KR101433309B1 - 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치 - Google Patents

이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치에 관한 것으로서, 해상에 부유하도록 부력을 가지는 부유체와, 상기 부유체에 집적되며 해수의 유동 상태에 따라 수직 또는 수평 방향으로 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체와, 상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부와, 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 따른 본 발명은, 해상 환경에 취약한 복잡한 기계부품을 대신하여 친수성의 이온 폴리머 금속 복합체를 단일의 부유체에 집적시킬 수 있으므로 유지 보수가 용이하고 단위면적당 전력생산 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치{POWER GENERATION DEVICE OF OFFSHORE FLOATING TYPE USING IPMC}
본 발명은 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 이온 폴리머 금속 복합체(IPMC;Ionic Polymeric Metal Composite)를 해상 발전에 적합한 구조로 집적하여 단위 면적당 발전효율을 향상시킨 해상 부유식 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기를 생산하기 위한 대표적인 발전의 형태로는 화석연료를 에너지원으로 하는 화력발전 및 핵분열을 이용하는 원자력 발전을 들 수 있다.
그러나 화력발전은 화석연료의 연소에 의해 발생하는 에너지를 이용함에 따른 공해 유발의 문제와 함께 막대한 건설비가 요구되는 문제점이 있다. 그리고 원자력발전은 많은 양의 전기를 생산하는데 유리하지만 방사선 누출을 차단하기 위한 시설투자에 막대한 비용이 요구되고, 혐오시설로 인식되어 건설준비 단계에서부터 지역 주민들의 강력한 저항을 받을 수밖에 없으며, 폐기물 처리가 쉽지 않을 뿐만 아니라 경미한 사고일지라도 심각한 환경파괴를 초래할 수 있는 위험이 항시 존재하는 문제점이 있다.
근래 들어 화력이나 원자력에서 벗어나 공해 문제로부터 자유로울 수 있는 풍력, 조력, 수력, 태양열과 같은 자연에너지가 공해가 없는 청정에너지일 뿐만 아니라, 고갈될 염려가 없는 영구적인 에너지원으로서 발전 용도의 에너지원으로 주목받고 있다.
그러나 통상적인 발전 형태인 수력발전은 공해를 유발하지는 않지만, 물막이를 위한 막대한 비용이 요구되고, 댐 건설 후 광범위한 지역의 수몰에 따른 생태계의 변화와 더불어 심한 경우에는 해당 지역의 기후까지도 변화시키는 2차적인 환경문제가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
한편 풍력발전 및 태양열발전은 기상상태의 영향에 지배되므로 바람이 없는 경우 및 태양복사에너지가 차단되는 경우에는 발전이 불가능한 문제점이 있다.
청정에너지를 이용한 발전의 형태는 발전을 거듭하여 해양환경에서 얻을 수 있는 무궁무진한 자연에너지를 이용하여 전력을 생산하는 다양한 종류의 발전 형태가 등장하였으며, 동시에 그 사용범위가 증가하고 있다. 실제로 해양에서 얻을 수 있는 에너지원을 이용한 전력생산의 예를 살펴보면, 태양광, 조류, 온도차, 파력, 조수간만의차, 풍력 등을 이용하여 전력을 생산하는 다양한 종류의 발전 형태가 이용되고 있다.
이와 같은 발전의 형태는 모두 공해와는 무관한 청정에너지를 발전에 이용하는 점에서 장점이 있지만, 조력발전은 입지조건이 상당히 제한적임에 따라 보편적으로 적용되기 어려울 뿐만 아니라 막대한 건설비용 부담과 더불어 갯벌의 황폐화 및 방대한 지역의 환경에 막대한 영향을 미치는 문제점이 있으며, 파력발전 및 해수온도차발전 역시 입지조건이 상당히 제한적임에 따라 보편적으로 적용되기가 어려운 문제점이 있다.
해양환경에서 날씨의 변화와 상관없이 지속적인 발전이 가능한 것과 동시에 오염이 없는 청정에너지원을 이용한다는 측면에서 조류발전이 대안으로 부각되고 있으며, 조류발전은 입지조건의 제약이 전혀 없는 것은 아니지만 조력발전에 비해서는 폭 넓은 이용이 가능하고, 조류의 운동에너지를 적극적으로 이용한다는 측면에서 큰 관심사가 되고 있지만, 구조가 복잡하고 발전용량에 대한 한계성이 따르는 문제점이 있다.
상기한 문제점들을 해결하고자 대한민국 등록특허 제10-1178482호 '해상 부유식 복합 발전 시스템'이 제안된 바 있다.
이러한 해상 부유식 복합 발전 시스템은, 해상에 부유하는 부유체와, 상기 부유체의 상부에 설치되어 태양의 태양광을 이용하여 전기를 발생시키는 태양광 발전기와, 상기 부유체의 측면에 설치되어 파도의 파력을 이용하여 전기를 발생시키는 파력 발전기와, 상기 부유체의 상부에 설치되어 바람의 풍력을 이용하여 전기를 발생시키는 풍력 발전기와, 상기 부유체의 하부에 흐르는 조류를 이용하여 전기를 발생시키는 조류 발전기를 포함한다. 이러한 해상 부유식 복합 발전 시스템은 상기 태양광 발전기, 상기 파력 발전기, 상기 풍력 발전기, 및 상기 조류 발전기에 전기적으로 연결되어, 발전기에서 발생된 전력을 통합하여 발전기에서 발생된 주파수와 진폭을 제어하는 것으로, 상기 각각의 발전기에 연결되어 발전기에서 발생된 전력의 주파수 및 진폭을 제어하는 전력제어기와, 상기 각각의 전력제어기에 연결되어 전력제어기를 통해 나온 전기의 노이즈 성분을 제거하는 필터와, 상기 필터에 연결되어 역전압 및 역전류를 차단하기 위한 계통 연결 제어기로 이루어지며, 상기 각각의 발전기에서 발생된 전력을 하나의 전력원으로 통합하여 이를 상용전원으로 인가하는 복합전력 관리장치를 포함하되, 상기 해상 부유식 복합 발전 시스템은 다수개의 섹터로 구성되고, 다수개의 섹터로 구성된 해상 부유식 복합 발전 시스템을 전기적으로 연결시키는 것이고, 두 계통 이상의 에너지 변동에 의한 전력 품질을 개선하는 에너지 저장 장치와, 상기 에너지 저장 장치와 상기 상용전원 사이에 설치되어 역전압 및 역전류를 차단하는 계통 연결 제어기로 이루어지며, 상기 각각의 섹터의 발전 전력을 통합 관리하여 상기 상용전원에 인가하는 통합관리제어소에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 구성되고 작용하는 종래 기술의 해상 부유식 복합 발전 시스템에 의하면, 해양환경에서의 태양광, 파력, 풍력, 조류 등의 청정에너지를 연속적으로 발전시켜 발전용량을 극대화할 수 있다.
그러나, 상기한 종래 기술은 각각의 개별 발전기들과 주변장치들은 대부분은 복잡한 기계 부품으로 이루어지기 때문에 누수시 심각한 고장을 초래할 수 있으며, 열악한 해상 환경으로 인하여 기계 부품의 수명이 급격히 단축될 수밖에 없다. 즉, 상기한 점으로 인하여 유지 보수가 어려운 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 상기한 종래 기술은 해상에 설치되는 면적에 비해 단위면적당 전력생산 효율이 낮은 문제점이 있다.
KR 10-1093063 B1 KR 10-1071644 B1 KR 10-1178482 B1 KR 10-2012-0013806 A
앞선 배경기술에서 도출된 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 해상에서의 유지보수가 용이하고 단위면적당 전력생산 효율을 향상시킬 수 있는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적은, 본 발명의 실시예에 따라, 해상에 부유하도록 부력을 가지는 부유체와; 상기 부유체에 집적되며 해수의 유동 상태에 따라 수직 또는 수평 방향으로 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체와; 상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부와; 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 부유체는 환형으로 형성되며, 상기 이온 폴리머 금속 복합체는 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 부유체의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치된다. 그리고 상기와 같은 부유체는 복수개가 종방향으로 결합되어 원기둥 형상의 모듈 집합체를 형성한다.
한편, 상기 부유체는 중공관 형태의 내부실린더를 가지며, 상기 내부실린더의 내부에는 상기 복수개의 부유체에서 생산된 전력을 직렬 방식 및 병렬 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 연결하는 전선이 수용되어 생산 전압 및 전류를 증가시킨다.
그리고, 상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 부유체의 둘레 상에서 방사상으로 고정배치되어 일단부는 상기 부유체의 내부 공간으로 돌출되고 타단부는 상기 부유체의 외부로 돌출되며, 이러한 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 부유체의 둘레 상에서 병렬 연결되어 생산 전류를 증가시킨다.
상기한 바에 따른 본 발명의 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치에 의하면, 해상 환경에 취약한 복잡한 기계부품을 대신하여 친수성의 이온 폴리머 금속 복합체를 단일의 부유체에 집적시킬 수 있으므로 유지 보수가 용이하고 단위면적당 전력생산 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치를 도시하는 사시도이고,
도2는 도1의 각 개체가 종방향으로 결합된 상태에서의 측단면도이고,
도3은 도1의 각 개체가 종방향으로 결합된 상태에서의 평면도이고,
도4는 도1의 부유체가 복수개 결합된 모듈 집합체가 부이(buoy)에 수용된 상태를 도시하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따른 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치는, 도1에 도시된 바와 같이, 해상에 부유하도록 부력을 가지는 부유체(20)와, 상기 부유체(20)에 집적되며 해수의 유동 상태에 따라 수직 또는 수평 방향으로 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체(40)와, 상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부(미도시)와, 상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부(미도시)를 포함한다.
상기 부유체(20)는 환형으로 형성되며, 해상에서 부유할 수 있다면 어떠한 재질로 이루어지더라도 무방하다. 그리고 도1에 도시된 바와 같이, 상기 부유체(20)는 복수개가 종방향으로 결합되어 원기둥 형상의 모듈 집합체(100)를 형성하여 해상에서 수직 또는 수평으로 부유되도록 한다. 이러한 부유체(20)의 중심부에는 중공관 형태의 내부실린더(60)가 형성되는데, 상기 내부실린더(60)의 내부에는 상기 복수개의 부유체(20)에서 생산된 전력을 직렬 방식 및 병렬 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 연결하는 전선(80)이 수용된다. 이때, 상기 부유체(20) 간의 전선 연결은, 전류 증가를 위해서는 병렬로 연결하고, 전압 증가를 위해서는 직렬로 연결하며, 생산 전력을 높이기 위해서는 병렬 및 직렬 연결을 조합할 수 있다.
한편, 상기 복수개의 부유체(20)가 종방향으로 결합할 시, 도2에 도시된 바와 같이, 내부실린더(60)의 상부는 나사홈이 형성되고 상기 내부실린더(60)의 하부는 나사돌기가 형성되며, 상기 내부실린더(60)의 중공 공간이 외부와의 기밀을 유지하도록 나사 방식으로 체결된 부분이 실링 처리된다. 이외에 상기 내부실린더(60)의 중공 공간과 외부가 기밀을 유지할 수만 있다면 어떠한 결합 방식이 사용되어도 무방하다.
상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)는 전기활성고분자(EAPs; Electro Active Polymers) 중에서 이온성 고분자 소재를 기반으로 하는 금속 복합체로서 외력이 가해지는 경우 고분자 박막층 내부의 이온이 이동하면서 전기에너지가 발생하는 소재이다. 이러한 이온 폴리머 금속 복합체(40)는 기존의 압전소자와는 달리 낮은 주파수 대역의 물리적 자극에도 전기에너지를 생산하는 특성이 있어서 끊임없이 해수가 유동하는 해상에 적합하다. 특히 상기한 이온 폴리머 금속 복합체(40)는 친수성 소재로서 물속에서도 전기에너지의 생산이 가능하기 때문에 해상 환경에 적합할 뿐만 아니라 유지 및 보수가 상당히 용이한 장점을 가진다.
한편, 본 발명에 따른 상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)는 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 부유체(20)의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치된다. 이러한 이온 폴리머 금속 복합체(40)는, 도3에 도시된 바와 같이, 상기 부유체(20)의 둘레 상에서 방사상으로 고정배치되어 일단부는 상기 부유체(20)의 내부 공간으로 돌출되고 타단부는 상기 부유체(20)의 외부로 돌출된다. 따라서, 상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)는 도2에 도시된 바와 같이 양단부 모두가 해수와 접하면서 굽힘 현상이 발생하기 때문에 통상적으로 하나의 단부만 외부로 돌출된 캔틸레버 형식의 구조보다 더 많은 물리적 자극을 상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)에 가해지도록 한다. 이러한 상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)는 상기 부유체(20)의 둘레 상에서 병렬 연결되어 생산 전류를 증가시킨다.
그리고, 도시하고 있지는 않으나 상기 이온 폴리머 금속 복합체(40)의 양단부에는 굽힘 현상 운동을 증폭시키기 위한 진동추가 설치될 수 있으며, 이러한 진동추는 캔틸레버 형식의 이온 폴리머 금속 복합체(40)가 상하로 왕복되는 변형 범위를 증가시키게 되므로 전기에너지의 생성 효율을 향상시킨다.
도4는 복수개의 부유체(20)가 원기둥 형상으로 결합된 모듈 집합체(100)가 부이(B, buoy)에 수용된 상태를 도시하는 개념도이다. 여기서, 부이는 해상의 일정한 위치에 설치되는 부표와 같은 것으로 체인이나 로프(2) 등을 이용해 해저에 앙카나 싱카(1)를 고정시키고 상기 부이 내부에는 모듈 집합체(100)를 탑재하여 부유식 발전장치를 이룬다.
도4에 따른 실시예에서는 모듈 집합체(100)가 수면에서 수직 방향으로 위치하며, 이에 부유체(20)에 집적된 이온 폴리머 금속 복합체(40)들은 파도에 의한 상하 이동에 따라 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 생산하게 된다.
그리고 도시하지는 않았으나 다른 실시예에 의하면, 모듈 집합체는 수면에서 수평 방향으로 위치하여 부이에 수용될 수 있으며, 이에 이온 폴리머 금속 복합체들은 조력에 의한 수평 이동에 따라 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 생산하게 된다.
지금까지 설명한 본 발명에 따르면, 해상 환경에 취약한 복잡한 기계부품을 대신하여 친수성의 이온 폴리머 금속 복합체를 단일의 부유체에 집적시킬 수 있으므로 유지 보수가 용이하고 단위면적당 전력생산 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 실시예들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.
20: 부유체 40: 이온 폴리머 금속 복합체
60: 내부실린더 80: 전선
100: 모듈 집합체

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 해상에 부유하도록 부력을 가지는 환형의 형상으로, 복수개가 종방향으로 결합되어 원기둥 형상의 모듈 집합체를 형성하는 부유체;
    상기 부유체에 집적되며 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 부유체의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치되는 것으로, 해수의 유동 상태에 따라 수직 또는 수평 방향으로 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체;
    상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부;
    상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부유체는 중공관 형태의 내부실린더를 가지며,
    상기 내부실린더의 내부에는 상기 복수개의 부유체에서 생산된 전력을 직렬 방식 및 병렬 방식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 연결하는 전선이 수용되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치.
  5. 해상에 부유하도록 부력을 가지는 환형의 부유체;
    상기 부유체에 집적되며 일정 길이의 필름 형태로 형성되어 상기 부유체의 둘레를 따라 복수개가 일정 간격을 두고 캔틸레버 형식으로 고정배치되는 것으로, 해수의 유동 상태에 따라 수직 또는 수평 방향으로 굽힘 현상이 발생하여 전기에너지를 발생시키는 이온 폴리머 금속 복합체;
    상기 이온 폴리머 금속 복합체에서 교류 형태로 발생된 전기에너지를 직류로 변환하는 정류부;
    상기 정류부와 연결되어 생산된 전력을 공급 또는 저장하는 부하부;를 포함하되,
    상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 부유체의 둘레 상에서 방사상으로 고정배치되어 일단부는 상기 부유체의 내부 공간으로 돌출되고 타단부은 상기 부유체의 외부로 돌출되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이온 폴리머 금속 복합체는 상기 부유체의 둘레 상에서 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 이온 폴리머 금속 복합체를 이용한 해상 부유식 발전장치.
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