KR101425547B1 - 조력 및 풍력 병합 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조류 유도 구조물을 포함한 조력 발전 장치와 무게추 및 영구자석을 이용해 바람의 세기에 따라 날개의 각도를 조절할 수 있는 풍력 발전 장치를 병합함으로써, 기존의 조력과 풍력의 개별 설치에 비해 시설비가 저렴한 수직축 조력 및 풍력 병합 발전 장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 바람이 불지 않아도 조력의 힘만으로 발전이 가능하고, 간조와 만조가 교차되는 시점에 물이 멈춰 있을 때에도 풍력에 의해 발전이 가능함으로 항상 발전이 가능하며 발전 효율이 높은 수직축 조력 및 풍력 병합 발전 장치에 관한 것이다.

Description

조력 및 풍력 병합 발전장치{TIDAL POWER AND WIND FORCE COMPOSITE GENERATING APPARATUS}
본 발명은 조력과 풍력을 이용하여 발전 가능한 조력 및 풍력 병합 발전 장치에 관한 것이다.
화석에너지는 대기오염과 함께 에너지 고갈이라는 문제점을 안고 있기 때문에 이에 대한 대체 에너지의 개발이 시급한 실정이며, 대체 에너지 개발의 일환으로서 풍력 발전기에 관심이 높아지고 있다.
상기 풍력 발전기는 바람의 힘을 이용한 것이므로, 화석연료처럼 자원이 고갈될 염려가 없고 별도의 폐기물이 발생하지 않는 장점이 있다.
상기 풍력 발전기는 날개의 회전축이 바람 흐름에 평행한 수평축 풍력 발전기와 날개의 회전축이 바람 흐름에 수직한 수직축 풍력 발전기로 나뉠 수 있다.
상기 수평축 풍력 발전기의 일례로 대관령 내륙과 군산 등지의 해상에는 각각 풍력 발전기가 여러 기 설치된 풍력 발전 단지가 있다.
이러한 내륙 및 해상에 설치되는 수평축 풍력 발전기는 다음과 같은 문제점이 있다.
1. 풍력 발전기에 설치되는 설치비용이 매우 비싸다.
2. 바닷가라 할지라도 바람은 항상 지속적으로 부는 것이 아니고, 예를 들어 풍속이 6 m/sec 이상 되어야 발전가능하고, 바람의 효율이 23% 내외로 효율성이 낮다.
3. 날개 회전 시 돌아가는 소리가 커서 생태계를 교란시킨다.
4. 태풍과 같은 강풍에 대하여 브레이크 작동 시 브레이크의 과열로 화재나 고장이 날 수 있다.
5. 강풍에 지주가 붕괴될 수 있다.
6. 풍력 발전기를 설치하려면 넓은 공간이 필요하다.
7. 해상에 설치 시 해저 지지대가 필요하므로 설치비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 10-1127565호 및 한국공개특허 10-2009-0055947호에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 조류 유도 구조물을 포함한 조력 발전 장치와 무게 추 및 영구자석을 이용해 바람의 세기에 따라 날개의 각도를 조절할 수 있는 풍력 발전 장치를 병합함으로써, 기존의 조력과 풍력의 개별 설치에 비해 시설비가 저렴한 조력 및 풍력 병합 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 바람이 불지 않아도 조력의 힘만으로 발전이 가능하고, 간조와 만조가 교차되는 시점에 물이 멈춰 있을 때에도 풍력에 의해 발전이 가능함으로 항상 발전이 가능하며 발전 효율이 높은 조력 및 풍력 병합 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 조력 회전날개와 풍력 회전날개를 하나의 발전기에 속하는 고정자와 회전자에 각각 연결하여 고정자 및 회전자를 서로 반대방향으로 회전시킴으로써 발전량이 많고 발전 효율이 높은 조력 및 풍력 병합 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 좁은 공간에 밀집하여 설치가 가능하고, 회전 시 소음이 저감되고, 태풍과 같은 강풍 시 날개가 뒤로 젖혀지도록 함으로써 지주의 붕괴 및 발전기의 고장이 적은 조력 및 풍력 병합 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 회전날개를 기어에 의해 맞물리도록 연결함으로써 풍향과 조력의 방향에 관계없이 항상 일정한 방향으로 회전시킬 수 있는 조력 및 풍력 병합 발전 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 조력 및 풍력 병합 발전장치는 유체의 흐름방향에 대하여 수직방향으로 배치되는 회전축; 상기 회전축의 상부와 하부에 각각 설치되어 서로 반대방향으로 회전하는 조력 회전날개 및 풍력 회전날개; 및 상기 조력 회전날개 및 풍력 회전날개 사이에 설치되고, 조력 회전날개 및 풍력 회전날개에 고정자 및 회전자를 각각 연결하여 서로 반대방향으로 회전시키며 발전하는 발전기를 포함하고, 조력 및 풍력을 동시에 이용하여 발전할 수 있는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 조력 회전날개는 바닷가 수중 지면에 설치되는 조력유도 구조물 사이에 배치되어, 유속이 빠른 해수의 흐름을 이용하여 회전력을 발생시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 조력유도 구조물은 마름모꼴, 원형, 유선형 중 어느 한 형태의 기둥 구조물인 것을 특징으로 한다.
상기 조력 회전날개는 원통형의 회전통과, 상기 회전통에 설치되어 유체의 흐름에 따라 회전되는 복수의 블레이드를 포함하고, 조력을 이용하여 회전력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 조력 회전날개의 블레이드는 원호 형상의 단면형상을 가지고, 회전통의 축 방향으로 길게 형성된 구조로 이루어지고, 상기 블레이드의 오목한 곡면이 회전방향으로 동일하게 향하도록 배치되어 불어오는 바람에 맞닿아 회전하는 것을 특징으로 한다.
상기 회전축은 프레임에 의해 수직방향으로 지지되고, 상기 프레임의 상부와 발전기 사이에 설치되는 상부회전축과, 상기 발전기와 베이스플레이트 사이에 설치되는 하부회전축으로 구성되고, 상기 조력 회전날개 및 풍력 회전날개는 상부회전축과 하부회전축에 의해 회전가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전기의 고정자는 조력 회전날개와 연결되고, 상기 발전기의 회전자는 풍력 회전날개와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전기의 고정자는 풍력 회전날개와 연결되고, 상기 발전기의 회전자는 조력 회전날개와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전기는 서로 반대방향으로 회전하는 고정자와 회전자를 한 조로 구성하여 발전하며, 발전기케이스 내부에 원주방향으로 간격을 두고 설치되는 복수의 발전부를 포함하고, 하나의 동력원이 복수의 발전부에 동시에 전달되는 것을 특징으로 한다.
상기 발전기는 케이스; 상기 케이스의 내부 상측과 하측에 각각 이격 설치되는 구동기어; 상기 구동기어에 각각 치합되며, 케이스 내부에 원주방향으로 설치되는 복수의 피동기어를 포함하고, 상기 조력 및 풍력 회전날개에서 발생된 회전력을 구동기어 및 피동기어를 통해 고정자 및 회전자에 각각 전달하는 것을 특징으로 한다.
상기 풍력 회전날개는 측면에 복수의 슬롯이 원주방향을 따라 간격을 두고 축 방향으로 길게 형성되는 외부 회전통; 상기 외부회전통의 내부에 동심원상으로 배치되는 내부 회전통; 일 측단부가 상기 내부 회전통에 힌지구조로 설치되고, 타 측단부가 슬롯을 통해 외부 회전통 바깥으로 돌출되며, 풍력을 이용하여 회전력을 발생시키는 블레이드; 상기 내부회전통의 내부에 설치되고, 원심력을 이용하여 상기 외부 회전통에 비해 내부 회전통을 더 많이 회전시키는 각 회전 수단을 포함하여, 강풍 시 원심력에 의해 내부 회전통이 외부 회전통에 비해 더 많이 회전하면서 블레이드를 뒤로 젖히는 방식으로 강풍에 의한 회전날개의 파손을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 각 회전 수단은 내부회전통의 내부에 설치되는 중간받침대; 상기 중간받침대에서 원심력에 의해 반경방향으로 직선이동하며, 내부에 작동돌기를 가지는 무게 추; 상기 무게 추에 관통 결합되어 회전가능하게 지지되고, 표면에 형성된 작동홈을 이용하여 상기 작동돌기의 이동을 안내함으로 회전할 수 있도록 된 회전 작동축; 상기 회전 작동축의 단부에 설치되는 평기어; 및 상기 평기어에 치합되며, 상기 내부회전통의 내측면에 결합되어 회전 작동축의 회전력을 내부 회전통에 전달하는 랙기어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각 회전 수단은 내부회전통의 내부에 원주방향으로 간격을 두고 다수개 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 회전 작동축의 작동홈은 회전 작동축의 표면에 축방향으로 직선형태로 길게 형성되는 제1작동홈과, 상기 제1작동홈의 끝에서 나선방향으로 형성되는 제2작동홈으로 구성되고, 상기 무게추의 직선이동 시 작동돌기가 제1작동홈에서 제2작동홈으로 이동함에 따라 회전 작동축을 회전시키는 것을 특징으로 한다.
상기 풍력 회전날개의 회전 각도를 일정하게 유지하기 위해 무게추의 안쪽면과 하부회전축에 각각 마주보게 설치되는 영구자석을 더 포함하고, 상기 무게추와 하부회전축에 각각 설치되는 영구자석 사이에 인력이 작용하도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 풍력 회전날개의 회전 각도를 원위치로 복귀시키기 위해 무게추의 바깥쪽면과 중간받침대의 가장자리부에 각각 마주보게 설치되는 영구자석을 더 포함하고, 상기 무게 추와 중간받침대에 각각 설치되는 영구자석 사이에 척력이 작용하도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 조력 및 풍력 병합 발전 장치의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 한 발전기에서 고정자와 회전자가 서로 반대방향으로 회전하도록 구성하여 약풍 시에도 발전이 가능하고, 기존의 발전기에 비해 발전 효율이 더 높고 발전량도 대폭 커진다.
둘째로, 발전기 내부에 고정자와 회전자로 구성되는 발전부를 원주방향으로 배치하여 한 대의 조력 및 풍력 발전 설비로 여러 대의 발전부를 가동하여 발전 효율 및 발전량을 극대화할 수 있다.
셋째로, 풍력 발전기를 해상에 설치하기 위한 지주로 조력유도 구조물을 사용가능하므로, 기존의 조력 및 풍력 발전기를 별개로 설치한 것에 비해 설치비용을 절감할 수 있다.
넷째로, 바람이 불지 않아도 조력의 힘만으로 발전이 가능하고, 조수가 멈춰 있을 때에도 풍력에 의해 발전이 가능함으로 항상 발전이 가능한 장점이 있다.
다섯째로, 해수면을 기준으로 상부와 하부에 각각 풍력 발전부와 조력 발전부가 설치되므로, 다수의 발전 설비를 좁은 공간에 밀집하여 설치할 수 있다.
여섯째로, 회전날개가 돌아가는 소음이 작고, 태풍과 같은 강풍에 날개가 뒤로 젖혀지기 때문에 지주 붕괴와 발전기의 고장이 적다.
일곱째로, 풍향과 조력의 방향에 관계없이 항상 같은 방향으로 회전한다.
도 1은 본 발명에 따른 수직축 조력 및 풍력 병합 발전 장치의 전체 구성도
도 2는 도 1에서 조력 회전날개와 풍력 회전날개가 서로 반대방향으로 회전하는 모습을 보여주는 개략도
도 3은 도 1에서 조력 회전날개와 풍력 회전날개의 사시도
도 4는 도 1에서 풍력 회전날개의 내부 구조를 보여주는 절개 사시도
도 5는 도 3의 분해사시도
도 6은 본 발명에 따른 수직축 조력 및 풍력 병합 발전 장치에서 무게 추의 영구자석과 회전 작동축의 작동 홈 구조를 보여주기 위한 분해사시도
도 7a는 평상 시 풍력 회전날개의 작동상태도
도 7b는 강풍 시 풍력 회전날개의 작동상태도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 수직축 조력 및 풍력 발전 장치의 전체 구성도이고, 도 2는 도 1에서 조력 회전날개와 풍력 회전날개가 서로 반대방향으로 회전하는 모습을 보여주는 개략도이고, 도 3은 도 1에서 조력 회전날개와 풍력 회전날개의 사시도이고, 도 4는 도 1에서 풍력 회전날개의 내부 구조를 보여주는 절개 사시도이고, 도 5는 도 3의 분해사시도이다.
또한 도 6은 본 발명에 따른 수직축 조력 및 풍력 병합 발전 장치에서 무게 추의 영구자석과 회전 작동축의 작동 홈 구조를 보여주기 위한 분해사시도이고, 도 7a는 평상 시 풍력 회전날개의 작동상태도, 도 7b는 강풍 시 풍력 회전날개의 작동상태도이다.
본 발명은 조력과 풍력 발전을 병합하여 발전효율을 높인 조력 및 풍력 병합 발전 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수직축 조력 및 풍력 병합 발전 장치는 크게 하부에 배치되는 조력 발전부와 상부에 배치되는 풍력 발전부로 구성된다.
조력 발전부 및 풍력 발전부는 주로 해안가에 설치되며, 조력 발전부는 조석간만의 차로 바닷물이 해안가로 밀려드는 해수의 흐름을 동력원으로 이용하며, 풍력 발전부는 바람의 힘을 동력원으로 이용하여 회전력을 발생시킬 수 있다.
조력 발전부는 본 발명의 병합 발전 장치에서 최하부, 예를 들어 해수 지면에 설치될 수 있고, 특히 해수 지면에 직상방으로 길게 설치되는 기둥형태의 조력유도 구조물(50)과, 조력유도 구조물(50) 사이에 설치되는 조력 회전날개(20)를 포함한다.
조력유도 구조물(50)은 두 개 이상 설치되는 것이 바람직하고, 이는 조력유도 구조물(50) 사이에 배치된 조력 회전날개(20)로 해수의 흐름을 유도할 뿐만 아니라 유속을 증가시켜 조력을 이용한 발전량을 극대화하기 위함이다.
상기 조력유도 구조물(50)은 예를 들어 위쪽에서 구조물을 바라볼 때 마름모꼴 형상으로 이루어져서, 전체적인 조력유도 구조물(50)의 형상은 마름모꼴 기둥 형태로 해수 지면에 설치될 수 있다.
상기 조력유도 구조물(50)의 모서리부분이 해수의 흐름방향과 동일하게 앞뒤로 배치되어, 즉 조력유도 구조물(50)의 배치 구조 특성상 조력유도 구조물(50)의 앞쪽 모서리 끝단에서 해수의 진행방향으로 갈수록 구조물의 단면적이 넓어지는 반면에, 해수가 두 개의 조력유도 구조물(50) 사이로 이동할 때 해수의 유동단면적이 감소하게 됨으로써 유속이 빨라지고 이로 인해 해수의 흐름을 이용한 조력 에너지를 증대시킬 수 있다.
물론, 상기한 조력유도 구조물(50)의 단면 형상은 마름모꼴 외에도 원형, 혹은 유선형(원형에서 앞쪽과 뒤쪽부분이 돌출된 형태로서 물이 유선을 따라 이동할 때 소용돌이 치지 않고 표면을 따라 흘러들어감)일 수 있다.
상기 조력 회전날개(20)는 몸체역할을 하는 회전통(21)과, 회전통(21)의 외주면에 일체형(고정식)으로 설치된 블레이드(22)로 구성된다.
회전통(21)은 원통 형태로서 해수의 흐름 방향에 대하여 상하 수직방향으로 배치되며, 해수 유동방향에 대하여 수직방향으로 배치된 회전축에 의해 해수 지면에 회전가능하게 설치된다.
블레이드(22)는 회전통(21)의 외주면에 일단부가 고정되고 타단부가 반경방향으로 연장 형성되는 구조로 이루어지고, 일정한 곡률의 원형 곡면 형태로 이루어져 해수의 흐름(직선운동)을 회전운동으로 변환시켜 회전통(21)을 회전시킨다.
풍력 발전부는 크게 조력유도 구조물(50)의 상부에 설치되는 프레임(10)과, 프레임(10)의 내측에 회전가능하게 설치되는 풍력 회전날개(40)로 구성된다.
상기 프레임(10)은 조력유도 구조물(50)을 지주로 사용하여 조력유도 구조물(50)의 상부에 설치될 수 있고, 강한 바람에도 잘 견딜 수 있도록 사다리꼴 형태로 이루어질 수 있다.
이때, 사다리꼴 형태의 프레임(10) 내측 중간과 하단에 수평지지대(11)가 수평하게 배치되어 프레임(10)의 양측면을 견고하게 지지할 수 있다.
그리고, 프레임(10) 내부 중심의 동일 수직선 상에 회전축이 상부와 하부에 설치되고, 상부 회전축과 하부 회전축은 동력전달기구(예, 기어)를 통해 발전기(30)의 회전자(31)와 고정자(32)에 연결되어 있다.
상기 상부 회전축은 프레임(10)의 상단 중심부와 발전기(30) 사이에 회전가능하게 지지되고, 하부 회전축은 발전기(30)와 베이스플레이트 사이에 회전가능하게 연결 지지된다.
이때, 베이스플레이트는 조력유도 구조물(50) 사이의 지면에 설치되어, 하부 회전축을 회전가능하게 지지한다.
상기 풍력 회전날개(40) 및 조력 회전날개(20)는 상부 회전축과 하부 회전축에 각각 일체로 회전가능하게 설치된다.
상기 풍력 회전날개(40)와 조력 회전날개(20)의 블레이드(22)는 각각 일정한 곡률의 원호 단면형상으로 이루어지고, 원호의 오목한 곡면이 불어오는 바람에 마주하도록 원주방향을 따라 간격을 두고 일정하게 배열되어 바람을 받으면 일정한 방향으로 회전한다.
이때, 풍력 회전날개(40)와 조력 회전날개(20)의 블레이드(22)는 각각 원호 형상의 단면에서 오목한 면이 서로 반대 방향으로 향하도록 배치되어, 풍력 회전날개(40)와 조력 회전날개(20)가 서로 반대방향으로 회전한다.
이와 같이 풍력 회전날개(40) 및 조력 회전날개(20)에서 발생하는 회전력은 한 개의 발전기(30)의 고정자(32)와 회전자(31)에 각각에 전달되어 한 발전기(30)의 고정자(32)와 회전자(31)를 서로 반대방향으로 회전시킴으로써 발전효율을 높일 수 있게 된다.
발전기(30)는 케이스와, 케이스 내부에 서로 치합가능하게 설치된 동력전달기구와, 동력 전달기구로부터 동력을 전달받아 서로 반대방향으로 회전하는 회전자(31)와 고정자(32)로 구성된 발전부를 포함한다.
동력 전달기구는 케이스 내부의 상부와 하부에 평행하게 설치되는 구동기어와, 구동기어를 가운데 두고 맞물리게 설치되는 종동기어로 구성된다.
상기 상부 구동기어(33a)는 상부 회전축과 연결되고, 상부 구동기어(33a)와 치합된 상부 종동기어(34a)는 회전자(31)에 별도의 제1종동축을 통해 축 결합되어 회전자(31)에 회전력을 전달한다.
또한, 하부 구동기어(33b)는 하부 회전축(23)과 연결되고, 하부 구동기어(33b)와 치합된 하부 종동기어(34b)는 고정자(32)에 별도의 제2종동축을 통해 축 결합되어 고정자(32)에 회전력을 전달한다.
여기서, 동력전달 메카니즘을 살펴보면 풍력을 이용하여 발생되는 회전력은 상부 회전축(43), 상부 구동기어(33a), 상부 종동기어(34a), 상부 제1종동축을 통해 회전자(31)에 전달되고, 조력을 이용하여 발생되는 회전력은 하부 회전축(23), 하부 구동기어(33b), 하부 종동기어(34b), 하부 제2종동축을 통해 고정자(32)에 전달되며, 발전부의 회전자(31) 및 고정자(32)는 풍력 회전날개(40)와 조력 회전날개(20)로부터 서로 반대방향의 회전력을 전달받게 되므로, 기존의 발전기(30)(회전자(31)만 회전하고 고정자(32)는 고정되어 있음)에 비해 발전효율을 높일 수 있다.
다시 말해서, 회전자(31)와 고정자(32)가 한 조로 이루어지는 하나의 발전부에서 회전자(31)와 고정자(32)가 서로 반대방향으로 회전함으로써, 기존의 회전자(31)만 회전하는 발전기(30)에 비해 회전자(31)와 고정자(32)의 상호유도 작용에 의한 발전량이 두 배로 커지게 되므로, 약한 바람으로도 발전가능하다.
이때, 상기 회전자(31)와 고정자(32)가 한 조로 이루어지는 발전부는 원주방향으로 간격을 두고 설치될 수 있고, 상기 조력 및 풍력 발전부로부터 발생된 회전력을 케이스의 상부와 하부에 각각 하나씩 배치된 구동기어로부터 복수의 종동기어를 통해 동시에 전달받아 발전량을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 약한 바람의 세기로도 발전가능하다.
예를 들어 기존의 풍력 발전기(30)는 회전자(31)를 바람의 세기가 F라는 크기의 힘으로 발전 가능하다면, 본 발명에 따른 발전기(30)는 F/2 크기의 힘으로도 발전 가능함을 의미한다.
상기 풍력 회전날개(40)는 바람의 흐름방향(직선운동)을 회전운동으로 변환하는 구성요소로서, 바람의 세기에 따라 날개 각도를 가변시킴으로써 강풍 시 회전날개의 파손 등의 고장을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 회전날개(40)는 원심력과 영구자석(47b,47c,53,54)의 힘을 이용하여 강풍 시 날개 각도를 바람의 흐름방향에 대하여 뒤로 젖혀지게 함으로써 바람에 의한 충격을 줄여 고장을 방지하게 되는 것이다.
상기 풍력 회전날개(40)는 외측과 내측에 동심원상으로 배치되는 외부 회전통(41) 및 내부 회전통(44)과, 내부 회전통(44)에 날개 각도를 가변가능하게 설치되는 블레이드(42)로 구성된다.
외부 회전통(41)의 상부와 하부에는 각각 커버(44)가 장착되고, 커버(44) 중심부에는 중심 홀이 관통 형성되고, 하부 회전축이 커버(44)의 중심 홀을 관통하며 커버(44)와 결합되어 하부 회전축, 커버(44) 및 외부 회전통(41)이 일체로 회전가능하다.
상기 블레이드(42)는 전술한 바와 같이 원호의 단면형상을 가지며 외부 회전통(41)의 길이방향으로 길게 형성된 구조로 이루어지고, 블레이드(42)가 내부 회전통(44)에 각 회전 가능하게 힌지구조로 결합되어 있다.
내부 회전통(44)은 외부 회전통(41) 내부에 동심원상으로 배치되고, 도시하지는 않았지만 내부 회전통(44)의 상단부와 하단부가 외부 회전통(41)의 상부 및 하부 커버(44)의 내측면에 원주방향을 따라 오목하게 형성된 원형의 가이드 홈 삽입되어 회전가능하게 지지될 수 있다.
또한, 블레이드(42)의 안쪽 끝의 상단과 하단에 각각 힌지돌기(42a)가 형성되고, 내부 회전통(44)의 상단과 하단에 C자형의 힌지부(45a)가 돌출 형성되어, 힌지돌기(42a)가 C자형 힌지부(45a)에 회전가능하게 지지됨으로써, 블레이드(42)를 내부 회전통(44)에서 각 회전 가능하게 지지할 수 있다.
그리고, 외부 회전통(41)의 측면에는 상하 길이방향을 따라 슬롯이 연속해서 길게 형성되고, 이 슬롯은 외부 회전통(41)의 측면에 원주방향으로 일정한 간격을 두고 형성되어, 복수의 블레이드(42)가 내부 회전통(44)에서 슬롯을 통해 외부 회전통(41) 바깥으로 관통된다.
여기서, 내부 회전통(44)은 강풍 시 풍력 회전날개(40)의 블레이드(42)를 뒤로 젖혀지도록 하기 위해 필요하다.
즉, 강풍 시에는 평상시보다 바람의 세기가 강하여 회전날개의 회전력 증가에 따라 더 빠른 속도로 회전하기 때문에, 회전 시 발생하는 원심력의 크기도 증가한다.
따라서, 본 발명에서는 상기 회전날개(40)의 회전 시, 특히 강풍에 의한 회전 시 발생하는 원심력을 이용하여 내부 회전통(44)을 외부 회전통(41)보다 일정 각도만큼 더 많이 회전시킴으로써 내부 회전통(44)과 외부 회전통(41)의 회전량 차이만큼 블레이드(42)가 외부 회전통(41)의 슬롯을 중심으로 뒤로 젖혀지게 하는 것이다.
이때, 내부 회전통(44)은 외부 회전통(41)과 별개로 회전가능하다.
상기 내부 회전통(44)의 내부에는 원심력을 이용하여 내부 회전통(44)을 각 회전시키기 위한 각 회전 수단이 구비된다.
상기 각 회전 수단은 중공축 형태의 하부 회전축의 길이방향 중간에 설치되는 원형의 중간받침대(46)와, 중간받침대(46) 위에서 반경방향으로 슬라이딩가능하게 설치되는 무게 추(47)와, 무게 추(47)에 의해 회전가능하게 지지되는 회전 작동축(48)을 포함하여 구성된다.
이때, 상기 중간받침대(46)는 상부회전축(43)과 일체로 회전가능하게 결합되며, 무게 추(47)와 회전 작동축(48)을 지지하는 지지대 역할을 한다.
상기 무게 추(47)는 부채꼴 형상을 가지는 블록 형태의 중량물로서 상부회전축(43)과 내부 회전통(44) 사이에 배치되어 반경방향으로 직선이동가능하게 설치되고, 풍력 회전날개(40)의 원심력에 의해 상부회전축(43)에서 내부 회전통(44)(바깥쪽)으로 직선이동하고, 영구자석(47b,47c,53,54)의 힘에 의해 내부 회전통(44)에서 상부회전축(43)(안쪽)으로 직선이동가능하다.
또한, 무게 추(47)의 상면과 하면은 평면 형태로 중간받침대(46)의 평면과 접촉하면서 회전 없이 직선 이동한다.
그리고, 무게 추(47)의 내부에 관통홀이 형성되어 있고, 관통홀 주변에서 작동돌기(47a)가 돌출 형성되어 있다.
상기 회전 작동축(48)은 무게 추(47)의 관통 홀을 통해 관통하여 반경방향으로 배치되고, 원주방향으로 간격을 두고 배치되며, 회전 작동 축(48)의 외주면에 작동홈(49)이 형성되고, 무게 추(47)의 작동돌기(47a)가 작동 홈(49)을 따라 이동하면서 회전 작동축(48)을 회전시킬 수 있다.
상기 작동 홈(49)은 부메랑 등과 같이 꺽인 형태, 즉 회전 작동축(48)의 외주면에서 축 방향으로 일직선 형태로 형성된 제1작동 홈(49a)과, 제1작동 홈(49a)의 끝에서 나선방향으로 형성된 제2작동 홈(49b)으로 구성된다.
이는 무게 추(47)의 작동돌기(47a)가 회전작동 축(48)의 제1작동 홈(49a) 구간을 따라 이동하는 경우에는 회전축이 정지되어 있다가, 무게 추(47)의 작동돌기(47a)가 회전 작동축(48)의 제2작동 홈(49b) 구간을 따라 이동하는 경우에는 회전 작동축(48)이 회전 가능하도록 하여 내부 회전통(44)을 회전시키기 위함이다.
이때, 무게 추(47)의 작동돌기(47a)가 회전 작동축(48)의 제1작동 홈(49a)에서 제2작동 홈(49b)으로 이동하는 순간 회전 작동축(48)이 정지상태에서 회전운동을 하기 시작한다.
그리고, 상기 작동 홈(49)과 작동돌기(47a)는 서로 한 조로 이루어지고, 각각의 작동 홈(49) 및 작동돌기(47a)는 원주방향으로 간격을 두고 회전 작동축(48)의 외표면 및 회전 작동축(48)에 각각 동수로 형성될 수 있고, 그 위치가 서로 바뀔 수 있다.
도면에는 복수개의 작동 홈(49)과 작동돌기(47a)를 도시하였으나, 각각 한 개씩의 작동 홈(49)과 작동돌기(47a)가 형성하는 것도 실시 가능하다.
또한, 상기 회전 작동축(48)의 회전력을 내부 회전통(44)에 전달하기 위해 기어를 이용한다.
예를 들어, 회전 작동축(48)의 바깥쪽(내부 회전통(44)의 반경방향 기준) 단부에 평기어(52)(피니언)가 일체로 결합되고, 내부 회전통(44)의 내주면에 원호형상의 랙기어(55)가 평기어(52)와 맞물리도록 일체로 돌출 형성되며, 회전 작동축(48)이 회전하면 평기어(52)가 회전하면서 평기어(52)와 치합된 랙기어(55)가 회전하면서 내부회전통(44)을 회전시킨다.
또한, 상기 풍력 회전날개(40)의 블레이드(42)를 동시에 일정한 각도로 회전시키기 위해, 회전 작동축(48)의 안쪽(내부 회전통(44)의 반경방향 기준) 단부에 내부기어(51)가 일체로 결합되고, 내부기어(51)가 원주방향을 따라 서로 맞물리게 치합되어 풍력 회전날개(40)의 내부에서 발생된 원심력에 의해 복수의 블레이드(42)가 동시에 동일한 각도로 회전가능하다.
이때, 상기 내부기어(51)는 원형이며, 외측면에 형성되는 치(齒)가 경사진 형태로 이루어질 수 있다.
그리고, 평상 시 블레이드(42)의 회전 각도를 일정하게 유지하고, 바람의 세기가 강풍에서 약해지는 경우에 블레이드(42)의 회전각도가 원래 위치로 복원되도록 하기 위해 영구자석(47b,47c,53,54)이 중간받침대(46)와 무게 추(47)에 각각 서로 마주보게 설치된다.
예를 들면, 중간받침대(46)의 가장자리부에 영구자석(54)이 원주방향을 따라 간격을 두고 설치되고, 중간받침대(46)의 안쪽 단부에 다른 영구자석(53)이 원주방향을 따라 간격을 두고 설치된다.
또한, 중간받침대(46)에서 반경방향을 기준으로 무게 추(47)의 바깥쪽면과 안쪽면에 각각 영구자석(47b,47c)이 일체로 설치되며, 중간받침대(46)의 바깥쪽에 위치한 영구자석(54)과 무게추(47)의 바깥측면에 위치한 영구자석(47b) 사이에는 척력이 작용하도록 하고(마주보고 있는 영구자석(54,47b)의 같은 극끼리 밀어내는 구조임), 중간받침대(46)의 안쪽에 위치한 영구자석(53)과 무게 추(47)의 안쪽측면에 위치한 영구자석(47c) 사이에는 인력이 작용하도록 한다(마주보고 있는 영구자석(53,47c)의 다른 극끼리 잡아당기는 구조임).
이로써, 강풍에서 약풍으로 바뀌면, 무게추(47)가, 중간받침대(46)의 바깥쪽에 위치한 영구자석(54)과 무게추(47)의 영구자석(47b) 사이의 척력과, 중간받침대(46)의 안쪽에 위치한 영구자석(53)과 무게추(47)의 영구자석(47c) 사이의 인력에 의해, 상부회전축(43) 방향으로 직선이동하면서 블레이드(42)의 회전각도가 원래 위치로 복귀된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 조력 및 풍력 발전 병합 장치의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.
1. 조력을 이용한 회전력 발생
예를 들어 오전에 해수가 해안가에 설치된 조력유도 구조물(50) 사이로 해수가 밀려 들어오면 조력유도 구조물(50)의 입구에서 해수 흐름방향으로 구조물의 중간에서 유동단면적이 좁아져 해수의 흐름속도가 빨라진다.
이어서, 속도가 빨라진 해수가 조력 회전날개(20)의 블레이드(22)에 부딪히면서 힘을 가하게 되고, 블레이드(22)가 해수의 힘에 의해 회전하면서 조력에 의한 회전력을 발생시킨다.
2. 풍력을 이용한 회전력 발생
예를 들어 육상과 해상 사이의 경계지역인 해안가는 압력 및 기류에 의해 바람의 영향을 많이 받으므로, 통상 바람이 많이 불며, 불어오는 바람이 풍력 회전날개(40)의 블레이드(42)에 부딪히면서 힘을 가하게 되고, 블레이드(42)가 바람의 힘에 의해 회전하면서 조력에 의한 회전력을 발생시킨다.
3. 강풍 시 풍력 회전날개(40)의 날개각도 가변
만약 강풍이 부는 경우에 평상시보다 바람의 흐름속도가 빠르고 힘의 크기도 강하여 풍력 회전날개(40)가 더 빨리 회전하며 회전날개의 내부에서 발생하는 원심력의 크기도 증가한다.
강풍 시 발생되는 원심력은 내부 회전통(44)의 무게추(47)로 전달되며, 무게추(47)와 중간받침대(46)의 안쪽 단부에 각각 설치된 영구자석(53,47c)의 인력을 이기고 무게 추(47)를 반경방향으로 직선 이동시킨다.
이어서, 무게 추(47)가 직선 이동할 때 무게추(47)의 내부에 형성된 작동돌기(47a)가 회전 작동축(48)에 형성된 작동 홈(49)을 따라 이동하는데, 이때 작동돌기(47a)가 작동 홈(49) 중 초기 도입부인 제1작동 홈(49a)의 직선구간에서 직선 이동하다가 제2작동 홈(49b)의 회전구간으로 이동하면서 회전 작동축(48)을 회전시킨다.
즉, 작동돌기(47a)의 축 방향으로 이동하는 힘이 회전 작동축(48)의 표면상에서 나선방향으로 형성된 제2작동 홈(49b)의 시작점(꺽임부)을 축 방향으로 밀어냄으로써 회전 작동축(48)을 회전시키게 되는 것이다.
계속해서, 회전 작동축(48)이 회전하면서 회전 작동축(48)의 바깥쪽 단부에 결합된 평기어(52)와 이에 치합된 랙기어(55)를 통해 회전 작동축(48)의 회전력이 내부 회전통(44)에 전달되어 내부 회전통(44)을 회전시키게 된다.
그 다음, 상기 내부 회전통(44)이 외부 회전통(41)의 회전속도보다 상대적으로 더 빨리 회전하면서 회전날개의 블레이드(42)의 바깥쪽 단부가 외부 회전통(41)의 슬롯을 중심으로 뒤로 젖혀짐으로써, 강한 바람으로부터 블레이드(42)에 가해지는 충격을 완화시켜 회전날개의 파손을 방지하게 되는 것이다.
4. 조력과 풍력을 이용한 발전
상기 조력 회전날개(20)와 풍력 회전날개(40)는 불어오는 바람이 맞닿는 부분인 블레이드(42)의 오목한 곡면이 서로 반대방향으로 향하도록 배치되어 회전방향이 서로 반대이고, 조력 및 풍력 회전날개(40)에서 발생된 회전력은 회전축과 구동기어, 종동기어, 종동축을 통해 고정자(32) 및 회전자(31)에 각각 전달된다.
이때, 조력 회전날개(20)에서 발생되는 회전력은 고정자(32)에 전달되고, 풍력 회전날개(40)에서 발생되는 회전력은 회전자(31)에 전달되며, 고정자(32)의 회전방향과 회전자(31)의 회전방향은 서로 반대이며, 고정자(32)와 회전자(31)의 상호 유도 작용에 의해 기계적 에너지를 전기적 에너지를 변환하여 발전할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 기존의 풍력 발전기(30)가 발전하는데 필요한 바람의 세기에 비해 약 절반 크기의 약풍이라 하더라도 발전이 가능하고, 서로 반대방향으로 회전하는 고정자(32) 및 회전자(31)의 발전 효율이 그만큼 더 높으므로 발전량도 많아진다.
또한, 발전기(30) 내부에 고정자(32)와 회전자(31)로 구성되는 발전부가 원주방향으로 간격을 두고 배치되고, 발전기(30) 케이스의 중심부에 위치한 구동기어로부터 복수의 종동기어로 동시에 동력 전달이 이루어지며, 각 종동기어에 연결된 고정자(32) 및 회전자(31)를 동시에 서로 반대방향으로 회전시키므로, 조력 및 풍력 회전날개(40)의 회전력에 의해 발전 효율 및 발전량을 극대화할 수 있다.
그리고, 풍력 발전기(30)를 해상에 설치하기 위한 지주로 조력유도 구주물을 사용가능하므로, 기존의 조력 및 풍력 발전기(30)를 별개로 설치한 것에 비해 설치비용을 절감할 수 있다.
통상, 바닷가라 하더라도 바람은 항상 지속적으로 부는 것이 아니고 발전이 불가능한 약한 바람이 불 수도 있고, 조수도 간조와 만조가 교차되는 시점에는 정조대(물이 멈추는 시기)가 있다.
하지만, 본 발명에 따른 조력 및 풍력 병합 발전 장치는 바람이 불지 않아도 조력의 힘만으로 발전이 가능하고, 조수가 멈춰 있을 때에도 풍력에 의해 발전이 가능함으로 항상 발전이 가능한 장점이 있다.
아울러, 해수면을 기준으로 상부와 하부에 각각 풍력 발전부와 조력 발전부가 설치되므로, 다수의 발전 설비를 좁은 공간에 밀집하여 설치할 수 있다.
뿐만 아니라, 회전날개가 돌아가는 소음이 작고, 태풍과 같은 강풍에 날개가 뒤로 젖혀지기 때문에 지주 붕괴와 발전기(30)의 고장이 적다.
또한, 풍향과 조력의 방향에 관계없이 항상 같은 방향으로 회전한다.
10 : 프레임
11 : 수평지지대
20 : 조력 회전날개
21 : 회전 통
22 : 블레이드
23 : 하부회전축
30 : 발전기
31 : 회전자
32 : 고정자
33a : 상부 구동기어
33b : 하부 구동기어
34a : 상부 종동기어
34b : 하부 종동기어
40 : 풍력 회전날개
41 : 회전 통
42 : 블레이드
42a : 힌지돌기
43 : 상부회전축
44 : 커버
45 : 내부 회전통
45a : 힌지 부
46 : 중간받침대
47 : 무게 추
48 : 회전 작동축
49 : 작동 홈
49a : 제1작동 홈
49b : 제2작동 홈
50 : 조력유도 구조물
51 : 내부기어
52 : 평기어
53,54 : 영구자석
55 : 랙기어

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  11. 유체의 흐름방향에 대하여 수직방향으로 배치되는 회전축;
    상기 회전축의 상부와 하부에 각각 설치되어 서로 반대방향으로 회전하는 조력 회전날개(20) 및 풍력 회전날개(40);
    상기 조력 회전날개(20) 및 풍력 회전날개(40) 사이에 설치되고, 조력 회전날개(20) 및 풍력 회전날개(40)에 고정자(32) 및 회전자(31)를 각각 연결하여 서로 반대방향으로 회전시키며 발전하는 발전기(30);
    를 포함하여 조력 및 풍력을 동시에 이용하여 발전할 수 있으며,
    상기 풍력 회전날개(40)는 측면에 복수의 슬롯이 원주방향을 따라 간격을 두고 축 방향으로 길게 형성되는 외부 회전통(41);
    상기 외부 회전통(41)의 내부에 동심원상으로 배치되는 내부 회전 통(44);
    일 측 단부가 상기 내부 회전 통(44)에 힌지구조로 설치되고, 타 측 단부가 슬롯을 통해 외부 회전통(41) 바깥으로 돌출되며, 풍력을 이용하여 회전력을 발생시키는 블레이드(42);
    상기 내부 회전 통(44)의 내부에 설치되고, 원심력을 이용하여 상기 외부 회전통(41)에 비해 내부 회전통(44)을 더 많이 회전시키는 각 회전 수단;
    을 포함하여, 강풍 시 원심력에 의해 내부 회전통(44)이 외부 회전통(41)에 비해 더 많이 회전하면서 블레이드(42)를 뒤로 젖히는 방식으로 강풍에 의한 회전날개의 파손을 방지하는 것을 특징으로 하는 조력 및 풍력 병합 발전 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 각 회전 수단은 내부 회전통(44)의 내부에 설치되는 중간받침대(46);
    상기 중간받침대(46)에서 원심력에 의해 반경방향으로 직선이동하며, 내부에 작동돌기(47a)를 가지는 무게 추(47);
    상기 무게 추(47)에 관통 결합되어 회전가능하게 지지되고, 표면에 형성된 작동홈(49)을 이용하여 상기 작동돌기(47a)의 이동을 안내함으로 회전할 수 있도록 된 회전 작동축(48);
    상기 회전 작동축(48)의 단부에 설치되는 평기어(52); 및
    상기 평기어(52)에 치합되며, 상기 내부 회전통(44)의 내측면에 결합되어 회전 작동축(48)의 회전력을 내부 회전통(44)에 전달하는 랙기어(55);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 조력 및 풍력 병합 발전 장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 각 회전 수단은 내부 회전통(44)의 내부에 원주방향으로 간격을 두고 다수개 설치되는 것을 특징으로 하는 조력 및 풍력 병합 발전 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 회전 작동축(48)의 작동 홈(49)은 회전 작동축(48)의 표면에 축 방향으로 직선형태로 길게 형성되는 제1작동 홈(49a)과, 상기 제1작동 홈(49a)의 끝에서 나선방향으로 형성되는 제2작동 홈(49b)으로 구성되고, 상기 무게 추(47)의 직선이동 시 작동돌기(47a)가 제1작동 홈(49a)에서 제2작동 홈(49b)으로 이동함에 따라 회전 작동 축(48)을 회전시키는 것을 특징으로 하는 조력 및 풍력 병합 발전 장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 풍력 회전날개(40)의 회전 각도를 일정하게 유지하기 위해 무게 추(47)의 안쪽면과 중간받침대(46)의 안쪽 단부에 각각 마주보게 설치되는 영구자석(53,47c)을 더 포함하고, 상기 무게 추(47)와 하부회전축(23)에 각각 설치되는 영구자석(53,47c) 사이에 인력이 작용하도록 된 것을 특징으로 하는 조력 및 풍력 병합 발전 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 풍력 회전날개(40)의 회전 각도를 원위치로 복귀시키기 위해 무게 추(47)의 바깥쪽면과 중간받침대(46)의 가장자리부에 각각 마주보게 설치되는 영구자석(54,47b)을 더 포함하고, 상기 무게 추(47)와 중간받침대(46)에 각각 설치되는 영구자석(54,47b) 사이에 척력이 작용하도록 된 것을 특징으로 하는 조력 및 풍력 병합 발전 장치.
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