KR101424053B1 - 조력발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀물과 썰물에 대하여 수차가 일방향으로 회전할 수 있도록 물을 유도 하는 가이드 판이 관로 양단부에 설치됨으로써 밀물과 썰물 의 양방향으로 흐르는 물에 의하여 발전이 가능하도록 하고, 일방향의 물에 개폐문이 폐쇄되고, 타방향의 물에 의하여 개폐문이 개방되도록 하는 회전날개를 구비하도록 함으로써 발전효율을 높힌 조력발전장치가 개시된다.

Description

조력발전장치{apparatus for tidal power generation}

본 발명은 시스템이 단순하면서도 밀물과 썰물 모두에서도 발전이 가능한 조력발전장치에 관한 것이다.

조수 간만의 차를 이용한 조력발전에 대한 다양한 연구 개발이 이루어져 왔으며, 일방향의 조수흐름에 대한 발전효율을 높이고자 밀물 썰물 양방향에 대한 발전가능성이 제시되었고 등록특허 제1026196호(발명의 명칭:조력발전장치)(이하 종래기술이라 함)도 이런 연구개발의 결과이다.

그러나 이러한 종래기술에서 밀물 썰물 두 방향으로 흐르는 물에 의하여 회전날개부를 회전시키기 위하여 원통부의 중앙을 중심으로 대칭적으로 개방부를 형성하고, 개방부들을 각각 개폐하는 제1 가변덮개부, 제2 가변덮개부를 설치하고, 제1 가변덮개부가 밀물에 개방되면 제2 가변덮개부가 폐쇄되도록 하여 제1 가변덮개부를 통하여 유입된 물이 회전날개부를 회전시키고, 반대로 썰물시에는 제1 가변덮개부가 폐쇄되고 제2 가변덮개부를 개방시켜 제2 가변덮개부를 통하여 유입된 물에 회전날개부를 회전시키도록 한다. 이때 제1 가변덮개부, 제2 가변덮개부의 개페동작은 일 단이 가변덮개부의 외부표면에 부착되고, 타 단은 그 내부에 공간이 형성되도록 넓게 확장되어 개방하는 형상으로 형성되는 많은 수의 개폐부재에 부딪히는 물에 의하여 이루어진다.

그러나 이와 같은 많은 수의 개폐부재를 제1, 2 가변덮개부에 설치하는 것은 많은 수의 공정을 요하는 것으로, 제작시간과 비용을 증가시키고 있으며, 제1, 2 가변덮개부가 개방부를 개폐시키기 위하여 원통부의 외주면을 따라 이동하여야 하나 이러한 수차가 해수 중에 설치되는 점을 감안할 때 많은 이물질이 원통부의 외주면에 부착되게 되고, 제1, 2 가변덮개부의 정확한 개폐동작이 이루어지지 않게 된다.

또한 종래기술에서 회전날개는 일반적인 날개구조를 이루고 있어 소규모의 조력발전 수차로부터는 적절한 출력을 얻을 수 없었다.

또한 종래기술의 조력발전장치의 수차는 수차를 통과하는 바닷물이 수차에 집중되도록 하기 위한 댐을 형성하도록 함으로써 수로의 변형 등 다양한 환경적인 문제등을 야기하고 있다.

본 발명은 구조가 단순하여 제작이 용이하고 해수 중에 사용하는 경우에도 고장이 발생하지 않으며, 소규모의 수량에서도 발전효율이 높은 조력발전장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 해결과제는 제방 등의 특별한 구조물의 설치 없이도 조류가 존재하는 곳이라면 설치 가능하도록 구성되는 조력발전장치를 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 해결수단은 해수면 아래에 해수면과 수평하게 설치되는 관 형상으로 형성되는 관로; 상기 관로의 내부를 흐르는 밀물과 썰물에 의하여 한 방향으로만 회전하도록 설치되는 수차; 관로의 폭의 중앙에 설치되는 제1 힌지축을 중심으로 회전하고 일방향의 물이 흐를 때 단부가 상기 관로의 일측벽에 접촉되어 회전이 저지되며, 타방향의 물이 흐를 때 상기 제1 힌지축 보다 관로의 단부 쪽으로 설치되는 제1 스톱 바(stop bar)에 의하여 회전이 저지되는 제1 가이드 판; 상기 수차의 회전축을 중심으로 상기 제1 힌지축과 대칭으로 설치되는 제2 힌지축을 중심으로 회전하고 타방향의 물이 흐를 때 단부가 상기 관로의 타측벽에 접촉되어 회전이 저지되며, 일방향의 물이 흐를 때 상기 제2 힌지축 보다 관로의 타단부 쪽으로 설치되는 제2 스톱 바에 의하여 회전이 저지되는 제2 가이드 판을 포함하는 것이다.

또한 본 발명에서 상기 수차는 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 복수개의 회전날개들이 설치되고, 상기 회전날개들은 개방부가 형성되는 회전날개 몸체와, 상기 회전날개 몸체에 힌지 결합되며 일방향의 물에 의하여 상기 개방부를 덮고 타방향의 물에 의하여 상기 개방부를 여는 개페문으로 이루어지는 것이 바람직하다.

삭제

또한 본 발명에서 상기 회전날개의 수는 5인 것이 바람직하다.

상기 과제와 해결수단을 갖는 본 발명은 단순 구조의 가이드 판들에 의하여 썰물과 밀물의 양방향의 조수에 대하여 한 방향으로 수차를 회전시킬 수 있어 제조원가가 저렴하게 되고, 이물질의 유입으로 인한 고장요인을 제거할 수 있다. 또한 본 발명은 수차구조를 단순하면서도 효율을 높일 수 있도록 회전날개에 개폐문 구조를 사용함으로써 소형의 수차로도 많은 양의 발전이 가능하도록 한다. 또한 본 발명은 특별한 해저면이나 해상의 특별한 시설물이 없이도 관로를 이용하여 조류가 형성된 곳이라면 수차를 회전시킬 수 있으며, 관로를 이용하여 해저면으로부터 발생된 와류를 제거하여 수차를 회전시킬 수 있기 때문에 발전효율을 높일 수 있으며, 소규모로 구성될 수 있기 때문에 조력발전장치의 설치장소의 선택을 자유롭게 할 수 있으며, 대규모의 조력발전용 댐 등의 구조물이 불필요하기 때문에 환경오염문제를 피할 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을 설명하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 회전날개의 동작을 설명하는 구성도이다.
도 3는 본 발명의 조력발전장치의 가이드 판의 동작을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 관로가 설치되는 위치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을 설명하는 사시도이다.

도 1에 도시된 본 발명의 일실시예의 조력발전장치(1)는 콘크리트 구조물로 이루어지며 관체형상의 관로(10)를 구비한다.

관로(10)는 4각형의 관체 형상으로 이루지는 것이 바람직하며, 해저면과 해수면 사이에 유속이 가장 빠른 깊이에 설치되어 방조제 등의 별도의 시설 없이도 내부에 설치되는 수차에 와류를 제거하여 통과하도록 한다. 또한 관로(10)는 일단부를 통하여 유입된 밀물이 타단부에서 유출되며, 타단부를 통하여 유입된 썰물이 일단부에서 유출된다.

또한 조력발전장치(1)는 관로(10)에 회전가능하게 결합되는 회전축(21)과 회전축(21)을 바닷물의 흐름을 이용하여 회전하도록 하는 회전날개(23)로 이루어진 수차(20), 밀물, 썰물에 의한 양방향의 조력발전이 가능하도록 바닷물이 수차(20)가 일방향으로 회전하도록 가이드 하는 가이드 판(50), (60)과 가이드 판(50), (60)이 회전하도록 지지하는 힌지축(51), (61)과, 가이드 판(50), (60)의 회전각을 제한하는 스톱 바(stop bar)(52), (62)를 구비한다. 이때, 힌지축(51)은 수차(20)의 외주면의 인접부위에 설치되되 관로(10)의 폭의 중앙에 설치되며, 스톱 바(52)는 관로(10)의 폭의 중앙에 설치되되 힌지축(51) 보다 관로(10)의 일단부쪽으로 이격되게 설치된다. 또한 힌지축(61)은 수차(20)의 외주면의 인접부위에 설치되되 관로(10)의 폭의 중앙에 수차(20)의 회전축(21)을 중심으로 힌지축(51)과 대칭되게 설치되며, 스톱 바(52)는 관로(10)의 폭의 중앙에 설치되되 힌지축(51) 보다 관로(10)의 타단부쪽으로 이격되게 설치된다.

수차(20)는 관로(10)에 대하여 회전하며 발전기(미도시)의 회전축에 직결되거나 커플링 결합되는 회전축(21)과, 회전축(21)을 중심으로 방사상으로 설치되는 복수개 설치되는 회전날개(23)와, 회전날개(23)의 외주면의 상단과 하단에 각각 설치되는 연결환(25), (26)으로 이루어진다. 이때 회전날개(23)의 수는 바닷물에 의하여 항상 회전력을 얻을 수 있도록 등간격으로 설치되는 5개가 바람직하다.

도 2는 본 발명의 회전날개의 동작을 설명하는 구성도이다.

각각의 회전날개(23)는 4각형상의 개방부가 형성되며 회전축(21)에 방사상으로 설치되는 회전날개 몸체(231)와, 회전날개 몸체(231)의 힌지축(233)에 힌지결합되어 바닷물로부터 가해지는 힘에 의하여 개방부를 닫거나 여는 개폐문(232)으로 이루어진다.

도 2의 a 방향으로의 바닷물이 흐르게 되는 경우 회전날개(23)의 개폐문(232)은 바닷물이 개폐문(232)에 힘을 가하게 되어 개폐문(232)을 회전시켜 결국 개방부를 닫게 되고, 개폐문(232)이 회전날개몸체(231)의 개방부 보다 더 크기 때문에 개폐문(232)에 가해지는 바닷물의 힘은 결국 회전날개 몸체(231)에 힘을 가하게 되고, 회전날개 몸체(231)는 회전축(21)에 대하여 회전하게 된다.
회전날개 몸체(231)가 실선 상태와 반대방향의 상태인 점선의 상태에 놓여 있는 경우라면 바닷물이 a방향으로 여전히 힘을 가하게 되면 바닷물은 개폐문(232)에 힘을 가하게 되고, 이러한 상태에서 개폐문(232)은 바닷물에 의하여 밀치는 힘을 받게 되면 뒤에서 받치는 아무런 장애물이 없기 때문에 개방부를 개방시키게 되고, 바닷물은 개방부를 통과하게 되며, 이러한 상태에서 회전날개 몸체(231)는 회전축(21)에 아무런 회전력을 가할 수 없게 된다.
따라서 도 2의 a 방향으로 흐르는 바닷물에 의해서는 실선의 상태의 회전날개는 회전되게 되어 바닷물과 평행인 상태가 되면 회전력을 상실하게 되지만 회전력을 받는 다른 회전날개들에 의하여 동일 방향으로 회전하게 되어 결국 점선의 상태에 도달하게 되고, 결국 원래의 상태로 복귀되어 1회전 하게 되며 이러한 과정을 반복하여 연속회전하게 된다.

이와 같이 회전날개(23)가 회전축(21)의 회전과 함께 한바퀴 회전을 할 때 물의 방향에 의하여 반바퀴 동안을 힘을 받게 되지만 나머지 반바퀴 동안에는 개방부로 물을 통과시킴으로써 물의 저항을 최소화하여 소량의 물흐름으로 최대의 회전력을 얻도록 하고 있다.

도 3는 본 발명의 조력발전장치의 가이드 판의 동작을 설명하기 위한 평면도이다.

가이드 판(50), (60)의 힌지축(51), (61)과 스톱 바(52), (62)는 관로(10)의 양 측벽들간의 거리의 중앙에 설치된다. 또한 가이드 판(50)은 스톱 바(52)와 관로(10)의 일측벽(11) 사이에서 회전하게 되고, 가이드 판(60)은 스톱 바(62)와 관로(10)의 타측벽(12) 사이에서 회전하게 된다.

관로(10)에 a 방향(밀물)으로 물이 흐르게 되면 가이드 판(50)은 힌지축(51)을 중심으로 회전하게 되고 결국 가이드 판(50)의 외단부가 관로(10)의 일측벽(11)의 내측에 접촉됨으로써 회전을 멈추게 된다. 이와 같이 관로(10)의 일측벽(11)에 가이드 판(50)의 외단부가 밀착되게 되면 a 방향의 물이 흐를 때 가이드 판(50)과 타측벽(12)에 의하여 유도되어 수차(20)를 통과하게 되고, 물이 수차(20)를 통과할 때 접촉되는 회전날개(23)의 개방부는 개폐문에 의하여 닫히게 되어 결국 수차(20)는 반시계방향으로 회전되게 된다. 수차(20)를 통과한 물은 가이드 판(60)에 접촉하게 되어 결국 가이드 판(60)이 스톱 바(62)에 의하여 저지되는 상태를 유지하게 되며, 이 상태에서 물은 가이드 판(60)과 관로(10)의 타측벽(12) 사이를 통과하게 된다.

또한 관로(10)에 흐르는 물이 a와 반대방향인 b 방향(썰물)으로 흐르게 되면 가이드 판(50)은 스톱 바(50)에 의하여 회전이 저지되는 상태로 되고, 가이드 판(60)은 타측벽(12)에 의하여 회전이 저지되는 상태로 되어 결국 물은 가이드 판(60)과 일측벽(11)에 의하여 수집되어 수차(20)의 회전날개의 개폐판에 회전력을 가하게 되어 수차(20)는 반시계방향으로 회전하게 된다. 이와 같이 수차(20)는 물의 흐르는 방향에 관계없이 항상 동일한 방향으로 회전하게 된다.

도 4는 본 발명의 관로가 설치되는 위치를 설명하기 위한 구성도이다.

유속은 도 4에 도시된 바와 같이 해수면으로부터 해저면으로 접근할수록 증대된 후 점차 감소하여 해저면에서 가장 작아지게 되기 때문에 관로(10)는 기둥들(14)에 의하여 지지되어 해수면 아래에 유속이 가장 빠른 곳에 해수면과 수평하게 설치되게 된다. 또한 해저면에 근접된 조류는 해수면에 근접된 조류보다 와류가 많이 발생되게 되기 때문에 해수면에 인접되게 설치되는 것이 바람직하고, 관로(10)는 이러한 와류를 해소시키기 때문에 별도의 댐 등의 구조물의 설치 없이도 수차를 회전시킬 수 있는 조류를 만들 수 있으며, 이러한 관로로 인하여 소규모의 수차를 장소에 구애받지 않고 조류가 형성되는 곳이라면 설치할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 5에 도시된 실시예는 회전축(21)으로부터 방사상으로 설치되는 회전날개(235)에는 상하로 두 개의 개방부가 형성되어 있으며, 개방부를 각각 개폐하는 개폐문(236), (237)이 회전날개 몸체(235)에 각각 결합된 것으로, 개폐문(236), (237)에 가해지는 유속 및 유량에 따라 개별적으로 동작되도록 하여 개폐문에 발생되는 휨 현상들을 제거하기 위한 것이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 구성도이다.

도 6에 도시된 실시예는 회전축(21)으로부터 방사상으로 설치되는 회전날개(238)에 회전축(21)의 반지름 방향으로 두 개의 개방부가 형성되어 있으며, 개방부들을 각각 개폐하는 개폐문(239), (240)이 회전날개 몸체(238)에 힌지 결합된 것으로 수평적으로 달리 작용하는 유속 및 유량에 개폐문이 변형되는 것을 방지하기 위한 것이다.

도 5, 6로부터 유속과 유량 변화에 따라서 적절한 수의 개폐문이 설치될 수 있다.

Claims (4)

1. 해수면 아래에 상기 해수면과 수평하게 설치되는 관 형상으로 형성되는 관로;
   상기 관로의 내부를 흐르는 밀물과 썰물에 의하여 한 방향으로만 회전하도록 설치되는 수차;
   관로의 폭의 중앙에 설치되는 제1 힌지축을 중심으로 회전하고 일방향의 물이 흐를 때 단부가 상기 관로의 일측벽에 접촉되어 회전이 저지되며, 타방향의 물이 흐를 때 상기 제1 힌지축 보다 관로의 단부 쪽으로 설치되는 제1 스톱 바(stop bar)에 의하여 회전이 저지되는 제1 가이드 판;
   상기 수차의 회전축을 중심으로 상기 제1 힌지축과 대칭으로 설치되는 제2 힌지축을 중심으로 회전하고 타방향의 물이 흐를 때 단부가 상기 관로의 타측벽에 접촉되어 회전이 저지되며, 일방향의 물이 흐를 때 상기 제2 힌지축 보다 관로의 타단부 쪽으로 설치되는 제2 스톱 바에 의하여 회전이 저지되는 제2 가이드 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 조력발전장치.
2. 청구항1에서, 상기 수차는 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 복수개의 회전날개들이 설치되고, 상기 회전날개들은 개방부가 형성되는 회전날개 몸체와, 상기 회전날개 몸체에 힌지 결합되며 일방향의 물에 의하여 상기 개방부를 덮고 타방향의 물에 의하여 상기 개방부를 여는 개페문으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 조력발전장치.
3. 삭제
4. 청구항2에서, 상기 회전날개의 수는 5인 것을 특징으로 하는 조력발전장치.

Images