KR101431520B1 - 부상형 풍력 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부상형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항상 적당한 수위를 유지하는 원형수조 내벽에 부상형 풍력 발전장치를 설치한 후, 이 부상형 풍력 발전장치는 바람에 의하여 움직이는 블레이드와 수중에서 발생되는 산기관의 기포 및 수류의 흐름에 의하여 움직이는 터빈날개를 통하여 회전되게 하면서 전력을 생산하고 발전하며, 발전된 에너지는 재이용될 수 있도록 한 부상형 풍력 발전장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 내부에 충진된 물이 일정 수위를 유지하고 육상이나 들판에 설치 고정되는 원형수조와; 상기 원형수조 내벽에 위치하고 원형수조 내부에 충진된 물에 의해 부상된 상태에서 수중에서 발생하는 기포 및 수류와 바람에 의해 회전하는 링 형상의 부선체 드럼과; 상단은 상기 부선체 드럼 상단에 형성된 구동기어와 기어 결합되는 발전기 기어가 하단에 형성되고 부선체 드럼이 회전하면 구동되어 전력을 생산 발전시키는 발전기로 구성하는 것에 그 특징이 있다.

Description

부상형 풍력 발전장치{Floating Wind Power Genepator}

본 발명은 부상형 풍력 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항상 적당한 수위를 유지하는 원형수조 내벽에 부상형 풍력 발전장치를 설치한 후, 이 부상형 풍력 발전장치는 바람에 의하여 움직이는 블레이드와 수중에서 발생되는 산기관의 기포 및 수류의 흐름에 의하여 움직이는 터빈날개를 통하여 회전되게 하면서 전력을 생산하고 발전하며, 발전된 에너지는 재이용될 수 있도록 한 부상형 풍력 발전장치에 관한 것이다.

일반적으로 풍력은 지구상에 자연적으로 발생하는 무공해 에너지원으로서, 20세기 이래 전 세계적인 산업화의 영향으로 석탄, 석유 등 화석연료가 점차 고갈되고 화석연료의 사용으로 인한 환경오염이 심각해지면서 최근 무공해 대체 에너지인 풍력을 이용한 발전방식이 더욱 각광을 받고 있다.

풍력발전은 바람의 힘에 의해 회전하는 풍차의 회전력으로 발전기를 돌려 전기를 발생시키는 기술로서, 무한정의 청정에너지인 바람을 동력원으로 하므로 기존의 화석연료나 우라늄 등을 이용한 발전방식과 달리 발열에 의한 열 공해나 대기오염 그리고 방사능 누출 등과 같은 환경오염의 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.

풍력발전의 종류로는 발전기가 장착되는 지지구조물을 어디에 위치시키는지에 따라 육상 풍력발전과 해상 풍력발전으로 구분되는데, 육상 풍력발전과 해상 풍력발전은 각각 다음과 같은 여러 가지 제약요소들을 가지고 있어 널리 활용되기가 어려웠다. 풍력 발전설비는 설비비가 비싸므로 풍력을 효과적으로 사용하기 위해 설비간의 이격 거리가 필요한데, 육상 풍력 발전에 있어서는 설비간의 이격거리를 확보하기 위하여 넓은 점유 부지가 요구된다. 그 결과 육상 풍력 발전은 부지의 구입이나 임대비용이 많이 발생하게 되고, 부지확보 과정에서 인근 주민의 동의를 얻기가 어려우며 주민동의를 위한 협상과정에서도 적지 않은 비용이 수반된다.

또한, 육상풍력발전의 건설비 중에서 상당 부분을 차지하는 송전설비의 비용을 줄이기 위해서는 여러 대의 풍력발전 설비들을 집중하여 대단위로 건설하는 것이 좋지만, 우리나라와 같이 평야지대가 많지 않은 현실에서는 부지확보에 제한을 받는다는 문제점이 있다.

또한, 육상풍력은 지형의 영향을 많이 받기 때문에, 해상 풍력발전 설비에 비하여 일반적으로 풍황이 좋지 못하며 위치에 제한을 받는다는 문제점이 있다. 그리고 육상풍력 발전설비는 그 설치 지점의 지반에 따라 기초 공사가 달라져야 한다. 더욱이 육상 풍력에서 풍황이 좋은 곳은 대체적으로 산간 오지의 산마루 지점이어서 기자재 수송 및 설치공사와 관리를 위해 도로와 송전선을 건설해야 하는 등의 비용이 많이 소요되고 실제로도 설치 공사와 유지관리가 어려운 단점이 있다.

이에 비해 해상 풍력발전은 다음과 같은 문제점이 있다. 해상 풍력발전은 발전설비를 해상에 설치하는 방법에 따라 고정식과 부유식으로 나눌 수 있는데, 고정식은 수심이 깊지 않은 바다의 해수면 이하의 수중에 기초공사를 하고 그 기초공사 위에 구조물을 설치한 후 풍차를 비롯한 발전설비를 설치하는 방식이고, 부유식은 해수면 위에 부유물을 띄우고 그 부유물 위에 발전설비를 설치하는 방식이다. 현재까지 실용화되어있는 해상 풍력 발전방식은 주로 고정식으로서 해안 근처의 수중에 지지구조물을 설치하고 그 위에 발전설비를 설치하고 있다.

이와 같은 해상 풍력발전은 공유수면인 바다에 풍력발전설비를 설치하므로 육상 풍력발전에서 문제가 되었던 부지 문제나 설치 규모의 제한 또는 주민 동의 문제가 비교적 적게 발생하고, 해수면의 형상이 일정하므로 주변 지형의 영향을 작게 받아 바람의 상황도 육상 풍력발전에 비하여 좋은 장점이 있다.

그러나 해상 풍력발전방식 중 고정식 해상 풍력발전방식은 수중에 기초를 해야 하므로 공사비가 많이 든다는 점에서 육상풍력에 비해 불리한 점이 있다. 즉, 풍력발전설비를 설치하는 곳이 육지에서 멀어지면 멀어질수록 육지 지형의 영향을 작게 받아 풍황이 좋아지는 장점은 있지만, 이러한 장점에 반비례하여 수심이 깊어짐으로 인해 건설비가 증가하게 되는 것이다. 또한 고정식 육상 풍력 발전 방식에서 특히 문제가 되었던 기초공사의 문제도 해수면 이하의 지질이 일정하지 않아 지반에 따라 기초공사가 달라져야 한다는 점에서 더욱 문제가 된다. 여기에 더하여, 육지에서 멀지 않은 수심이 얕은 해안은 대개 어장으로 활용되고 있으므로, 풍력 발전 설비 고유의 문제점인 소음이 인근 마을까지 영향을 미쳐 민원이 발생할 소지가 있다. 그나마 민원을 극복하고 설치하는 경우에도 해안의 설치가능 면적이 제한됨으로 인해 결국 설치 가능 용량과 대수에 제한을 받게 되는 문제점이 있다.

한편, 해상 부유 풍력발전 방식은 기초 공사를 할 필요 없이 해수면 위에 풍력 발전 설비를 부유시켜 발전하므로, 상술한 고정식 해상 풍력발전 방식이 갖는 문제점들, 특히 수면 이하의 기초 공사와 구조물 제작에 드는 비용 및 육지로부터의 거리가 멀어짐으로 인해 수심에 따른 공사비가 증가되는 문제를 해소할 수있다.

그리고, 해상 부유 풍력 발전은 해저 지반의 차이에 따르는 기초공사 및 수면 이하 구조물 설치의 문제를 해결해 준다. 그러나 해상 부유 풍력발전 방식은, 태풍과 같은 강한 바람이 회전날개에 가해지는 경우 구조물전체가 전복될 수 있고, 설치 후 오랜 시간이 지나게 되면 부력이 저하되어 침수될 수 있다는 문제가 있다. 또한 풍속이 풍력발전 터빈의 설계기준이상으로 높아지면 발전기를 보호하기 위해 회전날개를 정지시키게 되는데, 정지된 회전날개를 다시 가동시키기 위해서는 보조 전력을 활용해야 한다. 하지만 기존의 부유 구조형식에서는 이러한 문제를 능동적으로 대처하기에는 한계가 있다.

상기와 같은 종래 육상 풍력 발전장치 및 해상 풍력 발전장치는 모두 바람에 의해 날개가 회전되는 운동에너지를 이용하여 전기를 발생시키는 장치로서, 타워 형태의 구조체 위에 블레이드와 증속기 및 발전기가 포함된 나셀부가 위치하며, 바람의 방향에 따라 나셀부가 회전하게 전력을 생산하고 발전하게 된다.

상기와 같은 풍력 발전기에 사용되는 나셀부의 경우 블레이드, 증속기, 발전기 등이 포함되어 있어 상당한 무게를 갖는다.

따라서 타워 형태의 구조체에 상당한 충격하중과 진동하중을 주어 파손 등의 위험성이 높아 견고한 구조체를 요구하게 된다. 또한 주요 장치가 높은 위치에 있는 나셀부에 집중되어 있어 유지보수가 어렵고, 바람의 영향을 많이 받아 설치가 어려운 제반 문제점이 있었다.

[특허문헌 1] 공개특허공보 제10-2013-0048853(부유식 해상 풍력발전장치) [특허문헌 2] 등록특허 제10-1264592호(풍력발전장치)

본 발명은 상기와 같은 단점을 해소하기 위해 안출한 것으로, 항상 적당한 수위를 유지하는 원형수조 내벽에 부상형 풍력 발전장치를 설치한 후, 이 부상형 풍력 발전장치는 바람에 의하여 움직이는 블레이드와 수중에서 발생되는 산기관의 기포 및 수류의 흐름에 의하여 움직이는 터빈날개를 통하여 회전되게 하면서 전력을 생산하고 발전하며, 발전된 에너지는 재이용될 수 있도록 한 부상형 풍력 발전장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명은, 내부에 충진된 물이 일정 수위를 유지하고 육상이나 들판에 설치 고정되는 원형수조와; 상기 원형수조 내벽에 위치하고 원형수조 내부에 충진된 물에 의해 부상된 상태에서 수중에서 발생하는 기포 및 수류와 바람에 의해 회전하는 링 형상의 부선체 드럼과; 상단은 상기 부선체 드럼 상단에 형성된 구동기어와 기어 결합되는 발전기 기어가 하단에 형성되고 부선체 드럼이 회전하면 구동되어 전력을 생산 발전시키는 발전기를 포함하는 것과,

부선체 드럼 상단에는 바람에 의해 움직이는 블레이드가 수직 방향으로 적당한 간격을 두고 다수 형성되고, 하단에는 산기관에서 발생하는 기포와 수류에 의해 움직이는 터빈날개가 적당한 간격을 두고 다수 형성되는 것과,

원형수조 측벽에 형성된 유입수 배관은 유입수 조절센서에 물이 부족하다는 것이 감지되면 보충수를 원형수조 내부로 유입시켜 보충시키고, 내부로 충진된 물이 많으면 원형수조 중간에 형성된 수위조절웨어를 통해 물이 외부로 배출되게 하여 원형수조 내부에 충진되는 물이 항상 일정 수위를 유지토록 하는 것과,

수위조절웨어는 원형수조 내부의 물이 내부로 유입되는 호퍼와, 상기 호퍼 하단에 형성되고 호퍼 내부로 유입되는 물이 외부로 배출되게 안내하는 배출관과, 상기 호퍼 상단에 하단이 피스로 체결될 때 호퍼 내부로 물이 유입되도록 공간을 형성하고 호퍼 내부로 부유물이 유입되는 것을 방지하는 부유물 방지캡으로 구성되는 것과,

발전기는 원형수조 외벽에 다수 형성하되, 발전 용량에 따라 설치되는 개수가 적게 설치되거나 많이 설치되는 것과,

부선체 드럼 상단 외측면에는 안내롤러가 밀착되어 부선체 드럼의 회전을 안내하는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 항상 적당한 수위를 유지하는 원형수조 내벽에 부상형 풍력 발전장치가 설치되어 있다.

따라서 부상형 풍력 발전장치는 바람에 의하여 블레이드가 움직이고 수중에서 발생되는 산기관의 기포 및 수류의 흐름에 의해 터빈날개가 동시에 움직이기 때문에 풍력 발전장치의 회전력이 증대되어 발전효율을 높일 수 있을 뿐 아니라, 회전하는 과정에서 전력을 생산하고 발전하며, 발전된 에너지는 재이용될 수 있는 것이다.

또한, 풍력 발전장치의 주요 부분인 나셀부에 해당하는 발전기 등이 지면에 설치되기 때문에 종래와 같이 나셀부를 설치하기 위한 별도의 타워가 필요 없으며, 이에 따라 설치 및 유지관리가 간편하게 이루어질 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

도1은 본 발명에 따른 부상형 풍력 발전장치의 평면 구성도.
도2는 본 발명에 따른 부상형 풍력 발전장치의 요부 확대도.
도3은 본 발명에 따른 부상형 풍력 발전장치의 측면 구성도.
도4는 본 발명에 따른 발전기와 부선체 드럼의 연결 상태를 나타낸 구성도.
도5는 본 발명에 따른 안내롤러와 부선체 드럼의 연결 상태를 나타낸 구성도.
도6은 본 발명에 따른 수위조절웨어의 구성도.
도7은 본 발명에 따른 안내롤러의 구성도.
도8은 본 발명에 따른 부선체 드럼의 요부 확대도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도1 내지 도8에서와 같이 내부에 충진된 물이 일정 수위를 유지하고 육상이나 들판에 설치 고정되는 원형수조(100)와, 상기 원형수조(100) 내벽에 위치하고 원형수조(100) 내부에 충진된 물에 의해 부상된 상태에서 수중에서 발생하는 기포 및 수류와 바람에 의해 회전하는 링 형상의 부선체 드럼(200)과, 상단은 상기 부선체 드럼(200) 상단에 형성된 구동기어(210)와 기어 결합되는 발전기 기어(310)가 하단에 형성되고 부선체 드럼(200)이 회전하면 구동되어 전력을 생산 발전시키는 발전기(300)가 기본적으로 구성된다.

여기서, 부선체 드럼(200)과 발전기(300)가 기어 결합되는 것으로 한정되는 것은 아니고, 부선체 드럼(200)의 회전력에 의해 발전기(300)가 구동되어 전력을 생산 발전시킬 수 있다면 상황에 따라 벨트 타입, 체인 타입 등과 같이 여러가지의 방법이 선택 사용될 수 있음을 밝혀둔다.

부선체 드럼(200) 상단에는 바람에 의해 움직이는 블레이드(220)가 수직 방향으로 적당한 간격을 두고 다수 형성되고, 하단에는 산기관(400)에서 발생하는 기포와 수류에 의해 움직이는 터빈날개(230)가 적당한 간격을 두고 다수 형성된다.

원형수조(100) 측벽에 형성된 유입수 배관(510)은 유입수 조절센서(500)에 물이 부족하다는 것이 감지되면 보충수를 원형수조(100) 내부로 유입시켜 보충시키고, 내부로 충진되는 물이 많으면 원형수조(100) 중간에 형성된 수위조절웨어(600)를 통해 물이 외부로 배출되게 하여 원형수조(100) 내부의 물이 항상 일정 수위를 유지토록 구성된다.

이를 더욱 상세하게 설명하면 본 발명의 원형수조(100)는 육상 또는 들판에 설치 고정되고 내부에는 물이 항상 일정 수위를 유지할 수 있도록 충진되어 있다. 이러한 원형수조(100) 측벽 한쪽에는 유입수 조절센서(500)가 원형수조(100) 내부에 충진된 물이 부족하다는 것을 감지하면 보충수를 원형수조(100) 내부에 유입되게 하는 유입수 배관(510)이 형성되고 원형수조(100) 중간에는 내부에 충진된 물의 수위를 항상 일정하게 조절할 수 있는 수위조절웨어(600)가 설치되어 있다.

상기 수위조절웨어(600)는 원형수조(100) 내부의 물이 내부로 유입되는 호퍼(610)와, 상기 호퍼(610) 하단에 형성되고 호퍼(610) 내부로 유입되는 물이 외부로 배출되게 안내하는 배출관(620)과, 상기 호퍼(610) 상단에 하단이 피스(650)로 체결될 때 호퍼(610) 내부로 물이 유입되도록 공간(640)을 형성하고 호퍼(610) 내부로 부유물이 유입되는 것을 방지하는 부유물 방지캡(630)으로 구성된다. 이러한 수위조절웨어(600)는 원형수조(100) 내부에 물이 많이 충진되면 자동으로 수위조절웨어(600)를 통해 외부로 물이 배출되면서 항상 원형수조(100) 내부의 물 수위가 일정하게 유지되도록 하는 역할을 수행한다.

또한, 원형수조(100) 내부 하단에는 산기관(400)이 설치되고 이 산기관(400)은 외부에 설치된 공기공급기(도시하지 않음)를 통하여 수중에서 기포를 발생시킨다.

블레이드(220)는 수직방향으로 설치되어 수평방향으로 회전하게 되며, 수중에 부상되어 있는 부선체 드럼(200) 상단에 적당한 간격을 두고 다수 설치되고 바람에 의해 움직이면서 원형수조(100) 내벽에서 부선체 드럼(200)을 회전시키는 역할을 수행한다.

터빈날개(230)는 부선체 드럼(200) 하단에 설치되어 산기관(400)에서 발생되어 상부로 부상하는 기포와 수류에 의해 움직이면서 풍력용 블레이드(220)와 함께 부선체 드럼(200)을 회전시키는 역할을 수행한다. 이러한 부선체 드럼(200)은 내부가 빈 사각형의 밀폐구조로 구성되어 수중에서 부상되도록 하였으며, 원형수조(100) 내벽에 링 형태로 설치 사용된다.

발전기(300)는 원형수조(100) 외벽에 다수 설치 사용되는데, 발전 용량에 따라 설치되는 개수가 적게 설치되거나 많이 설치 사용된다. 즉, 풍력 발전장치가 설치되는 장소에 따라 발전기(300)의 설치 개수가 달라지는데, 발전 용량이 적을시에는 적게 설치되고, 발전 용량이 많이 필요할 경우에는 많이 설치 사용된다.

한편, 부선체 드럼(200) 상단 외측면에는 안내롤러(700)가 밀착되어 부선체 드럼(200)의 회전을 안내함으로써, 발전기 기어(310)와 구동기어(210)의 맞물림을 계속적으로 유지하여 부선체 드럼(200)이 원형수조(100) 내벽에서 일정한 궤도로 회전될 수 있도록 구성하였다.

미설명 부호 660은 수위조절웨어(600)의 상,하 높낮이를 조절하여 원형수조(100) 내부에 충진되는 수위량을 조절하는 높낮이조절부이다.

이와 같이 구성된 본 발명을 조립하면 원형수조(100) 내부에는 유입수 배관(510), 유입수 조절센서(500) 및 수위조절웨어(600)를 통해 항상 물이 일정 수위를 유지하면서 충진되어 있고, 부선체 드럼(200)은 원형수조(100) 내벽에 위치하여 부상되어 있다. 상기와 같은 부선체 드럼(200) 상단에는 블레이드(220)가 설치되어 있고 하단에는 터빈날개(230)가 설치되어 있으며, 터빈날개(230) 하단에는 수중에서 기포를 발생시키는 산기관(400)이 위치하고 있다.

또한, 원형수조(100) 외벽에는 적당한 간격을 두고 발전기(300)가 다수 설치되어 있고, 상기 발전기(300)는 발전기 기어(310)와 구동기어(210)를 통해 부선체 드럼(200)과 기어 결합되어 있으며, 안내롤러(700)는 부선체 드럼(200) 상단 외측벽에 밀착되어 상기한 발전기 기어(310)와 구동기어(210)가 정확하게 기어 결합되면서 부선체 드럼(200)이 일정한 궤도로 회전할 수 있도록 하고 있다.

상기와 같은 상태에서 부선체 드럼(200)은 블레이드(220)와 터빈날개(230)를 통하여 회전한다. 즉, 공기공급기에서 발생된 공기는 산기관(400)으로 이송되고, 산기관(400)으로 이송된 공기는 수중으로 배출된다. 이때 수중으로 배출되는 과정에서 발생된 기포는 상부로 부상하고 부상되는 기포와 수류의 힘에 의해 터빈날개(230)가 움직임에 따라 부선체 드럼(200)이 회전한다.

이와 동시에 외부의 바람이 블레이드(220)측으로 직접 전달되면 블레이드(220)의 움직임에 따라 부선체 드럼(200)이 회전되고, 이 회전력은 터빈날개(230)에 의해 움직이는 부선체 드럼(200)의 회전력을 더욱 증가시켜 발전기(300)를 작동시키게 되는 것이다. 이때 구동기어(210)와 기어 결합된 발전기 기어(310)가 작동되면서 발전기(300)를 구동시키기 때문에 발전기(300)는 전류를 생산하고 발전시키며, 필요한 주변기기에 에너지를 공급하는 것이다.

한편, 부상형 풍력 발전장치를 장기간 사용하다가 원형수조(100) 내부의 물이 일정 수위 보다 부족하면 이를 유입수 조절센서(500)가 감지하고, 감지된 신호에 따라 유입수 배관(510)은 외부의 물을 원형수조(100) 내부로 보충하는 것이다. 만약 빗물이나 보충수 등에 의해 일정 수위를 넘으면 물은 자연스럽게 공간(640)을 통하여 수위조절웨어(600)인 호퍼(610) 상단을 통하여 내부로 유입되고, 유입된 물은 배출관(620)을 통하여 외부로 배출되면서 수위가 조절되는 것이며, 부유물 방지캡(630)은 부유물이나 이물질 등이 호퍼(610) 내부로 유입되는 것을 방지하게 된다.

100 ; 원형수조 200 ; 부선체 드럼
210 ; 구동기어 220 ; 블레이드
230 ; 터빈날개 300 ; 발전기
310 ; 발전기 기어 400 ; 산기관
500 ; 유입수 조절센서 510 ; 유입수 배관
600 ; 수위조절웨어 610 ; 호퍼
620 ; 배출관 630 ; 부유물 방지캡
640 ; 공간 650 ; 피스
660 ; 높이조절부 700 ; 안내롤러

Claims (6)

1. 내부에 충진된 물이 일정 수위를 유지하고 육상이나 들판에 설치 고정되는 원형수조와; 상기 원형수조 내벽에 위치하고 원형수조 내부에 충진된 물에 의해 부상된 상태에서 수중에서 발생하는 기포 및 수류와 바람에 의해 회전하는 링 형상의 부선체 드럼과; 상단은 상기 부선체 드럼 상단에 형성된 구동기어와 기어 결합되는 발전기 기어가 하단에 형성되고 부선체 드럼이 회전하면 구동되어 전력을 생산 발전시키는 발전기를 포함하되,
   상기 부선체 드럼 상단에는 바람에 의해 움직이는 블레이드가 수직 방향으로 적당한 간격을 두고 다수 형성되고, 하단에는 산기관에서 발생하는 기포와 수류에 의해 움직이는 터빈날개가 적당한 간격을 두고 다수 형성되는 것과,
   상기 원형수조 측벽에 형성된 유입수 배관은 유입수 조절센서에 물이 부족하다는 것이 감지되면 보충수를 원형수조 내부로 유입시켜 보충시키고, 내부로 충진된 물이 많으면 원형수조 중간에 형성된 수위조절웨어를 통해 물이 외부로 배출되게 하여 원형수조 내부에 충진되는 물이 항상 일정 수위를 유지토록 하는 것과,
   상기 수위조절웨어는 원형수조 내부의 물이 내부로 유입되는 호퍼와, 상기 호퍼 하단에 형성되고 호퍼 내부로 유입되는 물이 외부로 배출되게 안내하는 배출관과, 상기 호퍼 상단에 하단이 피스로 체결될 때 호퍼 내부로 물이 유입되도록 공간을 형성하고 호퍼 내부로 부유물이 유입되는 것을 방지하는 부유물 방지캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 부상형 풍력 발전장치.
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