달장치(120)를 구비하며,
    상기 회전체(140)는,
    회전 가능한 샤프트(10);
    상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되는 다수의 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50);
    상기 샤프트(10)의 길이 방향으로 복층 구조를 가지며, 상기 샤프트(10)와 함께 회전할 수 있도록 상기 샤프트(10)에 방사상 배향으로 견고하게 고정되되, 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 샤프트(10) 중심 회전에 의해 작도되는 원의 회전반경 보다 작은 반경을 갖는 다수의 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(60);
    층을 달리하는 상기 제 1 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 1 터빈 블레이드(70); 및 층을 달리하는 상기 제 2 터빈 블레이드 지지 부재(50)의 말단 단부끼리 연장되는 제 2 터빈 블레이드(80)를 포함하고,
    상기 케이싱(150)은,
    조류의 이동방향에 대하여 서로 반대방향으로 교대로 지그재그 형태로 경사지게 설치되며,
    상기 지지체(110)의 일 측면에 복수개의 고정 닻줄(12)을 구비하여, 상기 고정 닻줄(12)이 바닥(13)에 고정 설치되고,
    상기 동력전달장치(120)는 상기 회전체(140)의 회전축에 의한 회전동력을 상기 발전기(130)로 전달하기 위한 기어, 풀리와 벨트, 체인과 스프로킷 및 유압장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 해양 에너지를 이용한 발전장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트(10)를 중심으로 하여 상기 제 1 터빈 블레이드(70)의 전면과 상기 제 2 터빈 블레이드(80)의 전면이 이루는 각이 80° ~ 100°인 것을 특징으로 하는 해양 에너지를 이용한 발전장치.
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