KR101453527B1 - 조류발전용 블레이드 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 조류발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 있어서, 수차발전기에 연결되고, 수중에 잠기도록 배치되는 본체와, 본체로부터 본체의 일측 방향으로 돌출되어 이루어지는 경사면과, 본체를 중심으로 경사면과 대칭되도록 본체로부터 타측 방향으로 돌출되어 이루어지는 후면경사면을 포함하고, 후면경사면은 경사면과 대칭되도록 본체로부터 돌출되는 후육부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

조류발전용 블레이드{BLADE FOR TIDAL CURRENT TYPE GENERATOR}

본 발명은 조류발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 조류발전을 위해 조류 에 따라 수차발전기에 설치되어 회전할 수 있도록 설치되는 블레이드가 조류 방향이 바뀌어도 항시 일방향으로 회전할 수 있도록 블레이드의 형태를 갖게 한 것이다. 이를 위하여 블레이드의 양력을 높이기 위해 블레이드를 비틀거나 에어포일형태의 캠버를 형성할 경우 조류방향과 맞닿는 전면에 경사면을 형성하도록 하고 후면에 대칭되는 후면경사면을 형성하여 조류의 흐름방향과는 관계없이 항시 일방향으로 블레이드가 회전할 수 있도록 한 것이다.

조류발전은 조류가 빠르게 흐르는 해저에 프로펠러가 장착된 수차발전기를 설치한 뒤 조류의 힘에 의해 수차발전기를 회전시켜 전기를 생산하는 것이다. 특히 조류발전은 기후변화나 계절에 관계없이 발전이 항시 가능하고 신.재생에너지 중 유일하게 발전 가능량을 예측할 수 있는 에너지원이라 할 수 있다.

그러나 조류에너지의 변환, 구조물설계와 시공, 발전시스템의 적용과 운용등 복합적인 기술이 요구되고 있어 선진국인 미국, 독일, 노르웨이에서도 비교적 최근에야 연구를 시작한 상태로서 특히 영국은 300kW급 시플로우(SeaFlow)·1.2MW급 시젠(SeaGen) 프로젝트 등을 추진하면서 설계 및 제조에서 3～5년 정도 앞선 것으로 보이며 국제표준을 주도해 자국 산업의 경쟁력 강화에 크게 노력하고 있다.

우리나라는 전남 울돌목에 1MW급 실증단지 조성을 완료하였으며 아울러 100kW급 조류발전에 대하여는 실증 단계이고 300kW급은 실증을 시작한 상태이다. 특히 울둘묵에 설치된 조류발전시설의 구조체는 무게가 1,000여톤에 달하는 거대한 구조물로 구성되며, 상부하우스 높이까지 포함하면 높이가 48m에 이르는 대형의 규모를 갖고 있다.

한편, 조류를 이용하는 경우 표준상태(20℃,1기압,상대습도75％)에서의 공기밀도가 약 1.2라 할 경우 공기밀도보다 물의 밀도가 약 830배 이상 큼으로써 풍력을 이용한 프로펠러보다 수차발전기의 블레이드는 그 크기를 보다 작게 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 풍력을 이용하는 경우에는 통상적으로 풍속이 초속 10～20m내외로 그 속도가 빠른 반면 조류의 속도는 국내의 경우 초속 2～5m 내외가 대부분이다.

한편, 조류발전용 블레이드를 대형화 할 경우 조류속도가 초속2미터 이하로 낮다 할지라도 저속의 블레이드 회전을 증속기어박스를 이용하여 빠른 속도로 변환시킨 후 발전기를 회전시킬 수 있도록 하는 기술의 확보가 가능하게 될 수 있는 효과를 얻을 수 있게 되는 장점이 있다.

따라서, 구조체의 시설에 따르는 비용을 크게 낮출 수 있으면서도 대형의 조류발전용 블레이드를 간편하게 설치하여 운용할 수 있는 조류발전용 블레이드의 개발이 필요하였다.

즉, 수면에서부터 해저바닥까지의 깊이가 40m이고 조류간만의 차가 6m 일 경우 조류가 형성되는 깊이는 34m 에 달해 한쪽의 블레이드 길이가 15미터 이상이어도 가능하다는 결론이고 블레이드와 조류의 접촉면적의 증대는 물론 회전면적을 증가시켜 그만큼 비례하여 조류발전의 양도 늘어날 수 있게 된다.

그런데 이러한 대형의 블레이드를 설치한다 할지라도 조류방향이 12시간을 경계로하여 두 번씩 바뀜으로하여 수차발전기 전체를 조류방향에 일치하도록 변경하거나 조류방향에 맞춰 수차발전기가 내장된 밀폐케이싱의 전 후단에 각각 블레이드를 설치하는 형태를 갖추는 방안이 모색될 수 밖에 없었다. 따라서, 조류방향이 정, 역 방향으로 바뀐다 할지라도 블레이드는 항시 일방향으로 회전될 수 있는 형태로 개발하여 장치될 필요성이 발생되었고 이를 위한 구체적인 기술개발이 요구되었다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0697717호(2007년 3월 20일 공고, 발명의 명칭 : 조류 발전 장치)에 개시되어 있다.

종래기술에 따른 조류 발전 장치는, 조류의 방향에 따라 블레이드의 회전 방향이 바뀌도록 설계되기 때문에 블레이드의 동력이 전달되는 회전축의 회전 방향이 조류의 흐름에 따라 바뀌게 되어 지속적인 발전량을 유지할 수 없는 문제점이 있다.
따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은, 수차발전기에 설치되어 조류에 의해 회전되면서 조류발전에 요구되는 회전력을 제공하고, 조류 방향이 바뀌어도 항시 일방향으로 회전할 수 있도록 하는 조류발전용 블레이드를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 조류발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 있어서, 상기 수차발전기에 연결되고, 수중에 잠기도록 배치되는 본체; 상기 본체로부터 상기 본체의 일측 방향으로 돌출되어 이루어지는 경사면; 및 상기 본체를 중심으로 상기 경사면과 대칭되도록 상기 본체로부터 타측 방향으로 돌출되어 이루어지는 후면경사면을 포함하고; 상기 후면경사면은 상기 경사면과 대칭되도록 상기 본체로부터 돌출되는 후육부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 본체가 정방향 또는 역방향 조류에도 일정한 방향으로 회전되도록 상기 본체로부터 일측 방향으로 캠버가 돌출되어 상기 경사면을 형성하고, 상기 본체로부터 타측 방향으로 상기 후육부가 돌출되어 상기 후면경사면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 본체의 안쪽 단부에는, 발전기와 연결되는 허브와 연결되도록 연장파이프가 구비되는 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드.

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본 발명은 조류발전이 가능하도록 수차발전기에 설치되는 조류발전용 블레이드에 관한 것으로서,

조류의 흐름방향이 정방향과 역방향으로 주기적으로 변화가 일어난다 할지라도 항시 일방향으로만 회전이 가능한 블레이드를 제공하므로 발전기를 밀폐케이싱 내부에 복수로 설치하여 구동이 가능하게 하여 단일 조류발전시스템을 통해 발전효율을 극대화할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 수차발전기가 설치된 상태를 나타낸 개략도
도 2는 본 발명에 의한 수차발전기가 설치된 내부 상태를 나타낸 개략도
도 3은 본 발명의 일방향 회전기능을 갖는 에어포일형 블레이드 부분 사시도
도 4는 도 3의 B-B' 단면도
도 5는 본 발명의 일방향 회전기능을 갖는 판형 블레이드 부분 사시도
도 6은 도 5의 A-A' 단면도

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 첨부된 도면과 함께 본 발명을 설명한다.

도 1은 지주체(4)에 설치된 수차발전기(1)의 형태를 표현한 개략도이다. 수차발전기(1)는 지주체(4)에 고정 설치되며 수차발전기(1)에는 조류에 의해 회전하도록 블레이드(2)가 설치된다. 블레이드(2)는 2개 이상의 날개를 포함하여 이루어지는 다익형 블레이드로 설치되며 회전력은 축 샤프트(10)를 통해 발전기(7)를 회전시켜 전력을 생산하게 된다. 물론 증속기어(8)를 설치하여 느린 블레이드(2)의 회전수를 발전이 가능한 회전수로 증가시키는 구조를 택하게 된다.

블레이드(2)는 통상 목재나 금속재질을 이용하여 제작하기도 하나 조류발전용 블레이드(2)는 그 크기가 대형화하면서 블레이드(2)의 무게를 감소시키기 위해 에프알피(FRP) 등 섬유강화복합재료가 사용되고 있다.

섬유강화복합재료는 작용하는 하중을 지지하는 보강섬유와 섬유에 하중을 전달하면서 보호하도록 기지재료로 구성된다. 대체적으로 보강섬유는 유리섬유와 탄소섬유가 사용되어지며 기지재료로서는 폴리에스테르수지와 에폭시수지가 사용되고 있다. 이러한 섬유강화복합재료로 제작되어지는 조류발전용 블레이드(2)는 제작의 편의성을 이용하여 대형의 블레이드로 제작이 가능하게 될 뿐 아니라 블레이드의 형상을 작업자의 의도에 맞게 용이한 제작을 행할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 조류발전용 블레이드는, 발전기(7)와 연결되어 수중에 노출되어 설치되는 허브(3)와, 허브(3)에 결합되어 설치되는 본체(2)와, 본체(2)로부터 일측 방향으로 돌출되어 형성되는 경사면(11)과, 본체(2)를 중심으로 하여 경사면(11)과 대칭되도록 본체(2)로부터 타측 방향으로 돌출되어 형성되는 후면경사면(14)을 포함한다.
본체(2)의 회전방향에 형성한 경사면(11)과 대칭되도록 후면경사면(14)을 형성하기 위해 구성하는 후육부(15)와 신캠버(13)로 구성된 것을 특징으로 하고 있다.

블레이드의 본체(2)는 양력을 형성할 수 있도록 하기 위해 균일한 두께를 갖는 판형부재(30 : 도 5 참조)를 비틀거나 캠버(12)를 형성하여 조류가 들어오는 방향 쪽으로 경사면(11)을 형성시켜 조류에 의해 회전할 수 있도록 그 형태를 갖게 하고 있다.

조류방향이 정방향 또는 역방향 어느 쪽에 있다 할지라도 항시 일방향으로 블레이드의 본체(2)가 회전할 수 있도록 에어포일형으로 형성되는 본체(2)의 상부에는 캠버(12)를 형성하고 하부는 그 단면을 날카롭게 형성된다.
캠버(12)에 의해 형성되는 경사면(11)의 단면은, 전면과 후면이 대칭되도록 후면에는 덧살을 붙여 후육부(15)가 형성되고, 후육부(15)에 의해 후면경사면(14)이 형성되며, 후육부(15)와 캠버(12)가 연결되는 부위에는 신캠버(13)가 형성된다.

또한 일정한 두께를 갖는 판형부재(30)를 비틀어 양력을 갖게 하는 경우에는 비틀어서 형성되는 경사면(11)과 동일한 대칭의 후면경사면(14)을 가질 수 있도록 판형부재(30)의 상단에 후육부(15)를 갖는 신캠버(13)를 형성하고 신캠버(13) 선단은 유선형으로 가공하여 구성되도록 한다.
따라서 조류방향과는 관계없이 판형부재(30)가 일방향으로 회전될 수 있도록 하면서도 회전시 발생될 수 있는 회전 저항을 최소화할 수 있도록 하였다.

물론, 블레이드 본체(2)의 일반적인 현의 선(17a)을 기준으로 할 경우 조류방향의 쪽은 얇고 그 후면인 반대 방향은 두텁게 형성된 형태이나 본 발명은 블레이드의 본체(2)에 복수의 현의 선(17b)을 갖도록 함으로써 정 , 역방향의 조류방향에서도 일 방향으로 본체(2)가 회전되도록 한다.

따라서, 캠버(12), 신캠버(13) 또는 후육부(15)의 두께의 얇고 두꺼운 것에 대하여는 큰 의미를 부여하지 않아도 될 것이다.

또한, 허브(3)와 연결되는 블레이드의 본체(2) 안쪽 단부에는 연장파이프(16)를 연결하여 본체(2)의 길이를 길게 구성하도록 하였다.

이렇게 구성된 블레이드의 본체(2)는 수차발전기(1) 내부에 설치된 단수의 발전기에 연결되어 가동되거나 또는 블레이드의 본체(2)는 수차발전기(1) 전 후단에 복수로 설치되고 내부에 설치된 복수의 발전기(7)에 각각 연결하여 독립적으로 발전이 가능하도록 구성하였다.

한편, 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (4)

1. 조류발전이 가능하도록 수차발전기에 연결되고, 수중에 잠기도록 배치되는 본체와, 상기 본체로부터 상기 본체의 일측 방향으로 돌출되어 이루어지는 경사면과, 상기 본체를 중심으로 상기 경사면과 대칭되도록 상기 본체로부터 타측 방향으로 돌출되어 이루어지는 후면경사면을 포함하는 조류발전용 블레이드에 있어서,
   상기 후면경사면은 상기 경사면과 대칭되도록 상기 본체로부터 돌출되는 후육부를 포함하여 이루어지고;
   상기 본체가 정방향 또는 역방향 조류에도 일정한 방향으로 회전되도록 상기 본체로부터 일측 방향으로 캠버가 돌출되어 상기 경사면을 형성하고, 상기 본체로부터 타측 방향으로 상기 후육부가 돌출되어 상기 후면경사면을 형성하고;
   정방향 또는 역방향의 조류방향에서도 일 방향으로 상기 본체가 회전되도록 상기 본체에 복수의 현의 선을 갖고, 상기 현의 선을 기준으로 할 경우 조류방향의 쪽은 얇고 그 후면인 반대 방향은 두텁게 형성되는 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 본체의 안쪽 단부에는, 발전기와 연결되는 허브와 연결되도록 연장파이프가 구비되는 것을 특징으로 하는 조류발전용 블레이드.
4. 삭제

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